静電気学会誌，41, 1（2017）45-50

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

カーボンを電極材料としたピンホール型水中パルス放電装置の試作と放電特性
谷野 孝徳 ，茂木 玲大 ，宮内 賢一 ，大嶋 孝之＊＊＊＊, 1（2016年9月29日受付；2016年12月9日受理）

Construction and Characteristics of Pinhole Style Pulse Discharge System inWater Using Carbon Material as the Electrodes
＊

＊

＊

＊, 1

Takanori TANINO , Reo MOTEKI , Kenichi MIYAUCHI and Takayuki OHSHIMA（Received September 29, 2016; Accepted December 9, 2016）

A pinhole style pulse discharge system in water was constructed using carbon material as the electrodes. In the system using
carbon material as the electrodes, the pulse discharge was successfully generated in water at the pinhole of insulating plate,and required voltage to generate discharge was same in the systems using stainless steel as the electrodes. The increase of
thickness of insulating plate increased the required voltage to generate the pulse discharge. The pulsed discharge was also
generated in wide range of conductivity（0.15 – 50 mS/cm）. A decoloration of indigo carmine in continuous operation bypassing through the pinhole style pulse discharge system only once was investigated. The outlet water decoloration ratio wasincreased with the treatment time and reached steady value（ maximum ratio）. The maximum ratio depended on the energy ofdischarge plasma.

1．はじめに処理水が高伝導率の場合には印加したエネルギーの無視放電技術を用いた水処理技術は高度水処理技術としてできない量が放電のみならず電流として消費されてしま注目されており，これまでに多数の研究者により様々なうため，電気分解反応が併発し電極材料である金属が溶形式の水中放電装置が開発されている ．我々の研究グ出してしまうことが懸念される．そこで本研究では電極ループでもバブルを放電発生トリガーとして利用した二間にピンホールを有する絶縁板を配置し，ピンホール部

重らせん電極型 ，投げ込み式電極型

分で電界集中により，水蒸気の気泡を発生させ，ピンホ

1）

2）

，円筒型

3, 4）

5, 6）

などの水中放電装置を開発し，水中パルス放電による有機物分解や殺菌特性を報告している．水中放電技術は多用ール近傍で，その生成された気泡で放電を発生させる
ピンホール型水中パルス放電装置

7, 8）を電極素材としな装置形状・電圧波形などを活用することで様々な有機てカーボン材料を用いて開発した．絶縁板の厚みと処理物・微生物を対象とする水処理に有効であることが立証

水の導電率が水中パルス放電発生に及ぼす影響と有機物されており，実用へ向けた技術の開発と知見の蓄積が着分解効果について検討を実施した．

実に進んでいる．本研究では処理対象への装置材料由来材料のコンタミネーション防止を目的とした水中放電装2．実験方法・手順置の開発とその特性評価を研究目的とした．我々の上記

2.1 高電圧パルス発生装置

報告例を含め多くの装置では放電は電極の近傍で発生す

本研究で用いた高電圧パルス発生装置の回路図を図 1るため，放電と共に発生する衝撃波やラジカルにより電極や絶縁材料の損耗・腐蝕が生じやすくこれらの材料物質の処理水へのコンタミネーションが懸念される．またキーワード：ピンホール，水中放電，炭素電極，セラミック＊
群馬大学大学院理工学研究科環境創生理工学教育プ
ログラム（〒376-8515 群馬県桐生市天神町 1-5-1）
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図 1 高電圧パルス発生装置の回路図
Fig.1 Circuit diagram of a high-voltage pulse generator.

46

静電気学会誌 第41巻 第 1 号（2017）に示す．100 V，50 Hz の A.C. 商用電圧をスライドトラを接着し，アクリル円筒 A 側を放電で発生する気体のンス（ ST ）で電圧調整した後，高電圧トランス（ HT ）回収に，アクリル円筒 B 側を処理液と放電により生成で昇圧し，高電圧ダイオード（ HR ）で整流する．回路される気体の流通に用いた．アクリル円筒 A には処理の保護のために 147 kΩ 高電圧抵抗（ R ）を通して，8液の流通用に側面に内径 4.4 mmφ の穴を開けた．アクリ

nF のコンデンサー（ C ）に充電された電気エネルギーは，

ル円筒 B から液体サンプルを回収した．さらに，絶縁ロータリースパークギャップスイッチ（ RSG スイッチ）

板とアクリル円筒の間には水漏れ防止のために中央にが処理槽側の回路に短絡したとき、瞬時にコンデンサー

25 mmφ の穴を有する厚さ 3 mm のシリコンシートを挟より放電され高電圧パルスを形成して処理槽（ TC ）にみ込んでいる．電極として厚さ 1 mm のカーボン板（株印加される．周波数が 50 Hz であるため，処理時間 1 分式会社ニラコ製，純度 99.5％）を，40 × 40 mm のサイ間で 3,000 回のパルス波が処理装置に入る．

ズとしたものを用いた．これを中央に 20 × 20 mm の穴

2. 2 ピンホール型水中パルス放電装置を有する厚さ 3 mm のシリコンシートを介して，アクリ本研究で使用したピンホール型水中パルス放電装置をル板（アクリル円筒は接着済み）の中央の穴部分に設置

図 2 に示す．ピンホールを有する絶縁板を両側からアクした．カーボン電極を高電圧電源，ならびにアースと接リル円筒等で挟み込む構造となっている．絶縁板は厚さ続するために 85 × 15 mm のステンレス板をカーボン電

1, 2, 2.5, 3 mm，ピンホール経 0.5 mm のアルミナ製セラ極と接触するように配置した．これらを両側からシリコミック板を用いた．アクリル円筒 A，B はそれぞれ内径ンシートとアクリル板で挟み込み，樹脂製ボトルを用い33 mmφ，長さ 30 mm であり，一端を内径 30 mmφ の穴て密着させた．処理槽内の体積は 75 ml である．

を中央に有する厚さ 3 mm のアクリル板に接着している．

2.3 放電実験システム

また両アクリル円筒側面に内径 18 mmφ のアクリル円筒放電実験は流通式システムで実施した（図 3）．導電率が放電に与える影響を調査するため処理水は蒸留水（導電率 0.15 mS/cm ）に塩化ナトリウムを溶解し導電率を 2，5，10，30，50 mS/cm に調整した．処理水の温度を一定とするため氷冷した処理水を，ペリスタリックポンプを用いてピンホール型水中パルス放電装置ならびに流路全体に気泡が入り込まないよう充填した．処理液流量を 8 mL/min に調整した後，スライドトランスを調整し放電を発生させ，この時のパルス電圧・電流波形を高電圧プローブ（岩通電気社製 HV-30）と電流プローブ（ Pearson 社製 Current Monitor 411）を用いてデジタルオシロスコープ（ Tektronix 社製 TDS 360）にて測定した．また放電の様子をデジタルカメラ（ Canon 社製 DS126291）を用いて，シャッター速度 1/50 sec，絞り値 2.5，ISO 感

図 2 ピンホール型水中パルス放電装置
Fig.2 Pinhole type device for pulse discharge in water.

図 3 実験装置の全体図
Fig.3 Set up of the experimental apparatus.

カーボンを電極材料としたピンホール型水中パルス放電装置の試作と放電特性（谷野 孝徳ら）

47

値は 8，7 kV と減少した．これは絶縁板が薄くなること

度 1600 の条件で撮影した．
放電の際に発生する紫外線と過酸化水素の分解反応ででピンホール部分での電界の集中がより顕著となり，放生成される・OH ラジカルは非選択的な酸化剤で，C-C，電が発生しやすくなったためだと考えられる．電極材料

C-H，C-N，C-O，N-H 結合を切る働きを持ち ，インジとしてステンレス板を用いた場合にも，必要印加電圧のゴカルミンの発色団の結合を切ると考えられる．そのた変化はカーボン材料を電極として用いた場合と同様であめ，放電発生の目安になると考え，実験に使用した．ピった．この結果より，金属材料に比べ導電率が 1 桁低い

ンホール型水中パルス放電装置の 1 pass での有機物分解

カーボン材料を用いても水中放電の発生には影響を与え特性の評価は，各導電率の NaCl 溶液にインジゴカルミず，装置材料としてカーボン材料を利用できることが示ン（約 10 mg/L ）を溶解し，放電開始前後のインジゴカされた．以降の実験では電極材料としてカーボン材料をルミン溶液の波長 610 nm における吸光度を，分光光度用いて検討を実施した．

7）計（島津社製 UVmini-1240）を用いて測定した．脱色率

3.2 処理液導電率が必要印加電圧に及ぼす影響

η（％）は式（1）で定義した ．

厚さ 3 mm のセラミック板を絶縁板として用いたピン7）η［％］=（A0 － A）
/A0 × 100

（1）

ホール型水中パルス放電装置において処理液導電率を変化させた際の必要印加電圧の変化を図 5 に示す．導電率

ここで，A0 は 0 分の時の吸光度，A はそれぞれの時間後0.15 mS/cm において必要印加電圧は 16 kV であったが，の吸光度である．

電解質を含み導電率が高い溶液では必要印加電圧は低下した．必要印加電圧は導電率 2，5，10 mS/cm では 9 kV，3．実験結果および考察

導電率 30，50 mS/cm ではそれぞれ 10，11.5 kV であり

3.1 装置構成材料が放電発生必要電圧に及ぼす影響

導電率の変化に伴い必要印加電圧はわずかながら上昇しアルミナ製セラミック板を絶縁板としてピンホール型

た．0.15 mS/cm から 2 mS/cm では電流が流れやすくな水中パルス放電装置にて放電を発生させた．印加電圧をるため，放電の必要印加電圧が減少したと考えられる．

大きくすると放電の連続的な発生は安定していったが、また，2 mS/cm 以上では，徐々に必要印加電圧が高くな不意に絶縁板に亀裂が生じ放電の継続が不可能となる事るが，これは入力エネルギーが放電発生より，ジュール態が多発した．そこで，本研究では絶縁板の破壊を防ぐ熱になる割合が高まるからだと考えられる．これらの結ため，放電の発生が安定に継続する最低限の電圧を求め，果から，ピンホール型水中パルス放電装置では蒸留水のこれを必要印加電圧と定義した．

ような低導電率の溶液から海水相当の導電率を有する

本実験で用いたピンホール型水中パルス放電装置にお50 mS/cm の高導電率の溶液において必要印加電圧は異いて，処理液の導電率を 10 mS/cm とした際に絶縁板厚なるものの，広範囲の導電率の溶液で水中放電を発生ささが必要印加電圧に及ぼす影響を調べた（図 4）．電極せることが可能であることが示された．

としてカーボン材料を用いた場合，必要印加電圧は絶縁導電率 0.15，10，50 mS/cm の処理液を用いて発生さ板の厚さが 3，2.5 mm の場合は 9 kV であったが，絶縁せた水中放電の様子を図 6 に示す．必要印加電圧が 16板の厚さを 2，1 mm と薄くすることで必要印加電圧のkV と最も大きい処理液導電率 0.15 mS/cm の時（図 6a, b ）図 4 厚さごとの必要印加電圧
Fig.4 Required voltage for discharge generation.

図 5 導電率ごとの必要印加電圧
Fig.5 Required voltage with various conductivity.

静電気学会誌 第41巻 第 1 号（2017）48

図 6 ピンホール部分の拡大写真（左）と放電写真（右）（矢印はピンホールの位置を指す）（ a ）0.15 mS/cm の時の高電圧側，（ b ）0.15 mS/cm の時のアース側，（ c ）10 mS/cmの時の高電圧側，（ d ）10 mS/cm の時のアース側，（ e ）50mS/cm の時の高電圧側，（ f ）50 mS/cm の時のアース側
Fig.6 Enlarge part photographs of pinhole（ left ）and discharge（ right ）（ Arrows are points of pinhole ）（ a ）High-voltage
side at 0.15 mS/cm,（ b ）Earth side at 0.15 mS/cm,（ c ）High-voltage side at 10 mS/cm,（ d ）Earth side at 10 mS/cm,（ e ）High-voltage side at 50 mS/cm,（ f ）Earth side at
50 mS/cm.

図 7 絶縁体の厚さを変えたときのインジゴカルミンの脱色率
Fig.7 Decoloration ratio of indigo carmine with various insulatingplate thickness.

処理液の平均滞留時間 9.4 min のおよそ 1.5 倍に相当す
る処理時間 14 min までは脱色率の直線的な増加が確認された．処理時間 14 min 以降は飽和状態となった．これらの結果より今回作成したピンホール型水中パルス放の放電は最も明るく赤紫の発光色を示した．必要印加電電装置による流通式 1 pass での有機物分解は，装置内流圧が 9 kV であった処理液導電率 10 mS/cm の時（図 6c, d ）れがプラグフローではないため，処理開始後は処理開始に比べ，必要印加電圧が 11.5 kV であった処理液導電率

前に充填した処理液の影響を受け脱色率が低くなるもの

50 mS/cm の時（図 6e, f ）の放電は暗く小さいものとなり，の，処理時間の延長とともに脱色率が向上し一定値となる

10, 50 mS/cm の時の発光はともに橙色であった．これはことが明らかとなった．

高導電率の溶液を処理液とした場合には印加したエネル

ま た 絶 縁 板 厚 さ 1，2，2.5 mm の 時， 最 大 脱 色 率 はギーの多くが電流として消費されてしまうため放電が小51.1，57.2，72.1％と絶縁板厚さが厚くなるに従い大き規模になってしまうのだと考えられる．

くなったが，絶縁板厚さ 3 mm の時，最大脱色率は 52.3

また処理液導電率 50 mS/cm の時，放電の発光は高電％と小さくなった．

圧側では確認されずアース電極側のみで確認されること

各厚さの絶縁板を用いて放電を発生させた際の電圧・から，放電はアース電極側に伸長していることが確認さ

電流波形を測定し，代表的な電圧・電流波形を図 8 に示れた．これは，負極側において，長いプラズマチャネルす．電圧・電流波形での絶縁板の厚さ 1，2，2.5，3 mmが形成されることから ，それが撮影されたものだと考の時の放電一回当たりのエネルギーはそれぞれ，11.1，えられる．

15.3，24.3，17.6 mJ で あ っ た． 絶 縁 板 の 厚さ が 2.5，38）

3.3 ピンホール型水中パルス放電装置を用いた有機物分解mm の時，必要印加電圧は 9 kV ではあるが，電流波形は 2.5 mm の方が大きいことが確認された（図 8a，b ）．

導電率を 10 mS/cm に調整したインジゴカルミン溶液

このことにより，インジゴカルミンの脱色率が高い厚さを処理液として絶縁板の厚みを変えてピンホール型水中2.5 mm が，絶縁板の厚さとして最適値だと考えられる．

パルス放電装置にて流通式 1 pass での脱色実験を実施しまた，導電率 50 mS/cm，印加電圧 9 kV の場合の電圧・た（図 7）．いずれの絶縁板厚さにおいても時間の経過

電流波形を図 8c に示す．同じ厚さ，印加電圧の図 8b ととともにピンホール型水中パルス放電装置出口からサン比較すると，電流値は図 8c の方が大きいことが確認さ

プリングした処理液の脱色率の上昇が確認された．放電れたが，放電をほとんど確認することができなかった．

処理開始直後である処理時間 4 min までは，処理液出口

このことにより，導電率が高いと，入力エネルギーが放から排出される溶液の大部分は放電開始前に放電装置内電で消費するよりも，ジュール熱として消費する方が大に充填した処理液，特に放電が発生するピンホール部位きくなると考えられる．

より流れの後方にあり，放電の影響をほぼ受けていない絶縁板の厚さ 3 mm の時，放電一回あたりのエネルギ溶液が大部分を占めるため脱色率は低い値であった．処ーが減少しているのは，絶縁板の厚みが増すことでピン理時間 4 min 以降は，脱色率は増加し，放電装置内でのホール部分での電界の集中が弱められたためだと考えら

カーボンを電極材料としたピンホール型水中パルス放電装置の試作と放電特性（谷野 孝徳ら）

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（a）

図 9 絶縁板の厚さの変化に伴うエネルギーと最大脱色率
Fig.9 Output energy and maximum decoloration ratio of indigo
carmine with various insulating plate thickness.

（b）

（c）
図 10 導電率の変化に伴うインジゴカルミンの脱色率
Fig.10 Decoloration ratio of indigo carmine with variousconductivity.

ネルギーの増加に伴い，最大脱色率はほぼ直線的に増加することが明らかとなった．水中放電において入力エネルギーに比例して過酸化水素が生産されることが報告さ
図 8 絶縁体の厚さを変えたときの電圧・電流波形（ a ）厚さ2.5 mm，（ b ）厚さ 3 mm，（ c ）厚さ 3 mm（導電率 50mS/cm ）Fig.8 Voltage and current waveform with various thickness（ a ）2.5 mm,（ b ）3 mm，（ c ）3 mm（ conductivity 50mS/cm）.

れており ，エネルギー上昇に伴う過酸化水素の生成量9）が上昇すると考えられ，また，放電とともに発生する紫外線により分解反応で生成される・OH ラジカルの生成量の上昇に繋がると考えられる．
厚さ 3 mm の絶縁板を使用し，導電率を変えた場合のれる．また，各放電においてこれら放電一回あたりのエインジゴカルミンの脱色実験の結果を図 10 に示す．いネルギーはコンデンサーに蓄えられたエネルギーの 5～ずれの導電率でもピンホール型水中パルス放電装置出口7％であり，多くはジュール熱などに変換されているとからサンプリングした処理液の脱色率の上昇が確認され考えられ，エネルギー効率は低いものであった．電圧・た．10, 50 mS/cm は 14 min 以降は飽和状態になった．

電流波形から，大電流が生じた後，電流値が安定を始め

0.15 mS/cm では，図 6 より，0.15 mS/cm の時の発光がてもパルス電圧は下がりきっておらず，パルス幅を短い強いため，熱の発生が多いと考えられ，その熱により生ものとしていくことでエネルギー効率を向上できるもの

成された水蒸気の気泡がアクリル円筒 A に蓄積し，14と考えられる．

min 以降の測定が不可能であった． 10 mS/cm（ rev ）は絶縁板の厚さごとによる放電一回あたりのエネルギー導電率が 10 mS/cm の際に高電圧側とアース側を逆に取と最大脱色率の関係を図 9 に示す．放電一回あたりのエり付けた場合の結果となっている．12 min までは脱色率

静電気学会誌 第41巻 第 1 号（2017）

50率を有する 50 mS/cm の高導電率の溶液という広範囲の導電率において水中放電を発生させることが可能であった．
4）流通式 1 pass でのインジゴカルミン脱色実験では，最大脱色率は放電一回あたりのエネルギーに依存した．
謝辞
本 研 究 の 一 部 は， 科 学 研 究 費 補 助 金（ 課 題 番 号：
図 11 導電率の変化に伴うエネルギーと最大脱色率
Fig.11 Output energy and decoloration ratio of indigo carminewith various conductivity.

15639033，15560628）の助成を受けて行われたものです．
ここに謝意を表します．
参考文献が上昇したが，12 min 以降は脱色率が低下した．これは

1） M. A. Malik: Water purification by plasmas: which reactors

高電圧側からアース側に向かい，液の流れが生じるため

are most energy efficient? Plasma Chem. Plasma P., 30（2010）

だと考えられる． このため，入口をアース側にした場

21

合では，ピンホールで，液の逆流が起こるため混合状態

2） 谷野孝徳，中村ふみ，大嶋孝之，佐藤正之：マイクロバが変化し，初期には脱色は速いが，後半に脱色率の低下

ブルを用いた水中放電プラズマによる界面活性剤の分がみられたと考えられる．図 6 で，導電率が上昇すると解．静電気学会誌，34（2010）31

ともに，水中放電の発光の強さが低下することが確認さ

3） 大嶋孝之，谷野孝徳，成毛由典：投げ込み式水中バブルれているが，逆に 50 mS/cm の場合が最も脱色していた．

- パルス放電装置の試作と放電特性．静電気学会誌，35

導電率ごとによる放電一回あたりのエネルギーと最大（2011）145

脱色率を図 11 に示す．0.15，10，50 mS/cm の放電一回

4） 谷野孝徳，柳沢美貴，大嶋孝之：投げ込み式水中バブルあたりのエネルギーはそれぞれ 33.7，17.6，34.5 mJ と- パルス放電装置の殺菌特性．静電気学会誌，36（2012）

なった．図 9 でもエネルギーの増加に伴い最大脱色率が37増加することが確認されたが，導電率ごとでも同様の結

5） T. Tanino, Y. Tamura, T. Ohshima: Investigation of organic

果を得られた．0.15 mS/cm と 50 mS/cm のエネルギー値

decomposition and microbial inactivation by a cylinder styleは同様であるが，脱色率が 25％程の差がある．図 6 よpulsed discharge system in high conductivity solution. 静電気

り導電率 0.15 mS/cm の時が，導電率 50 mS/cm の時に比学会誌，38（2014）34

べ，発光が強いため，エネルギーが発光に使われたのではないかと考えられる．

6） 谷野孝徳，河合大輝，大嶋孝之：パルス放電及びオゾン処理による油水混合系中のオリーブ油ならびに各種脂肪酸の分解特性．静電気学会誌，40（2016）102

4．結言
カーボン材料を電極とし，まったく金属を使わないピンホール型水中パルス放電装置を作成し，装置構成材料と処理液導電率が放電生成ならびに有機物分解に及ぼす

7） L. Zhang, B. Sun, X. Zhu: Organic dye removal from aqueous
solution by pulsed discharge on the pinhole. J. Electrostat., 67（2009）62
8） F. Krcma, Z. Stara, J. Prochazkova: Diaphragm Discharge in

影響を調査し，以下の結果を得た．

Liquids: Fundamentals and Applications. J. Phys.: Conf.

1）カーボン材料を電極として用いた場合も放電生成のSeries, 207（2010）012010

必要印加電圧は金属材料を用いた場合と同じであっ
た．
2）絶縁板厚さが増すに従って必要印加電圧も大きくなった．
3）蒸留水のような低導電率の溶液から海水相当の導電

9） P. Lukes, M. Clupek, V. Babicky, E. Spetlikova, I. Sisrova, E.
Marsalkova, B. Marsalek: High power DC diaphragm
discharge excited in vapor bubble for the treatment of water.
Plasma Chem. Plasma P., 33（2013）83