JP2015166066A - オゾン溶解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高いオゾン溶解率を実現可能なオゾン発生装置を提供する。【解決手段】溶解反応槽１１は、鉛直に配置される円筒部分１６を有し、処理対象の液体２の注入口１２および排出口１４を有する。多孔質誘電体パイプ２０は、内部流路２２を有し、溶解反応槽１１の内部中央に鉛直方向に延伸する。接地電極３０は、溶解反応槽１１内の多孔質誘電体パイプ２０の外側に設けられる。高電圧電極３２は、多孔質誘電体パイプ２０の内部流路２２の中央に、鉛直方向に設けられる。接地電極３０と高電圧電極３２の間には交流電圧が印加される。空気源は、多孔質誘電体パイプ２０の内部流路２２に空気を供給する。流量コントローラは、液体２を注入口１２から溶解反応槽１１内部に所定の流速で供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、オゾンを水に溶解させるオゾン溶解装置に関する。

生活用水から工業用水、浄水から下水、プール用水をはじめとする液体を殺菌、脱色、脱臭するためにオゾン処理が用いられる。たとえば特許文献１には、オゾン水処理装置が開示されている。特許文献１の技術では、多孔質パイプの内側に空気の流路を形成し、多孔質パイプの内側で放電を発生する。多孔質パイプの内側の空気がプラズマにより電離し、オゾンが生成され、多孔質パイプから液体中に放出される。

特開２００２−１２６７６９号公報

効率的な液体処理のためには、オゾンの発生量もさることながら、液体中のオゾンの溶解率が重要である。オゾン溶解率を高めるためには、発生したオゾンを液体に溶解させるためのスタティックミキサーや大型の接触槽が必要となる。特許文献１の装置においても同様であり、その段落［００２９］に記載されるように、オゾンガスを混合された処理すべき水を、スタティックミキサーによりオゾンガスの混合、溶解を促進した上で、処理タンクに導入する必要がある。つまり特許文献１のオゾン水処理装置では、それ単体で液体を処理しうる程度のオゾン溶解率を得ることができない。このことは、一般家庭で使用される家電製品等にオゾン処理装置を組み込むことの障壁となる。

本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、小型で高いオゾン溶解率を実現可能なオゾン発生装置の提供にある。

本発明のある態様はオゾン溶解装置に関する。オゾン溶解装置は、鉛直に配置される円筒部分を有し、処理対象の液体の注入口および排出口が設けられた溶解反応槽と、内部流路を有し、溶解反応槽の内部中央に鉛直方向に延伸する多孔質誘電体パイプと、溶解反応槽内であって多孔質誘電体パイプの外側に設けられた接地電極と、多孔質誘電体パイプの内部流路の中央に、鉛直方向に延伸して設けられた高電圧電極と、接地電極と高電圧電極の間に交流電圧を印加する高電圧電源と、多孔質誘電体パイプの内部流路に空気を供給する空気源と、液体を注入口から溶解反応槽内部に所定の流速で供給する流量コントローラと、を備える。

液体は、多孔質誘電体パイプの表面に滞留するオゾンを含む気泡をせん断可能な流速にて、溶解反応槽内部に供給されてもよい。

この態様によると、多孔質誘電体パイプの内部流路において放電が発生し、オゾンが生成される。このオゾンを含む気泡が、多孔質誘電体パイプの孔を介して多孔質誘電体パイプの径方向に放出される。ここで同軸上に配置される多孔質誘電体パイプおよび溶解反応槽を水平方向に配置すると、気泡同士が合体してガス溜まりが発生し、放電不良を引き起こしたり、気泡と液体の接触時間が短くなるため、溶解率を高めることができない。これに対して多孔質誘電体パイプおよび溶解反応槽を鉛直方向に配置することで、ガス溜まりを抑制し、気泡状態を維持しつつ、液体中に溶解させることができる。加えて、流量コントローラによって液体の流速を十分に大きくすることにより、鉛直方向に流れる液体が気泡に対してせん断力を及ぼし、直径０．１〜０．５ｍｍ程度の細泡を発生させることができる。オゾンを細泡化させることで、数十ｃｍの溶解反応槽で、数十％の高い溶解率を実現できる。

なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明のある態様によれば、オゾンの溶解率を高めることができる。

実施の形態に係るオゾン溶解装置のリアクタの構成を示す断面図である。 オゾン溶解装置全体を示すブロック図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、リアクタによるオゾン溶解処理を示す模式図である。 図４（ａ）は、本発明者らが実験に用いたリアクタの写真であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のリアクタの部分断面図である。 図５（ａ）は、図４（ａ）のリアクタにおける液体の流速とオゾンの溶解率の測定結果を示す図であり、図５（ｂ）は、リアクタを用いて大腸菌の殺菌実験を行ったときの濃度変化を示す図であり、図５（ｃ）は、流速とＤ値の関係を示す図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、流速を変化させたときの溶解反応槽内に生ずる気泡の写真である。 第２変形例に係るリアクタの断面図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

図１は、実施の形態に係るオゾン溶解装置１のリアクタ１０の構成を示す断面図である。リアクタ１０は、溶解反応槽１１、多孔質誘電体パイプ２０、接地電極３０、高電圧電極３２、を備える。

溶解反応槽１１は、鉛直方向に立てて配置される円筒部分１６を有し、処理対象の液体（処理水ともいう）２の注入口１２および排出口１４が設けられる。多孔質誘電体パイプ２０は、内部流路２２を有し、溶解反応槽１１の内部中央に鉛直方向に延伸する。溶解反応槽１１の上底および／または下底には、内部流路２２に空気を供給するための開口が設けられており、空気源（不図示）から空気４が供給される。

接地電極３０は、溶解反応槽１１内であって多孔質誘電体パイプ２０の外側に設けられる。接地電極３０は、溶解反応槽１１の周部内壁に設けることが好ましい。

高電圧電極３２は、多孔質誘電体パイプ２０の内部流路２２の中央に、鉛直方向に延伸して設けられる。高電圧電極３２は、導電部材３４と、絶縁層３６を含む。導電部材３４は内部流路２２の中央に鉛直方向に設けられる。絶縁層３６は導電部材３４の周囲を覆っている。たとえば絶縁層３６はガラス管であり、導電部材３４はガラス管に挿通されたアルミニウムや銅などの棒やフィルムであってもよい。

以上がリアクタ１０の構成である。

図２は、オゾン溶解装置１全体を示すブロック図である。オゾン溶解装置１は、リアクタ１０に加えて、高電圧電源３８、空気源４０、流量コントローラ４２を備える。なお図２では、模式的にリアクタ１０が横置きして示されるが、使用に際しては縦置きされる。リアクタ１０の溶解反応槽１１には、内部の気泡の様子を観察するための窓１３を設けてもよい。あるいはリアクタ１０の溶解反応槽１１をアクリルなどの透明な材料で構成してもよい。

高電圧電源３８は、リアクタ１０の接地電極３０と高電圧電極３２の間に交流電圧Ｖ_ＡＣを印加する。交流電圧Ｖ_ＡＣは正弦波であってもよいし、パルスであってもよい。交流電圧Ｖ_ＡＣの周波数は、数十Ｈｚ〜百ｋＨｚ程度であり、電圧は１０ｋＶ程度である。

空気源４０は、リアクタ１０の多孔質誘電体パイプ２０の内部流路２２に空気４を供給する。流量コントローラ４２は、注入口１２から溶解反応槽１１の内部に所定の流速で液体２を供給する。

以上がオゾン溶解装置１の構成である。続いてその動作を説明する。

図３（ａ）〜（ｃ）は、リアクタ１０によるオゾン溶解処理を示す模式図である。
高電圧電源３８により高電圧を印加することにより、多孔質誘電体パイプ２０の内周と高電圧電極３２の外周の間にバリア放電を発生させ、空気４が電離し、空気４中にオゾンが生成される。

生成されたオゾンを含む空気４は、図３（ｂ）に示すように、多孔質誘電体パイプ２０の細孔を介して多孔質誘電体パイプ２０の表面に押し出され、その表面に気泡５となって現れる。液体２の流速をある程度大きくすると、多孔質誘電体パイプ２０表面に滞留する気泡５ａに対して、液体２がせん断力Ｆを及ぼす。その結果、図３（ｃ）に示すように、気泡５ａが大きく成長する前に、オゾンを含む微細な気泡５ｂとして液体２中に放出される。以上がオゾン溶解装置１の動作である。

実施の形態に係るオゾン溶解装置１の有用性を検証するために、オゾン溶解装置１についていくつかの実験を行った。図４（ａ）は、本発明者らが実験に用いたリアクタ１０の写真であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のリアクタ１０の部分断面図である。リアクタ１０の円筒部分の高さは１３．５ｃｍである。多孔質誘電体パイプ２０は、萩ガラス工房製Ａ−１５（外径１１．５ｍｍ、内径８．５ｍｍ）を用いた。また絶縁層３６は、PYREX（登録商標）社製のガラス管（外径６ｍｍ、内径４ｍｍ）を用いている。したがって絶縁層（ガラス管）３６の厚みｒ_１は１ｍｍ、内部流路２２の厚みｒ_２は１．２５ｍｍ、多孔質誘電体パイプ２０の厚みｒ_３は１．５ｍｍとなっている。

図５（ａ）は、図４（ａ）のリアクタ１０における液体２の流速とオゾンの溶解率の測定結果を示す図である。測定は、処理液２の流量を０．２Ｌ／ｍｉｎ、０．５Ｌ／ｍｉｎ、１Ｌ／ｍｉｎの３つの場合について行った。流量０．２Ｌ／ｍｉｎ、０．５Ｌ／ｍｉｎ、１Ｌ／ｍｉｎそれぞれの場合のリアクタ内の液体２の流速は０．８６ｃｍ／ｓｅｃ、２．２ｃｍ／ｓｅｃ、４．３ｃｍ／ｓｅｃである。

オゾンの溶解率は以下の式から計算した。
オゾン溶解率［％］
＝溶存オゾン量［ｇ／ｈ］／（溶存オゾン量［ｇ／ｈ］＋気相オゾン量［ｇ／ｈ］）×１００

流速０．８６ｃｍ／ｓｅｃにおいて１９％もの高い溶解率が得られており、流速が２．２ｃｍ／ｓｅｃのとき２５％であり、さらに４．３ｃｍ／ｓｅｃまで高めると、溶解率を４０％にまで高めることができる。

図５（ｂ）は、リアクタ１０を用いて大腸菌の殺菌実験を行ったときの濃度変化を示す図である。初期濃度桁数は６であり、空気流量は２５０ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter per minute）、換算電界強度は１００〜１０５Ｔｄとした。図５（ｃ）は、流速とＤ値の関係を示す図である。Ｄ値とは、大腸菌の菌数を１桁減少させるのに要する時間［ｓｅｃ］である。

時刻０は、リアクタの排出口の通過時刻である。流量０．２Ｌ／ｍｉｎ、０．５Ｌ／ｍｉｎ、１Ｌ／ｍｉｎいずれの場合も、大腸菌を６桁減少させるのに要する時間（処理時間という）は２０ｓｅｃ程度となっている。
従来、このような３〜４秒の小さなＤ値を実現するためには、オゾン発生と溶解を異なる場所で行うリモート方式の処理装置を用いる必要があったが、こうした装置は非常に大型であった。またリモート方式では、オゾンの生成、溶解、反応を別々に行うため、オゾンの生成時間と、溶解時間と、反応時間の合計はそれほど短くはならない。

これに対して、実施の形態に係るオゾン溶解装置１は、処理水中もしくはその近傍において、単一の溶解反応槽１１内でオゾンを生成、溶解させ、同時に分解処理を行うものであり、このオゾン溶解装置１により実現される３〜４ｓｅｃのＤ値は、類似のオゾン処理装置に比べて極めて短い。また、生成、溶解、分解を同時に行うため、それらの時間の合計は極めて短いという利点もある。

図５（ｃ）に示すように、流量が０．２、０．５、１Ｌ／ｍｉｎのときのＤ値は、３〜４ｓｅｃ程度と近い値をとっており、したがって大腸菌を６桁減少させるために要する処理時間もおおよそ２０ｓｅｃと同程度となっている。このことは、液体２の単位体積当たりに同量のオゾンが溶解していることを意味しており、これは流速が高まるほど、溶解率が上昇していることと整合する。

すなわち、多孔質誘電体パイプ２０の内部に供給される空気４の流量が一定であれば、その内部で単位時間当たりに生成されるオゾンの量は同じと推定される。ここで仮に流量にかかわらず溶解率が同じであれば、液体２の単位体積当たりの溶存オゾン量は、流量に反比例して低下するはずであり、流量が増大すると、Ｄ値が低下し、処理時間は長くなるはずである。

一方、実施の形態に係るリアクタ１０では、流量が増大するにしたがって、溶解率を増大させることができ、したがって液体２の単位体積あたりの溶存オゾン量を高いレベルに維持することができる。これにより処理時間を延ばすことなく、単位時間当たりに処理可能な液量を増やすことができる。

なお、流量０．２Ｌ／ｍｉｎの場合、大腸菌が６桁減少し終わる時刻はほぼ０であり、リアクタ１０内で殺菌処理が完了することを意味する。したがって下流に反応槽を設けることが困難な場合には、０．２Ｌ／ｍｉｎ程度とすることが望ましい。

流量０．５Ｌ／ｍｉｎ、１Ｌ／ｍｉｎの場合、大腸菌が６桁減少し終わる時刻は０より大きい。これは、リアクタ１０から排出された後においても、液体２とオゾンを反応させる必要があることを意味し、リアクタ１０の下流に反応槽が必要となる。ここで反応槽の断面積がリアクタ内部の液体２の断面積と同一であり、流速が４．３ｃｍ／ｓｅｃであると仮定すると、リアクタ１０の下流には、１５ｓｅｃ×４．３ｃｍ／ｓｅｃ＝６０ｃｍ程度の反応槽が必要となる。反応槽の断面積を４倍にすれば、反応槽の長さは１／４の１５ｃｍで足りる。このような反応槽は家電製品内にも容易に組み込むことが可能である。したがって反応槽の組み込みが可能である場合には、単純に流量を大きくすれば、単位時間当たりに処理可能な液量を増やすことが可能となる。

図６（ａ）、（ｂ）は、流速を変化させたときの溶解反応槽１１内に生ずる気泡の写真である。図６（ａ）は流量０．２Ｌ／ｍｉｎ（流速０．８６ｃｍ／ｓｅｃ）のときの気泡を、図６（ｂ）は流量１Ｌ／ｍｉｎ（流速４．３ｃｍ／ｓｅｃ）のときの気泡を示す。図６（ａ）の気泡の直径は０．５ｍｍ、図６（ｂ）の気泡の径は０．１ｍｍであり、流速が速い方が気泡の径が小さくなっているが、これは、流速が速いほどせん断力が大きくなり、多孔質誘電体パイプ２０の表面に滞留する気泡を、より小さな状態で削り取ることが可能であり、また気泡が再結合して気泡径が増大するのを抑制できているためと考えられる。気泡の径が小さい方がオゾンが液体２中に溶けやすくなり、溶解率が高くなる。

オゾン溶解装置１の利点を検証するため、リアクタ１０を水平方向に横置きした場合についても比較実験を行った。リアクタ１０を横置きすると、気泡同士が合体して、リアクタ１０の側面の鉛直上側にガス溜まりが発生する。ガス溜まりが大きくなると、気泡内のオゾンが液体２に溶解する前に気泡がガス溜まりに混入してしまい、溶解率が低下する要因となる。またガス溜まりが、多孔質誘電体パイプ２０の表面と接する程度まで大きくなると、一部で放電が起きなくなりオゾンの発生量そのものが低下する。

これと比較して、鉛直方向で縦置きしてリアクタ１０を使用することでこれらの問題を解決でき、ひいては、高い溶解率、大きなＤ値、短い処理時間が実現でき、大量の液体２を処理することができる。

またリアクタ１０のサイズも高さ２０ｃｍ以下の非常に小型であり、洗濯機や食洗機などの家電製品に容易に組み込むことが可能となる。

さらに接地電極３０を多孔質誘電体パイプ２０とは接しないように設けることとした。接地電極３０を多孔質誘電体パイプ２０の表面に設けると、接地電極３０によって多孔質誘電体パイプ２０の表面に沿った液体２の流れを乱すこととなり、せん断力を低下させる要因となり得るが、接地電極３０をリアクタ１０の内壁に設けることで、大きいせん断力を得ることができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

（第１変形例）
実施の形態では、液体２自体をオゾン処理する例を説明したが本発明はそれには限定されない。液体２として、処理が不要な液体を用い、その液体にリアクタ１０内でオゾンを溶解させて、オゾンが溶存する液体を、処理対象の物体に散布することで、オゾン処理を行ってもよい。

（第２変形例）
図７は第２変形例に係るリアクタ１０ａの断面図である。このリアクタ１０ａは、溶解反応槽１１の内部に、液体２を螺旋状に旋回させるためのバッフル（邪魔板）１８が設けられる。これにより、液体２が多孔質誘電体パイプ２０の表面に滞留する気泡に与える大きなせん断力を維持しつつも、液体２が注入口１２から排出口１４に至るまでの通過時間を長くすることができる。したがって、流速を大きくした場合であっても、溶解反応槽１１内で、液体２とオゾンとを十分に反応させることができ、下流の反応槽を不要とし、あるいは反応槽を小型化できる。

（第３変形例）
実施の形態では、内部流路２２の上下両方から空気４を供給する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。一方を密閉して他方のみから空気４を供給してもよい。

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

１…オゾン溶解装置、２…液体、４…空気、１０…リアクタ、１１…溶解反応槽、１２…注入口、１４…排出口、１６…円筒部分、１８…バッフル、２０…多孔質誘電体パイプ、２２…内部流路、３０…接地電極、３２…高電圧電極、３４…導電部材、３６…絶縁層、３８…高電圧電源、４０…空気源、４２…流量コントローラ。

Claims (5)

1. 鉛直に配置される円筒部分を有し、処理対象の液体の注入口および排出口が設けられた溶解反応槽と、
   内部流路を有し、前記溶解反応槽の内部中央に鉛直方向に延伸する多孔質誘電体パイプと、
   前記溶解反応槽内であって前記多孔質誘電体パイプの外側に設けられた接地電極と、
   前記多孔質誘電体パイプの内部流路の中央に、鉛直方向に延伸して設けられた高電圧電極と、
   前記接地電極と前記高電圧電極の間に交流電圧を印加する高電圧電源と、
   前記多孔質誘電体パイプの前記内部流路に空気を供給する空気源と、
   前記液体を前記注入口から前記溶解反応槽内部に所定の流速で供給する流量コントローラと、
   を備えることを特徴とするオゾン溶解装置。
2. 前記液体は、前記多孔質誘電体パイプの表面に滞留するオゾンを含む気泡をせん断可能な流速にて、前記溶解反応槽内部に供給されることを特徴とする請求項１に記載のオゾン溶解装置。
3. 前記液体は、オゾンを含む気泡の径が０．５ｍｍ以下となる流速にて、前記溶解反応槽内部に供給されることを特徴とする請求項１または２に記載のオゾン溶解装置。
4. 前記溶解反応槽内に設けられ、前記溶解反応槽内において前記液体を螺旋状に流通せしめるバッフルをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のオゾン溶解装置。
5. 前記接地電極は、前記溶解反応槽の周部内壁に設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のオゾン溶解装置。