(57)【要約】【課題】活性酸素種を安定して発生させることができ、水処理能力が低下し難い水処理用電解ユニット及び電解式水処理装置を提供する。【解決手段】ダイヤモンド電極１１とナフィオン膜１２とが一体となるように白金線電極１３が一巻きされ、さらに下方の貫通穴１１ａへの挿通され、巻回が繰り返される。こうして、ナフィオン膜１２は、ダイヤモンド電極１１と白金線電極１３とに挟持されつつ、外部に剥き出しにされた露出面１２ａが形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導膜と、不溶性電極と、対極とを備え、
前記プロトン伝導膜は、前記不溶性電極と前記対極とに挟持されつつ、外部に剥き出しにされた露出面を有することを特徴とする水処理用電解ユニット。
【請求項２】
前記不溶性電極は、表面に導電性ダイヤモンド膜が形成されたダイヤモンド電極であることを特徴とする請求項１記載の水処理用電解ユニット。
【請求項３】
前記対極は金属ワイヤからなり、前記不溶性電極上にプロトン伝導膜が重ねられた不溶性電極-プロトン伝導膜接合体の周面に該金属ワイヤが巻きつけられていることを特徴とする請求項２記載の水処理用電解ユニット。
【請求項４】
請求項１乃至３の水処理用電解ユニットと、該水処理用電解ユニットの対極及び不溶性電極間に直流電流を流すための直流電源とを備えた電解式水処理装置。
【請求項５】
前記直流電源は蓄電池と、自然エネルギを電気エネルギに変換し、該電気エネルギを該蓄電池に充電可能な発電手段とからなることを特徴とする請求項４記載の電解式水処理装置。
【請求項６】
前記水処理用電解ユニットは容器形状のハウジングに収容されており、該ハウジング内部は外部の被処理水と連通しており、電解により発生したガスを外部へ排気するための排気口を有していることを特徴とする請求項４又は５記載の電解式水処理装置。
【請求項７】
通電と休止を繰り返すためのタイマーが設けられていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか1項記載の電解式水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はダイヤモンド電極を用いた水処理用電解ユニット、及びそれを用いた電解式水処理装置に関し、冷却用循環水等の殺菌用等に用いて好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、電極を被処理水に浸漬し、電極間に電流を流して被処理水中の汚染物質を電極酸化させて無害化する、電解式水処理装置が知られている。こうした電解式水処理装置の電極として、ダイヤモンド電極を用いたものが開発されている（例えば特許文献１、２）。
【０００３】
ここでダイヤモンド電極とは、ダイヤモンドにホウ素等の異元素をドーピングしたり、ダイヤモンドの表面を水素化したりして、電気導電性を付与した電極をいう。導電性ダイヤモンドはその化学的安定性のため、従来の電極では得ることのできなかった広い電位窓を有するため、特に貴の電位域で安定に作動し、電極‐溶液界面に大きな電位差を付与することができる。このためOH・、・O2−などの活性酸素種やH2O2、オゾン等の酸化剤を生成するのに十分貴な電位を保持させることができ、これらの活性酸素種や酸化剤によって、これらの活性酸素種によって、被処理水中の汚染物質を分解することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２３６５４４号公報
【特許文献２】特開２００４−２０２４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の電気分解を利用した電解式水処理装置では、被処理水の電気伝導度が低い場合には電気が流れ難く、電極反応の進行が円滑に行われなくなり、ひいては十分な水処理が行われなくなるというおそれがあった。
【０００６】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、被処理水の電気伝導度が低い場合であっても、効率よく水処理を行うことができる電解式水処理装置を提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水処理用電解ユニットは、プロトン伝導膜と、不溶性電極と、対極とを備え、  前記プロトン伝導膜は、前記不溶性電極と前記対極とに挟持されつつ、外部に剥き出しにされた露出面を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明の水処理用電解ユニットでは、プロトン伝導膜が不溶性電極と対極との間に挟持されているため、被処理水中のイオン濃度が低くて比電導度の値が小さくても、プロトン伝導膜中をプロトンが移動することによって、イオンの拡散が可能となる。このため、例え被処理水の比電導度が小さくても、プロトン伝導膜中のプロトン移動によって電流が流れる。このため、電極反応が円滑に行われ、不溶性電極表面で活性酸素種やH2O2等の酸化剤が発生する。そして、プロトン伝導膜が外部に剥き出しとされた露出面を有するため、不溶性電極上で活性酸素種やH2O2等の酸化剤がが、プロトン伝導膜中を拡散して、外部にまで溶出される。このため、プロトン伝導膜外部に存在する被処理水中の汚染物質や細菌を酸化処理することができる。
【０００９】
プロトン伝導膜としては、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等のスルホン酸基を持ったフッ素系ポリマー等が挙げられる。こうしたフッ素系ポリマーからなるプロトン伝導膜中は、プロトン導電性に優れ、電極酸化に対しても耐久性を有しており、好適いることができる。
【００１０】
不溶性電極としては、電解によって溶解したし腐食したりしない不溶性電極であれば特に制限はない。例えば白金、白金を含有する合金等の貴金属電極等を用いることができる。
【００１１】
本発明の水処理用電解ユニットでは、不溶性電極として導電性ダイヤモンド膜が形成されたダイヤモンド電極を用いるのが好適である。ダイヤモンド電極は、従来の電極では得ることのできなかった広い電位窓を有するため、特に貴の電位域で安定に作動し、電極‐溶液界面に大きな電位差を付与することができる。このためこの水処理用電解ユニットを被処理水中に浸漬し、ダイヤモンド電極が正の高い電位となるように、ダイヤモンド電極と対極との間に直流電圧を付与すれば、OH・、・O2−などの活性酸素種やH2O2、オゾン等の酸化剤を生成するのに十分貴な電位を保持させることができる。こうして発生した活性酸素種や酸化剤が露出面を介してプロトン伝導膜中を拡散して、外部にまで溶出される。このため、プロトン伝導膜外部に存在する被処理水中の汚染物質や細菌を酸化処理することができる。
【００１２】
本発明の水処理用電解ユニットの構造としては、対極は金属ワイヤからなり、前記ダイヤモンド電極上にプロトン伝導膜が重ねられたダイヤモンド-プロトン伝導膜接合体の周面に該金属ワイヤが巻きつけられていることとすることができる。こうであれば、金属ワイヤ間において、プロトン伝導膜が外部に剥き出しとされた露出部を容易に形成することができる。金属ワイヤとしては、白金や白金を主成分とする合金の線が耐食性等に優れており好ましい。
【００１３】
また、前記対極及び／又は前記ダイヤモンド電極の厚さ方向に貫通する無数の孔を設けることにより、前記プロトン伝導膜の一部が露出する露出面が形成させてもよい。こうであっても、孔を介して高分子電解質膜が外部に剥き出しとなり、簡単な構造で容易に露出部が形成される。
【００１４】
本発明の水処理用電解ユニットを用いて、電解式水処理装置を製造することができる。すなわち、本発明の電解式水処理装置は、請求項１乃至３の水処理用電解ユニットと、該水処理用電解ユニットの対極及び不溶性電極間に直流電流を流すための直流電源とを備えることを特徴とする。こうであれば、自然エネルギを有効に利用することとなる。このような発電手段として、太陽電池、風力発電装置、熱電素子等を挙げることができる。これらの発電手段を用いることにより、電源確保が困難な場所であっても、本発明の電解式水処理装置を長期間駆動させることができる。
【００１５】
また、本発明の電解式水処理装置では、水処理用電解ユニットを保護するために、外部の被処理水と連通しており容器形状のハウジング内に収容することが好ましい。電解中においてはダイヤモンド電極や対極が大きく分極されるため、ダイヤモンド電極からは酸素ガスが、対極からは水素ガスが多量に発生することとなる。このため、ハウジングは電解により発生したガスを外部へ排気するための排気口を有していることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の電解式水処理装置では、水処理用電解ユニットへの通電状態と通電休止状態とを繰り返すためのタイマーが設けられていることが好ましい。こうであれば、通電休止状態において電力の消費が停止されるため、発電手段から蓄電池に蓄電される。このため、昼間の蓄電池への蓄電によって夜間等においても稼動が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した実施例について詳述する。
（実施例１）
＜水処理用電解ユニット＞
実施例１の水処理用電解ユニット１は、図１に示すように、片面にホウ素をドープされた導電性ダイヤモンド膜が被覆された長さ２３ｃｍ、幅７ｃｍのダイヤモンド電極１１を備えている。ダイヤモンド電極１１の中央には貫通穴１１ａが長さ方向に１列に並んで開けられており、貫通穴１１ａへ、細長い紐状のナフィオン膜１２が挿通され、1回の巻回がなされ、さらに下方の貫通穴１１ａへの挿通され、巻回が螺旋状に繰り返されている。また、さらに貫通穴１１ａには、φ＝０．５ｍｍの白金線電極１３が挿通され、ダイヤモンド電極１１とナフィオン膜１２とが一体となるように、ナフィオン膜１２の上から白金線電極１３が1回巻回され、さらに下方の貫通穴１１ａへの挿通され、巻回が繰り返される。こうして、ナフィオン膜１２は、ダイヤモンド電極１１と白金線電極１３とに挟持されつつ、外部に剥き出しにされた露出面１２ａ（図２参照）が形成される。ダイヤモンド電極１１及び白金線電極１３にはそれぞれ接続コード１４ａ，１４ｂが接続されている。
【００１８】
＜電解式水処理装置＞
上記実施例１の水処理用電解ユニット１を用いて、電解式水処理装置を組み立てた。この電解式水処理装置は、図３に示すように、水処理用電解ユニット１がシャーレ形状の透明容器１５の底に接着剤で固定された電極挟持治具１６に挟持されて立設されている。透明容器１５の上端には、四角筒状で上端が縮径して、下端が無底のカバー部材１７が被せられて、接着剤で固定されている（内容量１Ｌ）。図４に示すように、カバー部材１７の側面及び上端には、無数のガス抜き穴１７ａが開けられている。図３に示すように、ダイヤモンド電極１１は蓄電池１８の正極に接続コード１４ａを介して接続されており、白金線電極１３は蓄電池１８の負極に接続コード１４ｂを介して接続されている。蓄電池１８の電圧は１２Ｖである。接続コード１４ａ、１４ｂの間には電圧計１９が設けられており、接続コード１４ｂの途中には電流計２０が設けられている。また、電流計２０と蓄電池１８の間には所定時間ごとに通電状態のオン−オフを繰り返すためのタイマー２５が設けられている。蓄電池１８は太陽電池パネル２１に充電可能に接続されている。太陽電池パネル２１は3.43cm×10.3cmの太陽電池36個から構成されており、アウターサイズは38.0cm×29.2cmである。この太陽電池パネル２１は、気温35℃の晴天時において電圧１２Ｖ電流１Ａを供給することが可能である。水処理用電解ユニット１は、被処理水２２の入った水槽２３の中に、ダイヤモンド電極１１が上端を残して浸漬されている。また、水槽２３の底には被処理水２２に流れを与えるための水流ポンプ２４が置かれている。
【００１９】
−水処理試験−
以上のように構成された電解式水処理装置を用いて、模擬冷却水の殺菌処理を行った。模擬冷却水としては、水道水を汲み置きし、大気中で１０日間放置した水を用いた。こうして調製した模擬冷却水６Ｌを被処理水２２として水槽２３に入れ、接続コード１４ａ、１４ｂを蓄電池１８に接続し、水流ポンプ２４を駆動して被処理水２２を撹拌しながら、電解処理を行った。タイマー２５は特に駆動させずに連続運転とした。そして電解時間０分、３０分、６０分、９０分、１２０分において被処理水２２を採取し、菌数の測定を行った。また、試験中における電流及び電圧の測定も行った。菌数の測定は、採取した被処理水を１／１０及び１／１００に希釈し、この希釈液0.1mlを10cm2一般細菌陽寒天培地に塗り、３５℃の恒温容器内で２４時間の培養を行った。培養後のコロニーの数を菌数とし、この菌数によって殺菌効果を判断した。
【００２０】
＜結  果＞
菌数測定
図５に全菌数の推移を示す。その結果、電解前において、全菌数は溶液１ｃｍ３当たり約１０6個であったものが、電解開始直後から菌数が減り始め、電解開始から３０分後には全菌数は約１０5個となり、６０分後には約103個（すなわち当初全菌数の約１／１０００）となった。
【００２１】
以上の結果は、次のように説明される。すなわち、電解によりダイヤモンド電極上でオゾンやＯＨ・、Ｏ・、Ｏ２−といった酸化性物質が発生する。そして、これらの酸化性物質がナフィオン膜１２中を通り、露出部１２ａから被処理水の沖合いへ拡散し、細菌類を殺菌する。また、白金線電極１３とダイヤモンド電極１１との間にナフィオン膜１２が挟持されているため、被処理水中のイオン濃度が低くて比電導度の値が小さくても、プロトン伝導膜中をプロトンが移動することによって、イオンの拡散が可能となる。このため、例え被処理水の比電導度が小さくても、円滑な電極反応が行われ、酸化性物質が発生し、細菌類の殺菌を効率よく行うことができる。
【００２２】
電流及び電圧の時間経緯
図６に電気分解時の電圧と電流の時間経過を示す。この図より、１２０分の電気分解において、電圧と電流はほとんど変化せず、長時間にわたって安定した電気分解が行われ、細菌類の殺菌が継続して行われることが分かった。
【００２３】
上記水処理試験では、タイマー２５を駆動させずに連続運転としたが、タイマー２５を所定時間ごとに通電状態のオン−オフを繰り返す（たとえば１５分通電−４５分休止）ように設定しておいてもよい。こうであれば、通電休止状態において電力の消費が停止されるため、発電手段から蓄電池１８に蓄電される。このため、昼間の蓄電池１８への蓄電によって夜間等においても稼動が可能となり、長期間の連続運転が可能となる。
【００２４】
（実施例２）
＜水処理用電解ユニット＞
実施例２の水処理用電解ユニットは、図７及び図８に示すように、ナフィオン膜３１が、ダイヤモンド電極３２と白金電極板３３とで挟持されている。白金電極板３３は厚さ方向に貫通する無数の孔３３ａを有している。
【００２５】
以上の構成の水処理用電解ユニットでは、白金電極板３３上での電気分解によってダイヤモンド電極上で発生した酸化性物質が、ナフィオン膜３１中を通り、孔３３ａから被処理水の沖合いへ拡散し、細菌類を殺菌することができる。
【００２６】
上記実施例では、本電解式水処理装置を冷却水の殺菌装置として用いたが、本発明は殺菌の用途に限定されるものではない。ダイヤモンド電極上で発生するオゾンやＯＨ・、Ｏ・、Ｏ２−といった酸化性物質によって酸化処理が可能な汚染物質であれば処理を行うことができる。また、この発明は、上記発明の実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、エアコンの冷却水等の殺菌に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１の水処理用電解ユニットの正面図である。
【図２】実施例１の水処理用電解ユニットの部分正面図である。
【図３】実施例１の水処理用電解ユニットを用いた電解式水処理装置の模式図である。
【図４】実施例１の水処理用電解ユニットを用いた水処理用電解セルの一部断面図である。
【図５】電解時間と菌数との関係を示すグラフである。
【図６】電気分解時の電圧と電流の時間経過を示すグラフである。
【図７】実施例２の水処理用電解ユニットの正面図である。
【図８】実施例２の水処理用電解ユニットの断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…水処理用電解ユニット
１２，３１…プロトン伝導膜（ナフィオン膜）
１１，３２…ダイヤモンド電極
１３，３３…対極（白金線電極）
１２ａ…露出面
３３ａ…孔
１８，２１…直流電源（１８…蓄電池，２１…太陽電池）
１５，１７…ハウジング（１５…透明容器，１７…カバー部材）
１７ａ…排気口（ガス抜き穴）
【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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