JP7312400B2

JP7312400B2 - 液中プラズマ装置

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Publication number: JP7312400B2
Application number: JP2019157716A
Authority: JP
Inventors: 立白藤; 準席呉; 伸哉河原; 一騎丹下
Original assignee: Air Water Inc; University Public Corporation Osaka
Current assignee: Air Water Inc; University Public Corporation Osaka
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2023-07-21
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: JP2021036494A

Description

本発明は、液中プラズマ装置に関する。

液中プラズマ装置の構成を開示した文献として、特開２０１２－１１３０１号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された液中プラズマ装置は、水処理装置であって、一対の電極板と、送液管と、電源部とを備えている。一対の電極板は、互いに対向している。一対の電極板は、少なくとも一方の電極板において他方の電極板と対向する表面が誘電体で遮蔽されている。送液管は、一対の電極板間に配置された被処理水が通過可能なギャップを有する多孔質絶縁体を有している。電源部は、一対の電極板に所定の電圧を印加可能である。上記水処理装置は、送液管に被処理水が導入された際には、多孔質絶縁体のギャップに該被処理水が供給されるように構成されている。上記水処理装置は、電源部から一対の電極間に所定の電圧が印加された際には、誘電体と多孔質絶縁体との間に誘電体バリア放電を生じさせるとともにジュール熱により多孔質絶縁体のギャップを流れる被処理水を加熱して気泡を生じさせるように構成されている。上記水処理装置は、誘電体バリア放電によって気泡内に生じたプラズマを利用することを特徴とする。また、一対の電極板のうちの一方の電極板は、少なくとも一部分が被処理水が通過可能な孔あき構造に形成されている。

特開２０１２－１１３０１号公報

特許文献１に記載された液中プラズマ装置は、多孔質絶縁体を用いることにより、煩雑な機構を設けることなく水処理を効率よく行うことができるものである。しかしながら、特許文献１に記載された液中プラズマ装置においては、電力効率の観点から処理効率を向上させる点については検討されていない。このため、液中プラズマ装置における処理効率の向上については、改善の余地がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、液体をプラズマ処理する際の処理効率を向上させることができる、液中プラズマを提供することを目的とする。

本発明に基づく液中プラズマ装置は、プラズマを用いて液体を処理する。液中プラズマ装置は、第１電極と、第２電極と、第１誘電体と、第２誘電体と、電源とを備えている。第２電極は、第１電極と間隔を空けて配置されている。第１誘電体は、第１電極を被覆している。第２誘電体は、第２電極に接している。第２誘電体は、第１誘電体とは離間しつつ第１電極と第２電極との間に介在している。電源は、第１電極と第２電極との間に電圧を印加する。第１電極は、第１誘電体を介して液体と接している。第２電極は、第２誘電体を介して液体と接している。

本発明によれば、液体をプラズマ処理する際の処理効率を向上させることができる。

本発明の実施形態１に係る液中プラズマ装置の構成を示す図である。本発明の実施形態１に係る液中プラズマの第１電極に第１誘電体を溶着させる方法において、第１電極を加熱している状態を示す図である。本発明の実施形態１に係る液中プラズマの第１電極に第１誘電体を溶着させる方法において、筒状の第１誘電体に第１電極を挿入した状態を示す図である。本発明の実施形態１に係る液中プラズマの第１電極に第１誘電体を融着させる方法において、第１電極の周側面に第１誘電体を溶着させた状態を示す図である。本発明の実施形態１に係る液中プラズマ装置の第１電極に第１誘電体を融着させる方法において、第１電極の先端面に第１誘電体を融着させた状態を示す図である。実施例に係る液中プラズマ処理装置において、１μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。実施例に係る液中プラズマ処理装置において、１０μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。実施例に係る液中プラズマ処理装置において、２０μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。比較例に係る液中プラズマ処理装置において、１μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。比較例に係る液中プラズマ処理装置において、２μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。比較例に係る液中プラズマ処理装置において、４μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。実験例において、処理時間に対する、プラズマ処理中の液体中のメチレンブルー含有量の変化を示すグラフである。実験例において、各処理時間における、プラズマ処理中のメチレンブルー含有量の１０分間の減少量の変化を示すグラフである。実験例において、処理時間に対する、プラズマ処理中の電源の消費電力量の変化を示すグラフである。実験例において、各処理時間における、プラズマ処理中の電源の消費電力の変化を示すグラフである。実験例において、各処理時間における、単位消費電力量あたりのメチレンブルー含有量の減少量の変化を示すグラフである。実験例において、プラズマ処理中の電源の電流波形の一例を示すグラフである。本発明の実施形態２に係る液中プラズマ装置の構成を示す図である。

以下、本発明の各実施形態に係る液中プラズマ装置について図面を参照して説明する。以下の各実施形態の説明においては、図中の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。

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る液中プラズマ装置の構成を示す図である。図１に示すように、本発明の実施形態１に係る液中プラズマ装置１００は、プラズマ１０を用いて液体２０を処理する。液体２０の具体的な成分は、液中プラズマ放電が発生可能であれば特に限定されない。液体２０としては、たとえば水またはアルコール系の有機溶剤などが挙げられる。本実施形態において、液体２０は水である。液体２０が水である場合、本実施形態に係る液中プラズマ装置１００における液体２０の処理とは、たとえば、液体２０に混入する有機物不純物の分解である。具体的には、液体２０に混入する有害物質の分解または微生物の殺菌である。液体２０が水である場合、液体２０の電気導電率の調整のために、液体２０は塩化ナトリウムまたは塩化カリウムなどのアルカリ金属塩を含んでいてもよい。

図１に示すように、本発明の実施形態１に係る液中プラズマ装置１００は、第１電極１１０と、第２電極１２０と、第１誘電体１３０と、第２誘電体１４０と、電源１５０と、循環流路１６０と、供給部１７０とを備えている。

第１電極１１０は棒状の形状を有している。第１電極１１０は、先端部１１１と、先端部１１１とは反対側に位置する末端部１１２とを有している。

第１電極１１０は、通電可能な金属で構成されており、たとえば白金族金属、銅またはタングステンなどの金属で構成される。本実施形態において、第１電極１１０は、実質的にタングステンで構成されている。第１電極１１０の表面には酸化皮膜が形成されていてもよい。

第２電極１２０は、第１電極１１０と間隔を空けて配置されている。本実施形態において、第２電極１２０は接地電極である。第２電極１２０はメッシュ状の外形を有している。第２電極１２０は、第１電極１１０の中心軸の周方向に沿って配置されている。第２電極１２０は、第１電極１１０と同軸状に配置されている。第２電極１２０は、通電可能な金属で構成されており、たとえば白金族金属、銅またはタングステンなどの金属で構成される。

第１誘電体１３０は、第１電極１１０を被覆している。第１誘電体１３０は、先端部１１１を被覆している。第１誘電体１３０は、先端部１１１上から末端部１１２に向かって連続的に第１電極１１０の周面を被覆している。第１電極１１０は、末端部１１２側において第１誘電体１３０から露出している。

第１電極１１０と第１誘電体１３０とは、互いに融着している。すなわち、第１電極１１０と第１誘電体１３０とは、気密に接触している。第１電極１１０と第１誘電体１３０とを互いに融着させる方法については、後述する。

第１誘電体１３０を構成する材料は、誘電体材料であれば特に限定されない。第１誘電体１３０を構成する材料としては、たとえば、石英またはアルミナなどのセラミック材料、あるいは、ガラスなどが挙げられる。本実施形態において、第１誘電体１３０はガラスからなる。

本実施形態において、第２誘電体１４０は、第１電極１１０の中心軸を中心とする筒状の形状を有している。第２誘電体１４０は、周側面１４１と、第１端部１４２と、第２端部１４３とを有している。第１端部１４２は、第２誘電体１４０の上記中心軸方向の一方端に位置している。第１端部１４２は、第２誘電体１４０の底部を構成している。第２端部１４３は、第２誘電体１４０の上記中心軸方向の第１端部１４２とは反対側に位置している。第２誘電体１４０の内径および上記中心軸方向の長さは、液中プラズマ装置１００において液中プラズマ放電が可能であれば特に限定されないが、本実施形態において、第２誘電体１４０の内径は１０ｍｍであり、上記長さは１４０ｍｍである。

第２誘電体１４０は、第２電極１２０に接している。本実施形態においては、第２電極１２０が、第２誘電体１４０の周側面１４１に巻き付けられている。

第２誘電体１４０の内側には、第２誘電体１４０の外側から第１電極１１０が挿入されている。第１電極１１０は、第１端部１４２を貫通するように挿入されている。第１電極１１０は、先端部１１１が第２誘電体１４０の内側に位置し、末端部１１２が第２誘電体１４０の外側に位置するように、配置されている。第１電極１１０は、第１誘電体１３０から露出している部分の全てが第２誘電体１４０の外側に位置するように配置されている。

第２誘電体１４０は、第１誘電体１３０とは離間しつつ第１電極１１０と第２電極１２０との間に介在している。なお、本実施形態において、第２誘電体１４０の第１端部１４２は、第１電極１１０と第２電極１２０との間に介在していない。

第２誘電体１４０を構成する材料は、誘電体材料であれば特に限定されない。第２誘電体１４０を構成する材料としては、たとえば、石英またはアルミナなどのセラミック材料、あるいは、ガラスなどが挙げられる。本実施形態において、第２誘電体１４０は、ガラスからなる。

電源１５０は、第１電極１１０のうち第１誘電体１３０から露出している部分に電気的に接続されている。具体的には、電源１５０は、末端部１１２に接続されている。電源１５０は、第２電極１２０に接続されている。

電源１５０は、第１電極１１０と第２電極１２０との間に電圧を印加する。電源１５０は、本実施形態において液体２０中においてプラズマ放電できる高電圧パルスを発生させることができる。

本実施形態において、循環流路１６０は、循環器１６１と、貯液部１６２と、第１流路１６３と、第２流路１６４と、第３流路１６５とを有している。

第１流路１６３は、循環器１６１と貯液部１６２とを互いに接続している。本実施形態において、第１流路１６３は、貯液部１６２に貯められた液体２０に接触可能に設けられている。

第２流路１６４は、循環器１６１と、第２誘電体１４０とを互いに接続している。本実施形態において、第２流路１６４は、第１電極１１０の中心軸方向において、第２電極１２０より第１端部１４２側または第２端部１４３側で第２誘電体１４０に接続される。具体的には、第２流路１６４は、第１電極１１０の中心軸方向において、第２電極１２０より第１端部１４２側で第２誘電体１４０に接続されている。

第３流路１６５は、貯液部１６２と、第２誘電体１４０とを互いに接続している。本実施形態において、第３流路１６５は、第１電極１１０の中心軸方向において、第２電極１２０に対して、第２流路１６４と第２誘電体１４０との接続部とは反対側で第２誘電体１４０に接続されている。具体的には、第３流路１６５は、第１電極１１０の中心軸方向において、第２電極１２０より第２端部１４３側で第２誘電体１４０に接続されている。第３流路１６５は、貯液部１６２に貯められた液体２０に接触可能に設けられている。

本実施形態の循環流路１６０においては、循環器１６１が、第１流路１６３を介して貯液部１６２に貯められた液体２０を引き込む。そして、液体２０を引き込んだ循環器１６１は、第２流路１６４を介して第２誘電体１４０の内側に液体２０を供給する。液体２０は、循環器１６１から連続的に第２誘電体１４０の内側に供給されることにより、第２誘電体１４０の内側を第１電極１１０の中心軸に沿う方向に通流した後、第３流路１６５を介して１６２に排出される。このように、循環流路１６０は、液体２０が第２誘電体１４０の内側を繰り返し通流するように循環させる。

上記のように、本実施形態に係る液中プラズマ装置１００は、第２誘電体１４０の内側に液体２０が位置できるように構成されている。このため、本実施形態においては、第１電極１１０が、第１誘電体１３０を介して液体２０と接している。第２電極１２０は、第２誘電体１４０を介して液体２０と接している。また、本実施形態に係る液中プラズマ装置１００は、液体２０が、第２誘電体１４０の内側を、第１電極１１０の中心軸に沿う方向に通流可能に構成されている。

供給部１７０は、ポート１７１を有している。ポート１７１は、第２誘電体１４０に接続されている。供給部１７０は、ポート１７１を介して、第２誘電体１４０内側にプラズマ放電補助ガス３０を供給できる。このように、供給部１７０は、第１電極１１０と第２電極１２０とが互いに対向している位置にある液体２０に対して、プラズマ放電補助ガス３０を供給可能である。供給部１７０は、弁および上述の流路とは異なる他の流路を介して、ボンベなどのプラズマ放電補助ガス供給源(図示せず)に接続されている。

また、供給部１７０は、第１電極１１０の中心軸方向において、第２電極１２０より第１端部１４２側または第２端部１４３側で第２誘電体１４０に接続される。具体的には、供給部１７０は、第１電極１１０の中心軸方向において、第２電極１２０より第１端部１４２側で第２誘電体１４０に接続されている。本実施形態においては、循環流路１６０によって第２誘電体１４０の内側を流れる液体２０が、プラズマ放電補助ガス３０が移動するのを助ける。すなわち、上記中心軸方向において、第２誘電体１４０の内側を移動するプラズマ放電補助ガス３０の移動方向は、第２誘電体１４０中の液体２０の流れる方向と同一である。

上記のように、本実施形態に係る液中プラズマ装置１００は、プラズマ放電補助ガス３０が第１電極１１０の中心軸に沿う方向に移動可能に構成されている。なお、上記中心軸方向において、第２誘電体１４０の内側を移動するプラズマ放電補助ガス３０の移動方向は、第２誘電体１４０中の液体２０の流れる方向と同一でなくてもよい。また、プラズマ放電補助ガス３０は、後述する気化した液体２０との混合ガス３１として、第３流路１６５を介して貯液部１６２に移動する。本実施形態において、混合ガスは貯液部１６２において大気中に放出される。すなわち、プラズマ放電補助ガス３０は循環流路１６０を介して液中プラズマ装置１００の外部に排出される。

プラズマ放電補助ガス３０としては、たとえば、アルゴン、空気、窒素、酸素またはヘリウムなどが挙げられる。プラズマ放電補助ガス３０は、気化した液体２０よりプラズマ放電が発生が容易な気体であることが好ましく、プラズマ放電補助ガス３０は、アルゴンまたはヘリウムであることが好ましい。本実施形態において、プラズマ放電補助ガス３０はアルゴンである。なお、本実施形態における液中プラズマ装置１００においては、プラズマ放電補助ガス３０を用いることなく、気化した液体２０のみでプラズマ放電を発生させてもよい。気化した液体２０のみでプラズマ放電を発生させる場合には、電源１５０の印加電圧が大きいことが好ましい。

次に、第１電極１１０に第１誘電体１３０を溶着させる方法について説明する。
図２は、本発明の実施形態１に係る液中プラズマの第１電極に第１誘電体を溶着させる方法において、第１電極を加熱している状態を示す図である。図２に示すように、第１誘電体１３０が融着していない第１電極１１０を、大気中で加熱することで、第１電極１１０の表面を酸化させる。

本実施形態において、第１電極１１０はタングステンからなり、第１誘電体１３０はガラスからなる。そして、酸化タングステンは、ガラスと容易に結合する。このため、第１電極１１０の表面を酸化させることにより、第１電極１１０に第１誘電体１３０を容易に融着できる。

第１電極１１０の表面に形成された本実施形態においては、第１電極１１０をバーナーなどの加熱器５０を用いて加熱する。第１電極１１０の中心軸方向に沿って加熱器５０を動かすことにより、第１電極１１０を加熱する。

図３は、本発明の実施形態１に係る液中プラズマの第１電極に第１誘電体を溶着させる方法において、筒状の第１誘電体に第１電極を挿入した状態を示す図である。図３に示すように、第１電極１１０に溶着させる前の筒状の第１誘電体１３０ａの内側に、加熱後の第１電極１１０を挿入する。このとき、先端部１１１が第１誘電体１３０ａの内側に位置し、末端部１１２が第１誘電体１３０ａの外側に位置するように、第１電極１１０を配置する。図１および図３に示すように、第１電極１１０に融着させる前の筒状の第１誘電体１３０ａの外径は、第１電極１１０に融着している第１誘電体１３０の外径より大きい。

図４は、本発明の実施形態１に係る液中プラズマの第１電極に第１誘電体を融着させる方法において、第１電極の周側面に第１誘電体を溶着させた状態を示す図である。図４に示すように、加熱器５０により第１誘電体１３０ａを外側から加熱する。これにより、第１誘電体１３０ａを収縮させつつ溶融させることにより、第１誘電体１３０ａを第１電極１１０に融着させる。本実施形態においては、加熱器５０を末端部１１２側から先端部１１１側に移動させつつ、第１誘電体１３０ａを加熱する。これにより、第１誘電体１３０ａを、末端部１１２側から先端部１１１側にかけて徐々に１１０に融着させる。

図５は、本発明の実施形態１に係る液中プラズマ装置の第１電極に第１誘電体を融着させる方法において、第１電極の先端面に第１誘電体を融着させた状態を示す図である。図５に示すように、第１誘電体１３０ａの加熱の最後において、第１誘電体１３０ａの先端部１１１側の開放端を加熱することにより、第１電極１１０の先端部１１１を第１誘電体１３０ａで封じ込めるように第１誘電体１３０ａを融着させる。本実施形態においては、上記の方法により、第１電極１１０と第１誘電体１３０とが互いに融着する。

次に、本発明の実施形態１に係る液中プラズマ装置１００におけるプラズマ放電のメカニズムについて説明する。

図１に示すように、本実施形態においては、循環流路１６０により、第１誘電体１３０と第２誘電体１４０との間に液体２０が流れる。これと同時に、供給部１７０により、第１誘電体１３０と第２誘電体１４０との間にプラズマ放電補助ガス３０を導入する。この状態において、電源１５０により、第１電極１１０と第２電極１２０との間に電圧を印加して、高電圧パルスを発生する。これにより、まず、第１誘電体１３０と第２誘電体１４０との間に位置するプラズマ放電補助ガス３０において、プラズマ放電が発生する。このプラズマ放電のジュール熱により、液体２０が気化する。気化した液体２０とプラズマ放電補助ガス３０とが混合した混合ガス３１が形成される。この混合ガス３１においてプラズマ１０が発生することにより、気化した液体２０においてプラズマ１０が発生する。すなわち、大気圧中における液中プラズマが発生する。

上記のプラズマ１０により、液体２０が処理される。本実施形態においては、気化した液体２０は水であるため、気化した液体２０中においてはＯＨラジカルが発生する。このＯＨラジカルにより、液体２０中の有機物が分解される。

本実施形態においては、第１誘電体１３０と第２誘電体１４０との間にプラズマ１０が発生するため、第１電極１１０および第２電極１２０の両方が、プラズマ放電に曝されることがない。これにより、本実施形態においては、液中プラズマ放電を発生させる液中プラズマ装置１００であっても、第１電極１１０および第２電極１２０の各々が損耗することが抑制される。このため、電極由来の不純物が液体２０中に混入することが抑制される。ひいては、本実施形態に係る液中プラズマ装置１００は、食品またはサプリメントなどの原料液体の処理に好適に用いることができる。さらに、液体２０が電極を腐食させる腐食性の液体である場合であっても、金属などの電極を構成する材料が液体２０に溶出することを防止することができる。

また、本実施形態においては、混合ガス３１は、プラズマ１０を発生させつつ第１電極１１０の中心軸に沿う方向に移動する。すなわち、混合ガス３１は、混合ガス３１周辺部の液体２０を処理しつつ、第１電極１１０の中心軸に沿う方向に移動する。

以下、本発明の実施形態１における実験例について説明する。本実験例においては、実施例に係る液中プラズマ装置および比較例に係る液中プラズマ装置の各々について、実験を行った。実施例に係る液中プラズマ装置は、本実施形態に係る液中プラズマ装置１００と同様の構成とした。比較例に係る液中プラズマ装置は、実施例に係る液中プラズマ装置に対して、第１誘電体を備えないように変更した。すなわち、比較例に係る液中プラズマ装置においては、第２誘電体の内側において、直接液体と接触するようにした。

実施例および比較例に係る液中プラズマ装置において、電源は、株式会社栗田製作所製のパルスプラズマ用電源のＭＰＰ－ＨＶ０１を用いた。電源の出力電圧は６ｋＶ、繰り返し周波数は２０ｋＨｚ、出力パルス幅は２μｓｅｃとした。また、循環流路および第２誘電体の内側を流れる液体すなわち水の体積は３００ｍＬとし、循環器による水の循環速度は４．５ｍＬ／ｓｅｃとした。プラズマ放電補助ガスの流量は、１．１Ｌ／ｍｉｎとした。

まず、実施例および比較例に係る液中プラズマ装置において、プラズマ放電の様子を観察した結果について説明する。当該実験例においては、実施例および比較例のそれぞれについて、電気導電率を変更した複数の条件でプラズマ放電の様子を観察した。プラズマ放電の様子の観察の実験例においては、処理される液体である水にＫＣＬ水溶液を加えることで、電気導電率を適宜調整した。

図６は、実施例に係る液中プラズマ装置において、１μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。図７は、実施例に係る液中プラズマ装置において、１０μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。図８は、実施例に係る液中プラズマ装置において、２０μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。図９は、比較例に係る液中プラズマ装置において、１μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。図１０は、比較例に係る液中プラズマ装置において、２μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。図１１は、比較例に係る液中プラズマ装置において、４μＳ／ｃｍの電気導電率の液体の処理中の様子を示す写真である。これらの写真は、暗室中において撮影された。これらの写真の各々においては、第１電極と第２電極とが対向している部分の全体が撮影されており、白い部分が放電プラズマである。

図６から図８に示すように、実施例においては、液体の電気導電率が１μＳ／ｃｍから２０μＳ／ｃｍの場合において、プラズマ放電が発生した。比較例においては、液体の電気導電率が４μＳ／ｃｍまで大きくなると、わずかなプラズマ放電しか発生しなかった。このように、第２電極が第２誘電体を介して液体と接しているだけでなく、第１電極も第１誘電体を介して液体と接していることにより、液体の電気伝導率によらず十分な液中プラズマ放電が発生することを確認できた。

次に、実施例および比較例に係る液中プラズマ装置において、液体の処理効率を測定した結果について説明する。当該実験例においては、実施例および比較例のそれぞれについて、液体すなわち水に略同等の量のメチレンブルーを添加して、水中放電プラズマを用いたメチレンブルーの分解処理についての処理効率を測定した。具体的には、実施例においては、処理される液体として、水３００ｍＬにメチレンブルーを１．０５ｍｇ添加したものを用いた。比較例においては、処理される液体として、水３００ｍＬにメチレンブルーを１．０４ｍｇ添加したものを用いた。

図１２は、実験例において、処理時間に対する、プラズマ処理中の液体中のメチレンブルー含有量の変化を示すグラフである。図１３は、実験例において、各処理時間における、プラズマ処理中のメチレンブルー含有量の１０分間の減少量の変化を示すグラフである。図１３においては、各処理時間について、１０分前からその時間までのメチレンブルー含有量の減少量を示している。

図１２および図１３に示すように、５０分の処理時間において、実施例に係るプラズマ処理装置は、比較例に係るプラズマ処理装置と略同等の量の水中メチレンブルーを分解できることが確認できた。

図１４は、実験例において、処理時間に対する、プラズマ処理中の電源の消費電力量の変化を示すグラフである。図１５は、実験例において、各処理時間における、プラズマ処理中の電源の消費電力の変化を示すグラフである。図１４および図１５において、消費電極量は、電流電圧波形の測定結果を計算することで算出されたものである。また、図１５においては、各処理時間について、１０分前からその時間までの消費電力量の平均値から、消費電力を算出している。

図１４および図１５に示すように、５０分の処理時間において、実施例に係るプラズマ処理装置は、比較例に係るプラズマ処理装置より消費電力が小さいことが確認できた。実施例に係るプラズマ処理装置および比較例に係るプラズマ処理装置は、いずれも、５０分の処理時間において消費電力が略一定であることが確認できた。５０分の処理時間において、実施例に係るプラズマ処理装置の平均消費電力は０．１０４Ｗであり、比較例に係るプラズマ処理装置の平均消費電力は０．２９３Ｗであった。

図１６は、実験例において、各処理時間における、単位消費電力量あたりのメチレンブルー含有量の減少量の変化を示すグラフである。図１６においては、単位消費電力量あたりのメチレンブルー含有量の減少量を算出するにあたり、各処理時間について１０分前からその時間までのメチレンブルー含有量の減少量の値を用いており、単位消費電力量については５０分の処理時間中の平均消費電力の値を用いた。たとえば、実施例の処理時間２０分の時点における、単位消費電力量あたりのメチレンブルー含有量の減少量は、処理時間が１０分から２０分の間のメチレンブルーの含有量の減少量の値を、｛０．１０４(Ｗ)×１０／６０｝で除することにより算出した。

図１６に示すように、実施例に係るプラズマ処理装置は、比較例に係るプラズマ処理装置に対して、５０分の処理時間において常に単位消費電力量あたりのメチレンブルー含有量の減少量が大きい。すなわち、実施例に係るプラズマ処理装置は、比較例に係るプラズマ処理装置に対して処理効率が高いことが確認できた。たとえば、処理時間１０分の時点では、実施例における単位消費電力量あたりのメチレンブルー含有量の減少量は１１．５ｍｇ／Ｗｈであり、比較例においては４．４２ｍｇ／Ｗｈであった。

ここで、実施例に係るプラズマ処理装置が、比較例に係るプラズマ処理装置に対して処理効率が向上している原因としては、以下のことが考えられる。

図１７は、実験例において、プラズマ処理中の電源の電流波形の一例を示すグラフである。図１７においては、プラズマ処理中の実施例に係るプラズマ処理装置および比較例に係るプラズマ処理装置の各々についての電流波形を示している。また、図１７に示すグラフの横軸の時間においては、基準時刻を０秒としている。

図１７に示すように、実施例および比較例の両方において、およそ－４１×１０^-30秒、－１７×１０^-30秒、８×１０^-30秒および３４×１０^-30秒の時点で高い電流値が測定されている。すなわち、これらの時点では、電源のパルス電圧の印加によるプラズマ放電が生じている。そして、図１７に示すように、実施例および比較例の両方において、上記の複数の時点同士の間の時間帯においては、比較的低い電流値が測定されている。すなわち、これらの時間帯においては、プラズマ放電が生じていないものの、処理される液体が導電体として作用し、誘電体がキャパシタのように作用するため、電源側において電流が流れる。

プラズマ放電が生じていない時間帯においては、実施例では、第１誘電体および第２誘電体の両方が直列された２つのキャパシタのように作用する。比較例では、第２誘電体のみがキャパシタのように作用する。このため、プラズマ放電が生じていない時間帯においては、比較例と比較して、実施例で電流が流れにくくなっているものと考えられる。実際に、図１７に示すように、プラズマ放電が生じていない時間帯において流れる電流の値は、比較例と比較して実施例のほうが小さくなっている。これにより、液体の処理に用いられない電力の消費が抑制され、消費電力の観点から処理効率が向上したものと考えられる。

上記のように、本発明の実施形態１に係る液中プラズマ装置１００は、プラズマ１０を用いて液体２０を処理する。液中プラズマ装置１００は、第１電極１１０と、第２電極１２０と、第１誘電体１３０と、第２誘電体１４０と、電源１５０とを備えている。第２電極１２０は、第１電極１１０と間隔を空けて配置されている。第１誘電体１３０は、第１電極１１０を被覆している。第２誘電体１４０は、第２電極１２０に接している。第２誘電体１４０は、第１誘電体１３０とは離間しつつ第１電極１１０と第２電極１２０との間に介在している。電源１５０は、第１電極１１０と第２電極１２０との間に電圧を印加する。第１電極１１０は、第１誘電体１３０を介して液体２０と接している。第２電極１２０は、第２誘電体１４０を介して液体２０と接している。これにより、液体２０をプラズマ処理する際の処理効率を向上させることができる。

本実施形態においては、第１電極１１０と第１誘電体１３０とは、互いに融着している。すなわち、第１電極１１０と第１誘電体１３０とは互いに気密に接触している。これにより、第１誘電体１３０と第２誘電体１４０との間で液体２０が気化して液中プラズマ放電が生じる前に、第１電極１１０と第１誘電体１３０との間に位置する大気において優先的にプラズマ放電が生じることを抑制することができる。

本実施形態に係る液中プラズマ装置１００は、供給部１７０をさらに備えている。供給部１７０は、第１電極１１０と第２電極１２０とが互いに対向している位置にある液体２０に対して、プラズマ放電補助ガス３０を供給可能である。これにより、プラズマ放電補助ガス３０においてプラズマ放電が発生する。このプラズマ放電のジュール熱により液体２０の気化が容易となる。ひいては、プラズマ放電補助ガス３０と気化した液体２０との混合ガス３１におけるプラズマ放電の発生が容易となる。

本実施形態においては、第１電極１１０は棒状の形状を有している。第２誘電体１４０は、第１電極１１０の中心軸を中心とする筒状の形状を有している。これにより、第１電極１１０と第２電極１２０との対向面積を増やすことができ、第１電極１１０と第２電極１２０との間に位置する液体２０の体積が大きくなる。このため、処理可能な液体２０の体積を増やすことができる。

本実施形態においては、本実施形態に係る液中プラズマ装置１００は、プラズマ放電補助ガス３０が第１電極１１０の中心軸に沿う方向に移動可能に構成されている。これにより、プラズマ放電補助ガス３０と気化した液体２０との混合ガス３１も第１電極１１０の中心軸に沿う方向に移動し、これに伴って混合ガス３１でのプラズマ１０も上記中心軸に沿う方向に移動する。このため、第１電極１１０と第２電極１２０との間に位置する液体２０をまんべんなく処理することができる。

本実施形態に係る液中プラズマ装置１００は、循環流路１６０をさらに備えている。循環流路１６０は、液体２０が第２誘電体１４０の内側を繰り返し通流するように循環させる。本実施形態に係る液中プラズマ装置１００は、液体２０が、第２誘電体１４０の内側を、第１電極１１０の中心軸に沿う方向に通流可能に構成されている。これにより、液体２０について、第２誘電体１４０の内側を複数回パスさせることができるため、液中プラズマ装置１００に配置された液体２０のうちの一部分だけが処理され続けることを抑制して、液体２０全体をまんべんなく処理することができる。このため、液体２０をプラズマ処理する際の処理効率を向上させることができる。

(実施形態２)
以下、本発明の実施形態２に係る液中プラズマ装置について説明する。本発明の実施形態２に係る液中プラズマ装置は、第２電極の構成が主に、本発明の実施形態１と異なる。よって、本発明の実施形態１に係る液中プラズマ装置１００と同様である構成については説明を繰り返さない。

図１８は、本発明の実施形態２に係る液中プラズマ装置の構成を示す図である。図１８に示すように、本発明の実施形態２に係る液中プラズマ装置は、貯液槽２８０をさらに備えている。貯液槽２８０は、液体２０が貯められている。

本発明の実施形態２に係る液中プラズマ装置２００において、第１電極１１０は、棒状の形状を有している。第２電極２２０は棒状の形状を有している。第１電極１１０と第２電極２２０とは、同軸上に配置されている。また、本実施形態においても、第１電極１１０は、第１誘電体１３０を介して液体２０と接している。第２電極２２０は、第２誘電体２４０を介して液体２０と接している。

これにより、より簡易な構成の液中プラズマ装置２００においても、液体２０をプラズマ処理する際の処理効率を向上させることができる。

また、本実施形態において、第１電極１１０は、貯液槽２８０を貫通するように挿入されている。第１電極１１０は、第１誘電体１３０から露出している部分の全てが貯液槽２８０の外側に位置するように配置されている。そして、本実施形態においては、第２電極２２０および第２誘電体２４０は、それぞれ、第１電極１１０および第１誘電体１３０と同一である。

なお、本実施形態に係る液中プラズマ装置２００は、循環流路と、供給部とを備えていないが、液中プラズマ装置２００は、液体が貯液槽２８０を第１誘電体１３０と第２誘電体２４０との間を繰り返し通流するように循環させる循環流路を備えていてもよい。また、本実施形態に係る液中プラズマ装置２００は、第１電極１１０と第２電極２２０とが互いに対向している位置にある液体２０に対して、プラズマ放電補助ガスを供給可能な供給部を備えていてもよい。

上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

なお、今回開示した上記実施形態および上記実施例はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態および実施例のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１０プラズマ、２０液体、３０プラズマ放電補助ガス、３１混合ガス、５０加熱器、１００，２００液中プラズマ装置、１１０第１電極、１１１先端部、１１２末端部、１２０，２２０第２電極、１３０，１３０ａ第１誘電体、１４０，２４０第２誘電体、１４１周側面、１４２第１端部、１４３第２端部、１５０電源、１６０循環流路、１６１循環器、１６２貯液部、１６３第１流路、１６４第２流路、１６５第３流路、１７０供給部、１７１ポート。

Claims

プラズマを用いて液体を処理する液中プラズマ装置であって、
第１電極と、
前記第１電極と間隔を空けて配置された第２電極と、
前記第１電極を被覆する第１誘電体と、
前記第２電極に接するとともに、前記第１誘電体とは離間しつつ前記第１電極と前記第２電極との間に介在する第２誘電体と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加する電源とを備え、
前記第１電極は、前記第１誘電体を介して前記液体と接しており、
前記第２電極は、前記第２誘電体を介して前記液体と接しており、
前記第１電極は、タングステンで構成されており、
前記第１誘電体は、ガラスで構成されており、
前記第１電極の表面を酸化させてなる酸化タングステンと、ガラスで構成されている前記第１誘電体とが互いに結合することで、前記第１電極と前記第１誘電体とが互いに融着している、液中プラズマ装置。
前記第１電極と前記第２電極とが互いに対向している位置にある前記液体に対して、プラズマ放電補助ガスを供給可能な供給部をさらに備える、請求項１に記載の液中プラズマ装置。
前記第１電極は棒状の形状を有し、
前記第２誘電体は、前記第１電極の中心軸を中心とする筒状の形状を有する、請求項１に記載の液中プラズマ装置。
前記第１電極と前記第２電極とが互いに対向している位置にある前記液体に対して、プラズマ放電補助ガスを供給可能な供給部をさらに備え、
前記プラズマ放電補助ガスが前記中心軸に沿う方向に移動可能に構成されている、請求項３に記載の液中プラズマ装置。
前記液体が前記第２誘電体の内側を繰り返し通流するように循環させる循環流路をさらに備え、
前記液体が、前記第２誘電体の内側を、前記中心軸に沿う方向に通流可能に構成されている、請求項３または請求項４に記載の液中プラズマ装置。
前記第１電極は棒状の形状を有し、
前記第２電極は棒状の形状を有し、
前記第１電極と前記第２電極とは、同軸上に配置されている、請求項１または請求項２に記載の液中プラズマ装置。