(57)【要約】【課題】水位が不安定な水の表面で、沿面放電を広げることが可能な液体処理方法を提案するとともに、その方法に基づいた液体処理装置を提供することである。【解決手段】  充電された伝送線路の一端を短絡した時にパルス状の電圧が線路のもう一端に備えられた放電用高圧電極に印加される状況において，接地電極表面から液体層表面までの最短距離ｄ１を１０ｍｍ以下にすると共に、高圧電極から接地電極までの最短距離ｄ２とｄ１との間に、ｄ１＜３ｄ２の関係を維持させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
充電された伝送線路の一端を短絡した時にパルス状の電圧が線路のもう一端に備えられた放電用高圧電極に印加されることにより、高圧電極と対向する接地電極上に形成された液体層の表面に向かって放電を進展させることのできる液体処理装置であって，接地電極表面から液体層表面までの最短距離ｄ１が１０ｍｍ以下であると共に、高圧電極から接地電極までの最短距離ｄ２とｄ１との間に、ｄ１＜３ｄ２の関係が成立することを特徴とする液体処理装置。
【請求項２】
前記パルス電圧の波頭部が脈動することにより，１回の短絡により電圧印加と休止を交互に繰り返すことができる伝送線路を用いており，脈動の一周期中における印加期間が２０ナノ秒以上かつ３マイクロ秒以下であることを特徴とする請求項１に記載の液体処理装置。
【請求項３】
前記伝送線路の一端と放電用高圧電極との間に，直流遮蔽用ＲＣ回路が組み込まれていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の液体処理方法および液体処理装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の液体処理装置を用いて、液体組成の変化もしくは液体の滅菌を促進させる液体処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、液体処理装置および液体の処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  放電が水中もしくは水面で起きると、放電のエネルギーにより生ずる紫外光や、強い酸化力を有するヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が生成され、その結果として水中に含まれる有害性物質の分解や、細菌類の死滅が促進される。放電場に大電力を投入して電離現象を引き起こすための手法としては、金属電極へ高電圧を印加する方法が一般的である。ただし直流や交流正弦波の高電圧を印加した場合、水の導電性が絶縁油などのそれと比べて高ことが原因で、放電場における熱損失が極めて大きくなるため、結果として水処理におけるエネルギー効率の低下を招く。このことから効率よく放電を引き起こすために、ナノ秒領域で急激な電界の変化を引き起こす高電圧パルスを瞬間的に印加するという方法がよく用いられる。【０００３】  水処理におけるエネルギー効率を高めるために検討すべきもうひとつの重要な課題は、如何にして放電の進展する範囲を広げるかという点である。放電用の高圧電極と接地電極を水中に沈め、水中で放電を引き起こすよりも、高圧電極を水の表面付近に配置した状態のもとで水面に沿って放電を引き起こす方が、その進展範囲を拡大しやすい。したがって、この沿面放電を利用した水処理方法が現実的である（例えば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】  古田、栃久保：「水上パルス沿面放電による廃水へのＯＨ供給方法の検討」、平成１５年電気学会全国大会講演論文集［１］、１−０３３、ｐｐ．４３（平成１５年３月１７日発行）
【０００４】  沿面放電を利用する場合の接地電極の位置としては、高圧電極と同じく水の表面付近に配置するか、水中に沈めた状態で高圧電極と対向させるかのどちらかである。具体的に言うと、水面に対して垂直に立てられた針状の高圧電極を中心軸にして、リング状の接地電極が水面に配置されたような構成が前者であり、水表面付近の針状の高圧電極と対向して、水面下に板状の接地電極が沈んでいる形態が後者である。前者の利点は、高圧電極から接地電極に向かう方向が水面に沿っているので、簡単に沿面放電を起こし易いという点である。一方後者の利点は、水深を小さくすることにより、高圧電極から伸びる放電の先端部と接地電極との距離が常に小さくなるため、放電路先端部の電界強度を容易に高めることができるという点である。先端部の電界強度が高い程、高電界領域における衝突電離作用は活発化するので、高いエネルギーを有する電子が多くなり、結果として水処理の効率を高めることができる。【０００５】  しかし水面直下に接地電極を配置すると、条件によっては放電が沿面方向へ進まず垂直に伸び、結果として水の絶縁破壊に至る場合がある。絶縁破壊すると電極間が短絡されてしまうので放電が水面に沿って広がることができないため、処理能力の低下を引き起こす。特に問題となるのは、水深が大きくなりすぎて、高圧電極先端が液体中に浸かったような状態になると、電極先端からのストリーマが水中を進展するために絶縁破壊が起きやすいという欠点である。このことは、大量に流れる水を処理する場合においても、水深を極めて精密に調整した状態を維持しない限り、沿面放電を安定して引き起こすことができないことを意味する。ストリーマ放電が液層と気層の界面を進む速度は液体中を進む速度よりも高いことから、液体中を放電路が橋絡する以前に印加を終了すれば、液体の絶縁破壊を防ぐことができる。すなわち絶縁破壊を未然に防ぐためのひとつの手段として、パルスの幅を十分小さくする方法が挙げられる。しかし、１回の印加による放電期間が短くなりすぎると、ヒドロキシラジカルの生成量が減少するため、結果的に高い処理能力を得ることが難しくなる。すなわち多少の水位変化に影響を受けることなく、安定して沿面放電を引き起こすことができると共に、十分な処理能力を有する水処理方法を新たに提供する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本発明が解決しようとする課題は、水位の変化に影響を受けることなく安定して沿面放電を広げることが可能な液体処理方法およびその方法に基づいた液体処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明は上記の課題を解決するために、以下に示す（１）から（４）のように構成された放電発生装置および放電発生方法を提供するものである。
（１）  充電された伝送線路の一端を短絡した時にパルス状の電圧が線路のもう一端に備えられた放電用高圧電極に印加されることにより、高圧電極と対向する接地電極上に形成された液体層の表面に向かって放電を進展させることのできる液体処理装置であって、接地電極表面から液体層表面までの最短距離ｄ１が１０ｍｍ以下であると共に、高圧電極から接地電極までの最短距離ｄ２とｄ１との間に、ｄ１＜３ｄ２の関係が成立することを特徴とする液体処理装置。
（２）  前記パルス電圧の波頭部が高速で脈動することにより、１回の短絡により電圧印加と休止を交互に繰り返すことができる伝送線路を用いており、脈動の一周期中における印加期間が２０ナノ秒以上かつ３マイクロ秒以下であることを特徴とする（１）に記載の液体処理装置。
（３）  前記伝送線路の一端と放電用高圧電極との間に、直流遮蔽用ＲＣ回路が組み込まれていることを特徴とする（１）または（２）のいずれかに記載の液体処理方法および液体処理装置。
（４）  （１）ないし（３）のいずれかに記載の液体処理装置を用いて、液体組成の変化もしくは液体の滅菌を促進させる液体処理方法。【０００８】  本発明は、高速で繰り返されるパルスを印加する時に、接地電極表面から液体層表面までの最短距離ｄ１が１０ｍｍ以下であると共に、高圧電極から接地電極までの最短距離ｄ２とｄ１との間にｄ１＜３ｄ２の関係を成立させることによって、常に絶縁破壊することなく安定した水処理を可能にするという作用を有する。
【発明の効果】
【０００９】  コンデンサと伝送線路に蓄積された静電エネルギーを瞬時に取り出して、コンデンサと直列に接続された高圧電極へ高電圧パルスを印加する際に、伝送線路の終端を直接接地すると、接地部でのインピーダンス不整合が原因で進行波の負の全反射が起きるために、進行波は伝送線路中を極性反転しながら往復することができる。すなわち本発明の液体処理装置は、立ち上がりの急峻なパルス電圧の印加と休止を高速で繰り返すことができるため、瞬時に伸びる沿面放電は繰り返し起きるものの、比較的ゆっくりと成長する水中での放電は伸びないので、広い範囲で液体を放電にさらすことが可能となる。特に、電極間距離と水深との関係を特許請求範囲に記載の条件下に設定することにより、優れた水処理能力を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】  本発明に係るひとつの実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１に液体処理装置の構成を示す。図１において液体処理装置のひとつの実施形態として、伝送線路１３２、コンデンサ１３３、短絡用スイッチ１３４、直流電源１３５、高抵抗１３６、放電用高圧電極１３７、接地電極１３８、高抵抗１３９、水槽１４０、水循環用ポンプ１４１が用いられた。本実施形態においては、放電処理能力を判定するために、青色染料のひとつであるインジゴカルミンが混入された水溶液を試験液として用い、色素分解状態の尺度として水溶液の脱色率を測定し，この時間変化から水処理能力を求めるという評価を行ったが、この評価手法については本発明における必須の要件ではない。さらに本実施においては、電圧や電流を計測するための各種プローブとオシロスコープや、水の吸光度を計測するための分光器や光検出器などが使用されたが、これら観測系の種類、その相対配置などはこの発明における必須の構成要件ではないので、図１中への記載はなされていない。【００１１】  図１の実施形態においては、単位長あたりの静電容量１０００ｐＦ、特性インピーダンス５２Ωの同軸ケーブルを伝送線路として用いたが、特性インピーダンスが一定である伝送線路であれば他のものを用いても良く、例えば平行平板よりなるストリップ線路などを用いることもできる。伝送線路の本数は１本でも良いが、線路全体の静電容量を大きくするために、同一長さの伝送線路を複数本並列にしてコンデンサと接続することもできる。また電界集中の起き易い線路端部において、二つの導体間に介する絶縁層の厚さをテーパー状に広げ、端部絶縁層の破壊を抑止していると共に、ひだ付きの絶縁物を導体間の端部に挿入することにより、線路端部での沿面放電を抑止している。【００１２】  図１の実施形態における短絡用スイッチ１３４は、回転軸１３４ａおよび回転電極１３４ｂを主たる構成要素とした。回転軸１３４ａには少なくともひとつの回転電極１３４ｂが取り付けられ、一定周期にてケーブル終端部との電気的接続が可能となっている。本実施例においては、回転軸１３４ａに合計４個の回転電極１３４ｂが取り付けられ、スイッチング周波数が５０Ｈｚとなるように回転速度が調節された。回転軸１３４ａはモータ（図示省略）により駆動された。短絡用スイッチとしては、この他に固体素子よりなる高電圧用半導体スイッチを用いることもできる。【００１３】  図１の実施形態における高圧電極１３７は、直径０．５ｍｍで先端の曲率半径０．１ｍｍの針電極としたが、この他にも櫛形電極、刀状電極、のこぎり状電極等を用いることもできる。接地電極としては直径１５０ｍｍ厚さ２ｍｍのステンレス製円板を用いた。接地電極としてはこれ以外にも、メッシュ状の金属シートを水中に沈めた状態で用いても良く、また細径の金属棒やパイプを等間隔に並べたものを用いても良い。コンデンサ１３３としては、周波数応答特性や耐電圧特性の良いコンデンサを用いるのが良く、セラミックコンデンサを用いるのが好ましいが、その他にもオイルコンデンサやフィルムコンデンサなどを用いることもできる。高抵抗１３９は、コンデンサの充電を速やかに行うために必要であり、その値は少なくとも５０��Ω以下であるのが好ましく、さらに好ましくは１０ｋΩから１ＭΩの範囲に設定するのが良い。ただし放電用電極間に満たされた媒質自身の電気絶縁性が低い場合には、媒質自身が抵抗体の役割を果たし得るので高抵抗１３９を省略することもできる。【００１４】  本発明の作用・効果を確認するために、１リットルのインジゴカルミン水溶液（濃度２．６６×１０−５ｍｏｌ／ｌ）をポンプで循環しながら接地電極上に流した状態のもと沿面放電に曝し、この時の脱色率の変化を様々な条件の下で追跡した。脱色率は以下の方法により算出した。波長６３０ｎｍの単色光が試験液を透過する割合を定期的に測定し，あらかじめ調べておいた透過率と濃度の換算グラフからインジゴカルミンの未反応分の濃度の時間変化を求めた。そして各時間における未反応濃度と初期濃度との比を脱色率とした。試験液の循環速度は毎分０．５リットルとし、伝送線路１３２およびコンデンサ１３３の充電電圧は−１０ｋＶとした。実施例１から実施例７、および比較例１から比較例４までのそれぞれにおける実施条件を以下に示す。
【実施例１】
【００１５】  同軸ケーブルの長さ５０ｍ、コンデンサの容量１０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長３ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深１．５ｍｍとして、放電処理を１時間継続し、その間の脱色率を５分毎に測定した。
【実施例２】
【００１６】  同軸ケーブルの長さ５０ｍ、コンデンサの容量１０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長３ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深３ｍｍとして放電処理を１時間継続し、その間の脱色率を５分毎に測定した。
【実施例３】
【００１７】  同軸ケーブルの長さ５０ｍ、コンデンサの容量１０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長３ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深８ｍｍとして放電処理を１時間継続し、その間の脱色率を５分毎に測定した。
【実施例４】
【００１８】  同軸ケーブルの長さ５０ｍ、コンデンサの容量１０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長１０ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深１．５ｍｍとして放電処理を１時間継続し、その間の脱色率を５分毎に測定した。
【実施例５】
【００１９】  同軸ケーブルの長さ２００ｍ、コンデンサの容量１０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長３ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深３ｍｍとして放電処理を１時間継続し、その間の脱色率を５分毎に測定した。
【実施例６】
【００２０】  同軸ケーブルの長さ１０ｍ、コンデンサの容量４０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長３ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深３ｍｍとして放電処理を１時間継続し、その間の脱色率を５分毎に測定した。
【実施例７】
【００２１】  同軸ケーブルの長さ５０ｍ、コンデンサの容量１０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長３ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深３ｍｍの条件のもとで放電処理を２０分間継続した後、放置した。この放置期間における脱色率を１時間毎に測定した。
【比較例１】
【００２２】  同軸ケーブルの長さ５０ｍ、コンデンサの容量１０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長３ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深１２ｍｍとして、放電処理を１時間継続し、その間の脱色率を５分毎に測定した。
【比較例２】
【００２３】  同軸ケーブルの長さ５０ｍ、コンデンサの容量１０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長３ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深１８ｍｍとして放電処理を１時間継続し、その間の脱色率を５分毎に測定した。
【比較例３】
【００２４】  同軸ケーブルの長さ１ｍ、コンデンサの容量６０００ｐＦ、高圧電極と接地電極のギャップ長３ｍｍ、接地電極上に形成された流水層の水深３ｍｍとして放電処理を１時間継続し、その間の脱色率を５分毎に測定した。
【比較例４】
【００２５】  パルス発生器および高圧電極を除去し、その代わりに定格電力４０ワットの低圧水銀ランプを平板電極の上部１０ｍｍの位置に配置した。ランプから放射される波長２５４ｎｍの紫外線を水深３ｍｍの流水層に定常的に２０分間照射した後、放置した。この放置期間における脱色率を１時間毎に測定した。
【００２６】  以下に結果を示す。図２は実施例１、実施例３、実施例４および比較例１のそれぞれにおける、脱色率の時間変化を示すグラフである。これら実施例における電極構成と水深は、特許請求範囲に記載の条件を満たしているのに対して、比較例１のそれは、接地電極表面から液体層表面までの最短距離ｄ１と、高圧電極から接地電極までの最短距離ｄ２との関係が、ｄ１＝４ｄ２であり、特許申請の範囲から外れている。実施例１、実施例３および実施例４においては、沿面放電が広がった結果、グラフに示すように時間の経過と共にインジゴカルミンの酸化反応が進行した。これに対して比較例１と比較例２の場合、沿面放電の規模は小さかったため脱色の進行はきわめて遅かった。
【００２７】  図３は、実施例２、実施例５、実施例６および比較例２のそれぞれにおける、印加電圧波形である。これら実施例におけるパルス電圧の繰り返し周期は、特許請求範囲に記載の条件を満たしているのに対して、比較例１の周期は、理論上２ナノ秒となり特許申請の範囲から外れている。実際に計測された図３の波形からもわかるように、そのような高い周波数の繰り返しパルスは瞬時に減衰してしまうため、結果的には単なるステップ電圧が印加されたのと同じとみなすことができた。図４は実施例２、実施例５、実施例６および比較例３のそれぞれにおける、脱色率の時間変化を示すグラフである。実施例２、実施例５および実施例６においては、沿面放電が広がった結果、グラフに示すように時間の経過と共にインジゴカルミンの酸化反応が進行した。ただし実施例６においてのみ、沿面放電が広がらずに電極間での絶縁破壊が起きるという現象が時々認められた。実施例６の繰り返しパルスの幅は２マイクロ秒であり本実施例の中では最も長い。つまりこのことは，これ以上パルスの周期が長くなると，パルス印加中に水中放電が伸びて絶縁破壊する傾向が高まることを意味している。一方、比較例２の場合、沿面放電が広がらないのはもちろんのこと、絶縁破壊さえも起きずに脱色の進行は全く認められなかった。線路とコンデンサの充電電圧をさらに大きく設定した場合についても観測したところ、電極間での絶縁破壊が繰り返し起きるだけで、沿面放電が伸びることは全く無く、試験液の脱色は進行しなかった。
【００２８】  図５は、実施例７および比較例４のそれぞれにおける、脱色率の時間変化を示すグラフである。２０分間の処理を終えた時点での脱色率は、どちらも約６０％であった。ただし実施例７においてのみ、その後の放置期間中も徐々に脱色が進行し１２時間後には完全に脱色されるに至った。一方比較例４においては、放置期間中に脱色反応が進行することは全く無かった。
【産業上の利用可能性】
【００２９】  本発明に係る液体処理装置を利用すれば、多少の水位の変化に対して影響を受けることなく、沿面放電を広い範囲に進展させることが可能であるので、大量に流れる水を処理に有効である。例えば、浴場施設で使われる水の殺菌処理や、工場から排出される有機化合物を含む廃液の分解処理などへ利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】液体処理装置を示す構成図である。
【図２】放電処理時における試験液の脱色率の時間変化を示すグラフである。
【図３】放電用高圧電極に印加される電圧波形を示すグラフである。
【図４】放電処理時における試験液の脱色率の時間変化を示すグラフである。
【図５】放電処理後の放置期間における試験液の脱色率の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】  １３２      伝送線路
１３３      コンデンサ
１３４      短絡用スイッチ
１３５      直流電源
１３６      高抵抗
１３７      高圧電極
１３８      接地電極
１３９      高抵抗
１４０      水槽
１４１      液体循環用ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2006247632.tif 000006
【図５】
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