Khi cho dòng điện một chiều chạy qua dung dịch muối loãng trong bình phản ứng điện hoá đặc biệt có màng ngăn kiểu dòng chảy (flow-through electrochemical modular reactor - FEM), các điện tử được đưa vào nước từ cực âm (cathode) cũng như sự tiếp nhận các điện tử từ nước vào cực dương (anode) sẽ đi kèm với hàng loạt phản ứng điện hóa trên bề mặt điện cực. Kết quả là có nhiều chất mới được tạo thành và toàn bộ hệ tương tác giữa các phân tử trong dung dịch sẽ biến đổi, kể cả cấu trúc của phân tử nước với vai trò là dung môi. Bản chất của các hiện tượng trên là sự chuyển trạng thái của nước bình thường sang trạng thái giả bền (hoạt hóa). Hiện tượng này có tên gọi là hoạt hóa nước bằng phương pháp điện hóa (Electro Chemical Activation - viết tắt là ECA). Trạng thái giả bền (metastable state) được đặc trưng bởi các thông số vật lý, hóa học bất bình thường và sẽ thay đổi theo xu hướng tiến dần tới các giá trị cân bằng của dung dịch. Nước ở trạng thái giả bền có tính hoạt động hóa học đặc biệt cao hơn mức bình thường rất nhiều lần. Nước được hoạt hóa tại vùng cathode cho hoạt tính dư điện tử, thể hiện tính chất khử được gọi là catolit (catholyte). Tương đương như vậy, nước được hoạt hóa tại vùng anode được đặc trưng bởi hoạt tính thiếu điện tử, thể hiện tính chất ôxy hóa, được gọi là anolit(anolyte).
Hình 1. Quá trình hoạt hóa điện hóa
Quá trình hoạt hoá điện hoá được biểu diễn một cách riêng rẽ trên hình 1. Nước ngọt hoặc nước khoáng loãng được đưa vào bình phản ứng điện hoá (trong đó có một số lượng nhỏ các iôn dương và âm trong môi trường H2O). Dòng điện đi qua bình phản ứng ở dạng một dòng thác điện tử e-, thêm vào đó tác động điện hoá của dòng điện được đặc trưng bởi thời gian tác động ngắn t, giá trị thế điện cực lớn h và mật độ dòng J. Tác động này dẫn đến sự thay đổi có định hướng hoạt tính của các điện tử, tức là làm thay đổi mạnh mẽ (đột ngột) tính chất ôxy hoá - khử cũng như các tính chất lý - hoá khác của nước. Các hình dạng khác nhau của anion và cation cũng như của chính các phân tử nước ban đầu (hình tròn, elip) và của nước đã bị hoạt hoá (hình ngôi sao) trong Catolit (Red) và Anolit (Ox) trên hình 1 chính là để biểu diễn hoạt tính lý - hoá khác nhau của chúng. Các chất lỏng ở trạng thái giả bền thu được bằng cách xử lý điện hóa dung dịch trong một điện trường đơn cực được gọi là dung dịch hoạt hóa điện hóa, còn công nghệ điều chế và ứng dụng chúng được gọi là công nghệ hoạt hóa điện hóa.
Sơ đồ công nghệ điều chế dung dịch hoạt hóa điện hóa anolit trung tính được thể hiện trên hình 2, dựa trên cơ sở FEM-3(hình 3) của hãng IZUMRUD (Liên bang Nga).
Hình 2. Sơ đồ công nghệ điều chế dung dịch anolit trung tính
Hình 3. Cấu tạo buồng phản ứng điện hóa FEM-3
Trong sơ đồ trên hình 2, dung dịch muối loãng (5g/lít) sau khi được xử lý ở ngăn cathode, đi ra buồng tách khí để loại bỏ một phần và tiếp tục được xử lý ở ngăn anode, tại lối ra thu nhận anolit trung tính.
Do điện cực trong thiết bị điện hóa là loại điện cực trơ đặc biệt không bị hòa tan mà chỉ đóng vai trò tạo điện thế và trao đổi điện tử với dung dịch nên hàng loạt phản ứng điện hóa sau đây xảy ra trong buồng điện phân anode:
2H2O - 2e → 2H+ + H2O2
3H2O - 6e → O3 + 6H+
OH- - e → HO*
H2O - e → HO* + H+
H2O - 2e → 2H+ + O*
Cl- + H2O - 2e → HClO + H+
Cl- + 2H2O - 5e → ClO2 + 4H+
Các hợp chất được tạo thành trong dung dịch anolit (sản phẩm xử lý anode): HClO, ClO-, H2O2, O3, HO*, HO2-, … Anolit là chất lỏng không màu, có mùi clo nhẹ và có tính sát khuẩn rất mạnh. Các chỉ số đặc trưng nhất của anolit:
- Tổng hàm lượng các chất oxy hóa: 100-500 mg/l (quy đổi ra Clo hoạt tính)
- Chỉ số pH: 6,5 – 8,5
- Thế ô xy hóa khử: > + 700 mV
Đặc tính ưu việt của dung dịch khử khuẩn hoạt hóa điện hóa anolit
- Anolit khử trùng rất nhanh, tiêu diệt được rất nhiều loài vi khuẩn, virus, nấm và bào tử, kể cả những loài có sức đề kháng cao như vi trùng bệnh lao, vi khuẩn bệnh than, virus viêm gan B, ...
- Anolit có hoạt tính khử trùng rất mạnh - để đạt được cùng kết quả khử trùng nồng độ clo hoạt tính cần thiết trong anolit thấp hơn trong các hoá chất khác nhiều lần.
- Các loại vi sinh vật không có khả năng thích ứng.
- Anolit có ít tác động xấu tới sức khoẻ của người và động vật máu nóng do có hàm lượng Clo hoạt động thấp và nhờ khả năng chống chất oxy hoá của các tế bào động vật cấp cao.
- Anolit không làm ô nhiễm môi trường vì nó không còn hoạt tính sau khi sử dụng và thải bỏ.
- Anolit có giá thành rẻ hơn các loại hoá chất khử trùng thông dụng nhiều lần.
Ngày nay, dung dịch hoạt hóa điện hóa(anolit) đã được ứng dụng làm chất khử trùng trong y tế, nông lâm nghiệp, thủy sản, công nghiệp thực phẩm với nhiều tính năng ưu việt so với các chất khử trùng truyền thống trên phạm vi toàn thế giới dưới những tên gọi khác nhau như: Anolyte (anolit), ECAsol, Electrically Activated Neutral Anolyte (ANK), Electrochemically activated (ECA) water, Electrolysed Oxidizing Water (EOW), super - oxidized water (SOW), AQUAECA, Dr. ECA, Sanitiser.v.v... Các thông tin cơ bản về nguyên lý công nghệ, thiết bị sản xuất và các ứng dụng của dung dịch hoạt hoá điện hoá được đăng tải đầy đủ trên mạng Internet trong các trang websites: www.bakhir.com; www.vbinstitute.org; www.envirolyte.com; izumrud.com.ru; aquaeca.com; www.aquastel.com; www.sterilox.com;.....
CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG
1. Y tế
- Khử trùng các dụng cụ y tế bằng kim loại, thủy tinh, cao su... thay cho việc phải dùng hóa chất (có tính ăn mòn cao) hoặc dùng nhiệt (không áp dụng được cho vật cao su, nhựa...) như: panh, dụng cụ mổ, kim, kẹp mổ, kìm nhổ răng, mũi khoan răng, que thăm, ống dẫn lu, ống nội soi, găng tay, ống đo, ống mao dẫn, phin lọc máu...
- Khử trùng vật dụng hàng ngày như bát đĩa, dụng cụ vệ sinh, đồ chơi trẻ em,... giặt quần áo và vải dùng trong y tế... bị nhiễm khuẩn, vi trùng lây cần tẩy uế.
- Khử trùng các phòng kín (phòng mổ, phòng cách ly, nhà xác...), tẩy uế sàn nhà, tường, hành lang bệnh viện, giường bệnh, bàn mổ, bàn đẻ...
- Rửa tay bác sĩ trước khi mổ.
- Trong điều trị ngoại khoa: dùng trong việc rửa và sát trùng các vết thương do tai nạn, các vết lở loét, mưng mủ ngoài da và dưới da; phòng ngừa biến chứng nhiễm trùng sau khi mổ...
- Chống viêm: viêm màng bụng, viêm bàng quang, viêm tủy xương cấp tính và mãn tính, viêm amiđan, viêm tấy răng hàm mặt, viêm da...
- Dùng trong điều trị các bệnh ngoài da gây bởi các loại nấm, mốc, trị bệnh hắc lào, rửa các vết loét cho ngời bị bệnh phong, chữa bỏng.
- Dùng trong quá trình điều trị bệnh đái đường...
- Dùng trong việc chữa răng: khử vi khuẩn trong miệng trước khi nhổ hoặc trồng răng và để tránh viêm lợi hoặc teo lợi...
2. Trồng trọt
- Xử lý giống nông sản bằng dung dịch hoạt hóa điện hóa anolit nhằm loại trừ các mầm bệnh của cây trồng từ giống.
- Xử lý hom trong ương cây giống bằng phương pháp giâm cành đạt tỉ lệ sống cao
- Xử lý các loại rau, củ, quả, ... nhằm loại bỏ vi khuẩn, dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và kéo dài thời gian bảo quản.
- Khử trùng đất trong nhà kính.
- Lau rửa cửa kính trong các nhà kính.
- Chống côn trùng và các loại bọ rầy trong các nhà kính.
3. Chăn nuôi
- Khử trùng chuồng trại, dụng cụ, trang thiết bị, môi trường xung quanh và tắm cho vật nuôi bằng dung dịch anolit để phòng các bệnh lây nhiễm và chống một số bệnh: bệnh ngoài da, viêm nhiễm, viêm tuyến vú… Giảm chi phí thuốc thú y.
- Phun lên vật nuôi, phương tiện, thiết bị vận chuyển tránh lây lan dịch bệnh từ vùng này sang vùng khác.
- Làm vệ sinh thường xuyên vú lợn nái bằng dung dịch anolit đã pha loãng có thể hạn chế lợn con bị ỉa chảy và lợn mẹ bị viêm vú.
- Cho gia súc, gia cầm uống dụng dịch anolit để phòng chống bệnh về đường tiêu hoá.
- Phun khử trùng môi trường, không khí khu vực chuồng trại, giảm mùi hôi thối và ruồi nhặng.
- Xử lý ngũ cốc, cỏ và thức ăn tổng hợp trước khi cho gia súc, gia cầm ăn.
- Bảo quản thức ăn gia súc, gia cầm không cần sử dụng hóa chất. Hạn chế giảm lượng dinh dưỡng trong thưc ăn trong thời gian bảo quản.
- Rửa các thiết bị và đường ống dẫn sữa trong các trang trại nuôi bò sữa và trong các xí nghiệp chế biến sữa.
4. Nuôi trồng thủy sản
- Khử trùng nước cấp cho hồ nuôi: Tiêu diệt triệt để vi sinh vật gây bệnh, loại bỏ các chất độc hại có trong nước, tạo kết tủa nhanh, triệt để, nước lắng cặn nhanh, rút ngắn thời gian chờ sau khử trùng.
- Khử trùng vệ sinh hồ, trại, trang thiết bị: Tiêu diệt triệt để vi sinh vật, giảm chi phí hàng trăm lần, nhanh, không độc hại, tránh để lại dư lượng hóa chất độc hại trên bề mặt như clorine, formol...
- Cho vào hồ nuôi lắng cặn bẩn nhanh, nước trong sau đó xi phông hút đáy loại bỏ hoàn toàn cặn bã do phân và thức ăn dư thừa, điều chỉnh pH, khống chế lượng vi sinh vật phát triển gây bệnh, chữa bệnh đường ruột, bệnh rong rêu, bệnh đục thân...
- Trộn với thức ăn phòng các bệnh lây nhiễm qua thức ăn: atermia, thức ăn tươi sống, thức ăn tổng hợp... Có thể dùng cách này để chữa bệnh đường ruột.
5. Chế biến thủy sản
- Khử trùng nước cấp cho nhà máy
- Khử trùng nhà xưởng, dụng cụ
- Rửa tay công nhân và bảo hộ lao động
- Khử trùng nguyên liêu, bán thành phầm và thành phẩm
6. Một số lĩnh vực khác
- Công nghiệp chế biến thực phẩm: tẩy rửa, khử trùng
- Khử trùng nước cấp công nghiệp và sinh hoạt, nước bể bơi
- Dùng trong nhà hàng khách sạn: lau nhà, dùng bảo quản thực phẩm và vệ sinh trong nhà bếp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Hoài Châu, V.M.Bakhir, Ngô Quốc Bưu. Dung dịch hoạt hóa điện hóa Công nghệ và ứng dụng, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ (2015).
2. Nguyễn Hoài Châu, Ngô Quốc Bưu, Nguyễn Văn Hà. Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa ở Việt Nam. Tạp chí KH&CN, tập 50, số 6(2012) 923-941.
3. Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Hoài Châu. Dung dịch hoạt hóa điện hóa và ứng dụng trong y tế. Tạp chí Hóa học, tập 47, số 5A (2009) 209-214.
4. Nguyễn Hoài Châu, Lê Anh Bằng, Ngô Quốc Bưu, Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Minh Tuân. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hoạt hóa điện hóa hóa để khử trùng nước sản xuất và sản phẩm chế biến thay thế các hóa chất sát trùng trong xí nghiệp chế biến thủy sản. Tạp chí KHCN, tập 46, số 6A(2008) 89-95.
5. Nguyễn Thị Thanh Hải, Nguyễn Hoài Châu và Cs. Nghiên cứu hiệu lực khử trùng của dung dịch siêu oxy hóa đối với vi khuẩn gây bệnh thường gặp trong nước cấp. Tạp chí KH&CN 50(2B)(2012)303-309.
6. Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Hoài Châu. Nghiên cứu ứng dụng dung dịch hoạt hóa điện hóa anolit để khử trùng thân thịt gà trên dây chuyền giết mổ công nghiệp. Tạp chí KH&CN, tập 48, số 1(2010) 97-103.
7. Nguyễn Hoài Châu, Nguyễn Văn Hà, Nguyễn Minh Tuân, Lê Anh Bằng. Ứng dụng các dung dịch hoạt hóa điện hóa để khử trùng, khử mùi và tăng hiệu quả kinh tế chăn nuôi lơn mô hình trang trại. Tạp chí KHCN, tâp 46, số 6A (2008)62-68.
Tiếng Anh
8. Ignat Ignatov, Georgi Gluhchev, Stoil Karadzhov, Georgi Miloshev, Nikolay Ivanov, Oleg Mosin. Preparation of Electrochemically Activated Water Solutions (Catholyte/Anolyte) and Studying Their Physical-Chemical Properties. Journal of Medicine, Physiology and Biophysics, Vol. 11, 2015.
9. R.M.S.Thorn, S.W.H.Lee, G.M. Robinson, J.Greenman, D.M.Reynolds. Electrochemically activated solutions: evidence for antimicrobial efficacy and applications in healthcare environments. Eur J Clin Microbiol Infect Dis, DOI 10.1007/s10096-011-1369-9, © Springer-Verlag 2011.
10. Keramettin Yanik, Adil Karadag, Nevzat Unal, Hakan Odabasi, Saban Esen, Murat Gunaydin. An ınvestigation into the in-vitro effectiveness of electrolyzed water against various microorganisms. Int J Clin Exp Med 2015;8(7):11463-11469.
11. Nina V. Vorobjeva, Lena I. Vorobjeva, and Evgenij Y. Khodjaev. The Bactericidal Effects of Electrolyzed Oxidizing Water on Bacterial Strains Involved in Hospital Infections. Artif Organs, Vol. 28, No. 6, 2004.
12. Richa Wadhawan, Dharti Gajjar, Gaurav Solanki and Bhupinder Kaur. Traditionl & newer root canal irrigants in endodontics: an overview. International Journal of Innovative Drug Discovery, Vol 4, Issue 3, 2014, 133-139.
13. J T Marais , V S Brözel. Electro-chemically activated water in dental unit water lines. British dental journal, volume 187, No.3, 1999.
14. Yu-Ru Huang, Yen Con Hung, ShunYao Hsu, Yao-Wen Huang, Deng-Fwu Hwang. Application of electrolyzed water in the food industry. Food control 19(2008) 329-345.
15. D.HRICAVA, R.STEPHAN and C.ZWEIFEL. Electroyzed water and its application in the
food industry. Journal of food protection, Vol 71, N0.9, 2008, Pages 1934-1947
16. Robin Duncan Kirkpatrick. The mechanism of antimicrobial action of Electro-Chemically Activated (ECA) water and its healthcare applications, University of Pretoria (2009).
17. Jianxiong Hao , Wuyundalai , Haijie Liu , Ti anpeng Chen , Yanxin Zhou , Yi - Cheng Su, and Lite Li. Reduction of Pesticide Residues on Fresh Vegetables with Electrolyzed Water Treatment. Journal of Food Science Vol. 76, Nr.4, 2011
18. Mohammed Aider, Elena Gnatko, Marzouk Benali, Gennady Plutakhin, Alexey Kastyuchik. Electro-activated aqueous solutions: Theory and application in the food industry and biotechnology. Innovative Food Science and Emerging Technologies 15 (2012) 38–49.
Một số website về hoạt hóa điện hóa
1. http://aquaeca.com/medicine/
2. http://izumrud.com.ru/eng/st/anolyte.php
3. http://www.bakhir.com/eca/
4. http://www.vbinstitute.org/technologies/#medicine
5. http://www.envirolyte.co.nz/technology.htm
6. http://www.envirolyte.com/health-care.html
