活性種の生成方法及び生成装置
【課題】過酸化水素の注入や紫外線の照射を行なうことなく活性種を生成し、且つ活性種の生成率を制御可能な活性種の生成方法及び生成装置を提供する。
【解決手段】供給されるガスに電圧を印加することによって液外から液中に伸展する放電により活性種を生成する方法において、前記電圧を印加する際の周波数を制御することにより活性種の生成率を制御する。尚、前記活性種の生成率の制御の際には、周波数３〜２４ｋＨｚが使用される。
【解決手段】供給されるガスに電圧を印加することによって液外から液中に伸展する放電により活性種を生成する方法において、前記電圧を印加する際の周波数を制御することにより活性種の生成率を制御する。尚、前記活性種の生成率の制御の際には、周波数３〜２４ｋＨｚが使用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電により活性種を生成する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、上下水処理施設、化学工場、薬品工場、食品工場等において、細菌類、カビ類および酵母などの殺菌、アルデヒド、イオウ化合物、窒素化合物等の臭気物質の脱臭、し尿や染料廃液の脱色、有機溶剤などの有害物質を無害化するためにオゾン・活性種による処理が多く提案されている。とりわけオゾンよりも酸化力の強いＯＨラジカルと呼ばれる活性種を水中に生成させ、このＯＨラジカルを用いて分解処理を行なう、促進酸化処理（ＡＯＰ、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ）の技術開発が行なわれている。
【０００３】
このようなオゾン・活性種による促進酸化処理技術には、オゾンと過酸化水素の作用を利用したものがあり、提案されている手法ではＴＯＣ除去量に対して過酸化水素を添加し、オゾン処理の後段ほど過酸化水素の添加量を減らしていき、活性種の生成の制御がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、オゾンとＵＶ（紫外線）を利用したものもあり、提案されている手法においては、オゾン処理の後段にＵＶ装置を設置し、ＵＶ強度計や溶存オゾン濃度計を用いてＵＶ照射を制御し、活性種の生成を制御している（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このような過酸化水素や紫外線を用いる手法においては、過酸化水素の注入設備や、紫外線の照射設備をオゾン処理設備に併設する必要がある。過酸化水素は消防法第２条第７項及び別表第１第６類２号により危険物第６類（酸化性液体）に指定されている。また、重量％で６％を越える濃度の水溶液は毒物及び劇物取締法により劇物に指定されているため、十分な安全対策を行なう必要がある。
【０００６】
また、ＵＶを照射する場合、活性種の生成量はＵＶの照射線量に影響を受け、設備が大きくなるほど適切なＵＶ照射を行なうことは困難になる。
【０００７】
そして、オゾン処理に加えて過酸化水素の注入や紫外線の照射を行なうという操作が加わるため、システムが複雑化するといった問題が考えられる。
【０００８】
さらに、オゾン・活性種による処理を行なうために液中放電を利用した手法が提案されており、提案されている手法では、対向するように配設された線状電極と平板電極との間にパルスパワーを印加することによって、電極間に満たされた水道水中にストリーマ状放電及びアーク放電を生成させる。このストリーマ状放電及びアーク放電により、活性種、オゾン、紫外線、衝撃波等が生成される。こうして生成された各種活性種によって、液体中に含まれる有機物や細菌等の汚染物が分解処理されることになる（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
ところが、この手法では、オゾンと活性種の使い分けができず、被処理物に応じて最適な活性種の生成の制御が困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−２６７０７７号公報
【特許文献２】特開２０００−５１８７５号公報
【特許文献３】特開２００１−１０４９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記過酸化水素や紫外線を用いる手法においては、過酸化水素の注入設備や、紫外線の照射設備をオゾン処理設備に併設する必要があり、且つシステムが複雑化するといった問題が生じている。
【００１２】
前記液中放電においては、活性種が生成されるものの、オゾンと活性種の使い分けができず、活性種の生成の制御が困難といった問題がある。
【００１３】
本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、過酸化水素の注入や紫外線の照射を行なうという操作を伴なうことなく活性種を生成し、且つ活性種の生成率の制御可能な活性種の生成方法及び生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
供給されるガスに電圧を印加することによって液外から液中に伸展する放電により活性種を生成する方法において、前記電圧を印加する際の周波数を制御することによって活性種の生成率を制御することを第１の特徴とする。
【００１５】
前記放電がストリーマ状放電、アーク放電、火花放電、コロナ放電、グロ−放電、プラズマ生成放電、誘電体バリア放電、沿面放電のうち少なくとも一つの放電形態を含むことを第２の特徴とし、前記周波数が３〜２４ｋＨｚの間で制御されることを第３の特徴とする。
【００１６】
前記活性種がＯＨラジカルであることを第４の特徴とし、前記ガスが少なくとも酸素を含むガスであることを第５の特徴とする。
【００１７】
液接する液相側と、気体と接する気相側を有し酸化アルミニウム・二酸化ケイ素のうちの少なくとも１種である多孔質構造体と、前記多孔質構造体の気相側に密設される電極と、前記多孔質構造体の気相側から任意のガスを供給する圧入手段と、前記電極に交流電圧を印加する電源とを備え、前記電極に交流電圧を印加することによって、前記多孔質構造体の少なくとも微細孔内で生じる微細気泡内で放電を生起せしめる活性種の生成装置において、前記電源は制御部を備え、前記電圧を印加する際の周波数を制御することにより活性種の生成率を制御することを第６の特徴とする。
【００１８】
前記装置において、前記放電がストリーマ状放電、アーク放電、火花放電、コロナ放電、グロ−放電、プラズマ生成放電、誘電体バリア放電、沿面放電のうち少なくとも一つの放電形態を含むことを第７の特徴とし、前記装置において、前記周波数が３〜２４ｋＨｚの間で制御されることを第８の特徴とする。
【００１９】
前記装置において、前記活性種がＯＨラジカルであることを第９の特徴とし、前記ガスが少なくとも酸素を含むガスであることを第１０の特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は以上のような構造をしており、以下の優れた効果が得られる。
【００２１】
（１）液界面で放電させることから、過酸化水素の注入や紫外線の照射を行なうという操作を伴なうことなく、活性種、特にＯＨラジカルを生成することが制御可能である。
（２）過酸化水素の注入や紫外線の照射を行なわないため、過酸化水素の注入設備や、紫外線の照射設備を併設する必要が無く、省スペース且つ低コストである活性種生成装置が作製可能である。
（３）印加電圧の周波数を変えて放電を行なうことから、活性種の生成が制御可能であり、オゾンと活性種の使い分けにより、種々の被処理液の性質に応じて適切なオゾン・活性種処理が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一の実施形態の活性種生成装置を示した図である。
【図２】図１の多孔質構造体の構造を表した図である。
【図３】本発明の第二の実施形態の活性種生成装置を示した図である。
【図４】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における経過時間毎の積算生成オゾン量の推移を示したグラフである。
【図５】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における経過時間毎の積算排オゾン量の推移を示したグラフである。
【図６】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における経過時間毎の積算消費オゾン量の推移を示したグラフである。
【図７】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における経過時間毎の積算メチレンブルー脱色量の推移を示したグラフである。
【図８】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における各脱色率での脱色効率の推移を示したグラフである。
【図９】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２における脱色率３０、４０、５０％時点での各周波数での脱色効率を示したグラフである。
【図１０】本発明の実施例２における発光スペクトルの測定結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（実施形態１）
以下、本発明における第一の実施形態について図１から図３を基に説明するが、本発明が本実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【００２４】
本発明に使用される活性種とは、反応性の高い原子、分子、イオン、ラジカル等を意味し、例えば酸素原子（Ｏ）、水素原子（Ｈ）、オゾン（Ｏ３）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、スーパーオキシドアニオン（・Ｏ２−）、ヒドロペルオキシルラジカル（ＨＯ２・）、ヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）、が挙げられる。上記以外にもＯ３ＯＨラジカル、ＯＨ２ラジカル、オゾニドイオンラジカル（Ｏ３−）、ヒドロトリオキシルラジカル（ＨＯ３・）など多種存在し、反応性が高い性能を有していればよく、特に限定されるものではない。
【００２５】
図１において、本発明の活性種生成装置１は、多孔質構造体２、台座６、メッシュ状電極７、高電圧配線管８からなり、水槽９の内部に設置されている。
【００２６】
多孔質構造体２は、酸化アルミニウムを用いた親水性化合物からなり、接液する液相側４と気体と接する気相側５を有している。多孔質構造体２は、中空筒状の塩化ビニル樹脂製の高電圧配線管８の先端に、中心に孔加工を施した略矩形のアクリル製の台座６を介して密着設置されている。高電圧配線管８の筒内上部に位置する多孔質構造体２の気相側５には、メッシュ状電極７が密接されている。多孔質構造体２は接着剤等で台座６に固定される。
【００２７】
さらに、図２に示すように、多孔質構造体２は内部に微細孔３を有し、その径は、１μｍ〜５０μｍである。多孔質構造体２の材質は、酸化アルミニウム系、二酸化ケイ素系、シラス多孔質ガラス、セラミックス、樹脂、などが好ましく、特に、酸化アルミニウム系が優れている。
【００２８】
また、多孔質構造体２の形状は平板状である。平板状であることにより多孔質構造体２の製作が容易である。
【００２９】
台座６は、略矩形で、厚みは１ｍｍ〜５０ｍｍである。台座６は厚みがあり中心に孔加工を施したものであれば良く、形状は円盤状、多角形等でもかまわない。材質は、アクリル製が好ましいが、ガラスなどでも良く、耐オゾン性で耐熱性の高い絶縁体であれば特に限定されるものではない。
【００３０】
台座６に密接されているメッシュ状電極７は、高電圧配線管８内の配線を通して高電圧電源１３と接続されている。メッシュ状電極７に用いられるメッシュの材質は、銅、ＳＵＳなどがあり、特に銅が望ましい。メッシュの形状は、平織りや綾織りがあるが、曲げ強度が優れている綾織りが好ましい。また、メッシュは目開き及び線径が１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
高電圧配線管８は、外部の原料ガス１５と連結されている。本実施形態で供給される原料ガス１５は、酸素ガスである。他に用いられるガスとしては、空気、不活性ガスなどがあるが、特に酸素ガスが好ましい。高電圧配線管８は筒状であれば良く、材質は、塩化ビニル樹脂などの樹脂が好ましいがガラスなどでもよく、耐オゾン性で耐熱性の高い絶縁体であれば特に限定されるものではない。
【００３２】
塩化ビニル樹脂製の水槽９は、上部に被処理液を導入する被処理液導入口１０、下部に処理後の処理液を排出させる処理液排出口１１が設けられ、さらにオゾン濃度計１２が装備されている。また水槽９には、接地電極１４が接続されている。材質は、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂などの樹脂が好ましいが、ガラスなどのような耐オゾン性のものであればよく特に限定されるものではない。
【００３３】
高電圧電源１３は、電源部１３ａと制御部１３ｂで構成されている。電源部１３ａは、高電圧配線管８内の配線を通してメッシュ状電極７と接続されていて、メッシュ状電極７に電圧を印加する。制御部１３ｂは、電源部１３ａが出力する印加電圧の大きさ、電圧の印加時間、パルス間隔周波数を設定できるようになっていて、設定条件にしたがって電源部１３ａを制御する。
【００３４】
この構成において、高電圧電源１３からメッシュ状電極７を通じて、多孔質構造体２に電圧が特定の周波数で印加され、一方で、外部から原料ガス１５が送り込まれる。電圧を印加することによって、多孔質構造体２とメッシュ状電極７との微小間隔、多孔質構造体２の微細孔３内、および液相側４の多孔質構造体２の微細孔３部表面に生じる微細気泡内での放電を行うことによってオゾン、ラジカルのうち少なくともいずれか一種が生成される。印加する電圧の周波数が３ｋＨｚより低いと放電が困難であり、一方、周波数が２４ｋＨｚより高いと一般的に放電開始電圧は低くなり、生成オゾン濃度は高くなるが、活性種の生成効率が低くなるため、オゾン・活性種処理を行なうためには２４ｋＨｚ以下が好ましい。ただし、オゾンの生成を行なう場合には２４ｋＨｚより高い周波数でもよい。
周波数が高くなりすぎると気泡内の気液界面での放電が頻繁となり、ＯＨ・＋ＯＨ・＋Ｍ⇒Ｈ２０２＋Ｍ、でＯＨ・の分解が起きていると考えられる（ＯＨ・はＯＨラジカルを示している）。したがって単位時間当たりの気体分子に対する周波数によって放電を制御することにより、活性種の生成が制御されるものと考えられる。
【００３５】
（実施形態２）
次に、本発明における第二の実施形態について図３を基に説明するが、本発明が本実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【００３６】
本実施形態においては、第一の実施形態の多孔質構造体２の近傍に気泡せん断機１６を設置する。多孔質構造体２の近傍であればよいが、特に多孔質構造体２の微細孔３部表面より上部に設置することが好ましい。また、本実施形態においては、気泡せん断機１６を用いるが、攪拌機を用いてもよい。さらに、気泡せん断機１６と攪拌機の両方用いてもよい。気泡せん断機１６を設置し、水槽９を樹脂製タンク１７に変えたこと以外は、第二の実施形態と同じであるため説明を省略する。
【００３７】
この構成において、多孔質構造体２の微細孔３部表面より発生する気泡１８は、多孔質構造体２の微細孔３部表面の近傍に設置された気泡せん断機１６のせん断により、微細化され、液体に大量に溶解される。本実施形態において、活性種生成装置１は熱可塑性樹脂製または熱硬化性樹脂製タンク１７内に内蔵される。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の実施形態を用いてメチレンブルー脱色試験を行なった。その結果について以下に示す。
【００３９】
本試験においては、被処理物質としてメチレンブルーを用い、水道水８Ｌにメチレンブルー４０ｍｇ溶解させ５ｍｇ／Ｌメチレンブルー水溶液とした。脱色試験時の生成オゾン濃度、排オゾン濃度、吸光度を測定し、積算生成オゾン量、積算排オゾン量、積算メチレンブルー脱色量を算出し、積算消費オゾン量当たりのメチレンブルー脱色量を比較することにより、ラジカル発生量の大小を算出した。測定装置及び試験方法を以下に示す。ここで言うところの消費オゾン量とは生成オゾン量から排オゾン量を差し引いたオゾン量のことである。
【００４０】
［気相オゾン濃度の測定］
気相オゾン濃度計：東亜ディーケーケー社製 ＯＺ−３０
［吸光度測定］
吸光度計：ＨＡＣＨ社製 ＤＲ２４００
波長６６０ｎｍでの吸光度を測定し、脱色率を算出した。
［発光スペクトル測定］
マルチチャンネル分光器：Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ製 型式ＵＳＢ４Ｆ０１７５６ 波長域１７８．１〜８９０．６ｎｍ
【００４１】
本発明におけるメチレンブルー脱色試験は実施例１から実施例５及び比較例１から比較例２のそれぞれについて行なった。その試験結果を図４〜図９に示す。
【００４２】
［実施例１］
図１のように、活性種生成装置１を水道水８Ｌが入った水槽９に入れ、高電圧配線管８に酸素ガスを風量３Ｌ／ｍｉｎで送り込みながら、電圧（６〜９ｋＶ）を周波数３ｋＨｚで印加し放電を行なった。多孔質構造体２として、多孔質アルミナ誘電体を用い、多孔質構造体２の液相側４の微細孔３部の表面が気液界面に対して０度（多孔質構造体２の表面が上向き）となるように配置した。積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４３】
［実施例２］
周波数を６ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４４】
［実施例３］
周波数を１２ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４５】
［実施例４］
周波数を１８ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４６】
［実施例５］
周波数を２４ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４７】
［比較例１］
周波数を６０ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行ったが、放電が確認できず、オゾンの生成がみられなかったため、メチレンブルーは脱色されなかった。
【００４８】
［比較例２］
周波数を３０ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４９】
［比較例３］
市販オゾナイザ（無声放電式オゾン発生管：電圧１１ｋＶ）を使用したこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００５０】
メチレンブルー脱色試験において、図７より、消費オゾン量当りのメチレンブルー脱色量を比較すると、活性種よりもオゾンの生成率が高いと考えられる市販オゾナイザのメチレンブルー脱色量を上回る条件は周波数３ｋＨｚ（実施例１）から周波数２４ｋＨｚ（実施例５）の条件であることが確認できる。すなわち、同じ消費オゾン量で比較すると、同消費オゾン量であるにも関わらずメチレンブルー脱色量が多いということは、オゾン以外でメチレンブルーを脱色する活性種の存在が示唆され、実施例１から５においてはその活性種生成率が高いことが推測される。
また、特に脱色率３０〜５０％までの直線的に反応が進行する段階においては、周波数１２ｋＨｚが最大のメチレンブルー脱色効率を示していることが分かる。したがって、周波数６０Ｈｚ（比較例１）ではオゾンの生成も無いことから、オゾンおよび活性種の生成を行なう為には印加する電圧の周波数が６０Ｈｚより高く３０ｋＨｚ未満が適しており、さらに好ましくは３ｋＨｚ以上２４ｋＨｚ以下が良い。
【００５１】
ラジカル生成の確認のために、発光スペクトル測定を行なった。ＯＨラジカルは２８０ｎｍと３１０ｎｍ付近に強いバンドスペクトルを持つ光を放つと言われ、ＯＨラジカルを多く含む発光では発光色が近紫外となる。一例として、実施例２と同条件における発光スペクトル測定結果を図１０に示した。３１０ｎｍ付近にスペクトルが確認された為、ＯＨラジカルが生成されていると考えられる。
【符号の説明】
【００５２】
１ 活性種生成装置
２ 多孔質構造体
３ 微細孔
４ 液相側
５ 気相側
６ 台座
７ メッシュ状電極
８ 高電圧配線管
９ 水槽
１０ 被処理液導入口
１１ 処理液排出口
１２ オゾン濃度計
１３ 高電圧電源
１３ａ 電源部
１３ｂ 制御部
１４ 接地電極
１５ 原料ガス
１６ 気泡せん断機
１７ 樹脂製タンク
１８ 気泡
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電により活性種を生成する方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、上下水処理施設、化学工場、薬品工場、食品工場等において、細菌類、カビ類および酵母などの殺菌、アルデヒド、イオウ化合物、窒素化合物等の臭気物質の脱臭、し尿や染料廃液の脱色、有機溶剤などの有害物質を無害化するためにオゾン・活性種による処理が多く提案されている。とりわけオゾンよりも酸化力の強いＯＨラジカルと呼ばれる活性種を水中に生成させ、このＯＨラジカルを用いて分解処理を行なう、促進酸化処理（ＡＯＰ、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ）の技術開発が行なわれている。
【０００３】
このようなオゾン・活性種による促進酸化処理技術には、オゾンと過酸化水素の作用を利用したものがあり、提案されている手法ではＴＯＣ除去量に対して過酸化水素を添加し、オゾン処理の後段ほど過酸化水素の添加量を減らしていき、活性種の生成の制御がなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、オゾンとＵＶ（紫外線）を利用したものもあり、提案されている手法においては、オゾン処理の後段にＵＶ装置を設置し、ＵＶ強度計や溶存オゾン濃度計を用いてＵＶ照射を制御し、活性種の生成を制御している（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このような過酸化水素や紫外線を用いる手法においては、過酸化水素の注入設備や、紫外線の照射設備をオゾン処理設備に併設する必要がある。過酸化水素は消防法第２条第７項及び別表第１第６類２号により危険物第６類（酸化性液体）に指定されている。また、重量％で６％を越える濃度の水溶液は毒物及び劇物取締法により劇物に指定されているため、十分な安全対策を行なう必要がある。
【０００６】
また、ＵＶを照射する場合、活性種の生成量はＵＶの照射線量に影響を受け、設備が大きくなるほど適切なＵＶ照射を行なうことは困難になる。
【０００７】
そして、オゾン処理に加えて過酸化水素の注入や紫外線の照射を行なうという操作が加わるため、システムが複雑化するといった問題が考えられる。
【０００８】
さらに、オゾン・活性種による処理を行なうために液中放電を利用した手法が提案されており、提案されている手法では、対向するように配設された線状電極と平板電極との間にパルスパワーを印加することによって、電極間に満たされた水道水中にストリーマ状放電及びアーク放電を生成させる。このストリーマ状放電及びアーク放電により、活性種、オゾン、紫外線、衝撃波等が生成される。こうして生成された各種活性種によって、液体中に含まれる有機物や細菌等の汚染物が分解処理されることになる（例えば、特許文献３参照）。
【０００９】
ところが、この手法では、オゾンと活性種の使い分けができず、被処理物に応じて最適な活性種の生成の制御が困難であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−２６７０７７号公報
【特許文献２】特開２０００−５１８７５号公報
【特許文献３】特開２００１−１０４９５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記過酸化水素や紫外線を用いる手法においては、過酸化水素の注入設備や、紫外線の照射設備をオゾン処理設備に併設する必要があり、且つシステムが複雑化するといった問題が生じている。
【００１２】
前記液中放電においては、活性種が生成されるものの、オゾンと活性種の使い分けができず、活性種の生成の制御が困難といった問題がある。
【００１３】
本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、過酸化水素の注入や紫外線の照射を行なうという操作を伴なうことなく活性種を生成し、且つ活性種の生成率の制御可能な活性種の生成方法及び生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
供給されるガスに電圧を印加することによって液外から液中に伸展する放電により活性種を生成する方法において、前記電圧を印加する際の周波数を制御することによって活性種の生成率を制御することを第１の特徴とする。
【００１５】
前記放電がストリーマ状放電、アーク放電、火花放電、コロナ放電、グロ−放電、プラズマ生成放電、誘電体バリア放電、沿面放電のうち少なくとも一つの放電形態を含むことを第２の特徴とし、前記周波数が３〜２４ｋＨｚの間で制御されることを第３の特徴とする。
【００１６】
前記活性種がＯＨラジカルであることを第４の特徴とし、前記ガスが少なくとも酸素を含むガスであることを第５の特徴とする。
【００１７】
液接する液相側と、気体と接する気相側を有し酸化アルミニウム・二酸化ケイ素のうちの少なくとも１種である多孔質構造体と、前記多孔質構造体の気相側に密設される電極と、前記多孔質構造体の気相側から任意のガスを供給する圧入手段と、前記電極に交流電圧を印加する電源とを備え、前記電極に交流電圧を印加することによって、前記多孔質構造体の少なくとも微細孔内で生じる微細気泡内で放電を生起せしめる活性種の生成装置において、前記電源は制御部を備え、前記電圧を印加する際の周波数を制御することにより活性種の生成率を制御することを第６の特徴とする。
【００１８】
前記装置において、前記放電がストリーマ状放電、アーク放電、火花放電、コロナ放電、グロ−放電、プラズマ生成放電、誘電体バリア放電、沿面放電のうち少なくとも一つの放電形態を含むことを第７の特徴とし、前記装置において、前記周波数が３〜２４ｋＨｚの間で制御されることを第８の特徴とする。
【００１９】
前記装置において、前記活性種がＯＨラジカルであることを第９の特徴とし、前記ガスが少なくとも酸素を含むガスであることを第１０の特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は以上のような構造をしており、以下の優れた効果が得られる。
【００２１】
（１）液界面で放電させることから、過酸化水素の注入や紫外線の照射を行なうという操作を伴なうことなく、活性種、特にＯＨラジカルを生成することが制御可能である。
（２）過酸化水素の注入や紫外線の照射を行なわないため、過酸化水素の注入設備や、紫外線の照射設備を併設する必要が無く、省スペース且つ低コストである活性種生成装置が作製可能である。
（３）印加電圧の周波数を変えて放電を行なうことから、活性種の生成が制御可能であり、オゾンと活性種の使い分けにより、種々の被処理液の性質に応じて適切なオゾン・活性種処理が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一の実施形態の活性種生成装置を示した図である。
【図２】図１の多孔質構造体の構造を表した図である。
【図３】本発明の第二の実施形態の活性種生成装置を示した図である。
【図４】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における経過時間毎の積算生成オゾン量の推移を示したグラフである。
【図５】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における経過時間毎の積算排オゾン量の推移を示したグラフである。
【図６】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における経過時間毎の積算消費オゾン量の推移を示したグラフである。
【図７】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における経過時間毎の積算メチレンブルー脱色量の推移を示したグラフである。
【図８】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２から３における各脱色率での脱色効率の推移を示したグラフである。
【図９】本発明の実施例１から実施例５及び比較例２における脱色率３０、４０、５０％時点での各周波数での脱色効率を示したグラフである。
【図１０】本発明の実施例２における発光スペクトルの測定結果を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（実施形態１）
以下、本発明における第一の実施形態について図１から図３を基に説明するが、本発明が本実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【００２４】
本発明に使用される活性種とは、反応性の高い原子、分子、イオン、ラジカル等を意味し、例えば酸素原子（Ｏ）、水素原子（Ｈ）、オゾン（Ｏ３）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、スーパーオキシドアニオン（・Ｏ２−）、ヒドロペルオキシルラジカル（ＨＯ２・）、ヒドロキシルラジカル（・ＯＨ）、が挙げられる。上記以外にもＯ３ＯＨラジカル、ＯＨ２ラジカル、オゾニドイオンラジカル（Ｏ３−）、ヒドロトリオキシルラジカル（ＨＯ３・）など多種存在し、反応性が高い性能を有していればよく、特に限定されるものではない。
【００２５】
図１において、本発明の活性種生成装置１は、多孔質構造体２、台座６、メッシュ状電極７、高電圧配線管８からなり、水槽９の内部に設置されている。
【００２６】
多孔質構造体２は、酸化アルミニウムを用いた親水性化合物からなり、接液する液相側４と気体と接する気相側５を有している。多孔質構造体２は、中空筒状の塩化ビニル樹脂製の高電圧配線管８の先端に、中心に孔加工を施した略矩形のアクリル製の台座６を介して密着設置されている。高電圧配線管８の筒内上部に位置する多孔質構造体２の気相側５には、メッシュ状電極７が密接されている。多孔質構造体２は接着剤等で台座６に固定される。
【００２７】
さらに、図２に示すように、多孔質構造体２は内部に微細孔３を有し、その径は、１μｍ〜５０μｍである。多孔質構造体２の材質は、酸化アルミニウム系、二酸化ケイ素系、シラス多孔質ガラス、セラミックス、樹脂、などが好ましく、特に、酸化アルミニウム系が優れている。
【００２８】
また、多孔質構造体２の形状は平板状である。平板状であることにより多孔質構造体２の製作が容易である。
【００２９】
台座６は、略矩形で、厚みは１ｍｍ〜５０ｍｍである。台座６は厚みがあり中心に孔加工を施したものであれば良く、形状は円盤状、多角形等でもかまわない。材質は、アクリル製が好ましいが、ガラスなどでも良く、耐オゾン性で耐熱性の高い絶縁体であれば特に限定されるものではない。
【００３０】
台座６に密接されているメッシュ状電極７は、高電圧配線管８内の配線を通して高電圧電源１３と接続されている。メッシュ状電極７に用いられるメッシュの材質は、銅、ＳＵＳなどがあり、特に銅が望ましい。メッシュの形状は、平織りや綾織りがあるが、曲げ強度が優れている綾織りが好ましい。また、メッシュは目開き及び線径が１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００３１】
高電圧配線管８は、外部の原料ガス１５と連結されている。本実施形態で供給される原料ガス１５は、酸素ガスである。他に用いられるガスとしては、空気、不活性ガスなどがあるが、特に酸素ガスが好ましい。高電圧配線管８は筒状であれば良く、材質は、塩化ビニル樹脂などの樹脂が好ましいがガラスなどでもよく、耐オゾン性で耐熱性の高い絶縁体であれば特に限定されるものではない。
【００３２】
塩化ビニル樹脂製の水槽９は、上部に被処理液を導入する被処理液導入口１０、下部に処理後の処理液を排出させる処理液排出口１１が設けられ、さらにオゾン濃度計１２が装備されている。また水槽９には、接地電極１４が接続されている。材質は、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂などの樹脂が好ましいが、ガラスなどのような耐オゾン性のものであればよく特に限定されるものではない。
【００３３】
高電圧電源１３は、電源部１３ａと制御部１３ｂで構成されている。電源部１３ａは、高電圧配線管８内の配線を通してメッシュ状電極７と接続されていて、メッシュ状電極７に電圧を印加する。制御部１３ｂは、電源部１３ａが出力する印加電圧の大きさ、電圧の印加時間、パルス間隔周波数を設定できるようになっていて、設定条件にしたがって電源部１３ａを制御する。
【００３４】
この構成において、高電圧電源１３からメッシュ状電極７を通じて、多孔質構造体２に電圧が特定の周波数で印加され、一方で、外部から原料ガス１５が送り込まれる。電圧を印加することによって、多孔質構造体２とメッシュ状電極７との微小間隔、多孔質構造体２の微細孔３内、および液相側４の多孔質構造体２の微細孔３部表面に生じる微細気泡内での放電を行うことによってオゾン、ラジカルのうち少なくともいずれか一種が生成される。印加する電圧の周波数が３ｋＨｚより低いと放電が困難であり、一方、周波数が２４ｋＨｚより高いと一般的に放電開始電圧は低くなり、生成オゾン濃度は高くなるが、活性種の生成効率が低くなるため、オゾン・活性種処理を行なうためには２４ｋＨｚ以下が好ましい。ただし、オゾンの生成を行なう場合には２４ｋＨｚより高い周波数でもよい。
周波数が高くなりすぎると気泡内の気液界面での放電が頻繁となり、ＯＨ・＋ＯＨ・＋Ｍ⇒Ｈ２０２＋Ｍ、でＯＨ・の分解が起きていると考えられる（ＯＨ・はＯＨラジカルを示している）。したがって単位時間当たりの気体分子に対する周波数によって放電を制御することにより、活性種の生成が制御されるものと考えられる。
【００３５】
（実施形態２）
次に、本発明における第二の実施形態について図３を基に説明するが、本発明が本実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【００３６】
本実施形態においては、第一の実施形態の多孔質構造体２の近傍に気泡せん断機１６を設置する。多孔質構造体２の近傍であればよいが、特に多孔質構造体２の微細孔３部表面より上部に設置することが好ましい。また、本実施形態においては、気泡せん断機１６を用いるが、攪拌機を用いてもよい。さらに、気泡せん断機１６と攪拌機の両方用いてもよい。気泡せん断機１６を設置し、水槽９を樹脂製タンク１７に変えたこと以外は、第二の実施形態と同じであるため説明を省略する。
【００３７】
この構成において、多孔質構造体２の微細孔３部表面より発生する気泡１８は、多孔質構造体２の微細孔３部表面の近傍に設置された気泡せん断機１６のせん断により、微細化され、液体に大量に溶解される。本実施形態において、活性種生成装置１は熱可塑性樹脂製または熱硬化性樹脂製タンク１７内に内蔵される。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の実施形態を用いてメチレンブルー脱色試験を行なった。その結果について以下に示す。
【００３９】
本試験においては、被処理物質としてメチレンブルーを用い、水道水８Ｌにメチレンブルー４０ｍｇ溶解させ５ｍｇ／Ｌメチレンブルー水溶液とした。脱色試験時の生成オゾン濃度、排オゾン濃度、吸光度を測定し、積算生成オゾン量、積算排オゾン量、積算メチレンブルー脱色量を算出し、積算消費オゾン量当たりのメチレンブルー脱色量を比較することにより、ラジカル発生量の大小を算出した。測定装置及び試験方法を以下に示す。ここで言うところの消費オゾン量とは生成オゾン量から排オゾン量を差し引いたオゾン量のことである。
【００４０】
［気相オゾン濃度の測定］
気相オゾン濃度計：東亜ディーケーケー社製 ＯＺ−３０
［吸光度測定］
吸光度計：ＨＡＣＨ社製 ＤＲ２４００
波長６６０ｎｍでの吸光度を測定し、脱色率を算出した。
［発光スペクトル測定］
マルチチャンネル分光器：Ｏｃｅａｎ Ｏｐｔｉｃｓ製 型式ＵＳＢ４Ｆ０１７５６ 波長域１７８．１〜８９０．６ｎｍ
【００４１】
本発明におけるメチレンブルー脱色試験は実施例１から実施例５及び比較例１から比較例２のそれぞれについて行なった。その試験結果を図４〜図９に示す。
【００４２】
［実施例１］
図１のように、活性種生成装置１を水道水８Ｌが入った水槽９に入れ、高電圧配線管８に酸素ガスを風量３Ｌ／ｍｉｎで送り込みながら、電圧（６〜９ｋＶ）を周波数３ｋＨｚで印加し放電を行なった。多孔質構造体２として、多孔質アルミナ誘電体を用い、多孔質構造体２の液相側４の微細孔３部の表面が気液界面に対して０度（多孔質構造体２の表面が上向き）となるように配置した。積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４３】
［実施例２］
周波数を６ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４４】
［実施例３］
周波数を１２ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４５】
［実施例４］
周波数を１８ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４６】
［実施例５］
周波数を２４ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４７】
［比較例１］
周波数を６０ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行ったが、放電が確認できず、オゾンの生成がみられなかったため、メチレンブルーは脱色されなかった。
【００４８】
［比較例２］
周波数を３０ｋＨｚにしたこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００４９】
［比較例３］
市販オゾナイザ（無声放電式オゾン発生管：電圧１１ｋＶ）を使用したこと以外は実施例１と同様にして行い、積算生成オゾン量の経時変化を図４、排オゾン濃度の経時変化を図５、積算消費オゾン量の経時変化を図６、メチレンブルー脱色量の経時変化を図７に示した。また、各脱色率での脱色効率を算出し、図８に示した。
【００５０】
メチレンブルー脱色試験において、図７より、消費オゾン量当りのメチレンブルー脱色量を比較すると、活性種よりもオゾンの生成率が高いと考えられる市販オゾナイザのメチレンブルー脱色量を上回る条件は周波数３ｋＨｚ（実施例１）から周波数２４ｋＨｚ（実施例５）の条件であることが確認できる。すなわち、同じ消費オゾン量で比較すると、同消費オゾン量であるにも関わらずメチレンブルー脱色量が多いということは、オゾン以外でメチレンブルーを脱色する活性種の存在が示唆され、実施例１から５においてはその活性種生成率が高いことが推測される。
また、特に脱色率３０〜５０％までの直線的に反応が進行する段階においては、周波数１２ｋＨｚが最大のメチレンブルー脱色効率を示していることが分かる。したがって、周波数６０Ｈｚ（比較例１）ではオゾンの生成も無いことから、オゾンおよび活性種の生成を行なう為には印加する電圧の周波数が６０Ｈｚより高く３０ｋＨｚ未満が適しており、さらに好ましくは３ｋＨｚ以上２４ｋＨｚ以下が良い。
【００５１】
ラジカル生成の確認のために、発光スペクトル測定を行なった。ＯＨラジカルは２８０ｎｍと３１０ｎｍ付近に強いバンドスペクトルを持つ光を放つと言われ、ＯＨラジカルを多く含む発光では発光色が近紫外となる。一例として、実施例２と同条件における発光スペクトル測定結果を図１０に示した。３１０ｎｍ付近にスペクトルが確認された為、ＯＨラジカルが生成されていると考えられる。
【符号の説明】
【００５２】
１ 活性種生成装置
２ 多孔質構造体
３ 微細孔
４ 液相側
５ 気相側
６ 台座
７ メッシュ状電極
８ 高電圧配線管
９ 水槽
１０ 被処理液導入口
１１ 処理液排出口
１２ オゾン濃度計
１３ 高電圧電源
１３ａ 電源部
１３ｂ 制御部
１４ 接地電極
１５ 原料ガス
１６ 気泡せん断機
１７ 樹脂製タンク
１８ 気泡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給されるガスに電圧を印加することによって液外から液中に伸展する放電により活性種を生成する方法において、前記電圧を印加する際の周波数を制御することにより活性種の生成率を制御することを特徴とする活性種の生成方法。
【請求項２】
前記放電がストリーマ状放電、アーク放電、火花放電、コロナ放電、グロ−放電、プラズマ生成放電、誘電体バリア放電、沿面放電のうち少なくとも一つの放電形態を含むことを特徴とする請求項１に記載の活性種の生成方法。
【請求項３】
前記周波数が、３〜２４ｋＨｚの間で制御されることを特徴とする請求項１叉は２に記載の活性種の生成方法。
【請求項４】
前記活性種がＯＨラジカルであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の活性種の生成方法。
【請求項５】
前記ガスが少なくとも酸素を含むガスであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の活性種の生成方法。
【請求項６】
液接する液相側と、気体と接する気相側を有し酸化アルミニウム・二酸化ケイ素のうちの少なくとも１種である多孔質構造体と、前記多孔質構造体の気相側に密設される電極と、前記多孔質構造体の気相側から任意のガスを供給する圧入手段と、前記電極に交流電圧を印加する電源とを備え、前記電極に交流電圧を印加することによって、前記多孔質構造体の少なくとも微細孔内で生じる微細気泡内で放電を生起せしめる活性種の生成装置において、前記電源は制御部を備え、前記電圧を印加する際の周波数を制御することにより活性種の生成率を制御することを特徴とする活性種の生成装置。
【請求項７】
前記放電がストリーマ状放電、アーク放電、火花放電、コロナ放電、グロ−放電、プラズマ生成放電、誘電体バリア放電、沿面放電のうち少なくとも一つの放電形態を含むことを特徴とする請求項６に記載の活性種の生成装置。
【請求項８】
前記周波数が、３〜２４ｋＨｚの間で制御されることを特徴とする請求項６叉は７に記載の活性種の生成装置。
【請求項９】
前記活性種がＯＨラジカルであることを特徴とする請求項６乃至８に記載の活性種の生成装置。
【請求項１０】
前記ガスが少なくとも酸素を含むガスであることを特徴とする請求項６乃至９に記載の活性種の生成装置。
【請求項１】
供給されるガスに電圧を印加することによって液外から液中に伸展する放電により活性種を生成する方法において、前記電圧を印加する際の周波数を制御することにより活性種の生成率を制御することを特徴とする活性種の生成方法。
【請求項２】
前記放電がストリーマ状放電、アーク放電、火花放電、コロナ放電、グロ−放電、プラズマ生成放電、誘電体バリア放電、沿面放電のうち少なくとも一つの放電形態を含むことを特徴とする請求項１に記載の活性種の生成方法。
【請求項３】
前記周波数が、３〜２４ｋＨｚの間で制御されることを特徴とする請求項１叉は２に記載の活性種の生成方法。
【請求項４】
前記活性種がＯＨラジカルであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の活性種の生成方法。
【請求項５】
前記ガスが少なくとも酸素を含むガスであることを特徴とする請求項１乃至４に記載の活性種の生成方法。
【請求項６】
液接する液相側と、気体と接する気相側を有し酸化アルミニウム・二酸化ケイ素のうちの少なくとも１種である多孔質構造体と、前記多孔質構造体の気相側に密設される電極と、前記多孔質構造体の気相側から任意のガスを供給する圧入手段と、前記電極に交流電圧を印加する電源とを備え、前記電極に交流電圧を印加することによって、前記多孔質構造体の少なくとも微細孔内で生じる微細気泡内で放電を生起せしめる活性種の生成装置において、前記電源は制御部を備え、前記電圧を印加する際の周波数を制御することにより活性種の生成率を制御することを特徴とする活性種の生成装置。
【請求項７】
前記放電がストリーマ状放電、アーク放電、火花放電、コロナ放電、グロ−放電、プラズマ生成放電、誘電体バリア放電、沿面放電のうち少なくとも一つの放電形態を含むことを特徴とする請求項６に記載の活性種の生成装置。
【請求項８】
前記周波数が、３〜２４ｋＨｚの間で制御されることを特徴とする請求項６叉は７に記載の活性種の生成装置。
【請求項９】
前記活性種がＯＨラジカルであることを特徴とする請求項６乃至８に記載の活性種の生成装置。
【請求項１０】
前記ガスが少なくとも酸素を含むガスであることを特徴とする請求項６乃至９に記載の活性種の生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１７６３４７（Ｐ２０１２−１７６３４７Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３９８８４（Ｐ２０１１−３９８８４）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００１１７１０２）旭有機材工業株式会社 (235)
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００１１７１０２）旭有機材工業株式会社 (235)
【出願人】（５０４２２４１５３）国立大学法人 宮崎大学 (239)
【Ｆターム（参考）】
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