JP2023156780A - 液体処理装置及び液体処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気圧低温プラズマにより、安全に、かつ安定的に液体を処理することができる液体処理装置等を提供すること。【解決手段】液体処理装置１は、処理対象の気体を流通させる筒状空間を隔てて、誘電体層を介して対向するように設けられ、前記筒状空間を画成する本体部１２内に封止されている第１電極１４ａ及び第２電極１４ｂと、前記筒状空間にプラズマを生成させるために、第１電極１４ａと第２電極１４ｂとの間に、時間的に変化する電圧信号を印加する電源装置３０と、前記筒状空間の前記気体の出口から所定距離離れた位置において前記筒状空間に接続されているアスピレータ２０と、を備え、前記気体と混合される液体がアスピレータ２０を貫流するように流通し、当該流通する液体がもたらす減圧によって、前記筒状空間内で前記プラズマによって処理された前記気体が前記液体に吸引され混合される。【選択図】図１

Description

本発明は、液体処理装置及び液体処理方法に関する。

様々な物質の表面処理、液体の処理等に、プラズマが広く利用されている。特に大気圧低温プラズマは、特別な減圧環境なども必要なく、簡便に生成することができるため、種々のガスをプラズマ化して種々の物質を処理するために利用されている。例えば特許文献１には、大気圧下で様々なガスを安定して低温プラズマ化することを目的としたマルチガスプラズマジェット装置が提案されている。特許文献１の装置は、対象ガス導入口とプラズマ噴出口とを有する絶縁管と、絶縁管外周に沿設又は絶縁管内に封設され、その長軸が導入口から噴出孔への方向に配されている帯状電極を有する電極部、電極部に所定電圧を印加して絶縁管内に大気圧下でグロー放電を生起させる電源供給部とを備えている。特許文献１に記載されているプラズマジェット装置は、絶縁管内のグロー放電によって生起された低温プラズマによるマルチガスプラズマを絶縁管の噴出口から噴出させ、物質表面の処理等を行うことができると考えられる。しかし、このプラズマジェット装置を水等の液体の処理に適用することには問題がある。液体を処理するためにはプラズマジェットの噴出口を液体内に差し入れる必要があるが、特許文献１の装置では、絶縁管の噴出口を液体内に差し入れた場合、電極部と液体の液面とが近接するため、絶縁管による電極部の絶縁が破れて液体に電極部から漏電するおそれがある。このような状態では、特許文献１のプラズマ時ジェット装置により安定して低温プラズマを発生させつつ液体を処理することができないという問題があった。

この点、特許文献２には、減圧チャンバと、前記減圧チャンバの内部に配置され、被処理水を貯留する箱型の水槽と、前記減圧チャンバの内部に配置される一対の電極と、前記一対の電極に交流電圧を印加する電源と、を有し、前記一対の電極は、前記水槽に貯留された被処理水の水面上方に位置するように設けられた平板状の電極と、前記平板状の電極の下面側に設けられ、前記水槽に貯留された被処理水の水面と空間を介して対向する誘電体と、前記水槽に貯留された被処理水中に位置するように設けられた接地極と、を有し、前記減圧チャンバには、前記減圧チャンバの内部が極低真空となるように気相雰囲気を減圧する減圧ポンプが接続されているプラズマ殺菌水生成装置が記載されている。

特開２０１３－２２５４２１号公報 特開２０１９－１８８３１１号公報

特許文献２の装置は、減圧チャンバ内に設置した水槽に、接地極が水中に位置するように一対の電極を設け、減圧チャンバ内を極低真空状態として電極間にプラズマを発生させてプラズマ殺菌水を生成する構成である。特許文献２の装置は、特許文献１とは異なり、水をプラズマで処理する用途に特化された構成を有している。しかしながら、特許文献２では水処理を極低真空の環境下で行わなければならず、手軽にプラズマ処理水を生成することができるような簡易な構成の装置ではない。

本発明は、上記の及び他の課題を解決するためになされたもので、大気圧低温プラズマにより簡易な構成で、安全に、かつ安定的に液体を処理することができる液体処理装置及び液体処理方法を提供することを一つの目的としている。

上記の及び他の目的を達成するための、本発明の一態様は、処理対象の気体を流通させる筒状空間を隔てて、誘電体層を介して対向するように設けられ、前記筒状空間を画成する絶縁性円筒部材内に封止されている第１電極及び第２電極と、前記筒状空間にプラズマを生成させるために、前記第１電極と前記第２電極との間に、時間的に変化する電圧信号を印加する電源部と、前記筒状空間の前記気体の出口から所定距離離れた位置において前記筒状空間に接続されている気体吸引手段と、を備え、前記気体と混合される液体が前記気体吸引手段を貫流するように流通し、当該流通する液体がもたらす減圧によって、前記筒状空間内で前記プラズマによって処理された前記気体が前記液体に吸引され混合される液体処理装置である。

本発明の他の態様は、処理対象の気体を流通させる筒状空間を隔てて、誘電体層を介して対向するように設けられ、前記筒状空間を画成する絶縁性円筒部材内に封止されている第１電極及び第２電極の間に、時間的に変化する電圧信号を印加して前記筒状空間内にプラズマを発生させ、前記筒状空間の前記気体の出口から所定距離離れた位置において前記筒状空間に気体吸引手段を接続し、前記気体と混合される液体を、前記気体吸引手段を貫流するように流通させ、当該流通する液体がもたらす減圧によって、前記筒状空間内で前記プラズマによって処理された前記気体を前記液体に吸引させて両者を混合させる液体処理方法である。

本発明によれば、大気圧低温プラズマにより簡易な構成で、安全に、かつ安定的に液体を処理することができる液体処理装置及び液体処理方法が提供される。

図１は、本発明の一実施形態に係る液体処理装置の構成例を示す模式図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る液体処理装置に使用されるプラズマ生成装置の模式側面図である。 図３は、図２のプラズマ生成装置の模式断面図である。

以下、本発明につき、その実施形態に即して図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものでない。また、以下の説明において参照する各図は、本開示の内容を理解でき得る程度に形状、大きさ、及び位置関係を概略的に示してあるに過ぎない。即ち、本発明は、各図で例示された形状、大きさ、及び位置関係のみに限定されるものでない。

＜液体処理装置＞
まず、本発明の一実施形態に係る液体処理装置の全体構成について説明する。図１に、本実施形態に係る液体処理装置１の全体構成を模式的に示している。図１に示すように、液体処理装置１は、大気圧低温プラズマを生成するためのプラズマ生成装置１０、気体吸引手段としてのアスピレータ２０、プラズマ生成装置１０に電力を供給するための電源装置３０、及びプラズマ生成装置１０に供給される気体の流量を調整するための流量調整装置５０を備えている。

図１において、プラズマ生成装置１０内に、その上部開口に接続された管路４０ａを通じて、プラズマ処理の対象となる気体が供給される。管路４０ａの途中には、流量調整装置５０が設けられ、管路４０ａからプラズマ生成装置１０へ供給される気体の流量を調整している。流量調整装置５０は、管路４０ａを通過する気体の流量を調整するための弁装置を有し、弁装置の開度は、後述する圧力センサ６０からの検出値に基づいて調整される。

プラズマ生成装置１０において大気圧低温プラズマによって処理された気体は、プラズマ生成装置１０の下方開口に接続されている管路４０ｂを通って、管路４０ｂの他端に接続されているアスピレータ２０の吸気口内に吸引される。管路４０ｂには、管路４０ｂ内の圧力を計測するための圧力センサ６０が設けられている。圧力センサ６０は、管路４０ｂ内の圧力の計測値を管路４０ａに設けられた流量調整装置５０に送信している。流量調整装置５０は、圧力センサ６０から受信した管路４０ｂ内の圧力計測値に基づいて、管路４０ｂ内が、大気圧よりも低い所定の負圧状態となるように、弁装置の開度を調整する。

＜プラズマ生成装置＞
プラズマ生成装置１０は、中空円筒状の部材によって形成される筒状空間において大気圧低温プラズマを生成させ、その筒状空間内を通過させる気体を分解して種々の活性種を生成する機能を供する。処理対象としての気体は、空気のほか、プラズマ処理によって生成される活性種の種類に応じて適宜選択することができる。図２に、プラズマ生成装置１０の模式的な側面図を、図３に、プラズマ生成装置１０の模式的な横断面図を示している。

プラズマ生成装置１０は、中空円筒状の本体部１２と、本体部１２に封止されているそれぞれ帯状の導電性材料で形成された第１電極１４ａ及び第２電極１４ｂと、第１電極１４ａ及び第２電極１４ｂそれぞれの一端部に設けられた電極端子１６ａ，１６ｂとを備えている。

絶縁性円筒部材としての本体部１２は、誘電体材料を中空円筒状に形成してなる部材であり、その内部に大気圧低温プラズマが生成される空間である筒状空間を画成している。本実施形態では、本体部１２は、ガラスチューブ１２ａの外周に樹脂材料で形成された外層１２ｂを設けることによって形成されている。第１電極１４ａ及び第２電極１４ｂは、それぞれ薄い帯状の導電性材料によって形成されている。第１電極１４ａ及び第２電極１４ｂは、例えば銅箔テープによって好適に形成されるが、これに限定されるものではない。図１～図３に例示されるように、第１電極１４ａ、第２電極１４ｂは、それぞれが本体部１２の中心軸の周りに旋回するようならせん形状とされているとともに、らせん形の第１電極１４ａ、第２電極１４ｂがさらに互いに前記中心軸周りに二重らせんを形成するように配置されている。図３に示すように、第１電極１４ａ、第２電極１４ｂは、ガラスチューブ１２ａの外周面に卷回された状態で、外層１２ｂを形成する樹脂材料によってモールドされ、封止されている。図２に例示するように、本実施形態では、各電極１４ａ，１４ｂを形成する、幅がＷの帯状導電体が、巻きピッチＰでＮ回、らせん状に巻回されている。図３を参照すると、各電極１４ａ，１４ｂは、厚さがＴであり、本体部１２を構成する外層１２ｂ内に封止されている。このため、第１電極１４ａ、第２電極１４ｂは、筒状空間を挟んで、本体部１２のガラスチューブ１２ａを介して対向配置されることになる。第１電極１４ａ、第２電極１４ｂの間に後述する電源装置３０によって高電圧を印加すると、第１電極１４ａ、第２電極１４ｂ間で誘電体バリア放電が発生し、本体部１２に囲まれた筒状空間内に大気圧低温プラズマが生成される。プラズマ生成装置１０の筒状空間内では、生成された大気圧低温プラズマが空気、水蒸気に作用して、公知のように、例えば一重項酸素（^１Ｏ_２）、オゾン（Ｏ_３）、ヒドロキシラジカル（ＯＨ）、スーパーオキシドアニオンラジカル（Ｏ_２ ^－）、ヒドロペルオキシラジカル（ＨＯ_２）、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）のような種々のラジカルを含む活性種が生成される。これらの活性種を含む気体は、プラズマ生成装置１０の下流側に接続されている管路４０ｂを通ってアスピレータ２０へ供給される。図１に示すように、プラズマ生成装置１０の電極端子１６ｂとアスピレータ２０の吸気口２４との間には、管路４０ｂによって、距離Ｓの間隔が確保されている。この間隔によって、プラズマ生成装置１０の電極から処理対象液体への漏電といった不測の事態を防止することができ、液体処理装置１の安全性が担保されている。距離Ｓは、プラズマ生成装置１０の電極端子１６ａ、１６ｂに印加される高電圧の仕様等に基づいて決定すればよい。

＜電源装置＞
電源装置３０は、プラズマ発生装置１０の第１電極１４ａと第２電極１４ｂとの間に高電圧を印加する機能を有する。本実施形態では、電源装置３０は、商用電源のＡＣ１００Ｖ、５０／６０Ｈｚを入力として、その入力を前記電極間に印加すべき高電圧に変換するための電力変換装置を含んでいる。電力変換装置としては、例えばトランス、ＡＣ／ＤＣコンバータ、あるいはＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータとの組合せを含み、第１電極１４ａと第２電極１４ｂとの間に直流又は交流の高電圧を印加できるようにしている。高電圧の生成には、任意の昇圧、スイッチング回路を用いることができる。一例としては、電源装置３０は、第１電極１４ａと第２電極１４ｂとの間に、適宜の高電圧を印加することができるように構成する。具体的には、電極間距離、電極の材質、平面寸法、厚さ等のパラメータによって出力電圧を調整すればよい。印加する電圧は直流又は交流のいずれでもよく、その周波数も適宜決定すればよい。また電圧波形も、正弦波等の適宜の波形としてよい。

＜アスピレータ＞
アスピレータ２０は、プラズマ生成装置１０によって処理された気体を、本実施形態の液体処理装置１による処理対象の液体と混合させるための装置である。図１に示すように、アスピレータ２０は、減圧作用を起こさせる動作流体でもある処理対象液体を流通させるための管状本体部２２と、管状本体部２２の側部に突設される吸気口２４とを備える。管状本体部２２の両端開口には管路４０ｃ、４０ｄがそれぞれ接続されていて、処理対象液体は、管路４０ｃ側からアスピレータ２０に流入し、管状本体部２２内に設けられているベンチュリＶを通って管路４０ｄ側へと流出する。吸気口２４の開口には、管路４０ｄが接続されていて、プラズマ生成装置１０を出た気体がアスピレータ２０内へ導入されるように構成されている。周知のように、アスピレータ２０は、ベンチュリＶを通過する流体の増速により動圧が増加するのを利用して、流れの周囲の空間を減圧させる作用をなす。図１のアスピレータ２０では、ベンチュリＶを処理対象液体が通過すると吸気口２４に連通する空間が減圧され、それによって管路４０ｂからプラズマ生成装置１０によって処理された気体がアスピレータ２０内の混合室２６に吸引され、ベンチュリＶを通って流れる処理対象液体と混合される。混合室２６と管路４０ｂとの間には逆止弁２８が設けられており、処理対象液体が管路４０ｂ内へ流入するのを防止している。また、アスピレータ２０の吸引作用でプラズマ生成装置１０の本体部１２内も減圧されるので、本体部１２内の筒状空間において電極間にプラズマが発生しやすくなる効果を得ることもできる。

＜液体処理装置の作用＞
以上、図１～図３を参照して説明した構成を有する、本実施形態の液体処理装置１の作用について説明する。なお、説明の順序は便宜的なものであって、説明の順序通りに装置を動作させる必要があるわけではない。
１．電源装置３０を動作させ、プラズマ生成装置１０の第１電極１４ａと第２電極１４ｂとの間に高電圧を印加し、両電極間で誘電体バリア放電を発生させる。この誘電体バリア放電により、本体部１２の筒状空間において大気圧低温プラズマが生成される。
２．管路４０ｃからアスピレータ２０へ処理対象液体を流入させる。処理対象液体がアスピレータ２０のベンチュリＶを通過することによってアスピレータ２０の混合室２６内が減圧され、吸気口２４に接続された管路４０ｂを通じて混合室２６内に気体が導入される。
３．混合室２６内に導入される気体は、プラズマ生成装置１０によって処理されて各種活性種を含んでいる。このプラズマ処理された気体は混合室２６内で液体と混合される。この際、流量調整装置５０により管路４０ｂからアスピレータ２０に供給される気体の流量を調整することにより、アスピレータ２０を通過する液体に気体が気泡状態で混入されるバブリングを起こさせることができる。このようなバブリング状態で気体を混入させることで、プラズマ処理された気体に含まれる各種活性種を効率よく液体中に導入することができる。アスピレータ２０から管路４０ｄを通じて流出する液体には、前記気体に含まれていた各種活性種が混入された状態となる。この活性種を含む液体は、殺菌、各種ウイルスの除去、不活化を含む種々の用途に活用することができる。

＜実施例＞
上記した本発明の一実施形態に係る液体処理装置１を、以下の仕様で製作して実験を行った。

（１）プラズマ生成装置１０
第１電極１４ａ、第２電極１４ｂを、厚さ（Ｔ）０．１ｍｍ、幅（Ｗ）２ｍｍの銅箔テープを、壁厚さ（ｔ）０．８ｍｍ、外径（ｄ）４ｍｍのガラスチューブ１２ａの外周に巻き付け、樹脂材料で形成された厚さ約２．５ｍｍ、外径（Ｄ）約９ｍｍの外層１２ｂによりモールドして構成した。第１電極１４ａ、第２電極１４ｂは、それぞれ１０ｍｍピッチで６回巻きとした。電極間に介在する誘電体層の厚さはガラスチューブ１２ａの厚さの２倍である約１．６ｍｍであった。なお、ガラスチューブ１２ａの長さは約１２０ｍｍ、うち約９０ｍｍにわたって外層１２ｂを設けた。

（２）アスピレータ２０
アスピレータ２０は、市販の汎用品を用いた。処理対象液体としては、水道水を供給した。

（３）電源装置３０
ＡＣ１００Ｖ、５０Ｈｚの商用交流電源を入力として、周波数５０Ｈｚ、電圧１５ｋＶｒｍｓの正弦波の出力を得た。

以上の構成要素を組み合わせて、流量調整装置としては簡易的に手動の流量調整バルブを用いてアスピレータ２０による減圧、バブリングが作用するようにしたところ、プラズマ処理された空気がアスピレータ２０において水道水と良好に混合されて流出することが確認された。

以上説明した実施形態によれば、以下のような効果を奏する。

本発明の一実施形態による液体処理装置１は、処理対象の気体を流通させる筒状空間を隔てて、誘電体層を介して対向するように設けられ、前記筒状空間を画成する絶縁性円筒部材内に封止されている第１電極１４ａ及び第２電極１４ｂと、前記筒状空間にプラズマを生成させるために、第１電極１４ａと第２電極１４ｂとの間に、時間的に変化する電圧信号を印加する電源装置３０と、前記筒状空間の前記気体の出口から所定距離離れた位置において前記筒状空間に接続されているアスピレータ２０と、を備え、前記気体と混合される液体がアスピレータ２０を貫流するように流通し、当該流通する液体がもたらす減圧によって、前記筒状空間内で前記プラズマによって処理された前記気体が前記液体に吸引され混合される。

このようにすれば、第１電極１４ａ及び第２電極１４ｂの間の誘電体バリア放電により筒状空間内に大気圧低温プラズマが生成され、筒状空間内の気体から各種の活性種を生成することができるとともに、その活性種を処理対象としての液体に対して簡易な構成で、安全に、かつ効率的に混合させることができる。

液体処理装置１において、第１電極１４ａと第２電極１４ｂとが、前記筒状空間の中心軸の周りにおいて、互いに旋回し合いつつ二重らせんを形成しているとしてもよい。

このようにすれば、第１電極１４ａと第２電極１４ｂとの間に継続的に誘電体バリア放電を生じさせ、筒状空間内において安定した大気圧低温プラズマを生成することができる。

液体処理装置１は、前記筒状空間の前記気体の入口の上流側に、アスピレータ２０において負圧が維持されるように前記気体の流量を制御する流量調整装置５０を備えているとしてもよい。

このようにすれば、プラズマ生成装置１０において処理された気体が、アスピレータ２０において円滑に、かつ継続して液体と混合される。

本発明の他の実施形態による液体処理方法は、処理対象の気体を流通させる筒状空間を隔てて、誘電体層を介して対向するように設けられた第１電極１４ａ及び第２電極１４ｂの間に、時間的に変化する電圧信号を印加して前記筒状空間内にプラズマを発生させ、前記筒状空間の前記気体の出口から所定距離離れた位置において前記筒状空間にアスピレータ２０を接続し、前記気体と混合される液体を、アスピレータ２０を貫流するように流通させ、当該流通する液体がもたらす減圧によって、前記筒状空間内で前記プラズマによって処理された前記気体を前記液体に吸引させて両者を混合させる。

このようにすれば、第１電極１４ａ及び第２電極１４ｂの間の誘電体バリア放電により筒状空間内に大気圧低温プラズマが生成され、筒状空間内の気体から各種の活性種を生成することができるとともに、その活性種を処理対象としての液体に、安全に、かつ効率的に混合させることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例示に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明はその他の様々な実施形態を取ることが可能であり、上記実施形態と変形例の各構成を組み合わせることも可能である。更に、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、省略や置換等種々の変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、本明細書等に記載された発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、第１電極１４ａ、第２電極１４ｂは、直線状等、螺旋形以外の形状としてもよい。

１ 液体処理装置
１０ プラズマ生成装置
１２ 本体部
１４ａ 第１電極
１４ｂ 第２電極
２０ アスピレータ
３０ 電源装置
５０ 流量調整装置
６０ 圧力センサ
Ｖ ベンチュリ

Claims (4)

1. 処理対象の気体を流通させる筒状空間を隔てて、誘電体層を介して対向するように設けられ、前記筒状空間を画成する絶縁性円筒部材内に封止されている第１電極及び第２電極と、
   前記筒状空間にプラズマを生成させるために、前記第１電極と前記第２電極との間に、時間的に変化する電圧信号を印加する電源部と、
   前記筒状空間の前記気体の出口から所定距離離れた位置において前記筒状空間に接続されている気体吸引手段と、を備え、
   前記気体と混合される液体が前記気体吸引手段を貫流するように流通し、当該流通する液体がもたらす減圧によって、前記筒状空間内で前記プラズマによって処理された前記気体が前記液体に吸引され混合される、
   液体処理装置。
2. 前記第１電極と前記第２電極とが、前記筒状空間の中心軸の周りにおいて、互いに旋回し合いつつ二重らせんを形成している、
   請求項１に記載の液体処理装置。
3. 前記筒状空間の前記気体の入口の上流側に、前記気体吸引手段において負圧が維持されるように前記気体の流量を制御する流量制御手段を備えている、
   請求項１又は２に記載の液体処理装置。
4. 処理対象の気体を流通させる筒状空間を隔てて、誘電体層を介して対向するように設けられ、前記筒状空間を画成する絶縁性円筒部材内に封止されている第１電極及び第２電極の間に、時間的に変化する電圧信号を印加して前記筒状空間内にプラズマを発生させ、
   前記筒状空間の前記気体の出口から所定距離離れた位置において前記筒状空間に気体吸引手段を接続し、
   前記気体と混合される液体を、前記気体吸引手段を貫流するように流通させ、当該流通する液体がもたらす減圧によって、前記筒状空間内で前記プラズマによって処理された前記気体を前記液体に吸引させて両者を混合させる、
   液体処理方法。

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