電解水在農(nóng)副產(chǎn)品深加工中的作用

【專家解說】：摘要 將水加以電解，在陽(yáng)極會(huì)生成具氧化力之酸性水，陰極則生成具還原力之堿性水，這兩種不同性質(zhì)的產(chǎn)出水在實(shí)際應(yīng)用上可分為: 酸性水:殺菌、收斂水、器皿清潔、烹調(diào)、電子零件及晶圓清洗等。 堿性水:飲用、保健醫(yī)療、食物清洗浸泡、電子零件及晶圓清洗等。 電解水之應(yīng)用目前在臺(tái)灣最常見為市售供飲用之電解水機(jī)，以養(yǎng)生保健為主要訴求。為了解電解水之作用機(jī)構(gòu)，本研究將以可調(diào)整基本參數(shù)之實(shí)驗(yàn)用電解水機(jī)，深入了解電解水之制造與電解水之基本性質(zhì)與組成變化情形，及植物生長(zhǎng)與殺菌效果模擬測(cè)試。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分述如下: 加入氯化鈉電解可產(chǎn)生具殺菌力之次氯酸根(OCl-)溶液。 隨著電解時(shí)間增加，陽(yáng)極之pH值遞減，氧化還原電位與導(dǎo)電度遞增。 隨著電解時(shí)間增加，陰極之氧化還原電位遞減，pH值與導(dǎo)電度遞增。 電解水約可靜置3小時(shí)保持性質(zhì)不變，超過則氧化還原電位逐漸回復(fù)電解前狀態(tài)，導(dǎo)電度升高，pH值保持不變。 自來水的O17 NMR圖譜半高寬約為100Hz，電解水則為50 Hz，持續(xù)監(jiān)測(cè)2天無顯著變化，間接顯示電解水水分子團(tuán)較自來水為小。 綠豆芽生長(zhǎng)測(cè)試，其生長(zhǎng)速度及高度依次為電解水、麥飯石水、自來水、去離子水。 市售電解水機(jī)測(cè)試結(jié)果大致與上述結(jié)果相同。 前言 機(jī)能水，顧名思義乃賦與水某種特定效能之新興技術(shù)。日本機(jī)能水專家藤田 矩彥教授曾為機(jī)能水下了一個(gè)較為嚴(yán)謹(jǐn)之定義1:(1)水本身或(2)水中所含有的微量混雜物，在某種條件下(電解、電場(chǎng)、添加物、高溫高壓)，呈現(xiàn)本身卓越的潛在特性，使水達(dá)到某種特定的狀況(打斷氫鍵、改變酸堿度、ORP)，或達(dá)到某種值得注意的目的(防腐蝕，結(jié)垢.. 等)。此種新發(fā)現(xiàn)的水，均稱為機(jī)能水。舉例來說:水分子團(tuán)(Cluster)與超臨界水屬于第(1)類，一些壽命有限的活性種子及金屬離子則歸屬于第(2)類。 其中的電解離子水(以下簡(jiǎn)稱電解水)在日本已被廣泛應(yīng)用在生活飲水、醫(yī)院消毒，此外工業(yè)清洗及農(nóng)業(yè)殺菌方面亦有相關(guān)案例。其制造原理與理論基礎(chǔ)較為成熟2。電解水之應(yīng)用目前在臺(tái)灣最常見為市售供飲用之電解水機(jī)，以養(yǎng)生保健為主要訴求。為了解電解水之作用機(jī)構(gòu)，本研究將以可調(diào)整基本參數(shù)之實(shí)驗(yàn)用電解水機(jī)，深入了解電解水之制造與電解水基本性質(zhì)及組成變化情形。希望藉由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提供國(guó)人使用電解水之相關(guān)基本資料，未來更希望能建立電解水之效能測(cè)試評(píng)估方法，以達(dá)到有效利用機(jī)能水之目的。 一、電解水的原理1 電解水是以電解方式使水之pH值與氧化還原電位改變，并分解產(chǎn)生O2及H2。一般來說，能讓自由能增加的化學(xué)反應(yīng)是不存在的。因此水在自然狀態(tài)下不可能分解產(chǎn)生O2及H2。但是若在水中加入陰極、陽(yáng)極，通上電流，即能比照法拉第定律發(fā)生電解反應(yīng)。陽(yáng)極的材料通常以不易溶解的白金或石墨比較妥當(dāng)。在陰極及陽(yáng)極的氧化還原反應(yīng)如下: 陰極:2H2O+2e- = 2OH- + H2 具還原力之堿性離子水。 E0=0-0.0591pH 陽(yáng)極:H2O = 2H+ + 1/2O2 + 2e- 具氧化力之酸性離子水 。 E0=1.228-0.0591pH 陰極和陽(yáng)極表面生成氫與氧后，電極四周的水，便會(huì)傾向堿性和酸性，氧化還原電位亦隨之改變。在兩極之間插入能限制水移轉(zhuǎn)的多孔性半透膜，或能讓陰陽(yáng)離子有選擇性通過的陰陽(yáng)離子半透膜，即能自陰極收集氫氧離子濃度高具還原力的堿性水，陽(yáng)極收集氫離子濃度高且具氧化力的酸性水，自陰極、陽(yáng)極產(chǎn)生之電解水稱謂目前并未統(tǒng)一，電解酸性水亦稱為電解氧化水，電解堿性水則是電解還原水，本文為統(tǒng)一起見一律稱電解堿性水、電解酸性水。 二、電解水的應(yīng)用 1.堿性離子水(pH=9-11): 根據(jù)廠商之使用建議，主要為生飲、解宿醉、沖茶，咖啡、調(diào)酒、沖泡奶粉、煮飯、烹調(diào)用水、清洗蔬菜、植物澆灌等。 日本有醫(yī)療機(jī)構(gòu)，以堿性離子水代替一般飲用水供給患者飲用。其宣稱之療效包括治療胃腸不適、便秘、下痢、糖尿病、高血壓、改善體質(zhì)等。臺(tái)灣亦有學(xué)者指出堿性離子水可消除人體內(nèi)之自由基(free radical)4 (自由基含不安定之不成對(duì)電子，過多可破壞人體之脂質(zhì)，甚至最后使細(xì)胞突變而產(chǎn)生癌癥)。 此外NEC公司在1994年曾提出以堿性離子水清洗切割晶圓表面，比一般所用之氨水更能有效去除塵粒，且減少化學(xué)品之使用與廢水處理成本6。 2.酸性離子水(pH=5-2.5): 弱酸性離子水可當(dāng)皮膚收斂劑使用，據(jù)稱有美容效果亦可清潔器皿、擦拭家俱等。pH值小于2.5之超酸性水則有殺菌功能，日本有醫(yī)療機(jī)構(gòu)以超酸性水作為消毒傷口及殺菌用。農(nóng)業(yè)上也有以超酸性水替代農(nóng)藥殺菌，再以堿性水改善土壤pH值之例子。日本NEC及Organo公司則發(fā)展出以酸性離子水清洗晶圓表面之殘余金屬離子8，可減少化學(xué)藥劑之使用量。 三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及步驟 1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備: 為能有效控制電解時(shí)之影響因子，本實(shí)驗(yàn)所使用之電解水制造設(shè)備為自行設(shè)計(jì)，電源供給可調(diào)整電解電位，電解電流，水樣進(jìn)樣分為批次式(Batch type)或可調(diào)整流速之流動(dòng)式(flow type)，并同時(shí)監(jiān)測(cè)陰極槽與陽(yáng)極槽之 pH、ORP、導(dǎo)電度變化。設(shè)備簡(jiǎn)圖見圖1，陰極為不銹鋼片，陽(yáng)極為碳棒。 2.藥品: 99.5%氯化鈉(島久制藥)。 3.實(shí)驗(yàn)參數(shù): 影響電解水組成之因素包括電解電位、電解電流、電解時(shí)間(或進(jìn)水流速)、電解質(zhì)種類、半透膜種類等。本研究初步設(shè)定電解電位為60V，進(jìn)樣方式為批次式(Batch type)，比較樣品與改變參數(shù)分列如下: (1)水樣:自來水、2mM氯化鈉溶液、5mM氯化鈉溶液。 (2)半透膜:陽(yáng)離子交換膜。 (3)電解樣品靜置時(shí)間:0-3天。 ▲圖1 電解水制造設(shè)備 4.市售電解水機(jī)測(cè)試: A、B、C三種廠牌電解水機(jī)基本水質(zhì)測(cè)試。 四、結(jié)果與討論 1.電解水的組成分析 在合理解釋電解水各種效能前，首先必須了解酸性水與堿性水基本水質(zhì)資料。本實(shí)驗(yàn)首先以不加電解質(zhì)之當(dāng)?shù)?新竹縣)自來水加以電解，觀察不同電解時(shí)間陰極與陽(yáng)極之水質(zhì)變化情形，其結(jié)果見表1。 由于自來水中，電解質(zhì)有限，即使電解電位提高到最大值60 V，其電解電流亦只有0.22A，且并未隨著電解時(shí)間增加而逐漸放大。但無庸置疑在陰極、陽(yáng)極皆因電解而有離子產(chǎn)生，兩邊之導(dǎo)電度分別由265.5μS/cm增加到406μS/cm、317.8μS/cm。其中包括在陽(yáng)極產(chǎn)生氫離子(H+)，因此pH值由原本自來水的7.63降到4.00，在陰極產(chǎn)生氫氧離子(OH-)，pH值由7.63升高到10.62。氧化還原電位則發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極之變化不大(303mV~376mV)，可能為少量增加之余氯所貢獻(xiàn)(0.08 mg/L~0.12 mg/L)。陰極之氧化還原電位則變化相當(dāng)明顯，顯示產(chǎn)生了具還原力之物質(zhì)。 在自來水樣中依需求加入不同之電解質(zhì)，可產(chǎn)生不同組成或強(qiáng)化某部份特質(zhì)之電解水。以下實(shí)驗(yàn)以2mM及5mM氯化鈉溶液加以電解，其水質(zhì)變化見表2、表4。 首先以新竹縣自來水混合氯化鈉配制成2mM氯化鈉溶液加以電解，其電解電流明顯比電解自來水高，起始電流為0.43A，電解30分鐘后電流升高到0.76A。導(dǎo)電度分別由544μS/cm增加到965μS/cm(+)、1020μS/cm(-)。由于加入之氯離子(Cl-)可能經(jīng)由電解產(chǎn)生次氯酸根離子(OCl-)，因此我們也加以監(jiān)測(cè)余氯、總氯之變化情形。陽(yáng)極部份余氯由0.08mg/L增加到0.7mg/L，陽(yáng)極電解水中可聞到明顯之氯味。陰極則偵測(cè)不到余氯及總氯。pH值兩極則各呈酸性及堿性反應(yīng)，陰極由于pH由7.6提高到10.4，溶液中可明顯看到白色沉淀物，應(yīng)為鈣、鎂等之氫氧化物沉淀。酸性水之pH值與電解時(shí)間成反比，ORP、導(dǎo)電度及氯離子濃度則成正比，由ORP可看出酸性水具氧化力，余氯之增加則可增強(qiáng)其殺菌力，反之堿性水之還原力隨著ORP遞減而加強(qiáng)。 日本栗田工業(yè)(株)研究開發(fā)總部以當(dāng)?shù)刈詠硭旌下然c當(dāng)電解質(zhì)，觀察不同電解時(shí)間酸性水與堿性水之水質(zhì)變化情形3，5，如表3。發(fā)現(xiàn)與表2之變化趨勢(shì)一致，但電解水水質(zhì)組成與表2有部份差異，其余氯生成濃度明顯高出許多，可能當(dāng)?shù)厮|(zhì)與電解設(shè)備本身設(shè)計(jì)差異所引起，將來之實(shí)驗(yàn)亦會(huì)針對(duì)此差異作研究。 將氯化鈉濃度提高至5mM加以電解，陽(yáng)極之氧化還原電位(330~826mV)與余氯濃度(0.12~2.45mg/L)明顯增加，結(jié)果見表4，但還是與日本結(jié)果有差距。電解含氯離子之水溶液，肯定的確可制造出具殺菌力之OCl-溶液，想制造含高濃度余氯之酸性水，適度提高水中氯離子濃度應(yīng)為可行之方式。 ▼表1 電解自來水之水質(zhì)變化 ▼表2 電解2mM氯化鈉溶液之水質(zhì)變化 ▼表3 日本-不同電解時(shí)間之電解水的組成(2mM NaCl溶液) 2.電解水性質(zhì)之持久性 即使可證明電解酸性水及電解堿性水之性質(zhì)與效用，但畢竟這種經(jīng)電解產(chǎn)生之變化并非常態(tài)。制造出來后可以持續(xù)多久是必須面對(duì)的問題。以下實(shí)驗(yàn)則是以2mM及5mM 氯化鈉溶液電解30分鐘后靜置，觀察水質(zhì)變化情形。2mM 氯化鈉溶液是電解30分鐘后靜置于電解槽中，以陽(yáng)離子半透膜隔開陰極、陽(yáng)極，結(jié)果見表2。如先前所預(yù)料，氧化還原電位及導(dǎo)電度由于經(jīng)半透膜擴(kuò)散、中和，逐漸趨向電解前狀態(tài)。pH值則維持在酸性與堿性范圍，變化有限。余氯本身為強(qiáng)氧化劑，經(jīng)數(shù)十小時(shí)反應(yīng)后即消耗殆盡。 如電解完將酸性水與堿性水分別裝在燒杯中并隔離光線靜置，除了余氯外其性質(zhì)約可保持3小時(shí)不變。其中發(fā)現(xiàn)有趣之現(xiàn)象，(見表5)。即兩邊之導(dǎo)電度隨著靜置時(shí)間增加而增加，與上述表2之結(jié)果正好相反，顯示靜置后陸續(xù)產(chǎn)生離子，但因分開儲(chǔ)存使兩邊之離子無法反應(yīng)成為中性分子，至于產(chǎn)生了那些離子則尚待研究。氧化還原電位則在靜置46小時(shí)后趨于平衡，一直觀察到75小時(shí)都維持在酸性水(546mV)，堿性水(158mV)。其pH值在觀察時(shí)間內(nèi)則無明顯變化，保持在電解完后之狀態(tài)。余氯與總氯與先前觀察2mM氯化鈉電解水溶液結(jié)果一致，逐漸減少，但因與光線隔絕，所以消減之速率較慢。 ▼表4 電解5mM氯化鈉溶液之水質(zhì)變化 ▼表5 5mM NaCl電解水溶液靜置之水質(zhì)變化 水分子團(tuán)示意圖 ▲圖2 核磁共振質(zhì)譜儀(NMR)O17分析圖譜 3.電解水的O17NMR(核磁共振)圖譜 電解水之水分子團(tuán)是否比一般水要小?目前之分析技術(shù)并沒有方法直接觀查證明。但測(cè)試樣品水之O17 NMR(核磁共振)圖譜，則可間接比較各種不同來源水之分子團(tuán)大小。O17波峰的半高寬代表水分子間之作用力大小，相互作用力與水分子團(tuán)大小成正比，半高寬亦隨之增減。因此如果測(cè)得水樣之半高寬比電解前小，則表示水分子團(tuán)已經(jīng)變小。 表6為電解水與自來水之測(cè)試結(jié)果，自來水經(jīng)電解后其O17半高寬由100 Hz降為50 Hz，連續(xù)監(jiān)測(cè)2天并無明顯變化。典型自來水與電解之NMR O17半高寬圖譜參考圖2。 以2mM 及 5mM氯化鈉溶液加子電解測(cè)試，其結(jié)果與上表大致相同。 ▼表6 電解水之O17半高寬(Hz) ▼表7 電解水殺菌比較測(cè)試 4.電解酸性水的殺菌力測(cè)試 見表7，在純水、自來水、3ppm次氯酸鈉溶液、電解酸性水、及堿性水中加入菌種靜置，觀查菌種之變化情形。自來水、次氯酸鈉溶液及電解酸性水皆有余氯存在，具殺菌效果，水樣中測(cè)不到總菌落數(shù)，堿性水則菌落數(shù)為慢慢減少，半小時(shí)后完全測(cè)不到菌落數(shù)。 5.植物生長(zhǎng)測(cè)試 以培養(yǎng)皿鋪上棉花，每個(gè)培養(yǎng)皿放20顆綠豆，分別加入20mL去離子水、自來水、電解酸性水、電解堿性水及麥飯石過濾水，并且每日補(bǔ)充20mL各種水樣，觀查記錄綠豆發(fā)芽及生長(zhǎng)情形。詳細(xì)記錄見表8及圖3至圖6。 豆芽播種 ▲圖3 豆芽生長(zhǎng)狀況(第一天、第二天) ▲圖4 豆芽生長(zhǎng)狀況(第三天) 6.市售電解水機(jī)測(cè)試 ▼表9 市售電解水機(jī)測(cè)試 ▲圖5 豆芽生長(zhǎng)狀況(第五天) ▲圖6 豆芽生長(zhǎng)狀況(第八天，去離子水、電解堿性水、自來水、電解酸性水及麥飯石) 以市面販?zhǔn)壑娊馑畽C(jī)，廠牌A、B、C分別測(cè)試其煮沸前與煮沸后之基本水質(zhì)，包括pH值、導(dǎo)電度、氧化還原電位(ORP)及O17半高寬，(見表9)。 市售電解水機(jī)之測(cè)試結(jié)果大致與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果相同，煮沸后之電解水則酸性水無明顯改變，堿性水之氧化還原電位則明顯往正值移動(dòng)，其原因應(yīng)為高溫加速氧化反應(yīng)的關(guān)系，使堿性水趨于平衡狀態(tài)。另一值得注意之處為自來水、π水、麥飯石水煮沸后其O17半高寬也會(huì)變窄(由100降至50)，顯示只要在水中加一能量，不論是電解或加熱，皆可打散水分子團(tuán)，使其變小。 ▼表10 電解水與原水之水質(zhì)比較 五、結(jié)論 水經(jīng)電解后之性質(zhì)變化，經(jīng)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與日本之實(shí)驗(yàn)比對(duì)，可得到一致之現(xiàn)象。表104為一般飲用型電解水機(jī)與自來水之參考數(shù)值。但其所宣稱的各種效用除了酸性水具殺菌力是顯而易見外，堿性水對(duì)人體之療效有待醫(yī)界之注意與觀察。電解水之水分子較小以及有助于植物生長(zhǎng)則可在本研究中得到初步之證實(shí)。 電解水之設(shè)備與操作成本，電力之消耗是未來想采用電解水設(shè)備來替代現(xiàn)有技術(shù)所必須考量的重點(diǎn)。電解水最大的優(yōu)點(diǎn)在可節(jié)省藥品或以低(無)危險(xiǎn)性之藥品替代高危險(xiǎn)性藥品，間接降低廢液對(duì)環(huán)境之沖擊，節(jié)省人工配制時(shí)間及職業(yè)傷害亦是一大誘因。