JP2005272908A - 電解処理用バイポーラ電極および該電極を用いた電解処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 作製が容易であり、しかも導電性ダイヤモンド粒子が電解用電極として有効に作用できるようにした電解処用のバイポーラ電極と、この電極を用いて構成した電解処理装置を提供する。
【解決手段】 導電性ダイヤモンド粒子を用いた電極１は、非導電性材料からなる支持体２と、この支持体２に埋め込んで固定され、表面の少なくとも一部が前記支持体２の外部に露出して接液部分３ａ、３ｂとなる導電性ダイヤモンド粒子３とを有している。この導電性ダイヤモンド粒子３を用いた電極１が、電解処理装置の処理槽内で対向している陰極と陽極の間隙にバイポーラ電極として設置される。
【効果】 大型の電極であってもバイポーラ電極として作製が容易である。電解処理装置では、略全ての導電性ダイヤモンド粒子を分極させて、処理水中の有機化合物を高効率で電気分解することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば有機化合物含有排水の分解処理に用いることができる電解処理装置に係り、さらに詳しくは、導電性ダイヤモンド粒子を用いた電解処理用バイポーラ電極と、この電極を用いて構成された電解処理装置に関する。

工場廃水中には汚染物質として、さまざまな有機化合物が含まれており、排出が許容されるレベルまで低減する必要がある。この処理方法としては、生物分解処理やオゾン酸化法、電気化学的な処理方法などが知られている。
電気化学的な処理方法は、活性汚泥法などの生物分解処理やオゾン酸化法などに比べて、操作が容易であり、また装置がコンパクトになるという利点がある。このような観点から、白金、酸化鉛、酸化錫あるいはＤＳＡといったさまざまな陽極材料を活用した電解処理法が提案されている。しかしながら、工場廃水には腐食性の強い物質を含んでいる場合も多く、白金や酸化鉛といった電極材料は容易に汚染されるという問題があった。

このような電極材料の汚染の問題に対して、ダイヤモンドは化学的安定性が高く、ホウ素や窒素をドープすることによって導電性を示すことから、排水処理などを行う電解処理装置の電極材料として期待されている。藤島らの論文（非特許文献１）では、ホウ素をドープしたダイヤモンド電極の電位窓が極めて広く、腐食性の強い水溶液中においても安定に動作することが報告されている。また、イーストマンコダック社が特許出願している発明（特許文献１、２）には、このような導電性ダイヤモンド電極を陽極に用いて有機化合物を酸化分解できることが示唆されている。このような観点から、これまで気相合成析出法（ＣＶＤ）による導電性ダイヤモンドを平板電極として活用した電解処理装置の実用化が進められている。

Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．６７（１９９９），３８９ 特開平７−２９９４６７号公報 米国特許明細書第５３９９２４７号

しかしながら、電解処理装置の電極として導電性ダイヤモンド電極を使用する場合、大型の導電性ダイヤモンド電極を作製することが技術的に困難であるだけでなく、電極コストが莫大になるという課題がある。そこで、導電性ダイヤモンド粒子を固定層あるいは流動層方式によって陽極と陰極の間に充填する電解処理装置が提案されるに至っているが、導電性ダイヤモンド粒子を、固定層あるいは流動層方式で充填するだけでは、処理液中で電流バイパス路が生じやすく、分極によって電解用電極として作用する導電性ダイヤモンド粒子が限られてしまうという課題がある。

そこで、本発明は、作製が容易であり、しかも導電性ダイヤモンド粒子が電解用電極として有効に作用できるようにした電解処理装置用の電極とこの電極を用いて構成した電解処理装置を提案することを目的とする。

すなわち、本発明の電解処理用バイポーラ電極のうち、請求項１記載の発明は、非導電性材料からなる支持体と、この支持体に固定されて、表面の少なくとも一部が前記支持体の外部に露出している導電性ダイヤモンド粒子とを有していることを特徴とする。

請求項２記載の電解処理用バイポーラ電極の発明は、請求項１記載の発明において、前記導電性ダイヤモンド粒子は、前記支持板体に埋め込まれていることを特徴とする。

請求項３記載の電解処理用バイポーラ電極の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記非導電性材料は、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂その他の有機化合物またはアルミナ、シリカその他の無機化合物であることを特徴とする。

請求項４記載の電解処理用バイポーラ電極の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記導電性ダイヤモンド粒子は、高温高圧法によって合成された粒子であることを特徴とする。

請求項５記載の電解処理用バイポーラ電極の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記導電性ダイヤモンド粒子は、気相合成析出法（ＣＶＤ）によって合成された粒子であることを特徴とする。

請求項６記載の電解処理用バイポーラ電極の発明は、請求項４記載の発明において、前記導電性ダイヤモンド粒子は、高温高圧法によって合成された粒子にイオンが注入されて導電性を付与されていることを特徴とする。

請求項７記載の電解処理装置の発明は、処理槽内で対向する陰極および陽極と、前記陰極と陽極に接続された直流電源と、前記陰極と陽極との間に配置された請求項１〜６のいずれかに記載の電解処理用バイポーラ電極とを備えることを特徴とする。

請求項８記載の電解処理装置の発明は、請求項７記載の発明において、前記バイポーラ電極が、複数が互いに間隔を保って配置されていることを特徴とする。

本発明の電解処理装置内で有機化合物を含んだ処理水（排水）に対し電解処理すると、陰極と陽極の間に設置した本発明の電極の導電性ダイヤモンド粒子は非導電性材料で成る支持板体に固定されて表面の一部が接液しているため、略全てのダイヤモンド粒子が分極されてバイポーラ電極となり電気分解に有効に作用する。

本発明で使用する導電性ダイヤモンド粒子には、Ｓｉなどの半導体や金属基板上に気相合成析出法（ＣＶＤ）により堆積させた後、基板を溶解し、導電性ダイヤモンド薄膜を破砕したものや、高温高圧法により合成したもの、非導電性ダイヤモンド粒子にイオン注入法により不純物をドープして導電性を付与したものなどを利用することができる。

尚、導電性ダイヤモンド粒子は、合成の際にホウ素または窒素の所定量をドープして導電性を付与したものであり、通常はホウ素をドープしたものが用いられる。これらの不純物のドープ量は、少なすぎると技術的意義が発生せず、多すぎてもドープ効果が飽和するため、ダイヤモンド粒子の炭素量に対して、５０〜２０，０００ｐｐｍの範囲のものが適している。

また、これらの導電性ダイヤモンド粒子を固定する非導電性材料には、テフロン（登録商標、以下同様）のような酸やアルカリに強い有機化合物を用いたり、フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂を用いることができる。また、ポリイミド樹脂のように、比較的高い温度に対して耐久性を有するものであっても良い。さらには、アルミナ、シリカなどのセラミックスのような無機化合物であっても良く、本発明としては、特定の材質のものに限定されない。

導電性ダイヤモンド粒子を非導電性材料からなる支持体に固定するには、支持体に形成した開口部に導電性ダイヤモンド粒子を埋め込んだり、支持体の成形に際して非導電性材料に導電性ダイヤモンド粒子を混合して成形するなどの方法を採用することができる。その際には固定される導電性ダイヤモンド粒子の表面の少なくとも一部が、電解処理装置内で処理液に接液できるように支持体の外部に露出するようにする。なお、ダイヤモンド粒子を効果的に分極させるために、各粒子の表面は、陽極側と陰極側でそれぞれ表面が露出しているのが望ましい。なお、支持体の数は１または複数とすることができる。複数の支持体を用いる場合には、陽極、陰極間で支持体同士を所定の間隔を設けて配置する。

なお、電解処理装置の給電用の電極である陽極には、白金電極などの貴金属電極が利用でき、陰極には、ステンレス電極が利用できる。
また、電解処理装置の運転に際しては、処理槽内の処理液の温度は、通常１０〜９５℃の範囲に調整するのが望ましい。また、電解処理に際しては、電極間で処理水を通水させるものであってもよい。その場合、好適には１０〜１０，０００ｍ／ｈの通水線速度によって通水するのがよい。

本発明の導電性ダイヤモンド粒子を用いた電極は、非導電性材料からなる支持体に導電性ダイヤモンドを固定した構造であるので、大型の電極であっても作製が容易である。そして、この電極を用いた本発明の電解処理装置は、導電性ダイヤモンド粒子が固定されて表面が接液しているために、電流のバイパス路が形成されることなく、略全ての導電性ダイヤモンド粒子を分極させて、処理水中の有機化合物を高効率で電気分解することができ、有害で悪臭を放つ副生成物を発生することなく、有機化合物を二酸化炭素、水などの無機化合物まで完全に分解処理することができる。すなわち、従来の金属電極を陽極、陽極とする電解処理装置に比べて電解効率がよく、経済的にもメリットが大きい。
また、導電性ダイヤモンド粒子は化学的安定性に優れているので、通常の酸やアルカリによる腐食の心配がなく、酸条件からアルカリ条件の幅広いｐＨ範囲を有する処理液の電気分解に適用できて、かつ長期間に亘って安定した電解処理効果を持続させることができる。

以下、本発明の一実施形態を図を参照して説明する。図１は、本発明の電解処理用バイポーラ電極である、導電性ダイヤモンド粒子を埋めた電極１の一部を拡大して示している。非導電性材料であるテフロンメッシュの支持体２に導電性ダイヤモンド粒子３が埋め込まれて固定されている。導電性ダイヤモンド粒子３は、一部が支持体２より突出しており、突出部分の表面が支持体２の外部に露出して、接液部分３ａ、３ｂを形成している。

図２は、上記の導電性ダイヤモンド粒子を用いた電極１を用いて実施した電解処理装置１０の構成を示している。処理槽１１の内部に、白金電極からなる陽極板１２とステンレス電極からなる陰極板１３が対向して設置してあり、陽極板１２と陰極板１３に直流電源１４が接続されている。処理槽１１の下部一側には処理液の流入口１５が設けられ、上部一側には流出口１６が設けられている。

そして、処理槽１１内で対向している陽極板１２と陰極板１３の対向間隙には、複数の電極１が、それぞれ陽極板１２および陰極板１３と略平行にして、間隔を保って設置してある。なお、この実施形態では、電極１を３枚設置しているが、１枚、または２枚あるいは４枚以上とすることもできる。また、この実施形態では支持体は板状にして示しているが、陽極、陰極の形状や配置関係によって、その形状は適宜変更が可能である。

上記の電解処理装置１０によれば、直流電源１４の電圧を陽極板１２と陰極板１３に印加すると共に、処理液（例えば排水）を流入口１５から流出口１６に、矢印のように流通させることで、処理液の電気分解を行うことができる。この際に、陽極板１２と陰極板１３の対向間隙の電界によって、接液部分３ａ、３ｂを通して電極１の導電性ダイヤモンド粒子３は分極して各極が電気分解の極として機能する。電極１の導電性ダイヤモンド粒子３は、支持体２に固定されて移動できないので、略全ての導電性ダイヤモンド粒子３を分極させて、電気分解の効率を向上させることができる。

次に、図２の電界処理装置１０を用いて排水を処理した試験結果を以下に示す。なお、試験条件は以下に示す通りである。
排水の性状および流量：流入口における有機物濃度（ＴＯＣ）＝１，０００ｍｇ／Ｌ
流入温度＝２５℃ 流量＝９０Ｌ／ｄａｙ
陽極板の電解面積 ：１５０ｃｍ^２
陰極板の電解面積 ：１５０ｃｍ^２
導電性ダイヤモンド粒子を用いた電極の電解面積 ：１５０ｃｍ^２
電流密度 ：２５Ａ／ｄｍ^２
電極間電圧 ：３６Ｖ
電解槽内温度 ：６０℃
流出口における排水の有機物濃度（ＴＯＣ） ：２５ｍｇ／Ｌ
この結果、導電性ダイヤモンド粒子を固定した電極を用いた本発明の電解処理装置は、電解効率が向上し、安定して運転を持続できることが確認できた。

本発明の実施形態の、導電性ダイヤモンド粒子を用いた電極の一部拡大断面図である。 本発明の実施形態の電解処理装置の構成を表す図である。

符号の説明

１ 導電性ダイヤモンド粒子を用いた電極
２ 支持体
３ 導電性ダイヤモンド粒子
３ａ、３ｂ 接液部分
１０ 電解処理装置
１１ 処理槽
１２ 陽極板
１３ 陰極板
１４ 直流電源
１５ 流入口
１６ 流出口

Claims (8)

1. 非導電性材料からなる支持体と、この支持体に固定されて、表面の少なくとも一部が前記支持体の外部に露出している導電性ダイヤモンド粒子とを有していることを特徴とする電解処理用バイポーラ電極。
2. 前記導電性ダイヤモンド粒子は、前記支持板体に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載の電解処理用バイポーラ電極。
3. 前記非導電性材料は、ポリテトラフルオロエチレン、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂その他の有機化合物またはアルミナ、シリカその他の無機化合物であることを特徴とする請求項１または２に記載の電解処理用バイポーラ電極。
4. 前記導電性ダイヤモンド粒子は、高温高圧法によって合成された粒子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電解処理用バイポーラ電極。
5. 前記導電性ダイヤモンド粒子は、気相合成析出法（ＣＶＤ）によって合成された粒子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電解処理用バイポーラ電極。
6. 前記導電性ダイヤモンド粒子は、高温高圧法によって合成された粒子にイオンが注入されて導電性を付与されていることを特徴とする請求項４記載の電解処理用バイポーラ電極。
7. 処理槽内で対向する陰極および陽極と、前記陰極と陽極に接続された直流電源と、前記陰極と陽極との間に配置された請求項１〜６のいずれかに記載の電解処理用バイポーラ電極とを備えることを特徴とする電解処理装置。
8. 前記バイポーラ電極は、複数が互いに間隔を保って配置されていることを特徴とする請求項７記載の電解処理装置。

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