JP5688103B2 - 電解水製造方法及び装置 - Google Patents
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「電解水」とは、水道水や薄い食塩水などを弱い直流電圧で電解処理して得られる水溶液の総称であり、陽極側で生成する「酸性電解水」と陰極側で生成する「アルカリ性電解水」とに大別される。これは、装置や電解条件などの違いにより色々なものがつくられるが、使用目的に基づき、洗浄消毒など衛生管理に使われる殺菌性の強い「酸性電解水」と、持続的飲用による胃腸症状改善効果が明らかとなっている「アルカリ性電解水」とに大別される。
一般に、「酸性電解水」とは、pHが6.5以下の電解水を総称して酸性電解水と言う。各種の病原細菌やそれらの薬剤耐性菌(MRSAなど)に幅広く強い殺菌力を示し、医療、歯科、食品あるいは農業など多様な分野で利用されている。主な殺菌因子は、電解によって生じる次亜塩素酸水である。
更に、「酸性電解水」は、強酸性電解水と微酸性電解水と弱酸性電解水とに分けられ、次亜塩素酸を生成分(20〜60ppmの有効塩素濃度)とするpH2.7以下の電解水を強酸性電解水(強酸性次亜塩素酸水)と言う。強酸性電解水生成装置は個別に、薬事法に基づく認可申請がおこなわれ、これまでに下記の用途を目的とした医療用具(薬事法改正に伴い、医療機器製造販売承認)として認可されている。
強酸性電解水(有効塩素40ppm)は、高濃度(1,000ppm)の次亜塩素酸ナトリウムに匹敵する抗菌・抗ウイルス活性(高いノロウイルス不活性化活性も示す)を示すものである。これは、殺菌因子である次亜塩素酸(HClO)の存在率が、強酸性電解水では約90%であるのに対し、次亜塩素酸ナトリウムは、アルカリ性なので5%以下に留まり、95%以上が活性の微弱な次亜塩素酸イオン(ClO-)として存在するためである。ただし、次亜塩素酸は、有機物と容易に反応するので有機物が多いと、強酸性電解水の殺菌力は著しく低下する。このことを克服するために、油脂やタンパク質の除去効果が高いことが明らかとなった強アルカリ性電解水で殺菌対象をまず処理してから強酸性電解水で処理する方法が有効な方法として採用されている。 安全性に関しても各種の試験が行われ、高い安全性が確認されている。
尚、微酸性電解水とは、pHが5〜6.5で、有効塩素が10〜30ppmの次亜塩素酸水溶液で、生成水すべてが殺菌水であることが特徴的である。強酸性電解水と同様の抗菌・抗ウイルス活性を示すものであり、安全性試験に関しても同様である。
また、弱酸性電解水としては、pH範囲が微酸性電解水と強酸性電解水の間を埋める弱酸性電解水が、食品安全委員会の審議を通過している。弱酸性電解水も強酸性電解水や微酸性電解水と同等の活性と安全性が認められている。
一方、「アルカリ性電解水」とは、上記した電解において同時に陰極側において生成される苛性アルカリを主成分とする「アルカリ性電解水」をいう。「アルカリ性電解水」には、強アルカリ性電解水(pH11〜11.5)と、アルカリイオン整水器と通称される家庭用電解水生成器を用いて、飲用水を電気分解することにより生成され、アルカリイオン水と呼ばれている弱アルカリ性電解水(pH9〜10)とに大別される。なお、家庭用電解水生成器とは、薬事法施行令において「器具器械83 医療用物質生成器」に分類される家庭用医療機器の呼称である。 アルカリイオン水の効能効果については、厳密な比較臨床試験が実施された結果、医療用具として承認を受けている以下の効能効果が確認された。すなわち、「慢性下痢、消化不良、胃腸内異常発酵、制酸、胃酸過多」に有効である。また、便秘に対しても改善効果が認められた。現在では、薬事法の改正(2005年)に伴って「胃腸症状の改善効果」があると改められた。
電解水生成装置としては、塩化ナトリウム水溶液や塩化カリウム水溶液等のアルカリ金属塩化物を含む電解質を溶解した水溶液を電解することによって、陽極側からは次亜塩素酸水を含む酸性電解水を、陰極側からは苛性アルカリを含むアルカリ性電解水を得ることができる。このように、電解液として塩化ナトリウム水溶液や塩化カリウム水溶液を使用して電解を行う電解装置は、大腸菌などを含むバクテリアに対して殺菌効果を有する次亜塩素酸水を含む酸性電解水を陽極側で合成し、一方、陰極側では脱脂やタンパク質除去といった強力な洗浄力を有する苛性アルカリを含むアルカリ性電解水を合成できるため、食品加工分野、農業分野、医療・介護分野などで汎用されている。
このような、次亜塩素酸水を含む酸性電解水と苛性アルカリを含むアルカリ性電解水を製造できる電解装置には、2室型電解槽と3室型電解槽を用いた方法がある。
以下、本発明においては、電解により、陽極側で生成する次亜塩素酸水、又は陽極側で生成する塩素ガスを分離回収後溶解水に溶解して生成される次亜塩素酸水を含む酸性電解水を単に「酸性電解水」と呼称し、苛性アルカリを含むアルカリ性電解水を単に「アルカリ性電解水」という。
このため、その陽極室で生成された酸性電解水は、次亜塩素酸のみならず、塩化ナトリウム分を含んでいることによって、平衡移動による塩素ガスの気化等が生じてしまう。したがって、次亜塩素酸などは短時間で気化してしまうため、酸性電解水において必要とする殺菌力を長期間担保することが難しく、その用途が制限されてしまうという問題点を有する。しかも、この塩化ナトリウムにより周辺機器の腐食が大きく、市場拡大の大きな阻害要素となっている。
その代表的な特許文献としては、特許文献2及び特許文献3が挙げられるが、この方法は、イオン交換能を有する隔膜を2枚使用して電解槽を陽極室、中間室、及び陰極室に区分した3室型電解槽を用い、中間室に塩化ナトリウム水溶液を供給し、陽極室及び陰極室にはアルカリ金属塩化物を含まない原料水を供給して電解を行うことで、陽極側で酸性電解水を、陰極側でアルカリ性電解水をそれぞれ合成するものもある。本方法では、陽極室と中間室を区分する隔膜に陰イオン交換膜を使用し、陰極室と中間室を区分する隔膜に陽イオン交換膜を使用することで、原理的には、陽極室には酸性電解水合成に必要な塩化物イオンだけが中間室から泳動し、一方の陰極室にはアルカリ性電解水合成に必要なナトリウムイオンだけが中間室から泳動するため、2室型電解槽に比べて、塩化ナトリウムの残留が少ない電解水を合成できる利点があり、使用後の食塩の析出や食塩による金属を腐食する問題を軽減できることが提案されている。
上述の様に、3室型電解槽では2種類のイオン交換膜、陰イオン交換膜と陽イオン交換膜を使用し、酸性電解水及びアルカリ性電解水を合成するが、一般に市販されている陰イオン交換膜と陽イオン交換膜を比較すると、陰イオン交換膜の陰イオン伝導度、及びイオン選択性が劣るため以下の問題が発生する。
2Cl- → Cl2 + 2e- ・・・(1)
Cl2 + H2O → HClO + HCl ・・・(2)
2H2O → O2 +4H+ 4e- ・・・(3)
2H2O + 2e- → H2 + 2OH- ・・・(4)
本発明においては、陽イオン交換膜4によって、陽極5を収容した陽極室2と陰極6を収容した陰極室3との2室に区分された2室型電解槽1の前記陽極室2に、食塩等のアルカリ金属塩化物の溶解した水溶液からなる陽極液を、該陽極液を貯留する陽極液タンク10から循環ポンプ11を用いて循環供給し、前記陰極室3に、食塩等のアルカリ金属塩化物を含まない原料水を原料水供給パイプ7より供給しながら電解する。電解により、前記陰極室3では、アルカリ金属塩化物を含まないアルカリ性電解水を製造する。製造されたアルカリ性電解水は、アルカリ性電解水タンク8を介してアルカリ性電解水排出パイプ9より排出される。
前記陽極室2では、塩素を含む気体を発生させ、該気体を気液分離部12において、前記陽極液と分離、捕集した後、該気体は、陽極ガスパイプ13を介して塩素溶解部18に送られる。塩素溶解部18には、溶解水供給パイプ15より食塩等のアルカリ金属塩化物を含まない溶解水が供給され、塩素溶解部18において、食塩等のアルカリ金属塩化物を含まない酸性電解水が生成される。製造された酸性電解水は、酸性電解水排出パイプ19より排出される。
一方、気液分離部12により分離された陽極液は、陽極液タンク10に循環される。
また、陽極液タンク10内の陽極液中のアルカリ金属塩化物は、一部分解し、塩素ガスが発生するが、この塩素ガスにより生ずるガス漏洩の弊害を除去し、これを有効活用するため、陽極液タンク10で発生した塩素ガスは、塩素ガスパイプ14を介して塩素溶解部に送られ、酸性電解水の生成に使用される。
尚、塩素溶解部18に供給する溶解水としては、原料水供給パイプ7より分岐したパイプ(図示せず)を介して、原料水の一部を使用することができる。
更に、前記電解により陰極室3において製造された、アルカリ性電解水は、アルカリ性電解水タンク8を介して、アルカリ性電解水ポンプ16を用い、流量調整バルブ17により流量を調整しながら、塩素溶解部18内の溶解水に添加することができる。このようにすると、塩素溶解部18において製造される酸性電解水のpHを所望の値に調整することができる。
図1に示される電解装置に於いて、2室型電解槽1は、メッシュ形状のチタン製基材上に白金触媒を熱分解法によってコーティングした、投影面積60cm2の電極(ペルメレック電極製、JL−510)を陽極5、及び陰極6とし、陽極室2、及び陰極室3を区画する陽イオン交換膜4(DuPont社製、Nafion(登録商標)N−115)の両側に、陽イオン交換膜4と各電極が接触する様に配置した。気液分離部12は、陽極室2の上部5cmの高さに配置して、陽極室2に50mmH2Oの背圧がかかるように調節し、また、アルカリ性電解水排出パイプ9も陰極室3の上部5cmの高さに配置して、陰極室3への背圧が50mmH2Oとなるように調節した。
実施例1記載の電解装置で、塩素溶解部18に供給される溶解水に、電解によって生成したアルカリ性電解水の任意量を添加しながら、実施例1と同様の条件で電解を行った。電解開始から1時間後に測定した電解電圧は28Vであり、溶解水へのアルカリ性電解水の添加量を変えた場合の酸性電解水の生成量、有効塩素濃度、及びpHと、アルカリ性電解水の生成量、pHは表1に示す通りとなった。溶解水へのアルカリ性電解水の添加量を調節することで酸性電解水のpHを調節することが可能であった。
実施例1記載の電解装置で、陽極液タンク10の上部に塩素ガスパイプ14を接続し、更に塩素ガスパイプ14と陽極ガスパイプ13を合流させた後に塩素溶解部18に接続したこと以外は実施例1と同様の電解水製造装置を使用し、実施例1と同様の方法で電解を実施した。
実施例3記載の電解装置で、アルカリ性電解水排出パイプ9は、実施例1と同様に、陰極室3の上部5cmの高さに配置して、陰極室3への背圧が50mmH2Oとなるように調節したまま、気液分離部12を陽極室2の上部30cmの高さに配置して、陽極室2にかかる背圧が300mmH2Oとなるように調節したこと以外は実施例3と同様の電解装置、方法で電解を開始した。このように、本実施例4においては、陽極室の背圧を前記陰極室の背圧より大きくすることによって、前記陽イオン交換膜が前記多孔体陰極に押し付けられるようにした。
実施例4記載の電解装置で、陽極液を30重量パーセントの塩化ナトリウム水溶液としたこと以外は実施例4と同様の電解装置、方法で電解を実施した。
実施例5記載の電解装置で、塩素溶解部18での、溶解水と塩素を含む気体との接触、溶解時間を2秒としたこと以外は実施例5と同様の電解装置、方法で電解を実施した。
この時、塩素溶解部18での溶解水と塩素を含む気体との接触、溶解時間は当該気体1mLあたり0.05秒と見積もられた。
図2は、従来法として使用されている3室型電解槽を使用した電解水製造装置を示したものであり、図2において、21は、3室型電解槽、22は、陽極室、23は、陰極室、24は、中間室、25は、陰イオン交換膜、26は、陽イオン交換膜、27は、陽極、28は、陰極、29は、中間室液タンク、30は、循環ポンプである。
図2に示される電解水製造装置に於いて、3室型電解槽21は、陽極室22と中間室24が陰イオン交換膜25(トクヤマ製、ネオセプタ(登録商標)AHA)によって区画され、陰極室23と中間室24が陽イオン交換膜26(DuPont製、Nafion(登録商標)N−115)によって区画されており、メッシュ形状のチタン製基材上に白金触媒を熱分解法によってコーティングした、投影面積60cm2の電極(ペルメレック電極製、JL−510)を陽極27、及び陰極28として、それぞれ陽極室22、及び陰極室23に配置した。
2 陽極室
3 陰極室
4 陽イオン交換膜
5 陽極
6 陰極
7 原料水供給パイプ
8 アルカリ性電解水タンク
9 アルカリ性電解水排出パイプ
10 陽極液タンク
11 循環ポンプ
12 気液分離部
13 陽極ガスパイプ
14 塩素ガスパイプ
15 溶解水供給パイプ
16 アルカリ性電解水ポンプ
17 流量調節バルブ
18 塩素溶解部
19 酸性電解水排出パイプ
20 陽極液排出パイプ
21 3室型電解槽
22 陽極室
23 陰極室
24 中間室
25 陰イオン交換膜
26 陽イオン交換膜
27 陽極
28 陰極
29 中間室液タンク
30 循環ポンプ
Claims (11)
- 陽イオン交換膜によって陽極を収容した陽極室と陰極を収容した陰極室との2室に区分された2室型電解槽の前記陽極室に、アルカリ金属塩化物の溶解した水溶液からなる陽極液を、該陽極液を貯留する陽極液タンクから循環供給し、前記陰極室に、アルカリ金属塩化物を含まない原料水を供給しながら電解することにより、前記陰極室では、アルカリ金属塩化物を含まないアルカリ性電解水を製造すると共に、前記陽極室では、塩素を含む気体を発生させ、該気体を前記陽極液と分離、捕集した後、アルカリ金属塩化物を含まない溶解水に接触、溶解させることによって、アルカリ金属塩化物を含まない酸性電解水を製造することを特徴とする電解水製造方法。
- 前記気体を前記陽極液と分離、捕集した後、前記溶解水に接触、溶解させるとき、前記溶解水に前記電解で製造されたアルカリ性電解水をその流量を制御しながら添加し、アルカリ金属塩化物を含まない酸性電解水のpHを調節することを特徴とする請求項1に記載の電解水製造方法。
- 前記陽極液タンク内から発生する塩素を含む気体を捕集して、前記陽極室で発生した塩素を含む気体と合流させた後、これら塩素を含む気体を前記溶解水に接触、溶解させることによって前記アルカリ金属塩化物を含まない酸性電解水を製造することを特徴とする請求項1又は2に記載の電解水製造方法。
- 前記陰極が多孔体陰極からなり、前記陽イオン交換膜と前記多孔体陰極が密着して配置され、前記陽極室の背圧を前記陰極室の背圧より大きくすることによって、前記陽イオン交換膜が前記多孔体陰極に押し付けられるようにした2室型電解槽を用いたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解水製造方法。
- 前記陽極液として、アルカリ金属塩化物を10重量パーセント以上溶解した陽極液を用いて電解を行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解水製造方法。
- 前記電解によって発生した塩素を含む気体と前記溶解水との接触、溶解時間が、当該気体1mlあたり0.05秒以上であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電解水製造方法。
- 陽イオン交換膜によって、陽極を収容した陽極室と陰極を収容した陰極室との2室に区分された2室型電解槽と、アルカリ金属塩化物を溶解した水溶液からなる陽極液を貯留する陽極液タンクと、該陽極液タンク内の前記陽極液を前記陽極室に循環供給する循環ポンプと、前記陽極室内で発生する塩素を含む気体及び該気体の溶解した陽極液を前記陽極室より排出する陽極液排出パイプと、該陽極液排出パイプより排出された塩素を含む気体と該気体の溶解した陽極液を気液分離する気液分離部と、該気液分離部で陽極液と分離、捕集した後、アルカリ金属塩化物を含まない溶解水に接触、溶解させることによって、アルカリ金属塩化物を含まない酸性電解水を製造する塩素溶解部と、該塩素溶解部に前記溶解水を供給する溶解水供給パイプと、前記陰極室にアルカリ金属塩化物を含まない原料水を供給する原料水供給パイプと、該陰極室より前記陰極室内にて生成されたアルカリ性電解水を排出するアルカリ性電解水排出パイプとよりなり、前記2室型電解槽により、アルカリ金属塩化物を含まない酸性電解水とアルカリ金属塩化物を含まないアルカリ性電解水を同時に製造することを特徴とする電解水製造装置。
- 前記気体を前記気液分離部で陽極液と分離、捕集した後、アルカリ金属塩化物を含まない溶解水に接触、溶解させることによって前記アルカリ金属塩化物を含まない酸性電解水を製造する塩素溶解部に、前記電解槽で製造されたアルカリ性電解水をその流量を制御しながら添加し、アルカリ金属塩化物を含まない酸性電解水のpHを調節することを特徴とする請求項7に記載の電解水製造装置。
- 前記陽極液タンク内から発生する塩素を含む気体を捕集して、前記陽極室で発生した塩素を含む気体と合流させた後、これら塩素を含む気体を前記塩素溶解部において、前記溶解水に接触、溶解させることによって、アルカリ金属塩化物を含まない酸性電解水を製造することを特徴とする請求項7又は8に記載の電解水製造装置。
- 前記陰極室にアルカリ金属塩化物を含まない原料水を供給する供給パイプ内の前記原料水の一部を分流して、前記塩素溶解部に前記溶解水を供給する供給パイプに接続し、分流した原料水を溶解水として使用することを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の電解水製造装置。
- 前記陰極が多孔体陰極からなり、前記陽イオン交換膜と前記多孔体陰極が密着して配置され、前記陽極室の背圧を前記陰極室の背圧より大きくすることによって、前記陽イオン交換膜が前記多孔体陰極に押し付けられるようにした2室型電解槽を用いたことを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の電解水製造装置。
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