JP5868630B2 - 電解水製造装置および電解水製造方法 - Google Patents

Description

本発明は複極式の電解槽によって塩化物イオンを含む水溶液を電解して次亜塩素酸を含む酸性電解水を生成する装置に関し、特に電解後の溶液（以下、電解液と呼ぶ。）を希釈水により希釈する機構を有する電解水製造装置および電解水製造方法に関する。

塩化物イオンを含む溶液を電気分解し、殺菌効果のある次亜塩素酸を含む酸性電解水を生成する技術は従来から知られている。酸性電解水を生成する電解槽のひとつとして、複数の電極板を直列に配置して使用する複極式の電解槽が知られている。この複極式電解槽は、一の電解槽内に略平行に並んでいる多数の電極板の内、一方の端にあるものを陽極とし、他方の端にあるものを陰極とし、電流を陽極から中間にある電極板を経由して陰極に向かって流れるようにすることで、それぞれの電極板においてその両面が異なる極となるように構成されている。この複極式電解槽においては、隣接する電極板が短絡しないように各電極板の間に絶縁体のスペーサが配されて、電極板間の隙間が一つの独立した室にされている。

また、前述のように殺菌効果を持つ酸性電解水を製造するには、塩化物イオンを含む濃厚溶液を少量電解し、電解後の電解液を純水により希釈する方法をとることで、電解槽の小型化や電解の効率向上などの利点があることが知られている（特許文献１参照）。

特開２００９−０２８６７１号公報

しかし、前述のような希釈方法を伴う電解を行った場合、希釈水の水圧やエゼクター効果などによって、電解セル内部にも圧力変動が生じる。

特に、電解槽の電解液の排出口と配管内を流れる希釈水とが直接接触するように構成された電解水製造装置、例えば図６に示すように希釈用配管２内に複極式電解槽１を設置して電解後の電解液を希釈水により希釈する場合、電解槽１の周囲の希釈水の流動状態の違いによって、電解槽１を構成する個々の電解セルの出口にかかる圧力変動が均一にならない恐れがある。複極式の電解槽で効率よく電解を行うためには個々の電解セルに均一に被電解液が供給されることが理想的であるが、電解セルの出口にかかる圧力が異なると個々の電解セルに流れる被電解液の量が不均一になる。その結果、被電解液の過剰に流れる電解セルでは未電解の被電解液が排出され処理水質が変動したり、全ての電解セルを使用できないために電解の効率が低下するなどの問題がある。

また、個々の電解セルにかかる圧力が異なることで電解中に発生する塩素や酸素などの気泡の排出が阻害され、気泡が電解セルの出口を閉塞してしまう恐れがある。電解セルの出口が気泡によって閉塞されてしまうと、前述の場合と同様に電解セルごとの被電解液供給量の不均一化が起き、製造した電解水の水質が不安定になったり電解の効率が低下したりする。

そこで本発明は、複極式電解槽の電解液の排出口と配管内を流れる希釈水とを直接接触させる方式をとる電解水製造装置において、製造した電解水の水質を安定化させるとともに、電解効率を向上させることを目的とする。

本発明は、電解質を含む溶液を電解し、電解後の電解液を希釈水で希釈した電解水を製造して外部へ供給する電解水製造装置および電解水製造方法に係るものである。電解水製造装置は、希釈水が流れる希釈用配管と、希釈用配管内に設置され、電解を行う複極式電解槽であって、希釈用配管内を流れる希釈水と直接接触するように構成された排出口を介して、電解液を希釈水に合流させる複極式電解槽と、を有し、電解槽が、それぞれが電解液出口を有する複数の電解セルと、各電解セルと電解液出口を介して連通するとともに、排出口が形成された貯液室であって、電解液出口から出た電解液を希釈水と合流させる前に一時的に貯留する貯液室と、を有している。また、電解水製造方法は、希釈用配管に希釈水を流しながら、希釈用配管内に設置された複極式電解槽で電解を行い、希釈用配管内を流れる希釈水と直接接触するように構成された電極槽の排出口を介して、電解液を希釈水に合流させる工程を含み、電解液を希釈水に合流させる工程が、電極槽の複数の電解セルの各電解液出口から出た電解液を、各電解セルと電解液出口を介して連通する貯液室に一時的に貯留させた後、貯液室に形成された排出口を介して、希釈水に合流させることを含んでいる。そして、このような電解水製造装置および電解水製造方法において、各電解セル内の電解によって理論上発生する単位時間当たりの気体の量を電解セルの電解液出口の開口面積で割った値として定義される流速が０．６９１ｍ／ｓｅｃ以下となるように、電解液出口の開口面積が設定されている。

本発明によれば、希釈水の流動によって個々の電解セルに及ぶ圧力が均一になり、個々の電解セルに供給される被電解液の量が均一になることで、製造された電解水の水質が安定し、電解の効率も向上する。

本発明の一実施形態による電解水製造装置の模式的断面図。 図１の電解水製造装置のさらに詳細な構成図。 本実施形態の電解水製造装置に追加できる有効策１を説明する図。 本実施形態の電解水製造装置に追加できる有効策２を説明する図。 本願発明と従来例の装置による電解水のｐＨ測定の結果を示したグラフである 複極式電解槽で電解された電解液を水に合流させて電解水を製造する本発明に関連した電解水製造装置の一例を模式的に示した断面図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施例による電解水製造装置の模式的断面図である。図２はその電解水製造装置のさらに詳細な構成図であり、（ａ）は電解用電極板に平行な面で装置を切断した断面図を、（ｂ）はＡ−Ａ矢視図を示している。

本発明の電解水製造装置は、電解後の溶液を希釈水により希釈して供給できる装置に係るものであり、図１および２に示すように、複極式の電解槽１が、水道水などの希釈水が流れる希釈用配管２内に設置されている。電解槽１内には複数の電極板３（本例では５枚）が略平行に配置され、それぞれの電極板周端を電解槽１の壁内に埋め込むようにして固定されている。電解によって発生するガスが電解槽１から出やすくするため、各電極板３の面方向は鉛直方向に沿った向きであることが好ましい。また、複数の電極板３のうち、一方の端に位置するものが陽極とされ、もう一方の端に位置するものが陰極とされるように、両端に位置する電極板３に直流電源４が接続されている。直流電源４からの電流は陽極の電極板３から中間にある電極板３を経由して陰極の電極板３に向かって流れるため、それぞれの電極板３においてその両面が異なる極となる。そして、隣接する電極板３の隙間はそれぞれ、電解を行う一つの独立した室すなわち電解セル５を構成している。

電解槽１を構成する周囲壁において、それぞれの電解セル５の下側の壁部に被電解液の入口６（本例では２つ）が開口され、それぞれの電解セル５の上側の壁部には電解後の電解液の出口７（本例では３つ）が開口されている。被電解液は水、または塩化物イオン等の電解質を含む溶液（例えば６％のＨＣｌ）であることが望ましい。電解槽１の下部の外側面には、電解セル５ごとに設けられた被電解液入口６の全てに被電解液を導入できる液導入室８が形成されている。

希釈用配管２の下端部には、その配管内に希釈水を導入する水導入口１１が配設され、希釈用配管２の上端部には、電解液を水で希釈してなる電解水を配管外へ供給するための電解水供給口１２が配設されている。水導入口１１から導入された水道水などの希釈水は希釈用配管２内を通り、電解槽１の出口７から放出される電解後の電解液と合流する。これによって、電解液が希釈されて所定の濃度の電解水になり、電解水供給口１２から所定の使用先に供給される。

さらに、図１および図２に示すように、電解槽１はその上部の外側面に、各電解セル５の出口７から排出される電解液を希釈水と混合する前に一時的に貯留する貯液室９を有していることが望ましい。この態様においては、貯液室９を構成する壁に、電解液を排出するための開口部１０が形成されており、これによって、希釈用配管２内を流れる希釈水に貯液室９内の電解液を合流させている。このような貯液室９を備えると、希釈水の水圧やエゼクター効果によって個々の電解セル５にかかる圧力変動を貯液室９で緩衝させ、個々の電解セル５にかかる圧力を均一化することができる。そのため、電解水製造装置で製造される電解水の水質を安定化させ、電解効率を向上させるという本願の目的が達成される。

貯液室９の形状としては、例えば直方体や円柱など、あるいは気泡や電解液の排出を促進するために一部の面に傾斜を設けた形状が考えられる。

開口部１０の位置については、出口７が形成された電解槽１の天井壁に対向した貯液室９の壁に配置したが、その電解槽１の天井壁に直接接続された貯液室９の側壁でも構わない。但し、圧力変動の影響をできるだけ小さくするため、電解槽１の電解液の出口７から極力離れた位置に開口部１０を配置することが望ましい。

また、本発明の装置は、貯液室９を備えることなく、電解槽１のそれぞれの電解セル５の出口７から放出された電解水が希釈水と直接合流する態様をとるものであってもよい。すなわち、図６に示した態様、あるいは、図示しないが、希釈水が流れる一本の希釈用配管の外側に複極式電解槽１を設置し、複極式電解槽１の各々の電解セルに、電解液の一群の出口７（図２では３個の出口７）と繋がる排液管を設け、それぞれの排液管を希釈用配管に接続する態様をとることも可能である。

このため本発明では、貯液室９の具備に係わらず、各々の電解セル５の電解液の一群の出口７（図２では３個の出口７）よりなる電解液出口について所定の条件を満たすように設定することにより、本願の課題解決を図っている。電解液出口としては、円形やスリット状などどのような開口形状の出口７より構成されていても構わないが、一群の出口７を合わせた開口面積が大きすぎると希釈水の流動状態に由来する圧力変動の影響が大きくなってしまい、逆にその開口面積が小さすぎると電解液の排出を阻害してしまい、結果、製造した電解水の水質が不安定になったり電解の効率が低下したりするため、所定の条件を満たす電解液出口にする必要がある。実験により、電解セル５内で電解によって発生するガスの、電解液出口における流速が１．０ｍ/ｓｅｃ以下、より好ましくは０．０１〜０．４ｍ/ｓｅｃとなるように各電解セルにおける出口７の数および開口面積を設定するのがよいという知見が得られている。ここでガスの流速は電解セル内に電解によって発生するガスの量と電解セルの電解液出口の開口面積の関係によって求められる値であり、ガスと同時に排出される溶液の流速は考慮しない。また、このようなガスの流速が上記の電解液出口で実現できるように、装置を構成する各部の寸法や直流電源の電流値等が設定されている。

上記したガス流速となるように個々の電解セル５の出口７の数および開口面積を設定することに加えて、電解槽１に貯液室９を設けると、個々の電解セル５にかかる圧力をより均一にできるという利点があるのは言うまでも無い。貯留室９の開口部１０の開口面積や個数についても、上述した貯留室９の効果を発揮できるように設定される。

また、以上説明したような電解水製造装置で製造された電解水は電解水供給口１２から所定の使用先に供給されるが、このとき、以下の対策のように、エゼクター効果によって電解槽１に大きな負圧がかからないようにする、あるいは希釈水に大きな圧力変動がかからないようにすることが望ましい。

具体的には、供給口１２から電解水を不図示の配管を通して使用先へ供給する際、図３に示すように、その供給用の配管１３の出口位置１３ａが電解槽１よりも低い位置にある場合には電解槽１の電解液の排出口すなわち貯液室９の開口部１０（図６のように貯液室９が無い構成では各電解セル５の出口７）に対して陰圧がかかる。このため、図３に示すように電解槽１の電解液の排出口（図３の構成では開口部１０）の高さと同程度のところで配管１３を分岐して、分岐した片方の配管１４の出口を大気開放にするといった対策（いわゆるサイフォンブレイク）をとることが望ましい。

一方、電解水を供給口１２から配管経由で使用先へ供給する際に、図４に示すようにその供給先が電解槽１よりも高い位置にある場合には電解槽１の電解液の排出口すなわち貯液室９の開口部１０（図６のように貯液室９が無い構成では各電解セル５の出口７）に対して陽圧がかかる。これを抑制するため、図４に示すように、電解槽１の電解液の排出口（図４の構成では開口部１０）の高さと同程度の所で配管１３の出口を大気開放し、該配管出口からの電解水を、大気開放したタンク１５に一旦貯留し、タンク１５からポンプ１６で使用先へ圧送するといった対策をとることが望ましい。

以下、具体的な数値等の条件を挙げて、本願発明をさらに詳しく述べる。

（実施例１）
図２に示した貯液室９を備える装置を用いて酸性水を長期間生成した際の水質を測定した。電解槽１としては５枚の電極板３、４つの電解セル５、および貯液室９を有するものを使用し、この電解槽１をφ６５ｍｍの希釈用配管２内に配し、電解槽１の外部を希釈水が流れるようにした。原料となる被電解液として、濃度６％の塩酸（ＨＣｌ）を使用した。

直流電源２４から複数の電極板３に亘って供給される電流が一定値となるように、塩酸を不図示のチューブポンプによって間欠的に供給した。このときのポンプによって電解槽１の電解セル５内を流れる液の流速は５．３６ｍｍ／ｓｅｃとした。希釈水には水道水を使用し、流量は５Ｌ／ｍｉｎとした。各電極板３は５０ｍｍ×１２０ｍｍの矩形の電極とした。各電解セル５の入口６についてはφ１．５ｍｍの穴を２個設けた。貯液室９の開口部１０についてはφ４ｍｍの穴を１個設けた。

上記の条件の下で、電解の際の電流を２．０〜５．５Ａおよび電解槽１の電解液出口の開口面積（図２では個々の電解セル５に設けられた一群の出口７の開口面積の総和）を０．８〜５．０ｍｍ²の範囲で変更することで電解液の出口７におけるガスの流速を変え、それぞれの変更条件（表１参照）における電解水供給口１２からの電解水のｐＨを測定した。このような電解水のｐＨ測定の結果の一例を示したものが図５である。

なお、電解中は陰極の電極板３から水素、陽極の電極板３から酸素および塩素が発生するとし、発生ガス量についてはファラデー電気分解の法則に従い、次式（１）を用いて計算した。

さらに、上記のように電解槽１の電解液出口の開口面積を０．８〜５．０ｍｍ²の範囲で変更することについては、個々の電解セル５に設けられた複数の出口７であるφ１．５ｍｍの穴の穴数を変えて行った。

その結果、表１中のガスの流速および水質の安定性を記した欄から分かるように、ガスの流速が１．０ｍ/ｓｅｃ以下、より好ましくは０．０１〜０．４ｍ/ｓｅｃである場合において電解水のｐＨが５．０〜６．５の範囲で安定して推移する傾向を得た。

（実施例２）
図２に示した装置から貯液室９を廃した装置を用いた場合においても、ガスの流速が１．０ｍ/ｓｅｃ以下、より好ましくは０．０１〜０．４ｍ/ｓｅｃとなるように、装置を構成する各部の寸法や直流電源の電流値等を設定すると、製造した電解水の水質はｐＨ５．０〜６．５の間で安定した推移を見せた。

（比較例）
図２に示した装置から貯液室９を廃した装置を用いて、上記実施例と同様に酸性水を長期間生成した際の水質を測定した。電解槽１としては５枚の電極板３および４つの電解セル５を有するものを使用し、この電解槽１をφ６５ｍｍの希釈用配管２内に配し、電解槽１の外部を希釈水が流れるようにした。原料となる被電解液として、濃度６％の塩酸（ＨＣｌ）を使用した。

直流電源２４から複数の電極板３に亘って供給される電流が一定値となるように、塩酸を不図示のチューブポンプによって間欠的に供給した。このときのポンプによって電解槽１の電解セル５内を流れる液の流速は８．０４ｍｍ／ｓｅｃとした。希釈水には水道水を使用し、流量は５Ｌ／ｍｉｎとした。各電極板３は５０ｍｍ×１２０ｍｍの矩形の電極とした。各電解セル５の入口６についてはφ１．０ｍｍの穴を１個設けた。

上記の条件の下で、電解の際の電流を５．５Ａおよび電解槽１の電解液出口（図２では個々の電解セル５に設けられた出口７）の開口数を１つとすることで、電解液の出口7におけるガスの流速が１．３８ｍ／ｓｅｃとなるようにした。電解槽１からのガスの発生量については式（１）により６５．１ｍＬ／ｍｉｎである。このような条件（表１の最下段の欄参照）における電解水供給口１２からの電解水のｐＨを測定した。このような電解水のｐＨ測定の結果は図５に示されている。

図５に示すように本例の処理水質はｐＨ４〜６の間で大幅に変動し、ｐＨ４〜５で推移するときやｐＨ６付近で推移するときがあるなど、上述した実施例に比べて処理水質が不安定になった。

以上の結果から、電解槽１の電解液出口から放出されるガスの流速が１．０ｍ／ｓｅｃ以下となる大きさとし、より好ましくは貯液室９を付けることによって、製造された電解水の処理水質を安定化させることができることが示された。

１ 複極式電解槽
２ 希釈用配管
３ 電極板
４ 直流電源
５ 電解セル
６ 被電解液の入口
７ 電解液の出口
８ 液導入室
９ 貯液室
１０ 電解液排出用の開口部
１１ 水導入口
１２ 電解水供給口
１３ 電解水供給用配管
１３ａ 配管１３の出口位置
１４ 配管１３から分岐した配管
１５ タンク
１６ ポンプ

Claims (4)

1. 電解質を含む溶液を電解し、該電解後の電解液を希釈水で希釈した電解水を製造して外部へ供給する電解水製造装置において、
   前記希釈水が流れる希釈用配管と、前記希釈用配管内に設置され、前記電解を行う複極式電解槽であって、前記希釈用配管内を流れる前記希釈水と直接接触するように構成された排出口を介して、前記電解液を前記希釈水に合流させる複極式電解槽と、を有し、
   前記電解槽が、それぞれが電解液出口を有する複数の電解セルと、前記各電解セルと前記電解液出口を介して連通するとともに、前記排出口が形成された貯液室であって、前記電解液出口から出た前記電解液を前記希釈水と合流させる前に一時的に貯留する貯液室と、を有し、
   前記各電解セル内の前記電解によって理論上発生する単位時間当たりの気体の量を該電解セルの前記電解液出口の開口面積で割った値として定義される流速が０．６９１ｍ／ｓｅｃ以下となるように、前記電解液出口の前記開口面積が設定されていることを特徴とする電解水製造装置。
2. 請求項１に記載の電解水製造装置において、
   前記希釈用配管には、前記電解液が前記希釈水と合流した後の電解水を外部へ供給する電解水供給用配管が接続されており、該電解水供給用配管の一部または出口が前記電解槽の電解液の排出口の高さで大気開放されていることを特徴とする電解水製造装置。
3. 電解質を含む溶液を電解し、該電解後の電解液を希釈水で希釈した電解水を製造して外部へ供給する電解水製造方法において、
   希釈用配管に前記希釈水を流しながら、前記希釈用配管内に設置された複極式電解槽で前記電解を行い、前記希釈用配管内を流れる前記希釈水と直接接触するように構成された排出口を介して、前記電極槽からの前記電解液を前記希釈水に合流させる工程を含み、
   前記電解液を前記希釈水に合流させる工程が、前記電極槽の複数の電解セルの各電解液出口から出た前記電解液を、前記各電解セルと前記電解液出口を介して連通する貯液室に一時的に貯留させた後、前記貯液室に形成された前記排出口を介して、前記希釈水に合流させることを含み、
   前記各電解セル内の前記電解によって理論上発生する単位時間当たりの気体の量を該電解セルの前記電解液出口の開口面積で割った値として定義される流速が０．６９１ｍ／ｓｅｃ以下となるように、前記電解液出口の前記開口面積を設定することを特徴とする電解水製造方法。
4. 請求項３に記載の電解水製造方法において、
   外部へ電解水を供給するための電解水供給用配管の一部または出口を前記電解槽の電解液の排出口の高さで大気開放することを特徴とする電解水製造方法。

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