高電圧パルス水処理装置の紹介
High

VoltagePu[seWater

Treatment

System(技)研究開発部

小倉裕

正OguraMasahiro

高電圧パルス水処理装置は､オゾン､ラジカル､衝撃波を同時に作用させることにより､有機物の分解､殺菌を行う新しい促進酸化プロセスの装置である｡非常にシンプルな構造であり､上下水の高度処理への適用が期待される｡一方､その構造から排ガス､悪臭ガスの処理にも適用する可能性がある｡
純水にイソプロピルアルコール(IPA)を溶解した模擬液の処理実験において､高電圧パルスによる水処理はオゾン単独処理の場合の約3倍のTOC除去率であった｡.aHighItisVoltage

Water

Treatment

theoxidationofandshock

promotesozone,

radicalstheexpected
thePulse

othertoapplication

hands,

itisis thirdtimes

thetheorganicThewaves･

totreatanew

compounds

structure

purificationexpected

is(HVPWT)

process

noxiousadvancedandoxidation

disinfection

of

HVPWT

isveryof

drinking

andsewage

gases

andodors

process,

becauseofIt

simple･isOnwater･

becauseof

theconstruction.
HVPWT
thepurificationasexperiment

large
of

TOC

water

removalwhich

高電圧パルス
放.?

オ

促
水ゾ

進酸
処

containHigh

Discharge

ン

Ozone

化

Advanced

理

Water

theozoneslngletreatmentinisopropanol.

voltage

電

ま えがき

as

ratio

pulse

oxidation
treatment

処理対象物に作用させる新しいプロセスの装置であ

高電圧パルスとは比較的小さい電気エネルギーをる｡

時間的に圧縮することにより隣間的に大きな電力をオゾンは強力な酸化剤であり,脱色,脱臭,トリ発生させる技術であり,レーザー発振,電子ビーム,Ⅹ線リソグラフィー,核融合などに利用されてきた｡

ハロメタン前駆物質の低減,殺菌,生難分解性有機物の酸化分解などに使用されている｡しかし,オゾ

近年,環境機器‑の応用が急速に進展しており,水ンは単独では有機物を炭酸ガスと水に分解すること

1)3)2)処理, VOC処理などへの適用が期待されている｡

は出来ない｡環境中の難分解性物質の増加が深刻と今回紹介する高電圧パルス水処理装置は,放電になっている現在,より強力な酸化力が必要となってより発生するオゾン,ラジカル,衝撃波等を同時にいる｡そこで,オゾンの酸化力をさらに強めるため

Vol.

42

No.

2(1999/3)

神鋼パンテツク技報

β7

に過酸化水素,紫外線,放射線照射,触媒,超音波,Clに送られる｡このときC｡からCl‑のエネルギー高pHなどを併用した促進酸化プロセスが開発されの伝送時間丁｡はC｡の充電時間Tよりも短縮されて4)ている｡

いる｡この回路をパルス圧縮と呼び,複数段のパル一般に水中の有機物のオゾンによる酸化分解過程には2つの経路がある｡一つは分子状オゾンとの直ス圧縮により必要とする短いパルス幅を得ることが接反応であり,もう一方はオゾンの分解や反応によっライン(PFL)で成形される｡て生じたヒドロキシルラジカル(OHラジカル)にを整え,急峻な立ち上がりのパルスとする｡高電圧よる反応である｡このOHラジカルは非常に反応のパルス成形や圧縮は困難であるため,低電圧の段性の高い酸化斉りであり,水素引き抜き反応,二重結階でパルス圧縮と成形を行い,その後に昇圧して高合への付加反応,電子移動反応により有機物と反応電圧パルスを得ている｡

出来る｡圧縮されたパルスは,パルスフォーミング
PFLでは出力波形6)する｡オゾンを分解することによって,更に酸化力高電圧パルスの波形の例を第3図に示す｡横軸がの強いOHラジカルを多く生成し,有機物の酸化時間,縦軸が電圧であり,立ち上がり時間(ピーク分解を行おうとするのが促進酸化プロセスである｡

電圧の10%‑90%)が約60nsecで,パルス幅が約

本装置は,放電電極部に直接原水を滴下することによりオゾン,ラジカル,衝撃波を同時に原水に作用させる新しい促進酸化プロセスであり,分解性能Storage

iofelectrical erlergyの向上により,処理時間の短縮や装置の小型化が期待できる｡

High

1.高電圧パルスの発生

speedswitch

高電圧パルスを水処理に利用するためには急峻な
Pulse

立ち上がりで短い幅のパルスを得ることが重要であcompression

Pu一se formlllg
Pu一se boostlng

る｡そのため,その発生には特有のシステム構成が必要である｡基本的には第1図のようなダイヤグラムとなる｡蓄積された初期エネルギーは高速スイッ

Energyチにより急速に放出され,パルス圧縮,成形,昇庄transformat5)

iollが行われ,負荷である放電電極に投入される｡
第2図に高電圧パルス発生装置の代表的な回路を示す｡スイッチSWの投入により充電されたキャ

第1図
Fig.

高電圧パルス発生のダイアグラム
1

Schematicdiagramofhighvoltage

pulse

generationンパシタC｡が放電しインダクタンスL｡を介してしswLoPFL)/′′￣｢斗TToV

ClTco
義第2図
Fig.

ββ

高電柱パルスの回路例
2Exampleof

highvoltage

pulsecircuit

神鋼パンテツク技報

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520nsec,ピーク電圧が約18kVの場合を示していオゾン発生方式には無声放電方式,紫外線方式,る｡このようなパルスを1秒間に100‑1000回程度水電解方式,放射線照射方式などがある｡高電圧パの繰り返し回数で連続して発生させるのが高電圧パルス水処理装置では主として空気中での放電によっルスの発生装置である｡てオゾンが発生し,その反応は電子衝突によって生2.高電圧パルスの特長

じる励起種の多様性のために複雑である｡主反応は一般に不純物を多く含む水は導電率が大きく,水中で直流高電圧を電極間に印加すると大きな電流が次式で表される｡

8)9)e￣＋02‑eー＋0㌔流れるため,発熱あるいは電気分解が生じる｡ところが,直流高電圧を極めて短時間印加すると水が誘電体のような性質を示す｡この短時間の直流高電圧を高電圧パルスと呼ぶ｡高電圧パルス幅が1(1)‑e￣＋20
0㌔ ＋02‑03＋0
FJSeC

(2)

0＋02＋M‑03＋M(M‑0,

よりも短くなると,水中の各種イオンが電極間を移

02,03)

pulsewave(3)7)

動することが出来なくなる｡これは,水中でのイオンの移動速度が電子と比べて小さいためである｡これにより,気液混合状態で高電圧パルスを印加する

9と電気エネルギーが発熱や電気分解に消費されず,気中放電や液滴表面での放電により消費され,オゾンやラジカルが効率的に生成される｡

3.高電圧パルスによる水処理
高電圧パルスによる水処理は放電部に直接原水を滴下することにより行われる｡放電電極部の模式図を第4図に示す｡金属をガラスで被覆した電極を櫛形に並べ,その上方より原水を滴下する｡金属をガi[]ラスで被覆することによりアーク放電を防止し,よ200ns/div

り安定な誘電体バリヤ放電となる｡電極間に高電圧パルスを印加すると,放電は主として気相および液

第3図
Fig.

相の表面で起こり,このとき生じるオゾン,ラジカ

高電圧パルス波形の例
3

Exampleof highvoltage

oscillograph

ル,衝撃波が水中の有機物を分解し,殺菌を行う｡
Water＋Air.?

Metal

第4図

electrodes

放電電極部の模式図

Fig.

4

SchematicVol.

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No.

2

illustration(1999/3)

ofelectrodesystem

神鋼パンテツク技報

89

(1)式, (2)式の反応で生成される酸素原子や02ラジ

4.高電圧パルス水処理装置の構成
高電圧パルス水処理装置の概略図を第5図に示す｡

カルは極めて酸化力が強い｡しかし,その寿命は数〃秒と非常に短い｡通常,放電によって生成されたオゾンを水へ溶解するには散気管方式やエジェク夕

原水は,装置上部より噴霧され,充填塔を通り放電方式がよく用いられている｡しかし,発生したオゾ気は放電部の下部より送りこまれる｡放電部ではオン化空気を水に作用させるまでにラジカルは消滅しゾン,ラジカル,衝撃波が同時に作用し,さらに余てしまうため,従来の方式では気中放電で発生した剰オゾンは充填塔内で気液接触する｡これにより,ラジカルを有効に利用することは出来ない｡しかし,水中有機物の酸化分解,殺菌が効率的に行われる｡

部に滴下される｡一方,オゾン発生の原料である空本方式では放電電極部に直接原水を滴下することに電極にはステンレス棒を石英ガラス管で覆ったもより,気中放電で発生したラジカルの酸化力を水処のを使用している｡ケーシングに近い部分には接地理に利用可能となる｡

側の電極のみを配置しており,高電圧がケーシング

一方,液相の表面で起こる放電は液体中にOHラジカルや0ラジカルなどのブ舌性種を生成すると考や水を伝わって漏電することは無い｡また,なんらえられる｡これらのラジカルが水中有機物と反応すの安全機構が働き,電源を落とす仕組みになってい10)

ると効果的な水処理を行うことができる｡

かの原因で石英ガラス管が破損した場合にも,回路る｡

液相中に高電界を印加すると,液中生物の細胞膜

5･高電圧パルス水処理装置の用途は電気穿孔により破壊されて細胞内春物や原形質分適用分野は主に次の4つが考えられる｡

7)

離能の消失により不活性化が起こる｡また,放電の(丑上水の高度処理

衝撃波による殺菌効果もあると考えられる｡(参下水の高度処理

まとめると,高電圧パルスによる水処理は次の3も③有害ガス･悪臭ガスの脱臭(彰難分解性有機物の処理つの作用がある｡(Dオゾンによる酸化還元反応

水処理においては主として膜で取り除けない溶解(彰高電界中での水の活性化(ラジカル生成)性成分の処理が期待される｡上水の高度処理につい(彰放電の衝撃波及び高電界による殺菌作用ては,殺菌消毒,異種味成分の除去,有機物の低分

これらの相乗効果により,有機物の酸化分解,殺菌子化,トリハロメタン前駆物質の抑制などを目的にが効果的に行われると考えられる｡

活性炭の前段への適用が見込まれる｡下水について
は,殺菌,色度除去,脱臭,生物分解性の向上など

Waterを目的に塩素処理の前段への適用が見込まれる｡

inlet

l

ガス処理についても若干の構造変更で適用が可能Gas‑である｡排ガスを充填塔内で気液接触させ,処理対

outlet

象物質を水に吸収させた上で分解するo用途として
は,排ガス･排煙脱硝,シアン･フェノール処理,悪臭ガスの脱臭に適用が見込まれる｡
packing一一一･一ノまた,ラジカルの酸化力を利用し,難分解性有機物の低分子化に適用できる可能性がある｡

メ

6.テスト装置の紹介
テスト装置の外観写真を写真1に示す｡本装置の､･‑･‑‑､

El ectrodeHighsystem→ーGasvoltagepulse

generator

概要は次の通りである｡

inlet

放電電力:

‑200W

オゾン発生量:最大約15g/h
Water

第5図
Fig.

5outlet

高電圧パルス水処理装置の概略図
diagramof highvoltage

Schematicwater

treatment

system

空気風量

‑20

本体材質

SUS304

電極材質

石英ガラス＋ステンレス鋼

mソh

処理水量

pulse

6.

‑5 m3/h
1放電による水処理効果

放電処理による有機物分解効果を確認するため,
90

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No.

2(1999/3)tオゾン単独処理とオゾン･放電併用処理の比較を行っ

放電処理を併用することで約3倍のTOC除去率がた｡オゾン単独処理では,放電で発生したオゾンを得られた｡

充填塔に吹き込み,処理を行った｡一方,オゾン･

6.

放電併用処理では放電部に原水を滴下することで,2用水処理への適用例

用水処理のテスト事例を第1表に示す｡原水にはオゾン･放電併用処理を行った｡放電電力はどちら井戸水を使用した｡処理水量は10mソh,放電電力の場合も約200Wである｡原水には純水にIPA約は500Wである｡目的は着色成分の分解,50mg/1を溶解した模擬液250Lを使用し,充填塔除去,悪臭成分の分解及び除鉄である｡色度除去率

内を循環させ処理を行った｡第6図に処理結果を示93%,濁度除去率97%,鉄分除去率91%と共に高す｡

い結果が得られた｡また,

オゾン･放電併用処理の場合のTOC除去率は44%,オゾン単独処理でのTOC除去率は15coDのCODについても43%の除去率が得られた｡

%である｡

6.

上水の高度処理への適用例

3

上水の高度処理への適用例を第2表に示す｡原水には凝集沈澱処理後の水を使用した｡処理水量は0･2mソb,放電電力は約200Wである｡目的はトリ)

75

Ozorle andQミ

discharge

treatmerlt/50⊂)‑Io3(勺>(⊃冒q)
l‑U

225i
Ozone

single treatment/
12Contact9

写真1テスト機外観Outside

第1表
Table

1[min]

第6図TOC除去率と接触時間の関係,p舌.こヤー泌皇ん､,t｡

Pboto･1

time

Fig･
viewof

用水処理の水質
Quality of water

testlng

forunitindustrial

6

Relationshipandwater

betweencontact

TOC

removaltreatment

RawwaterTreated
water

pH[‑]

7.3

Removalratio(OA)
08.1

Coloて[deg]322Turbldlty[deg]Conductivlty[FLS/cm,25℃]
COD[mg/1]
FumlCaCld[mg/1]
Iron[mg/1]
Manganese[mg/1]
Phenols[mg/1]
Totalhardness[mg/1]

93

ll.6

0.3

97

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No.

2(1999/3)

ratio

time

390
2.3
<0.4

385
1.3

43

<0.4

0.625

0.056

91

0.004

0.001

75<0.030<0.030

198

199

神鋼パンテツク技報

91

第2表
Table

上水処理の水質
Quality of water2fordrinking

treatmentwater

Rawwater

7.5

pH[‑]
Color[deg]Turbidity[deg]Ammonianitrogen[mg/1]
Chlorinedemand[mg/1]
KMnO｡consumptlOn[mg/1]
THMFP[FLg/ml]
Generalbacteria[/ml]E.coligroupcount[/ml]むratio(%)

7.5
150

1.0

0.4

60
28

<0.10

42

0.7

0.4

2.9

2.6

4

45.7

27.3

40

51

98

2300
00(1995), p.166.
功,山田春美:月刊フードケミカル,

2)宗宮(1989), p.37.
3)水野彰:プラズマ･核融合学会誌,%が得られた｡

びすRemovalwater20.14

ハロメタン前駆物質の除去,異種味成分の除去,殺菌である｡トリハロメタン生成能は40%除去,一般細菌は滅菌率98

TreatedVol.74,Vol.5,

No.8

No.2(1998),

p.140.

今回は,高電圧パルス放電によるオゾンと放電を併用した新しい促進酸化プロセスと数例の処理デー

4)辻幸男:月刊地球環境,

5)原雅則,秋山秀典:高電圧パルスパワー工学,森北出版

Vol.28,

No.6(1997), p.92.

i(1991)

タを紹介した｡現在,様々な用途についてテストし

6)京都ハイパワ‑テクノロジー研究会:パルスパワー工学の基礎と応用,近代科学社(1992)

つつ,適用分野の探索,処理フローの改良を行ってVol.35,

7)佐藤正之:食品と容器,いる｡次報ではより具体的な案件について報告する予定である｡

No.6

8)杉光英俊:静電気学会誌,

Vol.17,9)山部長兵衛,酒井英治:T.

IEE

No.3

(1994), p.308.
(1993), p.184.

Japan,Vol.114,

No.4(1994), p.357.
10) Sato[参考文献]
雅則:J.

1)秋山秀典,原IEE

Japan,

Vol.115,

No.3

No.1

M,Ohgiyama

T:IEEETans

上nd Appl,

Vol･32,(1996), p.106.

連絡先
小倉正

技術開発本部

裕研究開発部TE
FAX
E‑mail92Lt

078‑992‑6525
078‑992‑6504

m.ogura@pantec.

co.jp

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