Электролиз и получение электроактивированной воды

электролиз водный раствор термодинамические Электроактивация водных растворов основана на явлении, называемом электролизом [3, 55]. Когда водный раствор подвергается воздействию внешнего электрического поля, заряженные ионы мигрируют в сторону электродов противоположного заряда. При электролизе имеют место два химических явления — окисление (процесс отдачи электронов) и восстановление (процесс присоединения электронов). В воде или любом водном растворе электрохимические реакции, протекающие на отрицательном электроде, называемом «катод», приводят к переносу электронов (е-) от катода на положительно заряженные ионы. Примером этому является водородный катион, который при восстановлении переходит в форму газообразного водорода (H₂ (g)).

Катод (восстановление):

• 2H⁺ +2е- > H₂ (g)
• 2H₂O (l) + 2е-> H₂ + 2OH^- (aq)

На положительно заряженном электроде, называемом «анод», происходят реакции окисления. В этом случае к нему мигрируют отрицательные ионы. Простым примером является отрицательно заряженный кислород молекулы воды. Миграция иона кислорода и его окисление анодом приводят к образованию газообразного кислорода (O₂ (g)) согласно приведенным ниже реакциям.

Анод (окисление):

• 2H₂O (l) > O₂ (g)
• 4OH- (aq)>O₂ (g) + 2H₂O (l) + 4e-.

В присутствии только электрически нейтральных и диссоциированных молекул воды, в окислительно-восстановительных реакциях электролиза участвующие участвуют ионы H⁺ и OH-, и количество выделяемых молекул водорода в два раза выше, чем молекул кислорода. Поэтому при одинаковых для обоих газов температуре и давлении объем газообразного водорода вдвое больше объема произведенного газообразного кислорода.

Разложение чистой воды на водород и кислород, происходящее при нормальной температуре и давлении, термодинамически невыгодно. Электролиз происходит за счет подводимой энергии постоянного тока и энергии, выделяющейся при химических превращениях на электроде.

Анод (окисление): 2H₂O (l)>O₂(g) + 4H⁺ (aq) + 4 eE^o_ox = 1, 23 В Катод (восстановление): 2H⁺ (aq) + 2 e-> H₂ (g) E^o_red = 0, 00 В Согласно уравнению Нернста, стандартный потенциал электролиза воды равен 1, 23 В при температуре 25 °C и pH 0 (молярная концентрация H⁺ = 1 M). Таким же он будет при температуре 25 °C и pH 7 (молярная концентрация H⁺ = 1Ч10-⁷ М). В таких условиях свободная энергия Гиббса для электролиза воды больше нуля. Это можно показать с помощью следующего уравнения:

G = - nFE,.

где n — число молей электронов, F — постоянная Фарадея.

Таким образом, эта реакция невозможна без введения из вне энергии. Ее источником при электролизе является приложенное внешнее электрическое поле E. Так как электроактивация воды сравнительно новый подход в науке, то термодинамика этого процесса еще до конца не изучена [57].

Создание любого электроактиватора с технической точки зрения — задача непростая. Это объясняется очень высокой интенсивностью электрофизических воздействий на молекулы воды, происходящих преимущественно в двойном электрическом слое на границе раздела электрод/раствор (в непосредственной близости от поверхности электрода). В этом слое интенсивность локального электрическое поля достигает сотен тысяч вольт на сантиметр, что значительно превышает его среднее значение в электроактивируемом растворе. У границ анода и катода двойной электрический слой в низко концентрированных растворах крайне тонкий, и с увеличением концентрации электролита его толщина уменьшается, Поэтому электроактиватор должен быть спроектирован таким образом, чтобы обеспечить максимальную обработку микрообъемов воды, находящихся в непосредственной близости к границе раздела электрод/раствор.

Качество электроактивированного водного раствора зависит и от ряда физических факторов, таких как температура, скорость протока раствора через электроактиватор и концентрация в нем электролитов [45]. На его физико-химические и антибактериальные свойства также влияют условия хранения ЭХА растворов [44].