无隔膜式发生装置制备电解离子水的操作条件研究

万阳芳,李慧颖,刘俊果,郝建雄,*,刘海杰

(1.河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018;2.河北科技大学化学与制药工程学院,河北石家庄 050018;3.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

无隔膜式发生装置制备电解离子水的操作条件研究

万阳芳1,李慧颖2,刘俊果1,郝建雄1,*,刘海杰3

(1.河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050018;2.河北科技大学化学与制药工程学院,河北石家庄 050018;3.中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

利用实验室自制的无隔膜型电解离子水发生器,研究了不同操作条件(盐酸浓度、氯化钠浓度、电解电压、电解电流、电解时间和电极板距离)对电解离子水pH和有效氯浓度的影响。实验结果表明:盐酸质量分数(0～0.01701%范围)增大使电解离子水pH降低,对有效氯浓度无明显影响;氯化钠浓度增加或电解电压升高对电解离子水的pH无明显影响,但使有效氯浓度升高;电解电流对电解离子水的pH和有效率均无显著影响;电解时间越长,电解离子水的pH和有效氯浓度越高;电极板距离增大会使pH和有效氯浓度降低。为无隔膜型电解离子水发生器的进一步研究和在实际生产中的应用提供了技术支持。

电解离子水,pH,有效氯,无隔膜制备

电解离子水(Electrolyzed water),又称电生功能水,是通过电解稀电解质溶液得到的具有特殊理化性质的功能性水,其在医疗[1-2]、食品[3]及农业上的消毒和杀菌效果[4]已经得到公认。当前,在食品工业中电解离子水在果蔬消毒[5-6]、鲜切产品贮藏[7]、水产[8]肉蛋的杀菌[9-10]、农药残留[11]和污染物降解[12]以及芽苗菜促生长[13-14]等领域均有相关报道。

尽管有很多电解离子水应用方面的相关报道,但是对于其制备过程的研究相对较少。目前来看,电解离子水较为重要的制备方式有两种:一是传统的隔膜式生产[3,11],二是新型的无隔膜式生产。利用隔膜式发生器制备电解离子水,通常以氯化钠、氯化钾等为电解质,可制得强酸性电解水。但是,隔膜式发生器电解槽中隔膜成本较高,并且易堵塞易被污染,使用寿命较短,需要定期更换才能保证制备的电解离子水的各项指标。强酸性电解水pH较低,有效氯使用浓度较高且易于损失,因此逐渐被新型的微酸性电解水取代。采用无隔膜式制备装置生产电解离子水,主要有两种方式[5-6]:一是直接电解浓盐酸后稀释使用,二是电解稀盐酸和氯化钠的混合溶液。但是使用盐酸作为电解质不利于操作安全,且稀释过程对环境和使用者也会造成一定的副作用,在实际生产中推广应用会有一定的难度。因此利用稀盐酸和氯化钠混合溶液作为电解质进行无隔膜式电解离子水的发生日趋受到重视。该方法组成简单易于操作,装置生产成本较低,不用考虑隔膜更换问题。

本研究利用实验室自制的无隔膜式电解离子水发生器,以盐酸和氯化钠为电解质,考察了盐酸浓度、氯化钠浓度、电解电流、电解时间和电极板距离对电解离子水理化指标的影响,以期为电解离子水的制备新途径提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

去离子水(纯水机制备);氯化钠、硫代硫酸钠、碘化钾、可溶性淀粉、冰乙酸 均为分析纯,天津市永大化学试剂有限公司;36%浓盐酸 天津市富宇精细化工有限公司。

1.2 仪器与设备

AR1140型电子天平 上海梅特勒-托利多仪器有限公司;400G-SA纯水机 浙江慈溪电器科技有限公司;PHS-3C型精密pH计 上海仪电科学仪器股份有限公司;实验室自制可调式电解水发生器 主要由电源、电极板和电解槽组成。

1.3 实验方法

采用实验室自制可调式电解水发生器来制备电解离子水。制备好的电解离子水直接用于理化指标测定。

实验中制备电解离子水时,加入的溶质为氯化钠和盐酸,相应计算公式如下:

氯化钠质量分数:

ωNaCl=mNaCl/(mNaCl+mH2O);

盐酸质量分数:

ω(HCl)=ρωv/(mH2O+ρωv);

式中:ρ:36%浓盐酸的密度,1.19g/cm3(20℃);ω:浓盐酸的初始质量分数,36%;v:制备电解离子水时加入浓盐酸的体积,mL。

1.3.1 盐酸添加量对电解离子水指标的影响 选取氯化钠质量分数为0.3%,电解电压为12V,电解电流为1A,电极板距离为3cm,电解时间为3、5、10min时,电解溶液中分别添加浓盐酸体积为1.0、0.8、0.4、0.2、0mL进行实验。

1.3.2 氯化钠浓度对电解离子水指标的影响 选取电解电压为12V,电解电流为1A,电解时间为3min,电极板距离为3cm,电解溶液中分别添加盐酸1.0、0.8、0.4、0.2、0mL,调整氯化钠浓度分别为0.2%、0.3%、0.5%进行实验。

1.3.3 电解电压对电解离子水指标的影响 选取氯化钠质量分数为0.3%,电解电流为1A,电解时间为3min,电极板距离为3cm,电解溶液中分别添加盐酸1.0、0.8、0.4、0.2、0mL,调整电解电压分别为12、24V进行实验。

1.3.4 电解电流对电解离子水指标的影响 选取氯化钠质量分数为0.3%,电解电压为12V,电解时间为3min,电极板距离为3cm,电解溶液中分别添加盐酸1.0、0.8、0.4、0.2、0mL,调整电解电流分别为1、5、10A进行实验。

1.3.5 电解时间对电解离子水指标的影响 选取盐酸添加量为0.4mL,氯化钠质量分数为0.3%,电解电压为12V,电极板距离为3cm,电解电流为1、5、10A,调整电解时间分别为3、5、10、15min时进行实验。

1.3.6 电极板距离对电解离子水指标的影响 选取盐酸添加量为0.2mL,氯化钠质量分数为0.3%,电解电压为12V,电解电流为1A,电解时间分别为3、5、10、15min,调整电极板距离至3、8、15cm进行实验。

电解离子水的有效氯浓度检测采用碘量法[15],pH采用用pH计直接测定。实验重复测定3次,结果用平均值表示,处理间的平均数比较用Origin8.0统计软件中的ANOVA法,最小差异显著性水平为5%。

2 结果与分析

2.1 盐酸添加量对电解离子水指标的影响

电解时间分别为3、5、10min时,对盐酸添加量与酸性电解离子水的pH、有效氯浓度的关系进行研究,结果如图1所示。从A图可以看出,随着盐酸添加量的增加,酸性电解离子水的有效氯浓度在一定范围内波动,没有明显的有规律性变化。可能是因为盐酸在该浓度范围内还不足以影响到电解离子水的有效氯浓度。

从B图中可以看出,随着盐酸添加量的增加,酸性电解离子水的pH一直降低,经计算,盐酸质量分数在0～0.00857%范围内,pH下降趋势较明显(p<0.05),在0.00857%～0.01701%范围内下降较缓慢。这是因为:在一定的电解条件下,产生氢气的量是一定的,随着盐酸浓度的增大,氢离子浓度增大,最后留在微酸电解水里的氢离子越多,pH越低。

图1 盐酸添加量与电解离子水理化指标的关系曲线Fig.1 Curves of the amount of hydrochloric acid and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.2 氯化钠浓度对电解离子水指标的影响

在盐酸质量分数为0～0.01701%时,对氯化钠浓度与电解离子水pH、有效氯浓度的关系进行研究,结果如图2所示。从A图中可以看到,电解离子水的有效氯浓度随着氯化钠浓度的增加而增大。氯化钠在溶液中提供氯离子,使酸性电解离子水中的Cl-、ClO-增多,使有效氯浓度升高。

从B图可以看出,随着氯化钠质量分数的增加,电解离子水的pH稍有波动。氯化钠是含有氯离子的盐类,不为电解溶液提供氢离子,在电解反应中,不会对pH有很明显的影响(p>0.05)。

图2 氯化钠浓度与电解离子水指标的关系曲线Fig.2 Curves of concentration of sodium and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.3 电解电压对电解离子水指标的影响

在盐酸质量分数为0～0.01701%时,对电解电压与电解离子水的pH、有效氯浓度的关系进行研究,结果如图3所示。从A图中可以看到,电压升高时,有效氯浓度增加(p<0.05)。可能是因为:在电极板表面积一定的情况下,增大电压,使电解强度加大,阳极产生氯气增多,盐酸和次氯酸的生成量也增多,从而使有效氯浓度增大。

从B图可以看出,随着电压的升高,酸性电解离子水的pH稍有波动。可能是因为:电压的增加可以加强电解电场,使阳极产生氢离子的速率和阴极产生氢气的速率相等,故对电解后溶液的pH的影响不大(p>0.05)。

图3 电解电压与电解离子水指标的关系曲线Fig.3 Curves of electrolysis voltage and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.4 电解电流对电解离子水指标的影响

在盐酸质量分数为0～0.01701%时,对电解电流与电解离子水的pH、有效氯浓度的关系进行研究,结果如图4所示。从A图中可以看到,电解电流对酸性电解离子水的有效氯浓度没有规律性的影响。从B图可以看出,随着电流的升高,酸性电解离子水的pH稍有波动。电流的增加可以加强电场,但是不会对溶液中氢离子有明显影响(p>0.05),故对电解后溶液的pH的影响不大。

图4 电解电流与电解离子水指标的关系曲线Fig.4 Curves of electrolysis current and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.5 电解时间对酸性电解离子水指标的影响

在电解电流分别为1、5、10A时,对电解时间与电解离子水的pH、有效氯浓度的关系进行研究,结果如图5所示。从A图中可以看到,电解离子水的有效氯浓度随着电解时间的延长逐渐升高(p<0.05)。随着电解时间的延长,在阳极生成氧气和氢离子以及氯气,生成的氯气与水反应生成次氯酸和盐酸增多,溶液的有效氯浓度升高。随着电解时间进一步延长,猜想在保持原电解条件不变的情况下,有效氯浓度增加的速率会逐渐降低,浓度最后达到某一定值。

从B图可以看到,酸性电解离子水的pH随着电解时间的延长逐渐升高(p<0.05)。随着电解时间的延长,阴极不断产生H2,使溶液中OH-增多,pH不断升高。在3～5min时间段,pH升高的速率要比1～3min和5～10min时间段pH升高的速率大。

图5 电解时间与电解离子水指标的关系曲线Fig.5 Curves of electrolysis time and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.6 电极板距离对微酸性电解离子水指标的影响

在电解时间分别为3、5、10、15min时,对电极板距离与电解离子水的pH、有效氯浓度的关系进行研究,结果如图6所示。从A图中可以看到,电解离子水的有效氯浓度随着电极板距离的增大而逐渐降低(p<0.05)。可能是因为:随着电极板距离的增大,在阳极生成盐酸和次氯酸的反应减慢,故有效氯浓度降低。

从B图中可以看到,电解离子水的pH随着电极板距离的增大而逐渐降低(p<0.05)。可能是因为:随着电极板距离的增大,电解槽中的反应都会减慢,也阻碍了在阳极产生的电子迁移到阴极生成氢气的反应,故氢离子会相对增多,使pH降低。

图6 电极板距离与电解离子水的关系曲线Fig.6 Curves of electrode plate distance and physicochemical indexes of electrolyzed water

3 结论

本实验利用实验室自制的无隔膜型电解离子水发生器,研究了盐酸浓度、氯化钠浓度、电解电压、电解电流、电解时间以及电极板距离对电解离子水pH和有效氯浓度的影响。实验结果表明:氯化钠浓度、电解电压、电解时间和电极板距离均会影响有效氯浓度,增加氯化钠浓度、升高电解电压、延长电解时间或减小电极板距离均会使有效氯浓度增加;增大盐酸质量分数(0～0.01701%范围内)、减少电解时间、增大电极板距离会降低电解离子水pH。

本研究通过对无隔膜型发生器制备电解离子水操作条件的考察,明确了制备不同指标电解离子水的控制条件和一般规律,可为后续无隔膜型电解离子水发生器的进一步研究和在实际生产中的应用提供了技术支持。

[1]Jing H,Jingui C. Application of Oxidized Electrolytic Water in Operation Room[J]. Chinese Journal of Nosoconmiology,2005,15(1):55-56.

[2]Runhua L,Lixia W,Shunwan Z,etal. Study on the effect of preoperative wiping vagina by using electrolyed oxidation water[J]. Nanfang Journal of Nursing,2004,11(9):5-6.

[3]Huang Y R,Hung Y C,Hsu S Y,etal. Application of electrolyzed water in the food industry[J]. Food Control,2008,19(4):329-345.

[4]Al-Haq MI,Sugiyama J,Isobe S. Applications of electrolyzed water in agriculture & food industries[J]. Food Science and Technology Research,2005,11(2):135-150.

[5]Issa-Zacharia A,Kamitani Y,Miwa N,etal. Application of slightly acidic electrolyzed water as a potential non-thermal foodsanitizer for decontamination of fresh ready-to-eat vegetables and sprouts[J]. Food Control,2011,22(3-4):601-607.

[6]Koide S,Shitanda D,Note M,etal. Effects of mildly heated,slightly acidic electrolyzed water on the disinfection and physicochemical properties of sliced carrot[J]. Food Control,2011,22(3-4):452-456.

[7]Janxiong H,Haijie L,Rui L,etal. Efficicy of Slightly acidic electrolyzed water(SAEW)for Reducing Microbial Contamination on fresh-cut cilantro[J]. Journal of Food Safety,2011:7.

[8]Xie J,Sun X,Pan Y,Zhao Y. Combining basic electrolyzed water pretreatment and mild heat greatly enhanced the efficacy of acidic electrolyzed water against Vibrio parahaemolyticus on shrimp[J]. Food Control,2012,23(2):320-324.

[9]Cao W,Zhu Z W,Shi Z X,etal. Efficiency of slightly acidic electrolyzed water for inactivation of Salmonella enteritidis and its contaminated shell eggs[J]. International Journal of Food Microbiology,2009,130(2):88-93.

[10]Dana Jirotkova MS,Nadezda K,Vaclav P,etal. Use of electrolyed water in animal production[J]. Journal of Microbiology,Biotechnology and Food Sciences,2012,2(2):477-483.

[11]Jianxiong Hao,Dalai WY,Haijie L,etal.Reduction of Pesticide Residues on Fresh Vegetables with Electrolyzed Water Treatment[J]. Journal of Food Science,2011,76:5.

[12]Zhang Q,Xiong K,Tatsumi E,etal. Elimination of aflatoxin B1 in peanuts by acidic electrolyzed oxidizing water[J]. Food Control,2012,27(1):16-20.

[13]Rui L,Jianxiong H,Haijie L,etal. Application of electrolyzed functional water on producing mung bean sprouts[J].Food Control,2011,22(8):1311-1315.

[14]Liu R,He X,Shi J,etal. The effect of electrolyzed water on decontamination,germination and γ-aminobutyric acid accumulation of brown rice[J]. Food Control,2013,33(1):1-5.

[15]张铁垣. 化验员手册[M]. 北京:中国电力出版社;1996.

Study on the preparation of electrolyzed water with no-membrane generating device

WAN Yang-fang1,LI Hui-ying2,LIU Jun-guo1,HAO Jian-xiong1,*,LIU Hai-jie3

(1.College of Bioscience and Enginering,Hebei University of Science and Ttechnology,Shijiazhuang 050018,China;2.College of Chemical and Pharmaceutical Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang 050018,China;3.Colldge of Food Science and Nutrition Enginering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

The effects of different operating conditions(concentration of hydrochloric acid,sodium chloride concentration,electrolysis voltage,electrolysis current,electrolysis time and the distance between electrode plates)on the pH and available chlorine concentration of acidic electrolyzed water were investigated with the laboratory-made electrolyzed water generator. The results showed that pH decreased with the increase of the concentration of hydrochloric acid(concentration in the range of 0～0.01701%)which had no significant effect on available chlorine concentration. Moreover,the increase of the concentration of sodium chloride or electrolysis voltage had no significant effect on the pH,but increased the available chlorine concentration. Electrolytic current had no significant influence on the pH and available chlorine concentration. In addition,with the extension of the electrolysis time,pH and the available chlorine concentration grew and the increase of the distance between electrode plates made the pH and available chlorine concentration decreased. This experiment provided actual production technical support for the non-membrane-type electrolyzed water generator in further research and application.

electrolyzed water;pH;available chlorine;no-membrane generating

2014-03-24

万阳芳(1989-)，女，硕士研究生，研究方向：食品加工新技术。

*通讯作者:郝建雄(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：农产品贮藏与加工。

科技部十二五支撑计划项目(2012BAD29B04-1)；国家自然基金项目(31301571)；河北省自然基金项目(C2013208163)。

TS251.1

A

1002-0306(2015)01-0101-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.013