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

2

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。

3

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。

4

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

5

pH 和游離有效氯的存在比

無隔膜電解水 ( 呂， 2003)

6

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)

7

本研究測試之菌種胡蘿蔔黑腐病香蕉炭疽病柑橘青黴病

8

胡蘿蔔黑腐病

發病時之實體照片(http://www.vegst.sh.cn/main/ShowArticle.asp?ArticleID=1565)

9

香蕉炭疽病

發病時之實體照片(http://wwwzjou.edu.cn/te/zbjx/QUERY/images/xiangjiao/tangju.htm)

10

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)

11

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

12

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

13

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

14

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

15

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(H2

O)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

16

極距與電流大小之關係試驗電解質 濃度 ppt 使用裝置 容量， 升 電極長度， mm

極板距離， 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

Ca(Cl)2 0.5,1,2,3 裝置 A 10 200 1~10

由測出之電流推測其關係式

17

無隔膜電解試驗電解質 濃度 ppt NaCl 0.5, 1, 2, 3KCl 0.5, 1, 2, 3, 4

Ca(Cl)2 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

18

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

19

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

20

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

21

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 × CKCl ： EC = 9.3376 × CCa(Cl)2： EC = 18.412 × C

22

y = 11.815xR2 = 0.9993

y = 9.3376xR2 = 0.9998

y = 18.412xR2 = 1

0

1

2

3

4

5

6

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6莫耳濃度

(S/

m)導

電度

NaCl KCl CaCl2 (NaCl)線性 (KCl)線性 (CaCl2)線性

Ca(Cl)2NaCl

KCl

極距與電流大小之關係試驗

24

於 NaCl 1ppt下極距與電流大小關係圖

0

5

10

15

20

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10(cm)極距

(A)

電流

6V18V29V39V49V59V

25

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/cmA 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

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

28

於 18V NaCl 濃度與 pH 值之關係

5

5.5

6

6.5

7

7.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 ( )時間 分

pH

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

29

於 29V NaCl 濃度與 pH 值之關係

5

5.5

6

6.5

7

7.5

0 5 10 15 20 25 30 35 (時間 分）

pH

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

30

於 39V NaCl 濃度與 pH 值之關係

5

5.5

6

6.5

7

7.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40( )時間 分

pH

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

31

於 49V NaCl 濃度與 pH 值之關係

5

5.5

6

6.5

7

7.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40時間（分）

pH

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

32

於 59V NaCl 濃度與 pH 值之關係

5

5.5

6

6.5

7

7.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40時間（分）

pH

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

33

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

34

ORP 變化圖

-600-400-200

0200400600800

1000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 (時間 分）

ORP(m

V)

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

-600-400-200

0200400600800

1000

0 5 10 15 20 25 30 35 40時間（分）

ORP(m

V)

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

以 18 V 電解各濃度之比較 以 59 V 電解各濃度之比較

35

溫度變化圖

202530354045505560

0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 ( )時間 分

(C)

溫度

度 0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

以 18 V 電解各濃度之比較 以 59 V 電解各濃度之比較

202530354045505560

0 5 10 15 20 25 30 35 40時間（分）

C)溫度（度

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

36

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 = 0.24cal1cal = 使每 1克的水上升一度 C

37

電流變化圖

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 (時間 分）

(A)

電流

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt 0

123456

0 5 10 15 20 25 30 35 40時間（分）

(A)

電流

0.5 ppt1 ppt2 ppt3 ppt

以 18 V 電解各濃度之比較 以 59 V 電解各濃度之比較

38

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 ，觀察其結果同時縮短極距及降低電壓一樣可達到電解之效果但因為極距縮短，水中電流及水溫度會提高

5

5.5

6

6.5

7

7.5

0 5 10 15 20 25 30 35 ( )時間 分

pH6V18V29V

無隔膜電解水之保存性試驗

40

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

NaCl 濃度為 0.5 ppt下以 49V 電壓予以電解 35 分鐘後所得的水

55.5

66.5

77.5

8

0 1 2 3 4 5 6 7天數

pH

密閉開放 -500

0

500

1000

0 1 2 3 4 5 6 7天數

ORP (

mV)

密閉開放

41

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

NaCl 濃度為 1 ppt下以 49V 電壓予以電解 35 分鐘後所得的水

55.5

66.5

77.5

8

0 1 2 3 4 5 6 7天數

pH

密閉開放 -500

0

500

1000

0 1 2 3 4 5 6 7天數

ORP (

mV)

密閉開放

42

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

5

5.5

6

6.5

7

7.5

0 1 2 3 4 5 6 7天數

pH

密閉開放 -500

0

500

1000

0 1 2 3 4 5 6 7天數

ORP(m

V)

密閉開放

KCl 濃度為 0.5 ppt下以 49V 電壓予以電解 35 分鐘後所得的水

43

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

5

5.5

6

6.5

7

7.5

0 1 2 3 4 5 6 7天數

pH

密閉開放 -500

0

500

1000

0 1 2 3 4 5 6 7天數

ORP(m

V)密閉開放

KCl 濃度為 1 ppt下以 49V 電壓予以電解 35 分鐘後所得的水

44

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

45

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 ppt

46

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 ppt

47

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

48

試驗一與二 :不同 pH 之電解水對黑腐病抑制效果

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

CK無菌水 pH6.0 pH5.61 pH2.37 pH2.2

TREATMENT

黑腐

病孢

子發

芽率

93.11.24 93.12.13 ( 20 )存放後 天後的水

未檢測出

未檢測出

49

試驗一與二 : 不同 pH 之電解水對炭疽病抑制效果

0%20%40%60%80%

100%120%

CK無菌水 pH6. 0 pH5. 61 pH2. 37 pH2. 2

TREATMENT

%炭

疽病

孢子

發芽

率

93.11.24 93.12.13 ( 20 )存放 天後的水

未檢測出

未檢測出

無進行實驗

未檢測出

未檢測出

50

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

51

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

52

試驗三 : 不同 pH 之電解水對青黴病抑制效果

0%

20%

40%

60%

80%

100%

pH10

.58

CK無

菌水

pH6.

1

pH5.

61

pH5.

47

pH5.

35

pH2.

37

pH2.

2

%青

黴病

孢子

發芽

率

94.02.04( 23 )存放 天後的水 94.03.02( 48 )存放 天後的水

未檢測出

未檢測出

第一批 第一批

53

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。

54

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

55

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。

56

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

57

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

58

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

59

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

60

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

61

參考文獻呂鋒洲。 1995 。電解水是好水。初版。元氣齋出版。呂鋒洲。 1998 。強電解氧化水。初版。元氣齋出版。呂鋒洲。 2003 。電解水是好水 (二 ) 。初版。元氣齋出版。金澤陽一。 2004 。 21世紀衛生管理新趨勢與日本應用實況。健齡國際股份有限公司。松岡孝尚。 1996。設施園芸での機能水の利用，出自機能水農業 p.74-82 。新農林社。詹舒斐、陳仁仲、王今方。 2002 。電解水基礎研究。節水季刊第 21期。梁文俐、黃惠曼、呂鋒洲。 2001 。超微軟酸化水試驗。健齡國際股份有限公司測試報告書。

62

東洋金屬株式會社。 1993 。試驗報告書。廠商提供。東洋金屬株式會社。 1994 。試驗報告書。廠商提供。東洋金屬株式會社。 1997 。試驗報告書。廠商提供。陳維妮。 2001 。電解水的水質與抑菌能力之研究。陽明大學環境衛生研究所碩士論文。楊佐琦、沈再發。 1998 。淺談灌溉水之消毒技術。種苗通訊第 36期。種田耕藏。 2002。電解水の機能と食品工業での利用 Π 新しい食品殺菌技術の動向と期待される酸性電解水 の課ﾍ題。食品工業特集。鄧小虹、彭國克。強氧化離子水殺菌性能實驗研究。中華醫院感染學雜誌 1998； 1 (8) ： 37-38 。

63

Kumar, S.V., O. E. Gabriel ， Y.C. Hung ， M.P. Doyle. 1999. Efficacy of electrolyzed oxidizing water for inactivatin escherichia coli O157:H7 ， salmonella enteritidis and listeria monocytogenes. Appl. Environ. Microbiol. 65(9):4276-4279.

Jeong, H.J., H.R. Kim, K.I. Kim, K.Y. Kim, K.H. Park, S.T. Kim, Y.D. Yoo, J.Y. Song, J.S. Kim, K.A. Seong, W.H. Yih, S.J. Pae, C.H. Lee, M.D. Huh and S.H. Lee. 2002. NaOCl produced by electrolysis of natural seawater as a potential method to control marine red-tide dinoflagellates. Phycologia. 41(6):643-656.

Fujiwara, K., M. Iimoto, M. Fujiwara. 1998. Fundamental studies on crop disease control by spraying electrolyzed strong acid water (1) effects of hydrogen-ion concentration exponent and free effective chlorine concentration on the control of powdery mildew on cucumber leaves. Environ. Control in Biol. 36(4):137-143.

Fujiwara, K., M. Iimoto, R. Doi and Q.C. Shi. 1998. Fundamental studies on crop disease control by spraying electrolyzed strong acid water (2) control of downy mildew in cucumber and occurrence of a leaf burn-like physiological disorder. Control in Biol. 36(4):245-249.

64

Fujiwara, K., M. Iimoto, R. Doi, A. Yano. 2000.Fundamental studies on crop disease control by spraying electrolyzed strong acid water (3) effects of spraying electrolyzed anode-side water and pH-available chlorine concentration-regulated water on the severity of powdery mildew infection and percentage of leaves with a leaf burn-like physiological disorder on cucumber leaves. Control in Biol. 38(1):33-38.

Fujiwara, K., M. Iimoto, R. Doi, T. Fujii. 2000. Fundamental studies on crop disease control by spraying electrolyzed strong acid water (4) effects of pH and available chlorine concentration on the severity of powdery mildew infection and percentage of leaves with a leaf burn-like physiological disorder on tomato leaves. Control in Biol. 38(4):263-271.

Morita, K., S.Q. Wang, and M. Arisaka. 200?. Basic study of sterilization for food and agricultural products by high oxidation potential water. Dept. of Environmental Science and Technology, Faculty of Agriculture, Kagoshima University.

Deza, M.A., M. Araujo and M.J. Garrido. 2003. Inactiveaion of escherichia coli O157:H7, salmonella enteritidis and listeria monocytogenes on the surface of tomatoes by neutral electrolyzed water.

65

Appl. Microbiol. 37:482-487

Salih, F.M. 2002. Enhancement of solar inactivation of escherichia coli by titanium dioxide photocatalytic oxidation . J. Applied Microbiology 92(5):920-926

Kühn, K P., I.F. Chaberny, K. Massholder, M. Stickler, V.W. Benz, H.G. Sonntag and L. Erdinger. 2003. Disinfection of surfaces by photocatalytic oxidation with titanium dioxide and UVA light. Chemosphere. 53:71-77.

Thank you for your attention