JP7233697B2

JP7233697B2 - 活性酸素発生装置

Info

Publication number: JP7233697B2
Application number: JP2019103989A
Authority: JP
Inventors: 章青山
Original assignee: Ｗｅｆ技術開発株式会社
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2039-06-03
Also published as: JP2020195965A

Description

本発明は、活性酸素発生装置、活性酸素の製造方法、廃水浄化方法及び有機廃棄物の分解処理方法に関する。

活性酸素発生装置として、「高電圧を流した放電針から電子を発生させる放電管の先端に電磁コイルを巻きつけ、その中心部に空気を流し込むことで空気中の酸素分子を励起させることによって一重項酸素などの活性酸素種を生成させることができる空気の電子化装置」が知られている（特許文献１）。

実用新案登録第３１３３３８８号公報

従来の方法では、活性酸素の酸化能力が十分でないという問題がある。
本発明の目的は、酸化能力の高い活性酸素を簡便に生成できる活性酸素発生装置を提供することである。

本発明の活性酸素発生装置の特徴は、第一気体流入口から流入する第一気体に電子を放射してイオン化気体を流出するための電子放射式マイナスイオン発生ユニットと、
電子放射式マイナスイオン発生ユニットから流出するイオン化気体又はこのイオン化気体と第二気体との混合気体に磁場を印加させるための磁界チャンバーと、
磁界チャンバーからイオン化気体又は活性酸素を流出させるための流出口と、
電子放射式マイナスイオン発生ユニットと磁界チャンバーとの間又は磁界チャンバーの流出口と活性酸素排出口との間に第二気体を流入させるための第二気体流入口と、
磁界チャンバーの流出口に接続された活性酸素排出口とを有し、
第一気体に酸素分子を含み、第二気体にオゾン分子を含み、
第二気体のオゾン濃度が３～１０５ｇ／ｍ ^３（Ｎ）であって、
第一気体の流量（ｑ１）と第二気体の流量（ｑ２）との体積比（ｑ１／ｑ２）が２／２～１６／２であり、
電子放射式マイナスイオン発生ユニットがコロナ放電現象を利用せず第一気体にニードル状の陰極針から電子を放射してイオン化気体を発生させるものである点を要旨とする。

本発明の活性酸素の製造方法の特徴は、上記の活性酸素発生装置を用いて、イオン化気体と、オゾン分子を含む第二気体とを接触させることによって活性酸素を発生させる点を要旨とする。

本発明の廃水浄化方法の特徴は、上記の活性酸素発生装置を用いて、イオン化気体と、オゾン分子を含む第二気体とを接触させることによって活性酸素を発生させ、この活性酸素と廃水とを接触させて廃水浄化する点を要旨とする。

本発明の有機廃棄物の分解処理方法の特徴は、上記の活性酸素発生装置を用いて、イオン化気体と、オゾン分子を含む第二気体とを接触させることによって活性酸素を発生させ、この活性酸素と有機廃棄物とを接触させる点を要旨とする。

本発明の活性酸素発生装置は、酸化能力の高い活性酸素を簡便に生成できる。

本発明の活性酸素の製造方法によると、酸化能力の高い活性酸素を簡便に生成できる。

本発明の廃水浄化方法によると、酸化能力の高い活性酸素と廃水とを接触処理できるので、難分解性有機物を含む廃水であっても容易に清浄化できる。

本発明の有機廃棄物の処理方法によると、酸化能力の高い活性酸素と有機廃棄物とを接触処理できるので、有機廃棄物を容易に分解処理できる。

実施例１で構成した活性酸素発生装置１を模式的に示した概念図である。

電子放射式マイナスイオン発生ユニットには、高電圧を印可するための陰極針を内蔵し、第一気体を流入させるための第一気体流入口とイオン化気体を流出させるためのイオン気体流出口とを持っている。電子放射式マイナスイオン発生ユニットは、コロナ放電現象を利用せず、第一気体にニードル状の陰極針から電子を放射してイオン化気体を発生させるものであり、公知の電子放射式マイナスイオン発生ユニット（特開平７－１５３５４９号公報、特開平１０－１６２９３２号公報、特開平１０－１９９６５４号公報、特開平１０－１９９６５５号公報、特開平１０－３２５５６０号公報、特開２００１－３３８７４３号公報、特開２００１－５６３９５号公報、特開２００２－１１０３１２号公報、特開２００２－３１９４７０号公報、特開２００３－１７２１８号公報又は特開２００５－５０４９号公報等に開示されたもの）等が使用できる。

公知の電子放射式マイナスイオン発生ユニットのうち、鉄心型トランスを用いたものは電磁波を発生しやすいので、圧電トランスを用いた方式のものが好ましく、市場から入手できるものとして、マイナスイオン発生ユニットＭＩＯＮ（日新電機株式会社）、負イオン発生ユニットＩＴＭ－Ｆ２０１、ＩＴＭ－Ｆ３０１（アンデス電気株式会社）及びマイナスイオン発生器ＩＯＮ００１－３／１２／２４／１００、ＩＯＮ００２－１００（中遠電子工業株式会社）等が挙げられる。

第一気体流入口には、酸素分子を含む気体（酸素ガス、空気等）を流入できればよいが、この流入口に、空気を吸気し高濃度酸素を含む第一気体を排気する酸素濃縮器の排気口が接続されていることが好ましい。

酸素濃縮器としては、特殊ゼオライトを入れ、加圧と減圧とを繰り返して酸素ガスと窒素ガスとを分離する吸着式（ＰＳＡ式：Pressure Swing Adsorption）でも、窒素ガスより酸素ガスを多く透過する酸素富化膜を用いて酸素ガスを濃縮する酸素富化膜式のいずれも使用できるが、吸着式（ＰＳＡ式）が好ましい。

磁界チャンバーは、電子放射式マイナスイオン発生ユニットから流出するイオン化気体又はこのイオン化気体と第二気体との混合気体に磁場を印加できる磁界を内蔵する。また、磁界チャンバーには、磁界チャンバーからイオン化気体又は活性酸素を流出させるための流出口を有する。

磁界チャンバーの中心部の磁場の磁束密度は、２０～４０ｍＴ程度が好ましく、さらに好ましくは２５～３５ｍＴ程度である。

磁場は、永久磁石によって発生する磁場又は電磁コイルに定電流を流すことによって発生する磁場のいずれでもよいが、電磁コイルに定電流を流すことによって発生する磁界であることが好ましい。

電子放射式マイナスイオン発生ユニットと磁界チャンバーとの間又は、磁界チャンバーの流出口と活性酸素排出口との間に第二気体を流入させるための第二気体流入口が設けられている。すなわち、第二気体流入口が電子放射式マイナスイオン発生ユニットと磁界チャンバーとの間に設けられている場合、電子放射式マイナスイオン発生ユニットから流出するイオン化気体と第二気体との混合気体が磁界チャンバー内で磁場が印加され、磁界チャンバーの流出口から活性酸素が流出する。一方、第二気体流入口が磁界チャンバーの流出口と活性酸素排出口との間に設けられている場合、電子放射式マイナスイオン発生ユニットから流出するイオン化気体のみが磁界チャンバー内で磁場が印加され、磁界チャンバーの流出口からイオン化気体が流出し、これと第二気体とが混合され活性酸素を排出する。第二気体流入口は、これらのうち、電子放射式マイナスイオン発生ユニットと磁界チャンバーとの間に設けられていることが好ましい。

第二気体を流入させるための第二気体流入口には、オゾン分子を含む気体（オゾンガスと窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、酸素ガス及び／又は炭酸ガス等との混合ガス（オゾン濃度５ｖｏｌ％前後）等）を流入できればよいが、この流入口に、空気を吸気しオゾンを含む第二気体を排気するオゾン発生器の排気口が接続されていることが好ましい。

磁界チャンバーの流出口の後に活性酸素排出口が設けられている。本発明の活性酸素発生装置から排出できる活性酸素には、スーパーオキシドアニオン（・Ｏ_２ ^－）、オゾン化物イオン（オゾニドイオン、・Ｏ_３ ^－）及びオゾン以外にヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が含まれていると考えられる。すなわち、電子放射式マイナスイオン発生ユニットから流出するイオン化気体には、スーパーオキシドアニオン（・Ｏ_２ ^－）が含まれると考えられ、これとオゾンとが反応して、オゾン化物イオン（オゾニドイオン、・Ｏ_３ ^－）が発生するものと考えられる。そして、このオゾン化物イオン（オゾニドイオン、・Ｏ_３ ^－）の一部が第一気体や第二気体に含まれる水分と反応してヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が発生するものと考えられる。また、各活性酸素種の安定性（寿命）とその酸化力は反比例すると考えられ、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）の酸化力は非常に高い一方、安定性は非常に低いといわれている。すなわち、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）の寿命は非常に短く、本発明の活性酸素発生装置から排出される活性酸素種は、スーパーオキシドアニオン（・Ｏ_２ ^－）及びオゾン化物イオン（オゾニドイオン、・Ｏ_３ ^－）が主体であると考えられる。これら両者の含有比率は第一気体中の酸素分子と第二気体中のオゾン分子の比率を調整することにより調節できる。そして、予想される化学反応式は以下の通りである。

Ｏ_２＋ｅ＝・Ｏ_２ ^－
・Ｏ_２ ^－＋Ｏ_３＝Ｏ_２＋・Ｏ_３ ^－
・Ｏ_３ ^－＋Ｈ_２Ｏ＝・ＯＨ＋Ｏ_２＋ＯＨ^－

本発明の活性酸素発生装置は、活性酸素の製造方法、廃水浄化方法及び有機廃棄物の分解処理方法等に好ましく適用できる。

活性酸素の製造方法、廃水浄化方法及び有機廃棄物の分解処理方法において、上記の活性酸素発生装置によって、酸素分子を含む第一気体に電子を放射して生成するイオン化気体と、オゾンを含む第二気体とを接触させることによって活性酸素を発生させる。そして、この活性酸素と廃水とを接触させて廃水浄化させたり、またはこの活性酸素と有機廃棄物とを接触させることによって有機廃棄物の分解処理するものである。そして、廃水又は有機廃棄物に含まれる水とオゾン化物イオン（オゾニドイオン、・Ｏ_３ ^－）とが反応して、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が生成すると考えられ、優れた廃水浄化能を発揮し、優れた有機廃棄物の分解処理能を発揮する。

イオン化気体のイオン密度は、１×１０^３～１×１０^７個／ｍｌ程度が好ましく、さらに好ましくは１．５×１０^３～１×１０^７個／ｍｌ程度が好ましい。
イオン密度は、ＪＩＳＢ９９２９：２００６「空気中のイオン密度測定法」に準拠して測定される（並行平板式イオン密度測定器）。

第二気体のオゾン濃度は、３～１０５ｇ／ｍ^３（Ｎ）程度が好ましい。
オゾン濃度は、紫外線吸収法にて測定される。

第一気体の流量（ｑ１）と第二気体の流量（ｑ２）との体積比（ｑ１／ｑ２）は、スーパーオキシドアニオン（・Ｏ_２ ^－）及びオゾン化物イオン（オゾニドイオン、・Ｏ_３ ^－）の濃度や、イオン密度及びオゾン濃度等によって適宜決定されるが、２／２～１６／２程度が好ましい。

廃水としては、生活廃水及び産業廃水等の制限はないが、易分解性有機物のみを含む廃水はオゾン処理や生物化学的廃水処理できるというので、本発明の廃水浄化方法は、オゾン処理や生物化学的廃水処理できない難分解性有機物を含む廃水を浄化するのに適している。

有機廃棄物としては、伐採草木や水草等の植物廃棄物、魚・動物等の廃棄物、食糧残渣等の廃棄物等、その他の水を含んでいる有機物が含まれる。
これらの有機廃棄物は、乾燥後又は未乾燥のまま焼却処分されているが、本発明の有機廃棄物の処理方法によると、容易に分解処理できる。接触時間を調整して分解処理を停止することにより、完全分解（水、二酸化炭素、無機残渣）することなく、乾燥燃料又は乾燥肥料等を得ることができる。

＜実施例１＞
電子放射式マイナスイオン発生ユニットとして、マイナスイオン発生ユニットＭＩＯＮ（日新電機株式会社、印加電圧－８０００Ｖ）を用い、磁界チャンバーとして、コイル中心部の磁束密度が３０ｍＴである電磁コイルを内蔵する磁界チャンバーを用い、電子放射式マイナスイオン発生ユニットと磁界チャンバーとの間に第二気体を流入させるための第二気体流入口を設け、第一気体流入口に酸素ガスボンベの排気口を接続し、第二気体流入口にオゾン発生器（ＰＳＡオゾナイザＳＧＡ－０１－ＰＳＡ２、住友精密工業株式会社）の排気口を接続して、本発明の活性酸素発生装置１を構成した。

第一気体（酸素ガスボンベ）４Ｌ／分（イオン密度６．８×１０^６個／ｍｌ）、第二気体１Ｌ／分を供給して、発生する活性酸素を０．１ｍｏｌ／Ｌヨウ化カリウム水溶液（無色透明液体）１０００ｍＬにバブリングして、水溶液が赤褐色透明液体になるまでの時間を計測したところ、９０秒であった（３回の平均値）。

なお、バブリングした活性酸素中にある種のラジカル種（・Ｘ）が存在すると、ラジカル種とヨウ化物イオン（Ｉ^－）とが反応して、三ヨウ化物イオン（Ｉ_３ ^－）が生成（次式で表される）し、三ヨウ化物イオン（Ｉ_３ ^－）の濃度（ラジカル種の濃度に比例する）により水溶液が黄色透明液体から茶色～赤褐色透明液体に変化する（Weissler法と呼ばれる検出方法）。
Ｉ^－＋・Ｘ＝Ｘ^－＋・Ｉ
・Ｉ＋Ｉ^－＝・Ｉ_２ ^－
２・Ｉ_２ ^－＝Ｉ_２＋２Ｉ^－
Ｉ_２ ^－＋Ｉ^－＝Ｉ_３ ^－

一方、第一気体（酸素ガスボンベ）を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、水溶液が赤褐色透明液体になるまでの時間は１４１５秒であった（３回の平均値）。
また、第二気体を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、２１６００秒（６時間）経過しても水溶液は赤褐色透明液体にはならなかった（淡黄色透明液体、３回の平均値）。

＜実施例２＞
第一気体流入口に接続した「酸素ガスボンベの排気口」を「コンプレッサー（圧縮空気）の排気口」に変更したこと以外、実施例１と同様にして、本発明の活性酸素発生装置２を構成した。

第一気体（コンプレッサー）８Ｌ／分（イオン密度５×１０^３個／ｍｌ）、第二気体１Ｌ／分を供給して、発生する活性酸素を０．１ｍｏｌ／Ｌヨウ化カリウム水溶液（無色透明液体）１０００ｍＬにバブリングして、水溶液が赤褐色透明液体になるまでの時間を計測したところ、９０秒であった（３回の平均値）。
一方、第一気体（コンプレッサー）を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、水溶液が赤褐色透明液体になるまでの時間は１４１５秒であった（３回の平均値）。
また、第二気体を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、２１６００秒（６時間）経過しても水溶液は赤褐色透明液体にはならなかった（淡黄色透明液体、３回の平均値）。

＜実施例３＞
実施例２と同じ活性酸素発生装置２を用いて、第一気体（コンプレッサー）４Ｌ／分（イオン密度１．７×１０^３個／ｍｌ）、第二気体１Ｌ／分を供給して、発生する活性酸素を０．１ｍｏｌ／Ｌヨウ化カリウム水溶液（無色透明液体）１０００ｍＬにバブリングして、水溶液が赤褐色透明液体になるまでの時間を計測したところ、１１４秒であった（３回の平均値）。
一方、第一気体（コンプレッサー）を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、水溶液が赤褐色透明液体になるまでの時間は１４１５秒であった（３回の平均値）。
また、第二気体を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、２１６００秒（６時間）経過しても水溶液は赤褐色透明液体にはならなかった（淡黄色透明液体、３回の平均値）。

＜実施例４＞
実施例１の活性酸素発生装置１を用いて、第一気体（酸素ガスボンベ）２Ｌ／分（イオン密度３．１×１０^３個／ｍｌ）、第二気体２Ｌ／分を供給して、発生する活性酸素を０．０２５ｇ／Ｌメチレンブルー水溶液（濃紺不透明液体）１０００ｍＬにバブリングして、水溶液が淡青色透明液体になるまでの時間を計測したところ、２５４秒であった（３回の平均値）。
一方、第一気体（酸素ガスボンベ）を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、水溶液が淡青色透明液体になるまでの時間は５０６秒であった（３回の平均値）。
また、第二気体を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、３６００秒（１時間）経過しても水溶液は濃紺不透明液体のままであった（３回の平均値）。

＜実施例５＞
実施例２の活性酸素発生装置２を用いて、第一気体（コンプレッサー）５Ｌ／分（イオン密度６．２×１０^３個／ｍｌ）、第二気体２Ｌ／分を供給して、発生する活性酸素を０．０２５ｇ／Ｌメチレンブルー水溶液（濃紺不透明液体）１０００ｍＬにバブリングして、水溶液が淡青色透明液体になるまでの時間を計測したところ、２６２秒であった（３回の平均値）。
一方、第一気体（コンプレッサー）を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、水溶液が淡青色透明液体になるまでの時間は５０６秒であった（３回の平均値）。
また、第二気体を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、３６００秒（１時間）経過しても水溶液は濃紺不透明液体のままであった（３回の平均値）。

＜実施例６＞
「マイナスイオン発生ユニットＭＩＯＮ（日新電機株式会社、印加電圧－８０００Ｖ）」を「マイナスイオン発生ユニットＭＩＯＮ（日新電機株式会社、印加電圧－１００００Ｖ）」に変更したこと及び第一気体流入口に接続した「酸素ガスボンベの排気口」を「コンプレッサー（圧縮空気）の排気口」に変更したこと以外、実施例１と同様にして、本発明の活性酸素発生装置３を構成した。

第一気体（コンプレッサー）５Ｌ／分（イオン密度１×１０^７個／ｍｌ）、第二気体２Ｌ／分を供給して、発生する活性酸素を０．１ｍｏｌ／Ｌヨウ化カリウム水溶液（無色透明液体）１０００ｍＬにバブリングして、水溶液が赤褐色透明液体になるまでの時間を計測したところ、４０秒であった（３回の平均値）。

一方、第一気体（コンプレッサー）を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、水溶液が赤褐色透明液体になるまでの時間は１４１５秒であった（３回の平均値）。
また、第二気体を供給しなかったこと以外上記と同様に計測したところ、２１６００秒（６時間）経過しても水溶液は赤褐色透明液体にはならなかった（淡黄色透明液体、３回の平均値）。

＜実施例７＞
実施例１の活性酸素発生装置を用いて、第一気体（酸素ガスボンベ）１Ｌ／分（イオン密度１．５×１０^３個／ｍｌ）、第二気体１Ｌ／分を供給して、発生する活性酸素を滋賀県内の染色廃水（不透明黒褐色液体、ＣＯＤ１３０ｍｇ／Ｌ）１０００ｍＬにバブリングした結果、約２．５時間で淡黄色透明液体になった。
一方、第一気体（酸素ガスボンベ）を供給しなかったこと以外上記と同様に約３時間バブリングしても、不透明黒褐色液体のままだった。
また、第二気体を供給しなかったこと以外上記と同様に約３時間バブリングしても、不透明褐色液体（僅かに脱色）のままだった。

実施例１～３及び６に記載したとおり、本発明の活性酸素発生装置から排出される活性酸素は明らかにラジカル種｛スーパーオキシドアニオン（・Ｏ_２ ^－）、オゾン化物イオン（オゾニドイオン、・Ｏ_３ ^－）及びヒドロキシラジカル（・ＯＨ）等｝であると考えられる。
また、電子放射式マイナスイオン発生ユニットから流出するイオン化気体｛スーパーオキシドアニオン（・Ｏ_２ ^－）を含む｝（第二気体の供給がない場合）や、第二気体の供給だけの場合に比べて、三ヨウ化物イオン（Ｉ_３ ^－）が早く生成しており（実施例１～３及び６）、またメチレンブルー水溶液を早く脱色しており（実施例４及び５）、廃水処理（実施例７）の結果から、スーパーオキシドアニオン（・Ｏ_２ ^－）やオゾンガスなどよりも高い酸化力を持つと考えられているヒドロキシラジカル（・ＯＨ）やオゾン化物イオン（オゾニドイオン、・Ｏ_３ ^－）が生成していると考えられる。

１第一気体流入口
２第二気体流入口
３電子放射式マイナスイオン発生ユニット
４磁界チャンバー
５活性酸素を流出させるための流出口
６活性酸素排出口

Claims

第一気体流入口から流入する第一気体に電子を放射してイオン化気体を流出するための電子放射式マイナスイオン発生ユニットと、
電子放射式マイナスイオン発生ユニットから流出するイオン化気体又はこのイオン化気体と第二気体との混合気体に磁場を印加させるための磁界チャンバーと、
磁界チャンバーからイオン化気体又は活性酸素を流出させるための流出口と、
電子放射式マイナスイオン発生ユニットと磁界チャンバーとの間又は磁界チャンバーの流出口と活性酸素排出口との間に第二気体を流入させるための第二気体流入口と、
磁界チャンバーの流出口に接続された活性酸素排出口とを有し、
第一気体に酸素分子を含み、第二気体にオゾン分子を含み、
第二気体のオゾン濃度が３～１０５ｇ／ｍ ^３（Ｎ）であって、
第一気体の流量（ｑ１）と第二気体の流量（ｑ２）との体積比（ｑ１／ｑ２）が２／２～１６／２であり、
電子放射式マイナスイオン発生ユニットがコロナ放電現象を利用せず第一気体にニードル状の陰極針から電子を放射してイオン化気体を発生させるものであることを特徴とする活性酸素発生装置。
空気を吸気し高濃度酸素を含む第一気体を排気する酸素濃縮器の排気口が第一気体流入口に接続されている請求項１に記載の活性酸素発生装置。
空気を吸気しオゾンを含む第二気体を排気するオゾン発生器の排気口が第二気体流入口に接続されている請求項１又は２に記載の活性酸素発生装置。
磁場が、永久磁石によって発生する磁場又は電磁コイルに定電流を流すことによって発生する磁場である請求項１～３のいずれかに記載の活性酸素発生装置。
請求項１～４のいずれかに記載された活性酸素発生装置を用いて、イオン化気体と、オゾン分子を含む第二気体とを接触させることによって活性酸素を発生させることを特徴とする活性酸素の製造方法。
請求項１～４のいずれかに記載された活性酸素発生装置を用いて、イオン化気体と、オゾン分子を含む第二気体とを接触させることによって活性酸素を発生させ、この活性酸素と廃水とを接触させて廃水浄化することを特徴とする廃水浄化方法。
請求項１～４のいずれかに記載された活性酸素発生装置を用いて、イオン化気体と、オゾン分子を含む第二気体とを接触させることによって活性酸素を発生させ、この活性酸素と有機廃棄物とを接触させることを特徴とする有機廃棄物の分解処理方法。