JP2009522084A - ４つのチャンバを有する膜電解反応器システム - Google Patents

Abstract

脱ガスを調節するための４つのチャンバを有する膜電解反応器が、活性ｐＨ中性殺菌剤溶液の生成のために設計される。これらの溶液は弱塩水によって電解的に活性化され、飲料水と表面の殺菌を目的とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学的電解、特に、水と表面の殺菌に使用されるｐＨ中性溶液の生成のための弱塩水の電解処理に関する。

陽極チャンバおよび陰極チャンバが隔壁、膜、またはイオン選択隔膜によって分離されるセル内の電解処理を通じて塩素を含む殺菌剤溶液を生成することが既知である。

これらの溶液は、ブライン溶液から様々な濃度で再生されることが多く、飲料水および表面の殺菌に適用される。この目的で、各種電解セルおよび処理パラメータシステムが使用される。システムは、円形セルまたは平板セルの存在によって本質的に区別される。

塩素ガスの製造（結果として広い産業での適用）、およびひとたびアルカリと必然的に安定化されていたら、市場では小型缶で入手可能な次亜塩素酸塩溶液の製造における産業用電解と異なり、これらのシステムは、特定の要件、すなわち、電解の生成物の仕様および特性を満たすために、特定プロジェクトの範囲内の小さなパイプ網に統合されることが多い。

これらの生成物の優れた殺生特性および殺菌特性、ならびに−特に、飲料水と公共衛生の分野で−現代の汚染リスクとの戦いにおけるその有効性は、専門家の文献で十分に立証されている。この状況で、すぐに入手可能な膜セルを通じて生成される溶液は、同一の活性塩素含有物を有する市場の次亜塩素酸塩溶液と比べて、２対数倍を超える殺菌基準値を有することを特に指摘しておくべきである。

現状技術の評価
装置の様々な生産者らは、特許ＤＥ６９６０９８４１号の明細書に示されるようなロシア製の管状のセルを使用している。ただし、これらのセルは、性能が寸法に関連しているため、性能を高めるためにはより多くの素子を使用する必要がある。その結果、設置中に互換性と技術的な困難に関する問題が生じる。さらに、上記の各種平板セル（たとえば、ＤＥ７１１０９７２Ｕ号−水溶液の電解による漂白剤の製造装置）は、大量に処理される場合、強化し、性能を向上させることができるが、電解の生成物は所望の品質を得られない。具体的には、配水管の処理が腐食作用を確実に生じないようにするために必要な化学的特性を得られない。

したがって、現在市場で利用可能な装置や手順は以下の欠点を備える。
−処理能力を高めるため、様々な従来のセルを連結させる必要があり、このため、ロシア連邦で製造される装置の水力接続が欧州や国際基準を満たさないというような建築や製造上の大きな欠点を招く。

−市場で入手可能な平板セルは、たとえば殺菌で使用される際、重大な経済的影響を伴う相当な腐食の損傷を引き起こす単一産物の、酸性特性を生成する。

−現在、中性で、電気化学的に活性化される溶液は、分離の電気化学処理から得られる部分を混合する、すなわち、酸性成分とアルカリ性成分を混合することによってのみ可能となるが、殺菌効果の大幅な低下をもたらす。

本発明の第１の目的は、ｐＨ中性で、よって環境に優しい、経済的に効果的で効率的な殺菌剤溶液の製造に要求されることをすべて満たす電解セルのブロックを製造することである。

本発明の別の目的は、小型で産業的再現性を可能にするという要件を満たし、処理パラメータを厳格に遵守しつつ簡単な保守と容易な組立を保証することである。

これらの目的は、最初の溶液の陰極および陽極処理の精密なシーケンス、および処理中に生成されるガスの必要不可欠な排出から成る具体的なフローチャートを、反応器の単独ブロック内で、開発し統合することによって達成される。

発明の利点
実行されたテストで実証されるように、本発明は以下の機能を満たし、以下の重要な利点を獲得する。

−特定のフローチャートを単独セルブロックに統合することで、水の不浸透性、信頼できる動作、処理のモニタリングによる重要な技術上の利点と、現在は中型の施設において認可を得て製造可能なセルブロック製造処理の採算性を評価するうえでの利点とをもたらす。

−脱ガス処理、ひいては電解を受ける生成物のｐＨ値の精密な制御性。したがって、腐食作用を引き起こさずに最適な酸化還元値が得られる。

−従来の電解液と比べ、ｐＨ中性溶液の高い有効性
−最終溶液内に塩化物の残留物がほとんどないので、塩水溶液を最適に使用できる
−反応チャンバ内での平板電極と矩形部の使用によって、力線の不変性を高め、ひいては電解の生成物の同質性を高めることができる。

−高品質の合金の使用で電極の疲弊を最小限にまで低減する。

−使用される材料の強度
−ブロックが衝撃に強い（携帯機器にとって重要）
−組立と分解が容易

本発明の説明は、好適な実現の形を例として示す添付の設計表を参照することによってより適切に理解することができる。

図面を参照すると、本発明に係る４つのチャンバを有する膜電解反応器ブロックは、一方が他方の上に搭載されて電解反応器の陰極側下部と陽極側上部をそれぞれ形成する２つの半部５および６から成る平行６面体の外観を有する。半部５上には陰極チャンバ７および８があり、半部６上には陽極チャンバ９および１０がある。陰極チャンバ７および８と陽極チャンバ９および１０との間には、２つの半チャンバ１１が介在し、半部５と６が連結されるときに脱ガスチャンバ１１を形成する。２つの選択性薄膜は、カチオン交換のために１２で示される。２つの陽極側電極は１５で示され、２つの陰極側電極は１６で示される。各電極１５および１６と膜１２との間の空間には、それぞれボルテックスおよびスペーサ壁１４が配置される。図１ａは、第１の陰極チャンバ７に対する、膜１２、電極１５および１６、およびスペーサ組織１４の相互関係位置を例として示す。

図２では、チャンバの封止部は１７で示され、接続部品の封止部は１８で示され、膜の封止部は１９で示され、電極の封止部は２０で示される。

電力供給は、適切に形成および構成されるネットワーク変圧器２１によって行われる。

本発明の概要
０．４％の濃度の高純度塩で飽和された完全脱塩入口水が、反応器ブロックの入口開口部１を介して、カチオン交換選択性膜１２によって陽極チャンバ９および１０から分離される陰極チャンバ７および８へと均等に伝達され、膜の両面でチャンバに搭載される組織スペーサ壁１４によって同質になるまで渦運動させられる。その後、水は陰極側の電極１６から送られ、水路２から排出された後、脱ガスチャンバ１１に運ばれる。反応中に生成されるガスを含む一定量（通常、１０〜２０％）の処理溶液は、調節可能な出口２ａにより排出される。主な残りの流れは、脱ガスチャンバ１１の下の出口から、まずは陽極チャンバ９、またはスペーサ壁１４を通り陽極側電極によって生成される電圧の影響を均等に受ける場合はその後で陽極チャンバ１０へと誘導され、出口４ａで最終生成物として除去することができる。

発明の説明
設計、さらなる詳細、および対応する効果を以下詳細に説明する。

特定の品質、すなわち、飲料水としての品質を有する流入水が約４ｇ／ｌの塩で飽和され、反応器の寸法にしたがい決定される特定の量で、反応器ブロックの半部５の入口１に運ばれる。ブロックの開口部には１／４”の内部ネジが装着されているため、適切な材料で標準的な管を接続することができる。

反応器への上述の流入に続き、処理液、すなわち、完全に脱塩され、少量の純塩の添加で飽和される水−弱塩水と称される−は、最初の電解処理、すなわち、陰極チャンバ７および８で同時に実行される陰極処理を受ける。この目的で、弱塩水は最初に入口の下流で始まり、反応器の半部５の底部に沿って横方向に通過する開口部（参考のため、直径は１１．５ｍｍ）入口水路１を通過し、その後、同じ入口水路１に接続される各入口開口部１３から通過する２つの陰極チャンバ７および８に同時に注入される。この入口水路１が、反応器ボックスの出口と一致して、栓で逆の側が閉鎖される反応器ブロックの半部５の収容体内で機械的に加工されるという事実によって、ある利点が提供される。入口開口部１３（参考のため、直径は２．５ｍｍ）は、２つのチャンバ７および８間で主流を均等に分配できるように算出される。

好適な実現の形では、処理される弱塩水の流入量は、流量、塩分負荷、アンペア数、反応チャンバの寸法、形状、およびボルテックスおよびスペーサ組織と膜の距離などの、製造処理に影響を及ぼすすべてのパラメータ間の関係から生じる１００ｌ／ｈである。拡大または電力節減のために、実装の寸法比は比例的に決定される。プロトタイプで実行された綿密なテストが実証するように、以下の素子寸法、５０ｌ／ｈ、１００ｌ／ｈ、１５０ｌ／ｈ、３００ｌ／ｈ、６００ｌ／ｈ、および１０００ｌ／ｈが適切であると判明した。

上述したように、膜１２による陽極側のチャンバ９および１０から分離された陰極側の２つの反応チャンバ７および８への流入後、処理液は、電極１６と膜１２の間の空間に配置される前述のボルテックスおよびスペーサ組織壁１４を介してチャンバの上側出口開口部１３ａに運ばれる。

この時点で、処理液は、副生成物により出口水路２の出口開口部１３ａから運ばれる。入口水路１と同様、この出口水路は、反応器の半部５の上部または頂部を貫通する継続的な穿孔から成るが、その端部は栓で閉鎖される。出口弁２ａは穿孔の途中に配置される。

この出口弁２ａは調節可能で、後述されるように製造処理間に脱ガスし、後で清浄目的のために使用可能な電気化学処理のアルカリ副生成物を排出するために使用される。

ボルテックスおよびスペーサ組織壁１４によって、弱塩水は電極１５と１６間を同質に通過することができる。その結果、反応チャンバ内で、電界が同質に生成されて、生成物の品質と電極の長寿命とを保証する。

電界活性化の結果、非常にアルカリ性となる生成物は、水路２と接合する開口部を通って脱ガスチャンバ１１の１部に運ばれる。もう一方の部分で出口弁２ａを調節することによって、最初のアルカリ生成物（約１０〜２０％）とともに、脱ガスチャンバまで上昇し、この電解処理の最初の段階で形成されるガスを排出することができる。脱ガスチャンバ１１の下部では、別の経路は、副生成物のチャンバ１１と出口チャンバ２間の上側接続部と同一である。脱ガス処理からの液体はこの経路４を通過し（図１ａを参照）、その後、陽極側のチャンバの上記入口開口部１３を通過する第２の陽極チャンバ９に運ばれる。この時点で、水路４は中間で閉鎖され、２つの部分に分割される。

この最初の陽極処理後、活性化された溶液は、図１ａの矢印方向における、陽極側の第２のチャンバ９から同じ陽極側の第１のチャンバ１０への通過によって、第２の処理を受ける。この時点で、３で示される経路は他の穿孔１、２、および４と同じ形状を取るが、端部は適切な栓で閉鎖される。

チャンバ１０から、最終生成物、すなわち、電気化学的に活性化され、殺菌を目的とするｐＨ中性溶液が、直ちに使用されるように４ａで示される出口から除去される。出口４ａは、適切な材料の標準的管との接続を可能にする内部ネジを有する。図示される好適な実現の形では、この内部ネジは１／４”である。

上述したように、反応器ボックスは、一方が他方の上に搭載される、５および６で示される半部から成る。最終プロトタイプに関しては、ＰＰ（ポリプロピレン）材料が高耐久性のために使用され、すべてのチャンバ、開口部、および水路が粉砕または穿孔された。ただし、実験では、ＰＥ（高密度ポリエチレン）などの他の類似の材料が、寿命と粉砕のために必要な治具とに関して満足の行く結果を収めた。別の製造方法は、中規模な工業事業における製造にとって理想的なダイカストである。

陽極側１５で使用される電極は、チタン−イリジウム酸化物の層で被覆され、陰極側１６の電極はハステロイ２２ステンレス鋼製である。電極の最高電流密度は定格で５．３ＫＡ／ｍ²で、電極面の寸法は比例的に算出される。すなわち、１００ｌの流容量のセルの場合、７７０１ｍｍ²の表面積が陽極側および陰極側の両方で使用される。

本発明の主題である電解反応器ブロックの膜１２は、参考のため１４０〜１５０μｍの厚さである「カチオン交換用選択性薄膜」と称される。これらの部材は特定の陽極側も陰極側も持たず、可逆の使用方向を有するため、高機能と定義することができる。プロトタイプでは、特にスペーサ組織１４によって支持される際、セラミック膜よりも大きな圧格差という利点を提供する薄膜が装着される。この組織１４は、ひし形形状のグリッドを形成し、反応器チャンバの流体力学条件、ひいては電解生成物の品質に大きな影響を及ぼす直径０．５ｍｍの人工波型ネジから成る。

セルブロックに電気を供給するネットワーク変圧器２１は、アンペア数を調節するために使用される。変圧器には自律冷却が備えられ、１％の許容誤差で電流を整流し、１％の公称残留時間値を有する。したがって、上記変圧器は、セル構造原理と関連して、かつ処理パラメータおよび処理液の品質に遵守して、必須の電解生成物が得られる特性を保証する特徴を有する。

上述した電解反応器のプロトタイプの動作は、以下の条件、つまり高純度塩４ｇ／ｌで飽和された、完全脱塩された水の流容量１００ｌ／ｈ、２４Ｖでアンペア数５０、および陰極側での偏差１５％、の下で行われている。生成物特性の再現可能な結果は、３５０ｐｐｍの活性塩化物（Ｃｌ₂として測定）、酸化還元電位８００ｍＶ、ｐＨ６．９であった。

本発明による４つのチャンバを有する膜電解反応器ブロックの縮小等角投影図である。 図１の反応器ブロックの展開図で、ブロックの半部２つに関連する具体的な細部を示す。 ブロックの半部２つのうち、一方の縦断面図である。 ブロックの半部２つのうち、他方の縦断面図である。 図２の概要線Ａ−Ａ’による断面図である。 図２の概要線Ｂ−Ｂ’による断面図である。

Claims (12)

1. 飲料水および表面の殺菌に使用するために弱塩水によって電気機械的に活性化されるｐＨ中性殺菌剤溶液製品の生成のために、調節可能な脱ガスを伴う４つのチャンバを有する膜電解反応器であって、共に連結されて、それぞれが電解反応器の下部陰極側と上部陽極側を形成する２つの半部（５および６）によって構成され、陰極チャンバ（７および８）は半部５に機械加工され、陽極チャンバ（９および１０）は半部６に機械加工され、２つの半チャンバ（１１）は反応器のそれぞれの側でこれらの陰極チャンバ（７および８）と陽極チャンバ（９および１０）との間に介在し、半部が共に連結されたときに脱ガスチャンバ（１１）を形成し、この状態で、各陰極チャンバ（７および８）は、陰極側電極（１６）と陽極側電極（１５）の間に配置される選択性カチオン交換膜（１２）によって反対の陽極チャンバ（１０および９）から分離され、その間を一対のボルテックスおよびスペーサ壁（１４）が介在することを特徴とする膜電解反応器。
2. 反応器ブロック入口（１）で注入された弱塩水が、制御弁またはタップを装着される出口（２ａ）付きの脱ガスチャンバ（１１）内での調節可能な間欠的脱ガスを伴う、単独陰極電気機械的処理と二重陽極電気機械処理とを受けることを特徴とする、先行する請求項に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
3. 反応チャンバ（７、８）および（９、１０）と脱ガスチャンバ（１１）のすべての必要な水接続部が、反応器ブロックの２つの半部（５、６）の収容体内の水路および穿孔（１、２、３、４、１３、および１３ａ）によって機械的に構成される継ぎ手であることを特徴とする、先行する請求項に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
4. チャンバ、開口部、および水路はすべて、ポリエチレンまたはポリプロピレンブロック内での粉砕、またはダイカストのいずれかによって機械加工可能であることを特徴とする、先行する請求項に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
5. 電解生成物のｐＨ値が、フローチャートの適用と脱ガスバルブの調節を通じて調節可能であることを特徴とする、先行する請求項に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
6. 陽極側の電極がチタン−イリジウム酸化物被覆を有することを特徴とする、請求項１に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
7. 陰極側の電極がハステロイＣ２２ステンレス鋼から成ることを特徴とする、請求項１に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
8. 陽極チャンバと陰極チャンバを分離する選択性膜上の電極が選択性カチオン交換薄膜であることを特徴とする、請求項１に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
9. 処理液は、電極（１５、１６）間を同質に通過し、反応チャンバ内で同質の電界が生成されるように、スペーサおよびボルテックス壁（１４）を通って出口開口部（１３）に運ばれることを特徴とする、請求項１に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
10. ネットワーク変圧器（２１）が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
11. 反応器ブロックの無許可の開放を防ぐために閉鎖機構が装着されることを特徴とする、請求項１に記載の４つのチャンバを有する膜電解反応器。
12. 詳細を説明され、添付の図面に示されるような４つのチャンバを有する膜電解反応器。

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