JP2019501007A - プラズマリアクタ - Google Patents

Abstract

窒素化合物で水を富化するためのプラズマリアクタであって、水容器と、導波路によりマイクロ波生成器と接続されたプラズマヘッドと、上記プラズマヘッド内に位置する第１端部と、上記水容器へと突出した第２端部とを有する石英管と、ガスを上記石英管の上記第１端部へと導入するように構成され、これにより、導入された上記ガスが上記石英管の第２端部を通じて出て来るガスサーキュレータと、上記石英管において放電を生成するために上記石英管内で上記プラズマヘッドへと挿入され、上記放電が生成された後に上記プラズマヘッドの外へ移動させられるように構成される放電生成ロッドとを備え、上記石英管の上記第２端部は、出口を含み、富化用の水が上記水容器に提供されると少なくとも上記出口が水に沈むように位置決めされ、上記放電は、上記導波路を通じて上記マイクロ波生成器から供給されるマイクロ波場内の上記石英管においてもたらされ、これにより、上記石英管を通過した上記ガスが、プラズマ放電においてイオン化され、上記出口は複数の穴を含み、これにより、上記ガスは、上記石英管の上記第２端部を離れる場合、気泡の形態で放出される、プラズマリアクタ。

Description

本発明はプラズマリアクタに関する。本発明は特に、窒素化合物で水を富化するためのマイクロ波プラズマリアクタに関する。

窒素化合物で水を富化するための既知のプラズマリアクタがある。窒素および窒素化合物で富化されたそのような水は、水栽培植物育種において植物に水を与えるために用いられ得る。

「非平衡プラズマにより水の中で生成される反応性窒素種による植物の成長速度および栄養収量の増加」（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １３ （２０１３） Ｓ１９−Ｓ２９、Ｄａｙｏｎｎａ Ｐ． Ｐａｒｋその他著）という公報が、植物の発育および成長のプロセスに対する窒素化合物の影響、およびその後、農産物の品質を論じている。当該公報は、窒素化合物の生成に利用され得る３種類のプラズマ、つまり、熱スパーク放電、グライディングアーク放電および移行アーク放電を比較している。

ＰＣＴ特許出願ＷＯ２０１０１１４５８０Ａ１が電気プラズマアーク装置および方法を開示している。これらの装置および方法は、当該装置の近くで抽出された周囲空気を用いるだけで、窒素化合物の生成を可能にする。当該窒素化合物は、水処理システムと接触させられ、そこに硝酸塩を形成する。水処理システムにおいて生成された、脱窒素微生物を含む硝酸塩イオンが、微生物強化油回収メカニズムにより油回収率を高め得ることが開示されている。

当該技術分野において既知であるデバイスよりも効率的でより良好に動作するであろう、窒素化合物で水を富化するためのデバイスを提供するニーズがある。特に、より効率的でありながらより安価でより保守上の問題が少ないであろう、窒素化合物で水を富化するためのデバイスを提供することが有利であろう。

従って、本発明の目的は、改良され、費用対効果が高い、窒素化合物で水を富化するための装置を提供することである。

本発明の目的は、窒素化合物で水を富化するためのプラズマリアクタである。上記プラズマリアクタは、水容器と、導波路によりマイクロ波生成器と接続されたプラズマヘッドと、上記プラズマヘッド内に位置する第１端部と、上記水容器へと突出した第２端部とを有する石英管と、ガスを上記石英管の上記第１端部へと導入するように構成され、これにより、導入された上記ガスが上記石英管の第２端部を通じて出て来るガスサーキュレータと、上記石英管において放電を生成するために上記石英管内で上記プラズマヘッドへと挿入され、上記放電が生成された後に上記プラズマヘッドの外へ移動させられるように構成される放電生成ロッドとを備え、上記石英管の上記第２端部は、出口を含み、富化用の水が上記水容器に提供されると少なくとも上記出口が水に沈むように位置決めされ、上記放電は、上記導波路を通じて上記マイクロ波生成器から供給されるマイクロ波場内の上記石英管においてもたらされ、これにより、上記石英管を通過した上記ガスが、プラズマ放電においてイオン化され、上記出口は複数の穴を含み、これにより、上記ガスは、上記石英管の上記第２端部を離れる場合、気泡の形態で放出される。

好ましくは、上記ガスサーキュレータは、富化用の水が提供された場合に上記水容器における水面の上からガスを引き込み、このガスを上記石英管の上記第１端部に向けるように適合される。

好ましくは、上記プラズマリアクタは、上記水容器へと突出した振動伝導素子を有する振動生成器をさらに備える。好ましくは、上記振動生成器は超音波振動生成器である。好ましくは、上記出口はプレート状の形状を有する。

好ましくは、上記石英管は、富化されるべき水の提供後、少なくとも３０ｃｍ水に沈む。好ましくは、上記穴は１ｍｍ未満の直径を有する。好ましくは、上記穴は０．５ｍｍ未満の直径を有する。

本発明の別の目的は、窒素化合物で水を富化するための方法である。上記方法は、水容器を設ける段階と、導波路によりマイクロ波生成器と接続されたプラズマヘッドを設ける段階と、上記プラズマヘッド内に位置する第１端部と、上記水容器へと突出した第２端部とを有する石英管を設ける段階と、富化用の水を、上記石英管の上記第２端部における出口が水に沈むような量だけ上記水容器に提供する段階と、ガスサーキュレータによりガスを上記石英管の上記第１端部へと導入し、これにより、導入された上記ガスが上記石英管の上記第２端部を通じて出て来る段階であって、上記出口は複数の穴を含み、これにより、上記ガスは、上記石英管の上記第２端部を離れる場合、気泡の形態で放出される、段階と、放電生成ロッドを上記石英管内で上記プラズマヘッドへと挿入する段階と、マイクロ波場を、上記導波路を通じて上記マイクロ波生成器から上記石英管に供給する段階と、上記石英管において放電を生成し、これにより、上記石英管を通過した上記ガスが、プラズマ放電においてイオン化される段階と、上記放電が生成された後に上記放電生成ロッドを上記プラズマヘッドから取り外す段階とを備える。 本明細書において示される、本発明のこれらのおよび他の目的は、プラズマリアクタを提供することにより達成される。さらに、本発明の詳細および特徴、その性質および様々な利点が、図面に示される好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

第１ビューにおけるプラズマリアクタを示す。 第２ビューにおけるプラズマリアクタを示す。 実験測定値を示す。 プロット測定値を示す。

図１は、本発明に従ったプラズマリアクタを示す。プラズマリアクタは、窒素化合物での富化用の水が供給される水容器８を備える。好ましくは、容器８のより大きい部分が水で満たされる。水容器８は、地面と実質的に平行な底部がある円筒形状を有し得る。

リアクタはプラズマヘッド３をさらに備える。プラズマヘッド３は、プラズマリアクタの主要な素子として機能し、他の必須部品のための接続素子としての役割を果たす。プラズマヘッド３は、導波路２を用いてマイクロ波生成器１と接続される。当該生成器は、１０００Ｗオーダーの出力を有し得、９００Ｍｈｚから４Ｇｈｚの周波数帯域において動作し得る。好ましくは、導波路２は、一方の側が他方の側よりも広い矩形断面を有する。プラズマヘッド３内に石英管５が取り付けられる。石英管５の第１端部がプラズマヘッド３内に位置決めされ、一方で、その第２端部が水容器８へと突出する。好ましくは、石英管５は、水容器８の底部に対して垂直に配置される。石英管は高温および熱衝撃に耐え得る。その上、石英管は紫外線照射を吸収しない。これにより、プラズマにより発された紫外線照射は、水に伝達される。それにより、水の改質プロセスが改善される（とりわけ、オゾン生成が生じる）。

石英管５の第２端部は出口７を有する。石英管５は、富化用の水が水容器８に提供されると少なくとも出口７が水に沈むように位置決めされる。

プラズマリアクタは、ガスを石英管５の第１端部へと導入するように構成されるポンプなどのガスサーキュレータ９をさらに備える。導入されたガスはその後、出口７を通じて、石英管５の第２端部から離れる。出口７は複数の穴を備える。これにより、当該ガスは、石英管５の第２端部を離れる場合、気泡の形態で放出され、水中を移動し、上方向に富化処理を受ける。これにより、移動中に水に溶解する機会がそれらに提供される。これらの穴は、小さな気泡を生じさせるような寸法のものであるべきである。例えば、それらの直径は、２ｍｍと等しいか、または２ｍｍよりも小さいものであるべきである。

プラズマヘッド３には放電生成ロッド４が備えられる。放電生成ロッド４は、石英管５において放電を生成するために石英管５内でプラズマヘッド３へと挿入され、放電が生成された後にプラズマヘッド３の外に移動させられるように構成される。ロッド４は、プラズマ放電を開始するスパークを生成する。開始後、ロッド４が溶融すること、およびロッド４から噴射される金属で石英管５を汚すことを回避するために、ロッド４は、プラズマ放電領域から迅速に取り外される必要がある。

ロッド４は金属製である。当該放電は、導波路２を通じてマイクロ波生成器１から供給されるマイクロ波場内の石英管５においてもたらされる。これは、石英管５を通過したガスの部分的なイオン化および窒素を含む励起粒子の生成につながる。より具体的には、石英管５の一部分において、ガスプラズマが生成され、供給されたこのガスが当該部分を通過する。ガスプラズマが生じる、石英管５の当該部分は通常、導波路２の内部、つまり、石英管５の上部に位置する。マイクロ波の吸収に起因して、当該プラズマは、石英管５の内部の空気流の速度に応じて、石英管５に沿ってこの管のほぼ端部まで（例えば、１５〜２０ｃｍ）伸びる（長くなる）。上述のとおり、このように処理されたガスは、出口７を通じて、より正確には出口７の複数の穴を通じて石英管５を離れ、その後、水に溶解する。小さな分散した気泡の形態でガスを水へと供給することにより、富化処理の有効性が高まる。なぜなら、小さな気泡はより容易に溶解するからである。

ガスサーキュレータ９は、ガスを石英管５へと導入する。当該ガスは、例えば空気であり得、好ましくは、プラズマリアクタの周囲の空気から引き込まれ得る。当該ガスは、他の外部の供給源、例えば、ガスタンクまたは他のガス供給インフラストラクチャから引き込まれ得る。加えて、ガスサーキュレータ９は、富化されるべき水が提供された場合に水容器８における水面の上からガスを引き込み、このガスを石英管５の第１端部に向けるように適合され得る。これは、例えば図１または図２に示されるように、水容器８の上部に接続された空気流路１０を通じてガスを引き込むための換気機またはガスポンプ９を設けることにより、実現され得る。そのような再循環により、まだ溶解していない有害な窒素化合物が自然環境に排出されることが防止されるだけでなく、処理全体の効率が高まる。

出口７は、小さな気泡を生成するような形状をしており、水容器の断面内で好ましくは均一に分散した穴を有する。出口７は、均一に、または不均一に位置する小さな開口がある、プレート状の形状を備え得るか、または石英管５の第２端部に接続された複数の管を備え得る。複数の管の各々は、液体に浸かっている時に気泡を生成するための小さな穴を有する。好ましくは、これらの穴は１ｍｍ未満の直径を有する。好ましくは、これらの穴は０．５ｍｍ未満の直径を有する。複数の管は、一様に石英管５の第２端部に対して外側に向けられるように配置され得る。これにより、気泡は、地面と平行な水容器８の断面の全体に生成される。

プラズマリアクタは振動生成機構をさらに備え得る。この振動生成機構は、水容器８へと突出した振動伝導素子１１を有する生成器１２を備え得、富化されるべき水に沈み得る。生成器１２は、２０ｋＨｚから４０ｋＨｚの間の帯域の機械的振動を生成する。好ましくは、振動生成器１２は超音波振動生成器である。これらの振動は、好ましくはロッドまたはプレートである素子１１を用いて水の中に導入され、それにより、出口７を離れた気泡が水面に到達する前に当該気泡を分解することが可能になる。図面に示される素子６は、プラズマ列、すなわち、イオン化されたガスを概略的に表す。

図２は、本発明に従った例示的な配置を示す。２．４５ＧＨｚの周波数で動作し、３ｋＷの出力でマイクロ波を生成するマイクロ波生成器１は、電源アダプタ１４に接続される。低リップル電源を用いることが好ましい。リップルが１５０〜２００Ｈｚよりも高い周波数であることを条件として、高リップル電源アダプタを使用することも可能である。当該周波数が低過ぎる場合、プラズマはパルス間で消失し得、放電は消散する。図示されるように、マイクロ波サーキュレータ１３が、マイクロ波生成器１とプラズマヘッド３との間に追加的に設けられ得る。マイクロ波サーキュレータ１３において、導波路内のプラズマヘッドで跳ね返った電磁波は、当該サーキュレータの複数のゲートのうちの１つにある水負荷に吸収される。これにより、当該生成器（磁電管）は、反射波の不利な影響から保護される。そのような反射波はいわゆる定常波の生成を引き起こし、極大値の領域においてスパークが生じ得る。当該サーキュレータは、ランプ生成器（磁電管）の動作時間を著しく延ばす。

放電ロッド４は、矢印の形の記号で示される。当該矢印は、放電ロッド４がプラズマヘッド３へと挿入される方向を示す。好ましくは、放電ロッド４はウォルフラム製または高融点材料製である。

図２は、富化されるべき水を提供するための水入口１５と、富化処理後の水を水容器８の外へ放出するのに適した水出口１６とを有する水容器８を示す。

好ましくは、石英管５は、導波路２の矩形断面の広い側を横切る。電界強度は石英管５内で最も強い。これにより、より容易な放電の開始（石英管５へと導入されたロッドからのスパークの生成）が可能になり、既に生成されているプラズマへのマイクロ波エネルギーの伝達性が向上する。

好ましくは、石英管５は、富化されるべき水が提供されると、少なくとも３０ｃｍ水に沈む。これにより、気泡が出口７から水面へと移動しながら水に溶解するために十分に長い時間が提供される。実験結果

水容器は、３０リットルの純粋な水道水で満たされた。２．４５ＧＨｚ＋／−５０ＭＨｚの周波数で動作し、２ｋＷの出力でマイクロ波を生成するマイクロ波生成器１が用いられた。ガスの体積流量は１２リットル／分だった。プラズマの開始後、ｐＨレベルの経時的変化が測定され、サンプルが取得された。実験は、ガスの再循環なしで実行された。測定結果は図３に示されている。

その上、取得されたデータを検証すべく、第２実験が実行された。第２実験では、ｐＨ３．６０の水が、リアクタチャンバにおいて２８分間処理された。処理条件、すなわち、マイクロ波生成器の周波数および出力ならびにガス流量は、第１実験でのものと同じだった。硝酸塩および亜硝酸塩の濃度が、水の処理から２４時間後に調べられた。取得された結果により、リアクタの効率が高まったことが確認された。処理水中の硝酸塩（ＮＯ３⁻）の濃度は３１１ｍｇ／ｌであり、処理水中の亜硝酸塩（ＮＯ２⁻）の濃度は１６８．３ｍｇ／ｌだった。

図４はプロットした実験結果を示す。図示されるように、ｐＨレベルは、硝酸塩、亜硝酸塩および全窒素の濃度レベルと逆相関している。これにより、ｐＨレベルを測定するだけで、当該処理を簡便かつ効率的に制御することが可能になる。

本開示に従ったリアクタは、既知のプラズマ生成装置と比較して効率が向上していることを示している。

示されるリアクタにおいて、マイクロ波生成器と接続されたプラズマヘッドを備えるこの先進的なシステムにより、適切な酸化特性の条件（大気）の生成が可能になる。そのような条件では、水を気泡で処理すると、遊離基および他の強力な酸化剤が生成される。空気中に含まれる窒素（約７９％ｖ／ｖのＮ_２）が反応して、反応生成物としての窒素酸化物が生じる。硝酸塩および亜硝酸塩は、植物用肥料の重要成分を構成する。

Claims (9)

1. 窒素化合物で水を富化するためのプラズマリアクタであって、
   水容器と、
   導波路によりマイクロ波生成器と接続されたプラズマヘッドと、
   前記プラズマヘッド内に位置する第１端部と、前記水容器へと突出した第２端部とを有する石英管と、
   ガスを前記石英管の前記第１端部へと導入し、これにより、導入された前記ガスが前記石英管の前記第２端部を通じて出て来るガスサーキュレータと、
   前記石英管において放電を生成するために前記石英管内で前記プラズマヘッドへと挿入され、前記放電が生成された後に前記プラズマヘッドの外へ移動させられる放電生成ロッドと
   を備え、
   前記石英管の前記第２端部は、出口を含み、富化用の水が前記水容器に提供されると少なくとも前記出口が水に沈むように位置決めされ、
   前記放電は、前記導波路を通じて前記マイクロ波生成器から供給されるマイクロ波場内の前記石英管においてもたらされ、これにより、前記石英管を通過した前記ガスが、プラズマ放電においてイオン化され、
   前記出口は複数の穴を含み、これにより、前記ガスは、前記石英管の前記第２端部を離れる場合、気泡の形態で放出される、
   プラズマリアクタ。
2. 前記ガスサーキュレータは、富化用の水が提供された場合に前記水容器における水面の上からガスを引き込み、前記ガスを前記石英管の前記第１端部に向ける、
   請求項１に記載のプラズマリアクタ。
3. 前記水容器へと突出した振動伝導素子を有する振動生成器をさらに備える、
   請求項１または２に記載のプラズマリアクタ。
4. 前記振動生成器は超音波振動生成器である、
   請求項３に記載のプラズマリアクタ。
5. 前記出口はプレート状の形状を含む、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
6. 前記石英管は、富化されるべき水の提供後、水に少なくとも３０ｃｍ沈む、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
7. 前記複数の穴は１ｍｍ未満の直径を有する、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
8. 前記複数の穴は０．５ｍｍ未満の直径を有する、
   請求項１から７のいずれか一項に記載のプラズマリアクタ。
9. 水容器を設ける段階と、
   導波路によりマイクロ波生成器と接続されたプラズマヘッドを設ける段階と、
   前記プラズマヘッド内に位置する第１端部と、前記水容器へと突出した第２端部とを有する石英管を設ける段階と、
   富化用の水を、前記石英管の前記第２端部における出口が水に沈むような量だけ前記水容器に提供する段階と、
   ガスサーキュレータによりガスを前記石英管の前記第１端部へと導入し、これにより、導入された前記ガスが前記石英管の前記第２端部を通じて出て来る段階であって、前記出口は複数の穴を含み、これにより、前記ガスは、前記石英管の前記第２端部を離れた場合、気泡の形態で放出される、段階と、
   放電生成ロッドを前記石英管内で前記プラズマヘッドへと挿入する段階と、
   マイクロ波場を、前記導波路を通じて前記マイクロ波生成器から前記石英管に供給する段階と、
   前記石英管において放電を生成し、これにより、前記石英管を通過した前記ガスが、プラズマ放電においてイオン化される段階と、
   前記放電が生成された後に前記放電生成ロッドを前記プラズマヘッドから取り外す段階と
   を備える、窒素化合物で水を富化するための方法。