水上パルス放電に伴う水中のph変化の可視化とph …...muroran institute of...

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


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


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


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)



85 mm

85 mm

90 mm

Aluminum


電極

直径f ：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



Ar

Digital

Storage

OscilloscopeN2


+

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






NaCl (濃度 : 0.5%)



85 mm

85 mm

90 mm

Aluminum



電極

直径f ：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



ArN2


+ 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





NaCl (濃度 : 0.5%)


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)


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


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


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

水上パルス放電に伴う水中のph変化の可視化 とph …...muroran institute of...

Documents

水上パルス放電に伴う水中のph変化の可視化とph …...muroran institute of...