當水被電解時，陽極會生成具有氧化能力的酸性水，陰極會生成具有還原能力的堿性水。這兩種性質不同的采出水可分為:
酸性水:殺菌、收斂水、器皿清洗、烹飪、電子零件和晶片清洗等。
堿性水:飲用、保健、食品清洗浸泡、電子零件和晶圓清洗等。
目前電解水的應用是臺灣省飲用最普遍的電解水機，以保健為主要訴求。為了了解電解水的作用機理，本研究將使用壹臺基本參數可調的實驗型電解水機，深入了解電解水的制造、其基本性質和成分的變化，以及植物生長和殺菌效果的模擬試驗。
實驗結果如下:
用氯化鈉電解可以產生具有殺菌力的次氯酸(OCl-)溶液。
隨著電解時間的增加，陽極pH值降低，氧化還原電位和電導率增加。
隨著電解時間的增加，陰極的氧化還原電位降低，pH值和電導率增加。
電解水可以靜置3小時左右，保持其性質不變。如果超過極限，氧化還原電位會逐漸恢復到電解前的狀態，電導率增加，pH值不變。
自來水的O17 NMR譜的半峰全寬約為100Hz，而電解水的半峰全寬為50 Hz。連續監測2天，無明顯變化，間接說明電解水的水團比自來水小。
綠豆芽生長試驗表明，生長速度和高度依次為電解水、麥飯石水、自來水和去離子水。
工業電解槽的試驗結果與上述結果基本相同。
序
功能水，顧名思義，是賦予水壹定效率的新興技術。日本功能水專家藤田久彥教授曾將功能水定義為1: (1)水本身或(2)水中所含的微量雜質，在壹定條件下(電解、電場、添加劑、高溫高壓)，表現出其優良的電位特性，使水達到壹定的狀態(打破氫鍵、改變pH、ORP)。這種新發現的水被稱為功能水。比如水團簇和超臨界水屬於(1)類，而壹些活性種子和壽命有限的金屬離子屬於(2)類。
其中，電解離子水(以下簡稱電解水)在日本已廣泛應用於飲用水和醫院消毒，在工業清洗和農業殺菌方面也有相關案例。其制造原理和理論基礎相對成熟2。目前電解水的應用是臺灣省飲用最普遍的電解水機，以保健為主要訴求。為了了解電解水的機理，本研究將使用壹臺基本參數可調的實驗電解槽，深入了解電解水的制造及其基本性質和組成的變化。希望實驗結果能提供國人使用電解水的基礎資料，並希望未來能建立壹套檢測與評估電解水效能的方法，以達到有效利用功能水的目的。
壹、電解水的原理1
電解水通過電解改變水的pH值和氧化還原電位，分解產生O2和H2。壹般來說，沒有能增加自由能的化學反應。因此，在自然狀態下，水不可能分解產生O2和H2。然而，如果將陰極和陽極加入水中，並施加電流，根據法拉第定律，可以發生電解反應。陽極材料通常是不溶性鉑或石墨。陰極和陽極的氧化還原反應如下:
陰極:2H2O+2e-= 2OH-+具有還原能力的H2堿性離子水。
E0=0-0.0591pH
陽極:H2O = 2H++1/2O2+2e-具有氧化力的酸性離子水。
E0=1.228-0.0591pH
氫和氧在陰極和陽極表面生成後，電極周圍的水趨於堿性和酸性，氧化還原電位也隨之變化。在兩極之間插入可以限制水遷移的多孔半透膜或可以允許陰離子和陽離子選擇性通過的陰離子半透膜，即可以從陰極收集具有高氫離子濃度和還原力的堿性水，從陽極收集具有高氫離子濃度和氧化力的酸性水。目前，從陰極和陽極產生的電解水的名稱並不統壹。電解酸性水也叫電解氧化水，電解堿性水就是電解還原水。為了統壹起見，本文將其稱為電解堿性水和電解酸性水。
二、電解水的應用
1.堿性離子水(pH=9-11):
根據廠家建議，主要用於飲用生水、解酒、泡茶、沖咖啡、調酒、沖奶粉、做飯、燒水、洗菜、澆花。
日本有醫療機構給患者供應堿性離子水，而不是普通飲用水。其聲稱的療效包括治療胃腸不適、便秘、腹瀉、糖尿病、高血壓和改善體質。臺灣省也有學者指出，堿性離子水可以消除人體內的自由基)4(自由基中含有不穩定的不成對電子，過多會損害人體的脂質，甚至引起細胞突變和癌癥)。
此外，在1994中，NEC公司提出用堿性離子水清洗切割後的晶圓表面，可以比常用的氨水更有效地去除塵粒，減少化學藥品的使用和廢水處理的成本。
2.酸性離子水(pH=5-2.5):
弱酸性離子水可以作為皮膚收斂劑，據說有美容效果，還可以用來清洗器皿、擦拭家具。pH小於2.5的超強酸水具有殺菌功能，日本部分醫療機構使用超強酸水進行傷口消毒殺菌。農業上也有用超酸水代替農藥殺菌，再用堿性水提高土壤pH值的例子。NEC和日本的Organo companies開發了酸性離子水來清洗晶片表面殘留的金屬離子，這樣可以減少化學藥品的用量。
三、實驗設備和步驟
1.實驗設備:
為了有效控制電解過程中的影響因素，本實驗中使用的電解水制造設備是自行設計的。電源可以調節電解電位和電解電流。水樣分為間歇式或流量可調的流動式，同時監測陰極槽和陽極槽的pH、ORP和電導率的變化。設備原理圖見圖1。陰極是不銹鋼板，陽極是碳棒。
2.藥物:
99.5%氯化鈉(島久制藥)。
3.實驗參數:
影響電解水成分的因素有電解電位、電解電流、電解時間(或流入速度)、電解質類型、半透膜類型等。本研究中，電解電位初始設定為60V，取樣方式為分批式。樣品對比和參數變化如下:
(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)允許電解樣品靜置0-3天。
▲圖1電解水制造設備
4.工業電解槽的試驗:
a、b、c品牌電解槽基本水質檢測。
四。結果和討論
1.電解水的成分分析
在合理解釋電解水的各種作用之前，首先要了解酸性水和堿性水的基本水質數據。本實驗首先對當地無電解質的自來水(新竹縣)進行電解，觀察不同電解時間陰極和陽極的水質變化。結果如表1所示。
因為自來水中的電解質是有限的，即使電解電位提高到最大值60 V，電解電流也只有0.22A，而且並不是隨著電解時間的增加而逐漸增加。但毫無疑問的是，由於電解在陰極和陽極產生了離子，兩側的電導率分別由265.5μS/cm提高到406μS/cm和365，438+07.8 μ s/cm。其中氫離子(H+)在陽極生成，所以pH值從自來水的7.63降低到4.00，氫氧根離子(OH-)在陰極生成，pH值從7.63升高到10.62。另壹方面，發現陽極的氧化還原電位變化不大(303mV~376mV)，這可能是由於余氯略有增加(0.08 mg/L~0.12 mg/L)所致。陰極的氧化還原電位變化非常明顯，表明產生了還原性物質。
根據需要在自來水樣品中加入不同的電解質，可以產生不同成分的電解水或增強某些特性。在下面的實驗中，使用2mM和5mM的氯化鈉溶液進行電解，水質變化如表2和表4所示。
首先，用新竹縣的自來水與氯化鈉混合制備2mM的氯化鈉溶液，用於電解。電解電流明顯高於電解自來水，初始電流為0.43A，電解30分鐘後電流增至0.76A。電導率分別從544μS/cm增加到965μS/cm(+)和1020μS/cm(-)。因為加入的氯離子(Cl-)可能通過電解生成次氯酸根離子(OCl-)，所以我們還監測了余氯和總氯的變化。陽極余氯從0.08mg/L上升到0.7mg/L，陽極電解水中氯味明顯。陰極檢測不到余氯和總氯。pH值的兩極分別是酸性和堿性。當陰極的pH從7.6增加到10.4時，在溶液中可以清楚地看到白色沈澱，這應該是鈣和鎂的氫氧化物沈澱。酸性水的pH值與電解時間成反比，而ORP、電導率和氯離子濃度成正比。從ORP可以看出，酸性水具有氧化力，余氯的增加可以增強其殺菌力，而堿性水的還原力隨著ORP的降低而增加。
日本栗田工業株式會社研發本部使用當地自來水混合氯化鈉作為電解液，觀察酸性水和堿性水在不同電解時間的水質變化，如表3所示。發現變化趨勢與表2壹致，但電解水成分與表2有些不同，余氯濃度高很多，可能是當地水質差異和電解設備本身的設計造成的。未來的實驗也將研究這種差異。
當電解用氯化鈉濃度增加到5mM時，陽極的氧化還原電位(330~826mV)和余氯濃度(0.12~2.45mg/L)明顯增加。結果見表4，但與日本仍有差距。電解含氯離子的水溶液當然可以產生具有殺菌力的OCl-溶液。為了生產高濃度余氯的酸性水，適度提高水中氯離子的濃度是可行的。
▼表1電解自來水水質變化
▼表2電解2mM氯化鈉溶液水質變化
▼表3日本-不同電解時間電解水的成分(2mM NaCl溶液)
2.電解水特性的持久性
即使可以證明酸性電解水和堿性電解水的性質和效用，畢竟這種電解引起的變化是不正常的。做出來之後能堅持多久，是必須面對的問題。下面的實驗是將2mM和5mM的氯化鈉溶液電解30分鐘後靜置觀察水質的變化。2mM的氯化鈉溶液電解30分鐘，然後留在電解池中。陰極和陽極由陽離子半透膜隔開。結果如表2所示。正如所料，由於通過半透膜的擴散和中和作用，氧化還原電位和電導率逐漸趨於電解前的狀態。pH值維持在酸堿度範圍內，變化有限。余氯本身就是壹種強氧化劑，經過幾十個小時的反應就耗盡了。
如果電解後將酸性水和堿性水分別放入燒杯中，避光保存，除余氯外，其性質在3小時左右保持不變。發現了有趣的現象(見表5)。即隨著靜置時間的增加，兩側的電導率都增加。與上表2的結果相反，說明靜置後離子相繼生成，但兩邊的離子由於分開存放，不能反應成中性分子。至於產生哪些離子，還有待研究。氧化還原電位在靜置46小時後趨於平衡，觀察到在酸性水(546mV)和堿性水(158mV)中保持75小時。pH值在觀察時間內沒有明顯變化，保持電解後的狀態。余氯和總氯與之前觀察到的2mM氯化鈉電解水溶液壹致，逐漸降低，但由於避光，降低速度較慢。
▼表4電解5mM氯化鈉溶液水質變化
▼表5 5mM NaCl電解水溶液靜置後的水質變化
水團簇示意圖
▲圖2核磁共振質譜儀(NMR)O17分析圖。
3.o 17電解水核磁共振波譜。
電解水的水團比普通水小嗎？目前還沒有辦法直接觀察和證明分析技術。然而，通過測試樣品水的O17 NMR(核磁共振)光譜，可以間接比較不同來源的水的分子簇大小。O17峰的FWHM代表水分子之間的作用力，相互作用力與水分子團成正比，FWHM也有增有減。因此，如果水樣的FWHM測量值小於電解前的值，則意味著水團變小了。
表6顯示了電解水和自來水的測試結果。電解自來水後，O17的半峰全寬從100 Hz下降到50 Hz，連續監測2天無明顯變化。典型自來水和電解的NMR O17半寬譜見圖2。
用2mM和5mM氯化鈉溶液的電解試驗結果與上表大致相同。
▼表6電解水O17的半峰全寬(Hz)
▼表7電解水殺菌對比試驗
4.酸性電解水的無菌檢查
參見表7。將菌種加入純水、自來水、3ppm次氯酸鈉溶液、電解酸性水和堿性水中靜置，觀察菌種的變化。自來水、次氯酸鈉溶液、電解酸性水中有余氯，有殺菌作用。水樣中菌落總數不測，而堿性水中菌落數下降緩慢，半小時後菌落數完全不測。
5.植物生長試驗
將棉花鋪在培養皿上，每皿放20顆綠豆，分別加入去離子水、自來水、電解酸性水、電解堿性水、麥飯石過濾水各20mL，每天補充各種水樣20mL，觀察記錄綠豆的發芽生長情況。詳細記錄見表8和圖3至圖6。
豆芽播種
▲圖3豆芽的生長狀況(第1天和第2天)
▲圖4豆芽的生長狀況(第3天)
6.商用電解槽的測試
▼表9商用電解水機測試
▲圖5豆芽的生長(第五天)
▲圖6豆芽生長狀況(第八天，去離子水、電解堿水、自來水、電解酸性水、麥飯石)
市場上銷售的電解槽的基本水質，包括pH值、電導率、氧化還原電位(ORP)和半峰全寬O17，分別由品牌A、B和C進行檢測(見表9)。
工業電解槽的試驗結果與實驗室試驗結果基本壹致。電解水煮沸後，酸性水無明顯變化，堿性水氧化還原電位明顯向正值移動，這是由於高溫與加速氧化反應的關系，使堿性水趨於平衡。另外值得註意的壹點是，自來水、π水、麥飯石水燒開後，O17的半峰全寬也會變窄(從100到50)，說明只要給水加壹個能量，水團就可以分散減少。
▼表10電解水與原水水質對比
動詞 （verb的縮寫）結論
將這個實驗的結果與日本的結果相比較，我們可以得到電解後水的性質變化的壹致現象。表104是壹般飲用電解槽和自來水的參考值。但除了酸性水有明顯的殺菌作用外，堿性水對人體的療效還需要醫學上的關註和觀察。電解水的水分子較小，有助於植物生長，這壹點在本研究中可以得到初步證實。
電解水的設備和運行成本以及耗電量是未來用電解水設備取代現有技術必須考慮的重點。電解水最大的優點是可以節省藥物或者用低(無危害)藥物替代高風險藥物，間接減少廢液對環境的影響，節省人工配制時間和職業傷害。