CN115298135A - 氧自由基供给装置及氧自由基供给方法 - Google Patents

Abstract

提供能够高效地向处理水注入氧自由基的氧自由基供给装置。氧自由基供给装置(3)具备：供给水的水供给部(61)、排出处理水的水排出部(65)以及针对从水供给部供给的水从交叉方向在水供给部与水排出部之间附加氧自由基的氧自由基供给机构(7)，所述交叉方向与从水供给部朝向水排出部的水流方向交叉。

Description

氧自由基供给装置及氧自由基供给方法

技术领域

本申请涉及氧自由基供给装置及氧自由基供给方法。

背景技术

作为水处理方法的一般方法，已知臭氧处理法。在该臭氧处理法中，通过放电空间中的电子碰撞而使氧气(O₂)解离并生成氧自由基(O)(O₂+e→O+O+e，e表示电子)，生成的氧自由基与存在于周边的氧气结合而生成臭氧(O₃)(O+O₂+M→O₃+M，M表示第三体)。然后，在该臭氧处理法中，使用水-气体喷射器等将包含该臭氧的气体注入处理水并进行水处理。在该臭氧处理法中，已知以下两个根本性的课题。

一个是臭氧的产生效率变低。由于在放电空间中，在臭氧的生成反应的同时，也会产生臭氧的分解反应(O₃+e→O+O₂+e)，所以臭氧的产生效率变低。另一个是需要比较昂贵的电介质阻挡放电系统。由于臭氧的生成反应是发热反应，所以需要用于吸收反应能量的第三体(M)。因此，要求气体压力为1个大气压(101kPa)以上的工作，为了维持稳定的放电，需要比较昂贵的电介质阻挡放电系统。

作为解决这些课题的以往的水处理装置，公开了如下的水处理装置：呈同轴状配置处理水配管和氧气配管，将相当于内管的处理水配管作为接地电极使用，将相当于外管的氧气配管作为高电压电极使用，通过电介质阻挡放电产生氧等离子体。该水处理装置通过水-气体喷射器的文丘里效应在氧气配管内形成5kPa至50kPa左右的低气体压力的放电空间，在该放电空间中产生氧等离子体而生成氧自由基。然后，该水处理装置将生成的氧自由基直接注入到处理水中并进行水处理。在该水处理装置中，由于放电空间为低气体压力状态，所以产生氧自由基与第三体的碰撞的概率较低。结果，在放电空间中不生成臭氧，保持氧自由基的状态(例如参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第2503763号公报

发明内容

发明要解决的课题

在以往的水处理装置中，由于将处理水配管作为电极使用，所以放电空间由常温的处理水冷却。然而，氧自由基在低温下寿命较短。另外，存在如下问题：由于放电空间与向处理水注入氧自由基的位置分离，所以在放电空间中生成的氧自由基无法有效地注入处理水。

本申请为解决上述那样的课题而做出，其目的在于提供能够高效地向处理水注入氧自由基的氧自由基供给装置。

用于解决课题的手段

本申请的氧自由基供给装置具备：水供给部，所述水供给部供给水；水排出部，所述水排出部排出处理水；以及氧自由基供给机构，所述氧自由基供给机构针对从水供给部供给的水，从交叉方向在水供给部与水排出部之间附加氧自由基，所述交叉方向与从水供给部朝向水排出部的水流方向交叉。

发明的效果

由于本申请的氧自由基供给装置具备从交叉方向在水供给部与水排出部之间附加氧自由基的氧自由基供给机构，所述交叉方向是与从水供给部朝向水排出部的水流方向交叉的方向，因此，能够高效地向处理水注入氧自由基。

附图说明

图1是实施方式1的水处理系统的结构图。

图2是实施方式1的氧自由基供给装置的特性图。

图3是实施方式2的氧自由基供给装置的结构图。

图4是实施方式2的氧自由基供给装置的特性图。

图5是实施方式2的氧自由基供给装置的结构图。

图6是实施方式2的氧自由基供给装置的结构图。

图7是实施方式2的氧自由基供给装置的结构图。

图8是实施方式3的氧自由基供给装置的结构图。

图9是实施方式3的氧自由基供给装置的特性图。

图10是实施方式4的氧自由基供给装置的结构图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地说明用于实施本申请的实施方式的氧自由基供给装置。此外，在各图中，相同的附图标记表示相同或相当的部分。

实施方式1.

图1是具备实施方式1的氧自由基供给装置的水处理系统的结构图。本实施方式的水处理系统1具备：积存处理水21的处理水槽2、对处理水21进行净化处理的氧自由基供给装置3以及使处理水21在处理水槽2与氧自由基供给装置3之间循环的高压泵4。处理水槽2、氧自由基供给装置3及高压泵4用处理水配管5连接。在图1中，箭头示出处理水21流动的方向。在高压泵4的下游侧的处理水配管5连接有阀51和流量调整器52。在氧自由基供给装置3的下游侧的处理水配管5连接有阀53。在阀53的下游侧，处理水配管5被分为两个分支，一方的处理水配管5与处理水槽2连接。另一方的处理水配管5经由阀54和流量调整器55与高压泵4的下游侧的处理水配管5连接。

氧自由基供给装置3由水-气体喷射器6和氧自由基生成装置7构成。水-气体喷射器6为圆筒形状，由供给口61、喷嘴62、气液混合区域63、扩散器64及排出口65构成。喷嘴62为如下结构：朝向下游侧而缩小角度为约45度地使管路截面面积逐渐缩小。扩散器64为如下结构：朝向下游侧而扩大角度为约10度地使管路截面面积逐渐扩大。在水-气体喷射器6中，用高压泵4加压后的处理水21从供给口61供给，在喷嘴62中流速增加。流速成为最大的处理水21通过气液混合区域63，在扩散器64中进行压力恢复，并从排出口65排出。

气液混合区域63由于从喷嘴62喷射的高速的处理水21的文丘里效应而成为数kPa至50kPa的负压状态。该气液混合区域63具备气体供给口66，所述气体供给口66用于从与处理水21的流动交叉的方向例如正交的方向供给气体。在成为负压状态的气液混合区域63中，从气体供给口66吸入气体，处理水与气体混合。在气体供给口66连接有氧自由基生成装置7。

氧自由基生成装置7具备上游气体配管71、放电管72及下游气体配管73。在放电管72的外周设置有感应耦合用的线圈74。另外，在放电管72的外侧设置有隔热外管75，在放电管72与隔热外管75之间填充有隔热材料76。在线圈74连接有交流电源77。氧自由基生成装置7使供给到上游气体配管71的氧经由放电管72及下游气体配管73，向水-气体喷射器6的气体供给口66供给氧自由基。

在氧自由基生成装置7的上游气体配管71连接有氧气供给装置8。氧气供给装置8具备氧气容器81、湿度调整器82、阀83、流量调整器84及止回阀85。在氧气容器81中储藏有露点40℃以下的高纯度的干燥的氧气。氧气供给装置8向氧自由基生成装置7供给高纯度的氧气。

氧自由基生成装置7通过从交流电源77向线圈74施加交流电压，从而在放电管72的内部产生高电压及高频率的变动磁场，在放电管72的内部产生等离子体放电空间。也就是说，由线圈74和交流电源77构成放电电力施加部。当向该等离子体放电空间供给氧气时，在该等离子体放电空间中，通过电子碰撞生成氧自由基(O)(O₂+e→O+O+e，e表示电子)。氧自由基供给装置3将包含由氧自由基生成装置7生成的氧自由基的活性气体注入到在水-气体喷射器6的气液混合区域63中流动的处理水中。这样，氧自由基供给装置3能够将处理水21中的有机物成分等氧化分解而将处理水清洁化。

在放电管72的内部生成的氧自由基在500K以下的低温下寿命较短。在本实施方式的氧自由基供给装置3中，在放电管72的外侧设置有隔热外管75，并且在放电管72与隔热外管75之间填充有隔热材料76。因此，放电管72内部的等离子体放电空间的温度保持在500K至1000K。因此，在放电管72内部生成的氧自由基能够长时间保持其状态，能够在放电管72的内部生成高密度的氧自由基。结果，能够使氧自由基供给装置3的水处理性能飞跃性地提高。

在等离子体放电空间中生成的氧自由基离开等离子体放电空间时，以数微秒的数量级急速失活(O+O→O₂)。因此，需要在氧自由基失活前将包含氧自由基的活性气体注入到处理水中。因此，需要将氧自由基从离开等离子体放电空间至到达气液混合区域63的移动时间设为1msec以下。在本实施方式的氧自由基供给装置3中，与气液混合区域63相邻地配置氧自由基生成装置7，将下游气体配管73的长度设为10cm以下。

水-气体喷射器6暴露于氧自由基(O)、臭氧(O₃)、过氧化氢(H₂O₂)、OH自由基等活性气体。因此，水-气体喷射器6的材料优选为耐腐蚀性较高的材料。作为水-气体喷射器6的材料，例如能够使用PTFE(聚四氟乙烯)、PFA(全氟烷氧基烷烃)等氟树脂、不锈钢(SUS316、SUS304等)等金属材料或者表面用氟树脂覆盖的材料等。氧自由基生成装置7的放电管72的材料优选为耐高温的电介质。放电管72例如能够使用石英、具有耐热性的硼硅酸盐玻璃等玻璃类或氧化铝、氧化锆等陶瓷类。另外，在图1所示的氧自由基生成装置7中，将上游气体配管71、放电管72及下游气体配管73设为不同的结构，但也可以用一根管状的电介质构成。将它们用一根管状的电介质构成对于缩窄非等离子体放电空间是有效的。

在氧自由基供给装置3中，为了在等离子体放电空间中高效率且高浓度地生成氧自由基并高效率地供给到水中，重要的是提高等离子体放电空间的气体温度及缩短从等离子体放电空间到处理水的氧自由基的移动时间。

为了提高等离子体放电空间的气体温度，在本实施方式的氧自由基生成装置7中，在放电管72的外周设置有隔热外管75。该隔热外管75具有抑制线圈74的电磁力的泄漏且使等离子体放电空间的热不逃逸到外部的功能。为了抑制电磁力的泄漏，能够使用金属管作为隔热外管75。或者，能够使用在绝缘管的内表面及外表面中的至少一方施加导电性皮膜而成的管作为隔热外管75。并且，为了提高隔热效果且确保电绝缘性，在本实施方式的氧自由基生成装置7中，在放电管72与隔热外管75之间填充有隔热材料76。作为隔热材料76，使用隔热性及电绝缘性优异且在热膨胀时不会给放电管72带来压力的硅类的橡胶。

为了缩短从等离子体放电空间到处理水的氧自由基的移动时间，在本实施方式的氧自由基生成装置7中，在气液混合区域63的附近设置有放电管72，并且在下游气体配管73的内部设置有节流件78。

在图1所示的氧自由基生成装置7中，实验的结果是，判明了在气体流的影响下，等离子体放电空间内的带电粒子向气体下游方向流动，等离子体放电向比放电管72靠气体下游侧的位置伸长。已经判明：特别是通过将下游气体配管73的长度设为5cm以下，从而使等离子体放电伸长到气液混合区域63，氧自由基能够注入到处理水中而不通过非等离子体放电空间。在本实施方式的氧自由基供给装置3中，也可以去除下游气体配管73，将放电管72与水-气体喷射器6的气体供给口66直接连接。另外，在本实施方式的氧自由基生成装置7中，如图1所示，在下游气体配管73的内部设置有节流件78。该节流件78使下游气体配管73的管路截面面积朝向气体流的下游侧而逐渐变小。通过设置节流件78，从而使下游气体配管73内的气体的流速增大，能够缩短氧自由基从离开等离子体放电空间至到达气液混合区域63的移动时间。当考虑氧自由基的寿命时，优选将氧自由基的非等离子体放电空间的停留时间、即从等离子体放电空间到气液混合区域63的移动时间设定为1ms以下。

在氧自由基生成装置7中，有时在起动时等离子体的点火较困难。在本实施方式的氧自由基生成装置7中，如图1所示，可以在放电管72的气体的流入侧设置金属环79。在向线圈74开始交流电压的施加并对等离子体点火时，电场集中于该金属环79，所以容易开始放电。

此外，在本实施方式的氧自由基生成装置7中，使用卷绕在放电管72的外周的线圈74产生感应耦合等离子体。除了使用线圈产生感应耦合等离子体的方法以外，也可以使用通过从放电管的外部施加电磁力而在放电管的内部产生等离子体放电的其他方法，例如也可以使用DC辉光放电等离子体、电容耦合等离子体、微波放电等离子体等方法。

在本实施方式的氧自由基供给装置中，已经判明：在处理水中包含较多难分解性物质的情况下，有时通过将包含氧自由基的活性气体中的水分含量提高到数％左右(露点：30℃左右)，从而能够得到较高的水处理性能。因此，在本实施方式的氧自由基供给装置中，氧气供给装置8具备湿度调整器82。能够使用该湿度调整器82在向氧自由基生成装置7供给的氧气中添加水分。此外，该湿度调整器82能够根据条件而作为除湿器或加湿器工作。

另外，在本实施方式的水处理系统1中，在用氧自由基供给装置3处理并向处理水槽2返回的处理水21中，有时包含从氧自由基生成的臭氧。因此，如图1所示，优选使处理水槽2具备排气口22和使用活性炭等的臭氧分解处理装置23。

接着，说明本实施方式的氧自由基供给装置中的水处理性能。图2是示出本实施方式的氧自由基供给装置中的放电电力密度与等离子体放电空间的氧(O)自由基密度及处理水中的羟基(OH)自由基密度的关系的特性图。图2所示的特性的测定的条件为：放电管72的内部的气体压力为6.67kPa，气体温度为600K，比能量密度(SED：Specific EnergyDensity)为1J/cm³。在此，SED是放电电力密度(单位：W/cm³)与等离子体放电空间的包含氧自由基的气体的停留时间(单位：秒)之积。另外，放电电力密度是放电电力(单位：W)除以放电管72内部的放电部体积(单位：cm³)而得到的值。在图2中，横轴为放电电力密度，纵轴为自由基密度的相对值。另外，在图2中，黑圆是等离子体放电空间的O自由基密度，黑四方形是处理水中的OH自由基密度。此外，处理水中的OH自由基密度的直接测量是困难的。在本实施方式中，预想处理水中包含的醋酸等难分解性物质的处理密度与OH自由基密度成比例。因此，OH自由基密度根据处理水中的难分解性物质的处理密度算出。

将通过氧等离子体放电生成的氧自由基直接注入处理水并实施水处理的报告较少。其中，在“低压无声放电式活性氧产生机及其在水处理中的应用”(田中正明等，电气学会论文杂志A，125卷12号，第1017-1022页，2005年)中，报告了：在以放电电力密度为1W/cm³左右的方式工作的氧自由基供给装置中，无法处理醋酸等难分解性物质。

发明人关注放电电力密度，研究了气体压力为1kPa至50kPa时的水处理性能。结果，如图2所示，发现了：等离子体放电空间的O自由基密度随着放电电力密度的增加而单调地增加，处理水中的OH自由基密度随着放电电力密度的增加而增加，但在放电电力密度为约500W/cm³时示出最大值。由于放电电力密度为约500W/cm³时处理水中的OH自由基密度成为最大值，所以可知放电电力密度为约500W/cm³时氧自由基供给装置的水处理性能成为最大。

这样，在使用了通过等离子体放电而生成的氧自由基的氧自由基供给装置中，通过在放电电力密度为10W/cm³至3000W/cm³的范围内使之工作，从而能够得到较高的水处理性能。该放电电力密度的范围相对于此前报告的1W/cm³附近的放电电力密度为10倍以上。更优选的是，当在放电电力密度为100W/cm³至2000W/cm³的范围内使之工作时，能够得到相对于最大的水处理性能为50％以上的水处理性能。

能够得到该较高的水处理性能的放电电力密度的最佳区域相当于此前报告的放电电力密度(1W/cm³附近)的100倍至2000倍。该放电电力密度的最佳区域是此前在本方式中谁也没有尝试过的放电电力密度的区域，是发明人最初发现的区域。其原因在于，氧等离子体的研究大部分为与半导体制造工艺对应的数100mPa至数100Pa的低气体压力区域中的研究或与臭氧生成及表面处理对应的100kPa以上的高气体压力区域中的研究。1kPa至50kPa这样的中气体压力区域中的放电电力密度的影响在本次的研究中最初变得明确。

如上所述，在本实施方式的氧自由基生成装置中，通过相对于气体压力为1kPa至50kPa的氧气而产生10W/cm³至3000W/cm³的高电力密度的等离子体放电，从而能够提高氧自由基的生成效率。

使用氧(O₂)等离子体产生氧自由基(O)并生成臭氧(O₃)的工艺(O+O₂→O₃)是公知的。已知的是，在该工艺中，臭氧的生成效率由SED唯一地决定，不依赖于放电电力密度。因此，臭氧生成一般在1W/cm³左右这样的较低的放电电力密度下进行。但是，可知：在与O₃相比寿命极短的O自由基的生成中，如图2所示，即使在SED为恒定的1J/cm³的条件下，O自由基的生成效率也依赖于放电电力密度。发明人最初发现：通过放电电力密度的增大，O自由基浓度也增大。

接着，说明如下情况：相对于水处理性能即处理水中的OH自由基浓度，放电电力密度存在最佳值(100～2000W/cm³)。

研究了气相及液相中的自由基的反应特别是水中的OH自由基的生成工艺的结果是，可知如下情况。可知：相较于通过在等离子体放电空间中生成的O自由基与水的反应而直接生成的OH自由基，通过O自由基与氧的反应而产生的O₃(O+O₂→O₃)与从OH自由基产生的H₂O₂(OH+OH→H₂O₂)的通过水中反应而生成的OH自由基是支配性的。因此，为了生成O₃，需要用于与O自由基反应的O₂。在图2中，气液混合区域63中的O自由基与氧分子O₂的摩尔比O/O₂在放电电力密度为500W/cm³时为约0.5，在放电电力密度为1000W/cm³时为约1，在放电电力密度为3000W/cm³时为约2。根据这些情况，能够得出以下结论。

即，在放电电力密度为500W/cm³以下的区域中，随着放电电力密度的增大，O自由基浓度增大，O/O₂＝0.5，因此，作为O自由基的反应对象的O₂也存在足够的量。结果，在放电电力密度为500W/cm³以下的区域中，水中的OH自由基浓度也单调地增大。在放电电力密度为约1000W/cm³时，O/O₂＝1，因此，O₃的生成量依赖于O₂的量。结果，在放电电力密度为约1000W/cm³时，O₂的量成为反应的决定速度要素，水中的OH自由基浓度的增大停止。在放电电力密度为约3000W/cm³时，O/O₂＝2，因此，对于生成O₃，O₂较大地不足。结果，在放电电力密度为约3000W/cm³时，无法有效地生成OH自由基，因此，水中的OH自由基浓度减少。这样，在本实施方式的氧自由基供给装置中，在作为能够高密度地生成O自由基且O自由基与O₂产生反应而能够生成O₃的放电电力密度的10W/cm³至3000W/cm³的区域中使之工作是有效的。

如上所述，本实施方式的氧自由基供给装置通过在放电电力密度为10W/cm³至3000W/cm³的区域中工作，从而使氧自由基的生成效率较高，能够得到较高的水处理性能。

此外，在图2中示出了等离子体放电空间的气体温度为600K的情况。发明人发现：随着气体温度变高，等离子体放电空间的氧自由基密度及处理水中的羟基自由基密度提高。因此，可知：将等离子体放电空间的气体温度保持为较高是极其重要的。因此，如图1所示，在本实施方式的氧自由基供给装置3中，在氧自由基生成装置7的放电管72的外周设置有隔热外管75及隔热材料76。通过在放电管72的外周设置隔热外管75及隔热材料76，从而能够封入在等离子体放电空间中产生的热而使气体温度上升。此外，虽然伴随着气体温度的上升，氧自由基的生成效率提高，但气体温度会给相对于放电电力密度的氧自由基密度的依赖性及羟基自由基密度的依赖性带来的影响较小。因此，本实施方式的氧自由基供给装置不受气体温度影响地在放电电力密度为10W/cm³至3000W/cm³的区域中工作是有效的。

实施方式2.

图3是实施方式2的氧自由基供给装置的结构图。本实施方式的氧自由基供给装置是针对在实施方式1中说明的氧自由基供给装置追加向气液混合区域供给含氧气体的含氧气体供给装置而成的装置。如图3所示，本实施方式的氧自由基供给装置3在气液混合区域63中具备与气体供给口66不同的第二气体供给口67和含氧气体配管68。在含氧气体配管68连接有含氧气体供给装置9。含氧气体供给装置9具备含氧气体容器91、湿度调整器92、阀93、流量调整器94及止回阀95。在含氧气体容器91中储藏有干燥空气。含氧气体供给装置9向气液混合区域63直接供给作为含氧气体的干燥空气。

在实施方式1的图2的说明中，说明了如下情况：当放电电力密度变高而O/O₂变得过高时，用于生成O₃的O₂不足，作为结果，水中的OH浓度下降。在本实施方式的氧自由基供给装置3中，通过从含氧气体供给装置9向气液混合区域63直接供给不足的O₂，从而能够改善水处理性能。可知：随着从含氧气体供给装置9供给的含氧气体的流量增加，生成的O₃浓度下降，但从O向O₃的生成效率单调地增加，水处理性能得到改善。

此外，为了向气液混合区域63供给氧，也可考虑增加从氧自由基生成装置7侧供给的氧气的流量的方法。然而，为了在氧自由基生成装置7的等离子体放电空间中高效率地生成氧自由基，需要不含氮等杂质且露点40℃以下的高纯度的干燥的氧气。因此，在氧自由基生成装置7中使用的氧气是昂贵的。因此，在增加从氧自由基生成装置7侧供给的氧气的流量的情况下，运行成本变得昂贵。

为了向气液混合区域63供给氧并降低O/O₂，无需高纯度的氧气。通过如本实施方式的氧自由基供给装置那样除了氧自由基生成装置7之外，另行具备含氧气体供给装置9，从而能够使用廉价的空气作为含氧气体。

图4是本实施方式的氧自由基供给装置3的特性图。图4的横轴是氧气的稀释倍率，左纵轴是分解效率的相对值，右纵轴是生成效率的相对值。在此，当将从氧气供给装置8供给的高纯度氧气的流量设为Q并将从含氧气体供给装置9供给的含氧气体的流量设为Q_add时，氧气的稀释倍率D用D＝(Q+Q_add)/Q定义。此外，使用氧气作为测定图4的特性时的含氧气体。图4所示的特性的测定的条件为：处理水的醋酸浓度为10mg/L，气液比(向气液混合区域的供给气体与处理水的流量比)为0.024。另外，在图4中，黑圆是醋酸的分解效率，白圆是O₃的生成效率。

从图4可知，随着从含氧气体供给装置9供给的氧的量增加，醋酸的分解效率及O₃的生成效率一起上升。这样，由于本实施方式的氧自由基供给装置3具备含氧气体供给装置9，所以能够向气液混合区域63直接供给廉价的含氧气体。因此，能够提高气液混合区域63中的O₃的生成效率。结果，本实施方式的氧自由基供给装置能够提高处理水中的OH自由基浓度，因此，水处理性能提高。

如上所述，由于从含氧气体供给装置9供给的含氧气体不通过氧自由基生成装置7的等离子体放电空间，所以无需纯度较高的氧气。但是，当从生成O₃的观点出发详细地研究时，已经判明：如果含氧气体的水分含量超过1％，则OH自由基、H₂O₂等H类的生成物的生成变得显著，O₃的生成被阻碍。因此，为了提高O₃的生成效率，将含氧气体的水分含量设为1％以下是重要的。在本实施方式中，如图3所示，在含氧气体供给装置9中设置有湿度调整器92，将含氧气体的水分含量设为1％以下。但是，在对处理水包含的某种难分解性物质进行处理的情况下，有时与水中的O₃浓度相比，OH自由基浓度压倒性地重要。在该情况下，可知优选用湿度调整器92将含氧气体的水分含量提高到10％左右。也就是说，为了扩展处理对象物质的种类，能够调整供给的含氧气体的水分含量的湿度调整器92是重要的。不通过等离子体放电空间的含氧气体的水分含量会给O₃的生成带来影响这一事实是发明人最初发现的。

图5是本实施方式的另一氧自由基供给装置的结构图。在图3所示的氧自由基供给装置3中，在气液混合区域63的第二气体供给口67连接有含氧气体配管68。在图5所示的另一氧自由基供给装置3中，在氧自由基生成装置7的下游气体配管73连接有含氧气体配管68。在含氧气体配管68连接有含氧气体供给装置9。

由于在按这种方式构成的氧自由基供给装置3中也能够从含氧气体供给装置9向气液混合区域63供给不足的O₂，所以能够改善水处理性能。此外，在图5所示的氧自由基供给装置3中，由于氧自由基生成装置7的放电管72与气液混合区域63之间的距离变长，所以到达气液混合区域63的O自由基的浓度下降。然而，图5所示的氧自由基供给装置与图3所示的氧自由基供给装置相比，水-气体喷射器6的构造变简单。

图6是本实施方式的另一氧自由基供给装置的结构图。在图6所示的另一氧自由基供给装置3中，放电管72由放电管内管72a和放电管外管72b构成。放电管内管72a和放电管外管72b呈同轴状配置。线圈74构成为：在放电管内管72a的内部形成等离子体放电空间，在放电管内管72a与放电管外管72b之间的空间中不形成等离子体放电空间。从氧自由基生成装置7向放电管内管72a供给氧气。从含氧气体供给装置9向放电管内管72a与放电管外管72b之间的空间供给含氧气体。

由于在按这种方式构成的氧自由基供给装置3中也能够从含氧气体供给装置9向气液混合区域63供给不足的O₂，所以能够改善水处理性能。此外，当向等离子体放电空间的输入电力变大时，放电管内管72a有可能由于热而破损。在图6所示的氧自由基供给装置中，在放电管内管72a与放电管外管72b之间流动的含氧气体具有冷却放电管内管72a的作用。因此，能够用含氧气体冷却放电管内管72a，由放电管内管72a的热导致的破损的可能性下降。

图7是本实施方式的另一氧自由基供给装置的结构图。在图7所示的另一氧自由基供给装置3中，在与水-气体喷射器6的供给口61连接的处理水配管5设置有含氧气体供给装置69。含氧气体供给装置69例如能够使用在水中产生空气的气泡的空气泵等。通过用含氧气体供给装置69使处理水含有含氧气体，从而能够向气液混合区域63供给含氧气体。此外，当在处理水中包含大量的气泡时，高压泵4的性能有时会下降，因此，优选将含氧气体供给装置69设置于高压泵4的下游侧。由于在按这种方式构成的氧自由基供给装置3中也能够用含氧气体供给装置69向气液混合区域63供给不足的O₂，所以能够改善水处理性能。

实施方式3.

图8是实施方式3的氧自由基供给装置的结构图。本实施方式的氧自由基供给装置是针对在实施方式1中说明的氧自由基供给装置改善放电的上升特性而成的装置。如图8所示，在本实施方式的氧自由基供给装置3中，氧自由基生成装置7的上游气体配管71具备用于从斜横向导入气体的气体导入配管71a。在图8的下方的图中，示出了具备气体导入配管71a的上游气体配管71的剖视图。在该气体导入配管71a连接有氧气供给装置8。另外，在放电管72的气体的上游侧的位置，在放电管72的外周配置有金属环96。该金属环96经由电容器97设定为接地电位。并且，与氧气供给装置8并列地具备惰性气体供给装置10。惰性气体供给装置10具备例如储藏有作为惰性气体的氩气的惰性气体容器101、湿度调整器102、阀103、流量调整器104及止回阀105。惰性气体供给装置10向气体导入配管71a供给惰性气体。此外，作为惰性气体，除了氩气以外，也可以是氦气。

在按这种方式构成的氧自由基供给装置3中，由于从气体导入配管71a导入的氧气一边呈螺旋状环流一边流经放电管72的内部，所以感应耦合等离子体变得容易点火。此时，如图8的下方的图所示，当预先使气体导入配管71a的中心轴的方向相对于上游气体配管71的中心轴偏移时，能够更有效地产生螺旋流。并且，通过将气体导入配管71a的内径设为上游气体配管71的内径的1/2以下，从而能够加快通过气体导入配管71a的氧气的流速。因此，能够降低放电管72的气体压力。结果，等离子体放电的开始变容易。另外，在氧自由基生成装置7的起动时被施加高电压的线圈74与金属环96之间产生放电。由于该放电成为主放电开始的火种，所以氧自由基生成装置7的起动变容易。但是，当能量过度进入火种放电时，供给到主放电的能量不足。通过调整电容器97的电容，从而能够调整火种放电的能量的量。此外，也可以在放电管72的气体的上游侧的位置设置特斯拉线圈来代替金属环96和电容器97。通过用该特斯拉线圈产生火种的方法，放电开始也变容易。

另外，由于氧气为粘性气体，所以难以放电。另一方面，与氧气相比，氩气及氦气等惰性气体容易放电。如图8所示，本实施方式的氧自由基供给装置3具备惰性气体供给装置10，在起动时，能够使惰性气体流动并开始放电。一旦放电开始时，放电的维持较容易。在本实施方式中，在使惰性气体流动并开始放电后，能够以逐渐减小惰性气体的流量并且增加氧气的流量而最终仅用氧气进行放电的方式进行控制。通过用这样的方法开始放电，从而能够改善放电的上升特性。

此外，在图8所示的氧自由基供给装置3中，通过控制氧气的流量而不使用惰性气体，从而也能够改善放电的上升特性。对从氧气供给装置8向氧自由基生成装置7供给的氧气的流量进行节流，在该状态下开始向线圈74供给电力。这样一来，由于放电管72内部的气体压力较低，所以放电开始变容易。在放电开始后，能够使氧气的流量逐渐增加，能够使放电管72内部的气体压力上升并稳定地保持放电。图9是示出放电管72内部的气体压力与氧气的流量的关系的特性图。如图9所示，在对氧气的流量进行节流而放电管72内部的气体压力较低的状态时开始放电，之后，通过使氧气的流量逐渐增加，从而能够使放电管72内部的气体压力上升而稳定地保持放电。

实施方式4.

图10是实施方式4的氧自由基供给装置的结构图。本实施方式的氧自由基供给装置是针对在实施方式1中说明的氧自由基供给装置而在氧自由基生成装置7的下游气体配管73设置使气体减压的减压装置而成的装置。如图10所示，下游气体配管73分离为下游侧的第一下游气体配管73a和上游侧的第二下游气体配管73b。而且，在第一下游气体配管73a与第二下游气体配管73b之间连接有减压装置73c。减压装置73c例如能够使用隔膜泵。在使用隔膜泵作为减压装置73c的情况下，为了防止由在放电管72中生成的氧自由基导致的腐蚀，与气体接触的构件优选用氟树脂等构成。例如，优选用化学稳定的PTFE、PFA等氟树脂构成与气体接触的接触构件。或者，优选预先用这些氟树脂涂覆与气体接触的构件的表面。

如在实施方式1中说明的那样，气液混合区域63由于从喷嘴62喷射的高速的处理水21的文丘里效应而成为数kPa至50kPa的负压状态。将氧自由基生成装置7的放电管72的内部的气体压力设定为气液混合区域63的气体压力以下是困难的。其原因在于，在放电管72的内部的气体压力比气液混合区域63的气体压力低的情况下，在放电管72的内部生成的氧自由基不再被向气液混合区域63输送。然而，从放电开始特性的观点出发，在放电管72的内部的气体压力较低时，放电开始时的点火变容易，并且放电开始后的稳定控制变容易。

在本实施方式的氧自由基供给装置3中，使减压装置73c工作而将放电管72的内部的气体压力减压为1kPa左右。结果，放电开始变容易，并且放电开始后的放电稳定。并且，还判明了：即使放电电力密度为5W/cm³，也能够充分地生成高浓度的O自由基。但是，由于在通过减压装置73c时O自由基会失活，所以用放电管72生成的O自由基的利用效率在某种程度上下降。

本申请记载了各种例示性的实施方式及实施例，但记载在一个或多个实施方式中的各种特征、技术方案及功能不限于特定的实施方式的应用，能够单独或以各种组合应用于实施方式。

因此，可在本申请的说明书公开的技术的范围内预想未例示的无数的变形例。例如，包含使至少一个构成要素变形的情况、追加或省略至少一个构成要素的情况、以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素组合的情况。

附图标记的说明

1水处理系统，2处理水槽，3氧自由基供给装置，4高压泵，5处理水配管，6水-气体喷射器，7氧自由基生成装置，8氧气供给装置，9、69含氧气体供给装置，10惰性气体供给装置，21处理水，22排气口，23臭氧分解处理装置，51、53、54阀，52、55流量调整器，61供给口，62喷嘴，63气液混合区域，64扩散器，65排出口，66气体供给口，67第二气体供给口，68含氧气体配管，71上游气体配管，72放电管，72a放电管内管，72b放电管外管，73下游气体配管，73a第一下游气体配管，73b第二下游气体配管，73c减压装置，74线圈，75隔热外管，76隔热材料，77交流电源，78节流件，79、96金属环，81氧气容器，82、92、102湿度调整器，83、93、103阀，84、94、104流量调整器，85、95、105止回阀，97电容器，101惰性气体容器。

Claims (17)

1.一种氧自由基供给装置，其是排出处理水的氧自由基供给装置，所述处理水为向提供的水供给氧自由基而成的处理水，其特征在于，

所述氧自由基供给装置具备：

水供给部，所述水供给部供给所述水；

水排出部，所述水排出部排出所述处理水；以及

氧自由基供给机构，所述氧自由基供给机构针对从所述水供给部供给的所述水，从交叉方向在所述水供给部与所述水排出部之间附加所述氧自由基，所述交叉方向与从所述水供给部朝向所述水排出部的水流方向交叉。

2.根据权利要求1所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

所述氧自由基供给机构具备：

氧供给部，所述氧供给部供给氧；

放电部，所述放电部对利用所述氧供给部供给的所述氧进行放电而生成所述氧自由基；以及

氧自由基供给部，所述氧自由基供给部在所述交叉方向上向所述水供给利用所述放电部生成的所述氧自由基。

3.根据权利要求2所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

所述氧自由基供给装置具备：

喷嘴部，所述喷嘴部配置于水流方向上的所述水供给部的下游侧，从所述水流方向上的上游侧朝向下游侧缩径，使从所述水供给部供给的所述水通过；

扩散部，所述扩散部配置于所述水流方向上的所述喷嘴部的下游侧且所述水排出部的上游侧，从所述水流方向上的上游侧朝向下游侧扩径，向所述水排出部输送所述处理水；以及

气液混合部，所述气液混合部位于所述水流方向上的所述喷嘴部与所述扩散部之间，并与所述喷嘴部、所述扩散部及所述氧自由基供给部连接。

4.根据权利要求2或3所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

所述放电部的所述氧的气体压力为1kPa至50kPa。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

放电电力密度为10W/cm³至3000W/cm³的范围，所述放电电力密度是输入到所述放电部的放电电力除以所述放电部的体积而得到的值。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

在所述放电部的下游还具备向所述氧自由基供给含氧气体的含氧气体供给部。

7.根据权利要求6所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

所述放电部由进行所述放电的内管和覆盖该内管的外侧的外管构成，所述氧在所述内管中流动，所述含氧气体在所述内管与所述外管之间流动。

8.根据权利要求6或7所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

所述含氧气体供给部还具备调整所述含氧气体的水分含量的湿度调整器。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

所述氧自由基供给装置还具备向所述放电部供给惰性气体的惰性气体供给部，在开始所述放电时，从所述惰性气体供给部供给所述惰性气体，在产生所述放电后，减少所述惰性气体的供给，增加所述氧的流量。

10.根据权利要求9所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

所述惰性气体供给部还具备调整所述惰性气体的水分含量的湿度调整器。

11.根据权利要求2至10中任一项所述的氧自由基供给装置，其特征在于，

所述放电部由隔热外管覆盖。

12.一种氧自由基供给方法，其是从水排出部排出处理水的氧自由基供给方法，所述处理水为向提供给水供给部的水供给氧自由基而成的处理水，其特征在于，

所述氧自由基供给方法具备：

水供给工序，向所述水供给部供给所述水；

水排出工序，从所述水排出部排出所述处理水；以及

氧自由基供给工序，针对从所述水供给部供给的所述水，从交叉方向在所述水供给部与所述水排出部之间附加所述氧自由基，所述交叉方向与从所述水供给部朝向所述水排出部的水流方向交叉。

13.根据权利要求12所述的氧自由基供给方法，其特征在于，

所述氧自由基供给工序具备：

氧供给工序，向氧供给部供给氧；

放电工序，对供给到所述氧供给部的所述氧进行放电而生成所述氧自由基；以及

氧自由基供给工序，在所述交叉方向上向所述水供给通过所述放电工序生成的所述氧自由基。

14.根据权利要求13所述的氧自由基供给方法，其特征在于，

在所述氧自由基供给工序中，向位于喷嘴部与扩散部之间的气液混合部供给所述氧自由基，所述喷嘴部配置于所述水流方向上的所述水供给部的下游侧，从所述水流方向上的上游侧朝向下游侧缩径，使从所述水供给部供给的所述水通过，所述扩散部配置于所述水流方向上的所述喷嘴部的下游侧且所述水排出部的上游侧，从所述水流方向上的上游侧朝向下游侧扩径，向所述水排出部输送所述处理水。

15.根据权利要求13或14所述的氧自由基供给方法，其特征在于，

所述放电工序中的所述氧的气体压力为1kPa至50kPa。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的氧自由基供给方法，其特征在于，

放电电力密度为10W/cm³至3000W/cm³的范围，所述放电电力密度是所述放电工序中的放电电力除以放电体积而得到的值。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的氧自由基供给方法，其特征在于，

将所述放电工序中的开始所述放电时的所述氧的气体压力设为1kPa以下。

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