(57)【要約】【課題】  円形状の電極を組み込んだ電気分解セルで、通液に際し電解液の短絡や不動部ができて電流効率が低下するのを防止する。【解決手段】  円形状の電極１５、１５同士が間隙を有して対向配置され、間隙周縁が周壁６ａで囲まれて電極室１８が形成され、周壁の一部に電解液導入口１６が開口され、他部に電解液排出口１７が開口されて電解液導入口１６から電解液排出口１７を通して電極室１８に電解液が通液されるように構成されている。電解液導入口１６の近傍の流路１６ａに、電解液導入口１６を通して電極室１８に導入される電解液が電極の幅方向全般に広がるように電解液を分流して下流側に向けて放射状に案内をする導入側案内部材２５、２６が設けられている。電解液が電極室１８内で円滑かつ均等に流れ、液流の短絡や不動部の発生が防止され、効率良く電解反応がなされる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円形状の電極同士が間隙を有して対向配置され、該間隙周縁が周壁で囲まれて電極室が形成されており、前記周壁の一部に電解液導入口が開口され、該周壁の他の一部に電解液排出口が開口されて前記電解液導入口から前記電解液排出口を通して前記電極室に電解液が通液されるように構成されているとともに、前記電解液導入口の近傍の流路に、該電解液導入口を通して前記電極室に導入される電解液が電極の幅方向全般に広がるように該電解液を分流して下流側に向けて放射状に案内をする導入側案内部材が設けられていることを特徴とする電気分解セル。
【請求項２】
前記電解液排出口の近傍の流路に、前記電極の幅方向全般から前記電解液排出口側に向けて流れる電解液を下流側に向けて収束させて前記電解液排出口に案内をする排出側案内部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電気分解セル。
【請求項３】
前記導入側案内部材は複数からなり、前記流路幅方向央部側の案内部材の案内偏向角度を小さくし、幅方向端部側の案内部材の案内偏向角度を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の電気分解セル。
【請求項４】
前記電極が導電性ダイヤモンド電極であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気分解セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、有機物含有水溶液の有機物分解処理や、水の分解に伴う酸化性物質の生成などに用いられ、特に産業排水等の電気化学処理に好適な電気分解セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排水の電解処理に使用される電極材質には金属が用いられてきたが、近年、ホウ素をドープしたダイヤモンド多結晶体を電極として用いた電解処理が注目されている（例えば特許文献１、特許文献２等参照）。
ダイヤモンド多結晶体の電極は、ダイヤモンドの性質から化学的電気的に非常に安定しており、またその広い電位窓によって多種の酸化剤を発生させることができるため、有機物分解や殺菌に適している。このため、難分解性有機排水の処理や殺菌処理等の水処理への適用が期待される。
【０００３】
導電性ダイヤモンド電極はＣＶＤを用いて結晶成長させることによって製作する場合が多く、これまで排水の電解処理に使用されてきた金属電極のように、複雑な電極形状をとることが難しい。また、導電性ダイヤモンド電極は一般的に金属電極よりも高価であるため、より大型の電極面積を得るためには、ＣＶＤで製作可能な最大形状に適用した電気分解セル構造をとることが望ましく、その結果、円形状とした電極が多くの場合に採用されている。
【０００４】
ところで、電気分解反応は、電極表面における処理液の線速度が大きいほど電解処理効果が高くなることが知られている（非特許文献１）。これは、電気分解反応の反応速度が電極表面への物質移動律速であり、処理液の線速度を高くすることによって、電解処理時に発生するガスが電極表面に留まることによる電極反応の阻害が少なくなるためである。このため、円形状の上記電極を間隙を有して対向設置し、該間隙の周縁を囲って電極室を形成し、この電極室に処理液を通液することで電解効率の向上を図っている。
【特許文献１】特開平７−２９９４６７号公報
【特許文献２】特開２０００−２２６６８２号公報
【非特許文献１】石原信秋、田中宗雄、上甲勲、中原敏次著、「火力発電所」、Ｖｏｌ．５１（２０００）１７１１−１７１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、円形状の電極を組み込んだ電気分解セルでは、処理液の線速度を高くとり過ぎると電解処理効果が逆に低下することがあった。これは線速度が高くなるとセル内部で液流の短絡が生じる一方、不動部となった個所には電気分解で発生した水素及び酸素などのガスが滞留して電極表面のブラインドとなり、結果的に有効電極面積が減少しているためと考えられる。またこのような現象が発生すると、電極に電流密度の濃淡が発生し、電極表面上の部分的な劣化を生じさせる可能性があるという問題もある。
【０００６】
本発明では、ＣＶＤで製作した導電性ダイヤモンドなどからなる電極の形状が円形状である場合に、その電極面積を有効に利用し、かつ効率よく電解処理するための電気分解セル構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明の電気分解セルのうち、請求項１記載の発明は、円形状の電極同士が間隙を有して対向配置され、該間隙周縁が周壁で囲まれて電極室が形成されており、前記周壁の一部に電解液導入口が開口され、該周壁の他の一部に電解液排出口が開口されて前記電解液導入口から前記電解液排出口を通して前記電極室に電解液が通液されるように構成されているとともに、前記電解液導入口の近傍の流路に、該電解液導入口を通して前記電極室に導入される電解液が電極の幅方向全般に広がるように該電解液を分流して下流側に向けて放射状に案内をする導入側案内部材が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の電気分解セルの発明は、請求項１記載の発明において、前記電解液排出口の近傍の流路に、前記電極の幅方向全般から前記電解液排出口側に向けて流れる電解液を下流側に向けて収束させて前記電解液排出口に案内をする排出側案内部材が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の電気分解セルの発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記導入側案内部材は複数からなり、流路幅方向央部側の案内部材の案内偏向角度を小さくし、幅方向端部側の案内部材の案内偏向角度を大きくすることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の電気分解セルの発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記電極が導電性ダイヤモンド電極であることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、電解液導入口から電解質に導入される電解液は、導入側案内部材によって分流されて電極の幅方向全般に確実に拡がって下流側に流れるように案内され、液流の短絡や不動部の発生が効果的に防止される。この結果、電極表面に電気分解で発生した水素や酸素などを効率よく電極表面から排出して均等で効率の良い電解反応を生じさせることができる。
【００１２】
また、上記導入側案内部材に加えて、電解液排出口側に電極の幅方向全般から前記電解液排出口側に向けて流れる電解液を下流側に向けて収束させて前記電解液排出口を設ければ、電解液の流れをより円滑にして電解質外部に排出することができ、電解液の流れの乱れに基づく短絡部や不動部の発生をさらに確実に防止する。
【００１３】
本発明では、少なくとも２枚の電極が間隙を有して対向設置されることで電解室が構成されるが、間隙を有して対向設置される電極の枚数は特に限定されるものではなく、それぞれの電極間において電極室が構成され、各電極室に上記案内部材を配置することができる。また、電解室の周壁に開口される電解液導入口および電解液排出口は、互いの位置関係を特に定めないが、好適には径方向において対向した位置が望ましい。
【００１４】
また、上記案内部材は、例えば流路に沿って配置される複数の案内板によって構成することができ、流路を流れる電解液を案内板の配置角度によって偏向させて電解液の流れを制御することができる。案内部材が複数で構成される場合、流路幅方向央部側の案内部材の案内偏向角度を小さくし、幅方向端部側の案内部材の案内偏向角度を大きくすることで、電極の幅方向全般に亘って電解液を拡げて流すことができる。
【００１５】
なお、本発明では、ダイヤモンド電極を用いた電気分解セルに好適なものとして適用することができるが、本発明としてはダイヤモンド電極を用いたものに限定されるものではなく、その他の種別の電極を用いた電気分解セルにおいても同様に適用することが可能である。なお、電極形状は円形状のものであればよく、真円に限定されず、楕円等の円形様の形状を含むものである。また、ダイヤモンド電極を用いる場合、通常はＣＶＤで製造されるが、本発明ではその製造方法について特に限定されるものではない。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の電気分解セルによれば、円形状の電極同士が間隙を有して対向配置され、該間隙周縁が周壁で囲まれて電極室が形成されており、前記周壁の一部に電解液導入口が開口され、該周壁の他の一部に電解液排出口が開口されて前記電解液導入口から前記電解液排出口を通して前記電極室に電解液が通液されるように構成されているとともに、前記電解液導入口の近傍の流路に、該電解液導入口を通して前記電極室に導入される電解液が電極の幅方向全般に広がるように該電解液を分流して下流側に向けて放射状に案内をする導入側案内部材が設けられているので、電解液が電極室内で電極表面全般に亘って円滑に流れ、液流の短絡や不動部の発生が効果的に防止され、効率の良い電解反応がなされる。また、電極表面における電流密度の濃淡も生じにくくなり、電極の部分的な損耗を防止する。さらにガスの滞留などが効果的に防止されるため処理液の線速度を高くして電解処理効果をさらに高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
電極ハウジングは、８枚のガスケット５…５と７枚の絶縁性のスペーサ６…６を交互に介在させて分割電極ハウジング１ａ、１ｂを対向設置することによって構成されており、両分割電極ハウジング１ａ、１ｂは、両側からエンドプレート７ａ、７ｂで狭持されてタイロッド８およびナット９によって固定されている。なお、分割電極ハウジング１ａ、１ｂの両端部側（図１示上下端部）には、それぞれ対向して通水路２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂを構成する貫通孔が形成されている。なお、この実施形態では、通水路２ａ、２ｂの一方に、封止ねじが螺合され、通水路３ａ、３ｂの一方に、封止ねじが螺合されて、通水路２ａ、２ｂの一方と、通水路３ａ、３ｂの一方とが通水するように構成されている。
【００１８】
また、前記分割電極ハウジング１ａ、１ｂの対向部の凹部には、それぞれ円形溝が形成され、該円形溝内に嵌合するように、円盤状で銅などの導電性金属でできた給電プレート１０、１１が設置されている。該給電プレート１０、１１より僅かに大きく、周囲を取り囲むようにフッ素樹脂などでできたＯリング３２、３３が配置されている。該給電プレート１０、１１の内面と他部の分割電極ハウジング１ａ、１ｂの内面とはほぼ面一になって最も両外側に位置するガスケット５と接している。
【００１９】
前記各ガスケット５…５は、図３に示すように薄板形状からなり、その中央部に後述する円形状の電極の大きさを僅かに超える大きさの円形状孔５ａが形成され、該円形状孔５ａの上下端部からそれぞれ上下方向に山形に膨出して前記通水路２ａ…３ｂの周囲を囲む膨出孔５ｂが形成されている。
また、前記スペーサ６は、図３に示すように平板形状からなり、後述する電極間の間隙を設定する厚さを有している。該スペーサ６は、その中央部に後述する円形状の電極の大きさよりも僅かに小さい大きさの円形状孔６ａが形成され、該円形状孔６ａの上下端部からそれぞれ上下方向に山形に膨出して前記通水路２ａ…３ｂの周囲を囲む膨出孔６ｂが形成されており、該膨出孔６ｂは、上記膨出孔５ｂよりも僅かに小さい形状を有している。また、各スペーサ６には、共通する位置に位置決め用貫通孔が形成されており、分割電極ハウジング１ａ、１ｂ間に積層する際に、該貫通孔に位置決めピン１２を貫通させて位置決めが行われている。
【００２０】
前記給電プレート１０、１１の内側には、前記ガスケット５の円形状孔５ａよりも僅かに径が小さく、前記Ｏリング３２、３３よりも僅かに径が大きい円形状の陽極１３および陰極１４が電極として導電性樹脂などにより接着している。該導電性プレート１０、１１の中心に接続する軸状の給電部２０ａ、２０ｂが電極分割ハウジング１ａ、１ｂ、エンドプレート７ａ、７ｂを貫通しており、該給電部２０ａ、２０ｂの外周面には筒状の絶縁パイプ２１ａ、２１ｂで覆われている。なお、給電部２０ａ、２０ｂのエンドプレート７ａ、７ｂ外側の露出部分は、端子ボックス２２ａ、２２ｂによって覆われて、図示しない直流電源が接続される。
【００２１】
前記陽極１３および陰極１４の内側には、前記スペーサ６が位置して陽極１３および陰極１４よりも僅かに内側に前記円形状孔６ａが位置している。該スペーサ６の内側にはさらに他のガスケット５が位置し、該ガスケット５の円形状孔５ａの内周側に円形状のバイポーラ電極１５が電極として配置されている。該バイポーラ電極１５同士は、前記スペーサ６の厚さ分の間隙を有して配置されている。上記配置を繰り返すことにより、陽極１３および陰極１４の内側には、スペーサ６の厚さ分の間隙を有して６枚のバイポーラ電極１５が配置されている。なお、上記陽極１３、陰極１４、バイポーラ電極１５…１５は、ダイヤモンドの合成の際にボロンまたは窒素の所定量をドープして導電性を付与したダイヤモンド電極により構成することができる。特に陽極をダイヤモンド電極とするのが望ましい。ドープ量は、少なすぎると技術的意義が発生せず、多すぎてもドープ効果が飽和するため、ダイヤモンドの炭素量に対して、５０〜２０,０００ｐｐｍの範囲のものが適している。なお、本発明としてはダイヤモンド電極に限定されるものではなく、Ｐｔ、Ｐｂ等の他の材質からなるものであってもよく、また、陽極、陰極、バイポーラ電極が互いに異なる材質からなるものであってもよい。また、本発明では、バイポーラ電極を備えず、電極の全てが電源に接続されるものであってもよい。
【００２２】
各電極間の間隙は、その周縁がスペーサ６の円形状孔６ａの内周壁で囲まれて電極室１８を構成しており、円形状孔６ａと膨出孔６ｂとの連結部分が電解液導入口１６と電解液排出口１７とを構成している。また、膨出孔６ｂの内周壁で囲まれて通水路２ａ…３ｂに連なる空間は、それぞれ電解液導入流路１６ａおよび電解液排出流路１７ａを構成しており、前記電解液導入口１６および電解液導入流路１６ａと、電解液排出口１７および電解液排出流路１７ａは径方向において互いに対向している。
【００２３】
該電解液導入流路１６ａには、電解液導入口１６の近傍であって該流路の幅方向中央部に、２枚の壁板状の導入側案内部材２５、２５が電解液排出口１７方向に真直に向いて互いに間隙を有して配置されている。すなわち案内変更角度は０度に設定されている。また、該導入側案内部材２５、２５の外側には導入側案内部材２５と間隙を有して壁板状の導入側案内部材２６、２６が配置されている。該導入側案内部内２６は、内側面が電解液排出口１７方向に真直に沿い、内側先端面は、斜め外側（電極幅方向端部）に向いた案内偏向角度を有している。また、導入側案内部材２６の外側面は、電極の幅方向端部側に向いた大きな案内偏向角度を有している。上記導入側案内部材２５、２６の配置および形状は、電解液導入口１６を通して電極室に導入される電解液が、電極の幅方向全般に拡がるように放射状に案内されるように構成される。
【００２４】
一方、電解液排出流路１７ａには、電解液排出口１７の近傍であって該流路の幅方向中央部に、壁板状の２枚の排出側案内部材２７、２７が電解液導入口１６方向に真直に向いて互いに間隙を有して配置されている。また、該排出側案内部材２７の外側には排出側案内部材２７と間隙を有して排出側案内部材２８、２８が配置されている。該案内部内２８は、内側面が電解液導入口１６方向に真直に向き、内側先端面は、電極の幅方向端部側に向いた案内偏向角度を有している。
また、排出側案内部材２８の外側面は、電極の幅方向端部側に向いた案内偏向角度を有している。上記排出側案内部材２７、２８の配置および形状は、電解液排出口１６を通して電極室から排出される電解液が、電極の幅方向全般から流れ込んで収束して電解液排出口１６に案内されるように構成される。
なお、上記案内部材２５…２８は、電極間間隙と略同じ厚さを有しており、電解液導入流路１６ａおよび電解液排出流路１７ａを流れる電解液の全量が案内の対象になっている。
【００２５】
なお、各案内部材２５…２８は、各電極間にそれぞれ配置されており、それぞれが軸方向に貫通する位置決めピン３０、３０によって位置決め固定されており、位置決めピン３０が貫通する部位には、それぞれＯリング３１…３１が配置されている。
以上により、本発明の一実施形態の電気分解セルが構成されている。
【００２６】
次に、上記電気分解セルの作用について説明する。
通水路２ａまたは２ｂ（例えば通水路２ａ）に流入する電解液は、電解液導入流路１６ａに流入し、各電極間の電解液導入口１６に流入する。電解液は、その際に導入側案内部材２５、２６によって分流され、中央側の電解液は、導入側案内部材２５によってそのまま真っ直ぐに案内され、それよりも外側の電解液は、導入側案内部材２５と導入側案内部材２６の間で真っ直ぐに案内された後、外側に拡がるように案内される。また、導入側案内部材２６の外側に分流された電解液は、導入側案内部材２６の外側面の案内偏向角度によって外側に拡がるように案内される。上記導入側案内部材２５、２６の作用によって電解液は、電極の幅方向全般に拡がるように放射状に案内されて電極の全面に亘って円滑に電解液が流れる。電極室１８の下流域では、スペーサ６の内周壁に規制されつつ電解液が電解液排出口１６に向けて流れる。電解液排出口１７では、電極の外側を流れる電解液は、排出側案内部材２８によって電解液排出口１７に向けて案内され、それよりも内側では排出側案内部材２７、２８によって電解液排出口１７に向けて案内され、電極の中央部を流れる電解液は、排出側案内部材２７、２７間を電解液排出口１７に向けて流れる。上記排出側案内部材２７、２８の作用によって電解液は、電極の幅方向全般で流れている電解液は、電解液排出口１７に向けて収束するように速やかに電解液排出口１７から排出される。電解液排出口１７から排出される電解液は、電解液排出流路１７ａを通して通水路３ａまたは３ｂ（例えば通水路３ｂ）を通して外部に送出される。上記により、電極室１８内を電解液が円滑に通液される。この際の通液線速度は１〜１０，０００ｍ／ｈｒが望ましい。
【００２７】
上記電解液の通液に際しては、給電部２０ａ、２０ｂを通して図示しない直流電源より陽極１３、陰極１４間に通電する。すると、バイポーラ電極１５…１５が分極し、所定の間隔で陽極、陰極が出現する。各電極室１８では、この通電によって電解液に対する電気分解反応が生じる。電解液が有機物含有水溶液である場合には、電気分解によって有機物分解処理が効果的になされる。
また、電解液の通液では、電極の全面に亘って円滑に流れるため、電気分解反応によって生じたガスが滞留することもなく、反応が効率的になされる。また、電流密度の濃淡も生じにくいので、電極の部分的な損耗を防止できる。
以上、上記実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態の説明に限定されるものではなく、本発明の範囲内において変更が可能である。
【実施例１】
【００２８】
次に、本発明の一実施例を比較例と比較しつつ説明する。
上記実施形態で説明した電気分解セルの電極枚数を３枚に変更して構成した電気分解セルを用意し、図４に示す水処理装置を構成した。なお、各電極は直径１００ｍｍ、厚み０．５ｍｍの円形ダイヤモンド電極で構成され、互いに５ｍｍの距離を有するものとした。
該水処理装置は、処理水４０を貯留する貯水タンク４１と、該貯水タンク４１から前記電気分解セルの通水路２ａまたは２ｂに処理水を供給する送液管４２および送液ポンプ４３と、前記電気分解セルの通水路３ａまたは３ｂから排水される処理水を貯水タンク４１に返送する返送管４４とを備えており、上記構成によって処理水を電解反応セルによって循環反応させることができる。
また、比較例として、案内部材２５〜２８を有しない以外は、上記実施例と同様の構成を有する電気分解セルを用意し、上記と同様にして水処理装置を構成した。
【００２９】
処理水は、支持電解質である硫酸ナトリウムと、ポリエチレングリコールを１０００ｍｇ／ｌ  ａｓ  ＴＯＣ含有するものとした。これを５ｌ用いて、バッチ処理した。
直流電源から投入する電流量を１４Ａ、処理液の電気分解セルへの流量を２０００ｌ／ｈｒとして、案内部材を備える場合と備えない場合での電解処理効果を比較した。試験結果を図５に示した。
図５から明らかなように、案内部材を有する電気分解セルを用いると、案内部材を備えていない電気分解セルを用いた場合に比べ、電解処理効果が高くなることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態の正面断面図である。
【図２】同じく側面図および側面断面図である。
【図３】同じく分解斜視図である。
【図４】本発明の実施例における水処理装置の概略図である。
【図５】同じく実施例における試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ａ、１ｂ    分割電極ハウジング
２ａ、２ｂ    通水路
３ａ、３ｂ    通水路
５    ガスケット
６    スペーサ
６ａ  円形状孔
６ｂ  膨出孔
１３    陽極
１４    陰極
１５    バイポーラ電極
１６    電解液導入口
１６ａ  電解液導入流路
１７    電解液排出口
１７ａ  電解液排出流路
１８    電極室
２５    導入側案内部材
２６    導入側案内部材
２７    排出側案内部材
２８    排出側案内部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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