JP4394942B2

JP4394942B2 - 電解式オゾナイザ

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Publication number: JP4394942B2
Application number: JP2003424551A
Authority: JP
Inventors: 謙介奥田
Original assignee: IHI Shibaura Machinery Corp
Current assignee: IHI Shibaura Machinery Corp
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2005177672A

Description

本発明は、陽極と、陰極と、これらに挟まれる固体電解質とを具備する電解式オゾナイザの技術に関する。より詳細には、オゾン生成効率を向上させるための電解式オゾナイザの陽極の構造に関する。

近年、環境に優しい殺菌消毒方法および有機物等の分解方法として、オゾン水を利用することが注目されている。これは、オゾンは使用後酸素に分解するため水中に残留することが無く、従来の洗浄液による殺菌消毒や有機物の分解のように排水に薬品等が残留するおそれがないこと、酸素や水を原料とするため原料の調達が容易であること、といった利点を有することによる。

従来、オゾン水（オゾンが溶解した水）を得る代表的な方法としては、オゾン曝気法と、水電解法とが知られている。オゾン曝気法は、無声放電電界中に酸素ガスまたは空気を通過させることにより高濃度のオゾンガスを生成し、該オゾンガスと水とを気液接触させてオゾンを水に溶解することによりオゾン水を得る方法である。一方、水電解法は、少なくとも表面部がオゾン発生触媒機能を有する金属からなる金属片等（例えば、銅片や鉄片の表面に白金を電着したもの）を陽極として用いて水を電気分解することにより、陽極表面に生成される酸素ガスに中に含まれる形でオゾンガスを生成し、該オゾンガスを水に溶解してオゾン水を得る方法である。

水電解法はオゾン曝気法と比較して、高電圧を発生させる電源装置等の大型の設備を必要としないこと、高濃度のオゾンガスを漏洩させるおそれがないこと、オゾン曝気法により生成されるオゾン水に特有のオゾン臭が少ないこと、といった利点があり、安価かつ小型のオゾナイザに適している。一方、オゾン水は十分な殺菌消毒作用や有機物等の分解作用を発揮するために所定以上の濃度を必要とするが、高濃度のオゾン水を得ることが困難であることが水電解法の問題点として挙げられる。

水電解法に用いられる陽極の表面に電着されるオゾン発生触媒機能を有する金属としては、β相ＰｂＯ２や白金、ニッケル等が知られている。このうち、β相ＰｂＯ２は水電解法の中では比較的高濃度のオゾン水を得られることが知られているが、地下水の汚染等の問題から、電解式オゾナイザ（水電解法を用いたオゾン水生成装置）を構成する材料として鉛を使用しないことが望まれている。従って、環境に悪影響を及ぼすおそれがない白金やニッケル等の材料を用いて構成し、かつ高濃度のオゾン水を得られる電解式オゾナイザが検討されている。また、フッ素系陽イオン交換膜等の固体電解質の一方の面に陽極を当接させ、該固体電解質の他方の面に陰極を当接させて陽極と陰極との間に直流電圧を印加することにより、陽極と陰極との距離を短くして（数百ミクロン程度）、高効率の電気分解（オゾンの生成）が可能であることが知られている。

一般的に、電解式オゾナイザにより生成されるオゾン水のオゾン濃度を向上させる方法としては、電気分解時にオゾンが多く生成されることが知られているオゾン生成領域（陽極と、固体電解質と、原料水との三相境界領域）を多くしてオゾンガスの生成量自体を多くし、かつ、生成したオゾンガスを含む酸素ガスを速やかにオゾン生成領域から引き離して原料水（陽極に沿って流過される水であり、オゾンが溶解されてオゾン水となる）と混合することにより、オゾン生成領域においてオゾンが分解する逆反応を抑制するとともにオゾンの原料水への溶解を促進することが挙げられる。そこで、陽極の形状を金網状として、陽極におけるオゾン生成領域を多くする方法や、陽極に沿って流過する原料水に旋回流を起こして撹拌することにより、オゾンの原料水への溶解を促進する方法が提案されている。例えば、特許文献１および特許文献２に記載の如くである。

特開平８−１３４６７８号公報特開２００３−８８８６６号公報

しかし、陽極に沿って流過する水に旋回流を起こして撹拌する方法は、旋回流を発生させるための部品等が必要となり、装置が大型化するとともに構造が複雑になるという問題があった。また、旋回流を起こさずに陽極を金網状やメッシュ状とした場合、前記オゾン生成領域は多くなるものの、該オゾン生成領域の原料水がスムーズに流過せずオゾン生成領域に滞留する傾向があり、オゾンが分解する逆反応も盛んに起こるため、最終的なオゾン水の濃度を高めるのが困難であった。

本発明は以上の如き状況に鑑み、旋回流を発生させるための部品等を追加することなく、陽極と固体電解質と原料水の三相領域（オゾン生成領域）における原料水の滞留を防止して、高濃度のオゾン水を生成可能な電解式オゾナイザを提供するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

固体電解質（１４）の一方の面に、少なくとも表面部がオゾン発生触媒機能を有する金属からなる陽極（１２）を当接させ、該固体電解質（１４）の他方の面に陰極（１３）を当接させ、該陽極（１２）と陰極（１３）との間に直流電圧を印加することによりオゾン水を生成する電解式オゾナイザ（１）において、該陽極（１２）は、複数のセグメント（１２ａ・・）と、一対の連結部材（１２ｂ・１２ｂ）と、複数のスリット（１２ｃ・・）から構成し、該１本のセグメント（１２ａ）は、一方向に長い略直方体形状の部材とし、金属や黒鉛、カーボンナノチューブ等の導電性物質から構成し、表面部はオゾン発生触媒機能を有する白金やニッケル等の金属を電着し、該複数のセグメント（１２ａ・・）は、その長手方向を略平行に配置し、かつ隣接するセグメント（１２ａ・・）との間に所定の間隔を開け、隣接するセグメント（１２ａ・・）間に、一方向に長い細隙であるスリット（１２ｃ・・）を構成し、前記一対の連結部材（１２ｂ・１２ｂ）も、一方向に長い略直方体形状の部材により構成し、複数のセグメント（１２ａ・・）の両端部において、該セグメント（１２ａ・・）を連結固定し、該連結部材（１２ｂ・１２ｂ）の長手方向は、該セグメント（１２ａ・・）の長手方向と略直交して配置し、該スリット（１２ｃ）の長手方向と、陽極（１２）に沿って流過する原料水の流過方向とを略一致させたものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、固体電解質（１４）の一方の面に、少なくとも表面部がオゾン発生触媒機能を有する金属からなる陽極（１２）を当接させ、該固体電解質（１４）の他方の面に陰極（１３）を当接させ、該陽極（１２）と陰極（１３）との間に直流電圧を印加することによりオゾン水を生成する電解式オゾナイザ（１）において、該陽極（１２）は、複数のセグメント（１２ａ・・）と、一対の連結部材（１２ｂ・１２ｂ）と、複数のスリット（１２ｃ・・）から構成し、該１本のセグメント（１２ａ）は、一方向に長い略直方体形状の部材とし、金属や黒鉛、カーボンナノチューブ等の導電性物質から構成し、表面部はオゾン発生触媒機能を有する白金やニッケル等の金属を電着し、該複数のセグメント（１２ａ・・）は、その長手方向を略平行に配置し、かつ隣接するセグメント（１２ａ・・）との間に所定の間隔を開け、隣接するセグメント（１２ａ・・）間に、一方向に長い細隙であるスリット（１２ｃ・・）を構成し、前記一対の連結部材（１２ｂ・１２ｂ）も、一方向に長い略直方体形状の部材により構成し、複数のセグメント（１２ａ・・）の両端部において、該セグメント（１２ａ・・）を連結固定し、該連結部材（１２ｂ・１２ｂ）の長手方向は、該セグメント（１２ａ・・）の長手方向と略直交して配置し、該スリット（１２ｃ）の長手方向と、陽極（１２）に沿って流過する原料水の流過方向とを略一致させたので、オゾン生成領域に生成した酸素ガスおよび該酸素ガスに含まれるオゾンガスの気泡が小さい時点で原料水と混合可能であるとともに、該気泡に含まれるオゾンが分解する逆反応が進行することを抑制することが可能であり、原料水へオゾンが溶解する効率（オゾン水生成効率）が向上する。
また、陽極槽内に原料水を撹拌するための部品等を設けなくても原料水とオゾンが含まれる気泡とを十分に混合することが可能であり、電解式オゾナイザの小型化、簡素化が容易である。

以下では、図１を用いて本発明の電解式オゾナイザの第一実施例である電解式オゾナイザ１の構成について説明する。なお、本発明は以下で説明する電解式オゾナイザの第一実施例である電解式オゾナイザ１および第二実施例である電解式オゾナイザ１０１に限定されず、電解式オゾナイザに広く適用可能である。電解式オゾナイザ１は、原料水を電気分解することによりオゾン水（オゾンが溶解した水）を生成するものであり、主にオゾン生成手段１０、直流電源２０、酸性水流過手段３０、およびこれらを接続する配管群や切替弁等で構成される。

ここで、「原料水」とはオゾン生成手段１０に供給されてオゾン水の原料となる水または水溶液の総称であり、具体例としては純水、水道水（上水）、工業用水等が挙げられる。吐出されたオゾン水の使用方法としては、該オゾン水を対象物に散布したり対象物をオゾン水に浸漬することによる殺菌消毒や有機物等（臭いやぬめり）の分解除去等を行うといったことが挙げられる。また、この他にも原料水を電解式オゾナイザに通して、原料水中に混入している微生物や細菌の殺菌消毒を行ったり、所定の有機物等の分解を行うといった使用方法も考えられる。このような場合には、微生物や細菌、所定の有機物等を含む産業用排水等も原料水に含まれる。

オゾン生成手段１０は原料水にオゾンを溶解させてオゾン水を生成するものである。オゾン生成手段１０は主に筐体１１、陽極１２、陰極１３、固体電解質１４、陽極槽１５、陰極槽１６等で構成される。

筐体１１は、その内部に空間が形成され、該空間にオゾン生成手段１０を構成する他の部材を収容する容器（構造体）である。

本実施例における陽極１２および陰極１３は金属片や黒鉛やカーボンナノチューブ等の導電性物質からなり、原料水の電気分解を行うものである。電気分解時（陽極１２と陰極１３の間に直流電圧が印加されているとき）に陽極１２の表面では酸素ガスの気泡に含まれる形でオゾンが生成されるとともに、陰極１３の表面では水素ガスが生成される。このとき、陽極１２は少なくともその表面部がオゾン発生触媒機能を有する金属（例えば白金やニッケル等）からなる。陽極１２の詳細構成（形状等）については後述する。

固体電解質１４はいわゆる陽イオン交換膜で構成され、水素イオンやナトリウムイオン、マグネシウムイオンやカルシウムイオン等の陽イオンは通過することができ、水分子等のサイズの大きい分子や陰イオンは通過することができないという性質を有する。固体電解質１４は、筐体１１内部の空間を二つの空間に区画し、固体電解質１４の一方の面には陽極１２が当接されるとともに、固体電解質１４の他方の面には陰極１３が当接される。

陽極槽１５は、固体電解質１４により二つに区画された筐体１１内部の空間のうち、陽極１２が収容されている方の空間である。陽極槽１５の一端（本実施例の場合、下端部）には筐体１１の外部と陽極槽１５とを連通する給水口１５ａが形成され、陽極槽１５の他端（本実施例の場合、上端部）には筐体１１の外部と陽極槽１５とを連通する吐水口１５ｂが形成される。

陰極槽１６は、固体電解質１４により二つに区画された筐体１１内部の空間のうち、陰極１３が収容されている方の空間である。陰極槽１６の一端（本実施例の場合、下端部）には筐体１１の外部と陰極槽１６とを連通する給水口１６ａが形成され、陰極槽１６の他端（本実施例の場合、上端部）には筐体１１の外部と陰極槽１６とを連通する吐水口１６ｂが形成される。

直流電源２０はオゾン生成手段１０の陽極１２と陰極１３との間に直流電圧を印加する電源装置である。

酸性水流過手段３０は前記オゾン生成手段１０の陰極槽１６に酸性水を供給し、陰極１３に沿って酸性水を流過するものである。ここで、「酸性水」とは酸性の（ｐＨが７よりも小さい）水または水溶液の総称であり、電解水製造装置等の電解水生成手段を用いて水を電気分解することにより生成した酸性電解水も含まれる。酸性水流過手段３０は主に、タンク３１、該酸性水を圧送するポンプ３２等で構成される。タンク３１は酸性水を貯留する容器である。ポンプ３２はタンク３１に貯留されている酸性水をオゾン生成手段１０の陰極槽１６に圧送する。

以下では電解式オゾナイザ１を構成する部材を接続する配管群および切替弁について説明する。原料水供給配管４０は、原料水供給ライン（例えば、水道水の配管）と、オゾン生成手段１０の陽極槽１５側の給水口１５ａと、を接続する。分岐配管４１は、原料水供給配管４０の中途部と、三方弁６０と、を接続する。吐出配管４２はオゾン水を外部に吐出するための配管であり、その一端がオゾン生成手段１０の陽極槽１５側の吐水口１５ｂに接続される。配管４３は、オゾン生成手段１０の陰極槽１６側の吐水口１６ｂと、三方弁６１と、を接続する。排出配管４４は陰極槽１６を通過した水（原料水または酸性水）を外部に排出するための配管であり、その一端が三方弁６１に接続される。戻り配管４５は、三方弁６１と、タンク３１の上部と、を接続する。配管４６は、タンク３１の底部と、ポンプ３２の吸入側ポートと、を接続する。圧送配管４７は、ポンプ３２の吐出側ポートと、三方弁６０と、を接続する。配管４８は、三方弁６０と、オゾン生成手段１０の陰極槽１６側の給水口１６ａと、を接続する。三方弁６０および三方弁６１は、オゾン生成手段１０の陰極槽１６に原料水または酸性水を供給するために電解式オゾナイザ１を構成する部材を接続する配管経路を切り替える。

以下では、図１を用いて電解式オゾナイザ１におけるオゾン水の生成方法について説明する。原料水は原料水供給配管４０および給水口１５ａを経て陽極槽１５に供給される。また、原料水は原料水供給配管４０→分岐配管４１→三方弁６０→配管４８→給水口１６ａを経て陰極槽１６に供給される。陽極１２と陰極１３との間には直流電源２０により直流電圧が印加され、オゾン生成手段１０内で電気分解が行われる。このとき、陽極槽１５では水が電気分解されて水素イオン、酸素ガスおよびオゾンが生成される。また、陰極槽１６では水が電気分解されて水素ガスおよび水酸化物イオンが生成される。

陽極槽１５内の陽イオンである水素イオンは、陽イオン交換膜からなる固体電解質１４を通過し、陰極１３から電子を受け取って（還元されて）水素ガスとなる。このとき、陽極槽１５に供給される原料水にマグネシウムイオンやカルシウムイオン等の陽イオン（無機物イオン）が含まれていると、これらも固体電解質１４を通過し、陰極１３から電子を受け取って（還元されて）固体のマグネシウムやカルシウムが析出する。

陽極槽１５内で生成されたオゾンが原料水に溶解することによりオゾン水が生成される。そして、吐水口１５ｂおよび吐出配管４２を経て電解式オゾナイザ１の外部にオゾン水が吐出される。また、陰極槽１６内の原料水は吐水口１６ｂ→三方弁６１→排出配管４４を経て外部に排出される。

前述の如く、原料水に含まれているマグネシウムイオンやカルシウムイオン等の陽イオン（無機物イオン）が陰極槽１６において還元されて析出したマグネシウムやカルシウム（以下、析出物という）は、同じく陰極槽１６において還元されて生成される水素ガスと異なり、陰極１３の表面（特に、陰極１３と固体電解質１４と原料水との三相境界）に固着し、電気分解の進行に伴って堆積する。このように陰極１３に析出物が堆積すると、電気分解に要する電圧が上昇するため、同じ電圧で電気分解を継続していると電流値が低下していく。結果として、陽極１２で生成される水素イオンや酸素ガス、オゾンの量が減少し、陽極１２でのオゾン生成効率が低下する。

そこで、本実施例の電解式オゾナイザ１には、陰極１３の表面への析出物の堆積を防止するために酸性水流過手段３０が設けられている。酸性水流過手段３０は陰極槽１６に断続的、または連続的に酸性水を供給し、陰極１３に沿って酸性水を流過させることにより、陰極１３の表面に析出する無機物を再溶解して除去する（または、酸性水中の水素イオンを優先的に陰極１３の表面で還元させることにより、陰極１３表面における無機物イオンの還元を抑制する）。本実施例の場合、タンク３１に貯留されている酸性水がポンプ３２により配管４６→ポンプ３２→圧送配管４７→三方弁６０→配管４８→給水口１６ａを経て陰極槽１６に供給される。そして、酸性水により陰極１３の表面の析出物が溶解され、該析出物の陽イオンが溶解した状態の酸性水は、吐水口１６ｂ→三方弁６１→戻り配管４５を経てタンク３１に戻される。

以上の如く、本発明の電解式オゾナイザの第一実施例である電解式オゾナイザ１は、固体電解質１４の一方の面に少なくとも表面部がオゾン発生触媒機能を有する金属からなる陽極１２を当接させ、該固体電解質１４の他方の面に陰極１３を当接させ、陽極１２と陰極１３との間に直流電圧を印加することによりオゾン水を生成する電解式オゾナイザであって、酸性水を陰極１３に沿って連続的または断続的に流過させる酸性水流過手段３０を設けたものである。また、酸性水流過手段３０は酸性水を貯留するタンク３１と、酸性水を圧送するポンプ３２とを具備している。

このように構成することにより、原料水にマグネシウムイオンやカルシウムイオン等の無機物イオンが含まれている場合でも軟水器等の高価かつ大型の設備を付加することなく、電解式オゾナイザ１の陰極１３の表面に析出物が形成されることを防止し、オゾン生成効率を高く保持して高濃度のオゾン水を継続して生成することが可能である。

なお、三方弁６０および三方弁６１を切り替えて、陰極槽１６に原料水または酸性水のいずれを流過させるかは、原料水に含まれる無機物イオンの量により適宜選択することが望ましく、限定されない。例えば、原料水に含まれる無機物イオンの量が少ない場合には、通常時（オゾン水を生成しているとき）には陰極槽１６に原料水を流過させてオゾン水を生成し、断続的に（定期的に）陰極槽１６に酸性水を流過させて陰極１３表面の析出物を除去する、といった使用方法が考えられる。また、原料水に含まれる無機物イオンの量が多い場合には、通常時（オゾン水を生成しているとき）にも陰極槽１６に連続的に酸性水を流過させて陰極１３表面の析出物を除去する、といった使用方法が考えられる。ずなわち、オゾン水を生成しているときに、陰極槽１６に酸性水を連続的または断続的に流過させることが可能であり、いずれの流過方法を選択するかは使用する原料水の性状（無機物イオンの溶解量）や電解式オゾナイザの使用頻度等を考慮して適宜選択することが可能である。

さらに、直流電源２０の電流値や電圧値を検知して、オゾン生成効率が低下した（電圧が所定値以上となった、または電流値が所定値以下となった）時点で制御装置（図示せず）により三方弁６０および三方弁６１を切り替える、または警報を発して作業者が手動で三方弁６０および三方弁６１を切り替える構成としても良い。この場合三方弁６０・６１は電磁弁により構成し、ソレノイドを制御装置と接続する。さらにまた、酸性水中の水素イオンが陰極１３にて還元されて水素ガスとなって減少し、酸性水のｐＨがｐＨ≒７となると陰極１３表面の析出物を除去する効果が小さくなるという問題があるが、タンク３１または酸性水の循環経路（配管４６→ポンプ３２→圧送配管４７→三方弁６０→配管４８→給水口１６ａ→陰極槽１６→吐水口１６ｂ→三方弁６１→戻り配管４５）の中途部にｐＨセンサを設けて制御装置と接続し、該制御装置には警報装置を接続して、酸性水のｐＨが所定値以下となった時点で警報を出し、作業者に酸性水の交換を促す構成としても良い。

以下では、図２を用いて本発明の電解式オゾナイザの第二実施例である電解式オゾナイザ１０１の構成について説明する。電解式オゾナイザ１０１は原料水を電気分解することによりオゾン水（オゾンが溶解した水）を生成するものであり、主にオゾン生成手段１１０、直流電源１２０、酸性水流過手段１３０、およびこれらを接続する配管群や切替弁等で構成される。

オゾン生成手段１１０は原料水にオゾンを溶解させてオゾン水を生成するものである。オゾン生成手段１１０は主に筐体１１１、陽極１１２、陰極１１３、固体電解質１１４、陽極槽１１５、陰極槽１１６等で構成される。なお、本実施例におけるオゾン生成手段１１０は前記第一実施例におけるオゾン生成手段１０と略同じ構成であることから、詳細構成の説明については省略する。

直流電源１２０はオゾン生成手段１１０の陽極１１２と陰極１１３との間に直流電圧を印加する電源装置である。なお、本実施例の直流電源１２０は後述する電解水生成手段１３３の陽極１７２および陰極１７３の間に直流電圧を印加する電源装置としての機能を兼ねるが、これに限定されず、別体の電源装置を設けて該電源装置により電解水生成手段１３３の陽極１７２および陰極１７３の間に直流電圧を印加しても良い。

酸性水流過手段１３０は前記オゾン生成手段１１０の陰極槽１１６に酸性水を供給し、陰極１１３に沿って酸性水を流過するものである。酸性水流過手段１３０は主に、食塩水タンク１３１、ポンプ１３２、電解水生成手段１３３等で構成される。食塩水タンク１３１は原料水等の水に塩化ナトリウム（または塩化カリウム等の塩類）を添加して、水の電気分解に適した所定の濃度（導電率）の食塩水（または電解質水溶液）を生成するものである。ポンプ１３２は食塩水タンク１３１にて生成された食塩水（または電解質水溶液）を圧送して電解水生成手段１３３に供給し、電解水生成手段１３３にて生成された酸性電解水（酸性水の一種）をオゾン生成手段１１０の陰極槽１１６に供給するものである。

電解水生成手段１３３は、食塩水（または電解質水溶液）を電気分解して、酸性電解水（酸性水の一種）を生成するものである。電解水生成手段１３３は主に筐体１７１、陽極１７２、陰極１７３、隔膜１７４、陽極槽１７５、陰極槽１７６等で構成される。なお、本実施例における電解水生成手段１３３は、陽極１７２の詳細構成がオゾンの生成を促進する（オゾンの生成効率を向上させる）ことを必要としない点、および隔膜１７４が固体電解質である必要がない点を除けば基本的にはオゾン生成手段１０（またはオゾン生成手段１１０）と略同じ構成であることから、詳細構成の説明については省略する。

以下では電解式オゾナイザ１０１を構成する部材を接続する配管群および切替弁について説明する。原料水供給配管１４０は、原料水供給ライン（例えば、水道水の配管）と、三方弁１６２と、を接続する。配管１４１は、三方弁１６２と、オゾン生成手段１１０の陽極槽１１５側の給水口１１５ａと、を接続する。分岐配管１４２は、配管１４１の中途部と、三方弁１６３と、を接続する。吐出配管１４３はオゾン水を外部に吐出するための配管であり、その一端がオゾン生成手段１１０の陽極槽１１５側の吐水口１１５ｂに接続される。戻り配管１４４は、オゾン生成手段１１０の陰極槽１１６側の吐水口１１６ｂと、電解水生成手段１３３の陰極槽１７６側の給水口１７６ａと、を接続する。排出配管１４５はオゾン生成手段１１０の陰極槽１１６および電解水生成手段１３３の陰極槽１７６を通過した水（原料水または電解水）を外部に排出するための配管であり、その一端が電解水生成手段１３３の陰極槽１７６側の吐水口１７６ｂに接続される。配管１４６は、三方弁１６２と、食塩水タンク１３１の給水側ポートと、を接続する。配管１４７は、食塩水タンク１３１の吐水側ポートと、ポンプ１３２の吸入側ポートと、を接続する。圧送配管１４８は、ポンプ１３２の吐出側ポートと、電解水生成手段１３３の陽極槽１７５側の給水口１７５ａと、を接続する。配管１４９は、電解水生成手段１３３の陽極槽１７５側の吐水口１７５ｂと、三方弁１６３と、を接続する。配管１５０は、三方弁１６３と、オゾン生成手段１１０の陰極槽１１６側の給水口１１６ａと、を接続する。三方弁１６２および三方弁１６３は、オゾン生成手段１１０の陰極槽１１６に原料水または電解水（酸性水の一種）を供給するために電解式オゾナイザ１０１を構成する部材を接続する配管経路を切り替える。

以下では、図２を用いて電解式オゾナイザ１０１におけるオゾン水の生成方法について説明する。原料水は原料水供給配管１４０→三方弁１６２→配管１４１→給水口１１５ａを経てオゾン生成手段１１０の陽極槽１１５に流入する。また、原料水は原料水供給配管１４０→三方弁１６２→配管１４１→分岐配管１４２→三方弁１６３→配管１５０→給水口１１６ａを経てオゾン生成手段１１０の陰極槽１１６に供給される。オゾン生成手段１１０の陽極１１２と陰極１１３との間には直流電源１２０により直流電圧が印加され、オゾン生成手段１１０内で電気分解が行われる。このとき、陽極槽１１５では水が電気分解されて水素イオン、酸素分子およびオゾンが生成される。また、陰極槽１１６では水が電気分解されて水素ガスおよび水酸化物イオンが生成される。

陽極槽１１５内の陽イオンである水素イオンは、陽イオン交換膜からなる固体電解質１１４を通過し、陰極１１３から電子を受け取って（還元されて）水素ガスとなる。このとき、陽極槽１１５に供給される原料水にマグネシウムイオンやカルシウムイオン等の陽イオン（無機物イオン）が含まれていると、これらも固体電解質１１４を通過し、陰極１３から電子を受け取って（還元されて）固体のマグネシウムやカルシウムが析出する。

オゾン生成手段１１０の陽極槽１１５内で生成されたオゾンが原料水に溶解することによりオゾン水が生成される。そして、吐水口１１５ｂおよび吐出配管１４３を経て電解式オゾナイザ１０１の外部にオゾン水が吐出される。また、オゾン生成手段１１０の陰極槽１１６内の原料水は、吐水口１１６ｂ→戻り配管１４４→給水口１７６ａ→陰極槽１７６→吐水口１７６ｂ→排出配管１４５を経て外部に排出される。

前述の如く、原料水に含まれているマグネシウムイオンやカルシウムイオン等の陽イオン（無機物イオン）がオゾン生成手段１１０の陰極槽１１６において還元されて析出したマグネシウムやカルシウム（以下、析出物という）は、同じく陰極槽１１６において還元されて生成される水素ガスと異なり、陰極１１３の表面（特に、陰極１１３と固体電解質１１４と原料水との三相境界）に固着し、電気分解の進行に伴って堆積する。このように陰極１１３に析出物が堆積すると、電気分解に要する電圧が上昇するため、同じ電圧で電気分解を継続していると電流値が低下していく。結果として、陽極１１２で生成される水素イオンや酸素ガス、オゾンの量が減少し、陽極１１２でのオゾン生成効率が低下する。

そこで、本実施例の電解式オゾナイザ１０１には、オゾン生成手段１１０の陰極１１３の表面への析出物の堆積を防止するために酸性水流過手段１３０が設けられている。酸性水流過手段１３０はオゾン生成手段１１０の陰極槽１１６に断続的、または連続的に酸性電解水（酸性水の一種）を供給し、陰極１１３に沿って酸性電解水を流過させることにより、陰極１１３の表面に析出する無機物を再溶解して除去する（または、酸性の電解中の水素イオンを優先的に陰極１１３の表面で還元させることにより、陰極１１３表面における無機物イオンの還元を抑制する）。

本実施例の場合、三方弁１６２を切り替えてオゾン生成手段１１０の陽極槽１１５および陰極槽１１６への原料水の供給を停止し、原料水供給配管１４０→三方弁１６２→配管１４６を経て食塩水タンク１３１に原料水が供給される。食塩水タンク１３１には食塩（塩化ナトリウム）が貯留されており、供給された原料水に食塩を溶解して所定の濃度（導電率）の食塩水を生成（調製）する。食塩水タンク１３１で生成された食塩水は、ポンプ１３２により圧送されて、配管１４７→ポンプ１３２→圧送配管１４８→給水口１７５ａを経て電解水生成手段１３３の陽極槽１７５に供給される。

電解水生成手段１３３の陽極１７２と陰極１７３との間には直流電源１２０により直流電圧が印加され、電解水生成手段１３３内で電気分解が行われる。このとき、陽極槽１７５では水が電気分解されて水素イオンおよび酸素ガスが生成される。また、食塩に由来する塩素イオンが陽極に電子を与えて塩素ガスとなり、さらに塩素ガスの一部が水と反応して次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）が生成される。また、陰極槽１７６では水が電気分解されて水素ガスおよび水酸化物イオンが生成される。陽極槽１７５にて生成された酸性電解水は、吐水口１７５ｂ→配管１４９→三方弁１６３→配管１５０→給水口１１６ａを経てオゾン生成手段１１０の陰極槽１１６に供給される。そして、酸性電解水により陰極１１３の表面の析出物が溶解され、該析出物の陽イオンが溶解した状態の酸性電解水は吐水口１１６ｂ→戻り配管１４４→給水口１７６ａを経て電解水生成手段１３３の陰極槽１７６に供給される。

電解水生成手段１３３の陰極槽１７６に供給された酸性電解水に含まれる水素イオンは、該陰極槽１７６にて生成される水酸化物イオンと中和反応を起こし、ｐＨ≒７となった後に吐水口１７６ｂ→排出配管１４５を経て外部に排出される。

以上の如く、本発明の電解式オゾナイザの第二実施例である電解式オゾナイザ１０１は、固体電解質１１４の一方の面に少なくとも表面部がオゾン発生触媒機能を有する金属からなる陽極１１２を当接させ、該固体電解質１１４の他方の面に陰極１１３を当接させ、陽極１１２と陰極１１３との間に直流電圧を印加することによりオゾン水を生成する電解式オゾナイザであって、酸性水（酸性電解水）を陰極１１３に沿って連続的または断続的に流過させる酸性水流過手段１３０を設けたものである。また、酸性水流過手段１３０は電解水生成手段１３３と、食塩水を生成する食塩水タンク１３１と、該食塩水を圧送するポンプ１３２と、を具備するとともに、食塩水を電気分解して酸性電解水を生成するものである。

このように構成することにより、原料水にマグネシウムイオンやカルシウムイオン等の無機物イオンが含まれている場合でも軟水器等の高価かつ大型の設備を付加することなく、電解式オゾナイザ１０１の陰極１１３の表面に析出物が形成されることを防止し、オゾン生成効率を高く保持して高濃度のオゾン水を継続して生成することが可能である。

また、本実施例の場合、前記第一実施例と比較すると、電解式オゾナイザの陰極の洗浄（析出物の除去）を行う酸性電解水は最終的に中和されて排出されるため、環境への影響が小さいという利点を有する。さらに、電解水生成手段の陽極と陰極の間に印加する直流電圧の大きさを変えることにより酸性電解水のｐＨを容易に変更し、原料水中の無機物イオン量等に応じて酸性水のｐＨを所望の値に維持することが容易であるとともに、前記第一実施例の如く析出物の除去の進行に伴いｐＨが低下した酸性水の交換作業を必要とせず、作業性に優れる。

以下では図３、図４、図５、図６を用いて、本発明の電解式オゾナイザの第一実施例である電解式オゾナイザ１の陽極１２の詳細構成について説明する。

図３、図４、図５および図６に示す如く、本実施例における陽極１２は、主に複数のセグメント１２ａ・１２ａ・・・、一対の連結部材１２ｂ・１２ｂ、複数のスリット１２ｃ・１２ｃ・・・等で構成される。セグメント１２ａは、一方向に長い略直方体形状の部材であり、金属や黒鉛、カーボンナノチューブ等の導電性物質からなる。また、少なくともセグメント１２ａの表面部はオゾン発生触媒機能を有する金属（例えば、白金やニッケル等）からなる。複数のセグメント１２ａ・１２ａ・・・はその長手方向が略平行となり、かつ隣接するセグメント１２ａ・１２ａが所定の間隔を開けるように配置される。一対の連結部材１２ｂ・１２ｂは、複数のセグメント１２ａ・１２ａ・・・を両端部において前記所定の間隔を開けた状態で連結固定する一方向に長い略直方体形状の部材である。連結部材１２ｂ・１２ｂの長手方向はセグメント１２ａ・１２ａ・・・の長手方向と略直交し、セグメント１２ａ・１２ａ・・・の両端部にそれぞれ固設される。スリット１２ｃ・１２ｃ・・・は隣接するセグメント１２ａ・１２ａ間に形成された一方向に長い空間（細隙）である。

陽極１２は固体電解質１４の一方の面に当接される。そして、陽極１２のスリット１２ｃ・１２ｃ・・・の長手方向と、陽極槽１５内の原料水の流過方向と、が略一致するように陽極１２が陽極槽１５内に配置される。

以上の如く陽極１２を構成することは、以下の利点を有する。すなわち、図７に示す従来の電解式オゾナイザの場合、固体電解質２１４に当接される陽極２１２および陰極２１３は金属線を格子状に編んだ金網状に形成されているため、該陽極２１２を構成する金属線には、その長手方向が原料水の流過方向に対して略直交するものが多数含まれている。従って、陽極２１２を構成する金属線により、固体電解質２１４の表面近傍における原料水の流れが阻害され、オゾン生成領域（陽極２１２と、固体電解質２１４と、原料水との三相境界領域）近傍の原料水は滞留する傾向となる（流速が小さい）。結果として、当該オゾン生成領域で生成される酸素ガスおよび該酸素ガスに含まれるオゾンガスの気泡２００・２００・・・は、陽極２１２の厚さよりも大きくなるまで陽極槽中の原料水の流速が速い部分と接触することができない。そして、酸素ガスおよび該酸素ガスに含まれるオゾンガスの気泡２００・２００・・・が大きく成長するまでの間にオゾンガスが分解される逆反応が進行すること、および、大きい気泡は小さい気泡に比べて単位体積あたりの原料水との接触面積が小さくなることから、オゾン生成領域における原料水の流速が小さいことが原料水へオゾンが溶解する効率（オゾン水生成効率）を低下させる要因となっている。

これに対して、本実施例の陽極１２は、陽極１２を構成する部材のうち原料水の流れを阻害する部位が連結部材１２ｂ・１２ｂだけであり、陽極１２におけるオゾン生成領域に対応する部位であるスリット１２ｃ・１２ｃ・・・は、その長手方向が陽極槽１５中の原料水の流過方向と略一致している。従って、スリット１２ｃ・１２ｃ・・・を流過する原料水の流速を、陽極槽１５中の原料水の流速が速い部分（陽極１２から少し離れた部分）の流速と略同じとすることが可能である。結果として、オゾン生成領域に生成した酸素ガスおよび該酸素ガスに含まれるオゾンガスの気泡（図５中の気泡７０・７０・・・）は、生成後直ちに陽極１２の表面（オゾン生成領域）から引き離され、原料水と混合されてオゾンが原料水に効率良く溶解する。すなわち、オゾン生成領域に生成した酸素ガスおよび該酸素ガスに含まれるオゾンガスの気泡が小さい時点で原料水と混合可能であるとともに、該気泡に含まれるオゾンが分解する逆反応が進行することを抑制することが可能であり、原料水へオゾンが溶解する効率（オゾン水生成効率）が向上する。また、陽極槽１５内に原料水を撹拌するための部品等を設けなくても原料水とオゾンが含まれる気泡とを十分に混合することが可能であり、電解式オゾナイザの小型化、簡素化が容易である。

なお、陽極１２のセグメント１２ａの本数（換言すれば、スリット１２ｃの本数）は限定されず、陽極槽１５の形状や供給される原料水の供給量等に応じて適宜選択することが可能である。すなわち、スリット１２ｃを流過する原料水の流速を所定値に（オゾンガスを含む気泡がオゾン生成領域で生成後、直ちに引き離される程度の流速に）保持可能な範囲で、スリット１２ｃの本数を極力多くすることが、陽極の単位面積あたりのオゾン生成領域を大きくするという観点からみて望ましい。また、本実施例においてはセグメント１２ａおよび連結部材１２ｂの断面形状は矩形であったが、これに限定されず、円形や楕円形、多角形、星形等でも良い。さらに、本実施例では一対の連結部材１２ｂ・１２ｂにより、セグメント１２ａ・１２ａ・・・の両端をそれぞれ連結固定していたが、連結部材１２ｂを一本省略して櫛状としても同様の効果を奏する。すなわち、直流電圧を印加したときに各セグメント１２ａが略同電位となるように、どこか一箇所でも隣接しているセグメント１２ａと電気的に接続されていれば良く、むしろ電気的に接続されている範囲で極力連結部材１２ｂを小さくし、スリット１２ｃ・１２ｃ・・・を流過する原料水の流れを阻害しない構成とすることが望ましい。さらにまた、本実施例の陽極１２はセグメント１２ａ・１２ａ・・・と連結部材１２ｂ・１２ｂとが別部材であったが、これらを一体的に成形しても良い。

本発明の電解式オゾナイザの第一実施例を示す模式図。本発明の電解式オゾナイザの第二実施例を示す模式図。本発明の電解式オゾナイザの第一実施例に係る陽極の斜視図。本発明の電解式オゾナイザの第一実施例に係る陽極の正面図。本発明の電解式オゾナイザの第一実施例に係る陽極の平面断面図。本発明の電解式オゾナイザの第一実施例に係る陽極の側面図。従来の電解式オゾナイザに係る陽極の側面断面図。

１電解式オゾナイザ
１２陽極
１２ｃスリット
１３陰極
１４固体電解質

Claims

固体電解質（１４）の一方の面に、少なくとも表面部がオゾン発生触媒機能を有する金属からなる陽極（１２）を当接させ、該固体電解質（１４）の他方の面に陰極（１３）を当接させ、該陽極（１２）と陰極（１３）との間に直流電圧を印加することによりオゾン水を生成する電解式オゾナイザ（１）において、該陽極（１２）は、複数のセグメント（１２ａ・・）と、一対の連結部材（１２ｂ・１２ｂ）と、複数のスリット（１２ｃ・・）から構成し、該１本のセグメント（１２ａ）は、一方向に長い略直方体形状の部材とし、金属や黒鉛、カーボンナノチューブ等の導電性物質から構成し、表面部はオゾン発生触媒機能を有する白金やニッケル等の金属を電着し、該複数のセグメント（１２ａ・・）は、その長手方向を略平行に配置し、かつ隣接するセグメント（１２ａ・・）との間に所定の間隔を開け、隣接するセグメント（１２ａ・・）間に、一方向に長い細隙であるスリット（１２ｃ・・）を構成し、前記一対の連結部材（１２ｂ・１２ｂ）も、一方向に長い略直方体形状の部材により構成し、複数のセグメント（１２ａ・・）の両端部において、該セグメント（１２ａ・・）を連結固定し、該連結部材（１２ｂ・１２ｂ）の長手方向は、該セグメント（１２ａ・・）の長手方向と略直交して配置し、該スリット（１２ｃ）の長手方向と、陽極（１２）に沿って流過する原料水の流過方向とを略一致させたことを特徴とする電解式オゾナイザ。