(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固形電解質膜を介して陽極室と陰極室を設け、陽極室と陰極室には夫々通水路を形成してなるオゾン水の製造装置において、
前記陽極室側の電極が、通水方向に分割されて相互に電気的に絶縁された複数の電極セグメントからなることを特徴とするオゾン水の製造装置。
【請求項２】
前記陰極室側の電極が通水方向に分割されて相互に電気的に絶縁された複数の電極セグメントからなる請求項１に記載の製造装置。
【請求項３】
固形電解質膜を介して陽極室と陰極室を設け、陽極室と陰極室には夫々通水路を形成してなるオゾン水の製造装置を用いてオゾン水を製造するにあたり、
前記陽極室側の電極を通水方向に絶縁的に複数に分割し、オゾン水の目標濃度に応じて通電する陽極電極セグメントの数を変更することを特徴とするオゾン水の製造方法。
【請求項４】
一部の陽極電極セグメントに通電するにあたり、通水方向上流側の電極セグメントのみに通電する請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
電流密度０．５Ａ／ｃｍ２  以上で電解を行う請求項３または４に記載の製造方法。
【請求項６】
専ら通水方向上流側の陽極電極セグメントに通電することによりオゾン水を製造するにあたり、
長期間の使用によりオゾン水の生成効率が低下した後は、陽極室側の通水方向を反対にすると共に、反対にされた該通水方向の上流側の陽極電極セグメントに通電してオゾン水の製造を行なう請求項４または５に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はオゾン水の製造装置及び製造方法に関し、詳細にはオゾンが溶解しているオゾン水を水の電気分解によって製造するにあたり、目標とするオゾン濃度に応じて効率よくオゾン水を製造することのできる装置と方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オゾンは強力な酸化力を有していることから、殺菌，消毒，脱色，脱臭，酸化分解や酸化処理等、様々な分野で利用されており、オゾンを溶解しているオゾン水は、オゾンガスに比べて安全で利用し易いという理由でその需要が増加している。
【０００３】
オゾン水を製造する方法としては、まずオゾンガスを生成し、次いでオゾンガスと水を混合させて溶解させるオゾン曝気法が知られている。但し、オゾンガスは水への溶解効率が低いために、せっかく高濃度のオゾンガスを生成しても、その１０〜２０％程度しか有効に利用することができず、残りのオゾンガスはオゾン分解触媒で無害化処理して大気中に放出されることが一般的である。しかも、上記オゾン曝気法で得られるオゾン水濃度は２，３ｐｐｍ程度であることから、大腸菌の殺菌や植物の活性化等には効果的であっても、他の抗生の強い細菌の殺菌にはあまり効果がなく、また漂白や脱臭にも大きな効果を期待することはできない。
【０００４】
そこで、特開平８−１３４６７７号公報に開示されている様に、水電解法により高濃度のオゾン水を製造できる装置が開発されている。図１に示す様に、上記製造装置は、固形電解質膜１を介して陽極室と陰極室を設け、陽極室と陰極室には夫々金網からなる電極１４，２４と概略菱形の開口部を有するラス網１３，２３とが上記固形電解質膜側から順次配設されて通水路が形成されることにより構成されている。尚、図１において１１，２１は電極端子、１２，２２は給電板、１５，２５はジャケット、１６，２６は水流入口、１７，２７は（オゾン）水流出口を夫々示す。上記装置によれば、オゾンガスの無害化処理を必要とせず、水道水などを直接電気分解してオゾン水を製造することが可能であり、工業的に望まれている５ｐｐｍ以上の高濃度オゾン水を製造することが可能となる。
【０００５】
但し、オゾン水の製造装置としては、高い濃度のオゾン水だけでなく、低い濃度のオゾン水を製造することも要求されることが一般的である。電解時の電流密度とオゾン濃度には相関関係があることが知られており、低濃度のオゾン水を得るには、電流密度を低くすればよい。但し、電流密度を低く設定すると、オゾンの生成に必要な電流の利用効率が著しく下がり、オゾン水濃度の広い範囲において効率の良いオゾン水生成ができないことから、改善の余地を残していた。
【０００６】
図２は、電流密度とオゾン水濃度の関係を示すグラフであり、電流密度がおよそ０．５Ａ／ｃｍ２  以上の範囲では、オゾン水濃度はほぼ電流密度に比例していることが分かる。但し、比例関係を示す直線は原点を通る直線ではなく、電流密度がおよそ０．５Ａ／ｃｍ２  未満になるとオゾン水濃度は極端に低くなり、０．３Ａ／ｃｍ２  未満ではほとんどオゾン水が生成されなくなっている。具体的には、例えば濃度が１０ｍｇ／Ｌのオゾン水は約０．８Ａ／ｃｍ２  の電流密度で得られるが、その半分の濃度のオゾン水を得るには、電流密度も半分（０．４Ａ／ｃｍ２  ）にすればよいというのではなく、約４分の３の０．６Ａ／ｃｍ２  程度の電流密度が必要である。
【０００７】
また、図３はオゾン水１ｇを生成するのに消費される電力（以下、オゾン収率という）と電流密度の関係を示すグラフである。低電流密度条件（例えば、０．４Ａ／ｃｍ２  、オゾン水濃度では４ｍｇ／Ｌ以下）では、極端にオゾン収率が大きな値となり、オゾン水の生成効率が悪くなることが分かる。
【０００８】
この様に、電流密度を低くすれば低濃度のオゾン水を得ることは可能であるが、低電流密度条件ではオゾン水生成時の電流効率（実際にオゾン生成に利用された電流値／印加電流値）が悪くなり、生産効率は極めて低くなる。
【０００９】
高い電流密度で低濃度のオゾン水を生成する方法としては、オゾン水製造装置に供給する水の量を増量することが考えられる。但し、電解槽内には図１に示す様に電極用金網とラス網が密入されていることから流路抵抗が高く、供給水量には制約があることから、最適供給水量を低濃度のオゾン水に合わせると、高濃度のオゾン水を製造する場合の供給水量を少なくせざるを得ず、高濃度のオゾン水を製造する際の生産効率が低下してしまう。
【００１０】
そこで、一旦、高濃度のオゾン水を生成し、これを水で希釈して低濃度オゾン水を製造する方法が採用されているが、水を混合して希釈する際にオゾンが分解し易く、希釈率以下にオゾン水濃度が低下するので必ずしも効率の良い方法とは言えない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は低濃度のオゾン水であっても効率よく製造することのできるオゾン水の製造装置及び製造方法を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るオゾン水の製造装置とは、固形電解質膜を介して陽極室と陰極室を設け、陽極室と陰極室には夫々通水路を形成してなるオゾン水の製造装置において、前記陽極室側の電極が、通水方向に分割されて相互に電気的に絶縁された複数の電極セグメントからなることを要旨とするものであり、前記陰極室側の電極も通水方向に分割されて相互に電気的に絶縁された複数の電極セグメントから形成することが望ましい。
【００１３】
尚、上記オゾン水の製造装置を詳細に説明すると、固形電解質膜の一方面側にオゾン発生触媒機能を有した金網よりなる陽極電極を配設し、他面側に金網よりなる陰極電極を配設し、上記固形電解質膜の陽極電極側と陰極電極側とには、陽極電極を覆う陽極ジャケットと、陰極電極を覆う陰極ジャケットとを設け、上記陽極ジャケットと陰極ジャケットとには、原料水が該陽極ジャケット内及び陰極ジャケット内を流過するようになす流入口と流出口とを夫々設け、上記陽極電極と陰極電極との間に直流電圧を印加してなるオゾン水の製造装置であって、上記陽極電極が、通水方向に分割されて相互に電気的に絶縁された複数の電極セグメントからなるオゾン水製造装置である。
【００１４】
また上記課題を解決した本発明に係るオゾン水の製造方法とは、固形電解質膜を介して陽極室と陰極室を設け、陽極室と陰極室には夫々通水路を形成してなるオゾン水の製造装置を用いてオゾン水を製造するにあたり、前記陽極室側の電極を通水方向に絶縁的に複数に分割し、オゾン水の目標濃度に応じて通電する陽極電極セグメントの数を変更することを要旨としている。低濃度のオゾン水を製造するにあたっては一部の陽極電極セグメントに通電すればよいが、この場合、通水方向上流側の電極セグメントのみに通電することが望ましく、電流密度は０．５Ａ／ｃｍ２  以上で電解を行うことが推奨される。
【００１５】
更に、専ら通水方向上流側の陽極電極セグメントに通電することによりオゾン水を製造するにあたり、長期間の使用によりオゾン水の生成効率が低下した後は、陽極室側の通水方向を反対にすると共に、反対にされた該通水方向の上流側の陽極電極セグメントに通電してオゾン水の製造を行なうことが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態及び実施例】
図４は、本発明に係る製造装置の代表例を示す概略説明図であり、陽極室側は２つの陽極電極セグメント１０ａ，１０ｂに分割されている。各陽極電極セグメントは陽極端子１１ａ，１１ｂ、陽極給電体１２ａ，１２ｂ、ラス網（Ｔｉ製グレイチング）１３ａ，１３ｂ、貴金属触媒１４ａ，１４ｂから構成されており、夫々の電極セグメントは相互に電気的に絶縁されている。従って、高濃度のオゾン水を製造する場合には、両方の陽極電極セグメントを使用し、低濃度のオゾン水を製造する場合には、片側の陽極電極セグメントを用いることにより、高い電流密度を維持したままで、電解を行うことがことができる。尚、図４において、１５は陽極ジャケット、１６は陽極側水流入口、１７はオゾン水出口、２１は陰極端子、２２は陰極給電板、２３はラス網（Ｔｉ製グレイチング）、２４は触媒、２５は陰極ジャケット、２６は陰極側水流入口、２７は陰極水出口、３０は直流電源を夫々示す。
【００１７】
尚、直流電源３０の陽極側と陽極側電極端子は、スイッチ等の電気的な接続手段を介して接続すれば良く、例えばマグネティックコンタクター等の電気的な切り替え手段を採用すれば陽極セグメントの切り替えが容易にできる。
【００１８】
本発明によれば、目的とする濃度に応じて予め陽極電極を複数に分割しておけば、低濃度のオゾン水を製造する場合であっても、０．５Ａ／ｃｍ２  以上の最適な電流密度条件を採用することができるので、オゾンの発生効率を低下させることなく低濃度のオゾン水を製造することができ、低濃度から高濃度まで広い範囲に亘り高効率でオゾン水が製造できる。
【００１９】
また陽極電極が相互に電気的に絶縁された複数個の電極セグメントに分割されて、夫々に陽極端子が取り付けられているので、陽極端子と陽極給電体の先端までの距離が短くなり、通電した際の電気抵抗によるオーム損が低減されるという副次的効果も得られる。
【００２０】
図５は、陰極セグメントも上流側と下流側に２つのセグメントに分割した例を示す概略図である。通電する陽極セグメント１０ａ  （１０ｂ）に対面する陰極セグメント２０ａ  （２０ｂ）にだけ通電することにより電流効率はより一層向上する。
【００２１】
尚、一部の陽極電極セグメントに通電するにあたっては、通水方向上流側の電極セグメントのみに通電することが推奨される。陽極側に供給される水の流れ方向に対して、上流側に配置された電極セグメントに通電して水電解によりオゾン水を生成すれば、通電していない下流側は未溶解のオゾンと水の溶解促進部として機能し、より高濃度のオゾン水を生成することが可能である。従って、発生オゾンに対するオゾン溶解量を増加させることになり、オゾン水の生成効率が改善できる。陽極電極の通電部分を、図６に示す様に、上流側，中央部，下流側に分けて、供給水量を８リットル／分、電流密度を０．８３Ａ／ｃｍ２  、電流通電面積を６０ｃｍ２  の条件でオゾン水を製造した。夫々の場合のオゾン水濃度を表１に示す。
【００２２】
【表１】
0003623339.tif 000002
【００２３】
中央部や下流側に陽極側通電部を設けるよりも、上流側に陽極側通電部を設け、下流側を溶解混合部とすることにより、オゾン濃度が高くなることが分かる。換言すれば、上流側の陽極セグメントに通電することにより未溶解のオゾンを少なくすることができ、オゾン臭の少ないオゾン水が生成できる。
【００２４】
前述の図３のグラフからも明らかな様にオゾン収率の観点から、オゾン水を製造する際の電流密度は０．５Ａ／ｃｍ２  以上が好ましく、０．７Ａ／ｃｍ２  以上がより好ましい。電流密度の上限は、高過ぎてもオゾン濃度は飽和して電流の利用効率は低下するので１．０Ａ／ｃｍ２  以下が望ましい。
【００２５】
尚、陽極電極は白金等の貴金属触媒を用いることができるが、これらの触媒は、電解条件下ではオゾン生成に寄与するが電解を行わない場合には、オゾンを分解することが懸念される。上流側の陽極セグメントでオゾンを生成しても下流側の陽極セグメントでオゾンが分解されているおそれがある。そこで図４に示される装置において、上流側の陽極セグメント１（１０ａ）に白金触媒を用い、下流側の陽極セグメント２（１０ｂ）の触媒に白金を用いた場合と、触媒を用いない場合において、オゾン濃度に差異があるか否かを調べた。結果は図８に示す様に、下流側の陽極セグメント２に白金触媒を配設した方が、オゾンの溶解を促進してオゾン水濃度は高くなっている。従って、上流側だけで電解を行い、下流側で電解を行わなくてもオゾンが分解されることはないものと考えられる。
【００２６】
ところで、通電された電極に接触している高分子電解質膜は、長時間の電解に伴い、膜内に不純物が蓄積するものであり電解性能の低下が避けられない。酸性溶液を用いて洗浄するなどの再生処理により、高分子電解質膜の性能をある程度まで回復させることは可能である。しかしながら１００％回復させることは困難であり、再生処理を繰り返しても徐々に性能は低下する。
【００２７】
そこで本発明の製造方法において、低濃度のオゾン水を効率よく製造するにあたり、専ら通水方向上流側の陽極電極セグメントに通電してオゾン水を製造することによりオゾン水の生成効率が低下した場合には、陽極側のオゾンと水の溶解促進部として機能していた下流側に、通電部を変更して陽極側の水の流れ方向を逆にすることによって、未通電部で不純物が蓄積していない電解質膜部を電解部として使用すれば、初期状態のオゾン水生成能まで復元することが可能である。
【００２８】
図７は、４つの陽極セグメント１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを有するオゾン水製造装置を示す概略説明図であり、（Ａ）は通水方向上流側の陽極セグメント１０ａ，１０ｂに陽極端子が設けられて通電する構成となっている。長期間の使用により高分子電解質膜の上流側部分の電解性能が低下することが予想される。その場合には、（Ｂ）に示す通り、（Ａ）の場合ではオゾン水流出口であった１７に原料水を供給すると共に、陽極端子を陽極セグメント１０ｃ，１０ｄに設けて、通電すれば良い。尚、この際、陰極室側の通水方向は、そのままでも良く、図７（Ｂ）に示す通り、陽極側と同様に反対方向にしても良い。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されているので、低濃度のオゾン水であっても効率よく製造することのできるオゾン水の製造装置及び製造方法が提供できることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のオゾン水製造装置を示す概略説明図である。
【図２】電流密度とオゾン水濃度の関係を示すグラフである。
【図３】電流密度とオゾン収率の関係を示すグラフである。
【図４】本発明に係るオゾン水製造装置の代表例を示す概略説明図である。
【図５】本発明に係るオゾン水製造装置であって、陰極電極も分割された例を示す概略説明図である。
【図６】陽極電極の通電部の位置を示す説明図である。
【図７】本発明に係るオゾン水の製造方法の代表例を示す概略説明図である。
【図８】下流側の陽極セグメントに貴金属触媒を用いた場合と用いない場合における電流とオゾン水濃度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１１，２１  電極端子
１２，２２  給電板
１３，２３  ラス網
１４，２４  電極
１５，２５  ジャケット
１６，２６  水流入口
１７，２７  （オゾン）水流出口
【図１】
0003623339.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003623339.tif 000007
【図６】
0003623339.tif 000008
【図７】
0003623339.tif 000009
【図８】
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