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電解水一問 ~~~ 10分
發問:
請講出 (1) 電解水生成的原理? (2) 什麼是電解水? (3) 它有什麼特性呢？ 最好有埋圖解來表示
最佳解答:
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，並分解產生O2及H2。一般來說，能讓自由能增加的化學反應是不存在的。因此水在自然狀態下不可能分解產生O2及H2。但是若在水中加入陰極、陽極，通上電流，即能比照法拉第定律發生電解反應。陽極的材料通常以不易溶解的白金或石墨比較妥當。在陰極及陽極的氧化還原反應如下： 陰極：2H2O+2e- = 2OH- + H2 具還原力之鹼性離子水。 E0=0-0.0591pH 陽極：H2O = 2H+ + 1/2O2 + 2e- 具氧化力之酸性離子水 。 E0=1.228-0.0591pH 陰極和陽極表面生成氫與氧後，電極四週的水，便會傾向鹼性和酸性，氧化還原電位亦隨之改變。在兩極之間插入能限制水移轉的多孔性半透膜，或能讓陰陽離子有選擇性通過的陰陽離子半透膜，即能自陰極收集氫氧離子濃度高具還原力的鹼性水，陽極收集氫離子濃度高且具氧化力的酸性水，自陰極、陽極產生之電解水稱謂目前並未統一，電解酸性水亦稱為電解氧化水，電解鹼性水則是電解還原水，本文為統一起見一律稱電解鹼性水、電解酸性水。 二、電解水的應用 1.鹼性離子水(pH=9-11)： 根據廠商之使用建議，主要為生飲、解宿醉、沖茶，咖啡、調酒、沖泡奶粉、煮飯、烹調用水、清洗蔬菜、植物澆灌等。 日本有醫療機構，以鹼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、改善體質等。台灣亦有學者指出鹼性離子水可消除人體內之自由基(free radical)4 (自由基含不安定之不成對電子，過多可破壞人體之脂質，甚至最後使細胞突變而產生癌症)。 此外NEC公司在1994年曾提出以鹼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)： 弱酸性離子水可當皮膚收斂劑使用，據稱有美容效果亦可清潔器皿、擦拭傢俱等。pH值小於2.5之超酸性水則有殺菌功能，日本有醫療機構以超酸性水作為消毒傷口及殺菌用。農業上也有以超酸性水替代農藥殺菌，再以鹼性水改善土壤pH值之例子。日本NEC及Organo公司則發展出以酸性離子水清洗晶圓表面之殘餘金屬離子8，可減少化學藥劑之使用量。 三、實驗設備及步驟 1.實驗設備： 為能有效控制電解時之影響因子，本實驗所使用之電解水製造設備為自行設計，電源供給可調整電解電位，電解電流，水樣進樣分為批次式(Batch type)或可調整流速之流動式(flow type)，並同時監測陰極槽與陽極槽之 pH、ORP、導電度變化。設備簡圖見圖1，陰極為不銹鋼片，陽極為碳棒。 2.藥品： 99.5%氯化鈉(島久製藥)。 3.實驗參數： 影響電解水組成之因素包括電解電位、電解電流、電解時間(或進水流速)、電解質種類、半透膜種類等。本研究初步設定電解電位為60V，進樣方式為批次式(Batch type)，比較樣品與改變參數分列如下： (1)水樣：自來水、2mM氯化鈉溶液、5mM氯化鈉溶液。 (2)半透膜：陽離子交換膜。 (3)電解樣品靜置時間：0-3天。 4.市售電解水機測試： A、B、C三種廠牌電解水機基本水質測試。 四、結果與討論 1.電解水的組成分析 在合理解釋電解水各種效能前，首先必須瞭解酸性水與鹼性水基本水質資料。本實驗首先以不加電解質之當地(新竹縣)自來水加以電解，觀察不同電解時間陰極與陽極之水質變化情形，其結果見表1。 由於自來水中，電解質有限，即使電解電位提高到最大值60 V，其電解電流亦只有0.22A，且並未隨著電解時間增加而逐漸放大。但無庸置疑在陰極、陽極皆因電解而有離子產生，兩邊之導電度分別由265.5μS/cm增加到406μS/cm、317.8μS/cm。其中包括在陽極產生氫離子(H+)，因此pH值由原本自來水的7.63降到4.00，在陰極產生氫氧離子(OH-)，pH值由7.63升高到10.62。氧化還原電位則發現陽極之變化不大(303mV~376mV)，可能為少量增加之餘氯所貢獻(0.08 mg/L~0.12 mg/L)。陰極之氧化還原電位則變化相當明顯，顯示產生了具還原力之物質。 在自來水樣中依需求加入不同之電解質，可產生不同組成或強化某部份特質之電解水。以下實驗以2mM及5mM氯化鈉溶液加以電解，其水質變化見表2、表4。 首先以新竹縣自來水混合氯化鈉配製成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分鐘後電流升高到0.76A。導電度分別由544μS/cm增加到965μS/cm(+)、1020μS/cm(-)。由於加入之氯離子(Cl-)可能經由電解產生次氯酸根離子(OCl-)，因此我們也加以監測餘氯、總氯之變化情形。陽極部份餘氯由0.08mg/L增加到0.7mg/L，陽極電解水中可聞到明顯之氯味。陰極則偵測不到餘氯及總氯。pH值兩極則各呈酸性及鹼性反應，陰極由於pH由7.6提高到10.4，溶液中可明顯看到白色沉澱物，應為鈣、鎂等之氫氧化物沉澱。酸性水之pH值與電解時間成反比，ORP、導電度及氯離子濃度則成正比，由ORP可看出酸性水具氧化力，餘氯之增加則可增強其殺菌力，反之鹼性水之還原力隨著ORP遞減而加強。 日本栗田工業(株)研究開發總部以當地自來水混合氯化鈉當電解質，觀察不同電解時間酸性水與鹼性水之水質變化情形3，5，如表3。發現與表2之變化趨勢一致，但電解水水質組成與表2有部份差異，其餘氯生成濃度明顯高出許多，可能當地水質與電解設備本身設計差異所引起，將來之實驗亦會針對此差異作研究。 將氯化鈉濃度提高至5mM加以電解，陽極之氧化還原電位(330~826mV)與餘氯濃度(0.12~2.45mg/L)明顯增加，結果見表4，但還是與日本結果有差距。電解含氯離子之水溶液，肯定的確可製造出具殺菌力之OCl-溶液，想製造含高濃度餘氯之酸性水，適度提高水中氯離子濃度應為可行之方式。 2.電解水性質之持久性 即使可證明電解酸性水及電解鹼性水之性質與效用，但畢竟這種經電解產生之變化並非常態。製造出來後可以持續多久是必須面對的問題。以下實驗則是以2mM及5mM 氯化鈉溶液電解30分鐘後靜置，觀察水質變化情形。2mM 氯化鈉溶液是電解30分鐘後靜置於電解槽中，以陽離子半透膜隔開陰極、陽極，結果見表2。如先前所預料，氧化還原電位及導電度由於經半透膜擴散、中和，逐漸趨向電解前狀態。pH值則維持在酸性與鹼性範圍，變化有限。餘氯本身為強氧化劑，經數十小時反應後即消耗殆盡。 如電解完將酸性水與鹼性水分別裝在燒杯中並隔離光線靜置，除了餘氯外其性質約可保持3小時不變。其中發現有趣之現象，（見表5）。即兩邊之導電度隨著靜置時間增加而增加，與上述表2之結果正好相反，顯示靜置後陸續產生離子，但因分開儲存使兩邊之離子無法反應成為中性分子，至於產生了那些離子則尚待研究。氧化還原電位則在靜置46小時後趨於平衡，一直觀察到75小時都維持在酸性水(546mV)，鹼性水(158mV)。其pH值在觀察時間內則無明顯變化，保持在電解完後之狀態。餘氯與總氯與先前觀察2mM氯化鈉電解水溶液結果一致，逐漸減少，但因與光線隔絕，所以消減之速率較慢。
其他解答:
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