JP4685838B2

JP4685838B2 - 電解水の製造装置、電解水の製造方法および電解水

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Publication number: JP4685838B2
Application number: JP2007171306A
Authority: JP
Inventors: 優章荒井
Original assignee: 優章荒井
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2027-06-28
Also published as: JP2009006287A

Description

本発明は、電解質水溶液を電気分解する電解水の製造装置、その電解水の製造装置を利用した電解水の製造方法およびその電解水の製造方法により得られた電解水に関する。

一般的な電解水の生成装置としては、１槽式と２槽（室）式の生成装置がある。１槽式の生成装置は、例えば、食塩水などの電解質水溶液を槽内に注入して陽極板と陰極板とを配設し、これら陽極板と陰極板とに通電して電解工程を経ると塩化ナトリウムを含むアルカリ電解水が生成される。また、電解工程において、有害なトリハロメタンが発生すると共に、塩化ナトリウムがそのまま残存している。

また、２槽（室）式の生成装置としては、例えば、特開２００５−３２９３７５号公報（文献１）に開示された構成のものが公知になっている。この２室式の生成装置は、１つの槽の中間部をイオン透過性隔膜で仕切って対向する２つの電解室を形成し、各電解室に原水供給手段と電解水取出手段とを設けると共に、一方の電解式に陽極用の電極と塩化物水溶液(食塩水)供給手段を配設し他方の電解室に陰極用の電極を配設したものである。そして、各電極に所要の電圧を印加して電解工程を経ることにより、陽極側の電解式では塩素ガスと塩化ナトリウムを含む酸性電解水が得られ、陰極側の電解室では水素ガスとアルカリ電解水が得られる。

塩化ナトリウムを含まない電解水を生産する装置としては、例えば、特開２０００−２４６２４９号公報（文献２）に開示された３槽式の電解装置が公知になっている。この３槽式の電解装置は、中間室の両側にイオン交換膜と電極板とを介して両側に陽極室と陰極室とを備えた構造を有するものである。中間室には高濃度の電解質水溶液、例えば、１０％濃度の塩化カリウムや塩化ナトリウム水溶液を充填される。また、陽極室と陰極室には、例えば水道水を通水し、両電極板に通電して電解工程を経ることで、塩化ナトリウムを含まない電解水、即ち陽極室ではｐＨ２．０〜３．０程度の酸性電解水が生成される。一方、陰極室ではｐＨ１０．０〜１２．０程度のアルカリ性電解水が生成される。
特開２００５−３２９３７５号公報特開２０００−２４６２４９号公報

本発明の目的は、弱酸性ないし弱アルカリ性の電解水を効率よく生成させることができる電解水の製造装置、電解水の製造方法および電解水を提供することにある。

１．電解水の製造装置
本発明に係る電解水の製造装置は、
陽極電極が設けられた陽極室と、
水に対して透過性のあるシート体で覆われた陰極電極が設けられた陰極室と、
前記陽極室と前記陰極室とを仕切る隔壁と、を含み、
前記隔壁は、イオン交換膜を含み、前記陽極室と前記陰極室とを連通する連通孔が設けられて構成されている。

本願発明者は、電解水の製造において、陽極室で生成される酸性水が陰極室に混入されることで、陰極室の陰極にスケールが付着しないことを見出した。したがって、本発明によれば、陽極室と陰極室とが連通しているため、陰極室の陰極にスケールが付着せず、スケールを洗浄する工程をなくすか、または回数を減らすことができるため、長い時間の連続運転が可能となる。

本発明においては、前記隔壁に、前記陽極室と前記陰極室とを連通する連通孔が設けられていることができる。これにより、別途、連通路を形成しなくても済むため、コンパクトな電解水の製造装置を実現することができる。

本発明において、前記陽極室に流れる水量と前記陰極室に流れる水量との分配割合を決める分配割合調整バルブが設けることができる。この分配割合調整バルブを有することで、陽極室と陰極室との導入量の割合を調整することができ、ｐＨ調整が容易となる。

本発明においては、前記陽極室の液を吐出する吐出量を調整する第１の吐出バルブと、前記陰極室の液を吐出する吐出量を調整する第２の吐出バルブとを含むことができる。これにより、第１の吐出バルブと第２の吐出バルブとの開閉量を調整することで、陽極室で生成された酸性水が陰極室に混入される量を調整することができる。

本発明においては、前記陽極室に給液するための第１の給液口と、前記陰極室に給液するための第２の給液口と、前記陽極室の液を吐出する第１の吐出口と、前記陰極室の液を吐出する第２の吐出口と、を含み、前記第１の給液口は、前記陽極室の上部に設けられ、前記第２の給液口は、前記陰極室の上部に設けられ、前記第１の吐出口は、前記陽極室の下部に設けられ、前記第２の吐出口は、前記陰極室の下部に設けられていることができる。

これによれば、陽極室に導入される液は上から下に向かい、陽極室で発生する気体と導入された液との接触時間が増し、確実に気液反応を起こすことができる。

本発明においては、前記陽極室は、前記陽極と直交する方向の前記陽極室の幅よりも、前記陽極室の高さの方が大きいようにすることができる。その陽極室の幅に対する陽極室の高さの比（高さ／幅）は、たとえば、１．５以上、好ましくは１．５〜５．０とすることができる。これによれば、陽極室の高さが大きいほど陽極室で発生した気体は上に向かうため、陽極室に導入された液との気液反応の時間を長くすることができる。

本発明においては、前記電解質水溶液は、塩化物イオンを含み、前記電解水の製造装置は、次亜塩素酸を含む電解水を製造するものに特に有用である。

本発明において、前記陰イオン交換膜は、前記電解質水溶液を通過させるための微細孔が設けられていることができる。これによれば、陰イオン交換膜の微細孔を通じて、電解質水溶液のプラスイオンも移動してくる。特に、次亜塩素酸と次亜塩素酸ナトリウムとの混合水を生成するのに有用である。

前記陰極は、水に対して透過性のあるシート体で覆われていることができる。陰極を水に対して透過性のあるシート体で覆うことで、電解される水を陰極の付近に滞留することとなる。このため、陰極３２の付近に滞留する水に対するチャージ量が増すことになる。水に対するチャージ量が増した分だけ、陽イオンに基づくスケールが付着することがさらに減ることになる。

２．電解水の製造方法
本発明の電解水の製造方法は、本発明の電解水の製造装置を利用して電解水を製造する電解水の製造方法であって、前記陽極室で生成された水と、前記陰極室で生成された水とを前記連通口を通じて混合させながら、電気分解する工程を含む。

３．電解水
本発明の電解水は、本発明の電解水の製造方法により得られたものである。

１．電解装置
本実施の形態では、本発明に係る電解装置を次亜塩素酸水の製造の場合に適用した例を示す。

図１は、電解水の製造装置（以下、「電解装置」という）に係る模式図を示す。図２は、陽極室と陰極室との隔壁および電極を示す図である。

電解装置１０は、陽極室２０と陰極室３０とを含む。陽極室２０と陰極室３０とは、隔壁５０により隔てられている。隔壁５０は、イオン交換膜５４を含んで構成されている。イオン交換膜５４は、陽イオン交換膜、陰イオン交換膜のいずれでもよいが、コストの観点から陽イオン交換膜とするとよい。陽イオン交換膜および陰イオン交換膜は、公知のものを適用することができる。また、隔壁５０は、連通孔５２が設けられている。これにより、陽極室２０の水溶液と陰極室３０の水溶液とが相互に行き来することができる。

陽極室２０および陰極室３０には、水が供給されるとと共に、電解質水溶液の供給源８０から電解質水溶液が供給される。陽極２２と陰極３２を通過した電解質水溶液を電解質水溶液の供給源８０に戻して、電解質水溶液を再利用し循環させてもよいし、または、消費した分だけの電解質を中間室４０に追加してもよい。電解質水溶液は、たとえば、塩化物塩水溶液（塩化ナトリウム水溶液や塩化カリウム水溶液）を挙げることができる。電解質水溶液の濃度としては、たとえば、電解質の飽和濃度とすることができる。隔壁５０が陽イオン交換膜を含んで構成される場合には、陽極室２０の陽イオンが陰極室３０に陽イオン交換膜を通じて移動する。また、隔壁５０が陰イオン交換膜を含んで構成される場合には、陰極室３０の陰イオンが陰イオン交換膜を通じて陽極室２０に移動する。

陰極３２は直流電源７０の−側に接続され、陽極２２は直流電源７０の＋側に接続されている。直流電源７０は、その電圧や電流を任意に設定できる構成になっている。直流電源７０は、たとえば、電圧は５〜２０ボルト程度の範囲で任意に選択でき、電流についても３〜２６アンペアの範囲で適宜選択して設定することができるものを挙げることができる。陽極２２および陰極３２は、網目状の電極や、たとえば１．５ｍｍ前後でパンチング穴加工した電極などからなることができる。なお、パンチング加工した電極は、パンチングで取り除いた面積と電極として使用される面積とがたとえば５０％程度になるようにすることができる。電極の材質は公知のものを適用することができる。

電解装置１０は、陽極室２０に水を給水するための第１の給水口２６と、陰極室３０に水を供給するための第２の給水口３６とが設けられている。第１の給水口２６および第２の給水口３６に繋がる流路は、一つの流路が分岐されて構成されている。その流路の分岐したところには、陽極室２０および陰極室３０へ分配する水量を調整するための分配割合調整バルブ６０が設けられている。分配割合調整バルブ６０は、電解装置１０に水を供給する量を調整する供給量調整機能ももたせてもよい。

また、電解装置１０は、陽極室２０の液を吐出する第１の吐出口２８ａと、陰極室３０の液を吐出する第２の吐出口３８ａとが設けられている。さらに、電解装置１０は、第１の吐出口２８ａから吐出される液の量を調整する第１の吐出バルブ２８ｂと、第２の吐出口２８ａから吐出される液の量を調整する第２の吐出バルブ２８ｂとを有する。

第１の吐出口２８ａは、陽極室２０の下部に設け、第１の給水口２６は、陽極室２０の上部に設けるとよい。これにより、第１の給水口２６から給水された水は、上から下に向かって流れようとする。したがって、陽極２２にて発生する気体（電解質水溶液が塩化ナトリウムや塩化カリウムの場合は塩素）からなる気泡が水に押されて上に上がり難くなり、その分だけ、その気体（塩素）が水と気液接触する時間が長くなり、次亜塩素酸への反応をより確実に行うことができる。

陽極室２０は、縦長であるとよい。具体的には、陽極２２と直交する方向の陽極室２０の幅よりも陽極室２０の高さの方が大きいとよい。その陽極室の幅に対する陽極室の高さの比（高さ／幅）は、たとえば、１．５以上、好ましくは１．５〜５．０とすることができる。このような縦長であることにより、陽極室２０で発生した気体（塩素）が水と接触する時間を長くすることができ、塩素と水との反応を確実に行うことができる。また、陰極３０も同様とするとよい。

２．動作
次に、電解装置１０の動作を説明する。

まず、分配割合調整バルブ６０を調整すると共に、水を陽極室２０および陰極室３０に供給する。水の水量は、たとえば０．５〜１．５ｌ／ｍｌとする。

この水の供給と併せて、陽極２２と陰極３２の間に電位を印加し、電気分解を行う。たとえば、電気分解時の電圧は、５〜１０Ｖとし、電流を３〜１０アンペアとする。特に、陰極室３０に供給される水溶液１リットル当たり１５００クーロン、好ましくは２０００クーロンとなるようにすると、スケールが付き難くなる。陽極２２と陰極３２との間に電位を印加すると、中間室４０の陽イオン（たとえば電解質が塩化ナトリウムの場合にはナトリウムイオン）が第２の隔膜３４を通過し陰極室３０に移動する一方で、中間室４０の陰イオン（たとえば電解質が塩化ナトリウムの場合には塩化物イオン）が第１の隔膜２４を通過し陽極室２０に移動する。

陽極室２０では、陽極２２にて塩化物イオンが次式の反応を起こし、塩素が発生する。
２Ｃｌ⁻→Ｃｌ_２＋２ｅ⁻
この塩素は、さらに、水と反応して次亜塩素酸が生成される。
Ｃｌ_２＋Ｈ_２Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ
一方で、陰極室３０では、陰極にて次式の反応が起こる。
Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→１／２Ｈ_２＋ＯＨ⁻
この電気分解時において、陽極室２０と陰極室３０とを隔てる隔壁５０に設けられた連通孔５２から陽極室２０で生成された酸性の電解水が陰極室３０に移動すると共に陰極室３０で生成されたアルカリ性の電解水は陽極室２０に移動する。これにより、陽極室２０で生成された酸性水と陰極室３０で生成されたアルカリ電解水が混合する。また、陽極室２０で生成された酸性水が陰極室３０に移動することで、陰極３２で発生するスケールが付着するのを防ぐことができる。

また、この電気分解時に、第１の吐出バルブ２８ｂと第２の吐出バルブ３８ｂとを調整し、陽極室２０および陰極室３０から吐出される電解水の量を制御する。

第１の吐出口２８ａから吐出された電解水と、第２の吐出口３８ａから吐出された電解水とを混合することで、本実施の形態に係る弱アルカリ性、中性または弱酸性の次亜塩素酸を含む電解水が生成される。

なお、第１の吐出バルブ２８ｂまたは第２の吐出バルブ３８ｂの一方を完全に閉め、第１の吐出口２８ａまたは第２の吐出口２８ｂのいずれかのみから吐出してもよい。この場合には、陽極室２０または陰極室３０の内部で混合水が生成されることになる。

３．作用効果
本発明によれば、次の作用効果を奏することができる。

（１）陰極室２０には、一般的に、水溶液に含まれる陽イオンが陰極３２に付着し、スケールがつく。しかし、本願発明者は、本実施の形態に係る電解装置１０によると、陽極室２０で生成された酸性水を陰極室３０に誘導混合させることで、陰極３２にスケールが付着しないことを見出した。このように陰極３２にスケールがつかないことで、陰極３２に付着したスケールを取り去る工程（逆洗浄）が不要または減らすことができるため、連続運転が可能となる。

また、第２の吐出バルブ３８ｂのみを開き、陰極室３０の第２の吐出口３８ａのみから電解水を吐出すると、陽極室２０で生成された酸性水は、陰極室３０側に流れ高濃度の次亜塩素酸を含有したアルカリ性の電解水を生成することが可能となると共に、一層陰極３２にはスケールの付着は起こらなくなる。

（２）従来は、陽極室２０で生成された電解水と陰極室３０で生成された電解水とを混合するという発想はなかった。しかし、陽極室２０で生成された電解水と陰極室３０で生成された電解水とを混合することで、その混合水が弱アルカリ性、中性または弱酸性を示すことを本願発明者は見出した。また、それらの電解水を混合することで、従来は一方の電解水のみを使用し、他方の電解水は廃棄していたが、双方の電解水を使用することができるため、水資源を有効に使用することができる。

（３）分配割合調整バルブ６０を調整することで、陰極３２に流れる単位水量当たりの水へ流れる電流量を調整することができる。つまり、同じ電流量であれば、水が少なければ単位水量当たりの水へ流れる電流量を大きくすることができる。陰極３２に流れる単位水量当たりの電流量が大きければ大きいほど陰極３２にスケールが付着し難いという性質がある。したがって、陰極室３０への水の供給量を少なくすることで、陰極３２にスケールがつくのをより確実に少なくすることができる。

（４）第１および第２の給水口２６，３６を陽極室２０および陰極室３０の上部に設け、第１および第２の吐出口２８ａ，２８ｂを陽極室２０および陰極室３０の下部に設け、水を上から下に流すことで、陽極２２で発生した塩素が上に上がり難くなり、塩素が水と接触する時間を長くすることができる。したがって、より確実に次亜塩素酸への反応を実現することができる。

（５）通常であれば、陽極室２０側への分配量が低いと、陽極室２０で生成した電解水と陰極室３０で生成した電解水とを混合した場合には、次亜塩素酸の濃度が大きく低下すると思われる。しかし、本発明者は、本実施の形態により得られた電解水は、次亜塩素酸の濃度（有効塩素濃度）が大きく低下しないことを見出した。したがって、本実施の形態によれば、得られる電解水が高濃度の次亜塩素酸を含有するため、殺菌力が低下しない。

なお、次亜塩素酸は陽極側で生成された酸性電解水中に含まれるものであることが一般的に知られているが、ｐＨ値が微酸性、中性もしくは微アルカリ性に調整された次亜塩素酸水を製造しようとする場合は、工業的に製造された次亜塩素酸ナトリウム（ソーダ）に塩酸を加えてｐＨ値を調整するか、または前記文献１により生成された塩化ナトリウムを含む酸性電解水とアルカリ性電解水とを適当量混合して製造することが考えられるが、いずれの場合も有効塩素濃度をあまり変化させずにｐＨ値を単独に調整することは行われていない。

（６）本実施の形態では、陽極室２０に供給される水の量と陰極室３０に供給される水の量との大小関係、および、第１の吐き出しバルブ２８ｂと第２の吐き出しバルブ３８ｂとの開閉量（絞り量）の大小関係を組み合わせることで、表１に示すように弱酸性から弱アルカリ性の範囲で様々なｐＨ調整が可能となる。次亜塩素酸とナトリウムイオンとが共存する環境では、ｐＨにより次亜塩素酸と次亜塩素酸ナトリウムとの平衡関係が決まる。したがって、このようにｐＨ調整が可能になるため、次亜塩素酸と次亜塩素酸ナトリウムとの混合水を生成することができると共に、その生成割合の調整をすることができる。

なお、第１の吐出バルブ２８ｂと第２の吐出バルブ３８ｂとを同じ程度開放することで、陽極室２０で生成された電解水と陰極室３０で生成された電解水との混合比率は下がることになるため、混合比率は特に第１および第２の吐き出しバルブ２８ｂ，３８ｂで調整することができる。

（７）従来は、どちらか一方を使用している時は一方を廃棄していたが、この製法により大切な水資源を無駄に捨てないで済むようになった。

また、また、電気分解により、アルカリ環境下で塩化物イオンを反応させて次亜塩素酸ナトリウムを生成する方法が考えられるが、この場合には、トリハロメタンが生成してしまうという問題がある。しかし、本実施の形態によれば、酸性下の陽極室２０で次亜塩素酸を生成させ、その次亜塩素酸とナトリウムイオンとを反応させて次亜塩素酸を生成しているため、トリハロメタンの発生が生じない。

４．変形例
（１）第１の変形例
上記の実施の形態において、陽極室２０と陰極室３０とは、隔壁５０の連通孔５２により連通させているが、別途設けた連通路により連通させてもよい。

（２）第２の変形例
図４〜図８に示すように、陰極３２は、水に対して透過性のあるシート体９０で覆われていることができる。シート体９０としてはは、たとえば不織布、多層の網状シートを挙げることができる。このように陰極３２をシート体で覆うと次の効果が奏される。

陰極３２をシート体９０で覆うことで、電解される水を陰極３２の付近に滞留することとなる。このため、陰極３２の付近に滞留する水に対するチャージ量が増すことになる。水に対するチャージ量が増した分だけ、陽イオンに基づくスケールが付着することがさらに減ることになる。その結果、連続運転をよりし易くなると共に、陰極３２を逆洗浄が不要になるか又は頻度を減らすことができるため、産業的な用途においてより有利な電解装置を実現することができる。併せて、陰極３２にスケールが成長してイオン交換膜５４を破損するのを防ぐことができるため、イオン交換膜を保護する役割も果たすことができる。

なお、陽極２２も陰極３２と同様にシート体で覆ってもよい。

上記の実施の形態は、本発明の範囲内において、種々の変更が可能である。

電解水の製造装置を模式的に示す図である。連通孔を説明するための図である。第２の変形例に係る電解水の製造装置を模式的に示す図である。第２の変形例に係る陰極およびシート体の側面を模式的に示す図である。第２の変形例に係る陰極およびシート体の平面を模式的に示す図である。第２の変形例に係るシート体の平面を模式的に示すである。第２の変形例に係る陰極の平面を模式的に示す図である。

符号の説明

１０電解装置
２０陽極室
２２陽極
２４第１の隔膜
２６第１の給水口
２８ａ第１の吐出口
２８ｂ第１の吐出バルブ
３０陰極室
３２陰極
３４第２の隔膜
３６第２の給水口
３８ａ第２の吐出口
３８ｂ第２の吐出バルブ
５０隔壁
５２連通孔
６０分配割合調整バルブ
７０直流電源
８０電解質水溶液の供給源
９０シート体

Claims

陽極電極が設けられた陽極室と、
水に対して透過性のあるシート体で覆われた陰極電極が設けられた陰極室と、
前記陽極室と前記陰極室とを仕切る隔壁と、を含み、
前記隔壁は、イオン交換膜を含み、前記陽極室と前記陰極室とを連通する連通孔が設けられて構成されていることを特徴とする電解水の製造装置。
請求項１において、
前記陽極室に流れる水量と前記陰極室に流れる水量との分配割合を決める分配割合調整バルブが設けられている、電解水の製造装置。
請求項１または２において、
前記陽極室の液を吐出する吐出量を調整する第１の吐出バルブと、
前記陰極室の液を吐出する吐出量を調整する第２の吐出バルブとを含むことを特徴とする電解水の製造装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記陽極室に給液するための第１の給液口と、
前記陰極室に給液するための第２の給液口と、
前記陽極室の液を吐出する第１の吐出口と、
前記陰極室の液を吐出する第２の吐出口と、を含み、
前記第１の給液口は、前記陽極室の上部に設けられ、
前記第２の給液口は、前記陰極室の上部に設けられ、
前記第１の吐出口は、前記陽極室の下部に設けられ、
前記第２の吐出口は、前記陰極室の下部に設けられていることを特徴とする電解水の製造装置。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記陽極室は、前記陽極と直交する方向の前記陽極室の幅よりも、前記陽極室の高さの方が大きいことを特徴とする電解水の製造装置。
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記電解水の製造装置は、次亜塩素酸を含む電解水を製造することを特徴とする電解水の製造装置。
請求項１〜６のいずれかに記載の電解水の製造装置を利用して電解水を製造する電解水の製造方法であって、
前記陽極室で生成された水と、前記陰極室で生成された水とを前記連通口を通じて混合させながら、電気分解する工程を含むことを特徴とする電解水の製造方法。
請求項７に記載の電解水の製造方法により得られたことを特徴とする電解水。