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気液界面放電による新水処理技術

“OHラジカル”を高効率に生成。高度な水処理を低コストで実現。


技術紹介

工業廃水に含まれる難分解性物質を酸化力の強いOHラジカルで分解。

都市化の進行に伴う人口集中による水資源の枯渇、河川の水質汚染など、水資源に関わるさまざまな課題を解決する技術として「水処理」の重要性が高まっています。暮らしや社会のあらゆる場所で必要とされる水処理技術。その中でも工業廃水には除去が難しい難分解性物質が多く含まれており、より高度な技術が要求されます。
三菱電機では廃水中の難分解性物質を処理するOHラジカルを高効率に生成し、シンプルな構造で水処理を行う「気液界面放電による新水処理技術」を開発しました。この技術は傾斜面を流れる廃水に対し、直接放電することで気体中や気体・液体の境界層である「気液界面」において、さらには液体中においてもOHラジカルを生成し、効率的に水処理を行うことが可能です。
使い捨てから、水処理によるリサイクルへ。この技術が実用化されれば、工業廃水を低コストで再利用することが可能になります。水処理にとって画期的な一歩となる独自の技術で、三菱電機は水資源の有効活用をさらに推進し、環境保全に貢献します。

気液界面放電水処理実験装置概念図
工業廃水に含まれる主な難分解性物質の例

OHラジカルを高効率に発生させ、既存の促進酸化処理に比べてコストを飛躍的に削減。

既存技術(促進酸化処理)に比べ・・・

従来、水処理にOHラジカルを利用する場合、促進酸化処理という方法が用いられてきました。オゾンと過酸化水素や紫外線などを組み合わせることでOHラジカルを生成する方法です。しかしこの促進酸化処理には「コスト」という課題がありました。オゾンに加え、過酸化水素などが必要になるため、高額な運転コストがかかるのです。
「気液界面放電による新水処理技術」は、OHラジカルを高効率に生成できるため、コストの大幅な削減が可能です。例えば過酸化水素を利用する場合と比べ、過酸化水素自体が不要になるのはもちろんですが、今回の技術では水面に直接放電し、オゾン・OHラジカルをつくりだすので、酸素使用量を従来の1/10まで減らすことができます。またエネルギー効率も従来の2倍に向上し、運転コストを削減できます。


開発NOTE

高度な水処理をシンプルな構成で実現できるのが、この技術の大きな特長です。

先端技術総合研究所 
生沼 学 
中村 保博 
山内 登起子
先端技術総合研究所
生沼 学/中村 保博/山内 登起子

この技術の特長は非常に 「シンプル」であることです。水処理と言えば、水中での化学反応を用いる方法が主でした。もちろんこの技術も水中での反応を利用していますが、放電によって気体中や水面でOHラジカルが生成されるため、気液界面の反応でも水処理が進むことがいままでの技術との大きな違いです。
OHラジカルの生成を段階的に説明すると、まず放電により気中や水面の水分からOHラジカルがつくられます。それによって水面近くの難分解性物質が分解されます。さらにOHラジカル同士が結合して過酸化水素ができます。放電でできたオゾンと過酸化水素が水に溶け込んで反応し、そこで新たなOHラジカルができるのです。一度の放電で気体中・水面でも、水中でもOHラジカルが生成される、つまり少ないエネルギーでより効率的に難分解性物質を処理できるのです。
また貯水槽に貯めた廃水を処理するというのが水処理の一般的なイメージですが、この技術では傾斜面に廃水を流して処理します。貯めた廃水に放電しても水面近くの分解は進みますが、貯水槽の底近くの廃水は処理しにくいのです。それに対し、傾斜面を流れる薄い水の層に直接放電することで、廃水にまんべんなくOHラジカルが行きわたり、効果的に処理できるのです。


気液界面で起こる現象の重要性の気づいたことが、ターニングポイントになりました。

放電反応器傾斜面の構造

この技術はシステム構成自体は非常にシンプルですが、水処理が進む原理はとても複雑です。放電で生じるプラズマは、固体、液体、気体に次ぐ「物質の第4の状態」と言われています。この水処理装置には、これら4つ全てが含まれているのです。廃水が流れる傾斜面や放電を形成する電極は固体ですし、廃水は液体です。さらに処理槽の中は気体ですし、放電プラズマも形成されます。しかもそれぞれが相互に影響するので、ますます複雑になります。
装置の性能を向上させるには原理を理解することがとても重要ですが、こんなに複雑な現象を理解するのはとても難しく、開発の当初は途方に暮れていました。放電プラズマの専門家は、放電でOHラジカルをつくることばかり考えていましたし、水処理の専門家は水の中の反応のことばかり考えていたからです。
このような状態を打開するために、それぞれの専門家が知識と経験を持ち寄って議論を重ねました。そして、気体と液体の界面で起こる現象の重要性に思い至ったのです。複雑な原理を全て理解することはできませんが、その中で特に重要な点を見抜いて着目できたことが、この開発のひとつのブレークスルーに繋がりました。

酸化力の強いOHラジカルが難分解性物質を分解

“水処理は三菱”と言われるように、これからも技術向上に努めていきます。

開発チームには放電技術や水処理など、各分野の専門家が参加していますが、それぞれの研究者にとって、この開発は戸惑いと驚きの連続でした。
放電技術の開発を長年続け、水処理に初めて携わる研究者にとっては、まず化学の知識を学ぶことからスタートする必要がありました。また促進酸化処理などの水処理の専門家にとっては、このようなシンプルな装置で難分解性物質が処理できるというのは驚きのひと言で、さらに傾斜式についても廃水を貯めて処理する従来の水処理の常識を覆すものでした。長年水処理に関わってきた研究者が驚きを感じるほど、今回の技術は斬新だと言えるのかもしれません。
今後の実用化に向けての最大の課題は、大量の廃水を処理できるように、大容量化を実現することです。また実際の廃水は工場によってさまざまな物質が混ざっており、いろいろな阻害要因が存在する場合もあります。実際の廃水を確実に処理できるように、検証作業も入念に行っていかなければなりません。
この技術の可能性は工場の廃水処理だけにはとどまらないと思っています。身近なところではビルで使う水の処理、家庭廃水の処理など、そのほかにも適用範囲はまだまだあると考えています。この画期的な技術を一日も早く実用化し、「水処理は三菱」と言っていただけるように、この技術をしっかりと育てていきたいと思っています。


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