JP3649598B2 - 濃縮オゾン発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を電気分解してオゾンを発生させる濃縮オゾン発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水を電気分解して高濃度のオゾンを発生させる従来の濃縮オゾン発生装置の一例の概略構成を図４に示す。
【０００３】
図４に示すように、原料水１を電気分解して酸素２やオゾン３を発生させる電解槽１１０の原料水１の受入口には、送給ポンプ１２１が配管１２２を介して連結されている。未反応の原料水１や酸素２およびオゾン３を送出する電解槽１１０の送出口には、当該原料水１と酸素２およびオゾン３とを分離する気液分離容器１２５が配管１２３を介して連結されている。原料水１の電解により発生した水素４を送出する電解槽１１０の送出口には、図示しない水素回収装置が配管１２４を介して連結されている。
【０００４】
前記気液分離容器１２５の下部には、分離した原料水１を配管１２２に再び送給する配管１２６が連結されている。配管１２６には、保圧バルブ１４７が設けられている。気液分離容器１２５の上部には、分離した酸素２およびオゾン３を高圧（約１０ｋｇ／ｃｍ2 ）で送給する高圧ポンプ１２８が配管１２７を介して連結されている。高圧ポンプ１２８の送出口には、配管１２９の一端が連結されている。配管１２９の他端には、バルブ１３２，１３３を有する配管１３０，１３１の一端がそれぞれ連結されている。
【０００５】
配管１３０，１３１の基端には、酸素２を吸着することなく通過させる一方、オゾン３を所定量吸着したら放出する吸着剤を内部に充填した吸着剤槽１３４，１３５がそれぞれ連結されている。吸着剤槽１３４，１３５の送出口には、バルブ１３８，１３９配管１３６，１３７の一端がそれぞれ連結されている。これら配管１３６，１３７の他端は、配管１４０に連結されている。これら配管１３６，１３７の上記バルブ１３８，１３９の上流側部分には、バルブ１４３，１４４および保圧バルブ１４５，１４６を有するを有する配管１４１，１４２の一端がそれぞれ連結されている。
【０００６】
このような濃縮オゾン発生装置の作用を次に説明する。
バルブ１３２，１４３を開けると共に、バルブ１３３，１３８，１３９，１４４を閉じ、送給ポンプ１２１および高圧ポンプ１２８を作動すると、原料水１が電解槽１１０に送給されて酸素２およびオゾン３と水素４とに電解され、水素４が配管１２４を介して前記水素回収装置に回収され、未反応の原料水１と酸素２およびオゾン３が配管１２３を介して気液分離容器１２５内に流入して原料水１と酸素２およびオゾン３とに分離され、当該原料水１が配管１２６、保圧バルブ１４７を介して送給ポンプ１２１により電解槽１１０内に再び送給される。
【０００７】
一方、酸素２およびオゾン３は、配管１２７を流通して高圧ポンプ１２８により高圧（約１０ｋｇ／ｃｍ2 ）で送給され、配管１２９，１３０、バルブ１３２を介して吸着剤槽１３４内に高圧状態で流入すると、オゾン３が吸着剤槽１３４内の上記吸着剤に吸着される一方、酸素２が当該吸着剤に吸着されることなく吸着剤槽１３４を通過し、配管１４１、保圧バルブ１４５、バルブ１４３を介して大気圧下に放出される。
【０００８】
このようにして前記吸着剤にオゾン３が所定量以上吸着されたら、バルブ１３３，１３８，１４４を開けると共に、バルブ１３２，１３９，１４３を閉じることにより、高圧ポンプ１２８からの酸素２およびオゾン３が配管１２９，１３１、バルブ１３３を介して吸着剤槽１３５内に高圧状態で流入し、上述と同様にして、オゾン３が吸着剤槽１３５内の上記吸着剤に吸着される一方、酸素２が当該吸着剤に吸着されることなく吸着剤槽１３５を通過し、配管１４２、保圧バルブ１４６、バルブ１４４を介して大気圧下に放出される。
【０００９】
また、前記吸着剤槽１３４内の前記吸着剤に吸着されていたオゾン３は、上記バルブ１３８の開放に伴って当該吸着剤から離脱して吸着剤槽１３４から高濃度で送出され、配管１３６、バルブ１３８、配管１４０を介して外部に濃縮状態（オゾン濃度：２０〜８０％、通常４０％程度）で送出される。
【００１０】
このようにして上記吸着剤槽１３４内からオゾン３を濃縮して送出すると共に、上記吸着剤槽１３５内でオゾン３を吸着保持したら、バルブ１３２，１４３，１４４を開けると共に、バルブ１３３，１３８，１３９を閉じることにより、吸着剤槽１３４でオゾン３を吸着保持する一方、吸着剤槽１３５からオゾン３を高濃度で放出する。
【００１１】
以上の操作を繰り返すことにより、オゾン３を濃縮して連続的に送出することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような濃縮オゾン発生装置では、原料水１を電解槽１１０に送給ポンプ１２１で送給し、当該電解槽１１０で発生した酸素２およびオゾン３を高圧ポンプ１２８でさらに送給する必要があるため、運転にかかるコストが高くなってしまっていた。
【００１３】
このようなことから、本発明は、運転コストを抑えることができる濃縮オゾン発生装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する本発明による濃縮オゾン発生装置は、円盤状のイオン交換膜を円盤状のオゾン極および円盤状の水素極で挟んだ電解セルを円盤状のオゾン側セパレータおよび円盤状の水素側セパレータで挟んでなり、前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の対向面間にＯリングが配設されると共に、前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の隙間にシール剤が充填され、前記電解セルの前記イオン交換膜の周縁側が前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータに融着剤を介して融着している電解槽と、前記電解槽に原料水を高圧で送給する高圧ポンプと、前記電解槽から送出された未反応の前記原料水と酸素およびオゾンとを高圧状態下で分離する気液分離手段と、高圧状態で送給された前記オゾンを吸着保持する一方、前記酸素を通過させ、圧力開放することにより、吸着保持した当該オゾンを離脱させて放出する高シリカペンタシルゼオライト、脱アルミニウムフォージャサイト、メソポーラスシリケートのうちのいずれかからなる吸着剤を備えたオゾン濃縮手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１８】
上述した濃縮オゾン発生装置において、前記電解槽の前記イオン交換膜の融着する前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータの面に窪が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
上述した濃縮オゾン発生装置において、前記融着剤がフッ素樹脂、水ガラス、前記イオン交換膜の液状物のうちのいずれかであることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明による濃縮オゾン発生装置の実施の形態を図１〜３を用いて説明する。なお、図１は、濃縮オゾン発生装置の概略構成図、図２は、図１の電解槽の要部の構造を表す断面図、図３は、図２の矢線 III部の抽出拡大図である。
【００２２】
図１に示すように、原料水１を電気分解して酸素２やオゾン３を発生させる電解槽１０の原料水１の受入口には、原料水１を高圧（約１０ｋｇ／ｃｍ2 ）で送給する高圧ポンプ２１が配管２２を介して連結しており、当該電解槽１０は、図２，３に示すような構造をなしている。
【００２３】
図２に示すように、円盤状をなすイオン交換膜１１は、当該イオン交換膜１１よりも小径の円盤状をなす多孔質性のオゾン極１２および水素極１３で挟まれている。このようなイオン交換膜１１、オゾン極１２、水素極１３などにより、本実施の形態では電解セルが構成されている。
【００２４】
上記電解セルは、オゾン極１２側が、円盤状をなすオゾン側セパレータ１５で挟まれ、水素極１３側が、円盤状をなす水素側セパレータ１６で挟まれている。水素極１３と水素側セパレータ１６との間には円盤状をなすスペーサ１４が介在している。
【００２５】
前記水素側セパレータ１６には、水素極１３と外部とを連通する流通路１６ａが形成されている。図２，３に示すように、水素側セパレータ１６の水素極１３との当接面の周縁沿いには、溝１６ｂが周方向にわたって形成されている。この水素側セパレータ１６の当該溝１６ｂ内には、ＮＢＲなどの合成ゴムなどからなるＯリング１７が嵌め込まれている。すなわち、Ｏリング１７は、イオン交換膜１１の周縁寄りをオゾン側セパレータ１５側に押し付けるようにオゾン側セパレータ１５と水素側セパレータとの周縁側の対向面間に配設されてるのである。
【００２６】
一方、前記オゾン側セパレータ１５には、オゾン極１２と外部とを連通する流通路１５ａ（前記高圧ポンプ２１の連結部分）が形成されている。オゾン側セパレータ１５の水素側セパレータ１６との対向面の周縁沿いには、凹状をなす窪１５ｂが当該周縁に沿って複数形成されている。このオゾン側セパレータ１５の上記窪１５ｂ部分とイオン交換膜１１の周縁側との間には、フッ素樹脂からなる融着剤１８が介在しており、オゾン側セパレータ１５の周縁側とイオン交換膜１１の周縁側とは、当該融着剤１８により融着されている。
【００２７】
また、前記水素側セパレータ１６の周縁端のオゾン側セパレータ１５側には、スリーブ１６ｃが形成されており、当該スリーブ１６ｃ内に上記オゾン側セパレータ１５の当該水素側セパレータ１６側が差し込まれている。当該スリーブ１６ｃの内周面とオゾン側セパレータ１５の外周面との隙間には、フッ素樹脂ペーストなどのようなシール剤１９が充填されている。すなわち、シール剤１９は、オゾン側セパレータ１５と水素側セパレータ１６との周縁側の隙間を密閉しているのである。これらオゾン側セパレータ１５と水素側セパレータ１６とは、周方向に沿って一定間隔ごとに図示しないボルト等により締結固定されると共に、図示しない電源に電気的に接続されている。
【００２８】
よって、前記電源を作動すると共に、高圧ポンプ２１から電解槽１０のオゾン側セパレータ１５の流通路１５ａ内に原料水１を高圧で送給すると、電解槽１０は、原料水１を電解して、オゾン極１２側から酸素２およびオゾン３を発生させて未反応の原料水１と共に流通路１５ａから高圧で送出させると共に、水素極１３側から水素４を発生させて水素側セパレータ１６の流通路１６ａから高圧で送出させることが十分にできるのである。
【００２９】
なぜなら、電解槽１０は、▲１▼円盤状をなすと共に周方向に沿って一定間隔ごとに締結固定されているためオゾン側セパレータ１５と水素側セパレータ１６との間の面圧が四角形の場合と比べてムラなく均等になる▲２▼周縁端がＯリング１７でシールされているためガスケット等と比べて面圧が高くシール性が高い▲３▼イオン交換膜１１の周縁側がオゾン側セパレータ１５の周縁側に融着剤１８を介して融着しているため高気密性を維持できる▲４▼オゾン側セパレータ１５の周縁寄りに窪１５ｂが形成されているため融着剤１８のオゾン側セパレータ１５に対する融着性が高く高気密性を維持できる▲５▼オゾン側セパレータ１５と水素側セパレータ１６との周縁側の隙間にシール剤１９が充填されているため当該隙間の気密性が高いからである。
【００３０】
また、図１に示すように、未反応の原料水１や酸素２およびオゾン３を送出する電解槽１０の送出口（前記オゾン側セパレータ１５の流通路１５ａ部分）には、当該原料水１と酸素２およびオゾン３とを分離する気液分離手段である気液分離容器２５が配管２３を介して連結されている。原料水１の電解により発生した水素４を送出する電解槽１０の送出口（前記水素側セパレータ１６の流通路１６ａ部分）には、調圧弁２４ａを有する配管２４を介して図示しない水素回収装置が連結されている。
【００３１】
気液分離容器２５の下部には、分離した原料水１を配管２２に再び送給する配管２６が連結されている。配管２６には、保圧バルブ４７が設けられている。気液分離容器２５の上部には、分離した酸素２およびオゾン３を送給する配管２７の一端が連結されている。配管２７の他端には、バルブ３２，３３を有する配管３０，３１の一端がそれぞれ連結されている。
【００３２】
配管３０，３１の基端には、オゾン３を吸着保持する一方、酸素２を吸着することなく通過させる吸着剤を内部に充填した吸着剤槽３４，３５がそれぞれ連結されている。この吸着剤槽３４，３５に充填される吸着剤としては、シリカゲル、高シリカペンタシルゼオライト（シリカライトまたはＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比が高いＺＳＭ−５）、脱アルミニウムフォージャサイト（超安定Ｙ型ゼオライト：ＵＳＹ）、メソポーラスシリケート（ＭＣＭ−４１、ＦＳＭ−１６、テトラエトキシシランをシリカ源とする低温酸性合成メソポーラスシリケート▲１▼、低分子珪酸をシリカ源とする低温酸性合成メソポーラスシリケート▲２▼など）等の高シリカ吸着剤が挙げられる。
【００３３】
これらの高シリカ吸着剤のうち、シリカゲルは、オゾン３の吸着能力が比較的低く、水に対する耐性も低いが、高シリカペンタシルゼオライトや脱アルミニウムフォージャサイトやメソポーラスシリケートなどは、オゾンの吸着能力が比較的高く、水に対する耐性も高いため、非常に好ましい。
【００３４】
なお、高シリカペンタシルゼオライトは、シリカ源として珪酸ナトリウムやヒュームドシリカを用い、有機テンプレートとしてテトラプロピルアンモニウムブロミドを用い、１５０〜１８０℃程度で水熱合成を行うことにより得られる（ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：１０〜１０００程度）。
【００３５】
また、脱アルミニウムフォージャサイトは、Ｎａ−Ｙ型ゼオライト（ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：５程度）をアンモニア水で処理し、ゼオライトの骨格をなすＡｌの大半を除去することにより得られる（ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：１０〜４００）。
【００３６】
また、メソポーラスシリケートは、１０〜１０００Åのメソ孔を有するシリカ系多孔質体であって、その製造条件等により、ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比が１０程度から、実質的にＳｉＯ2 のみのタイプまで得ることができる。
【００３７】
例えば、ＭＣＭ−４１は、モービル社により開発されたものであり、シリカ源として水ガラスや珪酸ナトリウムなどを用い、有機テンプレートとしてカチオン系界面活性剤（炭素数８以上）を用い、温度１４０℃、ｐＨ１３．５で製造することにより得られる（比表面積：１６００ｍ2 ／ｇ程度，ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：１０００程度）。
【００３８】
ＦＭＳ−１６は、黒田、稲垣等により開発され、カネマイトにカチオン系界面活性剤をインターカレーションすることによりＭＣＭ−４１と類似した構造をなすものが得られる（ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：１０００程度）。
【００３９】
低温酸性合成メソポーラスシリケート▲１▼は、stucky等により提唱された方法、すなわち、シリカ源としてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用い、有機テンプレートとしてカチオン系界面活性剤を用い、室温下、ｐＨ１以下で合成することにより得られ、その合成条件等により、ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比を１０程度から実質的にＳｉＯ2 のみにまで調整可能である。
【００４０】
低温酸性合成メソポーラスシリケート▲２▼は、本発明者等により開発された方法、すなわち、縮重合したシリカを含まない珪酸をシリカ源として用い、カチオン系界面活性剤を有機テンプレートとして用い、室温下、ｐＨ１以下で合成することにより得られ、その合成条件等により、ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比を１０程度から実質的にＳｉＯ2 のみにまで調整可能である。
【００４１】
図１に示すように、吸着剤槽３４，３５の送出口には、バルブ３８，３９を有する配管３６，３７の一端がそれぞれ連結されている。これら配管３６，３７の他端は、配管４０に連結されている。これら配管３６，３７の上記バルブ３８，３９の上流側部分には、バルブ４３，４４および保圧バルブ４５，４６を有する配管４１，４２の一端がそれぞれ連結されている。
【００４２】
なお、本実施の形態では、配管３０，３１，３６，３７，４０，４１，４２、バルブ３２，３３，３８，３９，４３，４４、吸着剤槽３４，３５、保圧バルブ４５，４６などによりオゾン濃縮手段を構成している。
【００４３】
このような濃縮オゾン発生装置の作用を次に説明する。
バルブ３２，４３を開けると共に、バルブ３３，３８，３９，４４を閉じ、前記電源および高圧ポンプ２１を作動すると、原料水１が電解槽１０に高圧（約１０ｋｇ／ｃｍ2 ）で送給され、先に説明したように、電解槽１０内で高圧環境下で酸素２およびオゾン３と水素４とに電解されて、水素４が配管２４を介して大気圧下で前記水素回収装置に回収される一方、未反応の原料水１と酸素２およびオゾン３が配管２３を介して気液分離容器２５内に高圧で流入して原料水１と酸素２およびオゾン３とに分離され、当該原料水１が配管２６、保圧バルブ４７を介して高圧ポンプ２１により電解槽１０内に再び送給される。
【００４４】
一方、酸素２およびオゾン３は、高圧で配管２７を流通して送給され、配管３０、バルブ３２を介して吸着剤槽３４内に高圧状態で流入すると、オゾン３が吸着剤槽３４内の上記吸着剤に吸着される一方、酸素２が当該吸着剤に吸着されることなく吸着剤槽３４を通過し、配管４１、保圧バルブ４５、バルブ４３を介して大気圧下に放出される。
【００４５】
このようにして前記吸着剤がオゾン３を所定量吸着したら、バルブ３３，３８，４４を開けると共に、バルブ３２，３９，４３を閉じることにより、気液分離容器２５からの酸素２およびオゾン３が配管２７，３１、バルブ３３を介して吸着剤槽３５内に高圧状態で流入し、上述と同様にして、オゾン３が吸着剤槽３５内の上記吸着剤に吸着される一方、酸素２が当該吸着剤に吸着されることなく吸着剤槽３５を通過し、配管４２、保圧バルブ４６、バルブ４４を介して大気圧下に放出される。
【００４６】
また、前記吸着剤槽３４内の前記吸着剤に吸着されていたオゾン３は、上記バルブ４３の開放に伴って当該吸着剤から離脱して吸着剤槽３４から高濃度（オゾン濃度：２０〜８０％、通常４０％程度）で放出され、配管３６、バルブ３８、配管４０を介して外部に濃縮された状態で送出される。
【００４７】
このようにして上記吸着剤槽３４内からオゾン３を濃縮して送出すると共に、上記吸着剤槽３５内でオゾン３を所定量吸着保持したら、バルブ３２，４３，４４を開けると共に、バルブ３３，３８，３９を閉じることにより、吸着剤槽３４でオゾン３を吸着保持する一方、吸着剤槽３５からオゾン３を高濃縮で放出する。
【００４８】
以上の操作を繰り返すことにより、オゾン３を連続的に濃縮して送出することができる。
【００４９】
つまり、先に説明したように、電解槽１０内に原料水１を高圧で送給できるようにしたことにより、高圧ポンプ２１だけで済ませることができるようにしたのである。
【００５０】
したがって、使用するポンプの数を減らすことができるので、運転にかかるコストを抑えることができる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、融着剤１８としてフッ素樹脂製のものを適用したが、これに限らず、例えば、水ガラスや、イオン交換膜１１（例えばデュポン社製ナフィオン（商品名））の液状物（ナフィオン液）を適用することも可能である。
【００５２】
また、本実施の形態では、イオン交換膜１１のオゾン側セパレータ１５側を融着剤１８で融着し、イオン交換膜１１の水素側セパレータ１６側にＯリング１７を配設したが、イオン交換膜１１の水素側セパレータ１６側を融着剤１８で融着し、イオン交換膜１１のオゾン側セパレータ１６側にＯリング１７を配設することも可能である。ただし、この場合には、Ｏリング１７の耐オゾン性および融着剤１８の耐水素性を予め検討しておく必要がある。
【００５３】
【発明の効果】
本発明による濃縮オゾン発生装置は、電解槽が、円盤状のイオン交換膜を円盤状のオゾン極および円盤状の水素極で挟んだ電解セルを円盤状のオゾン側セパレータおよび円盤状の水素側セパレータで挟んでなるので、周方向に沿って一定間隔で締結固定することにより、四角形の場合と比べて面圧を全体にわたって均一にすることができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５４】
また、前記電解槽の前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の対向面間にＯリングが配設されているので、ガスケット等と比べて高い面圧でシールすることができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５５】
また、前記電解槽の前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の隙間にシール剤が充填されているので、当該間の気密性を高めることができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５６】
また、前記電解槽の前記電解セルの前記イオン交換膜の周縁側が前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータに融着剤を介して融着しているので、前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータとイオン交換膜の周縁側との間の気密性を高めることができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５７】
また、前記電解槽の前記イオン交換膜の融着する前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータの面に窪が形成されているので、オゾン側セパレータまたは水素側セパレータに対して融着剤を高密着させることができ、高気密性を維持することができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５８】
また、前記融着剤がフッ素樹脂、水ガラス、前記イオン交換膜の液状物のうちのいずれかであれば、上述した効果を確実に得ることができる。
【００５９】
また、送給系を高圧ポンプだけで済ませることができる、すなわち、使用するポンプの数を減らすことができるので、運転にかかるコストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による濃縮オゾン発生装置の実施の形態の概略構成図である。
【図２】 図１の電解槽の要部の構造を表わす断面図である。
【図３】図２の矢線 III部の抽出拡大図である。
【図４】従来の濃縮オゾン発生装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 原料水
２ 酸素
３ オゾン
４ 水素
１０ 電解槽
１１ イオン交換膜
１２ オゾン極
１３ 水素極
１４ スペーサ
１５ オゾン側セパレータ
１５ａ 流通路
１５ｂ 窪
１６ 水素側セパレータ
１６ａ 流通路
１６ｂ 溝
１６ｃ スリーブ
１７ Ｏリング
１８ 融着剤
１９ シール剤
２１ 高圧ポンプ
２２〜２４ 配管
２５ 気液分離容器
２６，２７ 配管
３０，３１ 配管
３２，３３ バルブ
３４，３５ 吸着剤槽
３６，３７ 配管
３８，３９ バルブ
４０〜４２ 配管
４３，４４ バルブ
４５〜４７ 保圧バルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、水を電気分解してオゾンを発生させる濃縮オゾン発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水を電気分解して高濃度のオゾンを発生させる従来の濃縮オゾン発生装置の一例の概略構成を図４に示す。
【０００３】
図４に示すように、原料水１を電気分解して酸素２やオゾン３を発生させる電解槽１１０の原料水１の受入口には、送給ポンプ１２１が配管１２２を介して連結されている。未反応の原料水１や酸素２およびオゾン３を送出する電解槽１１０の送出口には、当該原料水１と酸素２およびオゾン３とを分離する気液分離容器１２５が配管１２３を介して連結されている。原料水１の電解により発生した水素４を送出する電解槽１１０の送出口には、図示しない水素回収装置が配管１２４を介して連結されている。
【０００４】
前記気液分離容器１２５の下部には、分離した原料水１を配管１２２に再び送給する配管１２６が連結されている。配管１２６には、保圧バルブ１４７が設けられている。気液分離容器１２５の上部には、分離した酸素２およびオゾン３を高圧（約１０ｋｇ／ｃｍ2 ）で送給する高圧ポンプ１２８が配管１２７を介して連結されている。高圧ポンプ１２８の送出口には、配管１２９の一端が連結されている。配管１２９の他端には、バルブ１３２，１３３を有する配管１３０，１３１の一端がそれぞれ連結されている。
【０００５】
配管１３０，１３１の基端には、酸素２を吸着することなく通過させる一方、オゾン３を所定量吸着したら放出する吸着剤を内部に充填した吸着剤槽１３４，１３５がそれぞれ連結されている。吸着剤槽１３４，１３５の送出口には、バルブ１３８，１３９配管１３６，１３７の一端がそれぞれ連結されている。これら配管１３６，１３７の他端は、配管１４０に連結されている。これら配管１３６，１３７の上記バルブ１３８，１３９の上流側部分には、バルブ１４３，１４４および保圧バルブ１４５，１４６を有するを有する配管１４１，１４２の一端がそれぞれ連結されている。
【０００６】
このような濃縮オゾン発生装置の作用を次に説明する。
バルブ１３２，１４３を開けると共に、バルブ１３３，１３８，１３９，１４４を閉じ、送給ポンプ１２１および高圧ポンプ１２８を作動すると、原料水１が電解槽１１０に送給されて酸素２およびオゾン３と水素４とに電解され、水素４が配管１２４を介して前記水素回収装置に回収され、未反応の原料水１と酸素２およびオゾン３が配管１２３を介して気液分離容器１２５内に流入して原料水１と酸素２およびオゾン３とに分離され、当該原料水１が配管１２６、保圧バルブ１４７を介して送給ポンプ１２１により電解槽１１０内に再び送給される。
【０００７】
一方、酸素２およびオゾン３は、配管１２７を流通して高圧ポンプ１２８により高圧（約１０ｋｇ／ｃｍ2 ）で送給され、配管１２９，１３０、バルブ１３２を介して吸着剤槽１３４内に高圧状態で流入すると、オゾン３が吸着剤槽１３４内の上記吸着剤に吸着される一方、酸素２が当該吸着剤に吸着されることなく吸着剤槽１３４を通過し、配管１４１、保圧バルブ１４５、バルブ１４３を介して大気圧下に放出される。
【０００８】
このようにして前記吸着剤にオゾン３が所定量以上吸着されたら、バルブ１３３，１３８，１４４を開けると共に、バルブ１３２，１３９，１４３を閉じることにより、高圧ポンプ１２８からの酸素２およびオゾン３が配管１２９，１３１、バルブ１３３を介して吸着剤槽１３５内に高圧状態で流入し、上述と同様にして、オゾン３が吸着剤槽１３５内の上記吸着剤に吸着される一方、酸素２が当該吸着剤に吸着されることなく吸着剤槽１３５を通過し、配管１４２、保圧バルブ１４６、バルブ１４４を介して大気圧下に放出される。
【０００９】
また、前記吸着剤槽１３４内の前記吸着剤に吸着されていたオゾン３は、上記バルブ１３８の開放に伴って当該吸着剤から離脱して吸着剤槽１３４から高濃度で送出され、配管１３６、バルブ１３８、配管１４０を介して外部に濃縮状態（オゾン濃度：２０〜８０％、通常４０％程度）で送出される。
【００１０】
このようにして上記吸着剤槽１３４内からオゾン３を濃縮して送出すると共に、上記吸着剤槽１３５内でオゾン３を吸着保持したら、バルブ１３２，１４３，１４４を開けると共に、バルブ１３３，１３８，１３９を閉じることにより、吸着剤槽１３４でオゾン３を吸着保持する一方、吸着剤槽１３５からオゾン３を高濃度で放出する。
【００１１】
以上の操作を繰り返すことにより、オゾン３を濃縮して連続的に送出することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような濃縮オゾン発生装置では、原料水１を電解槽１１０に送給ポンプ１２１で送給し、当該電解槽１１０で発生した酸素２およびオゾン３を高圧ポンプ１２８でさらに送給する必要があるため、運転にかかるコストが高くなってしまっていた。
【００１３】
このようなことから、本発明は、運転コストを抑えることができる濃縮オゾン発生装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する本発明による濃縮オゾン発生装置は、円盤状のイオン交換膜を円盤状のオゾン極および円盤状の水素極で挟んだ電解セルを円盤状のオゾン側セパレータおよび円盤状の水素側セパレータで挟んでなり、前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の対向面間にＯリングが配設されると共に、前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の隙間にシール剤が充填され、前記電解セルの前記イオン交換膜の周縁側が前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータに融着剤を介して融着している電解槽と、前記電解槽に原料水を高圧で送給する高圧ポンプと、前記電解槽から送出された未反応の前記原料水と酸素およびオゾンとを高圧状態下で分離する気液分離手段と、高圧状態で送給された前記オゾンを吸着保持する一方、前記酸素を通過させ、圧力開放することにより、吸着保持した当該オゾンを離脱させて放出する高シリカペンタシルゼオライト、脱アルミニウムフォージャサイト、メソポーラスシリケートのうちのいずれかからなる吸着剤を備えたオゾン濃縮手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１８】
上述した濃縮オゾン発生装置において、前記電解槽の前記イオン交換膜の融着する前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータの面に窪が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
上述した濃縮オゾン発生装置において、前記融着剤がフッ素樹脂、水ガラス、前記イオン交換膜の液状物のうちのいずれかであることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明による濃縮オゾン発生装置の実施の形態を図１〜３を用いて説明する。なお、図１は、濃縮オゾン発生装置の概略構成図、図２は、図１の電解槽の要部の構造を表す断面図、図３は、図２の矢線 III部の抽出拡大図である。
【００２２】
図１に示すように、原料水１を電気分解して酸素２やオゾン３を発生させる電解槽１０の原料水１の受入口には、原料水１を高圧（約１０ｋｇ／ｃｍ2 ）で送給する高圧ポンプ２１が配管２２を介して連結しており、当該電解槽１０は、図２，３に示すような構造をなしている。
【００２３】
図２に示すように、円盤状をなすイオン交換膜１１は、当該イオン交換膜１１よりも小径の円盤状をなす多孔質性のオゾン極１２および水素極１３で挟まれている。このようなイオン交換膜１１、オゾン極１２、水素極１３などにより、本実施の形態では電解セルが構成されている。
【００２４】
上記電解セルは、オゾン極１２側が、円盤状をなすオゾン側セパレータ１５で挟まれ、水素極１３側が、円盤状をなす水素側セパレータ１６で挟まれている。水素極１３と水素側セパレータ１６との間には円盤状をなすスペーサ１４が介在している。
【００２５】
前記水素側セパレータ１６には、水素極１３と外部とを連通する流通路１６ａが形成されている。図２，３に示すように、水素側セパレータ１６の水素極１３との当接面の周縁沿いには、溝１６ｂが周方向にわたって形成されている。この水素側セパレータ１６の当該溝１６ｂ内には、ＮＢＲなどの合成ゴムなどからなるＯリング１７が嵌め込まれている。すなわち、Ｏリング１７は、イオン交換膜１１の周縁寄りをオゾン側セパレータ１５側に押し付けるようにオゾン側セパレータ１５と水素側セパレータとの周縁側の対向面間に配設されてるのである。
【００２６】
一方、前記オゾン側セパレータ１５には、オゾン極１２と外部とを連通する流通路１５ａ（前記高圧ポンプ２１の連結部分）が形成されている。オゾン側セパレータ１５の水素側セパレータ１６との対向面の周縁沿いには、凹状をなす窪１５ｂが当該周縁に沿って複数形成されている。このオゾン側セパレータ１５の上記窪１５ｂ部分とイオン交換膜１１の周縁側との間には、フッ素樹脂からなる融着剤１８が介在しており、オゾン側セパレータ１５の周縁側とイオン交換膜１１の周縁側とは、当該融着剤１８により融着されている。
【００２７】
また、前記水素側セパレータ１６の周縁端のオゾン側セパレータ１５側には、スリーブ１６ｃが形成されており、当該スリーブ１６ｃ内に上記オゾン側セパレータ１５の当該水素側セパレータ１６側が差し込まれている。当該スリーブ１６ｃの内周面とオゾン側セパレータ１５の外周面との隙間には、フッ素樹脂ペーストなどのようなシール剤１９が充填されている。すなわち、シール剤１９は、オゾン側セパレータ１５と水素側セパレータ１６との周縁側の隙間を密閉しているのである。これらオゾン側セパレータ１５と水素側セパレータ１６とは、周方向に沿って一定間隔ごとに図示しないボルト等により締結固定されると共に、図示しない電源に電気的に接続されている。
【００２８】
よって、前記電源を作動すると共に、高圧ポンプ２１から電解槽１０のオゾン側セパレータ１５の流通路１５ａ内に原料水１を高圧で送給すると、電解槽１０は、原料水１を電解して、オゾン極１２側から酸素２およびオゾン３を発生させて未反応の原料水１と共に流通路１５ａから高圧で送出させると共に、水素極１３側から水素４を発生させて水素側セパレータ１６の流通路１６ａから高圧で送出させることが十分にできるのである。
【００２９】
なぜなら、電解槽１０は、▲１▼円盤状をなすと共に周方向に沿って一定間隔ごとに締結固定されているためオゾン側セパレータ１５と水素側セパレータ１６との間の面圧が四角形の場合と比べてムラなく均等になる▲２▼周縁端がＯリング１７でシールされているためガスケット等と比べて面圧が高くシール性が高い▲３▼イオン交換膜１１の周縁側がオゾン側セパレータ１５の周縁側に融着剤１８を介して融着しているため高気密性を維持できる▲４▼オゾン側セパレータ１５の周縁寄りに窪１５ｂが形成されているため融着剤１８のオゾン側セパレータ１５に対する融着性が高く高気密性を維持できる▲５▼オゾン側セパレータ１５と水素側セパレータ１６との周縁側の隙間にシール剤１９が充填されているため当該隙間の気密性が高いからである。
【００３０】
また、図１に示すように、未反応の原料水１や酸素２およびオゾン３を送出する電解槽１０の送出口（前記オゾン側セパレータ１５の流通路１５ａ部分）には、当該原料水１と酸素２およびオゾン３とを分離する気液分離手段である気液分離容器２５が配管２３を介して連結されている。原料水１の電解により発生した水素４を送出する電解槽１０の送出口（前記水素側セパレータ１６の流通路１６ａ部分）には、調圧弁２４ａを有する配管２４を介して図示しない水素回収装置が連結されている。
【００３１】
気液分離容器２５の下部には、分離した原料水１を配管２２に再び送給する配管２６が連結されている。配管２６には、保圧バルブ４７が設けられている。気液分離容器２５の上部には、分離した酸素２およびオゾン３を送給する配管２７の一端が連結されている。配管２７の他端には、バルブ３２，３３を有する配管３０，３１の一端がそれぞれ連結されている。
【００３２】
配管３０，３１の基端には、オゾン３を吸着保持する一方、酸素２を吸着することなく通過させる吸着剤を内部に充填した吸着剤槽３４，３５がそれぞれ連結されている。この吸着剤槽３４，３５に充填される吸着剤としては、シリカゲル、高シリカペンタシルゼオライト（シリカライトまたはＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比が高いＺＳＭ−５）、脱アルミニウムフォージャサイト（超安定Ｙ型ゼオライト：ＵＳＹ）、メソポーラスシリケート（ＭＣＭ−４１、ＦＳＭ−１６、テトラエトキシシランをシリカ源とする低温酸性合成メソポーラスシリケート▲１▼、低分子珪酸をシリカ源とする低温酸性合成メソポーラスシリケート▲２▼など）等の高シリカ吸着剤が挙げられる。
【００３３】
これらの高シリカ吸着剤のうち、シリカゲルは、オゾン３の吸着能力が比較的低く、水に対する耐性も低いが、高シリカペンタシルゼオライトや脱アルミニウムフォージャサイトやメソポーラスシリケートなどは、オゾンの吸着能力が比較的高く、水に対する耐性も高いため、非常に好ましい。
【００３４】
なお、高シリカペンタシルゼオライトは、シリカ源として珪酸ナトリウムやヒュームドシリカを用い、有機テンプレートとしてテトラプロピルアンモニウムブロミドを用い、１５０〜１８０℃程度で水熱合成を行うことにより得られる（ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：１０〜１０００程度）。
【００３５】
また、脱アルミニウムフォージャサイトは、Ｎａ−Ｙ型ゼオライト（ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：５程度）をアンモニア水で処理し、ゼオライトの骨格をなすＡｌの大半を除去することにより得られる（ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：１０〜４００）。
【００３６】
また、メソポーラスシリケートは、１０〜１０００Åのメソ孔を有するシリカ系多孔質体であって、その製造条件等により、ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比が１０程度から、実質的にＳｉＯ2 のみのタイプまで得ることができる。
【００３７】
例えば、ＭＣＭ−４１は、モービル社により開発されたものであり、シリカ源として水ガラスや珪酸ナトリウムなどを用い、有機テンプレートとしてカチオン系界面活性剤（炭素数８以上）を用い、温度１４０℃、ｐＨ１３．５で製造することにより得られる（比表面積：１６００ｍ2 ／ｇ程度，ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：１０００程度）。
【００３８】
ＦＭＳ−１６は、黒田、稲垣等により開発され、カネマイトにカチオン系界面活性剤をインターカレーションすることによりＭＣＭ−４１と類似した構造をなすものが得られる（ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比：１０００程度）。
【００３９】
低温酸性合成メソポーラスシリケート▲１▼は、stucky等により提唱された方法、すなわち、シリカ源としてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を用い、有機テンプレートとしてカチオン系界面活性剤を用い、室温下、ｐＨ１以下で合成することにより得られ、その合成条件等により、ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比を１０程度から実質的にＳｉＯ2 のみにまで調整可能である。
【００４０】
低温酸性合成メソポーラスシリケート▲２▼は、本発明者等により開発された方法、すなわち、縮重合したシリカを含まない珪酸をシリカ源として用い、カチオン系界面活性剤を有機テンプレートとして用い、室温下、ｐＨ１以下で合成することにより得られ、その合成条件等により、ＳｉＯ2 ／Ａｌ2 Ｏ3 比を１０程度から実質的にＳｉＯ2 のみにまで調整可能である。
【００４１】
図１に示すように、吸着剤槽３４，３５の送出口には、バルブ３８，３９を有する配管３６，３７の一端がそれぞれ連結されている。これら配管３６，３７の他端は、配管４０に連結されている。これら配管３６，３７の上記バルブ３８，３９の上流側部分には、バルブ４３，４４および保圧バルブ４５，４６を有する配管４１，４２の一端がそれぞれ連結されている。
【００４２】
なお、本実施の形態では、配管３０，３１，３６，３７，４０，４１，４２、バルブ３２，３３，３８，３９，４３，４４、吸着剤槽３４，３５、保圧バルブ４５，４６などによりオゾン濃縮手段を構成している。
【００４３】
このような濃縮オゾン発生装置の作用を次に説明する。
バルブ３２，４３を開けると共に、バルブ３３，３８，３９，４４を閉じ、前記電源および高圧ポンプ２１を作動すると、原料水１が電解槽１０に高圧（約１０ｋｇ／ｃｍ2 ）で送給され、先に説明したように、電解槽１０内で高圧環境下で酸素２およびオゾン３と水素４とに電解されて、水素４が配管２４を介して大気圧下で前記水素回収装置に回収される一方、未反応の原料水１と酸素２およびオゾン３が配管２３を介して気液分離容器２５内に高圧で流入して原料水１と酸素２およびオゾン３とに分離され、当該原料水１が配管２６、保圧バルブ４７を介して高圧ポンプ２１により電解槽１０内に再び送給される。
【００４４】
一方、酸素２およびオゾン３は、高圧で配管２７を流通して送給され、配管３０、バルブ３２を介して吸着剤槽３４内に高圧状態で流入すると、オゾン３が吸着剤槽３４内の上記吸着剤に吸着される一方、酸素２が当該吸着剤に吸着されることなく吸着剤槽３４を通過し、配管４１、保圧バルブ４５、バルブ４３を介して大気圧下に放出される。
【００４５】
このようにして前記吸着剤がオゾン３を所定量吸着したら、バルブ３３，３８，４４を開けると共に、バルブ３２，３９，４３を閉じることにより、気液分離容器２５からの酸素２およびオゾン３が配管２７，３１、バルブ３３を介して吸着剤槽３５内に高圧状態で流入し、上述と同様にして、オゾン３が吸着剤槽３５内の上記吸着剤に吸着される一方、酸素２が当該吸着剤に吸着されることなく吸着剤槽３５を通過し、配管４２、保圧バルブ４６、バルブ４４を介して大気圧下に放出される。
【００４６】
また、前記吸着剤槽３４内の前記吸着剤に吸着されていたオゾン３は、上記バルブ４３の開放に伴って当該吸着剤から離脱して吸着剤槽３４から高濃度（オゾン濃度：２０〜８０％、通常４０％程度）で放出され、配管３６、バルブ３８、配管４０を介して外部に濃縮された状態で送出される。
【００４７】
このようにして上記吸着剤槽３４内からオゾン３を濃縮して送出すると共に、上記吸着剤槽３５内でオゾン３を所定量吸着保持したら、バルブ３２，４３，４４を開けると共に、バルブ３３，３８，３９を閉じることにより、吸着剤槽３４でオゾン３を吸着保持する一方、吸着剤槽３５からオゾン３を高濃縮で放出する。
【００４８】
以上の操作を繰り返すことにより、オゾン３を連続的に濃縮して送出することができる。
【００４９】
つまり、先に説明したように、電解槽１０内に原料水１を高圧で送給できるようにしたことにより、高圧ポンプ２１だけで済ませることができるようにしたのである。
【００５０】
したがって、使用するポンプの数を減らすことができるので、運転にかかるコストを抑えることができる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、融着剤１８としてフッ素樹脂製のものを適用したが、これに限らず、例えば、水ガラスや、イオン交換膜１１（例えばデュポン社製ナフィオン（商品名））の液状物（ナフィオン液）を適用することも可能である。
【００５２】
また、本実施の形態では、イオン交換膜１１のオゾン側セパレータ１５側を融着剤１８で融着し、イオン交換膜１１の水素側セパレータ１６側にＯリング１７を配設したが、イオン交換膜１１の水素側セパレータ１６側を融着剤１８で融着し、イオン交換膜１１のオゾン側セパレータ１６側にＯリング１７を配設することも可能である。ただし、この場合には、Ｏリング１７の耐オゾン性および融着剤１８の耐水素性を予め検討しておく必要がある。
【００５３】
【発明の効果】
本発明による濃縮オゾン発生装置は、電解槽が、円盤状のイオン交換膜を円盤状のオゾン極および円盤状の水素極で挟んだ電解セルを円盤状のオゾン側セパレータおよび円盤状の水素側セパレータで挟んでなるので、周方向に沿って一定間隔で締結固定することにより、四角形の場合と比べて面圧を全体にわたって均一にすることができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５４】
また、前記電解槽の前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の対向面間にＯリングが配設されているので、ガスケット等と比べて高い面圧でシールすることができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５５】
また、前記電解槽の前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の隙間にシール剤が充填されているので、当該間の気密性を高めることができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５６】
また、前記電解槽の前記電解セルの前記イオン交換膜の周縁側が前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータに融着剤を介して融着しているので、前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータとイオン交換膜の周縁側との間の気密性を高めることができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５７】
また、前記電解槽の前記イオン交換膜の融着する前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータの面に窪が形成されているので、オゾン側セパレータまたは水素側セパレータに対して融着剤を高密着させることができ、高気密性を維持することができる。このため、電解槽の内部に原料水が高圧で送給されても十分に耐え得ることができる。
【００５８】
また、前記融着剤がフッ素樹脂、水ガラス、前記イオン交換膜の液状物のうちのいずれかであれば、上述した効果を確実に得ることができる。
【００５９】
また、送給系を高圧ポンプだけで済ませることができる、すなわち、使用するポンプの数を減らすことができるので、運転にかかるコストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による濃縮オゾン発生装置の実施の形態の概略構成図である。
【図２】 図１の電解槽の要部の構造を表わす断面図である。
【図３】図２の矢線 III部の抽出拡大図である。
【図４】従来の濃縮オゾン発生装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 原料水
２ 酸素
３ オゾン
４ 水素
１０ 電解槽
１１ イオン交換膜
１２ オゾン極
１３ 水素極
１４ スペーサ
１５ オゾン側セパレータ
１５ａ 流通路
１５ｂ 窪
１６ 水素側セパレータ
１６ａ 流通路
１６ｂ 溝
１６ｃ スリーブ
１７ Ｏリング
１８ 融着剤
１９ シール剤
２１ 高圧ポンプ
２２〜２４ 配管
２５ 気液分離容器
２６，２７ 配管
３０，３１ 配管
３２，３３ バルブ
３４，３５ 吸着剤槽
３６，３７ 配管
３８，３９ バルブ
４０〜４２ 配管
４３，４４ バルブ
４５〜４７ 保圧バルブ
Claims (3)
- 円盤状のイオン交換膜を円盤状のオゾン極および円盤状の水素極で挟んだ電解セルを円盤状のオゾン側セパレータおよび円盤状の水素側セパレータで挟んでなり、前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の対向面間にＯリングが配設されると共に、前記オゾン側セパレータと前記水素側セパレータとの周縁側の隙間にシール剤が充填され、前記電解セルの前記イオン交換膜の周縁側が前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータに融着剤を介して融着している電解槽と、
前記電解槽に原料水を高圧で送給する高圧ポンプと、
前記電解槽から送出された未反応の前記原料水と酸素およびオゾンとを高圧状態下で分離する気液分離手段と、
高圧状態で送給された前記オゾンを吸着保持する一方、前記酸素を通過させ、圧力開放することにより、吸着保持した当該オゾンを離脱させて放出する高シリカペンタシルゼオライト、脱アルミニウムフォージャサイト、メソポーラスシリケートのうちのいずれかからなる吸着剤を備えたオゾン濃縮手段と
を備えてなることを特徴とする濃縮オゾン発生装置。 - 請求項１において、
前記電解槽の前記イオン交換膜の融着する前記オゾン側セパレータまたは前記水素側セパレータの面に窪が形成されている
ことを特徴とする濃縮オゾン発生装置。 - 請求項１において、
前記融着剤がフッ素樹脂、水ガラス、前記イオン交換膜の液状物のうちのいずれかである
ことを特徴とする濃縮オゾン発生装置。
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