JPWO2006112065A1 - アルカリ性還元水を生成する電解槽 - Google Patents

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Abstract

本発明は、アルカリ性還元水を生成する電解槽に関するもので、このような電解槽は電解液に接するカソード電極の面積は電解液に接するアノード電極の面積より大きく形成され、アノード電極は上部が開放されたアノード室に配置され、カソード電極が配置されるカソード室はアノード室の側面に連続的に配置されアノード室に形成された出口は隣接したカソード室の入り口と連通されるように形成され、連続的に配置されるn-1番目のカソード室の出口は隣接したn番目のカソード室の入り口と連通される構成である。

Description

本発明は電解槽に関するもので、特に化学薬品の添加無しで純水あるいは超純水を原水としてアルカリ性還元水を生成するのに適合した電解槽に関するものである。
一般的に半導体などのハイテク部品の洗浄には超純水に少量の化学薬品を添加した酸性またはアルカリ性の酸化、還元洗浄水が使用されている。例えばシリコンウェーハの洗浄には水素を溶解させ微量のNH4OHを添加した弱アルカリ性還元水が使用されている。そして最近では半導体工場内で使用した排水は工場内で浄化し再使用する傾向である。
そのようにするためには排水の浄化が容易なものが必要であり、可能な限り化学薬品を添加しない洗浄システムが要望される。すなわち、化学薬品を全く添加しないで超純水または純水だけで電気分解することができるアルカリ性還元水の生成技術が開発されたら、この技術は排水再利用に有効な手段になる。
超純水または純水を電気分解する技術としては、図１のように弗素系イオン交換膜６の両側にカソード電極５とアノード電極４とを配置したカソード室８とアノード室２からなる２室型電解槽が知られている。符号１、７はそれぞれ純水の入口であり，符号３、９はそれぞれ電解水の出口である。
基本的な電気分解反応は以下のようである。
アノード室
2H2O → 2H+ + O2 + 2e−
カソード室
2H2O + 2e− → H2+ 2OH−
この他に、カソード電極とアノード電極間の弗素系イオン交換膜内部で以下のような水の解離反応が起こる。この解離反応は電界強度に依存して反応が進行される。
H2O → H+ + OH−
この解離反応で生成されたプロトンがカソード電極に移動して還元され、以下のように水素ガスが生成される。
2H+ + 2e−→ H2
すなわち、カソード電極ではプロトンの還元反応と水の還元分解反応が同時に起こる。
特開平10-286573号公報
水の分解反応効率が高いときに電気分解された水の液性はアルカリ性になる。しかし、従来技術による電解槽においては、ほとんど液性の変化が現れないという問題点があった。
したがって、本発明は上述したような問題点を解決するために創案されたもので、本発明の目的は化学薬品の添加無しで、工場で再活用しやすいアルカリ水を生成する電解槽を提供することにある。
このような上記目的は本発明により達成され、本発明の一面は、アルカリ性還元水を生成する電解槽は、電解液に接するカソード電極の面積が電解液に接するアノード電極の面積より大きく形成されることを特徴とする。
本発明において、アノード電極は上部が開放されたアノード室に配置され、カソード電極が配置されるカソード室はアノード室の側面に連続的に配置されることを特徴とする。
また、カソード室に形成された出口は隣接したカソード室の入り口と連通されるように形成され、連続的に配置されるn-1番目のカソード室の出口は隣接したn番目のカソード室の入り口と連通されることを特徴とする。
そして、カソード室にはイオン交換樹脂が充填されることを特徴としている。
本発明の上記のような構成により考案された電解槽を使用すると、化学薬品の添加無しで液性の変化が可能になる。このように生成されたアルカリ性還元水は半導体ウェーハ、フォトマスクなどの表面微粒子洗浄に有用であり、超純水または純水のみを原料水として使用したため、パターンのダメージ及び表面の酸化防止を解決できる効果があり、特に排水された水を低費用で再使用できるため環境問題を軽減できる効果が発生する。
図１は従来の隔膜電解法による電解槽の断面図である。 図２は本発明の一実施例による電解槽の断面図である。
符号の説明
１０： 電解槽
１１０： アノード室
１１１： アノード室入り口
１１２： アノード室出口
１１５： アノード電極
１２５，１３５，１４５： カソード電極
１９５： ｎ番目カソード電極
１２０，１３０： カソード室
１８０： n-1番目カソード室
１９０： n番目カソード室
１１９，１２９，１３９，１８９： 隔膜
１２１，１３１，１８１，１９１： カソード室入り口
１２２，１３２，１８２： カソード室出口
１２７，１３７，１８７： イオン交換樹
以下、添付した図面を参照しながら本発明の好適な実施例を記載する。
先ず、液性を変化させるためにはイオン交換膜内の水の解離反応を制御する必要がある。すなわち、イオン交換膜内の電界強度を低減させる必要があり、電界強度を低減させるためには電流密度を低くする必要がある。したがって、カソード電極面積を増大させることが要望される。単にカソード極の電極面積を増大させるためには、カソード室を２個室以上に増やせば良いがわかる。すなわち、カソード室を増やすことによりカソード極の電極面積は単純に増大される。
カソード室を増やす方法として、カソード室を２個以上配置することが考えられる。このようにすると電解効率が高くなり液性が変わるようになって、アルカリ性還元水を生成できる。
図２は本発明の一実施例による電解槽の断面図である。
図２に図示したように図面符号１０で図示した本発明による電解槽は、１つのアノード室とn個のカソード室が連続的に連結された構造になっており、各々のカソード室にはそれぞれのカソード電極と隔膜が配置されているため、n個のカソード室にはn個のカソード電極とn個の隔膜が装着される。
図面符号１１０はアノード室であり、図面符号１２０，１３０，１８０は第１、第２、第３のカソード室であり、図面符号１９０はn番目のカソード室である。図面符号１１９は隔膜であり、アノード電極（１１５）とカソード電極（１２５）に密着されるように設置する。図面符号１２７，１３７，１８７はイオン交換樹脂であり、図面符号１２５，１３５，１８５は第１、第２、第３のカソード電極であり、図面符号１９５はn番目カソード電極である。また、図面符号１２５のカソード電極と図面符号１９５で図示したn番目のカソード電極の間には伝導性を確保するためにイオン交換樹脂（１２７，１３７，１８７）を充填する。図面符号１２９，１３９，１８９は隔膜であり、図面符号１３５，１８５，１９５で図示したカソード電極にそれぞれを密着させて設置すると、カソードの電極面積が増大することになり隔膜内の電界強度が低くなる。
すなわち、水の分解反応の効率が高くなりOHイオンが増加され液性（pH）はアルカリ性になる。また、アノード電極（１１５）とカソード電極（１９５）に直流電圧を付加し各々のカソード電極（１２５，１３５，１８５）にはそれぞれ分圧された電圧が付加されるようにし、カソード室（１２０）の出口（１２２）は隣接したカソード室（１３０）の入り口（１３１）に連通され、n-1番目カソード室（１８０）の出口（１８２）はn番目カソード室（１９０）の入り口（１９１）に連通されるように連結する。すなわち、各々のカソード室（１２０，１３０，１８０，１９０）は互いに直列で連結され、電気分解すると各々のカソード室から段階的に電解効率が高くなり、pHはだんだん強いアルカリ性になる。
以上のような電解槽の特性を確認するため、電圧によるpH，ORP変化を確認した。
（実施例）
図２に図示した電解槽を使用してアノード室（１１０）とカソード室（１２０）に入り口（１２１）を通じて超純水を供給した。超純水の水質は以下のようである。
比抵抗：１８ＭΩｃｍ
水温：２０℃
電極：白金鍍金チタニウム電極を使用した。通水速度は１Ｌ/minの流速で超純水を通水し、４個室のカソード室を構成しアノード電極（１１５）とカソード電極（１９５）両端に５０ｖ程度の直流電圧を付加し、電圧を可変しながらpH及びORPの変化を確認した。実施結果を表１に表示する。
表１でC1V1は第１のカソード電圧、C2V2，C3V3，C4V4はそれぞれ第２，３，４室のカソード電圧である。各カソード電圧は、アノード電極（１１５）の電圧を基準とした絶対値で表示した。
Figure 2006112065
以上で説明したのは本発明によるアルカリ性還元水を生成する電解槽を実施するための一実施例に過ぎなく、本発明は上記実施例に限定されるものではない。以下の特許請求範囲で請求することのように本発明の要旨から離れることなく、当該発明が属する分野で通常の知識を持つものならだれでも多様な変形実施が可能な範囲まで本発明の技術的思想が及ぶと言えるだろう。

Claims (5)

  1. アノード電極とカソード電極により電気分解を行う電解槽であって、
    電解液に接するカソード電極の面積は電解液に接するアノード電極の面積より大きく形成されることを特徴とするアルカリ性還元水を生成する電解槽。
  2. 請求項１において、前記アノード電極は上部が開放されたアノード室に配置され、前記カソード電極が配置されるカソード室は前記アノード室の側面に連続的に配置されることを特徴とするアルカリ性還元水を生成する電解槽。
  3. 請求項２において、前記カソード室に形成された出口は隣接した前記カソード室の入り口と連通されるように形成されることを特徴とするアルカリ性還元水を生成する電解槽。
  4. 請求項２ないし請求項３において、連続的に配置されるn-1番目の前記カソード室の出口は隣接したn番目の前記カソード室の入り口と連通されることを特徴とするアルカリ性還元水を生成する電解槽。
  5. 請求項２ないし請求項３において、前記カソード室にはイオン交換樹脂が充填されることを特徴とするアルカリ性還元水を生成する電解槽。
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