JP2013123656A - 水質制御装置及び水質制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被処理水中にプラズマを発生させることで水質制御を行う水質制御装置において、気泡密度が高い位置にプラズマ発生電極を設けることにより、活性種の生成効率を向上するとともに、被処理水に含まれる有機物やバクテリア等と活性種の反応効率を向上する。
【解決手段】被処理水を流通させる流通路１と、前記流通路１に設けられ、スロート部２を有するノズル部３と、前記スロート部２内にプラズマ発生部位４１が設けられた一対のプラズマ発生電極４と、前記プラズマ発生電極４よりも上流側に設けられ、前記流通路１内の被処理水に気体を導入する気体導入口５１を有する気体導入部５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理水中にプラズマを発生させることで水質制御を行う水質制御装置及び水質制御方法に関するものである。

従来、被処理水が流通する流通路内にノズルを設けて気泡を発生させ、その気泡中にプラズマ放電を起こし、イオンやラジカルといった活性種を生成することにより水質を制御する技術がある。

例えば特許文献１に示すように、流通路にオリフィス形状を有したノズル部と、前記ノズル部の下流側に高圧側電極と接地側電極が間隔を持って配置された一対のプラズマ発生電極とを有する水質制御装置がある。

しかしながら、ノズル部の流路断面積に対して、流路断面積が大きい下流側に一対のプラズマ発生電極が設けられているため、プラズマ発生電極間の空間を通過する気泡密度が低くなってしまう。そうすると、プラズマ発生電極間にプラズマが発生しにくくなって、被処理水に含まれる気泡により発生するイオンやラジカル等の活性種の生成効率が悪くなるだけでなく、被処理水に含まれる有機物やバクテリア等とプラズマ及び活性種との接触効率も悪くなる。その結果、高い水質制御性能が得られないという問題がある。

特開２０１１−４１９１４号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、被処理水中にプラズマを発生させることで水質制御を行う水質制御装置において、気泡密度が高く且つ流路断面積の小さい流路領域にプラズマ発生電極を設けることにより、活性種の生成効率を向上するとともに、被処理水に含まれる有機物やバクテリア等とプラズマ及び活性種との反応効率を向上することを所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る水質制御装置は、被処理水を流通させる流通路と、前記流通路に設けられ、流路断面積が最小である最小流路又は当該最小流路と当該最小流路に対して４倍以下の流路断面積である流路とからなるスロート部を有するノズル部と、前記スロート部内にプラズマ発生部位が設けられた一対のプラズマ発生電極と、前記プラズマ発生電極よりも上流側に設けられ、前記流通路内の被処理水に気体を導入する気体導入口を有する気体導入部とを備えることを特徴とする。

このようなものであれば、流路断面積が最小である最小流路又は当該最小流路と当該最小流路に対して４倍以下の流路断面積である流路とからなるスロート部内に前記プラズマ発生電極を設けることにより、気泡密度が高く且つ流路断面積の小さい流路領域にプラズマ発生電極を設けることができる。これにより、プラズマ発生電極でのプラズマを発生し易くすることができるとともに、被処理水に含まれる気泡により発生するイオンやラジカル等の活性種の生成効率を向上させ、且つ被処理水に含まれる有機物やバクテリア等とプラズマ及び活性種との反応効率を向上させることができる。

スロート部の構成を簡単化するとともに、気泡密度の高い領域に電極を設置するとともに、断面積の小さい領域に電極を設置するためには、前記スロート部が等断面流路とされていることが望ましい。

イオンやラジカル等の活性種の生成効率をより一層向上させるためには、前記プラズマ発生電極が、前記スロート部に少なくとも２組以上設けられていることが望ましい。特に、前記複数組のプラズマ発生電極が、前記スロート部により形成される流路の中心軸方向に沿って設けられていることが望ましい。これならば、上流側に配置された一対のプラズマ発生電極により生成された活性種が下流側の一対のプラズマ発生電極まで流れることにより、その下流側の一対のプラズマ発生電極により新たに生成される活性種とともに被処理水に含まれる有機物やバクテリア等と反応するため、１組のプラズマ発生電極を設けた場合に比べて格段に有機物やバクテリア等との反応効率を向上させることができる。

前記気体導入口が、前記スロート部の内側周面に設けられていることが望ましい。これならば、気体導入口により導入された気泡を効率良く一対のプラズマ発生電極に到達させることができる。

前記スロート部における前記プラズマ発生電極の設置スペースを広げ、前記スロート部により多くの前記プラズマ発生電極を配置するためには、前記気体導入口が、前記スロート部よりも上流の前記流通路内に設けられていることが望ましい。

気泡を効率よく被処理水内に発生させるためには、前記気体導入口が、１つの前記スロート部に対して２つ以上設けられていることが望ましい。

前記プラズマ発生電極が、前記スロート部により形成される流路の中心軸に対して直交する方向に対向して配置されていることが望ましい。これならばプラズマ発生電極の対向距離を可及的に小さくすることで、スロート部の流路断面積を小さくすることができ、気泡密度が高く且つ流路断面積の小さい流路領域にプラズマ発生電極を配置できるだけでなく、流路断面積に対するプラズマ発生領域の面積割合を高めることができる。

スロート部により形成される流路における気泡の分布は、例えば気体導入口の位置などによって異なる。したがって、前記スロート部の中心軸付近に気泡が多い場合は、前記プラズマ発生部位が前記スロート部により形成される流路の中心軸に対して対称位置に配置されていることが望ましい。また、前記スロート部の内側周面付近に気泡が多い場合は、前記プラズマ発生部位が前記スロート部により形成される流路の中心軸から偏心した軸に対して対称位置に配置されていることが望ましい。

被処理水とプラズマの接触効率を低下させずに、多くの被処理水を同時に処理するためには、前記流通路が２以上に分岐しており、その各分岐路に前記プラズマ発生部位が配置された前記ノズル部が設けられていることが望ましい。

互いに隣接する分岐路のノズル部に設けられた一対のプラズマ発生電極のうち高圧電極又は接地側電極が一体とされていることで、部品点数の削減及び省スペース化が実現できる。

水中でのプラズマ放電において、電極損傷量が小さく低い電圧でプラズマを発生させることができる電極としては、前記プラズマ発生電極が、電極表面積が小さく電界集中が発生しやすい針電極であることが望ましい。

プラズマ領域を拡大し、被処理水とプラズマの接触効率を高めるには、前記一対のプラズマ発生電極が、各電極の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔が設けられ、前記流体流通孔が前記スロート部により形成される流路の中心軸方向と同一方向で貫通しており、前記流体流通孔の開口端部がプラズマ発生部位であるものでも良い。さらに、前記流体流通孔の開口断面が、前記スロート部の流路断面と同形であることで、前記スロート部の側壁面付近に気泡が多い場合に、気泡内の空気とプラズマとの反応効率を高めることができる。

このように構成した本発明によれば、被処理水中にプラズマを発生させることで水質制御を行う水質制御装置において、気泡密度が高く且つ流路断面積の小さい流路領域にプラズマ発生電極を設けることにより、活性種の生成効率を向上するとともに、被処理水に含まれる有機物やバクテリア等と活性種の反応効率を向上することができる。

第１実施形態に係る水質制御装置の構成を示す概略端面図。 １組、２組及び３組のプラズマ発生電極における分解率を示すグラフ。 第２実施形態に係る水質制御装置の構成を示す概略端面図。 プラズマ発生電極の配置における分解率を示すグラフ。 第３実施形態に係る水質制御装置の構成を示す概略端面図。 第４実施形態に係る水質制御装置の構成を示す概略端面図。 １つのノズル部及び２つのノズル部における分解率を示すグラフ。 第５実施形態に係る水質制御装置の構成を示す概略端面図。 その他の実施形態における水質制御装置の構成を示す概略端面図。 その他の実施形態における水質制御装置の構成を示す概略端面図。

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態における水質制御装置１００は、図１に示すように、被処理水を流通させる流通路１と、当該流通路１に設けられ、スロート部２が等断面流路とされたノズル部３と、スロート部２により形成される流路内にプラズマ発生部位４１が設けられた一対のプラズマ発生電極４と、当該プラズマ発生電極４よりも上流側に設けられ、前記流通路１内の被処理水に気体を導入する気体導入口５１を有する気体導入部５と、前記一対のプラズマ発生電極４に電圧を印加する高電圧電源６とを備えたものである。さらに、流通路１を形成する装置本体の一端部と他端部には外部配管（不図示）が接続されている。

ノズル部３は、上流側から下流側に行くに従って断面積が徐々に小さくなるコンバージェント部３１と、上流側から下流側に行くに従って断面積が徐々に大きくなるダイバージェント部３２と、それらの間に形成された最も流路断面積が小さいスロート部２とを有する。

スロート部２は、等断面流路であり所定の長さを有する。また、スロート部２には、上流から順に、２つの気体導入部５と、プラズマ発生部位４１が設けられた一対のプラズマ発生電極４が３組設けられている。

２つの気体導入部５は、流通路１の側壁に形成された貫通孔により構成される。この２つの気体導入部は、スロート部２により形成される流路の中心軸方向に対して直交する方向において、互いに対向して設けられている。そして、気体導入部５のスロート部２の内側周面における開口が気体導入口５１となる。つまり、２つの気体導入口５１は、スロート部２の内側周面において対向配置されている。また、これらの気体導入口５１は、最も上流側にあるプラズマ発生電極４よりも上流側に位置している。このように構成された気体導入部５を通り気体導入口５１からスロート部２の内部に吸入された外部空気が、被処理水中で気泡となる。

各組のプラズマ発生電極４は、先端がプラズマ発生部位４１となる針電極により構成されている。また、各組のプラズマ発生電極４は、スロート部２により形成される流路の中心軸方向に対して直交する方向に対向して配置されている。また、各組のプラズマ発生電極４における３つのプラズマ発生部位４１は、スロート部２により形成される流路の中心軸Ｃに対して対称位置に配置されている。本実施形態では、各組のプラズマ発生電極４の対向方向は、互いに同じとしてあるがこれに限られない。

次に、水質制御装置１００の水質制御方法について説明する。

流通路１に被処理水を流すと、被処理水はノズル部３のコンバージェント部３１によって流速を増しながらスロート部２に流入する。そしてスロート部２に流入した被処理水は、流速が大きくなったことで圧力が低下する。したがって、気体導入部５に対して外部空気とスロート部２内との間で圧力差が生じ、外部空気が気体導入部５を通って気体導入口５１からスロート部２の内部に吸入され、被処理水中に気泡が発生する。

気泡を含んだ被処理水は、下流のプラズマ発生電極４に流れる。そして、対向する２つのプラズマ発生部位４１の間において、気泡内にプラズマ放電が生じ、気泡内にイオンやラジカル等の活性種が生成される。この活性種により、被処理水中の有機物やバクテリアが分解される。

次に、プラズマ発生電極４を１組設けた場合、２組設けた場合及び３組設けた場合の水質制御装置における有機物分解性能の実験結果について図２に示す。プラズマ発生電極４を１組用いた場合、インジゴカルミン（Indigo carmine）を含ませた被処理液を３０分間、水質制御装置に通過させた場合には、当該インジゴカルミンの分解率が２５％であった。これに対して、プラズマ発生電極４を２組用いた場合には、インジゴカルミンの分解率が７０％に向上した。このように１組のものに比べて２組のものが倍以上の分解性能を発揮することが分かった。これは、１組目のプラズマ発生電極４により生じた活性種が２組目のプラズマ発生電極４まで到達し、当該２組目で生じた活性種とともに被処理水中のインジゴカルミンと反応するためと考えられる。さらに、プラズマ発生電極４を３組用いた場合には、インジゴカルミンの分解率が８５％に向上した。このように、１組のものに比べて３組のものが３倍以上の分解性能を発揮することが分かった。

このように構成した水質制御装置１００によれば、等断面流路であるスロート部２内にプラズマ発生電極４を設けることで、気泡密度が高く且つ流路断面積の小さい流路領域にプラズマ発生電極４を設けることができる。これにより、スロート部２の流路断面積に対するプラズマ領域の面積割合を大きくすることができ、被処理水に含まれる気泡とプラズマとの接触効率を向上することができる。したがって、プラズマ発生電極４でのプラズマを発生し易くすることができるとともに、被処理水に含まれる気泡により発生するイオンやラジカル等の活性種の生成効率を向上させ、被処理水に含まれる有機物やバクテリア等とプラズマ及び活性種との反応効率を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について図３を参照して説明する。なお、第２実施形態において前記第１実施形態と同一又は対応する部材には同一の符号を用いている。

第２実施形態における水質制御装置１００は、前記第１実施形態とはプラズマ発生電極４の配置が異なる。本実施形態におけるプラズマ発生電極４のプラズマ発生部位４１は、図３に示すように、スロート部２の中心軸Ｃから偏心した軸に対して対称位置となるように配置されている。また、本実施形態のプラズマ発生部位４１は、上下方向に互い違いとなるように千鳥状に配置されている。より具体的には、各組のプラズマ発生電極４のプラズマ発生部位４１がスロート部２の内側周面の近傍に位置するように配置されている。

次に、プラズマ発生部位４１が、スロート部２により形成される流路の中心軸Ｃに対して対向配置した場合と、中心軸Ｃから偏心して対向配置した場合との効果について図４を参照して説明する。中心軸Ｃに対して対向配置した場合には、インジゴカルミンの分解率が８５％であるが、偏心して対向配置した場合には、インジゴカルミンの分解率が１００％となった。本実施形態の構成では、気泡がスロート部２の内側周面付近に多く発生するので、プラズマ発生部位４１を偏心配置した場合の方が、中心配置した場合よりも高い分解率が得られたと考えられる。

このように構成した第２実施形態に係る水質制御装置１００によれば、気体導入口５１がスロート部２の内側周面に設けられており、気泡がスロート部２の内側周面付近に多く発生している場合に、プラズマ発生部位４１をスロート部２の中心軸Ｃから偏心した軸に対して対称位置に配置することで、スロート部２内の気泡の多い部分にプラズマを発生させることができる。これにより、プラズマ発生電極４でのプラズマを発生し易くすることができるとともに、被処理水に含まれる気泡により発生するイオンやラジカル等の活性種の生成効率を向上させ、被処理水に含まれる有機物やバクテリア等と活性種の反応効率を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について図５を参照して説明する。なお、第３実施形態において前記第１、２実施形態と同一又は対応する部材には同一の符号を用いている。

第３実施形態における水質制御装置１００は、図５に示すように、気体導入部５の開口端部が被処理水の流れ方向と同一方向に設けられている。具体的に気体導入部５の開口端部は、スロート部２の上流側において、流通路１の中心軸Ｃと同軸上に設けられている。つまり気体導入口５１は、流通路１の中心軸Ｃと同軸上において、被処理水の流れ方向と同一方向を向いて開口することになる。

このように構成した第３実施形態に係る水質制御装置１００によれば、気体導入口５１が、スロート部２の上流側において、流通路１の中心軸Ｃと同軸上において被処理水の流れ方向と同一方向を向いて開口しているので、スロート部２の中心軸Ｃ付近に気泡が多く発生する。そして、３組のプラズマ発生電極４における各々のプラズマ発生部位４１が全てスロート部２の中心軸Ｃに対して対称配置されているので、スロート部２の内部において気泡の多い部分にプラズマを発生させることができる。これにより、プラズマ発生電極４でのプラズマを発生し易くすることができるとともに、被処理水に含まれる気泡により発生するイオンやラジカル等の活性種の生成効率を向上させ、被処理水に含まれる有機物やバクテリア等と活性種の反応効率を向上させることができる。

＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態について図６を参照して説明する。なお、第４実施形態において前記各実施形態と同一又は対応する部材には同一の符号を用いている。

第４実施形態における水質制御装置１００は、図６に示すように、流通路１が２つに分岐しており、その各分岐路１Ａ、１Ｂにそれぞれノズル部３が設けられている。さらに、各分岐路１Ａ、１Ｂにおけるノズル部３のスロート部２にプラズマ発生電極４が設けられている。各スロート部２に設けられたプラズマ発生電極４は、互いに同一位置となるように設けられている。そして、各分岐路１Ａ、１Ｂのスロート部２に設けられた一対のプラズマ発生電極４のうち、一方の電極（高圧電極又は接地側電極）が一体とされている。具体的には、一方の分岐路１Ａのスロート部２に設けられた一対のプラズマ発生電極４のうち、他方の分岐路１Ｂ側にある電極と、他方の分岐路１Ｂのスロート部２に設けられた一対のプラズマ発生電極４のうち、一方の分岐路１Ａ側にある電極とが共通の電極とされている。

次に、流通路を分岐させずに１つのノズル部とした場合と、流通路を分岐して２つのノズル部を設けた場合との効果について図７を参照して説明する。分岐させない場合には、インジゴカルミンの分解率が２５％であるが、分岐させた場合には、インジゴカルミンの分解率が１００％となった。このように、同じ量の被処理水を水質制御する場合には、流通路１を分岐させることによって、各分岐路のスロート部の流路断面積を小さくしスロート部の流路断面積に対するプラズマ領域の面積比率を大きくすることができるので、高い分解率が得られると考えられる。

このように構成した第４実施形態に係る水質制御装置１００によれば、流通路１が２つ分岐しており、その各分岐路１Ａ、１Ｂにノズル部３を設けているので、各分岐路のスロート部の流路断面積を小さくしスロート部の流路断面積に対するプラズマ領域の面積比率を大きくしても、同じ量の被処理水を水質制御することができる。これにより、プラズマ発生電極４でのプラズマを発生し易くすることができるとともに、被処理水に含まれる気泡により発生するイオンやラジカル等の活性種の生成効率を向上させ、被処理水に含まれる有機物やバクテリア等とプラズマ及び活性種との反応効率を向上させることができる。また、各分岐路に設けられた一対のプラズマ発生電極のうち高圧側電極又は接地側電極を１つの電極で共通化しているので、部品点数を削減することができ、また水質制御装置１００を小型化することができる。

＜第５実施形態＞
次に、第５実施形態について図８を参照して説明する。なお、第５実施形態において前記各実施形態と同一又は対応する部材には同一の符号を用いている。

第５実施形態における水質制御装置１００は、前記各実施形態とはプラズマ発生電極４の構成が異なる。本実施形態のプラズマ発生電極４は、図８に示すように、各電極４の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔４２を有し、その流体流通孔４２がスロート部２により形成される流路の中心軸方向と同一方向で貫通するようにスロート部２に配置されている。そして、流体流通孔４２の開口端部が、プラズマ発生部位４１となる。この流体流通孔４２の開口断面は、スロート部２の流路断面と同形であり、一対のプラズマ発生電極４は、流体流通孔４２の開口端部がスロート部２の内側周面と面一となるように配置されている。この水質制御装置１００においては、各電極４の流体流通孔４２の開口端部において全周に亘ってプラズマが発生することになり、プラズマ領域を大きくすることができる。

このように構成した第５実施形態に係る水質制御装置１００によれば、スロート部２の内側周面において全周に亘ってプラズマを発生させることができ、被処理水に含まれる有機物やバクテリア等とプラズマ及び活性種との反応効率をさらに向上させることができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、図９に示すように、１つのスロート部２に対してプラズマ発生電極４を１組だけ配置したものであっても良いし、１つのスロート部に対して２組又は４組以上配置したものであっても良い。

また、１つの流通路において上流側から下流側に沿って複数のノズル部を設け、それらノズル部毎に１又は複数組のプラズマ発生電極を配置しても良い。

さらに、気体導入口５１が、コンバージェント部３１の側壁面に設けられている構造でも構わない。

その上、気体導入部５が気泡発生器を有し、当該気泡発生器により発生された気泡を被処理水に導入するものであっても良い。

前記実施形態では、スロート部２が流路断面積が最小である最小流路のみからなる等断面流路であったが、図１０に示すように、スロート部２が最小流路２１及び当該最小流路２１に対して４倍以下の流路断面積である流路２２を有するものであっても良い。つまり、最小流路２１の断面積をＡ_ｍｉｎとした場合、流路２２のとり得る最大断面積は４Ａ_ｍｉｎであり、プラズマ発生電極４が設けられる流路の断面積Ａ_電極は、Ａ_ｍｉｎ≦Ａ_電極≦４Ａ_ｍｉｎとなる。
図１０においては、最小流路２１がスロート部２の上流側に形成されており、当該最小流路２１の下流側の流路２２にプラズマ発生電極４を設けている。なお、最小流路２１には、気体導入部５の気体導入口５１が設けられている。また、図１０においては、流路２２が等断面流路として示してあるが、等断面流路に限られない。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００・・・水質制御装置
１ ・・・流通路
２ ・・・スロート部
３ ・・・ノズル部
４ ・・・プラズマ発生電極
４１ ・・・プラズマ発生部位
５ ・・・気体導入部
５１ ・・・気体導入口
６ ・・・高電圧電源

Claims (16)

1. 被処理水を流通させる流通路と、
   前記流通路に設けられ、流路断面積が最小である最小流路又は当該最小流路と当該最小流路に対して４倍以下の流路断面積である流路とからなるスロート部を有するノズル部と、
   前記スロート部内にプラズマ発生部位が設けられた一対のプラズマ発生電極と、
   前記プラズマ発生電極よりも上流側に設けられ、前記流通路内の被処理水に気体を導入する気体導入口を有する気体導入部とを備える水質制御装置。
2. 前記スロート部が等断面流路とされている請求項１記載の水質制御装置。
3. 前記一対のプラズマ発生電極が、前記スロート部に少なくとも２組以上設けられている請求項１又は２記載の水質制御装置。
4. 前記複数組のプラズマ発生電極が、前記スロート部により形成される流路の中心軸方向に沿って設けられている請求項３記載の水質制御装置。
5. 前記気体導入口が、前記スロート部の内側周面に設けられている請求項１、２、３又は４記載の水質制御装置。
6. 前記気体導入口が、前記スロート部よりも上流の前記流通路内に設けられている請求項１、２、３又は４記載の水質制御装置。
7. 前記気体導入口が、１つのスロート部に対して２つ以上設けられている請求項１、２、３、４、５又は６記載の水質制御装置。
8. 前記一対のプラズマ発生電極が、前記スロート部により形成される流路の中心軸方向に対して直交する方向に対向して配置されている請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の水質制御装置。
9. 前記一対のプラズマ発生部位が、前記スロート部により形成される流路の中心軸に対して対称位置に配置されている請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の水質制御装置。
10. 前記プラズマ発生部位が前記スロート部により形成される流路の中心軸から偏心した軸に対して対称位置に配置されている請求項１、２、３、４、５、６、７又は８記載の水質制御装置。
11. 前記流通路が２以上に分岐しており、その各分岐路に前記ノズル部が設けられており、
    前記各ノズル部に前記一対のプラズマ発生電極が設けられている請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０記載の水質制御装置。
12. 互いに隣接する分岐路のノズル部に設けられた一対のプラズマ発生電極のうち高圧電極又は接地側電極が一体とされている請求項１１記載の水質制御装置。
13. 前記一対のプラズマ発生電極が、針電極である請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１又は１２記載の水質制御装置。
14. 前記一対のプラズマ発生電極が、各電極の対応する箇所にそれぞれ流体流通孔が設けられて、それら前記流体流通孔が前記スロート部により形成される流路の中心軸方向と同一方向で貫通しており、前記流体流通孔の開口端部がプラズマ発生部位となるものである請求項１、２、３、４、５、６、１０又は１１記載の水質制御装置。
15. 前記流体流通孔の開口断面が、前記スロート部の流路断面と同形である請求項１４記載の水質制御装置。
16. 請求項１乃至１５の何れかに記載の水質制御装置を用いて被処理水の水質を制御する水質制御方法。