JP4596937B2 - 次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、海水、河川水、井戸水または水道水等の水中に含まれる雑菌を次亜塩素酸ナトリウム塩により殺菌した後、該殺菌した水を還元することにより水を浄化し、魚介類の養殖等に用いる水として利用できる次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法に関するものである。

従来、交流を用いて水を電気分解する方法としては、例えば、液体中に酸化還元電位を低下させる金属からなる一対の電極と、少なくとも１つの第１の接地する電極とを配設し、前記一対の電極間には交流を印加し、該交流の周波数を制御し、且つ前記第１の接地する電極を周期的に接地の電位からプラスの電位に制御して液体の酸化還元電位を下げ、前記一対の電極と第１の接地する電極との周囲に略箱形状を呈する網目状の第２の接地する電極を配設した液体の交流電気分解方法がある（特許文献１参照）。

また、交流を用いて水を電気分解すると共に、次亜塩素酸ナトリウムを用いて水を浄化する方法としては、例えば、海水で魚介類を養殖する養殖水槽を準備する工程と；養殖槽のインレットラインおよびアウトレットラインに、電解室と、電解室に配置された交流電極と、交流電極間に充填された微小分割電極体ならびに微小絶縁体との混合物とからなる交流電解処理装置を接続する工程と；混合物の隙間内で水酸化ナトリウムと塩素とを発生させることにより次亜塩素酸ナトリウムを生成する工程と；混合物の隙間内で次亜塩素酸ナトリウムと病原性ウイルスを接触させながら殺菌する工程と；混合物の隙間内で海水中の次亜塩素酸ナトリウムとアンモニウムとを攪拌反応させることにより、塩化ナトリウム、水および窒素とに変換してアンモニアを無害化する工程と；無害化した海水を養殖水槽に循環させる工程と；からなる、魚介類の養殖方法がある（特許文献２参照）。

特開２００３−２３６５４３号公報 特開２００３−５２２７５号公報

しかしながら、前記特許文献２の公知技術においては、交流電解による処理によって水酸化ナトリウムと塩素とを発生させて次亜塩素酸ナトリウムを生成するという電気化学的処理を行っているが、該次亜塩素酸ナトリウムを還元する工程において、該次亜塩素酸ナトリウムとアンモニウムとを攪拌反応させることにより、塩化ナトリウム、水および窒素とに変換させるという化学的処理のみを行うものであるため、反応に長時間を要するという問題点を有している。

従って、電気化学的処理により次亜塩素酸ナトリウムを還元させるということに解決しなければならない課題を有している。

上記した従来例の課題を解決する具体的手段として本発明に係る次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法は、塩化ナトリウムを含む水中に一対の交流電極と、該交流電極より小面積乃至同面積の第一の接地電極と、前記一対の交流電極の合計面積より大面積且つ接地状態と非接地状態とを切り換えることができる第二の接地電極とを配設し、該第二の接地電極を非接地状態にすると共に、前記一対の交流電極間に交流を印加し電気分解することにより次亜塩素酸ナトリウム塩を発生させて前記水を殺菌した後、前記第二の接地電極を接地状態に切り換える共に、前記一対の交流電極間に交流を印加し電気分解することにより前記次亜塩素酸ナトリウム塩を塩化ナトリウムに還元して前記水を浄化することを最も主要な特徴とする。

この発明において、前記一対の交流電極は、チタン、白金または白金をメッキしたチタンからなる溶解性のない安定した金属を用いて形成し、前記第一の接地電極と第二の接地電極とは、マグネシウム、アルミニウム、鉄、銅、亜鉛、真鍮、ステンレスからなる溶解性の高い金属を用いて形成したこと；前記第二の接地電極は、筒状または網目の筒状に形成し、一対の交流電極と第一の接地電極との周囲を覆うように配設したこと；前記水に含まれる塩化ナトリウムは、略０．０１％以上の濃度であること；を付加的な要件として含むものである。

本発明に係る次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法は、塩化ナトリウムを含む水中に一対の交流電極と、該交流電極より小面積乃至同面積の第一の接地電極と、前記一対の交流電極の合計面積より大面積且つ接地状態と非接地状態とを切り換えることができる第二の接地電極とを配設し、該第二の接地電極を非接地状態にすると共に、前記一対の交流電極間に交流を印加し電気分解することにより次亜塩素酸ナトリウム塩を発生させて前記水を殺菌した後、前記第二の接地電極を接地状態に切り換える共に、前記一対の交流電極間に交流を印加し電気分解することにより前記次亜塩素酸ナトリウム塩を塩化ナトリウムに還元して前記水を浄化しているため、次亜塩素酸ナトリウムを還元させる工程においても電気化学的処理をすることができ、単純に化学的に反応させるよりもよりスムーズに次亜塩素酸ナトリウムを還元させることができるという優れた効果を奏する。

次に、本発明を具体的な実施の形態に基づいて詳しく説明する。
本発明の実施の形態に係る次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法を図１及び図２を用いて説明する。尚、本発明に係る次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法は、同一出願人による特開２００３−２３６５４３号と特開２００４−２６３２７２号とに記載された発明を基本の発明としたものであるが、本発明においては、次亜塩素酸ナトリウム塩を発生させて水を殺菌すると共に、該次亜塩素酸ナトリウム塩を電気化学的に還元させて水を浄化させるものである。

図１に、水槽１の塩化ナトリウムを含む水中（例えば、海水）に一対の交流電極２ａ、２ｂと、第一の接地電極３と、第二の接地電極４とを配設し、交流電気分解を行うことができる回路図の一例を示してある。なお、前記塩化ナトリウムを含む水としては、略０．０１％以上の濃度であることが好ましく、この水中に塩化ナトリウムが含まれていない場合には、略０．０１％以上の濃度になるように塩化ナトリウム（塩）を水中に添加すれば良く、また、図１の回路図は一例であって、水を交流電気分解できる回路であれば、例えば、同一出願人による特開２００４−３４４７４６号の図４に図示された回路等いずれの回路を用いても良い。

前記一対の交流電極２ａ、２ｂとしては、例えば、チタン、白金または白金をメッキしたチタン等の溶解性のない安定した金属を用いて形成することが好ましく、また、第一の接地電極３及び第二の接地電極４としては、例えば、マグネシウム、アルミニウム、鉄、銅、亜鉛、真鍮、ステンレス等の溶解性の高い金属を用いて形成することが好ましい。

前記第一の接地電極３は、前記交流電極２ａ、２ｂのそれぞれよりも小面積乃至同面積、即ち式１のような面積（表面面積）を有する電極を用いるものであり、また、前記第二の接地電極４は、前記一対の交流電極２ａ、２ｂの合計面積より大面積、即ち式２のような面積を有する電極（表面面積）を用いるものであり、更に、この第二の接地電極４は、筒状または網目の筒状に形成し、図２に示したように、前記一対の交流電極２ａ、２ｂと第一の接地電極３との周囲を覆うように配設することが好ましいものである。
（式１）
交流電極２ａの面積 ＝ 交流電極２ｂの面積 ≧ 第一の接地電極３の面積
（式２）
一対の交流電極２ａ、２ｂの合計面積 ＜ 第二の接地電極４の面積

前記第一の接地電極３と第二の接地電極４との面積を前記式１及び式２のような面積にする理由としては、これら第一の接地電極３と第二の接地電極４との面積により、次亜塩素酸ナトリウム塩が発生または次亜塩素酸ナトリウム塩が還元されるからであるが、該次亜塩素酸ナトリウム塩が還元される反応について、詳しいメカニズムは解明していないが、これら第一の接地電極３と第二の接地電極４から発生した原子状の水素（活性水素）が次亜塩素酸ナトリウム塩の酸素と反応するために次亜塩素酸ナトリウム塩が還元されるようになるため、その際、前記第一の接地電極３と第二の接地電極４との面積を広くすることによって前記原子状の水素（活性水素）が増加するためであると推察される。

一対の交流電極２ａ、２ｂと直流電源５との間には可変抵抗６を介して、直流電源５からの直流電流を高周波の交流に変換して一対の交流電極２ａ、２ｂに印加する高周波スイッチ７ａ、７ｂが接続されている。これら高周波スイッチ７ａ、７ｂは、トランジスタ８ａ、９ａと、８ｂ、９ｂとでそれぞれ構成されている。一対の交流電極２ａ、２ｂには、コンデンサ１０を介して接続されており、一対の一対の交流電極２ａ、２ｂの電極間に交流を印加する。直流電源５は処理水の用途に応じて１０〜５０Ｖの範囲で選択調整しつつ用いることができる。

高周波スイッチ７ａ、７ｂには、抵抗１１ａ、１１ｂをそれぞれ介して高周波スイッチ７ａ、７ｂに高周波の切換指令を与えるフリップフロップ回路よりなる高周波切換指令回路１２が接続され、この高周波切換指令回路１２には制御信号に応動して発振周波数が変化する電圧制御発振器（ＶＣＯ）からなる高周波発振回路１３が接続されている。この高周波発振回路１３にはランダム電圧発生器を内蔵した制御回路１４が接続されている。

高周波発振回路１３は可変周波数形の発振回路であって、電圧制御発振器（ＶＣＯ）に与えられる制御信号の電圧値によってその発振周波数を制御できる。この時の周波数の変動幅は、例えば、中心周波数（略３０ＫＨｚ）の上下に略３〜５ＫＨｚ程度である。

制御回路１４は高周波発振回路１３にその発振周波数を制御するための制御電圧を供給するものである。この制御回路１４はランダム信号発生器を内蔵していて、それが発生するランダム信号に応じて電圧値の変化する制御信号を出力する。シフトレジスタ１５（ＳＦＲ）は１６ステージ構成のものであり、その蓄積情報は端子Ｑ０〜Ｑ１５より並列に読み取ることができるように構成されている。このシフトレジスタ１５（ＳＦＲ）のシフト動作はシフトレジスタ１５（ＳＦＲ）の端子ＣＫにパルス発生器１６（ＰＧ）より供給されるシフトパルスによって制御される。また、フリップフロップ１７はパルス発生器１６のパルスにより反転動作を行ない、反転する毎に急激な周波数変動を行なっている。

ゲート（ＧＴ）は両入力端子に入力される信号が同一であれば「１」、相違すれば「０」の信号を出力する。所謂排他的論理和の動作を行なうゲートであり、一致検出回路として作用する。このゲート（ＧＴ）の入力端子の一方にはシフトレジスタ１５（ＳＦＲ）の偶数ステージ、例えば、第６ステージの端子Ｑ６より出力される信号が、また、他方には奇数ステージ、例えば、第９ステージの端子Ｑ９より出力される信号が夫々入力される。このゲート（ＧＴ）による一致検出の結果はシフトレジスタ１５（ＳＦＲ）の端子Ｄより最下位の第０ステージへ入力される。この情報を逐次上位へシフトしてゆくことによってシフトレジスタ１５（ＳＦＲ）内に乱数情報が蓄えられる。

このシフトレジスタ１５（ＳＦＲ）内に蓄えられた乱数情報は適当に選択された約半数のステージから抵抗器ｒによって取り出される。本実施例においては、第１、第３、第８、第１０、第１２〜１５の各ステージから信号を取り出している。抵抗器ｒはこれら各ステージの端子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ８、Ｑ１０、Ｑ１２〜Ｑ１５を共通の接続点Ａに接続している。この接続点Ａは高周波発振回路１３を構成する電圧制御発振器（ＶＣＯ）に接続されている。また一方、電圧制御発振器（ＶＣＯ）はパルス発生器１６に接続されたフリップフロップ回路１７にも接続されている。

従って、これら各ステージに蓄積された乱数情報のパターンが変化すると、高レベルと低レベルとに接続される抵抗器ｒの合成値が夫々変化するため、接続点Ａの電圧がこれに応じて変動してランダム信号が作成される。この動作はコンピュータ等を用いて再現しても良い。

パルス発生器１６は、例えば５Ｈｚを中心周波数とする連続パルスを送出し、電圧制御発振器（ＶＣＯ）に入力される信号の電圧値に従ってパルスの繰返し周期が変化するように構成されている。この周波数の変動範囲は中心周波数の上下に夫々数ヘルツ程度のものとなっている。このパルス発生器１６の端子には、接続点Ａの電圧が抵抗器ｒ２を介して与えられる。従って、このパルス発生器１６は、シフトレジスタ１５（ＳＦＲ）によるランダム信号に応じてそのパルスの繰返し周期が変動することになる。シフトレジスタ１５（ＳＦＲ）はこのパルス発生器１６の出力をシフトパルスとして用いている。従って、電圧制御発振器（ＶＣＯ）に出力される制御信号はその電圧値、変動周期共に全くランダムに変化することになるとともに、フリップフロップ回路１７により急変化部分を作りだしている。

ここで、この制御回路１４においては、制御信号をシフトレジスタ１５（ＳＦＲ）の約半数のステージに蓄積された乱数情報のパターンを利用して作成しており、その採用ステージにも偏りがあり、さらに前述のようにシフトレジスタ１５（ＳＦＲ）の入力情報として、偶数、奇数の各々から１ステージずつ選ばれた情報の一致検出結果を用いているため、電圧値が急上昇して急降下するような極めて変動の激しい部分が頻繁に現われ、また、短期間で同一の変化パターンを繰返すようなことはない。

前述のように構成された交流電気分解装置の直流電源５のスイッチがオンされると、制御回路１４が前述のように動作してランダム信号に対応した制御信号が高周波発振回路１３に送出され、発振周波数が制御されてランダムに変化する。そして高周波発振回路１３から高周波切換指令回路１２にランダムに変化する高周波信号が与えられる。高周波切換指令回路１２にランダムな高周波信号が与えられると、高周波切換指令回路１２から高周波の切換指令が出され、高周波スイッチ７ａ、７ｂに交互に与えられ、これら高周波スイッチ７ａ、７ｂが高周期でオン、オフされてランダムに変化する高周波交流が形成され、水槽１の液体中に配置された一対の交流電極２ａ、２ｂに交互に印加される。

ここで、高周波発振回路１３から送出される発振周波数は、その電圧値及びその電圧値の持続時間が全くランダムに変化するとともに、電圧値が急上昇してから急降下する極めて激しく変動する部分を頻繁に含んでいる。

特開平１１−３００３５８号公報に記載されているように、このように発信周波数を変化させた場合には、電極表面への白い付着物が発信周波数を変化させない場合よりも顕著に少ないことが肉眼で確認された。

要するに、電極表面への白い付着物が少ないために、長時間の使用に際しても水の酸化還元電位を低下させる効果が低くなることを防止できる。従って、特開平１１−３００３５８号公報と同様にして、発信周波数を変化させる方が良い。

第一の接地電極３は、接地された状態であれば良いが、例えば、図１に示したようにパルス信号によるタイマー回路１８に接続させても良い。該タイマー回路１８は直流電源５の接地されている電極と、一対の交流電極２ａ、２ｂのいずれか一方の電極とに接続されており、タイマー回路１８のパルス信号によって接地されている電極と交流電極とを切り換え、第一の接地電極３の電位は周期的に接地の電位から交流が印加されるようになる。このように第一の接地電極３の電位を一時的に交流を印加することによって、第一の接地電極３に吸着したスケール等を除去してクリーニングできるのである。

このように第一の接地電極３に交流を印加する時間は、接地されている時間と比べて短くて良く、交流を印加する時間は接地の状態である時間に対して、略１／１０〜１／１０００程度の時間、例えば、接地の状態が略２０分程度である場合にプラスの電位にする時間が略１０秒程度であれば十分である。このように第一の接地電極３をクリーニングすることによって、スケール等の付着をより防ぐことができると共に、交流電気分解の効率をより高く持続できるのである。

第二の接地電極４は切換手段１９の一端に接続されており、該切換手段１９の他端は接地されている。そのため、切換手段１９の状態を切り換えることによって、第二の接地電極４を接地状態と非接地状態とのいずれかに選択的に切り換えることができるようになっている。

これらの回路は、図２に示した回路収納部２０に収納させ、一対の交流電極２ａ、２ｂと、第一の接地電極３と、第二の接地電極４とを前記回路収納部２０の外部に設けた装置としても良い。

このように接続された回路において、本発明に係る次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法の動作を説明する。水槽１の塩化ナトリウムを含む水中に一対の交流電極２ａ、２ｂと、第一の接地電極３と、第二の接地電極４とを配設した状態で、切換手段１９を切り換えて第二の接地電極４を非接地状態にすると共に、前記一対の交流電極２ａ、２ｂ間に交流を印加し電気分解を行う。

このように第二の接地電極４が非接地状態であるときに交流で電気分解を行うと、交流の瞬間的な陽極側では、
（式３）
２ＮａＣｌ → Ｃｌ_２ ＋ ２Ｎａ^＋ ＋ ２ｅ
（式４）
Ｃｌ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ ２Ｎａ^＋ → ＮａＣｌＯ ＋ ＮａＣｌ ＋ ２Ｈ^＋
（式５）
２Ｈ_２Ｏ → Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ
（式６）
ＮａＣｌ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＮａＣｌＯ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ
の反応が生じ、一方、交流の瞬間的な陰極側では、
（式７）
２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ → Ｈ_２
（式８）
Ｃｌ_２ ＋ ２Ｎａ^＋ ＋ ２ｅ → ２ＮａＣｌ
（式９）
ＮａＣｌＯ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ → ＮａＣｌ ＋ Ｈ_２Ｏ
の反応が生じる。

この式４で発生したＮａＣｌＯ（次亜塩素酸ナトリウム塩）により、前記水槽１中の水を殺菌することができるようになる。この次亜塩素酸ナトリウム塩による殺菌は、数分程度の僅かな時間で良い。

次に、切換手段１９を切り換えて第二の接地電極４を接地状態にすると共に、前記一対の交流電極２ａ、２ｂ間に交流を印加し電気分解を行う。

このように第二の接地電極４が接地状態であるときに交流で電気分解を行うと、交流の瞬間的な陰極側では、
（式１０）
ＮａＣｌＯ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ → ＮａＣｌ ＋ Ｈ_２Ｏ
（式１１）
２Ｈ_２Ｏ ＋ ２ｅ → Ｈ_２ ＋ ２ＯＨ⁻
が生じるが、前記第二の接地電極４の外側において
（式１２）
２ＮａＣｌ → Ｃｌ_２ ＋ ２Ｎａ^＋ ＋ ２ｅ
（式１３）
Ｃｌ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ ２Ｎａ^＋ → ＮａＣｌＯ ＋ ＮａＣｌ ＋ ２Ｈ^＋
（式１４）
２Ｈ_２Ｏ → Ｏ_２ ＋ ４Ｈ^＋ ＋ ４ｅ
（式１５）
ＮａＣｌ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＮａＣｌＯ ＋ ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ
の反応が生じないため、効率よく次亜塩素酸ナトリウム塩が塩化ナトリウムに還元に還元され、前記水が浄化されるようになる。

このように、次亜塩素酸ナトリウムの発生させる工程ばかりでなく、次亜塩素酸ナトリウムを還元させる工程においても電気化学的な処理をすることができるようになるため、単純に化学的に反応させるよりもよりスムーズに次亜塩素酸ナトリウムを還元させることができ、水を容易且つ迅速に殺菌・浄化処理することができる。

本発明の実施の形態に係る次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法を動作させる際に用いる回路図の一例である。 同回路に用いる一対の交流電極、第一の接地電極及び第二の接地電極４等を備えた装置を拡大して略示的に示した斜視図である。

符号の説明

１ 水槽
２ａ、２ｂ 一対の交流電極
３ 第一の接地電極
４ 第二の接地電極
５ 直流電源
６ 可変抵抗
７ａ、７ｂ 高周波スイッチ
８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ トランジスタ
１０ コンデンサ
１１ａ、１１ｂ 抵抗
１２ 高周波切換指令回路
１３ 高周波発振回路
１４ 制御回路
１５ シフトレジスタ
１６ パルス発生器
１７ フリップフロップ
１８ タイマー回路
１９ 切換手段
２０ 回路収納部

Claims (4)

1. 塩化ナトリウムを含む水中に一対の交流電極と、該交流電極より小面積乃至同面積の第一の接地電極と、前記一対の交流電極の合計面積より大面積且つ接地状態と非接地状態とを切り換えることができる第二の接地電極とを配設し、
   該第二の接地電極を非接地状態にすると共に、前記一対の交流電極間に交流を印加し電気分解することにより次亜塩素酸ナトリウム塩を発生させて前記水を殺菌した後、
   前記第二の接地電極を接地状態に切り換える共に、前記一対の交流電極間に交流を印加し電気分解することにより前記次亜塩素酸ナトリウム塩を塩化ナトリウムに還元して前記水を浄化すること
   を特徴とする次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法。
2. 前記一対の交流電極は、チタン、白金または白金をメッキしたチタンからなる溶解性のない安定した金属を用いて形成し、
   前記第一の接地電極と第二の接地電極とは、マグネシウム、アルミニウム、鉄、銅、亜鉛、真鍮、ステンレスからなる溶解性の高い金属を用いて形成したこと
   を特徴とする請求項１に記載の次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法。
3. 前記第二の接地電極は、
   筒状または網目の筒状に形成し、
   一対の交流電極と第一の接地電極との周囲を覆うように配設したこと
   を特徴とする請求項１または２に記載の次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法。
4. 前記水に含まれる塩化ナトリウムは、
   略０．０１％以上の濃度であること
   を特徴とする請求項１に記載の次亜塩素酸ナトリウム塩を用いた水の浄化方法。

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