JP2014032787A

JP2014032787A - 液中放電装置

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Publication number: JP2014032787A
Application number: JP2012171566A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Morita; 達夫森田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-02
Filing date: 2012-08-02
Publication date: 2014-02-20

Abstract

【課題】液中に導入された気体中に、安定して容易に、多量のプラズマを形成することができる手段を提供すること。
【解決手段】誘電体バリヤー放電電極と、ギャップを介してフィルターを対峙させ、導電性液体を対極電極として高電圧を印加し、ギャップ内に導入された気体中に放電を誘起する。液はフィルター表面近辺、あるいはフィルター内でプラズマと接触し化学反応を誘起して液中の不純物の分解や液成分の変性が行われる。
【選択図】図１

Description

プラズマ、気体、液体、及び固体の関与する化学反応を利用する分野に利用される。特に液体のプラズマによる不純物の分解除去や化学的変性を必要とする分野に応用される。特には、水の清浄化, 廃液処理に用いられる。

従来、水処理や廃液処理におけるプラズマの関わりにおいては、プラズマにより生成したオゾンを処理液中へ輸送して気液混合して酸化処理し、殺菌や脱臭、脱色、無害化する方法が実用的に用いられてきた。一方、液体中でプラズマを形成し直接的にプラズマを処理液体に接触させ化学反応を誘起し、極めて寿命の短い反応種を始めとした多様な活性種を反応に使用しようという試みが提案されている。特に水中放電での提案が多い。水中のプラズマ形成は気泡の絶縁破壊として理解され、気泡が、電極近辺の水のジュール加熱により形成される場合（例えば特許文献１）と、外部から導入される場合（例えば特許文献２）とに大別される。

一方、処理すべき液体が電解質である場合、それを電極として放電を得る方法が古くから検討されており、最近では電極間距離やプラズマの直径が1ｍｍ以下であるマイクロプラズマとして取り扱われるようになってきた。非特許文献1には微細ガス流に直流電圧を印加して安定なマイクログロー放電が大気中で形成されることが示されている。また、非特許文献2には周波数13.56MHｚの高周波電力を用いた、電解質溶液を電極とする大気圧プラズマの形成が示されている。しかしこれらはいずれも電解質溶液自然表面にプラズマが接することになるため放電ギャップの安定化が課題となる。その課題を解決する方法の一つとして、電解液中に高圧電極を挿入し、喫水線に沿った放電を形成する方法が特許文献3に示されているが、放電領域が線状であり、液体処理能力の向上が課題となっている。

特開2006-268195公報特開2009-114001公報特開2010-137212公報

N. shirai, M. Nakazawa, S. Ibuka and S. Ishii : IEEE Trans. Plasma Sci., 361, 1160 (2008). Q. Chen, J. Li, K. Saito, Y. Yamano and H. Shirai : J. Phys. D : Appl. Phys., 41, 175212 (2007)

しかしながら、特許文献１に記載の水中気泡発生型は高電圧が必要とされ、大型の電源装置は大型化する。また、水中のプラズ、マストリーマも、点電極から放射状に広がるものであり大量の水処理には適していない。また特許文献2に記載の水中気泡導入型は、高圧電極と接地電極の狭窄部位に気泡と処理水の混合流体を導入するものであり、放電電圧は水中気泡発生型に比べ低くすることはできるが、プラスマと処理水との接触面積を大きくとることは困難であり、やはり大量の処理には難点が残る。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、プラズマと処理液体の接触面積を所望に応じて広げ、大量の液体処理に適し、且つ放電開始電圧および放電維持電圧を低くして、電源装置の大型化を回避できるプラズマ気液反応装置を提供することを目的とする。

本発明の気液プラズマ反応処理装置は、平板状の誘電体被覆電極と、該誘電体被覆電極と対向して設置された平板状フィルターと、該誘電体被覆電極とフィルターで挟持された空間を分割し、且つ放電ギャップを維持する隔壁と、気体が流通するために該隔壁に設けられた流通口と、該気体導入口と、該気体放出口と、高電圧を印加する給電口と、接地電極となる電解質処理液体で構成されることを特徴とする。そして該フィルターは該放電ギャップ長よりも短い径の多孔質物質で構成され、気体流がギャップに沿った平板状となる静圧を付与する一方、液体分子の出入りには制限を与えないことを特徴とする。

この構成によれば、高圧電極とフィルター間のギャップ内を流動する気体に対し、比較的に低い電界強度でプラズマを形成することができ、プラズマは平板形状となる。そして、該プラズマをフィルターに沿って接地電極を兼ねる被処理液体に接触させることができる。不純物を含む被処理液体分子はプラズマ界面と沖合とを自由に行き来することができ、プラズマ界面の面積を大きくすることで大量の液体処理に対処することができる。

また、気体の通路を分割する隔壁を導電性物質で構成し、高圧電極面との接触角を鋭角とすることで放電開始電圧をより低減することができる。

本発明によれば、水をはじめとするあらゆる導電性液体中で容易にプラズマを形成することができ、導入気体種を選択することにより、酸化還元をはじめとする多様な気液プラズマ反応場を形成することができる。また、従来困難とされてきた反応処理量の多量化も可能となる。

一実施形態における液中放電装置の概念図液中放電電極の断面図鋭角の接触角をもつ隔壁を具備する液中放電電極断面図

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1は一実施形態に係る液中放電装置の概念図である。図1に示すように液中放電装置は高圧電極2、液収納漕3、高圧電源4、ガス供給装置5、液6から構成される。高圧電極は金属層2-2を誘電体層2-1が被覆して形成されており、該誘電体表面には隔壁2-4と、フィルター2-3が設置され、ガス導入口2-5から導入されたガスが、隔壁2-4で分割された小室を経てガス排出口2-6から排出される構造となっている。

図2は高圧電極の断面図を示す。まず、電圧印加部位を説明する。高電圧は誘電体を介して印加され、誘電体バリヤ放電を誘起する。従って、誘電体の具備すべき要件は、高誘電率、高耐電圧性、および耐液性である。材料としてはガラス、あるいはセラミクスが用いられる。低誘電率のガラス等を用いた場合は、耐圧範囲内でできる限り層厚を薄くすることが有効である。金属部位上への誘電体層の形成には、当該誘電体板の貼り合わせや、誘電体の溶射、誘電体材料の蒸着、塗布が用いられる。電極用金属はステンレス鋼、アルミ合金、マグネシウム合金、銅合金、チタン合金、モリブデン合金、およびシリコン基板が用いられる。シリコン基板を用いた場合は、シリコン表面の熱酸化膜を形成して耐圧強度を高めることが有効となる。

つぎに放電部位を説明する。誘電体層2-1、フィルター2-3、および隔壁2-4で構成された空間に気体が導入され、電極2より印加された高電圧により気体中にプラズマが形成される。接地電極は液6である。気体はフィルター側に抜けることなく、隔壁に設けられた小隙より隣接する空間に流れ行き、電極端部2-6から放出される。フィルターは気泡を通過させないが、不純物を含む液体構成成分は通過させる。従って、プラズマと液の界面はフィルター内に形成され、該界面において気液プラズマ反応が起こる。反応生成物は、濃度拡散、あるいは液の流動によって均一化され、液全体が処理される。

フィルター2-3は、隔壁2-4の高さで決定される放電ギャップ長より小さな径の空孔を有した構造を有するが、放電ギャップ内で形成し得る気泡径よりも、該空孔径が小さいことが肝要である。フィルター材料としては、合成繊維、炭素繊維、綿、セラミクス繊維、ガラス繊維、多孔セラミクス、多孔質セラミクス、多孔樹脂、多孔ガラスおよびそれらの複合体を用いることができる。形態として不織布、織布、あるいは板として平板状となる。

隔壁2-4はプラズマ空間を規定する。分割のサイズは電源容量、気体種、気体流速等によって、プラズマ発生領域が最大となるよう適宜決められる。特に、フィルターの剛性が小さい場合はその気体圧による変位を小さくするため、より分割することが有効となる。また隔壁の高さで放電ギャップが決定されるため、低電圧化のためにはパッシェンミニマムをとることが最適であるが、気体流の圧損、反応活性種の量などを考慮して適宜に決められる。一方、用いる電極材料の耐圧などを考慮すれば、ギャップ長は1ｃｍ以下、望ましくは0.3ｍｍから1.0ｍｍの範囲を用いるのがよい。また、隔壁の材料は導電性であってもよいし、非導電性であってもよい。従ってガラス、セラミクス、ゴム、金属、を用いることができる。また、隔壁に放電補助機能を持たせるためには、導電性を有することが必要となる。これについては後述する。

プラズマ処理されるべき液6に対しては、撹拌や循環の機構を付加して処理反応を促進することが有効である。また放電電圧をより低くするために隔壁2-4側面と高圧電極面との成す角を、鋭角とすることが有効である。この時、隔壁2-4は導電性を有することが必要である。前述の放電補助機能である。図3に上記鋭角を有する隔壁を具備した電極の断面図を示した。

以下、本発明の実施例を示す。高電圧電極は厚さ0.1ｍｍのステンレス鋼に、厚さ0.5ｍｍのソーダガラスを両面から熱圧着したものを用いた。機械的強度を補強するため、裏面に3ｍｍのソーダガラスを融着して補強した。隔壁は厚さ0.5ｍｍのストライプ状のソーダガラスを融着して形成した。フィルターは平均間隙が0.3ｍｍ以下のガラス繊維不織布を用い、無機セラミクス系接着剤で隔壁の上面に固着した。電極外形は15cmm×10ｃｍ、隔壁で分割された室の面積は3ｃｍ×2ｃｍとした。また、各室間の隔壁に設けられた気体流通間隙は3ｍｍとした。処理液として水を用い、放電ガスは大気圧の空気とし、エアーポンプにより供給した。高圧電源は周波数可変の正弦波で10KVまで昇圧が可能であった。また、電力容量は1000Wであった。上記装置を用いてプラズマ形成を試みたところ、各室において5KVで放電が開始した。放電維持電圧は2KVであった。また、この時、皮相電力は65ＶＡであった。

本発明は、液中に含まれるウイルス、細菌類の滅菌、有害有機物の分解、特に難分解性有害有機物質の分解、液体の酸化還元処理や変性に用いることができる。すなわち、上下水道処理、各種工場の廃液処理、家庭での浄水生成および排水処理、などに利用することができる。

1・・・液中放電装置、 2・・・放電電極、 2-1・・・誘電体層、 2-2・・・金属層、 2-3・・・フィルター、 2-4・・・隔壁、 2-5・・・気体導入口、 2-6・・・気体排出口、 2-7・・・給電口、 3・・・処理液収納漕、 4・・・高電圧電源、 4-1・・・接地電極配線、 4-2・・・高圧電極配線、 5・・・気体供給装置、 5-1・・・気体供給配管、 6・・・処理液。

Claims

誘電体で被覆された金属電極が、放電ギャップ長より小さな空隙、あるいは空孔径を有するフィルターとスペーサを介して、あるいは支持手段をもって対峙し、導電性液体中において該ギャップ中に放電用気体を流動させ、誘電体被覆電極と導電性液体間に高電圧を印加することにより該ギャップ内に放電を誘起することを特徴とする、液中放電装置。
合成繊維布、ガラス繊維布、金属繊維布、炭素繊維布、セラミクス繊維布、綿、紙、多孔性セラミクス、多孔性樹脂、多孔性ガラス、および多孔性炭素素材のいずれか一種、またはそれらを組み合わせた素材で成るフィルターを具備する、請求項1に記載の液中放電装置。
ギャップ長を決定するスペーサで隔壁を構成することによって放電空間が分割され、且つ気体が流通する間隙が隔壁の一部に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の液中放電装置。
隔壁が導電性を有し、隔壁の側面と誘電体で被覆された電極表面のなす角が90度以下であることを特徴とする、請求項3に記載の液中放電装置。
ギャップ長が1ｍｍ以下であることを特徴とする請求項1に記載の液中放電装置。
液体の撹拌、および流動装置を具備する請求項1に記載の液中放電装置。