JPWO2010119529A1 - 活性酸素生成装置 - Google Patents

Abstract

導電性高分子を含む複数の基材からなる陰極４と、導電性を有する陽極５と、両極間４，５に酸素を溶存する水１を介して通電させる電源３と、水１を貯蔵する水受け部２とを備え、陰極４は、板状の複数の基材４ａが間隔をおいて水受け部２に立設配置されて成り、陽極５は、複数の基材４ａに渡って、かつ複数の基材４ａと直交する態様に配置されている活性酸素生成装置。

Description

本発明は、活性酸素を効率よく、連続的に発生する装置に関し、特にその小型化及び簡易化を実現することができる構造に関するものである。

活性酸素を生成する手段として、放電や光触媒を用いる方法などがある。しかし前者は電力量が多く、高電圧入力に対する安全性の確保も必要となる。また、後者はその効果を上げるために紫外線の光源を必要とし、装置が大型化することや、紫外線の人体に対する影響も見逃せない。また、水中で電気を用いた電気分解により活性酸素を生成する手段も見受けられるが、副生成物として好ましくない水素や塩素が多く発生する。このような問題を解決する手段として、陽極と活性酸素発生能を有する導電性高分子（以下導電性高分子として記す）を担持させた陰極との間に、微弱電流を通電させることによって水素や塩素の発生を抑制し、活性酸素を有意に発生させる手段も知られている（例えば、特許文献１）。

特許第３４９２３２７号公報(図１等)

導電性高分子は、酸化還元反応の反応性に優れており、該導電性高分子から水中の溶存酸素へ電子が供与され、酸素を還元して活性酸素を生成する。このような酸化還元能を有するポリアニリンに電気的に還元電位を与えて連続的に電子供給を行えば、水中で活性酸素が生成され続けることとなる。このような方式において、活性酸素生成量を高効率化するため、電極対を積層し、陽極に対して導電性高分子を担持した陰極を複数対向した装置がある。しかし、積層される陰極は陽極との電極間距離が離れていくので、陽極からの距離が遠いほど活性酸素生成量は少なくなり、生成に寄与する陰極は、ほとんど陽極と隣接する陰極となっている。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、活性酸素生成装置の小型化若しくは簡易化を図りつつ、活性酸素を効率よく連続的に発生することができる活性酸素生成装置を得ることを目的とする。

本発明の活性酸素生成装置は、導電性高分子を含む複数の基材からなる陰極と、導電性を有する陽極と、前記両極間に酸素を溶存する水を介して通電させる電源と、前記水を貯蔵する水受け部とを備え、前記陰極は、板状の前記複数の基材が間隔をおいて前記水受け部に立設配置されて成り、前記陽極は、前記複数の基材に渡って、かつ前記複数の基材と直交する態様に配置されていることを特徴とする。
また、前記陽極の水中に浸漬している表面積を、前記陰極の水中に浸漬している表面積に対して略同等または同等以下としたものである。

上記のような本発明の活性酸素生成装置によれば、複数の基材（陰極）に対して共通の陽極が利用できるため、電極の構成を小型化及び簡易化して、しかも活性酸素量を増大させることができる。
また、陽極の水中に浸漬している表面積を、陰極の水中に浸漬している表面積に対して略同等または同等以下としたことで、陰極で生成された活性酸素が陽極で消費されるのが低減されて、結果的に活性酸素量を増大させることができる。

本発明の実施の形態１における活性酸素生成装置の断面模式図である。 実施の形態１における陽極と陰極の表面積比に対する活性酸素発生量を表した図である。 本発明の実施の形態２における活性酸素生成装置の構成模式図である。 実施の形態２の変形例を示す活性酸素生成装置の断面模式図である。 本発明の実施の形態３における活性酸素生成装置の構成模式図である。

以下、本発明に係る活性酸素生成装置の実施の形態を説明する。なお、各実施の形態における活性酸素生成装置は、酸素を溶存する水１の中に、導電性高分子を含む基材からなる陰極４と、導電性を有する陽極５とを浸漬させ、陰極４と陽極５の間を通電させることで活性酸素を生成する点で共通している。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る活性酸素生成装置の構成を示す断面模式図である。この活性酸素生成装置は、導電性高分子を含む板状の基材４ａからなる陰極４と、導電性を有する陽極５と、両電極４，５間に酸素を溶存する水１を介して通電させる電源３と、水１を貯蔵した水受け部２とを備えている。そして、電源３により、水受け部２内に貯蔵された水１を介して、陰極４と陽極５の間を通電することで活性酸素を生成する。

陰極４は、板状(円板状、角板状など)に形成された複数の基材４ａで構成されており、板状の１つの陽極５が複数の基材４ａに渡って、かつ複数の基材４ａの各板面方向と直交するように、水受け部２の底部に配置されている。すなわち、陰極４となる複数の基材４ａに対して、共通の陽極５が直交する態様に設けられている。
また、水受け部２内に貯蔵された水１に浸漬している陽極５の表面積は、水１に浸漬している陰極４の表面積（陰極４を構成する各基材４ａの水１に浸漬している表面積を合算した値）に対して略同等かまたは小さくする。このようにすることで、陽極５で生成される物質の量を少なくし、陰極で生成された活性酸素が陽極側の生成物質と反応して消費されるのを低減して、結果的に本装置における活性酸素の生成量を増大させることができる。

また、図１の構成において、複数ある各基材４ａ同士（陰極４同士）の距離は、陽極５と各基材４ａ（陰極４）との距離よりも長くするのが望ましい。これは、前者の距離の方が後者より短い場合、水中に供給される電流量は減少し、電子の分布は均一ではなくなるため、生成される活性酸素量が減少するからである。

陰極４を構成する基材４ａには、導電性高分子が含有されている。該基材４ａは、カーボン、白金担持チタン、導電性樹脂などの導電性材料の他、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＡＢＳ樹脂、ＰＰ（ポリプロピレン）などの絶縁性の材料から形成することができる。また、基材４ａ自体が導電性高分子であってもよい。導電性高分子は、例えば、ポリアニリン、ポリアニリン誘導体、ポリピロール、ポリチオフェン及びポリアセチレンの中の少なくとも１つの材料から成る。

陽極５を構成する基材は、カーボン、白金担持チタン、導電性樹脂のうちいずれか１つ以上から形成でき、その表面抵抗値を１０^-3〜１０⁵Ω/ｃｍの範囲とするのが好ましい。
表面抵抗値が低いと電流は流れやすくなるので、両極での反応は促進する。なお、表面抵抗値が１０⁵Ω/ｃｍ以上となると通電電流は最大で数十μＡとなり、活性酸素の生成量がほとんど検出できないレベルとなる。

上記の活性酸素生成装置によれば、陰極４の表面に含有されている導電性高分子より、水１の中に溶存している酸素へ電子が供与され、スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素などの活性酸素が生成される。一方、陽極４の表面では水中の電子が奪われて酸素が生成されるが、他にも混入している不純物と反応して、例えば次亜塩素酸などが生成される。活性酸素は次亜塩素酸と反応して水に戻るため、陽極５での生成物が多いと、水中に存在する活性酸素量は減少する。そのため、陽極５と陰極４との間に隔膜を設置して各々の電極側での生成物を分離することが一般的に行なわれる。しかし、本発明では隔膜を使用せずに、水中に浸漬している陽極５の面積（表面積）を、水中に浸漬している陰極４の面積（表面積）と略同等かそれよりも小さくすることで、活性酸素量が減少するのを抑制している。

次に、陽極５と陰極４の表面積比と活性酸素生成量との関係を示す。図２は、カーボンからなる陽極５と、カーボンクロスにポリアニリンを担持した複数の基材から成る陰極４とを使用し、陰極４の表面積を５１ｃｍ²に固定し、陽極５の表面積を変化させて1.4ＶvsAgCl印加したときの６時間後の過酸化水素生成量を示したものである。なお、「1.4ＶvsAgCl」とは、塩化銀（AgCl）電極を参照電極として用いて、何れかの電極（例えば陽極）の電極電位を、０として、1.4Ｖ印加したものである。
このときの電極間距離（陰極４と陽極５との距離）は５ｍｍであり、水１には水道水を用いて測定を実施した。図２より、陰極４に対して陽極５の表面積が大きいと活性酸素量が減少することが分かる。これは、陰極４で生成した活性酸素は陽極５に接触すると消滅してしまう為、陽極５の表面積が陰極４より大きいと陰極４で生成した活性酸素が陽極５によって消滅してしまう量が増えるので、結果として水１の中の活性酸素量は減少する。また、陰極４の表面積が陽極５の表面積より大きくても、陰極４から生成される活性酸素量には大きな変化は見られなかった。従って、活性酸素生成量を増大させるには、陽極５の水中に浸漬している表面積を、陰極４の水中に浸漬している表面積と略同等か同等以下とすることが望ましい。一方、陰極４に対して陽極５の表面積を小さくした場合は、陰極４の表面積に従って活性酸素が生成される量が減少する。よって、陽極５の水中に浸漬している表面積を、陰極４の水中に浸漬している表面積と略同等にすることで最もスペース効率がよくなり、例えば同様の大きさである装置と比べるとより活性酸素生成量の大きい装置を得ることができ、又、同様の活性酸素生成量の装置と比べるとより小型な装置を得ることができる。なお、活性酸素の発生効率を考えると、陰極４と陽極５との間の距離は最大でも１０ｃｍとすることが好ましい。

実施の形態１の活性酸素生成装置によれば、複数の基材４ａ（陰極４）に対して共通の陽極５が利用できるため、電極４，５の構成を小型化及び簡易化できる。それに加えて、活性酸素発生部分の陰極４の面積を大きくできるため、活性酸素生成量を増大させることができる。
さらに、陽極の水中に浸漬している表面積を、陰極の水中に浸漬している表面積に対して略同等または同等以下としたことで、陰極で生成された活性酸素が陽極で消費されるのが低減されるため、結果的に活性酸素量を増大させることができるとともに、活性酸素生成装置の小型化にも寄与できる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図３は、本発明の実施の形態２に係る活性酸素生成装置の構成を示す模式図である。ここでは、水平方向に軸方向を有する導電性の軸６を水受け部２上方に回転可能に配置し、軸６には板状（好ましくは円板状）の複数の基材４ａを、間隔をあけて配置し陰極４を形成している。この陰極４は、各基材４ａの一部が水受け部２に溜められた水１に浸漬するように設置され、軸６の回転に伴って各基材４ａの水１に浸漬している面が回動する構成となっている。よって、陰極４が回転することで、各基材４ａの表面は水１と大気を交互に触れることになる。
一方、板状の陽極５は、その平面部を軸６の軸方向に沿って平行にされて、水受け部２に立設配置されている。すなわち、共通の陽極５が、複数の基材４ａに渡って、かつ複数の基材４ａの各板面方向と直交するように配置されている。

陰極４を構成している基材４ａには導電性高分子が含有されており、その基材はカーボン、白金担持チタン、導電性樹脂などの導電性材料の他にＰＥＴ、ＡＢＳ、ＰＰなどの絶縁性の材料とすることができる。また、その基材４ａ自体が導電性高分子であってもよい。
一方、陽極５はカーボン、白金担持チタン、導電性樹脂のうちいずれか１つ以上の基材から形成することができる。ここでも、水中に浸漬している陽極５の表面積は、水中に浸漬している陰極４の表面積と同等かそれより小さくする。

図４は実施の形態２の別の例を示す活性酸素生成装置の断面模式図であり、図４（ａ）が正面図を、図４（ｂ）が側面図を表している。図４において、陰極４の構成は図３の場合と同じである。一方、陽極５は、陰極４の周囲を覆う筒型形状に形成されて配置されている。ただし、陽極５の内側の陰極４にも水１が浸漬するように、陽極５を網状または多孔質材料で形成して通水性を確保する必要がある。なお、陽極５を、円筒形状の側面のみに形成し、陰極４と対向するその他の面は円筒形状を維持する為の枠体として構成しても良い。枠体には開口部を形成し、円筒形状の内部に水が流入するように構成することにより、陽極５は板状のものを丸めるだけで形成できるので低コストで形成できる。

実施の形態２の活性酸素生成装置によれば、実施の形態１の効果に加えて、陰極４の各基材４ａの表面が水と大気を交互に触れることで、基材４ａの表面における活性酸素の発生効率が向上する。
また、回転機構を有したことにより、電極（陰極４、陽極５）設置態様の自由度が増し、それにより活性酸素生成装置を小型化することも可能となる。

実施の形態３．
続いて、本発明の実施の形態３について図５を用いて説明する。図５は本発明の実施の形態３における活性酸素生成装置の構成模式図である。この活性酸素生成装置は、水受け部２に、水１の流水口７と排水口８とを有している。また、水平方向に軸方向を有する導電性の軸６を水受け部２上方に回転可能に配置し、軸６には、板状（好ましくは円板状）の複数の基材４ａを、間隔をあけて配置し陰極４を形成している。この陰極４は、図４と同様、各基材４ａの一部が水受け部２に溜められた水１に浸漬するように設置され、軸６の回転に伴って各基材４ａの水１に浸漬している面が回動する構成となっている。また、各基材４ａと直交する水受け部２の底面または側面の一部を導電性材料から形成して、その導電性材料部分に陽極５としての機能を持たせている。

ここでも、水受け部２の陽極５として作用する導電性材料部の水１に浸漬している表面積は、水１に浸漬している陰極４の表面積と同等かまたはそれより小さくする。また、陽極５と各基材４ａ（陰極４）との距離を、基材４ａ（陰極４）同士の距離よりも短くする。

実施の形態３の活性酸素生成装置によれば、水１は水受け部２の流水口７より流入し、一定量だけ水受け部２内に貯水され、陰極４表面に含有されている導電性高分子より、溶存している酸素へ電子が供与され、スーパーオキシド、ヒドロキシルラジカル、過酸化水素などの活性酸素が生成される。生成された活性酸素により、水受け部２内の水１は抗菌、衛生化されて余剰分は排水口８より排出される。
また、陰極４が水中と大気中を交互に往復するため、陰極４における活性酸素の発生効率が向上する。
さらに、電極（陰極４、陽極５）の配置の自由度が増えたことにより、装置を簡易かつ小型にすることもできる。

１ 酸素を溶存する水、２ 水受け部、３ 電源、４ 陰極、４ａ 陰極を構成する板状の基材、５ 陽極、６ 導電性の軸、７ 流入口、８ 排水口。

Claims (10)

1. 導電性高分子を含む複数の基材からなる陰極と、導電性を有する陽極と、前記両極間に酸素を溶存する水を介して通電させる電源と、前記水を貯蔵する水受け部とを備え、
   前記陰極は、板状の前記複数の基材が間隔をおいて前記水受け部に立設配置されて成り、
   前記陽極は、前記複数の基材に渡って、かつ前記複数の基材と直交する態様に配置されていることを特徴とする活性酸素生成装置。
2. 前記陽極の水中に浸漬している表面積を、前記陰極の水中に浸漬している表面積に対して略同等または同等以下としていることを特徴とする請求項１記載の活性酸素生成装置。
3. 前記陽極と前記陰極を構成する各基材との距離は、前記基材同士の距離よりも短いことを特徴とする請求項１または２記載の活性酸素生成装置。
4. 前記陽極は、前記水受け部の内側底面に沿って、または前記水受け部に立設して配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の活性酸素生成装置。
5. 前記陽極は、前記陰極の全体を覆う箱形状または筒形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の活性酸素生成装置。
6. 前記陽極は、前記水を貯蔵する容器の一部から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の活性酸素生成装置。
7. 前記陰極は、水平方向に配置された導電性の軸を介して積層されており、前記導電性の軸を中心に前記水中と大気中との間を回転することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の活性酸素生成装置。
8. 導電性高分子を含む前記基材の表面は、１０^-3〜１０⁵Ω/ｃｍの表面抵抗値であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の活性酸素生成装置。
9. 前記導電性高分子はポリアニリン、ポリアニリン誘導体、ポリピロール、ポリチオフェンまたはポリアセチレンの中の少なくとも１つの材料からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の活性酸素生成装置。
10. 前記陰極と前記陽極との間の距離が、０．５〜１０ｃｍであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の活性酸素生成装置。

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