JP2009248059A - オゾン水と過酸化水素水の同時製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】陰極で高効率酸素還元電極を用いて酸素の電解還元を行い、陽極で水の電解酸化を行うことにより、不純物を含まない高濃度過酸化水素水及び高濃度オゾン水を同時に製造する装置を提供する。
【解決手段】酸素還元用電極４を備えた陰極室２と、この陰極室２とイオン交換膜１により区画されるとともにオゾン発生用電極11を備えた陽極室３とを備え、前記酸素還元用電極４は疎水性微粒子を表面に分散固定した粒子群からなることを特徴とする過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置を用いて、陰極室２に酸素と純水、陽極室３に純水を供給しながら、前記両極間に通電し、陰極において酸素の還元により過酸化水素を発生させ、同時に、陽極において水の酸化によりオゾンを発生させた。さらに、同時に生成した過酸化水素水及びオゾン水を混合することで、促進酸化処理水である過酸化水素／オゾン混合水溶液を製造した。
【選択図】図１
【解決手段】酸素還元用電極４を備えた陰極室２と、この陰極室２とイオン交換膜１により区画されるとともにオゾン発生用電極11を備えた陽極室３とを備え、前記酸素還元用電極４は疎水性微粒子を表面に分散固定した粒子群からなることを特徴とする過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置を用いて、陰極室２に酸素と純水、陽極室３に純水を供給しながら、前記両極間に通電し、陰極において酸素の還元により過酸化水素を発生させ、同時に、陽極において水の酸化によりオゾンを発生させた。さらに、同時に生成した過酸化水素水及びオゾン水を混合することで、促進酸化処理水である過酸化水素／オゾン混合水溶液を製造した。
【選択図】図１
Description
本発明は、排水・汚水処理、製紙業、半導体産業などにおいて用いられる、電解法によるオゾン水と過酸化水素水の同時製造装置に関する。
環境問題が大きく取り上げられている今日、産業界にとって排水処理をいかに効率的に行うかは、非常に重要な問題である。例えば、微生物の死骸やトイレットペーパーのパルプなど有機物を含む排水は、排水処理場において、微生物を用いた分解処理により浄化されているが、微生物の死骸やトイレットペーパーのパルプなどは分解されにくく、その結果、大量の汚泥が残留する。この汚泥を処理するためには、更に、重油を用いて燃焼させ、その灰を埋め立てなくてはならず、作業が煩雑な上に環境負荷が大きい。製紙業における産業排水についても、同様の問題があり、効率的な排水処理が求められている。
より効率的な汚泥の処理方法として、強力な酸化作用を持つオゾン水と過酸化水素水を混合した、促進酸化処理水の利用が期待されている。オゾンの酸化分解能力はフッ素に次いで強く、しかも残留性がないという利点があり、さらに、過酸化水素を加えることで、より酸化力を強めることができるため、汚泥を効率的に分解することができる。また、排水処理だけでなく、半導体産業においても、洗浄に使用することのできる、高純度で酸化作用の強い促進酸化処理水が注目されている。
オゾン水と過酸化水素水を混合した促進酸化処理水を得るためには、予め製造したオゾン水と過酸化水素水を用事に混合する方法があるが、両化合物とも高活性であるがゆえに、不安定であり、オゾン水と過酸化水素水に安定剤を添加することが必須となる。この安定剤は活性を抑制する機能を有しているため、酸化作用の強い促進酸化処理水を得るという本発明の目的にそぐわない。また、安定剤が不純物となるため、精密洗浄や排水処理等には、適さないという問題があった。
このため、精密洗浄や排水処理等に適した促進酸化処理水を得るために、陽極と陰極での反応を利用して、高効率でオゾン水と過酸化水素水を同時に生成することが必要となる。しかし、水の酸化と酸素の還元を陽極と陰極において同時に行う技術は知られていない。
なお、特許文献１には、ダイヤモンド電極を陽極として用いた過酸化水素とオゾンの同時製造方法が開示されている。しかし、この方法では、陽極でのオゾン生成の副生成物として、過酸化水素が生成するものであり、陰極での反応は積極的に過酸化水素を製造することを目的としていない。
また、特許文献２には、パラジウム合金等の水素吸蔵合金を陰極として利用してオゾンと過酸化水素を含有する酸化性水を製造する技術が開示されている。この方法は、別途製造したオゾン水に酸素を添加した混合溶液を予め調製し、これに電解で生成する陰極中の原子状水素を接触させて、酸素を過酸化水素に還元してオゾンと共存させる技術である。この方法では、オゾンは別工程で発生させる必要があるために、別に装置を準備しなくてはならず、装置が複雑になるという問題点があった。また、電極に高価なパラジウムが必要となるため、実用的ではないという問題もあった。
特開平１１−２６９６８６号公報
特開平１０−３２４９８８号公報
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、陰極で酸素の電解還元を行い、陽極で水の電解酸化を行うことにより、不純物を含まない高濃度過酸化水素水及び高濃度オゾン水を同時に製造する装置を提供することを目的とする。
酸素は水に難溶であるために、高い電流密度で電解を行うと、水にまで還元され、過酸化水素水が得られない。そのため、高電流密度が要求されるオゾン発生反応と、酸素還元反応を同時に進行させるためには、高効率酸素還元電極が必要となる。本発明者は、気体濃縮機能と気体保持機能とともに気体拡散機能を有する、陰極に最適な、疎水性微粒子を表面に分散固定した粒子群からなる酸素還元用電極を開発した。この酸素還元用電極を陰極で使用することにより、オゾン発生に要する高電流密度においても、適切な電流密度で酸素の電解還元が進行し、過酸化水素が得られることを見出し、本発明に想到した。
すなわち、本発明の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置は、酸素還元用電極を備えた陰極室と、この陰極室とイオン交換膜により区画されるとともにオゾン発生用電極を備えた陽極室とを備え、前記酸素還元用電極は疎水性微粒子を表面に分散固定した粒子群からなり、陰極において酸素の還元により過酸化水素を発生させ、同時に、陽極において水の酸化によりオゾンを発生させるように構成したことを特徴とする。
また、前記酸素還元用電極は、複合めっき法により疎水性微粒子を表面に分散固定したものであることを特徴とする。
また、前記疎水性微粒子は、ポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする。
また、前記陰極室に酸素供給口と純水供給口と過酸化水素水取出口とを設け、前記陽極室に純水供給口とオゾン水取出口とを設けたことを特徴とする。
さらに、本発明の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造方法は、請求項１〜４のいずれか１項記載の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置を用いて、陰極室に酸素と純水、陽極室に純水を供給しながら、前記両極間に通電し、陰極において酸素の還元により過酸化水素を発生させ、同時に、陽極において水の酸化によりオゾンを発生させることを特徴とする。
本発明の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置によれば、酸素と純水のみを出発物質として、不純物を含まない高濃度過酸化水素水及び高濃度オゾン水を同時に製造し、強力な酸化作用を有する促進酸化処理水を製造することができる。また、酸素還元用電極が疎水性微粒子を表面に分散固定した粒子群であることで、疎水性相互作用により、表面近傍での酸素濃度を増加させ、効率よく酸素を還元できる。これにより、オゾン発生に要する高電流密度においても、適切な電流密度で酸素の還元が進行し、過酸化水素が得られる。
また、前記酸素還元用電極は、複合めっき法により疎水性微粒子を表面に分散固定したことで、疎水性微粒子を電極の表面に均一に分散固定できるので、これら疎水性微粒子の疎水性機能が最大限に発揮され、効率よく酸素を還元できる。
また、前記疎水性微粒子がポリテトラフルオロエチレンであり、電極表面を確実に疎水化して、効率よく酸素を還元できる。
本発明の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造方法によれば、酸素と純水のみを出発物質として、不純物を含まない高濃度過酸化水素水及び高濃度オゾン水を同時に製造し、強力な酸化作用を有する促進酸化処理水を製造することができる。
以下、本発明の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置の実施例について、添付した図面を参照しながら説明する。
図１において、１はイオン交換膜で、このイオン交換膜１により陰極室２と陽極室３とに区画されている。
陰極室２には、粒子状の酸素還元用電極４が充填されており、この酸素還元用電極４は陰極室２下部に内設された酸素還元用電極保持板５上に載置されている。酸素還元用電極保持板５は、酸素還元用電極４を保持でき、水と酸素を通し、過酸化水素と反応しないものであればよい。酸素還元用電極保持板５の下部には、酸素供給管６が設けられており、この酸素供給管６に連結して、陰極室２外部に向けて酸素供給口７が設置されている。酸素供給管６は、酸素供給口７から導入された酸素を、さらに酸素還元用電極４下部から陰極室内に均一に供給できるよう、長手方向に等間隔をおいて複数の孔を有した構造となっている。陰極室２の上面には外部に向けて純水供給口８が、底面には外部に向けて過酸化水素水取出口９が設置されており、過酸化水素水取出口９には配管10が接続されている。
イオン交換膜１により区画される陽極室３の側壁近傍にはオゾン発生用電極11が設置されている。このオゾン発生用電極11としては、オゾン生成反応に有効な電極であれば、特定のものに限定されないが、例えば、二酸化鉛メッシュを用いることができる。メッシュ状であることで、効率よく水を酸化できる。陽極室３の上面には外部に向けて純水供給口12が、底面には外部に向けてオゾン水取出口13が設置されており、オゾン水取出口13には配管14が接続されている。過酸化水素水を取り出すための配管10と、オゾン水を取り出すための配管14は連結され、過酸化水素／オゾン混合水溶液取出口15に接続している。
つぎに、図２を参照しながら、酸素還元用電極４の作製法について説明する。
図２に示すように、めっき槽16に正極として銀対極17を接合させた集電棒18を吊設するとともに、負極として集電棒19の一端に絶縁性籠20を接合させたカップ型集電体21を吊設した装置で製造する。銀対極17は遥動可能であり、カップ型集電体21は回動自在な構造となっている。この絶縁性籠20に電極粒子22を投じ、めっき槽16に疎水性微粒子を含む複合めっき液23を満たす。めっき槽16の下部に配した回動自在なマグネチックスターラー24により、複合めっき液23を攪拌する。
めっき液23には、電極粒子表面を被覆する金属化合物を溶解させておく。この金属としては、耐食性が高く電解時に安定なものであれば、特定のものに限定されないが、例えば、銀、ニッケル、鉄、クロム、コバルトを用いることができる。銀は、めっきが容易で、取り扱いが容易であるため、特に好適に用いられる。
疎水性微粒子としては、疎水性を有する微粒子であれば、特定のものに限定されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂のほか、フッ化グラファイトなどのフッ化炭素は、電解雰囲気下においても長時間安定して疎水性が保持されるので、好的に用いられる。ポリテトラフルオロエチレンは、比較的安価で入手しやすいので、特に好適に用いられる。
疎水性微粒子の粒径は、電極粒子に均一に固定されるように、めっき液中に均一に分散できる大きさであればよい。ポリテトラフルオロエチレンの場合は、１０μｍ以下のものが好適に用いられる。
疎水性微粒子をめっき液中に均一に分散させるために、カチオン系界面活性剤を加えてもよい。このカチオン系界面活性剤は、特定のものに限定されるものではない。めっき液中の界面活性剤の濃度は、０．１〜１０ｇ／ｌが好ましい。
電極粒子22としては、電解時に安定で安価な金属であれば、特定のものに限定されないが、銅、ニッケル、鉄、ステンレスなどが好適に用いられる。
このような装置により、銀対極17とマグネチックスターラー24とを用いて攪拌した複合めっき液23中で、カップ型集電体21を回転させながら、集電棒18、19に通電し、電極粒子22上に複合めっきを行う。これにより、疎水性微粒子を電極粒子表面に均一に分散固定することができる。
つぎに、過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置の動作について説明する。
陰極室２に酸素供給口７から酸素を、純水供給口８から純水を供給し、陽極室３に純水供給口12から純水をそれぞれ供給しながら、酸素還元用電極４及びオゾン発生用電極11間に通電して電解を行う。これにより、陰極室２では酸素が還元され過酸化水素が発生し、陽極室３では水が酸化されオゾンが発生する。発生した過酸化水素及びオゾンは純水に溶解した後、それぞれ過酸化水素水取出口９及びオゾン水取出口13からそれぞれ取り出される。続いて、配管10、14の連結部分で、過酸化水素水とオゾン水が混合され、過酸化水素／オゾン混合水溶液取出口15から促進酸化処理水である過酸化水素／オゾン混合水溶液が取り出される。
以上のように、本実施例の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置は、酸素還元用電極４を備えた陰極室２と、この陰極室２とイオン交換膜１により区画されるとともにオゾン発生用電極11を備えた陽極室３とを備え、前記酸素還元用電極４は疎水性微粒子を表面に分散固定した粒子群からなり、陰極において酸素の還元により過酸化水素を発生させ、同時に、陽極において水の酸化によりオゾンを発生させるように構成したことで、酸素と純水のみを出発物質として、不純物を含まない高濃度過酸化水素水及び高濃度オゾン水を同時に製造し、強力な酸化作用を有する促進酸化処理水を製造することができる。また、酸素還元用電極が疎水性であることで、疎水性相互作用により、電極表面近傍での酸素濃度を増加させ、効率よく酸素を還元できる。さらに、酸素還元用電極が疎水性粒子群であることで、オゾン発生に要する高電流密度においても、適切な電流密度で酸素の還元が進行し、過酸化水素が得られる。
また、本実施例の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置によれば、前記酸素還元用電極４が、複合めっき法により疎水性微粒子を表面に分散固定したものであることで、疎水性微粒子を電極表面に均一に分散固定できるので、これら疎水性微粒子の疎水性機能が最大限に発揮され、効率よく酸素を還元できる。
また、本実施例の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置によれば、前記疎水性微粒子がポリテトラフルオロエチレンであることで、電極表面を確実に疎水化して、効率よく酸素を還元できる。
また、本実施例の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置によれば、前記陰極室に酸素供給口７と純水供給口８と過酸化水素水取出口９とを設け、前記陽極室３に純水供給口12とオゾン水取出口13とを設けたことで、酸素と純水のみを出発物質として、不純物を含まない高濃度過酸化水素水及び高濃度オゾン水を同時に製造し、強力な酸化作用を有する促進酸化処理水を製造することができる。
さらに、本実施例の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造方法によれば、請求項１〜４のいずれか１項記載の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置を用いて、陰極室２に酸素と純水、陽極室３に純水を供給しながら、前記両極間に通電し、陰極において酸素の還元により過酸化水素を発生させ、同時に、陽極において水の酸化によりオゾンを発生させることで、酸素と純水のみを出発物質として、不純物を含まない高濃度過酸化水素水及び高濃度オゾン水を同時に製造し、強力な酸化作用を有する促進酸化処理水を製造することができる。
以下の実施例において、本発明の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造方法について、より具体的に説明する。本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
図２に示す装置を用いて、疎水性微粒子を表面に分散固定した粒子群である酸素還元用電極４を作製した。チオシアン系銀めっき液にカチオン系界面活性剤を用いて、粒径０．２μｍのポリテトラフルオロエチレン微粒子を分散させ、複合めっき液23とした。粒径２ｍｍの銅粒子22をカップ型集電体21に投じ、この液中にて銀対極17を用いて攪拌しながら銅粒子22上に複合めっきを行い、疎水性銀粒子群酸素還元用電極４を得た。
また、１０メッシュのチタンメッシュに、α−二酸化鉛、ついでβ−二酸化鉛を電析し、オゾン発生用電極11を得た。
得られた酸素還元用電極４とオゾン発生用電極11をイオン交換膜１とともに図１のように配置し、純水供給口８、12から純水を、酸素供給口７から酸素を供給しながら電解を行い、陰極室２にて酸素の還元を行い、陽極室３にて水の酸化を行った。
陰極として総面積１０５ｃｍ２の疎水性銀粒子群である酸素還元用電極４と、陽極として実行面積１．２６ｃｍ２の二酸化鉛メッシュ板オゾン発生用電極11を、２５ｃｍ２のイオン交換膜１の両側に配置した。酸素流量４ｍｌ／ｍｉｎ、純水流量４ｍｌ／ｍｉｎ、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ２で６０分間通電を行ったところ、陰極室２にて濃度６．３ｐｐｍの過酸化水素が、陽極室３にて濃度７．２ｐｐｍのオゾンが生成していることが確認された。
１ イオン交換膜
２ 陰極室
３ 陽極室
４ 酸素還元用電極（陰極）
７ 酸素供給口
８ 純水供給口
９ 過酸化水素水取出口
11 オゾン発生用電極（陽極）
12 純水供給口
13 オゾン水取出口
２ 陰極室
３ 陽極室
４ 酸素還元用電極（陰極）
７ 酸素供給口
８ 純水供給口
９ 過酸化水素水取出口
11 オゾン発生用電極（陽極）
12 純水供給口
13 オゾン水取出口
Claims (5)
- 酸素還元用電極を備えた陰極室と、この陰極室とイオン交換膜により区画されるとともにオゾン発生用電極を備えた陽極室とを備え、前記酸素還元用電極は疎水性微粒子を表面に分散固定した粒子群からなり、陰極において酸素の還元により過酸化水素を発生させ、同時に、陽極において水の酸化によりオゾンを発生させるように構成したことを特徴とする過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置。
- 前記酸素還元用電極は、複合めっき法により疎水性微粒子を表面に分散固定したものであることを特徴とする請求項１記載の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置。
- 前記疎水性微粒子は、ポリテトラフルオロエチレンであることを特徴とする請求項１又は２記載の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置。
- 前記陰極室に酸素供給口と純水供給口と過酸化水素水取出口とを設け、前記陽極室に純水供給口とオゾン水取出口とを設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置。
- 前記請求項１〜４のいずれか１項記載の過酸化水素水及びオゾン水の同時製造装置を用いて、陰極室に酸素と純水、陽極室に純水を供給しながら、前記両極間に通電し、陰極において酸素の還元により過酸化水素を発生させ、同時に、陽極において水の酸化によりオゾンを発生させることを特徴とする過酸化水素水及びオゾン水の同時製造方法。
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