JP6869188B2 - Reduction water production equipment and reduction water production method - Google Patents
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Description
本発明は、電解還元により得られる水素を含む還元水(水素水)に関し、特に、当該還元水における溶存水素分子濃度の低下を抑えることができる装置および方法に関する。 The present invention relates to reduced water (hydrogen water) containing hydrogen obtained by electrolytic reduction, and more particularly to an apparatus and method capable of suppressing a decrease in the concentration of dissolved hydrogen molecules in the reduced water.
近年、水素水を用いたビジネスが活発になっている。水素水を生成する方法としては、例えば水を電解還元して水の中に溶存水素分子を直接的に生成する電解還元法、水の中に水素ガスをバブリングして、水素分子を溶解させる方法、水の中に水素ガスを加圧溶解させる水素ガス加圧溶解法などが知られている。 In recent years, businesses using hydrogen water have become active. Examples of the method for producing hydrogen water include an electrolytic reduction method in which water is electrolytically reduced to directly generate dissolved hydrogen molecules in water, and a method in which hydrogen gas is bubbled in water to dissolve hydrogen molecules. , A hydrogen gas pressure dissolution method for pressurizing and dissolving hydrogen gas in water is known.
大気圧、常温(20〜28℃)の条件下で、水素ガスの平衡論的溶解度は1.5〜1.6ppmである。
電解還元により生成した還元水は大気と接触しているので、水中の溶存水素分子濃度は1.5ppmよりかなり下がる。例えば、電解還元した還元水をペットボトル等に保管した場合、水中の溶存水素分子濃度は一定時間経過後0.5ppm以下となる。このように水素水を大気と接触して保管した場合、一部の溶存水素分子は大気中に揮散していくので溶存水素分子濃度が低下する。
そのため、得られた水素水における溶存水素分子濃度の低下を抑えることを目的として例えば特許文献1に記載の技術が提案されている。Under atmospheric pressure and room temperature (20-28 ° C.), the equilibrium-theoretical solubility of hydrogen gas is 1.5-1.6 ppm.
Since the reduced water produced by electrolytic reduction is in contact with the atmosphere, the concentration of dissolved hydrogen molecules in the water is considerably lower than 1.5 ppm. For example, when the electrolyzed reduced water is stored in a PET bottle or the like, the concentration of dissolved hydrogen molecules in the water becomes 0.5 ppm or less after a lapse of a certain period of time. When hydrogen water is stored in contact with the atmosphere in this way, some of the dissolved hydrogen molecules volatilize into the atmosphere, so that the concentration of the dissolved hydrogen molecules decreases.
Therefore, for example, the technique described in
溶存水素分子濃度の低下を抑えるためのさらなる技術が求められている。本発明は電解還元により得られる還元水において溶存水素分子濃度の低下を抑えることができる新規な技術を提供することを目的とする。 Further techniques for suppressing the decrease in the concentration of dissolved hydrogen molecules are required. An object of the present invention is to provide a novel technique capable of suppressing a decrease in the concentration of dissolved hydrogen molecules in reduced water obtained by electrolytic reduction.
本発明者は鋭意研究の結果、電気分解して水素を発生させるときに、還元反応に関与する電解槽中のカソード極に対して所定の電流を付与して電解還元を進行させる、あるいは電解還元を進行させてカソード極近傍において水素を生成させるとともに、当該カソード極に所定の超音波による振動を与えることにより、溶存水素分子濃度の低下を抑えることができることを見出し、本発明を完成させた。 As a result of diligent research, the present inventor applies a predetermined current to the cathode electrode in the electrolytic cell involved in the reduction reaction when electrolyzing to generate hydrogen, or causes electrolytic reduction to proceed, or electrolytic reduction. The present invention has been completed by finding that it is possible to suppress a decrease in the concentration of dissolved hydrogen molecules by generating hydrogen in the vicinity of the cathode electrode and applying vibration by a predetermined ultrasonic wave to the cathode electrode.
すなわち、本発明の要旨は、以下のとおりである。
[1] アノード室と、カソード室と、前記アノード室と前記カソード室との間に配置されるフッ素系イオン交換膜である隔膜と、前記アノード室において前記隔膜に接するように配置される多孔性アノード極と、前記カソード室に配置されるカソード極とを備える電解槽と、
前記カソード極に対し、10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流を付与して前記隔膜と前記カソード極との間に供給された水の電解還元を行い水素を発生させること、および前記カソード極に対し直流成分を有する電流を付与して前記隔膜と前記カソード極との間に供給された水の電解還元を行い水素を発生させるとともに、前記カソード極の表面に30kHz以上10MHz以下の超音波領域にある機械的振動を付与することのうち少なくともいずれかを実行する濃度低下抑制部とを備える還元水製造装置。
[2] [1]に記載の装置において、
10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流が、電流最低値がゼロ以上である交流成分を有する電流である還元水製造装置。
[3] [1]または[2]に記載の装置において、
10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流が、半波整流又は全波整流された交流電流である還元水製造装置。
[4] [1]から[3]のいずれか1つに記載の装置において、
前記濃度低下抑制部は、前記カソード極に対し、半波整流又は全波整流された10kHz以下の交流電流を付与して水の電解還元を行うとともに、前記カソード極の表面に30kHz以上10MHz以下の超音波領域にある機械的振動を付与する還元水製造装置。
[5] [1]から[4]のいずれか1つに記載の装置において、
前記隔膜と前記カソード極の間にイオン交換樹脂が充填されている還元水製造装置。
[6] [5]に記載の装置において、
前記濃度低下抑制部は、前記イオン交換樹脂の中に埋め込まれている超音波振動子を有しており、
前記濃度低下抑制部は、前記超音波振動子からの前記カソード極の表面への30kHz以上10MHz以下の超音波領域にある機械的振動の付与を行う還元水製造装置。
[7] [1]から[4]のいずれか1つに記載の装置において、
前記カソード室が隔膜と対向する面において複数の突出部を有し、前記カソード極は前記突出部の先端において前記突出部と接触するように配置されており、前記カソード極と前記隔膜との間の前記隔膜と直行する方向における距離が1mm以下である還元水製造装置。
[8] [7]に記載の装置において、
前記カソード極が多孔性カソード極であり、
前記カソード室が、前記カソード室内から水を流入させる複数の原料水供給部と、電解還元された水を前記カソード室内から流出させる複数の還元水排出部とを備え、前記原料水供給部と前記還元水排出部とは前記突出部を間に介して配置されている還元水製造装置。
[9] [1]から[8]のいずれか1つに記載の装置において、
前記電解槽が、前記アノード室と、前記カソード室と、前記アノード室と前記カソード室の間に配置され、前記隔膜によって前記アノード室および前記カソード室と隔てられる中間室を有する三室型電解槽であり、前記中間室に還元性物質が存在している還元水製造装置。
[10] アノード室と、カソード室と、前記アノード室と前記カソード室との間に配置されるフッ素系イオン交換膜である隔膜と、前記アノード室において前記隔膜に接するように配置される多孔性アノード極と、前記カソード室に配置されるカソード極とを備える電解槽内の前記隔膜と前記カソード極との間に水を供給し、
前記カソード極に対し、10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流を付与して水の電解還元を行い水素を発生させること、および前記カソード極に対し直流成分を有する電流を付与して水の電解還元を行い水素を発生させるとともに、前記カソード極の表面に30kHz以上10MHz以下の超音波領域にある機械的振動を付与することのうち少なくともいずれかを行うことを含む、水素を含有する還元水の製造方法。
[11] [10]に記載の方法において、
10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流が、電流最低値がゼロ以上である交流成分を有する電流である還元水の製造方法。
[12] [10]または[11]に記載の方法において、
10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流が、半波整流又は全波整流された交流電流である還元水の製造方法。
[13] [10]から[12]のいずれか1つに記載の方法において、
前記カソード極に対し、半波整流又は全波整流された10kHz以下の交流電流を付与して水の電解還元を行うとともに、前記カソード極の表面に30kHz以上10MHz以下の超音波領域にある機械的振動を付与する還元水の製造方法。
[14] [10]から[13]のいずれか1つに記載の方法において、
前記隔膜と前記カソード極の間にイオン交換樹脂が充填されている還元水の製造方法。
[15] [14]に記載の方法において、
前記カソード極の表面への30kHz以上10MHz以下の超音波領域にある機械的振動の付与が行われ、当該機械的振動の付与は前記イオン交換樹脂の中に埋め込まれている超音波振動子から付与する還元水の製造方法。
[16] [10]から[13]のいずれか1つに記載の方法において、
前記カソード室が隔膜と対向する面において複数の突出部を有し、前記カソード極は前記突出部の先端において前記突出部と接触するように配置されており、前記カソード極と前記隔膜との間の前記隔膜と直行する方向における距離が1mm以下である前記電解槽内の前記隔膜と前記カソード極との間に水を供給する還元水の製造方法。
[17] [16]に記載の方法において、
前記カソード極が多孔性カソード極であり、
前記カソード室が、前記カソード室内から水を流入させる複数の原料水供給部と、電解還元された水を前記カソード室内から流出させる複数の還元水排出部とを備え、前記原料水供給部と前記還元水排出部とは前記突出部を間に介して配置されている還元水の製造方法。
[18] [10]から[17]のいずれか1つに記載の方法において、
前記電解槽が、前記アノード室と、前記カソード室と、前記アノード室と前記カソード室の間に配置され、前記隔膜によって前記アノード室および前記カソード室と隔てられる中間室を有する三室型電解槽であり、前記中間室に還元性物質が存在している還元水の製造方法。That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] An anode chamber, a cathode chamber, a diaphragm which is a fluorine-based ion exchange film arranged between the anode chamber and the cathode chamber, and porosity arranged so as to be in contact with the diaphragm in the anode chamber. An electrolytic cell including an anode electrode and a cathode electrode arranged in the cathode chamber,
To generate hydrogen by applying a current having an AC component having an average current value of 10 kHz or less to zero or more to the cathode electrode and electrolytically reducing the water supplied between the diaphragm and the cathode electrode. , And an electric current having a DC component is applied to the cathode electrode to electrolyze and reduce the water supplied between the diaphragm and the cathode electrode to generate hydrogen, and 30 kHz or more and 10 MHz on the surface of the cathode electrode. A reduced water production apparatus including a concentration reduction suppressing unit that executes at least one of applying mechanical vibration in the following ultrasonic region.
[2] In the apparatus according to [1]
A reduced water production apparatus in which a current having an alternating current component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is a current having an alternating current component having a minimum current value of zero or more.
[3] In the apparatus according to [1] or [2].
A reduced water production apparatus in which a current having an alternating current component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is an alternating current that has been half-wave rectified or full-wave rectified.
[4] In the apparatus according to any one of [1] to [3].
The concentration reduction suppressing unit applies a half-wave rectified or full-wave rectified alternating current of 10 kHz or less to the cathode electrode to perform electrolytic reduction of water, and 30 kHz or more and 10 MHz or less on the surface of the cathode electrode. A reduced water production device that applies mechanical vibration in the ultrasonic region.
[5] In the apparatus according to any one of [1] to [4].
A reduced water production apparatus in which an ion exchange resin is filled between the diaphragm and the cathode electrode.
[6] In the apparatus according to [5]
The concentration decrease suppressing portion has an ultrasonic vibrator embedded in the ion exchange resin.
The concentration decrease suppressing unit is a reduced water producing apparatus that applies mechanical vibration from the ultrasonic vibrator to the surface of the cathode electrode in an ultrasonic region of 30 kHz or more and 10 MHz or less.
[7] In the apparatus according to any one of [1] to [4].
The cathode chamber has a plurality of protrusions on a surface facing the diaphragm, and the cathode pole is arranged so as to be in contact with the protrusion at the tip of the protrusion, and is between the cathode pole and the diaphragm. A reduced water production apparatus having a distance of 1 mm or less in a direction orthogonal to the diaphragm.
[8] In the apparatus according to [7]
The cathode electrode is a porous cathode electrode,
The cathode chamber includes a plurality of raw material water supply units for flowing water from the cathode chamber and a plurality of reduced water discharge units for discharging electrolytically reduced water from the cathode chamber, and the raw material water supply unit and the above. The reduced water discharge unit is a reduced water producing apparatus arranged with the protruding portion in between.
[9] In the apparatus according to any one of [1] to [8].
The electrolytic cell is a three-chamber type electrolytic cell having an anode chamber, a cathode chamber, and an intermediate chamber arranged between the anode chamber and the cathode chamber and separated from the anode chamber and the cathode chamber by the diaphragm. A reduced water production apparatus in which a reducing substance is present in the intermediate chamber.
[10] An anode chamber, a cathode chamber, a diaphragm which is a fluorine-based ion exchange film arranged between the anode chamber and the cathode chamber, and porosity arranged so as to be in contact with the diaphragm in the anode chamber. Water is supplied between the diaphragm and the cathode electrode in the electrolytic cell including the anode electrode and the cathode electrode arranged in the cathode chamber.
A current having an AC component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is applied to the cathode electrode to perform electrolytic reduction of water to generate hydrogen, and a current having a DC component to the cathode electrode is applied. Hydrogen is applied to generate hydrogen by electrolytically reducing water, and at least one of applying mechanical vibration in the ultrasonic region of 30 kHz or more and 10 MHz or less to the surface of the cathode electrode. A method for producing reduced water containing.
[11] In the method described in [10],
A method for producing reduced water, wherein a current having an alternating current component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is a current having an alternating current component having a minimum current value of zero or more.
[12] In the method according to [10] or [11],
A method for producing reduced water in which a current having an alternating current component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is an alternating current that is half-wave rectified or full-wave rectified.
[13] In the method according to any one of [10] to [12],
Half-wave rectified or full-wave rectified alternating current of 10 kHz or less is applied to the cathode electrode to perform electrolytic reduction of water, and the surface of the cathode electrode is mechanically located in an ultrasonic region of 30 kHz or more and 10 MHz or less. A method for producing reduced water that imparts vibration.
[14] In the method according to any one of [10] to [13],
A method for producing reduced water in which an ion exchange resin is filled between the diaphragm and the cathode electrode.
[15] In the method described in [14],
Mechanical vibration in the ultrasonic region of 30 kHz or more and 10 MHz or less is applied to the surface of the cathode electrode, and the mechanical vibration is applied from the ultrasonic vibrator embedded in the ion exchange resin. A method for producing reduced water.
[16] In the method according to any one of [10] to [13],
The cathode chamber has a plurality of protrusions on a surface facing the diaphragm, and the cathode pole is arranged so as to be in contact with the protrusion at the tip of the protrusion, and is between the cathode pole and the diaphragm. A method for producing reduced water for supplying water between the diaphragm and the cathode electrode in the electrolytic cell in which the distance in the direction orthogonal to the diaphragm is 1 mm or less.
[17] In the method described in [16],
The cathode electrode is a porous cathode electrode,
The cathode chamber includes a plurality of raw material water supply units for flowing water from the cathode chamber and a plurality of reduced water discharge units for discharging electrolytically reduced water from the cathode chamber, and the raw material water supply unit and the above. The reduced water discharge portion is a method for producing reduced water, which is arranged with the protruding portion in between.
[18] In the method according to any one of [10] to [17],
The electrolytic cell is a three-chamber type electrolytic cell having an anode chamber, a cathode chamber, and an intermediate chamber arranged between the anode chamber and the cathode chamber and separated from the anode chamber and the cathode chamber by the diaphragm. A method for producing reduced water in which a reducing substance is present in the intermediate chamber.
本発明によれば電解還元により得られる還元水において溶存水素分子濃度の低下を抑えることができる新規な技術を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a novel technique capable of suppressing a decrease in the concentration of dissolved hydrogen molecules in the reduced water obtained by electrolytic reduction.
[第1の実施形態]
次に、本発明の1つの実施形態について説明する。
第1の実施形態は、アノード室と、カソード室と、アノード室とカソード室との間に配置されるフッ素系イオン交換膜である隔膜と、アノード室において隔膜に接するように配置される多孔性アノード極と、カソード室に配置されるカソード極とを備える電解槽と、
カソード極に対し、10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流を付与して隔膜とカソード極との間に供給された水の電解還元を行い水素を発生させる濃度低下抑制部とを備える還元水製造装置に関する。[First Embodiment]
Next, one embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment, the anode chamber, the cathode chamber, the diaphragm which is a fluorine-based ion exchange film arranged between the anode chamber and the cathode chamber, and the porosity arranged so as to be in contact with the diaphragm in the anode chamber. An electrolytic cell having an anode electrode and a cathode electrode arranged in a cathode chamber,
A concentration reduction suppressor that generates hydrogen by applying a current having an AC component with an average current value of 10 kHz or less to zero or more to the cathode electrode and electrolytically reducing the water supplied between the diaphragm and the cathode electrode. The present invention relates to a reduced water production apparatus including.
まず、第1実施形態に係るシステムの構成について説明する。
図1は当該システムの構成の概要を示す図である。
第1実施形態に係るシステムは、電解槽100と、当該電解槽100のカソード室3に原料となる水を供給する原料水生成送液部200とを備える。なお、製造される還元水(水素水)を飲用とする際により好ましいとの観点から、以下の説明においては、電解槽100に電導度が200μS/cm以下である水を供給する場合を例に挙げて説明しているが、これに限定されるものではない。First, the configuration of the system according to the first embodiment will be described.
FIG. 1 is a diagram showing an outline of the configuration of the system.
The system according to the first embodiment includes an
第1の実施形態において、原料水生成送液部200は、逆浸透膜フィルター140と給水ポンプ130から構成することができる。逆浸透膜フィルター140は、水道水ライン150から送液される水道水の純度を高め、電導度が200μS/cm以下である水(以下、原料水ともいう。20μS/cm以下である水とすることがより好ましい。)とする。給水ポンプ130は、逆浸透膜フィルター140において生成された原料水を電解槽100が有するカソード室3に供給する。
なお、給水ポンプ130、逆浸透膜フィルター140、水道ライン150は公知のものを用いることができ、特に限定されない。また、当該原料水生成送液部200の構成は一例であり、他の構成によって原料水を電解槽100に供給するようにしてもよい。In the first embodiment, the raw material water generation
As the
電解槽100は、例えば特許文献1に記載されている二室型電解槽とすることができる。具体的には、電解槽100は、アノード室1と、カソード室3とを有する構成である。アノード室1とカソード室3との間にはフッ素系イオン交換膜である隔膜5が配置されており、アノード室1とカソード室3とを隔てている。また、アノード室1には多孔性アノード極21が配置され、カソード室3にはカソード極4が配置されている。多孔性アノード極21は、アノード室1内において隔膜5と接する位置に配置されている。また、カソード極4は、カソード室3の隔膜5と対向する壁部を形成するように配置されている。また、第1の実施形態においては、カソード室の隔膜5とカソード極4との間には、電導度が200μS/cm以下である水(好ましくは20μS/cm以下である水)を用いての還元において好ましい構成として、イオン交換樹脂31が充填されている。
なお、アノード室1およびカソード室3の各容量、多孔性アノード極21、カソード極4の素材、大きさ、多孔性アノード極21における孔の大きさや数などについては特に限定されず、当業者が適宜設定することができる。
また、アノード極21とカソード極4には電源110から電流が供給されることにより電圧が付与される。これにより電解槽100において水の電気分解が行われ、カソード室3においては還元反応が進行して水素が生成される。一方、アノード室1においては、酸化反応が行われる(公知の構成を利用することができるため、詳細な説明および図示を省略する)。The
The capacities of the
Further, a voltage is applied to the
電解槽100のカソード室3において生成された水素を含む還元水は、貯水タンク120に送られて貯留される。当該貯水タンク120への流入はバルブ160により制御することができる。また、バルブ160を操作することにより、カソード室3内における圧力状態の制御を行う構成とすることも可能である。
The reduced water containing hydrogen generated in the
第1の実施形態においては、電源110(第1の実施形態においては濃度低下抑制部に相当)から、カソード極4に対し、10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流を付与し水の電解還元を行い水素を発生させる。具体的には、半波整流又は全波整流された10kHz以下の交流電流をカソード極4に対し付与して水の電解還元を行い水素を発生させる。
ここで、半波整流および全波整流とは、交流電流/電圧において負の方向の電流/電圧成分をゼロまたはゼロより大きい正側に変換する処理をいう。
なお、電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流は半波整流又は全波整流された交流電流のみに限られず、例えばパルス電流などであってもよい。一方で、高コストになるため、半波整流又は全波整流された10kHz以下の交流電流を付与して水の電解還元を行い水素を発生させることが好ましい。In the first embodiment, a current having an AC component having an average current value of 10 kHz or less of 10 kHz or less is zero or more with respect to the
Here, half-wave rectification and full-wave rectification refer to a process of converting a current / voltage component in a negative direction in an alternating current / voltage to zero or a positive side larger than zero.
The current having an AC component having an average current value of zero or more is not limited to half-wave rectified or full-wave rectified alternating current, and may be, for example, a pulse current. On the other hand, since the cost is high, it is preferable to apply a half-wave rectified or full-wave rectified alternating current of 10 kHz or less to perform electrolytic reduction of water to generate hydrogen.
このように第1の実施形態においてはカソード室に供給される水をカソード極に10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流を付与して電解還元することで、平衡値より高い溶存水素分子濃度とすることができる。その結果、溶存水素分子濃度の低下を抑えることが可能となる。 As described above, in the first embodiment, the water supplied to the cathode chamber is electrolytically reduced by applying a current having an AC component having an average current value of 10 kHz or less to zero or more to the cathode electrode to obtain the equilibrium value. It can have a high dissolved hydrogen molecule concentration. As a result, it is possible to suppress a decrease in the concentration of dissolved hydrogen molecules.
[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態について説明する。第1の実施形態と共通する部分は同じ符号を付して説明を省略する。[Second Embodiment]
Next, the second embodiment will be described. The parts common to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
図2は第2実施形態に係るシステムの構成を示す図である。第2の実施形態に係るシステムは、第1実施形態と同様に電解槽100、原料水生成送液部200、電源110、貯水タンク120を備える。また、第2の実施形態に係るシステムは、カソード室3内のカソード極4表面に機械的振動を付与する機械的振動付与部8を備えている。第2の実施形態においては、直流成分を有する電流をカソード極4に付与してカソード室3の水の電解還元を行い水素を発生させるとともに、機械的振動付与部8により、カソード室3内のカソード極4表面に、30kHz以上10MHz以下の超音波領域にある機械的振動を付与する。したがって、第2の実施形態においては、電源110と機械的振動付与部8とが濃度低下抑制部に相当する。
なお、カソード極4に付与される電流については直流成分を有する電流である限り特に限定されず、第1実施形態の半波整流又は全波整流された10kHz以下の交流電流のほか、直流電流等であってもよい。一方で、溶存水素分子濃度の低下をさらに抑える観点から、カソード極4に付与される電流については半波整流又は全波整流された10kHz以下の交流電流であることが好ましい。図2においては半波整流又は全波整流された10kHz以下の交流電流を付与する場合を例示している。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a system according to a second embodiment. The system according to the second embodiment includes an
The current applied to the
機械的振動付与部8は、例えば超音波振動子を用いることができる。機械的振動付与部8を配置する位置は特に限定されず、適宜設定することができるが、例えば図3、4で示す位置に配置することができる。
図3においては、機械的振動付与部8は、電解槽100外部においてカソード極4と接する位置に配置されている。また、図4においては、機械的振動付与部8は、カソード室3内のイオン交換樹脂31内に埋め込まれ、カソード極4の表面近傍に配置されている。なお、図2においては機械的振動付与部8がカソード室3内のイオン交換樹脂31内に埋め込まれている場合を例示している。
このうち、カソード極4の表面に直接機械的振動を与えることでより溶存水素濃度を高めることができるため、図4に例示されるようにカソード室内部に機械的振動付与部8が設置されることが好ましい。For the mechanical
In FIG. 3, the mechanical
Of these, since the dissolved hydrogen concentration can be further increased by directly applying mechanical vibration to the surface of the
このように第2の実施形態においてはカソード室の水の電解還元を行い水素を発生させるとともに、機械的振動付与部8により、カソード室3内のカソード極4表面に、30kHz以上10MHz以下の超音波領域にある機械的振動を付与することで、平衡値より高い溶存水素分子濃度とすることができる。その結果、還元水中における溶存水素分子濃度の低下を抑えることが可能となる。
As described above, in the second embodiment, the water in the cathode chamber is electrolytically reduced to generate hydrogen, and the surface of the
[第3の実施形態]
次に、第3の実施形態について説明する。第1の実施形態と共通する部分は同じ符号を付して説明を省略する。
図5に第3の実施形態に係るシステムの概要を示す。
第3の実施形態に係るシステムは、第1実施形態に係る二室型の電解槽100に代えて、三室型電解槽300を有する。当該三室型電解槽300は、アノード室1、カソード室3に加えて、アノード室1とカソード室3の間に配置され、隔膜51、52によってアノード室1およびカソード室3と隔てられる中間室6を有する。なお、第1の実施形態の場合と同様に、第3の実施形態において、電解槽300は、例えば特許文献1に記載されている三室型電解槽とすることができる。中間室6にはイオン交換樹脂が充填されており、カルシウムイオン等のアルカリ土類金属を含めた2価以上の金属イオンを除去した浄化水が供給されるようにすることができる(アノード室1の場合と同様、中間室6についても公知の構成を利用することができるため、詳細な説明および図示を省略する。)。
中間室6を備えることで、アノード室1で生成された酸素等の酸化性物質がカソード室3に移行することを防止することが可能となる。[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described. The parts common to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
FIG. 5 shows an outline of the system according to the third embodiment.
The system according to the third embodiment has a three-chamber type
By providing the intermediate chamber 6, it is possible to prevent the oxidizing substance such as oxygen generated in the
[第4の実施形態]
次に、第4の実施形態について説明する。第2の実施形態と共通する部分は同じ符号を付して説明を省略する。
図6、7は、第4実施形態に係る電解槽300の概要を示す図である。第4の実施形態においても、第2の実施形態と同様に、機械的振動付与部8を配置する位置は特に限定されず、適宜設定することができ、例えば図6、7で示す位置に配置することができる。
図6においては、機械的振動付与部8は、電解槽300外部においてカソード極4と接する位置に配置されている。また、図7においては、機械的振動付与部8は、カソード室3内のイオン交換樹脂31内に埋め込まれ、カソード極4表面近傍に配置されている。[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment will be described. The parts common to the second embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
6 and 7 are diagrams showing an outline of the
In FIG. 6, the mechanical
[第5の実施形態]
次に、第5の実施形態について説明する。第3、4の実施形態と共通する部分は同じ符号を付して説明を省略する。
第5の実施形態では、溶存水素分子濃度の低下をより抑えるために、三室型電解槽300の中間室6に有機酸還元性物質を存在させる。これによりカソード水が弱酸性となるため、溶存水素分子濃度の低下をさらに抑えることができる。
図8に第5の実施形態に係るシステムの概要を示す。
第5の実施形態においては、有機酸還元性水溶液を中間室6に通水させ、さらに中間室6出口から排出された還元性水溶液を中間室6に導水して還元性水溶液を循環させることにより、有機酸還元性水溶液を中間室6に充填している。これにより還元性物質が中間室6に存在することとなる。
第5の実施形態では、有機酸還元性水溶液を循環させるために循環ライン190を有している。この循環ライン190に中間室液循環ポンプ180と中間室液貯水タンク170を設け、還元性の水溶液を循環させる。
有機酸還元性物質としては例えばアスコルビン酸、乳酸、グルコン酸等を挙げることができ、本実施形態においてはこれらの水溶液を循環させるようにすることができる。[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment will be described. The parts common to the third and fourth embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
In the fifth embodiment, the organic acid-reducing substance is present in the intermediate chamber 6 of the three-chamber type
FIG. 8 shows an outline of the system according to the fifth embodiment.
In the fifth embodiment, the organic acid-reducing aqueous solution is passed through the intermediate chamber 6, and the reducing aqueous solution discharged from the outlet of the intermediate chamber 6 is guided to the intermediate chamber 6 to circulate the reducing aqueous solution. , An organic acid-reducing aqueous solution is filled in the intermediate chamber 6. As a result, the reducing substance is present in the intermediate chamber 6.
In the fifth embodiment, the
Examples of the organic acid-reducing substance include ascorbic acid, lactic acid, and gluconic acid, and in the present embodiment, these aqueous solutions can be circulated.
[その他の実施形態]
以上のとおり本発明についていくつかの実施形態を挙げて説明したが他の実施形態とすることも可能である。
例えば第1〜5の実施形態において、電導度が200μS/cm以下である水を用いての還元において好ましい構成として、電解槽はカソード室においてカソード極と隔膜の間にイオン交換樹脂が充填されている構成を備える。これに代えて他の構成であってもよい。
例えば、イオン交換樹脂を充填しないで、通水と低電圧電解の両者を可能にする改良型カソード極を用いることができる。具体的には、カソード室が隔膜と対向する面において複数の突出部を有し、カソード極は突出部の先端において突出部と接触するように配置されており、カソード極と隔膜との間の隔膜と直行する方向における距離が1mm以下となるようにすることができる。このようなカソード室の例として、具体的には、特許文献1において記載される波型の表面を有するカソード極や櫛形のカソード極を備えるカソード室を挙げることができる。[Other Embodiments]
As described above, the present invention has been described with reference to some embodiments, but other embodiments are also possible.
For example, in the first to fifth embodiments, as a preferable configuration for reduction using water having a conductivity of 200 μS / cm or less, the electrolytic cell is filled with an ion exchange resin between the cathode electrode and the diaphragm in the cathode chamber. It has a configuration that is. Other configurations may be used instead of this.
For example, an improved cathode electrode can be used that allows both water flow and low voltage electrolysis without filling with an ion exchange resin. Specifically, the cathode chamber has a plurality of protrusions on the surface facing the diaphragm, and the cathode pole is arranged so as to be in contact with the protrusion at the tip of the protrusion, and is located between the cathode pole and the diaphragm. The distance in the direction perpendicular to the diaphragm can be 1 mm or less. Specific examples of such a cathode chamber include a cathode electrode having a corrugated surface and a cathode electrode having a comb-shaped surface described in
さらに、カソード極と隔膜との間の隔膜と直行する方向における距離が1mm以下である上述の還元水製造装置の一例として、以下に説明するようなカソード室フレームを有する還元水製造装置を挙げることができる。
図9は当該態様に係る電解槽の概要を示す図であり、図10は当該態様に係るシステムの概要を示す図である。
図9に示すように、当該態様の還元水製造装置においては、カソード室フレーム400に複数の開口部を有する多孔性カソード極4を接触させて配置しており、多孔性カソード極4と隔膜5との間の隔膜5と直行する方向における距離が1mm以下に設定される。具体的には、カソード室フレーム400は、隔膜5と対向する面においてそれぞれ複数の突出部320を有しており、多孔性カソード極4は突出部320の先端において突出部320と接触しているとともに隔膜5と対向するように配置される。
また、カソード室フレーム400の多孔性カソード極4と対向する面におけるカソード極4と接触していない非突出部分には、複数の原料水供給ライン302と複数の還元水排出ライン303が繋がっており、原料水供給ライン302と還元水排出ライン303は多孔性カソード極4に接触している突出部320を間に介して配置される。
原料水供給ライン302は、原料水供給用マニホールド304と連通している。原料水供給用マニホールド304へは、連通する原料水入口306から原料水が供給される。原料水は、原料水供給用マニホールド304を介して原料水供給ライン302からカソード室3内に流入するとともに、多孔性カソード極4の突出部320との非接触部分における開口部を介して多孔性カソード極4表面における電解面301に供給される。
また、還元水排出ライン303は、還元水排出用マニホールド305と連通している。電解面で生成された還元水は多孔性カソード極4の突出部320との非接触部分における開口部、還元水排出ライン303を介して、還元水排出用マニホールド305へと流入する。還元水排出用マニホールド305には還元水出口307が連通しており、当該還元水出口307から生成された還元水が排出される。なお、例示している実施形態においては、原料水供給ライン302、原料水供給用マニホールド304が視認できる断面においては還元水排出ライン303、還元水排出用マニホールド305を視認できない。そのため、図9、図10では還元水排出ライン303、還元水排出用マニホールド305を破線で示している。
すなわち、当該態様においては、原料水供給ライン302からカソード室内に流入された原料水が多孔性カソード極4の突出部320との非接触部分における開口を介して電解面301に供給される。また、電解面301において生成された還元水は、多孔性カソード極4の突出部320との非接触部分における開口を介して還元水排水ライン303からカソード室外に排出される。このような態様によれば、電解面であるカソード極表面の流速をより大きくすることができる。その結果、カソード電極近傍の高溶存水素分子濃度水をより効率良くバルク水に移行させることができるので、溶存水素分子濃度の低下をさらに抑えることができる。Further, as an example of the above-mentioned reduced water production apparatus in which the distance between the cathode electrode and the diaphragm in the direction perpendicular to the diaphragm is 1 mm or less, a reduced water production apparatus having a cathode chamber frame as described below will be mentioned. Can be done.
FIG. 9 is a diagram showing an outline of the electrolytic cell according to the embodiment, and FIG. 10 is a diagram showing an outline of the system according to the embodiment.
As shown in FIG. 9, in the reduced water production apparatus of this embodiment, the
Further, a plurality of raw material
The raw material
Further, the reduced
That is, in this embodiment, the raw material water that has flowed into the cathode chamber from the raw material
[カソード極への振動付与]
図11に示すように、大気圧で常温の条件下で、水素ガスの平衡論的溶解度は1.5〜1.6ppmである。
本発明者は鋭意研究の結果、電気分解して水素を発生させるときに、還元反応に関与する電解槽中のカソード極に対して電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流を付与して電解還元を進行させる、あるいは直流成分を有する電流をカソード極に付与して電解還元を進行させてカソード極近傍において水素を生成させるとともに、当該カソード極に所定の超音波による振動を与えることにより、溶存水素分子濃度の低下を抑えることができることを見出し、本発明を完成させた。以下、この点について詳細に説明する。[Giving vibration to the cathode electrode]
As shown in FIG. 11, the equilibrium-theoretical solubility of hydrogen gas is 1.5 to 1.6 ppm under the conditions of atmospheric pressure and normal temperature.
As a result of diligent research, the present inventor applies a current having an AC component having an average current value of zero or more to the cathode electrode in the electrolytic tank involved in the reduction reaction when electrolyzing to generate hydrogen. By advancing electrolytic reduction, or by applying an electric current having a DC component to the cathode electrode to advance electrolytic reduction to generate hydrogen in the vicinity of the cathode electrode, and by applying vibration by a predetermined ultrasonic wave to the cathode electrode. , The present invention has been completed by finding that it is possible to suppress a decrease in the concentration of dissolved hydrogen molecules. This point will be described in detail below.
電解槽を用いて電解すると、カソード極表面における水素発生および水素分子気泡に関して、才原らよりカソード極表面における飽和水素の存在状態と溶解過程が解析されている(才原康弘、松下電工株式会社、トライアルユース実施報告書、2003年8月12日)。
バルクの水のなかで、溶存水素濃度は平衡論値以下となるが、電解中のカソード極表面の溶存水素濃度は平衡値以上となる。さらに、水素ガスの径は初期の段階ではnmオーダーであるが、時間の経過にともない微少な水素ガスがお互いに合体をして、水素ガスの大きさは大きくなる。When electrolyzing using an electrolytic cell, the existence state and dissolution process of saturated hydrogen on the surface of the cathode electrode have been analyzed by Saihara et al. Regarding hydrogen generation and hydrogen molecular bubbles on the surface of the cathode electrode (Yasuhiro Saihara, Matsushita Electric Works Co., Ltd.) , Trial Youth Implementation Report, August 12, 2003).
In bulk water, the dissolved hydrogen concentration is below the equilibrium theory value, but the dissolved hydrogen concentration on the surface of the cathode electrode during electrolysis is above the equilibrium value. Furthermore, the diameter of the hydrogen gas is on the order of nm at the initial stage, but with the passage of time, minute hydrogen gases coalesce with each other, and the size of the hydrogen gas increases.
カソード電極表面において生成される水素ガスの状況を図12に示す。一般に水溶液の界面層はヘルムホルツ層10と電気二重層(拡散層)9からなる。ヘルムホルツ層10は内部ヘルムホルツ層と外部ヘルムホルツ層に分かれる。水を供給した時点においてはイオン等を排除した水溶液を用いた場合、ヘルムホルツ層10の主たる分子は溶媒分子である水分子である。溶媒分子である水分子H2Oが以下の反応式により還元分解をして水素分子が生成される。その結果、水素分子がヘルムホルツ層10の主たる分子となる。
アノード極:2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
カソード極:2H+ + 2e- → H2
例えば、図12において例示するように、ヘルムホルツ層10において生成した水素分子または極小径(nmオーダー)の水素分子気泡11は、電気二重層9に移動していく過程でより大きな径を有する水素分子気泡13となり、カソード極4との距離がさらに離れるにつれて水素分子気泡13よりも大きな水素分子気泡12となる。このような動的な過程では、溶存水素濃度は平衡論的観点での値より大きくなることが予測される。The state of hydrogen gas generated on the surface of the cathode electrode is shown in FIG. Generally, the interface layer of an aqueous solution is composed of a
Anode: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e -
The cathode: 2H + + 2e - → H 2
For example, as illustrated in FIG. 12, the hydrogen molecule or the
ここで、単純に電流密度0.2A/cm2で電解した時の水素ガス発生量を計算する。単位面積当たりでカソード極表面1μmの中でこの条件で電解すると仮定すると、カソード極表面層には約800ppmの水素分子が生成されることになる。この値の濃度で水素分子が溶解していると仮定し、A.H.Prayらの実験(H. A. PRAY et al., IN DUSRIAL AND ENGI NEERING CHEMISTRY Vol. 44, No. 5、1146)に基づくと、カソード極表面における溶存水素分子濃度を圧力に換算したときの値は約1000HPa以上と想定される。換言すると、約1000HPa以上の高圧下における水素ガスの溶解現象となる。このように電解反応中のカソード極表面は非平衡の状態に有るので、溶存水素分子濃度が平衡値から解離していることが明らかである。本発明ではこの非平衡状態にあるカソード極表面における溶存水素分子を有効的に利用する方法に関する。
更に、才原らの報告書は、カソード電極表面では、200nmの大きさの水素ガスが観測されたことを記述している。水素ガスの大きさが200nm以下になると、目視的に均一透明となり、水素ガスが電解した水のなかでの安定性が向上することが報告されている。この安定性は水素分子が溶解した水のビジネスを展開するうえで水素ガス残留の寿命の点で重要である。Here, the amount of hydrogen gas generated when electrolyzed at a current density of 0.2 A / cm 2 is simply calculated. Assuming that electrolysis is performed under this condition within 1 μm of the cathode electrode surface per unit area, about 800 ppm of hydrogen molecules will be generated in the cathode electrode surface layer. Assuming that hydrogen molecules are dissolved at this concentration, based on the experiments by AHPray et al. (HA PRAY et al., IN DUSRIAL AND ENGI NEERING CHEMISTRY Vol. 44, No. 5, 1146), the surface of the cathode electrode The value when the dissolved hydrogen molecule concentration in is converted into pressure is assumed to be about 1000 HPa or more. In other words, it is a hydrogen gas dissolution phenomenon under a high pressure of about 1000 HPa or more. Since the surface of the cathode electrode during the electrolytic reaction is in a non-equilibrium state as described above, it is clear that the dissolved hydrogen molecule concentration is dissociated from the equilibrium value. The present invention relates to a method for effectively utilizing dissolved hydrogen molecules on the surface of the cathode electrode in this non-equilibrium state.
Furthermore, the report by Saihara et al. Describes that hydrogen gas with a size of 200 nm was observed on the surface of the cathode electrode. It has been reported that when the size of the hydrogen gas is 200 nm or less, it becomes visually uniform and transparent, and the stability in the water electrolyzed by the hydrogen gas is improved. This stability is important in terms of the lifetime of hydrogen gas residue in developing the business of water in which hydrogen molecules are dissolved.
本発明者は、溶存水素分子濃度を平衡濃度値より大きくして還元水を生成し、溶存水素分子濃度の低下を抑える為に、カソード電極近傍の高溶存水素分子濃度水を効率的にバルク水に移行させることを着想した。本発明では、カソード極表面に動的な作用を加えて、カソード電極近傍の高溶存水素分子濃度水を効率良くバルク水に移行させる方法に関する。 The present inventor efficiently converts highly dissolved hydrogen molecule-concentrated water near the cathode electrode into bulk water in order to generate reduced water by making the dissolved hydrogen molecule concentration larger than the equilibrium concentration value and suppress a decrease in the dissolved hydrogen molecule concentration. I came up with the idea of migrating to. The present invention relates to a method of efficiently transferring highly dissolved hydrogen molecule-concentrated water in the vicinity of the cathode electrode to bulk water by applying a dynamic action to the surface of the cathode electrode.
具体的には、以下の(1)、(2)として示す方法のいずれかにより還元水における溶存水素濃度を高めることができる。
(1) 超音波印加
ヘルムホルツ層及び電気二重層(拡散層)が超音波振動により攪拌され、この攪拌によりヘルムホルツ層内の小さな径の水素ガス気泡が電気二重層(拡散層)に移動し、電気二重層において小さな径の水素ガス気泡濃度が高まる。この結果としてバルク水中の小さな径の水素ガス濃度が高まり、得られた還元水における溶存水素濃度も高まる。
(2) 電気的振動(変動電解電流)印加
当該方法は、電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流をカソード極に付与することで、還元水における溶存水素濃度を高める。
当該方法においては、一定の電解電流を印加するのではなく、電解電流をゼロにする期間を設ける。当該方法に係る電流付与および発生する水素ガスについての一例であるグラフを図13に示す。図13は、後述する実験例1において半波整流電流をカソード極に付与した場合に対応するグラフであり、図13では、点線電流値で示す様に半波整流電流をカソード極に印加している。この電流の変化に対応して大きな気泡の水素ガス(1μmより大きい)が生成される。通電されているとき、常に小さい水素ガス気泡(1μm以下)が供給されるので、大きい径の水素ガス気泡が生成される。電極表面に通水すると、大きな径の水素ガスが除去される。しかし、ヘルムホルツ層および電気二重層の界面層は流速が大幅に低減するために小さな径の水素ガスは部分的に残留する。通電しないときガスの成長は止まり小さい径の水素ガスのみを除去することが可能となる。その結果、還元水中には、通電しないときに除去される水素ガスよりもさらに小さな径の水素ガスがより残留するようになり、溶存水素濃度を高めることができる。なお、更に、溶存水素濃度をあげるためにはカソード室内の圧力を上げることがのぞましく、具体的にはカソード室の圧力を0.01〜0.1kg/cm2とすることが好ましい。
以上の説明は溶存水素濃度を上げるためには交流が望ましいことを示す。しかし、ここで注意しなければならないことはカソード電解反応を対象にしているので、交流の中で、通常の交番電流を用いると、アノード反応が混入することになり、溶存水素分子濃度を高めることが困難になる。従って、カソード電解電流が最低でも大きな径の水素ガス気泡が目視的に観測されにくい値まで電解電流の値を下げることが必要である。具体的には、電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流をカソード極に付与するようにすることができ、好ましくは電流最低値がゼロ以上である交流成分を有する電流、より好ましくは半波整流又は全波整流された交流電流をカソード極に付与する。したがって、例えば、電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流の電源として、整流化交流電源またはパルス電源を用いることができる。
本発明では水素ガス気泡の効率的移動に着目しているので、周波数上限に関して限界がある。一般的に物質移動を伴う現象の周波数依存性を測定すると、約10kHz以下の領域で電解に対して交流又はパルス電流の効果が現れる。Specifically, the dissolved hydrogen concentration in the reduced water can be increased by any of the methods shown as (1) and (2) below.
(1) Ultrasonic application The Helmholtz layer and the electric double layer (diffusion layer) are agitated by ultrasonic vibration, and the small-diameter hydrogen gas bubbles in the Helmholtz layer move to the electric double layer (diffusion layer) by this agitation, and electricity is generated. The concentration of small-diameter hydrogen gas bubbles increases in the double layer. As a result, the concentration of hydrogen gas having a small diameter in the bulk water increases, and the concentration of dissolved hydrogen in the obtained reduced water also increases.
(2) Application of Electrical Vibration (Fluctuating Electrolytic Current) In this method, the concentration of dissolved hydrogen in reduced water is increased by applying a current having an alternating current component having an average current value of zero or more to the cathode electrode.
In this method, instead of applying a constant electrolytic current, a period during which the electrolytic current is reduced to zero is provided. FIG. 13 shows a graph which is an example of the current application and the generated hydrogen gas according to the method. FIG. 13 is a graph corresponding to the case where a half-wave rectified current is applied to the cathode electrode in Experimental Example 1 described later. In FIG. 13, a half-wave rectified current is applied to the cathode electrode as shown by the dotted current value. There is. Large bubbles of hydrogen gas (larger than 1 μm) are generated in response to this change in current. When energized, small hydrogen gas bubbles (1 μm or less) are always supplied, so that hydrogen gas bubbles having a large diameter are generated. When water is passed through the electrode surface, hydrogen gas having a large diameter is removed. However, since the flow velocity is significantly reduced in the interface layer of the Helmholtz layer and the electric double layer, hydrogen gas having a small diameter remains partially. When no electricity is applied, the growth of the gas stops and only hydrogen gas with a small diameter can be removed. As a result, hydrogen gas having a diameter smaller than that of hydrogen gas that is removed when no electricity is applied remains in the reduced water, and the concentration of dissolved hydrogen can be increased. Further, in order to increase the dissolved hydrogen concentration, it is desirable to increase the pressure in the cathode chamber, and specifically, it is preferable to set the pressure in the cathode chamber to 0.01 to 0.1 kg / cm 2 .
The above explanation shows that alternating current is desirable to increase the concentration of dissolved hydrogen. However, it should be noted here that the cathode electrolysis reaction is the target, so if a normal alternating current is used in alternating current, the anodic reaction will be mixed in and the concentration of dissolved hydrogen molecules will be increased. Becomes difficult. Therefore, it is necessary to reduce the value of the electrolytic current to a value at which it is difficult to visually observe hydrogen gas bubbles having a large diameter at the cathode electrolytic current. Specifically, a current having an alternating current component having an average current value of zero or more can be applied to the cathode electrode, and a current having an alternating current component having a minimum current value of zero or more is preferable. A half-wave or full-wave rectified alternating current is applied to the cathode pole. Therefore, for example, a rectified AC power supply or a pulse power supply can be used as a power supply for a current having an AC component having an average current value of zero or more.
Since the present invention focuses on the efficient movement of hydrogen gas bubbles, there is a limit to the upper limit of frequency. Generally, when the frequency dependence of a phenomenon involving mass transfer is measured, the effect of alternating current or pulse current appears on electrolysis in the region of about 10 kHz or less.
[実験例1]
上述の第1の実施形態に基づくシステムを構築した。
逆浸透膜フィルター140として、Seemsbionics社製逆浸透膜フィルターを利用した。電源として直流電源、または50Hz交流電源を用いた。交流は、無整流、全波整流または半波整流とし、比較を行った。また、電解槽の大きさは、アノード室およびカソード室とも、6×8×約1cmとした。電極の外寸は8×6cm2(素材:チタン板に白金メッキが施されている)とした。アノード極は、6mmφの孔を同一間隔で130個開けた多孔性アノード極とした。電解電流を4Aに設定した。電流密度は0.83mA/cm2となる。
還元水中の溶存水素分子濃度はメチレンブルー試薬で測定した。
結果を表1に示す。[Experimental Example 1]
A system based on the first embodiment described above was constructed.
As the reverse
The concentration of dissolved hydrogen molecules in the reducing water was measured with a methylene blue reagent.
The results are shown in Table 1.
同じ電流値で電解したとき、直流を用いた場合、平衡論的観点での溶存水素濃度値約1.5ppmを超えることはなかった。しかし、全波整流または半波整流した電流を印加したとき、溶存水素分子濃度は平衡値を超える測定値を得ることが可能となった。この結果は本発明の電解槽及び電解条件を用いることにより平衡値を超える濃度の溶存水素分子濃度水を生成することが可能であることを示す。 When electrolyzed with the same current value, the dissolved hydrogen concentration value of about 1.5 ppm was not exceeded from the viewpoint of equilibrium theory when direct current was used. However, when a full-wave rectified or half-wave rectified current is applied, it has become possible to obtain a measured value in which the dissolved hydrogen molecule concentration exceeds the equilibrium value. This result shows that it is possible to generate dissolved hydrogen molecule-concentrated water having a concentration exceeding the equilibrium value by using the electrolytic cell and the electrolytic conditions of the present invention.
[実験例2]
この実験例2では溶存水素分子濃度に対する機械的振動の効果を説明する。
約250Hzの振動装置(WILD ONE社製)と約2.4MHzの超音波振動子(本多電子株式会社、HM2412(C))を用いた。基本的なシステムの構成は実験例1と同様である。カソード極表面に機械的振動を与える方法は以下の通りとした。対照である約250Hzの低周波機械的振動の場合、振動装置を電解槽外部においてカソード電極に接する位置に配置し、電解槽外側から振動を与えた。約2.4MHzの超音波振動の場合、二室型電解槽においては図3と図4の二通りの構造を検討した。すなわち、図3に示すように超音波振動子を電解槽外部においてカソード電極に接する位置に取り付けたものと、図4に示すように、超音波振動子をカソード室内のカソード極表面近傍においてイオン交換樹脂の中に埋め込んで設置したものとを準備した。
[Experimental Example 2]
In this Experimental Example 2, the effect of mechanical vibration on the concentration of dissolved hydrogen molecules will be described.
Approximately 250Hz vibration device (manufactured by WILD ONE) and approximately 2. A 4 MHz ultrasonic transducer (Honda Electronics Co., Ltd., HM2412 (C)) was used. The basic system configuration is the same as in Experimental Example 1. The method of applying mechanical vibration to the surface of the cathode electrode was as follows. In the case of low-frequency mechanical vibration of about 250 Hz, which is a control, the vibrating device was placed outside the electrolytic cell at a position in contact with the cathode electrode, and vibration was applied from the outside of the electrolytic cell. In the case of ultrasonic vibration of about 2.4 MHz, the two structures shown in FIGS. 3 and 4 were examined in the two-chamber electrolytic cell. That is, as shown in FIG. 3, the ultrasonic transducer is attached at a position in contact with the cathode electrode outside the electrolytic cell, and as shown in FIG. 4, the ultrasonic transducer is ion-exchanged in the vicinity of the cathode electrode surface in the cathode chamber. We prepared the one that was installed by embedding it in resin.
結果を表2、3に示す。表2、3に示す様に、低周波機械的振動(約250Hz)は溶存水素濃度をあげる効果はなかった。直流電源と超音波振動(約2.4MHz)を利用すると、過渡的に溶存水素分子濃度1.8ppmが測定され、平衡値を超える結果が得られた。さらに、超音波照射と整流化交流を組み合わせると、より溶存水素濃度が過渡的に高まることが分かった。 The results are shown in Tables 2 and 3. As shown in Tables 2 and 3, low frequency mechanical vibration (about 250 Hz) had no effect on increasing the dissolved hydrogen concentration. Using a DC power supply and ultrasonic vibration (about 2.4 MHz), the dissolved hydrogen molecule concentration was measured transiently at 1.8 ppm, and the result exceeded the equilibrium value. Furthermore, it was found that the combined use of ultrasonic irradiation and rectified alternating current increases the dissolved hydrogen concentration transiently.
[実験例3]
図7に示す三室型電解槽を備える還元水製造システムを構成した。アノード室、カソード室および中間室について、大きさを6×8×約1cmとした。中間室には浄化水とアスコルビン酸50gを添加した(濃度:約5%)。この水溶液を常時循環した。その他の構成等は実験例1と同様とした。
この状態で全波整流50Hz、4Aをカソード極に付与し、0.5l/min.通水をした。電解槽の出口のバルブを調整して、カソード室の圧力を0.1kg/cm2に調整した。過渡的溶存水素分子濃度測定値は、中間室液循環前の2.3ppmに比較して2.6ppmまで上昇した。
[Experimental Example 3]
A reduced water production system including the three-chamber type electrolytic cell shown in FIG. 7 was constructed. The size of the anode chamber, the cathode chamber and the intermediate chamber was 6 × 8 × about 1 cm. Purified water and 50 g of ascorbic acid were added to the intermediate chamber (concentration: about 5%). This aqueous solution was constantly circulated. Other configurations and the like were the same as in Experimental Example 1.
In this state, full-wave rectification of 50 Hz and 4 A was applied to the cathode electrode, and 0.5 l / min. Water was passed. The valve at the outlet of the electrolytic cell was adjusted to adjust the pressure in the cathode chamber to 0.1 kg / cm2. Transient dissolved hydrogen molecule concentration measurements increased to 2.6ppm compared to the middle chamber solution circulation before 2.3 ppm.
[実験例4]
図9に示すカソード室フレーム(6X8cm2)を利用した電解槽において還元水の製造を行った。フッ素系カチオン交換膜と多孔性カソード極の間は1mmとした。逆浸透膜フィルターを用いて水道水を処理した原料水を電解槽カソード室に0.5l/minで供給した。図9に示すように5個の突出部を設けた。全波整流50Hz、4Aで通電したところ、溶存水素濃度は2.7ppmとなった。この様に突出部を設けて、カソード極表面の流量を高めることにより、さらに溶存水素濃度を上げることが可能である。[Experimental Example 4]
Reduced water was produced in an electrolytic cell using the cathode chamber frame (6X8 cm 2) shown in FIG. The distance between the fluorine-based cation exchange membrane and the porous cathode electrode was 1 mm. Raw water treated with tap water using a reverse osmosis membrane filter was supplied to the cathode chamber of the electrolytic cell at 0.5 l / min. As shown in FIG. 9, five protrusions were provided. When energized with full-wave rectification at 50 Hz and 4 A, the dissolved hydrogen concentration was 2.7 ppm. By providing the protruding portion in this way and increasing the flow rate on the surface of the cathode electrode, it is possible to further increase the dissolved hydrogen concentration.
100:電解槽
1:アノード室
3:カソード室
4:カソード極
5:隔膜
51:アノード室側隔膜
52:カソード室側隔膜
6:中間室
8:機械的振動付与部
21:アノード極
31:イオン交換樹脂
110:電源
120:貯水タンク
130:給水ポンプ
140:逆浸透膜フィルター
150:水道水ライン
160:バルブ
200:原料水生成送液部
301:電解面
302:原料水供給ライン
303:還元水排出ライン
304:原料水供給用マニホールド
305:還元水排出用マニホールド
306:原料水入口
307:還元水出口
400:カソード室フレーム100: Electrolyte tank 1: Anodic chamber 3: Cathode chamber 4: Cathode electrode 5: Diaphragm 51: Anoside chamber side diaphragm 52: Cathode chamber side diaphragm 6: Intermediate chamber 8: Mechanical vibration imparting part 21: Anopole pole 31: Ion exchange Resin 110: Power supply 120: Water storage tank 130: Water supply pump 140: Reverse osmotic membrane filter 150: Tap water line 160: Valve 200: Raw material water generation liquid feeding unit 301: Electrolytic surface 302: Raw material water supply line 303: Reduced water discharge line 304: Raw material water supply manifold 305: Reduced water discharge manifold 306: Raw material water inlet 307: Reduced water outlet 400: Cathode chamber frame
Claims (8)
前記多孔性カソード極に対し、10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流を付与して前記隔膜と前記多孔性カソード極との間で水の電解還元を行い水素を発生させて還元水を生成する濃度低下抑制部とを備え、
前記カソード室は、
前記多孔性カソード極との対向面と、
前記対向面から前記多孔性カソード極に向かって突出して先端が前記多孔性カソード極に接触する複数の突出部と、
それぞれが、前記対向面における前記突出部間に位置する供給開口から水を吐出し、前記水を前記多孔性カソード極の前記開口部を介して前記隔膜と前記多孔性カソード極との間に供給する複数の原料水供給部と、
それぞれが、前記対向面における前記突出部間、かつ前記原料水供給部の前記供給開口と前記突出部を介して隣り合う位置にある排出開口を有する複数の還元水排出部であって、前記隔膜と前記多孔性カソード極との間で生成された還元水が前記多孔性カソード極の前記開口部を介して前記各排出開口に流入し、前記各還元水排出部を介して前記カソード室外へ流出する複数の還元水排出部とを備える還元水製造装置。 An anode chamber, a cathode chamber, a diaphragm which is a fluorine-based ion exchange film arranged between the anode chamber and the cathode chamber, and a porous anode electrode arranged so as to be in contact with the diaphragm in the anode chamber. An electrolytic cell having a plurality of openings and having a porous cathode electrode arranged in the cathode chamber.
A current having an AC component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is applied to the porous cathode electrode, and water is electrolytically reduced between the diaphragm and the porous cathode electrode to generate hydrogen. It is equipped with a concentration reduction suppressing part that generates reduced water.
The cathode chamber
The surface facing the porous cathode electrode and
A plurality of protrusions protruding from the facing surface toward the porous cathode electrode and having a tip in contact with the porous cathode electrode.
Each discharges water from a supply opening located between the protrusions on the facing surface, and supplies the water between the diaphragm and the porous cathode electrode through the opening of the porous cathode electrode. With multiple source water supply units
Each is a plurality of reduced water discharge portions having discharge openings located between the protrusions on the facing surface and adjacent to the supply opening of the raw material water supply portion via the protrusion, and the diaphragm. The reduced water generated between the and the porous cathode electrode flows into each of the discharge openings through the opening of the porous cathode electrode, and flows out of the cathode chamber through each of the reduced water discharge portions. A reduced water production apparatus including a plurality of reduced water discharge units.
10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流が、電流最低値がゼロ以上である交流成分を有する電流である還元水製造装置。 In the apparatus according to claim 1,
A reduced water production apparatus in which a current having an alternating current component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is a current having an alternating current component having a minimum current value of zero or more.
10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流が、半波整流又は全波整流された交流電流である還元水製造装置。 In the apparatus according to claim 1 or 2,
A reduced water production apparatus in which a current having an alternating current component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is an alternating current that has been half-wave rectified or full-wave rectified.
前記カソード極と前記隔膜との間の前記隔膜と直行する方向における距離が1mm以下である還元水製造装置。 In the apparatus according to any one of claims 1 to 3.
A reduced water production apparatus in which the distance between the cathode electrode and the diaphragm in a direction orthogonal to the diaphragm is 1 mm or less.
前記各供給開口から水を吐出し、前記多孔性カソード極の前記開口部を介して前記隔膜と前記多孔性カソード極との間に前記水を供給し、
前記多孔性カソード極に対し、10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流を付与して前記隔膜と前記多孔性カソード極との間で前記水の電解還元を行い水素を発生させて還元水を生成し、
前記還元水を、前記多孔性カソード極の前記開口部および前記各排出開口を介して前記各還元水排出部に流入させ、前記各還元水排出部を介して前記カソード室外へ流出させることを含む、水素を含有する還元水の製造方法。 An anode chamber, a cathode chamber, a diaphragm which is a fluorine-based ion exchange film arranged between the anode chamber and the cathode chamber, and a porous anode electrode arranged so as to be in contact with the diaphragm in the anode chamber. A porous cathode electrode having a plurality of openings and arranged in the cathode chamber is provided, the cathode chamber is on a surface facing the porous cathode electrode, and the tip contacts the porous cathode electrode. A plurality of protruding portions, a plurality of raw material water supply portions each having a supply opening located between the protruding portions on the facing surface, and the above-mentioned raw material water supply portions between the protruding portions on the facing surface and each of the raw material water supply portions. A method for producing hydrogen-containing reduced water by an electrolytic tank including a supply opening and a reduced water discharge portion having a discharge opening at a position adjacent to each other via the protrusion.
Water is discharged from each of the supply openings, and the water is supplied between the diaphragm and the porous cathode electrode through the opening of the porous cathode electrode.
A current having an AC component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is applied to the porous cathode electrode, and the water is electrolytically reduced between the diaphragm and the porous cathode electrode to generate hydrogen. To generate reduced water,
This includes flowing the reduced water into the reduced water discharge portions through the openings and the discharge openings of the porous cathode electrode, and causing the reduced water to flow out of the cathode chamber through the reduced water discharge portions. , A method for producing reduced water containing hydrogen.
10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流が、電流最低値がゼロ以上である交流成分を有する電流である還元水の製造方法。 In the method according to claim 5,
A method for producing reduced water, wherein a current having an alternating current component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is a current having an alternating current component having a minimum current value of zero or more.
10kHz以下の電流平均値がゼロ以上である交流成分を有する電流が、半波整流又は全波整流された交流電流である還元水の製造方法。 In the method according to claim 5 or 6,
A method for producing reduced water in which a current having an alternating current component having an average current value of 10 kHz or less is zero or more is an alternating current that is half-wave rectified or full-wave rectified.
前記カソード極と前記隔膜との間の前記隔膜と直行する方向における距離が1mm以下である前記電解槽内の前記隔膜と前記カソード極との間に水を供給する還元水の製造方法。 In the method according to any one of claims 5 to 7.
A method for producing reduced water for supplying water between the cathode electrode and the cathode electrode in the electrolytic cell in which the distance between the cathode electrode and the diaphragm in the direction orthogonal to the diaphragm is 1 mm or less.
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