WO1996000701A1 - Cellule d'electrolyse du type sans diaphragme pour l'electrolyse de l'eau - Google Patents

Cellule d'electrolyse du type sans diaphragme pour l'electrolyse de l'eau Download PDF

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Kazuyuki Watanabe
Hiroshi Takamatsu
Hidetaka Miyahara
Shigeru Ando
Tomohiro Nishi
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Toto Ltd.
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Definitions

  • the present invention is an electrolytic cell for electrochemically producing alkaline water or acidic water by electrolysis of water. More specifically, the present invention is directed to a non-diaphragm type electrolytic cell capable of effectively preventing scale such as calcium carbonate from depositing in a water passage of the electrolytic cell.
  • Hydroxide ion (OH—) rich alkaline water is also conventionally called “alkaline ion water”. It is effective for improving health when drinking as drinking water, and is used for tea-coffee and cooking. In some cases, it is considered to have the effect of enhancing the taste.
  • Hydrogen ion (H +) -rich acidic water is known to be suitable for boiling and washing face water. Furthermore, strong acid water containing available chlorine (hypochlorous acid or chlorine gas) obtained by electrolyzing tap water or saline solution containing sodium chloride has attracted attention as having a strong bactericidal action.
  • a water electrolyzer (often referred to in the industry as an ionic water generator) has been used.
  • This device utilizes the electrolysis of water and has an electrolytic cell with an anode and a cathode.
  • a dc voltage between the electrodes at the interface between the anode and the water present in the water by the ionization of water OH - is oxidized giving electrons to the anode, is made with oxygen gas removed from the system t
  • H + concentration increases at the interface between the anode and water, and H + -rich acidic water is generated.
  • H + receives electrons from the cathode, is reduced to hydrogen, and is removed as hydrogen gas, so that the OH-purity is increased.
  • chlorine gas is generated at the anode and dissolved in water to produce hypochlorous acid.
  • a general electrolytic cell of the prior art in order to prevent the alkaline water and the acid water generated by electrolysis from mixing with each other and to take them out separately, Between the anode plate 1 and the cathode plate 2 is impervious, electrically conductive and The membrane is divided into an alkaline water channel 4 and an acidic water channel 5 by this membrane (this type of electrolytic cell is hereinafter referred to as a “diaphragm-type” cell). This is called a tank release).
  • FIG. 2 shows the relationship between the apparent solubility of calcium carbonate and PH.
  • pH 8 the solubility decreases rapidly, causing precipitation of calcium carbonate in the alkaline water channel.
  • Calcium ions move toward the cathode plate due to the action of the electric field between the electrodes, and increase the concentration of calcium ions in the alkaline water flow path, thereby helping to precipitate calcium carbonate.
  • the scale tends to deposit preferentially on the diaphragm 3 over the cathode plate 2. This is probably because the cathode plate generally has a polished surface, whereas the diaphragm is porous and precipitates easily. Since precipitates such as calcium carbonate have insulating properties, they increase the electric resistance to deteriorate the electrolysis efficiency of the electrolytic cell and increase the water flow resistance. Therefore, unless the scale is removed, the cell becomes unusable in a very short time. Therefore, in the conventional technology, the precipitate is dissolved and removed by operating the polarity reversing switch 7 (Fig.
  • the diaphragm 3 is much more or less distant from the electrode plate, and is formed along the surface of the original cathode plate (which becomes the anode when a reverse polarity voltage is applied) 2 Strongly acidic water flows on the water stream, and therefore cannot reach the diaphragm in flowing water, so that the diaphragm cannot be made sufficiently acidic and the scale deposited on the diaphragm can be rapidly dissolved. Can not.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-284889 proposes that the electrolytic cell has a structure without a diaphragm.
  • This type of electrolytic cell is referred to herein as a "diaphragm-type" electrolytic cell.
  • the electrode plates are arranged in a narrow ⁇ , hence c water is made to flow water passage electrode ⁇ while forming a laminar flow, without providing a diaphragm, The alkaline water and the acidic water generated by the electrolysis can be separated.
  • the power consumption is reduced, and the water flowing through the water passage between the cathode plate and the anode plate forms a laminar flow.
  • the cathode plate and the anode plate are arranged with a gap as narrow as possible.
  • a main object of the present invention is to improve a diaphragm-free electrolytic cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-284889, and to effectively prevent scale deposition caused by a spacer. Is to provide.
  • another object of the present invention is to provide a non-diaphragm type electrolytic cell capable of effectively preventing scale accumulation substantially over the entire length of the electrode plate. Disclosure of the invention
  • the present inventor has found that the likelihood of scale precipitation on the surface of the spacer is due to the water absorption of the material forming the spacer.
  • the water absorption rate is a constant value that indicates the property of an object to absorb water, and indicates the ratio between the weight increase and the original weight when the object is immersed in distilled water at a certain temperature for a certain time. Is defined as The present invention is based on the finding that the smaller the water absorption of the spacer-forming material is, the more difficult it is for the scale to precipitate, and the anode plate and the cathode plate are arranged to face each other with an electrically insulating spacer therebetween.
  • the spacer is formed of an electrically insulating material having a water absorption of 0.3% or less, preferably 0.2% or less, more preferably 0.01% or less. It is assumed that.
  • the spacer can be formed of a material such as, for example, polytetrafluoroethylene or polypropylene.
  • the inlet of the water passage of the electrolytic cell is connected to a distribution passage having a flow passage cross-sectional area larger than the flow passage cross-sectional area of the water passage, and the cross-sectional shape of the distribution passage is:
  • the design is such that the turbulence region generated in the entrance area of the water channel is minimized.
  • Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a prior art "diaphragm-type" electrolytic cell
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between apparent solubility of calcium carbonate and PH;
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the electrolytic cell of the present invention.
  • Fig. 4 is a cross-sectional view taken along the line 1-! ⁇ In Fig. 3, showing the assembled state of the electrolytic cell; Electrode plates and spacers are omitted;
  • Figure 6 is a cross-sectional view along the line VI in Figure 4.
  • Figure 7 is a sectional view along the line VII-YII in Figure 4.
  • Figure 8 is an enlarged view of the part inside circle A in Figure 5;
  • Figure 9 is an enlarged view of the part inside circle B in Figure 5;
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 3, showing an assembled state of the electrolytic cell;
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view taken along a line XI of FIG.
  • Fig. 12A to Fig. 12C are photographs showing the precipitation state of the precipitate on the cathode plate of the electrolytic cell when the spacer is formed from different materials, as viewed along the arrow in Fig. 3.
  • FIG. 12A is an ABS resin
  • FIG. 12B is a polysulfone
  • FIG. 12C shows a case where a spacer is formed of polycarbonate
  • Fig. 13A and Fig. 13B are the same photographs as Fig. 12, Fig. 13A is the polyalloyrene, Fig. 13B is the cathode when the spacer is formed with polytetrafluoroethylene Shows the state of precipitation of the precipitate on the plate;
  • Fig. 14 is an enlarged schematic diagram of the portion inside the circle A in Fig. 9;
  • FIG. 15 is a schematic diagram similar to FIG. 14, showing an electrolytic cell with a conventional distribution channel structure:
  • FIG. 16A is a photograph showing the state of precipitation on the cathode plate of the electrolytic cell shown in FIG. 14;
  • FIG. 16B is a photograph showing the state of precipitation on the cathode plate of the electrolytic cell shown in FIG. 15;
  • FIG. 17 is a cross-sectional view taken along the line XIV-XIV of FIG. 4, showing a variation of the housing of the electrolytic cell, in which the electrode plate and spacer are omitted.
  • the diaphragmless electrolytic cell 10 has a vertically long housing 12.
  • the housing 12 holds three electrode plates, a first anode plate 16, a cathode plate 18, and a second anode plate 20, in a recess of a resin pressure-resistant case 14 while sandwiching a plurality of resin spacers 22. They are arranged in sequence and the cover 24 is screwed to the case 14 in a liquid-tight manner.
  • the electrolytic cell 10 has a so-called double cell structure, and the processing capacity is doubled by using both sides of the cathode plate 18 effectively. Even small space can be stored.
  • the distance between the electrode plates is determined by, for example, five spacers 22.
  • the spacers 22 have a thickness of about 0.5 mm, so that the electrode spacing is about 0.5 mm. It is like that.
  • the spacer 22 can be formed of a plastic having a low water absorption such as polytetrafluoroethylene or polypropylene.
  • the electrode plates 16, 18, and 20 are preferably manufactured by coating a titanium metal plate with platinum. Terminals 16A, 18A, and 20A are fixed to the electrode plates 16, 18, and 20, respectively, so that they can be connected to a DC power supply (not shown) via a conventional inverting switch (not shown). I have.
  • Case 14 has a 26 A mouth 28 and an acidic water outlet 30 are formed.
  • the water inlet 26 communicates with the upper water distribution passage 32 having a substantially triangular cross section.
  • the clean water distribution passage 32 is formed by a case 14 and a cover 24, and extends over the entire length of the electrode plate in the vertical direction.
  • the water supply inlet 26 can be connected to a water pipe by a hose or the like.
  • the electrolytic cell 10 may be connected downstream of the water purifier, and the water purified by the water purifier may be introduced into the water inlet 26 of the electrolytic cell 10.
  • a first water passage 34 is formed between the first anode plate 16 and the cathode plate 18, and the cathode plate 18 and the second anode plate are formed.
  • a second water passage 36 is formed between the passages 20 and 20.
  • These water passages 34 and 36 function as electrolysis chambers in cooperation with the electrode plates 16, 18 and 20.
  • Each of the waterways 34 and 36 is divided into four upper and lower subchannels by, for example, five spacers 22 extending in the horizontal direction.
  • the inlets 34 A and 36 A of these water passages 34 and 36 communicate with the clean water distribution passage 32 having a cross-sectional area larger than the cross-sectional area thereof. Let me do it. Therefore, the clean water flowing down from the clean water inlet 26 along the distribution passage 32 is distributed to the four sub-water passages 34 and 36, as shown by arrows in FIG. Flows into.
  • the side walls 32 A and 32 B of the distribution passage 32 are inclined toward the inlets 34 A and 36 A of the water passage. Water flows smoothly into the inlets 34 A and 36 A of the water channel. Due to such a shape, the water flowing into the waterway entrances 34 A and 36 A becomes laminar while flowing through the relatively short approach section DT as shown in FIG.
  • the downstream ends of the water passages 34 and 36 acting as electrolysis chambers are formed of a substantially pentagonal alkaline water formed by the case 14 and the cover 24. It is open to the collection passage 38.
  • the water recovery passage 38 communicates with the alkaline water outlet 28 and extends over the entire length of the electrode plate in the same manner as the water distribution passage 32.
  • the cross-sectional area of the water recovery passage 38 is sufficiently larger than the cross-sectional area of the water passages 34 and 36, so Ends of waterways 3 4 and 3 6 without generating , The alkaline water is smoothly discharged to the alkaline water recovery passage 38.
  • the case 14 and the cover 24 are further provided with anodes 40 and 42, respectively, extending over the entire length of the anode plates 16 and 20 in the vertical direction.
  • the acid water recovery passages 44 and 46 are formed in cooperation with each other.
  • the lower ends of the acidic water recovery passages 44 and 46 join at a communication port 48 (FIGS. 6 to 7), and further communicate with an acidic water outlet 30 (FIG. 4).
  • the anode plates 16 and 20 have slits 16 C and 2 OC, respectively, acting as acid water recovery ports. The water that has passed through the slits 16 C and 2 OC flows into the acidic water recovery passages 44 and 46.
  • the capacity of the acidic water recovery passages 44 and 46 is also sufficiently large with respect to the cross-sectional area of the slits 16 C and 2 OC, and the turbulent flow of the acidic water recovered from the slit may occur. And flows smoothly into the acidic water recovery passages 44 and 46.
  • the acidic water flowing out of the slits 16 C and 2 ° C is recovered in the acidic water recovery passages 44 and 46 over substantially the entire length of the anode plate in the vertical direction, and further sent to the acidic water outlet 30.
  • the water inlet 26 of the electrolytic cell can be connected to a water tap by a hose or the like, and the alkaline water outlet 28 and the acidic water can be connected.
  • the outlet 30 can be connected to conventional flow control valves 50 and 52, respectively.
  • the clean water introduced from the clean water inlet 26 is distributed to the inlets of the water passages 34 and 36 (upstream side) through the distribution passage 32 over the entire vertical length of the electrode plates 16, 18 and 20. At the end) and flow horizontally into the channels 34 and 36.
  • the electrolysis proceeds while water flows through the water passages 34 and 36.
  • Alkaline water is generated along the surface of the cathode plate 18, and acidic water is generated along the surfaces of the anode plates 16 and 20.
  • the alkaline water is recovered at the outlet 28 of the electrolytic cell, and the acidic water is recovered at the outlet 30.
  • coagulated precipitates such as calcium carbonate precipitate on both surfaces of the cathode 18.
  • the coagulated sediment deposited on the surface of the cathode plate 18 is not suitable. By switching the reversing switch at the appropriate time, it can be removed relatively quickly.
  • a positive voltage is applied to the cathode plate 18 and a negative voltage is applied to the anode plates 16 and 20, a layer of strongly acidic water is generated on the surface of the cathode plate 18.
  • the precipitate deposited on the surface of the cathode plate 18 is dissolved.
  • FIGS. 3 and 4 An electrolytic cell having the structure shown in FIGS. 3 and 4 was prototyped, and a durability test was performed using spacers formed of different materials.
  • the spacer was made of the following five types of plastic materials.
  • the water in Chigasaki City was electrolyzed while applying a reverse polarity voltage for about 15 seconds every 4 minutes.
  • the electrolytic cells are disassembled, and deposits on the surface of the cathode plate 18
  • the state of precipitation was examined.
  • the photographs of FIGS. 12A to 12C and FIGS. 13A to 13B show the precipitation states of the precipitates on the surface of the cathode plate 18 when each spacer is used.
  • Fig. 12A shows the case where a spacer formed of ABS (acrylonitrile.butadiene.styrene) resin with high water absorption is used. After approximately 200 hours of operation, the scale is unacceptably precipitated. ing.
  • Figures 12B and 12C use a spacer made of polysulfone and polycarbonate with lower water absorption, respectively. This indicates that scale deposition was observed, but the degree of growth was significantly less than that of ABS resin.
  • Figures 13A and 13B show the case where a spacer formed of polypropylene and polytetrafluoroethylene was used, respectively, and scale deposition was observed even after a durability test of about 200 hours. Is not allowed at all.
  • FIGS. 9 and 14 An electrolytic cell having a structure in which the side walls of the distribution passage are inclined as shown in FIGS. 9 and 14 and an electrolytic cell having a conventional structure as shown in FIG. 15 were prepared.
  • the width of the electrode plate was about 5 cm.
  • the water in Chigasaki was electrolyzed while applying a reverse polarity voltage for about 15 seconds every 4 minutes.
  • the electrolytic cell was disassembled, and the state of deposits on the surface of the cathode plate 18 was inspected.
  • FIGS. 16A and 16B show the state of deposition on the surface of the cathode plate 18 of each electrolytic cell.
  • FIG. 16A corresponds to the electrolytic cell shown in FIG. 14, and
  • FIG. 16B corresponds to the conventional electrolytic cell shown in FIG.
  • FIG. 17 shows a variation of the housing 12 of the electrolytic cell.
  • Components common to those shown in FIGS. 3 to 5 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • two columns 60 are formed in the case 14 at the center in the vertical direction of the housing 12, and the columns 60 in the horizontal direction of the cover 24 are formed by screws 62. It is fixed to. According to this structure, the case 14 and the cover 24 are prevented from bulging outward due to water pressure, and the gap between the electrode plates can be kept constant.
  • the electrolytic cell consists of a central electrode plate 18 and two side electrode plates 16 and 20.
  • the cell has a double cell structure provided with one, one of the side electrode plates may be omitted or the number of electrode plates may be further increased.
  • the spacer 22 may be formed of any material having electrical insulation and heat resistance, and its surface may be covered with a material having a small water absorption.
  • the central electrode plate 18 serves as a cathode plate and the side electrode plates 16 and 20 serve as anode plates.However, acidic water is obtained at the outlet 28 of the electrolytic cell, and alkaline water is provided at the outlet 30. In order to obtain this, a voltage may be applied so that the central electrode plate 18 becomes an anode plate and the side electrode plates 16 and 20 become cathode plates.

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Description

明 細 書 水電解用無隔膜型電解槽 技術分野
本発明は、 水の電気分解によりアルカリ性水や酸性水を電気化学的に生成する ための電解槽に鬨する。 より詳しくは、 本発明は、 炭酸カルシウムなどのスケー ルが電解槽の通水路に析出するのを効果的に防止することの可能な無隔膜型電解 槽に鬨する。
背景技術
水酸イオン (O H— ) リッチのアルカリ性水は、 従来 "アルカリイオン水" と も呼ばれており、 飲料水として飲用する場合には健康増進に効果があり、 お茶 - コーヒー等や料理に使用する場合には味を引き立たせる効果があると考えられて いる。 また、 水素イオン (H + ) リッチの酸性水は、 麵類をゆでたり洗顔したり するのに適するものとして知られている。 更に、 塩化ナトリウムを含む水道水や 食塩水を電解して得られる有効塩素 (次亜塩素酸や塩素ガス) を含む強酸性水は 強力な殺菌作用を有するものとして注目されている。
このようなアルカリ性水や酸性水を得るため、 従来、 水の電解装置(業界では, しばしば、 イオン水生成装置と呼ばれている) が使用されている。 この装置は水 の電気分解を利用したもので、 陽極と陰極を備えた電解槽を有する。 電極間に直 流電圧を印加すると、 陽極と水との界面においては、 水の電離により水中に存在 する O H - は陽極に電子を与えて酸化され、 酸素ガスとなって系から除去される t その結果、 陽極と水との界面では H + 瀵度が高まり、 H + リッチの酸性水が生成 される。 他方、 陰極と水との界面では、 H + は陰極から電子を受け取って水素に 還元され、 水素ガスとなって除去されるので、 O H - 溏度が高まり、 陰極側には O H " リッチのアルカリ性水が生成される。 食塩水を電解する場合には、 陽極に は塩素ガスが発生し、 水に溶解して次亜塩素酸を生成する。 .
従来技術の一般的な電解槽においては、 電解により生成したアル力リ性水と酸 性水とが互いに混合するのを防止し、 それらを別々に取り出すため、 図 1に模式 的に示したように陽極板 1と陰極板 2との間には非透水性で電気伝導性かつィォ ン浸透性の隔膜 3が配置してあり、 電解室はこの隔膜によってアル力リ性水流路 4と酸性水流路 5に区画されている (この形式の電解槽を、 以下、 "隔膜型" 電 解槽と言う) 。
電解槽の使用に伴い、 アル力リ性水流路には炭酸カルシウムや水酸化カルシゥ ムゃ水酸化マグネシウムなどの析出物 (スケール) 6が付着する。 図 2を参照し ながら炭酸カルシウムの場合を例に取ってスケール析出の仕組みを説明するに、 図 2は炭酸カルシウムの見かけの溶解度と P Hとの関係を示す。 酸性条件下では 炭酸カルシウムはカルシウムイオンの形で水に溶解しているが、 P H 8を超える と溶解度は急激に低下し、 アルカリ性水流路内に炭酸カルシウムの沈澱を生じさ せる。 カルシウムイオンは電極間の電界の作用により陰極板側に移動し、 アル力 リ性水流路内ではカルシウムイオン濃度が増加するので、 炭酸カルシウムの沈澱 を助勢する。
隔膜型の電解槽においては、 図 1に示したように、 スケールは陰極板 2よりも 隔膜 3に優先的に堆積する傾向にある。 これは、 一般に陰極板が研磨された表面 を有するのに対して、 隔膜が多孔質であり、 沈澱を生じさせ易いことによるもの と考えられる。 炭酸カルシウムなどの析出物は絶縁性を有するので、 電気抵抗を 増加させて電解槽の電解効率を悪化させると共に、 通水抵抗を増加させる。 従つ て、 スケールを除去しない限り、 電解槽は極めて短時間で使用不可能になる。 そこで、 従来技術においては、 極性反転スィツチ 7 (図 1 ) を操作して通常の 使用時の極性とは逆極性の電圧を電極板に印加することにより、 析出物を溶解さ せて除去することが提案されている (例えば、 特開昭 5 1 - 77584号、 実開昭 55 - 91 9 96号、 実開昭 59 - 1 89 Π 1号、 特開平卜 203097号) 。 この技術は、 業界では俗に " 逆電洗浄" とも言われている。 逆電洗浄の原理は、 逆極性の電圧の印加により元 のアル力リ性水流路を酸性にすると、 図 2から理解されるように炭酸カルシウム などのスケールはイオンとなって再び水に溶解するというものである。
しかし、 図 1からよぐ分かるように隔膜 3は電極板から大なり小なり離れてお り、 元の陰極板 (逆極性電圧の印加時には陽極となる) 2の表面に沿って生成さ れた強酸性水は水流に乗って流れ、 従って、 流水中では隔膜のところまで達する ことができないので、 隔膜を充分に酸性にすることができず、 隔膜に堆積したス ケールを迅速に溶解させることができない。 また、 電解槽への止水時に逆極性電 圧を印加した場合には、 元の陰極扳 (逆極性電圧印加時の陽極扳) 2の表面に生 成した水素イオンは隔膜 3を透過して拡散し、 生成した酸性水とアルカリ性水は 中和されるので、 隔膜のところを強酸性にすることはやはりできない。 本発明者 が試験したところ、 逆極性電圧を印加しても、 元のアルカリ性水流路 4内の P H は 3よりも小さくなることはなく、 約 2日間にわたり逆極性電圧の印加を継続し たがスケールの除去は認められなかった。
このように、 "隔膜型" の電解槽においては、 いわゆる逆電洗浄を行ったとし ても、 スケールを電気化学的に除去することは困難である。 従って、 定期的に電 解槽を分解し、 人手によりスケールを除去しない限り、 電解槽の寿命は半年から 1年しかもたないのが実情である。 また、 隔膜にはバクテリアが繁殖しやすいの で、 衛生的でない。 更に、 隔膜を設けるためには電極扳閭隙を大きくしなければ ならないので、 電解槽の消費電力が大きいという難点がある。
隔膜型電解槽の斯る難点を解消するため、 特開平 4- 284889号には、 電解槽を隔 膜の無い構造にすることが提案されている。 この形式の電解槽を、 本明細書では "無隔膜型" 電解槽と言う。 この電解槽においては、 電極板は狭い閩隙で配置さ れており、 水が層流を形成しながら電極扳間の通水路を流れるようになっている c 従って、 隔膜を設けなくても、 電解により生成したアルカリ性水と酸性水とを分 離することができる。
この無隔膜型電解槽においては、 隔膜が無いので、 スケールが隔膜に付着する ことがない。 従って、 構造上、 スケールが付着しにくいという利点がある。 また、 バクテリアの繁殖を招く隔膜がないので、 極めて衛生的である。 更に、 電極板間 隙を小さくすることができるので、 電解槽の消費電力を低滅することができる。 この "無隔膜型" 電解槽においても、 "隔膜型" 電解槽と同様に、 スケール除去 (いわゆる、 逆電洗浄) のために逆極性の電圧が印加されるようになっている。 従って、 陰極板の表面に析出したスケールはほぼ除去することができる。
特開平 4-284889号に開示された無隔膜型の電解槽構造においては、 消費電力を 低減すると共に、 陰極板と陽極板との間の通水路を流れる水が層流を形成するよ うにするためには、 陰極板と陽極板はできるだけ狭い間隙で配置するのが好まし い。 電極板に多少の歪みが生じても電極板間隙を一定に保持し、 もって、 電解槽 毎に電解性能がノ ラックのを防止するためには、 陽極板と陰極板との間に決まつ た厚さの電気絶縁性のスぺーサを挟むのが好ましい。
しかしながら、 このように電極板間にスぺーサを配置すると、 図面に基づいて 後述するように、 スぺーサの側面にスケールが析出し、 通水路を次第に閉塞する < これは、 スぺーサと水との界面においては水の流速が遅いので、 スケールの沈澱 を生じさせ易いからであると考えられる。 スぺーサ側面に析出したスケールは、 逆極性電圧の印加(いわゆる逆電洗浄〉 によって除去するのは困難である。 スケ ールが一旦析出すると、 析出したスケールによって乱流が発生すると共に、 流れ の流速は更に遅くなり、 スケールの堆積が促進される。
本発明の主たる目的は、 特開平 4- 284889号に開示された無隔膜型電解槽を改良 し、 スぺーザに起因するスケールの堆積を効果的に防止することの可能な無隔膜 型電解槽を提供することにある。
無隔膜型電解槽においては、 陰極板と陽極板との間の通水路の入口領域には安 定した層流が未だ確立されていない乱流領域が存在する。 この乱流領域では電極 板表面に強酸性水を生成させることができないので、 定期的に逆極性電圧の印加 を行ってもスケールを効果的に溶解させるのが困難である。
従って、 本発明の他の目的は、 実質的に電極板の全長にわたってスケールの堆 積を効果的に防止することの可能な無隔膜型電解槽を提供することにある。 発明の開示
本発明者は、 スぺーサの表面へのスケール析出の起こり易さは、 スぺーサを形 成する素材の吸水率に鬨連があることを見出した。 吸水率は、 物体が水を吸収す る性質を定爱的に表すもので、 物体を一定温度において一定時間蒸留水に浸漬し たときの重量増加分と原重量との比を百分率で示すものと定義される。 本発明は、 スぺーサ形成材料の吸水率が小さい程スケールが析出しにくいという知見に基づ くもので、 陽極板と陰極板とを電気絶縁性スぺーサを挟んで対向配置してなる無 隔膜型電解槽において、 スぺーサを 0 . 3 %以下、 好ましくは 0 . 2 %以下、 より 好ましくは 0 . 0 1 %以下の吸水率を有する電気絶縁性材料で形成したことを特 徴とするものである。 スぺーサは、 例えば、 ボリテトラフルォロエチレン又はポ リプロピレンのような材料で形成することができる。
スぺーサを形成する材料の吸水率がスケールの析出しやすさに影響する理由は 必ずしも明らかではないが、 吸水率の大きな材料でスぺーサを形成した場合には. スぺーザの表面に開気孔が多く存在し、 水流はこれらの開気孔内に閉じ込められ て速度を失うので、 沈澱物の種が成長しやすいからであると考えられる。 吸水率 が上記値以下の材料でスぺーサを形成すれば、 炭酸カルシウムなどの凝集沈澱物 がスぺーサに析出するのを長期簡にわたり防止することができ、 電解槽の寿命を 著しく延長させることができる。
本発明の好ましい実施態様においては、 電解槽の通水路の入口は通水路の流路 断面積よりも大きな流路断面積を有する分配通路に接続されており、 この分配通 路の断面形状は、 通水路の入口領域に発生する乱流領域が最小限となるように設 計してある。 図面の簡単な説明
図 1は、 従来技術の "隔膜型" 電解槽の模式的断面図であり ;
図 2は炭酸カルシウムの見かけの溶解度と P Hとの鬨係を示すグラフであり ; 図 3は、 本発明の電解槽の分解斜視図であり ;
図 4は、 図 3の 1 — !^線に沿った断面図で、 電解槽の組立状態を示し; 図 5は、 図 4の V— V線に沿った断面図で、 図面簡素化のため電極板とスぺー サは省略してあり ;
図 6は、 図 4の Ή一 VI線に沿った断面図であり ;
図 7は、 図 4の VII— YII線に沿った断面図であり ;
図 8は、 図 5の円 A内部分の拡大図であり ;
図 9は、 図 5の円 B内部分の拡大図であり ;
図 1 0は、 図 3の X— X線に沿った断面図で、 電解槽の組立状態を示し; 図 1 1は、 図 1 0の — XI線に沿った模式的断面図であり ;
図 1 2 Aから図 1 2 Cは、 スぺーサを異なる材料で形成した場合の電解槽の陰 極板への沈澱物の析出状態を図 3の矢印 に沿って視たところを示す写真で、 図
1 2 Aは A B S樹脂で、 図 1 2 Bはポリサルフォンで、 図 1 2 Cはポリカーボネ 一トでスぺーサを夫々形成した場合を示し;
図 1 3 Aおよび図 1 3 Bは、 図 1 2と同様の写真で、 図 1 3 Aはポリアロピレ ンで、 図 1 3 Bはボリテトラフルォロエチレンでスぺーサを形成した場合の陰極 板への沈澱物の析出状態を示し;
図 14は、 図 9の円 A内部分の拡大模式図であり ;
図 15は、 図 14同様の模式図で、 従来型の分配通路構造を備えた電解槽を示 し:
図 16 Aは、 図 14に示した電解槽の陰極板への沈澱物の析出状態を示す写真 であり ;
図 16 Bは、 図 15に示した電解槽の陰極板への沈澱物の析出状態を示す写真 であり ;
図 17は、 図 4の XIV— XIV線に沿った断面図で、 電解槽のハウジングの変化 形を示し、 電極板とスぺーサは省略してある。 発明を実施するための最良の形態
図 3から図 9には、 本発明の電解槽の実施例を示す。 主として図 3および図 4 を参照するに、 無隔膜型電解槽 10は縦長のハウジング 12を有する。 このハウ ジング 12は、 樹脂製の耐圧ケース 14の凹みに、 第 1陽極板 16と陰極板 18 と第 2陽極板 20との 3枚の電極板を複数の樹脂製スぺーサ 22を挟みながら順 次配置し、 カバー 24をケース 14に液密にねじ止めすることにより構成される。 陰極板 18の両側に陽極板 16と 20を夫々配置したことによりこの電解槽 10 はいわば二重セル構造になっており、 陰極板 18の両面を有効利用することで処 理能力を倍増しながらも小さなスペースに格納できるようになつている。
電極板相互の間隔は例えば 5本のスぺーサ 22によって定められるもので、 こ の実施例ではスぺーサ 22は約 0.5 mmの厚さを有し、 従って、 電極間隔が約 0.5mmになるようになつている。 スぺーサ 22は、 ポリテトラフルォロェチ レンやボリプロピレンのような吸水率の小さなプラスチックで形成することがで きる。
電極板 16、 18、 20は、 チタン金属板に白金を被覆することにより製作す るのが好ましい。 電極板 16、 18、 20には端子 16A、 18A、 20Aが夫 々固定してあり、 従来型の反転スィツチ (図示せず) を介して直流電源 (図示せ ず) に接続できるようになつている。
図 4からよく分かるように、 ケース 14には、 上水入口 26、 アルカリ性水出 口 2 8、 酸性水出口 3 0が形成してある。 上水入口 2 6は断面略三角形の上水分 配通路 3 2に連通している。 この上水分配通路 3 2は、 図 5からよく分かるよう に、 ケース 1 4とカバー 2 4によって形成されており、 電極板の上下方向全長に わたって延長している。 電解槽 1 0の使用に際しては、 上水入口 2 6はホース等 により水道管に接続することができる。 或いは、 電解槽 1 0を浄水器の下流に接 続し、 淨水器によって浄化された水を電解槽 1 0の上水入口 2 6に導入してもよ い。
図 8および図 9の拡大断面図からよく分かるように、 第 1陽極板 1 6と陰極板 1 8との間には第 1通水路 3 4が形成され、 陰極板 1 8と第 2陽極板 2 0との間 には第 2通水路 3 6が形成される。 これらの通水路 3 4および 3 6は、 電極板 1 6、 1 8、 2 0と協動して電解室として作用するものである。 夫々の通水路 3 4 および 3 6は水平方向に延長する例えば 5本のスぺーサ 2 2により上下 4つのサ ブ通水路に分割される。
図 9から分かるように、 これらの通水路 3 4および 3 6の入口 3 4 Aおよび 3 6 Aは、 その流路断面積よりも大きな流路断面積を有する上水分配通路 3 2に連 通させてある。 従って、 上水入口 2 6から分配通路 3 2に沿って流下した上水は 夫々の通水路 3 4および 3 6の 4つのサブ通水路に分配され、 図 9に矢印で示し たように水平方向に流入する。
図 9および図 1 4に示したように、 分配通路 3 2の側壁 3 2 Aおよび 3 2 Bは 通水路の入口 3 4 Aおよび 3 6 Aに向かって傾斜させてあり、 分配通路 3 2から 通水路の入口 3 4 Aおよび 3 6 Aに水が滑らかに流入するようになっている。 こ のような形状であるから、 通水路入口 3 4 Aおよび 3 6 Aに流入した水は、 図 1 4に示したように比較的短い助走区間 D Tを流れる間に層流となる。
図 5および図 8に示したように、 電解室として作用する通水路 3 4および 3 6 の下流側端部は、 ケース 1 4とカバー 2 4によって形成された断面略 5角形のァ ルカリ性水回収通路 3 8に開放されている。 このアル力リ性水回収通路 3 8はァ ルカリ性水出口 2 8に連通しており、 上水分配通路 3 2と同様に電極板の上下方 向全長にわたって延長している。 図 5および図 8からよく分かるように、 アル力 リ性水回収通路 3 8の流路断面積も通水路 3 4および 3 6の流路断面積に対して 十分に大きくしてあり、 乱流を発生させることなく通水路 3 4および 3 6の末端 からアルカリ性水回収通路 3 8に向かってアルカリ性水をスムースに流出させる ようになつている。
図 5からよく分かるように、 ケース 1 4およびカバー 2 4には、 更に、 陽極板 1 6および 2 0の上下方向全長にわたって延長する搆 4 0および 4 2が夫々形成 してあり、 陽極板と夫々協動して酸性水回収通路 4 4および 4 6を形成するよう になっている。 これらの酸性水回収通路 4 4および 4 6の下端は連絡ポート 4 8 にて合流し (図 6〜図 7 ) 、 更に酸性水出口 3 0 (図 4 ) に連通している。 図 3および図 8からよく分かるように、 図示した実施例では、 陽極板 1 6およ び 2 0には、 酸性水回収口として作用するスリット 1 6 Cおよび 2 O Cが夫々形 成してあり、 スリット 1 6 Cおよび 2 O Cを通過した水が酸性水回収通路 4 4お よび 4 6に流入するようになっている。 これらの酸性水回収通路 4 4および 4 6 の容量もスリット 1 6 Cおよび 2 O Cの流路断面積に対して十分に大きくしてあ り、 スリツトから回収された酸性水が乱流を生じることなく酸性水回収通路 4 4 および 4 6内にスムースに流入するようになっている。 スリット 1 6 Cおよび 2 〇Cから流出した酸性水は陽極板の上下方向ほぼ全長にわたって酸性水回収通路 4 4および 4 6内に回収され、 そこから更に酸性水出口 3 0へ送られる。
この電解槽 1 0を用いてアルカリ性水又は酸性水を生成するに際しては、 電解 槽の上水入口 2 6はホース等により水道の蛇口に接続することができ、 アルカリ 性水出口 2 8および酸性水出口 3 0には従来型の流量制御バルブ 5 0および 5 2 を夫々接続することができる。 上水入口 2 6から導入された上水は、 前述したよ うに、 分配通路 3 2により電極板 1 6、 1 8、 2 0の上下方向全長にわたって通 水路 3 4および 3 6の入口 (上流側端部) に均一に分配され、 通水路 3 4および 3 6内に水平方向に流入する。
陰極板 1 8と陽極板 1 6および 2 0との間に例えば約 1 2 Vの直流電圧を印加 することにより、 通水路 3 4および 3 6内に通水しながら電気分解を進行ざせる と、 陰極板 1 8の表面に沿ってアルカリ性水が生成され、 陽極板 1 6および 2 0 の表面に沿って酸性水が生成される。 アルカリ性水は電解槽の出口 2 8に回収さ れ、 酸性水は出口 3 0に回収される。
アルカリ性水の生成に伴い、 陰極扳 1 8の両面には炭酸カルシウムなどの凝集 沈澱物が析出する。 しかし、 陰極板 1 8の表面に析出した凝集沈澱物は、 適当な 時期に反転スィツチを切換えることにより、 比較的速やかに除去することができ る。 陰極板 1 8にプラス電圧を印加し、 陽極板 1 6および 2 0にマイナス電圧を 印加すれば、 陰極板 1 8の表面には強酸性水の層が生成され、 この強酸性水の層 は陰極板 1 8表面に析出した沈澱物を溶解させる。
図 1 1に示したように、 スぺーサ 2 2と水との界面においては水の流速はゼロ に近づく。 従って、 スぺーサ 2 2を吸水率の大きな材料で形成した場合には、 図 1 0に示したように、 スぺーサ 2 2の側面 2 2 Aに沿って炭酸カルシウムなどの 沈澱物 6 0が析出しやすい。 しかし、 本発明に従い、 吸水率の小さな材料でスぺ ーサ 2 2を形成した場合には、 スぺーサ 2 2の側面 2 2 Aに沿って沈澱物が析出 するのを防止することができる。
実験例 1
図 3および図 4に示した構造の電解槽を試作し、 異なる材料で形成されたスぺ ーサを用いて耐久試験を行った。 スぺーサは次のような 5種のプラスチック材料 で形成した。
スぺーサ材料 吸水率(% )
A B S樹脂 0 . 4
ポリサルフォン 0 . 2 2
ポリカーボネート 0 . 1 5
ポリアロピレン く 0 . 0 1
ポリテトラフルォロエチレン 0 . 0 0
約 4分通水毎に約 1 5秒間の間逆極性の電圧を印加しながら、 茅ケ崎市の上水 を電解した。 積算稼働時間が約 2 0 0時間 (家庭における電解槽の通常の使用条 件で、 約 7年に相当する) に達した時に電解槽を分解し、 陰極板 1 8の表面にお ける析出物の析出状態を検査した。 夫々のスぺーサを用いた場合の陰極板 1 8の 表面における沈澱物の析出状態を図 1 2 A— 1 2 Cおよび図 1 3 A— 1 3 Bの写 真に示す。
図 1 2 Aは吸水率の高い A B S (アクリロニトリル .ブタジエン .スチレン) 樹脂で形成したスぺーサを用いた場合を示すもので、 約 2 0 0時間運転後にはス ケールは許容できない程度に析出している。 図 1 2 Bおよび図 1 2 Cは、 夫々、 吸水率がより小さなポリサルフォンとポリカーボネートで形成したスぺーサを用 いた場合を示すもので、 スケールの析出は認められるが、 成長の程度は A B S樹 脂の場合に比べて著しく少ない。 図 1 3 Aおよび図 1 3 Bは、 夫々、 ポリプロピ レンおよびポリテトラフルォロエチレンで形成したスぺーサを用いた場合を示す もので、 約 2 0 0時間の耐久試験後でもスケールの析出は全く認められない。
実験例 2
図 9および図 1 4に示したように分配通路の側壁を傾斜させた構造の電解槽と 図 1 5に示したように従来構造の分配通路を備えた電解槽を夫々試作した。 電極 板の幅は約 5 c mであった。 約 4分通水毎に約 1 5秒間の間逆極性の電圧を印加 しながら、 茅ケ崎市の上水を電解した。 積算稼働時間が約 2 0 0時間に達した時 に電解槽を分解し、 陰極板 1 8の表面における析出物の析出状態を検査した。 夫 々の電解槽の陰極板 1 8の表面における析出状態を図 1 6 Aおよび図 1 6 Bに示 す。 図 1 6 Aは図 1 4に示した電解槽に対応し、 図 1 6 Bは図 1 5に示した従来 型電解槽に対応する。
図 1 6 Aと図 1 6 Bを対比すれば分かるように、 図 1 5に示した従来型電解槽 構造の場合には、通水路の入口から約 1 c mの幅にわたって析出物が堆積してお り、 この領域では逆極性の電圧を印加しても析出物が溶解しなかったことを示し ている。 これは助走区間 D Tが長く、 通水路の入口領域の比較的長い区間にわたつ て乱流が発生していることによるものと考えられる。 これに対して、 図1 6 か ら分かるように、 図 1 4の電解槽構造の場合には、 約 7年相当の電解槽運転後に おいても、 通水路の入口に析出物は認められず、 通水路の全長にわたって析出物 が除去されている。
図 1 7には、 電解槽のハウジング 1 2の変化形を示す。 図 3から図 5に示した 構成要素と共通する構成要素は同じ参照番号で示し、 説明は省略する。 この構造 においては、 例えばハウジング 1 2の上下方向中央において、 ケース 1 4には 2 本の支柱 6 0が形成してあり、 カバー 2 4の左右方向中央部はネジ 6 2によって これらの支柱 6 0に固定してある。 この構造によれば、 ケース 1 4とカバー 2 4 が水圧によって外側に膨出するのを防止し、 電極板間隙を一定に維持することが できる。
以上には本発明の特定の実施例を記載したが、 本発明はこれに限定されるもの ではない。 例えば、 電解槽は中央電極板 1 8と 2枚の側方電極板 1 6および 2 0 を備えた二重セル構造を有するものと説明したが、 側方電極板の一方は廃止して もよいし、 電極板の数をさらに増してもよい。 また、 スぺーサ 2 2を電気絶縁性 で耐熱性の任意の材料で形成し、 その表面を吸水率の小さな材料で被覆してもよ い。 さらに、 中央電極板 1 8が陰極板となり、 側方電極板 1 6および 2 0が陽極 板となるものと記載したが、 電解槽の出口 2 8において酸性水を得、 出口 3 0に アルカリ性水を得るためには、 中央電極板 1 8が陽極板となり、 側方電極板 1 6 および 2 0が陰極板となるように電圧を印加してもよい。

Claims

請求の範囲
1 . 対をなす陽極板と陰極板とを電気絶縁性スぺーサを挟んで対向配置する ことにより前記陽極板と陰極板との間に電解室として作用する通水路を形成し、 前記通水路に通水しながら水を電気分解することによりアルカリ性水および 又 は酸性水を生成するようになった無隔膜型電解槽において:前記スぺーサを約 0 . 3 %以下の吸水率を有する電気絶縁性材料で形成したことを特徴とする無隔膜型 電解槽。
2 . 前記スぺーサを約 0 . 2 %以下の吸水率を有する材料で形成したことを 特徴とする請求項 1に基づく無隔膜型電解槽。
3 · 前記スぺーサを約 0 . 0 1 %以下の吸水率を有する材料で形成したこと を特徴とする請求項 2に基づく無隔膜型電解槽。
4 . 前記スぺーサをボリカーボネートで形成したことを特徴とする請求項 1 に基づく無隔膜型電解槽。
5 . 前記スぺーサをポリテトラフルォロエチレンで形成したことを特徴とす る請求項 1に基づく無隔膜型電解槽。
6 - 前記スぺーサをボリプロピレンで形成したことを特徴とする請求項 1に 基づく無隔膜型電解槽。
7 . 前記電解槽は該通水路の流路断面積よりも大きな流路断面積を有し前記 通水路の入口に接続された分配通路を備え、 前記分配通路の断面形状は、 通水路 の入口領域に発生する乱流領域が最小限となるように定めてあることを特徴とす る請求項 1に基づく無隔膜型電解槽。
8 . 前記分配通路の断面形状を画定する側壁を通水路の前記入口に向かって 傾斜させたことを特徴とする請求項 7に基づく無隔膜型電解槽。
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