JP4645936B2 - 水の殺菌方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、水の殺菌方法に係り、特に水中に配置した電極間に電圧を印加して殺菌する水の殺菌方法および装置に関する。

従来、水道水などの飲料水や、プールの水、公衆浴場のお湯などを殺菌する場合、一般に水中に塩素などの化学物質（薬品）を投入して行なっていた。しかし、化学物質による殺菌は、化学物質によって水の味が変わるばかりでなく、化学物質の臭いがして人に不快感を与える。

また、水中に放射線を照射して殺菌する方法も開発されている。しかし、放射線を照射して殺菌する方法は、水が分解されてＯＨラジカルを生じ、ＯＨラジカルによって水が改質され、味が変わってしまう。しかも、放射線による殺菌方法は、大量の水を殺菌することができない。そこで、近年は、特許文献１に記載されているように、水中に電極を配置して電極間に電圧を印加し、電気化学的に水処理をして殺菌する方法が行なわれるようになっている。

すなわち、特許文献１には、被処理水中に配置した陽極と陰極との間に高電圧パルスを印加し、被処理水中で陽極と陰極との間で放電させる。そして、放電による強い衝撃力と、高い電界強度、水の電気分解により生ずる酸素の活性種などによって、被処理水を殺菌するようにしている。
特開２００４−８９９３５号公報

しかし、特許文献１に記載の、水中放電による電気分解の作用によって殺菌する方法は、大変な高電圧を必要とする。また、特許文献１に記載の殺菌方法は、放電に伴って大電流が流れるために危険であるばかりでなく、水素を発生するので危険である。また、大量の電力を使用する必要があり、処理コストが高くつき、大量の水を殺菌するのが容易でない。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、低電圧で殺菌でき、電力の消費量を大幅に削減できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、大量の水を容易に殺菌できるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る水の殺菌方法は、中心部に置かれた第１印加電極と、その周囲に互いに等間隔に容量結合可能に配列した複数の浮遊電極の周囲を取り囲んで互いに電気接続された複数の第２印加電極との間にパルス電圧を印加しつつ、それらの間の容量結合された複数の浮遊電極間に前記被処理水を通水して殺菌することを特徴としている。

そして、上記の水の殺菌方法を実施する本発明に係る水の殺菌装置は、被処理水中に配置可能な電極ユニットを有し、この電極ユニットはその中心部に配置される第１印加電極と、当該第１印加電極の周囲に互いに等間隔に容量結合可能に配列した浮遊電極と、当該浮遊電極の周辺部に互いに電気的に接続された第２印加電極とから構成し、前記第１電極と第２電極との間にパルス電圧を印加しつつ、前記複数の浮遊電極を容量結合させる電源ユニットを備えてなることを特徴としている。

各浮遊電極は、円柱状に形成することが望ましい。また、各浮遊電極は、等間隔に配置するとよい。さらに、各浮遊電極は、第１各印加電極と第２印加電極とのいずれか一方の印加電極を中心とする複数の同心円上に配置し、いずれか他方の印加電極が各浮遊電極の外側に配置することができる。

上記のごとくなっている本発明は、容量結合している複数の浮遊電極間に被処理水を流すと、浮遊電極間の被処理水と各浮遊電極とによって、いわゆる浮遊コンデンサが形成される。したがって、浮遊電極間を容量結合させるために第１印加電極と第２印加電極との間に印加する電圧が小さくとも、浮遊電極間に大きな電界を発生させることが可能で、大腸菌などの細菌に大きな分極作用を及ぼす。細菌は、分極作用により細胞膜などが破壊されて死滅する。しかも、各印加電極間に印加する電圧を小さくできるため、水中における放電などが発生せず、電流量を少なくすることができ、安全性も向上し、水の温度が上がって味が変わるなどの現象を防ぐことができる。

そして、第１、第２印加電極間に印加する電圧を間歇的に、すなわちパルス状に印加して各浮遊電極間を間歇的に容量結合すると、印加電極間を流れる電流量をより少なくすることができる。また、パルス状の電圧を印加すると、急激に変化する電界によって細菌に瞬間的な分極が発生し、殺菌作用を高めることができる。さらに、間歇的に電圧を印加することにより、第１、第２印加電極間を流れるパルス状の微弱電流によって、被処理水に溶解している酸素が容易に酸化還元反応を起こして活性化され、活性な酸素による殺菌作用を得ることができる。なお、浮遊電極を円柱状に形成し、等間隔に配置すると、電界の局所的な集中を避けることができ、各浮遊電極の周囲の電界が一様となって良好な殺菌を行なうことができる。

本発明に係る水の殺菌方法および装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る水の殺菌装置の説明図である。図１において、殺菌装置１０は、電極ユニット１２と電源ユニット１４とから構成してある。電極ユニット１２は、実施形態の場合、平面視で六角形状に形成してあって、１つの第１印加電極１６と複数の第２印加電極１８と複数の浮遊電極２０とを有する。これらの各電極１６、１８、２０は、詳細を後述するように、円柱状に形成してある。

第１印加電極１６は、電極ユニット１２の中心部に配置してある。また、複数の第２印加電極１８は、電極ユニット１２の外周縁部において六角形の各片に沿って配置してある。そして、電極ユニット１２は、第２印加電極１８の外側に六角形状に形成した導電性連結材２２が設けてあって、この導電性連結材２２の内面に各第２印加電極１８が電気的に接続してある。したがって、各第２印加電極１８は、導電性連結材２２を介して相互に電気的に接続している。また、導電性連結材２２は、第２印加電極１８の高さ方向の適宜の位置に設けてあって、各第２印加電極１８の間を図示しない被処理水が通流できるようになっている。なお、導電性連結材２２は、第２印加電極１８の上面を連結するようにしてもよい。

第１印加電極１６と導電性連結材２２とは、リード線２４を介して電源ユニット１４に接続してあり、電源ユニット１４によって両者間に電圧を印加できるようにしてある。すなわち、電源ユニット１４は、第１印加電極１６と第２印加電極１８との間に電圧を印加する。第１印加電極１６と第２印加電極１８と間には、複数の浮遊電極２０が配設してある。

各浮遊電極２０は、第１印加電極１６の周囲に等間隔に配置してある。また、各電極１６、１８、２０は、複数の平行した直線状に配列されるとともに、隣接する列間において千鳥状に配置されている。各浮遊電極２０は、電源などに接続されておらず、電気的に浮いた状態となっていて、第１印加電極１６と第２印加電極１８との間に電圧が印加されると、相互に容量結合される。したがって、各浮遊電極２０は、電極間に誘電体が配置されたコンデンサとなる。

第１、第２印加電極１６、１８と浮遊電極２０とは、例えば黒鉛やステンレスなどの耐食性の導電材によって形成しあり、実施形態の場合、同一の形状をなしている。すなわち、各電極１６、１８、２０は、図２に図１のＡ−Ａ線に沿った断面の一部を示したように、大径の頭部２６と小径の脚部２８とからなっている。また、電極ユニット１２は、プラスチックなどの絶縁材からなるベース３０を備えている。ベース３０は、上面に複数の植設孔３２が形成してあって、植設孔３２に電極１６、１８、２０の脚部２８が挿入してある。なお、頭部２６は、ベース３０の表面から適宜の距離ｄだけ離してあって、各電極が近接配置した場合でも、沿面放電が生じないようにしてある。

電源ユニット１４は、電源部４０と制御部４２とから構成してある。電源部４０には、リード線２４を介して第１印加電極１６と導電性結合材２２とが接続してあって、第１印加電極１６と第２印加電極１８との間にパルス状の電圧を印加する。制御部４２は、電源部４０が出力する印加電圧の大きさ、電圧の印加時間（パルス幅）、パルス間隔（周波数）を設定できるようになっていて、設定条件にしたがって電源部４０を制御する。

このようになっている実施形態の殺菌装置１０は、図示しない被処理水の流路、または循環路に配置される。そして、電源ユニット１４の電源部４０によって第１印加電極１６と第２印加電極１８との間に電圧を印加すると、図３に示したように、第１、第２印加電極１６、１８（第２印加電極１８は図示せず）と浮遊電極２０との間、および各浮遊電極２０間にコンデンサＣが形成される。すなわち、電極ユニット１２は、マルチコンデンサとなる。そして、各電極間に被処理水を通すと、電極間に大きな電界を生ずる。また、各電極は、導電体であるので、誘電率が無限大であって、電極の表面に電界が集中し、水と電極との境界付近が強電界となる。したがって、電極間隔を適宜に設定すると、第１印加電極１６と第２印加電極１８との間に印加する電圧が小さくとも、細菌を死滅させるのに充分な電界を容易に得ることができる。しかも、第１印加電極１６と第２印加電極１８との間に印加する電圧を低くできるため、水中における放電などが発生することがなく、印加電極１６、１８間を流れる電流量を少なくすることができ、電力消費量を大幅に削減することができる。

また、第１印加電極１６と第２印加電極１８との間にパルス状の電圧を印加し、各浮遊電極２０間を間歇的に容量結合すると、印加電極１６、１８間を流れる電流を非常に小さくすることができる。しかも、パルス電圧の印加によって、水中の電界が急激に変化するため、細菌にパルス電界による瞬間的な分極作用を与えることができ、殺菌作用を高めることができる。さらに、第１印加電極１６と第２印加電極１８との間に間歇的に電圧を印加すると、印加電極１６、１８間を流れる微弱なパルス電流によって、被処理水に溶解している酸素が容易に酸化還元反応を起こして活性化され、活性な酸素による殺菌作用を得ることができる。また、流れる電流が少なく、必要とする電力量が小さいため、容易にパルス幅の小さな電源ユニット１４を用いることができる。しかも、低電力量で殺菌するため、被処理水の温度の上昇を抑えることができ、水の性質（味）が変わることがない。そして、高電圧を必要としないため、安全性を高めることができる。また、複数の電極ユニット１２を被処理水中や被処理水の流路に配置することにより、大量の被処理水を容易に殺菌することができる。

また、実施形態においては、各電極１６、１８、２０を円柱状に形成し、等間隔に配置したことにより、電界の局所的な集中を避けることができ、浮遊電極の周囲の電界が一様となって良好に殺菌することができる。そして、実施形態の殺菌装置１０は、塩素などの化学物質を使用しないため、水の味が変わることがなく、人に化学物質の臭いがするなどの不快感を与えることがない。さらに、殺菌装置１０は、複数の電極ユニット１２を流路に配置して容易にマルチ化することができ、大量の被処理水を殺菌することができる。

図４（１）に示したように、頭部２６の直径が５ｍｍ、頭部２６の長さが１０ｍｍ、脚部２８の長さが１０ｍｍのステンレスからなる第１、第２印加電極１６、１８および浮遊電極２０を作製した。そして、これらの電極１６、１８、２０をプラスチックのベース３０に配置し、図４（２）に示したような電極ユニット１２を形成した。電極ユニット１２は、隣接する電極の間隔が０．４ｍｍであって、中央部に１本の第１印加電極１６、その周囲に１８本の浮遊電極２０を配置し、さらに浮遊電極２０の周囲に第２印加電極１８を配置して、全体として六角形状に形成した。また、ベース３０と頭部２６との間隔ｄは、３ｍｍにした。

このように形成した電極ユニット１２を、細菌を添加した被処理水（図示せず）の入った内径５０ｍｍの樹脂製容器４４内に配置したのち、第１印加電極１６と第２印加電極１８との間にパルス電圧を印加して殺菌実験を行なった。被処理水は、蒸留水３０ｍＬに大腸菌（E.coli IAM12119）を添加し、菌の濃度を５０cell／mLに調整した。第１、第２印加電極１６、１８間に印加した電圧は、周波数ｆ＝２．５ｋＨｚ、パルス幅が１６μｓ、ピーク電圧が１．８ｋＶであり、ピーク電流が１１０ｍＡである。

このような実験条件の下に殺菌試験を行なったところ、図５に示したような結果が得られた。なお、図５の横軸は単位を分で表した処理時間、縦軸は初期の菌の数に対する処理後における生菌の数の割合である。なお、図５のＮ₀は初期の菌の数（コロニー数）、Ｎは殺菌処理後の菌の数を示している。そして、図中の●は、実測値である。この実測値に基づいて、除菌（殺菌）の時間的変化を求めたところ、処理時間をｔ（分）とすると、

となり、同図の破線に示した曲線が得られた。そして、１２分間の殺菌処理で被処理水の温度が１０℃上昇したとして消費電力を計算したところ、約１．７ｍＷであった。

なお、浮遊電極２０の効果を確認するために、浮遊電極２０を有する図４の電極ユニット１２と、図４の電極ユニット１２から浮遊電極２０を取り除いて、１本の第１印加電極１６と六角形状に配置した１８本の第２印加電極１８とだけからなる電極ユニットを作製し、上記と同様の条件で殺菌試験を行なった。その結果を図６に示す。

図６の横軸は処理時間（単位：分）であり、縦軸は菌の生存率の対数値である。また、図中の●は浮遊電極を設けた電極ユニット１２による結果であり、□は浮遊電極を有しない電極ユニットによる結果である。図からわかるように、浮遊電極２０を設けることによって、殺菌効果が大幅に向上することがわかる。

図７（１）に示したように、被処理水５０を貯留した被処理水タンク５２と、殺菌処理した処理水５４を貯留する処理水タンク５６とを連通する流路５８に、殺菌処理部６２を設け、殺菌処理部６２に図４に示した電極ユニット１２を７個直列に配置した。そして、流路５８に設けたポンプ６０によって、被処理水タンク５２中の被処理水５０を処理水タンク５６に向けて圧送した。被処理水５０は、蒸留水に大腸菌を添加して実施例１と同様に調整した。また、各電極ユニット１２には、周波数ｆ＝５ｋＨｚ、パルス幅１０μｓ、ピーク電圧５００Ｖのパルス電圧を印加した。パルス電流は２００ｍＡである。

なお、安全性を考慮して、図７（２）に示したように、殺菌処理部６２の両側の殺菌処理部６２から離れた位置において、流路５８を接地した。殺菌処理部６２から遠い位置を接地したのは、殺菌処理部６２の近くを接地すると、水の導電性から電極ユニット付近が接地される（等電位になる）ことになり、電極間の電界が弱まるためである。

このような実験条件において、流路５８を流れる被処理水５０の流量を変化させたときの殺菌効果を調べた。実験結果を図８に示す。図８は、殺菌処理部６２において殺菌処理した処理水中の菌の生存率αを示したもので、横軸が殺菌処理部６２に流入する被処理水５０の流量Ｑ（ｍＬ／分）、縦軸が菌の生存率α（％）である。なお、この実施例においては、Ｑ＝１２０ｍＬ／分が水道管を流れる水道水の一般的な流量に相当している。

１分間あたりの被処理水５０の流量Ｑが多くなるほど殺菌（滅菌）効果が小さくなる。また、この実施例において、滅菌効果が比較的小さく、菌の生存率αが高いのは、第１、第２印加電極１６、１８間に印加した電圧が低いためと考えられる。

図４に示した電極ユニット１２を用いて、第１、第２印加電極１６、１８間の印加電圧と殺菌効果との関係を調べた。その結果を図９に示した。印加電圧は、周波数ｆ＝２．５ｋＨｚ、パルス幅１６μｓ、流したパルス電流は１１０ｍＡであって、被処理水は実施例１と同様に調整した。

図９の横軸は第１印加電極１６と第２印加電極１８との間に印加した電圧（単位：ｋＶ）であり、横軸は死滅速度定数（単位：min^-1）である。
なお、処理前の細菌の数をＮ₀、処理時間をｔ（分）、処理後の細菌の数をＮとすると、死滅速度定数κは、

として求められる。

この死滅速度定数κが大きいほど殺菌効果が大きく、細菌を早期に死滅させることができる。そして、図９においては、第１、第２印加電極１６、１８間に印加する電圧が１．５ｋＶ以上になると、大きな死滅速度定数が得られ、よい殺菌効果が望める。これは、図４に示した実施例の電極ユニット１２の場合、第１印加電極１６と、第２印加電極１８との間に印加する電圧を１．５ｋＶ以上にすると、菌体の細胞膜を分極させて絶縁破壊するのに必要とする電圧が得られるためと考えられる。したがって、実施例２の実験においても、殺菌処理部６２の各電極ユニット１２に印加する電圧を１．５ｋＶ以上にすることにより、良好な殺菌を行なえるものと思われる。
なお、印加電圧が同じである場合、印加電圧の周波数がより高いほど、より大きな殺菌効果が得られた。

本発明に係る水の殺菌装置の説明図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った一部断面図である。 実施形態に係る浮遊電極の作用を説明する図である。 実施例に用いた電極ユニットの説明図である。 処理時間に対する除菌の変化を示す図である。 浮遊電極の殺菌効果を説明する図である。 実施例２の説明図である。 被処理水の流量と細菌の生存率との関係を示す図である。 印加電極間の印加電圧と細菌の死滅速度定数との関係を示す図である。

符号の説明

１０………殺菌装置、１２………電極ユニット、１４………電源ユニット、１６………第１印加電極、１８………第２印加電極、２０………浮遊電極、４０………電源部、４２………制御部、５０………被処理水、５４………処理水、５８………流路、６２………殺菌処理部。

Claims (3)

1. 中心部に置かれた第１印加電極と、その周囲に互いに等間隔に容量結合可能に配列した複数の浮遊電極の周囲を取り囲んで互いに電気接続された複数の第２印加電極との間にパルス電圧を印加しつつ、それらの間の容量結合された複数の浮遊電極間に前記被処理水を通水して殺菌することを特徴とする水の殺菌方法。
2. 被処理水中に配置可能な電極ユニットを有し、この電極ユニットはその中心部に配置される第１印加電極と、当該第１印加電極の周囲に互いに等間隔に容量結合可能に配列した浮遊電極と、当該浮遊電極の周辺部に互いに電気的に接続された第２印加電極とから構成し、
   前記第１電極と第２電極との間にパルス電圧を印加しつつ、前記複数の浮遊電極を容量結合させる電源ユニットを備えてなる、
   ことを特徴とする水の殺菌装置。
3. 請求項２に記載の水の殺菌装置において、
   前記各浮遊電極は、円柱状に形成してあって、等間隔に配置してあることを特徴とする水の殺菌装置。

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