即時線上電化學感測元件之開發：以水中餘氯及銅離子量測為例：材料世界網

李晨瑜、王儀婷、莊雅茹 / 工研院材化所

水質自動監測之目的在於提供準確、即時及完整的水質特性資訊，惟傳統的水質分析技術存在分析時間過長、成本昂貴及仰賴人力等問題，無法即時、完整且有效提供擬定控制策略時所需的資訊。因此，工研院材化所團隊以電化學法為開發基礎，開發具有「體積小」、「耐用」、「維護容易」及「低成本」特性之電化學感測元件，以提供未來各單位應用於不同情境水體監測系統之建置。

本團隊開發之電化學感測元件，以餘氯與重金屬(以銅為例)為監測目標，以含微流道及電化學反應槽之原型機組為基礎，可整合電化學線上分析技術平台，並進行相關實驗室及實際場域測試。試結果顯示，本團隊所開發之感測元件應用於自來水廠餘氯及工業區放流水中銅離子即時監測具有相當可行性，並預期未來可應用於現場水質條件之線上監測，亦可透過資料傳輸及定位功能，依驗證場域配置不同感測元件進行實場驗證，以作為未來感測系統布建及長時水質監測之評估依據。

前言

為提升用水安全、預防微生物及細菌滋生，一般自來水處理流程中常於後段消毒程序以通入氯氣、次氯酸鈉或次氯酸鈣之方式，將氯添加至水中。一般而言，於pH值大於5之條件下，氯氣溶於水中後多以次氯酸(HClO)或次氯酸根離子(ClO^-)之形式存在，即為自由餘氯(Free Chlorine)。因其具有高度氧化能力，可藉破壞細菌的細胞壁及細胞膜，達殺菌消毒目的。惟考量餘氯濃度過高時，除對於人體可能產生呼吸道損傷、皮膚灼熱等危害外，亦可能會因消毒副產物如三氯甲烷(THM)的生成，對於接觸或飲用到的生物產生致癌影響。故各國對於自來水中餘氯濃度多訂有範圍標準，其中我國自來水水質標準中之餘氯容許範圍為0.2~1.5 mg/L。此外，加氯亦為我國多數自來水廠/廢污水廠針對產水/放流水採行之消毒方式。惟添加量若不足即消毒成效有限；添加量若過多則會對受體及水生生態造成危害，故餘氯濃度之掌握實屬重要。

餘氯即時監測困難點

為掌握自來水中餘氯濃度，目前針對餘氯的檢測方法包含比色法(Colorimetric Method)、碘量法(Iodometric Titration)、安培法(Amperometric)及伏安法(Voltammery)等，茲將各方法原理及優缺點簡述於表一。其中，比色法雖操作簡易、易於攜帶，惟精準度低、分析結果易受水中其他物質所干擾，且其廢液具致癌風險等。碘量法雖具有高精準度之優點，但往往需於實驗室中進行，亦不適用於低濃度之水樣，與比色法相同，無法應用於實場進行即時監測。

而電化學分析方法因具有體積小、可即時線上監控及高度整合性等優點而近年被廣泛應用於水質監測。常用之餘氯電化學分析方法為安培法，其偵測範圍廣、精準度高，但水中若高電活性物質時易造成電流高估而致偵測誤差。

伏安法則因操作簡易、精準度高而被認為是較具優勢之方法，亦適用於現址安裝偵測。雖需緩衝溶液使用以增加靈敏度，但與其他方法相比，偵測範圍及精準度仍具相當優勢，故本團隊以電化學伏安法為原理基礎，開發電化學餘氯感測元件開發，以應用於現場線上即時監測。

餘氯電化學感測元件量測原理

本團隊開發之餘氯電化學感測元件，使用之電化學量測方法為方波伏安法(SWV)，其常被應用於可逆電化學反應之分析物定量。其原理為對工作電極施加一隨時間變化的梯形電位(圖一)，並運用固定振幅(ESW)的週期性方形波，紀錄順向脈衝及逆向脈衝之末點電流(i₁, i₂)，進而得到兩者相減之淨電流(I_meas)，可降低背景電流值干擾，放大訊號同時提升靈敏度。此外，方波法之優點還包含分析時間短，其掃描速率(Scan Rate)為方波頻率(Square Wave Frequency; Hz, 1/τ)與電位變化(Step Height; E_step)相乘，因此可縮短掃描時間快速完成分析。