Л.В. Львова
Путь длиною в четверть века
Ташкент... 1974 год... Группа ученых в системе Мингазпрома приступила к исследованию метастабильного состояния водных растворов солей и глинистых суспензий, возникающего при униполярном (т. е. катодном или анодном) воздействии.
Разработанные учеными установки для электрохимической обработки бурового раствора и воды почти на 40% снижали затраты на бурение скважин. Оригинальные технологические конструкторские решения по использованию электрохимической активации (именно так был назван предложенный способ обработки жидкостей) в бурении и смежных областях сыпались, как из рога изобилия. К 1971 году разработчики защитили их 150 авторскими свидетельствами СССР и 170 зарубежными патентами США, Канады, Японии и ФРГ!
Новое направление привлекло внимание специалистов различных профилей и послужило толчком к созданию полусотни неформальных творческих межрегиональных и межотраслевых коллективов. Научно-популярные журналы наперебой пишут о новом простом и очень эффективном способе самолечения «живой» и «мертвой» водой. Всеми уважаемый журнал «Химия и Жизнь» помещает даже описание установки для получения чудодейственного средства из самой обычной водопроводной воды с подробными указаниями, при каких заболеваниях какую воду пить – «живую» или «мертвую». Сделать такую установку особого труда не составляло. Для этого нужен был стеклянный сосуд, источник питания, два электрода (анод и катод) и непроницаемая перегородка, препятствующая смешиванию воды из катодной и анодной камер.
Конечно же, очень скоро широкая публика забывает об очередной легкодоступной панацее. Однако ученые-прикладники продолжают исследования, обосновывающие перспективность использования электрохимической активации растворов. Примерно в это же время появляются гипотезы о возможных механизмах электрохимической активации жидкостей. Но академическая наука относится к этим изысканиям, мягко говоря, не совсем объективно. Некоторые ученые института электрохимии АН СССР обвиняют создателей метода электрохимической активации в дилетантстве. Другие же утверждают, что все проблемы, связанные с униполярной обработкой разбавленных растворов, давным-давно решены специалистами-электрохимиками.
Такой подход явно противоречил реальной ситуации: практически во всем мире отсутствовал опыт разработки, изготовления и эксплуатации специализированных установок для электрохимической анодной и катодной обработки жидкостей с целью их последующего использования в каких-либо технологических процессах. Только ташкентская группа исследователей, поставив перед собой задачу разработки долговечных, удобных в эксплуатации, надежных, автоматически поддерживающих заданный режим, экономичных и экологически чистых устройств, уже к 90-му году сумела создать целую плеяду лабораторных и промышленных установок различного, в том числе и медицинского, назначения.
Великое множество существующих ныне электрохимических установок для синтеза моющих, дезинфицирующих и стерилизующих растворов делится на две группы. Одни имеют между электродами диафрагму, отделяющую катодную камеру от анодной. В других же диафрагма отсутствует. Однако и в том, и в другом случае в качестве исходного раствора обычно используется водный раствор хлористого натрия. Почему создателям нового метода приглянулся именно этот раствор, история умалчивает, но выбор оказался удачным: получаемые при его обработке в электрохимических установках неактивированные и активированные растворы прекрасно себя зарекомендовали при дезинфекции и стерилизации.
Неактивированные или,как их еще называют, гипохлоритные растворы синтезируются, как правило, в установках с бездиафрагменными электрохимическими реакторами. Из-за отсутствия диафрагмы высокоактивные неустойчивые соединения, которые образуются в процессе электрохимического синтеза вблизи анода и катода, смешиваются и нейтрализуют друг друга и в итоге в неактивированном растворе остаются устойчивые продукты электролиза (в частности, щелочи и кислоты). Поэтому свойства таких растворов практически не изменяются с течением времени.
Активированные растворы можно получать и в бездиафрагменных, и в диафрагменных установках. Для этого просто необходимо выполнять вполне определенные условия.
В обоих случаях содержание хлорида натрия в исходном растворе должно быть достаточно низким – не более 5г/л. К тому же в бездиафрагменных установках, предназначенных для синтеза активированных растворов, площади поверхностей двух электродов (анода и катода) должны отличаться не менее чем в 150...200 раз. Причем вблизи электрода с большей поверхностью обрабатываемая жидкость должна перемешиваться как можно меньше, а к электроду с меньшей поверхностью должны постоянно поступать для обработки все новые и новые микрообъемы исходного раствора.
В установках с диафрагменными электрохимическими реакторами к электродам предъявляется одно-единственное требование – для получения активированных растворов их конструкция должна обеспечить максимально возможный контакт обрабатываемого раствора с поверхностью электрода.
Высокоактивный раствор, получаемый в катодной камере, называют католитом. Такой раствор насыщен продуктами электрохимических реакций, протекающих вблизи катода.
Раствор, получаемый в анодной камере, называют анолитом, содержащим продукты окисления, в том числе хлорную кислоту, синтезированную из растворенного в воде хлорида натрия, кислород и хлор.
В зависимости от режима электрохимического воздействия и содержания в исходном растворе хлористого натрия рН католита обычно колеблется от 7 до 12, а рН анолита от 2 до 7. Окислительно-восстановительный потенциал, характеризующий окислительно-восстановительные способности компонентов активированных растворов, изменяется в довольно широких пределах (у католита – от 200 до 850мВ, а у анолита – от 400 до 1200мВ).
Любопытно, что даже предельные, но постоянные во времени значения этих параметров не могут свидетельствовать о том, что раствор действительно является активированным. Основной признак электрохимически активированного раствора – самопроизвольное изменение физико-химических параметров во времени при отсутствии массообмена с окружающей средой (к примеру, при хранении раствора в герметичном сосуде).
И католиту, и анолиту присуща чрезвычайно высокая физико-химическая активность, которая, по современным представлениям, обусловлена тремя факторами.
Фактор первый. Стабильные продукты электрохимических реакций в католите и анолите. В частности, щелочи и кислоты. Успешно заменяя традиционные химические добавки, они обеспечивают более высокую эффективность католита и анолита по сравнению с обычной водой.
Фактор второй. Высокоактивные неустойчивые продукты электрохимических реакций с весьма ограниченным временем жизни (к примеру, свободные радикалы). Они существенно усиливают проявление кислотных и окислительных свойства анолита и щелочные и восстановительные свойства католита. Получить высокоактивные неустойчивые продукты при помощи растворения в воде химических реагентов практически невозможно. Своим, хоть и очень непродолжительным существованием, они обязаны уникальным условиям электрохимического синтеза.
Фактор третий. Долгоживущие активированные структуры в областях, прилегающих к поверхности электродов. Представлены активированные структуры как свободными ионами, молекулами, атомами и радикалами, так и гидратированными. Именно они и наделяют католит и анолит чрезвычайными каталитическими способностями, позволяя им (католиту и анолиту) изменять активационные барьеры между взаимодействующими компонентами самых различных, в том числе и биохимических, реакций.
Во многих установках первого поколения активационные структуры формируются в тончайшем (всего 5–6 Ангстрем) слое раствора вблизи электродных поверхностей. В этом случае доля сверхактивных соединений в объеме католита и анолита очень мала – не более 1%.
В более новых электрохимических установках, имеющих более совершенную конструкцию, активационные структуры занимают гораздо больший объем. А это значит, что католит и анолит, полученные в таких установках, обладают более высокой физико-химической активностью, что, кстати, и подтверждают многочисленные эксперименты.
Естественно, и это тоже доказано экспериментально, на активность католита и анолита влияют и два других фактора. Все три фактора: и стабильные продукты электролиза, и высокоактивные неустойчивые продукты электрохимических реакций, и долгоживущие активационные структуры – усиливают проявление щелочных и восстановительных свойств католита и ослабляют проявление кислотных и окислительных свойств анолита. Правда, определить вклад каждого из этих трех активнодействующих факторов пока, к сожалению, не удается.
Живая и мертвая вода
«Ворон брызнул мертвой водой – тело срослось, съединилося; сокол брызнул живой водой – Иван-царевич вздрогнул, встал и заговорил...»
«Марья Моревна», русская народная сказка
Водные растворы хлористого натрия, обработанные в современных электрохимических установках, к сожалению, такими чудодейственными свойствами не обладают. Тем не менее возможности активированных и даже неактивированных растворов поистине удивительны. К примеру, по данным фирмы «Джонсон и Джонсон» 5% раствор гипохлорита натрия (хлорамина) эффективен только при дезинфекции, но не при стерилизации. Российский ВНИИ профилактической токсикологии и дезинфекции рекомендует использовать и для дезинфекции, и для стерилизации активированный нейтральный анолит с содержанием оксидантов 0,03% (т. е. меньшей в 160 раз концентрацией действующих веществ). Кроме того, время стерилизации в нейтральном анолите сокращается в 3...4 раза по сравнению с препаратом «Сайдекс» (действующее вещество – глутаровый альдегид). А этот препарат многие специалисты считают одним из лучших стерилизующих растворов.