Варіації на тему електрохімічної активації

Л.В. Львова

Шлях довжиною у чверть століття

Ташкент ... 1974 рік ... Група вчених в системі Мінгазпрома приступила до дослідження метастабільного стану водних розчинів солей і глинистих суспензій, що виникає при уніполярні (тобто катодного або анодному) дії.

Розроблені вченими установки для електрохімічної обробки бурового розчину і води майже на 40% знижували витрати на буріння свердловин. Оригінальні технологічні конструкторські рішення по використанню електрохімічної активації (саме так був названий запропонований спосіб обробки рідин) в бурінні і суміжних областях сипалися, як з рогу достатку. До 1971 року розробники захистили їх 150 авторськими свідоцтвами СРСР і 170 закордонними патентами США, Канади, Японії та ФРН!

Нове напрям привернуло увагу фахівців різних профілів і послужило поштовхом до створення півсотні неформальних творчих міжрегіональних та міжгалузевих колективів. Науково-популярні журнали навперебій пишуть про новий простому і дуже ефективний спосіб самолікування «живий» і «мертвою» водою. Усіма шанований журнал «Хімія та життя» поміщає навіть опис установки для отримання чудодійного засобу з самої звичайної водопровідної води з докладними вказівками, при яких захворюваннях яку воду пити - «живу» або «Мертву». Зробити таку установку особливих труднощів не становило. Для цього потрібен був скляну посудину, джерело живлення, два електроди (анод і катод) і непроникна перегородка, що перешкоджає змішування води з катодного і анодного камер.

Звичайно ж, дуже скоро широка публіка забуває про чергову легкодоступній панацеї. Однак вчені-прикладники продовжують дослідження, що обгрунтовують перспективність використання електрохімічної активації розчинів. Приблизно в цей же час з'являються гіпотези про можливі механізми електрохімічної активації рідин. Але академічна наука ставиться до цих вишукувань, м'яко кажучи, не зовсім об'єктивно. Деякі вчені інституту електрохімії АН СРСР обвинувачують творців методу електрохімічної активації в дилетантстві. Інші ж стверджують, що всі проблеми, пов'язані з уніполярні обробкою розведених розчинів, давним-давно вирішені фахівцями-електрохіміків.

Такий підхід явно суперечив реальної ситуації: практично в усьому світі був відсутній досвід розробки, виготовлення і експлуатації спеціалізованих установок для електрохімічної анодного і катодного обробки рідин з метою їх подальшого використання в будь-яких технологічних процесах. Тільки Ташкентська група дослідників, поставивши перед собою завдання розробки довговічних, зручних в експлуатації, надійних, автоматично підтримують заданий режим, економічних та екологічно чистих пристроїв, вже до 90-го року зуміла створити цілу плеяду лабораторних і промислових установок різного, в тому числі і медичної техніки, включаючи призначення.

Велике безліч існуючих нині електрохімічних установок для синтезу миючих, дезінфікуючих і стерилізує розчинів ділиться на дві групи. Одні мають між електродами діафрагму, що відокремлює катодну камеру від анодного. В інших же діафрагма відсутня. Однак і в тому, і в іншому випадку в якості початкової розчину звичайно використовується водний розчин хлористого натрію. Чому творцям нового методу сподобався саме цей розчин, історія замовчує, але вибір виявився вдалим: одержувані при його обробці в електрохімічних установках неактивований і активовані розчини прекрасно себе зарекомендували при дезінфекції та стерилізації.

Користувачі або, як їх ще називають, гіпохлорітние розчини синтезуються, як правило, в установках з бездіафрагменнимі електрохімічними реакторами. Через відсутність діафрагми високоактивні нестійкі сполуки, які утворюються в процесі електрохімічного синтезу поблизу анода і катода, змішуються і нейтралізують один одного і в результаті в неактивованих розчині залишаються стійкі продукти електролізу (зокрема, луги і кислоти). Тому властивості таких розчинів практично не змінюються з часом.

Активовані розчини можна отримувати і в бездіафрагменних, і в діафрагмові установках. Для цього просто необхідно виконувати цілком певні умови.

В обох випадках вміст хлориду натрію у вихідному розчині повинно бути досить низьким -- не більше 5г/л. До того ж у бездіафрагменних установках, призначених для синтезу активованих розчинів, площі поверхонь двох електродів (анода і катода) повинні відрізнятися не менш ніж у 150 ... 200 разів. Причому поблизу електрода з більшою поверхнею оброблювана рідина повинна перемішуватись як можна менше, а до електрода з меншою поверхнею повинні постійно надходити для обробки все нові і нові мікрооб'еми вихідного розчину.

В установках з діафрагмовим електрохімічними реакторами до електродів пред'являється одна-єдина вимога - для отримання активованих розчинів їх конструкція повинна забезпечити максимально можливий контакт оброблюваного розчину з поверхнею електрода.

Високоактивний розчин, що отримується в катодного камері, називають католітом. Такий розчин насичений продуктами електрохімічних реакцій, що протікають поблизу катода.

Розчин, отримується в анодному камері, називають анолітом, що містить продукти окислення, в тому числі хлорне кислоту, синтезовану з розчиненої у воді хлориду натрію, кисень і хлор.

Залежно від режиму електрохімічного впливу і змісту у вихідному розчині хлористого натрію рН католіта зазвичай коливається від 7 до 12, а рН аноліта від 2 до 7. Окисно-відновний потенціал, що характеризує окислювально-відновні здатності компонентів активованих розчинів, змінюється в досить широких межах (у католіта - від 200 до 850мВ, а у аноліта - від 400 до 1200мВ).

Цікаво, що навіть граничні, але постійні в часі значення цих параметрів не можуть свідчити про те, що розчин дійсно є активованим. Основна ознака електрохімічних активованого розчину - мимовільне зміна фізико-хімічних параметрів у часі за відсутності масообміну з навколишнім середовищем (наприклад, при зберіганні розчину в герметичній посудині).

І католіту, і аноліту властива надзвичайно висока фізико-хімічна активність, яка, за сучасними уявленнями, обумовлена трьома факторами.

Фактор перший. Стабільні продукти електрохімічних реакцій в катол і аноліте. У Зокрема, луги і кислоти. Успішно замінюючи традиційні хімічні добавки, вони забезпечують більш високу ефективність католіта і аноліта в порівнянні з звичайною водою.

Фактор другий. Високоактивні нестійкі продукти електрохімічних реакцій з вельми обмеженим часом життя (наприклад, вільні радикали). Вони істотно підсилюють прояв кислотних і окислювальних властивості аноліта та лужні і відновні властивості католіта. Отримати високоактивні нестійкі продукти у за допомогою розчинення воді хімічних реагентів практично неможливо. Своїм, хоч і дуже нетривалим існуванням, вони зобов'язані унікальним умовам електрохімічного синтезу.

Фактор третій. Довгоживучі активоване структури в областях, прилеглих до поверхні електродів. Представлені активоване структури як вільними іонами, молекулами, атомами та радикалами, так і гідратованих. Саме вони і наділяють катол і аноліт каталітичними надзвичайними здібностями, що дозволяє їм (католіту і аноліту) змінювати активаційні бар'єри між взаємодіючими компонентами самих різних, в тому числі і біохімічних, реакцій.

У багатьох установках першого покоління активаційні структури формуються в найтоншому (всього 5-6 Ангстрем) шарі розчину поблизу електродних поверхонь. У цьому випадку частка надактивні сполук в обсязі католіта і аноліта дуже мала -- не більше 1%.

У новіших електрохімічних установках, які мають більш досконалу конструкцію, активаційні структури займають набагато більший обсяг. А це означає, що катол і аноліт, отримані в таких установках, мають більш високої фізико-хімічної активністю, що, до речі, і підтверджують численні експерименти.

Природно, і це теж доведено експериментально, на активність католіта і аноліта впливають і два інших фактори. Всі три чинники: і стабільні продукти електролізу, і високоактивні нестійкі продукти електрохімічних реакцій, і довгоживучі активаційні структури - підсилюють прояв лужних і відновлювальних властивостей католіта і послаблюють прояв кислотних і окислювальних властивостей аноліта. Щоправда, визначити внесок кожного з цих трьох актівнодействующіх факторів поки, на жаль, не вдається.

Жива і мертва вода

«Ворон бризнув мертвою водою - тіло зрослося, с'едінілося; сокіл бризнув живою водою -- Іван-царевич здригнувся, встав і заговорив ...»

«Марія Моревна», російська народна казка

Водні розчини хлористого натрію, оброблені в сучасних електрохімічних установках, до жаль, такими чудодійними властивостями не володіють. Тим не менше можливості активованих і навіть неактивованих розчинів дійсно дивовижні. Приміром, за даними фірми «Джонсон і Джонсон» 5% розчин гіпохлориту натрію (хлораміну) ефективний тільки при дезінфекції, але не при стерилізації. Російський ВНДІ профілактичної токсикології та дезінфекції рекомендує використовувати і для дезінфекції, і для стерилізації активоване нейтральний аноліт зі змістом оксідантов 0,03% (тобто меншою в 160 разів концентрацією діючих речовин). Крім того, час стерилізації в нейтральному аноліте скорочується в 3 ... 4 рази в порівнянні з препаратом «Сайдекс» (діюча речовина - глутаровий альдегід). А цей препарат багато фахівців вважають одним з кращих стерилізуючий розчинів.

Користувачі аноліт, хоч і поступається активованого аноліту по біоцидної активності, але все одно в 70 ... 100 разів ефективніше хлораміну. Механізм згубного для мікроорганізмів дії хлорвмісних розчинів, одержуваних за електрохімічної активації розчинів хлористого натрію, привертає пильну увагу дослідників.

Цікаві результати були отримані при електронно-мікроскопічних дослідженнях суспензій клітин синьогнійної палички, оброблених електрохімічних активованими розчинами хлориду натрію протягом 0,5 ... 60 хвилин. Виявилося, що катол з рН 12,5, без вмісту активного хлору, зовсім не змінює ультраструктури бактерій. Зате виражене шкідлива дія надавали аноліт з рН 3,7 і суміші аноліта і католіта у співвідношенні 1:1 (рН = 9,3) та 1:3 (рН = 10,4), у яких вміст активного хлору складало 0,03%. Вплив всіх досліджуваних розчинів зводилося до деструкції цитоплазми і Нуклеоїд, автолізом і розпаду клітин. Але, як завжди, було одне але ... Найбільшою ефективністю володів аноліт, а найменшою - суміш аноліта і католіта в співвідношенні 1:3. Пояснити таке явище поки що не вдається. Можна тільки припускати, що крім хлору певну роль відіграють і інші продукти електрохімічних реакцій.

Незаперечним перевагою активованих розчинів гіпохлориту натрію в концентрації від 0,5 до 2,5 г/л є відсутність канцерогенної, алергічного і токсичного дії на організм при їх внутрішньовенному, внутрішньом'язовому, внутрішньоочеревинному підшкірному та пероральному введенні. Це показали досліди на білих безпородних мишах. До того ж, за попередніми даними, активовані розчини гіпохлориту натрію ефективні при лікуванні гострих отруєнь феназепаму, амітриптиліном, етиленгліколь, сурогатами опію і алкоголем. Непогано зарекомендували себе такі розчини і в комплексному лікуванні хворих з вираженим синдромом ендогенної інтоксикації і вторинним імунодефіцитом. Застосування розчинів гіпохлориту натрію у вигляді аплікацій, зрошень, інгаляцій, протирання, внутрішньовенних інфузій при гнійно-деструктивні процеси в легенях, гнійних і опікових ранах, перитоніті і остеомієліті сприяє санації трахеобронхіального дерева і плевральної порожнини, швидкому очищенню і подальшого загоєнню ран, оскільки перед електролізних гіпохлоритом натрію не можуть встояти багато антибіотикостійкість грампозитивні і грамнегативні бактерії. І все через його яскраво вираженої здатності гідроксильовані амінокислоти. У першу чергу це стосується сірковмісних амінокислот - метіоніну та цистеїну - і амінокислот, що містять ненасичені зв'язку - триптофану, гістидину і фенілаланіну. Мабуть, тому й виникло припущення, що інактивація мікроорганізмів при дії гіпохлориту натрію обумовлена окисленням SH груп. Але, будучи джерелом активного кисню, гіпохлорит натрію в той же час має невелику масу, і, отже, клітинні мембрани не представляють для нього серйозною перешкодою. Тому він легко проникає всередину тканинних клітин і окисляє токсини, присутні в тканинних клітин, чим і пояснюється терапевтичний ефект гіпохлориту натрію при отруєнні різними речовинами. Така точка зору одних фахівців. Але існує й інша думка з приводу біологічних ефектів електрохімічних активованих розчинів. Як вважають деякі фахівці, в основі біологічних ефектів активованих розчинів лежать викликані ними зміни електронного рівноваги внутрішнього середовища організму. Під впливом католіта окислювально-відновлювальний потенціал (ОВП) біологічних рідин зсувається в бік донорно-акцепторних значень. Це тягне за собою збільшення активності біоантіоксідантов, стабілізацію клітинних мембран, посилення неспецифічного імунітету і підвищення резистентності організму до радіоактивного опромінення і токсинів. До речі, наявність таких ефектів наводить на думку про можливість використання католіта як профілактичний засіб, що підвищує імунітет і стійкість організму до деяких несприятливих дій. Аноліт, завдяки своїм електронно-акцепторні властивостями, має біоцидної активністю, стимулює біологічне окислення та сприяє детоксикації організму за рахунок окислювального гідроксилювання гідрофобних токсинів і шлаків. Причому концентрація стабільних продуктів електролізу 10-4 ... 10-3 моль/л у тканинних середовищах забезпечує максимальний лікувальний ефект електрохімічних активованих розчинів.

В останні роки велика увага приділяється вивченню дії активованих розчинів при ранових інфекціях. У попередніх дослідах in vitro з культурами анаеробних і аеробних мікроорганізмів, виділених з ран хворих, при перевірці бактерицидної ефекту нейтрального і кислого анолітов з'ясувалося, що аноліти з концентрацією активного хлору від 60 до 120мг/л найбільш ефективні по відношенню до клінічних штамів мікроорганізмів, представлених золотавим і епідермальний стафілококами, синьогнійної паличкою, кишкової та спороутворюючих паличками, бактероїди, пептококи, пептострептококи і еубактеріямі. Однак лабораторні випробування, проведені на щурах, виявили розходження в бактерицидних властивості цих розчинів. Як виявилося, поверхнева обробка шкірно-м'язових ран нейтральним анолітом (рН 6,5, ОВП = 800мВ, концентрація активного хлору 70мг/л) повністю зупиняла зростання мікробів у ранах. Кислий ж аноліт (рН 4,0, ОВП = 900мВ, концентрація активного хлору 70мг/л) лише тимчасово, та й то не у всіх піддослідних тварин, припиняв розмноження мікроорганізмів і через кілька годин у ранах абсолютно у всіх щурів спостерігалося збільшення числа колоній. При лікуванні гнійних шкірно-м'язових ран у щурів досить високою ефективністю мали катол з рН 10,0, ОВП = 800мВ і аноліт з концентрацією активного хлору 120мг/л, рН 6,5, ОВП = 850мВ. Обробка цими розчинами ранової поверхні у більшості піддослідних тварин припиняла ріст мікробів і нормалізувала показники крові - кількість лейкоцитів і ШОЕ.

Результати цих експериментів ще раз підтвердили, що життєві реалії дуже важко укласти в будь-яку теорію: спостережувані ефекти неможливо пояснити ні дією гіпохлоріта натрію, ні зміною електронного рівноваги внутрішнього середовища організму, викликаного дією активованих розчинів.

У той же час абсолютно точно встановлено, що бактерицидні властивості католіта і аноліта під чому визначаються умовами їх отримання.

Прекрасно ілюструють цей факт результати вивчення дезінфікуючих властивостей нейтральних анолітов, отриманих на двох різних установках. Розчини ці використовувалися для знезаражування тест-об'єктів - посуду, білизни, поверхонь з лінолеуму, метласька плитки, кахлю, пофарбованого олійною фарбою дерева, скляних медичних виробів, металу і гуми на основі натурального і синтетичного каучуку. Як з'ясувалося, обидва нейтральні аноліта проявили високу ефективність у відношенні всіх тест-культур - золотистого стафілокока, кишкової палички, вакцинного штаму вірусу поліомієліту 1 типу, мікобактерії В5 і кандида альбіканс. Відмінності полягали лише в часі обробки і концентрації активного хлору.

Не менш цікаві дані були отримані під час дослідження двох видів аноліта - кислого (рН 2,0 ... 0,5) і нейтрального (рН 6,5 ... 7,6) - з близькими значеннями вмісту активного хлору і окислювально-відновних потенціалів, отриманих у двох різних електрохімічних установках. Виявилося, що стерилізуючий ефект залежав від виду оброблюваного матеріалу.

Час спороцидно дії для тест-об'єктів на основі натурального каучуку становило 300 ... 360 хвилин, тоді як для обробки виробів зі скла, металу і полімерних матеріалів достатньо було обробки протягом 2 ... 14 хвилин. Причому ефективність розчинів зростала зі збільшенням концентрації активного хлору. Зате за інших рівних параметрах анолітов кислий аноліт був набагато ефективніше нейтрального. До того ж, що важливо, багаторазова обробка електрохімічних активованими розчинами (на відміну від традиційних хлорвмісних препаратів) практично не позначалася на фізико-хімічних та фізико-механічні властивості гум на основі силіконового каучуку, натурального латексу, натурального каучуку і композицій на основі термопластичних поліуретанів.

Для стерилізації металевих виробів - пинцетов, скальпелів і т.д. - Краще використовувати нейтральний аноліт, оскільки кислий аноліт володіє вищою корозійної активністю. Щоправда, додавання в електрохімічних активоване розчини інгібіторів корозії - 0,1% і 0,05% розчинів катапола і натрій-бор глюконату запобігає корродірованіе виробів з металу при стерилізації не тільки в нейтральному (рН 6,7), але і в кислому (рН 2,95) аноліте. Антикорозійний ефект, очевидно, пов'язаний з утворенням захисної плівки, щільно прилягає до поверхні металу і створює важко подолати бар'єр для окисляючих агентів, внаслідок чого сповільнюється поширення корозії по поверхні виробу.

Цілком можливо, що найближчим часом активовані розчини будуть широко застосовуватися для обробки рук хірургів. Принаймні, попередні досліди свідчать про доцільність використання католіта в якості миючого засоби для механічного очищення рук, а аноліта - як дезінфектанта. Причому мікробіологічні аналізи показали, що після обробки католітом у більшості досліджуваних зростало число колоній бактерій на руках. На думку авторів методики, це позитивний фактор: катол таким чином як би готує мікрофлору на поверхні епітелію до подальшого придушення антисептичними розчинами, зокрема нейтральним анолітом. Що й спостерігається в дійсності.

Але дослідники на досягнутому не зупиняються. Для збільшення ефективності обробки рук і часу роботи в рукавичках при одночасному зменшенні змісту оксідантов у використовуваних препаратах були розроблені антисептичні гелі на основі електрохімічних активованих розчинів. Краще усього зарекомендував себе гель, у якому як загусник використовувалися модифіковані крохмалі. Він може зберігатися протягом трьох місяців, не втрачаючи своєї ефективності, і чудово дезінфікує при досить низьких концентраціях активного хлору.

Активоване аноліт можна використовувати і для дезинфекції питної води. Як свідчать дослідження фахівців, вода, заражена штамами холерного вібріона, в концентрації 200млн мікробних тіл у 1мл, всього після п'ятихвилинного контакту з анолітом повністю знезаражується, а її органолептичні показники відповідають всім вимогам ГОСТу.

Висновок

Об'єктивності ради, треба відмітити, що електрохімічних активовані розчини знайшли на території колишнього Радянського Союзу практичне застосування. У ряді медичних установ Росії їх використовують для дезінфекції і стерилізації, в Узбекистані -- для знезараження питної води та продуктів харчування. У порівнянні з традиційними дезінфікуючими засобами вони мають певні переваги. Застосування активованих розчинів економічно вигідно: за численними даними, придбання установки електрохімічного окупається всього за два роки, а її використання продовжує термін придатності медичних виробів з гуми на основі силіконового каучуку, натурального латексу, натурального каучуку і композицій на основі термопластичних поліуретанів. Крім цього незаперечним гідністю активованих розчинів є відсутність алергічного, канцерогенної та токсичної дії. Зараз вже абсолютно ясно, що активовані розчини можуть виступати не тільки як антисептичних коштів, але і в якості лікарських препаратів.

Триває вивчення можливості їх застосування при лікуванні гнійних хірургічних інфекцій та при інтравазальной терапії сепсису. В останні роки вивчається в експерименті на тваринах антибактеріальну дію гелів на розвиток ранового процесу. Ведуться унікальні дослідження з використанням активованих водних розчинів іонізованого срібла для профілактики грипу та ГРЗ. Висока хіміотерапевтичні ефективність комплексних розчинів срібла та міді доведена не тільки в клінічних умовах, але і в польових епідеміологічних експериментах. І можна сподіватися, що найближчим часом ці препарати отримають гідне місце в арсеналі практичної медицини.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.nt.org/