無隔膜式發生裝置制備電解離子水的操作條件研究

萬陽芳,李慧穎,劉俊果,郝建雄,*,劉海杰

(1.河北科技大學生物科學與工程學院,河北石家莊 050018;2.河北科技大學化學與制藥工程學院,河北石家莊 050018;3.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

無隔膜式發生裝置制備電解離子水的操作條件研究

萬陽芳1,李慧穎2,劉俊果1,郝建雄1,*,劉海杰3

(1.河北科技大學生物科學與工程學院,河北石家莊 050018;2.河北科技大學化學與制藥工程學院,河北石家莊 050018;3.中國農業大學食品科學與營養工程學院,北京 100083)

利用實驗室自制的無隔膜型電解離子水發生器,研究了不同操作條件(鹽酸濃度、氯化鈉濃度、電解電壓、電解電流、電解時間和電極板距離)對電解離子水pH和有效氯濃度的影響。實驗結果表明:鹽酸質量分數(0～0.01701%范圍)增大使電解離子水pH降低,對有效氯濃度無明顯影響;氯化鈉濃度增加或電解電壓升高對電解離子水的pH無明顯影響,但使有效氯濃度升高;電解電流對電解離子水的pH和有效率均無顯著影響;電解時間越長,電解離子水的pH和有效氯濃度越高;電極板距離增大會使pH和有效氯濃度降低。為無隔膜型電解離子水發生器的進一步研究和在實際生產中的應用提供了技術支持。

電解離子水,pH,有效氯,無隔膜制備

電解離子水(Electrolyzed water),又稱電生功能水,是通過電解稀電解質溶液得到的具有特殊理化性質的功能性水,其在醫療[1-2]、食品[3]及農業上的消毒和殺菌效果[4]已經得到公認。當前,在食品工業中電解離子水在果蔬消毒[5-6]、鮮切產品貯藏[7]、水產[8]肉蛋的殺菌[9-10]、農藥殘留[11]和污染物降解[12]以及芽苗菜促生長[13-14]等領域均有相關報道。

盡管有很多電解離子水應用方面的相關報道,但是對于其制備過程的研究相對較少。目前來看,電解離子水較為重要的制備方式有兩種:一是傳統的隔膜式生產[3,11],二是新型的無隔膜式生產。利用隔膜式發生器制備電解離子水,通常以氯化鈉、氯化鉀等為電解質,可制得強酸性電解水。但是,隔膜式發生器電解槽中隔膜成本較高,并且易堵塞易被污染,使用壽命較短,需要定期更換才能保證制備的電解離子水的各項指標。強酸性電解水pH較低,有效氯使用濃度較高且易于損失,因此逐漸被新型的微酸性電解水取代。采用無隔膜式制備裝置生產電解離子水,主要有兩種方式[5-6]:一是直接電解濃鹽酸后稀釋使用,二是電解稀鹽酸和氯化鈉的混合溶液。但是使用鹽酸作為電解質不利于操作安全,且稀釋過程對環境和使用者也會造成一定的副作用,在實際生產中推廣應用會有一定的難度。因此利用稀鹽酸和氯化鈉混合溶液作為電解質進行無隔膜式電解離子水的發生日趨受到重視。該方法組成簡單易于操作,裝置生產成本較低,不用考慮隔膜更換問題。

本研究利用實驗室自制的無隔膜式電解離子水發生器,以鹽酸和氯化鈉為電解質,考察了鹽酸濃度、氯化鈉濃度、電解電流、電解時間和電極板距離對電解離子水理化指標的影響,以期為電解離子水的制備新途徑提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

去離子水(純水機制備);氯化鈉、硫代硫酸鈉、碘化鉀、可溶性淀粉、冰乙酸 均為分析純,天津市永大化學試劑有限公司;36%濃鹽酸 天津市富宇精細化工有限公司。

1.2 儀器與設備

AR1140型電子天平 上海梅特勒-托利多儀器有限公司;400G-SA純水機 浙江慈溪電器科技有限公司;PHS-3C型精密pH計 上海儀電科學儀器股份有限公司;實驗室自制可調式電解水發生器 主要由電源、電極板和電解槽組成。

1.3 實驗方法

采用實驗室自制可調式電解水發生器來制備電解離子水。制備好的電解離子水直接用于理化指標測定。

實驗中制備電解離子水時,加入的溶質為氯化鈉和鹽酸,相應計算公式如下:

氯化鈉質量分數:

ωNaCl=mNaCl/(mNaCl+mH2O);

鹽酸質量分數:

ω(HCl)=ρωv/(mH2O+ρωv);

式中:ρ:36%濃鹽酸的密度,1.19g/cm3(20℃);ω:濃鹽酸的初始質量分數,36%;v:制備電解離子水時加入濃鹽酸的體積,mL。

1.3.1 鹽酸添加量對電解離子水指標的影響 選取氯化鈉質量分數為0.3%,電解電壓為12V,電解電流為1A,電極板距離為3cm,電解時間為3、5、10min時,電解溶液中分別添加濃鹽酸體積為1.0、0.8、0.4、0.2、0mL進行實驗。

1.3.2 氯化鈉濃度對電解離子水指標的影響 選取電解電壓為12V,電解電流為1A,電解時間為3min,電極板距離為3cm,電解溶液中分別添加鹽酸1.0、0.8、0.4、0.2、0mL,調整氯化鈉濃度分別為0.2%、0.3%、0.5%進行實驗。

1.3.3 電解電壓對電解離子水指標的影響 選取氯化鈉質量分數為0.3%,電解電流為1A,電解時間為3min,電極板距離為3cm,電解溶液中分別添加鹽酸1.0、0.8、0.4、0.2、0mL,調整電解電壓分別為12、24V進行實驗。

1.3.4 電解電流對電解離子水指標的影響 選取氯化鈉質量分數為0.3%,電解電壓為12V,電解時間為3min,電極板距離為3cm,電解溶液中分別添加鹽酸1.0、0.8、0.4、0.2、0mL,調整電解電流分別為1、5、10A進行實驗。

1.3.5 電解時間對電解離子水指標的影響 選取鹽酸添加量為0.4mL,氯化鈉質量分數為0.3%,電解電壓為12V,電極板距離為3cm,電解電流為1、5、10A,調整電解時間分別為3、5、10、15min時進行實驗。

1.3.6 電極板距離對電解離子水指標的影響 選取鹽酸添加量為0.2mL,氯化鈉質量分數為0.3%,電解電壓為12V,電解電流為1A,電解時間分別為3、5、10、15min,調整電極板距離至3、8、15cm進行實驗。

電解離子水的有效氯濃度檢測采用碘量法[15],pH采用用pH計直接測定。實驗重復測定3次,結果用平均值表示,處理間的平均數比較用Origin8.0統計軟件中的ANOVA法,最小差異顯著性水平為5%。

2 結果與分析

2.1 鹽酸添加量對電解離子水指標的影響

電解時間分別為3、5、10min時,對鹽酸添加量與酸性電解離子水的pH、有效氯濃度的關系進行研究,結果如圖1所示。從A圖可以看出,隨著鹽酸添加量的增加,酸性電解離子水的有效氯濃度在一定范圍內波動,沒有明顯的有規律性變化。可能是因為鹽酸在該濃度范圍內還不足以影響到電解離子水的有效氯濃度。

從B圖中可以看出,隨著鹽酸添加量的增加,酸性電解離子水的pH一直降低,經計算,鹽酸質量分數在0～0.00857%范圍內,pH下降趨勢較明顯(p<0.05),在0.00857%～0.01701%范圍內下降較緩慢。這是因為:在一定的電解條件下,產生氫氣的量是一定的,隨著鹽酸濃度的增大,氫離子濃度增大,最后留在微酸電解水里的氫離子越多,pH越低。

圖1 鹽酸添加量與電解離子水理化指標的關系曲線Fig.1 Curves of the amount of hydrochloric acid and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.2 氯化鈉濃度對電解離子水指標的影響

在鹽酸質量分數為0～0.01701%時,對氯化鈉濃度與電解離子水pH、有效氯濃度的關系進行研究,結果如圖2所示。從A圖中可以看到,電解離子水的有效氯濃度隨著氯化鈉濃度的增加而增大。氯化鈉在溶液中提供氯離子,使酸性電解離子水中的Cl-、ClO-增多,使有效氯濃度升高。

從B圖可以看出,隨著氯化鈉質量分數的增加,電解離子水的pH稍有波動。氯化鈉是含有氯離子的鹽類,不為電解溶液提供氫離子,在電解反應中,不會對pH有很明顯的影響(p>0.05)。

圖2 氯化鈉濃度與電解離子水指標的關系曲線Fig.2 Curves of concentration of sodium and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.3 電解電壓對電解離子水指標的影響

在鹽酸質量分數為0～0.01701%時,對電解電壓與電解離子水的pH、有效氯濃度的關系進行研究,結果如圖3所示。從A圖中可以看到,電壓升高時,有效氯濃度增加(p<0.05)。可能是因為:在電極板表面積一定的情況下,增大電壓,使電解強度加大,陽極產生氯氣增多,鹽酸和次氯酸的生成量也增多,從而使有效氯濃度增大。

從B圖可以看出,隨著電壓的升高,酸性電解離子水的pH稍有波動。可能是因為:電壓的增加可以加強電解電場,使陽極產生氫離子的速率和陰極產生氫氣的速率相等,故對電解后溶液的pH的影響不大(p>0.05)。

圖3 電解電壓與電解離子水指標的關系曲線Fig.3 Curves of electrolysis voltage and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.4 電解電流對電解離子水指標的影響

在鹽酸質量分數為0～0.01701%時,對電解電流與電解離子水的pH、有效氯濃度的關系進行研究,結果如圖4所示。從A圖中可以看到,電解電流對酸性電解離子水的有效氯濃度沒有規律性的影響。從B圖可以看出,隨著電流的升高,酸性電解離子水的pH稍有波動。電流的增加可以加強電場,但是不會對溶液中氫離子有明顯影響(p>0.05),故對電解后溶液的pH的影響不大。

圖4 電解電流與電解離子水指標的關系曲線Fig.4 Curves of electrolysis current and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.5 電解時間對酸性電解離子水指標的影響

在電解電流分別為1、5、10A時,對電解時間與電解離子水的pH、有效氯濃度的關系進行研究,結果如圖5所示。從A圖中可以看到,電解離子水的有效氯濃度隨著電解時間的延長逐漸升高(p<0.05)。隨著電解時間的延長,在陽極生成氧氣和氫離子以及氯氣,生成的氯氣與水反應生成次氯酸和鹽酸增多,溶液的有效氯濃度升高。隨著電解時間進一步延長,猜想在保持原電解條件不變的情況下,有效氯濃度增加的速率會逐漸降低,濃度最后達到某一定值。

從B圖可以看到,酸性電解離子水的pH隨著電解時間的延長逐漸升高(p<0.05)。隨著電解時間的延長,陰極不斷產生H2,使溶液中OH-增多,pH不斷升高。在3～5min時間段,pH升高的速率要比1～3min和5～10min時間段pH升高的速率大。

圖5 電解時間與電解離子水指標的關系曲線Fig.5 Curves of electrolysis time and physicochemical indexes of electrolyzed water

2.6 電極板距離對微酸性電解離子水指標的影響

在電解時間分別為3、5、10、15min時,對電極板距離與電解離子水的pH、有效氯濃度的關系進行研究,結果如圖6所示。從A圖中可以看到,電解離子水的有效氯濃度隨著電極板距離的增大而逐漸降低(p<0.05)。可能是因為:隨著電極板距離的增大,在陽極生成鹽酸和次氯酸的反應減慢,故有效氯濃度降低。

從B圖中可以看到,電解離子水的pH隨著電極板距離的增大而逐漸降低(p<0.05)。可能是因為:隨著電極板距離的增大,電解槽中的反應都會減慢,也阻礙了在陽極產生的電子遷移到陰極生成氫氣的反應,故氫離子會相對增多,使pH降低。

圖6 電極板距離與電解離子水的關系曲線Fig.6 Curves of electrode plate distance and physicochemical indexes of electrolyzed water

3 結論

本實驗利用實驗室自制的無隔膜型電解離子水發生器,研究了鹽酸濃度、氯化鈉濃度、電解電壓、電解電流、電解時間以及電極板距離對電解離子水pH和有效氯濃度的影響。實驗結果表明:氯化鈉濃度、電解電壓、電解時間和電極板距離均會影響有效氯濃度,增加氯化鈉濃度、升高電解電壓、延長電解時間或減小電極板距離均會使有效氯濃度增加;增大鹽酸質量分數(0～0.01701%范圍內)、減少電解時間、增大電極板距離會降低電解離子水pH。

本研究通過對無隔膜型發生器制備電解離子水操作條件的考察,明確了制備不同指標電解離子水的控制條件和一般規律,可為后續無隔膜型電解離子水發生器的進一步研究和在實際生產中的應用提供了技術支持。

[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]張鐵垣. 化驗員手冊[M]. 北京:中國電力出版社;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

萬陽芳(1989-)，女，碩士研究生，研究方向：食品加工新技術。

*通訊作者:郝建雄(1979-)，男，博士，副教授，研究方向：農產品貯藏與加工。

科技部十二五支撐計劃項目(2012BAD29B04-1)；國家自然基金項目(31301571)；河北省自然基金項目(C2013208163)。

TS251.1

A

1002-0306(2015)01-0101-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.01.013