A fertőtlenítés jövője – eKLEAN

A vegyiparban és a gyártásban az elektrolízis olyan módszer, amely közvetlen elektromos áramot (DC) használ fel az egyébként spontán nem bekövetkező kémiai reakciók megvalósítására.

Az elektrolízis kereskedelmi szempontból azért fontos, mert szerepe van az elemeknek a természetben előforduló forrásaiktól való elválasztásában. A nátrium-klorid (NaCl) és a víz (H2O) elektrolízise felhasználható hipoklórossav előállítására. Az elektrolízis technológiát Michael Faraday írta le először, amikor az 1830-as években kidolgozta az elektrolízis törvényét. Elektromos áram vezetése két elektródon keresztül egy sóoldatban klórgázt, nátrium-hipokloritot (fehérítőt vagy NaOCl-t), hipoklórossavat, nátrium-hidroxidot, hidrogén-gázt, ózont és más keletkező oxidánsok nyomait eredményezheti.

Az elektrolízis kulcsfontosságú folyamata az atomok és az ionok cseréje az elektronok eltávolításával vagy hozzáadásával a külső áramkörből. Elektromos potenciált alkalmaznak az elektrolitba merített elektródpárokra. Minden elektróda vonzza az ellenkező töltésű ionokat. A pozitív töltésű ionok (kationok) az elektron-ellátó (negatív) katód felé mozognak. A negatív töltésű ionok (anionok) az elektronkivonó (pozitív) anód felé mozognak. A kémiában az elektronveszteséget oxidációnak, az elektronnövekedést redukciónak nevezik.

Például a hipoklórossav előállításának első lépése a víz sóoldatának elektrolízise hidrogén és klór előállítására, ahol a keletkezett termékek gázneműek lesznek. Ezek a gázok az elektrolitból buborékok formájában válnak ki, és gyűlnek össze.

Az ioncserélő membrán egy olyan polimerből készül, amely csak a pozitív ionokat engedi átmenni rajta. Ez azt jelenti, hogy a nátrium-klorid-oldat egyetlen nátrium-ionja átjuthat a membránon, és a klorid-ionok nem. Ennek előnye az, hogy a jobb oldali rekeszben képződő nátrium-hidroxid-oldat soha nem szennyeződik semmilyen nátrium-klorid-oldattal. Az alkalmazott nátrium-klorid-oldatnak tisztának kell lennie. Ha más fémionokat tartalmazna, akkor ezek átjutnának a membránon, és ezzel szennyeznék a nátrium-hidroxid oldatot.

A katódon hidrogén képződik:
2H + (aq) + 2e- → H2 (g)

A katódon nátrium-hidroxid képződik:
Na + (aq) + OH- (aq) → NaOH (aq)

Klór képződik az anódon:
2Cl- (aq) – 2e- → Cl2 (g)

A reakció miatt némi oxigénnel szennyezett:
4OH- (aq) – 4e- → 2H2O (l) + O2 (g)

Klór hozzáadása vízhez egyaránt sósavat (HCl) és hipoklóros savat (HOCl) eredményez:
Cl2(g) + H2O ⇌ HOCl (aq) + HCl (aq)
Cl2 (g) + 4 OH – ⇌ 2 ClO- (aq) + 2 H2O (l) + 2 e –
Cl2 (g) + 2 e – ⇌ 2 Cl- (aq)

A pH határozza meg a vizes oldatokban jelenlévő szabad klórvegyületeket. Az 5-6 közötti pH-nál a szabad klórvegyületek közel 100%-a hipoklórossav (HOCl). Amint a pH 5 alá esik, Cl2-vé alakul (klórgáz). 6-nál nagyobb pH felett elkezd átalakulni hipoklorit-ionná (OCl-).

A hipoklórossav egy gyenge sav (pH körülbelül 7,5), azaz enyhén eloszlik hidrogén- és hipoklorit-ionokká, amint az az egyenletben látható: HOCl ⇌ H+ + OCl-

A 6,5 és 8,5 közötti pH értéken ez a disszociáció nem teljes, és mind a HOCl, mind az OCl- bizonyos mértékben jelen van. A 6,5 alatti pH-nál nem jön létre a HOCl disszociáció, míg a 8,5 feletti pH értéknél az OCl-re történő teljes disszociáció valósul meg.

Mivel a HOCl csíraölő hatása sokkal magasabb, mint az OCl-, alacsonyabb pH-nál előnyös a klórozás. A hipoklórossav (HOCl) baktériumölő hatásfoka sokkal magasabb, mint a hipoklorit-ioné (OCl-). A klórvegyületek megoszlását a HOCl és OCl- között a pH-érték határozza meg, a fentiekben leírtak szerint.

Mivel a HOCl alacsony pH-n dominál, a klórozás alacsonyabb pH mellett hatékonyabb fertőtlenítést biztosít. Magas pH mellett az OCl- dominál, ami csökkenti a fertőtlenítés hatékonyságát.

A klór rendkívül hatékony fertőtlenítőszer a baktériumok inaktiválásában. Az 1940-es években végzett tanulmány az inaktivációs szinteket az idő függvényében vizsgálta az E. coli, a Pseudomonas aeruginosa, a Salmonella typhi és a Shigella dysenteriae esetében  (Butterfield et al., 1943). A vizsgálati eredmények azt mutatták, hogy a HOCl sokkal hatékonyabb, mint az OCl-, ezen baktériumok inaktiválásában. Ezeket az eredményeket több kutató is megerősítette, akik arra a következtetésre jutottak, hogy a HOCl 70-szer 80-szor hatékonyabb, mint az OCl-, a baktériumok inaktiválásában  (Culp / Wesner / Culp, 1986). 1986 óta több száz publikáció létezik, amelyek megerősítik a HOCl fölényét az OCl- -tal szemben.

A legnagyobb kihívás az volt, hogy hipoklórossavat szinte semleges pH-n tudjanak előállítani klórgáz vagy hipoklorit helyett, és ezt stabil formában tegyék meg. A hipoklórossav meta-stabil molekula. Vissza akar alakulni a sósvízes oldattá, vagy hipoklorittá.

Az egyik legnagyobb előrelépés az egycellás technológia kifejlesztése volt, amelyben a szabad  klór egyetlen áramlásban keletkezik nátrium-hidroxid (NaOH), mint melléktermék nélkül. Ez a technológia a hipoklórossav stabilabb oldatának kifejlesztéséhez vezetett, és lehetővé tette a képződött szabad klór pH-jának jobb ellenőrzését. Mivel a víz pH-ja a forrásától függően az egész világon eltérő, a sóoldat pH-jának megváltoztatása nagyobb ellenőrzést és konzisztenciát tesz lehetővé, az 5 és 7 közötti pH-jú szabad klór tartalmú oldat előállításában, amelyben a hipoklórossav (HOCl) dominál.

Az egycellás elektrolízis kémiája

Anód reakció:
2Cl- (l) → Cl2 (g) + 2e-

Katód reakció:
2H2O (l) + 2e- → H2 (g) + 2OH- (aq)Szabad klór képződés:
Cl2 (g) + H2O → HOCl + HCl
Cl2 (g) + 2OH- (aq) → OCl- (aq) + Cl- (aq) + H2O (l)

A hipoklórossav az egyik leghatékonyabb ismert biocid. A kémiai szerkezete a HOCl. Az emberi immunrendszer állítja elő a behatoló mikrobák elpusztítására és a fertőzések leküzdésére. Az emberi immunrendszerben a fehérvérsejtek hipoklórossavat termelnek klorid-ionokból a mieloperoxidáz által közvetített peroxidáción keresztül. A fehérvérsejtek bocsátják ki ezt a természetes oxidálószert a behatoló kórokozók elpusztítására.

Amikor megsérül az emberi bőr, egy átjáró keletkezik a kórokozók számára amelyen keresztül azok behatolhatnak az emberi szervezetbe. A neutrofilek, amelyek egyfajta fehérvérsejtek, a vérben a seb azon helyére igyekeznek, ahol a kórokozók behatoltak, vagy a fertőzés veszélyezteti az emberi sejteket, a test immunrendszere a kórokozó elpusztításával reagál, mielőtt az károsíthatná a sejtet. A betolakodó kórokozókat a fehérvérsejtek bekebelezik, amit fagocitózisnak nevezünk. Amint elnyeli a kórokozót, a fehérvérsejt oxidálószert, hipoklórossavat bocsát ki. A hipoklórossav egy biocid, amely az érintkezés milliszekundumain belül elpusztítja a mikrobiális kórokozót. Ezt az antimikrobiális folyamatot “Oxidative Burst Pathway”-nek hívják.

A fertőtlenítőszerek és a mikrobiális patogének a mágnesekhez hasonlóan kölcsönhatásba lépnek egymással. Ha találkozik két negatív töltésű mágnes, akkor azok taszítják egymást. A baktériumok és a hipoklorit (OCl-, mint pl. hipó) egyaránt negatív töltésű, és úgy viselkednek, mint két negatív töltésű mágnes, amelyek taszítják egymást. A hipoklórossav (HOCl) semleges töltésű, és a baktériumok nem taszítják azt. A HOCl könnyen áthatol a baktériumok sejtfalán, és erős oxidációs potenciállal elpusztítja azokat.