JP5699232B1 - 水素水の製造装置及びその製造方法と保管方法 - Google Patents
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Abstract
Description
また、水素水は還元力を有することから、電子部品の洗浄剤としての使用方法もある。電子部品を水素水で洗浄することにより、電子部品の表面を覆う酸化被膜を取り除くことができる。
水素分子を水に溶解させて水素水を製造する方法としては、水素ガスを多孔質の管を通して水中に吹き込みバブリングさせて水素ガスを溶解させる水素ガス注入法が知られている(例えば、特許文献1,2を参照)。
水素分子は常温常圧で気体であり、その水に対する溶解度は、1気圧(0.101MPa)の時で20℃の時(常温・常圧)、1.62ppm(純水1リットルに対し1.62mg)であり、これが常温常圧における飽和溶解度である。
ヘンリーの法則より気体の溶解度は圧力に比例することから、水素が水に対する溶解速度が速くなり、溶解量も増大する。しかしながら、常圧に戻すと、水に溶解していた水素は脱気して、常温常圧における飽和溶解度にまで戻る。
手軽に水素水を作る方法として固体セラミック法と呼ばれる方法がある。これは二酸化珪素(石英)や炭酸カルシウム(サンゴカルシウム)等に金属マグネシウムを混合した粉末をスティック状にしたもので、水を入れた容器に入れておくだけで水素水ができるというものであるが、実証データが少なく、再現性に欠けるという問題がある。
水素を発生させる入浴剤には上記の金属マグネシウムに代えて水素化マグネシウムや水素化カルシウムが混合されたものが市販されている。
いずれの方式も、常温・常圧下にて行うことから当然ながら常温・常圧条件下の飽和濃度を下回り、方式によっては極めて低濃度でしかない。
また、水素水に含まれる水素濃度は飽和濃度においても1.6ppmと極めて微量であり、水素自体は大きなコストになりえないのであるが、既存の方式の場合、方式により異なるが、電気や、使い捨ての資材等で、水素そのもののコストの数倍から数百倍のコストがかかる。
ある週刊誌の調査によると、通信販売により入手したペットボトル入りの水素水の溶存水素濃度を検査したところ、検査した2銘柄ともに水素溶存濃度は0ppmであった。同時に測定を行ったアルミニウムボトルに充填された水素水3銘柄も溶存水素濃度は0.1〜0.8ppmの範囲にあった。これらの水素水は、飲料水メーカー等が工場生産したものであり、ラベル表記によれば、製造時には水素の水に対する飽和溶存量に近いものであったことから、輸送中及び保存中に溶解していた水素の90%以上の水素が失われたものである。水素水は、スーパー、コンビニ、薬局等でも購入することができる。しかしながら、通信販売を含むこれらの入手経路では高濃度な水素水を入手できないという問題がある。
また、他の目的とするところは、工場内で生産した場合の水素水の保管方法を提供することにある。
本発明の一つの態様によると、水と水素を収容する容器がペットボトル、アルミニウムボトル及びスチールボトルから選ばれた1種であり、混合手段が振り混ぜであるとすることができる。
本発明の別の態様によると、水と水素を収容する容器が反応タンクであり、混合手段が水への水素の吹き込みであるとすることができる。
水と水素を収容する容器がペットボトル、アルミニウムボトル及びスチールボトルから選ばれた1種である時、連結管は耐圧性のフレキシブルチューブであり、容器と連結管との間には、連結管を着脱可能に接続する接続部を有し、容器を密閉できるキャップをさらに有することが好ましい。
水と水素を収容する容器がペットボトル、アルミニウムボトル及びスチールボトルより選ばれた1種であり、水と水素を接触させる方法は、振り混ぜであるとすることができる。
また、保管する場合は、減圧後飽和濃度に戻るまでの間、速やかに密封することで、水素自体が発泡することで再度高圧となり、保管時高圧を維持することで高濃度も維持することが可能となる。
図1及び図2に、水素水を製造するための水素水の製造設備の側面図を示した。
本発明は、水を収容して密閉可能な容器と、水とともに容器内に収容された気体状態の水素を容器内の水素圧力として1気圧以上かつ10気圧未満に加圧する加圧手段を有し、加圧手段は、水素貯蔵容器に収容された水素の圧力又はポンプで水素を圧縮した機械的圧力であり、水素貯蔵容器と容器を連結し、水を入れた容器に水素を供給する連結管を有する水素水の製造装置であって、容器内の水を混合して水と水素を接触させる混合手段をさらに有する。
また、本発明の水素水の製造方法は、水を収容して密閉可能な容器と、水とともに容器内に収容された気体状態の水素とを加圧する加圧手段を有し、加圧手段は水素貯蔵容器内の水素圧力又はポンプで水素を圧縮した機械的圧力であって、水素貯蔵容器と水を入れた容器を連結し、容器に水素を供給する連結管を有し、加圧手段により、容器内の水素圧力を1気圧以上、10気圧未満とし、容器を振り混ぜる、又は水に水素を吹き込むことによって水と水素とを接触させて水に水素を溶存させるものである。
中でも、容器内を高圧にした場合も気密性が維持できる捩じり止めのできるスクリュートップ式のキャップがセットになっているプラスチックボトル、プラスチックバッグ、ガラスビン、金属製のボトルが好ましく利用できる。
中でも、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレートは価格も安く、強度に優れることから好ましく利用できる。これらのプラスチックバックはさらにアルミニウムの薄いフィルムをラミネートした多層構造ものであることが好ましい。アルミニウムフィルムをラミネートすることにより、水素水から水素の脱気を遅らせることができる。
金属製のボトルに使用される金属としては、アルミニウム、スチール又はチタン等がある。中でもアルミニウム及びスチール製のボトルは炭酸飲料やコーヒー等の飲料容器として流通していることから入手が容易であり、これらを好ましく使用できる。
大型の密閉容器としては、牛乳輸送管、ドラム缶、各種サイズの反応用タンク等を挙げることができる。形状は円筒形であることが一般的であり、材質は金属が好ましく使用される。
大型容器に使用される金属としては鉄、銅、アルミニウム等があるが、ステンレススチールや真鍮などの合金であってもよい。また、グラスライニング加工、又はホウロウコーティングを施したもの、さらに、メッキ加工、塗装などの表面処理がなされたものも好ましく使用できる。
これら容器に収容される水は、飲料水して使用できるものであれば特に制限はなく、硬度が0〜100の軟水、100〜300の中硬水、300以上の硬水であってもよい。また、果汁や乳成分等の添加物を含むものであってもよい。
容器に収容する水の量は水と水素の接触効率を考慮して容器の容量の50〜80%とすることがよい。50%以下では1回の作業でできる水素水の量が少なく非効率であり、80%以上では混合したとき水と水素の接触面積が極端に少なくなり、水素水製造に時間がかかる恐れがある。
これらのいずれの方法で製造された水素も水素水の原料として使用できるが、工業的に作られる金属と酸の反応によって得られた水素を圧縮するか、又は水素吸蔵合金に吸収させ、水素貯蔵容器に充填したものが入手も簡単で使いやすい。
水素貯蔵容器と密閉容器との間は耐圧性の連結管で連結することにより、水素貯蔵容器の水素を密閉容器内の水に水素を供給することができる。
圧縮水素貯蔵ボンベを使用する場合には、水素ボンベには圧力計と圧力調整器がセットになったレギュレーターが付属されることがよい。密閉容器が例えばペットボトルである場合、水素を減圧して供給できるため、水素ボンベと密閉容器とを連結する連結管にはプラスチック製又はゴム製の耐圧性フレキシブルパイプを用いることができ、水素ボンベと密閉容器とを連結管で連結した状態のまま振り混ぜ混合して水素水を製造することができる。
水素吸蔵合金は様々なものが開発されている。代表的なものとして、AB5型のLaNi5、AB型のTiFe、Mg系のMg2Ni等が知られている。本発明には水素を吸蔵し、必要に応じて水素を放出するものであれば、いずれの吸蔵合金でも使用が可能である。
水素貯蔵容器と連結管、反応タンクと連結管を強固に連結するために、連結管の両端部にはエンドコネクタが付設される。
一方、例えば、密閉容器がペットボトルである場合、連結管は取り外しが容易なフレキシブルな連結管の利便性が高い。フレキシブルな連結管を用いた場合、連結管を結合した状態で振り混ぜることもできるため水素を供給しながら水素水を製造することができる。
連結管の末端にはこの接続部に連結するためのエンドコネクタが付設される。フレキシブルパイプの末端に付設されたエンドコネクタと、接続部に付設されたエンドコネクタの接続は螺号又は嵌合によっておこなわれることがよい。フレキシブルパイプの末端に付設されたエンドコネクタと、接続部に付設されたエンドコネクタが接続することにより水素ガスの圧力に耐える強固な連結になる。
逆止弁の種類としては、弁の一端を蝶番形式にして開閉するスイングチェックバルブ、流路がS字状になるリフトチェックバルブ、バネの力を利用して開閉するディスク式チェックバルブ等があるがこれらの弁のいずれも接続部の逆止弁として使用することが可能である。また、ディスク式チェックバルブの開閉をシリコンゴムの力で行うスーパーバルブは、コンパクトであることから好ましく利用できる。
逆止弁に代えて、この接続部は先端と蓋部の間に二方コックを設けてもよい。水素を充填した後にコックを閉め、フレキシブルパイプを外した状態で、ボトルを振って水と水素を振り混ぜることができる。
逆止弁付きの接続部を有するキャップ、及び二方コックを含む接続部を有するキャップは、雌ねじの溝を有する蓋部とともに押出し成形により一体に成形することもできる。
例えば、密閉容器がスチールボトルの場合もアルミニウムボトルと同様にキャップを準備すればよい、
水と水素を接触させる方法としては、(イ)水と水素を密封した容器を手に持ち、腕の上下又は左右の運動により、振り混ぜる方法、(ロ)密閉容器を水平に反復運動するシェイカーに固定し、振り混ぜる方法、(ハ)密閉容器を超音波振動器に入れ超音波振動を与える方法、(ニ)水を攪拌装置を用いて攪拌する方法、(ホ)水の中にノズルを挿入し高圧の水素ガスを吹き込む方法、(ヘ)容器内に充填した高圧の水素に霧状にした水を吹き込む法等多くの方法が考えられる。
容器内部圧力の高い状態で、水と混合することにより、1気圧下における飽和溶存濃度以上に水素を溶存させることが可能であり、常圧に戻した際、過剰の溶存水素は細かい泡となって脱気し、常気圧における飽和溶存濃度となる。
水素を溶存した水素水を保存する場合には、容器内部圧力が高い状態のまま保存することで、ある程度の長期間、水素を高濃度に溶存させた状態が維持できるため、この期間は飽和溶存濃度の水素水を供給することができる。
中型から大型の密閉容器で水素水を製造する場合には、密閉容器内に収容した水の底に近い部分から水素を高圧で吹き込めばよい。この場合、吹き込む水素の気泡は細かい程、また気泡の数が多いほど水素と水との接触面積が広くなり、水素が水に溶解する速度が速くなる。また、気泡によって水が攪拌されることから製造効率が上昇する。
さらに別の態様で、例えば、大型の反応容器で水素水を製造する場合には攪拌機を容器の上部に設け水を攪拌すればよい。この時、攪拌羽を回転させるモータは容器の外側上部に設けられるか、又は、容器内部の空間に設けられてもよい。
図1に本発明の実施例1であるペットボトルで水素水を造るための装置を示した。符号10は500mL容のペットボトルである。日本茶の飲料水用容器として市販されていたものを使用した。符号20は水素吸蔵合金ボンベ(FC−R&D社製、高充填密度水素吸蔵ボンベ、型番:FCMH−20)である。水素吸蔵合金ボンベ20にはマイクロレギュレーター(FC−R&D社製、型番:FCMR−S)22を取り付けた。水素吸蔵合金ボンベ20のマイクロレギュレーター22とペットボトル10とは耐圧チューブ(株式会社日本ピスコ社製、商品名;ポリオレフィンチューブ:外形4mm、内径2.5mm)30で連結され、耐圧チューブの中間にはボタンを押すことにより通路を開閉できる手動弁(株式会社日本ピスコ社製、商品名;ストップフィティング、型番:PSC4−M5M;図中白矢印)とメカニカルバルブ(株式会社日本ピスコ社製、ピン式、型番:MVP42)50を取り付けた。ペットボトル10には、耐圧チューブと接続する接合部42を有するキャップ(ステンレス製)40が取り付けられた。キャップ40は旋盤加工した雌ねじを有するねじ締め式のボトルキャップ40で上部中央を貫通して孔が開けられ、そこにポリプロピレン製の逆止弁(株式会社日本ピスコ社製、商品名:チェックバルブストレートフィティング、モデル番号:CVC4−M5B)の入口側パイプを貫通して取り付け、接合部42としたものであり、その上端部は耐圧チューブ30とワンタッチで着脱可能であった。接合部42の下部は逆止弁になっており、耐圧チューブ30が脱着したとき、容器内の圧力を維持することができるようにした。
ペットボトル30を上下左右に激しく1分間振とうを続けた後、振とうを止め、キャップを緩めて減圧すると、ボトル内の水から細かな泡が出て、水中の水素濃度は常気圧での飽和水素濃度の1.6ppmとなった。
本発明の水素水の製造設備100は、内径34cm、高さ150cmの有底円筒形状の反応タンク(ハイドロ フエル デベロップメント社製 ステンレス製)110を有し、底の反対側の解放された部分には蓋140を取り付けるためのフランジが設けられた。反応タンク110は底を接地させた状態で垂直に設置された。底部より7.5cmの位置に対向するように給水口と水素の吹き込み口が設けられ、給水口にはステンレス製の給水管160を、水素の吹き込み口にはステンレス製の連結管130を接続した。給水管160の他端は水源に接続されているが、水源と反応タンク110との間に給水ポンプ(株式会社荏原製作所製、40×32EHM42G353.OA 200V)162を設置した。一方、連結管130の一端を結合した水素の吹き込み口には、水素の泡を細かくするためのポリウレタン製の多孔質素材で製造したノズルが結合され、連結管130の多端にはレギュレーター(ヤマト産業株式会社製、小型圧力調整器、(型式)YR−90F)122を介して圧縮水素ボンベ(40L型)120を連結した。レギュレーター122と反応タンク110の間の連結管130には、連結管130の開閉を行う電磁弁(エスエムシー社製、VDW10)124を設けた。
その結果、酸化還元電位が+400〜+745mVの原水から、酸化還元電位が−220〜−253mVの水素水を時間当たり2500リットル採取できた。
本発明の実施例2に係る水素水の製造装置は、簡単な装置でありながら、水素を飽和状態で溶存した水素水を大量に製造することができるため、大量の水素水の製造する装置として好適である。
10 容器
20、120 水素貯蔵容器(水素吸蔵合金ボンベ)
22、122 レギュレーター
30、130 連結管、耐圧チューブ
40 キャップ
42 接合部
50 メカニカルバルブ
110 反応タンク
124 電磁弁
132 水素循環パイプ
140 蓋
142 圧力計
150 水素循環ポンプ(ダイヤフラムポンプ)
160 給水管
162 給水ポンプ
170 配水管
Claims (3)
- 水を収容して密閉可能な容器と、
該容器を密閉できるキャップと、
水素を収容した水素貯蔵容器と、
該水素貯蔵容器と前記容器を連結し、前記容器に水素を供給する連結管を有する水素水の製造装置であって、
前記容器がペットボトル、アルミニウムボトル及びスチールボトルから選ばれた1種であり、
前記水素貯蔵容器に収容された水素は、水とともに前記容器内に収容された気体状態の水素を前記容器内の水素圧力として1気圧以上かつ10気圧未満に加圧し、
前記容器を振り混ぜることにより、前記容器内の水と水素を接触させて水素水を製造することを特徴とする水素水の製造装置。 - 前記連結管は、耐圧性のフレキシブルチューブで構成され、前記水素貯蔵容器を接続したまま、前記容器を振り混ぜることができることを特徴とする請求項1に記載の水素水の製造装置。
- 請求項1に記載の水素水の製造装置を用いる水素水の製造方法であって、
前記水素貯蔵容器と前記容器を連通し、前記容器内の水素圧力を1気圧以上、10気圧未満とする加圧段階、及び、
前記水素貯蔵容器と前記容器を連通した状態で、前記容器を振り混ぜることにより、水と水素とを接触させて水に水素を溶存させる混合段階を有することを特徴とする水素水の製造方法。
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