JP6542265B2 - 多孔質隔膜、その製造方法、次亜塩素酸水製造用電極ユニット、及びそれを用いた次亜塩素酸水製造装置 - Google Patents
多孔質隔膜、その製造方法、次亜塩素酸水製造用電極ユニット、及びそれを用いた次亜塩素酸水製造装置 Download PDFInfo
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Description
前記第1の無機酸化物は、前記第1の多孔質隔膜の内部よりも前記第1の多孔質隔膜の表面に高密度で分布している。
多孔質積層体の少なくとも一方の面に形成された、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タングステン、及びジルコンからなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物を含む被覆層とを含む。
M+H2O→M−OH+H++e− …(1)
M−OH→M−O+H++e− …(2)
M−O+Cl−+H+→M+HClO …(3)
トータルとして
H2O+Cl−→HClO+H++2e− …(4)
である。
2H2O+2e−→H2+2OH− …(5)
全反応は陽イオンもいれて
2NaCl+3H2O→HClO+HCl+2NaOH+H2 …(6)
である。
M+H2O→M−OH+H++e− …(1)
M−OH→M−O+H++e− …(2)
2M−O→2M+O2 …(7)
トータルとして、
2H2O→O2+2H++2e− …(8)
である。
(実施例1)
電極基材21として、板厚T1が0.5mmの平坦なチタン板を用意する。
多孔質隔膜として厚さ100μmのガラス布に粒径100〜500μmの酸化チタン粒子とポリフッ化ビニリデン粒子の水分散混合液を塗布して乾燥する。さらにテトライソプロポキシジルコニウム(IV)の5%イソプロパノール溶液に漬けて大気中に引き上げる。大気中80℃で1時間乾燥し多孔質隔膜を作成する。この多孔質隔膜は断面SEMの観察から表面および孔表面の方が無機酸化物が多く、また孔径は小さい。この多孔質隔膜表面のpH4におけるゼータ電位は−12mVである。
厚さ5mmの多孔質ポリスチレンを用意する。この多孔質ポリスチレンに粒径100〜500μmの酸化ジルコニウム粒子の水分散液に超音波をかけて分散させながら、両側から交互に吸引ろ過し、多孔に酸化ジルコニウム粒子を吸着させる。図5に酸化ジルコニムのゼータ電位のpH依存性を示す。テトライソプロポキシジルコニウム(IV)の5%イソプロパノール溶液に漬けて大気中に引き上げる。大気中80℃で1時間乾燥し多孔質隔膜を作成する。
テトライソプロポキシチタン(IV)の代わりトリイソプロキシアルミニウムを用いることを除いては実施例1と同様にして電解装置10を作製する。
酸化ジルコニウム粒子の代わりにジルコン粒子を用いることを除いては実施例3と同様にして電解装置10を作製する。
第1の多孔質隔膜として実施例2と同様にして多孔質隔膜を作製する。次に、第2の多孔質隔膜として厚さ100μmのガラス布に粒径100nm〜1μmの酸化タングステン微粒子とポリフッ化ビニリデン粒子の水分散混合液を塗布して乾燥して作製する。
第1の多孔質隔膜として実施例2と同様にして多孔質隔膜を作製する。次に第2の多孔質隔膜として厚さ100μmのガラス布に粒径100nm〜1μmの酸化タングステン微粒子とポリフッ化ビニリデン粒子の水分散混合液を塗布して乾燥する。次にテトライソポロポキシシランの5%イソプロパノール溶液に漬けて大気中に引き上げる。大気中80℃で1時間乾燥し第2の多孔質隔膜を作成する。
多孔質隔膜塗布材料を第1及び第2電極に各々塗布及び焼成して作製する多孔質隔膜の代わりに、多孔質ポリスチレン膜を用いることを除いては、実施例1と同様にして電解装置を作製した。
テトライソプロピキジルコニウム(IV)の代わりにテトライソプロポキシシランを用いることを除いては、実施例2と同様にして第1の多孔質隔膜を作製し、その他は実施例2と同様にして電解装置を作製した。
厚さ30μmのポリテトラフルオロエチレン多孔質膜(住友電工 ポアフロン HPW−010-30)に厚さ75μmのガラスクロス(日東紡 3313)を100℃で機械プレスして一体化する。ガラスクロスと共にプレスされたポリテトラフルオロエチレン多孔質膜を、ポリテトラフルオロエチレン微粒子分散液 (三井・デュポン フロロケミカル 31−JR)を2倍に希釈した分散液中にディップコートして200℃で20分間加熱する。ポリテトラフルオロエチレン微粒子の添加量は 16mg/cm2である。次に、この多孔質膜を、テトライソプロポキシジルコニウム(IV)の5%イソプロパノール溶液にディップコートし、大気中200℃で一時間乾燥し、多孔質隔膜24と27を作成する。この多孔質隔膜表面のpH4におけるゼータ電位は−10mVである。またpH8から10におけるゼータ電位は−40mVである。透水性は0.5mL/min/cm2/MPaである。
ガラスクロスを用いる代わりにポリフェニレンスルフィドクロスを用いることを除いては実施例8と同様にして電解装置を作製する。流量5L/分、電圧7.5V、電流30Aで電解を行い、第1電極(陽極)20側では次亜塩素酸水を、第2電極(陰極)22側では水素および水酸化ナトリウム水を生成する。この装置の1300時間連続稼働では、電解水中の塩分濃度が急上昇し、多孔質隔膜が破断する。
ポリテトラフルオロエチレン分散液を用いる代わりにポリフッ化ビニリデン分散液を用いることを除いては実施例8と同様に多孔質隔膜を作製する。ポリフッ化ビニリデン微粒子の添加量は 18mg/cm2である。この多孔質隔膜表面のpH4におけるゼータ電位は−14mVである。また、pH8から10におけるゼータ電位は−45mVである。透水性は1.0mL/min/cm2/MPaである。この多孔質隔膜を用いて実施例1と同様にして電解装置を作製する。流量5L/分、電圧7.8V、電流30Aで電解を行い、第1電極(陽極)20側では次亜塩素酸水を、第2電極(陰極)22側では水素および水酸化ナトリウム水を生成する。この装置の1000時間連続稼働では電圧の上昇は見られない。また、多孔質隔膜の透水性の上昇率は2%である。
多孔質隔膜として厚さ100μmのポリエチレン多孔質膜(日東電工 サンマップ LC)に厚さ75μmのガラスクロス(日東紡 3313)を80℃で機械プレスして一体化する。ガラスクロスと共にプレスされたポリテトラフルオロエチレン多孔質膜に、ポリテトラフルオロエチレン微粒子分散液 (三井・デュポン フロロケミカル 31−JR)を2倍に希釈した分散液をドロップコートして100℃で20分間加熱する。ポリテトラフルオロエチレン微粒子の添加量は14mg/cm2である。次に、得られた多孔質膜をテトライソプロポキシジルコニウム(IV)の5%イソプロパノール溶液中にディップコートし、大気中100℃で一時間乾燥し、多孔質隔膜24と27を作成する。この多孔質隔膜表面のpH4におけるゼータ電位は−5mVである。また、pH8から10におけるゼータ電位は−30mVである。透水性は5mL/min/cm2/MPaである。この多孔質隔膜を用いて実施例1と同様にして電解装置を作製する。流量5L/分、電圧8.5V、電流30Aで電解を行い、第1電極(陽極)20側では次亜塩素酸水を、第2電極(陰極)22側では水素および水酸化ナトリウム水を生成する。この装置の1000時間連続稼働では電圧の上昇は見られない。また、多孔質隔膜の透水性の上昇率は5%である。
ポリエチレン多孔質膜の代わりにポリプロピレン・ポリエチレン複合多孔質膜を用いることを除いては実施例10と同様に電解装置を作製する。流量5L/分、電圧8.7V、電流30Aで電解を行い、第1電極(陽極)20側では次亜塩素酸水を、第2電極(陰極)22側では水素および水酸化ナトリウム水を生成する。この装置の640時間連続稼働で電解水中の塩分濃度が急上昇し、多孔質隔膜が破断する。
ディップコートの速度を早くしてポリテトラフルオロエチレン微粒子の添加量を13mg/cm2にする他は実施例8と同様にしてガラスクロスと共にプレスされた多孔質膜にをポリテトラフルオロエチレン微粒子分散液をディップコートする。ディップコート後、得られた多孔質膜にテトライソプロポキシジルコニウム(IV)の5%イソプロパノール溶液をディップコートし、大気中200℃で一時間乾燥し、多孔質隔膜24と27を作成する。この多孔質隔膜表面のpH4におけるゼータ電位は−10mVである。また、pH8から10のおけるゼータ電位は−40mVである。透水性は4mL/min/cm2/MPaである。この多孔質隔膜を用いて実施例1と同様にして電解装置を作製する。流量5L/分、電圧8.2V、電流30Aで電解を行い、第1電極(陽極)20側では次亜塩素酸水を、第2電極(陰極)22側では水素および水酸化ナトリウム水を生成する。この装置の1000時間連続稼働では電圧の上昇は見られない。また、多孔質隔膜の透水性の上昇率は1%である。
多孔質隔膜として厚さ30μmのポリテトラフルオロエチレン多孔質膜(住友電工 ポアフロン HPW−010-30)に厚さ75μmのガラスクロス(日東紡 3313)を100℃で機械プレスして一体化する。ポリテトラフルオロエチレン微粒子分散液 (三井・デュポン フロロケミカル 31−JR)を2倍に希釈した分散液に粒径200nmの酸化チタン微粒子を10wt%混合する。この多孔質膜を混合分散液中にディップコートして200℃で20分間加熱する。ポリテトラフルオロエチレンおよび酸化チタン微粒子の添加量は 18mg/cm2である。次に、得られた多孔質膜をテトライソプロポキシジルコニウム(IV)の5%イソプロパノール溶液中にディップコートし、大気中300℃で一時間乾燥し、多孔質隔膜24と27を作成する。この多孔質隔膜表面のpH4におけるゼータ電位は−7mVである。また、pH8から10のおけるゼータ電位は−45mVである。透水性は0.4mL/min/cm2/MPaである。この多孔質隔膜を用いて実施例8と同様にして電解装置を作製する。流量5L/分、電圧7.2V、電流30Aで電解を行い、第1電極(陽極)20側では次亜塩素酸水を、第2電極(陰極)22側では水素および水酸化ナトリウム水を生成する。この装置の1000時間連続稼働では電圧の上昇は見られない。また、多孔質隔膜の透水性の上昇率は1%である。
多孔質隔膜としてポリフッ化ビニリデン多孔質膜(巴工業)に厚さ75μmのガラスクロス(日東紡 3313)を100℃で機械プレスして一体化する。ポリテトラフルオロエチレン微粒子分散液 (三井・デュポン フロロケミカル 31−JR)を2倍に希釈した分散液に粒径200nmの酸化チタン微粒子を10wt%混合する。この多孔質膜を混合分散液中にディップコートして200℃で20分間加熱する。ポリテトラフルオロエチレンおよび酸化チタン微粒子の添加量は 18mg/cm2である。次に、得られた多孔質膜をテトライソプロポキシジルコニウム(IV)の5%イソプロパノール溶液中にディップコートし、大気中300℃で一時間乾燥し、多孔質隔膜24と27を作成する。この多孔質隔膜表面のpH4におけるゼータ電位は−5mVである。また、pH8から10のおけるゼータ電位は−40mVである。透水性は0.3mL/min/cm2/MPaである。この多孔質隔膜を用いて実施例8と同様にして電解装置を作製する。流量5L/分、電圧7.4V、電流30Aで電解を行い、第1電極(陽極)20側では次亜塩素酸水を、第2電極(陰極)22側では水素および水酸化ナトリウム水を生成する。この装置の1000時間連続稼働では電圧の上昇は見られない。また、多孔質隔膜の透水性の上昇率は1%である。
多孔質隔膜として厚さ30μmのポリテトラフルオロエチレン多孔質膜(住友電工 ポアフロン HPW−010-30)に厚さ75μmのガラスクロス(日東紡 3313)を100℃で機械プレスして一体化する。ポリフッ化ビニリデンのN−メチルピロリドンの10%溶液に粒径100nmの酸化ジルコニウム微粒子を10wt%混合する。この多孔質膜を混合溶液中にディップコートして真空中で100℃で10分間加熱する。ポリフッ化ビニリデンおよび酸化ジルコニム微粒子の添加量は 16mg/cm2である。次に、得られた多孔質膜をテトライソプロポキシジルコニウム(IV)の5%イソプロパノール溶液中にディップコートし、大気中300℃で一時間乾燥し、多孔質隔膜24と27を作成する。この多孔質隔膜表面のpH4におけるゼータ電位は−8mVである。また、pH8から10のおけるゼータ電位は−45mVである。透水性は0.3mL/min/cm2/MPaである。この多孔質隔膜を用いて実施例8と同様にして電解装置を作製する。流量5L/分、電圧7.0V、電流30Aで電解を行い、第1電極(陽極)20側では次亜塩素酸水を、第2電極(陰極)22側では水素および水酸化ナトリウム水を生成する。この装置の1000時間連続稼働では電圧の上昇は見られない。また、多孔質隔膜の透水性の上昇率は1.5%である。
多孔質隔膜として厚さ30μmのポリテトラフルオロエチレン多孔質膜(住友電工 ポアフロン HPW−010-30)と厚さ100μmのポリエチレン多孔質膜(日東電工 サンマップ LC)を積層し、ポリエチレン多孔質膜側に厚さ75μmのガラスクロス(日東紡 3313)を80℃で機械プレスして一体化する。ポリフッ化ビニリデンのN−メチルピロリドンの10%溶液に粒径100nmの酸化ジルコニウム微粒子を10wt%混合する。この多孔質膜を混合溶液中にディップコートして真空中で100℃で10分間加熱する。ポリフッ化ビニリデンおよび酸化ジルコニム微粒子の添加量は17mg/cm2である。次に、得られた多孔質膜をテトライソプロポキシジルコニウム(IV)の5%イソプロパノール溶液中にディップコートし、大気中300℃で一時間乾燥し、多孔質隔膜24と27を作成する。この多孔質隔膜表面のpH4におけるゼータ電位は−10mVである。また、pH8から10のおけるゼータ電位は−40mVである。透水性は0.2mL/min/cm2/MPaである。この多孔質隔膜を用いて実施例8と同様にして電解装置を作製する。流量5L/分、電圧7.5V、電流30Aで電解を行い、第1電極(陽極)20側では次亜塩素酸水を、第2電極(陰極)22側では水素および水酸化ナトリウム水を生成する。この装置の1000時間連続稼働では電圧の上昇は見られない。また、多孔質隔膜の透水性の上昇率は0.5%である。
(実施例16)
図13に示すように、この電解装置310では、電解槽11の代わりに、陰極室318及び陰極室318を取り囲むように配置された陽極室316を有し、流路及び配管もなく自然対流により水流が形成されるバッチ型の電解槽311を使用すること以外は、図1と同様の構成を有する。陽極室316および陰極室318の容量は、それぞれ2L、0.1Lであり、実施例1と同様に作製される電極ユニットを用いる。ただし電極のサイズは4x3cmである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜、多孔質ポリフッ化ビニリデン膜、及び多孔質ポリエチレン膜のうち少なくとも1種の多孔質膜と、前記多孔質膜上に形成された、ガラス繊維及びフッ素系ポリマーからなる複合膜とを含む積層体と、
前記積層体の少なくとも一方の表面に形成された、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タングステン、及びジルコンからなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物を含む被覆層とを具備する多孔質隔膜。
[2]0.1mL/min/cm 2 /MPa以上6mL/min/cm 2 /MPa 以下の透水性を有する[1]に記載の多孔質隔膜。
[3]前記ガラス繊維は、ガラスクロスである[1]もしくは[2]に記載の多孔質隔膜。
[4]前記多孔質膜は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タングステン、ゼオライト、及びジルコンからなる群から選択される少なくとも1種の粒子を含む[1]から[3]のいずれか1項に記載の多孔質隔膜。
[5]多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜、多孔質ポリフッ化ビニリデン膜、及び多孔質ポリエチレン膜のうち少なくとも1種の前記多孔質膜上にガラス繊維を積層する工程と、前記ガラス繊維を介して前記多孔質膜上にフッ素系ポリマー含有液を塗布し、前記多孔質膜上に前記ガラス繊維及び前記フッ素系ポリマーからなる複合膜を形成する工程と、前記多孔質膜と前記複合膜の積層体の少なくとも一方の表面に無機酸化物前駆体溶液を適用し、無機酸化物を含む被覆層を形成する工程とを具備する多孔質隔膜の製造方法。
[6]前記積層する工程は加熱プレスを用いる[5]記載の多孔質隔膜の製造方法。
[7]陽電極と、
前記陽電極に対向して配置された陰電極と、
pHが2から6までの領域の中でゼータ電位が正を示す第1の無機酸化物を含有する第1の多孔質隔膜とを具備する次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[8]前記陰電極の陽電極側に、pHが8から10までの領域の中でゼータ電位が負の第2の無機酸化物を含有する第2の多孔質隔膜がさらに形成されている[7]に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[9]前記多孔質隔膜として[1から4までのいずれか1項]に記載の多孔質隔膜を適用する[7]もしくは[8]に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[10]前記陽電極は、第1表面と、前記第1表面と反対側に位置する第2表面と、前記第1表面に開口する複数の第1孔部と、前記第2表面に開口しているとともに、前記第1孔部よりも大径の複数の第2孔部と、を有し、1つの前記第2孔部に複数の前記第1孔部が連通している[7]から[9]のいずれか1つに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[11]前記第1孔部の開口面積が0.01mm 2 から4mm 2 までである[7]から[10]のいずれかに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[12]前記第1の無機酸化物は、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、ジルコン及びアルミニウム酸化物から選択される少なくとも1つである[7]から[11]までのいずれかに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[13]前記第1の無機酸化物は、前記第1の多孔質隔膜の内部よりも前記第1の多孔質隔膜の表面に高密度で分布している[7]から[12]までのいずれかに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[14]前記第2の無機酸化物は、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、ケイ素酸化物、タングステン酸化物、ゼオライト、ジルコン及びアルミニウム酸化物の少なくともいずれか1つである[7]から[13]までのいずれかに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[15]前記第1の多孔質隔膜は第1の孔径を有する第1の多孔質層と前記第1の孔径とは異なる第2の孔径を有する第2の多孔質層との積層である[7]から[14]までのいずれかに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[16]前記第1の多孔質隔膜は、第1の無機酸化物とは異なる第3の無機酸化物をさらに含み、前記第1の無機酸化物と第3の無機酸化物の比率が前記第1の多孔質隔膜の表面と内部で異なる[7]から[15]までのいずれかに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[17]前記陽電極と前記陰電極との間に液体もしくは固体電解質を保持する手段を有する[7]から[16]までのいずれかに記載の次亜塩素酸水生成電極ユニット。
[18]前記第1の多孔質隔膜の表面ゼータ電位がpH4において−30mVより大きい[7]から[17]までのいずれかに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[19]前記陽電極と第1の多孔質隔膜の間に電解触媒からなる第1の触媒層をさらに含む[7]から[18]までのいずれかに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
[20][7]から[19]までのいずれかに記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット、電極に電圧を印加するための電源、及び制御装置を具備する次亜塩素酸水製造装置。
符号の説明
Claims (15)
- 第1表面と、前記第1表面と反対側に位置する第2表面と、前記第1表面に開口する複数の第1孔部と、前記第2表面に開口しているとともに、前記第1孔部よりも大径の複数の第2孔部と、を有し、1つの前記第2孔部に複数の前記第1孔部が連通している陽電極と、
前記陽電極に対向して配置された陰電極と、
pHが2から6までの領域の中でゼータ電位が正を示す第1の無機酸化物を含有する第1の多孔質隔膜とを具備し、
前記第1の無機酸化物は、前記第1の多孔質隔膜の内部よりも前記第1の多孔質隔膜の表面に高密度で分布している次亜塩素酸水製造用電極ユニット。 - 前記陰電極の陽電極側に、pHが8から10までの領域の中でゼータ電位が負の第2の無機酸化物を含有する第2の多孔質隔膜がさらに形成されている請求項1に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記第2の無機酸化物は、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、ケイ素酸化物、タングステン酸化物、ゼオライト、ジルコン及びアルミニウム酸化物の少なくともいずれか1つである請求項2に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記多孔質隔膜として、多孔質ポリテトラフルオロエチレン膜、多孔質ポリフッ化ビニリデン膜、及び多孔質ポリエチレン膜のうち少なくとも1種の多孔質膜と、前記多孔質膜上に形成された、ガラス繊維及びフッ素系ポリマーからなる複合膜とを含む積層体と、
前記積層体の少なくとも一方の表面に形成された、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タングステン、及びジルコンからなる群から選択される少なくとも1種の無機酸化物を含む被覆層とを具備する多孔質隔膜を適用する請求項1ないし3のいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。 - 前記多孔質隔膜は、0.1mL/min/cm 2 /MPa以上6mL/min/cm 2 /MPa 以下の透水性を有する請求項4に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記ガラス繊維は、ガラスクロスである請求項4または5に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記多孔質膜は、酸化チタン、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タングステン、ゼオライト、及びジルコンからなる群から選択される少なくとも1種の粒子を含む請求項4から6のいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記第1孔部の開口面積が0.01mm 2 から4mm 2 までである請求項1から7のいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記第1の無機酸化物は、ジルコニウム酸化物、チタン酸化物、ジルコン及びアルミニウム酸化物から選択される少なくとも1つである請求項1から8までのいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記第1の多孔質隔膜は第1の孔径を有する第1の多孔質層と前記第1の孔径とは異なる第2の孔径を有する第2の多孔質層との積層である請求項1から9までのいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記第1の多孔質隔膜は、前記第1の無機酸化物とは異なる第3の無機酸化物をさらに含み、前記第1の無機酸化物と第3の無機酸化物の比率が前記第1の多孔質隔膜の表面と内部で異なる請求項1から10までのいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記陽電極と前記陰電極との間に液体もしくは固体電解質を保持する手段を有する請求項1から11までのいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記第1の多孔質隔膜の表面ゼータ電位がpH4において−30mVより大きい請求項1から12までのいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 前記陽電極と前記第1の多孔質隔膜の間に電解触媒からなる第1の触媒層をさらに含む請求項1から13までのいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット。
- 請求項1から14までのいずれか1項に記載の次亜塩素酸水製造用電極ユニット、電極に電圧を印加するための電源、及び制御装置を具備する次亜塩素酸水製造装置。
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