JP6008359B2

JP6008359B2 - 液中プラズマ発生装置、被処理液浄化装置及びイオン含有液体生成装置

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Publication number: JP6008359B2
Application number: JP2012081750A
Authority: JP
Inventors: 立白藤; 高井　治; 治高井; 永宏齋藤; 芳実西村; 博志堀部; 雅彦杉原; 真一柿谷; 学荒木
Original assignee: Nagoya University NUC; Osaka City University; Tokai National Higher Education and Research System NUC; Kurita Seisakusho Corp
Current assignee: Nagoya University NUC; Osaka City University; Tokai National Higher Education and Research System NUC; Kurita Seisakusho Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013211204A

Description

本発明は、液中においてプラズマを発生させる液中プラズマ発生方法及び装置に関し、更に詳細には、液中のガスを電離させることにより液中プラズマを発生させる液中プラズマ発生方法及び装置、並びにこの液中プラズマを利用する被処理液浄化装置及びイオン含有液体生成装置に関する。

液体中において、液体由来ガス及び／又は添加された作動ガスを放電電離することにより、これらのガスをプラズマ化して液中プラズマを発生させることができる。この液中プラズマを利用することにより、従来の液体化学反応を更に高速化することができ、また気相のみ或いは液相のみの反応によっては得られない反応が得られる可能性も有する。この液中プラズマの具体的な応用例として、金属ナノ粒子の高速合成、ナノ物質の親水化又は疎水化などの表面修飾、被処理水の減菌や不純物分解などの浄化、固体表面洗浄並びに浄化、及び生体患部の治療などの、様々な用途展開に期待されている。

液中プラズマを生成する手段としては、例えば、特開２０１２−１１３０１号公報において、以下の液中プラズマ発生装置が開示されている。図１３は、従来の液中プラズマ発生装置１０１の概略断面図である。又、図１４は、図１３における従来の液中プラズマ発生装置１０１の要部拡大図である。この液中プラズマ発生装置１０１は、誘電体１２４により遮蔽された電極板１２２と、孔あき電極板１２６からなる電極対を有し、被処理水が通過可能なギャップ１６４を有する多孔質絶縁体１６０が、電極板１２２と孔あき電極板１２６との間に配置される。この多孔質絶縁体１６０は、電極板１２２の誘電体１２４に面し、この誘電体１２４との間に被処理水が通過可能な隙間を形成するように配置される。被処理水は送液管１５０から孔あき電極板１２６に供給され、孔あき電極板１２６の孔部を通じて多孔質絶縁体１６０内に供給される。被処理水は、多孔質絶縁体１６０のギャップ１６４内においてジュール熱により気化して気泡Ｇを生じさせる。これらの気泡Ｇを有する前記被処理水は、多孔質絶縁体１６０と誘電体１２４との間の隙間に流れ込む。この隙間は、誘電体バリア放電領域であり、この領域において、バリア放電が発生して、前記気泡内において水中（液中）プラズマが生成される。この水中プラズマにより、前記被処理水が処理される。

特開２０１２−１１３０１号公報

この液中プラズマ発生装置は、被処理水の浄化などにおいて成功を収めているが、改善されるべき点を有している。特許文献１の液中プラズマにおいては、多孔質絶縁体１６０と誘電体１２４との間の誘電体バリア放電領域においてプラズマが生成されるが、この領域はほぼ２次元状の狭窄な領域であり、面に近い空間において、プラズマが生成されていた。従って、狭い領域において液中プラスマを生成することを余儀なくされ、非効率であった。従って、プラズマ生成領域を３次元状にすることにより、液中プラズマの生成速度及び生成効率を高められる余地があった。

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、本発明の第１の形態は、無数の連通孔を有する多孔質誘電体を配置し、導入部から前記多孔質誘電体の前記連通孔へ少なくとも液体を供給し、前記多孔質誘電体に電圧を印加して前記連通孔の内部に発熱及び放電を発生させ、前記発熱により前記連通孔内で前記液体を気化して液体由来ガスを生成し、前記放電により前記連通孔内で前記液体由来ガスをプラズマ化して液体由来プラズマを生成する液中プラズマ発生方法である。

本発明の第２の形態は、無数の連通孔を有する多孔質誘電体を配置し、導入部から前記多孔質誘電体の前記連通孔へ少なくとも液体と作動ガスの混合液体を供給し、前記多孔質誘電体に電圧を印加して前記連通孔の内部に放電を発生させ、前記放電により前記連通孔内で少なくとも前記作動ガスをプラズマ化して作動ガス由来プラズマを生成する液中プラズマ発生方法である。

本発明の第３の形態は、前記多孔質誘電体が誘電体チューブの内部に配置され、前記誘電体チューブの外面に外部電極が配設され、前記外部電極を介して前記多孔質誘電体に電圧を印加する液中プラズマ発生方法である。

本発明の第４の形態は、前記多孔質誘電体が導体チューブの内部に配置され、前記導体チューブが外部電極として使用され、前記外部電極を介して前記多孔質誘電体に電圧を印加する液中プラズマ発生方法である。

本発明の第５の形態は、前記外部電極にコンデンサを接続し、前記コンデンサを介して前記多孔質誘電体に電圧を印加する液中プラズマ発生方法である。

本発明の第６の形態は、液体が供給される無数の連通孔を有する多孔質誘電体と、前記多孔質誘電体を密封状に収納して前記液体の漏洩を防止する収納壁と、前記多孔質誘電体に配置されて前記連通孔の内部に放電を発生させる為の２つ以上の電極と、前記電極に電圧を印加する電源と、外部から前記連通孔へ前記液体を供給する導入部と、前記連通孔から前記液体を外部へ排出する導出部から少なくとも構成される液中プラズマ発生装置である。

本発明の第７の形態は、前記収納壁を誘電体チューブとして、前記電極の少なくとも１つを前記誘電体チューブの外面に配設される外部電極とする液中プラズマ発生装置である。

本発明の第８の形態は、前記収納壁が導体チューブであり、前記導体チューブを前記電極の少なくとも１つである外部電極として使用する液中プラズマ発生装置である。

本発明の第９の形態は、前記外部電極にコンデンサを接続して充放電させる液中プラズマ発生装置である。

本発明の第１０の形態は、第６〜９のいずれかの形態の液中プラズマ発生装置と、不純物を含有する被処理液を前記導入部に供給する被処理液供給手段とから構成され、前記液中プラズマ発生装置により発生されたプラズマが前記連通孔の内部で前記不純物の分解、酸化還元、殺菌及び脱色のうち１つ以上の作用を行い、前記不純物を改質及び／又は除去する被処理液浄化装置である。

本発明の第１１の形態は、前記被処理液を飲用水、飲料水原水、下水、汚水、廃液又はメッキ廃液とする被処理液浄化装置である。

本発明の第１２の形態は、第６〜９のいずれかの形態の液中プラズマ発生装置と、前記導出部に連結されたイオン分離手段から構成され、前記イオン分離手段は、前記導出部から排出された前記液体を流通させるイオン分離流路と、このイオン分離流路の両側面に配設された少なくとも１対の電極対と、この電極対に直流電圧を印加する直流電源から構成され、前記電極対の負極により陽イオン含有液体を回収し、また前記電極対の正極により陰イオン含有液体を回収するイオン含有液体生成装置である。

本発明の第１の形態によれば、無数の連通孔を有する多孔質誘電体を配置し、導入部から前記多孔質誘電体の前記連通孔へ少なくとも液体を供給し、前記多孔質誘電体に電圧を印加して前記連通孔の内部に発熱及び放電を発生させ、前記発熱により前記連通孔内で前記液体を気化して液体由来ガスを生成し、前記放電により前記連通孔内で前記液体由来ガスをプラズマ化して液体由来プラズマを生成するので、前記連通孔により形成される３次元の空間及び前記多孔質誘電体の静電容量を利用して液中プラズマを生成することができ、従来技術と比較して液中プラズマを大量且つ高効率に生成することができる。従来技術においては、点（１次元）に近い範囲、或いは特許文献１に記載された通り、面（２次元）に近い空間において、プラズマが生成されていた。従って、狭い領域において液中プラスマを生成することを余儀なくされ、非効率であった。本形態の発明において、連通孔内において液体とプラズマの相互作用面積及び液体並びに多孔質誘電体の相互作用面積を増大させることにより、液中プラズマの生成速度等の生成能力を桁違いに向上させることができる。

電圧を印加する時点において、液体による一部短絡が生じるが、充分な電圧を印加することにより、連通孔内において、プラズマ化（放電による電離）に充分な電界を形成できる。又、この短絡により、液体内においてジュール発熱を発生させ、この発熱により液体を気化させて液体由来ガスを生成するこができ、このガスをプラズマ化して、液中プラズマである液体由来プラズマを生成することができる。

多孔質誘電体は、無数の連通孔を有するので、液体などの流体の通過性を有する。電圧印加時に、多孔質誘電体の静電容量により電気エネルギーが貯蔵される。この電気エネルギーにより、前記連通孔内に電界が形成される。前記連通孔内における液体は、ジュール加熱（発熱）により一部気化して、この液体由来ガスが前記連通孔に充填されるが、この電界により放電が起こり、前記液体由来ガスが電離して、液中プラズマとして液体由来プラズマが生成される。従って、多孔質誘電体の材質は、静電容量が高い材質であることが好ましい。しかし、材質としては機械的耐久性及び液体への耐性が優先する。多孔質誘電体としては、例えばガラス粉末を焼結させたガラスフィルター、セラミックス粉末を焼結させたセラミックス、無数のガラスビーズ、及び／又はセラミックビーズなどが使用できる。
液体としては、水が利用でき、また有機溶媒も利用できる。有機溶媒としては、アルカン類等の不飽和炭化水素、アルケン類や芳香族炭化水素等の飽和炭化水素、アルコール類、アミン類、脂肪酸、ケトン類、アルデヒド類が使用できる。但し、使用する液体は、過剰な短絡を防止するため、導電性が低いことが好ましい。
電圧電源としては、パルス交流電源が好ましいが、正弦波交流電源も使用できる。また、多孔質誘電体をに電圧を印加するための電極としては、形成される電界が前記多孔質誘電体のほぼ全体を包有する形状を有することが好ましく、例えば、前記多孔質誘電体の中心軸をほぼ貫通する内部電極と、前記多孔質誘電体の全体を取り囲む外部電極の組合せが使用できる。

生成された液体由来プラズマは、充分な寿命があれば、前記多孔質誘電体から液体と一緒に排出され、殺菌などの用途に使用できる。液体由来プラズマの寿命は短い場合は、プラズマ化（電離）により生成された陽イオン及び陰イオンが、前記多孔質誘電体から液体と一緒に排出され、殺菌やイオン含有液体の分離などに使用できる。液体が不純物などを含む被処理液である場合は、前記液体由来プラズマ、前記陽イオン及び前記陰イオンが前記不純物を分解、殺菌及び／又は脱色して、前記不純物を改質及び／又は除去する。大量の不純物が処理される場合は、前記液体由来プラズマ、前記陽イオン及び前記陰イオンが全て消費され、前記多孔質誘電体から処理後の液体である処理液のみが排出される。

本発明の第２の形態によれば無数の連通孔を有する多孔質誘電体を配置し、導入部から前記多孔質誘電体の前記連通孔へ少なくとも液体と作動ガスの混合液体を供給し、前記多孔質誘電体に電圧を印加して前記連通孔の内部に放電を発生させ、前記放電により前記連通孔内で少なくとも前記作動ガスをプラズマ化して作動ガス由来プラズマを生成するので、第１の形態と同様に、前記連通孔により形成される３次元の空間及び前記多孔質誘電体の静電容量を利用して液中プラズマを生成することができ、従来技術と比較して液中プラズマを大量且つ高効率に生成することができる。又、液体と作動ガスの混合液体を予め形成し、前記作動ガスをプラズマ化するので、ジュール加熱による液体の気化を省くことができ、より低温において液中プラズマを生成することができる。
尚、第１の形態と違い、本形態においては、液中プラズマとして、少なくとも作動ガス由来プラズマが生成されるが、液体が蒸気圧を有する場合は、液体由来プラズマも生成される。又、電離され易い液体と電離され難い作動ガスを混合することにより、液体由来プラズマをより優先的に生成することも可能である。
作動ガスとしては、ヘリウム、窒素ガス、アルゴン、二酸化炭素などのガス類が使用できる。本形態においては、水素ガス、酸素ガスや二酸化炭素などの化学活性を有するガスも使用することができ、この場合には、化学活性が非常に高い作動ガス由来プラズマが得られる。又、これらのガスの混合物を使用しても良い。

本発明の第３の形態によれば、前記多孔質誘電体が誘電体チューブの内部に配置され、前記誘電体チューブの外面に外部電極が配設され、前記外部電極を介して前記多孔質誘電体に電圧を印加するので、前記誘電体チューブの静電容量を利用して、より大量の液中プラズマを、より高効率に生成することができる。
本形態の誘電体チューブは、静電容量が高いことが好ましいが、機械的耐久性、耐熱性及び化学的耐性も考慮する必要がある。材質としては、プラスチック、ガラスなどのシリカ、セラミックス等が使用できる。又、誘電体チューブの一部又は全部が、チタン酸バリウム等の高比誘電率を有する誘電体から形成されても良い。
又、高い静電容量を得るためには、この誘電体チューブが薄いほど好ましい。勿論、誘電体チューブの機械的強度を考慮する必要があるが、充分な機械的強度を得る為に、この誘電体チューブの外周に強度が高い導体チューブを配置してもよい。この場合には、導体チューブを外部電極として使用できる。

本発明の第４の形態によれば、前記多孔質誘電体が導体チューブの内部に配置され、前記導体チューブが外部電極として使用され、前記外部電極を介して前記多孔質誘電体に電圧を印加するので、導電チューブが電極及び収納壁となる単純な構造を用いて、液中プラズマを得ることができる。この導電チューブは、前記多孔質誘電体を完全に包有することが好ましく、この場合は、前記多孔質誘電体の全体に電界を形成することができる。導電チューブの材質としては、金属等の導電性物質であればどの様なものでも使用できるが、充分な機械的耐性、耐熱性及び化学的耐性を有することが勿論必至である。最も好ましいのはステンレス等の鉄合金であるが、銅やアルミニウムなども利用できる。

本発明の第５の形態によれば、前記外部電極にコンデンサを接続し、前記コンデンサを介して前記多孔質誘電体に電圧を印加するので、高い静電容量を有するコンデンサに電気エネルギーを貯蔵し、この電気エネルギーにより液中プラズマをより大量且つ高効率に生成することができる。本形態は、特に第４の形態に応用することにより、より高い効果が得られる。即ち、誘電体チューブを使用しない場合に、充分な静電容量を確保することができる。しかし、本形態を第３の形態に応用しても良い。即ち、誘電体チューブとコンデンサを併用しても良く、この場合には誘電体チューブとコンデンサの両方の静電容量を利用することができる。コンデンサの種類は問わないが、液中プラズマの発生量に応じた静電容量を有する必要がある。又、コンデンサの交流特性及びパルス電流特性は、多孔性誘電体と収納壁の合体物の交流特性及びパルス電流特性と、できるだけ整合させることが好ましい。

本発明の第６の形態によれば、本形態のプラズマ発生装置が、液体が供給される無数の連通孔を有する多孔質誘電体と、前記多孔質誘電体を密封状に収納して前記液体の漏洩を防止する収納壁と、前記多孔質誘電体に配置されて前記連通孔の内部に放電を発生させる為の２つ以上の電極と、前記電極に電圧を印加する電源とを有するので、本形態のプラズマ製造装置に前記液体を供給し、前記連通孔の内部においてジュール加熱を行うことにより液体を気化して液体由来ガスを生成し、前記連通孔の内部において放電を行うことにより、この液体由来ガスを電離して、液中プラズマとして液体由来プラズマを生成することができる。或いは、前記液体と同時に作動ガスを供給することにより、液中プラズマとして作動ガス由来プラズマを生成することができる。何れの場合においても、第１の形態について説明した通り、前記連通孔により形成される３次元の空間及び前記多孔質誘電体の静電容量を利用して液中プラズマを生成することができ、従来技術と比較して液中プラズマを大量且つ高効率に生成できる液中プラズマ発生装置が得られる。

第１の形態について説明した通り、多孔質誘電体は無数の連通孔を有するので、液体などの流体への通過性を有する。多孔質誘電体としては、例えばガラス粉末を焼結させたガラスフィルター、セラミックス粉末を焼結させたセラミックス、無数のガラスビーズ、及び／又はセラミックビーズなどが使用でき、必要な静電容量、機械的耐久性、化学的耐性などを考慮して決定される。
収納壁は、前記多孔質誘電体を密閉して、液体の漏洩を防止させる。なお、この収納壁に、導入部側の導入方蓋部や導出部側の導出方蓋部などの、補助的な密閉手段が配置されても良い。この収納壁の材質としては、第７の形態について説明する通り、誘電体を使用することができる。又、第８の形態について説明する通り、導体を使用することもできる。又、この収納壁内においては、前記多孔質誘電体が、前記収納壁の内部と密接するように、隙間無しに配置されることが好ましい。この場合には、液中プラズマは、多孔質誘電体と収納壁の間の空間ではなく、多孔質誘電体の内部において確実に生成され、本発明における３次元領域を利用する液中プラズマ発生を確実に行うことができる。収納壁が誘電体から形成され、更に外部電極がこの収納壁の外面の一部のみに形成される場合においては、この外部電極に面する収納壁の内表面のみに多孔質誘電体が密接していれば、３次元領域を利用する液中プラズマ発生を充分に行うことができる。
電極の形状は、特に問わないが、前記多孔質誘電体の全体を包有する電界を形成できるように配置されることが好ましい。例えば、前記多孔質誘電体の中心軸をほぼ貫通する内部電極と、前記多孔質誘電体の全体を取り囲む外部電極の組合せが使用できる。又、多孔質誘電体の全体を取り囲む２つ以上の外部電極の組合せを使用しても良い。尚、電極が多孔質誘電体に直接に面する場合は、この多孔質誘電体の表面がこの電極の表面と密接するように、隙間無しに配置されることが望ましい。この場合には、液中プラズマは、多孔質誘電体と電極の間の空間ではなく、多孔質誘電体の内部において確実に生成され、本発明における３次元領域を利用する液中プラズマ発生を確実に行うことができる。
導入部は液体の導入管であり、材質は特に問わないが、この導入部の材質が導電性物質である場合は、この導入部を電極として使用することができる。この場合には、導入部が前記多孔質誘電体に埋め込まれ、この埋め込まれた部分に多数の導入孔が穿孔されていることが好ましい。又、この導入部に作動ガスの供給手段が配設されても良いし、または作動ガス供給手段がこの導入部の上流側に配設されても良い。作動ガス供給手段が配設される場合には、第２の形態における生成方法を実施して、作動ガス由来プラズマを生成することができる。更に、この導入部に、不純物を含有する被処理液を供給する被処理液供給手段を接続してもよい。この場合は、前記被処理液供給手段と本形態のプラズマ発生装置により、被処理液浄化装置が形成される。
液体としては、第１の形態に関する説明において記載された通り、水や有機溶媒などが使用できる。この液体がガス成分を含まない場合は、前記多孔質誘電体の連通孔内部で、加熱等による液体の気化を行い、この気化ガス（液体由来ガス）をプラズマ化することにより液中プラズマ（液体由来プラズマ）が得られる。又、作動ガスを予め液体に混合した混合液体を使用する場合は、加熱等による気化は必要無く、作動ガスがプラズマ化されて、液中プラズマ（作動ガス由来プラズマ）が得られる。尚、同プラズマ発生装置内で、加熱気化を経る液中プラズマ発生と、作動ガスをプラズマ化する液中プラズマ発生を、時間を置いて別々に行っても良いし、又は同時に行ってもよい。

本発明の第７の形態によれば、前記収納壁を誘電体チューブとして、前記電極の少なくとも１つを前記誘電体チューブの外面に配設される外部電極とするので、第３の形態について説明した通り、前記誘電体チューブの静電容量を利用して、より大量の液中プラズマを、より高効率に生成する液中プラズマ発生装置を得ることができる。
第３の形態と同様に、本形態の誘電体チューブは、静電容量が高いことが好ましいが、機械的耐久性、耐熱性及び化学的耐性も考慮する必要がある。材質としては、プラスチック、ガラスなどのシリカ、セラミックス等が使用できる。又、誘電体チューブの一部又は全部が、チタン酸バリウム等の高比誘電率を有する誘電体から形成されても良い。
又、高い静電容量を得るためには、この誘電体チューブが薄いほど好ましい。勿論、誘電体チューブの機械的強度を考慮する必要があるが、充分な機械的強度を得る為に、この誘電体チューブの外周に強度が高い導電チューブを配置してもよい。この場合には、導電チューブを外部電極として使用できる。
更に、外部電極が前記多孔質誘電体を完全に包有することが好ましく、この場合は、前記多孔質誘電体の全体に電界を形成することができる。

本発明の第８の形態によれば、前記収納壁が導体チューブであり、前記導体チューブを前記電極の少なくとも１つである外部電極として使用するので、第４の形態において説明した通り、導電チューブが電極及び収納壁となる単純な構造を有する液中プラズマ発生装置を得ることができる。第４の形態と同様に、この導電チューブは、前記多孔質誘電体を完全に包有することが好ましく、この場合は、前記多孔質誘電体の全体に電界を形成することができる。導電チューブの材質としては、金属等の導電性物質であればどの様なものでも使用できるが、充分な機械的耐性、耐熱性及び化学的耐性を有することが勿論必至である。最も好ましいのはステンレス等の鉄合金であるが、銅やアルミニウムなども利用できる。

本発明の第９の形態によれば、前記外部電極にコンデンサを接続して充放電させるので、第５の形態について説明した通り、高い静電容量を有するコンデンサに電気エネルギーを貯蔵し、この電気エネルギーにより液中プラズマをより大量且つ高効率に生成できる液中プラズマ発生装置を得ることができる。本形態は、特に第７の形態に応用することにより、より高い効果が得られる。即ち、誘電体チューブを使用しない場合に、充分な静電容量を確保することができる。しかし、本形態を第８の形態に応用しても良い。即ち、誘電体チューブとコンデンサを併用しても良く、この場合には誘電体チューブとコンデンサの両方の静電容量を利用することができる。コンデンサの種類は問わないが、液中プラズマの発生量に応じた静電容量を有する必要がある。又、コンデンサの交流特性は、多孔性誘電体と収納壁の合体物の交流特性と、できるだけ適合することが好ましい。

本発明の第１０の形態によれば、前記第６〜９のいずれかの形態の液中プラズマ発生装置と、被分解物を含有する被処理液を供給する被処理液供給手段から構成され、前記液中プラズマ発生装置により発生された液中プラズマを、プラズマ前記被分解物の分解、酸化還元、殺菌及び脱色のうち１つ以上の作用を付与させることができる。従って、屎尿、工場排水、畜産排水などに含有される有害な種々の被分解物を分解・酸化還元・殺菌・脱色して改質及び／又は除去することができ、被処理液を高効率に浄化することができる。

本発明の第１１の形態によれば、前記被処理液が飲用水、飲料水原水、下水、汚水、廃液又はメッキ廃液であるから、分解、酸化還元、殺菌及び脱色のうち１つ以上の作用を有する電離イオン種により、これらの液体に溶解する残留性有機汚染物質（ＰＯＰｓ）や有害な微生物などを分解・酸化還元・殺菌・脱色することができる。例えば、前記下水、廃液又は汚水に含まれる屎尿、液中のＰＯＰｓ、大腸菌等の有害微生物、前記メッキ廃液に含まれる有機金属化合物などの有害物質を簡易に分解・酸化還元・殺菌・脱色して除去及び／又は浄化することができる。

本発明の第１２の形態によれば、前記第６〜第９のいずれかの形態の液中プラズマ発生装置と、前記導出部に連結されたイオン分離手段から構成され、前記イオン分離手段は、前記液体を流通させるイオン分離流路と、この流路の両側面に配設された少なくとも１対の電極対と、この電極対に直流電圧を印加する直流電源から構成されから、陽イオン含有溶液と陰イオン含有溶液を効率的に分離して回収することができる。回収される液体が、本発明に係る液中プラズマ発生装置によりあらかじめ高濃度のＯＨ⁻イオンとＨ^＋とをイオン種として含有する活性イオン種である場合、既存技術のように、乳酸カルシウムや食塩などの電界促進剤を加えることなく、更にイオン分離のためのイオン透過性隔膜を用いることなく、簡便かつ永続的に、安価な直流電界分離手段装置によりアルカリ水と酸性イオン水に高効率に分離することができる。

本発明に係る液中プラズマ発生装置１の概略側断面図（１Ａ）、Ａ領域の拡大図（１Ｂ）及びＢ−Ｂ断面図（１Ｃ）である。図１の導電性導入部１０の斜視図である。作動ガス混入部２８が装備された液中プラズマ発生装置１の概略側断面図である。液体２６が充填された図１の多孔質誘電体２内において、液体由来ガス３６及び液体由来プラズマ３８が生成される過程を示す概略部分側断面図である。混合液体３２が充填された図３の多孔質誘電体２内において、作動ガス由来プラズマ４０が生成される過程を示す概略部分側断面図である。収納壁４として導電チューブ４２を有する液中プラズマ発生装置１の概略側断面図（６Ａ）及びＣ−Ｃ横断面図である。コンデンサ４４が接続された液中プラズマ発生装置１の概略側断面図である。導入部４６から独立された内部電極４８を有する液中プラズマ発生装置１の概略側断面図（８Ａ）及びＤ−Ｄ横断面図（８Ｂ）である。第１外部電極５０と第２外部電極５２を有する液中プラズマ発生装置１の概略側断面図（９Ａ）及びＥ−Ｅ横断面図である。本発明に係るイオン含有液体生成装置のイオン分離手段７０を示す概略構成図である。図１０のイオン分離手段７０を示す上面図である。図１０及び１１のイオン分離手段７０のＦ−Ｆ横断面図である。従来の液中プラズマ発生装置１０１の概略断面図である。図１３における従来の液中プラズマ発生装置１０１の要部拡大図である。

以下において、本発明の実施形態を、添付する図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る液中プラズマ発生装置１の概略側断面図（１Ａ）、Ａ領域の拡大図（１Ｂ）及びＢ−Ｂ断面図（１Ｃ）である。図１における液中プラズマ発生装置１は、多孔質誘電体２と、多孔質誘電体２を収納する収納壁４である誘電体チューブ６と、誘電体チューブ６の外部に配置される外部電極８と、液体２６の導入部である導電性導入部１０と、多孔質誘電体２内を流通した液体２６を排出する導出部１４と、導電性導入部１０と外部電極８に接続されたパルス交流電源２０を有する。尚、図１においては、液体２６は未供給である。

導電性導入部１０は、多孔質誘電体２に、液体２６を、矢印ａの方向へ供給する。この導電性導入部１０は、金属等の導電性物質から製造され、パルス交流電源２２に接続されて、内部電極としても機能する。この導電性導入部１０の先端付近は、多孔質誘電体２に埋め込まれ、この埋め込まれた部分において多数の導入孔１２が穿孔され、液体２６が、これらの導入孔１２を矢印ｂ方向へ通じて、多孔質誘電体２に供給される。
多孔質誘電体２は、ガラスやセラミックスなどの誘電体から形成され、多数の連通孔２４を有し、流体通過性を有する。この多孔質誘電体２は、例えばガラス粉末を焼結させたガラスフィルター、セラミックス粉末を焼結させたセラミックスフィルター、無数のガラスビーズ及び／又はセラミックビーズ等からなる。収納壁４である誘電体チューブ６内において、多孔質誘電体２は、誘電体チューブ６の表面及び導電性導入部の表面と隙間無しの状態で、密接されて配置される。従って、液体２６は、全て連通孔２４を通過して、導入孔１２から導出部１４へ流通する。尚、液体２６の連通孔２４内の流動方向は、後述する電圧による電界の方向と直交する。導電性導入部１２と外部電極８の間に、パルス交流電源２０により電圧が印加された場合に、多孔質誘電体２に電気エネルギーが貯蔵され、この電気エネルギーにより連通孔２４内に電界が発生する。この電界が、液体２４の気化により発生した液体由来ガス３６の電離を誘発して、液体由来プラズマ３８が生成される。

誘電体チューブ６は、多孔質誘電体２を密閉して液体２６の漏洩を防止する。また、誘電体チューブ６は静電容量を有し、電圧印加の時点において、電気エネルギーの一部を貯蔵することにも使用される。又、誘電体チューブ６においては、液体２６の上流側に導入方蓋部１６、並びに液体２６の下流側に導出方蓋部１８が配置され、誘電体チューブ６と共に液体２６の漏洩を防止する。これらの導入方蓋部１６及び導出方蓋部１８は取り外しができ、多孔質誘電体２の誘電体チューブ６への出し入れを容易にする。これらの蓋部の材質としては、絶縁体も導電体も使用できるが、絶縁体が望ましい。
外部電極８は、誘電体チューブ６の円周を取り囲むように形成される。又、導電性導入部１０が多孔質誘電体２のほぼ全長にわたって埋め込まれているので、多孔質誘電体２全体において、液体２６への電界が形成されるように配置されている。
パルス交流電源２０は、内部電極である導電性導入部１０と外部電極８に接続され、これらの電極の間にパルス交流を印加する。また、外部電極８側に、アース２２が接続され、誘電体チューブ６付近が接地される。尚、電源としては、交流電源が望ましいが、パルス電源の他にも、正弦波電源も使用できる。
導出部１４は、液中プラズマ及び／又はプラズマからの生成物である陽イオン及び陰イオンを含有する液体２６を外部へ矢印ｃ方向に排出する。導出部の材質としては、ステンレスなどの導電体や、プラスチックなどの絶縁体が使用できるが、液中プラズマ並びに前記陽イオン及び陰イオンへの化学的耐性を有することが望ましい。

図２は、図１の導電性導入部１０の斜視図である。図１において説明した通り、この導電性導入部１０の先端付近は、多孔質誘電体２に埋め込まれる。図２においては、この埋め込まれた部分において穿孔された導入孔１２が示される。これらの導入孔１２を通じて、後記する多孔質誘電体２に液体が供給される。導入孔１２の形状は任意であるが、円形又は楕円形が望ましい。又、導入孔１２を有する導電性導入部１０の代わりに、網状に形成された導電性導入部などを使用しても良い。

図３は、作動ガス混入部２８が装備された液中プラズマ発生装置１の概略側断面図である。図３における作動ガス混入部２８は、導電性導入部１０に装備された混入管であり、作動ガス３０が矢印ｄの方向に流入して、導電性導入部１０内において、矢印ａの方向に流入された液体２６と混合して、混合液体３２が生成される。この混合液体３２が、矢印ｂの方向へ導入孔１２を通過して、多孔質誘電体２へ供給される。尚、図３においては、液体２６及び作動ガス３０は未供給である。混合液体３２を生成する手段としては、図３における形態の他に、導電性導入部１０よりも上流側に作動ガス３０を混入させる機構が配置されても良い。

図４は、液体２６が充填された図１の多孔質誘電体２内において、液体由来ガス３６及び液体由来プラズマ３８が生成される過程を示す概略部分側断面図である。
（４Ａ）には、矢印ｅの方向に流通する液体２６が連通孔２４を充填するステップが図示されている。この時点においては、導電性導入部１０と外部電極８の間に電圧が印加されておらず、従って液体２６には気泡３４は形成されていない。

（４Ｂ）には、パルス交流電圧が導電性導入部１０と外部電極８の間に印加され、気泡３４が生成されるステップが図示されている。この電圧により、液体２６内にジュール加熱が発生し、液体２６が気化して、液体由来ガス３６を包有する気泡３４が連通孔２４内に多数形成される。

（４Ｃ）には、前記電圧により液体由来ガス３６が電離して、液体由来プラズマ３８が気泡３４内に形成されるステップが図示されている。導電性導入部１０と外部電極８の間に印加されたパルス電圧により、静電容量を有する多孔質誘電体２及び誘電体チューブ６内に電気双極子モーメントが発生し、このモーメントにより連通孔２４内に電界が発生する。この電界が一定以上に強くなると、液体由来ガス３６が電離して、液体由来プラズマ３８となる。尚、本発明者の研究によれば、液体として水を使う場合、水蒸気ガスを電離させるために必要な電界強度は、３．７×１０^５Ｖ／ｍである。特許文献１などの従来技術においては、液中プラズマは、電極間の、ほぼ２次元状の狭窄な領域内でしか発生しなかった。本発明においては、多孔質誘電体２の３次元状の連通孔２４内においてプラズマが発生するので、より大量の液中プラズマが得られる。

（４Ｄ）には、液体由来プラズマ３８を包有する気泡３４が、液体２６と一緒に、矢印ｅの方向へ移動するステップが図示される。液体由来プラズマ３８が充分な寿命を有する場合は、液体由来プラズマ３８が導出部１４へ到達して、液体２６と共に排出される。液体由来プラズマ３８の寿命が短い場合は、液体由来プラズマ３８の電離成分が、陽イオン及び陰イオンとして液体２６に溶解され、導出部１４から液体２６と共に排出される。液体プラズマ発生装置１が被処理液浄化装置の一部であり、液体２６が不純物を含有する被処理水である場合は、この不純物が液体由来プラズマ３８、陽イオン及び陰イオンと反応するので、これらの液中プラズマ及び電離成分が多孔質誘電体２内において全て消費され、導出部１４から排出されない可能性もある。

図５は、混合液体３２が充填された図３の多孔質誘電体２内において、作動ガス由来プラズマ４０が生成される過程を示す概略部分側断面図である。（５Ａ）には、矢印ｅの方向に流通する混合液体３２が連通孔２４を充填するステップが図示されている。前述した通り、混合液体３２は液体２６と作動ガス３０の混合物である。作動ガス３０が既に気泡３４内に包有されているので、ジュール加熱による液体２６の気化が必要無く、従って比較的な低温状態で、液中プラズマを生成することができる。尚、気泡３４は作動ガス３０を包有しているが、液体２６が蒸気圧を有する場合には、液体２６の気化もある程度発生し、従って気泡３４内には液体由来ガス３６も含有される。この場合には、（５Ｂ）に図示される電圧印加により、作動ガス３０と液体由来ガスが両方とも電離してプラズマ化する。

（５Ｂ）には、パルス交流電圧が導電性導入部１０と外部電極８の間に印加され、作動ガス３０が電離して、作動ガス由来プラズマ４０が気泡３４内に形成されるステップが図示されている。図４の（４Ｃ）について説明した通り、多孔質誘電体２及び誘電体チューブ６により、電気双極子モーメントが発生して電気エネルギーが貯蔵され、このモーメントにより連通孔２４内に電界が発生する。この電界により作動ガス３０が電離してプラズマ化することにより、液中プラズマとして作動ガス由来プラズマ４０が生成される。尚、（５Ａ）について説明した通り、気泡３４内に、作動ガス３０と液体由来ガス３６が共存する場合は、作動ガス由来プラズマ４０の他にも、液体由来プラズマ３８が生成される。

（５Ｃ）には、少なくとも作動ガス由来プラズマ４０を包有する気泡３４が、液体２６と一緒に、矢印ｅの方向へ移動するステップが図示される。図４の（４Ｄ）について説明した通り、発生した作動ガス由来プラズマ４０等の液中プラズマ及び／又は電離成分である陽イオン及び陰イオンは、連通孔２４内において不純物等との反応により消費されない限り、液体２６と共に、導出部１４から排出される。

図６は、収納壁４として導電チューブ４２を有する液中プラズマ発生装置１の概略側断面図（６Ａ）及びＣ−Ｃ横断面図である。導電チューブ４２は、金属等の導電性物質から形成される。図６においては、パルス交流電源２２が導電チューブ４２に直接接続されていて、導電チューブ４２が外部電極として機能する。多孔質誘電体２は、導電チューブ４２の内表面及び導電性導入部の外表面に、隙間無しの状態で、密着されて配置される。導電チューブ４２は、多孔質誘電体２全体を取り囲み、導電性導入部１０が多孔質誘電体２のほぼ全長にわたって埋め込まれているので、電界が多孔質誘電体２のほぼ全体に形成される。図１〜５に記載される液中プラズマ発生装置１と比較して、誘電体チューブ６を欠く分だけ、静電容量が減るが、多孔質誘電体２が充分な静電容量を有する場合は、液中プラズマ発生装置として充分に機能する。

図７は、コンデンサ４４が接続された液中プラズマ発生装置１の概略側断面図である。
（７Ａ）においては、図６の導電チューブ４２を有する液中プラズマ発生装置１が図示される。（７Ａ）の装置の横断面は図６の（６Ｂ）と同じである。図６について説明した通り、誘電体チューブ６を欠く場合は、その分だけ静電容量が減るが、コンデンサ４４を接続することにより、パルス電源と装置１全体の負荷との間における整合を取ることができ、効率よく電力伝達させることができる。
（７Ｂ）においては、図１の誘電体チューブ６を有する液中プラズマ発生装置１が図示される。（７Ｂ）の装置の横断面は図１の（１Ｃ）と同じである。この様に、導電体チューブ６とコンデンサ４４を併有させ、これらの整合をとることにより、大量の液中プラズマを発生させることができる。装置１全体の整合を取るためには、（７Ａ）に示される通りに、コンデンサ４４を直列接続させても良いし、（７Ｂ）に示される通りに、コンデンサ４４を並列接続させても良い。

図８は、導入部４６から独立された内部電極４８を有する液中プラズマ発生装置１の概略側断面図（８Ａ）及びＤ−Ｄ横断面図（８Ｂ）である。導入部４６はパルス交流電源２０と接続されておらず、その代わりに、多孔質誘電体２の中心軸をほぼ貫通するように、内部電極４８が配置され、パルス交流電極２０に接続されている。内部電極４８の外表面及び収納壁４である誘電体チューブ６の内表面には、多孔質誘電体２が、隙間無しの状態で、密着されて配置されている。内部電極４８と外部電極８の間に電圧が印加され、生じた電界により液中プラズマが生成される。勿論、図６及び図７の（７Ｂ）に示される通りに、収納壁４として導電チューブ４２が配置されても良いし、コンデンサ４４が接続されても良い。また、図３に示される通りに、作動ガス混入部２８が配置されても良い。

図９は、第１外部電極５０と第２外部電極５２を有する液中プラズマ発生装置１の概略側断面図（９Ａ）及びＥ−Ｅ横断面図（９Ｂ）である。図９の液中プラズマ発生装置１においては、内部電極は配置されていない。その代わりに、互いに絶縁された第１外部電極５０と第２外部電極５２が、収納壁４である誘電体チューブ６の外面に配置され、前記電極にパルス交流電源２０が接続され、これらへの電圧印加により液中プラズマが発生する。尚、多孔質誘電体２は、第１外部電極５０及び第２外部電極５２に面する誘電体チューブ６（収納壁４）の内表面に、隙間無しの状態で、密接されて配置されている。勿論、図３に示される通りに、作動ガス混入部２８が配置されても良い。

図１０は、本発明に係るイオン含有液体生成装置のイオン分離手段７０を示す概略構成図である。上述の液中プラズマ発生装置１にイオン含有液体の分離手段を配設することにより、イオン含有液体生成装置７２が構成される。前記分離手段は、分離容器５４と、この分離容器５４内の両側面に、それぞれ、設置された負電極５６ａと正電極５６ｂと、これらの電極に電圧を印加する直流電源６８（図１１参照）から構成される。この分離容器５４には、液中プラズマ発生装置から活性イオン種液が流入されるイオン種液供給管５８が設置され、分離回収されたイオン液体を供給する陰イオン流出口５９及び陽イオン流出口６１が設けられている。前記分離容器５４内には、第１〜第４隔壁５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄが形成され、更に最終段階の前段でイオン液体を分離する第１分離壁５４ｅと、陰イオン種液及び陽イオン種液を最終的に分離する第２分離壁５４ｆが形成されている。従って、前記分離容器５４内には、第１〜第３分離槽６０ａ、６０ｂ、６０ｃが設けられ、更に第１陽イオン分離槽６２ａ、第２陽イオン分離槽６２ｂ、第１陰イオン分離槽６４ａ及び第２陰イオン分離槽６４ｂが設けられている。

図１１は、図１０のイオン分離手段７０を示す上面図であり、イオン含有液体の分離回収方法を説明する。液中プラズマ発生装置１から供給された活性イオン種液は、前記第１分離槽６０ａ〜第３分離槽６０ｃへ流入するに従って、陰イオンは正電極側へ、陽イオンは負電極側へ分離されていく。図１２の分離回収容器５４のＦ−Ｆ線断面図に示すように、第１〜第４隔壁５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄには分離液誘導路５５が設けられ、段階的に高さが低くなると共に、各隔壁の上部から流入したイオン種液を次槽へは隔壁下部から流出させる。段階的に各電極側へ陰イオンと陽イオンを分離しながら隣接する分離槽へ流入させる。図１１及び図１２に示されるように、第１分離槽６０ａに前記イオン種供給管５８から供給された第１分離液６５ａが第２分離槽６０ｂの第２分離液６５ｂを経て第３分離槽６０ｃに流入したとき、第３分離液６５ｃは、ほぼ陰イオン種液と陽イオン種液に各電極側へ分離されている。

更に、図１２に示すように、第１分離壁５４ｅ及び第２分離壁５４ｆが形成されて第１陽イオン分離槽６２ａと第１陰イオン分離槽６４ａに隔てられ、更に第２陽イオン分離槽６２ｂと第２陰イオン分離槽６４ｂでは、高純度な陰イオン種液と陽イオン種液に分離される。図１２に示した実施例では、液中プラズマ発生装置１において水から活性イオン種液が生成されている。即ち、前記ジュール熱により水を沸騰気化し、水分子（Ｈ_２Ｏ）からなる気化泡領域を形成させて、前記高電圧パルスにより水酸基（ＯＨ⁻）と水素イオン（Ｈ^＋）からなるプラズマを発生させている。従って、水酸基（ＯＨ⁻）と水素イオン（Ｈ^＋）が溶解した活性イオン種液が前記イオン種液供給管５８から流入し、最終的にはアルカリイオン水と酸性イオン水が分離され、それぞれ、陰イオン種液流出管５９ａと陽イオン種液流出管６１ａから各々のイオン含有液体が供給される。

本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。

本発明に係る液中プラズマ発生方法及び液中プラズマ発生装置においては、３次元領域を利用して液中プラズマを発生するので、従来技術と比較して、液中プラズマの発生量及び発生効率が、飛躍的に向上される。従って、液中プラズマによる液体化学反応の工業的応用が促進される。例えば、本発明の液中プラズマ発生装置を被処理液浄化装置に応用することにより、被処理液内の汚染物質を高効率に処理することができる。又、本発明の液中プラズマ発生装置をイオン含有液体生成装置に応用することにより、容易に上質なアルカリイオン水及び／又は酸性イオン水の健康水や工業利用可能な処理水を製造することができる。

１液中プラズマ発生装置
２多孔質誘電体
４収納壁
６誘電体チューブ
８外部電極
１０導電性導入部
１２導入孔
１４導出部
１６導入方蓋部
１８導出方蓋部
２０電源
２２アース
２４連通孔
２６液体
２８作動ガス混入部
３０作動ガス
３２混合液体
３４気泡
３６液体由来ガス
３８液体由来プラズマ
４０作動ガス由来プラズマ
４２導電チューブ
４４コンデンサ
４６導入部
４８内部電極
５０第１外部電極
５２第２外部電極
５４分離容器
５４ａ第１隔壁
５４ｂ第２隔壁
５４ｃ第３隔壁
５４ｅ第１分離壁
５４ｆ第２分離壁
５５分離液誘導路
５６ａ負電極
５６ｂ正電極
５８イオン種液流入管
５９陰イオン流出口
５９ａ陰イオン流出管
６０ａ第１分離槽
６０ｂ第２分離槽
６０ｃ第３分離槽
６１陽イオン流出口
６１ａ陽イオン流出管
６２ａ第１陽イオン分離槽
６２ｂ第２陽イオン分離槽
６４ａ第１陰イオン分離槽
６４ｂ第２陰イオン分離槽
６５ａ第１分離液
６５ｂ第２分離液
６５ｃ第３分離液
６８直流電源
７０イオン分離手段
７２イオン含有液体生成装置
１０１液中プラズマ発生装置
１２２電極板（電圧印加電極）
１２４誘電体
１２６孔あき電極板（接地電極）
１２７孔あき構造部分
１２７ａ開口部
１５０送液管
１５２流入路
１５３流出路
１５４絶縁体（送液管壁）
１６０多孔質絶縁体
１６０ａ上面
１６２ビーズ
１６４ギャップ
Ｇ気泡

Claims

液体が供給される無数の連通孔を有する多孔質誘電体と、前記多孔質誘電体を密封状に収納して前記液体の漏洩を防止する収納壁と、前記連通孔の内部に放電を発生させる為の２つ以上の電極と、前記電極に電圧を印加する電源と、外部から前記連通孔へ前記液体を供給する導入部と、前記連通孔から前記液体を外部へ排出する導出部からなり、前記導入部は導電性物質から形成される導電性導入部から構成され、前記導電性導入部の先端は前記多孔質誘電体に埋め込まれ、且つこの埋め込まれた部分に多数の導入孔が穿孔され、前記導入孔から前記多孔質誘電体に前記液体が供給され、前記多孔質誘電体に電圧を印加して前記連通孔の内部に発熱及び放電を発生させ、前記発熱により前記連通孔内で前記液体を気化して液体由来ガスを生成し、前記放電により前記連通孔内で前記液体由来ガスをプラズマ化して液体由来プラズマを生成することを特徴とする液中プラズマ発生装置。
少なくとも液体と作動ガスの混合液体が供給される無数の連通孔を有する多孔質誘電体と、前記多孔質誘電体を密封状に収納して前記液体の漏洩を防止する収納壁と、前記連通孔の内部に放電を発生させる為の２つ以上の電極と、前記電極に電圧を印加する電源と、外部から前記連通孔へ前記混合液体を供給する導入部と、前記連通孔から前記液体を外部へ排出する導出部からなり、前記導入部は導電性物質から形成される導電性導入部から構成され、前記導電性導入部の先端は前記多孔質誘電体に埋め込まれ、且つこの埋め込まれた部分に多数の導入孔が穿孔され、前記導入孔から前記多孔質誘電体に前記混合液体が供給され、前記多孔質誘電体に電圧を印加して前記連通孔の内部に放電を発生させ、前記放電により前記連通孔内で少なくとも前記作動ガスをプラズマ化して作動ガス由来プラズマを生成することを特徴とする液中プラズマ発生装置。
前記導電性導入部の中に前記作動ガスを流入させる作動ガス混入部を設け、前記導電性導入部の中で前記作動ガスを前記液体に混合して前記混合液体が生成される請求項２に記載の液中プラズマ発生装置。
前記収納壁は誘電体チューブであり、前記誘電体チューブの外部に外部電極を配置し、この外部電極を前記電極の１つとして使用する請求項１〜３のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
前記収納壁は導電チューブであり、前記導電チューブを前記電極の１つである外部電極として使用する請求項１〜３のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
前記導電性導入部を前記電極の１つとして使用する請求項１〜５のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
前記電極にコンデンサを接続して充放電させる請求項１〜６のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置。
請求項１〜７のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置と、不純物を含有する被処理液を前記導入部に供給する被処理液供給手段とから構成され、前記液中プラズマ発生装置により発生されたプラズマが前記連通孔の内部で前記不純物の分解、酸化還元、殺菌及び脱色のうち１つ以上の作用を行い、前記不純物を改質及び／又は除去することを特徴とする被処理液浄化装置。
前記被処理液が飲用水、飲料水原水、下水、汚水、廃液又はメッキ廃液である請求項８に記載の被処理液浄化装置。
請求項１〜７のいずれかに記載の液中プラズマ発生装置と、前記導出部に連結されたイオン分離手段から構成され、前記イオン分離手段は、前記導出部から排出された前記液体を流通させるイオン分離流路と、このイオン分離流路の両側面に配設された少なくとも１対の電極対と、この電極対に直流電圧を印加する直流電源から構成され、前記電極対の負極により陽イオン含有液体を回収し、また前記電極対の正極により陰イオン含有液体を回収することを特徴とするイオン含有液体生成装置。