静電気学会誌，44, 6（2020）263-264

J. Inst. Electrostat. Jpn.

ノ ー ト

超音波照射による水中パルス放電の活性化
山崎 晴彦 ，熊澤 裕哉 ，黒木 智之 ，大久保 雅章
＊, 1

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（2020年5月19日受付；2020年7月9日受理）

Enhancement of a Pulsed Electrohydraulic Discharge by Ultrasound Irradiation
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Haruhiko YAMASAKI , Yuya KUMAZAWA , Tomoyuki KUROKI and Masaaki OKUBO（Received May 19, 2020; Accepted July 9, 2020）
A pulsed electrohydraulic discharge combined with ultrasound is investigated by using a high-speed camera. The discharge
and ground electrodes are a needle electrode and a perforated plate, respectively. Ultrasound is applied directly to the plasma
reactor through water by using an ultrasonic transducer. As a result, when ultrasound is combined with an electrohydraulicdischarge in water, it is confirmed that the discharge region expands, and the gas phase ratio increases. As the bubble diameter
generated from the electrode expands when the pressure is reduced by ultrasonic waves, it is found that the discharge progressregion extends.

1．はじめに近年，有毒な副生成物が発生しない廃液処理法の一つである水中パルス放電が注目を集めている．また水

1, 2）

中パルス放電と超音波照射を複合することで，高効率に難分解有機化合物を分解できることが報告されている ．
3）

超音波を照射すると，誘起される圧力勾配による減圧キャビテーション気泡が生成される．そのため，減圧気泡内において放電プラズマ領域が拡大し，放電発生率および有機化合物分解率が向上することが期待できる．しかしながら，超音波照射時における，印加電圧の経時変化に対応させた水中パルス放電の観察結果はこれまで報告されていない．本研究では，水中フェノール除去実験における大気圧下での超音波照射パルス放電の高速度カメ
ラによる可視化を行い放電の様子を明らかにし，超音波照射により水中パルス放電が活性化することを示した．

図 1 実験装置概略
Fig.1 Schematic of experimental setup.

研究所製 PPCP Pulser SMC-30/1000, 500 W ）により印加

2．実験装置および実験方法することで，電極間にパルス放電プラズマが発生する．

実験装置の概略を図 1 に示す．プラズマリアクタは直処理液量は 25℃の一定温度に保たれたフェノール濃度

径 0.2 mm のタングステン針の放電電極と超音波が進展

0.5 mmol/L，体積 250 mL の純水水溶液を用いた．底部

しやすい直径 50 mm のステンレス製の多孔板状の接地に振動子が設置された超音波洗浄槽内を純水で満たし，電極からなる内径 70 mm, 深さ 125 mm のホウケイ酸ガ

超音波発振器（日本エマソン製 Branson S8540-12）によ3）

ラス製円筒型のものである ．電極間距離は 10 mm としり振動子を駆動して超音波（40 kHz，500 W ）を下方かた．放電電極にピーク値 +30 kV，幅約 400 ns，パルスらリアクタに照射した．撮影には，ハイスピードカメラ

周波数 210 Hz の極短パルス高電圧をパルス電源（増田（ Vision Research 社製 Phantom Miro M/LC ），マクロレンズ（ TAMRON 180 mm MACRO 72 mm ），テレコンバー

キーワード：水中パルス放電，超音波，可視化，促進酸化法＊
大阪府立大学大学院工学研究科機械系専攻（〒599-8531 堺市中区学園町 1-1）
Graduate School of Engineering, Osaka Prefecture
University, 1-1 Gakuen-cho, Naka-ku, Sakai 599-8531, Japan1hyamasaki@me.osakafu-u.ac.jp

タレンズ（ KENKO 2X ）を使用した．また，メタルハライド光源装置（ LS-M210, 株式会社住田光学ガラス製）を使用し，リアクタにバックライトを当て撮影を行った．
撮影条件は 10000 フレーム / 秒，撮影間隔：100 μs，解像度：640 × 400，露光時間：97.59 μs とした．

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静電気学会誌 第44巻 第 6 号（2020）

3．実験結果および考察
図 2 に超音波複合放電時における印加電圧と電流の波形を示
す．極短パルス高電圧は（ii）の区間で印加され，当該区間で電流値が上昇し放電が起きている．なお，超音波無しの単独放電の際の波形と図 2 の波形の差（ a ）Without ultrasound

異は極めて小さかった．
図 3 に放電の連続写真を示す．写真の黒色箇所は気泡界面でのバックライトの屈折による気泡の影および放電電極であることを確認している．また，プラズマは自ら発光することから，水の領域よりも明るくなり白色となる．なお，すべての写真に対し輪郭強調のため，明度（ b ）combined with ultrasound
図 3 水中パルス放電の連続写真（露光時間 = 97.59 μs ）Fig.3 Continuous photographs of the pulsed electrohydraulic discharge（camera exposure time = 97.59 μs）．

を 40％，コントラストを 20％増加させる画像処理を行っている．図 3 における時間区が促進され気泡の数がさらに増加するものと考えられる．

間（i）－（v）は図 2 に示す時間区間（i）－（v）に対応してお撮影した 1秒間の画像 10000 コマの中からプラズマが発り，100 μs の間隔で撮影を行っている．

生した回数をパルス周波数 210 Hz で除した値を放電発生

図（3 a）に示す単独放電時の区間（ii）において，放電電率と定義した．計測の結果，超音波照射を複合することで極先端に直径約 0.3 mm の気泡とプラズマが生成される放電発生率は，11％から 58％に増加した．また，高速液体様子が確認できる．図 （3 a）の（iii）－（v）では，放電によクロマトグラフ（島津製作所製 LC-10ATvp ）によって計測って生成された残存気泡が確認できる．一方，図 （3 b）にしたフェノール処理時間 100 分時におけるフェノール除去

示す超音波照射複合放電時の区間（ii）において，放電電率 は，単独放電時の 6％から複合放電時の 12％まで増加

極先端に直径約 0.6 mm のより大きな気泡とプラズマがし，放電の活性化による除去率の向上を確認した．

3）

生成され，気泡内をプラズマが進展する様子が確認できる．超音波照射時にプラズマ領域が拡大した要因として，

4．結論

超音波による減圧時（絶対圧で約 2 kPa ）に気泡径が拡

超音波照射を複合することにより，水中パルス放電を活大することによって，気相領域およびその内部の換算電性化しプラズマ領域を拡大することができた．難分解性有界が大きくなり放電が生成しやすくなったことが挙げら

機物の高効率な分解処理技術になることが期待できる．

れる ．さらには図 （3 b）
において，超音波照射時に気泡本研究は JSPS 科研費 JP17K06311 の助成を受けた．

4）の数は大幅に増加している．プラズマが生成する気泡は沸騰，電気分解，水のプラズマ分解，放電に伴う衝撃波

参考文献のいずれかのメカニズムに基づく．超音波によりプラズマ

1） B. Jiang, et al.: Review on electrical discharge plasma
technology for wastewater remediation. Chem. Eng. J., 236（2014）3482） M. Tahara and M. Okubo: Detection of free radicals produced
by a pulsed electrohydraulic discharge using electron spinresonance. J. Electrostat., 72（2014）2223） 大瀧悠裕ら：パルス放電プラズマ - 超音波複合処理によるフェノールの分解．静電気学会誌，43（2019）194） N. Yu Babaeva and M. J. Kushner: Structure of positive
streamers inside gaseous bubbles immersed in liquids. J. Phys.
D: Appl. Phys., 42（2009）132003

領域が拡大活性化することから，プラズマによる気泡生成

図 2 超音波照射時における電圧と電流波形
Fig.2 Waveforms of voltage and current in the case with ultrasound.