JP7300167B2 - 水処理装置、排ガス処理装置、排ガス処理システム、水処理方法及び排ガス処理方法 - Google Patents
水処理装置、排ガス処理装置、排ガス処理システム、水処理方法及び排ガス処理方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、水処理装置、排ガス処理装置、排ガス処理システム、水処理方法及び排ガス処理方法に関する。
ヒトの体内において亜硝酸イオンが発がん性物質であるニトロソ化合物の生成に関与するおそれがあることが指摘されている。また、ヒトの体内において硝酸イオンは亜硝酸イオンに転換される。このため、水道水中や排水中の亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度は規制されている。このような規制に従うために水道水中や排水中の亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度を低減させる研究が進められている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、排ガス中のＮＯｘは、光化学スモッグなどの原因となる大気汚染物質として知られている。排ガス中のＮＯｘを除去する方法として、排ガスに含まれるＮＯをオゾンガスによりＮＯ2に酸化し、湿式反応器においてＮＯ2を含むガスを還元剤を含む水溶液と気液接触させてＮＯ2をＮ2に還元する排ガス処理方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。また、排ガス中のＮＯｘを除去する触媒が知られている（例えば、特許文献４）。
亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度を低減させる従来の方法では水処理に長時間を必要とするか又は大規模な水処理装置を必要とする。また、従来のＮＯｘ除去方法では、排ガスの温度管理又は還元剤が必要である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、亜硝酸イオン濃度又は硝酸イオン濃度を低減することができる水処理装置を提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、亜硝酸イオン濃度又は硝酸イオン濃度を低減することができる水処理装置を提供する。
本発明は、内壁面を有する管状の第１反応器と、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を第１反応器中に供給するように設けられた第１水供給部と、第１反応器中に不活性ガスを供給するように設けられた第１ガス供給部と、第１反応器中にプラズマを生成するように設けられた第１プラズマ生成部とを備え、第１水供給部及び第１反応器は、第１水供給部が供給した水が第１反応器の内壁面を膜状に流れるように設けられたことを特徴とする水処理装置を提供する。
亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を第１反応器の内壁面を膜状に流し、第１反応器中の不活性ガスにプラズマを生成することにより、亜硝酸イオン濃度又は硝酸イオン濃度を低減することができる。このことは本願発明者等が行った実験により明らかになった。
本発明の水処理装置は、内壁面を有する管状の第１反応器と、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を第１反応器中に供給するように設けられた第１水供給部と、第１反応器中に不活性ガスを供給するように設けられた第１ガス供給部と、第１反応器中にプラズマを生成するように設けられた第１プラズマ生成部とを備え、第１水供給部及び第１反応器は、第１水供給部が供給した水が第１反応器の内壁面を膜状に流れるように設けられたことを特徴とする。
前記不活性ガスはアルゴンガスであることが好ましい。
第１ガス供給部は、第１反応器を流れた後の不活性ガスが再び第１反応器に供給されるように設けられた第１循環流路と、第１循環流路に設けられた混入ガス除去部とを備えることが好ましく、混入ガス除去部は、第１反応器における化学反応で生成したガスを除去するように設けられたことが好ましい。このことにより、不活性ガス中に混入したガスを除去することができ、不活性ガスを繰り返し使用することができる。
第１水供給部は、第１反応器を流れた後の水が再び第１反応器に供給されるように設けられた第２循環流路を備えることが好ましい。このことにより、処理対象である水をプラズマで繰り返し処理することができ、亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度を低減することができる。
第１ガス供給部は、第１反応器を流れた後の不活性ガスが再び第１反応器に供給されるように設けられた第１循環流路と、第１循環流路に設けられた混入ガス除去部とを備えることが好ましく、混入ガス除去部は、第１反応器における化学反応で生成したガスを除去するように設けられたことが好ましい。このことにより、不活性ガス中に混入したガスを除去することができ、不活性ガスを繰り返し使用することができる。
第１水供給部は、第１反応器を流れた後の水が再び第１反応器に供給されるように設けられた第２循環流路を備えることが好ましい。このことにより、処理対象である水をプラズマで繰り返し処理することができ、亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度を低減することができる。
本発明は、内壁面を有する管状の第２反応器と、水を第２反応器中に供給するように設けられた第２水供給部と、ＮＯｘ及び酸素ガスを含む排ガスを第２反応器中に供給するように設けられた第２ガス供給部と、第２反応器中にプラズマを生成するように設けられた第２プラズマ生成部とを備え、第２水供給部及び第２反応器は、第２水供給部が供給した水が第２反応器の内壁面を膜状に流れるように設けられたことを特徴とする排ガス処理装置も提供する。反応器中にプラズマを発生させると、水および排ガスに含まれる酸素ガスなどからオゾン、ラジカルなどの酸化活性種が生成すると考えられる。この酸化活性種によりＮＯが酸化されＮＯ2へ変換されると考えられる。水への溶解性を有するＮＯ2は、反応器における気液接触により水に溶解し、水中の亜硝酸イオン又は硝酸イオンになると考えられる。このため、排ガスのＮＯｘ濃度を低減させることができる。
本発明は、本発明の水処理装置と、本発明の排ガス処理装置とを備え、第１水供給部は、第２反応器を流れた後の水が第１反応器に供給されるように設けられた水流路を備える排ガス処理システムも提供する。このことにより、排ガス処理及び水処理の一連の処理を継続的に行うことができる。
本発明は、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を膜状に流しながら膜状の水に隣接する不活性ガス中にプラズマを発生させるステップを備える水処理方法も提供する。
本発明は、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を膜状に流しながら膜状の水に隣接する不活性ガス中にプラズマを発生させるステップを備える水処理方法も提供する。
本発明は、水を膜状に流しながら膜状の水に隣接しＮＯｘ及び酸素ガスを含む排ガス中にプラズマを発生させるステップを備える排ガス処理方法も提供する。
前記排ガスは、硫黄酸化物、粒子状物質及び揮発性有機化合物のうち少なくとも１つを含んでもよい。
本発明の排ガス処理方法は、前記ＮＯｘから生成された亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を膜状に流しながら膜状の水に隣接する不活性ガス中にプラズマを発生させるステップを備えることが好ましい。
前記排ガスは、硫黄酸化物、粒子状物質及び揮発性有機化合物のうち少なくとも１つを含んでもよい。
本発明の排ガス処理方法は、前記ＮＯｘから生成された亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を膜状に流しながら膜状の水に隣接する不活性ガス中にプラズマを発生させるステップを備えることが好ましい。
以下、複数の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
第１実施形態
第１実施形態は、水処理装置及び水処理方法に関する。図１は本実施形態の水処理装置の概略断面図である。
本実施形態の水処理装置６０は、内壁面を有する管状の反応器２と、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水９を反応器２中に供給するように設けられた水供給部３と、反応器２中に不活性ガスを供給するように設けられたガス供給部４と、反応器２中にプラズマを生成するように設けられたプラズマ生成部５とを備え、水供給部３及び反応器２は、水供給部３が供給した水が反応器２の内壁面を膜状に流れるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の水処理方法は、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を膜状に流しながら膜状の水に隣接する不活性ガス中にプラズマを発生させるステップを備える。
第１実施形態は、水処理装置及び水処理方法に関する。図１は本実施形態の水処理装置の概略断面図である。
本実施形態の水処理装置６０は、内壁面を有する管状の反応器２と、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水９を反応器２中に供給するように設けられた水供給部３と、反応器２中に不活性ガスを供給するように設けられたガス供給部４と、反応器２中にプラズマを生成するように設けられたプラズマ生成部５とを備え、水供給部３及び反応器２は、水供給部３が供給した水が反応器２の内壁面を膜状に流れるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の水処理方法は、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を膜状に流しながら膜状の水に隣接する不活性ガス中にプラズマを発生させるステップを備える。
水処理装置６０は、水の亜硝酸イオン（ＮＯ2
-）濃度又は硝酸イオン（ＮＯ3
-）濃度を低減させる装置であり、水処理方法はその方法である。
水処理装置６０・水処理方法の処理対象となる水は、例えば、浄水処理対象となる水であってもよく、下水処理対象となる水であってもよく、燃焼排ガス中のＮＯｘを亜硝酸イオン又は硝酸イオンとして溶け込ませた水であってもよい。
水処理装置６０・水処理方法の処理対象となる水は、例えば、浄水処理対象となる水であってもよく、下水処理対象となる水であってもよく、燃焼排ガス中のＮＯｘを亜硝酸イオン又は硝酸イオンとして溶け込ませた水であってもよい。
反応器２は、その内部でプラズマを発生させ、水の亜硝酸イオン濃度又は硝酸イオン濃度を低減させる化学反応を進行させるように設けられた部材又は部分である。反応器２は管形状を有する。反応器２は、円筒形状を有してもよく、角筒形状を有してもよい。また、反応器２は直管形状を有することができる。また、反応器２は、例えば、５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の内径を有することができる。また、反応器２のプラズマが生成される部分の長さは、例えば、１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下とすることができる。反応器２の材質は、ガラスなどの絶縁体とすることができる。反応器２は、例えば石英管とすることができる。管形状を有する反応器２の内部は、処理対象となる水の流路及び不活性ガスの流路となる。
水供給部３は、処理対象となる水（亜硝酸イオン及び硝酸イオンのうち少なくとも１つを含む水）を反応器２中に供給するように設けられた部分である。また、水供給部３及び反応器２は、水供給部３が供給した水が反応器２の内壁面を膜状に流れるように設けられる。つまり、反応器２の内壁面に水膜１０が形成される。
例えば、水供給部３は、鉛直に設置した直管形状の反応器２の上部に配置された水供給タンク１１を備えることができる。水供給タンク１１はオーバーフロー管５３を備え、ポンプ２５を用いて水供給口５４から処理対象の水が水供給タンク１１に供給されるように設けられる。オーバーフロー管５３は、反応器２に接続されている。
例えば、水供給部３は、鉛直に設置した直管形状の反応器２の上部に配置された水供給タンク１１を備えることができる。水供給タンク１１はオーバーフロー管５３を備え、ポンプ２５を用いて水供給口５４から処理対象の水が水供給タンク１１に供給されるように設けられる。オーバーフロー管５３は、反応器２に接続されている。
ポンプ２５を用いて水供給タンク１１に水を供給すると、水供給タンク１１に溜まった水の水面が上昇する。オーバーフロー管５３の上端よりも水面が高くなると、水供給タンク１１内の水がオーバーフロー管５３の上端の開口の周縁からオーバーフロー管５３に流入する。この際、オーバーフロー管５３に流入した水がオーバーフロー管５３の内壁面を伝って流れるように、ポンプ２５を用いて水供給タンク１１へ供給する水の量を調節する。オーバーフロー管５３の内壁面を伝って流れる水は、反応器２に流入し反応器２の内壁面を膜状に流れ水膜１０が形成される。
水供給部３は、反応器２を流れた後の水が再び反応器２に供給されるように設けられた水循環流路を備えることができる。このことにより、処理対象である水を循環させることができ、処理対象である水に対しプラズマ処理を繰り返し施すことができる。
ガス供給部４は、反応器２中に不活性ガスを供給するように設けられた部分である。不活性ガスは例えばアルゴンガス、ヘリウムガスなどである。ガス供給部４は、例えばガスボンベ１５から不活性ガスを反応器２へ供給するように設けることができる。反応器２へ供給された不活性ガスは、反応器２において内壁面を膜状に流れる水の内側を流れる。従って、反応器２中において水と不活性ガスは隣接して流れる。不活性ガスが反応器２を流れる方向は、反応器２の内壁面を水が流れる方向と同じ方向であってもよく、逆の方向であってもよい。
ガス供給部４は、反応器２を流れた後の不活性ガスが再び反応器２に供給されるように設けられた気体循環流路６及び気体用ポンプ２４を備えることができる。このことにより不活性ガスを循環させることができ、運転コストを低減することができる。
水処理装置６０は、気体循環流路６に混合ガス除去部７を有することができる。混入ガス除去部７は、反応器２における化学反応で生成したガスを除去するように設けられる。例えば、反応器２における化学反応で酸素ガスが発生する場合、混入ガス除去部７は、酸素吸収剤を有することができる。また、混入ガス除去部７は、吸着剤を有することができ、吸着分離法により不活性ガスと酸素ガスとを分離するように設けられてもよい。例えば、反応器２における化学反応で窒素ガスが発生する場合、混入ガス除去部７は、吸着剤を有することができ、吸着分離法により不活性ガスと窒素ガスとを分離するように設けられてもよい。
水処理装置６０は、気体循環流路６に混合ガス除去部７を有することができる。混入ガス除去部７は、反応器２における化学反応で生成したガスを除去するように設けられる。例えば、反応器２における化学反応で酸素ガスが発生する場合、混入ガス除去部７は、酸素吸収剤を有することができる。また、混入ガス除去部７は、吸着剤を有することができ、吸着分離法により不活性ガスと酸素ガスとを分離するように設けられてもよい。例えば、反応器２における化学反応で窒素ガスが発生する場合、混入ガス除去部７は、吸着剤を有することができ、吸着分離法により不活性ガスと窒素ガスとを分離するように設けられてもよい。
反応器２を流れた後の水及び不活性ガスは水－気体分離タンク３１に流入し、不活性ガスと水とに分離される。水－気体分離タンク３１で分離された水は、水循環流路を介して再び反応器２へ供給されてもよく、処理済の水を溜めるタンクへ送られてもよい。水－気体分離タンク３１で分離された不活性ガスは、気体循環流路６を介して再び反応器２へ供給されてもよく、排気されてもよい。
水－気体分離タンク３１又は水循環流路にフィルターが設置されていてもよい。このことにより、循環させる水に含まれる粒子状物質などを除去することができる。
水－気体分離タンク３１又は水循環流路にフィルターが設置されていてもよい。このことにより、循環させる水に含まれる粒子状物質などを除去することができる。
プラズマ生成部５は、反応器２中にプラズマを生成するように設けられた部分である。例えば、ガス供給部４から反応器２へアルゴンガスが供給される場合、反応器２中にはアルゴンプラズマが生成され、ガス供給部４から反応器２へヘリウムガスが供給される場合、反応器２中にはヘリウムプラズマが生成される。プラズマ生成部５は、反応器２の内壁を伝って流れる膜状の水（水膜１０）の中の気泡中にプラズマを生成するように設けることもできる。
プラズマ生成部５は、第１電極１８と、第２電極１９と、第１電極１８と第２電極１９との間に電界を発生させるように設けられた電源部２０とを備えることができる。第１電極１８は、例えば、管状の反応器２の中心軸に配置されたワイヤ電極とすることができる。ワイヤ電極の材質は例えばステンレス鋼とすることができる。第２電極１９は、管状の反応器２の外周面上に設けられた外周面電極とすることができる。第２電極１９は反応器２を囲むように設けられ、第２電極１９により囲まれた反応器２の中心軸に第１電極１８が配置される。第２電極１９は、金属層であってもよく、金属メッシュであってもよい。第２電極２の材質は、例えば、銀、銅、アルミニウムなどである。
このような第１電極１８と第２電極１９の間に電源部２０を用いて電界を発生させることにより反応器２中にプラズマを発生させることができる。電源部２０は、第１電極１８と第２電極１９との間に電圧（直流電圧、パルス電圧、低周波電圧、高周波電圧又はマイクロ波電圧）を印加するように設けられてもよく、第１電極１８及び第２電極１９のうち一方をアース（又はグラウンド）に接続し、他方とアース（又はグラウンド）との間に電圧（直流電圧、パルス電圧、低周波電圧、高周波電圧又はマイクロ波電圧）を印加するように設けられてもよい。また、電源部２０は、第１電極１８が正極となり第２電極１９が負極となる（第１電極１８の電位が第２電極の電位よりも高くなる）ように電圧を印加することができる。また、反応器２のプラズマが生成される部分の長さは、例えば、１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下とすることができる。
水供給部３を用いて反応器２の内壁面を伝うように亜硝酸イオン及び硝酸イオンのうち少なくとも一方を含む水を流し、ガス供給部４を用いて反応器２に不活性ガスを供給し反応器２中に不活性ガスを流す。この状態において、電源部２０を用いて第１電極１８と第２電極１９との間に電界を生じさせることにより、不活性ガスが流れている反応器２中にプラズマを発生させることができる。また、反応器２の内壁面を流れる水と不活性ガスとの気液界面や水膜１０中の不活性ガスの気泡中などにプラズマを発生させることができる。このようなプラズマを発生させると、水の亜硝酸イオン濃度又は硝酸イオン濃度を低減することができる。このことは、本願発明者等が行った実験により明らかになった。
水の亜硝酸イオン濃度又は硝酸イオン濃度が低減する理由は明らかではないが、プラズマを発生させることにより生じる活性種により亜硝酸イオン又は硝酸イオンが窒素ガスへ還元されていることが考えられる。
また、ガラス製の反応器２を用いている場合、反応器２中にプラズマを発生させることにより、反応器２の内壁面が親水性になり、水膜１０の厚さが均一になる。このことにより、活性種と亜硝酸イオン又は硝酸イオンとの反応を効率よく進行させることができる。
また、ガラス製の反応器２を用いている場合、反応器２中にプラズマを発生させることにより、反応器２の内壁面が親水性になり、水膜１０の厚さが均一になる。このことにより、活性種と亜硝酸イオン又は硝酸イオンとの反応を効率よく進行させることができる。
第２実施形態
第２実施形態は、排ガス処理装置及び排ガス処理方法に関する。図２は本実施形態の排ガス処理装置の概略断面図である。
本実施形態の排ガス処理装置７０は、内壁面を有する管状の反応器２と、水を反応器２中に供給するように設けられた水供給部３と、ＮＯｘ及び酸素ガスを含む排ガスを反応器２中に供給するように設けられたガス供給部４と、反応器２中にプラズマを生成するように設けられたプラズマ生成部５とを備え、水供給部３及び反応器２は、水供給部３が供給した水が反応器２の内壁面を膜状に流れるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の排ガス処理方法は、水を膜状に流しながら膜状の水に隣接しＮＯｘ及び酸素ガスを含む排ガス中にプラズマを発生させるステップを備える。
第２実施形態は、排ガス処理装置及び排ガス処理方法に関する。図２は本実施形態の排ガス処理装置の概略断面図である。
本実施形態の排ガス処理装置７０は、内壁面を有する管状の反応器２と、水を反応器２中に供給するように設けられた水供給部３と、ＮＯｘ及び酸素ガスを含む排ガスを反応器２中に供給するように設けられたガス供給部４と、反応器２中にプラズマを生成するように設けられたプラズマ生成部５とを備え、水供給部３及び反応器２は、水供給部３が供給した水が反応器２の内壁面を膜状に流れるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の排ガス処理方法は、水を膜状に流しながら膜状の水に隣接しＮＯｘ及び酸素ガスを含む排ガス中にプラズマを発生させるステップを備える。
第２実施形態の排ガス処理装置７０の基本的構成は、第１実施形態の水処理装置６０と同じであるが、水供給部３及びガス供給部４が一部異なる。
第１実施形態において、水供給部３は亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも一方を含む水を反応器２へ供給していたが、第２実施形態においては、水供給部３は、亜硝酸イオン及び硝酸イオンを含まない水、又は亜硝酸イオン濃度または硝酸イオン濃度が低い水を反応器２へ供給することが好ましい。
第１実施形態において、水供給部３は亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも一方を含む水を反応器２へ供給していたが、第２実施形態においては、水供給部３は、亜硝酸イオン及び硝酸イオンを含まない水、又は亜硝酸イオン濃度または硝酸イオン濃度が低い水を反応器２へ供給することが好ましい。
水供給部３は反応器２を流れた後の水が再び反応器２へ供給されるように設けられた水循環流路８および液体用ポンプ２５を有することが好ましい。このことにより、排ガス中のＮＯｘを亜硝酸イオン又は硝酸イオンとして吸収した水の排出量を減らすことができる。
第１実施形態において、ガス供給部４は不活性ガスを反応器２へ供給するように設けられていたが、第２実施形態においては、ガス供給部４は、ＮＯｘ及び酸素ガスを含む排ガスを反応器２へ供給するように設けられる。例えば、ガス供給部４は、燃焼排ガスを反応器２へ供給するように設けられる。燃焼排ガスに含まれるＮＯｘのうち約９５％がＮＯであり約５％がＮＯ2である。また、ＮＯは水への溶解性を有さないが、ＮＯ2は水への溶解性を有する。排ガスには、ＮＯｘ及び酸素ガスの他に、窒素ガス、ＳＯｘ、ＣＯ2、ＣＯ、Ｈ2Ｏ、Ｏ2、粒子状物質、揮発性有機化合物などが含まれてもよい。ガス供給部４は、燃料が燃焼することにより生じる燃焼排ガスの流れを利用して排ガスを反応器２に供給するように設けることができる。
また、ガス供給部４は、燃焼排ガスを再現した模擬排ガスを反応器２へ供給するように設けられてもよい。
また、ガス供給部４は、燃焼排ガスを再現した模擬排ガスを反応器２へ供給するように設けられてもよい。
例えば、水供給部３を用いて反応器２の内壁面を伝うように水を流し、ガス供給部４を用いて反応器２に燃焼排ガスを供給し反応器２中に燃焼排ガスを流す。この状態において、電源部２０を用いて第１電極１８と第２電極１９との間に電界を生じさせることにより、燃焼排ガス及び水が流れている反応器２中に空気プラズマを発生させることができる。また、反応器２の内壁面を流れる水と燃焼排ガスとの気液界面や水膜１０中の燃焼排ガスの気泡中などにプラズマを発生させることができる。このようなプラズマを発生させると、排ガス中のＮＯｘを硝酸イオン又は亜硝酸イオンとして水に溶解させることができ、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度を低減することができる。また、排ガス中のＳＯｘも水に溶解させ硫酸イオン又は亜硫酸イオンとすることができ、ＳＯｘ濃度も低減することができる。このことは、本願発明者等が行った実験により明らかになった。
反応器２中に空気プラズマを発生させると、水および燃焼排ガスに含まれる酸素ガスなどからオゾン、ラジカルなどの酸化活性種が生成すると考えられる。この酸化活性種によりＮＯが酸化されＮＯ2へ変換されると考えられる。水への溶解性を有するＮＯ2は、反応器２における気液接触により水に溶解し、水中の亜硝酸イオン又は硝酸イオンになると考えられる。このため、燃焼排ガスのＮＯｘ濃度が低減すると考えられる。また、水中の亜硝酸イオン又は硝酸イオンは、第１実施形態で説明した水処理装置６０又は水処理方法で除去することが可能である。
燃焼排ガスに含まれる揮発性有機化合物は、プラズマを発生させることにより生成する酸化活性種により酸化されると考えられる。
燃焼排ガスに含まれる揮発性有機化合物は、プラズマを発生させることにより生成する酸化活性種により酸化されると考えられる。
また、ガラス製の反応器２を用いている場合、反応器２中にプラズマを発生させることにより、反応器２の内壁面が親水性になり、水膜１０の厚さが均一になる。このことにより、気液界面の面積を広くすることができ、燃焼排ガス中のＮＯ2、ＳＯｘなどを効率よく水膜１０に溶解させることができる。
電源部２０は、第１電極１８が正極となり第２電極１９が負極となる（第１電極１８の電位が第２電極の電位よりも高くなる）ように電圧を印加することができる。このことにより、燃焼排ガスに含まれる粒子状物質をプラズマ中でプラスに帯電させ、粒子状物質を第２電極１９に向かって移動させることができ、粒子状物質を水膜１０中へ移動させることができる。このため、排ガス中の粒子状物質を除去することができる。
その他の構成は第１実施形態と同様である。また、第１実施形態についての記載は矛盾がない限り第２実施形態についても当てはまる。
その他の構成は第１実施形態と同様である。また、第１実施形態についての記載は矛盾がない限り第２実施形態についても当てはまる。
第３実施形態
第３実施形態は、排ガス処理システムに関する。図３は本実施形態の排ガス処理システムの概略構成図であり、図４は図３の破線で囲んだ範囲Ａにおける排ガス処理システムの概略断面図である。
本実施形態の排ガス処理システム８０は、ガス供給部４により反応器２に供給する気体を切り替えることにより水処理装置６０にもなり、排ガス処理装置７０にもなる。例えば、バルブ１３ａ、１３ｃ、１３ｄを開けてバルブ１３ｂ、１３ｅを閉じた状態で流量調節器１４ａ、１４ｂで流量を調節しながら燃焼排ガスを再現した模擬排ガスを反応器２へ供給することができる。この状態で、水供給部３により反応器２へ水を供給し、電源部２０を用いて第１電極１８と第２電極１９との間に電界を生じさせ、反応器２中に空気プラズマを生成することができる。このことにより、排ガス中のＮＯｘが硝酸イオン又は亜硝酸イオンとして水に溶解し、排ガス中のＮＯｘを除去することができる。また、排ガス中のＳＯｘも水に溶解させ硫酸イオン又は亜硫酸イオンとすることができ、排ガス中のＳＯｘを除去することができる。
反応器２を流れた後の排ガスは、ＮＯｘ分析器４１、Ｎ2Ｏ分析器４２、ＳＯ2分析器４３を用いて分析することができる。
第３実施形態は、排ガス処理システムに関する。図３は本実施形態の排ガス処理システムの概略構成図であり、図４は図３の破線で囲んだ範囲Ａにおける排ガス処理システムの概略断面図である。
本実施形態の排ガス処理システム８０は、ガス供給部４により反応器２に供給する気体を切り替えることにより水処理装置６０にもなり、排ガス処理装置７０にもなる。例えば、バルブ１３ａ、１３ｃ、１３ｄを開けてバルブ１３ｂ、１３ｅを閉じた状態で流量調節器１４ａ、１４ｂで流量を調節しながら燃焼排ガスを再現した模擬排ガスを反応器２へ供給することができる。この状態で、水供給部３により反応器２へ水を供給し、電源部２０を用いて第１電極１８と第２電極１９との間に電界を生じさせ、反応器２中に空気プラズマを生成することができる。このことにより、排ガス中のＮＯｘが硝酸イオン又は亜硝酸イオンとして水に溶解し、排ガス中のＮＯｘを除去することができる。また、排ガス中のＳＯｘも水に溶解させ硫酸イオン又は亜硫酸イオンとすることができ、排ガス中のＳＯｘを除去することができる。
反応器２を流れた後の排ガスは、ＮＯｘ分析器４１、Ｎ2Ｏ分析器４２、ＳＯ2分析器４３を用いて分析することができる。
反応器２を流れた後の水は水循環流路８を介して再び反応器２へ供給される。このため、排ガス処理の時間が長くなるにつれ水の亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度は高くなっていく。
その後、バルブ１３ｂ、１３ｄを開けバルブ１３ａ、１３ｃ、１３ｅを閉めた状態で流量調節器１４ｂで流量を調節しながら不活性ガスであるアルゴンガスを反応器２へ供給することができる。このことにより、反応器２中の気体が模擬排ガスからアルゴンガスへ変わるため、反応器２中の空気プラズマがアルゴンプラズマへと変わる。アルゴンプラズマを発生させると、反応器２を流れる水の亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度は徐々に低下する。
その後、バルブ１３ｂ、１３ｄを開けバルブ１３ａ、１３ｃ、１３ｅを閉めた状態で流量調節器１４ｂで流量を調節しながら不活性ガスであるアルゴンガスを反応器２へ供給することができる。このことにより、反応器２中の気体が模擬排ガスからアルゴンガスへ変わるため、反応器２中の空気プラズマがアルゴンプラズマへと変わる。アルゴンプラズマを発生させると、反応器２を流れる水の亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度は徐々に低下する。
反応器２を流れた後のアルゴンガスは、ＮＯｘ分析器４１、Ｎ2Ｏ分析器４２、ＳＯ2分析器４３を用いて分析してもよく、気体循環流路６及び気体用ポンプ２４を用いて再び反応器２へ供給してもよい。
その他の構成は第１又は第２実施形態と同様である。また、第１又は第２実施形態についての記載は矛盾がない限り第３実施形態についても当てはまる。
その他の構成は第１又は第２実施形態と同様である。また、第１又は第２実施形態についての記載は矛盾がない限り第３実施形態についても当てはまる。
第４実施形態
第４実施形態は、排ガス処理システムに関する。図５は本実施形態の排ガス処理システムの概略断面図である。
第４実施形態では、排ガス処理システム８０は、排ガス処理装置７０と水処理装置６０の両方を備える。この排ガス処理システム８０の稼働状態について説明する。
第４実施形態は、排ガス処理システムに関する。図５は本実施形態の排ガス処理システムの概略断面図である。
第４実施形態では、排ガス処理システム８０は、排ガス処理装置７０と水処理装置６０の両方を備える。この排ガス処理システム８０の稼働状態について説明する。
例えば、ガス供給部４ａにより排ガスを反応器２ａへ供給し、水供給部３ａにより反応器２ａへ水を供給する。この状態において電源部２０ａを用いて第１電極１８ａと第２電極１９ａとの間に電界を生じさせ、反応器２ａ中に空気プラズマを生成することができる。このことにより、排ガス中のＮＯｘが硝酸イオン又は亜硝酸イオンとして水に溶解し、排ガス中のＮＯｘを除去することができる。また、排ガス中のＳＯｘも水に溶解させ硫酸イオン又は亜硫酸イオンとすることができ、排ガス中のＳＯｘを除去することができる。
反応器２ａを流れた後の排ガス及び水は、水－気体分離タンク３１ａに流入し排ガスと水とに分離される。分離された排ガスはＮＯｘ及びＳＯｘが除去されているため外部へ排気することができる。
反応器２ａを流れた後の排ガス及び水は、水－気体分離タンク３１ａに流入し排ガスと水とに分離される。分離された排ガスはＮＯｘ及びＳＯｘが除去されているため外部へ排気することができる。
水－気体分離タンク３１ａで分離された硝酸イオン及び亜硝酸イオンを含む水は水供給部３ｂにより反応器２ｂへ供給される。また、ガス供給部４ｂにより不活性ガスであるアルゴンガスが反応器２ｂへ供給される。この状態において電源部２０ｂを用いて第１電極１８ｂと第２電極１９ｂとの間に電界を生じさせ、反応器２ｂ中にアルゴンプラズマを発生させることができる。アルゴンプラズマを発生させると、反応器２ｂを流れる水の亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度は低下する。
反応器２ｂを流れた後の水は、水－気体分離タンク３１ｂに流入し排ガスと水とに分離される。水－気体分離タンク３１ｂで分離された水は亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度が低下しているため、河川などへ排水することが可能である。
反応器２ｂを流れた後の水は、水－気体分離タンク３１ｂに流入し排ガスと水とに分離される。水－気体分離タンク３１ｂで分離された水は亜硝酸イオン濃度及び硝酸イオン濃度が低下しているため、河川などへ排水することが可能である。
水－気体分離タンク３１ｂで分離されたアルゴンガスは、気体循環流路６及び気体用ポンプ２４を用いて再び反応器２ｂへ供給することができる。図５に示した排ガス処理システム８０では、ガス供給部４ｂは循環させたアルゴンガスを反応器２ｂに供給しているが、ガス供給部４ｂはガスボンベからアルゴンガスを反応器２ｂに供給することができる。
その他の構成は第１～第３実施形態と同様である。また、第１～第３実施形態についての記載は矛盾がない限り第４実施形態についても当てはまる。また、反応器２についての記載は、矛盾がない限り反応器２ａ、２ｂについて適用することができ、ガス供給部４についての記載は、矛盾がない限りガス供給部４ａ、４ｂについて適用することができ、水供給部３についての記載は、矛盾がない限り水供給部３ａ、３ｂについて適用することができる。その他の構成要素についても同様である。
その他の構成は第１～第３実施形態と同様である。また、第１～第３実施形態についての記載は矛盾がない限り第４実施形態についても当てはまる。また、反応器２についての記載は、矛盾がない限り反応器２ａ、２ｂについて適用することができ、ガス供給部４についての記載は、矛盾がない限りガス供給部４ａ、４ｂについて適用することができ、水供給部３についての記載は、矛盾がない限り水供給部３ａ、３ｂについて適用することができる。その他の構成要素についても同様である。
排ガス浄化・水浄化実験
図３、図４に示したような排ガス処理システムを用いて排ガス浄化・水浄化実験を行った。
反応器２には、内径２０ｍｍ、外径２５ｍｍの石英ガラス管を用いた。第１電極１８（放電極）には、直径２ｍｍのステンレス鋼ワイヤを用いた。第２電極１９（接地電極）は、石英ガラス管の外周面上に銀ペーストを塗布することにより形成した。石英ガラス管の長さ方向における第２電極１９の長さは２６０ｍｍとした。また、電源部２０にはＩＧＢＴ高電圧パルス電源を用いた。
実験中において反応器２を流れた後の気体をＮＯｘ分析器４１、Ｎ2Ｏ分析器４２、ＳＯ2分析器４３を用いて分析した。また、水質測定用試薬を用いて反応器２を流れた後の水の硝酸イオン濃度及び亜硝酸イオン濃度を測定した。
図３、図４に示したような排ガス処理システムを用いて排ガス浄化・水浄化実験を行った。
反応器２には、内径２０ｍｍ、外径２５ｍｍの石英ガラス管を用いた。第１電極１８（放電極）には、直径２ｍｍのステンレス鋼ワイヤを用いた。第２電極１９（接地電極）は、石英ガラス管の外周面上に銀ペーストを塗布することにより形成した。石英ガラス管の長さ方向における第２電極１９の長さは２６０ｍｍとした。また、電源部２０にはＩＧＢＴ高電圧パルス電源を用いた。
実験中において反応器２を流れた後の気体をＮＯｘ分析器４１、Ｎ2Ｏ分析器４２、ＳＯ2分析器４３を用いて分析した。また、水質測定用試薬を用いて反応器２を流れた後の水の硝酸イオン濃度及び亜硝酸イオン濃度を測定した。
バルブ１３ａ、１３ｃ、１３ｄを開けてバルブ１３ｂ、１３ｅを閉じた状態で流量調節器１４ａ、１４ｂで空気、ＮＯ、ＳＯ2の流量を調節しながら（供給流量：４Ｌ／min）模擬燃焼排ガスを再現し反応器２へ供給した。模擬燃焼排ガスのＮＯｘ濃度は９８．８ppmであり、ＮＯ濃度は９８．５ppmであり、ＳＯ2濃度は９３．９ppmであった。
また、反応器２の上方に設置された水供給タンク１１のオーバーフロー管５３に純水を流入させることにより反応器２の内壁面に水膜１０を形成した。また、反応器２を流れる水の流量が２００ml/minとなるように水供給量を調節した。また、水循環流路８及び液体用ポンプ２５を用いて反応器２を流れた水が再び反応器２へ供給されるように水を循環させた。
また、反応器２の上方に設置された水供給タンク１１のオーバーフロー管５３に純水を流入させることにより反応器２の内壁面に水膜１０を形成した。また、反応器２を流れる水の流量が２００ml/minとなるように水供給量を調節した。また、水循環流路８及び液体用ポンプ２５を用いて反応器２を流れた水が再び反応器２へ供給されるように水を循環させた。
この状態において、電源部２０を用いて第１電極１８と第２電極１９との間に高電圧パルス（周波数：２１０Hz、電圧：３０kV）を印加することによって反応器２中に非平衡プラズマ（空気プラズマ）を発生させた。この状態を１０分間維持した後、バルブ１３ｂ、１３ｄを開けバルブ１３ａ、１３ｃ、１３ｅを閉めた状態で流量調節器１４ｂで流量を調節しながら（供給流量：４Ｌ／min）不活性ガスであるアルゴンガスを反応器２へ供給した。このことにより、反応器２中のプラズマがアルゴンプラズマに変わった。この状態を６０分間維持した。
ガス分析結果を図６に示す。空気プラズマを発生させると、ＮＯｘ濃度、ＮＯ濃度、ＮＯ2濃度、ＳＯ2濃度は低下し、プラズマを発生させてから１０分後にはＮＯｘ濃度が０．９ppmとなり、ＳＯ2濃度が０．５ppmとなった。また、ＮＯｘ除去率、ＳＯ2除去率は、共に９５％を超えた。また、Ｎ2Ｏが約１０ppm発生した。ＮＯｘ及びＳＯ2は、水膜１０に硝酸イオン、亜硝酸イオン及び硫酸イオン、亜硫酸イオンとして吸収されたと考えられる。また、反応器２に供給する気体をアルゴンガスに切り替えても、ＮＯｘ、ＮＯ、ＳＯ2などはほとんど検出されなかった。このため、水膜１０に吸収されたＮＯｘ、ＳＯ2はアルゴンプラズマによりアルゴン中に放出されないことがわかった。
硝酸イオン・亜硝酸イオン測定結果を図７に示す。空気プラズマを維持した１０分間において硝酸イオン濃度は約１７mg/Lまで上昇し、亜硝酸イオン濃度は約２．１mg/Lまで上昇した。これらの硝酸イオン及び亜硝酸イオンは排ガス中のＮＯｘが水に溶解することにより生成したと考えられる。
反応器２に供給する気体をアルゴンガスに切り替えてから１０分後では、硝酸イオン濃度及び亜硝酸イオン濃度は共に上昇した。この上昇は、反応器２を流れた水が分析のためのサンプリング部に到達するまでに時間がかかるため生じたと考えられる。その後、硝酸イオン濃度及び亜硝酸イオン濃度はともに減少し，最大値から７０分時までの減少率は，硝酸イオンにおいて４９．２％、亜硝酸イオンにおいて４６．３％であった。
反応器２に供給する気体をアルゴンガスに切り替えてから１０分後では、硝酸イオン濃度及び亜硝酸イオン濃度は共に上昇した。この上昇は、反応器２を流れた水が分析のためのサンプリング部に到達するまでに時間がかかるため生じたと考えられる。その後、硝酸イオン濃度及び亜硝酸イオン濃度はともに減少し，最大値から７０分時までの減少率は，硝酸イオンにおいて４９．２％、亜硝酸イオンにおいて４６．３％であった。
比較実験
排ガス浄化・水浄化実験における硝酸イオン濃度の減少及び亜硝酸イオン濃度の減少がアルゴンプラズマによるものかを確認するため、アルゴンプラズマを発生させないこと以外は排ガス浄化・水浄化実験と同様の方法で実験を行った。
比較実験では、反応器２へ供給する前の模擬燃焼排ガスのＮＯｘ濃度は９７．３ppmであり、ＮＯ濃度は９６．５ppmであり、ＳＯ2濃度は９２．１ppmであった。また、実験開始から１０分間は空気プラズマを発生させたが、１０分以降は放電を停止しアルゴンガスを反応器２へ供給した。
排ガス浄化・水浄化実験における硝酸イオン濃度の減少及び亜硝酸イオン濃度の減少がアルゴンプラズマによるものかを確認するため、アルゴンプラズマを発生させないこと以外は排ガス浄化・水浄化実験と同様の方法で実験を行った。
比較実験では、反応器２へ供給する前の模擬燃焼排ガスのＮＯｘ濃度は９７．３ppmであり、ＮＯ濃度は９６．５ppmであり、ＳＯ2濃度は９２．１ppmであった。また、実験開始から１０分間は空気プラズマを発生させたが、１０分以降は放電を停止しアルゴンガスを反応器２へ供給した。
ガス分析結果を図８に示す。比較実験でのガス分析結果は、図６に示した排ガス浄化・水浄化実験のガス分析結果とほぼ同様の結果であった。
硝酸イオン・亜硝酸イオン測定結果を図９に示す。実験開始から１０分～２０分で硝酸イオン濃度は約１７mg/Lまで上昇し、その後はほぼ一定であった。また、実験開始から１０分～２０分で亜硝酸イオン濃度は約１．９mg/Lまで上昇し、その後はほぼ一定であった。このため、比較実験では、水中の硝酸イオン及び亜硝酸イオンは除去できていないことがわかった。
硝酸イオン・亜硝酸イオン測定結果を図９に示す。実験開始から１０分～２０分で硝酸イオン濃度は約１７mg/Lまで上昇し、その後はほぼ一定であった。また、実験開始から１０分～２０分で亜硝酸イオン濃度は約１．９mg/Lまで上昇し、その後はほぼ一定であった。このため、比較実験では、水中の硝酸イオン及び亜硝酸イオンは除去できていないことがわかった。
排ガス浄化・水浄化実験の実験結果及び比較実験の実験結果から、アルゴンプラズマによって水中の硝酸・亜硝酸イオンが除去されることが確認された。なお、硫酸イオン、亜硫酸イオンが脱硝に寄与している可能性もある。
２、２ａ、２ｂ：反応器 ３、３ａ、３ｂ：水供給部 ４、４ａ、４ｂ：ガス供給部 ５、５ａ、５ｂ：プラズマ生成部 ６：気体循環流路 ７：混入ガス除去部 ８：水循環流路 ９：水 １０、１０ａ、１０ｂ：水膜 １１：水供給タンク １２：気体流路 １３、１３ａ～１３ｈ：バルブ １４、１４ａ、１４ｂ：流量調節器 １５、１５ａ～１５ｃ：ガスボンベ １８、１８ａ、１８ｂ：第１電極 １９、１９ａ、１９ｂ：第２電極 ２０、２０ａ、２０ｂ：電源部 ２４：気体用ポンプ ２５：液体用ポンプ ２８：流量計 ３１、３１ａ、３１ｂ：水－気体分離タンク ３２：水タンク ３３：水流路 ３５：オシロスコープ ３６：ヒーター ４１：ＮＯｘ分析器 ４２：Ｎ2Ｏ分析器 ４３：ＳＯ2分析器 ４５：固定部材 ４６：流路部材 ４８：排ガス流路 ４９：排ガス供給部 ５１：不活性ガス流路 ５２：不活性ガス供給部 ５３、５３ａ、５３ｂ：オーバーフロー管 ５４：水供給口 ６０：水処理装置 ７０：排ガス処理装置 ８０：処理システム
Claims (7)
- 内壁面を有する管状の第１反応器と、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を第１反応器中に供給するように設けられた第１水供給部と、第１反応器中にアルゴンガス又はヘリウムガスを供給するように設けられた第１ガス供給部と、第１反応器中にアルゴンプラズマ又はヘリウムプラズマを生成するように設けられた第１プラズマ生成部とを備え、
第１水供給部及び第１反応器は、第１水供給部が供給した水が第１反応器の内壁面を膜状に流れるように設けられたことを特徴とする水処理装置。 - 内壁面を有する管状の第１反応器と、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を第１反応器中に供給するように設けられた第１水供給部と、第１反応器中に不活性ガスを供給するように設けられた第１ガス供給部と、第１反応器中にプラズマを生成するように設けられた第１プラズマ生成部とを備え、
第１水供給部及び第１反応器は、第１水供給部が供給した水が第１反応器の内壁面を膜状に流れるように設けられ、
第１ガス供給部は、第１反応器を流れた後の不活性ガスが再び第１反応器に供給されるように設けられた第１循環流路と、第１循環流路に設けられた混入ガス除去部とを備え、
前記混入ガス除去部は、第１反応器における化学反応で生成したガスを除去するように設けられた水処理装置。 - 第１水供給部は、第１反応器を流れた後の水が再び第１反応器に供給されるように設けられた第２循環流路を備える請求項１又は２に記載の水処理装置。
- 水処理装置と、排ガス処理装置とを備え、
前記水処理装置は、内壁面を有する管状の第１反応器と、亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を第１反応器中に供給するように設けられた第１水供給部と、第１反応器中に不活性ガスを供給するように設けられた第１ガス供給部と、第１反応器中にプラズマを生成するように設けられた第１プラズマ生成部とを備え、
第１水供給部及び第１反応器は、第１水供給部が供給した水が第１反応器の内壁面を膜状に流れるように設けられ、
前記排ガス処理装置は、内壁面を有する管状の第２反応器と、水を第２反応器中に供給するように設けられた第２水供給部と、ＮＯｘ及び酸素ガスを含む排ガスを第２反応器中に供給するように設けられた第２ガス供給部と、第２反応器中にプラズマを生成するように設けられた第２プラズマ生成部とを備え、第２水供給部及び第２反応器は、第２水供給部が供給した水が第２反応器の内壁面を膜状に流れるように設けられ、
第１水供給部は、第２反応器を流れた後の水が第１反応器に供給されるように設けられた水流路を備える排ガス処理システム。 - 亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を膜状に流しながら膜状の水に隣接するアルゴンガス又はヘリウムガス中にアルゴンプラズマ又はヘリウムプラズマを発生させるステップを備える水処理方法。
- 水を膜状に流しながら膜状の水に隣接しＮＯｘ及び酸素ガスを含む排ガス中にプラズマを発生させるステップと、
前記ＮＯｘから生成された亜硝酸イオン及び硝酸イオンの少なくとも１つを含む水を膜状に流しながら膜状の水に隣接する不活性ガス中にプラズマを発生させるステップとを備える排ガス処理方法。 - 前記排ガスは、硫黄酸化物、粒子状物質及び揮発性有機化合物のうち少なくとも１つを含む請求項６に記載の排ガス処理方法。
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