請『土』出電來--土壤發電之研究

請 土 出 電 來 -- 土 壤 發 電 之 研 究 摘 要 本 研 究 主 要 在 探 討 如 何 利 用 土 壤 發 電, 並 做 出 最 佳 的 土 壤 電 極 首 先, 測 量 校 園 內 5 個 地 方 的 土 壤, 發 現 土 壤 的 發 電 量 會 因 為 地 區 植 物 數 量 或 水 分 的 多 寡, 進 而 影 響 土 壤 的 發 電 量 串 聯 不 同 杯 數 的 土 壤 會 因 為 土 壤 量 增 多 了, 所 以 將 提 高 它 的 發 電 量 電 極 的 面 積 越 大, 所 接 觸 到 的 土 壤 面 積 較 大, 可 以 一 次 傳 輸 較 多 的 電, 發 電 量 較 大 雖 然 我 們 利 用 了 一 些 環 保 廢 棄 物 想 要 做 出 更 環 保 好 用 的 電 極, 但 是 實 際 測 量 的 結 果, 我 們 發 現 還 是 由 鋅 銅 電 極 可 以 產 生 較 大 的 發 電 量 效 應 各 種 電 極 的 活 性 不 同, 所 以 能 傳 輸 的 電 不 同 300 克 的 濕 土 加 100 克 的 乾 土 發 電 量 最 高, 可 知 土 壤 的 濕 度 會 影 響 發 電 量 土 壤 的 導 電 度 和 酸 鹼 值 與 發 電 量 並 沒 有 直 接 的 關 係 產 氣 量 和 發 電 量 有 直 接 的 關 係, 產 氣 量 越 多, 發 電 量 也 越 高 1

壹 研 究 動 機 : 以 前 參 加 科 展 時, 在 網 路 上 看 過 水 果 發 電 的 研 究, 覺 得 很 好 奇, 便 到 網 路 上 查 相 關 的 資 料, 後 來 無 意 間 找 到 一 篇 關 於 土 壤 發 電 的 資 料, 科 學 家 利 用 一 些 土 壤 和 簡 易 的 材 料 竟 然 能 使 路 燈 發 亮, 照 亮 了 非 洲 的 人 民 所 以 我 們 也 希 望 找 出 一 種 成 本 低, 發 電 效 率 又 好 的 土 壤 發 電 方 式 另 外, 我 常 常 聽 大 人 說, 最 近 電 費 愈 來 愈 貴 我 很 好 奇 電 費 漲 價 的 原 因, 於 是 上 網 查 了 資 料, 並 且 看 了 一 些 書, 發 現 台 灣 的 電 力 來 源 主 要 是 火 力 發 電, 不 過, 火 力 發 電 會 造 成 空 氣 汙 染, 並 不 是 一 種 很 好 的 發 電 方 式, 所 以 我 們 想 到 可 以 用 土 壤 來 發 電, 並 能 兼 顧 環 境 保 護 及 生 活 的 便 利 性 貳 研 究 目 的 : 一 探 討 各 種 土 壤 的 電 壓 強 弱 二 探 討 串 聯 不 同 杯 數 的 土 壤 時, 土 壤 的 電 壓 強 弱 三 探 討 不 同 面 積 的 鋅 銅 電 極 是 否 會 影 響 電 壓 強 弱 四 探 討 不 同 正 負 極 材 質 組 合 的 電 壓 強 弱 五 探 討 土 壤 溼 度 不 同 是 否 會 影 響 電 壓 強 弱 六 探 討 不 同 土 壤 的 導 電 度 是 否 會 影 響 電 壓 的 強 弱 七 探 討 土 壤 ph 值 與 發 電 量 的 關 係 八 探 討 土 壤 的 產 氣 量 與 發 電 量 的 關 係 參 研 究 材 料 : 土 壤 : 植 物 園 的 土 壤 沙 坑 旁 的 土 壤 水 生 池 旁 的 土 壤 花 圃 裡 的 土 壤 培 養 土 工 具 : 三 用 電 表 鱷 魚 夾 電 線 烤 箱 鏟 子 銅 片 鋅 片 鐵 罐 鋁 罐 離 子 導 電 度 計 土 壤 ph 值 檢 測 器 針 管 肆 研 究 過 程 結 果 及 討 論 : 一 文 獻 探 討 : ( 一 ) 土 壤 發 電 的 原 理 : 2

土 壤 中 含 有 多 種 的 細 菌, 這 些 細 菌 ( 微 生 物 ) 由 英 國 植 物 學 家 馬 克. 皮 特 在 1910 年 首 先 發 現 有 幾 種 細 菌 的 培 養 液 能 夠 產 生 電 流 於 是 他 以 鉑 作 電 極, 放 進 大 腸 桿 菌 或 酵 母 菌 的 培 養 液 裡, 成 功 地 製 造 出 世 界 上 第 一 個 細 菌 電 池 ( 吳 錫 平,2000) 我 們 閱 讀 相 關 的 資 料 發 現 : 土 壤 之 所 以 能 夠 發 電 是 因 為 土 壤 中 的 氧 化 還 原 反 應 ( 二 ) 土 壤 的 氧 化 還 原 :( 以 下 資 料 參 考 來 源 為 : 台 大 農 化 系 ) 土 壤 中 的 氧 化 還 原 反 應 是 一 起 自 光 合 作 用 的 循 環 之 結 果, 土 壤 的 反 應 完 成 了 這 個 循 環, 因 為 他 們 利 用 了 光 合 作 用 所 儲 存 的 能 量, 處 置 有 機 廢 棄 物, 並 產 生 CO2 以 供 另 外 的 光 合 作 用 所 需 殘 餘 的 植 物 物 質 與 動 物 殘 餘 物 落 在 土 壤 上 而 被 土 壤 生 物 所 氧 化 碳 水 化 合 物 氧 化 的 半 反 應 是 : CH O H O CO 2 2 2 4e - 4H 為 了 得 到 這 個 能 量 並 進 行 半 反 應, 微 生 物 必 須 尋 找 一 個 電 子 接 受 者 來 接 受 電 子, 如 果 氧 氣 存 在, 電 子 接 受 的 半 反 應 是 : - O2 4e 4H 2H2O 高 等 植 物 與 動 物 僅 能 利 用 O2 做 為 電 子 接 受 者, 而 土 壤 微 生 物 則 尚 能 利 用 氮 硫 鐵 錳, 以 及 其 他 元 素 的 氧 化 狀 態, 電 子 接 受 者 的 數 目 及 其 無 數 的 氧 化 狀 態, 使 得 土 壤 化 學 與 生 物 化 學 的 氧 化 還 原 反 應 錯 綜 複 雜 ( 三 ) 先 前 的 研 究 : 我 們 的 學 長 姐 有 做 過 細 菌 發 電 的 實 驗, 但 是 只 有 利 用 三 用 電 表 測 土 壤 的 產 生 的 電 量, 並 未 加 入 電 極 以 做 為 電 池 來 應 用, 因 此 我 們 想 朝 著 可 以 實 際 應 用 的 電 池 方 面 來 製 作 ( 四 ) 歷 屆 科 展 作 品 : 歷 屆 作 品 作 品 內 容 分 析 第 49 屆 - 來 電 漢 堡 - 環 保 電 池 DIY 第 49 屆 - 來 電 用 絲 絲 - 絲 藻 在 微 生 物 燃 料 電 池 之 應 用 利 用 番 茄 醬 製 造 出 既 環 保 又 容 易 製 作 的 電 池, 並 可 點 亮 LED 燈 利 用 絲 藻 來 當 作 材 料, 製 作 微 生 物 燃 料 電 池 著 重 番 茄 醬 與 其 他 電 極 的 應 用, 但 是 材 料 來 源 均 為 生 活 中 所 容 易 取 得 的 微 生 物 燃 料 電 池 對 我 們 來 講, 較 為 困 難, 很 多 方 面 的 知 識 我 們 較 為 不 足, 因 此 我 們 朝 向 另 外 一 種 簡 易 型 的 電 池 製 作 3

二 實 驗 流 程 圖 : 探 討 土 壤 發 電 土 壤 電 極 不 同 地 區 的 土 壤 發 電 量 是 否 不 同? 串 聯 不 同 的 杯 數 是 否 能 增 加 發 電 量 電 極 的 大 小 是 否 會 影 響 土 壤 發 電 量? 電 極 的 種 類 是 否 會 影 響 土 壤 發 電 量? 實 驗 一 實 驗 二 實 驗 三 實 驗 四 土 壤 溼 度 與 發 電 量 的 關 係 實 驗 五 導 電 度 與 土 壤 發 電 量 的 關 係 實 驗 六 土 壤 ph 值 與 發 電 量 的 關 係 實 驗 七 土 壤 產 氣 量 與 發 電 量 的 關 係 實 驗 八 4

三 實 驗 變 因 步 驟 結 果 與 討 論 : 實 驗 一 : 測 量 各 種 土 壤 產 生 的 電 壓 強 弱 ( 一 ) 實 驗 變 因 1. 操 作 變 因 : 不 同 的 土 壤 2. 保 持 不 變 的 變 因 : 正 負 極 的 位 置 正 負 極 的 連 接 土 壤 的 量 三 用 電 表 正 負 極 的 大 小 鱷 魚 夾 電 線 的 種 類 3. 應 變 變 因 : 電 壓 的 強 弱 ( 二 ) 研 究 步 驟 1. 挖 取 校 園 內 植 物 園 沙 坑 旁 水 生 池 旁 花 圃 裡 的 土 壤 和 培 養 土 各 250ml ( 地 點 如 圖 ) 2. 在 五 杯 土 壤 中 插 入 粗 的 銅 片 和 鋅 片 (3cm 10cm) 3. 用 鱷 魚 夾 電 線 夾 住 鋅 銅 電 極 和 三 用 電 表, 測 量 電 壓 ( 如 圖 ) 圖 1-1: 水 生 池 旁 圖 1-2: 植 物 園 圖 1-3: 沙 坑 旁 圖 1-4: 花 圃 裡 圖 1-5: 培 養 土 圖 1-6: 固 定 電 極 的 珍 珠 板 圖 1-7: 鋅 片 與 銅 片 的 裝 置 圖 1-8: 測 量 電 壓 的 裝 置 5

( 三 ) 研 究 結 果 : 表 一 : 五 個 地 區 的 土 壤 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 類 別 植 物 園 沙 坑 旁 花 圃 水 生 池 旁 培 養 土 1 0.808 0.863 0.794 0.966 0.881 2 0.807 0.862 0.793 0.963 0.882 3 0.805 0.863 0.792 0.959 0.884 4 0.800 0.864 0.791 0.958 0.883 5 0.793 0.863 0.790 0.959 0.882 6 0.798 0.862 0.789 0.956 0.883 7 0.790 0.861 0.788 0.945 0.882 8 0.787 0.860 0.787 0.944 0.883 9 0.764 0.859 0.786 0.943 0.882 10 0.763 0.858 0.785 0.942 0.881 平 均 0.792 0.862 0.790 0.954 0.882 不 同 地 區 土 壤 的 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.954 0.862 0.882 0.792 0.79 植 物 園 沙 坑 旁 花 圃 水 生 池 旁 培 養 土 發 電 量 圖 1-9: 不 同 地 區 土 壤 的 發 電 量 1. 我 們 發 現 水 生 池 旁 的 土 壤 在 原 來 的 環 境 下, 電 壓 最 強 2. 我 們 發 現 花 圃 的 土 壤 在 原 來 的 環 境 下, 電 壓 最 弱, 推 測 可 能 的 原 因 為 已 經 很 久 沒 有 種 植 物 而 造 成 微 生 物 較 少 3. 我 們 發 現 沙 坑 旁 的 土 壤 數 值 雖 然 是 第 二 高 的, 但 最 穩 定, 電 壓 數 值 都 在 0.858~0.864 之 間 ( 四 ) 討 論 為 什 麼 不 同 地 方 的 土 壤 會 有 不 同 的 發 電 量? 探 究 : 因 為 不 同 地 方 種 植 的 植 物 及 數 量 不 同, 造 成 土 壤 中 微 生 物 的 含 量 也 不 同 而 影 響 電 6

壓 的 強 弱 水 生 池 旁 的 土 壤 電 壓 測 出 來 最 大, 推 測 是 因 為 土 壤 濕 度 最 高, 因 此 有 較 多 的 電 解 質 產 生, 所 以 造 成 這 樣 的 結 果 花 圃 中 的 土 壤 之 所 以 測 出 的 電 壓 較 少, 是 因 為 這 塊 花 圃 已 經 很 久 沒 有 種 植 植 物 了, 所 以 土 壤 內 的 微 生 物 較 少, 所 以 測 出 來 的 電 壓 也 較 小 實 驗 二 : 測 量 串 聯 不 同 杯 數 土 壤 的 電 壓 強 弱 ( 一 ) 實 驗 變 因 : 1. 操 作 變 因 : 串 聯 的 土 壤 杯 數 2. 保 持 不 變 的 變 因 : 正 負 極 的 位 置 正 負 極 的 聯 接 三 用 電 表 的 模 式 鱷 魚 夾 電 線 的 種 類 土 的 種 類 3. 應 變 變 因 : 電 壓 的 強 弱 ( 二 ) 研 究 步 驟 : 1. 挖 取 校 園 內 水 生 池 旁 植 物 園 沙 坑 旁 花 圃 裡 的 土 壤 和 培 養 土 各 四 杯, 一 杯 250ml 2. 在 土 壤 中 插 入 粗 的 銅 片 和 鋅 片 (3cm 10cm) 3. 串 聯 不 同 杯 數 土 壤, 測 量 電 壓 (V) 圖 2-1: 串 聯 一 杯 圖 2-2: 串 聯 兩 杯 圖 2-3: 串 聯 三 杯 圖 2-4: 串 聯 四 杯 7

( 三 ) 研 究 結 果 : 表 二 : 植 物 園 的 土 壤 串 聯 不 同 杯 數 的 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 植 物 園 的 土 一 杯 兩 杯 三 杯 四 杯 1 0.808 1.91 2.73 3.55 2 0.807 1.92 2.74 3.56 3 0.805 1.93 2.76 3.57 4 0.800 1.92 2.79 3.58 5 0.793 1.93 2.80 3.59 6 0.798 1.94 2.81 3.63 7 0.790 1.93 2.82 3.64 8 0.787 1.94 2.81 3.65 9 0.764 1.95 2.82 3.64 10 0.763 1.94 2.82 3.65 平 均 0.792 1.93 2.79 3.61 表 三 : 沙 坑 旁 的 土 壤 串 聯 不 同 杯 數 的 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 沙 坑 旁 的 土 一 杯 兩 杯 三 杯 四 杯 1 0.863 2.00 2.84 3.68 2 0.862 2.01 2.85 3.69 3 0.863 2.02 2.86 3.70 4 0.864 2.03 2.87 3.71 5 0.863 2.02 2.88 3.72 6 0.862 2.03 2.89 3.73 7 0.861 2.04 2.90 3.74 8 0.860 2.05 2.91 3.75 9 0.859 2.04 2.92 3.76 10 0.858 2.05 2.93 3.77 平 均 0.862 2.03 2.89 3.73 8

表 四 : 花 圃 的 土 壤 串 聯 不 同 杯 數 的 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 花 圃 的 土 一 杯 兩 杯 三 杯 四 杯 1 0.794 1.94 2.85 3.75 2 0.793 1.95 2.86 3.76 3 0.792 1.94 2.87 3.75 4 0.791 1.95 2.86 3.76 5 0.790 1.96 2.87 3.75 6 0.789 1.97 2.88 3.76 7 0.788 1.98 2.89 3.75 8 0.787 1.97 2.90 3.76 9 0.786 1.98 2.89 3.77 10 0.785 1.98 2.90 3.78 平 均 0.790 1.96 2.91 3.76 表 五 : 水 生 池 的 土 壤 串 聯 不 同 杯 數 的 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 水 生 池 的 土 一 杯 兩 杯 三 杯 四 杯 1 0.966 2.00 2.73 3.82 2 0.963 1.99 2.74 3.81 3 0.959 2.00 2.75 3.80 4 0.958 1.99 2.76 3.80 5 0.959 2.00 2.77 3.80 6 0.956 1.99 2.78 3.80 7 0.945 2.00 2.77 3.80 8 0.944 1.99 2.76 3.80 9 0.943 1.99 2.75 3.80 10 0.942 2.00 2.76 3.80 平 均 0.954 2.00 2.76 3.80 9

表 六 : 培 養 土 的 土 壤 串 聯 不 同 杯 數 的 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 培 養 土 一 杯 兩 杯 三 杯 四 杯 1 0.881 1.59 2.16 3.22 2 0.882 1.58 2.20 3.21 3 0.884 1.57 2.22 3.19 4 0.883 1.56 2.23 3.18 5 0.882 1.57 2.22 3.19 6 0.883 1.56 2.23 3.18 7 0.882 1.55 2.22 3.19 8 0.883 1.54 2.21 3.18 9 0.882 1.52 2.18 3.19 10 0.881 1.53 2.19 3.17 平 均 0.882 1.56 2.21 3.19 1. 我 們 發 現 不 論 何 地 的 土 壤 串 聯 四 杯 土 時, 電 壓 最 強, 大 約 都 為 倍 數 成 長, 例 如 : 培 養 土 一 杯 時, 發 電 量 為 0.884V; 兩 杯 時 發 電 量 約 兩 倍, 發 電 量 為 1.59V; 三 杯 時 發 電 量 約 為 三 倍, 發 電 量 為 2.23V; 四 杯 時 發 電 量 約 為 四 倍, 發 電 量 為 3.22V 2. 我 們 發 現 這 五 個 地 區 的 數 值 以 培 養 土 中 的 電 壓 成 長 最 為 穩 定 ( 四 ) 討 論 為 什 麼 土 壤 的 杯 數 愈 多, 電 壓 數 值 愈 高? 探 究 : 我 們 可 以 將 一 杯 一 杯 的 土 壤 當 作 成 一 顆 一 顆 的 電 池, 當 電 池 串 聯 時, 串 聯 越 多, 電 壓 也 會 越 大 因 此 同 理 可 證,, 當 土 壤 杯 數 串 聯 愈 多 時, 所 含 的 微 生 物 也 越 多, 電 壓 也 就 愈 高 為 什 麼 培 養 土 的 電 壓 數 值 最 穩 定? 探 究 : 推 測 原 因 為 培 養 土 的 土 質 混 合 的 較 均 勻, 沒 有 被 外 在 的 因 素 作 干 擾, 沒 有 動 植 物 的 屍 體 等 的 物 質, 故 測 量 出 來 的 電 壓 最 為 穩 定 10

實 驗 三 : 測 量 不 同 面 積 的 鋅 銅 電 極 是 否 會 影 響 電 壓 強 弱 ( 一 ) 實 驗 變 因 1. 操 作 變 因 : 不 同 面 積 的 鋅 銅 電 極 ( 粗 :3cm 10cm 細 : 1cm 10cm) 2. 保 持 不 變 的 變 因 : 正 負 極 的 位 置 正 負 極 的 聯 接 土 的 量 三 用 電 表 的 模 式 鱷 魚 夾 電 線 的 種 類 土 的 種 類 3. 應 變 變 因 : 電 壓 的 強 弱 ( 二 ) 研 究 步 驟 1. 挖 取 校 園 內 水 生 池 旁 植 物 園 沙 坑 旁 花 圃 裡 的 土 壤 和 培 養 土 各 250ml 2. 在 五 杯 土 壤 中 插 入 不 同 粗 細 的 銅 片 和 鋅 片 圖 3-1: 粗 電 極 圖 3-2: 細 電 極 3. 用 鱷 魚 夾 電 線 夾 住 鋅 銅 電 極 和 三 用 電 表, 測 量 電 壓 ( 三 ) 研 究 結 果 表 七 : 不 同 地 區 的 土 壤 使 用 粗 細 不 同 的 鋅 銅 電 極 產 生 的 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 類 別 植 物 園 粗 植 物 園 細 沙 坑 旁 粗 沙 坑 旁 細 花 圃 粗 花 圃 細 水 生 池 旁 水 生 池 旁 培 養 土 粗 培 養 土 細 次 數 粗 細 1 0.808 0.787 0.863 0.819 0.794 0.713 0.966 0.863 0.881 0.811 2 0.807 0.781 0.862 0.820 0.793 0.769 0.963 0.862 0.882 0.812 3 0.805 0.782 0.863 0.819 0.792 0.793 0.959 0.861 0.884 0.809 4 0.800 0.783 0.864 0.818 0.791 0.794 0.958 0.855 0.883 0.810 5 0.793 0.773 0.863 0.817 0.790 0.795 0.959 0.854 0.882 0.808 6 0.798 0.772 0.862 0.816 0.789 0.796 0.956 0.853 0.883 0.807 7 0.790 0.770 0.861 0.815 0.788 0.797 0.945 0.852 0.882 0.805 8 0.787 0.769 0.860 0.813 0.787 0.798 0.944 0.851 0.883 0.799 9 0.764 0.768 0.859 0.815 0.786 0.800 0.943 0.850 0.882 0.798 10 0.763 0.767 0.858 0.814 0.785 0.801 0.942 0.849 0.881 0.799 平 均 0.792 0.775 0.862 0.817 0.790 0.786 0.954 0.855 0.882 0.806 1. 我 們 發 現 用 粗 的 銅 片 及 鋅 片, 其 平 均 電 壓 會 比 細 的 銅 片 及 鋅 片 來 的 強, 例 如 植 物 園 粗 電 極 的 平 均 0.792 比 植 物 園 細 電 極 的 平 均 0.775 強 2. 在 粗 的 銅 片 及 鋅 片 中, 以 水 生 池 旁 的 土 壤 的 電 壓 最 強, 發 電 量 平 均 為 0.954V 11

( 四 ) 討 論 為 什 麼 使 用 大 小 不 同 的 鋅 片 及 銅 片 會 有 不 同 的 結 果? 探 究 : 推 測 可 能 的 原 因 為 接 觸 面 積 較 大, 能 接 觸 較 多 的 微 生 物 而 提 高 電 壓 實 驗 四 : 測 量 不 同 正 負 極 材 質 組 合 所 產 生 的 電 壓 強 弱 我 們 查 了 資 料 發 現 大 部 分 的 水 果 電 池 海 水 電 池 等 大 部 分 的 電 極 都 是 利 用 鋅 片 和 銅 片 來 製 作, 但 是 我 們 想 找 看 看 生 活 中 是 否 有 可 以 取 代 鋅 銅 當 作 電 極 的 材 料, 於 是 我 們 從 資 源 回 收 的 地 方 撿 了 很 多 的 鐵 鋁 罐, 打 算 用 來 試 試 看 當 電 極 的 效 果 如 何? 於 是 設 計 了 以 下 實 驗 : ( 一 ) 實 驗 變 因 1. 操 作 變 因 : 不 同 材 質 的 正 負 極 2. 保 持 不 變 的 變 因 : 正 負 極 的 位 置 正 負 極 的 聯 接 土 的 量 三 用 電 表 的 模 式 鱷 魚 夾 電 線 的 種 類 土 的 種 類 3. 應 變 變 因 : 電 壓 的 強 弱 ( 二 ) 研 究 步 驟 : 1. 挖 取 校 園 內 沙 坑 旁 的 土 壤 2. 調 製 成 實 驗 四 中 發 電 效 率 最 好 的 一 杯 ( 第 四 杯 ) 3. 用 不 同 的 正 負 極 組 合 來 進 行 實 驗 圖 4-1: 先 將 鐵 鋁 罐 剪 開 圖 4-2: 用 鐵 槌 敲 打 成 片 圖 4-3: 剪 裁 鐵 鋁 片 圖 4-4: 鋅 銅 片 圖 4-5: 鐵 鋁 片 圖 4-6: 銅 鋁 片 圖 4-7: 鐵 鋅 片 圖 4-8: 磨 過 的 鐵 12 鋁

( 三 ) 研 究 結 果 表 八 : 不 同 材 質 電 極 組 合 產 生 的 土 壤 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 類 別 次 數 銅 鋅 鐵 鋁 銅 鋁 鐵 鋅 磨 過 的 鐵 鋁 1 0.804 0.336 0.606 0.486 0.199 2 0.814 0.333 0.605 0.482 0.194 3 0.815 0.321 0.604 0.472 0.181 4 0.816 0.319 0.603 0.470 0.161 5 0.817 0.313 0.602 0.463 0.158 6 0.818 0.305 0.601 0.462 0.156 7 0.819 0.304 0.599 0.460 0.153 8 0.820 0.303 0.598 0.459 0.149 9 0.821 0.302 0.597 0.458 0.148 10 0.822 0.299 0.596 0.457 0.132 平 均 0.817 0.314 0.601 0.467 0.163 1. 從 以 上 結 果, 我 們 發 現 銅 鋅 的 組 合 電 壓 最 強, 銅 片 與 鋁 片 的 組 合 次 之 2. 我 們 發 現 磨 過 的 鐵 鋁 組 合 所 得 到 的 電 壓 最 低 3. 我 們 會 使 用 砂 紙 磨 過 的 鐵 片 與 鋁 片, 是 因 為 猜 想 鐵 鋁 罐 上 面 是 否 都 有 鍍 上 某 些 物 質, 怕 這 些 物 質 會 影 響 電 壓 的 大 小, 但 事 實 證 明 以 磨 過 的 鐵 鋁 組 合 及 原 來 的 鐵 鋁 組 合 相 比, 則 是 磨 過 的 鐵 鋁 組 合 電 壓 較 低, 所 以 沒 有 必 要 將 外 面 鍍 的 物 質 磨 掉 ( 四 ) 討 論 探 討 鋅 銅 電 極 優 於 其 它 材 質 的 原 因? 探 究 : 根 據 我 們 查 到 的 資 料, 不 同 的 電 極 組 合 會 讓 電 壓 和 電 流 產 生 變 化, 電 極 的 活 性 大 小 為 : 鉀 > 鈉 > 鈣 > 鎂 > 鋁 > 碳 > 鋅 > 鉻 > 鐵 > 錫 > 鉛 > 鋅 > 銅 > 汞 > 銀 > 鉑 > 金 所 以 金 屬 的 活 性 應 該 會 影 響 電 壓 和 電 流 的 大 小 我 們 本 來 推 測 鋁 和 鋅 的 組 合, 活 性 差 異 比 較 大, 會 有 比 較 明 顯 的 電 壓 差 距, 但 事 實 作 出 來 卻 是 鋅 銅 的 效 果 最 好, 真 正 的 原 因 為 何, 值 得 我 們 再 繼 續 討 論 13

實 驗 五 : 測 量 土 壤 濕 度 不 同 是 否 會 影 響 電 壓 強 弱 土 壤 的 濕 度 是 否 會 影 響 電 壓 的 強 弱, 因 為 水 生 池 的 旁 邊 的 土 長 期 處 於 非 常 潮 濕 的 狀 態, 水 分 含 量 都 呈 現 飽 和, 因 此 這 個 實 驗 我 們 利 用 沙 坑 旁 的 土 的 濕 度 來 作 為 操 作 變 因 ( 一 ) 實 驗 變 因 1. 操 作 變 因 : 土 壤 乾 土 和 濕 土 比 例 2. 保 持 不 變 的 變 因 : 正 負 極 的 位 置 正 負 極 的 聯 接 土 的 量 三 用 電 表 的 模 式 鱷 魚 夾 電 線 的 種 類 土 的 來 源 3. 應 變 變 因 : 電 壓 的 強 弱 ( 二 ) 研 究 步 驟 1. 挖 取 校 園 內 沙 坑 旁 的 土 壤 2. 把 土 壤 放 進 烤 箱 烤 三 分 鐘, 做 出 乾 土 3. 把 另 外 一 些 土 壤 加 水, 直 到 土 壤 呈 現 飽 和 的 狀 態, 且 取 土 不 取 水, 做 出 濕 土 4. 把 乾 土 和 濕 土 均 勻 混 合 後 測 量 電 壓 第 一 杯 :400 克 乾 土 (400d) 第 二 杯 :300 克 乾 土 加 100 克 濕 土 (300d+100w) 第 三 杯 :200 克 乾 土 加 200 克 濕 土 (200d+200w) 第 四 杯 :100 克 乾 土 加 300 克 濕 土 (100d+300w) 第 五 杯 :400 克 濕 土 (400w) 圖 5-1: 將 土 烤 乾 圖 5-2: 測 量 乾 濕 土 重 量 圖 5-3: 測 量 乾 濕 土 的 發 電 量 14

( 三 ) 研 究 結 果 表 九 : 不 同 濕 度 的 土 壤 產 生 的 發 電 量 單 位 : 伏 特 (V) 類 別 次 數 第 一 杯 (400d) 第 二 杯 (300d+100w) 第 三 杯 (200d+200w) 第 四 杯 (100d+300w) 第 五 杯 (400w) 1 0.110 0.790 0.800 0.820 0.815 2 0.111 0.789 0.799 0.819 0.814 3 0.110 0.788 0.798 0.818 0.813 4 0.111 0.787 0.797 0.817 0.812 5 0.110 0.786 0.796 0.816 0.811 6 0.114 0.785 0.795 0.815 0.809 7 0.109 0.784 0.794 0.814 0.808 8 0.114 0.783 0.795 0.813 0.807 9 0.109 0.782 0.795 0.812 0.806 10 0.110 0.781 0.795 0.813 0.805 平 均 0.111 0.786 0.796 0.816 0.810 濕 度 不 同 的 土 壤 發 電 情 形 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.111 0.786 0.796 0.816 0.81 發 電 量 (V) 圖 5-4: 濕 度 不 同 的 土 壤 發 電 量 1. 我 們 發 現 第 四 杯, 也 就 是 100 克 乾 土 加 300 克 濕 土 的 電 壓 最 強, 推 測 可 能 的 原 因 為 濕 度 越 高 電 壓 越 強, 但 不 能 達 到 飽 和 2. 我 們 發 現 第 一 杯, 也 就 是 400 克 乾 土 的 電 壓 最 弱, 而 且 明 顯 比 有 加 入 濕 土 的 還 要 低 的 很 多 ( 四 ) 討 論 為 什 麼 溼 度 愈 高 電 壓 愈 強? 探 究 : 推 測 原 因 為 我 們 加 的 水 是 自 來 水 而 非 純 水, 自 來 水 裡 也 含 有 電 解 質, 因 此 增 加 了 土 15

壤 的 微 生 物 的 量, 電 壓 也 增 加 但 若 達 到 飽 和 時, 電 壓 有 一 點 下 降, 但 是 不 明 顯 有 可 能 是 因 為 水 分 太 多 反 而 影 響 了 電 子 的 流 動, 所 以 電 壓 會 下 降 一 點 實 驗 六 : 測 量 不 同 土 壤 的 導 電 度 ( 一 ) 實 驗 變 因 1. 操 作 變 因 : 不 同 的 土 壤 2. 保 持 不 變 的 變 因 : 土 壤 濕 度 土 壤 的 量 使 用 同 一 個 離 子 導 電 度 計 3. 應 變 變 因 : 導 電 度 計 上 LED 燈 亮 的 級 數 ( 二 ) 研 究 步 驟 : 1. 先 挖 取 校 園 中 不 同 種 類 的 土 壤 2. 取 出 三 杯 土 3. 將 離 子 導 電 度 計 插 入 土 壤 中, 分 別 測 量 並 記 錄 所 得 到 的 數 值 圖 6-1: 離 子 導 電 度 計 圖 6-2: 挖 取 土 圖 6-3: 利 用 離 子 導 電 度 計 測 量 土 壤 的 導 電 度 ( 三 ) 研 究 結 果 表 十 : 不 同 土 壤 的 導 電 度 類 別 植 物 園 沙 坑 旁 花 圃 水 生 池 旁 培 養 土 第 一 次 2 1 0 2 6 第 二 次 2 1 0 2 6 第 三 次 1 1 0 3 5 平 均 1.67 1 0 2.33 5.67 16

導 電 度 與 發 電 量 的 關 係 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0 1 2 3 4 5 6 R² = 0.2165 導 電 度 與 發 電 量 的 關 係 線 性 ( 導 電 度 與 發 電 量 的 關 係 ) 圖 6-4: 導 電 度 與 發 電 量 的 關 係 1. 我 們 發 現 培 養 土 的 導 電 效 果 最 好, 而 花 圃 土 壤 的 導 電 效 果 最 差 推 測 原 因 為 : 普 通 的 水 能 導 電, 培 養 土 的 水 分 最 多 所 以 最 能 導 電, 但 花 圃 的 土 壤 已 經 廢 耕 很 久 了, 因 此 土 壤 變 得 又 乾 又 硬, 由 於 缺 少 了 能 幫 助 導 電 的 水, 所 以 導 電 效 果 最 差 ( 四 ) 討 論 : 導 電 度 與 發 電 量 的 關 係? 答 : 本 來 以 為 導 電 度 和 發 電 量 會 有 相 關 性, 但 經 由 我 們 實 驗 的 結 果, 利 用 離 子 導 電 度 計 實 際 測 量 後, 加 上 老 師 教 我 們 的 統 計 方 式, 發 現 導 電 度 與 發 電 量 並 無 直 接 的 影 響 實 驗 七 : 測 量 不 同 土 壤 的 酸 鹼 值 ( 一 ) 實 驗 變 因 1. 操 作 變 因 : 不 同 的 土 壤 2. 保 持 不 變 的 變 因 : 土 壤 濕 度 土 壤 的 量 使 用 同 一 個 土 壤 ph 值 檢 測 器 3. 應 變 變 因 : 土 壤 酸 鹼 值 ( 二 ) 研 究 步 驟 : 1. 去 挖 取 土 壤 的 地 方, 先 挖 一 個 洞, 並 把 土 壤 ph 值 檢 測 器 插 下 去 2. 用 旁 邊 的 土 埋 到 最 上 面 的 金 屬 環 17

3. 等 10 分 鐘 之 後 觀 看 酸 鹼 值 圖 7-1: 土 壤 ph 值 檢 測 器 圖 7-2: 先 將 土 壤 挖 鬆 圖 7-3: 將 土 壤 ph 值 檢 測 器 插 入 土 壤 中 ( 三 ) 研 究 結 果 表 十 一 : 不 同 土 壤 的 ph 值 類 別 植 物 園 沙 坑 旁 花 圃 水 生 池 旁 培 養 土 ph 值 6.9 5.2 7.0 6.4 5.2 1 0.95 ph 值 與 發 電 量 關 係 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 R² = 0.2045 ph 值 與 發 電 量 關 係 線 性 (ph 值 與 發 電 量 關 係 ) 0.65 0.6 4 5 6 7 8 圖 7-4:pH 值 與 發 電 量 的 關 係 1. 沙 坑 旁 的 土 壤 和 培 養 土 的 酸 鹼 值 相 同, 同 時 也 是 最 酸 的 土 壤 2. 花 圃 的 土 壤 酸 鹼 值 是 最 偏 中 性 的, 是 7.0 3. 植 物 園 的 土 壤 和 水 生 池 旁 的 土 壤 酸 鹼 值 則 都 在 6 到 7 之 間 18

電 壓 ( 四 ) 討 論 酸 鹼 值 和 發 電 量 的 關 係? 答 : 因 為 在 水 溶 液 單 元 中, 我 們 知 道 某 些 酸 鹼 溶 液 能 夠 導 電, 因 此, 我 們 懷 疑 土 壤 的 發 電 量 也 許 會 與 酸 鹼 值 有 相 關, 不 過, 實 驗 的 結 果 未 發 現, 土 壤 的 酸 鹼 值 對 發 電 量 有 無 直 接 的 影 響 實 驗 八 : 測 量 不 同 土 壤 的 產 氣 量 我 們 從 文 獻 中 得 知, 土 壤 中 的 微 生 物 在 氧 化 時 會 釋 放 出 氣 體, 於 是 我 們 利 用 自 然 課 流 體 傳 送 動 力 的 實 驗 裝 置 來 測 土 壤 的 產 氣 量, 並 從 中 得 知 土 壤 的 微 生 物 多 寡 ( 一 ) 實 驗 變 因 1. 操 作 變 因 : 不 同 的 土 壤 2. 保 持 不 變 的 變 因 : 土 壤 的 量 針 管 的 種 類 管 內 空 氣 的 量 3. 應 變 變 因 : 土 壤 產 氣 量 ( 二 ) 研 究 步 驟 : 1. 先 挖 取 校 園 內 不 同 種 類 的 土 壤 10ml, 並 放 入 針 管 內 2. 將 針 管 活 塞 壓 至 20 ml 的 刻 度 處 3. 把 另 一 個 空 的 針 管 壓 至 0ml 處, 並 用 塑 膠 軟 管 連 接 兩 個 針 管 ( 三 ) 研 究 結 果 表 十 二 : 不 同 土 壤 的 產 氣 量 單 位 : 毫 升 (ml) 土 壤 類 別 植 物 園 沙 坑 旁 花 圃 水 生 池 旁 培 養 土 產 氣 量 3 4 3 5 4 產 氣 量 與 電 壓 的 關 係 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0 1 2 3 4 5 6 19 產 氣 量 y = 0.0814x + 0.5466 R² = 0.9892 產 氣 量 與 電 壓 的 關 係 線 性 ( 產 氣 量 與 電 壓 的 關 係 )

1. 水 生 池 旁 的 土 壤 產 氣 量 最 多 2. 植 物 園 的 土 壤 和 花 圃 的 土 壤 產 氣 量 最 少 ( 四 ) 討 論 為 什 麼 水 生 池 的 土 壤 產 氣 量 最 多? 答 : 推 測 原 因 為, 由 於 水 生 池 旁 的 濕 度 比 較 高, 因 此 微 生 物 較 多, 所 以 產 生 的 氣 體 量 也 較 多 產 氣 量 和 發 電 量 的 關 係 為 何? 答 : 微 生 物 越 多 的 土 壤, 所 產 生 的 氣 體 也 越 多 產 氣 量 多 的 氣 體, 微 生 物 也 越 多, 因 此 發 電 量 也 較 高 伍 結 論 ( 一 ) 土 壤 的 發 電 量 會 因 為 地 區 植 物 數 量 或 水 分 的 多 寡, 進 而 影 響 土 壤 的 發 電 量 ( 二 ) 串 聯 不 同 杯 數 的 土 壤 會 因 為 土 壤 變 多 了, 所 以 將 增 加 它 的 發 電 量, 因 此 串 聯 越 多 杯 數 的 土 壤 發 電 量 會 越 高 ( 三 ) 電 極 越 大, 所 接 觸 到 的 土 壤 面 積 較 大, 因 此 可 以 一 次 傳 輸 較 多 的 電, 所 以 發 電 量 較 大, 相 反 的, 越 小 的 電 極 接 觸 到 的 土 壤 面 積 較 小, 因 此 只 能 傳 輸 較 少 的 電, 發 電 量 也 較 小, 所 以 電 極 的 大 小 會 影 響 土 壤 的 發 電 量 ( 四 ) 雖 然 我 們 利 用 了 一 些 環 保 廢 棄 物 想 要 做 出 更 環 保 好 用 的 電 極, 但 是 實 際 測 量 的 結 果, 我 們 發 現 還 是 由 鋅 銅 電 極 可 以 產 生 較 大 的 發 電 量 效 應 由 於 各 種 電 極 材 質 的 活 性 不 同, 所 以 能 傳 輸 的 電 也 不 同 ( 五 ) 根 據 實 驗 五 結 果,300 克 的 濕 土 加 100 克 的 乾 土 發 電 量 最 高, 因 此 土 壤 的 濕 度 會 影 響 發 電 量 ( 六 ) 根 據 實 驗 六 結 果, 土 壤 的 導 電 度 與 發 電 量 並 沒 有 直 接 的 關 係 ( 七 ) 根 據 實 驗 七 結 果, 土 壤 的 酸 鹼 值 與 發 電 量 並 沒 有 直 接 的 關 係 ( 八 ) 產 氣 量 和 發 電 量 有 直 接 的 關 係, 產 氣 量 越 多, 發 電 量 也 越 高 20

陸 未 來 展 望 我 們 曾 試 著 用 鐵 鋁 罐 銅 鋅 片 做 電 池, 但 是 電 壓 只 和 一 杯 200ml 的 土 壤 發 電 量 差 不 多, 而 且 也 測 不 出 電 流 希 望 未 來 也 能 繼 續 以 回 收 的 鐵 鋁 罐 當 材 料 來 製 作 電 池 並 改 善 沒 有 電 流 的 狀 況 雖 然 我 們 之 前 有 用 奇 異 果 代 替 土 壤 來 測 試 是 否 能 LED 燈 亮, 並 比 較 其 和 用 土 壤 發 電 的 亮 度 大 小, 但 我 們 發 現 兩 杯 土 使 LED 燈 發 亮 的 程 度 還 比 一 顆 被 切 半 的 奇 異 果 電 池 來 得 暗, 因 此 還 得 繼 續 改 良 柒 參 考 資 料 吳 錫 平 (2000) 細 菌 的 新 用 途 人 民 網 2000 年 9 月 15 日, 取 自 : http://www.people.com.cn/big5/channel2/570/20000915/235147.html (2013/12/20) 林 天 祐 ( 民 98 年 ) 細 菌 發 電, 把 照 明 帶 進 非 洲 ECO 御 宅 綠 活 情 報 民 101 年 3 月 1 日, 取 自 :http://ecogoodies.blogspot.com/2009/10/blog-post_16.html (2013/10/30) 李 佩 珈 李 佩 珏 林 儀 禎 鄭 諭 聰 陳 怡 雯 郭 庭 慈 來 電 漢 堡 - 環 保 電 池 DIY 第 49 屆 全 國 中 小 學 科 展 2009 年 8 月 林 弘 恩 黃 士 恩 李 郁 柔 劉 靜 文 來 電 用 絲 絲 - 絲 藻 在 微 生 物 燃 料 電 池 之 應 用 第 49 屆 全 國 中 小 學 科 展 2009 年 8 月 林 志 仁 陳 博 彥 羅 以 琳 翁 勖 椉 細 菌 電 力 公 司 嘉 義 市 第 30 屆 全 國 中 小 學 科 展 2012 年 5 月 台 灣 大 學 農 業 化 學 系 上 課 講 義 (ppt) 土 壤 化 學 - 氧 化 還 原 檔 案 取 自 : http://teacher.ac.ntu.edu.tw/dylee/textdownload.htm (2014/2/6) 21