(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積抵抗が、２０ｍΩ／ｃｍ3より大きい多孔質の導電材料から形成された細長い中空体（５）、および電源（４）に接続されるための電気接続手段からなる電極であって、
該電気接続手段が、電極に沿って実質的に均一に分配された電流を電源から引き起こすために、中空体（５）の内側に沿って長さ方向に伸び、かつ中空体の長さ方向に沿って間隔をあけた複数の部分において中空体の内壁表面と接触することを特徴とする電極。
【請求項２】
電気接続手段が、間隔をあけた部分の長さ方向に、中空体の内壁表面と接触するようにコイルを機械的に押し当てるように形成されたスプリングワイヤからなる細長いコイルスプリングである請求項１記載の電極。
【請求項３】
電気接続手段が、間隔をあけたそれぞれの部分において、中空体の内壁表面と接触する個々の導電体からなる請求項１記載の電極。
【請求項４】
電気接続手段が、中空体よりも２桁以上大きい導電率を有する請求項１、２または３記載の電極。
【請求項５】
前記中空体が、ＴｉＯx形式のチタンの亜化学量論亜酸化物で形成されており、ｘは１．９９から１．７である請求項１、２、３または４記載の電極。
【請求項６】
中空体が長さ２００ｍｍ以上である請求項１、２、３、４または５記載の電極。
【請求項７】
電気接続手段が、バルブ金属で形成されている請求項１、２、３、４、５または６記載の電極。
【請求項８】
処理される液体を有するチャンバー、陽極および陰極からなり、少なくとも一方は請求項１、２、３、４、５、６または７記載の電極である液体の電解処理に使用するための装置。
【請求項９】
液体が水性廃液または水であって、処理が汚染物質の除去である請求項８記載の装置。
【請求項１０】
外部陽極領域において１０Ａ／ｍ2以上の密度で電源から電極に電流を供給する工程を含み、それによって電極の任意の２点間の電圧変動を２００ｍＶよりも小さくする請求項８または９記載の装置の操作方法。
【請求項１１】
請求項１、２、３、４、５、６または７記載の電極を挿入するイン−シチュ土壌浄化システム。
【請求項１２】
請求項１、２、３、４、５、６または７記載の電極を挿入する酸化還元反応を実行する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、低導電率材料から形成された電極に関する。このような電極は、一般的に細長い中空体の形態をとっている。本体は、好ましくはチタンなどの亜化学量論酸化物から形成されており、この場合、最も効果的な製造ルートは、本体が多孔質であることに帰着するであろう。
【０００２】
実例として、長さ５００ｍｍ、外径１８ｍｍ、壁厚３ｍｍの管状本体、体積抵抗３０ｍΩｃｍの材料で形成、一端で電気接続されるように操作し、２．８３Ａｍｐｓの電流を供給すること（長さ方向にすべてのポイントにおいて１００Ａ／ｍ2の電流密度を供給することを意図）を仮定すると、このような電極の終端間に約７５０ｍＶ電圧降下があると計算された。多くの電気化学の用途において、この電圧降下の結果として、ポテンシャルが不充分でその意図された機能を実行できないような電極領域が生じるであろう。陽極と陰極間を１〜５Ｖのオーダーの低い電圧に操作する電解プロセスの場合（これによって一般に電気コストを低減することができるので、好ましい解決方法である）、電極のすべての表面が均一に効果的であること、または少なくとも効果的であることを保証することはできないであろう。これは水処理などの電解プロセスにとって、とくに本質的なことであって、高いガス処理過ポテンシャル（亜酸化チタン、二酸化鉛、ドープされた二酸化スズなど）を呈する電極表面に支持される。このような場合、実電流密度によって、このような電極の終端間で５０％よりも大きく変動することを示すことができる。
【０００３】
本発明の一つの目的は、とくに多孔質材料から形成された電極本体の状況において、この問題を解決するであろうこのような電極との電気的な接続方法を提供することである。
【０００４】
一つの態様において、本発明は、体積抵抗が、２０ｍΩ／ｃｍ3より大きい多孔質の導電材料から形成された細長い中空体、および電源に接続されるための細長い電気接続手段からなる電極であって、
該電気接続手段が、電流を電源から電極に沿って実質的に均一に分配させるために、中空体の内側に沿って長さ方向に伸び、かつ中空体の長さ方向に沿って間隔をあけた複数の部分において、中空体の内壁表面と接触することを特徴とする。
【０００５】
導電部材は、電極本体よりも実質的に高い導電率（２桁以上のオーダーの大きさ）を有する材料から形成されている。一つの形態では、接続手段はらせん状に巻いた長いスプリングワイヤ（coiled length of spring wire）であって、規則的な間隔で中空本体の内壁表面と接触させるようにコイルを機械的に押し当てるように形成されている。他の態様では、別個の長い導電体は、長さ方向に間隔をあけた部分の長さ方向に存在し、それぞれ本体の内壁と接触する。
【０００６】
中空体は、材料の範囲を考慮して形成されるであろう。最も好ましくは、電極本体はＴｉＯx形式のチタンの亜化学量論酸化物で形成されており、ｘは約１．９９から約１．７である。このような材料の円筒形または中空の本体へのより、最もコストに効果的な製造ルートは、多孔質構造に帰着するので、このような本体は一般的に多孔質である。触媒元素は存在していてもよい。好ましい態様においては、電極本体はチタンの亜化学量論酸化物で形成されており、電極導電体はバルブ金属であって、これによって持続性のある電気接続がなされる。
【０００７】
体積抵抗が約２０ｍΩｃｍよりも大きい材料に使用するために、本発明が価値あるものであるならば、本体は２００ｍｍ以上の長さであることが好ましい。もし、本体の材料が高い抵抗値を有していれば、本体が１５０ｍｍ以上の長さであるような使用にとっても、本発明は価値あるものである。
【０００８】
本発明の電極は、円筒形電極の配列が有利であるような、汚染物質の除去のための流体の処理、汚染土壌のイン−シチュ浄化（remediation）などの多くのプロセスに有用である。一般的に、水汚染物質はつぎのようないくつかのクラスにグループ分けすることができる。
１．汚水および他の酸素を必要とする廃棄物
２．汚染試薬
３．植物栄養剤
４．珍しい有機化学品
５．無機ミネラルおよび化学配合物
６．堆積物
７．放射性物質
【０００９】
汚水および他の酸素を必要とする廃棄物は、一般に炭素質の有機材料であって、生物学的に（ときには化学的に）酸化されて二酸化炭素および水になる。これらの廃棄物は問題のあるものである。汚染試薬は、通常、自治体、療養所、皮のなめし、および植物やボートの解体処理からの廃棄処理水に見られる。この種の汚染物質は、人間や家畜を含む動物に病気を引き起こす可能性がある。
【００１０】
植物栄養剤（たとえば、チッ素やリン）は、水処理を妨げ、また迷惑な悪臭の生成と水中で酸素を必要とする廃棄物の増加のために、のちに腐る水性植物の成長に刺激を与えることができる。
【００１１】
珍しい有機化学品には、洗剤、除草剤、様々な工業製品、およびその他の有機化合物の分解物に使用される界面活性剤が含まれている。これらの化合物のいくつかは、極めて低濃度で魚に有毒であることが知られている。これらの化合物の多くは、すぐには生物学的に分解できない。
【００１２】
無機ミネラルおよび化学配合物は、一般的に地方自治体や工場からでる廃水や都市から流れ出る水の中に見られる。これらの汚染物質は、魚や他の水生物の命を奪ったり、傷つける。また、飲料用や工業用として水を使用することの妨げとなる。
【００１３】
重要な例は、水中の水銀の存在である。もうひとつの例は、冬に北方の寒冷地帯で道路の防氷に使用される塩の汚染（salt pollution）である。
【００１４】
堆積物は、暴風や洪水によって大地から、すなわち農耕地、保護されていない森林土壌、食い荒らされた牧草地、空になった鉱山、道路、および掘削された都市地域などの大地から押し流された土壌やミネラル粒子である。堆積物は、小川の水路や貯水池を埋める；タービンやポンプ設備の力を損ない、水性植物が利用できる太陽光の量を減らす：水のフィルターをふさぐ；卵を生み、えさを与える魚の巣をおおう；それによって、魚や貝の個体数は減る。
【００１５】
水環境中の放射性物質は、ウランやトリウムの採鉱や精製の産業廃棄物；原子力使用工場、産業上、医療上の放射能材料の化学的な利用に起因している。
【００１６】
もう１つの態様では、本発明は、処理される流体を含むチャンバー、アノードおよびカソードおよび電流の供給源からなる液体の電気的処理に使用する装置であって、アノードおよびカソードは少なくとも１つが、ここに開示されている電極である装置を提供する。
【００１７】
本発明は、水や水性媒体の処理にとくに良好な結果をもたらすようである。そのようなケースにおいて、水が通過した小さなギャップを渡ってアノードとカソードの間に電流が流れる。本発明の電極の構造のため、あらかじめ決定された最小電圧、たとえば３Ｖが、電極の長さに沿って存在していることを保証することができる。
【００１８】
亜酸化チタンから形成される電極は、高いガス処理過ポテンシャルを有する。すなわち、水が水素と水酸基ラジカルに分解するための表面の低い触媒作用の活性のために、かなりの電流の前に必要とされる電圧が流れる。表面が触媒作用を受けない場合は、このレベルは１Ｖよりも上回っており、電流に対する効果的な推進力は、連結部の近傍で約２Ｖ以下であり（もし、全電圧が前記のように３Ｖであるなら）、他端部で１．２５Ｖである。前記条件下において、本発明ではない電極に沿って電圧降下するからである。
【００１９】
また、別の態様では、本発明は、ここで開示されたような装置の操作方法を提供する。外部アノード領域において１０Ａｍ2以上の電流密度で、電源から低伝導率の電極へ電流を提供することを含み、これによって電極上の任意の２点間の電圧変化は、２００ｍＶ以下になる。
【００２０】
本発明をよく理解するために、図を添付したことに言及しながら具体例によって記載する。
【００２１】
図１は、水処理のための電気化学的セルの典型図である。
【００２２】
図２は、図１で示した一態様の断面の部分拡大図であり、図３は、同様に別の態様の断面の部分拡大図である。
【００２３】
水処理システムは、セルを包含し、それにより処理された水は、２つの細長い管状体電極間に存在し、その間に小さな環状空隙を有する環状空間２に導入される。それぞれの電極は、通常、長さ５００ｍｍであり、直流電源供給４のそれぞれのポールに接続し、１つの電極はカソード５であり、他方は（図では、内側電極）アノード６である。その内側電極は、通常、外径１８ｍｍ、円筒状空間は２ｍｍである。電流が電極を流れると、汚染物質を除去するための水処理のような電気分解反応がおこる。水は電極間の環状の隙間を通過する。通常、電気的接続は、内側電極の一端で生じ、約２．８３ａｍｐｓの電流が供給される。内側電極が、壁厚３ｍｍの亜酸化チタンの環状体からなり、体積抵抗率が〜３０ｍΩ．ｃｍであるなら、本発明ではない内側カソードの長さ方向にそって、約７５０ｍＶの電圧降下が生じるであろう。そのため、一端でのセルのポテンシャルは、約３Ｖであり、他端では２．２５Ｖとなるであろう。
【００２４】
本発明によれば、図１の陽極６は、成形または押出などによって亜酸化チタンから形成された細長い環状体１０からなる。この環状体は、長さ約５００ｍｍであり、内径１２ｍｍ、外径１８ｍｍであって、壁厚さは約３ｍｍである。
【００２５】
本発明の一態様によれば、図２に示すように、電流フィーダーは、環状体の内径にそって広がる長いチタンスプリングワイヤー１１を含んでいる。ワイヤー１１の一端は、電源４に接続され、もう一端はエンドキャップによりシールされているだろう。スプリングコイルは、長さ方向に離れて位置している位置Ｌで、環状体内壁に接触するように機械的に押し当てられている（urge）。それにより、供給は環状体の長さにそって実質的に均一に分配される。結果として、セルの電圧は、セルの全体の長さにそって実質的に同じであり、ゆえに全体の長さが、微生物の致死、汚染物質の酸化および／または還元などの電気化学的作用に効果がある。
【００２６】
陰極は、陽極と同様の形状でもよく、またはスタンダードデザインでもよい。
【００２７】
図３に示す態様では、コイルスプリングが、環状体の長さ方向に離れて位置している一組の別個のコネクター１２で置換されている。
【００２８】
本発明は、前記態様に限定されるものではない。この水処理装置は、セルの列からなっていてもよく、他の処理を含んでいてもよい。電極は、断面が円形ある必要はない。本発明は、水処理に関して記載されているが、電極は、細長い電極が使用できるどのような状況においても評価される。このような用途には、イン−シチュ土壌浄化や、たとえば還元システムなどの電気化学的合成反応が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  水処理のための電気化学的セルの典型図である。
【図２】  図１で示した一態様の断面の部分拡大図である。
【図３】  図１で示した別の態様の断面の部分拡大図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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