Метод обработки воды только в анодной или только в катодной камере диафрагменного электрохимического реактора называется электрохимической активацией, так как вода, именуемая после такой обработки соответственно анолитом и католитом, переходит в метастабильное состояние с повышенной реакционной способностью, обусловленное не только наличием высокоактивных соединений, но также длительно существующими структурно-энергетическими возбуждениями.

Одной из важных характеристик электрохимически активированной воды является окислительно-восстановительный потенциал (ОВП). Измеряют ОВП платиновым электродом относительно хлорсеребрянного стандартного электрода сравнения при помощи высокоомного милливольтметра.

В природной воде ОВП обычно равен + 200...+400 мВ при рН = 7.

Растворы серной или соляной кислот при рН = 1,0 имеют ОВП = +500... +700 мВ. Раствор гидроксида натрия при рН = 13,0 имеет ОВП = -50 ...-150 мВ.

После обработки питьевой воды с минерализацией 0,3...1,5 г/л в анодной камере электрохимического реактора РПЭ установки СТЭЛ ее рН = 3...4; ОВП = +700...+1200 мВ. Катодная обработка воды обеспечивает рН = 10...11; ОВП = -500...-800 мВ.

Функциональная активность анолита и католита постепенно уменьшается при хранении. Объем раствора около 3 литров в закрытой стеклянной или пластмассовой таре теряет свои функциональные свойства на 20% за 10...12 часов, если его минерализация не превышает 1 г/л и за 30...48 часов при минерализации 2 г/л. В объеме раствора 100 мл потеря свойств на 20% происходит за 1 и 2 часа соответственно. Перемешивание с воздухом, переливание разбрызгивающейся струей, хранение в металлических сосудах, слив из сосуда с барботажем воздуха значительно ускоряют потерю активности растворов. Изменение температуры (циклы нагрев-охлаждение) также снижают их эффективность, хотя и в меньшей степени, чем названные факторы. Самопроизвольное изменение во времени (релаксация) свойств и параметров разбавленных растворов после электрохимического униполярного (анодного или катодного) воздействия дает основание называть такие растворы активированными, а сам процесс их получения электрохимической активацией.

Активированные моющий, дезинфицирующий и стерилизующий растворы отличаются от традиционных тем, что содержат в десятки раз меньше действующих веществ. Однако, эффективность активированных растворов либо выше, либо такая же за счет наличия метастабильных высокоактивных соединений - продуктов специфических электрохимических реакций, т.е. реакций, протекающих на электродах в сильно разбавленных водных растворах, при которых реализуются практически все принципиально возможные окислительные или восстановительные процессы. Чем меньше минерализация исходного раствора, тем больше неустойчивых суперактивных соединений образуется в реакторе, тем глубже структурные изменения раствора, тем сильнее он активирован. Наоборот, чем минерализация исходной воды выше, тем больше образуется в электрохимическом реакторе устойчивых продуктов и тем ближе по свойствам электрохимически обработанный раствор обычному раствору кислот или щелочей. Активированными следует считать растворы, полученные из воды с минерализацией не более 5 г/л при удельных затратах количества электричества от 300 до 1500 Кл/л и плотности тока от 30 до 1000 А/м² и более.

Удельные затраты количества электричества или, иначе, расход тока q (Кл/л) можно рассчитать по формуле:

    3600 * J
    q = --------,
    Q

где J - сила тока в электрохимическом реакторе, А. Q - объемный расход воды, протекающей в элект родной камере реактора, л/ч.

Каждые 100 кулон электричества, пропущенные через 1 л воды, обеспечивают преобразование приблизительно одной тысячной грамм-молекулы вещества, включая воду и растворенные в ней соединения. Соотношение количества воды и солей, участвующих в реакциях на электродах, определяется минерализацией воды и расходом тока. При минерализации свыше 5 г/л и расходе тока менее 1500 Кл/л преимущественно происходит преобразование растворенных в воде солей. Католит и анолит в этом случае близки по свойствам растворам щелочей и кислот соответственно. Концентрация устойчивых продуктов электролиза в них намного больше, чем неустойчивых суперактивных соединений. При минерализации воды 1-5 г/л и расходе тока 100 ... 200 Кл/л, соотношения между устойчивыми продуктами электролиза и суперактивными соединениями в католите и анолите приблизительно такое же. Обратное соотношение характерно для режимов электрохимической обработки воды с минерализацией приблизительно 0,8...5 г/л при расходе тока 300...1500 Кл/л. Увеличение расхода тока свыше 1500 Кл/л для воды с указанной минерализацией не приводит к дальнейшему существенному росту ее рН и ОВП, а также к увеличению выхода суперактивных соединений. Диапазон концентрации солей (0,8...3,0 г/л) и расхода тока (300...1500 Кл/л) является оптимальным для синтеза активированных лечебных и лечебно-профилактических растворов.

Следует учитывать, что указанные цифры не являются фиксированной границей между различными режимами получения растворов - активированных или неактивированных, а лишь обозначают пределы, удобные для ориентирования в практической работе. Помимо простоты получения, универсальности применения и значительного сокращения или полного исключения специальных химических реагентов, активированные растворы обладают самым существенным преимуществом перед традиционными: они экологически чисты и безопасны для человека и животных. После использования по назначению католит и анолит теряют свою активность и приближаются по свойствам к исходной воде. От нее растворы отличает только наличие небольшого количества гидроксидов в католите, сохраняющих его слабощелочную реакцию и кислот в анолите, обусловливающих его некоторую кислотность.

Свойства анолита типа "А".

Анолит имеет очень высокую окислительную активность. Его ОВП, измеренный платиновым электродом относительно хлорсеребряного электрода сравнения, может достигать +1250 мВ. Режим анодной обработки исходной воды в электрохимическом реакторе установки СТЭЛ-МТ-IМ и особенности ее конструкции обеспечивают оптимальные условия образования диоксида хлора (ClО₂), который при ОВП + 800 мВ превосходит по биоцидной активности гипохлорит натрия (NaClО) более чем в 300 и более чем в 2 раза хлорноватистую кислоту (HClO). Диоксид хлора в отличие от других соединений активного хлора (Cl₂, NaClO, Ca(ClO)₂ и др.) не образует хлорорганических веществ при растворении в воде и не увеличивает вследствие этого токсичность анолита.

Анолит типа "А" имеет кислотные свойства ( рН <5 ) и поэтому в отличие от традиционно используемых гипохлоритных растворов и растворов хлорной извести не содержит сравнительно малоактивные гипохлорит-ионы (ClО-).

Основными биоцидными агентами анолита являются двуокись хлора, хлорноватистая кислота и неустойчивые суперактивные частицы:

Cl^- , O^- , O₃, O₂, OH^-, HO₂^-, Н₂O₂^-, H₃O^-, H₃O^о.

В анолите, также как и в католите, нарушена система водородных связей. Молекулы воды в объеме и в окружении сильнозаряженных оксидантных ионов имеют высокую подвижность. Это придает анолиту биологически активные свойства: он имеет повышенную проникающую способность через биологические мембраны, оказывает ингибирующее влияние на ферментные системы, обладает выраженным электронакцепторными свойствами, является катализатором-переносчиком кислорода. Контроль биоцидных свойств анолита осуществляется посредством измерения содержания активного хлора ( С_а.х).

Анолит с содержанием активного хлора от 220 до 400 мг/л является дезинфицирующим и стерилизующим раствором. В указанном диапазоне стерилизующая способность анолита практически постоянна в отличие от дезинфицирующей, которая прямо зависит от концентрации активного хлора. Это связано с наличием дополнительных загрязнений на дезинфицируемых поверхностях, которые защищают микроорганизмы от воздействия биоцидов. Оптимальным содержанием активного хлора, придающим анолиту эффективные стерилизующие и дезинфицирующие свойства является 300±50 мг/л.

В методических рекомендациях, приведенных в таблицах 1 и 2, указан один из наиболее хорошо изученных вариантов взаимосвязи содержания активного хлора (300±50 мг/л) и времени экспозиции, обеспечивающих эффективное применение анолита в качестве дезинфицирующего и стерилизующего средства.

Примечание: При обработке в ультразвуковых установках экспозиция снижается до 2-3 мин. для всех видов изделий.

Другие параметры анолита - рН, минерализация (солесодержание) и ОВП не используются прямо для оценки его биоцидных свойств, а служат для ориентировочного определения химического состава и окислительной активности анолита.

Например: при рН = 3 концентрации Сl₂ и НClO в воде равны, при рН = 5 концентрация HClO максимально высока, а Cl₂ минимальная, при рН = 7 концентрация HClO и ClO- равны между собой и раствор проявляет высокую антимикробную активность вследствие возможности протекания гомогенных каталитических окислительно-восстановительных реакций, катализаторами в которых является Н+ и ОН- ионы.

Анолит с кислотными свойствами (рН < 5) обладает тем большей биоцидной активностью, чем выше его ОВП.

Анолит из пресной воды (менее 1 г/л) может иметь ОВП, равный анолиту более концентрированного раствора.

При равной начальной окислительной активности анолит концентрированного раствора обладает более высокой окислительной "емкостью", которая обусловлена наличием устойчивых оксидантов. В первом же растворе преобладают неустойчивые суперактивные оксиданты.

При использовании анолит из пресной воды быстрее теряет биоцидную способность и приближается по свойствам к исходной воде. Анолит концентрированного раствора сохраняет биоцидные вещества значительно большее время, и не достигает после окончания релаксации той степени экологической безопасности, как анолит из пресной воды. Эти закономерности следует учитывать при работе с электрохимически синтезированными дезинфицирующим, стерилизующим и лечебными растворами.

Свойства анолита типа "АН".

Анолит типа "АН" отличается в сравнении с анолитом типа "2" сравнительно невысокими значениями окислительно-восстановительного потенциала (+600 ... +800 мВ) и близкими к нейтральным значениям рН (рН = 6±1). Эти параметры раствора свидетельствуют о том, что режим обработки исходной воды в электрохимическом реакторе РПЭ обеспечивает условия синтеза сильных окислительных комплексов:

HCl, СlО^-, HClO^-, HClO, O₂, O₃, Cl^-, ClO₂^-, H₂O₂^-, OH^-, HO₂, HO₂^-.

При близких к нейтральным значениям рН, концентрации HClО и ClO-примерно равны и раствор проявляет высокую антимикробную активность вследствие протекания гемогенных католитических окислительно-восстановительных реакций, катализаторами в которых являются Н⁺ (Н₃О⁺) и ОН^- ( Н₃О₂^-) ионы. Наличие озона также катализирует эти реакции, так как в водной среде он разлагается на гидроксильные свободные радикалы ОН^-, которые являются окислителями. Кроме того, озон вступает в реакцию непосредственно как молекула озона, окисляя ClO^- до СlО₂^- и СlО₂. Нарушенная система водородных связей и высокая подвижность ионов оксидантов придают анолиту повышенную проникающую способность. Такой анолит может быть использован не только в качестве стерилизующего и дезинфицирующего раствора, но также для предстерилизационной обработки. Параметром, определяющим биоцидную активность анолита, типа АН является концентрация активного хлора.

Анолит с содержанием активного хлора 250-350 мг/л является оптимальным моющим дезинфицирующим и стерилизующим раствором.

В таблицах 3-5 приведены режимы использования его в медицинских учреждениях для предстерилизационной очистки, дизенфекции и стерилизации.

Свойства католита типа "К".

На катоде основной реакцией является восстановление воды с выделением газообразного водорода и образованием гидроксид-ионов

2Н₂ + 2е а Н₂ + 2ОН

Кроме того, что на катоде происходит много реакций с образованием высокоактивных неустойчивых соединений (НО^-, НО ₂^-, НО₂, Н₃О₂^-, Н₂О₂, Н₂О₂^-) придающих воде, прошедшей катодную обработку (католиту), восстановительные свойства и высокую адсорбционно-химическую активность.

Католит значительно умягчается в сравнении с исходной водой за счет образования малорастворимых гидроксидов многозарядных катионов металлов (Са(ОН)₂, Мg(ОН) ₂, Fе(ОН)₂) и подщелачивается растворимыми гидроксидами однозарядных катионов (КОН, NаОН).

Значение рН католита обычно девяти, его окислительно-восстановительный потенциал ОВП, измеренный платиновым электродом относительно хлорсеребряного электрода сравнения, превышает по абсолютной величине - 600 мВ. Исходная вода, как правило, имеет рН близкий к 0,7 и ОВП в пределах +250...+350 мВ. Высокое отрицательное значение ОВП католита свидетельствует о его восстановительной электронодонорной активности, о структурных преобразованиях воды в окружении ионов и в свободной объеме. Католит типа К - это метастабильный реагент с высокой адсорбционно-химической активностью. Он обладает очень высокой смачивающей, проникающей, экстрагирующей, растворяющей способностью. Усиливает действие поверхностно-активных веществ во много раз. Моющий раствор, приготовленный на католите с добавкой 0,3 г/л синтетического моющего средства (СМС) "Биолот", "Астра" или "Лотос" превосходит по функциональным свойствам такой же раствор на обычной воде с добавкой СМС 3-5 г/л. Католит является биологически активной средой: легко проникает через биологические мембраны, стимулирует ферментные системы, повышает выделение энергии при элементарных процессах окисления дыхательного субстрата в митохондриях клеток за счет повышения гибссовской разности окислительно-восстановительных потенциалов между кислородом и дыхательным субстратом. Обладая чрезвычайно высокой антиоксидантной активностью католит предотвращает перекисное окисление липидов клеточных мембран, не оказывая вредного влияния на организм в отличие от традиционных химических антиоксидантов.

Католит повышает усвоение компонентов пищи, жиров и белков; нормализует механизм клеточного обмена веществ; ионный обмен, внутреннюю респирацию, биологическое окисление; оказывает положительное воздействие на фиксацию респираторных энзимов в митохондриях, на окислительное фосфорилирование в энергетическом обмене клеток; реактивирует нарушенные ферментные системы и таким образом нормализует функцию и увеличивает детоксикационную роль печени; способствует ускоренному выведению из организма ксенобиотиков путем превращения из жирорастворимых в водорастворимые химические структуры, при этом повышается гидрофильность молекул чужеродных веществ; участвует в окислительно-восстановительных реакциях, при которых в процессе переноса электронов валентность тяжелых металлов снижается, что уменьшает их токсичность.

В таблице 7 приведены рекомендации по использованию католита типа "К" для предстерилизационной очистки изделий медицинской техники.

Методы контроля качества анолита и католита.

Качество анолита контролируют по содержанию активного хлора, солесодержанию, водородному показателю и окислительно-восстановительному потенциалу. Качество католита контролируют по солесодержанию, водородному показателю и окислительно-восстановительному потенциалу. Содержание активного хлора определяют по ГОСТ 18190-72 методом Пейлина, или по ГОСТ 18910-72 методом иодометрического титрования.

Для приблизительной оценки содержания активного хлора (с точностью ± 50 мг/л ) в анолите из установок СТЭЛ можно пользоваться зависимостью:

             700*J
    Са.х. = --------,
               Q

где С_а.х. - содержание активного хлора в анолите; J - сила тока, А; Q - объемный расход анолита, л/ч.

Содержание растворимых солей в воде (солесодержание) принимают приближенно равным общему содержанию растворимых веществ и определяют методом измерения сухого остатка по ГОСТ 18164-72.

Водный показатель (рН) и окислительно-восстановительный потенциал измеряют иономерами типов И-102, И-121, рН-мерами рН-340, рН-121 в соответствии с инструкцией по эксплуатации соответствующего прибора.

Все указанные показатели используют при полной проверке работы установок СТЭЛ. Оперативный контроль свойств анолита осуществляют измерением содержания активного хлора, католита - измерением окислительно-восстановительного потенциала.