[SHEIKH ĐHT]

DUNG DỊCH HOẠT HÓA ĐIỆN HÓA


CÔNG NGHỆ KHỬ TRÙNG HIỆU QUẢ

Trong những năm gần đây, các chủng loại hóa chất khử trùng được sử dụng ngày càng nhiều. Tuy nhiên, việc đó vẫn không hạn chế được số lượng các chủng loại vi sinh vật kháng thuốc ngày càng tăng lên, làm cho vấn đề lây nhiễm trong bệnh viện càng trở nên khó kiểm soát. Vì vậy, xu hướng cơ bản trong việc phát triển các chất khử trùng những năm gần đây không phải là tạo ra các chất khử trùng mới mà là việc tìm ra các biện pháp hoạt hóa các chất khử trùng đang được sử dụng. Bài viết dưới đây giới thiệu về dung dịch Anôlít - dung dịch có thể đáp ứng mọi đòi hỏi của xu hướng nêu trên, được điều chế bằng phương pháp hoạt hóa điện hóa (HHĐH) dùng để khử trùng, xử lý trước tiệt trùng và tiệt trùng.
Hoạt hóa điện hóa
Hiện tượng hoạt hóa điện hóa được kỹ sư người Nga V. M. Bakhir phát hiện năm 1975. Đây là sự chuyển dịch có định hướng khỏi trạng thái cân bằng hoạt tính của các điện tử có mặt trong môi trường nước, được thực hiện bằng một tác động điện hóa từ bên ngoài, kết hợp với quá trình tắt dần (relaxation) của trạng thái kích thích diễn ra sau đó. Tính chất tắt dần của các chỉ số hóa - lý của môi trường họat hóa là đặc tính chung không chỉ đối với hoạt hóa điện hóa mà còn đối với mọi dạng hoạt hóa khác. Nhưng các quá trình hoạt hóa anốt cũng như hoạt hóa catốt, nhờ có tính ổn định và độ lặp lại cao của quy trình công nghệ, đã được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất để hoạt hóa nước có độ khoáng hóa thấp, trong đó chỉ có các điện tử làm nhiệm vụ vận chuyển điện tích qua biên giới phân pha “điện cực - dung dịch điện ly”. Nước được hoạt hóa tại khoang anốt của buồng điện hóa được gọi là Anôlít, đặc trưng bởi các chỉ số lý - hóa dị thường và giảm dần theo thời gian.
Trong quá trình điện hóa, các biến đổi về các chỉ số lý - hóa và cấu trúc của nước diễn ra mạnh mẽ nhất trong vùng ảnh hưởng của trường tĩnh điện tại bề mặt điện cực, nghĩa là tại phần khuếch tán của lớp điện kép, nơi cường độ điện trường có thể đạt tới vài triệu vôn/cm. Vì vậy, để có thể hoạt hóa điện hóa dung dịch nước đòi hỏi phải giải quyết một vấn đề kỹ thuật vô cùng phức tạp, đó là quá trình tác động điện hóa phải được thực hiện sao cho hầu hết các vi thể tích nước được tiếp cận lớp điện kép để các chỉ số lý - hóa của nước có thể đạt mức độ dịch chuyển lớn nhất khỏi trạng thái cân bằng.
Các nhà khoa học Nga đã chế tạo ra một môđun điện hóa dòng chảy có màng ngăn gọi là FEM (flow-through electrochemical module) với kết cấu đặc biệt cho phép khắc phục trở ngại kỹ thuật nêu trên. Các điện cực anốt và catốt được chế tạo từ vật liệu titan, riêng anốt được phủ lớp điôxit titan (dưới đương lượng) và tiếp theo là các lớp ôxit kim loại nhóm bạch kim (RuO2, RhO2), nhờ vậy nó có độ bền điện hóa rất cao, cho phép loại trừ hoàn toàn hiện tượng hòa tan anốt và có thể làm việc ở mật độ dòng điện tới 3.000 A/m2 và quá thế trên điện cực tới 3.000 mV. Màng ngăn được làm từ ôxit nhôm và ziếcôn có tính lưỡng cực điện tích: Phía bề mặt hướng về điện cực dương có khả năng hấp phụ điện tích dương, còn phía hướng về điện cực âm mang điện tích âm, nhờ vậy dòng nước chảy qua chuyển động theo đường xoắn ốc (xem mặt cắt bên phải, hình 1). Đồng thời, khoảng cách từ bề mặt điện cực tới màng ngăn rất hẹp (không tới 1mm), do đó thời gian tác động điện hóa lên các phần tử nước ngắn (khoảng vài ba giây), nhờ vậy đã hạn chế tối đa hiệu ứng tỏa nhiệt. Tất cả những chi tiết kết cấu đặc biệt nêu trên đã tạo điều kiện để hầu hết các phần tử trong dòng nước chảy qua buồng điện hóa được tiếp xúc với lớp điện kép để tiếp thu năng lượng từ các hạt điện tích nhận được và chuyển nó thành thế nội năng. Kết quả là các phần tử nước được kích lên trạng thái kích thích giả bền với thời gian tắt có thể kéo dài đến hàng chục giờ.
Nhiều kết quả nghiên cứu được thực hiện tại Liên bang Nga cũng như một số nước khác trên thế giới đã khẳng định các tính chất lý - hóa đặc biệt của dung dịch HHĐH như sau:


- Sau khi ngừng tác động điện hóa, các phần tử trong dung dịch nước được đưa lên trạng thái kích thích giả bền được đặc trưng bởi các tham số lý - hóa dị thường.
- Trạng thái giả bền của một chất đã được hoạt hóa có thể được duy trì trong thời gian vô hạn định với điều kiện không có sự trao đổi năng lượng với môi trường xung quanh. Sự tắt dần của trạng thái kích thích giả bền là một quá trình không thuận nghịch và xảy ra bằng cách phát tán năng lượng vào môi trường dưới dạng bức xạ nhiệt hoặc sóng tần số khác nhau.
- Trong các phản ứng hóa học có sự tham gia của một chất HHĐH thì các biến đổi lý - hóa diễn ra không thuận nghịch.
- Môi trường HHĐH trong các phản ứng hóa học trong một số trường hợp có thể thay đổi không chỉ tốc độ mà còn cả hướng đi của phản ứng.
- Dung dịch HHĐH trong trạng thái giả bền là một hệ không cân bằng và trong khi tương tác với môi trường xung quanh hoặc với đối tượng khác vẫn duy trì các tính chất dị thường của mình trong quá trình tắt dần để trở về trạng thái cân bằng nhiệt động học.
Do tính chất giả bền và khả năng ôxy hóa cao, dung dịch HHĐH Anôlít được xem là một chất khử trùng hiệu quả cao, thân thiện với môi trường và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hoạt động sản xuất khác nhau. Có thể tóm tắt các đặc tính ưu việt của dung dịch Anôlít so với các chất khử trùng khác như sau:



- Các dung dịch Anôlít với nồng độ clo hoạt tính khác nhau có khả năng tiêu diệt tất cả các loài vi sinh vật đã được khảo sát như: S. aureus, S. choleraesuis, S. epidermis, S. typhimurium, P. aeruginosa, E. coli, H. pylori, Salm. Enteritidis, S. clubline, V. cholerae, Pr. Vulgaris, P. inirabilis, E. hirae, L. pneumophyla, S. marcencens, B. cepasia, Listeria, Shigella, Neiseria, Corinbacterium, Acinetobacter, K. pneumoniae, S. fecalis, M. morganii; các loài vi khuẩn hiếu khí gram - dương (L.monocytogenes, Mycobacterium bò (BCG), M. tuberculosis, M. avium intracellulare, M. smegmatis, M. xenopi, M. chelonei), các chủng virut (Adenovirus typ 3, Coxsackievirus A2, Herpes simplex, Poliovirus tip 2, Hepatitis B, HIV 1, Bacteriophage Staphlococcus, Bacteriophage T2), nấm (Trichophyton mentagrphytes, Aspergilus niger, Candida albicans) và nha bào (Bacillus subtilis, B. anthracis, B. cereus, B. stearothermophilis, Clostridium perfringens, C.sporogenes, C.difficile, Crytosporidium parvum occysts).
- Các dung dịch Anôlít diệt vi sinh vật nhưng không gây tác hại cho các tổ chức tế bào của người và động vật máu nóng khác. Điều này có được là do sự khác biệt về nguyên lý cấu tạo tế bào và điều kiện sống. Các tế bào của động vật bậc cao trong quá trình hoạt động sống cũng tham gia vào các phản ứng ôxy hóa khử, sản sinh và sử dụng có mục đích các chất ôxy hóa hoạt tính cao như ClO2, HClO, 10, 1O2, O3, H2O2, Cl•, HO•, HO•2... tương tự như các chất ôxy hóa có trong thành phần Anôlít. Vì vậy, các tế bào cơ thể bậc cao đã phải tạo ra một hệ thống bảo vệ chống ôxy hóa trong trường hợp cần thiết bằng cách tạo ra một lớp vỏ lipoprotein 3 lớp có chứa các liên kết đôi cho điện tử. Các tế bào vi sinh vật không sản sinh ra các chất nêu trên trong quá trình hoạt động sống và không có lớp vỏ bảo vệ để chống lại tác động của các chất ôxy hóa, nên dung dịch Anôlít là chất cực độc đối với chúng.
Các vi sinh vật không có khả năng “nhờn thuốc” đối với Anôlít, bởi vì các chất ôxy hóa trong dung dịch Anôlít có tính giả bền, thành phần của chúng phụ thuộc vào thời gian. Dưới tác dụng của chúng, giả sử có một vi khuẩn nào đó đã kịp thiết lập được một cơ chế bảo vệ đặc hiệu chống lại thành phần của các tác nhân ôxy hóa đó, thì chủng đó sẽ trở thành mục tiêu tấn công của một thành phần ôxy hóa mới luôn thay đổi trong dung dịch Anôlít.


- Anôlít không làm ô nhiễm môi trường vì sau khi tác dụng, hầu hết các thành phần ôxy hóa trong Anôlít sẽ phân hủy thành những chất vô hại hoặc một phần trong số đó sẽ trở thành các chất ôxy hóa bền vững.
- Các dung dịch Anôlít thân môi trường được sản xuất trên thiết bị HHĐH không đắt tiền, chỉ đòi hỏi một ít muối ăn, nước máy và một lượng điện năng tối thiểu. Ở nước ta để sản xuất một lít dung dịch Anôlít có nồng độ clo hoạt tính 300 mg/lít không quá 220 đồng (tính cả hao mòn thiết bị).
Sản xuất dung dịch HHĐH Anôlít tại Việt Nam
Từ năm 2001 đến nay, Trung tâm Phát triển công nghệ cao và Viện Công nghệ môi trường đã thiết kế chế tạo và sản xuất các thiết bị ECAWA chuyên điều chế các dung dịch HHĐH trên cơ sở chuyển giao công nghệ và nhập các buồng điện hóa FEM-3 của Liên bang Nga. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của thiết bị ECAWA trong chế độ điều chế Anôlít được trình bày trên hình 2.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị ECAWA trong sản xuất Anôlít trung tính như sau: Nước muối (nồng độ 5 g/lít) trước hết được xử lý trong buồng catốt để cho ra sản phẩm có pH 10-11 và chứa các vi bọt khí hydro. Sau khi được tách một phần khí và thải khoảng 20-25% lưu lượng, dung dịch được dẫn trở lại vào buồng anốt để thu nhận Anôlít trung tính ANK. Các thiết bị ECAWA với công suất khác nhau (20-200 lít/giờ) đã được đưa vào áp dụng trong nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội ở nước ta như y tế, chăn nuôi, trồng trọt và chế biến thực phẩm.
Các thông số kỹ thuật của một thiết bị ECAWA công suất 60 lít/giờ do Trung tâm Phát triển công nghệ cao thiết kế chế tạo đạt tiêu chuẩn chất lượng tương đương với thiết bị HHĐH được sản xuất tại Liên bang Nga (xem bảng).