JP2003073876A - 電気化学的処理用電極、電気化学的処理方法及び電気化学的処理装置 - Google Patents
電気化学的処理用電極、電気化学的処理方法及び電気化学的処理装置Info
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Abstract
っても分解することができる電気化学的処理用電極、電
気化学的処理方法及び電気化学的処理装置を提供する。 【解決手段】 導電性基体1の表面がドープダイヤモン
ド層2により覆われており、更にドープダイヤモンド層
2の表面の全部又は一部がノンドープダイヤモンド層3
により覆われている。ドープダイヤモンド層2は、ダイ
ヤモンドに5×1019cm−3以上の濃度で不純物原
子が導入されることにより構成されている。ノンドープ
ダイヤモンド層3の不純物含有量は極めて小さく、炭素
以外の元素の原子濃度は、5×1017cm−3以下で
ある。このような構成により、ドープダイヤモンド層2
の表面からノンドープダイヤモンド層3に注入された電
荷がノンドープダイヤモンド層3中で加速された上でノ
ンドープダイヤモンド層3の表面まで輸送され、電極表
面における被処理物質の化学反応を促進する。
Description
む溶液及びガスを無害な低分子量の物質に分解する電気
化学的な処理に好適な電気化学的処理用電極、電気化学
的処理方法及び電気化学的処理装置に関し、特に、ダイ
オキシン等の電気分解が困難な物質の分解を可能にする
電気化学的処理用電極、電気化学的処理方法及び電気化
学的処理装置に関する。
気汚染並びに河川及び湖沼の水質悪化等により環境及び
人体への影響が憂慮され、その問題解決のための技術的
な対策が急務になっている。例えば、飲料水の処理、下
水処理及び排水処理において、その脱色、化学的酸素要
求量(COD:Chemical Oxygen Demand)の低減及び殺
菌を目的として塩素等の薬剤が水中に投入されている
が、塩素注入による新たな危険物質、例えば環境ホルモ
ン(外因性分泌攪乱物質)及び発ガン性物質等が発生す
るため、このような塩素注入は禁止される方向にある。
また、廃棄物の焼却処理では、燃焼条件によっては廃ガ
ス中に発ガン性物質(ダイオキシン類)が発生し、生態
系に影響を及ぼすため、その安全性が問題視され、これ
を解決するために新規な方法が検討されている。また、
廃水処理の方法の1つに電解法がある。この電解法は、
汚染が少ない電気エネルギを利用して、電極の表面での
化学反応を制御することにより、水素、酸素、オゾン又
は過酸化水素等を発生させ、これらの物質により被処理
物質を間接的に分解するか、被処理物を電極に吸着させ
て直接電気分解することが可能である。分解生成物は、
最終的には二酸化炭素、水、水素、酸素、窒素、アンモ
ニア又は塩化物イオン等の低分子量の安全な物質となる
ことが好ましいが、分解過程にある中間体がかえって危
険性を有する場合もあることが知られている。
て、不純物をドープした導電性ダイヤモンド電極は、水
の電気分解に対しては不活性であり、酸化反応では酸素
以外にオゾン又は過酸化水素を生成することが知られて
いる(特開平9−268395号公報)。過酸化水素及
びオゾンは、より酸化力が高いOHラジカル等の発生原
料であり、それらの共存下では、ラジカルが容易に生成
することが知られている。従って、導電性ダイヤモンド
電極を使用した電気分解処理では、それまでの電極を使
用した場合と比較して、効率が向上することが期待でき
る。
キシン等の有害物質の中には、水の酸化還元反応と比較
して、より高い電位でないと分解反応が促進されないも
のもあり、単に従来の導電性ダイヤモンド電極を使用し
ただけでは、そのような有害物質を効率的に分解するこ
とができないという問題点がある。
のであって、分解に高い電位が必要とされる有害物質で
あっても分解することができる電気化学的処理用電極、
電気化学的処理方法及び電気化学的処理装置を提供する
ことを目的とする。
処理用電極は、基体と、この基体の表面に形成され不純
物が導入されたドープダイヤモンド層と、このドープダ
イヤモンド層の少なくとも一部を覆うノンドープダイヤ
モンド層と、を有することを特徴とする。
の少なくとも一部がノンドープダイヤモンド層で覆われ
ているので、ドープダイヤモンド層の表面からノンドー
プダイヤモンド層に注入された電荷がノンドープダイヤ
モンド層中で加速された上でノンドープダイヤモンド層
の表面まで輸送され、電極表面における被処理物質の化
学反応を促進する。このため、水の酸化還元反応と比較
して、より高い電位でないと分解反応が促進されないよ
うな物質、例えばダイオキシンであっても、電気分解す
ることが可能である。なお、ドープダイヤモンド層の全
面がノンドープダイヤモンド層により覆われていてもよ
い。
体、この基体の表面に形成され不純物が導入されたドー
プダイヤモンド層、及びこのドープダイヤモンド層の少
なくとも一部を覆うノンドープダイヤモンド層を備えた
電極を陽極及び陰極の少なくともいずれかとして使用し
て前記電極に接触した被処理物質をそれよりも分子量が
低い物質に電気化学的に分解する工程を有することを特
徴とする。
体、この基体の表面に形成され不純物が導入されたドー
プダイヤモンド層、及びこのドープダイヤモンド層の少
なくとも一部を覆うノンドープダイヤモンド層、を備え
た電極を陽極及び陰極の少なくともいずれかとして有
し、前記電極に接触した被処理物質をそれよりも分子量
が低い物質に電気化学的に分解することを特徴とする。
的処理装置は、上述の本発明に係る電気化学的処理用電
極を使用しているので、ダイオキシン等の従来分解が困
難とされている有害物質を電気分解することができる。
化学的処理用電極、電気化学的処理方法及び電気化学的
処理装置について、添付の図面を参照して具体的に説明
する。図1は本発明の第1の実施例に係る電気化学的処
理用電極の構造を示す断面図である。
がドープダイヤモンド層2により覆われており、更にド
ープダイヤモンド層2の表面の全部又は一部がノンドー
プダイヤモンド層3により覆われている。導電性基体1
は、例えばシリコン、モリブデン、プラチナ、タングス
テン、コバルト、ニッケル、チタン、タンタル又はニオ
ブ等の1種の金属製又はこれらから選択された2種以上
の金属からなる合金製である。ドープダイヤモンド層2
は、ダイヤモンドに5×1019cm−3以上の濃度で
リン、窒素、イオウ又はリチウム等の不純物原子が導入
されることにより構成されている。また、ノンドープダ
イヤモンド層3の不純物含有量は極めて小さく、炭素以
外の元素の原子濃度は、5×1017cm−3以下であ
る。
ンドープダイヤモンド層3がドープダイヤモンド層2上
に形成されているので、ノンドープダイヤモンド層3が
形成されていない場合と比較すると、溶媒が電気分解さ
れる電位が高くなる。前述のように、導電性ダイヤモン
ド電極は、そのダイヤモンド層の作用により、溶媒自体
を電気分解せずに高い電圧を印加して水中に含まれる不
純物を効率よく分解できるが、ダイオキシン等の一部の
有害物質の電気分解にはより高い電圧の印加が必要とさ
れ、従来の導電性ダイヤモンド電極ではこのような有害
物質の電気分解が困難であった。これに対し、本実施例
によれば、より高い電圧を印加しても溶媒自体が電気分
解しないので、ダイオキシン等の有害物質が効率よく電
気分解される。これは、ドープダイヤモンド層2の表面
からノンドープダイヤモンド層3に注入された電荷がノ
ンドープダイヤモンド層3中で加速された上でノンドー
プダイヤモンド層3の表面まで輸送され、電極表面にお
ける被処理物質の化学反応を促進するためである。
元反応電位の調整は、ノンドープダイヤモンド層3の被
覆率、即ちドープダイヤモンド層2の表面積に対するノ
ンドープダイヤモンド層3により覆われた領域の面積の
割合、及び膜厚により調整することができる。従って、
被処理物質の種類に応じて最適な電極を適用することが
できる。
知の気相合成技術(マイクロ波化学的気相成長(CV
D:Chemical Vapor Deposition)法及び熱フィラメン
トCVD法等)を採用し、メタン又は一酸化炭素等の炭
素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを原料として容易に
形成することができる。このような方法における典型的
な成膜速度は、1時間当たり0.1乃至1μm程度であ
るため、その膜厚の制御は容易である。ドープダイヤモ
ンド層2を形成する際には、ノンドープダイヤモンド層
3を形成する方法における原料ガス中に適当な不純物を
添加すればよい。
のではなく、棒状、板状、網目状又は円筒状等であって
もよい。
学的処理装置について説明する。図2は本発明の第2の
実施例に係る電気化学的処理装置の構造を示す図であっ
て、(a)は縦断面図、(b)は横断面図である。図2
(a)は図2(b)中のB−B線に沿った断面図に相当
し、逆に図2(b)は図2(a)中のA−A線に沿った
断面図に相当する。
さが相違する円筒状の電気化学的処理用電極12及び1
3が同軸的に配置されている。また、電極12と電極1
3との間には隔膜14が配置され、槽11内が2つの領
域に区画されている。電極12及び13は、第1の実施
例と同様の内部構造を有している。即ち、導電性基体が
ドープダイヤモンド層に覆われ、その一部又は全部がノ
ンドープダイヤモンド層に覆われている。隔膜14の内
側の領域の上部には被処理物質の導入口15が設けら
れ、下部には処理済み物質の排出口16が設けられてい
る。また、隔壁14の外側の領域の下部には、処理済み
物質の排出口17が設けられている。
ては、例えば電極12及び13を、夫々陽極、陰極と
し、これらに従来のものよりも高い適当な電圧を印加し
ながら被処理物質を導入口15から槽11内に導入すれ
ば、溶媒を電気分解することなくダイオキシン等の有害
物質を電気分解することができる。
学的処理装置について説明する。図3は本発明の第3の
実施例に係る電気化学的処理装置の構造を示す図であっ
て、(a)は縦断面図、(b)は横断面図である。図3
(a)は図3(b)中のD−D線に沿った断面図に相当
し、逆に図3(b)は図3(a)中のC−C線に沿った
断面図に相当する。なお、図3に示す第3の実施例にお
いて、図2に示す第2の実施例と同一の構成要素には、
同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
3の内側に、円柱状の電極21が電極13と同軸的に配
置されている。また、電極13と電極21との間には隔
膜22が配置され、槽11内が3つの領域に区画されて
いる。電極21は、第1の実施例と同様の内部構造を有
している。即ち、導電性基体がドープダイヤモンド層に
覆われ、その一部又は全部がノンドープダイヤモンド層
に覆われている。隔膜14及び22により区画された領
域の下部には処理済み物質の排出口23が設けられてお
り、排出口16は隔膜22の内側の領域に位置してい
る。
ては、例えば電極12及び21を陽極とし、電極13を
陰極とし、これらに従来のものよりも高い適当な電圧を
印加しながら被処理物質を導入口15から槽11内に導
入すれば、第2の実施例と同様に、溶媒を電気分解する
ことなくダイオキシン等の有害物質を電気分解すること
ができる。
る物質の状態は、液体でもよく気体でもよい。
求の範囲から外れる比較例と比較して具体的に説明す
る。
形のチタンからなる導電性基体1の表面に、熱フィラメ
ントCVD法により2×1020cm−3のボロン原子
を含有するドープダイヤモンド層2を3μmの厚さで形
成した。更に、マイクロ波CVD法によりノンドープダ
イヤモンド層3を0.2μmの厚さで形成することによ
り、実施例に係る電極を製造した(図1参照)。また、
比較例に係る電極として、ノンドープダイヤモンド層3
を形成しないものを製造した(図6参照)。そして、こ
れらの電極を陽極とし、白金電極からなる陰極との極間
距離を3mmとし、参照電極として飽和カロメル電極を
組み込んで電解槽を組み立てた。これらの電解槽に1m
ol/mm3のNa2SO4水溶液を入れ、サイクリッ
クボルタンメトリにより電極反応の特性を測定した。
ロメル電極(SCE:saturated calomel electrode)
に対する電位)をとり、縦軸に電流密度をとって両者の
関係を示すグラフ図であって、夫々比較例、実施例にお
ける測定結果を示す。図4に示すように、ドープダイヤ
モンド層2のみが形成された電極(従来の導電性ダイヤ
モンド電極)では、約1.5Vから水の電気分解が開始
したのに対し、ノンドープダイヤモンド層3も形成され
た実施例では、図5に示すように、水の電気分解は約3
Vで開始した。従って、実施例の方が、電気分解により
高いエネルギが必要とされる物質を電気分解することが
できる。
ドープダイヤモンド層の表面からノンドープダイヤモン
ド層に注入された電荷がノンドープダイヤモンド層中で
加速された上でノンドープダイヤモンド層の表面まで輸
送され、電極表面における被処理物質の化学反応を促進
するため、水の酸化還元反応と比較してより高い電位で
ないと分解反応が促進されないような物質、例えばダイ
オキシンであっても、電気分解することができ、電極表
面での不純物分解効果が飛躍的に向上する。
電極の構造を示す断面図である。
置の構造を示す図であって、(a)は縦断面図、(b)
は横断面図である。
置の構造を示す図であって、(a)は縦断面図、(b)
は横断面図である。
す断面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 基体と、この基体の表面に形成され不純
物が導入されたドープダイヤモンド層と、このドープダ
イヤモンド層の少なくとも一部を覆うノンドープダイヤ
モンド層と、を有することを特徴とする電気化学的処理
用電極。 - 【請求項2】 基体、この基体の表面に形成され不純物
が導入されたドープダイヤモンド層、及びこのドープダ
イヤモンド層の少なくとも一部を覆うノンドープダイヤ
モンド層を備えた電極を陽極及び陰極の少なくともいず
れかとして使用して前記電極に接触した被処理物質をそ
れよりも分子量が低い物質に電気化学的に分解する工程
を有することを特徴とする電気化学的処理方法。 - 【請求項3】 基体、この基体の表面に形成され不純物
が導入されたドープダイヤモンド層、及びこのドープダ
イヤモンド層の少なくとも一部を覆うノンドープダイヤ
モンド層、を備えた電極を陽極及び陰極の少なくともい
ずれかとして有し、前記電極に接触した被処理物質をそ
れよりも分子量が低い物質に電気化学的に分解すること
を特徴とする電気化学的処理装置。
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JP2001262287A JP4190173B2 (ja) | 2001-08-30 | 2001-08-30 | 電気化学的処理方法及び電気化学的処理装置 |
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- 2001-08-30 JP JP2001262287A patent/JP4190173B2/ja not_active Expired - Fee Related
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