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MURORAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
平成29年度 第53回 応用物理学会北海道支部/第14回 日本光学会北海道支部 合同学術講演会平成30年1月7日(日) 北海道大学
水上パルス放電に伴う水中のpH変化の可視化とpH変化機序の解明
津田 倖司* 脇坂 尚吾 高橋 一弘 佐藤 孝紀 (室蘭工業大学)
Kohshi Tsuda *, Shogo Wakisaka, Kazuhiro Takahashi, Kohki Satoh (Muroran Institute of Technology)
B-25
Ar atmosphere
waterpulsed discharge
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背景
[1] A. Kojtari et al. : J. Nanomedine. Biotherapeutic Discov. 4, 1000120 (2013)
[2] Ikawa et al. : Plasma Process. Polym. 7, 33-42 (2010)
[3] T. Shimizu et al. : J. Photopolym. Sci. Technol. 24, 4 (2011)
水中にH2O2やHO2などの活性種が生成
水上放電プラズマ大腸菌の殺菌に寄与[1]
pHの適切なコントロール
水中のpHの変化をメチルレッド(Methyl Red:MR)溶液を用いて可視化 H+ + NOx
-HNOx
pHの減少がHNOxの溶解によって誘起
水上放電に伴うpHの変化[3] experiment
pH変化機序を詳細に把握することが重要
5.2
4.74.2
3.7
6.5
pH
CF
U/m
l
Plasma exposure time (sec)
electrodeplasma
water
殺菌
HO2H2O2
HNOxN2 O2
H2O
OH H2O2
chemical
reaction
dissolution
NOx-
e-
H+
HNOx → H+ + NOx-
6.5
4.7
4.23.7
5.2
pH
水中のpHが低いとき,大腸菌の殺菌効果が高まることを報告[2]
減少
pH
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背景および目的
目的
BGガスをN2およびArとした場合の水上パルス放電に伴う水中のpH変化機序の調査
水上放電に伴うpHの変化[4] prediction
プラズマ中の正イオンと水分子の間で起こる電荷の移動を介して,H2O+が生成されるこ
とがシミュレーションにより示唆
HNOxの溶解以外の反応に伴い水中のpHが変化する可能性
[4] Wei Tian et al. : J. Phys. D : Appl. Phys. 47, 165201 (2014)
electrodeplasma
Ae-A+
H2O+
OH
Charge transfer
H+
A: 任意の気体
それぞれの結果を考察し,pH変化機序について調査
水中のpH変化をメチルレッド溶液を用いた比色分析により可視化
water
A+ + H2O → Ar + H2O+
H2O+ → H++ OH
H2O+は水中で不安定であるため,
解離してH+が生成され,pHが減少
MURORAN INSTITUTEOF TECHNOLOGY
Blumelein HV pulse generator
実験装置および実験条件
85 mm
85 mm
90 mm
Aluminum
NaCl (濃度 : 0.5%)
MR (濃度 : 12 ppm)
電極
直径f :4 mm
材質:ステンレスギャップ長:4 mm
BGガス
種類 : Ar or N2
純度 : 99.99 %
流量 : 1 L/min
試料容器
100Ω
GND
CH1
CH2
Rotary Gap Switch
DCPowerSupply 1MΩ 400kΩ
( coaxial cable , 50 m ×2 )
Ar
Digital
Storage
OscilloscopeN2
ArまたはN2ガスで置換
+
直流高電圧電源
充電電圧 : 14.14 kV
極性 : 正極性パルス周波数 : 20 pps
試料溶液 (200 mL)
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Blumelein HV pulse generator
85 mm
85 mm
90 mm
Aluminum
MR (濃度 : 12 ppm)
電極
直径f :4 mm
材質:ステンレスギャップ長:4 mm
BGガス
種類 : Ar or N2
純度 : 99.99 %
流量 : 1 L/min
試料容器
100Ω
GND
CH1
CH2
Rotary Gap Switch
DCPowerSupply 1MΩ 400kΩ
( coaxial cable , 50 m ×2 )
Ar
Digital
Storage
OscilloscopeN2
ArまたはN2ガスで置換
+
最大電圧 : 18.1 kV
最大電流 : 131 A
1パルスあたりの注入エネルギー
0.288 J/pulse
最大電力 : 1.17 MW
パルス幅 :500 nsAr
試料溶液 (200 mL)
直流高電圧電源
充電電圧 : 14.14 kV
極性 : 正極性パルス周波数 : 20 pps
実験装置および実験条件
NaCl (濃度 : 0.5%)
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Blumelein HV pulse generator
85 mm
85 mm
90 mm
Aluminum
試料溶液 (200 mL)
MR (濃度 : 12 ppm)
電極
直径f :4 mm
材質:ステンレスギャップ長:4 mm
BGガス
種類 : Ar or N2
純度 : 99.99 %
流量 : 1 L/min
試料容器
100Ω
Rotary Gap Switch
DCPowerSupply 1MΩ 400kΩ
( coaxial cable , 50 m ×2 )
ArN2
ArまたはN2ガスで置換
+ 色の変化を利用して水中のpHの変化を可視化
メチルレッド(Methyl Red:MR)の反応
Ar
C15H15N3O2 C15H14N3O2− + H+
pH<5.1
pH>5.1
MRはH+の授受によって分子構造が変化し,吸収する波長が変化
直流高電圧電源
充電電圧 : 14.14 kV
極性 : 正極性パルス周波数 : 20 pps
実験装置および実験条件
NaCl (濃度 : 0.5%)
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実験結果– 放電に伴う水中のpHの変化–
BGガス:N2 (6倍速) BGガス:Ar (6倍速)
水面付近において針電極直下から赤色に呈色
6.2
4.2
pH
水面付近において針電極直下から赤色に呈色
pHが減少
NO(g) + OH(g) → HNO2(g)
HNO2(g) + H2O2(g) → HNO3(g) + H2O(g)
気相
HNO2 (g) → H+ (aq) + NO2− (aq)
HNO3 (g) → H+ (aq) + NO3− (aq)
液相
H+が増加
溶解
Ar+(g) + H2O (aq) → Ar (g) + H2O+ (aq)
H2O+ (aq) → H+ (aq) + OH (aq)
② H2O+が解離
電荷交換衝突により生成されたH2O
+が解離してH+が生成 pHが減少
プラズマ中のArイオンとH2O分子の間で電荷が移動
① 電荷交換衝突[4]
[4] Wei Tian et al. : J. Phys. D : Appl. Phys. 47, 165201 (2014)
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実験結果– 撹拌処理 –
BGガス:N2 BGガス:Ar
6.2
4.2
pH
赤色に呈色
水中全体のpHが減少
黄色に呈色
水中全体ではpHが変化しない
OH- OH- OH-
H+ H+ H+
気液界面側で生成されたH+に対して等量のOH-が生成
H2O (aq) + e- → H2 (aq) + OH- (aq)
水の電気分解
2
1
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実験結果– 撹拌処理 BGガス:Ar -
H2O (aq) + e- → H2 + OH- (aq)
接地電極側
接地電極側で水の電気分解によりOH-が生成
電荷の移動に伴いpH
が変化
電流の連続性を満たすように,等量の電荷が移動
Ar+(g) + H2O (aq) → Ar + H2O+ (aq)
① 電荷交換衝突
H2O+ (aq) → H+ (aq) + OH (aq)
② H2O+が解離
気-液界面側
-
電流
6.2
4.2OH- OH- OH-
H+ H+ H+
電流の連続性を考えると,気液界面側での正の電荷の移動に対応して,接地電極から水中へ負の電荷が移動
等量
+
--
+ +
2
1
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まとめ
BGガスをN2またはArとした場合の水上パルス放電に伴う水中のpHの変化をMR
溶液を用いた比色分析により可視化し,水中のpH変化機序について調査を行った
BGガスがN2の場合では,水面付近から赤色に呈色してpHが減少
HNOx → H+ + NOx-
放電により気相に生成されたHNOxの溶解によってH+が生成
BGガスがArの場合では,HNOxが生成されないにもかかわらず,水面付近から赤色に呈色してpHが減少
電荷交換衝突により生成されたH2O+の解離によってH+が生成
H2O+ (aq) → H+ (aq) + OH (aq)Ar+(g) + H2O (aq) → Ar(g) + H2O
+ (aq)
BGガスがArの場合では,撹拌させると黄色に呈色し,水中全体でのpHが変化しなかったことから,接地電極側での水の電気分解によりOH-が生成されたと考えられる
放電処理後 放電処理後撹拌後 撹拌後BGガス:ArBGガス:N2
H2O (aq) + e- → H2 + OH- (aq) 2
1