JP4363639B2

JP4363639B2 - 電解イオン水生成装置

Info

Publication number: JP4363639B2
Application number: JP2004119767A
Authority: JP
Inventors: 直人安田
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JP2005296878A

Description

本発明は、電解イオン水生成装置に関し、さらに詳しくは、電極へのスケールの付着を抑制できるように改善した電解イオン水生成装置に関するものである。

電解イオン水生成装置は、密閉電解槽に水を供給し、その電解槽内の陽極と陰極との間に直流電圧を印加して、水を電気分解して正極の近傍に集まった酸性水と、負極の近傍に集まったアルカリ水をそれぞれ電極の近傍から取水できるように構成されている。そして、得られたアルカリ水は飲料水などに使用され、酸性水は美容や殺菌効果のある水として使用される。

しかしながら、上記構造の電解イオン水生成装置では、使用するにしたがって、電解能が低下するという問題があった。これは、電解槽に内蔵している電極の表面にカルシウムやマグネシウムなどに基づくスケール（異物）が吸着して析出し、そのスケールによって抵抗が増加して電極間に流れる電流が減少するからである。この電極表面に付着するスケールは、電極に反対の電圧を印加することによって除去できることから、この反対電圧の印加による洗浄方法に関して種々の提案がなされている。

例えば、アルカリ水を排水するアルカリ水排水モードと、酸性水を排水する酸性水排水モードとの時間差から、電極に逆電圧を印加する時間を演算し、例えば、アルカリ水排水モードの使用時間が、酸性水排水モードの使用時間よりも長いとき、酸性水を排水するモードで電極に直流電圧を印加して、電極を洗浄する方法が提案されている。
特開平８−１９７８１号公報

しかしながら、上記方法では、電極洗浄中は装置が使用できなかったり、連続使用ではスケールが付着して効率が低下するため、長時間連続して装置を使用することができないという問題があった。

本発明は、上記のような従来の電解イオン水の生成に関する技術の問題点を解決し、電解イオン水の生成において電極へのスケールの付着を抑制し、電極へのスケールの付着に伴う電極洗浄の必要がない電解イオン水生成装置を提供することを目的とする。

本発明は、陽極および陰極からなる一対の電極と、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを貼り合わせたバイポーラ膜によって仕切られたカチオン濃縮室とアニオン濃縮室とを有し、かつ、カチオン濃縮室の外側に隔膜と陽極とで仕切られた陽極室と、アニオン濃縮室の外側に隔膜と陰極とで仕切られた陰極室とを有し、バイポーラ膜のアニオン交換膜はカチオン濃縮室側に配置され、バイポーラ膜のカチオン交換膜はアニオン濃縮室側に配置されていて、前記陽極と陰極との間に電圧を印加することによって、陽極室内のカチオンおよび陰極室内のアニオンをそれぞれカチオン濃縮室内およびアニオン濃縮室内に移動させ、カチオンをカチオン濃縮室内に濃縮し、アニオンをアニオン濃縮室内に濃縮する機構を有しており、イオンを含有する水を、陽極室に供給し、陽極室を通過した前記水を陰極室に供給して処理する電解イオン水生成装置を構成することによって、前記課題を解決したものである。

本発明の電解イオン水生成装置では、イオンを電極表面ではなく中央のバイポーラ膜の表面に集めることにより、電極へのスケール付着を抑制することができる。

すなわち、本発明の電解イオン水生成装置では、電極間の中央にアニオン交換膜とカチオン交換膜とを貼り合わせたバイポーラ膜を設置し、陽極室のカチオンを隔膜とバイポーラ膜とで仕切られたカチオン濃縮室に移動させて、カチオンをカチオン濃縮室内に濃縮して系外に排出し、陰極室のアニオンを隔膜とバイポーラ膜とで仕切られたアニオン濃縮室に移動させてアニオンをアニオン濃縮室内に濃縮して系外に排出するので、電極表面へのスケールの付着を抑制することができる。

例えば、被処理水としてＣａＣｌ₂を溶解させた水を考えた場合、まず陽極室に導入された被処理水は電極間に印加された電圧により、Ｃａ²⁺イオンが陽極室から隔膜を通ってカチオン濃縮室に移動して濃縮され、カチオン濃縮室からアルカリ水（アルカリ性の水）として排出される。これにより陽極室内の水はＣｌ^-イオンを多量に含む酸性となるが、続いて陰極室に導入されることによって電圧の力でＣｌ^-イオンがアニオン濃縮室に移動して濃縮され、アニオン濃縮室から酸性水として排出され、陰極室からはイオン濃度の低い純水が排出されることになる。この場合、陽極の表面ではＣｌ^-イオンの濃度が高くなるが、陰極の表面ではＣａ²⁺イオンの除去された水が導入されるため、陰極の表面へのカルシウムスケールの生成は大幅に低減されることになる。もし、マグネシウム（Ｍｇ）を含む被処理水を導入してカチオン濃縮室が高濃度のアルカリ性になった場合、一般にｐＨ１２以上でＭｇ（ＯＨ）₂が析出するが、バイポーラ膜はカチオン濃縮室側がアニオン交換膜となるように配置されているので、アニオン交換膜とＭｇ²⁺イオンとの電気的な反発により、スケールはバイポーラ膜の表面にこびりつくようなことはなく、通水によって簡単に除去することができる。

従って、本発明の電解イオン水生成装置によれば、電極表面へのスケールの生成が大幅に抑制され、長時間連続して電極洗浄をすることなく安定して電解イオン水を供給することが可能となる。

これに対して、従来の電解イオン水生成装置では、被処理水を電気分解することにより、陽極表面にアニオンを集め、陰極表面にカチオンを集め、それぞれの電極表面の水を採取することによって酸性およびアルカリ性の水を得るため、陰極表面のカルシウムやマグネシウム濃度が高くなり、その結果、陰極表面にスケールを生じることになる。

また、本発明の電解イオン水生成装置で、陰極室から得られるイオン濃度の低い水は、純水や軟水として飲料などに利用可能であることから、本発明は上記電解イオン水生成装置と同じ構成で純水または軟水生成装置とすることができる。

つぎに、本発明の電解イオン水生成装置について図面を用いて説明する。図１は本発明の電解イオン水生成装置の一実施形態を示す概略図であり、この図１に示す電解イオン水生成装置は、電気分解を行うための正極１と負極２とからなる一対の電極と、アニオン交換膜３ａとカチオン交換膜３ｂとを貼り合わせたバイポーラ膜３によって仕切られたカチオン濃縮室６とアニオン濃縮室７とを有している。そして、上記バイポーラ膜３はアニオン交換膜３ａがカチオン濃縮室６側に配置され、カチオン交換膜３ｂがアニオン濃縮室７側に配置されている。

また、カチオン濃縮室６の外側には隔膜４で仕切られた陽極室８が設けられ、この陽極室８の他方の面には陽極１が配置されている。つまり、陽極室８は隔膜４と陽極１とで仕切られている。また、アニオン濃縮室７の外側には隔膜５で仕切られた陰極室９が設けられ、この陰極室９の他方の面には陰極２が配置されている。つまり、陰極室９は隔膜５と陰極２とで仕切られている。なお、本発明においては、上記のように、カチオン濃縮室６の外側には隔膜４で仕切られた陽極室８が設けられとか、陽極室８は隔膜４と陽極１とで仕切られとか、アニオン濃縮室７の外側には隔膜５で仕切られた陰極室９が設けられとか、陰極室９は隔膜５と陰極２とで仕切られている、と表現しているが、隔膜４、陽極１、隔膜５、陰極２などは、それぞれ、それらの機能が発揮できるように配置されていればよく、陽極室８の全部が隔膜４と陽極１とで仕切られていることは要求されず、それらと他の部材とで仕切られていてもよいし、また、陰極室９の全部も隔膜５と陰極２とで仕切られていることは要求されず、それらと他の部材とで仕切られていてもよい。

上記隔膜４、５としては、不織布のような微細な孔が開いていてイオンと水の両方を透過させることができる膜が適しており、また、カチオン濃縮室６と陽極室８との間の隔膜４にはカチオン交換膜も適しており、アニオン濃縮室７と陰極室９との間の隔膜５にはアニオン交換膜も適している。

この図１に示す電解イオン水生成装置では、スケールの原因となるカチオンを陰極２の表面ではなく、カチオン濃縮室６に集めるため、被処理水はまず陽極室８に通水する必要があり、陽極室８に導入された後に連続して陰極室９に導入される。カチオン濃縮室６やアニオン濃縮室７は水で満たされている必要があり、それらのカチオン濃縮室６やアニオン濃縮室７では陽極室８や陰極室９から移動したカチオンやアニオンが濃縮され、それらのカチオン濃縮室６やアニオン濃縮室７に一定の間隔もしくは連続して通水することによって生成した電解イオン水を取水することができる。すなわち、カチオン濃縮室６からはアルカリ水を取水することができ、また、アニオン濃縮室７からは酸性水を取水することができる。そして、陰極室９から得られる水はイオン濃度が低く、一般にいう軟水として使用できる。そして、導入する被処理水としては得ようとする電解水のｐＨによっては塩水を導入しても構わない。

また、バイポーラ膜３によって水がＯＨ^-イオンとＨ⁺イオンに電解され、それらのイオンがそれぞれカチオン濃縮室６とアニオン濃縮室７に供給されるため、カチオン濃縮室６ではＮａＯＨやＣａ（ＯＨ）₂またはＭｇ（ＯＨ）₂が生成され、アニオン濃縮室７ではガス発生を伴わないで酸を生成する。カチオン濃縮室６においては室内のｐＨが１２以上になると一般にバイポーラ膜３の表面にＭｇ（ＯＨ）₂などの析出が起こるが、バイポーラ膜３はカチオン濃縮室６側がアニオン交換膜３ａとなるように配置されているため、析出したＭｇ（ＯＨ）₂などのスケールはアニオン交換膜３ａと電位的な反発によってバイポーラ膜３にこびりつくことなく、付着する程度なので通水による水洗によって簡単に除去することができる。

この本発明の図１に示す電解イオン水生成装置では、被処理水の通水順序として、陽極室８に通水した後、陽極室８を通過した被処理水を陰極室９に導入する必要があるが、それ以外の通水方法や順序については特に限定されない。

つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。

実施例１
この実施例１では、図１に示す構成の電解イオン水生成装置を用いて、電解イオン水（アルカリ性水と酸性水）の生成を行った。上記電解イオン水生成装置では、陽極１には白金をコートしたチタン板を用い、陰極２にステンレス鋼板を使用し、カチオン濃縮室６、アニオン濃縮室７の幅（図１では水平方向の距離）をそれぞれ１０ｍｍにし、陽極室８と陰極室９の幅をそれぞれ７ｍｍとして、電極間距離（陽極１と陰極２との間の距離）を合計３４ｍｍとした。また、電極面積は、陽極１、陰極２とも、１８０ｍｍ×１００ｍｍであった。バイポーラ膜３はトクヤマ社製のバイポーラＢＰ−１Ｅ（商品名）を用い、隔膜４、５にはジャパンゴアテックス社製の親水性ＰＴＦＥ不織布を用いた。そして、上記バイポーラ膜３はアニオン交換膜３ａがカチオン濃縮室６側を向き、カチオン交換膜３ｂがアニオン交換膜７側を向くように配置した。

また、この実施例１の電解イオン水生成装置では、被処理水を陽極室８を通過させた後に陰極室９を通過させるように被処理水用水路を設置し、それら陽極室８、陰極室９の被処理水の通過に伴って、カチオン濃縮室６からアルカリ水が得られるようにし、かつ、アニオン濃縮室７から酸性水が得られるようにした。そして、実施にあたっては、電極へのスケールの付着が抑制できることをより明確にするために、被処理水として塩化カルシウム（ＣａＣｌ₂）を０．２質量％含む水を用意し、この被処理水をそれぞれ１．０Ｌ／ｍｉｎの流量で陽極室８とカチオン濃縮室６とアニオン濃縮室７に通水し、陽極室８を通過した被処理水がその後に陰極室９に導入されるようにして、電解イオン水の生成を行った。すなわち、被処理水を陽極室８とカチオン濃縮室６とアニオン濃縮室７に通水し、陽極１と陰極２との間に１．０Ａの電流を通電し、この電解イオン水の生成処理を４時間連続して行い、カチオン濃縮室６からアルカリ水を取り出し、アニオン濃縮室７から酸性水を取り出した。この電解イオン水の生成処理を４時間行った後に、電極間の抵抗を測定したところ、処理開始時とほとんど変わっていなかった。すなわち、処理開始時の電極間の抵抗は７０Ωであったが、４時間処理後の抵抗は７２Ωであり、処理に伴う抵抗の増加はほとんどみられなかった。また、上記処理後、装置を分解し、装置内から陽極１と陰極２とを取り出し、それらの表面を観察したところ、陽極１の表面はもとより、陰極２の表面にもスケールの付着は認められなかった。

そして、被処理水の塩化カルシウムを０．２質量％含んだ水のｐＨは７．１であったが、上記処理によりカチオン濃縮室６から取り出したアルカリ水はｐＨが９．５であって、飲料水として使用が可能であり、また、アニオン濃縮室７から取り出された酸性水はｐＨが５．６であって、美容用のアストリンゼント水として使用が可能であった。

これに対して、従来の電解イオン水生成装置、すなわち、密閉電解槽内に陽極と陰極とを配置した電解イオン水生成装置に、上記実施例１と同様の被処理水を実施例１と同様に４時間処理したところ、処理後の電極間の抵抗は処理開始時の抵抗の約１．６倍に増加した。すなわち、この従来の電解イオン水生成装置では、処理開始時の抵抗は実施例１と同様に７０Ωであったが、４時間処理後には抵抗が１１３Ωに増加していた。

また、上記従来の電解イオン水生成装置による処理後にその密閉電解槽から陽極と陰極とを取り出し、それらの表面を観察したところ、陽極の表面は変化がほとんど認められなかったが、陰極の表面には白いスケールが付着し、水洗しただけでは洗い流すことができなかった。

実施例３
この実施例３では、図１に示す構成の電解イオン水生成装置を用いて、電解イオン水（強アルカリ水と強酸性水）の生成を行った。上記電解イオン水生成装置では、陽極１には白金をコートしたチタン板を用い、陰極２にはステンレス鋼板を使用し、カチオン濃縮室６、アニオン濃縮室７の幅（図１では水平方向の距離）をそれぞれ１０ｍｍにし、陽極室８と陰極室９の幅をそれぞれ７ｍｍとして、電極間距離（陽極１と陰極２との間の距離）を合計３４ｍｍとした。また、電極面積は、陽極１、陰極２とも、１８０ｍｍ×１００ｍｍであった。バイポーラ膜３はトクヤマ製のバイポーラＢＰ−１Ｅ（商品名）を用い、隔膜４、５にはジャパンゴアテックス社製の親水性ＰＴＦＥ不織布を用いた。そして、上記バイポーラ膜３はアニオン交換膜３ａがカチオン濃縮室６側を向き、カチオン交換膜３ｂがアニオン濃縮室７側を向くように配置した。

また、この実施例３の電解イオン水生成装置では、被処理水を陽極室８を通過させた後に陰極室９を通過させるように被処理水用水路を設置し、それら陽極室８、陰極室９の被処理水の通過に伴って、カチオン濃縮室６から強アルカリ水が得られるようにし、かつ、アニオン濃縮室７から強酸性水が得られるようにした。そして、実施にあたっては、硬度４５ｐｐｍの水道水を用意し、この水道水を被処理水として１．０Ｌ／ｍｉｎの流量で陽極室８に通水し、その陽極室８を通過した被処理水が陰極室９に導入されるようにして、電解イオン水の生成を行った。すなわち、陽極室８に被処理水としての硬度４５ｐｐｍの水道水を通水し、その陽極室８を通過した被処理水が陰極室９に導入されるようにしつつ、カチオン濃縮室６とアニオン濃縮室７に硬度４５ｐｐｍの水道水を注水して止水し、陽極１と陰極２の間に１．０Ａの電流を通電し、この電解イオン水の生成処理を４時間連続して行い、その後、カチオン濃縮室６から強アルカリ水を取り出し、アニオン濃縮室７から強酸性水を取り出した。取り出された強アルカリ水のｐＨは１２．８であり、強酸性水のｐＨは０．８であった。このように、水道水を原料に用いて強アルカリ水と強酸性水を生成することができた。

本発明の電解イオン水生成装置の一例を概略的に示す図である。

符号の説明

１陽極
２陰極
３バイポーラ膜
３ａアニオン交換膜
３ｂカチオン交換膜
４隔膜
５隔膜
６カチオン濃縮室
７アニオン濃縮室
８陽極室
９陰極室

Claims

陽極および陰極からなる一対の電極と、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを貼り合わせたバイポーラ膜によって仕切られたカチオン濃縮室とアニオン濃縮室とを有し、かつ、カチオン濃縮室の外側に隔膜と陽極とで仕切られた陽極室と、アニオン濃縮室の外側に隔膜と陰極とで仕切られた陰極室とを有し、バイポーラ膜のアニオン交換膜はカチオン濃縮室側に配置され、バイポーラ膜のカチオン交換膜はアニオン濃縮室側に配置されていて、前記陽極と陰極との間に電圧を印加することによって、陽極室内のカチオンおよび陰極室内のアニオンをそれぞれカチオン濃縮室内およびアニオン濃縮室内に移動させ、カチオンをカチオン濃縮室内に濃縮し、アニオンをアニオン濃縮室内に濃縮する機構を有しており、イオンを含有する水を、陽極室に供給し、陽極室を通過した前記水を陰極室に供給して処理することを特徴とする電解イオン水生成装置。
陽極および陰極からなる一対の電極と、アニオン交換膜とカチオン交換膜とを貼り合わせたバイポーラ膜によって仕切られたカチオン濃縮室とアニオン濃縮室とを有し、かつ、カチオン濃縮室の外側に隔膜と陽極とで仕切られた陽極室と、アニオン濃縮室の外側に隔膜と陰極とで仕切られた陰極室とを有し、バイポーラ膜のアニオン交換膜はカチオン濃縮室側に配置され、バイポーラ膜のカチオン交換膜はアニオン濃縮室側に配置されていて、前記陽極と陰極との間に電圧を印加することによって、陽極室内のカチオンおよび陰極室内のアニオンをそれぞれカチオン濃縮室内およびアニオン濃縮室内に移動させ、カチオンをカチオン濃縮室内に濃縮し、アニオンをアニオン濃縮室内に濃縮する機構を有しており、イオンを含有する水を、陽極室に供給し、陽極室を通過した前記水を陰極室に供給して処理することを特徴とする純水または軟水生成装置。