JP2017148776A - Water treatment equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水処理装置に関する。詳細には本発明は、廃水中に含まれるリン化合物を除去するための水処理装置に関する。 The present invention relates to a water treatment apparatus. Specifically, the present invention relates to a water treatment apparatus for removing phosphorus compounds contained in wastewater.
従来、廃水中に含まれるリン化合物を除去するために、種々の水処理方法が提供されている。リン化合物の除去方法としては、例えば、鉄電解法や、微生物を用いたAOA法、凝集材添加による凝集沈殿法等が知られている。特に、鉄電解法は長期間安定的にリン化合物を除去でき、さらに鉄の溶解量を容易に制御できるという優位性があるため、廃水処理に好ましく用いられている。 Conventionally, various water treatment methods have been provided in order to remove phosphorus compounds contained in wastewater. As a method for removing a phosphorus compound, for example, an iron electrolysis method, an AOA method using microorganisms, an aggregation precipitation method by adding an aggregation material, and the like are known. In particular, the iron electrolysis method is advantageously used for wastewater treatment because it has an advantage that it can stably remove phosphorus compounds for a long period of time and can easily control the amount of dissolved iron.
このような鉄電解法によるリン化合物の除去方法としては、例えば特許文献1に記載の汚水処理方法が開示されている。特許文献1の方法は、電気化学的に金属電極から金属イオンを溶出させ、汚水中に含まれるリン化合物と金属イオンとを結合させることでリン化合物を除去する汚水処理方法である。つまり、汚水中に鉄およびアルミニウムの一方からなる金属電極を浸漬し、浸漬された金属電極に通電することで、金属電極から電気化学的に金属イオンを溶出させる。そして、溶出した金属イオンと汚水中に含まれるリン化合物とを結合させ、沈殿させることにより、汚水中のリン化合物を除去している。
As a method for removing a phosphorus compound by such an iron electrolysis method, for example, a sewage treatment method described in
しかしながら、特許文献1のような鉄電解型の除去方法では、金属電極を電解するために電気エネルギーを投じる必要があった。さらに、当該金属電極および対電極に電流を流すための電源を設ける必要があることから、従来の鉄電解型のリン除去方法では装置が大型化してしまうという問題があった。
However, in the iron electrolysis type removal method as in
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の目的は、電気エネルギーを投じる必要がなく、さらに装置を小型化することが可能な水処理装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art. And the objective of this invention is providing the water treatment apparatus which does not need to throw electric energy and can further reduce an apparatus in size.
上記課題を解決するために、本発明の態様に係る水処理装置は、表面に不動態皮膜を有さず、かつ、鉄を含む負極と、少なくとも一部が気相に露出し、酸素還元触媒を備えるガス拡散電極からなる正極とを備える。さらに当該水処理装置は、負極及び正極に電気的に接続する外部回路と、リン化合物を含む電解液を保持する電解液処理槽とを備える。 In order to solve the above problems, a water treatment apparatus according to an aspect of the present invention has an oxygen reduction catalyst that does not have a passive film on the surface and is negatively exposed with iron, and at least part of the negative electrode is exposed to the gas phase. And a positive electrode made of a gas diffusion electrode. Further, the water treatment apparatus includes an external circuit that is electrically connected to the negative electrode and the positive electrode, and an electrolyte treatment tank that holds an electrolyte containing a phosphorus compound.
本発明によれば、電気エネルギーを投じる必要がなく、さらに装置を小型化することが可能な水処理装置を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is not necessary to throw an electrical energy and can obtain the water treatment apparatus which can reduce an apparatus further in size.
以下、本実施形態に係る水処理装置について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, the water treatment apparatus according to the present embodiment will be described in detail. In addition, the dimension ratio of drawing is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio.
[第一実施形態]
本実施形態に係る水処理装置100は、図1及び図2に示すように、水処理ユニット1を備えている。そして、水処理ユニット1は、正極10、負極20及びセパレータ30からなる電極接合体40を備えている。水処理ユニット1では、セパレータ30の一方の面30aに負極20が接触するように配置されており、セパレータ30の面30aと反対側の面30bに正極10が接触するように配置されている。そして、正極10のガス拡散層12がセパレータ30と接触し、第一撥水層11が気相90側に露出している。
[First embodiment]
The
そして、図3に示すように、電極接合体40は、カセット基材50に積層されている。カセット基材50は、正極10における面10aの外周部に沿うU字状の枠部材であり、上部が開口している。つまり、カセット基材50は、2本の第一柱状部材51の底面を第二柱状部材52で連結した枠部材である。そして、図2に示すように、カセット基材50の側面53は、正極10の面10aの外周部と接合されており、側面53の反対側の側面54は、板部材60の面60aの外周部と接合されている。
As shown in FIG. 3, the
図2に示すように、電極接合体40、カセット基材50及び板部材60を積層してなる水処理ユニット1は、大気と連通した気相90が形成されるように、電解液処理槽80の内部に配置される。電解液処理槽80の内部には被処理液である電解液70が保持されており、正極10、負極20及びセパレータ30は電解液70に浸漬されている。
As shown in FIG. 2, the
後述するように、正極10は撥水性を有する第一撥水層11を備えており、板部材60は電解液70を透過しない平板状の板材からなる。そのため、電解液処理槽80の内部に保持された電解液70とカセット基材50の内部とは隔てられ、電極接合体40、カセット基材50及び板部材60により形成された内部空間は気相90となっている。そして、水処理装置100では、この気相90が外気に開放されるか、あるいはこの気相90へ例えばポンプによって外部から空気が供給されるように構成されている。また、図2に示すように、正極10及び負極20は、それぞれ外部回路110と電気的に接続されている。
As will be described later, the
(正極)
本実施形態に係る正極10は、図2に示すように、第一撥水層11と、第一撥水層11に接触するように重ねられているガス拡散層12とを備えるガス拡散電極からなる。このような薄板状のガス拡散電極を用いることにより、気相90中の酸素を正極10中の触媒に容易に供給することが可能になる。
(Positive electrode)
As shown in FIG. 2, the
正極10における第一撥水層11は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。第一撥水層11は、水処理ユニット1における電気化学系中の気相と液相とを良好に分離しながら、気相から液相へ向かう酸素の移動を許容するように構成される。つまり、第一撥水層11は、気相90中の酸素を透過し、ガス拡散層12へ移動させつつも、電解液70が気相90側に移動することを抑制できる。なお、ここでいう「分離」とは、物理的に遮断することをいう。
The first
第一撥水層11は、酸素を含む気相90と接触しており、気相90中の酸素を拡散している。そして、第一撥水層11は、図2に示す構成では、ガス拡散層12に対し酸素を略均一に供給している。そのため、第一撥水層11は、当該酸素を拡散できるように多孔質体であることが好ましい。なお、第一撥水層11は撥水性を有するため、結露等により多孔質体の細孔が閉塞し、酸素の拡散性が低下することを抑制できる。また、第一撥水層11の内部に電解液70が染み込み難いため、第一撥水層11における気相90と接触する面からガス拡散層12と対向する面にかけて、酸素を効率的に流通させることが可能となる。
The first
第一撥水層11は、織布又は不織布によりシート状に形成されていることが好ましい。また、第一撥水層11を構成する材料は、撥水性を有し、気相90中の酸素を拡散できれば特に限定されない。第一撥水層11を構成する材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブタジエン、ナイロン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、エチルセルロース、ポリ−4−メチルペンテン−1、ブチルゴム及びポリジメチルシロキサン(PDMS)からなる群より選ばれる少なくとも一つを使用することができる。これらの材料は多孔質体を形成しやすく、さらに撥水性も高いため、細孔の閉塞を抑制してガス拡散性を向上させることができる。なお、第一撥水層11は、第一撥水層11及びガス拡散層12の積層方向Xに複数の貫通孔を有することが好ましい。
The first
第一撥水層11は撥水性を高めるために、必要に応じて撥水剤を用いて撥水処理を施してもよい。具体的には、第一撥水層11を構成する多孔質体にポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を付着させ、撥水性を向上させてもよい。
The first
正極10におけるガス拡散層12は、多孔質な導電性材料と、この導電性材料に担持されている触媒とを備えることが好ましい。なお、ガス拡散層12が、多孔質かつ導電性を有する触媒から構成されてもよい。正極10にこのようなガス拡散層12を備えることで、後述する局部電池反応により生成した電子を触媒と外部回路110との間で導通させることが可能となる。つまり、後述するように、ガス拡散層12には触媒が担持されており、さらに触媒は酸素還元触媒である。そして、電子が外部回路110からガス拡散層12を通じて触媒に移動することにより、触媒によって、酸素、水素イオン及び電子による酸素還元反応を進行させることが可能となる。
The
正極10では、安定的な性能を確保するために、酸素が第一撥水層11及びガス拡散層12を効率よく透過し、触媒に供給されることが好ましい。そのため、ガス拡散層12は、第一撥水層11と対向する面から反対側の面にかけて、酸素が透過する細孔を多数有する多孔質体であることが好ましい。また、ガス拡散層12の形状は、三次元のメッシュ状であることが特に好ましい。このようなメッシュ状であることにより、ガス拡散層12に対し、高い酸素透過性及び導電性を付与することが可能となる。
In the
正極10において、ガス拡散層12に効率的に酸素を供給するために、第一撥水層11は、接着剤を介してガス拡散層12と接合していることが好ましい。これにより、ガス拡散層12に対し、拡散した酸素が直接供給され、酸素還元反応を効率的に行うことができる。接着剤は、第一撥水層11とガス拡散層12との間の接着性を確保する観点から、第一撥水層11とガス拡散層12との間の少なくとも一部に設けられていることが好ましい。ただ、第一撥水層11とガス拡散層12との間の接着性を高め、長期間に亘り安定的に酸素をガス拡散層12に供給する観点から、接着剤は第一撥水層11とガス拡散層12との間の全面に設けられていることがより好ましい。
In the
接着剤としては酸素透過性を有するものが好ましく、ポリメチルメタクリレート、メタクリル酸−スチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム及びシリコーンからなる群より選ばれる少なくとも一つを含む樹脂を用いることができる。 The adhesive preferably has oxygen permeability, and includes at least one selected from the group consisting of polymethyl methacrylate, methacrylic acid-styrene copolymer, styrene-butadiene rubber, butyl rubber, nitrile rubber, chloroprene rubber, and silicone. Resin can be used.
ここで、本実施形態における正極10のガス拡散層12について、さらに詳しく説明する。上述のように、ガス拡散層12は、多孔質な導電性材料と、当該導電性材料に担持されている触媒とを備えるような構成とすることができる。
Here, the
ガス拡散層12における導電性材料は、例えば炭素系物質、導電性ポリマー、半導体及び金属からなる群より選ばれる一種以上の材料から構成することができる。ここで、炭素系物質とは、炭素を構成成分とする物質をいう。炭素系物質の例としては、例えば、グラファイト、活性炭、カーボンブラック、バルカン(登録商標)XC−72R、アセチレンブラック、ファーネスブラック、デンカブラックなどのカーボンパウダー、グラファイトフェルト、カーボンウール、カーボン織布などのカーボンファイバー、カーボンプレート、カーボンペーパー、カーボンディスク、カーボンクロス、カーボンホイル、炭素粒子を圧縮成形した炭素系材料が挙げられる。また、炭素系物質の例として、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノクラスターのような微細構造物質も挙げられる。さらに、ガス拡散層12における導電性材料としては、メッシュ及び発泡体等の金属材料も用いることができる。
The conductive material in the
導電性ポリマーとは、導電性を有する高分子化合物の総称である。導電性ポリマーとしては、例えば、アニリン、アミノフェノール、ジアミノフェノール、ピロール、チオフェン、パラフェニレン、フルオレン、フラン、アセチレン若しくはそれらの誘導体を構成単位とする単一モノマー又は2種以上のモノマーの重合体が挙げられる。具体的には、導電性ポリマーとして、例えば、ポリアニリン、ポリアミノフェノール、ポリジアミノフェノール、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリパラフェニレン、ポリフルオレン、ポリフラン、ポリアセチレン等が挙げられる。金属製の導電性材料としては、例えば、ステンレスメッシュが挙げられる。入手の容易性、コスト、耐食性、耐久性等を考慮した場合、導電性材料は炭素系物質であることが好ましい。 The conductive polymer is a general term for polymer compounds having conductivity. Examples of the conductive polymer include aniline, aminophenol, diaminophenol, pyrrole, thiophene, paraphenylene, fluorene, furan, acetylene, or a polymer of two or more monomers having a structural unit as a constituent unit. Can be mentioned. Specifically, examples of the conductive polymer include polyaniline, polyaminophenol, polydiaminophenol, polypyrrole, polythiophene, polyparaphenylene, polyfluorene, polyfuran, and polyacetylene. An example of the metal conductive material is a stainless mesh. In consideration of availability, cost, corrosion resistance, durability, and the like, the conductive material is preferably a carbon-based substance.
また、導電性材料の形状は、粉末形状又は繊維形状であることが好ましい。また、導電性材料は、支持体に支持されていてもよい。支持体とは、それ自身が剛性を有し、ガス拡散電極に一定の形状を付与することのできる部材をいう。支持体は絶縁体であっても導電体であってもよい。支持体が絶縁体である場合、支持体としては、例えばガラス、プラスチック、合成ゴム、セラミックス、耐水又は撥水処理した紙、木片などの植物片、骨片、貝殻などの動物片等が挙げられる。多孔質構造の支持体としては、例えば多孔質セラミック、多孔質プラスチック、スポンジ等が挙げられる。支持体が導電体である場合、支持体としては、例えばカーボンペーパー、カーボンファイバー、炭素棒などの炭素系物質、金属、導電性ポリマー等が挙げられる。支持体が導電体の場合には、炭素系材料を担持した導電性材料が支持体の表面上に配置されることで、支持体が集電体としても機能し得る。 The shape of the conductive material is preferably a powder shape or a fiber shape. Further, the conductive material may be supported by a support. The support means a member that itself has rigidity and can give a certain shape to the gas diffusion electrode. The support may be an insulator or a conductor. When the support is an insulator, examples of the support include glass, plastic, synthetic rubber, ceramics, water-resistant or water-repellent treated paper, plant pieces such as wood pieces, bone pieces, animal pieces such as shells, and the like. . Examples of the porous structure support include porous ceramics, porous plastics, and sponges. When the support is a conductor, examples of the support include carbon materials such as carbon paper, carbon fiber, and carbon rod, metals, conductive polymers, and the like. When the support is a conductor, the support can also function as a current collector by disposing a conductive material carrying a carbon-based material on the surface of the support.
ガス拡散層12における触媒は、白金系触媒、鉄又はコバルトを用いた炭素系触媒、部分酸化したタンタル炭窒化物(TaCNO)及びジルコニウム炭窒化物(ZrCNO)等の遷移金属酸化物系触媒、タングステン又はモリブデンを用いた炭化物系触媒、活性炭等を用いることができる。
The catalyst in the
ガス拡散層12における触媒は、金属原子がドープされている炭素系材料であることが好ましい。金属原子としては特に限定されないが、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、白金、及び金からなる群より選ばれる少なくとも一種の金属の原子であることが好ましい。この場合、炭素系材料が、特に酸素還元反応を促進させるための触媒として優れた性能を発揮する。炭素系材料が含有する金属原子の量は、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。
The catalyst in the
炭素系材料には、更に窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子がドープされていることが好ましい。炭素系材料にドープされている非金属原子の量も、炭素系材料が優れた触媒性能を有するように適宜設定すればよい。 The carbon-based material is preferably further doped with one or more nonmetallic atoms selected from nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. What is necessary is just to set suitably the quantity of the nonmetallic atom doped by the carbonaceous material so that carbonaceous material may have the outstanding catalyst performance.
炭素系材料は、例えばグラファイト及び無定形炭素等の炭素源原料をベースとし、この炭素源原料に金属原子と、窒素、ホウ素、硫黄及びリンから選択される一種以上の非金属原子とをドープすることで得られる。 The carbon-based material is based on a carbon source material such as graphite and amorphous carbon, for example, and the carbon source material is doped with a metal atom and one or more non-metal atoms selected from nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. Can be obtained.
炭素系材料にドープされている金属原子と非金属原子との組み合わせは、適宜選択される。特に、非金属原子が窒素を含み、金属原子が鉄を含むことが好ましい。この場合、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよく、金属原子が鉄のみであってもよい。 A combination of a metal atom and a nonmetal atom doped in the carbon-based material is appropriately selected. In particular, it is preferable that the nonmetallic atom contains nitrogen and the metallic atom contains iron. In this case, the carbon-based material can have particularly excellent catalytic activity. Note that the nonmetallic atom may be only nitrogen, and the metallic atom may be only iron.
非金属原子が窒素を含み、金属原子がコバルトとマンガンとのうち少なくとも一方を含んでもよい。この場合も、炭素系材料が特に優れた触媒活性を有することができる。なお、非金属原子が窒素のみであってもよい。また、金属原子がコバルトのみ、マンガンのみ、あるいはコバルト及びマンガンのみであってもよい。 The nonmetallic atom may contain nitrogen, and the metallic atom may contain at least one of cobalt and manganese. Also in this case, the carbon-based material can have a particularly excellent catalytic activity. The nonmetallic atom may be only nitrogen. Further, the metal atom may be only cobalt, only manganese, or only cobalt and manganese.
炭素系材料の形状は特に制限されない。例えば、炭素系材料は、粒子状の形状を有してもよく、またシート状の形状を有してもよい。シート状の形状を有する炭素系材料の寸法は特に制限されず、例えばこの炭素系材料が微小な寸法であってもよい。シート状の形状を有する炭素系材料は、多孔質であってもよい。シート状の形状を有し、かつ、多孔質な炭素系材料は、例えば織布状、不織布状等の形状を有することが好ましい。このような炭素系材料は、導電性材料が無くても、ガス拡散層12を構成することができる。
The shape of the carbon-based material is not particularly limited. For example, the carbon-based material may have a particulate shape or may have a sheet shape. The dimension of the carbon-based material having a sheet-like shape is not particularly limited. For example, the carbon-based material may have a minute dimension. The carbon-based material having a sheet shape may be porous. It is preferable that the porous carbon-based material having a sheet shape has a shape such as a woven fabric shape or a nonwoven fabric shape. Such a carbon-based material can constitute the
ガス拡散層12における触媒として構成される炭素系材料は、次のように調製することができる。まず、例えば窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属を含む非金属化合物と、金属化合物と、炭素源原料とを含有する混合物を準備する。そして、この混合物を、800℃以上1000℃以下の温度で、45秒以上600秒未満加熱する。これにより、触媒として構成される炭素系材料を得ることができる。
The carbon-based material configured as a catalyst in the
ここで、炭素源原料としては、上述の通り、例えばグラファイト又は無定形炭素を使用することができる。さらに、金属化合物としては、炭素源原料にドープされる非金属原子と配位結合し得る金属原子を含む化合物であれば、特に制限されない。金属化合物は、例えば金属の塩化物、硝酸塩、硫酸塩、臭化物、ヨウ化物、フッ化物などのような無機金属塩、酢酸塩などの有機金属塩、無機金属塩の水和物、及び有機金属塩の水和物からなる群より選ばれる少なくとも一種を使用することができる。例えばグラファイトに鉄がドープされる場合には、金属化合物は塩化鉄(III)を含有することが好ましい。また、グラファイトにコバルトがドープされる場合には、金属化合物は塩化コバルトを含有することが好ましい。また、炭素源原料にマンガンがドープされる場合には、金属化合物は酢酸マンガンを含有することが好ましい。金属化合物の使用量は、例えば炭素源原料に対する金属化合物中の金属原子の割合が5〜30質量%の範囲内となるように決定されることが好ましく、更にこの割合が5〜20質量%の範囲内となるように決定されることがより好ましい。 Here, as the carbon source material, for example, graphite or amorphous carbon can be used as described above. Further, the metal compound is not particularly limited as long as it is a compound containing a metal atom capable of coordinating with a nonmetal atom doped in the carbon source material. Metal compounds include, for example, metal chlorides, nitrates, sulfates, bromides, iodides, fluorides, etc., inorganic metal salts, organic metal salts such as acetates, inorganic metal salt hydrates, and organic metal salts At least one selected from the group consisting of hydrates can be used. For example, when graphite is doped with iron, the metal compound preferably contains iron (III) chloride. Moreover, when graphite is doped with cobalt, the metal compound preferably contains cobalt chloride. When the carbon source material is doped with manganese, the metal compound preferably contains manganese acetate. The amount of the metal compound used is preferably determined so that, for example, the ratio of the metal atom in the metal compound to the carbon source material is within the range of 5 to 30% by mass, and the ratio is 5 to 20% by mass. More preferably, it is determined to be within the range.
非金属化合物は、上記の通り、窒素、ホウ素、硫黄及びリンからなる群より選ばれる少なくとも一種の非金属の化合物であることが好ましい。非金属化合物としては、例えば、ペンタエチレンヘキサミン、エチレンジアミン、テトラエチレンペンタミン、トリエチレンテトラミン、エチレンジアミン、オクチルボロン酸、1,2−ビス(ジエチルホスフィノエタン)、亜リン酸トリフェニル、ベンジルジサルフィドからなる群より選ばれる少なくとも一種の化合物を使用することができる。非金属化合物の使用量は、炭素源原料への非金属原子のドープ量に応じて適宜設定される。非金属化合物の使用量は、金属化合物中の金属原子と、非金属化合物中の非金属原子とのモル比が、1:1〜1:2の範囲内となるように決定されることが好ましく、1:1.5〜1:1.8の範囲内となるように決定されることがより好ましい。 As described above, the nonmetallic compound is preferably at least one nonmetallic compound selected from the group consisting of nitrogen, boron, sulfur and phosphorus. Non-metallic compounds include, for example, pentaethylenehexamine, ethylenediamine, tetraethylenepentamine, triethylenetetramine, ethylenediamine, octylboronic acid, 1,2-bis (diethylphosphinoethane), triphenyl phosphite, benzyldisal At least one compound selected from the group consisting of fido can be used. The amount of the nonmetallic compound used is appropriately set according to the amount of the nonmetallic atom doped into the carbon source material. The amount of the nonmetallic compound used is preferably determined so that the molar ratio of the metal atom in the metal compound to the nonmetallic atom in the nonmetallic compound is in the range of 1: 1 to 1: 2. More preferably, it is determined to be within the range of 1: 1.5 to 1: 1.8.
触媒として構成される炭素系材料を調製する際の、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物は、例えば次のようにして得られる。まず炭素源原料と金属化合物と非金属化合物とを混合し、更に必要に応じてエタノール等の溶媒を加えて全量を調整する。これらを更に超音波分散法により分散させる。続いて、これらを適宜の温度(例えば60℃)で加熱した後に、混合物を乾燥して溶媒を除去する。これにより、非金属化合物と金属化合物と炭素源原料とを含有する混合物が得られる。 The mixture containing a nonmetallic compound, a metal compound, and a carbon source material when preparing a carbon-based material configured as a catalyst is obtained, for example, as follows. First, a carbon source material, a metal compound, and a nonmetal compound are mixed, and if necessary, a solvent such as ethanol is added to adjust the total amount. These are further dispersed by an ultrasonic dispersion method. Subsequently, after heating them at an appropriate temperature (for example, 60 ° C.), the mixture is dried to remove the solvent. Thereby, the mixture containing a nonmetallic compound, a metal compound, and a carbon source raw material is obtained.
次に、得られた混合物を、例えば還元性雰囲気下又は不活性ガス雰囲気下で加熱する。これにより、炭素源原料に非金属原子がドープされ、さらに非金属原子と金属原子とが配位結合することで金属原子もドープされる。加熱温度は800℃以上1000℃以下の範囲内であることが好ましく、加熱時間は45秒以上600秒未満の範囲内であることが好ましい。加熱時間が短時間であるため、炭素系材料が効率よく製造され、しかも炭素系材料の触媒活性が更に高くなる。なお、加熱処理における、加熱開始時の混合物の昇温速度は、50℃/s以上であることが好ましい。このような急速加熱は、炭素系材料の触媒活性を更に向上する。 Next, the obtained mixture is heated, for example, under a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere. Thereby, a non-metallic atom is doped to a carbon source raw material, and also a metallic atom is doped by the coordinate bond of a non-metallic atom and a metallic atom. The heating temperature is preferably in the range of 800 ° C. to 1000 ° C., and the heating time is preferably in the range of 45 seconds to less than 600 seconds. Since the heating time is short, the carbon-based material is efficiently produced, and the catalytic activity of the carbon-based material is further increased. In the heat treatment, the temperature rising rate of the mixture at the start of heating is preferably 50 ° C./s or more. Such rapid heating further improves the catalytic activity of the carbonaceous material.
また、炭素系材料を、更に酸洗浄してもよい。例えば炭素系材料を、純水中、ホモジナイザーで30分間分散させ、その後この炭素系材料を2M硫酸中に入れて、80℃で3時間攪拌してもよい。この場合、炭素系材料からの金属成分の溶出が抑えられる。 Further, the carbon-based material may be further subjected to acid cleaning. For example, the carbon-based material may be dispersed in pure water with a homogenizer for 30 minutes, and then the carbon-based material may be placed in 2M sulfuric acid and stirred at 80 ° C. for 3 hours. In this case, elution of the metal component from the carbon-based material can be suppressed.
このような製造方法により、不活性金属化合物及び金属結晶の含有量が著しく低く、かつ、導電性の高い炭素系材料が得られる。 By such a production method, a carbon-based material having a significantly low content of inert metal compounds and metal crystals and high conductivity can be obtained.
ガス拡散層12において、触媒は結着剤を用いて導電性材料に結着していてもよい。つまり、触媒は結着剤を用いて導電性材料の表面及び細孔内部に担持されていてもよい。これにより、触媒が導電性材料から脱離し、酸素還元特性が低下することを抑制できる。結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、及びエチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることが好ましい。また、結着剤としては、NAFION(登録商標)を用いることも好ましい。
In the
(負極)
本実施形態に係る負極20は、後述する微生物を担持し、さらに微生物の触媒作用により、電解液70中の有機性物質及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する。
(Negative electrode)
The
そして、負極20は、表面に不動態皮膜を有さず、かつ、鉄を含むことが好ましい。後述するように、本実施形態の水処理装置100では、負極20中の鉄が鉄イオンとして電解液70に溶出し、さらに溶出した鉄イオンと汚水中に含まれるリン酸イオンとを結合させることで、不溶性のリン化合物を沈殿させる。そのため、負極表面に不動態皮膜のような薄い酸化物皮膜が存在すると、鉄の溶出が阻害されるため、不動態皮膜は存在しないことが好ましい。
And it is preferable that the
負極20は、導電性を有する導電体シートに微生物を担持した構造を有することが好ましい。そして、導電体シートとしては、表面に不動態皮膜を有さず、かつ、鉄を含むシートを用いる。なお、導電体シートとしては、鉄又は炭素鋼からなるシートを用いることが好ましい。
The
負極20を構成する導電体シートは、複数の細孔を有することが好ましい。導電体シートとして複数の細孔を有するシートを用いることにより、後述する局部電池反応で生成した水素イオンがセパレータ30の方向へ移動しやすくなり、酸素還元反応の速度を高めることが可能となる。また、イオン透過性を向上させる観点から、負極20の導電体シートは、正極10、セパレータ30及び負極20の積層方向X、つまり厚さ方向に連続した空間(空隙)を有していることが好ましい。
The conductor sheet constituting the
負極20に担持される微生物としては、電解液70中の有機性物質、又は窒素を含む化合物を分解して、水素イオン及び電子を生成する微生物であれば特に限定されない。このような微生物としては、例えば、増殖に酸素を必要とする好気性微生物、又は増殖に酸素を必要としない嫌気性微生物を使用することができるが、嫌気性微生物を使用することが好ましい。嫌気性微生物は、電解液70中の有機性物質を酸化分解するための空気を必要としない。そのため、空気を送り込むために必要な電力を大幅に低減することができる。また、微生物が獲得する自由エネルギーが小さいので、汚泥発生量を減少させることが可能となる。
The microorganism supported on the
負極20に保持される好気性微生物は、例えばEscherichia属細菌である大腸菌、Pseudomonas属細菌である緑濃菌、Bacillus属細菌である枯草菌が挙げられる。また、負極20に保持される嫌気性微生物は、例えば細胞外電子伝達機構を有する電気生産細菌であることが好ましい。具体的には、嫌気性微生物として、例えばGeobacter属細菌、Shewanella属細菌、Aeromonas属細菌、Geothrix属細菌、Saccharomyces属細菌が挙げられる。
Examples of the aerobic microorganism held in the
負極20に、嫌気性微生物を含むバイオフィルムが重ねられて固定されることで、負極20に嫌気性微生物が保持されていてもよい。なお、バイオフィルムとは、一般に、微生物集団と、微生物集団が生産する菌体外重合体物質(extracellular polymeric substance、EPS)とを含む三次元構造体のことをいう。ただ、嫌気性微生物は、バイオフィルムによらずに負極20に保持されていてもよい。また、嫌気性微生物は、負極20の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
Anaerobic microorganisms may be held on the
(セパレータ)
本実施形態の水処理ユニット1は、正極10と負極20との間に設けられ、プロトン透過性を有するセパレータ30をさらに備える。そして、図1及び図2に示すように、負極20は、セパレータ30を介して正極10と隔てられている。セパレータ30は、負極20で生成した水素イオンを透過し、正極10側へ移動させる機能を有している。
(Separator)
The
セパレータ30としては、例えばイオン交換樹脂を用いたイオン交換膜を使用することができる。イオン交換樹脂としては、例えばデュポン株式会社製のNAFION(登録商標)、並びに旭硝子株式会社製のフレミオン(登録商標)及びセレミオン(登録商標)を用いることができる。
As the
また、セパレータ30として、水素イオンが透過することが可能な細孔を有する多孔質膜を使用してもよい。つまり、セパレータ30は、負極20から正極10へ水素イオンが移動するための空間(空隙)を有するシートであってもよい。そのため、セパレータ30は、多孔質のシート、織布状のシート及び不織布状のシートからなる群より選ばれる少なくとも一つを備えることが好ましい。また、セパレータ30は、ガラス繊維膜、合成繊維膜、及びプラスチック不織布からなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができ、これらを複数積層してなる積層体でもよい。このような多孔質のシートは、内部に多数の細孔を有しているため、水素イオンが容易に移動することが可能となる。なお、セパレータ30の細孔径は、負極20から正極10に水素イオンが移動できれば特に限定されない。
Further, as the
なお、上述のように、セパレータ30は、負極20で生成した水素イオンを透過し、正極10側へ移動させる機能を有する。そのため、例えば、負極20と正極10とが接触しない状態で近接していれば、水素イオンが負極20から正極10へ移動することができる。そのため、本実施形態の水処理装置100において、セパレータ30は必須の構成要素ではない。ただ、セパレータ30を設けることにより、負極20から正極10へ水素イオンを効率的に移動させることが可能となるため、出力向上の観点からセパレータ30を設けることが好ましい。なお、正極10とセパレータ30との間に間隔が設けられていてもよく、また負極20とセパレータ30との間も間隔が設けられていてもよい。
As described above, the
本実施形態の水処理装置100では、図2に示すように、負極20及び正極10に電気的に接続する外部回路110を備えている。そして、外部回路110は、負極20と正極10との間を流れる電流値を制御する電流制御部を備えることが好ましい。このような電流制御部を設けることにより、後述するように、負極20からの鉄イオンの溶出速度を制御することが可能となる。なお、電流制御部としては、例えば抵抗器を用いることができる。
As shown in FIG. 2, the
次に、本実施形態の水処理装置100の作用について説明する。正極10、負極20及びセパレータ30からなる電極接合体40が電解液70に浸漬された場合、正極10のガス拡散層12、セパレータ30及び負極20が電解液70に浸漬され、第一撥水層11における面10aの少なくとも一部が気相90に露出する。
Next, the effect | action of the
水処理装置100の動作時には、負極20に、有機性物質及び窒素含有化合物の少なくとも一方を含有する電解液70を供給し、正極10に空気又は酸素を供給する。この際、空気は、カセット基材50の上部に設けられた開口部を通じて連続的に供給される。
During the operation of the
そして、図2に示す正極10では、第一撥水層11を透過してガス拡散層12により空気が拡散する。負極20では、微生物の触媒作用により、電解液70中の有機性物質及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子を生成する。生成した水素イオンは、セパレータ30を透過して正極10側へ移動する。また、生成した電子は負極20の導電体シートを通じて外部回路110へ移動し、さらに外部回路110から正極10のガス拡散層12に移動する。そして、水素イオン及び電子は、ガス拡散層12に担持された触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。
In the
ここで、正極10の酸素還元反応は以下の化学反応式(1)で表され、標準電極電位は1.23Vである。これに対し、負極20における鉄の酸化反応は以下の化学反応式(2)で表され、標準電極電位は0.44Vである。そのため、正極10と負極とを電気的に接続した場合、この電池の起電力は正となり、自発的に進行する。その結果、負極20に含まれる鉄は2価の鉄イオンとなり、電解液70中に溶出される。
[化1]
O2+4H++4e−→2H2O (E°=1.23V vs SHE) (1)
Fe→Fe2++2e− (E°=0.44V vs SHE) (2)
Here, the oxygen reduction reaction of the
[Chemical 1]
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (E ° = 1.23 V vs SHE) (1)
Fe → Fe 2+ + 2e − (E ° = 0.44 V vs SHE) (2)
電解液70中に溶出された2価の鉄イオン(Fe2+)は、以下の化学反応式(3)に示すように、電解液70中の酸素により酸化されて3価の鉄イオン(Fe3+)となる。そして、化学反応式(4)に示すように、3価の鉄イオンは電解液70中のリン化合物であるリン酸イオン(PO4 3−)と反応し、不溶性のリン酸鉄(FePO4)を生成する。不溶性のリン酸鉄は凝集して電解液70中で沈殿するため、リン酸鉄を除去することにより、電解液70中のリンを減少させることが可能となる。
[化2]
Fe2+→Fe3++e− (3)
Fe3++PO4 3−→FePO4 (4)
The divalent iron ions (Fe 2+ ) eluted in the
[Chemical formula 2]
Fe 2+ → Fe 3+ + e − (3)
Fe 3+ + PO 4 3− → FePO 4 (4)
さらに、本実施形態の水処理装置100は、負極20に担持された微生物の代謝により、電解液70中の有機性物質及び窒素含有化合物の少なくとも一方から水素イオン及び電子と共に、二酸化炭素又は窒素を生成している。このように、電解液70中の有機性物質及び窒素含有化合物が負極20に接触して酸化分解されるため、電解液70の有機性物質及び窒素含有化合物も除去することができる。
Furthermore, the
水処理装置100は、電解液中に含まれる硫酸イオンなどの硫黄分も除去することができる。つまり、硫酸イオンは微生物により分解されて硫化水素(H2S)を生成し、硫化水素は水中でHS−に電離する。水中のHS−は、以下の化学反応式(5)及び(6)に示すように、負極20から溶出した2価の鉄イオン又は3価の鉄イオンと反応し、難溶性の硫化物(例えば硫化鉄FeS)や原子状硫黄(S0)となり沈殿する。そのため、沈殿物を除去することにより、電解液70中の硫黄分を減少させることが可能となる。また、微生物により分解されて生成した硫化水素はHS−に電離するため、水処理装置100の外部に対する硫化水素の放出量も減少させることが可能となる。
[化3]
HS−+Fe2+→FeS+H+ (5)
HS−+2Fe3+→S0+2Fe2++H+ (6)
The
[Chemical formula 3]
HS − + Fe 2+ → FeS + H + (5)
HS − + 2Fe 3+ → S 0 + 2Fe 2+ + H + (6)
このように、本実施形態の水処理装置100は、表面に不動態皮膜を有さず、かつ、鉄を含む負極20と、少なくとも一部が気相90に露出し、酸素還元触媒を備えるガス拡散電極からなる正極10とを備える。水処理装置100は、さらに負極20及び正極10に電気的に接続する外部回路110と、リン化合物を含む電解液70を保持する電解液処理槽80とを備える。上述のように、水処理装置100では、電気エネルギーを投じなくても電池反応が進行し、負極20より電解液70に対し鉄イオンが溶出する。そのため、溶出した鉄イオンによりリン化合物の沈殿物が生成するため、当該沈殿物を除去することにより、電解液中のリン化合物の濃度を低減することが可能となる。さらに、電気エネルギーを投じるための装置が不要となるため、水処理装置100を小型化することが可能となる。また、水処理装置100中の微生物により、有機性物質及び窒素含有化合物を酸化分解するため、電解液中の有機性物質及び窒素含有化合物も低減することが可能となる。
Thus, the
なお、上述の好気性微生物及び嫌気性微生物は負極20の表面に担持されていることが好ましい。ただ、これらの微生物は電解液70中に含まれているだけでも、本実施形態の効果を発揮することができる。そのため、水処理装置100において、負極20及び電解液70の少なくとも一方は、好気性微生物及び嫌気性微生物の少なくとも一方を保持することが好ましい。
The aerobic microorganism and the anaerobic microorganism described above are preferably carried on the surface of the
図1〜図3において、水処理ユニット1は、カセット基材50の側面53に正極10を接合し、側面53の反対側の側面54に板部材60を接合することにより、気相90を形成している。しかしながら、本実施形態はこの態様に限定されない。例えば図4及び図5に示す水処理装置100Aのように、2枚の電極接合体40がカセット基材50を介して積層された水処理ユニット1Aを用いてもよい。水処理ユニット1Aにおいて、カセット基材50の側面53及び側面54は、正極10の面10aの外周部と接合されており、正極10の面10aの外周部からカセット基材50の内部に電解液70が漏出することを抑制している。そして、2枚の電極接合体40における正極10及び負極20は、それぞれ外部回路110に電気的に接続されている。このように、2枚の電極接合体40を用いた水処理ユニット1Aを用いることにより、負極20からの鉄イオンの溶出量が増加し、リン化合物の除去をより効率的に行うことが可能となる。
1 to 3, the
上述のように、水素イオンが負極20から正極10へ移動することが可能ならば電池反応が進行し、負極20より電解液70に対し鉄イオンが溶出して、電解液中のリン化合物の濃度を低減することができる。そのため、図6に示す水処理装置100Bにおける水処理ユニット1Bのように、負極20がセパレータ30に接触せず、負極20とセパレータ30との間に空隙が存在していてもよい。
As described above, if hydrogen ions can move from the
本実施形態に係る負極20には、例えば、電子伝達メディエーター分子が修飾されていてもよい。あるいは、電解液処理槽80内の電解液70は、電子伝達メディエーター分子を含んでいてもよい。これにより、嫌気性微生物から負極20への電子移動を促進し、より効率的な液体処理を実現できる。
For example, the
具体的には、嫌気性微生物による代謝機構では、細胞内又は最終電子受容体との間で電子の授受が行われる。電解液70中にメディエーター分子を導入すると、メディエーター分子が代謝の最終電子受容体として作用し、かつ、受け取った電子を負極20へと受け渡す。この結果、電解液70における有機性物質などの酸化分解速度を高めることが可能になる。このような電子伝達メディエーター分子は、特に限定されない。電子伝達メディエーター分子としては、例えばニュートラルレッド、アントラキノン−2,6−ジスルホン酸(AQDS)、チオニン、フェリシアン化カリウム、及びメチルビオローゲンからなる群より選ばれる少なくとも一つを用いることができる。
Specifically, in the metabolic mechanism by anaerobic microorganisms, electrons are transferred between cells or with the final electron acceptor. When a mediator molecule is introduced into the
図3に示す水処理ユニット1において、カセット基材50は、上部の全体が開口しているが、内部に空気(酸素)を導入することが可能ならば部分的に開口していてもよく、また閉口していてもよい。
In the
電解液処理槽80は内部に電解液70を保持しているが、電解液70が流通するような構成であってもよい。例えば、図1及び図2に示すように、電解液処理槽80には、電解液70を電解液処理槽80に供給するための液体供給口81と、処理後の電解液70を電解液処理槽80から排出するための液体排出口82とが設けられていてもよい。そして、電解液70は、液体供給口81及び液体排出口82を通じて連続的に供給されることが好ましい。
The electrolytic
[第二実施形態]
次に、第二実施形態に係る水処理装置について、図面に基づき詳細に説明する。なお、第一実施形態と同一構成には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
[Second Embodiment]
Next, the water treatment apparatus according to the second embodiment will be described in detail based on the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure as 1st embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
本実施形態に係る水処理装置は、第一実施形態と同様に、水処理ユニット1を備えている。そして当該水処理装置は、電解液に含まれる有機性物質を除去するための有機性物質処理部をさらに備えるものである。有機性物質処理部は、上述の水処理ユニット1のようにリン化合物を除去する機能を備えていないが、電解液に含まれている有機性物質を分解処理する機能を備える。このような有機性物質処理部をさらに備えることにより、水処理ユニット1に加えて有機性物質処理部で有機性物質を除去するため、リン化合物及び有機性物質をより効率的に除去することが可能となる。
The water treatment apparatus according to this embodiment includes a
本実施形態に係る有機性物質処理部は、電解液70に含まれている有機性物質を分解処理することができれば、その構成は特に限定されない。有機性物質処理部としては、例えば図7に示す構成とすることができる。有機性物質処理部120は、撥水性と酸素透過性とを併せ持ち、気相90と接触する第二撥水層121を備えている。そして、第二撥水層121を透過した酸素により、電解液70中の有機性物質を分解処理するものである。
If the organic substance processing part which concerns on this embodiment can decompose the organic substance contained in the
有機性物質処理部120は、図7に示すように、2枚の第二撥水層121が間隔をあけて対向し、さらに第二撥水層121の間にこれらを離間して保持するためのカセット基材50を備えることで、内部に気相90を形成している。つまり、上述のように、カセット基材50は、第二撥水層121の外周部に沿うU字状の枠部材であり、上部が開口している。カセット基材50の側面53及び側面54は、第二撥水層121の外周部と接合されており、これにより内部に気相90を形成している。そして、有機性物質処理部120の気相90には電解液70が満たされておらず、外気に開放されているため、第二撥水層121に空気が供給できるように構成されている。ただ、有機性物質処理部120は、気相と接触して電解液70中の有機性物質の分解処理できれば、このような態様に限定されない。有機性物質処理部120は、例えば2枚の第二撥水層121の周囲を接合し、内部に気相90を有するように上部が開口した袋状であってもよい。
As shown in FIG. 7, the organic
電解液70中の有機性物質の分解をより促進する観点から、有機性物質処理部120における第二撥水層121上に、好気性微生物を保持する保持体122が重ねられていることが好ましい。そして、保持体122は、第二撥水層121における電解液70側の表面に積層されていることが好ましい。好気性微生物を保持する保持体122を使用することにより、後述するように下流側で電解液70中の有機性物質の濃度が減少した場合でも、残存する有機性物質を効率的に分解することが可能となる。また、保持体122は酸素透過性を有する第二撥水層121の表面に設けられているため、第二撥水層121を通じて好気性微生物へ、その生育のための酸素を充分に供給することが可能となる。
From the viewpoint of further promoting the decomposition of the organic substance in the
好気性微生物としては、酸素に基づく代謝機構を備えた微生物であり、電解液70中の有機性物質を分解できれば特に限定されない。好気性微生物としては、例えばEscherichia属細菌である大腸菌、Pseudomonas属細菌である緑濃菌、Bacillus属細菌である枯草菌が挙げられる。また、好気性微生物を保持する保持体122としては、例えば不織布状又はスポンジ状の構造体を使用することができる。保持体122は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレングリコール、ポリウレタン及びポリビニルアルコールからなる群より選ばれる一種以上の材料から作製することができる。
The aerobic microorganism is a microorganism having a metabolic mechanism based on oxygen, and is not particularly limited as long as the organic substance in the
図7に示す水処理装置100Cにおいて、有機性物質処理部120は、大気と連通した気相90が形成されるように、電解液処理槽80Aの内部に配置される。電解液処理槽80Aの内部には被処理液である電解液70が保持されており、保持体122は電解液70に浸漬されている。また、電解液処理槽80Aは、液体排出口82と、水処理ユニット1が配置されている電解液処理槽80と連通する連通管83とを有している。
In the
上記構成の水処理装置100Cでは、まず電解液処理槽80の液体供給口81から電解液70が連続的に供給され、水処理ユニット1により、リン化合物及び有機性物質が除去される。そして、水処理ユニット1により浄化された電解液70は、連通管83を通じて電解液処理槽80Aに移送される。そして、移送された電解液70は、有機性物質処理部120に保持された好気性微生物により分解されて除去される。そして、リン化合物及び有機性物質が除去されて浄化された電解液は、液体排出口82を通じて外部に排出される。
In the
このように本実施形態の水処理装置100Cでは、有機性物質の含有量が多い上流側の電解液処理槽80に水処理ユニット1Aを配置し、有機性物質の含有量が少ない下流側の電解液処理槽に有機性物質処理部120を設けている。これにより、上流側の水処理ユニット1Aが多量の有機性物質を効率的に分解し、水処理ユニット1Aでは分解しきれなかった有機性物質を下流側の有機性物質処理部120で分解する。そのため、電解液70中の有機性物質の分解をより効率的に行うことが可能となる。
As described above, in the
なお、図7に示す水処理装置100Cでは、電解液処理槽80に一つの水処理ユニット1Aを配置し、電解液処理槽80Aに一つの有機性物質処理部120を配置している。しかし、本実施形態はこの態様に限定されず、例えば電解液処理槽80に複数の水処理ユニット1Aを配置してもよく、また電解液処理槽80Aに複数の有機性物質処理部120を配置してもよい。
In the
また、図8に示すように、一つの電解液処理槽80の内部に複数の水処理ユニット1A及び有機性物質処理部120を配置してもよい。図8の水処理装置100Dでは、水処理ユニット1A及び有機性物質処理部120は、矢印Cで示すように、電解液70が電解液処理槽80の内部で波状に流れるように配置される。具体的には、複数の水処理ユニット1A及び有機性物質処理部120は、積層方向Xに沿うように配置している。この際、複数の水処理ユニット1A及び有機性物質処理部120は、水処理ユニット1Aの側面1a及び有機性物質処理部120の側面120aが、電解液処理槽80の左壁80aと右壁80bに交互に接触するように配置される。水処理装置100において、電解液70が波状に流れることにより、電解液70と負極20との接触率、並びに電解液70と第二撥水層121及び保持体122との接触率を高め、その結果、浄化効率をより向上させることが可能となる。
Further, as shown in FIG. 8, a plurality of
なお、図7及び図8の水処理装置100C及び水処理装置100Dでは、水処理ユニットとして図4及び図5に示す2枚の電極接合体40を積層した水処理ユニット1Aを使用している。しかし、水処理装置100C及び水処理装置100Dでは、図1及び図2に示す1枚の電極接合体40を積層した水処理ユニット1を使用してもよい。また、図7及び図8の水処理装置100C及び水処理装置100Dでは、電解液70の上流側に水処理ユニット1Aを配置し、水処理ユニット1Aよりも下流側に有機性物質処理部120を配置している。しかしながら、電解液70の上流側に有機性物質処理部120を配置し、有機性物質処理部120よりも下流側に水処理ユニット1Aを配置してもよい。
In addition, in the
以下、本実施形態を実施例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail by way of examples, but the present embodiment is not limited to these examples.
[水処理装置の作製]
まず、ポリオレフィン製撥水層に、接着剤であるシリコーン樹脂を塗布した後、ガス拡散層であるグラファイトホイルを接合することにより、撥水層/シリコーン接着剤/ガス拡散層からなる積層シートを作製した。なお、撥水層は、積水化学工業株式会社製セルポア(登録商標)を使用した。シリコーン樹脂は、信越化学工業株式会社製の一液型RTVゴムKE−3475−Tを使用した。グラファイトホイルは、日立化成工業株式会社製のものを使用した。
[Production of water treatment equipment]
First, a silicone resin as an adhesive is applied to a polyolefin water repellent layer, and then a graphite foil as a gas diffusion layer is bonded to produce a laminated sheet composed of a water repellent layer / silicone adhesive / gas diffusion layer. did. In addition, Sekisui Chemical Co., Ltd. SELPORE (registered trademark) was used for the water repellent layer. As the silicone resin, a one-component RTV rubber KE-3475-T manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. was used. A graphite foil manufactured by Hitachi Chemical Co., Ltd. was used.
次に、グラファイトホイルにおける撥水層とは反対側の面に、酸素還元触媒とPTFE(Aldrich社製)とを混合してなる触媒層をプレス成形することにより、ガス拡散電極を作製した。なお、酸素還元触媒は、目付け量が6mg/cm2となるようにプレス成形した。 Next, a gas diffusion electrode was produced by press-molding a catalyst layer formed by mixing an oxygen reduction catalyst and PTFE (manufactured by Aldrich) on the surface of the graphite foil opposite to the water repellent layer. The oxygen reduction catalyst was press-molded so that the basis weight was 6 mg / cm 2 .
なお、酸素還元触媒は、次のように調製した。まず、容器内に、3gのカーボンブラック、0.1Mの塩化鉄(III)水溶液、及び0.15Mのペンタエチレンヘキサミンのエタノール溶液を入れることで、混合液を調製した。なお、カーボンブラックとしては、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ株式会社製ケッチェンブラックECP600JDを使用した。0.1M塩化鉄(III)水溶液の使用量は、カーボンブラックに対する鉄原子の割合が10質量%になるように調整した。この混合液に更にエタノールを加えることで全量を9mLに調製した。そして、この混合液を超音波分散してから乾燥機で60℃の温度で乾燥させた。これにより、カーボンブラック、塩化鉄(III)、及びペンタエチレンヘキサミンを含有するサンプルを得た。 The oxygen reduction catalyst was prepared as follows. First, 3 g of carbon black, 0.1 M iron (III) chloride aqueous solution, and 0.15 M pentaethylenehexamine ethanol solution were placed in a container to prepare a mixed solution. As carbon black, Ketjen Black ECP600JD manufactured by Lion Specialty Chemicals Co., Ltd. was used. The amount of 0.1M iron (III) chloride aqueous solution used was adjusted so that the ratio of iron atoms to carbon black was 10% by mass. The total amount was adjusted to 9 mL by further adding ethanol to the mixture. And this liquid mixture was ultrasonically disperse | distributed, and it was dried at the temperature of 60 degreeC with the dryer. As a result, a sample containing carbon black, iron (III) chloride, and pentaethylenehexamine was obtained.
そして、このサンプルを、石英管の一端部内に詰め入れ、続いてこの石英管内をアルゴンで置換した。この石英管を、900℃の炉に入れてから45秒で引き抜いた。石英管を炉に挿入する際には、石英管を炉に3秒間かけて挿入することで、加熱開始時のサンプルの昇温速度を300℃/sに調整した。続いて、石英管内にアルゴンガスを流通させることでサンプルを冷却させた。これにより酸素還元触媒を得た。 And this sample was packed in the one end part of a quartz tube, and the inside of this quartz tube was substituted by argon subsequently. The quartz tube was pulled out 45 seconds after being placed in a furnace at 900 ° C. When the quartz tube was inserted into the furnace, the quartz tube was inserted into the furnace over 3 seconds to adjust the rate of temperature rise of the sample at the start of heating to 300 ° C./s. Subsequently, the sample was cooled by flowing argon gas through the quartz tube. Thereby, an oxygen reduction catalyst was obtained.
次に、上述のようにして得られたガス拡散電極の撥水層に空気取り入れ部を設けることにより、正極を作製した。そして、当該正極と、鉄基材からなる負極とを容器内に設置した。鉄基材としては、鉄の純度が99.5%である鉄板を使用した。さらに、正極と負極との間に不織布を設置した後、正極、負極及び不織布に接するように電解液を容器内に満たした。電解液は、全有機体炭素(TOC)として、800mg/Lの有機性物質、15mg/Lの窒素化合物および10mg/Lのリン化合物を含んでいる。また、電解液には、発電を行う嫌気性微生物源として土壌微生物を植種した。そして、電解液の滞留時間を24時間として連続的に容器に供給した。さらに、正極と負極を負荷回路に接続することにより、本例の水処理装置を得た。 Next, a positive electrode was produced by providing an air intake portion in the water repellent layer of the gas diffusion electrode obtained as described above. And the said positive electrode and the negative electrode which consists of an iron base material were installed in the container. As the iron substrate, an iron plate having an iron purity of 99.5% was used. Furthermore, after installing a nonwoven fabric between the positive electrode and the negative electrode, the electrolytic solution was filled in the container so as to be in contact with the positive electrode, the negative electrode, and the nonwoven fabric. The electrolytic solution contains 800 mg / L organic substance, 15 mg / L nitrogen compound, and 10 mg / L phosphorus compound as total organic carbon (TOC). In addition, soil microorganisms were planted in the electrolyte solution as an anaerobic microorganism source for power generation. And the residence time of electrolyte solution was continuously supplied to the container as 24 hours. Furthermore, the water treatment apparatus of this example was obtained by connecting a positive electrode and a negative electrode to a load circuit.
[評価]
(出力)
水処理装置における負荷の両端における電位差を測定することにより、水処理装置の出力を測定した。なお、水処理装置の出力は、出力が安定した状態で数式1により求めた。その結果、本例の水処理装置の出力は60mW/m2であった。
(output)
The output of the water treatment device was measured by measuring the potential difference across the load in the water treatment device. In addition, the output of the water treatment apparatus was calculated | required by
(有機性物質除去率)
水処理装置にて処理する前後における電解液中の全有機体炭素濃度(TOC濃度)を測定した。なお、全有機体炭素濃度は、全有機体炭素計を用いて測定した。そして、全有機体炭素の除去率(TOC除去率)を数式2より求めた。その結果、本例の水処理装置のTOC除去率は90%であった。
The total organic carbon concentration (TOC concentration) in the electrolyte before and after the treatment with the water treatment apparatus was measured. The total organic carbon concentration was measured using a total organic carbon meter. And the removal rate (TOC removal rate) of all the organic carbon was calculated | required from Numerical formula 2. As a result, the TOC removal rate of the water treatment apparatus of this example was 90%.
(窒素除去率)
水処理装置にて処理する前後における電解液中の窒素濃度を測定した。なお、窒素濃度は、全窒素計を用いて測定した。そして、窒素除去率を数式3より求めた。その結果、本例の水処理装置の窒素除去率は82%であった。
The nitrogen concentration in the electrolytic solution before and after the treatment with the water treatment apparatus was measured. The nitrogen concentration was measured using a total nitrogen meter. And the nitrogen removal rate was calculated | required from Numerical formula 3. As a result, the nitrogen removal rate of the water treatment apparatus of this example was 82%.
(リン除去率)
水処理装置にて処理する前後における電解液中のリン濃度を測定した。なお、リン濃度は、比色定量法により測定した。そして、リン除去率を数式4より求めた。その結果、本例の水処理装置のリン除去率は95%であった。
The phosphorus concentration in the electrolytic solution before and after the treatment with the water treatment apparatus was measured. The phosphorus concentration was measured by a colorimetric method. And the phosphorus removal rate was calculated | required from Numerical formula 4. As a result, the phosphorus removal rate of the water treatment apparatus of this example was 95%.
上記結果より、本例の水処理装置は電気エネルギーを投じなくても、廃水中のリン化合物、有機性物質及び窒素を効率的に除去できることが分かる。 From the above results, it can be seen that the water treatment apparatus of this example can efficiently remove phosphorus compounds, organic substances and nitrogen in wastewater without throwing electric energy.
以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。具体的には、図面において、第一撥水層11及びガス拡散層12を備えた正極10、負極20、並びにセパレータ30は、矩形状に形成されている。しかし、これらの形状は特に限定されず、水処理装置の大きさ、及び所望の浄化性能等により任意に変更することができる。また、各層の面積も所望の機能が発揮できるならば、それぞれ任意に変更することができる。
Although the present embodiment has been described above, the present embodiment is not limited to these, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present embodiment. Specifically, in the drawing, the
そして、本実施形態に係る水処理装置は、有機性物質や窒素含有化合物を含む液体、例えば各種産業の工場などから発生する排水、下水汚泥などの有機性廃水などの処理に広く適用できる。また、水域の環境改善などにも利用できる。 The water treatment apparatus according to this embodiment can be widely applied to treatment of liquids containing organic substances and nitrogen-containing compounds, for example, wastewater generated from factories of various industries, organic wastewater such as sewage sludge, and the like. It can also be used to improve the water environment.
10 正極
20 負極
70 電解液
90 気相
100,100A,100B,100C,100D 水処理装置
120 有機性物質処理部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
少なくとも一部が気相に露出し、酸素還元触媒を備えるガス拡散電極からなる正極と、
前記負極及び前記正極に電気的に接続する外部回路と、
リン化合物を含む電解液を保持する電解液処理槽と、
を備える、水処理装置。 There is no passive film on the surface, and the negative electrode containing iron,
A positive electrode comprising a gas diffusion electrode at least partially exposed to the gas phase and comprising an oxygen reduction catalyst;
An external circuit electrically connected to the negative electrode and the positive electrode;
An electrolytic solution treatment tank for holding an electrolytic solution containing a phosphorus compound;
A water treatment apparatus comprising:
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