Электрохимическая активация – это технология получения метастабильных веществ униполярным (анодным или катодным) электрохимическим воздействием для последующего использования этих веществ в различных технологических процессах, в период сохранения ими повышенной физико-химической и каталитической активности [1]. Электрохимической активации подвергают воду и растворы, с разной концентрацией солей, в зависимости от предназначения активированных жидких сред.
Цель исследования – изучить основные характеристики метода электрохимической активации (ЭХА) жидких сред, его практическое применение в сельском хозяйстве и возможность использования его применительно к особенностям Крайнего Севера.
Суть метода получения электрохимически активированных жидких сред лежит в реакции электролиза, который происходит при подаче постоянного электрического напряжения к электродам: на катоде – вода насыщается продуктами катодных электрохимических реакций (гидроксиды металлов, образовавшиеся из растворенных солей, гидроксидионами, водородом), а на аноде – вода насыщается продуктами окисления, в том числе кислотами, синтезированными из растворенных солей, кислородом, хлором. Наличие устойчивых электрохимически синтезированных щелочей в католите и кислот в анолите не является признаком их активированности, как не являются ими высокие и низкие значения рН. Активированное состояние воды и растворов проявляется аномальной реакционной способностью католита и анолита в окислительно-восстановительных реакциях, в том числе изменяется вся система межмолекулярных взаимодействий и структура раствора [2, с. 19]. Описаны три основных фактора, обуславливающие физико-химическую активность анолита и католита, это устойчивые, неустойчивые и метастабильные продукты электрохимических реакций и структурных возбуждений воды.
1. Устойчивые – стабильные продукты электрохимических реакций, стабильные кислоты, основания и т.д.
2. Неустойчивые – высокоактивные продукты электрохимических реакций с коротким периодом существования до десятка часов (в т.ч. свободные радикалы).
3. Метастабильные – долгоживущие квазиустойчивые структуры, сформированные в области объемного заряда у поверхности электродов, как в виде свободных структурных комплексов, так и гидратированных оболочек ионов, молекул радикалов, атомов.
Устойчивые стабильные продукты определяют кислотные и щелочные свойства электрохимически активированных жидкостей, обуславливающие значения рН. Высокоактивные факторы 2 группы усиливают окислительные свойства анолита, а также восстановительные свойства католита, обуславливающие аномальные характеристики окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Факторы третьей группы придают электрохимически активированным жидким средам каталитические (в т.ч. биокаталитические) свойства. В результате электрохимических превращений образуются различные по степени активности и рН электрохимически активированные растворы: А – анолит кислотный (рН < 5); АН – анолит нейтральный (рН = 6,0 + 1); АНК – анолит нейтральный (рН = 7,7 + 0,5); АНД – анолит нейтральный (рН = 7,3 + 0,5); К – католит щелочной (рН = > 9); КН – католит нейтральный (рН < 9) [3, с. 15].
Еще в 1933 г., известные физики Дж. Бернал и Р. Фаулер доказали, что в любой воде есть единичные молекулы воды Н2О (мономолекулы) и их ассоциаты (Н2О)к, причем число к может быть достаточно большим. Впоследствии многими исследователями было установлено, что все без исключения воздействия на воду внешними физическими факторами (оттаивание льда, кипячение, сжатие, распыление, озвучивание, инфракрасное и другие виды облучения, воздействие электромагнитными полями и т.д.) приводят к одному результату – дроблению крупных ассоциатов на более мелкие, вплоть до мономолекул. При этом энергетически весьма слабые воздействия могут давать, в результате измельчения молекул воды, значительный энергетический, биохимический, энерго- массообменный эффект. Мономолекулы имеют более высокую полярность, чем ассоциаты, и, следовательно, растворяют больше активных веществ. Имея меньшие размеры, они легче проникают через клеточную мембрану, неся в клетку питательные вещества и обратно – продукты распада. Поэтому вода, предварительно прошедшая какую-либо из вышеуказанных обработок, лучше воспринимается живыми органами, способствуя быстрому биохимическому циклу внутри живой клетки, между клетками и внутри всего живого организма, и следовательно, интенсификации роста и развития животных и растений, повышению их резистентности против воздействия отрицательных внешних факторов [4, с. 122].
Научные изыскания по электроактивации жидких сред были начаты в 70-е годы в Среднеазиатском НИИ природного газа под руководством академика А.С. Алехина (Ташкент) [5, с. 4]. Впервые термин «электрохимическая активация» (ЭХА) появился в публикациях ташкентских исследователей того же НИИ, во главе с В.М. Бахиром (1972–1973) и на его основе была создана первая установка для электрохимической обработки буровых растворов [6]. Официальное признание ВАК СССР, технология электрохимической активации, как нового научно-технического направления получила в 1985 г. Последующие работы В.М. Бахира направлены на усовершенствование технологии электрохимической активации, создание современных реакторов для электрохимической активации воды и растворов, а также на формирование новых технических и технологических идей, их экспериментальные исследования по практическому применению в различных областях.
Электрохимически активированные жидкие среды получают с помощью специальных электрохимических установок, имеющих в своем составе реактор из проточных электрохимических модульных диафрагменных элементов. В зависимости от конструкции электролизеров, от состава обрабатываемого раствора и параметров обработки получают активированные растворы с различными физико-химическими свойствами: электропроводности, плотности, окислительно-восстановительного потенциала, диэлектрической проницаемости [7, с. 5]. Первый электрохимический активатор, как было упомянуто выше, был разработан в 1973 г. коллективом Среднеазиатского НИИ природного газа во главе с Витольдом Михайловичем Бахиром, для униполярной электрохимической обработки бурового раствора. Дальнейшее изучение и разработка устройства позволило запатентовать в 1989 г. проточный диафрагменный электролитический реактор ПЭМ (авторы В. Бахир и Ю. Задорожний). Третья модель этого реактора ПЭМ-3 (благодаря особенностям конструкции) стала основой при создании трех типов установок: СТЭЛ, Аквахлор и Изумруд. Установка типа СТЭЛ – (от слов СТерильность и ЭЛектрохимия) используется для синтеза стерилизующих, дезинфицирующих и моющих растворов [8, с. 165]; АКВАХЛОР – для синтеза газообразной активированной смеси оксидантов и гипохлорита натрия [9, с. 76] и ИЗУМРУД – для электрохимического кондиционирования и очистки питьевой воды [10, с. 424].
Итак, качество и стабильность активированных растворов находятся в прямой зависимости от конструкции электролизеров. Полученные ЭХА жидкости обладают рядом преимуществ, основным является то, что их действующие компоненты не являются веществами-ксенобиотиками, они представляют собой короткоживущие пероксидные соединения аналогичные веществам, синтезируемым в организме специализированными ферментами клеток и участвующим в фагоцитозе и потому не оказывают, вредного воздействия на организм человека и животного. С практической точки зрения ЭХА жидкие среды (анодная и катодная фракции) просты в изготовлении, дешевые, имеют широкий спектр антимикробного действия, короткоживущие, безопасны для человека и животных, не накапливаются в окружающей среде и не требуют нейтрализации [11, с. 62].
С момента сформирования нового научно-технического направления расширился круг исследований полезных свойств ЭХА жидких сред и использования их в различных областях: медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, биотехнологии, кормопроизводстве и ветеринарии, основанные на физико-химической активности [12–15].
Преимущества активированных растворов широко используют для обеззараживания, так как в отличие от традиционных моющих, дезинфицирующих и стерилизационных растворов (таких как, глутаровый альдегид, формальдегид, хлорамин, гипохлорит натрия и других синтетических веществ) они содержат в десятки раз меньше действующих веществ, самопроизвольно разрушающихся, не образуя токсичных остатков, и не требуют нейтрализации [16]. Анолит нейтральный АНК рекомендован для дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации поверхностей, столовой посуды, белья, игрушек, предметов ухода за больными [17, с. 63], также для обеззараживания помещений аэрозолем анолита АНК в лечебно-профилактических учреждениях [18, с. 32]; для дезинфекции воды на станциях хозяйственно-питьевого водоснабжения, для дезинфекции воды в плавательных бассейнах, банях, саунах, на объектах коммунального хозяйства и гостиницах [19].
Применение средства «Нейтральный анолит АНК» рекомендуется также для дезинфекции оборудования молочной и мясной промышленности [20, с 64], так как научные исследования показали, что промывка емкости для хранения и транспортировки молока водой, обработанной на электрокондиционере (катод + анод), способствует снижению бактериальной обсемененности молока и сохранению его качества [21, с. 118]. Для дезинфекции животноводческих объектов, контаминированных вирусом гриппа А птиц применяют ЭХА растворы хлорида натрия [22, с. 42; 23, с. 269]. В концентрации активного хлора 500 мг/л ЭХА растворы обладают противоакарацидным и противоинсектицидным свойствами и рекомендованы для применения в промышленном и декоративном птицеводстве [24, с. 64]. Профилактическая дезинфекция животноводческого помещения анолитом (с концентрацией активного хлора 120 мг/м3), в присутствии телят показала положительное влияние для подавления сопутствующей микрофлоры и не оказала существенного негативного влияния на организм [25, с. 56].
Универсальный антимикробный спектр действия анолита нейтрального АНК используют как раствор для местного и наружного применения для лечения поврежденных и неповрежденных кожных и слизистых покровов при различных заболеваниях, в терапевтической, хирургической практике (лечение ожоговых поражений, гнойных ран, трофических язв при диабете, инфекциях различной этиологии и т.д.) [26]. В ветеринарии используют электрохимически активированные растворы обеих фракций для лечения копытной гнили сельскохозяйственных животных [27].
Механизм бактерицидного действия анолита нейтрального заключается в том, что при электрохимической активации повышается способность проникать, через поры мембран бактерий, способствуя окислению веществ бактериальной клетки, особенно липопротеидных мембран, в виде уменьшения липидных и гликогеновых гранул в микробных клетках, вплоть до полного его разрушения [28, с. 201], коагуляции белков клетки и их гибели [2, с. 20].
Высокую антимикробную активность анолит нейтральный показал в отношении Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Proteus mirabilis, Candida albicans [29, с. 108], Salmonella abortus equi БН-12, Streptococcus equi Н-34 [30, с. 103]. Данный факт использован при разработке метода телят, больных диспепсией, что позволило сократить сроки заболевания [31, с. 15].
Комбинированный раствор электрохимически активированного анолита, с 5 %-ным раствором формальдегида оказывает выраженное бактерицидное и спороцидное влияние на грамположительную, грамотрицательную и грибковую микрофлору при проведении профилактической дезинфекции холодильников и холодильных шкафов, а также в отношении гифомицетов [32, с. 158].
Решающим фактором увеличения рентабельности животноводческих хозяйств является качественная кормовая база. Поэтому современные сельхозтоваропроизводители стремятся сохранить качество кормов при заготовке, используя консерванты и добавки [33, с. 18], что может быть достигнуто использованием ЭХА растворов солей с заданной концентрацией. Например, заготовка сенажа с анолитом (концентрация активного хлора 414 мг/л, рН 1,0–1,2) способствовала повышению удоя на 2 кг в сутки, при включении в рацион молочному скоту [15, с. 143]. Силосование с анолитом сохраняет в нем не менее 95 % питательных веществ в сухом веществе корма [34, с. 175], в том числе сокращает потери протеина на 4,5–4,7 %, а сахара более чем в 2 раза [35, с. 14], увеличивает кормовую единицу силоса [36, с. 17]. Таким образом, использование анолита при силосовании позволяет получить качественный силос с высоким содержанием каротина, сырого протеина, жира, макроэлементов [37, с. 92]. Использование ЭХА растворов для сенажирования и силосования определяет избирательное действие анолита, при котором конкурентное размножение микрофлоры силоса смещается в пользу молочнокислых бактерий [34, с. 174], вплоть до отсутствия масляной кислоты [38, с. 65].
Электрохимически активированный раствор – фракции католит, обладает выраженными восстановительными свойствами [39, с. 30]. Он легко проникает через биологические мембраны, стимулирует ферментные системы, является активным низкомолекулярным переносчиком кислорода, близким по эффективности к естественным каталитическим системам печени [40, с. 12]. Обладая высокой антиоксидантной активностью, католит предотвращает перекисное окисление липидов клеточных мембран, не оказывая вредного влияния на организм. В отличие от анолита, католит быстрее теряет свои свойства, практически на 2–3 сутки [41, с. 3], что определяет необходимость стационарной установки.
Повышенная биологическая активность ЭХА воды, фракции католит стимулирует всхожесть и последующий рост семян растений, следовательно, его используют для предпосевной обработки семян, повышая посевные, урожайные качества, иммунитет растений [42; 43]. Антиоксидантные свойства католита используют для выпойки животным [40, с. 23]. Так, выпойка католита (рН = 7,5–9,0) свиньям позволила получить среднесуточный прирост массы тела на 45,8 % выше, чем у группы свиней, получавших обычную воду [44, с. 92]. Кроме того, доказано, что ЭХА раствор катодной фракции обладает пребиотическим действием при экспериментальном дисбиозе индуцированном введением больших доз антибиотика [45, с. 89], т.е. католит попросту нарушает осмотическую составляющую водной среды организма провоцируя увеличение ферментативной активности кишечного тракта и микрофлоры. Были исследованы также детоксикационные свойства католита. Было установлено, что активные свойства католитов – электроактивированных растворов именно поваренной соли и хлористого кальция, определяются наличием ионов хлора при электролизе [46, с. 47].
В условиях Якутии метод электрохимической активации вод и возможность его использования в системе АПК носили поисковый характер. Исследования проводились, начиная с 1990 г., в ОКТПБ НПО «Якутское» ведущим конструктором Н.Е. Атласовым, инженером-биофизиком В.К. Коммунаровым под научным руководством к.т.н. С.П. Соловьева. Была разработана установка УЭВ-7 со следующими техническими характеристиками: производительность по анолиту – до 2 м3/час, по католиту – до 2 м3/час; потребляемая мощность – 20 кВт; расход воды – 5 м3/час; расход поваренной соли – до 20 кг/*час; характеристика получаемых ЭХА растворов: анолит – рН до 2 ед., ОВП до 1100 мВ, концентрация активного хлора – 150 мг/л; католит – рН до 11,5 ед., ОВП 800 мВ [46 с. 143]. Заготовленный с анолитом силос отличался от контрольного не обработанного силоса высоким содержанием каротина, на 34,6 %, протеина на 44,9 %, а также меньшим содержанием на 22,7 % клетчатки и золы на 32,4 % [4, с. 144].
Разбавление водой электрохимически активированного нейтрального анолита и подкисление уксусной кислотой, по мнению ряда исследователей, значительно повышает его дезинфицирующую эффективность [47, с. 102; 48, с. 13; 49, с. 63]. Данный факт послужил основой для разработки способа дезинфекции ледников, с использованием анолита нейтрального, усиленного добавлением 0,5 % раствора надуксусной кислоты (при расходе 300 мл/м2), в условиях Якутии [50].
Таким образом, анализ доступной научной литературы показал, что наиболее часто технологию электрохимической активации используют в области санации, дезинфекции, в качестве биоцидных растворов, который можно синтезировать на месте применения, как универсального и более доступного в ценовой позиции. Антимикробные, антиоксидантные, детоксикационные свойства электрохимически активированных растворов перспективны для дальнейших исследований и разработок, в том числе и для практического применения в сельском хозяйстве.