WO2020179338A1 - 水素付加装置及び水素付加方法 - Google Patents

水素付加装置及び水素付加方法 Download PDF

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WO2020179338A1
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dissolved hydrogen
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悠平 山内
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株式会社日本トリム
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/24—Dialysis ; Membrane extraction
    • B01D61/28—Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/24—Dialysis ; Membrane extraction
    • B01D61/30—Accessories; Auxiliary operation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F21/00—Dissolving
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/68—Treatment of water, waste water, or sewage by addition of specified substances, e.g. trace elements, for ameliorating potable water

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for producing hydrogenated water in which hydrogen is added to water.
  • Patent Document 1 discloses that hydrogen gas generated by electrolysis in an electrolytic cell is supplied to a hydrogen gas distribution section.
  • bacteria in the air may be mixed when hydrogen gas is supplied, and therefore hydrogenated water (for example, used for diluting a dialysis base agent described later) that requires high cleanliness is used. It is not easy to apply the technique disclosed in Patent Document 1 above to the production of dialysis fluid preparation water and the like.
  • the present invention has been devised in view of the above circumstances, and a hydrogen adding device and a hydrogen adding method capable of easily producing highly clean hydrogenated water with a simple structure and suppressing the contamination of bacteria. Its main purpose is to provide.
  • a first invention of the present invention is a hydrogenation device for adding hydrogen to water, comprising a first chamber to which dissolved hydrogen water is supplied, a second chamber to which raw water is supplied, and the second chamber.
  • a hydrogen permeable film for moving hydrogen molecules dissolved in the dissolved hydrogen water from the first chamber to the second chamber is provided.
  • the first direction in which the dissolved hydrogen water flows and the second direction in which the raw water flows are different across the hydrogen permeation membrane.
  • the first direction and the second direction are opposite to each other.
  • the hydrogen addition apparatus further include a dissolved hydrogen water generation unit that generates the dissolved hydrogen water to be supplied to the first chamber.
  • the dissolved hydrogen water producing unit includes an electrolytic cell that produces the dissolved hydrogen water by electrolyzing water and supplies the dissolved hydrogen water to the first chamber.
  • the hydrogen molecules are dissolved in the dissolved hydrogen water in a saturated state.
  • the hydrogenation apparatus further includes a circulating water channel for circulating the dissolved hydrogen water between the dissolved hydrogen water generating unit and the first chamber.
  • the hydrogenation apparatus according to the present invention further includes a water pressure increasing means for increasing the water pressure in the first chamber.
  • a second aspect of the present invention is for adding hydrogen to water using a hydrogen permeable membrane module that is divided into a first chamber and a second chamber by a hydrogen permeable membrane that allows hydrogen molecules dissolved in a liquid to pass therethrough.
  • a hydrogenation method which comprises a first step of generating dissolved hydrogen water in which the hydrogen molecules are dissolved, a second step of supplying the dissolved hydrogen water to the first chamber, and a raw water to the second chamber. Including the third step.
  • the hydrogen adding apparatus is the hydrogen for separating the first chamber to which the dissolved hydrogen water is supplied, the second chamber to which the raw water is supplied, and the first chamber and the second chamber. It has a permeable membrane.
  • the hydrogen permeable membrane moves the hydrogen dissolved in the dissolved hydrogen water from the first chamber to the second chamber to generate the hydrogenated water in the second chamber.
  • the hydrogenation method includes the first step of producing the dissolved hydrogen water in which the hydrogen molecules are dissolved, the second step of supplying the dissolved hydrogen water to the first chamber, and the second step.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of an embodiment of the hydrogenation apparatus of the present invention.
  • the hydrogenation device 1 is a device for adding hydrogen to water, and the hydrogenated water to which hydrogen is added is used, for example, as dialysate preparation water for preparing a dialysate (hereinafter, the hydrogenated water is dialyzed). Sometimes referred to as water for liquid preparation). In recent years, hemodialysis using hydrogenated water for the preparation of dialysate has received attention as being effective in reducing oxidative stress in patients.
  • the hydrogen addition device 1 is arranged, for example, on the downstream side of the reverse osmosis membrane treatment device 200.
  • the hydrogenation device 1 and the reverse osmosis membrane treatment device 200 may be integrated and configured as one device.
  • a dialysis agent diluting device (not shown) for diluting a liquid dialysis agent with water for preparing a dialysate is connected.
  • the reverse osmosis membrane treatment device 200 purifies water supplied from the outside by using the reverse osmosis membrane.
  • the reverse osmosis membrane treatment device 200 and the hydrogenation device 1 are connected by a treated water supply path 10.
  • Water purified by the reverse osmosis membrane treatment apparatus 200 passes through the treated water supply passage 10 and is supplied to the hydrogenation apparatus 1 to generate hydrogenated water for dialysate preparation. Used as raw water (hereinafter referred to as raw water).
  • the hydrogenation apparatus 1 used for producing dialysate preparation water adds hydrogen to the raw water supplied from the reverse osmosis membrane treatment apparatus 200 to generate hydrogenated water for dialysate preparation.
  • the hydrogenation device 1 and the dialysis base agent dilution device are connected by a hydrogenation water supply passage 20.
  • the hydrogenated water generated by the hydrogenation device 1 passes through the hydrogenation water supply passage 20 and is supplied to the dialysis base agent diluting device to be used for preparing a dialysate.
  • FIG. 2 shows the main configuration of the hydrogen addition device 1.
  • the hydrogenation apparatus 1 includes a dissolved hydrogen water generation unit 2 and a hydrogen permeation membrane module 3.
  • the dissolved hydrogen water generation unit 2 generates dissolved hydrogen water and supplies it to the hydrogen permeation membrane module 3.
  • Dissolved hydrogen water is water in which hydrogen molecules are dissolved.
  • the electrolytic cell 4 is applied as the dissolved hydrogen water producing unit 2.
  • the electrolyzer 4 generates hydrogen molecules by electrolyzing water to generate dissolved hydrogen water.
  • the electrolytic cell 4 is configured such that a first polar chamber 40a in which the first power feeding body 41 is arranged and a second polar chamber 40b in which the second power feeding body 42 is arranged are separated by a diaphragm 43.
  • the first power feeding body 41 and the second power feeding body 42 have different polarities. That is, one of the first feeding body 41 and the second feeding body 42 is applied as an anode feeding body, and the other is applied as a cathode feeding body. In the present embodiment, the first feeding body 41 is applied as an anode feeding body, and the second feeding body 42 is applied as a cathode feeding body. Water is supplied to both the first electrode chamber 40a and the second electrode chamber 40b of the electrolysis chamber 40, and a DC voltage is applied to the first power feeding body 41 and the second power feeding body 42, so that water is generated in the electrolysis chamber 40. Electrolysis occurs.
  • the polarities of the first feeding body 41 and the second feeding body 42 and the voltage applied to the first feeding body 41 and the second feeding body 42 are controlled by a control unit (not shown).
  • the control unit has, for example, a CPU (Central Processing Unit) that executes various arithmetic processes and information processing, a program that controls the operation of the CPU, and a memory that stores various information.
  • the control unit controls the respective units of the device in addition to the first power feeding body 41 and the second power feeding body 42.
  • Hydrogen gas and oxygen gas are generated by electrolysis of water in the electrolytic chamber 40.
  • hydrogen gas is generated, and dissolved hydrogen water in which the hydrogen molecules are dissolved is generated and supplied to the hydrogen permeation membrane module 3.
  • the dissolved hydrogen water produced by such electrolysis is also referred to as “electrolytic hydrogen water”.
  • oxygen gas is generated in the first electrode chamber 40a on the anode side.
  • a solid polymer film made of a fluororesin having a sulfonic acid group is appropriately used as the diaphragm 43.
  • the solid polymer film is electrolyzed to move the oxonium ions generated in the first electrode chamber 40a on the anode side to the second electrode chamber 40b on the cathode side to be used as a raw material for producing hydrogen molecules. Therefore, hydroxide ions are not generated during electrolysis, and the pH of the electrolytic hydrogen water does not change.
  • the hydrogen permeable membrane module 3 includes a first chamber 31, a second chamber 32, and a hydrogen permeable membrane 33.
  • the first chamber 31 and the second chamber 32 are separated by a hydrogen permeable film 33.
  • the first chamber 31 and the second electrode chamber 40b of the electrolytic cell 4 are connected by a hydrogen water supply passage 50.
  • the dissolved hydrogen water generated in the second electrode chamber 40b of the electrolytic cell 4 passes through the hydrogen water supply passage 50 and is supplied to the first chamber 31.
  • the second chamber 32 is connected to the treated water supply passage 10.
  • Raw water is supplied to the second chamber 32 from the reverse osmosis membrane treatment device 200.
  • the hydrogen permeable membrane 33 is composed of, for example, a hollow fiber membrane that is a porous membrane that permeates hydrogen molecules. Dissolved hydrogen water generated in the electrolytic cell 4 is successively supplied to the first chamber 31, so that the dissolved hydrogen concentration of water in the first chamber 31 is the dissolved hydrogen concentration of water in the second chamber 32. Greater than.
  • the hollow fiber membrane moves the hydrogen dissolved in the liquid from the first chamber 31 having a high dissolved hydrogen concentration to the second chamber 32 having a low dissolved hydrogen concentration.
  • the hydrogen permeable membrane 33 may be a membrane having a function of allowing hydrogen molecules dissolved in the liquid to permeate from the high-concentration liquid side to the low-concentration liquid side, and is not limited to the hollow fiber membrane.
  • the hydrogen permeable membrane 33 transfers hydrogen molecules dissolved in the dissolved hydrogen water in the first chamber 31 from the first chamber 31 to the second chamber 32 in order to generate hydrogenated water in the second chamber 32.
  • the hydrogen permeable membrane 33 transfers hydrogen molecules dissolved in the dissolved hydrogen water in the first chamber 31 from the first chamber 31 to the second chamber 32 in order to generate hydrogenated water in the second chamber 32.
  • contamination of bacteria in the first chamber 31 to which the dissolved hydrogen water is supplied is suppressed. Therefore, it is possible to easily generate highly clean hydrogenated water with a simple structure.
  • hydrogen-added water is generated in the second chamber by supplying the dissolved hydrogen water to the first chamber 31, it is simple and inexpensive without the need for a structure for pressurizing and supplying hydrogen gas. It is possible to generate hydrogenated water with such a structure.
  • the first direction D1 in which the dissolved hydrogen water flows in the first chamber 31 and the second direction D2 in which the raw water (or hydrogen-added water) flows in the second chamber 32 are different, with the hydrogen permeable membrane 33 interposed therebetween. .. Due to the difference between the first direction D1 and the second direction D2, the permeation of hydrogen molecules into the hydrogen permeable membrane 33, that is, the movement of hydrogen molecules from the first chamber 31 to the second chamber 32 is promoted, and the hydrogenated water is added. It becomes possible to easily increase the dissolved hydrogen concentration of.
  • the first direction D1 and the second direction D2 which are opposite to each other, adjoin the inlet of the first chamber 31 and the outlet of the second chamber 32 and the inlet of the second chamber 32 and the outlet of the first chamber 31 to each other. It is easily realized by arranging.
  • the first direction D1 and the second direction D2 are arranged in the vertical direction, but are arranged to be tilted in the horizontal direction or inclined in the oblique direction. May be good.
  • the treated water that has been subjected to the reverse osmosis membrane treatment by the reverse osmosis membrane treatment apparatus 200 is applied to the water that is electrolyzed in the electrolytic cell 4.
  • the treated water is supplied to the electrolytic cell 4 via the treated water supply path 10 and the treated water supply path 11 branching from the treated water supply path 10. That is, the electrolytic cell 4 of the dissolved hydrogen water generation unit 2 and the second chamber 32 of the hydrogen permeation membrane module 3 receive the treated water from the reverse osmosis membrane treatment device 200, which is the same water source.
  • the hydrogen adding apparatus 1 and the piping around the hydrogen adding apparatus 1 are simplified.
  • the hydrogenation apparatus 1 of the present embodiment further includes a circulation channel 5 for circulating dissolved hydrogen water between the second electrode chamber 40b and the first chamber 31 of the electrolytic cell 4.
  • the hydrogen water supply path 50 that connects the second electrode chamber 40b of the electrolytic cell 4 and the first chamber 31 constitutes a part of the circulating water channel 5.
  • the dissolved hydrogen concentration in the first chamber 31 can be increased. Thereby, the difference in the dissolved hydrogen concentration between the first chamber 31 and the second chamber 32 is maintained, so that the dissolved hydrogen concentration of the hydrogenated water can be easily increased.
  • the circulation water channel 5 of the present embodiment is provided with a pump 6 for circulating dissolved hydrogen water in the circulation water channel 5 and a tank 7 for storing the dissolved hydrogen water.
  • the pump 6 is arranged between the tank 7 and the electrolytic cell 4.
  • the pump 6 is controlled by the control unit and drives and circulates the dissolved hydrogen water in the circulating water channel 5.
  • the dissolved hydrogen water generated in the electrolytic cell 4 is quickly supplied to the first chamber 31, and the water pressure in the first chamber 31 is increased.
  • the capacity of the circulating water channel 5 is increased, and the fluctuation of the dissolved hydrogen concentration in the circulating water channel 5 is suppressed.
  • the voltage applied to the first power feeding body 41 and the second power feeding body 42 is increased in advance, and the electrolytic cell 4 is operated, whereby the concentration of dissolved hydrogen in the circulating water channel 5 is increased. It can be easily increased to a saturated concentration. As a result, the difference in the dissolved hydrogen concentration between the first chamber 31 and the second chamber 32 becomes large, and the dissolved hydrogen concentration of the hydrogenated water can be easily increased.
  • the top of tank 7 is open. Therefore, the hydrogen molecules that could not be dissolved in the electrolytic cell 4 become bubbles, move through the circulating water channel 5, flow into the tank 7, and a part of them escape from the upper part of the tank 7.
  • the throttle valve 8 is arranged in a region of the circulating water channel 5 where the dissolved hydrogen water returns from the first chamber 31 to the tank 7.
  • the throttle valve 8 is driven by, for example, an electromagnetic force controlled by the control unit, and limits the dissolved hydrogen water flowing through the circulation channel 5.
  • the water pressure in the first chamber 31 is increased by the throttle valve 8 limiting the dissolved hydrogen water flowing through the circulating water passage 5 while the pump 6 is operating. That is, the pump 6 and the throttle valve 8 function as water pressure raising means for raising the water pressure in the first chamber 31.
  • the treated water supply passage 10 is provided with a water inlet valve 12 and a flow meter 13.
  • the water inlet valve 12 is driven by, for example, an electromagnetic force controlled by the control unit, and limits the treated water flowing in the treated water supply path 10.
  • the flow meter 13 detects a flow rate (hereinafter, simply referred to as a flow rate) of the treated water flowing through the treated water supply passage 10 per unit time, and outputs it to the control unit.
  • the control unit controls the water inlet valve 12 according to the flow rate input from the flow meter 13. As a result, the flow rate of the treated water supplied as raw water to the second chamber 32 is optimized.
  • a water supply valve 14 is provided in the treated water supply passage 11.
  • the water supply valve 14 is driven by, for example, an electromagnetic force controlled by the control unit, and limits the treated water flowing in the treated water supply path 11. More specifically, when filling or replenishing the tank 7 with water for electrolysis, the water supply valve 14 is opened, and when supplying the raw water to the second chamber 32 of the hydrogen permeable membrane module 3, The water supply valve 14 is closed.
  • a gas vent valve 16 is provided in the exhaust passage 15 (see FIG. 2) extending upward from the first pole chamber 40a of the electrolytic chamber 40.
  • the oxygen gas generated in the first pole chamber 40a by electrolysis is discharged from the exhaust passage 15 and the gas vent valve 16.
  • a heater 17 is provided in the tank 7.
  • the heater 17 warms the water in the tank 7.
  • the hot water or steam generated by warming the water in the tank 7 is supplied to the pump 6, the electrolytic cell 4, the first chamber 31 of the hydrogen permeable membrane module 3 and the like via the circulating water channel 5 to wash them.
  • the cleaning valve 19 provided in the cleaning passage 18 branched from the exhaust passage 15 is opened, and the circulation of hot water or the like in the first electrode chamber 40a is promoted.
  • the drain valve 22 provided in the drainage channel 21 branching from the circulation channel 5 is opened, and hot water or the like used for cleaning is discharged.
  • the drainage channel 21 of the present embodiment is branched from the circulating water channel 5 that connects the tank 7 and the pump 6.
  • the drainage channel 21 may be directly connected to the tank 7.
  • the cleaning valve 19 and the drain valve 22 are closed, and the water inlet valve 12 is opened, so that the tank 7 is filled with water for electrolysis.
  • FIG. 3 shows a processing procedure of a hydrogenation method using the hydrogen permeation membrane module 3.
  • the hydrogenation method includes a first step S1 of generating dissolved hydrogen water in which hydrogen molecules are dissolved, a second step S2 of supplying dissolved hydrogen water to the first chamber 31 of the hydrogen permeable membrane module 3, and a hydrogen permeable membrane module 3 And a third step S3 of supplying raw water to the second chamber 32.
  • dissolved hydrogen water is generated by electrolyzing water in the electrolytic cell 4.
  • the second step S2 the dissolved hydrogen water generated in the first step S1 flows into the first chamber 31.
  • raw water is supplied from the reverse osmosis membrane treatment device 200 to the second chamber 32.
  • the dissolved hydrogen concentration of the dissolved hydrogen water in the first chamber 31 is higher than the dissolved hydrogen concentration of the raw water in the second chamber 32, so the hydrogen dissolved in the dissolved hydrogen water in the first chamber 31.
  • the molecules permeate the hydrogen permeable membrane 33 and move to the second chamber 32. Then, the hydrogen molecules moved to the second chamber 32 are dissolved in the raw water in the second chamber 32. Therefore, it is possible to generate hydrogenated water with a simple and inexpensive configuration without requiring a step for pressurizing hydrogen molecules.
  • the hydrogenation device 1 for generating hydrogenated water generates hydrogenated water in the first chamber 31 to which dissolved hydrogen water is supplied, the second chamber 32 to which raw water is supplied, and the second chamber 32.
  • a hydrogen permeable film 33 that moves hydrogen molecules dissolved in the dissolved hydrogen water from the first chamber 31 to the second chamber 32 may be provided.
  • the dissolved hydrogen water producing unit 2 that produces the dissolved hydrogen water to be supplied to the first chamber 31 is not limited to the electrolytic cell 4 that electrolyzes water.
  • the hydrogen addition device 1 can be applied to various purposes in addition to generation of hydrogen addition water for preparing dialysate. For example, it can be widely applied to the production of hydrogenated water for drinking, cooking or agriculture.
  • Hydrogen addition device 2 Dissolved hydrogen water producing part 3: Hydrogen permeable membrane module 4: Electrolyzer 5: Circulating water channel 6: Pump (water pressure increasing means) 8: Throttle valve (means for increasing water pressure) 31: 1st chamber 32: 2nd chamber 33: Hydrogen permeable membrane D1: 1st direction D2: 2nd direction S1: 1st process S2: 2nd process S3: 3rd process

Abstract

水素付加水を生成するための水素付加装置は、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とを備える。

Description

水素付加装置及び水素付加方法
　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 (9)

  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を備える、
    　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、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、請求項４記載の水素付加装置。
  6. 　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４又は５記載の水素付加装置。
  7. 　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４乃至６のいずれかに記載の水素付加装置。
  8. 　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７のいずれかに記載の水素付加装置。
  9. 　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工程とを含む、水素付加方法。
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