JP2006035159A - 電気化学的水処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被処理水の電気分解を行う電気化学的水処理において、水素ガスが放出される水槽内における水素ガス濃度が爆発下限濃度に達することを防止する。
【解決手段】 電気分解により生じた水素ガスが放出される水槽１０に、電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上の開口面積を有する通気部２４を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被処理水の電気分解を行うことにより被処理水の殺菌などを行う電気化学的水処理方法および装置に関する。

従来、被処理水の電気分解を行うことにより被処理水の殺菌などを行う電気化学的水処理方法が提案されている。上記電気化学的水処理方法では、例えば、複数枚のチタンラス白金電極をスペーサを介して多段に配置した電極部を有する電気化学的水処理装置を用いて被処理水の電気分解を行う（特許文献１参照）。このような電気化学的水処理装置には、被処理水貯槽中の被処理水に電極を浸漬して被処理水の電気分解を行う水中浸漬タイプと、電極を設置した電解槽に被処理水を通水して被処理水の電気分解を行う通水タイプとがある。

上述した電気化学的水処理装置では、チタンラス白金電極に直流電圧を印加し、電極の網目の中に被処理水を通水させると、陽極電極の表面では活性酸素による陽極殺菌が行われ、陰極電極の表面では活性水素による陰極殺菌が行われる。また、処理水中には次亜塩素酸イオン（ＯＣｌ⁻）等の酸化性物質が残存し、持続的に殺菌効果を発揮する。したがって、この電気化学的水処理装置には、薬剤を使わず、低コストで水の殺菌、浄化を行うことができるなどの利点がある。

特開平１０−１９２８６１号公報

前述した電気化学的水処理装置では、被処理水の電気分解により水素が生じ、この水素がガスとして気相中に放出される。具体的には、水中浸漬タイプの装置では装置を浸漬している被処理水貯槽内で水素ガスが放出され、通水タイプの装置では発生した水素ガスが処理水に一部溶解および気泡として同伴して、処理水貯槽内に流れ込み、そこで水素ガスが放出される。そのため、上記水素ガスが放出される水槽内の水素ガス濃度が高くなった場合、この水槽内における水素ガス濃度が爆発下限濃度に達するおそれがあった。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、被処理水の電気分解を行う電気化学的水処理において、水素ガスが放出される水槽内における水素ガス濃度が爆発下限濃度に達することを防止することを目的としている。

本発明者は、前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、被処理水の電気分解で発生する水素ガス量は電気分解に使用する電流の大きさに比例し、したがって水素ガスが放出される水槽に被処理水の電気分解に使用する電流の大きさに応じた開口面積を有する通気部を設け、この通気部から水槽外に水素ガスを排出することにより、水槽内に水素ガスが充満して爆発下限濃度に達することを防止できることを見出した。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、下記（１）〜（６）に示す電気化学的水処理方法および装置を提供する。
（１）被処理水の電気分解を行う電気化学的水処理方法において、前記電気分解により生じた水素ガスが放出される水槽に、前記電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上の開口面積を有する通気部を設けることを特徴とする電気化学的水処理方法。
（２）前記水素ガスが放出される水槽は、被処理水貯槽中の被処理水に電極を浸漬して被処理水の電気分解を行う場合の被処理水貯槽、または電極を設置した電解槽に被処理水を通水して被処理水の電気分解を行う場合の処理水貯槽であることを特徴とする（１）の電気化学的水処理方法。
（３）前記水素ガスが放出される水槽内の水素ガス濃度を測定するとともに、この水素ガス濃度に基づいて、前記電気分解で用いる電流値および前記通気部の開口面積の一方または両方を調整することを（１）、（２）の電気化学的水処理方法。
（４）被処理水貯槽と、この被処理水貯槽中の被処理水に浸漬された電極とを具備し、前記電極により被処理水貯槽中の被処理水の電気分解を行う電気化学的水処理装置において、前記被処理水貯槽に、前記電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上の開口面積を有する通気部を設けたことを特徴とする電気化学的水処理装置。
（５）内部に電極が設置された電解槽と、処理水貯槽とを具備し、前記電解槽に被処理水を通水して被処理水の電気分解を行うとともに、電気分解後の処理水を前記処理水貯槽に導入する電気化学的水処理装置において、前記処理水貯槽に、前記電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上の開口面積を有する通気部を設けたことを特徴とする電気化学的水処理装置。
（６）前記被処理水貯槽または前記処理水貯槽内の水素ガス濃度を測定するとともに、この水素ガス濃度に基づいて、前記電気分解で用いる電流値および前記通気部の開口面積の一方または両方を調整することを特徴とする（４）、（５）の電気化学的水処理装置。

本発明において、前記通気部の開口面積は、より好ましくは電気分解で用いる電流１Ａ当たり７．６×１０^−３ｍ^２以上であり、これにより水素ガスが放出される水槽内の水素ガス濃度をほぼゼロに近くすることができる。ただし、水素ガスの爆発下限濃度は４ｖｏｌ％であり、通気部の開口面積を電気分解に使用する電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上にすれば、水槽内の水素ガス濃度を爆発下限濃度の１／１０以下に保持することができる。したがって、通気部の開口面積を電気分解に使用する電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２〜７．６×１０^−３ｍ^２とすれば、水槽内における水素ガスの爆発を十分に防止することが可能である。

本発明の電気化学的水処理方法および装置は、様々な水処理に適用することができ、例えば、生産用工程水、生産用冷却水、洗浄水、純水・回収水系、スクラバー水、排水、冷却塔、ろ過前処理、飲料用タンク貯水、地下水、プール水、浴槽水、温泉水、水景施設等の殺菌処理、浄化処理などに適用することができる。

本発明に係る電気化学的水処理方法および装置によれば、水素ガスが放出される水槽内に水素ガスが充満して爆発下限濃度に達することを防止することができる。

（第１実施形態）
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明に係る電気化学的水処理装置の第１実施形態を示す概略図である。本例は、蓄熱槽などの既存の地下水槽を用いて水中浸漬タイプの本発明電気化学的水処理装置を構成した例である。図１（ａ）は既存の設備であり、図中１０は地下水槽、１１は地下水槽１０の上部に設けられたマンホール、１２はマンホール１１の蓋、１３は床面、１４はエアベントを示す。本例の電気化学的水処理装置は、図１（ｂ）に示すように、地下水槽１０内の被処理水１６に電極部１８を浸漬するとともに、床面１３に電源部２０を設置し、電極部１８と電源部２０とを接続したもので、電極部１８によって地下水槽１０内の被処理水１６の電気分解を行うものである。本例において、電極部１８としては複数枚のチタンラス白金電極（白金族触媒で表面処理したチタンラス）をスペーサを介して多段に配置したものを使用し、電源部２０としては整流器と制御器を内蔵したものを用いた。また、マンホール１１の蓋２４として多数の開口２６を有する穴あきタイプのものを使用し、この蓋２４を通気部とした。そして、通気部２４の合計開口面積を電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上とした。なお、本例のような既存の地下水槽１０にはエアベント１４が取り付けられていることがあるが、一般にエアベントは開口面積が小さい上、開口面積を変えることができないので、通常、水素ガスを排出するための通気部としては不十分である。

（第２実施形態）
図２は本発明に係る電気化学的水処理装置の第２実施形態を示す概略図である。本例は、既存の配管に水中浸漬タイプの本発明電気化学的水処理装置を付加した例である。図２（ａ）は既存の設備であり、図中３０は内部を被処理水３２が流れる配管を示す。本例の電気化学的水処理装置は、図２（ｂ）に示すように、配管３０の途中に被処理水３２を導入する被処理水貯槽３４を介装し、この被処理水貯槽３４内の被処理水３２に電極部３６を浸漬するとともに、被処理水貯槽３４の外部に電源部３８を設置し、電極部３６と電源部３８とを接続したもので、電極部３６によって被処理水貯槽３４内の被処理水３２の電気分解を行うものである。本例において、電極部３６および電源部３８としては第１実施形態と同様のものを用いた。また、本例では、被処理水貯槽３２の上部に開口を有する通気部４０を形成した。そして、通気部４０の開口面積を電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上とした。なお、図中４２はポンプ、４４は流量計、４６は電気分解後の処理水を示す。

（第３実施形態）
図３は本発明に係る電気化学的水処理装置の第３実施形態を示す概略図である。本例は、蓄熱槽などの既存の地下水槽を用いて通水タイプの本発明電気化学的水処理装置を構成した例である。図中５０は内部に電極が設置され、内部に被処理水を通水して被処理水の電気分解を行う電解槽を示す。この電解槽５０は床面５２に配置されている。本例において、電解槽５０としては、複数枚のチタンラス白金電極をスペーサを介して多段に配置した電極部を内部に設置した電解部と、電源部と、循環ポンプとを備えたものを用いた。また、本例では、既存の地下水槽５４内の被処理水５６を被処理水導入管６０を通して電解槽５０に通水し、電気分解後の処理水を処理水排出管６２を通して地下水槽５４に環流させるようにした。したがって、本例では地下水槽５４が処理水貯槽として機能し、電気分解後の処理水が大気圧となる地下水槽５４内で処理水から水素ガスが放出される。そこで、本例では、地下水槽５４の上部に存在するマンホール６４の蓋６６として多数の開口６８を有する穴あきタイプのものを使用し、この蓋６６を通気部とした。そして、通気部６６の合計開口面積を電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上とした。なお、図中７０はエアベントを示す。

（第４実施形態）
図４は本発明に係る電気化学的水処理装置の第４実施形態を示す概略図である。本例は、既存の配管に通水タイプの本発明電気化学的水処理装置を付加した例である。本例では、既存の配管７２の途中に被処理水７４を導入する被処理水貯槽７６を介装するとともに、被処理水貯槽７６の外部に電解槽７８を設置した。電解槽７８としては第３実施形態と同様のものを用いた。また、本例では、被処理水貯槽７６内の被処理水７４を被処理水導入管８０を通して電解槽７８に通水し、電気分解後の処理水を処理水排出管８２を通して被処理水貯槽７６に環流させるようにした。したがって、本例では被処理水貯槽７６が処理水貯槽としても機能し、電気分解後の処理水が大気圧となる被処理水貯槽７６内で処理水から水素ガスが放出される。そこで、本例では、被処理水貯槽７６の上部に開口を有する通気部８４を形成した。そして、通気部８４の開口面積を電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上とした。なお、図中８６はポンプ、８８は流量計を示す。

（第５実施形態）
図５は本発明に係る電気化学的水処理装置の第５実施形態を示す概略図である。本例は、既存の配管に通水タイプの本発明電気化学的水処理装置を付加した例である。本例では、既存の配管９０の途中に被処理水９２を導入する被処理水貯槽９４を介装した。また、上記配管９０の被処理水貯槽９４より上流側に分岐管９６の一端を接続し、この分岐管９６の他端を被処理水貯槽９４に接続するとともに、分岐管９６に電解槽９８を設置した。電解槽９８としては、循環ポンプを具備しないこと以外は第３実施形態と同様のものを用いた。本例の装置は、バルブ（図示せず）の切替により被処理水９２を分岐管９６に流して電解槽９８に通水し、電気分解後の処理水を被処理水貯槽９４に導入するものである。したがって、本例では被処理水貯槽９４が処理水貯槽としても機能し、電気分解後の処理水が大気圧となる被処理水貯槽９４内で処理水から水素ガスが放出される。そこで、本例では、被処理水貯槽９４の上部に開口を有する通気部１００を形成した。そして、通気部１００の開口面積を電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上とした。なお、図中１０２はポンプ、１０４は流量計を示す。

前述した各実施形態においては、水素ガスが放出される水槽内に水素ガス濃度計を設置して、上記水槽内の水素ガス濃度を測定するとともに、この水素ガス濃度に基づいて、電気分解で用いる電流値および通気部の開口面積の一方または両方を調整することにより、水槽内の水素ガス濃度を所定の範囲に保持するようにしてもよい。また、上記水素ガス濃度計で測定した水素ガス濃度に基づいて、換気扇等を用いて水槽内を強制換気することにより、水槽内の水素ガス濃度を所定の範囲に保持するようにしてもよい。この場合、槽内の水素ガス濃度は水面近傍が最も高いので、水素ガス濃度計は水面近傍に設置することが好ましい。

図６に示す密閉槽を用いて実験を行った。図６に示す密閉槽２００は、内寸で幅１１９０ｍｍ、奥行き５９０ｍｍ、高さ２９５ｍｍの水槽２０２にフード２０４を被せたものである。また、フード２０４の上面には、着脱可能な６枚の板状の蓋２０６を設けた。各蓋２０６の大きさは、幅８０ｍｍ、奥行き５７０ｍｍとした。水槽２０２内に高さが２００ｍｍになるように被処理水２０８を入れ、この被処理水２０８に電極部２１０を浸漬するとともに、密閉槽２００の外部に電源部（図示せず）を設置し、電極部２１０と電源部とを接続した。電極部２１０および電源部としては前述した第１実施形態と同様のものを用いた。また、水面２１２の上方５０ｍｍの位置に水素ガス濃度計２１４を設置した。

電極部２１０に電圧を印加し、電極部２１０によって被処理水２０６の電気分解を行った。このとき、電気分解に用いる電流値を変化させるとともに、蓋２０６の着脱により種々の開口面積を有する通気部を密閉槽２００に形成して電気分解を行い、水素ガス濃度計で測定した槽内の水素ガス濃度と、通気部の開口面積と、電気分解に用いる電流値との関係について調べた。その結果、下記のことが明らかになった。

（１）槽内の水素ガス濃度をゼロにするために最小限必要な通気部の開口面積を調べた。結果を表１および図７に示す。表１および図７より、上記開口面積は電流１Ａ当たり７．６×１０^−３ｍ^２であることがわかった。

（２）槽内の水素ガス濃度を１０％ＬＥＬにとどめるために最小限必要な通気部の開口面積を調べた。結果を表２および図８に示す。表２および図８より、上記開口面積は電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２であることがわかった。ＬＥＬとは爆発下限界（Lower Explosive Limit）のことで、可燃性ガスが空気または酸素と混合して着火によって爆発（燃焼）を起こす最低濃度を意味する。水素ガスでは４ｖｏｌ％が１００％ＬＥＬ（爆発下限界）となる。したがって、例えば１０％ＬＥＬは０．４ｖｏＩ％のことである。可燃性ガスの爆発危険濃度管理には、特に爆発下限界（ＬＥＬ）での管理が重要となる。

（３）電気分解に用いる電流値を変化させるとともに、各電流値における槽内の水素ガス濃度（％ＬＥＬ）と通気部の開口面積との関係を調べた。結果を表３および図９に示す。表３および図９より、通気部の開口面積を電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上にすれば、槽内の水素ガス濃度を爆発下限濃度の１／１０以下に保持できることがわかる。

本発明に係る電気化学的水処理装置の第１実施形態を示す概略図である。 本発明に係る電気化学的水処理装置の第２実施形態を示す概略図である。 本発明に係る電気化学的水処理装置の第３実施形態を示す概略図である。 本発明に係る電気化学的水処理装置の第４実施形態を示す概略図である。 本発明に係る電気化学的水処理装置の第５実施形態を示す概略図である。 実験で用いた密閉槽を示す概略図である。 槽内の水素ガス濃度をゼロにする場合の電流値と開口面積との関係を示すグラフである。 槽内の水素ガス濃度を１０％ＬＥＬにとどめる場合の電流値と開口面積との関係を示すグラフである。 種々の電流値における槽内の水素ガス濃度（％ＬＥＬ）と開口面積との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 地下水槽
１６ 被処理水
１８ 電極部
２０ 電源部
２４ 通気部
２６ 開口
３０ 配管
３２ 被処理水
３４ 被処理水貯槽
３６ 電極部
３８ 電源部
４０ 通気部
５０ 電解槽
５４ 地下水槽
５６ 被処理水
６０ 被処理水導入管
６２ 処理水排出管
６６ 通気部
６８ 開口
７２ 配管
７４ 被処理水
７６ 被処理水貯槽
７８ 電解槽
８０ 被処理水導入管
８２ 処理水排出管
８４ 通気部
９０ 配管
９２ 被処理水
９４ 被処理水貯槽
９６ 分岐管
９８ 電解槽
９９ 通気部

Claims (6)

1. 被処理水の電気分解を行う電気化学的水処理方法において、前記電気分解により生じた水素ガスが放出される水槽に、前記電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上の開口面積を有する通気部を設けることを特徴とする電気化学的水処理方法。
2. 前記水素ガスが放出される水槽は、被処理水貯槽中の被処理水に電極を浸漬して被処理水の電気分解を行う場合の被処理水貯槽、または電極を設置した電解槽に被処理水を通水して被処理水の電気分解を行う場合の処理水貯槽であることを特徴とする請求項１に記載の電気化学的水処理方法。
3. 前記水素ガスが放出される水槽内の水素ガス濃度を測定するとともに、この水素ガス濃度に基づいて、前記電気分解で用いる電流値および前記通気部の開口面積の一方または両方を調整することを請求項１または２に記載の電気化学的水処理方法。
4. 被処理水貯槽と、この被処理水貯槽中の被処理水に浸漬された電極とを具備し、前記電極により被処理水貯槽中の被処理水の電気分解を行う電気化学的水処理装置において、前記被処理水貯槽に、前記電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上の開口面積を有する通気部を設けたことを特徴とする電気化学的水処理装置。
5. 内部に電極が設置された電解槽と、処理水貯槽とを具備し、前記電解槽に被処理水を通水して被処理水の電気分解を行うとともに、電気分解後の処理水を前記処理水貯槽に導入する電気化学的水処理装置において、前記処理水貯槽に、前記電気分解で用いる電流１Ａ当たり３．０×１０^−４ｍ^２以上の開口面積を有する通気部を設けたことを特徴とする電気化学的水処理装置。
6. 前記被処理水貯槽内または前記処理水貯槽内の水素ガス濃度を測定するとともに、この水素ガス濃度に基づいて、前記電気分解で用いる電流値および前記通気部の開口面積の一方または両方を調整することを特徴とする請求項４または５に記載の電気化学的水処理装置。