JP2013049015A

JP2013049015A - 水処理装置

Info

Publication number: JP2013049015A
Application number: JP2011188424A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Tashiro; 義和田代; Kazuhiro Niwa; 和裕丹羽; Shigetoshi Horikiri; 茂俊堀切; Yoshihiro Inamoto; 吉宏稲本; Tomohiro Kuroba; 智宏黒羽
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-03-14

Abstract

【課題】対向させた電極間で発生する放電を利用した水処理装置において、簡易な構成で、消費電力を抑えつつ、水処理能力の向上が可能な水処理装置を提供することを目的とする。
【解決手段】被処理水の流入口２と流出口３を有する水処理槽４内に、複数の貫通孔を有する１対の対向させた電極で構成する電極部を、水面近傍に、かつ水面に対して平行に設置し、前記電極部に気泡を供給するための気泡供給手段５を有し、前記１対の電極６間に気泡供給手段５から供給された気泡を含む気液混合体を強制的に導入させる構成とすることにより、低い電圧でプラズマ放電を発生させることができ、安定した活性種を含んだ気体を供給できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に対向させた電極間で発生する放電を利用した水処理装置であって、水道水、井戸水、河川水、飲食用水、下水、工業用水、産業用排水、或いは、プール、公共浴場、温泉等に使用する水（被処理水）の中に含まれる有機物の分解や微生物の殺菌により被処理水の処理を行う水処理装置に関するものである。

従来、対向させた電極間で発生する放電を利用した水処理装置として、被処理水中に配設された電極間に気泡を導入または生成して、電極間にて放電を行い、被処理水の処理を行うものが知られている（例えば、特許文献１または２参照）。

特許文献１では、電極間に気体を介在させる構造であって、気体が介在することで低い電圧でプラズマ放電を行うことができ、また、電極を処理液に浸すことで、電極の冷却効果を期待できる液体処理方法および液体処理装置が記載されている。

また、特許文献２では、１対の電極で形成された気体供給ノズルで放電によって発生したラジカルなどを処理水に供給することで、効率よく処理が行われるような工夫がなされている。

特開２０００−９３９６７号公報特開２００５−５８８８７号公報

しかしながら、このような従来の水処理装置においては、管状の気体供給ノズルを兼ねた電極と容器の蓋を兼ねた電極に高電圧を印加することで、供給ノズルから供給された気泡と処理液の液体と混合状態に電圧を印加することになり、ちょうど気体の部分で前記電極間が占めたときは、液体のみ電圧を印加する場合に比べて、低い電圧でプラズマ放電が起こるが、気泡の状態（量や大きさなど）によっては、プラズマ放電が発生しにくいなど不安定な状態になりやすいという課題を有していた。

また、一対の電極で構成された供給ノズルで気体中でプラズマ放電した気体を処理液中に供給する構成において、プラズマ放電させることで発生したラジカルなど活性種は、寿命が短いために、発生した活性種を含んだ気体をできるだけ早く処理液中に供給することが、処理の効率化に繋がるものの、できるだけ低い電圧でプラズマ放電を発生させるためには、電極間の距離を短くする必要があり、そのため供給するための風路が狭くなり、抵抗が大きくなるため、気体の供給量に制限が発生することや多量の処理液を処理するためには、多くの気体供給ノズルを設ける必要があるという課題を有していた。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、簡易な構成で、消費電力を抑えつつ、ラジカルなどの活性種を含んだ多量の気体を供給可能となり、処理能力の向上が可能な水処理装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、対向させた電極間に高圧電源で高電圧を印加して発生する放電を利用した水処理装置であって、被処理水の流入口と流出口を有する水処理槽内に、複数の貫通孔を有する１対の対向させた電極で構成する電極部を、水面近傍に、かつ水面に対して平行に設置し、前記電極部に気泡を供給する気泡供給手段を設けたことを特徴としたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、気泡供給手段の吹出し口に、つまり気体面と液体面の境界部分に、水面に対して平行に設置させた気体を通すための複数の貫通孔を有した１対の電極を設けることで、ラジカルなどの活性種を含んだ気泡をすぐに処理液に供給することが可能になる。また、電極間の部分は、基本的に気体で占められるため、液中と比較して、低い電圧でプラズマ放電を発生させることができ、安定した活性種を含んだ気体を供給できる。また、電極を液面と平行に設置することで、多量の気泡を供給する場合には、電極の面積を大きくすることで抵抗も少ない気泡供給手段とすることが可能で、電極の貫通孔の径を適当な大きさにすることで、気泡の径も制御することが可能になるという効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１における水処理装置の概略構成図本発明の実施の形態１における１対の電極部詳細図本発明の実施の形態２における１対の電極部詳細図

本発明の請求項１記載の水処理装置は、対向させた電極間に高圧電源で高電圧を印加して発生する放電を利用した水処理装置であって、被処理水の流入口と流出口を有する水処理槽内に、複数の貫通孔を有する１対の対向させた電極で構成する電極部を、水面近傍に、かつ水面に対して平行に設置し、前記電極部に気泡を供給する気泡供給手段を設けたことを特徴としたものである。

これにより、低い電圧でプラズマ放電を発生させることができ、安定した活性種を含んだ気体を供給できる。また、多量の気体を供給する場合には、電極の面積を大きくすることで抵抗も少ない気泡供給手段で気泡を供給することができるので、消費電力を抑えつつ、有機物の分解や微生物の殺菌などの水処理能力が向上するという効果を奏する。

また、電極部は、誘電体で被覆された導電体から構成するようにしてもよい。これにより、電極間の火花放電により急激に大電流が流れて電源回路などが破壊されることを防止することができ、安定してプラズマを形成することができ、導電体が放電により消耗することがないので、電極の長寿命化が期待でき、導電体の金属材料溶出の防止が図れるという効果を奏する。

また、電極部は、上側に設けた電極の貫通孔の大きさよりも下側に設けた電極の貫通孔の大きさが小さいという構成するようにしてもよい。これにより、気泡供給手段から気泡が放出される際に、下部の導電体の貫通孔から最終的に放出されるため、下部の導電体の貫通孔の直径を小さくすることで抵抗になり、被処理水が１対の電極の間に入り込まないようにするという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、水処理装置１は、被処理水の流入口２と処理された処理水の流出口３とを有した水処理槽４を有しており、水処理槽４には、被処理水が入っている。

気泡供給手段５は、少なくとも一部が水処理槽４の被処理水中内に設置された筐体であり、気泡供給手段５の下部に、電極部として１対の電極６を披処理水の水面に平行に設置し、１対の電極６が筐体の底面を構成している。その１対の電極６には高圧電源７により、数ｋから数１０ｋＶの高電圧がパルス状に印加されている。

また、気泡供給手段５は、配管８によってエアポンプ９に接続されており、エアポンプ９によって空気が気泡供給手段５に供給され、１対の電極６を通じて、オゾンや過酸化水素などの活性種を含んだ気泡１０を被処理水に送り込んでいる。

図２および図３に、１対の電極６の詳細を示す。図２は、１対の電極６を上からみた図であり、円筒状の形状で、空気を通して気泡を発生させるための複数の貫通孔１１を設けている。

また、図３は、１対の電極６の断面図を示す。１対の電極６は、それぞれ貫通孔１１を設けた金属などの導電体１２に誘電体１３で被覆されたものである。

上記構成により、ポンプによって大気中の空気が気泡供給手段に供給されるが、空気以外に高純度の酸素、アルゴンなどの気体でも良い。

供給された空気は、１対の電極６に設けられた貫通孔を通じて、被処理水に気泡として供給される。気泡直径は１ｍｍ以下が好ましく、貫通孔の直径と空気の供給量や圧力によって調整できる。

１対の電極６間の距離は、１ｍｍ以下が好ましく、狭いほど高圧電源から印加される電圧が低い電圧でプラズマ放電が発生する。ただし、電極間の隙間には空気などの気体が保持される必要があり、空気がなく、水が入り込むとプラズマ放電が生じにくくなるため、０．１ｍｍ程度が望ましい。

また、１対の電極６は、水面に対して平行に設置することで、被処理水が１対の電極６間に入り込みにくい。水面に対して斜めに設置されると、一旦１対の電極６間に被処理水が入ると抜けにくくなり、水がない気体部分のところだけにプラズマ放電が形成される。電極全体でプラズマ放電させるためには、水面と平行して設置し、被処理水が入り込まない構成が望ましい。

１対の電極６が水面に対して、斜めに設置されていると一旦１対の電極６内に被処理水が入り込んだ場合、気泡供給手段５に気体を供給しても、１対の電極６間の被処理水が全て押し出されることが難しい。水面近傍で、水面と平行に設置することで、被処理水のほとんどが押し出され、電極間のほとんどが気泡で満たされ、１対の電極６のほぼ全ての面積で安定したプラズマ放電をさせることができる。

なお、図１の気泡供給手段５の筐体内の水位は、筐体内の水面上の大気圧がエアポンプ９により高められ、１対の電極６近傍まで下がっている。

１対の電極６間に印加する電圧は、数ｋＶの電圧が望ましいが、電極間の距離、導電対で構成される電極を被覆する誘電体の材料によって異なる。また、交流、直流のどちらでも良いがパルスで印加することで、安定にプラズマ放電を生じさせることができる。

１対の電極６間にプラズマ放電を発生させることで、その電極間の空気中にオゾンや過酸化水素など活性種が発生し、その活性種を含んだ気泡を被処理水に供給することで、被処理水に含まれる有機物や細菌などの微生物を分解、殺菌などの浄化を行うことができる。被処理水は、水処理装置の流入口から供給され、その活性種を含んだ気泡によって浄化され、清浄な水として、流出口から放流される。

１対の電極６において、上下の伝導体が有している貫通孔は、同一の大きさでも、異なった大きさでも良いが、下部の導電体の貫通孔が上部の導電体の貫通孔よりも小さい直径が望ましい。これは、気泡供給手段５から気泡が放出される際に、下部の導電体１２の貫通孔から最終的に放出されるため、下部の導電体１２の貫通孔の直径を小さくすることで抵抗になり、被処理水が１対の電極６の間に入り込まないようにすることができる。１対の電極６間に被処理水が入ると安定したプラズマ放電が発生しにくくなるため、１対の電極６間には、空気などの気体で満たされた方が、比較的低い電圧でプラズマ放電が発生できるため、省エネが図れる。

なお、エアポンプ９の運転をとめたときに１対の電極６間に被処理水が浸入してくるが、高圧を印加する場合には、十分に気体を供給し、１対の電極６間に被処理水がなくなってから電圧を印加すると良い。

導電体１２は誘電体１３で被覆されているが、この誘電体１３の被覆により、電極間の火花放電により急激に大電流が流れて電源回路などが破壊されることを防止することができ、安定してプラズマを形成することができる。

また、導電体１２が放電により消耗することがないので、電極の長寿命化が期待でき、導電体１２の金属材料溶出に伴う被処理水の成分変化がない。また、電極同士の短絡を防止できるので、印加電圧や消費電力が小さくなるよう、電極間距離を可能な限り小さく設定することができる。

誘電体１３の被覆方法は、ゾルゲル法による無機酸化被膜を形成させる方法が好ましく、また材料は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｎＯ、Ｙ₂Ｏ₃、ＢａＴｉＯ₂などが使用できるが、比誘電率などの観点から、好ましくはＢａＴｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂である。

導電体１２は、流通させる被処理水による酸化や、放電に伴う酸化、高温による劣化に耐えられるような材料で構成する必要がある。例えば、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅および銅合金などの金属を用いることができるが、好ましくはステンレス鋼やチタンである。

電極間距離は、印加電圧や消費電力を小さくする目的では、可能な限り接近させて小さくするとよく、また、放電領域を大きくする目的では、大きくするとよいので、被処理水中に含まれる処理対象物である有機化合物や微生物などの濃度、分解性をあらかじめ定めておき、最適な電極間距離を設定する必要があり、好ましくは０．０５から５０ｍｍである。パッシェンの法則より印加電圧が最小となる電極間距離は数μｍから数十μｍであるが、０．０５ｍｍより小さくすると、放電領域が小さくなり、水処理可能な流量が低下することに加えて、被処理水中に含まれる成分によっては電極間での目詰りの発生頻度が増大してしまう。また、電極間距離を５０ｍｍより大きくすると、放電に必要な印加電圧が１００ｋＶ程度以上となり、高圧電源が大型且つ高コストになってしまう。

電極間に印加される電圧波形は、高電圧の矩形波、三角波、正弦波などを用いることができ、好ましくは、高電圧パルスとするのがよい。高電圧パルスにすることで、無駄に消費される電力を抑制することができる。高圧電源７より印加する電圧の大きさは、電極の形状・大きさ、処理対象物、要求される処理能力によって変わるため一概には決められないが、装置の大きさや安全性、電源の動作効率を考慮すると、好ましくは１から１００ｋＶである。高電圧電源の制御方法として、電極部の上流側、下流側のいずれか一方の流路中に配設した濁度センサー、導電率センサー、流量センサーの出力信号に応じて、印加電圧のＯＮ／ＯＦＦ時間、高電圧パルスの幅、印加電圧の大きさを調整するようにしてもよい。これにより、要求される処理能力に合わせて、最適な放電が行われるので、無駄に消費される電力を抑制することができる。

なお、実施の形態１では、水処理槽４の形状を円筒状としたが、流路断面が多角形である角筒状としてもよく、その作用効果に差異を生じない。

また、１対の電極６を配置する構成としたが、これらの電極対を複数重ねた構成にしてもよい。これにより、処理流量を増やすことができるので、水処理性能の高効率化が図れる。

本発明にかかる水処理装置は、簡易な構成で、消費電力を抑えつつ、水処理能力の向上が可能になるという効果が得られるものであり、水道水、飲食用水、下水、工業用水、産業用排水、或いは、プール、公共浴場、温泉等に使用する水（被処理水）の中に含まれる有機物の分解や微生物の殺菌により被処理水の処理を行う水処理装置として有用である。

１水処理装置
２流入口
３流出口
４水処理槽
５気泡供給手段
６１対の電極
７高圧電源
８配管
９エアポンプ
１０気泡
１１貫通孔
１２導電体
１３誘電体

Claims

対向させた電極間に高圧電源で高電圧を印加して発生する放電を利用した水処理装置であって、被処理水の流入口と流出口を有する水処理槽内に、複数の貫通孔を有する１対の対向させた電極で構成する電極部を、水面近傍に、かつ水面に対して平行に設置し、前記電極部に気泡を供給する気泡供給手段を設けたことを特徴とする水処理装置。
電極部は、誘電体で被覆された導電体から構成される請求項１記載の水処理装置。
電極部は、上側に設けた電極の貫通孔の大きさよりも下側に設けた電極の貫通孔の大きさが小さいことを特徴とする請求項１または２記載の水処理装置。