2017 一月號
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第134期電子報  出刊日期:1060115


科學新文摘

 

去去,臭味走! 空氣清淨機如何讓室內空氣更乾淨?

你有聽過「病態建築物症候群」(Sick Building Syndrome)嗎?事實上,這是一個生活在現代你我,都可能會遇上的問題。

隨著當代社會變遷,如今有越來越多人的平日生活在室內度過,不論是工作或是許多休閒活動;而當我們身處於密閉的建築空間時,由於通氣量的不足,更容易使得污染物增加,進而導致空氣品質的惡化。這種因建築物內空氣污染導致人感到不適或身體出現異常症狀的狀況,在 1982 年被世界衛生組織(World Health Organization, WHO)定名為「病態建築物症候群」。

仔細想想,是否在我們平常環境中,曾不自覺出現類似的症狀呢?

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隨著現代社會變遷,病態建築物症候群更易出現在你我身上。圖 / @ epscoindia

面對這個問題,首先我們要先思考在平日生活環境中,可能帶有哪些影響空氣品質的污染物。一般來說,最常見的主要有四大類:分別為揮發性有機物粒狀污染物生物污染物及其他的氣狀污染物。而當我們面對不同的空氣污染物時,所需面對的解決方式也將有所不同。

當然,不管面對哪一種空氣污染物,首先最簡單、也最重要的方法便是找到污染源頭,並且將之移除。然而在很多情形下,縱使我們找到污染源,卻往往不見得能有效控制,於是就要依賴某些淨化技術,來幫助我們在平日生活環境中,例如辦公室,能享有較佳的空氣品質。而這時對於多數人來說,如何達到「抑菌」、「去味」這兩件事就十分重要了。那麼該如何達到呢?

疾疾,護法現身:抑菌之術

在「抑菌」的部分,其實就是意味著如何處理生物污染源。所謂的生物污染物,主要為微生物,例如某些真菌、病毒、細菌甚至寄生蟲等,以不同的形態存在於我們生活之中,對於某些人來說,也可能會因為這些微生物而產生過敏或是感染等問題,因此空氣中的生物污染物該如何淨化,是一項十分重要的議題。

那麼如何抑制生長,甚至滅除牠們呢?舉例來說,我們可以利用光觸媒(photocatalyst)技術來操作。這項技術除了能讓某些帶有異味或有害的氣體被分解為無害無臭的產物外,同時也能對某些空氣中的微生物外膜進行破壞。那麼光觸媒是怎麼殺掉牠們的呢?事實上,在光觸媒的處理過程裡,當半導體材料受到光的照射後會產生電子電洞對〔註 1〕,其中電洞與水分子會形成氫氧自由基,電子則是和氧分子構成氧離子,而自由基因為具有強大的氧化還原能力,因此才能夠達到部分殺菌的效果。

除了光觸媒,透過紫外線光技術也是一項辦法,因為紫外線的波長介於 10 mn ~ 400 nm,代表相對的能量及穿透力都較高,所以在它的照射下,容易破壞微生物的核糖核酸(RNA)、脫氧核糖核酸(DNA)等,所以便能影響空氣中微生物的存在比例。

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光觸媒(photocatalyst)示意圖。左邊為人造光觸媒簡示原理,右邊光合作用下的葉綠素也可視為天然的光觸媒。圖 / @ titanpe

止止,臭臭消:去味大法

而「去味」的部分,則是在於如何處理揮發性有機物,或是某些粒狀污染物

首先是粒狀污染物,通常我們能採用好幾種不同方式處理,例如負離子技術。這種技術主要不是用來除去空氣中的塵埃,而是藉由產生的帶電粒子,將它在空氣中所遇到的其他灰塵進行吸附,因此慢慢的,當凝聚的粒子越多,自然最後就會沈降下來,也就是降低飄浮在空氣中粒子的比例,而達到潔淨的效果。

除此之外,較常見的還有靜電集塵纖維過濾法。前者對於更細微的粒子較有效,原理主要為透過電場來捕獲帶電的粒子,而作法通常為將空氣中的微粒離子化(也就是讓它攜帶電荷),如此就能提高捕獲率;後者纖維過濾法簡單來說,即為過濾網。過濾網的處理方式就是透過各種交錯的纖維來阻擋粒狀污染物,而目前比較常見的為高效率濾網(High Efficiency Particle Arrest, HEPA),這種技術在達到淨化的目的上,又可再分擴散(Diffusion)、撞擊(Impaction)及攔截(Interception)三種原理。舉例來說,攔截的方式就會利用空氣中微粒與過濾網纖維之間的結合力而達到效果,而這種力則包含透過氣流流經纖維所產生的靜電、又或是依據分子間的凡得瓦力(van der Waals’ force)來作用。

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高效率濾網(High Efficiency Particle Arrest, HEPA)簡示圖。圖 / By LadyofHats, Public Domain,wikimedia commons

而在處理「揮發性有機物」方面,更是能夠有效達到去味的效果。通常這些來源可能包含工作環境中的印表機、文具,或是一些建築材料、油漆等所釋放出來。面對這些污染物,我們可以透過吸附(adsorption)原理解決,而活性碳(Active Carbon)就是一個不錯的幫手。

利用活性碳的吸附性質,我們又可以再將之初分為物理及化學兩種機制。物理機制的部分,其實就如同前述處理粒狀污染物時所利用的濾網概念類似,主要在於利用分子之間的凡得瓦力(van der Waals’ force),又或是靜電力,來達到捕捉空氣中氣體分子的效果。而化學機制的部分,則是想辦法與污染物進行反應,也就是說,透過一連串作用,將污染物進行催化、中和、或是氧化掉來使之變成無污染的狀態,這樣的好處在於通常反應快速,而且容易選擇要處理的污染物,也就是具備高選擇性。

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活性碳原貌。圖 / By Ravedave, CC BY 2.5, wikimedia commons

上述我們提到了好幾種空氣淨化方式,其實大部份仍還有它的局限性

以濾網來說,雖然它可以幫助我們降低空氣中的污染物,但當濾網所承載的灰塵量達到一定程度,那麼它就會失去原本的效用,而若長時間下來未進行更替,更有可能造成二次汙染;另外關於活性碳,前述提到,這種材質雖然可以達到「去味」的效果,然而假如選擇的是粒狀活性碳,那麼比表面積相對就會比其他活性碳來的小,因此飽和吸附量就會較低;又或是我們選擇纖維狀活性碳,雖然比表面績變大,但是相對價格也較貴。

也有另外一種不同於上述的新型有效的空氣進化技術:光水離子化(Photo-Hydro-Ionization, PHI),其原理為藉由特定波長的紫外線照射至金屬催化劑表面,使其產生正負電荷,並各自結合空氣中的分子(如負電荷與空氣臭氧結合形成O3–,而位於金屬表面的水分子則形成帶正電的H2O+),帶正電的H2O+接著奪取臭氧中的氧原子,使之形成O2–、H2O2+及H2O2,而這些物質便進而在空中飄散,最後消除空氣中的污染物。這個技術的細節原理,下一篇文章會有更詳細的介紹。

綜觀市面上的空氣清淨機,最常見的是「過濾網」,也就是藉由過濾空氣中的污染源來達到清淨的效果,但如前面所述,就是要常常更換,否則清潔效果將大打折扣,還可能造成二次汙染。此外,如果他有強調抑菌效果的話,很有可能是利用「光觸媒」或是「紫外線」等技術。當然除了淨化空氣還標榜除臭、抑菌等其他功能的空氣清淨機,自然價格也有可能會比較高。

從以上簡單例子我們可以理解到,其實青菜蘿蔔各有所好,沒有哪一種方法佔有絕對優勢,或是全然缺點,主要還是在於我們想達到什麼功效多一些,是「去味」,還是「抑菌」,願意承受的成本又落在哪個門檻,透過這些考量,就能幫助我們找到最適合的凈化方式。當然啦,除了添購一台適合的淨化機器,並多方汲取空氣淨化的知識及應用方法外,利用空閒時多出去走走,避免長期待在室內,也可助於我們在平日生活環境中,更有效的提升生活品質!

.註 1:電洞(Electron hole)指的是在共價鍵上流失一個電子,最後在共價鍵上留下空位的現象。

本文由 O.verna 委託,泛科學規劃執行

參考資料:

 

文章來源網址:http://pansci.asia/archives/110683


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日本博多車站大洞是工程神話幻滅?你想太多了!

016 年 11 月 8 日清晨,日本福岡的博多車站附近的馬路突然間「破了大洞」,大洞的長寬大約 30 公尺,深達 15 公尺。不僅日本人關注,台灣媒體也大量引用新聞和影片報導。

幾天後,新聞瘋狂神化日本工程界,說什麼一下子就補好修好太神了。不料,再過幾天原地點道路又下陷了幾公分,但這次日媒還沒說,我們便搶著腦補「工程神話破滅」了!

用關鍵字和時間查詢,就會發現令我超白眼的新聞。圖/網路截圖

用關鍵字和時間查詢,就會發現令人超白眼的新聞。圖/網路截圖

當我看到這些報導(尤其是打臉工程神話的部分)時,白眼都快翻到後腦勺了……,於是忍不住跳出來說明白。為什麼這件事情這麼重要?因為無論如何,我們的生活脫離不了工程建設,了解工程地質與災害為什麼會發生很重要。當家裡附近施工時,我們需要當心什麼?災變事故也不一定是豆腐渣工程,與其跟風罵人,不如認真了解。

先來聊聊工程人的惡夢:地下水

地下水層並不是指在那一個地層中只有水沒有其它東西,多數地層中的沙土顆粒都有孔隙,孔隙中不是空氣就是水。當孔隙都是水,我們稱這種地層為「地下水層」,而它的上界就是「地下水面」。

如果你曾到海邊堆過沙堡、做過沙雕,就會知道沙太乾堆不起來,但水太多又會整組壞光光,唯有「剛剛好」的濕潤程度,才能堆出穩固的沙堡。相同的,工程向下挖掘會破壞地層受力平衡,但如果開挖的岩層或土層膠結好、含水量也剛好產生足夠內聚力,就不會一挖洞就坍塌。不過,要是挖到了滿滿的大平……,啊不是,是挖到滿滿的地下水層時,自然就會漫出水來,不但含水層本身可能帶著泥沙一起崩潰,也可能侵蝕、破壞鄰近的地層,如果是發生在道路下方,就會造成常聽到的「路基流失」。

不妨再回顧一下 2016 年初台南地震後廣泛討論的「土壤液化」議題,在看土壤液化發生的潛勢時,其中一個條件就是「地下水」。當地震發生時,飽和地下水會讓地層受力不穩定的狀況更加嚴重,因而發生液化的現象。在工程上,解決方案不外乎是改善地質(譬如灌水泥)、將地基的椿打到更深更穩固的地方、把岩層壓密減少孔隙和地下水含量……,總之這些方式的共通點就是:「避開地下水」。

博多地鐵的工法與選擇

建築和挖隧道工法有很多種,但不是全都適合用來挖地鐵,因篇幅有限,就介紹這次事故的福岡七隈線所用的相關工法。主要運用到明挖法(日文:開削工法)、新奧工法(NATM 工法),以及潛盾工法(日文:工法)。

明挖法

「明挖法」的概念最單純,施工方式也最容易,就直接從地表往下挖到目標深度,做好鋼筋水泥設施後,再把土回填蓋上就可以收工。

即使開挖時可能遇上地下水層,也能在事前先用「連續壁」的方式克服。近年來因為大巨蛋的爭議,民眾對連續壁一詞也可能不太陌生。製作連續壁的方式可細分成許多種,但基本概念大同小異:在大規模開挖前,先用特殊機具挖出一道深溝,並利用鋼筋水泥往地下築一道牆,之後再進行較大規模的開挖工程。

這個工法用來蓋地鐵的最大缺點就是浪費土石、水泥,且需要較大的空間施作,所以比較常用在地鐵線路離地表很近的路段,或者是要興建地下車站、停車場的地點。

地下水層、明挖法中會用到的連續壁、潛盾工法會用到的潛盾機示意。圖/作者繪製

地下水層、明挖法中會用到的連續壁、潛盾工法會用到的潛盾機示意。圖/作者繪製

新奧工法

新奧工法的全名叫「新奧地利隧道工法(The New Austrian Tunneling method, NATM)」,因為它就是在 1960 年代開始在奧地利阿爾卑斯山鑽鑿隧道時使用的工法。

但我就沒聽過「舊奧工法」,又為什麼說它「新」啊?那是因為它改良了傳統鑽炸法建造隧道的方式。傳統蓋隧道的方式很簡單,開挖向前推進一小段之後,趕快先用鋼構、噴水泥上去保護讓頂部不會塌,接著加上防水布、再用水泥做好完整支撐(專業術語叫「襯砌」),完成後就和我們平常看到的隧道一樣。

但從後來發現,隧道的支撐經常會在靠近地面之處往內凹陷變形,才發現早期工程師僅考量隧道上方的岩石荷重,卻忽略了「岩壓」。岩壓就像氣壓和水壓一樣來自四面八方,所以建隧道時也該考慮側向的岩壓。而新奧工法就是用較少的鋼筋支架或鋼網,搭配岩栓(可以想成很大的釘子)插進岩層裡面,這樣一來就能照顧到各個方向的受力,還能減少建材的用量。台灣約在 1980 年代引進這個技術,台鐵東部線的自強隧道,便是以此工法突破工程瓶頸順利挖通隧道。

黑色箭頭代表隧道向上支撐的力,藍色箭頭為岩石荷重示意,而紅色箭頭代表來自四面八方的岩壓。傳統工法僅考量岩石荷重(上方黃色區域),但實際上受到岩壓作用會讓隧道底部變形,新奧工法就是適時運用岩栓來讓周遭岩石成為一個「岩拱」(橘色區域),讓岩石可以承受四面八方的岩壓。

黑色箭頭代表隧道向上支撐的力,藍色箭頭為岩石荷重示意,而紅色箭頭代表來自四面八方的岩壓。傳統工法僅考量岩石荷重(上方黃色區域),但實際上受到岩壓作用會讓隧道底部變形,新奧工法就是適時運用岩栓來讓周遭岩石成為一個「岩拱」(橘色區域),讓岩石可以承受四面八方的岩壓。

潛盾工法

潛盾工法最早在台灣「出名」的點不是用在地下鐵,而是雪山隧道。當時預計開挖雪隧的「全斷面隧導鑽掘機」(TBM,以下簡稱潛盾機),因為隧道湧水量太大而埋了一台。

潛盾機的原理就是利用一個圓盤式的鑽盤,利用油壓和鑽盤上的破壞向前推進,推進之後會用預先作好的鋼筋水泥環片支撐隧道,直接當作襯砌來用,這樣一來推進時油壓設備就有施力點了。台灣的捷運也都曾運用過潛盾工法施作部分路線(台北捷運、高雄捷運、機場捷運),算是軌道路線開挖的利器。只要地質條件單純,用潛盾工法是十分便利的做法。而無論是新奧或是潛盾工法,都可以透過路線設計避開地下水層,或是事先作地質改良讓水體能隔絕,面對地下水的威脅也不成問題。

鑽挖地鐵時利用潛盾機的示意圖。圖/香港分子 @ wiki

鑽挖地鐵時利用潛盾機的示意圖。圖/香港分子 @ wiki

福岡七隈線延伸工程中,明挖法通常用在站體結構處,畢竟車站得通到地表;線路的部分幾乎都採用潛盾工法;只有一個地方(線路接月台處)有用新奧工法,這麼剛好,這次陷落就發生在以新奧工法施工的地方!

事故發生處的剖面示意圖。圖/作者參考福岡市交通局與日経重繪

(點擊看大圖)事故發生處的剖面示意圖。圖/作者參考福岡市交通局與日経重繪

是新奧工法的問題嗎?為什麼不能用另外兩種?

由於新奧工法發明時,人們已經注意到岩壓的問題,因此除了施工方式的變革,同時也以監測、計算岩壓的方式了解岩層的受力情形,而新奧工法最大的特點就是盡可能利用適當的岩栓,讓岩石本身就可以成為支撐隧道的力量。這個方法已經用了數十年,照理說應該不是工法本身的問題,而是其它設計或施工因素。

那麼為什麼不能用另外兩種方法?

前面提過潛盾工法適用於地鐵軌道線路的部分,主要是因為它挖出來的是一個圓形管狀的通道,通常都是因應路線的寬度、高度設計。但如果將挖線路用的的潛盾機拿來挖月台,挖完後還要擴孔增加,屆時還是一樣會用到新奧工法。

明挖法就更難了,看了事故地點不難理解,今天我們要挖出一個站體,最少要吃掉半條道路以上,這地點又正好是交通繁忙、樓房林立的地方,操作困難且影響很大,因此最後還是選擇了新奧工法來開挖這段月台。

看了這麼久,大洞的原因到底是…

目前原因不明(笑)。

事故後雖然工程單位與當地交通局有說明,但實際上需要第三方的調查委員會介入調查,等事故原因和責任釐清後才能復工。不過因為網路公開資訊很詳細,所以我們可以從計畫的說明頁面(包括計畫說明、地質調查、區域調查、環境影響評估等等),加上官方公布的資訊,搭配一點點工程地質的知識,來推敲可能的問題點。

圖中標出各種工法的位置以及地質特性,事故發生的地點用黑色星號表示,岩層 Tr 為古第三紀地層,對於工程而言屬於基盤地層(但還是偏軟的風化頁岩、砂質頁岩)。(註::潛盾工法)圖/截自地下鐵七隈線的地質調查剖面圖(環境影響評估報告)

圖中標出各種工法的位置以及地質特性,事故發生的地點用黑色星號表示,岩層 Tr 為古第三紀地層,對於工程而言屬於基盤地層(但還是偏軟的風化頁岩、砂質頁岩)。(註::潛盾工法)圖/截自地下鐵七隈線的地質調查剖面圖(環境影響評估報告)

先來談談地質調查與規畫,我們把地質剖面圖拿來看(因為是開挖地下鐵,所以剖面比地表來得重要)。開挖的位置應該是在古第三紀層的岩盤中,岩盤的主體為風化頁岩、砂岩頁互層,基本上可視為不透水的岩層。照理來說不會太難挖、岩石的強度也應該足夠,甚至還用了監測設備插入前方預計要挖的地方,隨時觀察是否沉陷,準備工作一點也不馬虎。

針對地下鐵七隈線在新奧工法用來監測開挖方向前方地質狀況的儀器,SAA 是用來了解前面有沒有下陷或是斷層等現象,而 T-REX 則是用來了解前方的岩石強度,測量結果可以幫助工程人員規畫開挖方式以及岩栓使用的數量等等。圖/大成建設

針對地下鐵七隈線在新奧工法用來監測開挖方向前方地質狀況的儀器,SAA 是用來了解前面有沒有下陷或是斷層等現象,而 T-REX 則是用來了解前方的岩石強度,測量結果可以幫助工程人員規畫開挖方式以及岩栓使用的數量等等。圖/大成建設

但事件畢竟還是發生了!隧道終究是坍了,就目前的資料來看,岩層應該是出現裂隙,上方的沙土和地下水就一起灌入隧道內埋了坑道。所以我說怎麼會有天外飛來的裂隙呢?

在調查報告出來前,我們先試想幾個可能的原因:

1. 上方的岩層可能沒想像中厚,或是強度沒想像中大:這問題應該會出在地質調查不完善。由於事故點正好在市中心,本來就是個不易直接鑽孔調查的地點,真的好死不死開挖點上方有個原先存在的小裂隙,或是之前蓋房子與鄰近車站時有擾動到的地方也是有可能的。

2. 施工端的問題,可能在挖掘時不慎擾動上方岩層或是沒有計算好應力分布,又或者是打岩栓時真的好死不死打穿了個裂縫都有可能。

3. 或者是上述 1+2 同時發生,因為任何的測量、計算難免都有誤差,所以這也是有可能的。

現階段資料告訴我們什麼?

工程的技術與建築工法是與時俱進的,本來就沒有什麼所謂的工程神話。

要克服先天條件蓋出好的建築設施,需要非常扎實的基礎工夫,包括地質探勘的技術、設計的考量以及確實的施作。或許大家太常看到偷工減料或是設計不良的災變案例,演變成只要一看到出事情,就反射性的聯想到設計不良、人為疏失或是豆腐渣工程。殊不知設計不良的背後原因,除了人為因素,也可能是探勘測量的誤差、科學知識的不足,或是好用的科技還未問世。如同前文中提到的新奧工法,也是從過往的教訓中找到的新方法,因此若能記取「失敗」,便能成為未來的養分。

對了!文中一開始提到回填土後出現的沉陷,那又是怎麼回事呢?又是該 cue 一下土壤液化文章的時候了。當我們回填土時,就算再怎麼仔細的壓密夯實,在追求時效完成的情況下,難免土壤中都會有一定的孔隙。而就像土壤液化的原理一般,震動會讓土壤顆粒重新排列,即使不是高液化潛勢區(沒事不會有人回填成液化潛勢區)也有可能因而微微下陷。就算沒有發生地震,恢復通車後的地面,難免因為行車的振動傳入地下而使下方土壤受影響。

既然無法百分之百避免,最好的方式就是持續監測,當下陷增加時,就必需要有管制交通與行人等因應方式。(現在在負責的大成建設網頁仍可看到持續監測、注入藥劑改善地質的等報告)

12/22 實況補充:從 22 日起(這篇文章刊出隔天),調查單位就開始進行「追加質調查」,簡單來說就是利用鑽井等方式了解隧道上方的地質狀況。雖然說土都回填了,但我們需要了解的不是回填區,而是緊鄰回填區的地質狀況,因此目前看起來井的位置都是位在非常靠近陷沒區的地方。

土壤液化示意,壓密沉陷也是類似的概念,只是不一定會像土壤液化一般造成嚴重的災情。

土壤液化示意,壓密沉陷也是類似的概念,只是不一定會像土壤液化一般造成嚴重的災情。

最後我們來看看第一次調查結果的事故狀況,將時間倒回大洞形成的那天清晨,當 4:25 開始發現異常,到 4:50 大量湧水出現後,5:00 時工作人員便從地下退回到地面、5:10 地面也拉好封鎖線,接著就發生陷落形成大洞,由於發現得早,因此無人傷亡。當然,這也不是神話,而是長期對於工安謹慎、尊重專業並嚴肅應對的成果。工程所追求的並非人定勝天,我們早就知道科學的不確定性,因此工程該追求的極致應該是如何在不確定的科學下,盡可能鋪設一條最穩健、保險的道路。

事故發生後的狀況。事故後第三方介入調查,預計會開三次會議,這是第一次會議(2016/11/29)後公開的的報告,第二次會議預計在 2017 年 2 月召開。

事故發生後的狀況。事故後第三方介入調查,預計會開三次會議,這是第一次會議(2016/11/29)後公開的的報告,第二次會議預計在 2017 年 2 月召開。



感謝大家耐心看完~~如果對地質地科相關科普有興趣也歡於來阿樹的Blog:地球故事書逛逛哦!

參考資訊與延伸閱讀

日文網頁部分:

中文網頁部分:

文章來源網址:http://pansci.asia/archives/111248


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