(57)【要約】液体処理装置は、液体を受け取って流す液体の流路２６とプラズマ発生手段とを含み、プラズマ発生手段は流路２６を流れる液体の表面と接触するように流路上方の気相中にプラズマフィールドを生成するように構成され、プラズマフィールフドは液体に作用してその不純物が固形の不溶性物質を形成し、この物質は、公知の濾過方法によって液体から除去される。プラズマ発生手段は陽極を形成する少なくとも１つの電極４０とこの電極４０から間隔をあけて配置された少なくとも１つの陰極２４とを含み、電極４０は、液体が流路２６を流れる際、電極４０が気相内で液体の表面の上方にあるように配置され、少なくとも１つの陰極２４は、液体が流路内を流れる際に、プラズマフィールドが気相内に発生して液体の表面まで延びその表面に接触するように、液体の表面の下方に少なくとも部分的に沈むように配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を受け取ってこの液体を流すように構成された液体流路とプラズマ発生手段とを含み、前記プラズマ発生手段は、前記液体流路を通って流れる液体の表面と接触するように前記液体流路の上方の気相中にプラズマフィールドを生成するように構成されている液体処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液体処理装置であって、前記プラズマ発生手段は、陽極を形成する少なくとも１つの電極と、この電極から間隔をあけて配置された少なくとも１つの陰極エレメントとを含み、前記少なくとも１つの電極は、液体が流路を通って流れる際、前記少なくとも１つの電極が気相内で液体の表面の上方にあるように配置され、また前記少なくとも１つの陰極は、液体が流路内を通って流れる際に、プラズマフィールドが気相内に発生して液体の表面まで延びてこの液体の表面に接触するように、液体の表面の下方に少なくとも部分的に沈むように配置されている液体処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載の液体処理装置であって、前記少なくとも１つの電極は、前記流路の上方に垂直に位置決めされている液体処理装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の液体処理装置であって、前記流路の一部が前記陰極を形成している液体処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載の液体処理装置であって、前記流路は、基体エレメントを含み、前記基体エレメントの少なくとも一部が前記陰極を形成している液体処理装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の液体処理装置であって、前記流路に液体を供給する液体入口と前記流路から液体を受け取るように構成された液体出口とを有するハウジングを更に含む液体処理装置。
【請求項７】
請求項６に記載の液体処理装置であって、前記ハウジングの少なくとも一部分は、前記少なくとも一つの電極と前記流路が収納される反応室を形成している液体処理装置。
【請求項８】
請求項７に記載の液体処理装置であって、前記反応室は、基体と１対のサイディング部材とを含み、前記１対のサイディング部材は、前記基体の幅を横切って横方向に間隔をあけた配置で縦方向に設けられており、且つ前記サイディング部材は、前記流路の側部を規定し、前記サイディング部材間の基体部分は、前記流路の基体を規定している液体処理装置。
【請求項９】
請求項８に記載の液体処理装置であって、前記サイディング部材は、誘電体から形成されている液体処理装置。
【請求項１０】
請求項７又は８に記載の液体処理装置であって、前記液体入口から液体を受け取るように構成された入口室を含み、前記入口室は、この入口室からの液体が流路に流れ込む堰き止め板を含んでいる液体処理装置。
【請求項１１】
請求項６乃至１０のいずれかに記載の液体処理装置であって、前記反応室は、前記反応室の内部に空気が希薄な雰囲気を生成するように真空源に接続するために構成された入口を含む液体処理装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載の液体処理装置であって、前記流路の長さに沿って前記流路の傾斜を変える傾斜手段を含んでいる液体処理装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の液体処理装置であって、前記傾斜手段は、前記流路の一端に設けられたピボット手段と、前記流路の長さに対して前記ピボット手段から長手方向に間隔をあけて設けられたアクチュエーターとを含んでいる液体処理装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の液体処理装置であって、前記流路は、ハウジング内に収納され、前記ピボット手段と前記アクチュエーターとは、前記流路の長さに対して縦方向に間隔をあけた配置で前記ハウジングに接続されている液体処理装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の液体処理装置であって、前記ピボット手段は、前記液体出口に最も近いハウジングの第１の端部に接続され、前記アクチュエーターは、縦方向の相対する端部に接続されている液体処理装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の液体処理装置であって、前記プラズマ陰極を形成する前記流路の基体の少なくとも一部から熱を除去する冷却手段を含んでいる液体処理装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の液体処理装置であって、前記冷却手段は、前記流路の基体の底面と熱吸収性の接触をするように冷却流体の流れを通すように構成された流体通路を含んでいる液体処理装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の液体処理装置であって、前記流体通路は、前記ハウジングの基体の下方に配置されたチャンバーによって形成され、前記チャンバーは、流体入口と流体出口とを含み、前記流体入口と流体出口は、前記冷却流体が前記流路を流れる液体の流れに実質的に相対する方向に流れるように配置されている液体処理装置。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれかに記載の液体処理装置であって、前記流路の長さに沿って間隔をあけた配置で設けられた複数の陰極を形成する複数の電極を選択的に含むように構成された液体処理装置。
【請求項２０】
請求項１乃至１９のいずれかに記載の液体処理装置であって、前記プラズマ発生手段は、非平衡型接触プラズマを生成するように構成されている液体処理装置。
【請求項２１】
流路を通して処理されるべき液体の流れを通す工程と、前記液体の表面と接触するように前記流路内の液体の表面の上方の気相中にプラズマフィールドを生成する工程とを含み、前記プラズマは、前記液体の表面に接触して前記液体と反応せしめられる液体処理方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、前記液体通路の上方の気相に陽極を形成する電極を設けることと、前記液体の表面の下方の流路に陰極エレメントを設けることと、前記陽極と陰極との間に電位差を生成するように、電極に電流を印加することとを含む液体処理方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって、前記液体が前記流路を通って前記プラズマフィールドに接触した後、前記液体を濾過する工程を含む液体処理方法。
【請求項２４】
請求項２１乃至２３のいずれかに記載の方法であって、前記液体の深さを変えるように、前記流路の傾斜を選択的に変化する工程を含む液体処理方法。
【請求項２５】
請求項２２乃至２４のいずれかに記載の方法であって、プラズマが前記液体に接触する程度を選択的に変えるように、電極の数を選択的に変える工程を含む液体処理方法。
【請求項２６】
実質的に、図１及び図２を参照して記載され及び／又は図１及び図２に示された通りの液体処理装置。
【請求項２７】
実質的に、図１及び図２を参照して記載され及び／又は図１及び図２に示された通りの液体処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体処理装置に関し、特に、水の処理浄化装置に関するものである。
【０００２】
汚染水の放出による環境汚染の予防及び飲料水の浄化のための汚染水の処理は、水源から汚染物質を取り除く技術を必要とする。このような汚染物質は、重金属又は溶解かされた有害物質を含んでいる。世界的な産業の拡張によって、産業上生成された汚染水のレベルが著しく増加している。清潔な飲料水を供給するためのこのような水処理は、人間の食物の消費に適合させるのに先立って、水を浄化しなければならない程度によって特別の問題を有する。
【０００３】
水処理浄化のための大規模な産業的なプロセスは、知られている。しかし、このプロセスを一層効率的にする要望が増加している。更に、一層大規模な生産加工設備にアクセスすることができない領域では、第三国での応用や軍事的な使用のための一層小規模な効率的な水処理手段の必要性がある。
【０００４】
従って、上記した問題に取り組み、及び／又は、一般的に改良を提示する改善された液体処理装置を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明によれば、添付の特許請求の範囲に記載されているような液体処理装置が提供される。
【０００６】
本発明の一つの実施例では、液体を受け取ってこの液体を流すように構成された液体流路とプラズマ発生手段とを含む液体処理装置が提供される。プラズマ発生手段は、液路を通って流れる液体の表面と接触する液体流路の上方の気相中にプラズマフィールドを生成するように構成されている。気相中で生成されたプラズマフィールドを液体の表面に印加すると、液体に作用して、液体に溶解の不純物は、従来の濾過方法によって液体から除去することができる固形の不溶性物質を形成せしめられることが驚くほど有利に判明した。更に、プラズマフィールドの作用は、液体の構造を改めるように働き、特に、以下に述べるように有利で有益な特性を提供するために、水の構造の変更に特定の応用性がある。
【０００７】
プラズマ発生手段は、陽極を形成する少なくとも１つの電極と、この電極から間隔をあけて配置された少なくとも１つの陰極エレメントとを含んでいる。少なくとも１つの電極は、液体が流路を通って流れる際、少なくとも１つの電極が気相内で液体の表面の上方にあるように配置され、また少なくとも１つの陰極は、液体が流路内を通って流れる際に、プラズマフィールドが気相内に発生して液体の表面まで延びてこの液体の表面に接触するように、液体の表面の下方に少なくとも部分的に沈むように配置されている。
【０００８】
プラズマ発生手段の陰極が少なくとも部分的に液体の下方に位置し、電極によって形成された陽極が気相上で液体から間隔をあけて配置されていると、気相中の電極（陽極）と処理液の表面との間でプラズマ放電が発生して、流路を通って流れる液体の表面まで延びてこの液体の表面に接触するプラズマが陰極と電極との間で形成される。このプラズマが液体と相互作用すると、水中に溶解している重金属又は粒子状物質の如き不純物は、公知の濾過方法によって水から順次除去されることができる固形の不溶性微粒子に変換せしめられる。
【０００９】
陽極を流路の「上方」に配置することを言及したが、この「上方」という用語「は、液体の表面に対して上方であるとの意味として解釈されるべきであり、即ち、陽極が垂直方向の上方というよりは、液体外にあることを意味する。好ましい実施例では、陽極は、液体の表面から垂直方向に上方に位置しているが、流路が垂直方向に向いている他の実施例では、陽極は、液体の表面から「上方」に維持しつつ流路から水平に間隔をあけてあってもよい。
【００１０】
空気が薄い減圧状態でのプラズマ放電は、低電流で比較的高い電圧で最も安定している。従って、本システムは、低電流需要で最適条件の下で作動することができる。２００ｍＡ以上に電流が増加すると、収縮放電、即ち、古典的なアーク放電を生ずることになるので、温度上昇が急激となり、また、液体が沸騰し始める。これは、プラズマ反応を使用することで回避される。
【００１１】
本装置は、気相に陽極を含み、液相に陰極を含んでいるのが好ましい。他の実施例では、陰極は気相中にあり、陽極は、液相中にある。更に他の実施例では、両方の電極が液体の表面のすぐ近くの気相中にあってもよい。陽極が気相にあって陰極が液相にあると、液体の表面上でプラズマ放電錐が生ずることになるので、そのような実施例が最も好ましい。
【００１２】
陽極を形成する反応室の基体は、ステンレス鋼、又は酸性あるいはアルカリ性の媒体で低い腐食特性を有する同様の材料で形成されるのが好ましい。
【００１３】
上記した少なくとも１つの電極は、流路の垂直方向の上方に位置し、また流路の幅に沿って中心に位置するのが好ましい。このように配列すると、電極は、気相中で液体の表面の上方に維持されることができるので有利である。
【００１４】
好ましくは、流路の一部は、陰極を形成する。流路は、基体を含み、また、好ましくは、陰極を形成するのは、この基体の少なくとも一部である。このようにすると、特別の陰極を必要としない。更に、流路を流れる水の全体は、この陰極を通り、従ってこの陰極と電極によって形成された陽極のとの間で生成された接触プラズマに晒される。
【００１５】
流路に液体を供給する液体入口とこの流路から液体を受け取るように構成された液体出口とを有するハウジングが設けられている。このハウジングは、流路を囲んでおり、液体を取り巻く周囲条件を監視又は制御することができる。
【００１６】
好ましくは、このハウジングの少なくとも一部分は、前記の少なくとも一つの電極と流路が収納される反応室を形成している。プラズマフィールドが流路に印加される特定の反応室を形成すると、特定の反応環境を限界することによって反応条件を一層制御することができる。
【００１７】
この反応室は、基体と１対のサイディング部材とを含み、１対のサイディング部材は、反応室の基体の幅を横切って横方向に間隔をあけた配置で縦方向に設けられており、これらのサイディング部材は、流路の側部を規定し、サイディング部材間の基体部分は、流路の基体を規定している。これらのサイディング部材は、ハウジング自体の基体を流路の基体として使用することを可能とし、この基体と協働して流路を形成し、それによって簡略化された有効な構成として部品、従ってコストを最小化する。その上、ハウジングの基体を流路の基体として用いると、以下に述べるように、基体を有効に冷却することができる。
【００１８】
サイディング部材は、誘電体から形成されるのが好ましい。誘電体を使用すると、サイディング部材は、陰極として流路の基体を電気的に隔離し流路の基体を形成するのを可能にする。
【００１９】
ハウジングは、液体入口から液体を受け取るように構成された入口室を含み、この入口室は、この入口室からの液体が流路に流れ込む堰き止め板を含んでいる。液体は、消泡剤を経て入口内に入り込む。消泡剤は、表面泡の形成の問題を防止し、空気の混入と封入とを防止する。
【００２０】
入口は、処理されるべき液体の入口流量の規制する流量調整器を含んでいる。本システムは、流路内の液体の深さを検知する液体センサーを更に含むことができる。選択的に流路の液体の深さを変える液体センサーからの信号に基づいて流量調整器を制御して流路内の液体の深さを選択的に変えるコントローラを設けることができる。
【００２１】
本装置は、その長さに沿って流路の傾斜を変える傾斜手段を更に含んでいてもよい。流路の傾斜を変えると、流路内の液体の深さは、選択的に変えることができる。
【００２２】
この傾斜手段は、ピボット手段と、流路の長さに対してこのピボット手段から長手方向に間隔をあけて設けられたアクチュエーターとを含み、このアクチュエーターは、流路がピボット手段の周りをピボット運動して傾斜を変える。流路は、出口に向けて下向きに傾けられ、傾斜手段は、この下向きの傾斜の勾配を変えることができる。アクチュエーターは、水圧又は空気圧ピストンの如き自動アクチュエーターとすることができ、入口流量調整器と協働して、又はこの流量調整器とは独立して、深さセンサーに応答してコントローラによって制御される。
【００２３】
流路は、ハウジング内に収納することができ、また、ピボット手段とアクチュエーターとは、流路の長さに対して縦方向に間隔をあけた配置でハウジングに接続してもよい。好ましくは、ピボット手段は、液体出口に最も近いハウジングの第１の端部に接続され、アクチュエーターは、縦方向に相対する端部に接続される。
【００２４】
冷却手段は、プラズマ陰極を規定する流路の基体の少なくとも一部から熱を除去するために設けられている。これは、流路内の液体の等温条件が維持されるのを可能とし、また、液体の温度が沸点を越えることがないのを確保するので有利である。
【００２５】
冷却手段は、流路の基体の底面と熱吸収性の接触をするように冷却流体の流れを通すように構成された流体通路を含んでいる。この流体通路は、ハウジングの基体の下方に配置されたチャンバーによって形成され、このチャンバーは、流体入口と流体出口とを含み、これらの出入口は、冷却流体が流路を流れる液体の流れに実質的に相対する方向に流れるように配置されている。
【００２６】
複数の電極は、ハウジングによって支持されていてもよく、また、これらの複数の電極は、生成されたプラズマを変えるために、選択的に消勢してもよい。プラズマ発生手段は、非平衡型接触プラズマを生成するように構成されている。
【００２７】
本発明の他の態様では、特許請求の範囲に記載されているような液体処理方法が提供される。この方法は、流路を通して処理されるべき液体の流れ通す工程と、プラズマが液体の表面と接触するように流路内の液体の表面の上方の気相中にプラズマフィールドを生成する工程とを含んでいる。
【００２８】
プラズマフィールドを生成するこの方法は、液体通路の上方の気相に陽極を形成する電極を設けることと、液体の表面の下方の流路に陰極エレメントを設けることと、陽極と陰極との間に電位差を生成するように、電極に電流を印加することとを含む。
【００２９】
本発明を以下の図面を参照して例示的にのみ説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、発明の実施例による液体処理装置の縦断面図である。
【図２】図２は、図１の装置の横断面図である。
【００３１】
図１を参照すると、水処理装置１は、処理を目的として水が通過されるハウジング２を含んでいる。水の処理は、例えば、当然に汚染物質を発生する工業的プロセスからの汚染物質を除去し、及び／又は、以下で一層に詳細に述べられる種々の応用の目的で水を活性化することである。
【００３２】
ハウジング２は、一端に水入口４を含んでいる。この水入口４は、水供給源に接続されるように構成され、入口の流量を制御する流量調整器６を含んでいる。入口４は、消泡器８に接続され、この消泡器８は、保持槽１０内に含まれている多孔の円筒容器からって成っている。入口４からの水は、消泡器８内を通り、多孔を経て保持槽１０内に入る。これによって消泡器は、表面の泡の問題を防止し、空気の混入と封入とを防止する。
【００３３】
保持槽１０は、容器の端壁１２と邪魔板１４とによって形成されている。邪魔板１４の高さは、保持槽１０の深さ、従って保持容量を定める。邪魔板１４の上端縁１６は、ハウジング２の屋根１８から間隔をあけており、従って、邪魔板１４が堰を形成している。邪魔板１４によって形成された堰をオーバーフローした水は、ハウジング２の反応室２０に流入する。
【００３４】
反応室２０は、邪魔板 １４によって形成された水入口と反応室２０の反対側の端部の水出口２２とを含んでいる。反応室２０の基体２４は、一端で邪魔板 １４に隣接し、反対側の端部で出口２２まで延びている。基体２４は、流路２６の基体を形成し、この流路２６は、反応室の入口から出口２２まで延びている。
【００３５】
図２に示されるように、１対の流路サイディング部材２８は、反応室２０の基体２４に沿って縦方向に延びている。サイディング部材２８は、基体２４の幅を横切って離れて間隔をあけており、サイディング部材２８間に露呈する基体部分と組み合わさって、流路２６の幅を形成し、またサイディング部材２８は、流路の側部を形成している。サイディング部材２８間で露呈した基体２４の部分は、流路２６の基体２７を形成する。サイディング部材２８の内端縁は、流路２６の側壁を形成し、効率的な流れのプロフィールを付与するように外向きに傾斜している。ハウジング２の幅を横切るサイディング部材２６の内端縁２９の間隔は、流路２６の幅を決定する。
【００３６】
入口４は、上面１８を経てハウジング２内にあってハウジング２内に入り込んでいる。出口２２は、ハウジング２の反対側の端部で基体２４から下向きに延びている。水は、入口４からハウジング２にポンプで送り込まれるか、圧力ヘッドの作用又は他の適当な手段によって移動される。その後、この水は、邪魔板１４を越えて反応室２０に流入する。また、水は、重力の作用で出口２２へサイディング部材２８内に収納された流路２６を流れて出口２２に達し、重力の作用を受ける。この作用を促進するために、反応室２０の基体２４は、邪魔板１４に近い端部から出口２２に向けて下向きに傾斜するように角度を付している。
【００３７】
反応室２０を通る水の流量は、入口４を経てハウジング２に入る水の流量によって決定される。入口流量は、可変流量調整器６によって制御される。この調整器は、保持槽１０内に入る流れを連続的であるが、制御されるのを許す。液体センサー３０は、流路内の水の深さを測定する。所定の流量に対して、流路２６内の水の深さは、基体２４の傾斜の勾配によって決定される。流路２６内の水の深さを制御するために、基体２４の傾斜角は、ハウジング２の傾斜を制御することによって可変である。
【００３８】
ハウジング２は、その出口端がピボットジョイント３２によって支持され、ピボットジョイント３２は、水平軸線の周りを垂直にピボット運動するボールジョイント又は他の適当なジョイントとすることができる。ハウジング２の反対側の端部は、垂直アクチュエーター３４によって取り付けて支持されている。このアクチュエーター３４は、水圧又は空気圧のピストンの如き従動直線アクチュエーターとすることができ、またはロック可能なスライドピンの如き手動のアクチュエーターとすることができる。このアクチュエーター３４は、それが接続されたハウジング２の端部を持ち上げてハウジング２をピボットジョイント３２の周りをピボット運動せしめる。従って、アクチュエーター３４は、ハウジング２を上下して、流路２６の傾斜角、従って流れの深さを選択的に変化させることができる。
【００３９】
このシステムは、深さセンサー３０からの入力信号に応じて流路２６の水深さを決定し、かつ、流路２６を通る水の所定の深さと流量を確保するように流量調整器６及び／又はアクチュエーター３４をそれに応じて制御するように構成されたコントローラー（図示せず）を含んでいる。所定の流量では、アクチュエーター３４の高さが変化すると、流れの深さの変化を達成し、一方、流量調整器は、流量を変えるために使用されて、所定の傾斜に対して流れの深さを変えることができる。
【００４０】
電極４０は、ハウジング２の屋根１８に取り付けられてこの屋根に支持されている。電極４０は、円錐形の形状を有し、トリエーテッドタングステンから形成された電導性のチップ４４を有する。チップ４４は、電極４０の円錐形支持部内に保持されている。電極４０の円錐形体４２は、密閉絶縁部材４６によって屋根１８に取り付けられ、またチップ４４は、ハウジング２から電気的に（ガルバニー的に）隔離され、電気的に絶縁されている。電極４０は、ハウジングの幅を横切って配置されているので、チップ４４が流路２６上でハウジングの長さに沿って横方向に心合わせされ、従って、チップは、流路２６の上方で所定の縦方向位置上に配置される。
【００４１】
電極４０のチップ４４の頂点は、流路２６に向けて下方に指向されている。屋根１８の高さと電極４０の長さは、電極４０のチップ４４が流路の基体２７から十分に間隔をあけてあって、流路２６が水の流れを含んでいるときに、チップ４４が水面から間隔をあけて反応室２０内の気相中に保持されるようになっている。
【００４２】
電極は、更に、ラジエタ部４７を含んでいる。ラジエタ４７は、高い熱伝導率を有する物質から作られ、電極４０からの熱を放散し、この熱放散を最適化するヒートシンクとして働く複数の上方に延びるフィンを含んでいる。
【００４３】
電極４０は、電力供給源に接続され、電気的な陽極を形成している。反応室２０の基体２４は、導電性材料から形成され、電極４０の陽極に対応する電気的な陰極を形成している。流路２６の基体２７の有効幅は、サイディング部材２８によって限定されている。 サイディング部材２８は、誘電体から形成されていて、流路２６の基体２７を電気的に仕切っている。
【００４４】
冷却流路５０は、反応室２０の基体２４の下に設けられている。更に、プレート５２が基体２４の下に間隔をあけて設けられていて冷却流路５０を形成している。この冷却流路５０は、冷却流体入口５４と冷却流体出口５６とを含んでいる。入口５４は、反応室の出口２２近くに位置しており、出口５６は、基体２４の反対側の端部の邪魔板１４近くに位置している。冷却流体は、流路２６を通る水の流れに対して反対方向に冷却流路を通って汲込まれて基体２４の冷却を最適化する逆流を生成している。
【００４５】
出口５８を経て反応室２０に真空がかけられる。反応室２０中に真空が存在すると、安定したプラズマ放電を形成するのを助けて、その後、プラズマ反応器を確実に安定して動作することができる。反応室２０内のガスの希薄化値は、確定した温度条件で反応器中の液体の自然沸騰の臨界値以下に維持される。それに加えて、真空にすると、プラズマ安定性に必要な最小値以上に希薄作用を維持する。
【００４６】
使用時には、処理されるべき水は、入口４を経てハウジング２内に入り、アクチュエーター３４によるハウジング２の傾斜によって流路２６に流れるようにせしめられる。流路を通る水の流れが生ずると、流路の基体２７は、完全に水面下に沈められ、また、電極４０のチップ４４は、気相中で水面の上方に位置せしめられる。電極４０に所定の電圧と電流とを印加すると、電極４０によって形成された陽極と流路２６の基体２７によって形成された陰極との間に電位差が生ずる。電極４０に供給された電圧及び電流は、陽極４０と陰極２７との間の電位差が電極４０のチップ４４と流路の基体２７とによって形成された陽極４０と陰極２７との間で気相中に非平衡プラズマを生成するように、制御される。電極の高さは、チップ４４の頂点が水面から５〜３０ｍｍの間で間隔をあけるように設定される。
【００４７】
非平衡プラズマフィールド６０は、電極４０と基体２７との両方に接続された開始電力源ユニット（図示せず）によって生成される。開始電力源ユニットは、電極４０に高電圧、定電流電力を供給する。点火電圧は、１−１．５ｍｓのインパルス周期に対して１２０００ ―１５０００Ｖの範囲である。高電圧開始パルスを印加すると、電極（陽極）４０と基体（陰極）２７のとの間をプラズマ発生用陽極電流が流れる。
【００４８】
点火後、電源パラメーターは、プラズマフローを維持するように切り替えられる。本出願人によって発見されたことであるが、最適の電源パラメーターは、５０Ｈｚで２２０Ｖ、６０Ｈｚで１１０Ｖの交流単相入力電圧と、０．２５Ａの最大負荷電流値で、７００ ―１５００Ｖの範囲に規制されたパルス出力定電圧である。
【００４９】
非平衡プラズマ電流は、流路内で処理される液体の急速な蒸発を防止するために、反応室冷却液内の温度を流路内で処理される液体の沸点より低く維持するように規制される。電源ユニットの制御によるこのプラズマの規制に加えて、反応室内の温度は、冷却液路５０に冷却液体を通すことによって更に緩和されて流路２６の基体２７から熱を取り除いている。冷却流路５０を通る流れは、流路内の処理を受ける液体の中で等温条件を維持するように規制される。熱は、システムから電極４０のラジエタ４７を経て更に取り除かれる。
【００５０】
電極４０によって気相中に生成されたプラズマは、電極４０と基体２７の間で電極４０の下方の領域にある液体の表面に接触する。この表面接触プラズマ放電は、液体内で化学的に活性な原子と分子とに作用して酸化還元性の１セットの化学反応を生じ、この化学反応は、液体内の溶液から汚染物質を取り除くように作用する。その後、この不溶性の固形物は、公知の濾過方法を用いて液体から取り除くことができる。一例として、プラズマ作用を受けて溶液からマンガン化合物を抽出することに関するデータが示される。
【００５１】
(１.７ ―３.５)１０−４ｍｏｌ／ｌの最初のマンガン成分を有する適度に濃縮された溶液を水処理装置１を通過させて、非平衡プラズマが印加されるように晒した。このプラズマの作用は、マンガンの酸化の結果として液体を変色するため、マンガンは、Ｍｎ０２・２Ｈ２Ｏの形態で液体中に暗褐色沈殿物を形成する。この場合、マンガンの酸化は、下記のようにして生じる：
Ｍｎ（ＶＩＩ）→Ｍｎ（ＩＶ）↓→Ｍｎ（ＩＩ）
【００５２】
反応室内で非平衡接触プラズマを印加すると、９５―９８%の程度のレベルのマンガン抽出がこのような溶液から生じたことが解った。
【００５３】
更に他の例では、排水中の溶解Ｆｅ２＋は、接触非平衡プラズマの印加によって酸化して以下の反応の結果Ｆｅ３＋にとなる。
Ｆｅ２＋＋ＯＨ’    →  Ｆｅ３＋＋ＯＨ”                    （１）
Ｆｅ２＋＋ＨＯ２’   →  Ｆｅ３＋＋ＨＯ２’                  （２）
ＨＯ２’ +Ｈ＋  →  Ｈ２Ｏ２                                （３）
２Ｆｅ２＋＋Ｈ２Ｏ２  →  ２Ｆｅ３＋↓＋２ＯＨ”             （４）
２Ｆｅ２＋＋Ｈ２Ｏ２＋２Ｈ＋→２Ｆｅ３＋↓＋２Ｈ２Ｏ          （５）
【００５４】
一旦溶液から取り除かれると、このプロセスによって形成された水酸化鉄の不溶性の沈殿物は、液体の異質のシステムを分離する公知の方法によって容易に分離される。一旦液体が反応室２０を出ると、プラズマ処理によって生成された沈殿不溶性の製品を削除する液体処理が行われる。水処理装置１は、システムの不可欠な部分として液体からの固形成分を除去する処理/濾過装置を含んでいてもよい。さもなければ、装置１は、続けて、この処理装置へ接続するための連結手段を含んでいてもよい。
【００５５】
プラズマは、プラズマフィールドの始動的な影響を受けてそれらの原子価を変更することができる多価金属のイオンを含んでいる水溶液に最も効率的に作用する。プラズマは、水溶液中に存在する重金属の原子価の変化を開始して固形の不溶性粒子を形成させ、これらの不溶性粒子は、公知の濾過方法を用いて水溶液から取り除くことができる。排水は、例えば、工業的湿式冶金プロセスやシアン溶液に基づいた電着塗料を用いる機械建設に用いられるプロセスで問題のある副産物であるシアン化合物を含んでいる。
【００５６】
シアン抽出のプロセスは、以下のように生じる。Ｚｎ（ＣＮ）４２”合成物をＨ＋及びＯＨ”粒子と相互作用している間、Ｚｎ原子が破壊される最初の配位圏の傾向があり、次いで、１つのＺｎ（ＯＨ）２合成物と４つのＨＣＮ分子が形成される。更に、プラズマ作用を受けた水溶液中のＨＣＮの劣化が以下のパターンに従って生じる。
ＣＮ”＋２ＯＨ”  →  ＣＮＯ”＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ,                 （１）
２ＣＮＯ”＋４ＯＨ”  →  ２ＣＯ２＋Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ＋６ｅ,      （２）
又は
ＣＮＯ”＋２Ｈ２Ｏ  →  ＮＨ４＋＋ＣＯ３２−                     （３）
従って,有毒なシアンを完全に分解することが確保される。
【００５７】
同様にして、銅、銀、金、カドミウム及び亜鉛のシアン化物を含んでいる溶液も、固形の不溶性金属酸化膜の形成と共に、又は銀や金の分子の形態への還元によって浄化することができる。
【００５８】
流路２６は、連続的な流れ条件の下で廃水の処理を可能にする。一旦接触プラズマフィールド６０が開始すると、このプラズマフィールドが維持され、電極の下方に形成された反応領域を経て連続的な流れとして通る水に印加される。このようにすると、処理槽内の非流れ条件の下で水の単一バッチ処理への例と比較して、水の非常に効率的なプロセス処理を可能にする。
【００５９】
廃水から不純物を除去するほか、本発明の廃水処理装置１の接触プラズマは、水自体の構造を変更することが判った。水構造についての現在の理解は、クラスタ構造に基づいており、これは、有名なスペクトル・物理的化学的方法によって確認されている。水分子は、単純な個々のＨ２Ｏ分子ではなく、複雑なクラスタ構造で存在することが判っている。水分子が群がる程度は、水の作用と吸収性に影響を与える。本出願人は、反応室２０の流路２６内の水に非平衡接触プラズマが作用すると、より小さくて単純な分子から成る変成水構造を形成するように、複雑な水クラスタ構造が破壊されることを知った、この変成水構造は、例えば、プラントの細胞組織及び一層迅速で効率的な方法によって水を吸収することができ、それによって、水の水和特性を増加させる。この変成水構造は、焼成処理や、水の細胞吸収が治療を促進する他の医療応用の如き他の応用において水の細胞吸い込みをも改良する。
【００６０】
水分子中の双極子モーメントの存在により、十分に高い電圧を印加すると、水分子が部分的に再配向されることになる。このため、水分子内の結合が破壊され、またＨ＋とＯＨ―イオンが形成され、更なる解離の結果、遊離基ＯＨと水和電子ｅ（ａｑ）が形成される。
ＯＨ”  →  ＯＨ’ ＋  ｅ（ａｑ）                      (１) 
【００６１】
その結果生成する水は、水和電子の存在によって形成された容積測定クラスタを含んで電気化学的に「活性化される」ことが判った。接触非平衡プラズマによる処理の水の初期段階は、また水の励起分子であるイオン及びその結果生じる電子が形成されることになる。
Ｈ２Ｏ  +  ｅ”   →  Ｈ２Ｏ＋２ｅ”                      （２）
Ｈ２Ｏ  +  ｅ”  →  Ｈ２Ｏ’ ＋ｅ’                      （３）
【００６２】
処理の次の段階は、次の通りである。
Ｈ２Ｏ＋Ｈ２Ｏ＋  →  Ｈ３Ｏ＋＋ＯＨ’               （４）
ｅ” +Ｈ２Ｏ  →  ｅ（ａｑ）＋ Ｈ２Ｏ               （５）
Ｈ２Ｏ’＋Ｈ２Ｏ’→  Ｈ２Ｏ２＋２Ｈ’               （６）
Ｈ２Ｏ’ → ＯＨ’＋Ｈ’                           （７）
【００６３】
従って、幾つかのイオン対が形成され、また約６つの励起された水分子に群がり、これらの水分子自体は、９対の基まで生成することができる。これらの大きな集結によって、基の組換え反応が起こって活性化製品が形成される。
ＯＨ’ ＋Ｈ’  →  Ｈ２Ｏ                                  （８）
ＯＨ’＋ＯＨ’ →  Ｈ２Ｏ２                                （９）
Ｈ’ ＋Ｈ’ →  Ｈ２                                      （１０）
ｅ（ａｑ）＋ｅ（ａｑ）＋２Ｈ２Ｏ  →  Ｈ２＋２ＯＨ”       （１１）
【００６４】
活性粒子を均質に分布することによって、遊離基分子反応が重要なキープロセスとなる。
Ｈ２+ ＯＨ’ →  Ｈ２Ｏ + Ｈ’                            （１２）
Ｈ２Ｏ２ + Ｈ'  →  Ｈ２Ｏ + ＯＨ’                        （１３）
Ｈ２Ｏ２ + ｅ（ａｑ）-→  ＯＨ’ + ＯＨ＋                  （１４）
Ｈ２Ｏ２ + Ｈ２Ｏ’  →  Ｈ２Ｏ + ＯＨ’                    （１５）
【００６５】
これらの反応は、水の破壊と過酸化物及び超過酸化物の合成物の構成との連鎖機構に導かれる。
【００６６】
上記の粒子とは別に、水を接触非平衡プラズマ法によって処理すると、水に少量のヒドロ過酸化物の基Ｈ０２’も形成される。
Ｈ２Ｏ２  ＋  ＯＨ’  →  Ｈ２Ｏ＋ＨＯ２’                    （１６）
【００６７】
最も強烈には、この基は、溶解酸素を含んでいる水に形成される。
Ｈ’＋Ｏ２  →  ＨＯ２’                                      （１７）
Ｈ＋＋ｅ（ａｑ）＋Ｏ２  →  ＨＯ２’                          （１８）
【００６８】
一方、ヒドロ過酸化物の基は、次の反応を通じて酸素の形成を促進する。
Ｈ２Ｏ２  +  Ｈ’  →  Ｈ２Ｏ  +  ＯＨ’                   （１９）
Ｈ２Ｏ２  +ｅ（ａｑ）  →  ＯＨ’＋ＯＨ＋                  （２０）
Ｈ２Ｏ２  +  Ｈ２Ｏ’→  Ｈ２Ｏ  +  ＯＨ’                  （２１）
【００６９】
接触非平衡プラズマで水を処理している間、超過酸化物合成物も形成されて、水の構造変換と水中での過酸化水素の蓄積に寄与する。
ＨＯ２’＋ＨＯ’  →  Ｈ２Ｏ３                                （２２）
ＨＯ２’ + ＨＯ２’  →  Ｈ２Ｏ４                            （２３）
【００７０】
上記のプロセスのすべてを考慮すると、接触非平衡プラズマで水を処理すると、水の構造が根本的に変化することになることは明白である。
【００７１】
Ｈ３Ｏ+のイオンの各々は、５つの水負帯電分子に囲まれて次の生成メカニズムによって、準安定の非帯電クラスター化合物Ｈ３Ｏ＋ａｑ(Ｈ２Ｏ０．２ｅ)５を形成する。
６Ｈ２Ｏ →  ２(ＯＨ”・Ｈ２Ｏ)＋２Ｈ３Ｏ+                      (２４)
２(ＯＨ―・Ｈ２Ｏ)  →  ２（ｅ(ａｑ)・Ｈ２Ｏ）＋２ＯＨ         (２５)
ＯＨ’ + ＯＨ’ →  Ｈ２Ｏ２                                     (２６)
２（ｅ（ａｑ）・Ｈ２Ｏ)＋２Ｈ３Ｏ+  →  ２Ｈ’ + ４Ｈ２Ｏ         (２７)
【００７２】
この構成では、常磁性で、磁界と電界相互作用するＯＨ基の反応が起こる。その結果、ＯＨ基の増加とＨ２Ｏ２の蓄積とが起こる。
【００７３】
準安定のクラスター化合物の存在の長さに生じたデータは、例えば、オリゴマー５Ｈ２Ｏ・ｅ（ａｑ）が以下の反応の結果分解前に負に帯電されることが証明される。
Ｈ２Ｏ＋ｅ（ａｑ）→ＯＨ” ＋ Ｈ’                             （２８）
【００７４】
これは、多数の準安定合成物の構成に関与する。従って、準安定クラスタ構成物の解体部分自体が増殖し、そうしている場合に、電子交換のプロセスを促進する。正確に述べると、この連続的に繰り返される形成プロセスとその解体とによって、生成水のクラスタ構造が安定性と、新たに、以前に存在していない物理的・化学の特性を有する。
【００７５】
本発明の方法によって活性化された水の特性を研究すると、その高い酸化還元電位と、次のようなユニークなパラメーターと特性が明らかになった。
過酸化水素及び超過酸化物の合成物は、５０−１５００ｍｇ／ｌのレベルであり、
―動的粘度が１．０５５−１．０７５ＭＰａ
―電気的コンダクタンスが５．２・１０―１０―５．８・１０−８ｃｍ／ｍ
―正の荷電粒子の機敏性が(３１.５―３２.０)・１０−８Ｍ２Ｂ−１ｃ−１
―負の荷電粒子の機敏性が(６.５―７.０)・１０−８Ｍ２Ｂ−１ｃ−１
―ｐＨが２．４−１１．０
であった。
【００７６】
分析の物理的・化学的方法を使用して、活性水のクラスタ構造の変化を実験的に確認した。活性水を検査するためにスペクトル法を使用すると、分子間の水素関係に関与する水素原子の置換に関する変動の原因である７００ｓｍ−１の領域のスペクトルの変化は、明らかである。水をグロー放電プラズマ処理した後、ＩＲスペクトルのこの部分での最大吸収範囲は、活性水での分子間協働構造(クラスタ構造)の変化を指す７１４ ｃｍ−１から６８０ｓｍ−１まで低周波置換する。それと同時に、２週の記憶後に、一連の吸収の大部分は、同じ場所にあり、即ち、２週以内の水の構造は、当初の構成に戻ることはない（従って、プラズマ活性化した水のクラスタ構造が保持される）。
【００７７】
結合型（ＲａｍａｎｏＶ）光分散（ＣＬＯ）方法は、最初の水と活性化した水（活性化水）の二次電子放出のスペクトルの差を示す。最初の水では、８１０―９５０ｓｍ−１の領域で、８２７ｓｍ−１の最高値と約１５ｓｍ−１の幅とを有する多数のラインが観察された。観察されたラインの中で最も弱いものは、８７７ｓｍ−１付近の最大値を有して過酸化水素水の溶液用の共通場所であるＯ２２−振動領域に位置していた。活性水では、Ｏ２２−振動領域のラインは、３つの他のラインの衰弱によって優勢となる。
【００７８】
最初の水と活性化水のＮＭＲスペクトルの測定は、以下の通り重要な特異性を実証した。
化学シフト値        ラインの幅値
最初の水              ４.３７９８ｍ.ｄ.    ６．３５４±０．００２Ｈｚ
活性化水              ４.３８２９ｍ.ｄ.    ７．１０７±０．００２Ｈｚ
【００７９】
化学シフトの差は、約０.００３ｍ.ｄ.であることが示され、又は３００ＭＨｚの作動周波数で使用された核磁気共鳴１Ｈに対して約１Ｈｚの周波数の再計算値であることが示されている。従って、核磁気共鳴１Ｈのスペクトルは、最初の水と活性化水との化学シフトと幅での特異性を実証している。
【００８０】
陽子磁気弛緩法（ＰＭＲ）とスピン格子緩和時間Ｔ１の全測定範囲で平均化された実験結果の処理とによって最初の水と活性化水とのパラメータの測定によれば、ヒドロキソニウムイオンＨ３Ｏ＋の機敏性が活性化水では一層高く、ヒドロキソニウムを成分（即ち自立性分子群）として含むイオンでも同様であり、これは、ガス・プラズマ放電モデリングの理論的な結果に相応することが証明される。
平均値Ｔ１（秒）      平均値からの最大偏差
最初の水              ２．７３              ±０.０５
３%のＨ２Ｏ２溶液      ２．５１              ±０.０３
活性化水              ２．３４              ±０.０７
【００８１】
従って、ＰＭＲ測定は、プラズマ活性化水のスピン格子弛緩の特異性を実証し、プラズマ活性化の結果であるヒドロキソニウムイオンの高い機敏性を特徴づけている。
【００８２】
理論的及び実験的研究によれば、低温で非平衡の接触プラズマで活性化された水には、過酸化物合成物が存在することが証明され、また安定したクラスタ構造を有する新しい活性化された水が存在することが確証される。
【００８３】
プラズマ処理法の変形は、反応室内の電極の数を変えることにより行うことができる。ハウジングの屋根１８は、その長さに沿って一連の電極を受け取るように構成されている。図１に示される装置は、第１の電極４０とこの第１の電極４０から間隔をあけて同様にして屋根に取り付けられた第２の電極４０ａとを含んでいる。一連の各電極４０は、下方を流れる液体の所定の表面領域に接触するプラズマ放電領域を形成している。電極４０の数を増加させると、表面反応領域が増加し、従って、液体が流路２６を通過する際に、液体上のプラズマ作用が増大する。所定の液体量に対しては、液体上のプラズマ作用は、液体がプラズマ反応領域内にあって反応期間を限定する時間に部分的に依存する。
【００８４】
この反応期間は、流量と、反応室２０内にある電極４０の数に依存する。所定の数の電極４０に対しては、反応期間は、ハウジング２の傾斜を制御して流量を変化することによって変化し、流量が増加すると、反応期間が減少する。所定の流量に対しては、反応期間は、電極４０の数、従って反応室２０内の反応領域の数を変えることにより可変である。従って、例えば、短期間で大量の液体を処理することが要求される場合には、ハウジングは、より多くの電極４０を含めるように変形するとともに、流量を増加するように傾斜して、最大量の水が最も有効な方法で処理されるようにする。
【００８５】
反応室２０は、ハウジングの長さに沿って相互に平行に並べられた複数の流路２６を含むように構成される。この装置では、ハウジング２は、更に、流路の各々に対応し、その上方に設けられた多列の電極を含んでいる。流路２６の数及びそれに対応する電極の数を増加すると、ハウジングを通る最大流量、従って、所定の期間内に処理される液体の量が増大する。
【００８６】
流路内の液体に対する非平衡接触プラズマの効果は、液体の深さに依存する。プラズマフィールドによる処理中に、液体は、反応流路２６に沿って連続的に移動し、縦と横との両方で混合が生じ、これは、液体の流れの乱れ又は一時的な条件に対して典型的におこなわれる。このことは、温合の結果、プラズマ処理を受ける液体のその表層が連続して更新されて、移動して処理されている液体の全量を活性化せしめることを意味する。プラズマ処理の効率は、液体上のプラズマ活性成分の浸透の深さに依存する。水の表層中へのプラズマ活性成分が浸透する平均の深さは、次の限定で異なる。即ち、原子、基、励起分子は、０.１ｍｅｍ以上、イオン、電子は、１０単一層まで、紫外線の量は、１０ｍｅｍまでである。このようにして、液体の深さは、浸透深さが所定のプラズマ電界の強さに対して最適化されることを保証するように調節される。
【００８７】
更に他の実施例では、図示された上記の特定の装置に種々の修正を行うことができることは理解されることと思う。例えば、水の処理と浄化について本発明を説明したが、本装置を使用して他の液体も同じ方法で処理することができ、水に使用するのみに用途が限定されるものではない。
【図１】
2016502931.tif 000003
【図２】
2016502931.tif 000004
【国際調査報告】
2016502931.tif 000005
2016502931.tif 000006
2016502931.tif 000007