JP2016029204A - 電解装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の電解装置は、電解ユニットを備え、前記電解ユニットは、被処理流体流路と、少なくとも一組の電解用電極対と、流入口と、流出口とを備え、前記電解用電極対は、鉛直方向に対して傾斜するように配置され、かつ、互いに対向するように配置された上部電極と下部電極とを含み、前記被処理流体流路は、前記流入口から流入した流体が前記上部電極と前記下部電極との間の電極間流路を下側から上側に向かって流れ前記流出口から流出するように設けられたことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
電解技術を用いる利点として、ほとんど活性がなく無害な材料から、活性な物質を生成できるという点である。例えば、次亜塩素酸ナトリウムに代表される次亜塩素酸塩類は、上下水の処理用、排水の処理用、家庭の台所用あるいは洗濯用等の漂白剤、殺菌剤としてとして用いられている。次亜塩素酸塩の製造は、食塩水等のアルカリ金属塩化物の水溶液の電気分解によって得られた水酸化アルカリと塩素ガスを反応させて製造する方法あるいは、無隔膜電解槽においてアルカリ金属塩化物の水溶液を電気分解し、電解槽中で次亜塩素酸塩水溶液を製造する方法で行われている。
これに対して、食塩水などの水溶液を無隔膜電解槽において電気分解する方法は、簡単な電解設備を用いて水の浄化や殺菌に直接利用することが可能な濃度の次亜塩素酸塩水溶液を生成することができる。このため、この方法は、次亜塩素酸塩水溶液を使用する現場において利用されている。しかも、次亜塩素酸塩水溶液の電解製造は、次亜塩素酸塩水溶液の必要量に応じて通電する電流を加減することが可能であり、殺菌などに有効な塩素分がすべて水中に溶解しているという特徴を有している。したがって、電気分解により次亜塩素酸水溶液を製造する方法は、次亜塩素酸塩の貯蔵や運搬の必要がないというメリットを有している。このため、これまで液体塩素の貯蔵設備を設けて塩素ガスを使用していた工場あるいは濃厚な次亜塩素酸塩水溶液を貯蔵して次亜塩素酸塩水溶液を使用していた工場においても、電気分解による次亜塩素酸塩水溶液の製造が行われるようになっている。
2Cl-→Cl2+2e-・・・(1)
Cl2+H2O→HCl+HClO・・・(2)
H2O→1/2O2+2H++2e-・・・(3)
2H2O+2e-→H2+2OH-・・・(4)
なお、水溶液が強酸性(pHが3以下)になると、化学反応式(2)の反応速度が遅くなり、逆反応により塩素ガスが生成する場合がある。
なお、水素イオン指数(pH)の小さい酸性水溶液は除菌性を有するため、次亜塩素酸塩濃度が比較的低くpHの小さい次亜塩素酸塩水溶液を製造することが考えられる。このことにより、十分な除菌性を有する次亜塩素酸塩水溶液を必要な電力消費を抑えて製造することができる。しかし、酸性の次亜塩素酸塩水溶液は、水素ガスに加えて塩素ガスが発生しやすくなるという欠点がある。
図15は、電解技術を用いた製品に一般的に用いられる従来の電解装置100を模式的に示した図である。樹脂製の筐体101の内部に、第1電極103と第2電極104からなる電極対を備える。第1電極103には電圧を印加するための配線106(ピン)が接続されており、第2電極104には電圧を印加するための配線107(ピン)が接続されている。典型的にはピンの一方が電極に溶接され、他方はネジが切ってあって電源からの配線が接続できるようになっている。適宜、Оリング等を使用して液漏れが防止できるよう筐体101の形状を工夫する事ができるが本発明には直接関係しないので省略している。電極間に被処理液を供給するための供給口108と、電解された液が放出される放出口109を備える。通常、電極対は鉛直になるように設置され、 被処理液は下方から供給される。
また、電解槽中に陽極及び陰極を傾斜させて設置し、生成した塩素ガスを上方に移行させ、生成亜鉛を下方に移行させる溶融塩電解槽が知られている(特許文献2参照)。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電解生成物を効率よく生成することができる電解装置を提供する。
本発明によれば、電解用電極対は、鉛直方向に対して傾斜するように配置され、被処理流体流路は、流体が電極間流路を下側から上側に向かって流れるように設けられるため、電解生成物を効率よく生成することができる。このことは、本発明者等が行った実験により実証された。
電解生成物を効率よく生成することができる理由は、次のように考えられる。
本発明の電解装置では、下部電極における電極反応により気体が生成するため、下部電極上に気泡が生じ、この気泡を流体の流れ方向を横切るように上部電極に向かって浮上させることができる。この気泡の浮上により生じる流体の流れにより、下部電極付近の流体と上部電極付近の流体とを攪拌・混合することができ、上部電極における電極反応を促進することができる。また、下部電極の上流付近の流体は気泡の移動に伴って上部電極方向への移動が促進されるため、下部電極の下流付近の流体は電解処理済みの液成分の割合が減少する。このため電解生成物の生成効率を高くすることができる。
このような構成によれば、電解ユニットの電解効率を向上させることができる。このことは、本発明者等行った電解実験により実証された。
本発明の電解装置において、被処理流体流路は、電極間流路の上流側の端に近接した上流側屈曲流路または電極間流路の下流側の端に近接した下流側屈曲流路を有することが好ましい。
被処理流体流路が上流側屈曲流路又は下流側屈曲流路を有することにより、電解反応により生じたガスを効率良く電極間流路から排出できるので、ガスが滞留することによる電解効率の低下を抑制することができる。
また、被処理流体流路が上流側屈曲流路を有することにより、被処理流体流路中の液体の流れに乱れを生じさせることができる。電極の近くに屈曲流路を設けることにより、屈曲流路で生じる乱流の影響は電極間流路にまで及ぶ。これにより気泡があまり生じていない電極間流路の入口付近から十分攪拌効果を与えることができるので、電極表面付近の物質の拡散を促進することができ電解効率を向上させることができる。
また、被処理流体流路が下流側屈曲流路を有することにより、電極間流路で十分に溶解できながったガスがあったとしても、再度屈曲流路で攪拌を行うことができる。例えば、塩素原子を有する物質の水溶液を電気分解し次亜塩素酸類を生成する場合、条件によっては塩素ガスが十分に水溶液に溶解せず次亜塩素酸類の生成効率が落ちる場合があるが、このような構成にすることにより塩素ガスの水溶液への溶解及び次亜塩素酸類への変換を促進できるので、実質的な電解効率を向上させることができる。
このような構成によれば、下部電極における陰極反応により気泡を発生させることができ、気泡による攪拌・混合効果により電解効率を向上させることができる。
本発明の電解装置において、下部電極は、上部電極の電極面よりも面積の広い電極面を有することが好ましい。
下部電極を陰極とし上部電極を陽極として塩素原子を有する物質の水溶液を電気分解し次亜塩素酸類を生成する場合、上部電極の電極面と下部電極の電極面とがほぼ同じ面積であると、上部電極付近は気泡による攪拌・混合効果により塩素ガスの気泡が溶解・減少して気泡による電極有効面積の減少が抑制されるが、下部電極ではそのような効果がなく、水素ガスの気泡により電極の有効面積が減少する場合がある。このため、下部電極の電極有効面積が比較的小さくなり電解反応の律速要因となり上部電極の面積が有効に活かせない場合がある。
下部電極の電極面の面積を上部電極に比べて大きくすることで、上記現象を緩和する事ができ電極面積を有効に使う事ができ上部電極の単位面積当たりの電解効率を向上することができる。
更に上記の構成にすることで、下部電極の上流側で発生する水素ガスの気泡が鉛直上方の陽極として働いている上部電極近傍に達した時に、その近傍では既に上部電極の上流側で電解されたpHが下降した水溶液に接する事ができるので、効率良く塩素ガスを次亜塩素酸類に変換する事ができる。
更に上記の構成にすることで、下部電極で発生する水素ガスが、液体の流速の分だけ鉛直上方向から下流側に浮上しても上部電極近傍に接近することができるので、塩素ガスを次亜塩素酸類に変換できる割合が増加する。特に水素ガスの発生が多い場合は上部電極の下流側が気泡で電界が遮蔽されても下流側に張り出した電極への電界の回り込みや、直接電極に接した気泡の酸化等により多少なりとも次亜塩素酸類に変換される塩素ガスの割合の増加が期待できる。
このような構成によれば、次亜塩素酸イオンを含み、かつ、塩素ガスの放出が抑制され、かつ、pHが7.5以下である電解水を電解効率よく製造することができる。
本発明の電解装置において、電解ユニットは、塩素含有化合物から次亜塩素酸イオンが電気化学的に生成するように設けられ、上部電極は、陽極となるように設けられ、下部電極は、陰極となるように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、下部電極における陰極反応により生じた水素ガスの気泡が流速方向を横切るように上部電極付近に移動しようとするので、電解ユニット内で陽極付近の液体と陰極付近の液体との攪拌を促進することができる。また、水素ガスの気泡が陽極付近に移動するのに伴い、陰極付近のアルカリ性の水が陽極近辺に運ばれ、陽極反応により生じた塩素ガスがアルカリ寄りの水溶液に接するため、塩素ガスの次亜塩素酸類等への変換を促進することができる。
このような構成によれば、下部電極で発生する気泡が、流速により鉛直上方より流出口側に流されても上部電極付近に接近できる。例えば、塩素原子を有する物質の水溶液を電気分解し次亜塩素酸類を生成する場合、下部電極の下流側で発生する水素ガスが、液体の流速の分だけ鉛直上方向から下流側に浮上しても陽極である上部電極近傍に接近することができるので、塩素ガスを次亜塩素酸類に変換できる割合が増加する。
このような構成によれば、陽極である上部電極で発生する塩素ガスなどの気泡を電極中央部より端部に排出することができ、気泡による電極の有効面積の減少を抑制できるとともに中央部の電解効率を向上させることができる。また、陰極である下部電極で発生する水素ガスなどの気泡が塩素ガスなどの気泡に邪魔されることなく速やかに上部電極近傍へ移動できるため下部電極で発生した気泡による攪拌・混合効果を大きくすることができる。電解により次亜塩素酸類を生成する場合、この気泡による攪拌・混合効果により塩素ガスの次亜塩素酸類への変換を促進することができる。これにより塩素ガスの気泡も減少させる事ができるので、電極の有効面積の減少を更に抑制することができ、電解効率をなお一層向上させることができる。
また、気泡が上部電極の中央部から端部に移動することによって中央部から端部方向への流速ベクトルを生成し、従来の電極ユニット構造に比べて、中央部の流速が速くなり端部では流速が遅くなって中央部を流れる電解液と端部を流れる電解液とで電解の程度がばらつくのを抑制することができる。
更に上部電極の中央部では端部に比べて気泡を少なくする事ができるので、流速の比較的速くなりがちな中央部では電解効率が上がるので、より一層中央部を流れる電解液と、端部を流れる電解液の電解の程度のばらつきを抑制する事ができる。
このような構成によれば、上部電極上の気泡を背面側に排出できるため、上部電極の下部電極に面する側の面が気泡で覆われて電極有効面積が減少することを抑制でき、電解効率を向上させることができる。また、電解により次亜塩素酸類を生成する場合、下部電極から上昇してきた水素ガスの気泡は塩素ガスの気泡に妨げられる事が比較的少なく容易に上部電極の近傍に生成されたpHの比較的高い水溶液に接触することができるので効率よく塩素ガスを次亜塩素酸類に変換することができる。また、上記の構成にすることで、壁面に設置した電極でもメッシュの隙間部分を介して電解を行うことができる。これによって更に電極有効面積を増大することができる。
このような構成によれば、下部電極の表面で発生した気泡の一部は、上部電極からみてメッシュの空隙部分を覆うように成長すると考えられる。これにより滑面状の電極面を有する電極の場合に比べて気泡で覆われ無効になる電極面積の割合を減らす事ができる。
また上部電極または下部電極の少なくとも一方または両方にメッシュ電極を用いることで、電極表面の凸凹が大きくなり、電極間流路に層流ができにくくなる。これによって電極間流路に攪渦流、乱流が形成されやすくなり、気泡の電極からの剥離を促進することができる。また、電解により次亜塩素酸類を生成する場合、気泡が大きく成長するまえの比表面積の大きい塩素ガスの微小気泡が電極から剥離し上部電極付近の比較的pHの低い水溶液に接する事ができるので、迅速に塩素ガスが溶解し次亜塩素酸類へ変換することができる。また電解液の攪拌も促進されるので、電解ユニット内での塩素ガスの溶解と次亜塩素酸類への変換がより効率的に行われる。
このような構成によれば、下部電極の表面で発生した気泡の一部は中ほどまで上昇した後、気泡ガイドにより直接的あるいは気泡ガイドによって変えられた液流に乗って間接的に、進路が変更される。これによって気泡ガイドが無いときに比べて気泡の軌道は複雑化する。また気泡ガイド後方に発生する乱流により電解液が攪拌される。また気泡ガイドによって気泡同士が合体して大きくなることも抑制できるので、気泡の溶解性が良くなる。これにより気泡ガイドが無いときに比べて、下部電極で発生した気泡がより上部電極付近で電解された液と接触する確率が増大する。気泡のみならず上部電極あるいは下部電極付近の電解水も気泡ガイドが生じさせる乱流の影響を受けるので、気泡のみならず上部電極あるいは下部電極付近の電解水も攪拌される。これにより電解反応における拡散律速が大幅に改善されるとともに、気泡の混合攪拌により気泡の溶解が促進される。これによって、総合的に電解反応が促進されるので電解効率が向上する。
このような構成によれば、気泡の移動と液体の流れを必要以上に妨げないようにすることができるとともに、有効電極面積の減少を最小限にしながら気泡や液体の攪拌効果を引き出す事ができる。
本発明の電解装置において、電解ユニットは、下部電極が固定された第1電極ホルダーと、上部電極が固定された第2電極ホルダーと、第1及び第2電極ホルダーの間に配置されたスペーサーとを備え、スペーサーは、上部電極及び下部電極が重なり合う方向から見てスペーサーの少なくとも一部が上部電極及び下部電極と重なるように設けられることが好ましい。更に第1又は第2電極ホルダーは少なくとも電極を固定する部分は凹状になっており、電極を固定する面とスペーサーの面との距離(凹部の深さ)は、固定する電極の厚さよりも大きい事が好ましい。
このような構成によれば、気泡や液体の攪拌効果を引き出すことができるとともに、何らかの原因により電極の反りや、電極の固定に緩みが生じても、両電極の接触する可能性を低くする事ができる。これにより電解装置の効率と安全性の両方を向上することができる。またスペーサーの厚みを変える事で電極間の距離を容易に変える事ができるので、目的にあった種々の仕様に容易に変更することができるので、電極ホルダー等の部品の共通化が容易になる。
従来の構造では電極間流路の中央付近つまり電極中央付近の流速が比較的に速くなるため、その部分を流れる電解液は電解される時間が短くなる。それ以外の端部では流速が比較的遅くなるので、その部分を流れる電解液は電解される時間が長くなる。これにより電解液は均一に電解されないので、濃度むらが生じる要因となる。
また、中央部を流れる電解液に適した電解条件に設定すると、端部を流れる電解液は途中から必要以上に電解されるか、全く電解されず電極の面積が無効になるかする。端部を流れる電解液に適した電解条件に電解条件に設定すると、中央部を流れる電解液は電解不十分になる。いずれにしても効率よく電解できていなかったが、突起部を設けることにより非常にシンプルな構造で、中央部の流速を減速するとともに端部の流速を挙げることができるので、濃度むらの発生を抑制したり、電解の効率を良くしたりすることが可能となる利点がある。
このような構成によれば、流速の均一性を向上させることができ、濃度むらを抑制でき電解効率を向上することができる。
本発明の電解装置において、被処理流体流路は、流出口に近い流路の断面積が電極間流路の断面積よりも大きいことが好ましい。
このような構成によれば、流出口付近の流速のバラつきを抑える事ができるとともに、気泡の排出が容易になる。また例えば次亜塩素酸類の生成において、未変換の塩素ガスが生じても、流路の断面積が大きくなった箇所で攪拌効果と滞留効果が期待でき、それによって塩素ガスの次亜塩素酸類への変換促進が期待できる。したがって効率の向上が期待できる。
上部電極及び下部電極の大きさが特に流速方向長くなった場合に、例えば上流側に突起部があり下流側にない場合、下流側で再び中央付近の流速が速く、端部で流速が遅くなる傾向が生じる。このような場合に、上流側と下流側の両方に突起部を設けることで、流速ばらつきが大きくなる事を抑制することができる。
本発明の電解装置において、電解ユニットは、上部電極及び下部電極と、電極間流路以外の流路を構成する電極ホルダーと、突起部とを備え、突起部の少なくとも一部は、上部電極、下部電極、これらの電極の基材、又はこれらの電極と物理的に結合している部材に結合しており、かつ、電極ホルダーとも結合していることが好ましい。
このような構成によれば、突起部を設けることにより上部電極又は下部電極を電極ホルダーに固定することができるため、 別途電極を固定する必要がなくなる。したがって、構成や構造を複雑化することなく本発明の電解装置を実現することができる。
このような構成によれば、この導電性材料からなる部材により、上部電極又は下部電極の電極ホルダーへの固定や上部電極又は下部電極へ電圧印加を行うことができるので、別途電極へ電圧印加するための引き出しラインの必要がなくなる。したがって、構成や構造を複雑化することがなくなる。また、従来の電解用電極対のようにピン等の電極端子引き出し用部品を後付けする必要がなく部品点数(ピン)の削減、ピン取付工数の削減が可能となる。また、他の電極端子の引き出し方として電極に予め端子用の耳を付ける方法があるが、打ち抜きでは無駄になる材料が発生、後付けでは後付け工程が発生する。また引き出し部からの電解液の漏れのシールに安価なOリングを使うのが難しいが、本発明によればそのような無駄や工程が発生しない。更に電極の背面側に電極端子を引き出す方法があるが、従来の電極では背面にロッドを溶接していた。本発明においても溶接を採用することは可能であるが、溶接を用いずとも電極の固定及び電極端子の引き出しが可能である。したがって、溶接工程がないので溶接の失敗がなく、万が一、電極端子の部品に不具合が発生しても容易に補修ができる。溶接していると、溶接を剥がして再度新しいロッドを溶接するか、電極ごと交換する必要がある。
本発明の電解装置において、突起部の表面のうち少なくとも対向電極に最も近い部位は不導体であることが好ましい。
このような構成によれば、突起部の表面で電気化学反応が進行することを抑制することができる。
本発明の電解装置において、突起部を有する部材は電極表面のうち電極間流路を構成する主たる面に対する法線方向と平行に配置され、この部材により電極ホルダーと電極と接続することが好ましい。
これにより、非常に簡単な方法で上部電極又は下部電極の電極ホルダーへの固定や上部電極及び下部電極へ電圧印加を行うことができる。
このような構成によれば、何らかの原因により電極の反りや、電極の固定に緩みが生じても、両電極の接触する可能性を低くする事ができる。これにより電解装置の安全性を向上することができる。またスペーサーの厚みを変える事で電極間の距離を容易に変える事ができるので、目的にあった種々の仕様に容易に変更することができるので、電極ホルダー等の部品の共通化が容易になる。
本発明の電解装置において、上部電極及び下部電極が重なり合う方向から見てスペーサーは上部電極及び下部電極のエッジ部分と重なることが好ましい。
このような構成によれば、電界集中が起こり易く劣化が起こりやすい電極エッジで電解を起こることを抑制できる。これにより電解を安定させるとともに、電極損耗を抑制し長寿命化が可能となる。
本発明の電解装置において、電解ユニットは、塩素原子を含む化合物の水溶液を電解して4000ppm以上の濃度相当の次亜塩素酸イオンまたは塩素分子またはその両方を生成し、それらを希釈することでpH7以下の次亜塩素酸水を生成するように設けることが好ましい。
この場合、上記の手段を用いる事で次亜塩素酸水の生成効率を顕著に向上させることができる。
図1(a)(b)はそれぞれ第1実施形態の電解装置の概略断面図であり、図1(c)は図1(a)に示した電解装置を鉛直方向Aから見た際の上部電極と下部電極との重なりを説明するための図であり、図1(d)は図1(a)に示した電解装置を下部電極の主要面に垂直な方向Bから見た際の上部電極と下部電極との重なりを説明するための図である。
第1実施形態の電解装置15は、電解ユニット10を備え、電解ユニット10は、被処理流体流路7と、少なくとも一組の電解用電極対5と、流入口8と、流出口9とを備え、電解用電極対5は、鉛直方向に対して傾斜するように配置され、かつ、互いに対向するように配置された上部電極3と下部電極4とを含み、かつ、下部電極4において気体が生成される電極反応が進行するように設けられ、被処理流体流路7は、流入口8から流入した流体が上部電極3と下部電極4との間の電極間流路6を下側から上側に向かって流れ流出口9から流出するように設けられたことを特徴とする。
電解ユニット10は、被処理流体流路7を有する装置であり、電解装置15の構成単位である。図1では、1つの電解ユニット10により電解装置15が構成されているが、複数の電解ユニット10により電解装置15を構成してもよい。複数の電解ユニット10は、被処理流体流路7が並列となるように組み合わされてもよく、被処理流体流路7が直列となるように組み合わされてもよい。
筐体1は、管状構造を有してもよく、複数の部材を組み合わせて被処理流体流路7を形成する構造を有してもよい。筐体1が管状構造を有する場合、管状構造の内壁面上に上部電極3及び下部電極4を固定することができる。筐体1が複数の部材を組み合わせた構造を有する場合、上部電極3を固定した第1部材と、下部電極4を固定した第2部材とを組み合わせることにより被処理流体流路7を形成してもよい。この場合、第1部材と第2部材との間に第3部材を挟んでもよい。また、筐体1を構成する部材又は筐体1は、上部電極3又は下部電極4を固定する電極ホルダーであってもよい。
また、流体が電極間流路6の下側から上側に向かって流れることにより、上部電極3又は下部電極4で発生したガスを効率よく電極間流路6から排出することができ、ガスの滞留による電解効率の低下を抑制することができる。また、電極間流路6の下端よりも下側に流入口8を設け、電極間流路6の上端よりも上側に流出口9を設けることができる。このことにより、上部電極3又は下部電極4で発生したガスを効率よく電極間流路6から排出することができ、ガスの滞留による電解効率の低下を抑制することができる。
上部電極3及び下部電極4は、上部電極3の主要面(電極面)と下部電極4の主要面(電極面)とが対向するように配置される。また、上部電極3及び下部電極4は、上部電極3の主要面と下部電極4の主要面との間に電極間流路6が形成されるように設けられる。また、上部電極3及び下部電極4は、上部電極3の主要面と下部電極4の主要面とが略平行となるように設けることができる。この電極間流路6は、被処理流体流路7の一部となる。このような構成とすると、上部電極3と下部電極4との間に電圧を印加することにより電極間流路6を流れる流体を電解処理することができ、電解生成物を含む流体を生成することができる。
また、上部電極3が下部電極4に向かって凸状に湾曲し、下部電極4が上部電極3に向かって凹状に湾曲していてもよい。更に上部電極3の曲率は、下部電極4の曲率に比べて小さくてもよい。
なお、上部電極3及び下部電極4には、電極間に電位差を与えるための配線が接続され、この配線は電源装置に接続される。この配線は、上部電極3又は下部電極4を筐体1に固定するための導電性部材であってもよい。
また、上部電極3及び下部電極4は、下部電極4において気体が発生する電極反応が進行するように設けられる。このことにより、電解生成物を効率よく生成することができる。また、上部電極3及び下部電極4の両方で気体が発生する電極反応が進行する場合、上部電極3及び下部電極4は、下部電極4において気泡の発生量が多くなるように設けることができる。
上部電極3及び下部電極4は、筐体1に固定することができる。上部電極3又は下部電極4は、ねじ部材により筐体1に固定されてもよく、接着剤により筐体1に固定されてもよい。また、上部電極3又は下部電極4は、筐体1の平面上又は曲面上に固定されてもよく、筐体1の溝中に固定されてもよい。図1に示した電解装置10では、上部電極3及び下部電極4は筐体1の溝中に設けられ、被処理流体流路7に段差が生じないように設けられている。
また、上部電極3及び下部電極4は、メッシュ構造を有してもよく、穴あき構造を有してもよく、多孔質構造を有してもよい。
また、上部電極3の少なくとも一部がメッシュ構造又は穴あき構造を有する場合、上部電極3の下部電極4と反対側(背面側)に空間が設けられてもよい。また、この空間の壁面上に、上部電極3と電気的に接続した補助電極を設けてもよい。このことにより、上部電極3の電極面上の気泡を背面側に排出することができ、有効電極面積が減少することを抑制することができる。また、補助電極上において電極反応を進行させることができ、有効電極面積を広くすることができる。
上部電極3及び下部電極4は、金属材料などの導電性材料から形成される。また、上部電極3及び下部電極4には、不溶性電極を用いることができる。また、上部電極3及び下部電極4は、その表面上にPt、Pd、Ir、Ruなどの触媒が担持又はコーティングされた構造を有してもよい。このことにより、電解反応を効率よく進行させることができる。
例えば、上部電極3及び下部電極4のうち陰極となる電極をTiやPtその他の金属を含む電極とし、上部電極3及び下部電極4のうち陽極となる電極をIrやRuを含む電極やPt等の不溶性電極とすることができる。
また、上部電極3及び下部電極4は、鉛直方向に対する傾斜角度が0度より大きく50度より小さくなるように配置することができる。また、この傾斜角度は、5度以上45度以下とすることができ、また、15度以上32度以下とすることができる。なお、傾斜角度は、上部電極3の下部電極4に対向する面(主要面、電極面)の傾斜角度、又は下部電極4の上部電極3に対向する面(主要面、電極面)の傾斜角度である。上部電極3の傾斜角度と下部電極4の傾斜角度は実質的に同じであることが好ましい。このことにより、電極間距離を実質的に一定にすることができ、電流集中が生じることを抑制することができる。
このように電解用電極対5を配置することにより、電解効率を向上させることができる。
このような電解ユニット10では、図1(b)のように、下部電極4における電極反応により下部電極4上に気泡11が生じ、この気泡11を流体の流れ方向を横切るように上部電極3に向かって浮上させることができる。この気泡11の浮上により生じる流体の流れにより、下部電極4付近の流体と上部電極3付近の流体とを攪拌・混合することができ、上部電極3における電極反応を促進することができる。また、下部電極4の上流付近の流体は気泡11の移動に伴って上部電極3方向への移動が促進されるため、下部電極4の下流付近の流体は電解処理済みの液成分の割合が減少する。このため電解生成物の生成効率を高くすることができる。
また、この場合、上部電極3が陽極となり下部電極4が陰極となるように電圧を印加することができる。このことにより、下部電極4上にH2ガスの気泡を生じさせることができ、この気泡の浮上により水溶液を攪拌・混合することができ、次亜塩素酸類の生成効率を向上させることができる。また、陽極近傍の水溶液が強酸性になることを抑制することができるため、上記の化学反応式(2)の反応速度を速くすることができる。このため、次亜塩素酸類の生成効率を向上させることができる。
図2(a)(b)はそれぞれ第2実施形態の電解装置の概略断面図であり、図2(c)は図2(a)に示した電解装置を鉛直方向Aから見た際の上部電極と下部電極との重なりを説明するための図であり、図2(d)は図2(a)に示した電解装置を下部電極の主要面に垂直な方向Bから見た際の上部電極と下部電極との重なりを説明するための図である。
図1に示した電解装置では、方向Bから見た際に上部電極3と下部電極4が実質的に全面において重なるように上部電極3と下部電極4とが配置されていたが、第2実施形態の電解装置15では、上部電極3がより上方に位置するように配置されている。具体的には、図2(d)のように、下部電極4の主要面に垂直な方向Bから見た際に上部電極3と下部電極4が重なり領域17で重なるが、上部電極3に含まれる上部領域は下部電極4と重なっておらず、下部電極4に含まれる下部領域は上部電極3と重なっていない。
また、第2実施形態の電解装置15では、電極間流路6の流路断面積が最も小さくなる方向における電解ユニット10の断面であって、上部電極3を含み下部電極4を含まない面をC、上部電極3及び下部電極4の両方を含む面をD、上部電極3を含まず下部電極を含む面をEとしたとき、面Cが一番上になり面Eが一番下になり面Dが面Cと面Eとの間に位置するように、上部電極3及び下部電極4が配置されている。
このような構成とすることにより、図2(c)のように鉛直方向Aから見た際に上部電極3と下部電極4とが重なる重なり領域16を広くすることができる。
図3(a)は第3実施形態の電解装置の概略断面図であり、図3(b)は図3(a)に示した電解装置を鉛直方向Aから見た際の上部電極と下部電極との重なりを説明するための図であり、図3(c)は図3(a)に示した電解装置を下部電極の電極面に垂直な方向Bから見た際の上部電極と下部電極との重なりを説明するための図である。
図1、2に示した電解装置15では、上部電極3の電極面と下部電極4の電極面とが実質的に同じ大きさを有しているが、第3実施形態の電解装置15では、下部電極4の電極面は上部電極3の電極面よりも広い。また、図3(c)のように、上部電極3及び下部電極4は、電解装置15を下部電極4の電極面に垂直な方向Bから見て下流側のはみ出し長さをD、上流側のはみ出し長さをU、横側のはみ出し長さをSとしたときに、D>U≧Sを満たすように設けることができる。また、図3(b)のように、電解装置15を鉛直方向Aから見た場合、上部電極3の全面が下部電極4と重なるように上部電極3及び下部電極4を設けることができる。
下部電極4の電極面の面積を上部電極3に比べて大きくすることで、上記現象を緩和する事ができ電極面積を有効に使う事ができ上部電極3の単位面積当たりの電解効率を向上することができる。
更に上記の構成にすることで、下部電極4の上流側で発生する水素ガスの気泡が鉛直上方の陽極として働いている上部電極3近傍に達した時に、その近傍では既に上部電極3の上流側で電解されたpHが下降した水溶液に接する事ができるので、効率良く塩素ガスを次亜塩素酸類に変換する事ができる。
更に上記の構成にすることで、下部電極4で発生する水素ガスが、液体の流速の分だけ鉛直上方向から下流側に浮上しても上部電極3近傍に接近することができるので、塩素ガスを次亜塩素酸類に変換できる割合が増加する。特に水素ガスの発生が多い場合は上部電極3の下流側が気泡で電界が遮蔽されても下流側に張り出した電極への電界の回り込みや、直接電極に接した気泡の酸化等により多少なりとも次亜塩素酸類に変換される塩素ガスの割合の増加が期待できる。
図4は、第4実施形態の電解装置の概略断面図である。
図1〜3に示した電解装置15は、直線状の被処理流体流路7を有していたが、第4実施形態の電解装置15では、被処理流体流路7は、電極間流路6の上流側の端に近接した上流側屈曲流路25または電極間流路6の下流側の端に近接した下流側屈曲流路26を有する。なお、電解装置15は、上流側屈曲流路25及び下流側屈曲流路26の両方を有してもよく、どちらか一方を有してもよい。
例えば、流入口8又は流出口9のうち少なくとも一方は、電極間流路6の方向に対して、流入口8又は流出口9付近の流路の方向が非平行となるように設けることができる。このことにより、上流側屈曲流路25又は下流側屈曲流路26を設けることができる。このような構成にすることで、被処理流体流路7中の液体の流れに乱れを生じさせることができる。
電解用電極5の近くに上流側屈曲流路25を設けることにより、屈曲流路で生じる乱流の影響を電極間流路6に及ぼすことができる。このことにより気泡があまり生じていない入口付近から十分攪拌効果を与えることができるので、電極表面付近の物質の拡散を促進することができ電解効率を向上させることができる。
また、下流側屈曲流路26を設けることにより、電極間流路6で十分に溶解できながったガスがあったとしても、再度屈曲流路で攪拌を行うことができる。例えば、塩素原子を有する物質の水溶液を電気分解し次亜塩素酸類を生成する場合、条件によっては塩素ガスが十分に溶解せず次亜塩素酸類の生成効率が落ちる場合があるが、このような構成にすることにより塩素ガスの溶解及び次亜塩素酸類への変換を促進できるので、実質的な電解効率を向上させることができる。
下流側屈曲流路26は、電解用電極対5で生成した気泡がその浮力により流出口9へ浮上できるように設けられることが好ましい。このことにより、気泡を被処理流体流路7からすみやかに排出することができ、気泡が滞留することに起因する電解効率の低下を抑制することができる。
図6(a)は、第5実施形態の電解装置の概略断面図である。また、図6(b)〜(d)は、第5実施形態の電解装置の構成部品の概略断面図である。
第5実施形態の電解装置15は、組み立て型の電解ユニット10を有している。第5実施形態では、電解ユニット10は3つの部品からなり、そのうち2つは図6(b)に示した下部電極4を固定した第1電極ホルダー31と図6(d)に示した上部電極3を固定した第2電極ホルダー32であり、残る1つはスペーサー33として第1及び第2電極ホルダー31、32間に配置される。また、電解用電極対5が重なり合う方向から見て、スペーサー33の少なくとも一部は、電解用電極対5と重なる。また、電極間流路6の上流側と下流側にそれぞれ突起部35が設けられている。また、上流側屈曲流路25及び下流側屈曲流路26が設けられている。
スペーサー33は、上部電極3と下部電極4との間に電極間流路6が形成されるように設けられる。また、第1及び第2電極ホルダー31、32は少なくとも上部電極3又は下部電極4を固定する部分は凹状になっており、上部電極3又は下部電極4を固定する面とスペーサー33と接触する面との距離(凹部の深さ)は、固定する電極の厚さよりも大きくする事が好ましい。これにより、気泡や液体の攪拌効果を引き出すことができるとともに、何らかの原因により電極の反りや、電極の固定に緩みが生じても、上部電極3及び下部電極4が接触する可能性を低くする事ができる。これにより電解装置15の電解効率と安全性の両方を向上させることができる。またスペーサー33の厚みを変える事で上部電極3と下部電極4と間の距離を容易に変える事ができるので、目的にあった種々の仕様に容易に変更することができるので、電極ホルダー等の部品の共通化が容易になる。金属ホルダー31、32の材料は、例えば、アクリル樹脂や塩化ビニル樹脂等の樹脂とすることができる。
また、図6(a)に示した電解装置15では、上部電極3を固定するボルト41及び下部電極4を固定するボルト41が電極端子45となっている。ボルト41の材料は、金属材料とすることができ、例えば金属チタンとすることができる。
一般に流路中の流速は、中央部の平均速度V1が速く、端部に近い部分の平均速度V2が遅くなることが分かっている。また、電気分解による単位体積当たりの化学変化量すなわち電解によって生成される所望の成分の濃度kは他の条件が一定ならば電解を受けた時間tにほぼ比例しk∝tとなる。したがって、電極の形状がほぼ長方形であって平均流速方向の長さが中央部も端部もほぼ同じ長さLであれば、t=L/Vとなるので、k∝L/Vである。したがって、中央部を流れる水溶液における所望成分の生成濃度はk1∝L/V1、端部に関してはk2∝L/V2となり、濃度ばらつきの指標としてk1―k2を用いると、k1―k2=L(1/V1−1/V2)となる。
図7(a)(b)のように、電極間流路6の上流に突起部35を設けると、突起部35は流路中の液体の移動に対して障害物及び流体を中央部から端部へ誘導する。このため、単位断面積当たりに流れる流体の量は中央部が少なく、端部が多くなる。したがって単純化した系で考えれば平均として中央部を流れる流速はV1−v、端部を流れる流速はV2−v、(v>0)となる。この時の濃度ばらつきk1−k2=L(1/(V1−v)−1/(V2−v))となり、vがV1−V2>vを満たす限り濃度ばらつきは小さくなる。
図8は、第6実施形態の電解装置の概略断面図である。図8に示した電解装置15に含まれる電解ユニット10は、少なくとも電解用電極対5と、電極間流路6以外の流路を構成する電極ホルダー30からなり、突起部35を有する部材(図8では電極端子45)の少なくとも一部は、電解用電極対5または、電解用電極対5の基材または、電解用電極対5と物理的に結合している部材と、結合しており、かつ電極ホルダー30とも結合している。このような結合構造により、電解用電極対5を電極ホルダー30に固定することが可能になる。このため、構成や構造を複雑化することがなくなる。また、上記の結合構造により、電解用電極対5の電極ホルダー30への固定を補強することができる。このことにより、電解ユニット10の信頼性を向上させることができる。
また、突起部35または突起部35と結合している部材(図8では電極端子45)は、少なくとも一部は導電性材料からなり、前記部材の少なくとも一部は、電解用電極対5と電気的に接続することができる。
また、突起部35を有する部材を電解用電極対5の表面のうち被処理流体流路7を構成する主たる面の法線方向に配置し電極ホルダーと電極と接続することができる。
また、例えば、電極ホルダー30の穴にめねじ構造の溝を設け、電極端子45におねじ構造の溝を設けて、このめねじ構造とおねじ構造とを組み合わせることにより、金属ホルダー30と電極端子45とを接合してもよい。このような構造とすると、ナットを用いずに電解用電極対5を電極ホルダー30に固定することが可能である。
また他の方法としては、例えば電極ホルダー30と電極端子45を一体成型することも可能である。
突起部35の表面のうち少なくとも対向電極に最も近い部位は不導体にする事もできる。 例えば突起部35の表面を酸化処理しておくこと等により不導体の膜を形成することができる。また、突起部35の表面を樹脂等によりコーティングしてもよい。このことにより、突起部35の表面で電気化学反応が進行することを抑制することができ、不要な成分が生成する事や、生成濃度が大きく変動する事を抑制できる。
図9(a)は、第7実施形態の電解装置の概略断面図である。また、図9(b)〜(f)は、第7実施形態の電解装置の構成部品の概略断面図である。なお、図9(d)は、図9(c)の一点鎖線G−Gにおけるスペーサー33の概略断面図であり、図9(e)は、図9(c)の一点鎖線H−Hにおけるスペーサー33の概略断面図である。
第7実施形態の電解装置15は、組み立て型の電解ユニット10を有している。第7実施形態では、電解ユニット10は3つの部品からなり、そのうち2つは図9(b)に示した下部電極4を固定した第1電極ホルダー31と図9(f)に示した上部電極3を固定した第2電極ホルダー32であり、残る1つは図9(c)〜(e)に示したスペーサー33であり、第1及び第2電極ホルダー31、32間に配置される。また、図9に示した電解装置15では、電極間のスペーサーの開口36を図6に示した電解装置15よりも狭く形成している。また、スペーサー33は、下部電極4の電極面に垂直な方向から見た際に、スペーサー33と、上部電極3のエッジ部及び下部電極4のエッジ部とが重なるように配置される。このことにより、電界集中が起こり易く劣化が起こりやすい電極エッジで電解反応が進行することを抑制できる。これにより安定して電解処理を行うことができるとともに、電極損耗を抑制し電解用電極対5の長寿命化が可能となる。
図10(a)(b)はそれぞれ第8実施形態の電解装置の概略構成図である。
第8実施形態の電解装置15は、第1〜7実施形態の電解ユニット10と、原液タンク51と、希釈部53を備えている。配管57は、配管内の流体の流れる方向を含めて矢印で示している。図10(a)に示した電解装置15は、希釈部53である希釈タンク54に溜めた溜め水55に、電解ユニット10により電解処理した溶液を注入し希釈液を生成する構成を有している。図10(b)に示した電解装置15は、希釈部53である混合部59において、電解ユニット10により電解処理した溶液と流水とを混合し希釈液を生成する構成を有している。図10(a)(b)では電解ユニット10内の電解用電極対5に電力を供給する配線や、必要に応じて備える送液ポンプ等は図示していない。
このような構成によると、電解生成物を含む希釈液を製造することができる。また、塩素原子を有する物質の水溶液を電気分解し次亜塩素酸類を生成する場合、塩素ガスの放出が抑制された希釈液を生成することができる。
図11は、第9実施形態の電解装置の概略構成図である。第9実施形態の電解装置15は、電解用電極対5が鉛直方向に対して傾斜するように配置された電解ユニット10を用いたこと以外は、図16、図17に示した従来の電解水生成器120と同様の構成を有している。また、第9実施形態の電解装置15の基本的な動作も従来の電解水生成器120と同様である。
電解装置15において、望ましくは、スイッチ64をONにすると同時に電磁弁66、電解ユニット10、ポンプ68を動作させるのではなく、適切なタイミングで電磁弁66が開き水が給水口62から電解装置15内に供給されて配管65を通って吐出口63から吐出する。また適切なタイミングで送液ポンプ68が作動し原液タンク67に貯蔵されている電解原液が電解ユニット10に供給される。 電解ユニット10には適切なタイミングで電源(図示せず)から電力が供給され、原液が電気分解される。電気分解により生成された高濃度電解水は、配管65へ供給され配管65を流れる水によって適切な濃度に希釈される。希釈後の電解水は、吐出口63から適宜接続されるホース等の配管を通って電解水供給ポイントまで送られる。
スイッチ64をOFFにすると、電磁弁66、送液ポンプ68、電解ユニット10への電力供給が適切なタイミングで遮断されて電解装置15の動作が停止する。
実際には、各種インターロックを備えた上で、電磁バルブをまず開いた後に、前回動作時に電解ユニット10内に残った原液の電解を少し行ったのちに原液供給を開始する等、目的に応じた最適なシーケンスを設定する。
逆に電解水濃度の立ち上がりを速くしたい場合には、電解ユニット10、送液ポンプ68、電磁バルブ66の順にONする等の方法を用いる事ができる。
動作停止する場合も、電解水を使った後に水で濯ぎたい場合は、電解ユニット10と送液ポンプ68をOFFしたのち、規定時間だけ電磁バルブ66はONしておけば、およそ規定時間の間、濯ぐことが可能になる。
また高濃度の電解水が電解ユニット10内に留まる事を避けたい場合には、電解ユニット10を先にOFFした後に暫く送液ポンプ68をONにして電解ユニット10内の高濃度電解水を電解原液で希釈または殆ど置き換える事も可能である。この場合は電磁バルブ66もONしておくことが望ましい。当然ながらその分原液と水が余分に必要になるので、頻繁に繰り返し使用する場合はそのような動作をしなくて済むように設計する事が望ましい事は言うまでもない。
図1に示したような電解装置を作製し電解用電極対5の鉛直方向に対する傾斜角度を変化させて電解実験を行った。電解用電極対5には、長辺8cm、短辺3cmの1mm厚のチタン板からなる電極(Ti電極という)と、長辺8cm、短辺3cmの1mm厚のチタン板に酸化イリジウムを焼結法によりコーティングした電極(Ir被覆Ti電極という)とを用いた。Ti電極とIr被覆Ti電極とが略平行で電極間距離が1mm〜5mmの範囲内となるように電解用電極対5をアクリル樹脂製の筐体1に固定し電解装置を作製した。また、Ti電極が陰極となり、Ir被覆Ti電極が陽極となるように電源装置と電解用電極対5とを接続した。
電解用電極対5の鉛直方向に対する傾斜角度が約−50度〜約+50度となるように、設置角度を変えて作製した電解装置を設置し、被処理流体流路7に3〜4%の塩化ナトリウム水溶液を下側から一定流量で供給した。なお、電解用電極対が鉛直であるとき傾斜角度は0度であり、Ir被覆Ti電極(陽極)が上側となるように電解用電極対を傾斜させたとき傾斜角度はプラスの角度であり、Ir被覆Ti電極が下側となるように電解用電極対を傾斜させたとき傾斜角度はマイナスの角度である。
そして、電源装置により電解用電極対5に5Aの定電流を供給し、塩化ナトリウム水溶液を電解処理した。また、印加電圧は、約4〜5Vの間であった。また、電解処理後の水溶液の有効塩素濃度(mg/L)の測定を行った。
したがって、電解用電極対5の鉛直方向に対する傾斜角度が0度より大きく50度より小さい範囲になるように電解装置を設置する事が良く、電解用電極対5の傾斜角度が好ましくは5度〜45度(約5%向上)、更に好ましくは15度〜32度となるように電解装置を設置する事が良い。また、陽極であるIr被覆Ti電極の一部が、陰極であるTi電極の鉛直上方に位置するように電解用電極対5を配置することにより電解処理後の水溶液の有効塩素濃度を高くすることができ、電解効率を向上させることができることがわかった。
なお、本実験例では、泡の状態を観察するために筐体1に透明性の高いアクリル樹脂を使用したが、電解装置に供給される水溶液や電解により生じる各種の電解済み物質、発生するガス等に対して耐性があれば筐体1に様々な材質を用いる事ができるのは言うまでもなく所望の信頼性が確保できるならばポリプロピレン等も使用できる。本実験例のように塩素系の水溶液やガスが発生する場合、筐体1の材質には一般に塩化ビニル樹脂が耐性の高さと加工性、コストの安さの面で最も好ましい。
陰極では、上記の化学反応式(4)のような電極反応が進行しH2が発生すると考えられる。発生したH2は比較的溶解しにくいため殆どが気泡となる。電解用電極対5の傾きにより陰極は陽極の鉛直下方に位置するため、H2の気泡はその浮力により陰極を離れ浮上し陽極の近傍へ移動すると考えられる。このため、陰極で発生する気泡が水溶液の流速方向を横切るように移動しようとするので、陰極近傍の水溶液と陽極近傍の水溶液との攪拌が促進される。またH2の気泡は陽極近傍に移動するので陰極近辺のアルカリ寄りの水溶液も陽極近辺に運ばれるため、上記の化学反応式(2)のような塩素ガスの次亜塩素酸等への変換が促進される。また、陰極の上流付近の水溶液は気泡の移動に伴って陽極方向への移動が促進されるため、陰極の下流付近の水溶液は電解処理済みの液成分の割合が減少するため電解のために有効に働く。
気泡が陰極から陽極に向かって水溶液中を浮上する際、気泡と水溶液の速度ベクトルが異なる場合は互いに抵抗となって運動量の交換が行われる。典型的な例では静水中に気泡があると、気泡は浮力によって上向き方向へ移動するが、その動きに引きずられるように水流も発生する事はよく知られている。
傾斜した電極間流路中、つまり斜め方向の流束を有する水溶液中に発生した気泡は浮力により上方向へ移動する力が働く。このため、気泡の移動方向は水溶液が流れる方向と非平行となり下部電極(陰極)から上部電極(陽極)に向かう方向へ、水溶液の流れの方向よりも上方向に向かって移動する。この時、気泡の移動に引きずられて水溶液も下部電極(陰極)から上部電極(陽極)へ向かう方向へ移動しようとする動きが生じる。これにより陰極近傍の水溶液が陽極近傍に移動する流れが生じる。この結果、陽極側生成物と陰極側生成物の混合が良く行われる。
なお、本実験例では陽極を上部電極にした方が好ましい結果が得られたが、本仮説によれば、電解を行うものによっては、発生する気泡が比較的多い方の電極を下部電極にし、発生する気泡が比較的少ない方の電極を上部電極にする事で、電解効率を向上させることができる事が分かる。
陽極21を上側にずらした電解装置を用いた電解実験では、電解処理後の水溶液の有効塩素濃度(mg/L)は、約65mg/Lであった。また、陰極22を上側にずらした電解装置を用いた電解実験では、電解処理後の水溶液の有効塩素濃度(mg/L)は、約60mg/Lであった。このように、陽極21を上側にずらした電解装置を用いた実験では、陰極22を上側にずらした電解装置を用いた実験よりも1割程度効率がよく電解反応生成物を得られた。
しかしながら本実験のように発生する気泡の量が異なる陽極21及び陰極22を用いる場合には様相が異なる。本実験の場合では陽極21から主として発生する塩素ガスは水溶液によく溶解するので気泡量が少なく、水素ガスが生成する陰極22の気泡量の方が多い。この状態を模式的に表した図が図14(b)と図14(c)である。図14(b)のように陽極21を上側にずらした場合では、陰極22で発生する気泡量が十分多い場合、気泡が陽極近傍まで移動し水溶液を攪拌、混合する効果を与えうる事が予想される。
図14(c)のように陰極22を上側にずらした場合では、陰極22で生成した気泡が陽極近傍まで移動することができず、少なくとも図14(b)に比べると気泡による水溶液を攪拌、混合する効果が少ない事が予想される。攪拌、混合する効果が少ない場合は陽極下側で電解処理済みの水溶液が陽極の電極面に沿って上昇するため陽極上側では電解効率が低下する事が予想される。攪拌混合効果が多い場合は新鮮な原液が陽極表面に供給されるので電解効率が向上する事が予想される。したがって気泡による水溶液を攪拌、混合する効果と実験結果は定性的に整合する。
よって、本実験では陽極21を上側にずらした方が好ましい結果が得られたが、本仮説によれば、電解を行うものによっては、発生する気泡が比較的多い方の電極を下方にし、発生する気泡が比較的少ない方の電極を上方にする事で、電解効率を向上できる事が分かる。
図1のように流入口8及び流出口9を電極間流路6の流路方向に備える「縦だし」型の電解ユニット10と、図4のように流出口9が上向きになるように上流側屈曲流路25と下流側屈曲流路26を設けた「横出し(上)」型の電解ユニット10と、図5のように流出口9が下向きになるように上流側屈曲流路25と下流側屈曲流路26を設けた「横出し(下)」型の電解ユニット10とを作製し、電解実験を行った。
電解実験では、電解用電極対5の鉛直方向に対する傾斜角度が約23度と約45度となるように電解装置15を設置し、被処理流体流路7に3〜4%の塩化ナトリウム水溶液を下側から一定流量で供給し、電解用電極対5により電解処理を行った。また、電解処理後の水溶液の有効塩素濃度(ppm)の測定を行った。その他の条件は実験例1と同じである。電解実験の結果を表1に示す。
表1から、明らかに「横出し(上)」型の電解装置の電解効率が高いことがわかった。この理由は定かではないが、電極間流路の上流側の端に近接した上流側流路がある程度屈曲または下流側の端に近接した下流側流路がある程度屈曲していた方が、流束あるいは気泡の流れがランダム化されて電解効率が向上している可能性がある。
流体が屈曲した後の気泡の流れはスムーズな方が良いとすれば、図20(a)のように出入り口の特に出口側流路を鉛直方向にする事も考えられる。
量産容易性を考慮すると図20(b)、(c)のように配管部70で鉛直方向にする変形例も考えられる。
図6(a)に示したような電解ユニット10を作製し電解実験を行った。作製した電解ユニット10は、図6(b)〜(d)のような3つの部品からなり、そのうち2つは同じ形状の電極ホルダー31、32であって互いに点対称になるように配置され、残る1つはスペーサー33であり、2つの電極ホルダー間に配置され、電解用電極対5が重なり合う方向から見て、スペーサー33の少なくとも一部は、電解用電極対5と重なる。
また、作製した電解ユニット10では、突起部35を有するチタン製のボルト41を用いた。電極ホルダー31、32及びスペーサー33はアクリル樹脂製のものを用いた。陽極となる上部電極3にはダイソーエンジニアリング製の次亜塩素酸ソーダ生成用の不溶性電極を用いた。陰極となる下部電極4にはニラコ製チタン板を用いた。また、スペーサー33の厚みを調整して電極間距離が1mm〜5mmの範囲内となるように3つの部材を組み立てた。本実験例では電極ホルダーなどにアクリル樹脂製のものを用いているため、電解ユニット10の中の様子を観察することができる。ただし短波長の光、特にUVは透過しないアクリルで作製した。これは光による影響をできるだけ少なくするためである。したがって、実際の製品では光を全く透過しない材料を用いる事が好ましい。
電極ホルダー31、32、スペーサー33は、はボルト41とナット42及び、図示していないがワッシャ、スプリングワッシャ、Oリングを用いて固定した。本実験例では分解可能な状態であるが、長期信頼性の観点からは電解ユニット10の接着面は強固な接着剤等で電解液が漏れることがないようにする事が好ましい。また、スペーサー33として耐薬性、気密性の高いガスケットを用いる事で厚み調整とシールを兼ねる事ができる。更に大量生産によるコストダウンを図るために、一体成型で一度に電解ユニット10を作製することも可能である。
また、比較のために、突起部35を設けていない電解ユニットも作製し電解実験を行った。他の構成は、上記の電解ユニット10と同じである。
図9(a)に示したような電解ユニット10を作製し電解実験を行った。作製した電解ユニット10は、図9(b)〜(f)に示したような部品から構成され、スペーサー33の開口の大きさが、図6に示した電解ユニット10よりも狭い。また、スペーサー33は、スペーサー33と、上部電極3のエッジ部及び下部電極4のエッジ部とが重なるように配置した。
電解する溶液を塩化ナトリウム水溶液とした場合、電解効率は実験例3とあまり差がなかったが、電解液に塩化ナトリウム水溶液に塩酸を加えて酸性にしたものでは図9の構成の電解ユニット10で生成される次亜塩素酸類の濃度が高かくかつ濃度変動が少なかった。従って、図9のような構成により飛躍的に電解効率と生成される物質濃度の安定度が向上した。
この理由としては、図9に示したような構成とすることにより、電解用電極対5では比較的ムラなく電解反応が進行するとともに比較的均一に攪拌も行われるためと考えられる。また、被処理流体流路7を図9に示したような構成にすることで、電極間流路6以外でも被処理流体の攪拌及び均一化の効果を得られるので更に実質的な効率と安定性が向上したと考えられる。
図10(a)(b)のような電解装置15を用いて、電解生成物を含む希釈液の製造を行った。電解原液52には、3〜4%のNaCl水溶液を用い、図6(a)に示したような電解ユニット10を用いて理論上4000ppmの次亜塩素酸を生成する条件で電解処理を行った。そして、希釈部53により処理後の水溶液を純水で希釈し希釈液を製造した。また、比較のために、電解用電極対の電極面が鉛直方向と平行である従来の電解ユニットを図10(a)のような電解装置に組み込み希釈液を製造した。
従来の電解ユニットを用いた電解実験では、pH7以下の酸性域では塩素ガスが十分に水溶液に溶解せず、希釈タンクにおいて希釈するための純水に気泡を潜らせた場合でも、希釈液の表面付近の塩素ガス濃度が0.5ppmを超え、場合によっては2ppm以上になった。なお、これまでは電解による高濃度低pHの次亜塩素酸の生成が広く実用化されていなかったが、それは従来の方法では低pHでは塩素ガスが発生しやすく電解により効率良く高濃度の液が生成するのが難しかったからだと思われる。
これに対し、図10(a)のような本実験例の電解装置15を用いた電解実験では、製造した希釈液は、pHが6〜8の領域内であり、次亜塩素酸濃度が1000ppm以上であり、希釈液の表面付近の塩素ガス濃度が0.5ppm以下であった。従って、本実験例の電解装置15では、比較例に比べ顕著に塩素ガスの放出を抑制できた。また、本実験例の電解装置15では電解により生じた塩素ガスが効率的に水溶液に溶解できるので、希釈液の次亜塩素酸濃度が1000ppmを超えるまでにかかる時間も顕著に短くなった。
図10(b)のような本実験例の電解装置15を用いた電解実験では、希釈液を排出する配管57の末端の排出近傍の塩素ガス濃度を測定したところ0.5ppm以下であった。
図19に示したような電解装置を作製し実験例1同様に電解用電極対5の鉛直方向に対する傾斜角度を変化させて電解実験を行った。電解用電極対5には、長辺5cm、短辺1cmの1mm厚のチタン板からなる電極(Ti電極という)と、長辺5cm、短辺1cmの1mm厚のチタン板に酸化イリジウムを焼結法によりコーティングした電極(Ir被覆Ti電極という)とを用いた。Ti電極とIr被覆Ti電極とが略平行で電極間距離が1mm〜5mmの範囲内となるように電解用電極対5をアクリル樹脂製の筐体1に固定し電解装置を作製した。また、Ti電極が陰極となり、Ir被覆Ti電極が陽極となるように電源装置72と電解用電極対5とを接続した。
そして、電源装置72により電解用電極対5に1Aの定電流を供給し、塩化ナトリウム水溶液を電解処理した。また、印加電圧は、約4〜5Vの間であった。また、電解処理後の水溶液の有効塩素濃度(mg/L)の測定を行った。
したがって、電解用電極対5の鉛直方向に対する傾斜角度が0度より大きく60度より小さい範囲になるように電解用電極対5を設置する事が良く、電解用電極対5の傾斜角度が好ましくは20度〜45度(約5%向上)となるように電解槽74中に電解用電極対5を設置する事が良い。また、陽極であるIr被覆Ti電極の一部が、陰極であるTi電極の鉛直下方に位置するように電解用電極対5を配置することにより電解処理後の水溶液の有効塩素濃度を高くすることができ、電解効率を向上させることができることがわかった。
電解用電極対5の向きとして短辺を水平とする場合と、長辺を水平とする場合があるが、どちらも陰極側を上なるように電解用電極対5を傾けた方が電解効率が良かった。
陰極では、実験例1同様に電極反応が進行しH2が発生すると考えられる。発生したH2は比較的溶解しにくいため殆どが気泡となる。
ここで閉鎖系電解ユニットと違ってバッチ式の電解槽74の、特に側面含めて開放面積が多い場合は、閉じ込め効果が少ないので電極間にH2の気泡が存在する平均時間は短くなり、H2の気泡と入れ替わりで新鮮な被電解質が自然に供給されるため電解効率が良くなると考えられる。
また自然に供給される被電解質の量は特に制限されないので、電極間の電解済み濃度、ここでは次亜塩素酸類の濃度は比較的低濃度に保たれる。陽極で発生して次亜塩素酸に転換しきれなかった塩素ガスは浮力により上昇し陰極側へ移動する。この時、陰極近辺のアルカリ寄りの水溶液はH2や塩素ガスの気泡に比べると移動速度が遅いために、陽極側から移動してきた塩素ガスと接触する機会が増え、塩素ガスの次亜塩素酸等への変換が促進される。
また陽極近傍の水溶液や陽極で発生した塩素ガスは、電極間から側面等の開放面へH2の気泡に押し出されるように流出するために、閉鎖系電解ユニットのようには陰極近傍の水溶液と陽極近傍の水溶液との攪拌は促進されず、塩素ガスの次亜塩素酸等への変換も促進されず場合によっては塩素ガスのまま被電解質から空間に放出されるため、有効塩素濃度が低くなると考えられる。
また、閉鎖系電解ユニットは電解ユニット内に供給される被電解質は制限されるので電解済み物質の濃度、本実験例では次亜塩素酸類の濃度が高くなりやすい。次亜塩素酸濃度が高くなり過ぎると、電解効率が低下する。この場合は、陽極で発生した塩素ガスの少なくとも一部は電解ユニット内で次亜塩素酸類に転換せずに出口から放出させ、希釈部以降の水に接触さえて次亜塩素酸類に転換した方が電解ユニット内の次亜塩酸類の濃度上昇が抑えられ電解効率が良くなると考えられる。
このように、場合によって電解効率が良くなる条件は異なる。
例えば実験例1では、できるだけ一定量を供給できるようにチューブポンプを用いて送り込む構造を採用している。
電解用電極対が実質的に貯留された被電解物質の中に備えられた構造で、電極間に被電解物質を強制的に供給もしくは吸出す手段がない場合は、陽極は陰極より下方に位置するように電極対を傾けて設ける事が良いと考えられる。
本構造の場合は、気泡の上昇に伴って受動的に被電解質の供給が行われる。
また、次亜塩素酸類に未転換の塩素ガスは、閉鎖系電解ユニットに比べると短い時間で容易に気相に放出される。
閉鎖系電解ユニットの方が気相への放出が抑制されるは、供給される被電解質の量が制限されるため電解ユニット内での閉じ込め効果及びH2気泡による攪拌効果により次亜塩素酸類への転換がなされやすい事、希釈部での塩素ガスの次亜塩素酸類への転換促進される事、希釈部以降の希釈水が流れるライン内でも引き続き塩素ガスの次亜塩素酸類への転換が行われる等、次亜塩素酸類への転換促進要因が多いためと考えられる。
100:電解装置 101:筐体 103:第1電極 104:第2電極 106:第1配線 107:第2配線 108:供給口 109:放出口 111:筐体 112:給水口 113:吐出口 114:スイッチ 115:配管 116:電磁弁 117:原液タンク 118:ポンプ 120:電解水生成器
また、閉鎖系電解ユニットは電解ユニット内に供給される被電解質は制限されるので電解済み物質の濃度、本実験例では次亜塩素酸類の濃度が高くなりやすい。次亜塩素酸濃度が高くなり過ぎると、電解効率が低下する。この場合は、陽極で発生した塩素ガスの少なくとも一部は電解ユニット内で次亜塩素酸類に転換せずに出口から放出させ、希釈部以降の水に接触さえて次亜塩素酸類に転換した方が電解ユニット内の次亜塩素酸類の濃度上昇が抑えられ電解効率が良くなると考えられる。
このように、場合によって電解効率が良くなる条件は異なる。
Claims (8)
- 電解ユニットを備え、
前記電解ユニットは、被処理流体流路と、少なくとも一組の電解用電極対と、流入口と、流出口とを備え、
前記電解用電極対は、鉛直方向に対して傾斜するように配置され、かつ、互いに対向するように配置された上部電極と下部電極とを含み、
前記被処理流体流路は、前記流入口から流入した流体が前記上部電極と前記下部電極との間の電極間流路を下側から上側に向かって流れ前記流出口から流出するように設けられたことを特徴とする電解装置。 - 前記電解用電極対は、鉛直方向に対する傾斜角度が0度より大きく50度より小さくなるように配置された請求項1に記載の電解装置。
- 前記被処理流体流路は、前記電極間流路の上流側の端に近接した上流側屈曲流路または前記電極間流路の下流側の端に近接した下流側屈曲流路を有する請求項1又は2に記載の電解装置。
- 前記被処理流体流路に流体を強制的に供給する手段をさらに備え、
前記電解用電極対は、前記下部電極及び前記上部電極において気体が生成される電極反応が進行するように設けられ、
前記下部電極において生成され外部に放出される気体の量は、前記上部電極において生成され外部に放出される気体の量よりも実質的に多い請求項1〜3のいずれか1つに記載の電解装置。 - 前記上部電極は、陽極となるように設けられ、
前記下部電極は、陰極となるように設けられた請求項1〜4のいずれか1つに記載の電解装置。 - 前記下部電極は、前記上部電極の電極面よりも面積の広い電極面を有する請求項1〜5のいずれか1つに記載の電解装置。
- 希釈部をさらに備え、
前記流体は、水溶液であり、
前記電解用電極対は、前記水溶液に含まれる塩素含有化合物から次亜塩素酸イオンが電気化学的に生成するように設けられ、
前記流出口における水溶液は、重量比で4000ppm以上の次亜塩素酸イオンを含み、
前記希釈部は、前記流出口から排出された次亜塩素酸イオンを含む水溶液の希釈液を生成するように設けられ、
前記希釈液は、pH7.5以下である請求項1〜6のいずれか1つに記載の電解装置。 - 前記被処理流体流路は、対流により前記被処理流体流路に流体が供給されるように設けられ、
前記電解用電極対は、前記下部電極及び前記上部電極において気体が生成される電極反応が進行するように設けられ、
前記上部電極において生成され外部に放出される気体の量は、前記下部電極において生成され外部に放出される気体の量よりも実質的に多い請求項1〜3のいずれか1つに記載の電解装置。
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