JP2009209378A - オゾン水生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高濃度のオゾン水を得ることができるオゾン水生成装置を提供する。
【解決手段】オゾン水生成装置１００は、陽極電極２２１と、陽極電極２２１の両面にそれぞれ圧接された二つの陽極触媒２２２a，２２２bと、二つの陽極触媒２２２a，２２２bの両面のうち、陽極電極２２１と反対側の面にそれぞれ圧接された陽イオン交換膜２１a，２１bと、二つの陽イオン交換膜２１a，２１bの両面のうち、陽極触媒２２２a，２２２bと反対側の面にそれぞれ圧接された陰極触媒２３２a，２３２bと、二つの陰極触媒２３２a，２３２bの両面のうち、陽イオン交換膜２１a，２１bと反対側の面にそれぞれ圧接された陰極電極２３１a，２３１bと、を備える。そして、陽極電極２２１と陰極電極２３１a，２３１bとの間に直流電圧を印加し、陽極電極２２１に原料水を接触させることによりオゾン水を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水の電気分解によりオゾン水を生成するオゾン水生成装置に関する。

近年、オゾン水は食品の殺菌や悪臭ガスの脱臭などの用途に広範に使用されており、さらに医療や介護の分野で、数多い知見例が発表され始めている。また、半導体製造領域においても、超微細構造に対するオゾン酸化の特徴が認められ、オゾン水の使用が必須とされている。
このようなオゾン水の製法として、陽イオン交換膜の一方の面に陽極電極を圧接させ、他方の面に陰極電極を圧接してなる触媒電極の電解面に原料水を直接接触させて、水の電気分解によりオゾン水を生成させる直接電解法を利用したものが知られている。また、具体的な製造装置として、固形電解質膜を介して陽極室と陰極室を設け、陽極室と陰極室にそれぞれ通水路を形成しておき、陽極室側の電極が通水方向に分割されて相互に電気的に絶縁された複数の電極セグメントからなるものがある（例えば、特許文献１参照）。
特許第３６２３３３９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の製造装置では、陽極電極の両面のうち一方の面のみからオゾンが発生するため、効率良くオゾンを発生させることができず、高濃度のオゾン水を得ることができない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、小型で高濃度のオゾン水を得ることができるオゾン水生成装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、
陽極電極と、
前記陽極電極の両面にそれぞれ圧接された二つの陽極触媒と、
前記二つの陽極触媒の両面のうち、前記陽極電極と反対側の面にそれぞれ圧接された陽イオン交換膜と、
前記二つの陽イオン交換膜の両面のうち、前記陽極触媒と反対側の面にそれぞれ圧接された陰極触媒と、
前記二つの陰極触媒の両面のうち、前記陽イオン交換膜と反対側の面にそれぞれ圧接された陰極電極と、を備え、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加し、前記陽極電極に原料水を接触させることによりオゾン水を生成することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、陽極電極と、陽極電極の両面にそれぞれ圧接された二つの陽極触媒と、二つの陽極触媒の両面のうち、陽極電極と反対側の面にそれぞれ圧接された陽イオン交換膜と、二つの陽イオン交換膜の両面のうち、陽極触媒と反対側の面にそれぞれ圧接された陰極触媒と、二つの陰極触媒の両面のうち、陽イオン交換膜と反対側の面にそれぞれ圧接された陰極電極と、を備え、通常、一方の面のみを使用する陽極電極の両面にそれぞれ陽極触媒、陽イオン交換膜、陰極触媒及び陰極電極を設けて、陽極電極の両面を使用するので、陽極電極の一方の面側と、他方の面側とでそれぞれオゾンを発生させることができる。その結果、漸増の法則により小型電極で高濃度のオゾン水を生成することができる。
また、陽極電極の両面のうち一方の面と、二つの陰極電極のうち一方の陰極電極のみに直流電圧を印加することによって、陽極電極の片面のみからオゾンを発生させることもできるので、陽極電極の両面を使用する場合と、片面のみを使用する場合とを適宜調整することで、容易に濃度制御を行うことができる。

請求項２の発明は、
陽極電極と、
前記陽極電極の外周面に沿って配置され圧接された陽極触媒と、
前記陽極触媒の外周面に沿って配置され圧接された陽イオン交換膜と、
前記陽イオン交換膜の外周面に沿って配置され圧接された陰極触媒と、
前記陰極触媒の外周面に沿って配置され圧接された陰極電極と、を備え、
前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加し、前記陽極電極に原料水を接触させることによりオゾン水を生成することを特徴とする。

請求項２の発明によれば、陽極電極と、陽極電極の外周面に沿って配置され圧接された陽極触媒と、陽極触媒の外周面に沿って配置され圧接された陽イオン交換膜と、陽イオン交換膜の外周面に沿って配置され圧接された陰極触媒と、陰極触媒の外周面に沿って配置され圧接された陰極電極と、を備え、陽極電極の外周面全面を使用しているので、陽極電極の外周面全面でオゾンを発生させることができる。その結果、漸増の法則により小型電極で高濃度のオゾン水を生成することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のオゾン水生成装置において、
前記陽極触媒及び前記陰極触媒は、白金もしくは白金被覆金属であることを特徴とする。

請求項３の発明によれば、陽極触媒及び陰極触媒は、白金もしくは白金被覆金属であるので、小型で高濃度のオゾン水を得ることができる。

請求項４の発明は、請求項１又は２に記載のオゾン水生成装置において、
前記陰極触媒は、白金もしくは白金被覆金属を用いた第一触媒と、銀、銅、金又はアルミニウムを用いた第二触媒とを重ね合わせた複合触媒であることを特徴とする。

請求項４の発明によれば、陰極触媒は、白金もしくは白金被覆金属を用いた第一触媒と、銀、銅、金又はアルミニウムを用いた第二触媒とを重ね合わせた複合触媒であるので、小型で、請求項３よりもさらに高濃度のオゾン水を得ることができる。

本発明によれば、小型で高濃度のオゾン水を生成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１(a)は、オゾン水生成装置１００の概略を模式的に示した縦断面図、図１(b)は、切断線I−Iに沿って切断した際の矢視断面図である。
オゾン水生成装置１００は、原料水（例えば、水道水又は精製水）が流入される容器１内に触媒電極２を配置して構成したもので、触媒電極２に直流電圧を印加することによって陽極電極２２１側にオゾン気泡を発生させて、そのオゾン気泡を水に溶解させることによりオゾン水を生成する装置である。
容器１は、上下に長尺な直方体状をなし、その下面に容器１内の陽極電極２２１側に原料水を導入する陽極水導入路１１と、陰極電極２３１a，２３１b側に原料水を導入する陰極水導入路１２a，１２bが設けられている。陽極水導入路１１は容器１の略中央に配置され、陰極水導入路１２a，１２bは陽極水導入路１１の両側に二つ配置されている。
また、容器１の上面には容器１内の陽極電極２２１側で生成されたオゾン水が排出されるオゾン水排出路１３と、陰極電極２３１a，２３１b側で生成された陰極水が排出される陰極水排出路１４a，１４bが設けられている。オゾン水排出路１３は容器１の略中央に配置され、陰極水排出路１４a，１４bはオゾン水排出路１３の両側に二つ配置されている。

陽極水導入路１１及び陰極水導入路１２a，１２bは、例えば、原料水が貯留されたタンクに接続された定吐出圧の小型ポンプや、水道栓に連結されている。また、オゾン水排出路１３は、容器１内で生成されたオゾン水を貯留するタンクやオゾン水を噴出させるノズル等に接続され、陰極水排出路１４a，１４bは陰極水を貯留するタンクや排水ラインに接続されている。また、オゾン水排出路１３と陰極水排出路１４a，１４bとの間の容器１の上面には、後述する陽イオン交換膜２１a，２１bの上端部が挿入される挿入部１５a，１５bがそれぞれ形成され、陽極水導入路１１と陰極水導入路１２a，１２bとの間の容器１の下面には、陽イオン交換膜２１a，２１bの下端部が挿入される挿入部１６a，１６bがそれぞれ形成されている。
容器１内には、陽極水導入路１１から陽極水が導入され、陰極水導入路１２a，１２bから陰極水が導入され、陽極水導入路１１からオゾン水排出路１３へと水流が発生するとともに陰極水導入路１２a，１２bから陰極水排出路１４a，１４bへと水流が発生している。

触媒電極２は、容器１内の略中央部に配置されており、陽極電極２２１と、陽極電極２２１の両面にそれぞれ圧接された陽極触媒２２２a，２２２bと、各陽極触媒２２２a，２２２bの両面のうち陽極電極２２１と反対側の面に圧接された陽イオン交換膜２１a，２１bと、各陽イオン交換膜２１a，２１bの両面のうち陽極触媒２２２a，２２２bと反対側の面に圧接された陰極触媒２３２a，２３２bと、各陰極触媒２３２a，２３２bの両面のうち陽イオン交換膜２１a，２１bと反対側の面に圧接された陰極電極２３１a，２３１bと、を備えている。
陽イオン交換膜２１a，２１bは、上端部が挿入部１５a，１５bに挿入され、下端部が挿入部１６a，１６bに挿入されて固定されている。さらに、容器１の内壁面のうち陰極電極２３１a，２３１b側を向く面には凹部１７a，１７bが形成されて、これら凹部１７a，１７b内に陰極電極２３１a，２３１bが嵌め込まれて、このようにして触媒電極２は容器１内に保持されている。
また、陽極電極２２１と陰極電極２３１a，２３１bとの間には、電源装置（図示しない）の出力端が電気的に接続され、直流電圧が印加されるように構成されている。陽極電極２２１及び陰極電極２３１a，２３１bは、各電極に導線を介して電源装置に接続されている。印加する直流電圧は、例えば６〜１５ボルトが好ましい。

陽極電極２２１は、水流が通過できるように多数の通孔を有する矩形板状をなしている。例えば、細い線材を格子状に溶接したような目の粗いグレーチング状とすることが好ましい。陽極電極２２１としては、耐オゾン材料として、例えばチタンを使用することが好ましい。
陽極触媒２２２a，２２２bも、水流が通過できるような形状が好ましく、例えば、細い線材を格子状に溶接したような目の細かいグレーチング状とすることが好ましい。陽極触媒２２２a，２２２bとしては、オゾン発生触媒機能を有した金属を使用する。具体的には、β−二酸化鉛、白金、白金族（パラジウム、ロジウム、ルテニウム）、金、カーボン（黒鉛）、ダイアモンド等が挙げられ、これらの金属の中でも安定性が良く、小型で高濃度のオゾン水を得ることができる点で白金、又はその白金金属を使用することが好ましい。また、チタンに白金を被覆した金属を使用すると製品コストを安価に抑えることができる。被覆処理としては、例えばメッキや熱着等により行うことができる。
また、陽極電極２２１と陽極触媒２２２a，２２２bとの間に、水の流路を形成するとともに攪拌効果を上げるためにチタン製のやや目の細かいグレーチング（図示しない）をさらに設けることが好ましい。グレーチングとは線材を溶接したような一体格子状のものが挙げられる。このように陽極触媒２２２a，２２２bを格子状とし目の粗さを細かくすることによって、水流と接触して渦流を生じ、陽極触媒２２２a，２２２bで発生したオゾンの微泡を巻き込んで溶解を早めることができる。

陽イオン交換膜（ナフイオン膜）２１a，２１bとしては、従来公知ものを使用することができ、発生するオゾンに耐久性の強いフッ素系陽イオン交換膜を使用することができ、例えば厚さ１００〜３００μｍが好ましい。

陰極触媒２３２a，２３２bは、陽極触媒２２２a，２２２bと同様に水流が通過できるように目の細かいグレーチング状とすることが好ましい。陰極触媒２３２a，２３２bとしては、例えば、白金、銀、チタン等の金属や薄い銀製金網の表面に塩化銀被覆を施したものを使用することができる。特に、小型で高濃度のオゾン水を得ることができる点で、白金もしくは白金被覆金属とすることが好ましい。
また、陰極触媒２３２a，２３２bも、白金もしくは白金被覆金属を用いた第一触媒と、銀、銅、金又はアルミニウムを用いた第二触媒とを重ね合わせた複合触媒を使用しても良い。この場合、より高濃度のオゾン水を得ることができる。

陰極電極２３１a，２３１bは、陽極電極２２１と同様に水流が通過できるように多数の通孔を有する矩形板状をなしており、目の粗いグレーチング状とすることが好ましい。陰極電極２３１a，２３１bとしては、陽極電極２２１と同様にチタンを使用することが好ましいが、ステンレスなどの材料も使用することができる。なお、陽極電極２２１と同様の材料を使用する方が、接触電位差を少なくすることができ、また、製造上、好都合となる。
また、陰極電極２３１a，２３１bと陰極触媒２３２a，２３２bとの間に、水の流路を形成するとともに攪拌効果を上げるためにやや目の細かいチタン製のグレーチング（図示しない）をさらに設けることが好ましい。

以上のように、容器１内の略中央部から外側に向けて陽極電極２２１、陽極触媒２２２a，２２２b、陽イオン交換膜２１a，２１b、陰極触媒２３２a，２３２b及び陰極電極２３１a，２３１bが順番に配されている。陽イオン交換膜２１a，２１bの上端部は挿入部１５a，１５bに挿入されて、下端部は挿入部１６a、６bに挿入され、また、陰極電極２３１a，２３１bは凹部１７a，１７b内に嵌め込まれて、このようにして触媒電極２が容器１内で固定されている。

次に、上述のオゾン水生成装置１００を使用してオゾン水を生成する方法について説明する。
陽極水導入路１１及び陰極水導入路１２a，１２bから原料水を容器１内に導入し、陽極電極２２１面及び陰極電極２３１a，２３１b面に原料水を連続接触させる。同時に、電源装置を駆動させることによって陽極電極２２１及び陰極電極２３１a，２３１b間に所定の電圧を印加する。この通電により原料水が電気分解されて、原料水中の水素が水素イオンとなって陽極電極２２１側から陽イオン交換膜２１a，２１b中を通過して陰極電極２３１a，２３１b側へと加速して移動する。その結果、陽極電極２２１側にはオゾン気泡が発生し、陰極電極２３１a，２３b側には水素気泡が発生する。

ここで、陽極電極２２１側では原料水はわずかな陽極電極２２１の凹凸によって流れの方向が複雑に変わり渦流となる。そのため、陽極電極２２１側では、発生したオゾン気泡をいち早く水中に取り込んで溶解させることによってオゾン水を生成し、陽極電極２２１と陽イオン交換膜２１a，２１bとの間（正確には陽極電極２２１と陰極電極２３１a，２３１bとの間）に電流が多く流れる状態を確保することになる。
このようにしてオゾン水が生成されると、オゾン水はオゾン水排出路１３へと排出されてオゾン水貯留タンク等に貯留される。一方、陰極電極２３１a，２３１b側においては、水素気泡が発生し、陰極水排出路１４a、１４bから陰極水とともに排出される。

以上、本発明の実施の形態のオゾン水生成装置１００によれば、陽極電極２２１と、陽極電極２２１の両面にそれぞれ圧接された二つの陽極触媒２２２a，２２２bと、二つの陽極触媒２２２a，２２２bの両面のうち、陽極電極２２１と反対側の面にそれぞれ圧接された陽イオン交換膜２１a，２１bと、二つの陽イオン交換膜２１a，２１bの両面のうち、陽極触媒２２２a，２２２bと反対側の面にそれぞれ圧接された陰極触媒２３２a，２３２bと、二つの陰極触媒２３２a，２３２bの両面のうち、陽イオン交換膜２１a，２１bと反対側の面にそれぞれ圧接された陰極電極２３１a，２３１bと、を備え、通常、一方の面のみを使用する陽極電極２２１の両面にそれぞれ陽極触媒２２２a，２２２b、陽イオン交換膜２１a，２１b、陰極触媒２３２a，２３２b、陰極電極２３１a，２３１bを設けて、陽極電極２２１の両面を使用するので、陽極電極２２１の一方の面側と、他方の面側とでそれぞれオゾンを発生させることができる。その結果、漸増の法則により小型電極で高濃度のオゾン水を生成することができる。
また、陽極電極２２１の両面のうち一方の面と、二つの陰極電極２３１a，２３１bのうち一方の陰極電極（２３１a又は２３１b）のみに直流電圧を印加することによって、陽極電極２２１の片面のみからオゾンを発生させることもできるので、陽極電極２２１の両面を使用する場合と、片面のみを使用する場合とを適宜調整することで、容易に濃度制御を行うことができる。

次に、上記実施の形態のオゾン水生成装置３００の変形例について説明する。
［変形例］
図２(a)は、オゾン水生成装置３００の概略を模式的に示した縦断面図、図２(b)は、切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図である。
このオゾン水生成装置３００は、上述のオゾン水生成装置１００と異なり、容器３が円筒状をなしており、容器３の下面の略中央に容器３内に陽極水導入路３１が設けられ、陽極水導入路３１の外側に円形枠状の陰極水導入路３２が設けられている。また、容器３の上面の略中央にオゾン水排出路３３が設けられ、オゾン水排出路３３の外側に円形枠状に陰極水排出路３４が設けられている。
さらに、容器３の上面には、陽イオン交換膜４１の上端部が挿入される挿入部３５が形成され、下面には、陽イオン交換膜４１の下端部が挿入される挿入部３６が形成されている。
そして、容器３内には、陽極水導入路３１から陽極水が導入され、陰極水導入路３２から陰極水が導入され、陽極水導入路３１からオゾン水排出路３３へと水流が発生するとともに陰極水導入路３２から陰極水排出路３４へと水流が発生している。

触媒電極４は、容器３内の略中央部に配置され、上記触媒電極２と異なり略円柱状をなしている。具体的には、触媒電極４は、容器３内の略中央部に配された陽極電極４２１と、陽極電極４２１の外周面の全周に沿って配置され圧接された陽極触媒４２２と、陽極触媒４２２の外周面の全周に沿って配置され圧接された陽イオン交換膜４１と、陽イオン交換膜４１の外周面の全周に沿って配置され圧接された陰極触媒４３２と、陰極触媒４３２の外周面の全周に沿って配置され圧接された陰極電極４３１と、を備えている。
陽イオン交換膜４１は、上端部が挿入部３５に挿入され、下端部が挿入部３６に挿入されて固定されている。さらに、容器１の内壁面のうち陰極電極４３１側を向く面には凹部３７が形成されて、凹部３７内に陰極電極４３１が嵌め込まれて、このようにして触媒電極４は容器３内に保持されている。
また、陽極電極４２１と陰極電極４３１との間には、電源装置（図示しない）の出力端が電気的に接続され、直流電圧が印加されるように構成されている。陽極電極４２１及び陰極電極４３１は、各電極に導線を介して電源装置に接続されている。

陽極電極４２１は、水流が通過できるように多数の通孔を有し、平断面視略楕円形の板状をなしている。陽極電極４２１は、上述の陽極電極２２１と同様に目の粗いグレーチング状とすることが好ましく、材料もチタンを使用することが好ましい。
陽極触媒４２２も、水流が通過できるように目の細かいグレーチングとすることが好ましく、平断面視略楕円形の筒状をなしている。陽極触媒４２２の材料としては上述の陽極触媒２２２a，２２２bと同様のものを使用することができる。

陽イオン交換膜４１は、平断面視略楕円形の筒状をなし、上記陽イオン交換膜２１a，２１bと同様にフッ素系陽イオン交換膜を使用することができる。

陰極触媒４３２は、目の細かいグレーチング状とすることが好ましく、平断面視略楕円形の筒状をなしている。さらに、陰極触媒２３２a，２３２bと同様の材料を使用することができる。

陰極電極４３１は、目の粗いグレーチング状とすることが好ましく、平断面視楕円形の筒状をなしている。さらに、陰極電極２３１a，２３１bと同様の材料を使用することができる。

以上のように、容器３内の略中央部から外側に向けて陽極電極４２１、陽極触媒４２２、陽イオン交換膜４１、陰極触媒４３２及び陰極電極４３１が順番に配されている。陽イオン交換膜４１の上端部は挿入部３５に挿入されて、下端部は挿入部３６に挿入され、また、陰極電極４３１は凹部３７内に嵌め込まれて、このようにして触媒電極４が容器３内で固定されている。

なお、オゾン水を生成する方法は、上述したオゾン水生成装置１００の場合と同様のため、その説明を省略する。

上記オゾン水生成装置３００によれば、陽極電極４２１と、陽極電極４２１の外周面に沿って配置され圧接された陽極触媒４２２と、陽極触媒４２２の外周面に沿って配置され圧接された陽イオン交換膜４１と、陽イオン交換膜４１の外周面に沿って配置され圧接された陰極触媒４３２と、陰極触媒４３２の外周面に沿って配置され圧接された陰極電極４２１と、を備え、陽極電極４２１の外周面全面を使用しているので、陽極電極４２１の外周面全面でオゾンを発生させることができる。その結果、漸増の法則により小型電極で高濃度のオゾン水を生成することができる。また、上記オゾン水生成装置１００よりも小型化を図ることができる。

(a)は、オゾン水生成装置１００の概略を模式的に示した縦断面図、(b)は、切断線I−Iに沿って切断した際の矢視断面図である。 (a)は、オゾン水生成装置３００の概略を模式的に示した縦断面図、(b)は、切断線II−IIに沿って切断した際の矢視断面図である。

符号の説明

２１a，２１b，４１ 陽イオン交換膜
１００，３００ オゾン水生成装置
２２１，４２１ 陽極電極
２２２a，２２２b，４２２ 陽極触媒
２３１a，２３１b，４３１ 陰極電極
２３２a，２３２b，４３２ 陰極触媒

Claims (4)

1. 陽極電極と、
   前記陽極電極の両面にそれぞれ圧接された二つの陽極触媒と、
   前記二つの陽極触媒の両面のうち、前記陽極電極と反対側の面にそれぞれ圧接された陽イオン交換膜と、
   前記二つの陽イオン交換膜の両面のうち、前記陽極触媒と反対側の面にそれぞれ圧接された陰極触媒と、
   前記二つの陰極触媒の両面のうち、前記陽イオン交換膜と反対側の面にそれぞれ圧接された陰極電極と、を備え、
   前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加し、前記陽極電極に原料水を接触させることによりオゾン水を生成することを特徴とするオゾン水生成装置。
2. 陽極電極と、
   前記陽極電極の外周面に沿って配置され圧接された陽極触媒と、
   前記陽極触媒の外周面に沿って配置され圧接された陽イオン交換膜と、
   前記陽イオン交換膜の外周面に沿って配置され圧接された陰極触媒と、
   前記陰極触媒の外周面に沿って配置され圧接された陰極電極と、を備え、
   前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加し、前記陽極電極に原料水を接触させることによりオゾン水を生成することを特徴とするオゾン水生成装置。
3. 前記陽極触媒及び前記陰極触媒は、白金もしくは白金被覆金属であることを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン水生成装置。
4. 前記陰極触媒は、白金もしくは白金被覆金属を用いた第一触媒と、銀、銅、金又はアルミニウムを用いた第二触媒とを重ね合わせた複合触媒であることを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン水生成装置。

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