JP2011094211A - 活性酸素生成装置、加湿器および空気清浄機 - Google Patents

Abstract

【課題】活性酸素を効率よく、連続的に発生することができ、利用できる電極の材料の範囲を広げられること。
【解決手段】ポリアニリンを含有する陰極４と、導電性を有する陽極５との間に水を介在させ、両電極間に電圧を印加することで活性酸素を生成する装置において、前記陰極は、極性を有する基材７に、ポリアニリン８と導電性物質９との混合材料１０を担持する。
【選択図】図２

Description

本発明は、活性酸素を効率よく、連続的に発生する手段を有する装置に関するものである。

従来、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。しかし前者の放電方式は電力量が多いことや高電圧入力に対する安全性の確保が必要なことなどの問題があった。また、後者の光触媒方式は効果が得られるためには紫外線の光源を必要とし、装置が大型化することや、人体に対して照射されると有害であるという問題があった。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、副生成物として水素や塩素が発生し、爆発するおそれがあったり、刺激臭が発生したりする問題があった。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が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００２−２７３４３３号公報(第２頁、図１) 特開平１０−３１６４０３号公報（第２頁）

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導電性高分子としてポリアニリンが知られており、該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。また、陰極に被覆する材料として、ポリアニリンと導電性物質をバインダーで一体化した混合材料を用いることで、担持する陰極の形状的な制約を解決する手段が知られている。
しかし、前記構成では陰極の基材を導電性とする必要があり、絶縁体を用いる場合には基材表面に導電層を設けてその上にポリアニリンを含有する混合材料を被覆する構成となってしまい、いずれの場合も基材面からポリアニリンに電子を供給する必要があった。また、基材との密着性を得るためにバインダーを含有しているが、バインダーによりポリアニリンが被覆されてしまうという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、活性酸素を効率よく、連続的に発生することができ、そしてまた、利用できる電極の材料の範囲を広げられることを課題としている。

本発明に係る活性酸素生成装置は、ポリアニリンを含有する陰極と、導電性を有する陽極との間に水を介在させ、両電極間に電圧を印加することで活性酸素を生成する装置において、前記陰極は、極性を有する基材に、ポリアニリンと導電性材料との混合材料を担持したことを特徴とするものである。

上記のように構成することにより、陰極に被覆しているポリアニリンが水中の溶存酸素と接触できる表面積を増大することができるため、水中に生成する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に係る活性酸素生成装置の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る活性酸素生成装置の陰極上に担持した材料の構成を模式的に表した拡大図である。 本発明の実施の形態１に係る活性酸素生成装置の陰極上に担持したポリアニリン／混合材料の重量比率による活性酸素生成量を表した図である。 本発明の実施の形態２に係る活性酸素生成装置の断面図である。 本発明の実施の形態３に係る活性酸素生成装置の側面図である。 本発明の実施の形態３に係る活性酸素生成装置の正面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態1について図１を用いて説明する。図１は実施の形態１に係る活性酸素生成装置１を示すものであり、この活性酸素生成装置１は、水槽３内に、ポリアニリンを含む基材からなる陰極４と、導電性を有する陽極５との両極間に酸素を溶存する水２を介在させ、前記陰極４と前記陽極５の間を通電する電圧印加手段６を有する構成となっている。

導電性高分子の一例であるポリアニリンは酸化還元能を有する触媒であり、陰極４と陽極５との間に電圧印加手段６により電圧を印加して通電すると、陰極４の表面に含有されているポリアニリンより、水中に溶存している酸素へ電子が供与され、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。電子を供与したポリアニリン自身は酸化される。ポリアニリンが溶存酸素に電子を供与し続けると、与える電子がなくなってしまうが、電圧印加手段６より電子が供給されることで、ポリアニリンは可逆的に還元型に戻るため、連続的な活性酸素生成を行うことができる。

ここで、陰極４の構成、すなわち陰極４に担持されている材料の構成を模式的に表した模式図を図２に示す。陰極４はPET（ポリエチレンテレフタラート）、ナイロンなどの極性の高い樹脂を基材７とし、該基材７の上に溶媒中に分散したポリアニリン８と導電性物質９の混合材料１０を担持して構成される。ここで、「極性の高い樹脂」というのは、水酸基、酸素基、水素基のいずれかが付与されている合成樹脂をあらわす。溶媒はNMP（N-メチル-２ピロリドン）などの極性の高い溶媒を用いており、混合材料１０を基材７に担持した後に乾燥工程を経て前記溶媒を揮発させる。また、基材７としてPP（ポリプロピレン）、PE（ポリエチレン）などの非極性樹脂の表面に対してプラズマやコロナ放電処理、酸処理、UV処理などを施すことで樹脂表面に極性を有するように形成する形としてもよい。基材表面に極性を付与することで混合材料１０中の溶媒との親和性が向上し、基材表面に対して均一にポリアニリン８を担持することができる。

上記構成とすることで、従来技術のようにバインダーを用いることなく基材表面に対して均一にポリアニリンを担持することができるため、バインダーに被覆されるポリアニリンもないので、水と接触するポリアニリンの表面積が増加して活性酸素生成量も増大する。また、基材とポリアニリンの密着性を向上させるために、混合材料１０にバインダーを付与する場合においても、ポリアニリンよりも少ない量のバインダーで十分な密着性が得られる。

混合材料１０は塗膜したときの表面抵抗値が１０^-3〜１０⁵Ω／□であることとし、導電性物質９はカーボンまたは金属微粒子とする。導電性物質９を粒子状とすることで表面積が大きくなるため、混合されているポリアニリン８との接触効率も上がり、電源から導電性物質９を介して供給される電子をポリアニリン８へ供与しやすくなる。

ポリアニリン８は分子量１０００〜１００００、粒子径０．０１〜１０μｍであることが好ましい。導電性物質９は２次粒子径（粒子が凝縮した状態の粒子径）が０．１〜１０μmであることが好ましく、ポリアニリン８と導電性物質９の両物質が前記溶媒中に混合された混合材料１０で構成される。このとき、導電性物質９はポリアニリン８よりも大きい粒子径とする。導電性物質としてカーボン、白金、金などの化学的な反応に対して安定な物質が好ましい。また、銅や鉄を含有すると、ポリアニリンと水中の溶存酸素により生成する活性酸素と反応して、活性酸素の中でも最も酸化力の強いヒドロキシルラジカルを生成する効率が上がり、殺菌や有機物分解に対して高い性能が得られる。導電性物質は上記した材料のうち複数含有させてもよい。

従来の構成では、陰極基材は導電性物質から形成されているため、電圧印加手段から供給される電子は基材を通じてポリアニリンへ供給され、導電性基材の上に被覆されたポリアニリンは被膜層の最表面のみが水中の溶存酸素と接触できるため、正味担持されているポリアニリン量のうち内層部は有効に利用できていなかった。そこで、本実施の形態では前記構成の通り、絶縁性材料の上にポリアニリンと導電性物質とを混合した混合材料を塗膜して陰極として用いることで、ポリアニリンと導電性物質との間に空隙が形成され、水が塗膜中に入り込むため、溶存酸素と接触するポリアニリンの表面積が増加し、生成される活性酸素量も増加する。

また、本構成とすることで、混合材料１０の膜厚を厚くすることによってポリアニリン量が増えても内層部のポリアニリンも有効に作用するために活性酸素生成量は増加する。一方で、膜厚が厚くなると膜強度が低下するため、指でこするだけではがれてしまい、製品として好ましくない。そこで、膜の剥離が起こらないように混合材料１０の膜厚を０．０１〜１０μｍの範囲内としている。

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つ以上からなり、基材は表面抵抗値が１０^-3〜１０⁵Ω／□であることとする。表面抵抗値が低いと電流は流れやすくなるので、両極での反応が促進する。また、表面抵抗値が１０⁵Ω／□以上になると通電電流が流れなくなるため、活性酸素を生成できなくなる。

また、電源部から電極下端への電圧降下を少なくするために、電極と給電部との接触部分は接触面積が大きいほど好ましく、電極の浸漬深さ方向の長さより長く接触させた方が良い。

図３に混合材料１０中のポリアニリン８と導電性物質９の比による活性酸素（過酸化水素）生成量を示す。図３は、チタン表面に白金を焼成した陽極とPET樹脂に混合材料を担持した陰極とを水中で対向させ、混合材料中のポリアニリンと導電性物質の重量比率、すなわちポリアニリン／混合材料の重量比率を変化させたときにおける−２．４Vの電圧を印加して６時間経過後の過酸化水素生成量をあらわしたものである。このときの電極間距離は５ｍｍであり、水道水を用いて測定を実施した。また、過酸化水素生成量は0．2ｍｇ／ｌ／ｃｍ² 以上であることを条件とした。

図３より、ポリアニリンの重量比率が小さくなると、電子供給の媒体となる導電性物質の近傍にポリアニリンが存在する割合が少なくなるため、ポリアニリンから水中の溶存酸素に電子を供与する確率も小さくなり、活性酸素生成量が減少する。さらに、ポリアニリンの重量比が減少すると、基材との密着性が悪くなり、導電性物質が水中に脱落してしまい、電極としての抵抗値が上昇し、通電電流量が減少して活性酸素生成量も減少することとなる。一方で、ポリアニリンの重量比が増加すると、電極としての表面抵抗値が上昇するために活性酸素生成量が低下し、１０⁵Ω／□以上では電流が流れなくなるため、活性酸素が生成しなくなる。このことより、混合材料中のポリアニリン重量比は５０〜８０％、かつポリアニリンの表面抵抗値が１０^-3〜１０⁵Ω／□となるように基材に担持されていることとする。

以上のように、本実施の形態の活性酸素生成装置では、バインダー量をほとんど使用することなく、陰極に担持する混合材料中のポリアニリンを有効に水中の溶存酸素と接触させることができるため、効率よく活性酸素を生成することができる。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２について図４を用いて説明する。図４は、実施の形態２に係る活性酸素生成装置１を示すものであり、構成は実施の形態１とほとんど同様であるが、陰極４の基材として孔径が０．１〜１０μｍの細孔を有する多孔質体を用いている点だけが実施の形態１と相違する。本実施の形態の陰極４は、前記多孔質体の表面に溶媒中に分散したポリアニリンと導電性物質の混合材料を担持して構成される。溶媒はNMP（N-メチル-２ピロリドン）などの極性の高い溶媒を用いており、混合材料を基材に担持した後に乾燥工程を経て前記溶媒を揮発させる。そして、両電極を水２のなかに浸漬して対向させ、両電極間に電圧を印加して通電を行うことにより、陰極４表面に含有されているポリアニリンより、水中に溶存している酸素へ電子が供与され、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。電子を供与したポリアニリン自身は酸化される。ポリアニリンが溶存酸素に電子を供与し続けると、与える電子がなくなってしまうが、電圧印加手段６より電子が供給されることでポリアニリンは可逆的に還元型に戻るため、連続的な活性酸素生成を行うことができる。

本実施の形態では、陰極４の基材を多孔質体とすることで、電極表面積が増加して担持されるポリアニリン量も増えるため、該ポリアニリンと水中の溶存酸素との接触確率が増大して生成される活性酸素の量も増加する。また、前記多孔質体を前述のように極性の高い樹脂、または非極性樹脂の表面に極性を付与するプラズマやコロナ放電処理、酸処理、UV処理などを施すことによりバインダーが不要となり、バインダーにより多孔質体の細孔が閉塞されることもなくなる。

さらに、前記多孔質体の細孔を０．１〜１０μｍの孔径とすることにより、前記多孔質体は浸漬部分で水を吸い上げる毛管現象が生じる。また、槽３内の水を汚れ成分も含めて浸漬していない部分まで吸い上げて水のみを通過させる、ろ過の機能を持たせることができる。このような構成においては、多孔質体内部で吸い上げられている槽内の汚れ成分に対してポリアニリンと水中の溶存酸素との接触により生成する活性酸素で殺菌、または有機物分解を行うことができる。また、多孔質体は陰極４としては用いず、別途活性酸素が生成する陰極近傍に配置することとしてもよい。

上記のような構成とすることで、積極的に槽３内の汚れや菌を陰極側に集めてポリアニリンにより生成される活性酸素で槽内の衛生性を向上させることができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３について図５、図６を用いて説明する。図５は実施の形態３に係る活性酸素生成装置の側面図であり、図６は正面図を示す。
本実施の形態の活性酸素生成装置１は、水槽３内にポリアニリンを含む基材からなる陰極４と、陽極５の両極間に酸素を溶存する水２を介在させ、前記陰極４と前記陽極５の間を通電する電圧印加手段６を有する活性酸素生成装置において、前記陰極４及び前記陽極５を交互に一定間隔で対向して配列し、前記陰極４を回転できるように中心部に嵌挿した導電性の回転軸１１を有し、前記陽極５は前記酸素を溶存する水と接触するように静置したものである。つまり、陰極４は回転体からなり、水中に浸漬する浸水部分と水面上へ突出する突出部分とが回転軸１１により交互に反転するようになっている。そして、回転体からなる陰極４に担持されている混合材料に含有されているポリアニリンより、溶存している酸素へ電子が供与され、スーパーオキシド、ヒドロキシラジカル、過酸化水素などの活性酸素が生成される。前記陰極４の上部を水面上に突出させ、下部を水面下に浸漬し、前記回転軸１１を中心に回転したときに陰極表面に水膜が形成され、該水膜と大気の界面から酸素が取り込まれる構成となっている。このときに水面から突出している陰極部分には常時水膜が形成されており、該水膜が乾燥しないように回転速度が調整されていることとする。活性酸素の生成量は水中に浸漬している面積に依存するので、浸漬している面積は大きい方がよく、浸漬している部分は必ず回転により大気に暴露される構造とすることが望ましい。

上記構成において、回転軸１１により陰極４の部分が浸漬と引き上げの動作を繰り返すことにより、大気中の溶存酸素を常に取り込むことができるため、連続した活性酸素生成量が得られる。また、陰極４にポリアニリンと導電性物質の混合材料を担持することによって、混合材料中のポリアニリンと導電性物質との間に空隙が形成され、膜内部まで水が浸透する構造となるために膜に保持できる水量が増加し、回転軸１１により陰極４の浸水部が水面から引き上げられたときに大気中から取り込める酸素も増加するため、ポリアニリンと反応して生成される活性酸素量も多くなる。

また、導電性の回転軸１１を陰極４との通電部とすることで、陰極４と通電部との接点が摺動部を有しないことから、回転による接点部の磨耗の心配がない。また、回転の中心を通電部とすることで、回転による配線のねじれも考慮する必要がなくなる。その上、回転するのは陰極のみで、陽極は分離して水中に浸漬する構造とすることにより、配置の自由度が増し、配線及び通電方法が容易となる。

上記に示した構成により、活性酸素を効率よく連続的に生成する装置において、ポリアニリンと導電性物質の混合材料を陰極に担持することにより、担持しているポリアニリンと溶存酸素の接触確率を増加させることができるために、活性酸素生成効率の高い装置を得ることができる。

本発明の活性酸素生成装置により生成された活性酸素は、前述したように、水中の有害な微生物や雑菌を殺菌、減菌するなどの作用を有するため、上記の各実施の形態に示した活性酸素生成装置を加湿器や加湿器付き空気清浄機に搭載することによって、防菌・防臭効果が得られ、装置の衛生性を保つことが可能となる。

１ 活性酸素生成装置、２ 水、３ 槽、４ 陰極、５ 陽極、６ 電圧印加手段、７ 基材、８ ポリアニリン、９ 導電性物質、１０ 混合材料、１１ 回転軸。

Claims (9)

1. ポリアニリンを含有する陰極と、導電性を有する陽極との間に水を介在させ、両電極間に電圧を印加することで活性酸素を生成する装置において、
   前記陰極は、極性を有する基材に、ポリアニリンと導電性材料との混合材料を担持したことを特徴とする活性酸素生成装置。
2. 前記ポリアニリンは、前記混合材料に対する重量比率が５０〜８０％の範囲内であり、かつ表面抵抗値が１０^-3〜１０⁵Ω／□の範囲内であ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. 前記混合材料の膜厚は、０．０１〜１０μｍの範囲内である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. 前記導電性材料は、カーボン、白金、銅、鉄のうち少なくとも一つ以上を含む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. 前記導電性材料は、粒子状になっていることを特徴とする請求項４記載の活性酸素生成装置。
6. 前記基材は、孔径が０．１〜１０μmの細孔を有する多孔質材料からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の活性酸素生成装置。
7. 前記陰極は、回転体からなり、回転により交互に反転する浸水部分と水面上への突出部分とを有し、前記陽極は前記水と接触するように静置されてい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. 請求項１〜７のいずれかに記載の活性酸素生成装置を備えたことを特徴とする加湿器。
9. 請求項１〜７のいずれかに記載の活性酸素生成装置を備えたことを特徴とする空気清浄機。

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