JP2015104697A - 電解水生成装置及び電解水生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所定のｐＨ及び電解質濃度を有する電解水を安定的かつ連続的に得ることのできる電解水生成装置及び電解水生成方法を提供する。【解決手段】本発明の電解水生成装置１０は、第１の電極が設けられている第１の電解室１４と、第２の電極が設けられている第２の電解室１６と、第２の電解室１６で生成した電解水を一時的に貯留する電解水貯留槽３０と、電解水貯留槽３０に貯留されている電解水を、第２の電解室１６に返流するための電解水返流配管５０と、水と電解質とを接触させて電解質水溶液を調製する電解質水溶液調製手段４０と、を備えている。電解質水溶液調製手段４０によって調製された電解質水溶液が、電解水貯留槽３０を経由することなく、第２の電解室１６に直接流入する。【選択図】図１

Description

本発明は、電解水生成装置及び電解水生成方法に関する。

従来、陰イオン透過膜等のイオン透過性隔膜を介して対向配置された１対の電解室にそれぞれ電極を配設し、各電解室にそれぞれ原水を供給すると共に、両電極間に電圧を印加して、各電解室に供給された原水を電解する電解水の生成方法が知られている。この従来の方法によれば、原水に塩化ナトリウム等を電解質として添加しておくことにより、陽極側の電解室からは、次亜塩素酸を含む酸性、微酸性、または弱酸性の電解水を得ることができる。一方、陰極側の電解室からは、アルカリ性の電解水を得ることができる。

陽極側の電解室で生成された酸性（酸性、微酸性、または弱酸性）の電解水は、次亜塩素酸の酸化力等により優れた殺菌作用を示し、医療機関における消毒等の用途に用いられる。一方、陰極側の電解室で生成されたアルカリ性の電解水は、洗浄等の用途に用いられる。ところが、酸性の電解水とアルカリ性の電解水とを同時に必要とする用途は少なく、一般には、酸性またはアルカリ性の一方の電解水のみが使用され、他方の電解水は捨て水となる。この場合、原水の半量が捨て水となるので、省資源の面で問題である

このような問題を解決するために、一方の電解室のみに原水を供給し、他方の電解室では電解質を含む水溶液（以下、電解質水溶液と称する）を電解質水溶液タンクとの間で循環させて、原水及び電解質水溶液の電解を行い、原水が供給される側の電解室で生成する電解水のみを取り出す電解水の生成方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の方法では、例えば酸性の電解水を必要とするときには、原水が供給される側の電解室に配設された電極を陽極とし、電解質水溶液タンクとの間で電解質水溶液が循環される側の電解室に配設された電極を陰極として電解を行う。この結果、原水が供給される側（陽極側）の電解室では、酸性（酸性、微酸性、または弱酸性）の電解水が生成し、他方の電解室では、アルカリ性の電解水が生成する。

特開平９−２２０５７２号公報

特許文献１に記載の方法では、一方の電解室からは酸性の電解水のみが取り出され、他方の電解室ではアルカリ性の電解水が生成する。あるいは、一方の電解室からはアルカリ性の電解水のみが取り出され、他方の電解室では酸性の電解水が生成する。この場合、２つの電解室における電解質濃度が時間の経過とともに偏ってしまう。例えば、塩化ナトリウムを電解質として用いる場合、２つの電解室におけるナトリウムイオン濃度（あるいは塩化物イオン濃度）が偏ってしまう。その結果、２つの電解室におけるｐＨの値にも大きな偏りが生じるため、所定のｐＨを有する酸性またはアルカリ性の電解水を安定的かつ連続的に生成することが困難であった。

そこで、本発明は、所定のｐＨ及び電解質濃度を有する電解水を安定的かつ連続的に生成することのできる電解水生成装置及び電解水生成方法を提供することを目的とする。

本発明の電解水生成装置は、以下の構成を有する。
第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加して電解水を生成する電解水生成装置であって、
前記第１の電極が設けられている第１の電解室と、
前記第２の電極が設けられている第２の電解室と、
前記第１の電解室と前記第２の電解室を仕切る隔膜と、
前記第１の電解室で生成した電解水を取り出すための電解水取出口と、
前記第１の電解室に原水を供給する原水供給口と、
前記第２の電解室で生成した電解水を一時的に貯留する電解水貯留槽と、
前記電解水貯留槽に貯留されている電解水を、前記第２の電解室に返流するための電解水返流配管と、
水と電解質とを接触させて電解質水溶液を調製する電解質水溶液調製手段と、を備え、
前記電解質水溶液調製手段によって調製された電解質水溶液が、前記電解水貯留槽を経由することなく、前記第２の電解室に直接流入することを特徴とする電解水生成装置。

本発明の電解水生成装置では、第１の電解室では、酸性又はアルカリ性の電解水が生成する。第２の電解室では、第１の電解室で生成された電解水と反対の性質を有する電解水が生成する。第２の電解室で生成した電解水は、電解水貯留槽に一時的に貯留された後、電解水返流配管を通って、第２の電解室に返流される。したがって、第２の電解室で生成した電解水を、電解水貯留槽との間で循環させることができる。このため、第２の電解室で生成した電解水を全量廃棄する場合よりも、水や電解質の消費量を抑制することができる。

本発明の電解水生成装置において、前記電解質水溶液調製手段と前記第２の電解室とが配管によって直接的に接続されていることが好ましい。

本発明の電解水生成装置において、前記電解水貯留槽と前記電解質水溶液調製手段が一体の槽で構成されており、前記一体の槽の内部には、前記電解水貯留槽と前記電解質水溶液調製手段とを仕切るための仕切壁が設けられていることが好ましい。

本発明の電解水生成装置は、前記電解水貯留槽に貯留されている電解水の液面の高さが所定以上となったときに、前記電解水を前記電解水貯留槽の外部に排出するオーバーフロー配管を備えることが好ましい。

また、本発明は、上記した電解水生成装置を用いて電解水を生成する工程を備える電解水生成方法を提供する。

本発明によれば、所定のｐＨ及び電解質濃度を有する電解水を安定的かつ連続的に生成することのできる電解水生成装置及び電解水生成方法を提供することができる。

第１の実施形態に係る電解水生成装置の概略構成を示す図である。 電解水貯留槽及び電解質水溶液調製手段の斜視図である。 第２の実施形態に係る電解水生成装置の斜視図である。 第３の実施形態に係る電解水生成装置の概略構成を示す図である。 第４の実施形態に係る電解水生成装置の概略構成を示す図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の電解水生成装置の概略構成を示す図である。
図１に示すように、電解水生成装置１０は、隔膜１２で仕切られた第１の電解室１４及び第２の電解室１６を有する。第１の電解室１４には、正極１８（第１の電極）が設けられており、第２の電解室１６には、負極２０（第２の電極）が設けられている。正極１８と負極２０との間に電圧を印加することによって、第１の電解室１４及び第２の電解室１６のそれぞれにおいて電解水を生成させることができる。以下では、電解水の生成に用いる電解質水溶液として、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）水溶液を用いる例について説明する。

第１の電解室１４（正極）では、主に以下の反応が発生する。
酸素の生成 ２Ｈ_２Ｏ → Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ⁻ （酸性水が生成）
塩素の生成 ２Ｃｌ⁻ → Ｃｌ_２ ＋ ２ｅ⁻
次亜塩素酸の生成 Ｃｌ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＨＣｌ ＋ ＨＣｌＯ

第２の電解室１６（負極）では、主に以下の反応が発生する。
水素の生成 ２Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ_２ ＋ ２ＯＨ⁻
アルカリ水の生成 Ｎａ^＋ ＋ ＯＨ⁻ ⇔ ＮａＯＨ

第１の電解室１４と第２の電解室１６の間には隔膜１２が設けられているので、ナトリウムイオンは隔膜１２に阻止されて第２の電解室１６から第１の電解室１４に移動することができず、塩化物イオン（Ｃｌ⁻）のみが第１の電解室１４に移動する。第１の電解室１４に移動した塩化物イオンは、第１の電解室１４から取り出される電解水（酸性水）に含まれる次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）として消費される。

隔膜１２は、第１電解室１４と第２電解室１６を仕切る膜である。隔膜１２は、例えば、陰イオン（例えばＣｌ⁻）のみを通過させることのできる陰イオン交換膜によって構成される。なお、隔膜１２には、陽イオン交換膜や中性膜を使用できる場合もある。

正極１８及び負極２０は、公知の電極を用いることが可能であり、例えばチタン又はチタン合金からなる基材に、白金、イリジウム、パラジウム及びタンタルからなる群より選ばれる１種又は２種以上の金属を含む膜を被覆した電極を用いることが可能である。電極の形状は特に制限するものではなく、例えば長方形の板状の電極を用いることが可能である。次亜塩素酸の生成効率を考慮した場合、例えばチタン又はチタン合金からなる基材に、白金とイリジウムの混合メッキを被覆した電極を用いることが好ましい。

図１に示すように、第１の電解室１４の下方には、第１の電解室１４に原水を供給するための原水供給口２４が設けられている。原水としては、例えば水道水、軟水、純水等を用いることができる。一方、第１の電解室１４の上方には、第１の電解室１４において生成した電解水（酸性水）を取り出すための電解水取出口２６が設けられている。電解水取出口２６から取り出された酸性の電解水は、次亜塩素酸を含むため、例えば殺菌等の用途に使用される。

図１に示すように、電解水生成装置１０は、第２の電解室１６で生成した電解水（アルカリ水）を一時的に貯留するための電解水貯留槽３０を備えている。第２の電解室１６の上方には、第２の電解室１６で生成した電解水を電解水貯留槽３０に移送するための移送配管３２が設けられている。

また、電解水生成装置１０は、電解質と水を接触させることで電解質水溶液を調製するための電解質水溶液調製手段４０を備えている。電解質水溶液調製手段４０は、電解質がその内部に充填されている電解質充填槽４２を備えている。電解質充填槽４２の上方には、電解質充填槽４２の内部に水を供給することのできる水供給配管４４が設けられている。電解質充填槽４２に充填されている電解質に水を供給することによって、電解質水溶液を調製することができる。水としては、例えば、水道水、軟水、純水等を用いることができる。

電解質水溶液の調製に使用される電解質としては、例えば塩化物塩を用いることができる。例えば、厚生労働省で食品添加物として定められている、塩化カルシウム、塩化アンモニウム、塩化ナトリウム及び塩化カリウムからなる群より選ばれる少なくとも１種の塩化物塩を用いることができる。中でも、塩化物塩の分子量、入手の容易性、保管管理の容易性、溶解性等を考慮して、塩化ナトリウム及び／又は塩化カリウムを用いることが好ましい。

本実施形態の電解水生成装置１０において、電解水貯留槽３０と電解質充填槽４２は、一体の槽（一体のタンク）によって構成されている。電解水貯留槽３０と電解質充填槽４２の間には、電解水貯留槽３０と電解質充填槽４２との間で電解質水溶液が移動することが阻止するための仕切壁３６が設けられている。

図２は、電解水貯留槽３０と電解質充填槽４２の拡大斜視図である。図２に示すように、電解水貯留槽３０と電解質充填槽４２は、一体の槽（一体のタンク）によって構成されており、それらの間は仕切壁３６によって仕切られている。電解水貯留槽３０の上方には、第２の電解室１６で生成した電解水（アルカリ水）を電解水貯留槽３０に移送するための移送配管３２が接続されている。また、電解水貯留槽３０の側面上方には、電解水貯留槽３０に貯留されている電解水の液面が所定以上の高さとなったときに、電解水を電解水貯留槽３０の外部に排出するためのオーバーフロー配管３８が設けられている。なお、オーバーフロー配管３８は、仕切壁３６の高さよりも高い位置に設けられている。オーバーフロー配管３８を介して電解水を連続的に排出することによって、第２の電解室１６と電解水貯留槽３０との間を循環する電解水及び電解質水溶液のナトリウムイオン濃度が時間の経過とともに上昇することを抑制することができる。

図２に示すように、電解質充填槽４２の上部には、電解質充填槽４２の内部に水を供給するための水供給配管４４が設けられている。水供給配管４４の途中には、電解質充填槽４２に供給する水の量を調整するためのバルブ４６が設けられている。バルブ４６としては、公知の流量調整バルブを用いることができる。

電解質充填槽４２の内部には、電解質として塩化ナトリウムが充填されている。この塩化ナトリウムに水を通過させることによって、第２の電解室１６に供給する塩化ナトリウム水溶液（電解質水溶液）を調製することができる。

電解質充填槽４２の底部にはストレーナ４８が設置されており、電解質充填槽４２において調製された電解質水溶液に含まれる小さな異物等がこのストレーナ４８によって除去される。電解質充填槽４２において調製された電解質水溶液は、ストレーナ４８によって小さな異物等が取り除かれた後、電解質充填槽４２の底部と第２の電解室１６とを接続する配管５０を通って、第２の電解室１６に供給される。

電解質充填槽４２と第２の電解室１６とを接続する配管５０の途中には循環ポンプ５２が設けられており、この循環ポンプ５２によって、電解質充填槽４２（電解質水溶液調製手段４０）において調製された電解質水溶液が、第２の電解室１６に送り込まれる。

上記のように構成された電解水生成装置１０における電解水及び電解質水溶液の流れについてさらに詳しく説明する。
第２の電解室１６で生成した電解水（本実施形態では、アルカリ水）は、移送配管３２を通って電解水貯留槽３０に移動した後、電解水貯留槽３０に一時的に貯留される。その後、電解水貯留槽３０に貯留されている電解水の液面の高さが仕切壁３６の高さを超えると、電解水が仕切壁３６を乗り越えて、電解質充填槽４２に移動する。電解質充填槽４２に移動した電解水は、ストレーナ４８及び配管５０を通過した後、第２の電解室１６に移動する。つまり、第２の電解室１６で生成した電解水（アルカリ水）は、第２の電解室１６と電解水貯留槽３０との間を電解質水溶液とともに循環する。

電解水貯留槽３０に貯留されている電解水の液面の高さがオーバーフロー配管３８の高さを超えると、オーバーフロー配管３８からは電解水が外部に排出される。第１の電解室１４から酸性の電解水のみが取り出される場合、時間の経過とともに第２の電解室１６におけるナトリウムイオンの濃度が過剰に高くなるが、オーバーフロー配管３８を介してアルカリ性の電解水及び電解質水溶液を連続的に排出することによって、第２の電解室１６におけるナトリウムイオン濃度及びｐＨの値を一定に維持することができる。

電解質充填槽４２において調製された電解質水溶液（塩化ナトリウム水溶液）は、ストレーナ４８及び配管５０を通過した後、第２の電解室１６に流入する。つまり、配管５０は、電解質充填槽４２において調製された電解質水溶液を第２の電解室１６に供給するための配管として機能するだけでなく、電解水貯留槽３０に貯留されている電解水を第２の電解室１６に返流するための返流配管として機能する。すなわち、配管５０が、本発明の「電解水返流配管」に対応している。

本発明の電解水生成装置１０によれば、さらに、以下の効果が得られる。
電解質充填槽４２の底部と第２の電解室１６とが、配管５０によって直接的に接続されている。したがって、電解質充填槽４２（電解質水溶液調製手段４０）によって調製された電解質水溶液は、電解水貯留槽３０を経由することなく、第２の電解室１６に直接流入する。その結果、電解質充填槽４２によって調製された電解質水溶液は、オーバーフロー配管３８を介して外部に排出されることがないため、調製された電解質水溶液はその全量（１００％）が第２の電解室１６に流入することができる。

したがって、本発明の電解水生成装置１０によれば、オーバーフロー配管３８から排出される電解水及び電解質水溶液に含まれる塩化物イオンの量を最小限に抑制できる。また、電解質充填槽４２に補充しなければならない電解質（塩化ナトリウム）の量を最小限に抑制することができる。さらに、オーバーフロー配管３８から排出される電解水及び電解質水溶液の量を最小限に抑制できるため、水供給配管４４から供給しなければならない水の使用量を最小限に抑制することができる。

本発明の電解水生成装置１０によれば、第２の電解室１６におけるナトリウムイオンの濃度及びｐＨの値を一定に維持することができるため、装置全体を安定的に運転できる。結果として、第１の電解室１４からは、一定の濃度及びｐＨを有する酸性水を連続的かつ安定的に取り出すことができる。

本発明の電解水生成装置１０によれば、第２の電解室１６で生成した電解水を電解水貯留槽３０に移送するための移送配管３２が、電解水貯留槽３０の真上の位置に取り付けられている（図２参照）。これにより、電解質充填槽４２に流入する電解水（アルカリ水）の量を最小限に抑制することができる。この結果、電解質充填槽４２に補充しなければならない電解質（塩化ナトリウム）の量を最小限に抑制することができる。

本発明の電解水生成装置１０によれば、電解水貯留槽３０及び電解質充填槽４２が一体の槽で構成されているために、装置全体をコンパクトにかつ安価に構成できる。

［第２の実施形態］
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電解水生成装置６０の斜視図である。
図３に示すように、第２の実施形態に係る電解水生成装置６０において、電解水貯留槽３０ａ及び電解質充填槽４２ａは、円筒状の容器によって構成されている。電解質充填槽４２ａは、電解水貯留槽３０ａよりも小さな直径を有し、かつ、電解水貯留槽３０ａよりも小さい高さを有する円筒状の容器によって構成されている。電解質充填槽４２ａは、電解水貯留槽３０ａの内部に配置されている。電解質充填槽４２ａの周壁部は、電解質充填槽４２ａと電解水貯留槽３０ａとを仕切るための仕切壁として機能する。したがって、第２の実施形態に係る電解水生成装置６０においては、電解質充填槽４２ａと電解水貯留槽３０ａとを仕切るための仕切壁を別個に設けることが不要となっている。

第２の実施形態に係る電解水生成装置６０によれば、第１の実施形態に係る電解水生成装置１０よりも、装置全体をさらにコンパクトにかつ安価に構成できる効果がある。

［第３の実施形態］
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図４は、本発明の第３の実施形態に係る電解水生成装置７０の概略構成図である。
図４に示すように、第３の実施形態に係る電解水生成装置７０において、電解水貯留槽３０ｂと電解質充填槽４２ｂは、第１の実施形態で説明したような一体の槽ではなく、別体の槽によって構成されている。そして、電解質充填槽４２ｂの下部の配管７２は、循環ポンプ５２の吸水口に直接的に接続している。したがって、電解質充填槽４２ｂにおいて調製された電解質水溶液は、電解水貯留槽３０ｂを経由することなく、第２の電解室１６に直接流入するようになっている。

第３の実施形態に係る電解水生成装置７０によれば、第１の実施形態に係る電解水生成装置１０とほぼ同様の効果を得ることができる。

図５は、本発明の第４の実施形態に係る電解水生成装置８０の概略構成図である。
図５に示すように、第２の電解室１６と電解水貯留槽３０とを接続する移送配管３２の途中に、中和剤充填槽８２を設置してもよい。中和剤充填槽８２を設置することにより、第２の電解室１６で生成された電解水を中和することができる。中和剤充填槽８２に充填する中和剤としては、例えば重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ_３）を使用することができる。重炭酸ナトリウム水溶液のｐＨは８〜８．５であるため、重炭酸ナトリウムは中和剤として好適である。また、中和剤充填槽８２の底部には、重炭酸ナトリウムの固形分が電解水に混入することを防止するためのフィルター８４が設置されている。移送配管３２の途中に中和剤充填槽８２を設置することによって、所定のｐＨを有する電解水をより安定的に取り出すことができるようになる。

以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、以下に示す条件で、電解水生成装置１０を用いて電解水を生成する試験を行った。実施例１の試験結果を表１に示す。

（試験条件）
有効塩素濃度 ：200ppm
電解質 ：塩化ナトリウム
電解水生成量 ：1L/min
電解質充填量 ：0.8kg
電解室初期水量 ：計0.5L
補給水量 ：15〜20cc/min

［実施例２］
実施例２では、以下に示す条件で、電解水生成装置１０を用いて電解水を生成する試験を行った。実施例２の試験結果を表２に示す。

（試験条件）
有効塩素濃度 ：400ppm
電解質 ：塩化ナトリウム
電解水生成量 ：1L/min
電解質充填量 ：0.8kg
電解室水量 ：計0.5L
補給水量 ：35〜40cc/min

表１及び表２において、補給水無しｐＨとは、電解質充填槽に水を補給することなく電解水生成装置を連続運転した場合において、第１の電解室から取り出される電解水（酸性水）のｐＨを示している。補給水無しｐｐｍとは、第１の電解室から取り出される電解水の有効塩素濃度を示している。補給水有りｐＨとは、電解質充填槽に水を補給しながら電解水生成装置を連続運転した場合において、第１の電解室から取り出される電解水（酸性水）のｐＨを示している。補給水有りｐｐｍとは、第１の電解室から取り出される電解水の有効塩素濃度を示している。

表１及び表２に示す試験データからわかるように、本発明の電解水生成装置によれば、所定のｐＨ及び電解質濃度を有する電解水を安定的かつ連続的に得ることができる。

［他の実施形態］
上記実施形態では、第１の電解室１４に正極１８が設けられており、第２の電解室１６に負極２０が設けられている例を示したが、２つの電極はこの逆に配置されてもよい。すなわち、第１の電解室１４に負極２０が設けられ、第２の電解室１６に正極１８が設けられもよい。この場合、第１の電解室１４からはアルカリ性の電解水が取り出されることになる。電解水生成装置がこのように構成される場合であっても、上記で説明した電解水生成装置１０と同様の作用効果を得ることができる。

上記実施形態では、電解質として塩化ナトリウムが使用される例について説明したが、その他の電解質が使用されてもよい。

また、本発明は、上記で説明した電解水生成装置を用いて電解水を生成する工程を有する電解水の生成方法として構成することもできる。

１０、６０、７０ 電解水生成装置
１２ 隔膜
１４ 第１の電解室
１６ 第２の電解室
１８ 正極
２０ 負極
２４ 原水供給口
２６ 電解水取出口
３０、３０ａ、３０ｂ 電解水貯留槽
３２ 移送配管
３６ 仕切壁
３８ オーバーフロー配管
４０ 電解質水溶液調製手段
４２、４２ａ、４２ｂ 電解質充填槽
４４ 水供給配管
５０ 配管（電解水返流配管）

Claims (5)

1. 第１の電極と第２の電極の間に電圧を印加して電解水を生成する電解水生成装置であって、
   前記第１の電極が設けられている第１の電解室と、
   前記第２の電極が設けられている第２の電解室と、
   前記第１の電解室と前記第２の電解室を仕切る隔膜と、
   前記第１の電解室で生成した電解水を取り出すための電解水取出口と、
   前記第１の電解室に原水を供給する原水供給口と、
   前記第２の電解室で生成した電解水を一時的に貯留する電解水貯留槽と、
   前記電解水貯留槽に貯留されている電解水を、前記第２の電解室に返流するための電解水返流配管と、
   水と電解質とを接触させて電解質水溶液を調製する電解質水溶液調製手段と、を備え、
   前記電解質水溶液調製手段によって調製された電解質水溶液が、前記電解水貯留槽を経由することなく、前記第２の電解室に直接流入することを特徴とする電解水生成装置。
2. 前記電解質水溶液調製手段と前記第２の電解室とが配管によって直接的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の電解水生成装置。
3. 前記電解水貯留槽と前記電解質水溶液調製手段が一体の槽で構成されており、
   前記一体の槽の内部には、前記電解水貯留槽と前記電解質水溶液調製手段とを仕切るための仕切壁が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電解水生成装置。
4. 前記電解水貯留槽に貯留されている電解水の液面の高さが所定以上となったときに、前記電解水を前記電解水貯留槽の外部に排出するオーバーフロー配管を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の電解水生成装置。
5. 請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の電解水生成装置を用いて電解水を生成する工程を備える電解水生成方法。