JP2007185613A

JP2007185613A - 還元水生成装置

Info

Publication number: JP2007185613A
Application number: JP2006006136A
Authority: JP
Inventors: Seigo Matsuki; 清悟松木
Original assignee: FURAKKUSU KK
Current assignee: FURAKKUSU KK
Priority date: 2006-01-13
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】塩素イオン、次亜塩素酸イオン、及び塩素分子の残留量が少ない状態にて還元水を生成すると共に、交流電圧における正（＋）となる印加時間、及び負（−）となる印加時間を調整することによって、電極の素材が水中に溶出することを減少させると共に、電極を構成しているカーボン繊維の水中への延伸を減少し、ひいては電極相互間のショートを減少し得るような還元水生成装置の構成を提供すること。
【解決手段】還元水生成装置の電極としてカーボン電極１を採用し、カーボン電極の周囲をメッシュ５によって包囲しかつ支持することによって、前記課題を達成することができる還元水生成装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電圧を印加することによって、還元水を生成する装置に関するものである。

高周波交流電圧を印加することによって還元水を生成する装置は、既に提唱されている。

一般に水の酸化還元電位として、銀−塩化銀電極を使用して測定したことによる酸化還元電位の値（ＯＲＰ値）が＋２００ｍＶを示す場合が中間値とされ、当該中間値よりも低い電位による水は還元水と称されている。

従来の高周波交流を採用した還元水生成装置では、大抵の場合、一対の電極に高周波交流電圧を印加し、当該一対の電極とは別に、第三のグランド電極（電位を零とする電極）を使用し、かつ当該一対の電極との間にて直流電圧などの印加を行う構成を採用しているが、当該一対の電極に使用する素材によって、還元水生成装置の特性基本的に左右されている。

例えば、特許文献１、及び同２に示す還元水生成装置の場合には、一対の電極として白金メッキチタンを採用しているが、水道水などの塩素を含有している水を素材として示した場合には、塩素イオン、次亜塩素酸イオン、及び塩素分子が還元水中に残留し、飲用水とするには極めて不都合な結果とならざるを得ない（改めて活性炭などのフィルターを通過させて浄化することが不可欠となる。）。

他方、特許文献４に示すように、金属酸化物を電極する高周波交流を使用した還元水生成装置の場合には、当該金属酸化物が水中に溶出するにも拘らず、当該溶出を具体的に防止することができない。

このような状況に鑑み、出願人は特願２００４−２４７８３６号出願において、水を収容し得る容器中に、一対の電極を備え、当該電極に対する交流電源を備えている還元水生成装置において、電極としてカーボン電極を選択したことに基づく還元水生成装置をベースとする発明（以下「先願発明」と略称する。）を提唱しているが、先願発明においては、当該カーボン電極に対して印加する電圧の時間、大きさ、更には当該電圧としてパルス電圧を選択し、当該パルス電圧の印加時間、ピーク値などを選択する従属クレームによる発明も提唱されている。

このような先願発明においては、電極を構成する素材が水中に溶出したり、更には水中に塩素イオン、亜鉛素イオン及び塩素分子の残留を相当防止することができる点において、従来の還元水生成装置に比し、明らかに優れている。
但し、先願発明においては、電極としての機能が減衰した段階において、電極を構成しているカーボン繊維が水中に延伸し、当該繊維同士の接触において電極のショートを招聘する場合があることが発見された。

特開２０００−８４５６０号公報。特開２００２−４５８６１号公報。特開２００２−２７３４３１公報。特開２００３−３０５４７３公報。

本発明は、炭素電極の採用によって塩素イオン、次亜塩素酸イオン、及び塩素分子が残留していない状態にて還元水を生成し得ること、電極を構成する素材が水中に溶出することを少なくすることを可能とする一方、前記カーボン繊維の水中における延伸を減少し、ひいては当該繊維同士の接触による電極のショートを減少することによって、電極の寿命を延長できるような還元水生成装置の構成を提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）水を収容し得る容器中に、一対の電極を備え、当該電極に対する交流電源を備えている還元水生成装置において、電極としてカーボン電極を採用し、カーボン電極の周囲をメッシュによって包囲しかつ支持したことに基づく還元水生成装置、
（２）交流電源から各カーボン電極に対し、負（−）の電圧を印加する時間の長さを、当該カーボン電極の表面において、水との導電性に支障を来たさない程度のスケール皮膜が形成される程度に設定し、正（＋）の電圧を印加する時間の長さを、既に形成されているスケール皮膜を溶解し、かつ表面からカーボン粒子が水中に陽極する以前に終了する程度に設定していることを特徴とする前記（１）記載の還元水生成装置、
からなる。

前記（１）の構成に基づく本発明においては、カーボン電極の採用によって塩素イオン、次亜塩素酸イオン、塩素分子が少ない状態にて還元水を生成することが可能とする一方、メッシュの保持によって、カーボン繊維の水中における延伸、更には電極同士のショートを防止することができ、特に前記（２）の構成においては、カーボン電極におけるカーボン粒子が水中に溶出することを減少させることができる。

本発明においては先願発明の場合と同様、図１に示すように、水を収容し得る容器２中に一対のカーボン電極１を設置し、一対のカーボン電極１間に正（＋）となる電圧と負（−）となる電圧を交互に印加することができる交流電圧電源を設置している。

一対の電極の配置としては、例えば図１（ａ）に示すように、略同一高さとするような設計、及び図１（ｂ）に示すように、一方側の電極が他方側の電極よりも高い位置とするような設計が可能であり、双方の電極間の配置形態は、必ずしも特定されている訳ではない。
但し、後述の非対称交流電圧を採用する場合には、図１（ｂ）の配置形態の方が好ましいことは、後に説明するとおりである。

本発明においては、図１（ａ）、（ｂ）に示す実施形態のように、一対のカーボン電極１のみによって還元水を生成することが可能であるが、従前の還元水生成装置の場合と同様に、他にグランド電極を設ける構成を特に排除している訳ではない。

本発明においては、図２に示すように、電極の周囲をメッシュによって包囲しかつ支持しているが、メッシュの素材自体が水中に溶出することを防止するため、通常プラスチック繊維、又は天然繊維が採用されている。
但し、カーボン電極を包囲し、かつ支持する作業に適切な強度を有することを必要としており、繊維の種類によって当該強度に必要な厚さは相違するが、通常のカーボン電極の場合には、例えばポリエステル繊維の場合には、６０〜１５０μｍが適切であることが確認されている。

メッシュによる包囲及び支持によって、カーボン繊維の水中への延伸が減少するが、前記延伸を十分防止するためには、メッシュの大きさが小さい程良好である。
但し、当該大きさが小さい程電極の開口率が低下し、電極としての機能が損なわれることを考慮し、前記延伸をほぼ防止し得るような大きさを設定することが好ましい。

発明者の経験では、メッシュが正四角形の場合には、頂点同士の径が一辺の長さが０．７ｍｍ以下である場合、及びメッシュの構成単位が正六角形の場合には、一辺の長さが０．６ｍｍ以下である場合に前記延伸をほぼ防止することが可能であることにつき、試行錯誤を伴う実験によって確認されている。

メッシュの被覆の程度によって電極の開口率が左右されるが、開口率が大きい程通電率が高く、かつ還元水生成機能効率が高く、逆に開口率が低い程カーボン繊維の水中への延伸を防止する効率を向上させることができる。

メッシュを構成する繊維の径が０．１ｍｍの場合において、前記のように一辺の長さが０．７ｍｍである正四角形を構成単位とするメッシュの場合の開口率は、約７重量％であり、一辺の長さが０．６ｍｍである正六角形を構成単位とするメッシュの開口率は約７５％であるが、本件発明においては、約７０％の開口率を確保することが可能である。
但し、カーボン繊維の水中への延伸を完全に防止するために、メッシュの形状が小さくなるにしたがって、開口率が低下した場合には、電極の容量を大きくすることによってカバーすることができる。

このように、前記（１）の構成によって、電極の寿命を飛躍的に向上させることが可能となるが、メッシュによる包囲及び支持に加えて、カーボン電極間の距離を可能な限り長く設定することによっても、電極の寿命が向上する。

因みに、通常還元水生成装置において採用されている電極間距離は、約４ｍｍであるが、６ｍｍと設定することによって寿命が２倍以上飛躍することが確認されている。

カーボン電極の場合には、結晶を構成しているカーボン粒子間に空隙が存在しており、当該空隙間に水中の塩素イオン、次亜塩素酸イオン、及び塩素分子が吸着されると考えられ、その結果として還元水中に塩素イオン、次亜塩素酸イオン、塩素分子が残留する程度を他の電極の場合に比し、低減させるものと解される。
但し、カーボン電極１の場合においては、カーボン粒子を構成する炭素がイオン化したうえで水中に溶解し、しかも炭酸水素（Ｈ_２ＣＯ_３）を形成する場合がある。

前記（２）の構成においては、炭素が水中に溶解する以前に、各電極が陰極となっている段階では、電極表面に水中の陽イオン化合物によってスケール皮膜を水との導電性を喪失しない程度に形成し、陽極となっている段階では、既に形成されているスケール皮膜を順次除去し、当該除去の後、カーボン粒子を構成する炭素がイオン化して、水中に溶出する以前に改めて陰極に変化するという工程を繰り返すことによって、炭素の水中への溶出を減少させている（前記の説明によれば、理論上水中への溶出は、防止される筈であるが、実際には、スケール皮膜の形成時、更には、スケール皮膜の除去の後の段階にて、微量の炭素が水中に溶出し、完全に防止することができないことから、「減少」という表現に終始している。）。

このように、前記（２）の基本構成において、スケール皮膜の形成及びその除去を繰り返すことによる交流の周期は、従来の高周波交流を用いた還元水生成装置の場合と全く相違しており、通常桁違いに長時間であることを必要としている。

具体的な時間は、印加電圧及び使用するカーボン電極１を構成するカーボンの密度によっても相違するが、比較的多く採用されているカーボンコンポジット電極において、両電極の電圧のピーク値を１０Ｖとする交流の場合、当該交流の半周期として、５０〜２００ｓｅｃに設定する場合が多い。

前記（１）及び（２）の構成において、通常の交流の場合のように、正（＋）となる半周期と負（−）となる半周期とによる電圧波形が、零電位を中心として、対称となっている通常の交流電圧（以下「対称交流電圧」と略称する。）を印加した場合には、ＯＲＰ値として約０ｍＶ程度の還元水を得ることができる。

対称交流電圧を印加した場合には、電極の周囲、更には、容器２中において、水素イオン（Ｈ^＋）と水酸イオン（ＯＨ⁻）とが概略均等に分布しているにも拘らず、前記のように、還元水を得ることができるのは、水中において生じた水素イオン（Ｈ^＋）と水酸イオン（ＯＨ⁻）の内、水素イオンが水中の溶存酸素と結合して新たに水を形成するのに対し、水酸イオンは溶存酸素と結合してヒドロキシウムイオン（ＨＯ_３ ⁻）を形成する確率が乏しく、水中に残存することに基づくものと解される。

しかしながら、前記（１）、及び（２）の構成において、正（＋）となる期間と、負（−）となる期間とによる電圧波形が、零電圧を中心として、対称状態ではなく、しかも特定の一方側の電極において、正（＋）となる電圧による時間積分値が負（−）となる電圧による時間積分値よりも大きく、他方の電極において、正（＋）となる電圧の時間積分値が負（−）となる電圧の時間積分値よりも小さくなるような交流（以下このような交流を「非対称交流電圧」と略称する。）を印加することを特徴とする実施形態を採用した場合には、更にＯＲＰ値を低下することが可能となる。

非対称交流電圧を印加することによって還元電位を低下させることができる根拠は必ずしも明らかではない。
但し、非対称交流電圧に基づいて、正（＋）電圧がより多く印加される一方側の電極においては、水酸イオン（ＯＨ⁻）よりも水素イオン（Ｈ^＋）が多く密集化するのに対し、負（−）の電位がより多く印加される他方側の電極においては、水素イオン（Ｈ^＋）よりも水酸イオン（ＯＨ⁻）が多く密集し、一方側の電極においては、対称交流電圧の場合よりも、水素イオン（Ｈ^＋）が、溶存酸素との結合によって新たに水が生成される場合が多く、これに対し、他方側の電極においては、対称交流電圧の場合よりも、密集した水酸イオン（ＯＨ⁻）が、水素イオン（Ｈ^＋）と結合せずに残存することが多くなるものと考えることができる。

そして、非対称交流電圧を印加する場合、図１（ｂ）の配置形態を採用し、かつ正（＋）となる電圧による時間積分値が負（−）となる電圧による時間積分値よりも大きいことによる電圧が印加された電極を下側に配置した場合には、当該電極において発生した比較的多量の水素イオン（Ｈ^＋）の内、水中の水酸イオン（ＯＨ⁻）と結合しなかった部分が、速やかに水素原子（Ｈ_２）となって空中に放出されずに、水中の溶存酸素と結合し得ることから、非対称交流電圧を印加する場合には、図１（ｂ）のような配置形態を選択したうえで、下側の電極に上記のような電圧の印加を行うことが好適である。

非対称交流電圧の印加方式としては、図３（ａ）に示すように、正（＋）の電圧の印加時間が負（−）の電圧の印加時間よりも長く設定されていることを特徴とする実施形態、更には、図３（ｂ）に示すように、正（＋）の電圧のピーク値が負（−）の電圧のピーク値よりも大きく設定されていることを特徴とする実施形態、
の双方が存在する。

かくして、ＯＲＰ値の低い還元水を得るには、前記のような非対称交流電圧による実施形態が適切である。

印加する交流電圧の波形は、図３（ａ）、（ｂ）のような正弦波に限定される訳ではなく、寧ろ、図３に示すような矩形波パルスを採用する場合が多い。

図４（ａ）は、矩形波パルスによる対称交流電圧を示しており、図４（ｂ）は、図３（ａ）に対応するピーク値の相違による非対称交流電圧を形成する矩形波パルスを示しており、図４（ｃ）は図３（ｂ）に対応する時間の相違による非対称交流電圧を示しているが、矩形波パルスの場合には、非対称交流電圧の生成及び印加が容易に実現できるが故に、ＯＲＰ値の低い還元水の生成に便利である。

発明者らの経験によれば、図４（ｂ）に示すように、印加時間において相違している非対称交流である矩形波パルスを印加する実施形態、及び図４（ｃ）に示すように、波高値において相違している非対称交流電圧である矩形波パルスを印加する実施形態において、効率的にＯＲＰ値を低下することができる。

図３、及び図４による電圧は、一対の電極間における電圧を示しており、双方の電極の電位が図３、図４のような状態を示すことまで必要としている訳ではない。

即ち、一対の電極の内の一方側の電極につき、図３、図４のような電位であって、他方側の電極の設置によって零電位とするような設計もまた当然採用可能である。

本発明による還元水生成装置と浄水器を結合した場合には、残留塩素イオン及び残留塩素分子が少なく、かつ中性又は弱アルカリ性の浄水された水を飲用することができる。

以下、実施例に即して説明する。

実施例１においては、径１００μｍ（０．１ｍｍ）のポリエステル繊維を採用したうえで、一辺の長さを５ｍｍとする正四角形による構成単位のメッシュ、及び一辺の長さを０．４ｍｍとする正六角形による構成単位のメッシュを作成した。

このようなメッシュによって、カーボン電極を包囲しかつ支持した状態にて、１週間継続して水の還元作用に供したが、カーボン繊維が水中に延伸するという現象は生じなかった。

実施例２においては、図４（ｂ）に示すような印加時間において相違している矩形波パルスによる非対称交流電圧を採用したうえで、一方の電極から他方の電極に対し、８〜２０Ｖの波高値を有し、パルスの時間幅を２０００〜４０００μｓｅｃとし、１００〜１５０μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを正（＋）の電圧として３０〜６０ｓｅｃ印加し、同一の矩形波パルスを同一の時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを負（−）の電圧として６０〜１２０ｓｅｃ間印加することを特徴としている。

このような印加時間の相違による非対称交流電圧である矩形波パルスについて、電圧及び各印加時間を前記のような数値限定の範囲を採用した場合には、残留塩素イオン又は塩素分子が少なく、かつＯＲＰ値が低い還元水を得ることができる。

実施例３においては、図４（ｃ）に示すような、波高値において相違している矩形波パルスによる非対称交流電圧を採用したうえで、一方の電極から他方の電極に対し、８〜２０Ｖの波高値を有し、パルスの時間幅を２０００〜４０００μｓｅｃとし、１００〜１５０μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを正（＋）の電圧として３０〜６０ｓｅｃ印加し、１５〜４０Ｖの波高値を有し、パルスの時間幅を２０００〜４０００μｓｅｃとし、１００〜１５０μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを、負（−）の電圧として、１００〜２００ｓｅｃ印加することを特徴としている。

正（＋）の電圧が印加されている電極において、発生する水素イオン（Ｈ^＋）及び負（−）の電圧が印加されている電極において発生する水酸イオン（ＯＨ⁻）の量は、各電圧の積分値に比例する以上、実施例２においても、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

特に、実施例１の実験の場合に準じて、波高値を１２Ｖとし、パルスの時間幅を３０００μｓｅｃとし、１２５μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを正（＋）の電圧として、４５ｓｅｃ間印加した後、波高値を２３Ｖとし、パルスの時間幅を３０００μｓｅｃとし、１２５μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを負（−）の電圧として、１２５ｓｅｃ間印加する非対称交流電圧を選択したうえで、本発明の一対のカーボン電極に印加した場合には、実施例１の実験の場合と同様に、残留塩素イオン、又は塩素分子が少なく、かつＯＲＰ値が低い還元水を得ることができることは、当然に推定し得るところである。

本発明による還元水生成装置は、飲料水の生成、工業用還元水の製造等に利用することができる。

本発明に係る装置の基本構成を示す側断面図であり、（ａ）は双方の電極を約同一の高さに設計した場合を示しており、（ｂ）は双方の電極を異なる高さに設計した場合を示している。本発明に係る電極の基本構成を示す側面図である。正弦波による非対称交流電圧の状態を示すグラフであり、（ａ）は印加時間において相違している場合を示しており、（ｂ）はピーク値において相違している場合を示している場合を示す。矩形波パルスによる交流電圧を印加した場合を示しており、（ａ）は対称交流電圧の場合を示しており、（ｂ）は印加時間が相違している非対称交流電圧の場合を示しており、（ｃ）はピーク値が相違している非対称交流電圧の場合を示している。

符号の説明

１カーボン電極
１１カーボン電極の差込用突出部分
２容器
３交流電源
４水
５メッシュ

Claims

水を収容し得る容器中に、一対の電極を備え、当該電極に対する交流電源を備えている還元水生成装置において、電極としてカーボン電極を採用し、カーボン電極の周囲をメッシュによって包囲しかつ支持したことに基づく還元水生成装置。
メッシュの構成単位の形状が略正方形状であって、当該正方形の一辺の長さが０．７ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の還元水生成装置。
メッシュの構成単位の形状が略正六角形状であって、当該正六角形の一辺の長さが０．６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の還元水生成装置。
交流電源から各カーボン電極に対し、負（−）の電圧を印加する時間の長さを、当該カーボン電極の表面において、水との導電性に支障を来たさない程度のスケール皮膜が形成される程度に設定し、正（＋）の電圧を印加する時間の長さを、既に形成されているスケール皮膜を溶解し、かつ表面からカーボン粒子が水中に溶解する以前に終了する程度に設定していることを特徴とする請求項１、２、３記載の還元水生成装置。
一方側の電極から他方側の電極に対する正（＋）の電圧による時間積分値が、負（−）の電圧による時間積分値よりも大きく設定されており、他方側の電極から一方側の電極に対する正（＋）の電圧による時間積分値が、負（−）の電圧による時間積分値よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１、２、３、４記載の還元水生成装置。
正（＋）の電圧の印加時間が負（−）の電圧の印加時間よりも長く設定されていることを特徴とする請求項５記載の還元水生成装置。
正（＋）の電圧のピーク値が負（−）の電圧のピーク値よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項５記載の還元水生成装置。
一対の電極の内の一方の電極における電位を零としたことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７記載の還元水生成装置。
正（＋）による電圧及び負（−）による電圧が、何れも矩形波パルスの集合体であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８記載の還元水生成装置。
一方の電極から他方の電極に対し、８〜２０Ｖの波高値を有し、パルスの時間幅を２０００〜４０００μｓｅｃとし、１００〜１５０μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを正（＋）の電圧として３０〜６０ｓｅｃ印加し、同一の矩形波パルスを同一の時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを負（−）の電圧として６０〜１２０ｓｅｃ間印加することを特徴とする請求項７、８、９記載の還元水生成装置。
波高値を１２Ｖとし、パルスの時間幅を３０００μｓｅｃとし、１２５μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを正（＋）の電圧として、４５ｓｅｃ間印加した後、同一の矩形波パルスを同一の時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを負（−）の電圧として、８５ｓｅｃ間印加することを特徴とする請求項１０記載の還元水生成装置。
一方の電極から他方の電極に対し、８〜２０Ｖの波高値を有し、パルスの時間幅を２０００〜４０００μｓｅｃとし、１００〜１５０μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを正（＋）の電圧として３０〜６０ｓｅｃ印加し、１５〜４０Ｖの波高値を有し、パルスの時間幅を２０００〜４０００μｓｅｃとし、１００〜１５０μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを、負（−）の電圧として、１００〜２００ｓｅｃ印加することを特徴とする請求項７、８、９記載の還元水生成装置。
波高値を１２Ｖとし、パルスの時間幅を３０００μｓｅｃとし、１２５μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを正（＋）の電圧として、４５ｓｅｃ間印加した後、波高値を２３Ｖとし、パルスの時間幅を３０００μｓｅｃとし、１２５μｓｅｃの時間間隔によって順次発生する矩形波パルスを負（−）の電圧として、１２５ｓｅｃ間印加することを特徴とする請求項１２記載の還元水生成装置。
浄水器と結合したことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３記載の還元水生成装置。