JP5230314B2 - 活性酸素生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、活性酸素を効率よく、連続的に発生する装置を簡易な構造で実現することができる装置に関するものである。

活性酸素を生成する手段として、放電や、光触媒を用いる方法がある。しかし、前者は電力量が多いことや高電圧入力に対する安全性の確保が必要となるなどの課題があった。また、後者は紫外線の光源を必要とし、装置が大型化することや、紫外線の人体に対する影響も懸念されるという課題があった。
また、活性酸素を生成する手段として、水中で電気を用いた電気分解により活性酸素を生成する方法もある。しかし、この場合には、副生成物として水素や塩素が発生する。水素や塩素の大量発生は安全や健康の点で、好ましくない影響を及ぼす。このような問題を回避するため、陽極と、活性酸素発生能を有する導電性高分子（以下導電性高分子として記す）を担持させた陰極との間に微弱電流を通電させることによって、水素や塩素の発生を抑制しつつ、活性酸素を有意に発生させる装置も知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−９９８６３号公報(図１等)

導電性高分子は、酸化還元反応の反応性に優れており、該導電性高分子から水中の溶存酸素へ電子が供与され、酸素を還元して活性酸素を生成する。このような酸化還元能を有する導電性高分子に電気的に還元電位を与えて連続的に電子供給をおこなえば、水中で活性酸素が生成され続けることとなる。
しかし、水中の溶存酸素は限られており、溶存酸素の消費とともに活性酸素の生成量が減少するという課題があった。また、長期間の使用により、導電性高分子表面に不純物などが付着することにより活性酸素の生成量が減少するという課題もあった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、活性酸素を効率よく連続的に生成することのできる小型の装置を提供することを目的とする。

本発明の活性酸素生成装置は、導電性高分子を含む基材からなる陰極と導電性を有する陽極とを酸素が溶存した水の入った容器内に浸漬させ、前記陰極と前記陽極の電極の間を通電することで活性酸素を生成する活性酸素生成装置であって、前記容器の内部に設けられて該容器内に水を供給する水供給部と、前記容器内の前記陰極部分における前記水と大気との界面を、前記陰極の上部から下端までに達するまで経時的に変動させるように前記容器内の水位を変更する水位変更手段と、を備え、前記水供給部は、前記容器内の水位が前記陰極の前記下端に来ると、前記容器への水の供給を開始し、前記容器内の水位を当初の状態まで戻すようにしたものである。

本発明の活性酸素生成装置は、陰極は水と大気とに接しているため、大気中の酸素が電極表面と接触し、特に陰極表面の大気と水面の界面において、酸素が導電性高分子から供与される電子と反応して活性酸素を、効率よく連続的に生成することが可能となる。また、陰極表面に接する大気と水面の界面が経時的に変動することにより、陰極全面を有効に利用することができるため、過酸化水素生成能力も増大する。

実施の形態１．
図１、図２は本発明の実施の形態１に係る活性酸素生成装置の構成図である。この活性酸素生成装置は、酸素が溶存した水２を貯える水槽３と、排水口４やポンプ９を介して水槽３から出た水を受け入れる水受け器１とを備える。なお、水槽３も水受け器１も水を貯える容器であることに変わりはない。水槽３の内部には、水槽３に水を供給する水供給部７と、導電性高分子を含む基材からなる陰極５と、導電性を有する材料からなる陽極６とが配置されている。これらの電極５，６は、それらの大部分が水槽３の水中に浸漬可能な態様に設置されている。なお、陰極５と陽極６とは交互に積層された構成としてもよい。そして、陰極５と陽極６との電極間に直流電流を供給する電源１０を有している。

図１、図２の装置では、水供給部７から水槽３内に水が導入され、電極５，６が水に完全に浸漬する。電源１０により通電されている電極間に水が介在すると、陰極５表面に含有されている導電性高分子（例えば、ポリアニリン）より、水中に溶存している酸素へ電子が供与され、スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素などの活性酸素が生成される。

図１の装置では、水槽３の水位変更手段として、水槽３の下部に排水口４が具備されており、水槽３内の水は時間とともに水受け器１へ流入する。水が排水口４より水受け器１へ流入すると、水槽３内の水位が減少し、陰極５の表面と接している大気と水面の界面も変動して下がる。水供給部７は、水槽３内の水位が低下すると、例えば上記界面が陰極５の下端に来ると、水槽３への水供給を開始し、水位を当初の状態まで戻す。

水供給部７は、水道管と弁などから構成することも可能であるが、ここでは、後述する実施の形態３で説明する水供給部７及び蓋８に準じた構成としている。そしてこの例では、水供給部７及び蓋８を利用し、蓋８から空気が水供給部７内に流入するときに、水供給部７から水槽３側へ水が供給されるようにしている。
また、排水口４から水受け器１への時間当たり排水量が、状況に拘わらず一定となるように、排水口４を調節可能としておくことが好ましい。

図２の装置では、水槽３の水位変更手段として、水槽３の水を汲み上げて水槽３の外部に移す水移送機構（この例ではポンプ９とその配管）を設け、水槽３の水を一定の速度で水受け器１へ流入させている。図２の装置はその他の点では図１の装置と同じである。

図１、図２の活性酸素生成装置は、活性酸素の生成が最も多くなる陰極５の表面上の大気と水との界面が経時的に変化して陰極５の下端にまで達することにより、陰極５の全面にわたって大気中の酸素を取り込めるため、陰極５での活性酸素生成効率を高めることができる。

なお、陰極５に用いる導電性高分子には、ポリアニリン、ポリアニリン誘導体、ポリピロール、ポリチオフェン、及びポリアセチレンなどがある。それらは単体で用いても組み合わせて用いてもよい。これらの導電性高分子を含んだ陰極５の基材は抵抗値が低いほどよく、表面抵抗値は１０^-3〜１０³Ω／ｃｍ²であることが好ましい。本活性酸素生成装置は、水中で電気分解がほとんど生じない程度の微小電圧を印加するため、表面抵抗値が高いと電極の通電部分から最も離れた箇所では電圧降下が大きく、殆ど電圧が印加されないことを防止するためである。

さらに本構成において、陰極５の表面に大気が積極的に当たるように、送風手段を設けることが好ましい。陰極５の表面に大気が送風されることで、陰極５の表面に形成されている水膜へより多くの酸素を取り込むことが可能となり、活性酸素の生成量増加が図れるからである。

陰極５の基材はカーボンやチタンなどの板形状とすることができる。また、陰極５の基材は織布や網状に形成されてもよく、表面積が広くなればそれだけ活性酸素の生成量も増大する。

また、水中の溶存酸素量を多く保つために、水槽３内の水２の温度を０〜３０℃に調整するのが好ましい。水温が低いほど溶存酸素量は多くなるため、ペルチェ素子や凝縮機を水槽３内または水槽３に接するように配置して、水温を低く保つことが好ましい。なお、０℃以下では水が氷ってしまうことと、３０℃以上では溶存酸素濃度が０℃と比べて半減してしまうため、上記範囲内に水温を調整する。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２における活性酸素生成装置の断面構成図である。この活性酸素生成装置は、水を貯える容器である水受け器１と、一定容積を有する固体物１１を水受け器１の上下に移動させる昇降装置１２とを備えている。昇降装置１２は例えばモータと滑車などから構成され、固体物１１を水受け器１の水の中と外との間で引き上げ／引き下げするもので、水位変位手段として作用する。
水受け器１の内部には、水受け器１に水を供給する水供給部７と、導電性高分子を含む基材からなる陰極５と、導電性を有する材料からなる陽極６とが配置されている。これらの電極５，６は、それらの大部分が水受け器１の水中に浸漬可能な態様に設置されている。なお、陰極５と陽極６とは交互に積層された構成としてもよい。そして、陰極５と陽極６との電極間に直流電流を供給する電源１０を有している。

水受け器１には水供給部７から水が間欠的に導入され、電極５，６が水に浸漬する。電源１０により通電されている電極間に水が介在すると、陰極５の表面に含有されている導電性高分子より、水中に溶存している酸素へ電子が供与され、スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素などの活性酸素が生成される。

水受け器１の水中にある固体物１１を、昇降装置１２を介して徐々に引き上げることにより、水受け器１の水面が降下し、陰極５表面上の大気と水との界面も徐々に下がる。一方、固体物１１を引き下げ水中に浸漬させると再び水面が上昇し、陰極部５表面上の大気と水との界面も上がる。実施の形態２では、上記のような固体物１１の引き上げと引き下げを定期的または間欠的に繰り返す。なお、固体物１１の引き上げ時には、水受け器１の水位が陰極５の下端に来るように設定するのが好ましい。

図３の活性酸素生成装置は、固体物１１の浸漬と引き上げにより水位を変動することで、活性酸素の生成が最も多くなる陰極５表面上の大気と水との界面が経時的に変化して陰極５の下端にまで達することにより、陰極５の全面にわたって大気中の酸素を取り込めるため、陰極５による活性酸素生成効率を高めることができる。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３における水供給部に用いられる蓋の斜視図、図５は本発明の実施の形態３における活性酸素生成装置の断面構成図である。この活性酸素生成装置は、容器である水受け器１と、水受け器１に水を供給する水供給部７とを備えてなる。
水供給部７は水受け器１内に設けられ、水供給部７の先端に供給水量を調節するための蓋８が設けられている。蓋８は水路を構成する外筒部１４と内筒部１５とを有し、外筒部１４を導電性高分子を含む基材からなる陰極とし、内筒部１５を導電性を有する陽極としている。そして、外筒部１４と内筒部１５との電極間に直流電流を供給する電源１０を備えている。また、内筒部１５の内側の蓋中心部には、蓋８の水路の開閉に寄与する可動軸１３が設けられている。

水受け器１に水が供給されると蓋８が水に浸漬する。通電されている電極１４，１５間に水が介在すると陰極１４表面に含有されている導電性高分子より、水中に溶存している酸素へ電子が供与され、スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素などの活性酸素が生成される。水受け器１の水が加湿等の利用に供されると水位が下がり、陰極１４表面上の大気と水面との界面が変化する。水位が下がり、水面が可動軸１３の下端にまで達すると、内筒部１４より空気が水供給部側へ流入し、入れ替えで水受け器１に水が供給され、蓋８全体が再び水に浸漬する。この動作を繰り返すことで、陰極１４表面上の空気と水との界面が経時的に変化し、連続的な過酸化水素の生成が得られる。
なお、界面が陰極１４の下端に来たときに水供給部７から水受け器１への水供給が開始されるようにしてもよい。

上述した実施の形態１〜３により、活性酸素を効率よく連続的に生成することが可能となる。以下では、実施の形態１〜３の装置をさらに効果的にする構成を説明する。
本装置の使用に応じて電極表面に汚れが付着して電流が流れにくくなり、過度の電圧が印加される場合がある。これに対しては、陰極５と陽極６の間に印加される電流値及び電圧値を常に検知する手段を備えて、電流及び電圧値の急激な上昇を検知したときには両極間の通電を停止することで、上記現象を防ぐようにすることができる。

また、上述した電極間の通電により、活性酸素とともに水素及び塩素は少なからず生成される。そのため、容器内の水上に上記ガスの検出手段を設置し、上記ガスの濃度が増加した場合には、電極間の通電を調整または停止するようにしてもよい。このような機構を付加することで、装置としての安全性をより高めることができる。
なお、上記実施の形態１〜３においてそれぞれ説明した各事項は、可能な範囲で他の実施の形態に適用することができる。

本発明の実施の形態１における活性酸素生成装置の断面構成図。 本発明の実施の形態１における活性酸素生成装置の断面構成図。 本発明の実施の形態２における活性酸素生成装置の断面構成図。 本発明の実施の形態３における水供給部に用いられる蓋の斜視図。 本発明の実施の形態３における活性酸素生成装置の断面構成図。

符号の説明

１ 水受け器、２ 水、３ 水槽、４ 排水口、５ 陰極、６ 陽極、７ 水供給部、８ 蓋、９ ポンプ、１０ 電源、１１ 固体物、１２ 昇降装置、１３ 可動軸、１４ 外筒部（陰極）、１５ 内筒部（陽極）。

Claims (7)

1. 導電性高分子を含む基材からなる陰極と導電性を有する陽極とを酸素が溶存した水の入った容器内に浸漬させ、前記陰極と前記陽極の電極の間を通電することで活性酸素を生成する活性酸素生成装置であって、
   前記容器の内部に設けられて該容器内に水を供給する水供給部と、
   前記容器内の前記陰極部分における前記水と大気との界面を、前記陰極の上部から下端までに達するまで経時的に変動させるように前記容器内の水位を変更する水位変更手段と、を備え、
   前記水供給部は、前記容器内の水位が前記陰極の前記下端に来ると、前記容器への水の供給を開始し、前記容器内の水位を当初の状態まで戻すものであることを特徴とする活性酸素生成装置。
2. 前記電極が浸漬している前記水の温度が０〜３０℃に保持されることを特徴とする請求項１に記載の活性酸素生成装置。
3. 前記容器の下部に前記水位変更手段としての排水口を設け、前記容器の外部に前記排水口より排出された水を貯える水受け器を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の活性酸素生成装置。
4. 前記容器の水を汲み上げて前記容器の外部に移す水移送機構を前記水位変更手段として設け、前記容器の外部に前記水移送機構により排出された水を貯える水受け器を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の活性酸素生成装置。
5. 前記水供給部の先端に設けられて供給水量を調節する蓋を前記容器内に備え、
   前記蓋は水路を構成する外筒部と内筒部とを有し、前記外筒部と前記内筒部により前記陰極と前記陽極の電極対を形成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の活性酸素生成装置。
6. 導電性高分子を含む基材からなる陰極と導電性を有する陽極とを酸素が溶存した水の入った容器内に浸漬させ、前記陰極と前記陽極の電極の間を通電することで活性酸素を生成する活性酸素生成装置であって、
   前記容器内に設けられて該容器内に水を供給する水供給部と、
   前記容器内の前記陰極部分における前記水と大気との界面を、前記陰極の上部から下端までに達するまで経時的に変動させるように前記容器内の水位を変更する水位変更手段と、を備え、
   前記水位変更手段は、一定容積を有する固体物を前記容器の水の中と外との間で引き上げ／引き下げする昇降装置であり、
   前記昇降装置の前記固体物は、前記容器内の水位が前記陰極の前記下端に来たときに引き上げられるように設定されていて、前記固体物の引き上げと引き下げとが繰り返されることを特徴とする活性酸素生成装置。
7. 前記導電性高分子を含む基材の表面は１０^−３〜１０^３Ω／cm^２の表面抵抗値であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の活性酸素生成装置。

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