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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024055264
(43)【公開日】2024-04-18
(54)【発明の名称】プラズマ水処理装置
(51)【国際特許分類】
C02F 1/48 20230101AFI20240411BHJP
【ＦＩ】
C02F1/48 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022162046
(22)【出願日】2022-10-07
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【識別番号】598076591
【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】安井 祐之
(72)【発明者】
【氏名】スパダベッキャ ウルデリコ クラウディオ アントニオ
(72)【発明者】
【氏名】村山 清一
(72)【発明者】
【氏名】森谷 可南子
(72)【発明者】
【氏名】牧瀬 竜太郎
【テーマコード（参考）】
4D061
【Ｆターム（参考）】
4D061DA08
4D061DB19
4D061DC09
4D061EA13
4D061EB09
4D061EB16
4D061EB18
4D061EB19
4D061EB20
4D061GC11
4D061GC15
(57)【要約】
【課題】複数のプラズマ生成部を備えるプラズマ水処理装置において、被処理水中の有害物質に作用するＯＨラジカルの作用効率を向上させる。
【解決手段】実施形態のプラズマ水処理装置では、プラズマ生成用電源によって高電圧電極と接地電極の間に交流電圧が印加されることによって高電圧電極と接地電極の間の希ガス中でプラズマを点弧し、プラズマがプラズマ進展部の開口部から放出され、放出されたプラズマが被処理水の液面に接触することによって被処理水中にＯＨラジカルが生成され、ＯＨラジカルによって被処理水中に含まれる有害物質の処理が行われる。プラズマ生成部を複数有し、制御部は、プラズマ生成用電源によってプラズマ生成部に交流電圧を印加するＯＮ時間と、プラズマ生成部に交流電圧を印加しないＯＦＦ時間と、を繰り返し、さらに、互いに隣接するプラズマ生成部が同時にＯＮ時間とならないように制御する。
【選択図】図９
【解決手段】実施形態のプラズマ水処理装置では、プラズマ生成用電源によって高電圧電極と接地電極の間に交流電圧が印加されることによって高電圧電極と接地電極の間の希ガス中でプラズマを点弧し、プラズマがプラズマ進展部の開口部から放出され、放出されたプラズマが被処理水の液面に接触することによって被処理水中にＯＨラジカルが生成され、ＯＨラジカルによって被処理水中に含まれる有害物質の処理が行われる。プラズマ生成部を複数有し、制御部は、プラズマ生成用電源によってプラズマ生成部に交流電圧を印加するＯＮ時間と、プラズマ生成部に交流電圧を印加しないＯＦＦ時間と、を繰り返し、さらに、互いに隣接するプラズマ生成部が同時にＯＮ時間とならないように制御する。
【選択図】図９
【特許請求の範囲】
【請求項1】
プラズマを点弧する高電圧電極、接地電極、および前記高電圧電極と前記接地電極の間に設けられた誘電体とを有する放電部と、前記放電部に連結され開口部を有するプラズマ進展部と、を有するプラズマ生成部と、
前記高電圧電極と前記接地電極の間に交流電圧を印加するプラズマ生成用電源と、
制御部と、を備え、
前記プラズマ生成用電源によって前記高電圧電極と前記接地電極の間に交流電圧が印加されることによって前記高電圧電極と前記接地電極の間の希ガス中でプラズマを点弧し、前記プラズマが前記プラズマ進展部の前記開口部から放出され、放出された前記プラズマが被処理水の液面に接触することによって前記被処理水中にＯＨラジカルが生成され、前記ＯＨラジカルによって前記被処理水中に含まれる有害物質の処理が行われるプラズマ水処理装置において、
前記プラズマ生成部を複数有し、
前記制御部は、前記プラズマ生成用電源によって前記プラズマ生成部に交流電圧を印加するＯＮ時間と、前記プラズマ生成部に交流電圧を印加しないＯＦＦ時間と、を繰り返し、さらに、互いに隣接する前記プラズマ生成部が同時に前記ＯＮ時間とならないように制御する、
プラズマ水処理装置。
前記高電圧電極と前記接地電極の間に交流電圧を印加するプラズマ生成用電源と、
制御部と、を備え、
前記プラズマ生成用電源によって前記高電圧電極と前記接地電極の間に交流電圧が印加されることによって前記高電圧電極と前記接地電極の間の希ガス中でプラズマを点弧し、前記プラズマが前記プラズマ進展部の前記開口部から放出され、放出された前記プラズマが被処理水の液面に接触することによって前記被処理水中にＯＨラジカルが生成され、前記ＯＨラジカルによって前記被処理水中に含まれる有害物質の処理が行われるプラズマ水処理装置において、
前記プラズマ生成部を複数有し、
前記制御部は、前記プラズマ生成用電源によって前記プラズマ生成部に交流電圧を印加するＯＮ時間と、前記プラズマ生成部に交流電圧を印加しないＯＦＦ時間と、を繰り返し、さらに、互いに隣接する前記プラズマ生成部が同時に前記ＯＮ時間とならないように制御する、
プラズマ水処理装置。
【請求項2】
互いに隣接する前記プラズマ生成部が同時に前記ＯＮ時間とならないように、前記プラズマ生成用電源からそれぞれの前記プラズマ生成部への電圧出力を切り替える切替機構を備え、
前記制御部は、前記切替機構を制御する、
請求項１に記載のプラズマ水処理装置。
前記制御部は、前記切替機構を制御する、
請求項１に記載のプラズマ水処理装置。
【請求項3】
前記プラズマ生成用電源は、前記複数のプラズマ生成部に対応して複数あり、
前記制御部は、互いに隣接する前記プラズマ生成部が同時に前記ＯＮ時間とならないように、それぞれの前記プラズマ生成用電源の電圧出力のタイミングを制御する、
請求項１に記載のプラズマ水処理装置。
前記制御部は、互いに隣接する前記プラズマ生成部が同時に前記ＯＮ時間とならないように、それぞれの前記プラズマ生成用電源の電圧出力のタイミングを制御する、
請求項１に記載のプラズマ水処理装置。
【請求項4】
前記ＯＦＦ時間は、１００μsec以上である、請求項１に記載のプラズマ水処理装置。
【請求項5】
電源周波数の周期がＯＨラジカルの寿命より短い場合、前記ＯＮ時間は、電源周波数の１周期分の時間である、請求項１に記載のプラズマ水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、プラズマ水処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、上下水の処理については、オゾン処理や塩素処理が一般的に知られている。しかし、産業用排水等の被処理水には、オゾン処理や塩素処理では分解できないダイオキシン類やジオキサン等の難分解性物質が含まれる場合がある。その対策として、オゾン、過酸化水素、紫外線等を併用した促進酸化処理法で、オゾン処理や塩素処理よりも反応性の高いＯＨラジカル（ヒドロキシルラジカル）を被処理水中で発生させ、ＯＨラジカルによる難分解性物質の分解を行う方法がある。しかし、この方法は、装置コストや運転コストが非常に高いという問題がある。
【0003】
そこで、プラズマの作用で直接的にＯＨラジカルを生成し、高効率に被処理水中の難分解性物質を分解する方法が提案されている。
【0004】
また、その方法を実現するためのプラズマ水処理装置の大型化を考える場合、プラズマ生成部を複数配列させることで、大型化を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第５８１９０３１号公報
【特許文献2】特開２０１９－１５５２９４号公報
【特許文献3】国際公開第２０１６／１１７２５９号
【特許文献4】特開２０１０－１３７２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、プラズマ生成部を複数配列したプラズマ水処理装置では、互いに隣接したプラズマ生成部から放出したプラズマの作用により被処理水中に生成されたＯＨラジカル同士や、同じプラズマ生成部から放出したプラズマの作用により被処理水中に生成されたＯＨラジカル同士が再結合反応で消滅するため、被処理水中の有害物質に作用するＯＨラジカルの作用効率が低くなってしまうという問題がある。
【0007】
そこで、本発明は、複数のプラズマ生成部を備えるプラズマ水処理装置において、被処理水中の有害物質に作用するＯＨラジカルの作用効率を向上させることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
実施形態のプラズマ水処理装置は、プラズマを点弧する高電圧電極、接地電極、および前記高電圧電極と前記接地電極の間に設けられた誘電体とを有する放電部と、前記放電部に連結され開口部を有するプラズマ進展部と、を有するプラズマ生成部と、前記高電圧電極と前記接地電極の間に交流電圧を印加するプラズマ生成用電源と、制御部と、を備える。前記プラズマ生成用電源によって前記高電圧電極と前記接地電極の間に交流電圧が印加されることによって前記高電圧電極と前記接地電極の間の希ガス中でプラズマを点弧し、前記プラズマが前記プラズマ進展部の前記開口部から放出され、放出された前記プラズマが被処理水の液面に接触することによって前記被処理水中にＯＨラジカルが生成され、前記ＯＨラジカルによって前記被処理水中に含まれる有害物質の処理が行われる。前記プラズマ生成部を複数有し、前記制御部は、前記プラズマ生成用電源によって前記プラズマ生成部に交流電圧を印加するＯＮ時間と、前記プラズマ生成部に交流電圧を印加しないＯＦＦ時間と、を繰り返し、さらに、互いに隣接する前記プラズマ生成部が同時に前記ＯＮ時間とならないように制御する。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面を参照して、本実施形態のプラズマ水処理装置について説明する。
【0011】
図１は、１つのプラズマ生成部５を有するプラズマ水処理装置の概要を示す図である。このプラズマ水処理装置では、放電部１で生成されたプラズマ４がプラズマ進展部２を介して被処理水１０へ照射されるため、放電部１内に被処理水を導入しない構成になっている。したがって、放電部１が、被処理水１０が流れる領域とは電気的に絶縁されるよう離間している。よって、放電部１内でのプラズマ４は被処理水１０の形状、被処理水１０の導電率や誘電率といった電気的な性質の影響を受けることがないので、放電の不安定性や異常放電はなくなり、安定したプラズマ生成が可能となる。したがって、プラズマ生成用電源３も安価で汎用的な交流電源を使用することができる。
【0012】
また、上記したプラズマ水処理装置を大規模な水処理施設で用いる場合は、図２に示すようにプラズマ生成部５を複数配列させる必要がある。そして、この場合、放電部１内の高電圧電極１Ａ（図１）と接地電極１Ｂ（図１）の間に電圧を印加するプラズマ生成用電源３の運転方法は、交流電圧を高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間に連続して印加する運転方法であった（図３Ａ）。
【0013】
しかしながら、装置の大型化のためにプラズマ生成部５を複数配列した構成における運転において、互いに隣接したプラズマ生成部５から放出したプラズマの作用により被処理水１０中に生成されたＯＨラジカル同士や、同じプラズマ生成部５から放出したプラズマの作用により被処理水中に生成されたＯＨラジカル同士が、以下の（１）式の再結合反応で消滅する。このため、被処理水１０中の有害物質に作用するＯＨラジカルの作用効率が低くなってしまっていた。
ＯＨ＋ＯＨ→ Ｈ２Ｏ２ ・・・（１）
ＯＨ＋ＯＨ→ Ｈ２Ｏ２ ・・・（１）
【0014】
そこで、以下では、複数のプラズマ生成部を備えるプラズマ水処理装置において、被処理水中の有害物質に作用するＯＨラジカルの作用効率を向上させることができる技術について説明する。
【0015】
（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。第１実施形態のプラズマ水処理装置で用いるプラズマ生成部は、図１に示したプラズマ生成部５と同様なので、まず、図１を用いて説明する。プラズマ水処理装置は、図１に示すように、放電部１とプラズマ進展部２からなるプラズマ生成部５と、プラズマ生成用電源３と、を有する。
第１実施形態について説明する。第１実施形態のプラズマ水処理装置で用いるプラズマ生成部は、図１に示したプラズマ生成部５と同様なので、まず、図１を用いて説明する。プラズマ水処理装置は、図１に示すように、放電部１とプラズマ進展部２からなるプラズマ生成部５と、プラズマ生成用電源３と、を有する。
【0016】
放電部１は、高電圧電極１Ａと、接地電極１Ｂと、誘電体１Ｃと、を有する。誘電体１Ｃは、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間に設けられる。本実施形態では、接地電極１Ｂと誘電体１Ｃは、同軸円筒構造を有している。また、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間には、希ガスが充填されている（詳細は後述）。また、高電圧電極１Ａおよび接地電極１Ｂは、プラズマ生成用電源３に接続されている。
【0017】
プラズマ生成用電源３は、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間に交流電圧を印加して、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間の希ガス中でプラズマ４を点弧させる。例えば、プラズマ生成用電源３は、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間に、周波数が１５ｋＨｚであり、高圧波高値が４ｋＶ程度の交流電圧を印加する。
【0018】
プラズマ進展部２は、筒状の絶縁体で構成され、放電部１に接続される。
【0019】
本実施形態のプラズマ水処理装置では、放電部１およびプラズマ進展部２の内部は、希ガスを含むプラズマ生成ガスで満たされている。プラズマ生成ガスに含有される希ガスとしては、プラズマ発生のために投入するエネルギーを効率良くプラズマの生成に変換できる希ガスが好ましく、例えば、ＡｒガスやＨｅガスである。
【0020】
そして、プラズマ生成用電源３によって高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間に交流電圧が印加されることによって、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間の希ガス中でプラズマ４を点弧し、プラズマ４がプラズマ進展部２の開口部２Ａから放出される。そして、放出されたプラズマ４が被処理水１０の液面に接触することによって被処理水１０中にＯＨラジカルが生成され、ＯＨラジカルによって被処理水１０中に含まれる有害物質の処理が行われる。
【0021】
また、本実施形態のプラズマ水処理装置では、プラズマ生成用電源３によってプラズマ生成部５に交流電圧を印加するＯＮ時間と、プラズマ生成部５に交流電圧を印加しないＯＦＦ時間と、を繰り返すデューティー運転を実行する。
【0022】
図３Ｂは、第１実施形態のプラズマ水処理装置におけるプラズマ生成用電源３による交流電圧の出力処理の一例を説明するための図である。図３Ｂにおいて、縦軸は、プラズマ生成用電源３から印加する交流電圧（印加電圧）を表し、横軸は、時間を表す。
【0023】
プラズマ生成用電源３は、図３Ｂに示すように、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間に対する交流電圧の出力（印加）（ＯＮ時間）に対して、ＯＦＦ時間を設ける。
【0024】
これにより、同じプラズマ生成部５から放出したプラズマの作用により被処理水１０中に生成されたＯＨラジカル同士が再結合反応で消滅することは抑制できる。しかし、プラズマ生成部５を複数配列した構成では、互いに隣接したプラズマ生成部５を同時にＯＮ時間としてしまうと、互いに隣接したプラズマ生成部５から放出したプラズマの作用により被処理水１０中に生成されたＯＨラジカル同士が再結合反応で消滅してしまう。そこで、その対策について以下で詳述する。
【0025】
図４は、第１実施形態のプラズマ水処理装置の構成の一例を示す図である。図４のプラズマ水処理装置では、複数のプラズマ生成部５が一列に設けられている。それぞれのプラズマ生成部５の放電部１内の高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂは、出力先切替機構６（切替機構）を介してプラズマ生成用電源３に接続されている。
【0026】
複数のプラズマ生成部５は、２つおきのプラズマ生成部５が同じグループに属するものとして、３つのグループに分けられている。そして、出力先切替機構６から、それぞれのグループごとに、経路１、経路２、経路３の配線が設けられている。
【0027】
各グループのプラズマ生成部５には、交流電圧が、図５に示すように、印加される。つまり、出力先切替機構６で交流電圧の出力先を切り替えることで、各グループごとに、ＯＮ時間とＯＦＦ時間を繰り返し行うデューティー運転が行われる。以下では、経路１、２、３の配下のプラズマ生成部５のグループを、それぞれ、グループ１、２、３と称する場合がある。
【0028】
ここでは、互いに隣接するプラズマ生成部５が同時にＯＮ時間とならないように、つまり、２つ以上のグループが同時にＯＮ時間になることがないように、出力先切替機構６は、制御部７からの切替制御信号により、プラズマ生成用電源３からの電圧出力を切り替える。この高電圧の経路の切替は、例えば、出力先切替機構６内に内蔵されたスイッチイング素子によって行われる。
【0029】
電圧が印加されたプラズマ生成部５内の放電部１の高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間において誘電体１Ｃを介して印加電圧の周波数に対応した周期で放電が発生し、放電部１内にプラズマが生成される。
【0030】
このプラズマ自体で形成する空間中の電界が起点となって、放電部１に連結されたプラズマ生成ガスで満たされたプラズマ進展部２内にプラズマが放電部１側から進展して形成される。そして、さらにこのプラズマ自体で形成する空間中の電界が起点となって、プラズマ進展部２に設けられた開口部２Ａから被処理水１０に向かってプラズマが形成され、放出される。
【0031】
この放出したプラズマが、被処理水１０の液面に接触し、プラズマ照射される。このプラズマ照射により被処理水１０中に以下に説明する反応により化学的活性種である非常に反応性に富んだＯＨラジカルが生成される。プラズマ照射によるＯＨ生成過程は、以下の１）～３）の３つの反応が主である。
【0032】
１）気相中のプラズマで生成されたＯＨラジカルが、被処理水１０中へ溶け込む反応：
この反応は、以下の（２）式に示す気相中のプラズマ中の電子衝突による水分子（Ｈ２Ｏ）の解離反応を経て、気相中でＯＨラジカルが生成し、被処理水１０中へＯＨラジカルが溶け込む反応である。この反応は、被処理水１０と気相の界面での蒸発Ｈ２ＯがＯＨ生成量を飛躍的に増加させる。
この反応は、以下の（２）式に示す気相中のプラズマ中の電子衝突による水分子（Ｈ２Ｏ）の解離反応を経て、気相中でＯＨラジカルが生成し、被処理水１０中へＯＨラジカルが溶け込む反応である。この反応は、被処理水１０と気相の界面での蒸発Ｈ２ＯがＯＨ生成量を飛躍的に増加させる。
【0033】
気相反応：Ｈ２Ｏ＋ｅ→ＯＨ＋Ｈ＋ｅ ・・・（２）
（このＯＨが液相（被処理水１０）へ溶け込む）
（このＯＨが液相（被処理水１０）へ溶け込む）
【0034】
２）プラズマ中のイオンが被処理水１０中の水分子（Ｈ２Ｏ）と反応してＯＨラジカルが生成する反応：
この反応は、気相中のプラズマで生成された正イオンが被処理水１０中に溶け込み、以下の（３）、（４）式に示す水分子との電荷交換を通して、被処理水１０中にＯＨラジカルが生成する反応である。
この反応は、気相中のプラズマで生成された正イオンが被処理水１０中に溶け込み、以下の（３）、（４）式に示す水分子との電荷交換を通して、被処理水１０中にＯＨラジカルが生成する反応である。
【0035】
液相反応：正イオン（Ｎ２
＋，Ｏ２
＋etc）＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２Ｏ＋ ・・・（３）
Ｈ２Ｏ＋＋Ｈ２Ｏ→Ｈ３Ｏ＋＋ＯＨ ・・・（４）
Ｈ２Ｏ＋＋Ｈ２Ｏ→Ｈ３Ｏ＋＋ＯＨ ・・・（４）
【0036】
３）プラズマ光が被処理水１０中の水分子（Ｈ２Ｏ）に作用してＯＨラジカルが生成する反応：
この反応は、以下の（５）式に示す気相中のプラズマによって発生するＵＶ（Ultra Violet：紫外線）やＶＵＶ（Vacuum Ultra Violet：真空紫外線）による被処理水１０中の水分子（Ｈ２Ｏ）の光解離によりＯＨラジカルが生成する反応である。通常、この発光による光の水中への平均自由工程は数十μｍ程度である。
この反応は、以下の（５）式に示す気相中のプラズマによって発生するＵＶ（Ultra Violet：紫外線）やＶＵＶ（Vacuum Ultra Violet：真空紫外線）による被処理水１０中の水分子（Ｈ２Ｏ）の光解離によりＯＨラジカルが生成する反応である。通常、この発光による光の水中への平均自由工程は数十μｍ程度である。
【0037】
液相反応：プラズマ発光（ｈν）＋Ｈ２Ｏ→ＯＨ＋Ｈ ・・・（５）
【0038】
こうして生成されたＯＨラジカルの作用により、被処理水１０に含まれる難分解性物質の分解が行われる。
【0039】
一方、前述のＯＨ生成反応に対して、生成したＯＨラジカルが以下の（６）式の反応で消滅する反応がある。この反応は、生成されたＯＨラジカル同士の再結合反応により、安定なＨ２Ｏ２（過酸化水素）を生成する反応である。
【0040】
気相、液相反応：ＯＨ＋ＯＨ→Ｈ２Ｏ２ ・・・（６）
【0041】
そこで、（６）式によるＯＨラジカル同士の再結合反応による消滅を抑制するために、本実施形態のプラズマ水処理装置の運転では、図５に示すような電圧印加方法を行う。
【0042】
すなわち、互いに隣接するプラズマ生成部５内の放電部１が同時にプラズマ点弧（ＯＮ）しないようにしている。つまり、隣接したプラズマ生成部５からの放出プラズマで生成された各々のＯＨラジカルが再結合しないように、ＯＮ時間のプラズマ生成部５に隣接したプラズマ生成部５はＯＦＦ時間になっている。
【0043】
さらに、プラズマ生成用電源３からの電圧出力は、図５に示すようにＯＦＦ時間を設け、電圧出力のＯＮ／ＯＦＦを繰り返し行うデューティー運転となっている。一般に、ＯＨラジカル同士の再結合反応によるＯＨラジカルが消滅する時間（ＯＨラジカルの寿命）は、数百μsec（マイクロ秒）程と試算されている。そして、電圧出力のＯＦＦ時間は、ＯＨラジカル同士の再結合反応の低減だけを考えればＯＨラジカルの寿命より少し長いのが好ましいが、ＯＨラジカルの寿命より少し短くてもＯＨラジカル同士の再結合反応の低減の効果がある程度期待できることやその他の事情などから、例えば、１００μsec以上に設定することが好ましい。
【0044】
また、電圧出力のＯＮ時間において、電源周波数に対応した周期でプラズマ発生するため、その結果、ＯＨラジカルも電源周波数に対応した周期で生成する。例えば電源周波数１５ｋＨｚ運転の場合、６７μsec毎の周期でＯＨラジカルが生成される。
【0045】
したがって、例えば、電源周波数の周期がＯＨラジカルの寿命よりも短い場合には、ある瞬間に生成されたＯＨラジカルと次の周期で生成されたＯＨラジカルとの再結合反応が発生する。よって、電源周波数の周期がＯＨラジカルの寿命よりも短い場合には、図６に示すように、電圧出力のＯＮ時間を電源周波数の１周期の時間にし、その後、電圧出力のＯＦＦ時間を設けた運転が好ましい。
【0046】
図６は、第１実施形態のプラズマ水処理装置におけるデューティー運転の一例を説明するための図である。図６において、縦軸は、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂ間に印加する交流電圧（印加電圧）を表し、横軸は、時間を表す。
【0047】
このようなデューティー運転により、プラズマ生成用電源３の電源周波数の周期がＯＨラジカルの寿命より短い場合に、ＯＨラジカル同士の再結合反応を抑制できるので、被処理水１０の有害物質の分解効率を向上させることができる。また、プラズマ生成用電源３の電源周波数が高いことで、プラズマ生成用電源３自体を小型化することができる。
【0048】
なお、電源周波数の周期がＯＨラジカルの寿命より長い場合は、ＯＮ時間を電源周波数の１周期の時間にする必要性は低い。
【0049】
このように、第１実施形態によれば、複数のプラズマ生成部５を備えるプラズマ水処理装置において、上述のデューティー運転を実行するとともに、互いに隣接するプラズマ生成部５が同時にＯＮ時間とならないように制御する。これにより、ＯＨラジカル同士の再結合反応を抑制し、被処理水１０中の有害物質に作用するＯＨラジカルの作用効率を向上させることができる。したがって、装置を大型化した場合でも、消費電力（運転コスト）を低く抑えることができる。
【0050】
また、ＯＦＦ時間を１００μsec以上とすることで、ＯＨラジカル同士の再結合反応の抑制効果をさらに向上できる。
【0051】
また、電源周波数の周期がＯＨラジカルの寿命より短い場合、ＯＮ時間を電源周波数の１周期の時間とすることで、ＯＨラジカル同士の再結合反応の抑制効果をさらに向上できる。
【0052】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第１実施形態と同様の事項については、説明を適宜省略する。図７は、第２実施形態のプラズマ水処理装置の構成の一例を示す図である。
次に、第２実施形態について説明する。第１実施形態と同様の事項については、説明を適宜省略する。図７は、第２実施形態のプラズマ水処理装置の構成の一例を示す図である。
【0053】
第１実施形態ではプラズマ生成用電源３が１つであったが、第２実施形態ではプラズマ生成用電源３は複数のプラズマ生成部５に対応して複数ある。具体的には、プラズマ生成用電源３をプラズマ生成部５のグループの数と同じだけ設ける。つまり、プラズマ生成部５のグループ１、２、３に対応するプラズマ生成用電源＃１、＃２、＃３（以下、区別しないときは、「プラズマ生成用電源３」と称する。）を設ける。
【0054】
そして、互いに隣接するプラズマ生成部５が同時にＯＮ時間とならないようにプラズマ生成用電源＃１、＃２、＃３の電圧出力のタイミングを制御する制御部７を備える。制御部７は、制御信号を用いてプラズマ生成用電源＃１、＃２、＃３の電圧出力のタイミングを制御する。
【0055】
図８は、第２実施形態のプラズマ水処理装置におけるプラズマ生成部５に対する交流電圧の印加処理の一例を説明するための図である。制御部７による制御によって、図８に示すように、グループ１がＯＮ時間のときはグループ２、３はＯＦＦ時間、グループ２がＯＮ時間のときはグループ１、３はＯＦＦ時間、グループ３がＯＮ時間のときはグループ１、２はＯＦＦ時間、となる。
【0056】
このように、第２実施形態によれば、出力先切替機構６（図４）を用いる代わりに、複数のプラズマ生成用電源３および制御部７を用いることで、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【0057】
（実施例）
発明者らは、このデューティー運転の有効性を示す有害物質（指標物質として、ＯＨラジカルで分解する酢酸を使用）の分解実験を実施した。以下、その実験の概要を説明する。
発明者らは、このデューティー運転の有効性を示す有害物質（指標物質として、ＯＨラジカルで分解する酢酸を使用）の分解実験を実施した。以下、その実験の概要を説明する。
【0058】
実施例では、ＯＮ時間とＯＦＦ時間とを繰り返すデューティー運転を行う際に、ＯＦＦ時間を１００μsec以上とする例である。以下の説明では、第１実施形態と同様の事項については説明を適宜省略する。
【0059】
図９は、実施例のプラズマ水処理装置の構成の一例を示す図である。実施例のプラズマ水処理装置は、放電部１と、プラズマ進展部２と、プラズマ生成用電源３と、を有する。
【0060】
放電部１は、直径が２ｍｍの高電圧電極１Ａ、接地電極１Ｂ、外径が６．１５ｍｍの石英ガラス管である誘電体１Ｃを有する。プラズマ進展部２は、絶縁体のシリコンチューブで構成される。
【0061】
プラズマ生成用電源３は、１５ｋＨｚの電源であり、外部の制御装置等から入力されるＯＮ／ＯＦＦ指令信号にしたがって、４ｋＶの交流電圧を、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間に印加して、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間の希ガスの一例であるＨｅ中でプラズマ４を点弧させる。実施例では、プラズマ生成用ガス（希ガス）には、Ｈｅを用いて、流量計４０１を介して、放電部１の高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂの間に導入される。
【0062】
また、本実施例では、プラズマ生成用電源３は、１０ｍsec周期で、ＯＦＦ時間を設けるデューティー運転を実施する。デューティー運転におけるデューティー比は、下記の式（７）により定義される。
デューティー比（％）＝（ＯＮ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間））×１００・・（７）
デューティー比（％）＝（ＯＮ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間））×１００・・（７）
【0063】
放電部１で生成されるプラズマ４自体で形成する空間電界が起点となって、放電部１に接続されたプラズマ進展部２内に、プラズマ４が、放電部１側から進展して形成される。次いで、プラズマ進展部２内で、プラズマ４自体で形成する空間電界が起点となって、プラズマ進展部２に設けられる開口２Ａから被処理水１０の液面に向かってプラズマ４が放出される。実施例では、被処理水１０は、酢酸を含む被処理溶液４０４である。具体的には、被処理溶液４０４は、酢酸ナトリウムと純水とを混合した０．３３ミリｍоｌ／Ｌの酢酸ナトリウム溶液（４０ｍＬ）である。被処理溶液４０４に含まれる酢酸の初期濃度は、１９．７ｍｇ／Ｌである。
【0064】
本実施例では、プラズマ水処理装置は、デューティー運転によって酢酸の分解の実験を実施した例である。また、本実施例では、被処理溶液４０４は、ターンテーブル４０２上に設置されたガラス容器４０３（例えば、内径８０ｍｍのガラス容器）に入っている。また、実施例では、ターンテーブル４０２は、８０ｒｐｍで回転しているものとする。
【0065】
次に、図１０を用いて、本実施例におけるプラズマ水処理装置におけるデューティー運転での酢酸分解の実験結果の一例について説明する。図１０は、実施例のプラズマ水処理装置におけるデューティー運転での酢酸分解の実験結果を示す図である。
【0066】
図１０において、縦軸は、デューティー比：１００％のデューティー運転時における酢酸の分解効率に対する各デューティー比のデューティー運転時における酢酸の分解効率を表す。また、図１０において、横軸は、デューティー比が異なるデューティー運転を表す。なお、酢酸の分解効率は、酢酸の低減量（ｇ）を、投入プラズマ電力量（Ｗｈ）で除算した値である。
【0067】
デューティー運転（１）は、ＯＦＦ時間を設けないデューティー比：１００％のデューティー運転である。
【0068】
デューティー運転（２）は、デューティー比：１０％のデューティー運転であり、ＯＦＦ時間：９ｍsec、ＯＮ時間：１ｍsecである。
【0069】
デューティー運転（３）は、デューティー比：１％のデューティー運転であり、ＯＦＦ時間：９．９ｍsec、ＯＮ時間：０．１ｍsecである。
【0070】
図１０に示すように、デューティー運転（２），（３）に示すＯＦＦ時間を設けたデューティー運転は、ＯＦＦ時間が無いデューティー運転（１）と比較して、酢酸の分解効率が向上する。これは、上述したように、ＯＦＦ時間を設けることにより、高電圧電極１Ａと接地電極１Ｂ間に交流電圧を印加するＯＮ時間において、プラズマ４の作用により生成されるＯＨラジカル同士の再結合反応が抑制された結果と考えられる。
【0071】
また、ＯＦＦ時間を１００μsec以上とすることにより、上述の理由からＯＨラジカルの再結合反応をより抑制することができ、被処理水１０の有害物質の分解効率を向上させることができる。
【0072】
（変形例）
次に、変形例について説明する。第１実施形態、第２実施形態では、複数のプラズマ生成部５が一列に並んでいるものとした。変形例では、複数のプラズマ生成部５が複数列に並んでいる場合について説明する。
次に、変形例について説明する。第１実施形態、第２実施形態では、複数のプラズマ生成部５が一列に並んでいるものとした。変形例では、複数のプラズマ生成部５が複数列に並んでいる場合について説明する。
【0073】
図１１は、変形例のプラズマ水処理装置を説明するための図である。（ａ）に示すように、複数のプラズマ生成部５が格子状に並んでいる。この場合、縦や横の隣は「隣接」に該当するが、対角方向の隣については「隣接」に２つの定義がありえる。
【0074】
定義１は、対角方向の隣も「隣接」とするものである。例えば、（ｂ）では、中央のプラズマ生成部５を基準にした場合、縦、横、対角方向の隣の８つのプラズマ生成部５は「隣接」していることになる。
【0075】
また、定義２は、対角方向の隣は「隣接」としないものである。例えば、（ｃ）では、中央のプラズマ生成部５を基準にした場合、縦、横の４つのプラズマ生成部５が「隣接」していることになり、対角方向の隣の４つのプラズマ生成部５は「隣接」していないことになる。
【0076】
対角方向の隣の２つのプラズマ生成部５の距離は、縦や横の隣の２つのプラズマ生成部５の距離の約１．４倍になる。距離が大きくなるほど、（１）式によるＯＨラジカル同士の反応によるＨ２Ｏ２生成の程度も小さくなる。この点を考慮し、実情に合わせて、同時にＯＮ時間にしないプラズマ生成部５の組み合わせを選ぶとよい。
【0077】
定義１の場合に同時にＯＮ時間にするプラズマ生成部５は、（ｄ）の着色したものである。また、定義２の場合に同時にＯＮ時間にするプラズマ生成部５は、（ｅ）の着色したものである。
【0078】
このようにして、変形例によれば、複数のプラズマ生成部５が、上面視で格子状などの二次元状に配置されている場合でも、定義１や定義２などにおける「隣接」の状態となっているプラズマ生成部５が同時にＯＮ時間とならないように制御する。これにより、ＯＨラジカル同士の再結合反応を抑制し、被処理水１０中の有害物質に作用するＯＨラジカルの作用効率を向上させることができる。
【0079】
本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【0080】
例えば、上述の各実施形態では、プラズマ生成部５のグループ数を３としたが、これに限定されず。グループ数は２や４以上であってもよい。
【符号の説明】
【0081】
１ 放電部
１Ａ 高電圧電極
１Ｂ 接地電極
１Ｃ 誘電体
２ プラズマ進展部
２Ａ，２Ｂ 開口
３ プラズマ生成用電源
４ プラズマ
５ プラズマ生成部
１０ 被処理水
４０１ 流量計
４０２ ターンテーブル
４０３ ガラス容器
４０４ 被処理溶液
１Ａ 高電圧電極
１Ｂ 接地電極
１Ｃ 誘電体
２ プラズマ進展部
２Ａ，２Ｂ 開口
３ プラズマ生成用電源
４ プラズマ
５ プラズマ生成部
１０ 被処理水
４０１ 流量計
４０２ ターンテーブル
４０３ ガラス容器
４０４ 被処理溶液
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】