JP2005272910A

JP2005272910A - 電解用電極

Info

Publication number: JP2005272910A
Application number: JP2004086295A
Authority: JP
Inventors: Norito Ikemiya; 範人池宮
Original assignee: Kurita Water Industries Ltd
Current assignee: Kurita Water Industries Ltd
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】作製が低コストでかつ容易であり、しかも電解処理に際して処理液中への電流バイパスの発生もなくできる導電性ダイヤモンド粒子を用いた電解用電極を提供する。
【解決手段】導電性ダイヤモンド粒子１２が導電板１１の一側面上にフェノール樹脂１３で固定されており、導電性ダイヤモンド粒子１２と外部の直流電源が電気的に導通可能とされている。導電性ダイヤモンド粒子を支持板に固定した構造であるので、板状の導電性ダイヤモンド電極を作製する場合に比べて作製が容易であり、コストも大幅に削減できる。また、導電性ダイヤモンド粒子が固定されているので、電解処理中に、処理液中への電流バイパスの発生を防ぎ、全ての導電性ダイヤモンド粒子を電解作用に寄与させて電解効率を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排水の有機物処理や殺菌などを目的とした酸化剤生成など水処理に利用される電解用電極に係り、特に導電性ダイヤモンド粒子を用いた電解用電極に関する。

これまで、水処理として、水道水の殺菌から排水中の有機物の分解に至るまで幅広い分野において、電解処理が利用されている。電極材料としては、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考案されている。しかしながら、電極の耐久性に問題があることや、電極を構成している成分で有害なものが水中に溶出するという問題があった。この点で、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のための電極材料として期待されている。藤嶋らの論文（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から出願されている発明（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号公報米国特許第５３９９２４７号明細書

しかしながら、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った。そこで、導電性ダイヤモンド粒子を利用した電解装置が考案されたが、陽極板と陰極板の間に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、処理液中への電流バイパスが生じやすく、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、極端に電解質濃度を下げて電極板間電圧を大きくとらない限りは電界効果が乏しくなるという問題があった。

本発明は、導電性ダイヤモンド粒子を用いた場合の上記のごとくの問題点に鑑みてなされたもので、作製が低コストでかつ容易であり、しかも電解処理に際して処理液中への電流バイパスの発生もなくできる電解用電極を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１記載の発明は、導電性ダイヤモンド粒子が表面の一部を露出して支持板に固定されており、前記導電性ダイヤモンド粒子と外部の直流電源が電気的に導通可能とされていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、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、支持板に固定した導電材に電気的に接続されており、該導電材に前記した外部の直流電源が電気的に接続可能とされていることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記支持板が、ポリイミド樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、フッ素樹脂その他の樹脂からなることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記支持板が、導電性材料からなることを特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、上記請求項１〜４のいずれかの発明において、導電性材料からなる前記支持板または前記導電材が、アノード分極化で不動態酸化皮膜を形成する金属からなることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、上記請求項１〜５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、高温高圧法で合成された粒子であることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、上記請求項１〜５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している。

請求項８記載の発明は、上記請求項１〜５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、高温高圧法で合成された粒子であって、イオンが注入されて導電性が付与された粒子であることを特徴としている。

このように、導電性ダイヤモンド粒子を支持板上に固定すると板状の電極としての利用が可能となる。導電性ダイヤモンド粒子は、フェノール樹脂やポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂あるいはフッ素樹脂などの支持板によって固定できる。この場合には、導電性ダイヤモンド粒子を支持板に固定した導電材（金属板など）に接触させて、導電性ダイヤモンド粒子間を樹脂で埋める。この際に、導電性ダイヤモンド粒子の表面は、１／３から１／２露出させ、この露出部分が電解に寄与するようにするのが望ましい。導電性ダイヤモンド粒子の露出部分が多いほど電界効果は高くなると考えられるが、樹脂による固定部分が薄くなり、導電性ダイヤモンド粒子が電解中に平板から離脱してしまう可能性がある。また、樹脂が導電性材料である場合には、上記導電材は省略できる。
導電材を用いる場合、その材料は白金などの貴金属であっても良いし、ステンレスのような金属であっても良いし、導電性樹脂で構成しても良い。

また、支持板として樹脂を用いる方法以外に、導電性ダイヤモンド粒子を金属によって結合または固定する方法も可能である。この場合に利用される金属は、白金、イリジウム、ロジウムなどを含めた第ＶIII族の白金系の貴金属材料が適している。貴金属以外に利用できるのは、ニッケルやニオブなどのアノード分極化の状態で不動態の酸化皮膜が形成されて、金属の溶出が生じないような金属を選定することができる。

本発明で使用する導電性ダイヤモンド粒子は、Ｓｉなどの半導体や金属基板上に化学的気相析出法（ＣＶＤ）により導電性ダイヤモンド薄膜を堆積させ、次いで基板を溶解させた後に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ドープして導電性を付与したもの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、通常はホウ素ドープしたものが一般的である。これらのドープ量は、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。

このような電解用電極を用いて、電解装置を構成することができる。電解装置を構成する場合、陰極板と陽極板を処理槽内で対向するように設置し、陰極板と陽極板に外部の直流電源を接続するが、電解装置で行う処理目的に応じて陰極板および／または陽極板に本発明の電解用電極を用いることができる。有機物を炭酸ガスと水のような無機物にまで分解処理する場合には、陽極板として本発明の電解用電極を用いる。
尚、処理槽内の処理液の温度は、通常１０〜９５℃の範囲とするのが望ましい。

以上説明したように、本発明の電解用電極によれば、導電性ダイヤモンド粒子を支持板上に固定した構造であるので、板状の導電性ダイヤモンド電極を作製する場合に比べて作製が容易であり、コストも大幅に削減できる効果がある。また、導電性ダイヤモンド粒子が固定されているので、電解処理中に、処理液中への電流バイパスの発生を防ぎ、全ての導電性ダイヤモンド粒子を電解作用に寄与させて電解効率を向上することができる。

また、本発明の電解用電極を用いることで幅広く水処理用の電解装置に適用することができる。特に、水道水の殺菌から排水中の有機化合物の酸化分解まで幅広い水処理に適用できる。平板上の導電性ダイヤモンド電極を陽極板とする水処理用の電解装置と比べて、安価で高付加価値な電解装置が得られる。
さらに、導電性ダイヤモンド粒子は、化学的安定性に優れ、通常の酸やアルカリによる腐食の心配が無いことから、酸条件からアルカリ条件まで幅広いｐＨ範囲を有する水処理に適用できてかつ長期間に渡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、本発明を実施した電解用電極１０を表している。多数の導電性ダイヤモンド粒子１２を、ステンレス板からなる導電板１１（本発明の導電材に相当）の一側面（図の上面）に接触させて配置し、導電性ダイヤモンド粒子１２を前記導電材１１の一側面上に成形させたフェノール樹脂１３で固定する。各導電性ダイヤモンド粒子１２は、導電材１１側の一端１２ａが導電材１１に電気的に導通している。また、導電性ダイヤモンド粒子１２の他端１２ｂ側は、フェノール樹脂１３の層の表面よりも突出して露出している。その露出量は、全体の深さに対して１／３から１／２の突出量となっている。また導電性ダイヤモンド粒子１２は、フェノール樹脂１３で強固に固定され、導電板１１からの浮き上がりや脱落が起こらないようにしてある。

前記導電性ダイヤモンド粒子１２は、ボロンをイオン注入法によってドープして導電性を付与したものを用いている。このように構成した電解用電極１０を図２に示したような電解装置２０の陽極として組み込んだ。図２において、２１は処理槽であり、この処理槽２１の一側壁に電解用電極１０を陽極板２２として設置すると共に、他側壁にステンレス板からなる陰極板２３を陽極板２２と対向させて設置する。処理槽２１の一側壁上部には、処理液出口２４が設けられ、他側壁下部には処理液入口２５が設けられている。処理液が矢印で示すように、陽極板２２と陰極板２３の対向間隙を流通できるようにしてある。

処理槽２１の外部には直流電源２６が設置され、直流電源２６の正極と陽極板２２を構成した電解用電極１０の導電板１１が接続されているとともに、直流電源２６の負極と陰極板２３が接続されている。

上記の電解装置２０によって、陽極板２２と陰極板２３の対向間隙を流通する処理液を電気分解し、種々の電解処理を行うことができる。陽極板２２は、これを構成した電解用電極１０の導電性ダイヤモンド粒子１２が処理液に接液することになるので、腐食性の強い処理液であっても腐食を受けることなく安定に電解処理を行うことができる。さらに、導電性ダイヤモンド粒子１２は、導電板１１に固定されているために、処理中に電流バイパスが生じる恐れはなく、略全ての導電性ダイヤモンド粒子１２を電解処理の電極として機能させて、電解効率を向上することができる。
以上、本発明の一実施形態について上記で説明したが、本発明の構成が上記に限定されるものではなく、本発明の範囲内において当然に変更が可能である。

次に、上記実施形態の電解装置を用いた実施例について説明する。
なお、導電性ダイヤモンド粒子１２の突出量は約１００μｍとし、電解用電極１０すなわち陽極板２２の大きさは５ｃｍ×５ｃｍの正方形とし、固定した導電性ダイヤモンド粒子１２の総重量を３ｇとした。また、陰極板２３の大きさも陽極板２２に合わせて５ｃｍ×５ｃｍの正方形とした。

さらに比較のために、電解装置において、陽極板を前記電解用電極１０と同一の大きさ（５ｃｍ×５ｃｍ）の白金板とした電解装置（比較例）を作製した。
上記各装置の電解処理効果を測定、比較した。測定では、有機物としてジエチレングリコールモノブチルエーテルをＣＯＤで１０，０００ｍｇ／Ｌ含有した水溶液を処理液とした。処理液には電解質として０．１Ｍの濃度で硫酸ナトリウムを添加した。この処理液を本発明による電界装置２０と比較例の電解装置に通液、循環させた。また、直流電源２６からの給電は、０．１Ａ／ｃｍ^２となるように調整し、６時間の電解処理を行い、ＣＯＤ濃度の低下を測定した。

図３は測定結果のグラフである。本発明の電解用電極１０を用いた電解装置２０は、白金板を陽極とした電解装置（比較例）に比べて、ＣＯＤ濃度を短時間で大きく低減できることが確認された。

本発明の実施形態の電解用電極の構造を示す断面図である。同じく、本発明の電解用電極を用いた電解装置の構造を示す断面図である。本発明の実施形態の電解用電極を用いた電解装置と比較例の電極を用いた電解装置の投入電気量と処理水質の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０電解用電極
１１導電板
１２導電性ダイヤモンド粒子
１３フェノール樹脂
２０電解装置
２１処理槽
２２陽極板
２３陰極板
２４処理液出口
２５処理液入口
２６直流電源

Claims

導電性ダイヤモンド粒子が表面の一部を露出して支持板に固定されており、前記導電性ダイヤモンド粒子と外部の直流電源が電気的に導通可能とされていることを特徴とする電解用電極。
前記導電性ダイヤモンド粒子は、支持板に固定した導電材に電気的に接続されており、該導電材に前記した外部の直流電源が電気的に接続可能とされていることを特徴とする請求項１記載の電解用電極。
前記支持板が、ポリイミド樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、フッ素樹脂その他の樹脂からなることを特徴とする請求項１または２に記載の電解用電極。
前記支持板が、導電性材料からな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用電極。
導電性材料からなる前記支持板または前記導電材が、アノード分極化で不動態酸化皮膜を形成する金属からな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用電極。
前記導電性ダイヤモンド粒子は、高温高圧法で合成された粒子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電解用電極。
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１〜５のいずれかに記載の電解用電極。
前記導電性ダイヤモンド粒子は、高温高圧法で合成された粒子であって、イオンが注入されて導電性が付与された粒子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電解用電極。