JP2019042726A - 高濃度の微酸性電解水生成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】塩素イオン溶液を電解酸化し、電極酸化液を水で希釈して殺菌用水を生成するために使用する、大能力でも温度上昇が少なく、ランニングコストが低く、経済性に優れた電解槽の提供。【解決手段】[１]電極板を複極式または単極式とすることで、高濃度の次亜塩素酸濃度を実現し、[２]電解槽下部に混合機能を設けることで、電解電流斑、電極板の偏磨耗の原因となる電解液の濃度斑を無くし、[３]電極板を交換可能な構造の電解槽とすることで、電極板のみの交換で電解槽が再生可能な電解槽とした。【選択図】なし

Description

本発明は塩素イオン溶液を電解酸化し殺菌用水を生成する電解槽に関する。電解酸化反応を効率よく継続させ、かつ電極に対する熱影響を減少させる構造の電解槽の、電解方法、電解の効率化、経済性、電解槽の構造に関する。

塩素イオン溶液を電解酸化し殺菌用水を生成する技術は多数知られている。食塩溶液を隔膜式電解槽で電解し、陽極室から塩酸酸性の殺菌水を取り出す方式や、食塩を無隔膜電解槽で電解し次亜塩素酸ソーダ溶液を生成する方式や、希塩酸を無隔膜電解槽で電解し次亜塩素酸水を生成する装置などである。これらの技術において、必須の要素である電解槽は、基本的に次のような問題を抱えている。

殺菌水の大量使用に対応するために大型装置を製作する場合、電解槽も１時間に１０００Ｌ以上調整可能な大型となることにより、電解槽内部で発生する電解反応熱の放出効率が悪くなることによって内部の温度が上昇し、電極寿命の短縮、電解効率の低下などの問題が生じる事と、大きな能力の電解槽を製作すると、当然、電解電流は大きくなり、体積も大きくなる。つまり発熱量は増加し、放熱効果も悪化するため、内部の温度上昇を重複促進することになるのである。これに対応するために本発明者等は以前、電解槽の周囲に冷却機能設けた電解槽を発明した（特許文献１）。
特許第４５９９４８７号

本発明が解決しようとする課題は、塩素イオン溶液を電解槽で電解酸化し、電極酸化液を水で希釈して生成される殺菌用水において、殺菌成分の次亜塩素酸濃度が従来は概ね１０〜２０ｍｇ／Ｌで生成されるが、より高濃度の有効塩素濃度の３０〜５０ｍｇ／Ｌで殺菌用水を大量に生成可能とすることが求められる。

より大量の、高濃度の殺菌用水を生成する場合、現状の電解槽では耐久性、修理時の費用が高価などの問題を有している。

高価な電解槽筐体は再使用できず電解槽寿命で交換時には電極板も含め、それを収納する筐体も交換を要し、筐体構造は複雑な加工が必要で、交換するにはあらかじめ高価な筐体を製作することが必要である。

電解槽で電解液を生成するに当り、塩素イオン溶液と原水の水質、電解電流の制御のため水を混合する事が必須であるが、混合、希釈した塩素イオン溶液が、殺菌料生成能力を大型化したことで大量の塩素イオン溶液を使用する必要が有り、塩素イオン溶液とその希釈水の混合が不十分で濃度斑が発生し、電極板に電解が多く行われている箇所、または少ない箇所の電極板の電解斑（電力斑）を誘発し、電解槽の寿命を短くしている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、その目的は大量の殺菌料を高濃度で調製し、経済的な電解槽を提供する事である。

本発明者は課題を解決するために、電極板を白金族皮膜構造の複極式または単極式の電極板として複極式は印加電圧を上げ、同電流値を下げる、単極式は印加電圧を下げ、同電流値を上げ、要求される生成能力に合わせ適切な電解方法が選択できる電解法を確立した。

好ましくは殺菌料の生成量が１時間当り１５００Ｌの電解槽には複極式電解槽をそれ以上の生成量の電解槽には単極式電解槽を採用することが望ましい。

好ましくは殺菌料の１時間当りの生成量が１５００Ｌで使用する複極式電解槽では電解電圧９Ｖ〜１５Ｖ、電解電流１５Ａ〜２０Ａで塩素イオン溶液を電解する事が望ましい。

好ましくは殺菌料の１時間当りの生成量が１５００Ｌで使用する複極式電解槽で電解する塩素イオン溶液量は１時間あたり４００ｍｇ〜６００ｍｇであることが望ましい。

好ましくは殺菌料の１時間当りの生成量が５０００Ｌで使用する単極式電解槽では電解電圧３Ｖ〜５Ｖ、電解電流２００Ａ〜３５０Ａで塩素イオン溶液を電解する事が望ましい。

好ましくは殺菌料の１時間当りの生成量が５０００Ｌで使用する単極式電解槽で電解する塩素イオン溶液量は１時間あたり１３００ｍｇ〜２０００ｍｇであることが望ましい。

電解槽寿命で電極板を交換する必要が生じた場合、電極板を収納する筐体を再使用可能な筐体構造とした。電極板を収納する直方体の筐体の上部をフランジ化とし、その上部から電極板の出し入れが可能な構造とし、電極板寿命時でも筐体から使用済みの電極板を取り出し、新しい電極板を取り付ける事が出来て筐体の再使用が可能となった、電極板の間隔は、筐体内側に設けた溝により確保されている。

好ましくは、筐体上部の開口可能なフランジの固定ネジはチタン等の耐酸材質を使用する。

好ましくは、筐体上部の開口可能なフランジをシールするガスケットはバイトンなどフッ素系ゴムを使用する。

電解液の濃度斑を無くすため塩素イオン溶液と希釈水の電解槽入口部に混合機能を設け、塩素イオン溶液とそれを希釈する水の攪拌を促進し、濃度斑を減少させる。

好ましくは混合槽内部に樹脂製デミスターを充填し、衝突作用による流速の減少と、流体分子がワイヤー表面にぶつかり、線の濡性と毛細管現象とにより一瞬の間そこにとどまるが、隣り合うワイヤーの間に表面張力が働き、お互いに引き合う攪拌機能をさらに備える。

好ましくは混合槽内に充填するデミスターは線径０．２５ｍｍから０．５ｍｍの空間率９５〜９８％のテフロン、ポリエチレン、ポリプロピレンを使用することが望ましい。

本発明に依れば、塩素イオン溶液を電解槽で電解酸化し、電極酸化液を水で希釈して殺菌用水を生成する方法において使用する電解槽に関して、電解電流値を低く抑え、温度上昇が少なく、高濃度の電解水が生成可能で、電解槽の長寿命化によるランニングコストの削減効果も得られる。
さらに、上部に電極板の交換が可能となるフランジを設け、下部には供給された塩素イオン溶液と希釈水の混合不足（濃度斑）を防止し、電解電流の上昇、下降を少なくし、電解効率を高く維持できるという効果がある。

このような構造としたことにより次のような利点が得られる。複極式は電解電圧を１セル１．５Ｖ〜２．５Ｖを目安に高電圧化し、低い電流でも高濃度な電解水が生成可能になった。
例えば６セル複極式電解槽の電極板の配置は端子棒付き陰極板１枚を電極郡の端部に配置し、対する端子棒付き陽極板１枚を反対側の端部に配置、端子棒無し電極板の片側陰極、その反対側を陽極とし、それぞれ陰陽を対面に配置する。必要な陰陽極板は７枚の配置となる。その場合、印加電圧は９Ｖ〜１５Ｖとなり、両側の端子棒付き陰電極板に直流マイナス極を、端子棒付き陽極電極板に直流プラス極を接続し、電圧を印加する。対して単極式の電極板は端子棒を全ての電極板に取付け、例えば１２セルの単極式電解槽の場合は、端子棒付き陰極板７枚、端子棒付付き陽極板６枚を交互に配置する。電解電圧は１セル０．２〜０．４Ｖを目安に低電圧化し、高い電流で高濃度な電解水が生成可能になった。１２セル単極式電解槽の場合では、印加電圧は２．４Ｖ〜４．８Ｖとなり全ての電極板に印加する。殺菌水の生成量、原水の水質、要求される濃度により複極式か単極式を選択可能となった。

次に電極群を収納する直方体の筐体の上部をフランジ化とし、その上部から電極板の出し入れが可能にしたことにより電極板寿命時でも筐体から使用済みの電極板を取り出し、新しい電極板を取り付ける事が出来、筐体の再使用が可能となった。

電解液は電解槽下部から塩素イオン溶液と希釈水の２種を供給するがそれらを混合するためその部位に樹脂製デミスターを充填した混合機能を設けた事により、０．１〜０．２ＭＰａの圧力で混合機能下部から前記２種の液を適量供給し、デミスターを通過することで、混合され濃度斑が無くなり、その上部に開口した細孔より陰極電極板と陽極電極板の間に供給され、各細孔を通過する液量の差異も無くなる。

この電解槽で使用する塩素イオン溶液としては塩酸、塩酸に塩化ナトリウム０．５％を含めた溶液、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、などが目的に応じて使用できる。

本発明の実施の形態に係わる次亜塩素酸水の複極式電解槽の構造図を示す図である ［図１］のア〜ア断面の構造を示す図である。 ［図１］のイ〜イ断面の構造を示す図である。 ［図１］の矢視ウの構造を示す図である。 本発明の実施の形態に係わる次亜塩素酸水の単極式電解槽の陰極への電力供給部構造を示す図である 本発明の実施の形態に係わる次亜塩素酸水の単極式電解槽の陽極への電力供給部構造を示す図である 本発明の実施の形態に係わる次亜塩素酸水の単極式電解槽の陰極、陽極への電力供給部を上方から見た構造を示す図である 本発明の実施の形態に係わる次亜塩素酸水の単極式電解槽の陰極への電力供給部構造の外側の円筒容器との水封部を示す図である 本発明の実施の形態に係わる次亜塩素酸水の配管構成を示す図である

本発明実施の最良の形態は、平板電極を平行に配置し構成した電極群を直方体の筐体に収納、筐体の長手方向を上下方向に配置し、下面から塩素イオン溶液を供給する部位に内部に混合用デミスターを設けた混合槽とし、筐体の上面から電解生成物を排出する構造とする。電解物の排出口は内部の直方体筐体の上面のフランジに直接穿孔された細孔である。
この電解槽で電解する塩素イオン溶液は塩酸溶液また塩酸に塩化ナトリウム０．５％を含めた溶液、または塩化ナトリウム溶液またはその混合物が最適である。電極の実際の寸法および、電圧、電流値は電解能力によって耐久性を考慮して適宜決定する。

次に、本発明をさらに詳しく説明するために実施例を示すが、本発明の範囲をこの例に限定する趣旨ではなく、本発明の理解を深めるのが目的である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付す。

図１から図９を参照して本実施の形態に係わる次亜塩素酸水生成装置について説明する。

図１〜図４に実施例１の図面を示した。電極はチタン地板を白金及び、白金族金属の酸化物皮膜で被覆したものでサイズは厚さ２ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５００ｍｍを７枚、３ｍｍ間隔で配置し電極群を構成している。複極式電解槽を例として、電解槽の組み立て、構成方法を説明する。下部に混合用デミスター（２１）を設けた混合槽を擁する直方体の筐体（３）に、陽極側の端子台付の電極板（１）を上部開口部から挿入、取り付ける、同様に陰極側の端子台付きの電極板（２）を挿入、取り付ける。中間電極板（４）を同様に挿入する、内部直方体筐体には溝（３１）が設けてあり、その溝幅が電極間寸法となる。取付け後、上部フランジ（６）をボルト（５）で固定し閉止する。上部フランジ（６）には電解物の排出口である直接穿孔された細孔（７）がある。

電極群を収納した厚さ１０ｍｍの硬質塩化ビニール板で構成した内部直方体筐体（３）を直径１００ｍｍの硬質塩化ビニール管で製作した円筒形筐体（８）に挿入、収納し、円筒形筐体下部フランジ（９）と内部直方体筐体（３）の下部フランジ（１０）をクランプ（１１）とシール用Ｏリング（１２）で固定する。円筒形筐体（８）の外側から陽極側端子付電極板（１）に給電用の端子棒（１３）を取付ける。同様に陰極側端子台付き電極板（２）にも給電用端子棒（１４）を取付け、それぞれ円筒形筐体（８）と電極棒（１３）（１４）の水漏れ防止としてシール材（１５）を取り付け、ナット（１６）で固定する。この構造で両端の電極板のみ給電する複極式電解槽となる。

直方体筐体下部には電解質供給開口（１７）と稀釈用水供給開口（１８）、および電解物入口開口細孔（１９）と希釈水入口開口細孔（２０）を設けた。その上部に混合用デミスターを充填した混合槽（２１）を設け、その上部に電極群に電解質と希釈水を供給する細孔（２２）を擁し、混合液を供給する。
電解槽群で電解された電解質は上部細孔（７）から排出され、希釈水入口（２３）から流入した希釈水は直方筐体（３）と円筒筐体（８）間の隙間（２４）を通り、電解液と上部で混合され、流出口（２５）から排出される。

この複極式電解槽を利用した電解装置を製作し性能の確認を行った。図９にその配管構成図を示した。原水配管（２６）から、時間当たり１５００Ｌの原水を希釈水入口（２３）から取り入れ電解槽の内部直方体筺体（３）と外部円筒形筺体（８）の隙間（２４）に流上させた。原水の供給配管の途中から原水の一部を定量ポンプ（２７）で、時間当たり７５０ｍＬを抽出し直方体筺体（３）下部の混合槽（２１）に希釈水配管（４１）で供給した。塩素イオン水タンク（２８）からは９％塩酸を、塩素イオン水ポンプ（２９）で逆流を防止する逆止弁（４３）を経由し時間当たり１５０ｍＬを塩素イオン水供給配管（４２）で直方体筺体（３）下部の混合槽（２１）に供給し、希釈水ポンプ（２７）で供給された原水と混合し電極群に供給した。電極群に直流電源（図示せず）から２４Ｖ、１０Ａの電力を供給し、供給された塩酸溶液を連続的に電解し、直方体上面から電解物を排出し、そこを流上している希釈水に混合希釈し電解水出口配管（３０）から殺菌用水を排出した。この装置により１時間あたり１５００Ｌの有効塩素濃度４５ｍｇ／Ｌ、ｐＨ５．８の殺菌用水が連続的に得られた。

図５〜図８に実施例２の図面を示した。電極はチタン地板を白金及び、白金族金属の酸化物皮膜で被覆したものでサイズは厚さ３ｍｍ、陰極電極板幅６０ｍｍ、長さ６００ｍｍを７枚と同様の陽極電極板６枚交互に３ｍｍ間隔で配置し電極群を構成している単極式電解槽を例として、電解槽の組み立て、構成方法を説明する。下部は前述した混合機能と同じ構造で、混合用デミスターを設けた混合槽を擁する直方体の筐体（３）に、陰極側の端子棒（３４）付の電極板（３２）を上部開口部から挿入、取り付ける、同様に陽極側の端子棒（３５）付きの電極板（３２）を挿入、取り付ける。それを繰り返し陰極７枚、陽極６枚の計１３枚の電極板で１２セルの電極群を構成する。内部直方体筐体には溝（３１）が設けてあり、その溝幅が電極間寸法となる。取付け後、上部フランジ（６）をボルト（５）で固定し閉止する。上部フランジには電解物の排出口である直接穿孔された細孔（７）がある。

各電極板（３２）（３３）に取りつけられる電極棒（３４）（３５）に給電するため、ターミナル棒（３６）（３７）の孔（３８）に電極棒（３４）（３５）を差込み、固定ボルト（３９）で固定する。

電極群を収納した厚さ１０ｍｍの硬質塩化ビニール板で構成した内部直方体筐体（３）を直径１２５ｍｍの硬質塩化ビニール管で製作した円筒形筐体（８）に挿入、収納し、円筒形筐体下部フランジ（９）と内部直方体筐体（３）の下部フランジ（１０）をクランプ（１１）とシール用Ｏリング（１２）で固定する。円筒形筐体（８）の外側からターミナル棒（３６）（３７）の片側のメスネジ（４０）に電極棒（１３）（１４）をねじ込む。電極棒（１３）（１４）の水漏れ防止としてシール材（１５）を取り付け、ナット（１６）で固定する。この構造で電極棒（１３）（１４）に給電する事でターミナル棒（３６）（３７）を経由し全ての電極板に給電する単極式電解槽となる。

直方体筐体下部には前述と同様の電解質供給開口（１７）と稀釈用水供給開口（１８）、および電解物入口開口細孔（１９）と希釈水入口開口細孔（２０）が有り、その上部に混合用デミスターを充填した混合槽（２１）を設け、その上部に電極群に電解質と希釈水を供給する細孔（２２）を擁し、混合液を供給する。
電解槽群で電解された電解質は上部細孔（７）から排出され、希釈水入口（２３）から流入した希釈水は直方筐体（３）と円筒筐体（８）間の隙間（２４）を通り、電解液と上部で混合され、流出口（２５）から排出される。

この単極式電解槽を利用した電解装置を製作し性能の確認を行った。図９にその配管構成図を示した。原水配管（２６）から、時間当たり５０００Ｌの原水を希釈水入口（２３）から取り入れ電解槽の内部直方体筺体（３）と外部円筒形筺体（８）の隙間（２４）に流上させた。原水の供給配管の途中から原水の一部を定量ポンプ（２７）で、時間当たり２５００ｍＬを抽出し直方体筺体（３）下部の混合槽（２１）に希釈水配管（４１）で供給した。塩素イオン水タンク（２８）からは９％塩酸を、塩素イオン水ポンプ（２９）で時間当たり５００ｍＬを塩素イオン水供給配管（４２）で逆流を防止する逆止弁（４３）を経由し直方体筺体（３）下部の混合槽（２１）に供給し、希釈水ポンプ（２７）で供給された原水と混合し電極群に供給した。電極群に直流電源（図示せず）から４Ｖ、３２０Ａの電力を供給し、供給された塩酸溶液を連続的に電解し、直方体上面から電解物を排出し、そこを流上している希釈水に混合希釈し電解水出口配管（３０）から殺菌用水を排出した。この装置により１時間あたり５０００Ｌの有効塩素濃度４２ｍｇ／Ｌ、ｐＨ６．１の殺菌用水が連続的に得られた。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる事を意図される。

１ 端子付き陽電極
２ 端子付き陰電極
３ 電極群を収納した直方立方体
４ 電極群
５ 直方立方体上蓋取付けボルト
６ 直方立方体上蓋
７ 電解質出口細孔
８ 直方立方体を収納する円筒筐体
９ 円筒筐体下部フランジ
１０ 直方立方体下部フランジ
１１ クランプ
１２ シール用Ｏリング
１３ 陽極電極棒
１４ 陰極電極棒
１５ シール材
１６ ナット
１７ 電解質入口継ぎ手
１８ 希釈水入口継ぎ手
１９ 電解質入口孔
２０ 希釈水入口孔
２１ 混合槽
２２ 電解質入口細孔
２３ 希釈水入口
２４ 円筒筐体と直方立法筐体との隙間
２５ 殺菌料出口
２６ 原水配管
２７ 希釈水ポンプ
２８ 塩素イオン水槽
２９ 塩素イオン水ポンプ
３０ 殺菌料出口配管
３１ 溝
３２ 陰極板
３３ 陽極板
３４ 陰極棒
３５ 陽極棒
３６ 陰極ターミナル棒
３７ 陽極ターミナル棒
３８ ターミナル棒に設けられた電極棒挿入用孔
３９ 電極棒固定ボルト
４０ ターミナル棒片側に設けられたメスネジ
４１ 希釈水配管
４２ 塩素イオン水配管
４３ 逆止弁

Claims (3)

1. 塩素イオン溶液を無隔膜電解槽で電解酸化し、電解酸化液を水で希釈して殺菌用水を生成する電解槽において、複極式電極板または単極式電極板を用い、電解水生成要求に応じて電解電圧、電解電流を可変し、複極式電極板は両側の電極板のみに印加し、単極式電極板は全ての電極板に印加し次亜塩素酸濃度３０ｍｇ／Ｌ以上８０ｍｇ／Ｌ未満の高濃度微酸性電解水を生成する電解水生成法
2. 電解原液である塩素イオン溶液（塩酸又は塩酸に塩化ナトリウム０．５％以下を含めた水溶液、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム）と希釈水の混合を十分に行い濃度斑の無い希釈電解原液として電解槽に供給するため、電解槽下部に混合機能を設けた電解水生成装置
3. 電極を包摂している直方体の筺体上部をフランジ構造とし、電極板を上部フランジ部から交換可能で、かつ塩素イオン溶液、希釈水の供給配管を外筐体の外側から直接供給可能な構造とした筐体構造の請求項２記載の電解水生成装置

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