(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極および陽極と、
陰極および陽極間に設けられたイオン透過性、非導電性かつ液透過性の隔膜と、
隔膜の陰極側に設けられた第１の多表面積導体層と、
隔膜の陽極側に設けられた炭素質の材質からなる第２の多表面積導体層と、
第１の多表面積導体層に被処理液を通液する通液手段と、
陰極および陽極間に通電する電源装置と
を含む脱酸素装置。
【請求項２】
第１および／または第２の多表面積導体層が活性炭からなる請求項１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は脱酸素装置、特に水中の溶存酸素を電気化学的に除去する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水中の溶存酸素は金属の腐食、食品の酸化、微生物の繁殖を助長するので、これらを防止するためには、溶存酸素の除去が必要である。水中の溶存酸素を除去する方法として還元剤と触媒を組み合わせたもの、真空脱気塔を用いるもの、窒素ガスを吹き込み接触させるもの、酸素透過膜を介して真空で吸引するものなどがあるが、薬品の使用が必要であったり、装置が大型化するなどの問題点があった。
【０００３】
電気化学的な脱酸素方法として、消耗電極による脱酸素法がある（例えば特開平１０−３２３６７１号）。この方法では酸素より卑な金属と貴な金属を接続して水と接触させることにより卑な金属を酸化して水に溶出させ、これにより溶存酸素を除去する。
しかしながらこの方法では酸素の酸化力により電極を酸化して溶出させるため、低濃度の溶存酸素では酸化が進行しなくなり、このため高除去率で溶存酸素を除去できない。また溶出したイオンが処理水に持込まれ処理水質が悪化するという問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、薬品を使用することなく、簡単な装置と操作により高除去率で溶存酸素を除去し、低溶存酸素濃度の処理水を得ることが可能な脱酸素装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は次の脱酸素装置である。
（１）  陰極および陽極と、
陰極および陽極間に設けられたイオン透過性、非導電性かつ液透過性の隔膜と、
隔膜の陰極側に設けられた第１の多表面積導体層と、
隔膜の陽極側に設けられた炭素質の材質からなる第２の多表面積導体層と、
第１の多表面積導体層に被処理液を通液する通液手段と、
陰極および陽極間に通電する電源装置と
を含む脱酸素装置。
（２）  第１および／または第２の多表面積導体層が活性炭からなる上記（１）記載の装置。
【０００６】
本発明で用いられる隔膜はイオン透過性、非導電性かつ液透過性の隔膜である。このような隔膜としては従来より電気分解等の電気化学処理において隔膜として用いられていた隔膜が使用でき、具体的には素焼き粘土、セラミックス、紙、織布、不織布等の隔膜のほか、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素系樹脂等のプラスチック繊維の織布、不織布、網物等が使用できる。このような非導電性、液透過性の隔膜としてはポアサイズ０．１〜０．０１ｍｍ、厚さ０．０５〜０．５ｍｍのものが好ましい。
【０００７】
第１および第２の多表面積導体層（以下、単に導体層という場合がある）は比表面積の大きい導体からなる層である。比表面積は５００ｍ2／ｇ以上、好ましくは１０００〜３０００ｍ2／ｇ、厚さは１０〜０．３ｍｍ、好ましくは１〜０．５ｍｍのものが好ましい。多表面積導体層としては多孔質または繊維集合体のように三次元的に空隙部の多い構造を有する導体層が使用できる。
【０００８】
導体としては単体金属、合金、炭素などがあげられ、陰極側に設ける第１の導体層には通常導体として使用されている全てのものが使用できるが、陽極側に設ける第２の導体層には金属イオン等の不純物の溶出が少ない材質として、炭素質の材質からなるものが使用でき、特に活性炭が好ましい。これらの導体層は被処理液を通液できるように粒子間あるいは繊維間に空隙を保持するように充填または成形して導体層を形成する。
【０００９】
第１の導体層は陰極に接続するのが好ましく、この場合陰極部として利用されるので、陰極反応による溶出はなく、このため材質としては任意のものを使用しても差支えない。第２の導体層は陽極に接続するのが好ましく、この場合陽極部として利用されるので、酸化による溶出の少ない材質として、炭素質の材質からなるものを使用する。
【００１０】
活性炭の場合は酸化により表面が徐々に酸化されるが、最終的には二酸化炭素となるので、液透過性の隔膜を用いることができる。
活性炭としては粒状活性炭を層状に充填し、あるいはシート状に成形してもよく、また繊維状活性炭の織布、不織布、網物等のシート状物を使用することもできる。
【００１１】
陰極は第１の導体層に給電できるように設置するが第１の導体層を同電位に保持するようにこれと接触して設けるのが好ましい。陰極は酸化は生じないので材質には制限はないが、生成するＯＨイオンに安定な材質のものが好ましい。陽極は第２の導体層に給電できるように設置するが、第２の導体層を同電位に保持するようにこれと接触して設けるのが好ましい。陽極は酸化が生じるので酸化により金属イオン等の不純物が生じないものが好ましい。このため陰極、陽極とも安定な黒鉛等の炭素系電極が好ましい。陰極、陽極は板状のものが好ましく、電極間隔は１０〜０．１ｍｍ、好ましくは０．５〜０．２ｍｍとする。
【００１２】
電源装置は陰極、陽極間に脱酸素に必要な電力を供給するように構成される。脱酸素に必要な電力は溶存酸素をＯＨイオンに転換するのに必要であり、かつ電解が生じない電圧とする。電圧は水分解電解以下、好ましくは０．５〜２Ｖ、さらに好ましくは０．５〜１．２Ｖ、電流は１０〜１０００ｍＡ／liter／ｈｒ、好ましくは３０〜１５０ｍＡ／liter／ｈｒとされる。陰極、陽極に供給される電力は直流が好ましいが、脈流、パルスでもよい。
【００１３】
通液装置は第１の導体層の一端部から被処理液を流し、他端部から処理液を取り出すように構成する。第１および第２の導体層として活性炭のような非溶出性の導体を用い、隔膜として透液性の隔膜を用いる場合は、被処理液が第１および第２の導体層を通して流れるように構成することができる。
【００１４】
上記の装置による脱酸素の方法は、第１の導体層に被処理液を通液し、電源装置から陰極、陽極間に給電することにより行う。通電により陰極および第１の導体層は陰極部（カソード）として負に帯電し、（１）式により溶存酸素は除去されるものと推定される。
Ｏ2  ＋  ２Ｈ2Ｏ  ＋４ｅ-  →  ４ＯＨ-・・・（１）
【００１５】
ここで生成するＯＨ-イオンは隔膜を通して陽極に移動し、陽極および第２の導体層からなる陽極部（アノード）で酸化された酸化物との間で電荷の中和が行なわれる。
【００１６】
第２の導体層が炭素質のような非溶出性の導体の場合はその導体自体が酸化されるかあるいは被処理水中の有機物その他の被酸化性物質が酸化される。
【００１７】
第２の導体層が活性炭等の炭素質材料からなる場合、炭素質材料が酸化されてアルデヒド、カルボン酸、二酸化炭素等が生成するものと推測される。この場合は被処理水を第２の導体層に流してもよい。酸化の進行により活性炭の活性が低下したときは、加熱、アルカリ洗浄等により賦活することができる。
【００１８】
いずれの場合も給電しないで、単に溶存酸素の酸化力だけで陽極または第２の導体層を酸化して溶存酸素を除去すると除去率は低く、溶存酸素濃度を低くすることはできないが、給電を行うと溶存酸素は直ちにＯＨ-イオンに転化されるため脱酸素率は高く、溶存酸素濃度の低い処理水が得られる。
【００１９】
このとき第１の導体層として多表面積導体を用いることにより溶存酸素と負電荷面の接触面積が大きくなり、脱酸素効率は高くなる。第２の導体層として多表面積導体層を用いるとＯＨ-との接触面積が大きくなり、陽極反応が促進されるため溶存酸素除去効率は高くなる。特に活性炭のように比表面積の大きい材料を第１および第２の導体層として用いると陰極反応、陽極反応とも大きくなるので脱酸素効率は高くなる。
【００２０】
上記の陰極反応および陽極反応は酸化還元反応であるため起電力が生じるが、発生した電力は使用電力の一部として利用される。そしてこの起電力と外部電力の全体を水の電解電圧以下に維持することにより、電気分解の発生を防止し、無駄な電力消費を抑制することができる。
本発明で処理の対象とする被処理水は溶存酸素含有水であれば特に制限はないが、電気伝導度が１ｍＳ／ｍ以上、好ましくは５〜５０ｍＳ／ｍ、溶存酸素が１〜１０ｍｇ／ｌ以上、好ましくは２〜８ｍｇ／ｌの被処理水が対象として適している。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、陰極および陽極と、陰極および陽極間に設けられたイオン透過性、非導電性かつ液透過性の隔膜と、隔膜の陰極側に設けられた第１の多表面積導体層と、隔膜の陽極側に設けられた炭素質の材質からなる第２の多表面積導体層と、第１の多表面積導体層に被処理液を通液する通液手段と、陰極および陽極間に通電する電源装置とを設けて給電するようにしたので、薬品を使用することなく、簡単な装置と操作により高除去率で酸素を除去し、低溶存酸素濃度の処理水を得ることが可能である。
そして第１および／または第２の導体層として活性炭を用いることにより、さらに効率よく脱酸素を行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面により説明する。
図１は実施形態の脱酸素装置を示す断面図である。
【００２３】
図１において、１０は処理槽であり、内部には多数の脱酸素ユニット１ａ、１ｂ…１ｎが積層状態で収容されている。脱酸素ユニット１ａ、１ｂ…は間隔をおいて対向して設置された平板状の陰極２および陽極３間にイオン透過性の隔膜４が配置され、その陰極２側には多表面積導体からなる第１導体層５が陰極２に接するように設けられ、陽極３側には同様の第２導体層６が陽極３に接するように設けられている。各ユニット１ａ、１ｂ…間に位置する陰極２または陽極３は両側のユニットに共用されている。
【００２４】
電源装置７は陰極２および陽極３に直流電流を供給するように複数のユニットの電極に並列に接続している。給液路８は被処理液を各ユニットの電極間の第１、第２導体層５、６を通して、上向流で平行に流すように処理槽１０の一端部の下部に連絡している。処理液路９は各ユニットから出た処理液を集めて取り出すように処理槽１０の他端部の上部に連絡している。
【００２５】
上記の装置において、陰極２および陽極３は黒鉛等の炭素質電極が用いられている。
隔膜はポリプロピレン等のプラスチック繊維の織布のようにイオン透過性、透液性、非導電性のシート状隔膜が用いられている。第１および第２導体層５、６は活性炭繊維の織布、活性炭粒子のシート状成形物のような活性炭からなるものが使用されている。
【００２６】
上記の装置による脱酸素方法は、給液路８から被処理液を処理槽１０に導入し脱酸素ユニット１ａ、１ｂ…の第１および第２導体層５、６を通して流し、電源装置７から直流電流を陰極２、陽極３に供給して電気化学的処理を行う。
【００２７】
これにより陰極と接触する第１導体層５では酸素はＯＨ-イオンとなって脱酸素される。ＯＨ-イオンは隔膜４を透過して第２導体層６へ移行し、電荷が中和される。これと入れ替えに第２導体層６を流れる被処理水は隔膜４を透過して第１導体層５に入り、ここで溶存酸素は脱酸素される。各ユニットで脱酸素された処理水は処理液路９から取り出される。
【００２８】
上記の装置は四辺形の直方体状の構造にされているが、円形の陰極２、陽極３、隔膜４、第１、第２導体層を積層した脱酸素ユニット１ａ、１ｂ…を並べた円筒状の構造とし、周辺部に給液路８、中心部に処理液路９（逆でもよい）を連絡した構造、その他の構造とすることができる。
【００２９】
【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２および陽極３として黒鉛シート（日本カーボン（株）製、ニカフィルム、商標、有効面積１００ｃｍ2、極間距離０．５ｍｍ）、隔膜４としてポリプロピレン繊維織布（ユニチカ（株）製、エルベスＳＯ３０３ＷＤＯ、商標、厚さ０．２ｍｍ、目付３０ｇ／ｍ2）、第１および第２導体層５、６として活性炭繊維織布（クラレ（株）製、クラクティブ、商標、繊維径８〜１０μｍ、目付１００〜２５０ｇ／ｍ2）を積層した脱酸素ユニット１ａ、１ｂ…を１００ユニット積層した脱酸素装置を用いた。
【００３０】
上記装置に溶存酸素８．５ｍｇ／ｌ、電気伝導率２０ｍＳ／ｍの被処理水（水道水に０．１重量％の活性汚泥を添加したもの）を３ liter／ｈｒで通水し、電源装置７から２Ｖの電圧で０．４〜０．３Ａの直流電流を供給して脱酸素を行った。処理水の溶存酸素濃度を表１に示す。
【００３１】
【表１】
0004110684.tif 000002
【００３２】
比較例１
実施例において、陰極２および陽極３に通電することなく同様の処理を行った。
【００３３】
【表２】
0004110684.tif 000003
【００３４】
上記の結果より実施例の電気化学的処理により酸素除去率が高くなり、低溶存酸素濃度の処理水が得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の脱酸素装置の断面図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ…  脱酸素ユニット
２    陰極
３    陽極
４    隔膜
５    第１導体層
６    第２導体層
７    電源装置
８    給液路
９    処理液路
１０  処理槽
【図１】
0004110684.tif 000004