(57)【要約】【課題】有機化合物含有水を効率よく電解処理することを可能にする。【解決手段】複数の導電体電極２、３、４ａ〜４ｂを互いに間隔をおいて配置し、導電体電極のうち両端の電極２、３に電源５を接続し、両電極間の導電体電極４ａ〜４ｄを前記電源５に接続しないバイポーラ電極とする。電源５から両電極２、３へ通電することにより、その間の電極４ａ〜４ｄをバイポーラに分極させて有機化合物含有水を電解処理する。上記導電対極として導電性ダイヤモンド電極が望ましく、該ダイヤモンド電極はさらにセルフスタンド型が望ましい。【効果】電極をバイポーラに分極させることで有効な電極面積が大きくなり処理効率が向上し、大量の排水処理も可能になる。装置のコンパクト化も可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導電体電極を互いに間隔をおいて配置し、両端の該導電体電極にのみ給電して、該両電極間に位置する前記導電体電極をバイポーラ方式で分極させて有機化合物含有水の電解処理を行うことを特徴とする有機化合物含有水の処理方法。
【請求項２】
前記導電体電極が、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記載の有機化合物含有水の処理方法。
【請求項３】
互いに間隔をおいて配置される複数の導電体電極と、該導電体電極に給電する電源とを備えており、前記該導電体電極のうち両端の電極に前記電源が接続され、該両電極間の導電体電極が前記電源に接続されないバイポーラ電極であることを特徴とする有機化合物含有水の処理装置。
【請求項４】
前記導電体電極が、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３記載の有機化合物含有水の処理装置。
【請求項５】
前記導電体電極が、セルフスタンド型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４記載の有機化合物含有水の処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機化合物含有水の処理方法および処理装置に関する。特に電解処理技術を利用して、有害で悪臭を放つ副生成物を発生することなくこれらの有機化合物を二酸化炭素、水などの無機化合物に完全に分解処理することができる有機化合物含有水の処理方法および処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工場排水中には汚染物質として、さまざまな有機化合物が含まれていて排出が許容されるレベルまで低減する必要がある。この排水を処理する方法として電気化学的な処理方法が知られている。電気化学的な処理方法は、活性汚泥法などの生物分解処理や、オゾン酸化法などに比べて、操作性が容易であり装置がコンパクトになるという利点がある。このような観点から、白金、酸化鉛、酸化すずといったさまざまな陽極材料を活用した電解処理法が考案されている。しかしながら、工場排水には腐食性の強い物質を含んでいる場合も多く、白金や酸化鉛といった電極材料は容易に汚染されるという問題があった。また、白金電極では、０．１Ａ／ｃｍ２程度の電流密度では安定に電解処理を行えるが、０．２Ａ／ｃｍ２以上の電流密度では大幅に劣化が進行して寿命が短くなるという問題があった。
【０００３】
これに対し、ダイヤモンドは科学的安定性が高く、ホウ素や窒素をドープすることによって導電性を示すことから排水処理のための電極材料として期待されている。非特許文献１の論文（藤島ら）では、ホウ素をドープしたダイヤモンドの電極の電位窓が極めて広く、腐食性の強い水溶液中においても安定に動作することが報告されている。また、非特許文献２の論文（藤島ら）では、ＮＯｘがダイヤモンド陰極で効率よくアンモニアに還元されることが報告されている。また、イーストマンコダック社による特許文献１および特許文献２にはホウ素をドープしたダイヤモンドを陽極に用いて有機化合物を酸化分解できることが示唆されている。
【０００４】
【非特許文献１】
藤嶋ら、「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」，Ｖｏｌ，６７（１９９９）３８９
【非特許文献２】
藤嶋ら、「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」，Ｖｏｌ，３９６（１９９５）２３３
【特許文献１】
特開平７−２９９４６７号公報
【特許文献２】
米国特許第５３９９２４７号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、導電性ダイヤモンド電極を用いた電解処理において、従来の金属電極のように溶接や接合が容易ではなく、大量の排水を処理するには電極への給電方式に工夫が必要であった。例えば、図２に示すように陽極と陰極の２枚の電極１０、１１を備えた電解槽２０ａ、２０ｂ、２０ｃを直列に接続して電解装置を構成すると、大量の排水処理を可能にするために非常に多くの電解槽が必要になり、後段の電解槽では前段の電解槽で生成された多くのガスが滞留して電解処理効率が悪化するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、上記ダイヤモンド電極を利用した電解処理において、大量の排水を処理するために実用化の観点から改良が望まれる課題を解決し、排水に含まれる有機化合物を効率良く、二酸化炭素、水あるいは窒素などの無機物まで完全分解して除去する新規な有機化合物含有水の処理方法および処理装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の有機化合物含有水の処理方法のうち請求項１記載の発明は、複数の導電体電極を互いに間隔をおいて配置し、両端の該導電体電極にのみ給電して、該両電極間に位置する前記導電体電極をバイポーラ方式で分極させて有機化合物含有水の電解処理を行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の有機化合物含有水の処理方法の発明は、請求項１記載の発明において、前記導電体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。
【０００９】
請求項３記載の有機化合物含有水の処理装置の発明は、互いに間隔をおいて配置される複数の導電体電極と、該導電体電極に給電する電源とを備えており、前記該導電体電極のうち両端の電極に前記電源が接続され、該両電極間の導電体電極が前記電源に接続されないバイポーラ電極であることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の有機化合物含有水の処理装置の発明は、請求項３記載の発明において、前記導電体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】
請求項５記載の有機化合物含有水の処理装置の発明は、請求項４記載の発明において、前記導電体電極が、セルフスタンド型導電性ダイヤモンド電極であることを特徴とする。
【００１２】
すなわち本発明の有機化合物含有水の処理方法によれば、給電される導電体電極間に無給電の電極を具備してバイポーラ方式で電解処理するので、同じ数の電極を使用して複数の電解槽において各電極に給電する場合に比べて電極（陽極）面積を大きくとることができ、処理効率が向上するとともに、処理装置がコンパクトで済み、経済的メリットが大きい。なお、該電解処理は、有機化合物含有水を電解槽に収容して行うようにしてもよく、また、有機化合物含有水中に電極を設置するようにして行うようにしてもよい。電解処理においては、電極間で処理水が移動するように有機化合物含有水を通液しつつ電解を行うのが望ましい。
【００１３】
また、本発明の有機化合物含有水の処理装置によれば、上記処理方法を容易に実現できる。なお、給電を行う電極とバイポーラとなる電極からなる電極群は、複数群を用意してもよく、該複数の電極群を一つの電解槽に配置することも可能である。
【００１４】
また、上記方法および装置において、導電体電極として導電性ダイヤモンド電極を用いることによって電流密度を十分に高くして無給電の電極におけるバイポーラ分極を確実にする。導電性ダイヤモンド電極を用いた電解処理によって、水中の有機化合物を高効率で除去できる。導電性ダイヤモンド電極は、従来の白金等の金属電極に比べると、電位窓が極めて広く水の電気分解による水素発生や酸素発生を抑えながら、目的の有機物質のみを効率的に酸化分解処理できる。このため従来の白金系電極を用いた電解処理に比べて電解効率が良く、特に必要電極面積が少なくてすみ電解反応装置を小型化できる技術的特徴があり、経済的メリットが大きい。さらに導電性ダイヤモンドは化学的安定性に優れ、通常の酸やアルカリによる腐食の心配がなく、酸条件からアルカリ条件の幅広いｐＨ範囲を有する水処理に適用できて、かつ長期間に渡って安定した電解酸化処理効果が持続する。
【００１５】
導電性ダイヤモンド電極を用いた電解処理では、反応時の液温度を通常１０〜９５℃の温度にして処理するのが望ましい。また、通液時の通液線速度は、１０〜３，０００ｍ／ｈ程度が望ましいが、電流密度を高くとると通液線速度を３，０００ｍ／ｈ以上に大きくとることもある。
【００１６】
導電性ダイヤモンド電極は、Ｎｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚｒ等の導電性金属材料を基板とし、これらの基板の表面に導電性ダイヤモンド薄膜を析出させたものや、シリコンウエハ等の半導体材料を基板とし、このウエハ表面に導電性ダイヤモンド薄膜を合成させたもの、さらに、基板を用いない条件で板状に析出合成した導電性多結晶ダイヤモンドを挙げることができる。本発明で利用するダイヤモンド電極は、基板上に十分なコーティング厚さでダイヤモンドを堆積させた後に、基板を除去するなどして基板を有していないもので構成されるセルフスタンド型電極が望ましい。基板上にダイヤモンド膜を析出させたダイヤモンド電極では、ダイヤモンド膜が薄い場合、ダイヤモンド膜のピンホールより溶液が浸透するおそれがある。陰極周囲はアルカリ性となるため、電極への上記溶液の浸透があると基板が腐食されてダイヤモンド膜が脱落するという問題がある。セルフスタンド型の導電性ダイヤモンド電極では、基板を用いないことにより上記問題の発生を回避できる。
【００１７】
なお、導電性ダイヤモンド電極は、ダイヤモンド膜の合成の際にボロン、窒素等の所定量をドープして導電性を付与したものであり、通常はボロンドープしたものが一般的である。これらのドープ量は、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、ダイヤモンド薄膜の炭素量に対して、５０〜１０，０００ｐｐｍの範囲のものが適している。
【００１８】
本発明において、導電性ダイヤモンド電極は、通常は板状のものを使用するが、網目構造物を板状にしたものも使用できる。また、ダイヤモンドの結晶性について特に制限はなく、非晶質のものであっても良い。また本発明の電極に導電性ダイヤモンドを利用する場合、必ずしも複数の電極が同一形状、同一素材であることが要求されるものではなく、各電極が異なる形状、異なる素材からなるものであってもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を図１に基づいて説明する。
ボロンドープ法を用いて気相析出合成した板状の導電性ダイヤモンド電極（好適にはセルフスタンド型）を複数枚用意し、電解槽１内に互いに間隔を置いて配置して両端の導電性ダイヤモンド電極２、３をそれぞれ陽極、陰極として電源５に接続する。両電極２、３間に位置する導電性ダイヤモンド電極４ａ…４ｄは、電源５には接続せず、バイポーラ電極として配置されている。
【００２０】
また、上記電解槽１には、電解槽１の一端下方側に送液管６が接続され、また、電解槽１の他端上方側に排液管７が接続されている。上記接続においては、電解槽１において水が下方から上方に向けて流れるように構成されており、この流れによって電解槽内で発生するガスを速やかに上昇させて電解槽内から除去することが可能になる。
【００２１】
次に、上記装置の動作について説明する。
電解槽１内に、図示しない貯液槽から有機化合物を含む水を図示しないポンプによって送液管６を通して供給する。有機化合物含有水は、槽内で導電性ダイヤモンド電極２、３、４ａ…４ｄ間を移動する。そして電解槽１では、電源５によって導電性ダイヤモンド電極２、３間に給電され、導電性ダイヤモンド電極２、３間に電流が流れる。この通電によって、各導電性ダイヤモンド電極４ａ…４ｂが表裏面方向に分極し、バイポーラ電極となる。すなわち、導電性ダイヤモンド電極４ａ…４ｂの電極（陽極）２側の面が陰極となり、電極（陰極）３側の面が陽極になり、有効電極面積が大きくなる。
【００２２】
上記給電によって、陽極の周辺では水に含まれる成分の酸化反応が生じ、陰極の周辺では水に含まれる成分の還元反応が生じ、有機化合物が効果的に分解される。電解処理がなされた水と上記反応によって生じたガスは、排液管７を通して電解槽１外部に排出される。
【００２３】
【実施例】
以下に本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。
実施例−１
ボロンドープ法を用いてＳｉ基板上にダイヤモンド膜を気相析出合成した円板形状の導電性ダイヤモンド電極（直径１０ｃｍ、板厚０．０５ｃｍ、有効電解面積７０ｃｍ２）６枚を用い、各電極間距離を５ｍｍに設定して図１に示すように電解槽内に並設した。なお、ダイヤモンド膜は、ダイヤモンドの炭素量に対して、約８，０００ｐｐｍのボロンがドープされている。
【００２４】
上記電極のうち、両端の２枚の電極に給電を行い、その間の４枚の電極には無給電とした。ジメチルスルホシキド含有排水（ＴＯＣ１，０００ｍｇ／Ｌ、１７．５Ｌ）に硫酸ナトリウムを１４，２００ｍｇ／Ｌ添加して貯液槽に入れた。貯液槽内をスターラで攪拌しながら送液ポンプを用いて電解槽に送液し、電極間で５Ｌ／ｍｉｎの流速（通液線速度は６００ｍ／ｈ）で処理水が移動するようにした。電解槽の投入電気量は電流密度が０．５Ａ／ｃｍ２（５０００Ａ／ｍ２）となるように設定し、電解槽内の水温は６０℃に設定した。
電解処理を４時間継続して、電解反応槽出口水の水を採取して全有機体炭素（ＴＯＣ）の分析を行ったところ表１の結果を得た。ただし２週間の連続運転後に表２のように処理効果が悪化して、ダイヤモンド膜の剥離があることがわかった。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
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【００２７】
実施例−２
ボロンドープ法を用いて気相析出合成した円板形状のセルフスタンド型導電性ダイヤモンド電極（直径１０ｃｍ、板厚０．０５ｃｍ、有効電解面積７０ｃｍ２）６枚を用い、各電極間距離を５ｍｍに設定して図１に示すように電解槽内に並設した。なお、ダイヤモンドは、ダイヤモンドの炭素量に対して、約８，０００ｐｐｍのボロンがドープされている。
両端の２枚の電極に給電を行い、その間の４枚の電極には無給電とした。ジメチルスルホシキド含有排水（ＴＯＣ１，０００ｍｇ／Ｌ、１７．５Ｌ）に硫酸ナトリウムを１４，２００ｍｇ／Ｌ添加して貯液槽に入れた。貯液槽内をスターラで攪拌しながら送液ポンプを用いて電解槽に送液し、電極間で５Ｌ／ｍｉｎの流速（通液線速度は６００ｍ／ｈ）で処理水が移動するようにした。電解槽の投入電気量は電流密度が０．５Ａ／ｃｍ２（５０００Ａ／ｍ２）となるように設定し、電解槽内の水温は６０℃に設定した。
電解処理を４時間継続して、電解反応槽出口水の水を採取して全有機体炭素（ＴＯＣ）の分析を行ったところ表３の結果を得た。この電解処理効果は、６か月の連続運転した後も安定していた。
【００２８】
【表３】
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【００２９】
比較例−１
実施例−１、２で行った電解処理の代わりに、導電性ダイヤモンド電極（直径１０ｃｍ×０．０５ｃｍ）６枚を利用して、図２に示すように陰極と陽極２枚で構成された電解槽を３台直列に配置した以外は、実施例−１、２と同様に、ジメチルスルホキシド含有排水の電解処理を行った。電解処理を４時間継続して、電解反応槽出口水の水を採取して全有機体炭素（ＴＯＣ）の分析を行ったところ表４の結果を得た。実施例−１、２と比べると、陽極として利用できる面積が、５５％となる上に、３台目の電解槽では気液比が高くなり、電解処理効率が実施例−１、２に比較して大幅に悪化した。
【００３０】
【表４】
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【００３１】
以上で説明したように、複数の電極を用いてバイポーラ形式で電解処理を行うことにより、電解処理効率が大幅に向上する。さらに、電極をセルフスタンド型導電性ダイヤモンド電極で構成することにより、電極の損傷を防止して長期に亘り良好な処理能力を維持することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の有機化合物含有水の処理方法によれば、複数の導電体電極を互いに間隔をおいて配置し、両端の該導電体電極にのみ給電して、該両電極間に位置する前記導電体電極をバイポーラ方式で分極させて有機化合物水の電解処理を行うので、有効な電極面積を大きくして処理効率を向上させることができ、大量の排水の処理も可能になる。また、装置をコンパクトに構成することができる。
【００３３】
また、本発明の有機化合物含有水の処理装置によれば、上記処理方法を容易に実現することができる。また、導電性ダイヤモンド電極の使用により、目的の有機物質のみを効率的に分解処理できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における処理装置の概略図である。
【図２】比較例の処理装置の概略図である。
【符号の説明】
１  電解槽
２、３  導電性ダイヤモンド電極
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ  導電性ダイヤモンド電極
５  電源
６  送液管
７  排液管
【図１】
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【図２】
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