JP4958541B2

JP4958541B2 - オゾン発生装置

Info

Publication number: JP4958541B2
Application number: JP2006351160A
Authority: JP
Inventors: 淳二水谷; 智博元村; 智裕井上
Original assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Current assignee: Sasakura Engineering Co Ltd
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-12-27
Also published as: JP2008162815A

Description

本発明は、オゾン発生装置に関し、より詳しくは、純水などの原料水を電気分解してオゾンを発生する電解式のオゾン発生装置に関する。

電解式のオゾン発生装置として、例えば、特許文献１に開示された構成が知られている。図３に示すように、このオゾン発生装置は、イオン交換膜１０１ａの両側に陽極１０１ｂ及び陰極１０１ｃが配置されたガス発生部１０１を備えており、電源１０２により陽極１０１ｂ及び陰極１０１ｃ間に電圧を印加することによりガス発生部１０１の純水を電気分解して、陽極１０１ｂ側にオゾンガス及び酸素ガスを発生させると共に、陰極１０１ｃ側に水素ガスを発生させる。ガス発生部１０１において発生したオゾンガス及び水素ガスは、それぞれオゾンガス分離部１０４及び水素ガス分離部１０５において分離された後、オゾンガス導管１０９及び水素ガス導管１１０を介して排出される。ガス発生部１０１の陽極１０１ｂ側には、オゾンガス分離部１０４を介して純水を供給する純水供給管１０３が接続されており、純水供給管１０３に過酸化水素除去機構１０８が設けられることにより、ガス発生部１０１に供給される純水中の過酸化水素が除去され、生成されたオゾンガスが過酸化水素により消費されるのを防止している。
特開２００２−１６６２７９号公報

ところが、上記オゾン発生装置においては、オゾンガス分離部１０４とガス発生部１０１との間で循環される純水中に、ガス発生部１０１内のイオン交換膜１０１ａや電極１０１ｂ，陰極１０１ｃから溶出した不純物が、微量ながらも徐々に混入し、イオン交換膜１０１ａに吸着されることにより電解効率が低下するおそれがあった。例えば、イオン交換膜１０１ａ及び陽極１０１ｂとして、それぞれフッ素樹脂膜及びチタン電極が広く用いられているが、本発明者らの研究によれば、作動中に純水中のフッ素イオン濃度が次第に増加し、これによってチタンが溶解し易くなるため純水中のチタンイオンの濃度も増加して、イオン交換膜１０１ａにチタンイオンが吸着される結果、イオン交換膜１０１ａの機能を阻害するおそれがあることが明らかになった。特にこの傾向は、最近の超純水製造技術に深く関わっている。即ち、超純水中の微量有機物を低減する目的で短波長紫外線（波長 180ナノメーター付近）を照射するケースが多くなっているが、このような超純水を原料として用いる場合には、フッ素濃度の上昇がより顕著となっており、上記問題の解決が望まれていた。

そこで、本発明は、オゾン発生効率を長期間良好に維持することができるオゾン発生装置の提供を目的とする。

本発明の前記目的は、イオン交換膜によって仕切られ、陰極及び陽極がそれぞれ収容された陰極室及び陽極室を有する電解槽と、前記陽極室に対して循環ラインにより接続され、前記陽極室に供給する原料水を貯留すると共に、前記陽極室で生成されたオゾンガスを原料水から分離する気液分離タンクと、前記気液分離タンクにおいて分離されたオゾンガスを排出するオゾン排出ラインと、前記気液分離タンクに対する原料水の供給及び排出をそれぞれ行う補給ライン及び排水ラインとを備えるオゾン発生装置であって、前記排水ラインに設けられた排水弁と、前記排水弁の作動を制御する制御手段と、前記制御手段に排水信号を入力する排水信号生成手段とを備え、前記制御手段は、前記排水信号の入力に基づき、前記気液分離タンクから原料水を排出するように前記排水弁の開閉を制御するオゾン発生装置により達成される。

このオゾン発生装置において、前記排水信号生成手段は、前記排水信号を定期的に出力するタイマ手段から構成することができる。或いは、前記排水信号生成手段を、前記気液分離タンクに貯留された原料水の電気伝導度の検出に基づき前記排水信号を出力する電気伝導度検出手段から構成することもできる。

また、前記気液分離タンクに貯留された原料水の水位を検出する水位検出手段を更に備えることが好ましく、前記制御手段は、前記排水弁の開放前に、前記気液分離タンク内の原料水の水位が予め設定された値となるように、前記水位検出手段の検出に基づき前記気液分離タンクへの原料水の供給を制御することが好ましい。

また、前記補給ラインに設けられ、原料水に含まれるラジカル状物質を除去するラジカル状物質除去手段を更に備えることが好ましい。

本発明のオゾン発生装置によれば、オゾン発生効率を長期間良好に維持することができる。

以下、本発明の実態形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るオゾン発生装置の概略構成図である。このオゾン発生装置１は、電解槽１０と、電解槽１０で生成されたオゾンガスを原料水から分離する気液分離タンク２０と、気液分離タンク２０で分離されたオゾンガスが通過するオゾン排出ライン３０とを備えている。

電解槽１０は、イオン交換膜１１により仕切られて形成された陰極室１２及び陽極室１３を備えており、陰極室１２には陰極１４が、陽極室１３には陽極１５が、それぞれ収容されている。陰極１４及び陽極１５は、通気性のある多孔質体により構成されており、イオン交換膜１１を挟持するように配置されている。イオン交換膜１１としては、フッ素樹脂系の膜を例示することができる。また、陰極１４としては、ステンレスなどの基材をめっき等により白金で被覆したものを例示することができ、陽極１５としては、チタンなどの基材を二酸化鉛で被覆したものを例示することができる。陽極１５の材料としては、二酸化鉛の他に、二酸化錫やダイヤモンドなどを例示することができる。

陰極室１２は、水素が排出される水素出口１２ａを有している。陽極室１３は、純水などの原料水が供給される原料水入口１３ａ、及び生成されたオゾンを含む原料水を排出する原料水出口１３ｂを有している。陰極１４及び陽極１５間には、直流電源１６により所望の電圧を印加することができる。

気液分離タンク２０は、チタン等からなる筒状の容器であり、原料水を貯留すると共に、原料水から分離されたオゾンガスなどの気体を、上部に形成された気体出口２０ａからオゾン排出ライン３０を介して排出可能に構成されている。気液分離タンク２０は、循環ライン２１を介して電解槽１０の陽極室１３に接続されており、原料水循環出口２０ｂから陽極室１３の原料水入口１３ａに向けて原料水を排出すると共に、陽極室１３の原料水出口１３ｂから排出された原料水を原料水回収口２０ｃから回収する。循環ライン２１による原料水の循環は、本実施形態では循環ポンプ２２によって行われるが、循環ポンプ２２を設けずに構成することも可能である。気液分離タンク２０の大きさは特に限定されないが、例えば、直径が７０〜２５０ｍｍ、高さが３０〜１００ｃｍ程度である。

気液分離タンク２０の側面には原料水補給口２０ｄを介して補給ライン４０が接続されており、気液分離タンク２０への原料水の補充供給は、補給ライン４０から適宜行うことができる。補給ライン４０は、供給弁４１及びラジカル状物質除去装置４２が設けられており、供給弁４１の開閉により原料水の補給及び停止が行われる。ラジカル状物質除去装置４２は、通過する原料水に含まれるラジカル状物質を除去する装置である。ラジカル状物質とは、フェノールフタリンを銅イオン存在下でフェノールフタレインに転換する性質を有する物質であり、例えば、過酸化水素やＯＨラジカルなどを例示することができる。ラジカル状物質除去装置４２は、ラジカル状物質の除去後に不純物が残存しないものが好ましく、例えば、純水でリンスした白金又はパラジウム触媒を担持したイオン交換樹脂が充填された触媒槽を好適に使用することができる。但し、これ以外にもラジカル状物質の除去が可能な公知のものを使用可能であり、例えば、白金やパラジウムなどの微粒子やハニカム担持体、合成吸着剤、活性炭、シリカゲルなどを挙げることができる。

気液分離タンク２０の底部には、原料水排出口２０ｅを介して排水ライン５０が接続されており、貯留された原料水を排水ライン５０から外部に排出することができる。原料水排出口２０ｅは、原料水と共にオゾンガスが排出されないように気液分離タンク２０の下部に設けることが好ましいが、必ずしも底部である必要はなく、気液分離タンク２０の側面に形成してもよい。排水ライン５０には排水弁５１が設けられており、排水弁５１の開閉により、原料水の排出及び停止が行われる。

また、気液分離タンク２０には、貯留された原料水の水位を検出する高水位センサ２３及び低水位センサ２４を備えている。高水位センサ２３及び低水位センサ２４は、例えば液体レベルセンサであり、貯留された原料水の高水位及び低水位をそれぞれ検出する。低水位センサ２４の下方には、原料水の水位の異常低下を検出する警報用センサ２５が配置されている。高水位センサ２３、低水位センサ２４及び警報用センサ２５の検出信号は、制御装置６０に入力される。制御装置６０は、循環ライン２１、補給ライン４０及び排水ライン５０にそれぞれ設けられた循環ポンプ２２、供給弁４１及び排水弁５１の作動を制御する。また、制御手段６０は、予め設定された時間間隔に基づきトリガ信号を出力するタイマ６１を内蔵しており、タイマ６１により定期的に生成されるトリガ信号が、排水ライン５０からの排水を指示する排水信号として制御手段６０に入力される。

次に、上述したオゾン発生装置１の作動を説明する。気液分離タンク２０には、供給弁４１及び排水弁５１を閉じた状態で予め所定量の原料水（純水）を貯留し、直流電源１６により電解槽１０の陰極１４及び陽極１５間に直流電圧を印加すると共に、循環ポンプ２２を作動させる。これにより、気液分離タンク２０から電解槽１０に原料水が供給され、電気分解されることにより、水素、酸素、オゾンが生成される。発生した水素は、水素出口１２から不図示の排出ラインを介して排出される一方、発生したオゾンは、原料水と共に気液分離タンク２０に供給され、気液分離タンク２０において原料水から分離される。こうして、電解槽１０と気液分離タンク２０との間で原料水が循環することにより、オゾンガス排出ライン３０から高濃度のオゾンガスが連続的に排出され、ユースポイントに供給される。

気液分離タンク２０に貯留された原料水の水位Ｌは、オゾンガスの生成と共に徐々に低下する。原料水の水位Ｌが低水位Ｌ１まで低下すると、低水位センサ２４がこれを検出して制御装置６０に低水位信号を出力する。制御装置６０は、低水位信号の入力に基づき供給弁４１を開放し、ラジカル状物質除去装置４２を通過後の原料水となる純水を、気液分離タンク２０に供給する。これにより、気液分離タンク２０の原料水の水位は徐々に上昇する。原料水の水位が高水位Ｌ２まで上昇すると、高水位センサ２３がこれを検出して制御装置６０に高水位信号を出力する。制御装置６０は、高水位信号の入力に基づき供給弁４１を閉止して、気液分離タンク２０への原料水の供給を停止する。このように、高水位センサ２３及び低水位センサ２４の検出に基づき、制御装置６０が気液分離タンク２０への原料水の供給を制御することにより、気液分離タンク２０内の原料水の水位は、低水位Ｌ１と高水位Ｌ２との間に常時保たれる。なお、何らかの異常により、原料水の水位が低水位Ｌ１よりも低下して危険水位Ｌ０に達した場合には、警報用センサ２５がこれを検出して制御装置６０に警報信号を出力し、制御装置６０はこれを受けて循環ポンプ２２を停止する。

本実施形態のオゾン発生装置１は、タイマ６１が排水信号を定期的に生成する。制御装置６０は、排水信号が入力されると、まず供給弁４１を開放し、ラジカル状物質除去装置４２を通過した原料水を気液分離タンク２０に供給する。そして、原料水の水位が高水位まで上昇したことを高水位センサ２３が検知すると、供給弁４１を閉じて原料水の供給を停止する。この後、排水弁５１を一定時間開放して、予め設定された量の原料水を排水ライン５０から排出する。原料水の排出量は、排水弁５１を閉止後の気液分離タンク２０内の水位が低水位Ｌ１よりも上方となる範囲において適宜設定することができ、例えば、水位が６０ｃｍの状態から約５ｃｍ低下するように、原料水を排出する。タイマ６１による排水信号の生成頻度についても、原料水中の不純物濃度の増加傾向を考慮して適宜定めればよく特に制限はないが、例えば１時間に１回程度とすればよい。気液分離タンク２０への原料水の供給制御は、本実施形態のように供給弁４１の開閉により行う代わりに、ポンプ（図示せず）のオンオフにより行うこともできる。

本実施形態のオゾン発生装置１によれば、排水信号の入力に基づく排水弁５１の開閉制御により、気液分離タンク２０から排水ライン５０を介して原料水が一部排出されるため、電解槽１０と気液分離タンク２０との間で循環される原料水に溶出した不純物を排水と共に除去することができる。したがって、オゾン発生を連続的に行いつつ、電解槽１０のイオン交換膜１１における不純物の蓄積を抑制することができ、イオン交換膜１１の長寿命化によりオゾン発生効率を長期間良好に維持することができる。

また、制御手段６０は、排水弁５１を開放する前に、気液分離タンク２０内の原料水が高水位となるように、高水位センサ２３の検出に基づき供給弁４１を開閉制御するので、一定量の原料水に含まれる不純物を確実に排出することができ、イオン交換膜１１に対する不純物の蓄積をより確実に防止することができる。

更に、供給ライン４０にラジカル状物質除去装置４２が設けられているので、電解槽１０と気液分離タンク２０との間で循環する原料水中のラジカル状物質が低減される結果、ラジカル状物質の存在に起因するフッ素などの不純物の溶出を抑制することができる。したがって、不純物を原料水と共に強制的に排出することと相俟って、オゾン発生効率をより長期間良好に維持することができる。

以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明の具体的な態様は上記実施形態に限定されない。例えば、本実施形態においては、一定の時間間隔で一定量を排出するように、制御手段６０が排水弁５１を開閉制御しているが、排水信号の出力タイミングや排水量は必ずしも一定である必要はなく、異なる時間間隔を設定して、各時間間隔に比例した量の原料水を排出するように排水弁５１の開閉制御を行ってもよい。

また、本実施形態においては、制御手段６０への排水信号の入力後、まず供給弁４１を開放して気液分離タンク２０内の水位を高水位まで上昇させるようにしているが、供給弁４１を開放することなく低水位センサ２４が低水位を検知するまで排水弁５１を開放した後に、供給弁４１を開放して原料水を補給するようにしてもよい。この場合、排水前の原料水の水位によって排出される原料水の量が異なることから、タイマ６１は、排水量に比例した時間間隔で、次の排水信号を生成することが好ましい。また、供給弁４１を介した原料水の補給は、排水弁５１を介した排水と同時に行うことも可能である。いずれにしても、不純物を含む原料水を強制的に排出すると共に、新たな原料水を補給することができるので、イオン交換膜１１を通過する原料水の不純物濃度を低濃度に維持することができる。

また、本実施形態においては、制御装置６０に排水信号を入力する排水信号入力手段として、排水信号を定期的に出力するタイマ６１を用いているが、排水信号を自動的に入力可能であれば、他の構成とすることも可能である。例えば、図２に示すように、気液分離タンク２０に貯留された原料水の電気伝導度を測定可能な電気伝導度センサ６２をタイマ６１の代わりに設け、電気伝導度センサ６２の検出信号が制御装置６０に入力されるように構成してもよい。なお、図２において、図１と同様の構成部分には同一の符号を付している。

原料水の電気伝導度は、純度が高いほど低い値となるため、電気伝導度が所定値以上である電気伝導度センサ６２の検出信号を排出信号とみなして、図１に示す構成と同様に、制御装置６０が排水弁５１の開閉制御を行うことができる。なお、電気伝導度センサ６２が原料水中のオゾンにより不具合を生じるおそれがある場合には、原料水とのセンサ部の接触を定期的に行うようにして、電気伝導度の測定後にセンサ部を純水によりパージ可能に構成してもよい。

更に、図２の構成において、電気伝導度センサ６２に代えて、気液分離タンク２０に貯留された原料水のフッ素イオン濃度をイオン電極法などにより検出するフッ素イオン濃度センサを設け、フッ素イオン濃度センサによる所定値以上の検出濃度を排出信号とみなして、制御装置６０が排水弁５１の開閉制御を行うように構成してもよい。特に、電極や流路内壁等がチタン材料により構成されている場合には、フッ素イオン濃度の増大がイオン交換膜へのチタンイオンの吸着を促すため、フッ素イオン濃度センサの検出に基づいて排水を行うことで、オゾン発生効率の維持を容易にすることができる。

以下、実施例に基づき、本発明を更に詳細に説明する。但し、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

図１の構成において、補給ライン４０にラジカル状物質除去装置４２を設けずに、オゾン発生装置１を作動させた。気液分離タンク２０に供給される原料水（超純水）のラジカル状物質濃度は、２０ppb as H₂0₂であり、高水位時における気液分離タンク２０の貯留量は、３０Ｌとした。排水弁５１の開閉制御による原料水の排水は、タイマ６１により１時間毎に１．５Ｌとした。また、オゾン排出ライン３０から排出されるオゾンの流量は、４５ｇ／ｈとした。なお、原料水中のラジカル状物質濃度は、フェノールフタリンを指示薬として、過酸化水素換算で評価した。

作動中における気液分離タンク２０に貯留された原料水のフッ素濃度を測定したところ、６ヶ月経過後も０．９ｐｐｍ以下に維持されており、電解槽１０の作動電圧の上昇は見られなかった。

更に、この状態で、ステンレス管（２５Ａ）に白金担持イオン交換樹脂を１００ｍｍ長さで充填したラジカル状物質除去装置４２を、補給ライン４０に設けたところ、気液分離タンク２０内の原料水のフッ素濃度は０．４ｐｐｍまで低下し、電解槽１０の作動電圧も正常な状態を維持した。

一方、上記試験を行う前に、排水ライン５０を設けない構成で気液分離タンク２０内の原料水濃度を測定した場合には、気液分離タンク２０内の原料水のフッ素濃度が６ｐｐｍまで上昇した。この結果、作動から６ヶ月経過後に電解槽１０の電圧が異常に高くなり、作動を継続できない状態となった。

本発明の一実施形態に係るオゾン発生装置の概略構成図である。本発明の他の実施形態に係るオゾン発生装置の概略構成図である。従来のオゾン発生装置の概略構成図である。

符号の説明

１オゾン発生装置
１０電解槽
１１イオン交換膜
１２陰極室
１３陽極室
１４陰極
１５陽極
２０気液分離タンク
２１循環ライン
２３高水位センサ
２４低水位センサ
３０オゾン排出ライン
４０補給ライン
４１供給弁
４２ラジカル状物質除去装置
５０排水ライン
５１排水弁
６０制御装置
６１タイマ
６２電気伝導度センサ

Claims

イオン交換膜によって仕切られ、陰極及び陽極がそれぞれ収容された陰極室及び陽極室を有する電解槽と、
前記陽極室に対して循環ラインにより接続され、前記陽極室に供給する原料水を貯留すると共に、前記陽極室で生成されたオゾンガスを原料水から分離する気液分離タンクと、
前記気液分離タンクにおいて分離されたオゾンガスを排出するオゾン排出ラインと、
前記気液分離タンクに対する原料水の供給及び排出をそれぞれ行う補給ライン及び排水ラインとを備えるオゾン発生装置であって、
前記排水ラインに設けられた排水弁と、
前記排水弁の作動を制御する制御手段と、
前記制御手段に排水信号を入力する排水信号生成手段とを備え、
前記制御手段は、前記排水信号の入力に基づき、前記気液分離タンクから原料水を排出するように前記排水弁の開閉を制御するオゾン発生装置。
前記排水信号生成手段は、前記排水信号を定期的に出力するタイマ手段からなる請求項１に記載のオゾン発生装置。
前記排水信号生成手段は、前記気液分離タンクに貯留された原料水の電気伝導度の検出に基づき前記排水信号を出力する電気伝導度検出手段からなる請求項１に記載のオゾン発生装置。
前記気液分離タンクに貯留された原料水の水位を検出する水位検出手段を更に備え、
前記制御手段は、前記排水弁の開放前に、前記気液分離タンク内の原料水の水位が予め設定された値となるように、前記水位検出手段の検出に基づき前記気液分離タンクへの原料水の供給を制御する請求項１から３のいずれかに記載のオゾン発生装置。
前記補給ラインに設けられ、原料水に含まれるラジカル状物質を除去するラジカル状物質除去手段を更に備える請求項１から４のいずれかに記載のオゾン発生装置。