JP2004305967A

JP2004305967A - 電解装置および電解方法

Info

Publication number: JP2004305967A
Application number: JP2003105767A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Miya; 一普宮
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】カソード側電解水をアノード側電解水のｐＨ調整に使用したり廃棄する必要のない電解装置を提供することを課題とするものである。
【解決手段】電解水として塩化ナトリウム水溶液に電解によるｐＨの変化を抑制するｐＨ緩衝剤としての４ホウ酸ナトリウムを添加したものを用い、電解槽本体１の第一電解槽１０１とリザーブタンク５の間で上記の電解水を循環させた状態において第一電極３１をアノード側とし、第二電極３２をカソード側として電解水を電解処理し、ついで第二電解槽１０２とリザーブタンク５との間で電解水を循環させた状態において第二電極３２をアノード側とし、第一電極３１をカソード側として上記電解水を電解処理する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解装置および電解方法に関し、特に次亞塩素酸類の製造用として好適な電解装置に関するのである。
【０００２】
【従来の技術】
水処理を行う次亜塩素酸塩を生成する電解装置において、次亜塩素酸類生成の電解効率を向上させるために、隔膜によりアノード側とカソード側の電解水を分離した場合、アノード側電解水は酸性となり、カソード側電解水はアルカリ性となる。アノード側では次亜塩素酸が生成するが、ｐＨ５未満の強酸性下では次亜塩素酸塩が分解して電解水中の次亜塩素酸量が低下する。
【０００３】
次亜塩素酸類を含むｐＨ５以上の電解水を生成する電解技術として、例えば純水と塩化ナトリウムで生成される殺菌原液を蓄える原液タンクと隔膜により隔てられた陽極板および陰極板を有する電解槽と、前記陽極板と前記陰極板に電気を供給する電源装置と、前記電解槽へ前記殺菌原液を送り込むポンプを有する通液路を設け、水道水および前記電解槽で生成された前記陽極板側の電解水即ち酸性水と、前記陰極板側の電解水即ちアルカリ性水とを混合した電解中性水との配合割合を調整するコックを有する通水路を設け、前記酸性水および前記アルカリ性水が流水する前記通水路に流水量を調整するバルブを設け、前記コックから殺菌水を吐水する吐水路を設けた電解中性水生成機は、後記の特許文献１から公知である。またｐＨ緩衝剤を原料水溶液に添加して、アノード側電解水の酸性化を抑制する技術も後記の特許文献２から公知である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１２８９４１号公報（請求項１、図１）、
【特許文献２】
特開２００１−２５４０９６号公報（請求項１、段落番号００１６）
【０００５】
ところで特許文献１や特許文献２の技術では、アノード側電解水のｐＨの低下は抑制されるが、カソード側電解水のアルカリ化に就いては抑制効果がない。また特許文献１の技術では、カソード側電解水の一部はアノード側電解水のｐＨ調整に使用されるが、大半は余剰する問題がある。また、特許文献１および特許文献２の技術では、アルカリ化したカソード側電解水が利用できるシステムを前提としているが、アルカリ化電解水を必要としないシステムでは、カソード側電解水を廃水とするしかなく、環境に対して高い負荷がかかる問題がある。また、処理後の水は全て再利用されることなく廃水されてしまうため、節水の面で問題があり、適用する水処理システムが大規模である場合には、水資源の浪費につながる問題もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、斯界における如上の問題に鑑みて、カソード側電解水をアノード側電解水のｐＨ調整に使用したり廃棄する必要のない電解装置および電解方法を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電解装置は、電解水を溜めるリザーブタンク、上記リザーブタンクとの間で上記電解水が選択的に循環され、互いに隔膜を介して配置された第一電解槽および第二電解槽、第一電解槽内の第一電極と上記第二電解槽内の第二電極に印加する極性を切り換える極性切換装置を備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の電解方法は、請求項１〜請求項５のいずれか一項記載の電解装置を用い、上記第一電解槽と上記リザーブタンクとの間で上記電解水を循環させた状態において上記第一電極をアノード側とし、上記第二電極をカソード側として上記電解水を電解処理する第一工程、上記第一工程の後に上記第二電解槽と上記リザーブタンクとの間で上記電解水を循環させた状態において上記第二電極をアノード側とし、上記第一電極をカソード側として上記電解水を電解処理する第二工程を含むことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下において、同じ部位または表示に就いては同じ符号を付して、後続の図では符号付けおよび符号の説明を省略することがある。
【００１０】
実施の形態１．
図１〜図６は、本発明の電解装置および電解方法における実施の形態１を説明するものであって、図１は実施の形態１の電解装置の概略断面図、図２は図１の電解装置に含まれる電極３を構成する電極部材３０１の正面図、図３は当該電解装置を用いた電解水の電解処理方法を説明するための説明図、図４は電解処理された電解水の利用方法を説明するための説明図、図５は利用後の電解水を回収する方法を説明するための説明図、図６は当該電解装置を用いた電解水の電解処理方法を説明するための他の説明図である。
【００１１】
図１〜図６において、上記電解装置は、電解槽本体１、隔膜２、電極３、直流電源装置４、電解水を溜めるリザーブタンク５、ポンプ６、４個の三方弁９、３個のガス抜き弁１０、および二方弁１１を備えている。なお７は、電解水を利用する前記電解水利用側の一例としての殺菌処理槽であり、８は殺菌処理槽７内に設けられたシャワーノズルである。
【００１２】
電解槽本体１は、第一電解槽１０１と第二電解槽１０２とを備え、第一電解槽１０１と第二電解槽１０２とは、互いに隔膜２により分離されており、また各天井壁にガス抜き弁１０を有している。電極３は、第一電解槽１０１内に設置された第一電極３１と第二電解槽１０２内に設置された第二電極３２とから構成されており、直流電源装置４は、第一電極３１と第二電極３２に印加する極性を切り換える極性切換装置（図示せず）を含んでいる。三方弁９は、電解槽本体１の上下とリザーブタンク５の上下の計４個設けられており、リザーブタンク５内に溜められた電解水は、それらの三方弁９を切り換えることによりリザーブタンク５と第一電解槽１０１との間、あるいはリザーブタンク５と第二電解槽１０２との間で循環可能となっている。
【００１３】
なお図１および図３〜図６における太い実線は、管路を示し、図３〜図６における矢印は、当該管路内での電解水の流れ方向を示す。なお電解水がリザーブタンク５と第一電解槽１０１との間、あるいはリザーブタンク５と第二電解槽１０との間で循環される管路には、必要に応じて当該管路内を流れる電解水のｐＨを測定するｐＨ測定装置が設置される。
【００１４】
隔膜２としては、第一電解槽１０１内の電解水と第二電解槽１０２内の電解水とが流動により混ざり合わず、且つイオン透過性の膜であればよく、例えばガラスフィルター板、素焼き板、ナフィオン（デュポン社製）などの固体高分子電解質膜など、斯界で公知あるいは周知のものが制限なく使用可能である。第一電極３１は、図２に示す金網状の電極部材３０１の複数枚が、図１および図３〜図６に示す通り、互いに間隔を明けて平行に設置された構造を有し、電解水はそれらの電極部材３０１の網目を貫通し通過する。第二電極３２も、第一電極３１と同じ構造を有する。第一電極３１および第二電極３２としては、金網状以外にも、かかる貫通通過を許容する各種構造の有孔体であればよい。
【００１５】
つぎに実施の形態１の電解装置に就いて、その動作を説明する。電解水として、塩化ナトリウム水溶液に電解によるｐＨの変化を抑制するｐＨ緩衝剤としての４ホウ酸ナトリウムを添加したものがリザーブタンク５に収容される。図３において、第一電極３１がアノード側、第二電極３２がカソード側となるように直流電源装置４がセットされ、電解水が第一電解槽１０１とリザーブタンク５との間で循環するように三方弁９が操作され、ガス抜き弁１０が図３に示すように開閉され、且つ二方弁１１を開くと共にポンプ６が稼動される。ついで直流電源装置４により第一電極３１と第二電極３２との間に直流電圧が印加されて電解水を対象に電解処理が開始される。
【００１６】
電解水が電解処理されることにより、ＨＣｌＯやＣｌＯ−あるいはその他の次亜塩素酸類が第一電解槽１０１内の電解水中に生成する。例えばＨＣｌＯとＣｌＯ−の生成の化学反応は、下式（１）、（２）で表すことができる。即ち、電解水のｐＨが５以上７．５未満の場合は、下式（１）で表され、同ｐＨが７．５以上の場合は、下式（２）で表される。
Ｃｌ⁻ ＋Ｈ_２Ｏ → ＨＣｌＯ＋Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・・・・（１）
Ｃｌ⁻ ＋Ｈ_２Ｏ → ＣｌＯ− ＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・・・・（２）
【００１７】
なお、直流電源装置４による電圧印加に基づいて流れる電流量Ｉ（Ａ）は、必要な次亜塩素酸類の電解水中濃度、例えばＣ_ＨＣｌＯ（ｍｇ／Ｌ）やＣ_ＣｌＯ（ｍｇ／Ｌ）と、アノード側の電解水の量Ｖａ（Ｌ）、電解時間ｔ（ｓｅｃ）を使って、ファラデーの法則により理想的（即ち、流れた電流が全てＨＣｌＯやＣｌＯ−の生成に使われる）には、下式（３）、（４）で表すことができる。即ち、電解水のｐＨが、５以上７．５未満の場合は、下式（３）で表され、同ｐＨが７．５以上の場合は、下式（４）で表される。
Ｃ_ＨＣｌＯ×Ｖａ＝（Ｉ×ｔ×４４．５／２）／９６５００
Ｉ＝９６５００×Ｃ_ＨＣｌＯ×Ｖａ／（ｔ×４４．５／２）・・・・・（３）
Ｃ_ＣｌＯ×Ｖａ＝（Ｉ×ｔ×４３．５／２）／９６５００
Ｉ＝９６５００×Ｃ_ＣｌＯ×Ｖａ／（ｔ×４３．５／２）・・・・・・（４）
【００１８】
第一電解槽１０１内での次亜塩素酸類の生成、並びに第一電解槽１０１とリザーブタンク５との間での電解水の循環により、リザーブタンク５内の電解水における次亜塩素酸類の濃度が漸次増大する。次亜塩素酸類の濃度が所望の程度に増大した時点で、三方弁９、ガス抜き弁１０および二方弁１１を切り換えて、図４に示すように、リザーブタンク５内の電解水はシャワーノズル８から殺菌処理槽７内に供給される。殺菌処理槽７に供給された電解水は、同槽７内の食器、医療器あるいはその他の被消毒対象に対して散布され消毒する。当該消毒が終了した後、三方弁９を切り換えて図５に示すように殺菌処理槽７内の電解水、即ち上記の消毒により次亜塩素酸類の濃度が低下した電解水は、リザーブタンク５内に回収される。しかして実施の形態１においては、リザーブタンク５の上下の設置された２個の三方弁９とポンプ６とが、前記した供給回収装置として機能する。これは、後記に実施の形態２においても同じである。
【００１９】
ついでかく回収されたリザーブタンク５内の電解水は、次亜塩素酸類の濃度の回復のために電解槽本体１にて、再度、電解処理される。その際、前記図３で説明した電解処理の結果、アノード側とされた第一電解槽１０１内の残留電解水は酸性となっており、一方カソード側とされた第二電解槽１０２内の残留電解水はアルカリ性となっているので、上記再度の電解処理では、第一電極３１と第二電極３２の極性を切り換えと、電解水の循環経路の切り換えとが行われる。即ち、三方弁９およびガス抜き弁１０を切り換え、且つ直流電源装置４において極性を切り換えて、図６に示すように、図３の場合とは逆に第一電極３１がカソード側とされ、第二電極３２がアノード側とされて、且つ電解水が第二電解槽１０２とリザーブタンク５との間で循環されて電解処理が行われる。以降は、上記の殺菌処理槽７内での消毒、リザーブタンク５への電解水の回収、および電解槽本体１での第一電極３１と第二電極３との間での極性変換と電解水の循環経路の変更が繰り返えされる。
【００２０】
実施の形態１の電解装置および電解方法によれば、以上説明したように、電解水を繰り返し消毒に使用することでアルカリ化したカソード側の電解水を全て再利用することができ、また消毒に使用した後に回収された電解水の次亜塩素酸類の濃度は再度増大されるので、例えば実施の形態１を食器洗い機や医療器具洗浄装置などの消毒処理に適用した場合、全処理工程のうち消毒処理については消毒液として機能する前記電解水を繰り返し使うことが可能なために、節水できる効果がある。
【００２１】
実施の形態２．
図７〜図１１は、本発明の電解装置および電解方法における実施の形態２を説明するものであって、図７は実施の形態２の電解装置の概略断面図、図８は当該電解装置を用いた電解水の電解処理方法を説明するための説明図、図９は電解処理された電解水の利用方法を説明するための説明図、図１０は利用後の電解水を回収する方法を説明するための説明図、図１１は当該電解装置を用いた電解水の電解処理方法を説明するための他の説明図である。
【００２２】
図７〜図１１において、上記電解装置は、前記実施の形態１のそれと同じく、電解槽本体１、隔膜２、電極３、直流電源装置４、電解水を溜めるリザーブタンク５、ポンプ６、三方弁９、ガス抜き弁１０、および二方弁１１を備えている。なお１２は、電解水を利用する前記電解水利用側の他の例としてのアンモニア吸収塔であり、１３双方向ポンプである。
【００２３】
実施の形態２の電解槽本体１の構成並びに機能は、実施の形態１のそれと実質的に同じであり、リザーブタンク５に収容された電解水も実施の形態１において用いられたそれと同じものである。実施の形態２では、リザーブタンク５内の電解水は、実施の形態１の場合と同様に、第一電極３１と第二電極３との間での極性変換と電解水の循環経路の変更が繰り返えされるが、電解槽本体１での電解処理により次亜塩素酸類の濃度が増大された電解水は、アンモニア吸着塔１２で吸着したアンモニアを次亜塩素酸類により窒素ガス化するシステムに適用される。
【００２４】
アンモニアの窒素ガス化処理は、下式（５）の化学反応に基づくものである。
２ＮＨ３＋３ＨＣｌＯ→Ｎ２＋３Ｈ＋＋３Ｃｌ−＋３Ｈ２Ｏ・・・・（５）
したがって、電解槽本体１での第一電極３１と第二電極３との間での極性変換を繰り返すうちに、上記窒素ガス化処理の後に回収された電解水のｐＨは、ｐＨ緩衝剤の緩衝能力を超えて処理前よりも低下する可能性があるが、次亜塩素酸類の再濃度増大の工程における第一電極３１と第二電極３２との間での極性と循環経路が図８の状態と図１１の状態とを交互に繰り返すことで、リザーブタンク５に回収された電解水が前回の電解処理工程でアルカリ化した電解水と混合するので、酸とアルカリの中和反応によりアンモニアの窒素ガス化反応によるｐＨの低下を抑制できる。
【００２５】
実施の形態３．
図１２〜図１４は、本発明の電解装置における実施の形態３を説明するものであって、図１２は実施の形態３の電解装置の部分概略斜視図、図１３は図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図、図１４は図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図である。
【００２６】
実施の形態３の電解装置は、電解槽本体１内の第一電解槽１０１および第二電解槽１０２の内部構造において前記実施の形態１および実施の形態２のそれらと異なり、その他の構成は同である。また第一電解槽１０１と第二電解槽１０２との各内部構造および効果などは、互いに同じであるので、以下では第一電解槽１０１の内部構造および効果に就いて説明する。
【００２７】
図１２〜図１４において、第一電解槽１０１内には、図１３および図１４に示すように、第一電極３１を構成する複数の電極部材３０１と断面が三角形の複数の板材３０２とが交互に設置されている。また板材３０２は、図１４上で、上下方向に交互に向きを変えて設置されて、且つ板材３０２の厚肉端部が第一電解槽１０１の側壁に固定されている。また第一電解槽１０１の上部には、ガス溜まり室１０１１が設けられている。かかる電極部材３０１と板材３０２との構成により、第一電解槽１０１内には複数の電極部材３０１を含む蛇行水路が形成されていて、第一電解槽１０１内に供給された電解水は当該蛇行水路内を、換言すると第一電解槽１０１内を矢印Ａの方向に蛇行しながら電解処理されることになる。
【００２８】
この蛇行ために、前記実施の形態１や実施の形態２の場合と比較して、第一電解槽１０１内での電解水の電解処理行路の長さが増大し、また当該行路長の増大並びに行路幅の減少に基づいて乱流が生じ易くなる。このために、電極表面で起きる次亜塩素酸類の発生反応の拡散限界電流密度が増大して電解効率を向上させる効果がある。また、断面が三角形の板材３０２の使用にて蛇行水路を傾斜させることよって、第一電解槽１０１がカソード側となったときに電極から発生する水素ガスが第一電解槽１０１の上部に設けたガス溜まり室１０１１まで移動しやすくなるという効果もある。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の電解装置は、以上説明した通り、電解水を溜めるリザーブタンク、上記リザーブタンクとの間上記電解水が選択的に循環され、互いに隔膜を介して配置された第一電解槽および第二電解槽、第一電解槽内の第一電極と上記第二電解槽内の第二電極に印加する極性を切り換える極性切換装置を備えたことを特徴とするものであり、本発明の電解方法は、請求項１〜請求項５のいずれか一項記載の電解装置を用い、上記第一電解槽と上記リザーブタンクとの間で上記電解水を循環させた状態において上記第一電極をアノード側とし、上記第二電極をカソード側として上記電解水を電解処理する第一工程、上記第一工程の後に上記第二電解槽と上記リザーブタンクとの間で上記電解水を循環させた状態において上記第二電極をアノード側とし、上記第一電極をカソード側として上記電解水を電解処理する第二工程を含むことを特徴とするものである。
【００３０】
上記の構成によって、アルカリ化したカソード側の電解水を廃水せず、且つ次亜塩素酸類が酸化剤として働いた後に生成する塩化物イオンを含む処理廃水の再利用が可能となる。また次亜塩素酸類の濃度が高められた電解水を用いた消毒やアンモニヤの窒素ガス化などの処理工程と当該当処理後の電解水の回収工程を行う毎に電解装置本体内での反応を逆転させることにより、アルカリ化した電解水がアノード側で電解されて次亜塩素酸塩を生成すると共にｐＨが中性近傍に移行するなど、従来にない顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の電解装置の概略断面図。
【図２】図１の電解装置に含まれる電極を構成する電極部材の正面図。
【図３】当該電解装置を用いた電解水の電解処理方法を説明するための説明図。
【図４】電解処理された電解水の利用方法を説明するための説明図。
【図５】利用後の電解水を回収する方法を説明するための説明図。
【図６】当該電解装置を用いた電解水の電解処理方法を説明するための他の説明図。
【図７】実施の形態２の電解装置の概略断面図。
【図８】当該電解装置を用いた電解水の電解処理方法を説明するための説明図。
【図９】電解処理された電解水の利用方法を説明するための説明図。
【図１０】利用後の電解水を回収する方法を説明するための説明図。
【図１１】当該電解装置を用いた電解水の電解処理方法を説明するための他の説明図。
【図１２】実施の形態３の電解装置の部分概略斜視図。
【図１３】図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面図。
【図１４】図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った断面図。
【符号の説明】
１電解槽本体、１０１第一電解槽、１０１１ガス溜まり室、
１０２第二電解槽、１０２１ガス溜まり室、２隔膜、３電極、
３０１電極部材、３０２板材、３１第一電極、３２第二電極、
４直流電源装置、５リザーブタンク、６ポンプ、７殺菌処理槽、
８シャワーノズル、９三方弁、１０ガス抜き弁、１１二方弁、
１２アンモニア吸収塔、１３双方向ポンプ。

Claims

電解処理される電解水を溜めるリザーブタンク、上記リザーブタンクとの間で上記電解水が選択的に循環され、互いに隔膜を介して配置された第一電解槽および第二電解槽、第一電解槽内の第一電極と上記第二電解槽内の第二電極に印加する極性を切り換える極性切換装置を備えたことを特徴とする電解装置。
上記第一電解槽内および上記第二電解槽内に、上記電解水が蛇行しながら電解処理される蛇行水路を備えたことを特徴とする請求項１記載の電解装置。
上記蛇行水路は、上記電解処理中に発生するガスが上方に抜け易いように傾斜していることを特徴とする請求項２記載の電解装置。
上記第一電解槽または上記第二電解槽で電解処理された上記リザーブタンク内の上記電解水を、上記電解水を利用する電解水利用側に供給すると共に上記利用後に上記リザーブタンクに回収する供給回収装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の電解装置。
上記電解処理により上記電解水中に次亞塩素酸類を生成させるものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項記載の電解装置。
請求項１〜請求項５のいずれか一項記載の電解装置を用い、上記第一電解槽と上記リザーブタンクとの間で上記電解水を循環させた状態において上記第一電極をアノード側とし、上記第二電極をカソード側として上記電解水を電解処理する第一工程、上記第一工程の後に上記第二電解槽と上記リザーブタンクとの間で上記電解水を循環させた状態において上記第二電極をアノード側とし、上記第一電極をカソード側として上記電解水を電解処理する第二工程を含むことを特徴とする電解方法。
上記第一工程と上記第二工程との間に、上記リザーブタンク内の上記電解水を上記電解水利用側に供給すると共に上記利用後に上記リザーブタンクに回収する供給回収工程を含むことを特徴とする請求項６記載の電解方法。
上記電解水として、上記電解処理によるｐＨの変化を抑制する緩衝剤を含む塩化物水溶液を用いることを特徴とする請求項６または請求項７記載の電解方法。