(57)【要約】【課題】プラズマを利用して効果的に水処理を行うことを可能にする水処理装置及び水処理方法を提供する。【解決手段】水処理装置は、絞り部上流領域７、絞り部８及び開放部１１を有する流路１を備える。水処理装置はまた、開放部１１に配置された一対の電極３ａ、３ｂと、電極間にプラズマ放電を生起させる電源１３と、流路１に泡状の気体５を供給する気体供給部９とを備える。電極３ａ、３ｂはメッシュ状であり、流路１の内径をＤ１、絞り部８の内径をＤ２とするとき、Ｄ２はＤ１の０．１５倍以上０．５倍以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面積が最も小さい絞り部と、前記絞り部の上流側に接続され、前記絞り部に向かうにつれて内径が減少する絞り部上流領域と、前記絞り部の下流側に接続され、下流に向かうにつれて内径が大きくなる開放部とを有し、被処理水を通水させる流路と、
前記開放部に配置された少なくとも一対の電極と、
前記少なくとも一対の電極間に電圧を印加してプラズマ放電を生起させる電源と、
前記絞り部に配置された吐出口を有し、前記吐出口から前記絞り部に泡状の気体を供給する気体供給部とを備えた水処理装置であって、
前記気体は、前記絞り部での前記被処理水の静圧降下によって引き込まれ、
前記少なくとも一対の電極はメッシュ状であり、
前記流路のうち前記絞り部上流領域の上流側に接続された部分、及び前記開放部の下流側に接続された部分の内径をＤ１、前記絞り部の内径をＤ２とするとき、Ｄ２はＤ１の０．１５倍以上０．５倍以下である、水処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水処理装置において、
通水時に前記気体供給部から前記絞り部に引き込まれる前記気体の流量をＧ、前記被処理水の流量をＬとするとき、比Ｇ／Ｌは、０．２以上１．０以下であることを特徴とする水処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水処理装置において、
前記比Ｇ／Ｌは、０．５以上１．０以下であることを特徴とする水処理装置。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の水処理装置において、
前記少なくとも一対の電極の電極間間隔は、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とする水処理装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の水処理装置において、
前記少なくとも一対の電極は、平板メッシュ状であり、前記開放部の軸方向に対して垂直に配置されていることを特徴とする水処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載の水処理装置において、
前記一対の電極のそれぞれは、前記開放部の径方向断面全体を覆っていることを特徴とする水処理装置。
【請求項７】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の水処理装置において、
前記少なくとも一対の電極は、平板メッシュ状であり、前記開放部の軸方向に対して平行に配置されていることを特徴とする水処理装置。
【請求項８】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の水処理装置において、
前記少なくとも一対の電極は、メッシュ状且つそれぞれ径が異なる同心筒状であり、前記開放部の軸方向に対して平行に配置されていることを特徴とする水処理装置。
【請求項９】
請求項１〜８のうちいずれか１つに記載の水処理装置において、
前記少なくとも一対の電極のメッシュを構成する導電線の直径は、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることを特徴とする水処理装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか１つに記載の水処理装置により、前記被処理水のプラズマ処理を行う水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示された技術は、水処理装置及び水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中に配置した２つの針状電極間に高電圧を印加してプラズマ放電を生起させることで、水の殺菌や、水中の有機物を分解して水の浄化を行う技術が知られている。この技術では、プラズマ放電によって生じるＯＨラジカル等によって水の殺菌をしたり、水中の有機物を分解したりすることができる。
【０００３】
しかし、針状電極を用いた場合にはプラズマ放電を広範囲で生じさせることができず、効果的に水処理を行うことができない。
【０００４】
これに対し、特許文献１では、一対の平板状のメッシュ電極を被処理水中に配置し、メッシュ電極間に高電圧を印加して海水中の微生物を不活化又は殺傷する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９４５７号公報
【特許文献２】特開２００２−１９２１６１号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２００７／１３８７７３号公報
【特許文献４】特開２０１２−７７９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、針状電極を用いる場合に比べて広い範囲でプラズマ放電を生じさせることができるものの、処理すべき水のうちプラズマと接触するのは一部に過ぎず、効果的に水処理を行うことはやはり困難である。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、プラズマを利用して効果的に水処理を行うことを可能にする水処理装置及び水処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示の一実施形態に係る水処理装置は、断面積が最も小さい絞り部と、前記絞り部の上流側に接続され、前記絞り部に向かうにつれて内径が減少する絞り部上流領域と、前記絞り部の下流側に接続され、下流に向かうにつれて内径が大きくなる開放部とを有し、被処理水を通水させる流路と、前記開放部に配置された少なくとも一対の電極と、前記少なくとも一対の電極間に電圧を印加してプラズマ放電を生起させる電源と、前記絞り部に配置された吐出口を有し、前記吐出口から前記絞り部に泡状の気体を供給する気体供給部とを備える。
【０００９】
前記気体は、前記絞り部での前記被処理水の静圧降下によって引き込まれ、前記少なくとも一対の電極はメッシュ状であり、前記流路のうち前記絞り部上流領域の上流側に接続された部分、及び前記開放部の下流側に接続された部分の内径をＤ１、前記絞り部の内径をＤ２とするとき、Ｄ２はＤ１の０．１５倍以上０．５倍以下である。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一実施形態に係る水処理装置によれば、プラズマを利用して効果的に水処理を行うことを可能にする
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の一実施形態に係る水処理装置の構成を示す断面図（左図）、及び当該水処理装置の電極が配置された部分を示す断面図（右図）である。
【図２】図２（ａ）は、従来の水処理装置の電極を示す図であり、（ｂ）は、図１に示す水処理装置の電極を示す図である。
【図３】図３は、メッシュ電極を用いた水処理装置において、電極間距離と有機物の分解効率との関係を調べた結果を示す図である。
【図４】図４は、メッシュ電極を用いた水処理装置において、一対の電極間に引き込まれる気体の流量Ｇと、被処理水の流量Ｌとの比Ｇ／Ｌと、有機物の分解効率との関係を示す図である。
【図５】図５は、水処理装置における、メッシュ状電極を構成する導電線の直径と有機物の分解効率との関係を示す図である。
【図６】図６は、メッシュ状の電極の配置方向と有機物の分解効率との関係を示す図である。
【図７】図７は、図１に示す水処理装置の第１の変形例の構成を示す断面図（左図）、及び当該水処理装置の電極形状を示す図（右図）である。
【図８】図８（ａ）は、図１に示す水処理装置の第２の変形例の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、当該変形例に係る水処理装置の電極を示す分解斜視図であり、（ｃ）は、電極部分を正面方向から見た図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す水処理装置の他の変形例の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態）
図１は、本開示の一実施形態に係る水処理装置の構成を示す断面図（左図）、及び当該水処理装置の電極が配置された部分を示す断面図（右図）である。左図は流路１の軸方向での断面を示し、右図は流路１の径方向での断面を示している。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の水処理装置は、被処理水１６を通水させる流路１を備えている。流路１は、内径（断面積）が小さくなっている絞り部８と、絞り部８の上流側に接続され、絞り部８に向かうにつれて内径が減少する絞り部上流領域７と、絞り部８の下流側に接続され、下流に向かうにつれて内径が大きくなる開放部１１とを有している。開放部１１の内径は、上流から下流に向かうにつれて連続的に大きくなっていてもよいが、段階的に内径が広がる等、下流に向かって不連続な形状で広がっていてもよい。
【００１４】
また、本実施形態の水処理装置は、開放部１１に配置された少なくとも一対の電極３ａ、３ｂと、電極３ａ、３ｂ間に電圧を印加してプラズマ放電１５を生起させる電源１３と、絞り部８に配置された吐出口を有し、当該吐出口から流路１（絞り部８）に向かって泡状の気体を供給する気体供給部９とを備えている。
【００１５】
電源１３は、電極３ａ、３ｂ間に高電圧を印加できる電源であれば、直流電源であってもよいし、交流電源又はパルス電源であってもよい。電源１３が電極３ａ、３ｂ間に印加する電圧は例えば１ｋＶ〜１０ｋＶ程度である。
【００１６】
このように、流路１内に内径の小さい絞り部８が設けられ、絞り部８の下流側に、内径が連続的又は不連続に広がっている開放部１１が配置されている。さらに、流路１のうち絞り部上流領域７の上流側に接続された部分、及び開放部１１の下流側に接続された部分の内径をＤ１、絞り部８の内径をＤ２とするとき、Ｄ２はＤ１の０．１５倍以上０．５倍以下である。開放部１１の内径が連続的に広がる場合、開放部１１の内径は、下流に向かってＤ２からＤ１へと７°以上１５°以下の広がり角をもって連続的に広がっていてもよい。ここで、「広がり角」とは、絞り部８及び開放部１１の軸方向断面において、当該軸方向と開放部１１の管壁とが成す角度を指す。ここでは、一例として、絞り部上流領域７の上流側及び開放部１１の下流側に接続された部分における流路１の内径（Ｄ１）を２０ｍｍ、絞り部８の内径を５ｍｍ、開放部１１での広がり角を７°とする。
【００１７】
この構成によれば、径が最小となる絞り部８で流体（被処理水１６）の静圧を大気圧以下にすることができるので、気体送出用のポンプを設けることなく被処理水１６中に気体１０を十分な量で導入することが可能になっている。
【００１８】
また、電極３ａ、３ｂは共にメッシュ状であり、開放部１１に、互いに対向するように、且つ開放部１１の軸方向に対して垂直に配置されている。プラズマ放電１５は水中の気泡５（図１参照）において生起されるので、効果的に水処理を行うために、電極３ａ、３ｂは、なるべく気泡密度が高い領域（すなわち、開放部１１のうち絞り部８の近傍）に配置されることが好ましい。一例として、電極３ａ、３ｂは、開放部１１のうち、内径が絞り部８の内径Ｄ２の２倍以下である領域に配置されることが好ましい。
【００１９】
図２（ａ）は、従来の水処理装置の電極を示す図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る水処理装置の電極を示す図である。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、一対の針状電極１０３ａ、１０３ｂ間でプラズマ放電を生じさせて水処理を行う場合、プラズマ放電領域が小さく、被処理水を十分にプラズマと接触させることができないので、処理効率を上げることが困難である。
【００２１】
これに対し、図２（ｂ）に示すように、本実施形態の水処理装置では、一対の電極３ａ、３ｂが共に平板メッシュ状であり、互いに対向しているので、針状電極を用いる場合に比べてプラズマ放電領域を拡大することができる。このため、被処理水とプラズマとの接触効率を高めて高い水処理能力を発揮することができる。
【００２２】
図３は、メッシュ電極を用いた水処理装置において、電極間距離と有機物の分解効率との関係を調べた結果を示す図である。本試験では、電極として、互いに対向させた一対の平板メッシュ状電極を用い、電極間に６ｋＶの電圧を印加した。分解効率は、色素（インジゴカーミン）を含む水５Ｌを図１に示す流路内で循環させて処理し、得られた色素分解時間及び投入電力から算出した。
【００２３】
この結果、電極間距離が０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下（具体的には０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍの３点）であれば放電状態が安定し、高い分解効率を示すことが分かった。
【００２４】
これに対し、電極間距離が０．５ｍｍ未満になると電極間距離が近くなりすぎて火花（スパーク）が発生し、安定したプラズマ処理を行うことができなかった。また、電極間距離が２．０ｍｍを超えるとプラズマ放電が不安定になり、水処理を安定して行うことができなかった。なお、図３における×印は、放電不安定であることを示すために便宜的に付けたものであり、分解効率の結果を示すものではない。
【００２５】
従って、本実施形態の水処理装置において、高い処理能力を安定して発揮させるためには、電極３ａ、３ｂ間の距離を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ程度とすることが好ましい。なお、電極３ａ、３ｂ間の距離が０．７５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であれば処理能力をより高く維持したまま放電をさらに安定に生じさせることができるのでより好ましく、電極３ａ、３ｂ間の距離が１ｍｍ程度であれば特に好ましい。
【００２６】
また、図４は、メッシュ電極を用いた水処理装置において、一対の電極間に引き込まれる気体の流量Ｇと、被処理水の流量Ｌとの比Ｇ／Ｌと、有機物の分解効率との関係を示す図である。本試験では、電極間間隔を１ｍｍとし、電極は平板メッシュ状とした。電極間には６ｋＶの電圧を印加した。分解効率は、色素（インジゴカーミン）を含む水５Ｌを図１に示す流路内で循環させて処理し、得られた色素分解時間及び投入電力から算出した。
【００２７】
図４に示す結果から、Ｇ／Ｌの値が０．２以上１．０以下の範囲であれば、有機物の分解効率を高いレベルで維持できることが分かった。
【００２８】
これに対し、Ｇ／Ｌが０．２未満の場合、気泡が少なすぎて安定的にプラズマ放電を発生させるのが難しくなる。そのため、Ｇ／Ｌが０．２未満になると、有機物の分解効率が著しく下がってしまうと考えられる。一方、Ｇ／Ｌの値が１．０を超えると、被処理水に対する気泡の体積が大きくなってプラズマ放電により生じる活性種が被処理水に作用しにくくなるので、分解効率は、Ｇ／Ｌの値が大きくなるにつれてゆるやかに減少する。これに加え、Ｇ／Ｌの値が１．０を超えると、被処理水を流路内に送り込むポンプの負荷が大きくなるという不具合が出てくる。
【００２９】
従って、本実施形態の水処理装置では、Ｇ／Ｌの値を０．２以上１．０以下に調節することで、水の処理効率を高いレベルで維持しつつ、ポンプに過大な負荷がかかるのを防ぐことができる。なお、Ｇ／Ｌの値を０．５以上１．０以下に調節するとより安定してプラズマ放電を発生させることができるので、さらに好ましい。
【００３０】
次に、図５は、水処理装置における、メッシュ状電極を構成する導電線の直径と有機物の分解効率との関係を示す図である。本試験では、メッシュ状の電極を構成する導電線の直径を変化させた以外は、水処理装置の構成を図１に示す水処理装置と同様にした。また、各電極におけるメッシュ開口率は７０％とした。電極間には６ｋＶの電圧を印加した。分解効率は、色素（インジゴカーミン）を含む水５Ｌを流路内で循環させて処理し、得られた色素分解時間及び投入電力から算出した。
【００３１】
図５に示す結果から、電極を構成する導電線の直径（メッシュ線径）が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であれば安定してプラズマ放電を生じさせることができ、高い処理効率を維持できることが分かった。
【００３２】
導電線の直径が０．１ｍｍ未満であると、電極の剛性が低くなるとともに、電源電圧を一定とする場合に電界強度が強くなりすぎて火花（スパーク）が発生し、放電が不安定になる。一方、導電線の直径が０．５ｍｍを超えると、電界強度が弱くなるため放電が不安定になる。
【００３３】
従って、本実施形態の水処理装置においては、電極３ａ、３ｂを構成する導電線の直径（メッシュ線径）を０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とするのが好ましい。
【００３４】
図６は、メッシュ状の電極の配置方向と有機物の分解効率との関係を示す図である。同図において、「メッシュ電極垂直配置」と表記されているのが、本実施形態に係る水処理装置での結果である。本試験においては、電極間距離を１ｍｍとし、電極間には６ｋＶの電圧を印加した。分解効率は、色素（インジゴカーミン）を含む水５Ｌを図１に示す流路内で循環させて処理し、得られた色素分解時間及び投入電力から算出した。
【００３５】
図６に示す結果から、本実施形態の水処理装置によれば、針状電極を用いた従来の水処理装置に比べて約２倍程度も有機物の分解効率を向上させることができることが確かめられた。
【００３６】
有機物の分解効率が向上したのは、流路の構造や電極形状を上述のようにしたことによる効果に加え、メッシュ状の電極３ａ、３ｂを開放部１１の軸方向に対して垂直方向にしたこと、及び電極３ａ、３ｂのそれぞれが開放部１１の径方向断面全体を覆っていることによってプラズマと被処理水との接触効率をさらに高めたことによる効果があったものと考えられる。
【００３７】
また、本実施形態の水処理装置において、メッシュ状の電極３ａ、３ｂの開口率が５０％以上であれば、過度の圧力を加えることなく流路１内に被処理水１６を通すことができるので、好ましい。開口率が５０％を下回ると、被処理水１６が流路１の電極間を通過する際の抵抗が大きくなり、流路１の入口側に大きな圧力を加えなければ流路１内に被処理水１６を流すことができなくなるおそれがある。
【００３８】
また、電極３ａ、３ｂの構成素材の例としては、白金、白金−イリジウム合金、金、ダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、又は絶縁物により被覆された金属が挙げられる。
【００３９】
−実施形態の第１の変形例−
図７は、図１に示す水処理装置の第１の変形例の構成を示す断面図（左図）、及び当該水処理装置の電極形状を示す図（右図）である。左図は流路１の軸方向での断面を示している。
【００４０】
図７に示すように、本変形例に係る水処理装置では、プラズマ放電を生起させるための電極３ａ、３ｂが平板メッシュ状であり、開放部１１の軸方向に対して平行に配置されている。本変形例の水処理装置において、電極３ａ、３ｂの配置以外の構成は図１に示す実施形態の水処理装置と同様である。ただし、本変形例に係る水処理装置では、一例として絞り部上流領域７よりも上流側、及び開放部１１よりも下流側での流路１の内径を２０ｍｍとし、絞り部８の直径は８ｍｍ程度としている。
【００４１】
本変形例の水処理装置においても、図１に示す水処理装置と同様、高い処理能力を安定して発揮させるためには、電極３ａ、３ｂ間の距離を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ程度とすることが好ましい。なお、電極３ａ、３ｂ間の距離が０．７５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であれば処理能力をより高く維持したまま放電をさらに安定に生じさせることができるのでより好ましく、電極３ａ、３ｂ間の距離が１ｍｍ程度であれば最も好ましい。
【００４２】
メッシュ状の電極３ａ、３ｂを構成する導電線の直径が、図１に示す水処理装置と同様に０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であれば好ましい。
【００４３】
また、図７では、極性が同じ２つの電極３ｂの間に、極性が異なる１つの電極３ａが挟まれた例を示しているが、極性が相異なる平板メッシュ状の電極が交互に複数ずつ設けられていてもよい。好ましい電極間距離が設定されているので、電極が設置される箇所の流路１の内径が大きい場合、電極の数を増やすことが好ましい。
【００４４】
図７に示すように、本変形例に係る水処理装置においては、メッシュ状の電極３ａ、３ｂが開放部１１の軸方向に平行な方向に配置されていることによって、プラズマと被処理水１６とをより効率良く接触させることができるので、電極３ａ、３ｂを開放部１１の軸方向に対して垂直に配置した場合よりもさらに有機物の分解効率を向上させることが可能となっている。
【００４５】
−実施形態の第２の変形例−
図８（ａ）は、図１に示す水処理装置の第２の変形例の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、当該変形例に係る水処理装置の電極を示す分解斜視図であり、（ｃ）は、電極部分を正面方向から見た図である。
【００４６】
本変形例に係る水処理装置では、プラズマ放電を生起させるための電極２１ａ、２１ｂがメッシュ状且つそれぞれ径が異なる同心筒状であり、開放部１１の軸方向に対して平行に配置されている。本変形例の水処理装置において、電極２１ａ、２１ｂの配置以外の構成は図１に示す実施形態の水処理装置と同様である。ただし、本変形例に係る水処理装置では、一例として絞り部上流領域７よりも上流側、及び開放部１１よりも下流側での流路１の内径を２０ｍｍとし、絞り部８の直径は１０ｍｍ程度としている。
【００４７】
本変形例の水処理装置においても、図１に示す水処理装置と同様、高い処理能力を安定して発揮させるためには、電極２１ａ、２１ｂ間の距離を０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ程度とすることが好ましい。なお、電極２１ａ、２１ｂ間の距離が０．７５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であれば処理能力をより高く維持したまま放電をさらに安定に生じさせることができるのでより好ましく、電極２１ａ、２１ｂ間の距離が１ｍｍ程度であれば最も好ましい。
【００４８】
メッシュ状の電極２１ａ、２１ｂを構成する導電線の直径が、図１に示す水処理装置と同様に０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であれば好ましい。
【００４９】
図８に示すように、本変形例に係る水処理装置においては、電極２１ａ、２１ｂがメッシュ状且つ同心筒状であるので、断面が円形となる開放部１１の内壁と電極との間の隙間を均一且つ小さくすることができ、プラズマに触れずに流れる被処理水１６の量を減らすことができる。そのため、プラズマと被処理水１６とをさらに効率良く接触させることができるので、平板メッシュ状の電極３ａ、３ｂを開放部１１の軸方向に平行に配置した場合よりもさらに有機物の分解効率を向上させることが可能となっている。
【００５０】
なお、図８（ｂ）では、同極性の２つの筒状の電極２１ａの間に逆極性の筒状の電極２１ｂが配置されているが、電極２１ａ、２１ｂが設けられる箇所での流路１の内径に応じて、極性の異なる同心筒状の電極を交互に複数配置してもよい。
【００５１】
−その他の変形例−
図９（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す水処理装置の他の変形例に係る構成を示す図である。同図では、流路１と気体供給部９の形状を示しているが、電極３ａ、３ｂの図示は省略している。
【００５２】
図９（ａ）、（ｂ）に示すように、気泡５を発生させるための気体供給部９は、絞り部８の内壁に埋設されてもよく、管状あるいはスリット状等の吐出口が絞り部８内に開口していてもよい。また、図９（ｃ）に示すように、開放部１１内に内径が一定となる領域（図中に破線で示す領域）を設けて、当該領域に電極３ａ、３ｂを配置する等してもよい。
【００５３】
なお、以上で説明した本開示の実施形態及び変形例は、一例にすぎず、各構成部材の構造、形状等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上説明したように、本開示の一例に係る水処理装置は、洗濯機や冷蔵庫、その他水を使用する種々の機器の内部又は外部に設置される水浄化装置として利用できる。
【符号の説明】
【００５５】
３ａ、３ｂ、２１ａ、２１ｂ    電極
７      絞り部上流領域
８      絞り部
９      気体供給部
１０      気体
１１      開放部
１３      電源
１５      プラズマ放電
１６      被処理水
【図１】
2014113526.tif 000003
【図２】
2014113526.tif 000004
【図３】
2014113526.tif 000005
【図４】
2014113526.tif 000006
【図５】
2014113526.tif 000007
【図６】
2014113526.tif 000008
【図７】
2014113526.tif 000009
【図８】
2014113526.tif 000010
【図９】
2014113526.tif 000011