JP4635204B2 - 水処理方法および水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを利用した水処理方法と該方法を好適に実施可能な水処理装置に関する。

産業排水や家庭から排出される汚水を処理し、浄化する目的で様々な水処理手段が実施されており、そのような手段の一つとして、プラズマを利用して水処理（浄化）を行う方法が挙げられる。
例えば、下記特許文献１には、プラズマ反応器に３０ＫＶ〜１５０ＫＶ程度の非常に高い電圧を印加することによって形成されたプラズマを利用して廃水を処理する装置が記載されている。また、特許文献２には、高電圧パルス印加電極と対向電極とを近接させ、その印加電極に高電圧パルスを印加することにより放電を生じさせて該放電による衝撃波を利用して排水処理を行う装置が記載されている。また、特許文献３には、被処理水中に相対配置された電極と、該電極に高電圧パルスを印加させるパルス高電圧装置と、被処理水中に酸素の微細気泡を混合させる微細気泡混合装置とを備え、電極に高電圧パルスを印加して発生させたプラズマによって微細気泡中の酸素を活性酸素種に変換して被処理水中の浮遊物や溶解物を分解させることを特徴とする水処理装置が記載されている。

しかしながら、上述したような従来のプラズマを利用した水処理装置では、装置構成が複雑であるとともにプラズマを継続的に発生させる手段としていずれも非常に高い電圧を発生させ得る高圧電源（例えば５０ｋＶ）或いは高周波電源が必要である。このため、一般家庭や小規模な事業所で使用する水処理装置としては不都合であった。

特開平１１−７０３８６号公報 特開２００１−２５２６６５号公報 特開２００５−２１８６９号公報

そこで本発明は、発生させたプラズマの作用を利用して水処理を行う水処理方法および水処理装置に関する従来の課題を解決すべく創出されたものであり、その目的は、高圧及び／又は高周波電源を用いることなく簡単な構成で被処理水を効率よく処理し得るプラズマ水処理方法およびプラズマ水処理装置を提供することである。

上記課題を解決すべく本発明は、バリア放電によって生じるプラズマを利用する水処理方法を提供する。
即ちここで開示される一つの方法は、相互に近接する一対の電極板を用意する。この一対の電極板の少なくとも一方の電極板は、他方の電極板と対向する面の少なくとも一部が誘電体で遮蔽されている。典型的には電極板の対向表面が誘電体で被覆されている。このように誘電体を介在させた状態で近接して配置される一対の電極板（典型的には平行状態で双方の電極板を近接させる。）は、好適なバリア放電を生じさせ得る当該電極板間の狭い空隙を提供する。
本発明の方法では、前記一対の電極板の一方が下部電極板を構成し且つ他方が上部電極板を構成するように傾斜した状態で配置し、その傾斜した状態の下部電極板上を被処理水が流下するように、前記一対の電極板間の空隙に被処理水を導入する。そして、前記一対の電極板間において、前記下部電極板上を流下する被処理水と前記上部電極板との間でバリア放電を起こしてプラズマを生じさせることを特徴とする。
また、好ましい一態様において、前記一対の電極板間において、前記下部電極板上に多孔質誘電体を、被処理水が流下し得る空隙が形成されるように該下部電極板の表面から上方に離した状態で配置し、該多孔質誘電体と接触可能な状態で下部電極板上を被処理水が流下するように被処理水を該一対の電極板間に導入することを特徴とする。

上記構成の本発明の水処理方法では、傾斜した下部電極板上を流下（好ましくは膜状に流下）するように（即ち電極板間の空隙に気層部分が残るように）被処理水を電極板間の空隙に導入するとともに、下部電極板上を流下する被処理水と上部電極板との間の空間でバリア放電を起こさせる。そして、かかるバリア放電によって低温プラズマ（具体的には大気圧非平衡プラズマ）を電極板間に継続的に発生させる。このような条件下で発生した低温プラズマは化学的反応性が高く、被処理水中の有機物質の分解や微生物の死滅を効果的に行うことができる。
本発明の水処理方法によると、簡単な装置構成で被処理水の処理（典型的には有機物分解や滅菌を包含する浄化処理）を行うことができる。また、バリア放電に基づく低温プラズマを利用するため、被処理水の水温上昇を抑え、高温による影響を回避することができる。また、上記のように多孔質誘導体をプラズマ発生可能空間に配置することにより、プラズマ（即ちバリア放電により得られる中性ラジカルその他のラジカル種）と被処理水との接触頻度が増大し得る。本構成の水処理方法によると、水処理効率をさらに向上させることができる。

ここで開示される水処理方法の好ましい一態様では、前記一対の電極板に１０ｋＶ以下（好ましくは５〜１０ｋＶ）の商用周波数（典型的には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電圧を印加してバリア放電を生じさせる。
本態様の方法によると、商用電源を利用した簡単な構成の電源装置（例えば変圧器）を用いてバリア放電を継続的に生じさせることができる。このため、より簡便に水処理をプラズマで処理することができる。

ここで開示される水処理方法の特に好ましい一態様では、前記多孔質誘電体と接触可能な状態で且つ多孔質誘電体が完全に水没しないレベルで前記下部電極板上を被処理水が流下するように被処理水を該一対の電極板間に導入する。
本構成の水処理方法によると、水処理効率をさらに向上させることができる。

また、本発明は上記目的を実現し得る水処理装置を提供する。即ち、ここで開示される水処理装置は、相互に近接する一対の電極板であって少なくとも一方の電極板は他方の電極板と対向する面の少なくとも一部が誘電体で遮蔽されている（例えば少なくとも一方の電極板の対向表面が誘電体で被覆されている）一対の電極板を含み、且つ、一方の電極板が下部電極板を構成し且つ他方が上部電極板を構成するように傾斜した状態で備える水処理部を備える。さらに、前記水処理部に被処理水を供給する被処理水供給手段であって、前記傾斜した状態の下部電極板上を被処理水が流下する（好ましくは膜状に流下する）ように前記一対の電極板間に被処理水を導入する被処理水供給手段を備える。さらにまた、前記一対の電極板と接続する電源部であって、前記下部電極板上を流下する被処理水と前記上部電極板との間でバリア放電を生じさせる電圧を印加する電源部を備える。
また、好ましい一態様において、さらに前記一対の電極板間において、前記下部電極板上には多孔質誘電体が、被処理水が流下し得る空隙が形成されるように該下部電極板の表面から上方に離した状態で配置されている。
多孔質誘導体がプラズマ発生空間に配置されることにより、プラズマ（例えば中性ラジカルその他のラジカル種）と被処理水との接触頻度が増大し得る。かかる構成の水処理装置によると、ここで開示される水処理方法を好適に実施することができる。

ここで開示される水処理装置の好ましい一態様では、前記電源部は、前記一対の電極板に１０ｋＶ以下（好ましくは５〜１０ｋＶ）の商用周波数（典型的には５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流電圧を印加するように構成されている。
かかる構成の水処理装置によると、商用電源を用いる簡便な構成でプラズマを利用して被処理水の処理を行うことができる。

ここで開示される水処理装置の好ましい一態様では、前記被処理水供給手段は前記多孔質誘電体と接触可能な状態で且つ多孔質誘電体が完全に水没しないレベルで前記下部電極板上を被処理水が流下するように被処理水を前記一対の電極板間に導入する。本構成の水処理装置によると、高効率に水処理を行うことができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって、本発明の具体的な実施に必要な事柄（例えば水処理装置における電源部の用意や被処理水を外部から導入するための配管）は、当該分野における技術常識に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示される内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
本発明において水処理とは、バリア放電によって生じる低温プラズマ（具体的にはプラズマ中のラジカル分子、イオン、電子等）の作用によって被処理水に含まれる物質（典型的には環境上又は健康上の有害物質）の分解や変性を行うことであり、処理される物質の種類は特に限定されない。
また、本発明の水処理方法の対象となる被処理水は上記プラズマによって処理され得るものであればよく溶媒が水（Ｈ_２Ｏ）に限られない。即ち、本明細書において「水処理」の水および「被処理水」の水とは、上記プラズマによって処理され得る液状のもの一般を指す用語であり、被処理水には溶媒が水系である典型例の他に、溶媒がアルコール系その他有機溶媒であるものを包含する。

本発明によって提供される水処理装置では、バリア放電が起こる程度に相互に近接し且つ誘電体が介在する一対の電極板を水処理部に備えるとともに、該一対の電極板の間の空隙（以下「バリア放電部」ともいう。）に、気層（気体）が残存するように当該空隙を完全に埋めきらない程度の被処理水を導入する。かかる要求を満たし得るものであれば、電極板それぞれの形状、特に他方の電極板と対向する側の表面（対向表面即ち対向する電極板間の空隙（バリア放電部）に面する側の表面）の形状は特に限定されない。最も単純な形状は、板ガラスのように表面がフラットな電極板である。
オゾン等の活性種が生じ得る気体（例えば大気よりも高濃度に酸素を含むガス）を積極的にバリア放電部に導入してもよい。これにより、プラズマによる水処理効率を向上させ得る。

図１に、ここで開示される水処理装置１０が備える水処理部２０の典型的な一形態を模式的に示す図である。
この図に示すように、本形態の水処理部２０は、典型的には合成樹脂製である扁平な直方体形状のケース（例えばアクリル樹脂製ケース）２２と、該ケース２２内に配置される一対の電極板３１，３５とを備える。
上部電極板３１はタングステン、白金族金属、銅等の金属から成る平板状電極本体３３とその電極本体３３を遮蔽するように該電極本体３３の表面を被覆するアルミナ等の誘電体から成る誘電体被覆部３２とから構成されている。好ましくは該誘電体被覆部３２の表面はフラットに形成されている。一方、対向する下部電極板３５は、銅等の金属から構成される表面がフラットな平板状電極である。

これら二つの電極板３１，３５は、ケース２２内において、誘電体被覆部３２が対向面となるようにしてほぼ平行な状態で相互に近接して組み付け・配置される。以下、このような状態で配置された（組み付けられた）二つの電極板３１，３５を電極ユニット３０と呼称する。
図１に示すように、本実施形態に係る電極ユニット３０は、やや傾斜した状態でケース２２内に配置される。これにより、二つの電極板３１，３５間の空隙（バリア放電部）３８を上方の開口部から下方の開口部へと下部電極板３５の表面を伝って被処理水Ｗが重力に従って流下し得る。傾斜度は特に限定されず、被処理水Ｗが重力に従って流下し得る程度の傾斜角でよい。傾斜度を異ならせて被処理水Ｗの流速（単位時間当たりの処理量）を調節することができる。

ケース２２には、被処理水Ｗを内部に導入する供給部２４が設けられている。この供給部２４には合成樹脂製のガイド板２６が付設されており、そのガイド板２６の上面はケース２２方向に下りながら下部電極板３５の上面と連続するように設けられている。これにより、ガイド板２６に供給された被処理水Ｗは、重力に従って下部電極板３５の表面（即ち二つの電極板３１，３５間のバリア放電部３８）に導入される。
例えば、図１に示すように、外部の被処理水供給源と接続する被処理水供給管の開口先端部２５（被処理水供給手段に相当する。）をガイド板２６上に配置（接続）することによって、ケース２２内の電極ユニット３０のバリア放電部３８に被処理水Ｗを供給することができる。
また、ケース２２には、下部電極板３５の上面に接続する排水部（排水口）２１が設けられている。これにより、電極ユニット３０のバリア放電部３８を伝ってきた被処理水（即ち処理済み水）Ｗを排水部（排水口）２１からケース外に排出することができる。

ここで開示される水処理装置１０では、上記のように構成された電極ユニット３０の電極板３１，３５間に所定の電圧を加えてバリア放電を生じさせる。バリア放電を生じさせるための電源として好ましくは商用周波数（５０又は６０Ｈｚ）の商用電源を利用し、バリア放電発生に適当な電圧値に変圧する。商用周波（即ち５０又は６０Ｈｚ）であって１０ｋＶ以下（典型的には５〜１０ｋＶ）の電圧を電極板３１，３５に印加することが好ましい。例えば、図１に示すように、商用電源（例えば５０又は６０Ｈｚ、１００Ｖの交流電源）４２にトランス（変圧器）４４を接続し、上部電極板３１（電極本体３３）及び下部電極板３５に商用周波で５０００〜１００００Ｖの交流電圧を印可することが好ましい。このような電源部４０を用いることによって、簡単な構成でバリア放電Ｂを起こすことができる。電極板３１，３５間の距離に応じて印加する電圧値を適宜調節することができる。

好ましくは、図２に示す水処理装置１０Ａのように、下部電極板３５の上方に多孔質誘電体３６を配置する。多孔質誘電体の材質は特に限定されないが、典型的にはアルミナ、シリカ等の誘電体セラミックスが挙げられる。このような多孔質誘電体をかかる位置に配置することによって、バリア放電の発生効率、延いては大気圧プラズマの発生効率を向上させ、より高効率に水処理を行うことができる。
なお、多孔質誘電体３６は下部電極板３５の表面上に直接配置してもよいが、図２に示すように被処理水Ｗが流下し得る程度の僅かな空隙が形成されるように下部電極板３５の表面から上方にやや離した（浮かせた）状態で配置することが好ましい。この図に示す水処理部２０Ａでは、多孔質誘電体３６をケース２２の内壁に固定しており、下部電極板３５には接していない。
このように配置することによって、バリア放電Ｂの発生効率向上と被処理水Ｗのスムーズな流動を同時に実現することができる。

ここで開示される水処理装置１０，１０Ａの好ましい一態様は、被処理水Ｗを循環して処理するように構成される。
例えば図３に示すように、被処理水Ｗを貯留する水槽６０と、被処理水供給手段に相当するポンプ５０及び被処理水供給管５４とを備え、該供給管５４の開口先端部２５をケース供給部２４に接続する一方、ケース排水部２１から排出される処理済み水を水槽６０に戻すことにより、所定量の被処理水Ｗの循環処理が簡便に行われる。この場合、ポンプ５０の作動能力を調節することによっても被処理水Ｗの流速（単位時間当たりの処理量）を適宜調整することができる。

以上、ここで開示される水処理装置１０，１０Ａの好適な構成を説明したが、このような形態に本発明を限定することを意図したものではない。例えば、上記実施形態では一対の電極板３１，３５の対向する表面はいずれもフラットであるが、バリア放電Ｂが効率よく生じ得る限り、フラット表面形状に限定する必要はない。例えば、下部電極板３５の表面に被処理水の流速を遅くし、水処理部２０，２０Ａでの滞留時間を引き延ばすための凹凸（例えば波板形状の凹凸や、被処理水Ｗを傾斜に沿って蛇行させながら流下させるための凸部）を形成してもよい。
また、バリア放電Ｂが電極板３１，３５間の空隙３８で生じ得る限り、電極板３１，３５間に介在する誘電体被覆部（換言すれば誘電体から成る遮蔽部）３２は上部電極板３１に代えて或いは上部電極板３１とともに下部電極板３５に形成されていてもよい。

以下、いくつかの実施例により本発明の水処理方法を詳細に説明するが、これら実施例の内容に本発明を限定解釈することを意図したものではない。

図２及び図３に示すような構成の水処理装置を構築した。即ち、電極本体が銅板でありその表面が厚み０．６ｍｍのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で被覆されている上部電極板（サイズ２５ｍｍ×２５ｍｍ×１ｍｍ）と銅製の下部電極板（接地極：サイズ５０ｍｍ×８０ｍｍ×１ｍｍ）とを使用し、これら一対の電極板間に５〜７ｍｍ程度の空隙を確保しつつ相互に平行に近接した状態でアクリル樹脂製の透明ケース（サイズ２００ｍｍ×２００ｍｍ×２００ｍｍ）内に適当な傾斜角（例えば２〜２０°の範囲内）となるように配置した。このとき、上部電極板の真下であって、下部電極板の表面からやや浮かせた位置に多孔質アルミナ（サイズ４０ｍｍ×４０ｍｍ×４ｍｍ）を配置した。
かかる構成の水処理部（以下「多孔質誘電体付き水処理部」という。）の他、上記多孔質アルミナを用いないこと以外は全く同じ構成の水処理部（以下「多孔質誘電体無し水処理部」という。）も合わせて構築した。

これら水処理部の上部及び下部電極板を本実施例に係る電源部と電気的に接続した。即ち、電源部は商用交流電源（１００Ｖ、６０Ｈｚ）に接続した変圧器で構成されており、本実施例に係る一対の電極板に６０Ｈｚで約７ｋＶの交流電圧を印加することができる。
また、水処理部のアクリル樹脂ケースに設けられた供給部には、被処理水貯留水槽と連通する供給管が接続されており、供給管の一部に送液ポンプを組み込み、所定の流速で被処理水を水槽から多孔質誘電体付き水処理部に供給できるようにした。電極板の傾斜に従って多孔質誘電体付き水処理部（即ち電極ユニットのバリア放電部）を通過した被処理水は、アクリル樹脂ケースに設けられた排水部に接続した送液管を通って水槽に戻るように構成した。

以上のようにして構築した２種類の水処理装置を用いて以下の水処理を行った。即ち、被処理水２５０ｍＬを水槽に入れ、上記送液ポンプを作動させ、２０℃、流速５００ｍＬ／分で被処理水を循環させつつ水処理部に被処理水を１５分間供給し続けた。ここでは、被処理水として色素の一種であるフルオレセイン−４−イソチオシアネート（Ｃ_２１Ｈ_１１ＮＯ_５Ｓ：ＦＩＴＣ）を５ｍｇ／１Ｌの濃度となるように脱塩水に添加した溶液を使用した。なお、溶液の導電率を維持するため、被処理水の導電率を市販のＥＣメータ（Ｈａｎｎａ社製品）で計測しつつ少量のＫＣｌを被処理水に添加して水処理を行った。
而して、被処理水の供給と同時に上記電源部（変圧器）に接続する一対の電極間に６０Ｈｚで７ｋＶの交流電圧（８ｍＡ）を印加し、バリア放電を発生させた。図４は、多孔質誘電体付き水処理部の電極間で発生したバリア放電を示す写真である。

多孔質誘電体無し水処理部を用いて行った試験結果として、被処理水の透過スペクトルを市販の分光光度計（島津製作所社製品：UV-1650PC）で測定した。測定は、処理開始前（処理０分）と処理開始から０．５分、１分、３分、５分、１０分および１５分経過時点で行った。結果を図５に示す。図５のグラフの横軸は波長（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ：ｎｍ）であり、縦軸は透過率（Ｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ：％）である。この図に示す計７つの透過スペクトルの変化、特に４９２ｎｍ付近の吸収波長域の光透過性が処理時間の経過とともに高まっていることから明らかなように、本実施例に係る水処理（即ちプラズマ処理）によってＦＩＴＣを分解し得ることが確認された。

また、処理開始前の被処理水の４９２ｎｍにおける吸光度（脱色率０．０）と色素（ＦＩＴＣ）を含まない水のみの４９２ｎｍにおける吸光度（理論上の脱色率１．０）とを基準として、多孔質誘電体付き水処理部と多孔質誘電体無し水処理部を用いた場合の脱色率（Decoloration ratio）を算出した。吸光度の測定は処理開始前（処理０分）と処理開始から０．５分、１分、２分、３分、５分、７分、１０分および１５分経過時点で行った。結果を図６に示す。図中の丸プロットは多孔質誘電体付き水処理部を用いたときの結果であり、図中の四角プロットは多孔質誘電体無し水処理部を用いたときの結果である。
いずれの水処理部を用いた場合も処理時間が長くなるほど脱色率（即ちＦＩＴＣの分解割合）が増大した。特に多孔質誘電体付き水処理部を使用した場合に高い脱色効果が認められた。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、本願発明の範囲を限定するものではない。以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本発明の水処理装置に装備される水処理部の構成の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の水処理装置に装備される水処理部の構成の他の一例を模式的に示す断面図である。 本発明の水処理装置の構成の一例を示すブロック図である。 一実施例において水処理装置の水処理部で確認されたバリア放電状態を示す写真である。 一実施例において測定した被処理水の透過スペクトルを示すグラフであり、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）である。 一実施例において算出した被処理水の脱色率を示すグラフであり、横軸は処理時間（分(min)）、縦軸は脱色率である。

符号の説明

１０，１０Ａ 水処理装置
２０，２０Ａ 水処理部
２２ ケース
２５ 供給管の開口先端部（被処理水供給手段）
３０ 電極ユニット
３１ 上部電極板
３２ 誘電体被覆部
３３ 電極本体
３５ 下部電極板
３６ 多孔質誘電体
３８ 空隙（バリア放電部）
４０ 電源部
４２ 交流電源
４４ 変圧器(トランス）
５０ ポンプ
６０ 水槽
Ｂ バリア放電
Ｗ 被処理水

Claims (6)

1. 相互に近接する一対の電極板であって少なくとも一方の電極板は他方の電極板と対向する面の少なくとも一部が誘電体で遮蔽されている一対の電極板を用意し、
   前記一対の電極板の一方が下部電極板を構成し且つ他方が上部電極板を構成するように傾斜した状態で配置し、
   その傾斜した状態の下部電極板上を被処理水が流下するように、前記一対の電極板間の空隙に被処理水を導入し、
   前記一対の電極板間において、前記下部電極板上を流下する被処理水と前記上部電極板との間でバリア放電を起こし、該バリア放電によって生じるプラズマを利用する水処理方法であって、
   ここで前記一対の電極板間において、前記下部電極板上に多孔質誘電体を、被処理水が流下し得る空隙が形成されるように該下部電極板の表面から上方に離した状態で配置し、
   該多孔質誘電体と接触可能な状態で下部電極板上を被処理水が流下するように被処理水を該一対の電極板間に導入する、
   ことを特徴とする水処理方法。
2. 前記一対の電極板に、１０ｋＶ以下の商用周波数の交流電圧を印加してバリア放電を生じさせる、請求項１に記載の水処理方法。
3. 前記多孔質誘電体と接触可能な状態で且つ前記多孔質誘電体が完全に水没しないレベルで前記下部電極板上を被処理水が流下するように、被処理水を前記一対の電極板間に導入する、請求項１又は２に記載の水処理方法。
4. 相互に近接する一対の電極板であって少なくとも一方の電極板は他方の電極板と対向する面の少なくとも一部が誘電体で遮蔽されている一対の電極板を、一方の電極板が下部電極板を構成し且つ他方が上部電極板を構成するように傾斜した状態で備える水処理部と、
   前記水処理部に被処理水を供給する被処理水供給手段であって、前記傾斜した状態の下部電極板上を被処理水が流下するように前記一対の電極板間に被処理水を導入する被処理水供給手段と、
   前記一対の電極板と接続する電源部であって、前記下部電極板上を流下する被処理水と前記上部電極板との間でバリア放電を生じさせる電圧を印加する電源部と、
   を備える水処理装置であって、
   さらに前記一対の電極板間において、前記下部電極板上には多孔質誘電体が、被処理水が流下し得る空隙が形成されるように該下部電極板の表面から上方に離した状態で配置されている、
   ことを特徴とする、水処理装置。
5. 前記電源部は、前記一対の電極板に１０ｋＶ以下の商用周波数の交流電圧を印加するように構成されている、請求項４に記載の水処理装置。
6. 前記被処理水供給手段は、前記多孔質誘電体と接触可能な状態で且つ前記多孔質誘電体が完全に水没しないレベルで前記下部電極板上を被処理水が流下するように、被処理水を前記一対の電極板間に導入する、請求項４又は５に記載の水処理装置。