水道水を消毒する方法および装置
【課題】水道水の消毒に、オンサイトで生成させた次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を利用する技術において、塩素酸の生成を最小限度に抑制することにより、基準値（塩素酸イオン濃度０．４ｍｇ／Ｌ）のクリヤが容易である水道水の消毒方法を提供する。
【解決手段】水道水に対し、オンサイト型食塩電解装置の電解槽に濃度２〜５重量％の食塩水を供給し、電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍ以下、液の温度が４０℃を超えない条件で、塩素酸の発生を抑制しつつ電解を継続し、生成した次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を、水道水に添加する。
【解決手段】水道水に対し、オンサイト型食塩電解装置の電解槽に濃度２〜５重量％の食塩水を供給し、電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍ以下、液の温度が４０℃を超えない条件で、塩素酸の発生を抑制しつつ電解を継続し、生成した次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を、水道水に添加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大規模な上水道および小規模な飲料水供給施設により供給される水（以下「水道水」で代表させる）とりわけ後者を、殺菌・消毒（以下「消毒」であらわす）するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水道水の消毒は、水道法の規定により、塩素を用いて行なうことになっている。この目的には、液体塩素の添加または塩素ガスの圧入を行なえばよいが、液体塩素および塩素ガスの取り扱いには危険が伴うので、とくに比較的小規模な施設においては、それに代えて次亜塩素酸ナトリウムの水溶液を水道水に添加することが普通である。
【０００３】
しかし、次亜塩素酸ナトリウムは比較的不安定な物質であって、保存すると、式（１）の不均化反応が起こって、塩素酸ナトリウムが生成する。
３ＮａＣｌＯ → ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ３ ・・・（１）
【０００４】
ところが、塩素酸ないしその塩は有害な物質であって、水道水中に多量に存在することは避けなければならない。平成２０年４月から、塩素酸が水質基準項目に追加され、基準値が０．６ｍｇ／Ｌ以下と定められた。浄水場に関しては、「水道施設の技術的基準を定める省令（平成１２年厚生省令第１５号）」第１条第１６号に規定する基準（薬品基準）が、０．６ｍｇ／Ｌ以下から０．４ｍｇ／Ｌ以下と規制が強化された。（暫定措置として、平成２３年３月３１日までは０．５ｍｇ／Ｌ以下とされている。）
【０００５】
水道水の消毒に次亜塩素酸ナトリウムを使用する場合、通常、次亜塩素酸ナトリウムの濃度１２％（塩素換算）の水溶液を製造してタンクに貯蔵しておき、この水溶液を、定量ポンプを用いて各注入点に所定量ずつ注入するという手段がとられている。ところが、上記した次亜塩素酸の不均化反応により塩素酸が生成し、その濃度基準が強化されたため、従来の技術では、塩素酸の濃度が基準値を超える可能性が出てきたので、水道水の消毒に関して新しい問題が生じた。
【０００６】
この問題に対処するため、日本水道協会では、次亜塩素酸ナトリウムの取扱いに関するパンフレット（非特許文献１）作成配布し、「次亜塩素酸ナトリウムは時間とともに分解するため『生もの』として取り扱うことが重要です」と呼びかけ、具体的には、（１）次亜塩素酸ナトリウムは、２０℃以下の温度で保管すること、（２）一時に大量を購入せず、必要量ずつ購入すること、（３）小分け作業の環境によっては品質が劣化するおそれがあるから、使用に当たっては十分にチェックすること、などの対策をとるように呼びかけている。しかし、これらの対策は、保冷設備の必要、輸送費の増大、検査の強化などを必要とし、当然にコストを押し上げる要因となるから、とくに小規模な浄水場では打撃となる。
【０００７】
よく知られているように、食塩水を無隔膜で電解すると、陽極では式（２）にしたがって塩素が発生し、陰極では式（３）により水酸化ナトリウムが発生し、両者が混合して、式（４）のように次亜塩素酸ナトリウムが生成する。
陽極反応 ２Ｃｌ → Ｃｌ２ ＋ ２ｅ− ・・・（２）
陰極反応 ２ＮａＣｌ＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → ２ＮａＯＨ ＋ Ｈ２ ・・・（３）
２ＮａＯＨ ＋Ｃｌ２ → ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ＋Ｈ２Ｏ ・・・（４）
この反応を利用し、オンサイトで食塩水の無隔膜電解を行なって、生成した次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解液を水道水の消毒に使用すれば、次亜塩素酸ナトリウムの貯蔵に伴う上記の問題は解消することができる。最近、このような目的で使用する設備が提供されるようになった（非特許文献２）。
【０００８】
電解により生成させた次亜塩素酸を使用することについて、上記非特許文献２は、つぎのようなデータを示し、利点を主張している。
（１）電解水と１２％次亜塩素酸ナトリウム溶液（「塩溶液」という）とを、塩素消費のない水道水に投入し、有効塩素濃度１ｍｇ／Ｌにて塩素酸濃度を分析したところ、塩溶液に比べて電解水は、塩素酸濃度が１／８〜１／３低くなることが確認された。
（２）３５℃において電解水と１２％次亜塩素酸ナトリウム溶液を保存した場合、塩溶液では有効塩素が急激に減少し、塩素酸が増加したのに対し、電解水では有効塩素の減少、塩素酸の増加とも緩やかであった。
（３）電解水は、塩溶液にくらべて有効塩素濃度が１／１０〜１／２０と希薄であるため、塩素酸の増加が抑えられる。
（４）電解水は必要に応じて製造すればよいから、長期保存にともなう問題がない。
【非特許文献１】日本水道協会『水道用次亜塩素酸ナトリウムの取扱い等の手引き（Ｑ＆Ａ』（平成２０年３月）
【非特許文献２】サンヨー株式会社ＨＰ（平成２１年８月３日現在） 「アクアクリーンシステム」
【０００９】
しかし、電解により次亜塩素酸ナトリウムを生成させて利用するにしても、前掲の不均化反応そのものは原理的に回避できるわけではないので、電解条件および電解液使用の条件を適切に選択しなければ、上記したような利益を十分に享受することはできない。とりわけ、比較的小規模な自治体の上水道施設や工場の上水道においては、設備およびその管理に投入できる資金や労力に限界があり、すこしでも有利な、換言すれば必要最低限の条件で電解による次亜塩素酸ナトリウムの製造と利用を実現したい。この観点から、発明者は、食塩水を電解して次亜塩素酸ナトリウムを生成させる電解の条件、および得られた電解液を使用して水道水の消毒を行なうために必要とされる、限界の条件を追求し、塩素酸の生成を最小限度に抑制しつつ基準値を容易にクリヤする水道水の消毒技術を確立するに至った。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、発明者が得た上記の知見を活用し、水道水の消毒に、オンサイトで生成させた次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を利用する技術において、塩素酸の生成を最小限度に抑制することにより、基準値のクリヤが容易である水道水の消毒方法を提供することにある。その消毒方法の実施に好適な装置を提供することもまた、本発明の目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の水道水の消毒方法は、水道水に対し、オンサイト型食塩電解装置を用い、濃度２〜５重量％の食塩水を電解槽に供給し、電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍ以下、液の温度が４０℃を超えない条件で、塩素酸の発生を抑制しつつ電解を継続し、生成した次亜塩素酸ナトリウムを含有する水溶液を水道水に添加することからなる。
【００１２】
この消毒方法を実施するための本発明の水道水の消毒装置は、水道水に消毒用の次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を供給するための消毒装置であって、図１に示すように、下記の構成部分からなる、：
Ａ）食塩供給手段（１）と、希釈水供給手段（２）に加え、希釈水を純水に変えるためのイオン交換樹脂塔（図示してない）を備えた、飽和食塩水をつくる食塩溶解槽（３）、飽和食塩水を純水で希釈して濃度２〜５％とするための希釈タンク（４）、および飽和食塩水の送液ポンプ（Ｐ１）からなる食塩水供給装置、
Ｂ）直流電源（５）を備え、チタン基板の上にＰｄを主成分とするコーティングを施した陽極（６１）を、陰極（６２）との電極間距離を２〜４ｍｍに保って配置した無隔膜電解槽（６）、
Ｃ）無隔膜電解槽（６）から出る電解水に含まれる次亜塩素酸ナトリウムの濃度を測定し、その濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍを超えないように、電解槽に供給する電気量をコントロールするための塩素濃度計（７）、ならびに
Ｄ）水道水源（８）からの水道水に、次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を添加するための電解水注入ポンプ（Ｐ２）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の消毒方法により水道水を消毒すれば、食塩水の電解により次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を製造するに当たっても、また製造した電解水を水道水の消毒に使用するに当たっても、実現の容易な操業条件で操業しても、塩素酸の生成を最小限度に抑制して、基準値をはるかに下回る塩素酸の生成をみるだけで、次亜塩素酸ナトリウムによる消毒を実現することができる。本発明の水道水の消毒装置は、必要最小限の構成部分をコンパクトにまとめたユニットとすることができるから、とくに比較的小規模な上水道施設に採用することが容易であり、その設備および運転に要する経費は低廉で済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の水道水の消毒方法において、オンサイト電解の条件を上記のように限定した理由を、好適な条件の選択理由とともに、以下に説明する。
【００１５】
電解槽に供給する食塩水の濃度：２〜５重量％
上限の５重量％は、水道水の水質基準が、Ｎａ＋２００ｍｇ／Ｌ以下、Ｃｌ−２００ｍｇ／Ｌ以下に定められているから、それに適合できるようにするためである。１５００ｐｐｍの次亜塩素酸ナトリウムを最大で１０ｐｐｍの注入率で水道水に注入すると、希釈率としては１５０倍であるが、５％を超える食塩濃度であると、この基準は守れなくなる。また、食塩濃度が高いと、水道水側に持ち出される食塩量が増大し、ロスが多くなって経済的に不利である。一方、電解の対象となる水溶液の食塩濃度が低くなると、液抵抗が高くなって発熱を招き、電解液の温度が上昇しやすくなるという不利益が生じる。濃度２重量％は、この観点から設けた下限である。最適な食塩水濃度は、３重量％前後である。
【００１６】
電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度：塩素換算で１０，０００ｐｐｍ以下
後記する試験例にみるとおり、電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度が、塩素換算で１０，０００ｐｐｍを超えて、たとえば１１，０００ｐｐｍに近づくと、不均化反応による塩素酸の生成が急激に盛んになる。
【００１７】
電解時の液の温度：４０℃以下、好ましくは３５℃以下
これも後記する試験例が示すように、電解液の温度が３５℃から４０℃の領域を超えると、不均化反応が顕著になるので、４０℃以下、好ましくは３５℃以下の温度において電解を行なう必要がある。
【００１８】
電解槽の通電量：５〜１５Ａｈ／Ｌ
前述の濃度すなわち２〜５重量％の食塩水を電解して、次亜塩素酸ナトリウムの濃度を５，０００〜１０，０００ｐｐｍの範囲に制御するためには、それに対応して、５〜１５Ａｈ／Ｌの電気量が適切である。
【００１９】
電流密度：０．１〜０．３Ａ／ｃｍ２、好ましくは０．１〜０．１５Ａ／ｃｍ２
所望の量の次亜塩素酸ナトリウムを生成させるために、ある程度以上の電流密度を必要とすることはいうまでもなく、これが下限値０．１Ａ／ｃｍ２を設けた理由である。一方、電流密度が過大になると、発熱が大きくなって電解液の温度が上昇して好ましくない。上限０．３Ａ／ｃｍ２はこの理由で設けたものであるが、０．１５Ａ／ｃｍ２以下に止めることが好ましい。
【００２０】
陽極−陰極間距離：２〜４ｍｍ
下限の２ｍｍは、食塩に含まれる不純物であるマグネシウムやカルシウムが、電解中に難溶性の水酸化物を形成することがあって、電極間を閉塞する可能性があるので、あまり狭い電極間距離は避けた方がよい、という配慮にもとづくものである。閉塞の防止という観点からは、電極間距離は長い方が有利であるが、一方で、電極間距離が増せば、電解に当たって消費される電力量が増し、それに応じて電解液の温度が上昇しやすくなる、という不利益が生じるから、実際的な距離としては４ｍｍを上限とする。この電極間距離、電解質濃度、および電解温度の条件においては、通常、槽電圧は、３〜４Ｖの範囲に落ち着くであろう。
【００２１】
装置に関しては、無隔膜電解槽（６）が、電解槽内の電解対象液を冷却する熱交換器、たとえば図１に示したような冷却コイル（９）を設けて、その中に冷媒を通すようにしたものを備えることが好ましい。いうまでもなく、電解液の温度が４０℃を超えてはならず、好ましくは３５℃以下であり、その範囲でもより低いことが望ましい、という条件を満たすためには、電解液を冷却することが有利だからである。ただし、次亜塩素酸ナトリウムの生成量が塩素換算で１００ｋｇ・Ｃｌ２／日以下の、比較的小規模な浄水場のような施設に設置するオンサイト電解設備であれば、熱交換器を備えた電解槽を用いることは、実際問題として容易でないから、その場合は、電解槽としてジャケットを有するものを用いたり、電解槽の外部にフィンを設けてそれをファンで空冷したり、電解槽に流入する食塩水および流出する電解水を冷却するよう二重管式の送液パイプを使用するなどの対策を講じるとよい。
【００２２】
［試験例１］
食塩を純水に溶解して濃度３重量％とした水溶液を用意し、その１００ｍＬを電解槽に入れ、陽極および陰極がともに２ｃｍ×３ｃｍの寸法をもつ一対の電極を、電極間距離を３．５ｍｍに保って上記の食塩水の中に保持した。電解液を２５０ｍＬ／分の速度で循環させる通水方式とし、電流密度０．１Ａ／ｃｍ２で、直流電気を通電した。２０℃から通電を始め、通電に伴い電解液の温度が上昇するにまかせ、４０℃に達したところで通電を打ち切った。その時点で、通電量は１０．６７Ａｈ／Ｌであった。２０〜４０℃の範囲で種々の温度における、電解液中の次亜塩素酸イオンＣｌＯ−の濃度および塩素酸イオンＣｌＯ３−の濃度を測定し、両者の比［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］を算出した。結果を、図２のグラフに示す。（ＣｌＯ３−の値は分子量の値として、ＣｌＯ−の値は塩素換算で示した。）
【００２３】
図２のグラフは、電解の進行につれて次亜塩素酸イオンの濃度が増大し、塩素換算の濃度にして、１０，０００ｐｐｍを超えたところ、電解液の温度としては３５℃までは、ほぼ直線的に増加したことを示し、一方、［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比は、液温が３５℃に達するまでは大きな変化はなく、３５℃を超えると急激に増大していることがわかる。
【００２４】
［試験例２］
塩素酸生成の状況が、温度により左右されるのか、次亜塩素酸ナトリウムの濃度により決定されるのかを見分けるため、試験例１の通水式に代えて、電解液を、２５℃から５℃刻みで５０℃に至る温度に管理した状態で、バッチ通電による試験を実施した。３％食塩水１００ｍＬに対して、電流密度０．１５Ａ／ｃｍ２で、同じく１０．６７Ａｈ／Ｌの電気量の通電を行ない、各温度における電解液中の次亜塩素酸イオンＣｌＯ−の濃度および塩素酸イオンＣｌＯ３−の濃度を測定し、両者の比［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］を算出した。１０．６７Ａｈ／Ｌの電気量は、電解液１００ｍＬに対して、約３８４０クーロンに相当する。結果を、図３のグラフに示す。
【００２５】
図３のグラフが示すように、２５℃におけるバッチ通電では、１００ｍＬに対して１０．６７Ａｈ／Ｌの通電量で、８，５００ｐｐｍの次亜塩素酸ナトリウムが生成している。このときの塩素酸の量は、［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比が０．００５５、塩素酸濃度にして約４６ｐｐｍであった。次亜塩素酸ナトリウムの濃度は、温度が高くなるにつれて減少しており、その傾向は４０℃を超えると顕著になる。それに伴って、ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比が急激に増大している。この結果も、オンサイト電解による次亜塩素酸ナトリウムの製造を行なうといえども、電解温度は４０℃を超えてはならないことを示している。
【実施例】
【００２６】
図１に示した構成の、電解槽に熱交換基を備えている、水道水の消毒装置を建設した。代表的な運転条件の仕様は、つぎのとおりである。
食塩水濃度：３．０重量％
次亜塩素酸ナトリウム濃度（塩素換算）：８，０００ｐｐｍ
電解液温：２５℃以下
電極間距離：２．５ｍｍ
電流密度：０．１５Ａ／ｃｍ２
通電量：１１Ａｈ／Ｌ
次亜塩素酸ナトリウム生成量（塩素換算）：２００ｋｇ・Ｃｌ２／日
処理可能な水道水の量：２０トン／日
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の水道水の消毒装置の構成を、水道水への電解水注入まで含めて示すフローチャート。
【図２】本発明の試験例１のデータであって、種々の温度において食塩水を通水式の条件下に電解し、次亜塩素酸ナトリウムを生成させたときの、次亜塩素酸イオンＣｌＯ−の濃度、および［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比と、電解温度との関係を示すグラフ。
【図３】本発明の試験例２のデータであって、種々の温度において食塩水をバッチ式の条件下に電解し、次亜塩素酸ナトリウムを生成させたときの、次亜塩素酸イオンＣｌＯ−の濃度、および［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比と、電解温度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２８】
１ 食塩供給手段
２ 希釈水供給手段
３ 食塩溶解槽
４ 食塩水希釈タンク
５ 直流電源
６ 無隔膜電解槽
６１ 陽極 ６２ 陰極
７ 塩素濃度計
８ 水道水源
９ 冷却コイル（電解対象液冷却手段）
Ｐ１ 希釈食塩水の送液ポンプ
Ｐ２ 電解水注入ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大規模な上水道および小規模な飲料水供給施設により供給される水（以下「水道水」で代表させる）とりわけ後者を、殺菌・消毒（以下「消毒」であらわす）するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水道水の消毒は、水道法の規定により、塩素を用いて行なうことになっている。この目的には、液体塩素の添加または塩素ガスの圧入を行なえばよいが、液体塩素および塩素ガスの取り扱いには危険が伴うので、とくに比較的小規模な施設においては、それに代えて次亜塩素酸ナトリウムの水溶液を水道水に添加することが普通である。
【０００３】
しかし、次亜塩素酸ナトリウムは比較的不安定な物質であって、保存すると、式（１）の不均化反応が起こって、塩素酸ナトリウムが生成する。
３ＮａＣｌＯ → ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ３ ・・・（１）
【０００４】
ところが、塩素酸ないしその塩は有害な物質であって、水道水中に多量に存在することは避けなければならない。平成２０年４月から、塩素酸が水質基準項目に追加され、基準値が０．６ｍｇ／Ｌ以下と定められた。浄水場に関しては、「水道施設の技術的基準を定める省令（平成１２年厚生省令第１５号）」第１条第１６号に規定する基準（薬品基準）が、０．６ｍｇ／Ｌ以下から０．４ｍｇ／Ｌ以下と規制が強化された。（暫定措置として、平成２３年３月３１日までは０．５ｍｇ／Ｌ以下とされている。）
【０００５】
水道水の消毒に次亜塩素酸ナトリウムを使用する場合、通常、次亜塩素酸ナトリウムの濃度１２％（塩素換算）の水溶液を製造してタンクに貯蔵しておき、この水溶液を、定量ポンプを用いて各注入点に所定量ずつ注入するという手段がとられている。ところが、上記した次亜塩素酸の不均化反応により塩素酸が生成し、その濃度基準が強化されたため、従来の技術では、塩素酸の濃度が基準値を超える可能性が出てきたので、水道水の消毒に関して新しい問題が生じた。
【０００６】
この問題に対処するため、日本水道協会では、次亜塩素酸ナトリウムの取扱いに関するパンフレット（非特許文献１）作成配布し、「次亜塩素酸ナトリウムは時間とともに分解するため『生もの』として取り扱うことが重要です」と呼びかけ、具体的には、（１）次亜塩素酸ナトリウムは、２０℃以下の温度で保管すること、（２）一時に大量を購入せず、必要量ずつ購入すること、（３）小分け作業の環境によっては品質が劣化するおそれがあるから、使用に当たっては十分にチェックすること、などの対策をとるように呼びかけている。しかし、これらの対策は、保冷設備の必要、輸送費の増大、検査の強化などを必要とし、当然にコストを押し上げる要因となるから、とくに小規模な浄水場では打撃となる。
【０００７】
よく知られているように、食塩水を無隔膜で電解すると、陽極では式（２）にしたがって塩素が発生し、陰極では式（３）により水酸化ナトリウムが発生し、両者が混合して、式（４）のように次亜塩素酸ナトリウムが生成する。
陽極反応 ２Ｃｌ → Ｃｌ２ ＋ ２ｅ− ・・・（２）
陰極反応 ２ＮａＣｌ＋２Ｈ２Ｏ＋２ｅ− → ２ＮａＯＨ ＋ Ｈ２ ・・・（３）
２ＮａＯＨ ＋Ｃｌ２ → ＮａＣｌ＋ＮａＣｌＯ＋Ｈ２Ｏ ・・・（４）
この反応を利用し、オンサイトで食塩水の無隔膜電解を行なって、生成した次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解液を水道水の消毒に使用すれば、次亜塩素酸ナトリウムの貯蔵に伴う上記の問題は解消することができる。最近、このような目的で使用する設備が提供されるようになった（非特許文献２）。
【０００８】
電解により生成させた次亜塩素酸を使用することについて、上記非特許文献２は、つぎのようなデータを示し、利点を主張している。
（１）電解水と１２％次亜塩素酸ナトリウム溶液（「塩溶液」という）とを、塩素消費のない水道水に投入し、有効塩素濃度１ｍｇ／Ｌにて塩素酸濃度を分析したところ、塩溶液に比べて電解水は、塩素酸濃度が１／８〜１／３低くなることが確認された。
（２）３５℃において電解水と１２％次亜塩素酸ナトリウム溶液を保存した場合、塩溶液では有効塩素が急激に減少し、塩素酸が増加したのに対し、電解水では有効塩素の減少、塩素酸の増加とも緩やかであった。
（３）電解水は、塩溶液にくらべて有効塩素濃度が１／１０〜１／２０と希薄であるため、塩素酸の増加が抑えられる。
（４）電解水は必要に応じて製造すればよいから、長期保存にともなう問題がない。
【非特許文献１】日本水道協会『水道用次亜塩素酸ナトリウムの取扱い等の手引き（Ｑ＆Ａ』（平成２０年３月）
【非特許文献２】サンヨー株式会社ＨＰ（平成２１年８月３日現在） 「アクアクリーンシステム」
【０００９】
しかし、電解により次亜塩素酸ナトリウムを生成させて利用するにしても、前掲の不均化反応そのものは原理的に回避できるわけではないので、電解条件および電解液使用の条件を適切に選択しなければ、上記したような利益を十分に享受することはできない。とりわけ、比較的小規模な自治体の上水道施設や工場の上水道においては、設備およびその管理に投入できる資金や労力に限界があり、すこしでも有利な、換言すれば必要最低限の条件で電解による次亜塩素酸ナトリウムの製造と利用を実現したい。この観点から、発明者は、食塩水を電解して次亜塩素酸ナトリウムを生成させる電解の条件、および得られた電解液を使用して水道水の消毒を行なうために必要とされる、限界の条件を追求し、塩素酸の生成を最小限度に抑制しつつ基準値を容易にクリヤする水道水の消毒技術を確立するに至った。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、発明者が得た上記の知見を活用し、水道水の消毒に、オンサイトで生成させた次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を利用する技術において、塩素酸の生成を最小限度に抑制することにより、基準値のクリヤが容易である水道水の消毒方法を提供することにある。その消毒方法の実施に好適な装置を提供することもまた、本発明の目的に含まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の水道水の消毒方法は、水道水に対し、オンサイト型食塩電解装置を用い、濃度２〜５重量％の食塩水を電解槽に供給し、電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍ以下、液の温度が４０℃を超えない条件で、塩素酸の発生を抑制しつつ電解を継続し、生成した次亜塩素酸ナトリウムを含有する水溶液を水道水に添加することからなる。
【００１２】
この消毒方法を実施するための本発明の水道水の消毒装置は、水道水に消毒用の次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を供給するための消毒装置であって、図１に示すように、下記の構成部分からなる、：
Ａ）食塩供給手段（１）と、希釈水供給手段（２）に加え、希釈水を純水に変えるためのイオン交換樹脂塔（図示してない）を備えた、飽和食塩水をつくる食塩溶解槽（３）、飽和食塩水を純水で希釈して濃度２〜５％とするための希釈タンク（４）、および飽和食塩水の送液ポンプ（Ｐ１）からなる食塩水供給装置、
Ｂ）直流電源（５）を備え、チタン基板の上にＰｄを主成分とするコーティングを施した陽極（６１）を、陰極（６２）との電極間距離を２〜４ｍｍに保って配置した無隔膜電解槽（６）、
Ｃ）無隔膜電解槽（６）から出る電解水に含まれる次亜塩素酸ナトリウムの濃度を測定し、その濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍを超えないように、電解槽に供給する電気量をコントロールするための塩素濃度計（７）、ならびに
Ｄ）水道水源（８）からの水道水に、次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を添加するための電解水注入ポンプ（Ｐ２）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の消毒方法により水道水を消毒すれば、食塩水の電解により次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を製造するに当たっても、また製造した電解水を水道水の消毒に使用するに当たっても、実現の容易な操業条件で操業しても、塩素酸の生成を最小限度に抑制して、基準値をはるかに下回る塩素酸の生成をみるだけで、次亜塩素酸ナトリウムによる消毒を実現することができる。本発明の水道水の消毒装置は、必要最小限の構成部分をコンパクトにまとめたユニットとすることができるから、とくに比較的小規模な上水道施設に採用することが容易であり、その設備および運転に要する経費は低廉で済む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の水道水の消毒方法において、オンサイト電解の条件を上記のように限定した理由を、好適な条件の選択理由とともに、以下に説明する。
【００１５】
電解槽に供給する食塩水の濃度：２〜５重量％
上限の５重量％は、水道水の水質基準が、Ｎａ＋２００ｍｇ／Ｌ以下、Ｃｌ−２００ｍｇ／Ｌ以下に定められているから、それに適合できるようにするためである。１５００ｐｐｍの次亜塩素酸ナトリウムを最大で１０ｐｐｍの注入率で水道水に注入すると、希釈率としては１５０倍であるが、５％を超える食塩濃度であると、この基準は守れなくなる。また、食塩濃度が高いと、水道水側に持ち出される食塩量が増大し、ロスが多くなって経済的に不利である。一方、電解の対象となる水溶液の食塩濃度が低くなると、液抵抗が高くなって発熱を招き、電解液の温度が上昇しやすくなるという不利益が生じる。濃度２重量％は、この観点から設けた下限である。最適な食塩水濃度は、３重量％前後である。
【００１６】
電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度：塩素換算で１０，０００ｐｐｍ以下
後記する試験例にみるとおり、電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度が、塩素換算で１０，０００ｐｐｍを超えて、たとえば１１，０００ｐｐｍに近づくと、不均化反応による塩素酸の生成が急激に盛んになる。
【００１７】
電解時の液の温度：４０℃以下、好ましくは３５℃以下
これも後記する試験例が示すように、電解液の温度が３５℃から４０℃の領域を超えると、不均化反応が顕著になるので、４０℃以下、好ましくは３５℃以下の温度において電解を行なう必要がある。
【００１８】
電解槽の通電量：５〜１５Ａｈ／Ｌ
前述の濃度すなわち２〜５重量％の食塩水を電解して、次亜塩素酸ナトリウムの濃度を５，０００〜１０，０００ｐｐｍの範囲に制御するためには、それに対応して、５〜１５Ａｈ／Ｌの電気量が適切である。
【００１９】
電流密度：０．１〜０．３Ａ／ｃｍ２、好ましくは０．１〜０．１５Ａ／ｃｍ２
所望の量の次亜塩素酸ナトリウムを生成させるために、ある程度以上の電流密度を必要とすることはいうまでもなく、これが下限値０．１Ａ／ｃｍ２を設けた理由である。一方、電流密度が過大になると、発熱が大きくなって電解液の温度が上昇して好ましくない。上限０．３Ａ／ｃｍ２はこの理由で設けたものであるが、０．１５Ａ／ｃｍ２以下に止めることが好ましい。
【００２０】
陽極−陰極間距離：２〜４ｍｍ
下限の２ｍｍは、食塩に含まれる不純物であるマグネシウムやカルシウムが、電解中に難溶性の水酸化物を形成することがあって、電極間を閉塞する可能性があるので、あまり狭い電極間距離は避けた方がよい、という配慮にもとづくものである。閉塞の防止という観点からは、電極間距離は長い方が有利であるが、一方で、電極間距離が増せば、電解に当たって消費される電力量が増し、それに応じて電解液の温度が上昇しやすくなる、という不利益が生じるから、実際的な距離としては４ｍｍを上限とする。この電極間距離、電解質濃度、および電解温度の条件においては、通常、槽電圧は、３〜４Ｖの範囲に落ち着くであろう。
【００２１】
装置に関しては、無隔膜電解槽（６）が、電解槽内の電解対象液を冷却する熱交換器、たとえば図１に示したような冷却コイル（９）を設けて、その中に冷媒を通すようにしたものを備えることが好ましい。いうまでもなく、電解液の温度が４０℃を超えてはならず、好ましくは３５℃以下であり、その範囲でもより低いことが望ましい、という条件を満たすためには、電解液を冷却することが有利だからである。ただし、次亜塩素酸ナトリウムの生成量が塩素換算で１００ｋｇ・Ｃｌ２／日以下の、比較的小規模な浄水場のような施設に設置するオンサイト電解設備であれば、熱交換器を備えた電解槽を用いることは、実際問題として容易でないから、その場合は、電解槽としてジャケットを有するものを用いたり、電解槽の外部にフィンを設けてそれをファンで空冷したり、電解槽に流入する食塩水および流出する電解水を冷却するよう二重管式の送液パイプを使用するなどの対策を講じるとよい。
【００２２】
［試験例１］
食塩を純水に溶解して濃度３重量％とした水溶液を用意し、その１００ｍＬを電解槽に入れ、陽極および陰極がともに２ｃｍ×３ｃｍの寸法をもつ一対の電極を、電極間距離を３．５ｍｍに保って上記の食塩水の中に保持した。電解液を２５０ｍＬ／分の速度で循環させる通水方式とし、電流密度０．１Ａ／ｃｍ２で、直流電気を通電した。２０℃から通電を始め、通電に伴い電解液の温度が上昇するにまかせ、４０℃に達したところで通電を打ち切った。その時点で、通電量は１０．６７Ａｈ／Ｌであった。２０〜４０℃の範囲で種々の温度における、電解液中の次亜塩素酸イオンＣｌＯ−の濃度および塩素酸イオンＣｌＯ３−の濃度を測定し、両者の比［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］を算出した。結果を、図２のグラフに示す。（ＣｌＯ３−の値は分子量の値として、ＣｌＯ−の値は塩素換算で示した。）
【００２３】
図２のグラフは、電解の進行につれて次亜塩素酸イオンの濃度が増大し、塩素換算の濃度にして、１０，０００ｐｐｍを超えたところ、電解液の温度としては３５℃までは、ほぼ直線的に増加したことを示し、一方、［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比は、液温が３５℃に達するまでは大きな変化はなく、３５℃を超えると急激に増大していることがわかる。
【００２４】
［試験例２］
塩素酸生成の状況が、温度により左右されるのか、次亜塩素酸ナトリウムの濃度により決定されるのかを見分けるため、試験例１の通水式に代えて、電解液を、２５℃から５℃刻みで５０℃に至る温度に管理した状態で、バッチ通電による試験を実施した。３％食塩水１００ｍＬに対して、電流密度０．１５Ａ／ｃｍ２で、同じく１０．６７Ａｈ／Ｌの電気量の通電を行ない、各温度における電解液中の次亜塩素酸イオンＣｌＯ−の濃度および塩素酸イオンＣｌＯ３−の濃度を測定し、両者の比［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］を算出した。１０．６７Ａｈ／Ｌの電気量は、電解液１００ｍＬに対して、約３８４０クーロンに相当する。結果を、図３のグラフに示す。
【００２５】
図３のグラフが示すように、２５℃におけるバッチ通電では、１００ｍＬに対して１０．６７Ａｈ／Ｌの通電量で、８，５００ｐｐｍの次亜塩素酸ナトリウムが生成している。このときの塩素酸の量は、［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比が０．００５５、塩素酸濃度にして約４６ｐｐｍであった。次亜塩素酸ナトリウムの濃度は、温度が高くなるにつれて減少しており、その傾向は４０℃を超えると顕著になる。それに伴って、ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比が急激に増大している。この結果も、オンサイト電解による次亜塩素酸ナトリウムの製造を行なうといえども、電解温度は４０℃を超えてはならないことを示している。
【実施例】
【００２６】
図１に示した構成の、電解槽に熱交換基を備えている、水道水の消毒装置を建設した。代表的な運転条件の仕様は、つぎのとおりである。
食塩水濃度：３．０重量％
次亜塩素酸ナトリウム濃度（塩素換算）：８，０００ｐｐｍ
電解液温：２５℃以下
電極間距離：２．５ｍｍ
電流密度：０．１５Ａ／ｃｍ２
通電量：１１Ａｈ／Ｌ
次亜塩素酸ナトリウム生成量（塩素換算）：２００ｋｇ・Ｃｌ２／日
処理可能な水道水の量：２０トン／日
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の水道水の消毒装置の構成を、水道水への電解水注入まで含めて示すフローチャート。
【図２】本発明の試験例１のデータであって、種々の温度において食塩水を通水式の条件下に電解し、次亜塩素酸ナトリウムを生成させたときの、次亜塩素酸イオンＣｌＯ−の濃度、および［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比と、電解温度との関係を示すグラフ。
【図３】本発明の試験例２のデータであって、種々の温度において食塩水をバッチ式の条件下に電解し、次亜塩素酸ナトリウムを生成させたときの、次亜塩素酸イオンＣｌＯ−の濃度、および［ＣｌＯ３−］／［ＣｌＯ−］の比と、電解温度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２８】
１ 食塩供給手段
２ 希釈水供給手段
３ 食塩溶解槽
４ 食塩水希釈タンク
５ 直流電源
６ 無隔膜電解槽
６１ 陽極 ６２ 陰極
７ 塩素濃度計
８ 水道水源
９ 冷却コイル（電解対象液冷却手段）
Ｐ１ 希釈食塩水の送液ポンプ
Ｐ２ 電解水注入ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水道水に対し、オンサイト型食塩電解装置を用い、濃度２〜５重量％の食塩水を電解槽に供給し、電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍ以下、液の温度が４０℃を超えない条件で、塩素酸の発生を抑制しつつ電解を継続し、生成した次亜塩素酸ナトリウムを含有する水溶液を水道水に添加することからなる水道水の消毒方法。
【請求項２】
電解槽の通電量を５〜１５Ａｈ／Ｌ、電流密度を０．１〜０．３Ａ／ｃｍ２とし、液の温度が３５℃を超えない条件で電解を行なって実施する請求項１の水道水の消毒方法。
【請求項３】
下記の構成部分からなる、水道水に消毒用の次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を供給するための、水道水の消毒装置：
Ａ）食塩供給手段（１）と、希釈水供給手段（２）に加え、希釈水を純水に変えるためのイオン交換樹脂塔を備えた、飽和食塩水をつくる食塩溶解槽（３）、飽和食塩水を純水で希釈して濃度２〜５％とするための食塩水希釈タンク（４）、および希釈食塩水の送液ポンプ（Ｐ１）からなる食塩水供給装置、
Ｂ）直流電源（５）を備え、チタン基板の上にＰｄを主成分とするコーティングを施した陽極（６１）を、陰極（６２）との電極間距離を２〜４ｍｍに保って配置した無隔膜電解槽（６）、
Ｃ）無隔膜電解槽（６）から出る電解水に含まれる次亜塩素酸ナトリウムの濃度を測定し、その濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍを超えないように、電解槽に供給する食塩水の濃度を、飽和食塩水とそれに混合する純水の比率を制御することにより調節するための塩素濃度計（７）、ならびに
Ｄ）水道水源（８）からの水道水に、次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を添加するための電解水注入ポンプ（Ｐ２）。
【請求項４】
無隔膜電解槽（６）が、電解槽内の電解対象液を冷却する手段（９）を備えたものである請求項３の水道水を消毒するための装置。
【請求項１】
水道水に対し、オンサイト型食塩電解装置を用い、濃度２〜５重量％の食塩水を電解槽に供給し、電解により生成する次亜塩素酸ナトリウムの濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍ以下、液の温度が４０℃を超えない条件で、塩素酸の発生を抑制しつつ電解を継続し、生成した次亜塩素酸ナトリウムを含有する水溶液を水道水に添加することからなる水道水の消毒方法。
【請求項２】
電解槽の通電量を５〜１５Ａｈ／Ｌ、電流密度を０．１〜０．３Ａ／ｃｍ２とし、液の温度が３５℃を超えない条件で電解を行なって実施する請求項１の水道水の消毒方法。
【請求項３】
下記の構成部分からなる、水道水に消毒用の次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を供給するための、水道水の消毒装置：
Ａ）食塩供給手段（１）と、希釈水供給手段（２）に加え、希釈水を純水に変えるためのイオン交換樹脂塔を備えた、飽和食塩水をつくる食塩溶解槽（３）、飽和食塩水を純水で希釈して濃度２〜５％とするための食塩水希釈タンク（４）、および希釈食塩水の送液ポンプ（Ｐ１）からなる食塩水供給装置、
Ｂ）直流電源（５）を備え、チタン基板の上にＰｄを主成分とするコーティングを施した陽極（６１）を、陰極（６２）との電極間距離を２〜４ｍｍに保って配置した無隔膜電解槽（６）、
Ｃ）無隔膜電解槽（６）から出る電解水に含まれる次亜塩素酸ナトリウムの濃度を測定し、その濃度が塩素換算で１０，０００ｐｐｍを超えないように、電解槽に供給する食塩水の濃度を、飽和食塩水とそれに混合する純水の比率を制御することにより調節するための塩素濃度計（７）、ならびに
Ｄ）水道水源（８）からの水道水に、次亜塩素酸ナトリウムを含有する電解水を添加するための電解水注入ポンプ（Ｐ２）。
【請求項４】
無隔膜電解槽（６）が、電解槽内の電解対象液を冷却する手段（９）を備えたものである請求項３の水道水を消毒するための装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−５６４５２（Ｐ２０１１−５６４５２Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１１１４６（Ｐ２００９−２１１１４６）
【出願日】平成２１年９月１１日（２００９．９．１１）
【出願人】（０００１０１３７４）アタカ大機株式会社 (55)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１１日（２００９．９．１１）
【出願人】（０００１０１３７４）アタカ大機株式会社 (55)
【Ｆターム（参考）】
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