El papel del agua electrolizada en el procesamiento profundo de productos agrícolas y secundarios
Cuando se electroliza agua, el ánodo produce agua ácida con poder oxidante y el cátodo produce agua alcalina con poder reductor. Estos dos tipos de agua producida con diferentes propiedades se pueden dividir en:
Agua ácida: esterilización, agua astringente, limpieza de vasos, cocción, limpieza de piezas electrónicas y chips, etc.
Agua alcalina: potable, cuidado de la salud, limpieza y remojo de alimentos, limpieza de piezas electrónicas y obleas, etc.
En la actualidad, la aplicación de agua electrolizada es la máquina de agua electrolizada para beber más común en Taiwán, siendo el cuidado de la salud su principal atractivo. Para comprender el mecanismo del agua electrolizada, este estudio utilizará un electrolizador de agua experimental con parámetros básicos ajustables para obtener una comprensión profunda de la fabricación de agua electrolizada, cambios en sus propiedades y componentes básicos, y experimentos simulados sobre el crecimiento de las plantas. y efectos bactericidas.
Los resultados experimentales son los siguientes:
El uso de electrólisis de cloruro de sodio puede producir una solución bactericida de ácido hipocloroso (OCl-).
A medida que aumenta el tiempo de electrólisis, el valor del pH del ánodo disminuye y el potencial redox y la conductividad aumentan.
A medida que aumenta el tiempo de electrólisis, el potencial redox del cátodo disminuye y el valor del pH y la conductividad aumentan.
El agua electrolizada se puede dejar reposar unas 3 horas para mantener sus propiedades. Si se excede el límite, el potencial redox volverá gradualmente al estado anterior a la electrólisis, la conductividad aumentará y el valor del pH permanecerá sin cambios.
El ancho total a la mitad del máximo del espectro de RMN O17 del agua del grifo es de aproximadamente 100 Hz, mientras que el ancho total a la mitad del máximo del agua electrolizada es de 50 Hz. Después de un monitoreo continuo durante 2 días, no hubo cambios obvios, lo que muestra indirectamente que la masa de agua del agua electrolizada es menor que la del agua del grifo.
La prueba de crecimiento de brotes de frijol mungo muestra que la velocidad de crecimiento y la altura son agua electrolizada, agua de piedra medicinal, agua del grifo y agua desionizada en orden.
Los resultados de las pruebas de electrolizadores industriales son básicamente los mismos que los resultados anteriores.
Prefacio
El agua funcional, como su nombre indica, es una tecnología emergente que dota al agua de una cierta eficiencia. El profesor Hisahiko Fujita, un experto japonés en agua funcional, definió una vez el agua funcional como 1: (1) el agua misma o (2) las trazas de impurezas contenidas en el agua, que muestran sus excelentes propiedades bajo ciertas condiciones (electrólisis, campo eléctrico, aditivos). , alta temperatura y alta presión) Las características potenciales hacen que el agua alcance un determinado estado (romper enlaces de hidrógeno, cambiar el pH, ORP). Esta agua recién descubierta se llama agua funcional. Por ejemplo, los grupos de agua y el agua supercrítica pertenecen a la categoría (1), mientras que algunas semillas activas e iones metálicos con una vida útil limitada pertenecen a la categoría (2).
Entre ellos, el agua ionizada electrolizada (en adelante, agua electrolizada) se ha utilizado ampliamente en la desinfección del agua potable y de hospitales en Japón, y también hay casos relacionados en la limpieza industrial y la esterilización agrícola. Sus principios de fabricación y base teórica son relativamente maduros2. En la actualidad, la aplicación de agua electrolizada es la máquina de agua electrolizada para beber más común en Taiwán, siendo el cuidado de la salud su principal atractivo. Para comprender el mecanismo del agua electrolizada, este estudio utilizará un electrolizador experimental con parámetros básicos ajustables para obtener una comprensión profunda de la producción de agua electrolizada y los cambios en sus propiedades y composición básicas. Se espera que los resultados experimentales puedan proporcionar información básica para que los chinos utilicen agua electrolizada, y que en el futuro se pueda establecer un conjunto de métodos para detectar y evaluar la eficiencia del agua electrolizada para lograr el propósito de utilizar agua funcional de manera efectiva.
1. Principio del agua electrolizada 1
El agua electrolizada cambia el valor de pH y el potencial redox del agua mediante electrólisis y se descompone para producir O2 y H2. En general, no existen reacciones químicas que aumenten la energía libre. Por tanto, en condiciones naturales, es imposible que el agua se descomponga para producir O2 y H2. Sin embargo, si se añaden un cátodo y un ánodo al agua y se aplica una corriente eléctrica, puede producirse una reacción de electrólisis según la ley de Faraday. El material del ánodo suele ser platino o grafito insoluble. La reacción redox entre el cátodo y el ánodo es la siguiente:
Cátodo: 2H2O 2e-= 2OH- H2 agua alcalina ionizada con capacidad reductora.
E0=0-0.0591pH
Ánodo: H2O = 2H 1/2O2 2e-agua ionizada ácida con poder oxidante.
E0=1.228-0.0591pH
Después de que se generan hidrógeno y oxígeno en las superficies del cátodo y el ánodo, el agua alrededor de los electrodos tiende a ser alcalina y ácida, y el agua redox El potencial también cambia en consecuencia.
Entre los dos polos se inserta una membrana semipermeable porosa que puede limitar la migración de agua o una membrana semipermeable aniónica que puede permitir el paso selectivo de aniones y cationes, es decir, se puede recoger del cátodo agua alcalina con alta concentración de iones de hidrógeno y poder reductor y Se recoge del ánodo. Agua ácida con alta concentración de iones de hidrógeno y poder oxidante. Actualmente, los nombres del agua electrolizada producida a partir de cátodos y ánodos no son uniformes. El agua ácida electrolizada también se llama agua oxidada electrolizada y el agua alcalina electrolizada es agua reducida electrolizada. En aras de la unificación, en este artículo nos referiremos a ellas como agua alcalina electrolizada y agua ácida electrolizada.
2. Aplicación de agua electrolizada
1. Agua ionizada alcalina (pH=9-11):
Se utiliza principalmente según recomendaciones del fabricante. para beber agua, resaca, hacer té, hacer café, mezclar vino, hacer leche en polvo, cocinar, hervir agua, lavar verduras, regar flores.
Hay instituciones médicas en Japón que suministran agua alcalina ionizada a los pacientes en lugar de agua potable normal. Sus supuestos beneficios incluyen el tratamiento de malestar gastrointestinal, estreñimiento, diarrea, diabetes, presión arterial alta y mejora de la condición física. Algunos académicos de la provincia de Taiwán también señalaron que el agua alcalina ionizada puede eliminar los radicales libres en el cuerpo humano 4 (los radicales libres contienen electrones desapareados inestables y cantidades excesivas pueden dañar los lípidos del cuerpo e incluso causar mutaciones celulares y cáncer).
Además, en 1994, NEC propuso utilizar agua alcalina ionizada para limpiar la superficie de la oblea cortada, lo que puede eliminar las partículas de polvo de manera más efectiva que el amoníaco comúnmente usado y reducir el uso de productos químicos y el costo del tratamiento de aguas residuales. .
2. Agua ionizada ácida (pH=5-2,5):
El agua ionizada débilmente ácida se puede utilizar como astringente para la piel. Se dice que tiene efectos embellecedores y también puede ser. Se utiliza para limpiar utensilios y toallitas. El agua superácida con un pH inferior a 2,5 tiene una función bactericida. Algunas instituciones médicas en Japón utilizan agua superácida para la desinfección y esterilización de heridas. En agricultura, también hay ejemplos de uso de agua superácida para reemplazar los pesticidas para la esterilización y luego uso de agua alcalina para aumentar el pH del suelo. NEC y las empresas japonesas Organo desarrollaron agua ionizada ácida para limpiar los iones metálicos residuales en la superficie de la oblea, lo que puede reducir la cantidad de productos químicos utilizados.
3. Equipo experimental y pasos
1. Equipo experimental:
Para controlar eficazmente los factores que influyen en el proceso de electrólisis, el agua electrolizada se utiliza en este experimento fue fabricado. El equipo está diseñado internamente. La fuente de alimentación puede ajustar el potencial de electrólisis y la corriente de electrólisis. La muestra de agua se divide en tipo intermitente o tipo de flujo con caudal ajustable, y los cambios de pH, ORP y conductividad del tanque catódico y del tanque anódico se monitorean simultáneamente. El diagrama esquemático del equipo se muestra en la Figura 1. El cátodo es una placa de acero inoxidable y el ánodo es una varilla de carbono.
2. Medicamentos:
Cloruro de sodio 99,5 (Shimahisa Pharmaceutical).
3. Parámetros experimentales:
Los factores que afectan la composición del agua electrolizada incluyen el potencial de electrólisis, la corriente de electrólisis, el tiempo de electrólisis (o velocidad de entrada), el tipo de electrolito y la membrana semipermeable. tipo, etc En este estudio, el potencial de electrólisis se configuró inicialmente en 60 V y el método de muestreo fue el modo por lotes. La comparación de muestras y los cambios de parámetros son los siguientes:
(1) Muestras de agua: agua del grifo, solución de cloruro de sodio 2 mM, solución de cloruro de sodio 5 mM.
(2) Membrana semipermeable: membrana de intercambio catiónico.
(3) Deje reposar la muestra electrolizada durante 0-3 días.
▲Figura 1 Equipos de fabricación de agua electrolizada
4. Prueba de electrolizadores industriales:
Pruebas básicas de calidad del agua de electrolizadores de las marcas a, b y c.
Cuatro. Resultados y discusión
1. Análisis de composición del agua electrolizada
Antes de explicar racionalmente las diversas funciones del agua electrolizada, primero debemos comprender los datos básicos de la calidad del agua ácida y alcalina. Este experimento primero electrolizó agua del grifo local sin electrolitos (condado de Hsinchu) y observó los cambios en la calidad del agua del cátodo y el ánodo en diferentes tiempos de electrólisis. Los resultados se muestran en la Tabla 1.
Debido a que el electrolito en el agua del grifo es limitado, incluso si el potencial de electrólisis aumenta al valor máximo de 60 V, la corriente de electrólisis es de solo 0,22 A y no aumenta gradualmente a medida que aumenta el tiempo de electrólisis. . Pero no hay duda de que debido a los iones producidos por la electrólisis en el cátodo y el ánodo, la conductividad en ambos lados aumentó de 265,5 μS/cm a 406 μS/cm y 365,438 07,8 μS/cm respectivamente.
Entre ellos, los iones de hidrógeno (H) se generan en el ánodo, por lo que el valor del pH cae de 7,63 en el agua del grifo a 4,00. Se generan iones de hidróxido (OH-) en el cátodo y el valor del pH aumenta de 7,63 a 10,62. Por otro lado, se encontró que el potencial redox del ánodo no cambió mucho (303mV~376mV), lo que puede deberse a un ligero aumento en el cloro residual (0,08 mg/L~0,12 mg/L). El cambio en el potencial redox del cátodo es muy evidente, lo que indica la producción de sustancias reductoras.
Agregar diferentes electrolitos a las muestras de agua del grifo según sea necesario puede producir agua electrolizada con diferentes composiciones o mejorar ciertas propiedades. En los siguientes experimentos, se utilizaron soluciones de cloruro de sodio 2 mM y 5 mM para la electrólisis y los cambios en la calidad del agua se muestran en las Tablas 2 y 4.
Primero, mezcle agua del grifo del condado de Hsinchu con cloruro de sodio para preparar una solución de cloruro de sodio 2 mM para la electrólisis. La corriente de electrólisis es significativamente mayor que la electrólisis del agua del grifo. La corriente inicial es de 0,43 A y la corriente aumenta a 0,76 A después de 30 minutos de electrólisis. La conductividad aumenta de 544 μS/cm a 965 μS/cm( ) y 1020 μS/cm(-) respectivamente. Debido a que los iones de cloruro agregados (Cl-) pueden generar iones de hipoclorito (OCl-) a través de la electrólisis, también monitoreamos los cambios en el cloro residual y el cloro total. El cloro residual en el ánodo aumentó de 0,08 mg/L a 0,7 mg/L, y el olor a cloro en el agua electrolizada del ánodo era evidente. No se puede detectar cloro residual ni cloro total en el cátodo. Los dos polos del pH son ácido y alcalino. Cuando el pH del cátodo aumenta de 7,6 a 10,4, se puede observar claramente un precipitado blanco en la solución, que debería ser el precipitado de hidróxido de calcio y magnesio. El pH del agua ácida es inversamente proporcional al tiempo de electrólisis, mientras que el ORP, la conductividad y la concentración de iones cloruro son directamente proporcionales. Del ORP se puede ver que el agua ácida tiene poder oxidante y el aumento del cloro residual puede mejorar su poder bactericida, mientras que el poder reductor del agua alcalina aumenta a medida que disminuye el ORP.
La sede de I+D de Kurita Industrial Co., Ltd. de Japón utiliza agua del grifo local mezclada con cloruro de sodio como electrolito para observar los cambios en la calidad del agua ácida y alcalina en diferentes tiempos de electrólisis, como se muestra en Tabla 3. Se encuentra que la tendencia de cambio es consistente con la Tabla 2, pero la composición del agua electrolizada es algo diferente de la Tabla 2. La concentración de cloro residual es mucho mayor, lo que puede deberse a diferencias en la calidad del agua local y el diseño de la electrólisis. equipo en sí. Los experimentos futuros también investigarán esta diferencia.
Cuando la concentración de cloruro de sodio para electrólisis aumenta a 5 mM, el potencial redox del ánodo (330 ~ 826 mV) y la concentración de cloro residual (0,12 ~ 2,45 mg/L) aumentan significativamente. Los resultados se muestran en el Cuadro 4, pero todavía hay una brecha con Japón. Por supuesto, la electrólisis de una solución acuosa que contiene iones cloruro puede producir una solución de OCl con poder bactericida. Para producir agua ácida con una alta concentración de cloro residual, es factible aumentar moderadamente la concentración de iones cloruro en el agua.
▼Tabla 1 Cambios en la calidad del agua del grifo electrolizada
▼Tabla 2 Cambios en la calidad del agua de una solución electrolizada de cloruro de sodio 2 mM
▼Tabla 3 Japón - agua electrolizada en diferentes tiempos de electrólisis Ingredientes (solución de NaCl 2 mM)
2. Persistencia de las propiedades del agua electrolizada
Incluso si se pueden probar las propiedades y la eficacia del agua electrolizada ácida y del agua electrolizada alcalina. Después de todo, la electrólisis provocada por el Cambio no es normal. Cuánto tiempo puede durar una vez fabricado es una cuestión que hay que afrontar. El siguiente experimento consiste en electrolizar soluciones de cloruro de sodio de 2 mM y 5 mM durante 30 minutos y luego dejarlas reposar para observar los cambios en la calidad del agua. La solución de cloruro de sodio 2 mM se electrolizó durante 30 minutos y luego se dejó en la celda electrolítica. El cátodo y el ánodo están separados por una membrana catiónica semipermeable. Los resultados se muestran en la Tabla 2. Como se esperaba, el potencial redox y la conductividad tienden gradualmente al estado de preelectrólisis debido a la difusión y neutralización a través de la membrana semipermeable. El valor del pH se mantiene dentro del rango de pH con cambios limitados. El cloro residual en sí es un oxidante fuerte y se agota después de decenas de horas de reacción.
Si el agua ácida y el agua alcalina se colocan en vasos de precipitados respectivamente después de la electrólisis y se almacenan en la oscuridad, sus propiedades permanecerán sin cambios durante aproximadamente 3 horas, excepto el cloro residual. Se descubrió un fenómeno interesante (ver Tabla 5). Es decir, a medida que aumenta el tiempo de reposo, aumenta la conductividad en ambos lados. Al contrario de los resultados de la Tabla 2 anterior, muestra que los iones se generan uno tras otro después de reposar, pero los iones de ambos lados no pueden reaccionar formando moléculas neutras porque se almacenan por separado. Queda por estudiar qué iones se producen.
El potencial redox alcanzó el equilibrio después de 46 horas de reposo y se observó que permaneció en agua ácida (546 mV) y agua alcalina (158 mV) durante 75 horas. El valor del pH no cambió significativamente durante el tiempo de observación y mantuvo el estado después de la electrólisis. El cloro residual y el cloro total son consistentes con la solución acuosa electrolítica de cloruro de sodio 2 mM observada previamente y disminuyen gradualmente, pero debido a que se evita la luz, la tasa de disminución es más lenta.
▼Tabla 4 Cambios en la calidad del agua de una solución electrolizada de cloruro de sodio 5 mM
▼Tabla 5 Cambios en la calidad del agua después del reposo de una solución acuosa electrolizada de NaCl 5 mM
Esquema diagrama de grupos de agua
▲Figura 2 Gráfico de análisis del espectrómetro de masas por resonancia magnética nuclear (RMN) O17.
3.o 17 Espectro de resonancia magnética nuclear del agua electrolizada.
¿Las masas de agua del agua electrolizada son más pequeñas que las del agua ordinaria? Actualmente no hay forma de observar y demostrar directamente técnicas analíticas. Sin embargo, al probar el espectro de RMN (resonancia magnética nuclear) O17 de la muestra de agua, es posible comparar indirectamente los tamaños de los grupos moleculares del agua de diferentes fuentes. El FWHM del pico O17 representa la fuerza de interacción entre las moléculas de agua. La fuerza de interacción es proporcional al grupo de moléculas de agua y el FWHM también aumenta y disminuye. Por lo tanto, si la medición de FWHM de una muestra de agua es menor que el valor antes de la electrólisis, significa que la masa de agua se ha vuelto más pequeña.
La tabla 6 muestra los resultados de las pruebas de agua electrolizada y agua del grifo. Después de la electrólisis del agua del grifo, el ancho total a la mitad del máximo de O17 cayó de 100 Hz a 50 Hz, y no hubo cambios obvios después del monitoreo continuo durante 2 días. En la Figura 2 se muestran espectros típicos de NMR O17 de ancho medio de agua del grifo y electrólisis.
Los resultados de la prueba de electrólisis utilizando soluciones de cloruro de sodio de 2 mM y 5 mM son aproximadamente los mismos que los de la tabla anterior.
▼Tabla 6 Ancho total a la mitad del máximo (Hz) de agua electrolizada O17
▼Tabla 7 Prueba comparativa de esterilización de agua electrolizada
4. toxicidad del agua electrolizada ácida Examen bacteriano
Ver Tabla 7. Agregue las bacterias a agua pura, agua del grifo, solución de hipoclorito de sodio de 3 ppm, agua ácida electrolizada y agua alcalina y déjela reposar para observar los cambios en las bacterias. El agua del grifo, la solución de hipoclorito de sodio y el agua ácida electrolítica contienen cloro residual, que tiene un efecto bactericida. El número total de colonias bacterianas en la muestra de agua fue indetectable, mientras que el número de colonias bacterianas en el agua alcalina disminuyó lentamente y, después de media hora, el número de colonias bacterianas era completamente indetectable.
5. Prueba de crecimiento de plantas
Coloca algodón en una placa de Petri, coloca 20 frijoles mungo en cada placa y agrega agua desionizada, agua del grifo, agua ácida electrolizada y agua alcalina electrolizada. respectivamente, 20 ml de agua filtrada con piedra medicinal cada uno, agregue 20 ml de varias muestras de agua todos los días, observe y registre la germinación y el crecimiento de los frijoles mungo. Los registros detallados se muestran en la Tabla 8 y las Figuras 3 a 6.
Siembra de brotes de frijol
▲Figura 3 El estado de crecimiento de los brotes de frijol (días 1 y 2)
▲Figura 4 El estado de crecimiento de los brotes de frijol (día 3) )
6. Prueba de electrolizador comercial
▼Tabla 9 Prueba de electrolizador comercial
▲Figura 5 Crecimiento de brotes de frijol (quinto día) p>
▲Figura 6 Estado de crecimiento de los brotes de frijol (al octavo día, agua desionizada, agua alcalina electrolizada, agua del grifo, agua ácida electrolizada, piedra medicinal)
Calidad básica del agua de electrolítico celdas vendidas en el mercado, incluyendo valor de pH, conductividad, potencial de oxidación-reducción (ORP) y ancho total a la mitad del máximo O17, probadas por las marcas A, B y C respectivamente (ver Tabla 9).
Los resultados de las pruebas de los electrolizadores industriales son básicamente consistentes con los resultados de las pruebas de laboratorio. Después de hervir el agua electrolizada, no hay cambios obvios en el agua ácida y el potencial de oxidación-reducción del agua alcalina obviamente pasa a un valor positivo. Esto se debe a la relación entre la alta temperatura y la reacción de oxidación acelerada, lo que hace que el agua electrolizada se hierva. el agua alcalina tiende a equilibrarse. Otro punto que vale la pena señalar es que después de hervir agua del grifo, agua π y agua de piedra medicinal, el ancho total en la mitad del pico de O17 también se volverá más estrecho (de 100 a 50), lo que indica que mientras se agregue energía al agua, la masa de agua se puede dispersar y reducir.
▼Tabla 10 Comparación de la calidad del agua electrolizada y del agua cruda
Verbo (abreviatura de verbo) Conclusión
Al comparar los resultados de este experimento con los de Japón, Se puede obtener un fenómeno consistente de los cambios de propiedad del agua después de la electrólisis. La Tabla 104 es el valor de referencia para electrolizadores potables en general y agua del grifo. Sin embargo, además del evidente efecto bactericida del agua ácida, la eficacia del agua alcalina en el cuerpo humano también requiere atención y observación médica.
El agua electrolizada tiene moléculas de agua más pequeñas, lo que ayuda al crecimiento de las plantas, lo que puede confirmarse preliminarmente en este estudio.
Los equipos, los costes operativos y el consumo de energía del agua electrolizada son los puntos clave que se deben considerar en el futuro a la hora de utilizar equipos de agua electrolizada para sustituir las tecnologías existentes. La mayor ventaja del agua electrolizada es que puede ahorrar medicamentos o reemplazar medicamentos de alto riesgo por medicamentos de bajo (inofensivo), reduciendo indirectamente el impacto del líquido residual en el medio ambiente, ahorrando tiempo de preparación manual y lesiones ocupacionales.