JPWO2020240679A1 - 水処理装置及び水処理方法 - Google Patents

Abstract

電極の消耗、損傷を抑制し、高効率な水処理を実現する水処理装置を得る。
水処理装置（１００）は、互いに平行且つ鉛直に配置された少なくとも２枚の平板状の接地電極（１３）の間に、高圧電極（１５）を備えている。高圧電極（１５）の第一端面（１７ａ）と第二端面（１７ｂ）はそれぞれ接地電極（１３）と対向しており、第一端面（１７ａ）と接地電極（１３）の距離は、第二端面（１７ｂ）と接地電極（１３）の距離よりも短く、第一端面（１７ａ）は第二端面（１７ｂ）よりも鉛直上方に位置している。これにより、被処理水（２２）が高圧電極（１５）付着することに伴い生じるスパーク放電が抑制され、高圧電極（１５）および接地電極（１３）の消耗または損傷が抑制され、効率的な水処理が可能である。

Description

本願は、水処理装置及び水処理方法に関するものである。

工業廃水等には、既存のオゾン処理装置では除去できない難分解性物質が含まれることがある。特に、ダイオキシン類及びジオキサン等の除去が大きな課題となっている。一部では、オゾン（Ｏ_３）と過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）または紫外線とを組み合わせることで、Ｏ_３よりも活性の高いヒドロキシルラジカル（ＯＨラジカル）を被処理水中で発生させ、難分解性物質の除去を行う方法が実用化されている。しかしながら、装置コスト及び運転コストが高く、あまり普及していないのが実情である。そこで、放電で発生させたＯＨラジカル等を、被処理水に作用させることで、高効率に難分解性物質を除去する方法が提案されている。

例えば特許文献１には、処理槽の内部に対向配置された少なくとも２つの接地電極と、接地電極の間に配置された板状の高圧電極と、高圧電極を支持する支持体と、２つの接地電極の間に被処理水を散布する散水部とを備え、接地電極と高圧電極の間に放電を生じさせて放電領域を形成し、被処理水が放電領域を通過するようにした水処理装置が開示されている。

特許第６４００２５９号公報

特許文献１のような水処理装置では、高圧電極は板状で水平方向に設けられ、各々の接地電極と対向する２つの端面を有するとともに、各々の端面と接地電極との距離が互いに等しくなるように設けられている。また、散水部は対向配置された少なくとも２つの接地電極の間に被処理水を散布する。このため、散布された被処理水の一部は高圧電極に付着し端面から鉛直下方に流れ落ちる。この時、高圧電極端面の被処理水が流下する箇所において、局所的な強い放電、すなわちスパーク放電が形成される虞があった。スパーク放電が形成されると、放電が局在化し局所的に温度が増加するため、水処理に有用なＯ_３およびＨ_２Ｏ_２等の生成効率が低下し、水処理効率が低下する虞があった。また、スパーク放電が頻発すると、局所的な温度上昇またはスパッタリングにより、接地電極あるいは高圧電極が消耗、あるいは損傷する虞があった。

本願は、上記事情に鑑み、接地電極及び高圧電極の消耗あるいは損傷を抑制し、水処理効率の高い水処理装置を得ることを目的とする。また、接地電極及び高圧電極の消耗あるいは損傷を抑制し、高効率な水処理を行うことが可能な水処理方法を得ることを目的とする。

本願に開示される水処理装置は、
処理槽の内部に互いに対向配置された第一接地電極と第二接地電極、
第一接地電極と第二接地電極との間に配置され、第一接地電極に対向する第一端面と第二接地電極に対向する第二端面とを有する高圧電極、
第一接地電極と第二接地電極との間に被処理水を散布する散水部、
を備え、
第一端面と第一接地電極との間の距離は、第二端面と第二接地電極の間の距離よりも短く、
第一端面は、第二端面よりも鉛直上方に配置されていることを特徴とする。

また、本願に係る水処理方法は、
互いに対向配置された第一接地電極と第二接地電極の間に、第一接地電極と対向する第一端面と第二接地電極と対向する第二端面を有する高圧電極を、第一接地電極と第一端面の間の距離が、第二接地電極と第二端面の間の距離よりも短く、かつ第一端面が第二端面よりも鉛直上方に位置するように配置するステップ、
高圧電極に電圧を印加して第一接地電極と第一端面の間に放電を生じさせるステップ、
第一接地電極と第二接地電極の間に被処理水を散布して放電を通過させることにより被処理水を処理するステップと、を含む。

本願に開示される水処理装置によれば、水平方向に伸張して設けられた高圧電極は、第一接地電極に対向する第一端面と、第二接地電極に対向する第二端面を有し、第一端面と第一接地電極の距離は、第二端面と第二接地電極の距離よりも短く、第一端面は第二端面よりも鉛直上方に位置しているため、スパーク放電の形成が抑制され、接地電極および高圧電極の消耗あるいは損傷が抑制される。

また、本願に開示される水処理方法によれば、スパーク放電が抑制されることで局所的な温度上昇が抑制されるため、水処理に有用なＯ_３およびＨ_２Ｏ_２等の生成が効率的に行われ、効率的な水処理が可能となる。

実施の形態１による水処理装置の全体構成を示す概略図である。 実施の形態１による水処理装置の電極部の斜視図である。 実施の形態１による水処理装置の高圧電極ユニットの斜視図である。 実施の形態１及び比較例による水処理装置の電極部を示す図であり、図４Ａは実施の形態１を図４Ｂは比較例を示す。 実施の形態２による水処理装置の電極部の平面図である。 実施の形態２による水処理装置の高圧電極ユニットの斜視図である。 実施の形態３による水処理装置の高圧電極ユニットの斜視図である。 実施の形態４による水処理装置の高圧電極ユニットの斜視図であり、図８Ａは組み立て過程を示し、図８Ｂは組み立て後を示す。

以下に、本願の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各図を通じて同一または相当する機能を有する要素には同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
以下に本願の実施の形態１による水処理装置及び水処理方法について、図面に基づいて説明する。図１は、実施の形態１による水処理装置の全体構成を示す概略図、図２は、実施の形態１による水処理装置の電極部の斜視図、図３は実施の形態１による水処理装置の高圧電極ユニットの斜視図、図４は実施の形態１及び比較例による水処理装置の電極部を示す図である。

水処理装置１００は、処理前水槽２に溜め置かれた処理前水４を処理槽１へ配送する処理前水配送手段として、給水ポンプ６及び給水配管８を備えている。給水配管８の一端は処理前水槽２の底部近傍に接続され、給水配管８の他端は処理槽１の内部の上方に配置された散水部である散水管１０に接続されている。散水管１０は、筒状配管の側面に複数の細孔が形成されたものであり、少なくとも第一接地電極１３ａと第二接地電極１３ｂの間に水滴状の被処理水２２を散布する。また、水処理装置１００は、処理槽１の底部に溜まった被処理水２２を排出する排出手段として、排水ポンプ７及び排水配管９を備えている。排水配管９の一端は処理槽１の底部近傍に接続され、排水配管９の他端は処理後水槽３に接続されている。

また、水処理装置１００は、処理槽１の内部を酸素含有雰囲気とするためのガス供給手段を備えている。具体的には、処理槽１の上部に、ガス供給口１１とガス排出口１２が備えられ、ガス供給口１１にはガス供給源２３が接続されている。処理槽１の内部に供給されるガスは酸素ガスに限定されるものではなく、酸素ガスを含んでいればよい。例えば空気、あるいは酸素に対して窒素または希ガスを任意の割合で混合させたガスを用いることができる。特に、アルゴン、ヘリウム等の希ガスを用いることにより、比較的低い電圧においても放電を安定的に形成することが可能である。また、空気を用いた場合、ガスコストを大幅に削減できる。

高電圧パルス電源１９の高電圧出力端子は、絶縁部材２１を介して高圧電極ユニット１８に接続されている。高電圧パルス電源１９のグランド側端子と処理槽１は、いずれも電気的に接地されている。処理槽１の内部には、接地フレーム１４が水平に配置されている。高圧電極ユニット１８は絶縁支持体２０を介して接地フレーム１４に接続され、接地フレーム１４は処理槽１に接続されている

処理槽１の内部に配置された電極部は、図２に示すように、互いに平行且つ鉛直に配置された２枚の平板状の接地電極１３（第一接地電極１３ａと第二接地電極１３ｂ）と、第一接地電極１３ａと第二接地電極１３ｂの中間の位置に配置された高圧電極ユニット１８を有している。第一接地電極１３ａと第二接地電極１３ｂはそれぞれ接地フレーム１４に接続されている。

高圧電極ユニット１８は、図２及び図３に示すように、４枚の高圧電極１５と、高圧電極１５を支持する鉛直方向に起立した支柱２４は、この実施の形態では、２本（支柱２４ａ及び支柱２４ｂ）を有している。４枚の高圧電極１５は、鉛直方向に互いに所定の間隔を設けて配置され、支柱２４ａと支柱２４ｂにより一体的に支持されている。なお、図２及び図３に示す例では、支柱２４ａと支柱２４ｂは円柱状である。

高圧電極１５は、長方形の金属薄板から形成されている。以後の説明では、高圧電極１５の長手方向は、長方形の２つの短辺を結ぶ方向を示し、幅方向は、長方形の２つの長辺を結ぶ方向を示す。高圧電極１５は長手方向に連通するように形成された曲げ部２５において曲げ加工が施され、曲げ部２５を境に、第一平面２６ａと第二平面２６ｂが形成されている。第二平面２６ｂは水平に配置され、その長手方向の両端付近で支柱２４ａと支柱２４ｂに接続されている。第一平面２６ａは、曲げ部２５から鉛直上方に向けて傾斜を有している。また、第一平面２６ａの幅方向の端面は第一端面１７ａを、第二平面２６ｂの幅方向の端面は第二端面１７ｂをそれぞれ形成している。第一端面１７ａは第二端面１７ｂよりも鉛直上方に位置している。

また、図３に示すように、４枚の高圧電極１５は、鉛直方向に積層配置されており、上下に連続する２つの高圧電極１５は、支柱２４ａと支柱２４ｂが形成する仮想の鉛直面に対して、互いが対称に備えられている。すなわち、最上部に位置する高圧電極１５は、第一端面１７ａが支柱２４ａと支柱２４ｂの左側に位置し、上から２番目に位置する高圧電極１５では、第一端面１７ａが支柱２４ａと支柱２４ｂの右側に位置する。以下同様に、高圧電極１５は鉛直方向に互い違いに配置されている。

また、同方向に配置された２枚の高圧電極１５、すなわち最上部と上から３番目、また上から２番目と最下部の高圧電極１５は、それぞれが上方から見た際に重なって見えるよう積層配置されている。また、図１に示すように、最上部に位置する高圧電極１５において、第一端面１７ａは第一接地電極１３ａとの間に長手方向に均等な距離Ｓ１を形成し、第二端面１７ｂは第二接地電極１３ｂとの間に長手方向に均等な距離Ｓ２を形成している。ここで、Ｓ１はＳ２と比べて短い。また、上から２個目に位置する高圧電極１５は、第一端面１７ａは第二接地電極１３ｂとの間に長手方向に均等な距離Ｓ３を形成し、第二端面１７ｂは第一接地電極１３ａとの間に長手方向に均等な距離Ｓ４を形成している。ここで、Ｓ３はＳ４と比べて短い。また、距離Ｓ１と距離Ｓ３、及び距離Ｓ２と距離Ｓ４はそれぞれ同じ長さとなっている。

水処理装置１００は、最上部と上から３番目に位置する高圧電極１５の第一端面１７ａと第一接地電極１３ａとの間、及び上から２番目と最下部に位置する第一端面１７ａと第二接地電極１３ｂとの間に放電１６を生じさせる。散水管１０から散布された被処理水２２は、放電１６を通過することにより処理される。本実施の形態１では、散水管１０は処理槽１の内部の上方に設けられ、下方に向けて被処理水２２を散布するため、被処理水２２は放電１６を横切る様に落下する。

次に、上記のように構成された電極部を備えた水処理装置１００の特徴について、比較例を挙げて説明する。図４Ａは本実施の形態１による水処理装置の電極部を示す断面図、図４Ｂは比較例（例えば特許文献１）による水処理装置の電極部を示す断面図である。

図４Ａに示すように、最上部または３番目に位置する高圧電極１５を例にとって説明すると、第一端面１７ａと第一接地電極１３ａの距離が、第二端面１７ｂと第一接地電極１３ａの距離よりも短い。このため、第一端面１７ａと第一接地電極１３ａと間に形成される電界強度は、第二端面１７ｂと第二接地電極１３ｂの間に形成される電界強度よりも高くなる。このため、放電１６は第一端面１７ａと第一接地電極１３ａの間に形成され、第二端面１７ｂと第二接地電極１３ｂの間には形成されない。あるいは、第一端面１７ａと第一接地電極１３ａの間に形成される放電１６は、第二端面１７ｂと第二接地電極１３ｂの間に形成される放電１６よりも強い。

ここで、散水管１０から散水された被処理水２２の一部は、高圧電極１５の上面に付着するが、高圧電極１５の第一平面２６ａの傾斜にそって流れ、第二端面１７ｂから水滴２７として落下する。すなわち、高圧電極１５に付着した被処理水２２は、高圧電極１５の電界強度が低い側の端面を通って鉛直下方に落下する。このため、被処理水２２の落下に関わらず、第一端面１７ａと第一接地電極１３ａの間には放電１６が安定的に形成される。

これに対し、図４Ｂに示す比較例による高圧電極１５は曲げ部を有さない水平に配置された平板状であり、第一接地電極１３ａと第二接地電極１３ｂの中間に配置されている。すなわち、最上部の端面に位置する高圧電極１５を例にとって説明すると、第一端面１７ａと第一接地電極１３ａの距離は、第二端面１７ｂと第二接地電極１３ｂの距離と等しい。このため、第一端面１７ａと第一接地電極１３ａとの間に形成される電界強度は、第二端面１７ｂと第二接地電極１３ｂとの間に形成される電界強度と等しくなり、放電１６は高圧電極１５の左右に均等に形成される。散水管１０から散水された被処理水２２の一部は、高圧電極１５の上面に付着するが、高圧電極１５は水平に配置されている為、被処理水２２は第一端面１７ａあるいは第二端面１７ｂからランダムに水滴２７として落下する。このため、被処理水２２が落下する箇所において、局所的に高圧電極１５の端面と接地電極１３の距離が短くなり、電界が強まり、スパーク放電２８が形成される。

また、図４Ａに示すように、最上部の高圧電極１５に付着した被処理水２２は第二端面１７ｂを通って落下するが、落下する水滴２７の多くはその下に位置する高圧電極１５に付着する。以下同様に、被処理水２２の一部は最上部に位置する高圧電極１５から最下部に位置する高圧電極１５まで、高圧電極１５の上面に沿って流れ落ちる。これにより、放電１６の形成に伴う発熱を、被処理水２２によって冷却する効果が得られる。これに対し、図４Ｂに示す比較例では、最上部に位置する高圧電極１５に付着した被処理水２２の多くは、その下方に位置する高圧電極１５に付着することなく落下する。このため、上から２個目以下に位置する高圧電極１５に対する被処理水２２による冷却効果は限定的となる。なお、本実施の形態では、高圧電極１５の第一端面１７ａが鉛直方向に互い違いに配置されているが、少なくとも１つの高圧電極１５の第一端面１７ａが、最上部の高圧電極１５の第一端面１７ａに対し、鉛直面反対側に配置されていれば同様の効果を得られる。これは以後で説明するその他の実施の形態でも同様である。

次に、水処理装置１００を用いた水処理方法の手順について、図１を用いて説明する。準備ステップとして、前述した通り、処理槽１の内部には、放電１６を形成するための電極部が用意されている。電極部は、鉛直に対向配置された第一接地電極１３ａと第二接地電極１３ｂと、その間に配置され、水平方向に伸張して設けられた高圧電極１５とを備え、高圧電極１５は、第一接地電極１３ａに対向する第一端面１７ａと、第二接地電極１３ｂに対向する第二端面１７ｂを有し、第一端面１７ａと第一接地電極１３ａの距離は、第二端面１７ｂと第二接地電極１３ｂの距離より短く、第一端面１７ａは第二端面１７ｂよりも鉛直上方に位置している。

次にガス供給口１１から酸素ガスを供給し、処理槽１の内部を高酸素濃度雰囲気とする。なお、処理槽１内のガスは、ガス排出口１２から排出される。続いて高電圧パルス電源１９を動作して高圧電極ユニット１８にパルス状の高電圧を印加し、高圧電極１５の第一端面１７ａと第一接地電極１３ａの間に放電１６を形成する。

次に、処理前水槽２に溜め置かれた処理前水４を給水ポンプ６によって汲み上げ、給水配管８を介して処理槽１に配送し、被処理水２２として散水管１０から散布する。被処理水２２の多くは第一接地電極１３ａ及び第二接地電極１３ｂと、高圧電極１５の間をシャワー状に落下し、一部は第一接地電極１３ａ及び第二接地電極１３ｂに付着して水膜状に落下し、また一部は高圧電極１５に付着したのち第二端面１７ｂを通って落下する。被処理水２２が放電１６を通過する際に被処理水２２中の有機化合物が酸化分解される。処理槽１の底部に溜まった被処理水２２は、排水ポンプ７によって処理後水槽３に配送され、処理後水５として貯留される。

水処理装置１００の処理槽１において、被処理水２２中の有機化合物が酸化分解される原理について説明する。なお、ここでは有機化合物の分解を例にとって説明するが、放電で生じるオゾン（Ｏ_３）及びＯＨラジカルが除菌、脱色、及び脱臭に有効であることは周知である。放電１６により、処理槽１内の酸素分子（Ｏ_２）と被処理水２２が蒸発することで生じた水分子（Ｈ_２Ｏ）は、高エネルギーの電子と衝突し、下の式（１）及び式（２）の解離反応が生じる。なお、式（１）及び式（２）において、ｅは電子、Ｏは原子状酸素、Ｈは原子状水素、ＯＨはＯＨラジカルである。

ｅ＋Ｏ_２→２Ｏ （１）
ｅ＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ＋ＯＨ （２）
式（１）で発生した原子状酸素の多くは、式（３）の反応によりオゾン（Ｏ_３）となる。なお、式（３）において、Ｍは反応の第三体であり、気中のあらゆる分子及び原子を表す。
Ｏ＋Ｏ_２＋Ｍ→Ｏ_３ （３）
また、式（２）で生じたＯＨラジカルの一部は、式（４）の反応により、過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）となる。
ＯＨ＋ＯＨ→Ｈ_２Ｏ_２ （４）
これらの式（１）から式（４）の反応で生成された酸化性粒子（Ｏ、ＯＨ、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ_２）は、式（５）により、処理槽１内を落下する被処理水２２中の有機化合物を二酸化炭素（ＣＯ_２）と水に酸化分解する。なお、式（５）において、Ｒは分解対象となる有機化合物である。

Ｒ＋（Ｏ、ＯＨ、Ｏ_３、Ｈ_２Ｏ_２）→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ （５）
また、式（５）で有機化合物と反応しなかった原子状酸素とＯＨラジカルは、式（３）及び式（４）により比較的長寿命のオゾンと過酸化水素となり、その一部は、式（６）及び式（７）により被処理水２２に溶解する。なお、式（６）及び式（７）において、（ｌｉｑ．）は液相を意味する。

Ｏ_３→Ｏ_３（ｌｉｑ．） （６）
Ｈ_２Ｏ２→Ｈ_２Ｏ_２（ｌｉｑ．） （７）
さらに、Ｏ_３（ｌｉｑ．）とＨ_２Ｏ_２（ｌｉｑ．）は、水中での反応により、式（８）のようにＯＨラジカルを生成する。

Ｏ_３（ｌｉｑ．）＋Ｈ_２Ｏ_２（ｌｉｑ．）→ＯＨ（ｌｉｑ．） （８）
上の式（６）から式（８）で生成されたＯ_３（ｌｉｑ．）、Ｈ_２Ｏ_２（ｌｉｑ．）、ＯＨ（ｌｉｑ．）は、下の式（９）により、水中反応で被処理水２２中の有機化合物を分解する。
Ｒ＋（Ｏ_３（ｌｉｑ．）、Ｈ_２Ｏ_２（ｌｉｑ．）、ＯＨ（ｌｉｑ．））
→ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ（９）
以上のように、水処理装置１００の処理槽１における被処理水２２中の有機化合物の分解は、式（５）による気中に存在する酸化性粒子による有機化合物の分解と、式（９）による水中に存在する酸化性粒子による有機化合物の分解の双方によって進行する。

水処理装置１００の電極部を構成する第一接地電極１３ａ、第二接地電極１３ｂ、及び高圧電極１５には、ステンレス鋼またはチタン等の耐腐食性に優れた金属材料が好適である。ただし、電極材料は、上記以外の金属材料または導電性の炭素材料であってもよい。支柱２４を導電性材料とすることにより、高圧電極ユニット１８の一箇所に給電することで、高圧電極ユニット１８全体に電圧が印加される。

また、接地フレーム１４はステンレス鋼またはチタン等の導電性材料が好適である。これにより、処理槽１の一箇所を接地することにより接地電極１３が接地される
また、電極部は、少なくとも２枚の平板状の接地電極１３と、１個の高圧電極ユニット１８を有していればよく、接地電極１３の数及び間隔、高圧電極ユニット１８の数とそれに含まれる高圧電極１５の数及び間隔は、被処理水２２の流量、被処理水２２に含まれる成分または濃度等に応じて適宜変更することが可能である。また、支柱２４の数及び間隔等は、高圧電極１５の長さ、形状、及び剛性等に応じて適宜変更可能である。

例えば高圧電極１５が撓みやすい場合、長手方向の両端部に加えて中央付近にも支柱２４を設けて高圧電極１５を支持してもよい。また、高圧電極１５は、第一端面１７ａに電界集中が生じ、放電１６を形成できる任意の厚さとすることができる。一般に高圧電極１５の厚さは０．０２ｍｍ〜２ｍｍとすると好適である。厚さが０．０２ｍｍ以下だと十分な材料強度が得られず、また放電による消耗が生じる恐れがある。厚さが２ｍｍ以上だと、第一端面１７ａで十分な電界集中が生じず、放電１６の形成のために高い電圧の印加が必要となり、電源のコストが増加するためである。

なお、本実施の形態において、水平または鉛直と表記した部分は、必ずしも完全な水平と鉛直である必要はなく、本願の効果を損なわない範囲で水平または鉛直に対し多少の角度を有していてもよい。例えば、支柱２４は必ずしも鉛直に立てられていなくてもよい。また、高圧電極１５の第二平面２６ｂは必ずしも水平に支持されていなくてもよく、長手方向または幅方向に傾斜していてもよい。また、本実施の形態１において、高圧電極ユニット１８は、絶縁支持体２０を介して接地フレーム１４に起立する配置となっているが、接地フレーム１４を接地電極１３あるいは高圧電極ユニット１８よりも上方に配置し、接地電極１３あるいは高圧電極ユニット１８の少なくとも一方を吊り下げる構成としてもよい。また、高圧電極１５の角部にＲ（フィレット）加工を施してもよい。これにより、角部における電界集中が抑制され、放電１６の局在化を抑制することができる。

また、本実施の形態では、散水部として散水管１０を用いたが、散水部は被処理水２２を処理槽１の内部に水滴状に散布することができる機構であればよく、ノズルまたはシャワープレートであってもよい。また、電源は、高電圧パルス電源１９に限定されるものではなく、安定して放電が形成できるものであれば、交流電源または直流電源であってもよい。

また、高電圧パルス電源１９から出力される電圧の極性、電圧波高値、繰り返し周波数、パルス幅等は、電極構造およびガス種等の諸条件に応じて、適宜決定することができる。一般に、電圧波高値は、１ｋＶ〜５０ｋＶが望ましい。これは、１ｋＶ未満では、安定した放電が形成されず、また、５０ｋＶ超の場合、電源の大型化及び電気絶縁の困難化によりコストが著しく増加するためである。さらに、繰り返し周波数は、１０ｐｐｓ（ｐｕｌｓｅ−ｐｅｒ−ｓｅｃｏｎｄ）以上、１００ｋｐｐｓ以下とすることが望ましい。これは、１０ｐｐｓ未満では、十分な放電電力を投入するために非常に高い電圧が必要となり、逆に、１００ｋｐｐｓよりも大きくすると、水処理の効率が低下するためである。また、被処理水２２の成分、濃度、あるいは流量等の条件に応じて、電圧、パルス幅、パルス繰り返し周波数を調整するようにしてもよい。

本実施の形態１における水処理装置１００によれば、高圧電極１５の第一端面１７ａと接地電極１３の距離が、第二端面１７ｂと接地電極１３の距離よりも短いため、放電１６は第一端面１７ａと接地電極１３の間に形成され、第二端面１７ｂと接地電極１３の間に形成されない。あるいは、第一端面１７ａと接地電極１３の間に形成される放電１６は、第二端面１７ｂと接地電極１３の間に形成される放電１６よりも強い。

また、高圧電極１５の第一端面１７ａは第二端面１７ｂよりも鉛直上方に位置している為、高圧電極１５に付着した被処理水２２は第二端面１７ｂを通って落下する。このため、スパーク放電２８の形成が抑制され、第一端面１７ａと接地電極１３の間に安定的な放電１６が形成されるため、電極の消耗または損傷が抑制される。

また、スパーク放電に伴う局所的な温度増加が抑制されるため、水処理に有用なＯ_３およびＨ_２Ｏ_２等が効率的に生成され、効率的な水処理が可能となる。

また、最上部に位置する高圧電極１５に付着した被処理水２２が、鉛直方向に並ぶ複数の高圧電極１５のそれぞれを流下するため、高圧電極１５を冷却する効果が得られる。これにより、放電１６の形成に伴う高圧電極１５の過熱が抑制され、電極の消耗または損傷が抑制される。

実施の形態２．
図５と図６はそれぞれ実施の形態２による水処理装置の電極部の平面図、及び高圧電極ユニットの斜視図である。図５と図６を用いて実施の形態２を説明する。なお、本実施の形態２による水処理装置の全体構成は、上記実施の形態１と同様であるので図１を流用し、各部の説明は省略する。

高圧電極ユニット１８は、鉛直に起立した金属平板（板状部材）２９であり、金属平板２９の中央付近には、図６に示されるように複数の（図６では４か所の）切曲げ部３０が形成されている。切曲げ部３０は矩形状であり、底辺を除く３辺（上辺及び手前と奥の辺）が切断されており、底辺を起点とした曲げ加工を形成することで、鉛直面に対して傾斜を有する突出箇所、すなわち高圧電極１５が形成される。高圧電極１５の上辺部は第一端面１７ａを形成し、切曲げ部３０の曲げの起点とした底辺を含む部分は高圧電極１５の第二端面１７ｂを形成している。また、第一端面１７ａは第二端面１７ｂよりも鉛直上方に位置している。

図６に示すように、本実施の形態２における高圧電極ユニット１８には、４か所の切曲げ部３０が鉛直方向に並んで形成されている。また、上下に連続する２つの切曲げ部３０は、互いに逆方向の曲げ加工が施されており、それぞれの高圧電極１５は鉛直面に対して逆方向の傾斜を有している。

また、図５に示すように、高圧電極ユニット１８は、第一接地電極１３ａと第二接地電極１３ｂの中間に備えられ、第一端面１７ａと第二端面１７ｂはそれぞれが対向する接地電極１３との間に、長手方向に均等な空隙を形成している。また、最上部と上から３番目に位置する高圧電極１５の第一端面１７ａと第一接地電極１３ａの間の距離Ｓ１は、第二端面１７ｂと第二接地電極１３ｂの間の距離Ｓ２よりも短い。また、上から２番目と最下部に位置する高圧電極１５の第一端面１７ａと第二接地電極１３ｂの間の距離Ｓ３は、第二端面１７ｂと第一接地電極１３ａの間の距離Ｓ４よりも短い。また距離Ｓ１と距離Ｓ３、および距離Ｓ２と距離Ｓ４はそれぞれ等しくなっている。本実施の形態２の高圧電極ユニット１８を除く構成と動作は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態２によれば、第一端面１７ａと接地電極１３の距離は、第二端面１７ｂと接地電極１３の距離より短いため、放電１６は第一端面１７ａと接地電極１３の間に形成される一方、第二端面１７ｂと接地電極１３の間には形成されない。また、高圧電極ユニット１８に付着した被処理水２２は、高圧電極１５の傾斜にそって第一端面１７ａ側から第二端面１７ｂ側へと流れ、第二端面１７ｂから水滴状、あるいは水膜状に流下する。このため、第一端面１７ａへの被処理水２２の付着によるスパーク放電の形成が抑制される。

また本実施の形態２によれば、最上部に位置する高圧電極１５から流下した被処理水２２の一部は、鉛直下方に位置する高圧電極１５を通る一連の流れを形成する。このため、複数配置された高圧電極１５が被処理水２２によって冷却される効果が得られる。

また本実施の形態２による高圧電極ユニット１８は、複数の高圧電極１５を１枚の金属平板２９から形成することができる。このため、実施の形態１と比較して構成部品点数の削減と装置コスト削減が可能となる。また、電極部は、少なくとも２枚の平板状の接地電極１３と、１個の高圧電極ユニット１８を有していればよく、接地電極１３の数及び間隔、高圧電極ユニット１８の数とそれに含まれる高圧電極１５の数及び間隔は、被処理水２２の流量、被処理水２２に含まれる成分または濃度等に応じて適宜変更することが可能である。また、支柱２４の数及び間隔等は、高圧電極１５の長さ、形状、及び剛性等に応じて適宜変更可能である。

また本実施の形態２による高圧電極ユニット１８は、金属平板２９のプレス加工、特に切曲げ加工により形成することができる。このため、切削加工および接合が不要となり、安価に製造することができる。なお、金属平板２９はステンレスまたはチタンなど、耐食性に優れた金属部材を用いることができる。

また、金属平板２９は、高圧電極１５の第一端面１７ａに電界集中が生じ、放電１６を形成できる任意の厚さとすることができる。一般に金属平板２９の厚さは０．０２ｍｍ〜２ｍｍとすると好適である。厚さが０．０２ｍｍ以下だと十分な材料強度が得られず、また放電による消耗が生じる恐れがある。厚さが２ｍｍ以上だと、第一端面１７ａで十分な電界集中が生じず、放電１６の形成のために高い電圧の印加が必要となり、電源のコストが増加するためである。

また、高圧電極１５の角部にＲ（フィレット）加工を施してもよい。これにより、角部における電界集中が抑制され、放電１６の局在化を抑制することができる。

また、金属平板２９を鉛直に配置するために、金属平板２９に接するような補強材を用いることができる。補強材は、例えばフレーム状部材で、金属平板２９の外周部に接続して用いることができる。

実施の形態３．
図７は本願の実施の形態３による水処理装置の高圧電極ユニット１８を示す斜視図である。本実施の形態３による水処理装置は、高圧電極ユニット１８の構成が異なる点を除いて上記の実施の形態１と同様であるので、図１を流用し、各部の説明は省略する。

本実施の形態３による水処理装置の高圧電極ユニット１８は、板状部材である第一金属平板２９ａと、板状部材である第二金属平板２９ｂとを互いに接合することにより形成される。第一金属平板２９ａは鉛直に配置された長方形型の金属板材であり、上方から下方にかけて切抜き部３１と切曲げ部３０が交互にそれぞれ２か所ずつ形成されている。第二金属平板２９ｂは第一金属平板２９ａと同様の、鉛直に配置された長方形型金属板材であり、上方から下方にかけて切曲げ部３０と切抜き部３１が交互にそれぞれ２か所ずつ形成されている。切抜き部３１は矩形の切抜きであり、切曲げ部３０は底辺を除く３辺（上辺及び手前と奥の辺）が切断され、底辺を起点とした曲げ加工を施すことで鉛直面に対して傾斜を有する突出箇所、すなわち高圧電極１５を形成したものである。

ここで、第一金属平板２９ａの切曲げ部３０と、第二金属平板２９ｂの切抜き部３１、及び第一金属平板２９ａの切抜き部３１と、第二金属平板２９ｂの切曲げ部３０は同型の矩形状であり、互いが重ね合わされた際に同一箇所に配置されるように加工される。
すなわち、第一金属平板２９ａの切り曲げ加工がされている切曲げ部３０に対応する部分の第二金属平板２９ｂは、切曲げ部３０の曲げの起点とした底辺と切り抜き部の底辺とが重なるように切り抜かれ、第二金属平板２９ｂの切り曲げ加工がされている切曲げ部３０に対応する部分の第一金属平板２９ａは、切曲げ部３０の曲げの起点とした底辺と切り抜き部の底辺とが重なるように切り抜かれている。
また、第一金属平板２９ａと第二金属平板２９ｂのそれぞれの切曲げ部３０は、互いを重ね合わせた際に鉛直に対して逆方向の傾斜を有すように構成される。

高圧電極ユニット１８は、第一金属平板２９ａと第二金属平板２９ｂとを重ね合わせて接合することにより形成される。ここで、切曲げ部３０の上方端面が第一端面１７ａを形成し、切曲げ部３０の底辺、すなわち曲げの起点となる底辺を含む部分が第二端面１７ｂを形成している。その他の構成及び動作は実施の形態１と同様である。

本実施の形態３による水処理装置では、上記の実施の形態２と異なり、第一金属平板２９ａと第二金属平板２９ｂに形成された切曲げ部３０は、一つの方向への曲げ加工を施すことによって形成される。このため、実施の形態２と比べて製造が容易となる。また、第一金属平板２９ａと第二金属平板２９ｂとを接合することにより高圧電極ユニット１８が形成されるため、実施の形態２の様に１枚の金属平板２９によって形成される場合と比較して材料の強度が向上する。本実施の形態３によるその他の効果は、実施の形態２と同様である。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４による水処理装置の高圧電極ユニット１８を示している。図８Ａは、高圧電極ユニット１８の構成部材と組立て状態を示す斜視図、図８Ｂは、高圧電極ユニット１８の斜視図を示す。本実施の形態４による水処理装置は、高圧電極ユニット１８の構造が異なる点を除いて、実施の形態１と同様であるので、図１を流用し各部の説明は省略する。

本実施の形態４による水処理装置の高圧電極ユニット１８は、高圧フレーム材３２と４個の高圧電極部材３４により構成される。高圧フレーム材３２は鉛直に起立して設けられた長方形型の金属板であり、上下方向に４か所の矩形状の切抜き部３３が形成されている。高圧電極部材３４は長方形型の金属薄板であり、長手方向に連通する曲げ部３５を有している。曲げ部３５の曲げの起点とした底辺が、高圧フレーム材３２の切抜き部３３の底辺に沿うように、高圧フレーム材３２と高圧電極部材３４が接合されている。また、高圧電極部材３４は、曲げ部３５より上方が鉛直面に対して傾斜を有し突出する様に接合されており、この突出部が高圧電極１５を形成している。

また、上下に連続する切抜き部３３にそれぞれ接続される高圧電極部材３４は、高圧フレーム材３２に対して交互に異なる面から接続される。すなわち、最上部と上から３番目に位置する高圧電極部材３４は図８Ａの左側から、上から２番目と最下部に位置する高圧電極部材３４は右側からそれぞれ高圧フレーム材３２に接続されている。高圧電極部材３４の高圧電極１５の突出した端面が第一端面１７ａを形成し、高圧電極部材３４の曲げ部３５が第二端面１７ｂを形成している。第一端面１７ａは第二端面１７ｂよりも鉛直上方に位置している。その他の構成及び動作は実施の形態２と同様である。

本実施の形態による水処理装置では、高圧フレーム材３２と高圧電極部材３４を個別の部材から形成することができる。このため、高圧電極部材３４と比べて高圧フレーム材３２を肉厚に形成することができる。これにより、高圧電極ユニット１８の機械強度を高めるとともに、高圧電極部材３４を薄くし、第一端面１７ａを電界集中させやすい構成とすることができる。

なお、高圧フレーム材３２と高圧電極部材３４の接合には、ネジによる締結またはスポット溶接を用いることができるが、両者を安定的に接合できる方法であればこれらに限定されるものではない。また高圧フレーム材３２と高圧電極部材３４は、腐食を抑制するため、同種の金属材料で形成することが望ましい。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：処理槽、２：処理前水槽、３：処理後水槽、４：処理前水、５：処理後水、６：給水ポンプ、７：排水ポンプ、８：給水配管、９：排水配管、１０ 散水管（散水部）、１１：ガス供給口、１２：ガス排出口、１３：接地電極、１３ａ：第一接地電極、１３ｂ：第二接地電極、１４：接地フレーム、１５：高圧電極、１６：放電、１７ａ：第一端面、１７ｂ：第二端面、１８：高圧電極ユニット、１９：高電圧パルス電源、２０：絶縁支持体、２１：絶縁部材、２２：被処理水、２３：ガス供給源、２４：支柱、２５、３５：曲げ部、２６ａ：第一平面、２６ｂ：第二平面、２７：水滴、２８：スパーク放電、２９：金属平板、３０：切曲げ部、３１：切抜き部、３２：高圧フレーム材、３３：切抜き部、３４：高圧電極部材、１００：水処理装置

本願に開示される水処理装置は、
処理槽の内部に互いに対向配置された第一接地電極と第二接地電極、
第一接地電極と第二接地電極との間に配置され、第一接地電極に対向する第一端面と第二接地電極に対向する第二端面とを有する高圧電極、
第一接地電極と第二接地電極との間に被処理水を散布する散水部、
を備え、
第一端面と第一接地電極との間の距離は、第二端面と第二接地電極の間の距離よりも短く、
第一端面は、第二端面よりも鉛直上方に配置され、第一端面から第二端面に被処理水が流れるように構成されていることを特徴とする。

また、本願に係る水処理方法は、
互いに対向配置された第一接地電極と第二接地電極の間に、第一接地電極と対向する第一端面と第二接地電極と対向する第二端面を有する高圧電極を、第一接地電極と第一端面の間の距離が、第二接地電極と第二端面の間の距離よりも短く、かつ第一端面が第二端面よりも鉛直上方に配置するとともに第一端面から第二端面に被処理水が流れるように構成するステップ、
高圧電極に電圧を印加して第一接地電極と第一端面の間に放電を生じさせるステップ、
第一接地電極と第二接地電極の間に被処理水を散布して放電を通過させることにより被処理水を処理するステップ、を有する。

Claims (11)

1. 処理槽の内部に互いに対向配置された第一接地電極と第二接地電極、
   前記第一接地電極と前記第二接地電極との間に配置され、前記第一接地電極に対向する第一端面と前記第二接地電極に対向する第二端面とを有する高圧電極、
   前記第一接地電極と前記第二接地電極との間に被処理水を散布する散水部、
   を備え、
   前記第一端面と前記第一接地電極との間の距離は、前記第二端面と前記第二接地電極の間の距離よりも短く、
   前記第一端面は、前記第二端面よりも鉛直上方に配置されていることを特徴とする水処理装置。
2. 前記高圧電極は、前記第一端面から前記第二端面に前記被処理水が流れるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記高圧電極は鉛直方向に複数設けられ、少なくとも１つの前記高圧電極の第一端面は、最上部の前記高圧電極の第一端面に対し、鉛直面反対側に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の水処理装置。
4. 前記高圧電極は鉛直方向に複数設けられ、上下に連続する２つの高圧電極は、前記第一端面が鉛直面に対してそれぞれ反対側に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の水処理装置。
5. 前記高圧電極は平板状であり、前記第一端面を鉛直上方に配置するため、長手方向に沿った曲げ部を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の水処理装置。
6. 前記曲げ部を境に、鉛直上方に向かう前記第一端面を有する第一平面と水平に保持される前記第二端面を有する第二平面が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の水処理装置。
7. 前記第二平面が、鉛直に起立する支柱によって保持され、高圧電極ユニットを形成していることを特徴とする請求項６に記載の水処理装置。
8. 前記高圧電極は、板状部材の切曲げ加工により形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の水処理装置。
9. 前記上下に連続する２つの高圧電極のうち、上の高圧電極は第一の板状部材の切曲げ加工により形成され、下の高圧電極は第二の板状部材の切曲げ加工により形成され、
   前記第一の板状部材の切り曲げ加工がされている曲げ部に対応する部分の前記第二の板状部材は、曲げ部の起点とした底辺と切り抜き部の底辺とが重なるように切り抜かれ、
   前記第二の板状部材の切り曲げ加工がされている曲げ部に対応する部分の前記第一の板状部材は、曲げ部の起点とした底辺と切り抜き部の底辺とが重なるように切り抜かれ、
   前記第一の板状部材と前記第二の板状部材とが張り合わされて高圧電極ユニットを形成することを特徴とする請求項４に記載の水処理装置。
10. 前記上下に連続する２つの高圧電極は、長手方向に曲げ部を有する電極部材からなり、鉛直に配置された板状のフレーム部材の切り抜き部の底辺と前記曲げ部の起点とした底辺とが重なるように前記電極部材が接合されて高圧電極ユニットを形成することを特徴とする請求項４に記載の水処理装置。
11. 互いに対向配置された第一接地電極と第二接地電極との間に、前記第一接地電極と対向する第一端面と前記第二接地電極と対向する第二端面とを有する高圧電極を、前記第一接地電極と前記第一端面との間の距離が、前記第二接地電極と前記第二端面との間の距離よりも短く、かつ前記第一端面が前記第二端面よりも鉛直上方に位置するように配置するステップ、
    前記高圧電極に電圧を印加して前記第一接地電極と前記第一端面との間に放電を生じさせるステップ、
    前記第一接地電極と前記第二接地電極との間に被処理水を散布して前記放電を通過させることにより前記被処理水を処理するステップ、を有する水処理方法。

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