利用奈米tio2极板检测cod之研究

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1、利用奈米TiO2極板檢測COD之研究1章日行2王華麒3沈善鎰1私立朝陽科技大學環境工程與管理學系副教授（台中縣）2私立朝陽科技大學環境工程與管理學系研究生（台中縣）3國立中興大學環境工程學系博士生（台中縣）摘要化學需氧量（ChemicalOxygenDemand，簡稱COD）為判斷水樣品質之重要指標，傳統化學需氧量分析方法主要為重鉻酸鉀迴流法，其所需之試劑藥量大、操作時間長，且會產生大量含汞的毒性廢液。而使用電化學分析方法可避免上述缺點，許多研究正在進行且具初步成果，其中觸媒材料與奈米化技術的結合，可有效地提升觸媒催化有機污染物的效率，同時產生電流訊號以量測COD

2、值。觸媒材料中，二氧化鈦具有高能隙及良好之化學穩定性。故本研究採用化學氣相沉積法製備的奈米二氧化鈦極板，與電化學分析儀器結合開發量測水樣之COD的技術，並建立相關操作參數與探討可行性。試驗樣本為以自行配製不同COD濃度的水樣，工作電極與輔助電極分別為二氧化鈦與白金絲，Ag/AgCl電極為參考電極，電化學分析以直接氧化與間接氧化法進行，兩者皆以量測水樣之電流值大小推算COD值，由試驗結果得知，在直接氧化條件下，固定操作電壓3,000mV下，COD濃度80~1,000mgL-1時，電流值與COD有良好的線性關係（R2=0.99），在COD濃度1,000~10,000m

3、gL-1亦可獲得良好的檢量線（R2=0.99），在間接氧化條件下，COD濃度80~1,000mgL-1與1,000~10,000mgL-1，皆可達0.99以上。關鍵詞：化學需氧量、電化學分析、奈米、二氧化鈦一、前言及研究目的隨著化學污染物的增加（例如肥料、殺蟲劑等），使得污水處理已成為全球重要的環境問題之ㄧ[1]。水中之污染物包括有機物質、無機物質、懸浮物、放射性物質、植物營養物、耗氧性物質等，若污水不慎排放至河川中，將造成河川優養化、溶氧耗竭、影響水中生物生存等環境生態問題[2]。行政院環保署為配合水體污染管制及法規執行的需求，迄今已公告129種水質檢測標準方法

4、，而各種標準方法的訂定都經過一定的程序，慎密的驗證、審核後才公告使用。在眾多已公告的標準水質檢測方法中，化學需氧量（ChemicalOxygenDemand，簡稱COD），是指在規定條件下，使水樣中能被氧化的物質氧化所需消耗氧化劑的量，以每公升水消耗氧的毫克數表示。其值可表示水中有機物的含量，用以反映水體受有機物污染的程度[3]。當COD值愈高，表示有機物含量愈多，相對地污染也越嚴重，為目前各界所通用水質監測的一項重要項目。因此，化學需氧量之檢測方法對於廢水的污染與防治意義重大[4]。目前測定化學需氧量的方法中，一般常用有（1）重鉻酸鉀迴流法、（2）密閉式迴流滴定

5、法[5-6]及（3）密閉式迴流比色法三種[7]。但傳統檢測方法中，測定方法需耗費長時間、人力及化學藥劑的操作才能測知，無法快速得知污染情形；基於考量上述幾點缺失與限制，故期望能尋找更適合的方法進行改善。電化學分析與應用是近年來相當具有潛力的一項技術，其應用於廢污水的處理上已有不錯的成效。利用電化學技術處理水中有機污染物主要降解途徑為：（1）直接氧化，可用法拉第(Faraday)電解定律表示：(式1)m:電極上發生化學變化的物質之莫耳質量z:電解反應時電子的轉移數i:電解時的電流強度t:電解時間F:法拉第常數，F=96500C/mol電極上發生化學反應的物質之質量m

6、與所通入的電量Q成正比；通入相同電量時，電極上所發生化學變化的各種物質的質量與該物質的M/z成正比。用電解消耗的電量計算反應物質的量，因此若不同濃度的污染物所產生初始電流訊號亦有所不同。（2）間接氧化，可利用電極氧化特定介質（如NaCl、Na2SO4等），反應中將產生具良好氧化能力之中間物質（如OCl-、S2O82-等），可藉由中間物質氧化污染物[8-9]；或利用電觸媒（Electrocatalytic）受激發的電子-電洞對，與水碰撞反應後產生氧化能力極強的氫氧自由基（‧OH）。根據Quan等人所提出以下之分析原理(以S作為極板表面)：(式2)(式3)(式4)(式

7、5)(式6)從式中可得知極板表面與水反應形成‧OH，而‧OH與反應物形成水與二氧化碳，若k1>>k2CR，則會形成式4，其中n為電子，F為法拉第常數，A為極板面積，Zc為完整氧化反應物濃度CR為反應物的濃度。若1氧分子轉換為4個電子，根據COD的定義，nCR能夠以COD/8000表示(8000為32000mgO2mol-1O2/4molemol-1O2)，因此改寫成式5。若k2>>k1則根據Popovic’和Johnson等人提出，產生‧OH為主要的電流(式6)，Г為吸附‧OH的極板表面密度，因此根據上面所描述，只要產生充足的‧OH，工作電極產生的電流與反應物或C

8、OD會呈線