2016 Fiscal Year Research-status Report
革新的水電解システムによる超高濃度オゾン水生成技術の開発
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15K05588
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| Research Institution | Kogakuin University |
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Principal Investigator |
岡田 文雄 工学院大学, 先進工学部, 教授 (10345093)
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| Project Period (FY) |
2015-10-21 – 2018-03-31
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| Keywords | オゾン水 / 電気分解 / 殺菌 / 洗浄 / 水電解 / リサイクル / 水素水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、フォトリソグラフィーのエッチングなどの半導体製造プロセスや、メッキ前処理工程で大量に使用されている強酸、強アルカリ、重クロム酸などの環境負荷の大きい溶液を無害なオゾン水で代替することを目指している。これを実現するためには、150 mg/L 以上の濃度の「超高濃度オゾン水」を生成する技術の開発が必要である。
本研究では、当初、オゾン水を高濃度化するため、高圧水電解法、大型水電解装置による水電解、酸素富化水を用いたオゾン水生成、ダイヤモンド電極を用いた水電解、の4つの手法を試みた。しかし、何れの方法をもちいてもオゾン水の超高濃度化は達成できなかった。そこで、タンク内に貯めた水を水電解セルに繰り返し供給し、オゾン水を何度も電解する「リサイクル水電解システム」を考案し、装置の作製とオゾン水生成実験を行った。その結果、オゾン水を抜き出さないバッチ式ではあるものの、水電解方式では世界最高の値である140 mg/Lの超高濃度オゾン水の生成に成功した。
今年度は、リサイクル水電解法の最適化（リサイクル水量の増加、循環中のオゾン水の冷却、水電解セルのメッシュ電極枚数の調整）を行った。また、高効率に、かつ、低圧力損失でオゾンを水中に溶解させるため、独自の構造のメッシュ式気液ミキサーを考案して実験に使用した。その結果、バッチ式運転において本研究の目標を上回る 159 mg/L のオゾン水を生成することに成功した。また、0.1 L/min の流量での連続抜き出し運転では、112 mg/L の高濃度オゾン水を生成することが出来た。これらの濃度は、昨年度の値を上回り世界最高の値となった。さらに、高効率気液ミキサーの使用により、オゾン水の濃度を気相オゾン濃度から算出される飽和濃度の2倍にも出来ることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究で独自に開発した「リサイクル水電解システム」と「メッシュ式気液ミキサー」を用いて、リサイクルタンク内に貯めた純水を繰り返し電解することにより、小型・安価な装置で、150 mg/L を上回る超高濃度オゾン水を生成すことに成功した。この濃度は、タンク内のオゾン水を抜き出さない「バッチ式」での運転結果である。一方、一定量のオゾン水を抜き出す連続抜き出し運転においても、112 mg/L の高濃度オゾン水を 0.1 L/min の流量で生成することに成功した。これらの値は、水電解方式では世界最高である。
また、リサイクル水電解シミュレーターを完成させることにより、更なる高濃度化と抜き出し流量増加を実現させるための装置仕様と運転条件を明らかにすることができた。これにより、次年度の研究の方針と方向性が定まった。
さらに、リサイクル水電解装置を用いると飽和濃度（1 atm，20 ℃ において 1.6 mg/L）の水素水を生成できることを明らかにすることができた。このように高濃度な水素水を簡便な装置で生成する技術は、世界初のものである。
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| Strategy for Future Research Activity |
リサイクル水電解システムに用いる水電解セルを大型化し、電極面積をこれまでの 18 cm2 から 50 cm2 とする。この大型セルに今年度購入した大容量可変直流電源をつなげて、電流値ををこれまでの 40 A から 76 A へ増加して運転する。また、今年度購入した大型リサイクルポンプを用いて、リサイクル水量をこれまでの 1.5 L/min から 5 L/min へ増加する。リサイクル水電解シミュレーターを用いた計算結果では、これらの方策により 150 mg/L のオゾン水を 0.1 L/min の流量で生成できると予想されており、これを実証する計画である。
なお、リサイクル水電解法により、飽和濃度（1.6 mg/L）の高濃度水素水が得られることがわかった。1 mg/L 以上の高濃度水素水は、超音波照射と組み合わせることにより半導体基板上の微粒子除去に優れた効果を示すことが知られているので、高濃度水素水を高流量で生成する水電解技術の開発も並行して進めたい。
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| Causes of Carryover |
直接経費が8,000円ほど余ったが、次年度の予算と合わせて有効に使うために残した結果である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
大型水電解セルの試作等に有効に使う予定である。
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| Remarks |
高校生及び一般向けに大学の研究室・ゼミを紹介する情報サイト「スタディー・ラボ」に岡田 文雄 研究室の動画が紹介された
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