CN108474123B - 过氧化氢生成装置 - Google Patents

Abstract

无法生成高浓度的双氧水。过氧化氢生成装置具备电解槽、一对电极和循环配管。电解槽容纳电解液。一对电极被设置于上述电解槽中，将上述电解液进行电解。循环配管与上述电解槽连接，将从上述电解槽中被电解的上述电解液中生成的氧流向上述电解槽。

Description

过氧化氢生成装置

本申请是以日本专利申请2015-247552(申请日：2015年12月18日)为基础的PCT/JP2016/077737(申请日：2016年9月20日)进入中国的申请，享受该申请的优先权。本申请通过参照该申请而包含同一申请的全部内容。

技术领域

实施方式涉及过氧化氢生成装置。

背景技术

近年来，由于新型流感的流行等，对于抗病毒对策或除菌对策的关心正在增强。针对对于这些除菌及抗病毒对策的期望，进行将双氧水以雾沫状喷雾而除菌。此外，在净水及污水领域，研究了对原水供给过氧化氢，并通过进行紫外线照射及臭氧扩散而产生OH自由基，利用自由基的强氧化作用来进行杀菌的技术，在废水处理等部分领域利用了双氧水。

为了生成用于除菌的双氧水，以往，已知有将数％浓度的双氧水进行稀释的方法。此外，已知有使用了电解法的双氧水的生成装置，所述电解法是在水中以彼此对置的方式竖立插入一对电极板而对作为电解液的水进行电解。

然而，就将数％浓度的双氧水进行稀释的方法而言，供给化学试剂比较费事，并不通用。此外，关于利用电解法的双氧水的生成装置，过氧化氢的产生效率低，无法生成高浓度的双氧水。

发明内容

为了解决上述的课题并达成目的，实施方式的过氧化氢生成装置具备电解槽、一对电极和循环配管。电解槽容纳电解液。一对电极被设置于上述电解槽中，对上述电解液进行电解。循环配管与上述电解槽连接，使从上述电解槽中被电解的上述电解液中生成的氧流向上述电解槽。

附图说明

图1是第1实施方式所述的过氧化氢生成装置的整体构成图。

图2是第2实施方式所述的过氧化氢生成装置的整体构成图。

图3是第1比较例所述的过氧化氢生成装置的整体构成图。

图4是第2比较例所述的过氧化氢生成装置的整体构成图。

图5是基于实施例及比较例的双氧水的生成浓度的实验结果。

具体实施方式

在以下的例示的实施方式或变形例中，包含同样的构成要素。因而，以下，对于同样的构成要素标注共同的符号，并且部分地省略重复的说明。实施方式或变形例中包含的部分可以与其他实施方式或变形例的对应的部分置换而构成。此外，实施方式或变形例中包含的部分的构成或位置等，只要没有特别言及，则与其他实施方式或变形例相同。

关于基于实施方式的过氧化氢生成装置，通过在电解槽中将电解液电解而产生的氧送回至电解槽的电解液中而提高电解液的溶解氧浓度，从而生成高浓度的双氧水。

<第1实施方式>

图1是第1实施方式所述的过氧化氢生成装置10的整体构成图。过氧化氢生成装置10具备电解槽12、电极14、电极16、贮存罐18、原水泵20、循环泵22、阀26、28和配管30、32、34、36、38、40。配管30、配管34及配管38是循环配管的一个例子。

电解槽12容纳用于通过电解而生成过氧化氢的电解液80。电解液80例如为纯水或盐水。纯水的一个例子为自来水。盐水的一个例子为0.05mol/L的浓度的硫酸钠溶液。

电极14及电极16被设置于电解槽12中。更具体而言，电极14及电极16被设置于容纳在电解槽12中的电解液80中。电极14及电极16彼此空开一定的间隔而平行地配置。电极14与直流电源90的负极连接。因此，电极14作为阴极发挥功能。电极16与外部的直流电源90的正极连接。因此，电极16作为阳极发挥功能。电极14及电极16能够颠倒极性地与直流电源90连接。即，也存在电极14成为阳极、电极16成为阴极的情况。电极14及电极16若通过直流电源90而被施加电压，则对电解液80进行电解。另外，电极14及电极16之间的间隔没有特别限定，但在施加10V到20V的电压的情况下，优选设定为2mm到10mm左右。

电极14及电极16彼此构成为相同形状及相同尺寸的矩形状。电极14及电极16优选具有能够充分产生过氧化氢的比表面积(或反应面积)。电极14及电极16例如包含碳。具体而言，电极14及电极16优选通过以下方法而制成：使高活性的炭黑(例如Cabot公司制VulcanXC-72)分散于特氟隆(注册商标)分散剂中并涂布于碳片上、或者压制成碳片状，在压制于金属制集电体上后使其烧结等。电极16也可以通过例如铂板、SUS板、不溶性电极(DSA)等构成。

配管30与电解槽12的上部连接。配管32是排出配管的一个例子。配管32被连接于配管30和外部的容纳部92上。由此，配管30及配管32将电解槽12的上部与外部的容纳部92连接。配管30及配管32将电解后的电解液80的一部分作为双氧水88从电解槽12的上部向容纳部92排出。

阀26是压力调整部的一个例子。阀26被设置于配管32的中途部。这里，阀26以电解液80的循环压力达到大气压以上的方式，调整所排出的电解液80(即双氧水88)的压力及排出量。

配管30及与配管30连接的配管34被连接于电解槽12的上部和贮存罐18上。由此，配管30及配管34将电解槽12与贮存罐18连接。配管30及配管34使从通过电极16及电极14电解后的电解液80中生成的包含氧的气泡84的电解液80从电解槽12的上部流向贮存罐18。

配管36将贮存罐18与外部的电解液供给源94连接。原水泵20被设置于配管36的中途部。原水泵20介由配管36从电解液供给源94对贮存罐18供给电解液80。

贮存罐18贮存从外部的电解液供给源94供给的电解液80、并且是向电解槽12供给的电解液80。此外，贮存罐18被设置于配管34与配管38之间、即循环配管的中途部。贮存罐18贮存介由配管30及配管34从电解槽12送来的包含氧的气泡84的电解液80。

配管38将贮存罐18与电解槽12的下部连接。配管38将贮存罐18的电解液80向电解槽12的下部供给。此外，配管38将通过配管30及配管34从电解槽12送至贮存罐18的包含氧的气泡84的电解液80流向电解槽12。即，配管30、配管34及配管38与电解槽12连接，作为将从电解槽12中被电解的电解液80中生成的氧流向电解槽12的循环配管而发挥功能。

循环泵22是循环构件及供给部的一个例子，被设置于作为循环配管的一部分的配管38的中途部。循环泵22将配管38中流动的包含氧的电解液80进行加压后流向电解槽12。循环泵22优选以大气压以上的压力将电解液80向电解槽12供给。

配管40是排气配管的一个例子，与贮存罐18的上部连接。阀28被设置于配管40的中途部。配管40将在电解槽12的电极16处产生的氧的气泡84发生气液分离后的气层86的一部分从贮存罐18的上部排出。这里，阀28以将电解液80的循环压力维持在大气压以上的方式调整气层86的排气量。

对第1实施方式的过氧化氢生成装置10的动作进行说明。

在过氧化氢生成装置10中，直流电源90对电极16及电极14施加直流电压。由此，电极14及电极16将电解槽12内的电解液80进行电解。这里，在利用作为阴极发挥功能的电极14及作为阳极发挥功能的电极16而进行的作为电解液80的水的电解中，进行以下所示的反应。

(阴极)4H₂O+4e^-+O₂→2H₂O+4OH^-…(第1反应)

(阳极)2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-…(第2反应)

进而，通过利用在电极14侧产生的OH^-自由基而进行的H₂O的氧化而副产生成过氧化氢。

这里，在电极14侧，第1反应的左侧所示的电解液80的溶解氧浓度越高，在化学平衡上反应越向右侧进行。在电极16侧，通过第2反应而生成氧。通常，在电极16的表面，氧浓度变得过饱和，氧作为气泡84被放出。气泡84的一部分缓慢地溶解于电解液80中，但剩余的大部分气泡84介由配管30及配管34从电解槽12向贮存罐18供给。

这里，在与大气(＝空气)接触的电解液80被供给至电解槽12的情况下，该电解液80的溶解氧浓度通过大气平衡而变成与空气的氧分压相同的20％左右。另一方面，本实施方式的过氧化氢生成装置10将电解液80与气泡84一起介由贮存罐18等而循环，并送回至电解槽12中。由此，过氧化氢生成装置10提高了电解槽12内的电解液80中的溶解氧浓度。

进而，过氧化氢生成装置10通过在电解液80的循环路径的中途设置贮存罐18，从而延长了包含气泡84的电解液80的滞留时间。由此，气泡84进一步溶解于电解液80中。此外，通过气泡84溶解于电解液80中，从电解液供给源94供给至贮存罐18的电解液80中溶存的氮基于查理定律而被排出。因此，以由电极16所生成的氧产生的气泡84的分压的程度，电解液80中的溶解氧浓度变高。

被排出的氮与没有溶存于电解液80中的氧从电解液80中分离，变成贮存罐18的上部的气层86。阀28以维持电解液80的循环压力在大气压以上的方式一边调整排气量，一边将该气层86的一部分排出。

阀26以维持电解液80的循环压力在大气压以上的方式一边调整排出量，一边将双氧水的浓度变高后的电解液80作为双氧水88向外部排出。

这里，在作为阴极发挥功能的电极14中，作为副反应，溶解于电解液80中的钙等无机离子通过下面的第3反应而被副生，成为电极14的劣化的原因。

(阴极)Ca²⁺+2e^-→Ca…(第3反应)

在过氧化氢生成装置10中，在将电极14和电极16设定为相同材料及相同形状的情况下，能够定期地使电极14与电极16的极性颠倒。即，电极16被连接于直流电源90的负极，电极14被连接于直流电源90的正极。由此，电极16成为阴极，电极14成为阳极。过氧化氢生成装置10如第4反应中所示的那样，使在曾经作为阴极而发挥功能的电极14上析出的钙等的无机离子溶解于电解液80中，与该电解液80一起向外部排出。之后，作为阳极发挥功能的电极14进行第2反应而产生氧，作为阴极发挥功能的电极16引起第1反应。由此，关于过氧化氢生成装置10，能够将由阴极颠倒为阳极的电极14再生而延长寿命，并且进行上述的反应。

(阳极：极性刚颠倒后)Ca→Ca²⁺+2e^-…(第4反应)

如上述的那样，第1实施方式的过氧化氢生成装置10具有将电解液80从电解槽12流向贮存罐18的配管30及配管34。由此，过氧化氢生成装置10将电解槽12内通过电极14、16而被电解且包含许多氧的气泡84的电解液80从电解槽12流向贮存罐18而循环，从而能够提高贮存罐18内的电解液80的溶解氧浓度。过氧化氢生成装置10由于能够将溶解氧浓度高的电解液80向电解槽12供给，所以能够使第1反应向右进行，能够提高过氧化氢的浓度。例如，过氧化氢生成装置10能够生成数10ppm到数100ppm浓度的双氧水88。

过氧化氢生成装置10具有贮存罐18。由此，过氧化氢生成装置10能够将从电解槽12流入的电解液80贮存于贮存罐18中，使氧的气泡84溶解于电解液80内，从而提高溶解氧浓度。其结果是，过氧化氢生成装置10能够使第1反应向右进行，生成更高浓度的双氧水88。

过氧化氢生成装置10由于具有循环泵22，所以能够将配管38中流动的电解液80的压力维持在大气压以上，因此，能够提高电解液80内的溶解氧浓度。

过氧化氢生成装置10具有连接于贮存罐18的上部的配管40及阀28。由此，过氧化氢生成装置10能够将作用于贮存在贮存罐18中的电解液80的压力维持在大气压以上，并且通过配管40及阀28将贮存罐18的上部的气层86进行排气，因此能够提高电解液80内的溶解氧浓度。

过氧化氢生成装置10具有连接于电解槽12的上部的配管30、32及阀26。由此，过氧化氢生成装置10能够将作用于电解槽12的电解液80的压力维持在大气压以上，并且通过配管30、32及阀26将电解槽12的电解液80(或双氧水88)排出。

<第2实施方式>

图2是第2实施方式所述的过氧化氢生成装置110的整体构成图。过氧化氢生成装置110具备电解槽12、电极14、电极16、气液分离罐118、原水泵120、压缩机122、阀126、128、配管130、132、134、136、138、140和散气管142。配管130、配管134及配管138是循环配管的一个例子。

配管132将气液分离罐118的下部与外部的容纳部92连接。阀126被设置于配管132的中途部。配管132将电解后的电解液80作为双氧水88从电解槽12的上部向容纳部92排出。这里，阀126以所排出的电解液80的压力达到大气压以上的方式调整双氧水88的排出量。

配管134将电解槽12的上部与气液分离罐118连接。配管134将通过电极16及电极14电解而包含氧的气泡84的电解液80从电解槽12的上部流向气液分离罐118。

气液分离罐118被设置于配管138与配管134之间、循环配管的中途部。气液分离罐118将在电解槽12中被电解后的电解液80与氧的气泡84一起容纳。气液分离罐118将电解液80气液分离成作为双氧水88排出的液相180和在电解槽12的电极16处产生的包含氧的气层186。

配管130与气液分离罐118的上部连接。配管140被连接于配管130的中途部。即，配管140是分支配管的一个例子，从作为循环配管的一部分的配管130分支。配管140与外部连接，将气液分离罐118的气层186排气。阀128被设置于配管140的中途部。配管130及配管140将气液分离后的气层186的一部分从气液分离罐118的上部排出。这里，阀128以将电解液80的循环压力维持在大气压以上的方式调整气层186的排气量。

配管136将电解槽12与外部的电解液供给源94连接。原水泵120被设置于配管136的中途部。原水泵120是供给部的一个例子，介由配管136，从电解液供给源94对气液分离罐118直接供给电解液80。原水泵120优选将电解液80以大气压以上的压力向电解槽12供给。

配管130及被连接于配管130的中途部的配管138将气液分离罐118的上部与电解槽12连接。配管138在比散气管142更靠下方与电解槽12的下部连接。配管130及配管138将气液分离罐118的上部的气层186流向电解槽12。

压缩机122是循环构件的一个例子，被设置于作为循环配管的一部分的配管138的中途部。压缩机122将在配管130及配管138中流动的气液分离罐118的包含氧的气层186的气体进行加压后，从气液分离罐118流向电解槽12。

散气管142例如为球状、板状及其他形状的散气装置。散气管142被设置于电解槽12的下部。散气管142使介由配管134、130、138及气液分离罐118流向电解槽12的包含氧的气层186的气体分散到电解槽12内而作为气泡84扩散。

在第2实施方式的过氧化氢生成装置110中，将包含在电极16处生成的氧、且在气液分离罐118中气液分离后的富氧的气层186的气体通过压缩机122送向电解槽12。由此，过氧化氢生成装置110能够提高电解槽12的电解液80中的溶解氧浓度，使第1反应向右进行，生成浓度高的双氧水88。

特别是在电解槽12和电极14及电极16充分大的过氧化氢生成装置110中，能够在电解槽12中充分生成氧多的气泡84，延长电极14与氧的气泡84的接触时间，从而使氧浓度高的气泡84溶解于电解液80中。在这样的过氧化氢生成装置110中，即使只是如上述那样将气液分离罐118的包含氧的气泡84的气体送至电解槽12，也能够生成浓度充分高的、例如数10ppm到数100ppm的双氧水88。

进而，过氧化氢生成装置110具有将作为气体供给至电解槽12的氧以气泡84的形式扩散至电解槽12内的散气管142。由此，过氧化氢生成装置110能够更加提高气泡84与电极14的接触，所以能够更加提高双氧水88的浓度。

由于阀128介由配管130及配管140一边调整排气量及压力一边将气层186的气体进行排气，所以能够将从外部的电解液供给源94供给至电解槽12的电解液80中的利用大气接触的化学平衡导致的溶存氮从气液分离罐118的气层186中容易地排气。由此，过氧化氢生成装置110能够与第1实施方式的过氧化氢生成装置10同样地通过化学平衡使第1反应更加向右进行，能够提高生成的双氧水的浓度。

第2实施方式的其他效果与第1实施方式的效果大致相同。

接着，对用于证明上述的实施方式的效果的实验进行说明。

图3是第1比较例所述的过氧化氢生成装置210的整体构成图。图4是第2比较例所述的过氧化氢生成装置310的整体构成图。首先，对与实施方式进行比较的第1比较例的过氧化氢生成装置210及第2比较例的过氧化氢生成装置310进行说明。

在第1比较例的过氧化氢生成装置210中，电解液280介由配管236通过原水泵220从外部供给至电解槽212。电极214与直流电源290的负极连接，作为阴极发挥功能。电极216与直流电源290的正极连接，作为阳极发挥功能。电极214、216若由直流电源290被施加电压，则将电解液280进行电解。双氧水288与在电极216处生成的氧一起介由配管232向外部排出。像这样，由于氧与双氧水288一起被排出，所以电极214无法获得与氧充分接触的时间。此外，由于所供给的电解液280的大气接触的化学平衡及空气的氧分压，过氧化氢生成装置210无法使第1化学反应在化学平衡上向右进行而提高双氧水288的浓度。

此外，在由SUS等廉价的材料构成作为阳极而发挥功能的电极216的情况下，电极216的表面变得平坦，电极面积变小，产生双氧水的活性变低。因此，无法通过使电极214、216的极性颠倒使钙等析出而除去来提高双氧水的浓度。

第2比较例的过氧化氢生成装置310进一步具有被设置于电解槽212的下部的散气管342、与氧的供给源连接的配管338、和被设置于配管338的中途部的压缩机322。

在过氧化氢生成装置310中，介由配管338，通过压缩机322将氧在比散气管342更靠下方供给至电解槽212。由此，过氧化氢生成装置310与过氧化氢生成装置210相比，能够提高电解槽212内的电解液280的溶解氧浓度。然而，在过氧化氢生成装置310中，从外部供给的电解液280中无法溶解的氧及在电极216处生成的氧与双氧水288一起被排出。因此，尽管过氧化氢生成装置310无法充分地将氧有效利用，还设置用于供给氧的氧产生装置或氧气瓶等氧供给装置，因而增大成本。

将上述的第1实施方式的过氧化氢生成装置10作为第1实施例，将第2实施方式的过氧化氢生成装置110作为第2实施例。

实验的条件如下所述。

对电极施加的直流电源的电压：10V

电极中流过的电流：100mA

通电时间：60分钟

电解液：自来水

第1比较例及第2比较例的作为阳极发挥功能的电极216设定为Pt(铂)板。第1实施例及第2实施例的作为阳极发挥功能的电极16设定为碳电极。作为阴极发挥功能的电极14、214设定为碳电极。电极14、16、214、216的尺寸设定为2cm×4cm。电极14与电极16的间隔、及电极214与电极216的间隔设定为10mm。

基于这些条件进行实验的结果，使用利用碘化钾法的水质测试包(PackTest)测定所生成的双氧水的浓度。图5是基于实施例及比较例的双氧水的生成浓度的实验结果。

如图5中所示的那样，在将没有供给氧的第1实施例及第1比较例进行比较的情况下，获知第1实施例与第1比较例相比，能够生成高浓度的双氧水。此外，在将供给氧并进行了扩散的第2实施例及第2比较例进行比较的情况下，获知第2实施例与第2比较例相比，能够生成高浓度的双氧水。获知特别是在供给氧的情况下，所生成的双氧水的浓度的差异较大。

此外，由图5获知，将电极14、16均设定为碳电极的第1实施例及第2实施例与将电极216设定为Pt电极且将电极214设定为碳电极的第1比较例及第2比较例相比，能够生成高浓度的双氧水。

进而，在将直流电流设定为400mA、且将直流电流以外的条件设定为上述条件的情况下，在将氧进行扩散且将电极14、16均设定为碳电极的第2实施例的情况下，能够达成4倍以上的双氧水的浓度。另一方面，在没有将氧进行扩散的第1实施例的情况下，即使将直流电流设定为400mA，双氧水的浓度也没有较大变化。

上述的各实施方式的构成的形状、个数、配置、连接关系等可以适当变更。此外，也可以将各实施方式组合。

例如，也可以在上述的第1实施方式中设置第2实施方式的散气管142。

对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提出的，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式可以以其它各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变形包含于发明的范围或主旨中，同时包含于权利要求书中记载的发明和其均等的范围内。

Claims (8)

1.一种过氧化氢生成装置，其具备：

电解槽，其容纳电解液，

一对电极，其被设置于所述电解槽中，且对所述电解液进行电解，

循环配管，其与所述电解槽连接，使从所述电解槽中被电解的所述电解液中生成的氧流向所述电解槽，

贮存部，所述贮存部被设置于所述循环配管的中途部，贮存与所述氧一起流动的所述电解液，

连接于所述贮存部的上部的排气配管，和

设置于所述排气配管的中途部的阀，

所述贮存部中，所述电解液中溶存的氮通过所述氧的气泡的溶解而被排出，被排出的氮与没有溶解于所述电解液中的氧变成所述贮存部的上部的气层，

所述阀以维持所述电解液的循环压力在大气压以上的方式一边调整排气量，一边通过所述排气配管将所述气层的一部分排出。

2.根据权利要求1所述的过氧化氢生成装置，其中，具备循环构件，所述循环构件被设置于所述循环配管的中途部，将所述循环配管中流动的所述氧加压而流向所述电解槽。

3.一种过氧化氢生成装置，其具备：

电解槽，其容纳电解液，

一对电极，其被设置于所述电解槽中，且对所述电解液进行电解，

循环配管，其与所述电解槽连接，使从所述电解槽中被电解的所述电解液中生成的氧流向所述电解槽，

气液分离部，其被设置于所述循环配管的中途部，将电解后的所述电解液与所述氧一起容纳，并分离成包含所述氧的气层和液相，

循环构件，其被设置于所述循环配管的中途部，将包含所述氧的所述气层进行加压而流向所述电解槽，

分支配管，其从所述循环配管的中途部分支，将所述气液分离部的所述气层进行排气，和

阀，其被设置于所述分支配管的中途部，

所述阀以将所述电解液的循环压力维持在大气压以上的方式一边调整排气量，一边介由所述分支配管将所述电解液中的溶存氮从所述气液分离部的所述气层中排出。

4.根据权利要求1或3所述的过氧化氢生成装置，其中，具备向所述电解槽以大气压以上的压力供给所述电解液的供给部。

5.根据权利要求1或3所述的过氧化氢生成装置，其中，具备：

排出配管，其将电解后的所述电解液排出，和

压力调整部，其被设置于所述排出配管的中途部，调整所排出的所述电解液的压力。

6.根据权利要求1或3所述的过氧化氢生成装置，其中，所述一对电极包含碳，为相同形状。

7.根据权利要求1或3所述的过氧化氢生成装置，其中，所述一对电极能够颠倒极性地与直流电源连接。

8.根据权利要求1或3所述的过氧化氢生成装置，其中，具备使介由所述循环配管流向所述电解槽的所述氧发生扩散的扩散构件。

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