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水、清潔劑、時間:洗東西要怎麼能省則省?

黃誠熙(Sky Huang)
・2015/05/20 ・2977字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

source:Sippanont Samchai
source:Sippanont Samchai

文/黃誠熙(Sky Huang),目前為UCLA材料系博士候選人

在生活中我們常常洗東西:洗碗、洗杯子、洗衣服…等等,可是怎麼洗東西才最有效率呢?讓我們先來想像一下洗東西的過程中發生了甚麼事情:我們在容器中注入水,髒東西會溶解到水中形成水溶液;接著我們把水倒掉,此時雖然大部分的東西都進入了下水道,但仍有一部分的水溶液留在容器中,他們或許存在杯壁上(例如洗過後的杯子放置一陣子底部會累積杯壁上受重力吸引而滑落的水),或是洗衣服時殘留在衣服中怎樣也扭不乾,而這些水溶液就是我們無法洗淨東西的原因。

那到底要怎樣洗東西才會清潔溜溜又省水、省時間,有效率到讓 CP 值破表呢?

1.洗衣服要沖幾次水才會乾淨?-單次清洗的水量固定時,沖洗次數和殘留的關係

先來考慮洗衣服的情況。洗衣服時會先放入洗衣精洗淨衣物,接著再注入水把洗衣精沖掉。我們是否有時候會擔心洗衣精殘留呢?到底沖洗一次和兩次和三次殘留洗衣精的量的差別是什麼呢?

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首先,先帶入一些變量:

  • x:倒入的洗衣精的重量(克)
  • W:裝滿洗衣機的水溶液的體積(公升)
  • L:排水以後還殘餘的水溶液的體積(公升)

可以計算,洗過一次以後,剩餘的洗衣精的量是螢幕截圖 2015-05-17 23.04.12克。因為在此問題中,螢幕截圖 2015-05-18 03.07.35為一個常數,因此我們帶入一個常數C=螢幕截圖 2015-05-18 03.07.35。則我們可以計算重複加水再排水這個步驟三次,殘餘的洗衣精的重量為xC3。因此,在洗滌n次之後,殘留洗衣精的關係式為:

殘留洗衣精  2015-05-18_154139      (1)

結論:殘餘的洗衣精會隨著清洗次數指數下降,假如C是0.1,那洗一次殘存10%,洗兩次殘存1%,洗三次殘存0.1%,以此類推。

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2.手滑加了太多清潔劑怎麼辦?-固定的清洗過程,加入的清潔劑重量和殘留的關係

有的時候我們會不小心手滑加太多洗衣精,或是因為衣服比較髒而加入較多的洗衣精。這時候你可能會想,那之後會不會殘留大量的洗衣精而影響健康呢?

我們可以再次使用方程式(1)來了解這個問題。在這次的問題中,因為是固定清洗過程,所以洗衣機的水體積固定,排水後殘留在洗衣機和衣服中的水溶液體積固定,清洗次數也固定,因此,在方程式(1)後面的C為常數,殘留的洗衣精重量也就取決於一開始加入的洗衣精重量x。這意思是說,假設我們不小心手殘倒了兩倍的洗衣精進洗衣機裡,事實上最後衣服上殘留的洗衣精的量也只是正常沒有手殘的兩倍,似乎,好像也不用太擔心呢(?)

結論:殘留的洗衣精的量直接正比於一開始倒入洗衣機的重量

15871136194_ff25c47882_z
source:Apionid

 

3.碗要怎麼洗會比較乾淨?-總水量固定時,清洗次數和殘留的關係

接著讓我們看看如何洗碗。想像有時候我們想要節省水,譬如出外露營,攜帶的水有限;又或是想節省時間,像是,一邊洗碗一邊發現電視中球賽快要開始了。這時我們就會想知道最有效率的洗碗法,可以洗得快又乾淨!因此,這邊想討論:在固定水量(假若水龍頭水流量固定,亦為固定時間)的情況下,哪一種方式洗滌會洗的最乾淨;是一次把水用完呢,還是分兩次但是每一次只有一半的水,或是分四次?是否有一個”魔法數字”可以得到最佳的洗滌效果呢?

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推導過程如下:同樣令髒東西一開始有x克,我們可以使用的總水量是W公升,在分n次洗滌的情況下,每次倒入2015-05-18_152857公升的水清洗器具後倒掉,進行n次,而每次倒掉之後殘餘的水溶液為L公升。我們先來看幾個例子;若是我們一次用完全部的水量W,則殘留髒東西的重量為螢幕截圖 2015-05-17 23.04.12;若是兩次用完,每次使用水量為2015-05-18_153532,則為2015-05-18_153642。因此,我們可以寫下殘留的髒東西的量為:

殘留髒東西  2015-05-18_153844      (2)(註1)

其中和上面一樣,為固定的值螢幕截圖 2015-05-18 03.07.35,我們把它令成常數C。我們想要知道的就是,甚麼樣的n可以讓y有最小值,但是這個方程式是個有點複雜的方程式,因此我們嘗試使用數值解(註2),也就是畫出y和n的關係式,使用肉眼來找出y的最小值。下圖是數個不同的C的值y隨著n的變化情況:

2015-05-18_155219

在這邊我只畫出合理的n的範圍(應該不會有人想要重複洗一個東西洗超過10次吧?),可以發現不同的C值會有不同的趨勢。當C=1%時,只要持續增加n就可以大幅降低殘留的比例,C=5%也是;然而當C=20%或是更高時,就會在1~3之間出現最小值。

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結論:如果洗一些殘留溶液不會很大的東西,例如說磁器杯、碗,這種表面光滑的東西時,必須要分越多次洗越乾淨;而當洗一些殘留溶液較大的東西,譬如說衣物、地毯…等等會吸水的東西時,則可以考慮分較少次數洗。

從這個結論我們也可以知道,有時候清洗可樂空瓶(2L空瓶)時,我們裝了半滿的水就會懶惰的蓋起瓶蓋搖晃,然後再裝半滿水再搖晃,其實是比裝滿水以後倒掉來的有效率的做法。

故事說到這邊,或許有些眼尖的讀者可以發現一個bug!那就是,無論加入多少溶質(清潔劑、髒污),水都可以瞬間把他們全部溶解,沒有溶解的上限,也沒有溶解速率的問題。沒錯,為了讓問題比較好處理,我們假設所有的溶質是完全可溶,而且是在飽和溶解度以下的情況。但是在上面的推導中可以看到當我們分多次清洗,水的量變少時,例如說只裝20mL的水進入,或許x公克的髒東西就不能完全溶解。

另外一個問題是:上面考慮的是平衡的情況,也就是我們想像當加入足夠多的水時,溶質會立刻被水溶解,但是真實情況是,水加進去不一定會一瞬間就把溶質溶解,就好像喝咖啡加糖,一開始糖也溶不開,洗碗也會遇到這種非平衡的情況(而且我們不會等到他全部溶解,太浪費時間)。在此情況下,就會變得較為複雜而難以使用理論來研究(請看註3初步的理論),此時,就必須倚賴各位的觀察來決定清洗次數囉!

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  • 註1:這個方程式成立的條件為:被清洗的容器容量要大於2015-05-18_152857,否則我們就無法把這麼多的水裝進容器中,而也就無法用這種方式清洗了
  • 註2: 事實上我們可以將y微分,解 2015-05-18_155842=0,並且確認找到的極值為最小值,即可”解析解”這個問題;也就是解 2015-05-18_155842=[ln(nC)+1](nC)n=0
  • 註3:如果沖水一次溶解溶質的量是溶質總質量以及沖水的量的函數F(x,t),也就是假如在某一次沖水前溶質的量為x,而我們沖水沖了t時間,則最後被水帶走的溶質質量為F(x,t)*C(C為L/W,與內文相同)。在這種情況下,假若剛開始髒東西為m克,每次沖水的時間T,第一次清洗後帶走的髒東西量是:C*F(m,T),殘留1-C*F(m,T),第二次為:F(1-C*F(m,T),T),殘留1-F(1-C*F(m,T),T),以此類推,為一遞迴函數。
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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過了這個數就超標啦!最大殘留容許量是怎麼來的?超標就會中毒嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2019/06/17 ・2609字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 465 ・五年級

  • 文/文詠萱

這個年頭,有時好好吃頓飯也是件不容易的事兒。

「今天有你最喜歡的香腸,吃飯吧!」兒子剛回家,把書包放好後來到客廳。爸爸從廚房端了最後一道菜出來,並將餐桌上的飯碗拿給兒子。

「好。」兒子一屁股坐下,拿起遙控器打開電視,直勾勾盯著電視,心不在焉地答著,雖然電視播著的是新聞。

爸爸見狀一邊夾了一大口茄子到自己的碗裡,一邊說道:「別顧著看電視,今天煮了茄子,多吃點。」

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這時電視主播換了一則新聞:「衛生局抽驗某超商蔬果,驗出 6 件蔬果農藥超量數百倍,全數下架……。」

兩個人面面相覷。

「……你沒看到剛剛那則新聞嗎?茄子有毒!你還要吃茄子。」兒子瞪了眼爸爸

「什麼叫有毒?它是說有農藥超標,這跟有毒完全兩回事!」爸爸索性再夾兩筷子到飯碗裡。

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「有農藥這種化學物質,怎麼會沒有毒?」兒子還是一臉不可置信的樣子。

茄子茄子,吃還是不吃呢?圖/pixabay

化學物質無所不在,「劑量」才是決定毒性的關鍵

一般人常講這個東西是「化學的」,那個東西是「天然的」,化學物質這幾個字聽起來雖然有點可怕,但其實所有東西都是化學物質,差異只在於該物質是由天然來源取得,或者是由人工的方式合成製造,包含你喝的水、你呼的空氣、你正在吃的飯,都是化學物質!

當你認為水是安全、「沒有毒」的時候,其實也有人會因為喝過量的水而出現所謂「水中毒」的現象。

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一個化學物質到底對人有什麼影響,其實都和「劑量」有關。就像俗話說的「是藥三分毒」只要劑量超過人體可以處理的量,讓你不舒服或是有生命危險,就是中毒。一般我們常說的毒藥,其實就是它造成中毒的劑量很低。

再舉例來說,「鹽巴」也就是「氯化鈉」是調味必須要有的成份,但人人皆知,太多鹽巴不只太鹹難以入口,更還會變成對身體有危害,這就是劑量的概念。

要怎麼知道人吃多少化學物質會中毒?

既然我們知道劑量決定毒性,那要怎麼知道人吃多少會中毒呢?

除了藉由的過去經驗和資料評估化學物質的安全性,現在新研發的化學物質,還會透過做實驗、做研究,無論是食品添加物或農藥,各種生活中很常遇到的化學物質,科學家都是希望他們能夠好好運用,在不危害人體健康的前提下,提升人類生活的品質

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化學物質的安全使用量主要是透過動物實驗,獲得『無明顯不良反應劑量(No-Observed-Adverse-Effect-Level, NOAEL)』,即是沒察覺到不良反應的最大劑量。透過試驗得到的無明顯不良反應劑量,再除上安全係數就是每日容許攝取量,而安全係數會考慮不同物種間的差異性、同物種的個體差異等因素來訂定數值,較常見的數值為一百。

而新聞上常說某種物質「超標XX倍」,難道不會超過每日容許攝取量嗎?其實新聞說的是超過「最大殘留容許量(Maximum Residue Limits, MRL)」,這個標準是針對非刻意添加的殘留物,如飼料、農藥等,設定一個執法標準。這個標準並不會超過就會讓人中毒、生病,而是法律規定若是超過這個值,供應商就會受罰,屬於行政規範。

最大殘留容許量的設定,會參考該物質每日容許攝取量、當地飲食習慣(例如食用的部位、食用的量等)、田間農藥測試及國際標準且還會將自然界中,例如水、空氣或其他來源中,原本就包含這些物質的風險扣除。因此,最大殘留容許量是遠低於每日容許攝取量。所以超標好幾倍不見得就是很危險、會中毒,那只代表在規範下,廠商將會受到懲罰。

政府制定的檢驗標準,為什麼不能一律比照國際標準?

由於各國的飲食習慣不同,規定最大殘留容許量的標準也會不一樣。像是台灣人以米食(水稻)為主,而歐美地區則是以小麥或馬鈴薯等作物為主食。因此在參考國民攝食量而訂定的最大殘留容許量標準亦會不同。

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由於飲食習慣不同,各國的最大殘留容許量標準也不同。圖/pxhere

那麼,前面還提到空氣和水中等環境中,本來可能就包含被檢測的物質含量,那新聞報導、食品廣告中有時候會提到「零檢出」,是不是表示檢查的人在偷懶?

事實上,使用「未檢出」這個詞來取代「零檢出」可能會比較妥當,因為檢測儀器與方式的敏感度不同,導致測量物質最低含量的偵測極限也有不同。很多可能以前驗不出來的物質,會沒有評估標準可以參考,消費者當然會希望所謂「有毒物質」檢測出來為零,但就像前面說的,「劑量」才是決定風險的因素之一。所以現行依據科學資料定明訂適合台灣的檢驗標準的作法,就是希望有效把關。檢驗結果若在法規容許範圍內,理論上是不會對健康造成影響的。

挑選經標章認證的食材,安心買菜吃菜

「哦!原來如此!」經過一連串的資訊轟炸,兒子筷子轉了圈,還是閃過了茄子。

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不過都說了這麼多,爸爸忍不住想把所有的一吐為快。

「但我一向主張,與其事後檢驗,不如事前好好把關。與其擔心吃到的蔬菜水果由農藥殘留,一開始就應該要買可靠的產品。」

「農藥我又看不到,這是要怎麼挑啊?」兒子馬上抱怨。

「看標章啊!現在許多優良農產品都有經過政府認證,甚至有 QR code 或者編號可以讓人追本溯源農產品的產地商家的食材,從前兩年起,台灣的營養午餐食材基本上都已使用『CAS有機農產品標章』、『CAS臺灣優良農產品標章』、『產銷履歷認證標章』,以及『台灣農產生產溯源QR Code』。你若是會擔心,人家標章認證都幫你作好好的,只要認識一下就可以安心買菜啦!」今天的菜大多兒子自個兒挑的,居然看個新聞就不想吃了,爸爸忍不住碎念了一下。

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「是是是,下回買菜肯定認清楚。」不過吃個飯還被上了門化學課,兒子覺得今日有些心累。

「看到類似的新聞不要慌張、不要害怕,秉持科學家的精神,就能看清楚事情的樣貌。」爸爸終於拿起筷子開始吃飯了。

「好吃好吃!爸你快吃!」兒子夾了幾塊茄子,塞到爸爸碗裡。

本文由作物永續協會及泛科學合作企劃執行

參考資料:

  1. 怎麼決定多少「劑量」對人體有害?
  2. 真的能「零檢出」嗎?食品檢驗的四大迷思
  3. 重金屬、農藥「零檢出」,反而成為有機農業的絆腳石?
  4. 要求有害物質「零檢出」,為什麼這麼難?
  5. 化學殘留、疑似致癌物讓人心惶惶?劑量才是關鍵!

延伸閱讀:

化學物質這~麼多,要怎樣才可能成為合格的農藥呢?

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