JP4637885B2

JP4637885B2 - オゾン水生成装置

Info

Publication number: JP4637885B2
Application number: JP2007221121A
Authority: JP
Inventors: 重夫関口; 喜之西村; 純子浅田
Original assignee: SUISEI INDUSTRY CORPORATION LTD.; Nikka Micron Co Ltd
Current assignee: SUISEI INDUSTRY CORPORATION LTD.; Nikka Micron Co Ltd
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2027-08-28
Also published as: JP2009052105A

Description

本発明は、水の電気分解によりオゾン水を生成するオゾン水生成装置に関する。

近年、オゾン水は食品の殺菌や悪臭ガスの脱臭などの用途に広範に使用されており、さらに医療や介護の分野で、数多い知見例が発表され始めている。また、半導体製造領域においても、超微細構造に対するオゾン酸化の特徴が認められ、オゾン水の使用が必須とされている。
このようなオゾン水の製法として、陽イオン交換膜の一方の面に陽極電極を圧接させ、他方の面に陰極電極を圧接してなる触媒電極の電解面に原料水を直接接触させて、水の電気分解によりオゾン水を生成させる直接電解法を利用したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１３４６７８号公報

ところで、電気分解を利用してオゾン水生成効率を上げるためには、陽極電極として、二酸化鉛、白金、ダイアモンド等のオゾン水生成触媒を基本に種々の改良技術が研究されているが、陽極電極だけでなく陰極電極に使用する触媒電極の選択並びにその電気的特性の改善も重要視される。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、陰極電極側の電気伝導度を上げて、低電圧でかつオゾン水生成効率をより高めることのできるオゾン水生成装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、例えば、図１に示すように、陽イオン交換膜２１の一方の面に陽極電極２２を圧接し、他方の面に陰極電極２３を圧接してなる触媒電極２を備え、前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加し、前記陽極電極に原料水を接触させることによりオゾン水を生成するオゾン水生成装置１００において、
前記陽極電極にオゾン生成触媒機能を有する材料を使用し、
前記陰極電極は、前記オゾン生成触媒機能を有する材料からなる第一の陰極電極部２３１と、銀、銅、金又はアルミニウムのうち少なくとも一つの金属からなる第二の陰極電極部２３２とを備え、前記第一の陰極電極部を前記陽イオン交換膜側に配置し、
前記第二の陰極電極部の質量又は表面積が、前記第一の陰極電極部の質量又は表面積と等しいかあるいはそれより大きいことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のオゾン水生成装置において、
前記オゾン生成触媒機能を有する材料は、白金、金又はその被覆金属であることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１又は２に記載のオゾン水生成装置において、
前記第二の陰極電極部に使用する銀、銅、金又はアルミニウムが、塩化銀層を有する銀、銅、金又はアルミニウムであることを特徴とする。

本発明によれば、陽イオン交換膜の劣化を防止し、低電圧でかつ高濃度のオゾン水を生成することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、オゾン水生成装置１００の概略を模式的に示した縦断面図である。
オゾン水生成装置１００は、原料水（例えば、水道水又は精製水）が流入される容器１内に触媒電極２を配置して構成したもので、触媒電極２に直流電圧を印加することによって陽極側にオゾン気泡を発生させて、そのオゾン気泡を水に溶解させることによりオゾン水を生成する装置である。
容器１は、上下に長尺でその上下両端が閉塞された直方体状をなしており、下面に、容器１内に原料水を流入するための流入路１１a，１１bが設けられ、容器１の上面に容器１内で生成された陽極側のオゾン水並びに陰極側の陰極水を流出するための流出路１２a，１２bが設けられている。
流入路１１a，１１bは、例えば、原料水が貯留されたタンクに接続された定吐出圧の小型ポンプや、水道栓に連結されている。また、流出路１２aは、容器１内で生成されたオゾン水を貯留するタンクやオゾン水を噴出させるノズル等に接続され、流出路１２bは陰極水を貯留するタンクや排水ラインに接続されている。また、二つの流入路１１a，１１bの間の容器１の内壁面には、後述する陽イオン交換膜２１の上端部が挿入される挿入孔１３が形成され、二つの流出路１２a，１２bの間の容器１の内壁面にも、陽イオン交換膜２１の下端部が挿入される挿入孔１４が形成されている。
容器１内には、流入路１１a，１１bから原料水が流入し、流入路１１a，１１bから流出路１２a，１２bへと水流が発生している。

触媒電極２は、容器１内の略中央部に配置されて、陽イオン交換膜２１と、陽イオン交換膜２１の両面のうち一方の面に圧接された陽極電極２２と、他方の面に圧接された陰極電極２３とを備えている。陽イオン交換膜２１は、上端部が挿入孔１３に嵌め込まれ、下端部が挿入孔１４に嵌め込まれて固定されている。さらに、容器１の内壁面のうち陽極電極２２側を向く面には凹部が形成されて、この凹部内に陽極電極２２を保持する保持板１５が取り付けられて、陽極電極２２が保持板１５に保持されている。同様に、容器１の内壁面のうち陰極電極２３側を向く面にも凹部が形成されて、この凹部内に陰極電極２３を保持する保持板１６が取り付けられ、陰極電極２３が保持板１６に保持されている。このように、容器１内に陽イオン交換膜２１と、陽極電極２２及び陰極電極２３とを配置することにより、陽イオン交換膜２１によって陽極側と陰極側が分離され、陽イオン交換膜２１の外周を容器１に固定でき、原料水、オゾン水並びに陰極水などが外部に漏れないように密閉されている。また、保持板１５，１６によって陽極電極２２及び陰極電極２３が陽イオン交換膜２１側に適度に圧接されている。そして、流入路１１a，１１bから流入した原料水がそれぞれ陽極電極２２と陰極電極２３に連続的に接触するようになっている。
また、陽極電極２２と陰極電極２３との間には、電源装置（図示しない）の出力端２４が電気的に連結され、直流電圧が印加されるように構成されている。すなわち、陽極電極２２及び陰極電極２３は、各電極２２，２３に導線を介して電源装置に連結されている。印加する直流電圧は、例えば６〜１５ボルトが好ましい。

陽イオン交換膜２１としては、従来公知のものを使用することができ、発生するオゾンに耐久性の強いフッ素系陽イオン交換膜を使用することができ、例えば厚さ１００〜３００μｍが好ましい。

陽極電極２２は、陽イオン交換膜２１を全面的に覆い隠すように密着されるものではなく、多数の通孔を設けて、陽イオン交換膜２１に接触部と非接触部とを有して重ねられている。すなわち、陽極電極２２はグレーチング状又はパンチングメタル状とすることが好ましい。なお、図１では陽極電極２２がグレーチング状の場合を示している。具体的に、グレーチング状とは線材を溶接した格子状で、パンチングメタル状とは金属板に多数の通孔を形成した多孔板状である。

陽極電極２２としては、オゾン発生触媒機能を有する材料を使用する。具体的には、β−二酸化鉛、白金、白金族（パラジウム、ロジウム、ルテニウム）、金、カーボン（黒鉛）、ダイアモンド等が挙げられ、これらの貴金属の中でも、安定性が良い点で白金、金又はその被覆金属を使用することが好ましく、特にチタンに白金を被覆した金属を使用すると製品コストを安価に抑えることができる。被覆処理としては、例えばメッキや熱着等により行うことができる。

このようにグレーチング状の陽極電極２２とすることによって、陽極電極２２を構成する部材の交点部位が尖って外面に突出し、水流と接触して渦流を生じ、陽極電極２２で発生したオゾンの微泡を巻き込んで溶解を早めることができる。

陰極電極２３としては、オゾン生成触媒機能を有する材料からなる第一の陰極電極部２３１と、銀、銅、金又はアルミニウムのうち少なくとも一つの金属からなる第二の陰極電極部２３２とを備えている。オゾン生成触媒機能を有する材料からなる第一の陰極電極部２３１としては、上述した陽極電極２２と同様の貴金属を使用することができ、安定性が良い点で白金、金又はその被覆金属を使用することが好ましく、特にチタンに白金を被覆した金属を使用すると製品コストを安価に抑えることができる。そして、第一の陰極電極部２３１は陽イオン交換膜２１に接触するように配置され、第二の陰極電極部２３２は第一の陰極電極部２３１の陽イオン交換膜２１と反対側の面に重ねて配置されている。
ここで、第二の陰極電極部２３２に使用する銀、銅、金又はアルミニウムの質量又は表面積が、第一の陰極電極部２３１に使用するオゾン生成触媒機能を有する材料の質量又は表面積と等しいかあるいはそれより大きいことが好ましい。具体的には、第一の陰極電極部２３１の白金を１gとした場合、第二の陰極電極部２３２の銀、銅、金又はアルミニウムを１g以上と多くすることが好ましい。第二の陰極電極部２３２に使用する銀、金又はアルミニウムの質量又は表面積が、第一の陰極電極部２３１に使用するオゾン生成触媒機能を有する材料の質量又は表面積と等しいかあるいはそれより大きくしたのは、銀、銅、金又はアルミニウムが電気伝導度の極めて良好な金属であり、陰極電極２３の良好な電気伝導度を確保し易く、その結果、陽極電極２２から陰極電極２３への水素イオンの移動を容易にするためである。
さらに、第二の陰極電極２３２に使用する銀、銅、金又はアルミニウムが、塩化銀層を有する銀、銅、金又はアルミニウムであることが好ましい。塩化銀層を有するとは、例えば、銀、銅、金又はアルミニウムの表面に塩化銀被覆を施したもの等が挙げられる。塩化銀はオゾン測定の比較電極としても使用されており、オゾン発生に必要なイオン移動性に富み、安定した陰極電位の維持を行い、陽極電極２２において安定してオゾンを発生できるものである。このように第二の陰極電極部２３２に使用する銀、銅、金又はアルミニウムが塩化銀層を有する銀、銅、金又はアルミニウムとすることによって、陽極電極２２から陰極電極２３へのイオンの移動をより加速させることができ、電気伝導度の低い精製水を原料水としても十分な電解電流が流れて、オゾンが発生し、オゾン水を生成することができる。
また、第一及び第二の陰極電極部２３１，２３２も陽極電極２２と同様にグレーチング状とすることが好ましく、特に、第一及び第二の陰極電極部２３１，２３２は陽極電極２２よりも目の粗さが粗くなるように形成されていることが好ましい。
以上の陽イオン交換膜２１、陽極電極２２及び陰極電極２３は平板状に形成され、容器１内の保持板１５，１６で圧接保持されて触媒電極２とされている。

次に、上述の構成からなるオゾン水生成装置１００を使用してオゾン水を生成する方法について説明する。
流入路１１a，１１bから原料水を容器１内に流入させて、陽極電極２２面に原料水を連続接触させる。同時に、電源装置を駆動させることによって陽極電極２２及び陰極電極２３間に所定の電圧を印加する。この通電により原料水が電気分解されて、原料水中の水素が陽極電極２２側から陽イオン交換膜２１中を通過して陰極電極２３側へと加速して移動する。その結果、陽極電極２２側にはオゾン気泡が発生し、陰極電極２３側には水素気泡が発生する。

ここで、陽極電極２２側では原料水はわずかな陽極電極２２の凹凸によって流れの方向が複雑に変わり渦流となる。そのため、陽極電極２２側では、発生したオゾン気泡をいち早く水中に取り込んで溶解させることによってオゾン水を生成し、陽極電極２２と陽イオン交換膜２１との間（正確には陽極電極２２と陰極電極２３との間）に電流が多く流れる状態を確保することになる。
このようにしてオゾン水が生成されると、オゾン水は流出路１２aへと流出されてオゾン水貯留タンク等に貯留される。
一方、陰極電極２３側においては、水素気泡が発生し、流出路１２bから陰極水とともに排出される。

以上、本発明の実施の形態によれば、陽極電極２２にオゾン生成触媒機能を有する材料を使用し、陰極電極２３にオゾン生成触媒機能を有する材料からなる第一の陰極電極部２３１と、銀、銅、金又はアルミニウムのうち少なくとも一つの金属からなる第二の陰極電極部２３２とを使用し、第一の陰極電極部２３１を陽イオン交換膜２１側に配置するので、陽イオン交換膜２１の両側を陽極電極２２のオゾン生成触媒機能を有する材料と、第一の陰極電極部２３１のオゾン生成触媒機能を有する材料の同種の材料で挟むことにより、陽イオン交換膜２１の接触電位差を防ぎ、陽イオン交換膜２１の劣化を防止することができる。そして、より低い電圧でオゾン水を生成することができる。また、特に陽極電極２２や第一の陰極電極部２３１に白金被覆金属を使用した場合には、無垢の白金を使用する場合に比して安価に抑えることができる。
さらに、陰極電極２３として、オゾン生成触媒機能を有する材料からなる第一の陰極電極部２３１に加えて銀、銅、金又はアルミニウムの少なくとも一つの金属からなる第二の陰極電極部２３２を使用するので、導電性の高い金属によって陰極電極２３側の電気伝導度を大幅に上げることができ、オゾン水生成効率をさらに高めることができる。
また、第二の陰極電極部２３２に使用する銀、銅、金又はアルミニウムの質量又は表面積を、第一の陰極電極部２３１に使用するオゾン生成触媒機能を有する材料の質量又は表面積と等しいかあるいはそれより大きくすることによって、陰極電極２３側の電気伝導度をさらに大幅に上げ、陽極電極２２から陰極電極２３への水素イオンの移動を一層容易にし、電気伝導度の低い精製水を原料水としても高濃度のオゾン水を生成することができる。

［実施例］
次に、本発明に関して下記の実験を行い、陰極電極で使用する材料による効果を明確にした。
（陰極電極の白金の役割）
陽イオン交換膜にデュポン製のナフイオン膜を使用し、陽極電極には無垢の白金マイクログレーチングを用い、陰極電極として表１に示すものをそれぞれ使用した。そして、これら陽イオン交換膜、陽極電極及び陰極電極を重ね合わせて圧接した触媒電極を、図１に示すように容器内の所定位置に配置し、流入路から水道水（水温２５℃、導電率１６５μS/cm）を供給し、陽極電極及び陰極電極間に表１に示す各値の直流電圧を印加したところ、流出路からオゾン水を得た。このときのオゾン水の濃度を表１に示した。また、同様にして水道水の代わりに精製水（水温２５℃、導電率１．９２μS/cm）を供給してオゾン水を生成し、生成したオゾン水の濃度を表１に示した。

表１の結果より、陰極電極に白金のみを使用する場合より、白金と銀を重ねて使用することによって陽極電極におけるオゾンの生成を促進しオゾン水濃度を上げることができる。さらに表１の結果から、白金がなければオゾン水を得られないということはないが、水道水、精製水のいずれの場合も、白金が存在することにより低い電圧でオゾン水を生成することができる。また、陰極電極における白金の役割としては、陽イオン交換膜の接触電位差を防ぐという目的もある。

（陰極電極の銀の役割）
陽イオン交換膜にデュポン製のナフイオン膜を使用し、陽極電極には無垢の白金マイクログレーチングを用い、陰極電極として表２に示すものをそれぞれ使用した。そして、これら陽イオン交換膜、陽極電極及び陰極電極を重ね合わせて圧接した触媒電極を、図１に示すように容器内の所定位置に配置し、流入路から水道水（水温２５℃、導電率１６５μS/cm）を供給し、陽極電極及び陰極電極間に表２に示す各値の直流電圧を印加したところ、流出路からオゾン水を得た。このときのオゾン水の濃度を表２に示した。また、同様にして水道水の代わりに精製水（水温２５℃、導電率１．９２μS/cm）を供給してオゾン水を生成し、生成したオゾン水の濃度を表２に示した。

表２の結果より、陰極電極に銀の質量を増やしていくことにより、明らかにオゾン水の濃度が高くなり、オゾン水生成が促進されることが認められる。

（陰極電極の銅の役割）
陽イオン交換膜にデュポン製のナフイオン膜を使用し、陽極電極には無垢の白金マイクログレーチングを用い、陰極電極として表３に示すものをそれぞれ使用した。そして、これら陽イオン交換膜、陽極電極及び陰極電極を重ね合わせて圧接した触媒電極を、図１に示すように容器内の所定位置に配置し、流入路から水道水（水温２５℃、導電率１６０μS/cm）を供給し、陽極電極及び陰極電極間に表３に示す各値の直流電圧を印加したところ、流出路からオゾン水を得た。このときのオゾン水の濃度を表３に示した。また、同様にして水道水の代わりに精製水（水温２５℃、導電率１６５μS/cm）を供給してオゾン水を生成し、オゾン水の濃度を表３に示した。

表３の結果より、陰極電極を白金と銅の組み合わせにすることによっても、銀を使用する場合より劣るもののオゾン水を得られることが認められ、白金のみを使用する場合に比して明らかにオゾン水生成効率が上がることがわかる。

（陰極電極の白金メッキの役割）
陽イオン交換膜にデュポン製のナフイオン膜を使用し、陽極電極には無垢の白金マイクログレーチングを用い、陰極電極として表４に示すものをそれぞれ使用した。そして、これら陽イオン交換膜、陽極電極及び陰極電極を重ね合わせて圧接した触媒電極を、図１に示すように容器内の所定位置に配置し、流入路から水道水（水温２５℃、導電率１６５μS/cm）を供給し、陽極電極及び陰極電極間に表２に示す各値の直流電圧を印加したところ、流出路からオゾン水を得た。このときのオゾン水の濃度を表４に示した。また、同様にして水道水の代わりに精製水（水温２５℃、導電率１．９２μS/cm）を供給してオゾン水を生成し、生成したオゾン水の濃度を表４に示した。

表４の結果より、陰極電極に白金メッキを施したものを使用した場合も無垢の白金ほどではないが、オゾン生成に効果が得られることが認められる。白金メッキはチタンのマイクログレーチングの母材に厚さ２μｍの白金メッキを施したもので、厚さと形状からこれを重量で表示すると約０．０５２grとなり、無垢の白金の約１０分の１の質量となる。母材のチタンは極めて電気伝導度の低い材質であるから、この場合は表面積が支配的になると考えられる。

以上の表１〜表４の結果から明らかなように、陽極電極に白金又は白金被覆金属を使用し、陰極電極の陽イオン交換膜側に白金又は白金被覆電極を使用し、さらに導電性の高い銀や銅も重ねて使用することによって、陽イオン交換膜の劣化を防止し、低電圧でオゾン水を生成することができる。また、陰極電極における電気伝導度を大きくすることができ、高濃度のオゾン水を生成でき、その結果、電導性の低い精製水を原料水としても高濃度のオゾン水を容易に生成することができる。

オゾン水生成装置１００の概略を模式的に示した縦断面図である。

符号の説明

２触媒電極
２１陽イオン交換膜
２２陽極電極
２３陰極電極
１００オゾン水生成装置
２３１第一の陰極電極部
２３２第二の陰極電極部

Claims

陽イオン交換膜の一方の面に陽極電極を圧接し、他方の面に陰極電極を圧接してなる触媒電極を備え、前記陽極電極と前記陰極電極との間に直流電圧を印加し、前記陽極電極に原料水を接触させることによりオゾン水を生成するオゾン水生成装置において、
前記陽極電極にオゾン生成触媒機能を有する材料を使用し、
前記陰極電極は、前記オゾン生成触媒機能を有する材料からなる第一の陰極電極部と、銀、銅、金又はアルミニウムのうち少なくとも一つの金属からなる第二の陰極電極部とを備え、前記第一の陰極電極部を前記陽イオン交換膜側に配置し、
前記第二の陰極電極部の質量又は表面積が、前記第一の陰極電極部の質量又は表面積と等しいかあるいはそれより大きいことを特徴とするオゾン水生成装置。
前記オゾン生成触媒機能を有する材料は、白金、金又はその被覆金属であることを特徴とする請求項１に記載のオゾン水生成装置。
前記第二の陰極電極部に使用する銀、銅、金又はアルミニウムが、塩化銀層を有する銀、銅、金又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１又は２に記載のオゾン水生成装置。