JP6678338B2 - 液体処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体を電気化学的に処理する液体処理装置に関し、その被処理液を供給することで、除菌された水で植物を育成することができる装置に関する。

図１５に、従来の液体処理装置の例を示す。液体８０３（例えば、水）の中に、第１電極８０１および第２電極８０２を配置し、パルス電源８０４から両電極８０１，８０２間に高電圧パルスを印加して液体８０３を気化させ、プラズマ８０５を発生させ、液体８０３に対してプラズマ処理を行って、例えば、ヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）又は過酸化水素等の酸化力を持つ成分で殺菌する液体処理装置が知られている。特に、ＯＨラジカルは高い酸化力を有することが知られており、これらの成分で、例えば、菌に対して、高い殺菌作用があるとされている。また、液体８０３の中でプラズマ８０５を発生させることで、プラズマ８０５が液体８０３で覆われており、液体由来の成分を発生させやすいことが知られている。例えば、水の中でプラズマ８０５を発生させることで、ＯＨラジカル又は過酸化水素が生成されやすいことが知られている。

しかしながら、上記従来の液体処理装置の場合、液体８０３を気化させるために高い印加電圧が必要なだけでなく、プラズマ８０５の発生効率が低く、液体８０３を殺菌するのに長時間を要するという問題があった。

そこで、印加電圧を低くしつつプラズマの発生効率を向上させるために、両電極間に外部より導入した気体を介在させるようにした液体処理装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の液体処理装置（図１６）では、アノード電極９０１とカソード電極９０２との間に被処理液９０３とともに気体９０４（例えば、酸素）を介在させた上で、両電極９０１，９０２間にパルス電圧を印加する。パルス電圧の印加により、気体９０４内にプラズマが発生し、液体８０３に対してプラズマ処理を行って殺菌する。特許文献１に記載の液体処理装置によれば、気体を介在させない場合よりも印加電圧を低減させることができ、かつ、プラズマを効率良く発生させて被処理液９０３の殺菌を行うことができる。

このような液体処理装置で処理した処理液を植物栽培用の培養液が入った槽などに供給すれば、除菌された水で植物を育成できる装置が考えられる。

特許第４０４１２２４号公報

しかしながら、前記従来の液体処理装置では、プラズマの発生効率が低く、液体の処理に長い時間がかかり浄化能力言い換えれば殺菌能力が弱まるとともに、空気導入により放電が安定しないといった課題がある。

本発明は、このような点に鑑み、プラズマを効率良く発生させて液体を迅速に殺菌できて液体の処理時間が短縮でき、殺菌能力が高まるとともに、空気導入不要で放電が安定する、液体処理装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様にかかる液体処理装置は、
導入部から導入される液体を中心軸周りに旋回させることにより、前記液体の旋回流の旋回中心付近に気相を発生させるとともに、前記導入部から導入された前記液体を、前記導入部との間で旋回させて前記旋回流を発生させたのち処理液として排出する排出部を有する処理槽と、
前記処理槽内に少なくとも一部が配置されて前記処理槽内の前記液体に接触する第１電極と、
前記処理槽内の前記液体に接触するように配置された第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して前記気相にプラズマを発生させて前記液体を殺菌して前記処理液とするとともに前記液体由来の酸化力を持つ成分である改質成分を前記処理液中に生成する電源と、
前記処理槽の前記排出部の開口より大きい縦断面積を有するマイクロバブル発生室を有し、前記マイクロバブル発生室内で前記処理槽の前記排出部から前記処理液を排出することでマイクロバブル又はナノバブルを生成し、前記生成したマイクロバブル又はナノバブルを前記処理液の中に拡散させるマイクロバブル発生部と、
植物栽培用の培養液を保持して前記マイクロバブル発生部から供給される前記処理液で前記培養液を殺菌するとともに、殺菌した被処理水を、少なくとも前記液体の一部として、前記処理槽に向けて排出する被処理槽と、
前記処理槽の前記導入部から前記処理槽内に導入した前記液体を、前記処理槽と前記被処理槽との間で前記マイクロバブル発生部を介して循環可能とする循環ポンプとを備えて、
前記液体により前記導入部と前記排出部との間で形成された前記旋回流の前記気相に前記プラズマを発生させて、前記液体を殺菌するとともに前記改質成分を生成し、生成した改質成分が前記処理液に溶解して前記処理液中に分散し、この処理液を前記マイクロバブル発生部を介して前記被処理槽に導入して前記培養液を殺菌したのち排出される前記被処理水を前記ポンプにより前記処理槽に少なくとも前記液体の一部として導入する。

本発明の前記態様にかかる液体処理装置によれば、旋回流中で液体を気化させ、生成された気相にパルス電圧を印加してプラズマを発生させて液体を殺菌できるとともに、殺菌作用を有する改質成分を持つ処理液を生成できる。電圧印加により液体を気化させる必要がないため、少ない電力でプラズマを効率良く発生させることができ、液体及び被処理水の殺菌を効率良く、迅速に行うことができて処理時間が短縮でき、殺菌能力が高まる。また、外部から空気を導入することなく液体及び被処理水の殺菌処理を行うため、放電が安定するとともに、有害物質である亜硝酸の生成を抑制することができる。

本発明の実施形態１にかかる液体処理装置の液体処理部の構成を示す側面断面図 装置本体の側面断面図 図２の３―３線における断面図 処理槽の内部に旋回流が発生しており、電圧を印加していない状態を示す側面断面図 図４の５−５線における断面図 処理槽の内部に旋回流が発生しており、電圧を印加した状態を示す側面断面図 図６Ａの気相中にプラズマが発生した状態の部分拡大図 液体処理装置のマイクロバブル発生部でマイクロバブル等を生成している状態の側面断面図 液体処理装置の全体構成を示す説明図 本発明の実施形態２にかかる液体処理装置の全体構成を示す説明図 本発明の実施形態３にかかる液体処理装置の全体構成を示す説明図 本発明の実施形態４にかかる液体処理装置の全体構成を示す説明図 装置本体の変形例を示す側面断面図 装置本体の変形例を示す側面断面図 装置本体の変形例を示す側面断面図 図９Ａとは異なる装置本体の変形例を示す側面断面図 装置本体の変形例を示す側面断面図 装置本体の変形例を示す側面断面図 装置本体の変形例を示す側面断面図 装置本体の変形例を示す側面断面図 装置本体の変形例を示す側面断面図 装置本体の変形例においてマイクロバブル発生部の一部に銅材を配置した側面断面図 従来の液体処理装置の概略構成図 気体導入装置を備える従来の液体処理装置の概略構成図

［実施形態１］
以下、図面を参照し、本発明の実施形態に係る、液体処理部１００を有する液体処理装置１０１を詳しく説明する。図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、説明を分かりやすくするために、以下で参照する図面においては、構成が簡略化または模式化して示されたり、一部の構成部材が省略されたりしている。また、各図に示された構成部材間の寸法比は、必ずしも実際の寸法比を示すものではない。

［全体構成］
液体処理装置１０１は、少なくとも、マイクロバブル発生部９０を有する液体処理部１００と、植物栽培用の培養液４２を保持する被処理槽４１とを備えている（図６Ｄ参照）。液体処理部１００は、殺菌処理を行うとともに被処理槽４１での殺菌処理で使用する処理液Ｌ２を生成する装置として機能する。

まず、実施形態１にかかる液体処理装置１０１の液体処理部１００の全体構成について説明する。図１は、本発明の実施形態１にかかる液体処理部１００の構成を示す側面断面図である。以下の図では、矢印Ｆは液体処理部１００の前方向を示し、矢印Ｂは後方向を示す。矢印Ｕは上方向を示し、矢印Ｄは下方向を示す。矢印Ｒは後方向から見て右方向、矢印Ｌは後方向から見て左方向を示す。

液体処理部１００は、液体の中で放電することによって、液体を殺菌するとともに改質成分を生成し、生成した改質成分を液体の中に分散させることで処理液を生成する。本実施形態１では、液体の例として後述する被処理槽４１から排出される被処理水Ｌ１の殺菌処理を行うとともに、被処理槽４１での殺菌処理に使用するため、被処理水Ｌ１を改質して改質成分としてＯＨラジカル又は過酸化水素等の改質成分を含んだ処理液Ｌ２を生成する場合について説明する。ここで、被処理水Ｌ１とは、後述する被処理槽４１に保持された培養液４２が処理液Ｌ２で殺菌されて被処理槽４１からそれぞれ排出される液体と、培養液４２と、処理液Ｌ２となどを含む液体であって、循環用配管８１及び配管５１を通して液体供給部５０で処理槽１２に導入される液体を意味する。

液体処理部１００は、少なくとも、処理槽１２と、第１電極３０と、第２電極３１と、電源６０とを備えている。より具体的には、液体処理部１００は、装置本体１０、液体供給部５０、マイクロバブル発生部９０、および電源６０を備えている。装置本体１０は、処理槽１２、導入部１５、排出部１７、第１電極３０、および第２電極３１を備えている。

処理槽１２は、内部に導入された被処理水Ｌ１をプラズマにより、液体Ｌ１を殺菌するとともに改質成分（例えば、ＯＨラジカル又は過酸化水素等）を生成して処理液Ｌ２を生成させる部分である。処理槽１２の材質は絶縁体でもよいし、導体でもよい。導体の場合には、各電極３０，３１との間に絶縁体を介在する必要がある。前記改質成分がマイクロバブル発生部９０に排出される際に、改質成分が被処理水Ｌ１に分散され、処理液Ｌ２が生成される。

処理槽１２の内壁の正面断面形状は円形である（図３参照）。言い換えれば、処理槽１２は、処理槽１２の被処理水Ｌ１の旋回軸Ｘ１沿いの一端側が閉口した断面形状が円形である円柱状の処理室を有している。導入部１５は、処理槽１２の一端に配置されて、処理槽１２に被処理水Ｌ１を処理槽１２の中心軸Ｘ１と直交する円形の断面形状の接線方向から導入する。導入部１５は、配管５１を介して液体供給部５０に連通している。排出部１７は、処理槽１２の他端に配置されて、処理槽１２に導入された被処理水Ｌ１と処理槽１２で生成された改質成分を処理槽１２からマイクロバブル発生部９０に排出させる。本実施形態１では、排出部１７は、マイクロバブル発生部９０の処理液供給口９１に接続されている。

第１電極３０は、処理槽１２の一端の内部に配置されている。第１電極３０は、処理槽１２の一端の内壁の中央から処理槽１２内に、長手方向沿いに突出配置されている。

第２電極３１は、処理槽１２の他端の壁の外側に配置されて、排出部１７の近傍に配置されている。

第１電極３０は電源６０が接続されており、第２電極３１は接地されている。第１電極３０および第２電極３１には、電源６０により高電圧のパルス電圧が印加される。第１電極３０の材質は、一例としてタングステンを使用している。

液体供給部５０は、一例として、処理槽１２内に被処理水Ｌ１を供給するポンプである。ポンプ５０は、配管５１に接続されている。配管５１の一端は、処理槽１２の一端の内壁近傍に配置された内側開口としての導入部１５に接続されており、配管５１の他端は図示しない液体供給源（例えば、水タンク８０）又は被処理槽４１と接続されて、マイクロバブル発生部９０の処理液Ｌ２を含んだ被処理槽４１からの被処理水Ｌ１を、処理槽１２と被処理槽４１との間でマイクロバブル発生部９０を介して循環できる形に接続されている（図１の一点鎖線の循環用配管８１などを参照）。

電源６０は、第１電極３０と第２電極３１との間に高電圧のパルス電圧を印加する。電源６０は、正のパルス電圧と負のパルス電圧とを交互に印加する、いわゆるバイポーラーパルス電圧を印加することができる。

マイクロバブル発生部９０は、マイクロバブル発生室９０ｆ内で液体処理部１００から排出される改質成分をせん断し、改質成分を内包したマイクロバブル又はナノバブルを生成し、水の中に拡散させる槽である。具体的には、マイクロバブル発生部９０は、処理槽１２の排出部１７の開口断面積より大きい断面積のマイクロバブル発生室９０ｆを内部に有して、排出部１７からマイクロバブル発生部９０内に排出された改質成分をマイクロバブル発生部９０でせん断し、改質成分を内包したマイクロバブル、又は、マイクロバブル及びナノバブルをマイクロバブル発生部９０内で生成して、水の中に拡散させる。よって、マイクロバブル発生部９０はマイクロバブル生成槽として機能する。マイクロバブル発生部９０としては、少なくとも、処理槽１２の排出部１７の開口の内径寸法の倍以上の内径又は一辺を確保することにより、殺菌を確実に行える処理液Ｌ２をマイクロバブル発生部９０で確実に生成することができる。

マイクロバブル発生部９０は、図６Ｄに示すように、例えば処理槽側の側壁の中央に配置されて処理槽１２の排出部１７に接続される処理液供給口９１と、処理槽側とは反対側の側壁の処理液供給口９１と同様な中央に配置された処理液排出口９０ｂとを有している。マイクロバブル発生室９０ｆとしては、少なくとも、処理槽１２の排出部１７の開口より大きい縦断面積を有している。さらに、好ましくは、マイクロバブル発生室９０ｆとして、処理槽１２の処理室の縦断面積よりも小さくして、処理液Ｌ２をマイクロバブル発生部９０から被処理槽４１に早く供給できるようにしている。なお、図１〜図６Ｃなどでは、理解しやすくするため、処理槽１２に対してマイクロバブル発生部９０の大きさを誇張して図示しているが、実際の大きさ比率は図６Ｄ〜図６Ｆが正しく、他の図では、マイクロバブル発生部９０の大きさを拡張して図示している。

このようなマイクロバブル発生部９０では、処理槽１２中の気相ＧにプラズマＰを発生させて、被処理水Ｌ１を殺菌するとともに改質成分を生成する。生成した改質成分が、液体に溶解して液体中に分散して処理液Ｌ２を生成し、生成した処理液Ｌ２が、処理槽１２の排出部１７からマイクロバブル発生部９０の処理液供給口９１を経てマイクロバブル発生部９０内に排出されたのち、マイクロバブル発生部９０の処理液排出口９０ｂから排出される。

図６Ｄでは、配管５１は、被処理槽４１に連結されて、循環用配管８１の一部を構成している。被処理槽４１の被処理水Ｌ１が循環用配管８１及びポンプ５０を介して導入部１５から処理槽１２内に供給され、処理槽１２の排出部１７から処理液Ｌ２が排出され、排出された処理液Ｌ２がマイクロバブル発生部９０に処理液供給口９１から導入され、さらに、処理液Ｌ２がマイクロバブル発生部９０の処理液排出口９０ｂから排出されて、被処理槽４１に供給され、さらに被処理槽４１から排出されて処理槽１２にポンプ５０を介して導入されることにより、液体が処理槽１２とマイクロバブル発生部９０と被処理槽４１との間で循環するように構成されている。

このような液体処理部１００の他に、液体処理装置１０１としては、被処理槽４１をさらに備えている。

被処理槽４１は、植物を栽培するための培養液４２を保持しており、マイクロバブル発生部９０から処理液Ｌ２が供給されて、培養液４２を殺菌できるようにしている。

［装置本体］
次に、装置本体１０について詳細に説明する。図２は、装置本体１０の側面断面図である。

処理槽１２は、第１内壁２１、第２内壁２２、および第３内壁２３を有している。第１内壁２１は、筒状の壁部である。第２内壁２２は、第１内壁２１の図２の左端部に設けられている。第３内壁２３は、第１内壁２１の図２の右端部に設けられている。第２内壁２２および第３内壁２３は、側面視では略円形である。第１内壁２１、第２内壁２２、および第３内壁２３により、処理槽１２の内部には、略円柱状の収容空間８３が構成されている。第１内壁２１の中心軸、つまり、処理槽１２の内部に構成される略円柱状の収容空間８３の仮想の中心軸を軸Ｘ１とする。

第２内壁２２には、収容空間８３内に突出した円筒状の電極支持筒２４が中央に設けられている。電極支持筒２４は、筒状であり右方に延びている。電極支持筒２４は、その中心軸が第１内壁２１の中心軸Ｘ１と一致するように配置されている。電極支持筒２４の内側には、絶縁体５３を介して第１電極３０が支持されている。第１電極３０は棒状であり、絶縁体５３は第１電極３０の周囲に配置されている。このため、第１電極３０は、長手方向の軸が第１内壁２１の中心軸Ｘ１と一致するように配置されている。第１電極３０の右端部３０１の内側端面と、絶縁体５３の内側端面と、電極支持筒２４の内側端面２４１とは、ほぼ同じ面内に配置されるように構成されている。

導入部１５は、装置本体１０を貫通しており、一方の開口端１５１が第１内壁２１に形成されている。導入部１５は、側面視では、第２内壁２２に隣接した位置に配置されている。また、図３は、図２の３―３線における断面図である。導入部１５は、第１内壁２１の壁面に配置されている。

排出部１７は、第３内壁２３の中央部を貫通している。排出部１７は、その中心軸が第１内壁２１の中心軸Ｘ１と一致するように形成されている。

第２電極３１は、板状の金属部材であり、中央部に開口部３１１が形成されている。開口部３１１は円形であり、その中心が第１内壁２１の中心軸Ｘ１と一致するように形成されている。

［動作］
次に、液体処理部１００の動作について説明する。以下では、説明の便宜上、処理槽１２の内部に気相を発生させる状態（図４および図５）と、発生させた気相Ｇにパルス電圧を印加してプラズマＰを発生させる状態（図６Ａ及び図６Ｂ）とを別図に分けて説明する。図４は、処理槽１２の内部に旋回流Ｆ１が発生しており、パルス電圧を印加していない状態を示す側面断面図である。

まず、図４に示すように、ポンプ５０で被処理槽４１の被処理水Ｌ１を吸い込んで、導入部１５から処理槽１２に被処理水Ｌ１が所定の圧力で導入される。すると、被処理水Ｌ１は、第１内壁２１に沿って、旋回流Ｆ１を発生させながら導入部１５から図４の右方に向けて移動する。旋回しながら図４の右方に移動した旋回流Ｆ１は、排出部１７に向けて移動する。

旋回流Ｆ１により、第１内壁２１の中心軸Ｘ１付近の圧力が飽和水蒸気圧以下に低下し、被処理水Ｌ１の一部が気化した水蒸気が発生することで、気相Ｇが第１内壁２１の中心軸Ｘ１付近に生成される。気相Ｇは、旋回中心付近、具体的には、第１電極３０の右端部３０１から第１内壁２１の中心軸Ｘ１に沿って、第２電極３１の開口部３１１の付近まで発生する。また、気相Ｇは、接している旋回流Ｆ１により、旋回流Ｆ１と同方向に旋回している。旋回している気相Ｇは、排出部１７の近傍でマイクロバブル発生部９０内の水の抵抗を受ける事で、マイクロバブル又はナノバブルにせん断され、排出部１７から、排出部１７に接続されたマイクロバブル発生部９０の処理液供給口９１を介してマイクロバブル発生部９０に拡散される。

図５は、図４の５−５線における断面図である。図４で説明したように、導入部１５から処理槽１２に被処理水Ｌ１が所定の圧力で導入されると、被処理水Ｌ１は、第１内壁２１に沿った図５の右回りの旋回流Ｆ１を発生させる。被処理水Ｌ１が処理槽１２の内部で旋回することで、旋回流Ｆ１の中心付近、つまり第１内壁２１の中心軸Ｘ１付近の圧力が飽和水蒸気圧以下に低下し、第１内壁２１の中心軸Ｘ１付近において被処理水Ｌ１の一部が気化した水蒸気が発生することで、気相Ｇが生成される。

図６Ａ及び図６Ｂは、処理槽１２の内部に旋回流Ｆ１が発生しており、パルス電圧を印加した状態を示す側面断面図である。図６Ａに示すように、被処理水Ｌ１が気化した気相Ｇが、第１電極３０の近傍から第２電極３１の付近まで発生されている状態で、電源６０により、第１電極３０と第２電極３１との間に高電圧のパルス電圧を印加する。図６Ｂは、気相Ｇ中にプラズマＰが発生している状態を示す拡大図である。第１電極３０と第２電極３１とは、高電圧のパルス電圧が印加されると、気相Ｇ内にプラズマＰが発生し、液体Ｌ１が殺菌されるとともに、改質成分として水由来のラジカル（ＯＨラジカル等）又は化合物（過酸化水素等）又はイオンを生成する。前記改質成分を含んだ気相Ｇは、周辺にある旋回流Ｆ１により、旋回流Ｆ１と同方向に旋回する。前記改質成分を含んだ気相Ｇが旋回することにより、前記改質成分の一部が、旋回流Ｆ１側へ溶解することで、被処理水Ｌ１の中に改質成分が分散する。加えて、排出部１７付近の前記改質成分を含んだ気相Ｇは、マイクロバブル発生部９０内の処理液Ｌ２の抵抗を受ける事でせん断され、改質成分を含有した気泡ＢＡを生じる。また、マイクロバブル発生部９０内に処理液を供給されることで、負圧である気相Ｇに空気が混入することを防いでいる。この様に、プラズマＰにより生成した改質成分が気泡状態もしくは処理液Ｌ２の中に溶け込んだ状態で、処理液Ｌ２処理液Ｌ２がマイクロバブル発生部９０に供給される。

マイクロバブル発生部９０に供給された処理液Ｌ２は、被処理槽４１に供給される。

被処理槽４１内の培養液４２に処理液Ｌ２が接触すると、処理液Ｌ２中のＯＨラジカル又は過酸化水素により培養液４２が殺菌される。殺菌された培養液４２及び処理液Ｌ２などは、その一部が被処理槽４１から排出され、被処理水Ｌ１として処理槽１２にポンプ５０を介して導入され、液体として、処理槽１２からマイクロバブル発生部９０及び被処理槽４１を介して再び処理槽１２に循環することになる。

なお、図６Ｄの液体処理装置１０１では、液検出センサー４９と、処理液制御部４８とをさらに備えている。

液検出センサー４９は、被処理槽４１と処理槽１２との間、詳しくは被処理槽４１とポンプ５０との間に配置されて、被処理槽４１から処理槽１２に導入される被処理水Ｌ１の液量もしくは液圧を検出するセンサーである。

処理液制御部４８は、液検出センサー４９での検出結果を基に電源６０及びポンプ５０をそれぞれ独立して駆動制御して、先の動作を達成できるように制御している。この処理液制御部４８により、処理槽１２全体が液体で満たされた状態になってから放電を行い、処理槽１２全体が液体で満たされていない状態では放電しないように制御することができる。これにより、放電の安定化を、より確実に達成することができる。

以上説明した本実施形態１によれば、旋回流Ｆ１中で被処理水Ｌ１を気化させ、生成された気相Ｇにパルス電圧を印加してプラズマＰを発生させて液体である被処理水Ｌ１を殺菌するとともに液体から改質成分（液体由来のラジカル又は化合物等）を含む処理液Ｌ２を生成する。そのため、気相Ｇは、ジュール熱によって気化させた気体、もしくは外部から導入した気体によって形成される気相よりも負圧となっており、小さな電圧（すなわち、少ない電力）でプラズマＰを発生できるので、処理槽内での液体の殺菌処理が効率良くできる。さらに、ジュール熱によって水を気化させないので、投入するエネルギーが小さくなる。また、外部から気体を導入しないので、気体供給装置が不要となり、液体処理装置１０１の小型化がしやすくなる。

また、ジュール熱によって気化させた気体、もしくは外部から導入した気体によって形成される気相Ｇは、浮力により一定の形状又は一定の位置で保持することが困難である。しかし、本実施形態１の気相Ｇは、周りの旋回流Ｆ１により、旋回流Ｆ１の中心軸Ｘ１に集まる方向へ力が加わるので、第１電極３０の右端部３０１の近傍に一定の気相Ｇを生成することができる。そのため、第１電極３０と第２電極３１との間に生成される気体の量の時間変化が少なく、プラズマＰに必要な電力が変化しにくいので、プラズマＰを安定して発生でき、被処理水Ｌ１を含む処理槽内での液体の殺菌処理が効率良く迅速にできて液体の処理時間が短縮でき、殺菌能力が高まる。

また、プラズマＰの体積はカソード電極の近傍にある気相の体積以下になるが、ジュール熱により気化させた気体、もしくは外部から導入した気体によって形成される気相Ｇの形状は、バブル形状なので体積が一定以上になると分裂するため、一定の体積以上のプラズマＰを発生させることが困難である。しかし、本実施形態１の気相Ｇは、旋回流Ｆ１の旋回速度を確保できれば、中心軸Ｘ１の方向に体積を大きくすることが容易であるため、プラズマＰの体積を大きくしやすい。そのため、液体の殺菌処理量及び改質成分の生成量を増加させやすく、液体を迅速に殺菌できる。

また、液体が気化する際に体積が膨張するため、衝撃波が発生し、周辺の物体を破壊するキャビテーションが知られている。本実施形態１では、キャビテーションによる破壊が最も強くなるのは、処理槽１２の内径が最も小さく、旋回流Ｆ１の旋回速度が最も早くなる排出部１７である。そのため、気相Ｇの中でも第１電極３０の右端部３０１は、キャビテーションの破壊が最も強くなる箇所から離れているため、キャビテーションによる第１電極３０への影響を小さくなりプラズマＰを安定的に発生できる。

また、外部から空気を導入することなく被処理水Ｌ１の処理を行うため、放電が安定するとともに、空気等の窒素成分を含んだ気体を導入した気相を活用したプラズマで発生する有害な亜硝酸の生成を抑制することができる。さらに、ＯＨラジカル又は過酸化水素等を内包した気泡ＢＡを含んだ処理液Ｌ２を生成することができる。

［実施形態２］
図６Ｅに示すように、実施形態２の液体処理装置１０２として、実施形態１の液体処理装置１０１に対して追肥装置４５をさらに備えている。

追肥装置４５は、マイクロバブル発生部９０と被処理槽４１との間に配置されて、被処理槽４１に供給される処理液Ｌ２に対して、カリウムなどの追肥成分を付与するものである。

このように、処理槽１２及びマイクロバブル発生部９０の下流側に追肥装置４５を配置すれば、処理液Ｌ２に加える追肥成分又は複数の追肥成分のバランスが処理槽１２での放電で壊れないようにすることができる。すなわち、追肥装置４５の上流側で放電を行うため、肥料成分への放電の影響を抑制することができる。

［実施形態３］
図６Ｆに示すように、実施形態３の液体処理装置１０３として、実施形態２の液体処理装置１０２に対して電気的特性測定装置４６と、追肥制御部４７とをさらに備えている。

電気的特性測定装置４６は、マイクロバブル発生部９０と追肥装置４５との間に配置されてマイクロバブル発生部９０から供給される処理液Ｌ２のｐＨもしくは電気伝導度を測定する。電気的特性測定装置４６により処理液Ｌ２のｐＨもしくは電気伝導度を測定する理由は、放電により成分が変化するため、追肥装置４５の直前で測定し、測定結果に基づいて追肥制御部４７で追肥装置４５により追加する肥料成分を決定して追肥する。

追肥制御部４７は、電気的特性測定装置４６の測定結果に基づいて、追肥装置４５の追肥動作を制御する。

このような構成によれば、処理液Ｌ２のｐＨもしくは電気伝導度を電気的特性測定装置４６で測定して肥料成分をモニタリングし、追肥装置４５の制御を行うことで、肥料成分のさらなる安定化が可能である。

[実施形態４]
図６Ｇに示すように、実施形態４の液体処理装置１０４として、実施形態３の液体処理装置１０３に対して、過酸化水素除去装置５５と、過酸化水素除去制御装置５６と、過酸化水素濃度測定装置５７と、酸素供給部７０と、酸素ガス用配管８２とをさらに備えている。一例して、追肥装置４５から被処理槽４１までの間の循環用配管８１に、過酸化水素濃度測定装置５７と、過酸化水素除去装置５５と、酸素供給部７０とが直列的に配置されている。過酸化水素除去制御装置５６は、過酸化水素除去装置５５に接続されている。過酸化水素除去装置５５と酸素供給部７０との間には、循環用配管８１に対して酸素ガス用配管８２を並列的に配置している。

過酸化水素は、酸化力により殺菌が可能であることが知られているが、処理液Ｌ２に過酸化水素が高濃度で含まれる場合では、酸化力により植物の根にも悪影響を及ぼして植物の成長が抑制されるため、過酸化水素除去装置５５により、処理液Ｌ２の過酸化水素を除去する。さらに、除去した過酸化水素を分解して発生させた酸素ガスを、酸素ガス用配管８２及び酸素供給部７０を介して循環用配管８１内に供給する。この結果、酸素ガスを処理液Ｌ２に導入することで、処理液Ｌ２の溶存酸素が上がり、植物の成長促進に繋げることができる。

過酸化水素除去装置５５による過酸化水素除去方法としては、触媒として二酸化マンガン又は活性炭を使って過酸化水素と反応させることで、過酸化水素を除去してもよい。亜硫酸ナトリウムなどの還元剤を使って過酸化水素を分解することも可能であるが、還元剤を加えることにより処理液Ｌ２の組成が変わるため、触媒を用いることが望ましい。過酸化水素除去装置５５は、処理槽１２と被処理槽４１との間に配置される。
過酸化水素濃度測定装置５７は、過酸化水素除去装置５５と処理槽１２との間に配置される。過酸化水素濃度測定装置５７が、マイクロバブル発生部９０から循環用配管８１を介して供給される処理液Ｌ２の過酸化水素濃度を測定する。過酸化水素濃度測定装置５７で測定した測定値が、予め設定しておいた過酸化水素濃度の値よりも濃いと過酸化水素除去制御装置５６で判定した場合に、過酸化水素除去制御装置５６が過酸化水素除去装置５５を動作制御して、処理液Ｌ２から過酸化水素を除去する。このように構成することで、循環用配管８１を流れる処理液Ｌ２の過酸化水素濃度を調節することができる。一例として、過酸化水素除去制御装置５６は、処理液Ｌ２の過酸化水素濃度すなわち過酸化水素濃度測定装置５７で測定した測定値が１．０ｐｐｍよりも濃いと過酸化水素除去制御装置５６で判定した場合に、過酸化水素除去装置５５を制御して過酸化水素の除去動作を行うことが望ましい。

酸素ガス用配管８２は、過酸化水素除去装置５５と酸素供給部７０との間に配置する。過酸化水素除去装置５５で過酸化水素を分解除去して発生させた酸素を、酸素ガス用配管８２を通して、酸素供給部７０に導入する。

酸素供給部７０では、処理液Ｌ２に酸素ガスを溶解し、処理液Ｌ２の溶存酸素濃度を上げる。酸素供給部７０は、例えば処理液Ｌ２の中で旋回流を起こし、過酸化水素除去装置５５で過酸化水素を分解除去して発生させた酸素を旋回流によって生じる負圧で、処理液Ｌ２に酸素ガスを導入できる。このようにすることで、酸素ガス投入用のポンプを新たに設置することなく、処理液Ｌ２の溶存酸素濃度を上げることが可能になる。

酸素供給部７０は、例えばマイクロナノバブル発生装置又はエアストーンを使用して、微細バブルとして酸素を供給してもよい。特に、バブル径が１μm以下の微細バブルでは、数ヶ月にわたり液中に存在することが知られており、長期にわたって栽培期間中の処理液Ｌ２の溶存酸素濃度を上げることができ、植物の成長を促進することができる。

このような構成によれば、処理液Ｌ２の過酸化水素濃度をモニタリングし、液体処理装置１０３に対して処理液Ｌ２の溶存酸素濃度を上げることができ、植物の成長を促進することが可能である。

［変形例］
本実施形態１〜４で説明した液体処理部１００の構成は一例であり、種々の変更が可能である。例えば、処理槽１２の内部構造又は第１電極３０又は第２電極３１の位置等については、本実施形態１〜４の構造に限定されない。

本実施形態１〜４では、処理槽１２は単純な円筒形状であったが、断面形状が円形である筒状の処理槽であり、処理槽の片方の端部に処理槽の中心軸上もしくは中心軸の近傍に窄まった穴形状の排出部を有していれば、様々な形状をとることが可能である。例えば、図７に示すように、半径が異なる円筒を組み合わせた処理槽１２１であっても同様の効果が得られる。図７では、導入部側の半径が排出部側の半径よりも大きくなるように構成している。又は、図８に示す円錐形状の処理槽１２２であっても同様の効果が得られる。好ましくは、旋回流Ｆ１が前方向Ｆにすべるのを防ぐために、図８に示すように、断面の内径が連続的に小さくなる円錐形状が好ましい。

また、本実施形態１〜４では、第１電極３０の形状は、棒電極であったが、第１電極３０の右端部３０１に電解が集中させる形状であれば、この限りではない。例えば、図９Ａで示すように、排出部側に向けて尖った円錐形状が付いた板形状の第１電極３２でもよい。また、図９Ｂで示すように、円錐形状の代わりに、排出部側に向けて湾曲するように突出した山形状の凸部３２Ｂが中央部に有する板形状の第１電極３２Ａでもよい。第１電極３２Ａでは、発生するプラズマＰに最も近い中央部が摩耗しやすいので、単なる平板の電極よりも、当該中央部を処理槽１２内に突出させる山形状の凸部３２Ｂを有する電極の方が寿命が長くて好ましい。さらに好ましくは、板形状の第１電極３２の代わりに、電極が磨耗した際に、処理槽１２内に電極の送り出しが容易な棒電極でもよい。

また、図１０で示すように、第１電極３０の電極支持筒２４を用いず、第２内壁２２に第１電極３０と絶縁体５３とを取り付ける構造にしても同様の効果が得られる。好ましくは、水の電気分解又はジュール熱の発生を抑えるために、プラズマ発生に必要な第１電極３０の右端部３０１と、電源６０との接続部以外は絶縁体で覆われているほうがよい。

また、本実施形態１〜４では、第１電極３０の材質は、一例としてタングステンであったが、特に導電性のある材料であれば限定はされない。好ましくは、水中で過酸化水素と接触するとフェントン反応を起こして高い殺菌効果を発現できる金属材料が好ましい。例えば、ＳＵＳ（ステンレス鋼）又は銅又は銅タングステンがよい。

本実施形態１〜４では、第２電極３１は、排出部１７に配置されているが、処理槽１２内に接地された第２電極の少なくとも一部が配置されていればこの限りではない。例えば、配置場所に関しては、図１１に示すように、棒状の第２電極３３として、第１内壁２１の中心軸Ｘ１の側方に配置するようにしても、同様の効果が得られる。また、図１２に示すように、処理槽１２外のマイクロバブル発生部９０内でかつマイクロバブル発生部９０の処理液供給口９１近傍に棒状の第２電極３３として配置してもよい。また、図１３に示すように、筒状の第２電極３４として第１内壁２１の内側に配置してもよい。また、開口部３１１は円形としたが、多角形でもよく、さらには、第２電極は、分割された複数の金属部材を組み合わせて構成してもよい。好ましくは、旋回流Ｆ１を乱さないために、丸穴を有した板状もしくは円筒形状がよい。また、気相Ｇと第２電極の間が短いほうが水の抵抗が小さくなりジュール熱を抑制できるため、気相Ｇと第２電極の間が短くなる排出部１７もしくは排出部１７近傍に第２電極を配置するほうがよい。

処理槽１２に導入される被処理水Ｌ１の流量は、処理槽１２の形状等に応じて、旋回流Ｆ１中に気相Ｇが発生する流量に設定される。また、第１電極３０と第２電極３１とに印加されるパルス電圧については、バイポーラではなくモノポーラで印加する場合、又は、電圧、パルス幅、又は周波数等は旋回流Ｆ１中に発生した気相ＧにプラズマＰを発生させることができる値に適宜設定することが可能である。

さらに、本発明の効果が得られる限り、電源６０はパルス電源以外の高周波電源等であってもよい。好ましくは、水の電気分解により電極間のｐＨが偏るので、カソードとアノードとを交互に交換できるバイポーラ印加がよい。

マイクロバブル発生部９０は槽としているが、旋回流Ｆ１をせん断するために、マイクロバブル発生部９０内に水を保持できる形状であれば、これに限定されない。例えば、処理液を輸送する配管としてもよい。好ましくは、排出部１７を被処理水Ｌ１で満たし処理槽１２への空気の混入を防ぐために、図１４Ａに示すように装置本体１０は処理液を上向きに排出し、マイクロバブル発生部９０は装置本体１０の上側にあるほうがよい。

また、マイクロバブル発生部９０を構成する材料の材質としては、水が透過しなければよい。また、例えば、図１４Ｂに示すように、改質成分の１つである過酸化水素水とフェントン反応を起こして高い殺菌効果を発現できる銅若しくは鉄を含有した板部材９３を、マイクロバブル発生部９０の一部もしくはすべてに使用することができる。また、板部材９３を、マイクロバブル発生部９０とは別部材としてマイクロバブル発生部９０内に配置してもよい。要するに、板部材９３がマイクロバブル発生部９０内の処理液と接触すれば、改質成分の１つである過酸化水素水とフェントン反応を起こして高い殺菌効果を発現することができる。

以上、本発明の実施形態１〜４を説明したが、上述した実施形態１〜４は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施形態１〜４に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施形態１〜４を適宜変形して実施することが可能である。

すなわち、前記実施形態又は前記様々な変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる液体処理装置は、液体の中でプラズマを発生させて液体を殺菌するとともに液体から改質成分（液体由来のラジカル又は化合物等）を含む処理液を生成して、生成した処理液の改質成分でも培養液を殺菌することができる。このため、本発明の前記態様にかかる液体処理装置は、水耕栽培での植物育成装置等に利用することが可能である。

１０ 装置本体
１２ 処理槽
１５ 導入部
１７ 排出部
２１ 第１内壁
２２ 第２内壁
２３ 第３内壁
２４ 電極支持筒
３０ 第１電極
３１ 第２電極
３２ 板形状の第１電極
３２Ａ 山形状の凸部を有する板形状の第１電極
３２Ｂ 山形状の凸部
３３ 棒状の第２電極
３４ 筒状の第２電極
４１ 被処理槽
４２ 培養液
４５ 追肥装置
４６ 電気的特性測定装置
４７ 追肥制御部
４８ 処理液制御部
４９ 液検出センサー
５０ 液体供給部（一例としてポンプ）
５１ 配管
５３ 絶縁体
５５ 過酸化水素除去装置
５６ 過酸化水素除去制御装置
５７ 過酸化水素濃度測定装置
６０ 電源
７０ 酸素供給部
８０ 水タンク
８１ 循環用配管
８３ 収容空間
９０ マイクロバブル発生部
９０ｂ 処理液排出口
９０ｆ マイクロバブル発生室
９１ 処理液供給口
９３ 板部材
１００ 液体処理部
１０１，１０２，１０３，１０４ 液体処理装置
１２１，１２２ 処理槽
１５１ 開口端
２４１ 内側端面
３０１ 右端部
３１１ 開口部
８０１ 第１電極
８０２ 第２電極
８０３ 液体
８０４ パルス電源
８０５ プラズマ
９０１ アノード電極
９０２ カソード電極
９０３ 被処理液
９０４ 気体
Ｂ 後方向
ＢＡ 気泡
Ｄ 下方向
Ｆ 前方向
Ｆ１ 旋回流
Ｇ 気相
Ｌ 後方向から見て左方向
Ｌ１ 被処理水
Ｌ２ 処理液
Ｐ プラズマ
Ｒ 後方向から見て右方向
Ｕ 上方向
Ｘ１ 略円柱状の収容空間の仮想の中心軸

Claims (13)

1. 導入部から導入される液体を中心軸周りに旋回させることにより、前記液体の旋回流の旋回中心付近に気相を発生させるとともに、前記導入部から導入された前記液体を、前記導入部との間で旋回させて前記旋回流を発生させたのち処理液として排出する排出部を有する処理槽と、
   前記処理槽内に少なくとも一部が配置されて前記処理槽内の前記液体に接触する第１電極と、
   前記処理槽内の前記液体に接触するように配置された第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して前記気相にプラズマを発生させて前記液体を殺菌して前記処理液とするとともに前記液体由来の酸化力を持つ成分である改質成分を前記処理液中に生成する電源と、
   前記処理槽の前記排出部の開口より大きい縦断面積を有するマイクロバブル発生室を有し、前記マイクロバブル発生室内で前記処理槽の前記排出部から前記処理液を排出することでマイクロバブル又はナノバブルを生成し、前記生成したマイクロバブル又はナノバブルを前記処理液の中に拡散させるマイクロバブル発生部と、
   植物栽培用の培養液を保持して前記マイクロバブル発生部から供給される前記処理液で前記培養液を殺菌するとともに、殺菌した被処理水を、少なくとも前記液体の一部として、前記処理槽に向けて排出する被処理槽と、
   前記処理槽の前記導入部から前記処理槽内に導入した前記液体を、前記処理槽と前記被処理槽との間で前記マイクロバブル発生部を介して循環可能とするポンプとを備えて、
   前記液体により前記導入部と前記排出部との間で形成された前記旋回流の前記気相に前記プラズマを発生させて、前記液体を殺菌するとともに前記改質成分を生成し、生成した改質成分が前記処理液に溶解して前記処理液中に分散し、この処理液を前記マイクロバブル発生部を介して前記被処理槽に導入して前記培養液を殺菌したのち排出される前記被処理水を前記ポンプにより前記処理槽に少なくとも前記液体の一部として導入する、
   液体処理装置。
2. 前記液体は水であり、
   前記液体由来の酸化力を持つ成分である改質成分は、過酸化水素である、請求項１に記載の液体処理装置。
3. 前記マイクロバブル発生部と前記被処理槽との間に配置されて、前記被処理槽に供給される前記処理液に対して追肥を行う追肥装置をさらに備える、
   請求項１又は２に記載の液体処理装置。
4. 前記マイクロバブル発生部と前記追肥装置との間に配置されて前記マイクロバブル発生部から供給される前記処理液のｐＨもしくは電気伝導度を測定する電気的特性測定装置と、
   前記電気的特性測定装置の測定結果に基づいて、前記追肥装置の追肥動作を制御する追肥制御部とをさらに備える、
   請求項３に記載の液体処理装置。
5. 前記処理槽と前記被処理槽との間に配置されて前記マイクロバブル発生部から供給される前記処理液の過酸化水素濃度を測定する過酸化水素濃度測定装置と、
   前記過酸化水素濃度測定装置よりも前記処理液の流路の下流側に配置され、前記処理液から過酸化水素を除去する過酸化水素除去装置と、
   前記過酸化水素除去装置に接続され、前記過酸化水素濃度測定装置で測定された前記過酸化水素濃度の測定結果に基づいて、過酸化水素除去動作を制御する、過酸化水素除去制御装置と、
   前記過酸化水素除去装置で除去した過酸化水素から発生させた酸素を前記処理液に導入する酸素供給部とをさらに備える、
   請求項４に記載の液体処理装置。
6. 前記被処理槽と前記処理槽の間に配置されて前記処理槽に導入される前記液体の液量もしくは液圧を検出する液検出センサーと、
   前記液検出センサーでの検出結果を基に前記電源を制御する処理液制御部とを備える、
   請求項１〜５のいずれか１つに記載の液体処理装置。
7. 前記第１電極は、前記液体の前記旋回流の前記の旋回中心付近に発生させた前記気相に接触するように、もしくは前記気相の近傍に位置するように配置される、
   請求項１〜６のいずれか１つに記載の液体処理装置。
8. 前記処理槽の前記導入部から導入される前記液体は、前記被処理槽から排出された前記被処理水とを含む、
   請求項１〜７のいずれか１つに記載の液体処理装置。
9. 前記処理槽は、前記導入部から供給された前記液体を旋回させて前記旋回流を発生させる円筒状もしくは円錐台形状の第１内壁を有し、
   前記第１電極は、前記第１内壁の中心軸上もしくは中心軸近傍に配置される、
   請求項８に記載の液体処理装置。
10. 前記第１電極は、前記中心軸もしくは前記中心軸近傍の一方の端部側に配置され、
    前記第２電極は、前記中心軸もしくは前記中心軸近傍の他方の端部側に配置され、
    前記導入部は、前記中心軸の前記一方の端部側に配置され、
    前記排出部は、前記中心軸の前記他方の端部側に配置される、
    請求項９に記載の液体処理装置。
11. 前記第２電極は、前記第１内壁の前記他方の端部側の前記第１内壁の前記中心軸の周りの一部にもしくは前記中心軸の全周を取り囲む様に配置される板状の電極である、
    請求項１０に記載の液体処理装置。
12. 前記第２電極は、前記第１内壁の前記他方の端部側の前記第１内壁の前記中心軸の側方に配置される、
    請求項１０に記載の液体処理装置。
13. 前記第２電極は、前記第１内壁の前記他方の端部側の前記第１内壁の前記中心軸の一部もしくは全周を取り囲むように配置される筒状の電極である、
    請求項１０に記載の液体処理装置。

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