JP2019098251A

JP2019098251A - 液体処理装置

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Publication number: JP2019098251A
Application number: JP2017231766A
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Inventors: 源一郎松田; Genichiro Matsuda; 崇博北井; Takahiro Kitai; 岳三宅; Takeshi Miyake; 芳生山田; Yoshio Yamada
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Filing date: 2017-12-01
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Abstract

【課題】プラズマを効率良く発生させて液体を処理しながら、同時にフェントン反応を活用することで処理能力を高めることができるとともに、プラズマを長時間安定して発生させることができる液体処理装置を提供する。【解決手段】形状が棒状である第１電極３０と、形状が板状である銅もしくは鉄を含有する金属で構成された第２電極と、導入された液体Ｌ１を旋回させることにより、液体Ｌ１の旋回流中に気相Ｇを発生させる処理槽１２とを備え、発生させた気相Ｇにパルス電圧を印加することでプラズマを発生させるとともに、陰極として機能する第１電極３０と陽極として機能する第２電極３１に負の直流電圧を印加する。負の電圧を印加することで、形状が板状である第２電極から、銅イオンもしくは鉄イオンを発生させ、プラズマによって生成された過酸化水素とフェントン反応を起こすことで、効率的に液体を処理する。【選択図】図１

Description

本発明は、液体を電気化学的に処理する液体処理装置に関する。より詳細には、本発明は、液体中でプラズマを発生させ、液体に含まれる汚濁物質又は菌がプラズマに直接触れることによる分解及び殺菌作用と、プラズマ放電により発生する紫外線及びラジカルなどによる分解及び殺菌作用とを同時に起こして、液体を処理する液体処理装置に関する。

図１０に、従来の液体処理装置の例を示す。液体８０３（例えば、水）の中に、第１電極８０１及び第２電極８０２を配置し、パルス電源８０４から両電極８０１，８０２間に高電圧パルスを印加して液体８０３を気化させ、プラズマ８０５を発生させる。このとき、プラズマが液体８０３に直接触れることで、液体８０３中に含まれる汚濁物質等が分解処理される。同時に、例えば、ヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）及び過酸化水素等の酸化力を持つ成分が生成され、それらの成分が液体８０３中に含まれる汚濁物質等と反応することでも、分解処理が進展する。液体８０３中にプラズマが発生することにより生成されるラジカルの中でも、特にＯＨラジカルは高い酸化力を有することが知られており、液体８０３中に溶解している難分解性有機化合物を分解処理することが可能である。

しかしながら、上記従来の液体処理装置の場合、液体を気化させるために高い印加電圧が必要なだけでなく、プラズマの発生効率が低く、液体を処理するのに長時間を要するという問題があった。

そこで、印加電圧を低くしつつプラズマの発生効率を向上させるために、両電極間に外部より導入した気体を介在させるようにした液体処理装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の液体処理装置（図１１参照）では、アノード電極９０１と棒状のカソード電極９０２との間に被処理液９０３とともに気体９０４（例えば、酸素）を介在させた上で、両電極９０１，９０２間にパルス電圧を印加する。パルス電圧の印加により、気体９０４内にプラズマが発生し、被処理液９０３との接触面で分解処理が進展する。特許文献１に記載の液体処理によれば、気体を介在させない場合よりも印加電圧を低減させることができ、かつ、プラズマを効率良く発生させて液体の処理を行うことができる。

しかしながら、これらの液体処理装置で発生させたＯＨラジカルは、反応性が非常に高いために寿命が短く、比較的安定している過酸化水素にすぐに変質してしまう。ここで過酸化水素は、銅又は鉄などの金属と反応することで、ＯＨラジカルを生成することが知られており、その反応はフェントン反応と呼ばれている。式（１）が銅イオンによるフェントン反応を示す式であり、１価の銅イオンが過酸化水素と反応して２価の銅イオンに変化する反応過程において、ＯＨラジカルが生成される。同時に、式（２）に示すような２価の銅イオンが過酸化水素と反応して、１価の銅イオンが生成される反応が起こる事が知られている。式（３）及び式（４）は、それぞれ、鉄イオンによるフェントン反応を示す式であり、２価の鉄イオンからＯＨラジカルが生成され、３価の鉄イオンから２価の鉄イオンが生成される反応も同時に発生する。このように、フェントン反応では金属イオンが触媒的な反応をすることが知られている。
Cu⁺ + H₂O₂ → Cu²⁺ + ・OH + OH^-（１）
Cu²⁺ + H₂O₂ → Cu⁺ + HO₂・ + H⁺（２）
Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + ・OH + OH^-（３）
Fe³⁺ + H₂O₂ → Fe²⁺ + HO₂・ + H⁺（４）

このフェントン反応を活用することで、変質してしまった過酸化水素から、再度、ＯＨラジカルを生成することで、処理能力を高める液体処理装置が知られている（特許文献２参照）。特許文献２に記載の液体処理装置（図１２参照）では、電極６４、６５の少なくとも一方は、銅または鉄を含む金属によって構成されている。そのため、高電圧発生部７０から、電極対６４、６５に電圧を印加すると、水中でプラズマを発生するのと同時に、電気分解が起こり、電極中の銅または鉄が溶出して、銅イオンまたは鉄イオンが生成される。これらの銅イオンまたは鉄イオンと、プラズマにより生成したＯＨラジカルなどから変質した過酸化水素により、被処理水中でフェントン反応が起こり、ＯＨラジカルが生成される。このＯＨラジカルが被処理水に含まれる有機物などと反応することで、液体処理装置の処理能力を高めることができる。

特開２０００−０９３９６７号公報特開２０１３−１３８９９０号公報

特許文献１に記載の液体処理装置では、正の電極に棒状の電極を用いている。棒状の電極を正極にしている理由は、棒状の電極と平板の電極との間で放電を発生させる場合には、棒状の電極に正の電圧を印加する方が放電を起こしやすく、エネルギー効率が良いことが知られているためである。このような液体処理装置においても、特許文献２に記載されているように、電極に銅または鉄を含む金属を用いることで、フェントン反応を起こさせることができる。

しかしながら、電気分解による金属イオンの溶出が起きる正電極が棒状であるために、電極が著しく磨耗してしまい、長時間の処理を行うと棒状の電極が著しく短くなってしまう。そのため、最終的には、プラズマが安定して生成できなくなる。つまり、設備を、長時間、稼動させることができない課題が発生する。

本発明はこのような点に鑑み、プラズマを効率良く発生させて液体を処理しながら、同時にフェントン反応を活用することで処理能力を高めることができるとともに、プラズマを長時間安定して発生させる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。

上記課題を解決するために、本発明の１つの態様にかかる液体処理装置は、
片方の端部が閉口した断面形状が円形である筒状の処理槽と、
前記処理槽の中心軸上の一端側に配置される形状が棒状である第１電極と、
前記処理槽の他端側に配置される銅もしくは鉄を含む金属でできた第２電極と、
前記第１電極を陽極として、前記第１電極と前記第２電極との間に、正のパルス電圧を印加するパルス電源と、
前記第２電極を陽極として、前記第１電極と前記第２電極との間に、負の電圧を印加する直流電源と、
前記処理槽の前記円形筒状の接線方向から液体を導入することにより前記液体を前記処理槽内で旋回させ、前記液体の旋回流中に気相を発生させる液体導入口を備える。

本発明の前記態様にかかる液体処理装置によれば、前記直流電源で負の電圧を前記第１電極と前記第２電極との間に印加するとき、前記第２電極を陽極として機能させて金属イオンを発生させることができる。このため、例えば、電気分解による金属イオンの溶出を板状の第２電極から発生させるようにすれば、棒状の第１電極の磨耗を抑制することができて、プラズマを効率良く発生させて液体を処理しながら、同時にフェントン反応を活用することで処理能力を高めることができるとともに、プラズマを長時間安定して発生させることができ、設備を長時間稼動させることができる。また、電圧印加により液体を気化させる必要がないために、少ない電力でプラズマを発生させることができ、液体の処理を効率良く行うことができる。

本発明の実施形態にかかる液体処理装置の構成を示す側面断面図装置本体の側面断面図図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線における断面図処理槽の内部に旋回流が発生しており、電圧を印加していない状態を示す側面断面図処理槽の内部に旋回流が発生しており、パルス電圧を印加してプラズマが発生した状態を示す側面断面図処理槽の内部に旋回流が発生しており、パルス電圧印加が停止され負電圧が印加されて金属イオンが発生した状態を示す側面断面図第１電極と第２電極とに印加する電圧のタイミングチャートを示す図半径が異なる円筒を組み合わせた処理槽を示す図円錐形状の処理槽を示す図本発明の実施形態の変形例を示す側面断面図従来の液体処理装置の断面図気体導入装置を備える従来の液体処理装置の断面図フェントン反応により処理能力を高めた液体処理装置の断面図

［実施形態］
以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係る液体処理装置１００を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［全体構成］
まず、液体処理装置１００の全体構成について説明する。図１は、本発明の実施形態１にかかる液体処理装置１００の構成を示す側面断面図である。以下の図では、矢印Ｆは液体処理装置１００の前方向を示し、矢印Ｂは後方向を示す。矢印Ｕは上方向を示し、矢印Ｄは下方向を示す。矢印Ｒは後方向から見て右方向、矢印Ｌは後方向から見て左方向を示す。

図１に示す液体処理装置１００は、貯留槽９０に接続されている状態を示している。液体処理装置１００と貯留槽９０とを合わせて、液体処理システムとすることもできる。液体処理装置１００は、液体中で放電することによって液体を処理する。本実施形態では、汚濁物質が溶解した水溶液を処理する場合について説明する。貯留槽９０には、液体処理装置１００で処理された処理液Ｌ２が貯溜される。

液体処理装置１００は、少なくとも、処理槽１２と、第１電極３０と、第２電極３１と、パルス電源６０と、直流電源６１とを備えている。より具体的には、液体処理装置１００は、装置本体１０、液体供給部５０、パルス電源６０、及び直流電源６１を備えている。装置本体１０は、処理槽１２、液体導入口の一例として機能する導入部１５、排出部１７、第１電極３０、及び第２電極３１を備えている。

処理槽１２は、内部に導入された液体（例えば、水）を処理している部分である。処理槽１２の正面断面形状は円形である（図３参照）。処理槽１２は、処理槽１２の液体Ｌ１の旋回軸（言い換えれば、中心軸）Ｘ１沿いの一端側が断面形状が円形である円柱状の処理室を有している。処理槽１２の一端には導入部１５が配置され、処理槽１２の他端には排出部１７が配置されている。導入部１５は、処理槽１２に液体を導入する。導入部１５は、配管５１を介して液体供給部５０に連通している。排出部１７は、処理槽１２で処理された処理液Ｌ２を処理槽１２から排出させる。本実施形態では、排出部１７は、貯留槽９０の取り入れ口９１に接続されている。排出部１７から排出された処理液Ｌ２は、取り入れ口９１を介して貯留槽９０に排出されて貯溜される。処理槽１２の材質は絶縁体でもよいし、導体でもよい。導体の場合には、各電極３０，３１との間に絶縁体を介在する必要がある。

第１電極３０は、棒状であり、処理槽１２の内部に配置されている。第１電極３０は、処理槽１２の排出部１７が形成された壁面と対向する壁面側に例えば絶縁部を介して配置されている。

前記液体処理装置は制御ユニット（すなわち制御装置）７１を備えることもできる。この制御ユニット７１は、パルス電源６０による高電圧のパルス電圧と、直流電源６１による負のオフセット電圧とをそれぞれ第１電極３０と第２電極３１との間に印加するように制御する。電圧印加のタイミングは後述する。

第２電極３１は、排出部１７の近傍に配置されており、銅もしくは鉄を含む金属でできている。一例として、図１では、第２電極３１は、処理槽１２の排出部１７が形成された壁面の外側、具体的には、貯留槽９０の処理槽１２に隣接する壁面に固定されている。

第１電極３０はパルス電源６０が接続されて陽極として機能し、第２電極３１は接地されている。第１電極３０及び第２電極３１には、制御ユニット７１の制御により、パルス電源６０により高電圧のパルス電圧と直流電源６１により負のオフセット電圧とが印加可能となっている。

液体供給部５０は、一例として、処理槽１２内に液体（例えば、水）Ｌ１を供給するポンプである。液体供給部５０は、配管５１に接続されている。配管５１の一端は導入部１５に接続されており、配管５１の他端は、図示しない液体供給源（例えば、水タンク又は水道）に接続される。又は、配管５１の他端は、貯留槽９０に接続されて、貯留槽９０の、液体処理装置１００からの処理液Ｌ２を含んだ貯留水すなわち被処理液Ｌ３を循環できる形に接続されている（図１の一点鎖線の循環用配管８１などを参照）。

パルス電源６０は、第１電極３０と第２電極３１との間に数ｋＶの正の高電圧のパルス電圧を印加する。

また、直流電源６１は、第１電極３０と第２電極３１との間に１〜１００Ｖ程度の負のオフセット電圧を印加する。

パルス電源６０は、正のパルス電圧と負のパルス電圧とを交互に印加する、いわゆるバイポーラパルス電圧を印加することもできるが、正のパルス電圧のみを印加するモノポーラパルス電圧を印加する方がエネルギー効率は良い。なお、バイポーラ電圧を印加した場合、負のパルス電圧が印加されている間は、電気分解が発生して金属イオンの溶出が発生するが、負のパルス電圧の印加時間が短いために溶出量が少なく、十分にフェントン反応を起こすことができない。よって、バイポーラ電圧を用いる場合も、負のオフセット電圧を直流電源６１で第１電極３０と第２電極３１との間に印加する必要がある。

［装置本体］
次に、装置本体１０について詳細に説明する。図２は、装置本体１０の側面断面図である。

処理槽１２は、第１内壁２１、第２内壁２２、及び第３内壁２３を有している。第１内壁２１は、筒状の壁部である。第２内壁２２は、第１内壁２１の第１端部例えば図２の左端部に設けられている。第３内壁２３は、第１内壁２１の第２端部例えば図２の右端部に設けられている。第２内壁２２及び第３内壁２３は、側面視では略円形である。第１内壁２１、第２内壁２２、及び第３内壁２３により、処理槽１２の内部には、略円柱状の収容空間８３が構成されている。第１内壁２１の中心軸、つまり、処理槽１２の内部に構成される略円柱状の収容空間８３の仮想の中心軸を軸Ｘ１とする。

第２内壁２２には、中央に内向きに突出した電極支持筒２４が設けられている。電極支持筒２４は、筒状であり、第３内壁２３側すなわち図２の右方に延びている。電極支持筒２４は、その中心軸が第１内壁２１の中心軸Ｘ１と一致するように配置されている。電極支持筒２４の内側には、絶縁体５３を介して第１電極３０が支持されている。第１電極３０は棒状であり、絶縁体５３は第１電極３０の周囲に筒状に配置されている。このため、第１電極３０は、長手方向の軸が第１内壁２１の中心軸Ｘ１と一致するように配置されている。第１電極３０の内側端部は、絶縁体５３よりも第３内壁２３側すなわち図２の右方に、電極支持筒２４と同じぐらいに突出している。

導入部１５は、装置本体１０を貫通しており、一方の開口端１５１が第１内壁２１に形成されている。導入部１５は、側面視では、第２内壁２２に隣接した位置に配置されている。また、図３は、図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線における断面図である。導入部１５は、第１内壁２１の壁面に配置されている。

排出部１７は、第３内壁２３の例えば中央部を貫通している。排出部１７は、その中心軸が第１内壁２１の中心軸Ｘ１と一致するように形成されている。

第２電極３１は、銅または鉄を含む板状の金属部材であり、中央部に開口部３１１が形成されている。開口部３１１は円形であり、その中心が第１内壁２１の中心軸Ｘ１と一致するように形成されている。

［動作］
次に、液体処理装置１００の動作について説明する。

以下では、説明の便宜上、処理槽１２の内部に気相Ｇを発生させる状態（図４）と、パルス電源６０から気相Ｇにパルス電圧を印加してプラズマＰを発生させる状態（図５Ａ）、そしてパルス電源６０のパルス電圧印加が完了して、負の直流電圧が掛かっている状態（図５Ｂ）とをそれぞれ分けて説明する。図４は、処理槽１２の内部に旋回流Ｆ１が発生しており、パルス電圧を印加していない状態を示す側面断面図である。

まず、図４に示すように、導入部１５から処理槽１２に液体（例えば、水）Ｌ１が所定の圧力、すなわち、ポンプの供給圧力又はポンプ無しで水道水などの場合は水道水の供給圧力で導入されると、液体Ｌ１は第１内壁２１に沿って旋回流Ｆ１を発生させながら導入部１５から図４の右方に向けて移動する。旋回しながら図４の右方に移動した旋回流Ｆ１は、排出部１７に向けて移動する。

旋回流Ｆ１により、第１内壁２１の中心軸Ｘ１付近の圧力が飽和水蒸気圧以下に低下し、液体Ｌ１の一部が気化して気相Ｇが、第１内壁２１の中心軸Ｘ１付近に生成される。気相Ｇは、旋回中心付近、具体的には、中心軸Ｘ１と一致して図４の第１電極３０の右端部３０１から第１内壁２１の中心軸Ｘ１に沿って、第２電極３１付近まで発生する。気相Ｇは、接している旋回流Ｆ１により、旋回流Ｆ１と同方向に旋回している。旋回している気相Ｇは、排出部１７近傍で貯留槽９０内の処理液Ｌ２の抵抗を受ける事で、マイクロバブル又はナノバブルにせん断され、排出部１７から、排出部１７に接続された取り入れ口９１を介して貯留槽９０に拡散される。

図５Ａは、図４の状態に続いて処理槽１２の内部に旋回流Ｆ１が発生しており、パルス電源６０からパルス電圧を第１電極３０と第２電極３１との間に印加した状態を示す側面断面図である。図５Ａに示すように、液体Ｌ１が気化した気相Ｇが第１電極３０から第２電極３１の付近まで発生している状態で、パルス電源６０により、第１電極３０と第２電極３１との間に高電圧のパルス電圧を印加する。第１電極３０と第２電極３１とは、高電圧のパルス電圧が印加されると、気相Ｇ内にプラズマＰが発生し、ラジカル（ＯＨラジカル等）又はイオンを生成する。そのラジカル又はイオンは、気相Ｇから旋回流Ｆ１側へ溶解することで、液体Ｌ１中に溶解している汚濁物質を分解処理する。加えて、排出部１７付近の気相Ｇ内のプラズマＰは、貯留槽９０内の処理液Ｌ２の抵抗を受ける事でＯＨラジカル等を含有した大量の気泡Ｂを生じる。この様に、プラズマＰにより発生したＯＨラジカル等により処理され、ＯＨラジカル等を含有した気泡Ｂを含んだ状態の処理液Ｌ２が、排出部１７から貯留槽９０に向けて排出される。つまり、プラズマＰによって生成されたＯＨラジカル等は、直接もしくは気泡Ｂ内から貯留槽９０内の処理液Ｌ２に溶解する。そして、一定時間が経過すると、貯留槽９０内の処理液Ｌ２は、比較的安定な過酸化水素に変質する。なお、高電圧のパルス電圧の印加によって生成したプラズマＰは、電圧の印加を停止すると消失する。

なお、プラズマ放電が発生する際には、同時に紫外線が発生する。発生した紫外線が汚濁物質又は菌に照射されると、分解及び殺菌作用を発揮することができる。また、処理液中に発生した過酸化水素水に紫外線が照射されることで、前記したようにＯＨラジカルが発生し、これによっても分解及び殺菌作用が発揮される。

次に、図５Ｂに示すように、制御ユニット７１の制御の下に、パルス電源６０からの電圧印加が完了すると、直流電源６１から、負の直流電圧が第１電極３０と第２電極３１との間に掛かった状態になる。この時、第２電極３１はＧＮＤ電位であり、第１電極３０は、−１〜−１００Ｖ程度の負の電圧になる。よって、第２電極３１は陽極として機能し、第１電極３０は陰極として機能する。このため、板状の第２電極３１は銅または鉄を含む金属でできているので、電気分解が起こり、第２電極３１から貯留槽９０の処理液Ｌ２に対して金属イオンの溶出が発生する。図５Ｂでは、金属イオンの一例として銅イオンの溶出を示している。

貯留槽９０の処理液Ｌ２には、過酸化水素と銅もしくは鉄の金属イオンとが混合された状態になるため、フェントン反応が起こり、ＯＨラジカルが生成される。生成されたＯＨラジカルが、液体Ｌ１に含まれる有機物などと反応することで、液体Ｌ１を処理することが可能である。

図６に、制御ユニット７１によるパルス電源６０と直流電源６１とのそれぞれの電圧印加のタイミングチャートを表す図を示す。まず、制御ユニット７１の制御の下に、図６の（１）の時点で、旋回流Ｆ１で発生した気相Ｇにパルス電源６０からパルス電圧を印加すると、絶縁破壊電圧（Ｐ）に到達した時点で絶縁破壊が起こり、プラズマＰが発生する。

次に、制御ユニット７１の制御の下に、図６の（２）の時点で、パルス電源６０からのパルス電圧の印加を停止すると、プラズマＰが消失する。この時、直流電源６１から負の直流電圧が掛かっているため、電圧は０Ｖではなく、−１〜−１００Ｖ程度の負電圧（Ｎ）が印加された負電圧印加状態になる。図６の（３）の時点で、再び、パルス電源６０からパルス電圧を印加する。

以後、制御ユニット７１で、パルス電源６０からの高電圧パルスの印加状態、停止状態、直流電源６１からの負電圧印加状態を繰り返すことで、液体Ｌ１の処理を進展させることができる。印加するパルス電圧のパルス幅が大きいと、放電中に流れる電流が多くなるために、電極３１の磨耗が激しくなると同時に、熱損失が大きくなってしまうため、短い方が良い。ただし、パルス幅が１００ｎｓ以下で短すぎると、絶縁破壊が起こらずプラズマＰを発生することができない。絶縁破壊を確実に発生させるためには１００ｎｓより大きいパルス幅が望ましい。また、電極磨耗と熱損失を抑制するには３μｓより小さいパルス幅が望ましい。このため、１００ｎｓより大きく３μｓより小さいパルス幅であることが望ましい。

過酸化水素の濃度は、印加するパルス電圧の周期（ａ）に依存する。周期（ａ）が短いほど、生成される過酸化水素が多くなり、周期（ａ）が長いほど少なくなる。また、溶出する金属イオン濃度は、負の直流電源６１から供給する負電圧（Ｎ）の絶対値と負電圧（Ｎ）とが印加されている状態である負電圧印加時間（ｂ）との積に依存する。例えば、−５Ｖの負電圧を印加する場合よりも、−１０Ｖの負電圧を印加する場合の方が、金属イオン濃度が高くなり、負電圧印加時間（ｂ）が長いほど、金属イオン濃度は高くなる。

このように、貯留槽９０の処理液Ｌ２に生成される過酸化水素の量と金属イオンとの濃度は、別々の制御因子で制御することが可能であり、液体処理の目的に応じて設定することができる。

以上、説明した本実施形態によれば、直流電源６１で負の電圧を第１電極３０と第２電極３１との間に印加するとき、板状の第２電極３１を陽極として機能させて金属イオンを発生させることができる。このため、例えば、電気分解による金属イオンの溶出を板状の第２電極３１から発生させるので、棒状の第１電極３０の磨耗を抑制することができ、プラズマＰを効率良く発生させて液体Ｌ１を処理しながら、同時にフェントン反応を活用することで処理能力を高めることができるとともに、プラズマＰを長時間安定して発生させることができ、設備を長時間稼動させることができる。また、電圧印加により液体を気化させる必要がないために、少ない電力でプラズマＰを発生させることができ、液体Ｌ１の処理を効率良く行うことができる。言い換えれば、旋回流Ｆ１中で液体Ｌ１を気化させ、生成された気相Ｇにパルス電源６０からパルス電圧を印加してプラズマＰを発生させるため、プラズマＰを効率良く発生させて液体Ｌ１の処理を迅速に行うことができる。また、直流電源６１からの負電圧印加により、第２電極３１から銅イオンもしくは鉄イオンを溶出させることができ、プラズマＰで生成された過酸化水素とのフェントン反応を起こすことで、液体処理を効率的に行うことができる。

なお、以上の説明では、処理槽１２は単純な円筒形状であったが、片方の端部が、閉口した断面形状が円形である筒状の処理槽であれば、様々な形状をとることが可能である。例えば、図７に示すように、半径が異なる円筒を組み合わせた処理槽１２１又は、図８に示す円錐形状の処理槽１２２であっても同様の効果が得られる。

［変形例］
本実施形態では、パルス電源６０がパルス電圧を印加する周期は、所望の処理能力を得るために予め設定された一定の周期で動作しており、直流電源６１の電圧も一定であった。しかし、被処理液Ｌ３の過酸化水素濃度と金属イオン濃度とを計測して、その値に応じてパルス電圧の印加周波数と負の電圧値とを変化させることで、より効果的に液体処理をすることが可能となる。

図９に、本発明の変形例の装置構成を示す。金属イオン濃度計７２は、処理液Ｌ２が排出される貯留槽９０内に設けられており、貯留槽９０内の被処理液Ｌ３の銅もしくは鉄の金属イオン濃度を計測する。過酸化水素濃度計７３は、同じく、貯留槽９０内に設けられており、貯留槽９０内の被処理液Ｌ３の過酸化水素濃度を計測する。制御ユニット７１は、金属イオン濃度計７２及び過酸化水素濃度計７３の計測した値に応じて、パルス電源６０がパルス電圧を印加する周期と、直流電源６１が供給する電圧とを制御することができる。一例として、制御ユニット７１は、金属イオン濃度計７２及び過酸化水素濃度計７３の計測した値と周期と電圧とが関係付けられたテーブルを記憶しておき、そのテーブルに基づいて制御する。

図９の装置において、直流電源６１から負電圧を印加し続けると、金属イオン濃度が上昇していく。しかし、前記したフェントン反応を示す式（１）〜（４）で示したように、銅及び鉄イオンは触媒的な反応を示すため、貯留槽９０内でフェントン反応を起こすためには、所望の金属イオン濃度があればよく、金属イオンを供給し続ける必要はない。そこで、制御ユニット７１の制御により、金属イオン濃度計７２で計測した値が、予め設定していた上限金属イオン濃度に達したと制御ユニット７１で判断した後は、直流電源６１が供給する電圧を０Ｖに設定することで、金属イオンの溶出を止めることが出来る。一方で、フェントン反応が継続して発生する過程で、金属イオンが水酸化化合物を形成して金属汚泥として沈殿することにより、貯留槽９０内の被処理液Ｌ３中の金属イオン濃度が低下する現象が起こる。そこで、制御ユニット７１の制御により、金属イオン濃度計７２で計測した値が、予め設定していた下限金属イオン濃度に達したと制御ユニット７１で判断した場合は、直流電源６１に、再度、負電圧を印加するように制御することで、貯留槽９０内の金属イオン濃度を一定の値の範囲で保持することが可能になる。なお、上限金属イオン濃度は排出基準などに基づき予め設定する。また、下限金属イオン濃度は対象物の処理に必要な能力などを基に予め設定する。

一方、過酸化水素については、フェントン反応の過程で消費されるのみであるが、フェントン反応で消費される過酸化水素の量より、プラズマＰにより生成される過酸化水素の量が多い場合には、貯留槽９０内の被処理液Ｌ３の過酸化水素濃度が上昇していく。液体処理後に処理液Ｌ２に含まれる過酸化水素濃度が高いと、被処理液Ｌ３の処理後に過酸化水素を除去する手間が多くなる。そこで、制御ユニット７１の制御により、過酸化水素濃度計７３で計測した値が、予め設定していた上限過酸化水素濃度に達したと制御ユニット７１で判断した後は、制御ユニット７１からパルス電源６０に、パルス電圧の印加を停止するか、調整後のパルス電圧印加周期を、調整前のパルス電圧印加周期よりも短かくするように制御することで、プラズマＰによる過酸化水素の生成量を低下させることができる。フェントン反応により過酸化水素が消費され、制御ユニット７１の制御により、過酸化水素濃度計７３で計測した値が、予め設定していた下限過酸化水素濃度に達したと制御ユニット７１で判断した場合は、制御ユニット７１からパルス電源６０に、再度、調整後のパルス電圧印加周期を、調整前のパルス電圧印加周期よりも長くするように制御することで、貯留槽９０内の処理液Ｌ２の過酸化水素濃度を一定の値の範囲で保持することが可能になる。なお、上限過酸化水素濃度は排出基準などに基づき予め設定する。また、下限過酸化水素濃度は対象物の処理に必要な能力などを基に予め設定する。

以上、説明した本実施形態の前記変形例によれば、貯留槽９０内の被処理液Ｌ３の過酸化水素濃度と金属イオン濃度とを計測して、その値に応じてパルス電圧の印加周波数と負の電圧値を変化させることで、貯留槽９０の被処理液Ｌ３に含まれる過酸化水素濃度と金属イオン濃度とを一定の値の範囲で保持することができ、より効果的に液体処理をすることが可能となる。

以上、本発明の実施形態及び変形例を説明したが、上述した実施形態及び変形例は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態及び変形例に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態及び変形例を適宜変形して実施することが可能である。例えば、前記実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる液体処理装置は、液体中でプラズマを発生させることにより、液体に含まれる汚濁物質又は菌がプラズマに直接触れることによる分解及び殺菌作用と、プラズマ放電により発生する紫外線及びラジカルなどによる分解及び殺菌作用を同時に起こして、液体を処理することができる。また、本発明の前記態様にかかる液体処理装置は、プラズマで生成された過酸化水素と、電気分解で生成された銅もしくは鉄イオンとのフェントン反応も同時に発生するため、より効率的に液体を処理することが可能であり、殺菌、脱臭、及び各種の環境改善等に利用することが可能である。

１００液体処理装置
１０装置本体
１２処理槽
１２１処理槽
１２２処理槽
１５導入部
１７排出部
２１第１内壁
２２第２内壁
２３第３内壁
２４電極支持筒
５０液体供給部
５３絶縁体
３０第１電極
３１第２電極
５１配管
６０パルス電源
６１直流電源
７１制御ユニット
７２金属イオン濃度計
７３過酸化水素濃度計
８１循環用配管
８３収容空間
９０貯留槽
３１１開口部
Ｌ１液体
Ｌ２処理液
Ｌ３被処理液
８０１第１電極
８０２第２電極
８０３液体
８０４パルス電源
８０５プラズマ
９０１アノード電極
９０２カソード電極
９０３被処理液
９０４気体

Claims

片方の端部が閉口した断面形状が円形である筒状の処理槽と、
前記処理槽の中心軸上の一端側に配置される形状が棒状である第１電極と、
前記処理槽の他端側に配置される銅もしくは鉄を含む金属でできた第２電極と、
前記第１電極を陽極として、前記第１電極と前記第２電極との間に、正のパルス電圧を印加するパルス電源と、
前記第２電極を陽極として、前記第１電極と前記第２電極との間に、負の電圧を印加する直流電源と、
前記処理槽の前記円形筒状の接線方向から液体を導入することにより前記液体を前記処理槽内で旋回させ、前記液体の旋回流中に気相を発生させる液体導入口を備える、液体処理装置。
前記処理槽の他端側に接続されて、前記処理槽で処理された処理液が排出されて貯留する貯留槽内の被処理液の過酸化水素濃度を計測する過酸化水素濃度計と、
前記貯留槽内の前記被処理液の金属イオン濃度を計測する金属イオン濃度計と、
前記過酸化水素濃度計及び前記金属イオン濃度計の値に従って、前記パルス電源の動作周波数と、前記直流電源が印加する電圧を制御する制御ユニットを備える、
請求項１に記載の液体処理装置。
前記パルス電源が印加するパルス電圧のパルス幅が、１００ｎｓより大きく３μｓより小さい、
請求項１又は２に記載の液体処理装置。
前記第１電極は棒状であり、前記第２電極は板状である、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の液体処理装置。