JP5049004B2 - 紫外線光源及び化学反応促進装置 - Google Patents
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Description
さらに、紫外線光源(紫外線ランプ)を用いた水処理法は、塩素などの化学薬品を使用しない方法として実用化されている。
そこで、紫外線光源から放出される光を無駄なく被反応物に照射するために、被反応物に近づけ、あるいは接触させることが考えられる。さらに、被反応物そのものの中に紫外線光源を投入すれば、光源からの全方位の光が被反応物に照射されることになり、照射効率が著しく向上する(例えば、特許文献1参照。)。
例えば、上述の特許文献1及び2に開示されているように、紫外線光源の封入ガスには、主に水銀(Hg)が用いられていた。これは、通常、入力電力に対する紫外線変換効率が高いためであった。ところが、この紫外線光源は、水質処理装置に用いられて環境改善に寄与しうるものの、Hg自体は、廃棄に際して厳重な管理下に置く必要があるため、使用はなるべく避けるべきであった。
紫外線光源をこのような構成とすると、封入ガスの成分が水銀やキセノンではなく窒素等とされるため、廃水処理に際して環境汚染の問題が生じることない。例えば、紫外線光源を廃棄する際に封入ガスが漏れ出した場合、水銀では、その毒性から環境汚染の問題が生じる。一方、窒素等では、その心配が無い。
また、封入ガスの成分に点灯性補助用ガスを含むため、容易に窒素を放電させることができる。これにより、高い点灯性を得て実用的な紫外線光源を提供できる。
紫外線光源をこのような構成とすれば、アルゴンやヘリウムにより窒素を簡単に放電させることができる。
窒素は、放電開始電圧が高いため、なかなか点火しにくい。一方、アルゴンやヘリウムは、不活性ガス(希ガス)であるため、それ自体が放電しやすく、一度放電すると他の原子にエネルギーを与えることができる。窒素の電離電圧は、アルゴン等のそれよりも低いため、アルゴン等の放電により窒素を簡単に放電・発光させることができる(ペニング効果)。
紫外線光源をこのような構成とすれば、径方向断面の直径が10〜30mmであるため、封入ガスの放電が可能となる。また、長辺の長さが15〜160mmであるため、共振長を考慮しつつエネルギーの供給効率を上げることができる。
紫外線光源をこのような構成とすると、直径が10〜60mmであるため、封入ガスの放電が可能となるとともに、共振長を考慮しつつエネルギーの供給効率を上げることができる。
紫外線光源をこのような構成とすれば、防水性を有するため、紫外線光源が被反応物に投入されても、紫外線光源の容器内に被反応物が入りこんでくることがない。このため、紫外線光源は、被反応物の中にあっても、本来備わる紫外線発光という機能を発揮でき、この紫外線を被反応物に照射できる。
紫外線光源をこのような構成とすると、無電極であるため、有電極に比べて紫外線光源の寿命を長くすることができる。また、電極のスパッタリングによる容器の汚染などを無くすことができる。さらに、マイクロ波と紫外線の両方を被反応物に照射する化学反応促進装置においては、紫外線光源を発光させるためのマグネトロン発振器を改めて備えずとも、被反応物へマイクロ波を照射するためのマグネトロン発振器を紫外線光源への電力供給として用いることができる。
化学反応促進装置をこのような構成とすれば、紫外線光源に封入されたガスが窒素やアルゴン等であるため、この封入ガスにより環境汚染の問題が生じることがなく、また、安価に構成できる。
化学反応促進装置をこのような構成とすると、被反応物に照射している電磁波(マイクロ波)を、そのまま紫外線光源を発光させる電力として使用できる。
なお、特許文献1には、被反応物の中に紫外線光源(無電極放電ランプ)が投入された液体処理装置が開示されている。ただし、マイクロ波が高周波発生装置からコイルを介して送られている点や、そのマイクロ波が被反応物には照射されない点、被反応物の化学反応処理が紫外線照射のみで行なわれている点、紫外線光源の封入ガスが窒素を成分としない点などにおいて本発明と相違する。
また、窒素とアルゴンの混合比をおおよそ0.1:99.9〜30:70とし、内部圧力を100〜1000Paとすることで、点灯性を向上でき、実用的な紫外線光源を提供できる。
まず、本発明の紫外線光源の実施形態について、図1を参照して説明する。
同図(a),(b)は、本実施形態の紫外線光源の構造を示す外観正面図であって、同図(a)は、カプセル型、同図(b)は、球形の紫外線光源を示す。
同図(a),(b)に示すように、紫外線光源1(1a,1b)は、無電極であって、中空の容器2(2a,2b)の中に放電ガス3(3a,3b)が封入されている。
このように防水性を有することで、この紫外線光源1を被反応物に投入したときに、この紫外線光源1の容器内に被反応物が入り込むことがない。このため、紫外線光源1は、被反応物の中であっても紫外線を発光できる。また、紫外線透過性を有することで、放電ガス3で発光した紫外線を容器2より外部に放出できる。
また、同図(b)に示すように、球状に形成することもできる。この場合、直径は、10〜60mmとするのが好ましい。
カプセル形及び球形の直径は、プラズマの放電領域を決定するため、これがイオンシースよりも小さいと放電することができない。イオンシースは、プラズマ密度により変化するが、放電初期においてプラズマ密度が小さい場合が所定の条件を考慮すれば直径10mm以上が望ましい。
一方、あまり大きすぎると、被反応物の容器に投入できなかったり、マイクロ波電力の多くが発光に使われるため被反応物へのマイクロ波照射が減少する。単位体積あたりの電力が低下することによる輝度の低下などの弊害が生じる可能性がある。
一般に工業用として使われる2.45GHzのマイクロ波を用いた場合、自由空間における波長は122mmと計算されるが、導波管内では波長が伸びるため、約160mmとなる。
以上の点を考慮すると、紫外線光源1の形状は、カプセル形の場合は、径方向断面の直径10〜30mmで長辺の長さが15〜160mm、球形の場合は、直径10〜60mmが最適と考えられる。
さらに、紫外線光源1を無電極とすることで、電極のスパッタリングや腐食がないため放電ガス3の選択肢を広げることができる。しかも、紫外線光源1の交換が簡単で、長時間の安定性が期待できるなどの利点がある。
N2が100%の紫外線光源1は、紫外線の光強度が最も強く、N2の割合が低下するほど光強度も弱くなる。ただし、N2を主体とする紫外線光源1は、放電開始電圧が高くなり放電開始に高い電界を必要とする。一方、被反応物へのマイクロ波照射は反応機構あるいは容量に応じて、最適なマイクロ波電力の幅があり、マイクロ波電力を高くしすぎると、所望の反応が得られなかったり、突沸、急激な圧力上昇による容器の破損などの危険性が生じる。
そこで、紫外線光源1に封入するガスとして点灯性補助用ガス、例えばアルゴン(Ar)あるいはヘリウム(He)を混入することとした。これにより、点灯性を容易にすることができる。
さらに、N2:Ar=20:80とした場合に、点灯性がよくなる紫外線光源1の内部圧力は、100〜1000Paが好ましく、さらに、800Pa付近が最も良いとの結果が得られた。
また、HgではなくN2やArを成分とするため、廃棄処理に際して環境汚染の問題が生じることがない。
さらに、XeではなくN2やArを成分とするため、安価な紫外線光源1を実現できる。
次に、本発明の化学反応促進装置の実施形態について、図2〜図4を参照して説明する。
図2〜図4は、本実施形態の化学反応促進装置の構成を示す概略図であって、図2は、第一実施例における化学反応促進装置の構成、図3は、第二実施例における化学反応促進装置の構成、図4は、第三実施例における化学反応促進装置の構成をそれぞれ示す。
以下、各実施例ごとに、化学反応促進装置の構成について、説明する。
図2に示すように、本実施例の化学反応促進装置10aは、マグネトロン発振器11と、導波管12と、アプリケータ13とを有している。
ここで、マグネトロン発振器(電磁波発生器)11は、マイクロ波を出力する。
導波管12は、マグネトロン発振器11から出力されたマイクロ波をアプリケータ13へ送る。
アプリケータ13は、マイクロ波を使って被反応物21の処理を行う処理室である。このアプリケータ13は、電子レンジにおける加熱室,オーブン,キャビティに相当するものである。
このアプリケータ13の内部は、共振器のような働きをし、電界強度は強くなるため、紫外線光源1は点灯装置を使用することなく発光する。一方、被反応物21に対する電界強度は、制御しにくくなる。
なお、アプリケータ13や流路15(後述)は、内部で被反応物21が静止又は移動する部分であるため「処理部」としての機能を有している。
被反応物21は、紫外線光源1から紫外線を受けるとともに、マグネトロン発振器11からマイクロ波を受けることで、分解あるいは合成等の処理がなされる被処理物である。
なお、図2においては、紫外線光源1が被反応物21の中にほぼ完全に埋没した状態となっているが、ほぼ完全に埋没した状態に限るものではなく、例えば、紫外線光源1の一部が被反応物21から露出した状態であってもよい。
この反応容器22は、開放型に限るものではなく、閉鎖型(第二実施例)であってもよい。
本実施例(下記実施例も同じ)の化学反応促進装置においては、マイクロ波を被反応物21に照射して化学反応を促進する。一方、紫外線光源1は、前述したように無電極であるため、電磁波を送るための配線等がなく、マイクロ波の照射により電力を得る。すなわち、被反応物に照射しているマイクロ波を、そのまま紫外線光源1を発光させる電力として使えるので都合がよい。
第二実施例は、導波管の中に閉鎖型反応容器を挿入した例である。
図3に示すように、本実施例の化学反応促進装置10bは、マグネトロン発振器11と、導波管12と、アプリケータ13と、終端器14とを有している。
ここで、終端器(ターミネータ、ダミー抵抗)14は、マイクロ波を吸収して反射を防止する器具である。これを取り付けることにより、被反応物21へは、マグネトロン発振器11側からのみマイクロ波が供給される(シングルモード)。
シングルモードにおいては、被反応物21に対する電界強度は、マイクロ波電力、被反応物21の誘電率及び誘電損で決まるため、制御は比較的容易である。ただし、共振現象を利用しないため、電界強度は一般に低くなる。そのため、紫外線光源1の点灯は、点灯装置の助けが必要となる場合がある。
反射板が取り付けられている場合は、ここでマイクロ波が反射され、導波管は一種の共振器のような働きとなり、シングルモードよりも電界強度は高くなる。ただし、マルチモードと異なり、電界の方向は図3においては上下方向で一定となる。
第三実施例は、連続処理を目的として流路の途中に紫外線光源を設け、この紫外線光源にマイクロ波を照射するように導波管及びマグネトロン発振器を取り付けた例である。
図4に示すように、本実施例の化学反応促進装置10cは、マグネトロン発振器11と、導波管12と、流路15と、光源支持部材16と、仕切り板17とを有している。
光源支持部材16は、流路15の内部に配置された紫外線光源1をその位置に留めるための部材である。つまり、光源支持部材16は、紫外線光源1からみて、被反応物21の移動方向の前後一箇所ずつ計二箇所に取り付けられている。
この光源支持部材16は、網状に形成されており、被反応物21の流れを極力妨げることなく紫外線光源1の周辺に被反応物21を流すようになっている。この網のサイズ効果によりマイクロ波も上下に逃げない形になっている。
防水性を有することで、流路15の内部を移動する被反応物21が導波管12に進入することを阻止できる。また、マイクロ波透過性を有することで、マグネトロン発振器11からのマイクロ波を、流路15の中にある被反応物21や紫外線光源1に照射することができる。
この仕切り板17は、例えば、石英ガラスやテフロン(デュポン社登録商標)などにより形成できる。
次に、化学反応促進装置において行なわれる化学反応促進処理について、図2を参照して説明する。
なお、ここでは、第一実施例の化学反応促進装置を用いた化学反応促進処理について説明するが、第二実施例や第三実施例の化学反応促進装置においてもほぼ同様の処理内容となる。
アプリケータ13では、マイクロ波が、被反応物21に照射されるとともに、紫外線光源1にも照射される。
紫外線光源1は、マイクロ波による電力の供給により、放電ガス3が励起して紫外線を放出する。これにより、被反応物21に紫外線が照射される。
被反応物21は、マイクロ波及び紫外線が照射されることで、化学反応が促進する。
次に、紫外線光源の放電ガスに関する各種データ(混合比、内部圧力)の最適値を求める実験について、説明する。
紫外線による有機物の分解には254nm以下の光を効率よく照射できる機能が求められている。
放電ガス3の成分又は混合比が異なる複数の石英製無電極紫外線光源(サイズ:18mm(径方向断面の直径D)×150mm(長辺の長さL))を試作した。ここでは、He及びAr、Xe、N2、H2、O2について、単体又は混合体でそれぞれ封入した。
これら紫外線光源のそれぞれについて、マイクロ波照射下で、紫外線部の光強度および点灯性、光源表面温度の観点から検討した。
その中で、N2が、紫外線強度及び点灯性の観点から最適な封入ガスであることがわかる。また、コストの面でもN2は実用的なガスであると考えられる。
ArおよびHeを加えた混合ガスを用いると、マイクロ波による点灯性が向上することがわかった。ArおよびHeのスペクトル基線からより紫外光の発生率の高いArを、N2の点灯性補助用ガスとして加えることを決定した。
繰り返し実験の結果、N2:Ar=20:80の混合比および800Pa付近が点灯性および光強度の観点から本実験条件において最適であることが示された。
次に、マイクロ波及び紫外線の照射時間に対する化学反応の反応速度を調べる実験について、図5〜図7を参照して説明する。
化学反応促進装置として、図2,図5,図6に示す各装置を準備した。図2に示す装置は、無電極の紫外線光源1を被反応物21に投げ込んだ場合の装置である。図5に示す装置は、無電極の紫外線光源1を反応容器22の外部に設置した場合の装置である。図6に示す容器は、市販の水銀ランプ30をアプリケータ13の外部に設置した場合の装置である。
農薬の分解を促進させるために、二酸化チタン光触媒を水溶液に分散させ分解を進めた。
二酸化チタン(TiO2)の反応には、紫外光が必要であり、マイクロ波の照射とともに、紫外線光源1から発生した紫外線が光触媒反応を進行させた。
また、紫外線照射による農薬の光分解も同時に進行する。
さらに、図6に示す装置10eにおいて、図2の装置10aで用いた紫外線光源1,被反応物21,反応容器22と同じものを用意し、アプリケータ13に設置した。そして、マイクロ波の照射とともに、アプリケータ13の窓部18を介して水銀ランプ30からの紫外線を被反応物21に照射して光触媒反応を進行させた。
同図に示すように、図2に示す装置10aでは、10分間のマイクロ波照射で完全に農薬の分解が完了した。
一方、図5に示す装置10dでは、紫外線光源1を反応容器22の外部に設置したことで紫外線の照射面積が小さくなった。このため、分解効率が低下した。
さらに、図6に示す装置10eでは、水銀ランプ30がアプリケータ13の外部に設置されていることもあり、分解効率は低かった。
以上の実験結果より、紫外線光源1を被反応物21に投入することで、化学反応が高効率で進行することがわかった。
また、窒素とアルゴンの混合比をおおよそ0.1:99.9〜30:70とし、内部圧力を100〜1000Paとすることで、点灯性を向上でき、実用的な紫外線光源を提供できる。
例えば、上述した実施形態では、被反応物の中に紫外線光源を一つのみ投入したが、一つに限るものではなく、複数(又は多数)投入することもできる。
さらに、上述の実施形態では、電磁波の例としてマイクロ波を挙げたが、マイクロ波に限るものではなく、例えば高周波等とすることもできる。
2(2a,2b) 容器
3 放電ガス(封入ガス)
10a〜10e 化学反応促進装置
11 マグネトロン発振器
12 導波管
13 アプリケータ
14 終端器
15 流路
16 光源支持部材
17 仕切り板
21 被反応物
22 反応容器
Claims (8)
- 電磁波の照射を受けて紫外線を発光する紫外線光源であって、
内部に封入されたガスの成分に窒素及び点灯性補助用ガスを含み、前記ガスの成分に水銀を含まず、
前記電磁波の照射を受けた前記窒素は、前記点灯性補助用ガスからエネルギーを与えられて前記紫外線を発光し、
前記窒素と前記点灯性補助用ガスとの混合比が、ほぼ、0.1:99.9〜30:70であり、
前記ガスを封入した容器の内部圧力が100〜1000Paであり、
前記紫外線の照射を受ける被反応物の中に投入されるとともに、前記被反応物を介して前記電磁波の照射を受けて紫外線を発光する
ことを特徴とする紫外線光源。 - 前記点灯性補助用ガスが、アルゴン及び/又はヘリウムを含む
ことを特徴とする請求項1記載の紫外線光源。 - 前記ガスを封入する容器の形状が、カプセル形であり、径方向断面の直径が10〜30mm、長辺の長さが15〜160mmである
ことを特徴とする請求項1又は2記載の紫外線光源。 - 前記ガスを封入する容器の形状が、球形であり、直径が10〜60mmである
ことを特徴とする請求項1又は2記載の紫外線光源。 - 前記ガスを封入する容器が、防水性及び紫外線透過性を有した材料で形成された
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の紫外線光源。 - 無電極であるとともに、マイクロ波の照射を受けると前記ガスの励起により紫外線を発光する
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の紫外線光源。 - 内部で被反応物が静止又は移動する処理部と、電磁波を出力する電磁波発生器と、紫外線を発光する紫外線光源とを備えて、前記電磁波と前記紫外線とを前記被反応物に照射し、当該被反応物の化学反応を促進させる化学反応促進装置であって、
前記紫外線光源が、前記請求項1〜請求項6のいずれかに記載の紫外線光源である
ことを特徴とする化学反応促進装置。 - 前記紫外線光源が、静止する前記被反応物の中、又は、前記処理部の内部の一部に設けてあり、
前記電磁波が、前記被反応物と前記紫外線光源の両方に照射され、
前記紫外線光源が、前記電磁波の照射を受けて紫外線を発光する
ことを特徴とする請求項7記載の化学反応促進装置。
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