JP2009233599A - 水中プラズマ滅菌方法及び水中プラズマ滅菌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の消耗を抑制できるとともに、スパーク・ストリーマ放電による滅菌処理能力を向上できる水中プラズマ滅菌方法及び水中プラズマ滅菌装置を提供する。
【解決手段】
水中プラズマ滅菌装置１０は、水中に配置され、互いに対向して離間配置された一対のメッシュ電極３０，３２と、一対のメッシュ電極３０，３２にパルス電圧を印加して、該電極間にスパーク・ストリーマ放電を発生させるパルス電源２０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中プラズマ滅菌方法及び水中プラズマ滅菌装置に関する。

水中プラズマとは、液相中で生じる放電現象のことである。例えば、水中に置かれた針や線などのとがった電極に、急峻に立ち上がる高電圧、つまりパルス電圧を印加すると、電極の先から放射状に広がる筋状の放電が得られる。これは水中プラズマの一例である。この放電の先端では超高電界、紫外線、衝撃波、ラジカルの発生などの様々な高エネルギー密度現象が起きる。これらの現象を利用して、水中微生物の駆除や有害有機化合物の分解などが可能である（特許文献１参照）。低温プラズマを利用できれば、対象を加熱しないため高効率であり、薬品を用いないため環境にやさしいなどの特徴をもつ。

水中プラズマには様々な放電タイプがある。水中に置いた電極の先に、接地した金属平板を置き、電極と平板の距離が十分に離れている場合、上で述べたような電極の先から放射状に広がる筋状のストリーマ放電となる。ストリーマ放電を利用した滅菌方法は、例えば、特許文献２及び特許文献３で提案されている。

次に、電極と平板の距離が近い場合、電極と平板の間に、非常に強い光の一本のスパーク放電（アーク放電ともいう）が起きる。スパーク放電は水との接触面積はあまり大きくはないが、エネルギーが非常に大きいために、放電中に極めて強い紫外線照射や衝撃波が起こる。また、それらが水分子を励起しイオン化させるために、ストリーマ放電の時よりも多くのラジカルが発生する。このために、スパーク放電はストリーマ放電よりも、強い分解力をもつ。又、例えば、電極と平板の距離が中程度の場合、放電はスパーク放電を伴ったストリーマ放電となる。これはスパーク・ストリーマ放電と呼ばれている。この放電はストリーマ放電よりも大きい水との接触面積をもち、エネルギーもストリーマ放電より高い。このためストリーマ放電やスパーク放電よりも分解効率はよいと考えられている。特許文献４では、スパーク・ストリーマ放電（パルスストリーマ放電）を利用した滅菌方法が提案されている。
特開昭６２−２４２７４５号公報 特開平１１−１９２２８７号公報 段落０００５ 特開２００３−３４０４５４号公報 段落００４０ 特開２００２−２６３１７０号公報

ところが、スパーク放電で滅菌を行う場合は、電極の消耗が早く、コスト高となる問題がある。ストリーマ放電は水と大きい接触面積をもつが、エネルギーが非常に弱いためにあまり強力な現象が起きず、それゆえ、滅菌力が弱い問題がある。

又、従来のスパーク・ストリーマ放電（パルスストリーマ放電）は、針状電極と、平板電極とを対向させた状態で行っているが、滅菌処理能力が十分でない問題があり、さらなるスパーク・ストリーマ放電（パルスストリーマ放電）による滅菌処理能力の向上が求められている。

本発明の目的は、電極の消耗を抑制できるとともに、スパーク・ストリーマ放電による滅菌処理能力を向上できる水中プラズマ滅菌方法及び水中プラズマ滅菌装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、水中内で、一対のメッシュ電極間を互いに対向配置し、高電圧を印加して両メッシュ電極間でスパーク・ストリーマ放電を発生させて前記水中の細菌を滅菌することを特徴とする水中プラズマ滅菌方法を要旨とするものである。

請求項２の発明は、請求項１において、前記メッシュ電極が、アナターゼ型の酸化チタンを少なくとも表面に備えていることを特徴とする。
請求項３の発明は、前記メッシュ電極が、タングステンからなることを特徴とする。

請求項４の発明は、水中に配置され、互いに対向して離間配置された一対のメッシュ電極と、前記一対のメッシュ電極にパルス電圧を印加して、該電極間にスパーク・ストリーマ放電を発生させるパルス電源を備えたことを特徴とする水中プラズマ滅菌装置を要旨とするものである。

請求項５の発明は、請求項４において、前記メッシュ電極が、アナターゼ型の酸化チタンを少なくとも表面に備えていることを特徴とする。
請求項６の発明は、請求項４において、前記メッシュ電極が、タングステンからなることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、針状電極の場合と異なり、電極の消耗を抑制できるとともに、スパーク・ストリーマ放電による滅菌処理能力を向上できる効果を奏する液中プラズマ滅菌方法を提供できる。又、請求項１の発明によれば、スパーク・ストリーマ放電に使用する電源の電源容量を小さくできる。

請求項２の発明によれば、メッシュ電極を、光触媒として機能するアナターゼ型の酸化チタンとすることにより、滅菌効率を上げることができる液中プラズマ滅菌方法を提供できる。

請求項３の発明によれば、メッシュ電極がタングステンで構成されていることにより、電極のコストを低減できる液中プラズマ滅菌方法を提供できる。
請求項４の発明によれば、針状電極の場合と異なり、電極の消耗を抑制できるとともに、スパーク・ストリーマ放電による滅菌処理能力を向上できる効果を奏する液中プラズマ滅菌装置を提供できる。

請求項５の発明によれば、メッシュ電極を、光触媒として機能するアナターゼ型の酸化チタンとすることにより、滅菌効率を上げることができる液中プラズマ滅菌装置を提供できる。

請求項６の発明によれば、メッシュ電極がタングステンで構成されていることにより、電極のコストを低減できる液中プラズマ滅菌装置を提供できる。

以下、本発明の水中プラズマ滅菌装置を具体化した一実施形態を図１を参照して説明する。
図１に示すように水中プラズマ滅菌装置１０は、パルス電源２０と、容器２２内に配置された一対のメッシュ電極３０，３２を備えている。容器２２内には、例えば、滅菌したい水２４が収納される。パルス電源２０は、メッシュ電極３０，３２に対して所定のパルス電圧を印加する。本実施形態では、パルス電源２０は、０〜±４kVのパルス出力電圧をメッシュ電極３０，３２間に印加することが可能であるが、この電圧に限定されるものではなく、メッシュ電極３０，３２間にスパーク・ストリーマ放電が可能な高電圧であればよい。又、パルス電源２０の最大パルス出力電流は、本実施形態では、７Ａとしているが、最大パルス出力電流はこの数値に限定されるものではない。パルス電源２０の出力パルス幅は、本実施形態では、１．５μｓ〜１０ｍｓの間で可変可能とし、繰り返し周波数を最大３０Hzとしているが、この数値に限定されるものではない。なお、図１のメッシュ電極３０，３２は説明の便宜上誇張して描かれている。

メッシュ電極３０，３２は、例えば、タングステン（Ｗ）や、或いは、酸化チタン（ＴｉＯ_２）を使用することができる。酸化チタンの場合は、光触媒となるアナターゼ型である必要がある。

（実施例）
以下には、実施例１，２と比較例１〜３の滅菌処理について説明する。
実施例１、２は、前記実施形態の水中プラズマ滅菌装置１０を使用したものである。又、比較例は、電極の材質及び形状は実施例と異ならしめて形成したものを下記の通りに使用して試験したものである。

（１） 実施例１（メッシュ電極対メッシュ電極）の試験条件
水２４の導電率 ； ５００μＳ／cm （電解質ＫＣｌで調整）
（電極）
電極間距離 ； ０．３ｍｍ
電極の材質及び形状 ； タングステンメッシュ
電極の大きさ ； 正方形 １cm×１cm、格子間隔0.05mm
（パルス電源２０）
出力パルス幅 ； １．５μ秒
出力パルス周期 ； ３０ｋＨｚ
出力電圧 ； ４ｋＶ
（２） 比較例１（針状電極対平板電極）
水２４の導電率 ； ５００μＳ／cm （電解質ＫＣｌで調整）
（電極）
電極間距離 ； ０．３ｍｍ
電極の材質及び形状 ； タングステン針、白金平板
電極の大きさ ； タングステン針：直径１ｍｍ
白金平板 正方形 １cm×１cm
（パルス電源２０）
出力パルス幅 ； １．５μ秒
出力パルス周期 ； ３０ｋＨｚ
出力電圧 ； ４ｋＶ
（３） 比較例２（針状電極対メッシュ電極）
水２４の導電率 ； ５００μＳ／cm （電解質ＫＣｌで調整）
（電極）
電極間距離 ； ０．３ｍｍ
電極の材質及び形状 ； タングステン針、タングステンメッシュ
電極の大きさ ； タングステン針：直径１ｍｍ
タングステンメッシュ 正方形 １cm×１cm （パルス電源２０）
出力パルス幅 ； １．５μ秒
出力パルス周期 ； ３０ｋＨｚ
出力電圧 ； ４ｋＶ
（４） 実施例２（メッシュ電極対メッシュ電極）の試験条件
水２４の導電率 ５００μＳ／cm （電解質ＮａＳＯ_４で調整）
（電極）
電極間距離 ； １ｍｍ
電極の材質及び形状 ； チタンメッシュ
電極の大きさ ； 正方形 1cm×1cm、格子間隔0.05mm
（パルス電源２０）
出力パルス幅 ； ２μ秒
出力パルス周期 ； １５ｋＨｚ
出力電圧 ； ２．４ｋＶ
なお、実施例２のメッシュ電極は、１ＭのＨ_２ＳＯ_４溶液中で、チタンメッシュを１００Ｖの電圧を２０分間印加して陽極酸化処理を行うことにより、メッシュ表面にアナターゼ型のＴｉＯ_２膜を形成したものである。

（５） 比較例３（針状電極対針状電極）
水２４の導電率 ５００μＳ／cm （電解質ＮａＳＯ_４で調整）
（電極）
電極間距離 ； １ｍｍ
電極の材質及び形状 ； タングステン針、タングステン針
電極の大きさ ； 直径１ｍｍ
（パルス電源２０）
出力パルス幅 ； ２μ秒
出力パルス周期 ； １５ｋＨｚ
出力電圧 ； ２．４ｋＶ
図２は、実施例１でのスパーク・ストリーマ放電を行った滅菌処理の結果を示したものである。同図に示すように、最初の生菌数が１０００００として、滅菌時間は２分程度で終了した。又、プラズマ発生に必要な電圧は、３００Ｖ程度であることが確認された、図３は、実施例１における電圧と電流の測定結果である。図４は比較例１の滅菌処理の結果を示す。

比較例１では、電極間距離、出力パルス幅、出力パルス周期、及び出力電圧を実施例１と同じ条件で行ったが、滅菌時間が３分以上要した。比較例１では、プラズマ発生に必要な電圧は１３００Ｖであった（図５参照）。

比較例２では、電極間距離、出力パルス幅、出力パルス周期、及び出力電圧を実施例１と同じ条件で行ったが、メッシュ電極に穴が開き、放電の形態が途中でストリーマ状のものでなくなり、滅菌効果が持続しなかった（図６参照）。比較例２では、放電の安定な発生が困難であった。比較例２のプラズマ発生に必要な電圧は、１３００Ｖであった（図７参照）。

実施例１と、比較例１，２とを比較すると、放電に必要な電圧が大きく低下し、実施例１のようにメッシュ電極同士の場合は、電源容量を小さくできることが確認された。
実施例２では、ＴｉＯ_２被覆のチタンメッシュを用いることにより、電極間距離、出力パルス幅、出力パルス周期、及び出力電圧を実施例１と同じ条件で行った比較例３よりも、滅菌処理効率が向上した（図８参照）。滅菌時間を表わすＤ値（Desimal reduction time）で比較すると、処理速度が３倍向上した。又、３分以上の処理で完全に実施例２では、滅菌できた。

実施例２における放電時間と、溶液温度の上昇の関係を図９に示す。３分の放電により、水温はおおよそ４５℃となり、この結果から、実施例２では熱による滅菌効果ではないことが確認された。このように、実施例２では、ＴｉＯ_２被覆のチタンメッシュは滅菌効率の向上に有効であることが示された。

上記のように構成された本実施形態の水中プラズマ滅菌装置１０は、下記の特徴がある。
（１） 本実施形態の水中プラズマ滅菌方法は、水中内で、一対のメッシュ電極３０，３２間を互いに対向配置し、高電圧を印加して両メッシュ電極３０，３２間でスパーク・ストリーマ放電を発生させて水中の細菌を滅菌する。この結果、針状電極と平板電極、針状電極とメッシュ電極の組み合わせと異なり、電極の消耗を抑制できるとともに、スパーク・ストリーマ放電による滅菌処理能力を向上できる効果を奏する。又、本実施形態の水中プラズマ滅菌方法は、スパーク・ストリーマ放電に使用する電源の電源容量を小さくできる。

（２） 本実施形態の水中プラズマ滅菌方法において、メッシュ電極３０，３２が、アナターゼ型の酸化チタンをチタンメッシュに被覆した場合、滅菌効率を上げることができる。

（３） 本実施形態の水中プラズマ滅菌方法において、メッシュ電極３０，３が、タングステンにした場合、電極材料として安価であるため、電極のコストを低減できる液中プラズマ滅菌方法を提供できる。

（４） 本実施形態の水中プラズマ滅菌装置１０は、水中に配置され、互いに対向して離間配置された一対のメッシュ電極３０，３２と、一対のメッシュ電極３０，３２にパルス電圧を印加して、該電極間にスパーク・ストリーマ放電を発生させるパルス電源２０を備える。この結果、本実施形態の水中プラズマ滅菌装置１０は、針状電極と平板電極、針状電極とメッシュ電極の組み合わせと異なり、電極の消耗を抑制できるとともに、スパーク・ストリーマ放電による滅菌処理能力を向上できる効果を奏する液中プラズマ滅菌装置を提供できる。

（５） 本実施形態の水中プラズマ滅菌装置１０は、メッシュ電極３０，３２が、アナターゼ型の酸化チタンをチタンメッシュに被覆していることから、滅菌効率を上げることができる。

（６） 本実施形態の水中プラズマ滅菌装置１０のメッシュ電極３０の材質を、タングステンにした場合、電極のコストを低減できる液中プラズマ滅菌装置とすることができる。

なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 前記実施形態において、メッシュ電極３０，３２は被覆をアナターゼ型のＴｉＯ_２被覆としたが、メッシュ電極全体をアナターゼ型のＴｉＯ_２としてもよい。

○ メッシュ電極の被膜として、アナターゼ型のＴｉＯ_２被覆を形成する代わりに、アナターゼ型のＴｉＯ_２と同様の光触媒効果を有する物質の被覆を形成してもよい。
○ 前記実施例では、メッシュの形状を正方形としたが、形状は正方形に限定されるものではなく、円形、楕円形等の他の形状であってもよい。

水中プラズマ滅菌装置１０の概略図。 実施例１の滅菌効果を示すグラフ。 実施例１の電圧と電流の測定値のグラフ。 比較例１の滅菌効果を示すグラフ。 比較例１の電圧と電流の測定値のグラフ。 比較例２の滅菌効果を示すグラフ。 比較例２の電圧と電流の測定値のグラフ。 実施例２と比較例３の滅菌効果を示すグラフ。 実施例２の放電時間と溶液温度との関係を示すグラフ。

符号の説明

１０…水中プラズマ滅菌装置、２０…パルス電源、２２…容器、
３０，３２…メッシュ電極。

Claims (6)

1. 水中内で、一対のメッシュ電極間を互いに対向配置し、高電圧を印加して両メッシュ電極間でスパーク・ストリーマ放電を発生させて前記水中の細菌を滅菌することを特徴とする水中プラズマ滅菌方法。
2. 前記メッシュ電極が、アナターゼ型の酸化チタンを少なくとも表面に備えていることを特徴とする請求項１に記載の水中プラズマ滅菌方法。
3. 前記メッシュ電極が、タングステンからなることを特徴とする請求項１に記載の水中プラズマ滅菌方法。
4. 水中に配置され、互いに対向して離間配置された一対のメッシュ電極と、
   前記一対のメッシュ電極にパルス電圧を印加して、該電極間にスパーク・ストリーマ放電を発生させるパルス電源を備えたことを特徴とする水中プラズマ滅菌装置。
5. 前記メッシュ電極が、アナターゼ型の酸化チタンを少なくとも表面に備えていることを特徴とする請求項４に記載の水中プラズマ滅菌装置。
6. 前記メッシュ電極が、タングステンからなることを特徴とする請求項４に記載の水中プラズマ滅菌装置。

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