JP2021142522A - 過酸化水素水製造装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】試薬としての過酸化水素を用いずに、連続的に過酸化水素水を製造する。【解決手段】実施形態の過酸化水素水製造装置は、被処理水が導入される導入側拡径部、導入側拡径部に連設され、酸素ガスを含む原料ガスが外部より導入される導入開口が側壁に設けられたノズル部及びノズル部に連設され前記原料ガスが混合された前記被処理水が導出される導出側拡径部を有するエジェクタ部と、エジェクタ部の下流側に設けられ、導出された原料ガスが混合された被処理水を電気分解し、酸素ガスを原料として過酸化水素ガスを生成するための電気分解用電極が配置された電気分解部と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、過酸化水素水製造装置に関する。
従来、上水、下水、産業排水、プールなどの分野で、水中の有機物の酸化分解、殺菌、脱臭等の処理のためにオゾンやＵＶランプが用いられている。しかしながら、オゾンやＵＶランプによる酸化でも、親水化、低分子化はできても無機化することはできない。また、ダイオキシンや１，４−ジオキサン等の難分解性有機物は分解できない。
したがって、上述のような水中の難分解性有機物を分解するに際しては、オゾンやＵＶランプによる活性種よりも酸化力の強いＯＨラジカルを用い、酸化分解する促進酸化処理法が提案されている。
この促進酸化処理法において、ＯＨラジカルを生成する方法として、過酸化水素含有水にオゾンを添加する方法やＵＶランプを照射する方法が知られている。
特表２００２−５３１７０４号公報 特開２０１０−１３７１５１号公報 特開２０１３−１０８１０４号公報
ところで、オゾンやＵＶランプと過酸化水素を用いる場合、劇物に相当する過酸化水素の貯留設備、注入設備を設ける必要があり、安全面で厳しい管理が必要となるという問題があった。
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、過酸化水素水を連続的に製造することが可能な過酸化水素水製造装置を提供することを目的とする。
実施形態の過酸化水素水製造装置は、被処理水が導入される導入側拡径部、導入側拡径部に連設され、酸素ガスを含む原料ガスが外部より導入される導入開口が側壁に設けられたノズル部及びノズル部に連設され前記原料ガスが混合された前記被処理水が導出される導出側拡径部を有するエジェクタ部と、エジェクタ部の下流側に設けられ、導出された原料ガスが混合された被処理水を電気分解し、酸素ガスを原料として過酸化水素を生成するための電気分解用電極が配置された電気分解部と、を備え、前記電気分解用電極を構成するカソード電極は、電極芯材と、前記電極芯材に積層された多孔質炭素層と、前記多孔質炭素層の表面にコーティングにより形成された疎水層と、から成る。
図１は、実施形態の水処理システムの概要構成ブロック図である。 図２は、水処理ユニットの外観斜視図である。 図３は、水処理ユニットの断面概略図である。 図４は、電気分解用電極群の構成例の説明図である。 図５は、複数対の電極で電気分解用電極群を構成した場合の構成例の説明図である。 図６は、第２実施形態の電極の説明図である。 図７は、第３実施形態の電極の説明図である。 図８は、第４実施形態の電極の説明図である。
次に実施形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、実施形態の水処理システムの概要構成ブロック図である。
水処理システム１０は、加圧状態で被処理水ＬＱを供給する給水ポンプ１１と、上流側既設配管１２と、下流側既設配管１３と、上流側既設配管１２と下流側既設配管１３との間に設置され、過酸化水素水を連続的に製造する過酸化水素水製造装置として機能する水処理ユニット１４と、水処理ユニット１４のガス供給管１５を介して酸素を含んだガスを供給できるガス供給装置１６と、を備えている。
ここで、ガス供給装置１６は、原料ガスとしての酸素又は空気ガスなどの酸素を含むガスを供給する。
図２は、水処理ユニットの外観斜視図である。
図３は、水処理ユニットの断面概略図である。
水処理ユニット１４は、胴部２１と、ボルト固定用の孔２２がそれぞれ複数設けられた一対のフランジ２３、２４と、胴部２１のフランジ２３寄りに設けられたガス供給管１５と、を備えている。
胴部２１内のフランジ２３側（図２中、上部側）には、流路径が徐々に狭くなり、再び流路径が徐々に拡がるとともに、流路径が最も狭くなった部分にガス供給管１５のオゾン供給用開口１５Ａが配置されたエジェクタ（ｅｊｅｃｔｏｒ）部２５と、後述する電極（あるいは電極群）が配置され、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を生成するための電気分解部２６と、を備えている。
エジェクタ部２５は、被処理水ＬＱの導入側に向かって内径が徐々に拡径されている導入側拡径部２５Ａと、ノズル部２５Ｂと、被処理水ＬＱの導出側に向かって内径が徐々に拡径されている導出側拡径部２５Ｃと、を備えている。
ここで、水処理ユニット１４の処理原理について説明する。
給水ポンプ１１により加圧された状態の被処理水ＬＱが水処理ユニット１４のエジェクタ部２５に供給されると、エジェクタ部２５の流路径は導入側拡径部２５Ａからノズル部２５Ｂに向かって徐々に狭くなるため、被処理水ＬＱの速度（流速）は徐々に早くなる。
そして、エジェクタ部２５の流路径が最も狭くなったノズル部２５Ｂ、すなわち、ガス供給管１５のオゾン供給用開口１５Ａが配置された部分において最も被処理水ＬＱの流速が早くなり、ベンチュリ効果により減圧状態となる。
したがって、ガス供給装置１６から供給された酸素含有ガスＯＧは、エジェクタ部２５のノズル部２５Ｂ内に引き込まれることとなる。
そして、エジェクタ部２５の流路径が徐々に拡がる導出側拡径部２５Ｃに至ると流速の低下及び水圧の上昇が急激に生じるため乱流が発生し、被処理水ＬＱと酸素含有ガスＯＧとは、激しく混合される。
そしてほぼ均一に混合された被処理水ＬＱと酸素含有ガスとは、電気分解部２６に到り、電気分解部２６に配置された電極により（１）式に従って酸素含有ガスＯＧから酸素含有ガスＯＧに含まれる酸素ガスを原料として過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を生成する。
Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ２ …（１）
ところで、上述したようにエジェクタ部２５の流路径が徐々に拡がる導出側拡径部２５Ｃに至ると流速の低下及び水圧の上昇が急激に生じるため、図３に示すように、乱流ＲＦが発生し、被処理水ＬＱと酸素含有ガスＯＧとは、激しく混合されることとなっているが、電気分解部２６においても過酸化水素が均一に分布していることが望まれる。
このため、電気分解部２６において設けられる電気分解用の電極についても、発生した乱流を可能な限り邪魔しないような構成が望まれる。
以下、電気分解部２６において設けられる電気分解用の電極について詳細に説明する。
図３に示すように電気分解部２６の電気分解用電極群２７は、エジェクタ部２５の導出側拡径部２５Ｃの直後に配置され、外部の直流電源２８から電気分解用の直流電流が供給されている。
図４は、電気分解用電極群の構成例の説明図である。
電気分解部２６の電気分解用電極群２７は、板状のアノード電極３１Ａ及びカソード電極３１Ｋを備えている。
図４に示すように、アノード電極３１Ａとカソード電極３１Ｋとの間は、十分な空間が確保されているので、導出側拡径部２５Ｃにおいて生じる乱流ＲＦを妨げることはないが、酸素含有ガスＯＧに含まれる酸素ガスを原料として過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を生成するのは、アノード電極３１Ａのみであるので過酸化水素の発生効率が向上しない虞がある。
図５は、複数対の電極で電気分解用電極群を構成した場合の構成例の説明図である。
図５に示すように、アノード電極３１Ａ１〜３１Ａ３と、カソード電極３１Ｋ１〜３１Ｋ３を交互に配置して、複数の電極対で電気分解部２６の電気分解用電極群２７を構成している。
この場合においては、電極対間（例えば、アノード電極３１Ａ１とカソード電極３１Ｋ１）毎に電気分解することができ、効率よく過酸化水素、ひいては、過酸化水素水を連続的に製造することができる。
以上の説明のように、第１実施形態によれば、効率よく過酸化水素水を連続的に製造できる。
［２］第２実施形態
上記第１実施形態においては、平板電極を用いていたが、本第２実施形態は、乱流の整流を抑制し、より実効的な過酸化水素水の製造効率の向上を図るための実施形態である。
本第２実施形態の説明においては、電極の構造にのみ着目し、その配置については、第１実施形態の説明を援用するものとする。
図６は、第２実施形態の電極の説明図である。
本第２実施形態の電極は、複数の径が異なる孔がランダムに配置された多孔平板電極として構成され、アノード電極３１Ａ１１とカソード電極３１Ｋ１１とで電極対を構成している。
このような構成を採ることにより、アノード電極３１Ａ１１とカソード電極３１Ｋ１１との間を流れて通過する被処理水ＬＱの流れもランダムな乱流となり、過酸化水素、ひいては、過酸化水素水の製造効率を向上することができる。
また、図５に示した複数の電極対を本第２実施形態の複数の径が異なる孔がランダムに配置された多孔平板電極としてのアノード電極３１Ａ１１とカソード電極３１Ｋ１１とで複数の電極対を構成すれば、流路抵抗が大きく増加しない範囲内において電極数の増加に比例して過酸化水素水の製造効率を向上することができる。
［３］第３実施形態
上記各実施形態においては、平板状の電極を用いていたが、本第３実施形態は、３次元形状を有する電極を用いた場合の実施形態である。
図７は、第３実施形態の電極の説明図である。
図７においては、黒色部分は、孔（開口部）である。
図７に示すように第３実施形態のアノード電極３１Ａ２１あるいはカソード電極３１Ｋ２１は、３次元の多孔質形状（スポンジ状）をなしており、電極の表面積を維持しつつ、被処理水ＬＱの乱流も維持することが可能となっている。
このカソード電極３１Ｋ２１の表面は、過酸化水素の原料となる酸素ガスを表面に取り込みやすくするために疎水性であることが望ましい。したがって、例えば、電極芯材である多孔質状の炭素電極にポリテトラフルオロエチレン系懸濁液、いわゆるテフロン（登録商標）系懸濁液（疎水性付与）及び導電性の炭素粉末をコーティング（ポーラス性付与）したもの等が用いられる。
本第３実施形態によれば、アノード電極３１Ａ２１とカソード電極３１Ｋ２１との間を流れて通過する被処理水ＬＱの流れもランダムな乱流となり、過酸化水素水の製造効率を向上することができる。
［４］第４実施形態
図８は、第４実施形態の電極の説明図である。
図８に示すように第４実施形態のアノード電極３１Ａ３１あるいはカソード電極３１Ｋ３１は、それぞれ板状の電極ベース４１及び電極ベース４１上に立設された複数の棒状電極４２を備えており、それぞれ剣山状の形状をなしている。
ここで、アノード電極３１Ａ３１あるいはカソード電極３１Ｋ３１のそれぞれの棒状電極４２は、アノード電極３１Ａ３１及びカソード電極３１Ｋ３１を近接して対向配置した場合に、互いに干渉しない位置、かつ、ランダムな位置に配置されており、電極の表面積を維持しつつ、被処理水ＬＱの乱流も維持することが可能となっている。
このカソード電極３１Ｋ３１の表面は、第３実施形態のカソード電極３１Ｋ２１と同様に、過酸化水素の原料となる酸素ガスを表面に取り込みやすくするために疎水性であることが望ましい。したがって、例えば、電極芯材にテフロン（登録商標）系懸濁液（疎水性付与）及び導電性の炭素粉末をコーティング（ポーラス性付与）したもの等が用いられる。
本第４実施形態によっても、アノード電極３１Ａ３１とカソード電極３１Ｋ３１との間を流れて通過する被処理水ＬＱの流れもランダムな乱流となり、過酸化水素水の製造効率を向上することができる。
［５］実施形態の効果
各実施形態によれば、試薬としての過酸化水素を用いることなく、簡易な構成で低コストの過酸化水素水製造装置を構築できる。
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 水処理システム
１１ 給水ポンプ
１２ 上流側既設配管
１３ 下流側既設配管
１４ 水処理ユニット
１５ ガス供給管
１５Ａ ガス供給用開口
１６ ガス供給装置
２１ 胴部
２２ 孔
２３ フランジ
２５ エジェクタ部
２５Ａ 導入側拡径部
２５Ｂ ノズル部
２５Ｃ 導出側拡径部
２６ 電気分解部
２７ 電気分解用電極群
２８ 直流電源
３１Ａ、３１Ａ１、３１Ａ１１、３１Ａ２１、３１Ａ３１ アノード電極
３１Ｋ、３１Ｋ１、３１Ｋ１１、３１Ｋ２１、３１Ｋ３１ カソード電極
４１ 電極ベース
４２ 棒状電極
ＬＱ 被処理水
ＯＧ 酸素含有ガス
ＲＦ 乱流
実施形態の過酸化水素水製造装置は、被処理水が導入される導入側拡径部、導入側拡径部に連設され、酸素ガスを含む原料ガスが外部より導入される導入開口が側壁に設けられたノズル部及びノズル部に連設され前記原料ガスが混合された前記被処理水が導出される導出側拡径部を有するエジェクタ部と、エジェクタ部の下流側に設けられ、導出された前記原料ガスが混合された被処理水を電気分解し、酸素ガスを原料として過酸化水素を生成するための電気分解用電極が配置された電気分解部と、を備える。
次に実施形態について図面を参照して説明する。
［１］第１実施形態
図１は、実施形態の水処理システムの概要構成ブロック図である。
水処理システム１０は、加圧状態で被処理水ＬＱを供給する給水ポンプ１１と、上流側既設配管１２と、下流側既設配管１３と、上流側既設配管１２と下流側既設配管１３との間に設置され、過酸化水素水を連続的に製造する過酸化水素水製造装置として機能する水処理ユニット１４と、水処理ユニット１４のガス供給管１５を介して酸素を含んだ酸素含有ガスＯＧを供給できるガス供給装置１６と、を備えている。
ここで、ガス供給装置１６は、原料ガスとしての酸素又は空気ガスなどの酸素を含む酸素含有ガスＯＧを供給する。
胴部２１内のフランジ２３側（図２中、上部側）には、流路径が徐々に狭くなり、再び流路径が徐々に拡がるとともに、流路径が最も狭くなった部分にガス供給管１５のガス供給用開口１５Ａが配置されたエジェクタ（ｅｊｅｃｔｏｒ）部２５と、後述する電極（あるいは電極群）が配置され、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を生成するための電気分解部２６と、を備えている。
エジェクタ部２５は、被処理水ＬＱの導入側に向かって内径が徐々に拡径されている導入側拡径部２５Ａと、ノズル部２５Ｂと、被処理水ＬＱの導出側に向かって内径が徐々に拡径されている導出側拡径部２５Ｃと、を備えている。
そして、エジェクタ部２５の流路径が最も狭くなったノズル部２５Ｂ、すなわち、ガス供給管１５のガス供給用開口１５Ａが配置された部分において最も被処理水ＬＱの流速が早くなり、ベンチュリ効果により減圧状態となる。
そしてほぼ均一に混合された被処理水ＬＱと酸素含有ガスＯＧとは、電気分解部２６に到り、電気分解部２６に配置された電極により（１）式に従って酸素含有ガスＯＧから酸素含有ガスＯＧに含まれる酸素ガスを原料として過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を生成する。
Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ２ …（１）

Claims (5)

  1. 被処理水が導入される導入側拡径部、前記導入側拡径部に連設され、酸素ガスを含む原料ガスが外部より導入される導入開口が側壁に設けられたノズル部及び前記ノズル部に連設され前記原料ガスが混合された前記被処理水が導出される導出側拡径部を有するエジェクタ部と、
    前記エジェクタ部の下流側に設けられ、前記導出されたオゾン含有ガスが混合された前記被処理水を電気分解し、前記酸素ガスを原料として過酸化水素を生成するための電気分解用電極が配置された電気分解部と、を備え、
    前記電気分解用電極を構成するカソード電極は、
    電極芯材と、
    前記電極芯材に積層された多孔質炭素層と、
    前記多孔質炭素層の表面にコーティングにより形成された疎水層と、
    から成る、過酸化水素水製造装置。
  2. 前記電気分解用電極は、板状の電極ベースに複数の棒状電極が立設されている、
    請求項１記載の過酸化水素水製造装置。
  3. 前記電気分解用電極は、連通孔を有する多孔質材料で形成されている３次元電極として構成されている、
    請求項１記載の過酸化水素水製造装置。
  4. 前記疎水層は、ポリテトラフルオロエチレン系懸濁液を前記コーティングすることにより形成されている、
    請求項１記載の過酸化水素水製造装置。
  5. 前記電気分解用電極はさらにアノード電極を備え、前記アノード電極と前記カソード電極とで構成される電極対を複数対備えている、
    請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の過酸化水素水製造装置。
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