Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Препринт / Наука сегодня
Начало сайта / Препринт / Наука сегодня

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Научно-популярные статьи

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Архимед

Как мы видим то, что видим

Квантовый мир

Популярная информатика

Среди запахов и звуков

Ученые – популяризаторы науки

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Препринт

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Вариации на тему электрохимической активации

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 5 г/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 850 мВ, а у анолита – от 400 до 1200 мВ).

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.

Неактивированный анолит, хоть и уступает активированному анолиту по биоцидной активности, но все равно в 70...100 раз эффективнее хлорамина. Механизм губительного для микроорганизмов действия хлорсодержащих растворов, получаемых при электрохимической активации растворов хлористого натрия, привлекает пристальное внимание исследователей.

Интересные результаты были получены при электронно-микроскопических исследованиях суспензий клеток синегнойной палочки, обработанных электрохимически активированными растворами хлорида натрия в течение 0,5...60 минут. Оказалось, что католит с рН 12,5, не содержащий активного хлора, совершенно не изменяет ультраструктуру бактерий. Зато выраженное повреждающее действие оказывали анолит с рН 3,7 и смеси анолита и католита в соотношении 1:1 (рН = 9,3) и 1:3 (рН = 10,4), у которых содержание активного хлора составляло 0,03%. Воздействие всех изучаемых растворов сводилось к деструкции цитоплазмы и нуклеоида, автолизу и распаду клеток. Но, как всегда, было одно но... Наибольшей эффективностью обладал анолит, а наименьшей – смесь анолита и католита в соотношении 1:3. Объяснить такое явление пока не удается. Можно только предполагать, что помимо хлора определенную роль играют и другие продукты электрохимических реакций.

Неоспоримым преимуществом активированных растворов гипохлорита натрия в концентрации от 0,5 до 2,5 г/л является отсутствие канцерогенного, аллергического и токсического действия на организм при их внутривенном, внутримышечном, внутрибрюшинном подкожном и пероральном введении. Это показали опыты на белых беспородных мышах. К тому же, по предварительным данным, активированные растворы гипохлорита натрия эффективны при лечении острых отравлений феназепамом, амитриптилином, этиленгликолем, суррогатами опия и алкоголем. Неплохо зарекомендовали себя такие растворы и в комплексном лечении больных с выраженным синдромом эндогенной интоксикации и вторичным иммунодефицитом. Применение растворов гипохлорита натрия в виде аппликаций, орошений, ингаляций, протираний, внутривенных инфузий при гнойно-деструктивных процессах в легких, гнойных и ожоговых ранах, перитоните и остеомиелите способствует санации трахеобронхиального дерева и плевральной полости, быстрому очищению и последующему заживлению ран, поскольку перед электролизным гипохлоритом натрия не могут устоять многие антибиотикоустойчивые грамположительные и грамотрицательные бактерии. И все из-за его ярко выраженной способности гидроксилировать аминокислоты. В первую очередь это касается серосодержащих аминокислот – метионина и цистеина – и аминокислот, содержащих ненасыщенные связи – триптофана, гистидина и фенилаланина. Видимо, поэтому и возникло предположение, что инактивация микроорганизмов при действии гипохлорита натрия обусловлена окислением SH групп. Но, являясь источником активного кислорода, гипохлорит натрия в то же время имеет небольшую массу, и, следовательно, клеточные мембраны не представляют для него серьезного препятствия. Поэтому он без труда проникает внутрь тканевых клеток и окисляет токсины, присутствующие в тканевых клеток, чем и объясняется терапевтический эффект гипохлорита натрия при отравлении различными веществами. Такова точка зрения одних специалистов. Но существует и другое мнение по поводу биологических эффектов электрохимически активированных растворов. Как считают некоторые специалисты, в основе биологических эффектов активированных растворов лежат вызванные ими изменения электронного равновесия внутренней среды организма. Под воздействием католита окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) биологических жидкостей сдвигается в сторону донорно-акцепторных значений. Это влечет за собой увеличение активности биоантиоксидантов, стабилизацию клеточных мембран, усиление неспецифического иммунитета и повышение резистентности организма к радиоактивному облучению и токсинам. Кстати, наличие таких эффектов наводит на мысль о возможности использования католита в качестве профилактического средства, повышающего иммунитет и устойчивость организма к некоторым неблагоприятным воздействиям. Анолит, благодаря своим электронно-акцепторным свойствам, обладает биоцидной активностью, стимулирует биологическое окисление и способствует детоксикации организма за счет окислительного гидроксилирования гидрофобных токсинов и шлаков. Причем концентрация стабильных продуктов электролиза 10–4...10–3 моль/л в тканевых средах обеспечивает максимальный лечебный эффект электрохимически активированных растворов.

В последние годы большое внимание уделяется изучению действия активированных растворов при раневых инфекциях. В предварительных опытах in vitro с культурами анаэробных и аэробных микроорганизмов, выделенных из ран больных, при проверке бактерицидного эффекта нейтрального и кислого анолитов выяснилось, что анолиты с концентрацией активного хлора от 60 до 120 мг/л наиболее эффективны в отношении клинических штаммов микроорганизмов, представленных золотистым и эпидермальным стафилококками, синегнойной палочкой, кишечной и спорообразующими палочками, бактероидами, пептококками, пептострептококками и эубактериями. Однако лабораторные испытания, проведенные на крысах, выявили различия в бактерицидных свойствах этих растворов. Как оказалось, поверхностная обработка кожно-мышечных ран нейтральным анолитом (рН 6,5, ОВП = 800 мВ, концентрация активного хлора 70 мг/л) полностью останавливала рост микробов в ранах. Кислый же анолит (рН 4,0, ОВП = 900 мВ, концентрация активного хлора 70 мг/л) лишь временно, да и то не у всех подопытных животных, приостанавливал размножение микроорганизмов и через несколько часов в ранах абсолютно у всех крыс наблюдалось увеличение числа колоний. При лечении гнойных кожно-мышечных ран у крыс довольно высокой эффективностью обладали католит с рН 10,0, ОВП = 800 мВ и анолит с концентрацией активного хлора 120 мг/л, рН 6,5, ОВП = 850 мВ. Обработка этими растворами раневой поверхности у большинства подопытных животных приостанавливала рост микробов и нормализовала показатели крови – количество лейкоцитов и СОЭ.

Результаты этих экспериментов еще раз подтвердили, что жизненные реалии очень трудно уложить в какую-либо теорию: наблюдаемые эффекты невозможно объяснить ни действием гипохлорита натрия, ни изменением электронного равновесия внутренней среды организма, вызванного действием активированных растворов.

В то же время совершенно точно установлено, что бактерицидные свойства католита и анолита во многом определяются условиями их получения.

Прекрасно иллюстрируют этот факт результаты изучения дезинфицирующих свойств нейтральных анолитов, полученных на двух различных установках. Растворы эти использовались для обеззараживания тест-объектов – посуды, белья, поверхностей из линолеума, метлахской плитки, кафеля, окрашенного масляной краской дерева, стеклянных медицинских изделий, металла и резины на основе натурального и синтетического каучука. Как выяснилось, оба нейтральные анолита проявили высокую эффективность в отношении всех тест-культур – золотистого стафилококка, кишечной палочки, вакцинного штамма вируса полиомиелита 1 типа, микобактерии В5 и кандида альбиканс. Различия заключались лишь во времени обработки и концентрации активного хлора.

Не менее любопытные данные были получены при исследовании двух видов анолита – кислого (рН 2,0...0,5) и нейтрального (рН 6,5...7,6) – с близкими значениями содержания активного хлора и окислительно-восстановительных потенциалов, полученных в двух различных электрохимических установках. Оказалось, что стерилизующий эффект зависел от вида обрабатываемого материала.

Время спороцидного действия для тест-объектов на основе натурального каучука составляло 300...360 минут, тогда как для обработки изделий из стекла, металла и полимерных материалов достаточно было обработки в течение 2...14 минут. Причем эффективность растворов возрастала с увеличением концентрации активного хлора. Зато при прочих равных параметрах анолитов кислый анолит был гораздо эффективнее нейтрального. К тому же, что немаловажно, многократная обработка электрохимически активированными растворами (в отличие от традиционных хлорсодержащих препаратов) практически не отражалась на физико-химических и физико-механических свойствах резин на основе силиконового каучука, натурального латекса, натурального каучука и композиций на основе термопластических полиуретанов.

Для стерилизации металлических изделий – пинцетов, скальпелей и т.д. – лучше использовать нейтральный анолит, поскольку кислый анолит обладает более высокой коррозионной активностью. Правда, добавление в электрохимически активированные растворы ингибиторов коррозии – 0,1% и 0,05% растворов катапола и натрий-бор глюконата предотвращает корродирование изделий из металла при стерилизации не только в нейтральном (рН 6,7), но и в кислом (рН 2,95) анолите. Антикоррозионный эффект, по-видимому, связан с образованием защитной пленки, плотно прилегающей к поверхности металла и создающей трудно преодолимый барьер для окисляющих агентов, вследствие чего замедляется распространение коррозии по поверхности изделия.

Вполне возможно, что в ближайшее время активированные растворы будут широко применяться для обработки рук хирургов. По крайней мере, предварительные опыты свидетельствуют о целесообразности использования католита в качестве моющего средства для механической очистки рук, а анолита – в качестве дезинфектанта. Причем микробиологические анализы показали, что после обработки католитом у большинства испытуемых возрастало число колоний бактерий на руках. По мнению авторов методики, это положительный фактор: католит таким образом как бы подготавливает микрофлору на поверхности эпителия к последующему подавлению антисептическими растворами, в частности нейтральным анолитом. Что и наблюдается в действительности.

Но исследователи на достигнутом не останавливаются. Для увеличения эффективности обработки рук и времени работы в перчатках при одновременном уменьшении содержания оксидантов в используемых препаратах были разработаны антисептические гели на основе электрохимически активированных растворов. Лучше всего зарекомендовал себя гель, в котором в качестве загустителя использовались модифицированные крахмалы. Он может храниться в течение трех месяцев, не теряя своей эффективности, и прекрасно дезинфицирует при достаточно низких концентрациях активного хлора.

Активированный анолит можно использовать и для дезинфекции питьевой воды. Как свидетельствуют исследования специалистов, вода, зараженная штаммами холерного вибриона, в концентрации 200 млн микробных тел в 1 мл, всего после пятиминутного контакта с анолитом полностью обеззараживается, а ее органолептические показатели соответствуют всем требованиям ГОСТа.

Заключение

Объективности ради, надо заметить, что электрохимически активированные растворы нашли на территории бывшего Советского Союза практическое применение. В ряде медицинских учреждений России их используют для дезинфекции и стерилизации, в Узбекистане – для обеззараживания питьевой воды и продуктов питания. По сравнению с традиционными дезинфицирующими средствами они имеют определенные преимущества. Применение активированных растворов экономически выгодно: по многочисленным данным, приобретение электрохимической установки окупается всего за два года, а ее использование продлевает срок годности медицинских изделий из резин на основе силиконового каучука, натурального латекса, натурального каучука и композиций на основе термопластических полиуретанов. Помимо этого неоспоримым достоинством активированных растворов является отсутствие аллергического, канцерогенного и токсического действия. Сейчас уже совершенно ясно, что активированные растворы могут выступать не только в качестве антисептических средств, но и в качестве лекарственных препаратов.

Продолжается изучение возможности их применения при лечении гнойных хирургических инфекций и при интравазальной терапии сепсиса. В последние годы изучается в эксперименте на животных антибактериальное действие гелей на развитие раневого процесса. Ведутся уникальные исследования по использованию активированных водных растворов ионизированного серебра для профилактики гриппа и ОРЗ. Высокая химиотерапевтическая эффективность комплексных растворов серебра и меди доказана не только в клинических условиях, но и в полевых эпидемиологических экспериментах. И можно надеяться, что в ближайшее время эти препараты займут достойное место в арсенале практической медицины.

 

Впервые опубликовано:

Журнал «Провизор», №11, 2001.

См. также:

  1. Галактионов С. Биологически активные. НиТ, 2001.
  2. Кульский Л., Даль В., Ленчина Л. Вода знакомая и загадочная. НиТ, 1999.
  3. Арабаджи В. Загадки простой воды. НиТ, 2001.

Дата публикации:

13 сентября 2002 года

Электронная версия:

© НиТ. Препринт, 1997

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2016
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика