JP2017056414A - プラズマ放電液体処理装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で安価に導電率の高い液体を処理可能なプラズマ放電液体処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ放電により、導電率の高い液体を処理するプラズマ放電液体処理装置であって、前記液体中に配置され前記液体と導通する第１電極と、前記液体の液面の上方に配置される平板状の誘電体であり、その下面が前記液面に対向する誘電体と、前記誘電体の上面に配置される平板状の電極であり、その下面が前記液面に対向する第２電極と、前記水面と前記誘電体との間の空間であり、大気に連通する空間部と、前記第１電極及び前記第２電極に高電圧パルスを印加するパルス電源部と、を備え、前記高電圧パルスにより、前記空間部にプラズマ放電を発生させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、海水等のように導電率の高い液体中に含まれる大腸菌等を、プラズマ放電により殺菌するプラズマ放電液体処理装置及びその方法に関する。

従来、タンカー等の大型船舶が空荷で出航する際に、航行安定のため、バラスト水と呼ばれる海水を当該船舶に積み込んだ状態で出航し、貨物を積載する港に到着すると、バラスト水がその港で船外に排出される。このバラスト水には出航地域に生息している大腸菌等の菌類や海洋微生物が含まれているため、それらの菌類や海洋微生物が、船舶の移動によって運ばれ排出されると、排出された先の地域の生態系の破壊等につながる虞があるという問題がある。

そのため、２００４年に国際海事機構は、「船舶のバラスト水及び沈殿物の制御及び管理のための国際条約」を制定した。この条約によれば、海洋微生物や菌類等を一定数以下に処理する装置を、２０１７年までに船舶に設置することが義務づけられている。
そこで、バラスト水中の菌類や海洋微生物を処理する技術に関し種々の研究がなされており、近年では、放電を利用した処理技術が着目されている。

例えば、水道水や雨水等のように導電率の小さい液体の場合、水中放電や沿面放電により、その液体中の菌や藻の処理が可能であることは知られている。しかし、水道水や雨水等より導電率が大きい海水の場合、海水が導体となり、水中放電や沿面放電を起こすことができないという問題があった。

この放電を利用した海水の処理に関し、これまで様々な提案がされている（例えば非特許文献１参照）。

松野泰聖、菊池崇志、原田信弘「大気圧放電プラズマによる海洋微生物への影響」、一般社団法人プラズマ・核融合学会 第２７回プラズマ・核融合学会年会、２０１０年１１月３０日−１２月３日

非特許文献１によれば、海水を処理可能なプラズマ照射処理装置であって、リアクタ、高圧電源装置、Ｈｅガスが充填されたガスタンク、制御盤等を有するプラズマ照射処理装置が開示されている。より詳しくは、非特許文献１の図１に示すように、リアクタは、対向する電極を含み、一方の電極に誘電体（アルミナ）を備え、他方の電極側に海水が配置される。そして、これらの電極に高圧電源装置から高周波電圧が印加されることで、誘電体と海水表面との間にプラズマを発生させるものが開示されている。

しかしながら、非特許文献１によれば、プラズマを容易に、そして安定に生成させるために、誘電体と海水表面との間にＨｅガスを流しながら処理を行う構成となっている。そのため、非特許文献１によれば、例えばＨｅガスを充填させたガスボンベや、Ｈｅガスの流量等を制御するフローコントローラ等が必要となり、プラズマ照射処理装置の構造が複雑になり、処理のコストアップにつながる虞があるという問題があった。

また、非特許文献１によれば、プラズマ照射処理によって、海水中のプランクトン等の海洋微生物の個体数が減少することは開示されているが、大腸菌に対する効果については不詳である。しかし、バラスト水中の大腸菌を減少させる技術を開発することは喫緊の課題である。

そこで、本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構造で安価に導電率の高い液体を処理可能なプラズマ放電液体処理装置及びその処理方法を提供することにある。

請求項１の発明は、プラズマ放電により、導電率の高い液体を処理するプラズマ放電液体処理装置であって、前記液体中に配置されて前記液体と導通する第１電極と、前記液体の液面の上方に配置される平板状の誘電体であり、その下面が前記液面に対向する誘電体と、前記誘電体の上面に配置される平板状の電極であり、その下面が前記液面に対向する第２電極と、前記液面と前記誘電体との間の空間であり、大気に連通する空間部と、前記第１電極及び前記第２電極に高電圧パルスを印加するパルス電源部と、を備え、前記高電圧パルスにより、前記空間部にプラズマ放電を発生させる、プラズマ放電液体処理装置である。

請求項２の発明は、請求項１記載のプラズマ放電液体処理装置において、前記導電率の高い液体は、海水又は導電率の高い温泉水からなることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載のプラズマ放電液体処理装置において、前記第１電極は、その板面が前記液面に平行な平板状電極からなることを特徴とする。

請求項４の発明は、導電率の高い液体中に配置されて前記液体と導通する第１電極と、前記液体の液面の上方に配置される平板状の誘電体であり、その下面が前記液面に対向する誘電体と、前記誘電体の上面に配置される平板状の電極であり、その下面が前記液面に対向する第２電極と、前記液面と前記誘電体との間の空間であり、大気に連通する空間部と、前記第１電極及び前記第２電極に高電圧パルスを印加するパルス電源部と、を備えるプラズマ放電海水処理装置を用い、前記高電圧パルスにより、前記空間部にプラズマ放電を発生させ、前記液体を処理する、プラズマ放電液体処理方法である。

請求項５の発明は、請求項４記載のプラズマ放電液体処理方法において、前記導電率の高い液体は、海水又は導電率の高い温泉水からなることを特徴とする。

本発明によれば、プラズマ放電により、導電率の高い液体を処理するプラズマ放電液体処理装置であって、前記液体中に配置されて前記液体と導通する第１電極と、前記液体の液面の上方に配置される平板状の誘電体であり、その下面が前記液面に対向する誘電体と、前記誘電体の上面に配置される平板状の電極であり、その下面が前記液面に対向する第２電極と、前記液面と前記誘電体との間の空間であり、大気に連通する空間部と、前記第１電極及び前記第２電極に高電圧パルスを印加するパルス電源部と、を備え、前記高電圧パルスにより、前記空間部にプラズマ放電を発生させる構成であるから、空気中においても導電率の高い液体の液面上に放電プラズマを発生させることで当該液体中の大腸菌等の菌類の数を減少させることができるので、導電率の高い液体を簡単な構造で安価に処理可能なプラズマ放電液体処理装置を提供できる。

また、前記導電率の高い液体は、海水又は導電率の高い温泉水からなる構成であるから、バラスト水等の海水又は塩分が溶解した温泉水等の導電率の高い温泉水を簡単な構造で安価に処理可能なプラズマ放電液体処理装置を提供できる。

また、前記第１電極は、その板面が前記液面に平行な平板状電極からなる構成であるから、第1電極と第２電極とが対向配置されるので、空間部に放電プラズマを効率良く発生可能なプラズマ放電液体処理装置を提供できる。

また、導電率の高い液体中に配置されて前記液体と導通する第１電極と、前記液体の液面の上方に配置される平板状の誘電体であり、その下面が前記液面に対向する誘電体と、前記誘電体の上面に配置される平板状の電極であり、その下面が前記液面に対向する第２電極と、前記液面と前記誘電体との間の空間であり、大気に連通する空間部と、前記第１電極及び前記第２電極に高電圧パルスを印加するパルス電源部と、を備えるプラズマ放電海水処理装置を用い、前記高電圧パルスにより、前記空間部にプラズマ放電を発生させ、前記液体を処理する構成であるから、空気中においても導電率の高い液体の液面上に放電プラズマを発生させることで当該液体中の大腸菌等の菌類の数を減少させることができるので、導電率の高い液体を簡単な構造で安価に処理可能なプラズマ放電液体処理方法を提供できる。

また、前記導電率の高い液体は、海水又は導電率の高い温泉水からなる構成であるから、バラスト水等の海水又は塩分が溶解した温泉水等の導電率の高い温泉水を簡単な構造で安価に処理可能なプラズマ放電液体処理方法を提供できる。

本発明の実施形態に係るプラズマ放電液体処理装置の斜視説明図である。 図１のＡ−Ａ線断面説明図である。 本発明の実施形態に係るパルス電源部の例を説明する回路図である。 本発明の実施形態に係るパルス波形の例を説明する図である。 本発明の実施形態に係るプラズマ放電液体処理装置の効果を説明するグラフである。

本発明は、プラズマ放電により、導電率の高い液体を処理するプラズマ放電液体処理装置であって、前記液体中に配置されて前記液体と導通する第１電極と、前記液体の液面の上方に配置される平板状の誘電体であり、その下面が前記液面に対向する誘電体と、前記誘電体の上面に配置される平板状の電極であり、その下面が前記液面に対向する第２電極と、前記液面と前記誘電体との間の空間であり、大気に連通する空間と、前記第１電極及び前記第２電極に高電圧パルスを印加するパルス電源部と、を備え、前記高電圧パルスにより、前記空間にプラズマ放電を発生させるものである。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。以下の説明において、導電率の高い液体として海水を例にとって説明するが、導電率の高い液体は海水に限らず、海水と同等の導電率を有する液体であっても良い。ここで海水の導電率は、例えば略３．０Ｓ／ｍ〜略５．３Ｓ／ｍである。また、導電率の高い液体は、例えば塩化物泉や塩類泉等の様に、導電率が高い温泉水であっても良い。

本発明の実施形態に係るプラズマ放電液体処理装置１０の概略構成について図１及び図２を用いて説明する。本実施形態のプラズマ放電液体処理装置１０は、図１及び図２に示す様に、海水１２を貯留させる容器１４と、第１電極１６と、第２電極１８と、誘電体２０と、空間部２２と、パルス電源部２４等を備える。

本実施形態の容器１４は、図１に示す様に、例えば上端が開放し、深さが略６ｃｍ程度の直方体状で、非導体の合成樹脂製中空箱体で形成される。そして、海水１２は、図１及び図２に示す様に、この容器１４の上端から４〜５ｍｍ下方が貯留面（液面）となる様に、容器１４中に貯留される。なお、容器は、本実施例の直方体状に限るものに限らず、例えば中空円筒状等に形成されてもよい。

次に、第１電極１６は、図１及び図２に示す様に、例えば容器１４の底に載置できる程度の直径を有する円板状の銅製平板材で形成される。そして、第１電極１６は、図１及び図２に示す様に、容器１４の底面に載置状に配置される。したがって、第１電極１６は、容器１４中の海水１２と導通するとともに、その板面が海水１２の静止した液面１３に平行となる。
なお、第１電極の形状は、本実施例の円板状に限らず、例えば棒状等の様に海水１２中に配置できる任意の形状とすることができる。

次に、誘電体２０は、図１及び図２に示すように、例えば容器１４の上端の面積よりやや小さい大きさの略正方形状で、平板状のアクリル製板材で形成される。そして、誘電体２０は、図１及び図２に示す様に、容器１４の上端で支持される。より詳しくは、誘電体２０は、容器１４の長方形状の開放端の一部を覆う態様で、上端縁に載置状に配置される。
従って、図１及び図２に示す様に、上述した海水１２の液面１３と、誘電体２０との間の空間で形成される空間部２２は、大気に連通し、空気雰囲気となる。

この様に、誘電体２０は、図１及び図２に示す様に、海水１２の液面１３の上方に配置される平板状の誘電体であり、その下面が液面１３に対向する構成となり、しかも液面１３と誘電体２０との間の空間部２２は、大気に連通する構成となっているのである。

次に、第２電極１８は、図１及び図２に示す様に、例えば平面視で誘電体２０の短辺よりやや短い直径を有する円形平板状の銅製板材で形成される。そして、第２電極１８は、図１及び図２に示す様に、誘電体２０の上面の中央部に載置状に配置される。したがって、第２電極１８の下面は誘電体２０に覆われる。
そして、誘電体２０が、図１及び図２に示す様に、容器１４の上端で支持されると、第２電極１８の下面１８ａは、誘電体２０を介して液面１３に対向する構成となっている。

なお、第２電極１８は、本実施形態のように誘電体２０の上面に配置される構成に限らず、第２電極１８の下面１８ａ及び上面も誘電体で覆う構成、すなわち第２電極１８を誘電体で囲む構成であってもよい。
また、図１及び図２において、符号２７，２８は、第１電極１６と第２電極１８を後述するパルス電源部２４に接続する導線を示す。

次に、パルス電源部２４は、図３に示す様に、磁気パルス圧縮回路２５によって形成される。図３において、符号２６は充電器、Ｃ_０は初段コンデンサ、Ｃ_１、Ｃ_２及びＣ_Ｐはコンデンサ、ＳＩ_０、ＳＩ_１、及びＳＩ_２は可飽和インダクタ、ＰＴは昇圧用のパルストランス、ＳＷは半導体スイッチを示す。
回路動作は、まず充電器２６を用いて所定の電圧により初段コンデンサＣ_０を充電する。次に、半導体スイッチＳＷをＯＮにすると初段コンデンサＣ_０に充電されていた電荷は放電し、パルストランスＰＴにより昇圧された電圧によりコンデンサＣ_１が充電される。このとき、ＳＩ_０により磁気アシストされるので、スイッチング時の電力損失が低減される。Ｃ_１充電直後にＳＩ_１がオン（飽和）し、Ｃ_１が放電してＣ_２に電荷転送が行われる。この時も、ＳＩ_２がオフ（未飽和）状態を維持するように回路設計するとＣ_２は効率良く充電される。同様に、充電直後にＳＩ_２がオン（飽和）してＣ_Ｐが高速充電され、その後、第１電極１６と第２電極１８の間に高電圧パルスが印加される。

図４に、パルス電源部２４により、第１電極１６と第２電極１８の間に印加された高電圧パルスの波形例を示す。図４において、横軸は時間軸（単位＝μｓ）を示し、左縦軸は電圧軸（単位＝ＫＶ）を示し、右縦軸は、電流軸（単位＝Ａ）をそれぞれ示す。また、図４において、電圧波形は鎖線で示され、電流波形は実線で示される。
図４の電圧波形によると、略２５．９ＫＶで略１．５μｓの半値幅の電圧パルスが発生し、また電流波形によれば当該パルスの立上りの際に略２．９Ａの電流が流れていること等が解る。

このように、第１電極１６及び第２電極１８に高電圧パルスを印加すると、図２に示す様に、海水１２の液面１３と誘電体２０との間の空間部２２に、プラズマ２３が生成される。これは、第１電極１６に導通する海水１２が、第２電極１８に対向する対向電極として機能し、空間部２２に誘電体バリア放電（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）によりプラズマ２３が生成されるためである。

［実施例］
本実施形態のプラズマ放電液体処理装置１０を用いて海水を処理したデータ例を図５に示す。
先ず、大腸菌溶液を用いて海水を菌濁させ、大腸菌の濃度が１４．５×１０^６ＣＦＵ／ｍｌの菌濁液を作製した。この菌濁液を容器１４に入れ、パルス電源部２４により上述した波形例の高電圧パルスを、１回／１ｍｓの頻度で出力した。この高電圧パルスにより、誘電体バリア放電が誘起され、この誘電体バリア放電により、誘電体２０と液面１３との間にプラズマ２３を生成させた。そして、高電圧パルスを複数回印加し、所定回数印加した菌濁液に対し、コロニーカウント法により大腸菌のカウントをおこなった。
この様に、高電圧パルスの印加回数に対する海水１２中の大腸菌の残存割合を求める実験を２回繰り返した。これらの結果をプロットしたグラフを図５に示す。

図５において縦軸は、大腸菌の残存割合を示し、横軸は、高電圧パルスの印加回数を示し、○印は第１回目の結果であり、●印は第２回目の結果を示す。
図５によれば、高電圧パルスの印加回数が、１０^５回を越えるあたりから、大腸菌の生存割合が急激に低下していることがわかる。そして、高電圧パルスの印加回数が略３×１０^５回になると、大腸菌の濃度が１４．５×１０^６ＣＦＵ／ｍｌを基準、すなわち図５の縦軸における「１．Ｅ＋００」を基準として、略５×１０^―４〜５×１０^−６まで減少していることがわかる。また、図５によれば、第１回目の結果と第２回目の結果とは略等しく再現性も高いといえる。
このように、大腸菌の数が減少するのは、プラズマ放電によって発生するプラズマ２３と空間部２２の空気との反応によって生成されるラジカルによるものと考えられる。

これまで説明してきたように、本実施形態によれば、空気雰囲気中においても、導電率の高い液体としての海水の液面上に放電プラズマを発生させることで当該海水中の大腸菌等の菌類の数を減少させる処理が可能となるので、導電率の高い液体としての海水を簡単な構造で安価に処理可能なプラズマ放電液体処理装置１０及びその方法を提供できる。

以上、本発明の実施形態のうちいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらはあくまでも例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。

１０ プラズマ放電液体処理装置
１２ 海水（導電率の高い液体）
１３ 液面
１６ 第１電極
１８ 第２電極
２０ 誘電体
２２ 空間部
２３ プラズマ
２４ パルス電源部

Claims (5)

1. プラズマ放電により、導電率の高い液体を処理するプラズマ放電液体処理装置であって、
   前記液体中に配置されて前記液体と導通する第１電極と、
   前記液体の液面の上方に配置される平板状の誘電体であり、その下面が前記液面に対向する誘電体と、
   前記誘電体の上面に配置される平板状の電極であり、その下面が前記液面に対向する第２電極と、
   前記液面と前記誘電体との間の空間であり、大気に連通する空間部と、
   前記第１電極及び前記第２電極に高電圧パルスを印加するパルス電源部と、を備え、
   前記高電圧パルスにより、前記空間部にプラズマ放電を発生させることを特徴とするプラズマ放電液体処理装置。
2. 前記導電率の高い液体は、海水又は導電率の高い温泉水からなることを特徴とする請求項１記載のプラズマ放電液体処理装置。
3. 前記第１電極は、その板面が前記液面に平行な平板状電極からなることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ放電液体処理装置。
4. 導電率の高い液体中に配置されて前記液体と導通する第１電極と、
   前記液体の液面の上方に配置される平板状の誘電体であり、その下面が前記液面に対向する誘電体と、
   前記誘電体の上面に配置される平板状の電極であり、その下面が前記液面に対向する第２電極と、
   前記液面と前記誘電体との間の空間であり、大気に連通する空間部と、
   前記第１電極及び前記第２電極に高電圧パルスを印加するパルス電源部と、を備えるプラズマ放電海水処理装置を用い、
   前記高電圧パルスにより、前記空間部にプラズマ放電を発生させ、前記液体を処理することを特徴とするプラズマ放電液体処理方法。
5. 前記導電率の高い液体は、海水又は導電率の高い温泉水からなることを特徴とする請求項４記載のプラズマ放電液体処理方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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