(57)【要約】【課題】塩素ガスを発生させない液体処理装置を提供する。【解決手段】２つの反応槽１１，１２は、液体１００を収容する。ピンホール２０は、２つの反応槽１１，１２に挟まれ、２つの反応槽１１，１２を連通する。電極対をなす第１電極３１、第２電極３２は、２つの反応槽１１，１２に設けられ、ピンホール２０を挟んで対向している。ピンホール２０の側壁２２に設けられた窒素供給路２４から窒素が供給可能となっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を収容する２つの反応槽と、
前記２つの反応槽に挟まれ、前記２つの反応槽を連通するピンホールと、
前記２つの反応槽に設けられ、前記ピンホールを挟んで対向する電極対と、
を備え、
前記ピンホールの側壁に設けられた窒素供給路から窒素が供給可能であることを特徴とする液体処理装置。
【請求項２】
前記２つの反応槽に挟まれるセラミクス層を備え、前記ピンホールは前記セラミクス層に形成され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２つの反応槽は、前記ピンホールに向かって狭くなるようにテーパーしていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体処理装置。
【請求項４】
前記液体は、各反応槽の前記ピンホールの近傍に設けられた供給口から供給され、各反応槽の前記供給口よりも電極側に設けられた排出口から排出されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液体処理装置。
【請求項５】
前記電極対には、交流電圧が印加されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の液体処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生活用水から工業用水、浄水から下水、プール用水をはじめとする液体を殺菌、脱色、脱臭するために液体処理装置が用いられる。従来の液体処理装置としては、オゾン、次亜塩素酸、次亜塩素酸イオン、二酸化塩素を主成分とする水溶液が広く利用されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１３６６４４号公報
【特許文献２】特開２０１６−８１６７６号公報
【特許文献３】国際公開ＷＯ２０１６−０３５３４２Ａ１号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】北野勝久、「プラズマ誘起液中化学反応における溶液中活性種の診断」、第77回応物秋季講演会、14p-A22-6(2016)
【非特許文献２】P. Lukes、「Aqueous-phase chemistry and bactericidal effects from an air discharge plasma in contact with water: evidence for the formation of peroxynitrite through a 」、Plasma Sources Sci., vol.23, (2014)015019
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の水処理に使用される水溶液は、高濃度になると人体への有毒性が懸念されるだけでなく、塩素臭やオゾン臭など、不快なにおいが問題となる。たとえば次亜塩素酸は、水道水や塩酸、塩化ナトリウム溶液を電気分解することによって生成することができ、長寿命で高い殺菌効果を得ることができる。しかしながら、次亜塩素酸による殺菌力を高めた場合には、発生する塩素ガスの残留により健康被害をもたらすおそれがあり、また周囲の金属に錆を発生させるなどの問題が懸念される。
【０００６】
本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、塩素ガスを発生させない液体処理装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は液体処理装置に関する。液体処理装置は、液体を収容する２つの反応槽と、２つの反応槽に挟まれ、２つの反応槽を連通するピンホールと、２つの反応槽に設けられ、ピンホールを挟んで対向する電極対と、を備える。ピンホールの側壁に設けられた窒素供給路から窒素が供給可能である。
【０００８】
電極対の間には、液体−気体−液体がこの順に存在する。この状態で、電極間に電圧を印加することにより、プラズマが発生し、ヒドロペルオキシルラジカル（ＨＯ２）を含む溶液（プラズマ水）を生成することができる。この態様では、塩素ガスの発生が抑制できる。
【０００９】
液体処理装置は、２つの反応槽に挟まれるセラミクス層を備え、ピンホールはセラミクス層に形成されてもよい。
【００１０】
２つの反応槽は、ピンホールに向かって狭くなるようにテーパーしていてもよい。
【００１１】
液体は、各反応槽内のピンホールの近傍に設けられた供給口から供給され、各反応槽の供給口よりも電極側に設けられた排出口から排出されてもよい。
【００１２】
電極対には、交流電圧が印加されてもよい。
【００１３】
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のある態様によれば、塩素ガスを発生させずに液体処理が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態に係る液体処理装置の基本構成を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、窒素供給のない場合のプラズマ形成を説明する図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、窒素供給した場合のプラズマ形成を説明する図である。
【図４】一実施例に係る液体処理装置の放電リアクタの斜視図である。
【図５】図４の放電リアクタの断面図である。
【図６】セラミクス層の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００１７】
図１は、実施の形態に係る液体処理装置２の基本構成を示す断面図である。液体処理装置２は、放電リアクタ１０、電源４および空気源６を備える。放電リアクタ１０は、第１反応槽１１、第２反応槽１２、ピンホール（細孔）２０、電極対をなす第１電極３１および第２電極３２を備える。
【００１８】
第１反応槽１１および第２反応槽１２は、液体１００を収容する。液体１００の種類としては、水道水、食塩水、海水などを用いることができるが、液体の導電率は水道水以上であること、またプラズマ発生によってｐＨ４程度に調整されることが好ましい。たとえば水道水に、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を加えて導電率を高めてもよい。
【００１９】
ピンホール２０は、第１反応槽１１と第２反応槽１２に挟まれ、第１反応槽１１と第２反応槽１２とを連通する。
【００２０】
第１電極３１および第２電極３２は、それぞれ第１反応槽１１および第２反応槽１２に設けられている。第１電極３１と第２電極３２は、ピンホール２０を挟んで対向している。第１電極３１と第２電極３２には、電源４が接続されており、高電圧が印加可能となっている。好ましくは高電圧は交流であってもよい。
【００２１】
ピンホール２０の側壁２２には窒素供給路２４が設けられている。窒素供給路２４には、空気源６が接続されており、この窒素供給路２４を介して窒素Ｎ２が供給可能となっている。
【００２２】
液体１００は、第１反応槽１１、第２反応槽１２それぞれに設けられた供給口ＩＮから供給され、排出口ＯＵＴから排出される。
【００２３】
以上が液体処理装置２の構成である。続いてその動作を説明する。
【００２４】
液体１００は、供給口ＩＮから第１反応槽１１および第２反応槽１２の内部に供給され、処理後の液体１００が排出口ＯＵＴから外部に排出される。液体１００は循環してもよい。
【００２５】
窒素供給路２４およびピンホール２０を通過して、第１反応槽１１および第２反応槽１２に窒素が供給される。ピンホール２０の内部には、主として窒素が充満しているが、液体１００も入り込んでいると考えられる。
【００２６】
第１電極３１と第２電極３２の間に高電圧を印加すると、第１反応槽１１側の液体１００Ａ、ピンホール２０内の窒素、第２反応槽１２側の液体１００Ｂを含む経路に電流が流れる。電流が流れることによりジュール熱が発生し、ピンホール２０の内部もしくは近傍の液体が蒸発して水蒸気の気泡１０２が発生する。そこにピンホール２０から窒素が供給され、それらが混ざり合い、水と窒素を含む気泡が形成される。あるいは、窒素の気泡に、ジュール熱により発生した水蒸気が溶け込む場合もあり得る。
【００２７】
このようにして生成された気泡に電圧がかかることにより、ピンホール放電が発生し、気泡１０２中にプラズマが発生し、亜硝酸（ＨＮＯ２）と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が共存する環境が生成される。亜硝酸と過酸化水素を酸性条件下におくと、ヒドロペルオキシルラジカル（ＨＯ２）が生成される。このヒドロペルオキシルラジカルを処理対象の液体と反応させることにより、殺菌効果を発揮する。
【００２８】
ヒドロペルオキシルラジカルの寿命は数秒であり、残留性が高い物質は生成されないという利点もある。
【００２９】
液体処理装置２の利点を明確化するために、ピンホール２０からの窒素供給のない場合のプラズマ形成の過程を説明する。
【００３０】
図２（ａ）〜（ｃ）は、窒素供給のない場合のプラズマ形成を説明する図である。図２（ａ）に示すように、液体１００に電圧を印加すると、ピンホール２０内に電流が流れ、ジュール熱が発生する。このジュール熱により図２（ｂ）に示すように液体１００（水）が蒸発し、気泡１０２が形成される。そしてこの気泡１０２に電圧がかかることにより、気泡１０２内にプラズマ１０４が形成される。このプラズマ１０４により、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）が形成される。
【００３１】
図３（ａ）〜（ｃ）は、窒素供給した場合のプラズマ形成を説明する図である。図３（ａ）に示すように、液体１００に電圧を印加すると、ピンホール２０内に電流が流れ、ジュール熱が発生する。このジュール熱により図３（ｂ）に示すように液体１００（水）が蒸発し、気泡１０２が形成される。そしてこの気泡１０２に、窒素供給路２４から窒素が供給されることにより、Ｎ２とＨ２Ｏを含む気泡１０６が形成される。この気泡１０６に電圧がかかることにより、気泡１０６内にプラズマ１０８が形成される。このプラズマ１０８により、過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）と亜硝酸（ＨＮＯ２）が形成される。プラズマ温度は３５００Ｋ程度であるため、オゾンは生成されていないと考えられる。
【００３２】
以上が液体処理装置２の動作である。この液体処理装置２によれば、塩素ガスの発生を抑制しつつ、ヒドロペルオキシルラジカルを含むプラズマ水を生成できる。
【００３３】
ピンホール２０から窒素ガスを供給する構成としたことにより、気泡を形成するエネルギーを小さくできるという効果も得られる。
【００３４】
本発明は、図１から、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や変形例を説明する。
【００３５】
図４は、一実施例に係る液体処理装置の放電リアクタ１０Ａの斜視図である。図５は、図４の放電リアクタ１０Ａの断面図である。図４，図５には、放電リアクタ１０の部分のみが示されており、電源４や空気源６は省略されている。図５は、図４の液体処理装置２Ａの斜視図である。放電リアクタ１０Ａは、第１反応槽１１側と第２反応槽１２側とで、対称に構成される。
【００３６】
放電リアクタ１０Ａは、２つの反応槽１１，１２に挟まれるセラミクス層４０を備え、ピンホール２０はセラミクス層４０に形成される。第１反応槽１１および第２反応槽１２の側壁部材１４，１６は、絶縁性の樹脂で形成される。２つの反応槽１１，１２の内部空間の内径は、ピンホール２０に向かって狭くなるようにテーパーしている。つまり、液体１００を収容する第１反応槽１１、第２反応槽１２の内部空間は、ピンホール２０を頂点とする円錐台（あるいは円錐）の部分を含んでいる。
【００３７】
さらにこの実施例において、第１電極３１は、第１反応槽１１のテーパーした側壁部材１４に沿う形状を有しており、したがって第１電極３１は、円錐台（あるいは円錐）の部分を有している。第２電極３２も同様である。
【００３８】
たとえばピンホール２０の直径φは数十μｍ〜数百μｍである。ピンホール２０の直径φは、窒素と水蒸気の気泡の混合気体を良好に生成できるように定めればよく、本実施例では、φ＝５００μｍであり、セラミクス層４０の厚みは１．５ｍｍである。
【００３９】
液体１００は、各反応槽１１（１２）のピンホール２０の近傍に設けられた供給口５０（５２）から供給され、各反応槽１１（１２）の供給口５０（５２）よりも電極３１（３２）側に設けられた排出口５４（５６）から排出される。
【００４０】
以上が液体処理装置２Ａの構成である。
【００４１】
第１電極３１（第２電極３２）および第１反応槽１１（第２反応槽１２）をテーパーさせることにより、径方向に関してピンホール２０の近傍に電流経路を局所的に形成できる。これにより、無駄な消費電力を低減できる。特に、液体処理装置２において、主に電力は、ピンホール放電が発生する際に気泡内に電流が流れることにより消費されるが、ピンホール放電の発生箇所と窒素の供給箇所を近づけることができるため、気泡の形成に要するエネルギーを抑制できる。
【００４２】
また、第１電極３１（第２電極３２）および第１反応槽１１（第２反応槽１２）のテーパー構造によって、ピンホール２０の近傍に液体が対流するのを防止し、供給口５０（５２）から排出口５４（５６）への水流を早めることができる。
【００４３】
さらにこの液体処理装置２Ａでは、側壁部材１４，１６を形成する絶縁体は、寄生キャパシタとなる。第１電極３１と第２電極３２の間に、矩形波電圧を印加すると、寄生キャパシタの影響により変位電流が流れる。この変位電流が過電流となると、回路素子の信頼性が低下する。図４の液体処理装置２Ａでは、側壁部材１４，１６のテーパー構造によって、寄生キャパシタを小さくすることができる。
【００４４】
図６は、セラミクス層４０の構成例を示す斜視図である。セラミクス層４０は、３層のセラミック円板４２，４４，４６の積層構造であり、それらの中心には、ピンホール２０に相当する開口２０Ａ〜２０Ｃが設けられている。中央のセラミック円板４４には、中央の開口２０Ｂから外周に向かうスリット４８が形成される。このスリット４８が、セラミック円板４２，４６に挟まれて、図４の窒素供給路２４が形成される。
【００４５】
図４の放電リアクタ１０Ａを備える液体処理装置２Ａにより生成された水溶液（殺菌液）を用いて、大腸菌の殺菌効果を確認する実験を行った。
【００４６】
この実験では、液体処理装置２Ａの第１反応槽１１、第２反応槽１２の内部に供給口ＩＮから、ｐＨ３．３に調整したクエン酸ナトリウム緩衝液を７２ｍｌ／ｍｉｎで供給した。クエン酸ナトリウム緩衝液は、導電率が高く、ｐＨが低いという特性を有する。窒素供給路２４には、１０ｍｌ／ｍｉｎの速度で窒素を供給した。第１電極３１と第２電極３２の間には、正極性のパルス電源を用いて、８ｋＶ、繰り返し周波数２０ｋＨｚ、パルス幅１μｓの矩形波の電圧を印加した。
【００４７】
続いて、放電リアクタ１０Ａから取り出した溶液（プラズマ水）１．９８ｍｌを試験管に入れ、そこに１０７ＣＦＵ／ｍｌの大腸菌懸濁液を０．０２ｍｌを混合した。混合開始から一定時間の経過後に、寒天培地上に大腸菌懸濁液を塗布し、恒温器の中で３７℃、２４時間静置培養をして大腸菌コロニーを計測し、殺菌評価を行った。その結果、２分後に大腸菌生存率は５桁減少した。
【００４８】
比較のために、第１電極３１と第２電極３２の間に電圧を印加せずに、放電リアクタ１０Ａにクエン酸ナトリウム緩衝液を供給して、得られた溶液を大腸菌と作用させたところ、同じ２分後に、大腸菌生存率は５０％であった。
【００４９】
このように、液体処理装置２Ａによれば、殺菌効果の高い溶液を生成することができる。液体処理装置２Ａはコンパクトに構成することが可能であるため、一般家庭、飲食店、手術室、食品製造工場、食品加工工場などさまざまな場所への設置に適している。液体処理装置２により生成した溶液を、食器や調理器具、医療器具に塗布、噴霧することにより、高い殺菌効果が発揮される。
【００５０】
実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
【符号の説明】
【００５１】
２…液体処理装置、１０…放電リアクタ、１１…第１反応槽、１２…第２反応槽、１４，１６…側壁部材、２０…ピンホール、２２…側壁、２４…窒素供給路、３１…第１電極、３２…第２電極、４０…セラミクス層、４…電源、６…空気源、１００…液体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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