JP2013158706A - 水浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、高効率でＯＨラジカルを生成する水浄化装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】電極３ａと電極３ｂは電極基材１７の表面に誘電体１８がコーティングされている。誘電体１８の内部には反射材１９が担持されており、誘電体１８の表面に露出している。
電極３ａと電極３ｂに高電圧を印加することで、電極３ａと電極３ｂの間で放電が行われ、被処理液体中の気泡１４に含まれる酸素から気泡１４の周囲にオゾンが生成される。紫外線光源から電極３ａと電極３ｂに紫外線が照射されており、開口面積の広い開口部８ｂを通過した紫外線は、電極３ａの表面の反射材により電極３ｂ側へ反射される。電極３ｂおよび電極３ａに向けて照射された紫外線は反射材の作用により電極間で反射を繰り返すことで、電極面の広い範囲にわたって照射され、放電で生成したオゾンおよび水分と反応して強い酸化力を有するＯＨラジカルが生成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極間に高電圧を印加することで活性種を発生させ、当該活性種の作用により被処理液体の除菌や有機物の分解をおこなう水浄化装置に関するものである。

従来の水浄化装置として、一対の電極板の表面に誘電体を塗布し、電極間に高電圧を印加することで放電により生成するオゾン等の活性種の作用により被処理液体を浄化する水浄化装置が知られている（例えば下記特許文献１参照）。

以下、その水浄化装置について、図６を参照しながら説明する。

図６に示すように、対向する２枚の電極１０１には誘電体１０２が塗布されている。さらに対向する２枚の電極１０１は高電圧電源１０３に接続されている。被処理液体は流入口１０４から流出口１０５へ向かって電極１０１の間を通過する。被処理液体には気泡導入手段（図示せず）により気泡１０６が導入されている。

このような構成において２枚の電極１０１に高電圧を印加すると、電極表面に付着した気泡１０６を介して放電がおこなわれ、気泡１０６の内部や周辺部位にオゾンが生成される。電極間で生成されたオゾンは強い酸化力を有するので、その作用により被処理液体に含まれる微生物の除菌や有機物の分解がなされ、水浄化装置として活用できるものである。

また別の水浄化装置として、任意の方法で生成したオゾンに紫外線を作用させることでオゾンよりも高活性なＯＨラジカルを生成する水浄化装置が知られている（例えば下記特許文献２参照）。

以下、その水浄化装置について、図７を参照しながら説明する。

図７に示すように、オゾン発生器２０１により生成されたオゾン含有空気は流入口２０２と流出口２０３を有する反応容器２０４に導入される。反応容器２０４には拡散板２０５が設けられており、オゾンは反応容器２０４内に均一に拡散される。また、反応容器２０４は紫外線透過窓２０６を備えており、反応容器２０４の外部に設けられた紫外線光源２０７から紫外線が照射される。紫外線光源２０７は電源２０８により点灯されている。

紫外線が照射されたオゾンから以下の反応により空気中に含まれる水分と反応してＯＨラジカルが生成される。
Ｏ₃＋ｈν→Ｏ₂＋Ｏ（１Ｄ）
Ｏ（１Ｄ）＋Ｈ₂Ｏ→２ＯＨ・
ＯＨラジカルはオゾンよりも強い酸化力を有しており、有機物の分解や微生物の殺菌に高い効果を示すので、水浄化に利用することができる。反応容器２０４から流出口２０３を経由して被処理液体にＯＨラジカルを放出することで、被処理液体中の有機物の分解や微生物の殺菌を高効率で実施することができる。

なお、上記反応式においてＯ（１Ｄ）は一重項酸素を示し、π^*２ｐ軌道がスピンの向きが反対の電子により一重項状態で占有され、励起状態にあることを示す。

特許第３９９５６５４号公報 特開２００３−３１５２号公報

このような従来の水浄化装置を組み合わせることで、オゾンを生成する電極間に紫外線を照射すれば、オゾンからＯＨラジカルを生成することが可能となるが、オゾンの生成効率を向上するために電極を近接させると、電極の全面に紫外線を照射することが困難になりＯＨラジカルの生成効率が低下するという課題を有していた。

つまり、放電により生成するオゾンの生成効率を向上するためには、低電圧で放電が成立するように電極を近接させればよい。一方、オゾンへの紫外線照射により生成するＯＨラジカルの生成効率を向上させるためには、オゾンの濃度が高い電極表面に紫外線を照射すればよい。しかし、オゾンの生成効率を向上するために電極を近接させると、お互いの電極が影になり、放電している電極表面の全面に紫外線を照射することが困難になる。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、オゾンの生成効率とＯＨラジカルの生成効率を両立することのできる水浄化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、対向する電極の表面に光反射材を担持することを特徴とする水浄化装置としたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明は、対向する電極の表面に光反射材を担持する構成としたものである。上記構成によれば、放電によるオゾン生成効率を向上するために電極を近接させても、電極の端面で受光した紫外線が電極表面の光反射材による反射を繰り返すことで、電極全面に紫外線を照射することができ、電極が対向して近接している場合においても高効率にＯＨラジカルを生成す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の水浄化装置を示す概略斜視図 同電極部を示す概略拡大断面図 同電極部の別構造の例を示す概略拡大断面図 本発明の実施の形態２の水浄化装置の電極部を示す概略斜視図 本発明の実施の形態２の水浄化装置の電極部を示す概略拡大断面図 従来の水浄化装置を示す概略斜視図 従来の水浄化装置を示す概略図

本発明の請求項１記載の水浄化装置は、電極の上流側に気泡発生部を備え、少なくとも一対の電極間に被処理液体を導入し、前記電極間に電圧を印加するとともに紫外線を照射することで活性酸素種を生成する水浄化装置において、前記電極の表面に光反射材を担持するという構成を有する。これにより、電極表面に照射された紫外線が光反射材により反射することで、電極表面の広範囲にわたって紫外線を照射することができるので、電極が対向して近接している場合においても高効率にＯＨラジカルを生成するという効果を奏する。

また、電極に異なる開口面積を有する複数の開口部を設け、対向する開口部のうち開口面積の広い開口部を通して紫外線を照射する構成にしてもよい。これにより、広い開口部を通過した紫外線は狭い開口部を有する電極の表面の光反射材で反射するので、広い開口部を有する電極に照射されることになり、電極が対向して近接している場合においても高効率にＯＨラジカルを生成するという効果を奏する。

また、電極に複数の開口部を設け、対向する電極の開口部が被処理液体の流通経路において一致しない配置とする構成にしてもよい。これにより開口部を通過した紫外線は対向する電極の表面の光反射材で反射するので、対向した電極表面を照射することになり、電極が対向して近接している場合においても高効率にＯＨラジカルを生成するという効果を奏する。

また、電極の表面に担持する反射材として石英砂を用いた構成にしてもよい。これにより石英砂の表面で紫外線が反射されることになり、電極表面の広範囲にわたって紫外線を照射することができるので、電極が対向して近接している場合においても高効率にＯＨラジカルを生成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、水浄化装置１は本体２の内部に電極３ａ、電極３ｂ、紫外線光源４を備えている。流入口５から本体２内に吸引された被処理液体はポンプ６により流出口７を経由して排出される。電極３ａと電極３ｂはそれぞれ開口部８ａと開口部８ｂを備えており、高圧パルス電源９と電気的に接続されている。被処理液体の流れにおいて、上流部に位置する開口部８ｂは下流部に位置する開口部８ａよりも開口径が大きいものである。

紫外線光源４は電源１０と電気的に接続されている。流入口５の内部には気泡発生部１１が備えられ、配管１２を経由して空気供給部１３から供給された空気が被処理液体中に気泡１４として導入される。気泡発生部１１の上部、下流側には開口部１５を有する拡散板１６が備えられている。

拡散板１６は被処理液体の流れをさえぎるので、気泡発生部１１により被処理液体中に導入された気泡１４を本体２内に均一に拡散する。本体２内に均一に拡散された気泡１４は電極３ｂの複数の開口部８ｂから電極３ａと電極３ｂ間に導入されることになる。

電極３ａと電極３ｂの主要部分Ａを図２で示す。図２に示すように、電極３ａと電極３ｂは電極基材１７の表面に誘電体１８がコーティングされている。誘電体１８の内部には反射材１９が担持されており、誘電体１８の表面に露出している。

このような構成によれば、気泡１４を含む被処理液体は電極３ａと電極３ｂの開口部８ｂおよび開口部８ａを通過する。また、電極３ａと電極３ｂの開口径が異なることから、開口部８ｂを通過した後で電極３ａの開口径が電極３ｂの開口径より小さいため流れを遮られた気泡１４は、電極３ａと電極３ｂの間に広がる。気泡１４を含む被処理液体が存在する状態で、電極３ａと電極３ｂに高電圧を印加することで、電極３ａと電極３ｂの間で放電が行われ、電極３ａと電極３ｂの間に存在する気泡１４の周辺にオゾンが生成される。

その結果、流入口５から本体２内に吸引された被処理液体は電極３ａと電極３ｂの間で生成されたオゾンの作用により、浄化されるものである。

さらに、紫外線光源４から電極３ａと電極３ｂに紫外線が照射されており、図２の折れ線矢印で示すように、開口面積の広い開口部８ｂを通過した紫外線は、電極３ａの表面の反射材により電極３ｂ側へ反射されることになる。

このように、電極３ｂおよび電極３ａに向けて照射された紫外線は反射材１９の作用により反射を繰り返すことで、電極面の広い範囲にわたって照射されることになる。

電極３ａまたは電極３ｂの表面では紫外線が照射されたオゾンから以下の反応により空気中に含まれる水分と反応してＯＨラジカルが生成される。
Ｏ₃＋ｈν→Ｏ₂＋Ｏ（１Ｄ）
Ｏ（１Ｄ）＋Ｈ₂Ｏ→２ＯＨ・
ＯＨラジカルはオゾンよりも強い酸化力を有しており、有機物の分解や微生物の殺菌に高い効果を示すので、水浄化に利用することができる。

なお、上記反応式においてＯ（１Ｄ）は一重項酸素を示し、π^*２ｐ 軌道がスピンの向きが反対の電子により一重項状態で占有され、励起状態にあることを示す。

その結果、流入口５から本体２内に吸引された被処理液体は電極３ａと電極３ｂの間で生成されたオゾンとＯＨラジカルの双方の作用により、浄化されるものである。

本実施の形態では、従来の水浄化装置とは異なり、放電によりオゾンが生成される電極３ａ、電極３ｂの表面に紫外線を照射しているので、被処理液体中にオゾンが拡散する前の高濃度のオゾンに紫外線を照射することができ、紫外線の利用効率が高いものである。

また、低い放電電圧でオゾンを生成するように、近接させた電極３ａと電極３ｂの間においても反射材１９の作用により広範囲に紫外線を照射することができるので、紫外線の利用効率が高いものである。

また、電極３ａと電極３ｂ間では放電に伴い直接生成されるＯＨラジカルも存在するので、オゾンに紫外線を照射することで生成されるＯＨラジカルと合わせて、高濃度のＯＨラジカルが被処理液体に作用することとなり、水浄化性能を向上することができる。

また、電極３ａと電極３ｂの表面に担持される反射材１９は紫外線を高効率に反射する材料が好ましく、石英砂を反射材に用いることで、石英砂の表面および石英砂と誘電体１８の界面で紫外線が反射されることになる。

なお、本実施の形態では、電極３ａと電極３ｂ間での安定的な放電を実現するために電極３ａと電極３ｂの表面に誘電体１８をコーティングしているものであるから、電極３ａと電極３ｂ間の放電に影響を与えにくい反射材が求められる。金属等の電気伝導性の高い材料は局所的な放電を形成する可能性があるので、電気伝導性の低い材料を反射材として用いるほうが好ましい。

なお、誘電体１８の素材とそのコーティング方法については、特に限定するものではない。具体的に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。比誘電率などの観点から、好ましくはＢａＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２が採用される。

なお、電極３ａと電極３ｂ間に印加する高電圧の条件については、特に限定するものではない。具体的には対向する電極３ａと電極３ｂの面積と電極間の距離に応じて、火花放電に移行しない程度の高電圧を印加すればよく、パルス状である数ｋＶの高電圧や高周波の高電圧を印加してもよい。

なお、紫外線光源４については、特に限定するものではない。放電で生成されるオゾンは２００ｎｍ〜３００ｎｍの波長を吸収して励起状態の酸素原子を放出するので、２５４ｎｍの紫外線を放射する高圧水銀ランプなど、紫外線を高効率に照射できる光源であればよい。

なお、紫外線光源４を点灯させるための電源１０については、特に限定するものではない。具体的には紫外線光源として水銀ランプを用いるのであれば、商用電源から点灯に必要な電圧を得るためのトランスや高周波電源を得るためのインバータを備えた電源であれば、紫外線を点灯することができる。

なお、紫外線光源４を上流側に配置された電極３ｂの上流側に配置するものとしたが、下流側に配置された電極３ａの下流側に配置してもよい。その場合においては、下流側に配置された電極３ａの開口部８ａの開口径を上流側に配置された電極３ｂの開口部８ｂの開口径よりも大きくすれば同様の効果を得ることができる。

すなわち、開口面積の広い開口部８ａを通過した紫外線は、電極３ｂの表面の反射材により電極３ａ側へ反射されることになる。

なお、紫外線光源４の配置位置については、特に制限するものではないが、電極３ａと電極３ｂの間に紫外線が照射されるような配置であれば良く、開口部の開口径が大きい電極側から照射したほうが、電極３ａと電極３ｂの間に効率よく照射することが可能になる。

また、電極の開口部の開口径については、特に制限するものではないが、開口径を大きくすれば被処理液体の流通抵抗を低減することができるが、放電に寄与する電極面積が低減することによりオゾンの生成効率が低減する。したがって、被処理液体の流通抵抗に大きな影響を与えないようにできるだけ小さな開口径にするほうが好ましい。

また、上流側の開口径を下流側の開口径より大きくすることで、電極３ａと電極３ｂの間を通過する被処理液体の量を増加することができるものである。

なお、気泡発生部１１は電極３ａと電極３ｂの上流側に配置しているが、電極３ａと電極３ｂの間に気泡１４を効率良く導入できる位置であれば、電極３ａと電極３ｂの上流側のいずれの位置でもよい。

図３に実施の形態１の別構造の電極３ａと電極３ｂの主要部分を示す。図２と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

上流側に配置した電極３ｂの開口部８ｂの中心の、下流側に配置した電極３ａへの投影位置が、下流側に配置した電極３ａの開口部８ａ中心と異なるようにそれぞれの開口部を配置した構成であるので、図３の折れ線矢印で示すように、開口部８ｂを通過した紫外線は、電極３ａの表面の反射材１９により電極３ｂ側へ反射されることになる。

このように、電極３ｂおよび電極３ａに向けて照射された紫外線は反射材１９の作用により反射を繰り返すことで、電極３ａと電極３ｂの広い範囲にわたって照射されることになる。

この構成によれば、図２で示した２枚の電極の開口径が異なる電極構造に比べて、２枚の電極が同一の開口径であるので電極を作り分ける必要が無く、電極の製造コストを低減することができる。

ただし、電極面に照射される紫外線を反射材１９の作用により有効に活用するためには、紫外線光源４の設置されていない側の電極の開口部は、被処理液体の流通抵抗に大きな影響を与えない程度にできるだけ小さな開口径にするほうが好ましい。

また、電極３ａおよび電極３ｂの開口部８ａおよび開口部８ｂの開口面積は、被処理液体に含有する気泡１４を電極３ａと電極３ｂの間に流通させることと、電極３ａと電極３ｂから気泡を排出させることの両面を満足できる開口径であればよく、気泡１４の大きさにあわせて設定すればよい。

また、気泡１４に含まれる酸素から電極３ａと電極３ｂの間の放電でオゾンが生成されるので、気泡１４には酸素を含む必要があり、空気供給部１３から周辺の大気を供給すればよい。

さらに、空気供給部１３に酸素ボンベ等を接続し、高濃度の酸素を供給すればオゾン生成効率を向上する事が可能になる。

（実施の形態２）
図４に実施の形態２における水浄化装置の電極部周辺の概略斜視図を示す。実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

実施の形態１とは異なり、電極には開口部が無く、被処理液体は電極間を電極面に沿って流通するものである。

電極２０ａ、電極２０ｂ、側壁２１で被処理液体の流通経路が構成され、流入口２２、流出口２３が備えられている。電極２０ａと電極２０ｂは高圧パルス電源２４に接続されている。流入口２２の上部には紫外線光源２５と紫外線透過窓２６が備えられており、紫外線光源２５は電源２７と接続されている。流入口２２側には気泡発生部２８が備えられている。

図５に実施の形態２における水浄化装置の電極部周辺の概略断面図を示す。被処理液体はポンプ（図示せず）の作用により流入口２２から吸引され、流出口２３から吐出される。

また、吸入される被処理液体には気泡発生部２８から気泡２９が注入される。

電極２０ａおよび電極２０ｂが対向する側の表面には誘電体３０がコーティングされており、誘電体３０により反射材３１が担持されている。紫外線光源２５には反射板３２が備えられており、紫外線光源２５から放出される紫外線を電極２０ｂの表面に照射している。

このような構成によれば、実施の形態１と同様に電極２０ａと電極２０ｂの間で放電が行われ、被処理液体中の気泡２９に含まれる酸素から気泡２９の周辺でオゾンが生成される。

さらに、電極２０ａと電極２０ｂの表面に紫外線を照射することで電極２０ａと電極２０ｂの間に存在する気泡２９の周辺のオゾンからＯＨラジカルを生成することができる。低い電圧で放電を行うために、電極２０ａと電極２０ｂを近接させると、対向する電極２０ａと電極２０ｂの表面に紫外線を照射することが困難になるが、紫外線光源２５からの紫外線は電極２０ｂの表面の反射材により電極２０ａ側へ反射されることになる。

このように、電極２０ｂおよび電極２０ａに向けて照射された紫外線は反射材の作用により反射を繰り返すことで、電極２０ａと電極２０ｂの広い範囲にわたって照射されることになる。

特に、実施の形態１と異なり、電極に被処理液体が通過する開口部を有していない本実施の形態では、電極２０ａと電極２０ｂの表面における紫外線受光面積を増加させるためには、紫外線透過窓の面積を拡大するか、電極間に紫外線光源２５を設置する必要がある。

しかし、紫外線透過窓２６を拡大することは電極２０ａの面積を削減することにつながり、オゾンの生成効率を低下させることになる。また、電極２０ａと電極２０ｂの間に紫外線光源２５を設置すると被処理液体を流通させる際の抵抗となり、被処理液体の処理量を低減することになる。また、低い電圧で放電を開始する目的で電極を近接するので、電極間に紫外線光源２５を設置すると、電極の近接を阻害することになる。つまり、本実施の形態２では反射材３１を電極２０ａと電極２０ｂの表面に担持しているので上記課題を解決することができる。

なお、紫外線透過窓２６の材質は石英ガラスが好ましい。オゾンをＯＨラジカルに変換するために必要な波長の紫外線をできるだけ減衰することなく透過させる特性を有する材質であれば、石英ガラス以外の素材でも紫外線透過窓として利用することができる。

なお、紫外線によりオゾンから生成されるＯＨラジカルの利用については実施の形態１と同様である。

なお、気泡発生部２８については特にその構造について限定するものではないが、図４および図５に示すように所望の大きさの気泡が発生するような開口径を有する部材であればよい。

以上のように本発明の水浄化装置は、オゾンの生成効率とＯＨラジカルの生成効率を両立することで、ＯＨラジカルを高効率に生成するものである。したがって、電子部品製造工場等における有機物を含む超純水排水のリサイクルや、上水道における浄水場での有機物分解や殺菌について、ＯＨラジカルを活用して水浄化を行う水浄化装置として有用である。

１ 水浄化装置
２ 本体
３ａ 電極
３ｂ 電極
４ 紫外線光源
５ 流入口
６ ポンプ
７ 流出口
８ａ 開口部
８ｂ 開口部
９ 高圧パルス電源
１０ 電源
１１ 気泡発生部
１２ 配管
１３ 空気供給部
１４ 気泡
１５ 開口部
１６ 拡散板
１７ 電極基材
１８ 誘電体
１９ 反射材
２０ａ 電極
２０ｂ 電極
２１ 側壁
２２ 流入口
２３ 流出口
２４ 高圧パルス電源
２５ 紫外線光源
２６ 紫外線透過窓
２７ 電源
２８ 気泡発生部
２９ 気泡
３０ 誘電体
３１ 反射材
３２ 反射板
１０１ 電極
１０２ 誘電体
１０３ 高電圧電源
１０４ 流入口
１０５ 流出口
１０６ 気泡
２０１ オゾン発生器
２０２ 流入口
２０３ 流出口
２０４ 反応容器
２０５ 拡散板
２０６ 紫外線透過窓
２０７ 紫外線光源
２０８ 電源

Claims (4)

1. 被処理液体を流出入させる流入口と流出口を有する本体内に、
   少なくとも一対の電極と紫外線光源と気泡発生部を備え、
   前記電極間に被処理液体を導入し、前記電極間に電圧を印加するとともに前記紫外線光源により紫外線を照射することで活性酸素種を生成する水浄化装置であって、前記気泡発生部は前記電極の上流側に設け、少なくとも前記電極の対向する表面に光反射材を担持することを特徴とする水浄化装置。
2. 前記電極は複数の開口を有し、前記電極を前記被処理液体の流れに対し略垂直方向に配置し、
   前記電極が各々有する複数の開口径は同一であり、上流側に配置した前記電極の開口径は下流側に配置した前記電極の開口径より大きい構成とした請求項１記載の水浄化装置。
3. 前記電極は複数の開口を有し、前記電極を前記被処理液体の流れに対し略垂直方向に配置し、
   上流側に配置した前記電極の開口中心の、下流側に配置した前記電極への投影位置が、下流側に配置した前記電極の開口中心と異なるように前記開口を配置した請求項１記載の水浄化装置。
4. 前記光反射材が石英砂である請求項１から３のいずれか一項に記載の水浄化装置。

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