JP5924606B2 - Organic synthesis method - Google Patents

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本発明は、液中プラズマによる有機物合成方法および処理方法、ならびに、これらの方法に用いられ得る液中プラズマ装置に関する。   The present invention relates to an organic matter synthesis method and treatment method using submerged plasma, and a submerged plasma apparatus that can be used in these methods.

「液中プラズマ」とは、液体と接触した非平衡プラズマである。液中プラズマは、液体に接触している気体中の放電によって気体を部分的にイオン化して形成される。放電によってプラズマを形成する気体は、液体の表面(液面)に接する空間内に導入されていてもよいし、液体中に気泡として導入されてもよい。液中プラズマ内の電子、イオン、原子、および分子は、気液界面を介して液体または液体中の物質に作用し、種々の化学反応を生じさせ得る。   “Liquid plasma” is non-equilibrium plasma in contact with a liquid. The in-liquid plasma is formed by partially ionizing the gas by discharge in the gas in contact with the liquid. A gas that forms plasma by electric discharge may be introduced into a space in contact with the surface (liquid level) of the liquid, or may be introduced as bubbles in the liquid. Electrons, ions, atoms, and molecules in the plasma in liquid can act on the liquid or the substance in the liquid through the gas-liquid interface and cause various chemical reactions.

液中でプラズマを形成し、水質の改善や廃液処理を行う技術の開発が進行している。そのような液中プラズマ技術の実用的な目的は、例えば、水溶液中の難分解性有機物の分解や殺菌である。オゾンでは分解できないダイオキシンなどの難分解性有機物をプラズマと水との反応によって形成されるヒドロキシラジカル(・OH)によって分解することができる。これは促進酸化法と呼ばれ、他に紫外線を用いる方法や、過酸化水素を用いる方法などが知られている。   Development of technology to form plasma in liquid and improve water quality and waste liquid treatment is in progress. A practical purpose of such submerged plasma technology is, for example, decomposition or sterilization of hardly decomposable organic substances in an aqueous solution. Difficult organic substances such as dioxins that cannot be decomposed by ozone can be decomposed by hydroxy radicals (.OH) formed by the reaction between plasma and water. This is called an accelerated oxidation method, and other methods using ultraviolet rays, methods using hydrogen peroxide, and the like are known.

液中でプラズマを生成する放電には、大別して直流または低周波による放電と、高周波またはマイクロ波による放電とがある。前者の例として、直流パルス放電による水中のストリーマ、アーク放電(非特許文献1参照)および誘電体バリア放電(特許文献1、2、3参照)を挙げることができる。誘電体バリア放電の場合は、電極間に気体を介在させ、該気体内に放電プラズマを誘起する。特許文献1、2、3に開示されている装置は、いずれも、気泡と水とから成る2相領域を電極で挟持する構造を有している。後者の例としては、RF放電、およびマイクロ波放電が挙げられる。この場合も、気泡が援用されている。液中に導入あるいは生成された気泡が電磁波のエネルギーを吸収してプラズマが生成される(非特許文献2、3参照)。水中放電技術全般については、非特許文献2にレビューされている。参考のために、非特許文献1から3の開示内容のすべてを本明細書に援用する。   Discharges that generate plasma in liquid are roughly classified into direct current or low frequency discharges and high frequency or microwave discharges. Examples of the former include underwater streamers by DC pulse discharge, arc discharge (see Non-Patent Document 1), and dielectric barrier discharge (see Patent Documents 1, 2, and 3). In the case of dielectric barrier discharge, a gas is interposed between the electrodes, and discharge plasma is induced in the gas. The devices disclosed in Patent Documents 1, 2, and 3 each have a structure in which a two-phase region composed of bubbles and water is sandwiched between electrodes. Examples of the latter include RF discharge and microwave discharge. Again, bubbles are used. Bubbles introduced or generated in the liquid absorb electromagnetic wave energy to generate plasma (see Non-Patent Documents 2 and 3). Non-patent document 2 reviews the overall underwater discharge technology. For reference, the entire disclosure of Non-Patent Documents 1 to 3 is incorporated herein by reference.

特開2010−137212号公報JP 2010-137212 A 特開2004−268003号公報JP 2004-268003 A 特開2009−114001号公報JP 2009-11001 A

「Water Purification by Plasmas: Which Reactors are Most Energy Efeeicient?」 Muhammad Arif Malik 著 Plasma Chem Plasma process (2010) 30:21−31“Water Purification by Plasma: Which Reactors are Most Energy Efficient?” By Muhammad Arif Malik, Plasma Chem Plasma process (2010) 30: 21-30. 「水中プラズマの形成とその特性」(安岡康一他、J. Plasma Fusion Res. Vol.84, No.10(2008)666−673)“Formation of Underwater Plasma and Its Characteristics” (Yasuoka Yasuoka et al., J. Plasma Fusion Res. Vol. 84, No. 10 (2008) 666-673) PLASMA CHEMISTRY Alexander Fridman 著Cambridge University Press 刊 2008年Published by Cambridge University Press, PLASMA CHEMISTRY Alexander Fridman 2008

本発明は、液中プラズマによって水溶液中の難分解性有機物の分解および殺菌をより効率的に実行する方法およびそのような方法に用いられ得る液中プラズマ装置を提供すること、ならびに、液中プラズマによって有機物を合成する方法およびそのような方法に用いられ得る液中プラズマ装置を提供することを主な目的とする。   The present invention provides a method for more efficiently performing the decomposition and sterilization of a hardly decomposable organic substance in an aqueous solution by using an in-liquid plasma, an in-liquid plasma apparatus that can be used in such a method, and an in-liquid plasma. It is a main object to provide a method for synthesizing an organic substance by the above and a submerged plasma apparatus that can be used in such a method.

本発明は、少なくとも以下の項目に記載の有機物合成方法、液中プラズマ装置、液中プラズマ処理方法および液体浄化システムを提供する。
[項目1]
水に接する二酸化炭素ガスを含む気体の放電によってプラズマを形成すること、および
前記プラズマと前記水との接触によって前記水の中に、過蟻酸またはジホルミルペルオキサイドを含む有機物を生成すること、
を含む、有機物合成方法。
[項目2]
前記放電は、誘電体バリア放電である、項目1に記載の有機物合成方法。
[項目3]
前記有機物は、過蟻酸を含む、項目1または2に記載の有機物合成方法。
[項目4]
液中プラズマ装置を用いる、項目1から3のいずれかに記載の有機物合成方法であって、
前記液中プラズマ装置は、
第1電極と、
前記第1電極に接する固体誘電体層と、
前記第1電極および前記固体誘電体層を受け入れる内部空間を有する放電室と、
前記固体誘電体層を介して前記第1電極に対向し、前記放電室の前記内部空間を水から分離するように配置された第2電極であって、前記内部空間の側に位置する気相面と、前記水の側に位置する液相面とを有し、前記気相面と前記液相面とを連結する複数の貫通孔を有する第2電極と、
前記放電室の前記内部空間内に二酸化炭素ガスを供給し、前記二酸化炭素ガスと前記水との界面を前記第2電極における各貫通孔内に形成する気体導入装置とを備え、
前記二酸化炭素ガスの放電により、前記水の中に前記有機物を生成する、項目1から3のいずれかに記載の有機物合成方法。
[項目5]
誘電体バリア放電を行う液中プラズマ装置であって、
第1電極と、
前記第1電極に接する固体誘電体層と、
前記第1電極および前記固体誘電体層を受け入れる内部空間を有する放電室と、
前記固体誘電体層を介して前記第1電極に対向し、前記放電室の前記内部空間を液体から分離するように配置された第2電極であって、前記内部空間の側に位置する気相面と、前記液体の側に位置する液相面とを有し、前記気相面と前記液相面とを連結する複数の貫通孔を有する第2電極と、
前記放電室の前記内部空間内に気体を供給し、前記気体と前記液体との界面を前記第2電極における各貫通孔内に形成する気体導入装置と、
を備える、液中プラズマ装置。
[項目6]
前記第1電極および前記第2電極は、いずれも平板状である、項目5に記載の液中プラズマ装置。
[項目7]
前記複数の貫通孔の各々の開口サイズは、前記第1電極と前記第2電極とによって規定される電極間距離よりも小さい、項目5または6に記載の液中プラズマ装置。
[項目8]
前記複数の貫通孔の各々の開口サイズは、0.5mmより小さい、項目5から7のいずれかに記載の液中プラズマ装置。
[項目9]
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加して誘電体バリア放電を行うように構成された電気回路を備える、項目5から8のいずれかに記載の液中プラズマ装置。
[項目10]
静止または流動状態にある前記液体を少なくとも一時的に収容し、前記液体を前記第2電極の前記液相面に接触させる槽を備える、項目5から9のいずれかに記載の液中プラズマ装置。
[項目11]
前記放電室は、前記気体導入装置によって内部に導入された前記気体の一部を前記液体中に放出する開口部を有している、項目5から10のいずれかに記載の液中プラズマ装置。
[項目12]
前記液体は水である、項目5から11のいずれかに記載の液中プラズマ装置。
[項目13]
前記気体導入装置は、前記気体として二酸化炭素ガスを前記放電室の内部に供給するように構成されており、
前記二酸化炭素ガスの放電により、前記水の中に過蟻酸またはジホルミルペルオキサイドを含む有機物を生成する、項目12に記載の液中プラズマ装置。
[項目14]
項目5から13のいずれかに記載の液中プラズマ装置を用いて液体を処理する液中プラズマ処理方法であって、
前記第2電極の前記液相面に液体を接触させること、
前記気体導入装置によって前記放電室の前記内部空間内に気体を供給し、前記気体と前記液体との界面を前記第2電極における各貫通孔内に形成すること、
前記第1電極と前記第2電極との間に電圧を印加して誘電体バリア放電を行い、前記誘電体バリア放電によって前記放電室内に前記気体のプラズマを生成すること、
を含む、液中プラズマ処理方法。
[項目15]
前記第2電極の前記液相面に液体を接触させることは、前記液中プラズマ装置の前記反応室を前記液体の内部に配置することを含む、項目14に記載の液中プラズマ処理方法。
[項目16]
液中で放電可能な液中誘電体バリア放電プラズマ装置であって、
誘電体で被覆された電極と、
複数の貫通孔を有する電極と、
前記誘電体で被覆された電極を支持する電極支持基板と、
圧力調整室とを有し、
前記誘電体で被覆された電極と前記複数の貫通孔を有する電極とは対向配置され、前記貫通孔の開口径は前記誘電体で被覆された電極と前記複数の貫通孔を有する電極との電極間距離よりも小さく、気体導入口が前記電極支持基板に設けられており、前記圧力調整室は前記気体導入口と接続されている、液中誘電体バリア放電プラズマ装置。
[項目17]
前記複数の貫通孔を有する電極は、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金からなる群から選ばれた一種又は二種以上の材料で形成されている、項目16に記載の液中誘電体バリア放電プラズマ装置。
[項目18]
前記複数の貫通孔を有する電極は、複数の貫通孔を設けたプラスチック樹脂またはセラミック材料にアルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金からなる群から選ばれた一種又は二種以上の材料で形成された導電性薄膜をコーティングしたものである、項目16に記載の液中誘電体バリア放電プラズマ装置。
[項目19]
前記複数の貫通孔を有する電極は、貫通孔を有するように微細加工を施したシリコン基板を含む、項目16に記載の液中誘電体バリア放電プラズマ装置。
[項目20]
前記複数の貫通孔を有する電極に設けられた貫通孔は、前記誘電体で被覆された電極に対向する側の開口径が他方の側の開口径より大きい、項目16から19のいずれかに記載の液中誘電体バリア放電プラズマ装置。
[項目21]
前記複数の貫通孔を有する電極は、多孔質材料を含む、項目16に記載の液中誘電体バリア放電プラズマ装置。
[項目22]
前記誘電体で被覆された電極は、フェライト系ステンレス鋼またはマルテンサイト系ステンレス鋼で形成され、ソーダライムガラスで被覆されている、項目16から21のいずれかに記載の液中誘電体バリア放電プラズマ装置。
[項目23]
前記圧力調整室は圧力調整機構を有する、項目16から22のいずれかに記載の液中誘電体バリア放電プラズマ装置。
[項目24]
前記圧力調整室へ気体を導入するための気体導入管と、前記誘電体で被覆された電極と前記複数の貫通孔を有する電極へ電力を供給するための給電配線とをさらに有する、項目16から23のいずれかに記載の液中誘電体バリア放電プラズマ装置。
[項目25]
項目16から24のいずれかに記載の液中誘電体バリア放電プラズマ装置と、気体供給装置と、高圧電源とを含む、液体浄化システム。
The present invention provides an organic substance synthesis method, a submerged plasma apparatus, a submerged plasma treatment method, and a liquid purification system described in at least the following items.
[Item 1]
Forming a plasma by discharge of a gas containing carbon dioxide gas in contact with water, and generating an organic substance containing formic acid or diformyl peroxide in the water by contact between the plasma and the water;
An organic compound synthesis method comprising:
[Item 2]
Item 2. The organic material synthesis method according to Item 1, wherein the discharge is a dielectric barrier discharge.
[Item 3]
Item 3. The organic compound synthesis method according to Item 1 or 2, wherein the organic material includes performic acid.
[Item 4]
The method for synthesizing an organic substance according to any one of items 1 to 3, using a submerged plasma device,
The submerged plasma device is:
A first electrode;
A solid dielectric layer in contact with the first electrode;
A discharge chamber having an internal space for receiving the first electrode and the solid dielectric layer;
A second electrode disposed opposite to the first electrode through the solid dielectric layer and arranged to separate the internal space of the discharge chamber from water, the gas phase positioned on the internal space side A second electrode having a surface and a liquid phase surface located on the water side and having a plurality of through-holes connecting the gas phase surface and the liquid phase surface;
A gas introduction device that supplies carbon dioxide gas into the internal space of the discharge chamber and forms an interface between the carbon dioxide gas and the water in each through hole in the second electrode;
4. The organic matter synthesis method according to any one of items 1 to 3, wherein the organic matter is generated in the water by the discharge of the carbon dioxide gas.
[Item 5]
A submerged plasma apparatus for performing dielectric barrier discharge,
A first electrode;
A solid dielectric layer in contact with the first electrode;
A discharge chamber having an internal space for receiving the first electrode and the solid dielectric layer;
A second electrode disposed opposite to the first electrode through the solid dielectric layer and arranged to separate the internal space of the discharge chamber from the liquid, the gas phase positioned on the internal space side A second electrode having a surface and a liquid phase surface located on the liquid side, and having a plurality of through holes connecting the gas phase surface and the liquid phase surface;
A gas introduction device for supplying a gas into the internal space of the discharge chamber and forming an interface between the gas and the liquid in each through-hole in the second electrode;
A submerged plasma apparatus.
[Item 6]
6. The in-liquid plasma apparatus according to item 5, wherein each of the first electrode and the second electrode has a flat plate shape.
[Item 7]
Item 7. The submerged plasma device according to Item 5 or 6, wherein an opening size of each of the plurality of through holes is smaller than an interelectrode distance defined by the first electrode and the second electrode.
[Item 8]
8. The in-liquid plasma device according to any one of items 5 to 7, wherein an opening size of each of the plurality of through holes is smaller than 0.5 mm.
[Item 9]
9. The in-liquid plasma device according to any one of items 5 to 8, further comprising an electric circuit configured to apply a voltage between the first electrode and the second electrode to perform dielectric barrier discharge.
[Item 10]
10. The in-liquid plasma apparatus according to any one of items 5 to 9, further comprising a tank that at least temporarily stores the liquid in a stationary or fluid state and contacts the liquid with the liquid phase surface of the second electrode.
[Item 11]
11. The in-liquid plasma device according to any one of items 5 to 10, wherein the discharge chamber has an opening for discharging a part of the gas introduced into the liquid by the gas introduction device into the liquid.
[Item 12]
12. The in-liquid plasma apparatus according to any one of items 5 to 11, wherein the liquid is water.
[Item 13]
The gas introduction device is configured to supply carbon dioxide gas as the gas into the discharge chamber,
Item 13. The in-liquid plasma apparatus according to Item 12, wherein an organic substance containing formic acid or diformyl peroxide is generated in the water by the discharge of the carbon dioxide gas.
[Item 14]
A submerged plasma processing method of processing a liquid using the submerged plasma apparatus according to any one of items 5 to 13,
Bringing a liquid into contact with the liquid phase surface of the second electrode;
Supplying a gas into the internal space of the discharge chamber by the gas introduction device, and forming an interface between the gas and the liquid in each through hole in the second electrode;
Performing a dielectric barrier discharge by applying a voltage between the first electrode and the second electrode, and generating the gaseous plasma in the discharge chamber by the dielectric barrier discharge;
In-liquid plasma treatment method.
[Item 15]
The in-liquid plasma processing method according to item 14, wherein bringing the liquid into contact with the liquid phase surface of the second electrode includes disposing the reaction chamber of the in-liquid plasma apparatus inside the liquid.
[Item 16]
A submerged dielectric barrier discharge plasma apparatus capable of discharging in a liquid,
An electrode coated with a dielectric;
An electrode having a plurality of through holes;
An electrode support substrate for supporting the dielectric-coated electrode;
A pressure adjusting chamber,
The electrode covered with the dielectric and the electrode having the plurality of through holes are arranged to face each other, and the opening diameter of the through hole is an electrode between the electrode covered with the dielectric and the electrode having the plurality of through holes. A submerged dielectric barrier discharge plasma apparatus, wherein a gas inlet is provided in the electrode support substrate, and the pressure adjusting chamber is connected to the gas inlet.
[Item 17]
Item 17. The liquid dielectric according to Item 16, wherein the electrode having the plurality of through holes is formed of one or more materials selected from the group consisting of an aluminum alloy, stainless steel, a nickel alloy, and a titanium alloy. Barrier discharge plasma device.
[Item 18]
The electrode having a plurality of through holes is formed of one or more materials selected from the group consisting of aluminum alloy, stainless steel, nickel alloy, and titanium alloy on a plastic resin or ceramic material provided with a plurality of through holes. Item 17. The submerged dielectric barrier discharge plasma apparatus according to Item 16, wherein the conductive thin film is coated.
[Item 19]
Item 17. The submerged dielectric barrier discharge plasma apparatus according to Item 16, wherein the electrode having the plurality of through holes includes a silicon substrate that has been finely processed to have through holes.
[Item 20]
The through-hole provided in the electrode having the plurality of through-holes according to any one of items 16 to 19, wherein an opening diameter on a side facing the electrode covered with the dielectric is larger than an opening diameter on the other side. Submerged dielectric barrier discharge plasma device.
[Item 21]
Item 17. The submerged dielectric barrier discharge plasma apparatus according to Item 16, wherein the electrode having the plurality of through holes includes a porous material.
[Item 22]
The submerged dielectric barrier discharge plasma according to any of items 16 to 21, wherein the dielectric-coated electrode is formed of ferritic stainless steel or martensitic stainless steel and is coated with soda lime glass. apparatus.
[Item 23]
23. The liquid dielectric barrier discharge plasma apparatus according to any one of items 16 to 22, wherein the pressure adjustment chamber has a pressure adjustment mechanism.
[Item 24]
From the item 16, further comprising a gas introduction pipe for introducing gas into the pressure adjusting chamber, an electrode covered with the dielectric, and a power supply wiring for supplying power to the electrode having the plurality of through holes 24. A submerged dielectric barrier discharge plasma apparatus according to any one of the above.
[Item 25]
Item 25. A liquid purification system comprising the submerged dielectric barrier discharge plasma device according to any one of items 16 to 24, a gas supply device, and a high-voltage power source.

本発明の実施形態によれば、液中プラズマを利用した有機物合成方法および他の処理方法が提供される。また、本発明の実施形態は、これらの方法に用いられ得る新規な液中プラズマ装置を提供する。   According to an embodiment of the present invention, there are provided an organic matter synthesis method and other treatment methods using in-liquid plasma. The embodiments of the present invention also provide a novel in-liquid plasma device that can be used in these methods.

本発明の実施形態の液中プラズマ装置1000の基本構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the basic composition of the in-liquid plasma apparatus 1000 of embodiment of this invention. 液中プラズマ装置1000の上面図である。It is a top view of the plasma apparatus 1000 in a liquid. 電極間距離Dを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the distance D between electrodes. 液中放電プラズマ装置1000が液体槽300を備える例を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing an example in which the in-liquid discharge plasma apparatus 1000 includes a liquid tank 300. FIG. 液体槽300に液体302が蓄えられている状態を示す断面図である。4 is a cross-sectional view showing a state where a liquid 302 is stored in a liquid tank 300. FIG. 本発明の実施形態の変形例における液中プラズマ装置1100の主要構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the main structures of the in-liquid plasma apparatus 1100 in the modification of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の他の変形例における液中プラズマ装置1200の主要構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the main structures of the in-liquid plasma apparatus 1200 in the other modification of embodiment of this invention. (a)は、第2電極200における貫通孔202の配置例を示す上面図であり、(b)は、第2電極200を覆う固体誘電体層212を設けた例を示す断面図である。(A) is a top view illustrating an arrangement example of the through holes 202 in the second electrode 200, and (b) is a cross-sectional view illustrating an example in which a solid dielectric layer 212 that covers the second electrode 200 is provided. 液中誘電体バリア放電プラズマ装置を示す図である。It is a figure which shows a liquid dielectric barrier discharge plasma apparatus. 液中誘電体バリア放電プラズマ装置の電極部の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of electrode part of the dielectric barrier discharge plasma apparatus in a liquid. 複数の貫通孔を有する電極の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrode which has a some through-hole. 複数の貫通孔を有する電極の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrode which has a some through-hole. 誘電体で被覆された電極の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrode coat | covered with the dielectric material. 液中で使用している状態を示す図である。It is a figure which shows the state currently used in the liquid. 配管内で使用している状態を示す図である。It is a figure which shows the state currently used in piping. 高電圧発生回路を示す図である。It is a figure which shows a high voltage generation circuit. メチレンブルー色素分解結果を示す図である。It is a figure which shows a methylene blue pigment decomposition result. 水中プラズマの発光分光結果を示す図である。It is a figure which shows the emission spectroscopy result of the underwater plasma. 多孔質材料を用いた複数の貫通孔を有する電極の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrode which has several through-holes using a porous material. 貫通孔を有するように微細加工を施したシリコン基板を用いた複数の貫通孔を有する電極の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the electrode which has a some through-hole using the silicon substrate which performed the microfabrication so that it may have a through-hole. 蟻酸の標準試料を高速液体クロマトグラフで分析した結果を示す図であり、保持時間およびUVスペクトルを示す。It is a figure which shows the result of having analyzed the standard sample of formic acid with the high performance liquid chromatograph, and shows retention time and UV spectrum. 過蟻酸を含む標準試料を高速液体クロマトグラフで分析した結果を示す図であり、保持時間およびUVスペクトルを示す。It is a figure which shows the result of having analyzed the standard sample containing a formic acid with a high performance liquid chromatograph, and shows retention time and UV spectrum. 放電時間が5分の試料について高速液体クロマトグラフで分析した結果を示す図であり、保持時間およびUVスペクトルを示す。It is a figure which shows the result of having analyzed with the high performance liquid chromatograph about the sample whose discharge time is 5 minutes, and shows holding time and UV spectrum. 放電時間が20分の試料について高速液体クロマトグラフで分析した結果を示す図であり、保持時間およびUVスペクトルを示す。It is a figure which shows the result of having analyzed with the high performance liquid chromatograph about the sample whose discharge time is 20 minutes, and shows retention time and UV spectrum. 過蟻酸を含む標準水溶液についてのマトリックス支援レーザー脱離イオン化 タイムオブフライト質量分析法による質量分析の結果であり、(a)はポジティブモードによる測定結果であり、(b)はネガティブモードによる測定結果である。Matrix-assisted laser desorption / ionization of a standard aqueous solution containing performic acid. The results of mass spectrometry by time-of-flight mass spectrometry, (a) is the result of measurement in positive mode, and (b) is the result of measurement in negative mode. is there. 放電時間が20分間の試料についてのマトリックス支援レーザー脱離イオン化 タイムオブフライト質量分析法による質量分析の結果であり、(a)はポジティブモードによる測定結果であり、(b)はネガティブモードによる測定結果である。Matrix-assisted laser desorption / ionization of a sample having a discharge time of 20 minutes is a result of mass spectrometry by time-of-flight mass spectrometry, (a) is a measurement result by positive mode, and (b) is a measurement result by negative mode. It is. 放電時間が1分の試料のUVスペクトルと放電時間が20分の試料のUVスペクトルとの差スペクトルである。It is a difference spectrum between a UV spectrum of a sample having a discharge time of 1 minute and a UV spectrum of a sample having a discharge time of 20 minutes. 過蟻酸の生成量と二酸化炭素ガスの流量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the production amount of a formic acid, and the flow volume of a carbon dioxide gas. 過蟻酸の生成量と電極の貫通孔の開口率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the production amount of a formic acid and the aperture ratio of the through-hole of an electrode.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態による液中プラズマ装置ならびに液中プラズマ装置を用いた処理方法および有機物合成方法を説明するが、本発明の実施形態は、例示するものに限定されない。   Hereinafter, with reference to the drawings, a submerged plasma apparatus according to an embodiment of the present invention, a treatment method using the submerged plasma apparatus, and an organic substance synthesis method will be described. However, the embodiments of the present invention are not limited to those illustrated. .

<液中プラズマ装置の基本構成>
本発明の実施形態による液中プラズマ装置は、誘電体バリア放電を行うプラズマ装置である。この装置は、後述するように、有機物の合成に好適に用いられる。しかし、この液中プラズマ装置の用途は、有機物の合成に限定されない。
<Basic configuration of submerged plasma device>
An in-liquid plasma apparatus according to an embodiment of the present invention is a plasma apparatus that performs dielectric barrier discharge. As will be described later, this apparatus is suitably used for the synthesis of organic substances. However, the use of this submerged plasma device is not limited to the synthesis of organic substances.

まず、図1および図2を参照して、ある態様における液中プラズマ装置1000の基本構成を説明する。図1は、液中プラズマ装置1000の基本構成を模式的に示す断面図である。図2は、液中プラズマ装置1000の上面図である。   First, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the basic structure of the in-liquid plasma apparatus 1000 in a certain aspect is demonstrated. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the basic configuration of the in-liquid plasma apparatus 1000. FIG. 2 is a top view of the in-liquid plasma apparatus 1000.

図1に示される液中プラズマ装置1000は、内部空間114を有する放電室116と、放電室116の内部空間114に位置する第1電極100と、第1電極に対向する第2電極200とを備えている。第1電極100と第2電極200との間には、第1電極100に接している固体誘電体層112が存在している。したがって、第2電極200は、固体誘電体層112を介して第1電極100に対向している。第2電極200と固体誘電体層112との間には、放電のための空間(隙間)が存在する。固体誘電体層112は、第1電極100の表面を覆っていれば良い。   A submerged plasma apparatus 1000 shown in FIG. 1 includes a discharge chamber 116 having an internal space 114, a first electrode 100 located in the internal space 114 of the discharge chamber 116, and a second electrode 200 facing the first electrode. I have. A solid dielectric layer 112 that is in contact with the first electrode 100 exists between the first electrode 100 and the second electrode 200. Accordingly, the second electrode 200 faces the first electrode 100 with the solid dielectric layer 112 interposed therebetween. There is a space (gap) for discharge between the second electrode 200 and the solid dielectric layer 112. The solid dielectric layer 112 only needs to cover the surface of the first electrode 100.

第1電極100および第2電極200は、それぞれ、金属などの導電性材料から形成されている。一方、放電室116は、絶縁材料から形成されている。   The first electrode 100 and the second electrode 200 are each formed from a conductive material such as metal. On the other hand, the discharge chamber 116 is formed of an insulating material.

第2電極200は、放電室116の内部を不図示の液体から分離するように配置されている。第2電極200は、放電室116の外側に位置する液相面200aと、放電室116の内部空間114の側に位置する気相面200bとを有し、かつ、液相面200aと気相面200bとを連結する複数の貫通孔202を有している。図2には、単なる一例として8行9列に配置された72個の貫通孔202が記載されているが、貫通孔202の配置および個数は、この例に限定されない。貫通孔202の配置は、規則的であっても良いし、不規則であってもよい。複数の貫通孔202の開口サイズは、第2電極200の位置に応じて異なっていても良い。   The second electrode 200 is disposed so as to separate the inside of the discharge chamber 116 from a liquid (not shown). The second electrode 200 has a liquid phase surface 200 a located outside the discharge chamber 116 and a gas phase surface 200 b located on the inner space 114 side of the discharge chamber 116, and the liquid phase surface 200 a and the gas phase It has a plurality of through holes 202 that connect the surface 200b. FIG. 2 shows 72 through holes 202 arranged in 8 rows and 9 columns as an example only, but the arrangement and the number of through holes 202 are not limited to this example. The arrangement of the through holes 202 may be regular or irregular. The opening sizes of the plurality of through holes 202 may be different depending on the position of the second electrode 200.

図3を参照する。図3は、電極間距離Dを示す断面図である。電極間距離Dは、第1電極100と第2電極200とによって規定される。厳密に言えば、電極間距離Dは、第2電極200の気相面200bから固体誘電体層112の表面までの距離である。図面において、第1電極100、固体誘電体層112、および第2電極200のサイズの比率は、現実のサイズの比率を反映しているとは限らない。典型的には、固体誘電体層112の厚さは、第1電極100の厚さに比べて小さい。このため、電極間距離Dは、第1電極100と第2電極200との間の距離に実質的に等しい。   Please refer to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the distance D between the electrodes. The interelectrode distance D is defined by the first electrode 100 and the second electrode 200. Strictly speaking, the interelectrode distance D is a distance from the gas phase surface 200b of the second electrode 200 to the surface of the solid dielectric layer 112. In the drawings, the size ratio of the first electrode 100, the solid dielectric layer 112, and the second electrode 200 does not necessarily reflect the actual size ratio. Typically, the thickness of the solid dielectric layer 112 is smaller than the thickness of the first electrode 100. For this reason, the interelectrode distance D is substantially equal to the distance between the first electrode 100 and the second electrode 200.

複数の貫通孔202の各々の開口サイズSは電極間距離Dよりも小さい。個々の貫通孔202の開口サイズSは、典型的には、0.5mmより小さい値に設定され得る。貫通孔202が延びる方向に対して垂直な面における貫通孔202の断面は、円形の形状を有している必要はない。また、複数の貫通孔202が同一または相似の形状を有している必要はない。   The opening size S of each of the plurality of through holes 202 is smaller than the interelectrode distance D. The opening size S of each through hole 202 can typically be set to a value smaller than 0.5 mm. The cross section of the through hole 202 in a plane perpendicular to the direction in which the through hole 202 extends does not need to have a circular shape. Further, the plurality of through holes 202 need not have the same or similar shapes.

再び図1を参照する。液中プラズマ装置1000は、放電のための気体を放電室116の内部に供給する気体導入装置120を備えている。この例における気体導入装置120は、少なくとも1本の管118を介して気体を放電室116の内部空間114に供給することができる。気体導入装置120は、気体と液体との界面(気液界面)を第2電極200における各貫通孔202の内部に形成するように動作し得る。放電室116の内部空間114における気体の圧力は、第2電極200に対する液体の圧力に応じて適切に調整され得る。   Refer to FIG. 1 again. The in-liquid plasma apparatus 1000 includes a gas introduction device 120 that supplies a gas for discharge into the discharge chamber 116. The gas introducing device 120 in this example can supply gas to the internal space 114 of the discharge chamber 116 via at least one tube 118. The gas introduction device 120 can operate so as to form an interface between gas and liquid (gas-liquid interface) inside each through hole 202 in the second electrode 200. The gas pressure in the internal space 114 of the discharge chamber 116 can be appropriately adjusted according to the pressure of the liquid with respect to the second electrode 200.

図1に示される例において、第1電極100および第2電極200は、いずれも平板状であり、平行平板電極構造を形成している。しかし、第1電極100および第2電極200の形状は、平板状に限定されない。第1電極100および第2電極200は、平行である必要もない。図2に示される第2電極200は、概略的に円板の形状を有しているが、矩形であってもよいし、他の形状を有していても良い。第2電極200の上面(液相面200a)に垂直な方向から第1電極100を透視したとき、第2電極200の輪郭は、第1電極100の輪郭と同一であっても良いし、異なっていても良い。図1では、第1電極100が第2電極200よりも小さく記載されているが、第1電極100と第2電極200との大小関係は、任意であり得る。   In the example shown in FIG. 1, the first electrode 100 and the second electrode 200 are both flat and form a parallel plate electrode structure. However, the shape of the first electrode 100 and the second electrode 200 is not limited to a flat plate shape. The first electrode 100 and the second electrode 200 do not need to be parallel. The second electrode 200 shown in FIG. 2 has a generally disk shape, but may be rectangular or may have other shapes. When the first electrode 100 is seen through from the direction perpendicular to the upper surface (liquid phase surface 200a) of the second electrode 200, the contour of the second electrode 200 may be the same as or different from the contour of the first electrode 100. May be. In FIG. 1, the first electrode 100 is illustrated smaller than the second electrode 200, but the magnitude relationship between the first electrode 100 and the second electrode 200 may be arbitrary.

第1電極100および第2電極200は、図1に示されるように、それぞれ、第1電気導体402および第2電気導体404を介して電気回路400に接続されている。電気回路400は、例えば昇圧回路を含む高圧回路であり得る。電気回路400は、商用電力系統、発電機、または蓄電池などの電源に接続され得る。電気回路400は、第1電極100と第2電極200との間に電圧を印加し、放電室116の内部で誘電体バリア放電を行うように構成されている。   As shown in FIG. 1, the first electrode 100 and the second electrode 200 are connected to an electric circuit 400 via a first electric conductor 402 and a second electric conductor 404, respectively. The electric circuit 400 may be a high voltage circuit including a booster circuit, for example. The electric circuit 400 may be connected to a power source such as a commercial power system, a generator, or a storage battery. The electric circuit 400 is configured to apply a voltage between the first electrode 100 and the second electrode 200 to perform dielectric barrier discharge inside the discharge chamber 116.

次に、図4および図5を参照する。図4は、液中放電プラズマ装置1000が液体槽300を備える例を示している。図5は、液体槽300に液体302が蓄えられている状態を示している。このように、液体槽300は、静止または流動状態にある液体302を少なくとも一時的に収容するように構成されている。液体302の上面(液面)304は、大気と接触しており、大気圧を受けている。放電室116の内部空間114に導入された気体は、第2電極200の個々の貫通孔202の内部において、液体302と接触し、接触面204を形成している。したがって、放電室116の内部空間114における気体の圧力は、大気圧と水圧との合計値に相当する値を有している。放電室116の内部空間114に気体が断続的または連続して供給される場合、放電室116の内部空間114から液体302中に気体の一部が放出される。このような気体の一部は、第2電極200における複数の貫通孔202のいずれかから液体302中に放出され得る。こうして、放電室116の内部空間114内の気体の圧力は、液体302の圧力とバランスすることができる。   Reference is now made to FIGS. FIG. 4 shows an example in which the submerged discharge plasma apparatus 1000 includes a liquid tank 300. FIG. 5 shows a state where the liquid 302 is stored in the liquid tank 300. Thus, the liquid tank 300 is configured to at least temporarily store the liquid 302 in a stationary or fluid state. The upper surface (liquid surface) 304 of the liquid 302 is in contact with the atmosphere and receives atmospheric pressure. The gas introduced into the internal space 114 of the discharge chamber 116 is in contact with the liquid 302 inside each through hole 202 of the second electrode 200 to form a contact surface 204. Therefore, the gas pressure in the internal space 114 of the discharge chamber 116 has a value corresponding to the total value of the atmospheric pressure and the water pressure. When the gas is intermittently or continuously supplied to the internal space 114 of the discharge chamber 116, a part of the gas is released from the internal space 114 of the discharge chamber 116 into the liquid 302. A part of such gas can be released into the liquid 302 from any of the plurality of through holes 202 in the second electrode 200. Thus, the pressure of the gas in the internal space 114 of the discharge chamber 116 can be balanced with the pressure of the liquid 302.

放電室116は、気体導入装置120によって内部空間114に導入された気体の一部を液体302中に放出する開口部を有していてもよい。   The discharge chamber 116 may have an opening that discharges part of the gas introduced into the internal space 114 by the gas introduction device 120 into the liquid 302.

図6は、本発明の実施形態の変形例における液中プラズマ装置1100の主要構成を模式的に示す断面図である。液中プラズマ装置1100は、液中プラズマ装置1000の基本構成と同一の基本構成を有している。機能が同一の構成要素には同一の参照符号を付し、説明の繰り返しを省略する。   FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the main configuration of an in-liquid plasma device 1100 according to a modification of the embodiment of the present invention. The submerged plasma device 1100 has the same basic configuration as that of the submerged plasma device 1000. Constituent elements having the same function are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.

図6に示される液中プラズマ装置1100は、第1電極100を支持する絶縁支持体250を備えている。この絶縁支持体250は、放電のための空間を形成する凹部と、電極間距離Dを規定する凸部とを有している。この凸部によって第2電極200が支持されている。   A submerged plasma apparatus 1100 shown in FIG. 6 includes an insulating support 250 that supports the first electrode 100. The insulating support 250 has a concave portion that forms a space for discharge and a convex portion that defines a distance D between the electrodes. The second electrode 200 is supported by the convex portion.

絶縁支持体250は導電ベース420上に配置されている。導電ベース420は、絶縁支持体250の内部に設けた導体404aを介して第2電極200に電気的に接続されている。導電ベース420は導体404bに接続されている。このような構成例において、導体402と導電ベース420との間の絶縁を確保するために、導体402の表面が絶縁層によって被覆されている。導体402および導体404bに電圧を印加することにより、誘電体バリア放電を実行することができる。   The insulating support 250 is disposed on the conductive base 420. The conductive base 420 is electrically connected to the second electrode 200 via a conductor 404 a provided inside the insulating support 250. The conductive base 420 is connected to the conductor 404b. In such a configuration example, the surface of the conductor 402 is covered with an insulating layer in order to ensure insulation between the conductor 402 and the conductive base 420. A dielectric barrier discharge can be performed by applying a voltage to the conductor 402 and the conductor 404b.

図7は、本発明の実施形態の他の変形例における液中プラズマ装置1200の主要構成を模式的に示す断面図である。この液中プラズマ装置1200は、少なくとも底面が実質的に平坦な内部空間114を備えている点において、図6に示される液中プラズマ装置1100から異なっている。この内部空間114の底面は、第1電極100を被覆する誘電体層112の上面によって形成されている。この例における誘電体層112は、第1電極100の外周側面から横方向外側に拡大した部分を有している。この部分において誘電体層112は相対的に厚い。放電のための気体を内部空間114に供給するための管118は、誘電体層112のうち第1電極100が存在しない部分を貫通している。   FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the main configuration of an in-liquid plasma apparatus 1200 according to another modification of the embodiment of the present invention. This submerged plasma apparatus 1200 differs from the submerged plasma apparatus 1100 shown in FIG. 6 in that it includes an internal space 114 having at least a substantially flat bottom surface. The bottom surface of the internal space 114 is formed by the top surface of the dielectric layer 112 that covers the first electrode 100. The dielectric layer 112 in this example has a portion that is expanded laterally outward from the outer peripheral side surface of the first electrode 100. In this portion, the dielectric layer 112 is relatively thick. A tube 118 for supplying a gas for discharge to the internal space 114 passes through a portion of the dielectric layer 112 where the first electrode 100 does not exist.

液中プラズマ装置1200は、内部空間114内に進入した液体および/または気体を内部空間114から外部に排出することのできる排出管119およびバルブ122を有している。液体槽300中に供給された液体302は、放電の開始前または中断中において、内部空間内114に侵入する可能性がある。管118を介して気体を内部空間114に供給するとき、バルブ122を開けることにより、排出管119を介して内部空間114の液体302を排出することができる。このような排出管119を用いることにより、内部空間114の内部を気体で満たすことができるため、放電を安定して実行することが容易になる。加えて、内部空間114内で形成された反応生成物を気相にて外部へ取り出すことが可能になる。   The in-liquid plasma apparatus 1200 includes a discharge pipe 119 and a valve 122 that can discharge liquid and / or gas that has entered the internal space 114 from the internal space 114 to the outside. The liquid 302 supplied into the liquid tank 300 may enter the internal space 114 before or during the start of discharge. When gas is supplied to the internal space 114 via the pipe 118, the liquid 302 in the internal space 114 can be discharged via the discharge pipe 119 by opening the valve 122. By using such a discharge pipe 119, the inside of the internal space 114 can be filled with gas, so that it is easy to stably perform discharge. In addition, the reaction product formed in the internal space 114 can be taken out to the outside in a gas phase.

前述したように、内部空間114の内部圧力は、気体導入装置120から内部空間114に供給する気体の流量によって調整され得る。前述したように、内部空間114における気体の圧力は、大気圧と水圧との合計値に相当する値を有している。このため、液体302に対する加圧を付加すれば、内部空間114における気体の圧力の上限値を高めることができる。   As described above, the internal pressure of the internal space 114 can be adjusted by the flow rate of the gas supplied from the gas introduction device 120 to the internal space 114. As described above, the gas pressure in the internal space 114 has a value corresponding to the total value of the atmospheric pressure and the water pressure. For this reason, if the pressurization with respect to the liquid 302 is added, the upper limit of the pressure of the gas in the internal space 114 can be raised.

図8(a)は、第2電極200における貫通孔202の他の配置例を示す上面図である。気体と液体302との接触面204の広さは、第2電極200における貫通孔202の開口率に比例する(図29参照)。貫通孔202をハニカム状に配置すれば、第2電極200の機械的強度を維持しながら、開口率を高めることが容易である。   FIG. 8A is a top view illustrating another arrangement example of the through holes 202 in the second electrode 200. The width of the contact surface 204 between the gas and the liquid 302 is proportional to the aperture ratio of the through hole 202 in the second electrode 200 (see FIG. 29). If the through holes 202 are arranged in a honeycomb shape, it is easy to increase the aperture ratio while maintaining the mechanical strength of the second electrode 200.

図8(b)は、第2電極200を覆う固体誘電体層212を設けた例を示す断面図である。図8(b)に示すように、第2電極200の放電に寄与する部分を覆うように固体誘電体層212を設けてもよい。固体誘電体層212は、第2電極200と水との導通を得るために、第2電極200の一部を露出するように形成されている。   FIG. 8B is a cross-sectional view showing an example in which a solid dielectric layer 212 covering the second electrode 200 is provided. As shown in FIG. 8B, a solid dielectric layer 212 may be provided so as to cover a portion of the second electrode 200 that contributes to the discharge. The solid dielectric layer 212 is formed so as to expose a part of the second electrode 200 in order to obtain conduction between the second electrode 200 and water.

<液中プラズマ装置>
以下、液中プラズマ装置の実施形態を詳細に説明する。
<Liquid plasma device>
Hereinafter, embodiments of the in-liquid plasma apparatus will be described in detail.

図9に、本発明の実施形態による液中プラズマ装置1の断面構造図を示す。放電部10は誘電体で被覆された電極2と複数の貫通孔を有する電極3によって挟まれた空間であり、そのギャップ長は1mm以下である。「ギャップ長」は、電極2における誘電体の表面から電極3の表面までの距離である。この距離は、前述した電極間距離Dに等しい。ギャップ長は、例えば0.5mm±0.1mmに設定され得る。   FIG. 9 is a sectional structural view of the in-liquid plasma device 1 according to the embodiment of the present invention. The discharge part 10 is a space sandwiched between the electrode 2 covered with a dielectric and the electrode 3 having a plurality of through holes, and the gap length is 1 mm or less. “Gap length” is the distance from the surface of the dielectric in the electrode 2 to the surface of the electrode 3. This distance is equal to the interelectrode distance D described above. The gap length can be set to 0.5 mm ± 0.1 mm, for example.

電極支持基板18と複数の貫通孔を有する電極3で囲まれた空間の機密性は、Oリング17によって保たれる。プラズマの原料となる気体は、気体導入管7により、圧力調整室12へ導かれ、電極支持基板18に設けられた気体導入口8から放電部10へ導入される。この気体は、放電部10でプラズマガスとなった後、複数の貫通孔を有する電極3に設けられた貫通孔9から液中へ排出される。この時、プラズマは貫通孔9で液と接触する。放電部10への液の侵入を停止することは、圧力調整機構11によって気体圧力を調整することで達成できる。圧力調整室12を設けることにより、その調整はより容易になる。   The confidentiality of the space surrounded by the electrode support substrate 18 and the electrode 3 having a plurality of through holes is maintained by the O-ring 17. A gas that is a raw material of plasma is guided to the pressure adjustment chamber 12 by the gas introduction tube 7 and is introduced into the discharge unit 10 from the gas introduction port 8 provided in the electrode support substrate 18. After this gas becomes plasma gas in the discharge part 10, it is discharged | emitted in the liquid from the through-hole 9 provided in the electrode 3 which has a several through-hole. At this time, the plasma comes into contact with the liquid through the through hole 9. Stopping the intrusion of the liquid into the discharge unit 10 can be achieved by adjusting the gas pressure by the pressure adjusting mechanism 11. By providing the pressure adjusting chamber 12, the adjustment becomes easier.

貫通孔9内に液面をとどめ、放電部10への液の侵入を防ぐことは重要である。液が放電部10に侵入し、電極表面を濡らした場合、液に導電性があれば静電遮蔽により気泡20内に電界は生じない。もし図10に示すように、電極間の一部に気泡20が生じ放電が発生したとしても、他の対向電極面は導電性液で短絡し、そのために負荷容量が大きくなり電源容量は増大する。本実施形態における液中プラズマ装置において、液の侵入を防ぐためには、圧力調整が不可欠である。   It is important to keep the liquid level in the through-hole 9 and prevent the liquid from entering the discharge part 10. When the liquid enters the discharge part 10 and wets the electrode surface, an electric field is not generated in the bubble 20 due to electrostatic shielding if the liquid has conductivity. As shown in FIG. 10, even if a bubble 20 is generated in a part between the electrodes and a discharge occurs, the other counter electrode surface is short-circuited with the conductive liquid, so that the load capacity increases and the power supply capacity increases. . In the in-liquid plasma apparatus in this embodiment, pressure adjustment is indispensable in order to prevent intrusion of liquid.

液が放電部10に侵入することを防止するためには、貫通孔9の開口径を適正に決定することが有効である。実験検討を重ねた結果、貫通孔9の開口径は、電極間距離以下であることが合理的であることを見出した。   In order to prevent the liquid from entering the discharge part 10, it is effective to appropriately determine the opening diameter of the through hole 9. As a result of repeated experiments, it was found that it is reasonable that the opening diameter of the through-hole 9 is equal to or less than the distance between the electrodes.

図11に本実施形態における複数の貫通孔を有する電極3の断面図を示す。電極3は接地して使用され得る。複数の貫通孔を有する電極3は開口部を有することから、導電性があり、熱伝導性が良く、耐食性が良く、且つ加工性のよい金属材料から形成されていることが望ましい。具体的には、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などを用いることができる。複合材料を用いることも可能である。具体的にはプラスチック樹脂やセラミクスの板に多孔を設け、導電性薄膜をコーティングしたものが挙げられる。   FIG. 11 shows a cross-sectional view of the electrode 3 having a plurality of through holes in the present embodiment. The electrode 3 can be used while being grounded. Since the electrode 3 having a plurality of through-holes has openings, it is desirable that the electrode 3 be made of a metal material that is conductive, has good thermal conductivity, good corrosion resistance, and good workability. Specifically, aluminum alloy, stainless steel, nickel alloy, titanium alloy, or the like can be used. It is also possible to use composite materials. Specifically, a plastic resin or ceramic plate provided with a hole and coated with a conductive thin film can be used.

本実施形態の装置1においては、電極3の貫通孔の開口径をあまり小さくすると、表面張力による液の侵入が懸念される。これを防ぐためには、図12に示すように、貫通孔9を液相面32から気相面31に向けて口径が広がるように側壁に傾斜を持たせることが有効である。これは圧力損失の低減にも効果がある。   In the apparatus 1 of the present embodiment, if the opening diameter of the through hole of the electrode 3 is too small, there is a concern that liquid may enter due to surface tension. In order to prevent this, as shown in FIG. 12, it is effective to incline the side wall so that the diameter of the through hole 9 increases from the liquid phase surface 32 toward the gas phase surface 31. This is also effective in reducing pressure loss.

図13に本実施形態における誘電体で被覆された電極2の断面構造を示す。電極2には高電圧が印加され得る。電極2は、金属部34と、誘電体部33とを有し、給電配線4に接続されている。   FIG. 13 shows a cross-sectional structure of the electrode 2 covered with a dielectric in the present embodiment. A high voltage can be applied to the electrode 2. The electrode 2 has a metal part 34 and a dielectric part 33 and is connected to the power supply wiring 4.

誘電体部33の放電面35の側に位置する部分(固体誘電体層)は、放電部10への印加電圧が大きくなるように、できる限り薄いことが望ましい。この固体誘電体層の厚さは、誘電体部33の絶縁耐圧、厚さの制御性、機械的強度、加工容易性を考慮して決定される。誘電体部33の支持面36の側に位置する部分は、負荷容量の低減と、電極支持基板18への高電圧印加回避のために、厚い方が望ましい。   It is desirable that the portion (solid dielectric layer) located on the discharge surface 35 side of the dielectric portion 33 is as thin as possible so that the voltage applied to the discharge portion 10 is increased. The thickness of the solid dielectric layer is determined in consideration of the dielectric strength of the dielectric portion 33, the controllability of the thickness, the mechanical strength, and the ease of processing. The portion located on the support surface 36 side of the dielectric portion 33 is desirably thick in order to reduce the load capacity and avoid application of a high voltage to the electrode support substrate 18.

金属部34の材料は、誘電体部33の材料との間で熱膨張係数差が小さいことが好ましい。また、誘電体部33との密着性が良いこと、加工が容易なこと、および加工による給電配線4との接続が可能であることが実用上は有益である。実験検討の結果、誘電体部33の材料として、エポキシ樹脂、ホウケイ酸ガラスまたはソーダライムガラスが好適に用いられ得ることがわかった。また、金属部34の材料としては、42合金(42質量%のニッケルを含有する鉄合金)、フェライト系ステンレス鋼(SUS403系)、またはマルテンサイト系ステンレス鋼(SUS410系)板を用いることができる。金属部34に誘電体部33を熱圧着して形成することができる。本発明の実施形態のある具体的な実施例において、放電面35側の誘電体厚は0.1mm、支持面側36の誘電体厚は2mmであった。また金属部34(ステンレス鋼板)の厚さは0.1mmであった。他に、誘電体としてセラミクスを、また金属に代わる導電性物質として半導体を使用してもよい。これらの形成は、メッキ、CVD、蒸着、熱酸化、印刷などの膜形成手法を用いて行ってもよい。   The material of the metal part 34 preferably has a small difference in thermal expansion coefficient with the material of the dielectric part 33. Further, it is practically beneficial that the adhesiveness with the dielectric portion 33 is good, the processing is easy, and the connection to the power supply wiring 4 by the processing is possible. As a result of the experimental study, it was found that epoxy resin, borosilicate glass or soda lime glass can be suitably used as the material of the dielectric portion 33. Moreover, as a material of the metal part 34, a 42 alloy (iron alloy containing 42 mass% nickel), a ferritic stainless steel (SUS403 series), or a martensitic stainless steel (SUS410 series) plate can be used. . The dielectric portion 33 can be formed by thermocompression bonding to the metal portion 34. In a specific example of the embodiment of the present invention, the dielectric thickness on the discharge surface 35 side was 0.1 mm, and the dielectric thickness on the support surface side 36 was 2 mm. Moreover, the thickness of the metal part 34 (stainless steel plate) was 0.1 mm. In addition, ceramics may be used as a dielectric, and a semiconductor may be used as a conductive material instead of metal. These formations may be performed using film formation techniques such as plating, CVD, vapor deposition, thermal oxidation, and printing.

電極支持基板18および側壁15は、電極2と電極3との間に高電圧が印加されても、良好な電気絶縁性を示すことが好ましい。電極支持基板18および側壁15は、加工性のよい樹脂から形成され得る。セラミクスを用いてもよい。特に電極支持基板18には、プラズマに対する耐性が要求される。また、放電による、誘電体で被覆された電極2の温度上昇を考慮して、電極支持基板18は、耐熱特性の良い材料から形成され得る。   The electrode support substrate 18 and the side wall 15 preferably exhibit good electrical insulation even when a high voltage is applied between the electrode 2 and the electrode 3. The electrode support substrate 18 and the side wall 15 can be formed of a resin with good processability. Ceramics may be used. In particular, the electrode support substrate 18 is required to have resistance to plasma. In consideration of the temperature rise of the electrode 2 covered with the dielectric due to electric discharge, the electrode support substrate 18 can be formed of a material having good heat resistance.

本実施形態の液中プラズマ装置を水処理の用途に使用する場合、電極支持基盤18は、100℃の温度で変形のないことが望ましい。具体的には、フッ素系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂などから電極支持基板18を形成することができる。   When the submerged plasma apparatus of this embodiment is used for water treatment, it is desirable that the electrode support base 18 is not deformed at a temperature of 100 ° C. Specifically, the electrode support substrate 18 can be formed from a fluorine resin, a polyacetal resin, a polyphenylene sulfide resin, or the like.

本実施形態において、上板14は側壁15を介して電極3に連結されている。より詳細には、上板14と電極3とは、側壁15の貫通孔を通る金属製ボルト・ナット19によって結合されている。このような場合、上板14は、樹脂またはセラミクスなどの絶縁材料から形成され得る。金属製ボルト・ナット19を用いる代わりに、絶縁性の結合方式によって上板14を側壁15に固定する場合、上板14は、アルミ合金やステンレス鋼などの金属材料から形成され得る。   In the present embodiment, the upper plate 14 is connected to the electrode 3 through the side wall 15. More specifically, the upper plate 14 and the electrode 3 are coupled by a metal bolt / nut 19 that passes through the through hole of the side wall 15. In such a case, the upper plate 14 can be formed of an insulating material such as resin or ceramics. When the upper plate 14 is fixed to the side wall 15 by an insulating coupling method instead of using the metal bolts and nuts 19, the upper plate 14 can be formed of a metal material such as an aluminum alloy or stainless steel.

図14は、本発明による液中プラズマ装置を備える液中プラズマ処理システムの実施形態を示す図である。   FIG. 14 is a diagram showing an embodiment of an in-liquid plasma processing system including an in-liquid plasma apparatus according to the present invention.

液中プラズマ装置1が装着された液処理槽26に被処理液体21が充填される。気体供給装置24から気体が気体導入管7を経て装置1に送り込まれる。装置1内でプラズマが生成され、プラズマが液体21と接触するとともに、生成された活性種などのプラズマ反応生成物が気泡20となって液体21中へ送り出される。気泡20は液体21中を浮揚、拡散してフィルター27を通過して外部へ放出される。フィルター27は排ガス中の有害物質を捕獲するために設けられる。   The liquid to be processed 21 is filled in the liquid processing tank 26 in which the in-liquid plasma apparatus 1 is mounted. Gas is sent from the gas supply device 24 to the device 1 through the gas introduction pipe 7. Plasma is generated in the apparatus 1, the plasma comes into contact with the liquid 21, and plasma reaction products such as the generated active species are bubbled 20 and sent out into the liquid 21. The bubble 20 floats and diffuses in the liquid 21, passes through the filter 27, and is discharged to the outside. The filter 27 is provided to capture harmful substances in the exhaust gas.

放電用電力は、給電配線4および給電配線5により、高圧電源25から装置1へ供給される。電源は商用電源29であってもよいし、太陽電池30であってもよい。この処理システムが屋外に設置され、常時運転が望まれる場合、補助電源を備えた太陽電池30による電力供給が合理的である。オゾンを用いた液処理を行うとき、気体供給装置24は送風ポンプまたは酸素供給装置であり得る。また、フィルター27はオゾン分解フィルターとなり得る。   The discharging power is supplied from the high-voltage power supply 25 to the device 1 through the power supply wiring 4 and the power supply wiring 5. The power source may be a commercial power source 29 or a solar cell 30. When this processing system is installed outdoors and continuous operation is desired, power supply by the solar cell 30 provided with an auxiliary power supply is reasonable. When performing the liquid treatment using ozone, the gas supply device 24 may be a blower pump or an oxygen supply device. The filter 27 can be an ozonolysis filter.

図15に、局所場において液中プラズマ装置1を使用する形態を示す。配管28内に液中プラズマ装置1が挿入される。この形態では、給電配線4、給電配線5、および気体導入管7から電力およびプラズマ原料となる気体が送り込まれ、液体21がプラズマ処理される。図に示したように、液の滞留部位などの特定点に液中プラズマ装置1を設置することができる。   In FIG. 15, the form which uses the in-liquid plasma apparatus 1 in a local field is shown. The submerged plasma device 1 is inserted into the pipe 28. In this embodiment, electric power and gas serving as a plasma raw material are fed from the power supply wiring 4, the power supply wiring 5, and the gas introduction pipe 7, and the liquid 21 is subjected to plasma processing. As shown in the figure, the in-liquid plasma apparatus 1 can be installed at a specific point such as a liquid retention site.

<水処理の実施例>
図9の装置1を用いて色素メチレンブルーの脱色を行った。図16は、本実施例で使用した高電圧駆動回路の構成を示す。発振回路はウイーンブリッジ回路であり、可変抵抗で発振周波数、および利得を調整する。本実施例で用いた発振周波数は26kHzであった。誘電体で被覆された電極2の金属部のサイズは2cm×2cm、放電面側誘電体厚さ1mm、支持基板側誘電体厚さ2mm、誘電体電極容量は20pFであった。該金属部としてフェライト系ステンレス鋼を、また該誘電体部としてはソーダライムガラス板を用い、両者を熱圧着して成型した。
<Examples of water treatment>
The dye methylene blue was decolorized using the apparatus 1 of FIG. FIG. 16 shows the configuration of the high voltage drive circuit used in this example. The oscillation circuit is a Wien bridge circuit, and the oscillation frequency and gain are adjusted with a variable resistor. The oscillation frequency used in this example was 26 kHz. The size of the metal part of the electrode 2 covered with the dielectric was 2 cm × 2 cm, the discharge surface side dielectric thickness was 1 mm, the support substrate side dielectric thickness was 2 mm, and the dielectric electrode capacitance was 20 pF. Ferritic stainless steel was used as the metal part, and a soda lime glass plate was used as the dielectric part.

電極間距離は0.5mmであった。電極支持基板18、上板14、および側壁15はポリアセタール樹脂板を用いて作製した。電源は商用100VACを整流して用い、高圧トランスの巻線比は1:28とした。放電電圧は2.8kV、皮相電力は10Wであった。気体供給装置24として吐出量3500cc/分のエアーポンプを用いた。   The distance between the electrodes was 0.5 mm. The electrode support substrate 18, the upper plate 14, and the side wall 15 were produced using a polyacetal resin plate. The power source used was a rectified commercial 100 VAC, and the winding ratio of the high voltage transformer was 1:28. The discharge voltage was 2.8 kV and the apparent power was 10 W. An air pump having a discharge rate of 3500 cc / min was used as the gas supply device 24.

これらを用いて全体を図14の様に構成し、色素メチレンブルーの脱色を行った。図17に、処理液の分光透過特性の経時変化を示す。この結果から算出されたメチレンブルー分解エネルギー効率は0.180g/kWhだった。当該化学反応は、放電プラズマによって生成された酸化性活性種が作用して起こった。求められた効率は既報のパルスコロナ放電による結果に比して約2倍から3倍高い結果となっている(非特許文献3参照)。図18には本実施例中に測定された、水中プラズマの発光分光の結果を大気中プラズマと対比して示す。水中放電に於いて、明らかにヒドロキシラジカルの発生が認められる。   Using these, the whole was constructed as shown in FIG. 14, and the dye methylene blue was decolorized. FIG. 17 shows the change with time of the spectral transmission characteristics of the treatment liquid. The methylene blue decomposition energy efficiency calculated from this result was 0.180 g / kWh. The chemical reaction was caused by the action of oxidizing active species generated by the discharge plasma. The obtained efficiency is about 2 to 3 times higher than the result of the reported pulse corona discharge (see Non-Patent Document 3). FIG. 18 shows the results of emission spectroscopy of underwater plasma measured in the present example in comparison with atmospheric plasma. In the discharge in water, the generation of hydroxy radicals is clearly observed.

この実施例における液中プラズマ装置をオゾン処理に用いる場合、従来のオゾン処理装置に比べて、エネルギー効率の向上が実現される。以下、この点を説明する。   When the submerged plasma apparatus in this embodiment is used for ozone treatment, energy efficiency can be improved as compared with the conventional ozone treatment apparatus. Hereinafter, this point will be described.

下記の化学反応式(I)から導出されるオゾン量は、1.25g/kWhである。
3/2O2 → O3 ΔH=1.5eV ・・・(I)
The amount of ozone derived from the following chemical reaction formula (I) is 1.25 g / kWh.
3/2 O 2 → O 3 ΔH = 1.5 eV (I)

酸素を原料として誘電体バリア放電で生成されるオゾン量は、従来、0.05g/kWhから0.07g/kWh程度であった。また、そのエネルギー効率は4%〜6%であった。空気を原料とする場合は、この効率は2%〜3%である。その理由は、空気中の窒素が三体反応に寄与するためである。   Conventionally, the amount of ozone generated by dielectric barrier discharge using oxygen as a raw material is about 0.05 g / kWh to 0.07 g / kWh. The energy efficiency was 4% to 6%. When air is used as a raw material, this efficiency is 2% to 3%. The reason is that nitrogen in the air contributes to the three-body reaction.

従来のオゾン処理装置のエネルギー効率が低い最大の原因は、反応メカニズムに起因する。理論および実験の結果を参照すると、理論効率の30%までは期待できる(非特許文献3参照)。しかし、実用化されている実際のオゾン処理装置の効率は理論効率よりも低下する。その原因は、生成場から反応場への輸送途中にオゾンが分解して消滅するからである。その主たる要因は、輸送管壁や他粒子との衝突によるオゾン分子の分解、さらには温度上昇による分解の促進である。実用システムにおいては、さらにガス循環ポンプや冷却機などの付帯動力負荷が大きく、システムとしてのエネルギー効率はさらに低下する。エネルギー効率が低下すると、装置は大掛かりなものとなり、実用化は大型プラントに限られる。   The greatest cause of the low energy efficiency of conventional ozone treatment equipment is due to the reaction mechanism. Referring to the results of theory and experiment, it can be expected that the theoretical efficiency is up to 30% (see Non-Patent Document 3). However, the efficiency of an actual ozone treatment apparatus in practical use is lower than the theoretical efficiency. This is because ozone decomposes and disappears during transportation from the production field to the reaction field. The main factor is the decomposition of ozone molecules due to collision with the transport pipe wall and other particles, and further the promotion of decomposition due to temperature rise. In a practical system, additional power loads such as a gas circulation pump and a cooler are further increased, and the energy efficiency of the system is further reduced. When energy efficiency decreases, the equipment becomes large and practical application is limited to large plants.

本実施形態に係る液中プラズマ装置を用いると、電源容量の低減とプラズマ反応領域の拡大とを実現することが可能になる。水の絶縁破壊電界強度は1MV/cm以上である。直流パルス放電によってストリーマ放電を水中に生成するためには、電界集中効果を利用しても20kV以上の電圧供給が必要である。放電反応領域を広げるためには、電極面積を拡大する必要がある。従って電源容量は大きく、装置は大掛かりなものとなっている。   When the submerged plasma apparatus according to the present embodiment is used, it is possible to reduce the power supply capacity and expand the plasma reaction region. The dielectric breakdown electric field strength of water is 1 MV / cm or more. In order to generate streamer discharge in water by DC pulse discharge, it is necessary to supply a voltage of 20 kV or more even if the electric field concentration effect is used. In order to widen the discharge reaction region, it is necessary to enlarge the electrode area. Therefore, the power source capacity is large and the apparatus is large.

水中へ気泡を導入することによって放電は容易になる。誘電体バリア放電の場合、開始電圧は低減できるが、そのためには電極間距離は短く保つことが好ましい。誘電体バリア放電は、安定したストリーマコロナ放電と考えられている。必要な放電開始電圧は、パッシェンの式の下記の式(1)で与えられる値(Vs)よりも低くなる。
Vs=Bpd/ln(Apd/ln(1+1/γ)) ・・・(1)
A、B : 定数
p : 圧力
γ : γ係数
d : 放電ギャップ長
Discharging is facilitated by introducing bubbles into the water. In the case of dielectric barrier discharge, the starting voltage can be reduced, but for this purpose it is preferable to keep the distance between the electrodes short. Dielectric barrier discharge is considered a stable streamer corona discharge. The necessary discharge start voltage is lower than the value (Vs) given by the following equation (1) of Paschen's equation.
Vs = Bpd / ln (Appd / ln (1 + 1 / γ)) (1)
A, B: constant p: pressure γ: γ coefficient d: discharge gap length

しかしながら、従来の液中誘電体バリア放電によれば、気泡および液体の2相混合領域が電極間に存在する。その結果、負荷容量が大きくなる。また、外部動力によって2相流を形成する必要がある。一方、高周波放電を行う場合、気泡中での電荷のトラップにより、Vsは下がる。しかし、プラズマによる高周波電力の吸収が大きくなり、電源容量は大きくなってしまう。   However, according to the conventional submerged dielectric barrier discharge, a two-phase mixed region of bubbles and liquid exists between the electrodes. As a result, the load capacity increases. Moreover, it is necessary to form a two-phase flow with external power. On the other hand, when high frequency discharge is performed, Vs decreases due to charge trapping in the bubbles. However, the absorption of high-frequency power by plasma increases, and the power source capacity increases.

本発明による液中プラズマ装置の実施形態によれば、以下の効果の少なくとも1つが得られる。
1)液中誘電体バリア放電において放電プラズマを安定して定常的に生成する。
2)プラズマが液体と安定して接触できる。
3)小型軽量化および低消費電力化が可能になる。
According to the embodiment of the in-liquid plasma device according to the present invention, at least one of the following effects can be obtained.
1) A discharge plasma is stably and constantly generated in a dielectric barrier discharge in liquid.
2) The plasma can stably contact the liquid.
3) It is possible to reduce the size and weight and to reduce power consumption.

<変形例>
図19および図20に、多孔質材料、および貫通孔を有するように微細加工を施したシリコン基板を構成部材の一部とする、複数の貫通孔を有する電極3の構造をそれぞれ示した。いずれの構造においても良好な放電特性が得られた。多孔質材料においては、バルク質、粉体質、および繊維質のいずれの場合でも良好な放電が実現された。この場合、各材質が非導電性であれば電解質である被処理液体が導電性を確保して電極となる。
<Modification>
FIGS. 19 and 20 show the structures of the electrode 3 having a plurality of through holes, each of which includes a porous material and a silicon substrate that has been finely processed so as to have through holes. In any structure, good discharge characteristics were obtained. In the case of the porous material, good discharge was realized in any of bulk, powder, and fiber. In this case, if each material is non-conductive, the liquid to be treated which is an electrolyte ensures conductivity and becomes an electrode.

本発明による液中プラズマ装置は、ある態様において、誘電体で被覆された電極と、複数の貫通孔を有する電極と、前記誘電体で被覆された電極を支持する電極支持基板と、圧力調整室とを備える液中誘電体バリア放電プラズマ装置である。この態様において、前記誘電体で被覆された電極と前記複数の貫通孔を有する電極とは、対向配置されている。気体導入口が前記電極支持基板に設けられている。前記圧力調整室は、前記気体導入口と接続されている。前記圧力調整室は、圧力調整機構を有していてもよい。前記圧力調整室へ気体を導入するための気体導入管と、いずれかの電極に電力を供給するための給電配線とを備えていても良い。   In one aspect, the submerged plasma device according to the present invention includes an electrode coated with a dielectric, an electrode having a plurality of through holes, an electrode support substrate that supports the electrode coated with the dielectric, and a pressure adjustment chamber. A dielectric barrier discharge plasma apparatus in liquid. In this aspect, the electrode covered with the dielectric and the electrode having the plurality of through holes are disposed to face each other. A gas inlet is provided in the electrode support substrate. The pressure adjustment chamber is connected to the gas introduction port. The pressure adjustment chamber may have a pressure adjustment mechanism. You may provide the gas introduction pipe | tube for introducing gas into the said pressure regulation chamber, and the electric power feeding wiring for supplying electric power to one of electrodes.

本発明の実施形態の液体浄化システムは、上記の液中誘電体バリア放電プラズマ装置と、気体供給装置と、高圧電源とを備える。   A liquid purification system according to an embodiment of the present invention includes the above-described submerged dielectric barrier discharge plasma apparatus, a gas supply apparatus, and a high-voltage power supply.

[有機物の合成]
図4に示した液中放電プラズマ装置1000を用いて、二酸化炭素および水から有機物を合成することを試みた。これまで、液中放電プラズマによって、有機物が合成されたという報告はない。
[Synthesis of organic substances]
An attempt was made to synthesize organic substances from carbon dioxide and water using the in-liquid discharge plasma apparatus 1000 shown in FIG. So far, there is no report that organic substances have been synthesized by submerged discharge plasma.

液中放電プラズマ装置1000を用いて、図5に示したように、液体槽300に液体302として水を蓄えた状態で、気体導入装置120から二酸化炭素ガスを1L(リットル)/分で供給しつつ、20W(AC100V、0.2A)の電力を投入し、水中で放電プラズマを発生させた。その結果、水中に、過蟻酸、ジホルミルペルオキサイド(diformyl peroxide)および蟻酸からなる群から選択される少なくとも1つの有機物が生成されていることが確認された。   As shown in FIG. 5, carbon dioxide gas is supplied at 1 L (liter) / minute from the gas introduction device 120 with water stored as the liquid 302 in the liquid tank 300 using the submerged discharge plasma device 1000. While, power of 20 W (AC 100 V, 0.2 A) was applied to generate discharge plasma in water. As a result, it was confirmed that at least one organic substance selected from the group consisting of formic acid, diformyl peroxide and formic acid was produced in water.

水中に生成された有機物の同定には、高速液体クロマトグラフ(島津製作所製、LC−10)を用いた。カラムには、Develosil RPAQEOUS−AR−5(野村化学製)、移動相には50mMリン酸バッファー(pH2.4)を用い、オーブン温度は40℃とした。蟻酸の標準試料として、和光純薬特級(88%)を1000倍に希釈した水溶液を用いた。過蟻酸は市販されていないので、R. Gehr, D. Chen,
and M. Moreau, Water Science and Technology, 59(1), 89−96, (2009)に記載の方法で調製した過蟻酸水溶液を標準試料とした。過蟻酸を含む上記の水溶液は、蟻酸、過酸化水素、硫酸および過蟻酸の混合水溶液であり、この混合水溶液に含まれる各成分の初濃度(過蟻酸が生成しないときの濃度)は、蟻酸(9.9M)、過酸化水素(4.7M)、硫酸(0.77M)であり、上記の蟻酸の約20%が過蟻酸に変換されているものと推定される。
A high performance liquid chromatograph (manufactured by Shimadzu Corporation, LC-10) was used for identification of organic substances generated in water. Develosil RPAQEUS-AR-5 (manufactured by Nomura Chemical) was used for the column, 50 mM phosphate buffer (pH 2.4) was used for the mobile phase, and the oven temperature was 40 ° C. As a standard sample of formic acid, an aqueous solution in which Wako Pure Chemical (88%) was diluted 1000 times was used. Since performic acid is not commercially available, R.I. Gehr, D.H. Chen,
and M.M. A formic acid aqueous solution prepared by the method described in Moreau, Water Science and Technology, 59 (1), 89-96, (2009) was used as a standard sample. The above aqueous solution containing formic acid is a mixed aqueous solution of formic acid, hydrogen peroxide, sulfuric acid and formic acid. The initial concentration of each component contained in this mixed aqueous solution (concentration when no formic acid is generated) is formic acid ( 9.9M), hydrogen peroxide (4.7M), and sulfuric acid (0.77M), and it is estimated that about 20% of the formic acid is converted to performic acid.

上記の標準試料についての測定結果(保持時間(リテンションタイム)およびUVスペクトル)を図21および図22に示す。これらの標準試料の結果に基づいて、水中放電プラズマによって生成された有機物を同定した。   The measurement results (retention time (retention time) and UV spectrum) of the above standard sample are shown in FIGS. Based on the results of these standard samples, organic substances generated by the underwater discharge plasma were identified.

放電時間が5分の試料および放電時間が20分の試料についての測定結果を図23および図24に示す。   The measurement results for the sample with a discharge time of 5 minutes and the sample with a discharge time of 20 minutes are shown in FIGS.

図23と図24から明らかなように、水中放電プラズマによって過蟻酸(PFA)が生成されており、かつ、放電時間とともに、過蟻酸の生成量が増大している。また、過蟻酸よりもリテンションタイムが短く、191nmに強いUV吸収を示す有機物が生成されており、この有機物の生成量も放電時間とともに、増大している。   As apparent from FIGS. 23 and 24, formic acid (PFA) is generated by the underwater discharge plasma, and the amount of formic acid generated increases with the discharge time. Further, an organic substance having a shorter retention time than performic acid and showing strong UV absorption at 191 nm is generated, and the amount of the organic substance generated increases with the discharge time.

191nmに吸収を有する有機物を同定するために、マトリックス支援レーザー脱離イオン化タイムオブフライト質量分析法で、質量を求めた。質量分析には、島津製作所製のMALDI TOF−MSを用い、ネガティブおよびポジティブの両モードで測定を行った。マトリックス物質としては、DHBA(2,5−Dihydroxybenzoic acid)を用いた。試料としては、上記で標準試料として用いた過蟻酸を含む水溶液および放電時間が20分間の試料を用いた。測定結果を図25および図26に示す。   In order to identify organic substances having absorption at 191 nm, the mass was determined by matrix-assisted laser desorption / ionization time-of-flight mass spectrometry. For mass spectrometry, MALDI TOF-MS manufactured by Shimadzu Corporation was used, and measurement was performed in both negative and positive modes. As the matrix material, DHBA (2,5-Dihydroxybenzoic acid) was used. As the sample, an aqueous solution containing performic acid used as the standard sample above and a sample having a discharge time of 20 minutes were used. The measurement results are shown in FIG. 25 and FIG.

図25は、過蟻酸を含む標準水溶液についての結果であり、図25(a)はポジティブモードによる測定結果であり、図25(b)はネガティブモードによる測定結果である。図26は、放電時間が20分間の試料についての結果であり、図26(a)はポジティブモードによる測定結果であり、図26(b)はネガティブモードによる測定結果である。   FIG. 25 shows the results for a standard aqueous solution containing performic acid. FIG. 25 (a) shows the measurement results in the positive mode, and FIG. 25 (b) shows the measurement results in the negative mode. FIG. 26 shows the results for a sample with a discharge time of 20 minutes, FIG. 26 (a) shows the measurement results in the positive mode, and FIG. 26 (b) shows the measurement results in the negative mode.

上記の結果、191nmに吸収を有する有機物は、ジホルミルペルオキサイドであると考えられる。ジホルミルペルオキサイド(HOC−O−O−COH)の分子量はM=90である。m/z=89.4が分子量M=90のイオンに帰属されるのか、プロトンを1つ失った量M=89のイオンに帰属されるのかは明らかでない。また、m/z=60.5は質量61のイオンに帰属し、m/z=60.5がHOCOO-に、m/z=59.5がOCOO-に、またm/z=61.5が親分子イオンに対応すると考えられる。 As a result, the organic substance having absorption at 191 nm is considered to be diformyl peroxide. The molecular weight of diformyl peroxide (HOC-O-O-COH) is M = 90. It is not clear whether m / z = 89.4 is attributed to an ion with a molecular weight of M = 90 or an ion with an amount of M = 89 having lost one proton. M / z = 60.5 belongs to an ion having a mass of 61, m / z = 60.5 is HOCOO , m / z = 59.5 is OCOO , and m / z = 61.5 Corresponds to the parent molecular ion.

ジホルミルペルオキサイドが生成される反応は
2HOC−O−OH(過蟻酸)→ HOC−O−O−COH + H2O +1/2O2
であると考えられる。
The reaction for forming diformyl peroxide is 2HOC-O-OH (formic acid) → HOC-O-O-COH + H 2 O + 1 / 2O 2
It is thought that.

次に、過蟻酸の生成量を見積もった。図27は、放電時間が1分の試料のUVスペクトルと放電時間が20分の試料のUVスペクトルとの差スペクトルを示す。   Next, the amount of formic acid produced was estimated. FIG. 27 shows the difference spectrum between the UV spectrum of the sample with a discharge time of 1 minute and the UV spectrum of the sample with a discharge time of 20 minutes.

図27の差スペクトルは、過蟻酸のUVスペクトルとほとんど一致している。したがって、この差スペクトルが、19分間に生成された過蟻酸に帰属されるとして、過蟻酸の生成量を見積もった。   The difference spectrum shown in FIG. 27 almost coincides with the UV spectrum of formic acid. Therefore, the amount of formic acid produced was estimated assuming that this difference spectrum is attributed to the formic acid produced in 19 minutes.

図27の差スペクトルにおける吸収極大における吸光度は0.025であり、過蟻酸のモル吸光係数を50とすると、500mL中の過蟻酸の濃度は0.5mMとなり、19分間に生成した過蟻酸の絶対量は0.25mmolであると見積もれる。1分間の生成量に換算すると、0.013mmolとなる。供給電力は約20Wであるので、1分間で1.2kJということになる。そうすると、エネルギー効率は0.011mmol/kJとなる。   The absorbance at the absorption maximum in the difference spectrum of FIG. 27 is 0.025, and assuming that the molar extinction coefficient of formic acid is 50, the concentration of formic acid in 500 mL is 0.5 mM. The amount can be estimated to be 0.25 mmol. When converted into the amount produced per minute, it becomes 0.013 mmol. Since the supplied power is about 20 W, it is 1.2 kJ per minute. As a result, the energy efficiency is 0.011 mmol / kJ.

図28および図29を参照して、過蟻酸の生成量と二酸化炭素ガスの流量および電極の貫通孔の開口率との関係を説明する。実験には先と同様に、図4に示した液中放電プラズマ装置1000を用いた。   With reference to FIG. 28 and FIG. 29, the relationship between the production amount of formic acid, the flow rate of carbon dioxide gas, and the aperture ratio of the through holes of the electrodes will be described. In the experiment, the submerged discharge plasma apparatus 1000 shown in FIG. 4 was used as before.

図28に示す、過蟻酸の生成量と二酸化炭素ガスの流量との関係を示すグラフから、二酸化炭素ガスの流量が少なくとも0.5L/minから0.75L/minの間では、二酸化炭素ガスの流量を多くすれば過蟻酸の生成量が増えるが、少なくとも1L/min以上に流量を増やすと、逆に過蟻酸の生成量が減ることがわかる。すなわち、二酸化炭素ガスの流量は、電極の貫通孔の開口率に応じて、好適な範囲があることがわかる。この場合、開口率とは、気相面と液相面とを実効的に連結する貫通孔の合計断面積の、放電面積に対する比率をいう。すなわち、気体の脱出孔となっている貫通孔は開口には含まれない。   From the graph showing the relationship between the amount of formic acid produced and the flow rate of carbon dioxide gas shown in FIG. 28, when the flow rate of carbon dioxide gas is at least between 0.5 L / min and 0.75 L / min, It can be seen that if the flow rate is increased, the amount of formic acid produced increases, but if the flow rate is increased to at least 1 L / min or higher, the amount of formic acid produced decreases. That is, it can be seen that the flow rate of carbon dioxide gas has a suitable range according to the aperture ratio of the through holes of the electrodes. In this case, the aperture ratio refers to the ratio of the total cross-sectional area of the through holes that effectively connect the gas phase surface and the liquid phase surface to the discharge area. That is, the through hole which is a gas escape hole is not included in the opening.

図29に示す、過蟻酸の生成量と電極の貫通孔の開口率との関係を示すグラフから、図4に示した液中放電プラズマ装置1000が備える第2電極200における貫通孔202の開口率0.35よりも開口率が小さくなると、過蟻酸の生成量が開口率にほぼ比例して少なくなることが分かる。したがって、過蟻酸の生成量の観点からは、開口率は高い方が好ましいと言える。   From the graph showing the relationship between the amount of formic acid produced and the aperture ratio of the electrode through-hole shown in FIG. 29, the aperture ratio of the through-hole 202 in the second electrode 200 included in the submerged discharge plasma apparatus 1000 shown in FIG. It can be seen that when the aperture ratio is smaller than 0.35, the amount of formic acid produced decreases substantially in proportion to the aperture ratio. Therefore, it can be said that a higher opening ratio is preferable from the viewpoint of the amount of produced formic acid.

上述したように、二酸化炭素および水だけから、水中放電プラズマによって、有機物を合成することができた。この合成プロセスを用いると、地球温暖化の原因と言われている二酸化炭素を固定化できる。また、純粋な過蟻酸を合成する方法は見つかっておらず、過蟻酸を合成する有力な方法となり得る。過蟻酸は、強い酸化力を有するので、タンパク質のジスルフィド結合切断に用いられている。また、有機合成においてエポキシ化、ヒドロキシル化などの酸化反応にも用いられている。また、医療・食品産業においては殺菌力が利用される。   As described above, organic substances could be synthesized from only carbon dioxide and water by underwater discharge plasma. Using this synthesis process, carbon dioxide, which is said to cause global warming, can be immobilized. Further, no method for synthesizing pure formic acid has been found, and it can be an effective method for synthesizing formic acid. Because formic acid has a strong oxidizing power, it is used for cleaving disulfide bonds in proteins. It is also used in oxidation reactions such as epoxidation and hydroxylation in organic synthesis. In the medical and food industries, bactericidal power is used.

本発明の実施形態における液中プラズマ装置は、非平衡プラズマによって形成された反応生成物を化学反応に供して、新たに物質を合成、変性、または分解することに使用され得る。液中プラズマ装置によれば、生成されるプラズマが、プラズマによって処理されるべき物質に隣接している点に特徴を有している。本発明の実施形態による液中プラズマ装置は、具体的には、浄排水場、飲料水、食品工場、半導体工場、液晶工場、養魚水槽、および水族館などにおける殺菌処理に利用され得る。また、汚染水処理における有機物の分解、工場廃液の処理、溶液中での材料合成にも利用され得る。   The submerged plasma apparatus in the embodiment of the present invention can be used to subject a reaction product formed by non-equilibrium plasma to a chemical reaction to newly synthesize, modify, or decompose a substance. The submerged plasma device is characterized in that the generated plasma is adjacent to the material to be processed by the plasma. Specifically, the in-liquid plasma apparatus according to the embodiment of the present invention can be used for sterilization treatment in water purification plants, drinking water, food factories, semiconductor factories, liquid crystal factories, fish tanks, aquariums, and the like. It can also be used for the decomposition of organic substances in contaminated water treatment, the treatment of factory waste liquids, and the synthesis of materials in solution.

なお、本発明の実施形態による液中プラズマ装置が備える電極構造は、気体中プラズマ処理に使用することも可能である。プラズマ領域と反応領域を分離したリモートプラズマCVD、リモートプラズマ表面処理などが挙げられる。また、このような電極構造は、大気中の汚染物質を分解する空気清浄機としても用いることも可能である。   In addition, the electrode structure with which the in-liquid plasma apparatus by embodiment of this invention is provided can also be used for plasma processing in gas. Examples include remote plasma CVD in which a plasma region and a reaction region are separated, and remote plasma surface treatment. Such an electrode structure can also be used as an air purifier that decomposes pollutants in the atmosphere.

本発明の実施形態による液中プラズマ装置によれば、その動作に必要な電源容量を低減し、小型軽量化を実現することができる。これにより、局所場における処理に対応しやすくなる。また、処理量、環境に応じた処理システムの構築が容易になる。民生用機器として、液中プラズマ技術を活用することが可能になる。   According to the in-liquid plasma apparatus according to the embodiment of the present invention, the power capacity required for the operation can be reduced, and a reduction in size and weight can be realized. Thereby, it becomes easy to cope with processing in a local field. In addition, it is easy to construct a processing system according to the processing amount and environment. As a consumer device, it will be possible to use in-liquid plasma technology.

100 第1電極
112 固体誘電体層
114 内部空間
116 放電室
118 管
120 気体導入装置
200 第2電極
200a 液相面
200b 気相面
202 貫通孔
204 接触面
300 液体槽
302 液体
304 液面
400 電気回路
402 第1電気導体
404 第2電気導体
1000 液中プラズマ装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 1st electrode 112 Solid dielectric layer 114 Internal space 116 Discharge chamber 118 Tube 120 Gas introduction apparatus 200 2nd electrode 200a Liquid phase surface 200b Gas phase surface 202 Through-hole 204 Contact surface 300 Liquid tank 302 Liquid 304 Liquid surface 400 Electric circuit 402 First electric conductor 404 Second electric conductor 1000 Submerged plasma apparatus

Claims (3)

水を含まず二酸化炭素ガスを含む気体の放電によって、水に接するプラズマを形成すること、および
前記プラズマと前記水との接触によって前記水の中に、過蟻酸またはジホルミルペルオキサイドを含む有機物を生成すること、
を含む、液中プラズマ装置を用いる有機物合成方法であって、
前記液中プラズマ装置は、
第1電極と、
前記第1電極に接する固体誘電体層と、
前記第1電極および前記固体誘電体層を受け入れる内部空間を有する放電室と、
前記固体誘電体層を介して前記第1電極に対向し、前記放電室の前記内部空間を水から分離するように配置された、金属で形成された第2電極であって、前記内部空間の側に位置する気相面と、前記水の側に位置する液相面とを有し、前記気相面と前記液相面とを連結する複数の貫通孔を有する第2電極とを備え、
前記二酸化炭素ガスを含む気体と前記水との界面を前記第2電極における各貫通孔内に形成した状態で、
前記二酸化炭素ガスを含む気体の放電により、前記水の中に前記有機物を生成する、有機物合成方法。
Forming a plasma in contact with water by discharge of a gas containing carbon dioxide gas without containing water, and an organic substance containing formic acid or diformyl peroxide in the water by contact between the plasma and the water Generating,
An organic compound synthesis method using a submerged plasma apparatus,
The submerged plasma device is:
A first electrode;
A solid dielectric layer in contact with the first electrode;
A discharge chamber having an internal space for receiving the first electrode and the solid dielectric layer;
A second electrode made of metal, facing the first electrode through the solid dielectric layer and arranged to separate the internal space of the discharge chamber from water, A gas phase surface located on the side, a liquid phase surface located on the water side, and a second electrode having a plurality of through holes connecting the gas phase surface and the liquid phase surface,
With the interface between the gas containing carbon dioxide gas and the water formed in each through hole in the second electrode,
A method for synthesizing an organic substance, wherein the organic substance is generated in the water by discharging a gas containing the carbon dioxide gas .
前記放電は、誘電体バリア放電である、請求項1に記載の有機物合成方法。   The organic material synthesis method according to claim 1, wherein the discharge is a dielectric barrier discharge. 前記有機物は、過蟻酸を含む、請求項1または2に記載の有機物合成方法。   The organic matter synthesis method according to claim 1, wherein the organic matter includes performic acid.
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