JP4024278B2 - バッチ式酸性電解水製造装置及びこれを用いて酸性電解水を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、塩素イオンを含有する水を電気分解して、殺菌力の強い酸性電解水を製造するためのバッチ式酸性電解水製造装置及びこれを用いて酸性電解水を製造する方法に関する。

小量の塩素イオンを存在させた水を電気分解して陽極室で酸性電解水を生成させることは従来から行なわれている。一般的に酸性電解水は、酸性で、次亜塩素酸等を成分とする有効塩素を含む。このような酸性電解水は、大腸菌など各種の細菌やバクテリアに対して強力な殺菌効果を有しており、近年、医療分野、農業分野、酪農分野等で広く使用され始めている。酸性電解水の殺菌効果の元となる有効塩素の形態は、塩素ガス、次亜塩素酸および次亜塩素酸イオン等があるが、その中でも次亜塩素酸は殺菌力が強く、貯蔵期間が長くても殺菌効果が持続する利点が有る。

水を電気分解して有効塩素を含有する殺菌力の強い酸性電解水を製造する方法は大別して次の二つの方法がある。すなわち、（１）あらかじめ塩素イオンを含む電解質を少量添加した原水を、一枚の隔膜で仕切られた陽極室および陰極室を有する二室型電解槽に通水して電気分解して、有効塩素を含有する酸性電解水を陽極室で生成する方法（例えば、特許文献１）、（２）陽極室、陰極室および中間室から成る三室型電解槽の中間室に電解質溶液を存在させ、陽極室および陰極室に原水を通水してさらに陽極および陰極に直流電圧を負荷させることにより、中間室に存在する塩素イオンを含む電解質の中の塩素イオンを電気透析の原理で陽極室に移動せしめ、陽極室で電気分解反応により有効塩素を含有する酸性電解水を生成する方法（例えば、特許文献２）である。

そして、水の電解して酸性電解水を製造するには、連続式とバッチ式とがある。従来から存在する、一定の容量の容器に貯水された原水から酸性電解水を生成するバッチ式の製造方式は、隔膜によって陽極室と陰極室に仕切られた構造の電解槽を用い、あらかじめ少量の食塩等の電解質を添加した電解処理用水を陽極室及び陰極室に於いて電気分解する方式である（非特許文献１）。この方式で生成した酸性電解水は、少量の食塩が入っていたり、塩素臭が強く、また酸性電解水と同時にアルカリ性電解水も生成される等の問題が多い。
特開平１０−１２８３３１号公報 特開２０００−２４６２４９号公報 財団法人機能水研究振興財団学術選考委員会編、「電解水ガイド２００１」、財団法人機能水研究振興財団、２００１年１２月６日、ｐ．１０

本発明は、構造が簡単で小型化でき、分解及び組立てが容易で電極を着脱し易くし、また、塩分を含有せず塩素臭が少ない酸性電解水を、アルカリ性電解水の生成を少量に抑えて製造できるバッチ式酸性電解水製造装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このバッチ式酸性電解水製造装置を用いて、効率よく、塩分を含有せず、塩素臭が少ない酸性電解水を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明は、多数の孔を有する陽電極板、複数のスリット状切れ目を有する保護膜、陰イオン交換膜製隔膜及び陰電極板を、この順に積層し一体構造になした電極によって区切られた陽極室と陰極室を有する電解槽を備え、上記の陰極室は電解質溶液貯槽を兼ねており、また上記の陽極室には原水貯水槽から原水が液体分配器を経て供給され循環するバッチ式酸性電解水製造装置であって、原水貯水槽からの原水は液体分配器で二分され、そのうちの一方の原水は陽極室に導入され電気分解されて酸性電解水になって陽極室から排出され、また他方の原水は電気分解に付されることなく陽極室から排出された前記酸性電解水と合流して原水貯水槽に戻り、循環する構造にしたことを特徴とするバッチ式酸性電解水製造装置である。前記の電解槽は、陽極室の外壁と陰極室の外壁とが、中間に電極を配置した状態で、着脱自在に結合させて構成させた構造にするのが好ましい。

また、本発明は、前記のバッチ式酸性電解水製造装置を用いて酸性電解水を製造するバッチ式酸性電解水製造方法であって、陽極室で電気分解させる原水の水量を電流１アンペア当たり５〜４０ｃｃにすることを特徴とするバッチ式酸性電解水製造方法である。また、本発明は、前記のバッチ式酸性電解水製造方法において、有効塩素濃度がＶｐｐｍの酸性電解水を製造するにあたり、負荷する電流を毎秒積算し、その積算値が原水１リットル当たり（α×Ｖ）クーロン（但し、α＝８〜２０）に到達した時点で電解を終了することを特徴とするバッチ式酸性電解水製造方法である。更に、本発明は、前記のバッチ式酸性電解水製造方法において、原水貯水槽中の原水Ｗリットルを電流Ａアンペアで電気分解して有効塩素濃度Ｖｐｐｍの酸性電解水を製造するにあたり、負荷する電流の積算値が原水１リットル当たり（α×Ｖ）クーロン（但し、α＝８〜２０）になる時間を、予め（α×Ｖ×Ｗ）／Ａの計算式で計算し、その計算した時間に到達した時点で電解を終了することを特徴とするバッチ式酸性電解水製造方法である。

本発明のバッチ式酸性電解水製造装置は、塩分を含有せず塩素臭が少ない酸性電解水を、アルカリ性電解水の生成を少量に抑えて、製造できる。また、このバッチ式酸性電解水製造装置は構造が簡単で小型化でき、また分解及び組立てが容易なため電極の取り替えが簡単である。このバッチ式酸性電解水製造装置を用いて、酸性電解水を製造するにあたり、陽極室に通水する原水を電流１アンペア当たり５〜４０ｃｃに調節することにより生成した酸性電解水の塩素臭を少なくすることができる。また、所定の有効塩素濃度の酸性電解水を製造するにあたり、その電解終了時点を電流積算値又は電気分解時間で決めることによって、効率よく正確に製造することができる。

本発明のバッチ式酸性電解水製造装置の一例の全体フロー図を図１に示す。図１において、Ｅは原水貯水槽、Ｆは循環ポンプ、Ｇは液体分配器、Ｋは電解槽、Ｌは電解質溶液貯槽、Ｈは液体混合器、Ｄは直流電源である。上記の電解質溶液貯槽Ｌは電解槽Ｋの陰極室に繋がっている。原水貯水槽Ｅの原水は循環ポンプＦで液体分配器Ｇに送水され、この液体分配器Ｇで二分され、その一部は電解槽Ｋに送られ、その他は液体混合器Ｈに送られる。電解槽Ｋに送られた原水は、陽極室で電気分解されてから液体混合器Ｈに送られる。電気分解された原水と電気分解されなかった原水は、液体混合器Ｈで合流し、ここで水と陽極室で生成する塩素ガスが反応して次亞塩素酸を生成し、再び原水貯槽Ｅに戻る。原水貯水槽Ｅの中の原水が所定の有効塩素濃度の酸性電解水になるまでこの操作を続け、所望の酸性電解水を得る。

上記の液体分配器Ｇは、原水貯水槽Ｅからの原水を、電気分解に付すべく電解槽Ｋの陽極室に送る分と、電気分解に付することなく直接液体混合器Ｈに送る分とに二分する装置である。そして、電気分解に付すべく陽極室に送る分の原水は、その水量の調整が重要になる。この水量の調整は、液体分配器Ｇの二本の水路をそれぞれ適正な値になるように絞ることによって行ってもよいし、またこの絞りによる調整に代えて定量ポンプを水路に設置して行ってもよい。また、電解質溶液貯槽Ｌに入れられる電解質溶液は、塩化ナトリウム水溶液などであるが、この塩化ナトリウムは、電気分解が進むと塩素イオンが陽極室に電気透析で移動しカセイソーダ等の水酸化物に変化するので、塩素イオンが無くなる前に溶液を新しい塩化ナトリウム水溶液に交換する必要がある。

図２は、電解槽Ｋの一例の分解斜視図である。図２において、Ｍは陽極室の外壁で、８，９はボルトを通す孔である。Ｎは陰極室の外壁で、その背後に電解質溶液貯槽Ｌが繋がった状態で設けられている。１２はその繋がった部分を示す。１０，１１はボルトを通す孔である。Ｊは電極であり、７は電極を構成する陽極板、保護膜、隔膜及び、陰極板を一体化するための固定枠である。陽極室の外壁Ｍと陰極室の外壁Ｎとの間に電極Ｊを挟み、この状態で、孔８と孔１０にボルトを通し、また孔９と孔１１にボルトを通し、それぞれナットで締め付けて、三者を一体にする。このように一体化した電極Ｊを採用し、ボルトとナットで結合することにより、分解・組み立てが容易になり、そのため電解槽中の電極Ｊの交換が簡単且つ容易になる。陽極室の外壁Ｍと電極Ｊの固定枠７とで構成される空間が陽極室になる。この空間は陽極室の外壁Ｍに凹みを形成させて設けてもよい。また、陰極室の外壁Ｎと電極Ｊの固定枠７と電解質溶液貯槽Ｌの繋がり部１２とで構成される空間が陰極室になる。かくして、電解槽Ｋは、電極によって区切られた陽極室と陰極室を有する。原水は孔１３から入り、陽極室で電気分解され孔１４から排出される。

図３は、図２の電極Ｊの分解斜視図である。１は陽極板、２は絶縁体、３は保護膜である。４は隔膜で、陰イオン交換膜で構成されている。５は絶縁体、６は陰極板である。陽極板１、絶縁体２、保護膜３、隔膜４、絶縁体５及び陰極板６を、この順番に重ねて配置し一体化する。一体化は、各部品の周辺に接着剤を使用し、固定枠７を用いて一体化する。この際、接着剤には非導電性のものを用いる。固定枠７の材料は非導電性の材料で、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン等のプラスチックや陶器、ガラスなどである。絶縁体２、５必要に応じて配置する。これらの絶縁体は、非導電性材料、例えばエポキシ樹脂等の合成樹脂などで構成されている。

陽極板１には、孔ａが穿たれている。この孔ａの形状は任意であるが、円形が好ましい。円形の場合の直径は１〜５ｍｍが好ましい。陽極板の材料としては、チタン、金、白金、酸化鉄、グラファイト等が挙げられるが、チタンを母材にして白金族のコーティングをしたものが好ましい。特に有効塩素の発生効率を高めるための触媒として酸化イリジウムやパラジウム、ルテニウム等の白金族を使用することが更に望ましい。使用する金属の厚みは０．１〜５ミリメートル程度が適当である。この例では、陰極板６にも、陽極板１と同様の多数の孔が穿たれている。陰極板６の素材には、陽極板１と同じ材料が使用できるが、溶液がアルカリ性であるために、酸には腐蝕されやすい鉄、ステンレス、スズ、銅等でも短期間使用目的なら使用可能である。

保護膜３は、非導電性材料からなるシートにスリット状切れ目を設けたものである。スリット状切れ目の向きは、上下、左右、斜めなどどの方向でもよい。更に微細な孔を多数設けてもよい。スリット状切れ目の間隔は、任意であるが、あまり細かいとスリット状切れ目間に目開きが生じて塩素ガスが陰イオン交換膜製隔膜に接触するチャンスを増やすことになり、少ないと、ガスや液体の排出が不十分となり、電解電圧上昇の原因となる。一般には、その間隔は１〜７ｍｍが好ましい。この保護膜３は、陽極板面で発生する塩素ガスが陰イオン交換膜製隔膜に直接接触するのを防止し、陰イオン交換膜製隔膜が塩素ガスで劣化するのを防ぐもので、保護膜と陰イオン交換膜製隔膜との中間に液体またはガスが貯まると保護膜が多少変形し、中の液体またはガスを排出させる機能を持たせたものである。保護膜３の材質はアスベスト、グラスウール、ポリ塩化ビニル繊維、ポリ塩化ビニリデン繊維、ポリエステル繊維、芳香族ポリアミド繊維或はそれらの不織布であり、紙、セロハン紙なども用いられる。イオン透過性の良い不織布が特に望ましい。

図３の保護膜３は、その一例を示したものである。１枚の不織布の周辺部を残して多数のスリット状切れ目（スリット）ｂを入れる。このスリットｂの幅は１〜１０ｍｍが好ましく、さらに好ましくは３〜７ｍｍである。この場合は保護膜の製作は簡単であるが、膜に不均一な力がかかってゆがんだり、圧力がかかって膨らんだような時にスリット部分が多小目開きして塩素ガスが陰イオン交換膜製隔膜に接触する恐れがある。従って、膜の変形が少ない小型電極に適する。

保護膜３の他の例を示す。短冊型に切断した複数枚の不織布を用い、短冊型不織布の端部に、別の短冊型不織布をオーバーラップさせて重ね、この短冊型不織布の他端部に更に別の短冊型不織布をオーバーラップさせて重ねることを繰り返して並べ、一体化する。この一体化は、例えば、周辺を接着剤で接着して行う。このオーバーラップさせた部分にスリット状切れ目が形成される。オーバーラップさせる部分の幅は、保護膜の大きさで異なるが、１〜５ｍｍが好ましい。この形態の保護膜は、主に保護膜面積が大きい場合に適しており、保護膜に不均一な力がかかってゆがんだり、圧力がかかって膨らんだような時にもオーバーラップの部分にスリット状切れ目の開口を確保できる。

本発明のバッチ式酸性電解水製造装置を用いると、効率よく、塩分を含有せず、塩素臭が少ない酸性電解水を製造することができる。製造にあたっては、陽極室で電気分解させる原水の水量を電流１アンペア当たり５〜４０ｃｃにする。すなわち、本発明のバッチ式酸性電解水製造装置では、原水貯水槽Ｅの原水は循環ポンプＦで液体分配器Ｇに送水され、この液体分配器Ｇで二分され、その一部は電解槽Ｋに送られ、その他は液体混合器Ｈに送られ、そして電気分解された原水と電気分解されなかった原水（非電解水）は液体混合器Ｈで合流するが、この電解槽Ｋに送水する原水の水量を、液体分配器Ｇを調整して、電流１アンペア当たり５〜４０ｃｃに調節する。これにより、陽極室内の水量が限されるので、塩素イオン比率が高まり、陽極表面の有効塩素の発生効率が高まる。これと同時に、液体混合器Ｈで再び非電解水と良く混合させることにより次亜塩素酸の生成が促進され、生成水から逃げる塩素ガス量が減り、結果として生成した酸性電解水の塩素臭が少なくなる。

本発明のバッチ式酸性電解水製造装置を用いて有効塩素を含む酸性電解水を製造する場合、実験の結果、原水１リットル当たりに負荷する電流の積算値と電解水中の有効塩素濃度とが比例することが分かった。そのため、製造中の電解水のその時点における有効塩素濃度を、実際に測定しなくても、その時点までに原水１リットル当たりに負荷した電流の積算値で知ることができる。これを利用して、所望濃度の有効塩素濃度の酸性電解水を製造するとき、電解終了時点を電流積算値又は電気分解時間で決めることができる。

すなわち、前記のバッチ式酸性電解水製造方法で有効塩素濃度がＶｐｐｍの酸性電解水を製造するにあたり、負荷する電流を毎秒積算し、その積算値が原水１リットル当たり（α×Ｖ）クーロンに到達した時点で電解を終了する。多数の実験を行った結果、有効塩素濃度３０ｐｐｍの酸性電解水を製造するには、原水１リットル当たりの電流積算値は、原水の不純物の種類や濃度、原水の温度などに影響されるが、平均して、４２０クーロン必要であった。すなわち、αは、平均して、（４２０／３０）＝１４であった。このαは、原水の不純物の種類や濃度、原水の温度などに影響されるので、予め、実験して決めておくのが好ましい。実験では、αは８〜２０の範囲内に収まった。この手法を採用することにより、使用者は、生成させる酸性電解水の水量と有効塩素濃度を決めておくと、電流の積算値を基にして生成する酸性電解水の有効塩素濃度を簡単で正確に管理することができるので、生成した酸性電解水の有効塩素濃度をいちいち測定していなくても、目的とする有効塩素濃度の酸性電解水を得ることができる。

更に、前記のバッチ式酸性電解水製造方法で、原水貯水槽中の原水Ｗリットルを電流Ａアンペアで電気分解して有効塩素濃度Ｖｐｐｍの酸性電解水を製造するにあたり、負荷する電流の積算値が原水１リットル当たり（α×Ｖ）クーロン（但し、α＝８〜２０）クーロンになる時間を、予め（α×Ｖ×Ｗ）／Ａの計算式で計算し、その計算した時間に到達した時点で電解を終了する。この手法を採用すると、使用者は、電流を流した時間、すなわち電気分解した時間を基にして生成する酸性電解水の有効塩素濃度を簡単で正確に管理することができるので、生成した酸性電解水の有効塩素濃度をいちいち測定していなくても、目的とする有効塩素濃度の酸性電解水を得ることができる。この際、タイマーを用いて電解終了時間を設定すれば更に便利である。

この実施例では、電極板の面積が２５ｃｍ^２の一体化した電極Ｊを備えたバッチ式酸性電解水製造装置を使用した。この電極Ｊにおいて、陽極板１は、直径３ｍｍの孔を多数有するチタン板に白金／酸化イリジウムをコーティングしたもの、絶縁体２はエポキシ樹脂、保護膜３は、不織布（ユアサ・エム・アンド・ビー社製のミクロンフィルターＭＦ２５０Ｂ）に３ｍｍ幅のスリットを４ｍｍ間隔で設けたもの、隔膜４は陰イオン交換膜、絶縁体５はエポキシ樹脂、陰極板６は、白金メッキしたチタン板である。
電解質溶液貯槽Ｌに飽和食塩水５０ｍＬを入れ、原水貯水槽Ｅに原水５Ｌを貯水した。原水貯水槽Ｅから循環ポンプＦで液体分配器Ｇに送水し、液体分配器Ｇで電気分解に付する原水と電気分解しない原水に分配した。電気分解しない原水はそのまま液体混合器Ｈに送った。電気分解に付する原水は、３０ｃｃ／分の水量で陽極室に送水し、電気分解した。電気分解した原水を、陽極室から排出させ液体混合器Ｈに送った。液体混合器Ｈで、電気分解した原水と電気分解しない原水を合流させ、この合流した原水を原水貯水槽Ｅに戻した。
電解槽Ｋの電極Ｊには、直流電源Ｄより５ボルトの電圧を負荷し、４アンペアの電流を通電した。そして、積算電流が２０００クーロンになった時点で電解を終了した。生成した電解水の有効塩素を測定したところ、約３０ｐｐｍであった。また、電気分解時間は約８分であった。

本発明のバッチ式酸性電解水製造装置の全体フロー図 本発明のバッチ式酸性電解水製造装置の電解槽の一例の分解斜視図 本発明のバッチ式酸性電解水製造装置の電極の一例の分解斜視図

符号の説明

Ｅ 原水貯水槽、Ｆ 循環ポンプ、Ｇ 液体分配器、Ｋ 電解槽、Ｌ 電解質溶液貯槽、Ｈ 液体混合器、Ｄ 直流電源、Ｍ 陽極室の外壁、Ｎ 陰極室の外壁、Ｊ 電極、ａ 陽極板、陰極板の孔、ｂ 保護膜のスリット状切れ目、１ 陽極板、２ 絶縁体、３ 保護膜、４ 陰イオン交換膜製隔膜、５ 絶縁体、６ 陰極板、７ 固定枠、８,９,１０,１１ ボルト用孔、

Claims (5)

1. 多数の孔を有する陽電極板、複数のスリット状切れ目を有する保護膜、陰イオン交換膜製隔膜及び陰電極板を、この順に積層し一体構造になした電極によって区切られた陽極室と陰極室を有する電解槽を備え、上記の陰極室は電解質溶液貯槽を兼ねており、また上記の陽極室には原水貯水槽から原水が液体分配器を経て供給され循環するバッチ式酸性電解水製造装置であって、原水貯水槽からの原水は液体分配器で二分され、そのうちの一方の原水は陽極室に導入され電気分解されて酸性電解水になって陽極室から排出され、また他方の原水は電気分解に付されることなく陽極室から排出された前記酸性電解水と合流して原水貯水槽に戻り、循環する構造にしたことを特徴とするバッチ式酸性電解水製造装置。
2. 陽極室の外壁と陰極室の外壁とが、中間に電極を配置した状態で、着脱自在に結合されて電解槽を構成することを特徴とする請求項１記載のバッチ式酸性電解水製造装置。
3. 請求項１又は２に記載のバッチ式酸性電解水製造装置を用いて酸性電解水を製造するバッチ式酸性電解水製造方法であって、陽極室で電気分解させる原水の水量を電流１アンペア当たり５〜４０ｃｃにすることを特徴とするバッチ式酸性電解水製造方法。
4. 請求項３記載のバッチ式酸性電解水製造方法において、有効塩素濃度がＶｐｐｍの酸性電解水を製造するにあたり、負荷する電流を毎秒積算し、その積算値が原水１リットル当たり（α×Ｖ）クーロン（但し、α＝８〜２０）に到達した時点で電解を終了することを特徴とするバッチ式酸性電解水製造方法。
5. 請求項３記載のバッチ式酸性電解水製造方法において、原水貯水槽中の原水Ｗリットルを電流Ａアンペアで電気分解して有効塩素濃度Ｖｐｐｍの酸性電解水を製造するにあたり、負荷する電流の積算値が原水１リットル当たり（α×Ｖ）クーロン（但し、α＝８〜２０）になる時間を、予め（α×Ｖ×Ｗ）／Ａの計算式で計算し、その計算した時間に到達した時点で電解を終了することを特徴とするバッチ式酸性電解水製造方法。
   

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