JP7022088B2 - 水素付加装置及び水素付加方法 - Google Patents

Description

本発明は、水に水素が付加された水素付加水を生成するための装置及び方法に関する。

水に水素を付加する方法として、水素ガス溶解モジュールの水素ガス流通部に加圧した水素ガスを供給して、原料水流通部に供給した原料水に水素を溶解させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－１２５６５４号公報

上記特許文献１では、電解槽で電気分解により生成した水素ガスが水素ガス流通部に供給される旨が開示されている。しかしながら、このような技術では、例えば、水素ガスの供給時に空気中の細菌が混入する可能性があるため、高い清浄度が要求される水素付加水（例えば、後述する透析原剤の希釈に用いられる透析液調製用水等）の製造への上記特許文献１に開示された技術の適用は容易ではない。

本発明は、以上のような実状に鑑み案出されたもので、簡素な構成で、細菌の混入を抑制し、容易に清浄度の高い水素付加水を生成できる水素付加装置及び水素付加方法を提供することを主たる目的としている。

本発明の第１発明は、水に水素を付加するための水素付加装置であって、溶存水素水が供給される第１室と、原水が供給される第２室と、前記第２室で水素付加水を生成するために、前記溶存水素水に溶け込んだ水素分子を前記第１室から前記第２室へと移動させる水素透過膜とを備える。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記水素透過膜を挟んで、前記溶存水素水が流れる第１方向と前記原水が流れる第２方向とが異なる、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記第１方向と前記第２方向とが互いに逆向きである、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記第１室に供給する前記溶存水素水を生成する溶存水素水生成部をさらに備える、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記溶存水素水生成部は、水を電気分解することにより前記溶存水素水を生成し、前記第１室に供給する電解槽を含む、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記溶存水素水には、前記水素分子が飽和状態で溶解している、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記溶存水素水生成部と前記第１室との間で前記溶存水素水を循環させる循環水路をさらに備える、ことが望ましい。

本発明に係る前記水素付加装置において、前記第１室内の水圧を高めるための水圧上昇手段をさらに備える、ことが望ましい。

本発明の第２発明は、液体に溶解している水素分子を透過させる水素透過膜によって第１室と第２室とに区分された水素透過膜モジュールを用いて水に水素を付加するための水素付加方法であって、前記水素分子が溶解した溶存水素水を生成する第１工程と、前記第１室に前記溶存水素水を供給する第２工程と、前記第２室に原水を供給する第３工程とを含む。

本第１発明の水素付加装置は、前記溶存水素水が供給される前記第１室と、前記原水が供給される前記第２室と、前記第１室と前記第２室とを隔てる前記水素透過膜を備える。前記水素透過膜は、前記第２室で前記水素付加水を生成するために、前記溶存水素水に溶け込んだ前記水素を前記第１室から前記第２室へと移動させる。このような構成により、前記溶存水素水が供給される前記第１室への細菌の混入が抑制される。従って、簡素な構成で、容易に清浄度の高い水素付加水を生成することが可能となる。

本第２発明の水素付加方法は、前記水素分子が溶解した前記溶存水素水を生成する前記第１工程と、前記第１室に前記溶存水素水を供給する前記第２工程と、前記第２室に前記原水を供給する前記第３工程とを含む。このような工程により、前記溶存水素水が供給される前記第１室への細菌の混入が抑制される。従って、簡素な工程で、容易に清浄度の高い水素付加水を生成することが可能となる。

本発明の実施の一形態である水素付加装置の概略構成を示す図である。 水素付加装置の主要な構成を示す図である。 本発明の実施の一形態の水素付加方法の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１は、本発明の水素付加装置の一実施形態の概略構成を示している。水素付加装置１は、水に水素を付加するための装置であり、水素が付加された水素付加水は、例えば、透析液調製用水として透析液の調製に用いられる（以下、水素付加水を透析液調製用水と記すこともある）。近年、透析液の調製に水素付加水を用いた血液透析は、患者の酸化ストレス低減に有効であるとして、注目されている。

水素付加装置１は、例えば、逆浸透膜処理装置２００の下流側に配置される。水素付加装置１と逆浸透膜処理装置２００とは、統合されて一つの装置として構成されていてもよい。水素付加装置１の下流側には、例えば、透析液調製用水を用いて液状の透析原剤を希釈する透析原剤希釈装置（図示せず）に接続されている。

逆浸透膜処理装置２００は、逆浸透膜を用いて外部から供給された水を浄化する。逆浸透膜処理装置２００と、水素付加装置１とは、処理水供給路１０によって接続されている。逆浸透膜処理装置２００によって浄化処理された水（以下、処理水と記す）は、処理水供給路１０を通過して水素付加装置１に供給され、透析液調製用の水素付加水を生成するための原水（以下、原水と記す）として用いられる。

透析液調製用水の生成に用いられる水素付加装置１は、逆浸透膜処理装置２００から供給された原水に水素を付加して透析液調製用の水素付加水を生成する。水素付加装置１と、上記透析原剤希釈装置とは、水素付加水供給路２０によって接続されている。水素付加装置１によって生成された水素付加水は、水素付加水供給路２０を通過して、上記透析原剤希釈装置に供給され、透析液の調製に用いられる。

図２は、水素付加装置１の主要な構成を示している。水素付加装置１は、溶存水素水生成部２と、水素透過膜モジュール３とを含んでいる。

溶存水素水生成部２は、溶存水素水を生成し、水素透過膜モジュール３に供給する。溶存水素水とは、水素分子が溶け込んだ水である。本実施形態では、溶存水素水生成部２として電解槽４が適用されている。電解槽４は、水を電気分解することにより、水素分子を発生させ、溶存水素水を生成する。

電解槽４は、第１給電体４１が配された第１極室４０ａと第２給電体４２が配された第２極室４０ｂとが隔膜４３によって区分されてなる。

第１給電体４１と第２給電体４２とは、極性が異なる。すなわち、第１給電体４１及び第２給電体４２の一方は陽極給電体として適用され、他方は陰極給電体として適用される。本実施形態では、第１給電体４１が陽極給電体として適用され、第２給電体４２が陰極給電体として適用されている。電解室４０の第１極室４０ａ及び第２極室４０ｂの両方に水が供給され、第１給電体４１及び第２給電体４２に直流電圧が印加されることにより、電解室４０内で水の電気分解が生ずる。

第１給電体４１及び第２給電体４２の極性及び第１給電体４１及び第２給電体４２に印加される電圧は、制御部（図示せず）によって制御される。制御部は、例えば、各種の演算処理、情報処理等を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）及びＣＰＵの動作を司るプログラム及び各種の情報を記憶するメモリ等を有している。制御部は、第１給電体４１及び第２給電体４２の他、装置各部の制御を司る。

電解室４０内で水が電気分解されることにより、水素ガス及び酸素ガスが発生する。例えば、陰極側の第２極室４０ｂでは、水素ガスが発生し、当該水素分子が溶け込んだ溶存水素水が生成され、水素透過膜モジュール３に供給される。なお、このような電気分解を伴って生成された溶存水素水は、「電解水素水」とも称される。一方、陽極側の第１極室４０ａでは、酸素ガスが発生する。

隔膜４３には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂からなる固体高分子膜が適宜用いられている。固体高分子膜は、電気分解により、陽極側の第１極室４０ａで発生したオキソニウムイオンを陰極側の第２極室４０ｂへと移動させて、水素分子の生成原料とする。従って、電気分解の際に水酸化物イオンが発生することなく、電解水素水のｐＨが変化しない。

水素透過膜モジュール３は、第１室３１と、第２室３２と、水素透過膜３３とを備える。第１室３１と第２室３２とは、水素透過膜３３によって隔てられている。

第１室３１と電解槽４の第２極室４０ｂとは、水素水供給路５０によって接続されている。電解槽４の第２極室４０ｂにて生成された溶存水素水は、水素水供給路５０を通過して、第１室３１に供給される。

一方、第２室３２は、処理水供給路１０と接続されている。第２室３２には、逆浸透膜処理装置２００から原水が供給される。

水素透過膜３３は、例えば、水素分子を透過する多孔質膜である中空糸膜によって構成されている。第１室３１には、電解槽４にて生成された溶存水素水が次々と供給されるので、第１室３１内の水の溶存水素濃度は、第２室３２内の水の溶存水素濃度よりも大きい。中空糸膜は、液体に溶け込んだ水素を溶存水素濃度が大きい第１室３１から溶存水素濃度が小さい第２室３２へと移動させる。水素透過膜３３は、液体に溶け込んだ水素分子を、高濃度な液体側から低濃度な液体の側に透過させる機能を有する膜であればよく、中空糸膜に限られない。

本発明では、水素透過膜３３は、第２室３２で水素付加水を生成するために、第１室３１内の溶存水素水に溶け込んだ水素分子を第１室３１から第２室３２へと移動させる。このような構成により、溶存水素水が供給される第１室３１への細菌の混入が抑制される。従って、簡素な構成で、容易に清浄度の高い水素付加水を生成することが可能となる。また、第１室３１に溶存水素水を供給することにより第２室で水素付加水が生成されるので、水素ガスを加圧して供給するための構成等を必要とすることなく、簡素かつ安価な構成で水素付加水を生成することが可能となる。

水素透過膜３３を挟んで、第１室３１内で溶存水素水が流れる第１方向Ｄ１と第２室３２内で原水（又は水素付加水）が流れる第２方向Ｄ２とが異なる、のが望ましい。第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とが異なることにより、水素透過膜３３への水素分子の透過、すなわち、第１室３１から第２室３２への水素分子の移動が促進され、水素付加水の溶存水素濃度を容易に高めることが可能となる。

上記観点から、より望ましい第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２との関係は、互いに逆向きである。なお、互いに逆向きである第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２は、第１室３１の入口と第２室３２の出口及び第２室３２の入口と第１室３１の出口を互いに隣接して配置することにより容易に実現される。

本実施形態の水素透過膜モジュール３では、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２は、鉛直方向に配されているが、水平方向に倒されて、又は、斜め方向に傾斜して配置されていてもよい。

図１に示されるように、本実施形態では、電解槽４で電気分解される水は、逆浸透膜処理装置２００にて逆浸透膜処理された処理水が適用される。処理水は、処理水供給路１０及び処理水供給路１０から分岐する処理水供給路１１等を経て、電解槽４に供給される。すなわち、溶存水素水生成部２の電解槽４と水素透過膜モジュール３の第２室３２とは、同一の水源である逆浸透膜処理装置２００から処理水の供給を受ける。このような構成により、水素付加装置１及びその周辺の配管が簡素化される。

本実施形態の水素付加装置１では、電解槽４の第２極室４０ｂと第１室３１との間で溶存水素水を循環させる循環水路５をさらに備えている。電解槽４の第２極室４０ｂと第１室３１とを接続する水素水供給路５０は、循環水路５の一部を構成する。

電解槽４にて電気分解を継続しながら、循環水路５で溶存水素水を循環させることにより、第１室３１内での溶存水素濃度が高められる。これにより、第１室３１と第２室３２での溶存水素濃度の差が維持されるので、水素付加水の溶存水素濃度を容易に高めることが可能となる。

本実施形態の循環水路５には、循環水路５内で溶存水素水を循環させるためのポンプ６及び溶存水素水を蓄えるタンク７が設けられている。ポンプ６は、タンク７と電解槽４との間に配されている。ポンプ６は、上記制御部によって制御され、循環水路５内の溶存水素水を駆動し、循環させる。これにより、電解槽４にて生成された溶存水素水は、速やかに第１室３１に供給され、第１室３１内の水圧が高められる。一方、タンク７に溶存水素水が蓄えられることにより、循環水路５の容量が増大し、循環水路５内の溶存水素濃度の変動が抑制される。

第２室３２に原水を供給する前に、予め第１給電体４１及び第２給電体４２に印加する電圧を高めて、電解槽４を運転することにより、循環水路５内の溶存水素濃度を容易に飽和濃度まで高めることができる。これにより、第１室３１と第２室３２での溶存水素濃度の差が大きくなり、水素付加水の溶存水素濃度を容易に高めることが可能となる。

タンク７の上部は開放されている。このため、電解槽４にて溶け込めなかった水素分子は、気泡となって循環水路５を移動し、タンク７に流入し、その一部がタンク７の上部から抜け出る。

本実施形態では、循環水路５のうち、溶存水素水が第１室３１からタンク７へと帰還する領域には、絞り弁８が配されている。絞り弁８は、例えば、上記制御部によって制御された電磁力によって駆動され、循環水路５を流れる溶存水素水を制限する。ポンプ６が動作している状態で絞り弁８が循環水路５を流れる溶存水素水を制限することにより、第１室３１内の水圧が高められる。すなわち、ポンプ６及び絞り弁８は、第１室３１内の水圧を高めるための水圧上昇手段として機能する。ポンプ６及び絞り弁８によって第１室３１内の水圧が高められることにより、第１室３１から第２室３２への水素分子の移動が促進され、水素付加水の溶存水素濃度を容易に高めることが可能となる。

処理水供給路１０には、入水弁１２及び流量計１３が設けられている。入水弁１２は、例えば、上記制御部によって制御された電磁力によって駆動され、処理水供給路１０内を流れる処理水を制限する。流量計１３は、処理水供給路１０内を流れる処理水の単位時間あたりの流量（以下、単に流量と記す）を検出し、上記制御部に出力する。上記制御部は、流量計１３から入力された流量に応じて入水弁１２を制御する。これにより、原水として第２室３２に供給される処理水の流量が適正化される。

処理水供給路１１には、給水弁１４が設けられている。給水弁１４は、例えば、上記制御部によって制御された電磁力によって駆動され、処理水供給路１１内を流れる処理水を制限する。より具体的には、タンク７に電気分解のための水を充填又は補充する際には、給水弁１４が開かれ、水素透過膜モジュール３の第２室３２に原水を供給する際には、給水弁１４が閉じられる。

電解室４０の第１極室４０ａから上方に延びる排気路１５（図２参照）には、ガス抜き弁１６が設けられている。電気分解によって第１極室４０ａで生成された酸素ガスは、排気路１５及びガス抜き弁１６から排出される。

タンク７には、ヒーター１７が設けられている。ヒーター１７は、タンク７内の水を暖める。タンク７内の水が暖められることにより生成された熱水又は水蒸気は、循環水路５を介してポンプ６、電解槽４、水素透過膜モジュール３の第１室３１等に供給され、それらを洗浄する。上記洗浄時には、排気路１５から分岐する洗浄路１８に設けられた洗浄弁１９が開放され、第１極室４０ａ内の熱水等の循環が促進される。

電解槽４、第１室３１等の洗浄は、定期的に（例えば、１日に一回程度）実行されるのが望ましい。循環水路５から分岐する排水路２１に設けられた排水弁２２が開放され、洗浄に用いられた、熱水等が排出される。本実施形態の排水路２１は、タンク７とポンプ６とを接続する循環水路５から分岐している。排水路２１は、タンク７に直接的に接続されていてもよい。

上記洗浄が完了した後、洗浄弁１９及び排水弁２２が閉じられ、入水弁１２が開かれると、タンク７内に電気分解のための水が充填される。

図３は、水素透過膜モジュール３を用いた水素付加方法の処理手順を示している。水素付加方法は、水素分子が溶解した溶存水素水を生成する第１工程Ｓ１と、水素透過膜モジュール３の第１室３１に溶存水素水を供給する第２工程Ｓ２と、水素透過膜モジュール３の第２室３２に原水を供給する第３工程Ｓ３とを含む。第１工程Ｓ１では、電解槽４にて水を電気分解することにより、溶存水素水が生成される。第２工程Ｓ２では、第１工程Ｓ１で生成された溶存水素水が第１室３１に流入される。第３工程Ｓ３では、逆浸透膜処理装置２００から第２室３２に原水が供給される。

このとき、第２室３２内の原水の溶存水素濃度よりも第１室３１内の溶存水素水の溶存水素濃度の方が高いので、第１室３１内で溶存水素水に溶解している水素分子が、水素透過膜３３を透過して第２室３２に移動する。その後、第２室３２に移動した水素分子が第２室３２内の原水に溶解する。従って、水素分子を加圧するための工程を必要とすることなく、簡素かつ安価な構成で水素付加水を生成することが可能となる。

以上、本発明の水素付加装置等が詳細に説明されたが、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されることなく種々の態様に変更して実施される。すなわち、水素付加水を生成するための水素付加装置１は、溶存水素水が供給される第１室３１と、原水が供給される第２室３２と、第２室３２で水素付加水を生成するために、溶存水素水に溶け込んだ水素分子を第１室３１から第２室３２へと移動させる水素透過膜３３とを備えていればよい。

また、図１に示される水素付加装置１において、第１室３１に供給するための溶存水素水を生成する溶存水素水生成部２は、水を電気分解する電解槽４に限られない。例えば、水とマグネシウムとの化学反応等により発生した水素分子を水に溶解させて溶存水素水を生成する装置、又は、水素ガスボンベから供給された水素ガス（水素分子）を水に溶解させて溶存水素水を生成する装置であってもよい。

水素付加装置１は、透析液調製用の水素付加水の生成の他、種々の用途に適用可能である。例えば、飲用、料理用又は農業用の水素付加水の生成等にも広く適用可能である。

１ ：水素付加装置
２ ：溶存水素水生成部
３ ：水素透過膜モジュール
４ ：電解槽
５ ：循環水路
６ ：ポンプ（水圧上昇手段）
８ ：絞り弁（水圧上昇手段）
３１ ：第１室
３２ ：第２室
３３ ：水素透過膜
Ｄ１ ：第１方向
Ｄ２ ：第２方向
Ｓ１ ：第１工程
Ｓ２ ：第２工程
Ｓ３ ：第３工程

Claims (8)

1. 水に水素を付加するための装置であって、
   溶存水素水が供給される第１室と、
   原水が供給される第２室と、
   前記第２室で水素付加水を生成するために、前記溶存水素水に溶け込んだ水素分子を前記第１室から前記第２室へと移動させる水素透過膜と、
   前記第１室に供給する前記溶存水素水を生成する溶存水素水生成部と、
   外部から供給された水を、逆浸透膜を用いて浄化して処理水を生成する逆浸透膜処理装置とを備え、
   前記溶存水素水生成部は、水を電気分解することにより前記溶存水素水を生成する電解槽を含み、
   前記溶存水素水生成部の前記電解槽と、前記第２室とは、同一の水源である前記逆浸透膜処理装置から前記処理水の供給を受ける、
   水素付加装置。
2. 前記水素透過膜を挟んで、前記溶存水素水が流れる第１方向と前記原水が流れる第２方向とが異なる、請求項１記載の水素付加装置。
3. 前記第１方向と前記第２方向とが互いに逆向きである、請求項２記載の水素付加装置。
4. 前記溶存水素水には、前記水素分子が飽和状態で溶解している、請求項１乃至３のいずれかに記載の水素付加装置。
5. 前記溶存水素水生成部と前記第１室との間で前記溶存水素水を循環させる循環水路をさらに備える、請求項１乃至４のいずれかに記載の水素付加装置。
6. 前記第１室内の水圧を高めるための水圧上昇手段をさらに備える、請求項１乃至５のいずれかに記載の水素付加装置。
7. 前記循環水路には、ヒーターが設けられたタンクが配置されており、前記タンク内の水が暖められることにより生成された熱水又は水蒸気が、前記循環水路に供給可能とされている、請求項５に記載の水素付加装置。
8. 液体に溶解している水素分子を透過させる水素透過膜によって第１室と第２室とに区分された水素透過膜モジュールを用いて水に水素を付加するための方法であって、
   前記水素分子が溶解した溶存水素水を生成する第１工程と、
   前記第１室に前記溶存水素水を供給する第２工程と、
   前記第２室に原水を供給する第３工程とを含み、
   前記第１工程は、水を電気分解することにより前記溶存水素水を生成する電解槽を含む溶存水素水生成部により実施され、
   前記原水は、外部から供給された水を、逆浸透膜を用いて浄化した処理水であり、
   前記溶存水素水生成部の前記電解槽と、前記第２室とは、同一の水源である前記逆浸透膜処理装置から前記処理水の供給を受ける、
   水素付加方法。

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