JP6605797B2 - Fluid plasma generation method and fluid plasma generator - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、水流などの流体中にプラズマを発生させる流体中プラズマ発生方法及び流体中プラズマ発生装置に関する。 The present invention relates to an in-fluid plasma generation method and an in-fluid plasma generation apparatus that generate plasma in a fluid such as a water flow.
例えば、下水道処理や工場排水処理の浄化装置には、微生物による活性汚泥処理法による浄化処理の他に水中放電を利用した排水処理が行われている。特許文献1には、生活排水に高電圧を印加して大腸菌を死滅させる被処理液浄化方法が開示されている。
For example, in a purification device for sewage treatment or factory wastewater treatment, wastewater treatment using underwater discharge is performed in addition to purification treatment by an activated sludge treatment method using microorganisms.
従来の水中放電型浄化装置の場合、被処理水中に大腸菌群を殺菌する電流を電極対間に流すために該電極対間に非常に高い電位差を生じさせる必要があった。このため、消費電力量が増大して浄化コストが高くなる問題を生じていた。しかも、電流の導通だけであるため、殺菌はできるにしても水質自体を制御可能に改善することは困難であった。 In the case of a conventional underwater discharge type purification apparatus, it is necessary to generate a very high potential difference between the electrode pairs in order to pass a current for sterilizing coliform bacteria between the electrode pairs in the water to be treated. For this reason, there has been a problem that the amount of power consumption increases and the purification cost increases. In addition, since only the current is conducted, it is difficult to improve the water quality itself in a controllable manner even if sterilization is possible.
本発明の目的は、例えば、水質改善等において安価且つ簡易にプラズマ処理を行うことのできる流体中プラズマ発生方法及び流体中プラズマ発生装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an in-fluid plasma generation method and an in-fluid plasma generation apparatus capable of performing plasma treatment inexpensively and easily, for example, in improving water quality.
本発明の第1の形態は、液状物質を流動させた流体の流路に電極を設け、前記電極により高電圧を前記流体に印加して、前記流体に含有した気体成分によってプラズマ化した気泡を発生させる流体中プラズマ発生方法である。 In the first aspect of the present invention, an electrode is provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance is flowed, a high voltage is applied to the fluid by the electrode, and bubbles that are converted into plasma by a gas component contained in the fluid are formed. This is a method for generating plasma in a fluid to be generated.
本発明の第2の形態は、液状物質を流動させた流体の流路に電極を設け、泡沫化手段によって前記流体を泡沫化し、その泡沫化した流体に対して前記電極により高電圧を印加して、該泡沫化した流体中の気泡をプラズマ化する流体中プラズマ発生方法である。 In the second aspect of the present invention, an electrode is provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance is flowed, the fluid is foamed by foaming means, and a high voltage is applied to the foamed fluid by the electrode. Thus, the in-fluid plasma generating method is for converting the bubbles in the foamed fluid into plasma.
本発明の第3の形態は、前記泡沫化手段は、ノズル出口側にオリフィスを設けたノズル装置により構成され、前記流体を前記ノズル装置内を流通させながら前記オリフィスによって泡沫化する流体中プラズマ発生方法である。 According to a third aspect of the present invention, the foaming means is constituted by a nozzle device provided with an orifice on the nozzle outlet side, and the in-fluid plasma is generated by the orifice while allowing the fluid to flow through the nozzle device. Is the method.
本発明の第4の形態は、前記泡沫化手段は、前記流体を撹拌する流体撹拌装置により構成され、前記流体撹拌装置により撹拌した流体を前記流路に流通させて泡沫化する流体中プラズマ発生方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, the foaming means is constituted by a fluid stirring device that stirs the fluid, and the in-fluid plasma generation that causes the fluid stirred by the fluid stirring device to flow through the flow path to foam. Is the method.
本発明の第5の形態は、流体中に気体を注入して該気体の気泡を発生させ、該気体の気泡と前記泡沫化による気泡を含む流体に対し前記電極により高電圧を印加して、該気体の気泡と前記泡沫化による気泡をプラズマ化する流体中プラズマ発生方法である。 According to a fifth aspect of the present invention, a gas is injected into a fluid to generate bubbles of the gas, a high voltage is applied to the fluid including the bubbles of the gas and bubbles by the foaming by the electrode, This is a method for generating plasma in a fluid in which the gas bubbles and the bubbles generated by foaming are turned into plasma.
本発明の第6の形態は、液状物質を流動させた流体の流路に電極を設け、流体中に気体を注入して該気体の気泡を発生させ、前記気泡を含む流体に対し前記電極により高電圧を印加して、前記気泡をプラズマ化する流体中プラズマ発生方法である。 According to a sixth aspect of the present invention, an electrode is provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance is flowed, a gas is injected into the fluid to generate bubbles of the gas, and the fluid containing the bubbles is This is a method for generating plasma in a fluid by applying a high voltage to turn the bubbles into plasma.
本発明の第7の形態は、前記気体は、空気、酸素等の活性気体、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体又はこれら気体の混合気体のいずれかである流体中プラズマ発生方法である。 A seventh aspect of the present invention is the in-fluid plasma generation method, wherein the gas is any one of an active gas such as air and oxygen, an inert gas such as nitrogen, helium and argon, or a mixed gas of these gases.
本発明の第8の形態は、前記液状物質は、市水、川水、池水、蒸留水、イオン交換水、アルコール又は薬剤等を含む液体のいずれかである流体中プラズマ発生方法である。 An eighth aspect of the present invention is the in-fluid plasma generation method, wherein the liquid substance is any one of liquids including city water, river water, pond water, distilled water, ion-exchanged water, alcohol, or medicine.
本発明の第9の形態は、液状物質を流動させた流体の流路に設けた電極と、前記電極により高電圧を前記流体に印加する高電圧印加手段とを有し、前記高電圧を前記流体に印加することにより前記流体に含有した気体成分をプラズマ化した気泡を発生させる流体中プラズマ発生装置である。 A ninth aspect of the present invention includes an electrode provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance is flowed, and a high voltage applying unit that applies a high voltage to the fluid by the electrode, and the high voltage is It is an in-fluid plasma generator that generates bubbles by applying gas to a fluid to convert a gas component contained in the fluid into plasma.
本発明の第10の形態は、液状物質を流動させた流体の流路に設けた電極と、前記流体を泡沫化する泡沫化手段と、泡沫化した流体に前記電極により高電圧を印加する高電圧印加手段とを有し、前記高電圧を泡沫化した流体に印加して、泡沫化した流体中の気泡をプラズマ化する流体中プラズマ発生装置である。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an electrode provided in a fluid flow path in which a liquid substance is flowed, foaming means for foaming the fluid, and a high voltage applied to the foamed fluid by the electrode. An in-fluid plasma generator that applies voltage to the foamed fluid and converts the bubbles in the foamed fluid into plasma.
本発明の第11の形態は、前記泡沫化手段は、ノズル出口側にオリフィスを設けたノズル装置を有し、前記流体を前記ノズル装置内を流通させながら前記オリフィスによって泡沫化する流体中プラズマ発生装置である。 In an eleventh aspect of the present invention, the foaming means has a nozzle device provided with an orifice on the nozzle outlet side, and plasma generation in fluid is performed by the orifice while foaming the fluid through the nozzle device. Device.
本発明の第12の形態は、前記泡沫化手段は、前記流体を撹拌する流体撹拌装置を有し、前記流体撹拌装置により撹拌した流体を前記流路に流通させて泡沫化する流体中プラズマ発生装置である。 In a twelfth aspect of the present invention, the foaming means has a fluid stirring device that stirs the fluid, and the in-fluid plasma generation that causes the fluid stirred by the fluid stirring device to flow through the flow path to foam Device.
本発明の第13の形態は、流体中に気体を注入して該気体の気泡を発生させる気泡発生手段を有し、該気体の気泡と前記泡沫化による気泡を含む流体に対し前記電極により高電圧を印加して、該気体の気泡と前記泡沫化による気泡をプラズマ化する流体中プラズマ発生装置である。 A thirteenth aspect of the present invention has bubble generating means for injecting gas into a fluid to generate bubbles of the gas, and the electrode is used to increase the fluid containing the bubbles of the gas and bubbles by the foaming. The in-fluid plasma generator is configured to apply a voltage to convert the gas bubbles into bubbles.
本発明の第14の形態は、液状物質を流動させた流体の流路に設けた電極と、流体中に気体を注入して該気体の気泡を発生させる気泡発生手段とを有し、前記気泡を含む流体に対し前記電極により高電圧を印加して、前記気泡をプラズマ化する流体中プラズマ発生装置である。 A fourteenth aspect of the present invention includes an electrode provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance is flowed, and bubble generating means for injecting gas into the fluid to generate bubbles of the gas. The in-fluid plasma generator generates plasma of the bubbles by applying a high voltage to the fluid containing the gas.
本発明の第15の形態は、前記気体は、空気、酸素等の活性気体、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体又はこれら気体の混合気体のいずれかである流体中プラズマ発生装置である。 A fifteenth aspect of the present invention is the in-fluid plasma generator, wherein the gas is any one of an active gas such as air and oxygen, an inert gas such as nitrogen, helium and argon, or a mixed gas of these gases.
本発明の第16の形態は、前記液状物質は、市水、川水、池水、蒸留水、イオン交換水、アルコール又は薬剤等を含む液体のいずれかである流体中プラズマ発生装置である。 A sixteenth aspect of the present invention is the in-fluid plasma generator, wherein the liquid substance is any one of liquids including city water, river water, pond water, distilled water, ion-exchanged water, alcohol or chemicals.
本発明の第1の形態によれば、例えば、水や溶液等の液状物質を流動させた流体の流路に電極を設け、前記電極により高電圧を前記流体に印加して、前記流体に含有した気体成分によってプラズマ化した気泡を発生させるので、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行うことができる。 According to the first aspect of the present invention, for example, an electrode is provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance such as water or a solution is flowed, and a high voltage is applied to the fluid by the electrode to be contained in the fluid. Since the gas bubbles generated by the generated gas component are generated, for example, it is suitable for improving the water quality, and the plasma treatment can be performed easily and inexpensively.
本発明の第2の形態によれば、例えば、水や溶液等の液状物質を流動させた流体の流路
に電極を設け、泡沫化手段によって前記流体を泡沫化し、その泡沫化した流体に対して前記電極により高電圧を印加して、該泡沫化した流体中の気泡をプラズマ化するので、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行うことができる。
According to the second aspect of the present invention, for example, an electrode is provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance such as water or a solution is flowed, and the fluid is foamed by foaming means. Then, a high voltage is applied by the electrode to convert the bubbles in the foamed fluid into plasma, which is suitable, for example, for improving the water quality, and allows plasma processing to be performed easily and inexpensively.
本発明の第3の形態によれば、前記泡沫化手段は、ノズル出口側にオリフィスを設けたノズル装置により構成され、前記流体を前記ノズル装置内を流通させながら前記オリフィスによって泡沫化するので、簡単且つ安価な構成により、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行うことができる。 According to the third aspect of the present invention, the foaming means is constituted by a nozzle device provided with an orifice on the nozzle outlet side, and foams by the orifice while circulating the fluid in the nozzle device. With a simple and inexpensive configuration, for example, it is suitable for water quality improvement and the like, and plasma processing can be performed easily and inexpensively.
本発明の第4の形態によれば、前記泡沫化手段は、前記流体を撹拌する流体撹拌装置により構成され、前記流体撹拌装置により撹拌した流体を前記流路に流通させて泡沫化するので、簡単且つ安価な構成により、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行うことができる。 According to the fourth aspect of the present invention, the foaming means is constituted by a fluid stirring device that stirs the fluid, and the fluid stirred by the fluid stirring device is circulated through the flow path to foam. With a simple and inexpensive configuration, for example, it is suitable for water quality improvement and the like, and plasma processing can be performed easily and inexpensively.
前記流体撹拌装置の撹拌部材には、スクリュー、羽根板、螺旋部材、コイル状部材等を使用することができる。 As the stirring member of the fluid stirring device, a screw, a blade, a spiral member, a coiled member, or the like can be used.
本発明の第5の形態によれば、流体中に気体を注入して該気体の気泡を発生させ、該気体の気泡と前記泡沫化による気泡を含む流体に対し前記電極により高電圧を印加して、該気体の気泡と前記泡沫化による気泡をプラズマ化するので、高い含有量の気泡を用いて高効率にプラズマ化処理することができる。 According to the fifth aspect of the present invention, a gas is injected into a fluid to generate bubbles of the gas, and a high voltage is applied to the fluid including the bubbles of the gas and bubbles by the foaming by the electrode. Since the gas bubbles and the bubbles resulting from the foaming are converted into plasma, high-efficiency plasma processing can be performed using bubbles having a high content.
本発明の第6の形態によれば、液状物質を流動させた流体の流路に電極を設け、流体中に気体を注入して該気体の気泡を発生させ、前記気泡を含む流体に対し前記電極により高電圧を印加して、前記気泡をプラズマ化するので、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行うことができる。 According to the sixth aspect of the present invention, an electrode is provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance is flowed, and a gas is injected into the fluid to generate bubbles of the gas. Since the high-voltage is applied by the electrodes and the bubbles are turned into plasma, for example, it is suitable for water quality improvement and the like, and plasma processing can be performed easily and inexpensively.
本発明の第7の形態によれば、前記気体は、空気、酸素等の活性気体、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体又はこれら気体の混合気体のいずれかであるので、単一種又は複数種の気体種別に応じた種々のプラズマ合成を安価且つ簡易に行うことができる。 According to the seventh aspect of the present invention, the gas is any one of an active gas such as air and oxygen, an inert gas such as nitrogen, helium and argon, or a mixed gas of these gases. Various plasma synthesis according to the kind of gas can be performed inexpensively and easily.
上記の本発明に係る流体中プラズマ発生方法は、水質改善に限らず、種々のプラズマ処理に適用することができる。例えば、水等の水酸基を含む液体、あるいはアンモニア水等のアミノ基を含む液体のいずれかからなる溶媒を使用することにより、例えば、水酸基を含む液体を使用してカーボンナノ物質(CNM)の表面にOH基を結合可能なラジカルを流体中にプラズマを発生させたり、またアミノ基を含む液体を使用してアミノ基を結合可能なラジカルを発生させたりして、難溶解性粉体であるCNM材の表面修飾処理の高速化且つ大量処理化を行うことができる。該表面修飾処理は、水に限らず、アルコール、各種有機溶媒、ナトリウム含有液等の溶媒に適用することができる。また、該難溶解性粉体としては、難溶解性を有する炭素由来の微粉末やナノ粒子、炭素被覆をしたセラミック粒子等を使用することができる。 The above-described method for generating plasma in a fluid according to the present invention is not limited to water quality improvement and can be applied to various plasma treatments. For example, by using a solvent composed of either a liquid containing a hydroxyl group such as water or a liquid containing an amino group such as aqueous ammonia, the surface of the carbon nanomaterial (CNM) using, for example, a liquid containing a hydroxyl group CNM, which is a hardly soluble powder, generates radicals capable of binding OH groups to a fluid in a fluid, or generates radicals capable of binding amino groups using a liquid containing amino groups. The surface modification treatment of the material can be speeded up and processed in large quantities. The surface modification treatment can be applied not only to water but also to solvents such as alcohol, various organic solvents, and sodium-containing liquids. Moreover, as the hardly soluble powder, fine powder derived from carbon or nanoparticles having carbon solubility, ceramic particles coated with carbon, and the like can be used.
本発明の第8の形態によれば、前記液状物質として、市水、川水、池水、蒸留水、イオン交換水、アルコール又は薬剤等を含む液体のいずれかを用いて、浄水処理、水質改善処理、薬液処理等を安価且つ簡易に行うことができる。 According to the eighth aspect of the present invention, as the liquid substance, any one of liquids including city water, river water, pond water, distilled water, ion-exchanged water, alcohol or chemicals is used for water purification treatment and water quality improvement. Processing, chemical processing, etc. can be performed inexpensively and easily.
本発明の第9の形態によれば、液状物質を流動させた流体の流路に設けた電極と、前記電極により高電圧を前記流体に印加する高電圧印加手段とを有し、前記高電圧を前記流体に印加することにより前記流体に含有した気体成分をプラズマ化した気泡を発生させるので、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行える流体中プラズマ
発生装置を実現することができる。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an electrode provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance is flowed, and a high voltage applying means for applying a high voltage to the fluid by the electrode, the high voltage Is applied to the fluid to generate a bubble obtained by converting the gas component contained in the fluid into a plasma. For example, an in-fluid plasma generator that is suitable for improving water quality and can perform plasma processing at low cost is realized. be able to.
本発明の第10の形態によれば、液状物質を流動させた流体の流路に設けた電極と、前記流体を泡沫化する泡沫化手段と、泡沫化した流体に前記電極により高電圧を印加する高電圧印加手段とを有し、前記高電圧を泡沫化した流体に印加して、泡沫化した流体中の気泡をプラズマ化するので、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行える流体中プラズマ発生装置を実現することができる。 According to the tenth aspect of the present invention, the electrode provided in the flow path of the fluid in which the liquid substance is flowed, the foaming means for foaming the fluid, and the high voltage is applied to the foamed fluid by the electrode. And applying high voltage to the foamed fluid to convert the bubbles in the foamed fluid into plasma, which is suitable for improving water quality, for example, and inexpensively and easily. An in-fluid plasma generator capable of processing can be realized.
本発明の第11の形態によれば、前記泡沫化手段は、ノズル出口側にオリフィスを設けたノズル装置を有し、前記流体を前記ノズル装置内を流通させながら前記オリフィスによって泡沫化するので、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行うことのできる流体中プラズマ発生装置を簡単な構造により実現することができる。 According to the eleventh aspect of the present invention, the foaming means has a nozzle device provided with an orifice on the nozzle outlet side, and foams by the orifice while circulating the fluid in the nozzle device. For example, an in-fluid plasma generator that is suitable for improving water quality and that can perform plasma treatment at low cost and simply can be realized with a simple structure.
本発明の第12の形態によれば、前記泡沫化手段は、前記流体を撹拌する流体撹拌装置を有し、前記流体撹拌装置により撹拌した流体を前記流路に流通させて泡沫化するので、簡単且つ安価な構成により、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行える流体中プラズマ発生装置を実現することができる。 According to the twelfth aspect of the present invention, the foaming means has a fluid stirring device that stirs the fluid, and the fluid stirred by the fluid stirring device is circulated through the flow path to foam. With a simple and inexpensive configuration, for example, it is possible to realize an in-fluid plasma generator that is suitable for improving water quality and that can perform plasma processing easily and inexpensively.
本発明の第13の形態によれば、流体中に気体を注入して該気体の気泡を発生させる気泡発生手段を有し、該気体の気泡と前記泡沫化による気泡を含む流体に対し前記電極により高電圧を印加して、該気体の気泡と前記泡沫化による気泡をプラズマ化するので、高い含有量の気泡を用いて高効率にプラズマ化処理することのできる流体中プラズマ発生装置を実現することができる。 According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided bubble generating means for injecting gas into a fluid to generate bubbles of the gas, and the electrode with respect to a fluid including the bubbles of gas and bubbles generated by the foaming By applying a high voltage, the gas bubbles and the bubbles resulting from the foaming are turned into plasma, thereby realizing a plasma generator in fluid that can be plasmatized efficiently using bubbles with a high content. be able to.
本発明の第14の形態によれば、液状物質を流動させた流体の流路に設けた電極と、流体中に気体を注入して該気体の気泡を発生させる気泡発生手段とを有し、前記気泡を含む流体に対し前記電極により高電圧を印加して、前記気泡をプラズマ化するので、例えば、水質改善等に好適で、安価且つ簡易にプラズマ処理を行える流体中プラズマ発生装置を実現することができる。 According to the fourteenth aspect of the present invention, it has an electrode provided in a flow path of a fluid in which a liquid substance is flowed, and bubble generating means for injecting gas into the fluid to generate bubbles of the gas, Since a high voltage is applied to the fluid containing the bubbles by the electrodes to convert the bubbles into plasma, for example, an in-fluid plasma generator that is suitable for water quality improvement and can perform plasma processing at low cost is realized. be able to.
本発明の第15の形態によれば、前記気体として、空気、酸素等の活性気体、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体又はこれら気体の混合気体のいずれかを用いて、単一種又は複数種の気体種別に応じた種々のプラズマ合成を行えるプラズマ合成装置を実現することができる。
According to the fifteenth aspect of the present invention, as the gas, an active gas such as air or oxygen, an inert gas such as nitrogen, helium or argon, or a mixed gas of these gases is used. It is possible to realize a plasma synthesizer that can perform various plasma synthesis according to the kind of gas.
上記の本発明に係る流体中プラズマ発生装置は、水質改善装置として使用できることに限定されず、種々のプラズマ処理装置に適用することができる。例えば、上述のCNM材等の表面修飾処理の高速化且つ大量処理化を行える表面修飾処理装置に適用することができる。 The in-fluid plasma generation apparatus according to the present invention is not limited to being usable as a water quality improvement apparatus, and can be applied to various plasma processing apparatuses. For example, the present invention can be applied to a surface modification processing apparatus that can increase the speed and mass processing of the surface modification processing of the above-described CNM material or the like.
本発明の第16の形態によれば、前記液状物質は、市水、川水、池水、蒸留水、イオン交換水、アルコール又は薬剤等を含む液体のいずれかを用いて、浄水処理、水質改善処理、薬液処理等を安価且つ簡易に行える流体中プラズマ発生装置を実現することができる。 According to the sixteenth aspect of the present invention, the liquid substance is any one of liquids containing city water, river water, pond water, distilled water, ion exchange water, alcohol, chemicals, etc., for water purification treatment, water quality improvement. An in-fluid plasma generator that can perform processing, chemical processing, and the like at low cost can be realized.
以下、本発明の一実施形態に係る流水プラズマ処理装置を添付図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a flowing water plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は本実施形態に係る流水プラズマ処理装置の概略構成を示す。 FIG. 1 shows a schematic configuration of a flowing water plasma processing apparatus according to the present embodiment.
本実施形態に係る流水プラズマ処理装置は、流水プラズマ化装置1と、循環ポンプ装置2と、水槽10を有する。循環ポンプ装置2は取水管5と送水管6を備え、水槽10内の収容水4を取水管5により取り込んで、送水管6により排出する電動式ポンプ装置である。取水管5の開放端には汲み上げ管7が連結されている。汲み上げ管7の開放端は水槽10内に配設され、収容水4に浸漬されている。送水管6の一端側には給水弁8を介して延長管9と連結している。延長管9の排水端には給水管11を介して流水プラズマ化装置1が接続されている。
The flowing water plasma processing apparatus according to this embodiment includes a flowing water
図2は流水プラズマ化装置1の縦断面構造を示す。
FIG. 2 shows a longitudinal sectional structure of the flowing
流水プラズマ化装置1は、流水に高電圧を印加するための電極12、13を夫々有する電極部材14、15と、電極部材14、15が取り付けられると共に流路の一部を形成する中空部材20と、中空部材20の上部29に連結されるノズル装置19を有する。
The flowing water
中空部材20は全体として円筒形状であり、内径の異なる流路が貫通形成された中空部を有する。中空部材20は、電気絶縁性に富み、且つ透水性の少ない素材で構成されるのが好ましく、例えば、各種プラスチック材料(例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、アクリル樹脂やABS樹脂等の熱可塑性樹脂)を使用することができる。循環流路を構成する管路部材には腐食低減の観点からSUS材を使用するのが好ましい。
The
中空部材20の上部29にはノズル装置19が挿着される凹部18が形成されている。中空部材20の中間部には、凹部18に連通し、内径が縮小された縮径部21が形成されている。縮径部21から下方側の下部30は拡径された貫通穴部22が形成されている。縮径部21の内径は10mmである。
A
縮径部21には直径方向に一対のねじ穴16、17が貫通形成されている。ねじ穴16、17には夫々、電極部材14、15が装着されている。電極部材14、15は電極保持用ねじ部材により構成されている。電極部材14はねじ頭部25とねじ部27からなるねじ部材により構成されている。ねじ頭部25及びねじ部27には中心軸に沿って貫通穴36が穿設されている。電極部材15は電極部材14と同様に、ねじ頭部26とねじ部28からなるねじ部材により構成されている。ねじ頭部26及びねじ部28には中心軸に沿っ
て貫通穴37が穿設されている。
A pair of screw holes 16 and 17 are formed through the reduced
図3の(3A)は電極部材14、15の電極構造を示す。
(3A) in FIG. 3 shows the electrode structure of the
電極部材14、15は夫々、通電軸線23、24の一端を折曲した棒軸状の電極12、13を有する。通電軸線23、24及び電極12、13は銅や銅合金等の導電性ワイヤで構成されている。軸線材には例えば、軸径1〜5mmの導電性ワイヤを使用することができる。通電軸線に代えてリードフレーム材を使用することができる。電極12、13の素材には金、タングステン、モリブデン、アルミニウム、銅、炭素又はこれらの合金、ステンレスなどを使用することができる。
The
電極12、13は(3A)に示すように、夫々、外側に湾曲した形状を有し、電極間の上端距離L1は3mm、湾曲高さL2は20mm、電極対の開放幅L3は15mmである形体をなしている。
As shown in (3A), the
電極構造は棒軸状の形体に限定されず種々の形体を使用することができる。 The electrode structure is not limited to a rod-shaft shape, and various shapes can be used.
図3の(3B)は別の実施例である電極部材14、15の電極構造を示す。電極12a、13bは夫々、上辺部が通電軸線23、24の一端に熔着され、該一端より湾曲した湾曲形状の導電性板片である。電極12a、13bは幅L4の電極面を備えるので、プラズマ放電領域を拡張することができる。
FIG. 3 (3B) shows an electrode structure of
電極12の中空部材20への装着は次のようにして行われる。
Mounting of the
電極部材14のねじ部27は縮径部21のねじ穴16にねじ頭部25を回して螺着される。この螺着したねじ部27に中空部材20の中空部分側から、電極12と反対側の通電軸線23の開放端を挿入してねじ頭部25より外側に引き出して図2に示すように、中空部分の内壁側に開いた向きに電極12がセットされている。
The
電極13の中空部材20への装着も、上記電極12の場合と同様にして行われる。即ち、電極部材15のねじ部28は縮径部21のねじ穴17にねじ頭部26を回して螺着される。この螺着したねじ部28に中空部材20の中空部分側から、電極13と反対側の通電軸線24の開放端を挿入してねじ頭部26より外側に引き出して図2に示すように、中空部分の内壁側に開いた向きに電極13がセットされている。位置調整によって、電極12、13間の最短対向間隔(図3の(3A)における上端距離L1)は3mmにセットされている。電極12、13の位置がセットされた状態で、通電軸線23、24が夫々、ねじ部材より露出した部分は接着材23a、23b、24a、24bにより密閉状に封着されている。
The mounting of the
プラズマ発生用電極には、図3の(3C)に示すように、夫々、通電軸線95、96を備えた平行電極板97、98を使用することができる。なお、本発明に使用する電極間の最短対向間隔は3mmに限定されず、0.5〜5mmにすることができる。 As shown in (3C) of FIG. 3, parallel electrode plates 97 and 98 having energizing axes 95 and 96 can be used as the plasma generating electrodes. In addition, the shortest opposing space | interval between the electrodes used for this invention is not limited to 3 mm, It can be 0.5-5 mm.
電極部材14、15の装着はねじ部27、28による螺着構造に限らず、中空部材20に半径方向に貫通横穴を穿設しておき、通電軸線23、24を水平状に保持する保持部材を該貫通横穴に挿着して接着固定したり、ねじ部27、28や該保持部材を中空部材20と一体成形して、中空部材20の中間部に通電軸線23、24を挿着、固定するようにしてもよい。
The mounting of the
電極12、13の該中空部分でのセット位置は通電軸線23、24の引き出し量により
調整することができる。また、ねじ部27、28を回動しても電極位置調節は行う場合に、電極12、13もねじ込み回動時に一緒に回転する際には電極12、13の向きを調節する必要を生ずる。
The set position of the
ノズル装置19は上部34に穿設した貫通穴31と、貫通穴31に連通したオリフィス部32を有する。ノズル装置19の下部は凹部18に挿入されて嵌着された状態で、外周の鍔部35を中空部材20の上端にねじ止めすることによってノズル装置19は中空部材20に固着されている。ノズル装置19の下部に雄ねじ部を形成し、且つ凹部18に雌ねじ部を形成して、該下部を凹部18に螺着してノズル装置19を中空部材20に固定するようにしてもよい。ノズル装置19の上部には給水管11が外嵌されて、給水管11が抜けないように締結部材39により給水管11の外嵌部分が該上部に固定されている。
The
図2に示すように、ノズル装置19を中空部材20に挿着した状態において、給水管11から給水された水38は矢印Aに示すように、貫通穴31を経てオリフィス部32に導入され、矢印Bに示すようにオリフィス部32のオリフィス(小径穴)33より縮径部21側に噴出される。オリフィス33によるキャビテーション(減圧沸騰)現象によって縮径部21を流れる水流中において、水に含有された気泡Cを生成することができる。
As shown in FIG. 2, in the state where the
図4は流水プラズマ化装置1の電極対周辺の拡大断面を示す。
FIG. 4 shows an enlarged cross section around the electrode pair of the flowing
オリフィス部32に導入された水はオリフィス33よりジェット噴流として噴出されると、ジェット噴流wは縮径部21を流通していく。電極部材14、15の螺着部分、つまり、ねじ穴16とねじ部27の螺合箇所、及び、ねじ穴17とねじ部28の螺合箇所には、水漏れはしないが僅かの隙間があるため、ジェット噴流wの発生の際には、オリフィス33と縮径部21との間の空間が減圧されて、図4の矢印aで示すように、該隙間を通じて外気の空気が取り込まれて気泡の一部となる。
When the water introduced into the
減圧効果によってプラズマ種としてのエアーを取り込んだ水流は電極12、13の間を通過し流水プラズマ化装置1によるプラズマ化処理に供される。図4の破線bで示すように、電極12、13間の水流域及びその近傍はプラズマ放電の生ずるプラズマ発生領域となる。縮径部21を通過した水は中空部材20の下部30を経て下部30の開放端より水槽10に送り出される。下部30の開放端は水面より上方に位置するが、電極部材14、15が水に濡れない範囲で、該開放端を収容水4内に浸るようにしてもよい。
The water flow that takes in air as a plasma species by the pressure reducing effect passes between the
本実施形態に係る流水プラズマ処理装置において、水槽10内の収容水4は、循環ポンプ装置2によって取水管5及び汲み上げ管7を通じて汲み上げられて、送水管6、延長管9及び給水管11を通じて給水され、中空部材20を通過する際に気泡流になって流水プラズマ化装置1によりプラズマ化処理され、該プラズマ化処理された処理水3を再び水槽10内に戻す循環流路が形成されている。
In the flowing water plasma processing apparatus according to the present embodiment, the stored
図5は本実施形態に係る流水プラズマ処理装置の制御装置の概略構成を示す。 FIG. 5 shows a schematic configuration of a control device of the flowing water plasma processing apparatus according to the present embodiment.
流水プラズマ処理装置の制御装置は、CPU、流水プラズマ化制御プログラムを記憶するROM及びワーキングメモリのRAMからなるマイクロプロセッサにより構成された制御部40を有する。制御部40はプログラマブルロジックデバイス(PLD)を用いて構成することができる。制御部40は、流水プラズマ化制御プログラムの実行により高電圧高周波パルス発生装置を制御する。制御部40は循環流路における水の循環制御も行う。
The control device of the flowing water plasma processing apparatus has a
高電圧高周波パルス発生装置は、発振器42の基準周波数に基づき高電圧高周波パルスを発生する高電圧高周波パルス発生回路41と、RF電源43と、RF電源43のRF電
圧を高電圧高周波パルス発生回路41により発生された高周波パルスに重畳する重畳装置44を有する。重畳装置44によりRF電源電圧が重畳された高電圧高周波パルスは印加電圧Vとして、通電軸線23、24を介して電極12、13間に印加可能となっている。
The high voltage high frequency pulse generator is configured to generate a high voltage high frequency
本発明においては、プラズマ放電用の印加電力として、上記のRF電源電圧を重畳した高電圧高周波パルスを印加する場合に限定されず、高電圧高周波パルスのみを印加することができる。 In the present invention, the applied power for plasma discharge is not limited to the case of applying the high-voltage high-frequency pulse on which the RF power supply voltage is superimposed, and only the high-voltage high-frequency pulse can be applied.
制御部40には起動スイッチ45による入力信号が入力される。起動スイッチ45の押下により流水プラズマ化制御プログラムを起動させることができる。また、制御部40には、各種データの設定入力を行うためのキー入力装置46が接続されており、キー入力装置46による設定データは液晶表示装置47に外部出力されて表示可能になっている。
An input signal from the
制御部40からは、流水プラズマ化制御プログラムの実行内容に応じて、給水弁8の開閉制御信号Cv1が出力され、また、循環ポンプ装置2の駆動制御信号Cv2が出力可能になっている。
From the
高電圧高周波パルス発生装置によって発生された合成電圧Vは、電極12、13間に印加されることにより、オリフィス33により発生された気泡Cに対するプラズマ放電を発生させることができる。特に、合成電圧Vによれば、高電圧高周波パルスによってプラズマ放電が起動され、RF電力によりプラズマ中のラジカルやイオンの誘発を促進して、より効率的に水流プラズマ放電を発生させることが可能になる。プラズマ放電による発生エネルギーを大きくすると、NイオンやH+だけでなくOH-等のラジカルも発生させることができる。印加電力パワーの調整により流体中プラズマの電離状態を種々の態様に変更することができる。
The composite voltage V generated by the high-voltage high-frequency pulse generator is applied between the
水流プラズマ放電の発生には、高電圧高周波パルス(合成電圧V)の周波数を高くし、あるいは立ち上がりを急峻にすることにより、効率的に放電発生を誘引することができる。本実施形態では、プラズマ放電の発生効率を高めるために、以下のパルス発生条件に基づいて高電圧高周波パルス(合成電圧V)が高電圧高周波パルス発生装置から出力される。 For the generation of the water plasma discharge, the discharge can be efficiently induced by increasing the frequency of the high-voltage, high-frequency pulse (synthetic voltage V) or by making the rise steep. In the present embodiment, in order to increase the generation efficiency of the plasma discharge, a high voltage high frequency pulse (synthetic voltage V) is output from the high voltage high frequency pulse generator based on the following pulse generation conditions.
高電圧高周波パルス発生回路41の高電圧高周波パルスVaは0.1kV〜20kVの範囲のいずれかのピーク間電圧値Vppに設定される。高電圧高周波パルスVaの周波数Fは、0.1kHz〜300kHzの範囲のいずれかの周波数値に設定される。高電圧高周波パルスVaのパルス幅Wは、0.1μS〜100μSの範囲のいずれかのパルス幅値に設定される。RF電源43のRF電圧Vbは1MHz〜2.45GHzのいずれかの周波数に基づいて発生させることができる。
The high voltage high frequency pulse Va of the high voltage high frequency
上記構成の流水プラズマ処理装置は、水槽10、循環ポンプ装置2、取水管5、汲み上げ管7、送水管6、延長管9、給水管11及び中空部材20により構成された循環流路を通じて、流水のプラズマ化を連続処理する循環式流水プラズマ化処理機能を具備している。
The flowing water plasma processing apparatus having the above-described configuration is configured such that the flowing water passes through the circulation flow path constituted by the
図6は制御部40による流水プラズマ化処理手順を示す。
FIG. 6 shows a flowing water plasma processing procedure by the
本実施形態において、あらかじめ設定した循環時間の間、循環流路を通じての流水の循環と、合成電圧Vの印加によるプラズマ化処理が実行可能になっている。 プラズマ化処理の実行に先立ち、起動前処理(ステップS8)の一つであるタイマ設定モードにおいて、キー入力装置46を操作して、プラズマ化処理の実行時間Tの入力設定が行われる。起
動前処理(ステップS8)においては、高電圧高周波パルスVaのピーク間電圧値Vpp、周波数F、パルス幅W及びRF電源43の周波数の設定が可能になっている。これらの起動前処理の各設定事項の入力により起動条件が満たされる。
In the present embodiment, during a preset circulation time, circulation of running water through the circulation flow path and plasma treatment by application of the composite voltage V can be performed. Prior to the execution of the plasma processing, in the timer setting mode, which is one of the pre-startup processing (step S8), the
上記起動条件を満たしている場合、起動スイッチ45のONによりプラズマ化処理制御プログラムが起動される(ステップS1)。該起動により、循環ポンプ装置2の駆動が開始されると共に給水弁8が開成される(ステップS2、S3)。ついで、高電圧高周波パルス発生装置による高周波高電圧パルスの発生が開始される(ステップS4)。
If the start condition is satisfied, the plasma processing control program is started by turning on the start switch 45 (step S1). With this activation, the
循環ポンプ装置2の駆動によって循環流路を循環された流水が中空部材20を通過し、電極12、13間に高周波高電圧パルスが印加されることにより、流水中の気泡に対してプラズマ放電が発生して流水のプラズマ化処理が実行される。あらかじめ設定された実行時間Tの間、流水循環及びプラズマ化処理は継続実行される(ステップS5)。実行時間Tの経過により、高周波高電圧パルスの発生が停止されて(ステップS6)、プラズマ化処理は停止される。プラズマ化処理の停止によって終了処理(循環ポンプ装置2の駆動停止、給水弁8の閉成)が実行される(ステップS7)。プラズマ化処理水は水槽10から取り出して回収することができる。図1に示すように、給水弁8に代えて電動三方弁を使用して、該電動三方弁により水槽10側への給水流路と、回収流路Pとに切替可能にし、回収流路Pを通じて循環ポンプ装置2の駆動によりプラズマ化処理水を自動回収可能にしてもよい。
Flowing water circulated through the circulation flow path by driving the
本実施形態に係る流水プラズマ処理装置によれば、上記の循環式流水プラズマ化処理機能を具備しているので、水の改質処理を円滑且つ高精度に実行することができる。 According to the flowing water plasma processing apparatus according to the present embodiment, since the above circulating flowing water plasma processing function is provided, the water reforming process can be executed smoothly and with high accuracy.
本実施形態に係る流水プラズマ処理装置を使用した水処理例を以下に説明する。 この水処理例は、農作物等の植物の育成に必要不可欠な窒素成分を水中に取り込んで固定化する窒素固定化に好適な水処理技術の実験例である。 A water treatment example using the flowing water plasma processing apparatus according to this embodiment will be described below. This water treatment example is an experimental example of a water treatment technique suitable for nitrogen fixation in which nitrogen components essential for growing plants such as agricultural crops are taken in and fixed in water.
この実験においては、水槽10にイオン交換水を投入して循環流路を循環させてプラズマ化処理を施し、窒素取り込みによる水質変化を観測した。
In this experiment, ion-exchanged water was introduced into the
本実験に用いた高電圧高周波パルスVaは10kVの電源電圧で、ピーク間電圧値Vppを20kVに、また周波数Fを60kHzに設定して、電極12、13間に1kWの電力を印加した。
The high-voltage high-frequency pulse Va used in this experiment was a power supply voltage of 10 kW, the peak-to-peak voltage value Vpp was set to 20 kV, the frequency F was set to 60 kHz, and 1 kW of power was applied between the
プラズマ化処理を施した後の処理水の評価は、(a)市販のテトラテスト(登録商標)試験紙によるテトラテスト法と、(b)ガスクロマトフィー分析法に基づいて実施した。 The evaluation of the treated water after the plasma treatment was performed based on (a) a tetratest method using a commercially available Tetratest (registered trademark) test paper and (b) a gas chromatographic analysis method.
流水プラズマ処理装置を駆動してイオン交換水を循環させて連続プラズマ化処理した場合において、開始から15分、30分、45分、60分、90分、115分を経過したときの処理水をテトラテスト法による評価を行った。テトラテスト法は液体にテトラテスト試験紙を漬したときの変色反応により、亜硝酸塩成分(NO2)濃度、硝酸塩成分(NO3)、アンモニア成分(NH3)濃度、アンモニアイオン成分(NH4+)濃度の目視判別を行える簡易水質検査方法である。 In the case where the plasma treatment apparatus is driven to circulate ion-exchanged water and perform continuous plasma treatment, treated water when 15 minutes, 30 minutes, 45 minutes, 60 minutes, 90 minutes, and 115 minutes have passed since the start. Evaluation by the tetra test method was performed. The tetratest method uses a discoloration reaction when a tetratest test paper is immersed in a liquid, resulting in a nitrite component (NO 2 ) concentration, a nitrate component (NO 3 ), an ammonia component (NH 3 ) concentration, an ammonia ion component (NH 4 + ) A simple water quality inspection method that allows visual discrimination of concentration.
テトラテスト法による評価を行った結果、各濃度試験紙による変色反応がプラズマ処理時間の進行に伴って高濃度化に推移することが観察された。例えば、プラズマ処理時間が1時間を超えると、亜硝酸塩成分濃度が5〜10mg/Lのときに対応する亜硝酸塩成分濃度試験紙の変色反応が得られた。また、硝酸塩成分濃度が10mg/L以下のときに対応する硝酸塩成分濃度試験紙の変色反応が得られた。 As a result of the evaluation by the tetra test method, it was observed that the color change reaction by each density test paper shifted to a higher density as the plasma treatment time progressed. For example, when the plasma treatment time exceeded 1 hour, the corresponding color change reaction of the nitrite component concentration test paper was obtained when the nitrite component concentration was 5 to 10 mg / L. Further, when the nitrate component concentration was 10 mg / L or less, a corresponding color change reaction of the nitrate component concentration test paper was obtained.
図7は本実施形態に係る流水プラズマ処理装置のプラズマ処理結果例を示す。 FIG. 7 shows an example of the plasma processing result of the flowing water plasma processing apparatus according to this embodiment.
図7の(7A)及び(7B)は夫々、窒素酸化物(NO2、NO3)に対するガスクロマトグラフィー分析法による測定グラフと分析データを示す。同図(7C)及び(7D)は夫々、アンモニア成分(NH4)に対するガスクロマトグラフィー法による測定グラフと分析データを示す。(7A)と(7C)の測定グラフの横軸と縦軸は夫々、分析時間(分)、クロマトグラムの値(μS/cm)を示す。測定試料にはイオン交換水を175分間、連続プラズマ化処理を実行した処理水を用いた。 (7A) and (7B) in FIG. 7 show measurement graphs and analytical data for nitrogen oxides (NO 2 , NO 3 ) by gas chromatography analysis, respectively. FIGS. 7C and 7D respectively show a measurement graph and analytical data by the gas chromatography method for the ammonia component (NH 4 ). The horizontal and vertical axes of the measurement graphs (7A) and (7C) indicate the analysis time (minutes) and chromatogram values (μS / cm), respectively. As the measurement sample, ion-exchanged water treated for 175 minutes and subjected to continuous plasma treatment was used.
(7B)の分析値から、分析試料の処理水において、NO2、NO3の各窒素酸化物が6.989ppm、15.521ppmの濃度で生成された定量分析結果が得られた。この定量分析結果は、循環流路を流れる循環流水が流水プラズマ化装置1によるプラズマ化処理が連続的に実行され、流水中に含有される窒素と酸素が反応して該窒素酸化物が生成され、水中に固定化されたことによるものである。
From the analysis value of (7B), a quantitative analysis result in which nitrogen oxides of NO 2 and NO 3 were produced at concentrations of 6.989 ppm and 15.521 ppm in the treated water of the analysis sample was obtained. As a result of this quantitative analysis, the circulating water flowing through the circulation channel is continuously subjected to plasma treatment by the flowing
(7D)の分析値から、測定試料の処理水において、NH4のアンモニア成分が0.405ppm生成された定量分析結果が得られた。この定量分析結果は、循環流路を流れる循環流水が流水プラズマ化装置1によるプラズマ化処理が連続的に実行され、流水中に含有される窒素と水素が反応して該アンモニア成分が生成され、水中に固定化されたことによるものである。
From the analysis value of (7D), a quantitative analysis result in which 0.405 ppm of the ammonia component of NH 4 was generated in the treated water of the measurement sample was obtained. As a result of this quantitative analysis, the circulating flowing water flowing through the circulating flow path is continuously subjected to the plasma treatment by the flowing
図8の(8A)はプラズマ化処理を2時間行ったときに生成された窒化物(NO2、NO3、NH4)の濃度変化を示す測定グラフを示す。(8A)の測定グラフは同図(8B)のガスクロマトグラフィー分析法の分析データに基づいて作成されている。この計測はプラズマ化処理を15分行う毎に実施した。(8A)に示したグラフD1〜D3は夫々、NO2、NO3、NH4の濃度(ppm)変化を示し、グラフD4はこれら窒化物全体の総量変化を示す。図8の連続処理実験は、図1の流水プラズマ処理装置を使用して、30Lの全水量で、毎分7L循環させて行われた。この実験においては、プラズマ発生用電力約500W、放電周波数60kHzの印加電力条件で、空気を取り込んだプラズマ種によるプラズマ放電を生じさせた。 (8A) of FIG. 8 shows a measurement graph showing a change in concentration of nitrides (NO 2 , NO 3 , NH 4 ) generated when the plasma treatment is performed for 2 hours. The measurement graph of (8A) is created based on the analysis data of the gas chromatography analysis method of FIG. This measurement was performed every time the plasma treatment was performed for 15 minutes. Graphs D1 to D3 shown in (8A) show changes in concentration (ppm) of NO 2 , NO 3 , and NH 4 , respectively, and graph D4 shows changes in the total amount of these nitrides as a whole. The continuous treatment experiment of FIG. 8 was performed by circulating 7 L / min with a total water volume of 30 L using the flowing water plasma processing apparatus of FIG. 1. In this experiment, plasma discharge was generated by a plasma species that took in air under the applied power conditions of about 500 W of plasma generation power and a discharge frequency of 60 kHz.
D1、D2の連続濃度変化から、NO2、NO3の各窒素酸化物はプラズマ化処理時間に応じて経時的に増加しながら生成されていることがわかった。D3の連続濃度変化からは、アンモニア成分(NH4)は小さい増加勾配で僅かながら生成されていることがわかった。 From the continuous concentration change of D1 and D2, it was found that the nitrogen oxides of NO 2 and NO 3 were generated while increasing with time according to the plasma treatment time. From the continuous concentration change of D3, it was found that the ammonia component (NH 4 ) was slightly generated with a small increasing gradient.
これらのプラズマ化処理を施した処理水の評価結果から以下の知見(1)〜(3)が得られた。
(1)本実施形態に係る流水プラズマ処理装置によれば、プラズマ化処理時間の経過に応じて、窒素成分の取り込み(固定化)を自在に行うことができる。図8の実験結果に示したように、プラズマ発生用電力エネルギーを一定にした場合にプラズマ化処理時間によって窒素酸化物及びアンモニア成分の含有濃度を高精度に制御することができる。勿論、プラズマ発生用電力エネルギーや水の循環速度を可変することによっても含有濃度の制御は可能である。
(2)本実施形態によれば、水に含有した窒素や酸素だけでなく、外気の窒素や酸素を取り込んでプラズマ化処理するだけで窒素酸化物等を含む処理水を生成できるので、窒素肥料不要の植物育成水を大量且つ安価に生産することができる。
The following findings (1) to (3) were obtained from the evaluation results of the treated water subjected to the plasma treatment.
(1) According to the flowing water plasma processing apparatus according to the present embodiment, the nitrogen component can be freely taken in (immobilized) as the plasma processing time elapses. As shown in the experimental results of FIG. 8, when the plasma generating power energy is kept constant, the concentration of nitrogen oxides and ammonia components can be controlled with high accuracy by the plasma treatment time. Of course, the content concentration can also be controlled by changing the power energy for plasma generation and the circulation speed of water.
(2) According to the present embodiment, since not only nitrogen and oxygen contained in water but also nitrogen and oxygen in the outside air can be taken into plasma and treated water containing nitrogen oxides can be generated, nitrogen fertilizer Unnecessary plant growth water can be produced in large quantities and at low cost.
従来より、植物の育成に必要不可欠な窒素成分は、有機肥料や化学肥料を使用して土壌
に取り入れられている。硫安、塩安等の化学肥料の場合、主成分のアンモニア態窒素(NH4)は土壌に吸収・保持されやすいが、土壌で土壌微生物(バクテリア等)の硝化菌により硝酸態窒素(NO3)に変化した際に土壌に吸収・保持されにくくなり流亡してしまう問題がある。一方、牛糞、鶏糞、腐葉土等の有機肥料では、土壌微生物の硝化菌が活躍してアンモニア態窒素を硝酸態窒素に変換させるが、硝酸態窒素まで変化し植物に吸収させるまでの過程は気候や温度等の環境状況に左右されて人工的に制御し得ず、また多くの時間(日数)を要する。しかも、自然変化にゆだねるために硝酸態窒素が多量に発生し過ぎる事態を招いて土壌から流亡し、地下水や河川、溜池に蓄積して環境問題を生ずるおそれがあった。
Conventionally, nitrogen components essential for plant growth have been incorporated into soil using organic fertilizers and chemical fertilizers. In the case of chemical fertilizers such as ammonium sulfate and ammonium sulfate, the main component ammonia nitrogen (NH 4 ) is easily absorbed and retained in the soil, but nitrate nitrogen (NO 3 ) is caused by nitrifying bacteria of soil microorganisms (bacteria etc.) in the soil. When it changes, it is difficult to be absorbed and retained by the soil and run away. On the other hand, in organic fertilizers such as cow dung, chicken dung, and mulch, soil microorganisms nitrifying bacteria play an active role in converting ammonia nitrogen to nitrate nitrogen. It is influenced by environmental conditions such as temperature and cannot be artificially controlled, and requires a lot of time (days). In addition, due to natural changes, a large amount of nitrate nitrogen was generated, and it was washed away from the soil and accumulated in groundwater, rivers, and ponds, which could cause environmental problems.
本実施形態においては、プラズマ化処理時間の設定により硝酸塩成分(NO3)濃度が調整可能であるため、イオン交換水等を原料液体として上述のプラズマ化処理を行うことによって、化学肥料や有機肥料を使用することなく、植物育成に好適な窒素成分含有の処理水を簡易で、安価に、しかも短時間に大量に生成することができる。特に、該処理水においては、アンモニア態窒素濃度が極めて低い状態で、硝酸態窒素成分の固定化が調整制御され得るものであるから、環境へ影響も極力少なくて済む利点を有する。プラズマ化処理過程で生成され、該処理水に含まれる亜硝酸塩成分(NO2)は、空気や酸素を投入してバブリングすることにより硝酸態窒素に変換することができるので、プラズマ化処理と平行して該バブリングを実行することにより、該変換分を含めた硝酸塩成分(NO3)濃度の調整を高精度に行うことが可能である。
(3)本実施形態においては、オリフィス部32を備えたノズル装置19によって構成された、水流を泡沫化する泡沫化手段を有し、ノズル装置19により流水を噴流放出することによって流水の泡沫化(水泡の発生)を簡易に行え、電極12、13間のプラズマ発生領域に気泡Cを供給してプラズマ化処理できるので、簡易な構成により安価にプラズマ化処理水を得ることができる。
In this embodiment, since the nitrate component (NO 3 ) concentration can be adjusted by setting the plasma treatment time, chemical fertilizer and organic fertilizer can be obtained by performing the above plasma treatment using ion exchange water or the like as a raw material liquid. Therefore, a large amount of nitrogen-containing treated water suitable for plant growth can be easily produced at low cost and in a short time. In particular, the treated water has an advantage that the immobilization of the nitrate nitrogen component can be adjusted and controlled in a state where the ammonia nitrogen concentration is extremely low, and the influence on the environment can be minimized. Since the nitrite component (NO 2 ) generated in the plasma treatment process and contained in the treated water can be converted to nitrate nitrogen by bubbling with air or oxygen, it is parallel to the plasma treatment. By performing the bubbling, it is possible to adjust the nitrate component (NO 3 ) concentration including the converted component with high accuracy.
(3) In this embodiment, it has the foaming means which foams the water flow comprised by the
本発明における泡沫化手段はノズル装置19に限定されるものではなく、流水に適用可能な限り、種々の形体の泡沫化手段を使用することができる。
The foaming means in the present invention is not limited to the
図9は別の実施例に係る流水プラズマ化装置50の縦断面構造を示す。図9において前記実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。
FIG. 9 shows a longitudinal sectional structure of a flowing
この実施例は中空部材20の中空部分に外部より窒素ガスを供給可能にして、流水中に大量の窒素成分を含有させて流水のプラズマ化処理を促進させる場合である。中空部分に供給する窒素ガスは窒素ガス発生装置51により生成される。窒素ガス発生装置51に代えて窒素ガスボンベより窒素ガスを供給することができる。
In this embodiment, nitrogen gas can be supplied from the outside to the hollow portion of the
窒素ガス発生装置51は発生させた窒素ガスをガス供給管52により外部放出可能になっている。ガス供給管52の放出端53は、ノズル装置19の下端と縮径部21の上部の間の空隙領域54に臨むように密閉状に配設されている。
The
流水プラズマ化装置50によれば、空隙領域54においてノズル装置19による水流の泡沫化を行い、その泡沫化状態中に窒素ガスを供給を外部供給して導入するので、前記実施形態と比べて、窒素含有量を増加させた流水を縮径部21のプラズマ発生領域に供給して窒素酸化物等の合成量を多くしたプラズマ化処理を高効率に行うことができる。勿論、ノズル装置19を使用せずに、空隙領域54に窒素ガスを供給することによっても泡沫化を行うことができる。
According to the flowing
窒素ガス発生装置51に代えて、空気、酸素等の活性気体、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体、あるいはこれら気体の混合ガスのガス源を使用してガス供給管52を通じて中
空部材20の中空部分に供給することにより、これら各種気体をプラズマ種にしたプラズマ化処理を行うことができる。
Instead of the
図10は高速撹拌による簡易泡沫化手段を使用した流水プラズマ処理装置の概略縦断面構造を示す。図10において前記実施形態と同じ部材には同じ符号を付している。 FIG. 10 shows a schematic longitudinal sectional structure of a flowing water plasma processing apparatus using simple foaming means by high-speed stirring. In FIG. 10, the same members as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals.
図10の流水プラズマ処理装置において、簡易泡沫化手段としてプロペラ撹拌装置を中空部材20の上流側流路に設けて、該プロペラ撹拌装置のプロペラ駆動により流水を撹拌させることにより流水の泡沫化が行われる。
In the running water plasma processing apparatus of FIG. 10, a propeller stirring device is provided in the upstream flow path of the
中空部材20の上部29には、撹拌槽60が連通管61を介して流通可能に接続されている。連通管61には開閉電磁弁74が設けられ、連通管61の下部は上部29に固定金具75により固着されている。開閉電磁弁74を開成することにより、撹拌槽60内の水は矢印で示すように、連通管61を通じて上部29に供給され、中空部材20を流通可能になっている。
A stirring
撹拌槽60の上蓋部62には給水口63、エアー取り入れ口64、軸穴65が穿設されている。給水口63には給水管11が給水可能に接続されている。中空部材20を通過した処理水76は、前記実施形態と同様に、プラズマ化処理された後、水槽(図示せず)に排出され、循環ポンプ装置(図示せず)により循環され、循環水77は矢印71に示すように、給水管11を通じて給水口63より撹拌槽60に放出、給水される。
A
軸穴65には、下端側に2枚の撹拌羽根68、69を取着した回転軸67が挿通されている。回転軸67の上端は回転モータ66の回転軸に連結部材70により固定、連結されている。回転モータ66を駆動して回転軸67を高速回転させると、撹拌羽根68、69の回転により撹拌槽60内の収容水72は高速撹拌によって泡沫化され、多数の気泡73が発生する。気泡73を含む流水は連通管61を通じて中空部材20に流入し、前記実施形態と同様に、電極12、13間に高周波高電圧パルスが印加されることにより、流水中の気泡に対してプラズマ放電が発生して流水のプラズマ化処理が実行される。
A rotating
図10の流水プラズマ処理装置によれば、撹拌羽根68、69を取着した回転軸67と回転軸67を高速回転させる回転モータ66により構成された高速撹拌装置によって、撹拌槽60内の収容水72を高速撹拌によって泡沫化して多量の気泡を発生させるので、気泡を多く含んだ流水を縮径部21のプラズマ発生領域に供給してプラズマ化処理を高効率且つ円滑に行うことができる。
According to the flowing water plasma processing apparatus of FIG. 10, the stored water in the stirring
図11はあらかじめ外部から窒素ガスを供給して泡沫化した流水を用いた流水プラズマ処理装置の概略縦断面構造を示す。図11において前記実施形態及び図9と同じ部材には同じ符号を付している。 FIG. 11 shows a schematic longitudinal cross-sectional structure of a flowing water plasma processing apparatus using flowing water that is foamed by supplying nitrogen gas from the outside in advance. In FIG. 11, the same members as those in the embodiment and FIG.
図11の流水プラズマ処理装置において、簡易泡沫化手段として外部導入されたガスを混入させるガス混入槽80を中空部材20の上流側流路に設けて流水の泡沫化が行われる。
In the flowing water plasma processing apparatus of FIG. 11, the
ガス混入槽80は、中空部材20の上部29に連通管61を介して流通可能に接続されている。開閉電磁弁74を開成することにより、ガス混入槽80内の水89は矢印で示すように、連通管61を通じて上部29に供給され、中空部材20を流通可能になっている。
The
ガス混入槽80の上蓋部81には給水口82、ガス供給管85の挿入穴83が穿設され
ている。給水口82には給水管11が給水可能に接続されている。中空部材20に給水された水は、前記実施形態及び図9、図10の実施例と同様に、プラズマ化処理された後、水槽(図示せず)に排出され、循環ポンプ装置(図示せず)により循環され、循環水91は矢印92に示すように、給水管11を流れて給水口82より矢印88に示すように、ガス混入槽80に放出、給水される。
A
供給管85の開放端部86はガス混入槽80の水89の中に漬され、開放端部86は多くの細孔87が形成されている。供給管85には窒素ガス発生装置84により生成された窒素ガスが放出されて細孔87より水中に噴出される。窒素ガスの噴出により、窒素ガス混入槽80内の収容水89は泡沫化され、多量の窒素ガスによる気泡90が発生する。気泡90を含む流水は連通管61を通じて中空部材20に流入し、前記実施形態及び図9、図10の実施例と同様に、電極12、13間に高周波高電圧パルスが印加されることにより、流水中の気泡に対してプラズマ放電が発生して流水のプラズマ化処理が実行される。
The
図11の流水プラズマ処理装置によれば、窒素ガス発生装置84により生成された窒素ガスが供給管85を通じて噴出されるガス混入槽80を中空部材20の上流側流路に設けて流水の泡沫化をあらかじめ行うので、多量の窒素ガスによる気泡90を含んだ収容水89を縮径部21のプラズマ発生領域に供給してプラズマ化処理を高効率且つ円滑に行うことができる。
According to the flowing water plasma processing apparatus of FIG. 11, the
なお、図9の場合と同様に、窒素ガス発生装置51に代えて、空気、酸素等の活性気体、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体、あるいはこれら気体の混合ガスのガス源を使用して供給管85を通じて中空部材20の中空部分に供給することにより、これら各種気体をプラズマ種にしたプラズマ化処理を行うことができる。
As in the case of FIG. 9, instead of the
図10及び図11に示した流水の泡沫化手段は夫々、単独で使用することができるが、ノズル装置19と併用したり、図9に示した泡沫化手段と併用したりして、一部又は全部を組み合わせて使用することもできる。
Each of the foaming means of flowing water shown in FIGS. 10 and 11 can be used alone, but in combination with the
本発明に係る流体中プラズマ発生方法により生成したプラズマ化処理は、植物育成用等に好適な窒素固定化した処理水を得ることに限定されず、電極12、13間の印加電力パワーに応じて種々の電離状態を得ることができるので、それらを利用した種々のプラズマ処理に適用することができる。プラズマ化処理対象は液体のみに限らず、被処理物の粉体や微粒子を含有した混合液を含むことができる。例えば、カーボンナノチューブ(CNT)、カーボンナノボール(CNB)、フラーレン等の導電性物質からなるカーボンナノ物質等の難溶解性粉体に対する表面修飾処理、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、ナノダイヤパウダー等の非導電性物質からなる難溶解性粉体に対する表面修飾処理に使用することができる。
The plasma treatment generated by the in-fluid plasma generation method according to the present invention is not limited to obtaining nitrogen-immobilized treated water suitable for plant growth and the like, depending on the applied power power between the
表面修飾処理の一例としてCNTの親水化(可溶化)処理を行う場合には、流水中にCNTを投入し、気泡を含む流水に対し電極12、13間に高電力パワーで高周波高電圧パルスを印加することにより、流水中の気泡に対してプラズマ放電が発生するプラズマ発生領域にCNTを導入して行うことができる。この場合、プラズマ発生領域におけるプラズマ放電によって電極周辺が沸騰状態になってH+やOH-等のラジカルを含む活性水蒸気が生じるようにして、活性水蒸気やプラズマとCNT微粒子を接触させ、CNT周囲に水和層を形成して親水化することができる。水槽10に堆積した修飾CNTを回収することにより、修飾CNTからなる高機能化結合材料を得ることができる。親水化された修飾CNTを回収すると共に、水の補給とCNTの投入を行うことにより連続的にCNT表面修飾処理を実行することも可能である。被プラズマ処理物(CNT)の流水中に混入する混合部材には例えば、図10の撹拌槽60や図11の窒素ガス混入槽80を使用することがで
きる。
As an example of the surface modification treatment, in the case of performing CNT hydrophilization (solubilization) treatment, CNT is introduced into running water, and high-frequency high-voltage pulses with high power power are applied between the
本発明に係る流体中プラズマ発生方法により生成したプラズマ化処理は水資源の浄化処理に適用することができる。例えば、図1の実施形態に係る流水プラズマ処理装置を用いて電極12、13間に印加する電力パワーをOH-やH+が電離したプラズマ発生状態にし、水源に純水でない市水、川水、池水を供給して流水する。これにより、電極12、13間を流通する際に市水等に含まれる菌類や微生物をOH-やH+の活性イオンにより分解、殺菌して浄水化することができる。本発明は飲用水や下水道の浄化に限らず、屎尿、工場排水等の浄化処理にも適用することができる。
The plasma treatment produced by the in-fluid plasma generation method according to the present invention can be applied to water resource purification treatment. For example, using the flowing water plasma processing apparatus according to the embodiment of FIG. 1, the electric power applied between the
本発明に係る流体中プラズマ発生方法を適用し得る液状物質としては、イオン交換水等の純水やその他の水類に限らず、アルコール類、界面活性剤入り溶液等の種々の溶液を使用することができる。特に、界面活性剤入り溶液を電極12、13間に流してプラズマに晒すことにより界面活性剤を均一に分散させるグラフト化処理を行うことができる。
The liquid material to which the method for generating plasma in a fluid according to the present invention can be applied is not limited to pure water such as ion-exchanged water and other waters, and various solutions such as alcohols and surfactant-containing solutions are used. be able to. In particular, a grafting treatment in which the surfactant is uniformly dispersed can be performed by flowing a solution containing the surfactant between the
本発明における流体中の気体には、空気、酸素、窒素以外に、ヘリウム、アルゴン等の不活性気体を流体中に混入させて、該気体の種別に応じた種々のプラズマ合成を行うことができる。また、中空部材20には一対の電極12、13によりプラズマ発生領域を設けているが、プラズマ化処理の効率化をはかるべく、複数組の電極対を設けてより大きいプラズマ発生領域を形成するようにしてもよい。
In the fluid in the present invention, an inert gas such as helium or argon can be mixed in the fluid in addition to air, oxygen and nitrogen, and various plasma synthesis can be performed according to the type of the gas. . In addition, the
本発明は、上記実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and includes various modifications and design changes within the technical scope without departing from the technical idea of the present invention. Needless to say.
本発明によれば、例えば、水質改善やCNMの表面修飾処理等の種々のプラズマ処理に好適な流体中プラズマ発生方法及び流体中プラズマ発生装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an in-fluid plasma generation method and an in-fluid plasma generation apparatus suitable for various plasma processing such as water quality improvement and CNM surface modification processing.
1 流水プラズマ化装置
2 循環ポンプ装置
3 処理水
4 収容水
5 取水管
6 送水管
7 汲み上げ管
8 給水弁
9 延長管
10 水槽
11 給水管
12 電極
13 電極
14 電極部材
15 電極部材
16 ねじ穴
17 ねじ穴
18 凹部
19 ノズル装置
20 中空部材
21 縮径部
22 貫通穴部
23 通電軸線
24 通電軸線
25 ねじ頭部
26 ねじ頭部
27 ねじ部
28 ねじ部
29 上部
30 下部
31 貫通穴
32 オリフィス部
33 オリフィス
34 上部
35 鍔部
36 貫通穴
37 貫通穴
38 水
39 締結部材
40 制御部
41 高電圧高周波パルス発生回路
42 発振器
43 RF電源
44 重畳装置
45 起動スイッチ
46 キー入力装置
47 液晶表示装置
50 流水プラズマ化装置
51 窒素ガス発生装置
52 ガス供給管
53 放出端
54 空隙領域
60 撹拌槽
61 連通管
62 上蓋部
63 給水口
64 エアー取り入れ口
65 軸穴
66 回転モータ
67 回転軸
68 撹拌羽根
69 撹拌羽根
70 連結部材
71 矢印
72 収容水
73 気泡
74 開閉電磁弁
75 固定金具
76 処理水
77 循環水
80 ガス混入槽
81 上蓋部
82 給水口
83 挿入穴
84 窒素ガス発生装置
85 供給管
86 開放端部
87 細孔
88 矢印
89 収容水
90 気泡
91 循環水
92 矢印
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flowing water plasma apparatus 2 Circulation pump apparatus 3 Treated water 4 Accommodating water 5 Intake pipe 6 Water supply pipe 7 Pumping pipe 8 Water supply valve 9 Extension pipe 10 Water tank 11 Water supply pipe 12 Electrode 13 Electrode 14 Electrode member 15 Electrode member 16 Screw hole 17 Screw Hole 18 Recess 19 Nozzle device 20 Hollow member 21 Reduced diameter portion 22 Through-hole portion 23 Current-carrying axis 24 Current-carrying axis 25 Screw head 26 Screw head 27 Screw portion 28 Screw portion 29 Upper 30 Lower 31 Through-hole 32 Orifice portion 33 Orifice 34 Upper part 35 Hear part 36 Through hole 37 Through hole 38 Water 39 Fastening member 40 Control part 41 High voltage high frequency pulse generation circuit 42 Oscillator 43 RF power supply 44 Superimposition device 45 Start switch 46 Key input device 47 Liquid crystal display device 50 Flowing water plasma generation device 51 Nitrogen gas generator 52 Gas supply pipe 53 Discharge end 5 Gap area 60 Stirring tank 61 Communication pipe 62 Upper lid portion 63 Water supply port 64 Air intake port 65 Shaft hole 66 Rotating motor 67 Rotating shaft 68 Stirring blade 69 Stirring blade 70 Connecting member 71 Arrow 72 Accommodating water 73 Bubbles 74 Opening and closing solenoid valve 75 Fixing bracket 76 Treated water 77 Circulating water 80 Gas mixing tank 81 Upper lid portion 82 Water supply port 83 Insertion hole 84 Nitrogen gas generator 85 Supply pipe 86 Open end 87 Pore 88 Arrow 89 Accommodating water 90 Bubble 91 Circulating water 92 Arrow
Claims (14)
前記上端距離側から前記開放幅側へと液状物質を流動させた液状の流体の流路に前記電極を設け、
前記電極により高電圧を前記流体に印加して、
前記流体に含有した気体成分によってプラズマ化した気泡を発生させることを特徴とする流体中プラズマ発生方法。 In the middle part of the hollow member having a hollow part through which the flow path is formed, a reduced diameter part with a reduced inner diameter is formed, and left and right electrode members are attached to the reduced diameter part in the diametrical direction. Each of the members has opposed bent electrodes, and the left and right electrodes are set in an open direction on the inner wall side of the hollow portion so that the open width of the electrode pair is larger than the upper end distance between the electrodes,
The electrode is provided in a flow path of a liquid fluid in which a liquid substance is flowed from the upper end distance side to the open width side,
A high voltage is applied to the fluid by the electrodes;
A method of generating plasma in a fluid, wherein bubbles formed into plasma by a gas component contained in the fluid are generated.
前記上端距離側から前記開放幅側へと液状物質を流動させた液状の流体の流路に設けた前記電極と、
前記電極により高電圧を前記流体に印加する高電圧印加手段を有し、
前記電極により高電圧を前記流体に印加して、前記流体に含有した気体成分によってプラズマ化した気泡を発生させることを特徴とする流体中プラズマ発生装置。 In the middle part of the hollow member having a hollow part through which the flow path is formed, a reduced diameter part with a reduced inner diameter is formed, and left and right electrode members are attached to the reduced diameter part in the diametrical direction. Each of the members has opposed bent electrodes, and the left and right electrodes are set in an open direction on the inner wall side of the hollow portion so that the open width of the electrode pair is larger than the upper end distance between the electrodes,
The electrode provided in the flow path of the liquid fluid in which the liquid substance is flowed from the upper end distance side to the open width side;
A high voltage applying means for applying a high voltage to the fluid by the electrode;
An in-fluid plasma generating apparatus, wherein a high voltage is applied to the fluid by the electrode to generate bubbles that are turned into plasma by a gas component contained in the fluid.
The in-fluid plasma generator according to any one of claims 8 to 13, wherein the liquid substance is any one of city water, river water, pond water, distilled water, ion-exchanged water, alcohol, or a liquid containing a drug.
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