JP2010137212A - プラズマ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗部材を用いず、低消費電力で効率よく大量の排水もしくは廃液中の有害有機化合物を安定に分解除去する。
【解決手段】誘電体２被覆棒状電極１を液中に挿入し、誘電体バリヤー放電３を液面上の大気中に形成することにより該液中の有害有機化合物を分解除去する。誘電体バリヤー放電を用いることで電力を節減し、大気圧プラズマを用いることで消耗部材を無くし、棒状電極を用いることにより液面の変動に対して安定なプラズマを維持する。
【選択図】図１

Description

液体が関与するプラズマ発生方法に関する。特に水処理や廃液処理、液体の関与する材料合成、および処理分野などに適用される。

液体が関与するプラズマ発生方法には大別して次の３つがある。第一に気相放電空間に液滴を供給するもの、第二に液面上の放電、第三に液体中の放電である。本発明は第二および第三に関する。液面上の放電は、気相中で形成されたプラズマと液面との相互配置の工夫により両者が接触して存在する方法が示されている（非特許文献１）。他方液体中の放電は、針状電局に高電界を印可して液を絶縁破壊し、コロナストリームプラズマを誘起させる方法や、液体中に加熱や超音波などで気泡を発生させ、そこへ電磁波を照射してプラズマを誘発させる方法などが提案されている（特許文献１，２）。
特登２００４−１５２５２３ 特開２００６−２５３０５６ Ｋｉｔａｎｏ：６６ｔｈ ＪＳＡＰ，９ｐ−ＺＧ−９（２００５） Ｂｒｉｓｓｅｔ，Ｊ．Ｌ．：Ｊ．Ｔｒａｃｅ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｐｏｂｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ， １６，３６３−３７０（１９９８） 近年ＣＯ２排出削減とともに排水、廃液に関する環境浄化の必要性が強く認識され、特に地下水、土壌、底質や産業排水中の微量有害有機化合物の分解除去に対する要求が高まっている。有害有機化合物として低分子有機塩素化合物、ダイオキシン類、ポリ塩化ビフェニル、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、ジクロロエチレン、有機リン化合物などがある。一方排水、廃液処理の方法として凝集、濾過、膜分離、遠心分離、物理吸着、酸化、電気透析、微生物分解などがある。これらのうち有害有機化合物の分解除去には酸化と物理吸着が有効とされている。物理吸着には主として活性炭が用いられ、酸化には光触媒、オゾン、過酸化水素、紫外線、超音波が組み合わされて用いられている。液体が関与するプラズマは主として有害有機化合物、特に難分解性有機物質の酸化分解に供せられる新しい方法である。

排水廃液処理装置として機能および経済性の面から、有害有機化合が排水基準まで分解されること、低コストであること、できる限り小型であること、試薬を使用しないことなどが必要とされている。活性炭、光触媒、過酸化水素、紫外線ランプなどは消耗品である。また超音波や紫外線の発生には多量の電力を消費する。現在紫外線ランプを用いる方法が実用化されているが、上記理由により消耗部材である紫外線ランプを用いず、より低消費電力とすることが課題となっている。

水あるいは液を片方電極とし、誘電体を被覆した対抗電極との間に放電気体を介在させ、両電極間に電界を印加することにより気体中に放電を誘起し、放電空間と接した水あるいは液部位を放電空間に形成された活性種によって化学処理を行う。

誘電体バリヤー放電を用いているため放電電流は間欠的であり消費電力は従来の赤外線ランプに比べ大幅に低減することができる。水に接した大気を放電気体として用いることにより酸化力の強いＯＨラジカルが形成され、水中の有害有機物を効率よく分解除去することができる。また誘電体被覆電極を水、あるいは液中に挿入することにより処理が可能なことから、従来の曝気処理に付加して行うことができる。

誘電体を被覆した棒状の電極を複数本処理すべき水あるいは液中へ大気中から挿入する。電極金属は耐環境性に優れたステンレス鋼が望ましい。電極を被覆する誘電体は高電圧に対して絶縁性の良いものであり、かつ水あるいは液および大気に対して耐環境性の高い材料であることが必要とされることからシリカ系ガラスが望ましい。誘電率は大気への電圧分割と壁電荷蓄積効果との兼ね合いで決定される。水あるいは液中に浸漬される誘電体被覆電極部位の長さは処理時の液面の変動幅より長くすることで常時安定した処理を行うことができる。印加電圧は水あるいは液を基準電位として数Ｋボルトの交流あるいはパルスであればよく、電圧値、周波数あるいはオンデューティやプラズマ形成と維持期間の分離などの条件は個々のプラズマ形成条件を考慮して決定されることが望ましい。

図１に単電極を具備した処理装置の原理図を示す。▲１▼は金属電極でありガラス▲２▼で被覆されており交番電界▲４▼が印加されている。▲３▼は処理されるべき水もしくは液であり電位は接地されている。▲５▼は放電領域を示しており水あるいは液中との界面で有害有機成分が分解除去される。

図２は本実施例で用いた剣山状電極を用いた処理装置を示す。▲７▼は複数の棒状電極を束ね保持する絶縁支持体であり、▲６▼は各電極に電圧を供給する共通電極である。このように密に電極を並べることによって液面全体をプラズマで覆うことができる。図３は本実施例で水面に形成された大気プラズマによる発光を示している。本実施例では棒状金属電極として１／４インチ・のＳＵＳ３０４を用い、被覆シリケートガラスの肉厚は０．２ｍｍとした。印加電圧は３ＫＶ幅、デューティー５０の矩形とし、周波数は１ＫＨとした。液はメチレンブルーを１０ｍｇ／Ｌ含有する市水を用いプラズマによる脱色速度を測定した。図４はその結果を示す。本実施例からメチレンブルー酸化分解除去のエネルギー時間効率を求めると０．１ｍｇ／Ｗ／分となり、省エネ、高効率性が示唆された。

液面プラズマ発生装置の原理図 剣山型液面プラズマ発生装置 剣山型液面プラズマ発生装置で得られたプラズマの例 剣山型液面プラズマ発生装置によるメチレンブルーの分解結果

符号の説明

▲１▼・・・金属電極
▲２▼・・・誘電体
▲３▼・・・プラズマ
▲４▼・・・印加電圧
▲５▼・・・非処理液体
▲６▼・・・共通電極
▲７▼・・・剣山型電極基盤

Claims (6)

1. 誘電体で被覆された金属を一方の電極、液体を他方の電極として両電極間に交番電界を印加し、両電極間に介在する気体を放電破壊することによりプラズマを発生させ、プラズマの化学作用を界面を通して液体に及ぼし、該液体の改質をなすことを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 誘電体で被覆された電極が棒状でありその長さが３ｍｍ以上あり、液面に対して垂直に挿入されてあることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 複数個の誘電体で被覆された棒状電極が共通電極で支持されている請求項１および２に記載のプラズマ発生装置。
4. 金属電極が銅および銅合金、ステンレス鋼、アルミニウムおよびアルミニウム合金、ケイ素およびケイ素合金、クロムおよびクロム合金、炭素鋼およびステンレス以外の特殊鋼のいずれかからなることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ発生装置。
5. 誘電体が有機ポリマー、ガラス、電極基材の酸化被膜のいずれかからなることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ発生装置。
6. 誘電体が多孔質であることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ発生装置。