JP2006035201A - 水冷式縦型電解槽 - Google Patents

Abstract

【解決すべき課題】本発明が解決しようとする課題は、塩素イオン溶液を電解槽で電解酸化し、電極酸化液を水で希釈して殺菌用水を生成する方法において使用する電解槽に関して、大能力でも温度上昇が少なく、耐圧性能の高い電解槽を提供することである。
【解決するための手段】
本発明者は課題を解決するために、▲１▼電解槽を二重筐体構造とし、▲２▼外部の筐体は耐圧性能を受け持たせるために円筒状とし、▲３▼内部の筐体は電解性能と伝熱性能を考慮して直方体構造とした。また外筐体は耐圧に必要な構造として円筒の直径を１８０ｍｍ以下、より望ましくは１５０ｍｍ以下とした。また外部の筺体と内部の筐体の間の空間に稀釈用水を流下させ、内部筐体内で生成した電解酸化液を外部筐体内で、その稀釈用水の中に排出させ、外部筐体内で稀釈混合を完結させる構造としたのである。さらに電解時の液体類の流れを整えるために電極板を縦長形状とし、縦／横の比を２以上、より望ましくは４以上とし、内部筐体および外部筐体をそれに合わせて縦長形状とした。

Description

本発明は塩素イオン溶液を電解酸化し殺菌用水を生成する電解槽に関する。より詳しくは、内部の液の流れを整え、反応生成物と原料の混合を最小にし、かつ水冷により発生熱を速やかに除去し電解酸化反応を効率よく継続させ、電極に対する影響を少なくする構造の電解槽に関する。

塩素イオン溶液を電解酸化し殺菌用水を生成する技術は多数知られている。食塩溶液を隔膜式電解槽で電解し、陽極室から塩酸酸性の殺菌水を取り出す方式（特許文献１）や、食塩を無隔膜電解槽で電解し次亜塩素酸ソーダ溶液を生成する装置（特許文献２）や、希塩酸を無隔膜電解槽で電解し微酸性電解水を生成する装置（特許文献３）などが代表的なものである。これらの技術において、必須の要素である電解槽は、基本的に次のような問題を抱えている。殺菌水の大量使用に対応するために大規模装置を製作する場合、電解槽も大型になることにより、▲１▼電解槽内部で発生する熱の放出効率が悪くなることによって内部の温度が上昇し、電極寿命の短縮、電解効率の低下なとの問題が生じることと、▲２▼電解槽の大型化による耐圧性能が低下することである。大きな能力の電解槽を製作すると、当然、電解電流は大きくなり、体積も大きくなる。つまり発熱量は増加し、放熱効果も悪化するため、内部の温度上昇を重複促進することになるのである。これに対応するために本発明者等は以前、電解槽の周囲に冷却用のジャケットを設けた電解槽を発明した（特許文献４）。しかし、この方法は電解槽の外周面のみの冷却であるため、電解槽の体積が大きくなるに従って冷却効果が低下するという欠点があった。また耐圧に関する対策は無かった。一方、電解槽の筐体は、漏れ電流を避けるために絶縁体であることが必要であり、硝子、セラミック、プラスチックなどの単体や金属との複合材が使用される。しかし、製作の容易さや低価格であることなどからプラスチックが多用されている。しかし、プラスチックは、電解槽が大型化するほど物理強度が低下し、使用条件に対する制約が大きくなり問題になっていたのである。その問題に対応するために、電解槽自体の補強部品を付加したり、水圧を下げる弁を使ったり、水撃を避けるための対策を必要とした。さらに、電解槽の出口側にも圧をかけないために、配管構造に様々な制約があった。
特許２８９６１２２ 特公平４−０２８４３８ 特開平１０−１２８３３６ 特願２００４−３９０１１

本発明が解決しようとする課題は、塩素イオン溶液を電解槽で電解酸化し、電極酸化液を水で希釈して殺菌用水を生成する方法において使用する電解槽に関して、大能力でも温度上昇が少なく、耐圧性能の高い電解槽を提供することである。

本発明者は課題を解決するために、▲１▼電解槽を二重筐体構造とし、▲２▼外部の筐体は耐圧性能を受け持たせるために円筒状とし、▲３▼内部の筐体は電解性能と伝熱性能を考慮して直方体構造とした。また外筐体は耐圧に必要な構造として円筒の直径を１８０ｍｍ以下、より望ましくは１５０ｍｍ以下とした。また外部の筐体と内部の筐体の間の空間に稀釈用水を流下させ、内部筺体内で生成した電解酸化液を外部筐体内で、その稀釈用水の中に排出させ、外部筐体内で稀釈混合を完結させる構造としたのである。さらに電解時の液体類の流れを整えるために電極板を縦長形状とし、長手／短手の比を２以上、より望ましくは４以上とし、内部筐体および外部筐体をそれに合わせて縦長形状とした。

このような構造としたことにより次のような利点が得られることとなった。▲１▼まず、電解槽を二重構造としたことにより、その隙間に稀釈水を流し、冷却効果を得ることができたことおよび、内部筐体内で生成した高濃度の電解酸化液が電極端子棒のシール部分から直接外部に漏れ出す恐れが無くなったことである。そのことにより、端子棒のシール構造が簡単になり、また高価なシール材を使用する必要がなくなったのである。さらに、耐圧性能と電解性能を別々の筐体に担持させることができるようになったことで、それぞれの機能に好都合な形状を選ぶことも可能になったのである。

▲２▼それに伴い、外部筐体の形状として耐圧構造上有利な円筒形を選択することができた。ＪＩＳによる既製の塩化ビニール管の耐圧は種類によりそれぞれ、２５．５ｋｇ／ｃｍ^２（ＶＰ）、２０．４ｋｇ／ｃｍ^２（ＶＭ）、１５．３ｋｇ／ｃｍ^２（ＶＵ）と、実用上十分な強度が決められている。従って、耐圧が問題になるのは筒部ではなく端面である。そこで、その端面処理が実用上の強度が得られる円筒の直径の上限を計算した。一般工業用硬質塩化ビニールの溶接部分の引っ張り強さ（σ）は式１で示される。
σ＝σ_ｔ×Ｃ×Ｍ×Ｓ＝９５（ｋｇ／ｃｍ^２） （式１）
「但し、σ_ｔは一般工業用硬質塩化ビニールの引っ張り強度で５７０ｋｇ／ｃｍ^２（２０℃）、Ｃはクリープで１／２、Ｍは溶接効率で１／３、Ｓは安全係数で１とした」
次に、端面に円盤を円周溶接で接着した場合の耐圧は式２で計算される。
Ｐ＝σ×ｔ^２／（α×Ｄ^２）＝５０７ｔ^２／Ｄ^２ （ｋｇ／ｃｍ^２）
「但し、ｔは板厚（ｃｍ）、αは円周固定等分布加重時の引っ張り強度係数（３／１６）、Ｄは管内径（ｃｍ）」
板厚を２ｃｍとし、通常利用されている水道や工業用水の水圧は２〜３ｋｇ／ｃｍ^２あるので、瞬間的な圧力変動を考慮して安全率を２（６ｋｇ／ｃｍ^２）又は３（９ｋｇ／ｃｍ^２）として管径の上限を計算するとそれぞれ１８ｃｍ、１５ｃｍとなる。これが実用的な耐圧のための管径の上限である。さらに、外部筐体に円筒を使用することにより、安価な既製部材を利用できるという利点も得られた。

▲３▼内部筐体の形状は、等間隔に配置された長方形の電極板を無駄なスペースを作ることなく収納するのに最適の形状である直方体とした。内部筐体は耐圧の必要がないため、電解の効率のみを考慮して決めることができる。内部筐体は外面全てが稀釈水に接触し伝熱面となるので、比表面積の大きい直方体は有利である。また、電解液の自然な流れを促進するために上下に縦長構造とした。これにより電解で発生したガスや、電解で加温された電解液は上方向への流れが促進され、新しく供給された塩酸と電解の済んだ液との混合が防止され、入れ替わりがスムーズに行なわれる。それにより電解の効率が高く維持されるのである。

この電解槽で使用する塩素イオン溶液としては塩酸、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、塩化アンモニウムなとが目的に応じて使用できる。

本発明の効果は、塩素イオン溶液を電解槽で電解酸化し、電極酸化液を水で希釈して殺菌用水を生成する方法において使用する電解槽に関して、大能力でも温度上昇が少なく、耐圧性能の高い電解槽を提供したことである。本発明による電解槽の耐圧は、安全率２で設計すると６ｋｇ／ｃｍ^２以上、安全率３で設計すると９ｋｇ／ｃｍ^２であり、実用的な利用において十分な耐圧強度を持っている。従って、電解槽の前後の工程の仕様に対する制約がほとんど無く、圧力調整用の部品点数の削減や設備の自由度が大きくなる。
一方、本発明の構造では、電解槽内部の温度と稀釈水の温度差を１０℃以下に設計することはきわめて容易であり、電解槽内の不要な温度上昇による、電極やプラスチック部材の消耗を抑えることが可能で、電解槽の長寿命化によるランニングコストの削減効果が得られる。
さらに、電解槽を縦長形状とし、原料溶液の供給口を下面に、電解物の排出口を上面にしたことにより、上下方向の物質移動が容易になり、電解により発生したガスのスムーズな排除、温度の上昇した電解液の上部への移動を容易にし、新しく供給された原料液と電解結果物質の無用な混合を避け、電解効率を高く維持できるという効果がある。

本発明実施の最良の形態は、縦／横の比が４以上の平板電極を平行に配置し構成した電極群を直方体の筐体に収納し、筐体の長手方向を上下方向に配置し、筐体の下面から塩素イオン溶液を供給し、筐体の上面から電解生成物を排出する構造とする。このように構成された直方体の筐体をさらに円筒形の筐体に収容する。円筒形の筐体の内径は実用的な耐圧を維持するために１５０ｍｍ以下とする。円筒形の筐体と直方体の筐体の隙間を稀釈水を通液させ、その稀釈水に、直方体の筐体上面から排出された電解生成物を、円筒形の筐体内で混合稀釈する構造とする。外部の円筒形の筐体には稀釈水の供給配管と電解生成物を混合稀釈した水の排出管を備えている。内部の直方体の筐体に収納された電極に電流を供給する電源コードは外部の円筒筐体を貫通し、直方体の筐体を貫通し電極に接合される。又、同じく塩素イオン溶液を供給する管路も外部の円筒筐体を貫通し、直方体筐体内に給液できるように接合される。電解物の排出口は内部の直方体筐体の上面に直接穿孔された細孔である。
この電解槽で電解する塩素イオン溶液は塩酸溶液または塩化ナトリウム溶液またはその混合物が最適である。電極の実際の寸法は電解能力によって決まる電流値をもとに、耐久性を考慮して適宜決定する。

次に、本発明をさらに詳しく説明するために実施例を示すが、本発明の範囲をこの例に限定する趣旨ではなく、本発明の理解を深めるのが目的である。

図１に実施例の図面を示した。電極はチタン地板を白金で被覆したもの（田中貴金属社製）でサイズは厚さ１ｍｍ、幅７０ｍｍ、長さ６００ｍｍを１３枚、３ｍｍ間隔で１３枚を配置し電極群１０を構成した。両外側の各１枚には給電用の端子棒５を溶接したものを使った。その電極群を内部直方体筐体２に収納した。直方体筐体には塩酸の供給開口７と塩酸稀釈用水供給開口６、および電解物排出開口８を設けた。直方体筐体は厚さ１０ｍｍの硬質塩化ビニール板で構成した。直方体筐体はさらに円筒形筐体１に収納した。円筒形筐体は直径１２５ｍｍの硬質塩化ビニール管で製作した。円筒形筐体は稀釈水の流入用開口３、電解物の混合稀釈液排出用開口４を備えており、さらに両端には前後の配管部材に接合する仕組１１を備えている。原料塩酸は塩酸の供給開口７を通して直方体筐体内に供給され、同じく塩酸稀釈用水供給開口から供給された水で稀釈され電極群の中に供給される。そこで電解酸化された電解物は上面に設けられた電解物排出開口から排出される。一方稀釈水は下部の開口３から供給され直方体筐体と円筒形筐体の隙間９を通り、排出口４に至り、そこで直方体筐体から排出された電解物と混合され、排出される。
この電解槽を利用した電解装置を作成し性能の確認を行った。図２にそのフロー図を示した。原水取り入れ口１６から、時間当たり５０００Ｌの原水を取り入れ電解槽の内部直方体筐体と外部円筒形筐体の隙間に流下させた。原水の供給配管の途中から原水の一部を定量ポンプ１５（イワキ社製ＥＨ−Ｅ３５ＦＣ）で、時間当たり２５００ｍｌを抽出し直方体筺体内に供給した。塩酸タンク１３からは２１％塩酸を、定量ポンプ１４（イワキ社製ＥＨ−Ｂ１５ＶＣ）で時間当たり５００ｍｌ直方体筺体に供給し、定量ポンプ１５で供給された原水と混合し電極群に供給した。電極群に直流電源（ＴＤＫ社製ＲＡＷ１２ 図示せず）から１２Ｖ、１２Ａの電力を供給し、供給された塩酸溶液を連続的に電解し、直方体上面から電解物を排出し、そこを流下している希釈水に混合希釈し排出部１７から殺菌用水を排出した。この装置により１時間あたり５０００Ｌの殺菌用水が連続的に得られた。

電解槽図面、Ｉは電極に平行な縦断面図、ＩＩは電極に直角な縦断面、ＩＩＩは下面図 電解槽を組み込んだ電解装置のフロー図

符号の説明

１ 外部円筒形筺体
２ 内部直方体筺体
３ 稀釈水の流入用開口
４ 混合稀釈液排出用開口
５ 端子棒
６ 塩酸稀釈用水供給開口
７ 塩酸供給開口
８ 電解物排出開口
９ 直方体筐体と円筒形筐体の隙間
１０ 電極群
１１ 前後の配管部材に接合する仕組
１２ 電解槽
１３ 塩酸タンク
１４ 塩酸用定量ポンプ
１５ 塩酸希釈水定量ポンプ
１６ 原水取り入れ口
１７ 殺菌用水排出部
１８ 開閉弁（ホクエツ社製ＨＧ−Ａ−ＷＦ５０−１００Ｖ）

Claims (4)

1. 塩素イオン溶液を電解槽で電解酸化し、電極酸化液を水で希釈して殺菌用水を生成する方法において、次の各項目、
   ▲１▼電極が厚みの均一な長方形平板形状で、長手方向が上下方向に配置されていること、かつ、
   ▲２▼該平板が直方体の筺体に包摂されていること、かつ、
   ▲３▼該直方体の筺体内の液の流れが下方から上方方向であること、かつ、
   ▲４▼該直方体の筺体がさらに円筒形の外筺体に包摂されていること、かつ、
   ▲５▼直方体の筺体と円筒形の外筺体の隙間を希釈水が流通する構造であること、かつ、
   ▲６▼直方体の筺体内に供給された塩素イオン溶液が電解酸化を受け、該電解酸化液は直方体の上面から円筒形の外筺体内部に排出され、そこを流通している希釈水に混合希釈される構造であること
   を特徴とする電解槽
2. 請求項１記載の円筒形の外筺体の内径が１８０ｍｍ以下、より望ましくは１５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の電解槽
3. 請求項１記載の平板の電極板の、長手／短手の比が２以上、より望ましくは４以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電解槽
4. 請求項１記載の塩素イオン溶液として、塩酸、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、塩化カルシウムのうち１又は２以上の混合溶液を電解することを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載の電解槽