JP2012519075A

JP2012519075A - バラスト水処理用電解装置及び同装置の処理システム

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Publication number: JP2012519075A
Application number: JP2011553010A
Authority: JP
Inventors: チェスターソーン，
Original assignee: チェスターソーン，
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2012-08-23
Also published as: WO2010101841A3; WO2010101841A2; US9067810B2; US20100219077A1; KR20120015298A

Abstract

バラスト水を処理するためのバラスト水電解装置はバラスト水電解槽と酸素供給室から成り、バラスト水電解槽にはバラスト水を電解することによって塩素酸化物を生成する陽極と、バラスト水電解槽と酸素供給室を隔てると共にバラスト水電解槽中の水素イオンと酸素供給室を流れる酸素とを反応させて水を生成するための酸素陰極が含まれる。

Description

本発明は、バラスト水処理システム、より具体的には、バラスト水の電解によりバラスト水から有害なバクテリアなどを除去するバラスト水電解装置およびそれを用いたバラスト水処理システムに関するものである。

一般に船は輸入港へ油などの船荷を運んだ後に船荷を船から降ろすが、この際に船体重量が軽くなり船体の重心が高くなる。そうなると船がバランスを失い転覆する危険性があるほか、船のスクリューが完全に水中に沈まなくなり推進効率が低下する。

上記の問題を解決するため、船底および船体両舷に「バラストタンク」と呼ばれる追加のタンクが取付けられており、船荷を降ろす際に船荷と同重量の水をバラストタンク内に積込む。このバラストタンクに積載された水は「バラスト水」と呼ばれる。バラスト水は船荷を積込む際にはバラストタンクから排出される。

つまりバラスト水は輸入港で船から船荷が降ろされる際にバラストタンクに積込まれ、そのバラスト水は輸出港で船に船荷を積込む際にバラストタンクから排出される。ところが輸入港と輸出港は異なる地域にあることから、バラスト水が船のバラストタンクに積込まれる地域もバラスト水がバラストタンクから排出される地域とは異なることになる。したがって、ある地域に生息する微生物や細菌等がバラスト水を介して別の地域に運ばれることが起こる。

例えば、ある国の海域に赤潮プランクトンが生息する場合、その国の海域でバラスト水をバラストタンクに積込むと赤潮プランクトンもバラスト水に混入する。そうするとこのバラスト水が他国の海域でバラストタンクから排出される際に赤潮プランクトンもバラスト水と共に排出されることになり、赤潮プランクトンが他国の海域に伝播されることになる。それはひいてはある国の海域に生息する海洋生物が他国の海域に導入されることに繋がり、海洋環境を損なうことになる。

このような理由から、国際海事機関(IMO)は2004年2月13日にイギリスのロンドンにて７４カ国参加の下、「船舶のバラスト水及び沈殿物の規制及び管理のための国際条約」を採択した。このIMOで採択された国際条約はバラスト水排出基準を規定し、船から排出されるバラスト水がバラスト水の基準を満たしていない場合は、国際条約に加盟した各国はバラスト水の排出を禁止することができる。そうなると問題のある船は船荷の積み降ろしができなくなる。

IMOで採択された国際条約ではバラスト水排出基準が規定されており、バラスト水に含まれる動物プランクトンや植物プランクトン等の微生物含有量は10/100m³以下、バラスト水に含まれるコレラ菌の含有量は1/100ml以下、大腸菌の含有量は250/100ml以下、腸球菌の含有量は100/100ml以下でなければならない。すべての船舶にはIMOで採択された国際条約によって2017年までにIMOで定義されたバラスト水排出基準を満たすためのバラスト水処理装置を搭載することが義務づけられると予想される。

一般にバラスト水はその主成分として約0.2〜19%の塩素を含んでいる。一般に海水の塩素濃度は19%、河口の水は塩素濃度が低く0.2〜0.5%である。ここでの「%」は水1kgあたりの塩素量（g）を表す。

バラスト水は物理的処理、化学的処理または電気化学的処理により殺菌することができる。従来の電気化学的なバラスト水処理装置はいくつかの理由で問題がある。第一に、バラスト水を電解すると塩素と一緒に可燃性の水素ガスが生成される。したがってその水素ガスは外気を利用して容積比1%まで希釈しなければならず、安全性を考慮して外部に排出されなければならない。そのような理由から、電解されたバラスト水から水素ガスを分離し、且つ分離された水素ガスに大量の空気を供給するために大容量送風機が必要となる上、大容量送風機を運転するために大量の電力が消費される。

第二に、バラスト水として使用される海水に含まれる塩分濃度は約3.5wt%で、その電解効率は約80%である。したがって、塩素1kgを生産するのに約6.0〜12.0 kWの電力が消費される。そういうわけで運転費が増大し、電解装置に接続されている直流電源の容量も増加する。

第三に、従来の処理ではバラスト水を排出する際に塩素濃度を所定の濃度以下に減らすために化学還元剤を使うので、船は化学薬品を積んでいなければないため船を操業する際不便である。

したがって、本発明は上記で指摘された従来の問題点を解決するために開発されており、本発明の目的はバラスト水を電解する際に水素を生成することなく殺菌力のある塩素のみを生成し、且つ化学還元剤を使用せずに塩素を除去できるシステム及び方法を提供することにある。また、代替手段として生成された水素を利用するために収集することもできる。

上記の目的を達成するために、本発明の一側面としてバラスト水が注入されるバラスト水電解槽と酸素が注入される酸素供給室を含むバラスト水電解装置を提供する。バラスト水電解装置にはバラスト水を電解して塩素や次亜塩素酸等の塩素酸化物を生成するための陽極とバラスト水電解槽と酸素供給室を隔てる酸素陰極が含まれる。酸素陰極はバラスト水電解槽の中でできるだけ水素を生成しないよう、バラスト水電解槽中の水素イオンと酸素供給室から供給される酸素を反応させて水を生成する役割を果たしている。

本発明におけるもう一つの側面は、船をバラスティングする際にバラストタンクに供給されるバラスト水の主要部分については、酸素を混入することにより除去される必要のある水素ガスを発生させることなく塩素酸化物を生成することができるバラスト水電解装置を通すことによって、バラスト水中において対象微生物の繁殖を抑制または防止するために塩素酸化物を含むバラスト水をバラスト水の主要部分に混入して一定の塩素濃度を維持し、対象微生物が除去されたバラスト水をバラストタンクに供給できるようなバラスト水処理システムを提供することである。

バラスト水処理システムにはなるべくデバラスティングでバラスト水を船外に放出する際にバラストタンクに保持されたバラスト水から塩素酸化物を除去するための触媒反応装置もあるほうがよい。

本装置は従来の処理システムに比べてさらに小型化されているのが利点で、スペースの限られた状況にある船舶において非常に有利である。船がバラスト水処理用の化学薬品を積む必要性を回避することで船舶の空間を他の用途に活用できるばかりでなく、化学薬品等を積込んだり、取扱かったりするための経費を削減できる。

図１Aは電気化学的バラスト水電解装置と求心膨張タンクを示す断面模式図である。
図１Bは図１Aの線分１−１に沿った図１Aの求心膨張タンクの断面図である。
図２は本発明の実施形態による酸素陰極を用いたバラスト水電解装置を示す断面図である。
図３は本発明の実施形態による酸素陰極の断面図である。
図４は本発明の実施形態によるバラスト水処理システムを示す図である。
図５は本発明の実施形態による船のバラスティングを行う際のバラスト水処理システムの操作を示す図である。
図６は本発明の実施形態による船のデバラスティングを行う際のバラスト水処理システムの操作を示す図である。
図７はバラスト水電解装置を用いて測定された応用例と比較例の電圧を示すグラフである。

それらの図に示されている比率は必ずしも原寸に比例していない。この開示書を参照する当該技術の熟練者には明らかであるが、開示されたいずれの装置および装置の一部における実寸はその使用目的により決定されるものである。

図１Aは、一般に船舶のバラスト水処理に使用されている電気化学的水電解装置の断面模式図である。この電気化学的バラスト水電解装置100は陽極112と陰極122を含む電解槽130で構成されている。バラスト水は注入口102を経由して電解槽130に入り、陽極112と陰極122の間を流れる。陽極112は直流電源（図示せず）の正（＋）極に繋がる正（＋）端子114に接続され、陰極122は直流電源の負（−）極に繋がる負（−）端子124に接続される。

電力が正（＋）端子114と負（−）端子124間に供給されると、バラスト水に含まれる塩素イオンの酸化反応（反応式１）が陽極112で起こり、水素イオンの還元反応（反応式２）が陰極122で起こる。

反応式１：
（陽極）2Cl⁻→Cl₂＋2e⁻ [標準水素電極（SHE）電位：1.36 V]

反応式２：
（陰極）2H^＋＋2e⁻→H₂ [標準水素電極（SHE）電位：0.0 V]

この場合陽極112に生じる塩素イオンの酸化反応の起電力（標準水素電極（SHE）電位）は1.36 V、陰極122に生じる水素イオンの還元反応の起電力（標準水素電極（SHE）電位）は0.0 Vであることから、従来の電解装置の酸化還元反応の電位差は1.36 Vとなる。

さらに、陽極112における塩素イオンの酸化反応によって生成された塩素は次の反応式３のように水と塩素を反応させることによって殺菌力を持つ次亜塩素酸(HCIO)に変換されるが、バラスト水の酸性度（pH）に応じて次亜塩素酸(HCIO)、塩素(Cl₂)、次亜塩素酸ナトリウム(NaClO)等に変換される。

反応式３：

そのため、バラスト水が電解装置100で電解される際に殺菌力を持つ次亜塩素酸(HCIO)、塩素(Cl₂)、次亜塩素酸ナトリウム(NaClO)等が生成される。さらに、上記の反応式２によって示されるように、これらの反応生成物に加えて水素が副産物として生成される。

反応式２に示される反応で生成された水素(H₂ガス)は先ず陽極と陰極を通過する水中に浮遊する。バラスト区画室のような区画内に設置された電解槽130の排出口104から水が出る実施形態では、水素ガスが区画内に蓄積して爆発しないよう、安全上の理由から水素ガスを除去する必要がある。より良い実施形態では水素ガスは燃料等に利活用するために収集される。

図１Aに示すように、水は浮遊水素ガスを運びつつ電解槽130の排出口104から出て電解槽130の排出口104と流体接続している求心膨張タンク150へと送られる。水（160、その流れは図１Aに矢印で示される）は注入口152を通って求心膨張タンク150へ入る。水が排出口104を出て求心膨張タンク150へ入ると求心膨張タンク150内において、例えば小容量の4インチ（10.16 cm）口径管から大容量の10インチ（25.4 cm）口径管または区域へ水が移動する際に減圧されるように圧力を損失する。求心膨張タンク150の内部151の圧力は電解槽130の内部のそれより低いため、浮遊水素ガスは求心膨張タンク150に入った後に水から放出される傾向にある。求心膨張タンク150の内部151では、水は求心膨張タンク150のタンク内周付近で円（遠心）状に移動するが、例示のように円筒形状の内壁があることが浮遊水素ガスの放出を補助するのにさらに役立つ。

求心膨張タンク150には、電解槽130から受けた水を排出するための水抜き156が求心膨張タンク150下端のなるべく中央に付けられている。求心膨張タンク150の上端にある排気口154も求心膨張タンク150内で放出された水素ガスを受入れたり除去したりするために備え付けられている。排気口154はできれば公知の技術により水素ガスを蓄えるために捕獲、貯留できる貯蔵タンクまたは容器と接続していることが望ましい。

図２は、本発明の別の実施形態によって酸素陰極240を使用するバラスト水電解装置を示す断面図である。隔壁のない電解装置であるバラスト水電解装置200にバラスト水が注入されるバラスト水電解槽210と酸素（通常、空気のように他の混入ガスが存在する）が注入される酸素供給室220が取付けられている。バラスト水電解槽210は、バラスト水を電解することで塩素酸化物を生成する陽極230と、バラスト水電解槽210と酸素供給室220を隔て、バラスト水電解槽210 中の水素イオンと酸素供給室220 から供給される酸素とを反応させて水を生成する酸素陰極240を含んでいる。バラスト水電解槽210にはバラスト水引入れ管211とバラスト水引出し管212が設けられており、酸素供給室220には、酸素引入れ管221と酸素引出し管222が設けられている。図２に示すように、陽極230は電解槽210の内側部分214に延びており、電解槽210の壁に取り付けられた正端子232に接続されている。陰極電極240は負端子234に接続されている。

バラスト水引入れ管211を通じてバラスト水電解槽210に流入したバラスト水は、陽極230と酸素陰極240間の空隙を通過した後、バラスト水引出し管212を介して外部に排出される。酸素を含む空気は酸素引入れ管221を通って、酸素陰極240に基づくバラスト水電解槽210とは反対側の酸素供給室220に供給され、酸素陰極上で水素イオンと結合しなかった未反応酸素を含む空気が酸素引出し管222を通じて外部に排出される。電気が陽極230と酸素陰極240の間で供給されると以下の反応式４で表される酸化反応が陽極230で起こり、以下の反応式５で表される還元反応が酸素陰極240で起こる。

反応式４：
(陽極) 2Cl⁻ → Cl₂ + 2e⁻ [標準水素電極 (SHE) 電位：1.36V]

反応式５：
(陰極) H^＋ + O₂ + 4e⁻ → 4OH⁻ [標準水素電極 (SHE) 電位：0.4V]

この酸素陰極240で起こる還元反応は、水素イオンと酸素が互いに反応して水酸化物イオンまたは水を生成する化学反応である。この際の標準水素電極(SHE)電位は約0.401Vである。

本発明における酸素陰極240を用いる隔壁のない電解装置では、上記の反応式４及び反応式５に必要な最少起電力は反応式４と反応式５の間の標準水素電極の電位差である0.9Vである。従って、本発明における酸素陰極240を用いる隔壁のない電解装置では、従来の電解装置に比べ理論的に約0.4Vの電圧低下が生じることになるため、エネルギー消費量が減少する。本発明において陽極230と酸素陰極240の間にかける供給電圧は3Vから5Vの間が望ましく、できれば1.5kA/m²の電流密度で3.5Vから4Vの間で供給されることがより望ましい。つまり本発明に基づけば塩素酸化物を生成するのに必要な電気ネルギーを従来の技術に比べて約30％減少できることがわかる。

陽極230上で生成された塩素は水と反応して次亜塩素酸を生成し、（反応式３を参照）生成された次亜塩素酸は殺菌能力を持つ。この次亜塩素酸はバラスト水のpHに応じて、次亜塩素酸、塩素、次亜塩素酸ナトリウム等に変換される。本発明によるバラスト水電解装置は、次亜塩素酸、塩素、次亜塩素酸ナトリウム等の塩素酸化物のみをよく生成し、水素等の副産物は生成しない。

図３は本発明の実施形態による酸素陰極の断面図である。この酸素陰極は、バラスト水電解槽210と酸素供給室220を分離するとともに電流を供給する導電性支持体241、バラスト水電解槽210に面する導電性支持体241の片面に形成されてバラスト水電解槽210中の水素イオンと酸素供給室220内の酸素とを接触させる反応層242、反応層242に含まれて水素イオンと酸素が相互に反応して水を生成することを促進する触媒243、そして導電性支持体241の反対側にある酸素供給室220に面して形成されて酸素供給室220に供給された酸素を拡散する疎水性のガス拡散層244を含む。

導電性支持体241はメッシュと展伸金物で構成されるのが望ましく、銀、銀メッキ金属（銀メッキステンレス鋼、銀メッキニッケル、及び銀メッキ銅等）、金、金メッキ金属（金メッキニッケル及び金メッキ銅等）、ニッケル、コバルト、コバルトメッキ金属（コバルトメッキ銅等）及びこれらの混合物の中からいずれかを選択して製作することができる。できれば導電性支持体241は銀または銀メッキ金属で作る方が好ましい。

疎水性ガス拡散層244は、銀、銀メッキニッケル等の銀メッキ金属、ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの炭化水素重合体、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、フッ化エチレン・フッ化プロピレン(FEP)共重合体、ポリフッ化エチレン及びこれらの混合物の中からいずれかを選択して製作することができる。疎水性ガス拡散層244はできればポリ四フッ化エチレン(PTFE)などのフッ素重合体や、塩素又はフッ素を含有するハロゲン化炭素重合体の中からいずれかを選択して作るほうが好ましい。これらの重合体は10,000 g/mol以上の分子量を持つ。酸素（空気）を圧力下でメッシュ内に流して電解槽210で生成されたH₂と反応させてH₂Oを形成することで電解槽210からH₂を効果的に除去するためにはガス拡散層は多孔質かつ微細格子で形成されているのが望ましい。

反応層242には酸素と水素の化学反応を加速させるために少なくとも触媒243を一つは含んでいる。反応層242に含まれる触媒243は、銀、白金、白金族金属及びこれらの混合物の中からいずれかを選択して作られる。できれば触媒243は、銀、白金、及びこれらの混合物の中からいずれかを選択して作るのが望ましい。触媒243の量は反応効率と経済的側面から決定される。触媒を直接使用する際は0.5 〜 10 g/m²の量の触媒を投入するのが望ましく、触媒が（カーボンブラック等の）保持体の表面に使用される場合は1.5 〜 4 g/m²の量の触媒を投入する。

さらに、反応層242は、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、フッ化エチレン・フッ化プロピレン(FEP)共重合体、フッ素重合体（ナフィオン（TM）：フッ化炭素硫酸樹脂とその誘導体）及びハロゲン化炭素重合体（ポリクロロフルオロエチレン及びその混合物）の中のいずれかを選択して作られる。さらには、反応層242は、ポリ四フッ化エチレン(PTFE)、及びナフィオン（TM）と混合物、又はその誘導体の中のいずれかを選択して作られるのが望ましい。

図４は、本発明の実施形態によるバラスト水処理システムを示す図である。バラスト水処理システム400には船のバラスティングを行う際にバラスト原水と酸素が同時に供給され、陽極と酸素陰極を備えることで供給されたバラスト水を電解して塩素酸化物と水酸化物イオンを生成するバラスト水電解装置410と、塩素酸化物を含むバラスト水を保持するバラストタンク420、船のデバラスティングを行う際にバラストタンク420に保持されているバラスト水から塩素酸化物を除去してバラスト水を外へ排出するための触媒反応装置430、バラスト原水をバラスト水電解装置410とバラストタンク420へ供給するとともにバラストタンク420に保持されているバラスト水を触媒反応装置430へ供給する第一ポンプ440、および第一ポンプ440によって供給されるバラスト原水の一部をバラスト水電解装置410 へ供給する第二ポンプ450が含まれる。

バラスト水処理システム400にはさらに、バラスト水の取入口と第一ポンプ440の取入口の間に位置する第一弁（V1）、第一ポンプ440の排出口と第二ポンプ450の取入口の間に位置する第二弁(V2)、バラスト水電解装置410の排出口とバラストタンク420の取入口の間に位置する第三弁(V3)、バラストタンク420の排出口と第一ポンプ440の取入口の間に位置する第四弁(V4)、第一ポンプ440の排出口と触媒反応装置430の取入口の間に位置する第五弁(V5)、そしてバラスト水電解装置410の酸素の取入口の直前に位置する第六弁(V6)が含まれる。このバラスト水処理システム400では、それぞれの弁の開口部しだいでバラスト水がバラスト水電解装置410またはバラストタンク420に注入されたり、バラストタンク420に保持されたバラスト水が触媒反応装置430を介して外部に排出されたりする。

バラスト水処理システム400はさらに、バラスト水電解装置410 から排出される電解済みバラスト水に含まれる塩素濃度、バラストタンク420に保持されたバラスト水に含まれる塩素濃度、および触媒反応装置430から排出されたバラスト水に含まれる塩素濃度を測定するための塩素濃度測定装置460を備えている。

図２に示されている装置と同じである本発明のバラスト水電解装置410により、船のバラスティングを行う際にバラスト水電解装置410によって生成された塩素酸化物がバラスト水中のプランクトン、細菌、ならびに有害な微生物が増殖するのを減少させたり除去したりすることができる。さらに、バラスト水電解装置410は船舶の航行中にも海洋微生物や細菌の増殖を防ぐことができる。

触媒反応装置430は船をデバラスティングする際に操作されることにより以下の反応式６に示されるようにバラスト水から遊離塩素を取り除く働きをする。

反応式６：
2NaOCl + 触媒 → 2NaCl (aq) + O₂ (gas)

つまり、遊離塩素を含むバラスト水は金属触媒と反応して塩と酸素を生成する。遊離塩素を取り除くための金属触媒には、ニッケル、鉄、コバルトとそれらの混合物及び酸化物等から選択されるが、できることならニッケル酸化物かコバルト酸化物から選択するのが望ましい。固定層触媒を有する充填層反応器が、金属触媒とともにアルミナやジルコニア等からなる支持層でコーティングされた後に設計されている場合は、空間速度は200hr⁻¹、又はそれ以下を選ぶ。空間速度が200hr⁻¹以上の場合は反応効率が30％減少するため、遊離塩素を除去することは困難である。

図５は、本発明の実施形態による、船のバラスティングをする際のバラスト水処理システムの操作を示す図である。ここでは第一弁(V1)、第二弁(V2)、第三弁(V3)、と第六弁(V6)が開かれ、第四弁(V4)と第五弁(V5)は閉じている。第一ポンプ440で流送されるバラスト原水は取水管(S1)を介して第一弁(V1)を通り第一ポンプ440の取入口に供給される。第一ポンプ440の排出口を介して排出されるバラスト原水は、主配管 (S2)を介して第二弁(V2)を通り抜けてから、タンク供給管(S5)を介して第三弁(V3)を通りバラストタンク420へ供給される。一方、主配管(S2)を介して第二弁(V2)を通り抜けたバラスト原水の一部は第二ポンプ450で流送され、支管(S3)を介してバラスト水電解装置410へ供給される。

一方、バラスト水電解装置410は第六弁(V6)を介して酸素が供給される。このバラスト水電解装置410には酸素陰極が設けられていることにより電気化学反応を通して次亜塩素酸を含む塩素酸化物が生成される。この際には水素は生成されない。塩素酸化物を含むバラスト水は配管(S4)を通りバラスト水電解装置410から排出され、バラスト原水を殺菌するためにタンク供給管(S5)を通ってバラストタンク420に供給されたバラスト原水と混合され、殺菌されたバラスト原水は第三弁(V3)を通ってバラストタンク420に供給される。この場合は、バラスト水電解装置410から排出される塩素酸化物を含むバラスト水は、バラスト水電解装置410の下端に位置する採取用配管を通って塩素濃度測定装置460へ供給され、監視および制御される。

この場合、タンク供給管(S5)を介しバラストタンク420へ供給されるバラスト水に含まれる次亜塩素酸の濃度は8〜11ppmが好ましい。次亜塩素酸の濃度が11ppmを超える場合は、バラストタンク420の内側部分が腐食する。反対にその濃度が8ppm未満の場合、海洋微生物は完全に殺菌できない。タンク供給管(S5)を介してバラストタンク420へ供給されるバラスト水は、採取用配管(S8)を通って塩素濃度測定装置460へ供給され、監視及び制御される。

図６は、本発明の実施形態によって、船をデバラスティングする際のバラスト水処理システムの操作を示す図である。ここでは第一弁(V1)、第二弁(V2)、第三弁(V3)、及び第六弁(V6)は閉じられ、第四弁(V4)と第五弁(V5)は開かれる。

バラストタンク420に貯留されているバラスト水は第一ポンプ440で流送され、第四弁(V4)、タンク吐出管(S6)、第一ポンプ440、支管(S7)、および第五弁(V5)を介して触媒反応装置430へ排出される。触媒反応装置430はバラスト水に含まれる遊離塩素の除去を行う。触媒反応装置430の下流に位置する吐出管を通過するバラスト水に含まれる遊離塩素の濃度は0.1ppm以下が好ましい。この理由は、この濃度が0.1ppmを超えるとバラスト水が排出される地域に住む海洋生物に被害を与えるからである。塩素濃度測定装置460は触媒反応装置430の下流に位置する採取用配管(S9)を通じて、外部に排出されるバラスト水に含まれる遊離塩素濃度の測定を行う。

代替操作法
本電解装置の操作では、水中、特に海水中に存在する比較的濃度の高いマグネシウムやカルシウムが電極の汚損の原因となりがちで（つまり、電極板上にマグネシウム、カルシウム、その他の物質の薄片が沈着する）、それらが抵抗を増加させることで電極の効率を低下させる。このような沈着を防止又は軽減させるため、本電解装置は電源をオンオフにパルスさせるパルス方式で操作をすることができる。電力は10分から40分間の間隔で電極に給電されるのが望ましく、更にできれば、20分から30分間の間隔が最も望ましい。本装置へ給電される電力は5 秒から20秒間程度の間隔で停止され、更に望ましくは10秒から15秒間停止されることが望ましい。電極を通過する一定流量の液体により電極板に沈着した薄片（つまり、マグネシウムやカルシウム）は給電が停止されている間に水流によって運び去られるが、このような薄片が電解装置ユニットから流出することにより、電極表面上の不要物質の沈着を軽減、防止できる。

電極用の電源はできれば、パルス方式で電極へ電力の供給を開始、中断させる制御回路を備えることが望ましい。パルス方式は（電極に電力が供給されない間塩素は生成されないという事実に鑑みて）わずかに装置の効率を低下させるが、電極上でのカルシウム、マグネシウム、および他の物質の沈着を防止することは、システム効率を全体的に向上させる。パルス方式は前述の時間間隔において電極上でのマグネシウムやカルシウムの沈着を防ぐのに最も効果的な方法であることが証明されている。

応用例：酸素陰極が備わっているバラスト水電解装置の性能試験

酸素陰極の製造

酸素陰極は導電性支持体として0.1mm厚のニッケルメッシュを用いて製造される。その製造工程を以下に示す。

１．0.5 〜 1μmの銀粒子を含む銀粉溶液をニッケルメッシュ上に吹き付け、乾燥させる。

２．銀粉溶液を吹き付け乾燥したニッケルメッシュを空気中で450°Cの温度で30分間焼結させる。

３．50 gPt/lのジニトロジアミン白金塩を含むアルコール溶液を電極基材の片面に塗布し、アルコール溶液を塗布した電極基材にプラチナで被覆された反応層を形成するために、350°Cの温度で10分間焼く。

４．ポリ四フッ化エチレン(PTFE)溶液は導電性支持体の反対側に塗布され、疎水性ガス拡散層を得るために空気中で300°Cに加熱される。

電解試験

バラスト水電解装置の陽極は1mm厚のチタニウム展伸金網に酸化イリジウム・酸化ルテニウム・酸化チタンをコーティングして製造する。このように製造した酸素陰極を、ニッケルメッシュに接触させて電流を流す。酸素陰極と陽極の間隔は5mmで、バラスト水電解装置にはバラスト水を供給し、酸素陰極には空気を供給する。バラスト水電解装置稼動時の電流密度は1.5kA/m²、電解時の温度は30℃である。

結果

バラスト水電解装置の電圧を計測した結果は図７に示されている。バラスト水電解装置の平均電流効率（塩素生成効率）は75％で、水素は検出されなかった。

比較例：水素を発生する陰極を備えたバラスト水電解装置の性能試験

電解装置と運用条件

バラスト水電解装置の陽極は1mm厚のチタニウム展伸金網に酸化イリジウム・酸化ルテニウム・酸化チタンをコーティングして製造する。陰極にはチタンを使用した。陰極と陽極の間隔は5mmで、バラスト水電解装置稼動時の電流密度は1.5kA/m²、電解時の温度は30℃である。

結果

バラスト水電解装置の電圧を計測した結果は図７に示されている。この試験では水素が発生し、バラスト水電解装置の平均電流効率（塩素生成効率）は74％であった。

〔応用例2〕触媒反応装置試験

試験方法

内径50mmの管型反応装置に酸化ニッケルと酸化コバルトを50:50の重量比で含有する直径1.6mm、長さ4mmの触媒を80ml装填する。続いて遊離塩素濃度10ppmのバラスト水を触媒反応装置に7.6m/hrで注入すると同時に遊離塩素濃度を触媒反応装置の排出口で計測する。

結果

触媒反応装置の排出口から遊離塩素は検出されなかった。

上述したように本発明には、酸素陰極を使用してバラスト水を電解するため水素が発生せず、水素を希釈したり排出したりするための装置を必要としない利点がある上に、陽極と酸素陰極間の酸化還元反応の電位差が1.36Vから0.9V に減少することによりエネルギー消費が減少する利点もある。

さらに、バラスト水がバラストタンクから排出される際、化学還元剤の代わりに固定化触媒を使用するので薬品の管理を容易にし、操作の利便性を高めるという利点もある。

本文書で使用された「構成する」という単語とその派生語、例えば「構成している」や「構成する（三人称単数形）」等は他の添加剤、組成物、整数、または手順を除くものではない。本文書で使用された（a）、（an）、（the）や類似の指示語は、特に明示されない限りは単数と複数両方を意味するものである。

本発明の好ましい実施形態は説明を目的として公表したものであるが、当業者は付帯の申請文書で記述された本発明の範囲と精神に外れることなく様々な変更、追加、代替が可能であると理解する。現行の方法で公表された手順は、必ずしも本手法に必須のものであると限定したり指示したりするものではなく、一例にすぎない。全ての引用文献は参照することにより本書に全体が組み込まれる。

Claims

船体の安定を保つために使用されるバラスト水を殺菌するための電解装置であり、以下により構成される：
塩化物イオンを含むバラスト水が注入されるバラスト水電解槽。
酸素が注入される酸素供給室。
バラスト水電解槽内に設置され、バラスト水を電解し塩素酸化物を生成させる陽極。
バラスト水電解槽と酸素供給室を隔てる酸素陰極。酸素陰極はバラスト水電解槽中の水素イオンと酸素供給室から供給される酸素とを反応させて水を生成する。
請求項１でのバラスト水電解装置における酸素陰極は以下より構成される：
バラスト水電解槽と酸素供給室とを隔て、且つそこに電流が供給される導電性支持体。導電性支持体の片面はバラスト水電解槽の内面に接しており、もう片面は酸素供給室の内面に接している。
バラスト水電解槽中の水素イオンを酸素供給室内の酸素と接触させて水を生成する、導電性支持体の表面に形成された酸素と水素イオンが相互に反応することを早める触媒を持つ反応層。
導電性支持体のもう一方の面に形成された酸素供給室内の酸素を拡散させる疎水性のガス拡散層。
請求項２でのバラスト水電解装置における導電性支持体は網状の展伸金網により構成される。
請求項３でのバラスト水電解装置における導電性支持体は銀、銀メッキステンレス鋼、銀メッキニッケル、銀メッキ銅、金、金メッキニッケル、金メッキ銅、ニッケル、コバルト、コバルトメッキ銅とそれらの混合体のグループから選定された材料により構成される。
請求項２でのバラスト水電解装置におけるガス拡散層は銀、銀メッキニッケルと、ビニル樹脂やポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ四フッ化エチレン（PTFE）、フッ化エチレン・フッ化プロピレン共重合体（FEP）、ポリフッ化エチレンなどの炭化水素重合体とそれらの混合体のグループから選定された材料により構成される。
請求項５でのバラスト水電解装置におけるガス拡散層はポリ四フッ化エチレン（PTFE）や分子量10,000g/mol以上の重合体といったフッ素重合体を含む、塩素またはフッ素を含有するハロゲン化炭素重合体のグループから選定された材料により構成される。
請求項２でのバラスト水電解装置における触媒は銀、白金、白金族金属とそれらの混合体のグループから選定された材料により構成される。
請求項７でのバラスト水電解装置における触媒は反応層中に0.5〜10g/m²の範囲内の分量で含まれる。
請求項２でのバラスト水電解装置における反応層はポリ四フッ化エチレン（PTFE）、フッ化エチレン・フッ化プロピレン共重合体（FEP）、フッ素重合体、ハロゲン化炭素重合体とそれらの混合体のグループから選定された材料により構成される。
バラスト水処理システムは以下より構成される：
請求項１におけるバラスト水電解装置。
バラスト水電解装置により生成された塩素酸化物を含むバラスト水を保持するバラストタンク。
バラストタンク中のバラスト水に含まれる塩素酸化物を除去し、船体からバラスト水を船外に放出することができるようにする触媒反応装置。
請求項１０でのバラスト水処理システムはさらに以下を含む：
バラスト原水をバラスト水電解装置とバラストタンクに供給し、バラストタンク内のバラスト水を触媒反応装置に供給する第一ポンプ。
第一ポンプにより供給されたバラスト原水の一部をバラスト水電解装置に供給する第二ポンプ。
請求項１０でのバラスト水処理システムはさらに以下より構成される：
バラスト水電解装置から排出された電解済みバラスト水に含まれる塩素の濃度、バラストタンク内に保持されているバラスト水中の塩素濃度、および触媒反応装置から放出されたバラスト水に含まれる塩素の濃度を測定する塩素濃度測定装置。
水を殺菌し水素ガスを発生させる電解装置は以下より構成される：
(A) 塩化物イオンを含む水を受入れるための注入口と排出口を備えた電解槽。
(B) 電解槽内に注入された水を電解し、塩素酸化物と水素ガスを生成するための電解槽内に設置された陽極。
(C) 電解槽の排出口と流体接続している求心膨張タンク内において、水はそこで減圧される。求心膨張タンクはさらに以下より構成される。
(i) 下端には電解槽より流入した水を抜くための水抜きがある。
(ii) 上端には求心膨張タンク内で解放された水素ガスを受けるための排気口がある。
請求項１３での電解装置における求心膨張タンクは円筒形の内部表面を持つ。
請求項１３での電解装置はさらに水素ガスを貯留するために排気口と接続された格納容器を含む。
請求項１３での電解装置はさらに以下より構成される：
電解装置により生成された塩素酸化物を含む水を貯留するバラストタンク。
バラストタンク内に貯留されている水から塩素酸化物を除去するための触媒反応装置。
電解装置の陽極・陰極表面における物質の沈着を減少させる方法は以下の段階より構成される：
(a) 電解装置の陽極・陰極から構成される電解槽に水流を起こす。
(b) 電解槽内に水流がある間の１０分〜４０分間の間、陽極・陰極に給電する。
(c) 段階(b)の後、５秒〜２０秒間陽極・陰極への給電を停止する。
(d) 段階(b)、(c)を繰り返す。
請求項１７の方法では陽極・陰極に対し給電する時間を２０分〜３０分間の間とする。
請求項１７の方法では陽極・陰極に対する給電を停止する時間を１０秒〜１５秒間の間とする。