JP2016172895A - 電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命の電解装置を得る。【解決手段】陽極室、第１の隔膜、中間室、及び前記中間室と第２の隔膜により仕切られた、陰極を有する陰極室を有する電解槽と、中間室に、無機塩化物、官能基にカルボン酸を有し、かつｐＨ緩衝作用をもつ、弱酸及び弱酸塩を含有する電解質水溶液を供給する電解質水溶液供給機構とを備え、電解質水溶液中の弱酸及び弱酸塩のモル濃度が、１００ミリモル／ｌないし１６００ミリモル／ｌである電解装置。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電解装置に関する。

水を電解して様々な機能を有した電解水を活用する技術としては、アルカリイオン水、オゾン水、次亜塩素酸水などがある。このうち次亜塩素酸水は、優れた殺菌力を有するとともに、人体に安全で食品添加物としても認可されている。

次亜塩素酸水を生成する電解水生成装置としては、３室型電解槽を有する電解装置がある。これは、中間室に塩水を流し、中間室の左右に陰イオン交換膜と陽極からなる陽極室および陽イオン交換膜と陰極からなる陰極室を配置し、陽極室と陰極室に水を流して中間室の塩水を陰極および陽極で電解することで、陽極で発生した塩素ガスから酸性電解水として次亜塩素酸水を生成するとともに、陰極室でアルカリ性電解水として水酸化ナトリウム水溶液を生成するものである。

しかしながら、左右の隔膜のイオン透過率のバランスが崩れると電気分解時に中間室の塩水のｐＨがアルカリ側または酸側に変化しやすく、特にアルカリ側になった場合にアルカリ耐性の低いイオン交換膜に劣化が起こり、電解装置の寿命が低下するという課題がある。

特開２０１２−５７２２９号公報

本発明の課題は、長寿命の電解装置を得ることにある。

実施形態によれば、陽極を有する陽極室、前記陽極室と第１の隔膜により仕切られた中間室、及び前記中間室と第２の隔膜により仕切られた、陰極を有する陰極室を有する電解槽と、
中間室に、無機塩化物、官能基にカルボン酸を有し、かつｐＨ緩衝作用をもつ、弱酸及び弱酸塩を含有する電解質水溶液を供給する電解質水溶液供給機構とを備え、
前記電解質水溶液中の前記弱酸及び前記弱酸塩の濃度が、１００ミリモル／ｌないし１６００ミリモル／ｌである電解装置が提供される。

第１の実施形態にかかる電解水生成装置の構成を表す図である。 電解時間と中間室のｐＨとの関係を表すグラフ図である。 電解時間と中間室のｐＨとの関係を表すグラフ図である。 ｐＨ緩衝試薬の濃度と電解の初期印加電圧との関係を表すグラフ図である。

実施形態に係る電解装置は、陽極を有する陽極室、陽極室と第１の隔膜により仕切られた中間室、及び中間室と第２の隔膜により仕切られた、陰極を有する陰極室を有する三室型電解槽を有する。中間室には、電解質水溶液供給機構が接続されている。電解質水溶液には、無機塩化物、ｐＨ緩衝試薬が含まれている。実施形態に使用されるｐＨ緩衝試薬は、官能基にカルボン酸を有し、かつｐＨ緩衝作用をもつ弱酸、及び官能基にカルボン酸を有し、かつｐＨ緩衝作用をもつ弱酸塩を含む。電解質水溶液中のこれらのｐＨ緩衝試薬の濃度は、１００ミリモル／ｌないし１６００ミリモル／ｌである。

実施形態に係る三室型の電解装置は、無機塩化物と、上記範囲の濃度のｐＨ緩衝試薬とを含む電解質水溶液を使用することによりｐＨを制御し、第１及び第２の隔膜の劣化を防止し、かつ安定した印加電圧で電解を行うことが可能なので、電解装置の寿命が長くなる。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態にかかる電解水生成装置の構成を表す図を示す。

図示するように、この電解水生成装置５０は、陽極室５４と、陰極室５５と、陽極室５４及び陰極室５５の間に設けられた中間室５１との３室からなる３室型電解槽５８を有する。中間室５１には、中間室内のｐＨを検知するｐＨセンサ６１と、無機塩化物を含む電解質水溶液例えば塩水を供給する第１ライン６９と、第１ライン６９に接続され、ｐＨ緩衝試薬の水溶液例えばクエン酸−クエン酸ナトリウム緩衝溶液を収容する補助タンク６３と、ｐＨセンサ６１と補助タンク６３に接続され、ｐＨセンサ６１からの情報を受けて補助タンク６３から第１ライン６９へのクエン酸−クエン酸ナトリウム緩衝溶液の添加を制御する制御部６２を備えた電解質水溶液供給機構６４が設けられている。

一方、陽極室５４及び陰極室５５は、給水システム６４と接続され、各々、常に新しい水が供給される。中間室５１と陽極室５４の間は第１の隔膜５２例えば陰イオン交換膜で仕切られ、中間室５１と陰極室５５の間は第２の隔膜５３例えば陽イオン交換膜で仕切られている。陽極室５４には陽極電極５６、陰極室５５には陰極電極５７が備えられており、それぞれにプラスとマイナスの電圧が印加されている。

陽極室５４では、中間室５１中の塩素イオンが陽極電極５６に引っ張られ、陰イオン交換膜５２を通過して陽極室５４に移動し、陽極電極５６で電子を渡して塩素ガスとなり、水と反応して次亜塩素酸と塩酸を生じる。次亜塩素酸と塩酸を含む酸性電解水は、酸性電解水に溶解できない塩素ガスと共に酸性電解水ライン６７を通して取り出される。

陰極室５５では、中間室５１中のナトリウムイオンが陰極電極５７に引っ張られ、陽イオン交換膜５３を通過して陰極室５５に移動し、陰極電極５７で水が分解した水素イオンが電子を受け取って水素ガスとなり、水酸化ナトリウムを生じる。この水酸化ナトリウムの水溶液は、アルカリ性電解水として、アルカリ性電解水ライン７１を通して取り出される。

また、中間室５１では、ｐＨセンサ６１からの情報を受けて補助タンク６３から第１ライン６９へのクエン酸及びクエン酸ナトリウム緩衝溶液の添加を制御して、中間室内のｐＨを例えば４ないし６に調整することができる。このとき、電解質水溶液供給機構６４はクエン酸及びクエン酸ナトリウムが添加された飽和水溶液の塩水を第１のラインを通して一定の流量で中間室５１に供給し、補助タンク６３からのクエン酸及びクエン酸ナトリウム緩衝溶液の添加により、塩水中のクエン酸及びクエン酸ナトリウムの合計の濃度を１００ミリモル／ｌないし１６００ミリモル／ｌの範囲内に変更するように設定することができる。

さらに、中間室５１と制御部６２との間に図示しないｐＨ緩衝試薬濃度測定部を接続して、中間室内のクエン酸及びクエン酸ナトリウム濃度を測定し、この測定結果に応じて、補助タンク６３からのクエン酸及びクエン酸ナトリウム緩衝溶液の添加をさらに制御することも可能である。

なお、実施形態に使用される無機塩化物として例えば塩化ナトリウム、及び塩化カリウムなどがあげられ、この場合、アルカリ性電解水としては、各々、水酸化ナトリウム水溶液、及び水酸化カリウム水溶液が得られる。

また、実施形態に使用される弱酸として、アジピン酸、クエン酸、酢酸、乳酸、グルコン酸、酒石酸、及びコハク酸からなる群から選択される少なくとも１種を用いることができる。

また、実施形態に使用される弱酸塩として、アジピン酸、クエン酸、酢酸、乳酸、グルコン酸、酒石酸、及びコハク酸からなる群から選択される少なくとも１種のナトリウム塩である。

ｐＨ緩衝試薬の水溶液として好ましくはクエン酸−クエン酸ナトリウム緩衝溶液を使用することができる。

中間室内のｐＨは、好ましくはｐＨ２ないし６、さらに好ましくはｐＨ２．５ないし５、さらにまた好ましくはｐＨ３ないし４．５に制御することができる。

第１の隔膜として、陰イオン交換膜、中性多孔質膜等があげられる。使用可能な陰イオン交換膜として、スチレンージビニルベンゼン系イオン交換膜、トクヤマ社製 ネオセプタＡＭＸ等があげられる。使用可能な中性多孔質膜としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)膜があげられる。

第２の隔膜として、陽イオン交換膜、中性多孔質膜等があげられる。使用可能な陽イオン交換膜として、パーフルオロカーボン系イオン交換膜、デュポン社製 ナフィオン（登録商標）等があげられる。

実施例
実施例１
（２０００ミリモル／ｌ クエン酸ナトリウム緩衝液の調製）
下記組成の水溶液を混合して２０００ミリモル／ｌ クエン酸ナトリウム緩衝液を調製する。

クエン酸二水和物 ２１０．１４ｇ
クエン酸三ナトリウム二水和物 ２９４．１０ｇ
純水 １リットル
得られた２０００ミリモル／ｌ クエン酸ナトリウム緩衝液 ２００ｍｌにＮａＣｌを７１．８ｇ添加し、ＮａＣｌ飽和溶液（サンプル１４）を調製する。

さらに、２０００ミリモル／ｌ クエン酸ナトリウム緩衝液を適宜希釈して、下記表１に示すクエン酸、クエン酸ナトリウム濃度を有するサンプル１〜１３のＮａＣｌ飽和溶液を調製する。

なお、使用した２０００ミリモル／ｌ クエン酸ナトリウム緩衝液中のクエン酸二水和物とクエン酸三ナトリウム二水和物を等モル量にしたのは、酸解離定数ｐＫａが最大となるところに調整するためである。

得られたＮａＣｌ飽和溶液（サンプル１〜１４）を使用し、検証用３室型電解装置を用いて電解を行ない、初期の印加電圧、及び電解時間に対する中間室のｐＨの変化を測定した。

検証用３室型電解装置では、第１の隔膜（陰イオン交換膜）としてデュポン社製 ナフィオン（登録商標） １１７、第２の隔膜（陽イオン交換膜）としてユアサメンブレンシステム社製多孔質膜 Ｙ９２１１Ｔを使用する。

検証用３室型電解装置の運転条件は以下の通りである。

検証用３室型電解装置運転条件
電流値：１Ａ、
電解時間：３０分、
電解温度：室温、
陽極室：純水の供給及び入口圧力５ｋＰａ、
陰極室：純水の供給及び入口圧力５ｋＰａ、
中間室：流量１．０ ｌ／分で電解質水溶液の供給及び入口圧力１３ｋＰａ
電解時間と中間室のｐＨとの関係を表すグラフ図を図２及び図３に示す。

図２には、クエン酸及びクエン酸ナトリウム濃度１０ないし２０００ミリモル／ｌの電解質水溶液を用いたｐＨ３．２ないし４．６の範囲の変化を示す。

図中、グラフ１０４はサンプル４、グラフ１０５はサンプル５、グラフ１０６はサンプル６、グラフ１０７はサンプル７、グラフ１０８はサンプル８、グラフ１０９はサンプル９、グラフ１１０はサンプル１０、グラフ１１はサンプル１１、グラフ１１２〜１１４はサンプル１２〜１４を示す。なお、グラフ１１２〜１１４は重なっているのでまとめて示す。

一方、図３は、クエン酸及びクエン酸ナトリウム濃度０ないし２０００ミリモル／ｌの電解質水溶液を用いたｐＨ２ないし１２の範囲の変化を示す。

図中、グラフ１０１はサンプル１、グラフ１０２はサンプル２、グラフ１０３はサンプル３、グラフ１０４はサンプル４、グラフ１０５はサンプル５、グラフ１０６はサンプル６、グラフ１０７はサンプル７、グラフ１０８−１１４はサンプル８ないし１４を示す。なお、グラフ１０７−１１４は重なっているのでまとめて示す。

図示するように、クエン酸及びクエン酸ナトリウム濃度が１００ミリモル／ｌ以上のとき中間室のｐＨの上昇を抑制することができることがわかる。

さらに２００ミリモル／ｌ以上のとき、中間室のｐＨの上昇の抑制がより良好となることがわかる。

また、図４に、ｐＨ緩衝試薬の濃度と電解の初期印加電圧との関係を表すグラフ図を示す。

図中、グラフ２０１に示すように、クエン酸及びクエン酸ナトリウム濃度が１６００ミリモル／ｌを越えると初期印加電圧が不安定になることがわかる。

さらに、クエン酸及びクエン酸ナトリウム濃度が１２００ミリモル／ｌ以下であると初期印加電圧がより安定していることがわかる。

このように、実施形態によれば、電解質水溶液中のｐＨ緩衝試薬の濃度は、１００ミリモル／ｌないし１６００ミリモル／ｌであることにより、好ましくは２００ミリモル／ｌないし１２００ミリモル／ｌであることによりｐＨの上昇を抑制して、ｐＨを適切な範囲に制御し、第１及び第２の隔膜の劣化を防止し、かつ安定した印加電圧で電解を行うことが可能となり、電解装置の寿命を長くすることができる。

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。

５１…中間室、５２，５３…イオン交換膜、５４…陽極室、５５…陰極室、５６…陽極電極、５７…陰極電極、５８…三室型電解槽、６１…ｐＨセンサ、６２…制御部、６３…補助タンク、６４…給水システム、６５…電解質水溶液供給機構、６９…第１のライン、８０…電解水生成装置

Claims (7)

1. 陽極を有する陽極室、前記陽極室と第１の隔膜により仕切られた中間室、及び前記中間室と第２の隔膜により仕切られた、陰極を有する陰極室を有する電解槽と、
   前記中間室に、無機塩化物、官能基にカルボン酸を有し、かつｐＨ緩衝作用をもつ、弱酸及び弱酸塩を含有する電解質水溶液を供給する電解質水溶液供給機構とを備え、
   前記電解質水溶液中の前記弱酸及び前記弱酸塩の濃度が、１００ミリモル／ｌないし１６００ミリモル／ｌである電解装置。
2. 電解質水溶液供給機構は、前記中間室に接続され、前記電解質水溶液を供給する第１のライン、前記第１のラインに接続され、前記弱酸及び前記弱酸塩を含有する緩衝溶液を収容する補助タンクと、前記中間室のｐＨを検知するｐＨ検知部と、前記補助タンク及びｐＨ検知部に接続され、前記ｐＨ検知部からの情報を受けて前記補助タンクから前記第１のラインへの前記緩衝溶液の供給を制御する制御部とをさらに含む請求項１に記載の電解装置。
3. 前記無機塩化物は塩化ナトリウム及び塩化カリウムのうち少なくとも１つである請求項１または２に記載の電解装置。
4. 前記弱酸は、アジピン酸、クエン酸、酢酸、乳酸、グルコン酸、酒石酸、及びコハク酸からなる群から選択される少なくとも１種である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電解装置。
5. 前記弱酸はクエン酸である請求項４に記載の電解装置。
6. 前記弱酸塩は、アジピン酸、クエン酸、酢酸、乳酸、グルコン酸、酒石酸、及びコハク酸からなる群から選択される少なくとも１種のナトリウム塩である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電解装置。
7. 前記弱酸塩は、クエン酸ナトリウムである請求項６に記載の電解装置。

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