JP2016168542A - 電解水生成装置および電解水生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スケールが溜まりにくく、電解水を低コストで製造可能で、かつ、原料として塩酸を使用することなく電解水製造時の安全性に優れた、電解水生成装置および電解水生成方法を提供する。【解決手段】第１の陽電極１４を配した陽極室１１、第１の陰電極１５を配した陰極室１２および中間室１３を有し、陽極室１１と中間室１３とがバイポーラ膜１６により仕切られており、陰極室１２と中間室１３とが少なくとも陰イオンを透過させる隔膜１７により仕切られている、３室型の電解槽と、中間室１３に形成される水溶液に対して電圧を印加して、次亜塩素酸水を生成可能とする第２の陽電極１８および第２の陰電極１９と、を有する電解水生成装置１０。【選択図】図１

Description

本発明は、電解水生成装置および電解水生成方法に関するものである。

従来、次亜塩素酸水などの機能水を生成する電解水生成装置として、１室型や２室型、さらには３室型の電解槽を有する種々の電解水生成装置が用いられている。

例えば、３室型の電解槽は、ナフィオン等の陽イオン交換膜、四級アンモニウム塩や四級ホスホニウム塩等を有する陰イオン交換膜、逆浸透膜等によって、電解セルが陽極室、中間室および陰極室と３室に区切られる。陽極室および陰極室には、陽電極および陰電極がそれぞれ配置されている。

このような３室型の電解槽を有する電解水生成装置では、例えば、中間室に塩化ナトリウム水を流し、陰極室および陽極室に水を流して、中間室の塩化ナトリウム水を電気分解する。この電気分解により、陽極室で発生した塩素ガスを水に溶解させて次亜塩素酸水を生成するとともに、陰極室では水酸化ナトリウム水を生成する。生成した次亜塩素酸水は殺菌消毒水として、水酸化ナトリウム水は洗浄水として、それぞれ活用される。

また、２室型の電解槽を有する電解水生成装置は、ナフィオン等の陽イオン交換膜や、四級アンモニウム塩や四級ホスホニウム塩等を有する陰イオン交換膜、逆浸透膜等によって、電解槽が陽極室および陰極室の２室に区切られる。陽極室および陰極室には、陽電極および陰電極がそれぞれ配置されている。

このような２室型の電解槽を有する電解水生成装置では、例えば、陽極室に塩化ナトリウム水を流し、陰極室に水を流して、塩化ナトリウム水を陽極室で電気分解する。この電気分解により、陽極室で発生した塩素ガスが水に溶解して次亜塩素酸水を生成させる。

また、１室型の電解槽を有する電解水生成装置では、塩酸と水を混ぜた塩酸水溶液を収容する浴槽に、陽電極および陰電極が配置されている。この装置で電気分解を行うと、陽電極で発生した塩素ガスが水に溶解して次亜塩素酸水が生成され、同時に陰電極では水素ガスが生成する。

なお、装置構成としてバイポーラ膜を使用した電気透析装置が知られているが、次亜塩素酸水を製造するものは知られていない。

国際公開第１９９９／３３４９６号 特開２００８−２６４７４６号公報 特開２０００−２１８２７５号公報 国際公開第２０１４／０７７３７３号

谷岡明彦著、「バイポーラ膜の機能」、繊維学会誌、繊維学会、平成７（１９９５）年１月、第５１巻、第１号、ｐ．１６−２２

３室型の電解槽を用いる場合は、塩化ナトリウムと水を用意するだけで上記の反応を起こすことができ、原料の調達、取り扱いが容易で、安全に、次亜塩素酸水を得ることができる。さらに、次亜塩素酸水に塩水が混ざらないメリットがある。一方、電解槽には常に水または塩化ナトリウム水を供給、排出等をしなければならず、また、水の使用量が多く、それに伴い多くの配管等が必要であるため、装置構造が複雑になる問題がある。

２室型の電解槽を用いる場合、３室型の電解槽を用いた場合と同様、塩化ナトリウムと水を用意するだけで上記の反応を起こすことができ、原料の調達、取り扱いが容易で、安全に、次亜塩素酸水を得ることができる。ただし、２室型の電解槽の場合は次亜塩素酸水に塩水が混ざる欠点がある。

ところで、２室型および３室型の電解槽では、陰極室においてアルカリ水が生成するが、アルカリ条件下では水中のカルシウムやマグネシウム等が炭酸塩や炭酸水素塩となり、スケールとして沈着し、配管等を塞いでしまう問題もある。そこで、一般にイオン交換樹脂により水道水の金属イオンを取り除いたイオン交換水を使用するが、それでもスケールの発生を完全になくすことは困難である。完全にスケールの発生を無くすためには、イオン交換水を蒸留した超純水を用いる必要がある。

さらに、食肉工場や植物工場等で次亜塩素酸水を使う場合、工場のサイズにも依るが、数Ｌ／分程度の比較的多量の次亜塩素酸水量が要求されるため、そのような場合、供給水が超純水やイオン交換水等であるイオン交換樹脂を用いる系では、そのメンテナンスが頻繁に必要となる。さらに、このような場合、水道水を全て超純水に置き換えることはコスト上極めて難しい。

また、１室型の電解槽での反応は、２室型や３室型の電解槽の場合と異なり、アルカリ水が生成しないためスケールが溜まり難いメリットがある。しかし、原料として劇物の塩酸を使用するため、その取り扱いや管理（消防署等への申請も必要）等が煩雑になってしまう。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、スケールが溜まりにくく、電解水を低コストで製造可能で、かつ、原料として塩酸を使用することなく電解水製造時の安全性に優れた、電解水生成装置および電解水生成方法を提供することである。

実施形態の電解水生成装置は、水が供給される第１の陽電極を配した陽極室、塩素化合物水溶液が供給される第１の陰電極を配した陰極室および前記陽極室と前記陰極室との間に形成された中間室を有し、前記陽極室と前記中間室とが陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを接合してなるバイポーラ膜により仕切られており、前記陰極室と前記中間室とが少なくとも陰イオンを透過させる隔膜により仕切られている、３室型の電解槽と、前記中間室に形成される水溶液に対して電圧を印加して、次亜塩素酸水を生成可能とする第２の陽電極および第２の陰電極と、を有する。

また、実施形態の電解水生成方法は、上記電解水生成装置の前記３室型の電解槽において、前記陽極室に水を、前記陰極室に塩素化合物水溶液を、供給する供給工程と、前記第１の陽電極および第１の陰電極に電圧を印加する第１の電解工程と、前記第１の電解工程により前記中間室に形成される水溶液に対して、前記第２の陽電極および第２の陰電極に電圧を印加して次亜塩素酸水を生成する第２の電解工程と、を有する。

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。 第２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。 従来の３室型の電解槽を有する電解水生成装置の概略構成を示す図である。

実施形態の電解水生成装置は、上記したように、水が供給される第１の陽電極を配した陽極室、塩素化合物水溶液が供給される第１の陰電極を配した陰極室および陽極室と陰極室との間に形成された中間室を有する。そして、これら陽極室と中間室とは陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを接合してなるバイポーラ膜により仕切られており、陰極室と中間室とは少なくとも陰イオンを透過させる隔膜により仕切られている。すなわち、この電解水生成装置は、３室型の電解槽を有して構成される。

そして、上記中間室に形成される水溶液に対して電圧を印加して、次亜塩素酸水を生成可能とする第２の陽電極および第２の陰電極を有している。

以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電解水生成装置の概略的な構成を示した図である。
この図１に示した電解水生成装置１０は、陽極室１１、陰極室１２および中間室１３を有し、第１の陽電極１４と第１の陰電極１５とが、それぞれ陽極室１１と陰極室１２とに一対の電極として配された３室型の電解槽を有する装置である。この３室型の電解槽は、陽極室１１と中間室１３とが陽イオン交換膜１６ａと陰イオン交換膜１６ｂとを接合してなるバイポーラ膜１６により仕切られており、陰極室１２と中間室１３とが少なくとも陰イオンを透過させる隔膜１７により仕切られている。そして、中間室１３には、第２の陽電極１８と第２の陰電極１９が一対の電極として配されている。

陽極室１１には、上記のように第１の陽電極１４が配され、さらに、電解水生成にあたっては水が供給されるようになっている。陰極室１２には、上記のように第１の陰電極１５が配され、さらに、電解水生成にあたっては塩素化合物水溶液が供給されるようになっている。水や塩素化合物水溶液を供給するにあたっては、ポンプや注射器、重力等を使って供給可能とする供給機構を有する供給ラインをそれぞれ設ければよい。

また、第１の陽電極１４と第１の陰電極１５には、これら電極間に電圧を印加するための電源（図示せず）が設けられており、さらに、電流計や電圧計を備えて印加する電圧を調整できるようにしておいてもよい。

また、陽極室１１および陰極室１２には、内部の液体を排出する流路を設けてもよい。さらに、発生するガスの排出口を設けてもよい。

中間室１３は、陽極室１１と陰極室１２の間に設けられ、この実施形態は３室型の電解槽から構成される。これらの各室を仕切るものとして、陽極室１１と中間室１３の間には、陽イオン交換膜１６ａと陰イオン交換膜１６ｂとが接合されたバイポーラ膜１６が、陰極室１２と中間室１３との間には、少なくとも陰イオンを透過させる隔膜１７が、設けられている。なお、中間室１３には、電解水生成にあたっては希釈するための水が供給されるようになっている。

バイポーラ膜１６は、陽イオン交換膜１６ａと陰イオン交換膜１６ｂと貼り合せて接合された膜であり、一方の主面が陽イオン交換膜１６ａにより、他方の主面が陰イオン交換膜１６ｂにより構成される膜である。このバイポーラ膜１６で仕切ることにより、膜上で水を分解することで得られる水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化物イオン（ＯＨ⁻）をそれぞれ特定方向にのみ放出できる。

この実施形態においては、陽イオン交換膜１６ａが中間室側に陰イオン交換膜１６ｂが陽極室側になるように配置する。すなわち、水の分解により得られる水素イオン（Ｈ^＋）を中間室側に、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）を陽極室側に供給するように配置する。

このバイポーラ膜としては、陽イオン交換固体高分子電解質膜と陰イオン交換固体高分子電解質膜とを重ねて貼り合せたバイポーラ膜が好ましく、具体的には、ネオセプタ（株式会社アストム製、商品名；登録商標）等が挙げられる。

隔膜１７は、少なくとも陰イオンを透過させる機能を有する膜である。この隔膜１７によって、陰極室１２から中間室１３に陰イオンが透過できるようになっている。隔膜１７は、少なくとも陰イオンを透過させることができる膜であればよく、主に陰イオンを透過させることができる膜であることが好ましい。

この隔膜１７としては、陰イオン交換膜、逆浸透膜等の電解質膜や、陰イオンを主に透過させるようにした多孔質膜が挙げられる。より具体的には、陰イオン交換膜としては、例えば、Ａ２０１（株式会社トクヤマ製、商品名）、ネオセプタ（株式会社アストム製、商品名；登録商標）、セレミオン（旭硝子株式会社製、商品名）等が、逆浸透膜としてはロメンブラ（東レ株式会社製、商品名）等が挙げられる。また、多孔質膜としては、ナノポアを有する多孔質膜が挙げられ、例えば、多孔質ガラス、多孔質アルミナ、多孔質チタニア等の多孔質セラミックス、多孔質ポリエチレン、多孔質プロピレン等の多孔質ポリマー等が挙げられる。このような多孔質膜はｐＨが６以下の領域においてゼータ電位が正を示すことが好ましい。また、多孔質膜にｐＨが６以下の領域においてゼータ電位が正の無機酸化物を含有させることでも陰イオン透過性の膜を得ることができる。このような陽極側隔膜１６を設けることにより、イオン選択性を向上させ、所望の電解水を生成するための電気分解を行うことができる。

さらに、この第１の実施形態においては、中間室１３内に、第２の陽電極１８と第２の陰電極１９が設けられる。この第２の陽電極１８と第２の陰電極１９には、これら電極間に電圧を印加するための電源（図示せず）が設けられており、さらに、電流計や電圧計を備えて印加する電圧を調整できるようにしておいてもよい。この第２の陽電極１８および第２の陰電極１９を設けることにより、第１の陽電極および第１の陰電極に電圧を印加して中間室に形成される水溶液に対して、さらに電気分解を生じさせることができる。

なお、上記した第１の陽電極、第１の陰電極、第２の陽電極および第２の陰電極は、いずれも、チタン、クロム、アルミニウムやその合金等のバルブ金属、導電性金属を基材とすることができる。この中ではチタンが好ましい。電解反応によっては、活性化過電圧を下げるために、基材表面に電解触媒（触媒層）を形成することが好ましい。触媒層の厚さは、通常、０．５〜５．０μｍ程度とする。また、触媒金属を基材として用いてもよい。

また、第１の陽電極および第２の陽電極は、酸性および高電位に耐える白金等の貴金属や酸化イリジウム、酸化ルテニウム等の酸化物を触媒として用いることができる。第１の陰電極では、アルカリ耐性のあるニッケルや貴金属等を触媒に用いることができる。第２の陰電極には酸性に耐性のある白金等の貴金属触媒や銅、銀、ステンレス等を触媒に用いることができる。

次に、図１の電解水生成装置１０を用いて電解水を生成する電解水生成方法について説明する。

電解水の生成にあたっては、まず、陽極室１１および中間室１３に水を、陰極室１２に塩素化合物水溶液を供給する（供給工程）。ここで供給する水は、市水、工水や、脱イオン処理を施したイオン交換水、イオン交換水を蒸留した超純水等が挙げられる。塩素化合物水溶液は、塩素を含有する塩素含有化合物を含有した水溶液であればよい。ここで塩素含有化合物としては、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム等が挙げられる。

なお、本明細書において、イオン交換水とは、イオン交換樹脂により脱イオン処理した水で導電率が１．０μＳ／ｃｍ以下のものをいい、超純水とは、さらに蒸留処理した導電率が０．１μＳ／ｃｍ以下のものをいう。

次に、陽極室１１と陰極室１２にそれぞれ設けられている第１の陽電極１４と第１の陰電極１５間に電圧を印加する（第１の電解工程）。この電圧の印加により、陰極室１２では水が電気分解されることで水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成し、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が水溶液中に含まれる塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）中のナトリウムイオン（Ｎａ^＋）と反応することで、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が生成する。このとき、ナトリウムイオンの対アニオンであった塩化物イオン（Ｃｌ⁻）が隔膜１７を通って中間室１３側に移動する。

同時に、中間室１３と陽極室１１間に設置されたバイポーラ膜１６では水の分解反応により、その膜上に、水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成する。ところが、バイポーラ膜１６は、特定のイオンを透過させる膜が貼りあわされているため、水素イオン（Ｈ^＋）および水酸化物イオン（ＯＨ⁻）は、それぞれ特定の方向にしか移動できない。すなわち、陽極室１１側に水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が、中間室１３側に水素イオン（Ｈ^＋）が移動して、それぞれ所望の水溶液が生成することとなる。

なお、このとき陽極室１１では水酸化物イオン（ＯＨ⁻）から酸素が生成する。一方、中間室１３においては、水素イオン（Ｈ^＋）が移動してくるため、この水素イオン（Ｈ^＋）と陰極室１２側から移動してきた塩化物イオン（Ｃｌ⁻）の濃度が高まる。

次いで、中間室に設けられている第２の陽電極１８と第２の陰電極１９間に電圧を印加する（第２の電解工程）。この電圧の印加により、中間室中の第２の陽極において塩素（Ｃｌ_２）が、第２の陰極において水素（Ｈ_２）が生成する。このとき生成する塩素が水中に溶け込むことで次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）が生成し、電解水として次亜塩素酸水が得られる。得られた次亜塩素酸水は、中間室１３から排出して、そのままユースポイントへ供給して使用したり、次亜塩素酸水貯槽を設けて一旦貯留できるようにしておいてもよい。ここで、第１の電解工程と第２の電解工程は順番に行っても、同時に行ってもよい。

なお、この中間室１３には、希釈用の水が供給されるようになっており、弱酸性の次亜塩素酸水が比較的大量に、効率よく製造できる。

次亜塩素酸水の製造にあたって、この実施形態においては、使用する原料として水と塩素化合物水溶液を用意すればよく、その取扱いや管理が容易で、安全性に優れた電解水生成装置および生成方法となる。

また、中間室１３が酸性溶液となるため、従来の３室型の電解槽による電解水生成と比較し、スケールの生成しやすい陰極室のｐＨが上がりにくくなり、スケールの発生を抑制でき、装置寿命を長くすることができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る電解水生成装置の概略的な構成を示した図である。
この図２に示した電解水生成装置２０は、陽極室１１、陰極室１２および中間室１３を有し、第１の陽電極１４と第１の陰電極１５とが、それぞれ陽極室１１と陰極室１２とに一対の電極として配された３室型の電解槽を有し、さらに、この電解水生成装置２０は、第２の陽電極１８と第２の陰電極１９が一対の電極として配されている１室型の電解槽を有する装置である。

上記３室型の電解槽は、陽極室１１と中間室１３とが陽イオン交換膜１６ａと陰イオン交換膜１６ｂとを接合してなるバイポーラ膜１６により仕切られており、陰極室１２と中間室１３とが少なくとも陰イオンを透過させる隔膜１７により仕切られている。

この第２の実施形態は、第１の実施形態において、第２の陽電極１８と第２の陰電極１９を中間室１３内に設けずに、３室型の電解槽の外部に設けるようにした点が異なるものである。そして、電極を外部に設けるにあたって、中間室１３で形成される水溶液を収容し、その中で電気分解が可能となるように第２の陽電極１８と第２の陰電極１９とを配置した、１室型の電解槽２１を設けている。

以下、第１の実施形態との相違点を主に説明し、共通する部分については省略する。

この第２の実施形態では、上記のように、第１の実施形態の３室型の電解槽から第２の陽電極１８および第２の陰電極１９が除かれた形で３室型の電解槽が構成される。そして、この３室型の電解槽の外部に、中間室１３で形成される水溶液を収容し、第２の陽電極および第２の陰電極を配した１室型の電解槽２１が設けられている。このとき、中間室１３から１室型の電解槽２１に、中間室１３で形成される水溶液を移送できるように移送ライン２２が設けられている。この移送ライン２２には、所望のタイミングで移送可能なようにバルブ、ポンプ、水頭等の移送を促進する機構を設けることが好ましい。

なお、第１の実施形態では中間室１３に希釈用の水を供給するようにしていたが、第２の実施形態においては、水を供給してもよいし供給しなくてもよい。これは、第２の電解工程を中間室１３外で行なうため、第１の電解工程の段階では、陽極室１１および陰極室１２から浸透する水量での希釈で十分なためである。一方、第２の電解工程においては水の供給が求められるため、１室型の電解槽２１に希釈用の水を供給できるようにする。

この第２の実施形態における電解水生成においては、第１の実施形態と同様に第１の電解工程を行う。このとき、中間室１３内では第２の電解工程が行われないため、陽極室１１側から供給される水素イオン（Ｈ^＋）と陰極室１２側から供給される塩化物イオン（Ｃｌ⁻）により、中間室１３には塩酸（ＨＣｌ）水溶液が形成される。

次いで、得られた塩酸水溶液を、１室型の電解槽２１に移送するとともに、希釈用の水を供給して混合した後、第２の陽電極１８および第２の陰電極１９に電圧を印加し、第２の電解工程を行う。

この第２の電解工程により、第２の陽極では塩素が、第２の陰極では水素が、それぞれ発生し、塩素が水中に溶け込むことで次亜塩素酸水が得られる。

このように、３室型の電解槽で一旦塩酸水溶液を生成し、これを１室型の電解槽で電気分解させることで、３室型の電解槽では水と塩素化合物水溶液を必要量使用し、中間室には必要に応じて水を供給すればよい。すなわち、３室型の電解槽で使用する原料は少量でも十分な次亜塩素酸水を生成可能となる。

このように原料の使用量が少量で済むことの利点は、使用する水、塩素化合物水溶液中の水、のいずれもイオン交換水や超純水等を使用できる点にある。このようにイオン交換水や超純水等を使用することで、アルカリ性電解水が生成される陰極室１２において、スケールの発生を効果的に抑制することができる。また、市水や工水等を用いても、循環する水の量が少ないため、スケールに成りうる金属イオンの総供給量が少なく、スケールの成長速度を抑えることができる。

さらに、１室型の電解槽２１においては、希釈用の水が供給され、こちらは多量の水を供給するため、一般に市水、工水等を使用する。ここで希釈用の水としてイオン交換水や超純水を使用することは電解水製造のコストが増加してしまうため製造コストを考慮すると好ましくない。しかしながら、この第２の実施形態における１室型の電解槽２１は、その槽中の溶液が酸性であるため、市水、工水等の硬度成分が含まれる水を使用して希釈しても、効果的にスケールの発生を抑制できる。したがって、第２の実施形態は、製造コストも抑えつつ、スケールの発生も抑制できる優れた電解水生成装置および生成方法を提供できるものである。

より具体的に説明すると、この第２の実施形態によれば、例えば、２Ｌ／分で５０ｐｐｍの次亜塩素酸水を１日（２４時間）製造する場合、１室型の電解槽２１に供給する希釈水量は２８８０Ｌと多量であるが、３室型の電解槽に供給する塩の量は１６０ｇでよく、水の供給量も１２３ｇと少量でよい。すなわち、３室型の電解槽に供給する水と塩素化合物水溶液を構成する水とを超純水とし、１室型の電解槽２１に供給する希釈水を市水や工水とでき、電解水の製造コストを抑えつつ、この実施形態の場合はスケールの発生も効果的に抑制でき、優れた効果を奏することがわかる。

一方、従来の３室型や２室型の電解水生成装置では、同様の次亜塩素酸水を製造するためには、希釈水量としては同量の２８８０Ｌ必要になる。図３には、従来の３室型の電解水生成装置を示したが、この電解水生成装置５０は、陽極室５１、陰極室５２、中間室５３、陽電極５４、陰電極５５が設けられている点は本実施形態と類似の構成であるが、陽極室５１と中間室５３とが陰イオン交換膜５６により仕切られており、陰極室５２と中間室５３とが陽イオン交換膜５７により仕切られている点で異なる。また、第２の陽電極および第２の陰電極は設けられていない。

そして、この従来の電解水生成装置５０では、原料として、水を陽極室５１および陰極室５２に、塩素化合物水溶液（塩化ナトリウム水溶液）を中間室５３に、供給して次亜塩素酸水を製造する。次亜塩素酸水は陽極室５１で生成され、陰極室５２ではアルカリ電解水（水酸化ナトリウム水溶液）が生成される。

ここで、従来の３室型の電解槽を使用した場合、電解槽に希釈水を直接供給するため、スケールの発生を十分に抑制するためには２８８０Ｌの水を全てイオン交換樹脂等に通し、イオン交換水や超純水とする必要がある。しかし、希釈水をイオン交換水や超純水とした場合でも、数ｐｐｍの金属イオンは残存しており、同時に生成するアルカリ電解水と混ざることで金属イオンの析出が起こり配管を閉塞する等の問題は残っていた。

しかしながら、この第２の実施形態においては、イオン交換水や超純水を使用するのは３室型の電解槽に供給する原料中の水だけでよく、コストも軽減できるし、スケールの発生が効果的に抑制でき配管の閉塞等が起こりづらくなるため、装置のメンテナンスが非常に楽になる。

さらに、２Ｌ／分で次亜塩素酸水を製造しようとする場合、上記のように連続的に大量の希釈水を供給しなければならない。従来の３室型や２室型の電解槽では、この希釈水を隔膜で仕切られた陽極室、陰極室、中間室に供給するため、各室にかかる圧力等を考慮して流量等を決定し、配管等も所定の関係になるように装置を設計しなければならず、装置構成が複雑になっている。

一方、第２の実施形態においては、１室型の電解槽２１も３室型の電解槽もバッチ式が可能になり、また、希釈水は無隔膜の１室型の電解槽２１に供給するものであり、圧力等の考慮が厳格ではなくなるため配管等の装置構成をシンプルにできる。そのためメンテナンスも簡便なものとできる。

（実施例１）
図１に示す電解水生成装置を用いて、以下のように電解水を生成する。

使用する全ての電極基材は、厚さ０．５ｍｍの平坦なチタン製であり、菱形に開放された複数の開口部が、開口部間の線状部の幅（Ｗ）は１．０ｍｍ、菱型の長対角線の長さ（ＬＷ）は２．０ｍｍ、菱型の短対角線の長さ（ＳＷ）は１．５ｍｍの開口部として整列して設けられている。その菱型の一対の角度θは１２０°である。

この電極基材をあらかじめ１０質量％シュウ酸水溶液中に、１時間、８０℃で浸漬処理した後、塩化イリジウム（ＩｒＣｌ_３・ｎＨ_２Ｏ）に１−ブタノールを０．２５Ｍ（Ｉｒ）になるように加えて調整した溶液を、電極基材に塗布し、乾燥と焼成を行う。この場合、乾燥は８０℃で１０分間行い、焼成は４５０℃で１０分間行う。こうした塗布と乾燥と焼成を５回繰り返した電極を第１および第２の陽電極に使用する。

また１０質量％シュウ酸水溶液中１時間８０℃で処理した電極基材に白金をスパッタすることにより第１および第２の陰電極とする。

第１の陽電極および陰電極の反応電極面積は５ｃｍ×３ｃｍとし、第２の陽電極および陰電極の反応電極面積は１０ｃｍ×１５ｃｍとする。

陽極室１１と中間室１３の隔膜としてバイポーラ膜であるネオセプタ（株式会社アストム製、商品名；登録商標）を用い、陰極室１２と中間室１３の隔膜１７として陰イオン交換膜のＡ２０１を用いる。塩化ビニル製の陽極室１１と中間室１３との間に、これらを仕切るバイポーラ膜を陰イオン交換膜側が陽極室１１を陽イオン交換膜側が中間室１３を向くように挟み込み、塩化ビニル製の中間室１３と陰極室１２との間に、これらを仕切る陰イオン交換膜を挟み込む。陽極室１１に第１の陽電極１４を、陰極室１２に第１の陰電極１５を、中間室１３には第２の陽電極および第２の陰電極をそれぞれ挿入する。

第１の陽電極１４と第１の陰電極１５、第２の陽電極１８と第２の陰電極１９の、それぞれの電極間に電源を設置し、陽極室１１には超純水を供給して満たし、陰極室には飽和塩化ナトリウム水（塩化ナトリウム＋超純水）を供給して満たす。中間室には２Ｌ／分の水道水を供給する。

第１の陽電極１４と第１の陰電極１５間に電圧を印加し、電流３Ａで１時間電気分解を行う。同時に、中間室１３の第２の陽電極１８と第２の陰電極１９間に電圧を印加し、電流６Ａで１時間電気分解を行う。このとき、中間室からは２Ｌ／分で次亜塩素酸水を回収するが、その次亜塩素酸の濃度は４７ｐｐｍとなる。

さらに運転を重ねると、３５０時間までは通常運転ができ、後述する比較例１と比べ装置の使用可能時間を長くすることができる。ただし、その後に電圧が上がり、陰極室１２に水が供給できずに運転が不能になる。陰極室１２を確認すると陰電極１５上に沈着物が確認できる。また直径１０ｍｍの陰極室側排水配管にも沈着物が確認できる。これらを塩酸で洗浄して取り除くと再度運転可能であり、陰電極１５上および配管内にスケールが堆積していたものと言える。

一方で、同様の装置、運転条件とし、中間室１３に供給する水として水道水の代わりに２Ｌ／分のイオン交換水を供給した場合は４５００時間後にスケールの影響で電圧が上昇する。

したがって、実施例１の電解水生成装置は、スケールの発生を抑制し、従来よりも使用時間を長くできる。また、より長期間安定的に次亜塩素酸水を得るためには水道水よりもイオン交換水か超純水を供給することが好ましい。

（実施例２）
図２に示す電解水生成装置を用いて、以下のように電解水を生成する。

使用する全ての電極基材は、厚さ０．５ｍｍの平坦なチタン製であり、菱形に開放された複数の開口部が、開口部間の線状部のＷは１．０ｍｍ、菱型のＬＷは２．０ｍｍ、菱型のＳＷは１．５ｍｍの開口部として整列して設けられている。その菱型の一対の角度θは１２０°である。

この電極基材をあらかじめ１０質量％シュウ酸水溶液中に、１時間、８０℃で浸漬処理した後、塩化イリジウム（ＩｒＣｌ_３・ｎＨ_２Ｏ）に１−ブタノールを０．２５Ｍ（Ｉｒ）になるように加えて調整した溶液を、電極基材に塗布し、乾燥と焼成を行う。この場合、乾燥は８０℃で１０分間行ない、焼成は４５０℃で１０分間行なう。こうした塗布と乾燥と焼成を５回繰り返した電極を第１および第２の陽電極とする。

また１０質量％シュウ酸水溶液中に、１時間、８０℃で浸漬処理した電極基材に、白金をスパッタすることにより第１および第２の陰電極とする。

第１の陽電極および陰電極の反応電極面積は５ｃｍ×３ｃｍとし、第２の陽電極および陰電極の反応電極面積は１０ｃｍ×１５ｃｍとする。

陽極室１１と中間室１３の隔膜としてバイポーラ膜であるネオセプタ（株式会社アストム製、商品名；登録商標）を用い、陰極室１２と中間室１３の隔膜１７として陰イオン交換膜のＡ２０１を用いる。塩化ビニル製の陽極室１１と中間室１３とを仕切るバイポーラ膜を陰イオン交換膜側が陽極室１１を陽イオン交換膜側が中間室１３を向くように挟み込み、塩化ビニル製の中間室１３と陰極室１２とを仕切る陰イオン交換膜を挟み込む。陽極室１１に第１の陽電極１４を、陰極室１２に第１の陰電極１５を挿入する。この電極間に電源を設置する。

塩化ビニル製の別の槽中に第２の陽電極１８と第２の陰電極１９を設置し、１室型の電解槽２１を構成する。この１室型の電解槽２１には、中間室１３から水溶液を移送する配管とポンプを、また外部から希釈水として水道水を供給する配管とポンプを設置する。

まず、陽極室１１に超純水を供給して満たし、陰極室に飽和塩化ナトリウム水（塩化ナトリウム＋超純水）を供給して満たす。中間室には５ｃｃ／分で超純水を供給する。

中間室１３で得られる水溶液を５ｃｃ／分で１室型の電解槽２１中へ移送する。
同時に、１室型の電解槽２１へは２Ｌ／分で水道水を供給する。

第１の陽電極１４と第１の陰電極１５間に電圧を印加し、電流３Ａで１時間電気分解を行い、中間室１３で塩酸水溶液が得られる。このとき、陽極室１１では酸素が、陰極室１２では水素と水酸化ナトリウム水溶液が得られる。さらに中間室１３で得られた塩酸水溶液を中間室１３の外部へ送り出し、１室型の電解槽２１に供給し、同時に１室型の電解槽２１には水道水を供給する。塩酸水溶液と水道水とは混合され、得られる混合液に対して、第２の陽電極と第２の陰電極間に電圧を印加し、電流６Ａで１時間電解を行う。このとき２Ｌ／分の速度で１室型の電解槽２１から外部へ次亜塩素酸水を排出し回収すると、次亜塩素酸の濃度は４７ｐｐｍとなる。また、この次亜塩素酸水への塩化ナトリウムの混入量は１０ｍｇ／Ｌ以下であった。

さらに運転を重ねたところ、５０００時間問題なく運転できる。このとき、３室型の電解槽の配管を確認するが、スケール等の付着は見られない。また、１室型の電解槽２１でもスケール等の付着は見られない。この例は、多量のイオン交換水や超純水を使用せずに、スケールの発生を十分に抑制可能とした極めて優れたものである。

（比較例１）
図３に示す電解水生成装置を用いて、以下のように電解水を生成する。

使用する全ての電極基材は、厚さ０．５ｍｍの平坦なチタン製であり、菱形に開放された複数の開口部が、開口部間の線状部のＷは１．０ｍｍ、菱型のＬＷは２．０ｍｍ、菱型のＳＷは１．５ｍｍの開口部として整列して設けられている。その菱型の一対の角度θは１２０°である。

この電極基材をあらかじめ１０質量％シュウ酸水溶液中に、１時間、８０℃で浸漬処理した後、塩化イリジウム（ＩｒＣｌ_３・ｎＨ_２Ｏ）に１−ブタノールを０．２５Ｍ（Ｉｒ）になるように加えて調整した溶液を、電極基材に塗布し、乾燥と焼成を行う。この場合、乾燥は８０℃で１０分間行い、焼成は４５０℃で１０分間行う。こうした塗布と乾燥と焼成を５回繰り返した電極を陽電極５４とする。

また１０質量％シュウ酸水溶液中１時間８０℃で処理した電極基材に白金をスパッタすることにより陰電極５５とする。

この陽電極５４および陰電極５５の反応電極面積は１０ｃｍ×１５ｃｍとする。

ストレート流路が形成された塩化ビニル製の陽極室５１と陰極室５２、多孔質ポリスチレン製の中間室５３となる容器を用意し、これらを重ね合わせ、陽極室５１と中間室５３との隔膜として陰イオン交換膜であるトクヤマ製のＡ２０１を、陰極室５２と中間室５３との隔膜としてナフィオン１１７を挟み込む。そして、陽極室５１に陽電極５４を、陰極室５２に陰電極５５を挿入し、電解槽を構成する。

陽電極５４と陰電極５５との間に電源を設置し、陽極室５１および陰極室５２には水道水を供給可能なように配管、ポンプを、中間室５３には飽和塩化ナトリウム水を循環供給するための飽和塩化ナトリウム水溶液貯槽と循環接続された配管、ポンプを設置する。

陽極室５１および陰極室５２には２Ｌ／分の速度で水道水を供給し、中間室５３には飽和塩化ナトリウム水（塩化ナトリウム＋超純水）を供給して満たす。

陽電極５４と陰電極５５との間に電活を印加し、電圧６Ａで１時間電気分解を行い、陽極室５１から次亜塩素酸水が得られ、回収される。陰極室５２からは水酸化ナトリウム水溶液が得られる。このとき回収される次亜塩素酸の濃度は４５ｐｐｍとなる。次亜塩素酸水への塩化ナトリウムの混入量は２５ｍｇ／Ｌであった。

さらに運転を重ねると、１５０時間後に電圧が上がり、陰極室５２に水が供給できずに運転が不能になる。陰極室５２を確認すると陰電極５５上に沈着物が確認できる。また直径１０ｍｍの陰極室側排水配管にも沈着物が確認できる。これらを塩酸で洗浄して取り除くと再度運転可能であり、陰電極５５上および配管内にスケールが堆積していたものと言える。

一方で、同様の装置、運転条件とし、陽極室５１および陰極室５２に供給する水として水道水の代わりに２Ｌ／分のイオン交換水を供給した場合は３５００時間経過した後に、スケールの影響で電圧が上昇する。

（実施例３）
実施例２において、３室型の電解槽の陰極室１２に供給する塩化ナトリウム水溶液に代えて塩化カリウム水溶液を用いた以外は同様の条件で運転を行うと、１室型の電解槽２１からは次亜塩素酸水が、陰極室１２からは水酸化カリウム水溶液が回収される。得られた次亜塩素酸水の次亜塩素酸の濃度は４７ｐｐｍとなる。

さらに運転を重ねたところ、５０００時間問題なく運転できる。このとき、３室型の電解槽の配管を確認するが、スケール等の付着は見られない。また、１室型の電解槽２１でもスケール等の付着は見られない。

（実施例４）
実施例２において、３室型の電解槽の陰極室１２と中間室１３に挟まれた陰イオン交換膜に代えて逆浸透膜ロメンブラ（東レ株式会社製、商品名）を用いた以外は同様の条件で運転を行うと、１室型の電解槽２１からは次亜塩素酸水が、陰極室１２からは水酸化ナトリウム水溶液が回収される。得られた次亜塩素酸水の次亜塩素酸の濃度は４７ｐｐｍとなる。

さらに運転を重ねたところ、５０００時間問題なく運転できる。このとき、３室型の電解槽の配管を確認するが、スケール等の付着は見られない。また、１室型の電解槽２１でもスケール等の付着は見られない。

（実施例５）
実施例２において、３室型の電解槽に供給する水を超純水に代えてイオン交換水を用いた以外は同様の条件で運転を行うと、１室型の電解槽２１からは次亜塩素酸水が、陰極室１２からは水酸化ナトリウム水溶液が回収される。得られた次亜塩素酸水の次亜塩素酸の濃度は４７ｐｐｍとなる。

さらに運転を重ねたところ、５０００時間問題なく運転できる。このとき、３室型の電解槽の配管を確認したところ、少量のスケールの付着が確認できたが、電解電圧の変動等は見られない。

以上より、本実施形態により、次亜塩素酸水の製造における電解水生成装置でのスケールの発生を抑制できていることが理解できる。さらに、第２の実施形態によっては、使用する希釈水として水道水等を使用してもスケールの発生を効果的に抑制でき、低コストで簡便に次亜塩素酸水を製造できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，２０…電解水生成装置、１１…陽極室、１２…陰極室、１３…中間室、１４…第１の陽電極、１５…第１の陰電極、１６…バイポーラ膜、１７…隔膜、１８…第２の陽電極、１９…第２の陰電極、２１…１室型の電解槽、２２…移送ライン

Claims (13)

1. 水が供給される第１の陽電極を配した陽極室、塩素化合物水溶液が供給される第１の陰電極を配した陰極室および前記陽極室と前記陰極室との間に形成された中間室を有し、前記陽極室と前記中間室とが陽イオン交換膜と陰イオン交換膜とを接合してなるバイポーラ膜により仕切られており、前記陰極室と前記中間室とが少なくとも陰イオンを透過させる隔膜により仕切られている、３室型の電解槽と、
   前記中間室に形成される水溶液に対して電圧を印加して、次亜塩素酸水を生成可能とする第２の陽電極および第２の陰電極と、
   を有する電解水生成装置。
2. 前記バイポーラ膜は、その陰イオン交換膜が前記陽極室側に、前記陽イオン交換膜が前記中間室側に、配置されてなる請求項１記載の電解水生成装置。
3. 前記第２の陽電極および第２の陰電極が、前記中間室で形成される水溶液に対して前記中間室内で電圧を印加可能なように、前記中間室内に配されている請求項１または２記載の電解水生成装置。
4. 前記第２の陽電極および第２の陰電極が、前記中間室で形成される水溶液を前記３室型の電解槽外で一旦貯留する容器内に配され、前記中間室で形成される水溶液に対して前記中間室外で電圧を印加可能なように、１室型の電解槽を形成する請求項１または２記載の電解水生成装置。
5. 前記隔膜がアニオン交換膜である請求項１乃至４のいずれか１項記載の電解水生成装置。
6. 前記隔膜が逆浸透膜である請求項１乃至４のいずれか１項記載の電解水生成装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項記載の電解水生成装置の前記３室型の電解槽において、前記陽極室に水を、前記陰極室に塩素化合物水溶液を、供給する供給工程と、
   前記第１の陽電極および第１の陰電極に電圧を印加する第１の電解工程と、
   前記第１の電解工程により前記中間室に形成される水溶液に対して、前記第２の陽電極および第２の陰電極に電圧を印加して次亜塩素酸水を生成する第２の電解工程と、
   を有する電解水生成方法。
8. 前記供給工程において、前記中間室にも水を供給する請求項７記載の電解水生成方法。
9. 前記陰極室に供給する塩素化合物水溶液が塩化ナトリウム水溶液である請求項７又は８記載の電解水生成方法。
10. 前記陰極室に供給する塩素化合物水溶液が塩化カリウム水溶液である請求項７又は８記載の電解水生成方法。
11. 前記電解水生成装置が、請求項３記載の電解水生成装置であって、
    前記第２の電解工程において、前記中間室に希釈用の水を継続的に供給する請求項７乃至１０のいずれか１項記載の電解水生成方法。
12. 前記電解水生成装置が、請求項４記載の電解水生成装置であって、
    前記第２の電解工程において、前記１室型の電解槽に希釈用の水を継続的に供給する請求項７乃至１０のいずれか１項記載の電解水生成方法。
13. 前記陽極室および前記中間室に供給する水ならびに前記陰極室に供給する塩素化合物水溶液を構成する水が、超純水である請求項７乃至１２のいずれか１項記載の電解水生成方法。

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