(57)【要約】【課題】目的とする電気化学反応を容易にかつ確実に達成することができる電気化学反応の制御方法及びその装置を提供する。【解決手段】水溶液２０を貯水する反応槽１２と、該水溶液に対向配置した電極１３、１４と、該電極に接続されパルス高電圧を印加するパルス電圧発生器１０と、を備え、前記パルス電圧発生器１０が、パルス幅が前記電極と水溶液との界面に電気二重層が形成される時間以下で、かつ正パルス高電圧印加時の電極電位が目的とする電気化学的電位以上となるような正パルス高電圧を印加するパルス電圧発生器であり、正パルス高電圧印加時に電気二重層を形成させながら電気化学反応させた後に、放電時に水溶液を拡散させる構成とし、好適には正パルス高電圧値を約１０〜３０Ｖ、デューティー比を約８０〜９８％、及び周波数を約１０〜１００ｋＨｚに設定する。【選択図】      図１
2004223455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応槽内に貯水した水溶液内に対向配置した電極間に、正パルス高電圧を印加して水溶液の電気化学反応を制御する方法であって、
前記正パルス高電圧のパルス幅を前記電極と水溶液との界面に電気二重層が形成される時間以下に設定するとともに、正パルス高電圧印加時の電極電位が目的とする反応を生起する電気化学的電位以上となるように正パルス高電圧値を設定し、
正パルス高電圧印加時に電気二重層を形成させながら電気化学反応させた後に、パルス放電時に電気二重層を濃度拡散させたことを特徴とする電気化学反応の制御方法。
【請求項２】
前記正パルス高電圧値が約１０〜３０Ｖで、かつデューティー比が約８０〜９８％となるように正パルス高電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の電気化学反応の制御方法。
【請求項３】
反応槽内に貯水した水溶液内に対向配置した電極間に、負パルス高電圧を印加して水溶液の電気化学反応を制御する方法であって、
前記負パルス高電圧の放電時のパルス幅を、前記電極と水溶液との界面に電気二重層が形成される時間以下に設定するとともに、前記放電時の電極電位が目的とする反応が生起される電気化学的電位以上となるように負パルス高電圧値を設定し、
負パルス高電圧の放電時に電気二重層を形成させながら電気化学反応させた後に、負パルス高電圧印加時に電気二重層を拡散させたことを特徴とする電気化学反応の制御方法。
【請求項４】
前記負パルス高電圧値が約３０〜１００Ｖで、かつデューティー比が約２〜２０％となるように負パルス高電圧を印加することを特徴とする請求項３記載の電気化学反応の制御方法。
【請求項５】
前記パルス高電圧の周波数が約１０〜１００ｋＨｚとなるようにパルス高電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の電気化学反応の制御方法。
【請求項６】
水溶液を貯水する反応槽と、該水溶液内に対向配置した電極と、該電極に接続されパルス高電圧を印加するパルス電圧発生器と、を備え、
前記パルス電圧発生器が、パルス幅が前記電極と水溶液との界面に電気二重層が形成される時間以下で、かつ正パルス高電圧印加時の電極電位が目的とする反応を生起する電気化学的電位以上となるような正パルス高電圧を印加するパルス電圧発生器であり、
正パルス高電圧放電時間間隔を、前記正パルス高電圧印加時に形成された電気二重層が濃度拡散可能な時間間隔に設定したことを特徴とする電気化学反応装置。
【請求項７】
前記正パルス高電圧は、電圧値が約１０〜３０Ｖで、かつデューティー比が約８０〜９８％であることを特徴とする請求項６記載の電気化学反応装置。
【請求項８】
水溶液を貯水する反応槽と、該水溶液に対向配置した電極と、該電極に接続されパルス高電圧を印加するパルス電圧発生器と、を備え、
前記パルス電圧発生器が、負パルス高電圧印加後の放電時のパルス幅が前記電極と水溶液との界面に電気二重層が形成される時間以下で、かつ放電時の電極電位が目的とする電気化学的電位以上となるような負パルス高電圧を印加するパルス電圧発生器であり、
負パルス高電圧印加時間間隔を、前記負パルス高電圧放電時に形成された電気二重層が濃度拡散可能な時間間隔に設定したことを特徴とする電気化学反応装置。
【請求項９】
前記負パルス高電圧は、電圧値が約３０〜１００Ｖで、かつデューティー比が約２〜２０％であることを特徴とする請求項８記載の電気化学反応装置。
【請求項１０】
前記パルス高電圧の周波数が約１０〜１００ｋＨｚであることを特徴とする請求項６乃至９の何れか一に記載の電気化学反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、処理対象の水溶液を電気化学反応する際の制御方法及びその装置に関し、特に、有機塩素化合物等の難分解性物質、有機物等を含有する廃水からの溶解物質の除去、又は各種電解質を含む水溶液から物質の抽出等を成し得る電気化学反応の制御方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、処理対象の水溶液を電気化学反応させることにより目的とする処理を行う技術が幅広い分野で活用されている。電気化学反応装置は、水溶液を貯水する反応槽と、該反応槽内に設置した陽極部材及びこれに対向して設置した陰極部材と、これら電極部材に接続した直流電源、交流電源又は所定周波数の高周波電源とを主用構成とし、電極部材に電圧を印加して水溶液の電気化学反応を制御する。
これにより目的とする処理、例えば電解質溶液からの水素、酸素又は過酸化水素等の物質の生成（例えば特許文献１）、廃水からの有害物質の分解除去（例えば特許文献２）、又電気化学反応により生成した塩素系薬剤による水の殺菌、消毒（例えば特許文献３）などの処理を行うことができる。
【０００３】
また電気化学反応を有効に活用した処理法の一つとして特開２０００−２６３０５６公報（特許文献４）では、液体に交流高電圧を印加するとともに高周域の電磁波を発信し、さらには高電圧パルスを印加する液体処理方法が開示されている。これにより、液体中に含有される水分子及びコロイド分子を帯電荷し、液体と分離して活性化させるとともに、高電圧パルスにより水分子及び窒素分子を帯電荷することにより窒素を分離除去し、かつオゾンを発生させて液体の脱色及び殺菌を行うことを可能としている。
このように電気化学反応を利用する処理は、特異的な反応場を形成することができ幅広い処理分野への応用が考えられる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１０４１８９公報
【特許文献２】
特開２００２−１１４８５公報
【特許文献３】
特開平１０−２１６７２６号公報
【特許文献４】
特開２０００−２６３０５６公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、電極を利用した電気化学反応は、電流、電圧値を調節することによって反応の種類、反応量を制御することができる。即ち、化学反応の一つである酸化還元反応は、個々の物質や水溶液の酸化還元電位の大きさに支配され、その相対的な大きさによって物質自身の酸化又は還元反応が生起される。従って、目的とする反応を達成するには電極電位を反応に適した値に設定する必要がある。
【０００６】
しかし、溶液中には様々は反応物質が混在しているため、溶液中で目的とする電気化学反応を起こすことは困難である。例えば、水溶液系の反応の場合、電極近傍で水が過剰に存在するため水の電気化学反応、つまり陽極側は酸素の生成反応、陰極側は水素の生成反応が律速となる。さらに印加電圧を上げても陽極の電位が酸素発生電位に支配されてしまい陽極電位を酸素発生電位以上に制御することは困難であった。また、反応を促進させるために印加電圧を高く設定し電極電圧を大きくした場合には、投入した電力の大半が過電圧として熱エネルギーとして消費されてしまい、効率が非常に悪く、経済的に成り立ちにくいだけでなく、目的とする反応生成物以外の生成物も大量に生成されてしまう。
【０００７】
従って、水溶液系における水素又は酸素の生成反応や、特開２０００−２６３０５６公報のごとく高電圧パルスが水分子に直接寄与する反応については比較的容易に行うことが可能であるが、酸化還元電位の高い反応物質を主体とした酸化還元反応を生起することは困難である。
本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、目的とする電気化学反応を容易にかつ確実に達成することができる電気化学反応の制御方法及びその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
まず、一般の電気化学反応の概念につき図８及び図９に基づき説明する。図８に示すように、一般に電気化学反応は電極部材と水溶液との界面における反応を伴う電子移動過程と、水溶液側から電極部材まで反応物質が輸送されてくる物質輸送過程とから構成されている。
陽極について見れば、電源から正電圧が印加されると、水溶液中に存在するマイナスイオンが陽極近傍に集まり、陽極における正電荷の薄い層と、水溶液中のマイナスイオンによる負電荷の薄い層が向き合った電気二重層が形成され、水溶液中の電解が中和される。印加される正電圧の値が数Ｖ程度の小さい値の場合には、電極表面近傍に形成される電気二重層により、水溶液内部には殆ど電解が掛らない。
【０００９】
水溶液に浸漬した電極に電圧を印加すると、電圧を印加した瞬間には一方の極から他方の極まで電位差が均一にかかる。そして、水溶液中に存在するＨ＋イオン及びＯＨ−イオンをはじめとするイオンは電極に引き寄せられ、陽極部材には陰イオンが、一方陰極部材には陽イオンが集まる。しかし、同符号の電荷は強く反発するため極僅か集まっただけで動きが止まってしまう。このようにして、図９に示されるように両極の表面付近には正電荷の薄い板と負電荷の薄い板が向かい合った状態の電気二重層が形成される。電気二重層が形成された電極−水溶液の電位分布は、電極表面の薄い層に強烈な電位差が存在するのみで、水溶液の大部分は電気的に中性で電位差が存在しない状態となる。
【００１０】
そのまま、電圧を掛け続けると電極表面では、電気化学反応により電子移動が起こって反応前駆体物質濃度が減少し、その分電荷の不均衡が生じる（電子移動過程）。その電荷の不均衡を補うために、新たなる反応前駆体が水溶液中から供給されてくる（物質輸送過程）。この場合、電極電圧としては、電気化学反応に必要な電圧より少し高い値を設置しておけば、電気化学反応を起こすことができ、投入電力分を電気化学反応に寄与させることができる。しかし、電極電圧（過電圧分）が小さいと、水溶液中に印加される電解強度は小さく新たなる反応前駆体を供給する物質輸送過程における駆動力は小さく、中々反応は進まない。
【００１１】
そこで、本発明者らは電気化学反応における物質輸送過程と電子移動過程とを独立に制御する方法を見出し、特願２００２−０１４８４８（非公知）で提案している。かかる方法によれば、水溶液内に設置した電極間に、正パルス高電圧成分と直流正電圧成分とを重ね合わせた電気信号を印加して、前記パルス高電圧成分の電気信号により電気二重層を形成させ、直流正電圧成分の電気信号の印加により電極近傍の水溶液を電気化学反応させることを特徴としている。
これにより、過電圧による供給電力の無駄を低減して希望する物質生成をより効率的に行うことができるようになる。
【００１２】
本発明では、さらに簡単な構成で以って目的とする電気化学反応を達成させることを目的としており、電極近傍の反応物質が電極反応に支配される時間よりも短いパルス幅で電極間にパルス的に電圧を印加することにより、電極電位を高く設定することを可能としている。
【００１３】
即ち、本発明による電気化学反応の制御方法は、
反応槽内に貯水した水溶液内に対向配置した電極間に、正パルス高電圧を印加して水溶液の電気化学反応を制御する方法であって、
前記正パルス高電圧のパルス幅を前記電極と水溶液との界面に電気二重層が形成される時間以下に設定するとともに、正パルス高電圧印加時の電極電位が目的とする反応を生起する電気化学的電位以上となるように正パルス高電圧値を設定し、
正パルス高電圧印加時に電気二重層を形成させながら電気化学反応させた後に、パルス放電時に電気二重層を濃度拡散させたことを特徴とする。
【００１４】
正パルス高電圧の印加時には、反応槽の水溶液中ではイオンが移動して電気二重層を形成していく。この電気二重層の形成途中では水溶液内部の電気シールドが不十分であるため、電極表面よりも離れた水溶液内部まで電界が十分に掛かり、反応前駆体としてのイオンの物質移動を促進させる。
従ってかかる発明のように、正パルス高電圧を印加することによって水溶液内部に電界を発生させ効率良く反応前駆体となるイオンを電極表面に引き寄せて電気化学反応を促進することができる。
【００１５】
また、陽極の電極電位は、電極表面に反応物質の供給が十分に行われる場合には、その反応物質の電極反応で支配されてしまい、水からの過酸化水素生成反応のような電極電位Ｅ＝１．７６Ｖに設定することが困難となる。
そこで、かかる発明のように電極反応が支配される時間よりも短い間隔で電極間にパルス電圧を印加することにより、電極電位が電解反応に支配されずに電極から電子を供給することができる。
尚、前記電極反応が支配される時間、即ち電気二重層が形成され水溶液中で電気化学反応が殆ど起こらなくなり水溶液が安定化するまでの時間は、目的生成物の前駆体物質の電気泳動度、及び水溶液の濃度等から算出することができる。
【００１６】
正パルス高電圧の印加終了後には、放電が起きて正パルス高電圧により電極表面に集められた反応前駆体としてのイオンが水溶液中に濃度拡散するが、反応効率が低下しないように、拡散が十分に行われた後に次の正パルス高電圧を印加するのが好ましい。また、電気二重層が形成されるまでの時間は正パルス高電圧の電圧値とパルス幅に依存するため、目的とする電極電位から電圧値を決めれば、パルス幅としては電気二重層が形成されるまでの時間で十分である。
また、放電中は電極の極性が切り替わり正パルス高電圧印加時とは極性の異なるイオンが電極表面に泳動し還元反応を起こすため、放電時間は放電中に電極反応（還元反応）が起きない時間に設定することが望ましい。
【００１７】
従って、好適には前記正パルス高電圧値が約１０〜３０Ｖで、かつデューティー比が約８０〜９８％となるように正パルス高電圧を印加するとよい。
前記電圧値を高くする程イオン移動度が大きくなるため、電気二重層形成時間を短縮できるとともに、電気二重層を構成するイオンを高濃度にできる。しかしながら、高い電圧値では、印加後に電気化学反応に寄与できないものは、水溶液側に濃度拡散してしまい無駄になってしまう。そのため、正パルス高電圧で引き寄せられた反応前駆体としてのイオンができるだけ反応により消費されるように、電圧値、パルス幅及びパルス間隔を処理溶液性状に合わせ前記発明のように設定することが好ましい。
【００１８】
また、別の制御方法として、反応槽内に貯水した水溶液内に対向配置した電極間に、負パルス高電圧を印加して水溶液の電気化学反応を制御する方法であって、
前記負パルス高電圧の放電時のパルス幅を、前記電極と水溶液との界面に電気二重層が形成される時間以下に設定するとともに、前記放電時の電極電位が目的とする反応が生起される電気化学的電位以上となるように負パルス高電圧値を設定し、
負パルス高電圧の放電時に電気二重層を形成させながら電気化学反応させた後に、負パルス高電圧印加時に電気二重層を拡散させたことを特徴とする。
【００１９】
かかる発明のように、電極に負のパルス高電圧を印加し、印加終了後の放電により電極反応を生起させる方法でも良い。このとき、負パルス高電圧印加時に電極反応を起こさないパルス幅とすることが必要である。
かかる発明による作用は正パルス高電圧を印加する方法とほぼ同様である。
この際に、前記負パルス高電圧値が約３０〜１００Ｖで、かつデューティー比が約２〜２０％となるように負パルス高電圧を印加することが好適である。
さらに、これらの発明で、パルス高電圧の周波数を約１０〜５００ｋＨｚ、好ましくは約１０〜１００ｋＨｚとすることが最適である。
【００２０】
また、かかる方法を実施することができる好適な装置として、
水溶液を貯水する反応槽と、該水溶液に対向配置した電極と、該電極に接続されパルス高電圧を印加するパルス電圧発生器と、を備え、
前記パルス電圧発生器が、パルス幅が前記電極と水溶液との界面に電気二重層が形成される時間以下で、かつ正パルス高電圧印加時の電極電位が目的とする反応を生起する電気化学的電位以上となるような正パルス高電圧を印加するパルス電圧発生器であり、
正パルス高電圧放電時間間隔を、前記正パルス高電圧印加時に形成された電気二重層が濃度拡散可能な時間間隔に設定したことを特徴とする。
このとき、前記正パルス高電圧は、電圧値が約１０〜３０Ｖで、かつデューティー比が約８０〜９８％であることが好ましい。
【００２１】
さらにまた、水溶液を貯水する反応槽と、該水溶液に対向配置した電極と、該電極に接続されパルス高電圧を印加するパルス電圧発生器と、を備え、
前記パルス電圧発生器が、負パルス高電圧印加後の放電時のパルス幅が前記電極と水溶液との界面に電気二重層が形成される時間以下で、かつ放電時の電極電位が目的とする電気化学的電位以上となるような負パルス高電圧を印加するパルス電圧発生器であり、
負パルス高電圧印加時間間隔を、前記負パルス高電圧放電時に形成された電気二重層が濃度拡散可能な時間間隔に設定したことを特徴とする。
【００２２】
このとき、前記負パルス高電圧は、電圧値が約３０〜１００Ｖで、かつデューティー比が約２〜２０％であることが好ましい。
さらに、かかる発明において、パルス高電圧の周波数を約１０〜５００ｋＨｚ、好ましくは約１０〜１００ｋＨｚとすることが好適である。
これらのような構成とすることにより、簡単な装置でかつ容易な制御で以って確実に目的とする電気化学反応を起こすことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態にかかる電気化学反応装置の概略構成図、図２は本発明の第１実施例にかかる正パルス高電圧の波形図、図３は直流電圧印加時及びパルス電圧印加時のピーク電圧と陽極電位の関係を示すグラフ図、図４はパルス電圧印加時の陽極電位の経時変化を示すグラフ図、図５はパルス電圧印加時のデューティー比と陽極電位の関係を示すグラフ図、図６はパルス電圧印加時の電位波形を表す波形図である。
【００２４】
図１において、本実施形態にかかる電気化学反応装置１００は、パルス高電圧を生成するパルス電圧発生器１０と、生成したパルス高電圧を増幅する電力増幅器１１と、処理対象である水溶液２０を貯水した反応槽１２と、前記電力増幅器１１に接続され水溶液２０に浸漬した平板状の陽極部材１３及び陰極部材１４と、を主要構成とする。
前記電極は目的とする化学反応に適した材料を用いるが、前記陽極部材１３を白金若しくは白金めっきを施した導体とし、前記陰極部材１４をチタンで形成した導体としてもよい。両電極は前記反応槽１２内に対向配置する。
【００２５】
また、かかる電気化学反応装置１００は、前記陽極部材１３の標準電極電位を測定するための手段を備えている。該電極電位測定手段は、基準電極槽１６と、該基準電極槽１６に貯水した水溶液内に浸漬した基準電極１７と、前記陽極部材１３から基準電極槽１６内に導き入れた導線１８Ａ、１８Ｂと、前記電力増幅器１１のプラス端子側導線にプラス端子を接続し、かつ前記基準電極１７にマイナス端子を接続した電位計１５とから構成する。
前記陽極部材１３及び陰極部材１４間に電圧を加えると電極表面に酸化還元反応が起こる。目的とする電気化学反応が生起される電極電位とするには、前記パルス電圧発生器１０による印加電圧を、前記電位計１５にて測定した電位に基づき算出する。
【００２６】
前記パルス電圧発生器１０は、周期的に同じパルス成分波形を形成する装置を一台備えたものであれば本実施形態を実施するに足り、装置の簡素化、制御の容易化の観点からも好適である。しかし、ＤＣバイアスの重畳手段や複数のパルス成分波形の重ね合わせ手段等を有していても良い。
前記電力増幅器１１は、前記パルス高電圧発生器１０から出力されるパルス高電圧に対し電流増幅して前記陰極部材１４と前記陽極部材１３との間に印加させる。そのため、前記陰極部材１４は前記電力増幅器１１のマイナス端子に接続され、前記陽極部材１３は前記電力増幅器１１のプラス端子に接続されている。
【００２７】
（第１実施例）−正パルス印加方式
次に、前記電気化学反応装置１００を利用し、正パルス高電圧を印加することにより目的とする電気化学反応を行う第１実施例につき説明する。
かかる第１実施例は、前記パルス電圧発生器１０及び電力増幅器１１により、前記陽極部材１３及び陰極部材１４に正パルス高電圧を印加することにより電気化学反応を制御する。該印加電圧は図２に示される波形となるようにする。このとき、印加電圧に伴い電流、電極電位も同様の波形を示す。
【００２８】
正パルス高電圧で電気化学反応を制御するためには、印加電圧、パルス幅（デューティー比）を適正に制御する必要がある。
即ち前記パルス幅は好適には約８０〜９８％とし、電気二重層が形成されるまでの時間以下とし、放電時間は前記電気二重層が崩壊して水溶液が濃度拡散するのに十分な時間とする。
【００２９】
前記電気二重層が形成される時間は、前記陽極部材１３及び陰極部材１４間に電圧が印加されているときに、水溶液２０中のイオンが移動していく場合の水溶液２０のｐＨ、導電率、イオン種、濃度に依存する。具体的には、マイクロ秒〜数十ミリ秒であることが判っている。この時間内では、電気二重層による電気シールドが不十分であるため、水溶液内部まで電解が掛かり反応前駆体としてのイオンの物質移動を促進させることができる。つまり、上述したパルス幅であれば、水溶液２０内部に電解を発生させ効率良く反応前駆体としてのイオンを電極部材表面に引き寄せ、電気化学反応を促進させることができるのである。
【００３０】
尚、正パルス高電圧のピーク電圧Ｖ１は、少なくとも前記電極が目的とする電気化学反応を達成可能な電位となるように設定する必要があり、好適には約１０〜３０Ｖとすると良い。これは、高くするほどイオン移動度が大きくなるため、電気二重層形成時間を短縮できると共に、電気二重層を構成するイオンを高濃度にできるため、１０Ｖ以上に設定するのが好ましい。しかし、あまりに高い電圧値では、電気化学反応に必要とされない電力が無駄になってしまうため、電力効率を考慮した上で反応前駆体が効率良く反応消費されるように設定することが望ましい。尚、ピーク電圧Ｖ１の放電時にベース電圧Ｖ２がマイナス電位となるが、このときベース電位Ｖ２が電極反応に寄与しない値となるようにする。
【００３１】
ここで、本第１実施例にて説明した前記正パルス印加方式による電気化学反応の検証結果を以下に示す。
まず、図３に基づき、パルス電圧印加時のピーク電圧Ｖ１と陽極電位の関係を、直流電圧印加時と比較検討する。下記表１に示す条件により実験を行った。ここで、ピーク電圧Ｖ１の定義は図２に基づく。
【００３２】
【表１】
2004223455.tif 000003
【００３３】
これによれば、直流電圧印加時には、電圧値を上昇させても陽極電位は殆ど変わらない値を示すのに対し、正パルス電圧印加時には、ピーク電圧Ｖ１を大きくすると比例的に陽極電位が増大することが判る。従って、パルス的に電圧を印加することによって、電気二重層の形成に阻害されることなく陽極部材の標準電位を正確に制御することが可能であることが判る。
【００３４】
図４に電気化学反応装置１００におけるピーク電圧Ｖ１と電極電位との関係を示す。図４に示されるグラフ図は下記表２の設定条件に基づく実験結果であり、前記陽極部材１３及び陰極部材１４間に印加した正パルス高電圧のピーク電圧Ｖ１を増大させた時の、各ピーク電圧Ｖ１に対する陽極部材１３及び陰極部材１４の電極電位を夫々測定した値である。
【００３５】
【表２】
2004223455.tif 000004
【００３６】
これによれば、下記化学式（１）、（２）に示される水の電解反応、即ち陽極部材１３側での酸素の生成反応、及び陰極部材１４側での水素の生成反応に支配される電極電位Ｅ＝１．２３Ｖより陽極部材１３の電位を高くすることができるピーク電圧Ｖ１は約１０Ｖ以上であることが判る。
陽極    ２Ｈ２Ｏ  →  Ｏ２＋４Ｈ＋２ｅ−    Ｅ：１．２３Ｖ  …（１）
陰極    ２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２            Ｅ：−０．８２８Ｖ…（２）
（Ｅ：標準電極電位）
従って、ピーク電圧Ｖ１、即ち正パルス高電圧を約１０Ｖ以上とすることにより、水の電解反応に支配されることなく殆どの電気化学反応を生起することが可能となる。このとき、目的とする電気化学反応に適した電極電位となるようにピーク電圧Ｖ１を調整することが好ましい。尚、ピーク電圧Ｖ１を高くし過ぎることによる電力の無駄を防ぐために正パルス高電圧を約３０Ｖ以下とすると良い。
【００３７】
次に、正パルス高電圧のパルス幅に関する実験を行った結果を図５に示す。かかる実験は下記表３の設定条件に基づき行った。
図５によれば、デューティー比を小さくすることにより、陽極部材１３の電極電位を高く設定することが可能であることが判る。しかし、デューティー比を小さくすると、陽極電位を高く設定している時間が短くなってしまう。また、陽極電位を、電気化学反応が水の電気分解に支配されないＥ＝１．２３以上に設定するには、約１５Ｖのピーク電圧Ｖ１を印加する場合、デューティー比を約９８％以下とする必要がある。従って、必要電位を長く維持可能なようにデューティー比を設定する必要があり、好適にはデューティー比を約８０〜９８％に設定すると良い。
【００３８】
【表３】
2004223455.tif 000005
【００３９】
さらに、正パルス高電圧の周波数が電極電位に与える影響につき図６に基づき考察する。図６は、正パルス高電圧の周波数を１０ｋＨｚ以上としたときの電極電位の波形、及び周波数を１０ｋＨｚ以下としたときの電極電位の波形を比較したものである。これによれば、周波数を１０ｋＨｚ以下とした場合、１点にピークが集中し、不安定な電位となる。一方、周波数を１０ｋＨｚ以上とした場合は、安定して電極電位を設定することが可能となる。
また、周波数をより一層大きくした場合には電気二重層が形成されにくく、電極反応が起こり難くなるため、正パルス高電圧の周波数は約１０〜５００ｋＨｚ、好ましくは約１０〜１００ｋＨｚとすることが最適である。
【００４０】
（第２実施例）−負パルス印加方式
次に、前記電気化学反応装置１００を利用し、負パルス高電圧を印加することにより目的とする電気化学反応を行う第２実施例につき説明する。
本第２実施例は、図１に示す電気化学反応装置１００の陽極部材１３及び陰極部材１４間に負パルス高電圧を印加して、電気化学反応を制御するものである。かかる負パルス印加方式では、図７に示される波形となるように印加電圧を制御する。このとき、印加電圧に伴い電流、電極電位も同様の波形を示す。
【００４１】
負パルス高電圧を印加することにより、印加後の電極放電時には正のピーク電圧Ｖ３が生じる。そこで、該ピーク電圧Ｖ３を利用して電気化学反応を生起させる。このとき、前記ピーク電圧Ｖ３により前記第１実施例と同様に電極電位を制御可能で、ひいてはピーク電圧Ｖ３により電気化学反応を制御可能としている。
従って、前記ピーク電圧Ｖ３が前記第１実施例と同様の設定となるように、負パルス高電圧印加時の条件を設定する。即ち、負パルス高電圧を約３０〜１００Ｖとし、デューティー比を約２〜２０％とすることにより、確実に目的とする電気化学反応を生起することができる。さらに、好適には負パルス高電圧の周波数を約１０〜５００ｋＨｚ、より好ましくは約１０〜１００ｋＨｚとすると良い。
【００４２】
さて、上記したかかる電気化学反応装置１００、及びその制御方法は、例えば下記のような処理に効果的に適用できる。
例えば、し尿、浄化槽汚泥及び工業廃水等の汚濁物質含有廃水に対して、酸化力の強いＯＨラジカル、オゾン、及び過酸化水素等の活性酸素を生成することにより、廃水中の汚濁物質を酸化分解することができる。
つまり、前記電気化学反応装置１００における電極電位を下記酸化還元電位Ｅ以上に制御し、下記電極反応を生起させて活性酸素を生成することにより、廃水中のダイオキシン類や環境ホルモン等の難分解性物質及び有機物を分解処理することができる。
【００４３】
ＯＨラジカル生成反応
Ｈ２Ｏ  →  ＯＨ（ａｑ）＋Ｈ＋＋ｅ−          Ｅ：２．３８Ｖ
過酸化水素生成反応
２Ｈ２Ｏ  →  Ｈ２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−      Ｅ：１．７６Ｖ
オゾン生成反応
Ｈ２Ｏ＋Ｏ２  →  Ｏ３＋２Ｈ＋＋２ｅ−      Ｅ：２．０８Ｖ
また、これらの反応を利用して生成した過酸化水素、オゾン等を回収し、工業的に利用することも可能である。
【００４４】
さらに、Ｎｉ、Ｐｂ廃液処理において、電極電位を下記電位に設定することにより、廃液中にイオンとして存在するＮｉ、Ｐｂを酸化物として除去することができる。
Ｎｉ酸化物生成反応
Ｎｉ２＋＋２Ｈ２Ｏ  →  ＮｉＯ２＋４Ｈ＋＋２ｅ−      Ｅ：１．６８Ｖ
Ｐｂ酸化物生成反応
Ｐｂ２＋＋２Ｈ２Ｏ  →  ＰｂＯ２＋４Ｈ＋＋２ｅ−      Ｅ：１．４７Ｖ
【００４５】
【発明の効果】
以上記載のごとく本発明によれば、簡単な装置で、かつ容易な制御で目的とする電気化学反応を正確に行うことができる。
また、かかる発明により、例えば水の電解反応のような低電位の電気化学反応より支配されることなく、確実に目的とする電気化学反応を生起することができる。さらに、かかる発明を利用することにより、幅広い技術分野に電気化学反応を利用することが可能となり飛躍的な進歩が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる電気化学反応装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施例にかかる正パルス高電圧の波形図である。
【図３】直流電圧印加時及びパルス電圧印加時のピーク電圧と陽極電位の関係を示すグラフ図である。
【図４】パルス電圧印加時の陽極電位の経時変化を示すグラフ図である。
【図５】パルス電圧印加時のデューティー比と陽極電位の関係を示すグラフ図である。
【図６】パルス電圧印加時の電位波形を表す波形図である。
【図７】本発明の第２実施例にかかる負パルス高電圧の波形図である。
【図８】一般の電気化学反応の概念を説明する図である。
【図９】一般の電気化学反応の概念を説明する図である。
【符号の説明】
１０    パルス電圧発生器
１１    電極増幅器
１２    反応槽
１３    陽極部材
１４    陰極部材
１５    電位計
１６    基準電極槽
１７    基準電極
２０    水溶液
１００  電気化学反応装置
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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