JP5688103B2 - 電解水製造方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、腐食性の高い食塩等のアルカリ金属塩化物が殆ど混入しない、高品質の酸性電解水及びアルカリ性電解水の両方の電解水を高い電流効率で安定して高効率で製造することのできる電解水製造方法及び装置に関する。
近年、２００５年の家庭用電解水生成器のＪＩＳ規格制定、２００９年には文科省の学校給食衛生管理基準および関連マニュアルにおいて、また、同年厚労省関連の日本食品衛生協会指導資料において電解水の利用が掲載されたことで、電解水合成装置への注目が集まっている。
「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。
２室型電解槽を用いた方法としては、例えば、特許文献１に開示されており、陽極と陰極を隔膜で区分した２室型電解槽を用い、陽極室に塩化ナトリウム水溶液を供給し、一方の陰極室に水道水、または塩化ナトリウム水溶液などの原料水を供給して電解を行うものがある。このような方法で製造された酸性電解水中には、未反応の塩化ナトリウムが比較的高濃度に残留しているため、使用後に塩化ナトリウムが析出したり、配管等の金属を腐食するといった問題が指摘されている。即ち、この２室法電解水生成システムでは、電解の効率を高めるために陽極室に食塩水を供給して電解を行うようにしている。
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。
これに対して、３室型電解槽によれば、陰イオン交換膜により区画された陽極室、陽イオン交換膜により区画された陰極室、該２枚の膜で区画された中間室を構成し、中間室に原料塩水を供給することで、生成する酸性電解水、アルカリ性電解水中への原料塩分混入を極力低減できるため、これまでの課題（腐食性が高い、農業用途に適さないなど）が解決でき、多くの企業が関連装置の開発し、多くの特許出願がなされている。
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。
３室型電解槽で、例えば中間室に塩化ナトリウム水溶液を供給し、陽極室、及び陰極室に食塩等の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と、中間室からは陰イオン交換膜を透過して塩化物イオンが陽極室に泳動するとともに、陽イオン交換膜を透過してナトリウムイオンが陰極室に泳動する。この時、陽極では（１）式に示す塩素発生反応が進行し、生成した塩素が（２）式のように水と速やかに反応することによって酸性電解水が合成されるが、塩化物イオンの供給が不十分な場合は、（３）式に示す、水の電解による酸素発生が競争的に進行する。一方、陰極では（４）式に示す、水の電解による水素発生が進行し、生成した水酸化物イオンと中間室から供給されるナトリウムイオンによって水酸化ナトリウム水（アルカリ性電解水）が合成される。
２Ｃｌ- → Ｃｌ2 ＋ ２ｅ- ・・・（１）
Ｃｌ2 ＋ Ｈ2Ｏ → ＨＣｌＯ ＋ ＨＣｌ ・・・（２）
２Ｈ2Ｏ → Ｏ2 ＋４Ｈ+ ４ｅ- ・・・（３）
２Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ- → Ｈ2 ＋ ２ＯＨ- ・・・（４）
市販の陽イオン交換膜を透過するナトリウムイオンの泳動速度は十分早く、電解時の電流密度を、例えば３Ａ／ｄｍ2程度の低電流密度から、２０Ａ／ｄｍ2程度の高電流密度まで変化させても、印加した電流の９０％以上がアルカリ性電解水の合成に利用されるが、市販の陰イオン交換膜を透過する塩化物イオンの泳動速度はあまり早くなく、一例として、低電流密度での電解であっても酸性電解水の合成に利用される電流（電流効率）は、８０％程度で、高電流密度での電解では電流効率が４０％程度まで低下してしまうので、陽極での次亜塩素酸水合成について電気エネルギーの利用率が高くなく、電流密度を高くする程、電気エネルギー利用率が低下するという課題がある。
更に、３室型電解槽で、例えば、中間室に塩化ナトリウム水溶液を循環供給しながら電解を継続した場合、循環する塩化ナトリウム水溶液のｐＨが経時的に低下（酸性）するとともに有効塩素成分が当該塩化ナトリウム水溶液に蓄積するので人体に有害な塩素ガスが発生し、電解装置外に漏洩するという安全上の課題もある。塩素ガスが発生する原因は明らかではないが、陽極では（１）式に続く（２）式によって次亜塩素酸と塩酸が合成されるとともに、副反応である（３）式によって水素イオンが合成されるのであるが、陽極室と中間室の区分に利用する、市販の陰イオン交換膜はイオン選択性が不十分なため、次亜塩素酸や水素イオンが陽極室から陰イオン交換膜を透過して中間室に移動するためと推察される。
市販の陰イオン交換膜のイオン選択性が不十分とする理由は、３室型電解槽で製造された酸性電解水であっても、低濃度の塩化ナトリウムが混入するという課題があるためである。陰イオン交換膜は、原理的には陽イオンであるナトリウムイオンを透過しないはずであるが、市販の陰イオン交換膜を利用して製造された次亜塩素酸水では原料水と比較して明確なナトリウムイオン濃度の増加が認められる。一方、市販の陽イオン交換膜は十分なイオン選択性を持っており、陰極で製造されたアルカリ性電解水では原料水と比較して塩化物イオン濃度の増加は殆ど認められない。
上述の課題に加えて、市販の陰イオン交換膜は次亜塩素酸などの酸化剤によって劣化が加速されるため、電解を継続するとイオン選択性や陰イオン伝導性がますます低下するという課題もある。例えば、特許文献４や特許文献５では陰イオン交換膜劣化の抑制方法として、陽極と陰イオン交換膜の間に多孔性不織布、或いは多孔性構造体を配置して、陽極で発生する次亜塩素酸などの酸化剤と陰イオン交換膜の接触を物理的に疎外することを提案しているが、これらの方法では酸化剤と陰イオン交換膜の接触を完全に防止することは出来ず、また、陽極と陰極の間に絶縁性の物質を挿入することにより電解電圧が増大し、電気エネルギー消費量が増大するという課題がある。
この様に、従来の３室型電解槽を使用した電解水製造装置では、主として陰イオン交換膜が原因で、酸性電解水製造に於ける電気エネルギーの利用率（電流効率）が低く、製造された酸性電解水へ少量の電解質が不可避的に混入し、また、陽極で発生した次亜塩素酸により、電解継続と共に陰イオン交換膜が劣化するといった課題があるが、これら課題を全て解決する方法も装置も提案されていなかった。
特開平０７−２１４０６３号公報 特開２０００−２１２７８７号公報 特開２００９−０７２７５５号公報 特開２００６−３２２０５３号公報 特開２０１２−１１０８０９号公報
本発明は、上記のような従来の２室型電解槽及び３室型電解槽を使用した電解水製造方法及び装置の欠点及び問題点を解消し、腐食性の高い食塩等のアルカリ金属塩化物が殆ど混入しない、高品質の酸性電解水及びアルカリ性電解水の両方よりなる電解水を高い電流効率で製造することができ、更に該酸性電解水のｐＨを調節することが可能であり、しかも耐久性が高く、長時間の安定運転が可能な電解水製造方法及び装置を提供することを目的とする。
本発明における第１の解決課題は、上記目的を達成するため、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を提供することにある。
本発明における第２の解決課題は、上記目的を達成するため、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電解水製造方法を提供することにある。
本発明における第３の解決課題は、上記目的を達成するため、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電解水製造方法を提供することにある。
本発明における第４の解決課題は、上記目的を達成するため、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電解水製造方法を提供することにある。
本発明における第５の解決課題は、上記目的を達成するため、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電解水製造方法を提供することにある。
本発明における第６の解決課題は、上記目的を達成するため、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電解水製造方法を提供することにある。
本発明における第７の解決課題は、上記目的を達成するため、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供給する供給パイプと、前記陽極タンク内の前記陽極液を前記陽極室に循環する循環パイプと、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を提供することにある。
本発明における第８の解決課題は、上記目的を達成するため、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電解水製造装置を提供することにある。
本発明における第９の解決課題は、上記目的を達成するため、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電解水製造装置を提供することにある。
本発明における第１０の解決課題は、上記目的を達成するため、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電解水製造装置を提供することにある。
本発明における第１１の解決課題は、上記目的を達成するため、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電解水製造装置を提供することにある。
本発明が提案する電解水製造装置によれば、陽イオン交換膜で区画した２室型電解槽の陰極室には、アルカリ金属塩化物を含まない原料水を供給しながら電解することで、陰極側ではアルカリ金属塩化物の混入が殆どないアルカリ性電解水を高い電流効率で製造できるとともに、一方、陽極側では、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、高濃度の塩素を含む気体を高い電流効率で発生させており、該高濃度の塩素を含む気体は、気液分離部で捕集し、アルカリ金属塩化物の溶解した水溶液からなる陽極液と分離した後、塩素溶解部でアルカリ金属塩化物の溶解しない溶解水に接触、溶解させることによって、実質的にアルカリ金属塩化物の混入がない酸性電解水を効率良く合成することができる。また、本発明によれば、耐久性などの点で課題の多い陰イオン交換膜を使用せず、耐久性の高い陽極、陰極、及び陽イオン交換膜のみよりなる２室型電解槽を使用するので、耐久性を改善することができる。
更に、本発明によれば、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を調節することにより、所望の任意の濃度の、強酸性電解水、弱酸性電解水、微酸性電解水を製造することができる。
更に、本発明によれば、電解を継続すると、陽極液タンクに貯留された陽極液から塩素が放出されるようになり、陽極液タンク内には、次第に塩素が充満する場合、陽極液タンク内の塩素を含む気体を、陽極で発生した塩素を含む気体と合流させ、塩素溶解部に送ることにより、塩素の漏洩を防止することができるとともに、塩素ガスの有効活用とすることができる。
更に、本発明によれば、本発明に使用する電解槽では、多孔体の陰極を使用し、陽イオン交換膜と密着して配置され、陽極室の背圧を陰極室の背圧より大きくすることにより、陽イオン交換膜が多孔体陰極に押し付けられるようにすることで、電解槽電圧を低く保つことができ、上記の電流効率の向上との相乗効果により、従来の３室型電解槽と比較して消費電力を大幅に削減できるものである。
更に、本発明によれば、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により、（１）式による塩素発生を効率的に進行させることができる。発生した塩素は、まず、前記（２）式に示す様に陽極液と反応し、次亜塩素酸と塩酸となって蓄積されるが、陽極液中の塩素溶解量が飽和に達すると塩素がガスとして発生するようになる。
更に、本発明によれば、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秒以上となるように制御することで、本装置外に塩素が放出されることを防止できる。
更に、本発明によれば、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溶解水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もでき、このようにすれば、設備を有効活用できる。但し、原料水と溶解水とは、その目的が相違するので、後述するように別々の水溶液を使用したほうが良い場合もある。
本発明による電解水製造装置の一例を示すフローシ−ト。 従来の電解水製造装置の一例を示すフローシ−ト。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の電解水製造装置の一例を示したものであり、１は、２室型電解槽、２は、陽極室、３は、陰極室、４は、陽イオン交換膜、５は、陽極、６は、陰極、７は、原料水供給パイプ、８は、アルカリ性電解水タンク、９は、アルカリ性電解水排出パイプ、１０は、陽極液タンク、１１は、循環ポンプ、１２は、気液分離部、１３は、陽極ガスパイプ、１４は、塩素ガスパイプ、１５は、溶解水供給パイプ、１６は、アルカリ性電解水ポンプ、１７は、流量調節バルブ、１８は、塩素溶解部、１９は、酸性電解水排出パイプ、２０は、陽極液排出パイプである。
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。
陽極液に使用するアルカリ金属塩化物としては、ＬｉＣｌ、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、などが例示されるが、特にＮａＣｌ、ＫＣｌが好ましく使用できる。また、原料水としては、井水や市水が利用でき、井水や市水に含まれるＣａイオンやＭｇイオンを除去した軟水や、更にその他の陽イオン、及び陰イオンを除去したイオン交換水、有機成分まで除去した純水等が好適に利用できる。
陽極室２において、これらアルカリ金属塩化物の１種類以上を含む陽極液を供給しながら電解を行うと、陽極５では前記（１）式に示す塩素発生反応と、前記（３）式に示す酸素発生反応が競争的に進行するのであるが、本発明では、陽極室２に供給される水溶液中のアルカリ金属塩化物の濃度を１０重量パーセント以上とすることで、（１）式による塩素発生を効率的に進行させる。発生した塩素は、まず、前記（２）式に示す様に陽極液と反応し、次亜塩素酸と塩酸となって蓄積されるが、陽極液中の塩素溶解量が飽和に達すると塩素がガスとして発生するようになる。塩素ガスを効率的に発生させるためには、塩素溶解量が飽和に達するまで陽極液を循環使用するか、陽極液にＨＣｌを添加してｐＨを下げることで、塩素溶解の飽和濃度を下げることが有効である。
他方の陰極室３には、前記例示の原料水を供給しながら電解を行うと、陰極６では前記（４）式に示す水の分解反応により水酸化物イオンが発生し、陽極室２から陽イオン交換膜４を透過してきた陽イオンを対イオンとするアルカリ性電解水が製造され、アルカリ性電解水タンク８を経てアルカリ性電解水排出パイプ９から排出される。このアルカリ性電解水のｐＨは、原料水の流量や電解時の電流密度によって変化するが８以上であり、原料水中にＣａイオン、Ｍｇイオンといった硬度成分が含まれていると、陰極６の表面や、陰極室３の内部、及びアルカリ性電解水排出パイプ９の内部でスケーリングが進行し、長時間電解を行うと、陰極反応が阻害されたり、アルカリ性電解水の通水量が減少する不具合が発生しやすくなる。このような不具合を抑制するため、陰極室３に供給する原料水には、軟水、イオン交換水、或いは純水を使用するのが特に好ましい。
陰極室３には導電率の低い原料水を供給するため、陽イオン交換膜４と陰極６の間に空隙が存在すると電解時の電解槽電圧が著しく高くなり、消費電力が増大する問題が発生する。そこで、陰極６を、メッシュ、パンチングプレート、発砲体などの多孔体とし、陽イオン交換膜４と密着するように配置し、陽極室２の背圧が陰極室３の背圧より大きくなるようにすることで、陽イオン交換膜４が多孔体の陰極６に押し付けられるようにすることで、電解時の電解電圧を低く保つことができる。なお、陽極室２には高導電率の陽極液を供給するので、陽イオン交換膜４と陽極５の間に空隙があっても電解時の電解槽電圧増加は小さく、必ずしも陽イオン交換膜４と陽極５を密着させる必要はない。陽極室２の背圧を陰極室３の背圧より大きくする方法として、陽極室２の上方に設置する気液分離部１２の高さを、陰極室３の後段に設置するアルカリ性電解水タンク８、及びアルカリ性電解水排出パイプ９の高さより高くすることが例示される。
陽極５で発生した塩素を含む気体は、陽極液と共に気液分離部１２に供給され、捕集された当該気体のみが陽極ガスパイプ１３に移動し、陽極液は陽極液タンク１０に戻される。陽極液には、前記した通り、塩素が飽和濃度近くまで溶解するようになるのであるが、電解を継続すると、陽極液タンク１０に貯留された陽極液から塩素が放出されるようになり、当該タンク内には次第に塩素が充満し、ついにはタンク外に塩素が漏洩するという安全上の問題が発生する。本問題に対しては、陽極液タンク１０内の塩素を含む気体を、塩素ガスパイプ１４に導き、陽極ガスパイプ１３に移動した、陽極５で発生した塩素を含む気体と合流させることで、塩素の漏洩を防止することができる。
前記気体中の塩素は塩素溶解部１８で、溶解水と接触、溶解して前記（２）式に示す反応により酸性電解水となる。なお、塩素溶解部１８に供給された塩素の全量が、溶解水に接触、溶解しないと、溶解しなかった塩素が本装置外に放出されてしまうため安全上の問題が発生する。本問題を防止するために、供給された塩素が十分溶解する量の溶解水を、塩素溶解部１８に供給する必要があり、また塩素溶解部１８は、散水器、散気器、外部攪拌器、静的攪拌器、スクラバー等の塩素の接触、溶解を促進させる手段を有していることが好ましい。また、電解によって発生した塩素を含む気体と溶解水の接触、溶解時間を、当該気体１ｍｌあたり０．０５秒以上となるように制御することで、本装置外に塩素が放出されることを防止できる。
本装置においては、酸性電解水の製造に使用する溶解水と、アルカリ性電解水の製造に使用する原料水とは、同じものであっても、異なるものであっても良い。前記（２）式に示す水と塩素の反応では次亜塩素酸に加えて塩酸が副生するので、本装置の酸性電解水も酸性になる傾向がある。陰極室に供給される原料水は、ＣａイオンやＭｇイオンのスケーリングを抑制するため、軟水、イオン交換水、或いは純水の使用が好ましいことは前記したが、次亜塩素酸水の製造に使用される溶解水は、井水や市水等のＣａイオンやＭｇイオンを含む水であっても問題なく利用できる。
本装置では、酸性電解水中の次亜塩素酸濃度を、溶解水の供給量と、陽極から発生する塩素を含む気体の供給量の調節によって制御できるが、前記（２）式に示す通り塩酸が副生されるため、次亜塩素酸濃度と共にｐＨも低下する。酸性電解水中の次亜塩素酸水は強力な酸化力を有し、大腸菌やバクテリアの殺菌用途に利用されることは前記したが、その殺菌力はｐＨによって変化し、ｐＨ６前後での殺菌力が強いことが知られている。また、低ｐＨの領域では次亜塩素酸は塩素と平衡状態となり、酸性電解水中の次亜塩素酸水から塩素ガスが放出されるリスクもある。そこで本装置では、図１に示す様に、製造したアルカリ性電解水をアルカリ性電解水タンク８に一端貯留し、アルカリ性電解水ポンプ１６、及び流量調節バルブ１７を使用して任意の量のアルカリ性電解水を溶解水と混合することにより、製造される酸性電解水のｐＨ調節を可能としている。
以下に本発明の電解水製造装置を使用した次亜塩素酸水、及びアルカリ性電解水の製造に関する実施例を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜実施例１＞
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。
本実施例１においては、図１における陽極液タンク１０の上部の塩素ガスパイプ１４は設置せず、陽極ガスパイプ１３を塩素溶解部１８に直接接続した。塩素溶解部１８には、溶解水供給パイプ１５からの溶解水と、アルカリ性電解水タンク８からのアルカリ性電解水が混合、供給され塩素溶解部１８の上部から散布されるようにした。
陽極液は、約８重量パーセントの塩化ナトリウム水溶液とし、陽極液タンク１０と陽極室２の間を循環ポンプ１１で循環させた。他方の陰極室３には、原料水として軟水を流量１Ｌ／ｍｉｎで供給しながら陽極５と陰極６に６Ａの電流を印加して電解を実施した。また、塩素溶解部１８には、溶解水として水道水を流量１Ｌ／ｍｉｎで供給し、陽極ガスパイプ１３を通って供給される塩素を含む気体と接触、溶解させて酸性電解水を合成した。なお、溶解水と塩素を含む気体との接触、溶解時間が１秒となるように塩素溶解部１８の容量を設計した。
電解開始から１時間後に測定した電解電圧は２８Ｖであり、酸性電解水排出パイプ１９から採取した次亜塩素酸水は、有効塩素濃度が塩素換算で１０８ｍｇ／Ｌで、ｐＨは２．７、塩化ナトリウム濃度の増加量は４ｍｇ／Ｌであった。また、アルカリ性電解水排出パイプ９から採取したアルカリ性電解水のｐＨは１１．６であり、塩化ナトリウム濃度の増加量は１ｍｇ／Ｌであった。なお、酸性電解水排出パイプ１９の出口、及び陽極液タンク１０の周辺で、僅かながら塩素臭が感じられたが、問題となる塩素臭は、感じられなかった。なお、通電した電気量から試算した塩素発生量はおよそ４０ＮｍＬ／ｍｉｎであり、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０．０２５秒と見積もられた。
＜実施例２＞
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。
Figure 0005688103
＜実施例３＞
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。
電解開始から１時間後に測定した電解電圧は２８Ｖであり、酸性電解水排出パイプ１９から採取した酸性電解水は、有効塩素濃度が塩素換算で１０８ｍｇ／Ｌで、ｐＨは２．７、塩化ナトリウム濃度の増加量は４ｍｇ／Ｌであった。また、アルカリ性電解水排出パイプ９から採取したアルカリ性電解水のｐＨは１１．６であり、塩化ナトリウム濃度の増加量は１ｍｇ／Ｌであった。なお、酸性電解水排出パイプ１９の出口で、僅かながら塩素臭が感じられたが、陽極液タンク１０の周辺では、塩素臭が全く感じられなくなった。
＜実施例４＞
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。
その結果、電解開始から１時間後に測定した電解電圧は２．８Ｖであり、酸性電解水排出パイプ１９から採取した酸性電解水は、有効塩素濃度が塩素換算で１０８ｍｇ／Ｌで、ｐＨは２．７、塩化ナトリウム濃度の増加量は４ｍｇ／Ｌであった。また、アルカリ性電解水排出パイプ９から採取したアルカリ性電解水のｐＨは１１．６であり、塩化ナトリウム濃度の増加量は１ｍｇ／Ｌであった。
＜実施例５＞
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。
電解開始から１時間後に測定した電解電圧は２．６Ｖであり、酸性電解水排出パイプ１９から採取した酸性電解水は、有効塩素濃度が塩素換算で１１３ｍｇ／Ｌで、ｐＨは２．８、塩化ナトリウム濃度の増加量は４ｍｇ／Ｌであった。また、アルカリ性電解水排出パイプ９から採取したアルカリ性電解水のｐＨは１１．７であり、塩化ナトリウム濃度の増加量は１ｍｇ／Ｌであった。
＜実施例６＞
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。
電解開始から１時間後に測定した電解電圧は２．６Ｖであり、酸性電解水排出パイプ１９から採取した酸性電解水は、有効塩素濃度が塩素換算で１２０ｍｇ／Ｌで、ｐＨは２．７、塩化ナトリウム濃度の増加量は４ｍｇ／Ｌであった。また、アルカリ性電解水排出パイプ９から採取したアルカリ性電解水のｐＨは１１．７であり、塩化ナトリウム濃度の増加量は１ｍｇ／Ｌであった。なお、陽極液タンク１０の周辺、及び酸性電解水排出パイプ１９の出口で塩素臭は感じられなかった。
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。
＜比較例１＞
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。
中間室液は、約３０重量パーセントの塩化ナトリウム水溶液とし、中間室液タンク２９と中間室２４の間を循環ポンプ３０で循環させた。陰極室２３には、原料水として軟水を流量１Ｌ／ｍｉｎで供給し、もう一方の陽極室２２には原料水として水道水を流量１Ｌ／ｍｉｎで供給しながら、陽極２７と陰極２８に６Ａの電流を印加して電解を実施した。
電解開始から１時間後に測定した電解電圧は６．２Ｖであり、陽極２７で製造された酸性電解水は、有効塩素濃度が塩素換算で７１ｍｇ／Ｌで、ｐＨは２．６、塩化ナトリウム濃度の増加量は４７ｍｇ／Ｌであった。また、陰極２８で製造されたアルカリ性電解水のｐＨは１１．７であり、塩化ナトリウム濃度の増加量は１ｍｇ／Ｌであった。
本発明による電解水製造方法及び装置は、生成する酸性電解水、アルカリ性電解水中への原料塩分混入を極力低減できるため、腐食性が高い産業及び農業用途に広範囲に適用することができる。
１ ２室型電解槽
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)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
  10. 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。
  11. 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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