液中プラズマ処理装置、及び液中プラズマ処理方法
【課題】液体に含まれる被処理物質の処理を効率よく行うことができる液中プラズマ処理装置を提供すること。
【解決手段】液中プラズマ処理装置１１は、洗浄水Ｗを導入可能な容器１２と、超音波発生装置１３と、マイクロ波発生装置１４と、減圧装置１５とを備える。減圧装置１５は、容器１２内の気体を排出してその容器１２内を減圧状態にする。超音波発生装置１３は、容器１２内の洗浄水Ｗ中に超音波を照射してキャビテーションを多発的に生じさせ、マイクロ波発生装置１４は、洗浄水Ｗ中のキャビテーション発生領域にマイクロ波を照射して放電プラズマＰを発生させる。この放電プラズマＰによって、紫外線を放つ液中光源Ｌを発生させ、その紫外線を洗浄水Ｗの有害物質に直接照射することで有害物質を分解して無害化する。
【解決手段】液中プラズマ処理装置１１は、洗浄水Ｗを導入可能な容器１２と、超音波発生装置１３と、マイクロ波発生装置１４と、減圧装置１５とを備える。減圧装置１５は、容器１２内の気体を排出してその容器１２内を減圧状態にする。超音波発生装置１３は、容器１２内の洗浄水Ｗ中に超音波を照射してキャビテーションを多発的に生じさせ、マイクロ波発生装置１４は、洗浄水Ｗ中のキャビテーション発生領域にマイクロ波を照射して放電プラズマＰを発生させる。この放電プラズマＰによって、紫外線を放つ液中光源Ｌを発生させ、その紫外線を洗浄水Ｗの有害物質に直接照射することで有害物質を分解して無害化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物質を含む液体中に電磁波を照射し、その液体中にプラズマを発生させて被処理物質の処理を行う液中プラズマ処理装置、及び液中プラズマ処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、有害物質を含む液体中に電磁波と紫外線とを同時に照射して有害物質を分解する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の処理システムでは、紫外線が透過可能な石英管内に有害物質を含む液体を通過させるとともに、その石英管の外部に高周波減圧ガスプラズマを生成して、液体への電磁波照射と紫外線照射とを同時に行っている。この処理システムでは、電磁波エネルギーにより、有害物質が励起されて水と分離されるとともに、水の励起によって有害物質がイオン化される。さらに、紫外線照射による光エネルギーによって有害物質が分解されて無害化される。
【０００３】
また、液体中に超音波と電磁波とを同時に照射して放電プラズマを発生させ、その放電プラズマにより化学反応を誘起させる装置が、特許文献２，３などに開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３３０１７４号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８６００号公報
【特許文献３】特開２００５−２３０７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１の処理システムでは、石英管を介して紫外線照射を行う構成であるため、液体の浄化処理に伴って石英管の表面に汚れが付着すると、液体に十分な強さの紫外線が照射されなくなり、有害物質の分解効率が悪化する。従って、有害物質の分解効率を維持するためには、石英管の表面を定期的に洗浄するといったメンテナンス作業が必要となり、処理コストが嵩んでしまう。また、紫外線ランプを液体中に直接入れて紫外線照射により液体中の有害物質を分解する処理装置も実用化されているが、その処理装置においても、同様に紫外線ランプのガラス面が汚れ、分解効率が低下するといった問題が生じてしまう。
【０００５】
因みに、特許文献２，３の装置を用いれば、液体に含まれる有害物質を放電プラズマによって分解することが可能である。そして、仮にこの装置において、放電プラズマに加えて紫外線の照射を行ったとするならば、処理効率の向上を期待できるかもしれない。しかし、特許文献２，３には、可視光線に比べてエネルギーの大きい紫外線の照射を併用して液体中の有害物質を分解するといった思想は、全く開示されていない。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体に含まれる被処理物質の処理を効率よく行うことができる液中プラズマ処理装置、及び液中プラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、被処理物質を含む液体を導入可能な容器と、前記液体中に気泡を発生させる気泡発生手段と、前記液体中における気泡発生領域に電磁波を照射して放電プラズマによる発光現象を誘起し、前記気泡発生領域に紫外線及び可視光線を放つ液中光源を発生させる液中光源発生手段とを備えたことを特徴とする液中プラズマ処理装置をその要旨とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、気泡発生手段により、容器内の液体中に気泡が発生され、液中光源発生手段により、気泡発生領域に電磁波が照射される。この電磁波照射によって、液体中に放電プラズマによる発光現象が誘起され、紫外線及び可視光線を放つ液中光源が発生する。この場合、液中光源からの紫外線が液体中の被処理物質に直接照射されることで、その紫外線の光エネルギーによって被処理物質を処理（分解、化学反応、殺菌等）することができる。また、放電プラズマの熱エネルギーによっても液体中の被処理物質を処理することができ、処理効率を高めることができる。さらに、本発明の処理装置は、液中光源を覆う管がなく紫外線を液体中に直接照射する構成であるので、管の表面の汚れによって処理効率が低下するといった問題を回避でき、メンテナンス費用を低減することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記液中光源発生手段は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波を伝搬させる導波管と、前記導波管の先端部に形成され前記マイクロ波を出力するスロットアンテナとを有することをその要旨とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、電界強度の強いマイクロ波をスロットアンテナから出力することができるため、放電プラズマを確実に発生させることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記気泡発生手段は、前記容器内の気体を排出して前記容器内を減圧状態にする減圧手段を含むことをその要旨とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、減圧手段により、容器内を減圧し液体の沸点を低下させることで、その液体が沸騰して気泡が発生される。そして、その気泡の発生領域に液中光源発生手段から電磁波を照射することで放電プラズマを誘起させ液中光源を発生させることができる。また、容器内を減圧しておけば、常圧時ほど強い電磁波でなくも放電プラズマを効率よく発生させることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記気泡発生手段は、前記容器内の液体中に超音波を照射してキャビテーションを発生させる超音波照射手段を含むことをその要旨とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、超音波照射手段により、容器内の液体中に超音波を照射することでキャビテーション（気泡）が発生される。そして、キャビテーションの発生領域に液中光源発生手段から電磁波を照射することでキャビテーションを核として放電プラズマを誘起させ液中光源を発生させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記気泡発生手段は、前記容器内の液体中に酸素ガス、オゾンガスまたは過酸化水素ガスをバブリングするバブリング手段を含むことをその要旨とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、バブリング手段により、容器内の液体中に酸素ガス、オゾンガスまたは過酸化水素ガスがバブリングされる。そして、その液体中に液中光源発生手段から電磁波を照射して放電プラズマを誘起させることにより、液中光源が発する紫外線の照射強度を高めることができ、被処理物質を確実に処理することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、容器内に導入された液体中に気泡を発生させて気泡発生領域に電磁波を照射して放電プラズマを発生させることにより、前記液体中に含まれる被処理物質をその放電プラズマで処理する液中プラズマ処理方法であって、前記放電プラズマによる発光現象を誘起して前記気泡発生領域に紫外線及び可視光線を放つ液中光源を発生させ、その紫外線を前記液体中にて前記被処理物質に直接照射することにより、併せて前記被処理物質の処理を行うことを特徴とする液中プラズマ処理方法をその要旨とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、容器内の液体中に気泡が発生され、気泡発生領域に電磁波が照射される。この電磁波照射によって、液体中に放電プラズマによる発光現象が誘起され、紫外線及び可視光線を放つ液中光源が発生される。この場合、液中光源からの紫外線が液体中の被処理物質に直接照射されることで、その紫外線の光エネルギーによって被処理物質を処理（分解、化学反応、殺菌等）することができる。また、放電プラズマの熱エネルギーによっても液体中の被処理物質を処理することができるので、処理効率を高めることができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記液中光源は３０８ｎｍにピークを有する紫外線を発生することをその要旨とする。
【００２０】
例えば水を含んだ液体中で放電プラズマを発生させた場合、その液体中でヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）が生成されるため、請求項７に記載の発明のように、液中光源から３０８ｎｍにピークを有する強い紫外線を発生させることができる。そして、この紫外線を液体中の被処理物質に直接照射することで、被処理物質を効率よく処理（分解、化学反応、殺菌等）することができる。なお、処理効率向上の観点から、液中光源が発する光のスペクトルのうち、３０８ｎｍにピークを有する紫外線の強度が最も高いことが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、液体に含まれる被処理物質の処理を効率よく行うことができる液中プラズマ処理装置を提供することができる。請求項６，７に記載の発明によると、液体に含まれる被処理物質の処理を効率よく行うことができる液中プラズマ処理方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［第１の実施の形態］
【００２３】
以下、本発明を液中プラズマ処理装置に具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１を示す概略構成図である。
【００２４】
図１に示されるように、液中プラズマ処理装置１１は、液体を導入可能な容器１２と、超音波照射手段としての超音波発生装置１３と、液中光源発生手段としてのマイクロ波発生装置１４と、減圧手段としての減圧装置１５と、発光スペクトル測定手段としてのスペクトロメータ（分光光度計）１６とを備える。本実施の形態において、容器１２はステンレスからなり、その容器１２内には、液体としての洗浄水Ｗ（即ちＨ２Ｏ）が入れられている。
【００２５】
超音波発生装置１３は、超音波振動子２１とその超音波振動子２１を駆動するためのパルスを出力するパルス発生器２２とを備える。超音波振動子２１は、その先端面（振動面）が容器１２の底部に当接した状態で固定されており、容器１２の底部から上方に向けて超音波を照射する。本実施形態の超音波振動子２１は、パルス発生器２２から出力されたパルスによって駆動されると、例えば２０ｋＨｚ、１０〜２０００Ｗの超音波を洗浄水Ｗ中に照射する。
【００２６】
マイクロ波発生装置１４は、電磁波としてのマイクロ波を発生するマグネトロン（マイクロ波発生器）２４と、マグネトロン２４にて発生したマイクロ波を伝搬する導波管２５とを備えている。マイクロ波発生装置１４の導波管２５は、その先端が容器１２の上面にて超音波振動子２１に対向する位置に固定されている。すなわち、導波管２５の先端は、超音波振動子２１の設置位置の直上の位置であって、容器１２内の液面よりも下方の位置となるよう設けられている。
【００２７】
導波管２５は、先端が容器１２内に突出するように配置された管本体３１と、管本体３１内部（中央孔３１ａ）に配置されたマイクロ波透過体（具体的には石英ガラス）３２とを有する。マイクロ波透過体３２は、管本体３１の長手方向に直交する方向に切った断面形状が略矩形状となるよう形成されている。なお、マイクロ波透過体３２としては、石英ガラスの以外の材料（例えば、セラミックスからなる誘電体など）を用いてもよい。
【００２８】
図２に示されるように、管本体３１は、外形形状が略円形状となるよう形成されるとともに、中央孔３１ａは、管本体３１の長手方向に直交する方向に切った断面が略矩形状となるように形成されている。管本体３１の先端は、容器１２の上面中央に設けられた管本体挿通孔３３に挿入されている。この管本体３１の先端面には、スリット状の開口部３４が設けられており、マイクロ波透過体３２を伝搬したマイクロ波がその開口部３４から出力される。すなわち、導波管２５における管本体３１の先端部がスロットアンテナとして機能し、電界強度が非常に強いマイクロ波を出力する。
【００２９】
本実施の形態のマイクロ波発生装置１４において、マグネトロン２４は、直流電流が供給されることで、例えば、２．４５ＧＨｚ、１０Ｗ〜２０００Ｗのマイクロ波を発生する。そして、導波管２５は、そのマイクロ波を基本モードであるＴＥ１０モードで伝搬させ、先端側のマイクロ波透過体３２を通して開口部３４から洗浄水Ｗ中に照射する。このマイクロ波の照射によって、洗浄水Ｗ中に放電プラズマＰによる発光現象が誘起され、液中光源Ｌが発生される。すなわち、放電プラズマＰによる発光領域が液中光源Ｌとなる。
【００３０】
減圧装置１５は、減圧用のロータリーポンプ３６と、そのロータリーポンプ３６と容器１２内部とを接続する排気管３７と、排気管３７の途中に設けられる開閉バルブ３８とを備える。この減圧装置１５では、開閉バルブ３８が開状態に作動された後、ロータリーポンプ３６が駆動されると、容器１２内の気体が排気管３７を介して排出され、その容器１２内が減圧状態（具体的には、例えば４ｋＰａの圧力）にされる。
【００３１】
スペクトロメータ１６は、容器１２の側面に設けられた光透過部３９に臨むように配置されている。スペクトロメータ１６は、放電プラズマＰによる液中光源Ｌの発光スペクトルを測定する。この液中光源Ｌの発する光は、紫外線及び可視光線を含むため、光透過部３９としては、紫外線及び可視光線を透過する材料（例えば、石英ガラス）が用いられる。
【００３２】
次に、本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１におけるプラズマ処理方法を説明する。
【００３３】
先ず、容器１２内の洗浄水Ｗ中に図示しない洗浄物（例えば、トリクロロエチレンなどの有害物質を含む汚染土壌）を入れる。そして、容器１２を密閉状態にした後、減圧装置１５を作動させる。このとき、開閉バルブ３８が開状態に作動されてロータリーポンプ３６が駆動されることで、容器１２内の気体が排気管３７を介して排出され、その容器１２内が減圧される。ここで、容器１２内が減圧されることにより、洗浄水Ｗはその沸点が下がり沸騰する。本実施の形態では、容器１２内が水蒸気で飽和状態となる所定圧力まで減圧されたとき、開閉バルブ３８が閉状態にされてロータリーポンプ３６が停止される。
【００３４】
その後、超音波発生装置１３を作動させ、洗浄水Ｗへの超音波の照射を開始させる。すなわち、パルス発生器２２においてパルスが生成され、そのパルスが超音波振動子２１に供給されることにより、超音波振動子２１から超音波が洗浄水Ｗ中に照射される。これにより、洗浄物が超音波洗浄され、被処理物質としての有害物質（トリクロロエチレンなどの有機塩素系溶剤）が汚染土壌から分離される。この超音波の照射により、洗浄水Ｗ中にキャビテーション（気泡）が多発的に生じる。
【００３５】
またこのとき、マイクロ波発生装置１４を作動させ、キャビテーションの発生領域（気泡発生領域）にマイクロ波を照射する。具体的には、図示しない電源からマグネトロン２４に直流電流が供給されることでマイクロ波が発生される。そして、そのマイクロ波は導波管２５を伝搬してスリット状の開口部３４から容器１２内の洗浄水Ｗ中に照射される。このマイクロ波の照射によって、洗浄水Ｗ中に放電プラズマＰが発生し、その放電プラズマＰの熱エネルギーにより、洗浄水Ｗ中の有害物質が分解され無害化される。さらに、洗浄水Ｗ中において、放電プラズマＰによる発光現象が誘起され、紫外線及び可視光線を放つ液中光源Ｌが発生される。
【００３６】
また、この液中光源Ｌの放つ紫外線及び可視光線がスペクトロメータ１６で測定され、その測定結果に応じて、洗浄水Ｗの処理状態が判断される。
【００３７】
図３には、スペクトロメータ１６を用いて測定した液中光源Ｌの発光スペクトルの測定結果を示している。なお、図３は、洗浄水Ｗ中で液中光源Ｌを発生させた場合の発光スペクトルである。洗浄水Ｗ中でプラズマを発生させることによって、その洗浄水Ｗ中でヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル），水素ラジカル（Ｈラジカル），酸素ラジカル（Ｏラジカル）のフリーラジカルが生成される。図３では、それらラジカル生成に応じた波長のスペクトルが観測されている。ＯＨラジカルに対応するスペクトルは、波長が３０８ｎｍの紫外線であり、他のスペクトルと比較して照射強度が非常に強い。従って、洗浄水Ｗ中で液中光源Ｌを発生させることで、非常に強い紫外線が洗浄水Ｗ中の有害物質に直接照射されるため、その光エネルギーによっても有害物質が分解され無害化される。
【００３８】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００３９】
（１）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、超音波振動子２１により、容器１２内の洗浄水Ｗ中に超音波を照射することでキャビテーション（気泡）が発生される。そして、そのキャビテーションの発生領域に導波管２５からマイクロ波を照射することでキャビテーションを核として放電プラズマＰを発生させることができる。この場合、放電プラズマＰの熱エネルギーにより洗浄水Ｗ中の有害物質を分解して無害化することができる。また、放電プラズマＰにより、非常に強い紫外線を放つ液中光源Ｌが発生されるため、その紫外線が洗浄水Ｗ中の有害物質に直接照射されることで、有害物質を分解して無害化することができる。さらに、液中プラズマ処理装置１１は、液中光源Ｌを覆うガラス面がなく紫外線が洗浄水Ｗ中に直接照射される構成であるので、ガラス面の汚れによって処理効率が低下するといった問題を回避でき、メンテナンス費用を低減することができる。
【００４０】
（２）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、導波管２５の先端面（開口部３４）がスロットアンテナとして機能し、電界強度が非常に強いマイクロ波を出力することができる。これにより、洗浄水Ｗ中において放電プラズマＰを確実に発生させることができる。
【００４１】
（３）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、減圧装置１５により、容器１２内を減圧して洗浄水Ｗの沸点を低下させることで、洗浄水Ｗを沸騰させて洗浄水中に気泡を発生させることができる。そして、その気泡発生領域にマイクロ波を照射することにより、放電プラズマＰを発生させることができる。また、容器１２内を減圧しておくことにより、常圧時ほど強いマイクロ波でなくも放電プラズマＰを効率よく発生させることができる。
【００４２】
（４）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、洗浄水Ｗ中において汚染土壌を超音波洗浄するのと同時に、その超音波洗浄によって汚染土壌から分離した有害物質を放電プラズマＰにより分解することができる。従って、土壌への有害物質の再付着を確実に防止でき、汚染土壌を効率よく浄化処理することができる。また、洗浄水Ｗ中の有害物質が無害化され洗浄廃液が出ないので、コスト的にも有利なものとなる。
【００４３】
（５）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、超音波発生装置１３の超音波振動子２１が容器１２の底部に設けられている。通常、液相は液体導入時に容器１２の底部に生じるので、この位置に超音波振動子２１を設けておくことにより、容器１２内の洗浄水Ｗ中に超音波を確実に照射することができる。また、マイクロ波発生装置１４の導波管２５が超音波振動子２１に対向する位置に配置されるので、超音波照射による気泡発生領域にマイクロ波を確実に照射することができる。従って、放電プラズマＰを確実に発生させることができ、放電プラズマＰによって洗浄水Ｗ中の有害物質を効率よく分解することができる。しかも、このような配置にすることにより装置の小型化が達成しやすくなる。
［第２の実施の形態］
【００４４】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図４に基づき説明する。
【００４５】
図４に示されるように、本実施の形態の液中プラズマ処理装置４１では、容器１２の底部にその長手方向に沿って導波管４２が設けられており、その導波管４２の上面において、スリット状の開口部４３が所定間隔をおいて複数形成されている。容器１２内において導波管４２は洗浄水Ｗ中に設けられており、導波管４２の各開口部４３から洗浄水Ｗ中にマイクロ波が照射されるようになっている。本実施の形態では、導波管４２とマグネトロン（マイクロ波発生器）２４とによりマイクロ波発生装置（液中光源発生手段）４５が構成されている。
【００４６】
本実施の形態の液中プラズマ処理装置４１においても、第１の実施の形態と同様に、容器１２内を減圧するための減圧装置（減圧手段）１５が設けられている。また、容器１２の上面において、減圧装置１５の排気管３７の接続部近傍の位置に、導波管２５が容器１２内に突出するよう設けられている。この導波管２５は、第１の実施の形態と同様に、管本体３１の先端面にスリット状の開口部３４が設けられている。導波管２５の先端は、第１の実施の形態と異なり、容器１２内の液面よりも上方の位置、すなわち気相中に配置されている。従って、マイクロ波発生器２４から出力されたマイクロ波は導波管２５の開口部３４から気相中に照射される。本実施の形態では、導波管２５とマグネトロン（マイクロ波発生器）２４とによりマイクロ発生装置（気中電磁波照射手段）４６が構成されている。
【００４７】
本実施の形態の液中プラズマ処理装置４１では、減圧装置１５で容器１２内を減圧して洗浄水Ｗを沸騰させ、洗浄水Ｗ中に気泡を発生させた状態で導波管４２の複数の開口部４３から洗浄水Ｗ中にマイクロ波を照射する。これにより、各開口部４３に対応する複数個所で放電プラズマＰを発生させることができ、洗浄水Ｗ中の有害物質を確実に分解して無害化することができる。さらに、導波管２５の開口部３４から気相中にマイクロ波を照射することにより、気相中にて放電プラズマＰ１を発生させることができる。従って、減圧装置１５が容器１２内を減圧することによって洗浄水Ｗ中から気化した有害物質をその放電プラズマＰ１により分解して無害化することができる。また、この放電プラズマＰ１は、減圧装置１５の排気管３７の近傍で発生されるため、減圧装置１５の作動時に排気管３７を介して有害物質が外部に排出されることを防止することができる。
［第３の実施の形態］
【００４８】
次に、本発明を具体化した第３の実施の形態を図５に基づき説明する。
【００４９】
図５に示されるように、本実施の形態の液中プラズマ処理装置５１において、容器１２の底部には導波管２５が容器１２内に突出するように設けられている。この導波管２５も、第１の実施の形態と同様に、管本体３１の先端面にスリット状の開口部３４が設けられており、この開口部３４から洗浄水Ｗ中にマイクロ波が照射される。本実施の形態では、導波管２５とマグネトロン（マイクロ波発生器）２４とによりマイクロ発生装置（液中光源発生手段）１４が構成されている。また、液中プラズマ処理装置５１は、第１の実施の形態と同様に、減圧装置（減圧手段）１５とスペクトロメータ（発光スペクトル測定手段）１６とを備えている。
【００５０】
さらに、液中プラズマ処理装置５１は、容器１２内の洗浄水Ｗ中に酸素ガスＧ１をバブリングするためのバブリング装置（バブリング手段）５２を備えている。バブリング装置５２は、例えば酸素が充填された酸素ボンベ５３と、酸素ガスＧ１を洗浄水Ｗ中に供給するための供給パイプ５４と、供給パイプ５４の途中に設けられる開閉バルブ５５とを備える。このバブリング装置５２では、開閉バルブ５５が開状態に作動されることで、酸素ボンベ５３の酸素ガスＧ１が供給パイプ５４を通して洗浄水Ｗ中に供給される。このように、洗浄水Ｗ中に酸素ガスＧ１をバブリングさせることで、マイクロ波の照射による放電プラズマＰが発生しやすくなる。またこの場合、放電プラズマＰによる液中光源Ｌから発生される紫外線の照射強度が高められ、洗浄水Ｗに含まれる有害物質を確実に分解することができる。
【００５１】
図６には、バブリング装置５２による酸素ガスＧ１の供給量に応じた発光スペクトルの強度変化を示している。なお、同図には、ＯＨラジカルに対応する波長３０８ｎｍのスペクトルと、Ｏラジカルに対応する波長７７７ｎｍのスペクトルとについての測定結果を示している。この測定結果では、酸素ガスＧ１の供給量を多くすると、各スペクトルの強度が強くなることがわかる。具体的には、ＯＨラジカルに対応するスペクトル（波長が３０８ｎｍの紫外線）は、酸素ガスＧ１の供給量を１０００（ＳＣＣＭ）以上、すなわち１分間あたり１０００ｃｃ以上の流量に増加させると、酸素ガスＧ１を供給しない場合と比較して約２倍の強度になる。
【００５２】
図７には、本実施の形態の液中プラズマ処理装置５１を用いてトリクロロエチレン(ＴＣＥ)を分解した場合の実験結果を示している。なお、ここでは、トリクロロエチレンを５．７ｍｇ／Ｌの濃度で含む洗浄水Ｗを用意して、放電プラズマによるトリクロロエチレンの分解効率を確認した。同図には、液中プラズマ処理装置５１において、減圧のみを行った場合（放電プラズマＰを発生させない場合）と、酸素ガスＧ１をバブリング（添加）しないで放電プラズマＰを発生させた場合とをそれぞれ比較例として示している。
【００５３】
図７の実験結果に示されるように、洗浄水Ｗ中で放電プラズマＰを発生させることで、トリクロロエチレンが短時間（約６０分）で分解される。また、洗浄水Ｗ中に酸素ガスＧ１をバブリングすることにより、液中光源Ｌから発生される紫外線の照射強度が高められるため、トリクロロエチレンの分解効率が向上される。
【００５４】
以上のことより、本実施の形態の液中プラズマ処理装置５１を用いれば、洗浄水Ｗ中に含まれる有害物質を効率よく分解することができる。
【００５５】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５６】
・上記第３の実施の形態では、液中光源Ｌの紫外線の強度を高めるために、バブリング装置５２を用いて洗浄水Ｗ中に酸素ガスＧ１をバブリングするものであったが、酸素ガスＧ１以外に、オゾンガスや過酸化水素ガスをバブリングするように構成してもよい。図８には、液中プラズマ処理装置５１において容器１２内の洗浄水Ｗ中に過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）ガスを添加した場合の発光スペクトルを示している。洗浄水Ｗに過酸化水素ガスを添加した場合では、紫外線の波長域にあるスペクトル（２８０ｎｍ〜３８０ｎｍのスペクトル）が増える。また、それらスペクトルは非常に照射強度が強い。従って、過酸化水素ガスを添加した場合においても、酸素ガスＧ１を添加した場合と同様に、洗浄水Ｗ中に含まれる有害物質を効率よく分解することができる。
【００５７】
・上記第１の実施の形態において、超音波振動子２１はその先端面（振動面）が容器１２の底面に当接した状態で設けられていたが、これに限定されるものではなく、超音波振動子２１の先端が容器１２内部に突出するよう設けてもよい。このようにすれば、洗浄水Ｗ中に超音波を確実に照射することができる。また、超音波振動子２１の設置位置としては、容器１２内の洗浄水Ｗに超音波を照射可能な位置であればよく、容器１２の底部以外に側面や上面であってもよい。
【００５８】
・上記第１及び第２の実施の形態では、マイクロ波発生装置１４の導波管２５を容器１２の上面に設け、上記第２及び第３の実施の形態では、導波管２５，４２を容器１２の底面に設けるものであったが、導波管２５，４２を容器１２の側面に設けてもよい。すなわち、マイクロ波発生装置１４（導波管２５，４２）は、容器１２内における洗浄水Ｗ中にマイクロ波を照射可能な位置であれば、容器１２の任意の位置に設けることができる。
【００５９】
・上記各実施の形態の液中プラズマ処理装置１１,４１，５１は、洗浄水Ｗに含まれる有害物質を分解する処理装置として利用するものであったが、これ以外に、例えばカーボンナノチューブなどを製造するための化学反応の誘起・促進をさせる反応装置としても利用することができる。勿論、液中プラズマ処理装置１１,４１，５１は、水耕栽培用の水などの液体を細菌する殺菌装置として利用してもよい。
【００６０】
・上記実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、超音波発生装置１３が照射する超音波の周波数は２０ｋＨｚであり、マイクロ波発生装置１４が照射するマイクロ波は２．４５ＧＨｚであったが、これら周波数は適宜変更してもよい。例えば、超音波の周波数をより高く、具体的には１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ程度に設定してもよい。また、放電プラズマＰを発生させるための電磁波としては、３００ＭＨｚ〜１２ＧＨｚ程度に設定してもよい。
【００６１】
・上記各実施の形態において、減圧装置１５は、駆動源としてロータリーポンプ３６を用いるものであったが、これに限定されるものではなく、拡散ポンプなどの他の真空ポンプを用いることができる。また、減圧装置１５により容器１２内を４ｋＰａの圧力に減圧するものであったが、この圧力に限定されるものではない。容器１２内の圧力としては、例えば２ｋＰａ〜１５ｋＰａ程度に設定してもよい。
【００６２】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００６３】
（１）請求項４において、前記液体は洗浄水であり、前記超音波照射手段は、前記洗浄水中に超音波を照射して超音波洗浄を行うことを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６４】
（２）上記技術的思想（１）において、前記被処理物質は、前記超音波洗浄による洗浄廃液中に含まれる有害物質であり、前記液中光源からの紫外線照射によって、前記有害物質を分解して無害化することを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６５】
（３）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記容器内にて前記液体中から気化した前記被処理物質を含む気体中に電磁波を照射して放電プラズマを発生させる気中電磁波照射手段をさらに備えたことを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６６】
（４）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記液中光源の発光スペクトルを測定する発光スペクトル測定手段をさらに備えることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６７】
（５）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記液中光源発生手段が照射する電磁波の周波数は３００ＭＨｚ〜１２ＧＨｚであることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６８】
（６）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記液中光源発生手段が照射する電磁波の照射強度は１０Ｗ〜２０００Ｗであることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６９】
（７）請求項３において、前記減圧手段による減圧は２ｋＰａ〜１５ｋＰａであることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００７０】
（８）請求項３において、前記減圧手段は、前記容器内を飽和状態となるレベルまで減圧し、前記液中光源発生手段は、飽和蒸気圧下で電磁波を照射することを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明を具体化した第１の実施の形態の液中プラズマ処理装置を示す概略構成図。
【図２】導波管の先端面を示す平面図。
【図３】放電プラズマの発光スペクトルを示すグラフ。
【図４】本発明を具体化した第２の実施の形態の液中プラズマ処理装置を示す概略構成図。
【図５】本発明を具体化した第３の実施の形態の液中プラズマ処理装置を示す概略構成図。
【図６】酸素のバブリングによる発光スペクトルの強度変化を示すグラフ。
【図７】放電プラズマによる分解効率を示すグラフ。
【図８】別例の発光スペクトルを示すグラフ。
【符号の説明】
【００７２】
１１，４１，５１…液中プラズマ処理装置
１２…容器
１３…超音波照射手段としての超音波発生装置
１４，４５…液中光源発生手段としてのマイクロ波発生装置
１５…減圧手段としての減圧装置
２４…マイクロ波発生器
３１…導波管
３４…スロットアンテナとして機能する開口部
５２…バブリング手段としてのバブリング装置
Ｌ…液中光源
Ｐ…放電プラズマ
Ｗ…液体としての洗浄水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物質を含む液体中に電磁波を照射し、その液体中にプラズマを発生させて被処理物質の処理を行う液中プラズマ処理装置、及び液中プラズマ処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、有害物質を含む液体中に電磁波と紫外線とを同時に照射して有害物質を分解する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の処理システムでは、紫外線が透過可能な石英管内に有害物質を含む液体を通過させるとともに、その石英管の外部に高周波減圧ガスプラズマを生成して、液体への電磁波照射と紫外線照射とを同時に行っている。この処理システムでは、電磁波エネルギーにより、有害物質が励起されて水と分離されるとともに、水の励起によって有害物質がイオン化される。さらに、紫外線照射による光エネルギーによって有害物質が分解されて無害化される。
【０００３】
また、液体中に超音波と電磁波とを同時に照射して放電プラズマを発生させ、その放電プラズマにより化学反応を誘起させる装置が、特許文献２，３などに開示されている。
【特許文献１】特開２００４−３３０１７４号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８６００号公報
【特許文献３】特開２００５−２３０７５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１の処理システムでは、石英管を介して紫外線照射を行う構成であるため、液体の浄化処理に伴って石英管の表面に汚れが付着すると、液体に十分な強さの紫外線が照射されなくなり、有害物質の分解効率が悪化する。従って、有害物質の分解効率を維持するためには、石英管の表面を定期的に洗浄するといったメンテナンス作業が必要となり、処理コストが嵩んでしまう。また、紫外線ランプを液体中に直接入れて紫外線照射により液体中の有害物質を分解する処理装置も実用化されているが、その処理装置においても、同様に紫外線ランプのガラス面が汚れ、分解効率が低下するといった問題が生じてしまう。
【０００５】
因みに、特許文献２，３の装置を用いれば、液体に含まれる有害物質を放電プラズマによって分解することが可能である。そして、仮にこの装置において、放電プラズマに加えて紫外線の照射を行ったとするならば、処理効率の向上を期待できるかもしれない。しかし、特許文献２，３には、可視光線に比べてエネルギーの大きい紫外線の照射を併用して液体中の有害物質を分解するといった思想は、全く開示されていない。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体に含まれる被処理物質の処理を効率よく行うことができる液中プラズマ処理装置、及び液中プラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、被処理物質を含む液体を導入可能な容器と、前記液体中に気泡を発生させる気泡発生手段と、前記液体中における気泡発生領域に電磁波を照射して放電プラズマによる発光現象を誘起し、前記気泡発生領域に紫外線及び可視光線を放つ液中光源を発生させる液中光源発生手段とを備えたことを特徴とする液中プラズマ処理装置をその要旨とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、気泡発生手段により、容器内の液体中に気泡が発生され、液中光源発生手段により、気泡発生領域に電磁波が照射される。この電磁波照射によって、液体中に放電プラズマによる発光現象が誘起され、紫外線及び可視光線を放つ液中光源が発生する。この場合、液中光源からの紫外線が液体中の被処理物質に直接照射されることで、その紫外線の光エネルギーによって被処理物質を処理（分解、化学反応、殺菌等）することができる。また、放電プラズマの熱エネルギーによっても液体中の被処理物質を処理することができ、処理効率を高めることができる。さらに、本発明の処理装置は、液中光源を覆う管がなく紫外線を液体中に直接照射する構成であるので、管の表面の汚れによって処理効率が低下するといった問題を回避でき、メンテナンス費用を低減することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記液中光源発生手段は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波を伝搬させる導波管と、前記導波管の先端部に形成され前記マイクロ波を出力するスロットアンテナとを有することをその要旨とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、電界強度の強いマイクロ波をスロットアンテナから出力することができるため、放電プラズマを確実に発生させることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２において、前記気泡発生手段は、前記容器内の気体を排出して前記容器内を減圧状態にする減圧手段を含むことをその要旨とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、減圧手段により、容器内を減圧し液体の沸点を低下させることで、その液体が沸騰して気泡が発生される。そして、その気泡の発生領域に液中光源発生手段から電磁波を照射することで放電プラズマを誘起させ液中光源を発生させることができる。また、容器内を減圧しておけば、常圧時ほど強い電磁波でなくも放電プラズマを効率よく発生させることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、前記気泡発生手段は、前記容器内の液体中に超音波を照射してキャビテーションを発生させる超音波照射手段を含むことをその要旨とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、超音波照射手段により、容器内の液体中に超音波を照射することでキャビテーション（気泡）が発生される。そして、キャビテーションの発生領域に液中光源発生手段から電磁波を照射することでキャビテーションを核として放電プラズマを誘起させ液中光源を発生させることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記気泡発生手段は、前記容器内の液体中に酸素ガス、オゾンガスまたは過酸化水素ガスをバブリングするバブリング手段を含むことをその要旨とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、バブリング手段により、容器内の液体中に酸素ガス、オゾンガスまたは過酸化水素ガスがバブリングされる。そして、その液体中に液中光源発生手段から電磁波を照射して放電プラズマを誘起させることにより、液中光源が発する紫外線の照射強度を高めることができ、被処理物質を確実に処理することができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、容器内に導入された液体中に気泡を発生させて気泡発生領域に電磁波を照射して放電プラズマを発生させることにより、前記液体中に含まれる被処理物質をその放電プラズマで処理する液中プラズマ処理方法であって、前記放電プラズマによる発光現象を誘起して前記気泡発生領域に紫外線及び可視光線を放つ液中光源を発生させ、その紫外線を前記液体中にて前記被処理物質に直接照射することにより、併せて前記被処理物質の処理を行うことを特徴とする液中プラズマ処理方法をその要旨とする。
【００１８】
請求項６に記載の発明によれば、容器内の液体中に気泡が発生され、気泡発生領域に電磁波が照射される。この電磁波照射によって、液体中に放電プラズマによる発光現象が誘起され、紫外線及び可視光線を放つ液中光源が発生される。この場合、液中光源からの紫外線が液体中の被処理物質に直接照射されることで、その紫外線の光エネルギーによって被処理物質を処理（分解、化学反応、殺菌等）することができる。また、放電プラズマの熱エネルギーによっても液体中の被処理物質を処理することができるので、処理効率を高めることができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記液中光源は３０８ｎｍにピークを有する紫外線を発生することをその要旨とする。
【００２０】
例えば水を含んだ液体中で放電プラズマを発生させた場合、その液体中でヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）が生成されるため、請求項７に記載の発明のように、液中光源から３０８ｎｍにピークを有する強い紫外線を発生させることができる。そして、この紫外線を液体中の被処理物質に直接照射することで、被処理物質を効率よく処理（分解、化学反応、殺菌等）することができる。なお、処理効率向上の観点から、液中光源が発する光のスペクトルのうち、３０８ｎｍにピークを有する紫外線の強度が最も高いことが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
以上詳述したように、請求項１〜５に記載の発明によると、液体に含まれる被処理物質の処理を効率よく行うことができる液中プラズマ処理装置を提供することができる。請求項６，７に記載の発明によると、液体に含まれる被処理物質の処理を効率よく行うことができる液中プラズマ処理方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［第１の実施の形態］
【００２３】
以下、本発明を液中プラズマ処理装置に具体化した第１の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１を示す概略構成図である。
【００２４】
図１に示されるように、液中プラズマ処理装置１１は、液体を導入可能な容器１２と、超音波照射手段としての超音波発生装置１３と、液中光源発生手段としてのマイクロ波発生装置１４と、減圧手段としての減圧装置１５と、発光スペクトル測定手段としてのスペクトロメータ（分光光度計）１６とを備える。本実施の形態において、容器１２はステンレスからなり、その容器１２内には、液体としての洗浄水Ｗ（即ちＨ２Ｏ）が入れられている。
【００２５】
超音波発生装置１３は、超音波振動子２１とその超音波振動子２１を駆動するためのパルスを出力するパルス発生器２２とを備える。超音波振動子２１は、その先端面（振動面）が容器１２の底部に当接した状態で固定されており、容器１２の底部から上方に向けて超音波を照射する。本実施形態の超音波振動子２１は、パルス発生器２２から出力されたパルスによって駆動されると、例えば２０ｋＨｚ、１０〜２０００Ｗの超音波を洗浄水Ｗ中に照射する。
【００２６】
マイクロ波発生装置１４は、電磁波としてのマイクロ波を発生するマグネトロン（マイクロ波発生器）２４と、マグネトロン２４にて発生したマイクロ波を伝搬する導波管２５とを備えている。マイクロ波発生装置１４の導波管２５は、その先端が容器１２の上面にて超音波振動子２１に対向する位置に固定されている。すなわち、導波管２５の先端は、超音波振動子２１の設置位置の直上の位置であって、容器１２内の液面よりも下方の位置となるよう設けられている。
【００２７】
導波管２５は、先端が容器１２内に突出するように配置された管本体３１と、管本体３１内部（中央孔３１ａ）に配置されたマイクロ波透過体（具体的には石英ガラス）３２とを有する。マイクロ波透過体３２は、管本体３１の長手方向に直交する方向に切った断面形状が略矩形状となるよう形成されている。なお、マイクロ波透過体３２としては、石英ガラスの以外の材料（例えば、セラミックスからなる誘電体など）を用いてもよい。
【００２８】
図２に示されるように、管本体３１は、外形形状が略円形状となるよう形成されるとともに、中央孔３１ａは、管本体３１の長手方向に直交する方向に切った断面が略矩形状となるように形成されている。管本体３１の先端は、容器１２の上面中央に設けられた管本体挿通孔３３に挿入されている。この管本体３１の先端面には、スリット状の開口部３４が設けられており、マイクロ波透過体３２を伝搬したマイクロ波がその開口部３４から出力される。すなわち、導波管２５における管本体３１の先端部がスロットアンテナとして機能し、電界強度が非常に強いマイクロ波を出力する。
【００２９】
本実施の形態のマイクロ波発生装置１４において、マグネトロン２４は、直流電流が供給されることで、例えば、２．４５ＧＨｚ、１０Ｗ〜２０００Ｗのマイクロ波を発生する。そして、導波管２５は、そのマイクロ波を基本モードであるＴＥ１０モードで伝搬させ、先端側のマイクロ波透過体３２を通して開口部３４から洗浄水Ｗ中に照射する。このマイクロ波の照射によって、洗浄水Ｗ中に放電プラズマＰによる発光現象が誘起され、液中光源Ｌが発生される。すなわち、放電プラズマＰによる発光領域が液中光源Ｌとなる。
【００３０】
減圧装置１５は、減圧用のロータリーポンプ３６と、そのロータリーポンプ３６と容器１２内部とを接続する排気管３７と、排気管３７の途中に設けられる開閉バルブ３８とを備える。この減圧装置１５では、開閉バルブ３８が開状態に作動された後、ロータリーポンプ３６が駆動されると、容器１２内の気体が排気管３７を介して排出され、その容器１２内が減圧状態（具体的には、例えば４ｋＰａの圧力）にされる。
【００３１】
スペクトロメータ１６は、容器１２の側面に設けられた光透過部３９に臨むように配置されている。スペクトロメータ１６は、放電プラズマＰによる液中光源Ｌの発光スペクトルを測定する。この液中光源Ｌの発する光は、紫外線及び可視光線を含むため、光透過部３９としては、紫外線及び可視光線を透過する材料（例えば、石英ガラス）が用いられる。
【００３２】
次に、本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１におけるプラズマ処理方法を説明する。
【００３３】
先ず、容器１２内の洗浄水Ｗ中に図示しない洗浄物（例えば、トリクロロエチレンなどの有害物質を含む汚染土壌）を入れる。そして、容器１２を密閉状態にした後、減圧装置１５を作動させる。このとき、開閉バルブ３８が開状態に作動されてロータリーポンプ３６が駆動されることで、容器１２内の気体が排気管３７を介して排出され、その容器１２内が減圧される。ここで、容器１２内が減圧されることにより、洗浄水Ｗはその沸点が下がり沸騰する。本実施の形態では、容器１２内が水蒸気で飽和状態となる所定圧力まで減圧されたとき、開閉バルブ３８が閉状態にされてロータリーポンプ３６が停止される。
【００３４】
その後、超音波発生装置１３を作動させ、洗浄水Ｗへの超音波の照射を開始させる。すなわち、パルス発生器２２においてパルスが生成され、そのパルスが超音波振動子２１に供給されることにより、超音波振動子２１から超音波が洗浄水Ｗ中に照射される。これにより、洗浄物が超音波洗浄され、被処理物質としての有害物質（トリクロロエチレンなどの有機塩素系溶剤）が汚染土壌から分離される。この超音波の照射により、洗浄水Ｗ中にキャビテーション（気泡）が多発的に生じる。
【００３５】
またこのとき、マイクロ波発生装置１４を作動させ、キャビテーションの発生領域（気泡発生領域）にマイクロ波を照射する。具体的には、図示しない電源からマグネトロン２４に直流電流が供給されることでマイクロ波が発生される。そして、そのマイクロ波は導波管２５を伝搬してスリット状の開口部３４から容器１２内の洗浄水Ｗ中に照射される。このマイクロ波の照射によって、洗浄水Ｗ中に放電プラズマＰが発生し、その放電プラズマＰの熱エネルギーにより、洗浄水Ｗ中の有害物質が分解され無害化される。さらに、洗浄水Ｗ中において、放電プラズマＰによる発光現象が誘起され、紫外線及び可視光線を放つ液中光源Ｌが発生される。
【００３６】
また、この液中光源Ｌの放つ紫外線及び可視光線がスペクトロメータ１６で測定され、その測定結果に応じて、洗浄水Ｗの処理状態が判断される。
【００３７】
図３には、スペクトロメータ１６を用いて測定した液中光源Ｌの発光スペクトルの測定結果を示している。なお、図３は、洗浄水Ｗ中で液中光源Ｌを発生させた場合の発光スペクトルである。洗浄水Ｗ中でプラズマを発生させることによって、その洗浄水Ｗ中でヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル），水素ラジカル（Ｈラジカル），酸素ラジカル（Ｏラジカル）のフリーラジカルが生成される。図３では、それらラジカル生成に応じた波長のスペクトルが観測されている。ＯＨラジカルに対応するスペクトルは、波長が３０８ｎｍの紫外線であり、他のスペクトルと比較して照射強度が非常に強い。従って、洗浄水Ｗ中で液中光源Ｌを発生させることで、非常に強い紫外線が洗浄水Ｗ中の有害物質に直接照射されるため、その光エネルギーによっても有害物質が分解され無害化される。
【００３８】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００３９】
（１）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、超音波振動子２１により、容器１２内の洗浄水Ｗ中に超音波を照射することでキャビテーション（気泡）が発生される。そして、そのキャビテーションの発生領域に導波管２５からマイクロ波を照射することでキャビテーションを核として放電プラズマＰを発生させることができる。この場合、放電プラズマＰの熱エネルギーにより洗浄水Ｗ中の有害物質を分解して無害化することができる。また、放電プラズマＰにより、非常に強い紫外線を放つ液中光源Ｌが発生されるため、その紫外線が洗浄水Ｗ中の有害物質に直接照射されることで、有害物質を分解して無害化することができる。さらに、液中プラズマ処理装置１１は、液中光源Ｌを覆うガラス面がなく紫外線が洗浄水Ｗ中に直接照射される構成であるので、ガラス面の汚れによって処理効率が低下するといった問題を回避でき、メンテナンス費用を低減することができる。
【００４０】
（２）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、導波管２５の先端面（開口部３４）がスロットアンテナとして機能し、電界強度が非常に強いマイクロ波を出力することができる。これにより、洗浄水Ｗ中において放電プラズマＰを確実に発生させることができる。
【００４１】
（３）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、減圧装置１５により、容器１２内を減圧して洗浄水Ｗの沸点を低下させることで、洗浄水Ｗを沸騰させて洗浄水中に気泡を発生させることができる。そして、その気泡発生領域にマイクロ波を照射することにより、放電プラズマＰを発生させることができる。また、容器１２内を減圧しておくことにより、常圧時ほど強いマイクロ波でなくも放電プラズマＰを効率よく発生させることができる。
【００４２】
（４）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、洗浄水Ｗ中において汚染土壌を超音波洗浄するのと同時に、その超音波洗浄によって汚染土壌から分離した有害物質を放電プラズマＰにより分解することができる。従って、土壌への有害物質の再付着を確実に防止でき、汚染土壌を効率よく浄化処理することができる。また、洗浄水Ｗ中の有害物質が無害化され洗浄廃液が出ないので、コスト的にも有利なものとなる。
【００４３】
（５）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、超音波発生装置１３の超音波振動子２１が容器１２の底部に設けられている。通常、液相は液体導入時に容器１２の底部に生じるので、この位置に超音波振動子２１を設けておくことにより、容器１２内の洗浄水Ｗ中に超音波を確実に照射することができる。また、マイクロ波発生装置１４の導波管２５が超音波振動子２１に対向する位置に配置されるので、超音波照射による気泡発生領域にマイクロ波を確実に照射することができる。従って、放電プラズマＰを確実に発生させることができ、放電プラズマＰによって洗浄水Ｗ中の有害物質を効率よく分解することができる。しかも、このような配置にすることにより装置の小型化が達成しやすくなる。
［第２の実施の形態］
【００４４】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図４に基づき説明する。
【００４５】
図４に示されるように、本実施の形態の液中プラズマ処理装置４１では、容器１２の底部にその長手方向に沿って導波管４２が設けられており、その導波管４２の上面において、スリット状の開口部４３が所定間隔をおいて複数形成されている。容器１２内において導波管４２は洗浄水Ｗ中に設けられており、導波管４２の各開口部４３から洗浄水Ｗ中にマイクロ波が照射されるようになっている。本実施の形態では、導波管４２とマグネトロン（マイクロ波発生器）２４とによりマイクロ波発生装置（液中光源発生手段）４５が構成されている。
【００４６】
本実施の形態の液中プラズマ処理装置４１においても、第１の実施の形態と同様に、容器１２内を減圧するための減圧装置（減圧手段）１５が設けられている。また、容器１２の上面において、減圧装置１５の排気管３７の接続部近傍の位置に、導波管２５が容器１２内に突出するよう設けられている。この導波管２５は、第１の実施の形態と同様に、管本体３１の先端面にスリット状の開口部３４が設けられている。導波管２５の先端は、第１の実施の形態と異なり、容器１２内の液面よりも上方の位置、すなわち気相中に配置されている。従って、マイクロ波発生器２４から出力されたマイクロ波は導波管２５の開口部３４から気相中に照射される。本実施の形態では、導波管２５とマグネトロン（マイクロ波発生器）２４とによりマイクロ発生装置（気中電磁波照射手段）４６が構成されている。
【００４７】
本実施の形態の液中プラズマ処理装置４１では、減圧装置１５で容器１２内を減圧して洗浄水Ｗを沸騰させ、洗浄水Ｗ中に気泡を発生させた状態で導波管４２の複数の開口部４３から洗浄水Ｗ中にマイクロ波を照射する。これにより、各開口部４３に対応する複数個所で放電プラズマＰを発生させることができ、洗浄水Ｗ中の有害物質を確実に分解して無害化することができる。さらに、導波管２５の開口部３４から気相中にマイクロ波を照射することにより、気相中にて放電プラズマＰ１を発生させることができる。従って、減圧装置１５が容器１２内を減圧することによって洗浄水Ｗ中から気化した有害物質をその放電プラズマＰ１により分解して無害化することができる。また、この放電プラズマＰ１は、減圧装置１５の排気管３７の近傍で発生されるため、減圧装置１５の作動時に排気管３７を介して有害物質が外部に排出されることを防止することができる。
［第３の実施の形態］
【００４８】
次に、本発明を具体化した第３の実施の形態を図５に基づき説明する。
【００４９】
図５に示されるように、本実施の形態の液中プラズマ処理装置５１において、容器１２の底部には導波管２５が容器１２内に突出するように設けられている。この導波管２５も、第１の実施の形態と同様に、管本体３１の先端面にスリット状の開口部３４が設けられており、この開口部３４から洗浄水Ｗ中にマイクロ波が照射される。本実施の形態では、導波管２５とマグネトロン（マイクロ波発生器）２４とによりマイクロ発生装置（液中光源発生手段）１４が構成されている。また、液中プラズマ処理装置５１は、第１の実施の形態と同様に、減圧装置（減圧手段）１５とスペクトロメータ（発光スペクトル測定手段）１６とを備えている。
【００５０】
さらに、液中プラズマ処理装置５１は、容器１２内の洗浄水Ｗ中に酸素ガスＧ１をバブリングするためのバブリング装置（バブリング手段）５２を備えている。バブリング装置５２は、例えば酸素が充填された酸素ボンベ５３と、酸素ガスＧ１を洗浄水Ｗ中に供給するための供給パイプ５４と、供給パイプ５４の途中に設けられる開閉バルブ５５とを備える。このバブリング装置５２では、開閉バルブ５５が開状態に作動されることで、酸素ボンベ５３の酸素ガスＧ１が供給パイプ５４を通して洗浄水Ｗ中に供給される。このように、洗浄水Ｗ中に酸素ガスＧ１をバブリングさせることで、マイクロ波の照射による放電プラズマＰが発生しやすくなる。またこの場合、放電プラズマＰによる液中光源Ｌから発生される紫外線の照射強度が高められ、洗浄水Ｗに含まれる有害物質を確実に分解することができる。
【００５１】
図６には、バブリング装置５２による酸素ガスＧ１の供給量に応じた発光スペクトルの強度変化を示している。なお、同図には、ＯＨラジカルに対応する波長３０８ｎｍのスペクトルと、Ｏラジカルに対応する波長７７７ｎｍのスペクトルとについての測定結果を示している。この測定結果では、酸素ガスＧ１の供給量を多くすると、各スペクトルの強度が強くなることがわかる。具体的には、ＯＨラジカルに対応するスペクトル（波長が３０８ｎｍの紫外線）は、酸素ガスＧ１の供給量を１０００（ＳＣＣＭ）以上、すなわち１分間あたり１０００ｃｃ以上の流量に増加させると、酸素ガスＧ１を供給しない場合と比較して約２倍の強度になる。
【００５２】
図７には、本実施の形態の液中プラズマ処理装置５１を用いてトリクロロエチレン(ＴＣＥ)を分解した場合の実験結果を示している。なお、ここでは、トリクロロエチレンを５．７ｍｇ／Ｌの濃度で含む洗浄水Ｗを用意して、放電プラズマによるトリクロロエチレンの分解効率を確認した。同図には、液中プラズマ処理装置５１において、減圧のみを行った場合（放電プラズマＰを発生させない場合）と、酸素ガスＧ１をバブリング（添加）しないで放電プラズマＰを発生させた場合とをそれぞれ比較例として示している。
【００５３】
図７の実験結果に示されるように、洗浄水Ｗ中で放電プラズマＰを発生させることで、トリクロロエチレンが短時間（約６０分）で分解される。また、洗浄水Ｗ中に酸素ガスＧ１をバブリングすることにより、液中光源Ｌから発生される紫外線の照射強度が高められるため、トリクロロエチレンの分解効率が向上される。
【００５４】
以上のことより、本実施の形態の液中プラズマ処理装置５１を用いれば、洗浄水Ｗ中に含まれる有害物質を効率よく分解することができる。
【００５５】
なお、本発明の各実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５６】
・上記第３の実施の形態では、液中光源Ｌの紫外線の強度を高めるために、バブリング装置５２を用いて洗浄水Ｗ中に酸素ガスＧ１をバブリングするものであったが、酸素ガスＧ１以外に、オゾンガスや過酸化水素ガスをバブリングするように構成してもよい。図８には、液中プラズマ処理装置５１において容器１２内の洗浄水Ｗ中に過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）ガスを添加した場合の発光スペクトルを示している。洗浄水Ｗに過酸化水素ガスを添加した場合では、紫外線の波長域にあるスペクトル（２８０ｎｍ〜３８０ｎｍのスペクトル）が増える。また、それらスペクトルは非常に照射強度が強い。従って、過酸化水素ガスを添加した場合においても、酸素ガスＧ１を添加した場合と同様に、洗浄水Ｗ中に含まれる有害物質を効率よく分解することができる。
【００５７】
・上記第１の実施の形態において、超音波振動子２１はその先端面（振動面）が容器１２の底面に当接した状態で設けられていたが、これに限定されるものではなく、超音波振動子２１の先端が容器１２内部に突出するよう設けてもよい。このようにすれば、洗浄水Ｗ中に超音波を確実に照射することができる。また、超音波振動子２１の設置位置としては、容器１２内の洗浄水Ｗに超音波を照射可能な位置であればよく、容器１２の底部以外に側面や上面であってもよい。
【００５８】
・上記第１及び第２の実施の形態では、マイクロ波発生装置１４の導波管２５を容器１２の上面に設け、上記第２及び第３の実施の形態では、導波管２５，４２を容器１２の底面に設けるものであったが、導波管２５，４２を容器１２の側面に設けてもよい。すなわち、マイクロ波発生装置１４（導波管２５，４２）は、容器１２内における洗浄水Ｗ中にマイクロ波を照射可能な位置であれば、容器１２の任意の位置に設けることができる。
【００５９】
・上記各実施の形態の液中プラズマ処理装置１１,４１，５１は、洗浄水Ｗに含まれる有害物質を分解する処理装置として利用するものであったが、これ以外に、例えばカーボンナノチューブなどを製造するための化学反応の誘起・促進をさせる反応装置としても利用することができる。勿論、液中プラズマ処理装置１１,４１，５１は、水耕栽培用の水などの液体を細菌する殺菌装置として利用してもよい。
【００６０】
・上記実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、超音波発生装置１３が照射する超音波の周波数は２０ｋＨｚであり、マイクロ波発生装置１４が照射するマイクロ波は２．４５ＧＨｚであったが、これら周波数は適宜変更してもよい。例えば、超音波の周波数をより高く、具体的には１００ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ程度に設定してもよい。また、放電プラズマＰを発生させるための電磁波としては、３００ＭＨｚ〜１２ＧＨｚ程度に設定してもよい。
【００６１】
・上記各実施の形態において、減圧装置１５は、駆動源としてロータリーポンプ３６を用いるものであったが、これに限定されるものではなく、拡散ポンプなどの他の真空ポンプを用いることができる。また、減圧装置１５により容器１２内を４ｋＰａの圧力に減圧するものであったが、この圧力に限定されるものではない。容器１２内の圧力としては、例えば２ｋＰａ〜１５ｋＰａ程度に設定してもよい。
【００６２】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した各実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００６３】
（１）請求項４において、前記液体は洗浄水であり、前記超音波照射手段は、前記洗浄水中に超音波を照射して超音波洗浄を行うことを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６４】
（２）上記技術的思想（１）において、前記被処理物質は、前記超音波洗浄による洗浄廃液中に含まれる有害物質であり、前記液中光源からの紫外線照射によって、前記有害物質を分解して無害化することを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６５】
（３）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記容器内にて前記液体中から気化した前記被処理物質を含む気体中に電磁波を照射して放電プラズマを発生させる気中電磁波照射手段をさらに備えたことを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６６】
（４）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記液中光源の発光スペクトルを測定する発光スペクトル測定手段をさらに備えることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６７】
（５）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記液中光源発生手段が照射する電磁波の周波数は３００ＭＨｚ〜１２ＧＨｚであることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６８】
（６）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記液中光源発生手段が照射する電磁波の照射強度は１０Ｗ〜２０００Ｗであることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００６９】
（７）請求項３において、前記減圧手段による減圧は２ｋＰａ〜１５ｋＰａであることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００７０】
（８）請求項３において、前記減圧手段は、前記容器内を飽和状態となるレベルまで減圧し、前記液中光源発生手段は、飽和蒸気圧下で電磁波を照射することを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明を具体化した第１の実施の形態の液中プラズマ処理装置を示す概略構成図。
【図２】導波管の先端面を示す平面図。
【図３】放電プラズマの発光スペクトルを示すグラフ。
【図４】本発明を具体化した第２の実施の形態の液中プラズマ処理装置を示す概略構成図。
【図５】本発明を具体化した第３の実施の形態の液中プラズマ処理装置を示す概略構成図。
【図６】酸素のバブリングによる発光スペクトルの強度変化を示すグラフ。
【図７】放電プラズマによる分解効率を示すグラフ。
【図８】別例の発光スペクトルを示すグラフ。
【符号の説明】
【００７２】
１１，４１，５１…液中プラズマ処理装置
１２…容器
１３…超音波照射手段としての超音波発生装置
１４，４５…液中光源発生手段としてのマイクロ波発生装置
１５…減圧手段としての減圧装置
２４…マイクロ波発生器
３１…導波管
３４…スロットアンテナとして機能する開口部
５２…バブリング手段としてのバブリング装置
Ｌ…液中光源
Ｐ…放電プラズマ
Ｗ…液体としての洗浄水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物質を含む液体を導入可能な容器と、
前記液体中に気泡を発生させる気泡発生手段と、
前記液体中における気泡発生領域に電磁波を照射して放電プラズマによる発光現象を誘起し、前記気泡発生領域に紫外線及び可視光線を放つ液中光源を発生させる液中光源発生手段と
を備えたことを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記液中光源発生手段は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波を伝搬させる導波管と、前記導波管の先端部に形成され前記マイクロ波を出力するスロットアンテナとを有することを特徴とする請求項１に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記気泡発生手段は、前記容器内の気体を排出して前記容器内を減圧状態にする減圧手段を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記気泡発生手段は、前記容器内の液体中に超音波を照射してキャビテーションを発生させる超音波照射手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記気泡発生手段は、前記容器内の液体中に酸素ガス、オゾンガスまたは過酸化水素ガスをバブリングするバブリング手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項６】
容器内に導入された液体中に気泡を発生させて気泡発生領域に電磁波を照射して放電プラズマを発生させることにより、前記液体中に含まれる被処理物質をその放電プラズマで処理する液中プラズマ処理方法であって、
前記放電プラズマによる発光現象を誘起して前記気泡発生領域に紫外線及び可視光線を放つ液中光源を発生させ、その紫外線を前記液体中にて前記被処理物質に直接照射することにより、併せて前記被処理物質の処理を行うことを特徴とする液中プラズマ処理方法。
【請求項７】
前記液中光源は３０８ｎｍにピークを有する紫外線を発生することを特徴とする請求項６に記載の液中プラズマ処理方法。
【請求項１】
被処理物質を含む液体を導入可能な容器と、
前記液体中に気泡を発生させる気泡発生手段と、
前記液体中における気泡発生領域に電磁波を照射して放電プラズマによる発光現象を誘起し、前記気泡発生領域に紫外線及び可視光線を放つ液中光源を発生させる液中光源発生手段と
を備えたことを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記液中光源発生手段は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器と、前記マイクロ波を伝搬させる導波管と、前記導波管の先端部に形成され前記マイクロ波を出力するスロットアンテナとを有することを特徴とする請求項１に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項３】
前記気泡発生手段は、前記容器内の気体を排出して前記容器内を減圧状態にする減圧手段を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記気泡発生手段は、前記容器内の液体中に超音波を照射してキャビテーションを発生させる超音波照射手段を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記気泡発生手段は、前記容器内の液体中に酸素ガス、オゾンガスまたは過酸化水素ガスをバブリングするバブリング手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項６】
容器内に導入された液体中に気泡を発生させて気泡発生領域に電磁波を照射して放電プラズマを発生させることにより、前記液体中に含まれる被処理物質をその放電プラズマで処理する液中プラズマ処理方法であって、
前記放電プラズマによる発光現象を誘起して前記気泡発生領域に紫外線及び可視光線を放つ液中光源を発生させ、その紫外線を前記液体中にて前記被処理物質に直接照射することにより、併せて前記被処理物質の処理を行うことを特徴とする液中プラズマ処理方法。
【請求項７】
前記液中光源は３０８ｎｍにピークを有する紫外線を発生することを特徴とする請求項６に記載の液中プラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１７３５２１（Ｐ２００８−１７３５２１Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１７５９２（Ｐ２００６−２１７５９２）
【出願日】平成１８年８月９日（２００６．８．９）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月９日（２００６．８．９）
【出願人】（０００２４３３６４）本多電子株式会社 (255)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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