JP2016155118A - 水素水、その製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを水又は水溶液中に接触または分散して水素を発生させ、低コストで安全に、オンサイトで所定の水素濃度を有する水素水を得ることは重要である。【解決手段】シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子をビーズミル機で粉砕したシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを密封容器内で水又は水溶液に接触及び／又は該水又は該水溶液中に分散させることにより水素を発生させて、水溶液中に所定の制御された水素濃度を有する水素水を得る。この水素水の製造には、シリコン微細粒子を出発材料として、実用に耐え得る濃度と量の溶存水素を含む水素水を、安全に効率よく製造することが可能である。従って、シリコン微細粒子の有効活用にもなり、環境保護に貢献するとともに、特に健康・医療分野での有効な水素水の製造コストの大幅削減にも寄与する。【選択図】図１

Description

本発明は、水素水、その製造方法及び製造装置に関する。

水素を水に溶解させた水素水は、１ｐｐｍ以上の溶存水素濃度が必要とされ、健康飲料水、洗顔水、入浴水、医療分野や電子部品の洗浄水また植物の生育促進水などの多方面の利用が進みつつあるが、水素水の製造技術や製造装置としては、従来、水素ガスを水に導入することや水の電気分解法によって行われている（例えば、特許文献１）。

特許文献１：特開２００６−９５３８９号公報

しかしながら、従来技術で開示されている水素水を製造する技術においては、水素ガスを直接導入する過程を要し、その制御及び取扱いに課題がある。更に、低コストで安全性の高い水素発生材料を用いて、オンサイトで簡便な水素水、その製造方法及びその製造装置が求められている。

本発明は、上述の技術課題の少なくとも１つを解消し、シリコン微細粒子を有効活用し、経済性及び工業性に優れた製造方法により水素発生を行うことにより、簡単かつ安全な水素水の製造及びその製造装置に大いに貢献するものである。

本願発明者らは、半導体や発光素子において、シリコン微細粒子の有効活用に着眼し研究を進めてきた。一方、かかるシリコン微細粒子から、実用性及び工業性に優れた水素の製造技術について、鋭意研究に取り組んだ。その結果、室温で温和な条件下であっても、低コストで安全な材料であるシリコン微細粒子を水中に分散して、その水中から水素を発生し得ることを見出し、この水素を水中で溶存させ、制御された水素濃度を有する水素水を実現できることを見出した。

本発明は、上述の視点に基づいて創出されたものである。

本発明の１つは、シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細粒子（以下、シリコン微細ナノ粒子と呼ぶ）及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを水中に接触もしくは分散させて発生の水素を、直接的に前記水中に溶存させて容器に密封した水素水である。

本発明の１つの水素水の製造装置は、シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子を形成する粉砕部とそのシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを水又は水溶液内で接触もしくは分散させて直接的に前記水中に溶存させて密封する水素水発生部とを備える。

この水素水の製造装置によれば、シリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを密封容器中で水又は水溶液中に接触もしくは分散させて、実用に耐え得る水素濃度と量の水素水を確度高く低コストで安全に、オンサイトで製造することが可能である。この水素水の製造装置によれば、水素水の製造における工業生産性を格段に向上させることができる。

また、本発明の１つの水素水の製造方法は、シリコン微細粒子を形成する粉砕工程と、シリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを水又は水溶液に接触もしくは分散させて水素を発生し、その水素を前記水中に溶存させて密封する水素水の生成工程を含む。

この水素水の製造方法によれば、シリコン微細粒子を出発材料として、実用に耐え得る水素濃度と量の水素水を製造することが可能であり、この水素水の製造方法は、シリコン微細ナノ粒子を有効活用し、環境保護に大きく貢献するのみならず、飲料水等ともなる、その水素水の製造コストを大幅に削減することができ、工業生産性を格段に向上させることができる。

また、本発明の１つの水素水の製造に使用するシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものは、その結晶子径の分布が１００ｎｍ（ナノメートル）以下、好ましくは５０ｎｍ以下の範囲であることが、水中で水素を発生し、その水素を前記水中に溶存させて容器に密封する，水素水の生成に好適である。

なお、シリコン微細ナノ粒子の中でも、化学的処理（代表的には、後述する各実施形態における、フッ酸水溶液及び／又はフッ化アンモ二ウム水溶液による酸化膜の除去処理）されたものは、水素水の製造用シリコン微細ナノ粒子として好適な一例であり、本発明の１つの水素水の製造方法は、シリコン微細ナノ粒子を形成する粉砕工程を含む。

上述の水素水製造用シリコン微細ナノ粒子、及びその製造方法によれば、シリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものが、実用に耐え得る水素濃度と量の水素水を効率よく製造するための材料として提供される。

本発明の１つの水素水の製造装置及び本発明の１つの水素水の製造方法によれば、シリコン微細ナノ粒子が、水素水生成の出発材料として、実用に耐え得る水素濃度と量の水素水を確度高く低コストで安全に、オンサイトで製造することに利用される。したがって、シリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものが有効活用されて、環境保護に貢献するとともに、水素水の製造コストの大幅削減に貢献する。

実施例における一段階粉砕後のシリコン微細ナノ粒子の結晶構造例を示す断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真図である。 個別のシリコン微細ナノ粒子に着目した拡大ＴＥＭ写真図である 実施例の１段階粉砕で得られるシリコン微細ナノ粒子のＸ線回折装置（ＸＲＤ）による結晶子径分布図である。 実施例の２段階粉砕で得られるシリコン微細ナノ粒子のXRDによる結晶子径分布図である。 実施例で得られる水素水中の溶存水素濃度特性図である。 実施例で得られる水素水中の溶存水素濃度特性図である。 実施例で得られる水素水中の溶存水素濃度特性図である。 実施例で得られる水素水中の溶存水素濃度特性図である。

本発明の実施形態を、添付する図面に基づいて詳細に述べる。

シリコン微細粒子には、市販の高純度Ｓｉ粉末（高純度化学社製 粒度分布 <φ：０．５μm、純度９９．９％、ｉ型シリコン））と、高純度Ｓｉ粉末からビーズミル法で作製したシリコン微細ナノ粒子を用いて、水溶液にはｐＨ：８の弱アルカリのほう酸カリウムバッファー溶液混合の水溶液、ｐＨ：７の超純水、並びにｐＨ：７．１〜７．３の標準的な水道水を個別に選択して用いて、密閉容器内で反応させる。

上述のシリコン微細ナノ粒子は、ビーズミル装置（アイメックス株式会社製：ＲＭＢ型バッジ式レディーミル）を用いて、高純度Ｓｉ粉末１５ｇを９９％以上のイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）３００ ｍｌに分散させ、φ：０．５μｍのジルコニア製ビーズ（容量３００ ｍｌ）を加えて４時間、回転数２５００ｒｐｍで粉砕（一段階粉砕）を行い、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）による測定により、平均結晶子径（体積分布）２０．０ｎｍを得た。それをさらにφ：０．３ｍｍのジルコニア製ビーズ（容量３００ｍｌ）を用いて、４時間、回転数２５００ｒｐｍで粉砕(二段階粉砕)を行い、ＸＲＤによる測定により平均結晶子径（体積分布）１０．９ｎｍを得た。

図１は、本実施例におけるビーズミルの一段階粉砕工程後で得られたシリコン微細ナノ粒子の結晶構造例を示す断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真である。図１は、シリコン微細ナノ粒子が一部凝集して、不定形の直径：０．５μｍ程度以下のやや大きな微粒子が形成されている状態を示している。また、図２は、個別のシリコン微細ナノ粒子に着目して拡大したＴＥＭ写真図である。図２中の白線で囲んで示すように、直径約５ｎｍから１０ｎｍの大きさのシリコン微細ナノ粒子が確認された。また、このシリコン微細粒子は結晶性（（１１１）面）を有していることが確認された。外観は不定形の形状で、一部にはシリコン微細ナノ粒子が凝集体となったものを含むものも見られる。図示していないが、二段階粉砕後のＴＥＭ解析により、一段階粉砕後の大きさが約１／２程度以下の結晶性（（１１１）面）を有するシリコン微細ナノ粒子が得られた。

図３は、一段階粉砕での実施例で得られたシリコン微細ナノ粒子の結晶子径分布をＸ線回折装置（リガク電機製スマートラボ）によって、測定解析した結果を示す図である。図３では、横軸が結晶子径（ｎｍ）を表し、縦軸は、頻度を表している。また、実線は個数分布基準の結晶子径分布を示し、破線は体積分布基準の結晶子径分布を示している。個数分布においては、モード径が０．２９ｎｍ、メジアン径（５０％結晶子径）が０．７５ｎｍ、平均径が１．２ｎｍであった。また、体積分布においては、モード径が４．９ｎｍ、メジアン径が１２．５ｎｍ、平均径が上述したように２０．０ｎｍであった。
図４は、二段階粉砕での実施例で得られたシリコン微細ナノ粒子の結晶子径分布をＸ線回折装置によって、測定解析した結果を示す図である。図４では、横軸が結晶子径（ｎｍ）を表し、縦軸は、頻度を表している。また、実線は個数分布基準の結晶子径分布を示し、破線は体積分布基準の結晶子径分布を示している。個数分布においては、モード径が０．１４ｎｍ、メジアン径（５０％結晶子径）が０．３７ｎｍ、平均径が０．６ｎｍであった。また、体積分布においては、モード径が２．６ｎｍ、メジアン径が６．７ｎｍ、平均径が上述したように１０．９ｎｍであった。これらの結果により、二段階粉砕後に得られるシリコン微細ナノ粒子は、一段階粉砕より、大きさが約１／２以下の微細化を達成し得ていることが分かった。これらのビーズミル法での粉砕処理で結晶子径が、１００ｎｍ以下の範囲で、特に５０ｎｍ以下に分布しているシリコン微細ナノ粒子の得られていることが確認された。これらシリコン微細ナノ粒子はその一部が凝集体となったものを含むものになることもある。

以下、一段階粉砕と二段階粉砕で作製されたシリコン微細ナノ粒子を用いた水素水の生成とその溶存水素濃度の制御について詳細に述べる。
上述の一段階粉砕と二段階粉砕で作製されたビーズを含むシリコン微細ナノ粒子は、ビーズ分離容器（アイメックス株式会社製）に装着したＳＵＳフィルター（φ：０．５ｍｍのビーズの場合はフィルターのメッシュは０．３５ｍｍ、φ：０．３ｍｍのビーズの場合はメッシュ０．０６ｍｍを使用）を用いて、その上部からビーズを含むシリコン微細ナノ粒子を含むＩＰＡ溶液を注いで、分級処理して、吸引濾過し、ビーズを分離して、シリコン微細ナノ粒子を含むＩＰＡ溶液を得た。その後、減圧蒸発装置を用いて、４０℃でＩＰＡ溶液成分を蒸発処理して、シリコン微細ナノ粒子を得た。
次いで、フッ酸処理を行う場合は以下の処理を追加した。得られたシリコン微細ナノ粒子を５％濃度のフッ酸溶液中に１０分間浸漬させた。その後、１００ｎｍのフッ素樹脂製のメンブレンフィルターで大気中濾過処理を行い、シリコン微細ナノ粒子をメンブレンフィルター上にトラップし層状に残存させた。このメンブレンフィルター上のシリコン微細ナノ粒子をフッ素樹脂製ビーカー上に保持して、フッ酸処理を行った場合はその上からエタノールを滴下して、フッ酸成分を除去した。メンブレンフルター上のシリコン微細ナノ粒子を空気中で３０分程度乾燥処理し、フッ酸処理したシリコン微細ナノ粒子を得た。
これらのシリコン微細ナノ粒子表面のシリコン酸化膜厚の測定をＸＰＳ法により実施した。フッ酸処理しない場合は膜厚が１．６nm程度のシリコン酸化膜を有している。フッ酸処理をした場合は酸化膜がエッチング除去され、酸化膜の膜厚が０．０７nm以下となり、酸化膜をほとんど有していないことが分かった。

得られたシリコン微細ナノ粒子１０ｍｇを容量３０ｍｌのガラス瓶（硼ケイ酸ガラス厚さ１ｍｍ程度、ＡＳＯＮＥ社製ラボランスクリュー管瓶）に入れて、その後、エタノール１ｍｌを投入して、分散させ、全量が３０ｍｌになるように所定の水溶液約２９ｍｌを加え、ガラス瓶の口まで一杯にして、空気が入らないように内蓋をして、キャップ（長さ１ｃｍ）をし、完全密封をした。キャップはポリプロピレン（厚さ２ｍｍ）で、内蓋はポリエチレンとポリプロピレンの多層フィルター製を用いた。これらにより、発生する水素の透過や漏れを充分に抑えることができた。
この状態に保ったままで、室温にて、密閉したガラス瓶中でシリコン微細ナノ粒子から徐々に水素が発生し、水溶液中に所定の濃度を有する水素を溶存させることができ、安全な水素水を得ることができた。

水溶液中の溶存水素濃度の反応時間依存性の測定には東亜ＤＫＫ社製のポータブル溶存水素濃度計を使用した。まず、図５にフッ酸処理しない場合のシリコン微細ナノ粒子を用いたｐＨ７の超純水の場合の測定結果を示す。

図５の超純水溶液中の溶存水素濃度は、未粉砕高純度Si粉末、一段階粉砕（平均結晶粒子径２０．０ｎｍ）と二段階粉砕（平均結晶粒子径１０．９ｎｍ）での測定値を示す。粒子径（結晶子径）が小さくなることにより、シリコン微細ナノ粒子の表面積が増大し、表面で反応発生する水素が増加し、溶存水素濃度が増加していることが分かる。また、反応時間の増加とともに得られる溶存水素濃度が大きくなり、４００分（約７時間）程度の反応で、超純水中でも０．４ｐｐｍ程度の溶存水素濃度を達成した。
１ｐｐｍ以上の溶存水素濃度を得るためには、シリコン微細ナノ粒子の量を増やせば良い。

また、水溶液中の溶存水素濃度は、水溶液のｐＨ値にも依存性が見られ、ｐＨ値８．０にすると、水溶液中の溶存水素濃度が超純水に比べて、大きく増大することも明確になった。このことを、図６に示す。一段階粉砕（平均結晶子径２０．０ｎｍ)のシリコン微細ナノ粒子を、フッ酸溶液中に浸漬して酸化膜を除去した場合とそうでない場合を比較した。
フッ酸処理をしたシリコン微細ナノ粒子を用いた場合、２０分程度で１ｐｐｍを超え、１００分で１．４ｐｐｍを超える溶存水素濃度を達成した。更に短時間化したい場合はシリコン微細ナノ粒子の投入量を増加すれば良い。

また、標準的な飲料可能な水道水（ｐＨ値７．１〜７．３程度）を使用して、一段階粉砕（平均結晶子径２０．０ｎｍ)のフッ酸処理しない場合のシリコン微細ナノ粒子を水道水に混合して水素水を作製した。図７にその測定値を示す。図に示すように、超純水（ｐＨ値７．０）に混合したときの溶存水素濃度よりも顕著な増大を示し、２００分程度で１ｐｐｍを達成した。
なお、シリコン微細ナノ粒子として、二段階粉砕（平均結晶子径１０．９ｎｍ)のものを水道水に混合して水素水を作製したところ、図示していないが、一段階粉砕のシリコン微細ナノ粒子を用いた場合の溶存水素濃度よりも更に１．４〜１．６倍程度は増加することが分かった。
水道水を用いて、フッ酸処理しないで、低コストで安全な水素濃度１ｐｐｍ以上の水素水を得ることが可能であることが分かった。更に短時間化したい場合はシリコン微細ナノ粒子の投入量を増やせば良い。

図８に一段階粉砕のシリコン微細ナノ粒子を用いて、超純水（ｐＨ値７．０）に分散したときの溶存水素濃度の長時間での測定結果を示す。フッ酸処理をした場合は２０時間で１ｐｐｍを達成した。フッ酸処理しない場合には、１６０時間以上で（1週間程度）で１ｐｐｍを達成した。
これは、フッ酸処理をしていない場合のシリコン微細ナノ粒子による超純水中での水素発生反応は表面にシリコン酸化膜があるため、シリコン酸化膜が超純水中に徐々に溶け出しながら、極めてゆっくり起こるため、水素濃度が長時間増大しながら持続すると考えられることを示している。

シリコン微細粒子として、高純度Si粉末以外に、太陽電池グレードのシリコン基板の切削加工から発生するシリコン切粉や半導体グレードの研磨屑を利用しても、水素水の生成は可能である。また、ｉ型のみならず、ｎ型、ｐ型でも使用可能である。

本発明は、シリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを有効活用して、実用性及び経済性に優れた水素水とその製造技術に展開できるものであり、特に、医療用の洗浄水や健康飲料水等の健康・医療製品分野への利用が可能である。

Claims (9)

1. シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを水又は水溶液に接触及び／又は分散させて水素を発生させ、かつその水素を直接的に前記水中に溶存させて容器に密封したことを特徴とする水素水。
2. シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを水道水に接触及び／又は分散させて水素を発生させて、前記水道水中に水素を溶存させて容器に密封したことを特徴とする水素水。
3. シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子を形成する工程、そのシリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを水又は水溶液に接触及び／又は分散させて、直接的に水素水を生成する工程を備える水素水の製造方法。
4. 前記シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものをフッ酸又はフッ化アンモニウム水溶液に接触及び／又は分散させる表面シリコン酸化膜除去の工程をさらに備えた、請求項１および請求項２に記載の水素水の製造方法。
5. シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子を形成する粉砕工程、前記シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものをｐＨ７の中性水又はｐＨ８〜９の水溶液に接触及び／又は分散させて水素を発生させて、前記中性水又は前記水溶液中に水素を溶存させる工程を含む、水素水の製造方法。
6. シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを水道水に接触及び／又は分散させて水素を発生させて、前記水道水中に水素を溶存させる工程を含む水素水の製造方法。
7. シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものをｐＨ７の中性水又はｐＨ８〜９の水溶液又はｐＨ７．１〜７．５の水道水に接触及び／又は分散させて水素を発生させて、前記中性水又は前記水溶液または水道水中に水素を溶存させたことを特徴とする水素水。
8. シリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むもののＸＲＤによる結晶子径分布が１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１、請求項２または請求項７のいずれか１つに記載の水素水。
9. シリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子を形成する粉砕部とそのシリコン微細粒子又はシリコン微細粒子を更に粉砕したシリコン微細ナノ粒子及び／又はその一部が凝集体となったものを含むものを水又は水溶液内で接触及び／又は分散させて水素を発生させる水素発生部、かつその水素を直接的に前記水中に溶存させて容器に密封する水素水の製造装置。