酸性水製造方法及び酸性水製造装置
【課題】 電解質や添加物を加えることなく、簡易な構成の装置を用いて、短時間で、精製水、アルカリ性水、又は各種水溶液から酸性水を製造する。
【解決手段】 液体を容器に収め、電極に電磁波を供給し、電極のうち液体に接した部分でプラズマを発生させ、該液体を励起させて、酸性水を製造する酸性水製造方法。液体が収められた容器と、液体に接する位置に配置された電極と、この電極に電磁波を供給する電磁波供給路とを備え、電極のうち液体に接した部分にプラズマを発生させて酸性水を製造する酸性水製造装置。
【解決手段】 液体を容器に収め、電極に電磁波を供給し、電極のうち液体に接した部分でプラズマを発生させ、該液体を励起させて、酸性水を製造する酸性水製造方法。液体が収められた容器と、液体に接する位置に配置された電極と、この電極に電磁波を供給する電磁波供給路とを備え、電極のうち液体に接した部分にプラズマを発生させて酸性水を製造する酸性水製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸性水を製造する方法、及び、その酸性水を製造するための酸性水製造装置に関し、特に、精製水又はアルカリ性水から酸性水を製造する酸性水製造方法及び酸性水製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸性水は、ｐＨ７を中性としたときに、これよりも小さいｐＨの値を示す水をいう。
この酸性水は、ｐＨによって、強酸性水、弱酸性水、微酸性水に分けることができ、それぞれ性状により用途が異なっている。
例えば、強酸性水は、消毒殺菌作用があることから、手洗用や内視鏡の洗浄などに使用されている。また、弱酸性水は、物を引き締める収れん作用を有していることから、アストリンゼントとして、洗顔剤や化粧水などに使用されている。
【０００３】
この酸性水を製造する方法としては、次のものがある。
例えば、電解槽の室内の中央に隔膜を配置して電解槽を二室に分け、各分室のそれぞれに電極を挿入する。電解槽内に原水を供給し、電極間を通電すると、陰極室からアルカリ性水を、陽極室から酸性水をそれぞれ得ることができる（電気分解法。例えば、特許文献１参照。）。
また、他の方法としては、例えば、クエン酸等の弱酸を水に投入してｐＨを調整し酸性水を製造する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２４５２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これまでの酸性水の製造方法においては、次のような問題があった。
例えば、電気分解法は、精製水に対して行うことはできず、必ず食塩ＮａＣｌなどの電解質を入れて導電性を確保しなければならなかった。この酸性水は、高い塩素濃度を示し、滅菌力として高い効果を示すものの、過塩素酸イオンなどの影響が好ましくない傷口の洗浄などには必ずしも適しているとはいえなかった。
【０００６】
また、電気分解法に用いる電解質は、高純度である必要があった。もし、電解質が低純度だとすると、予期しない電解生成物が混ざる可能性があった。
さらに、電気分解法では、強酸性水の製造を急速に行うことができなかった。
しかも、電気分解法は、電解槽の内部に隔膜を配置して電解槽を二室にし、各室に電極を設けた構成としなければならなかった。このように、隔膜で二本の電極を隔てた構成を採用しなかった場合、各電極で生成されるアルカリ性水と酸性水が中和してしまい、酸性水を製造することができなかった。
【０００７】
一方、弱酸の投入方法は、ｐＨが添加物の分量に依存し、多くの場合、複数種の酸を使用することから、調整が複雑になっていた。また、投入された有機酸自体の存在から用途が限定されていた。
【０００８】
本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであり、電解質や添加物を加えることなく、簡易な構成の装置を用いて、短時間で、精製水等から酸性水を製造可能とする酸性水製造方法及び酸性水製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するため、本発明の酸性水製造方法は、液中にプラズマを発生させ、該液体を励起させて、酸性水を製造する方法としてある。
【００１０】
また、本発明の酸性水製造装置は、液体が収められた容器と、液体に接する位置に配置された電極と、この電極に電磁波を供給する電磁波供給路とを備え、電極のうち液体に接した部分にプラズマを発生させて酸性水を製造する構成としてある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の酸性水製造方法及び酸性水製造装置によれば、液中にプラズマを発生させることで酸性水を製造できる。
また、同方法及び装置を用いて生成した酸性水は、精製水を原料としており、一切の電解質、添加剤、添加剤から生成した物質を含まないので、高い安全性が得られる。
【００１２】
さらに、同方法及び装置は、アルカリ性水を生成することなく、強酸性水のみを生成できるので、隔膜や電極が不要となり、同装置の構造を単純化、積層化できる。
しかも、液中にプラズマを発生させると、ｐＨが急激に下がることから、短時間で酸性水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態における酸性水製造装置の構成を示す概略側面図である。
【図２】マイクロ波電力の波形を示す波形図である。
【図３】同軸導波管と液中プラズマ源の構成を示す側面断面図である。
【図４】液中プラズマ源のうち支持部材の構成を示す外観斜視図である。
【図５】液中プラズマ源のうち電極付近の構成を示す側面断面図である。
【図６】本発明の実施形態における酸性水製造装置を用いて、精製水から酸性水を製造したときの液温及びｐＨの変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態における酸性水製造装置を用いて、アルカリ性水から酸性水を製造したときの液温及びｐＨの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る酸性水製造方法及び酸性水製造装置の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
［酸性水製造装置］
まず、本発明の酸性水製造装置の実施形態について、図１を参照して説明する。
同図は、本実施形態の酸性水製造装置の構成を示す正面図である。
【００１６】
同図に示すように、酸性水製造装置１は、マイクロ波発振器１０と、導波管２０と、容器３０と、液中プラズマ源４０とを有している。
ここで、マイクロ波発振器１０は、マグネトロンボックス１１と、マイクロ波電源１２と、マイクロ波電源コントローラ１３とを有している。
マグネトロンボックス１１は、マイクロ波を生成して出力する。
マイクロ波電源１２は、マグネトロンボックス１１にマイクロ波生成用の電力を供給する。
マイクロ波電源コントローラ１３は、マイクロ波電源１２に信号を送って、マイクロ波の出力などを調整・制御する。
【００１７】
なお、図１においては、マグネトロンボックス１１、マイクロ波電源１２、マイクロ波電源コントローラ１３をそれぞれ別構成で示したが、別構成に限るものではなく、これらを一体構成とすることができる。
また、マイクロ波は、一般に、波長が１００μｍ〜１ｍ、周波数が３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電磁波をいう。
【００１８】
導波管２０は、マイクロ波発振器１０から出力されたマイクロ波を容器３０へ伝搬する。
導波管２０には、アイソレータ２１、パワーメータ２２、チューナ２３などの立体回路を取り付けることができる。
アイソレータ２１は、負荷から反射してきたマイクロ波が再びマグネトロンへ戻らないように、ダミーロードで吸収し、熱に変換する。
パワーメータ２２は、出射、反射それぞれのマイクロ波電力を測定する。
【００１９】
チューナ２３は、負荷インピーダンスの整合を行なう。
チューナ２３には、スリースタブチューナと、ＥＨチューナがある。
スリースタブチューナは、三本のスタブを調整して、負荷の消費電力を最大にする。
ＥＨチューナは、導波管２０のＥ分岐とＨ分岐にプランジャを設け、これを出し入れすることで、チューニングをとる。
なお、酸性水製造装置１を実施する場合は、スリースタブチューナとＥＨチューナのいずれを用いてもよい。
【００２０】
また、導波管２０には、コーナ導波管２４や終端プランジャ２５などを用いることができる。
さらに、導波管２０は、同軸導波管変換器２６を有している。
この同軸導波管変換器２６の構造については、後記の（液中プラズマ源）で詳述する。
【００２１】
容器３０は、液体を入れる器である。この容器３０に収められた液体の中でプラズマを発生させる。
この容器３０の側面３２（図５参照）の一部には、液中プラズマ源４０の支持体４３（後述）を取り付けるための孔３１（図５参照）が穿設されている。
支持体４３は、後述するように、キャップ状に形成されており、スカート部４３−１と天板部４３−２とを有している。孔３１は、天板部４３−２とスカート部４３−１の一部（天板部４３−２の近傍）が嵌合可能な大きさに穿設されている。
【００２２】
この容器３０は、例えば、テフロン（登録商標）などの樹脂やガラスで形成することが望ましい。これは、容器３０が金属で形成されていると、収められた液体が酸性水になるため、電池になって電気分解や腐食を起こす可能性があるからである。
なお、テフロン（登録商標）で製造された容器３０の外側に、ステンレス容器を備えたり、金属製の容器の内側にテフロン（登録商標）の塗装を施して使用することもできる。金属製の容器を使うことにより、マイクロ波の漏洩を防止できる。
【００２３】
（液体への供給電力）
次に、液体に供給される電力について、説明する。
液体には、この液中にプラズマを発生させて酸性水を生成するための電力が供給される。
この電力は、直流パルスではなく、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、９．５ＧＨｚ帯などの周波数スペクトルが単一のマイクロ波である。このため、共振構造、伝送路インピーダンスの最適化などにより、高い電力供給効率が可能となる。
【００２４】
液中プラズマでは、従来技術として直流パルスによる放電の例がある。
直流パルスは、基本周波数およびその奇数倍のきわめて広範囲の周波数成分を含むので、伝送路および負荷（液体のインピーダンス）との完全な整合が難しく、結果として反射電力が大きく、負荷への電力供給効率は低くなる。
一方、駆動電力をマイクロ波にすることで、電極４２への負荷を小さくできる。
すなわち、マイクロ波は単周波数なので、極めて効率的に電力を供給すること、および電極を誘電体で覆うなど無電極化することが可能になる。
マイクロ波は、理論的には無反射にすることも可能であり、この場合の負荷への電力供給効率は、マグネトロンの発振効率のみが最も大きな損失となるだけなので、電力効率は、７０％近くになる。この数値は、他の方法と比較して極めて高い効率である。
【００２５】
また、直流パルスにおいては、液体の導電率を制御する必要がある。これは、導電率が低い場合は液体に余計な電解質を混入する必要があること、あるいは、既に導電率が必要よりも高い場合にはプラズマを得ることができないことを意味する。
これに対して、マイクロ波は、水の大きな比誘電率（約８０）と大きな誘電正接（約１０）によりエネルギーを吸収させてプラズマを生じさせるので、このような導電率の制御は不要であり、よって、不純物を入れる必要もなく、多くの物質に適用できる。液体として、水が適当であることも、他方式に対する特長となる。
【００２６】
マイクロ波電力は、図２に示すように、複数周期を一パルスとするパルス状であることが望ましい。
定常的にプラズマ放電可能なマイクロ波電力をプラズマ源に投入すると、その電力により激しい発熱が生じ、電極４２が破壊する。しかるに、プラズマが生じるための電力は高く、試作機では、２ｋＷ以上のピークパワーを必要とした。この相反する要求を同時に実現するためには、電力供給はマイクロ波パルスであることが必要になる。
一方、マイクロ波パルスのパルス幅を１μ秒よりも短くすれば、プラズマはコロナ放電すなわち非熱平衡プラズマとなり、温度上昇が抑えられ、電極４２の損耗は著しく少なくなる。しかし、液体に与えられるエネルギーは小さくなるため、反応速度が遅くなるか、または条件によっては酸性水が生成されない可能性がある。
【００２７】
本実施形態においては、充分な効果を期待するために、電極の損耗が考えられるが、長いパルス幅、すなわち、パルス幅５ｍｓｅｃ、繰り返し周波数１００Ｈｚ、のマイクロ波パルスを使用した。その結果、電極４２は、損耗が確認されたが、プラズマ点火後、急激にｐＨが下がり始め、約２５０秒ほどで、精製水からｐＨ４以下の酸性水を製造することができた。また、約３００秒ほどで、アルカリ性水からｐＨ７以下の酸性水を製造することができた。
【００２８】
（液中プラズマ源）
次に、液中プラズマ源の構成について、図３〜図５を参照して説明する。
図３は、液中プラズマ源の構成を示す断面図である。図４は、液中プラズマ源を構成する支持部材を示した斜視図である。図５は、液中プラズマ源を構成する電極及びその周囲を拡大した要部拡大図である。
なお、本実施形態においては、同軸導波管変換器２６の同軸管４１が液中プラズマ源４０に含まれるものとする。
【００２９】
液中プラズマ源４０は、導波管２０を伝搬してきたマイクロ波を液体に供給するための装置である。
この液中プラズマ源４０は、図３に示すように、同軸管４１と、電極４２と、支持体４３と、封止部材４４と、絶縁部材４５とを有している。
同軸管４１は、同軸導波管変換器２６の一部を構成しており、導波管２０からマイクロ波を受けて伝搬させる。
一般に、同軸導波管変換器２６では、導波管２０（管体２６−１）と同軸管４１とが垂直に接続されている。このため、マイクロ波は、管体２６−１から同軸管４１に伝わるときに、その伝搬方向を垂直方向に変えて伝わっていく。
【００３０】
この同軸管４１は、同軸管構造で形成されており、同軸管外部導体４１−１と、同軸管内部導体４１−２とを有している。
同軸管外部導体４１−１は、同軸導波管変換器２６の管体２６−１の表面から外方に向かって突設された管状部材である。この同軸管外部導体４１−１の中心軸方向は、同軸導波管変換器２６の管体２６−１の中心軸に対して垂直方向である。
この同軸管外部導体４１−１の内径は、特性インピーダンスが５０Ωとなるような寸法にしてある。
特性インピーダンスは、管の内外径比により変更できる。負荷（プラズマ）に整合するよう調整することも可能である。
【００３１】
同軸管内部導体４１−２は、棒状又は筒状の部材であって、同軸管外部導体４１−１の中空に、同軸管外部導体４１−１と同軸で配置されている。
この同軸管内部導体４１−２の一方の端部は、同軸導波管変換器２６の管体２６−１の内面（同軸管外部導体４１−１が取り付けられている部分に対向する面）に当接している。また、他方の端部には電極４２が延設されている。
なお、同軸管内部導体４１−２の直径は、試作機においては１０ｍｍとしたが、必ずしも１０ｍｍが最適であるわけではなく、前述したように、適宜変更可能である。
【００３２】
同軸管内部導体４１−２が管体２６−１に当接している部分には、支持部材５０が取り付けられている。
支持部材５０は、図３及び図４に示すように、第一支持部材５１と、第二支持部材５２とを有している。
第一支持部材５１は、頂部が截断された截頭錐体の形状に形成されており、底部５１−１が管体２６−１の孔２６−２に嵌合している。また、底部５１−１の中央から頂部截断面（截頭面５１−２）の中央に向かって直線状に貫通孔５１−３が穿設されている。この貫通孔５１−３には、同軸管内部導体４１−２の一方の端部が嵌合する。
【００３３】
この第一支持部材５１が截頭錐体の形状に形成してあるのは、次の理由による。
方形導波管の伝送基本モードは、ＴＥモードまたはＴＭモードである。一方、同軸線路の伝送基本モードは、ＴＥＭモードである。このように、方形導波管と同軸線路では、伝送モードが異なるが、同軸導波管変換器２６は、それらの整合をとって、マイクロ波を伝搬可能にしている。
整合の手法には様々なものがあるが、本実施形態の同軸導波管変換器２６は、第一支持部材５１の形状により整合をとっている。
第一支持部材に関する公知の形状としてワイングラス形があるが、その曲線形状が複雑なために加工が困難であるという欠点がある。これに対し、本実施形態の第一支持部材５１は、截頭錐体であり、加工が容易である。
【００３４】
また、ワイングラス形は、平均電力１ＭＷ、あるいは尖頭値電力１ＭＷといった大電力用変換器に用いられるが、そこまでの大電力を扱わない場合には、截頭錐体の形状でも発熱が生じず、実用的な整合をとることができる。これは、発明者が、平均電力５００Ｗ〜１ｋＷ、尖頭値電力５ｋＷにおいて電磁界シミュレーションを行なった結果、ワイングラス形と同等の電磁界分布が得られたことからわかった。
さらに、他の利点としては、第一支持部材５１の表面にエッジがないことから、放電を防止できることが挙げられる。
しかも、スリースタブチューナ２３を設けることで、さらに整合させることができる。
【００３５】
第二支持部材５２は、截頭錐体部５２−１と、ネジ部５２−２とを有している。
截頭錐体部５２−１は、頂部が截断された截頭錐体の形状に形成されており、底部５２−３の中心から頂部截断面（截頭面）の中央に向かって直線状に貫通孔５２−４が穿設されている。
また、截頭錐体部５２−１には、傾斜（テーパ）に沿って複数のスリット５２−５が形成されており、一種のコレットチャックとなっている。スリット間にある歯部５２−６は、貫通孔５２−４に嵌合された同軸管内部導体４１−２を支持する。
【００３６】
ネジ部５２−２は、截頭錐体部５２−１の底部５２−３から延設した円筒形状の部材であって、外周に雄ネジ５２−７が形成されている。また、ネジ部５２−２の中空５２−８と截頭錐体部５２−１の貫通孔５２−４が連通している。
一方、第一支持部材５１の截頭面５１−２の中央には貫通孔５１−３が穿設されており、この貫通孔５１−３には、雌ネジ５１−４が形成されている。これにより、第二支持部材５２の雄ネジ５２−７が、第一支持部材５１の雌ネジ５１−４に螺入することができ、この螺入により、第二支持部材５２の貫通孔５２−４及び中空５２−８と、第一支持部材５１の貫通孔５１−３が連通する。
【００３７】
なお、第一支持部材５１の截頭面５１−２の外縁の径は、第二支持部材５２の底部５２−３の外縁の径と同じである。これにより、第一支持部材５１の雌ネジ５１−４に第二支持部材５２のネジ部５２−２を螺入してもエッジが表れないので、放電を防止できる。
【００３８】
電極４２は、図５に示すように、胴部が円柱形状に形成されるとともに、一方の端部が円錐形状に形成されており、他方の端部に同軸管内部導体４１−２の他方の端部が取り付けられている。電極４２の一端を円錐形状とするにより、この先端４６に電界を集中させ、電界強度を上げることができる。
そして、電極４２の先端４６を液中に露出させることで、この部分にプラズマを発生させることができる。
【００３９】
この電極４２は、金属などの導電体で形成されている。特に、先端４６は、プラズマの熱を受け損傷するおそれがあるので、タングステンなど耐熱性の材料（高融点材料）で形成することが望ましい。ただし、必ずしも金属である必要はなく、例えば、誘電体を用いて作成することもできる。誘電体で電極４２を作成すれば、金属が液中に露出しないので、金属不純物の混入を減少できる。
【００４０】
支持体４３は、同軸管外部導体４１−１の一端（同軸導波管変換器２６の管体２６−１に接続していない方の端部）を蓋するように取り付けられたキャップ状部材である。
この支持体４３は、スカート部４３−１と、天板部４３−２とを有している。
スカート部４３−１の裾部４３−３は、同軸管外部導体４１−１の一端に接続している。
スカート部４３−１のうち天板部４３−２の近傍は、容器３０の孔３１に嵌合されたときに、天板部４３−２とともに容器３０の内部に露出する。この露出したスカート部４３−１の外周にはネジ溝４３−４が形成されている。ここに止めリング４３−５を螺合することで、支持体４３が容器３０の側面３２に固定される。
この孔３１から露出した天板部４３−２及びスカート部４３−１の一部は、液体に浸される。
【００４１】
また、支持体４３は、中空部４３−６を有している。中空部４３−６は、同軸管外部導体４１−１の中空と連通している。
この中空部４３−６は、スカート部４３−１の内面から天板部４３−２の中央に向かって次第に内径が小さくなるように、先細りのテーパ状に形成されている。そして、天板部４３−２の中央には、小さい孔４３−７が穿設されている。これにより、この孔４３−７から電極４２の先端４６が少し突出する。
【００４２】
さらに、支持体４３の天板部４３−２の表面には、耐熱部材４３−８が取り付けられている。
耐熱部材４３−８は、プラズマ熱により支持体４３が損耗し、孔４３−７の径が大きくなるのを防ぐ。
【００４３】
封止部材４４は、支持体４３の内面（中空部４３−６の側面）と電極４２との間に設けられた環状部材である。
この封止部材４４は、電極４２を支持するとともに、同軸管４１の内部に液体が流入するのを防止する。
絶縁部材４５は、支持体４３の中空部４３−６の側面と電極４２との間であって、封止部材４４と天板部４３−２の孔４３−７との間（つまり、容器３０に液体を入れたときの封止部材４４と液体との間）に設けられた環状部材である。
この絶縁部材４５は、電極４２を支持する機能と、液体が同軸管４１や導波管２０に侵入しないように封止する機能と、封止部材４４がプラズマに直接暴露して熱的損傷を受けるのを防止する機能とを有している。これにより、封止部材４４の寿命を延ばして、液中プラズマ源４０の延命を可能とする。
【００４４】
ここで、封止部材４４と絶縁部材４５について、さらに説明する。
封止部材４４の材質は、変形して周囲の金属と密着する程度の弾力性があり、かつマイクロ波によって発熱しないように誘電損が小さい材質を使う必要がある。また、プラズマからの熱を多少受けるためにある程度の耐熱性を有することが望ましい。
そこで、弾力性のある柔らかい材料として、例えば、ゴム、ＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene：ポリテトラフルオロエチレン）あるいは軟らかいプラスチック材料などが考えられる。しかし、これらの材料は一般に耐熱温度が低い。これらの耐熱温度が低い材料を本目的で使用すると、プラズマからの輻射熱、表面を走る沿面放電、中心電極の高温化などにより短時間で破壊され、水漏れ、酸性水への不純物混入などが生じる。一方、耐熱温度が高い材料は、ガラス、セラミックなどを代表として、固い材料が多く、金属と密着させて、水を封止するのには不向きである。
【００４５】
また、絶縁部材４５にセラミックなどを使い、ろう付けすることも考えられるが、本目的には適さない。
その理由として、中心電極４２は、高温になるために熱膨張が大きく、通常のろう付けではひずみにより破壊してしまう。この熱膨張による形状変化を吸収するためには複雑な構造を必要とするが、中心電極４２が消耗品となるために、これは本目的には適さない。
さらに、封止部材４４としてＰＴＦＥを用い、これをプラズマの放電部分から導波管２０の方へ後退させれば、熱の問題は緩和できる。ただし、マイクロ波は、表皮効果により電極４２の表面を伝わり、結果的に水へも伝播するため、電極４２の先端４６に伝播する前に減衰してしまう。
【００４６】
そこで、発明者は、封止部材４４としてプラスチックを用い、その液体側を絶縁部材４５としてのセラミックで覆い保護するという二重構造を創作した。
プラスチックは、ＰＴＦＥを使用する。これは、マイクロ波帯における誘電損が少なく、過大な誘電率がなく、なるべく高い耐熱性があるからである。ただし、これらの条件を満たす材料であれば、ＰＴＦＥに限るものではない。
セラミックは、アルミナ（Al203）を使用する。これは、ＰＴＦＥと同様にマイクロ波帯における誘電損が少なく、過大な誘電率がなく、高い耐熱性と機械的強度があるからである。このような構造にすることによって、電極４２の先端４６のみが液体に露出し、かつプラズマを長時間維持できる耐熱構造を実現することが可能となる。ただし、これらの条件を満たす材料であれば、アルミナに限るものではない。
【００４７】
なお、導波管２０（同軸導波管変換器２６及び同軸管４１を含む）は、電極４２にマイクロ波（電磁波）を供給することから、「電磁波供給路」としての機能を有している。
【００４８】
［酸性水製造方法］
次に、酸性水製造装置を用いて酸性水を製造する手順（酸性水製造方法）について、説明する。
マイクロ波電源１２は、マグネトロンボックス１１に電力を供給する。
マグネトロンボックス１１は、マイクロ波電源１２からの電力の供給を受けて、マイクロ波を生成し出力する。このマイクロ波は、マイクロ波電源コントローラ１３で調整された値を示す。また、マイクロ波は、図２に示すように、複数周期を一パルスとするパルス状に形成されたものである。
【００４９】
導波管２０は、マグネトロンボックス１１から出力されたマイクロ波を搬送し、同軸導波管変換器２６の内部に設けられた同軸管４１へ送る。
同軸管内部導体４１−２の端部に取り付けられた電極４２の先端４６に、マイクロ波の電界が集中する。これにより、容器３０に収められた液中にプラズマが発生する。
この発生したプラズマにより、液体が励起し、酸性水が生成される。
【００５０】
［製造原料］
酸性化する液体（製造原料）としては、用途、汎用性の点で、精製水を挙げることができる。
精製水とは、水以外のものをほとんど含まない、純度の高い水をいう。
ただし、用途及び目的により、液体の成分は変化する。
例えば、強アルカリ性の廃液を中和処理するため、あるいは、農業用水を殺菌するために、酸性化するなどの応用が考えられる。
また、精製水の他に、例えば、アルカリ性物質を含有したアルカリ性水を挙げることができる。
【００５１】
さらに、製造原料となる各種水溶液としては、例えば、殺菌を目的として、海水、農業用水、飲料水、ミネラルウォーターなどが挙げられる。
また、高付加価値を目的として、洗剤、化粧水、風呂の水（温泉水、肌の改善）などを挙げることができる。
【００５２】
［酸性水の生成原理］
本実施形態は、マイクロ波液中プラズマ法によるプラズマ励起で精製水などの液体が酸性に偏る現象を利用するものである。
電気双極子に作用し水分子を集団として揺動するマイクロ波は、導電性を持たない精製水にも作用し、プラズマ励起が可能である。
プラズマ中で励起された水分子は、解離して励起された水素原子Ｈ＋を生成する。このＨ＋は、さらに水素イオンＨ＋と電子ｅ−に分解する。ｅ−による還元作用が働くのと同時にＨ＋の生成により液体は、酸性に傾く。
【００５３】
液体のｐＨは、基本的には、Ｈ＋イオンの濃度で決まるが、Ｈ＋が液中で安定に存在するためには、同数の安定なカウンタイオンが必要である。このカウンタイオンの候補として、ＮＯｘ−（ＮＯ２−、又は、ＮＯ３−）が考えられる。
これは、水中の溶存窒素が酸素と結び付いて発生すると推察され、このカウンタイオンは、割合安定している。
ただし、量は、非常に少なく、通常でも最大で十数ｐｐｍ程度である。
このわずかな量でも、他に緩衝作用を有する混入物がなければ、ｐＨ３．５ぐらいまでは低下する。
【００５４】
ＮＯｘ−以外に、スーパーオキサイドアニオン（Ｏ２−）も考えられるが、寿命が非常に短く、水中では過酸化水素水を生成する。もし、過酸化水素水になっている場合、過酸化マンガンを投入すると、酸素ガスが発生するはずである。ところが、過酸化マンガンを投入してもガスが発生しないので、スーパーオキサイドアニオン（Ｏ２−）がカウンタイオンとしてｐＨの低下に寄与することは考えにくい。
なお、純水が酸性化する現象は、一般に良く知られている二酸化炭素の混入以外に、超音波照射、マイクロ波照射（プラズマではなく電子レンジに水の入ったコップを入れた状態と同じ、ただ単に電磁波を水に照射するだけ）でも観測される。しかし、酸性化する速度は、本実施形態の方が格段に速い。
【００５５】
［実施例］
（実施例１）精製水の酸性化
図１に示す酸性水製造装置を用意した。
容器３０には、５００ｍＬの精製水を投入した。
マイクロ波発振器１０より出力した周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を電極４２の先端４６に集中させて精製水に照射し、液中プラズマを励起した。
反応中の状態を追跡するため、ｐＨ計及び温度計をアプリケータ（容器３０）に挿入し、液体のｐＨと液温を観測した。
【００５６】
この観測で得られたｐＨ及び液温の各値の変化を、図６に示す。
同図に示すように、ｐＨは、マイクロ波の照射開始時点では、６程度であった。このｐＨは、プラズマ励起開始と同時に急速に減少し、６０秒程で４を切り、３．７付近で一定となった。
一方、液温は、マイクロ波の照射開始時点では、２７℃程度であった。この液温は、マイクロ波の供給にともなって上昇し、５００秒後には、９０℃に達した。
【００５７】
この酸性水をポリエチレン容器に詰め、冷暗所に静置した。１週間後、ｐＨを測定したところ、４．０４であり酸性を維持していることが判明した。
さらに、この酸性水に対し水道水（東京都昭島市、測定時のｐＨ７．６）を滴下してｐＨ変化を確認した。
一律排水基準であるｐＨ５．８より高い値とするには、酸性水に対して体積比２０％の水道水を滴下すれば十分であった。
このように、酸性の保持ならびに中性化が容易であることが判明した。
【００５８】
（実施例２）アルカリ性水の酸性化
図１に示す酸性水製造装置を用意した。
容器３０には、５００ｍＬのアルカリ性水を投入した。
このアルカリ性水は、硫酸銅１ｇを溶かした水溶液に水酸化ナトリウムを滴下してｐＨを１０弱に調整したものである。
マイクロ波発振器１０より出力した周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を電極４２の先端４６に集中させて、この水溶液に照射し、液中プラズマを励起した。
反応中の状態を追跡するため、ｐＨ計及び温度計をアプリケータに挿入し、液体のｐＨと液温を観測した。
【００５９】
この観測で得られたｐＨ及び液温の各値の変化を、図７に示す。
同図に示すように、ｐＨは、マイクロ波の照射開始時点では、９．９程度であった。このｐＨは、プラズマ励起開始時から処理時間に対して線形に減少し、プラズマ励起終了時にわずかに酸性となった。
これにより、アルカリ性の液体をプラズマ励起することで酸性にできることが判明した。
一方、液温は、マイクロ波の照射開始時点では、２７℃程度であった。この液温は、マイクロ波の供給にともなって上昇し、４４０秒後には、９３℃に達した。
この酸性水をポリエチレン容器に詰め、冷暗所に静置した。１週間後、ｐＨを測定したところ、５．９であり処理後のｐＨを維持していることが判明した。
【００６０】
この手段で得られた強酸性水は、高い安全性が確保されるため、精製水で希釈するなどして、弱酸性として、食品や容器の洗浄、手洗いなど様々な用途に応用可能である。
また、短時間で製造可能であるため、基本的に貯蓄の必要性がなく、必要とされる環境下で大量に製造でき、例えば災害現場などで清潔な洗浄水を確保する目的などに利用することができる。
さらに、製造した酸性水のｐＨに経時変化がほとんど見られないため、パックに詰めて携行することも可能である。
しかも、ｐＨ１０のアルカリ性水溶液がｐＨ７弱まで低下したことから、海水など弱アルカリ性水溶液を酸性化することが可能である。これは、タンカーのバラスト水の滅菌などの用途に応用可能である。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態の酸性水製造方法及び酸性水製造装置によれば、液中にプラズマを発生させることで、その液体から酸性水を製造できる。
また、同方法及び装置を用いて生成した酸性水は、精製水を原料としており、一切の添加剤ならびに添加剤から生成した物質を含まないので、高い安全性が得られる。
【００６２】
さらに、同方法及び装置は、アルカリ性水を生成することなく、強酸性水のみを生成できるため、隔膜により酸性水とアルカリ性水を分離する必要がない。これにより、隔膜や電極が不要となるので、同装置の構造を単純化、積層化できる。
しかも、隔膜、電極、添加剤などが不要となるので、消耗品が少なくてすむことから、運転コストを低減できる。
【００６３】
また、精製水の酸性化においては、短時間で例えば３分未満の処理が完了するため、電気分解法などに比べて、処理時間を短縮できる。
さらに、処理時間を短縮できることから、必要なときに必要な量を即時に製造できる。これにより、運転コストを低減できる。
【００６４】
以上、本発明の酸性水製造方法及び酸性水製造装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る酸性水製造方法及び酸性水製造装置は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、容器を一つのみ備えた構成としたが、容器は、一つに限るものではなく、二つ以上備えることもできる。
【００６５】
また、上述した実施形態では、導波管の構成は、図１に示した構成としたが、この構成に限るものではなく、液体にマイクロ波を供給できるものであれば、任意の構成とすることができる。
さらに、同軸導波管変換器は、発熱しやすいことから、冷却装置を備えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、電磁波によって励起された液中プラズマを用いて酸性水を製造する技術に関する発明であるため、液中プラズマを発生させて酸性水を製造する装置や機器に利用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 酸性水製造装置
１０ マイクロ波発振器
１１ マグネトロンボックス
１２ マイクロ波電源
１３ マイクロ波電源コントローラ
２０ 導波管
２１ アイソレータ
２２ パワーメータ
２３ チューナ
２４ コーナ導波管
２５ 終端プランジャ
２６ 同軸導波管変換器
２６−１ 管体
２６−２ 孔
３０ 容器
３１ 孔
３２ 側面
４０ 液中プラズマ源
４１ 同軸管
４１−１ 同軸管外部導体
４１−２ 同軸管内部導体
４２ 電極
４３ 支持体
４３−１ スカート部
４３−２ 天板部
４３−３ 裾部
４３−４ ネジ溝
４３−５ 止めリング
４３−６ 中空
４３−７ 孔
４３−８ 耐熱部材
４４ 封止部材
４５ 絶縁部材
４６ 先端
５０ 支持部材
５１ 第一支持部材
５１−１ 底部
５１−２ 截頭面
５１−３ 貫通孔
５１−４ 雌ネジ
５２ 第二支持部材
５２−１ 截頭錐体部
５２−２ ネジ部
５２−３ 底部
５２−４ 貫通孔
５２−５ スリット
５２−６ 歯部
５２−７ 雄ネジ
５２−８ 中空
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸性水を製造する方法、及び、その酸性水を製造するための酸性水製造装置に関し、特に、精製水又はアルカリ性水から酸性水を製造する酸性水製造方法及び酸性水製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸性水は、ｐＨ７を中性としたときに、これよりも小さいｐＨの値を示す水をいう。
この酸性水は、ｐＨによって、強酸性水、弱酸性水、微酸性水に分けることができ、それぞれ性状により用途が異なっている。
例えば、強酸性水は、消毒殺菌作用があることから、手洗用や内視鏡の洗浄などに使用されている。また、弱酸性水は、物を引き締める収れん作用を有していることから、アストリンゼントとして、洗顔剤や化粧水などに使用されている。
【０００３】
この酸性水を製造する方法としては、次のものがある。
例えば、電解槽の室内の中央に隔膜を配置して電解槽を二室に分け、各分室のそれぞれに電極を挿入する。電解槽内に原水を供給し、電極間を通電すると、陰極室からアルカリ性水を、陽極室から酸性水をそれぞれ得ることができる（電気分解法。例えば、特許文献１参照。）。
また、他の方法としては、例えば、クエン酸等の弱酸を水に投入してｐＨを調整し酸性水を製造する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２４５２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これまでの酸性水の製造方法においては、次のような問題があった。
例えば、電気分解法は、精製水に対して行うことはできず、必ず食塩ＮａＣｌなどの電解質を入れて導電性を確保しなければならなかった。この酸性水は、高い塩素濃度を示し、滅菌力として高い効果を示すものの、過塩素酸イオンなどの影響が好ましくない傷口の洗浄などには必ずしも適しているとはいえなかった。
【０００６】
また、電気分解法に用いる電解質は、高純度である必要があった。もし、電解質が低純度だとすると、予期しない電解生成物が混ざる可能性があった。
さらに、電気分解法では、強酸性水の製造を急速に行うことができなかった。
しかも、電気分解法は、電解槽の内部に隔膜を配置して電解槽を二室にし、各室に電極を設けた構成としなければならなかった。このように、隔膜で二本の電極を隔てた構成を採用しなかった場合、各電極で生成されるアルカリ性水と酸性水が中和してしまい、酸性水を製造することができなかった。
【０００７】
一方、弱酸の投入方法は、ｐＨが添加物の分量に依存し、多くの場合、複数種の酸を使用することから、調整が複雑になっていた。また、投入された有機酸自体の存在から用途が限定されていた。
【０００８】
本発明は、上記の事情にかんがみなされたものであり、電解質や添加物を加えることなく、簡易な構成の装置を用いて、短時間で、精製水等から酸性水を製造可能とする酸性水製造方法及び酸性水製造装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するため、本発明の酸性水製造方法は、液中にプラズマを発生させ、該液体を励起させて、酸性水を製造する方法としてある。
【００１０】
また、本発明の酸性水製造装置は、液体が収められた容器と、液体に接する位置に配置された電極と、この電極に電磁波を供給する電磁波供給路とを備え、電極のうち液体に接した部分にプラズマを発生させて酸性水を製造する構成としてある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の酸性水製造方法及び酸性水製造装置によれば、液中にプラズマを発生させることで酸性水を製造できる。
また、同方法及び装置を用いて生成した酸性水は、精製水を原料としており、一切の電解質、添加剤、添加剤から生成した物質を含まないので、高い安全性が得られる。
【００１２】
さらに、同方法及び装置は、アルカリ性水を生成することなく、強酸性水のみを生成できるので、隔膜や電極が不要となり、同装置の構造を単純化、積層化できる。
しかも、液中にプラズマを発生させると、ｐＨが急激に下がることから、短時間で酸性水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態における酸性水製造装置の構成を示す概略側面図である。
【図２】マイクロ波電力の波形を示す波形図である。
【図３】同軸導波管と液中プラズマ源の構成を示す側面断面図である。
【図４】液中プラズマ源のうち支持部材の構成を示す外観斜視図である。
【図５】液中プラズマ源のうち電極付近の構成を示す側面断面図である。
【図６】本発明の実施形態における酸性水製造装置を用いて、精製水から酸性水を製造したときの液温及びｐＨの変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態における酸性水製造装置を用いて、アルカリ性水から酸性水を製造したときの液温及びｐＨの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る酸性水製造方法及び酸性水製造装置の好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
［酸性水製造装置］
まず、本発明の酸性水製造装置の実施形態について、図１を参照して説明する。
同図は、本実施形態の酸性水製造装置の構成を示す正面図である。
【００１６】
同図に示すように、酸性水製造装置１は、マイクロ波発振器１０と、導波管２０と、容器３０と、液中プラズマ源４０とを有している。
ここで、マイクロ波発振器１０は、マグネトロンボックス１１と、マイクロ波電源１２と、マイクロ波電源コントローラ１３とを有している。
マグネトロンボックス１１は、マイクロ波を生成して出力する。
マイクロ波電源１２は、マグネトロンボックス１１にマイクロ波生成用の電力を供給する。
マイクロ波電源コントローラ１３は、マイクロ波電源１２に信号を送って、マイクロ波の出力などを調整・制御する。
【００１７】
なお、図１においては、マグネトロンボックス１１、マイクロ波電源１２、マイクロ波電源コントローラ１３をそれぞれ別構成で示したが、別構成に限るものではなく、これらを一体構成とすることができる。
また、マイクロ波は、一般に、波長が１００μｍ〜１ｍ、周波数が３００ＭＨｚ〜３ＴＨｚの電磁波をいう。
【００１８】
導波管２０は、マイクロ波発振器１０から出力されたマイクロ波を容器３０へ伝搬する。
導波管２０には、アイソレータ２１、パワーメータ２２、チューナ２３などの立体回路を取り付けることができる。
アイソレータ２１は、負荷から反射してきたマイクロ波が再びマグネトロンへ戻らないように、ダミーロードで吸収し、熱に変換する。
パワーメータ２２は、出射、反射それぞれのマイクロ波電力を測定する。
【００１９】
チューナ２３は、負荷インピーダンスの整合を行なう。
チューナ２３には、スリースタブチューナと、ＥＨチューナがある。
スリースタブチューナは、三本のスタブを調整して、負荷の消費電力を最大にする。
ＥＨチューナは、導波管２０のＥ分岐とＨ分岐にプランジャを設け、これを出し入れすることで、チューニングをとる。
なお、酸性水製造装置１を実施する場合は、スリースタブチューナとＥＨチューナのいずれを用いてもよい。
【００２０】
また、導波管２０には、コーナ導波管２４や終端プランジャ２５などを用いることができる。
さらに、導波管２０は、同軸導波管変換器２６を有している。
この同軸導波管変換器２６の構造については、後記の（液中プラズマ源）で詳述する。
【００２１】
容器３０は、液体を入れる器である。この容器３０に収められた液体の中でプラズマを発生させる。
この容器３０の側面３２（図５参照）の一部には、液中プラズマ源４０の支持体４３（後述）を取り付けるための孔３１（図５参照）が穿設されている。
支持体４３は、後述するように、キャップ状に形成されており、スカート部４３−１と天板部４３−２とを有している。孔３１は、天板部４３−２とスカート部４３−１の一部（天板部４３−２の近傍）が嵌合可能な大きさに穿設されている。
【００２２】
この容器３０は、例えば、テフロン（登録商標）などの樹脂やガラスで形成することが望ましい。これは、容器３０が金属で形成されていると、収められた液体が酸性水になるため、電池になって電気分解や腐食を起こす可能性があるからである。
なお、テフロン（登録商標）で製造された容器３０の外側に、ステンレス容器を備えたり、金属製の容器の内側にテフロン（登録商標）の塗装を施して使用することもできる。金属製の容器を使うことにより、マイクロ波の漏洩を防止できる。
【００２３】
（液体への供給電力）
次に、液体に供給される電力について、説明する。
液体には、この液中にプラズマを発生させて酸性水を生成するための電力が供給される。
この電力は、直流パルスではなく、２．４５ＧＨｚ、５．８ＧＨｚ、９．５ＧＨｚ帯などの周波数スペクトルが単一のマイクロ波である。このため、共振構造、伝送路インピーダンスの最適化などにより、高い電力供給効率が可能となる。
【００２４】
液中プラズマでは、従来技術として直流パルスによる放電の例がある。
直流パルスは、基本周波数およびその奇数倍のきわめて広範囲の周波数成分を含むので、伝送路および負荷（液体のインピーダンス）との完全な整合が難しく、結果として反射電力が大きく、負荷への電力供給効率は低くなる。
一方、駆動電力をマイクロ波にすることで、電極４２への負荷を小さくできる。
すなわち、マイクロ波は単周波数なので、極めて効率的に電力を供給すること、および電極を誘電体で覆うなど無電極化することが可能になる。
マイクロ波は、理論的には無反射にすることも可能であり、この場合の負荷への電力供給効率は、マグネトロンの発振効率のみが最も大きな損失となるだけなので、電力効率は、７０％近くになる。この数値は、他の方法と比較して極めて高い効率である。
【００２５】
また、直流パルスにおいては、液体の導電率を制御する必要がある。これは、導電率が低い場合は液体に余計な電解質を混入する必要があること、あるいは、既に導電率が必要よりも高い場合にはプラズマを得ることができないことを意味する。
これに対して、マイクロ波は、水の大きな比誘電率（約８０）と大きな誘電正接（約１０）によりエネルギーを吸収させてプラズマを生じさせるので、このような導電率の制御は不要であり、よって、不純物を入れる必要もなく、多くの物質に適用できる。液体として、水が適当であることも、他方式に対する特長となる。
【００２６】
マイクロ波電力は、図２に示すように、複数周期を一パルスとするパルス状であることが望ましい。
定常的にプラズマ放電可能なマイクロ波電力をプラズマ源に投入すると、その電力により激しい発熱が生じ、電極４２が破壊する。しかるに、プラズマが生じるための電力は高く、試作機では、２ｋＷ以上のピークパワーを必要とした。この相反する要求を同時に実現するためには、電力供給はマイクロ波パルスであることが必要になる。
一方、マイクロ波パルスのパルス幅を１μ秒よりも短くすれば、プラズマはコロナ放電すなわち非熱平衡プラズマとなり、温度上昇が抑えられ、電極４２の損耗は著しく少なくなる。しかし、液体に与えられるエネルギーは小さくなるため、反応速度が遅くなるか、または条件によっては酸性水が生成されない可能性がある。
【００２７】
本実施形態においては、充分な効果を期待するために、電極の損耗が考えられるが、長いパルス幅、すなわち、パルス幅５ｍｓｅｃ、繰り返し周波数１００Ｈｚ、のマイクロ波パルスを使用した。その結果、電極４２は、損耗が確認されたが、プラズマ点火後、急激にｐＨが下がり始め、約２５０秒ほどで、精製水からｐＨ４以下の酸性水を製造することができた。また、約３００秒ほどで、アルカリ性水からｐＨ７以下の酸性水を製造することができた。
【００２８】
（液中プラズマ源）
次に、液中プラズマ源の構成について、図３〜図５を参照して説明する。
図３は、液中プラズマ源の構成を示す断面図である。図４は、液中プラズマ源を構成する支持部材を示した斜視図である。図５は、液中プラズマ源を構成する電極及びその周囲を拡大した要部拡大図である。
なお、本実施形態においては、同軸導波管変換器２６の同軸管４１が液中プラズマ源４０に含まれるものとする。
【００２９】
液中プラズマ源４０は、導波管２０を伝搬してきたマイクロ波を液体に供給するための装置である。
この液中プラズマ源４０は、図３に示すように、同軸管４１と、電極４２と、支持体４３と、封止部材４４と、絶縁部材４５とを有している。
同軸管４１は、同軸導波管変換器２６の一部を構成しており、導波管２０からマイクロ波を受けて伝搬させる。
一般に、同軸導波管変換器２６では、導波管２０（管体２６−１）と同軸管４１とが垂直に接続されている。このため、マイクロ波は、管体２６−１から同軸管４１に伝わるときに、その伝搬方向を垂直方向に変えて伝わっていく。
【００３０】
この同軸管４１は、同軸管構造で形成されており、同軸管外部導体４１−１と、同軸管内部導体４１−２とを有している。
同軸管外部導体４１−１は、同軸導波管変換器２６の管体２６−１の表面から外方に向かって突設された管状部材である。この同軸管外部導体４１−１の中心軸方向は、同軸導波管変換器２６の管体２６−１の中心軸に対して垂直方向である。
この同軸管外部導体４１−１の内径は、特性インピーダンスが５０Ωとなるような寸法にしてある。
特性インピーダンスは、管の内外径比により変更できる。負荷（プラズマ）に整合するよう調整することも可能である。
【００３１】
同軸管内部導体４１−２は、棒状又は筒状の部材であって、同軸管外部導体４１−１の中空に、同軸管外部導体４１−１と同軸で配置されている。
この同軸管内部導体４１−２の一方の端部は、同軸導波管変換器２６の管体２６−１の内面（同軸管外部導体４１−１が取り付けられている部分に対向する面）に当接している。また、他方の端部には電極４２が延設されている。
なお、同軸管内部導体４１−２の直径は、試作機においては１０ｍｍとしたが、必ずしも１０ｍｍが最適であるわけではなく、前述したように、適宜変更可能である。
【００３２】
同軸管内部導体４１−２が管体２６−１に当接している部分には、支持部材５０が取り付けられている。
支持部材５０は、図３及び図４に示すように、第一支持部材５１と、第二支持部材５２とを有している。
第一支持部材５１は、頂部が截断された截頭錐体の形状に形成されており、底部５１−１が管体２６−１の孔２６−２に嵌合している。また、底部５１−１の中央から頂部截断面（截頭面５１−２）の中央に向かって直線状に貫通孔５１−３が穿設されている。この貫通孔５１−３には、同軸管内部導体４１−２の一方の端部が嵌合する。
【００３３】
この第一支持部材５１が截頭錐体の形状に形成してあるのは、次の理由による。
方形導波管の伝送基本モードは、ＴＥモードまたはＴＭモードである。一方、同軸線路の伝送基本モードは、ＴＥＭモードである。このように、方形導波管と同軸線路では、伝送モードが異なるが、同軸導波管変換器２６は、それらの整合をとって、マイクロ波を伝搬可能にしている。
整合の手法には様々なものがあるが、本実施形態の同軸導波管変換器２６は、第一支持部材５１の形状により整合をとっている。
第一支持部材に関する公知の形状としてワイングラス形があるが、その曲線形状が複雑なために加工が困難であるという欠点がある。これに対し、本実施形態の第一支持部材５１は、截頭錐体であり、加工が容易である。
【００３４】
また、ワイングラス形は、平均電力１ＭＷ、あるいは尖頭値電力１ＭＷといった大電力用変換器に用いられるが、そこまでの大電力を扱わない場合には、截頭錐体の形状でも発熱が生じず、実用的な整合をとることができる。これは、発明者が、平均電力５００Ｗ〜１ｋＷ、尖頭値電力５ｋＷにおいて電磁界シミュレーションを行なった結果、ワイングラス形と同等の電磁界分布が得られたことからわかった。
さらに、他の利点としては、第一支持部材５１の表面にエッジがないことから、放電を防止できることが挙げられる。
しかも、スリースタブチューナ２３を設けることで、さらに整合させることができる。
【００３５】
第二支持部材５２は、截頭錐体部５２−１と、ネジ部５２−２とを有している。
截頭錐体部５２−１は、頂部が截断された截頭錐体の形状に形成されており、底部５２−３の中心から頂部截断面（截頭面）の中央に向かって直線状に貫通孔５２−４が穿設されている。
また、截頭錐体部５２−１には、傾斜（テーパ）に沿って複数のスリット５２−５が形成されており、一種のコレットチャックとなっている。スリット間にある歯部５２−６は、貫通孔５２−４に嵌合された同軸管内部導体４１−２を支持する。
【００３６】
ネジ部５２−２は、截頭錐体部５２−１の底部５２−３から延設した円筒形状の部材であって、外周に雄ネジ５２−７が形成されている。また、ネジ部５２−２の中空５２−８と截頭錐体部５２−１の貫通孔５２−４が連通している。
一方、第一支持部材５１の截頭面５１−２の中央には貫通孔５１−３が穿設されており、この貫通孔５１−３には、雌ネジ５１−４が形成されている。これにより、第二支持部材５２の雄ネジ５２−７が、第一支持部材５１の雌ネジ５１−４に螺入することができ、この螺入により、第二支持部材５２の貫通孔５２−４及び中空５２−８と、第一支持部材５１の貫通孔５１−３が連通する。
【００３７】
なお、第一支持部材５１の截頭面５１−２の外縁の径は、第二支持部材５２の底部５２−３の外縁の径と同じである。これにより、第一支持部材５１の雌ネジ５１−４に第二支持部材５２のネジ部５２−２を螺入してもエッジが表れないので、放電を防止できる。
【００３８】
電極４２は、図５に示すように、胴部が円柱形状に形成されるとともに、一方の端部が円錐形状に形成されており、他方の端部に同軸管内部導体４１−２の他方の端部が取り付けられている。電極４２の一端を円錐形状とするにより、この先端４６に電界を集中させ、電界強度を上げることができる。
そして、電極４２の先端４６を液中に露出させることで、この部分にプラズマを発生させることができる。
【００３９】
この電極４２は、金属などの導電体で形成されている。特に、先端４６は、プラズマの熱を受け損傷するおそれがあるので、タングステンなど耐熱性の材料（高融点材料）で形成することが望ましい。ただし、必ずしも金属である必要はなく、例えば、誘電体を用いて作成することもできる。誘電体で電極４２を作成すれば、金属が液中に露出しないので、金属不純物の混入を減少できる。
【００４０】
支持体４３は、同軸管外部導体４１−１の一端（同軸導波管変換器２６の管体２６−１に接続していない方の端部）を蓋するように取り付けられたキャップ状部材である。
この支持体４３は、スカート部４３−１と、天板部４３−２とを有している。
スカート部４３−１の裾部４３−３は、同軸管外部導体４１−１の一端に接続している。
スカート部４３−１のうち天板部４３−２の近傍は、容器３０の孔３１に嵌合されたときに、天板部４３−２とともに容器３０の内部に露出する。この露出したスカート部４３−１の外周にはネジ溝４３−４が形成されている。ここに止めリング４３−５を螺合することで、支持体４３が容器３０の側面３２に固定される。
この孔３１から露出した天板部４３−２及びスカート部４３−１の一部は、液体に浸される。
【００４１】
また、支持体４３は、中空部４３−６を有している。中空部４３−６は、同軸管外部導体４１−１の中空と連通している。
この中空部４３−６は、スカート部４３−１の内面から天板部４３−２の中央に向かって次第に内径が小さくなるように、先細りのテーパ状に形成されている。そして、天板部４３−２の中央には、小さい孔４３−７が穿設されている。これにより、この孔４３−７から電極４２の先端４６が少し突出する。
【００４２】
さらに、支持体４３の天板部４３−２の表面には、耐熱部材４３−８が取り付けられている。
耐熱部材４３−８は、プラズマ熱により支持体４３が損耗し、孔４３−７の径が大きくなるのを防ぐ。
【００４３】
封止部材４４は、支持体４３の内面（中空部４３−６の側面）と電極４２との間に設けられた環状部材である。
この封止部材４４は、電極４２を支持するとともに、同軸管４１の内部に液体が流入するのを防止する。
絶縁部材４５は、支持体４３の中空部４３−６の側面と電極４２との間であって、封止部材４４と天板部４３−２の孔４３−７との間（つまり、容器３０に液体を入れたときの封止部材４４と液体との間）に設けられた環状部材である。
この絶縁部材４５は、電極４２を支持する機能と、液体が同軸管４１や導波管２０に侵入しないように封止する機能と、封止部材４４がプラズマに直接暴露して熱的損傷を受けるのを防止する機能とを有している。これにより、封止部材４４の寿命を延ばして、液中プラズマ源４０の延命を可能とする。
【００４４】
ここで、封止部材４４と絶縁部材４５について、さらに説明する。
封止部材４４の材質は、変形して周囲の金属と密着する程度の弾力性があり、かつマイクロ波によって発熱しないように誘電損が小さい材質を使う必要がある。また、プラズマからの熱を多少受けるためにある程度の耐熱性を有することが望ましい。
そこで、弾力性のある柔らかい材料として、例えば、ゴム、ＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene：ポリテトラフルオロエチレン）あるいは軟らかいプラスチック材料などが考えられる。しかし、これらの材料は一般に耐熱温度が低い。これらの耐熱温度が低い材料を本目的で使用すると、プラズマからの輻射熱、表面を走る沿面放電、中心電極の高温化などにより短時間で破壊され、水漏れ、酸性水への不純物混入などが生じる。一方、耐熱温度が高い材料は、ガラス、セラミックなどを代表として、固い材料が多く、金属と密着させて、水を封止するのには不向きである。
【００４５】
また、絶縁部材４５にセラミックなどを使い、ろう付けすることも考えられるが、本目的には適さない。
その理由として、中心電極４２は、高温になるために熱膨張が大きく、通常のろう付けではひずみにより破壊してしまう。この熱膨張による形状変化を吸収するためには複雑な構造を必要とするが、中心電極４２が消耗品となるために、これは本目的には適さない。
さらに、封止部材４４としてＰＴＦＥを用い、これをプラズマの放電部分から導波管２０の方へ後退させれば、熱の問題は緩和できる。ただし、マイクロ波は、表皮効果により電極４２の表面を伝わり、結果的に水へも伝播するため、電極４２の先端４６に伝播する前に減衰してしまう。
【００４６】
そこで、発明者は、封止部材４４としてプラスチックを用い、その液体側を絶縁部材４５としてのセラミックで覆い保護するという二重構造を創作した。
プラスチックは、ＰＴＦＥを使用する。これは、マイクロ波帯における誘電損が少なく、過大な誘電率がなく、なるべく高い耐熱性があるからである。ただし、これらの条件を満たす材料であれば、ＰＴＦＥに限るものではない。
セラミックは、アルミナ（Al203）を使用する。これは、ＰＴＦＥと同様にマイクロ波帯における誘電損が少なく、過大な誘電率がなく、高い耐熱性と機械的強度があるからである。このような構造にすることによって、電極４２の先端４６のみが液体に露出し、かつプラズマを長時間維持できる耐熱構造を実現することが可能となる。ただし、これらの条件を満たす材料であれば、アルミナに限るものではない。
【００４７】
なお、導波管２０（同軸導波管変換器２６及び同軸管４１を含む）は、電極４２にマイクロ波（電磁波）を供給することから、「電磁波供給路」としての機能を有している。
【００４８】
［酸性水製造方法］
次に、酸性水製造装置を用いて酸性水を製造する手順（酸性水製造方法）について、説明する。
マイクロ波電源１２は、マグネトロンボックス１１に電力を供給する。
マグネトロンボックス１１は、マイクロ波電源１２からの電力の供給を受けて、マイクロ波を生成し出力する。このマイクロ波は、マイクロ波電源コントローラ１３で調整された値を示す。また、マイクロ波は、図２に示すように、複数周期を一パルスとするパルス状に形成されたものである。
【００４９】
導波管２０は、マグネトロンボックス１１から出力されたマイクロ波を搬送し、同軸導波管変換器２６の内部に設けられた同軸管４１へ送る。
同軸管内部導体４１−２の端部に取り付けられた電極４２の先端４６に、マイクロ波の電界が集中する。これにより、容器３０に収められた液中にプラズマが発生する。
この発生したプラズマにより、液体が励起し、酸性水が生成される。
【００５０】
［製造原料］
酸性化する液体（製造原料）としては、用途、汎用性の点で、精製水を挙げることができる。
精製水とは、水以外のものをほとんど含まない、純度の高い水をいう。
ただし、用途及び目的により、液体の成分は変化する。
例えば、強アルカリ性の廃液を中和処理するため、あるいは、農業用水を殺菌するために、酸性化するなどの応用が考えられる。
また、精製水の他に、例えば、アルカリ性物質を含有したアルカリ性水を挙げることができる。
【００５１】
さらに、製造原料となる各種水溶液としては、例えば、殺菌を目的として、海水、農業用水、飲料水、ミネラルウォーターなどが挙げられる。
また、高付加価値を目的として、洗剤、化粧水、風呂の水（温泉水、肌の改善）などを挙げることができる。
【００５２】
［酸性水の生成原理］
本実施形態は、マイクロ波液中プラズマ法によるプラズマ励起で精製水などの液体が酸性に偏る現象を利用するものである。
電気双極子に作用し水分子を集団として揺動するマイクロ波は、導電性を持たない精製水にも作用し、プラズマ励起が可能である。
プラズマ中で励起された水分子は、解離して励起された水素原子Ｈ＋を生成する。このＨ＋は、さらに水素イオンＨ＋と電子ｅ−に分解する。ｅ−による還元作用が働くのと同時にＨ＋の生成により液体は、酸性に傾く。
【００５３】
液体のｐＨは、基本的には、Ｈ＋イオンの濃度で決まるが、Ｈ＋が液中で安定に存在するためには、同数の安定なカウンタイオンが必要である。このカウンタイオンの候補として、ＮＯｘ−（ＮＯ２−、又は、ＮＯ３−）が考えられる。
これは、水中の溶存窒素が酸素と結び付いて発生すると推察され、このカウンタイオンは、割合安定している。
ただし、量は、非常に少なく、通常でも最大で十数ｐｐｍ程度である。
このわずかな量でも、他に緩衝作用を有する混入物がなければ、ｐＨ３．５ぐらいまでは低下する。
【００５４】
ＮＯｘ−以外に、スーパーオキサイドアニオン（Ｏ２−）も考えられるが、寿命が非常に短く、水中では過酸化水素水を生成する。もし、過酸化水素水になっている場合、過酸化マンガンを投入すると、酸素ガスが発生するはずである。ところが、過酸化マンガンを投入してもガスが発生しないので、スーパーオキサイドアニオン（Ｏ２−）がカウンタイオンとしてｐＨの低下に寄与することは考えにくい。
なお、純水が酸性化する現象は、一般に良く知られている二酸化炭素の混入以外に、超音波照射、マイクロ波照射（プラズマではなく電子レンジに水の入ったコップを入れた状態と同じ、ただ単に電磁波を水に照射するだけ）でも観測される。しかし、酸性化する速度は、本実施形態の方が格段に速い。
【００５５】
［実施例］
（実施例１）精製水の酸性化
図１に示す酸性水製造装置を用意した。
容器３０には、５００ｍＬの精製水を投入した。
マイクロ波発振器１０より出力した周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を電極４２の先端４６に集中させて精製水に照射し、液中プラズマを励起した。
反応中の状態を追跡するため、ｐＨ計及び温度計をアプリケータ（容器３０）に挿入し、液体のｐＨと液温を観測した。
【００５６】
この観測で得られたｐＨ及び液温の各値の変化を、図６に示す。
同図に示すように、ｐＨは、マイクロ波の照射開始時点では、６程度であった。このｐＨは、プラズマ励起開始と同時に急速に減少し、６０秒程で４を切り、３．７付近で一定となった。
一方、液温は、マイクロ波の照射開始時点では、２７℃程度であった。この液温は、マイクロ波の供給にともなって上昇し、５００秒後には、９０℃に達した。
【００５７】
この酸性水をポリエチレン容器に詰め、冷暗所に静置した。１週間後、ｐＨを測定したところ、４．０４であり酸性を維持していることが判明した。
さらに、この酸性水に対し水道水（東京都昭島市、測定時のｐＨ７．６）を滴下してｐＨ変化を確認した。
一律排水基準であるｐＨ５．８より高い値とするには、酸性水に対して体積比２０％の水道水を滴下すれば十分であった。
このように、酸性の保持ならびに中性化が容易であることが判明した。
【００５８】
（実施例２）アルカリ性水の酸性化
図１に示す酸性水製造装置を用意した。
容器３０には、５００ｍＬのアルカリ性水を投入した。
このアルカリ性水は、硫酸銅１ｇを溶かした水溶液に水酸化ナトリウムを滴下してｐＨを１０弱に調整したものである。
マイクロ波発振器１０より出力した周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波を電極４２の先端４６に集中させて、この水溶液に照射し、液中プラズマを励起した。
反応中の状態を追跡するため、ｐＨ計及び温度計をアプリケータに挿入し、液体のｐＨと液温を観測した。
【００５９】
この観測で得られたｐＨ及び液温の各値の変化を、図７に示す。
同図に示すように、ｐＨは、マイクロ波の照射開始時点では、９．９程度であった。このｐＨは、プラズマ励起開始時から処理時間に対して線形に減少し、プラズマ励起終了時にわずかに酸性となった。
これにより、アルカリ性の液体をプラズマ励起することで酸性にできることが判明した。
一方、液温は、マイクロ波の照射開始時点では、２７℃程度であった。この液温は、マイクロ波の供給にともなって上昇し、４４０秒後には、９３℃に達した。
この酸性水をポリエチレン容器に詰め、冷暗所に静置した。１週間後、ｐＨを測定したところ、５．９であり処理後のｐＨを維持していることが判明した。
【００６０】
この手段で得られた強酸性水は、高い安全性が確保されるため、精製水で希釈するなどして、弱酸性として、食品や容器の洗浄、手洗いなど様々な用途に応用可能である。
また、短時間で製造可能であるため、基本的に貯蓄の必要性がなく、必要とされる環境下で大量に製造でき、例えば災害現場などで清潔な洗浄水を確保する目的などに利用することができる。
さらに、製造した酸性水のｐＨに経時変化がほとんど見られないため、パックに詰めて携行することも可能である。
しかも、ｐＨ１０のアルカリ性水溶液がｐＨ７弱まで低下したことから、海水など弱アルカリ性水溶液を酸性化することが可能である。これは、タンカーのバラスト水の滅菌などの用途に応用可能である。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態の酸性水製造方法及び酸性水製造装置によれば、液中にプラズマを発生させることで、その液体から酸性水を製造できる。
また、同方法及び装置を用いて生成した酸性水は、精製水を原料としており、一切の添加剤ならびに添加剤から生成した物質を含まないので、高い安全性が得られる。
【００６２】
さらに、同方法及び装置は、アルカリ性水を生成することなく、強酸性水のみを生成できるため、隔膜により酸性水とアルカリ性水を分離する必要がない。これにより、隔膜や電極が不要となるので、同装置の構造を単純化、積層化できる。
しかも、隔膜、電極、添加剤などが不要となるので、消耗品が少なくてすむことから、運転コストを低減できる。
【００６３】
また、精製水の酸性化においては、短時間で例えば３分未満の処理が完了するため、電気分解法などに比べて、処理時間を短縮できる。
さらに、処理時間を短縮できることから、必要なときに必要な量を即時に製造できる。これにより、運転コストを低減できる。
【００６４】
以上、本発明の酸性水製造方法及び酸性水製造装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る酸性水製造方法及び酸性水製造装置は上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
例えば、上述した実施形態では、容器を一つのみ備えた構成としたが、容器は、一つに限るものではなく、二つ以上備えることもできる。
【００６５】
また、上述した実施形態では、導波管の構成は、図１に示した構成としたが、この構成に限るものではなく、液体にマイクロ波を供給できるものであれば、任意の構成とすることができる。
さらに、同軸導波管変換器は、発熱しやすいことから、冷却装置を備えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、電磁波によって励起された液中プラズマを用いて酸性水を製造する技術に関する発明であるため、液中プラズマを発生させて酸性水を製造する装置や機器に利用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１ 酸性水製造装置
１０ マイクロ波発振器
１１ マグネトロンボックス
１２ マイクロ波電源
１３ マイクロ波電源コントローラ
２０ 導波管
２１ アイソレータ
２２ パワーメータ
２３ チューナ
２４ コーナ導波管
２５ 終端プランジャ
２６ 同軸導波管変換器
２６−１ 管体
２６−２ 孔
３０ 容器
３１ 孔
３２ 側面
４０ 液中プラズマ源
４１ 同軸管
４１−１ 同軸管外部導体
４１−２ 同軸管内部導体
４２ 電極
４３ 支持体
４３−１ スカート部
４３−２ 天板部
４３−３ 裾部
４３−４ ネジ溝
４３−５ 止めリング
４３−６ 中空
４３−７ 孔
４３−８ 耐熱部材
４４ 封止部材
４５ 絶縁部材
４６ 先端
５０ 支持部材
５１ 第一支持部材
５１−１ 底部
５１−２ 截頭面
５１−３ 貫通孔
５１−４ 雌ネジ
５２ 第二支持部材
５２−１ 截頭錐体部
５２−２ ネジ部
５２−３ 底部
５２−４ 貫通孔
５２−５ スリット
５２−６ 歯部
５２−７ 雄ネジ
５２−８ 中空
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液中にプラズマを発生させ、該液体を励起させて、酸性水を製造する
ことを特徴とする酸性水製造方法。
【請求項２】
前記液体が、精製水、アルカリ性水、又は各種水溶液である
ことを特徴とする請求項１記載の酸性水製造方法。
【請求項３】
電磁波を供給して前記プラズマを発生させる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の酸性水製造方法。
【請求項４】
前記液体を容器に収め、
電極に前記電磁波を供給し、
前記電極のうち前記液体に接した部分で前記プラズマを発生させて、前記酸性水を製造する
ことを特徴とする請求項３記載の酸性水製造方法。
【請求項５】
前記電磁波が、マイクロ波を含み、
このマイクロ波が、１マイクロ秒のパルス幅で前記電極に供給される
ことを特徴とする請求項３又は４記載の酸性水製造方法。
【請求項６】
液体が収められた容器と、
前記液体に接する位置に配置された電極と、
この電極に電磁波を供給する電磁波供給路とを備え、
前記電極のうち前記液体に接した部分にプラズマを発生させて酸性水を製造する
ことを特徴とする酸性水製造装置。
【請求項７】
前記電磁波により発生した液中プラズマにより前記液体を励起して前記酸性水を製造する
ことを特徴とする請求項６記載の酸性水製造装置。
【請求項１】
液中にプラズマを発生させ、該液体を励起させて、酸性水を製造する
ことを特徴とする酸性水製造方法。
【請求項２】
前記液体が、精製水、アルカリ性水、又は各種水溶液である
ことを特徴とする請求項１記載の酸性水製造方法。
【請求項３】
電磁波を供給して前記プラズマを発生させる
ことを特徴とする請求項１又は２記載の酸性水製造方法。
【請求項４】
前記液体を容器に収め、
電極に前記電磁波を供給し、
前記電極のうち前記液体に接した部分で前記プラズマを発生させて、前記酸性水を製造する
ことを特徴とする請求項３記載の酸性水製造方法。
【請求項５】
前記電磁波が、マイクロ波を含み、
このマイクロ波が、１マイクロ秒のパルス幅で前記電極に供給される
ことを特徴とする請求項３又は４記載の酸性水製造方法。
【請求項６】
液体が収められた容器と、
前記液体に接する位置に配置された電極と、
この電極に電磁波を供給する電磁波供給路とを備え、
前記電極のうち前記液体に接した部分にプラズマを発生させて酸性水を製造する
ことを特徴とする酸性水製造装置。
【請求項７】
前記電磁波により発生した液中プラズマにより前記液体を励起して前記酸性水を製造する
ことを特徴とする請求項６記載の酸性水製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１８８２２８（Ｐ２０１０−１８８２２８Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３２７７７（Ｐ２００９−３２７７７）
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（５０００３６８３１）アリオス株式会社 (14)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【出願人】（５０４１３６５６８）国立大学法人広島大学 (924)
【出願人】（５０００３６８３１）アリオス株式会社 (14)
【Ｆターム（参考）】
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