1
中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系
光觸媒應用於魚缸水質淨化
摘要
水中污染源多來自於餵食時所產生，其中也可能是魚的排泄物，或是吃剩食 物碎削，水中魚群面臨水體遭受汙染的情形，而水中氨及亞硝酸鹽的濃度過高往 往是魚隻生病或死亡的主要原因，因此降解水中氨氮、亞硝酸鹽和有機物為本研 究的主要目的。本研究以光觸媒為分解有機物之催化劑，進行魚缸中氨氮、亞硝 酸鹽降解，減緩水中污染物的累積，維持水族箱良好生態。
由各項結果顯示，(1)實驗初期以亞甲基藍為測試污染物，發現其可直接受 紫外光分解，顯示魚缸中的部分污染物有可能因裝設紫外燈而產生分解的機會；
(2)由光解氨氮之可行性試驗得知，隨著光照時間增加其氨氮濃度有隨之降低趨 勢，TiO2 螺旋式玻璃反應器於光照 72 小時後對 2 mg/L 氨氮去除率可達 95%；
(3)若於有飼養魚隻的魚缸中，因魚隻會持續釋放出氨氮，故氨氮之濃度雖無明 顯下降，但也發揮減緩氨氮濃度上升的時間。故加裝 TiO2 覆膜玻璃反應器於魚 缸中，能持續且有效的處理魚隻和飼料產生之氨氮和亞硝酸鹽氮，減緩魚缸中污 染物累積，達到去除之效果。
關鍵字：二氧化鈦、氨氮、光催化、TiO2螺旋式玻璃反應器
ㄧ、前言
近年來，魚缸已成為家庭中普遍的擺飾，但如何保持魚缸水質或降低魚 缸中污染源是所有擁有魚缸者的心聲，而魚缸中污染源主要來自於排泄物或是吃 剩食物碎削中氨(NH3+)或銨(NH4+)則經消化後而轉變成亞硝酸鹽(NO2-)，甚至 毒性較低的硝酸鹽(NO3-)，其中，氨及亞硝酸鹽的濃度過高往往是魚隻生病或死 亡的主要原因，硝酸鹽則可能是造成魚隻成長遲緩與藻類叢生。因此，定期的清 理魚缸則是目前主要的去除污染物方式，然而，定期的清理魚缸也成為令人困擾 且費時、費事的工作，且容易導致水質遭受改變而傷害到魚群，且現今水族箱中 過濾棉或是多孔性濾材等等，皆可減低水中氨氮或是亞硝酸的濃度，但過濾棉須 短時間內更換，且處理成效有限。TiO2 光觸媒因為具有強大的氧化還原能力、
化學穩定度高、無毒且價格低廉等特性，故以 TiO2 光觸媒分解有機物的方法備 受廣泛研究與應用，張津愷(2001)研究中顯示二氧化鈦應用於含有磷酸鹽存在的 水中，對氨氮的去除有最佳的效果；而利用薄膜塗膜原理，開發出新的 TiO2 應 用方法，在物質量少時，紫外線極小也可以引起充分之 TiO2 反應，並且將光觸 媒固定於玻璃、陶磁、金屬等基材表面，且 TiO2 經光照後特有的光催化反應，
可使基材擁有自淨之功能。
因此，本研究兼顧 TiO2 處理成效及降低換水時間之原則為考量，結合 TiO2 光催化基本理論，應用 TiO2 做為分解有機物之催化劑並覆膜於螺旋式玻璃
2
中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系
管上，期以改善或降低水中污染物造成之傷害，且減少水中污染物累積，並配合 光照分解去除排泄物中所產生之污染物，進而評估 TiO2 覆膜於螺旋式玻璃管上 之可行性，期許將可避免魚缸水體遭受污染及降低換水次數，易於維持水族箱良 好生態。
二、實驗材料與方法
2.1 樣品備製
TiO2 螺旋式玻璃管備製：本實驗利用浸泡覆膜法來備製 TiO2 螺旋式玻璃反 應器，經清水清洗後，再分別進行烘乾(105℃)，而後再進行浸泡 TiO2，並於 300
℃下鍛燒 10 分鐘。
魚缸養殖魚種備製：本實驗之魚缸養殖魚種選至朱文魚種，朱文購買後先行 放置良好循環系統中 馴養，每天餵食兩次，7 天後並挑選健康魚種進行試驗。
2.2 TiO2螺旋式玻璃管基本特性分析
實驗中為了探討 TiO2 覆膜於螺旋式玻璃上對污染物分解效率之影響，
故實驗中採用亞甲基藍做為模擬污染物之材料，以便了解 TiO2 螺旋式玻璃反應 器去除有機污染物之成效。
2.3 TiO2光解反應基礎試驗
直接光解污染物試驗：為了了解紫外光直接光解對實驗中 TiO2 螺旋式玻璃 反應器系統之影響，故進行水中氨氮直接光解試驗，以釐清水中氨氮受紫外光直 接光解對 TiO2 螺旋式玻璃反應器系統影響是否過大。
背景吸附試驗：薄膜 TiO2 是利用塗膜面吸著有機物來分解之應用，故為了 釐清污染物之去除機制，並進行 TiO2 螺旋式玻璃反應器系統之背景吸附試驗，
實驗中配置 2 mg/L 氨氮，且在暗處循環流動 0、2、4、6、18、24 小時時間點取 樣，並檢定氨氮之含量。
光解氨氮之可行性試驗：利用 TiO2 螺旋式玻璃反應器系統進行氨氮之去除，
實驗中配置 2 mg/L 氨氮，並於 27℃下先於暗處循環流動 18 小時後再開啟 UV 光燈源，光強度為 1μW/cm2 以上，再分別於 24、48、72 小時時間點取樣，並 檢定氨氮之含量。
2.4 TiO2對魚缸水質改善之影響 魚缸中污染物濃度變化試驗
於魚缸中放入健康之朱文 30 隻，且每天餵食兩次，並檢測魚缸中氨氮、
亞硝酸鹽及硝酸鹽之變化情況，並觀察 1、2、3、4、5、6、7 天中氨氮、亞硝酸 鹽之累積情況。
光解氨氮對魚缸水質之影響：利用 TiO2 螺旋式玻璃反應器系統與魚缸之循 環水系統結合，並放置 15 隻健康朱文於配置 2 mg/L 氨氮之魚缸中，進行試驗 24 小時，且於每小時檢測水中氨氮、亞硝酸鹽之濃度變化。
含 TiO2 玻璃反應管之魚缸污染物濃度變化試驗：於上述魚缸污染物濃度變
3
中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系
化實驗後，分別利用 TiO2 螺旋式玻璃反應器系統與魚缸之循環水系統結合，進 行光照 27 小時試驗，進而觀察 TiO2 玻璃反應管對魚缸中污染物去除之情況。
三、結果與討論
3-1. TiO2螺旋式玻璃管基本特性分析
為了探討 TiO2 覆膜於螺旋式玻璃管中對污染物分解效率之影響，實驗之初 採用亞甲基藍做為模擬污染物，比較無覆膜(non-TiO2)有 TiO2 覆膜之螺旋式玻 璃管(以下稱為反應器)對亞甲基藍降解之效率，亞甲基藍初始濃度為 10 mg/L，
光強度為 1μW/cm2。如圖 3-1 所示，紫外線可直接分解亞甲基藍，亞甲基藍在 Non-TiO2 反應器中光照 1 小後，去除率為 50%，且當光照時間大於 2 小時，亞 甲基藍之去除率並無明顯之增加，其去除率界於 55~60%。TiO2 反應器經光照 2 小時其對亞甲基藍去除率為 58%，推估此分解率多屬於亞甲基藍直接被光解。光 照 2 小時後，隨著光照時間增加其亞甲基藍去除率有隨之增加趨勢，並於光照 6 小時其去除率為 73%，比光照時間 2 小時去除率增加 15%左右，且比 Non-TiO2 反應器光照 6 小時後去除率增加 13%左右，由此可知，TiO2 反應器證實能有分 解亞甲基藍。
3-2 TiO2光解反應基礎試驗
光解氨氮試驗：水中氨氮經紫外光照射 24 小時後，氨氮濃度並無明顯變化，
故水中氨氮並不會因為照射紫外光而降解。在氨氮吸附實驗中，不論是有無 TiO2 覆膜的反應器氨氮濃度皆有微降低(圖 3-2)，其原因為氨氮附著於玻璃表面上所 導致，但後續 24 小時內其濃度並無持續下將之趨勢。
圖 3-1 紫外線照射亞甲基藍之降解試驗
時間(hr)
0 1 2 3 4 5 6 7
亞甲基藍去除率(
%
)0 10 20 30 40 50 60 70 80
Non-TiO2 TiO2
4
中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系
時間(hr)
0hr 2hr 4hr 6hr 18hr 24hr
C e/C o
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
TiO22 Non-TiO2
圖 3-2 氨氮於有光觸媒覆膜和無覆膜反應器中之吸附試驗
光解氨氮之可行性試驗：利用 TiO2 反應器系統進行氨氮之去除，2 mg/L 氨 氮 500 ml 於 27℃下先於暗處循環流動 18 小時後再開啟 UV 光燈源，光強度為 1μW/cm2 以上，再分別於 24、48、72 小時分別點取樣，並檢定氨氮之含量。
由圖 3-3 所示，隨著光照時間增加，其氨氮濃度有隨之降低趨勢，TiO2 反應器 於光照 72 小時候對氨氮去除率可達 95%，而無覆膜(Non-TiO2)反應器中，氨氮 濃度為無隨著光照時間增加而明顯降低，此與先前之結果相符，氨氮並不會因為 紫外光照射而有直接光解的現象，TiO2 反應器比光照 24 小時增加 1.28(mg/L)氨 氮的去除效果，比光照 48 小時增加 0.7(mg/L)氨氮的去除效果，因此可知 TiO2 螺旋式玻璃反應器隨著光照時間增加其能有效去除氨氮濃度，然而，本實驗中 TiO2 反應器分解 2 mg/L 氨氮 500ml 時，其需光照 3 天才能將氨氮降低至 0.1 mg/L，
若在有飼養魚之魚缸中，當氨氮持續產生時，其對水中氨氮之降解效率需進一步 探討。
3-3〃TiO2對魚缸水質改善之影響
魚缸中污染物濃度變化試驗：於魚缸中放入健康之朱文 30 隻，且每天餵食 兩次，並檢測魚缸中氨氮、亞硝酸鹽及硝酸鹽之變化情況，並觀察 1、2、3、4、
5、6、7 天中氨氮、亞硝酸鹽之累積情況。其結果顯示隨著飼養時間之增加其水 中氨氮及亞硝酸鹽濃度亦隨之增加趨勢(圖 3-4)，而魚缸中所產生之污染物濃度 變化，主要是因為餵食飼料及排泄物中所產生之氨氮，且氨氮經硝化作用而轉變 成亞硝酸鹽，而導致魚缸中污染物濃度持續增加，由此可知隨著飼養時間越長，
水中氨氮及亞硝酸鹽逐漸累積在水體中，而此時單靠魚缸濾棉是無法有效降低水
5
中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系
中的污染物。
圖 3-3 以光觸媒反應器光解水中 2 mg/L 氨氮
光解污染物對魚缸水質之影響：利用 TiO2 反應器系統與魚缸之循環水系統 結合，並放置 15 隻朱文於配置 2 mg/L 氨氮之魚缸中，進行 24 小時未餵食魚飼 料試驗，且於每小時檢測水中氨氮、亞硝酸鹽濃度。結果得知水中之氨氮因加入 濾棉而立即降低至 0.3 mg/L (圖 3-5)，外於光照時間 1 小時後，氨氮濃度隨著時 間而增加，其原因為魚群排泄物導致濃度由隨之增加趨勢；加裝 TiO2 反應器之 魚缸水質，其氨氮濃度隨著時間增加有隨之增加趨勢，且於光照 24 小時後其氨 氮濃度比 Non-TiO2 之魚缸水質少 0.13 mg/L，故 TiO2 反應器確能減緩魚缸中氨 氮濃度之上升，減少污染物累積。
含 TiO2 玻璃反應管之魚缸污染物濃度變化試驗：在持續對魚缸進行餵食的 情況下，利用 TiO2 反應器循環淨化魚缸之水質，進而觀察含 TiO2 反應器之魚 缸污染物濃度變化(圖 3-6)，實驗開始於持續餵食一段時間後(約 7 天)的情形，所 以開始時水中氨氮濃度已累積至 6.7 mg/L，並接著進行光照，4 小時後其氨氮濃 度降低至 5.8 mg/L，整個實驗過程中，氨氮濃度約維持在 6~7 ppm 之間。且先前 之實驗結果知道本研究所設計之 TiO2 反應器對氨氮降解效率僅能降解一定之氨 氮量，如何提升反應器之氨氮處理量，是亟需努力之處。
時間(hr)
0 24 48 72
氨氮濃度(
mg/L
)0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Non-TiO2 TiO2
6
中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系
檢測日期
8/4/12:00 8/4/17:00 8/5/12:00 8/5/17:00 8/6/12:00 8/6/17:00 8/7/12:00 8/7/17:00 8/8/12:00 8/8/17:00
氨氮 (m g/L )
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
亞硝酸鹽(mg/L)
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
氨氮(mg/L) 亞硝酸鹽(mg/L)
圖 3-4. 每日餵食二次(未裝設光觸媒反應器)，觀察魚缸中氨氮和亞硝酸鹽濃度變 化
時間(hr)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
氨氮(
m g/L
)0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
亞硝酸鹽(mg/L)
0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250
氨氮(Non-TiO2) 氨氮(TiO2) 亞硝酸鹽(Non-TiO2) 亞硝酸鹽(TiO2)
圖 3-5. 魚缸中未餵食情況下，光觸媒光解魚缸水質之污染物濃度變化
7
中華民國九十九年十一月十二、十三日 屏東縣國立屏東科技大學環境工程與科學系
時間(hr)
0hr 2hr 4hr 6hr 18hr 24hr
氨氮(
m g/L
)0 1 2 3 4 5 6 7 8
圖 3-6. 魚缸餵養 7 天後，停止餵食，啟動光觸媒反應器觀察魚缸中污染物濃度 變化
四、結論
本研究目的在於應用紫外線光照覆膜於螺旋式玻璃管上之 TiO2 做為分解有 機物之催化劑，期能改善或去除排泄物造成飼養魚隻的傷害，且減少水中污染物 累積，經由實驗結果得到以下結論：
TiO2 螺旋式玻璃管基本特性分析結果得知，亞甲基藍受紫外光直接分 解對整個系統試驗影響較大，經光照 1 小後對亞甲基藍去除率為 50%。
氨氮並不會因為紫外光照射，而有直接光解的現象，TiO2 螺旋式玻璃 反應器光照 72 小時，對氨氮去除率為 95%最為明顯。
魚缸中污染物濃度變化試驗結果得知，隨著飼養時間越長，水中氨氮及 亞硝酸鹽逐漸累積在水體中，而此時單靠魚缸濾棉是無法有效降低水中 的污染物。TiO2 反應器能有效分解水中部分氨氮，使其氨氮濃度隨時 間增加其累積速率較緩慢。
未來持續提升 TiO2 反應器對魚缸水質改善之相關性試驗，期能達到商品化 之目的。
參考文獻
張津愷 (2001) 利用光催化降低水中氨氮濃度之研究，中華民國第四十一屆中小 學科學展覽會作品(化學科)。
