(57)【要約】【課題】  任意のガスのプラズマと各種の液体との強い相互作用が実現でき、液体中の溶質の化学反応を促進するプラズマ−液体反応装置を提供すること。【解決手段】大気中においてプラズマを発生させるプラズマ発生手段、反応させるべき液体を保持する保持手段、及び前記プラズマ発生手段で発生したプラズマと、前記保持手段で保持した前記液体とを強制的に接触させる接触手段を備え、前記プラズマと前記液体との相互作用を発生させることを特徴とするプラズマ−液体反応装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中においてプラズマを発生させるプラズマ発生手段、
反応させるべき液体を保持する保持手段、
及び前記プラズマ発生手段で発生したプラズマと、前記保持手段で保持した前記液体とを強制的に接触させる接触手段
を備え、
前記プラズマと前記液体との相互作用を発生させることを特徴とするプラズマ−液体反応装置。
【請求項２】
前記プラズマ発生手段は、高繰返しパルス放電により前記プラズマを発生させることを特徴とする請求項１記載のプラズマ−液体反応装置。
【請求項３】
前記プラズマが、高繰返しパルス放電により生成されるプラズマジェットであることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ−液体反応装置。
【請求項４】
前記プラズマ発生手段は、放電領域におけるガスの流れを回転させることにより、前記プラズマを安定化することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプラズマ−液体反応装置。
【請求項５】
前記接触手段は、前記液体の液面に、前記プラズマジェットを直接吹き込むことであることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ−液体反応装置。
【請求項６】
前記接触手段は、プラズマ生成用ガスに流れを起こし、その流れに関する、プラズマ放電領域よりも下流において前記プラズマを前記液体に直接触れさせることであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ−液体反応装置。
【請求項７】
前記接触手段は、プラズマ生成用ガスに流れを起こし、その流れに関する、プラズマ放電領域よりも下流において、前記液体を滝状にして落下させることにより前記プラズマを前記液体に直接触れさせることであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ−液体反応装置。
【請求項８】
前記接触手段は、プラズマ生成用ガスに流れを起こし、その流れに関する、プラズマ放電領域よりも下流において、前記液体を噴霧状とし、前記プラズマを前記液体に直接触れさせることであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプラズマ−液体反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマプロセス装置に関し、特に、液体及び液体中に溶け込んでいる溶質とプラズマとの間で化学反応を起こさせるプラズマ−液体反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでに、液体中の放電によりプラズマを生成し、その液体中で反応を起こす技術が知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の技術では、プラズマの原料となるガス種を選ぶことができないため、プラズマ中の反応種と溶液との組み合わせを任意に選べない。
これまで、ガスのプラズマを用いて液体及び液体に溶け込んでいる溶質に対し化学反応を起こさせることは困難であると考えられてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、大気中においてプラズマを発生させるプラズマ発生手段、反応させるべき液体を保持する保持手段、及び前記プラズマ発生手段で発生したプラズマと、前記保持手段で保持した前記液体とを強制的に接触させる接触手段を備え、前記プラズマと前記液体との相互作用を発生させることを特徴とするプラズマ−液体反応装置を要旨とする。
【０００５】
前記プラズマ発生手段としては、例えば、高繰返しパルス放電により前記プラズマを発生させるものがある。
前記プラズマとしては、例えば、高繰返しパルス放電により生成されるプラズマジェットがある。
【０００６】
前記プラズマ発生手段は、例えば、プラズマの放電領域におけるガスの流れを回転（例えば、図１において、鉛直方向を回転軸とする回転）させることにより、前記プラズマを安定化することができる。
【０００７】
前記接触手段としては、
（ａ）前記液体の液面に、プラズマジェットを直接吹き込むこと
（ｂ）プラズマ生成用ガスに流れを起こすとともに、その流れに関し、プラズマ放電領域よりも下流において、前記プラズマを前記液体に直接触れさせること
（ｃ）プラズマ生成用ガスに流れを起こすとともに、その流れに関し、プラズマ放電領域よりも下流において、前記液体を滝状にして落下させることにより、前記プラズマを前記滝状の液体に直接触れさせること
（ｄ）プラズマ生成用ガスに流れを起こすとともに、その流れに関し、プラズマ放電領域よりも下流において、前記液体を噴霧状とし、前記プラズマを前記噴霧状の液体に直接触れさせること
等が挙げられる。
【０００８】
なお、プラズマジェットを液面に充分近づけて液体を激しく泡立たせることは、プラズマと液体との化学反応を進める上で有効である。プラズマジェットで激しく泡立たせることは、プラズマと液体との接触面積を増大させるだけでなく、生じた液滴もプラズマ中に投入され化学反応を促進する。さらに、液体を攪拌させることにもなり、液体全体に化学反応が均一に進行することを保証できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、任意のガスのプラズマと各種の液体との強い相互作用が実現でき、液体中の溶質の化学反応が促進できる。高いエネルギー状態のプラズマを液体と直接的に作用させたり、化学的に活性な励起種を高濃度で液体との反応に利用できるので、従来の化学工業で使われている化学反応とは異なる反応プロセスを利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
１．プラズマ−液体反応装置１の構成
大気圧プラズマジェットを液体の化学反応に使うプラズマ−液体反応装置１の構成を図１に基づいて説明する。図１はプラズマ−液体反応装置１の断面を表す模式図である。
【００１１】
プラズマ−液体反応装置１は、ガラスビーカー（保持手段）３と、プラズマジェット（プラズマ発生手段）５と、パルス電源９とを備えている。プラズマジェット５は、棒状の内部電極７と、それを囲む円筒状の外部電極１３とを備えており、それらの間には放電領域１４が形成されている。また、外部電極１３は、その下端に、生成されたプラズマを外部（下方）に噴出させるためのプラズマジェットノズル１１を備えている。このプラズマジェットノズル１１における孔の直径は４ｍｍである。さらに、プラズマ−液体反応装置１は、プラズマジェット５の上方における開口部から、その内部に向けてガス（アルゴンガス）１５を供給するガス供給手段（図示略）を備えている。
【００１２】
２．プラズマ液体−液体反応装置１の使用方法
蒸留水９０ｃｃにヨウ化カリウム１０ｇを加えて完全に溶かし、水溶液（液体）１７を作成した。この水溶液１７をガラスビーカー３に入れ、プラズマジェットノズル１１の先端の位置を、水溶液１７の液面すれすれとなるようにセットした。
【００１３】
次に、高繰返しパルス放電で励起される放電プラズマ１８を生じさせ、プラズマジェットノズル１１からプラズマジェット１９を生じさせた。
このとき、ガス１５は、プラズマジェット５の内部で下向きに流れ、プラズマジェットノズル１１から下向きに吹き出すので、プラズマジェット１９も、プラズマジェットノズル１１から下向きに吹き出し、水溶液１７に直接触れる。なお、プラズマ１８の生成は放電領域１４に限定されており、プラズマジェットノズル１１から噴出するプラズマジェット１９は再結合しつつあるアフターグロープラズマである。また、プラズマジェットノズル１１を水溶液１７に接触させても、放電領域１４からプラズマジェットノズル１１の孔を通して外部へガス１５やプラズマの流れがあるので、水溶液１７は放電領域１４に侵入できない。そのため、放電は安定的に持続できる。
【００１４】
水溶液１７の液面は、アルゴンプラズマジェット１９の発生と同時に激しく泡立ち始めた。アルゴンガス１５の流量を毎分３０リットルとし、放電パワーが約７００Ｗの条件で１分間運転した。このとき、水溶液１７の温度は、３０℃以下の低温のままであり、ほとんど上昇しなかった。放電開始直後から水溶液１７は黄変し始め、その色は時間の経過とともに濃くなった。プラズマジェットの運転を停止した後、酸化物を取り除くために１０％クエン酸水溶液５ｃｃを加えた。
【００１５】
３．プラズマ−液体反応装置１が奏する作用効果
上記１分間の運転後、水溶液１７にデンプン水溶液を少しずつ加えたところ、水溶液１７の色が紫色になった。これはヨウ素（Ｉ2）が生成されたことを示している。すなわち、アルゴンプラズマジェット１９の作用により、水溶液１７中のヨウ化カリウムが分解されて、ヨウ素（Ｉ2）が生成されたと結論できる。この化学反応を起こした原因は、アルゴンイオン又は励起状態にあるアルゴン原子からエネルギーを与えられたためである。すなわち、この実験結果は、アルゴンプラズマが水溶液１７中のヨウ化カリウムに化学反応を生じさせたことを明確に示している。
【００１６】
４．参考例
ヨウ化カリウムの水溶液１７に（プラズマ状態でない）アルゴンガスだけを吹き込んだが、色の変化は見られなかった。
【００１７】
また、プラズマ−液体反応装置１のガラスビーカー３に、水溶液１７の代わりに蒸留水を入れ、上記２の項の実験を行った後に、ヨウ化カリウムを同量加えて水溶液を作成したが、黄色への変色は確認できなかった。
【００１８】
また、基本的には上記２の項と同様としながら、プラズマジェットノズル１１と水溶液１７の液面との距離を１ｃｍ程度に大きくして、アルゴンプラズマジェット１９を発生させたときには、液面がガスの流れ圧力のために少し凹むのが観測されたが、それ以外には目立った効果は得られなかった。
【００１９】
５．他の実施の形態
アルゴンプラズマに代えて、酸素プラズマを用いた点以外は、上記１〜３の項と同様にして、実験を行った。この場合、ヨウ化カリウム水溶液１７が黄色に変化するまでの時間はアルゴンプラズマを用いた場合に比べて、極めて短かった。これは、酸素プラズマ中のイオンや酸素原子が水溶液１７中のヨウ化カリウムと直接的に化学反応するだけでなく、酸素原子が水溶液１７中に効率良く取り込まれることにより、さらに化学反応が加速されていると考えられる。
【００２０】
また、アルゴンプラズマに代えて、窒素プラズマを用いた点以外は、上記１〜３の項と同様にして、実験を行った。このときにも、ヨウ化カリウム水溶液１７が黄色に変わることが観測された。黄色に変化するまでの時間は、アルゴンプラズマの場合と酸素プラズマの場合との中間の長さであった。この場合は、プラズマ中の窒素イオンや窒素原子が化学反応に寄与していることは明らかである。
【００２１】
プラズマジェット５は、放電領域１４においてガス１５の流れを回転させる機構を備えていてもよい。この機構を備えることにより、プラズマをより一層安定化することができる。
【００２２】
水溶液１７を滝状にして落下させ、その水溶液１７のうちの、その滝状の部分にアルゴンプラズマジェット１９を直接触れさせることができる。また、水溶液１７の一部又は全部を噴霧状とし、その噴霧状の水溶液１７にアルゴンプラズマジェット１９を直接触れさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】プラズマ−液体反応装置１の断面を表す模式図である。
【符号の説明】
【００２４】
１・・・プラズマ−液体反応装置
３・・・ガラスビーカー
５・・・プラズマジェット
７・・・内部電極
９・・・パルス電源
１１・・・プラズマジェットノズル
１３・・・外部電極
１４・・・放電領域
１５・・・ガス
１７・・・液体
１８・・・放電プラズマ
１９・・・アルゴンプラズマジェット
【図１】
2007252981.tif 000003