电解水在农副产品深加工中的作用
当水被电解时，阳极会生成具有氧化能力的酸性水，阴极会生成具有还原能力的碱性水。这两种性质不同的采出水可分为:
酸性水:杀菌、收敛水、器皿清洗、烹饪、电子零件和晶片清洗等。
碱性水:饮用、保健、食品清洗浸泡、电子零件和晶圆清洗等。
目前电解水的应用是台湾省饮用最普遍的电解水机，以保健为主要诉求。为了了解电解水的作用机理，本研究将使用一台基本参数可调的实验型电解水机，深入了解电解水的制造、其基本性质和成分的变化，以及植物生长和杀菌效果的模拟试验。
实验结果如下:
用氯化钠电解可以产生具有杀菌力的次氯酸(OCl-)溶液。
随着电解时间的增加，阳极pH值降低，氧化还原电位和电导率增加。
随着电解时间的增加，阴极的氧化还原电位降低，pH值和电导率增加。
电解水可以静置3小时左右，保持其性质不变。如果超过极限，氧化还原电位会逐渐恢复到电解前的状态，电导率增加，pH值不变。
自来水的O17 NMR谱的半峰全宽约为100Hz，而电解水的半峰全宽为50 Hz。连续监测2天，无明显变化，间接说明电解水的水团比自来水小。
绿豆芽生长试验表明，生长速度和高度依次为电解水、麦饭石水、自来水和去离子水。
工业电解槽的试验结果与上述结果基本相同。
序
功能水，顾名思义，是赋予水一定效率的新兴技术。日本功能水专家藤田久彦教授曾将功能水定义为1: (1)水本身或(2)水中所含的微量杂质，在一定条件下(电解、电场、添加剂、高温高压)，表现出其优良的电位特性，使水达到一定的状态(打破氢键、改变pH、ORP)。这种新发现的水被称为功能水。比如水团簇和超临界水属于(1)类，而一些活性种子和寿命有限的金属离子属于(2)类。
其中，电解离子水(以下简称电解水)在日本已广泛应用于饮用水和医院消毒，在工业清洗和农业杀菌方面也有相关案例。其制造原理和理论基础相对成熟2。目前电解水的应用是台湾省饮用最普遍的电解水机，以保健为主要诉求。为了了解电解水的机理，本研究将使用一台基本参数可调的实验电解槽，深入了解电解水的制造及其基本性质和组成的变化。希望实验结果能提供国人使用电解水的基础资料，并希望未来能建立一套检测与评估电解水效能的方法，以达到有效利用功能水的目的。
一、电解水的原理1
电解水通过电解改变水的pH值和氧化还原电位，分解产生O2和H2。一般来说，没有能增加自由能的化学反应。因此，在自然状态下，水不可能分解产生O2和H2。然而，如果将阴极和阳极加入水中，并施加电流，根据法拉第定律，可以发生电解反应。阳极材料通常是不溶性铂或石墨。阴极和阳极的氧化还原反应如下:
阴极:2H2O+2e-= 2OH-+具有还原能力的H2碱性离子水。
E0=0-0.0591pH
阳极:H2O = 2H++1/2O2+2e-具有氧化力的酸性离子水。
E0=1.228-0.0591pH
氢和氧在阴极和阳极表面生成后，电极周围的水趋于碱性和酸性，氧化还原电位也随之变化。在两极之间插入可以限制水迁移的多孔半透膜或可以允许阴离子和阳离子选择性通过的阴离子半透膜，即可以从阴极收集具有高氢离子浓度和还原力的碱性水，从阳极收集具有高氢离子浓度和氧化力的酸性水。目前，从阴极和阳极产生的电解水的名称并不统一。电解酸性水也叫电解氧化水，电解碱性水就是电解还原水。为了统一起见，本文将其称为电解碱性水和电解酸性水。
二、电解水的应用
1.碱性离子水(pH=9-11):
根据厂家建议，主要用于饮用生水、解酒、泡茶、冲咖啡、调酒、冲奶粉、做饭、烧水、洗菜、浇花。
日本有医疗机构给患者供应碱性离子水，而不是普通饮用水。其声称的疗效包括治疗胃肠不适、便秘、腹泻、糖尿病、高血压和改善体质。台湾省也有学者指出，碱性离子水可以消除人体内的自由基)4(自由基中含有不稳定的不成对电子，过多会损害人体的脂质，甚至引起细胞突变和癌症)。
此外，在1994中，NEC公司提出用碱性离子水清洗切割后的晶圆表面，可以比常用的氨水更有效地去除尘粒，减少化学药品的使用和废水处理的成本。
2.酸性离子水(pH=5-2.5):
弱酸性离子水可以作为皮肤收敛剂，据说有美容效果，还可以用来清洗器皿、擦拭家具。pH小于2.5的超强酸水具有杀菌功能，日本部分医疗机构使用超强酸水进行伤口消毒杀菌。农业上也有用超酸水代替农药杀菌，再用碱性水提高土壤pH值的例子。NEC和日本的Organo companies开发了酸性离子水来清洗晶片表面残留的金属离子，这样可以减少化学药品的用量。
三、实验设备和步骤
1.实验设备:
为了有效控制电解过程中的影响因素，本实验中使用的电解水制造设备是自行设计的。电源可以调节电解电位和电解电流。水样分为间歇式或流量可调的流动式，同时监测阴极槽和阳极槽的pH、ORP和电导率的变化。设备原理图见图1。阴极是不锈钢板，阳极是碳棒。
2.药物:
99.5%氯化钠(岛久制药)。
3.实验参数:
影响电解水成分的因素有电解电位、电解电流、电解时间(或流入速度)、电解质类型、半透膜类型等。本研究中，电解电位初始设定为60V，取样方式为分批式。样品对比和参数变化如下:
(1)水样:自来水、2mM氯化钠溶液、5mM氯化钠溶液。
(2)半透膜:阳离子交换膜。
(3)允许电解样品静置0-3天。
▲图1电解水制造设备
4.工业电解槽的试验:
a、b、c品牌电解槽基本水质检测。
四。结果和讨论
1.电解水的成分分析
在合理解释电解水的各种作用之前，首先要了解酸性水和碱性水的基本水质数据。本实验首先对当地无电解质的自来水(新竹县)进行电解，观察不同电解时间阴极和阳极的水质变化。结果如表1所示。
因为自来水中的电解质是有限的，即使电解电位提高到最大值60 V，电解电流也只有0.22A，而且并不是随着电解时间的增加而逐渐增加。但毫无疑问的是，由于电解在阴极和阳极产生了离子，两侧的电导率分别由265.5μS/cm提高到406μS/cm和365，438+07.8 μ s/cm。其中氢离子(H+)在阳极生成，所以pH值从自来水的7.63降低到4.00，氢氧根离子(OH-)在阴极生成，pH值从7.63升高到10.62。另一方面，发现阳极的氧化还原电位变化不大(303mV~376mV)，这可能是由于余氯略有增加(0.08 mg/L~0.12 mg/L)所致。阴极的氧化还原电位变化非常明显，表明产生了还原性物质。
根据需要在自来水样品中加入不同的电解质，可以产生不同成分的电解水或增强某些特性。在下面的实验中，使用2mM和5mM的氯化钠溶液进行电解，水质变化如表2和表4所示。
首先，用新竹县的自来水与氯化钠混合制备2mM的氯化钠溶液，用于电解。电解电流明显高于电解自来水，初始电流为0.43A，电解30分钟后电流增至0.76A。电导率分别从544μS/cm增加到965μS/cm(+)和1020μS/cm(-)。因为加入的氯离子(Cl-)可能通过电解生成次氯酸根离子(OCl-)，所以我们还监测了余氯和总氯的变化。阳极余氯从0.08mg/L上升到0.7mg/L，阳极电解水中氯味明显。阴极检测不到余氯和总氯。pH值的两极分别是酸性和碱性。当阴极的pH从7.6增加到10.4时，在溶液中可以清楚地看到白色沉淀，这应该是钙和镁的氢氧化物沉淀。酸性水的pH值与电解时间成反比，而ORP、电导率和氯离子浓度成正比。从ORP可以看出，酸性水具有氧化力，余氯的增加可以增强其杀菌力，而碱性水的还原力随着ORP的降低而增加。
日本栗田工业株式会社研发本部使用当地自来水混合氯化钠作为电解液，观察酸性水和碱性水在不同电解时间的水质变化，如表3所示。发现变化趋势与表2一致，但电解水成分与表2有些不同，余氯浓度高很多，可能是当地水质差异和电解设备本身的设计造成的。未来的实验也将研究这种差异。
当电解用氯化钠浓度增加到5mM时，阳极的氧化还原电位(330~826mV)和余氯浓度(0.12~2.45mg/L)明显增加。结果见表4，但与日本仍有差距。电解含氯离子的水溶液当然可以产生具有杀菌力的OCl-溶液。为了生产高浓度余氯的酸性水，适度提高水中氯离子的浓度是可行的。
▼表1电解自来水水质变化
▼表2电解2mM氯化钠溶液水质变化
▼表3日本-不同电解时间电解水的成分(2mM NaCl溶液)
2.电解水特性的持久性
即使可以证明酸性电解水和碱性电解水的性质和效用，毕竟这种电解引起的变化是不正常的。做出来之后能坚持多久，是必须面对的问题。下面的实验是将2mM和5mM的氯化钠溶液电解30分钟后静置观察水质的变化。2mM的氯化钠溶液电解30分钟，然后留在电解池中。阴极和阳极由阳离子半透膜隔开。结果如表2所示。正如所料，由于通过半透膜的扩散和中和作用，氧化还原电位和电导率逐渐趋于电解前的状态。pH值维持在酸碱度范围内，变化有限。余氯本身就是一种强氧化剂，经过几十个小时的反应就耗尽了。
如果电解后将酸性水和碱性水分别放入烧杯中，避光保存，除余氯外，其性质在3小时左右保持不变。发现了有趣的现象(见表5)。即随着静置时间的增加，两侧的电导率都增加。与上表2的结果相反，说明静置后离子相继生成，但两边的离子由于分开存放，不能反应成中性分子。至于产生哪些离子，还有待研究。氧化还原电位在静置46小时后趋于平衡，观察到在酸性水(546mV)和碱性水(158mV)中保持75小时。pH值在观察时间内没有明显变化，保持电解后的状态。余氯和总氯与之前观察到的2mM氯化钠电解水溶液一致，逐渐降低，但由于避光，降低速度较慢。
▼表4电解5mM氯化钠溶液水质变化
▼表5 5mM NaCl电解水溶液静置后的水质变化
水团簇示意图
▲图2核磁共振质谱仪(NMR)O17分析图。
3.o 17电解水核磁共振波谱。
电解水的水团比普通水小吗？目前还没有办法直接观察和证明分析技术。然而，通过测试样品水的O17 NMR(核磁共振)光谱，可以间接比较不同来源的水的分子簇大小。O17峰的FWHM代表水分子之间的作用力，相互作用力与水分子团成正比，FWHM也有增有减。因此，如果水样的FWHM测量值小于电解前的值，则意味着水团变小了。
表6显示了电解水和自来水的测试结果。电解自来水后，O17的半峰全宽从100 Hz下降到50 Hz，连续监测2天无明显变化。典型自来水和电解的NMR O17半宽谱见图2。
用2mM和5mM氯化钠溶液的电解试验结果与上表大致相同。
▼表6电解水O17的半峰全宽(Hz)
▼表7电解水杀菌对比试验
4.酸性电解水的无菌检查
参见表7。将菌种加入纯水、自来水、3ppm次氯酸钠溶液、电解酸性水和碱性水中静置，观察菌种的变化。自来水、次氯酸钠溶液、电解酸性水中有余氯，有杀菌作用。水样中菌落总数不测，而碱性水中菌落数下降缓慢，半小时后菌落数完全不测。
5.植物生长试验
将棉花铺在培养皿上，每皿放20颗绿豆，分别加入去离子水、自来水、电解酸性水、电解碱性水、麦饭石过滤水各20mL，每天补充各种水样20mL，观察记录绿豆的发芽生长情况。详细记录见表8和图3至图6。
豆芽播种
▲图3豆芽的生长状况(第1天和第2天)
▲图4豆芽的生长状况(第3天)
6.商用电解槽的测试
▼表9商用电解水机测试
▲图5豆芽的生长(第五天)
▲图6豆芽生长状况(第八天，去离子水、电解碱水、自来水、电解酸性水、麦饭石)
市场上销售的电解槽的基本水质，包括pH值、电导率、氧化还原电位(ORP)和半峰全宽O17，分别由品牌A、B和C进行检测(见表9)。
工业电解槽的试验结果与实验室试验结果基本一致。电解水煮沸后，酸性水无明显变化，碱性水氧化还原电位明显向正值移动，这是由于高温与加速氧化反应的关系，使碱性水趋于平衡。另外值得注意的一点是，自来水、π水、麦饭石水烧开后，O17的半峰全宽也会变窄(从100到50)，说明只要给水加一个能量，水团就可以分散减少。
▼表10电解水与原水水质对比
动词 （verb的缩写）结论
将这个实验的结果与日本的结果相比较，我们可以得到电解后水的性质变化的一致现象。表104是一般饮用电解槽和自来水的参考值。但除了酸性水有明显的杀菌作用外，碱性水对人体的疗效还需要医学上的关注和观察。电解水的水分子较小，有助于植物生长，这一点在本研究中可以得到初步证实。
电解水的设备和运行成本以及耗电量是未来用电解水设备取代现有技术必须考虑的重点。电解水最大的优点是可以节省药物或者用低(无危害)药物替代高风险药物，间接减少废液对环境的影响，节省人工配制时间和职业伤害。