JP6528173B2 - 電解槽および次亜塩素酸水製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、いわゆる微酸性電解水として参照される殺菌水の製造技術に関し、より詳細には、長期使用安定性を改善した電解槽よび次亜塩素酸水製造装置に関する。

塩素イオン溶液を電気分解し、次亜塩素酸を主成分とする殺菌用水を製造する過程においては、生成効率の点から比較的高濃度の塩素イオン溶液を電解処理した後に水で希釈して殺菌水とする方法が広く行われている。その場合、電解槽の中は常時高濃度の単体塩素、次亜塩素酸、或いは塩酸等の溶液に晒されており、殆どの物質が酸化傷害を受け分解される。このような目的の電解槽の接液絶縁材料には一般的に合成樹脂が使用されることが多いが、比較的耐久性の高い樹脂でも長時間の使用によって劣化を起こす場合がある。

また、このような目的に使用される電解槽は、製作の容易さや管理の容易さから複極式電解槽が使用されることが多い。複極式の電解槽は、複数の単位槽で構成されるが、給電は両端の２枚の電極だけで、その中間の電極は両端からの電位勾配と、原料液中のイオン電導により電解反応が維持され、片面が陽極その裏面は陰極として作用する。

それぞれの電極は、液絡による無駄電流を防ぐために樹脂等の非導電材料によって構成された枠に、端面が嵌めこまれシールされており、両隣の単位槽とは、電極面を除いて可能な限り電気的に絶縁されていることが必要である。従って、それぞれの単位槽の電流値はその両隣の単位槽の電流値に依存しており、いずれかの単位槽の電流値が下がると全体の電流値が下がり、電解能力が低下することになる。

一方、各単位槽は独自の原料供給口と電解液の排出口を備えている。このような構造において何れかの単位槽への原料供給が途絶えたり、電解液の排出が出来なくなったりすると、単位槽内のイオン濃度は急激に低下し電気伝導量が低下する。その結果、電解槽全体の電流値は低下し目的物質の生成能力もそれに対応して低下してしまう。

この状況は単極式の電解槽でも発生するが、単極式の場合電流値は該当する単位槽に限定されており、他の槽に影響を与えることはなく影響は小さいが、複極電解槽の場合は全部の単位槽に影響し、電流値は、最低の電流値の単位電解槽の値を超えることはできない。

単位槽への液体の出入り開口部は、前述の通り電気絶縁体である樹脂やゴム等で構成されることが多いが、それらの中には原料や電解生成物の影響を受け、膨潤、脆化等を起こし、長期間の使用の間に、開口部が狭窄したり、しばしば閉塞してしまうものもある。したがって、この部分の材質は電解槽そのものの寿命を決定する極めて重要な要因となっていた。

これまで、電解槽の材料に関しては種々の提案がなされてきている。例えば、特開２０１１−００６７６７号公報（特許文献１）では、電極間のガスケットの被覆材としてフッ素樹脂を使用する技術を記載するものであるが、排出口、供給口の不具合を改善することを課題とするものではない。また、特開２００７−２７５２６２号公報（特許文献２）は、電解生成物の抽出口のパッキンにフッ素樹脂を使用する記述があるが原料入口又は生成液出口の不具合を改善することを解決課題とするものではない。さらに特開２０１２−１３２０３３号公報（特許文献３）は、電解槽の容器をフッ素樹脂等で製作する技術を開示するものの、原料入口又は生成液出口の長期間使用における不具合を改善することを解決課題とするものではない。

特開２０１１−００６７６７号公報 特開２００７−２７５２６２号公報 特開２０１２−１３２０３３号公報

以上の通り、種々の技術が提案されているものの、依然として次亜塩素酸水を製造するための電解槽の寿命を改善し、動作が長期安定した次亜塩素酸水製造装置が必要とされていた。

本発明者は高濃度の塩素及び次亜塩素酸溶液を生成する電解反応を多数実施した結果前述のメカニズムを解明し、さらに十分な寿命を持った材質を探す試験を行った結果、フッ素樹脂の多くが十分な耐久性を持つことを発見し、さらにその材質を使用できる電解槽の構造を決定することによって本発明に至ったものである。

すなわち、本発明によれば、次亜塩素酸水を製造するための電解槽であって、
均一な電界を形成する複数の電極と、
電極を囲繞して隔離すると共に次亜塩素酸を含有する電解液を希釈水中に排出するための開口を備えたフレームと、
前記フレームに固定され、前記電極を固定すると共に電解のための原料を前記電極の間に形成される単位電解セルに供給するための供給開口が形成された下蓋と、
前記フレームに固定され、前記電極を固定すると共に電解により生成した次亜塩素酸を含む電解液を前記単位電解セルから前記フレームとの間に形成される空間に排出するため排出開口が形成された上蓋と、
を備え、前記上蓋および下蓋は、電界下で含塩素物質により劣化しない材料で形成された、電解槽が提供される。

本発明によれば、電解槽の長期間使用による性能劣化を改善した電解槽および次亜塩素酸水製造装置が提供できる。

本実施形態の次亜塩素酸水製造装置の原料供給および次亜塩素酸水供給の物質フローを示す概念図。 本実施形態の製造装置を、図１に示した矢線Ａの方向から見た時の構成を示した図。 電解槽が、筐体１６内に配置された詳細な実施形態を示す図。

以下、本発明を実施形態によって説明するが、本発明は後述する実施形態に限定されるものではない。図１は、本実施形態の次亜塩素酸水製造装置（以下、単に製造装置として参照する。）の原料供給および次亜塩素酸水供給の物質フローを示す概念図である。本実施形態に言うところの次亜塩素酸水とは、２０１２年４月２６日、厚生労働省告示 第３４５号）に規定される、ｐＨ５．０〜６．５を有し、有効塩素濃度が、１０〜８０ｍｇ／Ｌを有する殺菌性を有する次亜塩素酸含有水である微酸性電解水を意味する。

電解槽は、電解液を希釈すると共に電解槽を冷却するための水が満たされた筐体（不図示）中に設置されていて、電解槽によって生成された高濃度の次亜塩素酸を含有する電解液１１ａを、開口１１から排出する。水供給口から供給される水１４は、電解槽を冷却しながら上昇する希釈水１４ａとして電解液１１ａを希釈し、本実施形態における微酸性電解水１２を排出口から排出する。

電解槽は、絶縁性のフレーム１５、上蓋９、下蓋６および図示した実施形態では、３つの電極７を備えている。フレーム１５は、上蓋９および下蓋６を水密に保持しており、電解室を冷却および希釈のために流通される水（以下、希釈水として参照する。）から隔離している。

上蓋９および下蓋６は、電極７の上端および下端を保持し、所定の電位差の下での電気分解を可能としている。最外部にある電極７には、電源１３から電解電流が供給されていて、複極式の電解セルを形成する。なお、電極７は、平行とされ、均一な電解を形成することができる限り平板に限定されるわけではなく、平行曲面を形成する形状とされていても良い。

下蓋６の単位電解セルを形成する領域には、原料を供給するための開口５がそれぞれ形成されている。また、上蓋９の単位電解セルには電解液を排出するための開口１０が、単位電解セルごとに形成されており、高濃度の次亜塩素酸を含有する電解液を、開口１１から製造装置の希釈水１４ａが充満した領域に排出させている。電解液１１ａは、希釈水１４ａによって希釈されて所定濃度の次亜塩素酸濃度およびｐＨとされて、排出口から微酸性電解水として排出される。

供給開口５および排出開口１０の径は特に制限されるものではないが、例えば特許第４７１２９１５号明細書に記載されるように、供給開口５は、単位電解セルあたり１つでも複数でもかまわないが、総面積で例えば、電極の有効片面面積の０．０１８〜０．４５％となるように数およびサイズを設定することができる。また、排出開口１０についても単位電解セルあたり１つでも複数でもかまわないが、総面積で例えば、電極の有効片面面積の０．０３６〜０．９％のサイズおよび数とすることができる。

フレーム１５の下部には、原料供給口４が形成されており、原料タンク１に蓄積された原料を供給パイプ２およびポンプ３を使用して原料を電解槽に供給する。本実施形態では、原料は、含塩素物質を使用することができ、塩酸水溶液、アルカリ金属塩化物またはアルカリ土類金属塩化物およびこれらのいかなる混合物である含塩素組成物から選択することができる。

また、本実施形態で使用することができる含塩素組成物としては、また、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウムなど、水溶性の含塩素イオン化合物を挙げることができる。この他、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、重炭酸カリウムなどを、ｐＨ安定化のための緩衝剤として併用または添加することができる。このうち、塩酸を使用する場合には、各単位セル内に供給される濃度で、約３〜２１質量％、より好ましくは６〜１５質量％とすることができる。

また、供給開口５は、フレームの下部に形成された共通流路を通して、原料の供給を受け、単位電解セルへの原料供給量が均等になるようにされている。原料は、供給開口５からそれぞれの単位電解セルに供給され、電気分解をうけながら上昇して行き、電解液として排出開口１０から排出される。

複数の排出開口１０は、その上部に形成された共通排出路へと電解液を排出する。この共通排出路は、各単位電解セルの出口圧を均等化させることを可能とし、単位電解セルごとにスループットを安定化させるバッファ通路を提供する。電解液は、この共通排出通路を通してフレーム１５に形成された排出開口よりも大面積で形成された開口１１から製造装置の希釈水を流通させる部分に送られ、希釈された後、排出口から微酸性電解水として排出される。このため、本実施形態の電解槽は、原料または希釈水の供給の変動が、その時点で製造される微酸性電解水の品質に与える変動を緩衝し、安定した品質の微酸性電解水を供給する。

図１に説明するように、供給開口５および排出開口１０には、高濃度の塩酸または次亜塩素酸の存在下、電界が印加される。このことは、供給開口５および排出開口１０を形成する材料が高い侵食性の環境に置かれることを意味する。この環境で長時間の累積運転を行うと、材料の劣化生成物などによる開口の閉塞や狭窄などの問題が発生する。

本発明者等は、鋭意検討の結果、上蓋９および下蓋６の材質として、塩素及び塩素溶液（及び塩酸）により損傷を受けない有機材料または無機材料を使用することにより、電気分解の長期間安定性を提供することができることを見出したものである。かかる材料としては、フッ素樹脂、又はセラミックなどを挙げることができ、より具体的には、樹脂材料として、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、パーフルオロエチレン−プロペンコポリマー（ＦＥＰ）、エチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマー（ＥＣＴＦＥ）、これらの共重合体、他の樹脂とのポリマーブレンド、またはこれらをマトリックス中に分散させた複合材からなる群から選択される材料を挙げることができる。

図２は、本実施形態の製造装置を、図１に示した矢線Ａの方向から見た時の構成を示した図である。図２に示す実施形態では、図１の電解槽が筐体１６内に配置されており、筐体１６に形成された水密ジョイント２１を介して、それぞれ、出力端子１８が電極に接続されている。

また水密ジョイント２１を介して筐体１６内に原料が導入され、供給口４から電解槽内に原料が供給されている。また、電解液は、排出開口１０から筐体１６と電解槽との間に形成される希釈水流通部に排出され、希釈水流通部を流れる希釈水１４ａと混合され、筐体１６に形成された排出口１７を介して微酸性電解水として供給される。

なお、図２に示した実施形態は、排出口１７を製造装置の最上部に形成している。当該構成は、原料および希釈水が安定に供給される限り最も単位電界セルの液流通量を安定化させると共に、複製する気体が製造装置内に残留する可能性を最小とすることができる。なお、複製ガスの排出の観点から、筐体１６の上部を中心側の排出口１７に向かって上る傾斜を有するように形成することもできる。

図３は、電解槽が、筐体１６内に配置された詳細な実施形態を示す図である。原料は、供給口４から電解槽内に供給され、下蓋６の供給開口５を介して、電極７で形成される単位電解セルに供給される。単位電解セル内で電気分解により生成された次亜塩素酸を含有する電解液は、排出開口１０から排出され、開口１１を通して希釈水流通部に流れ込む。この電解液は、希釈水供給口１９からの水１４によって希釈された後、微酸性電解水１２として排出口１７から排出される。

図２および図３で示す実施形態では、上蓋９、下蓋６それぞれ、ポリテトラフルオロエチレンまたはパーフルオロアルコキシアルカンで形成されている。開口５、１０は、ドリルによるせん孔で、約２ｍｍ径のものを形成した。

これまで、本実施形態を実施形態をもって説明したが、以下、本発明をより具体的な実施例によって説明する。

塩素溶液を電解し次亜塩素酸を含む殺菌用水を調製する電解槽の材質の評価を行うための試験用製造装置を作成した。試作した電解槽の、電極面に垂直面での断面図を示した。電極７は全て株式会社ペルメレック電極で製作した。電極の基材には厚さ１ｍｍの純チタニウム板を使用し、陰極端子電極の電極面と複極の陰極側は白金で被覆し、陽極端子電極の電極面と複極の陽極面は酸化イリジウムとタンタルとの混合物で被覆した。

供給開口５を配設した下蓋６および排出開口１０を配設した上蓋９を除く全ての電解槽のフレーム１５および筺体１６を硬質塩化ビニールで製作した。供給開口５および排出開口１０を配設した上蓋９および下蓋６を、それぞれ硬質塩化ビニール（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）の４種の樹脂を使った４台の次亜塩素酸水製造装置を製作した。

供給開口５は、各単位槽当たり、直径２ｍｍで２個設け、排出開口１０は、各単位槽当たり、直径２ｍｍで３個設けた。電極７の間隔を４ｍｍとした。その他に必要な部品として、原料タンク１、供給パイプ２、ポンプ３、開口１１、排出口１７および電源１３を図１のように配設して電解を行った。電極の寸法は、４０×９０ｍｍとした。

この装置を使って、９％塩酸を原料として電解電圧４Ｖで連続電解を５００時間行った後、次亜塩素酸水製造装置を分解し、供給開口５および排出開口１０の状態を目視で観察した。なお、電解の影響を加速するために電流密度を通常の４倍になるように、５Ａに設定し加速試験を行った。結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１および２で使用したフッ素樹脂は、通常の電解条件に耐え、実用的な継続時間で電解状態に悪影響を与えるような変化を起こさないことが確認された。また、電界期間にわたり、電解槽全体の電流値も安定し、微酸性電解水の品質も所定のｐＨおよび有効塩素濃度に保持されていた。

これまで、本発明を実施形態をもって説明してきたが、本発明は、実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、変更、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。

１ ：原料タンク
２ ：供給パイプ
３ ：ポンプ
４ ：供給口
４ ：原料供給口
５ ：開口
５ ：供給開口
６ ：下蓋
７ ：電極
９ ：上蓋
１０ ：排出開口
１１ ：開口
１１ａ ：電解液
１２ ：微酸性電解水
１３ ：電源
１４ ：水
１４ａ ：希釈水
１５ ：フレーム
１６ ：筐体
１７ ：排出口
１８ ：出力端子
１９ ：希釈水供給口
２１ ：水密ジョイント
Ａ ：矢線

Claims (8)

1. 次亜塩素酸水を製造するための電解槽であって、
   均一な電界を形成する複数の電極と、
   電極を囲繞して隔離すると共に次亜塩素酸を含有する電解液を希釈水中に排出するための開口を備えたフレームと、
   前記フレームに固定され、前記電極を固定すると共に電解のための原料を前記電極の間に形成される単位電解セルに供給するための供給開口が前記電極間に形成された下蓋と、
   前記フレームに固定され、前記電極を固定すると共に電解により生成した次亜塩素酸を含む電解液を前記単位電解セルから前記フレームとの間に形成される空間に排出するため排出開口が前記電極間に形成された上蓋と、
   を備え、前記上蓋および下蓋は、前記フレームの材料よりも電界下で含塩素物質により劣化しない材料で形成され、
   前記フレームの材料よりも電界下で含塩素物質により劣化しない材料は、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、パーフルオロアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー、パーフルオロエチレン−プロペンコポリマー、エチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマーまたはこれらの混合物またはマトリックス中に分散させた複合材からなる群から選択される、電解槽。
2. 前記上蓋および下蓋のそれぞれ上部および下部に形成され、前記上蓋および前記下蓋それぞれに形成された各前記開口に連続する共通流路を備える請求項１に記載の電解槽。
3. 電解液を希釈水中に排出するための開口は、上部に形成された共通流路を介して前記電解液を希釈するための水流中に直接開口する、請求項１または２に記載の電解槽。
4. 前記電解槽は、複極式電解槽である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電解槽。
5. 前記原料は、塩酸、アルカリ金属塩化物の溶液またはこれらの混合物である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電解槽。
6. 原料を電気分解して、次亜塩素酸水を含む電解液を生成する電解槽と、
   前記電解槽を収容し、前記電解槽の周囲に前記次亜塩素酸水を希釈するための希釈水を流通させると共に前記電解液を希釈した微酸性電解水を排出するための排出口とを備えた筐体とを備える次亜塩素酸水製造装置であって、
   前記電解槽が、
   均一な電界を形成する複数の電極と、
   電極を囲繞して隔離すると共に次亜塩素酸を含有する電解液を希釈水中に排出するための開口を前記電極間に備えたフレームと、
   前記フレームに固定され、前記電極を固定すると共に電解のための原料を前記電極の間に形成される単位電解セルに供給するための供給開口が前記電極間に形成された下蓋と、
   前記フレームに固定され、前記電極を固定すると共に電解により生成した次亜塩素酸を含む電解液を前記単位電解セルから前記フレームとの間に形成される空間に排出するため排出開口が形成された上蓋と、
   を備え、前記上蓋および下蓋は、前記フレームの材料よりも電界下で含塩素物質により劣化しない材料で形成され、前記フレームの材料よりも電界下で含塩素物質により劣化しない材料は、セラミックス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、パーフルオロアルコキシアルカン、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー、パーフルオロエチレン−プロペンコポリマー、エチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマーまたはこれらの混合物または分散体からなる群から選択され、
   前記排出口が、前記筐体の最上部であって前記開口の直上に形成された、次亜塩素酸水製造装置。
7. 前記筐体の前記排出口の形成された部分は、前記排出口に向かって上る傾斜を有する、請求項６に記載の次亜塩素酸水製造装置。
8. ｐＨ５．０〜６．５を有し、有効塩素濃度が、１０〜８０ｍｇ／Ｌを有する殺菌性を有する次亜塩素酸水を製造する、請求項６または７に記載の次亜塩素酸水製造装置。