JP7280650B2 - FIXED BED ELECTROLYSIS APPARATUS AND ELECTROLYSIS METHOD - Google Patents
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Description
本発明は、固定床電解処理装置及び電解処理方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fixed bed electrolysis apparatus and an electrolysis method.
導電性ダイヤモンド電極は、白金電極等と比較して電位窓が広く、効率的にOHラジカル、オゾン等の活性種を生成することが可能であり、耐食性にも優れていることから、例えば、工場排水等の被処理水を電解処理する際の電解用電極としての応用が期待されている。 Conductive diamond electrodes have a wider potential window than platinum electrodes, etc., can efficiently generate active species such as OH radicals and ozone, and have excellent corrosion resistance. It is expected to be applied as an electrode for electrolysis when electrolyzing water to be treated such as wastewater.
導電性ダイヤモンドは、一般に、化学気相成長法(CVD法)により、シリコンウェハ等の基板上に成膜される。このため、電極の形状が薄膜状に限定されてしまうという課題があった。また、得られる導電性ダイヤモンド薄膜の面積はCVD装置のサイズに依存するため、電極表面積を拡大することが困難であるという課題があった。 Conductive diamond is generally deposited on a substrate such as a silicon wafer by chemical vapor deposition (CVD). Therefore, there is a problem that the shape of the electrode is limited to a thin film. Moreover, since the area of the conductive diamond thin film to be obtained depends on the size of the CVD apparatus, there is a problem that it is difficult to increase the electrode surface area.
これらの課題を解決するため、近年、導電性ダイヤモンド粒子を電極に応用することが提案されている。このような導電性ダイヤモンド粒子によれば、電極の形状が薄膜状に限定されないことに加え、電極表面積を容易に拡大することができる。 In order to solve these problems, it has recently been proposed to apply conductive diamond particles to electrodes. According to such conductive diamond particles, the shape of the electrode is not limited to a thin film, and the surface area of the electrode can be easily increased.
例えば、特許文献1には、導電性ダイヤモンド粒子を流動床電極として用いた流動床電解処理装置が開示されている。 For example,
特許文献1に記載の流動床電解処理装置では、導電性ダイヤモンド粒子がバイポーラ電極として振る舞うことにより、粒子が浮遊状態であっても電解が起こるものと考えられる。このため、被処理水の導電率が高い場合には、電解効率が低下すると予想される。 In the fluidized bed electrolysis apparatus described in
本発明は、導電率が高い被処理水であっても電気化学的に処理可能な固定床電解処理装置、及びこの固定床電解処理装置を用いた電解処理方法を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a fixed bed electrolysis apparatus capable of electrochemically treating water to be treated even with high conductivity, and an electrolysis method using this fixed bed electrolysis apparatus.
上記課題を解決するための具体的な手段には、以下の実施態様が含まれる。
<1> 被処理水を電気化学的に処理する固定床電解処理装置であって、
導電性ダイヤモンド粒子の充填層を有する、陽極としての固定床電極と、
陰極としての対電極と、
前記固定床電極及び前記対電極が配置されるとともに、前記被処理水が通液される流路を有する電解槽と、
を備え、
前記導電性ダイヤモンド粒子が、ダイヤモンドからなる粒子状基材の表面に導電性ダイヤモンド層が形成されたものであり、
前記固定床電極が前記流路の上流側に配置され、且つ、前記対電極が前記流路の下流側に配置されるか、又は、前記固定床電極が前記流路の下流側に配置され、且つ、前記対電極が前記流路の上流側に配置され、
前記充填層が、前記流路の断面全体に亘って設けられる固定床電解処理装置。
<2> 前記導電性ダイヤモンド層がボロンドープダイヤモンド層である<1>に記載の固定床電解処理装置。
<3> 前記固定床電極が、前記導電性ダイヤモンド粒子の充填層に電気的に接続した集電体を有する<1>又は<2>に記載の固定床電解処理装置。
<4> 前記固定床電極が前記流路の上流側に配置され、且つ、前記対電極が前記流路の下流側に配置される<1>~<3>のいずれか1項に記載の固定床電解処理装置。
<5> <1>~<4>のいずれか1項に記載の固定床電解処理装置の流路に被処理水を通液しながら電極間に電圧を印加することにより、前記被処理水を電気化学的に且つ連続的に処理する電解処理方法。
Specific means for solving the above problems include the following embodiments.
<1> A fixed-bed electrolytic treatment apparatus for electrochemically treating water to be treated,
a fixed bed electrode as an anode, having a packed bed of conductive diamond particles;
a counter electrode as a cathode ;
an electrolytic cell in which the fixed bed electrode and the counter electrode are arranged and which has a channel through which the water to be treated flows;
with
The conductive diamond particles are obtained by forming a conductive diamond layer on the surface of a particulate substrate made of diamond,
The fixed bed electrode is arranged upstream of the channel and the counter electrode is arranged downstream of the channel, or the fixed bed electrode is arranged downstream of the channel, and the counter electrode is arranged upstream of the channel,
A fixed-bed electrolysis apparatus in which the packed bed is provided over the entire cross section of the channel .
<2> The fixed bed electrolysis apparatus according to <1>, wherein the conductive diamond layer is a boron-doped diamond layer .
<3> The fixed bed electrolytic treatment apparatus according to <1> or <2>, wherein the fixed bed electrode has a current collector electrically connected to the packed layer of the conductive diamond particles .
<4> The fixation according to any one of <1> to <3> , wherein the fixed bed electrode is arranged upstream of the flow channel, and the counter electrode is arranged downstream of the flow channel. Floor electrolysis device .
<5> By applying a voltage between the electrodes while the water to be treated flows through the flow path of the fixed bed electrolysis apparatus according to any one of <1> to <4> , the water to be treated is Electrolytic processing method for electrochemically and continuously processing .
本発明によれば、導電率が高い被処理水であっても電気化学的に処理可能な固定床電解処理装置、及びこの固定床電解処理装置を用いた電解処理方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fixed-bed electrolysis apparatus which can electrochemically process even the to-be-processed water with high electrical conductivity, and the electrolysis method using this fixed-bed electrolysis apparatus can be provided.
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態に係る固定床電解処理装置は、被処理水を電気化学的に処理する固定床電解処理装置であって、導電性ダイヤモンド粒子の充填層を有する固定床電極と、対電極と、固定床電極及び対電極が配置されるとともに、被処理水が収容又は通液される電解槽と、を備える。この固定床電解処理装置の電極間に電圧を印加することにより、被処理水を電気化学的に処理することが可能である。 The fixed-bed electrolysis apparatus according to the present embodiment is a fixed-bed electrolysis apparatus for electrochemically treating water to be treated, comprising a fixed-bed electrode having a packed layer of conductive diamond particles, a counter electrode, a fixed an electrolytic cell in which a floor electrode and a counter electrode are arranged and water to be treated is contained or passed through; Water to be treated can be electrochemically treated by applying a voltage between the electrodes of this fixed-bed electrolytic treatment apparatus.
以下では、まず、導電性ダイヤモンド粒子について説明し、次いで、固定床電解処理装置の構成について説明する。 In the following, the conductive diamond particles will be described first, and then the configuration of the fixed bed electrolytic treatment apparatus will be described.
(導電性ダイヤモンド粒子)
導電性ダイヤモンドとしては、ダイヤモンドに13族又は15族の元素をドープして導電性を付与したものが挙げられる。導電性ダイヤモンド粒子の導電率は、例えば、0.01S/cm以上である。13族又は15族の元素としては、ホウ素、窒素、リン等が挙げられる。(Conductive diamond particles)
Examples of conductive diamond include those obtained by doping diamond with a Group 13 or
導電性ダイヤモンド粒子の形状は特に制限されない。導電性ダイヤモンド粒子の形状は、アスペクト比が1付近の球状、立方体状、又は多面体状であってもよく、アスペクト比が1を上回る形状であってもよい。 The shape of the conductive diamond particles is not particularly limited. The shape of the conductive diamond particles may be spherical, cubic, or polyhedral with an aspect ratio of about 1, or a shape with an aspect ratio of more than 1.
導電性ダイヤモンド粒子の粒子径は、例えば、1μm~1000μmであることが好ましく、20μm~100μmであることがより好ましい。 The particle size of the conductive diamond particles is, for example, preferably 1 μm to 1000 μm, more preferably 20 μm to 100 μm.
導電性ダイヤモンド粒子の中でも、ホウ素がドープされたボロンドープダイヤモンド粒子(BDDP)が好ましい。 Among conductive diamond particles, boron-doped diamond particles (BDDP) are preferred.
BDDPの製造方法は特に制限されず、特開2008-36631号公報、特開2018-76216号公報等に記載された公知の製造方法を採用することができる。好ましい製造方法としては、粒子状基材の表面にボロンドープダイヤモンド層(BDD層)を形成する方法が挙げられる。以下、この製造方法について説明する。 The method for producing BDDP is not particularly limited, and known production methods described in JP-A-2008-36631, JP-A-2018-76216, etc. can be employed. A preferred manufacturing method includes a method of forming a boron-doped diamond layer (BDD layer) on the surface of a particulate base material. This manufacturing method will be described below.
粒子状基材としては、BDD層の形成時に溶融又は変形するものでなければ特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。粒子状基材の具体例としては、天然又は人工のダイヤモンド粒子;シリコン粒子;モリブデン粒子等の金属粒子;アルミナ粒子等の金属酸化物粒子;窒化ホウ素粒子、石英粒子;などが挙げられる。これらの粒子状基材は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上を併用してもよい。これらの中でも、天然又は人工のダイヤモンド粒子が好ましい。 The particulate base material is not particularly limited as long as it melts or deforms during the formation of the BDD layer, and can be appropriately selected according to the purpose. Specific examples of particulate substrates include natural or artificial diamond particles; silicon particles; metal particles such as molybdenum particles; metal oxide particles such as alumina particles; These particulate base materials may be used singly or in combination of two or more. Among these, natural or artificial diamond particles are preferred.
BDD層の形成方法は特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。形成方法の具体例としては、熱CVD法、プラズマCVD法、熱フィラメントCVD法等のCVD法;イオンビーム法、イオン化蒸着法等の物理蒸着法(PVD法);高温高圧法;などが挙げられる。これらの中でも、プラズマCVD法が好ましい。 A method for forming the BDD layer is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose. Specific examples of the formation method include CVD methods such as thermal CVD, plasma CVD, and hot filament CVD; physical vapor deposition (PVD) such as ion beam and ionization; high temperature and high pressure; . Among these, the plasma CVD method is preferred.
上述したCVD法において、BDD層の原料となる炭素源及びホウ素源は特に制限されない。炭素源としては、メタン、アセトン等を用いることができる。また、ホウ素源としては、ジボラン、トリメチルボラン、トリメトキシボラン等を用いることができる。 In the above-described CVD method, the carbon source and boron source, which are raw materials for the BDD layer, are not particularly limited. Methane, acetone, etc. can be used as the carbon source. Moreover, diborane, trimethylborane, trimethoxyborane, etc. can be used as a boron source.
BDD層において、ダイヤモンドにドープするホウ素の量は、ダイヤモンドを構成する炭素に対して、10ppm以上であることが好ましく、1000ppm以上であることがより好ましく、10000ppm以上であることがさらに好ましい。ダイヤモンドにドープするホウ素の量は、二次イオン質量分析法等により測定することができる。 In the BDD layer, the amount of boron with which diamond is doped is preferably 10 ppm or more, more preferably 1000 ppm or more, and even more preferably 10000 ppm or more, relative to the carbon constituting the diamond. The amount of boron with which diamond is doped can be measured by secondary ion mass spectrometry or the like.
(固定床電解処理装置の一例)
固定床電解処理装置の一例を図1に示す。図1に示す固定床電解処理装置1は、固定床電極(陽極)10と、対電極(陰極)20と、固定床電極10及び対電極20が配置されるとともに、被処理水が収容される電解槽30と、を備える。図1に示す固定床電解処理装置1は、電解槽30に収容された被処理水を電解処理するバッチ式の固定床電解処理装置の一例である。(An example of a fixed-bed electrolysis apparatus)
An example of a fixed bed electrolysis apparatus is shown in FIG. A fixed-
固定床電極10は、上述した導電性ダイヤモンド粒子が充填されてなる充填層11と、該充填層11と電気的に接続された集電体12と、を有する。集電体12の材質としては、銅、アルミニウム等の金属;導電性ダイヤモンド;などが挙げられる。集電体12は、リードと一体に形成されたものであってもよい。 The fixed
対電極20は、固定床電極10とともに電解用電極を構成する。対電極20としては、白金電極、金電極、ステンレス電極、導電性ダイヤモンド電極等が挙げられる。対電極20は、導電性ダイヤモンド粒子の充填層を有する固定床電極であってもよい。 The
電解槽30は、上述した固定床電極10及び対電極20が配置されるとともに、被処理水が収容される。電解槽30には、被処理水を撹拌する撹拌子が設けられていてもよい。 The
以上説明した固定床電解処理装置1によれば、固定床電極10と対電極20との間に電圧を印加することにより、電解槽30に収容された被処理水を電解処理することができる。導電性ダイヤモンドを用いた電極は、電位窓が広く、水の電気分解が抑えられ、有機物等の電解反応が進行し易くなることが知られている。したがって、例えば、被処理水が有機物を含有する場合には、電圧印加によって発生したOHラジカル、オゾン等の活性種により、有機物を効率的に分解することができる。しかも、本実施形態では、導電性ダイヤモンド粒子を固定床電極として配置するため、電極表面積が拡大し、電解効率の向上を図ることができる。また、被処理水が金属イオンを含有する場合には、電圧印加により金属イオンを還元し、金属を回収することができる。 According to the fixed
被処理水を電解処理する際の電圧及びその印加時間は特に制限されず、被処理水の種類等に応じて適宜選択することができる。 The voltage and its application time when the water to be treated is electrolytically treated are not particularly limited, and can be appropriately selected according to the type of the water to be treated.
(固定床電解処理装置の他の例)
固定床電解処理装置の他の例を図2に示す。図2に示す固定床電解処理装置2は、電解槽に収容された被処理水を電解処理するのではなく、電解槽に通液された被処理水を連続的に電解処理する点で図1に示す固定床電解処理装置1と異なる。そこで、図1と共通する構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。(Another example of fixed bed electrolysis apparatus)
Another example of the fixed bed electrolysis apparatus is shown in FIG. The fixed
図2に示す固定床電解処理装置2は、固定床電極(陽極)40と、対電極(陰極)20と、固定床電極40及び対電極20が配置されるとともに、被処理水が通液される流路を有する電解槽50と、を備える。図2に示す固定床電解処理装置2は、電解槽50に通液された被処理水を連続的に電解処理するフロー式の固定床電解処理装置の一例である。 The fixed
固定床電極40は、上述した導電性ダイヤモンド粒子が充填されてなり、被処理水が通液される流路の断面全体に亘って設けられた充填層41と、該充填層41に挿入された集電体42と、該充填層41を挟むように設けられた一対のフィルタ43a,43bと、を有する。集電体42の材質としては、銅、アルミニウム等の金属;導電性ダイヤモンド;などが挙げられる。フィルタ43a,43bとしては、被処理水を通し、且つ、孔径が導電性ダイヤモンド粒子の粒子径よりも小さいものであれば特に制限されない。 The fixed
電解槽50は、被処理水が図中矢印の方向(図中の下側から上側への方向)に通液される流路を有し、上流側に固定床電極40が配置されるとともに、下流側に対電極20が配置されている。 The
以上説明した固定床電解処理装置2によれば、固定床電極40と対電極20との間に電圧を印加することにより、電解槽50に通液された被処理水を連続的に電解処理することができる。 According to the fixed
特に、図2に示す固定床電解処理装置2では、被処理水が通液される流路の断面全体に亘って充填層41が設けられているため、被処理水が確実に充填層41を通過することになり、より効率的な電解処理が可能となる。例えば、被処理水が有機物を含有する場合には、電圧印加によって発生したOHラジカル等の活性種により、有機物をより効率的に分解することが可能となる。 In particular, in the fixed-bed
被処理水を電解処理する際の電圧及びその印加時間は特に制限されず、被処理水の種類等に応じて適宜選択することができる。 The voltage and its application time when the water to be treated is electrolytically treated are not particularly limited, and can be appropriately selected according to the type of the water to be treated.
なお、図2に示す固定床電解処理装置2では、固定床電極40が流路の上流側に配置され、対電極20が流路の下流側に配置されているが、この例に限定されるものではなく、固定床電極40を流路の下流側に配置し、対電極20を流路の上流側に配置してもよい。 In the fixed
また、図2に示す固定床電解処理装置2では、充填層41が流路の断面全体に亘って設けられているが、この例に限定されるものではなく、流路の断面の少なくとも一部に設けられていればよい。 In addition, in the fixed-
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって制限されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited to these examples.
<製造例1:ボロンドープダイヤモンド薄膜(BDD薄膜)の製造>
粒子径が3μm~6μmのダイヤモンド粒子を用いてシリコンウェハの表面に傷付け処理を施した後、メタノール、アセトン、及び超純水を用いて各30分間、超音波洗浄を行った。次いで、マイクロ波プラズマCVD法により、シリコンウェハ上にBDD薄膜を成膜した。成膜条件は、マイクロ波出力:5500W、ステージ温度:698℃、チャンバー内圧:90Torr、プレナム圧力:70Torr、成膜時間:4時間、ホウ素濃度:10000ppmとした。<Production Example 1: Production of boron-doped diamond thin film (BDD thin film)>
After the surface of the silicon wafer was scratched with diamond particles having a particle size of 3 μm to 6 μm, it was ultrasonically cleaned with methanol, acetone, and ultrapure water for 30 minutes each. Then, a BDD thin film was formed on the silicon wafer by microwave plasma CVD. The deposition conditions were microwave output: 5500 W, stage temperature: 698° C., chamber internal pressure: 90 Torr, plenum pressure: 70 Torr, deposition time: 4 hours, boron concentration: 10000 ppm.
<製造例2:ボロンドープダイヤモンド粒子(BDDP)の製造>
粒子状基材として、粒子径が40μm~60μmのダイヤモンド粒子を用いた。まず、ダイヤモンド粒子に含まれる不純物(Co、Fe、各種sp2カーボン等)を除去するため、既報に従って洗浄を行った。具体的には、ダイヤモンド粒子を、塩酸と硝酸とを体積比3:1で混合した王水中に浸漬して60℃で30分間加熱した後、30%過酸化水素水中に浸漬して60℃で30分間加熱した。その後、超純水、2-プロパノール、及びアセトンを用いて順に洗浄し、加熱炉で乾燥させた。次いで、洗浄後のダイヤモンド粒子を約0.8g秤量し、マイクロ波プラズマCVD法により、ダイヤモンド粒子の表面にBDD層を形成してBDDPを得た。成膜条件は、マイクロ波出力:1300W、ステージ温度:800℃、チャンバー内圧:50Torr、成膜時間:8時間、ホウ素濃度:20000ppmとした。<Production Example 2: Production of boron-doped diamond particles (BDDP)>
Diamond particles with a particle size of 40 μm to 60 μm were used as the particulate base material. First, in order to remove impurities (Co, Fe, various types of sp2 carbon, etc.) contained in the diamond particles, cleaning was performed according to the previous report. Specifically, the diamond particles were immersed in aqua regia, which was a mixture of hydrochloric acid and nitric acid at a volume ratio of 3:1, heated at 60°C for 30 minutes, and then immersed in 30% hydrogen peroxide water and heated to 60°C. Heated for 30 minutes. After that, it was washed with ultrapure water, 2-propanol, and acetone in that order, and dried in a heating furnace. Next, about 0.8 g of the washed diamond particles were weighed, and a BDD layer was formed on the surface of the diamond particles by microwave plasma CVD to obtain BDDP. The film formation conditions were microwave output: 1300 W, stage temperature: 800° C., chamber internal pressure: 50 Torr, film formation time: 8 hours, and boron concentration: 20000 ppm.
<製造例3:固定床電解処理装置の製造>
製造例1で得たBDD薄膜(2cm×2cm)上に、遠心チューブ(内面積:1cm2)を長さ10cmに切断した筒状部品を固定した。その際、液漏れが起きないように、筒状部品とBDD薄膜との間にOリング(内面積:1cm2)を介在させた。次いで、筒状部品の内部に、製造例2で得たBDDP(粒子径:40μm~60μm)を所定量だけ充填し、固定床電極(以下、「BDDP充填電極」という。)を構成した。そして、白金線を対電極として、図1に示す構成のバッチ式の固定床電解処理装置を製造した。以下に示す試験例1、2では、このバッチ式の固定床電解処理装置を用いて実験を行った。<Production Example 3: Production of Fixed Bed Electrolytic Treatment Apparatus>
A cylindrical part obtained by cutting a centrifuge tube (inner area: 1 cm 2 ) into a length of 10 cm was fixed on the BDD thin film (2 cm×2 cm) obtained in Production Example 1. At that time, an O-ring (inner area: 1 cm 2 ) was interposed between the cylindrical part and the BDD thin film so as not to cause liquid leakage. Next, a predetermined amount of BDDP (particle size: 40 μm to 60 μm) obtained in Production Example 2 was filled into the cylindrical part to form a fixed bed electrode (hereinafter referred to as “BDDP-filled electrode”). Using a platinum wire as a counter electrode, a batch-type fixed-bed electrolysis apparatus having the configuration shown in FIG. 1 was manufactured. In Test Examples 1 and 2 shown below, experiments were conducted using this batch-type fixed-bed electrolysis apparatus.
<試験例1:BDDP充填電極の電極表面積の評価>
BDDP充填電極の電極表面積がBDD薄膜電極よりも拡大するか、及びBDDPの充填量を増やすことによりBDDP充填電極の電極表面積が拡大するかを確認するため、サイクリックボルタンメトリー(CV)によりバックグラウンド電流の大きさを比較した。CV測定は、BDDP充填電極又はBDD薄膜電極を作用電極、白金線を対電極、Ag/AgCl電極を参照電極とし、0.1M 硫酸ナトリウム水溶液中で行った。測定電位は-1.3V~+1.8V(vs. Ag/AgCl)とし、走査速度は100mV/secとした。<Test Example 1: Evaluation of electrode surface area of BDDP-filled electrode>
Background current was measured by cyclic voltammetry (CV) to confirm whether the electrode surface area of the BDDP-filled electrode is larger than that of the BDD thin film electrode, and whether increasing the loading of BDDP increases the electrode surface area of the BDDP-filled electrode. compared the size of CV measurement was performed in a 0.1 M sodium sulfate aqueous solution using a BDDP-filled electrode or a BDD thin film electrode as a working electrode, a platinum wire as a counter electrode, and an Ag/AgCl electrode as a reference electrode. The measurement potential was −1.3 V to +1.8 V (vs. Ag/AgCl), and the scanning speed was 100 mV/sec.
CV測定により得られたサイクリックボルタモグラムを図3に示す。図3に示すとおり、BDDP充填電極を用いた場合のバックグラウンド電流は、BDD薄膜電極を用いた場合のバックグラウンド電流よりも大きく、その値はBDDPの充填量が増えるに従って増大した。このことから、BDDP充填電極の電極表面積はBDD薄膜電極の電極表面積よりも大きく、また、BDDPの充填量を増やすことによりBDDP充填電極の電極表面積が拡大することが分かる。 A cyclic voltammogram obtained by CV measurement is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the background current with the BDDP-filled electrode was higher than that with the BDD thin film electrode, and the value increased with increasing loading of BDDP. From this, it can be seen that the electrode surface area of the BDDP-filled electrode is larger than the electrode surface area of the BDD thin film electrode, and that the electrode surface area of the BDDP-filled electrode is increased by increasing the filling amount of BDDP.
<試験例2:バッチ式の固定床電解処理装置を用いたメチレンブルーの定電圧電解実験>
メチレンブルーを含有する水溶液を被処理水とし、BDDP充填電極又はBDD薄膜電極による定電圧電解実験を行った。メチレンブルーを用いることで、紫外可視(UV-vis)吸収スペクトルによる定量が可能となる。<Test Example 2: Constant-voltage electrolysis experiment of methylene blue using a batch-type fixed-bed electrolysis apparatus>
Using an aqueous solution containing methylene blue as water to be treated, a constant voltage electrolysis experiment was conducted using a BDDP-filled electrode or a BDD thin film electrode. The use of methylene blue allows quantification by ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectra.
支持電解質として0.1M 硫酸ナトリウムを含有する50μM メチレンブルー水溶液を調製し、BDDP充填電極(BDDP充填量:0.2g、0.4g、0.6g、0.8g)又はBDD薄膜電極(BDDP充填量:0g)を備えた電解処理装置の電解槽に5mL加えた。その後、60分間の定電圧電解を行い、メチレンブルー濃度の減少量を定量した。定電圧は3V、4V、又は5Vとした。メチレンブルー濃度の減少量を定量する際には、メチレンブルー水溶液の上澄み液を採取し、UV-vis測定を行った。そして、得られた吸光度から、予め作成しておいた検量線によりメチレンブルー濃度に換算した。 A 50 μM methylene blue aqueous solution containing 0.1 M sodium sulfate as a supporting electrolyte was prepared, and a BDDP-filled electrode (BDDP filling amount: 0.2 g, 0.4 g, 0.6 g, 0.8 g) or a BDD thin film electrode (BDDP filling amount : 0 g) was added to the electrolytic cell of the electrolyzer. After that, constant voltage electrolysis was performed for 60 minutes, and the decrease in methylene blue concentration was quantified. The constant voltage was 3V, 4V, or 5V. When quantifying the amount of decrease in methylene blue concentration, the supernatant liquid of the methylene blue aqueous solution was sampled and subjected to UV-vis measurement. Then, the obtained absorbance was converted to methylene blue concentration using a calibration curve prepared in advance.
60分間の定電圧電解を行った際のメチレンブルー濃度の減少量を図4に示す。図4に示すとおり、印加電圧が大きくなるほど、また、BDDP充填量が増加するほど、メチレンブルー濃度の減少量が増加した。 FIG. 4 shows the amount of decrease in methylene blue concentration when performing constant voltage electrolysis for 60 minutes. As shown in FIG. 4, the amount of decrease in methylene blue concentration increased as the applied voltage increased and as the BDDP filling amount increased.
また、定電圧電解を行った際のメチレンブルー濃度の時間変化を調べるため、5Vの定電圧で定電圧電解を行い、10分ごとに上記と同様にしてメチレンブルー濃度を定量した。なお、測定に用いた上澄み液は、廃液とせずに電解槽内に戻した。 In addition, in order to examine the change in methylene blue concentration over time during constant voltage electrolysis, constant voltage electrolysis was performed at a constant voltage of 5 V, and the methylene blue concentration was quantified every 10 minutes in the same manner as described above. The supernatant liquid used for the measurement was returned to the electrolytic cell without being discharged.
5Vの定電圧電解を行った際のメチレンブルー濃度の時間変化を図5に示す。図5は、メチレンブルーの初期濃度を100%としたときの相対値を表したものである。図5に示すとおり、BDDP充填電極を用いた場合には、電解処理の初期にメチレンブルー濃度が大きく減少し、メチレンブルー濃度が低くなるに従って減少速度が低下した。 FIG. 5 shows the change in methylene blue concentration over time when electrolysis was performed at a constant voltage of 5V. FIG. 5 shows relative values when the initial concentration of methylene blue is 100%. As shown in FIG. 5, when the BDDP-filled electrode was used, the methylene blue concentration decreased greatly at the beginning of the electrolysis treatment, and the decrease rate decreased as the methylene blue concentration decreased.
<試験例3:バッチ式の固定床電解処理装置によるOHラジカル生成の評価>
試験例3では、図6に示す構成のバッチ式の固定床電解処理装置1Aを使用して実験を行った。内容積5.5mLの電解槽10Aの内部には、製造例2で得たBDDP(粒子径:40μm~60μm)を所定量(0g、0.2g、0.4g、0.6g、0.8g)だけ充填して固定床電極(BDDP充填電極)10Aの充填層11Aを構成した。固定床電極10Aの集電体12A及び対電極20Aとしては、白金線を使用した。<Test Example 3: Evaluation of OH Radical Generation by Batch Type Fixed Bed Electrolytic Treatment Apparatus>
In Test Example 3, an experiment was conducted using a batch-type fixed-bed electrolysis apparatus 1A having the configuration shown in FIG. A predetermined amount (0 g, 0.2 g, 0.4 g, 0.6 g, 0.8 g) of BDDP (particle size: 40 μm to 60 μm) obtained in Production Example 2 was placed inside the
1.0mMのテレフタル酸二ナトリウム(NaTA)溶液を電解槽に5mL加え、5V、30分間の定電圧電解を行った後、波長425nmの蛍光強度を測定することにより、溶液中の2-ヒドロキシテレフタル酸(HTA)の濃度を測定した。電解処理により生じたOHラジカルによりNaTAがHTAへと変換されるため、HTAの濃度を測定することにより、OHラジカルの生成量を間接的に評価することができる。 5 mL of a 1.0 mM disodium terephthalate (NaTA) solution was added to the electrolytic cell, and electrolysis was performed at a constant voltage of 5 V for 30 minutes. Acid (HTA) concentrations were measured. Since NaTA is converted to HTA by OH radicals generated by electrolytic treatment, the amount of OH radicals generated can be indirectly evaluated by measuring the concentration of HTA.
定電圧電解後の溶液の蛍光スペクトルを図7Aに示し、HTA濃度を図7Bに示す。図7A及び図7Bに示すとおり、BDDP充填量が増加するほどHTA濃度が上昇しており、OH生成量が増加したことが分かる。 The fluorescence spectrum of the solution after constant voltage electrolysis is shown in FIG. 7A, and the HTA concentration is shown in FIG. 7B. As shown in FIGS. 7A and 7B, the HTA concentration increased as the loading of BDDP increased, and the amount of OH produced increased.
<試験例4:フロー式の固定床電解処理装置を用いたメチレンブルーの定電圧電解実験>
試験例4では、図8に示す構成のフロー式の固定床電解処理装置2Bを使用して実験を行った。内容積5.5mLの電解槽50Bの内部には、製造例2で得たBDDP(粒子径:40μm~60μm)を所定量(0.8g、1.6g、2.4g)だけ充填して固定床電極(BDDP充填電極)40Bの充填層41Bを構成した。固定床電極40Bの集電体42Bとしては白金線を使用し、対電極20Bとしては白金メッシュを使用した。なお、充填層41Bの上流側(図中下側)にはフィルタ43Bを配置したが、下流側(図中上側)にはフィルタを配置しなかった。<Test Example 4: Constant-voltage electrolysis experiment of methylene blue using a flow-type fixed-bed electrolysis apparatus>
In Test Example 4, an experiment was conducted using a flow-type fixed-
支持電解質として0.1M 硫酸ナトリウムを含有する50μM メチレンブルー水溶液を調製し、このメチレンブルー水溶液30mLをプランジャーポンプにより循環させながら、5V、360分間の定電圧電解を行い、メチレンブルー濃度の減少量を定量した。 A 50 μM methylene blue aqueous solution containing 0.1 M sodium sulfate as a supporting electrolyte was prepared, and constant voltage electrolysis was performed at 5 V for 360 minutes while circulating 30 mL of this methylene blue aqueous solution with a plunger pump to quantify the decrease in methylene blue concentration. .
BDDP充填量を0.8g、1.6g、又は2.4gとし、流速を2.0mL/minとしたときのメチレンブルー濃度の時間変化を図9に示す。また、BDDP充填量を0.8g又は1.6gとし、流速を0.5mL/min又は2.0mL/minとしたときのメチレンブルー濃度の時間変化を図10に示す。図9及び図10は、メチレンブルーの初期濃度を100%としたときの相対値を表したものである。図9及び図10に示すとおり、BDDP充填量が増加するほどメチレンブルー濃度の減少量が増加した。また、流速を2.0mL/minとした場合よりも、流速は0.5mL/minとした場合の方がメチレンブルー濃度の減少量が大きかった。これは、BDDP充填電極の下流側にフィルタを配置しなかったため、流速を2.0mL/minとした場合には充填層が崩れたためと推測される。 FIG. 9 shows changes in methylene blue concentration over time when the BDDP filling amount is 0.8 g, 1.6 g, or 2.4 g and the flow rate is 2.0 mL/min. FIG. 10 shows changes in methylene blue concentration over time when the BDDP filling amount is 0.8 g or 1.6 g and the flow rate is 0.5 mL/min or 2.0 mL/min. 9 and 10 show relative values when the initial concentration of methylene blue is 100%. As shown in FIGS. 9 and 10, the amount of decrease in methylene blue concentration increased as the loading of BDDP increased. In addition, the decrease in methylene blue concentration was greater when the flow rate was 0.5 mL/min than when the flow rate was 2.0 mL/min. It is presumed that this is because no filter was arranged downstream of the BDDP filling electrode, so that the filling layer collapsed when the flow rate was set to 2.0 mL/min.
1,1A 固定床電解処理装置(バッチ式)、2,2B 固定床電解処理装置(フロー式)、10,10A 固定床電極、11,11A 充填層、12,12A 集電体、20,20A,20B 対電極、30,30A 電解槽、40,40B 固定床電極、41,41B 充填層、42,42B 集電体、43a,43b,43B フィルタ、50,50B 電解槽 1, 1A fixed bed electrolysis device (batch type), 2, 2B fixed bed electrolysis device (flow type), 10, 10A fixed bed electrode, 11, 11A packed bed, 12, 12A current collector, 20, 20A, 20B counter electrode, 30, 30A electrolytic cell, 40, 40B fixed bed electrode, 41, 41B filling layer, 42, 42B current collector, 43a, 43b, 43B filter, 50, 50B electrolytic cell
Claims (5)
導電性ダイヤモンド粒子の充填層を有する、陽極としての固定床電極と、
陰極としての対電極と、
前記固定床電極及び前記対電極が配置されるとともに、前記被処理水が通液される流路を有する電解槽と、
を備え、
前記導電性ダイヤモンド粒子が、ダイヤモンドからなる粒子状基材の表面に導電性ダイヤモンド層が形成されたものであり、
前記固定床電極が前記流路の上流側に配置され、且つ、前記対電極が前記流路の下流側に配置されるか、又は、前記固定床電極が前記流路の下流側に配置され、且つ、前記対電極が前記流路の上流側に配置され、
前記充填層が、前記流路の断面全体に亘って設けられる固定床電解処理装置。 A fixed-bed electrolytic treatment apparatus for electrochemically treating water to be treated,
a fixed bed electrode as an anode, having a packed bed of conductive diamond particles;
a counter electrode as a cathode ;
an electrolytic cell in which the fixed bed electrode and the counter electrode are arranged and which has a channel through which the water to be treated flows;
with
The conductive diamond particles are obtained by forming a conductive diamond layer on the surface of a particulate substrate made of diamond,
The fixed bed electrode is arranged upstream of the channel and the counter electrode is arranged downstream of the channel, or the fixed bed electrode is arranged downstream of the channel, and the counter electrode is arranged upstream of the channel,
A fixed-bed electrolysis apparatus in which the packed bed is provided over the entire cross section of the channel .
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