JP2006179211A

JP2006179211A - 液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法

Info

Publication number: JP2006179211A
Application number: JP2004368829A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Toyoda; 洋通豊田; Tsunehiro Maehara; 常弘前原; Mayumi Matsunaga; 真由美松永; Nobufuku Nomura; 信福野村
Original assignee: Ehime University NUC
Current assignee: Ehime University NUC
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-21
Also published as: JP3769625B1

Abstract

【課題】この発明は、水等の導電性の液体も含め、広範囲の液体中において簡易にプラズマを発生することができる液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法を提供することを目的とする。
【解決手段】上記の課題を解決するために、本発明に係る液中プラズマ発生方法は、捕捉すべきマイクロ波の波長の１／２の長さである複数の線状の導体６を台座２に設けた液中プラズマ用アンテナセット４と液体３を容器２に入れ、前記容器２を電子レンジなどマイクロ波照射装置８を備えた外容器７に入れ、マイクロ波照射装置によってマイクロ波を液体３に照射して液中でプラズマを発生させるものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、液体中において、高エネルギーのプラズマを発生するための液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法に関するものである。

従来より、プラズマを用いた蒸着技術として気相プラズマによる蒸着技術が幅広く利用されている。しかし、物質密度の低い気相プラズマでは反応速度が低い。また、液中でプラズマを発生させる技術として、特許文献１に、間隔を隔てられた一対の電極が入れられた電解液内に堆積すべき材料のソースを含む泡の流れを生成し、泡領域にプラズマグロー放電を形成して電極上に材料をプラズマ堆積させる発明が記載されている。さらに、特許文献２にも容器の外部より液体にマイクロ波を照射して、液体中の有害物を分解することが記載されている。

そして、特許文献３および特許文献４には、ドデカン等の液体の中に超音波発生装置により超音波を照射して気泡を発生させるとともに、電磁波発生装置により当該液体中で気泡が発生している位置に電磁波を照射して気泡中に高エネルギーのプラズマを発生させることにより、熱に弱い材料の表面にも蒸着加工のできるようなプラズマ発生方法が記載されている。
国際公開第０２／０３８８２７号パンフレット特開２００２−３０１１３６号公報特開２００３−２９７５９８号公報特開２００４−１５２３２５号公報

特許文献１に記載された発明は、直流グロー放電によるものである。同文献には、マイクロ波や電磁波を照射してグロー放電の発生を補助する旨の記載が一部見られるが、その具体的な内容は何ら記載されておらず、また技術的な観点から不明な点が多く、やはり同文献に記載された技術は純然たる直流グロー放電と考えられる。したがって、反応速度は遅い。

特許文献２に記載された有害物分解方法は、容器の外部からマイクロ波を照射して、容器中の液体に含まれる有害物を分解するものであるが、どのような原理で分解するかは説明されていない。このようなマイクロ波の照射の仕方で液体中にプラズマが発生するとは考え難く、同文献にも液体中にプラズマが発生されたとは記載されいない。仮に液体中でのプラズマ発生が不可能でないとしても、極度に大きな電力を供給する必要があり、その実用性は低い。

一方、特許文献３、４に記載された液中に電磁波を照射して液中プラズマを発生する方法は、液相では分子密度が気相に比べて極めて高いことから、高い反応速度が得られることが期待される。しかも、装置は簡易な構成であり、小型に作ることもできる。しかしながら装置やプラズマ発生方法をさらに簡易なものとすることができれば便利である。この発明は、水等の導電性の液体も含め、広範囲の液体中において簡易にプラズマを発生することができる液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る液中プラズマ発生装置は、液体を入れる容器と、液中でマイクロ波を捕捉するアンテナを有するものである。さらに、マイクロ波照射装置を備え前記容器を収納する外容器を備えることが好ましい。

本発明に係る液中プラズマ用アンテナセットは、捕捉すべきマイクロ波の波長の１／２の長さである複数の線状の導体と、前記複数の線状の導体を保持する台座を有するものである。

さらに、本発明に係る液中プラズマ発生方法は、液体中にマイクロ波を捕捉するアンテナを入れ、前記液体にマイクロ波を照射して液中でプラズマを発生させるものである。捕捉すべきマイクロ波の波長の１／２の長さである複数の線状の導体を台座に設けた液中プラズマ用アンテナセットと液体を容器に入れ、前記容器をマイクロ波照射装置を備えた外容器に入れ、マイクロ波照射装置によってマイクロ波を液体に照射して液中でプラズマを発生させるのが好ましい。前記外容器として電子レンジを使用してもよい。

この発明の本発明に係る液中プラズマ用電極、液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法は、水を含む液体など広範囲の液体において高エネルギーの液中プラズマを簡易な装置及び方法で発生できるという効果を有する。

この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図１は液中プラズマ用装置の一例を示す縦断面図、図２は液中プラズマ用アンテナセットの一例を示す斜視図である。

液中プラズマ発生装置１は、液体３を入れることができる容器２と液中プラズマ用アンテナセット４を備えている。容器２は耐熱性があって、しかもマイクロ波を透過させやすいものがよく、例えば耐熱ガラスなどが適している。なお、この発明において容器とは、処理対象となる液体を処理に必要な時間だけ留めるものであればよく、液体を所定の流速で通過させる配管なども容器に含まれる。液中アンテナセット４は、図２に示すように内部に、石こうなど絶縁体の板でできた台座５と、この台座５に設けられた導体よりなるアンテナ６を有する。アンテナ６は、後述するように液体３の中でマイクロ波を捕捉することができるものであればよい。ここでは、マイクロ波の波長の１／２の長さを有する銅線を複数本、台座５にほぼ垂直に立てて設置してある。

液中プラズマ発生装置１は、さらに容器２を収納できる外容器７を有する。外容器７にはマイクロ波照射装置８が備えられている。ここで、外容器７としては、内部に容器を収納でき、この容器にマイクロ波を照射することができるものであれば特に制限はなく、処理する液体の大きさや使用するマイクロ波の波長・出力に合わせて適宜選択することができる。図１の例においては、市販されている電子レンジを外容器として利用する。電子レンジは家電製品として普及しており、安価で入手しやすく、しかも高出力のマイクロ波照射装置を備えており、本発明のための外容器として適したものである。

図１の例においては、外部容器７の外には不活性ガス供給装置（図示省略）が設けられており、パイプ９，１０によってアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを容器２へ供給するようになっている。

次に、この液中プラズマ装置を用いた液中プラズマ発生方法について説明する。容器２に液中アンテナセット４を置くとともに液体３を入れる。液体３は、液中プラズマによって行う処理に合わせて適宜選択する。たとえば、カーボンナノチューブなどのニューカーボンの合成を行う場合には、元素として炭素を含む液体、例えばドデカンなどを使用する。その他の部質の合成においても、その原料となる物質を含む液体を使用する。また、ＰＣＢやダイオキシン等有害物質の分解処理を行う場合には、分解対象の有害物質を含むものを使用する。

液体３は、通常はアンテナ６が完全に液中に浸るように入れるが、アンテナ６の上端部が若干液面上に出るようにしてもよい。

容器２に液中アンテナセット４と液体３をセットしたら、この容器２を外容器７の中に入れる。液体として発火しやすいものを使用する場合には、容器２に蓋１１を取り付けて密閉し、パイプ９，１０によって容器２の上部空間にアルゴンガスや窒素ガスなどの不活性ガスを供給してもよい。

ついで、外容器７のマイクロ波照射装置８を作動させて、マイクロ波を容器２に照射する。ここでは、外容器７として電子レンジを使用しているので、マイクロ波の出力や照射時間は、電子レンジの操作手順に従って簡単に設定することができる。

照射されたマイクロ波はアンテナ６によって有効に捕捉される。アンテナ６をマイクロ波の波長の１／２の長さの導体とすると、アンテナ６に定常波が発生する。ここでは、電子レンジのマイクロ波の周波数２．４５ＧＨｚに合わせ、アンテナ６の長さを５ｃｍ程度としている。アンテナ６の先端部において電場が強くなり、この部分においてプラズマが発生する。このプラズマは高温・高エネルギーであって物質の分解・合成などに効果的なものであるが、一方、液中にあるために巨視的には低温であり安全で取り扱いやすいものである。物質密度が高い液体中のプラズマであるために、反応速度は極めて高い。マイクロ波を連続的に供給すれば、プラズマを継続的に維持することができる。

ついで、この発明の第１の実施例について説明する。液中プラズマ発生装置としては図１に示すものを使用する。液体３としてドデカンを使用する。アンテナ６が完全に液中に浸るようにドデカンを容器２に入れる。外容器７である電子レンジの出力は７００Ｗである。マイクロ波を照射すると、アンテナ６の上端部付近が強く発光し、プラズマの発生が確認された。マイクロ波照射を続けると、プラズマによる発光は継続する。３分間マイクロ波を照射した後、容器２の底には黒い沈殿物が堆積した。ドデカンが分解されて発生した炭素や合成された各種炭素化合物が含まれている。

図３に第２の実施例について示す。この例においては液体として水道水を使用した。アンテナ６は完全には水没しておらず、先端部が若干水面上に現れるようにした。外容器７には、やはり市販の電子レンジを使用した。電子レンジの出力は７００Ｗである。マイクロ波を照射するとアンテナ６の近傍で水面近くにプラズマによる発光が生じた。このように、この発明において液中プラズマとは液体と気体の境界面付近で発生するプラズマも含む。

図４に第３の実施例について示す。この例においては、液中プラズマ用アンテナセットが、捕捉しようとするマイクロ波の波長λのほぼ１／２の長さの導体を１／４波長の間隔で平行に並べた構造にしている。このようにして八木アンテナを構成することによって、マイクロ波を効率的に捕捉して強い定在波を得ることができる。

この発明の液中プラズマ用アンテナセット、液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法は、簡易な装置および方法で液体中において高エネルギーのプラズマを発生することができるものであり、化学蒸着や化学反応炉あるいは有害物質の分解炉として適用することができるものである。水等の導電性の液体を含む広範囲の液体に使用できる。しかも、外容器として市販の電子レンジを使用することによって、装置および使用方法はきわめて簡易となる。

液中プラズマ発生装置の例を示す説明図である。液中プラズマ用アンテナセットを示す斜視図である。液中プラズマ発生装置の実施例を示す説明図である。液中プラズマ発生装置の別の実施例を示す説明図である。

符号の説明

１．液中プラズマ発生装置
２．容器
３．液体
４．液中プラズマ用アンテナセット
５．台座
６．アンテナ（導体）
７．外容器
８．マイクロ波照射装置
９，１０パイプ
１１蓋

Claims

液体を入れる容器と、液中でマイクロ波を捕捉するアンテナを有する液中プラズマ発生装置。
マイクロ波照射装置を備え前記容器を収納する外容器を有する請求項１に記載の液中プラズマ発生装置。
捕捉すべきマイクロ波の波長の１／２の長さである複数の線状の導体と、前記複数の線状の導体を保持する台座を有する液中プラズマ用アンテナセット。
液体中にマイクロ波を捕捉するアンテナを入れ、前記液体にマイクロ波を照射して液中でプラズマを発生させる液中プラズマ発生方法。
捕捉すべきマイクロ波の波長の１／２の長さである複数の線状の導体を台座に設けた液中プラズマ用アンテナセットと液体を容器に入れ、前記容器をマイクロ波照射装置を備えた外容器に入れ、マイクロ波照射装置によってマイクロ波を液体に照射して液中でプラズマを発生させる液中プラズマ発生方法。
前記外容器として電子レンジを使用するものである請求項５に記載の液中プラズマ発生方法。