JP2015150529A - 水素溶解水製造装置及び純水製造システム - Google Patents
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Abstract
Description
ところで、一次純水に含まれていたりサブシステム内で発生したりする溶存酸素は、系内に水素を添加し、下記式に示すように触媒上で水素と反応させて水とすることにより、除去することができる。
上記反応を高速で進行させるために適した触媒として、特許文献2には、モノリス状有機多孔質アニオン(陰イオン)交換体に白金族金属を担持したものが提案されている。
生成した酸素(O2)は未反応の純水とともに陽極室12の外部に排出される。また、ここで生成した水素イオン(H+)は、カチオン交換膜15内を移動して陰極13に向かい、下記式に示すように陰極13において電子を受け取り、水素分子が生成する。
本実施形態は、SPE電解セル10の陰極13の表面に生じた水素を、その気泡を形成させる前に大量の水で瞬時に溶解させることで、気体状態の水素を発生させることなく水素ガスの気泡が実質的に存在しないようにして、極めて安全に水素溶解水を得ようとするものである。陽極11及び陰極13での電極反応を検討すると、陰極13で発生する水素は、陰極室14に供給された純水の電気分解によるものではなく、陽極室12に供給された純水に由来するものである。したがって、陽極室12に少量の純水を供給しつつ陽極11と陰極13との間に直流電圧を印加し、さらに、純水または超純水を陰極室14に供給することで、陰極室14に供給された純水または超純水に水素が溶解することとなり、陰極室14からは水素溶解水が排出される。
水素溶解水製造装置4から流出する水と2つに分岐した他方の配管からの水とが混合して触媒装置5で処理されるようになっている点である。この構成では、水素溶解水製造装置4での水素発生量と2分岐する配管での分岐比とを制御することによって、溶存水素濃度を極めて小さな値にまで正確に制御できるようになる。
図6に示す装置を組み立てた。この装置においてSPE電解セル10には、カチオン交換膜15としてDuPont社製のカチオン交換膜(Nafion(登録商標) N−117、膜厚183μm)を使用した。各電極は、ほぼ円形の形状を有しており、その面積は50cm2であった、
SPE電解セル10の陽極室12及び陰極室14に比抵抗が18MΩ/cmの超純水を供給できるようにした。陰極室14の出口直近からの配管をメインライン31として、このメインライン31に内径10mmのPFA(テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂)チューブを使用し、陰極室14の出口から1mとなる位置において、サンプル水を採取するための分岐配管である長さ3mのサンプリングライン32を接続した。サンプリングライン32には、内径4mmのFPAチューブを使用した。
メインライン31上には精密ろ過膜モジュールを設置せず、その代わりにサンプリングライン32上に精密ろ過膜モジュール33を設置できるようにした図8に示す装置を組み立て、実施例1と同様の実験を行った。結果を図9に示す。このとき、精密ろ過膜モジュール33をサンプリングライン32上に設ける場合(図9(a))と設けない場合(図9(b))の両方について実験を行った。
図2に示す水素溶解水製造装置を組み立てて水素溶解水を生成し、この水素溶解水を用いて、過酸化水素、溶存酸素除去を行い純水を製造した。SPE電解セル10としては、実施例1で使用したものを用いた。水素溶解水製造装置入口での被処理水(純水)の溶存酸素量は10μg/Lであった。被処理水の過酸化水素濃度は、フェノールフタリン法を用いて測定したところ、16μg/Lであった。過酸化水素、溶存酸素の除去には、Pdを担持したアニオン交換体モノリスを有する触媒装置を使用した。アニオン交換体におけるイオン形はOH形であって、Pdの担持量は、モノリスの乾燥重量1gあたり30mgであった。Pd担持アニオン交換体モノリスの湿潤体積4mLに対し、水素を溶解した超純水を流速0.3L/minで通水した。SVは5000h-1であった。圧力を0.14MPaとし、溶存水素濃度は50ppbとした。また、水素を溶解した超純水における気泡数(直径0.1μm以上のPSL粒子の数に換算したもの)は30個/mLであった。
2 ポンプ
3 紫外線酸化装置
4 水素溶解水製造装置
5 触媒装置
6 非再生型混床式イオン交換装置(CP)
7 限外ろ過装置(UF)
10 SPE(固体高分子電解質)電解セル
11 陽極
12 陽極室
13 陰極
14 陰極室
15 カチオン(陽イオン)交換膜
16 直流電源
21,33 精密ろ過(MF)膜モジュール
22,24 昇圧ポンプ
23,25 配管
31 メインライン
32 サンプリングライン
34 溶存水素計
35 パーティクルカウンタ
Claims (8)
- 陽極を備えて純水または超純水が通水される陽極室と陰極を備えた陰極室と前記陽極室と前記陰極室との間に設けられたカチオン交換膜とを有する電解セルと、
前記陽極と前記陰極との間に直流電圧を印加する電圧印加手段と、
を有し、
前記直流電圧によって前記陽極室内で水素イオンを発生させ、前記カチオン交換膜を介して前記陰極室に前記水素イオンを導いて電子と再結合させて水素分子を生成し、前記陰極室内に通水された純水または超純水に前記水素分子を溶解させて水素溶解水を得る水素溶解水製造装置であって、
水素ガスの気泡が実質的に残存しないように前記水素溶解水を生成する水素溶解手段を有する、水素溶解水製造装置。 - 前記水素溶解手段は、前記陰極室に通水される前記純水または超純水の圧力を上昇させて前記陰極室に通水された前記純水または超純水に水素を溶解させる手段である、請求項1に記載の水素溶解水製造装置。
- 前記水素溶解手段は前記陰極室の出口に設けられたろ過装置を含む、請求項1または2に記載の水素溶解水製造装置。
- 前記ろ過装置は精密ろ過膜モジュールである請求項3に記載の水素溶解水製造装置。
- 前記精密ろ過膜モジュールにおける精密ろ過膜の入口側に設けられた排出口から流出する水を前記陰極室に戻す配管をさらに有する、請求項4に記載の水素溶解水製造装置。
- 前記陰極室内に通水される前記純水または超純水の圧力が0.1MPa以上である、請求項2に記載の水素溶解水製造装置。
- 被処理水に対して紫外線を照射する紫外線照射手段と、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載された水素溶解水製造装置であって、前記紫外線照射手段で処理された水が前記陰極室に供給される水素溶解水製造装置と、
前記水素溶解水製造装置の前記陰極室から流出する水を白金族金属担持触媒と接触させて前記水の中の酸化性物質を除去する溶存酸素除去手段と、
を有する純水製造システム。 - 被処理水に対して紫外線を照射する紫外線照射手段と、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載された水素溶解水製造装置であって、前記紫外線照射手段で処理された水を2つに分岐した一方の水が前記陰極室に供給される水素溶解水製造装置と、
前記水素溶解水製造装置の前記陰極室から流出する水と前記2つに分岐した他方の水とを混合して白金族金属担持触媒と接触させ、前記混合された水の中の酸化性物質を除去する溶存酸素除去手段と、
を有する純水製造システム。
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