JP4243066B2 - Biofouling prevention material - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋構造物、船舶、水輸送用の配管又は水路、漁網、熱交換器あるいは、海水取水口のスクリーンなどに生物やスケールなどが付着することを電気化学的に防止する生物付着防止材に関する。
【0002】
【従来の技術】
海水や淡水中には多くの生物が存在し、水中構造物表面に付着し、様々な問題を引き起こしている。例えば、船舶やブイに付着すると推進抵抗の増大といった問題が発生する。また、養殖用生け簀に付着すると海水の交流阻害といった問題が発生する。更に、定置網などの漁網に付着すると網成りの変形といった問題などが発生する。
また、給排水のパイプ内やバルブ等に付着した微生物は海水や淡水を介して人や生産物を汚染するといった問題を発生する。
海水や淡水に接している構造物表面への生物の一般的な付着機構は以下の通りである。
まず付着性のグラム陰性菌が構造物表面に吸着して脂質に由来するスライム状物質を多量に分泌する。さらにグラム陰性菌は、このスライム層に集まって増殖し、微生物皮膜を形成する。そして、海水中ではこの微生物皮膜上に大型生物である藻類、貝類、フジツボ等の大型の生物が付着する。付着した大型生物が繁殖成長し、最終的に水中構造物表面を覆い尽くすことになる。
こうした水中構造物および海水や淡水に接しているものの表面に付着した生物の防汚手段としては、殺菌性を有する物質を防汚面に添加したり、有機スズ系化合物を含有した塗料で塗膜を形成し、有機スズ系化合物を溶出させる方法や、海水を電気分解する事により発生する塩素を利用した防汚方法が一般的に行われていた。しかし、これらの方法は有害物質が発生し、水質の汚染による生物への影響が懸念される。
【0003】
近年、有害物質を発生させないで電気化学的に水中構造物や海水や淡水に接しているものの表面などに付着する生物を制御する方法が提案されている。
この電気化学的な生物の制御方法は、微生物との直接電気化学反応が確認されている所定電位以上の電位を微生物に印加すると、微生物内部の酸化還元物質が不可逆的に酸化され、微生物の呼吸活性及び微生物膜の透過障壁の低下を誘発し、微生物を死滅させることが可能であるというものである(特公平6−91821号公報)。ちなみに、本発明で用いた海洋付着細菌ビブリオ・アルギノリチクスでは、0.7Vvs.SCEにて酸化ピーク電流が確認できる。すなわち、微生物との直接電気化学反応が確認される所定電位が、電解液となる淡水や海水の分解電位以下で起こるため、化学物質の生成がなく、導電性基材に付着する微生物のみを殺菌でき、その後の水生生物の付着を防止することができる。そのため、海洋汚染が無く、さらに海洋生物の生態系への影響がない優れた防汚方法となることが示されている。
また、特開平11−19249号公報には、水中において、導電性基板に正電位を印加することにより、水中の微生物を前記導電性基板表面に吸着して殺菌する工程と、前記導電性基板にさらに高い正電位を印加することにより、前記導電性基板表面に吸着している微生物の細胞を破壊し、導電性基板に付着し殺菌された微生物やその分解物を脱離する工程とを行うことを特徴とする水中微生物の制御方法を要旨とする発明が記載されている。また、特許3105024号公報には、水中において、導電性基板に正電位を印加することにより、水中の微生物を前記導電性基板表面に吸着して殺菌する工程(+0〜1.5VvsSCE)と、前記導電性基板に負電位を印加することにより、前記導電性基板表面に吸着している殺菌された微生物を脱離する工程(−0〜0.4VvsSCE)とを行うことを特徴とする水中微生物の制御方法を要旨とする発明が記載されている。また、特開2001−198572号公報には、水中において、導電性基板に電気分解の起こらない正電位を印加することにより、水中の微生物を前記導電性基板表面に吸着して殺菌する工程と、前記導電性基板に電気分解の起こる負電位を印加し導電性基板表面を還元すると共に、アルカリ性物質を導電性基板表面に誘導し、前記導電性基板表面に吸着している殺菌された微生物やその分解物を脱離する工程とを行うことを特徴とする水中微生物の制御方法を要旨とする発明が記載されている。
さらに、近似した防汚方法としては、導電性基材に酸素を発生させて防汚する方法が、特公平1−46595号公報及び特開平11−303041号公報に開示されている。これらの方法では、酸素発生電位を0.55V〜1.1V程度とする範囲としているが、前記電気化学的防汚方法では、細胞と導電性基板が直接接触したときのみに微生物の殺菌ができることを明らかにしているのに対して、ほぼ同電位にて発生する酸素が、導電性基材に接触しない微生物を殺菌し、防汚できることを示す明確な証明がない。従って、従って、導電性基材に微生物などが付着しないのは、前記電気化学的防汚方法との概念的分離が難しい。
また、導電性塗膜皮膜に正電位を印加し、次亜塩素酸イオンや塩素イオンを生成させる防汚方法が、特公平6−15069号公報及び特公平8−14036号公報に記載されており、海水電解装置による塩素注入方式による防汚効果を、被防汚面で直接塩素などを発生させることで達成しているものと考えられる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
生物付着防止材に、海水や淡水の電気分解が起こらない電位を印加することによって、微生物の殺菌や付着防止を行う方法は、海洋汚染が無く、さらに海洋生物の生態系への影響がないことから優れた防汚方法である。
ところで、上記電気化学的な防汚方法は、海水や淡水の電気分解が起こらない正電位を印加し付着微生物を殺菌する工程、海水や淡水の電気分解が起こらない負電位を印加し殺菌された微生物や帯電している有機物やスケールを脱離する工程、及び海水や淡水の電気分解が起こる負電位を印加し被防汚面を洗浄還元する工程からなる。電気化学的防汚方法において、その効果を長期間維持するためには、洗浄工程によって、被防汚面たる生物付着防止材を殺菌工程が十分に行えるように洗浄還元する必要がある。
また一方で、洗浄工程を行っている間は、殺菌工程及び脱離工程が実施できないことや、生物付着防止材の表面に水酸化マグネシウムなどの析出が起こり、電子移動反応を阻害したりするため、それぞれの工程の時間配分などは、環境に対応して変更する必要がある。また、被防汚面たる生物付着防止材が過度に酸化された場合には、生物付着防止材表面での電気抵抗値の増加に伴う微生物と生物付着防止材間での電子移動速度の低下が起こったり、被防汚生物付着防止材全体に設定電位を均一に印加することが難しくなるといった場合がある。また、生物付着防止材の表面は、構成される物質の劣化に伴う電極としての機能低下などが起こる場合があるなど、課題を有している。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの問題に鑑みなされたものであり、防汚面たる生物付着防止材の電極としての機能を維持向上すると共に、被防汚生物付着防止材全体の電気化学的防汚効果を長期に渡って安定的に得ることを目指したものである。
本発明は、生物付着防止材と生物との直接電子移動反応を利用した電気化学的防汚方法に用いる生物付着防止材であって、チタン又はチタン合金よりなる基材の表面の一部もしくは全部に、金属換算に基づく60〜80モル%の白金と金属換算に基づく10〜30モル%の酸化イリジウムと金属換算に基づく10〜30モル%の酸化タンタルとの複合体を担持したものであることを特徴とする生物付着防止材を要旨とする。
【0006】
以下、本発明について詳述する。
本発明に係る生物付着防止材は、チタン又はチタン合金よりなる基材表面の一部もしくは全部に、金属換算に基づく60〜80モル%の白金と金属換算に基づく10〜30モル%の酸化イリジウムと金属換算に基づく10〜30モル%の酸化タンタルとの複合体を担持したものである。
基材となるチタン又はチタン合金において、チタン合金としては、チタンを主体とする耐食性のある導電性の合金が使用され、例えば、チタン−タンタル−ニオブ(Ti−Ta−Nb)、チタン−パラジウム(Ti−Pd)、チタン−ジルコニウム(Ti−Zr)、チタン−アルミニウム(Ti−Al)等の組合せからなる、通常電極材料として使用されているチタン基合金が挙げられる。
この生物付着防止材は、水生生物を効率よく吸着して直接または間接的に接触し、電位を付与できるものであればよく、板状、有孔板状、棒状、板網状の所望形状に加工して構造を維持する機能を有するものであれば特に限定されない。
本発明で用いる、チタン又はチタン合金よりなる基材は、海水電解用電極や酸素発生電極などを製造する際に、一般的に用いられる定法に従って導電性物質の微粒子で被覆したり、積層して用いることができる。被覆及び積層する際には、導電性物質の微粒子と基材との密着性を高める等の考慮が必要である。
【0007】
基材表面の一部又は全部に、金属換算に基づく60〜80モル%の白金と金属換算に基づく10〜30モル%の酸化イリジウムと金属換算に基づく10〜30モル%の酸化タンタルとの複合体を担持した生物付着防止材は、水や海水から酸素や塩素の発生の無い正電位を印加することにより、生物付着防止材表面に直接または間接的に接触する水生生物を殺菌し、増殖を抑制すると共に、水や海水などから塩素化合物もしくは、ラジカルを生成させ、生物付着防止材表面に直接または間接的に接触する水生生物及びスケールの脱離洗浄及び生物付着防止材を再活性化ができる。
また、電解液が海水の場合には、塩素過電圧が酸素過電圧より低い正電位となるように、白金と酸化イリジウムと酸化タンタルとの複合体の構成比を調整することが好ましい。
電解液が塩素化合物を含まない水の場合には、酸素過電圧が塩素過電圧より低い正電位となるように、白金と酸化イリジウムと酸化タンタルとの複合体の構成比を調整することが好ましい。
【0008】
本発明で用いるチタン又はチタン合金(以下、チタン基材)は、通常行われているように、予め前処理することが望ましい。そのような前処理の好適具体例としては、以下に述べるものが挙げられる。
先ず、チタン基材の表面を常法に従い、例えばアルコール等による洗浄及び/又はアルカリ水溶液中での電解により脱脂した後、フッ化水素濃度が1〜20重量%、特に5〜10重量%の範囲内にあるフッ化水素酸又はフッ化水素酸と硝酸、硫酸などの他の酸との混酸で処理することにより、チタン基材表面の酸化膜を除去するとともにチタン結晶粒界単位の粗面化を行う。該酸処理は、チタン基材の表面状態に応じて常温ないし約40℃の温度において数分間ないし十数分間行うことができる。なお、粗面化を十分行うためにブラスト処理を併用してもよい。
このように酸処理されたチタン基材表面を濃硫酸と接触させて、該チタン結晶粒界内部表面を突起状に細かく粗面化するとともに該チタン基材表面に水素化チタンの薄い膜を形成する。
使用する濃硫酸は一般に40〜80重量%、好ましくは50〜60重量%程度の濃度のものが適当であり、この濃硫酸には必要により、処理の安定化を図る目的で少量の硫酸ナトリウムその他の硫酸塩などを添加してもよい。該濃硫酸との接触は通常チタン基材を濃硫酸の浴中に浸漬することにより行うことができ、その際の浴温は一般に約100〜150℃、好ましくは、約110〜130℃の範囲内の温度とすることができ、また浸漬時間は通常約0.5分〜10分間、好ましくは約1分〜3分間で十分である。この硫酸処理により、チタン結晶粒界内部表面を突起状に細かく粗面化するとともに、チタン基材の表面にごく薄い水素化チタンの被膜を形成させることができる。
硫酸処理されたチタン基材は硫酸浴から取り出し、好ましくは窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で急冷してチタン基材の表面温度を約60℃以下に低下させる。この冷水には洗浄も兼ねて大量の冷水を用いるのが適切である。
このようにして、ごく薄い水素化チタンの被膜を形成したチタン基材は、希フッ化水素酸又は希フッ化物水溶液(例えばフッ化ナトリウム、フッ化カリウム等)中で浸漬処理して該水素化チタン被膜を成長させ、該被膜の均一化及び安定化を図る。ここで使用しうる希フッ化水素酸又は希フッ化物水溶液のフッ化水素の濃度は一般に0.05〜3重量%、好ましくは0.3〜1重量%の範囲内とすることができ、また、これらの溶液による浸漬処理の際の温度は一般に10〜40℃、好ましくは20〜30℃の範囲である。該処理はチタン基材表面に通常0.5〜10μm、好ましくは1〜3μmの厚さの水素化チタンの均一膜が形成されるまで行うことができる。この水素化チタン(TiHy、ここでyは1.5〜2の数である)は水素化の程度に応じて灰褐色から黒褐色を呈するので、上記範囲の厚さの水素化チタンの被膜の生成は、経験的に該基材表面の色調の変化を標準色源と明度対比によってコントロールすることができる。
【0009】
このようにしてチタン基材表面を粗面化すると共に水素化チタンの被膜を形成したチタン基材表面上に、次いで60〜80モル%の白金と10〜30モル%の酸化イリジウムと10〜30モル%の酸化タンタルの複合体を担持させる。ここでいう複合体とは、白金と酸化イリジウムと酸化タンタルとが相互作用を及ぼすように混合又は緊密に接触した状態にあるものをいう。この際、該混合物を同時に担持させても、また白金を酸化物より先に担持させても、更にはそれぞれ個々に担持させてもよい。なお、個々に担持する場合は、白金、イリジウムの基材への密着性を上げるために基材と同族であるタンタルを最後に担持させることが好ましい。従って、白金、酸化イリジウム、酸化タンタルの順に担持することが好ましい。
【0010】
以下、白金を酸化物より先に担持させる場合について具体的に説明する。
前記の如く粗面化すると共に水素化チタンの被膜を形成したチタン基材表面に白金を分散担持する。この白金の分散担持は通常電気めっき法により行うことができる。この電気めっき法に使用しうるめっき浴の組成としては、例えば、塩化白金酸、塩化白金酸アンモニウム、塩化白金酸カリウム、ジニトロジアミノ白金などの白金化合物を硫酸溶液(pH1〜3)又はアンモニア水溶液(pH11〜13)に白金換算で約2〜20g・dm-3、好ましくは約5〜15g・dm-3の範囲内の濃度になるように溶解し、さらに必要に応じて浴の安定化のために硫酸ナトリウム(酸性浴の場合)、亜硫酸ナトリウム、硫酸ナトリウム(アルカリ性浴の場合)などを少量添加した酸性又はアルカリ性のめっき浴が挙げられる。かかる組成のめっき浴を用いての白金電気めっきは、チタン基材表面に形成された水素化チタン被膜の分解をできるだけ抑制するため、約30〜60℃の範囲内の比較的低温で行うのが望ましい。
この電気めっきにより、チタン基材の水素化チタン被膜上に分散した白金を担持せしめることができる。その際の白金の分散状態のコントロールは、例えば白金めっき浴の組成及び/又はめっき条件(電流密度や電流波形)を経験的に調整することによって行うことができる。
かくして、チタン基材上にその基材表面が部分的に露出する程度に分散された白金を担持せしめる。その分散の状態は、5,000倍の電子顕微鏡で観察すると白金がチタン基材表面に点状、線状、網目状に分散していることがわかる。白金の析出量としては、0.1〜20g・m-2、好ましくは1〜5 g・m-2とすることができる。
白金の分散担持の程度は、被覆率で表して、10〜80%、好ましくは30〜60%の範囲内とするのが適当である。白金の被覆率が少なすぎると防汚効果の安定性が悪くなり、また反対に多すぎると後述する混合酸化物の密着強度が不安定となる。本明細書において白金の「被覆率」は、白金を分散担持したチタン基材表面を40,000倍の電子顕微鏡写真にとり、その写真よりチタン基材表面1μm2当たりの白金の被覆面積を測定し、下記式により算出される値をいう。
被覆率(%)=100×(写真平面での白金被覆面積)/(写真平面上でのチタン基材面積)
以上の如く白金が分散担持されたチタン基材表面は、次いで必要により、大気中で焼成することにより、該水素化チタンの被膜を熱分解して、該水素化チタンを実質的にほとんどチタン金属に戻し、さらに白金担持物との境界部近傍のチタンを低酸化状態の酸化チタンに変えることができる。この焼成は一般に大気中、約300〜600℃、好ましくは約300〜400℃の温度で10分〜4時間程度加熱することにより行うことができる。これにより、チタン基材表面にごく薄い導電性の酸化チタン層が形成される。この酸化チタン層の厚さは一般に10〜100nm、好ましくは20〜60nmの範囲内にあるのが好適であり、また、酸化チタンの組成はTiOxとしてxが一般に1<x<2、特に1.9<x<2の範囲にあるのが望ましい。
また別法として、白金の分散担持を行ったチタン基材は、上記の如き加熱処理を行わずに直接次ぎの工程に付してもよい。この場合には、次工程での酸化物の焼成時にチタン基材表面の水素化チタンの被膜は、チタン金属及び低酸化状態の酸化チタンに転換される。
【0011】
しかる後、このように熱処理された白金を分散担持したチタン基材表面に、酸化イリジウムと酸化タンタルの混合酸化物を担持させる。この際の白金と酸化イリジウムと酸化タンタルの担持割合は、Pt/Ir/Taの金属換算モル比で60〜80/10〜30/10〜30範囲内とすることが好ましい。
前記の如く白金が分散担持されたチタン基材表面に、イリジウム化合物とタンタル化合物を含む溶液、好ましくは低級アルコール溶液を塗布した後乾燥することにより、イリジウム化合物とタンタル化合物を該基材表面に付着せしめる。ここで使用しうるイリジウム化合物及びタンタル化合物としては、後述する焼成条件下で熱分解して、それぞれ酸化イリジウム及び酸化タンタルに転化しうる低級アルコール溶媒に可溶性の化合物が包含される。そのようなイリジウム化合物としては塩化イリジウム酸、塩化イリジウム、塩化イリジウム酸カリウム等が例示され、また、タンタル化合物としては、例えば塩化タンタル、タンタルエトキシド等が挙げられる。
一方、これらのイリジウム化合物及びタンタル化合物を溶解しうる低級アルコールとしては、例えばメタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール又はこれらの混合物が挙げられる。
白金が分散担持されたチタン基材表面上への該溶液の塗布は、例えば、吹き付け法、ハケ塗り法、浸漬法などにより行うことができ、このようにしてイリジウム化合物及びタンタル化合物の低級アルコール溶液を適用したチタン基材は、約20〜100℃の範囲内の比較的低温で乾燥させた後、酸化性雰囲気中、通常大気中で焼成する。
以上に述べた処理は担持量が前記の範囲内に達するまで繰り返して行うことができる。該焼成は、例えば、電気炉、ガス炉、赤外線炉などの適当な加熱炉中で一般に約450〜650℃、好ましくは約500〜600℃の範囲内の温度に加熱することによって行うことができる。その際の加熱時間は、焼成すべき基材の大きさに応じて、大体5分〜2時間程度とすることができる。この焼成により、イリジウム化合物及びタンタル化合物はそれぞれ酸化イリジウム及び酸化タンタルに変わり、白金−酸化イリジウム−酸化タンタルの複合体を該チタン基材上に担持させることができる。
【0012】
次に、粗面化すると共に水素化チタンの被膜を形成したチタン基材表面上に白金と酸化イリジウムと酸化タンタルとを同時に担持させる場合について具体的に説明する。
ここで使用する白金化合物、イリジウム化合物及びタンタル化合物は、以下に述べる条件下で分解してそれぞれ白金、酸化イリジウム及び酸化タンタルに転化しうる化合物であり、白金化合物としては、塩化白金酸、塩化白金、ジニトロジアミノ白金などが挙げられる。また、イリジウム化合物としては、塩化イリジウム酸、塩化イリジウム、塩化イリジウム酸カリウム等が例示され、また、タンタル化合物としては、例えば塩化タンタル、タンタルエトキシド等が挙げられる。
一方、これらの白金化合物、イリジウム化合物及びタンタル化合物を溶解するための溶媒としては、低級アルコールが好適であり、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール又はこれらの混合物が用いられる。なお、ジニトロジアミノ白金は、低級アルコールに直接溶解しないので、はじめに硝酸水溶液に溶解し、白金金属換算で250〜450g・dm-3の濃度に調整した後、低級アルコールに溶解するのが好ましい。
低級アルコール溶液中における白金化合物、イリジウム化合物及びタンタル化合物の合計の金属濃度は、一般に2〜200g・dm-3、好ましくは20〜100g・dm-3の範囲内とすることができる。該金属濃度が2g・dm-3より低いと担持効率が悪くなり、また、200g・dm-3を越えると焼成時に凝集が生じやすくなり、担持強度、担持量の不均一性などの問題が生ずる。
【0013】
粗面化すると共に水素化チタンの被膜を形成した該チタン基材表面上に上記溶液を塗布し、約20〜100℃の範囲内の比較的低温で乾燥させた後、酸化性雰囲気中、例えば大気中で焼成する。焼成は例えば、電気炉、ガス炉、赤外線炉などの適当な加熱炉中で一般に約450〜650℃、好ましくは約500〜600℃の範囲内の温度に加熱することによって行うことができる。その際の加熱時間は、焼成すべき基材の大きさに応じて、大体5分〜2時間程度とすることができる。この焼成により、チタン基材表面上に白金−酸化イリジウム−酸化タンタルの複合体を担持させることができる。
そして、1回の担持操作で所定の白金−酸化イリジウム−酸化タンタルの複合体を担持することができない場合には、以上に述べた溶液の塗布−乾燥−焼成工程を所望の回数繰り返し行うことができる。
【0014】
本発明に係る生物付着防止材を用いた防汚装置は、生物付着防止材と接触しないように対極が設置されている。対極基材は生物付着防止材と同様のものを用いることもできる。また、被防汚面の物性や形状により適宜選択することもできる。また、生物付着防止材と対極の電極は生物付着防止材と微生物が電気化学的に反応する程度に配置されていればよく、特に限定されない。
【0015】
上記、生物付着防止材と対極とはリード線により電源装置に接続されている。この電源装置は、生物付着防止材と対極との間に直流を通電する装置であって、極性が変換できる機能を有していることが好ましい。また、電極と微生物との直接電子移動反応が起きる電位より高い電位を印加するだけで防汚を維持できる程度に、水や海水中に生息する生物が少ない場合には、定電流発生装置(ガルバノスタット)を使用しても差し支えない。
使用できるポテンショスタット、ガルバノスタットとしては、生物付着防止材に、予め定められた電位を印加できるものや、定電流を流すことのできるものであれば特に限定されない。特に、直流電源装置に電圧の制御または電流の制御およびそのタイミングの制御手段を付加したものでも実施することが好ましい。
【0016】
更に、必要に応じて、参照極を用いることもできる。
参照極は作用極の近傍に設置することが好ましいが、生物付着防止材と対極間で、防汚効果が発現される時の電流値が明らかである場合などには参照極を使用しなくても差し支えない。
【0017】
本発明に係る電気化学的防汚方法における基本的防汚機能発現構成は、
(1)殺菌工程:生物付着防止材に電解液中から電気化学的に生成物を発生させない正電位を印加することにより殺菌する工程(+0〜1.5VvsSCE)と、
(2)脱離工程:前記生物付着防止材に電解液中から電気化学的に生成物を発生させない負電位を印加し、直接または間接的に付着接触する水生生物およびスケールを静電的機能により脱離する工程(−0〜−0.6VvsSCE)と、
(3)洗浄還元工程:前記生物付着防止材に電解液中から電気化学的に生成物を発生させる負電位を印加し、前記生物付着防止材に付着接触した水生生物およびスケールをアルカリ分解洗浄及び前記生物付着防止材表面を還元する工程(−0.6〜−2.0VvsSCE)と、
(4)分解洗浄再活性化工程:前記生物付着防止材に電解液中から電気化学的に生成物を発生させる正電位を印加し、前記生物付着防止材表面に直接または間接的に付着接触した水生生物およびスケールを、塩素化合物もしくはラジカルの生成により脱離分解洗浄し、前記生物付着防止材表面をクリーニングし、再活性化する工程(+1.5VvsSCEより高い正電位)との、
任意の工程を被防汚面たる生物付着防止材に対して実施し、最も電解生成化学物質による水や海水への負荷が少なく、且つ、安定的に長期の防汚効果を得るようにするものである。
但し、これらの電位は、使用される被防汚面たる生物付着防止材及び対極の材料とその組み合わせや水や海水の基準電位を測定する基準電極により変化しうるものである。例えば、基準電極として、SCE(飽和カンコウ電極)やAg/AgCl(銀/塩化銀電極)など一般的に電気化学計測に使用する照合電極が挙げられる。
【0018】
次に各工程での電位印加条件について説明する。
(1)殺菌工程
水生生物を含む水中において、生物付着防止材に正電位を印加すると、水中の水生生物は生物付着防止材表面に吸着する。さらに生物付着防止材に印加されている正電位には、生物付着防止材表面に吸着して接触した水生生物を電気化学的に殺菌する作用がある。即ち、水生生物は、正電位によって生物付着防止材表面に吸着させられ、表面上で殺菌される。このとき、設定される電位は電解液中から電気化学的に生成物が発生しない電位であり、水や海水の分解に伴う酸素や塩素の発生電位以下の電位である。
好ましい電位は、+0〜1.5Vvs.SCE、より好ましくは+0.5〜+1.2Vvs.SCEである。しかしながら、本電位は、使用される生物付着防止材の物性に依存するものであり、水の分解に伴う酸素や塩素の発生電位以下であれば、水や海水中への電解生成物質による汚染を最小限に抑制でき、長期に渡り安定的な防汚効果を示すことができる。また、+0Vvs.SCEから微生物との直接電子移動反応が確認される正電位未満では水生生物を基材に吸着させて殺菌することができないが、生物付着防止材の劣化や消耗を考慮し、間欠的に電位を変動させることが好ましい。
電解液中から電気化学的に生成物が発生しない正電位を印加する時間は、生物付着防止材の特性によって適宜選択することができる。一般的には生物付着防止材の耐久性、生物付着防止材表面に直接または間接的に接触する水生生物の付着量によって異なるが0.5〜24時間程度でも、数年間でも防汚効果が維持されるのであれば、電解生成化学物質による水や海水への負荷が少ないため、単位時間あたりなるべく長く設定されることが好ましい。生物付着防止材によってはその酸化物の形成速度にもよるが0.1〜1000時間の印加がより好ましい。
【0019】
(2)脱離工程
次に、前記生物付着防止材表面に負電位を印加すると、直接または間接的に接触する水生生物およびスケールが脱離する。電解液中から電気化学的に生成物を発生しない負電位は、0〜−1.0Vvs.Ag/AgClである。好ましくは、−0〜−0.6Vvs.Ag/AgClである。その際、生物付着防止材に付着した水生生物、その他の細胞、殺菌された水生生物の細胞および/またはその破損物や有機物は、静電的機構や電位変動による生物付着防止材表面でのpH等の変動により脱離する。
さらに、負電位における電位を変動させることによって脱離と洗浄をより効率よくさせることもできる。変動する電位の幅は−0.3Vから−0.9V程度が好ましく、周期は10Hzから0.001Hzが好ましい。
電解液中から電気化学的に生成物が発生しない負電位を印加する時間は、生物付着防止材の特性によって適宜選択することができる。一般的には生物付着防止材の耐久性、生物付着防止材表面に直接または間接的に接触する水生生物の付着量によって異なるが0.1〜24時間程度が好ましい。生物付着防止材の劣化を考慮すると0.1〜2時間の印加がより好ましい。
【0020】
(3)(洗浄還元工程)
さらに、水や海水などの電解液中から電気化学的に生成物が発生する負電位は、−1.0Vvs.Ag/AgClより負電位で、好ましくは−1.0V〜−2.0Vvs.Ag/AgCl程度である。この負電位を印加することによって、生物付着防止材に付着した水生生物、その他の細胞、殺菌された水生生物の細胞および/またはその破損物や有機物の脱離が促進される。それは、電解液中から電気化学的に生成物が発生する負電位を印加すると、電解液の分解により生物付着防止材表面では水素が発生し、この水素によって生物付着防止材表面の付着物が除去されるためである。また、生物付着防止材近傍ではpHがアルカリ性となる。さらに、強アルカリ雰囲気になることによって水酸化物の析出が起こる場合があり、印加する電位及び印加時間を適宜選択する必要がある。しかし、該水酸化物によって、有機物は溶解する。これらの除去及び溶解によって、生物付着防止材表面は洗浄されることになる。また、生物付着防止材表面の酸化物を還元し、生物付着防止材界面での電子移動反応を阻害する酸化物を還元し、殺菌工程の機能を維持回復するために必要な場合がある。さらに、負電位における電位を変動させることによって脱離と洗浄をより効率よくさせることもできる。変動する電位の幅は−0.3V〜−2V程度が好ましく周期は10Hz〜0.001Hzが好ましい。
電解液中から電気化学的に生成物が発生する負電位を印加する時間は、生物付着防止材の特性によって適宜選択することができる。一般的には生物付着防止材の耐久性、生物付着防止材表面に直接または間接的に接触する水生生物の付着量によって異なるが0.5〜24時間程度が好ましい。生物付着防止材の劣化を考慮すると0.5〜2時間の印加がより好ましい。
【0021】
(4)(分解洗浄再活性化工程)
また、電解液中から電気化学的に生成物が発生する電位とは、水や海水の分解にともない酸素や塩素の発生する電位であり、+1.5Vvs.Ag/AgClを越えた電位により、明確に確認される。これらの高い電位を長時間印加すると水や海水が電気分解して塩素や未知の物質を発生する可能性が高く、また、生物付着防止材の劣化が起こることがあるので、長期に渡って安定的に防汚効果を維持し、水や海水中への電解生成物質による汚染を最小限に抑制するためには、不適切な場合がある。
しかしながら、長期間の防汚を目的とした本発明においては、被防汚面となる生物付着防止材表面に各種電位印加を行っても排除できない殺菌された微生物、有機物及びスケールが付着することがあり、これらを生物付着防止材の交換などのコスト無く、再活性化させて長期間の防汚効果を再現させるためには、必要最小限の塩素化合物及びラジカル発生機能を制御することが好ましい。
ちなみに、生物付着防止材表面の物性が、塩素過電圧が酸素過電圧より低い場合には、塩素化合物の生成が起こり、逆であれば酸素が先に発生する現象が確認できる。
電解液中から電気化学的に生成物が発生する正電位を印加する時間は、生物付着防止材の特性によって適宜選択することができる。一般的には生物付着防止材の耐久性は、生物付着防止材表面に直接または間接的に接触する水生生物の付着量によって異なるが、生物付着防止材の劣化及び水や海水の電解物質による汚染を最小限とするための設定を行うことが好ましい。その点を考慮すると一ヶ月あたり0.5〜24時間程度の印加がより好ましい。また、(1)の殺菌工程の設定時間と比較して、10分の1〜一万分の1程度の時間に設定して運用することも可能である。
【0022】
本発明では、化学物質による水や海水の汚染を最小限とし、且つ長期に渡り防汚効果を維持するため、上記(1)殺菌工程、(2)脱離工程、(3)洗浄還元工程、(4)分解洗浄再活性化工程の各工程は、印加電位及び印加時間を適宜設定したうえで、状況に応じて任意の順序及び頻度で周期的に適用することができる。
【0023】
本発明により処理することができる電解液は、生物を含有する水であれば特に限定されない。例えば、海水、河川の水、湖沼の水、水道水、飲料水、または各種緩衝液などが挙げられる。また、対象となる生物も、それらの水中に存在する生物であれば特に限定されるものではない。
【0024】
【作用】
本発明に係る生物付着防止材は、生物付着防止材と生物との直接電子移動反応を利用した電気化学的防汚方法に用いる生物付着防止材であって、チタン又はチタン合金よりなる基材の表面の一部もしくは全部に、金属換算に基づく60〜80モル%の白金と金属換算に基づく10〜30モル%の酸化イリジウムと金属換算に基づく10〜30モル%の酸化タンタルとの複合体を担持したものであることを特徴とする生物付着防止材であるので、少なくとも前記生物付着防止材に電解液中から電気化学的に生成物を発生させない正電位を印加し、前記生物付着防止材表面に直接または間接的に接触する水生生物の増殖を抑制することができる。また、生物付着防止材と、対極と、前記生物付着防止材と前記対極との間に電圧を印加する電源とからなり、前記生物付着防止材表面に直接または間接的に接触する水生生物と前記生物付着防止材との直接電子移動反応を制御する電気化学的防汚装置によって、前記生物付着防止材に電解液中から電気化学的に生成物を発生させる正電位を印加することで、前記生物付着防止材表面に直接または間接的に接触する水生生物およびスケールの脱離洗浄及び前記生物付着防止材を再活性化する工程を設定でき、前記電気化学的防汚装置は、前記生物付着防止材に電解液中から電気化学的に生成物が発生しない正電位と、電解液中から電気化学的に生成物が発生しない負電位と、電解液中から電気化学的に生成物が発生する負電位とを任意に設定でき且つ周期的に印加できる。
【0025】
【実施例】
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。
図1は以下の実施例に用いた装置の模式図である。
試験槽6内には、生物付着防止材3、参照極4、及び対極5が配置されている。ポテンショスタット2は、生物付着防止材3、参照極4、及び対極5のそれぞれと個々に連結している。試験槽6内には滅菌海水が入っており、また、その底部には攪拌器8および攪拌棒7が配置されている。参照極4には銀・塩化銀電極(Ag/AgCl)を、対極5には導電性材料で形成した電極を用いた。
制御部1は、生物付着防止材3の参照極4に対する印加電位の指示値をアナログ出力し、ポテンショスタット2は、生物付着防止材3の参照極4に対する電位がアナログ入力した指示値になるよう、生物付着防止材3と対極5に電圧を出力する。また、電位を変動させるために、制御部1は、印加電位の指示値のアナログ出力を少なくとも100Hz、好ましくは1kHz以上の時間分解能をもって出力する。更に、ポテンショスタット2は、それに応じて、電位のアナログ入力値に対し、少なくとも100Hz、好ましくは1kHz以上の応答性能をもって反応する。
制御部1は、CPU、入出力ポート、デジタル/アナログ変換器、及びROMやRAM等のメモリ(図示せず)から構成された回路からなる。制御プログラムや後述する制御のためのタイミングチャートをROMに内蔵しており、CPUは、制御プログラム及びタイミングチャートに従って、電位の指示値をデジタル/アナログ変換器によってアナログ変換し、ポテンショスタット2に出力する。制御部1に前記構成部を内蔵したワンチップコンピュータを用いることにより、全体の回路構成を簡素化し安価にすることが可能である。
【0026】
次に、図2に示す電位制御のタイミングチャートを詳細に説明する。タイミングチャートは横軸が時間を、縦軸は生物付着防止材3の参照電極4に対する電位の指示値を示す。ここでは明示的に、次の4種の工程(6つの電位印加工程)の組み合わせをタイミングチャートとして例示するが、特にこれ以外の電位の印加の仕方による工程を除外するものではない。
(1)(殺菌工程)電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1):正電位側電解生成物発生電位9より低い正電位を印加する工程。工程によって印加する電位値を変化させることが可能である。
(2)(脱離工程)電気化学的生成物を発生しない負電位印加工程(T2)又は電気化学的生成物を発生しない負電位領域での振幅電位印加工程(T3):両工程とも、負電位側電解生成物発生電位10より高い負電位を印加する。振幅電位印加工程(T3)においては、ほぼ連続的に印加電位を変化させる。系の応答性によっては、指示電位として三角波ではなく台形波的に変化させた電位を与えることも可能である。
(3)(洗浄還元工程)電気化学的生成物を発生する負電位印加工程(T4)又は電気化学的生成物を発生する負電位領域及び/又は発生しない負電位領域での振幅電位印加工程(T5):両工程とも、負電位側電解生成物発生電位10より低い負電位を印加する。
(4)(分解洗浄再活性化工程)電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6):正電位側電解生成物発生電位9より高い正電位を印加する。
図2のタイミングチャートが示す電位印加パターンでは、電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)及び電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6)を交互に繰り返す。それぞれの工程の印加電位及び印加期間は場合に応じて適宜決定可能であり、例えば電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)においてそれぞれ異なる複数の電位値を印加するパターンも作成可能である。
図3のタイミングチャートが示す電位印加パターンでは、電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)、電気化学的生成物を発生しない負電位印加工程(T2)、及び電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6)を交互に繰り返す。それぞれの工程の印加電位及び印加期間は場合に応じて適宜決定可能であり、順序及び頻度も任意である。例えば、電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)と電気化学的生成物を発生しない負電位印加工程(T2)とを交互にある回数だけ繰り返し、その後電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6)を適用する、というパターンを作成することができる。
図4のタイミングチャートが示す電位印加パターンでは、電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)、電気化学的生成物を発生しない負電位領域での振幅電位印加工程(T3)、及び電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6)を交互に繰り返す。それぞれの工程の印加電位及び印加期間は場合に応じて適宜決定可能であり、順序及び頻度も任意である。電気化学的生成物を発生しない負電位領域での振幅電位印加工程(T3)における電位の振幅及び変化速度は、系の応答性にもよるが、制御部1が出力可能な範囲で設定することができる。図3同様、例えば、電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)と電気化学的生成物を発生しない負電位領域での振幅電位印加工程(T3)とを交互にある回数だけ繰り返し、その後電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6)を適用する、というパターンを作成することも可能である。
【0027】
図5のタイミングチャートが示す電位印加パターンでは、電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)、電気化学的生成物を発生しない負電位印加工程(T2)、電気化学的生成物を発生する負電位印加工程(T4)、及び電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6)を交互に繰り返す。それぞれの工程の印加電位及び印加期間は場合に応じて適宜決定可能であり、順序及び頻度も任意である。例えば、電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)と電気化学的生成物を発生しない負電位印加工程(T2)とを交互にある回数だけ繰り返し、その後電気化学的生成物を発生する負電位印加工程(T4)と電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6)を適用する、というパターンを作成することができる。
図6のタイミングチャートが示す電位印加パターンでは、電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)、電気化学的生成物を発生する負電位領域及び/又は発生しない負電位領域での振幅電位印加工程(T5)、及び電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6)を交互に繰り返す。それぞれの工程の印加電位及び印加期間は場合に応じて適宜決定可能であり、順序及び頻度も任意である。電気化学的生成物を発生する/しない負電位領域での振幅電位印加工程(T5)における電位の振幅及び変化速度は、系の応答性にもよるが、制御部1が出力可能な範囲で設定することができる。例えば、電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程(T1)と電気化学的生成物を発生する/しない負電位領域での振幅電位印加工程(T5)とを交互にある回数だけ繰り返し、その後電気化学的生成物を発生する正電位印加工程(T6)を適用する、というパターンを作成することができる。
【0028】
<生物付着防止材の調製>
以下実施例1〜4の作成手順を示す。
実施例1
JIS2種相当のチタン基材(t1×100×100mm)をエチルアルコールで脱脂洗浄した後、20℃の8重量%フッ化水素酸水溶液中で2分間処理した後、120℃の60重量%硫酸水溶液で3分間処理した。チタン基材を硫酸溶液中から取り出し、窒素雰囲気中で冷水を噴霧し急冷した。さらに、20℃の0.3重量%フッ化水素酸溶液中に2分間浸漬した後水洗した。
水洗後、ジニトロジアミノ白金を硫酸溶液に溶解して白金含有量5g・dm-3、pH約2、50℃に調整した状態の白金めっき浴中で、チタン基材に3A・dm-2で約50秒間のめっきを行って白金を析出させた。白金の分散担持量は0.02g・dm-2であった。また、この時のチタン基材の白金被覆率は約60%であった。
次いで、塩化イリジウム酸のブタノール溶液と塩化タンタルのエタノール溶液を混合し、イリジウム(Ir)15g・dm-3及びタンタル(Ta)25g・dm-3(金属換算)を含有する塗布液を調整した後、メスピペットで1dm2当たり0.2cm3秤量し、それを上記基材上に塗布した後、50℃で30分間乾燥させ、更に500℃の大気中で10分間焼成した。酸化イリジウム及び酸化タンタルの担持量は金属換算でそれぞれ0.003g・dm-2、0.005g・dm-2であった。
以上の工程で、チタン基材表面上に、70モル%の白金と11モル%の酸化イリジウムと19モル%の酸化タンタルの複合体を担持した生物付着防止材を作製した。
【0029】
実施例2
上記実施例1において、担持物の割合を表1に示すように変えた以外は、実施例1と同様になして、実施例2を作製した。
【0030】
【表1】
【0031】
実施例3
上記実施例1と同様の方法でチタン基材を酸処理した後、塩化白金酸(H2PtCl6・6H2O)、塩化イリジウム酸(H2IrCl6・6H2O)およびタンタルエトキシド(Ta(OC2H5)5)をブタノールに個々溶解して、担持物の組成比が70モル%の白金と11モル%の酸化イリジウムと19モル%の酸化タンタルとからなるように配合し、白金(Pt)とイリジウム(Ir)とタンタル(Ta)の金属濃度の合計が70g・dm-3である溶液をメスピペットで1dm2当たり0.4cm3秤量し、それを上記チタン基材上に塗布した後、室温で30分間乾燥させ、次いで大気中、500℃で10分間焼成した。白金、酸化イリジウム及び酸化タンタルの担持量は金属換算でそれぞれ0.02 g・dm-2、0.003g・dm-2、0.005g・dm-2であった。
以上の工程で、チタン基材表面上に、70モル%の白金と11モル%の酸化イリジウムと19モル%の酸化タンタルの複合体を担持させた生物付着防止材を作製した。
【0032】
実施例4
上記実施例1と同様の方法でチタン基材を酸処理した後、白金を0.02g・dm-2分散担持させた。
次いで、イリジウム(Ir)濃度7.5g・dm-3である塩化イリジウム酸(H2IrCl6・6H2O)のブタノール溶液をメスピペットで1dm2当たり0.4cm3秤量し、それを上記基材上に塗布した後、室温で30分間乾燥させ、次いで大気中、500℃で10分間焼成した。
更に、タンタル(Ta)濃度12.5g・dm-3であるブタノール溶液をメスピペットで1dm2当たり0.4cm3秤量し、それを上記基材上に塗布した後、室温で30分間乾燥させ、次いで大気中、500℃で10分間焼成した。酸化イリジウム及び酸化タンタルの担持量は金属換算でそれぞれ0.003g・dm-2、0.005g・dm-2であった。
以上の工程で、チタン基材表面上に、70モル%の白金と11モル%の酸化イリジウムと19モル%の酸化タンタルの複合体を担持した生物付着防止材を作製した。
【0033】
比較例1〜5
上記実施例3と同様の方法で担持物の割合を表1に示すようにかえて、比較例1〜5を作製した。
【0034】
<微生物懸濁液の調整>
海洋付着細菌ビブリオ・アルギノリチクス(Vibrio・alginolyticus:ATCC17749)を、マリンブロス(Marine broth)2216(DIFCO Laboratory社製)中30℃で1次培養後、100μl採取し25mlの遠沈管に培地(マリンブロス15ml)と共に30℃、150rpm、2時間好気的に培養した。培養後の菌体を遠心集菌し、その後滅菌海水で洗浄後滅菌海水中に懸濁させ、菌数をヘマタイトメーターにてカウントし、1×107cell/ml濃度の菌体懸濁液を作製した。
【0035】
<生物付着防止材への微生物付着と電位印加>
生物付着防止材は、200rpmで撹拌した懸濁液中に室温で90分間浸漬し、生物付着防止材表面に菌体を付着させた。試験槽6に入っている滅菌海水中に浸漬し、200rpmの撹拌速度で滅菌海水を撹拌しながら各種電位を印加した。電位印加条件は、図2〜6に示した各パターンを印加した。また、T1の電位は、0.9VvsAg/AgCl、60分間印加とした。T2の電位は、−0.6VvsAg/AgCl、30分間印加とした。T3の電位は、−0.3V〜−0.6VvsAg/AgCl、30分間印加し、電位を2分間隔で振幅させた。T4の電位は、−1.4VvsAg/AgCl、60分間印加とした。T5の電位は、−0.3V〜−1.4VvsAg/AgCl、60分間印加し、電位を2分間隔で振幅させた。T6の電位は、1.6VvsAg/AgCl、5分間印加とした。
【0036】
<微生物の殺菌評価と各工程の効果判定>
殺菌効果確認と死滅した付着微生物の脱離、洗浄効果の判定には、Propidium Iodide(PI)と、4,6−Diamidino−2−Phenylindole(DAPI)の2重染色法により行った。PIとDAPIは、微生物の細胞膜浸透性の違いにより、微生物の核酸に付着し、青色の蛍光を示すものを生菌体、赤色の蛍光を示すものを死菌体とする微生物の生死判定法として使用されている。また、殺菌された赤色の蛍光を発する微生物の生物付着防止材表面での存在量を比較することによって、スケールや有機物の脱離、洗浄機能の判定を行った。
微生物の染色は、電位を印加した生物付着防止材を滅菌海水で洗浄し、生物付着防止材上の付着菌体をPIの250μg/ml水溶液、DAPI20μg/ml水溶液(染色前に調整)を各々30μl滴下して行った。その後、紫外線の励起光を照射し、蛍光顕微鏡観察下で、青色の蛍光を示すものを生菌体、赤色の蛍光を示すものを死菌体として、電位印加前に生物付着防止材上に吸着した菌体数に対する死菌体数により評価した。
尚、判定は、○は殺菌率80%以上、△は殺菌率20〜80%、×は殺菌率20%未満を示す。
【0037】
図2〜6の電位印加パターンにおいて、T1工程を終了後、微生物の殺菌効果を判定した。脱離工程T2及びT3の判定は、電位印加後の付着生物量が殺菌判定後のT1工程時からの減少比として、○は減少率70%以上、△は減少率30〜70%、×は減少率30%未満として示した。T4、T5及びT6工程の判定は、各パターンのT4,T5及びT6工程前の状態と各工程実施後の死菌体の存在有無によって判定した。
尚、試験結果の優位さを判定するため、電位印加時間及び印加電圧については、各種行った。従って、試験結果は、総合的に短時間で、また、完全に低い電位で、等々を考慮した結果を優先することが望ましく、本実施例及び応用例に限定されるものではない。
以下、図2〜6の工程における、実施例1〜4及び比較例1〜5について応用例に基づきその効果を示す。
【0038】
応用例1
上記装置(図1参照)の生物付着防止材3として、上記実施例1〜4及び比較例1〜5で得た生物付着防止材を用い、印加パターンとして図2に記載したタイミングチャートが示す電位印加パターンを採用した場合のT1工程における殺菌率、T6工程における洗浄率を判定した。結果を表2に示す。
T1工程では、0.9VvsAg/AgClを60分間印加し、殺菌効率を判定した。また、T1工程のみにて付着していた死細胞の数とT6工程を1.0VvsAg/AgCl、5分間印加とした後に付着していた有機物と見なした死菌体の存在有無によって、分解洗浄効果を判定した。
【0039】
【表2】
【0040】
殺菌効果の判定は、○は殺菌率80%以上、△は殺菌率20〜80%、×は殺菌率20%未満を示す。
分解洗浄効果は、付着死細胞の有無を○は洗浄率80%以上、△は洗浄率20〜80%、×は洗浄率20%未満を示す。
【0041】
応用例2
上記装置(図1参照)の生物付着防止材3として、上記実施例1〜4及び比較例1〜5で得た生物付着防止材を用い、印加パターンとして図3、4に記載したタイミングチャートが示す電位印加パターンを採用した場合のT2及びT3工程における脱離率を判定した。結果を表3に示す。
殺菌効果は、応用例1とほぼ同様の殺菌効率を示していたので、T1工程で0.9VvsAg/AgClを15分間印加し、死菌と生菌が混在して、付着している生物付着防止材を調整した。その後、図3でのT2電位は−0.6VvsAg/AgCl、30分間印加とし、図4でのT3の電位は、−0.3V〜−0.6VvsAg/AgCl、30分間印加し、電位を2分間隔で振幅させた。その際のT2工程及びT3工程の前後にて、死菌と生菌の総和である付着微生物数に対して、脱離した微生物数の比較し、減少比を求め、脱離効果を判定した。
【0042】
【表3】
【0043】
減少率が、○は減少率70%以上、△は減少率30〜70%、×は減少率30%未満として示した。尚、その後T6工程を実施した生物付着防止材のすべてで洗浄効果が確認でき、組み合わせによる洗浄促進効果が期待できた。
【0044】
応用例3
上記装置(図1参照)の生物付着防止材3として、上記実施例1〜4及び比較例1〜5で得た生物付着防止材を用い、印加パターンとして図5、6に記載したタイミングチャートが示す電位印加パターンを採用した場合のT4及びT5工程における洗浄率を判定した。結果を表4に示す。
殺菌効果は、実施例1とほぼ同様の殺菌効率を示していたので、T1工程で0.9VvsAg/AgClを15分間印加し、死菌と生菌が混在して、付着している生物付着防止材を調整した。その後、T2電位は−0.6VvsAg/AgCl、30分間印加とした。次いで、T4の電設定を、−1.4VvsAg/AgCl、10分間印加とした。また、T5の電位設定を−0.3V〜−1.4VvsAg/AgCl、10分間印加とし、電位を2分間隔で振幅させた。T4及びT5工程の前後にて、付着していた有機物と見なした死菌体の存在有無によって、洗浄還元効果を判定した。
【0045】
【表4】
【0046】
洗浄率が、○は洗浄率70%以上、△は洗浄率30〜70%、×は洗浄率30%未満として示した。
また、その後T6工程を実施した場合、短時間で生物付着防止材のすべてでほぼ完全な洗浄効果が確認でき、組み合わせによる洗浄促進効果が期待できた。
【0047】
応用例4(塩素発生の確認)
実施例1〜4及び比較例1〜5で得た生物付着防止材を、海水50mlに浸し、1.0Vvs.Ag/AgCl以上の電位を印加した場合の海水中の塩素濃度を測定した。電位を印加した海水中の塩素濃度は、残留塩素電極(97・70BN;OrionResearch社製)を用いて測定した。電位印加後の海水を10mlサンプリングし、沃素試薬(Orion Research社製)及び酸試薬(OrionResearch社製)をそれぞれ100μl添加し、撹拌した。溶液を2分間放置した後、マルチメーター(83MULTIMETER;FLUKE社製)を接続し残留塩素電極により電位を測定し、標準サンプルとの電極電位差から検量線を用いて塩素濃度を求めた。尚、塩素測定限界は、0.2ppmである。標準サンプルは、残留塩素標準液(OrionResearch社製)、沃素試薬、酸試薬を各々100μl混ぜ2分間撹拌した後、9900μlの蒸留水を添加し再度撹拌することにより作成した。
その結果、塩素の発生量については差があったが、実施例1〜4及び比較例1〜5のすべてより塩素の発生が確認された。
【0048】
【発明の効果】
本発明に係る生物付着防止材は、生物付着防止材と生物との直接電子移動反応を利用した電気化学的防汚方法に用いる生物付着防止材であって、チタン又はチタン合金よりなる基材の表面の一部もしくは全部に、金属換算に基づく60〜80モル%の白金と金属換算に基づく10〜30モル%の酸化イリジウムと金属換算に基づく10〜30モル%の酸化タンタルとの複合体を担持したものであるので電気化学的防汚効果を長期に渡って安定的に得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例の装置の模式図である。
【図2】 電位制御のタイミングチャート図である。
【図3】 電位制御のタイミングチャート図である。
【図4】 電位制御のタイミングチャート図である。
【図5】 電位制御のタイミングチャート図である。
【図6】 電位制御のタイミングチャート図である。
【符号の説明】
1 制御部
2 ポテンショスタット
3 生物付着防止材
4 参照極
5 対極
6 試験槽
7 攪拌棒
8 攪拌器
9 正電位側電解生成物発生電位
10 負電位側電解生成物発生電位
T1 電気化学的生成物を発生しない正電位印加工程
T2 電気化学的生成物を発生しない負電位印加工程
T3 電気化学的生成物を発生しない負電位領域での振幅電位印加工程
T4 電気化学的生成物を発生する負電位印加工程
T5 電気化学的生成物を発生する/しない負電位領域での振幅電位印加工程
T6 電気化学的生成物を発生する正電位印加工程[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is an anti-biofouling prevention method that electrochemically prevents organisms and scales from adhering to offshore structures, ships, water transportation pipes or waterways, fishing nets, heat exchangers, seawater intake screens, etc. Regarding materials.
[0002]
[Prior art]
Many organisms exist in seawater and freshwater, and adhere to the surface of underwater structures, causing various problems. For example, when adhering to a ship or a buoy, a problem of increased propulsion resistance occurs. Moreover, when it adheres to the aquaculture ginger, problems such as inhibition of seawater exchange occur. Furthermore, problems such as deformation of nets occur when attached to fishing nets such as stationary nets.
In addition, microorganisms attached to the pipes and valves of water supply / drainage cause problems such as contaminating people and products through seawater and fresh water.
The general mechanism of biological attachment to the surface of structures in contact with seawater and fresh water is as follows.
First, adherent gram-negative bacteria adsorb to the surface of the structure and secrete a large amount of slime-like substances derived from lipids. Furthermore, Gram-negative bacteria gather and grow in this slime layer to form a microbial coating. In the seawater, large organisms such as algae, shellfish, and barnacles, which are large organisms, adhere to the microbial coating. The attached large creatures will breed and grow, eventually covering the surface of the underwater structure.
As an antifouling means for organisms adhering to the surface of such underwater structures and seawater or fresh water, a bactericidal substance is added to the antifouling surface, or a paint film containing an organotin compound is used. In general, an organic tin-based compound is eluted and an antifouling method using chlorine generated by electrolyzing seawater is generally performed. However, these methods generate harmful substances, and there is a concern about the impact on the organism due to water pollution.
[0003]
In recent years, methods have been proposed for controlling organisms attached to the surface of an underwater structure, seawater, or fresh water that is electrochemically contacted without generating harmful substances.
In this electrochemical biological control method, when a potential higher than a predetermined potential at which a direct electrochemical reaction with a microorganism is confirmed is applied to the microorganism, the redox substance inside the microorganism is irreversibly oxidized, and the respiration of the microorganism It is possible to induce a decrease in the activity and the permeability barrier of the microbial membrane and kill the microorganism (Japanese Patent Publication No. 6-91821). Incidentally, in the marine-adherent bacterium Vibrio arginolyticus used in the present invention, 0.7 Vvs. The oxidation peak current can be confirmed by SCE. In other words, since the predetermined potential at which direct electrochemical reaction with microorganisms is confirmed occurs below the decomposition potential of fresh water or seawater that is the electrolyte, there is no production of chemical substances and only microorganisms that adhere to the conductive substrate are sterilized. It is possible to prevent the subsequent attachment of aquatic organisms. Therefore, it has been shown that this is an excellent antifouling method that is free from marine pollution and has no effect on the ecosystem of marine organisms.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-19249 discloses a step of applying a positive potential to a conductive substrate in water to adsorb and sterilize microorganisms in the water on the surface of the conductive substrate; A step of destroying microorganism cells adsorbed on the surface of the conductive substrate by applying a higher positive potential, and detaching the sterilized microorganisms adhered to the conductive substrate and their decomposition products; An invention having a gist of a method for controlling an underwater microorganism characterized by the above is described. Further, in Japanese Patent No. 3105024, in water, a positive potential is applied to the conductive substrate to adsorb and sterilize microorganisms in water on the surface of the conductive substrate (+0 to 1.5 V vs SCE), A step of detaching sterilized microorganisms adsorbed on the surface of the conductive substrate by applying a negative potential to the conductive substrate (−0 to 0.4 V vs. SCE). An invention based on the control method is described. JP 2001-198572 A discloses a step of adsorbing and sterilizing microorganisms in water on the surface of the conductive substrate by applying a positive potential that does not cause electrolysis to the conductive substrate in water. A negative potential that causes electrolysis is applied to the conductive substrate to reduce the surface of the conductive substrate, and a sterilized microorganism that induces an alkaline substance to the surface of the conductive substrate and is adsorbed on the surface of the conductive substrate, and its The present invention describes a method for controlling an underwater microorganism characterized by performing a step of detaching a degradation product.
Furthermore, as an approximate antifouling method, a method of generating antifouling by generating oxygen in a conductive substrate is disclosed in Japanese Patent Publication No. 1-46595 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-303041. In these methods, the oxygen generation potential is in the range of about 0.55 V to 1.1 V. However, in the electrochemical antifouling method, microorganisms can be sterilized only when the cell and the conductive substrate are in direct contact. However, there is no clear proof that oxygen generated at almost the same potential can sterilize and prevent soiling microorganisms that do not contact the conductive substrate. Therefore, conceptual separation from the electrochemical antifouling method is difficult for microorganisms and the like not to adhere to the conductive substrate.
Further, antifouling methods for generating hypochlorite ions and chlorine ions by applying a positive potential to the conductive coating film are described in Japanese Patent Publication No. 6-15069 and Japanese Patent Publication No. 8-14036. It is considered that the antifouling effect by the chlorine injection method by the seawater electrolyzer is achieved by generating chlorine directly on the antifouling surface.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The method of sterilizing microorganisms and preventing adhesion by applying a potential that does not cause electrolysis of seawater or fresh water to the biological anti-adhesive material is free from marine pollution and has no impact on the ecosystem of marine organisms. It is an excellent antifouling method.
By the way, the above-mentioned electrochemical antifouling method was sterilized by applying a positive potential that does not cause electrolysis of seawater or freshwater to sterilize adhering microorganisms, and applied a negative potential that does not cause electrolysis of seawater or freshwater. It consists of a step of removing microorganisms, charged organic substances and scales, and a step of washing and reducing the surface to be protected by applying a negative potential that causes electrolysis of seawater and fresh water. In the electrochemical antifouling method, in order to maintain the effect for a long period of time, it is necessary to wash and reduce the biofouling prevention material as the antifouling surface so that the sterilization step can be sufficiently performed by the washing step.
On the other hand, during the cleaning process, the sterilization process and the desorption process cannot be performed, and precipitation of magnesium hydroxide or the like occurs on the surface of the bioadhesion prevention material, thereby inhibiting the electron transfer reaction. The time distribution of each process needs to be changed according to the environment. In addition, when the biofouling prevention material that is the surface to be protected is excessively oxidized, the rate of electron transfer between the microorganism and the biofouling prevention material is reduced due to an increase in the electrical resistance value on the surface of the biofouling prevention material. May occur, or it may be difficult to apply the set potential uniformly to the entire antifouling organism adhesion prevention material. In addition, the surface of the bioadhesion preventing material has problems such as a decrease in function as an electrode accompanying deterioration of a constituent material.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of these problems, and while maintaining and improving the function as an electrode of a biofouling prevention material as an antifouling surface, the electrochemical antifouling effect of the whole antifouling biofouling prevention material is prolonged. The aim is to obtain a stable environment.
The present inventionA biofouling prevention material used in an electrochemical antifouling method using a direct electron transfer reaction between a biofouling prevention material and a living organism,60 to 80 mol% platinum based on metal conversion, 10 to 30 mol% iridium oxide based on metal conversion, and 10 to 30 mol based on metal conversion on a part or all of the surface of the substrate made of titanium or titanium alloy The gist of the present invention is a bioadhesion-preventing material characterized in that it carries a composite with a 50% tantalum oxide.
[0006]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The biofouling prevention material according to the present invention is part or all of the substrate surface made of titanium or a titanium alloy,A composite of 60 to 80 mol% platinum based on metal, 10 to 30 mol% iridium oxide based on metal, and 10 to 30 mol% tantalum oxide based on metal is supported.
In the titanium or titanium alloy used as the base material, a corrosion-resistant conductive alloy mainly composed of titanium is used as the titanium alloy. For example, titanium-tantalum-niobium (Ti-Ta-Nb), titanium-palladium ( Ti-Pd), titanium-zirconium (Ti-Zr), titanium-aluminum (Ti-Al), and other titanium-based alloys that are usually used as electrode materials.
This bio-adhesion prevention material may be any material that can adsorb aquatic organisms efficiently and directly or indirectly, and can apply an electric potential, and is processed into a desired shape such as a plate shape, a perforated plate shape, a rod shape, or a plate net shape. The structure is not particularly limited as long as it has a function of maintaining the structure.
A base material made of titanium or a titanium alloy used in the present invention is coated with or laminated with conductive fine particles according to a commonly used method when manufacturing an electrode for seawater electrolysis or an oxygen generating electrode. Can be used. When coating and laminating, it is necessary to consider such as improving the adhesion between the fine particles of the conductive material and the substrate.
[0007]
Based on metal conversion on part or all of substrate surface60-80Based on mole percent platinum and metal equivalents10-30Based on mole percent iridium oxide and metal equivalents10-30The biofouling prevention material carrying a complex with mol% tantalum oxide is directly or indirectly brought into contact with the surface of the biofouling prevention material by applying a positive potential without generation of oxygen or chlorine from water or seawater. Sterilizes aquatic organisms, suppresses growth, generates chlorine compounds or radicals from water, seawater, etc., and removes and attaches aquatic organisms and scales that directly or indirectly come into contact with the antifouling material surface and biofouling Preventive materials can be reactivated.
When the electrolyte is seawater, the composition ratio of the composite of platinum, iridium oxide, and tantalum oxide is preferably adjusted so that the chlorine overvoltage is a positive potential lower than the oxygen overvoltage.
When the electrolytic solution is water that does not contain a chlorine compound, the composition ratio of the composite of platinum, iridium oxide, and tantalum oxide is preferably adjusted so that the oxygen overvoltage becomes a positive potential lower than the chlorine overvoltage.
[0008]
It is desirable to pre-treat titanium or a titanium alloy (hereinafter referred to as a titanium base material) used in the present invention in advance as usual. Specific examples of such pretreatment include the following.
First, after degreasing the surface of the titanium substrate according to a conventional method, for example, washing with alcohol or the like and / or electrolysis in an alkaline aqueous solution, the hydrogen fluoride concentration is in the range of 1 to 20% by weight, particularly 5 to 10% by weight. By treating with hydrofluoric acid or mixed acid of hydrofluoric acid and other acids such as nitric acid and sulfuric acid, the oxide film on the surface of the titanium substrate is removed and the surface of the titanium grain boundary is roughened. I do. The acid treatment can be performed at a temperature of from room temperature to about 40 ° C. for a few minutes to a few dozen minutes depending on the surface condition of the titanium substrate. A blasting process may be used in combination for sufficient roughening.
The surface of the titanium substrate treated in this way is brought into contact with concentrated sulfuric acid, and the inner surface of the titanium crystal grain boundary is finely roughened into a projection and a thin film of titanium hydride is formed on the surface of the titanium substrate. To do.
Concentrated sulfuric acid to be used generally has a concentration of about 40 to 80% by weight, preferably about 50 to 60% by weight, and this concentrated sulfuric acid has a small amount of sodium sulfate or the like for the purpose of stabilizing the treatment if necessary. Or a sulfate thereof may be added. The contact with the concentrated sulfuric acid can be usually carried out by immersing the titanium substrate in a concentrated sulfuric acid bath, and the bath temperature is generally in the range of about 100 to 150 ° C., preferably in the range of about 110 to 130 ° C. The immersion time is usually about 0.5 to 10 minutes, preferably about 1 to 3 minutes. By this sulfuric acid treatment, the inner surface of the titanium crystal grain boundary can be finely roughened in a protruding shape, and a very thin titanium hydride coating can be formed on the surface of the titanium substrate.
The sulfuric acid-treated titanium base material is taken out of the sulfuric acid bath and preferably cooled rapidly in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon to lower the surface temperature of the titanium base material to about 60 ° C. or lower. It is appropriate to use a large amount of cold water for this cold water also for washing.
In this way, the titanium substrate on which a very thin titanium hydride film is formed is dipped in dilute hydrofluoric acid or dilute fluoride aqueous solution (for example, sodium fluoride, potassium fluoride, etc.) to perform the hydrogenation. A titanium film is grown to make the film uniform and stable. The concentration of hydrogen fluoride in the dilute hydrofluoric acid or dilute aqueous solution that can be used here is generally 0.05 to 3% by weight, preferably 0.3 to 1% by weight, The temperature during the immersion treatment with these solutions is generally in the range of 10 to 40 ° C, preferably 20 to 30 ° C. The treatment can be carried out until a uniform film of titanium hydride having a thickness of usually 0.5 to 10 μm, preferably 1 to 3 μm is formed on the surface of the titanium substrate. Since this titanium hydride (TiHy, where y is a number between 1.5 and 2) exhibits a grayish brown color to a blackish brown color depending on the degree of hydrogenation, a titanium hydride film having a thickness in the above range is formed. Can empirically control the change in the color of the surface of the substrate by contrasting with the standard color source and brightness.
[0009]
The surface of the titanium base material thus roughened and the titanium hydride film formed on the surface of the titanium base material,60-80With mol% platinum10-30With mol% iridium oxide10-30A composite of mol% tantalum oxide is supported. The composite as used herein refers to a composite or intimate contact with platinum, iridium oxide, and tantalum oxide so as to interact with each other. At this time, the mixture may be supported simultaneously, platinum may be supported before the oxide, or may be individually supported. In addition, when supporting individually, it is preferable to carry | support tantalum which is the same family as a base material last, in order to raise the adhesiveness to the base material of platinum and iridium. Therefore, it is preferable to carry platinum, iridium oxide, and tantalum oxide in this order.
[0010]
Hereinafter, the case where platinum is supported prior to the oxide will be specifically described.
As described above, platinum is dispersed and supported on the surface of the titanium base material on which the surface is roughened and the titanium hydride film is formed. This platinum dispersion support can usually be carried out by electroplating. Examples of the composition of the plating bath that can be used in this electroplating method include platinum compounds such as chloroplatinic acid, ammonium chloroplatinate, potassium chloroplatinate, and dinitrodiaminoplatinum in sulfuric acid solution (pH 1 to 3) or aqueous ammonia solution ( pH 11-13) about 2-20 g · dm in terms of platinum-3, Preferably about 5 to 15 g · dm-3In order to stabilize the bath, if necessary, add a small amount of sodium sulfate (in the case of an acidic bath), sodium sulfite, sodium sulfate (in the case of an alkaline bath), etc. Or an alkaline plating bath is mentioned. Platinum electroplating using a plating bath having such a composition should be performed at a relatively low temperature within a range of about 30 to 60 ° C. in order to suppress decomposition of the titanium hydride coating formed on the surface of the titanium base as much as possible. desirable.
By this electroplating, platinum dispersed on the titanium hydride film of the titanium base material can be supported. In this case, the dispersion state of platinum can be controlled, for example, by empirically adjusting the composition of the platinum plating bath and / or plating conditions (current density and current waveform).
Thus, platinum dispersed to such an extent that the surface of the base material is partially exposed is supported on the titanium base material. When the state of dispersion is observed with an electron microscope of 5,000 times, it can be seen that platinum is dispersed in the form of dots, lines, and networks on the surface of the titanium substrate. The amount of platinum deposited is 0.1 to 20 g · m.-2, Preferably 1 to 5 g · m-2It can be.
The degree of platinum dispersion support is 10 to 80%, preferably 30 to 60% in terms of coverage. If the platinum coverage is too low, the stability of the antifouling effect is deteriorated. On the other hand, if the platinum coverage is too high, the adhesion strength of the mixed oxide described later becomes unstable. In the present specification, the “coverage” of platinum is obtained by taking a 40,000-fold electron micrograph of the surface of a titanium base material on which platinum is dispersed and supported.2This is a value calculated by the following equation after measuring the area of platinum covered per unit.
Coverage ratio (%) = 100 × (platinum covered area on the photographic plane) / (titanium substrate area on the photographic plane)
As described above, the surface of the titanium base material on which platinum is dispersed and supported is then calcined in the atmosphere, if necessary, to thermally decompose the titanium hydride film, so that the titanium hydride is substantially made of titanium metal. In addition, the titanium in the vicinity of the boundary with the platinum carrier can be changed to titanium oxide in a low oxidation state. This calcination can be generally performed by heating in the atmosphere at a temperature of about 300 to 600 ° C., preferably about 300 to 400 ° C. for about 10 minutes to 4 hours. As a result, a very thin conductive titanium oxide layer is formed on the surface of the titanium substrate. The thickness of the titanium oxide layer is generally within the range of 10 to 100 nm, preferably 20 to 60 nm. Further, the composition of the titanium oxide is such that x is generally 1 <x <2, especially 1. It is desirable that the range is 9 <x <2.
As another method, the titanium base material on which platinum is dispersed and supported may be directly subjected to the next step without performing the heat treatment as described above. In this case, the titanium hydride film on the surface of the titanium substrate is converted into titanium metal and titanium oxide in a low oxidation state during firing of the oxide in the next step.
[0011]
Thereafter, a mixed oxide of iridium oxide and tantalum oxide is supported on the surface of the titanium base material on which platinum thus heat treated is dispersed and supported. The supported ratio of platinum, iridium oxide, and tantalum oxide at this time is a metal-converted molar ratio of Pt / Ir / Ta.It is preferable to be in the range of 60 to 80/10 to 30/10 to 30.
As described above, the iridium compound and the tantalum compound are adhered to the surface of the base material by applying a solution containing an iridium compound and a tantalum compound, preferably a lower alcohol solution, and then drying on the surface of the titanium base material on which platinum is dispersed and supported. Let me. Examples of the iridium compound and the tantalum compound that can be used here include compounds soluble in a lower alcohol solvent that can be thermally decomposed under the firing conditions described later and converted into iridium oxide and tantalum oxide, respectively. Examples of such iridium compounds include iridium chloride, iridium chloride, and potassium iridium chloride. Examples of tantalum compounds include tantalum chloride and tantalum ethoxide.
On the other hand, examples of lower alcohols that can dissolve these iridium compounds and tantalum compounds include methanol, ethanol, propanol, isopropanol, butanol, and mixtures thereof.
The application of the solution onto the surface of the titanium base material on which platinum is dispersed and supported can be performed, for example, by a spraying method, a brush coating method, a dipping method, or the like. In this way, a lower alcohol solution of an iridium compound and a tantalum compound. The titanium substrate to which is applied is dried at a relatively low temperature in the range of about 20 to 100 ° C. and then fired in an oxidizing atmosphere, usually in the air.
The processing described above can be repeated until the loading amount reaches the above range. The calcination can be carried out by heating to a temperature generally in the range of about 450 to 650 ° C., preferably about 500 to 600 ° C. in a suitable heating furnace such as an electric furnace, a gas furnace or an infrared furnace. . The heating time at that time can be about 5 minutes to 2 hours, depending on the size of the substrate to be fired. By this firing, the iridium compound and the tantalum compound are changed to iridium oxide and tantalum oxide, respectively, and the platinum-iridium oxide-tantalum oxide composite can be supported on the titanium substrate.
[0012]
Next, the case where platinum, iridium oxide, and tantalum oxide are simultaneously supported on the surface of a titanium base material that has been roughened and formed with a titanium hydride film will be described in detail.
The platinum compound, iridium compound and tantalum compound used here are compounds that can be decomposed and converted to platinum, iridium oxide and tantalum oxide, respectively, under the conditions described below. Examples of the platinum compounds include chloroplatinic acid and platinum chloride. And dinitrodiaminoplatinum. Examples of iridium compounds include iridium chloride, iridium chloride, and potassium iridium chloride. Examples of tantalum compounds include tantalum chloride and tantalum ethoxide.
On the other hand, as a solvent for dissolving these platinum compounds, iridium compounds and tantalum compounds, lower alcohols are suitable, and for example, methanol, ethanol, propanol, butanol or a mixture thereof is used. Since dinitrodiaminoplatinum does not dissolve directly in lower alcohols, it is first dissolved in an aqueous nitric acid solution and converted to 250 to 450 g · dm in terms of platinum metal.-3It is preferable to dissolve in a lower alcohol after adjusting to the concentration.
The total metal concentration of the platinum compound, iridium compound and tantalum compound in the lower alcohol solution is generally 2 to 200 g · dm.-3, Preferably 20 to 100 g · dm-3Can be within the range. The metal concentration is 2 g · dm-3If it is lower, the loading efficiency becomes worse, and 200 g · dm.-3If it exceeds 1, aggregation tends to occur at the time of firing, causing problems such as non-uniformity in the carrying strength and carrying amount.
[0013]
The above solution is applied onto the surface of the titanium base material that has been roughened and formed with a titanium hydride film, dried at a relatively low temperature in the range of about 20 to 100 ° C., and then in an oxidizing atmosphere, for example, Bake in the atmosphere. Firing can be performed by heating to a temperature generally in the range of about 450 to 650 ° C., preferably about 500 to 600 ° C. in a suitable heating furnace such as an electric furnace, a gas furnace or an infrared furnace. The heating time at that time can be about 5 minutes to 2 hours, depending on the size of the substrate to be fired. By this firing, a platinum-iridium oxide-tantalum oxide composite can be supported on the surface of the titanium substrate.
When a predetermined platinum-iridium oxide-tantalum oxide composite cannot be supported by a single supporting operation, the above-described solution application-drying-firing process can be repeated a desired number of times. it can.
[0014]
The antifouling apparatus using the biofouling prevention material according to the present invention is provided with a counter electrode so as not to contact the biofouling prevention material. The counter electrode base material may be the same as the biological adhesion preventing material. Moreover, it can also select suitably according to the physical property and shape of a to-be-stained surface. Moreover, the biological adhesion preventing material and the counter electrode are not particularly limited as long as they are arranged to the extent that the biological adhesion preventing material and the microorganisms react electrochemically.
[0015]
The biological adhesion preventing material and the counter electrode are connected to the power supply device by lead wires. This power supply device is a device that applies a direct current between the biological adhesion preventing material and the counter electrode, and preferably has a function of converting the polarity. In addition, when there are few organisms living in water or seawater to the extent that antifouling can be maintained simply by applying a potential higher than the potential at which the direct electron transfer reaction between the electrode and the microorganism occurs, a constant current generator (galvano (Stat) can be used.
The potentiostat and galvanostat that can be used are not particularly limited as long as a predetermined potential can be applied to the biological adhesion preventing material or a constant current can flow. In particular, it is preferable to implement a DC power supply device to which voltage control or current control and timing control means are added.
[0016]
Furthermore, a reference electrode can be used as necessary.
It is preferable to install the reference electrode in the vicinity of the working electrode. However, if the current value when the antifouling effect is manifested between the bioadhesion prevention material and the counter electrode is clear, the reference electrode should not be used. There is no problem.
[0017]
The basic antifouling function expression configuration in the electrochemical antifouling method according to the present invention is:
(1) Sterilization step: a step of sterilization by applying a positive potential that does not generate a product electrochemically from the electrolyte in the biological adhesion prevention material (+0 to 1.5 V vs SCE);
(2) Desorption step: A negative potential that does not generate a product electrochemically from the electrolyte is applied to the biofouling prevention material, and aquatic organisms and scales that directly or indirectly adhere to contact with each other are electrostatically functioned. A desorption step (−0 to −0.6 V vs SCE);
(3) Washing and reducing step: Applying a negative potential to electrochemically generate a product from the electrolyte to the biofouling prevention material, alkaline decomposition and washing of aquatic organisms and scales attached to and contacted with the biofouling prevention material Reducing the biofouling prevention material surface (−0.6 to −2.0 V vs SCE);
(4) Decomposition cleaning reactivation step: A positive potential for electrochemically generating a product from the electrolytic solution is applied to the biofouling prevention material, and the biofouling prevention material adheres directly or indirectly to the surface. Aquatic organisms and scales are desorbed and washed by generation of chlorine compounds or radicals, and the surface of the biofouling prevention material is cleaned and reactivated (positive potential higher than +1.5 V vs SCE),
Implement any process on the anti-fouling surface biofouling prevention material so that the load on water and seawater caused by the most chemically generated chemical substances is minimal, and the long-term antifouling effect is stably obtained. It is.
However, these potentials can be changed by a reference electrode for measuring a reference potential of water or seawater, or a combination of the bio-adhesion preventing material and the counter electrode material as the anti-stain surface to be used. For example, as a reference electrode, a reference electrode generally used for electrochemical measurement such as SCE (saturated citrus electrode) or Ag / AgCl (silver / silver chloride electrode) can be used.
[0018]
Next, potential application conditions in each step will be described.
(1) Sterilization process
When a positive potential is applied to the biofouling prevention material in water containing aquatic organisms, the aquatic life in the water is adsorbed on the surface of the biofouling prevention material. Furthermore, the positive potential applied to the biofouling prevention material has an action of electrochemically sterilizing aquatic organisms that have adsorbed and contacted the surface of the biofouling prevention material. In other words, aquatic organisms are adsorbed on the surface of the biological adhesion preventing material by a positive potential and sterilized on the surface. At this time, the set potential is a potential at which no product is generated electrochemically from the electrolytic solution, and is a potential equal to or lower than the generation potential of oxygen and chlorine accompanying the decomposition of water and seawater.
The preferred potential is +0 to 1.5 V vs. SCE, more preferably +0.5 to +1.2 Vvs. SCE. However, this potential depends on the physical properties of the biofouling prevention material used. If the potential is below the generation potential of oxygen or chlorine accompanying water decomposition, contamination of water and seawater by electrolytic products is not possible. It can be suppressed to a minimum and can exhibit a stable antifouling effect over a long period of time. Also, +0 Vvs. Although the aquatic organisms cannot be adsorbed on the substrate and sterilized if the direct electron transfer reaction with the microorganism is confirmed from the SCE, the potential can be intermittently applied in consideration of deterioration and consumption of the biofouling prevention material. It is preferable to vary.
The time for applying a positive potential at which no product is electrochemically generated from the electrolyte can be selected as appropriate depending on the characteristics of the biofouling prevention material. Generally, the antifouling effect is maintained for several years, even if it is about 0.5-24 hours, depending on the durability of the biofouling prevention material and the amount of aquatic organisms directly or indirectly contacting the surface of the biofouling prevention material. If so, it is preferable to set as long as possible per unit time because the load on the water and seawater by the electrolytically generated chemical substance is small. Depending on the biofouling preventive material, application for 0.1 to 1000 hours is more preferable, depending on the oxide formation rate.
[0019]
(2) Desorption process
Next, when a negative potential is applied to the surface of the biofouling prevention material, aquatic organisms and scales that are in direct or indirect contact with each other are detached. The negative potential at which no product is electrochemically generated from the electrolyte is 0 to -1.0 Vvs. Ag / AgCl. Preferably, −0 to −0.6 Vvs. Ag / AgCl. At that time, aquatic organisms, other cells, cells of sterilized aquatic organisms and / or damaged or organic matter adhered to the biofouling preventive material may have a pH on the surface of the biofouling preventive material due to electrostatic mechanism or potential fluctuation. Desorbed due to fluctuations.
Furthermore, desorption and washing can be made more efficient by changing the potential at the negative potential. The width of the varying potential is preferably about −0.3 V to −0.9 V, and the period is preferably 10 Hz to 0.001 Hz.
The time for applying a negative potential at which no product is electrochemically generated from the electrolytic solution can be appropriately selected depending on the characteristics of the biofouling prevention material. Generally, it varies depending on the durability of the biofouling preventive material and the amount of aquatic organisms directly or indirectly in contact with the surface of the biofouling preventive material, but is preferably about 0.1 to 24 hours. In consideration of deterioration of the biofouling prevention material, application for 0.1 to 2 hours is more preferable.
[0020]
(3) (Washing reduction process)
Furthermore, the negative potential at which an electrochemical product is generated from an electrolyte such as water or seawater is −1.0 Vvs. More negative potential than Ag / AgCl, preferably -1.0 V to -2.0 Vvs. It is about Ag / AgCl. By applying this negative potential, detachment of aquatic organisms, other cells, sterilized aquatic organism cells adhering to the biofouling prevention material, and / or their breakage or organic matter is promoted. When a negative potential is generated that electrochemically generates a product from the electrolyte, hydrogen is generated on the surface of the biofouling prevention material due to the decomposition of the electrolyte, and this hydrogen removes the deposit on the surface of the biofouling prevention material. It is to be done. Moreover, pH becomes alkaline in the vicinity of the biological adhesion preventing material. Furthermore, the precipitation of hydroxide may occur due to the strong alkali atmosphere, and it is necessary to appropriately select the potential to be applied and the application time. However, the organic substance is dissolved by the hydroxide. By removing and dissolving them, the surface of the biofouling prevention material is cleaned. Further, it may be necessary to reduce the oxide on the surface of the bioadhesion preventive material, reduce the oxide that inhibits the electron transfer reaction at the bioadhesion preventive material interface, and maintain and recover the function of the sterilization process. Furthermore, desorption and washing can be made more efficient by changing the potential at the negative potential. The width of the changing potential is preferably about −0.3 V to −2 V, and the period is preferably 10 Hz to 0.001 Hz.
The time for applying a negative potential at which a product is generated electrochemically from the electrolyte can be selected as appropriate depending on the characteristics of the biofouling prevention material. In general, it varies depending on the durability of the biofouling prevention material and the amount of aquatic organisms that directly or indirectly contact the surface of the biofouling prevention material, but is preferably about 0.5 to 24 hours. In consideration of deterioration of the biofouling prevention material, application for 0.5 to 2 hours is more preferable.
[0021]
(4) (Decomposition cleaning reactivation process)
The potential at which the product is electrochemically generated from the electrolyte is a potential at which oxygen or chlorine is generated as water or seawater decomposes, and is +1.5 Vvs. This is clearly confirmed by the potential exceeding Ag / AgCl. When these high potentials are applied for a long time, water and seawater are likely to be electrolyzed to generate chlorine and unknown substances, and the biofouling prevention material may deteriorate, so it is stable for a long time. In particular, it may be inappropriate to maintain the antifouling effect and to minimize the contamination of water and seawater by electrolytic products.
However, in the present invention for the purpose of antifouling for a long period of time, sterilized microorganisms, organic matter, and scales that cannot be excluded even when various potentials are applied may adhere to the surface of the biofouling prevention material that becomes the surface to be protected. In order to re-activate them and reproduce the antifouling effect for a long period of time without the cost of replacing biofouling prevention materials, it is preferable to control the minimum necessary chlorine compound and radical generation function.
Incidentally, when the physical property of the surface of the bioadhesion preventive material is such that the chlorine overvoltage is lower than the oxygen overvoltage, a chlorine compound is generated, and if the reverse is true, a phenomenon in which oxygen is generated first can be confirmed.
The time for applying a positive potential for electrochemically generating a product from the electrolytic solution can be appropriately selected depending on the characteristics of the bioadhesion preventing material. In general, the durability of biofouling prevention materials varies depending on the amount of aquatic organisms that are directly or indirectly in contact with the surface of the biofouling prevention material. It is preferable to set to minimize the above. Considering this point, it is more preferable to apply about 0.5 to 24 hours per month. Moreover, it is also possible to set and operate for the time of about 1/10 to 1 / 10,000 compared with the set time of the sterilization process of (1).
[0022]
In the present invention, in order to minimize contamination of water and seawater by chemical substances and maintain the antifouling effect over a long period of time, the above (1) sterilization step, (2) desorption step, (3) washing reduction step, (4) Each step of the decomposition cleaning reactivation step can be applied periodically in an arbitrary order and frequency according to the situation after appropriately setting the applied potential and the applied time.
[0023]
The electrolyte solution that can be treated according to the present invention is not particularly limited as long as it is water containing organisms. For example, seawater, river water, lake water, tap water, drinking water, or various buffer solutions may be used. In addition, the target organism is not particularly limited as long as it is an organism present in the water.
[0024]
[Action]
The biological adhesion preventing material according to the present invention isA biofouling prevention material used in an electrochemical antifouling method using a direct electron transfer reaction between a biofouling prevention material and a living organism,60 to 80 mol% platinum based on metal conversion, 10 to 30 mol% iridium oxide based on metal conversion, and 10 to 30 mol based on metal conversion on a part or all of the surface of the substrate made of titanium or titanium alloy Since it is a bioadhesion prevention material characterized by carrying a composite with a tantalum oxide ofApply at least a positive potential that does not electrochemically generate a product from the electrolytic solution to the biofouling prevention material,The growth of aquatic organisms that directly or indirectly come into contact with the surface of the biofouling prevention material can be suppressed. The bioadhesion preventive material, a counter electrode, and a power source that applies a voltage between the bioadhesion preventive material and the counter electrode, and the aquatic organism that directly or indirectly contacts the bioadhesion preventive material surface, By applying a positive potential for electrochemically generating a product from the electrolyte in the biofouling prevention material by an electrochemical antifouling device that controls a direct electron transfer reaction with the biofouling prevention material, A process for detaching and cleaning aquatic organisms and scales that directly or indirectly contact the surface of the anti-adhesion material and reactivating the bio-adhesion prevention material can be set. The positive potential at which no electrochemical product is generated from the electrolyte, the negative potential at which no electrochemical product is generated from the electrolytic solution, and the negative potential at which electrochemical product is generated from the electrolytic solution And can be set arbitrarily And it can be periodically applied.
[0025]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
FIG. 1 is a schematic view of an apparatus used in the following examples.
In the
The control unit 1 outputs an instruction value of the applied potential to the reference electrode 4 of the biofouling prevention material 3 in an analog manner, and the potentiostat 2 causes the potential of the biological adhesion prevention material 3 to the reference electrode 4 to be an analog input value. The voltage is output to the biological adhesion preventing material 3 and the
The control unit 1 includes a circuit configured by a CPU, an input / output port, a digital / analog converter, and a memory (not shown) such as a ROM or a RAM. A control program and a timing chart for control to be described later are incorporated in the ROM, and the CPU converts the potential indication value into an analog value by a digital / analog converter according to the control program and the timing chart, and outputs the result to the potentiostat 2. . By using a one-chip computer incorporating the above-described components in the control unit 1, the overall circuit configuration can be simplified and made inexpensive.
[0026]
Next, the timing chart of potential control shown in FIG. 2 will be described in detail. In the timing chart, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates an indication value of the potential with respect to the reference electrode 4 of the biological adhesion preventing material 3. Here, a combination of the following four types of steps (six potential application steps) is explicitly illustrated as a timing chart, but other steps depending on how to apply a potential are not specifically excluded.
(1) (Sterilization step) Positive potential application step (T1) that does not generate an electrochemical product: A step of applying a positive potential lower than the positive potential side electrolysis product generation potential 9. The potential value to be applied can be changed depending on the process.
(2) (Desorption step) Negative potential application step (T2) that does not generate electrochemical products or amplitude potential application step (T3) in a negative potential region that does not generate electrochemical products: Both steps are negative A negative potential higher than the potential side electrolytic product generation potential 10 is applied. In the amplitude potential application step (T3), the applied potential is changed almost continuously. Depending on the responsiveness of the system, it is possible to give a potential changed in a trapezoidal wave instead of a triangular wave as the indication potential.
(3) (Washing reduction step) A negative potential applying step (T4) for generating an electrochemical product, or an amplitude potential applying step in a negative potential region where an electrochemical product is generated and / or a negative potential region where no electrochemical product is generated ( T5): In both steps, a negative potential lower than the negative potential side electrolysis product generation potential 10 is applied.
(4) (Decomposition cleaning reactivation step) Positive potential application step (T6) for generating an electrochemical product: A positive potential higher than the positive side electrolysis product generation potential 9 is applied.
In the potential application pattern shown in the timing chart of FIG. 2, the positive potential application step (T1) that does not generate an electrochemical product and the positive potential application step (T6) that generates an electrochemical product are alternately repeated. The application potential and application period of each process can be determined appropriately according to the case. For example, a pattern in which a plurality of different potential values are applied in the positive potential application process (T1) that does not generate an electrochemical product can be created. It is.
In the potential application pattern shown in the timing chart of FIG. 3, a positive potential application step (T1) that does not generate an electrochemical product, a negative potential application step (T2) that does not generate an electrochemical product, and an electrochemical product. The positive potential applying step (T6) for generating is alternately repeated. The applied potential and the application period in each step can be appropriately determined according to circumstances, and the order and frequency are also arbitrary. For example, a positive potential application step (T1) that does not generate an electrochemical product and a negative potential application step (T2) that does not generate an electrochemical product are alternately repeated a certain number of times, and then an electrochemical product is generated. A pattern of applying the positive potential applying step (T6) can be created.
In the potential application pattern shown in the timing chart of FIG. 4, a positive potential application step (T1) that does not generate an electrochemical product, an amplitude potential application step (T3) in a negative potential region that does not generate an electrochemical product, and The positive potential application step (T6) for generating the electrochemical product is repeated alternately. The applied potential and the application period in each step can be appropriately determined according to circumstances, and the order and frequency are also arbitrary. The amplitude and change rate of the potential in the amplitude potential application step (T3) in the negative potential region where no electrochemical product is generated should be set within a range in which the controller 1 can output, although it depends on the responsiveness of the system. Can do. As in FIG. 3, for example, a positive potential applying step (T1) that does not generate an electrochemical product and an amplitude potential applying step (T3) in a negative potential region that does not generate an electrochemical product are alternately repeated a certain number of times. Then, it is also possible to create a pattern in which a positive potential application step (T6) for generating an electrochemical product is applied.
[0027]
In the potential application pattern shown in the timing chart of FIG. 5, a positive potential application step (T1) that does not generate an electrochemical product, a negative potential application step (T2) that does not generate an electrochemical product, and an electrochemical product The negative potential applying step (T4) to be generated and the positive potential applying step (T6) to generate the electrochemical product are alternately repeated. The applied potential and the application period in each step can be appropriately determined according to circumstances, and the order and frequency are also arbitrary. For example, a positive potential application step (T1) that does not generate an electrochemical product and a negative potential application step (T2) that does not generate an electrochemical product are alternately repeated a certain number of times, and then an electrochemical product is generated. A pattern of applying a negative potential applying step (T4) and a positive potential applying step (T6) for generating an electrochemical product can be created.
In the potential application pattern shown in the timing chart of FIG. 6, a positive potential application step (T1) that does not generate an electrochemical product, a negative potential region that generates an electrochemical product, and / or an amplitude in a negative potential region that does not generate an electrochemical product. The potential application step (T5) and the positive potential application step (T6) for generating an electrochemical product are alternately repeated. The applied potential and the application period in each step can be appropriately determined according to circumstances, and the order and frequency are also arbitrary. The amplitude and change rate of the potential in the amplitude potential application step (T5) in the negative potential region where the electrochemical product is generated / not generated are set in a range that can be output by the control unit 1 depending on the response of the system. can do. For example, a positive potential application step (T1) that does not generate an electrochemical product and an amplitude potential application step (T5) in a negative potential region that does or does not generate an electrochemical product are repeated a certain number of times, and thereafter A pattern of applying a positive potential applying step (T6) for generating an electrochemical product can be created.
[0028]
<Preparation of biofouling prevention material>
Examples 1 to 5 below4The creation procedure of
Example 1
A titanium substrate (t1 × 100 × 100 mm) corresponding to JIS type 2 was degreased and washed with ethyl alcohol, treated in an 8 wt% hydrofluoric acid aqueous solution at 20 ° C. for 2 minutes, and then a 60 wt% sulfuric acid aqueous solution at 120 ° C. For 3 minutes. The titanium base material was taken out of the sulfuric acid solution and cooled rapidly by spraying cold water in a nitrogen atmosphere. Further, it was immersed in a 0.3 wt% hydrofluoric acid solution at 20 ° C. for 2 minutes and then washed with water.
After washing with water, dinitrodiaminoplatinum is dissolved in a sulfuric acid solution to obtain a platinum content of 5 g · dm.-3In a platinum plating bath adjusted to a pH of about 2, 50 ° C., 3 A · dm on a titanium substrate-2Was plated for about 50 seconds to deposit platinum. The amount of platinum dispersed and supported is 0.02 g · dm-2Met. At this time, the platinum coverage of the titanium base material was about 60%.
Subsequently, a butanol solution of chloroiridate and an ethanol solution of tantalum chloride were mixed, and iridium (Ir) 15 g · dm-3And tantalum (Ta) 25 g · dm-31 dm with a measuring pipette after adjusting the coating solution containing (metal equivalent)20.2cm perThreeAfter weighing and applying it onto the substrate, it was dried at 50 ° C. for 30 minutes and further baked in the atmosphere at 500 ° C. for 10 minutes. The amount of iridium oxide and tantalum oxide supported is 0.003 g · dm in terms of metal.-20.005g · dm-2Met.
Through the above steps, a bioadhesion preventing material carrying a composite of 70 mol% platinum, 11 mol% iridium oxide and 19 mol% tantalum oxide on the surface of the titanium substrate was produced.
[0029]
Example2
In Example 1 above, except that the proportion of the supported material was changed as shown in Table 1, the same procedure as in Example 1 was carried out.2Was made.
[0030]
[Table 1]
[0031]
Example3
After the titanium substrate was acid-treated by the same method as in Example 1, chloroplatinic acid (H2PtCl6・ 6H2O), chloroiridic acid (H2IrCl6・ 6H2O) and tantalum ethoxide (Ta (OC2HFive)Five) Are individually dissolved in butanol and blended so that the composition ratio of the support is 70 mol% of platinum, 11 mol% of iridium oxide, and 19 mol% of tantalum oxide, and platinum (Pt) and iridium (Ir ) And tantalum (Ta) metal concentration is 70 g · dm-31 dm with a solution pipette20.4cm perThreeAfter weighing and applying it on the titanium substrate, it was dried at room temperature for 30 minutes and then baked in air at 500 ° C. for 10 minutes. The supported amount of platinum, iridium oxide and tantalum oxide is 0.02 g · dm in terms of metal, respectively.-20.003g · dm-20.005g · dm-2Met.
Through the above-described steps, a bioadhesion preventing material in which a composite of 70 mol% platinum, 11 mol% iridium oxide, and 19 mol% tantalum oxide was supported on the surface of the titanium base material was produced.
[0032]
Example4
After acid-treating the titanium substrate in the same manner as in Example 1, platinum was 0.02 g · dm.-2The dispersion was supported.
Next, iridium (Ir) concentration 7.5 g · dm-3Which is chloroiridic acid (H2IrCl6・ 6H21) Butanol solution of O) with a pipette20.4cm perThreeAfter weighing and applying it onto the substrate, it was dried at room temperature for 30 minutes and then baked in air at 500 ° C. for 10 minutes.
Furthermore, tantalum (Ta) concentration of 12.5 g · dm-31 dm of butanol solution with a measuring pipette20.4cm perThreeAfter weighing and applying it onto the substrate, it was dried at room temperature for 30 minutes and then baked in air at 500 ° C. for 10 minutes. The amount of iridium oxide and tantalum oxide supported is 0.003 g · dm in terms of metal.-20.005g · dm-2Met.
Through the above steps, a bioadhesion preventing material carrying a composite of 70 mol% platinum, 11 mol% iridium oxide and 19 mol% tantalum oxide on the surface of the titanium substrate was produced.
[0033]
Comparative Examples 1-5
Example above3Comparative Examples 1 to 5 were produced by changing the ratio of the supported material as shown in Table 1 in the same manner as described above.
[0034]
<Preparation of microorganism suspension>
After primary culture of marine-adherent bacterium Vibrio alginoliticus (ATCC17749) at 30 ° C. in marine broth (Marine broth) 2216 (manufactured by DIFCO Laboratories), 100 μl was collected and cultured in a 25 ml centrifuge tube (15 ml of marine broth). ) At 30 ° C. and 150 rpm for 2 hours. The cultured cells are collected by centrifugation, washed with sterilized seawater, suspended in sterilized seawater, counted with a hematite meter, and 1 × 107A cell suspension having a cell / ml concentration was prepared.
[0035]
<Microbial adhesion to biofouling prevention materials and potential application>
The bioadhesion prevention material was immersed in a suspension stirred at 200 rpm for 90 minutes at room temperature, and the cells were adhered to the surface of the bioadhesion prevention material. It was immersed in sterilized seawater contained in the
[0036]
<Evaluation of sterilization of microorganisms and determination of effects of each process>
The confirmation of the bactericidal effect, the detachment of dead attached microorganisms, and the determination of the cleaning effect were carried out by the double staining method of Propidium Iodide (PI) and 4,6-Diamidino-2-phenylindole (DAPI). PI and DAPI are microorganisms that adhere to nucleic acids of microorganisms due to the difference in the permeability of the cell membrane of microorganisms, and determine the viability of microorganisms by using live cells that exhibit blue fluorescence and dead cells that exhibit red fluorescence. in use. In addition, by comparing the abundance of sterilized red fluorescent microorganisms on the surface of the biological adhesion preventive material, the detachment of scales and organic substances, and the cleaning function were determined.
Microbial staining is performed by washing the bio-adhesion-preventing material to which sterilization is applied with sterilized seawater, and adhering bacterial cells on the bio-adhesion-preventing material with 250 μg / ml aqueous solution of PI and 30 μl each of DAPI 20 μg / ml aqueous solution (adjusted before staining). Drip. Then, irradiate with ultraviolet excitation light, and observe under a fluorescence microscope, live cells that show blue fluorescence, and dead cells that show red fluorescence, adsorb on the bioadhesion-preventing material before potential application The number of dead cells relative to the number of cells was evaluated.
In the determination, ◯ indicates a sterilization rate of 80% or more, Δ indicates a sterilization rate of 20 to 80%, and x indicates a sterilization rate of less than 20%.
[0037]
In the potential application patterns of FIGS. 2 to 6, the sterilizing effect of the microorganisms was determined after completing the T1 step. The determinations of the detachment steps T2 and T3 are as follows: the attached organism amount after applying the potential is a reduction ratio from the time of the T1 step after the sterilization determination, ○ is a reduction rate of 70% or more, Δ is a reduction rate of 30 to 70%, and × is The reduction rate was shown as less than 30%. The determination of the T4, T5, and T6 steps was determined based on the state of each pattern before the T4, T5, and T6 steps and the presence or absence of dead cells after each step.
In order to determine the superiority of the test results, various times were applied for the potential application time and the applied voltage. Therefore, it is desirable to give priority to the test results in consideration of the total results in a short time and at a completely low potential, and the present invention is not limited to this embodiment and application examples.
Hereinafter, in the steps of FIGS.4And the effect is shown based on an application example about Comparative Examples 1-5.
[0038]
Application example 1
As the biological adhesion prevention material 3 of the said apparatus (refer FIG. 1), the said Examples 1-4And the biocide prevention material obtained in Comparative Examples 1 to 5 was used, and the sterilization rate in the T1 step and the cleaning rate in the T6 step when the potential application pattern shown in the timing chart shown in FIG. . The results are shown in Table 2.
In the T1 step, 0.9VvsAg / AgCl was applied for 60 minutes to determine the bactericidal efficiency. In addition, the number of dead cells attached only in the T1 step and the presence or absence of dead cells regarded as organic matter attached after the T6 step was applied at 1.0 V vs Ag / AgCl for 5 minutes, and washed by decomposition. The effect was judged.
[0039]
[Table 2]
[0040]
In the determination of the sterilization effect, ◯ indicates a sterilization rate of 80% or more, Δ indicates a sterilization rate of 20 to 80%, and x indicates a sterilization rate of less than 20%.
The degradation cleaning effect indicates the presence or absence of adherent dead cells, ◯ indicates a cleaning rate of 80% or more, Δ indicates a cleaning rate of 20 to 80%, and X indicates a cleaning rate of less than 20%.
[0041]
Application example 2
As the biological adhesion prevention material 3 of the said apparatus (refer FIG. 1), the said Examples 1-4And the biological attachment prevention material obtained by Comparative Examples 1-5 was used, and the desorption rate in the T2 and T3 process at the time of employ | adopting the electric potential application pattern which the timing chart described in FIG. The results are shown in Table 3.
Since the bactericidal effect showed almost the same bactericidal efficiency as in Application Example 1, 0.9VvsAg / AgCl was applied for 15 minutes in the T1 step, and dead and live bacteria were mixed to prevent adhering organisms. The material was adjusted. Thereafter, the T2 potential in FIG. 3 is applied at −0.6 V vs Ag / AgCl for 30 minutes, and the T3 potential in FIG. 4 is applied at −0.3 V to −0.6 V vs Ag / AgCl for 30 minutes. Amplified at minute intervals. Before and after the T2 step and T3 step at that time, the number of detached microorganisms was compared with the number of attached microorganisms, which is the sum of dead bacteria and viable bacteria, and the reduction ratio was determined to determine the detachment effect.
[0042]
[Table 3]
[0043]
The decrease rate is indicated by O as 70% or more, Δ as 30 to 70%, and X as less than 30%. In addition, the cleaning effect was able to be confirmed with all the biological adhesion prevention materials which implemented T6 process after that, and the cleaning promotion effect by the combination was expectable.
[0044]
Application example 3
As the biological adhesion prevention material 3 of the said apparatus (refer FIG. 1), the said Examples 1-4And the washing | cleaning rate in the T4 and T5 process at the time of employ | adopting the electric potential application pattern which the timing chart described in FIG.5, 6 was employ | adopted as an application pattern using the biological adhesion prevention material obtained by Comparative Examples 1-5. The results are shown in Table 4.
Since the bactericidal effect showed almost the same bactericidal efficiency as Example 1, 0.9VvsAg / AgCl was applied for 15 minutes in the T1 step, and dead and live bacteria were mixed to prevent adhering organisms. The material was adjusted. Thereafter, the T2 potential was -0.6 V vs Ag / AgCl and applied for 30 minutes. Next, the electric setting of T4 was set to -1.4 V vs. Ag / AgCl for 10 minutes. Further, the potential setting of T5 was -0.3V to -1.4VvsAg / AgCl applied for 10 minutes, and the potential was amplified at intervals of 2 minutes. Before and after the steps T4 and T5, the cleaning and reducing effect was determined by the presence or absence of dead cells regarded as attached organic substances.
[0045]
[Table 4]
[0046]
The cleaning rate is indicated by O as 70% or more, Δ as 30 to 70%, and X as less than 30%.
Moreover, when T6 process was implemented after that, almost perfect cleaning effect could be confirmed with all the biological adhesion prevention materials in a short time, and the cleaning promotion effect by combination was expectable.
[0047]
Application example 4 (confirmation of chlorine generation)
Example 14And the biological adhesion prevention material obtained by Comparative Examples 1-5 was immersed in 50 ml of seawater, and 1.0 Vvs. The chlorine concentration in seawater was measured when a potential of Ag / AgCl or higher was applied. The chlorine concentration in seawater to which a potential was applied was measured using a residual chlorine electrode (97 · 70BN; manufactured by Orion Research). 10 ml of seawater after potential application was sampled, and 100 μl each of iodine reagent (manufactured by Orion Research) and acid reagent (manufactured by Orion Research) were added and stirred. After the solution was allowed to stand for 2 minutes, a multimeter (83 MULTITIMER; manufactured by FLUKE) was connected, the potential was measured with a residual chlorine electrode, and the chlorine concentration was determined using a calibration curve from the electrode potential difference from the standard sample. The chlorine measurement limit is 0.2 ppm. A standard sample was prepared by adding 100 μl of each residual chlorine standard solution (manufactured by Orion Research), iodine reagent and acid reagent and stirring for 2 minutes, then adding 9900 μl of distilled water and stirring again.
As a result, there was a difference in the amount of chlorine generated.4And generation | occurrence | production of chlorine was confirmed from all of Comparative Examples 1-5.
[0048]
【The invention's effect】
The biological adhesion preventing material according to the present invention isA biofouling prevention material used in an electrochemical antifouling method using a direct electron transfer reaction between a biofouling prevention material and a living organism,60 to 80 mol% platinum based on metal conversion, 10 to 30 mol% iridium oxide based on metal conversion, and 10 to 30 mol based on metal conversion on a part or all of the surface of the substrate made of titanium or titanium alloy %, It is possible to stably obtain an electrochemical antifouling effect over a long period of time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a timing chart of potential control.
FIG. 3 is a timing chart of potential control.
FIG. 4 is a timing chart of potential control.
FIG. 5 is a timing chart of potential control.
FIG. 6 is a timing chart of potential control.
[Explanation of symbols]
1 Control unit
2 Potentiostat
3 Biofouling prevention materials
4 Reference pole
5 Counter electrode
6 Test tank
7 Stir bar
8 Stirrer
9 Positive potential electrolysis product generation potential
10 Negative potential electrolysis product generation potential
T1 Positive potential application process that does not generate electrochemical products
T2 Negative potential application process that does not generate electrochemical products
T3 Amplitude potential application process in the negative potential region where no electrochemical product is generated
T4 Negative potential application process for generating electrochemical products
T5 Amplitude potential application step in the negative potential region that generates / does not generate electrochemical products
T6 Positive potential application process for generating electrochemical products
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