JP2014210222A

JP2014210222A - 液体処理装置

Info

Publication number: JP2014210222A
Application number: JP2013086699A
Authority: JP
Inventors: 今井　伸一; Shinichi Imai; 伸一今井
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2014-11-13

Abstract

【課題】電源部における電力消費を少なくしながら、液中プラズマを生成して良好に液処理を行うことができる液体処理装置を提供する。【解決手段】電源部４０においては、交流電源４１と高電圧トランス４２とで構成される交流電源部から高電圧で交流電力が出力され、整流ダイオード４３で電流が半波整流されることによって、第１電極２０には正の電圧がパルス状に印加される。気体層形成部６０において、ポンプ８０から電極支持部２２の中に送り込まれる空気は、挿入孔２３を通って保持ブロック１２の貫通孔１２ａを通って包囲体６１の中に入り、電極棒２１の根本側から先端側に向かって、電極棒２１と包囲体６１との隙間を流通する。電極部分２１ａの表面全体が、気体層１０１によって被覆され、電極部分２１ａと被処理液１００との間は気体層１０１によって隔離された状態となる。【選択図】図３

Description

本発明は、水をはじめとする液体を処理する液体処理装置に関し、特に、液中にプラズマ生成することによって液体を処理する液体処理装置に関する。

近年、水をはじめとする液体を、液中にプラズマ生成することによって処理する液体処理装置が開発されている。
この液体処理装置は、例えば、ナノ粒子の生成など様々な化学反応を発生させるのに用いられている。また、水をはじめとする液体を殺菌処理するのに用いられている。
液体処理装置の構成は、例えば特許文献１，２に示されているように、高電圧パルス供給用の電源部を備え、液中に配した電極対の間に高電圧パルスを印加することによって、液中において電極間で連続的にプラズマを発生するようになっている。

また、特許文献２には、電極近傍の液をジュール加熱により気化させて、生成した気泡内に繰り返し大電力高電圧パルスを印加することによって、液中の気液界面でプラズマ化学反応の効率を向上させる技術が記載されている。
高電圧パルス電圧を供給する電源部は、例えば、交流電力を直流に変換する直流コンバータ、直流コンバータから出力される直流電力を一定の周期でスイッチングするインバータ、インバータから出力される交流のパルス電圧を昇圧して出力するパルストランスで構成されている。そして、電源部から電極対には、例えば、周波数１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、パルス幅約１０μ秒〜２０μ秒のパルス矩形波が、約８００Ｖ〜１ｋＶの電圧で出力される。

特開２００８−１３８１０号公報特開２００７−２０７５４０号公報

しかし、上記のような液体処理装置において、液中にプラズマを生成して液処理を良好に行うためには、電源部から多くの電力を供給する必要がある。そのため、液体処理装置が大型になりやすく、家電製品など小型の製品には適用しにくい。
本発明は、上記課題を鑑み、電源部における電力消費を少なくしながら液中プラズマを生成して良好に液処理を行うことができる液体処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様にかかる液体処理装置は、被処理液を収納する反応槽と、反応槽に設けられた電極対と、電極対間に電力を供給する電源部とを有し、反応槽の中でプラズマを生成することによって被処理液を処理する液体処理装置であって、電源部は、交流電源と、交流電源と電極対との間の電力経路に介挿され、当該電力経路を流れる電流を半波整流する整流ダイオードとを備え、反応槽には、電極対の中で高電位側の第１電極における被処理液に臨む電極部分を覆うように気体を導入して、当該電極部分と被処理液との間を隔離する気体層を形成する気体層形成部が設けられ、電極対の中の低電位側の第２電極は、被処理液に接触している構成とした。

上記態様の液体処理装置によれば、従来の液体処理装置と比べて、電源部から供給する電力は少なくても、液中にプラズマを発生させて、良好に液処理を行うことができる。
従って、比較的簡便な装置構成で、良好に液処理を行うことができる。

実施の形態にかかる液体処理装置１の全体構成図である。（ａ）は液体処理装置１における第１電極２０と気体層形成部６０の構成を示す断面図、（ｂ）は分解斜視図である。液体処理装置１の構成を模式的に示す図である。（ａ）は液体処理装置１の動作を模式的に示す図、（ｂ）は比較例にかかる液体処理装置の動作を模式的に示す図である。液体処理装置１において電極対に印加される電圧波形を示す図である。実験結果を示す図である。変形例にかかる液体処理装置の部分構成図である。

＜発明に到った経緯＞
液中プラズマを形成して液処理を行う液体処理装置においては、一般に被処理液を収納する反応層に設けられた電極対に高電圧の高周波を印加してプラズマを発生させて液処理がなされる。そのメカニズムを考察すると、電極対に高電圧の高周波を印加することによって、ジュール熱などで液中に気泡が形成され、その気泡の中でプラズマ放電が発生する。そして、プラズマ発生に伴って気泡の中で遊離した正イオン及び電子が発生する。その正イオンと電子が再結合してラジカルが生成され、生成したラジカルが液体中に浸透して、液中の不純物などと反応することによって処理がなされる。

ここで、液体中に空気などの気体を外部から導入して電極を覆うように気体層を形成すれば、ジュール熱を用いなくても気体層を形成でき、より少ない電力で液中プラズマを発生できる点に着想した。
さらに、気体層中における液との界面近傍において、正イオンと電子の再結合を多くするように工夫すれば、液体中に浸透するラジカルの数が多くなることにも着目した。そして、交流電源から電極対に流れる電流を半波整流すると共に、高電位側の電極に対して気体層を形成する装置構成とすることによって、気体層中における液体との界面近傍において正イオンと電子の再結合を多く発生できることも見出した。

このような知見に基づいて本発明の構成に到った。
＜発明の態様＞
本発明の一態様にかかる液体処理装置は、被処理液を収納する反応槽と、反応槽に設けられた電極対と、電極対間に電力を供給する電源部とを有し、反応槽の中でプラズマを生成することによって被処理液を処理する液体処理装置であって、電源部は、交流電源と、交流電源と電極対との間の電力経路に介挿され、当該電力経路を流れる電流を半波整流する整流ダイオードとを備え、反応槽には、反応槽には、電極対の中で高電位側の第１電極における被処理液に臨む電極部分を覆うように気体を導入して、当該電極部分と被処理液との間を隔離する気体層を形成する気体層形成部が設けられ、電極対の中の低電位側の第２電極は、被処理液に接触している構成とした。

上記態様の液体処理装置によれば、気体層形成部が反応槽に気体を導入して気体層を形成し、その気体層で電極部分の表面を被処理液から隔離している。従って、気体層を形成するのにジュール熱を用いる必要がなく、より少ない電力で気体層を形成することができる。
さらに、交流電源から電極対に流れる電流を整流ダイオードで半波整流すると共に、高電位側の第１電極における電極部分と被処理液との間を気体層で隔離しているので、プラズマ放電によって発生する正イオンは、第１電極との間のクーロン反発力によって気体層における気液界面の近傍に押しやられ、そこで電子と再結合してラジカルとなる。

それによって気液界面近傍で正イオンと電子の再結合によるラジカルが多く生成されるので、生成されたラジカルはこの気液界面から効率よく液中に浸透する。従って、ラジカルによる液処理が効率よくなされる。
よって、上記態様の液体処理装置によれば、より少ない電力で、効率よく液処理をなすことができる。省電力に伴って電源部の構成も簡素となる。また、電源部では、整流ダイオードで半波整流を行っているので、この点でも電源部の構成も簡素なものとすることができる。

上記態様の液体処理装置において、以下のようにしてもよい。
気体層形成部は、電極部分を内包するように気体層を形成し、その気液界面を、気体層を介して電極部分と対向するようにすれば、より効率よく液処置する効果が得られる。
このような気体層形成部は、反応槽の中において電極部分と隙間をおいて当該電極部分を包囲する包囲体と、反応槽の外から隙間に気体を導入する気体導入部とを設けることによって実現することができる。

ここで、電極部分は、反応槽の内部に突出し、包囲体が電極部分の周りを取り囲む筒状とし、気体導入部は、電極部分の根本側から隙間に気体を導入することが、電極部分の表面を覆う気体層を良好に形成する上で好ましい。
第１電極を、反応槽の壁を貫通して設置し、当該壁の外側部分で電力経路に接続し、気体層形成部において、気体を導入する導入口を、第１電極の外側部分に設けることも、装置構成をコンパクトにする上で好ましい。

整流ダイオードとして、リカバリー時間が１０μ秒以下のものを用いる。これによって半波整流する際に、逆向きの電流をカットして第１電極に正方向のだけのパルス波形を印加することができる。従って、上記の界面近傍でのラジカル生成効果を高めることができる。
整流ダイオードを、複数のダイオード素子を直列に接続して構成する。それによって、駆動時に各ダイオード素子にかかる電圧は低くなるので、各ダイオード素子として耐圧性の低いものを用いることができ、コストを低減できる。

上記液体処理装置において、さらに交流電源及び気体層形成部の駆動を制御する制御部を設け、この制御部が、交流電源の駆動開始よりも気体層形成部の駆動を先に開始するようにする。それによって、交流電源が駆動して電極対に電圧が印加されるときには、すでに第１電極の電極部分の表面は気体層で被覆されているので、上記の少ない電力で液中プラズマを発生する効果を確実に得ることができる。

＜実施の形態＞
以下、実施の形態にかかる液体処理装置について、図面を参照しながら説明する。
［全体構成］
図１は、実施の形態にかかる液体処理装置１の全体構成図である。
液体処理装置１は、被処理水１００を収納する反応槽１０と、反応槽１０に取り付けられた電極対（第１電極２０及び第２電極３０）と、第１電極２０及び第２電極３０間に電圧を印加する電源部４０と、反応槽１０との間で被処理水１００を循環させる処理槽５０を有している。そして、反応槽１０においては、第１電極２０及び第２電極３０の間に印加される電力で被処理水１００の中にプラズマ１０２を生成することによって被処理水１００を処理する。

この液体処理装置１は、例えば台所、洗面所やトイレなどに設置される家庭用の水浄化装置であって、被処理水１００は水である。
反応槽１０及び処理槽５０は、被処理水１００を収納できる容器である。その材質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなどのプラスチックやテフロンなどの樹脂材料が成形性やコスト面で好ましい。ただし、ガラス、セラミックスや金属などを用いることもできる。

反応槽２０と処理槽５０との間には、配管５１及び配管５２が接続され、配管５１に循環ポンプ５４が介挿されている。反応槽１０の内部には被処理水１００で満たされ、処理槽５０内部にも被処理水１００が充填され、循環ポンプ５４を駆動することによって、被処理水１００が循環するようになっている。
反応槽１０及び処理槽５０の容量は、例えば反応槽１０及び処理槽５０を合算して約６００ミリリットルの容積を有する。処理槽５０には、被処理水１００の出入口となる液体口５５及び気体の抜け口となる気体口５６が設けられている。

反応槽１０における側壁１１には、第１電極２０及び第２電極３０が側壁１１に設置されている。第１電極２０は高電位側（正極側）の電極であり、第２電極３０は低電位側（負極側）の電極である。
液体処理装置１には、さらに、電源部４０、循環ポンプ５４、ポンプ８０を駆動制御する制御部９０も設けられている。

[第１電極２０及び第２電極３０]
第１電極２０は電極棒２１を備え、第２電極３０も電極棒３１を備えている。これらの電極棒２１，３１は、側壁１１を貫通して反応槽１０の内方に突出している。液中プラズマを形成する上で、電極棒２１の直径は２ｍｍ以下とすることが好ましい。
電極棒２１は、タングステン材料で形成されている。ただしこの他に、鉄、銅、アルミ、白金、錫、真鍮、あるいはこれら金属の１種以上を含む合金を材料に用いても良い。

一方、第２電極３０の電極棒３１は被処理水１００と接触している。電極棒３１の形状や材質は特に限定されず、電極棒２１と同様のものを用いてもよい。
また処理槽５０は接地されており、それに伴って処理槽５０中の被処理水１００及び反応槽１０中の被処理水１００全体が接地され第２電極３０も接地されていることになる。
反応槽１０における第２電極３０の位置は、電極棒３１の一部が被処理水１００と接触する位置であればよく、第１電極２０と対向させる必要もない。

ただし、第１電極２０と第２電極３０との間の距離は、近すぎるとプラズマを生成できるが、電極間が短絡したプラズマになりモードが変わってしまう。つまり、第１電極２０と気体壁の間の放電とならずラジカルの生成量が少なくなってしまう。従って、印加する電圧と導入する気流の圧力と種類にもよるが、１０ｍｍ以上離すことが好ましい。
第１電極２０が設置されている箇所には、第１電極２０における電極棒２１を覆うように気体層を形成する気体層形成部６０が設けられている。この気体層形成部６０はポンプ８０で反応槽１０の外から空気を導入し、第１電極２０における被処理水１００に臨む電極部分２１ａを覆うように気体層を形成する。

[気体層形成部６０]
第１電極２０と気体層形成部６０の構成について、図１，２を参照しながらさらに詳述する。
図２（ａ），（ｂ）に示すように、反応槽１０における側壁１１の下部には貫通孔１１ａが開設され、側壁１１の外面には、この貫通孔１１ａを覆うように保持ブロック１２が取り付けられている。この保持ブロック１２は、保持ブロック１２には貫通孔１１ａと連通する貫通孔１２ａが開設されている。保持ブロック１２には、成型が容易で剛性を有する絶縁性材料、例えばアクリル樹脂、ＰＥＥＫ樹脂のような樹脂を用いることが好ましい。

保持ブロック１２は、側壁１１の外面にねじで固定されている。保持ブロック１２と側壁１１との間には、貫通孔１１ａの外側を囲む環状のシール材１３が介挿されている。保持ブロック１２の固定は、長ねじ（不図示）を、保持ブロック１２に形成された挿通孔１４に挿通し、側壁１１に形成されたねじ孔１５に螺号することによってなされている。
保持ブロック１２には、貫通孔１２ａ内を挿通するように第１電極２０が取り付けられている。

図２（ｂ）の部分拡大図に示すように、第１電極２０は、金属で形成された電極棒２１、及び電極棒２１の根本部分２１ｂを支持する電極支持部２２を有している。電極支持部２２は、第１電極２０よりも大きい直径を有する有底筒状の部材であって、導電性の金属で形成されている。
ここでは、電極棒２１の直径を０．９５ｍｍ、電極支持部２２の直径を３ｍｍとする。ただし、各寸法はこれに制約されるものではない。

また、電極支持部２２の材料は、鉄をはじめ、一般的にネジに用いられている材料、例えば、銅、亜鉛、アルミ、錫、真鍮などを用いることができる。
電極支持部２２の端部には挿入孔２３が形成され、電極棒２１は、その根本部分２１ｂが挿入孔２３に圧入されることによって電極支持部２２に保持されている。
挿入孔２３は、電極支持部２２の端面に十字状に刻まれて形成されている。従って挿入孔２３に電極棒２１の根本部分２１ｂが挿入されると、電極棒２１は電極支持部２２によって挿入孔２３の中心に保持されると共に、電極棒２１の周囲においては挿入孔２３を通して空気が流通可能になっている。

また、電極支持部２２の外周面には雄ねじが形成され、電極支持部２２の貫通孔１２ａの内周面にも対応するねじが形成されている。そして電極支持部２２を貫通孔１２ａにねじ込むことによって保持ブロック１２に固定されている。電極支持部２２の外周面と貫通孔１２ａの内周面の間にはシール材を介挿してシールすることが好ましい。
このようにして第１電極２０は、保持ブロック１２を介して反応槽１０に取り付けられ、その状態で、電極棒２１の先端側は、側壁１１の貫通孔１１ａを通って反応槽１０内に突出している。電極棒２１は、保持ブロック１２における貫通孔１２ａの軸に沿って取り付けられている。

電極支持部２２には、気体供給用のポンプ８０から空気を送り込む空気供給用の絶縁性チューブ８１が接続されている。
さらに、電極棒２１における被処理液１００に臨む電極部分２１ａ（電極棒２１の先端側の部分）は、絶縁性材料からなる包囲体６１で包囲されている。この包囲体６１は、電極棒２１の周りに空気を閉じ込める働きをなすものであって、電極棒２１と距離をおいて、電極棒２１を取り囲んだ状態で、保持ブロック１２に装着されている。包囲体６１を形成する絶縁性材料としては、耐空性を有するセラミックスが好ましい。

包囲体６１の保持ブロック１２への固定は、包囲体６１の端部を、保持ブロック１２の貫通孔１２ａに圧入することによってなされている。包囲体６１の先端は、電極棒２１の先端よりも先まで伸長し、先端部に空気の出口となる開口６１ａが開設されている。
このような構成の気体層形成部６０において、ポンプ８０から電極支持部２２の中に送り込まれる空気は、電極支持部２２の挿入孔２３を通って保持ブロック１２の貫通孔１２ａを経て包囲体６１の中に流れ込み、電極棒２１と包囲体６１との隙間を流通する。

ここで上記のように挿入孔２３は十字状に形成されその中心に電極棒２１が支持されているので、挿入孔２３を通過した空気は、電極部分２１ａの周りを囲みながら、電極部分２１ａの根本側から先端側に向かって流通する。
そして、この空気は包囲体６１の開口６１ａから被処理水１００の中に気泡として放出される。

従って、電極棒２１における被処理液１００に臨む電極部分２１ａは、気体層１０１に内包される。すなわち、この電極部分２１ａの表面全体が、気体層１０１によって被覆され、電極部分２１ａと被処理液１００との間は気体層１０１によって隔離された状態となる。この状態は、電極部分２１ａが単一の柱状の気泡で覆われた状態ということもできる。

図３に示すように、開口６１ａの近傍において、電極部分２１ａは気体層１０１を挟んで気液界面１１１と対向している。特に、電極部分２１ａの先端が気体層１０１を挟んで気液界面１１１と対向している。これによって、後述するように気体層１０１内でプラズマ放電が良好に発生して、優れた液処理効果を得ることができる。
［電源部４０］
図１，３に示すように、電源部４０は、高周波を発生する交流電源４１、交流電源４１からの出力電圧を昇圧する高電圧トランス４２を備え、さらに高電圧トランス４２から出力される交流を半波整流する整流ダイオード４３を備えている。電源部４０における電源部４０の消費電力は、例えば３０Ｗ〜１００Ｗである。

交流電源：
交流電源４１は、商用電源（１００Ｖ、５０〜６０Ｈｚ）から供給される電力を整流し平滑化する整流回路、及び平滑化した電力を高周波変換するインバータ回路を備える。この交流電源４１から出力される周波数は１Ｈｚ〜１００Ｈｚ以下の範囲であって、交流電圧は例えば１００Ｖである。周波数が高いほど消費電力は大きくなる。ここでは周波数６０ｋＨｚとする。

高電圧トランス４２は、１次側コイル及び２次側コイルを備え、１次側コイルは交流電源４１に接続されている。そして、交流電源４１から出力される電圧を、高電圧の交流に変換する
高電圧トランス４２から出力される電圧波形は、正弦波状の交流波形である。
高電圧トランス４２において昇圧する電圧の大きさは、電源部４０から出力する電圧がどの程度必要かによって決まり、その電圧値は、被処理液１００の導電率や電極の形態によって変わる。すなわち、被処理液１００の導電率が高い場合は必要とする電圧は低く、被処理液１００の導電率が低い場合は、必要となる電圧は高くなる。ただし、本発明者の知見によれば、電源部４０から出力する電圧として必要な値（ピーク電圧）は、最大でも５ｋＶ程度である。

整流ダイオード４３：
高電圧トランス４２の二次側コイルは、電極対（第１電極２０と第２電極３０）に接続されている。ただし、高電圧トランス４２の二次側コイルから電極対への電力供給路に介在するように整流ダイオード４３が設けられている。この整流ダイオード４３は、電流を半波整流するように、電極対と直列にされている。

図１，３に示す例においては、整流ダイオード４３は高電圧トランス４２の二次側コイルにおける一方の端子４２ａが整流ダイオード４３のアノード側に接続されている。そして整流ダイオード４３のカソード側は、電力線７１を介して第１電極２０に接続されている。また、高電圧トランス４２の二次側コイルにおける他方の端子４２ｂは、電力線７２を介して第２電極３０に接続されている。

電力線７１と第１電極２０との接続は、例えば電力線７１の端部に圧着端子を取り付けて、これを電極支持部２２に接続することによって行う。電力線７２と第２電極３０との接続も同様である。
以上のように、電源部４０においては、交流電源４１と高電圧トランス４２とで構成される交流電源部から高電圧で正弦波の交流電圧が出力される。そして、整流ダイオード４３で半波整流され、第１電極２０には正の電圧がパルス状に印加される。なお、ここで整流ダイオード４３はスイッチのように機能するので、付加的にスイッチを設けなくても負側がカットされて半端整流がなされる。

図５は、電源部４０によって第１電極２０と第２電極３０との間に印加される電圧波形の一例を示す図である。ここで、第２電極３０の電位はグランド電位と同等なので、この電圧波形は、第１電極２０の電位を示すことになる。
第１電極２０には図５に示すように正弦波の負側がカットされたパルス状の正の高電圧（周波数６０ｋＨｚ）が印加されることになる。

整流ダイオード４３の構成：
整流ダイオード４３は、複数のダイオード素子を直列に接続して構成されている。
図３には、電源部４０において、複数（ｎ個）のダイオード素子Ｄ１、Ｄ２…Ｄｎを直列接続して整流ダイオード４３が構成されている。それによって、各ダイオード素子Ｄ１、Ｄ２…Ｄｎにかかる電圧は約１／ｎに低下するので、各ダイオード素子には低耐圧のダイオード素子を用いることができる。

整流ダイオード４３に、例えば１０ｋＶ程度の耐圧を有するダイオード素子を１個だけ用いることも可能であるが、高耐圧のダイオード素子はコストが高くなり、素子の大きさも大きくなりやすい。
これに対して、低耐圧のダイオード素子を複数個直列接続して用いる方が、低コストとなり、素子サイズも小さいものを使用することができる。また、チップダイオードを用いれば、さらに小型化することも可能である。

なお、図３に示す整流ダイオード４３は、複数（ｎ個）のダイオード素子を直列に接続しているだけであるが、直列及び並列を組み合わせた接続形態としてもよい。並列を組み合わせることによって、整流ダイオード４３における電流許容値を高めることができる。
高電圧トランス４２から出力される周波数が高い場合、一般的な汎用整流ダイオード（例えば型番ＩＮ４００７）では、逆方法の電流が十分にカットされず、第１電極２０に負側の高電圧も印加されてしまう。従って、整流ダイオード４３として、リカバリー時間（trr，逆回復時間）が短いダイオード素子（一般的にファーストリカバリーダイオードといわれている。）を用いる。このリカバリー時間は、駆動時にダイオード素子に印加される電圧の向きが順バイアス方向から逆バイアスに変化したときに、蓄積されているキャリアによって通電がなされる時間である。

例えば、交流電源の周波数が６０ｋＨｚの場合、整流ダイオード４３においては、リカバリー時間が１６μ秒以下のファーストリカバリーダイオード素子を使用する。そして、周波数が低い場合は、ダイオード素子のリカバリー時間はこれより長くてもよく、例えば周波数３０ｋＨｚの場合はリカバリー時間が３３μ秒以下のダイオード素子を用いればよい。一方、周波数が高い場合は、リカバリー時間がより短い整流ダイオードを使う必要がある。例えば周波数１００ｋＨｚでは、リカバリー時間が１０μ秒以下のものを用いることが望ましい。

通常、交流電源４１の周波数は１００ｋＨｚ以下なので、整流ダイオード４３の各ダイオード素子には、リカバリー時間が１０μ秒以下のダイオード素子を用いればよい。
［液体処理装置１の動作］
液体処理装置１の操作及び動作を説明する。
操作者は処理槽５０及び反応槽１０に被処理液１００を入れる。

制御部９０は、操作者が行う指示に基づいて、循環ポンプ５４及びポンプ８０を始動する。
循環ポンプ５４が駆動すると被処理液１００が反応槽１０と処理層５０の間を循環する。それによって、反応槽１０内の被処理液１００及び処理層５０内の被処理液１００が撹拌される。なお被処理水１００の循環速度は、プラズマによる被分解物の分解速度と反応槽１０，処理層５０の容積に基づいてあらかじめ適切な値に設定しておく。

ポンプ８０から送られる気体の流量は、例えば０．５リットル／ｍｉｎ〜２．０リットル／ｍｉｎである。ポンプ８０から送られる空気は、第１電極２０の電極支持部２２の中を通って、包囲体６１の中に導入される。その空気は、電極部分２１ａの表面を被覆しながら包囲体６１の内部を流通して、包囲体６１の先端にある開口６１ａから被処理水１００の中に放出される。被処理水１００中に気体層１０１が柱状に形成されることになる。

図１に示す例では、包囲体６１のから被処理水１００の中に放出される空気は、一定距離（１０ｍｍ以上）にわたって途切れることのない、単一の大きな気泡となっている。
このようにして、第１電極２０の電極部分２１ａは常に気体層１０１で覆われた状態となる。
気体層１０１を形成し終わった空気は、反応槽１０の上部から被処理液１００と共に配管５２を経由して処理槽５０に送られ、気体口５６から放出される。

制御部９０は、上記のようにポンプ８０を始動した後に交流電源４１を始動する。
交流電源４１を駆動すると、第１電極２０に正のパルス電圧（周波数６０ｋＨｚ）が印加される。そして反応槽１０の中で液中プラズマが生成され、気体層１０１の中ではプラズマの発生に伴って、正イオン（例えば、Ｎ⁺，Ｎ₂ ⁺，ＯＨ⁺，Ｈ⁺，Ｏ⁺）と電子（ｅ^-）、と中性粒子が生成される。この正イオン及び電子は、高電圧パルスの繰返周波数に応じて断続的に発生する。なお、これら正イオンの生成は、プラズマ部１０２を発光分光分析することで確認できる。

そして、発生した正イオンと電子とが再結合することによって中性のラジカルが生成される。生成されたラジカルは、気体層１０１と被処理水１００との気液界面１１１から被処理水１００に浸透し拡散する。
拡散したラジカルによって、被処理水１００が処理される。すなわち、被処理水１００中の被分解物（有害物質）が分解されたり、殺菌がなされる。

操作者は、このようにして処理された被処理水１００を処理槽５０の液体口５５から取り出す。
［液体処理装置１による効果]
上記のように液体処理装置１では、電源部４０における整流ダイオード４３で半波整流されることによって、第１電極２０に印加される電圧が正のパルス状となり、かつ第１電極２０の電極部分２１ａが気体層１０１で被覆され、電極部分２１ａと被処理水１００との間が気体層１０１で隔離された状態となっている。これによって以下の効果が得られる。

図３，図４（ａ）に示すように、第１電極２０は正極であって、気体層１０１を介して気液界面１１１と対向している。また図４（ａ）中に破線Ｌで示すように、気液界面１１１は被処理水１００及び第２電極３０と導通し、接地された電極として機能する。すなわち正極である電極部分２１ａが、気体層１０１を介して、気液界面１１１（接地された電極）と対向していることになる。

従って、第１電極２０に正電圧が印加されると、電極部分２１ａと気液界面１１１との間に電界が形成され、気体層１０１内で高電圧絶縁破壊放電が生じ、気体層１０１内の気化物が電離してプラズマ化する。ここで形成されるプラズマ部１０２の大きさは気体層１０１の容積に左右され、気体層１０１の容積が大きいほど、被処理水１００の液中で大面積の対向電極を形成したことに等しくなるのでプラズマも大きくなる。

なお、プラズマの生成については、プラズマ発光をフォトセンサで測定することによって確認することができる。
ところで、プラズマ放電によって気体層１０１の中に生成される正イオンは、液体相に侵入しにくいが、気体層と液体の界面部分で電子と結合してラジカルになると液体相に侵入しやすい。

ここで、図４（ａ）に示すように、気体層１０１の中で生成される正イオンは、第１電極２０との間に働くクーロン反発力によって、気液界面１１１の近くに押しやられる。
そして、気体層１０１と被処理液１００との気液界面１１１近くで正イオンが電子と再結合する割合が多くなるので、気体層１０１で生成される生成されるラジカルの中で被処理液１００に溶解及び拡散するラジカルの割合が多くなる。従って、被処理液１００の中に浸透するラジカル数が多くなる。なお、被処理液中のラジカル数は、ＥＳＲもしくは滴定によって測定することができる。

このように液体処理装置１においては、液中に多くラジカルが拡散されることによって、被処理液１００を処理する効果が大きくなる。
さらに、電源部４０から電極対に流れる電流が整流ダイオード４３で半波整流されるので、高電圧トランス４２から出力される交流を半波整流せずに電極対に印加する場合と比べて、消費電力はより少なくて済む。

以上のように、液体処理装置１によれば、少ない消費電力で、被処理液１００を処理する効果は大きい。従って、電源部４０を小型化しながら、被処理液１００を処理する能力を高めることができる。
また、気体層１０１の中で生じるプラズマ放電がアーク放電に移行した場合は、第１電極２０の電極棒２１が溶解して消耗が激しくなるが、液体処理装置１においては、半波整流しているので、第１電極２０には電圧印加されない休止時間が形成される。それによって、プラズマ放電がアーク放電に移行するのが抑制される。従って、液体処理装置１においては、第１電極２０における電極棒２１の消耗も抑制される。

さらにこれらの電極棒２１，３１は、側壁１１を貫通して反応槽１０の内方に突出しているので、液体（被処理液１００）による冷却効果によって、温度上昇が抑制される。
また、電源部において高出力で立ち上がりの急峻なパルス電圧を生成しようとすれば、電源部においてパルストランスを用いることが必要となり、装置が大がかりなりやすいが、液体処理装置１の電源部４０では、高電圧トランス４２から出力される電圧波形は正弦波であって、立ち上がりの急峻な矩形波ではない。従って、液体処理装置１においては、電源部４０は比較的簡素なもので済ませることができる。

図４（ｂ）は、実施の形態と効果を対比するための参考例を示す図である。この参考例では、側壁１１に取り付けられている正極１２０が管状であって、その中を通って空気が導入されているが、正極１２０を包囲する包囲体は設けられていないので、正極１２０を気体層で覆うことができず、被処理液１００の中に気泡が分散形成されている。なお、負極１３０は、第２電極２０と同様に被処理液１００と接触している。

この参考例の場合、正極１２０が被処理液１００と接触し、正極１２０と被処理液１００との間が気体層で隔離された構造が形成されていないので、正極１２０に半波整流した正パルスを印加したとしても、消費電力を低減する効果は液体処理装置１と比べて少ない。
また、正極１２０と被処理液１００との間が気体層で隔離された構造が形成されていないので、被処理液１００中のラジカル数を増加させる効果も期待しにくい。

また図１、図２（ａ），（ｂ）からわかるように、第1電極２０及び気体層形成部６０が保持ブロック１２の周りに形成されている。そして、第１電極２０は反応槽１０の側壁１１を貫通して設置され、側壁１１の外側で電力線７１と接続されている。また、気体層形成部６０における空気を導入する導入口が、第１電極２０における側壁１１の外側部分（電極支持部２２）に設けられている。

これによって、液体処理装置１における第１電極２０及び気体層形成部６０の部分がコンパクトな構成になっている。
［実験］
液体処理装置１による処理効果を確認する実験として、化学物質の一つであるインディゴカーミンを１０ｍｇ／Ｌ溶解した水溶液を被処理水１００とし、周波数を３０ｋＨｚ及び６０ｋＨｚに設定してその分解速度を調べた。比較例として、周波数６０ｋＨｚで半波整流を施さない場合の分解速度も調べた。電源のピーク電圧はいずれも同等である。

図６は、その実験結果であって、Ｎｏ．１（△のプロット）は周波数３０ｋＨｚで半波整流した場合、Ｎｏ．２（■のプロット）は周波数６０ｋＨｚで半波整流した場合の結果を示す。Ｎｏ．３（○のプロット）は周波数６０ｋＨｚで半波整流しない比較例の結果を示す。
Ｎｏ．１では、インディゴカーミンの分解速度は、０．７７ｍｇ／ｍｉｎであって、すべてのインディゴカーミンを分解するのに要する時間は約１５分である。Ｎｏ．２では、インディゴカーミンの分解速度は１ｍｇ/Ｌｍｉｎであって、すべてのインディゴカーミンを分解するのに要する時間は約１２分である。

Ｎｏ．１とＮｏ．２の比較により、周波数を上げることによって分解速度も上がることがわかる。
これは、周波数を上げると、時間当たりに投入される電力が増加し、それに応じてプラズマが生成している累積時間が長くなり、生成される正イオン及び電子の数が増え、被処理液１００の中に生成されるラジカルの数が増加するためと考えられる。

Ｎｏ．３では、インディゴカーミンの分解速度は０．６６ｍｇ／ｍｉｎであって、すべてのインディゴカーミンを分解するのに要する時間は約１６分である。
Ｎｏ．２とＮｏ．３との比較により、半波整流を行う方が、分解速度が速いことがわかる。
半波整流しないＮｏ．３の方が、分解速度が遅いのは、第１電極２０の極性が交互に入れ替わるので、気体層１０１中に存在する正イオンを気液界面１１１の近くに押しやる作用がなく、従って被処理液１００に溶解するラジカル数を増加させる効果も得られないためと考えられる。なお、Ｎｏ．１とＮｏ．３の消費電力が約１５Ｗで、Ｎｏ．２は消費電力が約３０Ｗである。

[変形例]
１．実施の形態にかかる液体処理装置１では、整流ダイオード４３は第１電極２０側の電力線７１に接続されていたが、これに限定されない。
例えば、整流ダイオードを、第２電極３０側の電力線７２に接続してもよい。この場合、整流ダイオードのカソード側が端子４２ｂに、アノード側が第２電極３０に接続される。

また第１電極２０側の電力線７１と、第２電極側３０側の電力線７２の両方に整流ダイオードを接続してもよい。
２．実施の形態にかかる液体処理装置１では、第１電極２０及び包囲体６１は、保持ブロック１２に装着されていたが、反応槽１０に取り付ける形態は、これに限定されない。
例えば図７（ａ）に示すように、反応槽１０の側壁１１に取付口１１ａを設けて、その取付口１１ａに第１電極２０及び包囲体６１を直接装着してもよい。

また上記実施の形態では、包囲体６１は反応槽１０と別の材料で形成されていたが、同じセラミック材料で反応槽１０と包囲体６１とを一体で形成してもよい。
３．実施の形態にかかる液体処理装置１では、包囲体６１が円筒状であったが、包囲体６１の形状はこれに限定されず、第１電極２０における被処理液１００に臨む電極部分２１ａを包囲する形状であればよい。例えば図７（ｂ）に示すように電極部分２１ａを包囲する球状でもよい。

また上記実施の形態では、開口６１ａの位置が電極部分２１ａの先方にあったが、包囲体６１に開設する開口６１ａの位置は被処理液１００に空気を放出できる位置であればよい。例えば図７（ｂ）に示すように電極部分２１ａの両サイドに開口６１ａを設けてもよい。
これら変形例にかかる包囲体６１においても、電極部分２１ａを気体層１０１が被覆し、電極部分２１ａと気液界面１１１とが気体層１０１を介して対向するので、液体処理装置１と同様の効果が得られる。

４．実施の形態にかかる液体処理装置１では、気体層形成部６０が供給する気体は空気であったが、Ｈｅ，ＡｒあるいはＯ2などを供給してもよく、同様の効果を得ることができる。
５．実施の形態では、被処理液１００は水であったが、導電性の液体であれば液体処理装置１を用いて同様に処理することができる。例えば、各種の塩を溶解した水溶液、アルコール類、カルボン酸類、あるいはこれらの混合物を処理することもできる。

６．実施の形態にかかる液体処理装置１では、被処理液１００を反応槽１０と処理槽５０との間を循環させるようにしたが、処理層は設けなくても同様に実施することができる。その場合、反応槽内で被処理液１００を撹拌することが好ましい。
７．実施の形態にかかる液体処理装置１では、電源部４０において、商用電源からの電力を周波数変換する交流電源４１を用いたが、商用電源からの電力を周波数変換せずに直接昇圧トランスで昇圧し、これを半波整流しても実施することは可能である。

また、電源部４０において、畜電池からの直流電力をインバータで交流に変換し、昇圧トランスで昇圧し、半波整流して用いることも可能である。

本発明にかかる液体処理装置は、浄水装置の他に、洗濯機用の水を処理する水処理機、トイレ用の水を処理する水処理機、風呂用の水を処理する水処理機など、水処理を必要とする各種家電製品に用いることができる。また液中で化学反応を発生させる装置としても利用できる。

1 液体処理装置
１０反応槽
１１側壁
１１ａ貫通孔
１２保持ブロック
１２ａ貫通孔
１３シール材
２０反応槽
２０第１電極
２１電極棒
２１ａ電極部分
２１ｂ根本部分
２２電極支持部
２３挿入孔
３０第２電極
３１電極棒
４０電源部
４１交流電源
４１交流電源
４２高電圧トランス
４２ａ，４２ｂ端子
４３整流ダイオード
５０処理槽
５４循環ポンプ
６０気体層形成部
６１包囲体
６１ａ開口
７１，７２電力線
８０ポンプ
９０制御部
１００被処理液
１０１気体層
１１１気液界面

Claims

被処理液を収納する反応槽と、前記反応槽に設けられた電極対と、前記電極対間に電力を供給する電源部とを有し、前記反応槽の中でプラズマを生成することによって前記被処理液を処理する液体処理装置であって、
前記電源部は、
交流電源と、
前記交流電源と前記電極対との間の電力経路に介挿され、当該電力経路を流れる電流を半波整流する整流ダイオードとを備え、
前記反応槽には、
前記電極対の中で高電位側の第１電極における前記被処理液に臨む電極部分を覆うように気体を導入して、当該電極部分と前記被処理液との間を隔離する気体層を形成する気体層形成部が設けられ、
前記電極対の中の低電位側の第２電極は、前記被処理液に接触している、
液体処理装置。
前記気体層形成部は、
前記電極部分を内包するように前記気体層を形成し、その気液界面が当該気体層を介して前記電極部分と対向している、
請求項１記載の液体処理装置。
前記気体層形成部は、
前記反応槽の中において前記電極部分と隙間をおいて当該電極部分を包囲する絶縁性の包囲体と、
前記反応槽の外から前記隙間に気体を導入する気体導入部とを備える、
請求項１又は２に記載の液体処理装置。
前記電極部分は、前記反応槽の内部に突出し、
前記包囲体は、前記電極部分の周りを取り囲む筒状であって、
前記気体導入部は、
前記電極部分の根本側から前記隙間に気体を導入する、
請求項３に記載の液体処理装置。
前記第１電極は、
前記反応槽の壁を貫通して設置され、
当該壁の外側部分で前記電力経路に接続されており、
前記気体層形成部において、前記気体を導入する導入口が、
前記第１電極の外側部分に設けられている、
請求項１〜４のいずれかに記載の液体処理装置。
前記整流ダイオードは、リカバリー時間が１０μ秒以下である、
請求項１〜５のいずれかに記載の液体処理装置。
前記整流ダイオードは、
複数のダイオード素子が直列に接続されて構成されている、
請求項１〜６のいずれかに記載の液体処理装置。
さらに、前記交流電源及び前記気体層形成部の駆動を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記交流電源の駆動開始よりも前記気体層形成部の駆動を先に開始する、
請求項１〜７のいずれかに記載の液体処理装置。