液中プラズマ処理装置、及び液中プラズマ処理方法
【課題】液体中でプラズマを安定的に発生させ、液体に含まれる被処理物質を効率よく処理する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、処理水Ｗを導入可能な容器１２と、マイクロ波発生装置１４とを備える。マイクロ波発生装置１４は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器２１と、そのマイクロ波を伝搬させる導波管２２とを有する。導波管２２は、その先端部が容器１２の内部に突出した状態で容器１２の側壁に固定されている。導波管２２の先端面２２ａには貫通穴４２を有する石英板４１が密接配置される。導波管２２から処理水Ｗ中にマイクロ波が照射されることにより、その処理水Ｗ中に発生した気泡が石英板４１の貫通穴４２内に捕捉され、その気泡中に放電プラズマが発生される。
【解決手段】液中プラズマ処理装置１１は、処理水Ｗを導入可能な容器１２と、マイクロ波発生装置１４とを備える。マイクロ波発生装置１４は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器２１と、そのマイクロ波を伝搬させる導波管２２とを有する。導波管２２は、その先端部が容器１２の内部に突出した状態で容器１２の側壁に固定されている。導波管２２の先端面２２ａには貫通穴４２を有する石英板４１が密接配置される。導波管２２から処理水Ｗ中にマイクロ波が照射されることにより、その処理水Ｗ中に発生した気泡が石英板４１の貫通穴４２内に捕捉され、その気泡中に放電プラズマが発生される。
【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マイクロ波を照射し、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プラズマを発生させ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）。特許文献１に記載されている反応装置では、超音波を照射することで液体中に気泡を発生させ、さらにその液体に対して電磁波を照射することにより気泡中にプラズマを発生させている。このプラズマの作用によって液体中の有害物質が分解されて無害化される。
【０００３】
また、本発明者らは、マイクロ波を液体中に照射して、放電プラズマを発生させる液中プラズマ処理装置を提案している。図１１には、その液中プラズマ処理装置８１を示している。図１１に示されるように、液中プラズマ処理装置８１は、被処理物質を含む液体Ｗを導入可能な容器８２と、容器８２内を減圧する減圧装置８３と、容器８２内の液体Ｗにマイクロ波を照射するマイクロ波発生装置８４とを備える。マイクロ波発生装置８４は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器８５と、そのマイクロ波を伝搬する導波管８６とを備えている。導波管８６は、その先端部が容器８２内部に突出した状態で容器８２の側壁に固定されている。また、導波管８６の内部には、石英ガラスからなるマイクロ波透過体８７が配置され、導波管８６の先端部に形成されたスロットアンテナ８８から電界強度が強いマイクロ波が出力されるようになっている。この液中プラズマ処理装置８１では、マイクロ波の照射によって、液体Ｗが加熱されることで沸騰して気泡が発生する。そして、この気泡中に放電プラズマが誘起され、液体Ｗに含まれる被処理物質がそのプラズマにより処理される。このように構成すれば、特許文献１のように超音波を照射しなくても液体Ｗ中に気泡を発生させることができるので、装置構成が簡素化される。
【特許文献１】特開２００４−３０６０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図１１の液中プラズマ処理装置８１では、導波管８６のスロットアンテナ８８に対応した位置で気泡が発生するが、その気泡は浮力によって上方に移動してしまう。そのため、放電プラズマの発生が不安定となり、十分な処理能力を確保できないといった問題が生じていた。
【０００５】
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、液体中でプラズマを安定的に発生させ、液体に含まれる被処理物質を効率よく処理する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】
【０００６】
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、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を有し、前記導波管の先端部から前記液体中にマイクロ波を照射して放電プラズマを誘起させるプラズマ発生手段と、前記導波管の先端部近傍に配置され、前記マイクロ波の照射によって前記液体中に発生した気泡を捕捉するための捕捉空間を有する気泡捕捉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。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、マイクロ波発生器で発生されたマイクロ波が導波管により伝搬され、容器内に導入された液体中に導波管の先端部からマイクロ波が照射される。このマイクロ波の照射によって液体が加熱されることで沸騰して気泡が発生する。また、導波管の先端部近傍には気泡捕捉手段が配置されており、液体中に発生した気泡が気泡捕捉手段の捕捉空間で捕捉される。このようにすれば、従来技術のように気泡が移動することがなく、導波管の先端部近傍の捕捉空間に気泡を長時間保持することができる。よって、導波管の先端部近傍に気泡が安定的に存在するため、その気泡中に放電プラズマを効率よく確実に発生させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記導波管の先端面には前記マイクロ波を出力するためのスロットが形成され、前記気泡捕捉手段は、誘電体材料からなり、前記導波管の外部においてその導波管の先端面に密接配置されたマイクロ波透過部材であり、前記捕捉空間は、そのマイクロ波透過部材において前記スロットに対応する位置に形成された凹部または穴部であることをその要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、導波管の先端面にはマイクロ波を出力するためのスロットが形成されており、このスロットから電界強度の強いマイクロ波を出力することができる。また、誘電体材料からなるマイクロ波透過部材が気泡捕捉手段として用いられ、そのマイクロ波透過部材が導波管の外部において導波管の先端面に密接配置されている。そして、マイクロ波透過部材においてスロットに対応する位置に凹部または穴部が形成されている。この場合、マイクロ波透過部材の内部では絶縁破壊が起こることはなくマイクロ波がエネルギーロスなく伝搬される。そして、マイクロ波透過部材の凹部または穴部の補足空間においてマイクロ波のエネルギーが集中することにより、その凹部または穴部には比較的に強い電界が印加されることとなる。この結果、凹部または穴部に捕捉されている気泡中に放電プラズマを効率よく発生させることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記気泡捕捉手段は、前記導波管の先端面に密接配置された石英板であることをその要旨とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、気泡捕捉手段として石英板が用いられている。石英は、絶縁性が高く誘電損が低い材料であるため、マイクロ波のエネルギーロスをより少なくすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記捕捉空間は、前記石英板において前記スロットを部分的に露出させるようスロットに沿って設けられた複数の貫通穴であることをその要旨とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、石英板に設けられた各貫通穴に向けてマイクロ波を確実に照射することができる。また、貫通穴が複数設けられているので、各貫通穴で捕捉した気泡中で放電プラズマを発生させることができ、処理能力を高めることができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１において、前記気泡捕捉手段は、誘電体材料からなり、前記導波管内においてその先端部に設けられたマイクロ波透過体であり、前記捕捉空間は、そのマイクロ波透過体の先端面にて開口形成された穴部であることをその要旨とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、誘電体材料からなるマイクロ波透過体が導波管内における先端部に設けられており、このマイクロ波透過体の先端面にて捕捉空間としての穴部が開口形成されている。この場合、マイクロ波透過部材の穴部に比較的に強い電界を印加することができ、穴部に捕捉されている気泡中に放電プラズマを効率よく発生させることができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、マイクロ波発生器で発生させたマイクロ波を導波管で伝搬させ、容器内に導入された液体中に前記導波管の先端部から前記マイクロ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放電プラズマ処理方法であって、前記導波管の先端部近傍において気泡を捕捉するための捕捉空間を有する気泡捕捉手段を配置し、前記マイクロ波の照射によって前記液体中に発生した気泡を前記捕捉空間に捕捉して、その捕捉した気泡中に放電プラズマを発生させるようにした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。
【００１７】
請求項６に記載の発明によれば、マイクロ波発生器で発生されたマイクロ波が導波管により伝搬され、容器内に導入された液体中に導波管の先端部からマイクロ波が照射される。このマイクロ波の照射によって液体が加熱されることで沸騰して気泡が発生する。また、導波管の先端部近傍には気泡捕捉手段が配置されており、液体中に発生した気泡が気泡捕捉手段の捕捉空間で捕捉される。このようにすれば、従来技術のように気泡が移動することがなく、導波管の先端部近傍の捕捉空間に気泡を長時間保持することができる。よって、導波管の先端部近傍に気泡が安定的に存在するため、その気泡中に放電プラズマを効率よく確実に発生させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、液体中でプラズマを安定的に発生させ、液体に含まれる被処理物質を効率よく処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
【００２０】
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。
【００２１】
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、容器１２内を減圧するための減圧装置１３と、マイクロ波を照射するためのマイクロ波発生装置１４（プラズマ発生手段）と、液体の温度を測定する熱電対１５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、被処理物質（例えば、テトラクロロエチレン（ＰＣＥ）などの有害物質）を含む処理水Ｗが入れられている。
【００２２】
マイクロ波発生装置１４は、マイクロ波を発生するマグネトロン２１（マイクロ波発生器）と、マグネトロン２１にて発生したマイクロ波を伝搬する導波管２２とを備えている。マイクロ波発生装置１４の導波管２２は、その先端が容器１２内に突出した状態で容器１２の側壁に固定されている。この導波管２２の先端は、容器１２内の液面よりも下方となる位置に設けられている。
【００２３】
導波管２２は、ステンレスからなる管本体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３２（具体的には石英ガラス）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、石英の以外の材料（例えば、セラミックスからなる誘電体材料など）を用いてもよい。
【００２４】
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の側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、細長い開口部３４（スロット）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２２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。なお、開口部３４は、マイクロ波透過体３２に印加される電界方向と直交する方向に形成されている。
【００２５】
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２１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２２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から処理水Ｗ中に照射する。
【００２６】
図１に示されるように、減圧装置１３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１３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。容器１２内を減圧することにより、処理水Ｗはその沸点が下がり沸騰し易くなる。
【００２７】
本実施の形態では、導波管２２の外部においてその先端面２２ａに石英板４１（気泡保持手段）が密接配置されている。この石英板４１は、管本体３１とほぼ等しい直径を有し、厚さが３ｍｍ程度の円盤状に形成されている。図３に示されるように、この石英板４１には、導波管２２の開口部３４を部分的に露出させるようその開口部３４に沿って複数の貫通穴４２（捕捉空間）が形成されている。各貫通穴４２の直径は１０ｍｍであり、５ｍｍ程度の間隔をあけて設けられている。
【００２８】
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。
【００２９】
先ず、容器１２内に処理水Ｗを入れ、容器１２を密閉状態にした後、減圧装置１３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、処理水Ｗはその沸点が下がる。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る。
【００３０】
その後、マイクロ波発生装置１４を作動させ、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２１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２２を伝搬して開口部３４から容器１２内の処理水Ｗ中に照射される。このマイクロ波の照射により、処理水Ｗが加熱されることで沸騰してその処理水Ｗ中に気泡が発生する。この気泡は石英板４１の各貫通穴４２内にトラップ（捕捉）され、マイクロ波のエネルギーによって、その気泡中で絶縁破壊が起こり、放電プラズマが誘起される。そして、その放電プラズマの熱エネルギーにより、処理水Ｗ中の有害物質が分解され無害化される。さらに、処理水Ｗ中において、放電プラズマによる発光現象が誘起され、非常に強い紫外線が処理水Ｗ中の有害物質に直接照射される。こ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。
【００３１】
本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１を用い、酸化還元指示薬であるメチレンブルー（被処理物質）を含む液体Ｗを容器１２内に入れ、放電プラズマによるメチレンブルーの分解効率を測定した。その結果を図４に示している。なお、図４においては、石英板４１（気泡捕捉手段）を設けていない従来の液中プラズマ処理装置（図１１参照）を用いた場合の測定結果を比較例として示している。図４に示されるように、本実施の形態では、石英板４１の各貫通穴４２内に気泡が安定的に捕捉され、放電プラズマが確実に発生することでメチレンブルーの分解効率が向上することが確認された。
【００３２】
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。
【００３３】
（１）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、導波管２２の開口部３４がスロットアンテナとして機能し、電界強度が強いマイクロ波を出力することができる。そして、そのマイクロ波を処理水Ｗ中に照射することにより、処理水Ｗが沸騰して処理水Ｗ中に気泡が発生される。また、液中プラズマ処理装置１１において、導波管２２の先端面２２ａには石英板４１が密接配置されており、処理水Ｗ中に発生した気泡は、石英板４１の各貫通穴４２内にトラップされる。このようにすれば、従来技術のように気泡が移動することがなく、導波管２２の先端部近傍で気泡を長時間保持することができる。よって、導波管２２の先端部近傍に気泡が安定的に存在するため、マイクロ波の照射によりその気泡中に放電プラズマを効率よく確実に発生させることができる。また、液中プラズマ処理装置１１では、超音波照射手段を用いなくても放電プラズマを発生させることができるため、超音波照射手段を用いた装置と比較して、装置コストや消費電力を低減することができる。
【００３４】
（２）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、気泡捕捉手段として石英板４１を用いた。この石英板４１は絶縁性が高く誘電損が低いため、マイクロ波の損失を抑えることができ、石英板４１の内部で絶縁破壊が起こることはなくマイクロ波がエネルギーロスなく伝搬される。そして、石英板４１の貫通穴４２内においてマイクロ波のエネルギーが集中することにより、その貫通穴４２には比較的に強い電界が印加されることとなる。この結果、貫通穴４２に捕捉されている気泡中に放電プラズマを効率よく発生させることができる。また、石英板４１には、導波管２２の開口部３４を部分的に露出させるよう開口部３４に沿って複数の貫通穴４２が形成されているので、各貫通穴４２内の捕捉空間にマイクロ波が確実に照射され、各貫通穴４２内で捕捉した気泡中で放電プラズマを発生させることができる。このようにすれば、低電力で確実に放電プラズマを発生させることができ、処理効率を高めることができる。
【００３５】
（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１３により、容器１２内が減圧されるので、常圧時ほど強いマイクロ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。
【００３６】
（４）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、導波管２２の先端部が容器１２の側壁に固定されており、その導波管２２から処理水Ｗ中にマイクロ波が照射されることで、その処理水Ｗ中に気泡が発生する。また、導波管２２の先端面２２ａには、複数の貫通穴４２を有する石英板４１が縦置きで密接配置されている。このように構成すれば、処理水Ｗ中に発生した気泡を石英板４１の各貫通穴４２で確実にトラップすることができ、放電プラズマを安定的に発生させることができる。
［第２の実施の形態］
【００３７】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図面に基づき説明する。図５には、本実施の形態のプラズマ処理システム５１を示している。プラズマ処理システム５１は、気中プラズマ処理装置５２と、プラズマ排気処理装置５３と、液中プラズマ処理装置１１とを備え、処理水Ｗ中に含まれる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）をプラズマで分解して除去するシステムである。
【００３８】
気中プラズマ処理装置５２は、液体を導入可能な大容量の容器５５と、容器５５内を減圧するための減圧ポンプ５６と、マイクロ波を照射するためのマイクロ波発生装置５７とを備える。減圧ポンプ５６は、容器５５内の気体を吸い出してその容器５５内を減圧する真空ポンプであって、容器５５内から吸い出した気体をプラズマ排気処理装置５３に排気するとともに、バラスト水を液中プラズマ処理装置１１に排水する。
【００３９】
マイクロ波発生装置５７は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器５８（マグネトロン）と、そのマイクロ波を伝搬させる導波管５９とを備えている。導波管５９は、容器５５の上部にてその長手方向に沿って設けられており、その導波管５９の下面において、開口部６０（スロット）が所定の間隔をおいて複数形成されている。容器５５内において、導波管５９は液面よりも上方の位置（気相中の位置）に設けられており、導波管５９の各開口部６０から気相中にマイクロ波が照射される。これにより、各開口部６０に対応する複数個所で放電プラズマを発生させることができる。従って、容器５５内を減圧することにより処理水Ｗ中から気化したＶＯＣをその放電プラズマにより分解して無害化することができる。
【００４０】
プラズマ排気処理装置５３は、プラズマを発生させるプラズマ発生装置（図示略）を備え、減圧ポンプ５６から排気された排気体中でプラズマを発生させることにより、その排気体中に残存するＶＯＣを分解して無害化する。液中プラズマ処理装置１１は、上記第１の実施の形態と同様の構成を有し、バラスト水中に含まれるＶＯＣをプラズマにより分解して無害化する。
【００４１】
このようにプラズマ処理システム５１を構成すれば、処理水Ｗ中に含まれるＶＯＣを効率よく分解することができる。また、このプラズマ処理システム５１では、容器５５内に導入された大量の処理水Ｗを迅速に処理することができるので、実用上好ましいものとなる。
【００４２】
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。
【００４３】
・上記第１の実施の形態において、３ｍｍ程度の薄い石英板４１を用いたが、図６に示すような厚い石英板６１を用いてもよい。この石英板６１においても、導波管２２の開口部３４を部分的に露出させるようその開口部３４に沿って複数の貫通穴６２が形成されている。このように石英板６１を厚くした場合、各貫通穴６２内で放電プラズマを発生させることができ、その放電プラズマにより処理水Ｗ中の有害物質を分解して無害化することができる。
【００４４】
・上記第１の実施の形態では、マイクロ波発生装置１４の導波管２２を容器１２の側面に設けるものであったが、これに限定されるものではない。すなわち、マイクロ波発生装置１４（導波管２２）は、容器１２内における処理水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。具体的には、例えば、図７や図８に示される液中プラズマ処理装置６５，６６のように、導波管２２を容器６７，６８の底面に設けてもよい。
【００４５】
図７の液中プラズマ処理装置６５では、容器６７の底部において、導波管２２が容器６７内に突出するよう設けられている。そして、導波管２２の先端面に対向する位置に石英板７１（気泡保持手段）が所定の間隔をあけて配置されている。この石英板７１の下面において、導波管２２の開口部３４の真上となる位置に、複数の凹部７２（捕捉空間）が形成されている。この場合、導波管２２の開口部３４から照射されるマイクロ波によって処理水Ｗ中に気泡が発生し、その気泡が石英板７１の各凹部７２でトラップされる。そして、マイクロ波のエネルギーによって、その気泡中で絶縁破壊が起こり、放電プラズマが誘起される。
【００４６】
また、図８の液中プラズマ処理装置６６でも、容器６８の底部に導波管２２が設けられている。そして、容器６８の上蓋７４（気泡保持手段）が導波管２２の先端面に接近するよう設けられており、その上蓋７４の下面において、導波管２２の開口部３４の真上となる位置に、複数の凹部７５（捕捉空間）が形成されている。この場合でも、導波管２２の開口部３４から照射されるマイクロ波によって処理水Ｗ中に気泡が発生し、その気泡が上蓋７４の各凹部７５でトラップされる。そして、マイクロ波のエネルギーによって、その気泡中で絶縁破壊が起こり、放電プラズマが誘起される。
【００４７】
・上記各実施の形態では、導波管２２の外部に気泡保持手段（石英板４１，７１や上蓋７４）を設けるように構成したが、例えば、導波管２２の内部に配置されるマイクロ波透過体３２を気泡保持手段として機能させてもよい。具体的には、図９に示されるように、マイクロ波透過体３２の先端面の中央部分に、気泡を捕捉するための穴部７７を複数形成する。この場合、マイクロ波透過体３２における穴部７７の中で絶縁破壊が起きプラズマが発生する。また、マイクロ波透過体３２に形成する穴部７７は、中央部分以外であってもよく、図１０に示されるように、より多くの穴部７７を形成してもよい。
【００４８】
・上記各実施の形態の液中プラズマ処理装置１１，６５，６６は、処理水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１１，６５，６６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。
【００４９】
・上記第１の実施の形態の液中プラズマ処理装置１１，６５，６６では、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、この周波数は適宜変更してもよい。放電プラズマを発生させるためのマイクロ波としては、例えば、３００ＭＨｚ〜１２ＧＨｚ程度に設定してもよい。
【００５０】
・上記第１の実施の形態において、減圧装置１３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。なお、液中プラズマ処理装置１１において、放電プラズマを発生させるために減圧装置１３は必須の構成ではなく省略してもよい。この減圧装置１３を省略した場合、装置コストを低減することができる。
【００５１】
・上記実施の形態の液中プラズマ処理装置１１において、容器１２内の処理水Ｗ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設けてもよい。このようにすれば、処理水Ｗ中において、気泡が確実に発生されるので、放電プラズマを効率よく発生させることができる。さらに、液中プラズマ処理装置１１において、容器１２内の処理水Ｗ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設けてもよい。このようにしても、処理水Ｗ中において、気泡が確実に発生されるので、放電プラズマを効率よく発生させることができる。
【００５２】
・上記実施の形態において、マイクロ波を伝搬する導波管２２はストレート形状であるが、先端部をホーン状に形成した導波管に変更してもよい。この場合、マイクロ波の出力強度を増すことができ、放電プラズマを確実に発生させることができる。
【００５３】
・上記実施の形態では、気泡捕捉手段として石英板４１を用いたが、その形成材料としては、石英以外にガラス、セラミックスなどの誘電体材料からなるマイクロ波透過部材を用いてもよい。このようにすれば、マイクロ波を伝搬させる際にエネルギーロスを少なくすることができ、放電プラズマを確実に発生させることができる。また、石英板４１に設けられている各貫通穴４２は、円形であるが、三角形、四角形などの形状に変更してもよし、そのサイズを適宜変更してもよい。
【００５４】
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。
【００５５】
（１）請求項１乃至５のいずれか１項において、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備えることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００５６】
（２）請求項１乃至５のいずれか１項において、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備えることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００５７】
（３）請求項１乃至５のいずれか１項において、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備えることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００５８】
（４）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記導波管の先端部は、前記マイクロ波の出力強度を増すようホーン状に形成されていることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００５９】
（５）請求項４において、前記導波管は、その先端部が前記容器内部に突出した状態で前記容器の側壁に固定され、前記石英板が前記導波管の先端面に密着するよう縦置きで固定されてい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】
【００６０】
【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】導波管の先端面に密接配置された石英板を示す平面図。
【図４】放電プラズマによる分解効率を示すグラフ。
【図５】本発明を具体化した第２の実施の形態のプラズマ処理システムを示す概略構成図。
【図６】別の実施の形態の石英板を示す断面図。
【図７】別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８】別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９】（ａ）は別の実施の形態のマイクロ波透過部材の断面図、（ｂ）はそのマイクロ波透過部材の平面図。
【図１０】別の実施の形態のマイクロ波透過部材の平面図。
【図１１】従来の液中プラズマ処理装置を示す概略構成図。
【符号の説明】
【００６１】
１１，６５，６６…液中プラズマ処理装置
１２，６７，６８…容器
１４…プラズマ発生手段としてのマイクロ波発生装置
２１…マイクロ波発生器
２２…導波管
２２ａ…先端面
３２…マイクロ波透過部材
３４…スロットとしての開口部
４１，６１，７１…気泡捕捉手段としての石英板
４２，６２…捕捉空間としての貫通穴
７２，７５…捕捉空間としての凹部
７４…気泡捕捉手段としての上蓋
７７…捕捉空間としての穴部
Ｗ…液体としての処理水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被処理物質を含む液体中にマイクロ波を照射し、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プラズマを発生させ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）。特許文献１に記載されている反応装置では、超音波を照射することで液体中に気泡を発生させ、さらにその液体に対して電磁波を照射することにより気泡中にプラズマを発生させている。このプラズマの作用によって液体中の有害物質が分解されて無害化される。
【０００３】
また、本発明者らは、マイクロ波を液体中に照射して、放電プラズマを発生させる液中プラズマ処理装置を提案している。図１１には、その液中プラズマ処理装置８１を示している。図１１に示されるように、液中プラズマ処理装置８１は、被処理物質を含む液体Ｗを導入可能な容器８２と、容器８２内を減圧する減圧装置８３と、容器８２内の液体Ｗにマイクロ波を照射するマイクロ波発生装置８４とを備える。マイクロ波発生装置８４は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器８５と、そのマイクロ波を伝搬する導波管８６とを備えている。導波管８６は、その先端部が容器８２内部に突出した状態で容器８２の側壁に固定されている。また、導波管８６の内部には、石英ガラスからなるマイクロ波透過体８７が配置され、導波管８６の先端部に形成されたスロットアンテナ８８から電界強度が強いマイクロ波が出力されるようになっている。この液中プラズマ処理装置８１では、マイクロ波の照射によって、液体Ｗが加熱されることで沸騰して気泡が発生する。そして、この気泡中に放電プラズマが誘起され、液体Ｗに含まれる被処理物質がそのプラズマにより処理される。このように構成すれば、特許文献１のように超音波を照射しなくても液体Ｗ中に気泡を発生させることができるので、装置構成が簡素化される。
【特許文献１】特開２００４−３０６０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図１１の液中プラズマ処理装置８１では、導波管８６のスロットアンテナ８８に対応した位置で気泡が発生するが、その気泡は浮力によって上方に移動してしまう。そのため、放電プラズマの発生が不安定となり、十分な処理能力を確保できないといった問題が生じていた。
【０００５】
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、液体中でプラズマを安定的に発生させ、液体に含まれる被処理物質を効率よく処理する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】
【０００６】
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、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を有し、前記導波管の先端部から前記液体中にマイクロ波を照射して放電プラズマを誘起させるプラズマ発生手段と、前記導波管の先端部近傍に配置され、前記マイクロ波の照射によって前記液体中に発生した気泡を捕捉するための捕捉空間を有する気泡捕捉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。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、マイクロ波発生器で発生されたマイクロ波が導波管により伝搬され、容器内に導入された液体中に導波管の先端部からマイクロ波が照射される。このマイクロ波の照射によって液体が加熱されることで沸騰して気泡が発生する。また、導波管の先端部近傍には気泡捕捉手段が配置されており、液体中に発生した気泡が気泡捕捉手段の捕捉空間で捕捉される。このようにすれば、従来技術のように気泡が移動することがなく、導波管の先端部近傍の捕捉空間に気泡を長時間保持することができる。よって、導波管の先端部近傍に気泡が安定的に存在するため、その気泡中に放電プラズマを効率よく確実に発生させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記導波管の先端面には前記マイクロ波を出力するためのスロットが形成され、前記気泡捕捉手段は、誘電体材料からなり、前記導波管の外部においてその導波管の先端面に密接配置されたマイクロ波透過部材であり、前記捕捉空間は、そのマイクロ波透過部材において前記スロットに対応する位置に形成された凹部または穴部であることをその要旨とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、導波管の先端面にはマイクロ波を出力するためのスロットが形成されており、このスロットから電界強度の強いマイクロ波を出力することができる。また、誘電体材料からなるマイクロ波透過部材が気泡捕捉手段として用いられ、そのマイクロ波透過部材が導波管の外部において導波管の先端面に密接配置されている。そして、マイクロ波透過部材においてスロットに対応する位置に凹部または穴部が形成されている。この場合、マイクロ波透過部材の内部では絶縁破壊が起こることはなくマイクロ波がエネルギーロスなく伝搬される。そして、マイクロ波透過部材の凹部または穴部の補足空間においてマイクロ波のエネルギーが集中することにより、その凹部または穴部には比較的に強い電界が印加されることとなる。この結果、凹部または穴部に捕捉されている気泡中に放電プラズマを効率よく発生させることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記気泡捕捉手段は、前記導波管の先端面に密接配置された石英板であることをその要旨とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、気泡捕捉手段として石英板が用いられている。石英は、絶縁性が高く誘電損が低い材料であるため、マイクロ波のエネルギーロスをより少なくすることができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記捕捉空間は、前記石英板において前記スロットを部分的に露出させるようスロットに沿って設けられた複数の貫通穴であることをその要旨とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、石英板に設けられた各貫通穴に向けてマイクロ波を確実に照射することができる。また、貫通穴が複数設けられているので、各貫通穴で捕捉した気泡中で放電プラズマを発生させることができ、処理能力を高めることができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１において、前記気泡捕捉手段は、誘電体材料からなり、前記導波管内においてその先端部に設けられたマイクロ波透過体であり、前記捕捉空間は、そのマイクロ波透過体の先端面にて開口形成された穴部であることをその要旨とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、誘電体材料からなるマイクロ波透過体が導波管内における先端部に設けられており、このマイクロ波透過体の先端面にて捕捉空間としての穴部が開口形成されている。この場合、マイクロ波透過部材の穴部に比較的に強い電界を印加することができ、穴部に捕捉されている気泡中に放電プラズマを効率よく発生させることができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、マイクロ波発生器で発生させたマイクロ波を導波管で伝搬させ、容器内に導入された液体中に前記導波管の先端部から前記マイクロ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放電プラズマ処理方法であって、前記導波管の先端部近傍において気泡を捕捉するための捕捉空間を有する気泡捕捉手段を配置し、前記マイクロ波の照射によって前記液体中に発生した気泡を前記捕捉空間に捕捉して、その捕捉した気泡中に放電プラズマを発生させるようにした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。
【００１７】
請求項６に記載の発明によれば、マイクロ波発生器で発生されたマイクロ波が導波管により伝搬され、容器内に導入された液体中に導波管の先端部からマイクロ波が照射される。このマイクロ波の照射によって液体が加熱されることで沸騰して気泡が発生する。また、導波管の先端部近傍には気泡捕捉手段が配置されており、液体中に発生した気泡が気泡捕捉手段の捕捉空間で捕捉される。このようにすれば、従来技術のように気泡が移動することがなく、導波管の先端部近傍の捕捉空間に気泡を長時間保持することができる。よって、導波管の先端部近傍に気泡が安定的に存在するため、その気泡中に放電プラズマを効率よく確実に発生させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、液体中でプラズマを安定的に発生させ、液体に含まれる被処理物質を効率よく処理することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
【００２０】
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。
【００２１】
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、容器１２内を減圧するための減圧装置１３と、マイクロ波を照射するためのマイクロ波発生装置１４（プラズマ発生手段）と、液体の温度を測定する熱電対１５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、被処理物質（例えば、テトラクロロエチレン（ＰＣＥ）などの有害物質）を含む処理水Ｗが入れられている。
【００２２】
マイクロ波発生装置１４は、マイクロ波を発生するマグネトロン２１（マイクロ波発生器）と、マグネトロン２１にて発生したマイクロ波を伝搬する導波管２２とを備えている。マイクロ波発生装置１４の導波管２２は、その先端が容器１２内に突出した状態で容器１２の側壁に固定されている。この導波管２２の先端は、容器１２内の液面よりも下方となる位置に設けられている。
【００２３】
導波管２２は、ステンレスからなる管本体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３２（具体的には石英ガラス）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、石英の以外の材料（例えば、セラミックスからなる誘電体材料など）を用いてもよい。
【００２４】
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の側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、細長い開口部３４（スロット）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２２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。なお、開口部３４は、マイクロ波透過体３２に印加される電界方向と直交する方向に形成されている。
【００２５】
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２１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２２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から処理水Ｗ中に照射する。
【００２６】
図１に示されるように、減圧装置１３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１３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。容器１２内を減圧することにより、処理水Ｗはその沸点が下がり沸騰し易くなる。
【００２７】
本実施の形態では、導波管２２の外部においてその先端面２２ａに石英板４１（気泡保持手段）が密接配置されている。この石英板４１は、管本体３１とほぼ等しい直径を有し、厚さが３ｍｍ程度の円盤状に形成されている。図３に示されるように、この石英板４１には、導波管２２の開口部３４を部分的に露出させるようその開口部３４に沿って複数の貫通穴４２（捕捉空間）が形成されている。各貫通穴４２の直径は１０ｍｍであり、５ｍｍ程度の間隔をあけて設けられている。
【００２８】
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。
【００２９】
先ず、容器１２内に処理水Ｗを入れ、容器１２を密閉状態にした後、減圧装置１３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、処理水Ｗはその沸点が下がる。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る。
【００３０】
その後、マイクロ波発生装置１４を作動させ、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２１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２２を伝搬して開口部３４から容器１２内の処理水Ｗ中に照射される。このマイクロ波の照射により、処理水Ｗが加熱されることで沸騰してその処理水Ｗ中に気泡が発生する。この気泡は石英板４１の各貫通穴４２内にトラップ（捕捉）され、マイクロ波のエネルギーによって、その気泡中で絶縁破壊が起こり、放電プラズマが誘起される。そして、その放電プラズマの熱エネルギーにより、処理水Ｗ中の有害物質が分解され無害化される。さらに、処理水Ｗ中において、放電プラズマによる発光現象が誘起され、非常に強い紫外線が処理水Ｗ中の有害物質に直接照射される。こ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。
【００３１】
本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１を用い、酸化還元指示薬であるメチレンブルー（被処理物質）を含む液体Ｗを容器１２内に入れ、放電プラズマによるメチレンブルーの分解効率を測定した。その結果を図４に示している。なお、図４においては、石英板４１（気泡捕捉手段）を設けていない従来の液中プラズマ処理装置（図１１参照）を用いた場合の測定結果を比較例として示している。図４に示されるように、本実施の形態では、石英板４１の各貫通穴４２内に気泡が安定的に捕捉され、放電プラズマが確実に発生することでメチレンブルーの分解効率が向上することが確認された。
【００３２】
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。
【００３３】
（１）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、導波管２２の開口部３４がスロットアンテナとして機能し、電界強度が強いマイクロ波を出力することができる。そして、そのマイクロ波を処理水Ｗ中に照射することにより、処理水Ｗが沸騰して処理水Ｗ中に気泡が発生される。また、液中プラズマ処理装置１１において、導波管２２の先端面２２ａには石英板４１が密接配置されており、処理水Ｗ中に発生した気泡は、石英板４１の各貫通穴４２内にトラップされる。このようにすれば、従来技術のように気泡が移動することがなく、導波管２２の先端部近傍で気泡を長時間保持することができる。よって、導波管２２の先端部近傍に気泡が安定的に存在するため、マイクロ波の照射によりその気泡中に放電プラズマを効率よく確実に発生させることができる。また、液中プラズマ処理装置１１では、超音波照射手段を用いなくても放電プラズマを発生させることができるため、超音波照射手段を用いた装置と比較して、装置コストや消費電力を低減することができる。
【００３４】
（２）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、気泡捕捉手段として石英板４１を用いた。この石英板４１は絶縁性が高く誘電損が低いため、マイクロ波の損失を抑えることができ、石英板４１の内部で絶縁破壊が起こることはなくマイクロ波がエネルギーロスなく伝搬される。そして、石英板４１の貫通穴４２内においてマイクロ波のエネルギーが集中することにより、その貫通穴４２には比較的に強い電界が印加されることとなる。この結果、貫通穴４２に捕捉されている気泡中に放電プラズマを効率よく発生させることができる。また、石英板４１には、導波管２２の開口部３４を部分的に露出させるよう開口部３４に沿って複数の貫通穴４２が形成されているので、各貫通穴４２内の捕捉空間にマイクロ波が確実に照射され、各貫通穴４２内で捕捉した気泡中で放電プラズマを発生させることができる。このようにすれば、低電力で確実に放電プラズマを発生させることができ、処理効率を高めることができる。
【００３５】
（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１３により、容器１２内が減圧されるので、常圧時ほど強いマイクロ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。
【００３６】
（４）本実施の形態の液中プラズマ処理装置１１では、導波管２２の先端部が容器１２の側壁に固定されており、その導波管２２から処理水Ｗ中にマイクロ波が照射されることで、その処理水Ｗ中に気泡が発生する。また、導波管２２の先端面２２ａには、複数の貫通穴４２を有する石英板４１が縦置きで密接配置されている。このように構成すれば、処理水Ｗ中に発生した気泡を石英板４１の各貫通穴４２で確実にトラップすることができ、放電プラズマを安定的に発生させることができる。
［第２の実施の形態］
【００３７】
次に、本発明を具体化した第２の実施の形態を図面に基づき説明する。図５には、本実施の形態のプラズマ処理システム５１を示している。プラズマ処理システム５１は、気中プラズマ処理装置５２と、プラズマ排気処理装置５３と、液中プラズマ処理装置１１とを備え、処理水Ｗ中に含まれる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）をプラズマで分解して除去するシステムである。
【００３８】
気中プラズマ処理装置５２は、液体を導入可能な大容量の容器５５と、容器５５内を減圧するための減圧ポンプ５６と、マイクロ波を照射するためのマイクロ波発生装置５７とを備える。減圧ポンプ５６は、容器５５内の気体を吸い出してその容器５５内を減圧する真空ポンプであって、容器５５内から吸い出した気体をプラズマ排気処理装置５３に排気するとともに、バラスト水を液中プラズマ処理装置１１に排水する。
【００３９】
マイクロ波発生装置５７は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生器５８（マグネトロン）と、そのマイクロ波を伝搬させる導波管５９とを備えている。導波管５９は、容器５５の上部にてその長手方向に沿って設けられており、その導波管５９の下面において、開口部６０（スロット）が所定の間隔をおいて複数形成されている。容器５５内において、導波管５９は液面よりも上方の位置（気相中の位置）に設けられており、導波管５９の各開口部６０から気相中にマイクロ波が照射される。これにより、各開口部６０に対応する複数個所で放電プラズマを発生させることができる。従って、容器５５内を減圧することにより処理水Ｗ中から気化したＶＯＣをその放電プラズマにより分解して無害化することができる。
【００４０】
プラズマ排気処理装置５３は、プラズマを発生させるプラズマ発生装置（図示略）を備え、減圧ポンプ５６から排気された排気体中でプラズマを発生させることにより、その排気体中に残存するＶＯＣを分解して無害化する。液中プラズマ処理装置１１は、上記第１の実施の形態と同様の構成を有し、バラスト水中に含まれるＶＯＣをプラズマにより分解して無害化する。
【００４１】
このようにプラズマ処理システム５１を構成すれば、処理水Ｗ中に含まれるＶＯＣを効率よく分解することができる。また、このプラズマ処理システム５１では、容器５５内に導入された大量の処理水Ｗを迅速に処理することができるので、実用上好ましいものとなる。
【００４２】
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。
【００４３】
・上記第１の実施の形態において、３ｍｍ程度の薄い石英板４１を用いたが、図６に示すような厚い石英板６１を用いてもよい。この石英板６１においても、導波管２２の開口部３４を部分的に露出させるようその開口部３４に沿って複数の貫通穴６２が形成されている。このように石英板６１を厚くした場合、各貫通穴６２内で放電プラズマを発生させることができ、その放電プラズマにより処理水Ｗ中の有害物質を分解して無害化することができる。
【００４４】
・上記第１の実施の形態では、マイクロ波発生装置１４の導波管２２を容器１２の側面に設けるものであったが、これに限定されるものではない。すなわち、マイクロ波発生装置１４（導波管２２）は、容器１２内における処理水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。具体的には、例えば、図７や図８に示される液中プラズマ処理装置６５，６６のように、導波管２２を容器６７，６８の底面に設けてもよい。
【００４５】
図７の液中プラズマ処理装置６５では、容器６７の底部において、導波管２２が容器６７内に突出するよう設けられている。そして、導波管２２の先端面に対向する位置に石英板７１（気泡保持手段）が所定の間隔をあけて配置されている。この石英板７１の下面において、導波管２２の開口部３４の真上となる位置に、複数の凹部７２（捕捉空間）が形成されている。この場合、導波管２２の開口部３４から照射されるマイクロ波によって処理水Ｗ中に気泡が発生し、その気泡が石英板７１の各凹部７２でトラップされる。そして、マイクロ波のエネルギーによって、その気泡中で絶縁破壊が起こり、放電プラズマが誘起される。
【００４６】
また、図８の液中プラズマ処理装置６６でも、容器６８の底部に導波管２２が設けられている。そして、容器６８の上蓋７４（気泡保持手段）が導波管２２の先端面に接近するよう設けられており、その上蓋７４の下面において、導波管２２の開口部３４の真上となる位置に、複数の凹部７５（捕捉空間）が形成されている。この場合でも、導波管２２の開口部３４から照射されるマイクロ波によって処理水Ｗ中に気泡が発生し、その気泡が上蓋７４の各凹部７５でトラップされる。そして、マイクロ波のエネルギーによって、その気泡中で絶縁破壊が起こり、放電プラズマが誘起される。
【００４７】
・上記各実施の形態では、導波管２２の外部に気泡保持手段（石英板４１，７１や上蓋７４）を設けるように構成したが、例えば、導波管２２の内部に配置されるマイクロ波透過体３２を気泡保持手段として機能させてもよい。具体的には、図９に示されるように、マイクロ波透過体３２の先端面の中央部分に、気泡を捕捉するための穴部７７を複数形成する。この場合、マイクロ波透過体３２における穴部７７の中で絶縁破壊が起きプラズマが発生する。また、マイクロ波透過体３２に形成する穴部７７は、中央部分以外であってもよく、図１０に示されるように、より多くの穴部７７を形成してもよい。
【００４８】
・上記各実施の形態の液中プラズマ処理装置１１，６５，６６は、処理水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１１，６５，６６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。
【００４９】
・上記第１の実施の形態の液中プラズマ処理装置１１，６５，６６では、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、この周波数は適宜変更してもよい。放電プラズマを発生させるためのマイクロ波としては、例えば、３００ＭＨｚ〜１２ＧＨｚ程度に設定してもよい。
【００５０】
・上記第１の実施の形態において、減圧装置１３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。なお、液中プラズマ処理装置１１において、放電プラズマを発生させるために減圧装置１３は必須の構成ではなく省略してもよい。この減圧装置１３を省略した場合、装置コストを低減することができる。
【００５１】
・上記実施の形態の液中プラズマ処理装置１１において、容器１２内の処理水Ｗ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設けてもよい。このようにすれば、処理水Ｗ中において、気泡が確実に発生されるので、放電プラズマを効率よく発生させることができる。さらに、液中プラズマ処理装置１１において、容器１２内の処理水Ｗ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設けてもよい。このようにしても、処理水Ｗ中において、気泡が確実に発生されるので、放電プラズマを効率よく発生させることができる。
【００５２】
・上記実施の形態において、マイクロ波を伝搬する導波管２２はストレート形状であるが、先端部をホーン状に形成した導波管に変更してもよい。この場合、マイクロ波の出力強度を増すことができ、放電プラズマを確実に発生させることができる。
【００５３】
・上記実施の形態では、気泡捕捉手段として石英板４１を用いたが、その形成材料としては、石英以外にガラス、セラミックスなどの誘電体材料からなるマイクロ波透過部材を用いてもよい。このようにすれば、マイクロ波を伝搬させる際にエネルギーロスを少なくすることができ、放電プラズマを確実に発生させることができる。また、石英板４１に設けられている各貫通穴４２は、円形であるが、三角形、四角形などの形状に変更してもよし、そのサイズを適宜変更してもよい。
【００５４】
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。
【００５５】
（１）請求項１乃至５のいずれか１項において、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備えることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００５６】
（２）請求項１乃至５のいずれか１項において、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備えることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００５７】
（３）請求項１乃至５のいずれか１項において、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備えることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００５８】
（４）請求項１乃至５のいずれか１項において、前記導波管の先端部は、前記マイクロ波の出力強度を増すようホーン状に形成されていることを特徴とする液中プラズマ処理装置。
【００５９】
（５）請求項４において、前記導波管は、その先端部が前記容器内部に突出した状態で前記容器の側壁に固定され、前記石英板が前記導波管の先端面に密着するよう縦置きで固定されてい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】
【００６０】
【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】導波管の先端面に密接配置された石英板を示す平面図。
【図４】放電プラズマによる分解効率を示すグラフ。
【図５】本発明を具体化した第２の実施の形態のプラズマ処理システムを示す概略構成図。
【図６】別の実施の形態の石英板を示す断面図。
【図７】別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８】別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９】（ａ）は別の実施の形態のマイクロ波透過部材の断面図、（ｂ）はそのマイクロ波透過部材の平面図。
【図１０】別の実施の形態のマイクロ波透過部材の平面図。
【図１１】従来の液中プラズマ処理装置を示す概略構成図。
【符号の説明】
【００６１】
１１，６５，６６…液中プラズマ処理装置
１２，６７，６８…容器
１４…プラズマ発生手段としてのマイクロ波発生装置
２１…マイクロ波発生器
２２…導波管
２２ａ…先端面
３２…マイクロ波透過部材
３４…スロットとしての開口部
４１，６１，７１…気泡捕捉手段としての石英板
４２，６２…捕捉空間としての貫通穴
７２，７５…捕捉空間としての凹部
７４…気泡捕捉手段としての上蓋
７７…捕捉空間としての穴部
Ｗ…液体としての処理水
【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、
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を有し、前記導波管の先端部から前記液体中にマイクロ波を照射して放電プラズマを誘起させるプラズマ発生手段と、
前記導波管の先端部近傍に配置され、前記マイクロ波の照射によって前記液体中に発生した気泡を捕捉するための捕捉空間を有する気泡捕捉手段と
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】
前記導波管の先端面には前記マイクロ波を出力するためのスロットが形成され、
前記気泡捕捉手段は、誘電体材料からなり、前記導波管の外部においてその導波管の先端面に密接配置されたマイクロ波透過部材であり、前記捕捉空間は、そのマイクロ波透過部材において前記スロットに対応する位置に形成された凹部または穴部であ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】
前記気泡捕捉手段は、前記導波管の先端面に密接配置された石英板であることを特徴とする請求項２に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記捕捉空間は、前記石英板において前記スロットを部分的に露出させるようスロットに沿って設けられた複数の貫通穴であることを特徴とする請求項３に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記気泡捕捉手段は、誘電体材料からなり、前記導波管内においてその先端部に設けられたマイクロ波透過体であり、前記捕捉空間は、そのマイクロ波透過体の先端面にて開口形成された穴部であ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６】
マイクロ波発生器で発生させたマイクロ波を導波管で伝搬させ、容器内に導入された液体中に前記導波管の先端部から前記マイクロ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放電プラズマ処理方法であって、
前記導波管の先端部近傍において気泡を捕捉するための捕捉空間を有する気泡捕捉手段を配置し、前記マイクロ波の照射によって前記液体中に発生した気泡を前記捕捉空間に捕捉して、その捕捉した気泡中に放電プラズマを発生させるようにしたことを特徴とする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、
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を有し、前記導波管の先端部から前記液体中にマイクロ波を照射して放電プラズマを誘起させるプラズマ発生手段と、
前記導波管の先端部近傍に配置され、前記マイクロ波の照射によって前記液体中に発生した気泡を捕捉するための捕捉空間を有する気泡捕捉手段と
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】
前記導波管の先端面には前記マイクロ波を出力するためのスロットが形成され、
前記気泡捕捉手段は、誘電体材料からなり、前記導波管の外部においてその導波管の先端面に密接配置されたマイクロ波透過部材であり、前記捕捉空間は、そのマイクロ波透過部材において前記スロットに対応する位置に形成された凹部または穴部であ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】
前記気泡捕捉手段は、前記導波管の先端面に密接配置された石英板であることを特徴とする請求項２に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項４】
前記捕捉空間は、前記石英板において前記スロットを部分的に露出させるようスロットに沿って設けられた複数の貫通穴であることを特徴とする請求項３に記載の液中プラズマ処理装置。
【請求項５】
前記気泡捕捉手段は、誘電体材料からなり、前記導波管内においてその先端部に設けられたマイクロ波透過体であり、前記捕捉空間は、そのマイクロ波透過体の先端面にて開口形成された穴部であ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６】
マイクロ波発生器で発生させたマイクロ波を導波管で伝搬させ、容器内に導入された液体中に前記導波管の先端部から前記マイクロ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放電プラズマ処理方法であって、
前記導波管の先端部近傍において気泡を捕捉するための捕捉空間を有する気泡捕捉手段を配置し、前記マイクロ波の照射によって前記液体中に発生した気泡を前記捕捉空間に捕捉して、その捕捉した気泡中に放電プラズマを発生させるようにしたことを特徴とする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９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−７２７１６（Ｐ２００９−７２７１６Ａ）
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４５０７４（Ｐ２００７−２４５０７４）
【出願日】平成１９年９月２１日（２００７．９．２１）
【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２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２１日（２００７．９．２１）
【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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