碱性离子水（饮用型碱性电解水）的基础

机能水研究Vol.2(2),p.65-69.2004.碱性离子水（饮用型碱性电解水）的基础菊地宪次滋贺县...



机能水研究 Vol.2(2),p.65-69.2004.

碱性离子水（饮用型碱性电解水）的基础

菊地宪次

滋贺县立大学工学系材料科学专业

碱性离子水（碱性电解水）是利用碱性离子整水器对自来水进行电解处理后，从阴极一侧获得的水。市面上销售的这种碱性离子整水器具备能防止产生三卤甲烷和过氧化氢的构造，生成水含有比原水更多的阳离子（矿物质），且含有溶解氢。饮用碱性离子水有益身体健康正逐渐得到证实，其中的有效成分可能正是溶解氢。碱性离子水的氧化还原电位主要是由溶解氢和溶解氧的浓度平衡所决定的。

1.前言

自来水的主要来源是湖泊、河流的水，虽然偶发的水质污染已逐渐消失，但对自来水水质的信赖感依然未得到恢复，所以，矿泉水和净水器的需求不断在增长1）。近年来，随着公众保健意识的提高，水对生物的影响开始受到关注，具有健康功效的水得到大家的普遍关心。日本机能水学会从各种各样的水当中，把机能水（即功能水）做了如下定义：“在利用人工手段所得到的具有再现性有益功能的水溶液中，其处理工艺及功能上有明确科学依据的水”2）。其中的代表就是碱性离子水。根据药事法被认证为医疗物质生成装置的碱性离子整水器，对自来水电解以后，从阴极一侧可提供所谓的碱性离子水（碱性电解水）。田代等研究员通过碱性离子水双盲比较临床试验证实，碱性离子水对消化道无病理发现的腹部不适症状是有效的3）〜5）。并且他们指出，饮用pH10以上的碱性离子水可能会极为罕见地出现血中钾浓度升高的现象。而吉川等研究员在研究喝碱性离子水对阿司匹林诱导胃黏膜损伤的大鼠有何影响时发现，在用阿司匹林之前喝了两周时间碱性离子水的大鼠组身上，胃黏膜损伤得到了明显抑制6），7）。还有，早川等研究员发现，大鼠肠内脂肪酸成分出现了变化以及血中过氧化脂质减少了8），9）。系川等研究员发现，碱性离子水促进了大鼠的骨生成10）。高桥等研究员证实了碱性离子水加快了骨中钙的转化，所以骨生成状况得到改善，同时，水中存在的溶解氢会影响细胞分裂速度以及正常细胞因化疗药物所受的损伤有时会轻于癌细胞11），12）。铃木等研究员在给小鼠喝碱性离子水后检测寿命时，首次发现到喝了碱性离子水的小鼠要比没喝的小鼠寿命延长20%～30%  13），14）。这些碱性离子水被证实全都含有溶解氢15），16）。并且还证实了氢气的脂溶度很高17）。花岗等研究员证实了电解生成的碱性电解水的特殊性质18）。尽管碱性离子水的生理活性作用机制还不清楚，但推测与溶解氢有关。特别是因为碱性离子水的还原活性受到的关注，所以常有人用氧化还原电位来议论它。影响碱性离子水的氧化还原电位的主要是溶解氢与溶解氧的浓度平衡以及溶液的pH值。本文将就如何确保碱性离子水的安全性、以及已实现此目标的碱性离子整水器的构造、碱性离子水中的化学成分和氧化还原电位之间的关系进行探讨。

2.碱性离子水的成分组成

为了解碱性离子水中的化学成分与氧化还原电位，必须先对碱性离子水所含有的大量离子、溶解氢和溶解氧有一个基本认识。

2.1
碱性电解水的种类

碱性电解水是指添加乳酸钙、氯化钠或食盐等物质中的碱基，且阳极水与阴极水不得混合，电解方式生成的阴极水。这种碱性电解水的成分，主要依赖于电解槽结构、有无隔膜、电解质种类及其含量多寡。因此，存在很多种类的碱性电解水。具有代表性的碱性电解水如表1所示19）。如表1所示，电解水的功能大体上可分为出于保健目的用于饮用的碱性离子水和用于洗涤目的的强碱性电解水这两类。

2.2
碱性离子水的定义

采用直连自来水龙头式的碱性离子整水器，对添加溶入了乳酸钙等许可食品添加剂的钙剂后的自来水，在有隔膜式的电解槽内进行电解后，从阴极一侧生成的pH8.5〜10的电解水，就是碱性离子水。

碱性离子水的典型成分如表2所示。

碱性离子水

强碱性电解水

碱性电解水

生成装置

碱性离子整水器

强酸性电解水生成器的阴极水

碱性整水器

添加电解质

乳酸钙

食盐（100ppm）

无添加

隔膜

聚酯片等

离子交换膜

离子交换膜

聚四氟乙烯板材等

电流密度/A dm-2

0.4〜0.8

2〜15

2〜15

用途

饮用

可溶性蛋白质及脂质的洗净

乳化油脂、防锈、印制电路板的洗净

pH

8.5〜9.5

约11

约10

主要成分*

氢、钙离子

氢、氯、过氧化氢、三氯甲烷

氢、过氧化氢

*推测  不同装置存在差异[Ca2+]

[Mg2+]

[Na+]

[K+]

[Cl-]

[SO42-]

[H2]

氧化还原电位

pH

mM

mM

mM

mM

mM

mM

mM

mV vs.Ag|AgCl

原水（自来水）

0.35

0.19

0.87

0.03

0.82

0.10

0

320

6.8

碱性离子水

0.58

0.25

1.09

0.04

0.07

0.01

0.80

-620

9.5

2.3
碱性离子水中的阳离子成分

碱性离子水仅是指通过碱性离子整水器（电解装置）获得的水。此电解装置是1膜2室的电解槽。对电解质浓度低的溶液进行电解所得到的碱性离子水的成分在很大程度上会受到电解槽所用隔膜与电极板材料、自来水中的离子类、微量的有机物和溶解氧等因素的影响。由于碱性离子水用于饮用，安全性要求特别严，因此非常重视这些因素对碱性离子水成分的影响。钾离子、钠离子、钙离子、镁离子等矿物质成分，在使用市面销售的碱性离子整水器时，它们在碱性离子水中的浓度要比电解前的原水仅增加约2〜5成左右。这些化学物质的存在对氧化还原电位几乎不构成影响。

2.4
碱性离子水中的三卤甲烷

电解得到的碱性离子水的电极反应方式如下所示：

阳极一侧的电极反应

2H2O=O2+4H++4e-                           （1）

2Cl-=Cl2+2e-                             （2）

Cl2+2H2O=2HOCl+2H++2e-                    （3）

阴极一侧的电极反应

2H2O+2e-=H2+2OH-                         （4）

O2+2H2O+2e-=H2O2+2OH-                     （5）

H2O2+2e-=2OH-                            （6）

用作原水的自来水主要来自于河流湖泊，水中含有天然有机物，这些微量的有机物用活性炭无法完全去除。因此，在上述反应之外，有机物在阳极一侧被电解氧化，会出现引入羟基和醛基的反应。这种阳极水同时也含有原水中的氯离子因氧化而生成的氯气。如果这种含有被氧化了的有机化合物与氯气的阳极水从阳极室渗入到阴极室，那么含有氯气和被氧化了的有机物的阳极水就会转变成碱性。带醇基和醛基的有机物，会产生氯气与卤仿反应而生成三氯甲烷。它的反应速度在碱性条件下放大，所以能在阴极水中发现到三氯甲烷的生成。此反应以下列公式表示：

CH3CHO+3Cl2+4NaOH→CHCl3+HCOONa+3NaCl+3H2O     （7）

表3所示就是阳极水渗入到阴极室时的有机物成分。此时在阳极水中存在带有醛基的有机化合物（乙醛），在阴极水中能确认到存在三氯甲烷20）。

表4所示乃是阳极水没有渗入到阴极室时的有机物成分。此时阳极水中虽有乙醛，但在阴极水中却检不出三氯甲烷。

市售碱性离子整水器，杜绝了电渗透造成的电解水从阳极室向阴极室的渗入现象，是按照能防止三卤甲烷生成的构造要求而生产的。具备这一构造的电解装置仅仅只有碱性离子整水器。亦即，如非使用具备这种构造的装置电解出来的水，是不适合饮用的。

2.5 碱性离子水中的过氧化氢

原水中的溶解氧在阴极一侧经（5）、（6）两级反应后变成氢氧离子。碱性离子整水器采用的电极材料是表面镀了铂金的钛板。一般情况下使用铂金电极时，紧接在（5）反应后发生的（6）反应速度极快，因此基本不会生成过氧化氢。但即使是铂金，若在丝网状结构下电解生成物能从电极表面迅速脱离时，则可以检测到过氧化氢。碱性离子整水器以镀了铂金的

原水

碱性水

酸性水

pH

7.5

11.0

2.6

甲醛/mg L-1

ND

2.0

23.0

乙醛/mg L-1

ND

20.0

810.0

三氯甲烷/mg L-1

ND

59.0

ND

余氯/mg L-1

ND

0.02

ND

*在电渗析作用下，阳极水渗入阴极室内。

原水

碱性水

酸性水

pH

7.5

10.6

2.9

甲醛/mg L-1

ND

2.0

66.0

乙醛/mg L-1

ND

ND

850.0

三氯甲烷/mg L-1

ND

ND

ND

余氯/mg L-1

ND

ND

ND

*阳极水不渗入到阴极室内。

钛板作为电极，水溶液在电极表面平行流动且形成层流，因此在（5）反应时生成的过氧化氢不会立刻脱离电极表面，而在（6）反应时就被还原成氢氧离子了。所以，过氧化氢在碱性离子水中基本上不存在。事实上，碱性离子水中的过氧化氢还达不到检测能力的下限。但不是这种结构的电解装置所制造出来的碱性电解水中却很有可能存在过氧化氢残留。所以说，从过氧化氢这个角度来看，若非用碱性离子整水器生成的供饮用的电解水，还是有风险的。

2.6 碱性离子水中的氢

电解所得到的阴极水中含有溶解氢。溶解氢被认为与生理活性有关。

水的电解过程中的阴极反应（4）比较复杂，已被证明呈如下过程：

H2O+M+e-→H-M+OH-         （8）

H3O++M-H+e-→H2+M+H2O
（9）

H-M+H-M→H2+2M           （10）

公式中的M表示金属表面，H-M表示被金属表面吸附的氢原子。市售碱性离子整水器所用电极的大多数都是镀了铂金的钛板。在铂金电极的条件下，上面的（10）反应（Tafel反应）是决定总反应速度的限速阶段。

市售碱性离子整水器生成的碱性离子水中的溶解氢浓度在0.2〜0.4ｍM（mmol/L）。此浓度要比饱和浓度（0.75mM，25℃）要低。溶解氢被认为是与生理活性有关的化学物质，因此，提高溶解氢浓度就很重要。并且通过调整电解条件，能够使碱性离子水中含有过饱和氢。只要搞清楚这种过饱和状态，就能明确含高浓度溶解氢的碱性离子水的调制方法及其保存方法。这是人所期待的。当氢含量超过饱和浓度时，水溶液中氢的存在状态有两种：以分子状溶于水中的溶解氢，以及胶体状的微小氢气泡。这种微小氢气泡的大小在3nm到600nm这样一个相当广的范围。

图1所示的是，当以70mL/min的速度向电解装置通水时的电解电流密度与碱性离子水中的含氢量和微小氢气泡的含有率的变化。随着电解电流密度的加大，含氢量增加并达到饱和浓度。之后进一步加大电解电流密度后，含氢量就超过了饱和浓度。另一方面，微小氢气泡的占比也随着含氢量的增加而提高。过饱和部分中的微小气泡所占比例会随着离子强度增加而减少，受离子半径影响，以胶体形式动作。这种动作在阳极出现的氧气中基本上观测不到，目前看来这乃是氢分子独有的一种现象。而且，直径100nm的氢胶体的场合，其胶体内部的气压约为21个大气压。这是在探讨碱性离子水特性时要考虑的重要因素。



3. 碱性离子水的的氧化还原电位

氧化还原电位值采用一般市售的氧化还原电位计进行检测。测量氧化还原电位的电极，通常采用用于工作电极的铂金电极与参比电极二合一的复合型电极。参比电极是浸泡在饱和氯化钾溶液的银 - 氯化银（Ag｜AgCl）电极。银 - 氯化银电极对标准氢电极在25℃时的显示电位是+0.199V。电化学手册等资料中所记载的电极电位就是以标准氢电极（SHE）的电位为标准，因此它与氧化还原电位计测得的数值之间仅存在+0.199V的差异，这点需要注意21）。

决定碱性离子水的氧化还原电位的主要因素是溶解氢与溶解氧。

溶液中若含有溶解氢22），

2H2O+2e-→H2+2OH-

E0=-0.828 V vs.SHE               （11）

此时25℃时的电极电位采用Nernst公式如下表示：



这里的Kw代表水的离子积，R是指气体常数，T表示绝对温度，F是法拉第数，‍
表示氢气压力（atm）。氢气压力与溶解氢浓度之间的关系以下列公式表示：



这里的k是亨利常数。把（13）式代入到（12）式中。



根据此公式，0.075mmol/L的溶解氢溶液与0.75mmol/L的饱和溶液之间的电位变化为29mV，饱和溶液与两倍饱和浓度的过饱和氢溶液之间的电位变化仅为18mV。并且，由于实测值与标准电极电位求得的值之间常有数十mV〜200mV左右的差异，所以要想通过测量氧化还原电位来计算出碱性离子水中的溶解氢浓度几乎是不可能的。

从实际的碱性离子整水器所得到的碱性离子水的氧化还原电位大约在-600mV vs.SHE左右，这与电解前的原水的约700mV vs.SHE相比存在相当大的差异。电解前，原水中不含溶解氢，但含有溶解氧。决定此时的电极电位的反应公式如下所示：



这时的电极电位为



其中，
表示氧气的分压。氧气压力为1atm，原水在pH9时从（16）公式可得知为698mV
vs.SHE。另方面，氢气达到饱和浓度时的碱性离子水在pH9时的氧化还原电位，根据（14）公式得出结果为-531mV vs.SHE。因此，电解所带来的氧化还原电位上的巨大变化，是源自于溶解于水中的气体种类的变化以及pH的变化。并且，市售碱性离子整水器生成的碱性离子水不呈负电位，或者即使是负值也不会更低于-200mV vs.SHE的情况也是常见的。这是由于原水中的溶解氧在阴极一侧未能被充分还原而残留在碱性离子水中所致。但这并不表示碱性离子水中不存在溶解氢。溶解氢浓度若非用溶解氢测量计进行检测，是很难估算出实际数值的。还有，在检测氧化还原电位时必须注意的是，如果存在其他反应系与铂金电极进行电子授受的话，氧化还原电位是会受其影响的。此点也说明，我们必须要认识到：氧化还原电位它只不过是表示碱性离子水水质的其中一个指标而已。

4. 结语

碱性离子水是一种能给身体带来某些有益效果的功能水，这已被医学所证明。其有效成分之一被认为是溶解氢，但要对碱性离子水中的溶解氢进行定量，若不使用溶解氢测量计，则是非常困难的。所以，尽管一直以来为了说明碱性离子水的特性而常常使用氧化还原电位这一指标，但基本上是无意义的。并且，随着碱性离子水的有效性的明确化，经常可以看到一些类似产品以及单纯强调负电位的碱性电解水以其他商品名称在市场上销售。这些商品如果是具备不会生成三卤甲烷和过氧化氢物质的构造的电解装置，就算万幸，但与其期待自己走运，我们更应该要求它们必须符合碱性离子整水器的构造标准而加以改善。如果没有人推动这件事，那么功能水尤其是碱性离子水，迟早有一天，就会被人当成是信不过的东西了。无论如何，为了普及碱性离子水就是功能水的观念，其在生物体内的作用机制方面的研究能得到更进一步的发展就变得尤为重要，我们期待这一天的到来。





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小编注：

电解还原水也称“电解水素水”，富含氢气，呈碱性，有抗氧化作用，对改善肠胃、改善排便的作用被厚生劳动省认可。

氢气则已被公认具有无毒副作用、能选择性中和对身体细胞、蛋白质和脂质有害的羟自由基。自日本医科大学太田成男教授2007年在《自然医学》发表氢气抗氧化能选择性清除有害自由基以来，据说全世界已有超过3000名研究员从事氢分子生物学效应方面的研究，公开发表的相关论文已超过700篇。

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