JP6021149B2 - 電解装置 - Google Patents

Description

本発明は、電解水（還元水及び酸化水）を電気分解によって得るための電解装置に関し、安定した電流の下で電気分解を進めることが可能な電解装置に関する。

従来から、塩化ナトリウム、塩化カリウム等の支持電解質を添加して水を電気分解し、還元水や酸化水の電解水を得るための電解装置が公知である。この電解装置には、１枚の隔膜で仕切られたアノード室及びカソード室からなる電解槽を備える２室型電解装置、アノード室及びカソード室と、これらの部屋に挟まれた中間室とからなる電解槽を備える３室型電解装置等が知られている。例えば、出願人は下記特許文献１において、電解効率を向上させて、電解水を生成することが可能な電解装置に関する発明を提案している。

電解水のうち、例えば、アノード電極側で得られる酸化水は、病院などでの殺菌（消毒）水として利用することが提案されている。酸化水に含まれる塩素化合物に基づいた殺菌（消毒）作用が期待されるからである。そこで、アノード電極側で起こる電気分解反応である塩素イオンから塩素ガスを生成する反応と、水が反応して水素イオンと酸素ガスを生成する反応のうち、水の反応を低く抑えて塩素ガスの生成率を高めることが求められている。

塩素ガスの生成率を高める手段として、電極と隔膜との距離をなるべく近接させて配置することが試みられている。しかし、隔膜を陽極に近接させて配置すると、隔膜としてのイオン交換膜が塩素ガス等によって劣化し、破損しやすくなるという問題が生じている。このような問題を解決するため、下記特許文献２において水電気分解用電極に係る発明が、下記特許文献３において電解装置及び電解方法に係る発明がそれぞれ提案されている。

特許文献２，３で提案された発明では、隔膜を陽極に近接させて配置した場合にも、隔膜に孔を形成する等により、隔膜を劣化させる原因となるイオン、分子との接触をできるだけ回避し、効率的な電気分解を進めようとしている。

特開２０１２−１０６１５１号公報 特許第４０９１０６２号公報 特許第３９５２２２８号公報

しかし、効率的な電気分解を進める上で電流値の安定は欠かせない。特許文献２，３で提案されるように隔膜に孔を形成する等して電解装置を構成すれば、イオンの移動が活発化すること等により、電流値の安定を図るための新たな制御が必要になることが考えられる。また、３室型電解装置において中間室液のｐＨが７以上になることも、隔膜が破損してしまう原因として知られ、イオンの移動が活発になることで早期に中間室液のｐＨが７以上となってしまう問題が生じる虞がある。

本発明は、上記実情に鑑み提案され、隔膜に孔を形成しなくても、電流値の安定を図りながら水の電気分解を効率的に進めることができ、かつ、中間室液のｐＨが７以上とならないで隔膜の破損を抑えることが可能な電解装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、アノード電極が配設されているアノード室、カソード電極が配設されているカソード室、及び前記アノード室と前記カソード室との間に配置された中間室とを有する電解槽を備えた電解装置において、前記アノード室は、前記電解槽がアノード室仕切部により仕切られて形成され、前記アノード室仕切部は、陰イオン交換隔膜、不織布及びプラスチック製の網から構成されている。

本発明は、特に、上記アノード室仕切部が、アノード電極側から中間室へ向けて網、不織布、陰イオン交換隔膜の順に並んでいることを特徴とする。また、上記網は、厚みが０．１〜１．０ｍｍ、目の粗さが１０〜６０メッシュであることを特徴とする。

本発明では、電解槽を仕切ってアノード室を形成するアノード室仕切部が、陰イオン交換隔膜、不織布及びプラスチック製の網から構成されている。特に、上記アノード室仕切部が、アノード電極側から網、不織布、陰イオン交換隔膜の順に並んでいる構成である。これにより、アノード電極で発生し、陰イオン交換隔膜を損傷させる原因となるイオン、分子を、不織布やプラスチック製の網で効率的に捕捉することができるため、陰イオン交換隔膜が損傷することを抑えることができる。不織布やプラスチック製の網でイオン等を捕捉するので、イオンの移動が一定程度に制限されて中間室液のｐＨが早期に７以上となるのを防ぐことができる。イオンの移動が一定程度に制限されることにより、電流値も安定する。

また、網の厚みが０．１〜１．０ｍｍ、目の粗さが１０〜６０メッシュである構成であれば、これらの効果をより良く享受することができる。

本発明に係る電解装置の一例を示す３室型電解装置の模式図である。 図１のアノード室仕切部（発明の要部）の構成を、構成部材毎に分離して説明する分解斜視図である。 本発明に係る電解装置を作動させた際の中間室液のｐＨの推移を示すグラフである。 本発明に係る電解装置を作動させた際の電解槽の電流値の推移を示すグラフである。 比較例に係る電解装置を作動させた際の電解槽の電流値の推移を示すグラフである。 別の比較例に係る電解装置を作動させた際の電解槽の電流値の推移を示すグラフである。

以下、本発明に係る電解装置における一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。以下に説明する実施形態は本発明の構成を具現化した例示に過ぎず、特許請求の範囲に記載した事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことができる。例えば、下記実施形態では、３室型電解装置の例を本発明に係る電解装置として示しているが、本発明は、２室型電解装置、３室型電解装置等の１枚以上の隔膜を有して２室以上の槽から構成される電解槽を備えた電解装置のいずれもが含まれる。

本発明に係る電解装置は例えば、図１に示すように、３室型電解装置であり、アノード電極１１が配設されているアノード室１及び、カソード電極２１が配設されているカソード室２、中間室３の３つの槽を有する電解槽Ａを備えて構成されている。アノード室１は、電解槽Ａにおいてアノード室仕切部４により仕切られて形成される。カソード室２は、電解槽Ａにおいてカソード室仕切部としての陽イオン交換隔膜５により仕切られて形成される。また、中間室３は、電解槽Ａにおいてアノード室仕切部４及び陽イオン交換隔膜５で仕切られた空間に相当する。

アノード室仕切部４は、図２に示すように、陰イオン交換隔膜４１、不織布４２及びプラスチック製の網４３からなる。特に、アノード電極１１側からアノード室１の外側（中間室３側）に向けて網４３、不織布４２、陰イオン交換隔膜４１の順に重ねられた状態で、並んで構成されている。詳述すると、網４３がアノード電極１１に密着し、この網４３に不織布４２が密着し、不織布４２に陰イオン交換隔膜４１が密着しているのである。

ここで、アノード室仕切部４を構成する陰イオン交換隔膜４１、不織布４２及びプラスチック製の網４３の材質等は、本発明の課題を解決することができる限り、特に限定することなく各種のものを採用することができる。陰イオン交換隔膜４１として例えば、旭硝子（株）（ＡＧＣ社）製のＡＭＶ、ＡＭＴを採用することが好ましい。ＤＳＶ、ＡＳＶを採用することもできる。その他、支持電解質によってＡＡＶ、ＡＨＴ、ＡＰＳ等を採用し得る。膜厚は、１００〜３００μｍであることが好ましい。

不織布４２として例えば、日本バイリーン（株）製の市販のものを採用することができる。耐酸性である限り、綿、羊毛、絹等の天然繊維、レーヨン、ナイロン、ポリエステル（例えば、ポリエチレンテレフタラート）等の化学繊維、ガラス繊維等の繊維から作成された不織布を使用することができる。厚みは、５０〜１５０μｍであることが好ましく、厚みのあるものほど目が細かくなる。また、網４３としては、耐酸性であれば特に限定されることなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン製のもの等を採用することができる。厚みは０．１〜１．０ｍｍ、目の粗さは１０〜６０メッシュであることが求められ、厚みが０．３〜０．５ｍｍ程度、目の粗さが１５〜３０メッシュのものが適切である。

なお、本発明において陽イオン交換隔膜５には、耐薬品性、耐摩耗性に優れた材質の陽イオン交換樹脂を採用すればよい。例えば、旭硝子（株）（ＡＧＣ社）製のＣＭＦ、ＣＭＤ等、デュポン社製のナフィオン４２４、１１７（Nafion：登録商標）等を採用することができる。耐薬品性、耐摩耗性に鑑みれば、膜厚は４００μｍ以上であることが好ましい。

以下、上述のようにして構成された本発明に係る電解装置が、電流値の安定を図りながら効率的に水の電気分解を進めることができ、中間室液のｐＨが７以上とならないことについて説明する。

まず、１Ｌの水道水に塩化ナトリウム３００ｇを入れて中間室液を作成し、図１に示すような本発明に係る電解装置の中間室３の原水入口３２に導入した。次に、カソード室入口２２からカソード室出口２３へ、及び、アノード室入口１２からアノード室出口１３へ、それぞれ水道水を原水として、４．５（カソード室）：５．５（アノード室）の比率で流した。流速は全体で毎分４Ｌ弱である。また、電圧は１０Ｖである。

電気分解の開始から３０分間連続し、１分毎に中間室３のｐＨ、温度、電流値、電圧値を測定した。さらに、電気分解の開始から１５分後および３０分後の生成水（電解水）に関し、酸化水のｐＨ及び残留塩素濃度、還元水のｐＨをそれぞれ測定した。

アノード室仕切部４の実施例毎の具体的な構成を下記［表１］に示す。なお、すべての実施例において陰イオン交換隔膜４１には、旭硝子（株）（ＡＧＣ社）製のＡＭＴを採用し、陽イオン交換隔膜５には、旭硝子（株）（ＡＧＣ社）製のＣＭＦを採用している。

その結果、図３に示すように、すべての実施例において中間室液のｐＨが７未満となって、隔膜に孔を形成することなどなく、陰イオン交換隔膜４１の損傷を防ぐことができた。図４に示すように、これに伴って電解槽Ａの電流値は、常時１０Ａ以上で、その差も２．５Ａ程度で安定して推移し、効率的に電気分解を進めることができた（実施例１〜３）。

その他、電気分解の開始から１５分後の酸化水は、ｐＨ２．７〜３．５と残留塩素濃度２５〜４０ｐｐｍであり、電気分解の開始から１５分後の還元水はｐＨ１１．３〜１１．５であった。また、電気分解の開始から３０分後の酸化水は、ｐＨ２．７〜３．５と残留塩素濃度２５〜４０ｐｐｍであり、電気分解の開始から３０分後の還元水はｐＨ１１．３〜１１．５であった。このような酸化水及び還元水は、いずれも所望のものであった。

一方、電解装置のアノード室仕切部を陰イオン交換隔膜と不織布とから構成したもの（比較例１〜２）、アノード室仕切部を陰イオン交換隔膜とプラスチック製の網とから構成したもの（比較例３〜５）について、上述した試験方法と同様の方法で電気分解を行い、電解槽の電流値の変化を測定した。比較例の具体的な構成は下記［表２］に示すとおりである。なお、すべての比較例において陰イオン交換隔膜には、旭硝子（株）（ＡＧＣ社）製のＡＭＴを採用し、陽イオン交換隔膜には、旭硝子（株）（ＡＧＣ社）製のＣＭＦを採用している。

その結果、図５及び図６に示すように、すべての比較例において電解槽の電流値は、時間の経過とともに低下した。特に、比較例１，３，５において電流値が１０Ａ未満となった。また、比較例４において電流値の差が３Ａ程度に広がった。すなわち、比較例１〜５は、電流値が時間の経過と共に低下するので、効率的に電気分解を進めることが時間の経過と共に困難となるものと判断される。

したがって、本発明は、電解槽Ａを仕切ってアノード室１を形成するアノード室仕切部４が、陰イオン交換隔膜４１、不織布４２及びプラスチック製の網４３から構成され、特に、アノード電極１１側から網４３、不織布４２、陰イオン交換隔膜４１の順に並んでいる構成により、孔等が形成されていなくても、陰イオン交換隔膜４１が損傷することを抑えることができる。中間室液のｐＨを７未満に抑えて陰イオン交換隔膜が損傷することを更に抑えるとともに、電流値が安定し、効率の良い電気分解を進めることができる。

ここで、上記実施例からは、陰イオン交換隔膜（ＡＭＴ、ＡＭＶ等）、不織布の厚み及び粗さ、網の厚さ及び粗さを適切に選択することにより、さらに安定した電流値の下で水の電気分解を進めることができるものと示唆される。したがって、使用する支持電解質の性質によって、上述した範囲の中で、陰イオン交換隔膜、不織布、網の最良の組み合わせを選択し、安定した水の電気分解を進めればよい。また、陰イオン交換隔膜を複数、重ねて配置することも組み合わせの１つとして考慮することができる。

以上、本発明の実施形態を例示して詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載した事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことができる。例えば、電解方法は本発明の課題を解決することができるものであれば、任意の方法を採用することができ、原水や中間室液に水道水のほか適宜のものを使用することができる。使用する支持電解質は、塩化ナトリウムのほか、塩化カリウム、塩酸溶液等を採用し得る。

１・・アノード室
１１・アノード電極
１２・アノード室入口
１３・アノード室出口
２・・カソード室
２１・カソード電極
２２・カソード室入口
２３・カソード室出口
３・・中間室
３２・中間室原水入口
３３・中間室処理水出口
４・・アノード室仕切部
４１・陰イオン交換隔膜
４２・不織布
４３・網
５・・陽イオン交換隔膜（カソード室仕切部）

Claims (2)

1. アノード電極が配設されているアノード室、カソード電極が配設されているカソード室、及び前記アノード室と前記カソード室との間に配置された中間室とを有する電解槽を備えた電解装置において、
   前記アノード室は、前記電解槽がアノード室仕切部により仕切られて形成され、
   前記アノード室仕切部は、陰イオン交換隔膜、不織布及びプラスチック製の網から構成され、前記アノード電極側から前記中間室へ向けて前記網、前記不織布、前記陰イオン交換隔膜の順に並んでいる、
   ことを特徴とする電解装置。
2. 前記網は、厚みが０．１〜１．０ｍｍ、目の粗さが１０〜６０メッシュである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電解装置。