JP2009234900A

JP2009234900A - 水中オゾナイザ

Info

Publication number: JP2009234900A
Application number: JP2008086850A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Sakota; 達也迫田
Original assignee: Densoken Co Ltd; University of Miyazaki NUC
Current assignee: Densoken Co Ltd; University of Miyazaki NUC
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】多孔質構造体を用いた水中オゾナイザを提供する。
【解決手段】細孔径１μｍ〜５０μｍの多孔質構造体の一側面部を液相側とし、他側面部を気相側とすると共に、該気相側の他側面部である多孔質構造体表面に電極を密着配設して電源装置と接続し、この電極側から空気あるいは酸素ガスを圧入して、前記液相側の一側面部である多孔質構造体表面から液相に気泡状態或いは無気泡の状態で溶解せしめると共に、前記電極に交流電圧を印加することによって前記多孔質構造体の微細孔内及び前記液相側の多孔質構造体の微細孔部表面に生じる微細気泡内で放電を生起せしめオゾンを生成させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、多孔質ガラスあるいはセラミックス（以下、多孔質構造体と称する。）を用いた水中オゾナイザに関するものである。

近年、水処理において環境に負荷をかけない新たな殺菌・消毒技術として、従来の塩素を使用した殺菌・消毒技術に替わってオゾンを利用した技術が数多く提案されている。この技術は一般に放電式オゾナイザでオゾンを生成して、バブラー、エジェクター、スタティクミキサーなどの気液混合部で処理が必要な水と混合して気液接触させるものである。

しかしながら、オゾンは酸素の同素体であり、また非常に不安定な気体であるため常温で酸素に分解する。そのため保存が困難であり、オゾンを使用する現場で生成する必要があると同時に、塩素による処理と比較して処理コストが高価であるという問題があった。

そこで、多孔質セラミックスパイプの内部中央に高電圧電極を置いて多孔質セラミックスパイプと高電圧電極との間にガス通路を形成し、多孔質セラミックスパイプの外部に接地電極を置くとともにこの多孔質セラミックスパイプの外側面に直接して処理すべき水の通路を形成し、これら高電圧電極と接地電極間に高電圧高周波電源や高電圧パルス電源を接続することで該ガス通路においてオゾンを生成するオゾン水処理装置が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００２−１２６７６９号公報

しかしながら、上記のオゾン水処理装置の場合、多孔質セラミックスパイプの内部中央に高電圧電極を置いて、高電圧高周波電源や高電圧パルス電源による高電圧やパルス高電圧を印加するものであり、安定な放電を生起せしめるためには高電圧電極の精密な位置決め、および電極表面の稠密な誘電体による被覆処理、そして高価なパルス電源を必要とするものであった。

しかも、このオゾン水処理装置による放電は、ガス通路或いは多孔質セラミックスパイプ内空間で生じるものであり、多孔質セラミックスの細孔内、液相側沿面及び細孔表面の微細気泡中で放電するものではなかった。

上記の問題点に鑑み本発明者は鋭意研究の結果、多孔質構造体である多孔質ガラス（例えば、ガラスのミクロ相分離を利用して製造される多孔質ガラスが好ましい。具体的には、特許第１５０４００２号に開示されたＣａＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系多孔質ガラス、特許第１５１８９８９号及び米国特許第４６５７８７５号に開示されたＣａＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＮａＯ₂系多孔質ガラス、ＣａＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＮａＯ₂−ＭｇＯ系多孔質ガラス、特開２００２−１６０９４１に開示されたＳｉＯ₂−ＺｒＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃−ＮａＯ₂−ＣａＯ系多孔質ガラスが挙げられる。この中には、南九州に豊富に分布する火山灰土「シラス」から製造され、しかも細孔が均一に分布すると共にこの細孔径を任意に制御することができる構造体であるシラス多孔質ガラスが含まれる。)、あるいは多孔質のセラミックスの一側面部に電極を密着して配設し、この電極に交流電圧を印加することによって液相側沿面及び液相内の気泡中、多孔質のガラスあるいはセラミックスの細孔内及び気相側沿面で放電を生起せしめオゾンの生成誘導を可能とする水中オゾナイザを提供するにいたった。

このため本発明の水中オゾナイザは、多孔質構造体の一側面部を液相側とし、他側面部を気相側とすると共に、該気相側の他側面部である多孔質構造体表面に電極を密着配設して電源装置と接続し、この電極側から空気あるいは酸素ガスを圧入して、前記液相側の一側面部である多孔質構造体表面から液相に微細気泡の状態或いは無気泡の状態で溶解させると同時に、前記電極に交流電圧を印加することによって前記多孔質ガラス構造体の微細孔内及び前記液相側の多孔質構造体の細孔部表面に生じる微細気泡内でオゾンを生成させることを第１の特徴とする。

また、前記多孔質構造体は細孔径１μｍ〜５０μｍの多孔質ガラスあるいはセラミックスからなる板状体もしくは筒状体であることを第２の特徴とする。

そして、前記放電は、前記多孔質構造体の微細孔内及び前記液相側の多孔質構造体の微細孔部表面に生じる微細気泡内の放電（所謂マイクロバリア放電）であることを第３の特徴とする。

しかも、前記電極は、目開きおよび線径が１ｍｍ以下のメッシュ状電極もしくは螺旋状の電極であることを第４の特徴とする。

上記の構成かならなる水中オゾナイザによれば、電源から数ｋＶの交流電圧を印加することで、多孔質構造体と電極との微小間隔、多孔質構造体の微細孔内、および液相側の多孔質構造体の微細孔部表面に生じる微細気泡内で放電が生起し、この放電によってオゾンおよびオゾンよりも酸化力の大きな励起酸素原子やＯＨラジカルが生成される。しかも、多孔質構造体の微細孔表面から液相側に微細気泡状態或いは、無気泡の状態で液相（水中）にオゾンが溶解供給できる。

本発明に係る水中オゾナイザによれば、多孔質構造体と電極との微小間隔、多孔質構造体の細孔内、および液相側の前記多孔質構造体の細孔部表面に生じる微細気泡内での放電（所謂マイクロバリア放電）を生起せしめオゾンを発生させることが可能であり、オゾンを液相まで配管する必要がなく、液相（水中）に直接オゾンを供給できるため、極めて小さな装置となるという優れた効果を有する。

また、前記多孔質構造体は板状体もしくは筒状体を使用しており、この細孔径は１μｍ〜５０μｍの間で任意の大きさが選択できるため、液相（水中）に供給する微細気泡の大きさを調節することが可能であり、この微細気泡の液相中での滞留時間を長時間保持することができ、微細気泡とともに液相（水中）に供給するオゾン・励起酸素原子・ＯＨラジカルの量を制御できるという効果を有する。

しかも、前記電極は、目開きおよび線径が１ｍｍ以下のメッシュ状電極もしくは螺旋状の電極であり、前記多孔質構造体の一側面部に容易に密着配設して構成するため、印加する交流電圧も低くすることが可能であり、エネルギー変換効率が高いという効果を有する。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明が本実施例に限定されないことは言うまでもない。
図１は本発明の板状多孔質ガラスによるオゾン生成原理を説明する説明図、図２は本発明の板状多孔質ガラスを使った水中オゾナイザ示す斜視説明図、図３は本発明の板状多孔質ガラス水中オゾナイザを用いたオゾン発生実験装置を示す図、図４は本発明の筒状多孔質ガラスを用いた水中オゾナイザを示す斜視説明図、図５は本発明の筒状多孔質ガラス水中オゾナイザを用いたオゾン発生実験装置を示す図、図６は本発明の水中オゾナイザの実験結果を示すグラフである。尚、本実施例において多孔質ガラスとして、シラス多孔質ガラス（以下ＳＰＧと呼ぶ）を使用した。

図１は本発明に係る多孔質ガラスによる水中オゾナイザ１のオゾン生成原理を示す説明図である。
図に示すように処理対象の液体を投入した反応槽２に、多数の微細孔３が形成された板状のＳＰＧ４を、その１側面側を液相側５に他側面側を気相側６に配置して、気相側６のＳＰＧ４の表面には、金属製のメッシュ電極７が密着して配設されている。そして、この電極７には交流電圧を供給する電源８が接続され、また液相側５の反応槽２には接地電極９が接続されている。ここでＳＰＧ４の細孔３の孔径は１〜５０μｍのものが使用可能であり、後述する印加電圧や酸素の圧入圧力によって適宜選択される。

この構成において、気相側６からオゾンの原料ガスである酸素をメッシュ電極７を介してＳＰＧ４に圧入すると、ＳＰＧ４の液相側の微細孔３から気泡１０が生じる。次に電源８からメッシュ電極７に数ｋＶの交流電圧を印加すると、メッシュ電極７とＳＰＧ４との微小間隔、ＳＰＧ４の微細孔３内、及びこの微細孔３表面に生じた気泡１０ａの中で、夫々放電１１が生じてオゾン１２が生成される。尚、この放電１１によって液相側５にオゾン１２だけでなく励起酸素原子、ＯＨラジカルも生成される。また、ＳＰＧ４に圧入する酸素の圧力を液相の圧力と調節して均衡させることによって気泡を発生させない状態（所謂無気泡の状態）とすることも可能である。

図２は、本発明の板状ＳＰＧ４を使用した水中オゾナイザ１の実施例を示す斜視説明図である。図に示すように本発明の水中オゾナイザ１は、透明アクリルパイプ１３の一端部をオゾン原料である酸素ガスを供給する開口部１４を設けて閉鎖し、この開口部１４にシール部材１５及び樹脂製パイプ１６を介して圧力計１７と酸素ボンベ（図示せず）を接続している。また透明アクリルパイプ１３の他端部は、挿通孔１８を形成したアクリル製の蓋１９によって封止されており、この挿通孔１８の周縁に密着して目開きおよび線径１ｍｍのステンレス製メッシュ２０と、０．７ｍｍ厚の板状ＳＰＧ４が配設されてその周囲を耐水性樹脂によって密着封止されている。さらに筒状電極２１が挿通孔を介して透明アクリルパイプ１３内に取り付けられてメッシュ２０と接続されており、この筒状電極２１を介してメッシュ２０に電源（図示せず）から交流電圧が印加される。そして、このアクリル製の蓋１９によって封止された端部を液相（水中）に投入し、接地電極接続部（図示せず）を液相（水中）内に配置して水中オゾナイザ１を駆動させることによってオゾンの生成が可能となる。

上記の構成の水中オゾナイザ１のＳＰＧ４の孔径と、酸素ガス圧入圧力、印加電圧の違いによる放電状態を比較したところ、表１、表２の結果が得られた。

表１、２に示すように、ＳＰＧ４の細孔径は大きいほど低電圧で放電が生じ易くなるが（実験では５０μｍの時の放電開始電圧は１．５ｋＶであった）、細孔径が大きくなると細孔内水位が上昇し、気泡も大きくなり、アークを生じる虞れがあるため、オゾンの生成量によって選択して使用される。

図３は図２の水中オゾナイザ１を使用したオゾン水生成装置例である。図に示すように筒状のアクリル製容器２２の側面下部と側面上部には水供給口２３と水排出口２４が夫々設けられ、容器２２の内部には複数の仕切り板２５が筒方向に互い違い（千鳥状に）に配置され水を循環可能としている。また上記水供給口２３に対向して上記図２の水中オゾナイザ１が、アクリル製の蓋１９を嵌着する接続部（図示せず）によって容器２２に対して直角に接続され、容器２２内の下部には接地電極２６が設置されている。そして、容器２２の上端には、水中オゾナイザ１によって生成されたオゾンを測定するオゾン測定装置（図示せず）と接続する排気孔２７が設けられている。この構成によって容器２２内に水を循環して、水中オゾナイザ１を駆動させると、オゾンが生成して水中に溶け込み、オゾン水が生成される。尚、水中オゾナイザ１に印加した交流電圧に対するオゾン生成量を測定した結果を図６に示す。

次に、図４に従って筒状ＳＰＧ４を使用した水中オゾナイザ１を説明する。図に示すように水中オゾナイザ１は、細径の透明アクリルパイプ２８と太径の透明アクリルパイプ２９を夫々密閉して長手方向に接続した本体３０と、細径の透明アクリルパイプ２８の一端から太径の透明アクリルパイプ２９との接続端まで挿通して配設された筒状ＳＰＧ４と、この筒状ＳＰＧ４の外側に周縁方向に巻き付けられたステンレス製バネからなる螺旋状電極３１と、太径の透明アクリルパイプ２９内で接地電極となる低抵抗の液体に繋がる接地電極接続部３２と、細径の透明アクリルパイプ２８の側面に穿設され、オゾン原料である酸素ガスを供給する挿通孔３３とから構成され、この細径の透明アクリルパイプ２８を挿通した筒状ＳＰＧ４の筒内から太径のアクリルパイプ２９に液体（水）を注入し、さらに挿通孔３３から筒状ＳＰＧ４に酸素ガスを圧入して筒内に気泡を生成させると共に、螺旋状電極３１に外部電源（図示せず）から交流電圧を印加することによって筒状ＳＰＧ４の微細孔部内（図示せず）と、筒状ＳＰＧ４の筒微細孔内および筒表面の微細気泡内で放電が生起し、オゾンが生成される。

図５は図４の水中オゾナイザ１を使用したオゾン水生成装置例である。図に示すように水中オゾナイザ１には樹脂製パイプ３４を介してポンプ３５とオゾン水生成用タンク３６が接続されており、タンク３６の上部にはオゾン測定装置（図示せず）と接続する排気孔３７が設けられている。そしてポンプ３５によってタンク３６内の水を水中オゾナイザ１内に循環通水させて、電源３８から交流電圧を水中イオナイザ１に印加して、水中オゾナイザ１を駆動させると、オゾンが生成して水中に溶け込み、オゾン水が生成される。尚、水中オゾナイザ１に印加した交流電圧に対するオゾン生成量を測定した結果を図６に示す。

図６は本発明の水中オゾナイザを使用した時のオゾンの水への溶解直後の非溶解残存濃度を示しており、横軸は印加電圧を示し、縦軸はオゾン濃度の最高値を示している。図中板状ＳＰＧのオゾン濃度は水に溶解直後の非溶解残存濃度を測定した数値であり、筒状ＳＰＧのオゾン濃度は同じく水に溶解直後の非溶解残存オゾン濃度を測定した数値である。尚、何れのＳＰＧも細孔径は１０μｍを使用した。図に示すように、印加電圧を高くするに従い非溶解残存オゾン濃度も高くなる傾向が得られた。

以上、本発明の水中オゾナイザによれば、多孔質構造体と電極との微小間隔、多孔質構造体の細孔内、および液相側の前記多孔質構造体の細孔部表面に生じる微細気泡内での放電（所謂マイクロバリア放電）を生起せしめてオゾンを発生させることが可能であり、オゾンを液相まで配管する必要がなく、液相（水中）に直接オゾンを供給することができる。しかも、前記電極は多孔質構造体の一側面部に容易に密着配設して構成するため、印加する交流電圧も低くすることが可能であり、エネルギー変換効率が高い。

本発明に板状多孔質ガラスによるオゾン生成原理を説明する説明図である。本発明の板状多孔質ガラスを使った水中オゾナイザ示す斜視説明図である。本発明の板状多孔質ガラス水中オゾナイザを用いたオゾン発生実験装置を示す図である。本発明の筒状多孔質ガラスを用いた水中オゾナイザを示す斜視説明図である。本発明の筒状多孔質ガラス水中オゾナイザを用いたオゾン発生実験装置を示す図である。本発明の水中オゾナイザの実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１水中オゾナイザ
２反応槽
３微細孔
４ＳＰＧ
５液相側
６気相側
７メッシュ電極
８、３８電源
９、２６接地電極
１０、１０ａ気泡
１１マイクロバリア放電
１２オゾン
１３、２８、２９透明アクリルパイプ
１４開口部
１５シール部材
１６、３４樹脂製パイプ
１７圧力計
１８挿通孔
１９蓋
２０メッシュ
２１筒状電極
２２容器
２３水供給口
２４水排出口
２５仕切り板
２７、３７排気孔
３０本体
３１螺旋状電極
３２接地電極接続部
３３挿通孔
３５ポンプ
３６タンク

Claims

多孔質構造体を使用したオゾン水処理装置において、該多孔質構造体の一側面部を液相側とし、他側面部を気相側とすると共に、該気相側の他側面部である多孔質構造体表面に電極を密着配設して電源装置と接続し、この電極側から空気あるいは酸素ガスを圧入して、前記液相側の一側面部である多孔質構造体表面から液相に微細気泡化せしめ或いは無気泡の状態で溶解させると同時に、前記電極に交流電圧を印加することによって、前記多孔質構造体の微細孔内及び前記液相側の多孔質構造体の微細孔部表面に生じる微細気泡内で放電を生起せしめオゾンを生成させることを特徴とする水中オゾナイザ。
前記多孔質構造体は細孔径１μｍ〜５０μｍの多孔質ガラスあるいはセラミックスからなる板状体もしくは筒状体であることを特徴とする請求項１記載の水中オゾナイザ。
前記放電は、前記多孔質構造体の細孔内及び前記液相側の多孔質構造体の細孔部表面に生じる微細気泡内の放電であることを特徴とする請求項１に記載の水中オゾナイザ。
前記電極は、目開きおよび線径が１ｍｍ以下のメッシュ状電極もしくは螺旋状の電極であることを特徴とする請求項１記載の水中オゾナイザ。