中華民國第 61 屆中小學科學展覽會 作品說明書
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高級中等學校組 化學科
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池塘的秘密—水體的有氧運動—水中溶氧量與 奈米氣泡研究
學校名稱：桃園市立武陵高級中等學校
作者： 指導老師：
高一 薛晏閎 高一 車昱儒 高一 江宗穎
張明娟
摘要
本研究旨在探討埤塘水質的含氧量，其是否超出定溫下的飽和溶氧量，觀察各個不同 的水域溶氧量的差別，可大致看出該水域的生態形式。藉由模擬埤塘水，來避免一般水質 的其他物質影響測定，我們推測埤塘裡的藻類是以奈米氣泡的形式來釋放過多的氧氣，使 其達到過飽和，因此我們以超音波震盪產生奈米氣泡，改變不同的作用時間。發現當溶氧 量到一定的程度以上，再繼續通入氧氣並震動所溶入的氧氣含量不會再顯著上升，而是在 一定的區間內上下停滯，即奈米氣泡溶液達到該溫度下，最大的奈米氣泡含量，模擬結果 顯示，若埤塘並沒有流動，是可以產生奈米氣泡來增加其氧氣含量，與後來進行的實地測 試相符。而水中生產者越多，水體較為靜止，可測出較高含氧量。
壹、研究動機
在一次溶氧量試驗中，我們發現我們學校的生態池竟然超過了理論值含氧量，而又有 一些水體，水中溶氧量十分不足，埤塘裡若有魚隻，則正常情況溶氧量需在 5ppm 以上，魚 隻才能健康生存，若夏季水溫過高，則容易缺氧而死，也容易造成水質變差，導致水體敗 壞。所以我們想要更進一步的了解氧氣為什麼會超過理論值，而過量溶解的氧又是以什麼 樣的形式溶解於溶液的，而形成又或者保存的條件又有可能是什麼。因此我們設計了實 驗，並檢驗更多不同的水體來驗證我們的想法。
貳、 研究目的
一、 探討氧氣水溶液溶解度超過理論值的可能原因。
二、 探討超過溶解度的氧氣在溶液中的存在形式。
三、 探討奈米氧氣泡濃度與輸入時間不同的關聯。
四、 探討奈米氧氣泡在水溶液中的上限濃度。
五、 探討水體保留過量溶氧的可能條件。
六、 探討不同水域氧氣含量的高低並推測其可能原因。
七、 模擬奈米氣泡溶液應用在補充水體氧氣的作用持續時間。
參、研究器材與藥品
表一:藥品一覽表
表二:器材一覽表
項目 用途
超音波震盪儀 震動溶液幫助產生奈米氣泡
藥品化學式 中文名稱 溶液量 溶質量 莫耳濃度
Na2S2O3 硫代硫酸鈉 1000ml 2.50g 0.01M
H2SO4 硫酸 過量 過量 *
KI 碘化鉀 100ml 15.00g 0.90M
NaN3 疊氮化納 100ml 1.00g 0.13M
MnSO4 硫酸亞錳 100ml 36.40g 2.15M NaOH 氫氧化鈉 100ml 50.00g 42.50M
(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O 硫酸亞鐵銨 500ml 3.93g 0.02M
KMnO4 過錳酸鉀 500ml 2.50g 0.01M
20ml 樣品瓶 裝入含有奈米氣泡水樣並加入部分試劑
碼錶 測量奈米氣泡輸入時間
電子秤 秤取溶質
鐵架 放置滴定管
錐形瓶 放入待滴定溶液
磁石攪拌器 攪拌幫助配置溶液
恆溫槽 固定環境溫度
筆型超音波震盪器 幫助產生奈米氣泡(配合恆溫槽使用)
日光模擬箱 模擬日光照射的環境
圖一:BOD 瓶 圖二:超音波震盪器
圖三:碼表
圖四:
溶氧量檢測計
圖五:
容量瓶 圖六:鐵架
圖七:電子秤 圖八:錐形瓶 圖九:磁石攪拌器
圖十:恆溫槽 圖十一:筆型超音波震盪器 圖十二:日光模擬箱
肆、研究過程及方法
[實驗一: 奈米氣泡處理之水體的氧氣濃度滴定]
一、配置溶液
1. 為確保反應幾乎完全進行，H2SO4、KI、NaN3、NaOH、MnSO4 均需過量，而 Na2S2O3
用於滴定，故濃度必須十分準確才能減少誤差。
2. KI、NaN3、NaOH 配成同一瓶(鹼性碘化物溶液)。
3. 用Fe(NH4)2(SO4)2 標定 KMnO4，再用確定濃度的 KMnO4 來標定 Na2S2O3，如此才能確
定 Na2S2O3(aq)的準確濃度。
4. 本次實驗流程定溫於攝氏 21 度。
二、輸入奈米氣泡
1. 將蒸餾水 200ml 倒入燒杯，將燒杯置入超音波震盪器，氧氣筒接頭接上微量滴管尖頭，
旋開氧氣筒開關至固定流量。
2. 將微量滴管尖頭插入燒杯中，蓋上錶玻璃，同時開啟超音波震盪器，並按下碼錶等待五 分鐘
3. 五分鐘後取樣品 15ml 三瓶並換水進行下一次實驗
4. 重複以上動作完成 10 分鐘、15 分鐘、20 分鐘、25 分鐘、30 分鐘的取樣過程。
5.以雷射光照射奈米氣泡溶液檢測是否有廷得耳效應。
三、檢測溶氧量
1. 取出 15ml 經奈米氣泡處理的水，先加入 MnSO4(aq)及鹼性碘化物溶液，盡量不觸及空氣
下使其反應均勻，然後靜置使黃褐色沉澱物沉降置杯底。
2. 加入 H2SO4(aq)溶解沉澱物使該溶液變澄清黃褐色溶液。
3. 倒入錐形瓶並在滴定管中加入 Na2S2O3(aq)，開始滴定使溶液自深黃褐色轉至淡黃色。
4. 加入一點點澱粉液，使其自淡黃色轉為藍黑色。
5. 繼續滴定直到藍黑色轉為無色。
圖十五:觀察廷得耳效應
四、實驗考量與反應式
1. 亞硝酸鹽會氧化溶氧測定過程中所加入的碘離子，生成碘與二氧化二氮，而二氧化二氮 再與空氣中的氧作用生成亞硝酸鹽，此循環性干擾可在原有試劑中加入疊氮化鈉與亞 硝酸鹽反應而去除。
2. 採用蒸餾水可避免水中其他雜質，造成水中含氧量測定的誤差。。
3. 實驗反應式
Mn2++ 2OH－→Mn(OH)2 2Mn(OH)2＋O2→2MnO2＋2H2O MnO2＋2I－＋4H+→Mn2+＋I2＋2H2O 2S2O32－＋I2→S4O62-＋2I－
(1)由上面可知：一莫耳氧分子消耗四莫耳硫代硫酸鈉，硫代硫酸鈉濃度為 0.01M。
若氧含量為 X ppm (且硫代硫酸鈉溶液濃度 0.01M)
則氧的分子數為(X*V(水體))/32000:V(滴定量)*0.01(M)=1:4 X=80*V(滴定)/V(水體)
(2)實驗結果數據
表三:實驗數據整理
時 間 數據
0 分鐘 5 分鐘 10 分鐘 15 分鐘 20 分鐘 25 分鐘 30 分鐘 35 分鐘
Na2S2O3平
均用量 1.20ml 1.58ml 2.30ml 2.70ml 3.38ml 3.13ml 3.35ml 3.30ml V(滴定)/
V(水體) 0.080 0.105 0.153 0.180 0.225 0.209 0.223 0.220
O2ppm 6.400 8.427 12.267 14.400 18.027 16.693 17.867 17.600
4. 走勢圖
本資料相關係數 : 0.918278
5. 特定溫度下的飽和溶氧量 表四；溫度對飽和溶氧量參照
溫度 19°C 20°C 21°C 22°C 23°C 溶解度 ppm 9.01 8.84 8.68 8.53 8.38
所以大約經過 5 分鐘就達飽和，而超過部分就以奈米氣泡形式釋放，當奈米氣泡達到 某一程度就差不多不會再增加溶氧量。
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00
0 5 10 15 20 25 30 35
溶 氧量
(PPM)
時間 (分鐘)
輸入氧氣時間與溶氧量關係
6.驗證溶氧量趨勢
之後改以溶氧量檢測計測試一般水體，避免水中化學物質影響滴定準確度，故先以 模擬水體確認兩方式得出的數據增長是否為一致。
以溶氧檢測計檢驗，發現氧氣也會隨著供氧時間增加而增加，與滴定實驗的趨勢相同，
因為檢測計最多只能測量至 18ppm，在大約 6 分鐘時，便到達極限值，與前次測試不同的 是，採用不同流量輸出的氧氣筒，因此數值會有所不同。
在下面的統計圖中，我們希望修正超音波震盪造成溫度變化，所對溶氧量的影響，並能 更直觀的看出在特定通氧時間下所測得溶氧量數據，其相對飽和溶氧量的關係，因此我們定 義相對溶氧比率為：溶氧量(ppm)/在測定時溫度所對應的飽和溶氧量(ppm)。
零分鐘 一分鐘 兩分鐘
三分鐘 四分鐘 五分鐘
圖十八:每分鐘溶氧量測量圖
本資料相關係數 : 0.987308
0 50 100 150 200 250
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 百
分 比
%
時間(秒)
通入氧氣時間 對 相對溶氧百分比 關係
[實驗二:不同溫度下的奈米氣泡溶液 溶氧量隨靜置時間下降之關係]
一、實驗步驟 1.溶液配置
在恆溫槽中加入適量的水，設定至要進行實驗的環境溫度，並取一 1000mL 大燒杯 加入 500mL 蒸餾水後置入恆溫槽水中，待內外溫度平衡後，進行 2 分鐘的奈米氣泡處 理(配合恆溫槽使用筆型之超音波震盪器放入水樣中，並穩定通入氧氣)
2.測量溶氧量：
將奈米氣泡溶液取出再加入 500mL 蒸餾水(過飽和溶氧溶液加入自然水體)，靜置於 恆溫槽中並開始計時，每 30 分鐘測量一次溶氧量並記錄。
二、實驗結果 1.數據
表五:定溫靜置溶氧量下降結果數據
未加入 0min 30min 60min 90min 120min 150min 180min
26℃
(室 溫)
溶氧量 (ppm)
11.58 9.76 9.62 9.57 9.33 9.27 9.17 8.98
相對溶氧 比率(%)
144.931 122.153 120.401 119.775 116.771 116.020 114.768 112.390
30℃
溶氧量 (ppm)
11.87 10.06 9.90 9.75 9.70 9.66 9.06 8.85
相對溶氧 比率(%)
157.636 133.599 131.474 129.482 128.818 128.287 120.319 117.530
2.資料分析
由於經過分別的 2 分鐘奈米氣泡處理，有造成初始溶氧量的落差，所以我們將數據 依各自初始溶氧量為基準進行歸一化，用百分比呈現圖表、比較趨勢。
時間 溫度
圖二十六、二十 七:恆溫槽及超音 波震盪器配置
本資料相關係數 : 室溫 -0.990079073 30 度 -0.937511303 本資料斜率 : 室溫-0.052744502 30 度-0.085372795
3 由圖可知，高溫下奈米氣泡較容易散失，斜率的絕對值略較室溫大，但還是能維持長時間 過飽和狀態。
100.000 105.000 110.000 115.000 120.000 125.000 130.000 135.000 140.000
0 30 60 90 120 150 180
百分 比(%)
時間(分鐘)
靜置時間對相對溶氧百分比的關係
26℃(室溫) 30℃
[實驗三: 模擬水域中水草光合作用供氧對水中溶氧量的影響]
一、模擬箱設置
為驗證植物光合作用可以造成水體的溶氧量超過飽和溶氧量，我們從從生態池取等 量的水至燒杯中，在其中一個燒杯放入池中取出的一株水草，一起放至塑膠盒以傳統燈 泡照光以模擬日光，並在每照光 5 分鐘時紀錄溶氧量。
二、實驗結果 1.數據
表六:燈泡模擬日光實驗結果數據
0min 5min 10min 15min 20min 25min 30min 35min 40min 45min 50min
有
溶氧量 (ppm)
4.23 5.09 5.36 5.68 5.84 6.54 6.88 7.17 7.56 8.31 8.84
溫度 (℃)
23.3 23.9 24.7 25.2 25.3 25.6 25.8 26.0 26.1 26.4 26.9
相對溶 氧比率 (%)
50.7 61.6 65.8 70.2 72.3 81.4 86.4 89.7 94.8 104.7 112..3
無
溶氧量 (ppm)
4.54 4.64 4.67 4.68 4.70 4.72 4.77 4.85 4.94 5.01 5.12
溫度 (℃)
23.4 24.0 24.5 24.8 25.3 25.6 26.1 26.4 26.7 27.0 27.0
相對溶 氧比率 (%)
53.8 56.2 57.1 57.5 58.2 58.7 59.8 61.1 62.5 63.7 65.1 水草
圖二十三～二十五：設備、測量示意圖
時間
2.資料分析
由於傳統燈泡的發熱會造成溫度變化(過程大致自 23 至 27℃)，我們再次採用相對 溶氧比率進行作圖，以消除不同溫度下的影響。(實驗在早上進行，水草尚未大量進行 光合作用，所以初始溶氧量偏低)
3.本資料相關係數 : 有水草:0.986811 無水草:0.991996
3.我們發現在光照充足的情況下，有水草(較多生產者)的水體之溶氧量增加幅度明顯較大，
並且可以穩定的提供氧氣源，隨光照時間增加，持續增加溶氧直到超過飽和。
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
百 分 比
%
時間(分鐘)
釋氧時間 對 相對溶氧百分比 關係
有水草 無水草
[實驗四: 埤塘水域含氧量檢測]
一、水體採樣
挑選水域:生態埤塘、稻田、流動生態池、靜止生態池 利用 BOD 瓶採取水樣，取適量至小燒杯中
二、檢測溶氧量 1.數據
表七:實地取樣水體與所測得結果
生態埤塘 稻米水田 流動生態池 靜止生態池
編號 65 66 64 61
含氧量(ppm) 8.65 6.52 8.9 9.51 溫度(°C) 23.0 21.8 21.4 19.9 飽和溶氧量
(ppm) 8.38 8.56 8.62 8.86 相對溶氧百分比(%) 103.22 76.17 103.25 107.34 2.周遭環境比對
圖十九:61 靜止生態池 圖二十:64 流動生態池
3.含氧量大小結果：靜止生態池 > 流動生態池 > 生態埤塘 > 稻米水田
伍、討論
1. 在實驗一當中，水溶液超過飽和溶氧量又能觀測到廷得耳效應，可能是因為氧氣可以在過 量溶解之後，形成奈米氧氣泡的膠體溶液。而此溶液濃度與氧氣供給時間呈正相關，但在 20~30 分鐘後達其上限。
2. 由前面的實驗得知，過量溶解的氧氣是以奈米氣泡的形式存在於溶液中，而我們推測其不 太穩定，所以水體較為平靜，無太大擾動，才比較有可能保留過量溶氧。將實驗二檢測結果 中的靜止與流動生態池相比較，雖然環境大致相同，但可能因為前者水體較為靜止，不容易 因流動而散失，使得過量氧氣可以奈米氣泡形式存在，因此會有較多溶氧，甚至超過理論飽 和溶氧量。
3. 對應靜止生態池，雖然稻米水田的水體也為靜止，但是因為該水域如水草、藻類等生產者 較其他三者少出太多，而且水中的小生物可能也會耗氧，如我們在採集瓶中觀測到水蚤，推
圖二十一:65 生態埤塘 圖二十二:66 稻田
5. 我們常見的埤塘或河川優養化，是因為養分過多且水體不流動導致表層藻類大量繁殖，遮 蔽了陽光而導致底下藻類缺光而死，而分解藻類遺體的過程又造成水體缺氧，進而循環惡化 水質，若能妥善利用奈米氣泡，根據我們在室溫衰減及模擬夏季三十度的衰減，養殖業者確 實可以通入含奈米氣泡的水體，儘管高溫下奈米氣泡較不易保存，但還是能維持過飽和狀 態，則可在避免干擾生態的情形下，幫助水體得到足夠的氧氣。
6.對魚塭而言，因為需要大規模養殖，因為單位面積的魚隻太多，且缺乏足夠的生產者，往 往造成含氧量不足，現今多利用水車，不過由於水車會受深度或是溫度影響，且效率會隨濃 度增高而降低，這項技術則能用來增加奈米氣泡在水中的含量，使水體保持在 5ppm 以上，
因此若於魚塭利用奈米氣泡技術增加溶氧量，則可得到較高的成效。
陸、結論
由奈米氣泡水體模擬實驗結果顯示，利用奈米氣泡技術，能增加一定程度的溶氧量，而 過飽和溶氧的膠體溶液狀態由於本身較不穩定，因此溶氧量會隨著時間而衰減，且水體在高 溫下衰減速率較高。 再加上光合作用模擬實驗與實際採樣的檢測結果，我們認為埤塘等自然 水體所產生超過飽和溶氧量的現象，即是因為藻類在飽和溶氧水體中進行光合作用時，以奈 米氧氣泡的形式釋出了過多的氧氣，而這項技術有助於解決許多水質缺氧問題。
柒、參考資料
⚫ 行政院環境保護署(民 107)。水中溶氧檢測方法－碘定量法。檢自 https://www.epa.gov.tw/DisplayFile.aspx?FileID=6A0B4A4B7A6C984E
⚫ 陳義雄、曾晴賢、邵廣昭(民 98)。台灣地區淡水域湖泊、野塘資源現況調查及保育研究規 劃。行政院農業委員會林務局委託研究報告，未出版。檢自
https://www.google.com/url?client=internal-element-
cse&cx=014513258606011991413:xna3owilyti&q=https://www.forest.gov.tw/File.aspx%3Ffno%3D18 689&sa=U&ved=2ahUKEwiAs7b196XvAhWVLqYKHTp0DIwQFjADegQICBAB&usg=AOvVaw1G gMVaOS2hfjh1D8D_1MLE
⚫ 行政院環境保護署(民 100)。水中生化需氧量檢測方法。檢自 https://www.epa.gov.tw/niea/1DE7C315036837B8
⚫ 農業科技決策資訊平台，奈米氣泡技術改善農漁用水的水質(2021)。檢自 https://agritech-foresight.atri.org.tw/article/contents/3415
⚫ 杜金蓮、王姿文、曾福生(2016)。養殖魚塭溶氧與氣候變動之關係。水試傳訊，第 56 期。
檢自
https://ws.tfrin.gov.tw/Download.ashx?u=LzAwMS9VcGxvYWQvT2xkRmlsZS9wdWJsaWMvZGF0Y S82MTIyNzg0MzUwNzEucGRm&n=MTDlsIjoqIowNTbppIrmrpbprZrloa3murbmsKfoiIfmsKPlgJnoro rli5XkuYvpl5zkv4It5Lul5Y2X6YOo5ZCz6YOt6a2a6aSK5q6W5rGg54K65L6LLnBkZg%3D%3D
⚫ 楊承叡、王昱淇、許瀚元(民 107)。奈米氣泡水溶液導電度的測量與應用。檢自 https://twsf.ntsec.gov.tw/activity/race-2/2018/pdf/TISF2018-160030.pdf
【評語】 050210
本科展作品以超音波震盪產生奈米氣泡，改變不同的作用時 間。發現當溶氧量到一定的程度以上，再繼續通入氧氣並震動所 溶入的氧氣含量不會再顯著上升，而是在一定的區間內上下停 滯，即奈米氣泡溶液達到該溫度下，最大的奈米氣泡含量，模擬 結果顯示，若埤塘並沒有流動，是可以產生奈米氣泡來增加其氧 氣含量，與後來進行的實地測試相符。而水中生產者越多，水體 較為靜止，可測出較高含氧量。優點是能解釋氧氣水溶液溶解度 超過理論值，可能是因為以奈米氧氣泡存在，並探討奈米氧氣泡 在水溶液中的上限濃度，及探討水體保留過量溶氧的可能條件。
最後模擬奈米氣泡溶液應用在補充水體氧氣的作用持續時間。研 究完整。
缺點
1. 過量溶解的氧氣是以奈米氣泡的形式存在於溶液中，如何 得知其為奈米？
2. 在高溫下為何溶氧量比較高? 這個圖應該有適當的分析看是 否是看百分比的關係。
3. 和優氧化相反？優氧化指的是水體中氮磷營養物聚集，引
起藻類及浮游生物繁殖，使水體溶解氧含量下降。但實驗
結果發現靜止生態池含氧量比流動生態池高。為何？
4. 研究方法可以更精進(標準電極法輔助說明更佳)。
5. 取樣或模擬條件注意參數條件(如日光照度)。
6. 廷得耳效應是指當一束光線通過膠體，可以顯現光徑。好 像和溶氧量無關。
050210-評語
作品簡報
池塘的祕密
大綱
05 06
03
04
01 02
結論 參考資料
研究結果 實驗1~4
數據圖表、裝置示意圖
討論
研究動機與目的 研究步驟與方法
實驗1~4 過程文字敘述
實驗1~4
研究動機與目的
製 作奈米 氧氣 溶液並 滴 定、繪 製 輸 入時間
及氧氣濃度關係圖
以 雷射光 照射 經奈 米 氣泡處 理的 水，
有廷得耳效應確認 為 奈米溶 液
以 溶氧量 檢測 計再 度 繪製走 勢圖 並與
前 圖比較 趨勢
研究步驟與方法
研究步驟與方法
由反應式及所標定的硫代硫酸鈉 溶液濃度可得
X(ppm)=80*V(滴定)/V(水體)
實驗一、奈米氧氣泡溶氧量測定結果
0 50 100 150 200 250 百 分 比
%
通入氧氣時間 對 相對溶氧百分 比 關係
⬇
溶 氧 檢 測 計
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00
0 5 10 15 20 25 30 35
溶 氧 量(PPM)
時間 (分鐘)
輸入氧氣時間與溶氧量關係 ⬇ 滴 定
法 -
碘 定
量
實驗二、水草光合作用供氧 對水中溶氧量的變化 測定結果
⬆
模 擬
釋氧時間 對 相對溶氧百分比 關係
實驗三、不同溫度下 奈米氣泡溶液 溶氧量隨靜置時間下降 測定結果
100.000 105.000 110.000 115.000 120.000 125.000 130.000 135.000 140.000
0 30 60 90 120 150 180
百分 比(%)
靜置時間對相對溶氧百分比的關係
恆溫奈米氧氣泡溶液製備
實驗四、水域實際檢測結果
定義相對溶氧比率 ：
溶氧量(ppm)/測定時溫度所對應的飽和溶氧量(ppm)
*100%
⬆生態埤塘
討論
• 在實驗1中，我們推論氧氣可以在過量溶解之後，形成奈米氧氣泡的膠體 溶液。而且奈米氣泡技術能提供穩定充足的溶氧量，可能可以運用在優 養化水域或魚塭的水質改善，根據實驗2的不同溫溶氧量衰減結果，較高 溫的水域衰減較快，但仍能有效維持住足夠的溶氧量。
• 在實驗3中，我們發現在一段時間內含有較多生產者的水體，有明顯相對 較高的溶氧量增加率，甚至能超過飽和溶氧量，因此我們認為當植物行 光合作用作為供氧源時，的確能在過飽和的時候以奈米氣泡形式釋氧。
• 比較實驗1、3、4的結果，我們推測是因為靜止生態池的藻類等生產者較
結論
● 綜合以上實驗結果顯示，利用奈米氣泡技術，能增加一
定程度的溶氧量，若生產者在水中行光合作用，氧氣可
參考資料
行政院環境保護署(民 107)。水中溶氧檢測方法－碘定量法。檢自
https://www.epa.gov.tw/DisplayFile.aspx?FileID=6A0B4A4B7A6C984E
陳義雄、曾晴賢、邵廣昭(民 98)。台灣地區淡水域湖泊、野塘資源現況調查及保育研究規 劃。行政院農業委員會林務局委託研究報告，未出版。檢自
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