JP2007007632A - 電解水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塩素イオン溶液を電気分解し、電気分解溶液を水で希釈し、殺菌力のある電気分解水を生成する装置に関し、電極の温度上昇による寿命の短縮を防ぐために、電極の冷却を効率よく行うこと、塩素イオン溶液を供給するポンプの故障を防ぎ、微量供給を可能にすること、電気分解液の希釈を部品を追加せずに効果的に行うこと、および、装置を小型、低価格にすること。
【解決手段】同心円状に配置した円筒形電極１および２の最内部の電極内部に希釈用原水を流下させるとともに塩素イオン溶液の供給用にポンプを使わないようにするため、電解槽の出口部１０で、希釈用の原水流路を絞り、流速を早くして減圧を発生させ、電気分解液および塩素イオン溶液を吸引する方法、あるいは、塩素イオン溶液を軟質の容器にいれ、容器への加圧によって、電解槽に供給することとし、供給量の制御を供給ライン４に配置した開閉弁５の開閉によって行う。
【選択図】図１

Description

本発明は塩素イオン溶液を、同心円状に配置した電極で構成された電解槽を使い電気分解し、電気分解溶液を水で希釈し、殺菌力のある電解水を生成する装置に関する。

塩酸や食塩溶液などの塩素イオン溶液を電気分解すると、陽極では塩素イオンが酸化されて単体の塩素が発生し、すぐに水と反応して殺菌剤である次亜塩素酸（ＨＯＣｌ）が発生する。
２Ｃｌ⁻→Ｃｌ_２＋２ｅ− ， Ｃｌ_２＋Ｈ_２Ｏ→ＨＯＣｌ＋Ｈ^＋＋Ｃｌ⁻
この技術は以前から広く利用されており、食品添加物の次亜塩素酸水の生成、清涼飲料自動カップ販売機の水殺菌、原子力発電所の冷却海水中の生物駆除処理など多岐に亘って応用されている。塩素イオンの原料としては塩酸、食塩、塩酸と食塩の混合物あるいは塩化カリウムなどが主として用いられている。用いられている電解槽は、陽極と陰極の間に、物質の移動を阻止する隔膜の有無によって、隔膜式電解槽と無隔膜式電解槽に大別される。用いられる電極の形状も用途によって、平板、網、棒状、円筒と様々である。生成方式も二つに大別され、電解槽から排出される電気分解液が比較的低有効塩素濃度で、そのまま利用する方式と、高有効塩素濃度で電解槽から排出したのち使用濃度に希釈し利用する方式がある。

次に、それらの技術の中から典型例を説明する。
特許文献１には希塩酸を無隔膜電解槽で電気分解し、殺菌剤を生成する方法、あるいは電気分解液を水で希釈することによって、殺菌剤を製造する技術が開示されている。また、特許文献２には、食塩溶液を隔膜式の電解槽で電気分解し、陽極隔室から電気分解殺菌水を得る技術が開示されている。さらに、特許文献３には、食塩溶液を無隔膜電解槽で電気分解し次亜塩素酸ナトリウム溶液を得る技術が開示されている。

これらの技術では、目標濃度の塩素発生を達成するために発生量を制御する必要があるが、そのために、電気分解電流値と塩素イオン溶液の供給量を制御することが必須条件となる。従来から行われている塩素イオン溶液の供給制御は、定量ポンプや通常ポンプの稼働時間の制御などによって行われてきた。しかし、原料として塩酸や食塩溶液を使用するために、ポンプの接液材料は機械的耐久性の他に、薬品耐性およびガス不透過性が必要となる。一方、ポンプの性能を得るためには柔軟性、密閉性などが必要で、両方の特性を共に具備する材質は少なく、かつ高価でもある。従って、現在は装置の価格に反映し装置が高価であるか、十分な寿命が得られない状態で使用されている。

さらに、装置能力が小規模になると塩素イオン溶液の供給量は極微量となり、ポンプ自体の製作が困難、もしくは製作しても高価となり、装置の経済性が成り立たないという状況にある。

次に、いずれの方法においても、電気分解中、電極はジュール熱によって加熱される。電極の温度上昇は電極寿命の短縮を引き起こす。電解槽筐体を通しての冷却事例は、特許資料４に開示されているが、筐体の材質は主に樹脂などの絶縁材料が使用されることが多く、多くの場合熱の伝達効率が悪い点、電解槽内部の液を通しての冷却である点などから、電極の冷却効果には限度があった。

次に、電気分解液と希釈水を混合する方法には、単純に両方の流路を合一する方法、その下流に多形の充填物をおいて流れを攪拌する方法、ポンプなどを置いて積極的に攪拌する方法などが行われている。また、特許文献１には希釈水の流路にエジェクターを配置し、電気分解液を吸入混合する方法が例示されている。しかし、それらの方法の内、単純な流路の合一では十分な塩素ガスの溶解は得られず、他の方法は部品の数が増えるため、構造が複雑になり、装置の大きさを増し、価格も上昇するという問題がある。

次に、電極の形状についての例として、特許文献５、６には、円筒形電極を利用した技術が開示されている。特許文献５は同心円状に配置した円筒電極の間隙で水に含まれる塩素イオンを電解し残留塩素に変換する技術に関するものである。特許文献６には、同心円状に配置された円筒電極の間隙に隔膜を配置した技術が開示されている。
特開平１０−１２８３３６ 特開平１０−２３５３５６ 特開２００２−１３４２ 特開２００３−１９０９５３ 特開平１１−３３５５３ 特開平５−２０８１９０

本発明者が、塩素イオン溶液を電気分解し、電気分解溶液を水で希釈し、殺菌力のある電解水を生成する装置に関して、電極寿命を長くし、塩素イオン溶液供給システムの寿命を長くし、極小能力の装置を可能にする微量塩素イオン溶液供給も可能にし、かつ装置を小型化するために解決しようとする課題は次に示した、
▲１▼電極の温度上昇による寿命の短縮を防ぐために、電極の冷却を効率よく行うこと
▲２▼塩素イオン溶液を供給するポンプの不具合による装置の故障を防ぎ、また、微量供給を可能にすること
▲３▼電気分解液の希釈を、余分な部品を追加せずに効果的におこなうこと
▲４▼装置を小型、低価格にすること
である。

電極の温度上昇を防ぐためには、電極そのものを冷却する方法が最適である。しかし、電極表面は通常、電気分解液が流下し電気分解が行われているために冷却は困難である。そこで、本発明者は、電解槽を、円筒状の電極を同心円状に配置した構造とした場合、最内部の電極の内面は電極としての機能がないことに気づき、ここに冷却水を流下することとした。しかも、その冷却水を希釈水として利用できるために、別途希釈水用の配管を設置する必要が無く装置の小型化にも効果があるのである。つまり、直径の異なる円筒状の電極を、同心円状に配置することによって構成した電解槽を使用し、最内部の円筒電極内部を希釈水を流下させ、各円筒電極間の間隙を塩素イオン溶液を流下させながら電気分解し、電解槽の出口で、最内部を流下してきた希釈水と、各電極間隙部を流下し電気分解された電気分解液を合一混和することによって、電気分解水を生成することとし、電極を効率的に冷却する課題を解決した。また、最内部の電極を陽極とする一態様によって、消耗のおきやすい陽極を効率よく冷却することも可能になるのである。

次に、塩素イオン溶液を供給するポンプの不具合による装置の故障を防ぎ、また、微量供給を可能にするために、塩素イオン溶液の電解槽への供給のが、塩素イオン溶液容器から、各電極間隙部までの、塩素イオン溶液供給配管上に配置された開閉弁の開閉、もしくは調節弁によって調節される構造とした。

しかし、このままでは塩素イオン溶液を電解槽まで搬送する作用は得られないので、塩素イオン溶液の搬送手段として次の４の態様を利用することとした。

第１の態様は、同心円状に配置された電極の、最内部の電極内部を流下した冷却水の出口部で、出口流路を細くすることによって希釈水の流速を増し、そのことによって得られる減圧を利用して、希釈水の流路の減圧部位と電極間隙部の間を接合する流路を通して、電気分解液を希釈水中に吸引し、合一混和する方法である。このような構造とすることにより、電極間隙部を流下する電気分解液は減圧吸引され、さらに、電極間隙部に結合されている流路が減圧され、その流路の先端は、塩素イオン溶液容器の中の塩素イオン溶液を吸引するのである。このようにして塩素イオン溶液は、電気分解が行われる電極間隙部に供給されるが、供給量の制御は、その流路に配置された開閉弁の開閉、もしくは調節弁によって行われる。

次に、塩素イオン溶液の容器を軟質容器とし、塩素イオン溶液の電解槽への供給が、その軟質容器に加圧することによって行われ、供給量の制御は、前記の、塩素イオン溶液の流路に配置された開閉弁の開閉、もしくは調節弁によって行われる構造とし、軟質容器への加圧を、硬質の収容箱に収めた軟質容器に重しを掛ける方法により行うのを第２の態様とした。

また同様に軟質容器に加圧する方法として、硬質の収容箱に収めた軟質容器をバネ付の板で圧迫する方法を第３の態様とした。

さらに又同様に軟質容器に加圧する方法で、密閉容器に収納した軟質容器に、密閉容器に注水することにより水圧を掛ける方法を第４の態様とした。これにより、塩素イオン溶液の供給用のポンプを使用する必要がなくなり、ポンプの不具合による装置不具合を排除した。

次に、電気分解液の希釈を、余分な部品を付加せずに効果的におこなう課題は、前記塩素イオン溶液の搬送手段として示した第１の態様により解決した。つまり、同心円状に配置された電極の最内部の電極内部を流下した希釈水の出口部で、出口流路を細くすることによって希釈水の流速を増し、そのことによって得られる減圧を利用して、希釈水の流路の細くした部位と電極間隙部の間を接合する流路を通して、電気分解液を希釈水中に吸引し、合一混和する方法である。これにより、電解槽の出口を前記の構造のように構成することのみで、別途混合手段を付加することなく、電気分解液と希釈水の合一混和を完全に行うことができるようにした。

前記の通り、塩素イオン溶液用のポンプを排したこと、最内部の電極内部を希釈水流路としたこと、電気分解液と希釈水の合一混和を電解槽の一部を工夫することによって達成したことにより、希釈水用の配管の一部を省略し別途混合装置を配置する必要がなくなり、部品点数減により価格を低下させ、簡素化により小型化を実現した。

本発明の効果は、まず、電極の冷却を効率よく行うことになったことにより、電気分解中に発生するジュール熱による電極の温度上昇を防ぐことができ、電極の長寿命化が図れたことである。特に、塩素イオン溶液の電気分解において消耗の激しい陽極を、最内部に配置する一態様では、陽極の消耗を抑え長寿命が実現できるのである。

次の本発明の効果は、原料である塩素イオン溶液の供給手段にポンプを必要としないため、ポンプの不具合による装置不具合を排除したことである。塩素イオン溶液の原料として塩酸や食塩溶液が使用されるために、供給ポンプの接液材料は機械的耐久性の他に、薬品耐性およびガス不透過性が必要となる。一方、ポンプの性能を得るためには柔軟性、密閉性などが必要で、両方の特性を共に具備する材質は少なく、かつ高価でもある。従って、これまでは、装置の価格に反映し装置が高価であるか、十分な寿命が得られない状態で使用されていた。さらに、装置能力が小規模になると、塩素イオン溶液の供給量は極微量となり、ポンプ自体の製作が困難、もしくは高価であり、装置の経済性が成り立たず、製作できないという状況にあった。このような問題を解決し、装置の主な不具合原因を排除し、さらに、極小規模装置の製作を可能にしたのである。

次の本発明の効果は、電解槽の出口部分を工夫することにより、別途混合用の部品を配置することなく、電気分解液と希釈水との合一混和を効率よく行えるようにしたことである。つまり、希釈水の出口流路を細くすることによって希釈水の流速を増し、そのことによって得られる減圧で、電気分解液を希釈水中に吸引し、合一混和するようにしたのである。このことにより、部品数を減らすことができ、価格低下、装置の小型化に寄与した。

次の効果は、前記の効果の総合的な効果として、装置の小型化と低価格化が実現されたことである。

本発明を実施するための最良の一形態を図１に基づいて詳細に説明する。電解槽は直径の異なる２本の円筒を同心円状に配置して構成する。２本の円筒の間隙は２〜５ｍｍとする。円筒の直径や長さは電解に必要な電流値によって加減するが、電極表面１００ｃｍ^２当たりの電流値が５Ａを超えないように設計することが望ましい。内部の電極（１）を陽極とするのが望ましいので、内部の電極の外面は、電解酸化されにくい物質で、かつ塩素発生効率のよい物質で被覆しておく。外部の電極（２）は陰極となるので、内面を電解還元されにくい物質で被覆しておくのが望ましい。内部の電極の内部には希釈水の配管（３）を接合する。電極間隙（６）には塩素イオンの供給配管（４）を接合し、その配管上には開閉弁（５）を配置する。この弁の接液部は、フッ素樹脂などの、対薬品性材質で構成するのが望ましい。内部電極の内部の出口側（７）には、流路を狭めた部材（８）を接合し、電極間隙からの電気分解液の流れる流路の出口（９）を、希釈水流路の絞り部（１０）に配置する。希釈水流路の狭め方は、希釈水の流量に応じて、電極間隙をゲージ圧０以下の陰圧にできるような設計とする。希釈水の供給配管上には、上流から順に、濾過器（１１）、電磁弁（１２）、定流量弁（１３）などを配置するのが望ましい。電極に供給する電気は、電圧２Ｖ以上４Ｖ以下が望ましい。電流値を連続的に監視しながら、所定の電流値を下回ったときに、塩素イオン溶液の供給配管上に配置された弁を開き、所定電流に達したときに閉じることによって電気分解を制御する。

次に、塩素イオン溶液の供給を、重しによる塩素イオン溶液の軟質容器に対する加圧で行う態様について、図２に基づいて説明する。硬質容器（１６）内に、塩素イオン供給配管を接合した軟質塩素イオン溶液容器（１７）を置き、その上に重し（１８）をのせる。重しの圧力によって、容器内の塩素イオン溶液が、塩素イオン供給配管の方へ押し出されるのである。他の仕様は前述の態様と同様に、構成し、電流値の制御も同様に行う。前述の電解槽のように、内部電極の内部を流れる希釈水側に、電気分解液を吸引するために、流路を狭めた部材を使用する必要はないが、電気分解液と希釈水の混合を完全に行うためには、前述の部材と同様の構造とすることが望ましい。

さらに、塩素イオン溶液の供給を、バネ付の板で、塩素イオン溶液の軟質容器を圧迫することにより行う態様について、図３に基づいて説明する。硬質容器に、塩素イオン溶液供給配管を接合した軟質塩素イオン溶液容器を置き、容器を圧迫するようにバネ付の板（１９）を設置する。バネの反発力が板を経て容器に圧力として加わり、容器内の塩素イオン溶液が、塩素イオン供給配管の方へ押し出されるのである。他の仕様は前述の態様と同一である。

さらにまた、塩素イオン溶液の供給を、塩素イオン溶液を収納した軟質容器を密閉容器に収納し、その密閉容器に注水することで、水圧を掛けることにより行う態様について、図４に基づいて説明する。塩素イオン溶液容器を、密閉できる硬質容器（２１）に収納し、密閉する。塩素イオン溶液の供給配管は密閉容器を通して外部に出ている。その後、密閉容器に接合されている希釈水の分岐配管（２２）から水を密閉容器内に注水し、希釈水の水圧により塩素イオン溶液を塩素イオン溶液供給配管の方に押し出す。他の仕様は前述の態様と同一である。

次に実施例に基づいて、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明をこの実施例に限定する趣旨ではない。
実施例のフロー図を図１に示した。電解槽は次のように構成した。内部電極（１）は、外径１０ｍｍ、長さ１６０ｍｍ、厚さ１ｍｍのセミシームレスチタン管の外面のみを酸化イリジウムで焼結被覆し、外部電極は、外径２１．７ｍｍ、長さ１６０ｍｍ、厚さ２ｍｍの配管用チタン管の内面のみを白金鍍金した。内部電極を陽極、外部電極を陰極として使用した。２本の電極を同心円状に対置し、上下を硬質塩化ビニールで製作した、流出部（８）と流入部（２５）に固定した。陽極の内部を希釈水が流れるように流入部の希釈水入口（２６）に希釈水配管（３）を接合した。また、流入部には塩素イオン溶液流路（２７）が設けられており、そこに塩素イオン溶液配管（４）を接合した。流出部には電気分解液の排出流路（９）が設けられており、その出口は希釈水出口の絞り部（１０）に接合されており、希釈水出口の絞り部における希釈水側の減圧により、電気分解液を希釈水中に吸引するように構成されている。塩素イオン溶液配管上には接液部がテフロン製の開閉弁（フロン工業社製テフロン電磁弁）が配置されており、その開閉により、塩素イオン溶液の供給量を制御した。また、希釈水配管上には濾過器（１１）（ホクエツ社製）、電磁弁（１２）（ベン社製）、流れモニター（１４）（ホクエツ社製）、定流量弁（１３）（日本フローセル社製）を配置した。電解槽出口には出口配管（２８）を接合し、電解水の排出口とした。電解槽には直流電源回路（図示せず）から直流電流を印加する。制御は、電解電流値が設定電流値を下回ったとき、塩素イオン溶液配管上の電磁弁を開き、設定電流値に達すると電磁弁を閉じるという方法で行う仕組みである。

この装置（ホクエツ社製、ビサンセー ＰＥ−６０）を、塩素イオン溶液として５％塩酸を用い、電解電圧２．４Ｖ、電解電流２．２Ａ、希釈水流量６０Ｌ／ｈで運転し、ｐＨ５．６、有効塩素濃度１８ｐｐｍの電解水を時間当たり６０Ｌ得た。

電解槽出口に電気分解液の吸引構造をつけた、電解水生成装置のフロー図である。 塩素イオン溶液の供給を、塩素イオン溶液への重しによる加圧により行う、電解水生成装置のフロー図である。 塩素イオン溶液の供給を、塩素イオン溶液へのバネ付板よる加圧により行う、電解水生成装置のフロー図である。 塩素イオン溶液の供給を、塩素イオン溶液への水圧加圧により行う、電解水生成装置のフロー図である。

符号の説明

１．電極（陽極）
２．電極（陰極）
３．希釈水配管
４．塩素イオン供給配管
５．開閉弁
６．電極間隙
７．内部電極の内部の出口側
８．流路を狭めた部材
９．電極間隙からの電気分解液の流れる流路
１０．希釈水流路の絞り部
１１．濾過器
１２．電磁弁
１３．定流量弁
１４．流れモニター
１５．塩素イオン溶液容器
１６．硬質容器
１７．塩素イオン供給配管を接合した軟質塩素イオン溶液容器
１８．重し
１９．バネ付の板
２０．バネ
２１．硬質容器
２２．希釈水の分岐配管
２３．加圧用給水手動弁
２４．排水手動弁
２５．流入部
２６．希釈水入口
２７．塩素イオン溶液流路
２８．出口配管

Claims (7)

1. 塩素イオン溶液を電気分解した後に、該電気分解液を水で希釈することにより殺菌力を有する溶液である電解水を生成する装置であって、直径の異なる円筒状の電極を同心円状に配置することによって構成した電解槽を使用する装置において、最内部の円筒電極内に希釈水を流下させ、各円筒電極間の間隙を塩素イオン溶液を流下させながら電気分解し、電解槽の出口で、最内部を流下してきた希釈水と、各電極間隙部を流下し電気分解された電気分解液を合一混和する方法で、電解水を生成する電解水生成装置
2. 塩素イオン溶液の電解槽への供給が、塩素イオン溶液タンクから各電極間隙部までの、塩素イオン溶液供給配管上に配置された開閉弁の開閉、もしくは調節弁によって調節されることを特徴とする請求項１記載の電解水生成装置
3. 請求項１記載の電解槽出口における、希釈水と、各電極間隙部を流下し電気分解された電気分解液の合一混和が、希釈水の出口流路を細くすることによって希釈水の流速を増し、そのことによって得られる減圧で、希釈水の流路の減圧部位と電極間隙部の間を接合する配管を通して電気分解液を希釈水中に吸引し、合一混和することを特徴とする、請求項１または請求項２記載の電解水生成装置
4. 塩素イオン溶液の容器が軟質容器であり、塩素イオン溶液の電解槽への供給が、該軟質容器に加圧することによって行われることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電解水生成装置
5. 請求項４記載の塩素イオン溶液の入った軟質容器への加圧が、硬質の収容箱に収めた軟質容器に重しを掛ける方法又は、硬質の収容箱に収めた軟質容器をバネ付の板で圧迫する方法又は、密閉容器に収納した軟質容器に、密閉容器に注水することにより水圧を掛ける方法により行われることを特徴とする請求項４記載の電解水生成装置
6. 電解槽の構成が円筒状電極２個が同心円状に配置されて成ることを特徴とする請求項１乃至同５の何れかに記載の電解水生成装置
7. 最内部の電極が陽極であることを特徴とする、請求項１乃至同６の何れかに記載の電解水生成装置