JP7086653B2

JP7086653B2 - 水処理装置

Info

Publication number: JP7086653B2
Application number: JP2018046939A
Authority: JP
Inventors: 祐之安井; 武士松代; 清一村山; 尚彦志村; 竜太郎牧瀬; 可南子森谷
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2022-06-20
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: JP2019155294A

Description

本発明の実施形態は、水処理装置に関する。

上下水の処理には、オゾン処理や塩素処理が一般的に用いられている。しかし、産業用廃水には、オゾン処理や塩素処理では分解されないダイオキシン類やジオキサン等の難分解物質が含まれる場合がある。オゾン、過酸化水素、および紫外線を併用した促進酸化処理法で、オゾン処理や塩素処理よりも反応性の高いヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）を産業用廃水等の被処理水中で発生させて、ＯＨラジカルによる難分解物質の分解を行う方法がある。しかし、促進酸化処理法は、当該促進酸化処理法を実行する装置やその運転にかかるコストが非常に高い。

そのため、プラズマの作用によって被処理水中でＯＨラジカルを生成し、被処理水中の難分解物質を高効率に分解する水処理装置が提案されている。この水処理装置は、ワイヤ状の高電圧電極と平板状の接地電極間にパルス電圧を印加してプラズマを発生させるとともに、接地電極を傾斜させてその上面に沿って被処理水を流して薄い液体層を形成し、その液体層にプラズマを照射して被処理水中で生成されるＯＨラジカルによって、被処理水中の難分解物質を分解する。また、ワイヤ状の高電圧電極と平板状の接地電極間にパルス電圧を印加してプラズマを発生させるとともに、接地電極の上面を流れる被処理水の一部を水滴化することによって、被処理水中の難分解物質をより高効率に分解する技術を開発されている。

特許第５８１９０３１号公報

しかしながら、上記の水処理装置では、高電圧電極と接地電極間に被処理水を導入するため、高電圧電極と接地電極間で発生するプラズマが、被処理水の形状、被処理水の導電率や誘電率等の被処理水の電気的な性質の影響を受けて、不安定になったり、異常放電（スパーク放電）し易くなったりすることがある。そのため、上述の水処理装置において、プラズマを安定して生成するためには、高電圧電極と接地電極間に印加する電圧を放電開始電圧よりも十分高い電圧とし、かつ高電圧電極と接地電極間に短いパルス幅のパルス電圧を印加する必要が生じる。これにより、特殊仕様の電源および水処理装置自体の絶縁対策が必要となる。さらに、高電圧電極と接地電極間に電圧を印加する電源の消費電力の効率も悪化する可能性も高い。

実施形態の水処理装置は、放電部と、プラズマ生成用電源と、プラズマ進展部と、を備える。放電部は、高電圧電極と、当該高電圧電極との間に被処理水を介さずに設けられる接地電極と、高電圧電極と接地電極との間に設けられる誘電体電極とを有し、高電圧電極と接地電極との間に希ガスが存在し、かつ被処理水が流れる領域とは、電気的に絶縁されるよう離間して設けられる。プラズマ生成用電源は、高電圧電極と接地電極との間に電圧を印加して、高電圧電極と接地電極間の希ガス中でプラズマを点弧させる。プラズマ進展部は、筒状の絶縁体であり、高電圧電極と接地電極間の希ガス中で点弧されるプラズマの作用によって、第１開口から内部の希ガス中でプラズマを点弧させ、当該プラズマを第１開口とは反対側の第２開口から被処理水に対して放出して、被処理水中でラジカルを生成する。

図１は、第１の実施形態にかかる水処理装置の構成の一例を示す図である。図２は、第２の実施形態にかかる水処理装置の構成の一例を示す図である。図３は、第３の実施形態にかかる水処理装置の構成の一例を示す図である。図４は、第４の実施形態にかかる水処理装置の斜視図の一例である。図５は、第４の実施形態にかかる水処理装置を上方から見た図の一例である。図６は、第５の実施形態にかかる水処理装置の斜視図の一例である。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかる水処理装置について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる水処理装置の構成の一例を示す図である。図１に示すように、本実施形態にかかる水処理装置は、放電部１０１、プラズマ進展部１０２、およびプラズマ生成用電源１０３を有する。放電部１０１は、高電圧電極１０１ａ、接地電極１０１ｂ、および誘電体電極１０１ｃを有し、被処理水Ｗ（例えば、ダイオキシン類やジオキサン等の難分解物質が含まれる産業用廃水、上下水）が流れる領域とは離間して設けられる。言い換えると、放電部１０１は、被処理水Ｗが流れる領域とは電気的に絶縁され、被処理水Ｗの形状や被処理水Ｗの電気的な性質の影響を受けて、放電部１０１において発生するプラズマが不安定になったり、異常放電が発生し易くなったりしないように設けられていれば良い。本実施形態では、放電部１０１は、被処理水Ｗの液面から、約２０ｃｍ上方に設けられている。高電圧電極１０１ａは、導電性の材料により構成される。また、高電圧電極１０１ａは、後述するプラズマ生成用電源１０３によって電圧が印加される電極である。なお、被処理水Ｗは、図１の方向Ｄに流れているものとする。

接地電極１０１ｂは、高電圧電極１０１ａとの間に被処理水Ｗを介さずに設けられる電極である。接地電極１０１ｂは、高電圧電極１０１ａと同様に、導電性の材料により構成される。また、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂとの間には、プラズマ生成用ガスＧが存在する。本実施形態では、接地電極１０１ｂは、高電圧電極１０１ａの外側に設けられる筒状（例えば、円筒状）の電極である。また、本実施形態では、筒状の接地電極１０１ｂの上部の開口から、プラズマ生成用ガスＧが流入されて、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂとの間がプラズマ生成用ガスＧによって満たされる。または、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂとの間にプラズマ生成用ガスＧが予め充填されていても良い。ここで、プラズマ生成用ガスＧは、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂとの間に電圧が印加されてプラズマを高効率に点弧（発生）させることが可能な希ガス（例えば、ＡｒガスやＨｅガス）である。誘電体電極１０１ｃは、誘電体により構成され、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂとの間に設けられる電極である。本実施形態では、誘電体電極１０１ｃは、接地電極１０１ｂの内側に設けられ、接地電極１０１ｂと同軸状に配置される筒状（例えば、円筒状）の電極である。また、本実施形態では、誘電体電極１０１ｃは、その外周面が、接地電極１０１ｂの内周面に接している。

プラズマ生成用電源１０３は、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂとの間に電圧を印加して、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間のプラズマ生成用ガスＧ中でプラズマを点弧させる。本実施形態では、プラズマ生成用電源１０３は、周波数が１５ｋＨｚでかつ数ｋＶの交流電圧を、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間に印加して放電を発生させることにより、放電部１０１内でプラズマを点弧させる。本実施形態では、プラズマ生成用電源１０３は、周波数が１５ｋＨｚでかつ電圧が数ｋＶの交流電圧を、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間に印加しているが、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂとの間のプラズマ生成用ガスＧ中でプラズマを点弧させることが可能な周波数および電圧であれば、これに限定するものではない。

プラズマ進展部１０２は、筒状の絶縁体（例えば、ポリ塩化ビニル、ガラス、セラミックス）である。また、プラズマ進展部１０２は、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間のプラズマ生成用ガスＧ中で点弧されるプラズマの作用によって、一方の開口１０２ａ（以下、第１開口と言う）から内部のプラズマ生成用ガスＧ中でプラズマを点弧させる。本実施形態では、プラズマ進展部１０２は、接地電極１０１ｂと同軸状に配置される円筒状の部材であり、第１開口１０２ａが、誘電体電極１０１ｃの開口に接続されている。本実施形態では、プラズマ進展部１０２の第１開口１０２ａは、誘電体電極１０１ｃの開口に接続されているが、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間のプラズマ生成用ガスＧ中で点弧されるプラズマの作用によって、プラズマ進展部１０２内のプラズマ生成用ガスＧ中でプラズマを点弧させることが可能であれば、放電部１０１から離間して設けられていても良い。

ここで、プラズマ生成用ガスＧは、放電部１０１により生成されるプラズマの作用によって、プラズマ進展部１０２内でプラズマを高効率に点弧（発生）させることが可能な希ガス（例えば、ＡｒガスやＨｅガス）である。本実施形態では、プラズマ生成用ガスＧは、プラズマ進展部１０２内に予め充填されていても良いし、第１開口１０２ａからプラズマ進展部１０２内に流入されても良い。

また、プラズマ進展部１０２は、当該プラズマ進展部１０２内のプラズマ生成用ガスＧ中で点弧されるプラズマを、第１開口１０２ａとは反対側の開口１０２ｂ（以下、第２開口と言う）から放出して、被処理水Ｗ中でラジカルを生成する。本実施形態では、第２開口１０２ｂは、被処理水Ｗが流れる流路の上方に設けられ、被処理水Ｗの液面との間に、所定距離Ｌ以下の距離を有する。ここで、所定距離Ｌは、プラズマ進展部１０２内で発生するプラズマが空気中を移動可能な距離の閾値以下の距離（例えば、数ｍｍ）である。

以上の構成によれば、放電部１０１内のプラズマ生成用ガスＧ中で点弧されるプラズマ自体で形成される電界が起点となって、プラズマ進展部１０２内に存在するプラズマ生成用ガスＧ中でプラズマが点弧される。プラズマ進展部１０２内で点弧されるプラズマは、第１開口１０２ａから第２開口１０２ｂに向かって移動（進展、形成）し、第２開口１０２ｂから被処理水Ｗの液面に向かって放出される。第２開口１０２ｂから放出されるプラズマは、被処理水Ｗの液面に照射される。そして、水処理装置は、第２開口１０２ｂから放出されるプラズマによって、被処理水Ｗ中に含まれる難分解な有害物質等を分解する処理（以下、水処理と言う）を実現する。

これにより、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間に被処理水Ｗを流入させることなく、被処理水Ｗに対してプラズマを照射することができ、被処理水Ｗの形状、被処理水Ｗの電気的な性質（例えば、導電率や誘電率）の影響を受けることなく、プラズマを生成することができるので、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間のプラズマ生成用ガスＧ中で発生するプラズマが不安定になったり、当該プラズマによって異常放電が発生したりすることを防止して、プラズマを安定して生成できる。また、プラズマ進展部１０２内にプラズマ生成用ガスＧが流入されているので、被処理水Ｗとの絶縁対策が容易な低電圧でプラズマ進展部１０２内にプラズマを生成することができる。さらに、プラズマ生成用電源１０３として汎用性のある電源を用いることが容易となり、かつ水処理装置の絶縁対策も容易となるので、水処理を低コストかつ高効率に実行可能な水処理装置を提供可能となる。また、プラズマ生成用電源１０３の消費電力を削減できるので、水処理装置全体の消費電力も低減できる。

次に、プラズマ進展部１０２の第２開口１０２ｂから放出されるプラズマによって、被処理水に含まれる難分解な有害物質を分解する水処理について具体的に説明する。第２開口１０２ｂから放出されるプラズマが被処理水Ｗに接触すると、化学的活性種である反応性に富むＯＨラジカルが被処理水Ｗ中に生成され、当該ＯＨラジカルの生成によって、被処理水Ｗに含まれる難分解な有害物質が分解される。

より具体的には、第２開口１０２ｂから放出されるプラズマが被処理水Ｗの液面に接触することによって、プラズマ中の正イオンが、被処理水Ｗ中の水分子（Ｈ_２Ｏ）と電荷交換して水分子イオン（Ｈ_２Ｏ^＋）が生成される。さらに、水分子イオン（Ｈ_２Ｏ^＋）が被処理水Ｗの水分子（Ｈ_２Ｏ）と電荷交換して、下記の式（１）に示す反応によりヒドロニウムイオン（Ｈ_３Ｏ^＋）とＯＨラジカルが被処理水Ｗ中に生成される。
Ｈ_２Ｏ^＋＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_３Ｏ^＋＋ＯＨ・・・・（１）

また、被処理水Ｗ中のＯＨラジカルは、式（１）に示す反応以外によっても、被処理水Ｗ中に生成される。具体的には、プラズマ進展部１０２内で生成されるプラズマによって発生するＵＶ光（紫外光）やＶＵＶ光（真空紫外光）によって、被処理水Ｗ中の水分子（Ｈ_２Ｏ）の光電離を起点とする電荷交換によって、被処理水Ｗ中にＯＨラジカルを生成することも可能である。さらに、プラズマ進展部１０２内で生成されるプラズマによって、被処理水Ｗの液面付近の気相中でＯＨラジカルを生成し、当該ＯＨラジカルが被処理水Ｗ中に溶け込むことによって、被処理水Ｗ中にＯＨラジカルを生成することも可能である。

このように、第１の実施形態にかかる水処理装置によれば、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間に被処理水Ｗを流入させることなく、被処理水Ｗに対してプラズマを照射することができ、被処理水Ｗの形状や被処理水Ｗの電気的な性質（例えば、導電率や誘電率）の影響を受けることなく、プラズマを生成することができるので、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間で発生するプラズマが不安定になったり、当該プラズマによって異常放電が発生したりすることを防止して、プラズマを安定して生成できる。

（第２の実施形態）
本実施形態は、可撓性を有する絶縁体によってプラズマ進展部を構成する例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図２は、第２の実施形態にかかる水処理装置の構成の一例を示す図である。図２に示すように、本実施形態にかかる水処理装置は、放電部１０１、プラズマ進展部２０２、およびプラズマ生成用電源１０３を有する。本実施形態では、プラズマ進展部２０２は、可撓性を有する絶縁体によって構成される。これにより、プラズマ進展部２０２を変形させることで、被処理水Ｗの液面に対する放電部１０１の配置の自由度を向上させることができるので、水処理装置を設置するスペースを小さくすることができる。

また、プラズマ進展部２０２を可動させて、第２開口１０２ｂの位置を被処理水Ｗの液面上において移動させることができるので、第２開口１０２ｂから放出されるプラズマを被処理水Ｗの広い領域に対して短時間に照射可能となり、被処理水Ｗに含まれる難分解な物質を分解する水処理の効率を向上させることができる。ここで、可撓性を有する絶縁体としては、シリコンゴムやフッ素樹脂であることが好ましいが、絶縁性を有しかつその内部をプラズマ生成用ガスＧで満たすことが可能な材料であれば良い。

このように、第２の実施形態にかかる水処理装置によれば、プラズマ進展部２０２を変形させることで、被処理水Ｗの液面に対する放電部１０１の配置の自由度を向上させることができるので、水処理装置を設置するスペースを小さくすることができる。

（第３の実施形態）
本実施形態は、プラズマ進展部の第２開口の面積を、当該プラズマ進展部の第１開口の面積より大きくする例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図３は、第３の実施形態にかかる水処理装置の構成の一例を示す図である。図３に示すように、本実施形態にかかる水処理装置は、放電部１０１、プラズマ進展部３０２、およびプラズマ生成用電源１０３を有する。本実施形態では、プラズマ進展部３０２は、第２開口１０２ｂの形状（内断面形状）および面積が、第１開口１０２ａの形状（内断面形状）および面積とは異なる。具体的には、プラズマ進展部３０２は、第２開口１０２ｂの面積を第１開口１０２ａの面積より大きくする。これにより、プラズマ進展部３０２を可動させることなく、第２開口１０２ｂから放出されるプラズマを、被処理水Ｗの広い範囲に対して短時間で照射することができるので、より多くの被処理水Ｗに対して効率よく水処理を実行可能となる。また、プラズマ進展部３０２は、第２開口１０２ｂの幅が、被処理水Ｗが流れる流路の幅以上であることが好ましい。

このように、第３の実施形態にかかる水処理装置によれば、プラズマ進展部３０２を可動させることなく、第２開口１０２ｂから放出されるプラズマを、被処理水Ｗの広い範囲に対して短時間で照射することができるので、より多くの被処理水Ｗに対して効率良く水処理を実行可能となる。

（第４の実施形態）
本実施形態は、放電部が、複数の高電圧電極を有する例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図４は、第４の実施形態にかかる水処理装置の斜視図の一例である。図５は、第４の実施形態にかかる水処理装置を上方から見た図の一例である。本実施形態では、水処理装置は、放電部４０１、プラズマ進展部１０２、およびプラズマ生成用電源１０３を有する。放電部４０１は、複数の高電圧電極１０１ａを有する。これにより、放電部４０１においてより広い領域でプラズマを点弧させることが可能となり、プラズマ進展部１０２内のプラズマ生成用ガスＧ中で点弧されるプラズマも増加させることができるので、被処理水Ｗに対してより広い面積にプラズマを照射して、被処理水Ｗに対する水処理を効率良く実行できる。本実施形態では、複数の高電圧電極１０１ａは、筒状の接地電極１０１ｂの内部に設けられる。すなわち、放電部４０１は、１つの接地電極１０１ｂとの間において放電を発生させる複数の高電圧電極１０１ａを有する。また、本実施形態では、複数の高電圧電極１０１ａは、１つのプラズマ生成用電源１０３に対して並列接続されている。

このように、第４の実施形態にかかる水処理装置によれば、放電部４０１においてより広い領域でプラズマを点弧させることが可能となり、プラズマ進展部１０２内のプラズマ生成用ガスＧ中で点弧されるプラズマも増加させることができるので、被処理水Ｗに対してより広い面積にプラズマを照射して、被処理水Ｗに対する水処理を効率良く実行できる。

（第５の実施形態）
本実施形態は、放電部およびプラズマ進展部の組を複数備える例である。以下の説明では、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

図６は、第５の実施形態にかかる水処理装置の斜視図の一例である。図６に示すように、本実施形態にかかる水処理装置は、プラズマ生成用電源１０３に加えて、放電部１０１およびプラズマ進展部１０２を含む組６０１（以下、プラズマ放出部と言う）を複数有する。本実施形態では、各プラズマ放出部６０１の放電部１０１が有する高電圧電極１０１ａは、プラズマ生成用電源１０３に対して並列接続されている。

これにより、第２開口１０２ｂから放出されるプラズマを、被処理水Ｗの広い範囲に対して短時間に照射することができるので、より多くの被処理水Ｗに対して効率よく水処理を実行できる。本実施形態では、各プラズマ放出部６０１の放電部１０１が有する高電圧電極１０１ａは、１つのプラズマ生成用電源１０３に対して並列接続されているが、これに限定するものではなく、各プラズマ放出部６０１の放電部１０１が有する高電圧電極１０１ａは、互いに異なるプラズマ生成用電源１０３に対して接続されていても良い。

このように、第５の実施形態にかかる水処理装置によれば、第２開口１０２ｂから放出されるプラズマを、被処理水Ｗの広い範囲に対して短時間に照射することができるので、より多くの被処理水Ｗに対して効率よく水処理を実行できる。

以上説明したとおり、第１から第５の実施形態によれば、高電圧電極１０１ａと接地電極１０１ｂ間で発生するプラズマが不安定になったり、当該プラズマによって異常放電が発生したりすることを防止して、プラズマを安定して生成できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１，４０１放電部
１０１ａ高電圧電極
１０１ｂ接地電極
１０１ｃ誘電体電極
１０２，２０２，３０２プラズマ進展部
１０２ａ第１開口
１０２ｂ第２開口
１０３プラズマ生成用電源
６０１プラズマ放出部
Ｗ被処理水

Claims

高電圧電極と、当該高電圧電極との間に被処理水を介さずに設けられる接地電極と、前記高電圧電極と前記接地電極との間に設けられる誘電体電極とを有し、前記高電圧電極と前記接地電極との間に希ガスが存在し、かつ前記被処理水が流れる領域とは、電気的に絶縁されるよう離間して設けられる放電部と、
前記高電圧電極と前記接地電極との間に電圧を印加して、前記高電圧電極と前記接地電極間の希ガス中でプラズマを点弧させるプラズマ生成用電源と、
筒状の絶縁体であり、前記高電圧電極と前記接地電極間の希ガス中で点弧されるプラズマの作用によって、第１開口から内部の希ガス中でプラズマを点弧させ、当該プラズマを前記第１開口とは反対側の第２開口から前記被処理水に対して放出して、前記被処理水中でラジカルを生成するプラズマ進展部と、
を備える水処理装置。
前記プラズマ進展部は、可撓性を有する絶縁体である請求項１記載の水処理装置。
前記第２開口の面積が、前記第１開口の面積より大きい請求項１または２に記載の水処理装置。
前記放電部は、複数の前記高電圧電極を有する請求項１から３のいずれか一に記載の水処理装置。
前記放電部および前記プラズマ進展部の組を複数備える請求項１から４のいずれか一に記載の水処理装置。