TWI614375B - 電解水之產生方法及產生器 - Google Patents

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Abstract

一電解水產生方法及產生器，藉由電解溶有鹼金屬氯化物的水溶液而產生不含鹼金屬氯化物的酸性電解水和不含鹼金屬氯化物的鹼性電解水。
一電解水產生方法，包含以下步驟，自保留有陽離子電解液之一陽極電解液儲存槽，提供並循環包含以溶解鹼金屬氯化物水溶液組成之一陽極電解液至以一陽離子交換薄膜分隔成容納一陽極之一陽極室以及容納一陰極的一陰極室之一雙室槽的陽極室中，提供不含鹼金屬氯化物的原水到陰極室中而進行電解。由此，不含鹼金屬氯化物的鹼性電解水在陰極室被生成，同時含氯的氣體在陽極室被生成。將氣體從陽極電解液中分離和收集後，使其與不含鹼金屬氯化物的溶解液接觸而被溶解，不含鹼金屬氯化物的酸性電解水即被生成。

Description

電解水之產生方法及產生器
本發明係關於一電解水產生方法及產生器，可穩定以高電流效率產生高品質且不含高腐蝕性，例如鹽的鹼金屬氯化物的酸性電解水和鹼性電解水。
近年來該電解水產生器已在業界中透過許多商業行為而成為焦點，例如在2005年JIS將該電解水產生器建立為家庭用品；關於該電解水利用的相關文章，於2009年被教育、文化、運動、科學和技術相關的部門發表在學校午餐衛生管理標準及相關手冊中，而在2009年也被和衛生部相關的日本食品衛生協會寫在教材中。
“電解水”係一通用術語，指透過電解自來水或是用弱直流電壓電解薄鹽水而得到的水溶液，大致分成在陽極生成的“酸性電解水”以及在陰極生成的“鹼性電解水”。
一般而言，“酸性電解水”統指酸鹼值在6.5以下的酸性電解水，其針對許多致病菌或抗藥菌(例如抗藥性金黃色葡萄球菌MRSA)展現了很強的殺菌力，因此有多種應用領域，包括醫療、牙科、食品或農業。其主要的殺菌因子是透過電解而產生次氯酸水。
此外，“酸性電解水”被分類成強酸性電解水、微酸性電解水、及弱酸性電解水。電解水中所含次氯酸為正面成分(有效氯濃度：20-60ppm)，當酸鹼值在2.7以下被稱為強酸性電解水(強酸性次氯酸水)。對於一強酸性電解水產生器，其應用係根據(日本)藥事法單獨授權，目前該產生器 被批准為醫療裝置(含藥事法修訂，醫療設備生產銷售)以作為以下提及的目的使用。
強酸性電解水(有效氯：40ppm)展現了抗菌、抗病毒的活性(也對諾羅病毒有高的失活作用)，等同於高濃度(1,000ppm)的次氯酸鈉。這是因為作為殺菌因子，次氯酸(HClO)的存在率在強酸性電解水中大約90%，而鹼性次氯酸鈉保持在小於5%或以至少95%低活性的次氯酸離子(ClO-)存在。然而，次氯酸很容易和有機物質反應，因此假設存在許多有機物，強酸性電解水的殺菌效果會大幅的減低。為了克服此問題，一有效的方法是先將待殺菌的物質先經由強鹼性電解水處理，其已被證實有高的去除油、脂肪和蛋白的效果，接著再用強酸性電解水處理。迄今已針對高規格的安全性做了許多測試。
微酸性電解水係一酸鹼值為5-6.5而有效氯在10-30ppm的次氯酸水溶液，且其特性為所有產生的水都是滅菌水。其抗菌、抗病毒活性相似於強酸性電解水。安全性測試結果也是一樣的。
弱酸性電解水其酸鹼值範圍落在微酸性電解水和強酸性電解水之間已通過食物安全委員會的審議。弱酸性電解水的活性和安全性被認為和強酸性電解水或微酸性電解水一樣。
另一方面，“鹼性電解水”主要係由電解時同時在陰極產生的苛性鹼組成。“鹼性電解水”大致分類為強鹼性電解水(酸鹼值11-11.5)及弱鹼性電解水(酸鹼值9-10)，也稱為鹼性離子水，係由使用一家用電解水產生器，別名鹼性離子水淨化器，電解自來水而生成。該家用電解水產生器係家用醫療設備在藥事法施行令中被分類為“一設備儀器83醫用材料產生器”的名稱。其鹼性離子水的效用，如下所述，已經過嚴格的臨床試驗比對而獲得批准為醫療設備。更明確的來說，其對“慢性腹瀉、消化不良、胃腸道異常發酵、抗酸劑、和胃酸過多”有效。此外，已被接受對便秘有改善的效果。現在已被修訂(2005年)藥事法修訂為“對腸胃症狀有一改善效果。”
藉由在該電解水產生器中電解水溶液，其中電解液包含鹼金屬氯化物，例如氯化鈉水溶液或氯化鉀水溶液，可在陽極得到含有次氯酸水的酸性電解水，且在陰極得到含有苛性鹼的鹼性電解水。執行電解的系 統在陽極部分使用氯化鈉水溶液及氯化鉀水溶液作為組成酸性電解水的電解液，也含有次氯酸水對包含了大腸桿菌的細菌有殺菌功能。而在陰極部分，包含了苛性鹼的鹼性電解水形成一強去汙力，例如脫脂及去除蛋白，並且被廣泛應用於食品加工、農業、及醫療護理的領域。
對於產生含有次氯酸水的酸性電解水及含有苛性鹼的鹼性電解水之該電解系統，已知有方法採用雙室電解槽及三室電解槽。
在本發明中，在該陽極透過電解產生的次氯酸水、或是藉由把分離或回收在該陽極產生的氯氣溶解到溶解液中而產生含有次氯酸水的酸性電解水，被稱為“酸性電解水”，而包含了苛性鹼的鹼性電解水被稱為“鹼性電解水”。
在專利文獻1的部分，描述了使用一雙室電解槽的一方法之例子。該雙室電解槽有一陽極和一陰極透過一隔膜被分隔，為了電解能進行，該陽極室被提供了氯化納水溶液，而該陰極室被提供了例如自來水或氯化鈉水溶液的原水。
據指出，依照此法產生的酸性電解水，會保有一相當高比例未反應的氯化鈉，而該氯化鈉可能會在結束後沉澱，或者會有其他包含了管道金屬腐蝕的問題發生。在該利用雙室電解槽的電解水產生器系統中，鹽水會被提供到陽極室中以增加電解效率。
為此，在該陽極室中產生的酸性電解水，其不只包含了次氯酸還有氯化鈉成分，會有平衡時氯氣揮發的現象。由於次氯酸會在短時間內揮發，使得該酸性電解水變得很難長時間保有滅菌能力，導致應用受限。此外，由於該氯化鈉會腐蝕周圍設備使得在市場擴展上遭遇到嚴重的阻礙。
而一三室電解槽，其構造包含了一陰離子交換薄膜分隔的該陽極室、一陽離子交換薄膜分隔的該陰極室、以及由兩隔膜分隔的中間室，可藉由把鹽水原料放在中間室中以降低原物料中鹽的成分混和到酸性電解水及鹼性電解水中。因此，該三室電解槽可解決目前遭遇的問題，包含了高腐蝕性及不適用於農業。許多公司參與研發相關設備，也申請了許多專利。
具代表性的專利文獻包含專利文獻2和專利文獻3。此方法 利用了一三室電解槽，包含該陽極室、中間室及陰極室，由兩個具有離子交換功能的隔膜分隔。電解即在此狀況下進行，在該中間室中提供氯化納水溶液，而不含鹼金屬氯化物的原水被提供到該陽極室及該陰極室中，以分別在該陽極產生酸性電解水而在該陰極產生鹼性電解水。在此法中，一陰離子交換薄膜被提供作為分隔該陽極室和該中間室的隔膜，而一陽離子交換薄膜被提供作為分隔該陰極室和該中間室的隔膜。理論上，要讓酸性電解水的成分從該中間室轉移到該陽極室只需要氯離子，而要讓鹼性電解水的成分從該中間室轉移到該陰極室只需要鈉離子。因此建議，和該雙室電解槽相比，此法有利於產生較少氯化鈉殘留以及減緩使用後鹽沉澱或金屬被鹽腐蝕的問題的電解水。
如上所述，該三室電解槽提供了兩種離子交換薄膜：陰離子交換薄膜和陽離子交換薄膜，來生成酸性電解水和鹼性電解水。當比較了市售的陰離子交換薄膜和陽離子交換薄膜後，可發現由於陰離子交換薄膜的陰離子導電性和離子選擇性較差，而產生以下問題。
例如，當電解在三室電解槽中進行時，即氯化鈉水溶液被供給到中間室，而不含如鹽類的鹼金屬氯化物的原水被供給到陽極室及陰極室中，氯離子會從中間室經由陰離子交換薄膜轉移到陽極室，同時，鈉離子會經由陽離子交換薄膜轉移到陰極室。此時，如方程式(1)所示的氯生成反應會在陽極進行，而生成的氯會如方程式(2)立即和水反應而組成酸性電解水。然而，當被提供的氯離子不夠時，會有如方程式(3)所示的電解水而產生氧的競爭反應發生。另一方面，在陰極的部分，會有如方程式(4)所示的電解水而產生氫的反應發生，且產生的氫氧根離子以及由中間室所提供的鈉離子將會組成氫氧化鈉水(鹼性電解水)。
2Cl-→Cl2+2e-‧‧‧(1)
Cl2+H2O→HClO+HCl‧‧‧(2)
2H2O→O2+4H++4e-‧‧‧(3)
2H2O+2e-→H2+2OH-‧‧‧(4)
鈉離子穿透市售陽離子交換薄膜的轉移速度是很快的，即使當時電解的電流密度改變，例如從低階的3A/dm2到高階的20A/dm2，至少 90%施加的電流被用來形成鹼性電解水。然而，氯離子穿透市售陰離子交換薄膜的轉移速度就沒這麼高了。舉例來說，用來形成酸性電解水的電流(電流效率)即使用低電流密度電解時也只有80%，而在高電流密度下降低為大約40%。因此，在該陽極生成次氯酸水的能量效率並不高，導致有電流密度越高、能量效率越低的問題。
再者，例如當電解持續在該三室電解槽中進行，且在該中間室循環及供給氯化鈉水溶液時，該循環的氯化鈉水溶液酸鹼值會隨時間降低(變酸)，同時，由於有效氯成分累積在氯化鈉水溶液中而產生對人體有害的氯氣，將引發一洩漏到該電解系統外的安全問題。造成氯氣產生的原因尚不清楚。次氯酸和鹽酸會由方程式(2)形成再依序到方程式(1)，而氫離子是由方程式(3)的副反應生成。市售的用來分隔該陽極室及該中間室的該陰離子交換薄膜，在離子選擇性上不足，且可被預期次氯酸或氫離子將會透過該陰離子交換薄膜從該陽極室移動到該中間室。
市售陰離子交換薄膜被認為離子選擇性不足的原因是，即使是由三室電解槽產生的酸性電解水，仍會有低濃度的氯化鈉混和其中。陰離子交換薄膜理論上不會穿透鈉離子，為一陽離子，但用一市售陰離子交換薄膜產生的次氯酸水，和原水比起來鈉離子濃度明顯增加。另一方面，一市售陽離子交換薄膜有足夠的離子選擇性，而在陰極生成的鹼性電解水其氯離子濃度和原水比起來增加的非常少。
除了上述問題，市售的陰離子交換薄膜還有另一問題，由於氧化劑，如次氯酸，會加速惡化，因此當電解持續時，離子選擇性和陰離子導電性會越來越低。專利文獻4和專利文獻5提出一抑制該陰離子交換薄膜惡化的方法，藉由在該陽極和該陰離子交換薄膜間放置多孔不織布或多孔結構體，而物理性的隔開一陰離子交換薄膜和氧化劑，如在該陽極產生的次氯酸，的接觸。然而，這些方法無法完全防止氧化劑和該陰離子交換薄膜的接觸，且由於在該陽極和該陰極間插入一絕緣材料而使得電池電壓增加，導致另一個電能消耗率增加的問題。
如此，運用該傳統三室電解槽的該電解水產生器，主要是由於使用了陰離子交換薄膜，而使得在製造該酸性電解水時電能(電流效率) 使用率低，且產生的酸性電解水混和少量的電解液是無法避免的。此外，隨著電解操作的時間越長，會有該陽極交換薄膜被該陽極產生的次氯酸惡化的問題。至今還沒有方法或裝置可以解決所有這些問題。
【相關技術文獻】 【專利文獻】
【專利文獻1】日本未審查的公開專利申請案Hei 07-214063
【專利文獻2】日本未審查的公開專利申請案2000-212787
【專利文獻3】日本未審查的公開專利申請案2009-072755
【專利文獻4】日本未審查的公開專利申請案2006-322053
【專利文獻5】日本未審查的公開專利申請案2012-110809
本發明主要在提供一電解水產生方法及一產生器，可克服該電解水產生方法及該產生器，使用上述該傳統二室電解槽和該三室電解槽的缺點及問題，而可在一高電流效率下生成不含鹼金屬氯化物，例如鹽類，包含酸性電解水和鹼性電解水的高品質電解水，可控制酸性電解水的該酸鹼值，也可長時間穩定的操作具高耐久力。
作為解決上述問題的第一個方案，本發明提供了一電解水產生方法，包含以下步驟：自保留有陽離子電解液之一陽極電解液儲存槽提供並循環包含以溶解鹼金屬氯化物水溶液組成之一陽極電解液至以一陽離子交換薄膜分隔成容納一陽極之一陽極室以及容納一陰極的一陰極室之一雙室槽的陽極室中，供給一不含鹼金屬氯化物的原水到陰極室中， 並進行電解，藉此不含鹼金屬氯化物的鹼性電解水生成於陰極室，且同時含氯氣體生成於陽極室，將氣體從陽極電解液中分離和收集後，使之與不含鹼金屬氯化物的溶解液接觸使被溶解，而生成不含鹼金屬氯化物的酸性電解水。
作為解決上述問題的第二個方案，本發明提供了上述電解水產生方法，其中，當從陽極電解液中分離和收集的氣體和溶解液接觸使被溶解後，以一調節流速將電解產生的鹼性電解水加到溶解液中以控制不含鹼金屬氯化物的酸性電解水的酸鹼值。
作為解決上述問題的第三個方案，本發明提供了上述電解水產生方法，其中，當在陽極電解液儲存槽中被生成的含氯氣體被收集，並與在陽極室中被生成的含氯氣體混和後，將該混和的含氯氣體與溶解液接觸使被溶解而產生不含鹼金屬氯化物的酸性電解水。
作為解決上述問題的第四個方案，本發明提供了上述電解水產生方法，其中，一雙室電解槽包含為一多孔性本體之陰極以及緊貼著多孔性陰極之一陽離子交換薄膜，且陽離子交換薄膜係藉由使陽極室的背壓大於陰極室的背壓而頂推多孔性陰極。
作為解決上述問題的第五個方案，本發明提供了上述電解水產生方法，其中，電解的進行是使用溶有至少10wt%的鹼金屬氯化物的陽極電解液。
作為解決上述問題的第六個方案，本發明提供了該電解水產生方法，其中，電解產生的含氯氣體與溶解液的接觸及溶解時間為每1ml氣體至少0.05秒。
作為解決上述問題的第七個方案，本發明提供了一電解水產生器用來同時產生不含不含鹼金屬氯化物的酸性電解水，以及不含鹼金屬氯化物的鹼性電解水在一雙室電解槽中，並包含：一雙室電解槽，其係藉由一陽離子交換薄膜分隔成容納一陽極的一陽極室以及容納一陰極的一陰極室， 一陽極電解液儲存槽，用來保留包含有其中溶有鹼金屬氯化物的一水溶液之陽極電解液，一循環器，用來把該陽極電解液儲存槽中的該陽極電解液循環至該陽極室中，一陽極電解液出口管，用來排出陽極室中產生的含氯氣體以及在陽極室中溶有氣體的陽極電解液，一氣液分離器，用來將含氯氣體從陽極電解液出口管以及溶有氣體的陽極電解液中分離出來，一氯氣溶解器，藉由把在氣液分離器中從陽極電解液中分離和收集的氣體與不含鹼金屬氯化物的溶解液接觸，而產生不含鹼金屬氯化物的酸性電解水，一溶解液入口管，用來提供溶解液至氯氣溶解器，一原水入口管，用來提供不含鹼金屬氯化物的原水至陰極室，以及一鹼性電解水出口管，用來從陰極室中排出陰極室產生的鹼性電解水。
作為解決上述問題的第八個方案，本發明提供了上述電解水產生器，其中不含鹼金屬氯化物的酸性電解水的酸鹼值，將藉由控制加入電解產生的鹼性電解水到氯氣溶解器中的流速而被調節，且上述不含鹼金屬氯化物的酸性電解水將藉由在氣液分離器中把從陽極電解液中分離和收集的氣體與溶解液接觸使被溶解，而在氯氣溶解器中被生成。
作為解決上述問題的第九個方案，本發明提供了上述電解水產生器，其中，藉由收集陽極電解液儲存槽產生的含氯氣體，將之與陽極室產生的含氯氣體混和，並與溶解液接觸使被溶解，而生成不含鹼金屬氯化物的酸性電解水。
作為解決上述問題的第十個方案，本發明提供了上述電解水產生器，其中，入口管中用來提供不含鹼金屬氯化物的原水給陰極室的部分原水被分流，且連結到用來提供氯氣溶解器溶解液入口管，該被分流的原水即被用來當作溶解液。
作為解決上述問題的第十一個方案，本發明提供了上述電解 水產生器，其中，該雙室電解槽包含為一多孔性本體的陰極以及緊貼著多孔性陰極的陽離子交換薄膜，且上述陽離子交換薄膜藉由使陽極室的背壓大於陰極室的背壓而頂推多孔性陰極。
根據本發明提供之電解水產生方法及產生器，電解是在由陽離子交換薄膜分隔成的雙室電解槽中，被供給了不含鹼金屬氯化物的原水之陰極室中進行。接著，幾乎不含鹼金屬氯化物的鹼性電解水可在陰極以高電流效率被生成。而在陽極的部分，陽極電解液，由溶解鹼金屬氯化物的水溶液組成，從用來將陽極電解液保留在陽極室的陽極電解液儲存槽中被循環，以一高電流效率產生高濃度的含氯氣體。該高濃度的含氯氣體在氣液分離器被收集，與溶有鹼金屬氯化物的水溶液組成的陽極電解液分離，再與不溶鹼金屬氯化物的溶解液接觸，而在氯氣溶解器中被溶解。如此，幾乎不含鹼金屬氯化物的酸性電解水可有效的被生成。此外，本發明可改善耐久力，因為該雙室電解槽只使用高耐久力的該陽極、陰極和陽離子交換薄膜，而不使用有包含了耐久力等許多問題的陰離子交換薄膜。
此外，當從陽極電解液中分離和收集的該氣體和溶解液接觸使被溶解後，藉由在調節流速下加入電解產生的鹼性電解水，而調整不含鹼金屬氯化物的酸性電解水之該酸鹼值。本發明可產生任何任意所需強度的強酸性電解水、微酸性電解水、及弱酸性電解水。
再者，假設電解持續進行，當氯氣從保存在陽極電解液儲存槽中的陽極電解液中釋放出來，並且逐漸瀰漫在該陽極電解液儲存槽中，本發明可避免氯氣洩漏且提供有效的氯氣利用，藉由讓該陽極電解液儲存槽中的含氯氣體與該陽極生成的含氯氣體會和，並且送到該氯氣溶解器中。
再者，本發明中的該電解槽，使用的該陰極係多孔性本體且放置在緊貼著該陽離子交換薄膜的地方。該陽極室被配置有比陰極室還高的背壓，使得該陽離子交換薄膜頂推往該多孔性陰極，和傳統的該三室電解槽比，可維持一低電壓以及因增強電流效率的協同功效而大幅減低能量損耗。
再者，根據本發明之實施例，由方程式(1)產生的氯，會因電解時使用溶有至少10wt%鹼金屬氯化物的陽極電解液而被有效的促進。產生的氯如方程式(2)先與陽極電解液反應，而以次氯酸和鹽酸的形式累積。當溶解在陽極電解液的的氯達飽和後，氯就會變成氣體。
再者，根據本發明之實施例，氯可被避免洩漏到該產生器外，藉由控制含氯氣體和該溶解液的接觸和溶解時間為每1ml氣體至少0.05秒。
再者，根據本發明之實施例，原水入口管中用來提供不含鹼金屬氯化物的原水給陰極室的部分原水可被分流，且連結到用來提供氯氣溶解器溶解液入口管。因此，該被分流的原水可被用來當作溶解液，使得該裝置可被有效利用。然而，由於原水的目的不同於溶解液，如要提及，在某些情況下使用個別的水溶液會較好。
1‧‧‧雙室電解槽
2‧‧‧陽極室
3‧‧‧陰極室
4‧‧‧陽離子交換薄膜
5‧‧‧陽極
6‧‧‧陰極
7‧‧‧原水入口管
8‧‧‧鹼性電解水儲存槽
9‧‧‧鹼性電解水出口管
10‧‧‧陽極電解液儲存槽
11‧‧‧循環器
12‧‧‧氣液分離器
13‧‧‧陽極充氣管
14‧‧‧氯氣管
15‧‧‧溶解液入口管
16‧‧‧鹼性電解水幫浦
17‧‧‧流量控制閥
18‧‧‧氯氣溶解器
19‧‧‧酸性電解水出口管
20‧‧‧陽極電解液出口管
21‧‧‧三室電解槽
22‧‧‧陽極室
23‧‧‧陰極室
24‧‧‧中間室
25‧‧‧陰離子交換薄膜
26‧‧‧陽離子交換薄膜
27‧‧‧陽極
28‧‧‧陰極
29‧‧‧中間室電解液儲存槽
30‧‧‧循環器
第一圖顯示顯示本發明電解水產生器之一實施例之流程圖；以及第二圖顯示傳統電解水產生器之一實施例之流程圖。
本發明將於此藉由參考一些附圖的實施例而詳述。
第一圖顯示本發明一實施例之該電解水產生器，包含雙室電解槽1、陽極室2、陰極室3、陽離子交換薄膜4、陽極5、陰極6、原水入口管7、鹼性電解水儲存槽8、鹼性電解水出口管9、陽極電解液儲存槽10、循環器11、氣液分離器12、陽極充氣管13、氯氣管14、溶解液入口管15、鹼性電解水幫浦16、流量控制閥17、氯氣溶解器18、酸性電解水出口管19、以及陽極電解液出口管20。
在本發明中，係自利用循環器11儲存有陽極電解液的陽極電解液儲存槽10提供包含溶有鹼金屬氯化物(如鹽類)的水溶液的陽極電解液到雙室電解槽1中的陽極室2，其中雙室電解槽1係利用陽離子交換薄膜4分隔成兩室：容納陽極5的陽極室2以及容納陰極6的陰極室3。當不含鹼金屬氯化物(如鹽類)的原水被從該原水入口管7供給到該陰極室3時，電 解同時被進行。通過電解的操作，不含鹼金屬氯化物的鹼性電解水在陰極室3被生成。生成的鹼性電解水經由鹼性電解水儲存槽8從鹼性電解水出口管9被釋出。
含氯氣體在該陽極室2被產生，且在該氣液分離器12中從陽極電解液被分離，因此，被收集的氣體經由該陽極充氣管13被送到該氯氣溶解器18。不含鹼金屬氯化物(如鹽類)的溶解液，從該溶解液入口管15被供給到該氯氣溶解器18中，且不含鹼金屬氯化物(如鹽類)的酸性電解水在該氯氣溶解器18中被生成。產生的酸性電解水經由該酸性電解水出口管19被釋出。
另一方面，由該氣液分離器12分離的該陽極電解液被循環到該陽極電解液儲存槽10。
在該陽極電解液儲存槽10中保存的含有該鹼金屬氯化物的陽極電解液被部分的分解而釋出氯氣。為了減少氯氣洩漏的負面影響以及能更有效的利用，在該陽極電解液儲存槽10中產生的氯氣，被經由該氯氣管14送到該氯氣溶解器18中以被用來產生酸性電解水。
部分的原水可被當作溶解液，經由該原水入口管7的分支管(未畫出)供給到該氯氣溶解器18中。
在該陰極室3中電解產生的鹼性電解水，可在透過控制該流量控制閥17的狀況下控制流速，並用該鹼性電解水幫浦16使經由該鹼性電解水儲存槽8被加到該氯氣溶解器18的溶解液中。如此，在該氯氣溶解器18中產生的酸性電解水之該酸鹼值即可被控制成所需數值。
對於要被當作陽極電解液的的鹼金屬氯化物，以氯化鋰、氯化鈉和氯化鉀為例，其中氯化鈉和氯化鉀可被較佳的選用。對於原水，井水和自來水皆可。更適合的是藉由移除井水和自來水中鈣離子和鎂離子的軟水、藉由進一步移除其他陽離子和陰離子的離子交換水、以及藉由移除有機物的的純水。
當電解在進行，而陽極室2被供給了含有至少一種該鹼金屬氯化物的陽極電解液時，方程式(1)中所示的氯生成反應以及方程式(3)中所示的氧生成反應，會在陽極5處產生競爭。本發明讓方程式(1)中的氯生成 有效進行，藉由控制陽極室2中供給的鹼金屬氯化物水溶液濃度為至少10wt%。如方程式(2)中所示，產生的氯會先和陽極電解液反應而以次氯酸和鹽酸的形式累積，且當在陽極電解液中的溶解量達飽和後，氯會以氣體釋出。為了有效產生氯氣，可讓陽極電解液循環直到溶解的氯達飽和、或藉由在陽極電解液中加入鹽酸來降低該酸鹼值而降低氯的飽和溶解濃度。
當電解在進行，而上述舉例的原水被供給到陰極室3中時，如方程式(4)中所示，在陰極6處由電解水反應產生的氫氧離子，和鹼性電解水中從陽極室2透過陽離子交換薄膜4的陽離子為相反離子，被生成且從鹼性電解水出口管9經由鹼性電解水儲存槽8被釋出。鹼性電解水的酸鹼值至少為8，雖然會隨著原水的流速或電解時的電流密度而改變。當原水中含有較硬的成分，例如鈣離子和鎂離子，水垢將會在陰極6的表面、陰極室3內、以及鹼性電解水出口管9中形成。此類問題在長時間電解後很容易發生，陰極的反應會被抑制或鹼性電解水的流量也會減少。為了抑制此問題，會特別較佳的選用軟水、離子交換水、或純水作為供給到陰極室3中的原水。
由於低電導度的原水被供給到陰極室3中，若在陽離子交換薄膜4和該陰極6間存在一空穴的話，電解時的電壓將會變得相當高，導致能量耗損增加的問題產生。然後，為了應付此狀況，陰極6係利用多孔性材料而製成，例如柵網、穿孔板、和發泡體，且被放置在緊貼陽離子交換薄膜4的地方，並使陽極室2的背壓大於陰極室3，以在電解時由於陽離子交換薄膜4頂推往多孔性陰極6而維持低的電解電壓。位於陽極室2，即使在陽離子交換薄膜4和陽極5之間存在空穴，也由於在供給了高導電度的陽極電解液使得電解時增加的電池電壓小。因此，陽離子交換薄膜4並不一定要總是緊貼著陽極5。在此舉例一可以維持陽極室2的背壓大於陰極室3的方法，即氣液分離器12高於陽極室2的距離，要維持大於鹼性電解水儲存槽8及鹼性電解水出口管9低於陰極室3的距離。
在陽極5產生的含氯氣體和陽極電解液一起被供給到氣液分離器12中，被收集的氣體只移動到陽極充氣管13而陽極電解液則回到陽極電解液儲存槽10中。如上所述，溶在陽極電解液的的氯最多到接近飽 和濃度。當電解持續時，氯會從累積在陽極電解液儲存槽10的陽極電解液中釋放出來，漸漸的儲存槽中會積滿氯，最終導致有氯從儲存槽中洩漏出來的安全問題發生。此氯洩漏問題可被一方法避免，即把陽極電解液儲存槽10的含氯氣體引到氯氣管14中，並使之與陽極5產生的含氯氣體會合且轉移到陽極充氣管13中。
氣體中的氯與氯氣溶解器18的溶解液接觸而溶解變成酸性電解水如方程式(2)的反應所示。其中，當供給到氯氣溶解器18中的氯沒有全部接觸到溶解液且被溶解，未溶解的氯會釋出到系統外引發安全問題。為避免此問題發生，必須在氯氣溶解器18中供給足夠量的該溶解液。此外，氯氣溶解器18可較佳的提供促進接觸與溶解氯的方法，例如一噴灑器、一氣體擴散器、一外部攪拌器、一靜態攪拌器、以及一洗滌器。此外，為了避免氯釋放到該系統外，亦可藉由控制該電解產生的該含氯氣體與該溶解液的溶解接觸時間為每1ml氣體至少0.05秒。
在本發明實施例的該產生器中，用來製造酸性電解水的溶解液可和用來製造鹼性電解水的原水相同或不同。如方程式(2)中所示的該水和氯的反應，鹽酸是除了次氯酸外的副產物，使本發明的該產生器產生的該酸性電解水傾向變成酸性。如上所述，當該原水被供給到陰極室3，使用軟水、離子交換水、或該純水在控制鈣離子和鎂離子造成的水垢上是較佳的。而為了該溶解液被利用來製造次氯酸水，含有鈣離子和鎂離子的水，例如井水或自來水，可被使用而不會有此問題。
在本發明實施例的該產生器中，在酸性電解水中次氯酸的濃度可藉由控制溶解液以及在陽極5被產生的含氯氣體被供給的體積而被調節。然而，上述酸鹼值會隨著次氯酸的濃度而降低，因為如方程式(2)所示，鹽酸是副產物。如上所述，酸性電解水中的次氯酸水有一強氧化力，且可對大腸桿菌和細菌有殺菌的作用。然而，殺菌能力會隨著酸鹼值而不同，已知在酸鹼值6左右是強的。在低酸鹼值的區域，次氯酸會和氯達成平衡，而產生氯氣從酸性電解水中的次氯酸水被釋出的風險。因此，在本發明實施例的該產生器中，如第一圖所示，產生的鹼性電解水在鹼性電解水儲存槽8中被保留一次，而產生的酸性電解水之酸鹼值可被調控，藉由使用鹼 性電解水幫浦16和流量控制閥17來混和適當量的鹼性電解水和該溶解液。
【例子】
根據本發明之實施例，以下為一利用該電解水產生器生成次氯酸水和鹼性電解水的例子說明，但本發明並不欲以此為限。
<比較例1>
在如第一圖所示的電解系統中，雙室電解槽1包含了陽極5的電極(由Permelec Electrode Ltd.所生產的JL-510)、由熱沉積法以60cm2投影面積將白金催化劑塗布在柵網狀的鈦基質上來製備的陰極6、以及用來分隔陽極室2和陰極室3的陽離子交換薄膜4(由杜邦所生產的註冊商標Naflon N-115)。陽離子交換薄膜4被放置使得各電極在不同分別在兩邊和薄膜接觸。氣液分離器12放置在比陽極室2高5cm處且被調整，使得陽極室2被施加了50mmH2O的背壓，且鹼性電解水出口管9被放置在比陰極室3高5cm處且被調整，使得陰極室3被施加了50mmH2O的背壓。
在比較例1中，第一圖的陽極電解液儲存槽10上方之氯氣管14並未被安裝，且陽極充氣管13被直接的和氯氣溶解器18相連，溶解液入口管15中的溶解液以及鹼性電解水儲存槽8中的鹼性電解水係經混和且自氯氣溶解器18的上部噴灑。
含有約8wt%氯化鈉水溶液的陽極電解液係藉由循環器11在陽極電解液儲存槽10和陽極室2間循環。其中軟水被當作原水以1L/min的該流速被供給到陰極室3中，電解藉由在陽極5和陰極6上施加6A的電流而被進行。至於氯氣溶解器18，自來水被以1L/min的流速供給作為溶解液，而和經由陽極充氣管13供給的含氯氣體接觸以被溶解而生成酸性電解水。經由設計氯氣溶解器18的容量而使得溶解液和含氯氣體的接觸與溶解時間被控制在1秒。
電解開始一小時後，量測的電池電壓為28V，酸性電解水出口管19處的次氯酸水樣品其有效氯濃度為108mg/L，酸鹼值為2.7，而氯化鈉密度的增加量為4mg/L。鹼性電解水出口管9處之鹼性電解水樣品的酸鹼值為11.6，而氯化鈉密度的增加量為1mg/L。在酸性電解水出口管 19的出口以及陽極電解液儲存槽10的附近，只聞到一點點氯氣，但尚未達到有問題的程度。從施加電量計算而得的氯生成量約40NmL/min，而溶解液和含氯氣體在氯氣溶解器18的接觸和溶解時間被估計為每1ml氣體0.025秒。
<比較例2>
在與比較例1相同的情況下，電解在比較例1中提及的該電解系統下進行，加入任意量的電解產生之鹼性電解水到提供給氯氣溶解器18的溶解液中。電解開始一小時後，量測的電池電壓為28V，而當加入到溶解液中的鹼性電解水量改變時，產生的酸性電解水量、有效氯濃度及酸鹼值、產生的鹼性電解水量及酸鹼值被列在表1中。藉由控制加到溶解液中的鹼性電解水可調整酸鹼值。
Figure TWI614375BD00001
<比較例3>
如比較例1所述的電解系統，用和比較例1相同的方法進行電解，用和比較例1相同的電解水產生器，除了在比較例3中，氯氣管14被連結到陽極電解液儲存槽10的上方，且在氯氣管14和陽極充氣管13相連後被連結到氯氣溶解器18。
電解開始一小時後，量測的電池電壓為28V，酸性電解水出口管19處的酸性電解水樣品其有效氯濃度為108mg/L，酸鹼值為2.7，而氯化鈉密度的增加量為4mg/L。鹼性電解水出口管9處之鹼性電解水樣品的酸鹼值為11.6，而氯化鈉密度的增加量為1mg/L。在酸性電解水出口管19的出口附近只聞到一點點氯氣，但在陽極電解液儲存槽10的附近並未聞到氯。
<實施例4>
電解在和比較例3中相同的電解系統及方法下進行，除了和比較例1比起來，在實施例4中，鹼性電解水出口管9被放置在比陰極室3高5cm處，且對陰極室3的背壓被調整為50mmH2O、氣液分離器12被放置在比陽極室2高30cm處，且對陽極室2的背壓被調整為300mmH2O。因此，在實施例4中，陽離子交換薄膜係藉由增加陽極室的背壓使之高於陰極室而頂推往多孔性陰極。
電解開始一小時後，量測的電池電壓為2.8V，酸性電解水出口管19處的酸性電解水樣品其有效氯濃度為108mg/L，酸鹼值為2.7，而氯化鈉密度的增加量為4mg/L。鹼性電解水出口管9處之鹼性電解水樣品的酸鹼值為11.6，而氯化鈉密度的增加量為1mg/L。
<實施例5>
電解在和實施例4中相同的電解系統及方法下進行，除了在實施例5中，陽極電解液係30wt%的氯化鈉水溶液。
電解開始一小時後，量測的電池電壓為2.6V，酸性電解水出口管19處的酸性電解水樣品其有效氯濃度為113mg/L，酸鹼值為2.8，而氯化鈉密度的增加量為4mg/L。鹼性電解水出口管9處之鹼性電解水樣品的酸鹼值為11.7，而氯化鈉密度的增加量為1mg/L。
<實施例6>
電解在和實施例5中相同的電解系統及方法下進行，除了在實施例6中，在氯氣溶解器18中溶解液和含氯氣體的接觸與溶解時間為2秒。
電解開始一小時後，量測的電池電壓為2.6V，酸性電解水出口管19處的酸性電解水樣品其有效氯濃度為120mg/L，酸鹼值為2.7，而氯化鈉密度的增加量為4mg/L。鹼性電解水出口管9處之鹼性電解水樣品的酸鹼值為11.7，而氯化鈉密度的增加量為1mg/L。在陽極電解液儲存槽10以及酸性電解水出口管19的出口附近並未聞到氯。
溶解液與含氯氣體的接觸與溶解時間估計為每1ml氣體0.05秒。
<與比較例1比較>
第二圖是一傳統的使用三室電解槽的電解水產生器，包含了三室電解槽21、陽極室22、陰極室23、中間室24、陰離子交換薄膜25、陽離子交換薄膜26、陽極27、陰極28、中間室電解液儲存槽29以及循環器30。如第二圖所示的電解水產生器，三室電解槽21被陰離子交換薄膜25(由Tokuyama Corporation所製造的註冊商標Neosepta AHA)分隔成陽極室22和中間室24，且進一步被陽離子交換薄膜26(由杜邦所生產的註冊商標Naflon N-115)分隔成陰極室23和中間室24。電極(由Permelec Electrode所生產的JL-510)由熱沉積法以60cm2投影面積將白金催化劑塗布在柵網狀的鈦基質上來製備而成的陽極27和陰極28，被分別放置在陽極室22和陰極室23中。
由約30wt%的氯化鈉水溶液組成的中間室溶液，藉由循環器30在中間室電解液儲存槽29以及該中間室24間循環。作為原水的軟水以一1L/min的流速被供給到陰極室23中，且作為原水的自來水被供給到陽極室22中，電解藉由在陽極27和陰極28上施加6A的電流而被進行。
電解開始一小時後，量測的電池電壓為6.2V，在陽極27產生的酸性電解水其有效氯濃度為71mg/L，酸鹼值為2.6，而氯化鈉密度的增加量為47mg/L。在陰極28產生的鹼性電解水之酸鹼值為11.7，而氯 化鈉密度的增加量為1mg/L。
【工業應用性】
本發明提供的電解水產生方法及產生器可降低原料中鹽類成分混和到產生的酸性電解水和鹼性電解水中，因此，可被廣泛的應用在與高腐蝕性相關的工業以及農業的領域。
1‧‧‧雙室電解槽
2‧‧‧陽極室
3‧‧‧陰極室
4‧‧‧陽離子交換薄膜
5‧‧‧陽極
6‧‧‧陰極
7‧‧‧原水入口管
8‧‧‧鹼性電解水儲存槽
9‧‧‧鹼性電解水出口管
10‧‧‧陽極電解液儲存槽
11‧‧‧循環器
12‧‧‧氣液分離器
13‧‧‧陽極充氣管
14‧‧‧氯氣管
15‧‧‧溶解液入口管
16‧‧‧鹼性電解水幫浦
17‧‧‧流量控制閥
18‧‧‧氯氣溶解器
19‧‧‧酸性電解水出口管
20‧‧‧陽極電解液出口管

Claims (9)

  1. 一電解水產生方法，步驟包含：自保留有陽離子電解液之一陽極電解液儲存槽，提供並循環包含以溶解鹼金屬氯化物水溶液組成之一陽極電解液，至以一陽離子交換薄膜分隔成容納一陽極之一陽極室以及容納一陰極的一陰極室之一雙室槽的該陽極室中，供給一不含鹼金屬氯化物的原水到該陰極室中，並進行電解，藉此不含鹼金屬氯化物的鹼性電解水生成於該陰極室，且同時含氯氣體生成於該陽極室，將該氣體從該陽極電解液中分離和收集後，使其與不含鹼金屬氯化物的溶解液接觸使被溶解，而生成不含鹼金屬氯化物的酸性電解水；其中該雙室電解槽包含為一多孔性本體之一陰極，並係利用緊貼著該多孔性陰極之該陽離子交換薄膜，且該陽離子交換薄膜係藉由使該陽極室的背壓大於該陰極室的背壓而頂推該多孔性陰極。
  2. 如申請專利範圍第1項之電解水產生方法，其中，當從該陽極電解液中分離和收集的該氣體和該溶解液接觸使被溶解後，以一調節流速將電解產生的鹼性電解水加到該溶解液中，以控制不含鹼金屬氯化物的該酸性電解水的酸鹼值。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之電解水產生方法，其中，在收集該陽極電解液儲存槽中生成的含氯氣體並使之與在該陽極室中生成的該含氯氣體混和後，將該混和的含氯氣體與該溶解液接觸使被溶解而產生不含鹼金屬氯化物的該酸性電解水。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之電解水產生方法，其中該電解係藉由使用溶有至少10wt%鹼金屬氯化物的該陽極電解液來完成。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項之電解水產生方法，其中以該溶解液電解產生該含氯氣體之接觸及溶解時間為每1ml氣體至少0.05秒。
  6. 一電解水產生器，藉由一雙室電解槽同時產生不含鹼金屬氯化物的酸性電解水以及不含鹼金屬氯化物的鹼性電解水，包含： 一雙室電解槽，其係藉由一陽離子交換薄膜分隔成容納一陽極的一陽極室以及容納一陰極的一陰極室；一陽極電解液儲存槽，用來保留包含有其中溶有鹼金屬氯化物的一水溶液之陽極電解液；一循環器，用來把該陽極電解液儲存槽中的該陽極電解液循環至該陽極室中；一陽極電解液出口管，用來排出該陽極室中產生的含氯氣體以及在該陽極室中溶有氣體的該陽極電解液；一氣液分離器，用來將該含氯氣體從該陽極電解液出口管以及溶有氣體的該陽極電解液中分離出來；一氯氣溶解器，藉由把在該氣液分離器中從該陽極電解液中分離和收集的該氣體與不含鹼金屬氯化物的溶解液接觸，而產生不含鹼金屬氯化物的酸性電解水；一溶解液入口管，用來提供該溶解液至該氯氣溶解器；一原水入口管，用來提供不含鹼金屬氯化物的原水至該陰極室；以及一鹼性電解水出口管，用來從該陰極室中排出該陰極室產生的鹼性電解水；一其中該雙室電解槽包含為一多孔性本體之該陰極以及緊貼著該多孔性陰極的該陽離子交換薄膜，且該陽離子交換薄膜藉由使該陽極室的背壓大於該陰極室的背壓而頂推該多孔性陰極。
  7. 如申請專利範圍第6項之電解水產生器，其中不含鹼金屬氯化物的該酸性電解水的酸鹼值，將藉由控制加入電解產生的鹼性電解水到該氯氣溶解器中的流速而被調節，其中不含鹼金屬氯化物的該酸性電解水係藉由在該氣液分離器中把從該陽極電解液中分離和收集的該氣體與該溶解液接觸使被溶解，而在該氯氣溶解器中生成。
  8. 如申請專利範圍第6項或第7項之電解水產生器，其中不含鹼金屬氯化物的該酸性電解水係藉由收集該陽極電解液儲存槽產生的該含氯氣體，將其與該陽極室產生的該含氯氣體混和，並與該溶解液接觸使被溶解而生成。
  9. 如申請專利範圍第6項或第7項之電解水產生器，其中該入口管中用來 提供不含鹼金屬氯化物的該原水給該陰極室的部分原水被分流並連結到用來提供該溶解液至該氯氣溶解器的該入口管，且被分流的該原水被用來當作該溶解液。
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