JP2019210491A - パルスパワー印加装置および液体の処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 熱エネルギーの発生を抑制し、高いエネルギー効率で液体を処理することができるパルスパワー印加装置および液体の処理方法を提供することである。【解決手段】 パルスパワー印加装置１００は、液体Ｌ１を収容する絶縁性容器１０１と、絶縁性容器１０１の内部に配置された第１の陽極１１０と、絶縁性容器１０１の外部に絶縁性容器１０１に接触して配置された第１の陰極１２０と、絶縁性容器１０１の内部に配置された第２の陽極１３０と、絶縁性容器１０１の内部に配置された第２の陰極１４０と、第１の電源１５０と、第２の電源１６０と、を有する。第１の電源１５０は、第１の陽極１１０と第１の陰極１２０との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加する。第２の電源１６０は、第２の陽極１３０と第２の陰極１４０との間に５０Ｖ以下の定電圧を印加する。【選択図】図１
Description
本明細書の技術分野は、液体に高電圧のパルスパワーを印加するパルスパワー印加装置および液体の処理方法に関する。
液体を処理する際に、電極に電圧を印加する技術が用いられることがある。そのときの条件によっては、例えば、液中プラズマが発生する。このプラズマにより、例えば、液体は殺菌処理される。
また、水溶液中に電極対を浸して、それらの電極に電圧を印加すると、水の電気分解が生じる。例えば、特許文献１には、陽極１１と陰極１２とを容器１６中の電解質水溶液１５に浸した状態で、陽極１１と陰極１２との間に直流電圧を印加する方法が開示されている（特許文献１の図１参照）。また、アンチモンドープ酸化スズを１〜３０ｗｔ％含むＡｇＣｏＯ2 で表される銀コバルトデラフォサイト化合物を含む陽極を用いることが開示されている（特許文献１の請求項１、３）。
水の電気分解装置では、一対の電極を用いて水を電気分解することが一般的である。この場合には、水溶液中における水素ラジカル等のラジカルの発生と、気体の発生とを、同一の電極で実施している。そのため、従来の水の電気分解装置のエネルギー効率は高くない。また、電極に高電圧を印加する場合には、熱が発生する。つまり、このような種類の電気分解装置のエネルギー効率は高くない。
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。その課題とは、熱エネルギーの発生を抑制し、高いエネルギー効率で液体を処理することができるパルスパワー印加装置および液体の処理方法を提供することである。
第１の態様におけるパルスパワー印加装置は、液体を収容する絶縁性容器と、絶縁性容器の内部に配置された第１の陽極と、絶縁性容器の外部に絶縁性容器に接触して配置された第１の陰極と、絶縁性容器の内部に配置された第２の陽極と、絶縁性容器の内部に配置された第２の陰極と、第１の電源と、第２の電源と、を有する。第１の電源は、第１の陽極と第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加する。第２の電源は、第２の陽極と第２の陰極との間に５０Ｖ以下の定電圧を印加する。
このパルスパワー印加装置は、液体の温度をほとんど上昇させることなく液体の処理を実施することができる。そのエネルギー効率は高い。パルスパワー印加装置は、例えば、純水の電気分解を実施することができる。
本明細書では、熱エネルギーの発生を抑制し、高いエネルギー効率で液体を処理することができるパルスパワー印加装置および液体の処理方法が提供されている。
以下、具体的な実施形態について、パルスパワー印加装置および液体の処理方法を例に挙げて図を参照しつつ説明する。
（第１の実施形態）
１．パルスパワー印加装置
図１は、本実施形態のパルスパワー印加装置１００の概略構成図である。図１に示すように、パルスパワー印加装置１００は、絶縁性容器１０１と、第１の陽極１１０と、第１の陰極１２０と、第２の陽極１３０と、第２の陰極１４０と、第１の電源１５０と、第２の電源１６０と、を有する。
１．パルスパワー印加装置
図１は、本実施形態のパルスパワー印加装置１００の概略構成図である。図１に示すように、パルスパワー印加装置１００は、絶縁性容器１０１と、第１の陽極１１０と、第１の陰極１２０と、第２の陽極１３０と、第２の陰極１４０と、第１の電源１５０と、第２の電源１６０と、を有する。
絶縁性容器１０１は液体Ｌ１を収容するための容器である。絶縁性容器１０１はもちろん絶縁性である。絶縁性容器１０１は透明であるとよい。絶縁性容器１０１の内部について容易に観察可能であるからである。絶縁性容器１０１は、例えば、石英ガラスやアクリルである。その他の材質であってもよい。液体Ｌ１は、例えば、水である。
第１の陽極１１０および第１の陰極１２０は、電極対である。第１の陽極１１０と第１の陰極１２０との間には、高電圧のパルスパワーが印加されることになる。第１の陽極１１０は、絶縁性容器１０１の内部に配置されている。液体Ｌ１を処理する際には、第１の陽極１１０は、液体Ｌ１の内部に配置されている。第１の陰極１２０は、液体Ｌ１の外部に配置されている。より具体的には、第１の陰極１２０は、絶縁性容器１０１の外部の壁面１０１ａに接触して配置されている。第１の陽極１１０の材質は、例えば炭素である。第２の陰極１２０の材質は、例えばアルミ箔である。これらは例示であり、もちろん、上記以外の材質であってもよい。
第２の陽極１３０および第２の陰極１４０は、電極対である。第２の陽極１３０と第２の陰極１４０との間には、定電圧の電圧が印加されることになる。第２の陽極１３０および第２の陰極１４０は、絶縁性容器１０１の内部に配置されている。液体Ｌ１を処理する際には、第２の陽極１３０および第２の陰極１４０は、液体Ｌ１の内部に配置されている。第２の陽極１３０の材質は、例えばステンレスである。第２の陰極１４０の材質は、例えば炭素である。これらは例示であり、もちろん、上記以外の材質であってもよい。
第１の電源１５０は、第１の陽極１１０と第１の陰極１２０との間に電圧を印加する。第１の電源１５０は、パルスで電圧を印加する。
第２の電源１６０は、第２の陽極１３０と第２に陰極１４０との間に電圧を印加する。第２の電源１６０は、定電圧を印加する。
２．パルスパワー印加装置のパルス
第１の電源１５０は、第１の陽極１１０と第１の陰極１２０との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加する。
第１の電源１５０は、第１の陽極１１０と第１の陰極１２０との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加する。
図２は、第１の電源１５０が印加するパルスパワーを説明するためのタイミングチャートである。図２の横軸は時間である。図２の縦軸は電圧（Ｖ）である。図２に示すように、電圧は急激に立ち上がり、ピーク電圧を過ぎたところで比較的なだらかに立ち下がる。
電圧の立ち上がりにおけるｄＶ／ｄｔは１０10Ｖ／ｓ以上１０12Ｖ／ｓ以下である。立ち上がり時間Ｒ１は１０-9ｓ以上１０-7ｓ以下である。パルス間隔Ｉ１は、例えば、１０-4ｓ程度である。
第２の電源１６０は、第２の陽極１３０と第２の陰極１４０との間に５０Ｖ以下の定電圧を印加する。
３．液体の処理方法
次に、パルスパワー印加装置１００を用いた液体の処理方法について説明する。まず、絶縁性容器１０１の内部に液体Ｌ１を注ぐ。液体Ｌ１が絶縁性容器１０１の内部に収容されている段階で、第１の陽極１１０と第２の陽極１３０と第２の陰極１４０とは、液体Ｌ１の内部に配置されている。一方、第１の陰極１２０は、絶縁性容器１０１の外部に絶縁性容器１０１に接触して配置されている。
次に、パルスパワー印加装置１００を用いた液体の処理方法について説明する。まず、絶縁性容器１０１の内部に液体Ｌ１を注ぐ。液体Ｌ１が絶縁性容器１０１の内部に収容されている段階で、第１の陽極１１０と第２の陽極１３０と第２の陰極１４０とは、液体Ｌ１の内部に配置されている。一方、第１の陰極１２０は、絶縁性容器１０１の外部に絶縁性容器１０１に接触して配置されている。
第１の陽極１１０と第１の陰極１２０との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加する。また、第２の陽極１３０と第２の陰極１４０との間に５０Ｖ以下の定電圧を印加する。
４．本実施形態の効果
このパルスパワー印加装置１００による電圧の印加により、液体Ｌ１の内部の第１の陽極１１０の付近で急激な電圧の変化が生じる。そのため、第１の陽極１１０の周辺でラジカルが発生する。そして、主に、第２の陽極１３０および第２の陰極１４０の周辺で気体が発生する。
このパルスパワー印加装置１００による電圧の印加により、液体Ｌ１の内部の第１の陽極１１０の付近で急激な電圧の変化が生じる。そのため、第１の陽極１１０の周辺でラジカルが発生する。そして、主に、第２の陽極１３０および第２の陰極１４０の周辺で気体が発生する。
一方、第１の陰極１２０は絶縁性容器１０１の外側の壁面１０１ａに固定されている。そして、１パルスあたりの時間が十分に短い。本実施形態では、安定的で持続的な放電が生じる前に電圧の印加を一時的に停止するのである。
そのため、第１の陽極１１０と第１の陰極１２０との間でアーク放電がほとんど発生しない。パルスパワーがアーク放電に消費されないため、高電圧のパルスパワーがより直接的に液体Ｌ１に加わることとなる。そのため、非常に高い効率でエネルギーを液体Ｌ１に与えることができる。
また、上記のように、ラジカルを発生させる電極と、主に気体を発生させる電極と、が別々である。一般的に陽極は腐食しやすいが、本実施形態の電極は、役割が分担されているため、腐食しにくい。
例えば、通常では困難な純水の電気分解を実施することができる。純水はミネラルをほとんど含んでいないため、非常に電気抵抗率が高い。一般には、純水を電気分解することは決して容易ではない。
５．変形例
５−１．液体
本実施形態の液体Ｌ１は水である。液体Ｌ１は、もちろん、それ以外の液体であってもよい。例えば、アルコールである。または、水とアルコールとの混合液であってもよい。その他、水系溶媒、有機系溶媒を有する溶液に、本明細書の技術を適用することができる。
５−１．液体
本実施形態の液体Ｌ１は水である。液体Ｌ１は、もちろん、それ以外の液体であってもよい。例えば、アルコールである。または、水とアルコールとの混合液であってもよい。その他、水系溶媒、有機系溶媒を有する溶液に、本明細書の技術を適用することができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態から第２の陽極１３０と第２の陰極１４０と第２の電源１６０とを除去したものである。
第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、第１の実施形態から第２の陽極１３０と第２の陰極１４０と第２の電源１６０とを除去したものである。
１．パルスパワー印加装置
図３は、本実施形態のパルスパワー印加装置２００の概略構成図である。図３に示すように、パルスパワー印加装置２００は、絶縁性容器１０１と、第１の陽極１１０と、第１の陰極１２０と、第１の電源１５０と、を有する。
図３は、本実施形態のパルスパワー印加装置２００の概略構成図である。図３に示すように、パルスパワー印加装置２００は、絶縁性容器１０１と、第１の陽極１１０と、第１の陰極１２０と、第１の電源１５０と、を有する。
２．本実施形態の効果
この場合であっても、第１の陽極１１０の周辺にラジカルが発生する。
この場合であっても、第１の陽極１１０の周辺にラジカルが発生する。
（実験）
１．実験方法
第１の実施形態のパルスパワー印加装置１００を用いて純水の電気分解を行った。第１の陽極１１０は、０．３ｍｍφの炭素棒であった。第１の陰極１２０はアルミ箔であった。第２の陽極１３０はステンレスであった。第２の陰極は、０．３ｍｍφの炭素棒であった。純水の体積は２５０ｃｃであった。純水の比熱は４．１８Ｊ／ｇＫである。純水の比重は０．９９７ｇ／ｃｃである。
１．実験方法
第１の実施形態のパルスパワー印加装置１００を用いて純水の電気分解を行った。第１の陽極１１０は、０．３ｍｍφの炭素棒であった。第１の陰極１２０はアルミ箔であった。第２の陽極１３０はステンレスであった。第２の陰極は、０．３ｍｍφの炭素棒であった。純水の体積は２５０ｃｃであった。純水の比熱は４．１８Ｊ／ｇＫである。純水の比重は０．９９７ｇ／ｃｃである。
第１の電源１５０が第１の陽極１１０と第１の陰極１２０との間に印加する電圧は１ｋＶであった。ｄＶ／ｄｔは１０11Ｖ／ｓであった。パルス間隔は５×１０-4ｓ（５０ｋｐｐｓ）であった。電力は５０Ｗであった。
２．実験結果
上記のパルスパワーの印加を６０分実施した。第２の陽極１３０に酸素が発生し、第２の陰極１４０に水素が発生した。
上記のパルスパワーの印加を６０分実施した。第２の陽極１３０に酸素が発生し、第２の陰極１４０に水素が発生した。
図４は、パルスパワー印加装置１００の内部における気泡の発生の様子を示す写真である。図４に示すように、電極から気泡が活発に発生した。なお、６０分間の純水の電気分解を実施した際の純水の温度上昇は９．５℃であった。
（付記）
第１の態様におけるパルスパワー印加装置は、液体を収容する絶縁性容器と、絶縁性容器の内部に配置された第１の陽極と、絶縁性容器の外部に絶縁性容器に接触して配置された第１の陰極と、絶縁性容器の内部に配置された第２の陽極と、絶縁性容器の内部に配置された第２の陰極と、第１の電源と、第２の電源と、を有する。第１の電源は、第１の陽極と第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加する。第２の電源は、第２の陽極と第２の陰極との間に５０Ｖ以下の定電圧を印加する。
第１の態様におけるパルスパワー印加装置は、液体を収容する絶縁性容器と、絶縁性容器の内部に配置された第１の陽極と、絶縁性容器の外部に絶縁性容器に接触して配置された第１の陰極と、絶縁性容器の内部に配置された第２の陽極と、絶縁性容器の内部に配置された第２の陰極と、第１の電源と、第２の電源と、を有する。第１の電源は、第１の陽極と第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加する。第２の電源は、第２の陽極と第２の陰極との間に５０Ｖ以下の定電圧を印加する。
第２の態様におけるパルスパワー印加装置は、液体を収容する絶縁性容器と、絶縁性容器の内部に配置された第１の陽極と、絶縁性容器の外部に絶縁性容器に接触して配置された第１の陰極と、第１の電源と、を有する。第１の電源は、第１の陽極と第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加する。
第３の態様における液体の処理方法においては、絶縁性容器の内部に液体を収容し、絶縁性容器の外部に絶縁性容器に接触して第１の陰極を配置し、液体の内部に第１の陽極と第２の陽極と第２の陰極とを配置し、第１の陽極と第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加し、第２の陽極と第２の陰極との間に５０Ｖ以下の定電圧を印加する。
第４の態様における液体の処理方法においては、絶縁性容器の内部に液体を収容し、絶縁性容器の外部に絶縁性容器に接触して第１の陰極を配置し、液体の内部に第１の陽極を配置し、第１の陽極と第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加する。
１００…パルスパワー印加装置
１０１…絶縁性容器
１０１ａ…外壁
１１０…第１の陽極
１２０…第１の陰極
１３０…第２の陽極
１４０…第２の陰極
１５０…第１の電源
１６０…第２の電源
Ｌ１…溶液
１０１…絶縁性容器
１０１ａ…外壁
１１０…第１の陽極
１２０…第１の陰極
１３０…第２の陽極
１４０…第２の陰極
１５０…第１の電源
１６０…第２の電源
Ｌ１…溶液
Claims (4)
- 液体を収容する絶縁性容器と、
前記絶縁性容器の内部に配置された第１の陽極と、
前記絶縁性容器の外部に前記絶縁性容器に接触して配置された第１の陰極と、
前記絶縁性容器の内部に配置された第２の陽極と、
前記絶縁性容器の内部に配置された第２の陰極と、
第１の電源と、
第２の電源と、
を有し、
前記第１の電源は、
前記第１の陽極と前記第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加し、
前記第２の電源は、
前記第２の陽極と前記第２の陰極との間に５０Ｖ以下の定電圧を印加すること
を特徴とするパルスパワー印加装置。 - 液体を収容する絶縁性容器と、
前記絶縁性容器の内部に配置された第１の陽極と、
前記絶縁性容器の外部に前記絶縁性容器に接触して配置された第１の陰極と、
第１の電源と、
を有し、
前記第１の電源は、
前記第１の陽極と前記第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加すること
を特徴とするパルスパワー印加装置。 - 絶縁性容器の内部に液体を収容し、
前記絶縁性容器の外部に前記絶縁性容器に接触して第１の陰極を配置し、
前記液体の内部に第１の陽極と第２の陽極と第２の陰極とを配置し、
前記第１の陽極と前記第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加し、
前記第２の陽極と前記第２の陰極との間に５０Ｖ以下の定電圧を印加すること
を特徴とする液体の処理方法。 - 絶縁性容器の内部に液体を収容し、
前記絶縁性容器の外部に前記絶縁性容器に接触して第１の陰極を配置し、
前記液体の内部に第１の陽極を配置し、
前記第１の陽極と前記第１の陰極との間に１ｋＶ以上３０ｋＶ以下の電圧をパルスで印加すること
を特徴とする液体の処理方法。
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|---|---|---|---|---|
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| CN105858827A (zh) * | 2015-09-20 | 2016-08-17 | 大连双迪创新科技研究院有限公司 | 市供自来水深度净化装置 |
| CN105858982A (zh) * | 2015-09-20 | 2016-08-17 | 大连双迪创新科技研究院有限公司 | 一种简易台式饮水机 |
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