电解装置

摘要

本发明涉及一种电解装置，其包括容纳溶液的电解池和安装在电解池中的一对电极。所述一对电极中的一个电极是碳电极，与电解池中的溶液接触的碳电极的液体接触部分仅由三维曲面构成。

权利要求

1.一种电解装置，其包括：

容纳溶液并且具有透光部的电解池；和安装在所述电解池中的第一电极和第二电极，其中：所述第一电极是碳电极；

与所述电解池中的所述溶液接触的所述第一电极的液体接触部分仅由三维曲面构成；

所述第一电极的所述液体接触部分位于所述电解池面向所述透光部的一侧上的电解池的侧面中；

所述第二电极和所述透光部间的距离为0cm～0.5cm；

所述第一电极的所述液体接触部分与所述第二电极的端部在竖直方向上不重叠；并且在所述电解池中在所述第一电极和所述第二电极的下方设置有随着向下而内径减小的收纳空间，以收纳来自所述碳电极的任何破裂碎片。

说明书

电解装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种包含碳电极的电解装置。

背景技术

[0002] 用于电解的电极材料根据电解反应的目的而不同。例如，为了检测溶液中存在的金属离子，重要的是选择与金属离子的类型相容并且是耐受反复电解反应所致的电极劣化的材质的电极材料。

[0003] 碳电极通常在电化学中用作阳极或阴极。作为碳电极材料的碳是通过使碳颗粒固结而制造的，与金属电极相比较脆，在电力或如接触等物理力的作用下，颗粒间的结合容易破坏。也就是说，碳电极比金属电极具有更低的劣化耐性。

[0004] 注意，在本申请人开发的等离子光谱分析仪(日本特开2016‑130734号公报)中，作为调查检测重金属(Pb或Hg)的检测灵敏度的结果，使用碳电极作为电极之一。

[0005] 日本特开2006‑284240号公报描述了通过使玻璃碳的表面粗糙度为10μm以下来防止由于高温加热导致的玻璃碳的劣化。

发明内容

[0006] 本公开的示例性实施方式涉及利用碳电极的形状来提高劣化耐性，并且尽可能地防止颗粒脱落。

[0007] 本公开的电解装置包括容纳溶液的电解池和安装在电解池中的一对电极。该一对电极中的一个电极是碳电极。与电解池中的溶液接触的碳电极的液体接触部分仅由三维曲面构成。三维曲面是没有顶点、侧边或边缘的面。

[0008] 在本公开的电解装置中，与电解池中的溶液接触的碳电极的液体接触部分仅由三维曲面构成。因此，液体接触部分不包括在施加电压时易于出现高电流密度的诸如侧边或顶点等形状。这防止了在温度升高或振动增加等时因来自于电流密度增加的高能量负荷所导致的碳颗粒从这些侧边或顶点脱落。

附图说明

[0009] 图1A是电解池中碳电极的液体接触部分的优选形状的实例的示意性透视图，图1B是其平面图，图1C是图1B沿线I‑I截取的截面图。

[0010] 图2A是电解池中碳电极的液体接触部分的优选形状的实例的示意性透视图，图2B是其平面图，图2C是图2B沿线II‑II截取的截面图。

[0011] 图3A是电解池中的碳电极的液体接触部分的形状的优选实例的示意性透视图，图3B是其平面图，图3C是其侧面截面图。

[0012] 图4是电解池中的碳电极的液体接触部分的优选形状的实例的示意性侧面截面图。

[0013] 图5A是电解池上设置的收纳空间的实例的示意性透视立体图，图5B是沿着V‑V方向观察的图5A的示意性截面图。

[0014] 图6A是示出了使用图1A的电解装置的等离子体光谱分析中的浓缩过程中的相关要素的示意性截面图，图6B是示出了其检测过程中的相关要素的示意性截面图。

[0015] 图7A是电解池中碳电极的液体接触部分的不合适形状的实例的示意性透视图，图7B是其平面图，图7C是图7B沿线VII‑VII截取的截面图。

[0016] 图8A是电解池中碳电极的液体接触部分的不合适形状的实例的示意性透视图，图8B是其平面图，图8C是图8B沿线VIII‑VIII截取的截面图。

具体实施方式

[0017] 如上所述，在本公开的电解装置的第一方面中，电解装置包括容纳溶液的电解池和安装在电解池中的一对电极。所述一对电极中的一个电极是碳电极。与电解池中的溶液接触的碳电极的液体接触部分仅由三维曲面构成。

[0018] 所述一对电极是固体电极，其具体实例为棒状电极等。作为电极的材料，只要一个电极为碳即可，另一电极的材料没有特别限制，只要材料是固体导电性材料即可，并且例如其材料可以根据检测物质的类型适当地确定。另一电极的材料例如可以是非金属，可以是金属，或者可以是其混合物。当另一电极的材料为非金属时，则另一电极的材料可以例如包括一种非金属，或者可以包括两种以上非金属。非金属的实例包括碳。当另一电极的材料为金属时，另一电极的材料可以例如包括一种金属，或者可以包括两种以上金属。金属的实例包括金、铂、铜、锌、锡、镍、钯、钛、钼、铬和铁。当另一电极的材料包括两种以上金属时，该电极的材料可以是合金。合金的实例包括黄铜、钢、INCONEL(注册商标)、镍铬合金和不锈钢。所述一对电极可以例如是相同的材料或者可以是不同的材料。电极的尺寸没有特别限制，只要其为使得电极的至少一部分可以置于电解池中的尺寸即可。

[0019] 如上所述，碳电极的液体接触部分仅由三维曲面构成。三维曲面是不包含任何顶点、侧边或边缘的面。例如，可以将三维曲面定义为连续面，其为这样的面：当从液体接触部分截取任何给定的截面并将液体接触部分的溶液侧的轮廓线写成函数时，该轮廓线在其上的所有点处都是可微分的。在函数上的任何给定点都是可微分的，这意味着在给定点处使用左极限的切线和使用右极限的切线是相互一致的(即切线的斜率相同)。具体而言，碳电极的液体接触部分上不存在“侧边”、“顶点”或“边缘”。从这个意义上说，三维曲面可以是平面。

[0020] 接下来，参照图1A～1C、图2A～2C、图3A～3C、图4、图7A～7C和图8A～8C的示意性图示，对碳电极30形状的实例进行说明。要注意的是，除碳电极30之外，设置在电解池10内部或外部的结构在这些图中未示出。

[0021] 在图7A和图7B中示意性示出的实例中，圆柱形碳电极30的一个底面侧被安装成从电解池10的侧面向电解池10的内部突出。于是，底面的外周边缘变成侧边32。位于电解池10中的碳电极30的一部分(液体接触部分31)随后呈现例如图7C所示的矩形截面。由于侧边32，该截面的轮廓线包括直角顶点，因此碳电极30的液体接触部分31不是由本发明中所称的仅仅“三维曲面”构成。要注意的是，截面的轮廓线在顶点是不可微分的。由于采用这种形状，当施加电压时，侧边32部分处的电流密度倾向于较高，导致在电解反应过程中碳颗粒容易崩落。这样的碳电极30对于本方面的电解装置而言不是优选的。

[0022] 而且，在图8A和图8B中示意性示出的实例中，圆柱形碳电极30的一端处的尖端渐缩成锥形。该尖端被安装成从电解池10的侧面向电解池10的内部突出。于是，尖端是顶点33。设置于电解池10中的碳电极30的部分随后如图8C所示在经过尖端的截面中呈现箭头形状。截面的轮廓线包括由于顶点33而形成的角顶点，因此碳电极30的液体接触部分31不是由本发明中所称的仅仅“三维曲面”构成。要注意的是，截面的轮廓线在顶点是不可微分的。
由于采用这样的形状，在施加电压时，顶点33处的部分的电流密度倾向于较高，导致在电解反应过程中碳颗粒容易崩落。这样的碳电极30对于本构成的电解装置而言也是不优选的。

[0023] 另一方面，在图1A和图1B中示意性示出的实例中，圆柱形碳电极30的一端具有半球形状，并且碳电极30被安装为使得半球形部分从电解池10的侧面向电解池10的内部突出。在这种情况下，设置于电解池10中的碳电极30的部分呈现出具有以下轮廓线的截面，例如，如图1C所述，其包括平行的直线，然后弯曲成在尖端处汇合的相应圆弧。截面部分的轮廓线不包括任何侧边、顶点或边缘，因此碳电极30的液体接触部分31由本发明中所称的仅仅“三维曲面”构成。要注意的是，截面的轮廓线在每个点处都是可微分的。由于采用这样的形状，不存在施加电压时电流密度趋于极高的部分，并且在电解反应期间碳颗粒变得较不容易崩落。

[0024] 在图2A和图2B中示意性示出的实例中，圆柱形碳电极30被安装为其长度方向与电解池10的长度方向正交的状态以及碳电极30的侧面的一部分露出在电解池10的内部的状态。于是，设置于电解池10中的碳电极30的部分呈现如图2C所示的圆弧形状的截面。截面的轮廓线不包括侧边、点或边缘，因此碳电极30的液体接触部分31由本发明中所称的仅仅“三维曲面”构成。要注意的是，截面的轮廓线在每个点处都是可微分的。由于采用这样的形状，不存在施加电压时电流密度趋于较高的部分，并且在电解反应期间碳颗粒较不容易崩落。

[0025] 另外，在图3A～图3C中示意性示出的实例中，贯穿圆筒状电解池10的侧面在切除厚度的部分设置有通孔13。另外，安装平板状的碳电极30，以便从外部封堵通孔13。在该实例中，碳电极30面向贯通孔13的平面部分成为液体接触部分31。因此，液体接触部分31的截面轮廓线呈直线状，因此不包括侧边、点或边缘。因此，碳电极30的液体接触部分31由本发明中所称的仅仅“三维曲面”构成。要注意的是，截面的轮廓线在每个点处都是可微分的。由于采用这样的形状，在施加电压时不存在电流密度趋于极高的部分，并且在电解反应期间碳颗粒不易崩落。

[0026] 要注意的是，如图4所示，在电解池10的侧面截面轮廓的一部分是弧形部分的情况下，开口14可以设置为如同已经切除弧形部分的一部分的形状，并且平板状碳电极30被安装成从外部封堵开口14。在该实例中，碳电极30面向开口14的平面部分成为液体接触部分31。因此，液体接触部分31的截面的轮廓线呈直线状，因此不包括侧边、点或边缘。因此，碳电极30的液体接触部分31由本发明中所称的仅仅“三维曲面”构成。要注意的是，截面的轮廓线在每个点处都是可微分的。由于采用这样的形状，不存在施加电压时电流密度趋于极高的部分，并且在电解反应期间碳颗粒不易崩落。

[0027] 溶液是溶解、悬浮或分散有通过电解反应分析的材料(检测物质)的液体。液体例如可以是液体样本，或者可以是已经例如悬浮、分散或溶解在介质中的固体样本的稀释液。样本的净溶液例如可以原样用作液体样本，或者可以例如通过将净溶液悬浮、分散或溶解在介质中而将净溶液与介质一起使用。只要介质能够悬浮、分散或溶解样本即可，对其没有特别限制，介质的实例包括水和缓冲液。样本的实例包括从生物体取得的样本(样品)、环境样本(样品)、金属、化学物质、药物产品等。从生物体取得的样本没有特别限制，其实例包括尿液、血液、毛发、唾液、汗液和指甲等。血液样本例如可以是红细胞、全血、血清或血浆等。
生物体的实例包括人类、非人类动物或植物等。例如，非人类动物可以是人类以外的哺乳动物、爬行动物、两栖类、鱼类或昆虫等。环境样本没有特别限制，其实例包括食物、水、土壤、大气或空气样品等。食物的实例包括新鲜食物和加工食物。水的实例包括饮用水、地下水、河水、海水和家庭废水等。

[0028] 只要检测物质具有电荷即可，对检测物质没有特别限制，检测物质的实例包括金属和化学物质等。金属没有特别限制，其实例包括铝(Al)、锑(Sb)、砷(As)、钡(Ba)、铍(Be)、铋(Bi)、镉(Cd)、铯(Cs)、钆(Gd)、铅(Pb)、汞(Hg)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)、碲(Te)、铊(Tl)、钍(Th)、锡(Sn)、钨(W)和铀(U)。化学物质的实例包括试剂、农用化学品和化妆品。例如，可以存在一种或两种以上的检测物质。

[0029] 在检测物质是金属的情况下，液体可以例如包括用于分离样本中的金属的试剂。该试剂的实例包括螯合剂和掩蔽剂等。螯合剂的实例包括二硫腙、硫普罗宁、内消旋‑2,3‑二巯基琥珀酸(DMSA)、2,3‑二巯基‑1‑丙磺酸钠(DMPS)、乙二胺四乙酸(EDTA)、次氮基三乙酸(NTA)、乙二胺‑N,N'‑二琥珀酸(EDDS)和α‑硫辛酸。本文提到的分析方法中的“掩蔽”使SH基团的反应性失活，并且可以例如通过化学修饰SH基团来进行。掩蔽剂的实例包括马来酰亚胺、N‑甲基马来酰亚胺、N‑乙基马来酰亚胺、N‑苯基马来酰亚胺、马来酰亚胺丙酸、碘代乙酰胺和碘代乙酸。

[0030] 液体例如可以是调节pH的液体。此种情况下的pH没有特别限制，只要其是有利于对检测物质进行检测的pH即可。液体的pH可以例如通过pH调节试剂进行调节，其为碱性试剂或酸性试剂等。

[0031] 碱性试剂的实例包括碱和碱的水溶液。碱没有特别限制，其实例包括氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾和氨等。碱水溶液的实例包括用水或缓冲液稀释碱的水溶液。碱水溶液中的碱浓度没有特别限制，例如可以为0.01mol/L～5mol/L。

[0032] 酸性试剂的实例包括酸和酸的水溶液。酸没有特别限制，实例包括盐酸、硫酸、乙酸、硼酸、磷酸、柠檬酸、苹果酸、琥珀酸和硝酸。酸水溶液的实例包括用水或缓冲液稀释酸的水溶液。酸水溶液中酸的浓度没有特别限制，例如可以为0.01mol/L～5mol/L。

[0033] 在本公开的电解装置的第二方面中，除了第一方面以外，在电解池中在所述一对电极的下方还设置有收纳空间，以收纳来自碳电极的任何破裂碎片。

[0034] 即使具有如第一方面那样的碳电极的形状，因反复电解反应所致的劣化有时也是不可避免的，并且碳颗粒有时可能崩落。这样的碳颗粒随着电解反应产生的气泡(例如氢气)上升而伴随着电解池内的溶液对流，在电解池中的对流下流动，由此妨碍电解反应。

[0035] 在电解池中设置收纳空间以尽可能多地避免出现这种情况。收纳空间设置在所述一对电极下方。也就是说，收纳空间安置于所述一对电极中的较下方安置的电极的下方。

[0036] 如在图5A和图5B中示意性地示出的那样，例如，收纳空间优选为电解池10底部处的随着向下而内径减小的空间。

[0037] 下面参照图5A和5B以及图6A和6B对本发明的电解装置的示例性实施方式进行说明。为了便于说明，在这些图中，各个部分的结构适当地简化并示意性地示出，使得各个部分的尺寸比例等与实际尺寸比例不同。

[0038] 如图5A和图5B所示，本示例性实施方式的电解装置1包括电解池10、一对电极(小电极20和碳电极30)以及光接收部40。电解池10呈现基本上圆筒形状，其侧面的一部分如同被截平以形成平面形状。该平面部分中包括圆形透光部11。光接收部40设置在电解池10的外部。通过向小电极20和碳电极30施加电压而发出的发光穿过圆形透光部11，并且光接收部40被设置成能够接收检测物质的发光。小电极20设置为与溶液60的液面61平行，小电极20的尖端被设置成与透光部11邻接。具有圆筒形状的碳电极30被设置为其侧面的一部分位于电解池10面向圆形透光部11的一侧上的电解池10的侧面中，使得碳电极30以直角与竖直方向相交，并且碳电极30的这部分露出在电解池10的内部。也就是说，碳电极30的长度方向和小电极20的长度方向相对于彼此处于交叉线位置。碳电极30的液体接触部分31来源于圆管形状的侧面，因此仅由三维曲面构成(参见图2A～图2C)。小电极20被绝缘体22覆盖。在电解池10的底部，在小电极20的下方进一步设置有随着向下而内径减小的收纳空间12。在本示例性实施方式的电解装置1中，包含检测物质的溶液60被引入电解池10的管中，使得溶液
60与小电极20和碳电极30接触。

[0039] 在本示例性实施方式中，小电极20被安装为平行于溶液60的液面61，并且小电极20的大部分表面被绝缘体22覆盖。

[0040] 在本示例性实施方式中，小电极20和透光部11彼此接触；然而，本实施方式不限于此，例如，小电极20可以不与透光部11接触。小电极20和透光部11间的距离没有特别限制，例如可以为0cm～0.5cm。

[0041] 透光部11的材料没有特别限制，例如可以根据发光的波长适当地设定，只要其是透射通过向小电极20和碳电极30施加电压而发出的发光的材料即可。透光部11的材料的实例包括石英玻璃、丙烯酸酯树脂(PMMA)、硼硅酸盐玻璃、聚碳酸酯(PC)、环烯烃聚合物(COP)和聚甲基戊烯(TPX(注册商标))。透光部11的尺寸没有特别限制，只要其尺寸能够使通过向小电极20和碳电极30施加电压而产生的发光透射即可。

[0042] 在本示例性实施方式中，电解池10是有底圆筒形状，其侧面的一部分被截平以形成沿着其长度方向延伸的平面形状；然而，电解池10的形状不限于此，可以是任何期望的形状。电解池10的材料没有特别限制，其实例包括丙烯酸酯树脂(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚苯乙烯(PS)。在电解池10为有底管形的情况下，电解池10的直径例如为0.3cm～1cm，电解池10的高度例如为0.9cm～5cm。在电3 3
解池10中引入0.3cm～0.8cm的溶液60。

[0043] 光接收部40没有特别限制，其实例包括诸如CCD、光谱仪等已知光学测量仪器。例如，光接收部40可以是将发光传输到设置在电解装置1外部的光学测量仪器的传输器。传输器的实例包括诸如光纤等传输路径。

[0044] 电解池10的制造方法没有特别限制，电解池10可以是通过注塑等制造的成型体，或者可以通过在诸如板等基材中形成凹部来制造。电解池10的制造方法没有特别限制，其他实例包括光刻和机器切割。

[0045] 以下，针对作为酸性水溶液的溶液60中存在的金属离子(例如汞离子、铅离子等)为检测物质的情况进行说明，从而概述采用本示例性实施方式的电解装置1的光谱分析方法。

[0046] 首先，如图6A所示，作为将检测物质浓缩在小电极20附近的浓缩过程，在溶液60已经引入电解池10中的状态下，通过电压施加装置50施加电压，使得小电极20充当阴极，碳电极30充当阳极。然后，溶液60中存在的金属离子被吸引到作为阴极的小电极20。同时，溶液60中的氢离子也被吸引到小电极20，并在那里获得电子形成氢气，导致从小电极20产生气泡62。

[0047] 然后，气泡62朝着溶液60的液面61上浮，伴随着该作用，在电解池10中产生溶液60的对流。从碳电极30崩落的碳颗粒34也伴随该对流而在溶液60中对流；不过，当碳颗粒34到达在其底面侧变窄的收纳空间12时，碳颗粒34被捕获并因此不易再对流。这降低了电解反应被崩落的碳颗粒34在溶液60中进行对流所阻碍的可能性。

[0048] 接下来，如图6B所示，在检测经浓缩过程而浓缩在小电极20附近的检测物质的检测过程中，通过电压施加装置50施加电压，使得小电极20在那时充当阳极，碳电极30充当阴极。然后，经先前的浓缩过程而吸引在小电极20周围的金属离子产生等离子体，并且由此产生的光穿过透光部11，被光接收部40接收并检测。

[0049] 工业实用性

[0050] 本发明可以用于设置有碳电极的电解装置。