JP4620720B2

JP4620720B2 - 電解水の製造装置、電解水の製造方法および電解水

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Publication number: JP4620720B2
Application number: JP2007305131A
Authority: JP
Inventors: 優章荒井
Original assignee: 優章荒井
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2027-11-26
Also published as: JP2009125694A

Description

本発明は、電解質水溶液を収容する中間室を有する電解水の製造装置、その電解水の製造装置を利用した電解水の製造方法およびその電解水の製造方法により得られた電解水に関する。

塩化ナトリウムを含まない電解水を生産する装置として、例えば、特開２０００−２４６２４９号公報（文献１）に開示された３槽式の電解装置が公知になっている。この３槽式の電解装置は、中間室の両側にイオン交換膜と電極板とを介して両側に陽極室と陰極室とを備えた構造を有するものである。中間室には高濃度の電解質水溶液、例えば、１０％濃度の塩化カリウムや塩化ナトリウム水溶液を充填される。また、陽極室と陰極室には、例えば水道水を通水し、両電極板に通電して電解工程を経ることで、塩化ナトリウムを含まない電解水、即ち陽極室ではｐＨ２．０〜３．０程度の酸性電解水が生成される。一方、陰極室ではｐＨ１０．０〜１２．０程度のアルカリ性電解水が生成される。
特開２０００−２４６２４９号公報

本発明の目的は、大容量の電解水を生成することができる電解水の製造装置、電解水の製造方法および電解水を提供することにある。

第１の本発明に係る電解水の製造装置は、
陽極が設けられた陽極室と、
陰極が設けられた陰極室と、
前記陽極室と前記陰極室との間に設けられ、電解質水溶液を収容する中間室と、
前記陽極室と前記中間室とを隔てる陰イオン交換膜からなる第１の隔膜と、
前記陰極室と前記中間室とを隔てる陽イオン交換膜からなる第２の隔膜と、を含み、
前記中間室は、前記陽極および前記陰極が伸びる方向に、複数の区画に分けられ、前記複数の区画の各々において、電解質または電解質水溶液の供給部が設けられている。

本発明によれば、実施の形態の欄の作用効果の項で後述するように、大容量の電解水を生成することができる。

本発明において、前記電解水の製造装置は、前記中間室の複数の区画の各々において、電解質水溶液の排出部が設けられていることができる。これによれば、生成された電解水が吐出口側において、さらに電解されて分解されてしまうのを抑えることができる。

本発明において、前記中間室の複数の区画は、それぞれ隣り合う区画と連通していることができる。

本発明において、前記中間室の複数の区画は、それぞれ仕切部により区画されていてもよい。仕切部により区画することで電解する水が滞留することとなり、より効果的な電解を図ることができる。

第２の本発明に係る電解水の製造装置は、
陽極が設けられた陽極室と、
陰極が設けられた陰極室と、
前記陽極室と前記陰極室との間に設けられ、電解質水溶液を収容する中間室と、
前記陽極室と前記中間室とを隔てる陰イオン交換膜からなる第１の隔膜と、
前記陰極室と前記中間室とを隔てる陽イオン交換膜からなる第２の隔膜と、を含み、
前記中間室には、電解質または電解質水溶液の供給部および電解質水溶液の排出部が設けられ、
前記電解質水溶液の供給部と前記電解質水溶液の排出部との間において、少なくとも一つの電解質または電解質水溶液を供給するための副供給部が設けられている。

本発明の電解水の製造方法は、第１の本発明の電解水の製造装置を用いて電解水を製造する方法であって、前記電解質または電解質水溶液の供給部を通じて、前記中間室の各区画に電解質または電解質水溶液を供給しながら電解を行うものである。

本発明の電解水の製造方法は、第２の本発明の電解水の製造装置を用いて電解水を製造する方法であって、前記電解質または電解質水溶液の供給部を通じて、前記中間室に電解質または電解質水溶液を補充しながら電解を行うものである。

本発明の電解水は、本発明の電解水の製造方法により製造されたものである。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら説明する。

１．電解装置
本実施の形態では、本発明に係る電解装置を次亜塩素酸水の製造の場合に適用した例を示す。

図１および図２は、実施の形態に係る電解装置を模式的に示す図である。図３は、中間室を模式的に示す図である。図４は、中間室のイオンの移動について説明する説明図である。

電解装置１０は、陽極室２０と陰極室３０と中間室４０とを含む。中間室４０は、陽極室２０と陰極室３０の間の一部に設けられている。

中間室４０には電解質水溶液が充填されている。中間室４０に供給された電解室水溶液は、陽イオン（たとえばナトリウムイオン）が陰極室３０に供給され、陰イオン（たとえば塩化物イオン）が陽極室２０に供給される。中間室４０を通過した水溶液を電解質水溶液の供給源８０に戻して、電解質水溶液を再利用しポンプＰ１０を用いて循環させてもよいし、または、消費した分だけの電解質を中間室４０に追加してもよい。電解質水溶液は、たとえば、塩化物塩水溶液（塩化ナトリウム水溶液や塩化カリウム水溶液）を挙げることができる。電解質水溶液の濃度としては、たとえば、電解質の飽和濃度とすることができる。

中間室４０と陽極室２０とは、陰イオン交換膜からなる第１の隔膜２４により隔てられている。第１の隔膜２４が陰イオン交換膜からなることで、中間室４０の陽イオンが第１の隔膜２４を通過せず、陰イオンのみが選択的に第１の隔膜２４を通過することとなる。第１の隔膜２４に適用される陰イオン交換膜は、公知のものを適用することができる。

中間室４０と陰極室３０とは、陽イオン交換膜からなる第２の隔膜３４により隔てられている。第２の隔膜３４が陽イオン交換膜からなることで、中間室４０の陰イオンが第２の隔膜３４を通過せず、陽イオンのみが選択的に第２の隔膜３４を通過することとなる。第２の隔膜３４に適用される陽イオン交換膜は、公知のものを適用することができる。

第１の隔膜２４と第２の隔膜３４との間に、隔膜固定枠（図示せず）を設けてもよい。

陰極３２は直流電源７０の−側に接続され、陽極２２は直流電源７０の＋側に接続されている。直流電源７０は、その電圧や電流を任意に設定できる構成になっている。直流電源７０は、たとえば、電圧は５〜２０ボルト程度の範囲で任意に選択でき、電流についても３〜２６アンペアの範囲で適宜選択して設定することができるものを挙げることができる。陽極２２および陰極３２は、網目状の電極や、たとえば１．５ｍｍ前後でパンチング穴加工した電極などからなることができる。なお、パンチング加工した電極は、パンチングで取り除いた面積と電極として使用される面積とがたとえば５０％程度になるようにすることができる。電極の材質は公知のものを適用することができる。

陽極２２と陰極３２との大きさを非対称、すなわち、電極面積の大きさを異ならせてもよい。これにより、陽極２２の電解量と陰極３２の電解量とを変えることができる。また、陽極の電極面積と陰極の電極面積とを異ならせることで、混合された電解水の酸性度を適宜調整することができる。つまり、陽極２２の電極面積は、陰極３２の電極面積より大きいことで、酸性電解水の発生量がアルカリ性電解水の発生量よりも多くなるため、酸性度を高めることができる。一方で、陰極３２の電極面積を陽極２２の電極面積より大きくすることで、アルカリ性電解水の発生量が酸性電解水の発生量よりも多くなるため、アルカリ性の度合いを高めることができる。

電解装置１０は、陽極室２０に水を給水するための第１の給水口２６と、陰極室３０に水を供給するための第２の給水口３６とが設けられている。第１の給水口２６および第２の給水口３６に繋がる流路は、一つの流路が分岐されて構成されている。その流路の分岐したところには、陽極室２０および陰極室３０へ分配する水量を調整するための分配割合調整バルブ６０が設けられている。分配割合調整バルブ６０は、電解装置１０に水を供給する量を調整する供給量調整機能も持たせてもよい。

また、電解装置１０は、陽極室２０の液を吐出する第１の吐出口２８ａと、陰極室３０の液を吐出する第２の吐出口３８ａとが設けられている。さらに、電解装置１０は、第１の吐出口２８ａから吐出される液の量を調整する第１の吐出バルブ２８ｂと、第２の吐出口２８ａから吐出される液の量を調整する第２の吐出バルブ２８ｂとを有する。

第１の吐出口２８ａは、陽極室２０の下部に設け、第１の給水口２６は、陽極室２０の上部に設けるとよい。これにより、第１の給水口２６から給水された水は、上から下に向かって流れようとする。したがって、陽極２２にて発生する気体（電解質水溶液が塩化ナトリウムや塩化カリウムの場合は塩素）からなる気泡が水に押されて上に上がり難くなり、その分だけ、その気体（塩素）が水と気液接触する時間が長くなり、次亜塩素酸への反応をより確実に行うことができる。

陽極室２０は、縦長であるとよい。具体的には、陽極２２と直交する方向の陽極室２０の幅よりも陽極室２０の高さの方が大きいとよい。その陽極室の幅に対する陽極室の高さの比（高さ／幅）は、たとえば、１．５以上、好ましくは１．５〜５．０とすることができる。このような縦長であることにより、陽極室２０で発生した気体（塩素）が水と接触する時間を長くすることができ、塩素と水との反応を確実に行うことができる。また、陰極３０も同様とするとよい。

中間室４０は、陽極２２および陰極３２が伸びる方向に、複数の区画に分けることができる。中間室の複数の区画は、仕切部４２により仕切ることができる。仕切部４２により区画を仕切ることで、電解質水溶液の滞留を図ることができ、電解質イオンの移動をより確実に行うことができ、効率的な電解を図ることができる。中間室４０の複数の区画は、それぞれ隣り合う区画と連通させることができる。この場合に、供給部４４は、複数の区画の各々に設けることができる。また、中間室４０の複数の区画の各々において、電解質水溶液の排出部４６を設けることができる。供給部４４および排出部４６は、たとえばパイプを中間室４０の側部に連結することで実現することができる。

２．動作
次に、電解装置１０の動作を説明する。

まず、分配割合調整バルブ６０を調整すると共に、水を陽極室２０および陰極室３０に供給する。水の水量は、たとえば０．５〜１．５ｌ／ｍｌとする。

この水の供給と併せて、陽極２２と陰極３２の間に電位を印加し、電気分解を行う。たとえば、電気分解時の電圧は、５〜１０Ｖとし、電流を３〜１０アンペアとする。特に、陰極室３０に供給される水溶液１リットル当たり１５００クーロン、好ましくは２０００クーロンとなるようにすると、スケールが付き難くなる。陽極２２と陰極３２との間に電位を印加すると、中間室４０の陽イオン（たとえば電解質が塩化ナトリウムの場合にはナトリウムイオン）が第２の隔膜３４を通過し陰極室３０に移動する一方で、中間室４０の陰イオン（たとえば電解質が塩化ナトリウムの場合には塩化物イオン）が第１の隔膜２４を通過し陽極室２０に移動する。

陽極室２０では、陽極２２にて塩化物イオンが次式の反応を起こし、塩素が発生する。
２Ｃｌ⁻→Ｃｌ_２＋２ｅ⁻
この塩素は、さらに、水と反応して次亜塩素酸が生成される。
Ｃｌ_２＋Ｈ_２Ｏ→ＨＣｌＯ＋ＨＣｌ
一方で、陰極室３０では、陰極にて次式の反応が起こる。
Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻→１／２Ｈ_２＋ＯＨ⁻
この電解において、中間室４０の各区画の供給部４４を通じて、電解質水溶液を供給すると共に、各区画の排出部４６から消費された電解質水溶液を排出する。また、同時に、陽極室２０および陰極室３０の各区画の供給部２０ｂ，３０ｂから原水を供給すると共に、陽極室２０および陰極室３０の各区画の排出部２０ｃ,３０ｃから電解水を排出する。

３．作用効果
この実施の形態によれば、次の作用効果を奏することができる。

従来、三室型電解装置では、電解水の大量生成を一つの電解槽で行うことは一般的に行われていない。本願発明者は、一つの電解槽で電解水の大量生成ができない課題の原因を次のように見出した。中間室を挟んだ陽極と陰極との間の距離は、電気伝導の関係で極めて重要である。陽極と陰極との間の距離が短ければ短い程、伝導率は向上するが、両電極間には中間室が有るためにどうしても一定の間隔が必要である。そのため、中間室に流れる電解質の流量の限界が有る一方で、電解によるイオンが中間室から陽極室及び陰極室に移動するため、中間室の途中において電解質を消耗し、電解に必要なNaイオンやClイオンなどが不足する。つまり、陽極と陰極との間の中間室の隙間は一般的に３〜６ｍｍ程度の狭い空間を電解質水溶液が流れる。電解質水溶液は飽和食塩水が最も効率よく電気を流すが、幅の狭い中間室を流れる電解質液のＮａ及びＣｌˉはイオン交換膜を通過して両極に移動し、その中間室のイオン濃度は、電解槽を通過するに従って、イオンが消耗されていくことに基づき低下していく。これにより一枚の大きな電解槽では電解質液の入り口付近と出口付近のイオンの濃度差が大きくなってしまう。

中間室の電解イオン濃度が消耗により一定以下の濃度になると強い電圧を必要とする。しかし、消費電力及び電極または隔膜の損傷を防止するには一定の低電圧で電気分解が必要となる。そこで最適効率の電圧を維持するには構造上、その電解面積には自ずと適正値が有る。その結果、本願発明者は、電解水の大量生成に伴う問題の克服ができないのではないかという課題の原因を認識した。

本願発明は、この課題の原因に着目し、なされたものである。つまり、中間室４０の途中に電解質または電解質水溶液を供給する供給部４４を設けることで、消費された電解質の補充を行うことができる。したがって、中間室４０の各区域においての電解質濃度の平準化を図ることができる。このため、各電解部分においての電解効率のむらを抑えることができ、効率的かつ効果的な電解を図ることができる。また、電解質濃度の平準化を図ることができるため、低電圧の駆動ができ、電極やイオン交換膜の損傷を抑えることができる。

４．変形例
上記実施の形態において、たとえば、次の変形が可能である。

（１）各区画が連通している場合には、供給部４４は、電解質水溶液を供給するのではなく、電解質を供給するための供給部としてもよい。

（２）中間室４０の各区画を仕切部４２により完全に仕切ってもよい。この場合には、各区画に電解質水溶液を供給する供給部４４と、電解質水溶液を排出する排出部４６が必要となる。

（３）中間室４０は次の変形が可能である。すなわち、中間室４０の一端（陽極２２および陰極３２が伸びる方向の一方の側）に電解質水溶液の主供給部を設け、中間室４０の他端（陽極２２および陰極３２が伸びる方向の他方の側）に電解質水溶液の主排出部が設けることができる。電解質水溶液の主供給部と電解質水溶液の主排出部との間において、少なくとも一つの電解質水溶液を供給するための副供給部を設けてもよい。

（４）陽極室２０は、中間室４０の区画に対応するように、複数の区画を設けてもよい。この区画は、仕切部２０ａにより仕切ってもよい。また、陽極室２０の各区画は、隣り合う区画と連通していてもよいし、連通していなくてもよい。また、陽極室２０の各区画に原水の供給部２０ｂと排出部２０ｃを設けてもよい。なお、陽極室２０の各区画が隣り合う区画と連通していない場合には、各区画に原水の供給部２０ｂと排出部２０ｃを設けるとよい。仕切部２０ａにより区画を仕切ることで、電解質水溶液の滞留を図ることができ、電解質イオンの移動をより確実に行うことができ、効率的な電解を図ることができる。

陽極室２０の排出部を最後の区画のみに設けると、高濃度の電解水となり隔膜の損傷がし易くなることから、各区画に排出部２０ｃを設けるとよい。

（５）陰極室３０は、中間室４０の区画に対応するように、複数の区画を設けてもよい。この区画は、仕切部３０ａにより仕切ってもよい。また、陰極室３０の各区画は、隣り合う区画と連通していてもよいし、連通していなくてもよい。また、陰極室３０の各区画に原水の供給部３０ｂと排出部３０ｃを設けてもよい。なお、陰極室３０の各区画が隣り合う区画と連通していない場合には、各区画に原水の供給部３０ｂと排出部３０ｃを設けるとよい。仕切部３０ａにより区画を仕切ることで、電解質水溶液の滞留を図ることができ、電解質イオンの移動をより確実に行うことができ、効率的な電解を図ることができる。

陰極室３０の排出部を最後の区画のみに設けると、高濃度の電解水となり隔膜の損傷がし易くなることから、各区画に排出部３０ｃを設けるとよい。

上記の実施の形態は、本発明の範囲内において、種々の変更が可能である。

実施の形態に係る電解装置を模式的に示す図である。実施の形態に係る電解装置を模式的に示す図である。中間室を模式的に示す図である。中間室のイオンの移動について説明する説明図である。

符号の説明

１０電解装置
２０陽極室
２０ａ仕切部
２０ｂ供給部
２０ｃ排出部
２２陽極
２４第１の隔膜
２６第１の給水口
２８ａ第１の吐出口
２８ｂ第１の吐出バルブ
２８ｃ第１のガス抜き口
３０陰極室
３０ａ仕切部
３０ｂ供給部
３０ｃ排出部
３２陰極
３４第２の隔膜
３６第２の給水口
３８ａ第２の吐出口
３８ｂ第２の吐出バルブ
３８ｃ第２のガス抜き口
４０中間室
４２仕切部
４４供給部
４６吐出部
５０隔壁
５６開閉量調整バルブ
５８ａ第１の開閉バルブ
５８ｂ第２の開閉バルブ
６０分配割合調整バルブ
７０直流電源
８０電解質水溶液の供給源

Claims

陽極が設けられた陽極室と、
陰極が設けられた陰極室と、
前記陽極室と前記陰極室との間に設けられ、電解質水溶液を収容する中間室と、
前記陽極室と前記中間室とを隔てる陰イオン交換膜からなる第１の隔膜と、
前記陰極室と前記中間室とを隔てる陽イオン交換膜からなる第２の隔膜と、を含み、
前記中間室は、前記陽極および前記陰極が伸びる方向に、複数の区画に分けられ、前記複数の区画の各々において、電解質または電解質水溶液の供給部が設けられていることを特徴とする、電解水の製造装置。
請求項１において、
前記電解水の製造装置は、前記中間室の複数の区画の各々において、電解質水溶液の排出部が設けられていることを特徴とする、電解水の電解装置。
請求項１または２において、
前記中間室の複数の区画は、それぞれ隣り合う区画と連通していることを特徴とする、電解水の製造装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記中間室の複数の区画は、それぞれ仕切部により区画されていることを特徴とする、電解水の製造装置。
陽極が設けられた陽極室と、
陰極が設けられた陰極室と、
前記陽極室と前記陰極室との間に設けられ、電解質水溶液を収容する中間室と、
前記陽極室と前記中間室とを隔てる陰イオン交換膜からなる第１の隔膜と、
前記陰極室と前記中間室とを隔てる陽イオン交換膜からなる第２の隔膜と、を含み、
前記中間室には、電解質または電解質水溶液の供給部および電解質水溶液の排出部が設けられ、
前記電解質水溶液の供給部と前記電解質水溶液の排出部との間において、少なくとも一つの電解質または電解質水溶液を供給するための副供給部が設けられていることを特徴とする、電解水の製造装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の電解水の製造装置を用いて電解水を製造する方法であって、
前記電解質または電解質水溶液の供給部を通じて、前記中間室の各区画に電解質または電解質水溶液を供給しながら電解を行うことを特徴とする電解水の製造方法。
請求項５に記載の電解水の製造装置を用いて電解水を製造する方法であって、
前記電解質または電解質水溶液の供給部を通じて、前記中間室に電解質または電解質水溶液を補充しながら電解を行うことを特徴とする電解水の製造方法。
請求項６または７に記載の電解水の製造方法により製造された電解水。