(57)【要約】【課題】微生物の増殖を促進し、さらに設計自由度を向上させることが可能な液体処理システムを提供する。【解決手段】液体処理システム１００，１００Ａは、有機性物質を含む被処理液６０を保持する処理槽７０と、処理槽の内部に設けられ、酸素を還元する正極１０を備える、一又は二以上の電極ユニット１と、処理槽の内部に設けられ、正極と電気的に接続し、さらに微生物を担持する膨張黒鉛粒子群２０と、を備える。そして、処理槽７０に流入した被処理液６０の少なくとも一部が、膨張黒鉛粒子群２０の内部を通過する。【選択図】図１
2019076833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性物質を含む被処理液を保持する処理槽と、
前記処理槽の内部に設けられ、酸素を還元する正極を備える、一又は二以上の電極ユニットと、
前記処理槽の内部に設けられ、前記正極と電気的に接続し、さらに微生物を担持する膨張黒鉛粒子群と、
を備え、
前記処理槽に流入した前記被処理液の少なくとも一部が、前記膨張黒鉛粒子群の内部を通過する、液体処理システム。
【請求項２】
前記膨張黒鉛粒子群は自立する、請求項１に記載の液体処理システム。
【請求項３】
前記膨張黒鉛粒子群の密度が０．００１ｇ／ｃｍ３〜０．１ｇ／ｃｍ３である、請求項１又は２に記載の液体処理システム。
【請求項４】
前記膨張黒鉛粒子群の電気抵抗率が０．００１Ω・ｃｍ〜０．１Ω・ｃｍである、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液体処理システム。
【請求項５】
前記処理槽は、前記被処理液の流入口及び流出口を有し、
前記流入口と前記流出口との間に、前記電極ユニット及び前記膨張黒鉛粒子群が配置される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液体処理システム。
【請求項６】
前記膨張黒鉛粒子群は、前記電極ユニットと前記処理槽との間、及び隣接する前記電極ユニットの間の少なくとも一方に設けられる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体処理システム。
【請求項７】
前記正極は前記被処理液に浸漬し、前記正極の少なくとも一部は気相に露出する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の液体処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体処理システムに関する。詳細には本発明は、廃水を浄化し、かつ、電気エネルギーを生成することが可能な微生物燃料電池を用いた液体処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、持続可能なエネルギーとして、バイオマスを利用して発電をする微生物燃料電池が注目されている。微生物燃料電池は、生活廃水や工場廃水に含まれる有機性物質や窒素含有化合物の化学エネルギーを電気エネルギーに変換しつつ、有機性物質や窒素含有化合物を酸化分解して処理する廃水処理装置である。そして、微生物燃料電池は、汚泥の発生が少なく、さらにエネルギー消費が少ない特徴を有する。
【０００３】
微生物燃料電池は、微生物を担持する負極と、酸素を含む気相及び電解液に接触する正極とを有する。そして、有機性物質などを含有する電解液を負極に供給するとともに、酸素を含んだ気体を正極に供給する。負極及び正極は、負荷回路を介して相互に接続することにより閉回路を形成する。負極では、微生物の触媒作用により電解液から水素イオン及び電子を生成する。そして、生成した水素イオンは正極へ移動し、電子は負荷回路を介して正極へ移動する。負極から移動した水素イオン及び電子は正極において酸素と結合し、水となって消費される。その際に、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。
【０００４】
従来の微生物燃料電池としては、直径が１．５ｍｍ〜５ｍｍであり、微生物（電流生成菌）が付着した粒子状黒鉛をアノードとし、フェリシアン化物水溶液をカソードとした微生物燃料電池が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。そして、非特許文献１において、粒子状黒鉛は筒状容器の内部に充填され、さらに、筒状容器の内部には、電解液が連続的に供給されることが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Korneel Rabaey et al., “Tubular Microbial Fuel Cells for Efficient Electricity Generation”, Environmental Science & Technology, 2005, 39 (20), pp 8077-8082
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、非特許文献１の微生物燃料電池で使用されている粒子状黒鉛は、比表面積が８１７〜２７２０ｍ２／ｍ３と小さい。そのため、粒子状黒鉛は微生物が付着するサイトが少なく、微生物の増殖が進行し難いという問題があった。また、粒子状黒鉛の間の接触抵抗を低減するためには、筒状容器の内部に粒子状黒鉛を密にパッキングする必要がある。そのため、筒状容器や外壁等を用い、粒子状黒鉛に対して常に外圧負荷を掛ける必要があることから、微生物燃料電池の設計自由度が制限されるという問題があった。
【０００７】
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、微生物の増殖を促進し、さらに設計自由度を向上させることが可能な液体処理システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の態様に係る液体処理システムは、有機性物質を含む被処理液を保持する処理槽と、処理槽の内部に設けられ、酸素を還元する正極を備える、一又は二以上の電極ユニットと、処理槽の内部に設けられ、正極と電気的に接続し、さらに微生物を担持する膨張黒鉛粒子群と、を備える。そして、処理槽に流入した被処理液の少なくとも一部が、膨張黒鉛粒子群の内部を通過する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、微生物の増殖を促進し、さらに設計自由度を向上させることが可能な液体処理システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る液体処理システムの一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る液体処理システムの一例を示す概略平面図である。
【図４】液体処理システムにおける電極ユニットを示す分解斜視図である。
【図５】膨張黒鉛粒子群の一例を示す写真である。
【図６】本発明の実施形態に係る液体処理システムの他の例を示す概略平面図である。
【図７】図６中のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図８】図６中のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図９】実施例の液体処理システムにおける定常出力及び全有機体炭素処理率（ＴＯＣ処理率）と稼働日数との関係を示すグラフである。
【図１０】比較例の液体処理システムにおける定常出力及び全有機体炭素処理率と稼働日数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本実施形態に係る液体処理システム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。
【００１２】
本実施形態に係る液体処理システム１００は、図１に示すように、正極１０を有する電極ユニット１と、正極１０と電気的に接続し、さらに負極として作用する膨張黒鉛粒子群２０とを備えている。また、液体処理システム１００は、有機性物質を含む被処理液６０を内部に保持し、さらに電極ユニット１及び膨張黒鉛粒子群２０が被処理液６０に浸漬するように配置される処理槽７０を備えている。
【００１３】
［電極ユニット］
電極ユニット１は、図１〜図３に示すように、正極１０及びイオン移動層３０からなる電極接合体４０を備えている。電極ユニット１では、イオン移動層３０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がイオン移動層３０と接触し、撥水層１１が気相２側に露出している。また、イオン移動層３０における面３０ｂと反対側の面３０ａに、膨張黒鉛粒子群２０が接触するように配置されている。
【００１４】
図４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いる。
【００１５】
図２に示すように、二組の電極接合体４０とカセット基材５０とを積層してなる電極ユニット１は、大気と連通した気相２が形成されるように、処理槽７０の内部に配置される。処理槽７０の内部には廃水である被処理液６０が保持されており、正極１０のガス拡散層１２及びイオン移動層３０、並びに膨張黒鉛粒子群２０は被処理液６０に浸漬されている。
【００１６】
後述するように、正極１０は撥水性を有する撥水層１１を備えている。そのため、処理槽７０の内部に保持された被処理液６０とカセット基材５０の内部とは隔てられ、電極接合体４０及びカセット基材５０により形成された内部空間は気相２となっている。そして、液体処理システム１００では、この気相２が外気に開放されるか、あるいは気相２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及び膨張黒鉛粒子群２０は、それぞれ外部回路８０と電気的に接続されている。
【００１７】
（正極）
本実施形態に係る正極１０は、図２に示すように、撥水層１１と、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２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。
【００１８】
＜撥水層＞
正極１０における撥水層１１は、撥水性と酸素透過性とを併せ持つ層である。撥水層１１は、電極ユニット１における電気化学系中の気相２と液相とを良好に分離しながら、気相２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、撥水層１１は、気相２中の酸素を透過してガス拡散層１２へ移動させつつも、被処理液６０が気相２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。
【００１９】
撥水層１１は、酸素を含む気相２と接触しており、気相２中の酸素を拡散している。そして、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、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、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、撥水層１１の内部に被処理液６０が染み込み難いため、撥水層１１における気相２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。
【００２０】
撥水層１１は、シート状に形成されていることが好ましい。また、撥水層１１を構成する材料は、撥水性を有し、気相２中の酸素を拡散できれば特に限定されない。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、撥水層１１は、撥水層１１及びガス拡散層１２の積層方向Ｚに複数の貫通孔を有することが好ましい。
【００２１】
撥水層１１としては、例えば防水透湿シートを使用することができる。防水透湿シートとしては、例えば、積水化学工業株式会社製のセルポア（登録商標）、及び株式会社ニトムズ製のブレスロン（登録商標）を用いることができる。
【００２２】
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、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。
【００２３】
＜ガス拡散層＞
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８０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８０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。
【００２４】
正極１０では、安定的な性能を確保するために、酸素が撥水層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、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。
【００２５】
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、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、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、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、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、グラファイトホイル、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。
【００２９】
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二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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
炭素系材料にドープされ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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
（イオン移動層）
本実施形態の電極ユニット１は、負極として作用する膨張黒鉛粒子群２０と正極１０との間に設けられ、電気絶縁性及びプロトン透過性を有するイオン移動層３０をさらに備える。そして、図１及び図２に示すように、膨張黒鉛粒子群２０は、イオン移動層３０を介して正極１０と隔てられている。イオン移動層３０は、膨張黒鉛粒子群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。
【００４３】
イオン移動層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。
【００４４】
また、イオン移動層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、イオン移動層３０は、膨張黒鉛粒子群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、イオン移動層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、イオン移動層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、イオン移動層３０の細孔径は、膨張黒鉛粒子群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。
【００４５】
上述のように、イオン移動層３０は、膨張黒鉛粒子群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、膨張黒鉛粒子群２０と正極１０とが接触しない状態で近接していれば、水素イオンが膨張黒鉛粒子群２０から正極１０へ移動することができる。そのため、液体処理システム１００において、イオン移動層３０は必須の構成要素ではない。ただ、イオン移動層３０を設けることにより、膨張黒鉛粒子群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イオン移動層３０を設けることが好ましい。なお、正極１０とイオン移動層３０との間に間隔が設けられていてもよく、また膨張黒鉛粒子群２０とイオン移動層３０との間も間隔が設けられていてもよい。
【００４６】
液体処理システム１００は、図２に示すように、正極１０及び膨張黒鉛粒子群２０に電気的に接続する外部回路８０を備えている。ただ、液体処理システムでは、外部回路８０を介さず、導電部材を用いて、正極１０及び膨張黒鉛粒子群２０が電気的に直接接続されていてもよい。また、電極ユニット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。
【００４７】
［処理槽］
液体処理システム１００は、有機性物質を含む被処理液６０を内部に保持する、略直方体状の処理槽７０を備える。処理槽７０には、被処理液６０を処理槽７０に供給するための流入口７１と、処理後の被処理液６０を処理槽７０から排出するための流出口７２とが設けられている。本実施形態において、流入口７１は処理槽７０の前壁７３の下部に設けられ、流出口７２は処理槽７０の後壁７４の上部に設けられている。
【００４８】
被処理液６０は、流入口７１を通じて処理槽７０の内部に連続的に供給される。また、図１及び図２に示すように、電極ユニット１及び膨張黒鉛粒子群２０は、被処理液６０に浸漬するように処理槽７０の内部に配置されている。そのため、処理槽７０の流入口７１から供給された被処理液６０は、電極ユニット１及び膨張黒鉛粒子群２０に接触しながら流れ、その後、流出口７２から排出される。
【００４９】
液体処理システム１００において、電極ユニット１は、平面視した際、流入口７１から流出口７２に向かう方向に沿って配列していることが好ましい。具体的には、図１及び図３のように、液体処理システム１００において、流入口７１は処理槽７０の前壁７３に設けられ、流出口７２は前壁７３に対向する後壁７４に設けられている。そして、電極ユニット１における膜状の正極１０及びイオン移動層３０が、流入口７１から流出口７２に向かう方向（Ｘ方向）に略平行になるように、電極ユニット１が処理槽７０の内部に配置されていることが好ましい。これにより、後述するように、液体処理システムの内部に複数の電極ユニット１を配置した場合であっても、各電極ユニット１に接触する被処理液６０中の有機性物質の濃度を同程度にすることができる。その結果、各電極ユニット１の発電量を均一化することが可能となる。
【００５０】
［膨張黒鉛粒子群］
液体処理システム１００は、負極として作用し、膨張黒鉛を含有する膨張黒鉛粒子群２０を備えている。膨張黒鉛粒子群２０は、微生物を担持し、さらに微生物の触媒作用により、被処理液６０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機能を有する。
【００５１】
膨張黒鉛粒子群２０に担持される微生物としては、被処理液６０中の有機性物質又は窒素含有化合物を分解して、水素イオン及び電子を生成する電流生成菌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、被処理液６０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。
【００５２】
なお、膨張黒鉛粒子群２０に担持される微生物が嫌気性微生物である場合には、嫌気性微生物の活動を高めるため、膨張黒鉛粒子群２０の周囲を嫌気性雰囲気に保つことが好ましい。
【００５３】
膨張黒鉛粒子群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、膨張黒鉛粒子群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。
【００５４】
膨張黒鉛粒子群２０に、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、膨張黒鉛粒子群２０に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、微生物は、バイオフィルムによらずに膨張黒鉛粒子群２０に保持されていてもよい。また、微生物は、膨張黒鉛粒子群２０の表面だけでなく、内部に保持されていてもよい。
【００５５】
液体処理システム１００において、被処理液６０は、膨張黒鉛粒子群２０の内部を、膨張黒鉛の表面と接触しながら流れる。そのため、膨張黒鉛粒子群２０は被処理液６０の流路全体に充填されるように配置されていてもよく、また、被処理液６０の流路の一部にのみ配置されていてもよい。
【００５６】
具体的には、膨張黒鉛粒子群２０を電極ユニット１と処理槽７０との間に設ける場合には、図２及び図３に示すように、電極ユニット１と処理槽７０の左壁７５との間の全体に、膨張黒鉛粒子群２０を配置することが好ましい。同様に、電極ユニット１と処理槽７０の右壁７６との間の全体に、膨張黒鉛粒子群２０を配置することが好ましい。ただ、本実施形態はこのような態様に限定されず、電極ユニット１と、処理槽７０の左壁７５及び右壁７６との間の一部に、膨張黒鉛粒子群２０を配置してもよい。
【００５７】
液体処理システム１００において、膨張黒鉛粒子群２０の上端２１が被処理液６０の水面よりも高くなるように配置されることが好ましい。具体的には、図２に示すように、膨張黒鉛粒子群２０の上端２１が被処理液６０の水面６１よりも高く、上端２１が被処理液６０から露出するように、処理槽７０の内部に配置されることが好ましい。ただ、本実施形態はこのような態様に限定されず、膨張黒鉛粒子群２０の上端２１が被処理液６０の水面６１よりも低くなっていてもよい。
【００５８】
図２において、膨張黒鉛粒子群２０の下端２２は、処理槽７０の底壁７７と接触している。ただ、本実施形態はこのような態様に限定されず、膨張黒鉛粒子群２０の下端２２と処理槽７０の底壁７７との間に間隙が存在していてもよい。
【００５９】
また、図３に示すように、膨張黒鉛粒子群２０は、被処理液６０の流れ方向（Ｘ方向）において、電極ユニット１の後端１ａよりも上流側に配置することが好ましい。つまり、膨張黒鉛粒子群２０の後端２３は、電極ユニット１の後端１ａよりも上流側に位置することが好ましい。ただ、このような態様に限定されず、膨張黒鉛粒子群２０の後端２３は、電極ユニット１の後端１ａよりも下流側に位置してもよい。
【００６０】
図３に示すように、膨張黒鉛粒子群２０は、被処理液６０の流れ方向において、電極ユニット１の前端１ｂよりも下流側に位置することが好ましい。つまり、膨張黒鉛粒子群２０の前端２４は、電極ユニット１の前端１ｂよりも下流側に位置することが好ましい。ただ、このような態様に限定されず、膨張黒鉛粒子群２０の前端２４は、電極ユニット１の前端１ｂよりも上流側に位置してもよい。
【００６１】
上述のように、本実施形態の液体処理システムでは、微生物を担持する導電性担体として、複数の膨張黒鉛粒子を備える膨張黒鉛粒子群２０を用いている。膨張黒鉛は、天然黒鉛を硫酸などの酸で処理して層間化合物を作り、その粉体を急速加熱することによって、黒鉛のｃ軸方向を１５０〜７００倍に膨張させたものである。そのため、膨張黒鉛は黒鉛と比較して嵩密度が非常に小さく、微生物を担持する細孔を多数有している。
【００６２】
ここで、図５では、後述する実施例で用いた膨張黒鉛粒子を、密度を異ならせて成形した膨張黒鉛粒子群の様子を示す。図５の（ａ）では、密度が０．００９１８ｇ／ｃｃとなるように成形した膨張黒鉛粒子群を示し、図５の（ｂ）では、密度が０．０１１５８ｇ／ｃｃとなるように成形した膨張黒鉛粒子群を示す。なお、図５の膨張黒鉛粒子群は、直径が約５ｃｍの円柱となるように成形したものである。
【００６３】
文献（吉元昭二、外１名、"膨張化グラファイトの合成"、［online］、2008年12月、愛知県産業技術研究所、インターネット〈URL：http://www.aichi-inst.jp/sangyou/research/report/kougyo_2008_02.pdf〉）では、膨張黒鉛粒子の比表面積は１０．６ｍ２／ｇであることが記載されている。そして、膨張黒鉛粒子の比表面積が１０．６ｍ２／ｇの場合、図５の（ａ）に示す膨張黒鉛粒子群の比表面積は、８４３７６ｍ２／ｍ３となる。また、図５の（ｂ）に示す膨張黒鉛粒子群の比表面積は、９７３０８ｍ２／ｍ３となる。つまり、図５に示す膨張黒鉛粒子群の比表面積は、非特許文献１の粒子状黒鉛と比較して１０倍以上増加する。膨張黒鉛粒子群の高い比表面積は、微生物の付着サイトが増加することを意味している。そして、微生物の付着サイトが増加することにより、微生物の増殖も促進することができる。そのため、処理槽７０に流入する少なくとも一部の被処理液６０が膨張黒鉛粒子群２０の内部を透過することにより、被処理液６０と微生物との接触が高まり、高度な水処理性能及び発電性能を実現することが可能となる。
【００６４】
さらに、図５より、実施例で用いた膨張黒鉛粒子は、密度が約０．００９ｇ／ｃｃ以上で成形性が保たれ、自立できることが分かる。つまり、膨張黒鉛粒子の集合体は、支えるものを用いなくても、膨張黒鉛粒子そのものだけで立つことができる。膨張黒鉛粒子はグラフェン層が広がった構造を有しているため、一般的に粒子同士が絡み易く、バインダー無しで成形することが可能である。そして、図５に示す膨張黒鉛粒子群でも、このような効果が作用している。
【００６５】
そして、液体処理システム１００では、膨張黒鉛粒子群２０が負極として作用するため、膨張黒鉛粒子群２０が自立することで、液体処理システム１００の設計自由度を高めることが可能となる。つまり、粒子群のみで自立することができない非特許文献１の粒子状黒鉛や活性炭粒子を負極として用いた場合、粒子間の接触抵抗を低減するために密にパッキングする必要がある。そのため、管や外壁等を用いて、粒子群へ常に外圧を掛けることが求められる。したがって、一般的には、粒子状黒鉛や活性炭粒子をチューブや箱状構造体の内部に充填し、ネジ締め等によって周囲から外圧を掛ける構造設計が求められる。
【００６６】
これに対して、本実施形態の液体処理システム１００では、膨張黒鉛粒子群は、常に外圧を掛けなくても自立することができる。そのため、膨張黒鉛粒子群をチューブ等に充填し、ネジ締め等によって周囲から外圧を掛ける構造設計が不要となることから、小〜大サイズの処理槽に対して容易に適用することが可能となる。また、図５に示す膨張黒鉛粒子群の抵抗率を四端子法にて測定したところ、３．７ｅ−２Ω・ｃｍ以下であった。このことから、膨張黒鉛粒子群は、高い発電性能を得るのに十分な低抵抗であることが分かる。
【００６７】
本実施形態において、膨張黒鉛粒子群２０の密度は、０．００１ｇ／ｃｍ３〜０．１ｇ／ｃｍ３であることが好ましい。また、膨張黒鉛粒子群２０の密度は、０．００１ｇ／ｃｍ３〜０．０５ｇ／ｃｍ３であることがより好ましく、０．００１ｇ／ｃｍ３〜０．０３ｇ／ｃｍ３であることがさらに好ましい。膨張黒鉛粒子群２０の密度が０．００１ｇ／ｃｍ３以上であることにより、膨張黒鉛粒子群２０が自立でき、液体処理システムの設計自由度をより高めることが可能となる。また、膨張黒鉛粒子群２０の密度が０．１ｇ／ｃｍ３以下であることにより、膨張黒鉛粒子群２０の内部を被処理液６０が通過しやすくなるため、被処理液６０と微生物との接触をより高めることが可能となる。
【００６８】
負極として用いられる膨張黒鉛粒子群２０の電気抵抗率は特に限定されないが、発電性能を高める観点から低い方が好ましい。そのため、膨張黒鉛粒子群２０の電気抵抗率は、０．００１Ω・ｃｍ〜０．１Ω・ｃｍであることが好ましい。膨張黒鉛粒子群２０の電気抵抗率がこの範囲内であることにより、膨張黒鉛粒子群２０を自立させつつも、負極として十分な低抵抗を確保することが可能となる。なお、膨張黒鉛粒子群２０の電気抵抗率は、四端子法により測定することができる。
【００６９】
膨張黒鉛粒子群２０は、膨張黒鉛のみが集合してなる構造体であってもよい。ただ、膨張黒鉛粒子群２０は、膨張黒鉛に加えて他の材料が混合されていてもよい。つまり、膨張黒鉛粒子群２０は、膨張黒鉛と、炭素材料、金属及び樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一つとを含む構造体であってもよい。炭素材料は、カーボンペーパー、カーボンフェルト、炭素繊維及び黒鉛シートからなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。金属は、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンからなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。樹脂は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂及びエラストマーからなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましく、例えばポリオレフィン樹脂やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を用いることができる。
【００７０】
膨張黒鉛粒子群２０としては、例えば、膨張黒鉛粒子の集合体の内部に、シート状の炭素材料を挿入した構成とすることができる。そして、シート状の炭素材料と外部回路８０とを電気的に接続することにより、膨張黒鉛粒子群２０の微生物により生成した電子を、外部回路８０から正極１０に導通させやすくなり、発電性能を向上させることが可能となる。
【００７１】
次に、本実施形態の液体処理システム１００の作用について説明する。上述のように、処理槽７０は、被処理液６０の流入口７１及び流出口７２を有し、流入口７１と流出口７２との間に、電極ユニット１及び膨張黒鉛粒子群２０が配置されている。そして、正極１０及びイオン移動層３０からなる電極接合体４０が被処理液６０に浸漬された場合、正極１０のガス拡散層１２が被処理液６０に浸漬され、撥水層１１の少なくとも一部が気相２に露出している。
【００７２】
液体処理システム１００の動作時には、膨張黒鉛粒子群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被処理液６０を供給し、正極１０に空気を供給する。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。
【００７３】
そして、正極１０では、撥水層１１を透過してガス拡散層１２に酸素が拡散する。膨張黒鉛粒子群２０では、微生物の触媒作用により、被処理液６０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、イオン移動層３０を透過して正極１０側へ移動し、正極１０中のガス拡散層１２に到達する。また、生成した電子は膨張黒鉛粒子群２０を通じて外部回路８０へ移動し、さらに外部回路８０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中の触媒の作用により酸素と結合し、水となって消費される。このとき、外部回路８０によって、閉回路に流れる電気エネルギーを回収する。このように、電極ユニット１は、膨張黒鉛粒子群２０における微生物の作用により、被処理液６０中の有機性物質及び窒素含有化合物の少なくとも一方を分解することができる。
【００７４】
そして、本実施形態では、膨張黒鉛粒子が集合してなる膨張黒鉛粒子群２０を負極として用いている。膨張黒鉛粒子群２０は、被処理液６０が通過することが可能な孔部を複数有しており、さらに内部には微生物が担持されている。そのため、被処理液６０と微生物との接触が高まり、被処理液６０中の有機性物質を微生物により効率的に分解して発電することが可能となる。また、膨張黒鉛粒子群２０は粒子同士が互いに絡み易く、容易に自立することができる。そのため、膨張黒鉛粒子群２０に対して常に外圧を掛ける構造が不要となることから、液体処理システム１００の設計自由度を向上させることが可能となる。
【００７５】
また、液体処理システム１００では、処理槽７０の流入口７１から被処理液６０が連続的に供給される。供給された被処理液６０は、膨張黒鉛粒子群２０と接触して拡散する。そして、被処理液６０中の有機性物質は、膨張黒鉛粒子群２０に担持されている微生物により分解される。このように、膨張黒鉛粒子群２０に連続的に被処理液６０が供給され、有機性物質が微生物により分解されるため、電極ユニット１から安定した発電特性を得ることが可能となる。
【００７６】
本実施形態の液体処理システムは、図１〜図３に示すように、一つの処理槽７０の内部に一つの電極ユニット１を備える構成であってもよい。ただ、本実施形態はこのような構成に限定されず、例えば一つの処理槽７０の内部に複数の電極ユニット１を備える構成であってもよい。具体的には、図６〜図８に示すように、一つの処理槽７０の内部に、五つの電極ユニット１を備えてもよい。このような構成により、微生物による発電と廃水の浄化をより効率的に行うことが可能となる。
【００７７】
図６〜図８に示す液体処理システム１００Ａでは、上述の液体処理システム１００と同様に、流入口７１は処理槽７０の前壁７３に設けられ、流出口７２は前壁７３に対向する後壁７４に設けられている。そして、正極１０及びイオン移動層３０が流入口７１から流出口７２に向かう方向（Ｘ方向）に略平行になるように、五つの電極ユニット１が処理槽７０の内部に配置されている。
【００７８】
そして、膨張黒鉛粒子群２０は、電極ユニット１と処理槽７０との間に加えて、隣接する電極ユニット１の間にも設けられている。隣接する電極ユニット１の間に膨張黒鉛粒子群２０を設けることにより、被処理液６０が膨張黒鉛粒子群２０に接触して拡散し、被処理液６０と微生物との接触を高めることが可能となる。
【００７９】
なお、膨張黒鉛粒子群２０を隣接する電極ユニット１の間に設ける場合には、図６に示すように、一方の電極ユニット１と、他方の電極ユニット１との間の全体に膨張黒鉛粒子群２０を配置することが好ましい。ただ、本実施形態はこのような態様に限定されず、一方の電極ユニット１と、他方の電極ユニット１との間の一部に膨張黒鉛粒子群２０を配置してもよい。
【００８０】
図６〜図８に示す液体処理システム１００Ａでは、電極ユニット１と処理槽７０との間に加えて、隣接する電極ユニット１の間にも膨張黒鉛粒子群２０が設けられている。しかしながら、本実施形態はこのような態様に限定されず、電極ユニット１と処理槽７０との間には膨張黒鉛粒子群２０を設けず、隣接する電極ユニット１の間にのみ膨張黒鉛粒子群２０を設けてもよい。つまり、液体処理システム１００Ａにおいて、膨張黒鉛粒子群２０は、電極ユニット１と処理槽７０との間、及び隣接する電極ユニット１の間の少なくとも一方に設けられることが好ましい。
【００８１】
このように、本実施形態に係る液体処理システム１００，１００Ａは、有機性物質を含む被処理液６０を保持する処理槽７０と、処理槽７０の内部に設けられ、酸素を還元する正極１０を備える、一又は二以上の電極ユニット１と、を備える。液体処理システム１００，１００Ａは、さらに、処理槽７０の内部に設けられ、正極１０と電気的に接続し、さらに微生物を担持する膨張黒鉛粒子群２０を備える。そして、処理槽７０に流入した被処理液６０の少なくとも一部が、膨張黒鉛粒子群２０の内部を通過する。液体処理システム１００，１００Ａでは、負極として多孔質の膨張黒鉛粒子群２０を用いている。そして、膨張黒鉛粒子群２０は、微生物が付着するサイトが多数存在し、高比表面積であることから、微生物の増殖が進行しやすい。そのため、被処理液６０が膨張黒鉛粒子群２０の内部を透過することにより、被処理液６０と微生物との接触が高まり、高度な水処理性能及び発電性能を実現することが可能となる。また、膨張黒鉛粒子の集合体は、支えるものを用いなくても、膨張黒鉛粒子そのものだけで立つことができる。さらに、膨張黒鉛粒子の集合体は、外部から一定の圧力を加え続けることが無くても低抵抗となる。そのため、膨張黒鉛粒子群２０は自立しつつも電気抵抗が低いことから、液体処理システム１００，１００Ａの設計自由度を高めることが可能となる。
【００８２】
また、液体処理システム１００，１００Ａにおいて、正極１０は被処理液６０に浸漬し、正極１０の少なくとも一部は気相２に露出することが好ましい。これにより、正極１０の触媒に気相２から酸素が供給されやすくなることから、正極１０での酸素還元反応を促進し、発電性能をより高めることが可能となる。
【００８３】
液体処理システム１００，１００Ａでは、電極ユニット１と処理槽７０との間、及び隣接する電極ユニット１の間の少なくとも一方に膨張黒鉛粒子群２０を設けている。そして、被処理液６０は、膨張黒鉛粒子群２０の内部を通過して膨張黒鉛の表面と接触した後に、流出口７２に流れる。これにより、被処理液６０を拡散し、被処理液６０と微生物との接触を高めることができ、微生物による発電と被処理液６０の浄化とを効率的に行うことが可能となる。また、液体処理システム１００において、複数の電極ユニット１が流入口７１から流出口７２に向かう方向に沿って配列していることにより、各電極ユニット１に接触する被処理液６０中の有機性物質の濃度が同程度となる。その結果、各電極ユニット１の発電量を均一化することが可能となる。
【００８４】
なお、液体処理システム１００，１００Ａにおいて、電極ユニット１は、平面視した際、流入口７１から流出口７２に向かう方向に沿って配列している。つまり、電極ユニット１における正極１０及びイオン移動層３０が、流入口７１から流出口７２に向かう方向（Ｘ方向）に略平行になるように、電極ユニット１が処理槽７０の内部に配置されている。しかしながら、本実施形態はこのような態様に限定されない。電極ユニット１は、平面視した際、流入口７１から流出口７２に向かう方向に垂直な方向に沿って配列していてもよい。
【実施例】
【００８５】
以下、本実施形態を実施例及び比較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。
【００８６】
［実施例］
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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に調整した。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。
【００８９】
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。
【００９０】
上述のようにして得られたガス拡散電極の撥水層に、図１に示すよう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、図１に示すように、当該正極を、流入口及び流出口を備え、容量が３００ｃｃの処理槽内に設置した。正極の表面には、負極となる膨張黒鉛粒子群と当該正極とが接触しないように、イオン移動層としての樹脂製の不織布シートを配置した。
【００９１】
次に、正極と処理槽との間に膨張黒鉛粒子を充填し、膨張黒鉛粒子群を形成した。膨張黒鉛粒子としては、富士黒鉛工業株式会社製の製品を使用した。なお、膨張黒鉛粒子群は、最初に圧力を掛けて直方体構造に成形したが、その後は外部から一定の圧力を加え続けることは行わなかった。そして、膨張黒鉛粒子群に担持される電流生成菌からの電子を回収するために、膨張黒鉛粒子群の中に膨張黒鉛シートを配置した。膨張黒鉛シートとしては、厚みが０．３８ｍｍ、密度が１．０ｇ／ｃｍ３のものを使用した。
【００９２】
実施例の液体処理システムでは、被処理液は、流入口を通じて処理槽内へ入った後、必ず膨張黒鉛粒子群の内部を流れて、流出口から排出される構成となっている。
【００９３】
次に、正極及びイオン移動層、並びに膨張黒鉛粒子群に接するように、被処理液を処理槽内に満たした。被処理液は、全有機体炭素（ＴＯＣ）が８００ｍｇ／Ｌであるモデル廃液を使用した。さらに、被処理液のプロトン供給性を安定させるために、バッファとして、炭酸水素ナトリウムを濃度が２０ｍＭとなるように添加した。さらに、発電を行う嫌気性微生物源として、膨張黒鉛粒子群に土壌微生物を植種した。
【００９４】
そして、水理学的滞留時間が２４時間となるように、被処理液を処理槽に供給した。さらに、被処理液は、水温が３０℃となるように調整した。そして、正極と膨張黒鉛粒子群の膨張黒鉛シートとを導線を用いて外部回路に接続することにより、本例の液体処理システムを得た。
【００９５】
［比較例］
膨張黒鉛粒子群を設置しなかったこと以外は実施例と同様にして、本例の液体処理システムを得た。なお、この場合は、電子回収のために配置した膨張黒鉛シートが負極として機能する。
【００９６】
［評価］
実施例及び比較例の液体処理システムを約６０日間稼働し、液体処理システムの定常出力を測定した。図９は、実施例の液体処理システムにおける稼働日数と定常出力との関係を示し、図１０は、比較例の液体処理システムにおける稼働日数と定常出力との関係を示す。図９及び図１０に示すように、実施例及び比較例の液体処理システムのいずれも、立ち上げから数日経過後、出力が２５０ｍＷ／ｍ２前後を推移する結果となった。
【００９７】
さらに、実施例及び比較例の液体処理システムで処理する前後における被処理液中の全有機体炭素濃度（ＴＯＣ濃度）を測定した。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、全有機体炭素の処理率（ＴＯＣ処理率）を数式１より求めた。実施例及び比較例の液体処理システムを約６０日間稼働させた際の、ＴＯＣ処理率の変化を図９及び図１０に合わせて示す。
【数１】
2019076833.tif 000003
（Ｔ：ＴＯＣ処理率、Ｔ１：処理前のＴＯＣ濃度、Ｔ２：処理後のＴＯＣ濃度）
【００９８】
図９に示すように、実施例の液体処理システムは、ＴＯＣ処理率が常に９０％を超えており、最大で９７％となった。これに対し、比較例の液体処理システムは、ＴＯＣ処理率が８０〜９０％で推移しており、実施例と比べてＴＯＣ処理特性が低下していることが分かる。このことから、負極として膨張黒鉛粒子群を用いることにより、膨張黒鉛粒子群に多数の電流生成菌が担持され、さらに被処理液がそれらに十分に接触して流れることで、良好な出力特性およびＴＯＣ処理特性を得られることが分かる。
【００９９】
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、正極１０及びイオン移動層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、液体処理システムの大きさ、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。
【０１００】
そして、本実施形態に係る液体処理システムは、有機性物質を含む液体、例えば各種産業の工場などから発生する廃水、下水などの有機性廃水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。
【符号の説明】
【０１０１】
１  電極ユニット
２  気相
１０  正極
２０  膨張黒鉛粒子群
６０  被処理液
７０  処理槽
７１  流入口
７２  流出口
８０  外部回路
１００，１００Ａ  液体処理システム
【図１】
2019076833.tif 000004
【図２】
2019076833.tif 000005
【図３】
2019076833.tif 000006
【図４】
2019076833.tif 000007
【図５】
2019076833.tif 000008
【図６】
2019076833.tif 000009
【図７】
2019076833.tif 000010
【図８】
2019076833.tif 000011
【図９】
2019076833.tif 000012
【図１０】
2019076833.tif 000013