機能水研究

総 説

Vol.12(2), p.29-34, 2017

アルカリイオン整水器の構造と機能について
田中喜典

パナソニック株式会社 アプライアンス社
2017.3.10 受理

１．緒言

本稿では連続式アルカリイオン整水器の構造と機能につアルカリイオン整水器とは、JIS T 2004 に規定されている家庭用電解水生成器1)

いて解説する。

を指し、飲用適の水（水道法水質基準に関する省令に適合する水道水）を電気分解する

２．アルカリイオン水の生成原理

ことにより pH 9～10 の飲用アルカリ性電解水（アルカリ連続式アルカリイオン整水器の基本構成は、図 1 に示イオン水）を生成する。なお、家庭用電解水生成器とは、すように水をきれいに浄化する為の浄水カートリッジと医薬品、医療機器等の品質、有効性及び安全性の確保等水を電気分解する電解槽から成る。

に関する法律（以下、薬機等法という）施行令別表第一

まず、水道蛇口には水切り替えレバーが取り付けられにおいて「器具器械 83 医療用物質生成器」に分類されており、装置を通過させずに水道水を用いる場合（食器る家庭用医療機器の呼称である 2)。

洗浄等の飲用外の用途に使用する場合）と装置を通過さ2002 年発足の日本機能水学会では、現在の水素水ブー
ムに伴って水素の生理学的効果研究が盛ん

3)せて用いる場合に切り替えができるようになっている。になる以前

水切り替えレバーを切り替えて装置内に導き入れられからアルカリイオン水研究者らにより、溶存水素の作用、た水道水は浄水カートリッジを通過し、その後電解槽に電解による溶存過程が研究報告 4-7) されている。近年その導き入れられ、電解によりアルカリイオン水、還元水素成果を鑑み、「アルカリイオン水が、水素を含むこと、水水が生成される。

素が効果要因として有力であること、酸化還元電位が低くなること（還元状態）、生成してすぐに飲用すること」
を踏まえてアルカリイオン整水器協議会 8) では、アルカリイオン水の商品名として電解水素水、還元水素水、電解還元水等と呼ぶことを容認するに至っている。
近年の業界全体の総出荷台数は、薬事工業生産動態統計（厚生労働省医政局）によると、年間約 20 万台との報告もあり、広く一般家庭で使用されている。アルカリイ
オン整水器の主機能となる水電解部分に用いられる電極
図 1. 連続式家庭用電解水生成器の基本構成

は白金、または白金族酸化物触媒を電極触媒物質としてチタンに被覆した不溶性の電極であり、ソーダ工業会、

１）浄水部分について電解科学技術委員会主導のもと、工業電解として発展してきた電解技術が B to C への技術展開により、一般家庭

例えば、浄水カートリッジ内は図2に示されるように、を含めた一般消費者に様々な恩恵を与えた一例である。

不織布フィルターや中空糸膜などのろ過膜層と、粒状・このように、アルカリイオン整水器は様々な分野の国粉末活性炭などの活性炭層で、除去対象となる物質に対内研究者の研究に支えられて有効性の研究、電解技術のして有効なろ材を組み合わせて構成されている。図 2 の研究開発が進み、1966 年の医療用具認可より 50 年を経過

例では不織布フィルターで粗ゴミが取り除かれた後に、しており、2016 年に京都で開催された日本機能水学会第粒状・粉末活性炭部分で水道水の中に含まれる残留塩素

15 回学術大会では記念セッションが組まれた。

やトリハロメタン等の物質が除去され、最終のろ過膜部分で微細なゴミ、赤さび、一般細菌等が除去される。

アルカリイオン整水器には連続式と貯槽式があるが、田中喜典：〒525-8555 滋賀県草津市野路東 2 丁目 3 番１-2
Tel: 050-3687-9658
E-mail: tanaka.yoshinori@jp.panasonic.com

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(a)

(b)

図 2. 浄水カートリッジの内部構造

図 3. 電解槽の基本構成

水処理に使用される活性炭には無数の微細孔が存在し、非常に広い表面積を有する。水中の有機系の有害物質等は水に比較的溶けにくく、活性炭表面との分子間力が働くことにより活性炭表面に物理的に吸着されて除去される。一方、残留塩素は有機物と異なり、活性炭に吸着されるだけでなく、吸着残留塩素が活性炭の表面を酸化し、代わりに残留塩素が塩化物イオン（Cl－）に還元される。
つまり、水道水中の遊離塩素が除去された場合は、それに見合う塩化物イオン（Cl－）が増加していると考えられる。
陰極反応： 2H2O ＋ 2e－ → 2OH－＋ H2陽極反応： 2H2O → 4H＋ ＋ 4e－＋ O2

活性炭の後、ろ過膜には、一般的に中空糸膜と呼ばれる膜が用いられる。中空糸膜とはストロー状の繊維である。この繊維の表面には無数の微細な数百ナノメートル

図 4. 電解槽における水の電解反応とイオンの動き程度の孔が開いている。繊維の外側からこの微細な孔を糸川嘉則 2)より引用して改変

通って中空糸膜の中に染み込むようにろ過された水は両端のストロー状の口から流出する。この部分で一般細菌オン（H＋）が生成し、陰極側では水電解により水素（H2）やカビ類、赤サビなどが取り除かれる。ここでは、活性と水酸化物イオン（OH－）が生成する（図 4）。陰極電解炭＋中空糸膜を浄化部とする方式を紹介したが、メーカ反応の結果、水素が溶解したアルカリ性の電解水が生ずーによっては中空糸膜を使用せず、活性炭を加工するこる。
電極としては、Ti（チタン）を基材とし、Pt（白金）まと等で同等のろ過機能を実現させている場合もある。
浄水部分の標準的な除去物質は JIS S 3201 または、浄水

たは Pt 族酸化物触媒を被覆した不溶性電極が用いられる。

器協会自主基準の試験方法を参考に除去性能試験が実施

後述するが、アルカリイオン整水器の電極は Ca スケールされ、各メーカー各々、その試験方法に従った除去能力・対策のため、逆電洗浄と呼ばれる正・負双方の電気分解に安定な電極触媒が必要である。Pt は陰極として用いた寿命の表示がなされる。

場合に水素発生過電圧が低く、低電位で水素および水酸
２）電解槽について化物イオン生成に有利であり水電解の陰極触媒として古a) 基本構成

くから用いられてきた。同時に陽極触媒としての電解消電解槽の基本構成は、図 3（a）のように陽極と陰極お耗の安定性も確認されておりアルカリイオン整水器に広よびその間を隔膜で仕切ることで、陽極槽と陰極槽を形く使用されている。さらに Pt 族酸化物被覆電極について成している。浄水カートリッジで水道水が浄化されて陽は、高橋らの報告 9) にあるように電解消耗の強さが報告

極槽と陰極槽に分岐流入し、直流電解される。陽極側でされており、現在でも不溶性電極として様々な電極材料

は主として水（H2O）が電解されて酸素（O2）と水素イの研究がなされている 10)。

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隔膜としては、陽極水電解で生成する酸性水や次亜塩

１）水の電気分解効率を考慮した電流効率の低下

素酸に耐性のあるフッ素系樹脂膜 11) やフッ素系イオン交

Pt、Pt 族酸化物被覆陰極の場合、流れる電流は、陰極換膜が用いられており、主として、陰極槽および陽極槽側ではほぼ 100％が水（H2O）の電気分解に用いられ、流の水の混合を防止する役目がある。しかしながら、電気れた電流分だけ水酸化物イオン（OH－）が生成される。

分解の抵抗となるような材料は好ましくなく、水中のイすべて pH 変化に使用されたとするとわずかな電流で pHオン種を通過させ、水そのものの自由な通過を阻害するは 10 を超える計算になる。しかしながら、現実そのよう材料が用いられる 7)。にはならない。付与された電気の流れは、陽イオンまた以上のことは JIS T 2004 に反映されており、その規格をは陰イオンの形で陰極槽、電解隔膜、陽極槽内を移動す満たしたアルカリイオン整水器は認証番号を付与され、るため、電流効率を考えるうえで非常に重要である。生市販されている。認証番号を得たアルカリイオン整水器

成された OH－または元から存在する OH－は、電解槽内をは、性能試験において pH 9.5±0.3 のアルカリイオン水を流れる電流成分として陰極槽から電解隔膜を通過し、陽生成できることになっている。実際の飲用に当たってア極槽に移動する。他に、Cl－、NO3－、SO42－等の陰イオン

ルカリイオン水はpH 9～10 の性状をもつことが求められも同様である。反対に陽極槽から陰極槽に移動するイオている。

ンは H＋や Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋等の陽イオンである。

平成 17 年（2005 年）の改正薬事法において貯槽式電解Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋等の陽イオンまたは Cl－、NO3－、水生成器等基準 12) が定められ、貯槽式と連続式の家庭用

SO42－等の陰イオンの移動は、pH 値に大きく影響を与え電解水生成器（アルカリイオン整水器）は「家庭用医療ない。しかし、流入する H＋イオンは水の解離平衡を満た用物質生成器」に分類され、以下の JMDN コード（Japaneseすため、陰極槽内の OH－イオンと結合して陰極水 pH 値

Medical Device Nomenclature Code）が与えられている。の低下を招き、陰極槽から流出する OH－も直接 pH 値の・JMDN コード 71024000（連続式家庭用電解水生成器）低下を招く。これらにより、pH 値変化に対する電流効率b) 電解槽構成

は 1 より小さくなる。

上述の基本構成を陽極面で鏡面対象とすることによりさらに、Ca2＋、Mg2＋、Na＋、K＋、Cl－、NO3－、SO42－

3 枚電極を有する電解槽が図 3（b）の様に構成される。のようなイオンは pH 値の緩衝作用に直接影響しないが、中央の電極は Pt、Pt 族酸化物被覆電極を陽極として用い、CO32－、PO43－等のイオンは緩衝能があるため pH 値に大陽極面に平行になるように 2 枚の隔膜を配置し、それらきな影響を与える。例えば、CO32－の緩衝作用は次式（1）を含んで陽極槽をひとつの容器で形成させる。陽極と隔のように示され、図 5 のように各 pH 値での炭酸成分の存膜で形成された陽極槽容器の隔膜面の外側に、各々内側在比率が示される。

片面に Pt、Pt 族酸化物被覆陰極を配置し、すべてを包括

H2CO3 + 2H2O ⇔ H3O＋ + HCO3－ + H2O ⇔ 2H3O＋ + CO32－

する全体を大きな陰極槽として構成する。さらに陽極槽・・・・・・（1）

容器や陰極を積層させることにより、5 枚電極、7 枚電極

つまり、炭酸成分が pH 変化に伴い、形態を変化させ、を有する電解槽が形成される。

H3O＋イオンを放出・吸収するため、印加する電解電流の電極枚数 3～7 枚の電解槽の特性として、生成される水酸化物イオン（OH－）と水素（H2）の量は、ほぼ電流に割に想定より pH 変化が起こりにくい。

依存するため差はない。しかし、同じ電流値であっても一枚あたりの電極面積が同じ場合、3 枚に比べて総電極面積は 2 倍（5 枚）、3 倍（7 枚）となるため、電流密度は異なる。この結果、生成水素の溶解効率は低電流密度になるほど高くなることが知られている 13)。
また、電解生成する水素については、水素過飽和濃度となることが柴田らの研究で報告されており 14) 、アルカ
リイオン水のように流水の水電解で水素の過飽和状態および水素ナノバブルの生成が菊地らによって報告されている 6)。
３．電解によるアルカリイオン水の生成について

図 5. 各 pH 値での炭酸成分の存在比率31解により生成する OH－イオン濃度が高く強アルカリ性となるため、CO32－濃度が高く Ca スケール析出が著しく、Ca スケールが電極表面を覆う事で電解が妨げられてしまう。このため、アルカリイオン整水器では機種により頻度は異なるが正負を入れ替えて通常陰極として用いる電極を Ca スケール洗浄時には陽極として水電解することにより酸性雰囲気に変化させ、生成する pH の低い酸性水で CaCO3 を溶解させ Ca スケールを洗浄する機構を設けている（逆電洗浄と呼ばれる）。逆電洗浄機構を含めると、現在は電極を陽極・陰極の双方として用いる必要があり、電極触媒の劣化に影響を与え、また電解回路の複雑化を招くため、大きな課題となっている。今後、逆電洗浄を減少し、様々な課題解決の要望もあるため、Ca スケール付着に関して電極表面粗さとの関連について検討した結図 6. 原水の違いによる電解電流と pH 値の関係果を報告する。

２）イオンの輸率を考慮した pH 値に関する電流効率１）表面粗度を変更した電極を用いたCa スケール付着試験

イオンの輸率を考慮した pH 値に関する電流効率を x

焼成メッキ、電解メッキ、スパッタ、純白金で表面粗とし、純水、河川水、地下水を電解した場合の pH 変化を度を変更した陰極を作成し、陽極を固定した条件で、評シミュレーションすると、得られた電解電流と pH 値の関価用の平板電解槽を作成する。連続的に通水しながら電係は図6のようになる。
ここで、
純水（○）
、門真市水（△）
、解を行うことで陰極表面に付着するカルシウムの度合い

当社門真構内地下水（□）は実測値を、曲線は計算結果に違いがあるか評価を行った 15)。結果を図 7 に示す。

を示す。ここで純水は、導電率を市水と同じくらいにす電極表面粗度を表す Ra（算術平均粗さ）が 1.74 の電極るため、硫酸 Na を添加している。条件は陰極吐水を 2に付着した Ca スケール量を基準として、種々の Ra 値のL/min、陽極排水を 0.5 L/min としている。今回のシミュ

電極に付着した Ca スケール量を整理すると、Ra が少な

レーションでは、電流効率を 0.6 とすることで実測値と計くなるほど付着量の減少が見られており、今後、逆電回算値が一致した。

数の削減に電極表面粗度を減少させることが有効である可能性が示唆された。

これらの結果より、純水の場合には緩衝能がないため電流が 1 A 程度でも pH 値が 10 となるが、国内の通常の水道水では 2.5 A 程度の電流で pH 値が 10 となることが1.2予測される。また、地下水のように非常に高濃度の炭酸1成分を含む水では 5 A 程度の電流で pH 値が 10 となると予測される。一方、酸性水の生成については純水の場合0.8には緩衝能がないため電流が1 A 程度でも pH 値が4 とな
Ca付着率るが、国内の通常の水道水では 2.5 A 程度の電流で pH 値が 6 までしか下がらない。また、地下水のように非常に高濃度の炭酸成分を含む水では5 A 程度の電流でもpH値が 6 までしか下がらないと予測される。炭酸の影響は酸0.60.40.2

性水の側で大きくなる。
00４．炭酸カルシウムによる電極スケール付着について

12Ra / μｍ

前述のように、水道水が pH 9 以上を超えてアルカリ性に変化すると水道水中の炭酸成分は CO32－の形態となり、

図 7. 表面粗度を変更した電極を用いた
Ca スケール付着試験

水道水に含まれる Ca2＋との化合物 CaCO3（Ca スケール）の溶解度積が低いため析出する。特に陰極表面では水電

323

protects DNA from oxidative damage. BIOCHEM

５．まとめBIOPHYS RES COMMUN., 234, 269-274, 1997.

連続式アルカリイオン整水器の基本構成として、水を6)浄化する為の浄水カートリッジと水を電気分解する電解K Kikuchi, H Takeda, H Noguchi et al.: Hydrogen

槽から成り、その電解槽を形成する電極、膜の構造を解

particles and supersaturation in alkaline water from an説した。また水道水の電解よる pH 変化効率および、電極

Alkali-Ion-Water electrolyzer. J. Electroanal. Chem., 506,
22-27, 2001.

への Ca スケール付着には、溶解する炭酸成分が大きな影響を与えている。電解後の電解水 pH については電解効率7)水）の基礎．機能水研究、2(2), 65-69, 2004.

を予測し、電流値からの予測を行う事が出来ること、ス
8)

ケールの付着度合いに関しては、電極表面の粗度が影響

アルカリイオン整水器協議会ホームページ
http://www.3aaa.gr.jp/を与える事を解説した。
9)

高橋正雄、増子昇: ソーダと塩素、53(7・8), 171-175,
2002.

文献1)

菊地憲次：アルカリイオン水（飲用アルカリ性電解日本工業標準調査会審議： JIS T 2004 家庭用電解水

10) 山本泰士、田中喜典、才原康弘 ほか： アルカリイ

生成器．日本規格協会、平成 23 年 7 月 29 日改正．

オン整水器用電解槽の長寿命・省電力化．パナソニ

2)

糸川嘉則： 飲用アルカリ性電解水（アルカリイオン

3)

独立行政法人国立健康・栄養研究所 「健康食品」のック電工技報、58(2), 51-55, 2010.
11) 野田太郎 編集発行： 住友電工グループニュースレ
ター、423, p5, 2012.

安全性・有効性情報 「水素水」

12) 別表 3-360 貯槽式電解水生成器等基準．厚生労働省

水）研究の流れ．機能水研究、2(2), 59-64, 2004.

http://hfnet.nih.go.jp/contents/detail3259lite.html
4)5)

告示第 112 号、平成 17 年 3 月 25 日．

内藤裕二、高木智久、菊地憲次、ほか：体系的遺伝13) 田中喜典、辻本朋美、西川壽一、ほか： 飲用アルカ子発現解析を利用した飲用アルカリ性電解水と水素リ性電解水の pH・水素溶解特性と効率．松下電工技

水の胃粘膜保護効果に関する実験的検討．第４回日報、56(1), 72-77, 2008.

本機能水学会学術大会講演要旨集、1-2, 2005.
S Shirahata, S Kabayama, Y Katakura et al.: Electrolyzed-

14) S Shibata: Bull. Chem. Soc. Japan, 36, p53, 1963.
15) パナソニック電工株式会社: 電解水生成装置、特許

reduced water scavenges active oxygen species and第 5059660 号

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Structure and function of alkaline ionized water apparatus
Yoshinori TANAKA
Panasonic Corporation, Appliances Company
Alkaline ionized water refers to water generated from drinkable water (potable water conforming to the directivesof the tap water quality standards) by electrolysis using water electrolyzer for home-use called "alkaline ionized waterapparatus". The structure of alkaline ionized water apparatus was explained from the viewpoint of the water purification
functions and the electrolysis of the water.

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