JP2016508066A - 水を電気化学的に消毒する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水を電気化学的に消毒する方法を提供すること。【解決手段】 本発明の方法は、アノード（Ａ）とカソード（Ｃ）とを含む電気分解セル内に水を通過させ、前記電気分解セルのＡにおける酸化作用とＣにおける還元作用に関連する直接的な殺ウィルス作用と殺バクテリア作用と細菌繁殖防止作用とを適用し、水の電気分解により生成されたオキシダントの作用に関連する間接的な殺バクテリア作用と残留細菌繁殖防止作用とを適用する。本発明は前記ＡとＣとの間に乱流を生成する。前記乱流により、前記ＡとＣに対し、分解した物質内に含まれる微生物を交互にあるいは連続的に放出し、前記水は、電極間に存在するｐＨの大きな変動により生成される脱活性反応と、前記電極の表面に形成されたＯ２とＯＨのラディカルと接触することにより発生する追加的な細菌繁殖防止反応を受ける。これにより水を電気化学的に消毒する。【選択図】 図１

Description

本発明は、水を電気化学的に消毒する方法に関し、特に、水を搬送する手段を具備するケースに含まれるアノードとカソードとを含む電気分解セル内に水を通過させ、前記電気分解セルのアノードにおける酸化作用とカソードにおける還元作用に関連する直接的な殺ウィルス作用と殺バクテリア作用と細菌繁殖防止作用とを適用し、水の電気分解により生成されたオキシダントの作用に関連する間接的な殺バクテリア作用と残留細菌繁殖防止作用とを適用し、水を電気化学的に消毒する方法に関する。

同一出願人による特許文献１に記載された方法は以下のステップを含む。
（Ａ）連続的に処理すべき水を触媒電極(catalytic electrodes)を用いて電気酸化モジュール（electroperoxidation module ）を通過させ、電気化学処理を施すステップと、
（Ｂ）溶融した有機材料にアノードの酸化作用とカソードの還元作用による直接的作用（殺ウィルス作用、殺バクテリア作用、細菌繁殖防止作用）を施し、他方で水の電気分解により生成されたオキシダントの作用による間接的作用（補助的な殺バクテリア作用と残留細菌繁殖防止作用）を用いるステップとを有する。
これにより、電気化学的に生成されたオキシダントと長く接触させることにより、貯蔵し水の利用場所まで移送する間に追加的なバクテリアの減少と水の清潔維持を可能にし、電気分解装置の出口でその作用（残留消毒能力）を長期化させる。

溶融酸素と水から生成された（カソードによる還元、アノードによる酸化）オキシダントは、大きな残留作用を有し、今まで多用されていたオキシダント（塩素）とは対照的に、酸化生成物を人畜無害に誘導生成することができる。

ヨーロッパ特許ＥＰ１５９７２０２号明細書

前記の方法を実行する装置はアノードとカソードとを有する。両者は平面状で互いに平行に配置され、両者の対向する触媒面は同一の表面積を有する。これにより最適な状態（両電極上で電流密度が同一である状態）で極性の反転を可能にし、二酸化炭素を除去すること（decarbonation:両電極で必ずしも同一ではない）に起因して互いに早期に劣化する現象と副作用／反応の発生を阻止する。後者は小さな電極（電流密度が高くなる）の場合はより重要である。

前記装置に適用される動作条件は次の通りである。２枚の対向する電極の間に層流を連続的に生成して乱流の発生を押さえる。この乱流は、電極にあるいは電極の間にカルシュウム堆積物の接着（皮殻の形成）を促成し早期の劣化引き起こす。
直流又はパルス状の電流を対向するアノードとカソードに供給して、各電極の一端から他端への電流密度の変動を補償する。

実際の条件下における品質テストの結果、ある種のバクテリアは、電極の間を通過しても、全くあるいは殆ど影響を受けないことが判明した。

これらのバクテリアの中でも、次の２つが重要である。Pseudomonas aeruginosaとClostridium perfringensバクテリアである。

本発明者によれば、バクテリアの処理の性能は、特に上記のバクテリアに対しては、層流では効率的ではないことが判明した。

実際に層流においては、セルの一端から他端に、アノードとカソードから等距離に流れる水の層は、（陰イオンと又は陽イオンと両電極との間の電子の移送を介して）電極の間を流れる電流に関連する作用のみを受ける。

本発明の目的は、主に上記のPseudomonas aeruginosaとClostridium perfringensバクテリアに対する殺バクテリア作用の効率を上げることである。本発明の方法はアノードとカソードとを含む電気分解セルを用いる。前記アノードとカソードとは平面状で互いに平行に配置され、両者の対向する触媒面は、同一の表面積を有し、対称的な電極スペースを形成し、その間は短絡していない。

発明の作用

本発明者らの研究結果をスターティングポイントとして以下の作用効果に基づくと、本発明は対向する電極の間に特殊な乱流を形成することである。前記作用効果とは、水素イオン指数を表すｐＨの値が、アノードの近傍（ここで酸化作用が行われる）では極めて低く（１以下）、カソードの近傍（ここで還元作用が行われる）では極めて高い（１４以上）ことである。これにより以下が行われる。
（Ｘ）セル内の通路全体に渡って交互にあるいは連続的に強いｐＨの変動を加えること。これにより水中に存在する微生物を非活性化する。
（Ｙ）電極の表面に形成されるＯ_２ラジカルとＯＨラジカルに極めて近接して前記微生物を交互にあるいは連続的に配置すること。これにより直接的又は間接的な作用効果を改善する。

更に電極の間の電界（１０Ｖ程度）は、バクテリアの膜のレベルにおいては、誘電性のブレイクダウン（dielectric breakdown）を導入するのに十分である。

この様な乱流状態におけるセルの動作は、本発明のシステム性能を実際に向上させ、より進化した生物例えば原生動物（例アメーバ）、菌、イースト菌に対してテストを行うことができる。

処理性能を最適化する為に、処理すべき水の流れの下流側に、前記水と接触して銅製の部品を配置する。、これにより短寿命のラディカル化合物を形成することにより、水システムにより生成される酸化を促す酸化化合物の分解速度（短寿命の強力なラディカル化合物の形成速度）を上げることができる。

前記電極と導水管にスケールが付着するのを防止するために、
（Ｘ）カルシウムとマグネシウムのカチオンをカチオン交換レジンに選択的に配置する技術、
（Ｙ）ポリリン酸（polyphosphates）と接触させてカルシウムイオンを隔離する技術、
（Ｚ）磁性又は誘導性のスケール付着防止装置の動作により炭化カルシウムの被覆能力を阻止する技術
から選択された技術を前記水の流れの上流側に適用する。

電極の間の微生物の通路とその近傍での化学反応を示す図。

本発明は水を電気化学的に消毒する方法に関し、水を搬送する手段を具備するケースに収納されるアノードとカソードとを含む電気分解セル内に水を通過させ、前記電気分解セルのアノードにおける酸化作用とカソードにおける還元作用に関連する直接的な殺ウィルス作用と殺バクテリア作用と細菌繁殖防止作用とを適用し、水の電気分解により生成されたオキシダントの作用に関連する間接的な殺バクテリア作用と残留細菌繁殖防止作用とを適用する。更に、
（Ａ）アノードとカソードとを含む電気分解セルを用いるステップと、
前記アノードとカソードとは平面状で互いに平行に配置され、両者の対向する触媒面は、同一の表面積を有し、対称的な電極スペースを形成し、その間には短絡回路を形成せず、
（Ｂ）前記アノードとカソードとの間に、処理すべき水の通路の全長に渡って、乱流を生成するステップと
を更に有する。
前記乱流により、前記アノードとカソードに対し、分解した物質内に含まれる微生物を交互にあるいは連続的に放出し、前記水は、電極間に存在するｐＨの大きな変動により生成される脱活性反応と、前記電極の表面に形成されたＯ_２とＯＨのラディカルと接触することにより発生する追加的な細菌繁殖防止反応を受ける。

図１によれば、アノードＡではｐＨは１以下で、カソードＣではｐＨが１４以上である。
この２枚の電極の間は、微生物Ｍが通る通路を表す。
アノードにおける化学反応：２Ｈ_２Ｏ＝４Ｈ^＋＋３ｅ＋Ｏ_２ ⁻
カソードにおける化学反応：２Ｈ_２Ｏ＝２ＯＨ⁻＋Ｈ_２

本発明は、処理性能を最適化する為に、処理すべき水の流れの下流側に、前記水と接触して銅製の部品を配置する。これにより短い寿命のラディカル化合物を形成することにより、水システムにより生成される酸化を促す酸化化合物の分解速度（短い寿命の強力なラディカル化合物の形成速度）を上げることができる。
更に本発明は、前記電極と導水管にスケールが付着するのを防止するために、
（Ｘ）カルシウムとマグネシウムのカチオンをカチオン交換レジン上に選択的に配置する技術、
（Ｙ）ポリリン酸（polyphosphates）と接触させてカルシウムイオンを隔離する技術、
（Ｚ）磁性又は誘導性のスケール付着防止装置の動作により炭化カルシウムの被覆能力を阻止する技術
から選択された技術を前記水の流れの上流側に適用する。
更に本発明は、前記電極を洗浄するため、前記電極に超音波をかける或いは共鳴現象を生成する高周波を前記電極にかける。

本発明の方法を実行する装置は、乱流生成装置を、セルの入口又は及び電極プレートの先端エッジ又はその両方に有する。
セルの入口に置かれた場合は、この乱流生成装置は、反対方向に向いて搭載された一連のリフレクタを具備し、円筒状のリングにより支持されている。
電極プレートの先端エッジに設けられた場合は、電極プレート間の乱流を増加させてＵ字形状のインターロッキングプロファイルを形成する。

本発明の消毒システムの役目は、内部分配ネットワーク内を流れる水の中に酸化を促す消毒剤を十分な濃度に維持することである。その結果、水（現在の都市水道システムからの水、背水、バイオフィルムから来た水）中に浮遊するバクテリアが、取水点に達する前に死滅したり非活性化される。高品質の水を利用する保証は、取水点における十分な濃度の消毒剤を存在させるために、ある時間に渡ってある部位で品質チェックすることが必要で、塩素の等価物として測定される目標値は、０．５−１ｍｇ／ｌの間である。

電気分解の原理を実行することにより、水に含まれる酸素に基づいて酸化消毒剤を生成することができる。本発明の方法により生成されたオキシダントの永続性／寿命は、酸化剤の初期濃度の関数としてこの永続性の対数値となる傾向がある。例えばオキシダントの寿命は、０．５ｍｇ／ｌの初期濃度に対しては２４時間であり、１ｍｇ／ｌに対しては３０時間に増加する。２．５ｍｇ／ｌに対しては１５日間であり、１０ｍｇ／ｌに対しては、１ヶ月（３１日）以上である。

電解セルは、流量計（パドル型、パルス生成型、他の型）と電子パネルににつながれている。これにより電解セルに送られる電流を、オペレーターが採用する設定と水の流量の関数として制御する。

本発明の２つの変形例によれば、複数のセルが連通して搭載される。複数のセルは、消毒剤の作用効果を高めるために直列に搭載される、又は流速を上げるために並列に搭載される。

セルは両方の場合とも、セルの組立体に共通な水搬送手段あるいは取水手段を具備したケーシングに搭載される。

セルは直列又は並列に搭載されるが、これは必ずしも電気的に直列又は並列である必要はなく、各セルは電気は別々に供給することもできる。

本発明の様々な変形例によれば、電気化学的な処理モジュールは、
（Ａ）処理用タンク又は沈殿用タンク内に沈められる。
（Ｂ）処理用タンク又は沈殿用タンクのループ状に配置される。
（Ｃ）フィルタリングシステム（特に粒子型）又は膜と更には他の電気化学処理モジュールと組み合わされる。

セルには直流又はパルス状電流が加えられる。
電極の極性の反転は、電圧の上昇と処理すべき水の特性の関数として定義された割合に従って、又は水質により決定された所定のタイミングに従って、プログラムされる。
２つの電極の間の間隔は、使用される水の導電率によって２−６ｍｍの間にある。
電極の厚さは、１ｍｍ−数ｍｍの間である。
電気化学処理モジュールは、２個，４個，６個又はそれ以上の個数の電極を含むことができる。
使用される直流電流又はパルス状電流は、１−１０Ａ／ｄｍ^２の間である。
セル内の最適の水圧は３バールである。

セルが大桶にループ状に搭載されると、セルは高濃度のオキシダントを含む水を生成して、貯蔵と分配システム内の細菌又は有機物により引き起こされる再汚染に対し、処理済みの水を使用する時点まで、保護する。この高濃度のオキシダントを含む水は処理すべき未処理の水にその後投入される。このアプリケーションにおいては間接的な消毒作用のみが用いられている。
この実施例は、大きな桶内に外科用器具を浸して消毒するのに用いられる。
このシステムは、第３の排水処理システムとして又は第１の又は第２の水処理用システムとして、遊園地であるいは治療用用（温水（thermal water）、海水利用の医療（thalassotherapy））に使用される。
上記のアプリケーション用、水消毒用、冷却用タワー用あるいは他の空気処理システム用に、この実施例は、電極の組が裸のまま（セルに入れないで）行われる。

その後水は、対流運動（対流現象）により生成されたオキシダントと接触する。この種の実施例は、バッファダンクあるいは水桶に適したものである。
複数の組の電極を同一の大桶に入れることもできる。
電極の組は、パイプの内側あるいは外側で一体にされ、処理すべき水中（例えば水のリサイクルシステムのプール内）に入れられる。
この装置で処理された水は、実施の種類にかかわらず、医療用にも用いることができる。この技術を粒状のフィルタリングシステムと組み合わされると、合成効果を奏する。その理由は微細フィルタリングが、寄生虫、バクテリア、ウィルスを完全に阻止し、ウィルスの死滅にも貢献する。
更にこの装置は、残留消毒能力を、微細濾過も紫外線放射も行わないような水に与えることもできる。この装置は、溶融した有機物を劣化させ、微細濾過（フィルタリング）が浮遊物質（超フィルタリングの場合には０．１ミクロンあるいは０．０１ミクロンよりも大きい粒子）を阻止する。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。用語「又は」に関して、例えば「Ａ又はＢ」は、「Ａのみ」、「Ｂのみ」ならず、「ＡとＢの両方」を選択することも含む。特に記載のない限り、装置又は手段の数は、単数か複数かを問わない。

Claims (5)

1. 水を電気化学的に消毒する方法において、
   水を搬送する手段を具備するケースに収納される電気分解セル内に水を通過させ、前記電気分解セルのアノードにおける酸化作用とカソードにおける還元作用に関連する直接的な殺ウィルス作用と殺バクテリア作用と細菌繁殖防止作用とを適用し、水の電気分解により生成されたオキシダントの作用に関連する間接的な殺バクテリア作用と残留細菌繁殖防止作用とを適用し、
   （Ａ）前記アノードとカソードとは平面状で互いに平行に配置され、両者の対向する触媒面は、同一の表面積を有し、対称的な電極スペースを形成し、その間には短絡回路を形成せず、
   （Ｂ）前記アノードとカソードとの間に、処理すべき水の通路の全長に渡って、乱流を生成するステップを更に有し、
   前記乱流により、前記アノードとカソードに対し、分解した物質内に含まれる微生物を交互にあるいは連続的に放出し、前記水は、電極間に存在するｐＨの大きな変動により生成される脱活性反応と、前記電極の表面に形成されたＯ_２とＯＨのラディカルと接触することにより発生する追加的な細菌繁殖防止反応を受ける
   ことを特徴とする水を電気化学的に消毒する方法。
2. （Ｃ）処理すべき水の流れの下流側に、前記水と接触して銅製の部品を配置するステップを更に有し、これにより短い寿命のラディカル化合物を形成することにより、水システムにより生成される酸化を促す酸化化合物の分解速度を上げる
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記電極と導水管にスケールが付着するのを防止するために、
   （Ｄ）以下から選択された技術
   （Ｘ）カルシウムとマグネシウムのカチオンをカチオン交換レジン上に選択的に配置する技術、
   （Ｙ）ポリリン酸（polyphosphates）と接触させてカルシウムイオンを隔離する技術、
   （Ｚ）磁性又は誘導性のスケール付着防止装置の動作により炭化カルシウムの被覆能力を阻止する技術
   を前記水の流れの上流側に適用するステップを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
4. （Ｅ）前記電極を洗浄するため、前記電極に超音波をかけるステップを更に有する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。
5. （Ｆ）前記電極を洗浄するため、共鳴現象を生成する高周波を前記電極にかけるステップを更に有する
   ことを特徴とする請求項１記載の方法。

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