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電化學活化產次氯酸技術

近年來隨著消毒需求興起，電化學活化(Electro-Chemical Activation, ECA)生成次氯酸鈉之技術隨之發展，此技術係藉由電化學反應產生安全、有效且對環境友善之次氯酸氧化物。其反應機制如圖1所示，主要係採無隔膜電解方式進行，以氯化鈉或海水做為電解液，陽極端之產氯反應會促使該區域之溶液呈酸性，相反的，陰極端產生氫氧根離子與鈉離子反應生成氫氧化鈉溶液呈鹼性，於酸鹼混合之情況下將致使整體電解溶液趨近於中性，而氣態氯溶於水中時，其於溶液中所呈自由餘氯型態係取決於溶液pH值而定(White, 1999)。

                                         圖1 電化學產製次氯酸鈉機制

電解過程所產生之氯氣溶於水中可能形成次氯酸或次氯酸根離子，而氯(Cl₂)、次氯酸(HOCl)及次氯酸鹽(OCl^-)皆具有消毒能力，其於溶液中所呈自由餘氯之型態受溶液pH值所影響，如圖2 (Al-Haqet al., 2005)所示。當溶液呈酸性(pH < 3)，將以液氯為主要之組成；隨著pH值上升至偏中性(3 < pH < 7)時，則以次氯酸為主要成份；當pH值提高至鹼性(pH > 7)時，則另以次氯酸根離子為主要成份。以消毒效能而言，其能力排序為氯>次氯酸>次氯酸根，其中以次氯酸根離子的性質最為穩定，亦最不具有消毒殺菌之效能，而液氯及次氯酸雖皆有良好之消毒能力，但相較之下，液氯在消毒殺菌過程易衍生如三鹵甲浣等致癌產之副產物，反之次氯酸除具
有相對穩定之性質外亦較無危害性，因此以消毒效能及操作之穩定性而言，以次氯酸最具有優勢。

  

        圖2 自由餘氯型態隨pH值變化之情形 (Al-Haqet al., 2005)

電混凝-電浮除於水處理之應用

廢水中溶解性無機物藉由以化學沉澱等方法轉變為無機顆粒後，其顆粒粒徑往往小至無法以重力直接沉降，因此必須藉由混凝等程序使顆粒聚集、粒徑放大，以利沉降去除。電混凝(Electro-coagulation, EC)為藉由電解系統中陽極(鋁/鐵)反應產生金屬離子，並水解產生金屬氫氧化物扮演混凝劑以絆除顆粒；電浮除(Electro-flotation, EF)為透過在陰/陽極還原/氧化水產生氫氣與氧氣，利用空氣氣泡之浮力將顆粒物質懸浮至水面加以去除，主要用於水中分離懸浮固體、油脂、纖維及其他比重低的固體，也可使用於活性污泥與化學混凝污泥的濃縮。對微小粒子之去除而言，浮除法優於沉澱法，因為微小粒子之沉降速度緩慢，若用浮除法，微小粒子可在短時間內被移除得更完整。一般而言電浮除常被用來結合電混凝程序(Electro-coagulation-flotation, ECF)，藉由水中混凝作用及浮除作用，以電性中和使膠體顆粒去穩定沉降，或藉由水中產生微小氣泡(通常為8~15 μm)將比重輕之顆粒帶至水面，反應機制如圖3。

                                              圖3 電混凝-浮除系統反應機制

電鍍還原技術於水中重金屬回收之應用

電鍍業及印刷電路板業 (PCB, printed  circuit  board) 產生大量重金屬廢液 ( 如 : 化學鎳 ) 及清洗廢水，傳統重金屬廢水化學沉澱法產生金屬氫氧化物污泥，後續處理困難；電鍍(Electroplating)為將水中金屬離子電沉積(electrodeposition)於電極表面，一般電鍍常被作為提高被鍍物表面特性如硬度之用途(鍍鉻)，於水處理產業以電鍍(解)回收重金屬，可避免一般化學沉澱法污泥處置之問題，以含銅廢水為例，高含銅廢水可直接以電解銅還原法回收銅金屬，但若廢水中金屬濃度低時，則可結合螯合樹脂程序精煉其樹脂再生液，如圖4。

                                         圖4 電解還原重金屬之應用(以銅回收為例)

電還原技術應用於硝酸鹽之選擇性還原

台灣為高科技產業製造之重鎮，其產業在製程中使用大量含硝酸鹽化學藥劑，使其含硝酸鹽之廢水排放量每年約達1,000,000噸，如未能妥善處理，將使得過量硝酸鹽進入地表水及地下水中，進而影響環境品質。傳統處理方法雖然具有降解硝酸鹽之能力，但電化學系統把硝酸鹽還原成氮氣(如圖5)，具有反應時間短及節省用地等優點，且不會產生廢棄物，因此可以節省後續的處理費用。

                                                               圖5 選擇性硝酸鹽還原技術

電化學分析技術(electroanalytical techniques)

除針對環境水體中污染物之氧化還原外，電化學分析亦常被應用於水質之感測，通常可藉由電極-溶液介面之電化學反應，獲得一反饋訊號(如電流、電壓、電荷等)，以進行水體中特定物質之分析與量測。一般而言，依據控制方式之不同可分為電位測定法(potentiometry)、恆電流法(galvanostatic method)及定電位法(potentiostatic method)等；系統通常由兩個以上之電極與電解液所組成，電極之表面形成電子與離子之介面，電子透過外電路從一極流向另一極，根據溶液之電化學性質(電流、電位、電導度等)與待測物之物化特性(組成、氧化態/還原態等)之間的關係，將待測物種之濃度轉變成電訊號之技術。以水中餘氯之電分析方式為例，可結合伏安法搭配多成分定性定量演算法進行濃度量測，透過次氯酸於特定電位下還原成氯離子所反饋之電流值，而測得水中餘氯濃度(如圖6)。

                                         圖6  電化學分析技術應用於水中餘氯之感測

參考文獻

AL-Haq M.H., Sugiyama J., and Isobe S. (2005) Applications of Electrolyzed Water in Agriculture & Food Industries. Food Sci. Technology. Res., 11(2), 135-150, 2005.

White, G.C. (1999) Handbook of Chlorination and Alternative Disinfectants, John Wiley & Sons Inc., Fourth Edition, USA.

撰寫人：莊雅茹

技術聯絡人：林冠佑

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