JP2020142209A - 水素付加方法及び水素付加装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で、溶存水素濃度の高い水素付加水を生成できる水素付加方法等を提供する。【解決手段】水素付加方法は、水素ガスが気泡状態で含まれる溶存水素水を生成する第１工程Ｓ１と、溶存水素水を逆浸透膜の一方側に供給する第２工程Ｓ２と、溶存水素水を逆浸透膜の他方側に透過させる第３工程Ｓ３と、水素ガスを逆浸透膜によって微細化し、他方側に透過させる第４工程Ｓ４と、他方側で、微細化された水素ガスが含まれる溶存水素水を得る第５工程Ｓ５とを含む。【選択図】図６

Description

本発明は、水に水素を付加するための水素付加方法及び水素付加装置に関する。

従来から、水に水素を付加するための技術を応用する装置が、種々提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１７７９１２号公報

上記特許文献１にて開示されている装置は、水に水素を溶解させる電解水生成装置と、水素が溶解した水に対して逆浸透膜処理を行う逆浸透膜処理装置を含んでいる。近年、溶存水素水を用いた血液透析は、患者の酸化ストレスを低減する作用が期待できるとして注目され、溶存水素濃度を高めるために、さらなる改良が期待されている。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、溶存水素濃度の高い水素付加水を生成できる水素付加方法及び水素付加装置を提供することを主たる目的としている。

本発明の第１発明は、水に水素を付加するための水素付加方法であって、水素ガスが気泡状態で含まれる溶存水素水を生成する第１工程と、前記溶存水素水を前記逆浸透膜の一方側に供給する第２工程と、前記溶存水素水を前記逆浸透膜の他方側に透過させる第３工程と、前記水素ガスを前記逆浸透膜によって微細化し、前記他方側に透過させる第４工程と、前記他方側で、微細化された前記水素ガスが含まれる前記溶存水素水を得る第５工程とを含む。

本発明の第２発明は、水に水素を付加するための水素付加装置であって、水素ガスが気泡状態で含まれる溶存水素水を生成する溶存水素水生成部と、前記逆浸透膜によって、第１室と第２室とが隔てられた逆浸透膜モジュールとを備え、前記溶存水素水生成部は、前記溶存水素水を前記第１室に供給し、前記逆浸透膜は、前記溶存水素水を透過させ、気泡状態の前記水素ガスを微細化して透過させることにより、前記第２室で微細化された前記水素ガスが含まれる前記溶存水素水を得る。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記溶存水素水生成部は、陽極給電体と陰極給電体が設けられ、水を電気分解することにより前記溶存水素水を生成する電解室をさらに備える、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記電解室は、固体高分子膜によって前記陽極給電体側の陽極室と前記陰極給電体側の陰極室に区分されている、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記溶存水素水を、加圧状態で前記逆浸透膜モジュールに供給する加圧装置を含む、ことが望ましい。

本第１発明の前記水素付加方法は、前記第１工程で生成された前記水素ガスが気泡状態で含まれる前記溶存水素水を、前記第２工程で前記逆浸透膜の前記一方側に供給する。そして、前記第３工程で、前記溶存水素水を前記逆浸透膜の前記他方側に透過させ、第４工程で、前記水素ガスを前記逆浸透膜によって微細化し、前記他方側に透過させる。これにより、前記第５工程で、前記逆浸透膜の他方側で、微細化された前記水素ガスが含まれる前記溶存水素水が得られる。微細化された前記水素ガスは、前記逆浸透膜の他方側で前記溶存水素水に容易に溶け込むことができ、前記他方側にて得られる前記溶存水素水の溶存水素濃度が容易に高められる。

本第２発明の前記水素付加装置は、前記溶存水素水生成部で生成された前記水素ガスが気泡状態で含まれる前記溶存水素水を、前記逆浸透膜モジュールの第１室に供給する。そして、前記逆浸透膜は、前記溶存水素水を透過させ、気泡状態の前記水素ガスを微細化して透過させることにより、前記第２室で微細化された前記水素ガスが含まれる前記溶存水素水が得られる。これにより、微細化された前記水素ガスは、前記第２室で前記溶存水素水に容易に溶け込むことができ、前記第２室にて得られる前記溶存水素水の溶存水素濃度が容易に高められる。

本発明の水素付加装置を含む逆浸透膜処理装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図。 図１の水素付加装置の概略構成を示す図。 図２の逆浸透膜モジュールの概略構成を示す図。 図２の水素付加装置の電気的構成を示すブロック図。 図１の水素付加装置の変形例を示す図。 本発明の水素付加方法の処理手順を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本発明の水素付加装置の一実施形態の概略構成を示している。水素付加装置１は、水に水素を付加するための装置であり、例えば、逆浸透膜処理装置１００の内部に組み込まれることにより、透析液調製用水の製造に用いられる。近年、透析液調製用水として水素付加水を用いた血液透析は、患者の酸化ストレス低減に有効であるとして、注目されている。

逆浸透膜処理装置１００は、軟水化処理装置１０１と、活性炭処理装置１０２と、水素付加装置１と、タンク１０３とを含んでいる。逆浸透膜処理装置１００は、水素付加装置１において水素付加水を生成し、さらにその水素付加水を逆浸透処理によって浄化して、透析液調製用水を製造する。

軟水化処理装置１０１には、水道水等の原水が供給される。原水には、一般的には水道水が利用されるが、その他、例えば、井戸水、地下水等を用いることができる。軟水化処理装置１０１は、原水からカルシウムイオン及びマグネシウムイオン等の硬度成分を除去して軟水化する。

活性炭処理装置１０２は、微細な多孔質物質である活性炭を有し、軟水化処理装置１０１から供給される水から塩素等を吸着・除去する。活性炭処理装置１０２を通過した水は、水路１１を介して水素付加装置１に送られる。

図２は、水素付加装置１の概略構成を示している。水素付加装置１は、溶存水素水を生成する溶存水素水生成部２と、逆浸透膜７３を有する逆浸透膜モジュール６とを備える。水素付加装置１は、溶存水素水生成部２及び逆浸透膜モジュール６において、活性炭処理装置１０２から供給された水に水素を付加する。

溶存水素水生成部２は、水素ガスが溶け込んだ溶存水素水２０１を生成する。溶存水素水生成部２によって生成された溶存水素水２０１は、水素が付加された水素付加水（第１水素付加水）である。溶存水素水生成部２は、気泡状態の水素ガス３０１が含まれる溶存水素水２０１を生成する。気泡状態とは、例えば、目視によって確認できる程度の大きさの気泡を含んだ状態である。溶存水素水生成部２にて生成された溶存水素水２０１は、水路１２を介して逆浸透膜モジュール６に供給される。

図３は、逆浸透膜モジュール６を拡大して示している。逆浸透膜モジュール６は、溶存水素水生成部２から供給された溶存水素水２０１を、逆浸透膜７３によって浄化された処理水と、不純物を含む濃縮水とに分離する。逆浸透膜モジュール６は、逆浸透膜７３によって、第１室７１と第２室７２とに隔てられている。

逆浸透膜７３は、大きさが２nm以下の極めて微細な孔７３ａが多数形成された多孔質膜であり、孔７３ａから水分子及び水素分子を通過させる。第１室７１には、溶存水素水生成部２にて生成された溶存水素水２０１が供給される。逆浸透膜７３は、第１室７１に供給された溶存水素水２０１を濾過し、微量な金属類等の不純物を取り除き、溶存水素水２０１を浄化する。すなわち、逆浸透膜７３を透過し第２室７２で得られた処理水は、逆浸透膜７３によって浄化された溶存水素水２０２となる。一方、第１室７１に留まった不純物が濃縮された濃縮水は、水路１４（図１乃至３参照）を介して逆浸透膜モジュール６の外部に排出される。なお、逆浸透膜モジュール６には、例えば、特開２０１１−３６７５２号公報等に開示されている公知の構成を適用することができる。

第２室７２にて得られた処理水は、孔７３ａを通過した後にも水素ガスが溶解した状態が維持される溶存水素水２０２である。第２室７２の溶存水素水２０２は、水路１３を介してタンク１０３に供給される。

図１に示されるように、タンク１０３は、逆浸透膜モジュール６の第２室７２から供給された溶存水素水２０２を蓄える。本実施形態において、逆浸透膜７３によって浄化処理された後、タンク１０３に蓄えられた溶存水素水２０２は、例えば、透析液調製用水の浄化基準であるＩＳＯ１３９５９の基準を満たし、透析液調製用水として透析原剤の希釈等に用いられる。

逆浸透膜処理装置１００は、タンク１０３と溶存水素水生成部２とを接続する水路が設けられていてもよい。このような構成によって、溶存水素水生成部２、逆浸透膜モジュール６及びタンク１０３間で溶存水素水２０２を循環させながら、溶存水素濃度を高めることができる。

図３に示されるように、本水素付加装置１では、逆浸透膜７３は、溶存水素水２０１を透過させ、気泡状態の水素ガス３０１を微細化して透過させる。すなわち、溶存水素水２０１が逆浸透膜７３を透過する際、微小な孔７３ａを多数有する逆浸透膜７３によって気泡状態の水素ガス３０１が微細化される。微細化された水素ガス３０２は、逆浸透膜７３を透過し、第２室７２に移動し、これにより、第２室７２で微細化された水素ガス３０２が含まれる溶存水素水２０２（第２水素付加水）が得られる。

微細化された水素ガス３０２は、水分子と接触する表面積が増大し、第２室７２で溶存水素水２０２に容易に溶け込むことができる。これにより、第２室７２にて得られる溶存水素水２０２の溶存水素濃度が高められる。すなわち、逆浸透膜モジュール６に供給された第１水素付加水は、逆浸透膜モジュール６によってさらに水素が付加された第２水素付加水となり、タンク１０３に供給される。

図２に示されるように、本実施形態では、溶存水素水生成部２として電解槽４が適用されている。電解槽４は、水を電気分解することにより、水素分子を発生させる。この水素分子が水に溶け込むことにより、第１水素付加水である溶存水素水２０１が生成される。

電解槽４は、電解室４０を備え、電解室４０内に第１給電体４１と、第２給電体４２と、を有する。第１給電体４１及び第２給電体４２は、電解室４０に設けられている。

第１給電体４１と第２給電体４２との間には、隔膜４３が設けられている。電解室４０は、隔膜４３によって第１給電体４１が配された第１極室４０ａと第２給電体４２が配された第２極室４０ｂと区分される。

図４は、溶存水素水生成部２の電気的構成を示している。第１給電体４１及び第２給電体４２の極性及び第１給電体４１及び第２給電体４２に印加される電圧は、制御部９によって制御される。制御部９は、例えば、各種の演算処理、情報処理等を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）及びＣＰＵの動作を司るプログラム及び各種の情報を記憶するメモリ等を有している。制御部９は、第１給電体４１及び第２給電体４２の他、装置各部の制御を司る。

第１給電体４１と制御部９との間の電流供給ラインには、電流検出器４４が設けられている。電流検出器４４は、第２給電体４２と制御部９との間の電流供給ラインに設けられていてもよい。電流検出器４４は、第１給電体４１、第２給電体４２に供給する電解電流を検出し、その値に相当する電気信号を制御部９に出力する。

制御部９は、例えば、電流検出器４４から出力された電気信号に基づいて、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧を制御する。より具体的には、制御部９は、電流検出器４４によって検出される電解電流が予め設定された所望の値となるように、第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する直流電圧をフィードバック制御する。例えば、電解電流が過大である場合、制御部９は、上記電圧を減少させ、電解電流が過小である場合、制御部９は、上記電圧を増加させる。これにより、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給する電解電流が適切に制御される。より具体的には、制御部９は、水路１１に配された流量センサー９１によって検出された単位時間あたりに電解室４０に供給される流量に基づいて、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給する電解電流を制御する。

電解室４０内で水が電気分解されることにより、水素ガス及び酸素ガスが発生する。例えば、陰極側の第２極室４０ｂでは、水素ガスが発生し、当該水素分子が溶け込んだ溶存水素水２０１が生成され、逆浸透膜モジュール６に供給される。なお、このような電気分解を伴って生成された溶存水素水は、「電解水素水」とも称される。一方、陽極側の第１極室４０ａでは、酸素ガスが発生する。

第２極室４０ｂにおいて、気泡状態の水素ガス３０１が含まれる溶存水素水２０１を生成するためには、第２極室４０ｂで単位時間あたりに大量の水素ガスを発生させればよい。このため、制御部９は、第１給電体４１及び第２給電体４２に供給する電解電流を大きくすることにより、単位時間に大量の水素ガスを発生させ、気泡状態の水素ガス３０１が含まれる溶存水素水２０１を生成する。

隔膜４３には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂からなる固体高分子膜が適宜用いられている。固体高分子膜は、電気分解により、陽極側の第１極室４０ａで発生したオキソニウムイオンを陰極側の第２極室４０ｂへと移動させて、水素ガスの生成原料とする。従って、電気分解の際に水酸化物イオンが発生することなく、溶存水素水２０１のｐＨが変化しない。

水素付加装置１は、溶存水素水２０１を加圧状態で逆浸透膜モジュール６に供給する加圧装置５を含む、のが望ましい。加圧装置５が溶存水素水２０１を加圧状態で逆浸透膜モジュール６の第１室７１に供給することにより、気泡状態の水素ガス３０１が逆浸透膜７３に衝突したとき、水圧によって微細化されやすくなり、逆浸透膜７３を透過する水素ガス３０２が増大するため、第２室７２での溶存水素水２０２の溶存水素濃度が容易に高められる。

本実施形態では、電解槽４が第２極室４０ｂで水から気泡状態の水素ガス３０１を生成することにより、第２極室４０ｂの圧力が高められる。従って、電解槽４が上記加圧装置５として機能する。

なお、上記加圧装置５として、溶存水素水生成部２にて生成された溶存水素水２０１を逆浸透膜モジュール６に圧送するためのポンプ等が設けられていてもよい。

図５は、図１の水素付加装置１の変形例である水素付加装置１Ａの概略を示すブロック図である。水素付加装置１Ａのうち、以下で説明されてない部分については、上述した水素付加装置１の構成が採用されうる。

水素付加装置１Ａは、溶存水素水生成部２Ａが逆浸透膜処理装置１００Ａの外部に配されている点で、上記水素付加装置１とは異なる。

逆浸透膜処理装置１００Ａは、軟水化処理装置１０１と、活性炭処理装置１０２と、逆浸透膜モジュール６Ａ、タンク１０３とを含んでいる。逆浸透膜処理装置１００Ａには、水素を付加する機能を搭載していない従来型の装置が適用されうる。水素付加装置１Ａは、このような既存の逆浸透膜処理装置１００Ａの構成に水素を付加する機能を追加して、水素水透析の初期導入コストを低減する。

水素付加装置１Ａは、逆浸透膜処理装置１００Ａの外部に配された溶存水素水生成部２Ａと、逆浸透膜処理装置１００Ａの一部を構成する逆浸透膜モジュール６Ａとを備える。溶存水素水生成部２Ａの構成は、溶存水素水生成部２と同様であり、逆浸透膜モジュール６Ａの構成は、逆浸透膜モジュール６と同様である。

逆浸透膜処理装置１００Ａ及び水素付加装置１Ａでは、活性炭処理装置１０２には、逆浸透膜処理装置１００Ａの外部に延びるバイパス水路１１Ａの一端が接続され、バイパス水路１１Ａの他端は、溶存水素水生成部２Ａに接続される。活性炭処理装置１０２を通過した水は、バイパス水路１１Ａを介して水素付加装置１Ａに送られる。

一方、逆浸透膜モジュール６Ａには、逆浸透膜処理装置１００Ａの外部に延びるバイパス水路１２Ａの一端が接続され、バイパス水路１２Ａの他端は、溶存水素水生成部２に接続される。溶存水素水生成部２にて生成された溶存水素水２０１は、バイパス水路１２Ａを介して逆浸透膜モジュール６に供給される。

水素付加装置１Ａは、逆浸透膜処理装置１００Ａに、バイパス水路１１Ａ及び１２Ａを介して溶存水素水生成部２Ａを接続することにより、安価かつ容易に水素水透析を実現する。

図６は、逆浸透膜処理装置１００等を用いて実現される、水素付加方法の手順を示している。水素付加方法は、溶存水素水２０１を生成する第１工程Ｓ１と、溶存水素水２０１を供給する第２工程Ｓ２と、溶存水素水２０１を透過させる第３工程Ｓ３と、水素ガス３０２を透過させる第４工程Ｓ４と、水素ガス３０２が含まれる溶存水素水２０２を得る第５工程Ｓ５とを含んでいる。

第１工程では、気泡状態の水素ガス３０１が含まれる溶存水素水２０１が生成される。第２工程では、溶存水素水２０１と共に気泡状態の水素ガス３０１が、逆浸透膜７３の一方側すなわち第１室７１に供給される。

第３工程Ｓ３では、溶存水素水２０１が逆浸透膜７３の他方側すなわち第２室７２に透過する。第４工程Ｓ４では、水素ガス３０１を逆浸透膜７３によって分解し、微細化された水素ガス３０２を逆浸透膜７３の他方側の第２室７２に透過させる。第３工程Ｓ３及び第４工程Ｓ４は同時に実行されるが、いずれかが先行して実行されてもよい。

そして、第５工程Ｓ５では、第２室７２で、微細化された水素ガス３０２が含まれる溶存水素水２０２が得られる。微細化された水素ガス３０２は、第２室７２で溶存水素水２０２に容易に溶け込むことができ、溶存水素水２０２の溶存水素濃度が容易に高められる。

以上、本発明の水素付加装置１等が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、水素付加装置１は、少なくとも、水素ガス３０１が気泡状態で含まれる溶存水素水２０１を生成する溶存水素水生成部２と、逆浸透膜７３によって、第１室７１と第２室７２とが隔てられた逆浸透膜モジュール６とを備え、溶存水素水生成部２は、溶存水素水２０１を第１室７１に供給し、逆浸透膜７３は、溶存水素水２０１を透過させ、気泡状態の水素ガス３０１を微細化して透過させることにより、第２室７２で微細化された水素ガス３０２が含まれる溶存水素水２０２を得るように構成されていればよい。

例えば、溶存水素水生成部２は、電解槽４に限られない。例えば、水とマグネシウムとの化学反応等により発生した水素分子を水に溶解させて溶存水素水を生成する装置、又は、水素ガスボンベから供給された水素ガス（水素分子）を水に溶解させて溶存水素水を生成する装置であってもよい。

水素付加装置１等は、透析液調製用の水素付加水の生成の他、種々の用途に適用可能である。例えば、飲用、料理用又は農業用の水素付加水の生成等にも広く適用可能である。

また、水素付加方法は、少なくとも、水素ガス３０１が気泡状態で含まれる溶存水素水２０１を生成する第１工程Ｓ１と、溶存水素水２０１を逆浸透膜７３の一方側に供給する第２工程Ｓ２と、溶存水素水２０１を逆浸透膜７３の他方側に透過させる第３工程Ｓ３と、水素ガス３０１を逆浸透膜７３によって微細化し、逆浸透膜７３の他方側に透過させる第４工程Ｓ４と、逆浸透膜７３の他方側で、微細化された水素ガス３０２が含まれる溶存水素水２０２を得る第５工程Ｓ５とを含んでいればよい。

１ 水素付加装置
２ 溶存水素水生成部
４ 電解槽
５ 加圧装置
６ 逆浸透膜モジュール
４１ 第１給電体
４２ 第２給電体
４３ 隔膜
７１ 第１室
７２ 第２室
７３ 逆浸透膜
１００ 逆浸透膜処理装置
２０１ 溶存水素水
２０２ 溶存水素水
３０１ 気泡状態の水素ガス
３０２ 微細化された水素ガス
Ｓ１ 第１工程
Ｓ２ 第２工程
Ｓ３ 第３工程
Ｓ４ 第４工程
Ｓ５ 第５工程

Claims (5)

1. 水に水素を付加するための方法であって、
   水素ガスが気泡状態で含まれる溶存水素水を生成する第１工程と、
   前記溶存水素水を逆浸透膜の一方側に供給する第２工程と、
   前記溶存水素水を前記逆浸透膜の他方側に透過させる第３工程と、
   前記水素ガスを前記逆浸透膜によって微細化し、前記他方側に透過させる第４工程と、
   前記他方側で、微細化された前記水素ガスが含まれる前記溶存水素水を得る第５工程とを含む、
   水素付加方法。
2. 水に水素を付加するための装置であって、
   水素ガスが気泡状態で含まれる溶存水素水を生成する溶存水素水生成部と、
   逆浸透膜によって、第１室と第２室とが隔てられた逆浸透膜モジュールとを備え、
   前記溶存水素水生成部は、前記溶存水素水を前記第１室に供給し、
   前記逆浸透膜は、前記溶存水素水を透過させ、気泡状態の前記水素ガスを微細化して透過させることにより、前記第２室で微細化された前記水素ガスが含まれる前記溶存水素水を得る、
   水素付加装置。
3. 前記溶存水素水生成部は、陽極給電体と陰極給電体が設けられ、水を電気分解することにより前記溶存水素水を生成する電解室をさらに備える、請求項２記載の水素付加装置。
4. 前記電解室は、固体高分子膜によって前記陽極給電体側の陽極室と前記陰極給電体側の陰極室に区分されている、請求項３記載の水素付加装置。
5. 前記溶存水素水を、加圧状態で前記逆浸透膜モジュールに供給する加圧装置を含む、請求項２乃至４のいずれかに記載の水素付加装置。

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