CC BY
174
© ЮРКЕВИЧ А.Б., 2003
ВЛИЯНИЕ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ АНОЛИТА И КАТОЛИТА
ЮРКЕВИЧ А.Б.
Витебский государственный медицинский университет, кафедра общей гигиены и экологии
Резюме. В настоящее время на установке типа «БАВР» получены высокоэффективные, экологически чистые и токсикологически безопасные хлорсодержащие дезинфектанты анолит и католит. Однако они не нашли широкого применения в аптечных учреждениях и на предприятиях химико-фармацевтической промышленности и физикохимические параметры их изучены недостаточно. В данной работе представлены сведения о влиянии удельного расхода электричества на активацию при получении нейтрального анолита (АН), а также католита. Установлено, что полученный нейтральный анолит имеет рН=7,02±0,08 и ОВП=+876±3,7 мВ, Сах=206±6,25 мг/дм3, а католит - рН=11,27±0,02, ОВП=+526±66,1 мВ, Сах=47,28±1,36 мг/дм3, что свидетельствует о достаточно высоких дезинфицирующих свойствах и низкой коррозионной способности анолита и высоких моющих свойствах католита. Это позволяет рекомендовать полученные растворы в практику как дезинфицирующие моющие средства для обработки различных поверхностей, посуды, оборудования, одежды персонала, изделий фармацевтического и медицинского назначения из резины, пластмасс, металлов.
Ключевые слова: электрохимическая активация, анолит, католит, униполярная обработка.
Abstract. Nowadays highly-effective ecologically pure toxicologically safe chlorinated disinfectants - anolyte and catholyte were received with a «BAVR»-type apparatus. However, they have not found wide application in the pharmaceutical institutions and at the chemico-pharmaceutical plants and their chemico-physical parameters have not been properly investigated. In the given paper the data on the electricity use intensity influence on NaCl solution activation in the process of receiving neutral anolyte (AN) and catholyte are presented. It was established that the received AN had pH=7,02±0,08 and ORP=+876±3,7 mV, CaCl=206±6,25 mg/dm3 and catholyte - pH=11,27±0,02 ORP=+52±66,1 mV, CaCl=47,28±1,36 mg/dm3. Our data prove that AN has rather high disinfectant properties and catholyte has high detergent properties. It enables us to recommend the received solutions for practical application as disinfectants and detergents in the treatment of different surfaces, glassware, equipment, personnel clothes, things for pharmaceutical and medical use made of rubber, plastics and metal.
В промышленном и аптечном производстве лекарственных форм большое внимание уделяется вопросам дезинфекции и стерилизации. Выполнение санитарно-гигиенических требований, регламентирующих использование различных моющих и дезинфицирующих средств, является залогом качества изготовляемой продукции [2]. Дезинфекции и стерилизации в аптечном производстве подвергаются посуда, вспомогательные матери-
Адрес для корреспонденции: 210023, г.Витебск, пр.Фрунзе, 27, Витебский государственный медицинский университет, кафедра общей гигиены и экологии -Юркевич А.Б.
алы, одежда персонала, оборудование и поверхности производственных помещений. Практическая фармация использует целый спектр физических и химических средств и способов дезинфекции и стерилизации [3]. Однако традиционные методы не полностью соответствуют санитарно-гигиеническим нормам. Поэтому в настоящее время в практическом здравоохранении все шире используются новые и эффективные средства дезинфекции и стерилизации - электрохимически активированные водные растворы (ЭХА), являющиеся экологически чистыми и безопасными для человека.
Принцип получения ЭХА состоит в том, что разбавленные солевые растворы подвергаются электродной обработке в диафраг-менном электрохимическом реакторе и переходят в метастабильное состояние, характеризующееся аномальной физико-химической активностью, постепенно убывающей во времени [4]. Получаемые при глубокой униполярной электрохимической обработке ано-литы и католиты имеют резко полярные физико-химические параметры, что может обусловливать их деструктивное и коррозионное действие на различные материалы. Поскольку свойства католита и анолита, а также их аномальная реакционная способность определяются электродными реакциями в электрохимическом реакторе и переносом вещества и заряда через диафрагму, то, установив оптимальные условия управления этими процессами, можно получать ЭХА растворы с заданными свойствами.
Анолиты нейтральные (АН) не оказывают разрушающего действия на материалы. [5]. Поэтому такие растворы обладают достаточно высокими дезинфицирующими свойствами и могут быть использованы для обработки поверхностей помещений, посуды, санитарно-технического оборудования, уборочного инвентаря, а также для предстери-лизационной очистки изделий медицинского и фармацевтического назначения из стекла, пластмасс, резины и металлов. Установлено, что дезинфекция нейтральными аноли-тами экономически более чем в 10 раз дешевле по сравнению с дезинфекцией другими средствами [6]. На качество и эффективность ЭХА растворов выраженное влияние оказывает степень электродной обработки, однако эти вопросы на сегодняшний день окончательно не выяснены.
Учитывая изложенное, целью данной работы было изучение влияния удельного расхода электричества, затраченного на активацию водного раствора натрия хлорида, на физикохимические свойства анолита и католита.
Методы
Электрохимической активации на установке типа «БАВР» подвергались водные ра-
створы натрия хлорида с концентрацией 3,0 г/дм3 при силе тока 2,5 А в режиме параллельных потоков. Производительность установки составляла 24 л/ч. Анолит и католит подвергали электродной обработке при удельном расходе электричества 394,74, 400, 410,96, 468,75, 750, 1875, 3750, 6000 и 7500 Кл/дм3. В полученных ЭХА растворах определяли рН, окислительно-восстановительный потенциал (ОВП, х.с.э., мВ), удельную электрическую проводимость (□, См/м), поверхностное натяжение (о, Дж/м2), концентрацию активного хлора (Сах, мг/дм3). Контролем служил исходный водный раствор хлорида натрия 3,0 г/дм3.
ОВП и рН определяли потенциометрическим методом на рН-метре-милливольт-метре рН-340, концентрацию активного хлора - йодометрическим методом, удельную электрическую проводимость - прямым кон-дуктометрическим методом, поверхностное натяжение - методом наибольшего давления в пузырьке [7]. Результаты обрабатывали статистически, достоверность сдвигов учитывали при Р<0,05.
Результаты
Исходный раствор натрия хлорида имел рН= 7,2; ОВП= +300 мВ; % = 0,412 См/м; о =72,75 х 10-3 Дж/м2; активного хлора в растворе не содержалось (таблица 1, 2).
Электрохимическая активация раствора натрия хлорида с концентрацией 3,0 г/дм3 при удельном расходе электричества 750 Кл/ дм3 привела к получению анолита, рН которого снизился до значения 6,16, ОВП повысился в 3,14 раза (Р<0.001), % и о уменьшились в 1,32 (Р<0.05) и 1,002 (Р>0.05) раза соответственно по сравнению с исходным раствором. Концентрация активного хлора в анолите составила 337 мг/дм3 (таблицы 1, 2, рисунки 1-5).
Католит, получаемый при данной степени обработки, имел рН=10,52, ОВП его повысился в 2,42 раза (Р<0,001), % снизилась в 1,16 раза (Р<0,05), а о не изменилась по сравнению с контролем. Концентрация активного хлора в католите составила 79,19 мг/дм3 (таблицы 1, 2, рисунки 1-5).
Таблица 1
Влияние степени электродной обработки водного раствора на физико-химические параметры ЭХА растворов
Удельный расход электричества, Кл/дм3 Физико-химические параметры анолита
РН ОВП, мВ ж, См/м ох10-3, Дж/м2 Сах, мг/дм3
750 А 6,16 ± 0,06 943 ± 16,7 0,312 ± 0,01 72,61 ± 1,01 337 ± 26,61
750 К 10,52 ± 0,1 725 ± 16,1 0,354 ± 0,02 72,74 ± 0,38 79,19 ± 4,26
1875 А 6,02 ± 0,02 972 ± 7,5 0,307 ± 0,01 73,59 ± 0,37 420 ± 25,27
468,75 К 8,72 ± 0,17 755 ± 22,9 0,304 ± 0,03 72,52 ± 0,11 133,57 ± 5,91
3750 А 5,47 ± 0,12 930 ± 95 0,317 ± 0,01 73,92 ± 0,26 457 ± 19,74
410,96 К 8,55 ± 0,15 791 ± 8,3 0,303 ± 0,03 71,89 ± 0,11 145,98±4,14
6000 А 5,42 ± 0,12 1025 ± 5 0,314 ± 0,01 72,75 ± 0 542 ± 12,06
400 К 8,33 ± 0,07 805 ± 33,3 0,29 ± 0,03 72,3 ± 0,22 159,57±4,09
7500 А 3,62 ± 0,17 1165 ± 0 0,34 ± 0,01 72,93 ± 0,84 570 ± 11,82
394,74 К 8,51 ± 0,09 835 ± 0,02 0,289 ± 0,02 73,19 ± 0,11 161,93± 4,26
Р-р Na< 3,0 г/дп Cl 3 7,2 ± 0,09 300 ± 5 0,412 ± 0,02 72,75 ± 0,05 0
Таблица 2
Влияние степени электродной обработки водного раствора ^С1 на физико-химические параметры ЭХА растворов
Удельный расход электричества, Кл/дм3 Физико-химические параметры католита
РН ОВП, мВ ж, См/м ох10-3, Дж/м2 Сах,, мг/дм3
394,74 А 7,2 ± 0,09 860 ± 12,6 0,301 ± 0,02 72,22 ± 0,87 195 ± 7,09
7500 К 11,55± 0,02 510 ± 102,6 0,477 ± 0,03 72,75 ± 0,38 32,89 ± 6,45
400 А 7,16 ± 0,02 866 ± 15,9 0,311 ± 0,02 72,82 ± 0,73 198 ± 5,82
6000 К 11,48± 0,06 508 ± 70,8 0,522 ± 0,05 72,53 ± 0,44 35,75 ± 6,79
410,96 А 7,02 ± 0,08 876 ± 3,7 0,309 ± 0,02 73,70 ± 0,3 206 ± 6,25
3750 К 11,27± 0,06 525 ± 66,1 0,482 ± 0,02 72,09 ± 0 47,28 ± 1,36
468,75 А 6,8 ± 0,03 893 ± 16,7 0,306 ± 0,02 73,48 ±0,45 235 ± 4,73
1875 К 11,04± 0,07 675 ± 27,8 0,419 ± 0,02 72,2 ± 0,29 47,28 ± 1,18
750 А 6,16 ± 0,06 943 ± 16,7 0,312 ± 0,01 72,61 ± 1,01 337 ± 26,61
750 К 10,52 ± 0,1 725 ± 16,1 0,354 ± 0,02 72,74 ± 0,38 79,19 ± 4,26
Р-р Na< 3,0 г/дп Cl 3 7,2 ± 0,09 300 ± 5 0,412 ± 0,02 72,75 ± 0,05 0
Увеличение степени анодной обработки исходного раствора натрия хлорида в 10 раз привело к изменению физико-химических параметров получаемого анолита: рН его понизился от 6,16 до 3,62; ОВП достоверно увеличился в 1,2 раза (Р<0,05); % - незначительно
возрастает в 0,1 раза (Р>0,05); о - достоверно увеличивается в 1,01 раза (Р>0,05) при удельном расходе электричеста 3750 Кл/дм3 и практически не изменяется при других степенях обработки ЭХА растворов; Сах достоверно повышается в 1,7 раза (таблица 1, рисунки 1-5).
п
а
14
12
10
8
6
4
2
0
q, Кл/дм*
7500 6000 3750 1875 750 468,75 410,96 400 394,74
у = -0,009х2 - 0,4026х + 12,294
Я2 = 0,894
у = -0,0542х2 + 0,1512х + 7,0555 Я2 = 0,9397
394,74 400 410,96 468,75 750 1875 3750 6000 7500
q, Кл/дм*
Анолит
■Контроль
■ Полиномиальный (Католит)
Католит
■ Полиномиальный (Анолит)
Рис. 1. Зависим ос/ть pH анолита и католита от удельногорасходаэлектричества
на активацию 3,0 г/дм* №С1.
q, Кл/да*
7500 6000 3750 1875 750 468,75 410,96 400 394,74
1400
1200
1000
^ 800 К
« 600 о
400 200 0
у = 5,7803х - 25,486х + 892,17
2
^__________Я = 0,9521_____________
-Л-------------Д-
у = -2,737х + 74,12х + 397,07
2
Я2 = 0,9388
-------А-----------А—
Д
394,74 400 410,96 468,75 750 1875 3750 6000 7500
Анолит 41, Кл/да*» Католит
-Исходный р-р №С1 ----Полиномиальный (Анолит)
-Полиномиальный (Католит)
Рис. 2. Зависимость ОВП анолита и католита от удельного расхода электричества на активацию 3,0 г/дм* раствора №С1.
Уменьшение степени катодной обработки в 1,9 раза приводит к изменению физикохимических параметров католита. Так, рН его достоверно уменьшается от 10,52 до 8,51; ОВП - закономерно возрастает в 1,15 раза (Р<0,05), % - достоверно снижается в 1,2 раза, о увеличивается в 1,006 раза (Р>0,05) и Сах
- возрастает достоверно в 2,04 раза (таблица
1, рисунки 1-5).
Уменьшение степени анодной обработки в 1,9 раза приводит к получению анолита с рН возрастающим от 6,16 до 7,2; со сни-
зившимися в 1,1 раза (Р<0,05) ОВП, в 1,73 раза Сах (Р<0,01) и недостоверным изменением в 1,04 раза % и в 1,005 раза о (таблица
2, рисунки 1-5).
При усилении степени катодной обработки в 10 раз католит изменяет свои физико-химические параметры следующим образом: рН его повышается от 6,16 до 11,55; ОВП
- достоверно понижается в 1,42 раза; Сах -понижается в 2,4 раза (Р<0,001), % - возрастает в 1,35 раза (Р<0,05), а поверхностное натяжение существенно не изменяется.
0,б
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
7500
б000
3750
q, Кл/дм*
1В75 750
4бВ,75 410,9б
R2 = 0,7092
394,74
400
410,9б 4бВ,75
750 1В75
q, Кл/дм*
400
394,74
X Анолит ----Полиномиальный (Анолит)
• Католит
---Полиномиальный (Католит)
3750 б000 7500
-----Исходный раствор NaCl
Рис. 3. Зависимость удельной электрической проводимости анолита и католита от удельного расхода
электричества на активацию 3,0 г/дм* раствора КаСІ.
Обсуждение
Анализ результатов исследования позволяет заключить, что электрохимическая активация раствора натрия хлорида на установке типа «БАВР» приводит к образованию анолита и католита с измененными метаста-
бильными физико-химическими свойствами, величина которых находится в тесной зависимости от степени электродной обработки.
В процессе электрохимической обработки водных растворов хлорида натрия на катоде возможны следующие реакции:
q, Кл/дм*
7500 б000 3750 1В75 750 4бВ,75 410,9б 400 394,74
394,74 400 410,9б 4бВ,75 750 1В75 3750 б000 7500
q, Кл/дм*
X Анолит • Католит
-Исходный раствор NaCl -Полиномиальный (Католит)
-Полиномиальный (Анолит)
Рис.4. Зависимость поверхностного натяжения анолита и католита от удельного расхода электричества
на активацию 3,0 г/дм* раствора КаСІ.
2Н20 + 2Ш+ + 2е ® 2Ш0Н + Н2;
2Н20 + 2е ® 20Н- + Н2 Последняя реакция ответственна за ме-тастабильное состояние, так как ион ОН- с молекулой воды образует ион Н3О2-, который активно взаимодействует с различного рода загрязнениями и обеспечивает аномально высокую моющую активность католита.
Наряду с этими основными реакциями в катодной камере возможны и другие процессы. Растворенный в воде кислород, восстанавливаясь на катоде, образует молекулярные ионы НО2-, О2-, ОН- и Н2О2:
О2 + е ® 02"
О2 + Н20 + 2е ® Н02- + ОН-
О2 + 2Н2 + 2е ® Н202 + 20Н-При переходе электрона из катода на катион гидроксония (Н3О+), присутствующий в воде благодаря ее диссоциации (2Н20 « Н3О+ + ОН-), происходит образование свободного радикала Н-:
Н3О+ + е ® Н- + Н2О В результате дальнейших реакций с участием радикалов возникают высокоактивные соединения:
Н- + Н2О ® ОН- + н2 Н2О2 + ОН- ® НО2- + Н2О
Самопроизвольный распад пероксида водорода в активном католите протекает с образованием химически активных частиц и включает следующие стадии:
ОН- + НО2- « О22- + Н2О О22- + Н2О2 ® О2- + ОН- + ОН Наличие неустойчивых реакционноспособных соединений в активированном католите способствует релаксации рН и ОВП.
Катодная обработка при удельном расходе электричества 468,75; 410,96; 400; 394,74 Кл/дм3 в процессе катодного восстановления молекул воды увеличивает концентрацию ОН- -ионов и количество газообразного водорода. Это способствует переносу через диафрагму в анодную камеру ОН- -ионов, повышению рН анолита и образованию активного хлора.
При получении нейтрального анолита АН на установке типа «БАВР» на аноде протекают следующие основные реакции:
2СІ- - 2е ® СІ2 2Н20 - 4е ® 4Н+ + 02 02 + 20Н- - 3е ® 03 + Н20 В анолите возможны следующие реак-
ции:
Cl2 + H2O « HClO + H+ +Cl CL + OH- ® СЮ- + Cl- + H+
7500
б000
3750
1В75
q, Кл/дм*
750
4бВ,75 410,9б
400
394,74
394,74 400 410,9б 4бВ,75 750 1В75
q, Кл/дм*
3750
б000
7500
x Анолит —Исходный раствор NaCl ----Полиномиальный (Католит)
• Католит
---Полиномиальный (Анолит)
Рис. 5. Зависимость содержания активного хлора в анолите и католите от удельного расхода электричества на активацию 3,0 г/дм* раствора КаСІ.
Основным активным компонентом в анолите АН является НСІ0, обладающая самыми сильными окислительными свойствами в ряду НСІ0 > СІ2 > СІО-. Основными компонентами газовой фазы над анолитом являются СІ2О и О2.
Окислительные процессы в растворах анолита АН в значительной степени обусловлены действием атомарного кислорода, образующегося в результате разложения НСІ0 и СІО-.
НСІ0 ® НСІ + 0-2НСІ0 ® Н20 + 2СІ- + 0-СІ0- ® СІ- + 0-
Приведенные химические реакции, протекающие при электрохимической обработке водных растворов хлорида натрия на установке типа «БАВР», схожи с данными, полученными на установке типа «СТЭЛ» [1].
В результате накопления в анодной камере Н+ -ионов, а также продуктов окисления СІ- -ионов усиливается перенос их через диафрагму в катодную камеру, что способствует повышению содержания активного хлора в католите и понижению рН, и повышению ОВП. В свою очередь это приводит к повышению дезинфицирующих свойств ано-лита и придает католиту не только моющие, но и дезинфицирующие свойства.
Таким образом, на установке типа «БАВР» при удельном расходе электричества 410,96 Кл/дм3 можно получить анолит с высокой дезинфицирующей активностью и близкий по свойствам к нейтральному, а ка-толит с наиболее выраженными моющими свойствами при удельном расходе электричества 3750 Кл/дм3. Это позволяет рекомендовать полученные активированные растворы в практическую фармацию и медицину.
Выводы
1. Электрохимическая обработка исходного раствора натрия хлорида при удельном расходе электричества в 394,74 Кл/дм3 приводит к получению анолита с концентрацией активного хлора 195 мг/дм3, неизмененным рН и поверхностным натяжением, достоверно увеличенным в 2,8 раза окислительно-восстановительным потенциалом, сни-
женной удельной электрической проводимостью в 1,33 раза, по сравнению с исходным солевым раствором 3,0 г/дм3.
2. Усиление анодной обработки в 19 раз до 7500 Кл/дм3 приводит к получению ано-лита, рН которого достоверно сдвигается в кислую область и выражается уравнением у=-0,0542х2+0,1512х+7,0555 (Я2=0,9397), окислительно-восстановительный потенциал возрастает в зависимости вида у=5,7803х2-25,486х+892,17 (Я2=0,9521), концентрация активного хлора - в зависимости вида у=3,7024х2+16,626х+150,74 (Я2=0,9675), а удельная электрическая проводимость и поверхностное натяжение существенно не изменяется по сравнению с минимальной степенью обработки в 394,74 Кл/дм3.
3. Электрохимическая активация исходного раствора натрия хлорида при минимальной катодной обработке в 394,74 Кл/дм3 приводит к получению католита с концентрацией активного хлора 161,93 мг/дм3, рН=8,51, достоверно увеличенным в 2,78 раза окислительно-восстановительным потенциалом, сниженной удельной электрической проводимостью в 1,42 раза и незначительно повышенным поверхностным натяжением по сравнению с исходным солевым раствором 3,0 г/ дм3.
4. Усиление катодной обработки в 19 раз до 7500 Кл/дм3 привело к получению като-лита, рН которого сдвигается в щелочную область в соответствии с уравнением у=-0,009х2-0,4026х+12,294 (Я2=0,894), окислительно-восстановительный потенциал снижается в зависимости вида у=-2,737х2+ 74,12х+397,07 (Я2=0,9388), концентрация активного хлора возрастает в зависимости вида у=0,6687х2+12,835х+8,3657 (Я2=0,9241), а удельная электрическая проводимость и поверхностное натяжение достоверно не изменяется по сравнению с минимальной степенью обработки.
5. На установке типа «БАВР» при удельном расходе электричества 410,96 Кл/дм3 получается нейтральный анолит АН с рН=7,02 и ОВП= +943 мВ, пригодный для целей дезинфекции и стерилизации изделий медицинского и фармацевтического назначения и различных поверхностей.
Литература
1. Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И.,
Паничева С.А., Прилуцкий В.И.
Электрохимическая активация: очистка воды и получение полезных растворов. /ВНИИИМТ и «Маркетинг Саппорт Сервисиз», 2001. - С.73-79.
2. Бахир В.М., Гришин В.П., Толокнов В.И.
Информационно-компьютерное моделирование сдерживания инфекционных процессов за счет стерилизации медицинского инструментария и оборудования с использованием
электрохимически активированных растворов / ЗАО «ВНИИМП - ВИТА» (НИИ медицинского приборостроения) РАМН. - Москва, 1999.
3. Евстратова К.И. Практикум по физической и коллоидной химии. - М: «Высшая школа», 1990. - С.72-167.
4. Леонов Б.И. Электрохимическая активация воды и водных растворов. Прошлое, настоящее, будущее./ Первый Международный симпозиум «Электрохимическая активация в медицине, сельском хозяйстве, промышленности»/Тезисы докладов и краткие сообщения-М.:ВНИИИМТ и РНЦТЭА, 1997. - С.3-14.
5. Леонов Б.И., Прилуцкий В.И., Бахир В.М. Физикохимические аспекты биологического действия электрохимически активированной воды. -Москва, 1999. - 201 с.
6. Надлежащая производственная практика лекарственных средств Good manufacturing practice for medicinal products / Под ред. Ляпунова Н.А. и др. - Киев, 1999.
7. Приказ МЗ РБ № 130 от 06.06.94г. «Об утверждении санитарно-гигиенического режима аптечных учреждений».
Поступила 29.12.2002 г. Принята в печать 10.04.2003 г.
