(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配置された陰極および陽極と、
陰極および陽極に給電する電源装置と、
陰極に接続するように充填された粒状導体層と、
粒状導体層と陽極間に配置された透水性かつ絶縁性の隔膜と、
粒状導体層を通して通水するように被処理水を給排水する給排水手段と、
粒状導体層に粒状導体を供給および排出する粒状導体供給排出手段とを備え、
前記陰極および陽極が透水性に構成され、陰極および陽極を通して任意の方向に被処理水を通水するように給排水手段が設けられた電気化学的水処理装置。
【請求項２】
透水性の陰極および陽極を対向して配置し、陰極に接続するように粒状導体を充填して粒状導体層を形成し、
陽極と粒状導体層間に透水性かつ絶縁性の隔膜を配置し、
陰極および陽極間に給電し、透水性の陰極および陽極を通して粒状導体層に被処理液を通水して電気化学的処理を行い、
粒状導体層から古い粒状導体を排出するとともに、新しい粒状導体を供給して粒状導体を交換することを特徴とする電気化学的水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、陰極、陽極および粒状導体層を備えた電気化学的水処理装置および方法、さらに詳細には電析による金属の除去に適した電気化学的水処理装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メッキ排水、半導体製造工程排水、プリント基板製造排水、鉱山排水など、重金属を含む被処理水から重金属その他の金属を除去し回収するために電析による処理が行われている。電析はメッキの原理により金属イオンを陰極に電析（電着）させることにより被処理液から除去する方法である。このような電析による処理装置として、平板式電析装置がある。この装置は平板からなる陰極と陽極とを対向して配置し、給電しながら電極間隙に被処理水を流すことにより、被処理水中の金属イオンを陰極に電析させるものである。
【０００３】
しかしながら、このような装置は限界電流密度が低く、大電流を流せないため、希薄液を対象とする場合は電極面積を大きくする必要があり、装置が大型化する。また電力効率を高くするためには電極間隔を小さくして低電圧で電析を行う必要があるが、この場合電析の進行により金属が陰極に付着して電極間隙が小さくなると陰極を取換える必要があるので、電極交換頻度が高く、交換のための作業量が大きくなるとともに、狭い場所に電極を取付けるため作業が困難であるなどの問題点がある。
【０００４】
このような電析装置の改良技術として、陰極を炭素繊維等の導電性の繊維層で形成し濾過層と兼用するものが提案されている（例えば特開平４−３０８０９７号）。この装置は陰極の表面積を大きくして電析の効率を高くすることを目的としているが、陰極が被処理水中の濁質を捕捉して目詰まりしやすく、また電析により多量の金属が付着したのちは陰極を交換する必要があり、その交換の作業が頻雑であることは変わりない。
【０００５】
このほか陰極と陽極間、あるいは隔膜で隔離された陽極と陰極間に黒鉛等の導電性粒子の流動床を形成し、導電性粒子に金属を電析させる装置も提案されている（例えば特公平４−１３４３２号）。この方法では導電性粒子の金属表面が電析面となるので希薄な被処理液でも効率よく電析できるが、粒子の流動化のため電極間距離が広くなり、これにより電解電圧が高くなり電力効率が低くなるという問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、電極面積を大きくすることなく電解面積を大きくするとともに低い電解電圧で効率よく電気化学的処理を行うことができ、しかも高速で被処理液を通液して高速処理を行うことができ、かつ粒状導電体の交換が容易な電気化学的水処理装置および方法を提案することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の電気化学的水処理装置および方法である。
（１）  対向して配置された陰極および陽極と、
陰極および陽極に給電する電源装置と、
陰極に接続するように充填された粒状導体層と、
粒状導体層と陽極間に配置された透水性かつ絶縁性の隔膜と、
粒状導体層を通して通水するように被処理水を給排水する給排水手段と、
粒状導体層に粒状導体を供給および排出する粒状導体供給排出手段とを備え、
前記陰極および陽極が透水性に構成され、陰極および陽極を通して任意の方向に被処理水を通水するように給排水手段が設けられた電気化学的水処理装置。
（２） 透水性の陰極および陽極を対向して配置し、陰極に接続するように粒状導体を充填して粒状導体層を形成し、
陽極と粒状導体層間に透水性かつ絶縁性の隔膜を配置し、
陰極および陽極間に給電し、透水性の陰極および陽極を通して粒状導体層に被処理液を通水して電気化学的処理を行い、
粒状導体層から古い粒状導体を排出するとともに、新しい粒状導体を供給して粒状導体を交換することを特徴とする電気化学的水処理方法。
【０００８】
本発明における電気化学的処理には、陰極、陽極間に電圧を印加して、電極間に通水する被処理水に電気化学的反応を行うすべての電気化学的処理が含まれるが、特に被処理液中に存在する金属を陰極に析出させる電析が処理として好適である。このほか被処理水の殺菌、改質その他の処理に適用することもできる。
【０００９】
本発明において処理の対象となる被処理水は、上記の各処理に対応して処理対象成分を含む水があげられ、例えば電析の場合はメッキ排水、半導体製造排水、プリント基板製造排水、鉱山排水など、金属塩、金属錯体等の金属イオンを含む水があげられる。殺菌、改質等を対象とする場合は、細菌、被改質物質を含む水があげられる。
【００１０】
陰極および陽極としては従来より電気化学的処理に用いられているものをそのまま使用することができる。陰極としては導電性のある材料であればよいが、銅等の金属が好ましく、電析により金属を回収する場合には電析する金属と同じ金属からなる陰極が好ましい。陽極としては黒鉛、白金、酸化鉛等の不溶性電極を用いるのが好ましい。陰極および陽極としては、多孔板状、網状のように透水性のものを用いる。
【００１１】
粒状導体は導電性を有する粒状物であり、このような粒状導体は陰極として働くため、陰極と同様の導電体が使用でき、例えば粒状の金属、黒鉛、活性炭等があげられる。電析により金属を回収する場合、電析する金属と同じ金属を使用することができるほか、活性炭のような可燃性物質を使用すると、焼却により電析金属を回収することが可能になる。粒状導体の形状は球形、不定形など任意の形状とすることができる。粒径は０．１〜２ｍｍ、好ましくは０．２〜１ｍｍのものが好適である。
【００１２】
このような粒状導体は陰極と電気的に接続するように充填して粒状導体層が形成される。粒状導体層は陰極に接続していてもよく、また金網のような透水性かつ導電性の隔膜を介して接続していてもよい。粒状導体層の厚さ（陰極と陽極間の距離にほぼ相当）は２〜２０ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍで、粒状導体１〜２０個に相当する厚さが好ましい。このとき、粒状導体層と陽極が接触しないように、両者間に透水性かつ絶縁性の隔膜が設けられる。隔膜は樹脂、セラミック等の絶縁体の透水性シートからなるものが使用でき、陰極および陽極と同様多孔板状、網状のものなどが使用できる。隔膜の厚さは０．０１〜１ｍｍ、好ましくは０．１〜０．５ｍｍ程度とされる。このような隔膜は陽極に貼り付けた状態で粒状導体層と接触させるのが好ましい。
【００１３】
給排水手段は粒状導体層を通して被処理水を通水するように設けられる。陰極および陽極が板状等のソリッド状の場合には、電極に沿って被処理液を通水するように構成されるが、このような構造では処理水量を多くするためには多数の電極を配置する必要があり、装置が大型化するため、陰極および陽極に透水性の電極を用い、陰極および陽極を通して被処理水を通水するように給水路および排水路を設けることにより、小型の装置を用いて大量の被処理液を通水することができる。この場合通水方向は任意に選ぶことができる。
【００１４】
電源装置は上記構成の陰極、陽極間に直流電流（パルスを含む）を給電するように構成される。電極間に印加する電圧は０．２〜１０Ｖ、好ましくは０．５〜３Ｖ、電流は０．１〜１０Ａ／ｄｍ2−陽極、好ましくは０．５〜３Ａ／ｄｍ2−陽極程度とするのが適当である。
【００１５】
粒状導体供給排出手段は、粒状導体層に新しい粒状導体を供給する供給手段と古い粒状導体を排出する排出手段を設け、連続的または間欠的に粒状導体を供給および排出するように構成される。このような供給排出手段はパイプ、シュート等の移送路を通して、粒状導体の自重や水流を利用して粒状導体を移送するように構成することができる。
【００１６】
上記のように構成された装置において、電源装置から陰極、陽極間に給電し、給水路から粒状導体層に被処理液を通水して電気化学的処理を行う。このとき粒状導体層は陰極と接続し、隔膜により陽極と接続せず、粒状導体同士は接触しているため、粒状導体層は陰極と同電位となる。このため陰極および粒状導体層と陽極との間で電気化学的反応が行われる。これにより陰極面は拡張されたことになり、陰極および粒状導体層の全表面で電析等の陰極反応が行われる。
【００１７】
この場合陰極と粒状導体層は同電位であるので、陰極、陽極間の間隔が広くても実質的な電極間隔は粒状導体層の陽極側の端部と陽極との間隔となるため、低電圧で電気化学的処理を行うことができる。そして粒状導体層は広い表面積を有しており、被処理液と接触する全表面において陰極反応が行われるため、陰極および陽極の電極面積を大きくすることなく、電解面積を大きくすることができ、処理効率は高くなる。
【００１８】
このため希薄な被処理液の場合は電極に沿って被処理液を流さなくても、陰極、陽極を透水性構造にして、これらの電極および粒状導体層ならびに隔膜と交差する方向に被処理水を通水しても十分に陰極反応を行うことができる。これにより１対の電極に対し、大量の被処理水を通水することができ、小型の装置で効率よく処理することができる。この場合被処理水の通水方向は電極交差する任意の方向にすることができる。もちろん電極と平行方向に通水してもよい。
【００１９】
陰極反応により、被処理液に含まれる金属イオンは陰極および粒状導体層に電析する。そして電気化学反応の進行により電析する金属層が厚くなるので、粒状導体層から古い粒状導体を取り出し、新しい粒状導体を供給して粒状導体を交換する。この粒状導体の交換は連続的に行ってもよく、また間欠的に行ってもよい。間欠的に交換する場合、一部ずつ交換してもよく、また全部を一度に交換してもよい。陰極に電析する金属層も厚くなるが、電極間隔は大きくなっているので、長期にわたって交換することなく処理を行うことができる。
【００２０】
電析を行った粒状導体は取出後、金属回収工程に送られる。粒状導体から電析金属を回収する方法としては、薬品等による溶解、溶融のほか、粒状導体が活性炭のように可燃性の場合には燃焼による回収も可能である。薬品等による溶解の場合は、粒状導体を循環使用することが可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、陰極に接触するように粒状導体層を形成し、粒状導体を供給および排出できるようにしたので、電極面積を大きくすることなく電解面積を大きくするとともに低い電解電圧で効率よく電気化学的処理を行うことができ、しかも高速で被処理液を通液して高速処理を行うことができ、かつ粒状導電体の交換が容易な電気化学的水処理装置および方法を得ることができる。
【００２２】
また陰極および陽極を透水性にして、これらを通して被処理液を流すことにより、処理効率を高くすることができ、小型の装置で大量の被処理液を処理することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態により説明する。
図１および図２は別の実施形態の電気化学的水処理装置を示す断面図であり、図１は平板型電極を用いる例、図２は円筒型電極を用いる例を示す。
【００２４】
図１において、１は水処理装置であって、ケーシング２内に多孔平板状に形成された透水性の陰極３および陽極４が対向して配置され、それぞれ電源装置５に接続している。陰極３に接するように粒状活性炭等の粒状導体６が充填されて粒状導体層７が形成されて陰極と接続しており、陽極４との間に透水性の絶縁体からなる隔膜８が設けられて絶縁されている。
【００２５】
粒状導体層７はフレーム状のガスケット９によって上下および前後から囲まれており、その上下には弁Ｖ1を有する粒状導体供給路１１および弁Ｖ2を有する粒状導体排出路１２が連絡している。ケーシング２を形成する側板２ａ，２ｂには被処理水路１３および処理水路１４が連絡している。１５，１６はパッキングである。
【００２６】
上記のように構成された水処理装置１において、電源装置５から陰極３、陽極４間に給電し、被処理水路１３から粒状導体層７に被処理液を通水して電気化学的処理を行う。この場合、被処理水は被処理水路１３から陽極４、隔膜８、粒状導体層７、陰極３を通して流れ、電気化学的処理が行われ、処理水路１４から処理水として流出する。このとき粒状導体層７は陰極３と接続し、隔膜８により陽極４と接続せず、粒状導体６同士は接触しているため、粒状導体層７は陰極３と同電位となる。このため陰極３および粒状導体層７と陽極４との間で電気化学的反応が行われる。これにより陰極３面は拡張されたことになり、陰極３および粒状導体層７の全表面で電析等の陰極反応が行われる。
【００２７】
この場合陰極３と粒状導体層７は同電位であるので、陰極３と陽極４間の間隔が広くても実質的な電極間隔は粒状導体層７の陽極側の端部７ａと陽極４との間隔となるため、低電圧で電気化学的処理を行うことができる。そして粒状導体層７は広い表面積を有しており、被処理液と接触する全表面において陰極反応が行われるため、陰極３および陽極４の電極面積を大きくすることなく電解面積を大きくすることができ、処理効率は高くなる。
【００２８】
このため希薄な被処理液の場合は電極（３，４）に沿って被処理液を流さなくても、陰極３、陽極４を透水性構造にすることにより、図のようにこれらの電極（３，４）および粒状導体層７ならびに隔膜８と交差する方向に被処理水を通水しても十分に陰極反応を行うことができる。これにより１対の電極（３，４）に対し、大量の被処理水を通水することができ、小型の装置で効率よく処理することができる。
【００２９】
陰極反応により、被処理液に含まれる金属イオンは陰極３および粒状導体層７に電析する。そして電気化学的反応の進行により電析する金属層が厚くなるので、弁Ｖ2を開き粒状導体供給路１１を通して粒状導体層７から古い粒状導体６を取り出すとともに、弁Ｖ1を開き粒状導体供給路１１から新しい粒状導体６を供給して粒状導体６を交換する。この粒状導体６の交換は連続的に行ってもよく、また間欠的に行ってもよい。間欠的に交換する場合、一部ずつ交換してもよく、また粒状導体層７の全部を一度に交換してもよい。陰極３に電析する金属層も厚くなるが、電極間隔は大きくなっているので、長期にわたって交換することなく処理を行うことができる。
【００３０】
電析を行った粒状導体６は取出後、金属回収工程に送り、粒状導体から電析金属を回収する。金属の回収方法としては、薬品等による溶解、溶融のほか、粒状導体が活性炭のように可燃性の場合には燃焼による回収も可能である。薬品等による溶解の場合は、粒状導体を循環使用することが可能である。
【００３１】
図２では、水処理装置１は円筒状のケーシング２内に、同じく円筒状の陰極３、隔膜８、および陽極４が同じ円状に配置され、陰極３と隔膜８間に円筒状の粒状導体層７が形成されている。ケーシング２は本体２ｃと蓋２ｄがパッキング１５をはさんで一体化し、その間にパッキング１７、１８をはさんで陽極４を保持している。蓋２ｄの上部には弁Ｖ1を有する粒状導体供給路１１が連絡し、本体２ｃの下部には弁Ｖ2を有する粒状導体排出路１２が連絡している。また本体２ｃの側部には被処理水路１３が連絡し、陰極３を保持する内筒１９には処理水路１４が連絡している。
【００３２】
上記の水処理装置１では、被処理水路１３から入る被処理水は陽極４の周囲を内方向に流れて電気化学的処理を受け、処理水は内筒１９から処理水路１４に取り出される。また粒状導体供給路１１から入る粒状導体６は内筒１９の上部で円環状に広がって筒状の粒状導体層７を形成し、粒状導体排出路１２から排出される。
【００３３】
図１および図２の装置において被処理水の通水方向は電極と交差する任意の方向にすることができ、例えば陰極３側から陽極４側へ、あるいは陽極４側から陰極３側へ流すことができるが、陽極側から陰極側へ流すのが好ましい。この場合、陰極で電析が起こるため、多量の金属イオンを含む被処理水を陰極側から流すと陰極での電析により多孔の陰極が目詰まりしやすいが、陽極側から流すと電析は粒状導体層で主として起こり、陰極はへの電析が少ないので、電析金属の回収が容易になるとともに、陰極の目詰まりが少なくなり好ましい。また被処理水路１３を上部に連絡し、処理水路１４を下部に連絡するなど、両者の連絡位置をずらせることにより、電極に沿う方向と横切る方向の複合流を形成することもできる。
このほか、電極、ケーシング、隔膜、粒状導体層等の形状、構造、材質等は上記説明のものに限らず、変更することができる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
実施例１
図１の装置において、陰極、陽極として１０ｃｍ×１０ｃｍの銅板からなる平板電極（電極面積１００ｃｍ2）を１０ｍｍの極間距離で配置し、陽極側に貼付したテトラフルオロエチレン樹脂製隔膜と陰極との間に粒径０．８ｍｍの粒状活性炭を充填して粒状導体層を形成した。そして食塩１ｍｍｏｌ／ｌ、硫酸銅０．１ｍｍｏｌ／ｌを含む人工排水を１ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎで通水し、電極間に２Ｖの電圧で電析したとき、電流は１Ａ、処理水Ｃｕは０．０１ｍｇ／ｌ以下となった。５００時間電析を継続したが、安定した処理を行うことができた。
【００３５】
比較例１
実施例１において活性炭を充填することなく、同条件で電析を行ったところ、電流は０．０３Ａ、処理水Ｃｕは４．５ｍｇ／ｌとなった。
このことから電流値が低いため電析率が低下し、処理水Ｃｕ濃度が高くなり、処理不十分であることがわかる。
【００３６】
比較例２
実施例１において活性炭を被処理水の上昇流により流動化させ、流動床で電析を行ったところ、被処理水流量は０．３ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、電流は０．２Ａ、処理水Ｃｕは０．０１ｍｇ／ｌ以下となった。
このことから、粒状導体が溢流するため、流量を低くする必要があり、高速処理に向かないことがわかる。
【００３７】
比較例３
比較例１において、極間距離を１ｍｍにして電析を行ったところ、流量は０．６ｌｉｔｅｒ／ｍｉｎ、電流は０．３Ａ、処理水Ｃｕは０．２ｍｇ／ｌとなった。１００時間の電析で析出銅のため電極間が短絡した。
このことから狭い極間距離のため差圧が上昇し、高流速が出せず、高速処理ができないうえ、電極交換の頻度が高くなることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の電気化学的水処理装置の断面図である。
【図２】他の実施形態の電気化学的水処理装置の断面図である。
【符号の説明】
１  水処理装置
２  ケーシング
３  陰極
４  陽極
５  電源装置
６  粒状導体
７  粒状導体層
８  隔膜
９  ガスケット
１１  粒状導体供給路
１２  粒状導体排出路
１３  被処理水路
１４  処理水路
１５、１６、１７、１８  パッキング
１９  内筒
【図１】
0004006859.tif 000002
【図２】
0004006859.tif 000003