(57)【要約】【課題】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【解決手段】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）は傾斜をつけた切り曲げ部（１７）を有し、切り曲げ部（１７）の端面はそれぞれ接地電極（１３）と対向している。これにより、被処理水（２２）が高圧電極（１５）に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。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記高圧電極は平板状部材であり、前記第一端面と前記第二端面は、前記平板状部材を、傾斜をつけて切り曲げた切り曲げ部の端面であることを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
前記切り曲げ部は、一端から他端に前記被処理水が流れる角度の傾斜がつけら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。
【請求項３】
前記第一端面と前記第二端面はそれぞれ前記平板状部材の反対側に切り曲げら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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、水処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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（Ｏ３）と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）または紫外線とを組み合わせることで、Ｏ３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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６４００２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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Ｏ３およびＨ２Ｏ２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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、
高圧電極は平板状部材であり、第一端面と第二端面は、平板状部材を、傾斜をつけて切り曲げた切り曲げ部の端面であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
高圧電極に形成された、傾斜がつけられた切り曲げ部を被処理水が流れることにより、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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】実施の形態１による水処理装置の高圧電極の斜視図である。
【図４】実施の形態１及び比較例による水処理装置の高圧電極を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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（図４Ａ）及び比較例（図４Ｂ）による水処理装置の電極部を示す図である。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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
【００１５】
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。
【００１６】
高圧電極ユニット１８は、図２および図３に示すように、鉛直方向に延びる平板状の高圧電極１５から、切り曲げ部１７が左右かつ交互に切り曲げられ、切り曲げ部１７は被処理水２２が落ちてくる方向に対して斜めとなるように加工している。
また、図１からわかるように、同方向に配置された切り曲げ部１７の水平部端面１７ａ、１７ｂと第一接地電極１３ａまたは第二接地電極１３ｂとの距離は左右ともに同じ距離とする。
【００１７】
図１において、水処理装置１００は、切り曲げ部１７の水平部端面と接地電極１３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。
【００１８】
次に、上記のように構成された水処理装置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１００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。
【００１９】
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及び切り曲げ部１７の上面に付着するが、切り曲げ部１７の傾斜にそって流れ、水滴２７とし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、切り曲げ部１７の水平部端面１７ａ、１７ｂと接地電極１３の間には放電１６が安定的に形成される。
【００２０】
これに対し、図４Ｂに示す比較例による高圧電極１５０の切り曲げ部１７０は、傾斜を有さない水平に配置された平板状である。高圧電極１５０は、接地電極１３の中間に配置されている。散水管１０から散水された被処理水２２の一部は、高圧電極１５０の切り曲げ部１７０の上面に付着するが、切り曲げ部１７０は水平に配置されている為、被処理水２２は水平部端面１７０ｂ１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１５０の切り曲げ部１７０の水平部端面１７０ｂ１と接地電極１３の距離が短くなり、電界が強まり、スパーク放電が形成される。
【００２１】
また、図４Ａに示すように、切り曲げ部１７の最上部１７ｃに付着した被処理水２２は切り曲げ部１７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、最上部に位置する切り曲げ部１７０の水平部端面１７０ｂ１から落下した被処理水２２の多くは、その下方に位置する、例えば、水平部端面１７０ｂ２を有する切り曲げ部１７０に付着することなく落下する。このため、鉛直方向最上部に位置する切り曲げ部以外の切り曲げ部に対する被処理水２２による冷却効果は限定的となる。
【００２２】
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、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、高圧電極１５から切り曲げることにより、水平方向に伸張して設けられた切り曲げ部１７とを備え、切り曲げ部１７と高圧電極１５からなる高圧電極ユニット１８は、第一接地電極１３ａと第二接地電極１３ｂに対向する水平部端面１７ａ、１７ｂを有している。
【００２３】
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の水平部端面１７ａと第一接地電極１３ａとの間、または水平部端面１７ｂと第二接地電極１３ｂとの間に放電１６を生じる。
【００２４】
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の切り曲げ部１７の傾斜を通って落下する。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。
【００２５】
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（Ｏ３）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（Ｏ２）と被処理水２２が蒸発することで生じた水分子（Ｈ２Ｏ）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。
【００２６】
ｅ＋Ｏ２→２Ｏ                （１）
ｅ＋Ｈ２Ｏ→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（Ｏ３）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＋Ｏ２＋Ｍ→Ｏ３            （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（Ｈ２Ｏ２）となる。
ＯＨ＋ＯＨ→Ｈ２Ｏ２          （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、Ｏ３、Ｈ２Ｏ２）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（ＣＯ２）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。
【００２７】
Ｒ＋（Ｏ、ＯＨ、Ｏ３、Ｈ２Ｏ２）→ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ          （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。
【００２８】
Ｏ３→Ｏ３（ｌｉｑ．）                （６）
Ｈ２Ｏ２→Ｈ２Ｏ２（ｌｉｑ．）          （７）
さらに、Ｏ３（ｌｉｑ．）とＨ２Ｏ２（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。
【００２９】
Ｏ３（ｌｉｑ．）＋Ｈ２Ｏ２（ｌｉｑ．）→ＯＨ（ｌｉｑ．）    （８）
上の式（６）から式（８）で生成されたＯ３（ｌｉｑ．）、Ｈ２Ｏ２（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＋（Ｏ３（ｌｉｑ．）、Ｈ２Ｏ２（ｌｉｑ．）、ＯＨ（ｌｉｑ．））
→ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ（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。
【００３０】
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。高圧電極１５は金属材料であるため、高圧電極１５の一箇所に給電することで、切り曲げ部１７を含む高圧電極ユニット１８全体に電圧が印加される。
【００３１】
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全ての接地電極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の切り曲げ部１７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。
【００３２】
また、高圧電極１５は、切り曲げ部１７の水平部端面に電界集中が生じ、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、水平部端面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。
【００３３】
なお、本実施の形態１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。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。
【００３４】
また、本実施の形態１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。
【００３５】
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。
【００３６】
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に付着した被処理水２２は切り曲げ部１７の傾斜を通って落下する。このため、スパーク放電の形成が抑制され、切り曲げ部１７の水平部端面１７ａ、１７ｂと接地電極１３との間に安定的な放電１６が生じるため、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Ｏ３およびＨ２Ｏ２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、切り曲げ部１７の最上部１７ｃに付着した被処理水２２が、切り曲げ部１７を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。
【００３７】
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。
【符号の説明】
【００３８】
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、１７：切り曲げ部、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、２７：水滴、１００：水処理装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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