JP2025531663A - 改良プラズマ生成物及び複数同時放電を用いた改良プラズマ生成物の生成方法 - Google Patents

Abstract

自由に移動する電極セグメントが配置された非熱プラズマ反応チャンバを用いて改良プラズマ生成物が生成される。インプット物質は、所望の又は必要な改良プラズマ生成物の種類に応じて、固体、液体、気体、又はそれらの組合せであってよい。プラズマの強度及び残留フリー・ラジカルの制御は、周期、磁界、及び電極セグメントの数の変化を制御するようにオンラインで監視され、それにより、プラズマの強度及び残留フリー・ラジカルの制御が可能となる。この結果、反応チャンバ内でインプット物質の無数の相乗的な反応が起こって、アウトプットにおいて改良プラズマ生成物が生成される。改良プラズマ生成物は、そのように処理されていない同様の生成物よりも優れた特性を有している。電極の素材は、意図する反応を触媒するように変更できる。電極セグメントの大きさ及び組成も、所望の、必要な又は意図する結果又は成果のために調整するように変更できる。

Description

本出願は、２０２２年８月２６日に出願された米国仮特許出願第６３／４０１，４７３号及び２０２３年３月９日に出願された米国仮特許出願第６３／４５１，０８０号の利益を主張する。

本発明は一般に、非熱プラズマ生成、プラズマ処理並びに組み合わされたプラズマ生成及び処理システムに関する。また一般に、水、液体、気体、結合水及び液体浮遊固体等が通過し処理されうるプラズマ生成及び処理チャンバを有する型である非熱プラズマ生成及び処理システムにも関する。より具体的には、本発明は、不定の時間まで複数同時放電を生成して、使用寿命にわたって一定の質、等級又は水準で維持でき、その結果持続的で商業化可能なスループットがもたらされる多種多様な改良プラズマ生成物を形成するためのシステム及び方法に関し、この複数同時放電は全て、ミリ秒又は更に短い時間間隔の割合で、固体微粒子のサイズがミリメートルからミクロンのサイズへ及びミクロンのサイズからナノメートルのサイズへと小さくなることが起こる形で、並びにプラズマ生成及び処理チャンバ内で処理されそこから放出される、長寿命で持続可能な高反応性の反応剤を作り出すことができる形で行われる。ある特定の応用例は、セメント、コンクリート及びモルタル、並びに水及び他の物質を加えた後に生じる混合物の特性を改良するために本発明の方法及び工程を用いることに関する。この方法により獲得される素材の強度は、従来の混合法よりも強度で数倍も優れている。他の応用例は、記載する詳細な説明から明らかとなる。

全ての物質は、原子核及び電子からなる原子で構成されている。原子核は、陽子及び中性子からなる。原子核の周りに電子が存在する。更に、全ての物質は、固体、液体、気体又はプラズマという４つの状態のうちの少なくとも１つの状態で存在することも知られている。固体は分子エネルギーが最も低く、規則的且つ反復的なパターンで配置され分子レベルでは振動運動のみが存在する分子構造を有する。固体は一定の形及び一定の体積を有する。しかし、液体では、体積は一定であるが形は不定である。液体は分子間の引力が限定的であり、それにより分子は互いのそばを通り過ぎて流動することができる。気体状態の原子及び分子（中性の物質）は十分なエネルギーを獲得して、互いの間の引力から解放される。この状態では気体は不定の形及び不定の体積を有する。プラズマは、気体分子のエネルギーが中性ガスから電子を取り去るに至るまで増大し、その結果生じる高エネルギーのガスがプラズマとなる際に形成される。

上述より推定されるように、これらの状態のうちの任意の１つの状態である物質（ｍａｔｔｅｒ）又は物質（ｓｕｂｓｔａｎｃｅ）は一般に、ある状態から別の状態へと、物質にエネルギーを加える又は物質からエネルギーを奪うことで変化させることができる。このようなエネルギーは通常、熱又は電気エネルギーの形態で与えられる。固体を液体に、及び液体を気体に変化させるのに必要なエネルギーの量は比較的小さい。この基本的な例は水、すなわちＨ_２Ｏである。

氷（固体状態の水）により一層多くの熱エネルギーを加えることで、水の固体状態は液体へと変えられる。液体状態により一層多くの熱エネルギーを加えると、液体状態は気体状態に変えられる（しかし、しばしば「湯気」と呼称される白い蒸気は実際には、液体状態に戻り始めている水の気体状態であることに留意されたい）。

しかし水の状態をプラズマに変えるには、水を水素及び酸素のプラズマに変えうる莫大な量の熱エネルギー又は非熱電気エネルギーが必要である。すなわち、水は分子であるが、プラズマ状態の水はＨ^＋及びＯＨ^－イオンの低減した結合として存在する。水は、このイオン化がひとたび起こるとイオンは気体状態の水に戻ることが不可能であるため、限定された例である。このイオン化が電気エネルギーにより発生させられる場合、この「電気的に膨脹した水」は、相当な量－氷を水に及び水を気体状態に変えるのに必要な量より大幅に多い量の電気を帯びた水である。このことにより今度は、十分な内部エネルギーが供給されている。この効果は水に固有のものではない。他の応用例では、また他の物質については、プラズマはイオン、電子、中性分子、励起分子及び紫外線光（「ＵＶ：ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｇｈｔ」）からなってよい。

高度にイオン化されたプラズマは多くの応用例を有する。物質の原子構造を変えるのに十分なエネルギーを含有できることにより、プラズマは汚染物質及び有毒廃棄物を破壊することができる。プラズマは、粉塵を洗浄すること、粉塵を除去すること、微粒子の大きさを変えること、表面の接着性を高めること、表面を活性化させること、有機及び無機物質の表面を改質する、（ＵＶを含み、磁界、自由電子、圧力、及びキャビテーション波内で安定化された）フリー・ラジカルを生成すること、フリー・ラジカルを用いて複合的な素材を酸化すること、薄い被覆を堆積させること、及び新しい化学化合物及び混合物を形成又は分解することにも用いることができる。

プラズマ洗浄により、油脂等の表面の汚染物質を軽減し除去することさえもできる。プラズマにおいてＵＶが存在することで、汚染物質の有機結合が分解される。プラズマにより表面を改質及び活性化することで、表面被覆及び結合物質の接着性を高めることができる。このような活性化は、活性化される物質の種類に依存して相当な時間継続しうる。プラズマによる被覆は、電子マスク・ワーク等のいくつかの電子的部品を作り上げる際に導電性素材の層を設置するために用いることができる。

上記のような物質の表面洗浄に関して、プラズマ洗浄は多くのナノスケールの応用例でも達成できる。アルゴン及びヘリウム等の不活性ガスを用いることで、容易に酸化される金属は、有機汚染物質を蒸気化し除去することで洗浄でき、次いで有機汚染物質はプラズマ・チャンバから排出することができる。表面の活性化及び被覆も以下で検討するようにこのナノスケールで達成することができる。

プラズマ生成及び処理チャンバ（又は簡潔には「プラズマ・チャンバ」）の従来技術における１つの制約は、規模が不十分なことである。すなわち、この技術での大部分の作業は単一又は少数の電極によって行われ、これは、相互作用する場合もあればしない場合もある個々の放電を作り出す。プラズマ・チャンバは比較的小さく、反応時間は緩慢であるため、現在に至るまでこの技術を用いることは、スループットが比較的小さくなる単一の物質に限定されがちである。従来技術は、それによって反応を任意の大規模な商業的応用例とすることが可能となったり、所定の応用例又は処理時間について所望又は必要であるような長時間反応が持続したりするようには全く構成されていない。

プラズマ・チャンバの従来技術における別の制約は、極度に多種多様な処理の選択肢のために用いられるべきこのようなチャンバの性能である。すなわち、従来技術のプラズマ・チャンバは、プラズマ反応によって、使用寿命にわたって一定の質、等級又は水準で維持できる改良プラズマ生成物を作り出すことができる形で限定されており、これは、従来技術の中で、プラズマ生成物を商業化可能とするために克服する必要がある最も重大な制約である。

Ｓｅｌｍａ Ｍｅｄｅｄｏｖｉｃ Ｔｈａｇａｒｄ、 Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｆｆｏｒｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙ－ａｎｄ ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ （ＰＦＡＳ）： ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ、 ２４ Ｃｌｅａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｏｌｉｃｙ １６１９～２０頁 （２０２２）

本発明は、通常の生成物の表面改質を大きく凌駕する改良プラズマ生成物を提供する。本概要は、各々が当技術において新規である、本発明に従って実現できる広範で様々なプラズマ生成方法及びプラズマ源の概観を行う。

本発明の一実施例は、広範な領域のプラズマ生成物の特性を強調し、これにより、広範で多様な技術的応用例がもたらされる。従来技術は（ａ）（少ない流量、すなわち、複合的な分子の反応時間が２時間にまでなる場合に毎時１立方メートル未満を採用することも従来技術が示すように）小さい体積、（ｂ）単一の物質、及び（ｃ）より少ないスループット（やはり、毎時１立方メートル未満）に事実上限定されるが、本発明はより大きい体積を処理することができる。留意すべきなのは、本発明によって可能である、プラズマ・チャンバからのスループット及びアウトプットが継続的に行われる、より小さい体積のアウトプットが実現できることである。

直上で参照した従来技術の短所に関して、本発明者は、反応時間を短くて１秒、しかし長くて１０秒とし、単一の物質ではなく複合的な物質についてプラズマを用い、毎時５立方メートルから始まり毎時５０立方メートルにまで至る（但し、いくつかの状況ではそれより２倍又は３倍にまで上昇しうる）スループットを採用する。本発明者は、従来技術において中程度から大きな体積では未だ実行又は証明されていないこれらの事項を全て行うことができることを示す。

本発明に従った改良プラズマ生成物を作り出すことに関する、及びプラズマ・チャンバを用いることに関する「インプット」、「スループット」及び「アウトプット」という用語は、その通例の意味を有するものとする。すなわち、インプット物質は、プラズマ・チャンバに投入される物質である。スループット物質は、プラズマ・チャンバを活動的に通過する物質である。アウトプット物質は、プラズマ・チャンバから出て来る物質である。

このことに特に関連する第１の例として、本発明者は、米国環境保護庁（「ＥＰＡ：Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｇｅｎｃｙ」）が自治体の飲料水からポリフルオロアルキル及びペルフルオロアルキル物質（「ＰＦＡＳ：ｐｏｌｙ－ ａｎｄ ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ」）を除去するための強制基準を課し始めたことを指摘する。ＰＦＡＳは、自然界では発生せず、口語では「永遠の化学物質」として知られる、１２，０００種を超える高度に残留性及び毒性を有する化学物質の大集団である。本発明者は、この件に関して以下を記載する。

ＰＦＡＳレメディエーションのための現在の物理的方法には、粒状活性炭（ＧＡＣ：ｇｒａｎｕｌａｒ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ）、イオン交換（ＩＸ：ｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ）、逆浸透及びナノ濾過が含まれ、これらは効果的であるものの、廃棄又は更なる処理が必要となる残留物を生成する。紫外線光又は過酸化物を伴うオゾン等の促進酸化法は、ＰＦＡＳ化合物を構成する炭素－フッ素結合の安定性が高いため、ＰＦＡＳ処理では有効ではない。
従って、熱分解、気化、超臨界水酸化、及びプラズマ処理を含む、電気化学、放射線分解、ソノケミストリー、光触媒による方法等の還元的及び熱的技術が、ペルフルオロオクタン酸（ＰＦＯＡ：ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｏｃｔａｎｏｉｃ ａｃｉｄ）及びペルフルオロオクタンスルホン酸（ＰＦＯＳ：ｐｅｒｆｌｕｏｒｏｏｃｔａｎｅｓｕｌｆｏｎｉｃ ａｃｉｄ）の分解について評価されてきた。これらの技術の多くは、効果的ではあるものの、処理時間が長く（数時間）、処理体積が小さく、極めて高いエネルギー要求されることに鑑みると、大規模な処理に関しては非実用的である。
典拠：Ｓｅｌｍａ Ｍｅｄｅｄｏｖｉｃ Ｔｈａｇａｒｄ、 Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｅｆｆｏｒｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｌｙ－ａｎｄ ｐｅｒｆｌｕｏｒｏａｌｋｙｌ ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ （ＰＦＡＳ）： ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ、 ２４ Ｃｌｅａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｏｌｉｃｙ １６１９～２０頁 （２０２２）

しかし、本発明者は、単に規模を拡大できることは当業者にとって自明の事項であると見なしうることも認識する。自明でないことは、プラズマ反応が、使用寿命にわたって一定の質、等級又は水準で維持できる改良プラズマ生成物、及び複数同時放電を用いることによりそのようなプラズマ生成物を生成する方法を作り出すことができる方法及び機構である。この最後の点につき特に関連する、本発明のいくつかの態様が存在する。

一態様は、複数の離れた別個の、ランダムに配設された線状の電極セグメントの使用であって、この電極セグメントは、（固定される又は静止しているのとは対照的に）プラズマ・チャンバ内を自由に移動して、反応の局面である間に改良プラズマ生成物を形成し、本明細書で説明するプラズマ・チャンバを用いずに形成されるプラズマ生成物と比較してより優れた特性を有するような改良プラズマ生成物が形成される結果となる相乗的な反応を作り出す。

別の一態様は、反応を触媒できる多様な電極セグメントの素材（すなわち、電極セグメントが作られている１つ又は複数の素材）を用いることであって、各異型は異なる触媒反応をもたらす。このような電極セグメントを製造することは、電極が用いられているプラズマ・チャンバ内で作り出される触媒反応に大きな影響を与えうる種類の特定の構造及び化学的組成の変更（例えば、そのような構造の互いに反対側の終端に不活性な先端部を一般的に用いる、金の先端部を用いる、そのような構造を導電性素材で完全に包み込む、等）に関連しうる。

更に別の態様は、電極セグメントが含有されているライナ、すなわち、一種の「反応器」であるプラズマ・チャンバの一部であるように構成されたライナである。ライナが製造されている又は製造されうる素材は、使用寿命にわたって一定の質、等級又は水準で維持できる改良プラズマ生成物を形成する相乗反応中に触媒としても働く。

上述の態様のいずれも、従来技術によって相当に教示されているものに鑑みて自明なものではない。すなわち、電極セグメントの大きさ及び組成（表面の組成を含む）は、ライナの素材が変わりうるように、いずれも本発明に従って所望の、必要な、又は意図する結果となるように調節するために変わりうる。更に、本発明は、様々な構成のもとで固体、液体、固体を担持する液体、及び気体を用いて応用することができる。別の一例として、本発明者は、有用なプラズマ形成は、オゾン形成等の空気中での放電を除いては従来示されてはおらず、これは１５％の変換率に過ぎない非常に非効率なものであり、また熱プラズマに関するものであって非熱の及び／又は液体中のプラズマの放電を対象とするものではないことを認識している。

従来技術で認識されていない更なる利点は、本発明に従ってプラズマ反応を維持し拡大させるのに必要なエネルギーは、多くの従来の非プラズマ反応よりも低く、最も効率的な処理の選択肢と同等又はそれより低いことである。

改良プラズマ生成物及び本発明に従って改良プラズマ生成物を生成する工程の、上述の及び他の特徴は、以下の詳細な説明から明らかとなる。

本発明に従って複数同時放電を用いることで改良プラズマ生成物の生成を可能とする汎用的なシステムを示す概略図である。 液体に関連する処理の選択肢のために構成される、図１に示すものに類似する概略図である。 微細固体と通例の固体又は加工した固体との双方である固体に関連する処理の選択肢のために構成される、図１に示すものに類似する概略図である。 気体の処理の選択肢のために構成される、図１に示すものに類似する概略図である。 液体中に浮遊する固体を有する液体に関連する処理の選択肢のために構成される、図１に示すものに類似する概略図である。 通常のセメントと水との相互作用を示す概略図である。 本発明に係る、ナノ粒子のセメント構造に対する影響を示す概略図である。 本発明に係る改良プラズマ生成物から作られたセメント立方体の強度試験の結果を示すグラフである。 周期、磁界及び使用する電極素子の数の変化を制御することに伴って、プラズマの強度及び残留フリー・ラジカルをオンラインの監視を用いて制御することができる、改良プラズマ生成物の創出を示す概略図である。

先述の構成に加えて、本明細書で提示する非熱の改良プラズマ生成物の異型の説明は本質的に単に例示的なものであって、決して直接の開示、生成物の応用例、又は生成物の用途を限定することを意図されていない。説明及び実例は、本開示の種々の実施例を例示する目的でのみ本明細書で提示するものであり、本明細書の範囲及び応用可能性を限定するものと解釈すべきではない。本開示の概要及びこの詳細な説明では、各数値は、（既に明示的に修飾されていない場合には）一度「約」の語で修飾されていると解釈され、その後は文脈において別段の指示がなければ、そのように修飾されないものとして再度解釈される。また、本開示の概要及びこの詳細な説明では、有用である、好適である等として列挙又は記述される濃度又は量又は値の範囲は、端点を含む範囲内のありとあらゆる濃度又は量又は値が記載されていると見なすべきであることを理解すべきである。例えば、「１～１０の範囲」は、約１と約１０との間の連続体にわたるあらゆる可能な数を示すと解釈すべきである。従って、範囲内にある特定のデータ点が明示的に特定されるか、少々特定のもののみを指す場合、或いは範囲内で全く明示的に特定されないか、少々特定のもののみも指さない場合でも、発明者は範囲内のありとあらゆるデータ点が特定されていると見なすべきであることを認識及び理解していること、並びに発明者は範囲内の全範囲及び全ての点を把握していることを理解すべきである。

明示的に逆の記載がない限り、「又は（ｏｒ）」は包含的論理和を指し、排他的論理和は指さない。例えば、Ａ又はＢという条件は、Ａが真である（又は存在する）且つＢが偽である（又は存在しない）、Ａが偽である（又は存在しない）且つＢが真である（又は存在する）、及びＡとＢの双方が真である（又は存在する）場合のうちの任意の１つによって満たされる。

加えて、「ａ」及び「ａｎ」の使用は、本明細書での実施例の要素及び成分を記述するために採用される。これは単に便宜上、及び本開示に係る概念の一般的意味を与えるために行われる。この記載は１つ又は少なくとも１つを含むと解釈すべきであり、別段の記載がない限り単数形は複数形も含む。

本明細書で用いる「生成物」という語は、「固体、液体又は気体状態で存在できる任意の物体、物質又は物質の組合せ」であると理解すべきである。

本明細書で使用する用語と言い回しは、記述を目的としたものであって、範囲について限定的であると解釈すべきではない。「含む」「備える」「有する」「含有する」又は「関連する」及びこれらの異型等の言葉は広義であり、その後に列挙される対象、等価物、及び記載されない追加の対象を包含することが意図される。

また、本明細書では、「一実施例」又は「実施例」への任意の言及は、その実施例に関連して記載された特定の要素、特徴、構造、又は特性が少なくとも１つの実施例に含まれることを意味する。本明細書の種々の箇所で「一実施例では」という句が出現することは、必ずしも同一の実施例を指してはいない。

一実施例では、非熱改良プラズマ生成物及びそれを生成するための工程には、放電媒体としての複数の自由に動く電極セグメントを有するプラズマ・チャンバを用いること、プラズマ・チャンバの作業領域内でミリ秒又はより短い時間間隔の割合で複数の放電を生成できることが必要である。電極セグメントは、特定の位置に「固定」されていたり、静止していたりはしていない。電極セグメントは、プラズマ・チャンバ内で、外部の回転する電磁界によって実質的に円形の軌道に沿って動かされる。自由に動く電極セグメントのそれぞれは、他の変数もある中で、電極セグメントの移動速度、電極セグメントの質量及び大きさ、磁界の強度、曝露時間に依存するエネルギー・レベルを事実上瞬時に達成する。本発明では、これらのパラメータは、任意の特定の改良プラズマ生成物について所望の又は必要なものに調節されうるように監視される。本発明のこの態様は、この詳細な説明において更に検討する。

一実施例によれば、いくつかの境界「条件」は、所望の結果を作り出すように設定することができる。そのような１つの条件は、通過する物質としての、チャンバに導入又は投入される（すなわち、「インプット」）ファイバ又は微粒子の長さが電極セグメントの長さより小さいということである。別の条件は、電極セグメントの表面を改質して反応性又は触媒性の表面をもたらすことであろう。別の一実施例では、通過する物質としてより長いファイバ又は微粒子を用いると、微粒子の長さに支障なく表面改質を行うことができる。更に別の条件は、より小さい電極セグメントを用いてナノ粒子を生成することでありえよう。微粒子径を正確に制御することで、高選択性の新しい触媒が生み出される。このような触媒によって、多くの化学的プロセスが容易に加速される。一実施例によれば、触媒はプラズマ・チャンバ内で用いることができ、電極セグメントは、単なる放電体であるだけでなく、触媒性又は刺激性の構造体になるように変形することができる。最も単純な形態の電極セグメントは、軟磁性の鉄をベースとした素材で構成されうる。これは、コバルト及びニッケルで作られるもの等の、軟磁性の非鉄素材でもありえよう。別の一実施例では、電極セグメントは、電極セグメントの磁性に悪影響を及ぼさない触媒として働く物質で被覆することができる。電極セグメントを任意の導電性の物質で被覆することで、鉄が改良プラズマ生成物に導入されることが防止され、それにより、鉄及び鉄化合物が最終生成物中に存在しなくなる。更に、並びに電極セグメントを被覆することにより、触媒はチャンバの反応区域内に保留される。別の一実施例では、非磁性の触媒を導入し、次いで何らかの理由で反応区域を通り抜けた場合に回収して再生利用又は再利用することができる。

本明細書に開示する実施例によれば、プラズマ放出反応における酸素と泡の役割に関連する動作の重要な基本的原理が存在することにも留意すべきである。水等の液体中の放出プラズマに由来する物理的及び化学的工程には、放電、電子、紫外線放射、圧力波、フリー・ラジカル、短期間高温方式、超音波効果及びキャビテーションが含まれうる。更に、上記のプラズマ放出反応は、気体、液体、及び固体、並びにこれらの組合せにおいて、気体は液体中に泡（マクロバブル、マイクロバブル又はナノバブルを含む）として存在する形で、固体及び気体、固体、液体及び気体、並びに液体及び気体の混相中に溶解することで起こりうることに留意すべきである。蒸気の泡中のプラズマは、液体全体中のプラズマと同様の種を生成する。泡中で生成される反応種は、プラズマを超えて液体全体に拡散することができる。泡中で生成される反応種は、プラズマ－液体界面を超えて拡散することができ、作業中に頻繁に起こることであるが泡が壊れると液体中に入ることになり、その結果、還元効率は先述した液体全体中のプラズマと比較して相対的により高くなるはずである。

上述のように、本明細書に記載する改良プラズマ生成物は、使用寿命にわたって所定の質、等級又は水準で維持できる。使用寿命の一例は、プラズマ活性水の場合では数時間から数日、更には数週間のうちの任意の期間である。使用寿命にわたる所定の質の一例は、その使用寿命にわたって微生物を消滅させ続けるプラズマ活性水の能力である。使用寿命にわたる所定の等級又は水準の一例は、プラズマ処理したセメント及びセメント粉末の強度が事実上期間不定で増大することである。より具体的には、プラズマ処理したセメント及びセメント粉末を使用するいくつかの構造物では、圧縮強度が３倍に増大する。

本出願に記載する実施例では、本明細書に記載するシステム及び方法、及び詳細には生成物が本明細書に記載する非熱プラズマ・チャンバを通過することにより、非熱プラズマ・チャンバを通過していない同じ生成物よりも特性が優れる改良プラズマ生成物が形成される。より優れた特性の例には、より長い使用寿命、改善した有効性、改善した実効性、改善した能力、改善した腐食耐性、改善した密度、改善した硬度、改善した耐久性、改善した強度及び／又は改善した可撓性が含まれる。例えば、本明細書に記載する非熱プラズマ・チャンバを通過した生成物は、非熱プラズマ・チャンバを通過していない同じ生成物と比較して数時間、数日又は数週間長い使用寿命を有することになる。別の一例として、本明細書に記載する非熱プラズマ・チャンバを通過した生成物は、非熱プラズマ・チャンバを通過していない同じ生成物と比較して、ウシ亜科の反芻動物において、生産量が５％まで増加する乳生産の改善した有効性を有することになる。別の一例として、本明細書に記載する非熱プラズマ・チャンバを通過した生成物は、非熱プラズマ・チャンバを通過していない同じ生成物と比較して、微生物数が７０％～８０％減少する改善した実効性を示すことになる。別の一例として、本明細書に記載する非熱プラズマ・チャンバを通過した生成物は、非熱プラズマ・チャンバを通過していない同じ生成物と比較して、プラズマ活性水の場合に使用寿命にわたって殺生物率について改善した能力を有することになる。別の一例として、本明細書に記載する非熱プラズマ・チャンバを通過した生成物は、非熱プラズマ・チャンバを通過していない同じ生成物と比較して、プラズマ処理したセメント及びセメント粉末の場合に改善した密度を有することになる。別の一例として、本明細書に記載する非熱プラズマ・チャンバを通過した生成物は、非熱プラズマ・チャンバを通過していない同じ生成物と比較して、プラズマ処理したセメント及びセメント粉末の場合に、ロックウェル、ブリネル及びビッカースを含むいくつかの一般の硬度試験法で通常の大きさの平方インチ当たりのポンド（ｐｓｉ：ｐｏｕｎｄ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｉｎｃｈ）、又は平方ミリメートル当たりのニュートン（Ｎ／ｍｍ^２：ｎｅｗｔｏｎ ｐｅｒ ｓｑｕａｒｅ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ）の３倍にまで至る改善した硬度、耐久性及び強度を有することになる。

ここで図面を参照すると、図１は、全体として符号１００で特定され、本発明に従って構成されていることが示されている汎用的な非熱システムを示す。システム１００は、処理対象の物質（図示せず）を含有する前処理又は収蔵ユニット１０１を備える。システム１００に沿って、処理対象の物質とほぼ同じ経路を進むと、次の下流の要素は補給ポンプ１０２及び流量計１０３となる。補給ポンプ１０２は、処理対象の物質に応じて補給ポンプ１０２からの流量を可変にすることを可能とし許可する従来の要素を備えることを理解すべきである。流量計１０３は同様に流量をリアル・タイムで測定し制御する従来の要素を備える。すなわち、流量計１０３は補給ポンプ１０２を所望の又は必要な形で制御し調整する。次いで、物質は下流に流れてプラズマ・チャンバ１０４に至る。このプラズマ・チャンバ１０４は、集合的には要素１０８である磁界発生器と磁界制御部を備える。磁界発生器１０８内に配置されているのは複数の電極セグメント（図示せず）であり、電極セグメントは、自動補給部１０６からプラズマ・チャンバ１０４内に、処理対象の物質及び意図する工程に必要な電極セグメントの種類に応じて所望の又は必要な率で補給される。システム１００は、磁界と、用いるプラズマ反応に応じて構成されたプラズマ・チャンバ１０４内に配置された電極セグメントとの間の相互作用を制御することでプラズマ生成工程を効果的に制御するプログラマブル・ロジック・コントローラ（「ＰＬＣ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ」）の形態の周期及び電圧制御ユニット１０５も備える。先に言及したように、制御ユニット１０５は、周期、磁界並びに電極セグメントの数及び種類の変化に関連する形で、オンライン監視を用いてプラズマの強度及び残余のフリー・ラジカルを制御できる。最後に、システム１００は、プラズマ・チャンバ１０４から流出する任意の電極セグメントを反応剤から分離することができ、反応剤は排出ユニットに保持するか、所望の応用によって所望の又は必要でありうる場合には別の装置１０９に流出させることができる分離装置１０７を備える。プラズマ・チャンバ１０４内の反応は監視することができ、プラズマ・チャンバ１０４内に配置されたライナ（図示せず）は、改良プラズマ生成物の形成中に触媒としても働く物質（例えば、玄武岩又はシリカ）から作ることができることも本発明の範囲内である。いくつかの条件下では、反応を補助するために反応区域内で物質をより高い温度に加熱し、圧力を増加すらさせることが推奨可能でありうることも理解すべきである。しかし、これはプラズマによって行われるのではない。更に加熱することで工程は容易となるが、更に加熱しても改良プラズマ生成物の温度には影響が及ばないように、非熱プラズマが用いられている。

ここで図２を参照すると、図２は、全体として符号２００で特定され、本発明に従って構成されてもいるシステムを示す。この特定のシステム２００は、液体を処理するための選択肢として提示されている。システム２００は、処理対象の液体（やはり図示せず）を含有する前処理又は収蔵ユニット２０１を備える。システム２００に沿って進むと、次の下流の要素は補給ポンプ２０２及び流量計２０３となる。補給ポンプ２０２は、補給ポンプ２０２からの液体の流量を可変にすることを可能とし許可する従来の要素を備えることを理解すべきである。流量計２０３は流量をリアル・タイムで測定し制御する従来の要素も備える。すなわち、流量計２０３は補給ポンプ２０２を所望の又は必要な形で制御し調整する。次いで、液体は下流に流れて、最適のｐＨ調節を行うためのｐＨ投与ユニット２１０及び気体インプット・ユニット２０４に至る。気体インプットは、マイクロバブル若しくはナノバブルとしての酸素、不活性ガス、オゾン及びこれらの混合物を含みうる。周期及び電圧制御部２０５、プラズマ・チャンバ２０６、電極セグメント補給部２０７及び磁界制御部２０８は全て、汎用的なシステム１００に関連して記述したのと同様に機能する。液体処理システム２００とともに備えられる形で、後処理ユニット２０９が、液体のプラズマ生成物アウトプット（図示せず）からの沈殿物を除去する、液体のプラズマ生成物を濾過する、ｐＨ値を調節する等のために設けられている。次いで、液体のプラズマ生成物は収蔵ユニット２１１内に保持されるか、使用のために他の場所に導かれる。

ここで、物質の物理的及び化学的特性は、工程において生成され安定化されているフリー・ラジカルが存在するために、収蔵中に変化しうることに留意すべきである。フリー・ラジカル又はそれから生じる活性化学成分は、収蔵ユニット内に収納されている液体の純度及び収蔵されている液体の化学的組成に応じて１８か月まで持続し、その期間内に自らの殺生物特性をいくらか又は全て維持することがある。

ここで図３を参照すると、図３は、全体として符号３００で特定され、本発明に従って構成されてもいるシステムを示す。この特定のシステム３００は、固体を処理するための選択肢として提示されている。システム３００は、処理対象の固体（図示せず）を含有する前処理又は収蔵ユニット３０１を備える。固体は５０μｍ～５００μｍの範囲の微細固体であり、空気、気体、又は酸、アルカリ若しくは他の反応剤でありうる液体中に浮遊している。システム３００は同様に補給ポンプ３０２と、流量計３０３と、空気、気体及び反応剤用のインプット部３０４を備え、これらは全てシステム１００及び２００について言及したものとほぼ同じ目的のためにある。システム３００は制御部３０５と電極セグメント補給部３０７も備える。プラズマ・チャンバ３０６は、固体のプラズマ生成物（図示せず）を作り出す補助を行うために傾斜している、回転している、又は傾斜且つ回転している場合がある点で少々異なる形で構成されている。以下で提供する実例では、プラズマ・チャンバ３０６は下方に傾斜して、改良プラズマ生成物がシステム３００を通ってプラズマ・チャンバ３０６から流出する補助を行う。固体のプラズマ生成物は保持部３０９内に保持され、従来の固体又は処理された固体を含みうる。応用例の実例には、セメント粉末を処理すること、貴重な元素を金属、金属酸化物又は金属溶液として抽出することが含まれる。

本発明のセメント及びセメント粉末への具体的応用例
旧来の「ポルトランド・セメント」であれ、いわゆる「天然セメント」であれ、セメント、コンクリート及びモルタルの強度及び他の特性を改善する方法は多数存在する。以下に簡潔な概観を記載する。

ポルトランド・セメント
予備的な事項を述べると、ポルトランド・セメントは、現在実質的に全てのコンクリートで用いられるセメントの種類のための包括的な用語である。水硬セメントの一形態であるポルトランド・セメントは、世界中で普遍的に用いられている圧倒的に最も一般的な種類のセメントであり、石灰石（炭酸カルシウム）を（粘土等の）他の物質とともにキルン内で１，４５０°Ｃ（２，６４０°Ｆ）に加熱することで作られる。これは、炭酸カルシウムから二酸化炭素分子を解放させて酸化カルシウム、すなわち「生石灰」を形成する「焼成」として知られる工程であり、次いでこの生石灰を混合により他の物質と化学的に結合させてケイ酸カルシウム又は他のセメント質の化合物を形成する。結果として生じる、「クリンカ」と呼ばれる堅い物質は、次いで少量の石こうとともに粉末へと粉砕されて通常のポルトランド・セメントを作る。ポルトランド・セメントの最も一般的な用途は、骨材（砂利及び砂）、セメント及び水から作られる複合材料であるコンクリートを作ることである。建築材料として、コンクリートは殆どあらゆる形に成型することができ、ひとたび硬化すると、非常に汎用性のある構造的（例えば、耐荷性の）材料でありうる。

天然セメント
ポルトランド・セメントとは異なり、「天然セメント」は、水硬特性を生み出すための的確な化学的性質を有する単一の岩石原料に由来する。天然セメントは、ポルトランド・セメント以前の時代のいくつかのセメントに相当し、粘土質の石灰石を穏やかな温度で焼くことで生産される。石灰石中の粘土成分のレベル（約３０～３５％）は、過剰量の遊離石灰が生じることなく大量のビーライト（ポルトランド・セメント中の初期強度が低く長期強度が高い鉱物）が形成されるようなレベルである。どの天然素材もそうであるように、そのようなセメントは非常にばらついた特性を有する。

簡潔に述べ、また手早く比較すると、（人工セメントである）ポルトランド・セメントは、純粋な石灰石、ケイ酸塩及び「泥灰土」（相当量の炭酸カルシウムを含有する緩くて崩れる土性の堆積物）の化学的組成に類似する粘土、又はそれらのバリエーションの人為的な混合物から、制御され再現可能な形で生産される。天然セメントは原料を暗示し、すなわち、一種の石灰石（粘土、砂、及び石灰石の様々な比率での混合物である「粘土質の泥灰土」として知られ、柔らかく脆く通常貝殻片を含有するもの）が他の添加物なしに単に焼かれる。

セメント及びセメント粉末の強度及び他の特性の改善
セメントの強度及び他の特性を改善する最も一般的な方法は、ジオポリマー、有機ポリマー又は物質又は混合物の凝固を加速又は減速する物質を形成するためのクリンカ又はスラグ等の無機固体を添加することである。今日では、セメント、コンクリート及びモルタルの特性を改善する別の一方法には、重要な材料をより小さく、いわゆるナノ・セメントにすること、又はシリカ・フューム等の非常に微細な物質を取り込むことが含まれる。セメント、コンクリート及びモルタルとしてのこの改良素材の特性は、空隙の減少、分子レベルでの反応の改善及びバルク材料中でのより均一な反応に起因する。しかし、ナノ・セメントの作製は時間がかかり、ボール・ミル又は類似の粉砕機等の大きく高価な設備が必要であり、規格外れの素材の再処理が必要となる場合もある。同様に、シリカ・フュームは特化したセメントで用いられるが、高価であり、均一な混合物をもたらすための費用、取扱い及び処理は通常、セメント、コンクリート及びモルタルへの大規模な応用を妨げる。これらの方法は、セメント、コンクリート及びモルタルの特性を改善すると主張されているが、添加された物質の組成の可変性、結果として生じる混合物の粘稠性の不足、及び微粒子の大きさの変動等の欠点も有する。例えば図６を参照すると、未反応のセメント微粒子が水と反応すると、ケイ酸カルシウム水和物（Ｃ－Ｓ－Ｈ）の幾分ゆるい組織が作り上げられることが見て取れる。Ｃ－Ｈ－Ｓは硬化したセメントの主成分である。それは事実上セメントの接着相であり、これは次いで乾燥させられる。

本明細書に開示する実施例に係るプラズマ処理されたセメントを、砂及び他の物質が存在する又は存在しない中で用いることにより、他の方法に関連する欠点なしにセメント、コンクリート及びモルタルの強度及び他の特性を改善する新規の方法がもたらされる。本発明の工程によれば、乾燥したセメント、コンクリート及びモルタルは非熱プラズマの中を通過させられ、マイクロインパルス及びマイクロアークの工程にかけられる。プラズマ処理されたセメントに対する物理的、化学的及び電磁的効果の影響により、セメント、コンクリート及びモルタルの全ての態様及び応用例について特性を改善した、活性化された素材が生じる。これらの工程によって、微小な微粒子からナノ素材が生じ、約０．５ｍｍより大きい、より大きな素材の大きさが減少し、活性素材の重要な基体の安定性及び反応性が改善し、混合物中にある物質の表面が洗浄及び活性化され、「乾燥した」混合物中に存在する自由水又は結合水を含む他の物質が活性化した形態となる。例えば図７を参照すると、未反応のセメント微粒子にナノ粒子が付与され、次いで未反応のセメント微粒子が水和している水と反応することの影響により、より密な構造が作り出される。この構造では、Ｃ－Ｓ－Ｈが追加のＣＳＨとともに作り出される。図８を参照されたい。

工程のこの独特の組合せにより、化学的及び物理的相互作用が加速し、セメント、コンクリート及びモルタルの形成及び凝固工程に関する反応速度が改善される。これらは、持続時間がマクロでもミクロでもありうる。図６及び図７を参照することで、これらの反応の成果は複合的な固体が形成されることであることが認識できる。この工程により、素材の通常の混和では存在しない、素材の完全な混合ももたらされ、その結果、反応性及び相互作用が改善する。

本発明によれば、素材は、プラズマ反応器を容易に通過するために自由に流動する、又は「乾燥している」べきであり、一般に５％より多くの水分を含有せず、好ましくは１％～３％のみの水分を含有する。素材が反応器内を自由に通過して流れるのであれば、水分量は２０％の高さであってよい。セメント以外の材料の大きさは２ｍｍ未満であるべきである。セメントは、５００μｍ未満又は好ましくは約１００μｍ以下であるべきである。セメント、コンクリート及びモルタルの処理に引き続いて、骨材としての天然石、棒又はワイヤとしての鉄、有機又は無機化学物質、シリカ、玄武岩及び他の有機又は無機のファイバを含む追加の材料を添加してよい。添加された水は、非熱プラズマの工程により処理される（すなわち、プラズマ活性水）こともあればそうでないこともある。標準的な作業の実行に従ってこれらの物質を添加することにより、セメント、コンクリート及びモルタルが自らの改善した特性を保持することになり、結果として生じる素材に改善した特性がもたらされることになる。セメント及びセメント粉末に関しては、結果として生じる素材の改善した特性には、最大の強度に至る硬化時間の改善、硬化した素材の表面の又は素材を薄い断面で用いた場合に亀裂がより少ない本来の強度、及び耐水性の改善が含まれることになる。また、プラズマ処理又は反応は通常より短い時間で完了し、それにより素材の生産が容易になることも示唆されるはずである。

本発明の新規性は、更に以下の実用への変形に存在する。

１．乾燥したセメント、コンクリート及びモルタルが非熱プラズマの工程を通過することにより、素材を作製するための標準的な操作手順に定められたように用いられた際に、素材の物理的及び化学的特性が改善する。

２．この方法により乾燥した素材が処理されることにより、標準的な方法による調製の後、及び標準的な試験方法により試験された際に、同等の未処理の素材よりも素材及び試験手順に応じて少なくとも２倍強く、最大５倍強い素材の強度の増大が生じる。

３．処理された非熱プラズマ物質を用いることで、最終的な混和において用いられる活性物質の量を減らすことができる、或いはセメント、コンクリート又はモルタルの特性を高める又は変えるために用いられる他の添加剤の量が変わる場合がある。

４．素材は５％以下の水分を、且つ好ましくは１～３％の水分を含有する。素材が反応器内を自由に通過して流れるのであれば、水分量は２０％の高さであってよい。

５．セメント以外の材料の大きさは２ｍｍ未満であるべきである。セメントは、５００μｍ未満又は好ましくは約１００μｍ以下であるべきである。

６．非熱プラズマ処理設備を用いて活性化されたプラズマ活性水を用いることは、好ましい実施例であり、結果として生じる素材を向上させ改善する。

セメント粉末に関する特定の一実例を直後に記載し、他の実例はその後に記載する。

「実例１」
素材は、１．５リットルの容量のバッチ式で処理した。約１ｋｇの標準セメントを鉄微粒子と混合し、１０～８０秒曝露して、鉄微粒子を反応器内に曝露した効果を評価した。セメントを標準作業手順に従って砂及び水と混合し、養生のために室温で保持部内に置いた。結果は、（約５秒のウォームアップ時間の後に）２０秒曝露すると、垂直方向及び横方向の圧縮強度が約３倍増加したことを示す。ここに結果の概要を記載する。

試料を約５．０８ｃｍ（２インチ）のブロックに切り分け、垂直方向及び横断方向に試験した。平方ミリメートル当たりのニュートン（ｐｓｉ）での結果の値は以下の通りである。

時間 ０ 垂直方向 ２．７５８（４００） 横断方向 ３．０３４（４４０）
時間 １５ 垂直方向 ３．１０３（４５０） 横断方向 ２．７５８（４００）
時間 ２５ 垂直方向 １９．６５（２８５０） 横断方向 ７．８６０（１１４０）
時間 ４５ 垂直方向 ２０．６８（３０００） 横断方向 １２．６２（１８３０）
時間 ８５ 垂直方向 １８．８９（２７４０） 横断方向 ９．７９１（１４２０）

結果は、ブロックが正確に５．０８ｃｍ（２インチ）の立方体ではないため、近似的なものである。割れ目及び／又は破損点は粘稠性が不足しており、試験では主要な裂け目を破損（例えば側方割れ目）として定義している。いくつかの横断方向の試験の場合では、空気圧又は不均一な圧力がかかることによる小さな側方割れ目が存在する。素材はバルクで処理されることが想定されている。素材は、物質の除去を補助するために下方向に傾斜しているプラズマ・チャンバ内で空気中を浮遊する微粒子として存在してもよい。素材は、プラズマ活性水（すなわち、電気的に膨脹した水）と混合してもよい。これらの結果は強度を向上させているようではあるが、決定的なものではなく、またコーン・クラッシャ又は他の骨材形成方法によって破壊されるシリカを基本とした物質から形成されていない。

図８に示すように、本発明に従って形成されたナノ・セメント・コンクリートの圧縮強度の更なる試験は、本発明者によって得られた測定結果から証拠付けられるように明確である。更なる結果として、そのようなナノ・セメントによって、他のコンクリート性能のパラメータを与える最終的且つ完全に硬化したコンクリートにおいて表面の亀裂及び水の浸透が除去される。このようなナノ・セメントは、改良プラズマ生成物の一例に過ぎない。

ここで図４を参照すると、図４は、全体として符号４００で特定され、本発明に従って構成されてもいるシステムを示す。この特定のシステム４００は、気体を処理するための選択肢として提示されている。システム４００の前端にて、気体がインプットされ、また上述のように流れの制御及び計測を受けることができる。この例で重要なのは、水、微細固体、反応性気体並びにチタニアとも呼ばれる二酸化チタン（ＴｉＯ_２）及び熱触媒である酸化セリウム（Ｃｅ_２Ｏ_６）を含む他の触媒等の反応剤４０４を気体がプラズマ・チャンバ４０６に流入する前に電極セグメント補給部４０７を介して導入することである。制御部４０５はプラズマ・チャンバ４０６及び電極セグメント補給部４０７を駆動する。このシステム４００では、電極セグメント（図示せず）は、触媒で被覆されていない場合とされている場合があり、電極セグメント補給部４０７からインプットされる。システム４００は、後処理ユニット４０９内でのガス精製及び固体分離のためにも用いてよい。

ここで図５を参照すると、図５は、全体として符号５００で特定され、本発明に従って構成されてもいるシステムを示す。このシステム５００は、固体且つ微粒子が浮遊している液体を処理するための選択肢として提示されている。プラズマの微粒子に対する作用は、ますます小さい微粒子へと分解していくことである。物質に応じて、その効果は表面の物質の除去、微粒子の破砕、及び元来の化学的特性を変化させない表面の活性化である。このシステム５００は前処理ユニット５０１を備える。５ｍｍ以下の微粒子に対しては、システム５００は大きさの低減及び完全な溶解のために用いることができる。５ｍｍ以上の微粒子に対しては、システム５００は表面の活性化のためのみに用いることができる。５００μｍ未満の微粒子に対しては、システム５００は以下で検討するようにナノ粒子の生成のために用いることができる。システム５００は要素５０４、５０５、５０６、５０７、５０９、５１０を更に備え、それらは上記の他のシステム内の同様の構造に対応する。

「実例２」
本発明によると、スパーク源での鉄の放出により、長寿命の反応性試薬である、フェントン試薬として知られる鉄過酸化剤等の鉄フリー・ラジカルが作り出される。フェントン試薬は通常、高性能酸化工程の一部として汚染物質又は排水を酸化するために用いられる触媒としての第１鉄（典型的には硫酸鉄（ＩＩ）、ＦｅＳＯ_４）を有する過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）溶液で調製される。それは、酸素又は酸素フリー・ラジカルが存在する中での鉄の電極セグメントによるプラズマ放出の一部として生成される。他の長寿命の反応性試薬も作り出すことができる。プラズマ中のゼロ価の鉄Ｆｅ^０又は他のゼロ価の種を作製することが可能である。ゼロ価の鉄は廉価であり、無毒であり、穏やかな還元試薬である。水中に溶解した酸素が存在すると、ゼロ価の鉄は有機汚染物質を酸化することができる。これは、有機物と、例えば有機物を分解する形で反応して、反応条件に応じてより単純な化合物を生成する。７００種を超える異なる反応が起こりうると推定する、非熱プラズマにおける反応機構のシミュレーションが存在する。例えば、酸化した窒素が存在すると、酸素及び水素のフリー・ラジカルに加えて反応性の且つ励起されたニトロソ種が形成されうる。すなわち、窒素を介して炭素骨格に結合する１つ又は複数のＮＯ_２基を有する（ニトロ化合物）、又は炭素若しくは窒素に付着するＮＯ基を有する（ニトロソ化合物）有機炭化水素の誘導体である。

「実例３」
以下の表は、プラズマ・ユニット内での処理の前に５００μｍに粉砕され精製されたヘマタイトの試料を参照している。２つの処理工程が存在し、第１のものは「通常の」作業フローでの単一回通過であり、第２のものは３分の滞留時間のある緩慢な通過である。Ｆｅ_２Ｏ_３の粉末サイズ（５００ミクロンの素材へと碾いた後）及びプラズマ・ユニットによる処理（結果として生じる粉末の％の組成）。

上記のデータは、設備によりサイズの分布が比較的小さい形で短時間に１ミクロン未満の微細粉末が得られることを示す。物質を複数回通過させることは、分離された物質か全体かのいずれかに対して用いられて、推奨される均一な小さいサイズ分布が達成される。特定の目的のために必要なサイズを実現するために更に処理を行う又は作業パラメータを変更するか否かは、実験作業を通して決定される。

本発明のウシ亜科反芻動物及びバイオ固形物に対する具体的な応用例
堆肥に関して、本発明者は、プラズマ処理／曝露時間が２秒未満である小さいスループットの作業（例えば、毎時７ｍ^３を３分間）において、以下の結果が得られたことを示した。

それぞれ部分的に処理した（微粒子サイズは全く小さくせずに単に非熱プラズマ処理を行う）又は完全に処理した試料に関して、微生物の数が７０％～８０％減少：（ＤＮＡによる試験で１．８^＊１０^９から０．５^＊１０^９へ）。

原核生物 ８１％減少
真核生物 ７７％減少
硫化水素細菌 ８６％減少
メタン細菌 ２２％減少 － これは試験方法の人為的影響かもしれないが、メタン細菌が維持されているのでなければ、良い結果である。

これらの結果は以下に最良の形で図示される。

これがバッチ試験の結果であり、試料は、毎時７ｍ^３を３分間実行するためにタンクに移された。更なる試験の結果を以下に図示する。

上述の試験に関して、以下のパラメータ及び測定法が該当することを理解すべきである。

界：原核生物（細菌、古細菌）及び真核生物（真核生物、菌類、後生動物、緑色植物）
方法：１６Ｓ及び１８Ｓ ｒＲＮＡ遺伝子のＤＮＡアンプリコン・シーケンシング、１６Ｓ及び１８Ｓ 遺伝子のｑＰＣＲ定量化
単位：原核生物 － １６Ｓ 遺伝子コピー／ｍＬ、真核生物 － １８Ｓ 遺伝子コピー／ｍＬ

２８日間にわたる、本発明者が「生物的メタン・ポテンシャル」試験と呼称する試験において、試料は、
短期及び長期での生物的メタン・ポテンシャルの改善（１４％）
Ｈ_２Ｓ生成の５０～８５％減少
を示した。

これらの結果を以下に図示する。

従って、生成物は、再生可能天然ガスのより高純度の生成を伴うダイジェスタの稼働により好適である。ダイジェスタの中には競争力がより弱い細菌が存在し、システムは、純粋な補給に最適化されたシステムに類似する。微生物の殺菌率は、たった数秒間に関して、本発明者がこれまで報告されているのを目にしたいかなるものよりも良好である。他のシステムもバイオ固形物に対しての用途を全く報告しておらず、このことにより、その用途が本実施例の際立った特性となる。具体的には、バイオ固形物に関して、本発明者は、プラズマで処理される、活性化されたスラッジ・プラント－動物の堆肥及び紙廃棄物処理プラント－からの排水由来のバイオ固形物が迅速に（３０分以内に）沈殿して、同じ結果を達成するのに通常１０～１５時間以上かかるのよりも急速に密で詰まったスラッジが形成されることを示した。

最後に、本発明者は、非熱プラズマ処理設備で処理された水により、乳牛が水を少なくとも３～５％多く飲み、より多くの牛乳を産出することを示した。

ナノ技術
上記で示唆したように、ナノ粒子は加法型製造のために生成することができる。５００μｍ未満の大きさで導入される（集塊等の）物質は、微粒子の大部分が５００ナノメートル未満のナノ粒子の混合物を生成する。この物質には、製造工程の中で以後も用いることができるような大きさの、他の方法によって容易に達成されない均一でよく混合した物質を生成する金属が存在する又は存在しないプラスチック又は炭素が含まれる。ナノ粒子を有するプラスチックを用いることで、物質を、例えば３－Ｄプリンティング等の加法製造で用いることができる金属微粒子と混合させることができる。

新規のナノ粒子を作製することは、従来技術にあるバリエーション又は同様の化学的成分を用いて固体と液体とを直接相互作用させることによって可能である。しかし、上記で明らかになっているように、高温、高圧、及び極端な反応条件を用いることは、本発明では必要ではない。代替的且つ新規な反応機構を用いることは、本発明において行ってよい。例えば、以下のようなものがある。

・気体反応には、合成ガスの作製、硫化水素の除去、アンモニアの生成が含まれる。このような反応であれば、支障する化学種を除去するのを補助する触媒又は捕捉剤物質の存在を含み、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・薬剤及びその残留物の処理は、無毒の化学実質に分解することができ、永遠の化学物質ＰＦＡＳ／ＰＦＯＳの処理は、酸化カルシウム又は不溶性のフッ化物を有する同様の物質（本開示の上記５頁）の存在によって実行及び補助することができ、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・複合的な炭化水素は、アセチレン及びメタン及びその同族体等のより軽い炭化水素且つ気体を含むより単純な形態に分解するか、水溶性の種に酸化することができ、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・水素、水及び不活性ガス等の他の気体が存在すると、複合的な不飽和油脂は飽和となるか、アルコール又はケトンに変換されることが可能であり、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・天然に存在する飽和又は部分的に飽和の油脂は、消毒及び創傷治癒を補助するフリー・ラジカルを含有するようにすることができ、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・ダイオキシン又は類似の多環芳香族炭化水素は、安全な廃棄、再利用、又は低温焼却に好適なように分解することができ、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・油脂の除去のために粉砕された種子は、始めの粉砕の品質と類似し保管又は収蔵品質が改善されうる油脂の収量を増加させるためのユニットで更に処理することができ、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・プラズマを用いて種子の発芽を改善することは既に明らかにされているが、本発明のこの方法によって、農業、醸造及び食品加工に用いるのに好適な種子材料を大規模に制御可能な形で処理することができ、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・いくつかの条件では、細粉の又は細かく碾かれた天然素材の作製によって、あらゆる目的のための品質が改善し、「保管」品質が改善するが、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・反応は細菌、菌類及びウイルスも殺し、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになり、このことは本発明者によるＤＮＡ試験によって支持されている。反応は塩水中でもよく進行することが可能であり、加えてそれにより細菌が全く存在しない塩水が製造されるが、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・反応は、腐食の軽減、缶石の形成、及び他の化学処理の費用が軽減する又は無くなりさえすることを含むいくつかの他の直接的な影響も塩水に及ぼしうるが、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・反応は、競合する生物体を除去することで（バイオメタン生成等の）後続する生物反応を向上させることができ、これは、医薬品の調製及び生物反応器を用いる任意の機構において有用でありえ、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・下水処理に関わる工程等の工程に関し、物質は、抗生物質耐性を有する生物体を含有せず、その生物体は除去するか生成させないことが可能であり、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・プラズマは、固体、液体及び気体の非熱処理に使用されて、微生物の存在しない生成物をもたらすこと（「パスチャライゼーション」とも呼ばれる）が可能であり、このことにより、改良プラズマ生成物はより優れた特性を有していることになる。

・改良プラズマ生成物は、より小さい電極セグメントを用いてより大きい微粒子を処理した結果である場合があり、それによりいくつかの固体（例えば、木又は紙廃棄物又は麻若しくは竹等の植物素材由来のセルロース繊維）はナノ・セルロース繊維又は活性セルロース繊維のいずれかとなり、活性炭素又は酸化グラフェンの前駆体でありうるようになっており、このようなセルロースの細胞は、環境的懸念のための生分解特性を有する吸着性の結合剤である。

・本明細書での実施例に係る改良プラズマ生成物を使用することで、いくつかの工程、作業及び手順を「ジャンプ・スタート」することも可能であって、そうすることでその応用例において前処理の費用が顕著に低減されることになる。

上述の例の各々は、改良プラズマを生成するために複数の電極又は電極セグメントを用いることで、そのような使用に起因する無数の相乗的な反応が起こることが可能であり、反応が終わると、本明細書に記載した非熱プラズマ・チャンバを通過しない同じ生成物と比較した場合に優れた特性を有する改良プラズマ生成物が生成されることを示している。

またそれらの各々は、電極の素材は意図する反応を触媒するように変更することができることも示している。更に、電極セグメントの大きさ及び組成も、所望の、必要な又は意図する結果又は成果のために調整するように変更することができる。上記で示唆したように、自由に移動する各電極セグメントは、他の変数もある中で電極セグメントの移動速度、電極セグメントの質量及び大きさ、磁界の強度、曝露時間に依存するエネルギー・レベルに事実上瞬時に到達する。本発明ではこれらのパラメータは、任意の改良プラズマ生成物のために所望の又は必要な形で調節できるように監視される。これは、図９に最良の形で示されている。この点に関し、工程は全体として符号６００で特定されている。使用者は最初に、作る改良プラズマ生成物の種類を決定しなければならない６０２。それがひとたび決まると、インプット物質を準備し６０４、先述の型のプラズマ・チャンバに導入しなければならない６０６。インプット物質がひとたびプラズマ・チャンバの反応領域内に配置されると、プラズマ強度６１２、フリー・ラジカル６１４、及び周期並びに磁界６１６が監視される。スループット物質の所望の質を最適化するようにパラメータのうちの任意の１つを変更する必要がある場合、パラメータは調節することができる６２２、６２４、６２６。スループット物質がひとたび適切に作製されると、それは所望の又は必要な改良プラズマ生成物としてアウトプットすることができる６３２。

本発明によれば、鉄の電極セグメントは、完全に排することもできる。これにより、チャンバ内の化学的環境が、電極セグメントが導電性の軟磁性物質（すなわち、上記のニッケル・コバルト）である何かでありうるように変化する。触媒剤をプラズマ・チャンバ内に保持することで、鉄の微粒子は、先述のようにチャンバを流れる物質とともに洗浄されて流出しないように、電極セグメントに付着したままとなる。プラズマ及びフリー・ラジカルを持続させる磁界の役割は維持されている。

キャビテーション波及び圧力波もこの方法によって形成されてプラズマに存在し、稼働条件に応じて、プラズマの相互作用及び生成物の生成に起因して局所的に温度が幾分上昇することも留意すべきである。

最後に、本明細書に記載した実施例に係る工程の影響によって、使用される物質は範囲においてミクロンからナノのレベルまで小さくなり、例えば１００μｍのセメントは約１００ｎｍ以下に、２ｍｍの砂は約１００μｍ以下になりうることが明らかになる。表面は活性化され、無機物質及び有機物質を含む。反応は、局所的に熱的に加熱されること及び電子に曝露されることにより完了する。これら全てにより、大規模で、費用効率が良いプラズマ反応工程が可能となる。

これらの結果は以下に最良の形で図示される。

これがバッチ試験の結果であり、試料は、毎時７ｍ^３を３分間実行するためにタンクに移された。更なる試験の結果を以下に図示する。

これらの結果を以下に図示する。

Claims (28)

1. 使用寿命にわたって維持される少なくとも１つの所定の特性を有し、固体、液体、若しくは気体、又はそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む物質をインプットし、インプット物質をスループット物質として非熱プラズマ・チャンバ内に補給することによって得られるプラズマ生成物であって、前記プラズマ生成物は前記スループット物質のアウトプットであり、アウトプット物質は、固体、液体、若しくは気体、又はそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含み、前記アウトプット物質は、前記プラズマ生成物及び前記非熱プラズマ・チャンバを通過していない前記インプット物質より優れた少なくとも１つの特性を有する前記プラズマ生成物を含むプラズマ生成物。
2. 反応剤を含む、請求項１に記載のプラズマ生成物。
3. 少なくとも１つの触媒の導入を更に含む、請求項１に記載のプラズマ生成物。
4. 前記スループット物質の前記アウトプットは、生成物のアウトプットが連続的であるような期間不定の作動が可能である、請求項１に記載のプラズマ生成物。
5. 前記アウトプット物質はセメント、セメント粉末、コンクリート又はモルタルのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のプラズマ生成物。
6. 前記アウトプット物質はナノ物質である、請求項１に記載のプラズマ生成物。
7. 使用寿命にわたって維持される少なくとも１つの所定の特性を有し、固体、液体、若しくは気体、又はそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含み、固体、液体、若しくは気体、又はそれらの組合せのうちの少なくとも別の１つをプラズマ状態に非熱変換することで生成されるプラズマ生成物であって、前記非熱変換の結果、前記非熱プラズマ・チャンバを通過していない固体、液体、若しくは気体、又はそれらの組合せのうちの前記少なくとも別の１つよりも優れた少なくとも１つの特性を有する前記プラズマ生成物が生成され、スループットされるプラズマ生成物。
8. 反応剤を含む、請求項７に記載のプラズマ生成物。
9. 少なくとも１つの触媒の導入を更に含む、請求項７に記載のプラズマ生成物。
10. 固体、液体、気体、又はそれらの組合せのうちの前記少なくとも別の１つのプラズマ状態への非熱変換は、生成物のアウトプットが連続的であるような期間不定の作動が可能である、請求項７に記載のプラズマ生成物。
11. 前記アウトプット物質はセメント、セメント粉末、コンクリート又はモルタルのうちの少なくとも１つである、請求項７に記載のプラズマ生成物。
12. 前記アウトプット物質はナノ物質である、請求項７に記載のプラズマ生成物。
13. システムを用いる工程によって得られるプラズマ生成物であって、前記システムは、
    インプット物質を含有する収蔵ユニットを備え、
    前記インプット物質を、可変流量補給部を用いて前記収蔵ユニットから移動させ、
    流量計を用いて前記可変流量補給部を測定及び制御し、
    前記インプット物質が補給される、磁界を生成し磁界制御を行うための磁界生成器を備える非熱プラズマ・チャンバを設け、
    自動補給部によって前記プラズマ・チャンバ内に、反応の局面中は前記プラズマ・チャンバ内を自由に移動する複数の電極セグメントを補給し、
    前記磁界と前記プラズマ・チャンバ内に配置された前記電極セグメントとの間の相互作用を制御することによって、前記反応の局面における前記インプット物質のプラズマへの変換を制御する、プログラマブル・ロジック・コントローラの形態である周期及び電圧制御ユニットを設け、
    前記反応の局面において前記インプット物質をスループット物質として前記プラズマ・チャンバを通して移動させ、
    前記スループット物質をアウトプット物質として放出ユニットに移動させ、
    前記アウトプット物質を前記放出ユニット内に保持し、
    前記アウトプット物質は前記プラズマ生成物を含む
    プラズマ生成物。
14. 反応剤を含む、請求項１３に記載のプラズマ生成物。
15. 前記インプット物質を、前記プラズマ・チャンバを通して移動させるステップは、前記プラズマ・チャンバ、前記電極セグメント、又は両者によって添加される少なくとも１つの触媒を添加するステップを更に含む、請求項１３に記載のプラズマ生成物。
16. 固体、液体、気体、又はそれらの組合せのうちの少なくとも別の１つのプラズマ状態への変換は、生成物のスループットが連続的であるような期間不定の作動が可能である、請求項１３に記載のプラズマ生成物。
17. 前記インプット物質は液体である、請求項１３に記載のプラズマ生成物。
18. 前記システムはｐＨ投与ユニットと気体インプット・ユニットとを更に備える、請求項１７に記載のプラズマ生成物。
19. 前記気体インプットは、マイクロバブル又はナノバブルとしての酸素、不活性ガス、オゾン、又はそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載のプラズマ生成物。
20. 前記インプット物質は固体である、請求項１３に記載のプラズマ生成物。
21. 前記インプット物質は、空気、気体、又は液体中に浮遊する微細固体である、請求項２０に記載のプラズマ生成物。
22. 前記アウトプット物質はセメント、セメント粉末、コンクリート又はモルタルのうちの少なくとも１つである、請求項２１に記載のプラズマ生成物。
23. 前記アウトプット物質はナノ物質である、請求項１３に記載のプラズマ生成物。
24. 前記インプット物質は気体である、請求項１３に記載のプラズマ生成物。
25. 前記インプット物質は、浮遊する固体微粒子を有する液体である、請求項１３に記載のプラズマ生成物。
26. 前記システムの前記周期及び電圧制御ユニットは、周期、磁界及び電極セグメントの数の変化をオンラインで監視及び制御することを含み、そのことにより、プラズマの強度及び残留フリー・ラジカルを制御することができる、請求項１３に記載のプラズマ生成物。
27. インプット物質を収納する収蔵ユニットと、
    磁界を生成するための磁界生成器を備える非熱プラズマ・チャンバと、
    前記インプット物質を前記収蔵ユニットから前記非熱プラズマ・チャンバに移動させるための補給ポンプと、
    自動補給部により前記プラズマ・チャンバ内に補給され、反応の局面中は前記プラズマ・チャンバ内を自由に移動する複数の電極セグメントと、
    前記磁界と前記プラズマ・チャンバ内に配置された前記複数の電極セグメントとの相互作用を制御する制御ユニットと
    を備える、プラズマ生成物を生成するためのシステム。
28. システムを用いる工程によって得られるプラズマ生成物であって、前記システムは、
    インプット物質を含有する収蔵ユニットを備え、
    前記インプット物質を、補給ポンプを用いて前記収蔵ユニットから移動させ、
    流量計を用いて前記補給ポンプを制御し、
    前記インプット物質が補給される、磁界を生成し磁界制御を行うための磁界生成器を備える非熱プラズマ・チャンバを設け、
    自動補給部によって前記プラズマ・チャンバ内に、反応の局面中は前記プラズマ・チャンバ内を自由に移動する複数の電極セグメントを補給し、
    前記磁界と前記プラズマ・チャンバ内に配置された前記電極セグメントとの間の相互作用を制御することによって、前記反応の局面における前記インプット物質のプラズマへの変換を制御する、プログラマブル・コントローラの形態である制御ユニットを設け、
    前記反応の局面において前記インプット物質をスループット物質として前記プラズマ・チャンバを通して移動させ、
    前記スループット物質をアウトプット物質として放出ユニットに移動させ、
    前記アウトプット物質を前記放出ユニット内に保持し、
    前記アウトプット物質は前記プラズマ生成物を含む
    プラズマ生成物。