JP2008159387A - 紫外線光源及び化学反応促進装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 廃棄処理に際して環境汚染の問題が生じることなく、安価な紫外線光源を実現するとともに、高い点灯性を得て実用化を可能とする。
【解決手段】 紫外線光源１に封入された放電ガス３の成分が、窒素ガス（Ｎ_２），アルゴン（Ａｒ），ヘリウム等であり、Ｎ_２とＡｒとの混合比が０．１：９９．９〜３０：７０、内部圧力が１００〜１０００Ｐａである。この紫外線光源１は、化学反応促進装置１０においては、被反応物２１そのものの中に投入される。マグネトロン発振器１１から出力されたマイクロ波は、被反応物２１と紫外線光源１に照射される。この照射を受けて紫外線光源１は、被反応物２１の中に位置して紫外線を放出し、これを被反応物２１に照射する。これら紫外線とマイクロ波の照射により、被反応物２１の化学反応が促進される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁波の照射を受けて紫外線を発光する紫外線光源、及び、この紫外線光源を用いて廃水処理を行う化学反応促進装置に関し、特に、環境汚染の問題に配慮しつつ、廃水処理の高速化を実現するのに好適な紫外線光源及び化学反応促進装置に関する。

一般に、水質汚染物質の処理法として、物理的または化学的な方法があり、代表的な化学的方法の例として、燃焼法やオゾン酸化法、塩素などの殺菌法、ＯＨラジカルなどを用いた活性ラジカル処理法などが挙げられる。また、いくつかの処理法を組み合わせた方法や、高度酸化プロセス（ＡＯＰ）を用いた特殊な方法も実用化されている。
さらに、紫外線光源（紫外線ランプ）を用いた水処理法は、塩素などの化学薬品を使用しない方法として実用化されている。

この従来の水処理法では、一般に有電極の紫外線光源が使用されていた。しかし、電極寿命によるランプ切れや、電極のスパッタリングによる容器の汚染などの問題があった。このため、近年では、寿命が長く容器汚染のない無電極の紫外線光源が使用されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、従来は、被処理物に対して外から紫外線を照射していた（例えば、特許文献２参照。）。そうすると、被処理物とは違う方向に放出される光があったり、被処理物の一部にしか光が照射されなかったりして、効率の悪い処理法となっていた。
そこで、紫外線光源から放出される光を無駄なく被反応物に照射するために、被反応物に近づけ、あるいは接触させることが考えられる。さらに、被反応物そのものの中に紫外線光源を投入すれば、光源からの全方位の光が被反応物に照射されることになり、照射効率が著しく向上する（例えば、特許文献１参照。）。

さらに、ある種の物質の分解および合成は、紫外線とともにマイクロ波を照射することで大幅に促進することが知られている（例えば、特許文献３参照。）。これは、紫外線とマイクロ波の同時照射により、ＯＨラジカルやＯＯＨラジカルの発生量や生成速度を著しく向上させることができるためである。
特開２００１−０２９９４３号公報 特開平０９−２３７６０８号公報 特開２００１−２５９６２０号公報

しかしながら、従来の無電極紫外線光源を用いた水質処理装置においては、次のような問題があった。
例えば、上述の特許文献１及び２に開示されているように、紫外線光源の封入ガスには、主に水銀（Ｈｇ）が用いられていた。これは、通常、入力電力に対する紫外線変換効率が高いためであった。ところが、この紫外線光源は、水質処理装置に用いられて環境改善に寄与しうるものの、Ｈｇ自体は、廃棄に際して厳重な管理下に置く必要があるため、使用はなるべく避けるべきであった。

また、紫外線光源の中には、キセノン（Ｘｅ）を封入したものもあるが、資源的に貴重で高価であるため、これについても避けるべきであった。

ここで、Ｈｇに代わる発光ガスとして窒素（Ｎ_２）が考えられる。Ｎ_２は、環境汚染の問題が無いため、この点でＨｇより有利なガスである。ただし、Ｎ_２は放電開始電圧が高いため、なかなか発光せず、実用的でなかった。

本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、廃水等の処理に際して環境汚染の問題が生じることなく、安価な紫外線光源を実現するとともに、高い点灯性を得て実用化を可能とする紫外線光源及び化学反応促進装置の提供を目的とする。

この目的を達成するため、本発明の紫外線光源は、電磁波の照射を受けて紫外線を発光する紫外線光源であって、内部に封入されたガスの成分に窒素及び点灯性補助用ガスを含む構成としてある。
紫外線光源をこのような構成とすると、封入ガスの成分が水銀やキセノンではなく窒素等とされるため、廃水処理に際して環境汚染の問題が生じることない。例えば、紫外線光源を廃棄する際に封入ガスが漏れ出した場合、水銀では、その毒性から環境汚染の問題が生じる。一方、窒素等では、その心配が無い。

さらに、窒素等は水銀やキセノンに比べて安価であるため、紫外線光源の低廉化を実現できる。
また、封入ガスの成分に点灯性補助用ガスを含むため、容易に窒素を放電させることができる。これにより、高い点灯性を得て実用的な紫外線光源を提供できる。

また、本発明の紫外線光源は、点灯性補助用ガスを、アルゴン及び／又はヘリウムを含む構成とすることができる。
紫外線光源をこのような構成とすれば、アルゴンやヘリウムにより窒素を簡単に放電させることができる。
窒素は、放電開始電圧が高いため、なかなか点火しにくい。一方、アルゴンやヘリウムは、不活性ガス（希ガス）であるため、それ自体が放電しやすく、一度放電すると他の原子にエネルギーを与えることができる。窒素の電離電圧は、アルゴン等のそれよりも低いため、アルゴン等の放電により窒素を簡単に放電・発光させることができる（ペニング効果）。

また、本発明の紫外線光源は、窒素とアルゴンとの混合比が、ほぼ、０．１：９９．９〜３０：７０であり、ガスを封入した容器の内部圧力が１００〜１０００Ｐａとすることができる。
紫外線光源をこのような構成とすると、アルゴンの割合が非常に多いため、封入ガスの点灯性を高めることができる。また、内部圧力を１００〜１０００Ｐａとすることによっても点灯性を高めることができる。

また、本発明の紫外線光源は、ガスを封入する容器の形状を、カプセル形とし、径方向断面の直径を１０〜３０ｍｍ、長辺の長さを１５〜１６０ｍｍとすることができる。
紫外線光源をこのような構成とすれば、径方向断面の直径が１０〜３０ｍｍであるため、封入ガスの放電が可能となる。また、長辺の長さが１５〜１６０ｍｍであるため、共振長を考慮しつつエネルギーの供給効率を上げることができる。

また、本発明の紫外線光源は、ガスを封入する容器の形状を、球形とし、直径を１０〜６０ｍｍとすることができる。
紫外線光源をこのような構成とすると、直径が１０〜６０ｍｍであるため、封入ガスの放電が可能となるとともに、共振長を考慮しつつエネルギーの供給効率を上げることができる。

また、本発明の紫外線光源は、ガスを封入する容器を、防水性及び紫外線透過性を有した材料で形成することができる。
紫外線光源をこのような構成とすれば、防水性を有するため、紫外線光源が被反応物に投入されても、紫外線光源の容器内に被反応物が入りこんでくることがない。このため、紫外線光源は、被反応物の中にあっても、本来備わる紫外線発光という機能を発揮でき、この紫外線を被反応物に照射できる。

また、本発明の紫外線光源は、無電極であるとともに、マイクロ波の照射を受けるとガスの励起により紫外線を発光する構成とすることができる。
紫外線光源をこのような構成とすると、無電極であるため、有電極に比べて紫外線光源の寿命を長くすることができる。また、電極のスパッタリングによる容器の汚染などを無くすことができる。さらに、マイクロ波と紫外線の両方を被反応物に照射する化学反応促進装置においては、紫外線光源を発光させるためのマグネトロン発振器を改めて備えずとも、被反応物へマイクロ波を照射するためのマグネトロン発振器を紫外線光源への電力供給として用いることができる。

また、本発明の化学反応促進装置は、内部で被反応物が静止又は移動する処理部と、電磁波を出力する電磁波発生器と、紫外線を発光する紫外線光源とを備えて、電磁波と紫外線とを被反応物に照射し、当該被反応物の化学反応を促進させる化学反応促進装置であって、紫外線光源が、上記のいずれかに記載の紫外線光源である構成とすることができる。
化学反応促進装置をこのような構成とすれば、紫外線光源に封入されたガスが窒素やアルゴン等であるため、この封入ガスにより環境汚染の問題が生じることがなく、また、安価に構成できる。

また、本発明の化学反応促進装置は、紫外線光源を、静止する被反応物の中、又は、処理部の内部の一部に設けてあり、電磁波を、被反応物と紫外線光源の両方に照射し、紫外線光源が、電磁波の照射を受けて紫外線を発光する構成とすることができる。
化学反応促進装置をこのような構成とすると、被反応物に照射している電磁波（マイクロ波）を、そのまま紫外線光源を発光させる電力として使用できる。
なお、特許文献１には、被反応物の中に紫外線光源（無電極放電ランプ）が投入された液体処理装置が開示されている。ただし、マイクロ波が高周波発生装置からコイルを介して送られている点や、そのマイクロ波が被反応物には照射されない点、被反応物の化学反応処理が紫外線照射のみで行なわれている点、紫外線光源の封入ガスが窒素を成分としない点などにおいて本発明と相違する。

以上のように、本発明によれば、紫外線光源に封入されるガスが窒素やアルゴンなどであるため、廃水等の処理に際して環境汚染の問題が生じることなく、安価な紫外線光源を実現できる。
また、窒素とアルゴンの混合比をおおよそ０．１：９９．９〜３０：７０とし、内部圧力を１００〜１０００Ｐａとすることで、点灯性を向上でき、実用的な紫外線光源を提供できる。

以下、本発明に係る紫外線光源及び化学反応促進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。

［紫外線光源］
まず、本発明の紫外線光源の実施形態について、図１を参照して説明する。
同図（ａ），（ｂ）は、本実施形態の紫外線光源の構造を示す外観正面図であって、同図（ａ）は、カプセル型、同図（ｂ）は、球形の紫外線光源を示す。
同図（ａ），（ｂ）に示すように、紫外線光源１（１ａ，１ｂ）は、無電極であって、中空の容器２（２ａ，２ｂ）の中に放電ガス３（３ａ，３ｂ）が封入されている。

ここで、容器２は、防水性を有するとともに紫外線を透過する材料、例えば、石英ガラスやテフロン（デュポン社登録商標）などにより形成できる。
このように防水性を有することで、この紫外線光源１を被反応物に投入したときに、この紫外線光源１の容器内に被反応物が入り込むことがない。このため、紫外線光源１は、被反応物の中であっても紫外線を発光できる。また、紫外線透過性を有することで、放電ガス３で発光した紫外線を容器２より外部に放出できる。

この容器２は、同図（ａ）に示すように、カプセル形（円筒形状）に形成することができる。この場合、径方向断面の直径は、１０〜３０ｍｍとするのが好ましい。
また、同図（ｂ）に示すように、球状に形成することもできる。この場合、直径は、１０〜６０ｍｍとするのが好ましい。

容器２の形状および大きさは、マイクロ波（電磁波）の波長及び内部に発生するプラズマのイオンシース距離などの放電機構からの限界、被反応物へのマイクロ波の浸透深さなどの被反応物を入れる容器の大きさの限界から、制限が生じる。
カプセル形及び球形の直径は、プラズマの放電領域を決定するため、これがイオンシースよりも小さいと放電することができない。イオンシースは、プラズマ密度により変化するが、放電初期においてプラズマ密度が小さい場合が所定の条件を考慮すれば直径１０ｍｍ以上が望ましい。
一方、あまり大きすぎると、被反応物の容器に投入できなかったり、マイクロ波電力の多くが発光に使われるため被反応物へのマイクロ波照射が減少する。単位体積あたりの電力が低下することによる輝度の低下などの弊害が生じる可能性がある。

さらに、カプセル形の長手方向（長辺）の長さ及び球形の直径は、アンテナと同様に共振長を考慮した方がエネルギーの供給効率を上げることができると考えられる。この長さは、およそ波長λの１／８〜１倍となる。
一般に工業用として使われる２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いた場合、自由空間における波長は１２２ｍｍと計算されるが、導波管内では波長が伸びるため、約１６０ｍｍとなる。
以上の点を考慮すると、紫外線光源１の形状は、カプセル形の場合は、径方向断面の直径１０〜３０ｍｍで長辺の長さが１５〜１６０ｍｍ、球形の場合は、直径１０〜６０ｍｍが最適と考えられる。

なお、紫外線光源１を小型化する一手法として、マイクロ波の波長を短くすることも有用であると考えられる。波長を短くすると、プラズマのカットオフ周波数が上がるため、結果的に輝度の高い紫外線光源の製作が可能となる。

また、本実施形態の紫外線光源１は、無電極である。これにより、電極のスパッタリングによって容器２が汚染されることがなく、しかも放電ガス３の組成がほとんど変化しないため、紫外線光源１の寿命を延ばすことができる。
さらに、紫外線光源１を無電極とすることで、電極のスパッタリングや腐食がないため放電ガス３の選択肢を広げることができる。しかも、紫外線光源１の交換が簡単で、長時間の安定性が期待できるなどの利点がある。

放電ガス（封入ガス）３は、マイクロ波の照射を受けると、このマイクロ波による電力供給により紫外線を発光するガスであって、窒素ガス（Ｎ_２）を成分として含む。これにより、環境汚染の問題がなく、しかも安価な紫外線光源を実現できる。
Ｎ_２が１００％の紫外線光源１は、紫外線の光強度が最も強く、Ｎ_２の割合が低下するほど光強度も弱くなる。ただし、Ｎ_２を主体とする紫外線光源１は、放電開始電圧が高くなり放電開始に高い電界を必要とする。一方、被反応物へのマイクロ波照射は反応機構あるいは容量に応じて、最適なマイクロ波電力の幅があり、マイクロ波電力を高くしすぎると、所望の反応が得られなかったり、突沸、急激な圧力上昇による容器の破損などの危険性が生じる。
そこで、紫外線光源１に封入するガスとして点灯性補助用ガス、例えばアルゴン（Ａｒ）あるいはヘリウム（Ｈｅ）を混入することとした。これにより、点灯性を容易にすることができる。

ここで、Ｎ_２とＡｒとを混合した場合のＮ_２の割合を０．１〜３０％以下とすると点火性が向上する。この場合、ＡｒあるいはＨｅは７０％以上となるが、例えばＡｒでは、Ａｒを９０％にしても紫外線の光強度は減少せず、大きな変化がないことがわかった。しかも、Ｎ_２とＡｒとの混合比は、出願人の研究では、放電ガス３の圧力を１０〜１００００Ｐａの間で変化させたとき、Ｎ_２：Ａｒ＝２０：８０付近とするのがよいとの結果を得た。このようにＡｒの割合を多くすることで点灯性を高めることができる。
さらに、Ｎ_２：Ａｒ＝２０：８０とした場合に、点灯性がよくなる紫外線光源１の内部圧力は、１００〜１０００Ｐａが好ましく、さらに、８００Ｐａ付近が最も良いとの結果が得られた。

これら混合比及び内部圧力を採用することで、Ｎ_２とＡｒとを成分とする放電ガス３の点灯性を高めることができ、実用的な紫外線光源１を得ることができる。
また、ＨｇではなくＮ_２やＡｒを成分とするため、廃棄処理に際して環境汚染の問題が生じることがない。
さらに、ＸｅではなくＮ_２やＡｒを成分とするため、安価な紫外線光源１を実現できる。

［化学反応促進装置］
次に、本発明の化学反応促進装置の実施形態について、図２〜図４を参照して説明する。
図２〜図４は、本実施形態の化学反応促進装置の構成を示す概略図であって、図２は、第一実施例における化学反応促進装置の構成、図３は、第二実施例における化学反応促進装置の構成、図４は、第三実施例における化学反応促進装置の構成をそれぞれ示す。
以下、各実施例ごとに、化学反応促進装置の構成について、説明する。

（第一実施例）
図２に示すように、本実施例の化学反応促進装置１０ａは、マグネトロン発振器１１と、導波管１２と、アプリケータ１３とを有している。
ここで、マグネトロン発振器（電磁波発生器）１１は、マイクロ波を出力する。
導波管１２は、マグネトロン発振器１１から出力されたマイクロ波をアプリケータ１３へ送る。
アプリケータ１３は、マイクロ波を使って被反応物２１の処理を行う処理室である。このアプリケータ１３は、電子レンジにおける加熱室，オーブン，キャビティに相当するものである。

このアプリケータ１３に導入されたマイクロ波は、アプリケータ１３内の壁で乱反射し、ほぼ全方位から被反応物２１及び紫外線光源１に照射される（マルチモード）。
このアプリケータ１３の内部は、共振器のような働きをし、電界強度は強くなるため、紫外線光源１は点灯装置を使用することなく発光する。一方、被反応物２１に対する電界強度は、制御しにくくなる。
なお、アプリケータ１３や流路１５（後述）は、内部で被反応物２１が静止又は移動する部分であるため「処理部」としての機能を有している。

アプリケータ１３の中には、被反応物（溶液を含む）２１を収容した反応容器２２が収められている。そして、紫外線光源１が被反応物２１の中に設けられている。
被反応物２１は、紫外線光源１から紫外線を受けるとともに、マグネトロン発振器１１からマイクロ波を受けることで、分解あるいは合成等の処理がなされる被処理物である。

この被反応物２１は、液体、気体、固体のいずれであってもよい。ただし、固体の場合は、その中に紫外線光源１を設けることが可能なもの、例えば、粉体、粒体、ゼリー状のものなどが対象となる。
なお、図２においては、紫外線光源１が被反応物２１の中にほぼ完全に埋没した状態となっているが、ほぼ完全に埋没した状態に限るものではなく、例えば、紫外線光源１の一部が被反応物２１から露出した状態であってもよい。

反応容器２２は、マイクロ波を透過する開放型の容器である。
この反応容器２２は、開放型に限るものではなく、閉鎖型（第二実施例）であってもよい。

紫外線光源１は、無電極であり、照射されたマイクロ波により電力が供給されて紫外線を発光する。
本実施例（下記実施例も同じ）の化学反応促進装置においては、マイクロ波を被反応物２１に照射して化学反応を促進する。一方、紫外線光源１は、前述したように無電極であるため、電磁波を送るための配線等がなく、マイクロ波の照射により電力を得る。すなわち、被反応物に照射しているマイクロ波を、そのまま紫外線光源１を発光させる電力として使えるので都合がよい。

この紫外線光源１は、被反応物２１そのものの中に埋没（又は浸漬）した状態で設けられている。このため、紫外線光源１は、被反応物２１の内部からその被反応物２１に対して紫外線を照射する。つまり、紫外線光源１の全方位から放射された紫外線の全て（又はほとんど）が被反応物２１に照射されることとなる。これにより、被反応物２１の外から紫外線を照射した場合に比べて、照射効率が格段に向上するとともに、被反応物２１の化学反応処理の時間を大幅に短縮できる。

（第二実施例）
第二実施例は、導波管の中に閉鎖型反応容器を挿入した例である。
図３に示すように、本実施例の化学反応促進装置１０ｂは、マグネトロン発振器１１と、導波管１２と、アプリケータ１３と、終端器１４とを有している。
ここで、終端器（ターミネータ、ダミー抵抗）１４は、マイクロ波を吸収して反射を防止する器具である。これを取り付けることにより、被反応物２１へは、マグネトロン発振器１１側からのみマイクロ波が供給される（シングルモード）。
シングルモードにおいては、被反応物２１に対する電界強度は、マイクロ波電力、被反応物２１の誘電率及び誘電損で決まるため、制御は比較的容易である。ただし、共振現象を利用しないため、電界強度は一般に低くなる。そのため、紫外線光源１の点灯は、点灯装置の助けが必要となる場合がある。

なお、終端器１４に代えて、反射板を用いることもできる。
反射板が取り付けられている場合は、ここでマイクロ波が反射され、導波管は一種の共振器のような働きとなり、シングルモードよりも電界強度は高くなる。ただし、マルチモードと異なり、電界の方向は図３においては上下方向で一定となる。

（第三実施例）
第三実施例は、連続処理を目的として流路の途中に紫外線光源を設け、この紫外線光源にマイクロ波を照射するように導波管及びマグネトロン発振器を取り付けた例である。
図４に示すように、本実施例の化学反応促進装置１０ｃは、マグネトロン発振器１１と、導波管１２と、流路１５と、光源支持部材１６と、仕切り板１７とを有している。

流路１５は、内部に被反応物２１が移動する送液用の配管（パイプ）である。この流路１５の内部に紫外線光源１が配置されている。
光源支持部材１６は、流路１５の内部に配置された紫外線光源１をその位置に留めるための部材である。つまり、光源支持部材１６は、紫外線光源１からみて、被反応物２１の移動方向の前後一箇所ずつ計二箇所に取り付けられている。
この光源支持部材１６は、網状に形成されており、被反応物２１の流れを極力妨げることなく紫外線光源１の周辺に被反応物２１を流すようになっている。この網のサイズ効果によりマイクロ波も上下に逃げない形になっている。

仕切り板１７は、流路１５と導波管１２との仕切り板であって、防水性とマイクロ波透過性とを有している。
防水性を有することで、流路１５の内部を移動する被反応物２１が導波管１２に進入することを阻止できる。また、マイクロ波透過性を有することで、マグネトロン発振器１１からのマイクロ波を、流路１５の中にある被反応物２１や紫外線光源１に照射することができる。
この仕切り板１７は、例えば、石英ガラスやテフロン（デュポン社登録商標）などにより形成できる。

［化学反応促進装置における化学反応促進処理］
次に、化学反応促進装置において行なわれる化学反応促進処理について、図２を参照して説明する。
なお、ここでは、第一実施例の化学反応促進装置を用いた化学反応促進処理について説明するが、第二実施例や第三実施例の化学反応促進装置においてもほぼ同様の処理内容となる。

反応容器２２の中に被反応物２１を入れ、この被反応物２１の中に紫外線光源１を投入する。これにより、紫外線光源１は、被反応物２１の中に埋没（又は浸漬）した状態となる。そして、この反応容器２２が、アプリケータ１３の中に置かれる。

マグネトロン発振器１１の起動により出力されたマイクロ波が、導波管１２を伝わってアプリケータ１３に導入される。
アプリケータ１３では、マイクロ波が、被反応物２１に照射されるとともに、紫外線光源１にも照射される。
紫外線光源１は、マイクロ波による電力の供給により、放電ガス３が励起して紫外線を放出する。これにより、被反応物２１に紫外線が照射される。
被反応物２１は、マイクロ波及び紫外線が照射されることで、化学反応が促進する。

［紫外線光源の放電ガスに関する最適値を得る実験］
次に、紫外線光源の放電ガスに関する各種データ（混合比、内部圧力）の最適値を求める実験について、説明する。
紫外線による有機物の分解には２５４ｎｍ以下の光を効率よく照射できる機能が求められている。
放電ガス３の成分又は混合比が異なる複数の石英製無電極紫外線光源（サイズ：１８ｍｍ（径方向断面の直径Ｄ）×１５０ｍｍ（長辺の長さＬ））を試作した。ここでは、Ｈｅ及びＡｒ、Ｘｅ、Ｎ_２、Ｈ_２、Ｏ_２について、単体又は混合体でそれぞれ封入した。
これら紫外線光源のそれぞれについて、マイクロ波照射下で、紫外線部の光強度および点灯性、光源表面温度の観点から検討した。

光源からの発光スペクトルを、Ｍ．Ｉ．Ｔ．ＷＡＶＥＬＥＮＧＴＨ ＴＡＢＬＥＳ Ｖｏｌ．２ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｂｙ Ｅｌｅｍｅｎｔ，ＭＩＴ Ｐｒｅｓｓと照合し、各元素からの発光であることを確認した。
その中で、Ｎ_２が、紫外線強度及び点灯性の観点から最適な封入ガスであることがわかる。また、コストの面でもＮ_２は実用的なガスであると考えられる。
ＡｒおよびＨｅを加えた混合ガスを用いると、マイクロ波による点灯性が向上することがわかった。ＡｒおよびＨｅのスペクトル基線からより紫外光の発生率の高いＡｒを、Ｎ_２の点灯性補助用ガスとして加えることを決定した。

Ｎ_２とＡｒの混合比は、０．００１％：９９．９９９％〜１００％：０％まで試みた。また、各混合比における内圧力を１０Ｐａ〜１００００Ｐａの範囲で検討した。
繰り返し実験の結果、Ｎ_２：Ａｒ＝２０：８０の混合比および８００Ｐａ付近が点灯性および光強度の観点から本実験条件において最適であることが示された。

［化学反応の反応速度を調べる実験］
次に、マイクロ波及び紫外線の照射時間に対する化学反応の反応速度を調べる実験について、図５〜図７を参照して説明する。
化学反応促進装置として、図２，図５，図６に示す各装置を準備した。図２に示す装置は、無電極の紫外線光源１を被反応物２１に投げ込んだ場合の装置である。図５に示す装置は、無電極の紫外線光源１を反応容器２２の外部に設置した場合の装置である。図６に示す容器は、市販の水銀ランプ３０をアプリケータ１３の外部に設置した場合の装置である。

まず、図２に示す装置１０ａにおいて、マルチモードのアプリケータ１３に設置した閉鎖型反応容器２２の中に、試作した無電極の紫外線光源１と農薬の水溶液（０．０５ｍＭ）とを３０ｍＬ導入した。
農薬の分解を促進させるために、二酸化チタン光触媒を水溶液に分散させ分解を進めた。
二酸化チタン（ＴｉＯ_２）の反応には、紫外光が必要であり、マイクロ波の照射とともに、紫外線光源１から発生した紫外線が光触媒反応を進行させた。
また、紫外線照射による農薬の光分解も同時に進行する。

次いで、図５に示す装置１０ｄにおいて、図２の装置１０ａで用いた紫外線光源１，被反応物２１，反応容器２２と同じものを用意し、アプリケータ１３に設置した。そして、マイクロ波の照射とともに、紫外線光源１からの紫外線を被反応物２１に照射して光触媒反応を進行させた。
さらに、図６に示す装置１０ｅにおいて、図２の装置１０ａで用いた紫外線光源１，被反応物２１，反応容器２２と同じものを用意し、アプリケータ１３に設置した。そして、マイクロ波の照射とともに、アプリケータ１３の窓部１８を介して水銀ランプ３０からの紫外線を被反応物２１に照射して光触媒反応を進行させた。

これら図２，図５，図６に示す各装置を用いた実験結果を、図７に示す。
同図に示すように、図２に示す装置１０ａでは、１０分間のマイクロ波照射で完全に農薬の分解が完了した。
一方、図５に示す装置１０ｄでは、紫外線光源１を反応容器２２の外部に設置したことで紫外線の照射面積が小さくなった。このため、分解効率が低下した。
さらに、図６に示す装置１０ｅでは、水銀ランプ３０がアプリケータ１３の外部に設置されていることもあり、分解効率は低かった。
以上の実験結果より、紫外線光源１を被反応物２１に投入することで、化学反応が高効率で進行することがわかった。

以上説明したように、本実施形態の紫外線光源及び化学反応促進装置によれば、紫外線光源に封入されるガスが窒素やアルゴンなどであるため、廃棄処理に際して環境汚染の問題が生じることなく、安価な紫外線光源を実現できる。
また、窒素とアルゴンの混合比をおおよそ０．１：９９．９〜３０：７０とし、内部圧力を１００〜１０００Ｐａとすることで、点灯性を向上でき、実用的な紫外線光源を提供できる。

以上、本発明の紫外線光源及び化学反応促進装置の好ましい実施形態について説明したが、本発明に係る紫外線光源及び化学反応促進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、被反応物の中に紫外線光源を一つのみ投入したが、一つに限るものではなく、複数（又は多数）投入することもできる。

また、点火性を容易にするために、化学反応促進装置に点灯装置を装備することも可能である。具体的には、例えば、別の紫外線光源あるいは電気火花発生器をリアクター外の本紫外線光源から見える位置に取り付ける、マイクロ波電力をパルス的に増大させるなどの手法を採用することも可能である。
さらに、上述の実施形態では、電磁波の例としてマイクロ波を挙げたが、マイクロ波に限るものではなく、例えば高周波等とすることもできる。

本発明は、紫外線光源や化学反応促進装置に関する発明であるため、紫外線光源を用いた装置や機器に利用可能である。

本発明の紫外線光源の構成を示す正面図であって、（ａ）は、カプセル型、（ｂ）は、球形である。 本発明の化学反応促進装置のうち、第一実施例の構成を示す概略図である。 本発明の化学反応促進装置のうち、第二実施例の構成を示す概略図である。 本発明の化学反応促進装置のうち、第三実施例の構成を示す概略図である。 紫外線光源を反応容器の外部に設置した化学反応促進装置の構成を示す概略図である。 水銀ランプをアプリケータの外部に設置した化学反応促進装置の構成を示す概略図である。 実験結果を示す図表である。

符号の説明

１（１ａ，１ｂ） 紫外線光源
２（２ａ，２ｂ） 容器
３ 放電ガス（封入ガス）
１０ａ〜１０ｅ 化学反応促進装置
１１ マグネトロン発振器
１２ 導波管
１３ アプリケータ
１４ 終端器
１５ 流路
１６ 光源支持部材
１７ 仕切り板
２１ 被反応物
２２ 反応容器

Claims (9)

1. 電磁波の照射を受けて紫外線を発光する紫外線光源であって、
   内部に封入されたガスの成分に窒素及び点灯性補助用ガスを含む
   ことを特徴とする紫外線光源。
2. 前記点灯性補助用ガスが、アルゴン及び／又はヘリウムを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の紫外線光源。
3. 前記窒素と前記アルゴンとの混合比が、ほぼ、０．１：９９．９〜３０：７０であり、
   前記ガスを封入した容器の内部圧力が１００〜１０００Ｐａである
   ことを特徴とする請求項２記載の紫外線光源。
4. 前記ガスを封入する容器の形状が、カプセル形であり、径方向断面の直径が１０〜３０ｍｍ、長辺の長さが１５〜１６０ｍｍである
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の紫外線光源。
5. 前記ガスを封入する容器の形状が、球形であり、直径が１０〜６０ｍｍである
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の紫外線光源。
6. 前記ガスを封入する容器が、防水性及び紫外線透過性を有した材料で形成された
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の紫外線光源。
7. 無電極であるとともに、マイクロ波の照射を受けると前記ガスの励起により紫外線を発光する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の紫外線光源。
8. 内部で被反応物が静止又は移動する処理部と、電磁波を出力する電磁波発生器と、紫外線を発光する紫外線光源とを備えて、前記電磁波と前記紫外線とを前記被反応物に照射し、当該被反応物の化学反応を促進させる化学反応促進装置であって、
   前記紫外線光源が、前記請求項１〜請求項７のいずれかに記載の紫外線光源である
   ことを特徴とする化学反応促進装置。
9. 前記紫外線光源が、静止する前記被反応物の中、又は、前記処理部の内部の一部に設けてあり、
   前記電磁波が、前記被反応物と前記紫外線光源の両方に照射され、
   前記紫外線光源が、前記電磁波の照射を受けて紫外線を発光する
   ことを特徴とする請求項８記載の化学反応促進装置。

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