JP2004224671A - オゾン発生方法およびオゾン発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】酸素ガスに放電を行った後に、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界のかかった空間内に導入するものであり、酸素ガスを導入して放電を行うイオン化室23と、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界をかけるイオン回転室24とを有し、イオン化室23をイオン回転室24に接続するとともに、イオン化室23において放電を受けたガスをイオン回転室24に導入する。
【選択図】 図6
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電を利用してオゾンを発生させる方法および装置に関する。より詳しくは、放電により荷電状態となった物質を利用したオゾンの発生方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境、特に水環境に対する人々の関心が高くなってきている。そして、上水道のオゾン処理が広く行われており、下水処理水に対するオゾン処理などの高度処理が行われ始めている。オゾンはエネルギー多消費型の原料物質であり、1kgのオゾンを製造するために13kWもの電力を要する。そして、そのエネルギーの大部分が熱として失われ、オゾン分子形成に寄与する実質的な電力は約5%ほどである。このオゾン発生器の原理としては、空気または酸素ガス中での電気放電の制御方法が各種考案されてきた。
オゾンの生成方法としては、無声放電を利用したものが多く知られている。無声放電式オゾン生成装置は1又は2の誘電体を挟んで対向した電極を有し、誘電体と電極との隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を含む原料ガスを通過させながら電極に交流高電圧を印加し、無声放電により酸素を解離させてオゾンを生成するものである。そして、オゾン生成量は、電極に加えるエネルギーに比例して増加し、印加電圧や、周波数によりオゾン生成量を増やすことができる。
そして、1又は2の誘電体を挟んで対向する電極の誘電体と電極との隙間又は誘電体同士の隙間に酸素を含む原料ガスを通過させながら前記電極に交流高電圧を印加し、無声放電により酸素を解離させてオゾンを生成する無声放電式オゾン生成装置の使用に際し、交流高電圧を1〜800回/秒のスイッチング回数で間欠的に印加する無声放電式オゾン生成方法である。この放電方法は、交流高電圧を間欠的にすることで、電極に加える実質的なエネルギーを低減してオゾン収率を高めるものである。例えば、特許文献1などである。
【0003】
また、放電による酸素気体中の放電生成物としては、O2 +、O2(W)、O(1D)、O、O2(b1Σg+)、O−、O2(a1Δg)、O2 −が揚げられる。この内、オゾンの生成エネルギーに近い生成エネルギーを有するO2(b)、O−、O2(a)等の粒子が主にオゾンの生成に関与すると考えられている(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平10−324504号公報
【非特許文献1】
昭和54年度文部省科学研究費総合研究(B):「オゾナイザの高収率化とオゾン反応の環境化学的適用性に関する研究」、研究報告書、1980年3月、pp.47−64
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多くの方法は、電気放電の制御を行うものであり、放電部分を出たオゾンを含んだガスについては検討がなされてこなかった。
このため、従来の技術においては、いずれも無声放電によりオゾンが発生する過程を十分に考慮したものではなく、無声放電用電極にかける電圧制御によりオゾンの発生効率の極大値に調節するものである。
そして、オゾンの生成に大きくかかわるO2(b)、O−、O2(a)等の粒子の挙動について、制御は行われず、これらの粒子の多くをそのまま放出しているものである。このため、オゾンの生成効率が低く、多くのエネルギーを放出しているものである。また、O−をそのまま放出する場合には、酸素分子との衝突確率が非常に小さくなり、オゾン生成に関与することなく排出され、他の物質と反応し、オゾンが生成されないものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、オゾンの収率を向上すべく、放電後のオゾンを含んだガス中に存在するイオン化された酸素原子の活用を考え、このイオン化した酸素原子を電磁的に誘導して酸素分子との衝突確率を増加させることにより、オゾン収率の向上を目指すものである。そして、イオン化した酸素原子を回転電界により強制的に回転させ、螺旋軌道を描かせることにより、酸素分子との衝突確率を増加させるものである。すなわち、放電による酸素気体中の放電生成物の内、オゾン生成エネルギーを有するO−に着目し、積極的に回転運動を与え、且つ、ガスの自然拡散方向と異なる軌跡を与えることにより、酸素分子との衝突確率を増加させオゾン収率の向上を図るものである。
【0007】
酸素ガスに電気放電を行うことにより生成される物資において、荷電を有する物質を電磁気的に誘導して、未反応物質に衝突させることにより、生成反応を促進して、生成効率を向上させるものである。オゾンの生成においては、酸素分子への衝突確率を増大させるものであり、オゾンの生成効率を向上させるものである。そして、荷電した物質としては、オゾン生成エネルギーを有するO−を利用するものであり、誘導手段としては電磁気により誘導することにより負に荷電した酸素原子を他の物質に接触させることなく、酸素分子に衝突させることができるものである。
【0008】
本発明は次のような手段を用いる。
請求項1に記載のごとく、放電を利用したオゾンの発生方法であって、酸素ガスに放電を行った後に、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界のかかった空間内に導入する。
【0009】
そして、請求項2に記載のごとく、放電を利用したオゾンの発生装置であって、酸素ガスを導入して放電を行うイオン化室と、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界をかけるイオン回転室とを有し、イオン化室をイオン回転室に接続するとともに、イオン化室において放電を受けたガスをイオン回転室に導入するオゾン発生装置を構成する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明のオゾン高効率発生方法の概要について、図を用いて説明する。
図1は本発明のオゾン収率向上手段を示す模式図である。図1を用いてオゾンの収率向上方法について説明する。
オゾン収率向上手段は、放電部1と再反応部2により構成されている。放電部1において供給された酸素ガスに放電を行い、オゾンを生成するとともに、未反応のガスを再反応部2に供給するものである。そして、再反応部2において未反応のガスよりオゾンを生成するものであり、特に、未反応の酸素分子と負に荷電した酸素原子とによりオゾンを生成するものである。
【0011】
放電部1には、供給管3により酸素ガスが供給され、放電電極4により放電が行われる。これにより、放電部1内において酸素ガスよりオゾンが生成するとともに、負に荷電した酸素原子などが生成する。放電部1に酸素ガスを供給することにより、酸素ガス、オゾンおよび負に荷電した酸素原子は放電部1と再反応部2とを連通する連通孔5より再反応部2に供給される。
再反応部2には、排出口6が設けられており、連通孔5より供給された気体は排出口6へと流れるものである。そして、この気体には、放電部1において生成したオゾン、負に荷電した酸素原子、未反応の酸素分子が含まる。そして、この気体中において、負に荷電した酸素原子を電磁気的手法により再反応部2内において誘導することにより、負に荷電した酸素原子を他の気体分子と異なる挙動を取らせ酸素分子に衝突し易くするものである。これにより、オゾンを生成し易くするものである。オゾンを生成するに十分なエネルギーを持った酸素原子と未反応の酸素分子とを接触しやすくすることより、オゾンの生成効率を向上させるものである。負に荷電した酸素原子を電磁気的手法により誘導するので、負に荷電した酸素原子の寿命を長く保つことができ、他の物質との接触を避けながら酸素分子への衝突確率を向上することができる。これにより、再反応部2において効率的にオゾンを生成することができるものである。そして、再反応部2のガスは排出口6より排出される。
【0012】
次に、再反応部2における負に荷電した酸素原子O−の誘導方法について説明する。再反応部2内において、O−に回転電界を与えることにより、O−を再反応部2内において螺旋状の軌道に沿って移動させることができるものである。
図2はO−の軌道の一例を示す図である。負に帯電させたイオンを図2のXY平面上でX軸と45°の角度で再反応部2内に射出する。
(この再反応部2にはX軸方向に磁場BをYZ平面上に回転電界Eを印加している。)
この電場において、O−は図2のような回転運動を行う。回転電界によるイオンの回転運動において、回転電界に対応する速度は回転電界と同期するように一意的に決まる。このため、YZ平面上の初速度の全てを電界の回転に使用した場合には、イオンは注入端からX軸方向に真直ぐ螺旋回転して進む。そして、YZ平面上の速度が負になったときは、XY平面において逆方向に進むこととなる。
【0013】
図3は3重電極を有する再反応部2の内部構成を示す斜視図である。
再反応部2は前後方向に延出された筒状に構成されており、この再反応部2内に3重電極が配設されている。3重電極は電極11・11・11により構成されており、電極11は、前後方向に、互いに平行に配設されるとともに、正三角形の頂点位置に各電極11が配設された構成となっている。この電極11にそれぞれ、位相が120°ずつ、ずれた周波数の電圧を印加することにより、回転電界を発生させる。この回転電界により再反応部2内に導入されたイオンは螺旋状の軌跡を描きながら進むこととなる。
【0014】
さらに、再反応部2に磁界をかける場合について説明する。図4は磁界をかけた場合におけるO−の挙動例を示す図、図5は同じくYZ平面におけるO−の挙動例を示す図である。電極11の延出方向(図3においてX軸方向)にかける磁界を調節して、O−イオンを回転運動させることが可能である。
回転電界をかけながら、磁界をかけることにより、重ね合わせの理から回転電界による回転とともに磁界による回転運動も行うものである。図5に示す例においては、回転電界により小さな回転を行いながら、磁界により大きな円を描きながら運動するものである。
このように、電界もしくは磁界、あるいは電界および磁界によりO−イオン回転運動を制御してO−イオンの酸素分子への衝突確率を増加させるものである。
【0015】
次に、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。
図6はオゾン発生装置の模式図である。図6に示すオゾン発生装置は、酸素ガスに放電を行い、オゾンを生成するとともに、放電により発生した負に荷電した酸素原子を酸素分子に衝突させて、さらにオゾンを生成するものである。
オゾン発生装置は、主に、酸素貯蔵部21、ガス流量制御装置22、放電部であるイオン化室23、イオン化室23に接続されたイオン化用高電圧源20、再反応部であるイオン回転室24、高周波三相交流発生器25により構成されている。酸素貯蔵部21は、酸素ボンベなどにより構成されるオゾンを生成するための酸素の貯蔵を行うものである。ガス流量制御装置22はイオン化室23へ供給する酸素量の調節を行うものである。イオン化室23はイオン化室23内に導入された酸素分子に放電を行うものである。
【0016】
図7はイオン化室の一部側面断面図である。イオン化室23は、筒体29、針電極28、平板電極31、ガス供給管27、高圧ケーブル26により構成されている。筒体29は内側にガラス製容器を装着したステンレス製筒により構成されており、通気孔30が設けられている。筒体29の一端には高圧ケーブル26が接続されており、この高圧ケーブル26に接続する針電極28が配設されている。そして、筒体29の他端には通気孔30が設けられており、通気孔30より針電極28側に平板電極31が配設されている。さらに、筒体29にはガス供給管27が貫通しており、筒体29内部に酸素ガスを供給可能にしている。
【0017】
イオン化室23は内部に酸素ガスを導入して、放電によりオゾンおよびイオン化した酸素原子を発生させるものである。イオン化室23において筒体29内にガス供給管27より酸素ガスが供給され、針電極28と平板電極31との間で放電が行なわれる。そして、さらに酸素ガスを筒体29内に供給することにより、放電をうけたガスが通気孔30より筒体29の外へ排出される。イオン化室23より排出されたガスは、イオン回転室24内に導入される。
【0018】
図8はイオン回転室の構成を示す側面断面図である。イオン回転室24は、筒体34の両端を閉じ、一方にイオン化室23を装着し、他方にオゾンガス排出口35を装着したものであり、内部に3重電極33を配設したものである。イオン化室23はイオン回転室24において、筒体34の延出方向に対して約45°の角度で挿入されている。これにより、3重電極33に回転電界をかけて、イオン化室23より排出されたガスに含まれるイオンを回転させ、イオンの進行方向とガスの進行方向をずらすものである。そして、イオン化室23よりガスが供給されることにより、筒体34内のガスがオゾン排出口35より排出されるものである。イオン回転室24内において、荷電した酸素原子を回転運動させて、酸素分子との衝突確率を増加させることにより、オゾンの生成効率を向上させることができるものである。
【0019】
オゾン発生装置としては、磁界を利用して荷電した酸素原子を誘導するものを用いることも可能である。図9は磁界を利用するオゾン発生装置を示す図である。図9に示すオゾン発生装置は、酸素ガスに放電を行い、オゾンを生成するとともに、放電により発生した負に荷電した酸素原子を回転電界および磁界により誘導して酸素分子に衝突させて、さらにオゾンを生成するものである。
オゾン発生装置は、酸素貯蔵部21、ガス流量制御装置22、放電部であるイオン化室23、イオン化室23に接続されたイオン化用高電圧源20、再反応部であるイオン回転室24、高周波三相交流発生器25、イオン回転室24に巻かれたコイル18および、コイル18に接続した直流電源19により構成されている。
そして、直流電源19よりコイル18に電流を通すことにより、コイル18によりイオン回転室24に磁界が発生し、イオン回転室24内に導入された荷電物質に回転運動をさせることができるものである。そして、これにより、荷電した酸素原子と酸素分子との衝突確率を増加させて、オゾン生成の効率を向上できるものである。
【0020】
【実施例】
次に、オゾン発生装置によるオゾン生成結果について説明する。
オゾン発生装置は、図6に示した装置に、オゾン濃度計と取り付けて行ったものである。
酸素ガスは、酸素ガスボンベより99.5%の酸素ガスを供給し、ガス流量制御装置として最大流量2L/minのマスフローコントローラを利用した。そして、イオン化高圧電源として最大電流7μAの直流高電圧源を利用した。高周波三相交流発生器においては、周波数を180KHz、電圧を0.6Vとした。オゾン濃度計としては、濃度範囲0〜10ppmのものを利用した。
【0021】
ます、放電状態の変化によるオゾン収率変化の確認のために、回転電界を印加することなく、直流高電圧によるイオン化の状態を測定した。実験条件は、供給酸素量50ml/minとし、回転電界をかけない場合と、かけた場合とで、それぞれ3時間ずつ測定し、オゾン濃度の変化を見た。
図10は回転電界によるオゾン濃度の影響を示す図である。図10において、横軸は時間軸であり、3時間目以降において回転電界をかけたものである。図10に示すごとく、回転電界をかけた後には、オゾン濃度が2倍ほどに上昇した。このように、放電を行った後の酸素ガスを、回転電界をかけた筒体内に導入することにより、オゾンの生成効率を向上できるものである。
【0022】
【発明の効果】
このように、酸素ガスを導入して、放電によりオゾンを発生するとともに、同時に生成する荷電状態の酸素原子および酸素を利用して、オゾンを発生させるので、放電に用いたエネルギーを効率的に利用して、オゾンを生成できる。さらに、オゾン生成に用いる酸素を効率的にオゾンとすることが可能であるため、高い濃度のオゾンを効率的に生成できる。また、回転電界もしくは磁界を用いて荷電酸素原子の回転運動を制御するので、容易に荷電酸素原子の酸素分子との衝突確率を増加できる。そして、電磁気的手法を用いて荷電酸素原子を誘導するので、荷電酸素原子を容易に扱うことが出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のオゾン収率向上手段を示す模式図。
【図2】O−の軌道の一例を示す図。
【図3】3重電極を有する再反応部2の内部構成を示す斜視図。
【図4】磁界をかけた場合におけるO−の挙動例を示す図。
【図5】同じくYZ平面におけるO−の挙動例を示す図。
【図6】オゾン発生装置の模式図。
【図7】イオン化室の一部側面断面図。
【図8】イオン回転室の構成を示す側面断面図。
【図9】磁界を利用するオゾン発生装置を示す図。
【図10】回転電界によるオゾン濃度の影響を示す図。
【符号の説明】
21 酸素貯蔵部
22 ガス流量制御装置
23 イオン化室
24 イオン回転室
25 高周波三相交流発生器
Claims (2)
- 放電を利用したオゾンの発生方法であって、酸素ガスに放電を行った後に、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界のかかった空間内に導入することを特徴とするオゾン発生方法。
- 放電を利用したオゾンの発生装置であって、酸素ガスを導入して放電を行うイオン化室と、回転電界もしくは磁界、あるいは回転電界および磁界をかけるイオン回転室とを有し、イオン化室をイオン回転室に接続するとともに、イオン化室において放電を受けたガスをイオン回転室に導入することを特徴とするオゾン発生装置。
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