无隔膜电解水与漂白水之杀菌力与操作成本比较

无隔膜电解水与漂白水之杀菌力与操作成本比较 無隔膜電解水與漂白水之殺菌力與操作成本比較 國立宜蘭大學生物機電工程學系 張明毅 吳品宏 王彥策 國立台灣大學生物產業機電工程學系 方煒 陳林祈 【關鍵詞】電解水、漂白水、殺菌力 一、前言 環境消毒最常用的方式是將漂白水稀釋成適當濃度噴灑或浸泡。雖然漂白水的成本低廉,但漂白水的製造過程需通入氯氣,萬一高濃度氯氣外洩,將造成嚴重的毒害。漂白水成品必須裝桶保存,必然增加儲運成本。且經長期貯存後,有效氯極易消失,使其消毒效力大減。 近年電解消毒技術逐漸受到重視,利用電解氯化鈉溶液產生之有效氯及高氧化還原電位可有效殺菌。一般多以有隔膜的電解水機電解,收集陽極產生的酸性電解水,此溶液pH達2.4,氧化還原電位>1100 mV,殺菌力極強,在許多消毒殺菌的領域均可見其應用研究的實例。然而強酸具腐蝕性,有效氯不易保存,且隔膜價格價較為昂貴、處理量小,因此近來逐漸考慮中性電解水的應用。中性電解水的殺菌力或許不若酸性電解水,但是其腐蝕性低,有效氯穩定。無隔膜電解是產生中性電解水最簡單也最經濟的方式,本研究的目的即在於利用簡易無隔膜電解機構,製造無隔膜電解水,和漂白水進行殺菌力比較。並測試不同的電解條件,計算有效氯的生成速率,藉由生產成本的計算,進行取代漂白水的可行性評估。 二、材料與方法 2本研究使用自製簡易無隔膜電解機構,以兩根正方形截面積1 cm的石墨棒為電極,可調整極距和深度。電極連結於可設定定電壓或定電流模式的電源供應器,電解時最大極限可達電壓40 V或電流20 A的輸出。 由於電解後,會有物質析出沈積於電極上,造成電極老化,因此必須先進行電極清洗。將電極正負極交換後,浸入0.1M HCl溶液中電解約2 min。電解後使用大量的自來水清洗電極,將殘留於電極上的物質洗掉,以免影響電解的效能。 (一) 無隔膜電解水與漂白水殺菌力比較測試 大腸桿菌常存在於動物的腸道或糞便中,當食物遭受病原性大腸桿菌污染時,會引發腹瀉和嘔吐現象,是最常見的病原菌。故本試驗選用E. coli K12菌株進行滅菌力測試。 本試驗欲比較3種有效氯濃度50、100、200 mg/L的電解水與漂白水的殺菌力。漂白水直接使用有效氯濃度約6,試藥級次氯酸鈉溶液,用自來水稀釋至所需濃度。電解水則是利用無隔膜電解機構,極距0.8 cm,電極深度12 cm,在定電壓24V的模式下,電解鹽度6‰的粗鹽水1 L,10 min後約可生成有效氯250 mg/L。電解水的消毒試劑又分為兩種生產模式, 1.直接生產電解水,在電解過程中當有效氯濃度達50、100及200 mg/L時取出。 2.電解水稀釋備用,以較高有效氯濃度250 mg/L的電解水以自來水稀釋成50、100及200 mg/L。 進行殺菌力測試時,將試管內加入消毒試劑9 mL後,再加入 1 mL E.coil K12菌液,該菌液濃度約6 log CFU/mL。菌液加入後使用Vortex震盪混合30秒,再以10倍率無菌緩衝液連續稀釋後,取0.1 mL塗抹於LB agar培養基上,每個稀釋倍率取二重複,培養條件為37?、24 hr,計算生成的菌落數(CFU/mL)。 (二) 無隔膜電解水與漂白水操作成本比較 本實驗將電極固定於間距0.8 cm,深度12 cm,擬探討電解時(1)電壓高低、(2)定電壓/定電流模式、(3)電解液濃度對電解吮操作成本之影響。以上一個實驗的電解條件,定電壓24 V(初始電流7.8 A,初始消耗功率187.2 W)、6 ‰粗鹽水訂為比較標準,一次變動一個因子去探討每一個因子的影響,並和漂白水成本相比。 電解水的操作成本主要有二,電費及粗鹽。電解時消耗電能E(KJ)將產生有效氯重量W(g Cl) 2 E,V × A × t × 60 / 1000 其中 V: 電壓(volt)、A: 電流(amp)、t: 電解時間(min) W=C × V / 1000 其中 C: 最終有效氯濃度(mg/L)、V: 電解水體積(L) 若以目前農業用電,每度電為2.2元計算,生產每克有效氯消耗電能成本C elec -4C (NT$/g Cl), 6.1 × 10 × E / W elec2 農會粗鹽售價為NT$ 250 / 50kg , NT$ 0.005 /g。生產每克有效氯消耗粗鹽成本C salt C (NT$/g Cl2), Ws × 0.005 / W 其中Ws: 使用粗鹽重量 salt 市售的漂白水,每桶30kg,售價為NT$350。其中有效氯濃度為12%,相當於有效氯3600 g,故其單位成本為NT$ 0.10/g Cl。 2 三、結果與討論 表 1 不同消毒藥劑及有效氯濃度對大腸桿菌(一) 無隔膜電解水與漂白水殺菌力比較測試 之殺菌力 表1為不同消毒藥劑及有效氯濃度對大腸桿 消毒試劑 菌之殺菌力的比較表。直接生產的電解水在有效有直接生產 稀釋 mg/L 漂白水氯50 mg/L即可完全殺滅大腸桿菌,此濃度以本實電解水 效電解水驗設備及條件下生產時,1 L約需2 min。稀釋電50 100% 93.3% 92.0% 氯解水在有效氯達100 mg/L以上能完全滅菌。漂白100 100% 100% 97.3% 濃水需升至200 mg/L,才可完全滅菌。實驗證明電度200 100%100% 100% 解水的殺菌效果的確優於漂白水,而直接生產的 電解水又優於由高濃度再稀釋的電解水。 (二) 無隔膜電解水與漂白水操作成本比較 實驗中一般採定電壓電解,在電解過程中,電流隨時間上升,代表功率消耗逐漸增加,然而有效氯濃度卻是等速增加,表示在電解時,電能的消耗除了等速產生有效氯,有額外的消耗,此消耗便是表現在水溫上升。 表2為不同電解條件下的操作成本。由組別0和1比較,低電壓電解的電能成本較高電壓低。 然而其有效氯生產速率慢,在10 min內產生的有效氯重量有限,因此粗鹽成本會偏高。由組別0和2比較,定電流電解模式的電能成本較定電壓低,而粗鹽成本差異不大。由組別2和3比較,高鹽度大電流的條件下,其電能成本低廉。由各組實驗數據顯示,以電解方式生產有效氯的電能成本在低電壓或高鹽度的條件下,其電能成本均低於漂白水(NT$ 0.10/g Cl)。唯其粗鹽成本偏高,需電2 解較長時間,使其累積較多的有效氯,始可壓低粗鹽成本。若能將產生量提升為目前10倍,則其 總成本將降至與漂白水相同水準。 表 2 不同電解條件下,電解10 min,有效氯產生量與生產成本之比較 有效氯 消耗 電能成本粗鹽成本 實驗電解 初始 初始 消耗粗鹽 鹽度總成本C C 產生量電能 elecsalt (‰) (NT$/g Cl) 組別 模式 電壓 電流 重量Ws(g) 2(NT$/g Cl) (NT$/g Cl) 22W (g) E (KJ) 0 24V - 6 0.235134.1 0.35 60.13 0.48 定電壓 1 60.03 7 2.1 0.04 6 0.820.86 5V -定電壓 2 7.8A6 0.223 99.0 0.27 60.13 0.40 -定電流 3 20A250 2.752 * 17.3 0.02 2500.45 0.47 定電流 * 電解2分鐘測得的數值 四、結論 本試驗證明在相同有效氯濃度下,未經稀釋的無隔膜電解水的殺菌力優於由高濃度稀釋的電解水,但二者均遠高於漂白水。在耗電成本方面,定電流模式以低電流電解高濃度的鹽水最為經濟,成本遠低於漂白水,然而粗鹽成本大於耗電,因此電解至高有效氯濃度後再以大比例稀釋應是最經濟的操作模式,至於經稀釋會造成殺菌力下降,稀釋率的最大極限仍待進一步探討。