JPH09328302A - 高濃度オゾンの供給方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 系内への窒素等の蓄積を防止し、効率よく高
濃度オゾンを供給できる方法及び装置を提供する。 【解決手段】 酸素ＰＳＡ装置２１から導出した酸素ガ
スをオゾン発生器２２に供給してオゾン含有ガスとし、
オゾン含有ガスをオゾン濃縮装置２３に供給してオゾン
を濃縮し、オゾン濃縮装置２３から導出したオゾン濃縮
ガスを高濃度オゾンとしてオゾン処理設備に供給すると
ともに、オゾン濃縮装置２３から導出される排ガスをオ
ゾン発生器２２に循環供給し、かつ、該排ガスの一部を
オゾン濃縮装置２３の掃気ガスとして使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高濃度オゾンの供
給方法に関し、詳しくは、圧力変動吸着分離式（ＰＳ
Ａ）酸素発生装置で得られた酸素富有ガスを原料とした
高濃度オゾンの供給方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルプの漂白や水処理等におけるオゾン
処理に用いられるオゾンは、通常、高電圧無声放電装置
を備えたオゾン発生器に酸素含有ガスを供給して酸素の
一部をオゾン化することにより得ている。この高電圧無
声放電により得られるオゾンの濃度は、効率を考慮して
６〜７重量％であり、多くても１０重量％程度である。
しかし、上記オゾンの使用先では、オゾンによる処理効
果の向上を図るため、オゾン濃度の高いガスが望まれて
いる。このため、オゾン発生器で発生したオゾンを濃縮
装置で濃縮し、高濃度オゾンとして供給する方法が提案
されている。

【０００３】オゾンの濃縮装置としては、オゾンを優先
的に吸着する吸着剤に低温でオゾンを吸着させた後、加
温して吸着剤からオゾンを脱着させるとともに、このオ
ゾンを掃気ガスに同伴させて導出するように形成した温
度変動式吸着分離（ＴＳＡ）法によるものが知られてい
る。

【０００４】例えば、図３は、一般的なオゾン濃縮装置
の一例を示す系統図である。このオゾン濃縮装置１は、
吸着剤としてシリカゲルを充填した２個の吸着筒１ａ，
１ｂを並列に配置し、各吸着筒１ａ，１ｂを吸着工程と
脱着工程とに順次切換えることにより、オゾンを連続的
に濃縮するようにしている。なお、吸着筒の数は、各吸
着筒の吸着工程及び脱着工程の所要時間や切換えタイミ
ングの兼合いで適当に選定される。

【０００５】このようなオゾン濃縮装置１において、オ
ゾン発生器２から経路３に導出したオゾン含有ガスは、
吸着工程にあるいずれか一方の吸着筒、例えば吸着筒１
ａに導入される。この吸着筒１ａは、図示しない冷却手
段により所定温度に冷却されており、導入されたオゾン
含有ガス中のオゾンは、そのほとんどが吸着剤であるシ
リカゲルに吸着し、オゾン含有ガス中のその他のガス成
分は、吸着筒１ａから排ガスとして経路４に導出され
る。経路４の排ガスの成分は、その大部分が酸素である
ため、循環ポンプ５を介してオゾン発生器２に戻され、
再びオゾン原料として用いられる。

【０００６】吸着筒１ａの吸着工程が終了すると、吸着
筒１ｂが吸着工程に入り、経路３から供給されるオゾン
含有ガスの導入経路が吸着筒１ａ側から吸着筒１ｂ側に
切換えられる。吸着工程から脱着工程に切換えられた吸
着筒１ａは、図示しない加熱手段により所定温度に加熱
されるとともに、経路６からの掃気ガスが掃気ガスポン
プ７で所定圧力に昇圧されて筒内に導入される。吸着剤
から脱着したオゾンは、前記掃気ガスに伴われて経路８
に導出し、該経路８からオゾン処理設備に供給される。
吸着筒１ａ内の吸着剤からのオゾンの脱着が終了する
と、次の吸着工程に備えて吸着剤を冷却する操作に入
り、吸着筒１ｂの吸着工程の終了と同時に吸着筒１ａが
再び吸着工程に切換えられ、吸着筒１ｂが脱着工程に切
換えられる。

【０００７】このように、両吸着筒１ａ，１ｂは、吸着
工程と脱着工程とに順次切換えられ、脱着工程にある吸
着筒から所定濃度に濃縮された高濃度オゾンが導出され
る。このとき、掃気ガスの量を任意に設定することによ
り、経路８からオゾン処理設備に供給するオゾンの濃度
を任意に設定することが可能であるが、通常は、オゾン
濃度を２０重量％程度に設定している。また、経路８に
は、通常、使用先に供給するオゾンの濃度を平均化する
ための濃度安定器が設けられている。

【０００８】ところが、このようなＴＳＡ法によるにオ
ゾン濃縮装置１では、オゾン発生器２に供給するオゾン
原料の組成により、経路４を介して循環するガス中に窒
素やアルゴンが循環系内に蓄積するという不都合があ
る。例えば、経済的な酸素発生装置として多用されてい
る圧力変動吸着分離式（ＰＳＡ）酸素発生装置（以下、
酸素ＰＳＡ装置という）の場合、発生する酸素ガスの組
成は、酸素：９２．１０重量％、アルゴン：６．２０重
量％、窒素：１．７０重量％が代表的なものであるが、
このような組成のガスをオゾン原料として用いると、酸
素がオゾンとなって消費されるのに対し、窒素やアルゴ
ンは吸着剤に吸着しないために排ガスとして経路４を循
環する状態となる。したがって、時間の経過に伴って窒
素やアルゴンが系内に蓄積され、循環するガス量が増加
して相対的に酸素濃度が減少し、オゾンの製造効率が低
下することになる。

【０００９】このようなことから、図４に示すように、
酸素ＰＳＡ装置１１をオゾン原料発生源として用いた高
濃度オゾン供給装置として、排ガスが流れる経路４に循
環ガス中の窒素やアルゴンを排出するための排出手段１
２を設けることが提案されている。この排出手段１２
は、モレキュラーシーブ等の酸素を優先的に吸着する吸
着剤を充填した容器を備えており、循環する排ガス中の
酸素を吸着捕捉し、酸素を排ガス中に回収するととも
に、吸着しない窒素等を外部に排出するように形成され
ている。また、本例では、酸素ＰＳＡ装置１１から導出
した酸素富有ガスの一部を経路６に分岐して掃気ガスと
している。なお、前記図３と同一要素のものには同一符
号を付し、その説明は省略する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記排
出手段１２を設ける方法では、余分な機器を設けるにも
かかわらず、酸素ガスの全量を捕捉して回収することは
できず、系外へ排気される酸素ガス量も少なくない。ま
た、そのために、動力も必要であり、オゾンの製造コス
トに少なからず影響を与えることになる。

【００１１】そこで本発明は、系内への窒素等の蓄積を
防止し、効率よく高濃度オゾンを供給できる方法及び装
置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高濃度オゾンの供給方法は、圧力変動吸着
分離式酸素発生装置（酸素ＰＳＡ装置）から導出した酸
素ガスをオゾン発生器に供給してオゾン含有ガスとし、
該オゾン含有ガスを、オゾンを優先的に吸着する吸着剤
を充填した吸着筒を複数並列に配設したオゾン濃縮装置
に供給してオゾンを濃縮し、該オゾン濃縮装置から導出
したオゾン濃縮ガスを高濃度オゾンとしてオゾン処理設
備に供給するとともに、該オゾン濃縮装置から導出され
る排ガスを前記オゾン発生器に循環供給し、かつ、該排
ガスの一部を前記オゾン濃縮装置の掃気ガスとして使用
することを特徴とし、さらに、前記掃気ガスを、２〜１
０ｋｇ／ｃｍ² Ｇに加圧して用いることを特徴としてい
る。

【００１３】また、本発明の高濃度オゾンの供給装置
は、酸素ＰＳＡ装置と、オゾン発生器と、オゾンを優先
的に吸着する吸着剤を充填した吸着筒を複数並列に配設
したオゾン濃縮装置と、酸素発生装置から導出した酸素
ガスを前記オゾン発生器に供給する原料酸素供給経路
と、オゾン発生器から導出したオゾン含有ガスを前記オ
ゾン濃縮装置に供給するオゾン含有ガス供給経路と、オ
ゾン濃縮装置から導出したオゾン濃縮ガスをオゾン処理
設備に供給する高濃度オゾン供給経路と、オゾン濃縮装
置から導出される排ガスを前記オゾン発生器に循環供給
する排ガス循環経路と、該排ガス循環経路からオゾン発
生器に循環供給される排ガスの一部を前記オゾン濃縮装
置の掃気ガスとして供給する掃気ガス供給経路とを備え
たことを特徴としている。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照して
さらに詳細に説明する。図１は、本発明の高濃度オゾン
の供給方法を実施するための高濃度オゾン供給装置の一
例を示す系統図である。この高濃度オゾン供給装置は、
酸素発生装置である酸素ＰＳＡ装置２１と、高電圧無声
放電により酸素の一部をオゾンに変換するオゾン発生器
２２と、ＴＳＡ法によりオゾンを濃縮するオゾン濃縮装
置２３とを有するもので、これらの機器には、原料酸素
供給経路２４、オゾン含有ガス供給経路２５、高濃度オ
ゾン供給経路２６、排ガス循環経路２７及び掃気ガス供
給経路２８がそれぞれ接続されている。また、排ガス循
環経路２７には循環ポンプ２９が、掃気ガス供給経路２
８には掃気ガスポンプ３０がそれぞれ設けられ、高濃度
オゾン供給経路２６には、供給圧力を検出する圧力計３
１と供給流量を調節するための弁３２とが設けられてい
る。

【００１５】前記排ガス循環経路２７は、酸素ＰＳＡ装
置２１とオゾン発生器２２との間の原料酸素供給経路２
４に接続しており、オゾン濃縮装置２３から排出される
オゾンをほとんど含まない排ガスは、循環ポンプ２９に
より送出されて原料酸素供給経路２４を流れる酸素富有
ガスに合流する。

【００１６】そして、前記掃気ガス供給経路２８は、上
記原料酸素供給経路２４の排ガス循環経路２７との合流
部より下流側から分岐しており、酸素ＰＳＡ装置２１か
らの酸素富有ガスとオゾン濃縮装置２３からの排ガスと
が合流したガスの一部を掃気ガスとして抜出すようにし
ている。

【００１７】酸素ＰＳＡ装置２１における周知のＰＳＡ
操作により発生した酸素ガス（酸素富有ガス）は、原料
酸素供給経路２４を流れる途中で排ガス循環経路２７か
ら循環する排ガスと合流し、次いで、その一部が掃気ガ
スとして掃気ガス供給経路２８に分岐した後、オゾン発
生器２２にオゾン原料として供給される。

【００１８】オゾン発生器２２からオゾン含有ガス供給
経路２５に導出されたオゾン含有ガスは、オゾン濃縮装
置２３に供給されてオゾンが濃縮される。すなわち、オ
ゾン濃縮装置２３では、周知のＴＳＡ法により、吸着工
程で筒内に充填した吸着剤にオゾンを吸着させて他の酸
素，窒素，アルゴン等の難吸着成分ガスを排ガスとして
排出することによりオゾンを分離し、脱着工程におい
て、オゾンを吸着剤から脱着させるとともに、掃気ガス
供給経路２８から筒内に所定量，所定圧力の掃気ガスを
導入し、この掃気ガスにオゾンを同伴させて吸着筒から
導出することにより高濃度オゾンを得ている。

【００１９】オゾン濃縮装置２３で得られた高濃度オゾ
ンは、高濃度オゾン供給経路２６からパルプの漂白や水
処理等のオゾン処理設備に供給される。また、オゾン濃
縮装置２３から排ガス循環経路２７に導出された酸素を
主成分とする排ガスは、循環ポンプ２９を介して原料酸
素供給経路２４に導入され、酸素ＰＳＡ装置２１からの
酸素富有ガスと合流した後、一部が掃気ガスとして分岐
し、大部分がオゾン原料として再びオゾン発生器２２に
供給される。

【００２０】このように、原料酸素供給経路２４におけ
る排ガス循環経路２７との合流地点より下流側で掃気ガ
ス供給経路２８を分岐したことにより、排ガス循環経路
２７を介して循環する窒素やアルゴンを含む排ガスの一
部は、掃気ガス供給経路２８から掃気ガスとしてオゾン
濃縮装置２３に供給され、オゾンを伴って高濃度オゾン
供給経路２６から高濃度オゾン供給装置の系外に導出さ
れる。

【００２１】このため、排ガス循環経路２７を介して循
環する経路中に窒素やアルゴンが蓄積されることがなく
なり、循環するガスの組成や量を略一定に保つことがで
きる。したがって、前述の窒素やアルゴンを排出するた
めの排出手段を設ける必要がなくなり、設備の簡略化が
図れるとともに、酸素ＰＳＡ装置２１から得られた酸素
の損失もなくなるので、効率よく高濃度オゾンを供給す
ることができる。

【００２２】また、掃気ガスポンプ３０で掃気ガスを２
〜１０ｋｇ／ｃｍ² Ｇに加圧することにより、使用先に
供給する高濃度オゾンの圧力を高めることができるの
で、曝気操作等に必要な圧力を、特殊な構造のオゾン加
圧ポンプを用いることなく得ることができる。

【００２３】さらに、パルプ工場では、オゾンの他に酸
素漂白や排水処理における酸素曝気等で酸素ガスを使用
する工程も多いため、掃気ガス供給経路２８の掃気ガス
ポンプ３０の下流で酸素分岐経路３３を分岐させ、掃気
ガス供給経路２８を流れる酸素を主成分とするガスの一
部を酸素使用先へ供給するように形成することも可能で
ある。このように形成することにより、循環系内のガス
の抜取り量が増大するので、系内に蓄積される窒素やア
ルゴンの量を更に抑制することができる。

【００２４】図２は、本発明の他の形態例を示す系統図
であって、オゾン濃縮装置２３から排ガスを導出する排
ガス循環経路２７の循環ポンプ２９の上流側から掃気ガ
ス供給経路２８ａを分岐し、オゾン濃縮装置から導出さ
れる排ガスの一部をそのまま掃気ガスとして用いるよう
にしたものである。なお、前記図１の形態例と同一要素
のものには同一符号を付して、その詳細な説明は省略す
る。

【００２５】このように、掃気ガス供給経路２８ａを循
環ポンプ２９の上流側から分岐させることによっても、
循環する排ガス中に含まれる窒素等を高濃度オゾンの一
部として系外に導出することができるので、前記同様
に、窒素やアルゴンが系内に蓄積されることがなくな
り、効率よく高濃度オゾンを供給することができる。

【００２６】さらに、この場合は、循環ポンプ２９を経
て排ガス循環経路２７を流れるガス量が、図１における
ガス量よりも少なくなるので、循環ポンプ２９や経路の
配管の小型化も図れる。また、比較的窒素等の濃度が高
い部分でガスを抜出すので、結果的にオゾン発生器２２
に供給するガスの酸素濃度を高めることができる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例及び比較例を説明す
る。 実施例１ 図１に示す構成の高濃度オゾン供給装置において、酸素
ＰＳＡ装置から、酸素：９２．１０重量％、アルゴン：
６．２０重量％、窒素：１．７０重量％の組成の酸素富
有ガスを毎時３０ｋｇで供給し、オゾン発生器でオゾン
濃度６重量％のオゾン含有ガスとし、オゾン濃縮装置か
らオゾン濃度２０重量％の高濃度オゾンを毎時３０ｋｇ
で導出した。そして、装置が定常状態になったときの、
図１に符号ａ〜ｇを付した各箇所の流量（ｋｇ／ｈ）及
び組成（重量％）を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】実施例２ 図２に示す構成の高濃度オゾン供給装置において、実施
例１と同様に、酸素ＰＳＡ装置から、酸素：９２．１０
重量％、アルゴン：６．２０重量％、窒素：１．７０重
量％の組成の酸素富有ガスを毎時３０ｋｇで供給し、オ
ゾン発生器でオゾン濃度６重量％のオゾン含有ガスと
し、オゾン濃縮装置からオゾン濃度２０重量％の高濃度
オゾンを毎時３０ｋｇで導出した。そして、装置が定常
状態になったときの、図２に符号ａ〜ｇを付した各箇所
の流量（ｋｇ／ｈ）及び組成（重量％）を表２に示す。

【００３０】

【表２】

【００３１】比較例 図３に示す構成の高濃度オゾン供給装置において、酸素
富有ガスの供給量やオゾン発生量等を同じ条件として、
排出手段１２を作動させずに運転した。この状態で、オ
ゾン発生器の入口部における流量（ｋｇ／ｈ）及び組成
（重量％）の変化を表３に示す。

【００３２】

【表３】

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
簡単な装置構成で系内に窒素やアルゴンが蓄積するのを
防止することができ、安定した状態で効率よく高濃度オ
ゾンを供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 高濃度オゾン供給装置の一形態例を示す系統
図である。

【図２】 高濃度オゾン供給装置の他の形態例を示す系
統図である。

【図３】 オゾン濃縮装置の一例を示す系統図である。

【図４】 従来の高濃度オゾン供給装置の一例を示す系
統図である。

【符号の説明】

２１…酸素ＰＳＡ装置、２２…オゾン発生器、２３…オ
ゾン濃縮装置、２４…原料酸素供給経路、２５…オゾン
含有ガス供給経路、２６…高濃度オゾン供給経路、２７
…排ガス循環経路、２８，２８ａ…掃気ガス供給経路、
２９…循環ポンプ、３０…掃気ガスポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 繁之 神奈川県川崎市幸区塚越４−320 日本酸 素株式会社内 (72)発明者 古家 順 東京都千代田区丸の内三丁目４番２号 三 菱製紙株式会社内 (72)発明者 菊池 睦年 東京都千代田区丸の内三丁目４番２号 三 菱製紙株式会社内 (72)発明者 及川 信雄 東京都千代田区丸の内三丁目４番２号 三 菱製紙株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力変動吸着分離式酸素発生装置から導
   出した酸素ガスをオゾン発生器に供給してオゾン含有ガ
   スとし、該オゾン含有ガスを、オゾンを優先的に吸着す
   る吸着剤を充填した吸着筒を複数並列に配設したオゾン
   濃縮装置に供給してオゾンを濃縮し、該オゾン濃縮装置
   から導出したオゾン濃縮ガスを高濃度オゾンとしてオゾ
   ン処理設備に供給するとともに、該オゾン濃縮装置から
   導出される排ガスを前記オゾン発生器に循環供給し、か
   つ、該排ガスの一部を前記オゾン濃縮装置の掃気ガスと
   して使用することを特徴とする高濃度オゾンの供給方
   法。
2. 【請求項２】 前記掃気ガスを、２〜１０ｋｇ／ｃｍ²
   Ｇに加圧して用いることを特徴とする請求項１記載の高
   濃度オゾンの供給方法。
3. 【請求項３】 圧力変動吸着分離式酸素発生装置と、オ
   ゾン発生器と、オゾンを優先的に吸着する吸着剤を充填
   した吸着筒を複数並列に配設したオゾン濃縮装置と、酸
   素発生装置から導出した酸素ガスを前記オゾン発生器に
   供給する原料酸素供給経路と、オゾン発生器から導出し
   たオゾン含有ガスを前記オゾン濃縮装置に供給するオゾ
   ン含有ガス供給経路と、オゾン濃縮装置から導出したオ
   ゾン濃縮ガスをオゾン処理設備に供給する高濃度オゾン
   供給経路と、オゾン濃縮装置から導出される排ガスを前
   記オゾン発生器に循環供給する排ガス循環経路と、該排
   ガス循環経路からオゾン発生器に循環供給される排ガス
   の一部を前記オゾン濃縮装置の掃気ガスとして供給する
   掃気ガス供給経路とを備えていることを特徴とする高濃
   度オゾンの供給装置。