(57)【要約】  本発明は、電解水組成物を生成するための電気分解システムを提供する。システムは、水性電解液を含むリザーバーを含む。システムは、水性電解液を含む供給ストリームを受けるためにリザーバーと流体連通している電解フローセルをさらに含む。セルは、複数のホウ素ドープダイヤモンド電極を含み、この電極は、複数の活性分子およびイオン種を含む電解水供給ストリームを生成するために電解液に過電位をもたらすように操作可能な電源に接続されている。システムは、所定の電圧をセルに供給するために電解液の塩濃度に依存して電源を制御するように操作可能な制御システムをさらに含む。所定の電圧は、電解水中に最適な濃度の活性種をもたらすのに必要な最低電圧に相当する。
2018500463.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解水組成物を生成するための電気分解システムであって：
水性電解液を含むリザーバー；
前記水性電解液を含む供給ストリームを受けるために前記リザーバーと流体連通している電解フローセルであり、前記セルが少なくとも１対の電極を含み、前記電極が複数の活性分子およびイオン種を含む電解水供給ストリームを生成するために前記電解液に過電位をもたらすように操作可能な電源に接続されている電解フローセル；および
所定の電圧を前記セルに供給するために前記電解液の塩濃度に依存して前記電源を制御するように操作可能な制御システムであり、前記所定の電圧が前記電解水中に最適な濃度の活性種をもたらすのに必要な最低電圧に相当する制御システム
を含むことを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記電解フローセル内の前記電解液に熱を供給するように操作可能なヒーターをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、前記制御システムが、前記電解液の温度を制御するようにさらに操作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のシステムであって、前記制御システムが、所定の電圧を前記セルに供給するために前記セル内の前記電解液の前記塩濃度および前記温度に依存して前記電源を制御するように操作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載のシステムであって、前記電解水供給ストリームと流体連通している清浄水源をさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のシステムであって、前記電解水供給ストリームおよび前記清浄水供給ストリームと流体連通している混合チャンバーをさらに含むことを特徴とするシステム。
【請求項７】
前記請求項のいずれか１項に記載のシステムであって、少なくとも１つの供給ストリームの相対流量を制御するための少なくとも１つの流量調節器を含むことを特徴とするシステム。
【請求項８】
前記請求項のいずれか１項に記載のシステムであって、前記制御システムが、前記電解液供給ストリーム、前記電解水供給ストリーム、前記清浄水供給ストリーム、またはその任意の組合せのうちの少なくとも１つの相対流量を制御するようにさらに操作可能であることを特徴とするシステム。
【請求項９】
電解水組成物の生成を最適化するための方法であって、
電解液を調製するステップ；
前記電解セル内に配置され、使用時に電源に接続されるように整えられた少なくとも１対の電極を含む電解セルに前記電解液を導入するステップ；および
複数の活性分子およびイオン種を含む電解水を生成するために前記電解セル内の前記電解液に電圧を加えるために電源を操作するステップ；
を含み、
所定の電圧を前記セルに供給するために前記電解液の塩濃度および伝導率に依存して前記電源を制御するように制御システムを操作するステップであり、前記所定の電圧が前記電解水中に最適な濃度の活性種をもたらすのに必要な最低電圧に相当するステップをさらに含む
ことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記電解液を加熱するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、前記電解セル内の前記電解液の温度を制御するように前記制御システムを操作するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、所定の電圧を前記セルに供給するために前記セル内の前記電解液の塩濃度および温度に依存して前記電源を制御するように前記制御システムを操作するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項９から１２のいずれか１項に記載の方法であって、前記電解水の供給物を清浄水供給ストリームと合わせるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記電解液を含む供給ストリーム、電解水供給ストリーム、および前記清浄水供給ストリーム、およびその任意の組合せのうちの少なくとも１つの相対流量を制御するように前記制御システムを操作するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、最適な処理条件下で電解水を生成するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン性塩を含有する溶液の電気分解は、電解水を生成するためのプロセスの不可欠な部分である。溶液の電気分解は、場合によってはＯ３およびＨＯＣｌを含む、一連の活性分子およびイオン種を電解水中に生成する。
【０００３】
活性種の生成は、
・  溶液中の全溶解塩の結果としての溶液の伝導率；
・  溶液に加えられた電荷密度（電力）；および
・  電極の表面積、流量および／または曝露時間（すなわち溶液の電極への接触時間）
を含む、いくつかの要因によって決定される。
【０００４】
例えば食品および農業または園芸産業における多くの用途では、高塩分溶液に対する潜在的な感度のために、塩の濃度は制限されなければならない。また、電解水の生成に関係する高い資本経費および運転費もあり、したがって、
・  電極サイズおよび／または
・  電気分解のための所要電力
を最小化することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５８４３２９１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０７６２４８号明細書
【特許文献３】米国特許第５４４５７２２号明細書
【特許文献４】欧州特許第２２３３４４１号明細書
【特許文献５】米国特許第６１７４４１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、活性種の生成を最適化しながら、改善された効率で電解水を生成するためのシステムおよび方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、電解水組成物を生成するための電気分解システムであって、
水性電解液を含むリザーバー；
水性電解液を含む供給ストリームを受けるためにリザーバーと流体連通している電解フローセルであり、このセルが少なくとも１対の電極を含み、これらの電極が複数の活性分子およびイオン種を含む電解水供給ストリームを生成するために電解液に過電位をもたらすように操作可能な電源に接続されている電解フローセル；および
所定の電圧をセルに供給するために電解液の塩濃度に依存して電源を制御するように操作可能な制御システムであり、所定の電圧が電解水中に最適な濃度の活性種をもたらすのに必要な最低電圧に相当する制御システム
を含むシステムが提供される。
【０００８】
システムは、電解液供給ストリームおよび／またはセル内の電解液に熱を供給するように操作可能なヒーターをさらに含むことができる。制御システムは、好ましくは、電解液の温度を制御できるようにヒーターを制御するようにさらに操作可能である。制御システムは、好ましくは、最適な濃度の活性分子およびイオン種を有する電解水供給ストリームを生成するために活性種の熱に関連する分解も最小限に抑えながら、所与の特定の濃度の電解質に対する伝導率を最適化できるように電解液／電解液供給ストリームの温度を所定の温度でまたは所定の温度範囲内に維持するように操作可能である。制御システムは、好ましくは電解液および／または電解液供給ストリームの温度を２５℃〜４０℃に制御するように操作可能である。制御システムは、好ましくは所定の電圧をセルに供給するためにセル内の電解液の塩濃度および温度に依存して電源を制御するように操作可能であり、所定の電圧は、電解水中に最適な濃度の活性種をもたらすための温度における電解液に必要な最低電圧に相当する。
【０００９】
システムは、電解水組成物供給ストリームを生成するために清浄水供給ストリームを電解水供給ストリームに送るように操作可能な清浄水源をさらに含むことができる。
【００１０】
制御システムは、好ましくは電解水供給ストリーム、清浄水供給ストリーム、および電解水組成物供給ストリームのうちの少なくとも１つの相対流量を制御するようにさらに操作可能である。
【００１１】
システムは、電解水供給ストリームおよび清浄水供給ストリームと流体連通している混合チャンバーをさらに含むことができる。
【００１２】
システムは、少なくとも１つの供給ストリームの相対流量を制御するための少なくとも１つの流量調節器をさらに含むことができる。
【００１３】
電解フローセルは、例えば並行フローセルであり得る。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、電解水組成物の生成を最適化するための方法であって、
水性電解液を調製するステップ；
電解セル内に配置され、使用時に電源に接続されるように整えられた少なくとも１対の電極を含む電解セルに水性電解液を導入するステップ；および
複数の活性分子およびイオン種を含む電解水を生成するために電解セル内の電解液に電圧を加えるために電源を操作するステップ；を含み、
所定の電圧をセルに供給するために電解液の塩濃度および伝導率に依存して電源を制御するように制御システムを操作するステップであり、所定の電圧が電解水中に最適な濃度の活性種をもたらすのに必要な最低電圧に相当するステップをさらに含む方法が提供される。
【００１５】
方法は、電解セル内の電解液を加熱するステップをさらに含むことができる。方法は、電解液供給ストリームを加熱するステップをさらに含むことができる。方法は、電解液供給ストリームおよび／または電解セル内の電解液の温度を制御するように制御システムを操作するステップをさらに含むことができる。好ましくは、方法は、最適な濃度の活性種を含む電解水供給ストリームを生成するために活性種の熱分解を最小限に抑えながら、電解液の伝導率を最適化するために電解液供給ストリームおよび／またはセル内の電解液の温度を２５℃〜４０℃の温度に制御するように制御システムを操作する。方法は、好ましくは、所定の電圧をセルに供給するためにセル内の電解液の塩濃度および温度に依存して電源を制御するように制御システムを操作するステップであって、所定の電圧が電解水中に最適な濃度の活性種をもたらすための温度における電解液に必要な最低電圧に相当するステップをさらに含む。
【００１６】
方法は、電解水の供給物を清浄水供給ストリームと合わせるステップをさらに含むことができる。方法は、混合チャンバー内で電解水および清浄水の供給ストリームを合わせて混合するステップをさらに含むことができる。
【００１７】
方法は、電解液を含む供給ストリーム；電解水供給ストリーム、および清浄水供給ストリーム、およびその任意の組合せのうちの少なくとも１つの相対流量を制御するように制御システムを操作するステップをさらに含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態によるシステムの概略的なフローチャートである。
【図２】異なる電気伝導率を有する５種の異なる塩化ナトリウム溶液について所与の濃度の活性分子およびイオン種を有する電解水組成物を生成するための電圧と電流密度の関係を例示しているグラフである。
【図３】所与の一定のセル面積、電荷密度および温度について生成された活性分子およびイオン種（遊離塩素（ｆｒｅｅ  ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ  ｃｈｌｏｒｉｎｅ）−ＦＡＣ）の濃度に対する塩溶液（塩化ナトリウム）濃度の増大の影響を例示しているグラフである。
【図４】溶液の伝導率に対する温度の影響を例示しているグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１を参照すると、システム１は、高濃度塩溶液、例えば塩濃度が２０ｇ／ｌ以上の塩溶液の水性電解液を含むリザーバー２を含む。
【００２０】
リザーバー２は、電解フローセル４と流体連通している。セル４は、３〜１０、例えば８個の電極（図示せず）を含む。電極は、ホウ素ドープダイヤモンド電極である。しかしながら、セルは任意の適当な数の電極を含有することができ、電極は任意の適当な材料から作製することができることを理解されたい。
【００２１】
電解セルは、セル内に配置された３〜１０、例えば８個のケーシングホウ素ドープダイヤモンド電極（ＢＤＥ）および電解液を横切って電荷を伝達するために使用される金属の「接触板」を含む。
【００２２】
ＢＤＥは、シート様部品であり、３〜１０、例えば８個のシートの束で供給される。各シートは、隣接するシートから一定の距離離して配置される。ＢＤＥの隣接するシート間の距離は、セルギャップをもたらし、これは、好ましくは５ｍｍ未満、例えば約２〜３ｍｍである。ＢＤＥは、プラスチックフレームに入れられて供給される。ＢＤＥは、電解液を横切って電荷を伝達し、強い双極子を誘導し、ダイヤモンドの代替表面上に正および負に帯電したラジカルをもたらす。
【００２３】
連続プロセスまたはバッチプロセスで電解水組成物を生成できるように、電解液は、任意の適当な方法で電解セルに導入することができる。連続プロセスでは、電解液は、適当な流量、例えば０．１〜１００ｌ／分の範囲、例えば３〜５ｌ／分の範囲の流量で導入することができる。バッチプロセスでは、電解液は、約１６ｌ／分の流量を有することができる。
【００２４】
電極（図示せず）は、複数の活性分子およびイオン種を含む電解水供給ストリーム１５を生成するためにセル内の電解液に過電位をもたらすように操作可能な電源ユニット１１に接続されている。供給ストリーム１５は、ミキサー１８と流体連通している。
【００２５】
システムは、ミキサー１８と流体連通している純水リザーバー１６も含む。ミキサー１８は、電解水供給ストリーム１５と純水供給ストリーム１４を混合するためのベンチュリ／制御ミキサーである。任意の適当なミキサーを使用することができることを理解されたい。
【００２６】
システム１は、リザーバー２と電解フローセル４の間に配置されたヒーター６も含む。電解液供給ストリーム１３はリザーバー２からフローセル４に流れるので、ヒーター４は、必要に応じておよび必要なときに所定の温度または所定の温度範囲内まで、電解液供給ストリーム１３を加熱するために整えられている。
【００２７】
システム１は、電解液供給ストリーム１３および純水リザーバー１６からの清浄水供給ストリーム１４の流量をそれぞれ独立に調節するために整えられた流量調節器１０、１２も含む。
【００２８】
システム１は、少なくとも１対の電極間に加えられる電圧を制御できるように、電源ユニット１１を制御するように操作可能な制御システム８をさらに含む。制御システム８はまた、セル４に入るときの電解液供給ストリームの温度を制御できるように、ヒーター６を制御するように操作可能である。電解液供給ストリームおよび／またはフローセル４内の電解質に熱を与えるために、ヒーターは任意の適当な位置に供給することができることを理解されたい。例えば、ヒーターは、セル４内に存在するときに電解質を加熱するように整えることができる。制御システム８はまた、それぞれの供給ストリーム１３、１４の流量をそれぞれ独立に制御するために流量調節器１０、１２を制御するように操作可能である。
【００２９】
好ましい実施形態では、電力ユニットからの余分な熱は、電解セルに供給して電解液を予熱して、システムによる電力使用をさらに最適化することができる。これは、そのヒートシンク（熱交換器１９）が電力ユニット１１と電解液を加熱するように整えられた発熱体とを接続している熱電ポンプまたはヒートコイルに与えられた電力を調節することによって制御することができる。
【００３０】
この実施形態における制御システム８は、電極間に加えられる電圧および電解液、電解水、清浄水供給ストリームの相対流量および／または電極間に所定の電圧を供給するための電解液の温度を制御するための単一の回転ノブであり、所定の電圧は、電解水中に最適な濃度の活性種をもたらすためにその温度の電解液に必要な最低電圧である。
【００３１】
制御ノブ設定は、「清浄水」から「全強度（ｆｕｌｌ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）」の範囲である。「清浄水」に切り換えると、流量、加熱および電圧がゼロに適用される。
【００３２】
ミキサーからのアウトプットは、清浄水になる。「全強度」に切り換えることは、ミキサーへの清浄水の流量がゼロになることを表すことになる。電解液の加熱および加えられた電圧は、それらの最大設定値で行なわれる。「清浄水」と「全強度」の間の中間設定値には、ミキサーへの電解水と清浄水との間の異なる比率の相対流量、および電解液に加えられる様々な温度、および電極間に加えられる様々な電圧が使用され、アウトプット溶液の塩濃度をプリセットウィンドウ内に維持しながら、直線的に増大する、濃度増大する活性種を含む電解水組成物が生じることになる。
【００３３】
この実施形態は、単一の制御ノブを含むが、制御システム８がデジタル表示によって操作可能であってもよいことを理解されたい。
【００３４】
高塩分溶液は、所与の濃度の活性種をもたらすのに著しく少ない電力を必要とする。好ましくは、電解液は、高塩分塩溶液、例えば少なくとも２０ｇ／ｌの塩濃度を含む溶液である。本発明は、したがって、所与の濃度の活性種を有する電解水組成物をもたらすための、エネルギー効率が改善されコストの影響が低減された方法およびシステムを提供する。
【００３５】
本発明のシステムは、所定の濃度の活性種を有する電解水をもたらすために、一貫した所定の最低電圧が電極間に加えられることを必要とする一方、高濃度塩溶液がセル内で（任意選択で所定の温度および流量で）電気分解されることを可能にする。
【００３６】
本発明のシステムおよび方法は、したがって、腐食性、刺激性および／または植物毒性である可能性が高い高塩分溶液の使用および／または生成を含むものである。本発明のシステムはしたがって、任意選択で、チャンバー内で生成された直後に高塩分電解水組成物が純水で希釈される混合チャンバーを含む。電解水組成物は、好ましくは、ＥＷ溶液中の活性物（ａｃｔｉｖｅｓ）の分解を最小限に抑えるために、生成直後および送達点で希釈される。本発明の方法およびシステムは、したがって、必要な電源および／または電極のサイズを最小限に抑えながら、電解液中に所望の濃度の活性種が生成されることを可能にし、また送達するのに安全な塩濃度を有するアウトプット電解水組成物をもたらす。
【００３７】
本発明は、製造コストを低減した、電解水組成物を生成するためのシステムおよび方法を提供する。システムを操作するための所要電力が減少しているので、本発明のシステムおよび方法に関連して、運転コストがより低く、カーボンフットプリントがより少ない。プロセスパラメーターの最適化によって、電解セルのサイズおよびコストを削減することができる。
【実施例】
【００３８】
実施例１−必要な電圧に対する塩濃度の影響。
図２を参照すると、所定の濃度の活性種を含む電解水を得るためにセルに供給されるのに必要な電圧との関係を確認するために、様々な塩濃度の塩化ナトリウム溶液を含む５種の異なる電解液を調べた。
【００３９】
調べた塩化ナトリウム溶液は、塩溶液の濃度に直接関係している伝導率値、それぞれ０．５５ｍＳ／ｃｍ、１．００ｍＳ／ｃｍ、２．００ｍＳ／ｃｍ、４．４０ｍＳ／ｃｍおよび９．９８ｍＳ／ｃｍを有していた。塩溶液の濃度が増大するにつれて溶液の伝導率が増大する。
【００４０】
図２から分かるように、所定の濃度の活性種を含む電解水をもたらすためにセルに供給されるのに必要な電圧の量は、塩溶液の伝導率が増大するにつれて減少する。したがって、より低い伝導率値を有するより希薄な塩溶液と比較して、所定の濃度の活性種を有する電解水を生成するために、より少ない電圧が、より濃縮された塩溶液に供給される必要がある。
【００４１】
例えば、所定の濃度の活性種を有する電解水をもたらすのに必要な電力は、伝導率値が１０ｍＳ／ｃｍの塩化ナトリウム溶液の場合よりも、伝導率値が０．５５ｍＳ／ｃｍの塩化ナトリウム溶液の場合に約６倍大きいことが分かる。
【００４２】
本発明のシステムの制御システムは、したがって、所与の濃度の活性種を有する電解水を生成するのに必要な電圧を最適化するために、電解液の濃度、例えば電解液の伝導率に依存してセル内の電極に供給される電力を制御するように操作可能である。本発明は、したがって、所与の濃度の活性種を有する電解水をもたらすための、エネルギー効率が改善された（およびコストの影響が低減された）システムおよび方法を提供する。
【００４３】
実施例２−塩濃度と電気分解によって生成された活性種の濃度との関係。
塩化ナトリウム溶液を、図１のシステムのリザーバーに導入した。電解質の塩化ナトリウム溶液中の塩の濃度は異なっていたが、熱および電圧を含む他の全ての操作条件は、システムに対して同じままであった。図３から分かるように、電気分解セル内で生成された電解水中の活性種の濃度は、溶液中の塩化ナトリウムの濃度に直接比例する。電解液中の塩の濃度が増大すると、得られた電解水中の活性種の濃度も増大する。
【００４４】
実施例３−温度と溶液の伝導率との関係
図４は、温度と、生理食塩水溶液、水溶液、ならびに生理食塩水溶液と水溶液を合わせたものの伝導率との関係を例示している。原則として、温度が増大するにつれて溶液の伝導率も増大することが分かる。伝導率の増大は、純水溶液のほうが生理食塩水溶液（ＮａＣｌ）よりも顕著である。図４から、温度が１０℃〜３０℃に上昇するにつれて、生理食塩水溶液（ＮａＣｌ）の伝導率がほぼ２倍になることが分かる。この伝導率の増大は、所与の濃度の活性種を含む電解水をもたらすために、著しく削減された電力がより高い温度で電解液に供給される必要があることを示している。
【００４５】
しかしながら、溶液の温度が電解水組成物の不安定性に寄与する主な要因であることも既知である。好ましくは、所与の電荷密度および塩濃度に対して最高濃度の活性種を生成するために、電解液の温度は、最低電力をセルに供給できる、２５℃〜４０℃の温度範囲内で維持される。
【図１】
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【図２】
2018500463.tif 000004
【図３】
2018500463.tif 000005
【図４】
2018500463.tif 000006
【国際調査報告】
2018500463.tif 000007
2018500463.tif 000008
2018500463.tif 000009