(57)【要約】【課題】放電を利用した水処理装置において、コンパクトで簡易な構成で、活性種消滅前に混合し、水処理能力の向上が可能なデバイスおよび水処理装置を提供することを目的とする。【解決手段】略円錐状の容器本体１と、前記容器本体１の底面中央部に設けられた給気孔２と、前記容器側面の接線方向に設けられた液体導入孔３と、前記容器先端部に設けられた気液排出孔４を備え、前記液体導入孔から前記容器本体１内に導入した液体により旋回流を発生させ、その旋回軸８上またはその近傍に少なくとも２つ以上の電極６を設ける構成にしたことにより、放電により発生した活性種を含むマイクロバブル７が生成され、生成直後に活性種を処理水にすばやく混合することを可能とし、活性種消滅前に水中の有機物、微生物と効率よく相互作用させることができるコンパクトで簡易な構成を得られる。【選択図】図１
2013119043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円錐状の容器本体と、
前記容器本体の底面中央部に設けられた給気孔と、
前記容器側面の接線方向に設けられた液体導入孔と、
前記容器先端部に設けられた気液排出孔を備え、
前記液体導入孔から前記容器本体内に導入した液体により旋回流を発生させ、その旋回軸上またはその近傍に少なくとも２つ以上の電極を設け、その電極間に電圧を印加し、放電により生成される活性種を含むマイクロバブルを液体中に発生させることを特徴とするマイクロバブル発生デバイス。
【請求項２】
前記電極が旋回流によって生ずる気体の流れに沿わないよう構成されている請求項１記載のマイクロバブル発生デバイス。
【請求項３】
前記電極が旋回流によって生ずる気体の流れの加速度が、一旋回中に変化するよう構成されている請求項１記載のマイクロバブル発生デバイス。
【請求項４】
前記電極間に印加する電圧がパルス電圧である請求項１から３のいずれかの項に記載のマイクロバブル発生デバイス。
【請求項５】
前記電極のいずれか一方の表面が誘電体でコーティングされていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロバブル発生デバイス。
【請求項６】
水処理槽と
前記水処理槽入口に設けられた請求項１乃至５いずれかに記載のマイクロバブル発生デバイスと、
前記水処理槽出口より被処理水を前記デバイスへと供給する送液ポンプとから構成されることを特徴とする水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に放電を利用した水処理装置であって、水道水、井戸水、河川水、飲食用水、下水、工業用水、産業用排水、或いは、プール、公共浴場、温泉等に使用する水（被処理水）の中に含まれる有機物の分解や微生物の殺菌により被処理水の処理を行う水処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、放電を利用したデバイスおよびデバイスを用いた水処理装置として、被処理水中に配設された電極間に気泡を導入または生成して、電極間にて放電を行い、生成した活性種を被処理水に混合することにより処理を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１では、放電処理後に高圧噴射装置によって被処理水と放電により発生した活性種を混合することによって効率よく処理が行われるような工夫が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０３４５８３号公報
【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、このような従来の水処理装置においては、放電処理デバイスと混合装置を持つため、処理装置全体として大きくなってしまうという課題があった。
【０００６】
また、活性種の寿命は短く、ヒドロキシルラジカルにおいては１ミリ秒以下であるため、放電処理デバイスにより発生した活性種が混合装置にたどりつく前に消滅してしまい、活性種の有機物分解効果、除菌効果を有効に利用できないという課題があった。
【０００７】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、活性種の有機物分解効果、除菌効果を有効に利用できるコンパクトで簡易な構成を可能とするマイクロバブル発生デバイスとこれを用いた水処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そして、この目的を達成するために、本発明は、略円錐状の容器本体と、前記容器本体の底面中央部に設けられた給気孔と、前記容器側面の接線方向に設けられた液体導入孔と、前記容器先端部に設けられた気液排出孔を備え、前記液体導入孔から前記容器本体内に導入した液体により旋回流を発生させ、その旋回軸上またはその近傍に少なくとも２つ以上の電極を設け、その電極間に電圧を印加し、放電により生成される活性種を含むマイクロバブルを発生させることを特徴とし、これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、略円錐状の容器本体と、前記容器本体の底面中央部に設けられた給気孔と、前記容器側面の接線方向に設けられた液体導入孔と、前記容器先端部に設けられた気液排出孔を備え、前記液体導入孔から前記容器本体内に導入した液体により旋回流を発生させ、その旋回軸上またはその近傍に少なくとも２つ以上の電極を設けることにより、放電により発生した活性種を含むマイクロバブルが生成され、生成直後に活性種を処理水にすばやく混合することを可能とし、活性種消滅前に水中の有機物、微生物と効率よく相互作用させることができるコンパクトで簡易な構成を可能とする。
【００１０】
さらに旋回による遠心力で減圧された気体領域中で放電することになり省電力放電を可能にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１におけるマイクロバブル発生デバイス概略図
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図
【図３】本発明の実施の形態１における電極断面詳細図
【図４】本発明の実施の形態１の水処理装置構成図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の請求項１記載のマイクロバブル発生デバイスは、略円錐状の容器本体と、前記容器本体の底面中央部に設けられた給気孔と、前記容器側面の接線方向に設けられた液体導入孔と、前記容器先端部に設けられた気液排出孔を備え、前記液体導入孔から前記容器本体内に導入した液体により旋回流を発生させ、その旋回軸上またはその近傍に少なくとも２つ以上の電極を設け、その電極間に電圧を印加し、放電により生成される活性種を含むマイクロバブルを液体中に発生させることを特徴とすることにより、減圧された気体領域中で放電することにより省電力放電を可能にできる。また放電により発生した活性種を含むマイクロバブルを生成直後に処理水に混合することを可能とし、活性種消滅前に水中の有機物、微生物と効率よく相互作用させることができるコンパクトで簡易な構成を可能とする。
【００１３】
前記電極が旋回流によって生ずる気体の流れに沿わないよう構成されていることで、気体領域の流れを乱し、液体との相対的な旋回速度差を大きくすることで、気液界面でのせん断作用を増大させ、マイクロバブルの発生効率を向上させることが可能となり、水処理能力の向上が可能になるという効果を得ることができる。また気体領域が乱されることで、電極近傍と気液界面での気体の混合を促進し、活性種生成効率向上、気液混合が効率よく行われるという効果を得ることができる。
【００１４】
前記電極が旋回流によって生ずる気体の流れの加速度が、一旋回中に変化するよう構成されていることで、気体領域の流れを乱し、液体との相対的な旋回速度差を大きくすることで、気液界面でのせん断作用を増大させ、マイクロバブルの発生効率を向上させることが可能となり、水処理能力の向上が可能になるという効果を得ることができる。また気体領域が乱されることで、電極近傍と気液界面での気体の混合を促進し、活性種生成効率向上、気液混合が効率よく行われるという効果を得ることができる。
【００１５】
また、前記電極に印加する電圧をパルス電圧としてもよい。これにより、短時間に高電圧印加することが可能となり、低電力で放電を発生させることが可能になる。また、発生した放電がほとんど熱となりエネルギーロスしてしまうアーク放電に移行する前に印加が止まるので、エネルギーロスを抑えた活性種生成、水処理が図れるという効果を奏する。
【００１６】
また、前記電極のいずれか一方の表面が誘電体でコーティングされている構成としてもよい。これにより、アーク放電により大電流が一気に流れて電気系統が破損することを防止することができ、安定して放電を形成させることができるという効果を奏する。さらに、電極の導電体部が放電により消耗することがないので、電極の長寿命化、導電体材料溶出に伴う被処理水の成分変化がないという効果を奏する。さらに、電極同士の短絡を防止できるので、印加電圧や消費電力が小さくなるよう、電極間距離を可能な限り小さく設定することができるという効果を奏する。
【００１７】
水処理槽と前記水処理槽入口に設けられた請求項１乃至５いずれかに記載のマイクロバブル発生デバイスと、前記水処理槽出口より被処理水を前記デバイスへと供給する送液ポンプとから構成されることを特徴とする水処理装置によって、省電力で高処理効率な水処理が可能になるという効果を奏する。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、マイクロバブル発生デバイスの概略図を示している。
【００２０】
図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図を示している。
【００２１】
図１、図２を用いて、マイクロバブル発生デバイスの構造を説明する。
【００２２】
デバイスは容器本体１と容器本体１の底面に設けられた給気孔２と、容器本体１側面の接線方向に設けられた液体導入孔３と、容器本体１の先端に設けられた気液排出孔４と、容器本体１に挿入された、容器本体１の外部に設けた高電圧電源５と電気的に接続された電極６によって構成される。電極６は旋回軸８上に配置した棒状電極とそれを囲むように配置されたらせん状電極によって構成される。
【００２３】
図３は、マイクロバブル発生デバイス内の電極断面詳細図を示している。
【００２４】
旋回軸８上に存在する棒状電極とそれを囲むように配置されたらせん状電極によって構成される電極６は、内部の導電体６ｂを誘電体６ａでコーティングして構成されている。
【００２５】
次に図１、図２を用いて、本発明の特徴である活性種を含有させたマイクロバブル７の発生原理を説明する。
【００２６】
液体、例えば被処理水は液体導入孔３から導入されると、旋回流を生じる。この旋回流を生じた領域を液体領域９と呼ぶ。旋回による遠心力により、旋回軸８上は減圧され、給気孔２から気体が自動で給気される。給気された気体は旋回軸８周囲に気体領域１０を作り出す。液体と気体の密度差から、旋回速度に差が生まれる。そのため液体領域９と気体領域１０の気液界面で起こる速度ズレにより気体が引き剥がされるようなせん断効果が起こり、気体が微細化されマイクロバブル７となる。このせん断効果は旋回速度の上昇にともない向上するので、旋回距離の短くなる先端部分、気液排出孔４に近づくほどに効果的にせん断される。
【００２７】
高電圧電源５と電気的に接続されている電極６は気体領域１０に配置されており、そのため電極６は減圧されている気体領域１０中に配置していることになる。そして電極６に高電圧が印加されることで、放電され、オゾンやヒドロキシルラジカルなどの活性種が生成される。そしてせん断作用により生成された活性種を含むマイクロバブル７が発生し、気液排出孔４から排出される。
【００２８】
図３に示すように、電極６は、誘電体６ａのコーティングにより、電極間のアーク放電により急激に大電流が流れて電源回路などが破壊されることを防止することができ、安定して放電を形成することができる。また、導電体６ｂが放電により消耗することがないので、電極の長寿命化が期待でき、導電体６ｂの金属材料溶出に伴う液体の成分変化がない。また、電極同士の短絡を防止できるので、印加電圧や消費電力が小さくなるよう、電極間距離を可能な限り小さく設定することができる。
【００２９】
誘電体６ａについて、コーティング方法は、ゾルゲル法による無機酸化被膜を形成させる方法が好ましく、また材料は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、Ｙ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ２などが使用できるが、比誘電率などの観点から、好ましくはＢａＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２である。
【００３０】
導電体６ｂは、流通させる液体による酸化や、放電に伴う酸化による劣化に耐えられるような材料で構成する必要がある。例えば、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅および銅合金などの金属を用いることができるが、好ましくはステンレス鋼やチタンである。
【００３１】
電極６は、自動給気される気流や周囲で旋回している液体により熱を奪われるため、放電に伴う熱発生を抑制することができる。
【００３２】
電極間距離は、印加電圧や消費電力を小さくする目的では、可能な限り接近させて小さくするとよく、また、放電領域を大きくする目的では、大きくするとよいので、最適な電極間距離を設定する必要がある。減圧中での放電であるため、適切な電極間距離はパッシェンの法則より、０．０５から５０ｍｍである。電極間距離を５０ｍｍより大きくすると、放電に必要な印加電圧が１００ｋＶ程度以上となり、高電圧電源５が大型且つ高コストになってしまう。
【００３３】
電極間に印加される電圧波形は、高電圧の矩形波、三角波、正弦波などを用いることができ、好ましくは、高電圧パルスとするのがよい。高電圧パルスにすることで、短時間に高電圧印加することが可能となり、低電力で放電を発生させることが可能になる。また、発生した放電がほとんど熱となりエネルギーロスしてしまうアーク放電に移行する前に印加が止まるので、エネルギーロスを抑えることができる。
【００３４】
高電圧電源５により印加する電圧の大きさは、電極の形状・大きさ、処理対象物、要求される処理能力によって変わるため一概には決められないが、装置の大きさや安全性、電源の動作効率を考慮すると、好ましくは１から１００ｋＶである。
【００３５】
電極６は、一定の電極間隔を保ち、誘電体６ａで覆われており、気体領域１０の流れに沿わないような構造のため、気体領域１０が乱されることにより、液体領域９との相対旋回速度差を増大させることとなり、マイクロバブル７の発生効率が向上する。望ましくは、旋回流によって生ずる気体の流れの加速度が、一旋回中に変化するような構成であれば、いっそう気体領域１０と液体領域９との相対旋回速度差を増大させることとなり、マイクロバブル７の発生効率が向上する。
【００３６】
気体領域１０の流れに沿わないような構造とは、上述した棒状の電極とらせん状の電極で囲む構造の他、例えば棒状の電極を旋回方向と逆巻きらせん状の電極で囲む構造、二重らせん構造電極、旋回方向と逆巻き二重らせん構造、棒状電極を円筒メッシュ状の電極で覆う構造や対向メッシュ板電極、複数本の棒電極などが考えられる。
【００３７】
電極６が存在しない場合は主に、気体領域１０の旋回流は容器本体１内面や液体領域９の阻害による速度変化が生じるのみである。しかしこれら構造によって、電極６による旋回流の乱れや気体流れの方向変化、気体に働く加速度の変化の効果を付加することが可能となり、液体領域９と気体領域１０の相対速度差増大という効果を得る。ただし同様の効果を得ることができれば、これら構造に限らない。
【００３８】
給気孔２は容器本体１底面に設けているが、効率よい旋回と給気を得るために、好ましくは旋回軸８上、底面中央がよい。ただし、効率よい旋回と給気を得る構造であれば、これに限らない。
【００３９】
電極６は、気体領域１０中に配置されているが、スムーズな給気と、効率良い放電と、電極構造による気体領域１０を乱し電極近傍と気液界面での気体の混合を促進し、活性種生成効率向上、気液混合を得るため、好ましくは旋回軸８上またはその近傍がよい。ただし同様の効果を得ることができれば、旋回軸８上に限らない。
【００４０】
容器本体１は略円錐状としたが、円錐傾斜部がふくらみを持つような半紡錘状や半楕円球のような形状でもよい。また円錐傾斜部がくぼんでいるような漏斗状のような形でもよい。またそれらを底面で合わせたような形状、たとえば対円柱状、紡錘状や楕円球状などでもよい。この場合、液体導入孔３と給気孔２は合わせた底面の側面上に設けることや、給気孔２を気液排出孔４近傍に設けるなど工夫が必要となる。もしくは気液混合液を導入することも可能である。
【００４１】
このような構成によれば、減圧下で放電が可能となり、水中や大気圧で放電する場合に比べ放電に必要な電圧が低くて済むため、消費電力を抑えるという効果が得られる。
【００４２】
また、マイクロバブル発生部と電極６を一体化したことにより、放電により発生した活性種を含むマイクロバブル７を生成直後に被処理水に混合することを可能とし、活性種消滅前に水中の有機物、微生物と効率よく相互作用させることができるコンパクトで簡易な構成を可能とするといった効果を奏する。
【００４３】
マイクロバブル７生成においても、電極６の存在による、気体領域１０流れの抑制により、気液界面でのせん断効果が増大し、マイクロバブル７生成効率の向上につながるという効果を奏する。
【００４４】
また気体領域１０が乱されることで、電極６近傍と気液界面での気体の混合を促進し、活性種生成効率向上、気液混合が効率よく行われるという効果を得ることができる。
【００４５】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２の水処理装置構成図を示している。実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４６】
水処理装置はマイクロバブル発生デバイスと水処理槽１１と水処理槽１１からマイクロバブル発生デバイスへと被処理水１２を送る送液ポンプ１３から構成される。
【００４７】
送液ポンプ１３から導入された被処理水１２はマイクロバブル発生デバイス内で、給気孔２から供給された気体から電極６での放電により生成された活性種を含むマイクロバブル７と混合されて被処理水１２へと排出される。
【００４８】
寿命１ミリ秒以下などの活性種は、放電による生成直後にマイクロバブル７化され、マイクロバブル発生デバイス内で混合される際に、被処理水１２中の有機物や微生物と相互作用し、水処理する。
【００４９】
さらに、比較的長寿命のオゾンなどの活性種であれば、水処理槽１１へ排出されたマイクロバブル７の気液界面にて被処理水１２中の有機物や微生物と相互作用し、水処理できる。またマイクロバブル７中の活性種が上昇中に被処理水１２中に溶解することによっても被処理水１２中の有機物や微生物と相互作用し、水処理できる。
【００５０】
ここでいうマイクロバブル７とは直径１ｍｍ以下、望ましくは１０μｍ〜２０μｍである。マイクロバブル７となることで、総体積あたりの表面積が増えるため、気液界面での相互作用確率が上昇し、水処理効果が向上する。また直径１０μｍであるときの気泡内外の圧力差はヤング―ラプラスの式より約０．３気圧高くなり、気体の被処理水１２への溶解効率が上昇し、被処理水１２中の有機物や微生物と相互作用確率が上がり、水処理効果も向上する。そのため寿命１ミリ秒以下の活性種であっても、効果的に被処理水１２中の有機物や微生物と作用する。
【００５１】
さらに、比較的長寿命のオゾンなどの活性種であれば、マイクロバブル７となることで、総体積あたりの表面積が増えるとともに、たとえば直径１０μｍであるとき、マイクロバブル７の上昇速度はストークスの法則より２ｍｍ／分程度と非常に遅くなるため、気液界面での相互作用時間、確率が上昇し、水処理効果が向上する。また直径１０μｍであるときの気泡内外の圧力差はヤング―ラプラスの式より約０．３気圧高くなり、気体の液体への溶解効率が上昇し、被処理水１２中の有機物や微生物と相互作用確率が上がり、水処理効果も向上する。
【００５２】
供給される気体としては、大気中の空気、高純度の酸素、オゾンなどが使用できる。
【００５３】
本実施の形態では、マイクロバブル発生デバイスを水処理槽１１に外接する形で設けたが、水中に存在していてもよい。その際には給気孔２を液外に出すか、給気管などでボンベなど気体供給手段に接続する形が好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明にかかる水処理装置は、簡易な構成で、消費電力を抑えつつ、水処理能力の向上が可能になるという効果が得られるものであり、水道水、飲食用水、下水、工業用水、産業用排水、或いは、プール、公共浴場、温泉等に使用する水（被処理水）の中に含まれる有機物の分解や微生物の殺菌により被処理水の処理を行う水処理装置として有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１    容器本体
２    給気孔
３    液体導入孔
４    気液排出孔
５    高電圧電源
６    電極
６ａ  誘電体
６ｂ  導電体
７    マイクロバブル
８    旋回軸
９    液体領域
１０  気体領域
１１  水処理槽
１２  被処理水
１３  送液ポンプ
【図１】
2013119043.tif 000003
【図２】
2013119043.tif 000004
【図３】
2013119043.tif 000005
【図４】
2013119043.tif 000006