JP4709608B2

JP4709608B2 - ラジカル処理装置

Info

Publication number: JP4709608B2
Application number: JP2005224413A
Authority: JP
Inventors: 崇文飯島; 伸次小林; 享江幡; 貴恵久保; 隆昭村田; 裕二沖田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-08-02
Filing date: 2005-08-02
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-08-02
Also published as: JP2007038110A

Description

本発明は、浄水処理，産業廃水処理，医療排水等の水処理に適用するラジカル処理装置に関する。

近年、塩素を利用した水処理方法以外に、オゾンの酸化反応を利用した水処理技術が注目されている。両方法とも、化学的に強い酸化力を利用して水中に溶存する有機物質を分解することができる。

一般的に、それらの酸化力は、塩素が１．４電子ボルトであるのに対し、オゾンは２．０７電子ボルトと高い。また、塩素は高分子で形成される有機物と反応するとクロロフェノール類やトリハロメタン、ハロ酢酸、ハロケトン、ハロアセトニトリルなど消毒副生成物が生成される。これらの一部は、発がん性物である可能性が示唆されており、それ自身も人体に有害物質である。

これに対して、オゾンは酸素原子のみで構成されており、環境への影響が少ないため、近年ではオゾンによる水処理法が普及してきている。しかし一方で、オゾンはダイオキシンや農薬、環境ホルモンなどの難分解性有機物質との反応速度が遅く、これらを分解処理することは困難である。

そこで、化学反応を利用して難分解性有機物を分解処理するために、オゾンよりも酸化力の高い化学物質を使用する方法がある。酸化力は高いほどよく、具体的にはヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）や、酸素原子ラジカル（Ｏラジカル）は、酸化力がそれぞれ２．８５電子ボルト、２．４２電子ボルトであり、オゾンより高い。さらに、有機物質に対する反応速度定数も、オゾンより高い。このため、ダイオキシンなどの難分解性物質をすばやく分解することが可能である。ここで、ＯＨラジカルやＯラジカルなどを総称して、以下単にラジカルと表記する。

このラジカルは、水分の多いガス中で放電を発生させることにより得られる。先行技術としては、例えばコロナ放電を利用した有害物質を浄化する浄化方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００１−７０９４６号公報

前述したように、ＯＨラジカルは、水分の多いガス中で発生させることにより得られるが、反応性が非常に高く、発生した後すぐに消滅する。従って、ＯＨラジカルが水中に溶存する難分解性物質を分解するには、発生後、すぐに水中へ溶け込む必要がある。一方で、水中に溶解したＯＨラジカルは、さらに消滅確率が高くなる。このため、一般的に、放電による水処理は効率が低く、システムの安定した運転が困難であるいう問題点があった。

そこで、本発明の目的は、処理水槽内で放電により発生するラジカルによる水処理効率を向上し、安定した運転が可能なラジカル処理装置を提供することにある。

本発明の観点に従ったラジカル処理装置は、処理水を収容するための処理水槽と、放電用高電圧電源から供給される高電圧により、前記処理水の水面上で放電する放電用電極と、前記放電との反応によりラジカルを発生するためのガスを前記処理水槽内に供給するガス供給手段と、前記処理水槽の内部に残留するガスを外部に排出するための排気口を有し、前記処理水槽の内部のガス圧力を調整するための排気調整手段とを備えた構成である。

本発明によれば、処理水槽内のガス圧力を調整することで放電用電極からの放電の安定化を図ることにより、放電により発生するラジカルによる水処理効率を向上し、安定した運転が可能なラジカル処理装置を提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を示す図である。

ラジカル処理装置は、処理水槽１及び放電用電極を有する。処理水槽１は、処理対象水２を貯水する一種のタンクである。処理水槽１に導入される処理水２は、例えば、難分解性有機物や廃棄物、最終処分場の浸出水、ダイオキシン類、工場の排水、家庭排水等を含有した排水としている。なお、通常では、処理水槽１内では、処理対象水２は攪拌されている。

処理水槽１の内部には、放電用電極が配置されている。放電用電極は、処理対象水２の水面２０上に配置されて、中空円筒構造で先端部が放電部４０である複数の高電圧電極（ピン電極）４を有する。放電部４０は、処理対象水２の水面２０に対向している。また、放電用電極は、処理対象水２の水中に配置された接地電極３を有する。

放電用電極は、高電圧電極４と接地電極３との間に、電源５から高電圧が印加されることにより、高電圧電極４の放電部４０から例えばコロナ放電を発生する。また、放電用電極は、例えばステンレス材質からなる処理水槽１とは絶縁部６を介して取り付けられている。ここで、電源５は、例えば高電圧パルスを発生するパルス電源でもよい。

処理水槽１の上部には、酸素を含むガス、例えば水分を含む空気であるラジカル処理用ガス（以下単にガスと表記する）７０を流入するためのガス流入管７が設けられている。なお、ガス７０は、水分を含まない空気でも良いが、水分を含む方がラジカル処理の効率上の観点から望ましい。

さらに、処理水槽１には、水槽１の内部のガス圧を一定に調整するための排気調整機構８が配置されている。排気調整機構８は、相対的に処理水槽１の上部で、放電を発生する放電部４０及び処理水２の水面２０から離れた位置に配置された排気口からなる。排気口は、ガス流入管７の口径より大きく、バルブ８Ａによりガス排出量を調整できるように構成されている。また、排気口は、放電部４０の接地側に配置されている。

以下、本実施形態のラジカル処理に関する作用効果を説明する。

まず、ガス流入管７から水分を含む空気等のガス７０を、処理水槽１の内部に流入させる。ガス７０は、処理水槽１の内部圧力に応じて、高電圧電極４の中空部を通じて放電部４０から、処理対象水２の水面２０上に吹き付けられる。

一方、電源５から高電圧電極４と接地電極３との間に高電圧が印加されると、高電圧電極４の先端部にある放電部４０では、コロナ放電などの放電が発生する。この放電とガス７０との反応により、ＯＨラジカル（以下単にラジカルと表記する場合がある）が発生し、処理対象水２に溶け込む。以下、このようなラジカル処理について、詳細に説明する。

一般的に、放電が酸素（Ｏ原子）を含有する雰囲気中で発生した場合、放電内では電子ｅと気体分子との衝突により、基底状態の酸素原子Ｏ（３Ｐ）や励起状態のＯ原子Ｏ（１Ｄ）が発生する。即ち、下記のような化学式（１）が成立する。

ｅ＋Ｏ_２→Ｏ（１Ｄ）＋Ｏ（３Ｐ）…（１）
このＯ（１Ｄ）が水分子と反応すると、下記の化学式（２）に示すように、ヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）が発生する。

Ｏ（１Ｄ）＋Ｈ_２Ｏ→２ＯＨ…（２）
また、Ｏ（３Ｐ）原子からは、Ｏ２分子と中性分子Ｍとの３体衝突により、下記の化学式（３）に示すように、オゾンＯ_３が発生する。

Ｏ（３Ｐ）＋Ｏ_２＋Ｍ→Ｏ_３＋Ｍ…（３）
さらに、水分子に直接電子衝突することによっても、下記の化学式（４）に示すように、Ｈ原子およびＯＨラジカルが発生する。

ｅ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ＋ＯＨ…（４）
ＯＨラジカルからは、下記の化学式（５）に示すように、過酸化水素Ｈ_２Ｏ_２も発生する。

ＯＨ＋ＯＨ→Ｈ_２Ｏ_２…（５）
このようにして生成されたＯ原子、ＯＨラジカル、オゾンおよび過酸化水素が、熱運動、拡散、ガス流により処理水２中へ溶け込むことによって、ラジカル処理がなされることになる。

ここで、直接処理では、放電から発生したＯＨラジカルが処理水２中へと溶解し、直ぐに難分解性有機物と反応し、下記の化学式（６）に示すように、水Ｈ_２Ｏと二酸化炭素ＣＯ_２と過酸化水素に分解する。

ＯＨ＋Ｒ→Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ_２…（６）
これに対して、間接処理では、放電から発生したオゾンと過酸化水素との反応により、ＯＨラジカルが発生し、難分解性有機物を分解する。

過酸化水素は水中に溶解すると、下記の化学式（７）に示すように、解離してＨＯ_２ ⁻と水素イオンＨ^＋を形成する。

Ｈ_２Ｏ_２⇔ＨＯ_２ ⁻＋Ｈ^＋…（７）
発生したＨＯ_２ ⁻はＯ_３と反応し、下記の化学式（８）に示すように、Ｏ_３ ⁻とＨＯ_２ラジカルを形成する。

ＨＯ_２ ⁻＋Ｏ_３→Ｏ_３ ⁻＋ＨＯ_２…（８）
発生したＨＯ_２は解離し、下記の化学式（９）に示すように、Ｏ_２ ⁻とＨ^＋を形成する。

ＨＯ_２⇔Ｏ_２ ⁻＋Ｈ^＋…（９）
発生したＯ_２ ⁻はオゾンと反応し、下記の化学式（１０）に示すように、Ｏ_３ ⁻を形成する。

Ｏ_２ ⁻＋Ｏ_３→Ｏ_３ ⁻＋Ｏ_２…（１０）
Ｏ_３ ⁻はＨ^＋と反応し、下記の化学式（１１）に示すように、ＨＯ_３を形成する。

Ｏ_３ ⁻＋Ｈ^＋→ＨＯ_３…（１１）
ＨＯ_３は解離し、下記の化学式（１２）に示すように、ＯＨラジカルを形成する。

ＨＯ_３→ＯＨ＋Ｏ_２…（１２）
以上のように本実施形態のラジカル処理装置では、直接処理および間接処理の２段階方式によるラジカル処理で、処理水２の分解処理が行われる。

ここで、ラジカル処理装置は、ラジカル処理中に、ガス流入管７からガス７０を処理水槽１の内部に連続的に流入させるが、処理水槽１の内部圧力を一定に保持するために、排気調整機構８の排気口から内部ガスを外部に排出して内部圧力を調整する。排気口からは、ガス流入管７から供給されたガス７０の一部以外に、主としてラジカル処理後に残存するガスが排出される。

即ち、ガス流入管７から供給されたガス７０の大部分は、処理水槽１の内部圧力に応じて、放電部４０及び処理水２の水面２０上に吹き付けられている。従って、処理水２の水面２０上では、放電部４０からの放電とガス７０との反応によりラジカルが発生し、処理水２の中に溶け込む。

ここで、排気調整機構８の排気口から、処理水槽１の内部に残留するガスを排出して、処理水槽１の内部圧力が一定に維持されるように調整を行なう。放電部４０は、前述したように、電源５から高電圧が印加されて放電を発生する。この放電に要する電圧は、図６に示すように、放電部４０の近傍のガス圧力に依存する関係を有する。即ち、ガス圧力が高過ぎると、同一電圧では放電が発生し難い状態となる。従って、ガス圧力が極端に低いほぼ真空状態を除いて、ガス圧力が相対的に低いほうが、同一電圧では放電が発生しやすくなる。

従って、排気調整機構８により放電部４０の近傍のガス圧力を調整することで、放電部４０は相対的に低い電圧で放電を発生し、十分に供給されるガス７０との反応により高い効率でのラジカル処理雅可能となる。また、図６に示すような特性に基づいて、内部ガスの調整により、放電部４０に印加する電圧を安定化できるため、結果として装置の安定した運転を実現することができる。

［第２の実施形態］
図２は、第２の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を示す図である。

本実施形態では、排気調整機構８は、排気口８０，８２及びダクト８１から構成されている。内部ガスの導入口である排気口８０は、図２に示すように、高電圧電極４の近傍に配置されている。また、処理水槽１の外部に配置された排気口８２は、バルブ８２Ａにより外部に排出する排気量が調整されるように構成されている。

なお、排気機構以外の構成は、前述の図１に示す第１の実施形態と同様のため、同一符号を付して説明を省略する。

排気調整機構８は、前述のように、高電圧電極４からの放電とガス流入管７からのガス７０との反応によるラジカル処理後に、処理水槽１内に残存するガスを排気口８０，ダクト８１、排気口８２を通じて外部に排出する。

このような構成であれば、排気調整機構８により放電部４０の近傍のガス圧力を調整することで、放電部４０は、相対的に低い電圧で放電を発生し、十分に供給されるガス７０との反応により高い効率でのラジカル処理が可能となる。この場合、特に放電部４０の近傍では、放電により残留ガスの温度が高くなるため、残留ガスは排気口８０及びダクト８１内を上昇しやすい状態となる。このため、排気調整機構８により残留ガスの排気を効率的に行なうことが可能となる。また、図６に示すような特性に基づいて、内部ガスの調整により、放電部４０に印加する電圧を安定化できるため、結果として装置の安定した運転を実現することができる。

［第３の実施形態］
図３は、第３の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を示す図である。

本実施形態では、排気調整機構８は、排気口８０，ダクト８１及びポンプ９から構成されている。ポンプ９は、コントローラ３００により制御される。ポンプ９は、例えばステンレス材質のような耐腐食性の材質から構成されている。

コントローラ３００は、処理水槽１内に設けられた圧力センサ３１０から出力される検出信号を入力して、処理水槽１内の内部圧力を監視している。また、コントローラ３００は、ガス発生器７００の出力側に設けられたガス圧力計７１０及びガス流量計７２０からの各検出信号を入力して、ガス発生器７００からガス流入管７を通じて供給されるガス７０の圧力及び流量を監視している。

なお、これらの以外の構成は、前述の図１に示す第１の実施形態と同様のため、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態の排気調整機構８は、図３に示すように、内部ガスの導入口である排気口８０が高電圧電極４の近傍に配置されている。排気調整機構８は、前述のように、高電圧電極４からの放電とガス流入管７からのガス７０との反応によるラジカル処理後に、処理水槽１内に残存するガスを排気口８０及びダクト８１を通じて外部に排出する。

ここで、本実施形態では、コントローラ３００は、圧力センサ３１０からの検出信号により、処理水槽１内の内部圧力を監視している。コントローラ３００は、処理水槽１内の内部圧力が所定の基準値を超えて高くなると、ポンプ９を制御して処理水槽１内に残存するガスを排気口８０及びダクト８１を通じて外部に排出させるように制御する。これにより、コントローラ３００は、処理水槽1内の圧力を一定に維持することができる。また、コントローラ３００は、排気調整機構８のポンプ９を制御することにより、処理水槽1内の圧力を大気圧以下にすることもできる。

以上の構成により、処理水槽１内の内部圧力を調整できることにより、放電部４０は、相対的に低い電圧で放電を発生し、十分に供給されるガス７０との反応で高い効率のラジカル処理を行なうことができる。また、図６に示すような特性に基づいて、内部ガスの調整により、放電部４０に印加する電圧を安定化できるため、結果として装置の安定した運転を実現することができる。

さらに、コントローラ３００は、ガス発生器７００からのガス７０の圧力の監視結果に基づいて、処理水槽1内に供給するガス供給側の圧力が低下した場合に、ポンプ９を制御することにより、処理水槽1内の圧力を大気圧以下にする。これにより、相対的にガス供給側の圧力を高くして、十分なガス７０を放電部４０及び処理水２の水面２０上に供給することができる。

［第４の実施形態］
図４は、第４の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を示す図である。

本実施形態では、排気調整機構８は、排気口８０，ダクト８１及びガス処理部１０から構成されている。排気口８０には、外部に排出する排気量を調整するためのバルブ８２Ａが設けられている。

ガス処理部１０は、処理水槽１内から排気口８０及びダクト８１を通じて排出される残留ガスを処理するための触媒、活性炭、あるいはヒータ（加熱器）のいずれか、あるいはそれらの組み合わせを有する。具体的には、触媒は、例えば残留ガスに含まれるオゾンを除去するためのマンガン系触媒である。また、活性炭も、例えばオゾン分解に有効な材質の活性炭である。ガス処理部１０は、ヒータのみでもよく、このヒータによる加熱で残留ガスに含まれるオゾンを分解する。

なお、これら以外の構成は、前述の図１に示す第１の実施形態と同様のため、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態の構成であれば、排気調整機構８により処理水槽１内の内部圧力を一定に維持できるため、放電部４０は、相対的に低い電圧で放電を発生し、十分に供給されるガス７０との反応により高い効率でのラジカル処理が可能となる。また、図６に示すような特性に基づいて、内部ガスの調整により、放電部４０に印加する電圧を安定化できるため、結果として装置の安定した運転を実現することができる。

さらに、本実施形態の排気調整機構８は、ガス処理部１０により、処理水槽１内の残留ガスに含まれるオゾンを除去又は分解して、無害なガスに処理した後に、処理水槽１の外部に排気することができる。

［第５の実施形態］
図５は、第５の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を示す図である。

本実施形態では、排気調整機構８は、排気口８０，ダクト８１及びガス循環機構から構成されている。

本実施形態の排気調整機構８は、図５に示すように、内部ガスの導入口である排気口８０が高電圧電極４の近傍に配置されている。排気調整機構８は、前述のように、高電圧電極４からの放電とガス流入管７からのガス７０との反応によるラジカル処理後に、処理水槽１内に残存するガスを排気口８０及びダクト８１を通じて外部に排出する。

本実施形態は、排気調整機構８に接続されたガス循環機構を有する。ガス循環機構は、ガス送出部１１、及びガス流入管７に接続して排気ガスを戻すための循環用ダクト１２を有する。ガス送出部１１は、前述のガス処理部１０及びファン１１０を有する。

なお、本実施形態では、排気調整機構８以外に、処理水槽１の上部には、排気調整用のバルブ５１０を含む排気口５００が設けられている。

本実施形態の構成であれば、前述のように、排気調整機構８または排気口５００により放電部４０の近傍のガス圧力を調整することで、放電部４０は相対的に低い電圧で放電を発生し、十分に供給されるガス７０との反応により高い効率でのラジカル処理雅可能となる。また、図６に示すような特性に基づいて、内部ガスの調整により、放電部４０に印加する電圧を安定化できるため、結果として装置の安定した運転を実現することができる。

さらに、本実施形態では、排気調整機構８により排出されるガスは、ガス送出部１１に送られて、ガス処理部１０により特にオゾンが除去又は分解された後に、ファン１１０により循環用ダクト１２に送られる。この循環用ダクト１２はガス流入管７に接続されているため、処理槽１内部の残留ガスの一部又は全部が、供給用ガス７０として戻される。このようなガス循環処理により、排気されるガスの一部又は全部を供給用ガスとして戻すことが可能となるため、ガス７０の使用効率を向上することができる。従って、ガス７０の使用コストを低減化できることで、ラジカル処理装置の運転コストを低減できる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を説明するための図。第２の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を説明するための図。第３の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を説明するための図。第４の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を説明するための図。第５の実施形態に関するラジカル処理装置の構成を説明するための図。第１の実施形態に関する内部ガス圧力と放電電圧との関係を示す図。

符号の説明

１…処理水槽、２…処理対象水、３…接地電極、４…高電圧電極、５…電源、
６…絶縁部材、７…ガス流入管、８…排気調整機構、９…ポンプ、１０…ガス処理部、
１１…ガス送出部、１２…循環用ダクト、４０…放電部、７０…ガス、
８０，８２，５００…排気口、８１…ダクト、８２Ａ，５１０…バルブ、
１１０…ファン、３００…コントローラ、３１０…圧力センサ、７００…ガス発生器、
７１０…ガス圧力計、７２０…ガス流量計。

Claims

処理水を収容するための処理水槽と、
放電用高電圧電源から供給される高電圧により、前記処理水の水面上で放電する放電用電極と、
前記放電との反応によりラジカルを発生するためのガスを前記処理水槽内に供給するガス供給手段と、
前記処理水槽の内部に残留するガスを外部に排出するための排気口を有し、前記処理水槽の内部のガス圧力を調整するための排気調整手段と
を具備したことを特徴とするラジカル処理装置。
前記排気調整手段は、
前記ガス供給手段に含まれるガス供給用導入口の口径より相対的に大きい口径の前記排気口を有し、
前記排気口からのガス排出量を調整するための調整手段を有することを特徴とする請求項１に記載のラジカル処理装置。
前記排気調整手段は、
前記排気口が前記放電用電極及び前記処理水の水面から離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のラジカル処理装置。
前記排気調整手段は、
前記排気口が放電用電極の近傍に配置されて、前記排気口からダクトを介して前記処理水槽の外部に前記ガスを排出するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のラジカル処理装置。
前記排気調整手段は、
排気用ポンプ手段を有し、当該排気用ポンプにより前記排気口から取り入れた前記ガスを、前記処理水槽の外部に排出するように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のラジカル処理装置。
前記排気用ポンプ手段は、耐腐食性材質からなるポンプを有することを特徴とする請求項５に記載のラジカル処理装置。
前記排気調整手段は、
前記排気口から取り入れた前記残留ガスを前記処理水槽の外部に排出するための排気用ポンプと、
前記処理水槽の内部圧力を検出するためのセンサ手段と、
前記センサ手段により検出された前記内部圧力に基づいて、前記排気用ポンプを制御して、前記処理水槽内のガス圧力を調整するための制御手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載のラジカル処理装置。
前記ガス供給手段から前記処理水槽に供給されるガス圧力を監視するガス供給側センサ手段を有し、
前記制御手段は、
前記ガス供給側センサ手段により検出されたガス圧力に基づいて、前記排気用ポンプを制御して、前記処理水槽内のガス圧力を低下させるように調整し、相対的に前記ガス供給手段からのガス圧力を高くするように制御することを特徴とする請求項１に記載のラジカル処理装置。
前記排気調整手段は、
前記排気口から排気されるガスから不要な成分を除去又は分解処理するための触媒、活性炭、あるいは加熱手段のいずれか又はそれらの組み合わせを有するガス処理部を含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のラジカル処理装置。
前記ガス処理部は、
前記排気口から排気されるガスからオゾンを除去又は分解処理するための触媒、活性炭、あるいは加熱手段のいずれか又はそれらの組み合わせを有する構成であることを特徴とする請求項９に記載のラジカル処理装置。
前記排気調整手段により前記処理水槽の外部に排出されたガスを、前記処理水槽の内部に戻すガス循環手段を更に有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のラジカル処理装置。
前記ガス循環手段は、
前記排気口から排気されるガスから不要な成分を除去又は分解処理するためのガス処理部と、
前記ガス処理部により処理されたガスを、前記ガス供給手段に含まれて、前記処理水槽にガスを導入するための導入部まで戻すための循環機構と
を有することを特徴とする請求項１１に記載のラジカル処理装置。