JP2012206105A - 還元水の作製方法および還元水作製装置 - Google Patents
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Abstract
活性酸素が原因となる様々な病気に効果のある還元水(水素豊富水)を、金属マグネシウム等を水に入れることにより、従来よりも効率良く生成する方法等を提供する。
【解決手段】
マグネシウム等の金属を、酸化還元反応の陽極に含まれる固相と共に水に添加することにより、マグネシウムイオンの飽和量を増加させ、また金属マグネシウム表面に水酸化マグネシウムが析出することによる劣化を改善する。この結果、上記課題を解決する。
【選択図】 図6
Description
<2> 固相が、イオン交換作用を有する、上記<1>に記載の還元水の作製方法。
<3> 固相が酸性の官能基を有する、上記<1>または<2>に記載の還元水の作製方法。
<4> 固相がスルホン酸基を有する、上記<1>〜<3>の何れかに記載の還元水の作製方法。
<5> 固相がカルボン酸基を有する、上記<1>〜<3>の何れかに記載の還元水の作製方法。
<6> 固相が樹脂である、上記<1>〜<5>の何れかに記載の還元水の作製方法。
<7> 固相がイオン交換樹脂である、上記<1>〜<6>の何れかに記載の還元水の作製方法。
<8> 固相が、金属マグネシウムの表面に生じる水酸化物を除去する、上記<1>〜<7>の何れかに記載の還元水の作製方法。
<9> 金属マグネシウムを酸化させて陰極で水素を発生させる、上記<1>〜<8>の何れかに記載の還元水の作製方法。
<10> 陽極が、炭素を含む材料で形成されている、上記<9>に記載の還元水の作製方法。
<11> 上記<1>〜<10>の何れかに記載の方法で作製した還元水を噴霧するスプレー装置。
<12> 上記<1>〜<10>の何れかに記載の方法で作製した還元水を、液体状、固体状、粉体状、またはペースト状にして添加した食品、または化粧品。
<13> 金属マグネシウムを用いて水中で水素を発生させる還元水作製装置であって、多孔性の固相を用いることを特徴とする還元水作製装置。
<14> 電極を備え、金属マグネシウムを酸化させて陰極で水素を発生させ、還元水を作製する還元水作製装置であって、金属マグネシウム表面に生じる水酸化物を除去する固相をさらに備えることを特徴とする、還元水作製装置。
<15> 炭素を含む材料で形成されている陽極をさらに有する、上記<13>または<14>に記載の還元水作製装置。
<16> 陽極の表面を覆う被覆部材をさらに有する、上記<13>〜<15>の何れかに記載の還元水作製装置。
<17> 陽極と陰極とをそれぞれ含む第1および第2の酸化還元システムを有する、上記<13>〜<16>の何れかに記載の還元水作製装置。
<18> 電極を用いて水中で水素を発生させる還元水作製装置であって、炭素を含む材料で形成されている陽極を備えることを特徴とする還元水作製装置。
<19> 金属マグネシウムを用いて水中で水素を発生させる還元水作製装置であって、炭素を含む材料で形成されている陽極を備えることを特徴とする還元水作製装置。
<20> 陽極の表面を覆う被覆部材をさらに有する、上記<18>または<19>に記載の還元水作製装置。
本願発明の還元水(水素豊富水)の作製方法、および還元水(水素豊富水)作製装置では、金属マグネシウムを用いて水中で水素を発生させる。好ましい実施形態では、水中での酸化還元反応により、特に限定されるものではないが、好ましくは陽極にてマグネシウム等の金属を酸化させ、陰極で水素を発生させる。金属マグネシウムにおいては特にその使用する材料の大きさや形は限定されないが、好ましくは、0.1mmから50mm、より好ましくは1mmから5mmの粒状またはフレーク状が望ましい。この酸化還元反応で用いられる陽極としては、特にその使用する材料の種類や装置の構造は限定されないが、好ましくは、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、鉄、金、白金、銀、チタンなどの金属や、炭素を含む材料で形成されたものである。炭素を含む材料で形成されている陽極は、水素の発生に伴い生成される水酸化物イオンを炭酸イオンに変換させ、水系内のpH値の極度の上昇を防止できる点で、特に優れている。炭素を含む材料で形成されている陽極の例として、炭素棒、炭素含有樹脂、樹脂浸透炭素などの炭素含有固相、などが使用できる。
陽極として使用される材料の重量は特に限定されないが、好ましくは重さ0.1gから1kg、より好ましくは1gから50gである。陽極として使用される材料の形状は特に限定されないが、好ましくは棒状、より好ましくは円柱である。
2.固相
本願発明の還元水(水素豊富水)の作製方法、および還元水(水素豊富水)作製装置では、多孔性の固相が用いられる。固相は、金属マグネシウムの表面に生じる水酸化物、すなわち水酸化マグネシウム等を除去することが好ましい。このような固相を用いることにより、特に、固相を陽極に接触させて用いることにより、水への溶解性の低い水酸化マグネシウム等が金属マグネシウムの表面を被覆することが防止され、より多くのマグネシウムイオンを水中に溶解させることができる。更に固相は、溶解したマグネシウムイオンとイオン結合することが好ましい。これにより水に対するマグネシウムの溶解度が上がる。このような固相を用いることにより、水素を発生させる反応が良好な状態のまま、長期間継続される。
2.(1)イオン交換作用を持つ固相の調製法
固相の材質や、固相に含まれる官能基の種類は特に限定されない。例えば、イオン交換樹脂を水中に金属マグネシウムとともに添加すると溶存水素が上昇する効果が認められるが、より好ましくは、陽イオン交換樹脂を用いる。陽イオン交換樹脂の官能基は、水中で負の電荷を有するものであれば特に限定されないが、好ましくは、スルホン酸基やカルボン酸基などが使用できる。より好ましくはスルホン酸基が使用できる。特に限定されないが、そのまま使用すると官能基の酸と金属マグネシウムとの反応により一時的に水素が過剰に発生するため、例えば、酸性官能基の塩を形成した陽イオン交換樹脂を使用することが望ましい。酸性官能基の塩を形成する中和方法としては、特に限定されないが、例えば水酸化ナトリウムを用いて塩にする。
以上のように、固相としては、多孔性のイオン交換樹脂、特に、スルホン酸基、カルボン酸基などの酸性官能基を有する陽イオン交換樹脂が好適に用いられる。特に、後述するように、2nm未満の多数の小さな穴(細孔)を有する「ミクロ多孔性」、あるいは、物質内部に50nmより大きな多数の小さな穴(細孔)を有する「マクロ多孔性」の樹脂の他にも、その中間の大きさの穴を持つ「メソ多孔性」の樹脂を使用することができる。また、非多孔性の固相であっても使用可能である。
固相の総交換容量は特に限定されないが、好ましくは0.1eq(当量)/L―R(膨潤後の樹脂の体積(L))以上、より好ましくは1.0eq(当量)/L―R(膨潤後の樹脂の体積(L))以上である。固相として添加する樹脂の量は、特に限定されないが好ましくは膨潤した樹脂の体積換算で、金属マグネシウム1gあたり0.2ml/g〜500ml/g、より好ましくは2ml/g〜10ml/gである。
また、固相は、金属マグネシウムと混合して使用され得る。ここで、例えば陽イオン交換樹脂である固相(乾燥重量)と、金属マグネシウムとの混合比(重量比)は、1:10〜25:1であることが好ましく、より好ましくは、1:1〜5:1である。
陰極については、特に材料の種類、形状は限定されない。陰極として、好ましくはステンレス鋼、銅、アルミニウム、鉄、金、白金、銀、チタンなどの金属や、炭素棒、炭素含有樹脂、樹脂浸透炭素などの炭素含有固相、より好ましくはステンレス鋼が使用できる。
上述のように、陽極に炭素を含む材料を使用して水酸化物イオンを陽極で二酸化炭素に変換させる場合、炭素粉が生じて水が汚れることがある。これを防ぐために、炭素粉の通過を遮る被覆部材で、陽極の表面を覆うことが好ましい。被覆部材として、特に限定されるものではないが、好ましくは、フィルム、紙、布、膜により、より好ましくは樹脂性のメンブレンフィルター等の多孔質のフィルム状フィルター、ガラス繊維フィルター、セロファン、濾紙などにより、炭素を含む陽極のまわりを囲い、水の汚染を防ぐ。なお、被覆部材は、水、水酸化物イオン、二酸化炭素、および炭酸イオンを通過させられることが好ましい。
還元水(水素豊富水)作製装置においては、電極をそれぞれ含む複数の酸化還元システムを有することが好ましい。電極としては、上述の陽極および陰極が使用可能である。酸化還元システムにおいては、例えば陽極と固相を外部から隔てるケースを設けても良い。このケースは、例えばプラスチックなどの不導体で形成される。ケースには、穴を形成し、水を選択的に通過させるシート状部材等により、穴を塞ぐことが好ましい。シート状部材としては、特に限定されないが、例えば、好ましくは布、濾紙、膜、紙、フィルムなどが、より好ましくはナイロンメッシュが使用できる。
単一の還元水作製装置にて複数の酸化還元システムを設けることにより、個々のシステム(回路)に通電する電流と電圧を各々別々に調整でき、還元水(水素豊富水)の溶存水素濃度とpHの微調整が可能になる。また、酸化還元システムの形状は、例えば筒状であるが、これには限定されない。
本願発明において、酸化還元反応に用いる水の種類は、特に限定されないが、好ましくは水道水、井戸水、河川の水、湖沼の水、海水、ミネラル水、蒸留水、逆浸透水より好ましくは水道水、ミネラル水などが使用できる。添加する水の量は特に限定されないが、好ましくは、例えば金属マグネシウム1gあたり0.1ml/g〜1L/g、より好ましくは4ml/g〜20ml/gである。反応液のpHは特に限定されていないが、好ましくはpH3〜pH14、より好ましくはpH7〜pH12で使用する。反応進行後の酸化還元電位は、特に限定されないが、−800mV〜500mV、好ましくは−300mV〜−10mVである。反応進行後の溶存水素量は、特に限定されないが、0.001〜1.6重量ppm、好ましくは0.1〜1.2重量ppmである。なお、本明細書では、0.005重量ppm以上の水素を含む水を水素豊富水と定める。ただし、このことは、0.005重量ppm未満の水素を含む還元水の作製方法、作製装置を、本願発明から除外するものではない。
また、酸化還元反応用の水には、特にその種類は限定されないが、必要により緩衝剤、酸化剤、還元剤、酸、アルカリ、塩、糖、吸着剤等を混合して用いることができる。
金属マグネシウムは、水と反応して水素と水酸化マグネシウムになる。この酸化還元反応の化学式を以下に示す。
上述の作製方法により作製される還元水(水素豊富水)は、例えば、スプレー装置内に充填され、噴霧されて使用される。また、還元水(水素豊富水)は、液体状のまま、あるいは、固体状、粉体状、またはペースト状に加工され、食品、または化粧品に添加される。
印加する電圧は特に限定されないが、好ましくは0.1Vから1000V、より好ましくは3Vから100Vが使用される。流す電流は特に限定されないが、好ましくは0.1mAから1000A、より好ましくは5mAから400mAが使用される。作製した還元水(水素豊富水)の形態は直接あるいはスプレーとして使用できる。反応容器は特に限定するものではないがスティック、コップ、タンク、ウォーターサーバー、交換用カセットなどが使用できる。できた水は直接飲料可能で、または、液体状、固体状、粉体状、ペースト状等の状態にして食品や化粧品として使用できる。
前記「イオン交換」とは、ある種の物質が示す、接触している電解質溶液に含まれるイオンを取り込み、代わりに自らの持つ別種のイオンを放出することで、イオン種の入れ換えを行う現象または能力を意味する。
前記「樹脂」とは、樹皮より分泌される不揮発性の固体または半固形体の物質のことである。
または、有機化学の発達により合成されるようになった、天然樹脂とよく似た性質を持つ物質のことである。
前記「イオン交換樹脂」とは、合成樹脂の一種で、分子構造の一部にイオン基として電離する構造を持つ。水などの溶媒中のイオンとイオン交換作用を示すが、その挙動はイオンに対する選択性に従う。イオン基の性質により、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂に大別され、またその解離性により強酸・弱酸、強塩基・弱塩基に分けられる。
前記「官能基」とは、物質の化学的属性や化学反応性に注目した原子団の分類で、それぞれ特有の物性や化学反応性を示す。化学的な性質を化合物に与える原子群のことである。
前記「総交換容量」とは、一定量の官能基を持つ樹脂が保持できるイオンの総量である。
前記「当量」とは、化学反応における量的な比例関係を表す概念である。代表的なもののひとつとして物質量の比を表すモル当量がある。単位としては、Eqを用いる。
前記「中和」とは、酸と塩基を混合して、双方の性質を打ち消しあわせ、水と塩をつくることである。
前記「膨潤」とは、イオン交換樹脂に水などを加え充分に吸わせて膨らませることである。イオン交換樹脂を使用する前に行う。
前記「酸化還元」とは、化学反応のうち、反応物から生成物が生ずる過程において、原子やイオンあるいは化合物間で電子の授受がある反応のことである。
前記「多孔性」とは、活性炭に代表される吸着剤など、分子を取り込み吸着する役割を果たす物質などが持つ、物質内部に多数の小さな穴(細孔)を有する状態を意味する。
前記「ミクロ多孔性」とは、一般に、物質内部に2nm未満の多数の小さな穴(細孔)を有する状態である。
前記「マクロ多孔性」とは、一般に、物質内部に50nmより大きな多数の小さな穴(細孔)を有する状態である。
前記「メソ多孔性」とは、一般に、物質内部に2nmより大きく、50nmより小さな多数の小さな穴(細孔)を有する状態である。
前記「酸化還元電位」とは、ある酸化還元反応系における電子のやり取りの際に発生する電位(正しくは電極電位)のことである。物質の電子の放出しやすさ、あるいは受け取りやすさを定量的に評価する尺度でもある。単位はボルトを用いる。
前記「緩衝剤」とは、緩衝作用のある溶液のことを言う。通常、単に緩衝液とだけいう場合は、水素イオン濃度に対する緩衝作用のある溶液を指す。
前記「不織布」とは、通常の布のように繊維を撚って糸にしたものを織ることなく、繊維を熱・機械的または化学的な作用によって接着または絡み合わせる事で布にしたものを指す。
前記「逆浸透水」とは、濾過膜の一種であり、水を通しイオンや塩類など水以外の不純物は透過しない性質を持つ膜を通した水のことである。
前記「炭素含有樹脂」とは、樹脂に炭素粉を練りこみ成形したものである。伝導性を持ち、且つ強度が優れているなどの特徴を持つ。
前記「樹脂浸透炭素」とは、炭素棒などの固相表面から樹脂を浸透させたものである。伝導性を持ち、且つ強度が優れているなどの特徴を持つ。
「ゲル」とは、高分子の網が液体を閉じこめている材料である。高分子が寄り添うだけで結びつきが弱いのが物理ゲルで、ゼリーや寒天が代表的である。高分子を化学結合させたのが化学ゲルで、吸水材やコンタクトレンズなどがある。「重合体」とは、複数の単位構造(単量体)が重合する(結合して鎖状や網状になる)ことによってできた化合物のことである。このため、一般的には高分子の有機化合物である。「共重合体」とは、2種類以上の単位構造(単量体)からなる重合体のことを特に共重合体と言う。「担体」とは、吸着や触媒活性を示す物質を固定する土台となる物質のことである。担体自体は、化学的に安定したもので、目的操作を阻害しないものが望ましい。「水素豊富水」とは、水素分子(水素ガス)を多く含む水のことである。水素分子が水に溶けて水素イオンとなることは無い為、水素分子がpHに直接影響することは無い。「電気分解」とは、化合物に電圧をかけることにより電気化学的に酸化還元反応を引き起こし、化合物を化学分解する方法である。略して電解ともいう。「電解隔膜」とは、電気分解で、両極の反応生成物が混合して副反応をするのを防ぐために、両極間に置く多孔質の隔壁である。
200CT NA(登録商標)は、スチレン・ジビニルベンゼン共重合体のMR構造を担体として持つ強酸性イオン交換樹脂であり、官能基としてスルホン酸が結合している。
IR120B NA(登録商標)も類似の構造を持つが、ゲル構造を持つ担体である。
また、200CT NA(登録商標)とIR120B NA(登録商標)は使用する時点で、各々水酸化ナトリウムで塩として中和されている。
なお、マグネシウム以外の金属、例えば、鉄、亜鉛等も水素発生のために使用できるものの、反応性、水素発生の効率、および安全性の観点から、金属マグネシウムが特に適している。
200CT NA(登録商標)は、担体に官能基としてスルホン酸が、IRC76(登録商標)は、担体に官能基としてカルボン酸が、IRA400J Cl(登録商標)は、担体に官能基として第4アンモニウム塩基が、そしてIRA67(登録商標)は、担体に官能基として3級アミンが結合している。200CT NA(登録商標)はスチレン・ジビニルベンゼン共重合体を担体として有し、IRC76(登録商標)はポリアクリル共重合体を担体として有し、IRA400J Cl(登録商標)はスチレン・ジビニルベンゼン共重合体を担体として有し、IRA67(登録商標)はアクリル・ジビニルベンゼン共重合体を担体として有する。また、200CT NA(登録商標)とIRA400JCl(登録商標)は、使用する時点で、各々水酸化ナトリウムと塩酸で塩として中和されている。IRC76(登録商標)とIRA67(登録商標)は、100mlのビーカーに膨潤した樹脂20mlをとり、100mlの水道水を入れ各々1規定になるように水酸化ナトリウムと塩酸を添加し、一晩、中和操作を実施した。これらのサンプルを水道水で良く洗浄して、pHを、塩酸や水酸化ナトリウムで中性から弱アルカリとし、最後に各々金属マグネシウム5gと水道水を加え最終的に100mlとして実験を開始した。
Claims (20)
- 金属マグネシウムを用いて水中で水素を発生させる方法において、多孔性の固相を用いることを特徴とする還元水の作製方法。
- 固相が、イオン交換作用を有する、請求項1に記載の還元水の作製方法。
- 固相が酸性の官能基を有する、請求項1または請求項2に記載の還元水の作製方法。
- 固相がスルホン酸基を有する、請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の還元水の作製方法。
- 固相がカルボン酸基を有する、請求項1〜請求項3の何れか一項に記載の還元水の作製方法。
- 固相が樹脂である、請求項1〜請求項5の何れか一項に記載の還元水の作製方法。
- 固相がイオン交換樹脂である、請求項1〜請求項6の何れか一項に記載の還元水の作製方法。
- 固相が、金属マグネシウムの表面に生じる水酸化物を除去する、請求項1〜請求項7の何れか一項に記載の還元水の作製方法。
- 金属マグネシウムを酸化させて陰極で水素を発生させる、請求項1〜請求項8の何れか一項に記載の還元水の作製方法。
- 陽極が、炭素を含む材料で形成されている、請求項9に記載の還元水の作製方法。
- 請求項1〜請求項10の何れか一項に記載の方法で作製した還元水を噴霧するスプレー装置。
- 請求項1〜請求項10の何れか一項に記載の方法で作製した還元水を、液体状、固体状、粉体状、またはペースト状にして添加した食品、または化粧品。
- 金属マグネシウムを用いて水中で水素を発生させる還元水作製装置であって、多孔性の固相を用いることを特徴とする還元水作製装置。
- 電極を備え、金属マグネシウムを酸化させて陰極で水素を発生させ、還元水を作製する還元水作製装置であって、金属マグネシウム表面に生じる水酸化物を除去する固相をさらに備えることを特徴とする、還元水作製装置。
- 炭素を含む材料で形成されている陽極を有する、請求項13または請求項14に記載の還元水作製装置。
- 陽極の表面を覆う被覆部材をさらに有する、請求項13〜請求項15の何れか一項に記載の還元水作製装置。
- 陽極と陰極とをそれぞれ含む第1および第2の酸化還元システムを有する、請求項13〜請求項16の何れか一項に記載の還元水作製装置。
- 電極を用いて水中で水素を発生させる還元水作製装置であって、炭素を含む材料で形成されている陽極を備えることを特徴とする還元水作製装置。
- 金属マグネシウムを用いて水中で水素を発生させる還元水作製装置であって、炭素を含む材料で形成されている陽極を備えることを特徴とする還元水作製装置。
- 陽極の表面を覆う被覆部材をさらに有する、請求項18または請求項19に記載の還元水作製装置。
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