(57)【要約】  ＯＨ＊ラジカルおよびオゾンを配備する、有機および無機汚染物質のための高度な酸化方法に使用するのに適した装置が開示される。場合により、ＯＨ＊ラジカルを提供する第１の放電装置と、オゾンを提供する第２の放電装置とを組み合わせて、望ましい化学的および殺生物特性を提供する。さらに、ラジカルを標的流体に移動させるための効率的な混合システムが開示される。
2020532416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリーラジカルを発生させるための高度酸化アセンブリであって、
第１の放電装置と、
第２の放電装置と、
スロートにおいて発散ノズルに流体連結している収束ノズルを含む収束−発散ノズルアセンブリとを含み、
前記第１の放電装置の反応器出口および前記第２の放電装置の反応器出口は、前記収束−発散ノズルアセンブリの前記スロートにおいて、前記収束−発散ノズルアセンブリに流体連結しており、
前記アセンブリは、流体が前記収束ノズルから前記発散ノズルに通過する時に、前記第１の放電装置の前記反応器出口および前記第２の放電装置の前記反応器出口から流体を引き出す吸引圧力が前記収束−発散ノズルアセンブリの前記スロートにおいて生じるように構成されている、
高度酸化アセンブリ。
【請求項２】
フリーラジカルを発生させるための高度酸化アセンブリであって、
第１の放電装置と、
第２の放電装置と、
前記第１の放電装置により発生させたフリーラジカルと前記第２の放出装置により発生させたフリーラジカルとを混合するための混合システムとを含み、
前記混合システムは、
モータと、
シャフトチャネルを含む中空シャフトと、
１つ以上の吸引ポートおよび連結チャネルを含むカップリングと、
複数のサイドチャネルと流体連結している吸引チャンバを含むタービンとを含み、
前記モータは、タービンを回転させて、フリーラジカルを含有する流体が前記第１の放電装置の反応器出口および第２の放電装置の反応器出口から、前記１つ以上の吸引ポート、前記連結チャネル、前記シャフトチャネルを通って、前記吸引チャンバ内に引き込まれ、そこで流体が液体中に分散されるように、前記吸引チャンバ内に低圧の領域を生じさせる、
高度酸化アセンブリ。
【請求項３】
フリーラジカルを発生させるための高度酸化アセンブリであって、
入口、
ディフューザ、
ターボファン、
凝縮器および
出口を含む再循環システムと、
反応器出口を含む第１の放電装置とを含み、
前記ターボファンは、前記入口を通して流体を引き込み、前記流体を、前記再循環システムを通して前記出口に流し、
前記第１の放電装置は、前記再循環システムにおいて、前記凝縮器の下流かつ前記出口の上流に配置され、これにより、前記流体は、前記第１の放電装置および前記出口を通って流れる、
高度酸化アセンブリ。
【請求項４】
さらに、第２の放電装置を含む、請求項３記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項５】
前記第１の放電装置が、
反応器入口と、
１つ以上のピンを含む放電電極アセンブリと、
放電ギャップにより前記放電電極アセンブリから分離された対向電極とを含み、
電圧が、前記放電ギャップ間に印加される、請求項１から４までのいずれか１項記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項６】
前記第１の放電装置および前記第２の放電装置が、オゾンまたはヒドロキシルラジカルを発生させるように構成されており、場合により、前記第１の放電装置が、オゾンを発生させるように構成されており、前記第２の放電装置が、ヒドロキシルラジカルを発生させるように構成されている、請求項１、２または４のいずれか１項記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項７】
前記電圧が、５ｅＶである、請求項５記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項８】
前記電圧が、７ｅＶである、請求項５記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項９】
前記第２の放電装置が、
反応器入口と、
１つ以上のピンを含む放電電極アセンブリと、
放電ギャップにより前記放電電極アセンブリから分離された対向電極とを含み、
電圧が、前記放電ギャップ間に印加される、請求項１、２または４のいずれか１項記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１０】
前記１つ以上のピンがそれぞれ、４つの点を有する先端を含む、請求項５記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１１】
前記各ピン間の半径方向距離が等しい、請求項５記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１２】
前記各ピン間の軸方向距離が等しい、請求項５記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１３】
前記第１の放電電極アセンブリの前記１つ以上のピンおよび前記第２の放電電極アセンブリの前記１つ以上のピンが、１つ以上のディスクから外向きに延在しており、前記各１つ以上のピンが、４つの点を有する先端で終端しており、電圧が、前記放電ギャップ間に印加されると、前記先端が、４つのストリーマを発生させる、請求項９記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１４】
前記対向電極が円筒形である、請求項１２記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１５】
前記１つ以上のピンが、前記１つ以上のピンから発せられた前記ストリーマ間の距離が実質的に均一であるように、前記１つ以上のディスクの円周に沿って実質的に均一に分布されている、請求項１３記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１６】
前記放電ギャップ間の電圧が、前記放電電極アセンブリに印加される電流パルスにより生成され、前記ストリーマが前記放電ギャップを横切るのに必要な時間が、前記電流パルスの半値全幅（ＦＷＨＭ）に等しい、請求項１３記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１７】
前記第１の放電装置が、さらに、湿度制御装置を含み、前記湿度制御装置が、
加熱要素と、
シャフトによりモータに回転連結している再生式乾燥剤ホイールと、
空気入口と、
回収空気入口とを含み、
空気が、前記空気入口を通過し、前記再生式乾燥剤ホイールを通過し、前記第１の放電装置の前記放電ギャップに入り、
前記加熱要素が、前記回収空気入口を通って入る回収空気を加熱し、前記回収空気が、前記再生式乾燥剤ホイールから水分を除去し、
前記モータが、放電ギャップに入る空気中の水分の量を制御するために、調節可能な速度で前記再生式乾燥剤ホイールを回転させる、請求項９記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１８】
前記加熱要素が、前記再生式乾燥剤ホイールと前記放電ギャップとの間に配設されている、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項１９】
前記加熱要素が、前記空気入口として前記再生式乾燥剤ホイールの反対側に配設されている、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２０】
前記再生式乾燥剤ホイールが、吸湿材料の充填層を含む、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２１】
前記吸湿材料が、シリカゲルである、請求項２０記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２２】
前記再生式乾燥剤ホイールが、分子ふるいを含む、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２３】
前記再生式乾燥剤ホイールが、吸湿材料で被覆された織布足場を含む、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２４】
前記空気入口および前記回収空気入口を通る空気流、前記再生式乾燥剤ホイールの厚みおよび前記加熱要素の温度のうちの１つ以上が、前記回収空気入口および前記空気入口を通って前記放電ギャップに至る前記空気中の水分レベルを制御するように調整可能である、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２５】
前記放電ギャップに入る前記空気の露点が、−６０℃〜２５℃である、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２６】
前記放電ギャップに入る前記空気の露点が、−４℃〜４℃である、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２７】
前記再生式乾燥剤ホイールが連続回転する、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２８】
前記加熱要素が、前記再生式乾燥剤ホイールの加熱部分を覆い、前記再生式乾燥剤ホイールの加熱部分の表面積が、前記再生式乾燥剤ホイールの表面積より小さい、請求項１７記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項２９】
前記再生式乾燥剤ホイールの前記表面積に対する前記加熱された部分の前記表面積の比が、１：９〜１：２である、請求項２８記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項３０】
前記再生式乾燥剤ホイールの前記表面積に対する前記加熱された部分の前記表面積の比が、１：４〜１：３である、請求項２８記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項３１】
前記第２の放電装置が、湿度制御装置を含み、前記湿度制御装置が、
蒸気ノズルに流体連結している水入口およびノズル加熱コイルを含むノズルアセンブリと、
空気入口および空気入口チャネル内の空気加熱コイルを含む空気入口アセンブリとを含み、
空気が、前記空気入口を通過し、前記空気加熱コイルにより加熱され、
水が、前記水入口に注入され、前記水が、前記ノズル加熱コイルにより加熱される前記ノズル内で加熱され、
蒸気が、前記蒸気ノズルから前記空気入口チャネルに噴射されて、前記空気入口チャネル内に蒸気−空気混合物を形成し、
前記空気により、前記蒸気−空気混合物が、前記反応器入口を通って前記放電ギャップに入る、請求項９記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項３２】
前記蒸気ノズルから前記空気入口チャネルに注入される前記蒸気は、過熱蒸気である、請求項３１記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項３３】
前記第１の放電装置が、オゾン発生モードで動作し、前記第２の放電装置は、ＯＨ＊発生モードで動作する、請求項９記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項３４】
前記第１の放電装置および前記第２の放電装置を通って流れる前記流体が、空気であり、前記収束−発散ノズルアセンブリの前記収束ノズルに入る前記流体が、水である、請求項９記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項３５】
前記第１の放電装置を通る空気の流量が、前記第１の放電装置を通る空気の体積流量と、前記収束−発散ノズルアセンブリを通る水の体積流量との比に基づいて制御される、請求項３４記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項３６】
前記第１の放電装置を通る空気の体積流量と、前記収束−発散ノズルアセンブリを通る水の体積流量との比が、１：２０〜１：２である、請求項３５記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項３７】
前記第２の放電装置を通る空気の流量が、前記第２の放電装置を通る空気の体積流量と、前記収束−発散ノズルアセンブリを通る水の体積流量との間の比に基づいて制御される、請求項３４記載の高度酸化アセンブリ。
【請求項３８】
前記第２の放電装置を通る空気の体積流量と、前記収束−発散ノズルアセンブリを通る水の体積流量との比が、１：２０〜１：２である、請求項３７記載の高度酸化アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１７年９月１日に出願された米国仮出願第６２／５５３，５４６号に依拠し、その優先権を主張する。同出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
技術分野
本開示は、種々のプロセスにおいて反応物として使用することができるフリーラジカルの高度な発生のための装置および方法に関する。
【０００３】
背景
高度酸化プロセス（ＡＯＰ）は、主要な酸化剤として強力なヒドロキシルラジカル（ＯＨ＊）を利用する。ＯＨ＊ラジカルは、その挙動において非選択的であり、多数の種と素早く反応する。ＯＨ＊と有機化合物との反応により、炭素中心ラジカル（Ｒ＊またはＲ＊−ＯＨ）が生じる。Ｏ２により、これらの炭素中心ラジカルを、有機ペルオキシラジカル（ＲＯＯ＊）に変換することができる。ヒドロキシルラジカルは、寿命が非常に短いため、それらは、酸化剤（例えば、Ｈ２Ｏ２およびＯ３）および／または水への照射（例えば、紫外光または冷プラズマ）または触媒（例えば、二酸化チタン）の組み合わせを含む、種々の方法によりイン・サイチュ（ｉｎ  ｓｉｔｕ）で生成される。
【０００４】
オゾン（Ｏ３）が強力な酸化剤であるのは周知である。直接Ｏ３酸化は、Ｏ３が中性形態ではなく、有機化合物のイオン化形態および解離形態と優先的に反応する選択的反応であるが、特定の条件下では、ＯＨ＊が、Ｏ３から生成されて、無差別な酸化を開始する。ＯＨ＊の発生を以下のように説明するために、種々のメカニズムが提案されている。
【０００５】
３Ｏ３＋Ｈ２Ｏ→２ＯＨ＊＋４Ｏ２    （１）
他の酸化剤または照射の存在下で、ＯＨ＊収率を、顕著に改善することができる。例えば、ペルオキソン（Ｏ３／Ｈ２Ｏ２）系において、Ｏ３分解およびＯＨ＊生成は、Ｈ２Ｏ２分解から生成されるヒドロペルオキシド（ＨＯ２−）により増強される。
【０００６】
Ｈ２Ｏ２→ＨＯ２−＋Ｈ＋    （２）
ＨＯ２−＋Ｏ３→ＯＨ＊＋Ｏ２−＋Ｏ２    （３）
さらに、Ｏ３／紫外線（ＵＶ）照射により、Ｈ２Ｏ２が、主にＯ３光分解により、さらなる酸化剤として生成される。
【０００７】
Ｏ３＋Ｈ２Ｏ＋ｈν→Ｈ２Ｏ２＋Ｏ２    （４）
Ｈ２Ｏ２＋ｈν→２ＯＨ＊    （５）
実用的なＡＯＰを達成するために、ストリーマ放電を介して高密度で信頼性のあるＯＨ＊ラジカルを効率的に発生させることが望ましい。しかしながら、これを達成するための従来のシステムおよび方法は存在せず、さらなる改善が必要である。したがって、効果的なＡＯＰのための新規な方法および装置が提供される。
【０００８】
発明の概要
下記概要は、本開示に固有の革新的な特徴の理解を幾らか容易にするために提供され、完全な説明であることを意図していない。本開示の種々の態様の完全な理解は、明細書全体、特許請求の範囲、図面および要約を全体として採用することにより得ることができる。
【０００９】
放電装置は、高度酸化プロセス（ＡＯＰ）に必要とされる高い効率で豊富なＯＨ＊ラジカルを発生させるために、（有用なＯＨ＊ラジカルのために）高い水分含量を有する供給ガス（例えば、空気）を利用可能であるのが望ましい。しかしながら、供給ガス（例えば、空気）中に浮遊水滴が存在する場合、特に、放電先端における供給ガス速度が、特定の閾値（例えば、２ｍ／秒）を下回った場合、放電装置は、不要なアーク放電を引き起こして機能不全になる場合がある。あるいは、水自体が、対向電極として使用される場合、表面の起伏および放電ギャップの変動により、不均一なＡＯＰ処理および装置の機能不全が生じる場合がある。
【００１０】
本明細書において、これらの課題のうちの１つ以上を解決することができる、方法および装置が記載される。少なくとも１つの態様では、供給ガスから水滴を除去するための装置および方法が記載される。これにより、ＯＨ＊ラジカル発生の濃度および効率を向上させることができる。該装置および方法は、液滴形成が放電ギャップ内で防止されるように、条件（圧力および温度）を維持しながら、高い溶解水分含量を有する供給ガスを使用することができる。該装置は、さらに、蒸気発生器と、供給ガス中の高い溶解水分含量を可能にするガスヒータとを含む。
【００１１】
さらに別の態様では、オゾンを選択的に発生させるために供給ガスから水分を除去するための方法が提供される。この方法は、放電ギャップに乾燥空気を連続的に供給して主にオゾンを生成する再生式乾燥剤ホイールを、供給ガスの流れの中に含むことができる。
【００１２】
さらに別の態様では、ＯＨ＊ラジカルおよびオゾンガスを連続的に供給するための装置および方法が記載される。このような方法は、例えば、有機および無機汚染物質を除去するのに使用することができる。これは、ＯＨ＊ラジカルとオゾンとの双方を所望の比率で生成する１つの放電装置または少なくとも２つの放電装置（一方は、主にＯＨ＊ラジカルを提供し、他方は、主にオゾンを提供して、高度酸化プロセスが可能となる）のいずれかを含むことができる。
【００１３】
さらに別の態様では、放電装置からのフリーラジカルを適用部位に導き、それらを分配して、有機および無機汚染物質と反応させるための方法が提供される。これは、放電装置を介して吸引を発生させ、ラジカルガスを標的流体と混合させるための方法を含むことができる。
【００１４】
したがって、前述の課題を解決し、ＯＨ＊ラジカルもしくはＯ３またはそれらの組み合わせ（ＯＨ＊／Ｏ３）を選択的に発生させることが可能となり、放電ギャップに利用することも高度酸化のための適用部位に供給することもできる。
【００１５】
図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、いくつかの特徴を、特定の構成要素の詳細を示すために、誇張しまたは最小化する場合がある。したがって、本明細書に開示された特定の構造および機能の詳細は、限定として解釈されるべきではなく、単に、本発明を様々に利用するように、当業者に教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。例示的な態様は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、４つの撃退ストリーマを発生させるための４つのストリーマ点火点を有する電極先端を図示する概略図である。
【図２】図２は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、接地電極内部の組み立てられた放電電極の斜視図である。
【図３】図３は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、放電装置における放電ギャップ圧力および水分レベルに対する比出力オゾン濃度の変化を表す。
【図４】図４は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、放電装置への湿った供給ガスについてのオゾンおよびＯＨ＊分子の相対的な出力濃度を表す。
【図５Ａ】図５Ａは、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、供給ガスから放電ギャップに水分を除去するための再生式乾燥剤ホイールを含む放電装置の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、再生式乾燥剤ホイールの概略図である。
【図６】図６は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、場合により、ＯＨ＊ラジカルを発生させるための供給ガスに溶解水分を添加するための装置の概略図である。
【図７】図７は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、吸引ポートを通して各発生器からＯＨ＊ラジカルおよびオゾンを同時に引き込み、それらを収束−発散ノズルアセンブリを通過する流体と混合する混合ノズルの概略図である。
【図８】図８は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、吸引ポートを通して各発生器からＯＨ＊ラジカルおよびオゾンを同時に引き込み、それらを流体と混合するタービン混合システムの概略図である。
【図９】図９は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、タービン混合システムの概略図である。
【図１０】図１０は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、図９のタービンのブレードの概略図である。
【図１１】図１１は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、図９のタービンの概略側面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、図１１のタービンの第１の斜視図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、図１１のタービンの第２の斜視図である。
【図１３】図１３は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、再循環システムからのガスの低スループット放電を有しながら、放電装置を通る高流量を提供するための再循環システムの概略図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本明細書に示され、記載された１以上の実施形態に係る、再循環システムからの低スループット放電ガスを有しながら、放電装置を通る高流量を説明する図１３の再循環システムの模擬流動場を表す。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、再循環システムからの低スループット放電ガスを有しながら、放電装置を通る高流量を説明する図１４Ａの再循環システムの模擬流動場の拡大図を表す。
【図１５】図１５は、本明細書に示され、記載された１つ以上の実施形態に係る、図１３の再循環システムの乾燥剤ホイールを通る水分含量の減少を表す。
【００１７】
詳細な説明
詳細な態様が、本明細書に開示されるが、開示された態様は、本質的に単に例示的なものであり、種々の代替的な形態で実施することができると理解されたい。図面は、必ずしも縮尺どおりではない。したがって、本明細書に開示された特定の詳細は、限定するものとして解釈されるべきではなく、単に、本発明の任意の態様の代表的な基礎としておよび／または本発明を様々に利用するように当業者に教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。
【００１８】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「前記（ｔｈｅ）」は、特に断らない限り、「少なくとも１つ」を含む複数形を含むことが意図される。「または」は、「および／または」を意味する。本明細書で使用する場合、「および／または」という用語は、１つ以上の関連する列挙された項目の任意かつ全ての組み合わせを含む。本明細書で使用する場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／もしくは「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／もしくは「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、記載された特徴、領域、整数、工程、操作、構成要素および／または成分の存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、領域、整数、工程、操作、要素、構成要素、成分および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないと、さらに理解されるであろう。「またはそれらの組み合わせ」という用語は、少なくとも１つの前述の要素を含む組み合わせを意味する。
【００１９】
特に断らない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本開示が属する技術分野の当業者により一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書で定義される用語等の用語は、関連技術および本開示の文脈における意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書で明示的にそのように定義されない限り、理想化されたまたは過度に形式的な意味で解釈されないであろうと、さらに理解されたい。
【００２０】
本明細書全体を通して、刊行物が参照される場合、これらの刊行物の開示はその全体が、本発明が属する技術水準をより完全に説明するために、参照により本願に組み込まれる。
【００２１】
本明細書で使用される下記用語または表現は、少なくとも１つの態様に関連して以下に列挙される例示的な意味を有する。
【００２２】
本明細書で使用する場合、「誘電体」材料は、伝導することなく電気力を伝達し、したがって、低い導電率を有する、媒体または材料である。誘電体材料の例示的な例は、ガラスである。
【００２３】
本明細書で使用する場合、「放電ギャップ」は、活性電極と接地電極との間のギャップを意味する。
【００２４】
本明細書で使用する場合、「ＦＲＧ」は、本開示の教示に従って動作する「フリーラジカル発生器」を意味する。
【００２５】
本明細書で使用する場合、「炭素質材料」は、中でも、黒鉛、バインダーが充填された織炭素（ｗｏｖｅｎ  ｃａｒｂｏｎ）または黒鉛繊維、黒鉛化炭素材料および圧縮炭素材料を含む。
【００２６】
本明細書で使用する場合、「ミスト」は、ガス中に浮遊した液体の小さな液滴の雲を含み、液滴重量は、ガスにより及ぼされる抗力より小さい。
【００２７】
本明細書で使用する場合、「燻蒸」は、生物有機体または毒素の殺菌または除去のために、特定のラジカルのガス蒸気を適用することを含む。
【００２８】
本明細書で使用する場合、「スーパーバグ」は、１つ以上の抗生物質薬剤に対して抵抗性になった細菌株を含む。
【００２９】
本明細書で使用する場合、「毒素」は、植物または動物起源の抗原性毒または毒液を含み、場合により、微生物により産生されまたは微生物に由来するものおよび体内に低濃度で存在する場合に疾患を引き起こすものを含む。
【００３０】
「ストリーマ」は、２０〜３０ｋＶ・ｃｍ−１の範囲にある印加電圧と比較して、１００〜２５０ｋＶ・ｃｍ−１の範囲にある実質的な電界増強を有し、波面の背後で低温プラズマに変換され、チャンネル状の外観をもたらす中性ガス中を伝播する、自立電離波を意味する。ストリーマチャネルの内部は、ほぼ同じ電子密度およびイオン密度を有する導電性プラズマからなる。
【００３１】
「フリーラジカル」は、これらの用語が当技術分野で認識されているように、不対電子を有するため、不安定であり、高度に反応性である、原子または原子群を意味する。
【００３２】
「場」は、本質的に正または負であることができる電界を意味する。同様の場は互いに反発し、反対の場は互いに引き寄せる。
【００３３】
背景として、複数のストリーマが、ストリーマ点火点から近接して発生される場合、それら自体の電界は、互いに特性に影響を及ぼすであろう。同じ極性の電極に由来するストリーマは、それらの周囲に任意の制限電界が存在しない場合、互いから離れて発散する。隣接するストリーマの場により全ての側から均一に拘束されると、半径の狭小化および電界の増強が生じ、それにより、電子エネルギーと確率密度分布との積、したがって、フリーラジカル発生効率が向上するであろう。近接場の影響およびその結果生じるストリーマ先端の場の増強は、いくつかの要因、例えば、ギャップおよび点火点の分布、対向電極からの距離、放電ガスならびに印加電圧により決まる。
【００３４】
図１に、本開示で提供された教示に係る、放電電極１８を含む放電装置１０の任意の実施形態を図示する。放電電極１８は、１つ以上のピン１１を含み、各ピン１１は、正方形の先端１２を含む。１つ以上のピン１１は、ディスク１３の周囲に沿って配置され、ディスク１３の周囲から外向きに延在していることができる。各ディスク１３は、放電電極１８をまとめて組み立てることができるように、レーザビームまたは電子ビームにより形成することができまたは大量生産のために打ち抜くことができる。本開示の教示と整合して、正方形先端１２は、対向電極１６の十分な近傍にもたらされ、適切な電圧が放電電極１８と対向電極１６との間の放電ギャップ１５に印加されると、４つのストリーマ１４を発生させることができる。例示のみを目的として、放電装置１０は、１つのディスク１３と、正方形先端１２の１つから対向電極１６に向かって現れる４つのストリーマ１４とを示す。他の実施形態では、ディスク１３と同様の複数のディスク同士を組み立てることができ、１つ以上のピン１１はそれぞれ、場近接拘束を達成するために、同一のストリーマを発生させることができる。一部の実施形態では、ディスク１３はそれぞれ、実質的に同一であることができる。一部の実施形態では、１つ以上のピン１１は、ストリーマ１４間の距離が均一であり、ストリーマ１４が放電電極１８の円周上に均一に分布するように配置することができる。
【００３５】
図２に、図１の放電電極１８と同様の放電電極２２を有する、放電装置２０を示す。放電電極２２は、円筒状の対向電極２６の内側に配設されており、１つ以上の正方形先端１２のうち１つの隣接する先端間の間隔は、半径方向および軸方向の双方において等しい。これにより、供給ガスが放電ギャップ２５を通過するときに、供給ガス２４（例えば、空気）とストリーマ１４との均一な相互作用を確実にすることができる。適切な電圧が印加されると、多数の自己拘束ストリーマが、放電電極２２から現われ、上記検討されたように、供給ガス２４中にフリーラジカルを発生させる均一なイオン化フロントを提供する対向電極２６に向かって伝播する。参照として、Ｈ２Ｏの解離およびイオン化は、５ｅＶのオーダーの電子エネルギーにより達成することができるが、酸素のイオン化は、７ｅＶのオーダーの電子エネルギーを必要とする。ストリーマヘッドは、有効なラジカル発生器であることができる。パルス電圧を、放電電極２２に印加することができ、パルス幅を、放電ギャップを含むいくつかの要因に決めることができる。放電装置１０の特定の特性を説明する１つの関係において、ストリーマが放電ギャップ１５を交差するのに必要な時間は、Ｔｓである。Ｔｐは、放電膜１８に印加される電気パルスの半値全幅（ＦＷＨＭ）に等しくあることができ、Ｒ＝Ｔｓ／Ｔｐの比率は、２つの間の関係を説明することができる。Ｒ＝１のとき、電気パルスは、ストリーマ１４が対向電極１６に到達する瞬間に終了する。他の比率も企図される。
【００３６】
ストリーマ１４が、放電ギャップを横切ると、電子とイオンとの双方が、放電ギャップに蓄積されるであろうと、理解されるであろう。放電ギャップの導電性は、連続的なストリーマ発生のための連続的な電圧パルスの印加に重要な役割を果たす。したがって、放電ギャップ内のガス流量が、重要な役割を果たす。ガス流量が多いほど、放電ギャップからのイオンの除去がより効果的になり、放電ギャップを横切るアーク放電の可能性が低くなる。しかしながら、より多くのガス流量により、供給ガス中のラジカルの濃度（例えば、ガスの単位体積あたりのラジカルの数）が低くなる。他方、少ないガス流量により、より高いラジカル濃度がもたらされるが、連続するパルス間のイオンの不十分な除去のために、アーク放電の可能性が増大する場合がある。一部の実施形態では、放電装置は、所望の濃度でのラジカルの発生が可能となるように、異なるガス流量で動作する能力を有することができる。
【００３７】
さらに、一部の実施形態では、１つ以上のピンの先端は、異なる幾何学的形状を有することができる。１つ以上のピンの先端の形状を変化させることによって周囲のストリーマの反発場を操作することによりストリーマの投影を改変する能力により、電極アセンブリに印加される電圧の大きさを変化させることなく、場の形状を変化させることが可能となる。これにより、電子の確率エネルギー密度分布関数を選択的な平均エネルギーレベルに修正可能となる場合がある。一部の実施形態では、先端の形状および／または印加電圧の大きさを変化させて、確率エネルギー密度分布の平均を５ｅＶ付近に調整して、ＯＨ＊ラジカルを発生させる。一部の実施形態では、先端の形状および／または印加電圧の大きさを、Ｏ＊ラジカルを発生させるために、７ｅＶ以上付近への確率エネルギー分布の平均を調整するように変化させる。ガス混合物中のＯ＊の生成を完全に回避することは不可能である場合がある。乾燥ガス中で、Ｏ＊ラジカルを選択的に発生させて、オゾンを生成することができる。一般的には、より大きな放電ギャップにより、より多くのＯＨ＊ラジカルが生成される傾向がある場合があり、他の全ての要因は等しい（比較的低い電圧である約５ｅＶ以下を必要とする）。より小さい放電ギャップにより、Ｏ＊ラジカルの生成に向かう傾向があり、他の全ての要因は等しい（比較的高い電圧である約７ｅＶ以上を必要とする）。他の非限定的なパラメータ（例えば、放電先端の幾何学的形状およびピン間距離）は、所定の放電ギャップおよび印加電圧の大きさについて同様の結果を達成するように調整することができる。本明細書に記載された実施形態は、正方形の先端を有するピンを含むが、先端は、任意の形状を有することができることを理解されたい。同形状の非限定的な例は、円形の先端、三角形の先端等を含む。
【００３８】
上記されたように、供給ガス中の湿度の存在および確率エネルギー密度分布関数は、放電装置により生成されるラジカルの種類に影響を及ぼす場合がある。確率エネルギー密度分布関数の平均が、約５ｅＶである場合、７ｅＶより高いエネルギーを有する相当数の電子が依然として存在するであろうし、それらは、酸素をイオン化する可能性がある。しかしながら、供給ガス中に豊富な水分子が存在する場合、高エネルギー電子は、Ｈ２Ｏを優先的にイオン化し、ＯＨ＊を生じることができる。実際には、複数の種が存在する場合、解離プロセスは複雑である。例えば、Ｏ＊およびＯＨ＊ラジカルは、他の分子と急速に反応して、二次ラジカル、例えば、ＨＯ２＊またはＯ３＊を形成することができる。さらに、供給ガス中には、放電ギャップ内のストリーマと反応する他の成分が存在する場合がある。例えば、エチレン（Ｃ２Ｈ４）は、同じ水域（約４．５ｅＶ）の解離エネルギーを有する。供給ガス中（例えば、生成物貯蔵環境中）に存在する場合、エチレンは、Ｈ２Ｏと共に解離して、複合化合物を形成することができる。
【００３９】
図３に示されたように、オゾン生成３２は、湿った空気中のオゾン生成３４と比較して、乾燥空気中で顕著に高くてもよい。より具体的には、図３は、放電装置内部の反応器圧力（すなわち、放電ギャップ内部の圧力）に対する、２つの放電装置（一方は、１５℃の露点温度を有し、他方は、３５℃の露点温度を有する）の比オゾン濃度を示す。オゾン生成速度は、反応器圧力の増加と共に遅くなることが分かる。より高い反応器圧力により、ストリーマ点火電圧が向上し、したがって、イオン化速度が遅くなる。さらに、湿った空気（相対湿度９９％）中のオゾン４２およびＯＨ＊４４分子の分子濃度を、図４に示す。分かるように、相当量のＯＨ＊ラジカルが、湿った空気中でオゾン分子と共に発生する。さらに、汚染物質、例えば、ＣＯ２、ＳＯ２またはＮＯが、供給ガス中に存在する場合、Ｏ＊、ＯＨ＊、ＨＯ２＊およびＯ２＊は、これらの分子から生成されたラジカルと反応するかまたはそれらの分子自体と直接反応して、他の副生成物をもたらす可能性がある。
【００４０】
供給ガス中の水分含量が増加するにつれて、より多くのエネルギーが、ＯＨ＊ラジカルを発生させるのに利用される。所定の温度および圧力では、水滴を沈殿させることなく、どれだけの水分を放電ギャップに供給することができるかには限界がある。例えば、１気圧および２５℃で、水滴を沈殿させることなく、２０ｇの水のみを、１ｋｇの空気（２０ｇ／ｋｇ）に添加することができる。したがって、標準的な温度および圧力における相対湿度は、場合により、９５％（１８．９７ｇ／ｋｇ）超、場合により、９６％（１９．１７ｇ／ｋｇ）以上、場合により、９７％（１９．３７ｇ／ｋｇ）以上、場合により、９８％（１９．５６ｇ／ｋｇ）以上、場合により、９９％（１９．７６ｇ／ｋｇ）以上、場合により、９９．５％（１９．８６ｇ／ｋｇ）以上、場合により、９９．９％（１９．９４ｇ／ｋｇ）以上、場合により、９９．９９％（１９．９６ｇ／ｋｇ）である。ここで、量は、空気１ｋｇあたりの水のグラム数である。場合により、空気１ｋｇあたりの水の量は、２０ｇ／ｋｇを超えず、場合により、１９．７６ｇ／ｋｇを超えない。前述の数字は、標準的な温度および圧力で測定され、異なる温度および圧力では変化する場合があるが、飽和の程度は、上記に対して一定であろう。一部の実施形態では、供給ガスの飽和点を超える水分で飽和された（または換言すれば、ミストを放電ギャップに供給する）供給ガスを、放電装置の放電ギャップに注入することができる。
【００４１】
放電（すなわち、正または負）を発生させるために放電ギャップ間に印加される電圧の極性、放電のエネルギーレベルならびに放電ギャップ内部の供給ガスおよび周囲環境（例えば、気相および液相の双方）の化学組成に応じて、種々のタイプの化学反応を開始することができ、数多くの一次種および二次種を、供給ガス中および気液（例えば、水）界面でのストリーマにより形成することができる。一部の実施形態では、ラジカルを、液滴中に溶解させることができ、ミストに種々の化学的および殺生物特性を提供することができる。酸素ガス−液体（例えば、水）環境において、ストリーマにより生成される種々の化学種の中で、ＯＨ＊ラジカル、原子酸素、オゾンおよび過酸化水素は、化学的および生物不活性化プロセスにおいて、支配的な役割を果たすことが一般に受け入れられている主な反応性酸素種（ＲＯＳ）であり、放電装置は、以下で検討されるであろうように、高度酸化処理を提供するのに利用することができる。
【００４２】
しかしながら、二相流体または換言すれば、空気に浮遊水滴を含む空気を供給することにより、放電装置を効率的に動作させるために幾つかの実際上の困難がもたらされる可能性がある。例えば、浮遊水滴は、放電ギャップを通って移動する間に、その表面に電荷を蓄積し、対向電極に引き付けられる。電極における液体の蓄積は、アーク放電につながる場合があり、放電装置の信頼性のある連続的な動作を妨げるおそれがある。上述言及されたように、水滴中に溶解する一次および二次ラジカル種は、それらが電極上で凝縮する場合、利用することができない。放電先端で５ｍ／ｓを超えるガス速度は、湿度１００％の空気中での液滴沈殿を防ぐことができることが観察された。浮遊液滴で飽和空気中の液滴沈殿を防止するために、より高い速度を使用することができる。しかしながら、ラジカルの全体的な濃度も、装置を高いラジカル濃度を必要とする用途には不適切に至らしめる気流速度の向上に反比例して低下する場合がある。飽和空気のための放電先端におけるガス速度は、場合により、５ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓである。さらに、上記示されたように、ＯＨ＊ラジカル発生に理想的な条件（解離電圧および放電ギャップ等）は、酸素の条件、したがって、オゾン生成の条件とは異なる。したがって、同じ放電装置によるＯＨ＊ラジカルとオゾンとの同時生成は最適ではない。代替的には、オゾン生成のための放電装置は、主に乾燥空気で動作させるべきであり、ＯＨ＊ラジカル発生のための放電装置は、高い水分含量を有するが、浮遊水滴を有さない空気を配備すべきである。
【００４３】
ここから、図５Ａ〜図５Ｂを参照して、例示的な放電装置５０が開示されている。一部の実施形態では、放電装置５０は、比較的低い水分含量を有する供給ガスを利用することができるが、実施形態は、それには限定されない。また、放電装置５０は、比較的高い水分含量を有する供給ガスまたは比較的高い水分含量と比較的低い水分含量との間の水分含量を有する供給ガスを利用することもできることが企図される。放電装置５０は、供給ガスが放電電極５２と対向電極５３との間の放電ギャップに入る前に供給ガスから水分を除去するための再生式乾燥剤ホイール５５を含むことができる。供給ガス５４は、矢印で表されている。図５Ａでは、供給ガス５４は、比較的乾燥していることができる。再生式乾燥剤ホイール５５を通過したためである。本明細書において、放電電極５２および対向電極５３の詳細が提供される。再生式乾燥剤ホイール５５は、モータ５９により連続回転させることができる。入口空気５７は、入口５７’を通過し、再生セクション５６’より大きい乾燥剤ホイールのセクション５５’を通過する。再生セクション５６’は、図５Ａに矢印で図示された回収空気５８’を加熱するためのヒータ５６を含むことができる。入口空気５７（すなわち、供給ガス）からの水分は、再生式乾燥剤ホイール５５により除去される。ヒータ５６は、入口５７’に対して、再生式乾燥剤ホイール５５の反対側に配設することができる。回収空気５８’は、回収空気入口５８を介してヒータ５６に供給することができる。回収空気５８’は、再生式乾燥剤ホイール５５から水分を除去する。ヒータ５６を含む再生セクション５６’は、通過セクション５５’の面積と比較して、より小さい表面積を有することができる。除湿のための通過セクション５５’に対するヒータ５６を含む再生セクション５６’の面積比は、１／９〜１／２で変化させることができ、場合により、比は、１／４〜１／３である。
【００４４】
再生式乾燥剤ホイール５５を製造するための多くの方法があり得る。非限定的な例は、吸湿材料、例えば、シリカゲルの充填層または特定のサイズ未満の分子の通過を可能にする分子寸法の細孔を有する結晶構造（例えば、分子ふるい）から再生式乾燥剤ホイール５５を構築することまたは吸湿材料を織布足場上に被覆することを含む。吸湿材料を織布足場上に被覆することにより、高い空気流量が可能となる。再生式乾燥剤ホイール５５の回転速度、空気流、再生式乾燥剤ホイール５５の厚みおよびヒータ５６の温度は、供給ガス中の水分の所望のレベルを達成するために、個別にまたは何らかの組み合わせで調整することができる。供給ガスの露点は、場合により、−６０℃〜２５℃で変化させることができ、場合により、その範囲は、−４℃〜４℃である。
【００４５】
図６に、例示的な放電装置６０を図示する。一部の実施形態では、放電装置６０は、比較的高い溶解水分含量で動作することができる。他の実施形態では、放電装置６０は、比較的低い水分含量または比較的低い水分含量と比較的高い水分含量との間で動作することができる。上記検討されたように、放電ギャップ内の供給ガス中の浮遊水滴は、電圧が放電ギャップ間に印加されると、アーク放電および装置の機能不全をもたらす場合がある。しかしながら、高濃度のＯＨ＊ラジカルを生成するためには、供給ガス中の水分含量が比較的高いことが必要である場合がある。すなわち、供給ガスは、供給ガスの温度および放電装置内部の圧力の関数である飽和点よりも０．０１ｇ／ｋｇ以上低い水分含量を有する場合がある。温度が上昇するにつれて、特定の体積の空気を飽和させるのに必要な水の量も増加することは周知である。例えば、１気圧では、飽和の比湿は、１５℃で１０ｇ（ｗ）／Ｋｇ（空気）であり、一方、４０℃で、４９．８ｇ（ｗ）／Ｋｇ（空気）に向上する。図６の放電装置６０は、蒸気ノズル６５を含むノズルアセンブリ６１’を含むことができる。蒸気ノズル６５は、放電装置６０の入口空気チャネル６２’に配設することができ、蒸気ノズル６５は、水入口６７と動作可能に連結していることができる。加熱コイル６９は、ノズルアセンブリ６１’を加熱して、放電装置６０の入口空気チャネル６２’に注入され、加熱コイル６８により予熱された入口空気６６により放電ギャップ６３’内に運ばれる過熱蒸気（Ｔ＞１００℃）の発生を確実にすることができる。蒸気注入の前に入口空気６６を予熱することにより、蒸気の溶解水分への溶解が保証され、放電ギャップ６３’内の水滴の沈殿が防止される。水分の取込み量は、流量、空気温度および蒸気温度により決まるであろう。水供給速度は、場合により、１ｇ／時〜１ｋｇ／時で変化させることができ、場合により、供給速度は、場合により、１００ｇ／時〜５００ｇ／時で変化させることができる。空気流は、場合により、１ｍ３／時〜２００ｍ３／時で変化させることができ、場合により、空気流は、２０ｍ３／時〜１００ｍ３／時で変化させることができる。蒸気温度は、場合により、１００℃〜１０００℃で変化させることができ、場合により、蒸気温度は、場合により、２００℃〜５００℃で変化させることができる。多くの実用的な用途に使用することができるＯＨ＊ラジカルを提供する放電装置内部で、反応（１）〜（５）を含む物理化学的イベントが場合により生じることがある。種々のラジカルを運ぶ放電ガスは、反応器出口６１から出るときに、場合により、湿った煙霧を形成する水滴を沈殿させることができる。適用される場合、この湿った煙霧は、表面に付着し、バイオフィルムの分解を含む殺生物消毒を提供することができる。境界層現象のために、乾燥ガス、例えば、オゾンは、病原体の増殖および汚染のための繁殖可能な土壌を提供する場合があるバイオフィルムを貫通しない場合がある。
【００４６】
上記検討されたように、有機汚染物質および一部の無機汚染物質の高度酸化は、イン・サイチュ（ｉｎ  ｓｉｔｕ）でのＯＨ＊ラジカル発生により効果的に達成することができる。ＯＨ＊ラジカルのイン・サイチュ（ｉｎ  ｓｉｔｕ）での発生についての種々の機構は、水のオゾン化もしくはＨ２Ｏ２解離またはペルオキソン（Ｏ３／Ｈ２Ｏ２）系として公知のそれらの組み合わせのいずれかを含む、等式（１）〜等式（５）によって説明されている。しかしながら、高度酸化プロセスに重要な要件は、その寿命が短いため、ＯＨ＊ラジカルのイン・サイチュ（ｉｎ  ｓｉｔｕ）での発生である。本開示の教示によれば、放電装置により大量にＯＨ＊ラジカルおよびオゾンを選択的に発生させることができることは、Ｈ２Ｏ２のサプライチェーンとは無関係に、高度酸化用途に役立つ。すなわち、オゾンおよびＯＨ＊ラジカルの双方を、放電装置に酸素および水分を供給することにより発生させることができる。
【００４７】
ここから、図７を参照して、収束−発散ノズルアセンブリ７５を含む高度酸化アセンブリ７０を図示する。高度酸化アセンブリ７０は、オゾン発生モードで動作する放電装置７６と、ＯＨ＊発生モードで動作する別の放電装置７８とを含む。放電装置７６および放電装置７８は、収束−発散ノズルアセンブリ７５の収束セクション７７と発散セクション７３との間のスロート７１において、動作可能に連結していることができる。流体が、収束−発散ノズルアセンブリ７５を通過すると、放電装置７６からオゾンを吸引し、放電装置７８からＯＨ＊を吸引し、それらを流体と混合する。流体は、場合により、汚染水または汚染空気であることができまたは別の物体を消毒するように向けられた清浄な水および／または空気であることができる。収束−発散ノズルアセンブリ７５は、ＯＨ＊ラジカル／オゾンを、収束−発散ノズルアセンブリを通過する（すなわち、入口７４から出口７２へ）流体と混合する。酸化反応は、フローシステムの混合ゾーンを越えて進行することができ、任意の接触チャンバ（図示せず）を、反応を完了させるために、混合流体を貯蔵するのに提供することができる。収束−発散ノズルアセンブリ７５を通る主流体の流量に対する放電装置を通って供給されるガス量の比は、混合効率に影響を及ぼすと理解されたい。具体的には、この比が低いほど、生成される吸引が大きくなり、より効率的な混合がもたらされる。主流体が水であり、第１および第２の放電装置を通る空気流が比較的少ない場合、微小気泡が形成され、その結果、より効率的な混合をもたらすことができる。水対空気の体積比は、場合により、０．０５〜０．５である。収束−発散ノズルアセンブリ７５は、動作の観点から非常に単純であるが、所定の体積の主流体流に対して放電装置への吸気を制限してしまう。すなわち、推奨される吸気流は、放電装置のための最良の動作条件を提供しない場合がある。
【００４８】
ここから、図８を参照して、フリーラジカルを液体８７と混合することができる混合システム８０が開示されている。混合システム８０の例示的な実施形態は、液体８７に浸漬されたタービン１００を含むことができ、このタービン１００は、中空シャフト８６および継手８３を介してモータ８１と動作可能に連結していることができる。継手８３により、タービン１００と放電装置８２および８４との間に流体連通を提供することができ、これにより、ラジカルを含んだガスをタービン１００内に吸引することができる。タービン１００および関連するシステムのさらなる詳細を、図９に図示する。図９に示されたように、タービンシステム９０は、シャフトチャネル９４’を含む中空シャフト９４を含むことができる。シャフトチャネル９４’は、連結チャネル９１’と流体連結していることができる。中空シャフト９４は、閉鎖端９３で閉じていることができ、シャフトチャネル９４’は、他端でタービン１００の吸引チャンバ９５に開いていることができる。吸引チャンバ９５は、頂部カバー９７および底部カバー９６を含むことができ、側部チャネル９８を介して液体と動作可能に連通することができる。吸引ポート９２を、放電装置８２および８４（図８）との流体連通を確立することができるシャフトシール９１を通って提供することができる。タービン１００のための内部ブレード構成を、図１０に図示する。各ブレード１０２は、吸引チャンバ１０５に向かって徐々に曲がっていることができるため、隣接するブレード１０２間で徐々に狭くなるチャネル１０４を提供する。タービン１００の側面図を、図１１に示す。タービンの斜視図を、図１２Ａ〜図１２Ｂに示す。タービン１００が回転すると、吸引力が発生し、ラジカルガスを引き込んで、微小気泡に分解し、それらを液体中に分散させる。微細な気泡は、混合プロセスを顕著に向上させる。吸入圧力は、場合により、タービン１００のサイズおよび６００〜２０００ｒｐｍで設定されるタービン１００の回転速度により決まる。タービン１００の直径は、場合により、２インチ〜５０インチで維持される。吸引圧力は、直径およびｒｐｍの増大と共に増大し、これは、ラジカルの物質移動を増強するために微小気泡を形成しながら、ラジカル含有流体の決定された量を吸引するように有益に調節することができる。
【００４９】
ここから、図１３を参照して、高いガス流および高いラジカル濃度を提供するための例示的な再循環システム１３０が提供される。放電装置１３４（例えば、図１の放電装置１０）は、場合により、再循環システム１３０に動作可能に連結していることができる。再循環システム１３０は、ディフューザ１３６から供給ガス（例えば、空気）を引き込み、供給ガス（例えば、空気）を凝縮器１３５に供給して、再循環システム１３０内に流れを与えることができるターボファン１３３を含むことができる。この再循環システム１３０は、放電装置１３４を介して比較的高い流量で供給ガスを連続的に再循環させることができ、これにより、供給ガス中のラジカル濃度を向上させることができる。所望の濃度で、供給ガスを、出口１３２を通って引き込むことができ、高度酸化プロセスにおける適用および利用のために、本明細書で開示された収束−発散ノズルアセンブリ７５またはタービンシステム９０等の装置に提供することができる。再循環システム内の空気量を節約するために、等量の新鮮な空気を、入口１３１を通して提供することができる。このため、入口および出口を通る体積流量は、再循環システム１３０内部の所望の流量を維持するのに所望のレベルに制御することができる。この構成は、ガス流が少なく、ラジカル濃度が高いベンチュリ型混合システムで使用することができる。
【００５０】
例示的な再循環システム、例えば、再循環システム１４０の流れシミュレーションを、図１４に表す。図１４に、流れがディフューザ１４６に続くことができる放電装置１４４内に流体を移動させる凝縮器１４２を通る流れを図示している。図１３と同様に、流体は、必要に応じて、出口１４５から引き出すことができ、必要に応じて、入口１４７を通じて加えることができる。この例では、放電装置の直径は、８０ｍｍに維持され、放電ギャップは、４．５ｍｍであった。入口および出口の空気量は、２ｍ３／時に設定した。分かるように、放電装置内部のガス流速は、１０ｍ／秒のオーダーにあるが、システムからの正味の投入および放出は、２ｍ３／時である。同様に、図１４Ａの断面の拡大画像である図１４Ｂに図示されたように、流体の流れは、放電装置１４４’の近くの出口１４５’を含む装置１４０を通るように図示されている。流体の流れは、ファンの上流のディフューザ１４６を通過することができる。
【００５１】
実験
１．水分の影響
オゾンは、Ｏ（３Ｐ）＋Ｏ２＋Ｍ→Ｏ３＋Ｍ（Ｍ＝Ｎ２、Ｏ２、Ｏ３）で形成され、ストリーマ解離高エネルギー原子状酸素Ｏ（１Ｄ）は、Ｏ（１Ｄ）＋Ｍ→Ｏ（３Ｐ）＋Ｍを介して気体分子との緩和衝突により、その過剰なエネルギーを失うと考えられる。乾燥ガスが、放電ギャップに供給されると、ついで、等式（１）〜等式（５）によるＯＨ＊発生が抑制され、主にＯ３の形成がもたらされるであろう。水分含量の影響を研究するために、図５に図示された教示に従って、装置を組み立てた。装置のパラメータは、下記のとおりに維持した。正方形寸法＝０．２５×０．２５ｍｍ２、ピン間距離＝２．５ｍｍ、および放電先端対対向電極距離＝４．２５ｍｍの３８７５個の放電先端を、直径３０ｍｍ、高さ４３０ｍｍを有する放電電極アセンブリ上に配置した。放電電極を、下記電位パラメータ：Ｖ印加＝−９．５〜１０．５ｋＶ、パルス幅＝６００ｎｓ〜１μｓ、ｆ＝１５ｋＨｚを有する負極性に接続した。この放電電極は、ステンレス鋼製であり、接地電極は、黒鉛製である。シリカゲルで被覆された織布プラスチックで構成される、直径１２’’、幅１’’の再生式乾燥剤ホイールを利用して、供給ガスから水分を除去した。再生／除湿面積比は、１／３に維持した。図１５に、３ｍ３／時の供給ガス流量（−４℃の露点まで連続的に乾燥させた８℃の露点を有する）についての再生式乾燥剤ホイールの例示的な性能データを表す。放電実験を、２つの異なった気流（一方は、−３５℃の露点、他方は、１５℃の露点をそれぞれ有する）を使用して行った。オゾンモニタ（Ｔｅｌｅｄｙｎｅ  ＡＰＩ  ４５４  Ｐｒｏｃｅｓｓ  Ｏｚｏｎｅ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）を利用して、出口でのオゾン濃度を測定し、比エネルギー消費量を計算した。図３に示されたように、湿った空気では、オゾン生成の著しい低下が生じた。
【００５２】
２：ＯＨ＊ラジカル発生
この実施例では、放電装置からのＯＨ＊ラジカル生成を実証する。図６で提供された説明に従って、装置を組み立てた。装置パラメータは、下記のとおりに維持した。４８００個の放電先端、正方形寸法＝０．２５×０．２５ｍｍ２、ピン間距離＝２ｍｍおよび放電先端対対向電極距離＝５ｍｍ。放電電極を、下記電圧パラメータ：Ｖ印加＝−９．５〜１０．５ｋＶ、パルス幅＝６００ｎｓ〜１μｓ、ｆ＝１５ｋＨｚ、平均出力２８０Ｗｈを有する負極性の電源に接続した。放電電極は、ステンレス鋼製であり、接地電極は、黒鉛製である。３０ｍ３／ｈの速度で、９９％の相対湿度を有する空気を、放電装置に供給した。この装置を、６．４ｍ３の半気密チャンバに入れ、オゾン濃度を、オゾンモニタで測定した。チャンバの体積およびオゾン濃度から、室内のＯ３のモル数を計算した。ＯＨ＊濃度測定のために、２ｍＭのテレフタル酸二ナトリウムの４つのサンプルを、試験チャンバに残した。１つのサンプルを、各時間隔で取り出し、その蛍光強度を測定した（テレフタル酸二ナトリウムが、ＯＨ＊の存在下で、２−ヒドロキシテレフタル酸に変換した場合、蛍光が見られる）。２−ヒドロキシテレフタル酸用の標準を使用して、形成されたＯＨ＊の濃度を、ｍＭで計算する。これにより、ＯＨ＊の分子数を計算する。図４に、時間に対するチャンバ内のオゾンおよびＯＨ＊分子の濃度を表す。注目されるように、これらの濃度は、初期期間後にプラトーに達する。このことは、ラジカルのいくつかの他の形態への変換を示す。ＯＨ＊ラジカルは短寿命であり、他の種と結合するであろうことは周知である。試験の終わりに、脱湿器を使用して、室内の水分を凝縮させた。脱湿器からの凝縮物を、過酸化物測定に使用した。試験キットにより、回収された１８００ｍｌの凝縮物中に９０ｐｐｍの過酸化物濃度が示された。凝縮した水分中で観察されたＨ２Ｏ２は、発生器中の豊富なＯＨ＊ラジカル形成の明確な指標である。Ｈ２Ｏ２が、放電ギャップの内側に形成される可能性があるが、Ｈ２Ｏ２のための解離エネルギーは、２．２１ｅＶのオーダーにあり、ストリーマが本発明の教示に従って放電ギャップを出るまで、ほとんど全てのガス流が、ストリーマと相互作用するように向けられるので、ＯＨ＊に解離することができる。
【００５３】
ラジカルの高度な酸化能力を実証するために、試験チャンバ内の異なる位置に、１ストリップあたりに１００万個の胞子を含有する３種類の細菌胞子ストリップを配置した。含ませた細菌胞子は、バチルス  アトロファエウス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ  ａｔｒｏｐｈａｅｕｓ）、バチルス  プミルス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ  ｐｕｍｉｌｕｓ）およびジオバチルス  ステアロサーモフィルス（Ｇｅｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｔｅａｒｏｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｕｓ）とした。処理時間を、６時間に設定した。この時間は、最適化されていないことに留意されたい。観察および推論を、以下の表１にまとめる。分かるように、３つの細菌胞子は全て完全に消滅した。このことから、水および電気のみを利用するプロセスの滅菌能力が実証された。
【表１】
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【００５４】
３：混合方法
この実施例では、ベンチュリ型混合システムおよびタービン型混合システムの有効性を実証する。システムの混合効率を実証するために、主にオゾンを発生させる実施例１に記載された放電装置を利用した。ベンチュリ型混合システムについては、２つのノズルを使用し、一方は、５ｍ３／時間までの流れについて、他方は、１０ｍ３／時間までの流れについて使用した。Ｐｅｎｔａｉｒ  Ｉｎｔｅｌｉｆｌｏ可変速度ポンプ（３ｈｐ）を利用して、ノズルを通して水をポンプ輸送した。ポンプを、ノズルを通る必要な流れを送達するように設定し、オゾン注入後、滞留時間を、未溶解オゾンのための脱気および分解ユニットを有する１２０ガロンの接触タンクにおいて提供した。滞留タンクの後、水を、水質をモニターするために、ｐＨ（Ｃｏｌｅｐａｒｍｅｒ  ｐＨセンサおよびモニタ）、ＯＲＰ（Ｃｏｌｅｐａｒｍｅｒ  ＯＲＰセンサおよびモニタ）および溶解オゾンセンサ（Ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ  Ｅｍｍｅｒｓｏｎ溶解オゾンセンサおよび分析器）を通して流した。タービンミキサーについては、Ｂａｌｄｏｒ  ＳｕｐｅｒＥモータ（５ｈｐ）および８’’タービンを、３００ガロンの保持タンク内に配備した。リザーバからの水を、保持タンクに通し、一方、タービン混合オゾン処理空気を、放電装置から連続的に引き込んだ。ついで、水を、上記されたのと同じセンサを通して流した。
【００５５】
混合実験の結果を、表２に表す。記載されたように、ベンチュリ型混合システムにおける物質移動効率は、空気／水流量の減少（０．８５／９．９９）と共に相当向上した（６７％）。一方、混合性能は、より高い空気／水流量（１．４２／３．３）では、２６％であった。他方、非常に高い空気／水流量（３．４／３．３）では、タービンシステムでは、約８３％の高い物質移動効率が実証された。本明細書に記載されたように、本開示の放電装置は、高い空気流で効率的に動作し、タービン混合システムは、水処理に適している。代替的に、図１３に図示された装置は、ベンチュリ型混合システムと共に利用することができる。さらに、ほとんどの工業用誘電体バリア型オゾン発生器は、供給物として精製酸素を利用するため、低流量を有する。一方、本開示の発生器は、空気を利用し、所定量のオゾンについて、体積流量は、実質的により高くすることができる。水中のＯ３用量（ｇ／ｍ３）に注目する。ベンチュリシステム内の低い空気流は、より良好な物質移動効率を与えるが、全体的な用量は少ない。参考までに、飲料水またはレクリエーション用水等の特定の種類の水処理のための推奨用量が存在する。他方、タービンシステムは、より高い用量で、より高い物質移動効率を提供することができる。
【表２】
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【００５６】
本発明の態様を図示し、説明したが、これらの態様が、本発明の全ての可能性のある実施形態を図示し、説明することを意図するものではない。そうではなく、本明細書で使用される単語および例示は、限定ではなく、説明の単語および例示であり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができると理解されたい。
【００５７】
本明細書に示され、説明されたものに加えて、本発明の種々の改変は、上記の説明の技術分野における当業者には明らかであろう。また、このような改変は、添付の特許請求の範囲の範囲内にあることも意図される。
【００５８】
特に断らない限り、全ての試薬は、当技術分野で公知の供給元から入手可能であると理解される。
【００５９】
参考文献リスト
米国特許文書
６２３８３０４６    ９／２０１６    Ｍｏｈａｎｔｙ，Ｐ．
本明細書で言及された特許、刊行物および出願は、本発明が属する当業者の水準を示す。これらの特許、出版物および出願は、個々の特許、刊行物または出願それぞれが、参照により本明細書に具体的かつ個別に組み込まれたのと同じ程度に、参照により本明細書に組み込まれる。
【００６０】
前述の説明は、本発明の特定の実施形態を例証するものであり、本発明の実施を限定することを意味するものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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