JP6971717B2 - 相界面反応装置、植物栽培装置及び反応生成物製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ相と、このプラズマ相と接触する液相との相界面で反応を生じさせる相界面反応を用いた反応生成物製造方法及び相界面反応装置、ならびに植物栽培方法及び植物栽培装置に関する。

従来から、反応容器中で紫外線を照射しながらプラズマ状の物質と霧状の水等を反応させて反応生成物を製造する相界面反応装置が知られている（特許文献１を参照）。この相界面反応装置を図１１に示す。相界面反応装置１０は、反応容器１１と、反応容器１１中にプラズマ状の物質を供給するプラズマ発生装置１２と、被加熱容器１９に貯められた水（又は水溶液）Ｘを加熱して霧化させる加熱器１３と、紫外線を照射する紫外線照射手段１４と、プラズマ状の物質及び霧状の水を反応容器１１に拡散させる拡散ファン２０等を備えている。

反応容器１１の底にはプラズマ供給口１５，その他のガス等の供給口１６及び排出口１７が設けられている。プラズマ発生装置１２で発生したプラズマは、配管１８を通じてプラズマ供給口１５から反応容器１１に供給される。また、その他のガス等の供給口１６には配管２１が連結され、図示しないポンプ凹から被反応ガス等が供給できるよう構成されている。さらに、排出口１７には配管２２が連結され、生成ガス及び未反応ガス等が排出されるよう構成されている。

紫外線照射手段１４による紫外線の照射により、反応容器１１中でプラズマ状の物質と霧状の水とが相界面で反応する。プラズマ状の物質として、例えば酸素を用いた場合はヒドロキシルラジカル等を生成することができ、窒素を用いた場合はアンモニア等を生成することができる。

ＷＯ２０１５／１９８６０８号公報

上記のような相界面反応装置では、反応生成物の生成量が相界面で行われる反応の効率に大きく影響されることから、反応の効率をより向上させたいとの要請がある。

上記要請に鑑みて、本発明は、反応の効率をより向上させることが可能な反応生成物製造方法及び相界面反応装置、ならびに植物栽培方法及び植物栽培装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、一実施形態に係る反応生成物製造方法は、反応容器中にプラズマ状の物質を供給するプラズマ供給工程と、反応容器中に、水又は水溶液を供給する水・水溶液供給工程と、反応容器中のプラズマ状の物質に紫外線照射手段によって紫外線を照射する紫外線照射工程と、を有し、反応容器中でプラズマ状の物質と水又は水溶液に含まれる溶質とを相界面で反応させるものであって、相界面が形成される反応場として、紫外線照射手段により照射された紫外線を直接受ける第１の相界面が形成される第１の反応場と、第１の反応場を通り抜けた紫外線を受ける第２の相界面が形成される第２の反応場と、を形成するようにしている。

別の実施形態に係る反応生成物製造方法は、さらに、第１の相界面を、反応容器中に収容され且つ紫外線の通過が可能な案内部材の紫外線照射手段に望む表側面に水又は水溶液を流すことで形成し、第２の相界面を、案内部材の裏側面に水又は水溶液を流すことで形成するようにしても良い。

別の実施形態に係る反応生成物製造方法は、さらに、紫外線照射手段の発光部が筒形状を成しており、案内部材は、紫外線照射手段の発光部を囲む筒形状を成しているものでも良い。

別の実施形態に係る反応生成物製造方法は、さらに、第１の相界面を通り抜けた紫外線を反応容器中で反射させて第２の相界面に当てるようにしても良い。

別の実施形態に係る反応生成物製造方法は、さらに、上述のいずれかの反応生成物製造方法を実施する装置ユニットを複数並べ、一の装置ユニットの第１の相界面を通過した紫外線を他の装置ユニットの第２の相界面に当てるようにしても良い。

また、一実施形態に係る相界面反応装置は、反応容器と、反応容器中にプラズマ状の物質を供給するプラズマ供給手段と、反応容器中に、水又は水溶液を供給する水・水溶液供給手段と、反応容器中のプラズマ状の物質に紫外線を照射する紫外線照射手段と、を備え、反応容器中でプラズマ状の物質と水又は水溶液に含まれる溶質とを相界面で反応させるものであって、相界面が形成される反応場として、紫外線照射手段により照射された紫外線を直接受ける第１の相界面が形成される第１の反応場と、第１の反応場を挟んで紫外線照射手段とは反対側に設けられ、第１の反応場を通過した紫外線を受ける第２の相界面が形成される第２の反応場と、を有している。

別の実施形態に係る相界面反応装置は、さらに、第１の相界面は、反応容器中に収容され且つ紫外線の通過が可能な案内部材の紫外線照射手段に望む表側面に水又は水溶液を流すことで形成され、第２の相界面は、案内部材の裏側面に水又は水溶液を流すことで形成されるものでも良い。

別の実施形態に係る相界面反応装置は、さらに、紫外線照射手段の発光部は柱状を成しており、案内部材は、紫外線照射手段の発光部を囲む筒形状を成しているものでも良い。

別の実施形態に係る相界面反応装置は、さらに、反応容器中に、案内部材を通り抜けた紫外線を第２の相界面に向けて反射させる反射部を備えるようにしても良い。

別の実施形態に係る相界面反応装置は、さらに、反応容器の案内部材に望む部位が案内部材を通り抜けた紫外線が透過可能な透過部となっており、反応容器と紫外線照射手段記案内部材とはユニット化されて複数設けられており、ユニットは透過部を対向させて複数並べられており、一のユニットの透過部を透過した紫外線を他のユニットの第２の相界面に当てるものでも良い。

また、一実施形態に係る植物栽培方法は、上述のいずれかの相界面反応により生成した反応生成物を含む液肥を植物に与えるものである。

また、一実施形態に係る植物栽培装置は、上述のいずれかの相界面反応装置と、相界面反応装置によって生成した反応生成物を含む液肥を植物に与える液肥供給手段と、を備えるものである。

本発明によれば、相界面反応の効率を向上させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る相界面反応装置の概略構成図を示す。 図２は、相界面反応装置の反応容器に水又は水溶液を供給する系統と回収する系統、およびプラズマ状の物質を供給する系統と回収する系統の概念図を示す。 図３は、相界面反応装置の案内部材とプラズマ供給経路の内側環状空間及び外側環状空間との位置関係の図を示す。 図４は、相界面反応装置の案内部材と内側水供給経路及び外側水供給経路との位置関係の図を示す。 図５は、プラズマ供給経路、内側水供給経路及び外側水供給経路を横から見た状態の上端部の断面図を示す。 図６は、案内部材を通過した紫外線を反射部で反射させる様子を説明するための図を示す。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る相界面反応装置を示し、装置ユニット７０を複数並べた様子の概念図を示す。 図８は、本発明の第１の実施形態に係る植物栽培装置の概略構成図を示す。 図９は、本発明の第２の実施形態に係る植物栽培装置の概略構成図を示す。 図１０は、各種条件によるアンモニア生成量を比較したグラフを示す。 図１１は、従来の相界面反応装置の概略構成図を示す。

次に、本発明に係る相界面反応を用いた反応生成物製造方法及び相界面反応装置、ならびに植物栽培方法及び植物栽培装置の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている諸要素およびその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。また、以下の説明では、反応生成物製造方法を相界面反応装置の実施形態の中で説明し、植物栽培方法を植物栽培装置の実施形態の中で説明する。

［相界面反応装置］
図１〜図６に、本発明に係る相界面反応装置の第１の実施形態を示す。相界面反応装置３１は、反応容器３２と、反応容器３２中にプラズマ状の物質３６を供給するプラズマ供給手段３３と、反応容器３２中に水又は水溶液３４を供給する水・水溶液供給手段３５と、反応容器３２中のプラズマ状の物質３６に紫外線３７を照射する紫外線照射手段３８と、を備え、反応容器３２中でプラズマ状の物質３６と水又は水溶液３４に含まれる溶質とを相界面で反応させるものである。また、相界面が形成される反応場として、紫外線照射手段３８により照射された紫外線３７を直接受ける第１の相界面３９が形成される第１の反応場４０と、第１の反応場４０を挟んで紫外線照射手段３８とは反対側に設けられ、第１の反応場４０を通過した紫外線３７を受ける第２の相界面４１が形成される第２の反応場４２と、を有している。

本実施形態では、第１の相界面３９は、反応容器３２中に収容され且つ紫外線３７の通過が可能な案内部材４３の紫外線照射手段３８に望む表側面４３ａに水又は水溶液３４を流すことで形成され、この第１の相界面３９がプラズマ状の物質３６と水又は水溶液３４に含まれる溶質との反応が生じる第１の反応場４０となる。また、第２の相界面４１は、案内部材４３の裏側面４３ｂに水又は水溶液３４を流すことで形成され、この第２の相界面４１がプラズマ状の物質３６と水又は水溶液３４に含まれる溶質との反応が生じる第２の反応場４２となる。

反応容器３２は、上端部３２ａと、下端部３２ｂと、これらの間に挟み込まれた周壁部３２ｃとを主に備えて構成され、上端部３２ａのフランジ３２ｄと下端部３２ｂのフランジ３２ｅとは複数の支柱３２ｆによって連結されている。周壁部３２ｃは、例えば円筒形状（筒形状の一例）を成している。本実施形態では、周壁部３２ｃを例えばステンレス等の金属製とし、その内周面を鏡面加工することで、案内部材４３を通り抜けた紫外線３７を第２の反応場４２に向けて反射させる反射部３２ｇとしている。周壁部３２ｃとして、例えばステンレススチール製のパイプの使用が可能である。周壁部３２ｃの内周面を反射部３２ｇとして利用することで、反射部３２ｇを別の部品として設ける必要がなくなり、製造コストを安くすることができると共に、装置を軽量化及び小型化することができる。ただし、周壁部３２ｃとは別の部品として反射部３２ｇを設けることも可能である。

紫外線照射手段３８は、第１の反応場４０及び第２の反応場４２に紫外線３７を照射可能な線源であり、例えば紫外線ランプ（例えば、１８５ｎｍの紫外線を照射するランプ）等の使用が可能である。また、紫外線ランプとしては、例えばエキシマランプ（例えば、１８０ｎｍ以下の真空紫外線を放射するランプ）等の使用が可能であり、更に、光や電磁波によるエネルギー投入手段を用いても良い。紫外線照射手段３８は反応容器３２内の中央に配置され、その上下両端を上端部３２ａ及び下端部３２ｂによって支持されている。紫外線照射手段３８の発光部３８ａは、例えば円柱形状（柱状の一例）を成しており、例えば円筒形状（筒形状の一例）のランプカバーガラス４４内に収容されている。ただし、発光部３８ａは、上記形状に限定されるものではなく、板状等の他の形状のものでも良い。発光部３８ａとして、１または２以上のＬＥＤを実装した板状、多角柱状、円柱状等の如何なる形状の部材でも良い。

ランプカバーガラス４４は紫外線３７を良好に透過させる材料で形成された筒状部材で、その上下両端を上端部３２ａ及び下端部３２ｂによって支持されている。ランプカバーガラス４４によって、反応容器３２中に供給されたプラズマ状の物質３６や水又は水溶液３４から紫外線照射手段３８を保護することができる。ランプカバーガラス４４は、例えば合成石英ガラス等によって形成されているが、これに限るものではない。

案内部材４３は、紫外線照射手段３８の発光部３８ａを囲む筒形状を成している。本実施形態では、案内部材４３を円筒形状にしているが、円筒形状には限らず、六角筒形状、八角筒形状、あるいは略円筒であって側面視にて蛇腹状の形状等にしても良い。案内部材４３は、例えば金網等の紫外線３７を通過させる部材や、ガラス等の紫外線３７を透過させる材料で形成された板材等で構成されている。ただし、紫外線３７を通過又は透過させることができるものであれば、これらに限るものではない。案内部材４３を金網製とした場合には、金網の網目の細かさを変化させることで水又は水溶液３４を流したときの水相界面の表面積（反応場）を調節して反応の効率を向上させることができる。ただし、金網の網目の細かさを変化させると紫外線３７の通過率も変化するので、水相界面の表面積と紫外線３７の通過率とをバランスさせることが重要である。また、案内部材４３をガラス製とした場合には、表面に凹凸を設けて水又は水溶液３４を流したときの水相界面の表面積（反応場）を増加させて反応の効率を向上させることができる。案内部材４３の上下両端は反応容器３２の上端部３２ａ及び下端部３２ｂによって支持されている。

反応容器３２中にプラズマ状の物質３６を供給するプラズマ供給手段３３は、反応させる物質のプラズマを発生させ、発生したプラズマ（プラズマ状の物質３６）を反応容器３２中に供給する装置である。プラズマ発生装置（プラズマ供給手段３３）としては、グロー放電等の放電を利用するものの他、高周波電磁場を利用するもの、マイクロ波を利用するものなど、公知のプラズマ発生装置を適宜用いることができる。反応させる物質が酸素である場合、プラズマ発生装置は公知のオゾン発生装置を用いることができる。プラズマ供給手段３３と反応容器３２とは配管４５で連結されている。すなわち、プラズマ供給手段３３で発生したプラズマは、配管４５を通じて反応容器３２の上端部３２ａのプラズマ供給口４６に供給され、上端部３２ａ内に設けられたプラズマ供給経路４７を通じて反応容器３２中に供給される。

プラズマ供給手段３３には、原料ガス源が連結されている。本実施形態では、原料ガス源として、例えば酸素供給源４８と窒素供給源４９が連結されており、原料ガスとして供給可能なガスを酸素ガスと窒素ガスとで切り替え可能になっている。酸素供給源４８及び窒素供給源４９は、例えば３方電磁弁等の切替手段５０を介してプラズマ供給手段３３に連結されている。酸素供給源４８は、例えば酸素ガスが加圧された状態で蓄えられた酸素ボンベであり、窒素供給源４９は、例えば窒素ガスが加圧された状態で蓄えられた窒素ボンベである。切替手段５０の切り替えによって酸素供給源４８をプラズマ供給手段３３に接続し、酸素供給源４８の吐出口を開くと、プラズマ供給手段３３に酸素ガスを供給することができる。酸素ガスを供給することで、プラズマ供給手段３３によってプラズマ状の酸素（オゾンを含むいわゆる酸素プラズマ、すなわちプラズマ状の物質３６）が生成される。また、切替手段５０の切り替えによって窒素供給源４９をプラズマ供給手段３３に接続し、窒素供給源４９の吐出口を開くと、プラズマ供給手段３３に窒素ガスを供給することができる。窒素ガスを供給することで、プラズマ供給手段３３によってプラズマ状の窒素（プラズマ状の物質３６）が生成される。なお、原料ガスとして、上述の酸素ガス及び窒素ガスの混合ガス、あるいはそれら以外のガスを使用しても良い。

反応容器３２中に水又は水溶液３４を供給する水・水溶液供給手段３５は、例えば水又は水溶液３４が貯えられたタンク５１と、タンク５１内の水又は水溶液３４を圧送するポンプ５２より主に構成されている。本実施形態では、第１の反応場４０に水又は水溶液３４を供給する水・水溶液供給手段３５と、第２の反応場４２に水又は水溶液３４を供給する水・水溶液供給手段３５とを別々に設けている。ただし、第１の反応場４０用の水・水溶液供給手段３５と第２の反応場４２用の水・水溶液供給手段３５とを１つの水・水溶液供給手段３５で兼用しても良い。

第１の反応場４０用の水・水溶液供給手段３５のポンプ５２と反応容器３２とは配管５３で連結されている。すなわち、ポンプ５２により吸い込まれたタンク５１内の水又は水溶液３４は、配管５３を通じて反応容器３２の上端部３２ａに設けられた内側給水口５４に供給され、上端部３２ａ内に設けられた内側水供給経路５５を通じて反応容器３２中の第１の反応場４０に供給される。また、第２の反応場４２用の水・水溶液供給手段３５のポンプ５２と反応容器３２とは配管５６で連結されている。すなわち、ポンプ５２により吸い込まれたタンク５１内の水又は水溶液３４は、配管５６を通じて反応容器３２の上端部３２ａに設けられた外側給水口５７に供給され、上端部３２ａ内に設けられた外側水供給経路５８を通じて反応容器３２中の第２の反応場４２に供給される。

図３〜図５に、反応容器３２の上端部３２ａに設けられたプラズマ供給経路４７、内側水供給経路５５及び外側水供給経路５８を示す。図３は案内部材４３とプラズマ供給経路４７の内側環状空間４７ａ及び外側環状空間４７ｂとの位置関係を示す図、図４は案内部材４３と内側水供給経路５５及び外側水供給経路５８との位置関係を示す図、図５はプラズマ供給経路４７、内側水供給経路５５及び外側水供給経路５８を横から見た状態の上端部３２ａの断面図である。

プラズマ供給経路４７は、ランプカバーガラス４４と案内部材４３との間に設けられた環状の内側環状空間４７ａと、プラズマ供給口４６に供給されたプラズマ状の物質３６を内側環状空間４７ａに導く内側プラズマ連通路４７ｄと、案内部材４３と周壁部３２ｃとの間に設けられた環状の外側環状空間４７ｂと、プラズマ供給口４６に供給されたプラズマ状の物質３６を外側環状空間４７ｂに導く外側プラズマ連通路４７ｃより主に構成されている。内側環状空間４７ａは第１の反応場４０に向けて開口し、外側環状空間４７ｂは第２の反応場４２に向けて開口している。したがって、プラズマ供給口４６に供給されたプラズマ状の物質３６は、内側プラズマ連通路４７ｄと外側プラズマ連通路４７ｃとに分かれて流入し、内側プラズマ連通路４７ｄから内側環状空間４７ａへと流れて第１の反応場４０に供給され、又は、外側プラズマ連通路４７ｃから外側環状空間４７ｂへと流れて第２の反応場４２に供給される。

内側水供給経路５５は、ランプカバーガラス４４と案内部材４３との間に設けられた環状の内側環状貯留部５５ａと、内側給水口５４に供給された水又は水溶液３４を内側環状貯留部５５ａに導く内側水連通路５５ｂより主に構成されている。内側給水口５４に供給された水又は水溶液３４は内側水連通路５５ｂを通じて内側環状貯留部５５ａに流入し一時的に貯留される。図５に示すように、内側環状貯留部５５ａの内周壁（内側プラズマ連通路４７ｄとの間の周壁）５５ｃは外周壁（案内部材４３に対向する周壁）５５ｄよりも高くなっている。そのため、内側環状貯留部５５ａの液位が上昇して所定値に達すると、内側環状貯留部５５ａ内の水又は水溶液３４が外周壁５５ｄを乗り越えて溢れだし、案内部材４３の表側面４３ａを伝わって流れ落ちる。すなわち、内側環状貯留部５５ａ内の水又は水溶液３４が第１の反応場４０へと供給される。

内側環状貯留部５５ａの内側にはプラズマ供給経路４７の内側プラズマ連通路４７ｄが設けられているが、内側環状貯留部５５ａの内周壁５５ｃは外周壁５５ｄに比べて十分高くなっており、内側環状貯留部５５ａ内の水又は水溶液３４がその表面張力によって内側プラズマ連通路４７ｄ側に流入することはない。また、内側環状貯留部５５ａには、例えば電解研磨等の表面処理が施されており、濡れ性が改善されている。そのため、内側環状貯留部５５ａ内には水又は水溶液３４が広がりやすく、全周に亘って液面の高さを等しくすることができ、案内部材４３の表側面４３ａの全周に均等に水又は水溶液３４を供給することができる。

外側水供給経路５８は、外側給水口５７に供給された水又は水溶液３４を貯める環状の外側環状貯留部５８ａと、案内部材４３を囲み且つ案内部材４３の裏側面４３ｂに向けて開口する環状の環状流路５８ｂと、外側環状貯留部５８ａ内の水又は水溶液３４を環状流路５８ｂに導く複数の外側水連通路５８ｃより主に構成されている。外側給水口５７に供給された水又は水溶液３４は外側環状貯留部５８ａに流入し一時的に貯留される。そして、外側環状貯留部５８ａ内の液位がある程度高くなると、外側環状貯留部５８ａ内の水又は水溶液３４は各外側水連通路５８ｃを通じて環状流路５８ｂに流入し、案内部材４３の裏側面４３ｂを伝わって流れ落ちる。すなわち、環状流路５８ｂ内の水又は水溶液３４が第２の反応場４２へと供給される。

反応容器３２の下端部３２ｂには、周壁部３２ｃと案内部材４３との間の第２の反応場４２を通り抜けたプラズマ状の物質３６を回収する外側プラズマ回収経路５９と、案内部材４３とランプカバーガラス４４との間の第１の反応場４０を通り抜けたプラズマ状の物質３６を回収する内側プラズマ回収経路６０と、第１及び第２の反応場４０，４２を通り抜けた水又は水溶液３４を回収する水・水溶液回収経路６１とが設けられている。

外側プラズマ回収経路５９は、周壁部３２ｃと案内部材４３との間の空間６２に向けて開口する環状溝５９ａと、環状溝５９ａに連通する外側プラズマ排出口５９ｂより構成されている。周壁部３２ｃと案内部材４３との間の空間６２を通り抜けたプラズマ状の物質３６は環状溝５９ａに流入し、外側プラズマ排出口５９ｂから排出される。

内側プラズマ回収経路６０は、周壁部３２ｃと案内部材４３との間の空間６２に形成される第２の反応場４２、及び案内部材４３とランプカバーガラス４４との間の空間６３に向けて開口する貯留部６４と、貯留部６４の比較的高い位置に連通する内側プラズマ排出口６０ａより構成されている。案内部材４３とランプカバーガラス４４との間の空間６３を通り抜けたプラズマ状の物質３６は貯留部６４に流入し、内側プラズマ排出口６０ａから排出される。

水・水溶液回収経路６１は、貯留部６４と、貯留部６４の比較的低い位置に連通する水・水溶液回収排出口６１ａより構成されている。周壁部３２ｃと案内部材４３との間の空間６２及び案内部材４３とランプカバーガラス４４との間の空間６３を通り抜けた水又は水溶液３４は貯留部６４に流入し、水・水溶液回収排出口６１ａから排出される。すなわち、貯留部６４は内側プラズマ回収経路６０と水・水溶液回収経路６１とで共有されており、流入したプラズマ状の物質３６と水又は水溶液３４とを気液分離させて内側プラズマ排出口６０ａ又は水・水溶液回収排出口６１ａから排出する。

相界面反応装置３１には、ランプカバーガラス４４内の空気を不活性ガスに置き換える不活性ガス置換手段６５が設けられている。不活性ガス置換手段６５は、例えばヘリウム、窒素、アルゴン等の不活性ガスが加圧された状態で蓄えられたボンベである。この不活性ガス置換手段６５と反応容器３２とは配管６６で連結されている。すなわち、不活性ガス置換手段６５から供給される不活性ガスは、配管６６を通じて反応容器３２の上端部３２ａの不活性ガス供給口６７に供給され、上端部３２ａ内に設けられた不活性ガス供給経路６８を通じて紫外線照射手段３８とランプカバーガラス４４との間の空間６９に供給され、この空間６９内の空気を不活性ガスに置き換える。紫外線照射手段３８とランプカバーガラス４４との間の空間６９から押し出された空気、及びこの空間６９に供給された不活性ガスは、その空間６９の上方から排気される。これにより、ランプカバーガラス４４内の気密性を高く維持して不活性ガスを充満させることができ、また、プラズマ状の物質３６を回収する場合に不活性ガスとの混合を避けることができる。ただし、例えば、内側プラズマ回収経路６０の貯留部６４から内側プラズマ排出口６０ａを通じて上記の空気および不活性ガスを排出するようにしても良い。

不活性ガス置換手段６５は相界面反応装置３１による反応生成物の製造前に使用され、ランプカバーガラス４４内を予め不活性ガス雰囲気にしておくものである。ランプカバーガラス４４内に酸素が存在すると、紫外線照射手段３８が照射する紫外線３７によってオゾンが発生し、紫外線３７の透過性を悪化させることになるが、相界面反応装置３１の使用前に不活性ガス置換手段６５によってランプカバーガラス４４内を不活性ガス雰囲気にしておくことで、紫外線３７の透過性の悪化を防止することができる。

このような相界面反応装置３１によって実施される本発明に係る相界面反応を用いた反応生成物製造方法は、反応容器３２中にプラズマ状の物質３６を供給するプラズマ供給工程と、反応容器３２中に水又は水溶液３４を供給する水・水溶液供給工程と、反応容器３２中のプラズマ状の物質３６に紫外線照射手段３８によって紫外線３７を照射する紫外線照射工程と、を有し、反応容器３２中でプラズマ状の物質３６と水又は水溶液３４に含まれる溶質とを相界面で反応させるもので、相界面が形成される反応場として、紫外線照射手段３８により照射された紫外線３７を直接受ける第１の相界面３９が形成される第１の反応場４０と、第１の反応場４０を通り抜けた紫外線３７を受ける第２の相界面４１が形成される第２の反応場４２と、を形成するものである。

本実施形態では、第１の相界面３９を、反応容器３２中に収容され且つ紫外線３７の通過が可能な案内部材４３の紫外線照射手段３８に望む表側面４３ａに水又は水溶液３４を流すことで形成し、この第１の相界面３９を、プラズマ状の物質３６と水又は水溶液３４に含まれる溶質との反応が生じる第１の反応場４０としている。また、第２の相界面４１を、案内部材４３の裏側面４３ｂに水又は水溶液３４を流すことで形成し、この第２の相界面４１を、プラズマ状の物質３６と水又は水溶液３４に含まれる溶質との反応が生じる第２の反応場４２としている。

また、紫外線照射手段３８の発光部３８ａを円筒形状にすると共に、案内部材４３を紫外線照射手段３８の発光部３８ａを囲む筒形状にしている。さらに、図６に示すように、第１の相界面３９を通り抜けた紫外線３７を反応容器３２中で反射させて第２の相界面４１に当てるようにしている。

（プラズマ供給工程）
プラズマ供給手段３３より配管４５を通じて反応容器３２のプラズマ供給口４６に供給されたプラズマ状の物質３６は、プラズマ供給経路４７の内側プラズマ連通路４７ｄ又は外側プラズマ連通路４７ｃを通じて内側環状空間４７ａ又は外側環状空間４７ｂに導かれる。そして、内側環状空間４７ａに導かれたプラズマ状の物質３６は第１の反応場４０に供給され、水又は水溶液３４との間で相界面反応を生じさせながら流れ落ち、内側プラズマ回収経路６０の貯留部６４で気液分離された後、内側プラズマ排出口６０ａから回収される。一方、外側環状空間４７ｂに導かれたプラズマ状の物質３６は第２の反応場４２に供給され、水又は水溶液３４との間で相界面反応を生じさせながら流れ落ち、外側プラズマ回収経路５９の環状溝５９ａから外側プラズマ排出口５９ｂへと流れて回収される。

（水・水溶液供給工程）
第１の反応場４０用の水・水溶液供給手段３５より配管５３を通じて反応容器３２の内側給水口５４に供給された水又は水溶液３４は、内側水供給経路５５を通じて第１の反応場４０へと供給され、プラズマ状の物質３６との間で相界面反応を生じさせながら流れ落ち、水・水溶液回収経路６１の貯留部６４で気液分離された後、水・水溶液回収排出口６１ａから回収される。

また、第２の反応場４２用の水・水溶液供給手段３５より配管５６を通じて反応容器３２の外側給水口５７に供給された水又は水溶液３４は、外側水供給経路５８を通じて第２の反応場４２へと供給され、プラズマ状の物質３６との間で相界面反応を生じさせながら流れ落ち、水・水溶液回収経路６１の貯留部６４で気液分離された後、水・水溶液回収排出口６１ａから回収される。

（反応生成物の回収）
第１及び第２の反応場４０，４２の相界面反応で生成された反応生成物は、水又は水溶液３４に溶け込むものについては水又は水溶液３４と一緒に回収され、水又は水溶液３４に溶け込まないものについてはプラズマ状の物質３６と一緒に回収される。
なお、回収した水又は水溶液３４やプラズマ状の物質３６を再度相界面反応装置３１に供給しても良い。この場合には、反応生成物の濃度を高めることができる。

（紫外線照射工程）
第１の反応場４０には紫外線照射手段３８からの紫外線３７を直接照射させることができるので、紫外線３７によって予め水又は水溶液３４を励起させてから反応を生じさせることが可能となり、その反応速度を向上させることができる。また、第１の反応場４０即ち案内部材４３を通り抜けた紫外線３７は、周壁部３２ｃに設けられた反射部３２ｇによって反射され、第２の反応場４２に照射される。そのため、第２の反応場４２についても、紫外線３７によって予め水又は水溶液３４を励起させてから反応を生じさせることが可能となり、その反応速度を向上させることができる。すなわち、紫外線照射手段３８によって照射された紫外線３７を相界面反応に有効に利用することができ、反応効率を向上させることができる。なお、一般的に波長が１０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の波長をもつ紫外線３７に代えて、紫外線３７よりも波長の短い電子線や電磁波（放射線も含む）を用いることもできる。よって、本願における「紫外線」を「紫外線若しくはそれより短波長の電子線若しくは電磁波」と読み替えることもできる。

相界面反応装置３１は、紫外線照射手段３８の発光部３８ａを細長い筒形状とし、この発光部３８ａを囲むように筒形状の案内部材４３を配置し、第１及び第２の反応場４０，４２における水又は水溶液３４とプラズマ状の物質３６の流れを発光部３８ａに沿うように形成している。そのため、第１及び第２の反応場４０，４２の全域にわたって紫外線３７を照射することができ、反応効率を向上させることができる。

また、相界面反応装置３１は、紫外線照射手段３８の発光部３８ａを案内部材４３で囲んでおり、照射される紫外線３７を全て第１及び第２の反応場４０，４２に当てる構成となっている。そのため、紫外線照射手段３８から照射される紫外線３７を有効に利用することができ、反応効率を向上させることができる。

なお、上述の説明では、第１の反応場４０と第２の反応場４２との両方に水又は水溶液３４を供給して相界面反応を生じさせていたが、第１の反応場４０にのみ水又は水溶液３４を供給して相界面反応を生じさせるようにしても良い。すなわち、第１の反応場４０のみを使用するようにしても良い。

（プラズマ供給工程についての説明）
プラズマ供給工程では、プラズマ供給手段３３を稼動させることにより、反応容器３２中にプラズマ状の物質３６を供給する。ここで、プラズマ供給手段３３に酸素ガス（酸素分子）を供給すると、酸素プラズマ（プラズマ状の酸素）として、オゾン（Ｏ_３）及び酸素原子（Ｏ）、その他、酸素分子や電離したイオンや電子等の混合物が、配管を通して、反応容器３２に供給される。プラズマ供給手段３３に窒素ガス（窒素分子）を供給すると、窒素プラズマ（プラズマ状の窒素）として、窒素原子（Ｎ）、その他窒素分子や電離したイオンや電子等の混合物が反応容器３２に供給される。なお、プラズマ供給手段３３に二酸化炭素を供給すると、酸化炭素プラズマ（プラズマ状の酸化炭素）として、一酸化炭素、炭素原子、酸素原子、二酸化炭素、その他イオンや電子等の混合物が反応容器３２に供給される。また、プラズマ状態で反応容器３２に供給される物質は、これら等の無機物に限定されるものではなく、その他有機物（炭化水素、アルコール、アンモニア等）であってもよい。さらに、１種のみの物質をプラズマ化してもよいし、２種以上の物質の混合物（例えば、空気等）をプラズマ化して反応容器３２に供給してもよい。

プラズマ状の物質３６の反応容器３２への供給速度としては特に制限されず、装置サイズ等に応じて適宜設定されるが、例えば、０．１Ｌ／ｍｉｎ〜１００Ｌ／ｍｉｎ程度とすることができる。

（紫外線照射工程についての説明）
紫外線３７の照射により、反応容器３２中でプラズマ状の物質３６と水（又は水溶液に含まれる溶質）とが相界面で反応する。このように、プラズマ相とプラズマ相と接触する液相との相界面で、プラズマ状の物質３６と水又は水溶液３４に含まれる溶質とを反応させるため、２成分の接触面積が広く、高効率で反応を行うことができる。

なお、プラズマ状の物質３６としてプラズマ状の酸素（オゾンを含むいわゆる酸素プラズマ）を用いた場合は、以下の反応が進行する。
Ｏ_３＋ｈν（ＵＶ）→^３Ｏ_２＋Ｏ （１）
Ｏ＋Ｈ_２Ｏ＋ｈν（ＵＶ）→２ＨＯ・ （２）
^３Ｏ_２＋ＨＯ・→ＨＯＯＯ・ （３）
ＨＯＯＯ・＋ｈν（ＵＶ）→^１Ｏ_２＋ＨＯ・ （４）
すなわち、（１）、（２）の反応によりヒドロキシラジカル（ＯＨ・ラジカル）が生じ、（３）、（４）の反応によりさらに一重項酸素が生じる。ヒドロキシラジカルおよび一重項酸素は、相界面反応により生成した反応生成物の一例である。

プラズマ状の物質３６としてプラズマ状の窒素を用いた場合は、窒素原子（プラズマ）が紫外線３７照射により相界面で水と反応し、アンモニア等が生成する。アンモニアは、相界面反応により生成した反応生成物の一例である。ここで、さらに発生したアンモニアをプラズマ発生装置（放電装置）に供給すると、分解し、水素分子（及び窒素分子）を得ることができる（分解反応工程）。このように、原料として窒素（空気）及び水から、アンモニアを経て水素分子を得ることができる。

相界面反応を利用してアンモニアを合成する方法は、プラズマ中に生成する原子状気体が、水との相界面（プラズマ／水の相界面）において、自ら解離プロトンを効率良く供与される現象を利用するものであり、空気あるいは窒素と水を原料とする合成法である。プラズマ発生装置の放電空間に窒素分子を通過させると、窒素のプラズマ化が起こる。この窒素プラズマと水との相界面を速やかに形成すると、アンモニアが生成する。窒素プラズマ／水の相界面に、紫外線３７を照射し、反応エネルギーを付与すると、アンモニア合成効率がより向上する。

アンモニアは常圧で気体であるが、水溶解度が非常に高い（２０℃において、ＮＨ_３ ７０２ｇ／Ｈ_２Ｏ １００ｇ）。このため、合成されたアンモニアは、水相に溶存する（反応系の条件によっては、一部が気体として雰囲気中に存在）。そのため、合成されたアンモニアは、水相溶存により容易に回収できる。また、高温では溶存率が大きく低下するので（例：１００℃では溶存率は２０℃のときの８分の１）、反応系条件によって気体として回収することも容易である。

古くから公知のハーバー・ボッシュ法は高温・高圧・触媒系にてアンモニアを合成するが、上述の相界面反応は、常温・常圧・無触媒で反応を進行させることが出来る。従って、僅かなエネルギー投入量で、アンモニアの合成反応を進行させることが出来る点で極めて有利である。この技術は、原料がどこでも調達できること（輸送不要）、空気と水を原料としてアンモニアを合成できるので原料費が極めて低いこと、二酸化炭素を生成しないので、環境負荷が小さく、かつ二酸化炭素の輸送費も不要であること、装置が常温・常圧で軽装であること、低エネルギー反応系であること（相界面における非平衡化学反応系であること）、炭化水素燃料から水素を生成する必要がないため、エネルギーコストを大幅に削減できることなどの大きなアドバンテージを有する。空気と水からアンモニアを合成する場合、空気中には酸素があるので、窒素プラズマと酸素プラズマが反応し、気相中にＮＯが少量生成する。しかし、ＮＯは水相に全く溶存せず、気体として容易に排気可能なので、液相中のアンモニアに混入しないと考えられる。アンモニアに比べてＮＯの水溶解度が著しく低いことは、ＮＯの分離をしなくても良く、また、安価、かつ安全にアンモニアを製造できる点で優位であると考えられる。

なお、プラズマ状の物質３６として、プラズマ状の酸化炭素（一酸化炭素、二酸化炭素）を用いた場合、水等との反応により、炭化水素、アルコール等の有機物の合成が可能となる。なお、複数の物質、例えば、窒素と酸素（空気）等をプラズマ化して用いてもよい。

次に、本発明に係る相界面反応装置の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態における相界面反応装置３１との相違点を中心に説明し、同一事項についての説明は省略する。

図７に、相界面反応装置３１の第２の実施形態を示す。第２の実施形態の相界面反応装置３１では、反応容器３２の案内部材４３に望む部位即ち周壁部３２ｃを、案内部材４３を通り抜けた紫外線３７が透過可能な透過部３２ｈとしている。また、反応容器３２と紫外線照射手段３８と案内部材４３とはユニット化されて複数設けられている。そして、ユニット化された装置ユニット７０は透過部３２ｈを対向させて複数並べられており、一の装置ユニット７０の透過部３２ｈを透過した紫外線３７を他の装置ユニット７０の第２の相界面４１に当てるようにしている。

すなわち、第１の実施形態における相界面反応装置３１では、反応容器３２の周壁部３２ｃを例えばステンレスパイプ製として反射部３２ｇを形成し、案内部材４３を通り抜けた紫外線３７を第２の反応場４２に向けて反射させていたが、第２の実施形態における相界面反応装置３１では、反応容器３２の周壁部３２ｃを紫外線３７が透過な可能な透過部３２ｈとし、案内部材４３を通り抜けた紫外線３７を隣の装置ユニット７０の第２の反応場４２に当てるようにしている。

つまり、第１の実施形態における相界面反応装置３１では、案内部材４３を通り抜けた紫外線３７を、同じ反応容器３２内での相界面反応に利用しているが、第２の実施形態における相界面反応装置３１では、案内部材４３を通り抜けた紫外線３７を、別の反応容器３２内での相界面反応に利用している。複数の装置ユニット７０を並べることで、隣り合う装置ユニット７０同士で紫外線３７を相互に利用し合うことができる。

この相界面反応装置３１でも、第１の実施形態の相界面反応装置３１と同様に、案内部材４３を通り抜けた紫外線３７を相界面反応に有効に利用することができ、反応効率を向上させることができる。

［植物栽培装置］
本発明に係る植物栽培装置について説明する。図８に、植物栽培装置の第１の実施形態を示す。植物栽培装置７１は、相界面反応装置３１と、相界面反応装置３１によって生成した反応生成物を含む液肥７２を植物７３に与える液肥供給手段７４と、を備えている。植物７３は、水耕栽培されている。栽培容器７５内の支持部材７６によって多数の植物７３が支持されている。植物７３が根を伸ばす支持部材７６の下の空間には培養液としての液肥７２が満たされている。

本実施形態では、液肥７２として、窒素を含む培養液を使用するので、相界面反応装置３１でアンモニアを製造し、培養液調整タンク７７に供給する。すなわち、窒素供給源４９からプラズマ供給手段３３に窒素ガスを供給し、プラズマ供給手段３３によってプラズマ状の窒素を発生させて反応容器３２に供給する。反応容器３２内での相界面反応によって製造されたアンモニアは水溶性であり、水又は水溶液３４と一緒に回収される。このアンモニアを含む水又は水溶液３４を、配管７８を通して培養液調整タンク７７に供給する。

培養液調整タンク７７内の液肥７２の成分はセンサ７９によって監視されており、液肥７２の窒素成分が不足すると相界面反応装置３１を作動させて培養液調整タンク７７内に窒素成分（アンモニア）が供給される。これにより、培養液としての液肥７２中の窒素成分濃度が適切に調整され維持される。培養液調整タンク７７内で調整された液肥７２は、液肥供給手段７４によって栽培容器７５に供給され、これによって液肥７２が培養液調整タンク７７→液肥供給手段７４→栽培容器７５→培養液調整タンク７７へと循環される。

このように、植物栽培装置７１では、相界面反応装置３１によって製造したアンモニア（反応生成物）を含む液肥７２を植物７３に与えることができる。植物栽培装置７１は相界面反応装置３１を備えているので、オンサイトでアンモニアを生成させて液肥７２の窒素成分を調整することができる。このため、液肥７２の窒素成分調整が極めて容易になる。また、液肥７２の窒素成分の調整のために大掛かりな機器類を設置する必要がなくなる。

次に、植物栽培装置の第２の実施形態について説明する。図９に、植物栽培装置の第２の実施形態を示す。植物栽培装置７１は、相界面反応装置３１と、相界面反応装置３１によって生成した反応生成物を含む液肥７２を植物７３に与える液肥供給手段７４と、を備えている。植物７３は、養液土栽培されている。培地８０としての土に多数の植物７３が植え付けられている。各植物７３の根元に沿ってチューブ８１が設けられている。チューブ８１には、各植物７３の根元付近に液肥７２を供給するための孔（図示せず）が設けられている。

本実施形態でも、液肥７２として、窒素を含む培養液を使用するので、相界面反応装置３１でアンモニアを製造し、培養液調整タンク７７に供給する。すなわち、窒素供給源４９からプラズマ供給手段３３に窒素ガスを供給し、プラズマ供給手段３３によってプラズマ状の窒素を発生させて反応容器３２に供給する。反応容器３２内での相界面反応によって製造されたアンモニアは水溶性であり、水又は水溶液３４と一緒に回収される。このアンモニアを含む水又は水溶液３４を、配管７８を通して培養液調整タンク７７に供給する。

培養液調整タンク７７内の液肥７２の成分はセンサ７９によって監視されており、液肥７２の窒素成分が不足すると相界面反応装置３１を作動させて培養液調整タンク７７内に窒素成分（アンモニア）が供給される。これにより、培養液としての液肥７２中の窒素成分濃度が適切に調整され維持される。培養液調整タンク７７内で調整された液肥７２は、液肥供給手段７４によってチューブ８１に供給され、各植物７３の根元付近に設けられた孔から少量ずつ各植物７３の根元付近に供給される。

このように、植物栽培装置７１では、相界面反応装置３１によって製造したアンモニア（反応生成物）を含む液肥７２を植物７３に与えることができる。植物栽培装置７１は相界面反応装置３１を備えているので、オンサイトでアンモニアを生成させて液肥７２の窒素成分を調整することができる。このため、液肥７２の窒素成分調整が極めて容易になる。また、液肥７２の窒素成分の調整のために大掛かりな機器類を設置する必要がなくなる。

なお、上述の説明では、水耕栽培及び養液土栽培に本発明の植物栽培装置７１を使用していたが、水耕栽培及び養液土栽培の他の栽培方法にも適用可能である。例えば、上記の窒素や空気に代えて酸素ガスをプラズマ供給手段３３に供給することにより反応生成物としてオゾン水を生成させることもできる。生成したオゾン水は、植物工場において、配管などの殺菌に利用できる。この結果、無菌状態での植物育成が可能となり、病気の発生を防止できる。アンモニア、アンモニア水、オゾン、オゾン水等は、反応生成物の一例である。

図１０は、放電により窒素プラズマガスを発生させ、紫外線の照射を行わずに窒素プラズマ相と水相との相界面反応を行わせてアンモニアを生成させる方法（Ａ）と、当該（Ａ）の相界面反応の場に紫外線（１８５ｎｍ＋２５４ｎｍ）を照射して相界面反応を行わせてアンモニアを生成させる方法（Ｂ）と、水相表面に紫外線（１８５ｎｍ＋２５４ｎｍ）を１２００秒間照射して、その後に上記（Ｂ）と同様の方法で相界面反応を行わせてアンモニアを生成させる方法（Ｃ）とを比較したグラフである。その他の詳細な条件は、図１０に示すとおりである。なお、全ての実験において、生成したアンモニアは、イオンクラマトグラフ装置（島津製作所製）で分析定量した。

この結果、紫外線を照射しない場合（Ａ）に比べ、紫外線を照射した場合（Ｂ，Ｃ）の方がアンモニアの生成量が多く、また、相界面反応場に水を導く前に、水に紫外線を照射して励起する（Ｃ）の方がかかる事前励起のない（Ｂ）に比べてアンモニアの生成量が多いということがわかった。この結果は、本発明のように、第１の反応場４０および第２の反応場４２を形成することによる反応生成物の増大効果を支持するものである。

上記実施形態では、反応容器３２中にプラズマ状の物質３６を供給するプラズマ供給手段３３を、反応容器３２に通じる外部に配置しているが、次のように反応容器３２の内部に備えることもできる。例えば、第１の反応場４０（若しくは第２の反応場４２）に供給される水または水溶液、あるいは案内部材４３を挟んで対向電極を配置して、当該対向電極間に高電圧を印加すると、上記反応場４０，４２で放電してプラズマが発生する。このような方法により、反応容器３２の内部にプラズマ供給手段を存在せしめても良い。さらには、反応容器３２の内外の両方にプラズマ供給手段を存在せしめても良い。

本発明は、アンモニア水やオゾン水等の製造に使用できる。また、植物の栽培にも使用できる。

３１ 相界面反応装置
３２ 反応容器
３２ｇ 反射部
３２ｈ 透過部
３３ プラズマ供給手段
３４ 水又は水溶液
３５ 水・水溶液供給手段
３６ プラズマ状の物質
３７ 紫外線
３８ 紫外線照射手段
３８ａ 紫外線照射手段の発光部
３９ 第１の相界面
４０ 第１の反応場
４１ 第２の相界面
４２ 第２の反応場
４３ 案内部材
４３ａ 案内部材の表側面
４３ｂ 案内部材の裏側面
７０ 装置ユニット
７１ 植物栽培装置
７２ 液肥
７３ 植物
７４ 液肥供給手段

Claims (4)

1. 反応容器と、
   前記反応容器中にプラズマ状の物質を供給するプラズマ供給手段と、
   前記反応容器中に、水又は水溶液を供給する水・水溶液供給手段と、
   前記反応容器中の前記プラズマ状の物質に紫外線を照射する紫外線照射手段と、
   を備え、
   前記反応容器中で前記プラズマ状の物質と前記水又は水溶液に含まれる溶質とを相界面で反応させる相界面反応装置であって、
   前記相界面が形成される反応場として、
   前記紫外線照射手段により照射された紫外線を直接受ける第１の相界面が形成される第１の反応場と、
   前記第１の反応場を挟んで前記紫外線照射手段とは反対側に設けられ、前記第１の反応場を通過した紫外線を受ける第２の相界面が形成される第２の反応場と、
   を有し、
   前記第１の相界面は、前記反応容器中に収容され且つ前記紫外線の通過が可能な案内部材の前記紫外線照射手段に望む表側面に前記水又は水溶液を流すことで形成され、
   前記第２の相界面は、前記案内部材の裏側面に前記水又は水溶液を流すことで形成され、
   前記紫外線照射手段の発光部は柱状を成しており、
   前記案内部材は、金網またはガラス製の部材であって、前記紫外線照射手段の発光部を囲む筒形状を成し、
   前記発光部を覆うランプカバーガラスと前記案内部材との間に、前記プラズマ状の物質が供給される内側環状空間を備え、
   前記案内部材と前記反応容器の周壁部の内周面との間に、前記プラズマ状の物質が供給される外側環状空間を備え、
   前記反応容器の前記周壁部の前記内周面を、前記案内部材を通り抜けた紫外線を前記第２の相界面に向けて反射させる反射部とする相界面反応装置。
2. 前記反応容器の前記案内部材に望む部位は前記案内部材を通り抜けた紫外線が透過可能な透過部となっており、
   前記反応容器と前記紫外線照射手段と前記案内部材とはユニット化されて複数設けられており、
   前記ユニットは前記透過部を対向させて複数並べられており、
   一のユニットの前記透過部を透過した紫外線を他のユニットの前記第２の相界面に当てる請求項１に記載の相界面反応装置。
3. 請求項１または２に記載の相界面反応装置と、
   前記相界面反応装置によって生成した反応生成物を含む液肥を植物に与える液肥供給手段と、
   を備える植物栽培装置。
4. 請求項１に記載の相界面反応装置による相界面反応を用いて反応生成物を製造する方法において、
   反応容器中にプラズマ状の物質を供給するプラズマ供給工程と、
   前記反応容器中に、水又は水溶液を供給する水・水溶液供給工程と、
   前記反応容器中の前記プラズマ状の物質に紫外線照射手段によって紫外線を照射する紫外線照射工程と、
   を有し、
   前記反応容器中で前記プラズマ状の物質と前記水又は水溶液に含まれる溶質とを相界面で反応させる相界面反応を用いた反応生成物製造方法であって、
   前記相界面が形成される反応場として、
   前記紫外線照射手段により照射された紫外線を直接受ける第１の相界面が形成される第１の反応場と、
   前記第１の反応場を通り抜けた紫外線を受ける第２の相界面が形成される第２の反応場と、
   を形成する反応生成物製造方法。

Images