JP4939645B1 - イオン水の製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強アルカリ性のイオン水を短時間で製造することができる省エネルギー型のイオン水の製造装置、及び、製造方法を提供する。
【解決手段】第１電解セル２０Ａを第１電解槽１０Ａ内に配置し、第２電解セル２０Ｂを第２電解槽１０Ｂ内に配置し、第１電解セル２０Ａの注水管２７Ａに配置された移送ポンプ５０により、第１電解セル２０Ａの電解隔膜２１内において生成されたアルカリイオン水が第２電解セル２０Ｂの電解隔膜内へ定量的に、連続的に移送されるように構成したイオン水製造装置１を使用し、第１電解セル２０Ａ及び第２電解セル２０Ｂに通電する電流が合計で２５〜３０アンペアとなる範囲内で、第１電解セル２０Ａに通電する電流を５〜１５アンペア、第２電解セル２０Ｂに通電する電流を１５〜２０アンペアに設定して通電を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料水を電気分解して得られるイオン水、特に中性（ｐＨ７）から大きく乖離したｐＨ値を長期にわたって安定的に維持することができるイオン水の製造方法および製造装置に関する。

原料水を電気分解することによりイオン水を製造する方法として、特開平８−２４８６５号公報に記載されているような方法が知られている。この文献に記載されているイオン水の製造方法について簡単に説明すると、まず、一つの電解槽内に、六つの円筒状の電解セル（それぞれセラミック製の電解隔膜と、その内側に配置された陰極と、電解隔膜の外側に配置された陽極とからなる）を設置し、原料水の供給源（水道管等）を第１電解セルの注水管に接続するとともに、第１電解セルの排水管と、これに隣接する第２電解セルの注水管とを連結し、他の電解セルについても、隣接する電解セルとの間で排水管と注水管とを直列的に接続したイオン水製造装置を用意する。

そして、電解槽内に補助電解質（食塩水）を投入し、原料水の供給源から第１電解セルに原料水を連続的に供給しながら、各電解セルの陰極と陽極に通電を行う。第１電解セルに供給された原料水は電気分解され、電解隔膜内においてアルカリ性のイオン水（アルカリイオン水）が生成され、電解隔膜の外側において酸性のイオン水が生成される。電解隔膜内で生成されたアルカリイオン水は、後続の原料水に押し出されて第２電解セルへ移送され、更に、第３〜６の電解セルを順次通過して、最終的に装置外へ排出される。アルカリイオン水が第２電解セルから第６の電解セルを通過する際にも電気分解が行われるため、装置外へ排出されるアルカリイオン水は、ｐＨ１２．０以上の強アルカリ性を呈することになる。

特開平８−２４８６５号公報

上述したような従来の製造方法によれば、強アルカリ性のイオン水を連続的に製造することができるが、製造に時間がかかるほか、電気分解のためにかなりの電力を消費することになるという問題がある。具体的には、容積が１．５Ｌの電解セル六つを電解槽内に配置したイオン水の製造装置を使用し、電解セルに通電する電流を合計で１８アンペア（１００Ｖ）に設定した場合、ｐＨ１２．０以上の強アルカリ性のイオン水１０Ｌを製造するための所要時間は６０分である。また、この場合の消費電力量は１８００Ｗｈとなる。このため、より短時間で、より少ないエネルギーで、強アルカリ性のイオン水を製造できるような装置、及び、方法の開発が望まれている。

本発明は、上記のような従来技術の問題を解決すべく、強アルカリ性のイオン水を短時間で製造することができる省エネルギー型のイオン水の製造装置、及び、製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るイオン水の製造方法は、有底円筒状の電解隔膜と、その内側に配置された陰極と、電解隔膜の外側に配置された陽極とによって構成される電解セルを、電解槽の内側に配置し、電解隔膜の外側に補助電解質を投入するとともに、電解隔膜の内側に原料水を導入し、陰極と陽極に通電することによって原料水を電気分解するイオン水製造装置を用いてイオン水を製造する方法において、イオン水製造装置が、電解槽として、相互に独立した第１電解槽、及び、第２電解槽を有するとともに、電解セルとして、第１電解セル、及び、第２電解セルを有し、第１電解セルは第１電解槽内に、第２電解セルは第２電解槽内にそれぞれ配置され、第１電解セル、及び、第２電解セルには、注水管と排水管がそれぞれ取り付けられるとともに、第１電解セルの注水管に配置された移送ポンプにより、第１電解セルの電解隔膜内において生成されたアルカリイオン水が第２電解セルの電解隔膜内へ定量的に、連続的に移送されるように構成され、第１電解セル及び第２電解セルに通電する電流が合計で２５〜３０アンペアとなる範囲内で、第１電解セルに通電する電流を５〜１５アンペアの範囲内の任意の値に設定し、かつ、第２電解セルに通電する電流を１５〜２０アンペアの範囲内の任意の値に設定して通電を行うことを特徴としている。

また、本発明に係るイオン水の製造装置は、有底円筒状の電解隔膜と、その内側に配置された陰極と、電解隔膜の外側に配置された陽極とによって構成される電解セルを、電解槽の内側に配置し、電解隔膜の外側に補助電解質を投入するとともに、電解隔膜の内側に原料水を導入し、陰極と陽極に通電し、原料水を電気分解することによってイオン水を製造する装置において、電解槽として、相互に独立した第１電解槽、及び、第２電解槽を有するとともに、電解セルとして、第１電解セル、及び、第２電解セルを有し、第１電解セルは第１電解槽内に、第２電解セルは第２電解槽内にそれぞれ配置され、第１電解セル、及び、第２電解セルには、注水管と排水管がそれぞれ取り付けられるとともに、第１電解セルの注水管に配置された移送ポンプにより、第１電解セルの電解隔膜内において生成されたアルカリイオン水が第２電解セルの電解隔膜内へ定量的に、連続的に移送されるように構成したことを特徴としている。

本発明に係るイオン水の製造方法（製造装置）によれば、従来方法（従来装置）と比べ、製造所要時間を３分の１に短縮することができ、また、消費電力量を２分の１以下に縮減することができる。更に、電解槽の容積を小さくすることができるので、電解槽に投入する補助電解質の使用量を減少することができるほか、装置全体を小型化することができる。また、従来方法による場合、製造所要時間は、環境（電解隔膜の状態、季節による温度変化等）により変動するが、本発明による場合、環境変化の影響を受けることなく、安定して定量的に製造することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るイオン水の製造装置１の断面図である。 図２は、図１に示した第１電解セル２０Ａの分解斜視図である。

ここで、本発明「イオン水の製造装置」を実施するための形態について説明する。本発明の第１実施形態に係るイオン水の製造装置１は、図１に示すように、基本的には二つのプラスチック製の電解槽１０（第１電解槽１０Ａ、第２電解槽１０Ｂ）と、これらの電解槽１０内にそれぞれ一つずつ配置された円筒状の電解セル２０（第１電解セル２０Ａ、第２電解セル２０Ｂ）と、移送ポンプ５０、とによって構成されている。

図２は、第１電解セル２０Ａの分解斜視図である。第１電解セル２０Ａは、電解隔膜２１と、陰極３１と、陽極３２と、蓋体２４とによって構成されている。尚、第２電解セル２０Ｂも、第１電解セル２０Ａと全く同一の構成となっている。

電解隔膜２１は、セラミック製で、上面が開放され、底面が閉塞された円筒状（有底円筒状）に形成され、その上縁にはフランジ２１ａが形成されている。本実施形態においては、電解隔膜２１の容積は１．５Ｌ、厚さ寸法は７ｍｍに設定されている。

電解隔膜２１の内側には円筒状の陰極３１が、また、外側には円筒状の陽極３２が同心状に配置され、電解隔膜２１を挟んで、陰極３１と陽極３２とが一定の間隔を置いて対向した状態となっている。尚、電解隔膜２１、陰極３１、及び、陽極３２の寸法（直径）は、通電抵抗値をできるだけ抑制できるように、相互の離間間隔が小さくなるように設定されている。

陰極３１は、ステンレス鋼によって構成されたパンチングメタルを円筒状に成形したものであり、上部には、リード線ターミナル３１ａが設けられており、このリード線ターミナル３１ａには、図１に示すように、リード線３１ｂが接続されている。

陽極３２は、Ｐｔクラッド（貼り付け）のＴｉ（チタン）により構成されたパンチングメタルを円筒状に成形したものであり、上部には、リード線ターミナル３２ａが設けられており、このリード線ターミナル３２ａには、図示しないリード線が接続される。

電解隔膜２１の開放された上端面（フランジ２１ａの上面）には、プラスチック製の蓋体２４が装着されている。この蓋体２４には、図２に示すように三つの貫通孔２４ｃ〜２４ｅが設けられており、これらのうち、貫通孔２４ｃ内には、図１に示すようにゴム製の栓体２６が取り付けられており、この栓体２６の中心軸孔にはリード線３１ｂが挿通されている。

第１電解セル２０Ａの上部には、図１に示すように、注水管２７Ａと排水管２８Ａがそれぞれ取り付けられている。注水管２７Ａは、第１電解セル２０の電解隔膜２１内へ原料水（水道水、地下水、あるいは、それらの濾過水等）を導入するためのものであり、一方の端部は、原料水の供給源（原料水のタンク、或いは、水道管の蛇口等）に接続され、他方の端部は、蓋体２４の貫通孔２４ｄから電解隔膜２１内に差し込まれている。尚、注水管２７Ａの途中には、移送ポンプ５０が配置されている。排水管２８Ａは、第１電解セル２０Ａの電解隔膜２１内において生成されたアルカリイオン水を、外側へ排出するためのものであり、一方の端部は、貫通孔２４ｅから電解隔膜２１内に差し込まれており、他方の端部は、第２電解セル２０Ｂの注水管２７Ｂに接続されている。

また、第２電解セル２０Ｂの上部にも、注水管２７Ｂ、及び、排水管２８Ｂが取り付けられている。注水管２７Ｂは、第１電解セル２０Ａの電解隔膜２１内において生成されたアルカリイオン水を、第２電解セル２０Ｂの電解隔膜内へ導入するためのものであり、一方の端部は、第１電解セル２０Ａの排水管２８Ａに接続され、他方の端部は、蓋体の貫通孔から電解隔膜内に差し込まれている。排水管２８Ｂは、第２電解セル２０Ｂの電解隔膜内のアルカリイオン水を、装置外へ排出するためのものであり、一方の端部は、貫通孔から電解隔膜内に差し込まれている。

このように本実施形態においては、第１電解セル２０Ａの排水管２８Ａと、隣接する第２電解セル２０Ｂの注水管２７Ｂとが直列接続された状態になっており、第１電解セル２０Ａの電解隔膜２１内において生成されたアルカリイオン水が、第２電解セル２０Ｂの電解隔膜内へ供給され、第２電解セル２０Ｂの排水管２８Ｂから、ｐＨ値の高いアルカリイオン水が排出されるようになっている。

尚、第１電解槽１０Ａ、及び、第２電解槽１０Ｂには、電解セル２０（２０Ａ，２０Ｂ）の外側において生成されたｐＨ値の低い酸性のイオン水を取り出すための排水口（図示せず）がそれぞれ設けられている。

本実施形態におけるイオン水の製造装置１において使用される電解セル２０は、従来装置（特開平８−２４８６５号公報に記載されているイオン水の製造装置）における電解セルとほぼ同様の構成に係るものであるという点で共通しているが、本実施形態のイオン水の製造装置１と、従来装置とは、次の点において大きく異なっている。

まず、第１の相違点は、従来装置においては六つの電解セルが、一つの共通の電解槽の中に配置されている（電解槽と電解セルが「一対多」の関係となっている）のに対し、本実施形態においては、相互に独立した電解槽の中に電解セルがそれぞれ一つずつ配置されている（電解槽と電解セルが「一対一」の関係になっている）という点である。従来装置においては、六つの電解セルに電気エネルギー（一定量の直流電流）が分散してかかっていたが、本実施形態においては、各電解セルに電気エネルギーが集中してかかるようにしたため、各電解セル中の原料水に対して有効に電解処理を行うことができる。

第２の相違点は、従来装置においては使用されている電解セルの数が六つであるのに対し、本実施形態においては電解セルの数が二つであるという点である。電解セルを減らして製品製造ができるので電極、電解隔膜などの消耗品の減少を抑えることができ、ランニングコストを縮減でき、さらに、装置全体の小型化、軽量化も期待できる。

第３の相違点は、電解セル内において生成されたイオン水の移送方法である。従来装置においては、「水は高所から低所へ流れる」という自然法則を応用した移送方法であるのに対し、本実施形態においては、移送ポンプにより第１電解セルの電解隔膜内において生成されたアルカリイオン水を第２電解セルの電解隔膜内に定量的、連続的に強制移送するようになっている。生成された内部のアルカリイオン水を強制移送させても、集中して電気エネルギーがかけられ、作業環境をコントロールすることで製品ができることがわかった。また、製造量も安定的に確保できるようになる。

続いて、本発明の第２実施形態として、第１実施形態のイオン水の製造装置を用いたイオン水の製造方法（図１のイオン水の製造装置１の使用方法）について説明する。まず、第１電解槽１０Ａ、及び、第２電解槽１０Ｂ内（電解隔膜２１の外側）に、それぞれ補助電解質（濃度５〜１０％の食塩水）を注入し、移送ポンプ５０を作動させて、第１電解セル２０Ａの電解隔膜２１内に原料水を定量的（０．５Ｌ／分）に、連続的に導入する。尚、補助電解質の注入量は、各電解槽１０（１０Ａ，１０Ｂ）内における水位が、電解隔膜２１の上縁を超えない程度とする。

次に、第１電解セル２０Ａの陰極３１と陽極３２の間に電圧を印加し、直流電流を通電する。電圧の印加（通電）は、陰極３１のリード線ターミナル３１ａに接続されたリード線３１ｂ（図１参照）、及び、陽極３２のリード線ターミナル３２ａ（図２参照）に接続されたリード線（図示せず）を介して行う。

第１電解セル２０Ａの電解隔膜２１内に注水された原料水は、陰極３１と陽極３２との間を流れる直流電流によって電気分解され、電解隔膜２１の内側においてアルカリ性のイオン水が生成され、電解隔膜２１の外側において酸性のイオン水が生成される。

第１電解セル２０Ａ内には、上述の通り、原料水が移送ポンプ５０により連続的に導入され、また、第１電解セル２０Ａの電解隔膜２１は、蓋体２４によって密閉されているため、第１電解セル２０Ａ内が満量になると、第１電解セル２０Ａの電解隔膜２１内のアルカリイオン水が、第２電解セル２０Ｂの電解隔膜２１へ定量的（０．５Ｌ／分）に、連続的に移送されることになる。

第２電解セル２０Ｂの電解隔膜２１内において、第１電解セル２０Ａから移送されたアルカリイオン水が溜まってきたら、第２電解セル２０Ｂの陰極３１と陽極３２の間に電圧を印加し、直流電流の通電を開始する。そうすると、第２電解セル２０Ｂの電解隔膜２１内に注水されたアルカリイオン水は、陰極３１と陽極３２との間の直流電流によって更に電気分解され、より高いｐＨ（強アルカリ性）となる。

第２電解セル２０Ｂの電解隔膜２１は、蓋体２４によって密閉されているため、第２電解セル２０Ｂの電解隔膜２１内の水位が満量になると、第２電解セル２０Ｂの電解隔膜２１内のアルカリイオン水が、装置外へ定量的（０．５Ｌ／分）に、連続的に排出されることになる。

以後、第１電解セル２０Ａへの原料水の供給（０．５Ｌ／分）、第１電解セル２０Ａに対する通電、第１電解セル２０Ａから第２電解セル２０Ｂへのアルカリイオン水の移送（０．５Ｌ／分）、第２電解セル２０Ｂに対する通電、第２電解セル２０Ｂから装置外へのアルカリイオン水の排出（０．５Ｌ／分）を継続して実施することにより、高いｐＨの強アルカリ性のイオン水を連続的に生成することができる。しかも、従来の製造方法による場合と比べ、短時間（従来方法の３分の１の時間）で、かつ、少ないエネルギー量（従来方法の２分の１以下の電力量）で、従来の製造方法によって製造したアルカリイオン水とほぼ同等のｐＨのアルカリイオン水を生成することができる。

以下、本発明「イオン水の製造方法」に関し、本発明の発明者らが行った実験の結果を、本発明の実施例として説明する。

まず、第１実施形態として説明したイオン水の製造装置１（図１参照）を用意し、第２実施形態として説明したイオン水の製造方法により、通電条件を変えて合計８回にわたりアルカリイオン水の製造を行った。第１回目（実施例１）から第８回目（実施例８）までの通電条件と、製造されたアルカリイオン水のｐＨ計測値等を表１に示す。

上記表１において、「第１セル」の欄の数字は、図１に示す第１電解セル２０Ａに通電した電流の値（単位：アンペア）を示し、「第２セル」の欄の数字は、図１に示す第２電解セル２０Ｂに通電した電流の値を示している。また、「合計」の欄の数字は、それらの合計値を示している。「ｐＨ」の欄に示されている値は、製造開始から３０分経過後に製造されたアルカリイオン水についてのｐＨ計測値である。

ここで実施したイオン水の製造方法においては、第２電解セル２０Ｂの電解隔膜２１内のアルカリイオン水が、排出ポンプ５０Ｂにより毎分０．５Ｌの割合で装置外へ排出されるように設定されているため、理論上は、２０分間で１０Ｌのアルカリイオン水を製造できることになる。そして、実施例１〜８のいずれにおいても、実際に２０分間で１０Ｌのイオン水を問題なく製造することができた。従来方法（特開平８−２４８６５号公報に記載されているイオン水の製造方法）による場合、アルカリイオン水１０Ｌの製造所要時間は６０分であったため、本発明においては、所要時間を「３分の１」に短縮できたことになる。

また、上記表１の結果から、本実施例のアルカリイオン水の製造方法における通電条件に関し、次のようなことが確認された。まず、第１電解セルの電流と第２電解セルの電流の合計値が２０アンペア以下である場合（実施例１，２）、製造されたアルカリイオン水のｐＨは「１２」に届かず、従来方法によって製造したアルカリイオン水と比べて、機能が若干劣ることになる。一方、第１電解セルの電流と第２電解セルの電流の合計値が２５アンペア以上となるように通電条件を設定した場合（実施例３〜８）には、ｐＨは「１２」を超え、従来方法による場合と同等、或いは、それ以上の機能を有するアルカリイオン水を製造できることが分かった。従って、本発明のアルカリイオン水の製造方法においては、電流の合計値が２５アンペア以上となるように通電条件を設定することが好ましいと考えられる。

更に、上述の通り本実施例によるアルカリイオン水１０Ｌの製造所要時間は２０分であるところ、この場合の消費電力量（１０Ｌ製造するために必要な電力量）は、実施例３においては８３３Ｗｈであり、従来方法における消費電力量１８００ｋＷｈの「２分の１以下」（より正確には「４６．２％」）に縮減できることが分かった。

尚、実施例７における消費電力量は１１６７Ｗｈであり、実施例３の約１．４倍、また、実施例８における消費電力量は１３３３Ｗｈであり、実施例３の約１．６倍となる。当然のことながら実施例７，８の方が、実施例３よりもｐＨは高くなったが、その増加量は、消費電力量の増加量と比べると僅かであると言える。そして、ｐＨが「１２」以上であれば、アルカリイオン水としての十分な機能を期待できることを考慮すると、通電条件は、実施例３〜６の範囲（第１電解セルの電流：５〜１５アンペア、第２電解セルの電流：１５〜２０アンペア、合計値：２５〜３０アンペア）が最も好適であると考えられる。

また、実施例１〜８のアルカリイオン水のｐＨは、製造後３ヵ月が経過した時点においても、製造時と殆ど変わらなかった。従って、この方法によって製造したアルカリイオン水は、従来方法によって製造したアルカリイオン水と同様に、長期にわたって安定したｐＨ値を持続できることが確認された。

１：イオン水の製造装置、
１０：電解槽、
１０Ａ：第１電解槽、
１０Ｂ：第２電解槽、
２０：電解セル、
２０Ａ：第１電解セル、
２０Ｂ：第２電解セル、
２１：電解隔膜、
２１ａ：フランジ、
２４：蓋体、
２４ｃ〜２４ｅ：貫通孔、
２６：栓体、
２７Ａ，２７Ｂ：注水管、
２８Ａ，２７Ｂ：排水管、
３１：陰極、
３２：陽極、
３１ａ：リード線ターミナル、
３１ｂ：リード線、
３２ａ：リード線ターミナル、
５０：移送ポンプ

Claims (1)

1. 有底円筒状の電解隔膜と、その内側に配置された陰極と、前記電解隔膜の外側に配置された陽極とによって構成される電解セルを、電解槽の内側に配置し、前記電解隔膜の外側に補助電解質を投入するとともに、前記電解隔膜の内側に原料水を導入し、前記陰極と陽極に通電することによって原料水を電気分解するイオン水製造装置を用いてイオン水を製造する方法において、
   前記イオン水製造装置が、前記電解槽として、相互に独立した第１電解槽、及び、第２電解槽を有するとともに、前記電解セルとして、第１電解セル、及び、第２電解セルを有し、
   前記第１電解セルは前記第１電解槽内に、前記第２電解セルは前記第２電解槽内にそれぞれ配置され、
   前記第１電解セル、及び、第２電解セルには、注水管と排水管がそれぞれ取り付けられるとともに、第１電解セルの注水管に配置された移送ポンプにより、第１電解セルの電解隔膜内において生成されたアルカリイオン水が第２電解セルの電解隔膜内へ定量的に、連続的に移送されるように構成され、
   前記第１電解セル及び第２電解セルに通電する電流が合計で２５〜３０アンペアとなる範囲内で、前記第１電解セルに通電する電流を５〜１５アンペアの範囲内の任意の値に設定し、かつ、前記第２電解セルに通電する電流を１５〜２０アンペアの範囲内の任意の値に設定して通電を行うことを特徴とする、イオン水の製造方法。

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