JP2012143718A - 活性酸素種生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高濃度の活性酸素種を効率的に生成することができる活性酸素種生成装置を提供する。
【解決手段】本活性酸素種生成装置は、電圧印加手段６に接続された複数の陰極２及び複数の陽極３と、処理水５が溜められ、陰極２及び陽極３が処理水５に浸された活性酸素種生成槽１とを備える。そして、一枚の陽極３とその陽極３の両側に配置された二枚の陰極２とによって一組の電極が構成され、複数組の電極が、活性酸素種生成槽１内に並べて配置される。
【選択図】図１

Description

この発明は、電極反応を利用して活性酸素種を生成する活性酸素種生成装置に関するものである。

電極反応を利用して活性酸素種を生成する装置の従来技術として、例えば、下記特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載のものでは、装置内で陰極と陽極とを交互に配置し、活性酸素種の生成を行っている。

特許第３４９２３２７号公報

特許文献１に記載のものでは、陰極及び陽極が１：１の比率で配置されているため、活性酸素種を陰極の全面で均等に生成することができる。しかし、かかる構成では、陰極で生成された活性酸素種が陽極で消失する消失反応が生じ易く、活性酸素種の見かけの生成効率（陰極で実際に生成される量ではなく、生成後も活性酸素種として残存させることができる量）が低下するといった問題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、高濃度の活性酸素種を効率的に生成することができる活性酸素種生成装置を提供することである。

この発明に係る活性酸素種生成装置は、所定の電圧印加手段に接続された複数の陰極及び複数の陽極と、処理水が溜められ、陰極及び陽極が処理水に浸された活性酸素種生成槽と、活性酸素種生成槽の内部を仕切るための遮蔽物と、を備え、各陽極は、一面が陰極に対向し、各陰極は、一面が陽極に対向し、遮蔽物は、隣接する陰極の各他面間に配置されたものである。

また、この発明に係る活性酸素種生成装置は、所定の電圧印加手段に接続された複数の陰極及び複数の陽極と、処理水が溜められ、陰極及び陽極が処理水に浸された活性酸素種生成槽と、を備え、１つの陽極とその陽極の両側に配置された２つの陰極とによって一組の電極を構成し、活性酸素種生成槽に、複数組の電極が並べて配置されたものである。

この発明に係る活性酸素種生成装置であれば、高濃度の活性酸素種を効率的に生成することができ、装置の小型化、及びエネルギー消費量の削減が可能となる。

この発明の実施の形態１における活性酸素種生成装置の構成を示す概略図である。 電極構成と活性酸素種生成量との関係を示す図である。 並べて配置する電極数と活性酸素種生成量との関係を示す図である。 酸化還元反応によるポリアニリンの構造変化を示した図である。 この発明の実施の形態２における活性酸素種生成装置の要部の構成を示す概略図である。

この発明をより詳細に説明するため、添付の図面に従ってこれを説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における活性酸素種生成装置の構成を示す概略図である。図１に示すように、活性酸素種生成槽１には、複数の陰極２及び複数の陽極３が備えられている。４は活性酸素種生成槽１に設けられた遮蔽体（遮蔽物）、５は活性酸素種生成槽１に溜められた処理水である。

陰極２及び陽極３は、例えば、板状を呈する部材からなり、それぞれの一部（或いは、全部）が処理水５に浸されている。各陰極２及び各陽極３は、電圧印加手段６に接続されており、所定の電圧が印加できるように構成されている。

各陽極３は、少なくとも一方の面（一面）が陰極２に対向するように配置される。各陰極２は、少なくとも一方の面（一面）が陽極３に対向するように配置される。また、陰極２は、複数あるうちの少なくとも一部が、互いに隣接するように配置されており、遮蔽体４は、隣接する陰極２の各他面間に配置される。なお、隣接して配置された陰極２間の全てに遮蔽体４を配置する必要はない。

図１に示す陰極２及び陽極３の配置は、活性酸素種を生成する上で好ましいものを示している。具体的に、図１に示すものでは、１枚の陽極３とその陽極３の両側（一面側及び他面側）に配置された２枚の陰極２とによって一組の電極を構成している。そして、一組又は複数組の電極が、活性酸素種生成槽１内に並べて配置されている。例えば、電極二組の配置は、「陰極−陽極−陰極−陰極−陽極−陰極」となり、電極三組の配置は、「陰極−陽極−陰極−陰極−陽極−陰極−陰極−陽極−陰極」となる。

遮蔽体４は、活性酸素種生成槽１の内部を仕切る役割を担っている。遮蔽体４は、電極間での反応が影響し合わないように備えられたものであり、絶縁性の部材であることが好ましい。この遮蔽体４により、活性酸素種生成槽１の内部に、活性酸素種を生成するための複数の生成領域が形成される。

遮蔽体４の形状としては、板状、箔状、粒子状、網目状、多孔質体状といった種々のものが採用できる。また、遮蔽体４の素材としては、活性酸素種に対して化学的に安定なＡＢＳ、ＰＰ、フッ素系樹脂といった高分子、チタン、ステンレス、タンタル、イリジウムといった金属の他、セラミックやカーボン等が採用できる。

各生成領域に上記構成の電極をその厚さ方向に並べて配置することにより、陰極２は、内側の面が陽極３に対向し、外側の面が、隣接する電極の陰極２に対向する。また、生成領域の最も外側に配置された電極では、陰極２は、外側の面が遮蔽体４或いは活性酸素種生成槽１の側壁に対向する。陽極３は、その両面が同じ電極の陰極２に対向する。

なお、処理水５が貯留された活性酸素種生成槽１の内部を上記遮蔽体４によって仕切り、活性酸素種生成槽１内に生成領域を複数（例えば、図１に示すものでは２つ）形成する場合、各生成領域には、二組以下の電極を配置することが好ましい。

上記構成を有する活性酸素種生成装置では、陰極２及び陽極３の電極反応により、活性酸素種生成槽１内に貯留された処理水５中に、所定の活性酸素種が生成される。活性酸素種は、主に、陰極２側で生成される。

本活性酸素種生成装置では、上述したように、「陰極−陽極−陰極」を一組の電極として構成している。以下に、図２を参照し、この電極構成が好ましい理由について説明する。

図２は電極構成と活性酸素種生成量との関係を示す図であり、出願人が行った検証結果を示している。
電極反応では、生成物の拡散速度によって生成効率が変化する。生成効率を向上させるためには、電極周辺に十分な空間を確保し、生成物の拡散を促進させることが重要となる。出願人は、本試験において、活性酸素種生成槽１の各壁面との間に十分な距離を設けて電極を設置し、生成物の拡散が電極の側方及び下方に可能となるようにした。そして、「陰極−陽極−陰極」を一組の電極とした場合（本願電極構成）と、「陰極−陽極−陰極−陽極」を一組の電極として構成した場合とにおいて、活性酸素種の一種である過酸化水素を生成し、その濃度の経時変化を測定することによって、電極の組数（セット数）に対する活性酸素種の生成濃度の差異を検証した。

具体的に、図２は、水道水１Ｌを貯留した活性酸素種生成槽１に上記各電極を設置して試験を行った結果であり、２４時間経過後の過酸化水素濃度を示している。図２に示すように、電極を「陰極−陽極−陰極」配置にした時の過酸化水素濃度は、「陰極−陽極−陰極−陽極」配置にした時の濃度に対し、電極二組で１．３倍、電極三組で１．５倍と高くなった。即ち、電極を「陰極−陽極−陰極」として構成することにより、処理水５中に多くの過酸化水素を供給することができ、見かけの生成効率を向上させることが可能となる。これは、「陰極−陽極−陰極」配置の方が陽極３の設置枚数が少なく、生成された過酸化水素の消失反応が抑制されたことによるものである。

なお、電極の組数が同じであれば、「陰極−陽極−陰極」配置、及び「陰極−陽極−陰極−陽極」配置において、陰極２の設置枚数は同じになる。電極の組数が同じ場合、異なるのは、陽極３の設置枚数である。即ち、電極構成を「陰極−陽極−陰極」にすることにより、「陰極−陽極−陰極−陽極」として構成した時と比較して、電極を二組設置すれば陽極３を１枚、三組設置すれば陽極３を２枚少なくすることができる。
このため、「陰極−陽極−陰極」の電極構成であれば、装置の小型化が可能となる。また、電極に必要な電流密度を低く抑えることができるため、省エネ効果も期待できる。

また、本活性酸素種生成装置では、各生成領域に配置される電極が二組以下となるように、活性酸素種生成槽１の内部を遮蔽体４で仕切っている。以下に、図３を参照し、この遮蔽体４の配置が好ましい理由について説明する。

図３は、並べて配置する電極数と活性酸素種生成量との関係を示す図であり、出願人が行った他の検証結果を示している。
陽極３では、活性酸素種の消失反応時、酸素が生成される。一方、陰極２が隣接して配置された空間では酸素供給源がなく、溶存酸素濃度が著しく低下する。図３は、同一空間に存在する電極組数が多いほど、この影響を受けてしまうことを示している。

本試験においても、電極構成の検討を行った上記の場合と同様に、活性酸素種生成槽１に水道水１Ｌを貯留し、活性酸素種生成槽１の各壁面との間に十分な距離を設けて電極を設置した。そして、処理水５中に活性酸素種の一種である過酸化水素を生成させ、その濃度の経時変化を測定した。

図３に示すように、電極を「陰極−陽極−陰極」として構成し、複数組の電極を活性酸素種生成槽１内に配置した場合、電極単位面積当たりに換算された過酸化水素濃度（以下、「過酸化水素生成能」という）は、電極が二組の時に対し、三組では０．６倍に低下した。電極を一組から二組に増やした場合、過酸化水素の濃度は、陰極２が浸漬している面積に比例して増加している。一方、電極を二組から三組以上に増やした場合、過酸化水素の濃度は、陰極２の浸漬面積に比例して増加してはいない。このため、電極を三組以上並べて配置すると、過酸化水素生成能は低下する。

詳細なメカニズムは不明であるが、その原因の一つとして、以下のことが考えられる。即ち、活性酸素種生成槽１に貯留されている水が一定、つまり、水中の溶存酸素量が一定であるのに対し、電極の設置組数が増加するほど溶存酸素の消費量が増加し、隣接する陰極２間で不足する溶存酸素濃度が過酸化水素の生成を阻害する影響度合いが大きくなる。このため、電極を三組以上並べて配置すると、過酸化水素生成能の低下度合いが増大すると考えられる。

陰極２の基材として金属、カーボンを用いることにより、活性酸素種を生成することができる。一方、低電圧印加であっても活性酸素種の生成効率を向上させることができる手段の一つに、陰極２（或いは、陽極３）にレドックスポリマーを担持させるという方法がある。なお、レドックスポリマーとして、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアセン等があるが、ポリアニリンを陰極２に担持させる構成が特に好ましい。

レドックスポリマーとは、化学的重合、電気的重合といった重合方法に関わらず生成され、電子の授受により酸化状態或いは還元状態に可逆的に変化する物質のことである。図４は酸化還元反応によるポリアニリンの構造変化を示した図である。図４に示すように、ポリアニリンは、還元型から酸化型に構造変化する際に、触媒的作用によって電子と水中の酸素とが反応し、活性酸素種の一種であるスーパーオキシド（Ｏ_２ ⁻）を生成する（下記式１参照）。このポリアニリンを介した反応は、陰極２で生じる。
Ｏ_２＋ＰＡｎ（ｒｅｄ）→Ｏ_２ ⁻＋ＰＡｎ（ｏｘ） ・・・（１）

以下に、レドックスポリマーとしてポリアニリンを採用した場合を例に説明する。
ポリアニリンを絶縁性の基材上に塗布すると、通常、その表面抵抗値は、１０^３Ω／ｍ^２以上となる。このため、ポリアニリンを陰極２の基材上に塗布して使用するためには、電圧の入力値を高くしなければならない。しかし、それでは水が電気分解されてしまい、発生した水素や酸素が活性酸素種の生成を阻害してしまう。

一方、導電性の基材、或いはカーボンや金属等の通電補助材が分散添加された導電性の基材にポリアニリンを担持させることにより、陰極２の基材の表面抵抗値を１０^−３〜１０^３Ω／ｍ^２程度にすることができる。かかる構成であれば、水素や酸素の副生成物が発生しない−２．５Ｖ以下の低電圧域においても、スーパーオキシドや過酸化水素等の活性酸素種を効率的に生成することができる。

通電による時間の経過と共に、陰極２のポリアニリンは、還元反応によって還元型へと構造変化する。更に通電を続けると、陰極２のポリアニリンは、図４に示すような完全還元型となり、活性酸素種の生成能力を失ってしまう。このような現象を防止するため、電圧印加手段６に、電圧の極性を切り換える切換手段を具備しておき、陰極２に担持されたポリアニリンが完全還元型に構造変化してしまう前に上記切換手段によって極性を反転させ、ポリアニリンを酸化型側に回復させることが好ましい。或いは、ポリアニリンを担持した陰極２の基材より酸化還元電位が大きな基材を連結させ、電圧印加手段６が動作していない時に、ポリアニリンを酸化型側に回復させることが好ましい。

なお、上記切換手段は、通電方向を切り換えるための手段であり、電気回路のプラス線とマイナス線とを瞬間的に入れ換えるものによって構成される。極性を反転させる方法には、例えば、押しボタン式、スライド式、ロータリー式等がある。

また、レドックスポリマーの基材への密着性を向上させる手段として、基材の表面を粗面化することが有効である。
具体的には、陰極２の表面に０．１μｍ以上の表面粗度を設けることにより、レドックスポリマー膜として、鉛筆ひっかき試験に準じた鉛筆硬度ＨＢ以上の強度を得ることができ、レドックスポリマー膜の密着強度を向上させることができる。また、基材表面を微細な凹凸形状にすることによって表面積が増加するため、活性酸素種生成能が向上するといった効果も期待できる。

また、陰極２の表面粗度は、粗ければ粗いほど良いというものではなく、１０μｍ以下であることが好ましい。これは、担持するレドックスポリマー膜が厚すぎると抵抗となり、却って活性酸素種生成能が低下してしまうためである。レドックスポリマーを１μｍ以下の薄層状に担持する場合、陰極２の基材の表面粗度が大きすぎると、レドックスポリマー膜を均一に形成することが難しくなり、陰極２の基材が露出するといった塗布ムラの原因となってしまう。

一方、陽極３の基材としては、白金チタンやカーボンといった陽極酸化反応に耐性を有する極限られたものが汎用的に使用できる。陰極２にレドックスポリマーを担持させた場合は低電圧域でも活性酸素種を効率的に生成することができるため、陽極３の基材として、上記二基材よりも耐性が劣るもの、例えば、チタン、タンタル、イリジウム等でも使用することができる。なお、陽極３の基材としてチタン等を使用する場合は、白金チタンを使用する場合と比較して活性酸素種の消失反応を抑制することができる。これは、陽極３の基材として白金チタンを使用すると、白金チタン表面の白金の触媒作用により、活性酸素種が反応して分解されてしまうためである。

本構成を有する活性酸素種生成装置であれば、陰極２で生成される活性酸素種の量を増やすことができるとともに、陽極３での消失反応を抑制することができ、活性酸素種の見かけの生成効率を大幅に改善することができる。即ち、陰極２では、陽極３に対向しない面で生成された活性酸素種の多くが、陽極３で消失することなく処理水５中に供給される。このため、陰極２の単位面積当たりで生成される見かけ上の活性酸素種量を大幅に向上させることができる。

なお、陽極３側では、活性酸素種の消失反応が起こる際に酸素が生成される。そのため、隣接する陰極２と陽極３との間においては、上記現象が、溶存酸素濃度を一定量に維持するための酸素供給源となる。一方、陰極２が連続配置（隣接して配置）された部分では、上記現象が起こらず、溶存酸素濃度が減少してしまう。しかし、本装置であれば、隣接して配置された陰極２間に遮蔽体４を配置しているため、かかる部分で溶存酸素が不足して活性酸素種生成効率が低下してしまうことを抑制することが可能となる。

また、本装置であれば、陰極及び陽極を１：１の比率で配置した従来のものと比較して陽極の設置枚数を減らすことができ、装置の小型化、及びエネルギー消費量の削減が可能となる。

本装置で生成された活性酸素種水は強い酸化力を持つため、この水と接触させた物質の抗菌、抗ウィルス、防カビ、脱臭を行うことができる。
なお、上記抗菌とは、滅菌、消毒、殺菌、除菌、抗菌を含む概念であり、微生物やある物質の発生、生育、増殖を抑制或いは死滅させることをいう。
また、上記抗ウィルスとは、ウィルスの活動を抑制するこという。
また、上記防カビとは、カビの発生、生育、増殖を抑制することをいう。
また、上記脱臭とは、臭いを発生する化学物質を吸着、洗浄、化学的に分解することであり、空間から除去することをいう。

また、本願において、活性酸素種とは、スーパーオキシド（Ｏ_２・⁻）、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）、一重項酸素（^１Ｏ_２）、オゾン（Ｏ_３）等、分子状酸素である三重項酸素（Ｏ_２）より活性化された酸素、及びその関連分子のことをいう。

また、本活性酸素種生成装置によって抗菌等が行われる被処理水として、水道水、地下水、工業用水等がある。即ち、上記被処理水には、飲料水、プール、浴場、海水、種々の施設に供される水が含まれる。

実施の形態２．
実施の形態１では、活性酸素種生成槽１内の処理水５が静置されている場合について説明した。本実施の形態では、処理水５を活性酸素種生成槽１内で対流させる場合について説明する。

図５はこの発明の実施の形態２における活性酸素種生成装置の要部の構成を示す概略図である。図５には、（ａ）乃至（ｄ）に示す４つの構成例を示している。
活性酸素種生成槽１には、処理水５を活性酸素種生成槽１内に流入させる流入口７と、処理水５を活性酸素種生成槽１から排出する排出口８が設けられている。そして、図示されていないが、排出口８及び流入口７は配管で接続されており、排出口８から排出された処理水５が、この配管を通って流入口７から再び活性酸素種生成槽１内に戻る（循環する）ように構成されている。上記循環システムにより、活性酸素種生成槽１内の処理水５に対流が発生する。

その他は、実施の形態１と同様の構成を有している。

上記構成を有する活性酸素種生成装置では、陰極２及び陽極３の電極反応により、活性酸素種生成槽１内に貯留された処理水５中に、所定の活性酸素種が生成される。また、上記電極反応が行われている間も、活性酸素種生成槽１内の活性酸素種を含む処理水５は、排出口８から活性酸素種生成槽１の外に排出される。そして、排出口８から排出された上記処理水５は、例えば、給湯装置の配管を通過した後、流入口７から活性酸素種生成槽１内に戻される。
その他の動作は、実施の形態１と同様である。

本構成においても、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
また、処理水５の循環によって活性酸素種生成槽１内に対流が発生するため、空気と接する処理水５の界面においてより多くの酸素を水中に取り込むことができ、溶存酸素濃度の不足を抑制することが可能となる。このため、電極の設置組数を増加させた場合であっても、過酸化水素生成能の低下を抑制できる。
更に、処理水５の対流によって、陰極２で生成された活性酸素種の拡散速度が速くなるため、電極反応が促進され、活性酸素種の生成効率が向上するといった効果も期待できる。

なお、処理水５に対流を発生させた場合であっても、一定以上の流量でなければ、隣接して配置された陰極２間では溶存酸素の不足は発生するため、電極を三組以上並べて配置した場合は、ある程度の過酸化水素生成能の低下は避けられない。このため、本実施の形態においても遮蔽体４を陰極２間に配置し、各生成領域に、二組以下の電極を配置することが好適である。

実施の形態１及び２において具体的な説明を行った活性酸素種生成装置は、例えば、エアコン、加湿機、空清機、除湿機、加湿空清機等の各種空調機器、下水や汚水の水処理機器、風呂給湯装置の配管や貯水部、水分含有物を保持する部位を備えた水周り機器に接続、或いはこれらの機器の内部に設置することができる。そして、本活性酸素種生成装置を備えることにより、これらの機器において、抗菌、抗ウィルス、防カビ、脱臭を行うことができる。

１ 活性酸素種生成槽
２ 陰極
３ 陽極
４ 遮蔽体
５ 処理水
６ 電圧印加手段
７ 流入口
８ 排出口

Claims (10)

1. 所定の電圧印加手段に接続された複数の陰極及び複数の陽極と、
   処理水が溜められ、前記陰極及び前記陽極が前記処理水に浸された活性酸素種生成槽と、
   前記活性酸素種生成槽の内部を仕切るための遮蔽物と、
   を備え、
   前記各陽極は、一面が前記陰極に対向し、
   前記各陰極は、一面が前記陽極に対向し、
   前記遮蔽物は、隣接する前記陰極の各他面間に配置された
   活性酸素種生成装置。
2. １つの前記陽極とその陽極の両側に配置された２つの前記陰極とによって一組の電極を構成し、前記活性酸素種生成槽に、複数組の前記電極が並べて配置された請求項１に記載の活性酸素種生成装置。
3. 所定の電圧印加手段に接続された複数の陰極及び複数の陽極と、
   処理水が溜められ、前記陰極及び前記陽極が前記処理水に浸された活性酸素種生成槽と、
   を備え、
   １つの前記陽極とその陽極の両側に配置された２つの前記陰極とによって一組の電極を構成し、前記活性酸素種生成槽に、複数組の前記電極が並べて配置された活性酸素種生成装置。
4. 前記活性酸素種生成槽の内部を仕切るための遮蔽物と、
   を更に備え、
   前記遮蔽物は、隣接する前記電極間に配置された請求項３に記載の活性酸素種生成装置。
5. 前記遮蔽物により、活性酸素種を生成するための生成領域が複数形成され、
   前記各生成領域に、前記電極が二組以下のみ配置された
   請求項２又は請求項４に記載の活性酸素種生成装置。
6. 前記陰極及び前記陽極の少なくとも一方に、所定のレドックスポリマーが担持された請求項１又は請求項３に記載の活性酸素種生成装置。
7. 前記レドックスポリマーを担持する前記陰極又は前記陽極の表面が、０．１乃至１０μｍの凹凸形状を呈する請求項６に記載の活性酸素種生成装置。
8. 前記陽極は、その基材が、チタン、タンタル、イリジウムの何れか一つの部材からなる請求項６に記載の活性酸素種生成装置。
9. 前記活性酸素種生成槽に、排出口と流入口とが形成され、
   前記処理水は、前記排出口から前記活性酸素種生成槽の外に排出され、所定の配管を通過した後、前記流入口から前記活性酸素種生成槽に戻る
   請求項１又は請求項３に記載の活性酸素種生成装置。
10. 前記活性酸素種生成槽は、前記排出口及び前記流入口が給湯装置の配管に接続された請求項９に記載の活性酸素種生成装置。

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