JP2021178301A

JP2021178301A - 電解水生成装置

Info

Publication number: JP2021178301A
Application number: JP2020085856A
Authority: JP
Inventors: 祐一澤田; Yuichi Sawada
Original assignee: Aqua Flex Co Ltd
Current assignee: Aqua Flex Co Ltd
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2021-11-18

Abstract

【課題】アルカリ水あるいは酸性水を安定的に生成することのできる電解水生成装置を提供する。【解決手段】電解水生成装置１０は、第１電解室１２と、第２電解室１４と、第１電解室１２と第２電解室１４の間に配置された中央電解室１６と、第１電解室１２と中央電解室１６の間に配置された陽イオン交換膜１８と、第２電解室１４と中央電解室１６の間に配置された陰イオン交換膜２０と、第１電解室１２に設けられた第１電極２２及び中央電解室１６に設けられた第２電極２４からなる第１の電極対２６と、第２電解室１４に設けられた第３電極２８及び中央電解室１６に設けられた第４電極３０からなる第２の電極対３２と、第１の電極対２６に電圧を印加する第１の電源ＰＷ１と、第２の電極対３２に電圧を印加する第２の電源ＰＷ２と、中央電解室１６に電解質水溶液を循環させる循環ポンプ４８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電解水生成装置に関する。

一般に、電解水生成装置において生成される電解水には、アルカリ水、弱酸性水、強酸性水等がある。アルカリ水は、脱脂、洗浄、防錆等の効果を有するといわれている。強酸性水は、洗浄、殺菌、アストリンゼント（収れん）等の効果を有するといわれている。弱酸性水は、洗浄、殺菌、漂白、脱臭、アストリンゼント等の効果を有するといわれている。

次亜塩素酸は、ｐＨによって状態が変化することが知られている。例えば、ｐＨが２．０〜３．５程度の領域では、下記式（１）の反応によって、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）の一部が溶存塩素ガス（Ｃｌ_２）に変化する。

ｐＨが８〜９程度の領域では、下記式（２）の反応によって、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）の一部が次亜塩素酸イオン（ＣｌＯ⁻）と水素イオン（Ｈ^＋）に解離する。

ｐＨが５．０〜６．５程度の領域では、非解離型の次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）が高比率（約９０％以上）で存在する。

水中の次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）、次亜塩素酸イオン（ＣｌＯ⁻）、溶存塩素ガス（Ｃｌ_２）の中で最も殺菌力が強く安全性が高いのは、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）であり、次亜塩素酸の濃度の高いｐＨ５．０〜６．５の次亜塩素酸水は、口腔内の洗浄、衣類の洗浄殺菌、漂白、野菜類等の洗浄殺菌、哺乳瓶等の食器の洗浄殺菌、手指の除菌、近年においては歯科用殺菌水(例えば、特許文献１、２)として使用されている。

一般的に、電解水生成装置には、陽極と陰極の間に隔膜のない一室型電解槽を用いるものと、陽極と陰極がイオン交換膜等の隔膜で仕切られた二室型電解槽を用いるものと、両方を併用するものとがある。例えば、特許文献３には、一室型の無隔膜電解槽を用いて、所定濃度の塩酸（ＨＣｌ）水溶液に所定量の食塩（ＮａＣｌ）を溶解させてなる水溶液を電解して、ｐＨ３〜７の次亜塩素酸水を生成することのできる電解水生成装置が開示されている。

特許文献４には、二室型電解槽を用いた電解水生成装置であって、塩化ナトリウム、塩化カリウム等の塩化物塩と、メタケイ酸ナトリウム等の水に溶けてアルカリ性を示す化合物とを含む溶液を添加した水を電気分解し、電解槽の陰極側にｐＨ１０〜１２．５の強アルカリ水を生成させるとともに、陽極側にｐＨ３〜７．５の次亜塩素酸殺菌水を生成させて、強アルカリ水と次亜塩素酸殺菌水を同時に生成することのできる電解水生成装置が開示されている。

特許文献５には、二室型の有隔膜電解槽で水を電解し、得られたアルカリ水と酸性水を一対の排水管から各別に排出し、一室型の無隔膜電解槽で塩化物水溶液を電解して次亜塩素酸を含む水を調整し、この次亜塩素酸を含む水を排出する排出管を、有隔膜電解槽からの排出管に接続して、アルカリ水、酸性水、及び次亜塩素酸水を適宜混合し、ｐＨが３〜７程度で次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）を多く含むソフト殺菌水と、ｐＨが３以下で塩素（Ｃｌ_２）を多く含むハード殺菌水とを供給する装置が開示されている。

特許文献６には、二室型の有隔膜電解槽で、塩化ナトリウム等の塩化物塩を含む水溶液を電解して、陰極側でｐＨ１０．５〜１３．５の強アルカリ水を生成し、陽極側で塩素ガス（Ｃｌ_２）を含む強酸性水を生成して、この強酸性水を水と混合してｐＨ３〜７．５の次亜塩素酸水を調整する、強アルカリ水、強酸性水、次亜塩素酸水の同時生成方法が開示されている。

特許文献７には、隔膜によって仕切られた第１電解室、第２電解室、及び中央電解室を備え、それらの電解室内に設けられた第１〜第４の電極対の極性を切り替えることによって、弱酸性水、微酸性水、強酸性水、及びアルカリ水を任意に選択して生成することのできる電解水生成装置が開示されている。

国際公開ＷＯ２００９／０９８８７０国際公開ＷＯ２００７／０７２６９７特開平４−１３１１８４号公報特開平９−２６２５８７号公報特開平６−３１２１８９号公報特開平１０−７６２７０号公報特開２０１５−１１２５７０号公報

例えば特許文献７に開示された電解水生成装置では、中央電解室に循環させている電解質水溶液の濃度及びｐＨが安定しないため、アルカリ水あるいは酸性水を安定的に生成することが困難であるという問題があった。また、中央電解室に循環させている電解質水溶液中に気泡が発生し、この気泡が電極に付着して電解効率を低下させてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、アルカリ水あるいは酸性水を安定的に生成することのできる電解水生成装置を提供することを目的とする。

本発明の電解水生成装置は、以下の通りである。
（１）第１電解室と、第２電解室と、前記第１電解室と前記第２電解室の間に配置された中央電解室と、前記第１電解室と前記中央電解室の間に配置された陽イオン交換膜と、前記第２電解室と前記中央電解室の間に配置された陰イオン交換膜と、前記第１電解室に設けられた第１電極及び前記中央電解室に設けられた第２電極からなる第１の電極対と、前記第２電解室に設けられた第３電極及び前記中央電解室に設けられた第４電極からなる第２の電極対と、前記第１の電極対に電圧を印加する第１の電源と、前記第２の電極対に電圧を印加する第２の電源と、前記中央電解室に電解質水溶液を循環させる電解質循環手段と、を備えることを特徴とする電解水生成装置。

（２）前記第１電解室と前記第２電解室とを接続する配管を備える、（１）に記載の電解水生成装置。

（３）前記中央電解室内の圧力を調整する圧力調整手段を備える、（１）または（２）に記載の電解水生成装置。

（４）前記中央電解室を循環する電解質水溶液中に含まれる気泡を除去する気泡除去手段を備える、（１）から（３）のうちいずれかに記載の電解水生成装置。

本発明によれば、アルカリ水あるいは酸性水を安定的に生成することのできる電解水生成装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電解水生成装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る電解水生成装置の概略構成図である。
図１に示すように、電解水生成装置１０は、第１電解室１２と、第２電解室１４と、第１電解室１２と第２電解室１４の間に配置された中央電解室１６を備えている。第１電解室１２と中央電解室１６の間には、陽イオン交換膜１８が配置されている。第２電解室１４と中央電解室１６の間には、陰イオン交換膜２０が配置されている。

電解水生成装置１０は、第１電解室１２に設けられた第１電極２２及び中央電解室１６に設けられた第２電極２４からなる第１の電極対２６と、第２電解室１４に設けられた第３電極２８及び中央電解室１６に設けられた第４電極３０からなる第２の電極対３２とを備えている。第１電極２２及び第２電極２４は、陽イオン交換膜１８を間に挟むように配置されており、第３電極２８及び第４電極３０は、陰イオン交換膜２０を間に挟むように配置されている。

電解水生成装置１０は、第１の電極対２６に電圧を印加する第１の電源ＰＷ１と、第２の電極対３２に電圧を印加する第２の電源ＰＷ２を備えている。

電解水生成装置１０は、第１の電極対２６に流れる電流を調整することのできる第１の電流調整手段３４と、第２の電極対３２に流れる電流を調整することのできる第２の電流調整手段３６を備えている。

陽イオン交換膜１８は、好ましくは非透水性の陽イオン交換膜であり、ナトリウムイオン等の陽イオンを選択的に透過させる膜によって構成される。陽イオン交換膜１８としては、例えば市販の陽イオン交換膜を使用することができる。

陰イオン交換膜２０は、好ましくは非透水性の陰イオン交換膜であり、塩化物イオン等の陰イオンを選択的に透過させる膜によって構成される。陰イオン交換膜２０としては、例えば市販の陰イオン交換膜を使用することができる。

第１〜第４電極には、公知の電極材料を用いることが可能である。例えば、チタン又はチタン合金からなる基材に、白金、イリジウム、パラジウム及びタンタルからなる群より選ばれる１種又は２種以上の金属を含む膜を被覆した電極を用いることが可能である。電極の形状は特に制限するものではなく、例えば長方形の板状の電極を用いることが可能である。次亜塩素酸の生成効率を考慮した場合、例えばチタン又はチタン合金からなる基材に、白金とイリジウムの混合メッキを被覆した電極を用いることが好ましい。

第１の電源ＰＷ１及び第２の電源ＰＷ２には、公知の直流電源を用いることが可能であり、例えば、定電流又は定電圧スイッチング電源を用いることが可能である。

第１の電流調整手段３４及び第２の電流調整手段３６には、各電極対に流れる電流の大きさを調整することのできる機器であれば、どのような機器を用いることも可能である。

図１に示すように、電解水生成装置１０は、アルカリ水あるいは酸性水の生成によって消費される電解質を補充するための電解質補充タンク４０を備えている。中央電解室１６の上部は、循環用配管４２によって電解質補充タンク４０に接続されている。中央電解室１６の下部は、返流用配管４４によって電解質補充タンク４０に接続されている。

電解質補充タンク４０に貯留されている電解質水溶液は、返流用配管４４を通って中央電解室１６の下部に流入する。中央電解室１６の上部から流出した電解質水溶液は、循環用配管４２を通って電解質補充タンク４０に流入する。つまり、電解質水溶液は、循環用配管４２及び返流用配管４４を介して、中央電解室１６と電解質補充タンク４０の間を循環する。

循環用配管４２の途中には、圧力調整バルブ４６が設置されている。圧力調整バルブ４６によって、中央電解室１６内の圧力を第１及び第２電解室１２、１４より高くなるように調整することができる。中央電解室１６内の圧力が第１及び第２電解室１２、１４より僅かでも低くなった場合、塩素濃度が低下し、濃度およびｐＨが不安定となるため、電解効率が悪化する。圧力調整バルブ４６としては、電解質水溶液の圧力を一定に調整できるバルブであれば、どのような種類のバルブを用いることも可能である。圧力調整バルブ４６が、本発明の「圧力調整手段」に対応する。

返流用配管４４の途中には、中央電解室１６と電解質補充タンク４０の間で電解質水溶液を循環させるための循環ポンプ４８が設置されている。循環ポンプ４８には、どのような種類のポンプを用いてもよいが、例えばチューブポンプを用いることができる。チューブポンプを用いることによって、電解質水溶液を一定の流量で安定的に循環させることができる。循環ポンプ４８が、本発明の「電解質循環手段」に対応する。

電解水生成装置１０の運転開始時において、電解質補充タンク４０の内部には電解質水溶液を充填しておくことが好ましい。電解質水溶液としては、飽和塩化ナトリウム水溶液を用いることが好ましい。また、電解水生成装置１０の運転開始後、一定の時間が経過する毎に電解質補充タンク４０の内部の電解質水溶液を、新しい電解質水溶液（例えば飽和塩化ナトリウム水溶液）に交換することが好ましい。

電解水生成装置１０は、第１電解室１２に原水を供給するための原水供給配管５０を備えている。原水供給配管５０の途中には、原水の供給を停止あるいは開始するためのバルブ５０ａが設置されている。バルブ５０ａとしては、電磁弁を用いることが好ましい。第１電解室１２に供給する原水としては、例えば、水道水、軟水、あるいは純水を用いることができる。

原水供給配管５０は、第１の流路５２と、第２の流路５４に分岐している。第１の流路５２には、開閉バルブ５２ａと、流量調整弁５２ｂが設置されている。第２の流路５４にも、開閉バルブ５４ａと、流量調整弁５４ｂが設置されている。開閉バルブ５２ａ、５４ａには、電磁弁を用いることが好ましい。流量調整弁５２ｂ、５４ｂには、手動弁を用いることが好ましい。

電解水生成装置１０によってアルカリ水を生成する場合には、第１電解室１２に供給する原水の流量が少ない方が、一定のｐＨ値を有するアルカリ水を安定的に生成することができる。一方、電解水生成装置１０によって酸性水を生成する場合には、第１電解室１２に供給する原水の流量が多い方が、一定のｐＨ値を有する酸性水を安定的に生成することができる。このため、電解水生成装置１０によってアルカリ水を生成する場合には、２つの開閉バルブ５２ａ、５４ａのうち一方のバルブを閉じておくことが好ましい。電解水生成装置１０によって酸性水を生成する場合には、２つの開閉バルブ５２ａ、５４ａの両方を開いておくことが好ましい。これにより、アルカリ水から酸性水（あるいは酸性水からアルカリ水）の生成へ運転モードを切り替える際の流量調整を容易に行うことができる。第１の流路５２と第２の流路５４それぞれの流量調整は、流量調整弁５２ｂ、５４ｂによって行うことができる。なお、開閉バルブ５２ａ、５４ａ（例えば電磁弁）の個数は、２個以上であればよく、その個数に特に制限はない。

第１の流路５２と第２の流路５４が合流した後の配管５６の途中には、逆止弁５８が設置されており、陽イオンあるいは陰イオンを含む水溶液が原水供給配管５０に逆流することを防止している。また、配管５６の途中にはドレン弁６０が設置されており、ドレン弁６０を開くことによって配管５６内の水を排出することができる。

電解質補充タンク４０の内部には、中央電解室１６と電解質補充タンク４０との間を循環する電解質水溶液中に発生する気泡を除去するための気泡除去手段７０が配置されている。気泡除去手段７０としては、例えば、樹脂製のスポンジや無機物質からなるフィルターを用いることができるが、高いｐＨの電解質水溶液と接触しても容易に変質しないことから、無機物質からなるフィルターを用いることが好ましい。無機物質からなるフィルターとしては、粒状の無機物質を用いることが好ましく、例えば、粒状セラミックスや川砂を用いることが好ましい。また、気泡除去手段７０として、セラミック製ブロックを用いることもできる。

電解質補充タンク４０の内部は仕切壁７２によって２つの部屋７４、７６に仕切られている。このうち一方の部屋７４には、気泡除去手段７０が配置されている。仕切壁７２の下部はメッシュ状で通水可能となっており、気泡除去手段７０によって気泡が除去された後の電解質水溶液は、一方の部屋７４から他方の部屋７６へ流入することが可能となっている。他方の部屋７６へ流入した電解質水溶液は、循環ポンプ４８によって中央電解室１６に送液される。

電解質補充タンク４０の下部には、電解質水溶液を排出するためのドレン弁７１が設置されている。電解水生成装置１０を所定時間運転した後に電解質水溶液を交換する際には、ドレン弁７１を開いて電解質補充タンク４０内の電解質水溶液をすべて排出することが好ましい。その後、新しい電解質水溶液（例えば飽和塩化ナトリウム水溶液）を電解質補充タンク４０に充填することが好ましい。

図１に示すように、第１電解室１２と第２電解室１４は配管７８によって接続されており、第１電解室１２で生成された電解水は、配管７８を通って第２電解室１４に流入することが可能となっている。したがって、第１電解室１２で生成された電解水は、第２電解室１４で生成された電解水と混合した後、第２電解室１４の上部に設けられた電解水排出配管８０を通って外部に排出される。電解水排出配管８０の途中にはｐＨ測定器８２が設置されており、電解水排出配管８０から排出される電解水（アルカリ水又は酸性水）のｐＨを測定することが可能となっている。

第１及び第２の電源ＰＷ１、ＰＷ２、並びに、第１及び第２の電流調整手段３４、３６は、これらを制御するための制御手段（図示せず）に電気的に接続されていてもよい。制御手段としては、例えば、シーケンス制御回路を備えた制御盤やパーソナルコンピュータ等を使用することができる。

次に、上記のように構成された電解水生成装置１０の運転方法について詳しく説明する。なお、以下の説明では、第１電極２２が陰極であり、第２電極２４が陽極であり、第３電極２８が陽極であり、第４電極３０が陰極である例について説明する。また、運転開始時において、電解質補充タンク４０には飽和塩化ナトリウム水溶液が充填されている例について説明する。

電解水生成装置１０によって電解水を生成するために、まず、原水供給配管５０から第１電解室１２に原水を導入する。また、循環ポンプ４８を起動することによって、電解質補充タンク４０及び中央電解室１６の間で電解質水溶液（飽和塩化ナトリウム水溶液）を循環させる。そして、第１及び第２の電極対２６、３２に電圧を印加することによって、各電解室内の水の電気分解を開始する。これにより、第２電解室１４の上部からは、酸性水（微酸性水又は弱酸性水）、又は、アルカリ水が取り出される。

第１電解室１２、第２電解室１４、及び中央電解室１６では、各電極の極性に応じて、例えば以下の反応が発生する。
（陰極での反応）
水素の生成２Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ → Ｈ_２＋２ＯＨ⁻
アルカリ水の生成Ｎａ^＋＋ＯＨ⁻ ⇔ ＮａＯＨ
（陽極での反応）
酸素の生成２Ｈ_２Ｏ → Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ （酸性水の生成）
塩素の生成２Ｃｌ⁻ → Ｃｌ_２＋２ｅ⁻
次亜塩素酸の生成Ｃｌ_２＋Ｈ_２Ｏ → ＨＣｌ＋ＨＣｌＯ

第１の電極対２６に流れる電流の大きさを第１の電流調整手段３４によって調整し、第２の電極対３２に流れる電流の大きさを第２の電流調整手段３６によって調整すれば、任意のｐＨを有する電解水（酸性水あるいはアルカリ水）を電解水排出配管８０から取り出すことができる。例えば、第２の電極対３２に流れる電流を、第１の電極対２６に流れる電流よりも大きくなるように調整すれば、電解水排出配管８０から微酸性水あるいは弱酸性水を取り出すことができる。また、第１の電極対２６にのみ電圧を印加すれば、電解水排出配管８０からアルカリ水を取り出すことができる。

このように、本実施形態の電解水生成装置１０によれば、微酸性水、弱酸性水、あるいはアルカリ水を任意に選択して生成することができるため、極めて利便性の高い電解水生成装置を実現することができる。

本実施形態の電解水生成装置１０によれば、電解質水溶液を中央電解室１６に循環させることで電解水を生成することができる。このとき、第１電解室１２及び第２電解室１４には電解質水溶液を循環させる必要がないため、電解質（例えば塩化ナトリウム）を含まない電解水（酸性水あるいはアルカリ水）を生成することが可能である。したがって、本実施形態の電解水生成装置１０によれば、塩分が全く含まれない電解次亜塩素酸水を生成することが可能である。

本実施形態の電解水生成装置１０によれば、例えば食塩（塩化ナトリウム）を含まない殺菌水を得ることが可能である。このような食塩を含まない殺菌水は、塩害が生じる恐れがある機械や建造物の洗浄や、食材、調理器具、手指などの殺菌に用いることが可能であり、極めて有用である。特に、このような食塩を含まない殺菌水は、野菜栽培の農薬を減少させる目的で使用できるため、極めて有用である。

本実施形態の電解水生成装置１０によれば、中央電解室１６に循環させている電解質水溶液中に発生した水素ガス等からなる気泡を、気泡除去手段７０によって除去することが可能である。これにより、電極対の表面に気泡が付着して電解効率が低下することを防止することが可能であり、一定のｐＨを有する電解水を安定して生成することが可能である。

本実施形態の電解水生成装置１０によれば、中央電解室１６内の圧力を圧力調整バルブ４６によって調整することが可能である。これにより、一定のｐＨを有する電解水を安定して生成することが可能である。

従来の電解水生成装置は、電解側に電解質水溶液（例えば塩水）を供給する構造となっているため、生成した電解水に電解質水溶液が含まれてしまう。この場合、電解水の生成に理論上必要な量よりも多くの量の電解質を消費してしまうため、ランニングコストが高くなるという問題があった。
これに対し、本実施形態の電解水生成装置１０は、中央電解室１６に電解質水溶液を循環させる構造であるため、イオン交換膜を透過した電解質が消費されて電解水が生成されるようになっている。このため、生成した電解水に電解質水溶液が含まれてしまうことがなく、従来の電解水生成装置よりもランニングコストを軽減することが可能である。

１０電解水生成装置
１２第１電解室
１４第２電解室
１６中央電解室
１８陽イオン交換膜
２０陰イオン交換膜
２２第１電極
２４第２電極
２６第１の電極対
２８第３電極
３０第４電極
３２第２の電極対
４０電解質補充タンク
４２循環用配管
４４返流用配管
４６圧力調整バルブ
４８循環ポンプ
５０原水供給配管
７０気泡除去手段
７８配管
８０電解水排出配管

Claims

第１電解室と、
第２電解室と、
前記第１電解室と前記第２電解室の間に配置された中央電解室と、
前記第１電解室と前記中央電解室の間に配置された陽イオン交換膜と、
前記第２電解室と前記中央電解室の間に配置された陰イオン交換膜と、
前記第１電解室に設けられた第１電極及び前記中央電解室に設けられた第２電極からなる第１の電極対と、
前記第２電解室に設けられた第３電極及び前記中央電解室に設けられた第４電極からなる第２の電極対と、
前記第１の電極対に電圧を印加する第１の電源と、
前記第２の電極対に電圧を印加する第２の電源と、
前記中央電解室に電解質水溶液を循環させる電解質循環手段と、
を備えることを特徴とする電解水生成装置。
前記第１電解室と前記第２電解室とを接続する配管を備える、請求項１に記載の電解水生成装置。
前記中央電解室内の圧力を調整する圧力調整手段を備える、請求項１または請求項２に記載の電解水生成装置。
前記中央電解室を循環する電解質水溶液中に含まれる気泡を除去する気泡除去手段を備える、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の電解水生成装置。