JP2012110816A - 有隔膜電解槽及び無隔膜電解槽を有する電解水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
電解水製造装置に複数の電解槽を設けつつも、装置の製造コストを抑えることのできる電解水製造装置を提供する。
【解決手段】
１つの電解槽で用いる電極板を他の電解槽で用いる電極板と兼用して電解水製造装置を構成する。即ち、槽内を、槽の対向する１側壁に平行に少なくとも３枚の電極板で水密に分割することにより、複数の電解室（有隔膜電解室、無隔膜電解室）を形成してなる電解部と、；少なくとも３枚の電極板を交互に直流電源の陽極及び陰極に接続する配線と、；各電解室に電解原水を供給する電解原水供給管と、；各電解室から各電解水を外部に取り出す電解水取出し管と、；により電解水製造装置を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電解水製造装置に関する。より詳細には、電解において陽極側に生成する陽極電解水、陰極側に生成する陰極電解水、及びこれらが混合された混合電解水の３種類の電解水を生成することができる電解水製造装置に関する。

一般に、電解水製造装置には、隔膜を隔てて一対の電極が配設される有隔膜電解槽を備えるものと、隔膜を設けずに一対の電極が配設される無隔膜電解槽を備えるものとがあり、それぞれ目的に応じて利用されている。

有隔膜電解槽では、陽極側に酸性の電解水が、陰極側にアルカリ性の電解水がそれぞれ生成される（以下、それぞれ「陽極電解水」、「陰極電解水」ともいう）。有隔膜電解槽を用いる電解水製造装置では、通常、陽極電解水と陰極電解水とは別々に採取される。

電解原水（電解される前の水）には、電解質が含まれている。電解原水に含まれる電解質が塩化物の場合、生成される陽極電解水には電極反応生成物である塩酸、次亜塩素酸、溶存酸素が含まれる。次亜塩素酸は、強力な塩素化作用と酸化作用を示すことから、陽極電解水は殺菌等に利用されている。一方、陰極電解水は飲用のアルカリイオン水として広く知られている。アルカリイオン水製造装置は医療器具等として市販され、広く普及している。

無隔膜電解槽では、電解により生成される陽極電解水と陰極電解水とが混合される（以下、「混合電解水」ともいう）ため、ｐＨは中性に保たれる。無隔膜電解槽で電解されて得られる水は、電解原水と比較して溶存酸素濃度、溶存水素濃度、次亜塩素酸濃度等が変化している。これらの値は、電解原水に含まれる溶質の種類や濃度、電解原水に付与される電解エネルギーの大きさ等により決定される。一般に、高い電解エネルギーを用いて製造される電解水は、上記溶存酸素濃度、溶存水素濃度、次亜塩素酸濃度等を大きく変化させることができる。この混合電解水は各種用途に利用されている。

陽極電解水と陰極電解水、混合電解水を１つの装置で得るためには、有隔膜電解槽と無隔膜電解槽との両方を備える必要がある。また、電解水の製造能力を高めるためには、電解水製造装置内に複数の電解槽を備えることが望ましい。しかし、電解槽に配設される電極板は白金等の貴金属が用いられることが多いため、複数の電解槽を備える電解水製造装置は製造コストが高い。

特許文献１には、有隔膜電解槽と無隔膜電解槽とを備える電解水製造装置が記載されている。この装置は、有隔膜電解槽と無隔膜電解槽とが分離して設けられている。そのため、電解水製造装置内に設ける電解槽の数を増やすと、電極板の使用枚数が増え、最終的にはこれらを支持する筐体が大きくなり、製造コストが高くなる。

特開平１０−１１８６５４

本発明の目的は、複数の電解槽を備える電解水製造装置の製造コストを下げるとともに、装置の簡略化を図ることにある。

本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討した結果、電解槽で用いる電極板を隣接する電解槽で用いる電極板と兼用して電解水製造装置を構成することに想到し、本発明を完成するに至った。

上記課題を解決する本発明は以下に記載するものである。

〔１〕
槽内を、槽の対向する１側壁と平行に少なくとも３枚の電極板で水密に分割することにより、各電極板によって仕切られる複数の電解室を形成し、少なくとも１の電解室内に前記電極板と平行に取り付けた隔膜で電解室を２分割することにより陽極室と陰極室とを有する有隔膜電解室を構成するとともに、残りの電解室で無隔膜電解室を構成してなる電解部と、
少なくとも３枚の電極板を交互に直流電源の陽極及び陰極に接続する配線と、
各有隔膜電解槽の陽極室及び陰極室と、無隔膜電解室とに切り替えてこれらに電解原水を供給する電解原水供給管と、
その一端を各陽極室に連結してなり、各陽極室内の各陽極電解水を外部に取り出す陽極電解水取出し管と、
その一端を各陰極室に連結してなり、各陰極室内の各陰極電解水を外部に取り出す陰極電解水取出し管と、
遊離塩素除去フィルタを介装するとともに、その一端を各無隔膜電解室に連結してなり、各無隔膜電解室から混合電解水を外部に取り出す混合電解水取出し管と、
を有する電解水製造装置。

本発明の電解水製造装置（以下、「本装置」ともいう）は、装置を構成する電極板の枚数を削減できる。また、装置の筐体を小さくできる。そのため、製造コストやメンテナンスコストが低い。

本装置は、複数の電解槽を備えるため、高い電解エネルギーが付与された電解水を製造できる。

図１は、本装置の一構成例を示す概略構成図である。 図２（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ電極板の兼用の態様を示す説明図である。 図３は、電解部の他の構成例を示す説明図である。 図４は、本装置の他の構成例を示す概略構成図である。 図５は、本装置の他の構成例を示す概略構成図である。

（１）本装置の構成
先ず、本装置の構成について説明する。図１は、本装置の一構成例を示す概略構成図である。

図１中、１００は電解水製造装置で、５０は電解部である。内部が中空の箱状の電解部５０の内部には、対向する側壁５１、５３と平行に陽極板２１、２３、２５、２７と陰極板３１、３３、３５とが交互に配設されている。電解部５０の内部は、陽極板２３、２５及び陰極板３１、３３、３５によって液密に６つの空間に仕切られている。陽極板２１、２３、２５、２７は不図示の直流電源の陽極に、陰極板３１、３３、３５は不図示の前記直流電源の陰極にそれぞれ配線により接続されている。

陽極板２１と陰極板３１との間、陽極板２３と陰極板３３との間、陽極板２５と陰極板３５との間には、陽極板２１、２３、２５及び陰極板３１、３３、３５と平行に、それぞれ隔膜４１、４３、４５が張設されている。

上記構成により、陽極板２１と陰極板３１とから成る一対の電極板、隔膜４１、側壁５１、５３と直交する側壁５５、５７から構成される有隔膜電解槽ａと、
陽極板２３と陰極板３３とから成る一対の電極板、隔膜４３、側壁５５、５７から構成される有隔膜電解槽ｃと、
陽極板２５と陰極板３５とから成る一対の電極板、隔膜４５、側壁５５、５７から構成される有隔膜電解槽ｅと、
が、電解部５０の内部に形成される。

同様に、陰極板３１と陽極板２３とから成る一対の電極板、側壁５５、５７から構成される無隔膜電解槽ｂと、
陰極板３３と陽極板２５とから成る一対の電極板、側壁５５、５７から構成される無隔膜電解槽ｄと、
陰極板３５と陽極板２７とから成る一対の電極板、側壁５５、５７から構成される無隔膜電解槽ｆと、
が、電解部５０の内部に形成される。

有隔膜電解槽ａには、陽極板２１、隔膜４１、側壁５５、５７によって囲われる陽極室８１と、隔膜４１、陰極板３１、側壁５５、５７によって囲われる陰極室８２とが形成されている。同様に、有隔膜電解槽ｃには、陽極板２３、隔膜４３、側壁５５、５７によって囲われる陽極室８４と、隔膜４３、陰極板３３、側壁５５、５７によって囲われる陰極室８５とが形成されている。有隔膜電解槽ｅには、陽極板２５、隔膜４５、側壁５５、５７によって囲われる陽極室８７と、隔膜４５、陰極板３５、側壁５５、５７によって囲われる陰極室８８とが形成されている。

無隔膜電解槽ｂには、陰極板３１、陽極板２３、側壁５５、５７によって囲われる混合電解室８３が形成されている。同様に、無隔膜電解槽ｄには、陰極板３３、陽極板２５、側壁５５、５７によって囲われる混合電解室８６が形成されている。無隔膜電解槽ｆには、陽極板３５、陽極板２７、側壁５５、５７によって囲われる混合電解室８９が形成されている。

本装置において、有隔膜電解槽ａを構成する陰極板３１と、無隔膜電解槽ｂを構成する陰極板３１とは同一である。同様に、無隔膜電解槽ｂを構成する陽極板２３と、有隔膜電解槽ｃを構成する陽極板２３とは同一、有隔膜電解槽ｃを構成する陰極板３３と、無隔膜電解槽ｄを構成する陰極板３３とは同一、無隔膜電解槽ｄを構成する陽極板２５と、有隔膜電解槽ｅを構成する陽極板２５とは同一、有隔膜電解槽ｅを構成する陰極板３５と、無隔膜電解槽ｆを構成する陰極板３５とは同一である。即ち、陰極板３１、３３、３５及び陽極板２３、２５は、１枚の電極板が２つの電解槽で兼用されている。この電解部５０に用いる電極板の数は合計で７枚である。

陽極室８１を構成する側壁５５には電解原水供給口８１ａが形成され、陽極室８１を構成する側壁５７には陽極電解水排出口８１ｂが形成されている。同様に、陽極室８４を構成する側壁５５には電解原水供給口８４ａ、側壁５７には陽極電解水排出口８４ｂが形成されている。陽極室８７を構成する側壁５５には電解原水供給口８７ａ、側壁５７には陽極電解水排出口８７ｂが形成されている。

陰極室８２を構成する側壁５５には電解原水供給口８２ａが形成され、陰極室８２を構成する側壁５７には陰極電解水排出口８２ｂが形成されている。同様に、陰極室８５を構成する側壁５５には電解原水供給口８５ａ、側壁５７には陰極電解水排出口８５ｂが形成されている。陰極室８８を構成する側壁５５には電解原水供給口８８ａ、側壁５７には陰極電解水排出口８８ｂが形成されている。

混合電解室８３を構成する側壁５５には電解原水供給口８３ａが形成され、混合電解室８３を構成する側壁５７には混合電解水排出口８３ｂが形成されている。同様に、混合電解室８６を構成する側壁５５には電解原水供給口８６ａが形成され、混合電解室８６を構成する側壁５７には混合電解水排出口８６ｂが形成されている。混合電解室８９を構成する側壁５５には電解原水供給口８９ａが形成され、混合電解室８９を構成する側壁５７には混合電解水排出口８９ｂが形成されている。

１１は一端から電解原水を供給する電解原水供給管である。電解原水供給管１１の他端には流路切り換えバルブ１５が接続されている。流路切り換えバルブ１５には、有隔膜電解槽ａ、ｃ、ｅに電解原水を供給する供給管１７の一端と、無隔膜電解槽ｂ、ｄ、ｆに電解原水を供給する供給管１９の一端とが切り換え可能に接続されている。

供給管１７の他端側は分岐して、電解原水供給口８１ａ、８２ａ、８４ａ、８５ａ、８７ａ、８８ａにそれぞれ接続されている。供給管１９の他端側は分岐して、電解原水供給口８３ａ、８６ａ、８９ａにそれぞれ接続されている。

陽極電解水排出口８１ｂ、８４ｂ、８７ｂには、陽極電解水取り出し管６１の一端側が分岐して接続されている。陰極電解水排出口８２ｂ、８５ｂ、８８ｂには、陰極電解水取り出し管６３の一端側が分岐して接続されている。混合電解水排出口８３ｂ、８６ｂ、８９ｂには、混合電解水取り出し管６５の一端側が分岐して接続されている。混合電解水取り出し管６５には遊離塩素除去フィルタ７１が介装されている。

陽極板２１、２３、２５、２７及び陰極板３１、３３、３５は、電気化学的に不活性な金属材料で形成されている。金属材料としては、白金、白金合金等が好ましい。これら電極板の厚さは０．１〜２．０ｍｍが好ましく、０．５〜１．５ｍｍが特に好ましい。陽極板と陰極板との間隔は３．０〜１．０ｍｍであり、２．０〜１．０ｍｍが好ましい。

隔膜４１、４３、４５としては、イオン交換膜や、無電荷膜等、電解隔膜として従来使用されているものが適宜使用できる。例えば、日本ゴアテックス社製の非荷電膜（商品名：ゴアテックスSGT-010-135-1）が用いられる。

遊離塩素除去フィルタ７１は、電解槽の下流側であればどこに設置されていても良い。遊離塩素除去フィルタ７１は、活性炭やゼオライト等を吸着剤とする公知のフィルタを用いることができる。なお、電解水を飲用目的としない場合、遊離塩素除去フィルタは介装されていなくても良い。遊離塩素除去フィルタは電解部の上流側にさらに設置されていても良い。

流路切り換えバルブ１５は、図１においては三方バルブを使用したが、これに限られず、ボールバルブやフロート式弁等の流路を自在に切り換え出来るものであればあらゆるものを用いることができる。

本装置１００の電解部５０の下流側の構成は任意に構成できる。

図４、５は、本電解水製造装置の他の構成例を示す概略構成図である。図１に記載される電解水製造装置と同一の構成には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４において、電解水製造装置２００の陽極電解水取り出し管６１には塩素除去フィルタ７３が介装されている。塩素除去フィルタ７３により陽極電解水に含まれる塩酸、次亜塩素酸等は除去される。

図５において、電解水製造装置３００の陽極電解水取り出し管６１と陰極電解水取り出し管６３とは配管６７に接続されている。配管６７には塩素除去フィルタ７５が介装されている。配管６７において陽極電解水と陰極電解水とは混合され、この混合された電解水に含まれる塩酸、次亜塩素酸等は塩素除去フィルタ７５により除去される。

塩酸、次亜塩素酸等が除去された電解水は飲用に供することができる。

（２）本装置の動作
次に、図１に記載の電解水製造装置１００を用いて電解水を製造する際の各部の動作について説明する。図１中の矢印は、装置内における水の流れ方向を示す。電解原水供給管１１の一端から供給される電解原水は流路切り換えバルブ１５に送られる。

流路切り換えバルブ１５が供給管１７に供給するように切り替えられている場合、電解原水は供給管１７を経て供給口８１ａ、８２ａ、８４ａ、８５ａ、８７ａ、８８ａから陽極室８１、８４、８７内及び陰極室８２、８５、８８内にそれぞれ供給される。陽極室８１、８４、８７内及び陰極室８２、８５、８８内に供給される電解原水は、陽極板２１、２３、２５、２７及び陰極板３１、３３、３５に印加される直流電圧電流により電解される。

電解により、陽極室８１、８４、８７内には陽極電解水がそれぞれ生成し、陰極室８２、８５、８８内には陰極電解水がそれぞれ生成する。陽極電解水は、排出口８１ｂ、８４ｂ、８７ｂから陽極電解水取り出し管６１を通って装置外部に取り出される。この陽極電解水は酸性の電解水として各種用途に利用される。陰極電解水は、排出口８２ｂ、８５ｂ、８８ｂから陰極電解水取り出し管６３を通って装置外部に取り出される。この陰極電解水はアルカリ性の電解水として各種用途に利用される。

流路切り換えバルブ１５が供給管１９に供給するように切り替えられている場合、電解原水は供給管１９を経て供給口８３ａ、８６ａ、８９ａから混合電解室８３、８６、８９内にそれぞれ供給される。混合電解室８３、８６、８９内に供給される電解原水は、陽極板２３、２５及び陰極板３１、３３、３５に印加される直流電圧電流により電解される。電解により、混合電解室８３、８６、８９内には混合電解水がそれぞれ生成する。混合電解水は、排出口８３ｂ、８６ｂ、８９ｂから混合電解水取り出し管６５に介装されている遊離塩素除去フィルタ７１を通って装置外部に取り出される。この混合電解水は中性の電解水として各種用途に利用される。

各電解槽ａ〜ｆにおいて電極板に印加する電流は、毎分１Ｌの流速を有する電解原水に対して０．５Ａ以上が好ましく、１Ａ〜５Ａが特に好ましい。０．５Ａ未満の場合は、電解水中の溶存酸素量を電解原水よりも高くすることができない。また、電解水中に水素を溶存させることができない。

各電解槽ａ〜ｆに供給される電解原水の流量は０．５〜１０Ｌ／ｍｉｎが好ましく、１〜５Ｌ／ｍｉｎが特に好ましい。

電解原水はとしては、水道水や井戸水、塩化ナトリウム等の電解質が溶解する水が挙げられる。

電解原水の水溶性無機塩等のイオン強度は、各水溶性無機電解質の合計で０．１ｍＭ以上であることが好ましく、０．１〜０．５ｍＭであることが特に好ましい。本装置内に電解質添加装置を設けておき、本装置内で電解原水に電解質を添加しても良い。

本装置１００には、有隔膜電解槽及び無隔膜電解槽が各３つずつ設けられている。そのため、電解槽が１つしか設けられていない電解水製造装置と比較して、１つの電解槽が処理する水量を小さくできる。即ち、本装置１００を用いて製造される電解水は、従来の装置を用いて製造される電解水に比べて、電解水に付与される電解エネルギーを高くすることができる。高い電解エネルギーを用いて製造される電解水は、ｐＨ、酸化還元電位、溶存酸素濃度、溶存水素濃度、次亜塩素酸濃度等を大きく変化させることができる。

電解原水にはＣｌ⁻、Ｃｌ_２、ＯＣｌ⁻等の形態で塩素が含まれる。この塩素は、電解により次亜塩素酸を生成する。次亜塩素酸は殺菌作用を有する。この電解水を殺菌目的で使用する場合には、遊離塩素除去フィルタを通さずに装置外に取り出すことが好ましい。一方、電解水を飲用目的で使用する場合、次亜塩素酸は除去される必要がある。

本装置１００における電解原水の供給は、電解原水供給管１１の一端を水道の蛇口に接続することにより行うことができる。この場合、本装置内における電解原水及びこれを電解して得られる電解水の移送は、水道の水圧により行うことができる。

（３）電極板の兼用の態様
本装置は電極板の枚数を従来よりも減らすことができる。従来、各電解槽には２枚の電極板が必要であり、電解槽をｎ個有する電解水製造装置には（２ｎ）枚の電極板が必要である。本装置は、１つの電解槽を構成する陽極板及び／又は陰極板が他の電解槽を構成する電極板と兼用されるため、必要な電極板の枚数は最低で（ｎ＋１）枚である。

電極板の兼用の態様としては図２に示す組合せが考えられる。図２（Ａ）は、有隔膜電解槽と無隔膜電解槽とが組み合わされている。図２（Ａ）中、１０１、１０２、１０３は電極板である。電極板１０１と１０２との間には、隔膜１０４が張設され、有隔膜電解槽が形成されている。電極板１０２と１０３とにより無隔膜電解槽が形成されている。即ち、電極板１０２は有隔膜電解槽の電極板を構成するとともに、無隔膜電解槽の電極板を構成する。

図２（Ｂ）は、２つの有隔膜電解槽が組み合わされている。図２（Ｂ）中、１１１、１１２、１１３は電極板である。電極板１１１と１１２との間には、隔膜１１４が張設され、有隔膜電解槽が形成されている。また、電極板１１２と１１３との間には、隔膜１１５が張設され、他の有隔膜電解槽が形成されている。即ち、電極板１１２は１つの有隔膜電解槽の電極板を構成するとともに、他の有隔膜電解槽の電極板を構成する。

図２（Ｃ）は、無隔膜電解槽と有隔膜電解槽とが組み合わされている。図２（Ｃ）中、１２１、１２２、１２３は電極板である。電極板１２１と１２２とにより無隔膜電解槽が形成されている。また、電極板１２２と１２３との間には、隔膜１２４が張設され、有隔膜電解槽が形成されている。即ち、電極板１２２は無隔膜電解槽の電極板を構成するとともに、有隔膜電解槽の電極板を構成する。

図２（Ｄ）は、２つの無隔膜電解槽が組み合わされている。図２（Ｄ）中、１３１、１３２、１３３は電極板である。電極板１３１と１３２とにより無隔膜電解槽が形成されている。また、電極板１３２と１３３とにより他の無隔膜電解槽が形成されている。即ち、電極板１３２は１つの無隔膜電解槽の電極板を構成するとともに、他の無隔膜電解槽の電極板を構成する。

上記電解槽の組合せにより、電解部は任意に設計できる。図３は、電解部の他の構成例を示す説明図である。電解部１５０には、陽極室１１６、１１８、１０５と、陰極室１１７、１１９、１０６と、混合電解室１０７、１３４、１３５とが形成されている。即ち、図中左から有隔膜電解槽−有隔膜電解槽−有隔膜電解槽−無隔膜電解槽−無隔膜電解槽−無隔膜電解槽が設けられている。この電解部１５０に用いる電極板の数は合計で７枚である。

１００、２００、３００・・・電解水製造装置
５０・・・電解部
１１・・・電解原水供給管
１５・・・流路切り換えバルブ
１７、１９・・・供給管
２１、２３、２５、２７・・・陽極板
３１、３３、３５・・・陰極板
４１、４３、４５・・・隔膜
５１、５３、５５、５７・・・側壁
６１・・・陽極電解水取り出し管
６３・・・陰極電解水取り出し管
６５・・・混合電解水取り出し管
６７・・・配管
７１、７３、７５・・・遊離塩素除去フィルタ
８１、８４、８７・・・陽極室
８２、８５、８８・・・陰極室
８３、８６、８９・・・混合電解室
８１ａ〜８９ａ・・・供給口
８１ｂ〜８９ｂ・・・排出口
１５０・・・電解部
１０１〜１０３、１１１〜１１３、１２１〜１２３、１３１〜１３３・・・電極板
１０４、１１４、１１５、１２４・・・隔膜
１０５、１１６、１１８、１２６・・・陽極室
１０６、１１７、１１９、１２７・・・陰極室
１０７、１２５、１３４、１３５・・・混合電解室

Claims (1)

1. 槽内を、槽の対向する１側壁と平行に少なくとも３枚の電極板で水密に分割することにより、各電極板によって仕切られる複数の電解室を形成し、少なくとも１の電解室内に前記電極板と平行に取り付けた隔膜で電解室を２分割することにより陽極室と陰極室とを有する有隔膜電解室を構成するとともに、残りの電解室で無隔膜電解室を構成してなる電解部と、
   少なくとも３枚の電極板を交互に直流電源の陽極及び陰極に接続する配線と、
   各有隔膜電解槽の陽極室及び陰極室と、無隔膜電解室とに切り替えてこれらに電解原水を供給する電解原水供給管と、
   その一端を各陽極室に連結してなり、各陽極室内の各陽極電解水を外部に取り出す陽極電解水取出し管と、
   その一端を各陰極室に連結してなり、各陰極室内の各陰極電解水を外部に取り出す陰極電解水取出し管と、
   遊離塩素除去フィルタを介装するとともに、その一端を各無隔膜電解室に連結してなり、各無隔膜電解室から混合電解水を外部に取り出す混合電解水取出し管と、
   を有する電解水製造装置。

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