JP6156801B2 - 液体処理装置及び液体処理方法 - Google Patents
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Description
被処理水を入れる反応槽内に少なくとも一部が配置される第1の金属電極と、
前記反応槽内に配置される第2の金属電極と、
前記第1の金属電極を囲むように設けられ、閉じた空間を形成する絶縁体と、
前記絶縁体に前記被処理水に対して設けられた開口部であって、前記空間から前記被処理水中に気泡を発生させる、開口部と、
前記気泡を発生させるのに必要な気体を前記空間に供給する気体供給装置と、
前記第1の金属電極と前記第2の金属電極との間に電圧を印加する電源と、
を備える。
前述の「背景技術」の欄で説明したように、特許文献1に示す従来の殺菌装置においては、瞬間沸騰現象を用いて瞬間的に液体を気化し、互いに対向させて配置した円柱状の電極と板状の接地電極との間で放電させることによって、プラズマを発生させていた。しかし、瞬間沸騰現象を起こすためには、液体を気化させるエネルギーを加える必要があるため、効率よくプラズマを発生させることができず、液体の処理に長い時間がかかるという課題を有していた。
被処理水を入れる反応槽内に少なくとも一部が配置される第1の金属電極と、
前記反応槽内に配置される第2の金属電極と、
前記第1の金属電極を囲むように設けられ、閉じた空間を形成する絶縁体と、
前記絶縁体に前記被処理水に対して設けられた開口部であって、前記空間から前記被処理水中に気泡を発生させる、開口部と、
前記気泡を発生させるのに必要な気体を前記空間に供給する気体供給装置と、
前記第1の金属電極と前記第2の金属電極との間に電圧を印加する電源と、
を備える。
被処理水を入れる反応槽内に少なくとも一部が配置される第1の金属電極と、
前記反応槽内に配置される第2の金属電極と、
前記第1の金属電極の外周との間に空間を形成するように設けられた絶縁体と、
前記絶縁体に前記被処理水に対して設けられた開口部であって、前記被処理水中に気泡を発生させる、開口部と、
前記気泡を発生させるのに必要な気体を前記空間に供給する気体供給装置と、
前記第1の金属電極と前記第2の金属電極との間に電圧を印加する電源と、
を備える。
被処理水を入れる反応槽内に少なくとも一部が配置される、開口端を有する中空状の第1の金属電極と、
前記反応槽内に配置される第2の金属電極と、
前記第1の金属電極を囲うように設けられた絶縁体と、
前記絶縁体に前記被処理水に対して設けられた開口部であって、前記被処理水中に気泡を発生させる、開口部と、
前記気泡を発生させるのに必要な気体を、前記第1の電極の中空部で形成される空間に供給する気体供給装置と、
前記第1の金属電極と前記第2の金属電極との間に電圧を印加する電源と、
を備える。
被処理水を入れる反応槽内に少なくとも一部が配置される第1の金属電極と、前記反応槽内に配置される第2の金属電極との間に、電圧を印加する工程と、
前記第1の金属電極を囲む絶縁体で形成される閉じた空間に気体を供給し、前記絶縁体に設けられた開口部から前記被処理水中に気泡を発生させる工程と、
を含む。
[全体構成]
図1は、本開示の実施の形態1に係る液体処理装置100の全体構成図である。
実施の形態1に係る液体処理装置100は、処理される水(被処理水)110を入れる反応槽111内に少なくとも一部が配置される第1の金属電極104aと、反応槽111内に配置される第2の金属電極102と、第1の金属電極104aの外周との間に空間124aを形成するように設けられた絶縁体103と、絶縁体103に被処理水110に対して設けられた開口部であって、被処理水110中に気泡106を発生させる、開口部125と、気泡106を発生させるのに必要な気体114を空間124aに供給する気体供給装置105と、第1の金属電極104と第2の金属電極102との間に電圧を印加する電源101と、を備える。実施の形態1では、図1に示すように、上記構成に更に処理槽109を備えた液体処理装置100を説明する。なお、実施の形態1では、処理槽109は必須の構成ではなく、反応槽111を有していればよい。
次に、本開示の実施の形態1に係る液体処理装置100の電極構成について説明する。
図2は、本開示の実施の形態1における電極構成を示す断面図である。図2に示すように、第1の金属電極104aは、一端側に反応槽111内に配置される金属電極部121aを、他端側に保持ブロック112に接続固定すると共に電源101と接続する金属ネジ部122aを備える。また、金属電極部121aとの間に空間124aを形成するように絶縁体103が設けられており、絶縁体103には被処理水110中に気泡106を発生させる開口部125が設けられている。さらに、金属ネジ部122aは、外周にネジ部126、内部に貫通孔123aが設けられている。
次に、本開示の実施の形態1における液体処理装置100の動作について説明する。
気体供給装置105により、第1の金属電極104aの貫通孔123aを介して、絶縁体103と第1の金属電極104aの金属電極部121aとの間で形成される空間124aに、気体114を供給する。気体114の流量は、例えば、0.5リットル/min〜2.0リットル/minである。被処理水110中には、前述したように第1の金属電極104aの金属電極部121aを覆う柱状の気泡106が形成される。気泡106は、絶縁体103の開口部125から一定距離(図示した形態では10mm以上)にわたって途切れることのない、単一の大きな気泡となる。即ち、気体114の供給により第1の金属電極104aの金属電極部121aと絶縁体103との間の空間124aに気体114が流れ、第1の金属電極104aの金属電極部121aは、気体114で覆われた状態となる。
次に、本開示の実施の形態1における液体処理装置100の効果(OHラジカル発生)について説明する。
図3は、本開示の実施の形態1で処理した水中のOHラジカルのESR法による測定結果を示す図である。図示していないが、プラズマ中の発光分光解析のデータによって、OHイオン、Hイオン、Oイオン、N2イオンが生成されていることを事前に確認している。実施の形態1において、これらのイオンが被処理水110中でどのようなものになっているかを測定するのにESR(Electron Spin Resonance)法を用いて測定を行った。図3は、特にOHイオンが被処理水110中でOHラジカルとして存在することを示している。
一つは被処理水110に直接DMPOを必要量添加し、プラズマ107によって被処理水110を一定時間処理した後にESR測定に必要な量を採取してOHラジカルを測る方法である。この方法は、OHラジカルの寿命が短くてもDMPOが被処理水110中にあるので、ある一定量OHラジカルが生成されると、OHラジカルを測定できる大きな利点がある。しかし、実施の形態1のような場合、DMPO自体がプラズマ107で分解されるため正確なOHラジカル量を測定することができないことと、被処理水110の量を増やすとそれに応じてDMPOの添加量も増やさなければならないという欠点がある。
もう一つの方法は、プラズマ107によって被処理水110を一定時間処理した後にESR測定に必要な量を採取してDMPOを添加する方法である。この方法では、OHラジカルの寿命が短い場合には、特別なサンプリング装置を用意しない限り、採取している時間が長くなればOHラジカルが消滅してしまい、OHラジカルが測定できないという致命的な欠点がある。ただし、DMPO自体の分解や添加量の問題については、懸念する必要がないことが利点である。
図3に示す測定結果は、後者の方法で、被処理水110から採取した水にDMPOを添加して測定したものである。後者の方法でも充分にOHラジカルの測定ができることから、実施の形態1に係る液体処理装置100によって、長寿命のOHラジカル、即ちラジカル寿命が10min程度のOHラジカルが生成できる。
次に、本開示の実施の形態1に係る液体処理装置100の分解速度について説明する。
実施の形態1において、液体処理装置100の分解速度を測定するため、被処理液体のモデルとして、インディゴカーミン(メチレンブルー)水溶液を用いた。インディゴカーミンは水溶性の有機物であり、汚濁水処理のモデルとして、しばしば用いられている。実施の形態1で用いたインディゴカーミン水溶液の濃度は、約10mg/リットルであり、被処理水110の体積は600ミリリットルとした。
実施の形態1では、気体供給装置105から第1の金属電極104aの貫通孔123aを介して、第1の金属電極104aと絶縁体103との間の空間124aに、気体114を比較的大きな流量で供給し続けている。多量の気体114の供給により、第1の金属電極104aの金属電極部121aが気体114で覆われて、第1の金属電極104aの金属電極部121aが被処理水110に直接接触しなくなる。その結果、第1の金属電極104aの金属電極部121aの先端部分で安定したプラズマ107が生成される。また、絶縁体103の開口部125から発生する連続した気泡106の一部が被処理水110中で浮力により切断されるが、この切断された微小気泡にプラズマ107が内包された状態となる。この微小気泡にプラズマ107が内包された状態が有効に寄与していると考えられる。即ち、プラズマ107中のOHイオンは水中にOHラジカルとして溶出するが、微小気泡であるためOHラジカルをトラップした状態になり、OHラジカルの寿命が大幅に延命化されたものと考えられる。
本開示の実施の形態2に係る液体処理装置100について、図5を用いて説明する。実施の形態2では、電極構成が実施の形態1と異なる。その他の構成は、実施の形態1と同じである。
本開示の実施の形態2に係る液体処理装置100の電極構成について説明する。
図5は、本開示の実施の形態2における電極構成を示す断面図である。実施の形態1における電極構造では、貫通孔123aは第1の金属電極104aと絶縁体103との間の空間124a(例えば、0.5mm程度の隙間)に連結するため、貫通孔123aの直径を小さくする(例えば、0.3mm)必要があり、貫通孔123aを加工するのにコストが高くなる懸念がある。そこで、貫通孔を大きくすることができる場合の実施の形態2に係る電極構成について説明する。
次に、本開示の実施の形態2に係る液体処理装置100の効果(分解速度)について説明する。
図6は、本開示の実施の形態2における処理時間に対するインディゴカーミン水溶液の分解量を測定した結果を示す図である。分解量は実施の形態1と同様にインディゴカーミンの量と吸光度の関係を測定して求めたものである。図6において、実施の形態2に係る液体処理装置100による測定結果を白丸で示し、比較例の液体処理装置による測定結果を黒四角で示す。なお、比較例の液体処理装置の構成は、実施の形態1で述べたものと同じである。実施の形態2によれば、約10mg/Lのインディゴカーミンが完全に分解する時間は、約25分程度であり、実施の形態1と同程度である。このように、実施の形態2における液体処理装置100によれば、製造コストを抑制しつつ、効率よくプラズマ107を発生させることにより、短期間で液体の処理ができる。
図7は、本開示の実施の形態1及び2における第1の金属電極104を絶縁体103の開口部125の端面から内側に後退させた距離(後退量)dを示す図である。なお、図7中の符号104は、実施の形態1及び2の第1の金属電極104a、104bを示す。図7では、実施の形態1の後退量dを定義しているが、実施の形態2の後退量dも同様の定義である。図8は、本開示の実施の形態1及び2における第1の金属電極104を絶縁体103の開口部125の端面から内側に後退させた距離(後退量)dに対するインディゴカーミン水溶液の分解速度を示す図である。図8において、実施の形態1に係る液体処理装置100による測定結果を白四角で示し、実施の形態2に係る液体処理装置による測定結果を白丸で示す。
本開示の実施の形態3に係る液体処理装置100について、図9を用いて説明する。実施の形態3では、電極構成が実施の形態1と異なる。その他の構成は、実施の形態1と同じである。
[電極構成3]
本開示の実施の形態3に係る液体処理装置100の電極構成について説明する。
ポアソンの式より、気泡106を発生させる絶縁体103の開口部125の直径を小さくすると、電界強度が直径の2乗に反比例して強くなることがわかっている。よって、電界強度を大きくするには、絶縁体103の開口部125の直径を小さくする必要がある。実施の形態1及び2では、開口部125を絶縁体103の端面に設けているため、開口部125の直径を小さくすると、それに合わせて第1の金属電極104a、104bの金属電極部121a又はコイル状電極部121bの直径も同時に小さくする必要がある。金属電極部121a及びコイル状電極部121bの直径を小さくすることは、製作が困難になるとともに小さい直径の金属の先端部で放電が強くなり、電極の磨耗が大きくなるという問題が発生する。そこで、金属電極部121a及びコイル状電極部121bの直径にかかわらず、絶縁体103の開口部125の直径を独立して変更することができる実施の形態3に係る液体処理装置100について説明する。
図10は、本開示の実施の形態3における処理時間に対するインディゴカーミン水溶液の分解量を測定した結果を示す図である。分解量は実施の形態1と同様にインディゴカーミンの量と吸光度の関係を測定して求めたものである。図10において、実施の形態3に係る液体処理装置100による測定結果を白三角で示す。また、比較例の液体処理装置による測定結果を黒四角で示す。なお、本実施の形態3の絶縁体103の第1の開口部125aの直径は、一例として0.7mmとした。比較例の液体処理装置の構成は、実施の形態1の測定で用いたものと同じである。実施の形態3に係る液体処理装置100によれば、約10mg/Lのインディゴカーミンが完全に分解する時間は約17分程度であり、実施の形態1及び2と比べ、分解速度が速くなっている。これは実施の形態1及び2の開口部125の直径が1mmに対し、実施の形態3の第1の開口部125aの直径が0.7mmと小さくなっているのに起因する。つまり、実施の形態3に係る液体処理装置100の第1の開口部125aにおける電界強度が、実施の形態1及び2よりも2倍程度大きくなる。これによって、プラズマ107がより安定し、さらにプラズマ密度が大きくなり、OHラジカルの量が増えると考えられる。よって、実施の形態3における液体処理装置100では、効率よくプラズマ107を発生させることができ、長寿命のOHラジカルを被処理水110中に生成することができるので、短期間に液体の処理ができる。
101 パルス電源
102 第2の金属電極
103 絶縁体
104、104a、104b、104c 第1の金属電極
105 気体供給装置
106 気泡
107 プラズマ
108 循環ポンプ
109 処理槽
110 被処理水
111 反応槽
112 保持ブロック
113 配管
114 気体
121a、121c 金属電極部
121b コイル状電極部
122a、122b、122c 金属ネジ部
123a、123b 貫通孔
124a、124b、124c 空間
125 開口部
125a 第1の開口部
125b 第2の開口部
126、127 ネジ部
128 内側ネジ部
129 第2の絶縁体
Claims (19)
- 被処理水内に少なくとも一部が配置される第1の金属電極と、
前記被処理水内において、前記被処理水と接触するように少なくとも一部が配置される第2の金属電極と、
前記被処理水内に位置する前記第1の金属電極の外周を、空間を介して囲むように設けられ、前記被処理水に対して設けられた開口部を備える絶縁体と、
前記空間に気体を供給する気体供給装置と、
前記第1の金属電極と前記第2の金属電極との間に電圧を印加する電源と、
を備え、
前記気体供給装置が前記空間に気体を供給することによって、前記空間から前記開口部の外側まで連続した気泡であって、前記被処理水内に位置する前記第1の金属電極の外周表面が前記被処理水に直接接触しないように前記第1の金属電極を覆う気泡を前記被処理水中に発生させ、前記気泡を発生させた状態で、前記第1の金属電極と前記第2の金属電極との間に前記電源により電圧を印加して、前記第1の金属電極と前記気泡による気液界面との間に電位差を生じさせて前記気泡内であって前記開口部の外側までプラズマを発生させる、水処理装置。 - 前記第1の金属電極は、開口端を有する中空状の第1の金属電極である、請求項1に記載の水処理装置。
- 前記第1の金属電極は、前記被処理水内に配置される電極がコイル状である、請求項1に記載の水処理装置。
- 前記絶縁体に複数の前記開口部が設けられている、請求項1に記載の水処理装置。
- 前記第1の金属電極は、前記被処理水内に配置される一端側の部分と、前記電源と接続する他端側の部分と、の少なくとも2つの部分が接続されて構成される、請求項1に記載の水処理装置。
- 前記第1の金属電極は、前記一端側の部分と前記他端側の部分が、異なる材料からなる金属電極である、請求項5に記載の水処理装置。
- 前記第1の金属電極の前記他端側の部分に、前記被処理水を入れる反応槽に固定される保持ブロックのネジ部と螺合するネジ部が設けられている、請求項5または6に記載の水処理装置。
- 前記第1の金属電極の前記他端側の部分に前記気体供給装置と、前記空間と、を連結する貫通孔を設けている、請求項5〜7のいずれか一項に記載の水処理装置。
- 前記第1の金属電極が前記絶縁体の前記開口部より内側に、0mmより大きく、7mm未満で後退した位置にある、請求項1に記載の水処理装置。
- 前記絶縁体は、前記被処理水に前記気泡を発生させる第1の開口部に加えて、さらに前記気体供給装置と接続される第2の開口部を備えた、請求項1に記載の水処理装置。
- 前記絶縁体の前記第1の開口部の直径が0.3mm〜2mmの範囲である、請求項10に記載の水処理装置。
- 前記第1の金属電極と前記第2の金属電極を配置する、反応槽をさらに備える請求項1に記載の水処理装置。
- 前記反応槽の内壁は、接地されている、請求項12に記載の水処理装置。
- 前記反応槽と循環ポンプ及び配管で接続される処理槽をさらに備える請求項12に記載の水処理装置。
- 前記処理槽は、水浄化装置、空調機、加湿器、洗濯機、電機剃刀洗浄器、または食器洗浄器である請求項14に記載の水処理装置。
- 前記処理槽は、接地されている、請求項14に記載の水処理装置。
- 前記第1の金属電極は、円柱状である、請求項1に記載の水処理装置。
- 前記第1の金属電極が前記絶縁体の前記開口部より内側に、3mm以上5mm以下で後退した位置にある、請求項9に記載の水処理装置。
- 第1の電極の少なくとも一部を被処理水内に配置し、
第2の電極の少なくとも一部を、前記被処理水内において前記被処理水に接触するように配置し、
前記被処理水内において、前記第1の電極の外周を、空間を介して囲み、前記被処理水に対して設けられた開口部を備える絶縁体を配置し、
前記空間に気体を供給することによって、前記空間から、前記絶縁体に設けられた開口部の外側まで連続した気泡であって、前記被処理水内に位置する前記第1の電極の外周表面が前記被処理水に直接接触しないように前記第1の電極を覆う気泡を前記被処理水中に発生させ、
前記気泡の発生した状態で、前記第1の電極と前記第2の電極との間に電圧を印加して、前記第1の電極と前記気泡による気液界面との間に電位差を生じさせて前記気泡内であって前記開口部の外側までプラズマを発生させる水処理方法。
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