(57)【要約】【課題】液中の気泡内にプラズマを発生させることによってプラズマ処理を行う装置及び方法において、電子密度が高く、体積が大きい液中プラズマを発生させることにより、高い反応速度を得ることができるプラズマ処理装置及び方法を提供することを目的とする。【解決手段】ガラス筒１、上フランジ２及び下フランジ３が密閉容器を構成している。また、ガス排気配管６、液体導入配管７、液体排出配管８が設けられている。コイル９はガラス筒１の周囲にソレノイド状に巻きつけられている。ガラス筒１中を水Ｗで満たし、ガス導入配管５からバブルリング発生器４に供給し、バブルリング１０がコイル９に近い位置に到達したときに高周波電源１２よりコイル９に高周波電力を供給することにより、バブルリング１０内に誘導結合型の熱プラズマが発生し、水Ｗを高速で浄化できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の絶縁性容器と、前記容器の下方に設けられたバブルリング発生器と、前記バブルリング発生器にガスを供給するガス導入口と、前記容器からガスを排出するガス排出口と、前記容器の内部に高周波電磁界を発生させるコイルと、前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源とを備えたこと、
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記容器の内部に液体を供給する液導入口と、前記容器の内部の液体を排出する液排出口とを備えたことを特徴とする、請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記容器の内部に冷媒管を備え、かつ、冷媒管が前記容器の中心軸付近に設けられていることを特徴とする、請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記バブルリング発生器のバブルリング発生タイミングと前記高周波電源の高周波電力発生タイミングを制御するタイミング制御ユニットを備えたことを特徴とする、請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
筒状の絶縁性容器内に液体を導入し、前記容器の下方に設けたバブルリング発生器にガスを供給して前記容器の内部にバブルリングを発生させ、コイルに高周波電力を供給することによって前記容器の内部に高周波電磁界を発生させ、バブルリング内にプラズマを発生させることにより、液体を処理すること、
を特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液中の気泡内にプラズマを発生させることによってプラズマ処理を行う装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の液体浄化方法として、微生物による活性汚泥処理方法などが、下水道処理施設、屎尿処理施設、工場排水処理施設、畜産排水処理施設、湖水浄化施設などに用いられている。また、微生物による処理では除去できない物質や微生物が存在するため、脱臭、脱色、殺菌などの効率を高められる方法として、下水・屎尿等の生活排水に高電圧を印加して水中放電を発生させ、大腸菌を死滅させる液体浄化方法が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
液中プラズマは液体のほか、気体の浄化にも利用されている。廃棄物焼却炉から排出される、有害物質を含む燃焼排ガスの処理方法として、液中プラズマを利用するものが開示されている（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
流体の浄化以外にも用途がある。例えば、水中プラズマによってカーボンナノチューブを合成する方法（例えば、非特許文献１を参照）、液中パルスプラズマによって蛍光体結晶を合成する方法（例えば、非特許文献２を参照）などが開示されている。
【０００５】
このほか、液中プラズマの発生方法としては、突出部を有する高電圧電極を液体に浸漬し、この電極対間に高繰り返しの高電圧パルスを印加して電極近傍の液体をジュール加熱するとともに連続的又は断続的に沸騰気化させ、この気化泡により電極の突出部先端を包囲する気化泡領域を形成する。次いで、気化泡内の気化物を電離（プラズマ化）して各種イオンを形成し、このプラズマ中のイオン種を液体中に浸透拡散させる液中プラズマ発生方法が開示されている（例えば、特許文献３を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−１３６４８４号公報
【特許文献２】特開２００２−３３６６５０号公報
【特許文献３】特開２００７−２０７５４０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｋ．Ｔａｋｅｋｏｓｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５１（２０１２）１２５１０２
【非特許文献２】Ｅ．Ｏｍｕｒｚａｋ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５０（２０１１）０１ＡＢ０９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の液中プラズマ技術は、プラズマの発生強度（電子密度×体積）が十分でなく、浄化、合成などの反応速度が低いという問題点があった。
【０００９】
特許文献１に記載の方法では、平面電極間に非常に高い電位差を生じさせる必要があるため、エネルギー効率が悪い。また、特許文献２〜３、非特許文献１〜２に記載の方法では、プラズマが局所的にしか生じない。
【００１０】
本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、液中の気泡内にプラズマを発生させることによってプラズマ処理を行う装置及び方法において、電子密度が高く、体積が大きい液中プラズマを発生させることにより、高い反応速度を得ることができるプラズマ処理装置及び方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の第１発明のプラズマ処理装置は、筒状の絶縁性容器と、前記容器の下方に設けられたバブルリング発生器と、前記バブルリング発生器にガスを供給するガス導入口と、前記容器からガスを排出するガス排出口と、前記容器内に高周波電磁界を発生させるコイルと、前記コイルに高周波電力を供給する高周波電源とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
このような構成により、電子密度が高く、体積が大きい液中プラズマを発生させることにより、高い反応速度を得ることができる。
【００１３】
本願の第１発明のプラズマ処理装置において、好適には、前記容器内に液体を供給する液導入口と、前記容器内の液体を排出する液排出口とを備えたことが望ましい。
【００１４】
このような構成により、液体浄化を効果的に行うことができる。
【００１５】
また、好適には、前記容器内に冷媒管を備え、かつ、冷媒管が前記容器の中心軸付近に設けられていることが望ましい。
【００１６】
このような構成により、液体の過熱を抑制し、安定的な処理を行うことができる。
【００１７】
また、好適には、前記バブルリング発生器のバブルリング発生タイミングと前記高周波電源の高周波電力発生タイミングを制御するタイミング制御ユニットを備えたことが望ましい。
【００１８】
このような構成により、電力効率を高めることができる。
【００１９】
本願の第２発明のプラズマ処理方法は、筒状の絶縁性容器内に液体を導入し、前記容器下方に設けたバブルリング発生器にガスを供給して前記容器内にバブルリングを発生させ、コイルに高周波電力を供給することによって前記容器内に高周波電磁界を発生させ、バブルリング内にプラズマを発生させることにより、液体を処理することを特徴とする。
【００２０】
このような構成により、電子密度が高く、体積が大きい液中プラズマを発生させることにより、高い反応速度を得ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、電子密度が高く、体積が大きい液中プラズマを発生させることにより、高い反応速度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態３におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態におけるプラズマ処理装置について図面を用いて説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１を参照して説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。図１において、筒状の絶縁性容器としてのガラス筒１が、上フランジ２及び下フランジ３によって挟まれ、これら３つが密閉容器を構成している。ガラス筒１の下方にバブルリング発生器４が設けられ、これにガス導入口としてのガス導入配管５が接続されている。
【００２６】
バブルリングとは、水中で泡がドーナツ型（リング状）になったもので、渦輪、あるいは、ボルテックスリングとも呼ばれる。イルカが水中で口から吐き出す泡の輪で遊ぶことが知られているが、これもバブルリングの一種である。
【００２７】
バブルリングを人工的に発生させる機器がバブルリング発生器であり、特開２００３−３９８９６号公報、特開平６−１４１７３３号公報、特開２００５−１０３４５６号公報などに開示されているものを利用することができる。上フランジ２には、ガス排出口としてのガス排気配管６、液導入口としての液体導入配管７、液排出口としての液体排出配管８が設けられており、液体排出配管８の下端は、ガス排気配管６の下端よりも下方になるように配置される。
【００２８】
コイル９はガラス筒１の周囲にソレノイド状に巻きつけられ、高周波電力を供給することによって、ガラス筒１内に高周波電磁界を発生させることができる。コイル９は中空の銅管であり、内部に冷却水などの冷媒を流して過熱を防止する。バブルリング発生器４には、バブルリング発生器制御ユニット１１が接続され、バブルリング発生タイミングを制御できるよう構成されている。
【００２９】
また、高周波電源１２が整合器１３を介してコイル９に接続される。バブルリング発生器制御ユニット１１と高周波電源１２の双方に、タイミング制御ユニット１４が接続されており、バブルリング発生器のバブルリング発生タイミングと高周波電源の高周波電力発生タイミングを制御することができる。
【００３０】
ガラス筒１中を液体、例えば水Ｗで満たす。そして、ガス導入配管５からアルゴンガスをバブルリング発生器４に供給し、アルゴンガスで満たされたバブルリング１０を発生させることができる。バブルリング１０がコイル９に近い位置に到達したときに高周波電源１２よりコイル９に高周波電力を供給することにより、バブルリング１０内に誘導結合型の熱プラズマが発生する。
【００３１】
このとき発生する誘導結合型の熱プラズマは、プラズマ密度が非常に高く、高温で、活性である。また、バブルリング１０の全周に渡ってプラズマが発生するので、その体積も大きい。したがって、従来に比較して高い反応速度を得ることができる。
【００３２】
バブルリング１０がコイル９から離れてプラズマを維持するのに十分な電磁界がバブルリング１０内に発生しなくなると、プラズマは消滅する。バブルリング１０はガラス筒１の中を上昇し、やがては水Ｗの液面を越えて上フランジと水Ｗの液面との間の空間と合流する。余分なガスは、ガス排気配管６からガラス筒１の外部に排出される。
【００３３】
このような一連のサイクル（バブルリング１０の発生、バブルリング１０の上昇、プラズマ発生、プラズマ消滅、ガス合流、ガス排出）を繰返し行うことで、液体の浄化、物質合成などの液中プラズマを用いたプロセスを高速で行うことができる。
【００３４】
プラズマが発生していないタイミングにおいてコイル９に供給される高周波電力は、液中プラズマプロセスの進展に何ら寄与しないばかりか、コイル９や整合器１３などで無駄な電力を消費する。そこで、タイミング制御ユニット１４を動作させ、バブルリング１０がコイル９に近い位置に到達するタイミングに合わせて高周波電力がコイル９に供給されるよう、バブルリング発生器制御ユニット１１及び高周波電源１２を制御することにより、電力効率を高めることが可能となる。
【００３５】
液体の浄化を行う際は、液体導入配管７から連続または断続的に液体をガラス筒１内に供給しながら、液体排出配管８から連続または断続的に液体を排出すればよい。バブルリング１０の周囲には速い液体の流れが存在するので、液体の撹拌が生じ、高速な処理が実現できる。液体の浄化が起きる理由は、プラズマによって生じる過酸化水素の強力な酸化力によって、汚染物質が分解されることによるものと考えられる。
【００３６】
誘導結合型の熱プラズマ発生装置においては、容量結合モード（低電子密度、低温）と誘導結合モード（高電子密度、高温）の２つのモード間で、不連続にプラズマのモードが変化する現象（モードジャンプ）が見られる。
【００３７】
２つのバブルリング１０内に同時に誘導結合モードの高温プラズマを発生させることは非常に困難なので、バブルリング１０がコイル９の内部を常に１つだけ通過するような頻度でバブルリング１０を発生させることが好ましい。あるいは、バブルリング１０をもっと高い頻度で発生させ、プラズマが発生していないバブルリング１０を液体の撹拌に利用してもよい。
【００３８】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図２を参照して説明する。
【００３９】
図２は、本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。
【００４０】
図２において、Ｕ字状に形成された冷媒管１５が、円筒形のガラス筒１の中心軸付近に設けられている。それ以外の構成は、実施の形態１と同様である。なお、図中には、冷媒の流入側の断面のみが示されているが、紙面の表裏方向に流出口を備える。
【００４１】
誘導結合型の熱プラズマは極めて高温であるので、処理速度を高めるために高周波電力を大きくしたり、プラズマの発生している時間の割合を長くしたりすると、液体Ｗが高温になりすぎてしまうことがある。液体Ｗの全体が沸騰すると、ガラス筒１内の圧力が上がりすぎて危険であるので、液体Ｗの温度をある程度低温に保ちたい。そこで、冷媒管１５に冷媒（例えば、冷却水）を流すことにより、液体Ｗを冷却できるようにして液体Ｗの過熱を抑制し、安定的な処理を実現したのが、本実施の形態である。
【００４２】
なお、バブルリング１０、誘導結合プラズマは必ずドーナツ状となるので、円筒形のガラス筒１の中心軸付近に冷媒管１５を挿入しても、プロセスの妨げとはならない。寧ろ、バブルリング１０の形状が崩れるのを抑制し、安定化させる効果がある。
【００４３】
（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図３を参照して説明する。
【００４４】
図３は、本発明の実施の形態３におけるプラズマ処理装置の構成を示す断面図である。図３において、同軸状に配置された外管１６及び内管１７による二重管からなる冷媒管が、円筒形のガラス筒１の中心軸付近に設けられている。それ以外の構成は、実施の形態１と同様である。
【００４５】
外管１６の底部は閉じられており、内管１７の底部は開放されている。外管１６と内管１７の間の外側流路より冷媒（例えば、冷却水）を導入し、内管１７内部の内側流路より冷媒を排出することで、ガラス筒１内の液体Ｗを冷却する。冷媒の流れの向きは任意である。外管１６及び内管１７の材質は、アーク等の異常放電を防ぐため、誘電体であることが好ましく、例えばガラスなどを用いることができる。導体であっても条件によってはアークは起きないので、材質は適宜選択すればよい。
【００４６】
以上述べたプラズマ処理装置及び方法は、本発明の適用範囲のうちの典型例を例示したに過ぎない。
【００４７】
例えば、従来液中アーク放電により物質合成を行っていたようなプロセスを高速化するため、原料物質をガラス筒１の内壁や、冷媒管１５、外管１６の外壁に付着させておくなどの工夫を加えてもよい。
【００４８】
あるいは、タイミング制御ユニット、例えばパルス発信器を高周波電源１２に内蔵させ、パルス発信器が発するパルスに同期して高周波電力を供給するとともに、パルスを高周波電源１２の外部に取り出して、これをバブルリング発生器の駆動タイミング制御に使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
以上のように本発明は、液体の浄化、物質合成などの液中プラズマを利用するプラズマ処理において、電子密度が高く、体積が大きい液中プラズマを発生させることにより、高い反応速度を得ることができる有用な発明である。
【符号の説明】
【００５０】
１  ガラス筒
２  上フランジ
３  下フランジ
４  バブルリング発生器
５  ガス導入配管
６  ガス排気配管
７  液体導入配管
８  液体排出配管
９  コイル
１０  バブルリング
１１  バブルリング発生器制御ユニット
１２  高周波電源
１３  整合器
１４  タイミング制御ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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