(57)【要約】【課題】  原液の紫外線透過率に対応して必要な紫外線照射量を照射可能な紫外線照射方法及び装置を提供する。【解決手段】  紫外線照射対象の原液３を螺旋状の紫外線透過性を有するスパイラルチューブ２２に流通し、スパイラルチューブ２２の螺旋の外側にから紫外線を原液に照射する紫外線照射方法において、原液３に気体を吹込むことを特徴とする。気体は、空気、酸素ガス（オゾンを含む）、炭酸ガス、不活性ガス、又は原液中の特定物質を光化学反応で目的物質を生成、分解又は化学変化をするのに適した特定ガスの中から選択した少なくとも１つの気体である。さらに、光化学反応を利用する場合は、微細な光触媒を原液に添加することが望ましい。【選択図】  図１
2018122044.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外線照射対象の原液を螺旋状に巻かれた紫外線透過性を有するスパイラルチューブに流通し、該スパイラルチューブの螺旋の内側と外側の少なくとも一方から紫外線を前記原液に照射する紫外線照射方法において、
前記原液に気体を吹込むことを特徴とする気泡攪拌式の紫外線処理方法。
【請求項２】
前記気体は、空気、酸素ガス、炭酸ガス、不活性ガス、又は前記原液中の特定物質を光化学反応で目的物質を生成、分解又は化学変化をするのに適した特定ガスの中から選択した少なくとも１つの気体であることを特徴とする請求項１に記載の気泡攪拌式の紫外線処理方法。
【請求項３】
前記光化学反応を促進するために、前記原液にフィルタ膜でろ過可能な微細粒径の光触媒粒子を添加することを特徴とする請求項２に記載の気泡攪拌式の紫外線処理方法。
【請求項４】
被処理対象液体である原液を供給する原液供給配管と、該原液供給配管を流れる前記原液に気体を吹込む気体吹込み装置と、該気体吹込み装置から原液中に吹き込まれた気体の気泡を含む原液が流通される螺旋状に巻かれた紫外線透過性を有するスパイラルチューブと、該スパイラルチューブの螺旋の内側と外側の少なくとも一方に配置された紫外線光源とを備えてなる気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項５】
前記気体は、空気、酸素ガス、炭酸ガス、不活性ガス、又は前記原液中の特定物質を光化学反応で目的物質を生成、分解又は化学変化をするのに適した特定ガスの中から選択した少なくとも１つの気体であることを特徴とする請求項４に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項６】
前記気体吹込み装置は、前記気体を気泡にして前記原液供給配管を流れる前記原液に注入する散気ノズルであることを特徴とする請求項５に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項７】
前記気体吹込み装置は、前記気体を圧縮して前記散気ノズルに供給する圧縮機を備えてなることを特徴とする請求項６に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項８】
前記気体吹込み装置は、前記原液供給配管に設けられたバイパス配管と、該バイパス配管に設けられたエジェクタを備えてなり、該エジェクタは、前記原液が流通される絞り部と、該絞り部の内面に開口して設けられた吸込み口とを有し、該吸込み口を気体供給源に接続してなることを特徴とする請求項５に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項９】
前記スパイラルチューブは、支持パイプの外周面に螺旋状に巻き付けて支持され、前記紫外線光源は前記スパイラルチューブの螺旋の外側に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項１０】
前記スパイラルチューブは、並列接続された複数のスパイラルチューブから形成され、該複数のスパイラルチューブは、前記支持パイプの外周面に並べて一重に螺旋状に巻き付けて支持されていることを特徴とする請求項９に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項１１】
前記原液は、前記原液供給配管に設けられた流量調整弁を介して前記スパイラルチューブに供給され、
前記気体は、流量調整弁を介して前記前記気体吹込み装置に供給されることを特徴とする請求項６ないし８の何れか１項に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項１２】
前記原液が水であり、前記気体がオゾンであることを特徴とする請求項４に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項１３】
さらに、前記スパイラルチューブから排出される処理水の送水管に圧力調整弁を設け、
該圧力調整弁を調節することにより、前記スパイラルチューブの内圧を高めて、前記スパイラルチューブ内の前記水の溶存ガス濃度を設定濃度に高めることを特徴とする請求項４に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【請求項１４】
前記原液は、フィルタ膜でろ過可能な微細粒径の光触媒粒子を含む原液であることを特徴とする請求項４に記載の気泡攪拌式の紫外線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気泡攪拌式の紫外線照射方法及び装置に係り、特に、被処理液である原液に紫外線を照射して原液中の病原体を死滅又は不活化して無害化する技術、あるいは原液に紫外線を照射して原液中の特定成分を光化学反応により変性させる光化学反応技術、例えば目的成分の生成、合成、異性化、酸化、重合する技術、又は分解するなどの技術に用いる紫外線照射方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線照射装置は、例えば、ヒトを含む動物の健康を損なう恐れがある細菌（細菌などの生物やウイルス）等の病原体が含まれる飲料液体、食品、それらに添加する添加物など(以下、液状食品等という。)に、紫外線を照射して液状食品等に含まれる病原体を無害化するのに用いられる。また、液状食品等に、紫外線を照射して液状食品等に含まれる特定成分を光化学反応により、有用成分（例えば、ビタミンなど）を生成させ、あるいは味や臭いに影響する成分を生成又は化学変化させるのに用いられる。さらに、光化学反応技術には、紫外線により特定成分の合成、異性化、酸化、重合、又は特定成分の分解などの技術がある。
【０００３】
また、病原体の無害化技術と光化学反応技術を区別せず、それらを複合的に利用する技術が提案されている。例えば、水（用水、上水、下水、再生水、排水、等）に含まれる病原体を紫外線照射により無害化する。さらに、それらの水に含まれる有機物などの特定成分（有害物等）に紫外線を照射して、有害物を光化学反応により分解して無害化するために、それらの水にオゾンを注入し、オゾンの光化学反応を促進して効率的に水を無害化することが提案されている。
【０００４】
ところで、病原体を無害化する技術において、例えば、スラリー状のものを含む液状食品等の場合は、塩素やオゾンなどの薬液等による処理が適さないもの、あるいは所定の加熱温度では無害化できない病原体、例えば芽胞などが含まれているものがある。特に、液状食品等を所定温度以上に加熱すると、味、香り、風味が変質して液状食品等の価値が損なわれるものがある。
【０００５】
これに対し、紫外線照射による病原体の無害化処理は、基本的に液状食品等を加熱して病原体を無害化するものではないから、加熱に比べて一般的に設備費や維持費が安価であるという利点がある。ところが、紫外線照射による病原体の無害化処理は、処理対象の原液全体で考えると、全ての原液が紫外線照射を均等に受けることは、原理上難しい。すなわち、原液全体を微小流体隗（要素）に分割して考えると、原液が流通される装置の流路内における微小流体隗の流通経路、その流通経路に照射される紫外線照射量の違いなどによって、それぞれの微小流体隗が受ける紫外線照射量は異なってくる。
【０００６】
一般に、原液全体の微小流体隗ごとの紫外線照射量を収集して統計処理すると、全微小流体隗の紫外線照射量は分布（例えば、正規分布）したものとなる。この紫外線照射量分布は、例えば、原液の紫外線透過率が低くなるほど紫外線照射量の分布幅（通常、半値幅で表す。）が大きくなる。したがって、紫外線照射量の分布幅が大きいと、紫外線照射量が低照射量の微小流体隗が多くなり、紫外線照射装置から排出される原液全体でみると、所定の紫外線照射量の処理を受けないで排出されるという不都合がある。そこで、所定の紫外線照射量の処理を施すことができる紫外線照射量分布となるように、紫外線照射方法及び装置の性能設計をする必要がある。
【０００７】
ここで、紫外線照射量分布の技術的な意味について、さらに説明する。紫外線照射装置の流路に連続して原液を流通して紫外線を照射する場合、原液が受ける紫外線照射量は原液が通過する流路内の位置（主として、紫外線光源からの距離）における紫外線強度、及びその紫外線強度の紫外線を原液が受光する時間（滞留時間）によってまちまちになる。例えば、紫外線照射装置の流路内の原液の流れを動的に解析するため、周知の有限要素法などの手法を用い、解析要素として原液の流れに微小流体塊を設定する。また、微小流体塊が受ける紫外線照射量は、微小流体塊が流通する微小流路における紫外線強度と、その微小流路を通過する時間である微小滞留時間との積に相関する。そこで、原液が紫外線照射装置に流入してから流出されるまで流通する微小流路における紫外線強度と微小滞留時間に基づいて、微小流体塊ごとに紫外線照射量の積算値を求めて各微小流体隗の紫外線照射量を得る。これにより、原液全体の各微小流体塊が受ける紫外線照射量の集合が得られ、これにより原液全体の各微小流体塊の紫外線照射量の分散を統計的に求めることによって、原液全体の微小流体塊の紫外線照射量の分布が分かる。
【０００８】
例えば、原液の紫外線透過率が高い場合は、紫外線が原液にほとんど吸収されないので、原液が通過する微小流路の位置（紫外線光源からの距離）にかかわらず、微小流体塊が受光する紫外線強度はほぼ一様となる。そのため、どの位置の微小流路を通過しても、微小流体塊が受ける紫外線強度の差は比較的小さいから、原液全体の微小流体塊の紫外線照射量分布の幅が比較的狭くなる。これにより、紫外線が原液全体に均一に照射されていることが分かる。
【０００９】
一方、原液の紫外線透過率が低い場合は、紫外線が原液に大きく吸収される。そのため、微小流体塊が紫外線の光源に近い位置を通過するほど受光する紫外線強度が指数関数的に増大する。逆に、紫外線の光源から遠い位置を流通する微小流体塊は、途中の光路の他の微小流体隗で紫外線が吸収されることから、受光する紫外線強度は指数関数的に低下する。そのため、紫外線透過率の高い原液に比べて原液全体の紫外線照射量分布の幅は広くなる。その結果、原液全体に対する紫外線照射量が不均一で、所定の紫外線照射量が照射されず、原液全体として無害化率等の紫外線処理効果が得られないことがある。
【００１０】
ここで、原液全体としての病原体の所定の無害化率や分解率などの処理効果を得ることを前提とすると、紫外線照射量分布の幅が広い場合は、低照射量部においても所定の紫外線照射量を確保する必要がある。そのため、原液の紫外線透過率が低いほど、滞留時間を増加させるか、紫外線光源の数や紫外線強度を増大させるなどにより、原液全体の紫外線照射量を増加させる必要がある。
【００１１】
しかし、単純に紫外線光源の数や紫外線強度を増大させると、紫外線照射量分布の高照射量部（特にピーク部）の紫外線照射量が過大となると、味、香り、風味などの液状食品等の価値を損なうとともに、コストパフォーマンスを低下させる原因となる。そのため、高照射量部（特にピーク部）の紫外線照射量を増大させることなく、紫外線照射量分布を改善する技術開発が要請される。例えば、上水などは、一般に紫外線の透過率が高いので、コストパフォーマンスが十分に高いことから、紫外線照射による殺菌あるいは無害化の技術が一般に広く用いられている。しかし、液状食品等の原液は、紫外線透過率が極めて小さいものから中程度のものなど広く分布しているため、殺菌、無害化、分解等に適用するために、紫外線照射量分布を改善するなどの紫外線照射に係る技術の改良・工夫が要望される。
【００１２】
一方、光化学反応に利用される紫外線照射装置の場合も、光化学反応処理の対象となる原液は、紫外線透過率が極めて小さいものから中程度のものなど広く分布するため、液状食品等と同様に紫外線照射量分布を改善するなどの紫外線照射に係る技術の改良・工夫が要望されている。
【００１３】
例えば、特許文献1には、紫外線を照射する原液が流通される紫外線透過性のスパイラルチューブの径を細くし、かつ螺旋状に巻いて形成された紫外線照射装置が提案されている。これによれば、スパイラルチューブの径が細いから、紫外線透過率が低い原液でもスパイラルチューブの中心部の原液に照射される紫外線照射量を高く確保できる。これにより、紫外線照射量分布を改善、すなわち紫外線照射量分布の幅を狭くすることができる。また、螺旋状のスパイラルチューブを流れる間に、螺旋流による遠心力等の作用により原液が攪拌され、その攪拌作用により紫外線透過率が低い原液でもスパイラルチューブの紫外線が照射される壁面近傍を流通する確率が高くなる。その結果、紫外線照射量分布の幅を狭くすることができ、その結果として原液全体の紫外線照射量を増加させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１３−１５８７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、特許文献1に記載された紫外線照射装置は、紫外線透過率が低い原液であっても、紫外線照射量を増大させることができるが、さらに紫外線透過率が低い原液に対する紫外線照射量を増大させるとともに、紫外線照射量分布の幅を狭くすることが望まれている。すなわち、無害化対象又は光化学反応対象の原液には、紫外線透過率が極めて小さいものから中程度のものなど広く分布している。言い換えれば、原液そのものあるいは原液に含まれる懸濁物質や、その濃度の違い等によって、紫外線透過率（あるいは紫外線吸収率）が種々異なっている。そこで、それら原液の紫外線透過率に対応して、紫外線照射量分布をさらに改善し、原液全体として所定範囲の紫外線照射量を照射可能な紫外線照射方法及び装置が要望されている。
【００１６】
ところで、上述では、原液の紫外線透過率に基づいて、原液に照射される紫外線照射量という用語を用いて説明したが、本発明に係る技術分野では、原液中の特定物質あるいは気体（ガス）等に吸収された紫外線量という概念の紫外線吸収量という用語が用いられる場合がある。また、これに対応する紫外線吸収量分布という用語も用いられる。原液中の病原体の無害化技術の場合は、微小流体隗の単位表面積当たり（例えば、紫外線ランプのＵＶ出力換算で、ｍｊ／ｃｍ２）の紫外線照射量で評価するのが一般的である。一方、原液中の特定物質の光化学反応技術の場合は、微小流体隗の単位体積当たり（例えば、紫外線ランプのＵＶ出力換算で、ｍｊ／ｃｍ３）の紫外線吸収量で評価するのが一般的である。
【００１７】
しかし、病原体の無害化技術の場合であっても、原液の紫外線透過率が低い場合は、光源から遠い微笑流体隗が受ける紫外線量は途中の微小流体隗で吸収されるから、原液の紫外線吸光度の概念を用いる方が適切に説明できる。
【００１８】
紫外線透過率ＵＶＴは、紫外線照射対象である原液の紫外線吸光度αの関数で次式（１）のように表される。
ＵＶＴ=１０―α            （１）
吸光度αは、紫外線が原液を透過する際に吸収される度合いを示す値であり、（１）式から明らかなように、吸光度αが大きくなるにつれて、紫外線透過率ＵＶＴが指数関数的に減少する。つまり、紫外線透過率は紫外線吸光度と表裏の関係にあるから、紫外線照射技術においては実質的に同様の概念である。したがって、病原体の無害化技術の場合は、紫外線が病原体である菌等に照射されて病原体が死滅又は不活化されるが、光源からの距離に応じた原液の紫外線吸光度に応じて微小流体隗の表面に照射される紫外線照射量が低下する。そこで、原液の紫外線吸光度を考慮し、光源からの距離によって変化する紫外線照射量を評価するのが好ましい。特に、本発明は、紫外線透過率が低い、つまり紫外線吸光度が高い原液（スラリーなども含む）を処理対象とする場合は、紫外線が原液で吸収されるので、光化学反応技術に適用しない場合であっても、原液の紫外線吸光度を考慮して対応する必要がある。
【００１９】
そこで、本明細書においては、紫外線透過率に代えて紫外線吸収量という用語を用いて本発明を説明するものとする。また、紫外線吸収量分布は、紫外線吸光度を考慮した場合の紫外線照射量分布と実質的に同義であるから、紫外線照射量分布という用語を用いて説明するものとする。
【００２０】
本発明が解決しようとする課題は、紫外線照射対象の原液を紫外線透過性のスパイラルチューブに流通して紫外線を照射するに際し、原液の紫外線吸光度（又は、紫外線透過率）、に応じて紫外線照射量分布をさらに改善でき、原液全体に所定の紫外線照射量を照射可能な紫外線照射方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の課題を解決するため、本発明の紫外線照射方法は、紫外線照射対象の原液を螺旋状に巻かれた紫外線透過性を有するスパイラルチューブに流通し、該スパイラルチューブの螺旋の内側と外側の少なくとも一方から紫外線を前記原液に照射する紫外線照射方法において、前記原液に気体を吹込むことを特徴とする。
【００２２】
このように、原液に気体を吹込むと、吹込まれた気体により液中に気泡が形成される。この気泡により原液が気液混相流となる。その気液混相流の攪拌作用等により、スパイラルチューブ内を流れる微小流体隗の流通経路がさまざま変化する。そのため、微小流体隗が受ける紫外線照射量を比較的均一な範囲に収めて、原液に高効率で紫外線照射することが可能になる。その結果、原液の紫外線吸光度に対応して気泡による攪拌作用を調整することにより、紫外線照射量分布の幅をさらに狭くすることができ、原液に対する紫外線照射量を高効率で増大させて、原液全体に所定の紫外線照射量を照射することができる。
【００２３】
また、原液が螺旋状に巻かれたスパイラルチューブを流通する際に、螺旋流による原液の攪拌作用に加えて、気泡による攪拌作用により効果的に原液が攪拌されることにより、紫外線照射量分布の幅（半値幅）を一層狭くする方向に改善されるから、紫外線照射量を高めることが可能になる。さらに吹込む気泡のパラメータ（後述する。）を調整することにより、原液の紫外線吸光度に対応して紫外線照射量を高効率で調整できる。すなわち、紫外線照射量分布又は紫外線吸収量分布の幅を狭くして、紫外線照射量を増大させるには、スパイラルチューブ内における原液の攪拌が大きな因子である。
【００２４】
ここで、本発明における気泡による原液の攪拌作用について具体的に説明する。一般に、スパイラルチューブの内壁に接する極めて薄い領域（以下、極薄領域という。）の原液には、紫外線透過性の高いスパイラルチューブを介して紫外線が効果的に照射される。しかし、原液の紫外線吸光度が高いと、極薄領域のチューブ中心側を流れる原液には、十分に紫外線が届かないことがある。しかも、チューブ内壁に接する極薄領域の原液の流れはチューブ内壁に接した安定な流れであり、チューブの中心部側を流れる原液と混合し難い。このような現象に鑑み、本発明は、スパイラルチューブを流れる原液に気泡を吹込み、スパイラルチューブ内壁に接して安定して流れる極薄領域の原液層を、気泡によりスパイラルチューブ内壁から剥離させることにより、極薄領域の原液層を入れ替えて原液を攪拌することを特徴とする。つまり、気泡によってスパイラルチューブ内壁の安定した原液層が剥離され、剥離された後の内壁に新たな原液層が形成される。このようにして、入れ替わり形成される新たな原液層に紫外線が照射され、全体として原液に対する紫外線照射率が向上して紫外線照射量分布を改善することができる。さらに、原液中における浮力による気泡の挙動により、原液の攪拌効率が高められるので、紫外線照射量分布を一層改善することができる。
【００２５】
さらに、上述の攪拌作用に加えて、気泡により紫外線照射量が増大される他の作用について説明する。気泡は紫外線透過率が原液に比べてはるかに高いから、スパイラルチューブ内壁近傍の気泡に照射された紫外線が気泡内で乱反射して、気泡に接する原液に照射されるので、気泡の表面積により紫外線が照射される原液の照射面積が増加したことになり、原液に対する紫外線照射量を増大させることができる。
【００２６】
このように、スパイラルチューブに原液を流し、その原液に気体を吹込んで形成される気泡による複合的な相乗作用により、本発明によれば、原液の実質的な紫外線吸光度を著しく低減することができ、気体を吹込まない従来法に比べて、原液に対する紫外線照射量を著しく増大させることができる。また、気泡の種々のパラメータ（例えば、原液に対する気泡の量（体積比）、気泡の粒径、気体の種類、等々）を、原液の紫外線吸光度の違いに応じて調整することにより、異なる紫外線吸光度の原液に対しても、紫外線照射量分布の幅を狭くすることによって高効率な紫外線照射が可能となる。特に、照射する無害化対象又は光化学反応対象の原液に対応させて、過剰照射や過小照射を極力減らして必要な紫外線照射量に調整することができる。
【００２７】
また、スパイラルチューブを流通して紫外線照射により処理された処理液は、大気圧の処理液タンクに排出することができる。このとき、原液に吹込まれた気体（気泡）は、原液の圧力と大気圧との差圧に応じて処理液から自ずと脱気される。なお、差圧が大きいときは脱気が急激に行われるので、処理液タンク内の処理液が激しく波打つ場合がある。この場合は、処理液タンクを密閉型にし、圧力調整弁により脱気速度を調整することが好ましい。一方、自然脱気では時間がかかるときは、必要に応じて、真空引きにより脱気することが好ましい。
【００２８】
ここで、吹込む気体は、空気、酸素ガス（オゾンを含む）、炭酸ガス、不活性ガス（例えば、窒素ガスなど）、原液中の特定物質を光化学反応で目的物質を生成するのに適した特定ガスの中から選択した少なくとも１つとする。つまり、紫外線の照射目的に適した１種類又は複数種類の気体を選択することが好ましい。特に、気体の選択は、原液である液状食品等の品質低下又は光化学反応に悪影響を及ぼさないものが望ましい。例えば、原液に溶解しにくい気体、酸化しやすい液状食品等の場合は炭酸ガスなどの酸化しにくい気体あるいは窒素ガスなどの不活性ガスが好ましい。さらにまた、光化学反応に適用する場合は、光化学反応に適した気体を選択するのは当然である。
【００２９】
例えば、オゾンをエジェクタ等で紫外線照射装置に注入し、気液混相流としてスパイラルチューブ２２内を流通させる。これにより、オゾン気泡の浮力によるショートパスを防ぐことができる。また、気液混相流の遠心力と慣性力とオゾン気泡の浮力の複合的な作用により、オゾン気泡から液相に高効率にオゾンが溶解し、溶存オゾン濃度を高めることができる。このように、溶存オゾンに紫外線を照射してヒドロキシラジカルを生成させ、生成されたヒドロキシラジカルにより水中の溶存有機化合物を酸化分解する反応を促進することができる。
【００３０】
また、光化学反応を促進するために、原液にフィルタ膜でろ過可能な微細粒径の光触媒粒子を添加することが好ましい。光化学反応を伴う目的物質（目的成分）の生成反応や、有害成分の分解反応を効果的に促進することができる。
【００３１】
本発明の紫外線照射方法を実施する紫外線照射装置は、被処理対象液体である原液を供給する原液供給配管と、該原液供給配管を流れる前記原液に気体を吹込む気体吹込み装置と、該気体吹込み装置から原液中に吹き込まれた気体の気泡を含む原液が流通される螺旋状に巻かれた紫外線透過性を有するスパイラルチューブと、該スパイラルチューブの螺旋の内側と外側の少なくとも一方に配置された紫外線光源とを備えてなる気泡攪拌式の紫外線照射装置を提案する。
【００３２】
これによれば、上述した気泡攪拌式の紫外線照射方法を容易に実施することができ、上述したように、気体を原液に吹込んで形成された気泡の複合作用により、紫外線照射量分布の幅を狭くして原液に対する紫外線照射量を増大できるから、原液に吹込む気体の量等のパラメータを調整して必要な紫外線照射量に調整することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、紫外線照射対象の原液を紫外線透過性のスパイラルチューブに流通して紫外線を照射するに際し、原液の紫外線吸光度（又は、紫外線透過率）、に応じて紫外線照射量分布をさらに改善でき、原液全体に所定の紫外線照射量を照射可能な紫外線照射方法及び装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態の気泡攪拌式の紫外線照射方法を実施するのに好適な紫外線照射装置の系統構成図である。
【図２】本発明の気泡攪拌式の紫外線照射装置に適用する一実施形態の紫外線照射装置の構成図である。
【図３】図２の矢印III−IIIから見た矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
【００３６】
図１に示すように、本発明の一実施形態の気泡攪拌式の紫外線照射装置は、図２及び図３に示す紫外線照射装置１を中心に構成されている。原液タンク２には、被処理液である原液が貯留されている。なお、原液タンク２は省略し、原液３を図示していない供給源から直接供給するようにしてもよい。本実施形態の原液３は、粘度が高く、かつ紫外線透過率が極めて低い、つまり紫外線吸光度が高い食品等の添加物のスラリーである。原液タンク２内の原液３は、スラリー中の懸濁物質等の沈殿を防ぐため攪拌機４により攪拌されるようになっている。なお、原液３はこれに限られるものではなく、種々の液状食品等に適用できる。例えば、液状食品等に含まれる病原体に紫外線を照射して無害化する技術、あるいは液状食品等に紫外線を照射して液状食品等に含まれる特定成分の光化学反応により、有用成分（例えば、ビタミンなど）を生成させ、あるいは味や臭いに影響する成分を変化又は分解させる技術に適用することができる。また、水（上水、下水、用水、再生水、排水、等）中の有害物などを光化学反応により分解して無害化することを含む紫外線照射装置に適用することができる。
【００３７】
原液タンク２内の原液３は吸引管５を介してポンプ６により吸引され、原液供給管７を介して紫外線照射装置１に供給されるようになっている。紫外線照射装置１を流通して紫外線が照射処理された処理液は、送液管８を介して処理液タンク９に排出されるようになっている。処理液タンク９は、密閉構造に形成され、圧力調整弁１０を介して大気に開放されている。
【００３８】
原液供給管７には、途中に気体吹込み装置１１が設けられている。気体吹込み装置１１は、原液供給管７中を流れる原液の一部を原液供給管７から分流して、元の原液供給管７に戻すバイパス配管１２と、バイパス配管１２に弁１３a，１３bに挟まれて設けられたエジェクタ１４と、エジェクタ１４の吸込み口に気体を供給する送気管１５を介して連結された気体供給源１６とを備えて構成されている。なお、エジェクタ１４は、周知のものであり、基本構成は、原液３が流通される絞り部と、その絞り部の内面に開口して設けられた吸込み口とを有して形成される。そして、原液３の流通によってエジェクタ１４の絞り部に発生する負圧によって、吸込み口から他の気体を吸い込むものである。また、送気管１５には、気体吹込み量を調整する調整弁１７が設けられている。本実施形態では、原液３の食品添加物のスラリーに含まれる病原体を無害化する例として、気体に空気を用いる例を説明するが、本発明は、これに限られるものではなく、気体として空気の他、酸素ガス（オゾンを含む）と、炭酸ガスと、窒素ガスを含む不活性ガスと、原液３中の特定物質を光化学反応で目的物質を生成するのに適した特定ガスの中から選択した少なくとも１つの気体を用いることができる。
【００３９】
原液供給管７のバイパス配管１２の下流側に、紫外線照射装置１に供給する原液３と気体の気液混相の流量を調整する流量調整弁１８が設けられている。さらに、流量調整弁１８とバイパス配管１２の下流側との間の原液供給管７には、循環弁１９を介して原液３を原液タンク２に循環する循環配管２０が設けられている。
【００４０】
図２及び図３を参照して、本実施形態の紫外線照射装置１を説明する。図２は、紫外線照射装置１を正面からみた内部の模式構成図であり、図３は図２を上面からみた内部の模式構成図である。図２に示すように、紫外線照射装置１は、外周面が紫外線の反射材で形成された支持パイプ２１と、支持パイプ２１の外周面に螺旋状に巻き付けられたスパイラルチューブ２２と、スパイラルチューブ２２に対向させて支持パイプ２１の軸方向に平行に配置され複数の直管状の紫外線ランプ（以下、ＵＶランプという。）２３とを備え、これらの長手方向を縦にして反射ケース２４の内部に収容されている。
【００４１】
ここで、本実施形態に示したＵＶランプ２３は、紫外線光源（ＵＶ光源）の一つの例を示すものにすぎず、本発明のＵＶ光源は直管状の低圧又は中圧の紫外線ランプに限られるものではない。例えば、ＵＶ−ＬＥＤモジュールやエキシマランプなど平面型のＵＶ光源を用いてもよく、またＵ字型やＷ字型の水銀ランプを用いてもよい。さらに、ＵＶ光源から放射されるＵＶスペクトルはＵＶ光源の種類によって様々であるから、殺菌や光化学反応の目的に応じてＵＶ光源の種類を適宜選択することが好ましい。
【００４２】
スパイラルチューブ２２は、例えば、内径６φ、外径８φのフッ素樹脂製（例えば、ポリテトラフルオロエチレン製）である。しかし、スパイラルチューブ２２の材料及び内径、外径はこれらに限られるものではなく、紫外線透過性を有する材料であればどのような材料（例えば、石英ガラスチューブなど）を用いてもよく、内径及び外径についても紫外線照射の処理条件等に応じて、適宜選択することが好ましい。反射ケース２４は、図３に示すように、支持パイプ２１のパイプ軸に直交する断面が矩形を有する直方体状に形成されている。また、反射ケース２４の内面は、紫外線の反射材で形成されている。本実施形態の反射ケース２４は、紫外線の反射率が高い純度の高いアルミニウム板を用いて形成されている。アルミニウム板は酸化されると反射率が大きく低下することから、反射ケース２４の内面の反射率を保持するため、石英ガラスによりコーティングしたアルミニウム板を用いている。
【００４３】
反射ケース２４内に、スパイラルチューブ２２が螺旋状に巻き付けられた支持パイプ２１と、複数のＵＶランプ２３が長手方向を縦にして収容されている。また、支持パイプ２１は、上端と下端がそれぞれ支持部材３２ａ，３２ｂを介して、反射ケース２４の天井壁と底壁に支持されている。反射ケース２４の天井壁と底壁は、それぞれ補強部材２５ａ，２５ｂにより補強されている。また、反射ケース２４は、紫外線が外部に漏れ出ないように、開口を極力少なくして形成されている。開口が必要な場合は、その開口から紫外線が漏れないように、図示していないが紫外線の漏れ光を遮断可能な遮蔽構造を有する開口にする。
【００４４】
反射ケース２４は、箱形の直方体状の容器２６の内部にベース部材２７を介して収容し、支持部材２８を介して容器２６を床面に固定して設けられている。また、反射ケース２４を容器２６により包囲して紫外線が外部に漏れないようにしている。容器２６の一面は全開可能な開口が設けられ、その開口は開閉可能な蓋２６ａで閉塞されている。なお、図示していないが、反射ケース２４のスパイラルチューブ２２などの収容機器類は紫外線の照射を受けて発熱する。そこで、容器２６内の空気を図示していない換気装置により換気して、反射ケース２４の収容機器類を冷却するようにしている。なお、換気装置には、反射ケース２４内の浮遊塵埃を除去する図示していないフィルタが設けられる。
【００４５】
支持パイプ２１は、少なくとも外周面が紫外線を反射する部材で形成されている。例えば、アルミニウムパイプ又は樹脂製パイプの外周面にアルミニウム被膜を形成する。さらに、アルミニウムパイプの外周面又はアルミニウム被膜を石英ガラスでコーティング（被覆）してなる反射材が形成されている。スパイラルチューブ２２は、支持パイプ２１の外周面に１本又は複数本を並列にして、一重に並べて螺旋状に巻き付けられている。スパイラルチューブ２２の並列本数は、原液３の処理流量、処理速度、原液３の紫外線吸光度（又は紫外線透過率）、滞留時間などの設計条件に応じて決定する。本実施形態では２本並列に巻き付けた例を示しているが、これに限られない。
【００４６】
ＵＶランプ２３は、直管型の水銀ランプであり、図３に示すように、支持パイプ２１を挟んで反射ケース２４の対向する内面２４ｃ，２４ｄに沿って、それぞれ複数のＵＶランプ２３を有する２つのＵＶランプ群Ａ，Ｂに分けて配置されている。本実施形態では、ＵＶランプ群Ａ，Ｂは、それぞれ６本のＵＶランプ２３から構成されているが、この例の本数に限られるものではなく、上述した設計条件に応じて、適切な本数を決定すればよい。
【００４７】
ＵＶランプ群Ａ，Ｂは、それぞれ矩形の枠体２９の上下の対向する辺部に設けられたソケット３０に各ＵＶランプ２３を着脱可能に取り付けるようになっている。そして、枠体２９に組付けられた複数のＵＶランプ２３はＵＶランプユニットとして形成されている。また、各ＵＶランプユニットは、図示していないが、枠体２９の上下の対向する辺部を反射ケース２４に着脱可能に固定するとともに、その枠体２９の辺部に沿って反射ケース２４及び容器２６から外部に引き出せる構造になっている。つまり、反射ケース２４及び容器２６には、各ＵＶランプユニットを引き出せるように開閉扉構造又は着脱可能な側壁部を設ける。なお、図３において符号３１ａ、３１ｂは、それぞれシール部材である。
【００４８】
次に、このように構成される本実施形態の気泡攪拌式の紫外線照射装置の動作を説明する。原液タンク２は、原液３のスラリーが沈殿しないように、また濃度が均一になるように攪拌機４を運転しておく。ポンプ６を運転して原液３を原液供給管７を介して紫外線照射装置１に供給するが、気体吹込み装置１１を起動するまで、原液供給管７の流量調整弁１８を閉じておき、循環弁１９を開いて原液３を循環配管２０を介して原液タンク２に戻し原液３を循環する。次いで、気体吹込み装置１１の仕切弁１３ａ１３ｂを開いてバイパス配管１２に原液３を流通する。気体供給源１６は、気体として空気を用いる場合は、清浄な大気中に開口したフィルタを有する吸込み口であるが、他の種類の気体を用いる場合は、その気体を充填した気体ホルダ及び必要な場合は気体圧縮機などを備えて構成される。
【００４９】
そして、送気管１５の調整弁１７を開いて気体供給源１６をエジェクタ１４の図示していない吸込み口に連通する。これにより、循環配管２０を流通する原液３の流れによりエジェクタ１４の吸込み口の圧力が負圧になり、気体供給源１６から空気がエジェクタ１４に吸い込まれて、細かい気泡になって原液３に吹き込まれ、循環配管２０を介して原液タンク２に循環される。このときの原液３の供給流量Ｌ［ｍ３／ｍｉｎ］は流量計１３ｃにより計測し、気体の流量Ａ［ｍ３／ｍｉｎ］は流量計１５ａにより計測する。また、原液３の供給圧力は圧力計１３ｄにより計測する。ここで、原液３の供給流量Ｌと気体の吹込み流量Ａの気液比Ａ／Ｌが設定された比率βになるように、循環弁１９と送気量の流量調整弁１７を調整する。
【００５０】
次いで、紫外線照射装置１のＵＶランプ２３を点灯し、流量調整弁１８を開いて循環弁１９を閉じる。これにより、紫外線照射装置１のスパイラルチューブ２２に気泡が吹込まれた原液３が流通され、ＵＶランプ２３から照射される紫外線がスパイラルチューブ２２内を流れる原液３に照射される。ここで、紫外線照射装置１への原液３の供給流量Ｌを確認するとともに、気体の吹込み流量Ａ確認し、気液比Ｌ／Ａが設定比率βになるように流量調整弁１８と流量調整弁１７を調整する。なお、必要に応じて、紫外線照射装置１のＵＶランプ２３への供給電力を調整するのは言うまでもない。また、容器２６内の温度を計測して、換気扇を回して容器２６内の温度を調整する。
【００５１】
紫外線照射装置１のスパイラルチューブ２２内を流通される気泡を含む原液３は、気泡による原液３の攪拌作用により、原液３の紫外線透過率ＵＶＴ＝１０―α（αは原液の吸光度）が実質的に増加して、原液３に対する紫外線照射量が増大される。
【００５２】
ここで、気泡による原液の攪拌作用について具体的に説明する。スパイラルチューブ２２の内壁に接する極めて薄い領域（以下、極薄領域という。）の原液３には、紫外線透過性の高いスパイラルチューブ２２を介して紫外線が効果的に照射される。しかし、原液３の紫外線吸光度が高いと、チューブ中心側を流れる原液３には、十分に紫外線が届かないことがある。しかも、スパイラルチューブ２２の内壁に接する極薄領域の原液３の流れはチューブ内壁に接した安定な流れであり、スパイラルチューブ２２の中心部側を流れる原液３と混合し難い。
【００５３】
そこで、本実施形態は、スパイラルチューブ２２を流れる原液３に気泡を吹込み、スパイラルチューブ２２の内壁に接して安定して流れる極薄領域の原液層を気泡によりチューブ内壁から剥離させることにより、極薄領域の原液層を入れ替えて原液を攪拌している。つまり、気泡によってスパイラルチューブ内壁の安定した原液層が剥離され、剥離された後の内壁に新たな原液層が形成される。このようにして、入れ替わり形成される新たな原液層に紫外線が照射され、全体として原液に対する紫外線照射率が向上し、紫外線照射量分布が改善されて、紫外線照射量を増大させることができる。さらに、原液中における浮力による気泡の挙動により、原液の攪拌効率が一層高められる。
【００５４】
しかも、気泡は紫外線の透過率が原液３に比べてはるかに高いから、スパイラルチューブ２２の内壁近傍の気泡に照射された紫外線が気泡内で乱反射して、気泡に接する原液３に照射されるので、気泡の表面積により紫外線が照射される原液３の照射面積が増加したことになり、スパイラルチューブ２２の単位長当たりの紫外線照射率が向上する。その結果、原液３に対する紫外線照射量を増大させることができる。
【００５５】
なお、紫外線照射量は、病原体の無害化対象の原液の場合は単位面積当たり（例えば、紫外線光源のＵＶ出力換算で、ｍｊ／ｃｍ２）で評価され、光化学反応対象の原液の場合は単位体積当たり（例えば、紫外線光源のＵＶ出力換算で、ｍｊ／ｃｍ３）で評価されるのが一般的である。しかし、前述したように、本実施形態では、紫外線透過率が低い、つまり紫外線吸光度が高い原液（スラリーなども含む）を処理対象としているので、紫外線が原液で吸収される。そこで、光化学反応技術と併用しない場合であっても、原液３の紫外線吸光度を考慮して評価するものとする。
【００５６】
このように、スパイラルチューブ２２内を流れる原液３に気体を吹込んで形成される気泡による複合的な作用により、本実施形態によれば、原液３の実質的な紫外線透過率を著しく向上させることができ、気体を吹込まない従来法に比べて、原液に対する紫外線照射量を著しく増大させることができる。また、気泡の種々のパラメータ（例えば、原液に対する気泡の量（体積比）、気泡の粒径、気体の種類、等々）を、原液３の紫外線透過率の違いに応じて調整することにより、紫外線透過率（又は、紫外線吸光度）が異なる原液３に対しても、紫外線照射量分布の幅を狭くすることによって高効率な紫外線照射が可能となる。特に、照射する無害化対象又は光化学反応対象の原液３に対応させて、過剰照射分や過小照射分を極力減らして必要な紫外線照射量に調整することができる。
【００５７】
なお、本発明は、上記実施形態で説明したように、スパイラルチューブ２２内を流れる原液３に気体を吹込むことにより、上述した攪拌効果を基本とする複合的な作用により、高効率で紫外線照射量を高めることができる。しかし、単に、従来型の紫外線照射装置の流路内を流通する原液に気泡を吹込むことにより、本発明の様に紫外線照射量を高効率で高めることはできない。例えば、一般的な従来の紫外線光源の周囲に通液する流液型内照式の紫外線照射装置に気泡を吹込んで気液混相流を形成すると、気泡の浮力によって気泡周辺に液体流れのショートパスが発生する。このようなショートパスした微小流体塊は、ショートパスしていない微小流体塊に比べ短時間（短い滞留時間で）で流出するため、低い紫外線照射量のまま紫外線照射装置を流出してしまう。このため通常の流液型の紫外線照射装置では、気液混相流とすることによって却って紫外線照射量分布が広くなり紫外線照射効率が低下する。
【００５８】
この点、本発明によれば、気泡の浮上はスパイラルチューブの内壁上部で物理的に止まり、チューブ径とスパイラルの巻径による物理的上端部を超えてショートパスすることができない。このため、全ての微小流体隗は略均等な滞留時間で流出されるので、紫外線照射量分布が狭くなり紫外線照射効率が向上する。さらに、スパイラルチューブ内で流体は遠心力と慣性力により旋回する螺旋流となり、気液混相流の気泡の浮力も加わり、より激しく流体が混合されながらスパイラルチューブ内部を栓流（プラグフロー）に近い状態で流れるので、紫外線照射量分布の幅は極めて狭くなる。これにより、高効率な紫外線照射が可能となる。つまり、紫外線照射量分布又は紫外線吸収量分布の幅を狭くして、紫外線照射量を増大させるには、スパイラルチューブ内における原液の攪拌が大きな因子である。
【００５９】
また、液体の体積に対して注入する気体の体積が大きい場合、又はチューブ径が小さい場合、気体と液体（気液混相流）とが交互に流れる流れとなる。しかし、この場合にもチューブ内壁に接する原液は気体により絶えず剥離されながら、さらに気液混相流の慣性力と遠心力と浮力の影響により液全体が激しく撹拌された栓流（プラグフロー）に近い状態で流れるため、紫外線照射量分布の幅は極めて狭くなる。これにより、高効率な紫外線照射が可能となる。
【００６０】
一方、流体がスラリーの場合、流速が遅いとスパイラルチューブ内部で粉体が沈降し、チューブ内部に詰まりが生じる場合があるが、気液混相流とすることで粉体を沈降させずに撹拌させながら流通させることが可能である。また、流体がスラリーの場合にも、上述したように、チューブ内壁に接する原液は気体により絶えず剥離され、さらに気液固混相流に慣性力と遠心力、気体の浮力、粉体の重力が作用し、流体全体が激しく撹拌された栓流（プラグフロー）に近い状態で流れるため、紫外線照射量分布の幅は極めて狭くなる。これにより、高効率な紫外線照射が可能となる。
【００６１】
スパイラルチューブ２２を流通して紫外線照射により処理された処理液は、圧力調整弁１０を備えた処理液タンク９に排出される。圧力調整弁１０を調整して、あるいは設定圧に自動調整して、処理液中の気体を徐々に脱気させる。すなわち、原液３の処理量に応じて、気泡が吹込まれた原液３の気液２相流がスパイラルチューブ２２を通流する圧力損失に応じて、原液３の供給圧を高くする必要がある。つまり、原液３の供給圧ＰＬが高いと、吹込まれる気体の体積は供給圧ＰＬに応じて圧縮される。したがって、処理液タンク９において処理液が、いきなり大気圧に開放されると、処理液タンク９内の処理液から気泡が激しく脱気されるので、処理液タンク９内で処理液が激しく波打つおそれがある。そこで、圧力調整弁１０により脱気速度を調整する。これにより、処理液の激しい波打ちを回避して、安定に脱気させることができる。必要に応じて、真空脱気又は脱気ポンプを設けてもよい。
【００６２】
上記の実施形態においては、エジェクタ１４を用いて気体吹込み装置を構成したが、本願発明はこれに限られるものではなく、気体を気泡にして原液３に注入する散気ノズルであってもよい。この場合、気体供給源１６に気体を圧縮して散気ノズルに供給する圧縮機を備えて構成する。また、原液タンク２には、原液３を連続的に供給することが可能になっている。さらに、処理液タンク９内の処理液も次の工程に連続的に排出できるようになっている。
【００６３】
また、上記の実施形態においては、スパイラルチューブ２２を支持パイプ２１の外周面に巻き付けた例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、支持パイプ２１を省略し、スパイラルチューブ２２を螺旋状に巻いた空芯状のものであってもよい。この場合、スパイラルチューブ２２を反射ケース２４の天井壁と底壁に何らかの手段で支持すればよい。また、スパイラルチューブ２２の螺旋状の空芯内に、又はスパイラルチューブ２２の外側に、複数のＵＶランプ２３を配置してもよい。また、上記の実施形態において、スパイラルチューブ２２が巻き付けられた支持パイプ２１を、縦にして配置する例を示したが、支持パイプ２１を横向きに、例えば水平に配置してもよい。また、空芯状のスパイラルチューブの場合も横向きに配置することができる。この場合、ＵＶランプ２３の配置を適宜変更してもよく、また、適切な形状のＵＶ光源を選択してもよい。
【００６４】
さらに、上記の実施形態においては、複数のＵＶランプ２３を支持パイプ２１を挟んで反射ケース２４の対向する内面２４ｃ，２４ｄに沿って２つのＵＶランプ群Ａ，Ｂに分けて配置した例を示した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、スパイラルチューブ２２の螺旋の外側に、複数のスパイラルチューブ２２を円筒状に配列してもよい。この場合、反射ケース２４及び容器２６は円筒状に形成することも可能である。
【００６５】
以上説明した上記実施形態では、液状食品等に含まれる病原体に紫外線を照射して無害化する技術、あるいは液状食品等に紫外線を照射して液状食品等に含まれる特定成分の光化学反応により、有用成分（例えば、ビタミンなど）を生成させ、あるいは味や臭いに影響する成分を変化又は分解させる技術に適用する場合を例にしたが、さらに、光化学反応に適用する例について、以下に具体的に説明する。
【００６６】
（光化学反応に利用した具体例）
光化学反応に適用する一例として、オゾンと紫外線による促進酸化処理（AOP：Advanced Oxidation Process）の例を説明する。紫外線併用のオゾン促進酸化水処理システム、オゾンガスを水中に溶け込ませて溶存オゾンとし、溶存オゾンに紫外線を照射してヒドロキシラジカルを生成させ、生成されたヒドロキシラジカルにより水中の溶存有機化合物を酸化分解する水処理技術が、例えば、特開２００３―２６６０８８に記載されている。
【００６７】
このような光化学反応を用いた水処理装置が対象とする水は、上水に限らず、例えば、下水、排水、再生水、用水、工業用水、などの各種の水の溶存有機化合物を酸化分解する処理に適用される。このような水処理装置においては、反応に利用する気体の溶存ガス濃度が極めて重要である。上記特許文献に記載された従来技術では、オゾンの気泡がショートパスするため溶存オゾン濃度を高めることが難しい。また、気泡オゾンとして処理水中で消費されきれなかった残留オゾンが処理槽上部に蓄積するので、オゾンの有効な利用効率が悪い。しかも、その残留オゾンを処理する装置が別途必要となるなどの問題がある。
【００６８】
この点、上記実施形態の気泡攪拌方式の紫外線照射装置１を適用し、光化学反応に適用する気体としてオゾンを選択して、紫外線併用のオゾン促進酸化水処理システムを構成することにより、高効率なＡＯＰ処理が可能となる。すなわち、オゾンをエジェクタ等で上記実施形態の紫外線照射装置１に注入し、気液混相流としてスパイラルチューブ２２内を流通させる。これにより、オゾンが水に効率よく溶け込んで、従来のＡＯＰ処理よりも目的物質の酸化分解反応の効率を向上させることができる。また、気液混相流の遠心力と慣性力とオゾン気泡の浮力の複合的な作用により、オゾン気泡から液相に高効率にオゾンが溶解し溶存オゾン濃度を高めることができる。
【００６９】
これに対し、従来のＡＯＰ処理の場合は、比較的大きな口径の容器内に原水を流通し、その原水中にオゾンを注入して紫外線を照射して酸化処理させる場合、オゾンの気泡が浮力により容器内を水中を上昇して上部に達するショートパスが発生することから、目的物質の酸化分解反応の効率を向上させることができない。
【００７０】
また、ＡＯＰ処理に用いる本発明の紫外線照射装置において、処理液タンク９の圧力調整弁１０、処理液タンク９を省略した場合はスパイラルチューブ２２の出口側の送液管８に圧力調整弁１０を設け、その圧力調整弁１０を調節して、スパイラルチューブ２２の内圧を高めることにより、溶存オゾン濃度を任意に高めることができる。
【００７１】
さらに、上記実施形態で説明した原水の撹拌効果により、溶存オゾンと目的物質が溶解している微小流体塊はチューブ内表面に効率よく接近又は接触し、紫外線照射されてヒドロキシラジカルが生成され、目的物質の酸化分解反応が速やかに起こさせることができる。
【００７２】
また、微小流体塊において瞬時に反応が完了し、微小流体塊における溶存オゾン濃度と目的物質濃度がともに低下するが、流体の撹拌効果と濃度拡散効果によって気泡オゾンから微小流体塊に速やか溶存オゾンが供給されて混合される。すなわち、スパイラルチューブ２２内を流通中に、気泡オゾンから溶存オゾンが生成され、溶存オゾンからヒドロキシラジカルが生成され、ヒドロキシラジカルが目的物質を酸化分解するという、一連の促進酸化反応プロセスが瞬時に高効率に連続的に行われる。その結果、従来技術に比べ、気泡オゾンの無効消費による流出を防ぐことができ、オゾンの有効消費率を高めることができる。
【００７３】
一方、ＡＯＰ処理に用いる本発明の紫外線照射装置について、紫外線吸収量に着目すると、本発明によれば、微小流体塊中の溶存オゾン濃度を高めることができ、さらに微小流体塊中の溶存オゾンが吸収するＵＶ吸収量を高めることができることから、微小流体塊中のヒドロキシラジカル濃度を高めることができる。
【００７４】
また、流入から流出までの微小流体塊中の目的物質濃度及び溶存オゾン濃度は、促進酸化反応によって低下する一方で、物理的撹拌と濃度拡散によって補充、希釈されて常に変化する。しかし、流入から流出までの流体中の各微小流体塊における溶存オゾンが吸収したＵＶ吸収量はほぼ均一となるので、溶存オゾンの紫外線吸収量分布の幅は極めて狭くなる。このため反応効率は極めて高くなるという効果が得られる。
【００７５】
また、図１の圧力調整弁１０に代えて、あるいは圧力調整弁１０に加えて、スパイラルチューブ２２の出口側の送液管８に圧力調整弁４０を設けることが好ましい。これにより、圧力調整弁４０を調節して、スパイラルチューブ２２の内圧を高めて、溶存酸素濃度あるいは溶存ガス濃度を任意に高めることができ、反応効率をさらに高めることができる。
【００７６】
（光触媒反応装置に適用する具体例）
光触媒に紫外線を照射すると、光触媒表面にヒドロキシラジカルが発生することが知られている。光触媒は、活性炭やガラスビーズ、不織布などに担持させる方法や、焼成して粒状化するなど様々な方法により、マイクロフィルタ膜でろ過可能な微細粒径（例えば、０．２μm以上）に成型できることも知られている。
【００７７】
しかし、光触媒反応はあくまでも表面反応であり、ヒドロキシラジカルは紫外線が照射された光触媒表面にのみ発生するから、粒径が大きいと光触媒の比表面積が小さくなるため十分な反応効率が得られない。そこで、膜ろ過可能で、かつ極力小さい微細な粒径に成型した光触媒粉体を用いるのが好ましい。しかし、光触媒の重量あたりの比表面積は増えるが、必要なヒドロキシラジカル濃度を確保するためには、高濃度の光触媒粉体を処理原水中に注入してスラリー状にする必要がある。しかし、前述したように、紫外線は光源近傍のスラリー表面のみにしか照射されず、紫外線光源から離れたスラリー内部は紫外線が届かないためにヒドロキシラジカルが発生しない。このため、光触媒粒子径を小さくして比表面積を大きくし、さらに光触媒濃度を高めても、紫外線を照射可能な光触媒表面積を増やすことができないため、水処理に必要なヒドロキシラジカル濃度を確保できないという問題がある。さらに、ヒドロキシラジカルは水と溶存酸素から生成されるため、光触媒反応が進むと、溶存酸素濃度が低下して反応効率が低下するという問題もある。
【００７８】
この点、上記実施形態の気泡攪拌方式の紫外線照射装置を、光触媒反応装置に適用することにより、上述した問題を解決して高効率な光触媒反応装置を実現することが可能である。すなわち、マイクロフィルタ膜などのフィルタ膜でろ過可能な微細粒径の光触媒粒子を処理原水に投入し、スラリー状にして上記実施形態の紫外線照射装置に流通する。エジェクタ１４で空気を処理原水に注入し、気液固混相流としてスパイラルチューブ２２に流通させる。これにより、前述したように、スパイラルチューブ２２の内壁に接する流体は気泡により絶えず剥離されながら流体の遠心力と慣性力、光触媒粒子の重力沈降、微細気泡の浮力、とが複合的に作用し激しく撹拌されながらスパイラルチューブ２２の内部を栓流（プラグフロー）に近い状態で流れる。
【００７９】
さらにまた、上記実施形態の気泡攪拌方式の紫外線照射装置を用いた光触媒反応装置によれば、紫外線透過性のフッ素樹脂からなるスパイラルチューブ２２は、紫外線を拡散透過するからチューブ壁が実質的に面光源化される。さらに、スパイラルチューブ２２を通流される光触媒を含む気液混相流は、チューブ内壁近傍の気泡に照射された紫外線が気泡内で乱反射して、気泡に接する原液に効果的に照射される。つまり、気泡の全表面から微小流体塊中の光触媒に紫外線が照射されることになり、実質的に紫外線の照射面積が増加する。
【００８０】
その結果、微小流体塊中に溶存する目的物質は、光触媒粒子表面と、チューブ内壁面に接触又は接近したヒドロキシラジカルと反応する頻度が飛躍的に高まる。言い換えれば、紫外線照射装置への流入から流出までの各微小流体塊中の光触媒粒子が受ける紫外線照射量分布の幅を極めて狭くすることができる。これにより、光触媒反応の効率を大幅に向上させることができる。また、空気を注入して螺旋流として流通させているため、光触媒反応により溶存酸素が消費されても、気泡から溶存酸素が連続的に供給されるため、溶存酸素不足による反応効率低下は生じない。なお、注入ないし投入した光触媒粒子は、図１の処理液タンク９の底部に連結された処理液排出管４０により被処理液を抜き出して、図示していない光触媒回収装置に導き、フィルタ膜により分離して回収することができる。すなわち、上記実施形態を光化学反応装置に適用し、原液３にフィルタ膜でろ過可能な微細粒径の光触媒粒子を添加することが好ましい。これにより、光化学反応を伴う目的物質（目的成分）の生成反応や、有害成分の分解反応を効果的に促進することができる。
【００８１】
以上、本発明を一実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の主旨の範囲で変形又は変更された形態で実施することが可能であることは、当業者にあっては明白なことであり、そのような変形又は変更された形態が本願の特許請求の範囲に属することは当然である。
【符号の説明】
【００８２】
１  紫外線照射装置
２  原液タンク
３  原液
４  攪拌機
６  ポンプ
７  原液供給配管
９  処理液タンク
１０、４０  圧力調整弁
１１  気体吹込み装置
１２  バイパス配管
１４  エジェクタ
１５  送気管
１６  気体供給源
２１  支持パイプ
２２  スパイラルチューブ
２３  紫外線ランプ（ＵＶランプ）
２４  反射ケース
２６  容器
２９  枠体
【図１】
2018122044.tif 000003
【図２】
2018122044.tif 000004
【図３】
2018122044.tif 000005