JP2004042025A

JP2004042025A - 電解イオン水の生成方法及びそのための装置

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Publication number: JP2004042025A
Application number: JP2003121497A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ito; 伊藤　弘幸; Masanori Oishi; 大石　正典
Original assignee: Asahi Glass Engineering Co Ltd
Current assignee: AGC Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: JP4089965B2

Abstract

【課題】酸性水の生成の少ない電解イオン水の生成方法及びそのための装置を提供する。
【解決手段】電解槽１は陽イオン交換膜３により陽極室５と陰極室７とに仕切られている。また、炭酸ナトリウムタンク１５には緩衝作用のある塩類である炭酸ナトリウムの水溶液が貯留されており、この炭酸ナトリウム水溶液は循環ポンプ１７により陽極室５に供給される一方で、オーバーフローした炭酸ナトリウム水溶液は、戻し配管１９を通じて再び炭酸ナトリウムタンク１５に戻される。陰極室７には、流量調整弁２３を介して外部より原水が供給される。そして、供給された原水は、電気分解の後、アルカリイオン水として出口配管２５より吐出される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電解イオン水の生成方法及びそのための装置に係わり、特に酸性水の生成の少ない電解イオン水の生成方法及びそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解イオン水生成装置の一つにアルカリイオン水生成器がある。このアルカリイオン水生成器は、昨今、飲用に限らず洗浄等のさまざまな用途に使用されている。アルカリイオン水生成器は、水道水等の原水を陽極室と陰極室に分岐して供給し、電気分解を実施している。
【０００３】
そして、陽極室には酸性水が生成され、陰極室にはアルカリイオン水が副次的に生成される。一般的には、アルカリイオン水の生成を効率良く行うため、酸性水の生成水量がアルカリイオン水（ｐＨ８〜１３）の生成水量に対し、１／２から１／５程度生成されるように設定されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のアルカリイオン水生成器では、生成された酸性水は、アストリンゼント効果等があり有効使用することも可能であるが、ほとんどの場合は排水として排出されている。
【０００５】
このため、酸性水の排水を低減することがアルカリイオン水生成器の課題の一つとなっていた。
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもので、酸性水の生成の少ない電解イオン水の生成方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため本発明（請求項１）は、電解イオン水の生成方法であって、陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室と、該陽極室と前記陰極室とを仕切る陽イオン交換膜とを備えてなる電解イオン水生成装置の前記陽極室に緩衝作用のある塩類を添加して原水の電気分解を行うことを特徴とする。
【０００７】
添加する塩類に緩衝作用のある塩類を使用すれば、発生したＨ^＋イオンが反応し、イオンのまま存在しづらくなる。
特に、隔膜として陽イオン交換膜を使用した場合には、Ｈ^＋イオンの陰極への移動は制限されやすい。このため、陰極水のｐＨには影響を与えない。
【０００８】
また、本発明（請求項２）は、前記塩類が炭酸アルカリであることを特徴とする。
【０００９】
緩衝作用のある塩類としては、炭酸塩が好ましく、特には炭酸アルカリが好ましい。
【００１０】
更に、本発明（請求項３）は、前記塩類として炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムを水溶液で供給することを特徴とする。
【００１１】
塩類として炭酸ナトリウムを用いた場合には、発生したＨ^＋は炭酸イオンと反応し、陰イオンである炭酸水素イオンとなる。陽イオン交換膜は、陰イオンを通さない。従って、陰極室側に陰イオンが移動することはなく、陰極水のｐＨには影響を与えない。また更にＨ^＋イオンが発生した場合でも、炭酸イオンは二酸化炭素として気中に放出される。このため、陰極水のｐＨには影響を与えない。従って、炭酸ナトリウムはその他の緩衝作用のある塩類に比べ、溶解度が高く、高濃度で使用できる。また、炭酸ナトリウムは入手しやすい等の利点もある。
一方、塩類として炭酸カリウムを用いた場合には水温による溶解度の変動が小さいため、生成過程の電解水の濃度が高い場合であっても、炭酸カリウムが結晶として析出しないよう運転条件を制御する必要がない。従って、このような制御を行わないで運転できるという利点がある。
【００１２】
更に、本発明（請求項４）は、陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室と、陽極室と陰極室とを仕切る隔膜とを備えた電解イオン水生成装置であって、前記隔膜が陽イオン交換膜であり、緩衝作用のある塩類の水溶液を貯留する貯留槽と、該塩類の水溶液を陽極室に供給する手段を有することを特徴とする。
【００１３】
更に、本発明（請求項５）は、陽極室から排出される酸性水を、緩衝作用のある塩類の水溶液を貯留する貯留槽に戻す手段を有する。
【００１４】
酸性水の流量が減少可能な結果、塩類循環型にて構成できる。
【００１５】
更に、本発明（請求項６）は、陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室と、陽極室と陰極室とを仕切る隔膜とを備えた電解イオン水生成装置であって、前記隔膜が陽イオン交換膜であり、陽極室に緩衝作用のある塩類が貯留され、緩衝作用のある塩類を外部から陽極室に供給する手段を有しないことを特徴とする。
【００１６】
酸性水の流量が減少可能な結果、塩類貯留型にて構成できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の第１実施形態であるアルカリイオン水生成器１０の構成図を図１に示す。アルカリイオン水生成器１０は塩類循環型である。図１において、電解槽１は陽イオン交換膜３により陽極室５と陰極室７とに仕切られている。
【００１８】
陽極室５には陽極板９が配設され、一方、陰極室７には陰極板１１が配設されており、陽極板９と陰極板１１とは直流電源１３に接続されている。また、炭酸ナトリウムタンク１５には塩類である炭酸ナトリウム水溶液が貯留されており、この炭酸ナトリウム水溶液は循環ポンプ１７により陽極室５に供給される一方で、オーバーフローした炭酸ナトリウム水溶液は、戻し配管１９を通じて再び炭酸ナトリウムタンク１５に戻されるようになっている。炭酸ナトリウムタンク１５の上部には、電気分解の際に発生する酸素ガスを外部に排気するためのガス抜き管２１が配設されている。
【００１９】
陰極室７には、流量調整弁２３を介して外部より原水が供給されるようになっている。そして、供給された原水は、電気分解の後、アルカリイオン水として出口配管２５より吐出されるようになっている。
【００２０】
次に、本発明の第１実施形態の動作を説明する。
図１において、アルカリイオン水生成器の酸性水の流量を絞ると、アルカリイオン水のｐＨが上昇しづらくなる。
【００２１】
アルカリイオン水のｐＨが上昇するメカニズムは以下の通りである。
▲１▼　電解槽１に直流電流をかけると、陽極板９ではＨ^＋、陰極板１１ではＯＨ⁻が同量ずつ発生する。
▲２▼　▲１▼により、陽極板９の近傍では陽イオン（Ｈ^＋）、陰極板１１の近傍では陰イオン（ＯＨ⁻）のみが増加する。
▲３▼　電気的なバランス（中性）をとるために、陽イオンと陰イオンとは等量でなければならない。このため、陽極板９の近傍には陰イオンが、陰極板１１の近傍には陽イオンが移動し、電気的なバランスがとられる。
▲４▼　この際、陽イオンとしてＨ^＋、陰イオンとしてＯＨ⁻が、それぞれ全量移動したとすれば、発生したＨ^＋、もしくはＯＨ⁻は中和され、各電極近傍でもｐＨ的な中性が保たれる。実際には、原水に含まれる陽イオン（Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等）、もしくは陰イオン（Ｃｌ⁻、ＳＯ_４ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻等）が、優先的に移動する。このため、電極板近傍にそれぞれＨ^＋、ＯＨ⁻が残り、陽極水のｐＨが低下し、陰極水のｐＨが上昇する。
【００２２】
よって、陽極液中に含まれるＮａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等の陽イオンの絶対量が不足し、陽極で発生したＨ^＋イオンの陰極室７への移動が大きくなると、陰極で発生したＯＨ⁻イオンは移動してきたＨ^＋イオンと反応し消費してしまい、陰極室７のｐＨが上昇しづらくなる。この点、適正な陽極室５の流量では、Ｈ^＋の代わりにＮａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等の陽イオンが移動するため、この消費は制限されている。
【００２３】
つまり、生成されるアルカリイオン水のｐＨに影響を与えるのは、原水の陽極流量そのものよりも、原水流量の減少により、付随して減少するＮａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等、陽イオンの絶対量の減少であると考えられる。
【００２４】
この問題を解決するための方法として、本発明においては、陽極室５に塩類を添加する。
陽極室５に塩類を添加すれば、塩類に含まれるＮａ^＋、Ｃａ^２＋等の陽イオンがＨ^＋イオンの代わりに陰極室７に移動するため、Ｈ^＋イオンの陰極室７への移動を制限できる。
【００２５】
このため、酸性水の流量を極端に減少させることができ、究極的には本実施形態のような循環型または後述するような貯留型としてもアルカリイオン水ｐＨは維持できる。但し、かかる観点から、酸性水の流量を所定量流すことの可能な塩類流水型でも構成可能なことは勿論である。塩類流水型については後述する。
【００２６】
また、上記のように陽極室５のみに塩類を添加し、陽極室５と陰極室７の塩類濃度が極端に異なる条件で電解を行う場合、隔膜として一般的な中性膜、もしくは多孔膜を使用すると、拡散もしくは水移動によって塩類が陰極側に移動し、多量の塩類が必要となってしまう。
【００２７】
そこで、かかる拡散等を防ぐため、本発明においては、隔膜として、中性膜の代わりに陽イオン交換膜３を使用する。陽イオン交換膜３には、耐酸化性を有するものを用いることが望ましく、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなるもの等のフッ素樹脂系のものを用いることが望ましい。
【００２８】
また、陽イオン交換膜３は、耐酸化性膜と積層して用いることが望ましく、耐酸化性膜には、４弗化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリ弗化ビニリデン、三弗化エチレン等のフッ素樹脂からなる膜を用いることが望ましい。また、上記フッ素樹脂の中でもＰＴＦＥが耐酸化性等の面でより優れており望ましい。
【００２９】
更に、これらの強度、ハンドリング等を勘案すると、陽イオン交換膜は、更に補強材と積層して用いることが望ましい。補強材としてはポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の合成樹脂からなる織布または不織布等を使用することが望ましい。イオン交換樹脂、耐酸化性膜、補強材は上記に限定されず他の素材も使用できる。
【００３０】
なお、補強材の厚さは２０〜２００μｍの範囲が好ましく、耐酸化性膜の厚さは１０〜１００μｍの範囲が望ましく、陽イオン交換膜の厚さは２〜１５μｍの範囲であることが望ましい。
このように、陽イオン交換膜３を使用することにより、少ない電流量で所定のｐＨのアルカリイオン水を得ることができる。
【００３１】
次に、塩類として、緩衝作用のない塩類を使用した場合について説明する。このような緩衝作用のない塩類を使用した場合には、発生した水素イオンがそのまま陽極液中に残存する。
硫酸ナトリウムを例にとると陽極室５の反応は、化１のようになる
【００３２】
【化１】
２Ｎａ^＋＋ＳＯ_４ ^２−＋２Ｈ^＋→２Ｎａ^＋＋ＳＯ_４ ^２−＋２Ｈ^＋
【００３３】
硫酸は大部分が解離するため、液中には水素イオンのまま残存する。
このため、循環していくと徐々に濃度が上昇していき、これが陰極室７に移動して水酸化物イオンを消費してしまい陰極液のｐＨが発現しづらくなる問題があった。
これに対し添加する塩類に酢酸塩等の緩衝作用のある塩類を使用すれば、発生したＨ^＋イオンが反応し、イオンのまま存在しづらくなる。
【００３４】
特に、本発明においては、隔膜として陽イオン交換膜３を使用するため、（陽イオン交換膜３は陽イオンしか通さないため）、Ｈ^＋イオンの陰極室への移動は制限されやすい。酢酸ナトリウムを例にとると反応式は化２のようになる。
【００３５】
【化２】
ＣＨ_３ＣＯＯＮａ＋Ｈ^＋→ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋Ｎａ^＋
【００３６】
この反応式のように、発生したＨ^＋は酢酸イオンと反応し、酢酸となる。酢酸は陽イオンではないので、陽イオン交換膜３を通過できない。このため、陰極室で生成するアルカリイオン水のｐＨには影響を与えない。
また、塩類に炭酸ナトリウムを使用した場合の反応式は化３のようになる。
【００３７】
【化３】
ＣＯ_３ ^２−＋Ｈ^＋→ＨＣＯ_３ ⁻
【００３８】
この反応式のように、発生したＨ^＋は炭酸イオンと反応し、陰イオンである炭酸水素イオンとなる。陽イオン交換膜３は、陰イオンを通さない。従って、陰極室７側に陰イオンが移動することはなく、陰極水のｐＨには影響を与えない。
また更にＨ^＋イオンが発生した場合でも、
【００３９】
【化４】
ＨＣＯ_３ ⁻＋Ｈ^＋→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２↑
という形になり、炭酸イオンは二酸化炭素として気相中に放出される。このため、陰極水のｐＨには影響を与えない。
【００４０】
なお、炭酸ナトリウムはその他の緩衝作用のある塩類に比べ、溶解度が高く、高濃度で使用できる。このため、循環容量（または貯留容量）を低減できるという利点がある。また、炭酸ナトリウムは入手しやすい等の利点もある。
【００４１】
その他、緩衝作用のある塩類としては、炭酸カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素カリウム、リン酸のナトリウム塩またはカリウム塩、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、乳酸カルシウム、グリセロリン酸カルシウム等が好ましく用いられる。
【００４２】
なかでも緩衝作用のある塩類としては、炭酸塩が好ましく、特には炭酸アルカリが好ましい。しかし、炭酸ナトリウムは水温による溶解度の変動が比較的大きいため、使用する温度及び電解水の生成過程の濃度によっては、炭酸ナトリウムが結晶として析出しないよう運転条件を制御する必要がある。これに対し炭酸カリウムは水温による溶解度の変動が小さいため、生成過程の電解水の濃度が高い場合であっても、上記塩類として炭酸カリウムを用いた場合は、上記制御を行わないで運転できるという利点がある。
【００４３】
なお、本発明において、塩類は水溶液で供給することが好ましい。この水溶液における塩類の濃度は、塩類の種類にもよるが、１〜１０質量％であるのが好ましい。
【００４４】
【実施例】
表１に示す通り、塩類が緩衝作用を持つか否か、及び隔膜として陽イオン交換膜を使用するか否かに従い４例を実施した。例２は実施例であり、例１、例３及び例４は比較例である。
【００４５】
【表１】

【００４６】
上記結果より得られた陰極水（アルカリイオン水）のｐＨの高い順に順位をつけると、▲１▼例２▲２▼例４▲３▼例１▲４▼例３という順位になる。即ち、陰極水のｐＨが一番発現しやすいのは、塩類として緩衝作用を持つ炭酸ナトリウムを使用し、膜として陽イオン交換膜を適用した場合である。
【００４７】
例１は、例２と同じように膜として陽イオン交換膜を適用した場合であるが、例４よりも発現ｐＨが低い結果となってしまっている。
この理由は以下のように考えられる。
陽極液の炭酸ナトリウム（塩類濃度１０ｇ／Ｌ）はｐＨ１１．５である。そして、この炭酸ナトリウムは以下の反応により加水分解して、アルカリ性となる。
【００４８】
【化５】
Ｎａ_２ＣＯ_３＋Ｈ_２Ｏ→ＮａＨＣＯ_３＋Ｎａ^＋＋ＯＨ⁻
【００４９】
例４の電解前陰極水のｐＨが若干高めなのは、炭酸ナトリウムの膜からの拡散が若干あるためと推測される。
また、例４の電解後陰極水のｐＨが例３（硫酸ナトリウムを使用した系）より高いのは、膜を経由して水移動等により陽極室５の炭酸ナトリウムが陰極室７に移動したことも原因の一つであると推測される。この推測の根拠として陽極室５の炭酸ナトリウム濃度が減少していることがあげられる。
【００５０】
このまま電解を続けると早い段階で陽極室５の塩濃度が低下し、例３及び例４の陰極室７のｐＨが低下することが予想される。よって、長期間安定した水質を得るためには、中性膜を使用した例４の条件よりも、陽イオン交換膜を適用した例１の条件のほうが望ましいといえる。
【００５１】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態であるアルカリイオン水生成器３０の構成図を図２に示す。アルカリイオン水生成器３０は塩類流水型である。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【００５２】
図２において、電解槽１は陽イオン交換膜３により陽極室５と陰極室７とに仕切られている。陽極室５には配管２０が接続されており、この配管２０に配設された流量調整弁２２を介して外部より原水が供給されるようになっている。そして、供給された原水は、電気分解の後、酸性水として出口配管２４より吐出されるようになっている。
【００５３】
また、炭酸ナトリウムタンク１５には塩類である炭酸ナトリウム水溶液が貯留されており、この炭酸ナトリウム水溶液は添加ポンプ１６により配管２０に供給され、原水に混入された後陽極室５に送られるようになっている。
【００５４】
陰極室７には配管２４が接続されており、この配管２４に配設された流量調整弁２３を介して外部より原水が供給されるようになっている。そして、供給された原水は、電気分解の後、アルカリイオン水として出口配管２５より吐出されるようになっている。
【００５５】
かかる構成において、陽極室５への炭酸ナトリウム水溶液の添加により、本発明の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態であるアルカリイオン水生成器４０の構成図を図３に示す。アルカリイオン水生成器４０は塩類貯留型である。なお、図１と同一要素のものについては同一符号を付して説明は省略する。
【００５７】
図３において、電解槽１は陽イオン交換膜３により陽極室４５と陰極室７とに仕切られている。但し、本発明の第１実施形態、第２実施形態の陽極室５と異なり、陽極室４５の容量は炭酸ナトリウム水溶液の十分な貯留を可能とするため大きくなっている。
【００５８】
このように、塩類貯留型であっても本発明の第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、陽極室４５の容積及び陽極液の濃度は次式より算出可能である。
【００５９】
陽極室の容積（Ｌ）＝電解電流（Ａ）×３６０（秒／時間）×陽極液交換頻度（時間）×（陽イオン移動率／９６５００）×陽極液陽イオンの電気当量（当量／Ｌ）×陽極液交換時の陽イオン利用率
【００６０】
但し、陽イオン移動率は、次式のように、陽極から陰極へ移動した全ての陽イオンの電気当量と、陽極から陰極へ移動した添加塩の陽イオン電気当量比率である。
【００６１】
陽イオン移動率＝陽極から陰極へ移動する陽イオンの電気当量／陽極から陰極へ移動した全ての陽イオンの電気当量
【００６２】
また、陽極液交換時の陽イオン利用率は、次式のように、使用前の陽極液添加塩の陽イオン濃度と、陽極液交換時の陽イオン濃度の電気当量比である。
【００６３】
陽極液交換時の陽イオン利用率＝陽極液交換時の添加塩の陽イオンの電気当量／電解開始時の添加塩の陽イオンの電気当量
【００６４】
ここに、たとえば、６０ｇ／ＬのＮａ_２ＣＯ_３を使用し、電解電流１０Ａで電解を行うとする。陽極液交換時の陽イオン利用率を０．８、陽極液交換頻度１００時間、とした場合の陽極室４５の容積は、陽極液陽イオンの電気当量が６０／（２３×２＋１２＋１６×３）×２＝１．１当量／Ｌ、この濃度での陽イオン移動率は、ほぼ１であるので、陽極室容積（Ｌ）＝１０（Ａ）×３６０（秒／時間）×１００（時間）×１／　（９６５００×１．１（ｅｑ／Ｌ）×０．８）で算出でき、結果は約４．２Ｌとなる。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、陽極室と陰極室との間に陽イオン交換膜を配設したので、陽極室で生成した反応物や陰イオンは陰極室に移動できない。このため、アルカリイオン水のｐＨを高く維持できる。
【００６６】
また、陽極室に塩類を添加するよう構成したので、塩類に含まれる陽イオンがＨ^＋イオンの代わりに陰極室に移動し、Ｈ^＋イオンの陰極室への移動を制限できる。このため、酸性水の流量を極端に減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態であるアルカリイオン水生成器の構成図
【図２】本発明の第２実施形態であるアルカリイオン水生成器の構成図
【図３】本発明の第３実施形態であるアルカリイオン水生成器の構成図
【符号の説明】
１　電解槽
３　陽イオン交換膜
５、４５　陽極室
７　陰極室
９　陽極板
１０、３０、４０　アルカリイオン水生成器
１１　陰極板
１３　直流電源
１５　炭酸ナトリウムタンク
１６　添加ポンプ
１７　循環ポンプ
１９、２０、２４　配管
２２、２３　流量調整弁
２４、２５　出口配管

Claims

陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室と、該陽極室と前記陰極室とを仕切る陽イオン交換膜とを備えてなる電解イオン水生成装置の前記陽極室に緩衝作用のある塩類を添加して原水の電気分解を行うことを特徴とする電解イオン水の生成方法。
前記塩類が炭酸アルカリである請求項１記載の電解イオン水の生成方法。
前記塩類として炭酸ナトリウム又は炭酸カリウムを水溶液で供給することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電解イオン水の生成方法。
陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室と、陽極室と陰極室とを仕切る隔膜とを備えた電解イオン水生成装置であって、前記隔膜が陽イオン交換膜であり、緩衝作用のある塩類の水溶液を貯留する貯留槽と、該塩類の水溶液を陽極室に供給する手段を有することを特徴とする電解イオン水生成装置。
陽極室から排出される酸性水を、緩衝作用のある塩類の水溶液を貯留する貯留槽に戻す手段を有する請求項４記載の電解イオン水生成装置。
陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室と、陽極室と陰極室とを仕切る隔膜とを備えた電解イオン水生成装置であって、前記隔膜が陽イオン交換膜であり、陽極室に緩衝作用のある塩類が貯留され、緩衝作用のある塩類を外部から陽極室に供給する手段を有しないことを特徴とする電解イオン水生成装置。