電解次氯酸水基礎研究 與其殺菌效果之探討 國立台灣大學生物產業機電工程系 徐菁輿、方煒、謝宗勳 報告人:謝宗勳 2005 生機論文發表會 前言 採取有隔膜方式電解 可分別於陰極與陽極產生鹼性水與酸性水 當水中加入氯系電解質時產生的鹼性水pH>10, 產 生的酸性水pH 兩種水都可用於滅菌 有學者使用強酸水於茄科作物的灌溉殺菌,發 現滅菌效果佳,但對植物同樣造成傷害。 前言 採取無隔膜方式電解可產生次氯酸水 次氯酸水為含高濃度次氯酸分子(HOCl)的水, 其殺菌效果強於含次氯酸根離子(OCl-)的水 (漂白水即次氯酸鈉),在日本頗受醫界重視。 基於其容易製備,且酸鹼度範圍適合於植物栽 培,有極大機會可作為灌溉時使用。 本研究僅探討次氯酸水的製備,並討論其殺菌 效果,栽培時使用次氯酸水的研究尚未見發表, 可作為後續研究方向。 殺菌技術改良-無隔膜電解水 次氯酸鈉中的有效游離氯,由於pH的關係幾乎會 變成次氯酸根離子(OCl-),為提高殺菌力不得不使 用200 ppm或以上之高濃度 HOCl及OCl-同為有效游離氯,但HOCl的殺菌力為 OCl-的80倍 無隔膜電解水之pH值在4.0~6.5間,幾乎100%以殺 菌力強的次氯酸分子形態(HOCl)存在,因此無隔 膜電解水才能具有50~80 ppm之低濃度但具高殺菌 力 pH和游離有效氯的存在比 無隔膜電解水 (呂,2003) 電解次氯酸水(無隔膜電解水) 將菌液與電解次氯酸水的比例為1:5及1:10 進行殺菌活性比較時,電解次氯酸水水量 比例增加時,其殺菌力愈高,作用時間愈 長殺菌力亦愈好 無論避光或者是照光儲存7~14天,或者是 將此水於60℃加熱30分鐘,都可以一樣有 其殺菌效果 証明對殺死念珠菌、大腸桿菌、鏈球菌、 沙門氏菌、金黃色葡萄球菌相當有效 (梁,2001) 本研究測試之菌種 胡蘿蔔黑腐病 香蕉炭疽病 柑橘青黴病 胡蘿蔔黑腐病 發病時之實體照片 (http://www.vegst.sh.cn/main/ShowArticle.asp?ArticleID=1565) 香蕉炭疽病 發病時之實體照片 (http://wwwzjou.edu.cn/te/zbjx/QUERY/images/xiangjiao/tangju.htm) 柑橘青黴病 發病時之實體照片 (http://www.zjou.edu.cn/te/zbjx/QUERY/images/ganju/qingmei.htm) 研究設備 長柱型石墨電極 電極規格:長度200 mm及600mm,截面 積100 mm2 電源設備:裝置A與裝置B 直流電源 供應器 INPUT電壓 OUTPUT 直流電壓 最大負載 裝置A AC 110V 6、18、29、 39、49、59V 15A 裝置B DC 220V 0~110V (可調整) 20A 其他儀器與材料 pH量測計:HANNA - pH/EC/TDS Temperature ORP量測計:B&C Electronics – pH/ORP meter 導電度計: B&C Electronics – conductivity meter 電解質:NaCl,

Report
電解次氯酸水基礎研究
與其殺菌效果之探討
國立台灣大學生物產業機電工程系
徐菁輿、方煒、謝宗勳
報告人:謝宗勳
2005 生機論文發表會
前言
採取有隔膜方式電解
可分別於陰極與陽極產生鹼性水與酸性水
當水中加入氯系電解質時產生的鹼性水pH>10, 產
生的酸性水pH<3。
兩種水都可用於滅菌
有學者使用強酸水於茄科作物的灌溉殺菌,發
現滅菌效果佳,但對植物同樣造成傷害。
2
前言
採取無隔膜方式電解可產生次氯酸水
次氯酸水為含高濃度次氯酸分子(HOCl)的水,
其殺菌效果強於含次氯酸根離子(OCl-)的水
(漂白水即次氯酸鈉),在日本頗受醫界重視。
基於其容易製備,且酸鹼度範圍適合於植物栽
培,有極大機會可作為灌溉時使用。
本研究僅探討次氯酸水的製備,並討論其殺菌
效果,栽培時使用次氯酸水的研究尚未見發表,
可作為後續研究方向。
3
殺菌技術改良-無隔膜電解水
次氯酸鈉中的有效游離氯,由於pH的關係幾乎會
變成次氯酸根離子(OCl-),為提高殺菌力不得不使
用200 ppm或以上之高濃度
HOCl及OCl-同為有效游離氯,但HOCl的殺菌力為
OCl-的80倍
無隔膜電解水之pH值在4.0~6.5間,幾乎100%以殺
菌力強的次氯酸分子形態(HOCl)存在,因此無隔
膜電解水才能具有50~80 ppm之低濃度但具高殺菌
力
4
pH和游離有效氯的存在比
無隔膜電解水
5
(呂,2003)
電解次氯酸水(無隔膜電解水)
將菌液與電解次氯酸水的比例為1:5及1:10
進行殺菌活性比較時,電解次氯酸水水量
比例增加時,其殺菌力愈高,作用時間愈
長殺菌力亦愈好
無論避光或者是照光儲存7~14天,或者是
將此水於60℃加熱30分鐘,都可以一樣有
其殺菌效果
証明對殺死念珠菌、大腸桿菌、鏈球菌、
沙門氏菌、金黃色葡萄球菌相當有效
(梁,2001)
6
本研究測試之菌種
胡蘿蔔黑腐病
香蕉炭疽病
柑橘青黴病
7
胡蘿蔔黑腐病
發病時之實體照片
8
(http://www.vegst.sh.cn/main/ShowArticle.asp?ArticleID=1565)
香蕉炭疽病
發病時之實體照片
9
(http://wwwzjou.edu.cn/te/zbjx/QUERY/images/xiangjiao/tangju.htm)
柑橘青黴病
發病時之實體照片
10
(http://www.zjou.edu.cn/te/zbjx/QUERY/images/ganju/qingmei.htm)
研究設備
長柱型石墨電極
電極規格:長度200
mm及600mm,截面
積100 mm2
11
電源設備:裝置A與裝置B
直流電源
供應器
INPUT電壓
OUTPUT
直流電壓
最大負載
裝置A
AC 110V
6、18、29、
39、49、59V
15A
裝置B
DC 220V
0~110V
(可調整)
20A
12
其他儀器與材料
pH量測計:HANNA - pH/EC/TDS Temperature
ORP量測計:B&C Electronics – pH/ORP meter
導電度計: B&C Electronics – conductivity meter
電解質:NaCl, KCl, CaCl2.2(H2O)等
13
研究方法
導電度與鹽類濃度關係之試驗
極距與電流大小之關係試驗
有隔膜電解之試驗
無隔膜電解試驗
無隔膜電解水之保存性試驗
無隔膜電解水之殺菌效果
14
導電度與鹽類濃度關係之試驗
使用裝置A與1公升之玻璃容器
分別加入NaCl 、KCl及Ca(Cl)2.2(H2O)
調成NaCl、KCl及Ca(Cl)2濃度為2~30 ppt
( part per thousand )
間隔2 ppt量測一次溶液導電度
觀察其變化並算出其關係式
15
極距與電流大小之關係試驗
電解質 濃度ppt
使用裝 容量, 電極長
極板距
置
升
度,mm 離,cm
NaCl
0.5,1,2,3
裝置A 10
200
1~10
KCl
0.5,1,2,3,4 裝置A 10
200
1~10
裝置A 10
200
1~10
Ca(Cl)2 0.5,1,2,3
由測出之電流推測其關係式
16
無隔膜電解試驗
電解質
濃度 ppt
NaCl
KCl
Ca(Cl)2
0.5, 1, 2, 3
0.5, 1, 2, 3, 4
0.5, 1, 2, 3
使用裝置A,容量1升,電極長度200 mm,極板距離8 cm
電極沒入溶液中120 mm
利用不同的工作電壓,觀察其pH、ORP、溫度及電流之變化;
電解至pH值無法下降為止,測其所需要的時間之變化
改變極距為2cm,分別於6、18及29V下電解
NaCl、KCl濃度分別為3、4ppt,觀察縮短極距
降低電壓之效果
17
無隔膜電解水之保存性試驗
以NaCl及KCl為電解質電解過後的弱酸
性電解水,分別用保特瓶於避光之環境
下保存,將水分為密閉及開放狀態,相
隔一天量測pH值及ORP值
觀察其變化,進一步驗証是否無隔膜電
解水之保存性良好
18
無隔膜電解水之殺菌效果
利用不同pH值之無隔膜電解水
觀察是否能抑制黑腐病菌、炭疽病菌及
青黴病菌孢子之發芽
此部分實驗由農業試驗所植病系研究人
員協助完成
19
測試抑制病菌發芽率實驗步驟
在斜面試管上培養黑腐病、炭疽病菌及青黴病菌7-10
天左右,觀察其產孢情形
以移植針刮取少許孢子於無菌水(CK)及各pH值之水中,
以震盪器搖盪均勻
顯微鏡下觀察,使各處理之孢子懸浮液濃度調整1μl為
20個孢子左右
各處理取20μl孢子懸浮液(大約300~400個孢子左右),
滴於消毒好之載玻片上,每處理6重覆。炭疽病菌之第
二、三次實驗中另加2% CV8-juice混合於各處理中
將載玻片置於消毒過的玻璃培養皿內,隔水保濕,於
室溫下12~16小時後觀察其發芽情況
經12~16小時後,逢機計算100個孢子之發芽率
20
導電度與鹽類莫耳濃度之關係
實驗得出的數據可導出一公式:
EC = m × C
其中: EC:單位 ( S/m )
m:圖之斜率
C:NaCl、KCl及Ca(Cl)2莫耳濃度
NaCl:EC = 11.815 × C
KCl:EC = 9.3376 × C
Ca(Cl)2:EC = 18.412 × C
21
NaCl
KCl
CaCl2
線性 (NaCl)
線性 (CaCl2)
y = 11.815x
6
NaCl
Ca(Cl)2
5
導電度 (S/m)
線性 (KCl)
R2 = 0.9993
y = 18.412x
R2 = 1
4
3
y = 9.3376x
R2 = 0.9998
2
KCl
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
莫耳濃度
22
極距與電流大小之關係試驗
於NaCl 1ppt下極距與電流大小關係圖
20
電流(A)
15
6V
10
18V
29V
5
39V
49V
0
59V
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
極距(cm)
24
電流極距與電流大小之關係
電流大小與極距呈負相關
在相同的極距下,電流與電壓、導電度和極板面積都是成一次方正比
電流=常數×電壓×導電度×極板面積×距離函數
將常數併入距離函數之後,求出距離函數f(d)
I=V × C × A × f(d)
I為水中通過之總電流,安培(A)
V為外加電壓,伏特(V)
C為導電度,S/cm
A為極板總面積,單位為cm2
其中,
f(d)=-4×10-5×ln d+1×10-4 (以NaCl為電解質, R2值為0.9902)
f(d)=-3×10-5×ln d+9×10-5 (以KCl為電解質, R2值為0.9702)
f(d)=-2×10-5×ln d+6×10-5 (以Ca(Cl)2為電解質, R2值為0.9728)
d為極距,cm
25
無隔膜電解水試驗
無隔膜電解水試驗
使用NaCl為電解質
電壓:18, 29, 39, 49, 59 V
濃度:0.5, 1, 2, 3 ppt
於18V NaCl濃度與pH值之關係
7.5
pH
7
6.5
6
0.5 ppt
5.5
1 ppt
2 ppt
5
0
5
10
15
20
25
時間 (分)
30
35
40
50
3 ppt
28
於29V NaCl濃度與pH值之關係
7.5
7
pH
6.5
6
0.5 ppt
5.5
1 ppt
2 ppt
5
0
5
10
15
20
時間 (分)
25
30
35
3 ppt
29
於39V NaCl濃度與pH值之關係
7.5
7
pH
6.5
6
0.5 ppt
5.5
1 ppt
2 ppt
5
0
5
10
15
20
時間(分)
25
30
35
40
3 ppt
30
於49V NaCl濃度與pH值之關係
7.5
7
pH
6.5
6
0.5 ppt
5.5
1 ppt
2 ppt
5
0
5
10
15
20
25
時間(分)
30
35
40
3 ppt
31
於59V NaCl濃度與pH值之關係
7.5
7
pH
6.5
6
0.5 ppt
5.5
1 ppt
2 ppt
5
0
5
10
15
20
25
時間(分)
30
35
40
3 ppt
32
無隔膜電解水試驗-使用NaCl為電解質
於濃度0.5ppt各電壓下電解,其pH值可
達5.5以下,但需要較長的時間,約略
40~50分鐘左右,電解時間過長,會使電
解水過熱,間接影響其ORP值
於濃度3ppt下電解,約15分後,其pH值
約停留於6左右,根據之後的殺菌試驗,
此pH之水擁有最佳殺菌效果
33
1000
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
800
600
0.5 ppt
1 ppt
2 ppt
0 5 10 15 20 25 30 35 40 50
時間 (分)
3 ppt
ORP(mV)
ORP(mV)
ORP 變化圖
400
200
0
-200
0.5 ppt
-400
1 ppt
-600
2 ppt
0
5 10 15 20 25 30 35 40
3 ppt
時間(分)
以18 V電解各濃度之比較 以59 V電解各濃度之比較
34
60
60
55
50
45
40
35
30
25
20
55
50
0.5 ppt
1 ppt
2 ppt
3 ppt
0 5 10 15 20 25 30 35 40 50
時間 (分)
溫度(度C)
溫度 (度C)
溫度變化圖
45
40
35
0.5 ppt
30
1 ppt
25
2 ppt
20
3 ppt
0
5
10 15 20 25 30 35 40
時間(分)
以18 V電解各濃度之比較 以59 V電解各濃度之比較
35
由於電解時產生熱能,使得水溫上升;
電流愈大,水溫的上升愈加快速
其電能轉換熱能的公式為E=I*T*V
其中E = 電能(焦耳 J)
I = 電流(安培 A)
T = 電解時間(秒)
1J = 0.24cal
1cal = 使每1克的水上升一度C
36
電流變化圖
6
6
5
4
3
2
0.5 ppt
1
1 ppt
2 ppt
0
3 ppt
0 5 10 15 20 25 30 35 40 50
時間 (分)
以18 V電解各濃度之比較
電流(A)
電流 (A)
5
4
3
2
0.5 ppt
1
1 ppt
0
2 ppt
0
5
10 15 20 25 30 35 40
3 ppt
時間(分)
以59 V電解各濃度之比較
37
改變極距及降低電壓之NaCl無隔膜電解
改變極距為2cm於NaCl
濃度下3ppt進行試驗,
分別通以電壓6、18及
29V,觀察其結果
7.5
pH
7
同時縮短極距及降低電
壓一樣可達到電解之效
果
6.5
6
6V
5.5
18V
5
0
但因為極距縮短,水中
電流及水溫度會提高
5
10
15
20
25
30
35
時間 (分)
38
29V
無隔膜電解水
之保存性試驗
A組無隔膜電解水密閉及開放隨時間變化
之pH值及ORP比較
1000
8
7.5
ORP (mV)
pH
7
6.5
6
500
0
密閉
5.5
密閉
5
開放
0
1
2
3
4
5
6
7
開放
-500
0
1
2
天數
3
4
5
6
7
天數
NaCl濃度為0.5 ppt下以49V電壓
予以電解35分鐘後所得的水
40
B組無隔膜電解水密閉及開放隨時間變化之
pH值及ORP比較
1000
8
7.5
ORP (mV)
pH
7
6.5
6
5.5
500
0
密閉
密閉
5
開放
0
1
2
3
4
5
6
7
開放
-500
0
1
2
3
天數
4
5
6
7
天數
NaCl濃度為1 ppt下以49V電壓予
以電解35分鐘後所得的水
41
C組無隔膜電解水密閉及開放隨時間變化之
pH值及ORP比較
7.5
1000
7
pH
ORP(mV)
6.5
6
500
0
5.5
密閉
5
開放
0
1
2
3
4
天數
5
6
7
密閉
-500
開放
0
1
2
3
4
5
6
7
天數
KCl濃度為0.5 ppt下以49V電壓予
以電解35分鐘後所得的水
42
D組無隔膜電解水密閉及開放隨時間變化
之pH值及ORP比較
7.5
1000
7
pH
ORP(mV)
6.5
6
500
0
5.5
密閉
5
開放
0
1
2
3
4
天數
5
6
7
密閉
-500
開放
0
1
2
3
4
5
6
7
天數
KCl濃度為1 ppt下以49V電壓予
以電解35分鐘後所得的水
43
無隔膜電解水之保存性試驗
由pH值來看,密閉較開放式之pH值上升
較緩慢;密閉式之pH值上升至6左右變趨
於平緩,而開放式之pH值會上升至7.5左
右便停止
由ORP值來看,密閉與開放式之ORP變化
並沒有顯著的差別;0.5 ppt之NaCl及
KCl之ORP值上升至400~500左右便趨緩;
1 ppt以上之NaCl及KCl之ORP值上升至
800~900左右便趨於緩和
44
生成無隔膜電解水
製備濃度與工作電壓之探討-pH
避光密閉狀態
NaCl (pH)
KCl (pH)
生成時
7天後
生成時
7天後
高電壓低濃度
5.29
6.34
5.38
5.89
高電壓高濃度
6.05
6.63
5.87
6.54
低電壓低濃度
5.13
5.71
5.57
6.12
低電壓高濃度
5.98
6.2
5.72
6.34
低電壓:18 V; 高電壓:59V
低濃度:0.5 ppt; 高濃度:3 ppt45
生成無隔膜電解水
製備濃度與工作電壓之探討-ORP
避光密閉狀態
NaCl(ORP)
KCl(ORP)
生成時
7天後
生成時
7天後
高電壓低濃度
-307
427
244
313
高電壓高濃度
823
845
807
834
低電壓低濃度
-446
461
-73
238
低電壓高濃度
-400
834
-230
865
低電壓:18 V; 高電壓:59 V
低濃度:0.5 ppt; 高濃度:3 ppt46
無隔膜電解水殺菌效果
第一批水:pH 6.0, 5.61 之電解水
試驗一:(93.11.24)利用第一批水進行試驗,測試
是否能抑制黑腐病菌、炭疽病菌孢子之發芽
試驗二:(93.12.13)利用存放20天的第一批水進行
試驗,測試是否能抑制黑腐病菌、炭疽病菌孢子
之發芽
47
試驗一與二:
不同pH之電解水對黑腐病抑制效果
93.11.24
93.12.13 (存放後20天後的水)
120%
黑腐病孢子發芽率
100%
80%
未
檢
測
出
60%
40%
未
檢
測
出
20%
0%
CK無菌水
pH6.0
pH5.61
pH2.37
pH2.2
TREATMENT
48
試驗一與二:不同pH之電解水對炭疽病抑制效果
93.11.24
93.12.13 (存放20天後的水)
炭疽病孢子發芽率%
120%
100%
80%
未
檢
測
出
60%
40%
20%
未
檢
測
出
無
進
行
實
驗
未
檢
測
出
未
檢
測
出
0%
CK無 菌 水
pH6.0
pH5.61
pH2.37
pH2.2
TREATMENT
49
試驗一與二結論
無隔膜電解水:對胡蘿蔔黑腐病菌沒有
顯著的抑制效果
對香蕉炭疽病都有100%抑制效果
無隔膜電解水存放20天後對香蕉炭疽病
病菌有99%的的抑制效果
50
無隔膜電解水殺菌效果
第二批水:pH 6.1, 5.47, 5.35之電解水
試驗三: (94.02.04)(94.03.02),取第一批
pH5.61及第二批水進行試驗,測試是否能抑
制青黴病菌孢子之發芽
於實驗步驟四另加2%CV8-juice混合於各處理中,此
步驟之增加是為了能使無菌水組可發芽
51
試驗三:不同pH之電解水對青黴病抑制效果
94.02.04(存放23天後的水)
94.03.02(存放48天後的水)
第
一
批
80%
第
一
批
60%
未
檢
測
出
40%
20%
未
檢
測
出
pH2.2
pH2.37
pH5.35
pH5.47
pH5.61
pH6.1
CK無菌水
0%
pH10.58
青黴病孢子發芽率%
100%
52
在柑橘青黴病方面,pH6.1的有100%的抑制
能力,其它pH值的效果並不佳
無隔膜電解水存放23天後, pH6.1之殺菌力
仍然有效。
53
結論
無隔膜電解水之pH 在4.2~5.7之間可產生
高濃度次氯酸分子,本研究製備的無隔膜
電解水幾乎都於此pH值範圍內,具有相當
強的殺菌效果
製備無隔膜電解水時,以低電壓配合高濃
度之電解質,可以在最短的時間內達到其
效果,但時間上必需拿捏準確,若電解時
間過長,其pH值反而上升
54
結論
測試的三種電解質中以價廉的NaCl為最適當,
以Ca(Cl)2最不適合。後者會有Ca離子在陰極板
表面沉積,影響反應進行。
但是,如果要將無隔膜電解所產生之殺菌水用
於農作物栽培時,使用NaCl為電解質可能產生
過多的Na離子不利作物栽培,此時反而可能以
KCl或Ca(Cl)2為較適當。
55
各項操作參數之建議值
電解質:NaCl
電解質濃度:3 ppt
溶液總量:1升
極板距離:2 cm
電壓:6 V
所需時間:15 分
生成水之pH :5.92
生成水之ORP :-480 mV
溫差:0.3℃
平均電流:0.625 A
耗電:0.0009375度
56
各項操作參數之建議值
電解質:KCl
電解質濃度:4 ppt
溶液總量:1升
極板距離:2 cm
電壓:6 V
所需時間:25分
生成水之pH :5.99
生成水之ORP :-502 mV
溫差:1.7℃
平均電流:0.662 A
耗電:0.001655度
57
各項操作參數之建議值
電解質:Ca(Cl)2
電解質濃度:3 ppt
溶液總量:1升
極板距離:8 cm
電壓:18 V
所需時間:10 分
生成水之pH :6.01
生成水之ORP :713mV
溫差:2.3℃
平均電流:0.947 A
耗電:0.00282度
58
結論
針對香蕉炭疽病以無隔膜電解水的
殺菌效果最佳,存放20天後仍有效
針對柑橘青黴病以無隔膜電解水
pH6.1的殺菌效果最佳,存放20天後
仍有效
59
未來發展
無隔膜電解所產生之殺菌水pH為弱酸,
有可能可替代部分農藥用於農作物栽培,
亦可作為有機栽培之殺菌使用。值得進
一步探討
60
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