JP2005089248A - オゾン発生装置およびオゾン化ガス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
経済的な方法で、しかも効率良く濃度が高いオゾン化ガスを得る方法およびその方法を実施する装置を提供すること。また、放電電極間のギャップ長が現在のままである対向電極を用いて、効率良く濃度が高いオゾン化ガスを得る方法およびその方法を実施するオゾン発生装置を提供すること。
【解決する手段】
対向して配置された電極と該電極の少なくとも一方に誘電体を配置した構成で、その電極間に酸素を主成分とする原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加して放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生装置において、該オゾン発生装置内の放電部に導入する酸素を主成分とする原料ガス中に窒素ガスを0.05〜2.0vol%混合することを特徴とするオゾン発生装置。
【選択図】 図３

Description

本発明は上下水処理、パルプ漂白処理、殺菌処理、脱臭処理などに用いるオゾン化ガス製造装置およびその装置の運転方法に関する。また、濃度が高いオゾン化ガス製造方法に関するものである。

従来からオゾン化ガスは上下水処理、パルプ漂白処理、殺菌処理、脱臭処理などの各種処理を行う際に用いられて来た。そのオゾン化ガスの製法としては、空気あるいは酸素ガスを原料ガスとし、誘電体を配置した対向する電極の電極間に原料ガスを供給しながら交流高電圧を印加して放電させる無声放電方式にて製造する方法が知られている。この方法は他のオゾン製造法と比較すると経済的であり、酸素ガスを高い純度で含む原料ガスを用いることにより効率的に濃度が高いオゾン化ガスを製造することができるため、近年ではオゾン化ガスを製造する方法として多用されている。

この無声放電方式でオゾン化ガスを製造しようとするときには、対向する電極の電極間の距離、より正確には電極間の放電ギャップ長が発生するオゾンの濃度に大きな影響をあたえることが知られている。すなわち、電極間に与えるエネルギーが同じであるならば、オゾン濃度を向上させるためには放電ギャップ長を短くする必要がある。
一方、大量にオゾン化ガスを供給するためにはオゾン発生装置は大型化してきた。無声放電方式で用いる電極も大型となり、０．５ｍ以上の長さを有する電極が多用されている。そして、放電電極０．５ｍに対して電極の放電ギャップ長は現在１ｍｍ以下である。生成するオゾン化ガスのオゾン濃度を向上させるためには、ギャップ長を例えば０.２ｍｍ程度に短くすればよいのであるが、０．５ｍ以上の長さを持つ電極の放電ギャップ長さを０.２ｍｍとすることは現実的ではない。とくに、多用されている同軸円筒管において放電電０．５ｍに対して電極の放電ギャップ長を０．２ｍｍとすることは、歩留まりなどの点を考慮すると到底実用的な方法ということはできない。

また、対向する電極間に多大なエネルギーを投入すれば濃度が高いオゾン化ガスを製造できるのであるが、この方法は経済的ではなく、現実的な方法ということができない。
なお、高純度な酸素ガスを用いて無声放電方式によりオゾン化ガスを長い時間続けて製造すると、時間の経過と共にオゾン化ガス濃度が低下する問題点が明らかとなり、その点を解決するために、酸素を含んだ原料ガス中に空気あるいは窒素ガスを添加してオゾン化ガスを製造する技術が本出願人により開示されている。すなわち、特許文献１にはオゾン化ガス製造の原料ガスとして、高純度の酸素ガスを用い、この原料ガスに空気を3vol％の割合で混合すると、発生したオゾンと窒素とが反応して生成した化合物が電極表面に吸着されている水分子と結合し、その結果オゾン化ガスの濃度低下減少が抑制されると開示している。
特開２００１−１７２００５号公報

そこで、本発明の課題は経済的な方法で、しかも効率良く濃度が高いオゾン化ガスを得る方法およびその方法を実施する装置を提供することにある。また、放電電極間のギャップ長が現在のままである対向電極を用いて、効率良く濃度が高いオゾン化ガスを得る方法およびその方法を実施するオゾン発生装置を提供することにあり、そのオゾン発生装置の運転方法を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明者らは鋭意研究を進め、つぎのような発明に到達した。
なお、特許文献１には高純度の酸素を用い、この原料ガスに空気を混合してオゾン化ガスを製造する技術が開示されているが、そこでは空気を3vol％の割合で混合することが好ましいと記載されており、空気３vol％は窒素ガス２．４vol％と換算されることからみても、本発明が規定する窒素ガスの混合割合と異なるし、更に窒素ガスを混合する目的も異なるので、特許文献１は本発明とは関係がないといえる。

すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、対向して配置された電極と前記電極の少なくとも一方に誘電体を配置した電極構造を有するオゾン発生装置であって、その電極間に酸素を主成分とする原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生装置を使用するときに、前記オゾン発生装置内の放電部に導入する前記原料ガス中に、窒素ガスを0.05〜2.0vol%混合することを特徴とし、濃度が高いオゾンを発生させることを可能とした。本発明の請求項３に係る発明は、電極の少なくとも一方に冷却手段を設けることに特徴があり、より効率的に濃度が高いオゾンを発生させることを可能とした。

本発明の請求項４に係る発明は、少なくとも一方の電極に誘電体を配置した対向電極の電極間に、酸素を主成分とし、窒素を0.05〜2.0vol%混合した原料ガスを供給しながら、その電極間に交流高電圧を印加し、放電を発生させることを特徴とする濃度が高いオゾン化ガスを製造する方法である。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の電極構造は、電極の少なくとも一方に誘電体を配置した、対向する電極から構成され、交流高電圧を印加して放電を発生させることができ、しかもオゾン化ガスの原料ガスを電極間に供給することができる構造をとる。
上記対向する電極はオゾン発生装置で通常使用される電極を使用すればよいのであって、例えば高電圧電極と接地電極とを一定の間隔を保った状態で配置する。代表的な対向電極は図２に示されているような断面構造を有する同軸円筒管状電極である。電極を構成する材料は特に限定されないのであり、一般的な材料で構成する。
本発明では少なくとも一つの電極表面に誘電体を配置する必要があるが、両方の電極に誘電体が配置されることが好ましい。誘電体としても一般的な材料であればとくに制限されないが、たとえばガラスが用いられる。

上記二つの電極を一定の間隔を維持するよう配置する。すなわち、オゾン発生装置の放電ギャップ間隔は狭いほど、高濃度のオゾンが得られる。しかしながら、製造上の難易度を考慮すると、放電ギャップ間隔の最適値は０．３〜０．５ｍｍの範囲である。
この電極の少なくとも一方、あるいは両方に冷却手段を設けて、発生する熱を吸収することが望ましい。とくに内部電極は高温となりやすいので、冷却効果は大きい。 冷却手段としては一般的な手段であれば特に限定されないが、少なくともオゾン発生器に必要な冷却水を精製し、供給する手段であればよい。接地電極の冷却には工業用水を用いればよいが、高電圧電極の冷却には冷却水による電力の漏洩を防止するために、電気伝導度を下げた冷却水を用いることが望ましい。冷却水の外部との熱交換は、通常熱交換器を使用する。

本発明では上記電極間に交流高電圧を印加し、放電空間に放電を形成させる。放電空間を通過する原料ガスはオゾン化ガスに変化することとなる。交流高電圧を印加する方法は一般的な方法を使用すればよい。
上記電極構造内の電極間に、あるいは上記放電空間にオゾン発生原料ガスを供給する。原料ガスとしては高純度な酸素ガスを使用することが有利である。高純度な酸素ガスを得るためには、代表的には吸着方式の酸素製造装置や液体酸素設備を使用する。吸着方式の酸素製造装置は空気中の窒素や炭酸ガスなどを吸着剤で吸着し、酸素濃度90％以上の酸素富化空気を得る装置である。液体酸素設備は液体酸素から気化する高純度の酸素ガスを得る設備である。
この酸素ガスに窒素ガスを混合するのであるが、オゾン発生管に入る前に所定の割合でガスが混合されていればよいのであって、その混合手段はとくに限定されるものではなく、また、得られるガス源が、液体酸素及び液体窒素であっても、ガスボンべによるものであってもよい。

オゾン発生装置の原料ガスとして、液体酸素設備から供給される高純度酸素ガスを用いる場合、酸素純度は99.6％以上であることが通常である。酸素以外の0.4％以下に相当する成分のほとんどは、アルゴンであり、窒素は0.01％以下しか存在していない。図１に示される結果が得られた実験条件では、原料ガスに上記のような液体酸素源から得られる高純度酸素ガスを用いている。液体酸素源から得られた酸素ガス中には、上述の通り、窒素ガス成分はほとんど含まれていないため、原料ガス中の窒素ガス含有量を、窒素ガス添加量で示した。

本発明では、酸素ガスに窒素ガスを0.05〜2.0vol%混合することが重要であり、とくに0.1〜0.6vol%とすることがより好ましい。本発明の特徴の一つがこの点にある。すなわち、原料ガスである酸素ガスに0.05〜2.0vol%の窒素ガスを混合させると発生オゾン濃度が約１０％程度以上向上し、さらに0.1〜0.6vol%の窒素ガスを混合させると約１４％程度と著しく発生オゾン濃度が向上することが判明した（図１を参照）。
エネルギーコストの高い電力をエネルギー源としてオゾン化ガスを製造する技術が主流であり、しかも１０％以上オゾン濃度を高めることは極めて困難な技術分野である現在の技術からみて、本発明のように１４％程度もオゾン濃度を高めることができたことは極めて優れた効果であるということができる。
なお、放電電極間のギャップ長が狭くなれば発生するオゾン濃度が高くなること、およびオゾン濃度を１０％程度上昇させることが極めて困難なことは図４からも明らかである。すなわち、放電電極間のギャップ長が０．３ｍｍのときには、発生オゾン濃度は放電電極への投入電力が６５％程度のときに極大となり、それよりもオゾン濃度を高めようと放電電極間へ電力を投入してもオゾン濃度はけっして高くはならない。しかしながら、放電電極間のギャップ長を０．２ｍｍに狭くすると、上記オゾン濃度を高めることができるのであり、投入電力が８０％程度のときには約１．１５倍高まることになる。
これらのことから、オゾン濃度を１０％以上高めることは極めて困難なことであることが分かり、放電電極間のギャップ長を狭くするという困難性を回避して、窒素ガスを酸素ガスに0.05〜2.0vol%混合するという単純な構成でオゾン濃度を高めることができる本発明は極めて実用的であるといえる。

本発明により、発生オゾン濃度が向上するオゾン製造技術を提供することができる。すなわち、酸素ガスに0.05〜2.0vol%の窒素ガスを混合するという簡単な操作を施すことにより１０％以上オゾン濃度を高めることを可能とし、さらに窒素ガスを0.1〜0.6vol%混合するという簡単な操作を施すことにより１４％程度オゾン濃度を高めることを可能となった。この方法は現在使用している電極を換える必要が無くオゾン濃度が向上することを可能とする方法であり、現在使用しているエネルギー以上のエネルギーを必要としないので、経済的な方法といえ、しかも効率よくオゾンを製造することができる技術であるといえるから、極めて実用的である。
この濃度が高いオゾン化ガスは、例えば上下水処理、パルプ漂白処理、殺菌処理、脱臭処理など広い分野にわたって利用可能である。

発明の実施の形態

以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものではない。
図２は本発明のオゾン発生装置内の電極構造の一例を示す概略図である。
この電極構造は、高電圧電極１と接地電極２との対向する電極を有し、その放電空間側の面に各々誘電体３を配置した構造をとる。原料ガスは原料ガスIn 10から高電圧電極１と設置接地電極２で形成される放電空間４を通過し、オゾン化ガスout 11へと流れる。両電極間に交流高電圧を印加して、放電空間４に放電を形成して原料ガスを、オゾン化ガスへと変化させる。

図３は本発明のオゾン発生装置を用いたオゾン製造フローを示す図である。
酸素製造設備２０から流量計２２を経て酸素を主成分とする原料ガスがオゾン発生装置２４に供給される。窒素ガス製造装置２１から流量計２３を経て窒素ガスが酸素を主成分とする原料ガスに混合され、オゾン発生装置２４に供給される。オゾン装置内では交流高電圧が対向電極間(図示しない)に印加され、放電空間内(図示しない)で放電が形成され、その空間を通過する原料ガスはオゾン化ガスに変化する。オゾン発生装置の対向電極を構成する電極それぞれは冷却装置２５からの冷却水により冷却される。オゾン発生装置２４からオゾン化ガスはオゾンメータ２６を経て、オゾンを必要とする装置に注入される。余ったオゾン化ガスはオゾン分解塔内２７で分解され、大気中に放出される。

上記電極構造を有するオゾン発生装置を用いてオゾン化ガスを製造した。オゾン発生装置は、放電ギャップ間隔が0.4mmであり、一対の放電電極は両方とも、誘電体で被覆して10℃程度の冷却水で冷却する構造である。オゾン発生装置に原料ガスを、ガス圧力が0.18MＰaで供給した。その結果を図１に示す。図１は、横軸に窒素添加量（酸素に対する体積比）を示し、縦軸は、窒素ガス添加量が0vol%のときに得られるオゾン濃度を基準として規格化したオゾン発生濃度で示した。

原料ガスへの窒素ガス添加により、オゾン発生濃度は向上することがグラフから読み取ることができる。窒素ガス添加によるオゾン発生濃度の向上は窒素ガスの添加量に依存し、原料ガスに対する窒素ガス添加量が0.05〜2.0vol%のときに、窒素の添加を行なわないときに得られるオゾン発生濃度に対して、1.1倍以上の高濃度オゾンが得られている。
さらに、窒素ガス添加量が0.1〜0.6vol%のときに、発生するオゾン濃度が最も向上し、基準値に対して約14％向上することがわかる。窒素ガス添加による向上は、前記添加量が最適値であり、0.6vol% を超える窒素添加では基準値に対するオゾン発生濃度は向上しているが、この濃度は徐々に低下する傾向となる。
この時の最適ガス圧力は、放電ギャップ間隔が0.3ｍｍの時が0.2ＭPaであり0.5mmの時には0.1MPaである。また、原料ガスに液体酸素原料のみを使った場合に対し、窒素を添加することで高いオゾン出力濃度が得られる窒素添加量の範囲は、上記の放電ギャップ間隔の範囲では依存しない。

図1に示す結果は、図２に示す電極の両方に誘電体を配置した電極構成での結果であるが、対向する電極のどちらか一方に誘電体を配置した場合（図示していない）も同様のことがいえる。図２に示す電極構成は無声放電方式の構造になっているが、図示していないが、沿面放電方式の構造においても同様の効果がえられ、オゾン発生器に供給する原料ガスへの窒素添加効果は、電極形状、方式に関係なく同様に得ることができる。

本発明は上記説明から、次のようにも記載することができる。
（１）少なくとも一方の電極に誘電体を配置した対向電極を含む空間に、酸素を主成分とし、窒素を0.05〜2.0vol%混合した原料ガスを供給しながら、その電極間に交流高電圧を印加し、放電を発生させることを特徴とするオゾン化ガスを製造する方法。
（２）対向して配置された電極と前記電極の少なくとも一方に誘電体を配置した構成で、その間に酸素を主成分とする原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加することにより放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生装置の運転方法において、
前記オゾン発生装置内の放電部に導入する前記原料ガス中に、窒素ガスを0.05〜2.0vol%混合することを特徴とするオゾン発生装置の運転方法。
（３） （２）記載のオゾン発生装置の運転方法において、酸素を主成分とする原料ガスに窒素ガスを0.05〜2.0vol%混合した原料ガスを供給することを特徴とするオゾン発生装置の運転方法。
（４）電極の少なくとも一方に誘電体を配置した対向する電極と、その電極間に酸素を主成分とする原料ガスを供給する原料ガス供給手段と、交流高電圧を印加して放電を発生させる交流高電圧印加手段を有するオゾン発生装置において、
該オゾン発生装置内の放電部に導入する酸素を主成分とする原料ガス中に窒素ガスを0.05〜2.0vol%混合することを特徴とするオゾン発生装置。
（５）さらに電極の少なくとも一方に冷却手段を備えることを特徴とする（４）記載のオゾン発生装置。

酸素を主成分とする原料ガスへの窒素ガス添加量による発生オゾン濃度の変化を示す図である。 本発明のオゾン発生装置内の電極構造の一例を示す概略図である。 本発明のオゾン発生装置を用いたオゾン製造フローを示す図である。 オゾン濃度の放電電極間ギャップ長依存性を示す図である。

符号の説明

１：高電圧電極
２：設置電極
３：誘電体
４：放電空間
１０：原料ガスＩｎ（入り口）
１１：原料ガスＯｕｔ（出口）
２０：液体酸素設備
２１：窒素ガス製造装置
２２：流量計
２３：流量計
２４：オゾン発生装置
２５：冷却装置
２６：オゾンメータ
２７：オゾン分解塔
２９：オゾンを必要とする装置

Claims (5)

1. 対向して配置された電極と該電極の少なくとも一方に誘電体を配置した構成で、その電極間に酸素を主成分とする原料ガスを供給しながら、交流高電圧を印加して放電を発生させる電極構造を有するオゾン発生装置において、該オゾン発生装置内の放電部に導入する酸素を主成分とする原料ガス中に窒素ガスを0.05〜2.0vol%混合することを特徴とするオゾン発生装置。
2. 原料ガス中に混合する窒素ガス量が0.1〜0.6vol%であることを特徴とする請求項１記載のオゾン発生装置。
3. 電極の少なくとも一方に冷却手段を備えることを特徴とする請求項１記載のオゾン発生装置。
4. 少なくとも一方の電極に誘電体を配置した対向電極の電極間に酸素を主成分とする原料ガスを供給しながら、その電極間に交流高電圧を印加し、放電を発生させてオゾン化ガスを製造する方法において、酸素を主成分とする原料ガスに窒素を0.05〜2.0vol%混合した原料ガスとすることを特徴とする濃度が高いオゾン化ガスを製造する方法。
5. 原料ガス中に混合する窒素ガス量が0.1〜0.6vol%であることを特徴とする請求項５記載のオゾン化ガスを製造する方法。
   
   

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