JPH09504501A - オゾン発生と水処理とのための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 オゾン発生と水処理とが同時に行われる水処理装置が与えられる。オゾンは、流れている水（１２）の表面における空気及び／又は酸素（３４）の連続的な供給から、水の表面の上方のある距離の空気中又は酸素中に置かれた高電圧の電極を用いて発生される。高電圧電極（２０）と電気的に接地された水の流れの表面との間の強い電場が、水の表面に多数の小さなテーラー・コーンを発生させる。各テーラー・コーンは、コロナの中に侵入し、その過程でオゾンを発生させる。オゾンが水の表面で発生すると、実質的な量のオゾンが直ちに水の中に溶け、空気中に拡散するオゾンは、水の表面と接触し続ける。溶けていないオゾンは、同じ水に浸透し、更に、一次的及び二次的な殺菌を行う。

Description

【発明の詳細な説明】 オゾン発生と水処理とのための方法及び装置 本発明は、オゾン・ガスを発生する方法及び装置に関し、この方法及び装置を 使用することにより、都市用及び／又は産業用の水を同時に処理することが可能 になる。 水を殺菌するためのオゾンの使用は、長い間知られている。現在、世界では、 ２０００を超える、オゾンを用いる水処理施設が存在している。このような施設 の中には、１日に、５０万ｍ³もの水を処理するものもある。このような施設の すべてで、オゾンの発生と水の処理とは、別々の場所で行われている。 オゾン発生器は、典型的には、ステンレス鋼の管状の外側電極から構成される 。ステンレス鋼の管の内部には、それよりも直径の小さなガラスの管が設置され ている。ガラス管の内側表面は、第２の電極として機能する導電性の層によって コーティングされている。ガラス管と外側のステンレス鋼の管との間の空間を通 って、空気又は酸素が連続的に供給される。ガラス管自体は、一方の端部を封止 することにより、電場がゼロである内部領域に気体が流れることを防止する。高 い電圧の交流電位が２つの電極の間に印加され、空気又は酸素が通過した空間で のガラスの表面における電気的なコロナ放電によって、オゾン・ガスが発生する 。 発生器が動作する間には、システム内での強い交番する電場によって発生する かなりの量の熱が、オゾン発生の効率を維持するために放散されなければならな い。応力を受けた（ｓｔｒｅｓｓｅｄ）電極、すなわち、コロナ・ワイヤが加熱 されると、オゾンの発生が実質的に減少することが、１９７３年１０月のウィス コンシン州ミルウォーキーにおけるＩＥＥＥ産業応用協会の第８回年次集会の会 議記録であるＢ．Ｍａｋｉｎ及びＩ．Ｉ．Ｉｎｃｕｌｅｔによる、”Ｇｅｎｅｒ ａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｚｏｎｅ ｆｒｏｍ Ｈｅａｔｅｄ Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｃｏｒｏｎａ Ｗｉｒｅｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｃｈａｒｇ ｉｎｇ”と題する論文に示されている。この理由により、オゾン発生器では、応 力を受けた電極は、ラジエータ又は水冷却などの種々の手段によって一般に冷却 される。一般的に、既存の発生器は、電気的な応力や誘電体において発生した熱 やオゾン・ガスとの接触によって損傷された誘電物質の代替のための実質的なメ ンテナンスを必要とする。 米国特許第４６６６６７９号には、冷却室によって分離されている一対のガス 室を有するオゾン発生器が開示されている。ガス室のそれぞれにおける電極は、 空気の流れを、ガス室を通過する際に酸化し、オゾンを提供する。そのような構 成は、電極の冷却を簡略化するが、依然として、比較的複雑な構造を有する。 米国特許第４９７００５６号には、コロナ放電によって電極間の気体の流れを 酸化させる一対の離間した電極を有するオゾン発生器が開示されている。この電 極は誘電性の基板によって分離され、電極のスパッタリングに起因する汚染から 気体を保護する。しかし、この構成は、製造が比較的高価であり、動作中にかな りの熱を発生する。 米国特許第５１５４８９５号には、一対の電極が液体の流れの中に置かれ、そ の電極の間に交流電流が与えられる。液体の流れの中の酸素は、解離され（ｄｉ ｓｓｏｃｉａｔｅｄ）、酸化され、液体に吸収される。この構成は、付加的なバ ブル・チャンバを必要とせず、オゾンが水の中に直接に吸収されるという利点を 有する。しかし、両方の電極を液体の流れの中に浸すことによって、比較的大量 の電流が生じ、結果として、電力消費が多くなる。 したがって、本発明の目的は、上述の短所を克服又は回避することである。 一般的にいえば、本発明は、自由表面を有する一塊の水が電極から離間してい るオゾン発生器を提供することである。交流の高電圧が自由表面に面する電極に 印加される。 交流電位が流れている又は静止している水の自由表面に面する電極に印加され ると、複数のテーラー・コーン（Ｔａｙｌｏｒ ｃｏｎｅ）が水の表面全体の上 に生じ、印加された電位の周波数で振動する。 各テーラー・コーンの先端は非常に鋭いので、正と負の、交番する交流コロナ 電流パルスがそれぞれのコーンの先端から生じる。放電が、水の表面において、 オゾンを発生させる。 コロナ電流はパルスの形態をしているが、これは、コロナの形成は空気又は酸 素をイオン化するのに最小の電圧を必要とするからである。よって、交流電位が 正から負へと変動する際に、コロナ電流は、電圧が最小のコロナ開始電圧よりも 高い間だけ形成される。この状況は、正及び負の値の間に生じる。 オゾンは水の表面に非常に近い近傍で生じるので、また、オゾン・ガスが水の 中に解離することは広く知られているので、発生したオゾン・ガスは、水の中に 存在するあらゆるバクテリアに対して直ちに殺菌効果を有し、また、有機物質に 対して、酸化効果を有する。 したがって、本発明の１つの特徴によれば、オゾン・ガスを発生する方法であ って、 電極に交流電圧を印加し、印加された電圧と同じ周波数の電場を発生するステ ップと、 一塊の液体（ａ ｂｏｄｙ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ）に、前記電極の反対側に配 置された自由表面を提供するステップと、 前記電極を前記自由表面から離間させ、それにより、前記電場が前記自由表面 において複数のテーラー・コーンを形成するようにするステップと、 酸素を含む気体の流れを前記電極と前記自由表面との間を通過させ、前記コー ンからのコロナ放電の際に前記酸素を酸化するステップと、を含む方法が提供さ れる。 好ましくは、この方法は、一塊の液体の中のオゾンを分解し、水の中の分解さ れていない余分のオゾンを流れの経路の中に収集手段を配置することによって収 集するステップを更に含む。 余分の分解されていないオゾンは、バブリング（ｂｕｂｂｌｉｎｇ）などの既 知の方法による水処理を補完するのに用いられ得る。 本発明の別の特徴によれば、オゾン発生器であって、自由表面を有する一塊の 液体と、前記自由表面から離間しつつ重畳（オーバレイ）する電極と、前記電極 に接続されており前記自由表面の交流電場を印加する交流高電圧電位と、を備え 、前記電場は、前記自由表面においてテーラー・コーンを発生しその頂点からコ ロナ電流を発生して、前記自由表面と前記電極との間の酸素をオゾンに変換する オゾン発生器が提供される。 本発明の実施例を、添付された次の図面だけを参照する例により、以下で説明 する。すなわち、 図１は、オゾン発生及び水処理システムの概観図である。 図２は、動作中の図１の装置の一部を示す。 図３は、図１の線３−３における断面図である。 図４、図５、図６及び図７は、図１から図３の装置の動作特性を示し、その構 成を修正する効果を有するパフォーマンス曲線である。 図面を参照すると、オゾン発生器１０が、チャンネル１４に沿って流れるよう に制限されている水の流れ１２を処理するために用いられている。流れる水は、 電極１８の側を向いている自由表面１６を有する。電極１８は、チャンネル１４ を横断する方向及びそれに沿った方向に延長しており、図３において最も明瞭に 示されているように、自由表面１６から離間している。誘電性の挿入物２０が自 由表面１６と電極１８との間に置かれて、ある構成における電極と水との間の短 絡を禁止する。 電極１８は、低電圧の交流発生器２６に導体２４を介して接続されている高電 圧電源２２から、電位を受け取る。高電圧電源２２は、導体２８を介して電極に 接続されており、２０キロボルトから４５キロボルトのオーダーであり便宜的に ６０Ｈｚの周波数にある交流の高電圧を印加する。 チャンネル１４は、電極３０と導体３２とを介して、接地されている。 図１及び図３に示されるように、誘電体２０の下側表面２０ａは、水の流れ１ ２の自由表面１６から離間しており、空気の流れ３４は、ブラウザ３６によって 自由表面１６を横断して通過する。バイブレータ３７がチャンネル１４に接続さ れ、自由表面１６における乱れ（ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）を増加させる。 動作においては、電極１８が、エア・ギャップを介して、水１２の自由表面１ ６に高電圧の交番する電場を印加する。印加された電場は、十分な強さであるの で、複数のテーラー・コーン３８が自由表面１６に現れる。テーラー・コーンの 形成は、Ｓｉｒ Ｇｅｏｆｆｒｅｙ Ｔａｙｌｏｒによって、１９６４年に英国 の王立協会の紀要において最初に分析され、その際に、十分な強さをもつ電場を 与えることにより、小さな水滴（ｗａｔｅｒ ｄｒｏｐｌｅｔ）が円錐状の形態 をとることが観察されている。 自由表面１６における電極１８によって導かれるテーラー・コーン３８のそれ ぞれの頂点は、非常に先鋭であり、十分な電場の強さによって、コロナ電流パル スが生じる。交番する電場によって、電場が強くなるにつれて形成されるコーン ３８から、交番する正及び負のコロナ電流パルスが生じる。これらの電流パルス は、印加された電場が最小のコロナ開始電圧よりも上であるときにだけ形成され る。 コロナ電流は、酸素をオゾンに変換することによって、自由表面１６に隣接す る空気の流れ３４からオゾンを発生する。オゾンは、水の表面１６の非常な近傍 において発生するので、容易に水に吸収され、水の殺菌を行う。 この吸収は、自由表面１６における乱れによって強められる。誘導されたコー ン３８は、上下の振動と、位置の変化とを示す。振動は、コーンの頂点における 誘導された電荷の極性変化に起因し、位置の変化は、水の表面に現れる乱れに起 因する。テーラー・コーン３８の結果的な運動と上下の振動とが、コーンの頂点 において発生する際に、オゾンと水とのより密接な接触に貢献し、よって、吸収 を強化する。バイブレータ３７は、水の中の乱れを増加させ、電場の作用を補完 する。しかし、バイブレータ３７は、用いる必要のない場合もある。 オゾン発生は、誘電体２０の下側表面と自由表面１６との間の、空気の流れに 酸素を更に加えることにより、また、純粋な酸素の流れを提供することによって 、強化され得る。もちろん、図１から図３に示されている装置を適切なハウジン グの内部に包囲し、発生した余分のオゾンを含むようにすることも可能である。 任意の余分のオゾンは、図１の収集フード４０によって示されているように、電 極２０の下向きの流れのエッジから抽出され、従来型のバブリングなどの処理に よる水の流れの殺菌を補完する。 電極２０に印加された電位は、装置の動作条件に依存して変動し得る。典型的 には、実際的にはほとんどが２０キロボルトから４５キロボルトの範囲の電圧が 適切であるように思えるが、１キロボルトから２００キロボルトの範囲における 電圧を用いることができる。自由表面１６からの誘電体の下側の表面の離間もま た変動することがあり、０．２５インチから０．７５インチのエア・ギャップが 十分であることが分かっている。３インチまでのエア・ギャップが商業的な応用 では有効であることが分かっているが、これは、エア・ギャップが増加すると、 それにつれて、印加電圧も増加させることが要求されるからである。同様に、誘 電体は、その材質と厚さとを変えることができる。図４、図５及び図６に示され た結果は、「テフロン」（登録商標）から形成された誘電体であり、その厚さを ０．２５インチから０．５インチとした場合から得られるものである。 実験室規模の設備から得られる予備的な結果が図４、図５及び図６に示されて いる。図４から分かるように、エア・ギャップが固定された構成に対しては、電 圧を変動させることにより、オゾンの製造レベルが上昇する。電圧が上昇するに つれて、ｇ／ｋＷｈで表現される製造効率は、ほぼ高い位置に維持される。 図５は、誘電体の下側表面と自由表面１６との間のエア・ギャップを変動させ る効果を図解している。誘電体の厚さは、１／４インチに保たれ、エア・ギャッ プが０．２５インチから０．７５インチに増加すると、効率は若干低下する。同 時に、最大効率を維持するには、電極に印加される電圧を上昇させる。 図６に図解されるように、印加される電圧を上昇させるのと同時に誘電体の厚 さを増加させることにより、オゾンの濃度は上昇するが、製造効率は低下するこ とにはならない。 製造効率における更なる重要なファクタは、図７に示されるように、水の温度 である。図７のグラフからは、水の温度が上昇するにつれて、この与えられてい る構成では、製造効率が低下する。 上述の結果は予備的な実験室規模の設備に応用可能であり、このオゾン発生器 の動作の効率性と簡潔性とを示していることが分かるであろう。 誘電体の絶縁装置２０は、短絡を防止することに加え、オゾンが電極１８に接 触することを防止するのであり、これにより、通常はオゾンに付随して生じてし まう腐食効果なしに、銅やアルミなどの単純な金属を電極として用いることが可 能になる。電極の全体を、誘電体により適切に封止することが可能である。誘電 体の絶縁装置２０は、また、それぞれの半サイクルの間の空間電荷を集積するこ とによって、電場の強さを高めることができる。空間電荷は、印加された電位と は逆の極性を有するが、電位の反転の際には、空間電荷は電荷に対して加算的に 作用し、よって、電場の強さを増加させる。この効果は、コロナ電流の初期の開 始にとっては有効であり、製造を高めるか、又は、印加電圧を低くするかどちら かを可能にする。 印加された電圧は、便宜的に、６０Ｈｚの正弦周波数で供給されるが、別の波 形を別の周波数で用いることも可能である。０．０１Ｈｚから５０００Ｈｚの範 囲の周波数を用いることが可能であるが、通常は、便宜的に、５０Ｈｚ又は６０ Ｈｚ又はそれらの整数倍の周波数が用いられる。入手可能であれば、テーラー・ コーンが発生される周期を増加させるのに、方形波も有効である。 装置が封止されたハウジングの内部に含まれる場合には、気体の流れ３４は、 ５０から６００ｋＰの超大気圧（ｓｕｐｅｒ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅ ｓｓｕｒｅ）で供給され、水に接触する気体の濃度を増加させる。 本発明の装置は、処理されるべき液体として水に即して説明されているが、オ ゾンによる殺菌を必要とする又はオゾン製造において有益な他の液体を用いるこ ともできることは明らかである。 上述の装置は、連続的なプロセスであるから水の処理に特に有益ではあるが、 もちろん、オゾンの製造だけが必要な場合には、液体を静止的なものとし、後の 使用のために、自由オゾンを集めることもできる。 したがって、オゾンを発生し、そのオゾンを液体の流れを処理するのに用いる ための単純なしかし有効な装置及び方法が与えられることが分かる。 また、チャンネル１４は水平方向であるように示されているが、流れを促進す るために傾斜させることができるし、電極を水の垂直な流れに隣接させて垂直方 向に配置することもできることが分かる。それぞれの場合において、自由表面す なわち液体と気体とのインターフェースは、電極の方向を向くことにより、テー ラー・コーンの形成を可能にする。 高い電圧を水の流れに印加し、もちろん絶縁されていることを前提にして、更 に電極１８を接地することが適切であるが、水を絶縁することの実際上の困難の ために、高い電圧を電極１８に印加し、両方の水によって与えられる電極が接地 される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，Ｂ Ｇ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ， ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．オゾンを発生する方法において、 一対の電極の間に交流電圧を印加し、該印加された電圧と同じ周波数の電場を 発生するステップと、 一塊の液体に、前記電極の一方の反対側に配置された自由表面を提供するステ ップと、 前記一方の電極を前記自由表面から離間させ、それにより、前記電場が前記自 由表面において複数のテーラー・コーンを形成する用にするステップと、 酸素を含む気体の流れを前記一方の電極と前記自由表面との間を通過させ、前 記コーンからのコロナ放電の際に前記酸素を酸化するステップと、 を含むことを特徴とする方法。 ２．請求項１記載の方法において、前記液体は、前記一方の電極を通過して流 れることを特徴とする方法。 ３．請求項１記載の方法において、前記一方の電極は、前記自由電極から電気 的に絶縁されていることを特徴とする方法。 ４．請求項２記載の方法において、前記オゾンを前記液体内に溶解するステッ プを更に含むことを特徴とする方法。 ５．請求項４記載の方法において、収集装置を前記液体の流れの経路内に置く ことにより、余分なオゾンを収集するステップを含むことを特徴とする方法。 ６．請求項５記載の方法において、前記余分なオゾンは、前記液体の流れに加 えられることを特徴とする方法。 ７．請求項１記載の方法において、前記液体は、水であることを特徴とする方 法。 ８．請求項１記載の方法において、前記電極の間に印加された電圧は１キロボ ルト（ｋＶ）から２００キロボルトの範囲内にあることを特徴とする方法。 ９．請求項８記載の方法において、前記電圧は２０キロボルトから４５キロボ ルトの範囲内にあることを特徴とする方法。 １０．請求項８記載の方法において、前記印加された電圧の周波数は０．０１ ヘルツ（Ｈｚ）から５０００ヘルツの範囲内にあることを特徴とする方法。 １１．請求項１０記載の方法において、前記印加された電圧の周波数は５０ヘ ルツから６０ヘルツの範囲内にあることを特徴とする方法。 １２．請求項１０記載の方法において、前記印加された電圧はほぼ正弦的（シ ヌソイダル）に変動することを特徴とする方法。 １３．請求項１０記載の方法において、前記印加された電圧は方形波として変 動することを特徴とする方法。 １４．請求項４記載の方法において、前記自由表面に乱れを生じさせ、前記液 体へのオゾンの吸収を促進するステップを含むことを特徴とする方法。 １５．オゾン発生器において、 自由表面を有する一塊の液体と 一方が前記自由表面から離間しつつ重畳（オーバレイ）する一対の電極と、 前記電極の間に接続されており前記自由表面に交流電場を印加する交流高電圧 電位と、を備え、 前記電場は、前記自由表面においてテーラー・コーンを発生しその頂点からコ ロナ電流を発生して、前記自由表面の間の酸素をオゾンに変換することを特徴と するオゾン発生器。 １６．請求項１５記載のオゾン発生器において、誘電性の絶縁装置が前記自由 表面と前記一方の電極との間に置かれていることを特徴とするオゾン発生器。 １７．請求項１６記載のオゾン発生器において、前記一塊の液体は、前記電極 を通過して流れていることを特徴とするオゾン発生器。 １８．請求項１６記載のオゾン発生器において、前記絶縁装置と前記自由表面 との間を前記電極を通過して気体の流れを誘導するブロー装置を含むことを特徴 とする装置。 １９．請求項１８記載のオゾン発生器において、前記気体の流れは空気である ことを特徴とするオゾン発生器。 ２０．請求項１９記載のオゾン発生器において、前記空気の流れは、酸素を加 えてある（ｅｎｒｉｃｈｅｄ）ことを特徴とするオゾン発生器。 ２１．請求項１９記載のオゾン発生器において、前記空気の流れは、大気圧よ りも高い圧力を有することを特徴とするオゾン発生器。 ２２．請求項１５記載のオゾン発生器において、前記自由表面において乱れを 生じさせる手段が提供されていることを特徴とするオゾン発生器。 ２３．請求項２２記載のオゾン発生器において、前記手段は、前記一塊の液体 を運ぶチャンネルに接続されたバイブレータを含むことを特徴とするオゾン発生 器。 ２４．請求項１６記載のオゾン発生器において、前記高い電圧電位は１キロボ ルトから２００キロボルトの範囲内にあることを特徴とするオゾン発生器。 ２５．請求項１６記載のオゾン発生器において、前記高い電圧電位は２０キロ ボルトから４５キロボルトの範囲内にあることを特徴とするオゾン発生器。 ２６．請求項２５記載のオゾン発生器において、前記交流電圧は正弦的に変動 することを特徴とするオゾン発生器。 ２７．請求項２６記載のオゾン発生器において、前記電圧は、０．０１ヘルツ から５０００ヘルツの周波数を有することを特徴とするオゾン発生器。 ２８．請求項２５記載のオゾン発生器において、前記交流電圧は、５０ヘルツ から６０ヘルツの周波数で変動することを特徴とするオゾン発生器。 ２９．請求項１６記載の方法において、前記液体は水であることを特徴とする オゾン発生器。 ３０．請求項１６記載のオゾン発生器において、前記絶縁装置は、０．２５イ ンチと０．５インチとの間の厚さを有することを特徴とするオゾン発生器。 ３１．請求項３０記載のオゾン発生器において、前記絶縁装置は、前記自由表 面から離間しており、０．２５インチから３．０インチの範囲にあるギャップを 提供することを特徴とするオゾン発生器。 ３２．請求項３１記載のオゾン発生器において、前記ギャップは０．２５イン チから０．７５インチの範囲内にあることを特徴とするオゾン発生器。