JP2009190016A - Method for preventing and removing biofilm in electrolytic capacitor for water purification - Google Patents

Method for preventing and removing biofilm in electrolytic capacitor for water purification Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem occurring in an electrolytic capacitor type deionization technique, which is an energy-saving water purification method effective in reducing a total dissolved solid (TDS) wherein ions are adsorbed or desorbed by an electrode of a flow-through capacitor (FTC), the problem that the electrode performance is deteriorated due to microorganisms in water being a biofilm (slime etc.), contaminant gases or an oxide layer on the electrode, and to prevent and remove without interruption of the operation. <P>SOLUTION: The method solves the problem at a low cost. The gas is discharged with a pump. The biofilm is sterilized immediately before the FTC treatment with electrolyzed ozone produced directly from the water to be treated, and then an adsorbed substance is removed by converting the polarity of the FTC electrode into an anode. When the FTC electrode is initialized, the water to be treated is inexpensively purified using no costly films nor chemicals at all. The generation of the biofilm is also prevented because the ozone is always produced in the FTC. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は汚染水や海水を純水にするために電気二重層キャパシター技術を使う中で、キャパシターの部品である電極の汚染を防止する方法に関する。具体的には、キャパシターのイオン除去率を妨げる電極表面に付着するバイオフィルム(生物膜)と汚染ガスの除去に関する。The present invention relates to a method for preventing contamination of an electrode, which is a component of a capacitor, while using electric double layer capacitor technology to make contaminated water or seawater pure water. Specifically, the present invention relates to the removal of biofilms (biofilms) adhering to the electrode surface that hinder the ion removal rate of capacitors and polluted gases.

水を浄化するにあたり、イオン汚染物質を削減する方法は数多くある。濾過膜、逆浸透圧などのフィルタリング方法、またはイオン交換、樹脂床吸収式等である。上記の方法はすべて人体、環境に有害な薬品を使用して、膜や樹脂を洗浄、再生するため、二次汚染が問題である。そして膜と樹脂は本来の効果が無くなると廃棄され、処理が問題となる。それに対して、キャパシター使用による脱イオン(CDI)技術は、膜や薬品を一切使用せずに処理水のTDS(総溶解物質濃度)を削減できる。CDIに必要なものはイオン吸着媒体と直流電流で、これは流水通過式キャパシター(FTC)で実現される。表面積の大きい活性炭素のような吸着物質と、チタニウムのような集電体になる金属基板で電極を作り、FTCを組み立て、FTCの充電と放電の繰り返しでCDI水浄化を行う。FTCの電極が本来の機能を失う時期が来れば、その部品である筐体、付属物、高価なチタニウム金属はすべて再利用され環境汚染も一切出ない。工業排水等大量の水処理能力に対応するため、FTCには大きな電極表面積と高イオン除去能力が必要である。表面積の大きさを追求するとFTC電極のイオン吸着には多くの障害が起きうる。それらは電気ショート、電気的あるいはイオン移動の抵抗であり、FTC電極の性能の劣化ということで分類される。FTCの設計と材料の選択により、電気ショートは回避できる。FTC稼動で意図しない大電流を適用すると水は電気分解でガスを生じる。このガスが電極に付着したり、水中に分散したりするが、これがイオン吸着またはイオン移動の障害になり、イオン抵抗としてFTCの性能を落とす。しかしガス発生は、流水表面上に空間を設け、ゆっくりとガスを吸い込み逃がすことで簡単に除去できる。一方、水中内の微生物のため、FTC電極表面はバイオフィルムの発生から免れることは出来ない。バイオフィルム(biofilm)とは微生物により形成される構造体で歯垢や台所のヌメリなどである。バイオフィルム内では嫌気性菌から好気性菌まで様々な種類の微生物が存在する。FTC表面も例外ではない。バイオフィルムは物体の表面に静電気と水素結合によって付着する。FTCモジュールの容積当たり表面積、電極内を通過する層流の水、FTCに充電される静電気はすべてバイオフィルム培養の好条件である。さらに水中内に存在するカルシウムとマグネシウムイオンで、バイオフィルムはミネラルの付着媒体としてカソード側のFTC電極表面に厚い絶縁体として層を作る。このためFTC電極のイオン吸着は妨げられるだけでなく、生物学的バイオフィルムが無機質ミネラルと合体し、FTCモジュールの電気容量の低下と電極そのものの機能不全をもたらす。There are many ways to reduce ionic contaminants in purifying water. Filtering methods such as filtration membranes and reverse osmosis pressure, ion exchange, resin bed absorption, and the like. All of the above methods use chemicals that are harmful to the human body and the environment to clean and regenerate the membrane and resin, so secondary contamination is a problem. The membrane and the resin are discarded when the original effect is lost, and the processing becomes a problem. In contrast, deionization (CDI) technology using capacitors can reduce the TDS (total dissolved substance concentration) of treated water without using any membranes or chemicals. What is necessary for CDI is an ion adsorption medium and a direct current, which is realized by a flowing water capacitor (FTC). An electrode is made of an adsorbing material such as activated carbon having a large surface area and a metal substrate that becomes a current collector such as titanium, an FTC is assembled, and CDI water purification is performed by repeatedly charging and discharging the FTC. When the time comes for the FTC electrode to lose its original function, its parts, housing, accessories, and expensive titanium metal are all reused and no environmental pollution occurs. In order to cope with a large amount of water treatment capacity such as industrial wastewater, FTC requires a large electrode surface area and a high ion removal capacity. In pursuit of the size of the surface area, many obstacles can occur in the ion adsorption of the FTC electrode. They are electrical shorts, electrical or ion transfer resistances, and are classified as degradation of FTC electrode performance. Electrical shorts can be avoided by FTC design and material selection. When an unintended large current is applied in FTC operation, water generates gas by electrolysis. Although this gas adheres to the electrode or is dispersed in water, this becomes an obstacle to ion adsorption or ion movement, and the performance of the FTC is reduced as ion resistance. However, gas generation can be easily removed by providing a space on the surface of the running water and slowly sucking in and escaping the gas. On the other hand, because of the microorganisms in the water, the surface of the FTC electrode cannot be spared from the generation of biofilm. A biofilm is a structure formed by microorganisms, such as dental plaque and kitchen slime. Within a biofilm, there are various types of microorganisms from anaerobic bacteria to aerobic bacteria. The FTC surface is no exception. Biofilms adhere to the surface of objects by static electricity and hydrogen bonds. Surface area per volume of the FTC module, laminar water passing through the electrodes, and static electricity charged to the FTC are all favorable conditions for biofilm culture. Furthermore, with calcium and magnesium ions present in the water, the biofilm forms a layer as a thick insulator on the surface of the FTC electrode on the cathode side as a mineral adhesion medium. This not only hinders the ion adsorption of the FTC electrode, but also combines the biological biofilm with the mineral mineral, leading to a decrease in the electrical capacity of the FTC module and a malfunction of the electrode itself.

バイオフィルムをどう処理するかは水処理技術の重要な課題である。他の技術、例えば逆浸透圧や電気透析といった膜を使う方法もバイオフィルムの問題を抱える。膜の孔がバイオフィルム等で塞がってしまうと、水浄化能力が全くなくなる。また、パイプ、ボイラー、金属部品がバイオのため腐食するので空調や貯水装置の劣化が問題である。そのため細菌等の制御とミネラル濃度が重要になる。バイオフィルム形成の対処法や予防法は、物理的、化学的、電気分解的方法が提案されている。スチームと紫外線が細菌等を殺菌する物理的方法として米国特許6,821,480および6,830,661(スチーム)があり、7,250,619がある(紫外線)。また化学薬品も3種類存在する。抗生物質、殺虫剤、表面活性剤である。米国特許4,929,365では細菌殺菌のために酸化塩素をオキシダントとして活性するため栄養素が使われ、米国特許7,165,561では酵素と表面活性剤を混合してバイオフィルム除去を提案している。米国特許6,551,518ではコロナ放電式オゾン発生により水中で二酸化塩素を作り殺菌を行う。二酸化塩素よりオゾンのほうが強力なので冷却タワーの水質制御にオゾンを使う例もある(米国特許6,086,772)。他の二つの方法よりも電気分解方式が特許の数としては多い。米国特許5,312,813では殺菌用に低直列電流を使用。米国特許5,462,644では界面活性剤の抗生作用を利用。米国特許6,533,942ではAgとCu2+という殺菌イオンを発生。米国特許6,878,287では殺菌性溶液を利用といった具合である。殺菌性化学物質を発生させるよりも、直流の電流のみでもバイオフィルムの除去には効果がある。これは電極の極を転換することにより電極がバイオフィルムを酸化されるのである。このとき電極はアノードである。電極転換は米国特許4,115,225でカソードチャンバー内のバイオ生成を防止する。米国特許5,589,050では電気透析膜の付着物を取り除く。バクテリアおよびバイオフィルムはスチームや紫外線等の物理的処理に対しては抵抗できないが、これらはエネルギーを消費したり、時間がかかり過ぎたりするので工業排水を流水過程でリアルタイムに処理するには実用性の観点から問題がある。化学薬品使用の場合と電気分解式のどちらのアプローチも殺菌物質を添加または生成するのである。殺菌物質の中でオゾンが最も強力で効果的である。How to treat biofilm is an important issue in water treatment technology. Other techniques, such as using reverse osmosis and electrodialysis membranes, also have biofilm problems. If the pores of the membrane are clogged with biofilm or the like, the water purification ability is completely lost. In addition, since pipes, boilers, and metal parts corrode due to biotechnology, deterioration of air conditioning and water storage devices is a problem. Therefore, control of bacteria and mineral concentration are important. Physical, chemical, and electrolysis methods have been proposed as countermeasures and prevention methods for biofilm formation. US Pat. Nos. 6,821,480 and 6,830,661 (steam) and 7,250,619 (ultraviolet) are physical methods for sterilizing bacteria and the like by steam and ultraviolet rays. There are also three types of chemicals. Antibiotics, insecticides, surfactants. In US Pat. No. 4,929,365, nutrients are used to activate chlorine oxide as an oxidant for sterilization of bacteria. US Pat. No. 7,165,561 proposes biofilm removal by mixing enzyme and surfactant. Yes. In US Pat. No. 6,551,518, corona discharge ozone generation generates chlorine dioxide in water to sterilize. Since ozone is stronger than chlorine dioxide, there is an example in which ozone is used to control the water quality of the cooling tower (US Pat. No. 6,086,772). There are more patents for electrolysis than the other two methods. US Patent 5,312,813 uses low series current for sterilization. US Pat. No. 5,462,644 utilizes the antibiotic action of a surfactant. In US Pat. No. 6,533,942, bactericidal ions of Ag + and Cu 2+ are generated. In US Pat. No. 6,878,287, a bactericidal solution is used. Rather than generating bactericidal chemicals, a direct current alone is more effective in removing biofilms. This is because the electrode oxidizes the biofilm by switching the electrode pole. At this time, the electrode is an anode. Electrode switching prevents biogeneration in the cathode chamber in US Pat. No. 4,115,225. In US Pat. No. 5,589,050, deposits on the electrodialysis membrane are removed. Bacteria and biofilms cannot resist physical treatments such as steam or ultraviolet rays, but they consume energy and take too much time, so they are practical for treating industrial wastewater in real time during running water. There is a problem from the point of view. Both chemical and electrolysis approaches add or produce bactericidal substances. Of the sterilizing substances, ozone is the most powerful and effective.

一般的にオゾンは、コロナ放電或いは無声放電で発生し排水の殺菌に使用されている。放電過程で純水酸素または乾燥清浄空気(結露発生摂氏マイナス60度以下)を使い、高電圧交流(6千から2万キロボルト)の誘電性放電ギャップにより刺激性の三価ガスを発生させる。酸素分解とともに窒素も同時に分解されるので空気による放電では窒素酸化物の有害ガスが発生する。更にオゾンガスは殺菌対象の水中に細密バブルとして融解させなければならない。媒体の気体、発生オゾンの運搬、融解、誘電体発生器の冷却、有害ガス漏れ防止等はすべてシステム制御のためコロナ放電式は器機が大掛かりで高価になり、稼動およびメンテナンス経費もかかる。それに比較して、水を電気分解する電気分解式オゾン発生法は比較的新しい技術であるが、一対の電極を水中に入れて24ボルト以下の直流電流でオゾンを作る。水はオゾンの先駆物質で、水中でガス状になるので、コロナ放電のもたらす問題や制約を解決できる。もちろん電気分解式オゾンには課題はある。オゾン電極(アノード)材質とセルの構造である。電気分解オゾンについて多くの特許があり、米国特許5,987,407は典型的である。この特許では電気分解セル内にアノードとカソードから生成される物質が混在しないようにイオン交換膜を必要とする。オゾンガス発生後、処理水に混ぜる。イオン交換膜は高価であるばかりでなく、粒子等により膜が汚染される。さらに同特許は酸化鉛を素材に使うので環境的には受け入れられない。他のオゾン関係の特許はプラチナ(米国特許6,984,295)や、導電性ダイヤモンド膜(米国特許7,285,194)を触媒に使用する。これら触媒素材はオゾン発生量を満足させるには余りにも高価過ぎて実用的ではない。本発明では経済的でオゾン発生効率の高い素材の使用と、単純で性能の高いセル構造により、FTC式脱塩処理で生じる微生物の発生を制御する。
In general, ozone is generated by corona discharge or silent discharge and is used for sterilization of waste water. In the discharge process, pure water oxygen or dry clean air (condensation generation minus 60 degrees Celsius or less) is used, and an irritating trivalent gas is generated by a dielectric discharge gap of high voltage alternating current (6,000 to 20,000 kilovolts). Nitrogen is also decomposed simultaneously with oxygen decomposition, so that discharge of air generates harmful gases of nitrogen oxides. Furthermore, ozone gas must be melted as fine bubbles in the water to be sterilized. The medium gas, the transport of generated ozone, melting, cooling of the dielectric generator, prevention of harmful gas leakage, etc. are all system control, so the corona discharge type is large and expensive, and the operation and maintenance costs are also high. Compared to this, the electrolytic ozone generation method for electrolyzing water is a relatively new technology, but a pair of electrodes are put in water and ozone is produced with a direct current of 24 volts or less. Since water is a precursor of ozone and becomes gaseous in water, it can solve the problems and limitations caused by corona discharge. Of course, there are problems with electrolytic ozone. The material of the ozone electrode (anode) and the structure of the cell. There are many patents for electrolysis ozone, and US Pat. No. 5,987,407 is typical. This patent requires an ion exchange membrane so that substances generated from the anode and cathode are not mixed in the electrolysis cell. After generating ozone gas, mix with treated water. The ion exchange membrane is not only expensive, but also the membrane is contaminated by particles and the like. Furthermore, this patent is not environmentally acceptable because it uses lead oxide as the material. Other ozone-related patents use platinum (US Pat. No. 6,984,295) or conductive diamond films (US Pat. No. 7,285,194) as catalysts. These catalyst materials are too expensive to satisfy the ozone generation amount and are not practical. In the present invention, the use of materials that are economical and have high ozone generation efficiency and the simple and high-performance cell structure control the generation of microorganisms that occur in the FTC desalting process.

本発明の第一の目的は、FTC形態のCDI技術により処理される水からのガスを逃がすことである。FTC(流水通過式キャパシター)とは単極あるいは双極の電極板を複数積み重ねて、直流電流を通すモジュールをいう。数枚の電極のみが単極でそれ以外の電極板は単極(モノポーラー)である。ガス発生の原因としては通電したときにFTC内の電極板に接触した水の電気分解による。ここではカソードに水素ガスが発生しアノードに酸素が発生する。どちらのガスも水に溶けにくく、ガスのまま存在しやすい。ガスを素早く逃がすために、処理される水はFTCの底部から押し上げて注入し、FTC上部の水面上に空間を設ける。同時にガス抜きの出口をモジュール上部に設ける。ファンやベンチュリチューブ等を使い水中のガスも迅速に空気中に排出する方法も加える。    The primary objective of the present invention is to escape gas from the water that is processed by the FTC form of CDI technology. The FTC (flowing water passage type capacitor) is a module in which a plurality of monopolar or bipolar electrode plates are stacked to pass a direct current. Only a few electrodes are monopolar and the other electrode plates are monopolar. The cause of gas generation is electrolysis of water that contacts the electrode plate in the FTC when energized. Here, hydrogen gas is generated at the cathode and oxygen is generated at the anode. Both gases are difficult to dissolve in water and tend to exist as gases. In order to allow the gas to escape quickly, the water to be treated is injected by pushing it up from the bottom of the FTC, creating a space on the water surface above the FTC. At the same time, an outlet for venting is provided at the top of the module. A method of quickly discharging the gas in water into the air using a fan or a venturi tube will also be added.

第二の目的として、CDI技術による水処理の前に、オゾンにより処理排水を殺菌するのであるが、オゾン発生用のアノード材料に希少金属(Ru,Pt,IrおよびPd)以外の低価格材料を利用することである。電極板触媒としてバイメタルをドーピングした二酸化スズ(M−SnO,M=SbおよびNi)の厚い膜を採用する。この酸化スズ膜は、基板であるチタニウム上に熱分解により低コストドーピング材料としてスズ、塩化第二スズ、塩化アンチモニー(IV)、塩化ニッケル(Il)を使い、生成する。チタニウムはオゾン発生の過酷なオキシダント腐食に強いことから選択する。また、チタン表面の二酸化チタニウムの酸化膜がチタン基板と二酸化スズの間のつなぎとして機能しコーティングの寿命が延びる。チタン基板上に酸化スズ膜の蒸着は時間がかかるが、酸化膜自体はチタン上に容易に成長するので、蒸着面積や形状についての制限はない。よって、殺菌のニーズに合わせてアノードは個別仕様に対応できる。The second purpose is to sterilize the treated wastewater with ozone before water treatment by CDI technology, but use low-cost materials other than rare metals (Ru, Pt, Ir and Pd) as anode materials for ozone generation. It is to use. A thick film of tin dioxide doped with bimetal (M-SnO 2 , M = Sb and Ni) is employed as the electrode plate catalyst. This tin oxide film is formed on the titanium substrate using pyrolysis by using tin, stannic chloride, antimony chloride (IV), and nickel chloride (Il) as low-cost doping materials. Titanium is selected because it is resistant to the severe oxidant corrosion of ozone generation. In addition, the titanium dioxide oxide film on the titanium surface functions as a connection between the titanium substrate and tin dioxide, thereby extending the life of the coating. Although the deposition of a tin oxide film on a titanium substrate takes time, the oxide film itself grows easily on titanium, so there is no limitation on the deposition area and shape. Therefore, the anode can correspond to individual specifications according to the sterilization needs.

第三の目的として希望する処理量に応じて殺菌能力をダイナミックに可変できる簡単で効率の高い電気分解セルを提供することである。M−SnO コーティングしたチタン基板がアノードで、ステンレス板がカソードとして使用される。どちらの電極も水を通過させるために板表面に小さな孔を複数個開ける。アノードとカソードは相対して配置し、その間にプラスチックのスクリーンを挟むか、電極を固定して、ギャップを形成する。こうして電極板の対を複数使い、必要な処理能力を満足させる。形状は処理水を通過させる筒状か、直接、水に浸すオープン型でも良い。水中でオキシダントが直接発生するのでオゾンを運ぶ手間と水に溶かす手間を省く。本発明の方法だとガス漏れの心配もなく、窒素酸化物も発生しないので安全である。さらにオゾン発生に必要なものは電極対と電源だけなので非常に小さな器機で提供できる。ここで出来るオゾンは超細密気泡であるので人工的なバブル器は必要ない。オゾンの即時殺菌効果に加えて、発生ガスには別の殺菌効果ガスが副次的に生じる。カソードの反応による過酸化水素である。オゾンと過酸化水素の共存で促進酸化法(AOP)の過程で、殺菌効果が更に向上する。本発明の電気分解オゾンは水中の微生物を殺菌し、同時にFTC内電極表面に形成されたバイオフィルムも解重合(depolymerize)、すなわち化学分解する。A third object is to provide a simple and highly efficient electrolysis cell capable of dynamically changing the sterilizing ability according to a desired treatment amount. A titanium substrate coated with M-SnO 2 is used as the anode and a stainless steel plate as the cathode. Both electrodes make several small holes in the plate surface to allow water to pass through. The anode and the cathode are arranged opposite to each other, and a plastic screen is sandwiched between them or an electrode is fixed to form a gap. In this way, a plurality of pairs of electrode plates are used to satisfy the required processing capacity. The shape may be a cylindrical shape that allows treated water to pass, or an open type that is directly immersed in water. Oxidants are generated directly in water, eliminating the need to carry ozone and to dissolve in water. The method of the present invention is safe because there is no risk of gas leakage and nitrogen oxides are not generated. Furthermore, since only the electrode pair and the power source are required for ozone generation, it can be provided with very small equipment. The ozone produced here is an ultrafine bubble, so an artificial bubbler is not necessary. In addition to the immediate sterilizing effect of ozone, another sterilizing gas is produced as a secondary product in the generated gas. Hydrogen peroxide from the cathode reaction. The coexistence of ozone and hydrogen peroxide further improves the bactericidal effect in the process of accelerated oxidation (AOP). The electrolyzed ozone of the present invention disinfects microorganisms in water, and at the same time, the biofilm formed on the surface of the electrode in the FTC is depolymerized, that is, chemically decomposed.

さらに本発明の次の目的として、FTC電極表面のバイオフィルム生成を予め防ぐことと、表面に既にこびりついたバイオフィルムを化学分解させることであるが、これは電極の極性を稼働中に交互に変換することで可能になる。CDIのオペレーションはFTC電極を充電と放電をすることである。まず電極は水中のイオンを吸着するために充電を受ける。そして吸着イオンで飽和した電極表面を洗浄するために今度は放電過程に移行する。この回生過程の次に、電極は再び充電されることで脱塩サイクルに入る。サイクルが変わる度に、電極の極性はスイッチ転換されるが、これは外部電源に接続している単極電極の端子を入れ替えることで行う。ここで単極電極はアノードとして機能し、内部のバイポーラー電極のアノート側も同様にアノードになる。アノードであるのでその酸化反応は微生物の付着を排斥し、Mg2+やCa2+等無機質汚染物質の電極板付着も防止できる。酸化過程では炭素と窒素の結合を切り離し、バイオフィルムの分解を促進する。一方、すでに付着しているミネラル結合物はアノードの酸化により分解される。In addition, the next purpose of the present invention is to prevent the biofilm formation on the surface of the FTC electrode in advance and to chemically decompose the biofilm already stuck to the surface, which alternately converts the polarity of the electrode during operation. It becomes possible by doing. The CDI operation is to charge and discharge the FTC electrode. First, the electrode is charged to adsorb ions in the water. Then, in order to clean the electrode surface saturated with the adsorbed ions, the process proceeds to the discharge process. Following this regeneration process, the electrode is recharged to enter the desalination cycle. Each time the cycle changes, the polarity of the electrodes is switched, which is done by switching the terminals of the unipolar electrodes connected to the external power supply. Here, the monopolar electrode functions as an anode, and the anode side of the internal bipolar electrode also becomes the anode. Since it is an anode, the oxidation reaction eliminates the adhesion of microorganisms, and can prevent the electrode plate adhesion of inorganic pollutants such as Mg 2+ and Ca 2+ . In the oxidation process, the bond between carbon and nitrogen is cut off to promote biofilm degradation. On the other hand, the already attached mineral binder is decomposed by oxidation of the anode.

環境問題と省エネの社会背景から貴重な資源である水に対する関心も高まり、飲料水の確保と水の循環利用も重要になっている。水の汚染には二種類あり、ひとつはイオン的、もうひとつは中性的汚染である。前者は静電気的に除去し、後者は多くの場合、酸化によりイオン化傾向を帯び、分解できる。電気容量的脱イオン(CDI)方法は様々な水溶性液体からイオン化汚染物質を除去する水処理技術である。CDI水処理方法の根幹は通過流水式キャパシター(FTC)である。直流電源と、充電放電サイクルを使うCDI技術で、TDS(総溶解固体量)を水中から除去する。その際、水を前もって希釈等の前処理をする必要はなく、化学薬品や高価な膜の使用もないので、二次汚染も起きない優れた方法である。さらに、FTCに消費された電力は、放電時に再び回収し再利用するのでCDI方法は省エネである。FTC使用材料はろ過膜やイオン交換膜よりも環境にも悪影響がない。電極の性能とセルの構成要件以外にFTCモジュールの稼動方法も、コスト、性能、信頼性に影響を及ぼす。FTC稼動にあたり、電極は最適な状態に保ち、電極近辺でのイオン除去を邪魔する要因は制御しなければならない。名前の通り、FTCはキャパシターの構造でそのように機能する。違いは、キャパシターの場合は電解液が密閉されているが、FTCでは処理対象水が電解液で但しその水は通過していく。Interest in water, which is a precious resource, has increased due to environmental issues and the social background of energy conservation, and the securing of drinking water and the recycling of water have become important. There are two types of water pollution, one is ionic and the other is neutral. The former is removed electrostatically and the latter is often ionized and can be decomposed by oxidation. The capacitive deionization (CDI) method is a water treatment technique that removes ionized contaminants from various water-soluble liquids. The basis of the CDI water treatment method is a through-flow water capacitor (FTC). TDS (total dissolved solids) is removed from the water using CDI technology using a DC power supply and a charge / discharge cycle. At this time, it is not necessary to carry out pretreatment such as dilution in advance with water, and since there is no use of chemicals or expensive membranes, it is an excellent method that does not cause secondary contamination. Furthermore, since the power consumed by the FTC is recovered and reused at the time of discharging, the CDI method is energy saving. The FTC material has less adverse effects on the environment than filtration membranes and ion exchange membranes. In addition to electrode performance and cell configuration requirements, the way the FTC module operates also affects cost, performance and reliability. During FTC operation, the electrode must be kept in an optimal state and the factors that interfere with ion removal near the electrode must be controlled. As the name suggests, the FTC functions like that in a capacitor structure. The difference is that in the case of a capacitor, the electrolytic solution is sealed, but in FTC, the water to be treated is the electrolytic solution, but the water passes through.

図1はFTCモジュールを図示し、複数の電極10がカバー板12と底部板14の間に収まっていてボルトとナットで固定している。また上下二枚のポリプロピレン製カバー板は、金属リングで電極群をしっかり固定する。処理水が効果的に電極に接触するように、水は100の注水口から110の排水口に抜ける。電極スタック10はどのような直径の電極板を枚数に限定なく積み上げることができる。本FTCでは直径30センチメートルの電極を使用した。電極はチタニウムに活性炭素を表面に付着している。活性炭素は石炭、樹脂、椰子殻、ピッチ等が原料である。活性炭素コーティング前にチタン板には特別のパターンで孔を開けておく。水流がジグザグになるように隣り合う上下の電極とは互い違いのパターンで孔を開ける。電極群のうち、わずか数枚のみが物理的に外部電源を接続するように設計する。図1では電極群10のうち上下二枚は正極(A)で外部電源の正極に接続している。同様に真ん中の電極は負極(C)で電源の負極に接続する。これら3つの電極はモノポーラー電極で片方の極のみを持つ。電極群10のそれ以外の電極板もモノポーラー電極として選択することもできる。正極電極は電源の正極を共有し、負極電極は電源の負極を共有する。電極群10の他の中間電極は全体で負極を帯び、正極電極と対をなす二つのサブ電極群になる。各サブ電極群は同枚数の電極板からなり、中間の電極はすべて外部電源とは物理的接続はしていないが、電源からの電流は伝わる。サブ電極群の正極および負極電極に電源からの直流電流が流れると、正極側と相対する第一の中間電極の表面は、電流と水の導電により負極を帯びる。この感応により第一中間電極の裏面が正極を帯びる。そして他の中間電極も同様に表と裏面にそれぞれ異なる極性を帯びる。このため中間電極はバイポーラー(双極)となり、各サブ電極群は二つのモノポーラー電極とその間に存在するバイポーラー電極との直列接続になる。FIG. 1 illustrates an FTC module, in which a plurality of electrodes 10 are accommodated between a cover plate 12 and a bottom plate 14 and fixed with bolts and nuts. The two upper and lower polypropylene cover plates securely fix the electrode group with metal rings. Water drains from 100 inlets to 110 outlets so that the treated water effectively contacts the electrodes. The electrode stack 10 can stack any number of electrode plates without any limitation. In this FTC, an electrode having a diameter of 30 centimeters was used. The electrode has activated carbon attached to the surface of titanium. Activated carbon is made from coal, resin, coconut shell, pitch, and the like. Before the activated carbon coating, the titanium plate is perforated with a special pattern. Holes are drilled in an alternating pattern with adjacent upper and lower electrodes so that the water flow is zigzag. Only a few of the electrode groups are designed to physically connect an external power source. In FIG. 1, two upper and lower electrodes of the electrode group 10 are connected to the positive electrode of the external power source by the positive electrode (A). Similarly, the middle electrode is connected to the negative electrode of the power source by the negative electrode (C). These three electrodes are monopolar electrodes and have only one pole. The other electrode plate of the electrode group 10 can also be selected as a monopolar electrode. The positive electrode shares the positive electrode of the power source, and the negative electrode shares the negative electrode of the power source. The other intermediate electrodes of the electrode group 10 have a negative electrode as a whole, and become two sub-electrode groups that are paired with the positive electrode. Each sub-electrode group is composed of the same number of electrode plates, and all the intermediate electrodes are not physically connected to the external power source, but current from the power source is transmitted. When a direct current from the power source flows through the positive electrode and the negative electrode of the sub-electrode group, the surface of the first intermediate electrode facing the positive electrode side becomes negative due to the current and water conduction. Due to this sensitivity, the back surface of the first intermediate electrode becomes positive. Similarly, the other intermediate electrodes have different polarities on the front and back surfaces. Therefore, the intermediate electrode is bipolar, and each sub-electrode group is connected in series with two monopolar electrodes and a bipolar electrode existing therebetween.

CDI技術は低電圧直流電力を利用するが、水はFTCモジュール内の電界により容易に電気分解される。水の電気分解の結果は処理後のpHの減少で確認できる。CDI処理の間、水素プロトン(H)が1式の通りアノードに酸素の発生で生じる。
2HO→O+4H+4e 1
一方、水酸化物イオン(OH)がカソードに水素発生とともに生じる。
2HO+2e→H+2OH
両式のとおり、電気分解された水の分子に対して水酸化物イオンの二倍の量の水素が発生する。その結果、水酸化物イオンを中和後に、余った水素プロトンによりCDI処理の間に水のpHを下げる。CDI処理の時間と稼動電圧に依存するが、pH濃度は処理前にくらべて3倍の変化がある。といっても発生したガスが火事を起こすことはない。逆にガスが水中にあると、FTCのイオン除去と干渉してガス汚染が残る。このガス汚染を除去する本発明の具体策は図2のとおり、FTCモジュールのカバー板22内部に空間を設けることで解決する。FTCモジュール内には二つの流通経路がある。水流とガス流である。水は底部カバーの取り込み口200から入り、電極スタック20を通過して側部の二箇所から外部へ排出される。ポート220では処理終了水を、また、繰り返しCDI処理が必要な水はポート230から次のFTCモジュールヘ送られる。上部空間部は水面より高いので水中の空気あるいはガスは、280の空気抜きファンの動きで空間部に集められ、排出される。ベンチュリ管をポート280に設置することで電力を使わず同様の目的を果たす(米国特許4,603,619)。FTC電極がイオン吸着のため、飽和状態になるが、その場合はFTCを放電することでイオンを電極から解放しリフレッシュを行う。FTCの放電時にFTCモジュール内をきれいな水でリンスしてイオンを外に排出する。最後にポート281から圧縮空気を送り、残りの水分を吹き飛ばす。この気体もFTC外部に逃がす。FTCモジュールに水を下から上に流すことで残留ガスも効果的に排出できるし、この流れはFTC電極に触れる水の量をより多くできる。上から流す場合は電極との接触に不均等が生じる可能性が高い。
Although CDI technology utilizes low voltage DC power, water is easily electrolyzed by the electric field in the FTC module. The result of water electrolysis can be confirmed by the decrease in pH after the treatment. During the CDI process, hydrogen protons (H + ) are generated by the generation of oxygen at the anode as per equation.
2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e 1
On the other hand, hydroxide ions (OH ) are generated along with hydrogen generation at the cathode.
2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - 2
As shown in both equations, hydrogen is generated in an amount twice that of hydroxide ions with respect to electrolyzed water molecules. As a result, after neutralizing the hydroxide ions, the remaining hydrogen protons lower the pH of the water during the CDI treatment. Although it depends on the CDI treatment time and operating voltage, the pH concentration changes three times compared to before treatment. However, the generated gas does not cause a fire. On the other hand, if the gas is in water, gas contamination remains due to interference with FTC ion removal. The specific measure of the present invention for removing the gas contamination is solved by providing a space inside the cover plate 22 of the FTC module as shown in FIG. There are two distribution channels in the FTC module. Water flow and gas flow. Water enters through the bottom cover intake 200, passes through the electrode stack 20, and is discharged to the outside from two locations on the side. At the port 220, the water to be treated is sent, and the water that requires repeated CDI treatment is sent from the port 230 to the next FTC module. Since the upper space portion is higher than the water surface, the air or gas in the water is collected in the space portion by the movement of the air venting fan 280 and discharged. By installing a Venturi tube at port 280, the same purpose can be achieved without using power (US Pat. No. 4,603,619). The FTC electrode is saturated due to the adsorption of ions. In this case, the FTC is discharged to release ions from the electrode and refresh. At the time of discharging the FTC, the inside of the FTC module is rinsed with clean water to discharge ions. Finally, compressed air is sent from the port 281 to blow off the remaining moisture. This gas also escapes outside the FTC. By flowing water from the bottom to the top of the FTC module, residual gas can be effectively discharged, and this flow can increase the amount of water that touches the FTC electrode. When flowing from above, there is a high possibility of non-uniformity in contact with the electrodes.

イオン性汚染に加えて、バクテリアやばい菌等の微生物も汚水には混じっている。FTCの充電と放電を数回行うだけでバイオフィルムの発生がFTCのカソード側に見られる。つまり負極を帯びた電極板と、バイポーラー電極の負極側のみにバイオフィルムは生じる。バイオフィルムがすぐに発生する理由はFTC内に発生した電界によって電極に微生物が静電誘電するためであり、カソードの還元が生成を助ける。当然、電極に不導体が吸着するためFTCのイオン吸着性能は落ちる。もしカソードが不導体になるとその対であるアノードも機能しなくなる。図1の電極スタックはバイポーラー電極をコネクターとして複数の電極を直列に接続しているのでカソードが機能不全になるとスタック全体が機能しない。よってCDI処理前に水中の微生物は除去すべきである。水処理の殺菌剤としてはオゾンが最も理想的な媒体である。オゾンは微生物の細胞壁と核酸に直接、オキシダントをもたらし、細胞壁が破壊される。微生物が破壊された後の水には、バイオフィルムの原因物質は除去されたことになる。しかし、従来のオゾン発生技術(コロナ放電や無声放電)ではコストが高く維持費も高い。原料の有毒ガスも必要である。しかし電気分解式オゾン発生では上述の問題はない。アノード材料に安価で高性能の触媒があれば、電気分解式オゾン発生はどんな規模のどんなオゾン発生量にも対応できる。In addition to ionic contamination, microorganisms such as bacteria and germs are also mixed in the sewage. The generation of biofilm can be seen on the cathode side of the FTC just by charging and discharging the FTC several times. That is, a biofilm is produced only on the negative electrode plate and the negative electrode side of the bipolar electrode. The reason why the biofilm is generated immediately is that microorganisms are electrostatically dielectrically applied to the electrode by the electric field generated in the FTC, and the reduction of the cathode helps the generation. Naturally, the non-conductor adsorbs on the electrode, so that the ion adsorption performance of the FTC decreases. If the cathode becomes non-conductive, the paired anode will also fail. Since the electrode stack of FIG. 1 has a bipolar electrode as a connector and a plurality of electrodes are connected in series, the entire stack does not function if the cathode malfunctions. Therefore, the microorganisms in the water should be removed before CDI treatment. Ozone is the most ideal medium for water treatment disinfectants. Ozone brings oxidants directly to the cell walls and nucleic acids of microorganisms, destroying the cell walls. In the water after the microorganisms are destroyed, the causative substance of the biofilm is removed. However, the conventional ozone generation technology (corona discharge or silent discharge) is expensive and expensive to maintain. The raw toxic gas is also needed. However, electrolysis ozone generation does not have the above-mentioned problems. If the anode material has an inexpensive and high performance catalyst, electrolysis ozone generation can accommodate any amount of ozone generation of any scale.

本発明のオゾン発生用物質は二酸化スズ(SnO)である。純粋二酸化スズはn型半導体で3.5eVの禁制帯幅を持つが、次の性質がある。(1)化学的電気化学的に安定していること、(2)不純物をまぜることで導電率があがること、(3)酸素発生の過電圧が高いこと。この最後の性質は電気分解式オゾン発生では重要である。二酸化スズの酸素過電圧はプラチナよりも0.6ボルト高いので、他の条件が同等とすれば二酸化スズの方が、効率が高いといえる。さらに酸化物質のほうが貴金属よりも格段にコストが安い。二酸化スズは過去に排水処理で利用されたことがあった(米国特許4,839,007および3,627,669)が、オゾン発生方とセルの設計は改善が必要であった。二酸化スズに不純物(Sb、Ni,Fe、Ru、Pt、Pd、Rh、Co等)をドープすることができる。同様に非金属(F)等もドープできる。不純物添加により酸化スズのオゾン発生効率と寿命を向上できる。最も一般的なドーパント、アンチモン(Sb)の採択以外に、本発明では別の金属ニッケル(Ni)を加え、アンチモンとニッケル添加の二酸化スズを生成し、触媒の安定度が一層増した。一般にチタン基板に同二酸化スズを厚く蒸着することはSnとSbおよびNiを混ぜた水とアルコールの溶液から始まった。原子量の比率でいうと基板に対し、0.2ないし2パーセントの濃度で混ぜる。二種類の元素をコートする場合、前駆物資の入った溶液を複数回コートし、熱乾燥と熱分解に進む。摂氏100度から300度のコーティングと熱分解の度に、溶液が Sb−Ni添加の二酸化スズの薄膜に変換される。これを十数回繰り返し、厚さ20から30ミクロンメートルの薄膜がチタン基板上に蒸着される。最後に酸化膜の出来たチタンは30分から二時間かけて摂氏500度から600度で焼結され結晶化した薄膜が出来る。他のバルブ金属同様、チタン金属表面には自然に酸化物が生成する(二酸化チタン)。二酸化チタンは腐食から金属を守り、チタン表面に二酸化スズがしっかりと付着しいることを強固にする。コーティングと熱分解の回数とその条件はアノードの信頼性とオゾン発生量を大きく左右する。コートの厚さが厚いほうがより性能のよいアノードをもたらす。アンチモン・ニッケル添加の二酸化スズによるアノードのユニークな特性が本発明人によって発見された。
1.チタン上にアンチモン・ニッケル添加の二酸化スズのコートは面積と形状に依存しない。
2.電気分解や原料気体は必要がない。処理する水がオゾンの前駆物質となる。
3.上記チタンをアノードとして、対のカソードはステンレススチールを使用して、処理水を原料にオゾンを発生できる。
4.イオン発生量を増やすためのアノードとカソード間にイオン交換膜は必要がない。この膜はアノードにプラチナを使用した場合は必須である。
5.ここで発生するオゾンの気泡は超細密である。
The substance for generating ozone of the present invention is tin dioxide (SnO 2 ). Pure tin dioxide is an n-type semiconductor and has a forbidden bandwidth of 3.5 eV, but has the following properties. (1) It is chemically and electrochemically stable, (2) its conductivity is increased by mixing impurities, and (3) its oxygen overvoltage is high. This last property is important for electrolysis ozone generation. Since the oxygen overvoltage of tin dioxide is 0.6 volts higher than that of platinum, it can be said that tin dioxide is more efficient if the other conditions are the same. In addition, oxidized materials are much cheaper than precious metals. Although tin dioxide has been used in wastewater treatment in the past (US Pat. Nos. 4,839,007 and 3,627,669), ozone generation and cell design needed improvement. Tin dioxide can be doped with impurities (Sb, Ni, Fe, Ru, Pt, Pd, Rh, Co, etc.). Similarly, nonmetal (F) or the like can be doped. Impurity generation efficiency and life of tin oxide can be improved by adding impurities. In addition to the adoption of the most common dopant, antimony (Sb), in the present invention, another metal nickel (Ni) was added to produce antimony and nickel-added tin dioxide, further increasing the stability of the catalyst. In general, the thick deposition of tin dioxide on a titanium substrate began with a solution of water and alcohol mixed with Sn, Sb and Ni. In terms of atomic weight, the substrate is mixed at a concentration of 0.2 to 2 percent. In the case of coating two kinds of elements, the solution containing the precursor material is coated a plurality of times, followed by thermal drying and thermal decomposition. The solution is converted to a thin film of tin dioxide with Sb—Ni added for every 100 ° C. to 300 ° C. coating and pyrolysis. This is repeated ten times and a thin film having a thickness of 20 to 30 μm is deposited on the titanium substrate. Finally, the titanium with the oxide film can be sintered and crystallized at 500 to 600 degrees Celsius over 30 minutes to 2 hours. Like other valve metals, oxides form naturally on titanium metal surfaces (titanium dioxide). Titanium dioxide protects the metal from corrosion and strengthens the adherence of tin dioxide to the titanium surface. The number of coating and thermal decomposition and its conditions greatly affect the reliability of the anode and the amount of ozone generated. A thicker coat results in a better performing anode. The inventors have discovered the unique properties of the anode with tin dioxide with antimony and nickel addition.
1. The coating of tin dioxide with antimony and nickel on titanium is independent of area and shape.
2. No electrolysis or source gas is required. The water to be treated becomes a precursor of ozone.
3. Using titanium as the anode and the pair of cathodes using stainless steel, ozone can be generated from the treated water as a raw material.
4). There is no need for an ion exchange membrane between the anode and the cathode to increase the amount of ions generated. This membrane is essential when platinum is used for the anode.
5. The ozone bubbles generated here are extremely fine.

本発明では図3のとおり、アンチモン・ニッケル添加の二酸化スズによるアノード使用のオゾン発生セルを設計した。この図では通過流水オゾン発生器に三つのアノード、31、33、35を使用する。カソードは32、34,36であり、筐体320に収納してある。図3では簡単化のためにアノードとカソードの支持壁は筐体320の壁面と一致させている。すべてのアノードは電源線Aと並列に接続している。同様にカソードは電源線Cと並列に接続している。二つの電源線AとCは電源340の正極と負極につながっている。よってオゾン発生器のすべての電極はモノポーラー電極として電源340から均等のエネルギーを受ける。電気分解式オゾンは低電圧だが直流電力を必要とするので電気二重層キャパシター(EDLC)別名スーパーキャパシターを利用して電流を供給する。EDLCは大電流を蓄積し、瞬時に電流を放出できる。電流が多ければ、オゾンの量も増える。図3のオゾン発生器は、設計次第でどんな発生量の性能を実現できる。電極の構成、EDLCの電力量、電源の規模、電源のパルス幅変調(PWM)の組み合わせ次第である。図3では水流は上部300から下部310へ電極を通して流れていく。しかし、実際のオゾン発生プロセスでは、図2のFTCのように水流は下部から上部へ押し上げたほうが効率が良い。図3ではすべての電極には同じ直径の孔を複数開けているが図2に準じている。さらに実際の発生器の電極ギャップは図示したよりも間隔はずっと小さい。アノードとカソードの間には(図では示していないが)ポリプロピレン、ポリエチレン、ネオプレン、ナイロン、ポリテトラフルオレエチレン等製のメッシュ、ネット、スクリーン形状等でオゾン耐性の不導体のシートを一定の電極ギャップとして挿入する。或いは(図示は省略)電気ショートを防ぎ同時に必要な電極ギャップ確保の為、不導体で対策を講じてもよい。電極ギャップは水流を確保するため間隔を0.5から5ミリメートル程度にし、オゾン発生率も効率を図る。流水通過用細孔以外に電極板には、メッシュ、網、スクリーン等の形状でもよい。蒸着、熱分解、焼結の方法を用い、上記の Sb−Niドーピングした SnO/Ti フィルムは電極板にしっかりと定着する。本発明のオゾン発生器は図3の筐体に収納できる。または筐体なしでも電極対と直流電源のみでも目的を果たす。筐体無しの場合は、処理水に直接浸すか、通過する経路途中に組み込むこともできる。その場合、発生量に応じて、電極の枚数を増減すればよい。オゾン発生にあたり、電極セット以外に必要なものは電源のみである。先に述べたように、この直流電源はEDLC, 電源、制御回路からなるコンパクトで軽量である。電源は、乾電池、二次電池、ソーラー、100ボルトコンセント等何でも良い。In the present invention, as shown in FIG. 3, an ozone generation cell using an anode made of tin dioxide added with antimony and nickel was designed. In this figure, three anodes 31, 33, and 35 are used for the passing water ozone generator. The cathodes 32, 34, and 36 are housed in the housing 320. In FIG. 3, the anode and cathode support walls are made to coincide with the wall surface of the housing 320 for simplification. All the anodes are connected in parallel with the power line A. Similarly, the cathode is connected in parallel with the power supply line C. The two power supply lines A and C are connected to the positive electrode and the negative electrode of the power supply 340. Thus, all electrodes of the ozone generator receive equal energy from the power source 340 as monopolar electrodes. Electrolytic ozone is a low voltage but requires direct current power, so it uses an electric double layer capacitor (EDLC), also known as a supercapacitor, to supply current. EDLC accumulates a large current and can release the current instantly. The greater the current, the greater the amount of ozone. The ozone generator of FIG. 3 can achieve any amount of performance depending on the design. It depends on the combination of electrode configuration, EDLC power, power supply scale, and power supply pulse width modulation (PWM). In FIG. 3, the water stream flows from the upper part 300 to the lower part 310 through the electrodes. However, in the actual ozone generation process, it is more efficient to push the water flow from the lower part to the upper part as in FTC of FIG. In FIG. 3, all the electrodes have a plurality of holes having the same diameter, which is the same as FIG. Further, the actual generator electrode gap is much smaller than shown. Between the anode and cathode (not shown in the figure), a non-conductive ozone-resistant sheet made of mesh, net, screen, etc. made of polypropylene, polyethylene, neoprene, nylon, polytetrafluorethylene, etc. Insert as a gap. Alternatively (illustration is omitted), measures may be taken with nonconductors to prevent electrical shorting and at the same time secure the necessary electrode gap. The electrode gap has an interval of about 0.5 to 5 millimeters to ensure a water flow, and the ozone generation rate is also efficient. In addition to the flowing water pores, the electrode plate may have a shape such as a mesh, a net, or a screen. Using the methods of vapor deposition, pyrolysis and sintering, the Sb—Ni doped SnO 2 / Ti film is firmly fixed on the electrode plate. The ozone generator of the present invention can be stored in the housing of FIG. Or, even without a housing, the electrode pair and DC power supply alone can serve the purpose. When there is no housing, it can be directly immersed in the treated water, or can be incorporated in the course of the passage. In that case, the number of electrodes may be increased or decreased according to the generation amount. In order to generate ozone, all that is needed is an electric power source in addition to the electrode set. As mentioned earlier, this DC power supply is compact and lightweight consisting of EDLC, power supply and control circuit. The power source may be anything such as a dry battery, secondary battery, solar, 100 volt outlet.

図3ではアノードとカソードはそれぞれ分離密閉していないので、アノードから出る酸素とオゾンはカソード側の水素と反応し、オゾンの分解を引き起こす。水の殺菌の観点からは、必ずしもマイナスではなく、逆に有益である。オゾンより強力なオキシダントであるヒドロキシ遊離基(●OH)と過酸化水素遊離基(●OH)が発生するためである。実際、図3でのオゾン水を気相クロマトグラフィー・質量分析(GC−MS)のMSスペクトラムの質量荷電の関係を調べデータを得た。この質量・荷電ピークは過酸化水素の存在を裏付ける。化学式は以下の通り。
2O+H→H+2O
オゾンと過酸化水索の共存で促進酸化法(AOP)が起き、オゾン単体時よりも殺菌がより効果的である。オゾン分解の別の利点は図3の発生法では、発生オゾンは実質的にすべて消費してしまうので、残留ガス除去のスクラッパーは必要がないことである、特に、本発明でのオゾンガスは超細密なので即座に微生物や有機汚染物と反応する。コロナ放電式オゾン発生と比較して、ガスを放電管から運ぶ必要がないのもメリットである。
In FIG. 3, since the anode and the cathode are not separated and sealed, oxygen and ozone emitted from the anode react with hydrogen on the cathode side to cause decomposition of ozone. From the viewpoint of water sterilization, it is not necessarily negative, but it is beneficial. This is because hydroxy radicals (● OH) and hydrogen peroxide radicals (● O 2 H), which are stronger oxidants than ozone, are generated. Actually, the relationship between the mass charge in the MS spectrum of gas phase chromatography / mass spectrometry (GC-MS) was investigated for ozone water in FIG. This mass / charge peak confirms the presence of hydrogen peroxide. The chemical formula is as follows.
2O 3 + H 2 → H 2 O 2 + 2O 2 3
The accelerated oxidation method (AOP) occurs in the coexistence of ozone and peroxidation flutes, and sterilization is more effective than ozone alone. Another advantage of ozonolysis is that the generation method of FIG. 3 consumes substantially all of the generated ozone, so there is no need for a residual gas removal scraper. Because it is minute, it reacts with microorganisms and organic pollutants instantly. Compared to corona discharge ozone generation, it is also an advantage that there is no need to carry gas from the discharge tube.

オゾン、過酸化水素等の物質が微生物を殺菌するのは酸化反応である。アノードも酸化反応を提供するので、バイオフィルム、Ca2+やMg2+ ベースのスケール(酸化物層)はアノード上には確認認されない。本発明のバイオフィルム及びスケール発生防止ではFTCの電極のアノード側とカソード側の役割をすべて入れ替えることである。既述のとおり、CDI水処理はFTCモジュールを充電と放電を繰り返すことであるので、電極は次のように働く。
1.充電モード: FTC電極に低電圧の電流を流し、電界を作り水中のイオンを吸収する。電流の通るFTCにイオンが吸着し、水は脱塩され真水になってFTCモジュール外に排出される。
2.放電モード: イオン吸着によりFTC電極が飽和したとき、電極は放電を行い、EDLCにエネルギーを貯める。FTCは水でリンスし、空気を吹き込み、次のサイクルの充電モードに備える。
新しい充電モードのたびに、FTC電極の極性は逆に変換される。これは図1でいえば電源の二つの極に接続している電極スタックのモノポーラー電極の端子を入れ替える。モノポーラー電極の極性が変換するとバイポーラー電極の両側の極性も入れ替わる。極性変換のたびに、各モノポーラー電極とバイポーラー電極の片側はアノードになる。アノードにバイオフィルムとスケールが付着しないばかりでなく、アノードになった電極により、電極表面のカーボンと付着しているバイオフィルム等は化学結合を解かれる。FTCモジュールの極性変換プロセスはロジックコントローラー等の使用で自動的に行うことが出来る。
Substances such as ozone and hydrogen peroxide sterilize microorganisms by oxidation reaction. Since the anode also provides an oxidation reaction, biofilm, Ca 2+ and Mg 2+ based scales (oxide layers) are not observed on the anode. In the biofilm and scale prevention of the present invention, the roles of the anode side and the cathode side of the FTC electrode are all interchanged. As described above, since the CDI water treatment is to repeatedly charge and discharge the FTC module, the electrode works as follows.
1. Charging mode: A low voltage current is passed through the FTC electrode to create an electric field and absorb ions in the water. Ions are adsorbed on the FTC through which the current passes, and the water is desalted to become fresh water and discharged out of the FTC module.
2. Discharge mode: When the FTC electrode is saturated by ion adsorption, the electrode discharges and stores energy in the EDLC. The FTC is rinsed with water, blown in air, and ready for the next cycle charging mode.
With each new charge mode, the polarity of the FTC electrode is reversed. In FIG. 1, the terminals of the monopolar electrodes of the electrode stack connected to the two poles of the power source are exchanged. When the polarity of the monopolar electrode changes, the polarity on both sides of the bipolar electrode also changes. At each polarity change, one side of each monopolar and bipolar electrode becomes the anode. Not only does the biofilm and the scale not adhere to the anode, but also the biofilm attached to the carbon on the electrode surface is broken by the electrode that has become the anode. The polarity conversion process of the FTC module can be automatically performed by using a logic controller or the like.

例1として説明する。直径30センチメートルの電極板を5枚並べて図1のようなスタックを準備する。各電極はチタニウム板で表面に活性炭素をコートする。表面には多くの孔を開けるが、上下の板の孔とは重ならないパターンを用いる。これは水がジグザグに流れ、より多くの電極表面を通過するためである。図1のとおり、5枚の電極は2枚のカバープレートによりしっかり固定し、電極の量先端の2枚のみが外部電源と物理的に接続させる。この2枚はモノポーラー電極である。他の3枚はバイポーラー電極でケーブルを介さず直列でスタック全体とつながる。水道水をサンプルとして2つ用意し脱イオン、軟水化の目的でこのFTCに通す。ひとつはポンプ圧を使用(2psi以下)、もうひとりはポンプ不使用で比較した。テスト条件は以下の通り。
水の量: 10リットル
処理速度: 毎分3.5リットル
使用電圧: 10ボルト直流
計測値: TDS
テストではサンプル水をFTC(電極5枚の4セル)モジュールと貯水槽を循環して継続してFTC充電、脱イオンを行った。定間隔でTDSを計測し結果を表1にまとめた。
このデータは図4でプロットした。ポンプを使いガスを排出したほうが良い結果が表れた。もし80ppmが飲料用としての硬度であるならば、ポンプ使用の脱イオンではポンプ無しに比べて2倍の速度で処理が済んだ。また、前者は同じ処理時間内では処理水の品質を向上したともいえる。いずれの場合もサンプル水を前処理する必要はない。テストの間、使用電気は1アンペア以下なのでCDI技術は省エネといえる。
This will be described as Example 1. A stack as shown in FIG. 1 is prepared by arranging five electrode plates having a diameter of 30 centimeters. Each electrode is coated with activated carbon on the surface with a titanium plate. Use a pattern that has many holes on the surface but does not overlap the holes in the upper and lower plates. This is because water flows zigzag and passes through more electrode surfaces. As shown in FIG. 1, the five electrodes are firmly fixed by two cover plates, and only the two electrodes at the tip of the electrode amount are physically connected to an external power source. These two sheets are monopolar electrodes. The other three are bipolar electrodes that are connected to the entire stack in series without a cable. Two tap water samples are prepared and passed through this FTC for deionization and water softening purposes. One used pump pressure (less than 2 psi) and the other used no pump. The test conditions are as follows.
Amount of water: 10 liters Processing speed: 3.5 liters per minute Working voltage: 10 volts DC measured value: TDS
In the test, FTC charge and deionization were continuously performed by circulating sample water through an FTC (4 cells of 5 electrodes) module and a water storage tank. TDS was measured at regular intervals and the results are summarized in Table 1.
This data is plotted in FIG. Better results were obtained when the pump was used to vent the gas. If 80 ppm is the hardness for beverages, deionization with a pump has been processed twice as fast as without a pump. Moreover, it can be said that the former improved the quality of the treated water within the same treatment time. In either case, sample water need not be pretreated. During testing, the electricity used is less than 1 ampere, so CDI technology is energy saving.

例2を説明する。水中内のオゾン濃度の計測は、すぐに分解してしまうので容易ではない。オキシダントの効果は知られているので、酸化還元電位(ORP)が指標としてよく用いられる。ORPは微生物に対する抗菌の程度を測定する。電極にプラチナ或いはゴールドを使い、標準電極に銀塩化銀電極を使い、ORPプローブはミリボルト単位で溶解オキシダントを測定する。OPRは −2,000から+2,000mVの範囲で測定し、水中のバクテリア数と相関関係がある。例えば、OPRが600mVの水は、水中の病原菌は死滅したという意味である。800mVではすべての微生物は破壊されたという指標である。世界保健機構(WHO)では飲料水用には650mVをウィルス不活性の必要レベルと設定した。ORP測定は本発明のアノード(チタン基板上にSb−NiドーピングしたSnO)から発生するオゾン水に使用された。オゾン化条件は以下の通り。
アノード: Sb−NiドーピングしたSnO蒸着チタン基板,15mm x 30mm x 1mm
カソード: 306ステンレススチール,15mm x 30mm x 1mm
電極ギャップ: 厚さ6−mmのナイロンネット
電源: 15V x 0.1A
水: 400ミリリットル水道水
ORPプローブを一定時間間隔で採水し、図5にデータを表示。カーブが示すとおり、初期ORP値はマイナスで還元元素(水素等)が多いことを表わす。オキシダントが発生していくとORPレベルは1100mV近辺で均衡する。これにより本発明のアノード電極は水中の微生物を殺菌するの十分なオゾンを発生したことを実証する。同時にFTCのバイオフィルム形成を防止したことも実証した。
Example 2 will be described. Measurement of ozone concentration in water is not easy because it quickly decomposes. Since the effects of oxidants are known, redox potential (ORP) is often used as an indicator. ORP measures the degree of antibacterial activity against microorganisms. Platinum or gold is used as the electrode, silver silver chloride electrode is used as the standard electrode, and the ORP probe measures dissolved oxidant in millivolts. OPR is measured in the range of -2,000 to +2,000 mV and correlates with the number of bacteria in the water. For example, water with an OPR of 600 mV means that the pathogenic bacteria in the water have been killed. At 800 mV it is an indicator that all microorganisms have been destroyed. The World Health Organization (WHO) has set 650 mV as the required level of virus inactivation for drinking water. The ORP measurement was used for ozone water generated from the anode of the present invention (Sb—Ni doped SnO 2 on a titanium substrate). The ozonization conditions are as follows.
Anode: Sb—Ni doped SnO 2 evaporated titanium substrate, 15 mm × 30 mm × 1 mm
Cathode: 306 stainless steel, 15mm x 30mm x 1mm
Electrode gap: 6-mm thick nylon net Power supply: 15V x 0.1A
Water: 400ml tap water ORP probe was sampled at regular time intervals and the data is displayed in Fig. 5. As indicated by the curve, the initial ORP value is negative, indicating that there are many reducing elements (such as hydrogen). As oxidants are generated, the ORP level is balanced around 1100 mV. This demonstrates that the anode electrode of the present invention generated sufficient ozone to sterilize the microorganisms in the water. At the same time, it was demonstrated that FTC biofilm formation was prevented.

FTCモジュールの外形Outline of FTC module FTC電極スタックの側面図および水流、ガスの入排出Side view of FTC electrode stack, water flow, gas in / out 処理水を殺菌するオゾン発生器の概念図Conceptual diagram of ozone generator for sterilizing treated water FTC稼動時のTDSのデータTDS data during FTC operation 本発明アノード材料使用時のオゾン水のORP測定値ORP measured value of ozone water when using the anode material of the present invention

Claims (4)

水中のイオン除去のための流水通過式キャパシター(FTC)の構成要件として:
(1)両側にイオン吸着物質の層を持ち、主電源に接続する物理的手段を持つ、最低1個のアノード電極;
(2)両側にイオン吸着物質の層を持ち、主電源に接続する物理手段を持つ、最低1個のカソード電極;
(3)上記記載のアノードとカソードの間に位置する最低一枚のバイポーラー電極。このバイポーラー電極もイオン吸着物質の層を持つ。
(4)上記アノード、上記バイポーラー電極、上記カソードの表面全体上にそれぞれ最低1個の貫通した孔を持ち、それらを液体が通過できるようにする。上記アノードと上記バイポーラー電極の間、及び上記バイポーラー電極と上記カソードの間にそれぞれ一定のギャップを設ける。
(5)一つの電源
(6)ガスバルブと液体排出口を持つ上部カバー用プレート
(7)液体流入口を持つ底部カバー用プレート
(8)上記記載の二つのカバープレートと上記記載のすべての電極板をつなぎ合わせて流水通過式キャパシター(FTC)に組みあげる機械的手段
(9)上記FTCモジュールへエネルギーを提供し、上記FTCモジュールから放電されるエネルギーを貯蔵する最低1個のスーパーキャパシター
(10)充電と放電を行うための、二個或いはそれ以上の個数のスーパーキャパシターをオン・オフするスイッチのある回路
(11)FTCから戻る電流からエネルギーを回収する電気回路、そして上記スーパーキャパシターにエネルギーを貯蔵する電気回路
(12)液体の状態をオンラインで計測する最低一個の探知器
(13)上記のオン・オフ(充電放電スウィング)の反復とエネルギーの回収をつかさどる最低1個のコントローラー
(14)上記FTCモジュールに処理する液体を注入する前後に、液体をその場で酸化、殺菌させるための電解式オゾン発生器
As a component of a flowing water capacitor (FTC) for removing ions in water:
(1) At least one anode electrode with a layer of ion adsorbing material on both sides and physical means connected to the main power supply;
(2) At least one cathode electrode with a layer of ion adsorbing material on both sides and physical means connected to the main power supply;
(3) At least one bipolar electrode located between the anode and the cathode described above. This bipolar electrode also has a layer of ion adsorbing material.
(4) At least one through-hole is formed on the entire surface of the anode, the bipolar electrode, and the cathode so that liquid can pass through them. A certain gap is provided between the anode and the bipolar electrode and between the bipolar electrode and the cathode.
(5) One power source (6) Upper cover plate with gas valve and liquid outlet (7) Bottom cover plate with liquid inlet (8) Two cover plates as described above and all electrode plates as described above Mechanical means for assembling a flow-through capacitor (FTC) by joining together (9) Charging at least one supercapacitor (10) for providing energy to the FTC module and storing energy discharged from the FTC module A circuit having a switch for turning on or off two or more supercapacitors for discharging, and (11) an electric circuit for recovering energy from the current returned from the FTC, and storing the energy in the supercapacitor Electric circuit (12) At least one detector (on-line measurement of liquid status) 3) At least one controller that controls on / off (charge / discharge swing) and energy recovery. (14) Before and after injecting the liquid to be processed into the FTC module, the liquid is oxidized and sterilized in situ. Electrolytic ozone generator for
請求項1記載のFTCに使われる上記のイオン吸着物質は、石炭、樹脂、椰子殻、ピッチを含む先駆物質のグループから選択された活性炭素である。The ion adsorbent used in the FTC according to claim 1 is activated carbon selected from the group of precursors including coal, resin, coconut shell and pitch. 請求項1記載のFTCに使われる上記ガスバルブはFTCモジュールのガスを追い出し、またはガスを抜くために用意する。The gas valve used in the FTC according to claim 1 is prepared to expel the gas of the FTC module or to extract the gas. 請求項1記載のFTCに使われるオゾン発生器のアノードにはアンチモンとニッケルをドーピングした二酸化スズをチタニウム基板にコートして使用する。The anode of the ozone generator used in the FTC according to claim 1 is used by coating a titanium substrate with tin dioxide doped with antimony and nickel.
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