JP2012051776A

JP2012051776A - オゾン発生装置の運転方法

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Publication number: JP2012051776A
Application number: JP2010197655A
Authority: JP
Inventors: Masaki Taguchi; 正樹田口; Haruo Ito; 晴雄伊藤; Kazumasa Murayama; 和正村山; Ryuzo Kawagoe; 龍蔵川越
Original assignee: Chiba Institute of Technology; Metawater Co Ltd
Current assignee: Chiba Institute of Technology; Metawater Co Ltd
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: JP5681415B2

Abstract

【課題】添加ガスを注入する必要がなくそのための装置が不要であり、オゾン発生装置及びそれを含むオゾン処理システムをコンパクトにするとともに省エネルギー化を図れる、オゾン発生手段を提供すること。
【解決手段】酸素純度が９９．８％以上の原料ガスのみを用い、放電にかかる放電電力密度を０．１Ｗ／ｃｍ^２以下にして、運転を継続させて、所定の濃度のオゾンを発生させるオゾン発生装置の運転方法の提供による。
【選択図】なし

Description

本発明は、酸素を主に含む原料ガスを用い、添加ガスを必要とすることなくオゾンを発生させる、オゾン発生装置の運転方法に関する。

近年、上水及び下水にかかる水処理等において、大量のオゾンが使用されている。このオゾンは、殺菌、漂白、脱臭の作用発現において、優れた力を有し、又、自然分解により酸素に戻り、活性炭等で容易に除去することが出来、環境負荷とならないものである。そのため、オゾンの益々の利用が、期待されている。

現在では、オゾンの用途にもよるが、高濃度のオゾンを必要とする場合には、原料として高純度酸素を用い、放電式のオゾン発生装置（オゾナイザ）によって、オゾンを発生させることが、一般的である。この放電式オゾン発生装置は、高周波インバータ（ＩＮＶ）電源によって大電力を投入し、放電（無声放電、沿面放電）によって酸素分子に電子を衝突させて、オゾンを発生させるものであり、この放電式オゾン発生装置の普及によって、高濃度のオゾンを高効率で生成することが、可能となってきている。

放電学会誌「放電研究」第４９巻第２号、７３〜７５頁、「純酸素を原料としたときのオゾン生成反応の特異現象について、オゾンゼロ現象中にオゾンを注入したときの挙動」、平成１８年、放電学会

ところで、酸素純度が９９．８ｖｏｌ％以上の原料ガスを用い、放電式のオゾン発生装置（オゾナイザ）によって、オゾンを発生させると、オゾン発生装置の運転時間（経過時間又は単に時間ともいう）の経過とともに、オゾン濃度が低下する現象がみられる。特に、酸素純度が９９．９９９ｖｏｌ％以上の原料ガスを用いると、オゾン濃度が０（零）［ｇ／Ｎｍ^３］付近まで低下する。この現象は、オゾンゼロ現象と呼ばれる（非特許文献１を参照）。このオゾンゼロ現象のメカニズムについては、未だ解明されていない。尚、原料ガスの酸素純度は、３５℃における、原料ガス中に酸素が占める割合（ｖｏｌ％）である。

このようにオゾン濃度が低下するので、従来、オゾン発生装置の運転初期においては、原料ガスに、わざわざ窒素や乾燥空気（添加ガス）を添加していた。こうすると、オゾン濃度の低下を抑制可能なことが、知られていたからである（同じく非特許文献１を参照）。

しかしながら、そうすると、オゾン発生装置に、上記添加ガスを注入する装置を追加することから、余分な設備及び動力が必要となり、オゾン発生装置及びそれを含むオゾン処理システムの肥大化を招くとともに省エネルギー運転の妨げとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、添加ガスを注入する必要がなくそのための装置が不要であり、オゾン発生装置及びそれを含むオゾン処理システムをコンパクトにするとともに省エネルギー化を図れる、オゾン発生手段を提供することである。オゾンゼロ現象についての研究が重ねられた結果、添加ガスを注入しなくても一度低下したオゾン濃度が戻ることが発見され、更には、オゾン発生装置を運転するに際して放電電力密度を特定の値に設定することによって、オゾン濃度の低下を抑制可能なことが見出されて、この課題が解決され、以下に示す本発明の完成に至った。

即ち、本発明によれば、酸素を主に含む原料ガスを用い、放電によって前記酸素からオゾンを発生させる、オゾン発生装置の運転方法であって、酸素純度が９９．８％以上の原料ガスのみを用い、放電にかかる放電電力密度を０．１Ｗ／ｃｍ^２以下にして、運転を継続させて、所定の濃度のオゾンを発生させるオゾン発生装置の運転方法が提供される。

本発明に係るオゾン発生装置の運転方法は、放電によって酸素からオゾンを発生させる、放電式オゾン発生装置の運転方法である。放電としては、無声放電、あるいはその一態様である沿面放電、が用いられる。この放電式オゾン発生装置自体は、一般に知られたものである。但し、本発明に係るオゾン発生装置の運転方法においては、酸素純度が９９．８％以上の原料ガスのみを用い、放電にかかる放電電力密度を０．１Ｗ／ｃｍ^２以下にして、運転を継続する。窒素や乾燥空気を添加することはない。このようなオゾン発生装置の運転は、従来、行われていなかった。何故なら、既述の通り、酸素純度が９９．８％以上の原料ガスを用い、放電式のオゾン発生装置によって、オゾンを発生させると、オゾン濃度が低下するため、従来は、オゾン発生装置の運転初期において、窒素や乾燥空気を添加して、オゾンを発生させていたからである。本発明に係るオゾン発生装置の運転方法は、酸素純度が９９．８％以上の原料ガスのみを用いても、上記放電にかかる放電電力密度を０．１Ｗ／ｃｍ^２以下にして、運転を継続させておけば、一旦は低下したオゾン濃度が、運転開始時の濃度に戻る（上昇する）ことを新たに発見して、完成したものである。尚、放電電力密度は、単位面積あたりの放電電力である。

所定の濃度のオゾンとは、その使用する放電式のオゾン発生装置が実現し得る濃度のオゾンであり、オゾン発生装置の設計に基づく濃度のオゾンである。この濃度は、オゾン発生装置の運転開始時（最初期）には、得ることが出来る濃度である。運転を継続とは、単に初期の一定の運転条件のまま継続すればよいことを意味し、本発明に係るオゾン発生装置の運転方法において、オゾン発生装置の運転開始後（運転中）には、特段に調整を要しない。

本発明に係るオゾン発生装置の運転方法によれば、酸素純度が９９．８％以上の原料ガスのみを用い、放電にかかる放電電力密度を０．１Ｗ／ｃｍ^２以下にして、運転を継続させて、所定の濃度のオゾンを発生させることが出来るので、添加ガスの注入は不要であり、当然に添加ガス用の装置も必要ない。従って、オゾン発生装置及びそれを含むオゾン処理システムをコンパクトにすることが可能であり、又、初期設備費用を抑制出来る。加えて、省エネルギー化（動力費用の低減）を図ることが出来る。

オゾン発生装置の運転開始後、一旦、オゾンゼロ現象を含むオゾン濃度の低下現象が発生しても、オゾン濃度は回復し、その間、運転条件は一定を維持すればよく、特段の調整は不要であるので、本発明に係るオゾン発生装置の運転方法は、その（運転）管理が容易である。放電にかかる放電電力密度を０．１Ｗ／ｃｍ^２以下にすることは、運転開始前（開始時）に、一度行えばよい。

実施例で使用した、オゾン発生装置を含む試験設備全体の概要を示す構成図である。図１に示される試験設備を構成するオゾン発生装置の、長手方向（原料ガスの流れ方向）の断面を表す断面図である。図１に示される試験設備を構成するオゾン発生装置の、短手方向（原料ガスの流れ方向に垂直な方向）の断面を表す断面図である。実施例の結果を示す図であり、（生産されたオゾン化ガスの）オゾン濃度の時間的変化特性を表すグラフである。実施例の結果を示す図であり、（生産されたオゾン化ガスの）オゾン濃度の時間的変化特性を表すグラフである。図５と同じ結果を示す図であり、図５のうち最初の１０時間までを拡大して示すグラフである。実施例の結果を示す図であり、同一の内部電極の使用回数毎に、（生産されたオゾン化ガスの）オゾン濃度の時間的変化特性を表したグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、適宜、図面を参酌しながら説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明の実施の形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は以下に記述される手段である。

本発明に係るオゾン発生装置の運転方法は、酸素純度が９９．８％以上の原料ガス（単に原料ガスともいう）のみを用いても、放電にかかる放電電力密度を０．１Ｗ／ｃｍ^２以下にして、運転を継続させておけば、一旦は低下したオゾン濃度が、運転開始時の濃度に戻る（上昇する）ことを発見して得られたものであるので、以下、実施例に基づいて、具体的に説明する。

（実施例１）新品（未使用）のステンレス鋼からなる内部電極を用いて、オゾン発生装置を運転したときの、オゾン濃度の時間的変化について、図１に示される試験設備を用いて、調べた。図２及び図３に示されるオゾン発生装置は、同心円筒電極型のオゾン発生装置である。オゾン発生装置の内部電極の材料は、ステンレス鋼であり、そのサイズは、外径６８．７ｍｍφ、長さ１０００ｍｍである。外部電極は、接地電極であり、そのサイズは、内径６９．０ｍｍφ、長さ１２６０ｍｍである。この外部電極の内側表面には、ガラスライニングが施されている。放電ギャップ（図２を参照）は、０．３ｍｍとした。尚、図１に示される試験設備と、それを構成する図２及び図３に示されるオゾン発生装置では、ガスの流れ方向は反対に描かれている。

酸素純度が９９．９９９９５ｖｏｌ％の原料ガスを使用した。この原料ガスを、オゾン発生装置へ送り込むにあたっては、マスフローコントローラを用いて流量（ガス流量Ｑ）を１Ｌ／ｍｉｎ．に調節した。ガスの圧力は、オゾン発生装置の出口において、ゲージ圧として０．０５ＭＰａとした。原料ガス用の配管は、６ｍｍφ、１０ｍｍφのフッ素樹脂（テフロン（登録商標））製チューブを用い、接続にはスウェージロックチューブ継手（ステンレス鋼）を用いた。

オゾン発生装置の両電極（内部電極及び外部電極）は、チラー（冷却装置）で水温１０±１℃に保持した冷却水を、２８０Ｌ／ｈの流量で流して、冷却した。放電電力（放電電力Ｗ）は、デジタルパワーメータによって監視し、２００Ｗ（一定）になるよう制御して運転した。オゾン化ガスに対し、紫外線吸収式オゾンモニタ（測定原理：ランバート・ベールの法則による）で測定し、３桁表示された値を読んで、これを生成された（発生した）オゾンの濃度とした。尚、オゾン化ガスは、オゾン分解触媒を用いて酸素に分解し、大気中へ排気した。オゾン化ガスとは、オゾン発生装置の生産物であり、放電によって酸素をオゾン化した（酸素からオゾンを発生させた後の）ガスを指す。

上記条件により、内部電極及び外部電極間に、高電圧（７０００Ｖ）を印加し、放電を起こして、オゾンを発生させ、オゾン化ガスのオゾン濃度の時間的変化を、２５０時間経過まで、測定した。結果を図４、図５、及び図６に示す。又、上記試験の条件を、単位ガス流量（原料ガスの流量）あたりの放電電力Ｗ／Ｑ、及び単位面積あたりの放電電力Ｗ／Ｓとともに、表１に示す。

（実施例２）酸素純度が９９．８ｖｏｌ％の原料ガス（液体酸素から気化させたガス）を使用した。これ以外は、実施例１と同条件で、オゾン化ガスのオゾン濃度の時間的変化を、２５０時間経過まで、測定した。結果を図４に示す。又、この試験の条件を、単位ガス流量（原料ガスの流量）あたりの放電電力Ｗ／Ｑ、及び単位面積あたりの放電電力Ｗ／Ｓとともに、表１に示す。

（比較例１）原料ガスの流量（ガス流量Ｑ）を、２．２Ｌ／ｍｉｎ．に調節するとともに、放電電力Ｗを、４４０Ｗ（一定）になるよう制御して運転した。これ以外は、実施例１と同条件で、オゾン化ガスのオゾン濃度の時間的変化を、２５０時間経過まで、測定した。結果を図５，図６に示す。又、この試験の条件を、単位ガス流量（原料ガスの流量）あたりの放電電力Ｗ／Ｑ、及び単位面積あたりの放電電力Ｗ／Ｓとともに、表１に示す。

（比較例２）原料ガスの流量（ガス流量Ｑ）を、３．３５Ｌ／ｍｉｎ．に調節するとともに、放電電力Ｗを、６７０Ｗ（一定）になるよう制御して運転した。これ以外は、実施例１と同条件で、オゾン化ガスのオゾン濃度の時間的変化を、２５０時間経過まで、測定した。結果を図５，図６に示す。又、この試験の条件を、単位ガス流量（原料ガスの流量）あたりの放電電力Ｗ／Ｑ、及び単位面積あたりの放電電力Ｗ／Ｓとともに、表１に示す。

（参考例１）比較例１と同じ条件で試験を行い（新品（未使用）のステンレス鋼からなる内部電極を使用）、オゾン化ガスのオゾン濃度の時間的変化を、４時間経過まで、測定した。この１回目の試験（運転）終了後、内部電極の表面についた金属酸化物（膜）を、電解研磨装置を用いて剥ぎ取り、金属母材面を露出させた上で、再度（２回目の）試験を行った。そして、これを５回目まで繰り返し行った。結果を図７に示す。

（考察）図４に示された結果より、相対的に酸素純度の低い原料ガス（液体酸素から得られるガス）を用いた実施例２では、実施例１よりも、オゾン濃度の減少が少なかった。又、実施例２では、実施例１と同じく、オゾン濃度が、最初に最大値をとり、その後に減少して最小値を取った後に、再度増加した。実施例１，２では、２５０時間経過後のオゾン濃度は、最大値に対して９７％であり、オゾン濃度は、概ね最大値の値まで回復していることがわかる。

図５に示された結果より、比較例１，２のオゾン濃度は、実施例１と比べ、オゾン濃度の減少が速かった。比較例１におけるオゾン濃度の最小値（４ｇ／Ｎｍ^３）は、最大値（２６１ｇ／Ｎｍ^３）に対して１．５％であった。比較例２におけるオゾン濃度の最小値（６ｇ／Ｎｍ^３）は、最大値（２６８ｇ／Ｎｍ^３）に対して２．２％であった。一方、実施例１では、オゾン濃度の最小値（１０４ｇ／Ｎｍ^３）は、最大値（２６２ｇ／Ｎｍ^３）に対して４０％であり、比較例１，２の方が、実施例１より、遥かに低い値になった。比較例１，２におけるオゾンゼロ現象では、オゾン濃度が０（零）［ｇ／Ｎｍ^３］付近まで低下したと思われる。

図５に示された結果より、比較例１，２では、約４０〜５０時間で、オゾン濃度が回復し、それは、実施例１と同じ傾向だった。しかし、実施例１とは違い、比較例１，２では、オゾン濃度が、最大値と比べて、約４５％しか回復しなかった。その後、比較例１，２のオゾン濃度は、増加と減少を繰り返した。比較例１，２は、多少の違いはあるが、オゾン濃度の挙動は良く似ている、といえる。

図６に示された結果より、比較例１，２にように、放電電力密度（単位面積あたりの放電電力）が大きい場合には、放電電力密度が小さい実施例１と比較して、短時間の間に、オゾン濃度が減少することがわかる。図６に示されるように、運転開始直後から、オゾン濃度の時間的変化は、実施例１、比較例１，２において、３つとも違った曲線を描いたが、放電電力密度が大きいほど、速くオゾン濃度は減少した。これらの原因は、明らかではないが、ステンレス鋼（電極）の表面の変化が、オゾン生成に影響しているのではないかと推測される。

図７に示された結果より、同一の電極を繰り返し使用すると、オゾン濃度の低下速度が速くなることがわかる。

本発明に係るオゾン発生装置の運転方法は、オゾン（オゾン発生装置）が利用される種々の産業分野において、利用することが出来る。特に、上水道、下水道、工業排水処理、パルプ漂白、半導体等の分野において、有効に利用される。

Claims

酸素を主に含む原料ガスを用い、放電によって前記酸素からオゾンを発生させる、オゾン発生装置の運転方法であって、
酸素純度が９９．８％以上の前記原料ガスのみを用い、前記放電にかかる放電電力密度を０．１Ｗ／ｃｍ^２以下にして、運転を継続させて、所定の濃度のオゾンを発生させるオゾン発生装置の運転方法。