CN103974758A

CN103974758A - 使用非热等离子体和催化剂介质的气体处理装置和方法

Info

Publication number: CN103974758A
Application number: CN201280056876.7A
Authority: CN
Inventors: 池上诚; 松本贵纪; 中山鹤雄; 直原洋平
Original assignee: NBC Meshtec Inc
Current assignee: NBC Meshtec Inc
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-08-06
Also published as: EP2759330A4; KR20140079413A; KR101952354B1; IN2014DN03041A; AU2017204570A2; AU2012311020A1; US9962651B2; CA2849065A1; JPWO2013042328A1; AU2017204570A1; US20140219894A1; EP2759330A1; RU2602152C2; WO2013042328A1; BR112014005160A2; JP6111198B2; RU2014115705A

Abstract

本发明提供了一种用于在常温下对挥发性有机化合物(VOC)等的有害气体进行氧化分解处理的装置和方法。本发明的气体处理装置的特征在于设置有等离子体生成单元和催化剂介质。等离子体生成单元设置有：至少一个供待处理气体流过的流道；以及布置在流道内部的用于提供电力的电源单元、第一电极、第二电极和电介质材料。由所述电源在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压，从而引起放电，产生等离子体。催化剂介质被设置在由所述流道内部的所述等离子体生成单元生成的等离子体所存在的位置，加速与待处理气体的反应，其中，所述催化剂介质具有存在于无机物质上的金属催化剂颗粒。

Description

使用非热等离子体和催化剂介质的气体处理装置和方法

技术领域

本发明涉及一种利用非热等离子体和催化剂介质对有害气体进行氧化分解处理的装置和方法。

背景技术

近年来，作为分解有害气体的方法和装置，有人提出利用非热等离子体的方法和装置。由于利用非热等离子体的装置简单、并且因为非热等离子体是一种可使用具有高反应性的活性物质的化学反应，所以反应是瞬时进行的，因此可期待非热等离子体有效地分解气体中的有害气体。此外，非热等离子体容易与其他技术相结合。已知非热等离子体可应用于多种类型的组合处理。然而，当有效分解不足时，有害气体的分解会产生副产品。为了进行充足的有效分解，需要输入大量的能量。在这种情况下，存在以下问题，即，由空气产生氮氧化物和大量的臭氧。为了能够将利用非热等离子体来移除空气中的有害气体的技术投入实际应用，抑制氮氧化物和臭氧的产生并提高有害气体的分解效率是一个重要的目标。

作为实现该目标的方法，有人提出利用等离子体来分解乙烯气的方法(专利文献1和2)，在放电电极与地电极(接地电极)之间设置蜂窝状催化剂的方法(专利文献3)，以及设置锰基催化剂的方法(专利文献4)。此外，还提出了一种利用非热等离子体结合已知催化剂，对传统方法中所产生的臭氧和分解有害气体所产生的副产品进一步补救的方法和一种对有害气体进行净化的装置(专利文献5)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000-139198号公报

专利文献2：日本特开2003-158996号公报

专利文献3：日本特开2000-140562号公报

专利文献4：日本特开2002-336343号公报

专利文献5：日本特开2005-230627号公报

发明内容

技术问题

基于吸附的气体净化方法需要短时间内吸附剂的再生。在吸附剂的常规再生方法中，水蒸汽解吸附和加热解吸附的设备是必需的。因此，设备可能较大并且根据解吸附方法可能需要排水设备。在放电电极与地电极之间设置铁电材料的颗粒(pellet)的方法中，需要根据电介质材料的粒径和电介质材料的填充量来施加高电压。这导致了从空气产生有害的臭氧和氮氧化物的问题。此外，在设置蜂窝状催化剂的方法中，需要确保催化剂与有害气体相接触。因此，放电电极与地电极之间的距离变长。另外，为了稳定地产生等离子体，需要施加高压来产生大量能量。结果，存在从空气产生氮氧化物和大量臭氧的问题。在发明人提出的方法中，使用了具有金属催化剂功能的吸附剂。在这种情况下，存在的问题是，待处理有害气体的浓度受到具有金属催化剂功能的吸附剂的量的限制。在处理颗粒状或蜂窝状催化剂时，难以在结构方面对净化装置进行灵活设计。

为解决该问题而提出本发明。本发明的目的是提供一种在室温下对挥发性有机化合物等(volatile organic compound,VOC)的有害气体进行氧化分解处理的装置和方法。

技术手段

本发明的第一方面是一种气体处理装置，其设置有：

待处理气体流通的流道；

等离子体生成单元，其被设置在所述流道内，包括至少第一电极、第二电极、电介质材料和用于提供电力的电源单元，其中，由所述电源单元在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压以引发放电，由此生成等离子体；以及

催化剂介质，其被设置在由所述流道内的所述等离子体生成单元生成的所述等离子体所存在的位置，加速与所述待处理气体的反应，并具有存在于无机物质上的金属催化剂颗粒。

本发明的第二方面是根据本发明第一方面的气体处理装置，其中，所述第一电极、所述第二电极、所述电介质材料以及所述催化剂介质被依次排布在所述待处理气体的流动方向上，并且在所述气体的流动方向上都是可透气的；并且所述催化剂介质被布置在所述流道中引发放电的空间中、或者被布置在所述气体的流动方向上的所述空间的下游侧。

本发明的第三方面是根据本发明第一方面的气体处理装置，其中，所述第一电极、所述第二电极、所述电介质材料以及所述催化剂介质在与所述气体的流动方向垂直的方向上依次排布。

本发明的第四方面是根据本发明第一至第三方面中任一项的气体处理装置，其中，所述催化剂介质还包括由无机材料制成的基板，至少所述金属催化剂颗粒被固定于该基板。

本发明的第五方面是根据本发明第一至第三方面中任一项的气体处理装置，其中，所述催化剂介质还包括：

无机颗粒，其表面固定有所述金属催化剂颗粒；和

由无机材料制成的基板，所述无机颗粒被固定于该基板。

本发明的第六方面是根据本发明第一至第三方面中任一项的气体处理装置，其中，所述催化剂介质填充有支持所述金属催化剂颗粒的大量的无机颗粒。

本发明的第七方面是根据本发明第一至第六方面中任一项的气体处理装置，其中，所述第一电极和所述第二电极均为由在各自的预定方向上延伸的大量电极形成的梳齿状电极，并且所述待处理气体流经由所述梳齿状电极、所述电介质材料和所述催化剂介质形成的空间。

本发明的第八方面是根据本发明第一至第七方面中任一项的气体处理装置，其中，所述等离子体是无声放电、沿面放电、电晕放电和脉冲放电的放电等离子体中的至少一种。

本发明的第九方面是根据本发明第一至第八方面中任一项的气体处理装置，其中，所述金属催化剂颗粒是由Pt、Au、CeO₂、PdO、MnO₂、CuO和Ag中的至少一种制成的。

本发明的第十方面是根据本发明第一至第九方面中任一项的气体处理装置，其中，所述电源单元以0.5kHz以上的输出频率来提供电力。

本发明的第十一方面是一种气体处理方法，包括：通过在设置有用于加速与待处理气体的氧化分解反应的催化剂介质的范围内进行放电来生成等离子体；以及使所述待处理气体流经所述等离子体来进行氧化分解。

本发明的第十二方面是根据本发明第十一方面的气体处理方法，其中，以0.5kHz以上的输出频率来提供电力以引发放电，由此生成所述等离子体。

附图说明

图1是本发明的实施方式的气体处理装置的示意性剖面图。

图2是本发明的实施方式的固定有催化剂微粒的催化剂介质的示意图。

图3是本发明的另一实施方式的催化剂介质的示意图。

图4是本发明的另一实施方式的催化剂介质的示意图。

图5是本发明的另一实施方式的催化剂介质的示意图。

图6是本发明的另一实施方式的气体处理装置的示意图。

图7是本发明的另一实施方式的气体处理装置的示意图。

图8是本发明的另一实施方式的气体处理装置的剖面示意图。

图9是本发明的另一实施方式的气体处理装置的剖面示意图。

图10是本发明的另一实施方式的气体处理装置的剖面示意图。

图11是本发明的另一实施方式的气体处理装置的剖面示意图。

图12是本发明的另一实施方式的气体处理装置的剖面示意图。

附图标记说明

100 催化剂介质

200 气体处理装置

300 另一实施方式的气体处理装置

400 另一实施方式的气体处理装置

500 另一实施方式的气体处理装置

600 另一实施方式的气体处理装置

700 另一实施方式的气体处理装置

800 另一实施方式的气体处理装置

1-a 催化剂微粒

1-b 无机微粒

1-c 无机颗粒

2 硅烷单体

3 化学结合

4 氧化膜

5 微孔

8 放电空间

9 等离子体存在区域

10 基板

11 施加电极

12 接地电极

13 电介质材料

14 电源

具体实施方式

下面，对本发明的实施方式进行说明。

(第1实施方式)

图1是表示本发明的实施方式的气体处理装置200的剖面的示意性视图。气体处理装置200设置在供应气体的流道内，所供应的气体包含待处理气体。在图1中，气体处理装置200为下述装置，即，利用在气体处理装置200中产生的等离子体和催化剂介质100的功能进行氧化分解，由此将以箭头A的方向供应到气体处理装置200的包含待处理气体的气体转换成CO₂。

气体处理装置200设置有施加电极(application electrode)11、接地电极12、电介质材料13、催化剂介质100和作为供电单元的(高压)电源14。在气体处理装置200中，施加电极11、接地电极12、电介质材料13和电源14构成了用于产生等离子体的构件和装置(等离子体发生单元)。当由电源14施加电压时，在施加电极11与电介质材料13之间由施加电极11、接地电极12和电介质材料13产生放电，由此形成非热等离子体反应层。在气体处理装置200中，施加电极11、催化剂介质100、接地电极12和电介质材料13被配置为彼此紧密接触。施加电极11和接地电极12之一为第一电极，另一为第二电极。在其他实施方式中，将多个施加电极11和多个接地电极12组合。即使该情形下，其中一种电极均为第一电极，另一种电极均为第二电极。

施加电极11是由电源14施加电压的电极。接地电极12通过接地线12a接地。施加电极11、接地电极12和电介质材料13具有气体可以穿过这些电极的可透气结构。施加电极11、接地电极12和电介质材料13的结构的具体例子可以包括格子结构、帘状结构、通过打孔处理得到的多孔结构，以及丝网(expanded mesh)结构。也可使用两个以上的上述结构组合而成的结构。施加电极11和接地电极12可以为针状结构。施加电极11、接地电极12和电介质材料13可以为上述形状和结构当中相同的形状和结构。在图1中，施加电极11具有大量网格样的小孔，而接地电极12和电介质材料13具有少量通过打孔处理得到的多孔结构之类的大孔。

作为施加电极11和接地电极12，可使用具有电极功能的材料。作为施加电极11和接地电极12的材料，可使用Cu、Ag、Au、Ni、Cr、Fe、Al、Ti、W、Ta、Mo、Co等金属以及它们的合金。

电介质材料13可以具有作为绝缘体的特性。电介质材料13的材料实例可以包括ZrO₂、γ-Al₂O₃、α-Al₂O₃、θ-Al₂O₃、η-Al₂O₃、非晶Al₂O₃、氮化铝、多铝红柱石、皂石、镁橄榄石、堇青石、钛酸镁、钛酸钡、SiC、Si₃N₄、Si-SiC、云母和玻璃等无机材料，以及聚酰亚胺、液晶聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚氟乙烯(PVF)、聚亚乙烯基二氟化物(PVDF)、聚醚酰亚胺和聚酰胺酰亚胺等聚合物。考虑到等离子体耐受性和耐热性，更优选无机材料。

当下述催化剂介质100具有作为电介质材料的功能(例如，当催化剂介质的一部分是绝缘体)时，催化剂介质100可以被用作电介质材料。在这种情况下，可以不设置电介质材料13。

接下来说明催化剂介质100。图2是表示该实施方式的催化剂介质100的剖面的一部分的示意性视图。催化剂介质100是一种用于加速通过氧化分解将待处理气体转换成二氧化碳(CO₂)的反应的催化剂。在该实施方式中，由于催化剂介质100受等离子体的作用，因此进一步加速了经催化剂介质100加速过的氧化分解反应。

本实施方式的催化剂介质100是气体可以穿过的可透气的板状或片状构件。催化剂介质100包括基板10和固定到基板10上的催化剂1等。催化剂介质100被设置在存在由等离子体产生单元产生的等离子体的位置(区域)。在本实施方式中，催化剂介质100具体地设置在施加电极11与电介质材料13之间(放电空间中)。气体可以沿着图2中虚线双头箭头B的方向穿过催化剂介质100。因此，本发明的催化剂介质100具有以下结构，即，催化剂1被固定到基板10上以保持透气性。基板10具有过滤器结构、网结构等的可透气结构，或者通过打孔等处理而在板状构件上形成多个孔的结构。优选的是，在气体处理装置200中，催化剂介质100被设置为，固定有催化剂1的面朝向施加电极11一侧(气流方向的上流侧)。例如，当基板10具有过滤器状或网状结构时，能够在基板10内形成空间。在这种情况下，根据制造催化剂介质100的方法，可将催化剂1固定到基板10的内部。另一方面，催化剂1可被固定到基板10的两面。当催化剂1被固定到基板10的内部或者基板10的两面时，催化剂介质100可以朝向任一方向设置。

在催化剂1中，催化剂微粒1-a由载体微粒1-b支持。通过化学结合3将结合于各载体微粒1-b的硅烷单体2结合到基板10上，而将催化剂1固定到基板10上。下面说明利用硅烷单体2的固定。

催化剂1的催化剂微粒1-a并没有限制，只要它们具有加速通过氧化分解将待处理气体转换成CO₂的反应的功能即可。优选的是，催化剂微粒可以由具有高氧化催化剂功能的Au、Pt、CeO₂、PdO、MnO₂或者CuO制成。

催化剂微粒1-a可具有约0.5nm以上和约200nm以下的粒径。要固定到载体微粒1-b上的催化剂微粒1-a的量优选为0.1～20质量％，更优选为0.5～10质量％。如果支持20质量％以上的催化剂微粒，则作为催化剂微粒1-a的催化剂微粒之间发生凝集。这是由于催化剂活性低造成的。如果量为0.1质量％以下，则无法获得足够的催化剂活性。因此不优选该范围。

催化剂微粒1-a需包括至少用于加速上述通过氧化分解将待处理气体转换成二氧化碳的反应的催化剂功能的微粒，但是催化剂微粒1-a也可与其它物质相组合。具体来讲，催化剂微粒1-a可以是催化剂微粒和助催化剂微粒的混合物，或者包括通过将各种金属元素与催化剂微粒进行组合而获得的复合微粒的复合催化剂。在催化剂微粒被单独使用或者当助催化剂被混合在催化剂微粒中的情形下，催化剂微粒可具有多面体状且其尺寸可落在上述范围内。当使用与其它金属元素组合的复合微粒时，催化剂微粒的尺寸可以落在上述范围内。被用作助催化剂或复合催化剂的、催化剂微粒以外的金属微粒(纳米颗粒)的例子可以包括诸如Pt、Pd和Ir等贵金属及其氧化物，以及碱金属及其氧化物。两种以上的贵金属及其氧化物和碱金属及其氧化物的微粒可以混合并由载体微粒1-b的表面支持。

载体微粒1-b是支持催化剂微粒1-a的颗粒，催化剂微粒1-a通过载体微粒1-b固定到基板10上。载体微粒1-b并不限于特定微粒，只要能够支持催化剂微粒1-a即可。优选的是，作为载体微粒1-b，可以使用主要具有物理吸附性质的金属氧化物或无机化合物。

金属氧化物例如可包括γ-Al₂O₃、α-Al₂O₃、θ-Al₂O₃、η-Al₂O₃、非晶Al₂O₃、TiO₂,ZrO₂、SnO₂、SiO₂、MgO、ZnO₂、Bi₂O₃、In₂O₃、MnO₂、Mn₂O₃、Nb₂O₅、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄、Sb₂O₃、CuO、Cu₂O、NiO、Ni₃O₄、Ni₂O₃、CoO、Co₃O₄、Co₂O₃、WO₃、CeO₂、Pr₆O₁₁、Y₂O₃、In₂O₃、PbO和ThO₂等的单一无机氧化物。金属氧化物例如可以是SiO₂-Al₂O₃、SiO₂-B₂O₃、SiO₂-P₂O₅、SiO₂-TiO₂、SiO₂-ZrO₂、Al₂O₃-TiO₂、Al₂O₃-ZrO₂、A1₂O₃-CaO、A1₂O₃-B₂O₃、A1₂O₃-P₂O₅、Al₂O₃-CeO₂、A1₂O₃-Fe₂O₃、TiO₂-CeO₂、TiO₂-ZrO₂、TiO₂-WO₃、ZrO₂-WO₃、SnO₂-WO₃、CeO₂-ZrO₂、SiO₂-TiO₂-ZrO₂、Al₂O₃-TiO₂-ZrO₂、SiO₂-Al₂O₃-TiO₂或SiO₂-TiO₂-CeO₂或铈-锆-铋复合氧化物等的复合氧化物。铈-锆-铋复合氧化物是由通式Ce1-X-YZrXBiYO2-δ表示的固溶体，其中X、Y和δ分别落在0.1≤X≤0.3、0.1≤Y≤0.3和0.05≤δ≤0.15的范围内。

具有物理吸附性质的无机化合物的例子可包括硅酸盐，所述硅酸盐包括：沸石A、沸石P、沸石X和沸石Y等的合成沸石，斜发沸石、海泡石、丝光沸石等的天然沸石，高岭石、蒙脱石、酸粘土和硅藻土等的层状硅酸盐化合物，硅灰石和柱星叶石等的环状硅酸盐化合物。还可以包括例如磷酸化合物，所述磷酸化合物包括磷酸三钙、磷酸氢钙、焦磷酸钙、偏磷酸钙、羟磷灰石、活性炭、多孔玻璃。

要使用的载体微粒1-b是根据待处理气体的类型来选择的。载体微粒1-b的平均粒径可以是0.1μm以上、500μm以下。载体微粒1-b可以单用一种，也可以使用两种以上载体微粒1-b作为混合物。这里使用的平均粒径是指体积平均粒径。除非有特殊说明，否则本说明书中的平均粒径均表示体积平均粒径。

下面来说明制造催化剂1的方法。该催化剂1的制造方法可以是催化剂微粒1-a具有多面体结构并能够被固定到载体微粒1-b上的方法。该方法例如可包括共沉淀法、沉积-沉淀法、溶胶-凝胶法、滴下中和-沉淀法、还原剂添加法、pH控制中和-沉淀法以及羧酸金属盐添加法。可以根据载体的类型适当地使用上述方法。

基板10是固定催化剂1的、构成作为板状构件的催化剂介质100的基板。基板10具有上述的可透气结构。例如，可以使用具有通过打孔形成的许多通孔的片状基板，或者具有由织布、编织物或无纺布制成的具有纤维结构(过滤器状)的纤维、布状或网状结构。另外，可以根据使用目的适当使用具有多种形状和尺寸的基板。

优选的是，基板10可以由具备优良等离子体耐受性和耐热性的无机材料制成。需要等离子体耐受性是因为基板10被置于存在等离子体的区域中。当基板10具有等离子体耐受性时，催化剂介质100的催化剂功能可以长期维持。需要耐热性是因为要在气体处理装置200中处理的气体可以是在燃烧燃料过程中释放的废气并且具有相对较高的温度。在对废气进行处理时，基板需要具备耐热性。等离子体耐受性是在等离子体环境下的耐久性，表现为难以被等离子体腐蚀。

优选的是，用于基板10的无机材料具体为金属材料、陶瓷或玻璃，更优选为金属、金属氧化物或玻璃。在本实施方式中，支持催化剂微粒1-a的载体微粒1-b通过硅烷单体2被固定到基板10上。在硅烷单体2经由脱水缩合反应与基板10共价结合的情形下，优选在基板10表面形成氧化物薄膜。

作为用于本发明的基板10的金属材料，可使用例如钨、钼、钽、铌、钛锆钼(TZM)、钨铼(W-Re)等高熔点金属，银和钌等贵金属及其合金或氧化物，钛、镍、锆、铬、因科内尔(inconel)铬镍铁合金、哈斯特洛伊(hastelloy)耐蚀镍基合金等的特殊金属，铝、铜、不锈钢、锌、镁、铁等的通用金属以及包括上述通用金属的合金或上述通用金属的氧化物。此外，通过各种电镀、真空蒸镀、CVD法或溅射法而形成有上述金属、合金或氧化物的膜的构件可被用作金属材料。

通常在金属表面和合金表面形成有自然氧化的薄膜。为了将硅烷单体2与之结合，可以使用该自然氧化的薄膜。在此情况下，优选通过公知方法预先去除粘附在氧化薄膜表面的油渍和灰尘。这是因为载体微粒1-b可以稳定且均匀地固定。可以通过已知的化学方法或已知的电化学方法例如阳极氧化来代替使用自然氧化膜来结合硅烷单体2，在金属表面或者合金表面形成氧化薄膜。

作为用于本发明的基板10的陶瓷，可以使用如素烧陶器、陶器、炻器、瓷器等陶瓷制品，和玻璃、水泥、石膏、搪瓷或精细陶瓷等陶瓷。作为陶瓷制品的成分，可以使用基于元素系、氧化物系、氢氧化物系、碳化物系、碳酸盐系、氮化物系、卤化物系或者磷酸盐系陶瓷制品，或者它们的复合物。

作为用于本发明的基板10的陶瓷，可以使用钛酸钡、锆钛酸铅、铁氧体、铝土、镁橄榄石、氧化锆、锆英石、莫来石、滑石、堇青石、氮化铝、氮化硅、碳化硅、新碳(new carbon)、新玻璃(new glass)等，或高强度陶瓷、功能陶瓷、超导陶瓷、非线性光学陶瓷、抗菌陶瓷、可生物降解陶瓷和生物陶瓷等陶瓷。

作为用于本发明的基板10的玻璃，可以使用碱石灰玻璃、钾玻璃、水晶玻璃、石英玻璃、硫属玻璃、铀玻璃、水玻璃、极化玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、耐热玻璃/硼硅玻璃、防弹玻璃、玻璃纤维、双色玻璃、金星玻璃(红金星玻璃、砂金石、蓝金星玻璃)、玻璃陶瓷、低熔点玻璃、金属玻璃或蓝宝石玻璃(saphiret)等玻璃。

另外，作为本发明的基板10，可以使用水泥。水泥包括普通硅酸盐水泥、快硬(高快固，high-early-strength)硅酸盐水泥、超快硬硅酸盐水泥，或中度加热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、作为通过向硅酸盐水泥中添加高炉矿渣、粉煤灰和硅质混合剂等而获得的混合水泥的硅酸盐高炉矿渣水泥、硅石水泥、粉煤灰水泥等。

此外，作为本发明的基板10，可以使用二氧化钛、氧化锆、氧化铝、二氧化铈(氧化铈)、沸石、磷灰石、二氧化硅、活性炭、硅藻土等。作为本实施方式的无机氧化物，可以使用铬、锰、铁、钴、镍、铜和锡等金属的氧化物。

接下来说明将催化剂1固定到基板10上的方法。通过化学结合3(共价键)将结合在支持催化剂微粒1-a的载体微粒1-b的表面上的硅烷单体2与基板10结合，而将本实施方式中的催化剂1保持于基板10，所述化学结合3是通过脱水缩合反应形成的。

下面来说明通过硅烷单体2将支持催化剂微粒1-a的载体微粒1-b结合到基板10上的机制。结合到载体微粒1-b上的硅烷单体2被取向为，不饱和结合点或者反应官能团相对于载体微粒1-b朝向外侧并结合。这是因为，位于每个硅烷单体2一端的亲水硅醇基团被吸引到载体微粒1-b的亲水表面。另一方面，因为位于另一端的不饱和结合点或反应官能团是疏水性的，所以它趋于远离载体微粒1-b的表面。因此，每个硅烷单体2的硅醇团都通过脱水缩合反应而共价结合到载体微粒1-b的表面，结果，硅烷单体2易于被取向为，不饱和结合点或反应官能团朝向外侧。因此，许多硅烷单体2共价结合到载体微粒1-b，且不饱和结合点或反应官能团朝向外侧。硅烷单体2的结合到载体微粒1-b的表面并朝向外侧的不饱和结合点或反应官能团彼此结合。结果，载体微粒1-b彼此结合。另外，不饱和结合点或反应官能团还结合到基板10的表面，由此将载体微粒1-b固定于基板10。

换言之，本实施方式所使用的催化剂介质100中，使用了均具有不饱和结合点或反应官能团且反应性优异的硅烷单体2。因此，基板10上的多个载体微粒1-b通过硅烷单体2的不饱和结合点或反应官能团之间的化学结合3彼此结合。此外，化学结合3是由朝向基板10的载体微粒1-b的表面上的硅烷单体2与基板10的表面之间的不饱和结合点或反应官能团形成的。结果，载体微粒1-b被固定于基板10。

通过脱水缩合反应共价结合到载体微粒1-b上的各硅烷单体2的不饱和结合点或反应官能团的例子可以包括乙烯基团、环氧基团、苯乙烯基团、甲基丙酸烯基团、丙烯酰氧基基团和异氰酸酯基团。

上述具有不饱和结合点或反应官能团的硅烷单体2的例子可以包括乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、N-β-(N-乙烯基苄基氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-(乙烯基苄基)-2-氨乙基-3-氨丙基三甲氧基硅烷的盐酸盐、2-(3,4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、3-缩水甘油氧基丙基三乙氧基硅烷、对苯乙烯基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、3-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和3-异氰酸酯丙基三乙氧基硅烷。

接下来说明通过将催化剂1固定于基板10来制造催化剂介质100的方法。

具有不饱和结合点或反应官能团的硅烷单体2被共价结合到支持催化剂微粒1-a的载体微粒1-b上。硅烷单体2可以通过通用方法结合到载体微粒1-b上。例如，方法可以包括将硅烷单体2添加到分散溶液中，所述分散溶液是，将支持催化剂微粒1-a的载体微粒1-b分散于水、甲醇、乙醇、甲乙酮(MEK)、丙酮、二甲苯或甲苯等的分散介质，然后在回流下加热，由此通过脱水缩合反应将硅烷单体2共价结合到载体微粒1-b的表面。

下面说明另一种方法。支持催化剂微粒1-a的载体微粒1-b被粉碎成更细小的微粒。该更细小的微粒被分散于上述分散介质中的任意一种以获得分散溶液。将硅烷单体2添加于该分散溶液。另选的是，硅烷单体2被添加于支持催化剂微粒1-a的载体微粒1-b，将该混合物粉碎成更细小的微粒，这些更细小的微粒被分散于分散介质。分散溶液经过固液分离，所得产物在100℃到180℃下加热，使得硅烷单体2通过脱水缩合反应共价结合到载体微粒1-b的表面。

催化剂1中的硅烷单体2的量取决于载体微粒1-b的平均粒径。然而，当该量相对于载体微粒1-b的量为0.01质量％以上、40质量％以下时，载体微粒1-b之间的结合以及载体微粒1-b与基板10之间的结合的结合强度足以进行实际应用。此外，可以存在与结合无关的过量硅烷单体2。

然后，化学结合到硅烷单体2的表面的载体微粒1-b被混合并分散在分散介质中，例如甲醇、乙醇、甲乙酮(MEK)、丙酮、二甲苯和甲苯。为了加速分散，需要的话，可以添加表面活性剂、盐酸和硫酸等无机酸、醋酸和柠檬酸等羧酸等。接下来，利用珠磨机、球磨机、砂磨机、辊磨机、振动磨机、或均质机等装置将载体微粒1-b压碎并分散于分散介质，制作包含载体微粒1-b的浆料。

将上述获得的、分散有载体微粒1-b的浆料涂覆到基板10的表面。将浆料涂覆在基板10上的方法并无特定限制，只要能根据需要涂覆浆料即可，浆料可以通过普遍使用的旋涂法、浸涂法、喷涂法、铸涂法、辊涂法、微凹印涂布法或凹印涂布法来涂覆。

如有必要，则通过加热或干燥来去除分散介质。结果，载体微粒1-b化学结合至基板10。具体来说，分散介质被移除以在载体微粒1-b表面的硅烷单体2之间形成化学结合3。由此，载体微粒1-b彼此结合，并且在硅烷单体2与基板10之间形成了化学结合3。结果，载体微粒1-b被固定于基板10。

在本实施方式中，优选的是，作为通过化学结合3将硅烷单体2结合到基板10上的方法，使用通过接枝聚合的结合方法。可采用的接枝聚合的例子可以包括使用过氧化物催化剂的接枝聚合、使用热能或光能的接枝聚合，以及使用辐射的接枝聚合(辐射接枝聚合)。根据基板10和载体微粒1-b的形状和配置来适当选择要使用的接枝聚合。

为了有效且均匀地对硅烷单体2进行接枝聚合，可以预先对基板10的表面进行亲水处理，所述亲水处理包括电晕放电处理、等离子体放电处理、火焰处理，以及利用铬酸或过氯酸等氧化酸的水溶液或者包含氢氧化钠的碱性溶液进行的化学处理。

上面说明了催化剂介质和产生方法。根据上述的催化剂介质100，与基板10接合的载体微粒1-b通过硅烷单体2被牢固地固定于基板10。因此，可切实阻止催化剂1与基板10的分离。

气体处理装置200中使用的电源14是可以施加高电压的电源。作为电源14，可以使用交流(AC)高压和脉冲高压的高压电源、在直流(DC)偏置上叠加AC电压或脉冲电压的电源等。AC高压例如可包括正弦波交流电压、矩形波交流电压、正切波交流电压和锯齿波交流电压。可以由电源14向施加电极11和接地电极12施加预定电压，使得在施加电极11、接地电极12和电介质材料13形成的放电空间中生成等离子体。电源14施加的电压根据待处理气体的浓度等而改变，通常为1～20kV，优选为2～10kV。由电源14施加的电能所引起的放电类型并无特定限制，只要可以产生等离子体即可。例如，放电可以是无声放电、沿面放电、电晕放电、脉冲放电等。可以将两种以上放电进行组合来生成等离子体。

优选的是，电源的输出频率是高频，具体地，输出频率可以是0.5kHz以上。输出频率优选为0.5kHz以上、15kHz以下。当频率低于0.5kHz时，产生的中间产品和臭氧的量会增大。当频率高于15kHz时，任何待处理气体的氧化分解都受抑制。

以上说明了本实施方式的气体处理装置200的构造。

接下来说明本实施方式中的气体处理装置200对气体进行的氧化分解处理。在本实施方式中，在气体处理装置200中的待处理气体是包含以下至少任意一种的气体：挥发性有机化合物(VOC)等的包含在燃料、溶剂等中的挥发物，以及一氧化碳。待处理气体是包含多种气体的混合气体或单种气体。VOC的具体例子可包括苯、二甲苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、对二氯苯、邻苯二甲酸-2-乙基己酯等的芳香族碳氢化合物，以及包括丙酮、甲乙酮(MEK)等酮，异丙醇、甲醇等醇，乙酸乙酯和邻苯二甲酸二丁酯等酯，甲醛和乙醛等醛等，具有C＝O双键(羰基)的化合物。其例子还可以包括乙烯和十四烷等烷烃，毒死蜱和二嗪农等有机磷化合物，三氯乙烯，以及四氯乙烯。

用于产生等离子体的电源的优选输出频率随待处理气体的变化而改变。如果待处理气体的成分是预先指定的，则可以根据气体来设置输出频率。具体来讲，当气体是CO时，输出频率优选为0.5kHz以上、15kHz以下。当气体是乙烯等烷烃时，输出频率优选为0.5kHz以上、7kHz以下，而当气体是另一种VOC时，输出频率优选为0.5kHz以上和15kHz以下。当输出频率落在上述范围内时，不产生中间产品和臭氧，气体则被氧化和分解。因此，如果在已经指定了气体的情况下将输出频率设定在该范围之内，就可以确定地对气体进行氧化分解处理，而不产生中间产品和臭氧。

为了对气体进行处理，用电源14对施加电极11施加电压。在这种状态下，在图1中从施加电极11侧到接地电极12侧的方向(箭头A的方向)上供应包含待处理气体的气体。由此，无需加热，在室温下利用等离子体和催化剂就对待处理气体进行氧化，使其分解为CO2。在仅使用催化剂的情况下，催化剂微粒的表面由于和气体接触而中毒。结果，催化剂活性可能丧失，未转换为CO2的一氧化碳可能会残留，并且可能会产生诸如甲醛的中间物。然而，当结合等离子体来使用催化剂时，催化剂表面是清洁的并且催化剂活性得以保持。此外，几乎不产生反应中间物，并且待处理气体通过氧化分解被转换为CO2。

本实施方式的气体处理装置200可以处理待处理气体，将其分解为CO2以使之无害，并在常温下将无害气体释放到空气中。VOC是一种能够被本实施方式的空气处理装置200处理的气体，例如可以包括从工厂或办公室中使用的涂覆材料、粘合剂、清洁剂等中的有机溶剂中挥发的物质。例如还可以包括从诸如重油、煤油、液化石油气(LPG)和人工煤气等的燃料中挥发的物质以及在燃烧燃料的过程中未燃的气体。另外的例子可以包括从农产品产生的乙烯。另外，其例子还可以包括从车辆的内部材料、住宅建筑材料和内部材料，以及从家电设备的壳体和组件挥发的物质。例如，作为待处理气体的一氧化碳是在工厂或厨房、或者在家用加热电器中的燃烧过程中由于不完全燃烧而产生的。包含此类待处理气体的气体流经催化剂介质100并同时受等离子体作用。因此，待处理气体可不被加热并通过氧化分解有效地转换为CO2而无害化，并且无害气体可以释放到空气中。

本实施方式中，说明了气体处理装置200设置有催化剂1作为独立催化剂介质100。然而，本发明并不限于该实施方式。等离子体生成单元可以被配置为与催化剂介质成一体。具体来讲，催化剂1可以被配置为，使催化剂微粒1-a固定在施加电极11、接地电极12或电介质材料13的表面。上述配置可以进行组合。

本实施方式被配置为电介质材料与接地电极12紧密接触，但是本发明并不限于本实施方式。只要可以生成等离子体并且电介质材料13可以与施加电极11和接地电极12中的至少一方紧密接触即可。此外，可以设置成一个电介质材料13与施加电极11紧密接触而另一个电介质材料13与接地电极12紧密接触，并且可以将催化剂介质100设置在两个电介质材料13之间。

本实施方式中，说明了催化剂介质100设置在施加电极11与电介质材料13之间，但是本发明并不限于该实施方式。当催化剂介质100位于气流通道中存在等离子体的位置时，待处理气体通过氧化分解被转换成CO₂的处理会得到加速。因此，催化剂介质100可以设置在包括有施加电极11、电介质材料13和接地电极12的等离子体生成单元的气流方向的下流侧。

本实施方式中，说明了施加电极11设置在气流方向的下流侧，但是本发明并不限于该实施方式。气体可流自接地电极12侧。

本实施方式中，说明了支持催化剂微粒1-a的载体微粒1-b通过硅烷单体2等的硅烷化合物来固定，但是本发明并不限于该实施方式。载体微粒1-b可以通过包括一般树脂的粘合剂来固定。除了化学结合以外，还可以使用诸如范德华力和物理吸附之类的已知固定方法。

在上述本实施方式的气体处理装置200中，可以通过等离子体与催化剂媒体100的组合对待处理气体进行有效氧化和分解，以加速待处理气体被氧化和分解的反应。此外，即使催化剂1在分解处理的过程中中毒，催化剂1也可以被等离子体解毒。因此，能够长期维持催化剂介质100的催化活性。在根据本实施方式的气体处理装置200中，能够长期稳定地对待处理气体进行氧化分解。此外，在本实施方式中，如果结合到基板10的载体微粒1-b通过硅烷单体2结合到基板10，则催化剂1被牢固地固定到基板10上。因此，可以抑制脱离。相应地，可以防止催化剂1掉落，并且可以长期稳定地维持对待处理气体的氧化分解性能。

(第二实施方式)

接下来说明第二实施方式。图3是表示根据本实施方式的催化剂介质100的一部分剖面的示意性视图。以下，用相同符号表示与第一实施方式中的部件相同的部件，并省略其说明。

在本实施方式的催化剂介质100中，催化剂微粒1-a通过范德华力、物理吸附等固定到基板10的表面。本实施方式的催化剂微粒1-a没有与无机微粒固定而是直接固定到基板10的表面。优选的是，催化剂微粒1-a的粒径与第一实施方式中的相同。

被基板10所支持的催化剂微粒1-a的量相对于基板10的量优选为0.5～20质量％，更优选为0.5～10质量％。这是因为当该量是20质量％以上时，催化剂微粒1-a会聚合从而降低催化活性。

对基板10上的催化剂微粒1-a进行支持的方法并无特定限制。该方法的具体例子以包括共沉淀法、沉积-沉淀法、溶胶-凝胶法、滴下中和-沉淀法、还原剂添加法、pH控制中和-沉淀法以及羧酸金属盐添加法。可以根据载体的类型适当使用上述方法。

下面将参照沉积-沉淀法来具体说明本发明的用于调节催化剂介质的方法。在沉积-沉淀法中，在20～90℃，优选为50～70℃的温度下对溶解有金化合物的水溶液进行加热并搅拌，同时用碱性溶液将该溶液的pH值调节为3～10，优选为5～8。将调节后的溶液添加到基板10上，然后在100到200℃下加热并干燥。

金化合物水溶液的例子可以包括HAuCl₄·4H₂O、NH₄AuCl₄、KAuCl₄·nH₂O、KAu(CN)₄、Na₂AuCl₄、KAuBr₄·2H₂O和NaAuBr₄。金化合物的浓度优选为1×10^-2～1×1^-5mol/L。

根据本实施方式，催化剂微粒1-a被直接固定到基板10。因此，基板本身充当了载体。进而不需要载体微粒，而能获得抑制催化剂微粒聚合的效果。

在本实施方式中，催化剂微粒1-a可以是与助催化剂混合的混合颗粒或者复合颗粒。

在催化剂介质100中，除了催化剂微粒1-a以外，还可以在基板10的表面上支持锰、钴等的氧化物。这是因为，氧化物微粒抑制了有害物质与催化剂微粒1-a的粘附从而长期稳定地维持催化剂活性。具体来讲，氧化物微粒可以阻止未被等离子体分解的无机物质的有害物质附着到催化剂微粒1-a，因此是有效的。在本实施方式中，金(Au)被用作催化剂微粒1-a。当然，使用在第一实施方式中例示的Pt、CeO₂、PdO等，同样也能制造催化剂介质100。

(第三实施方式)

接下来说明第三实施方式。图4是表示该实施方式的催化剂介质100的部分示意性剖视图。在第三实施方式的催化剂介质100中，在通气方向上可透气的容器内填充有大量无机颗粒1-c，无机颗粒1-c上固定有催化剂微粒1-a。当包含待处理气体的气体在图4所示的通气方向上流过时，该气体流过无机颗粒1-c之间的空间，并且与无机颗粒1-c上的催化剂微粒1-a接触。结果，加速了氧化分解反应，将待处理气体转换成CO₂。本实施方式的支持催化剂微粒1-a的无机颗粒1-c的容器可具有保证透气性且无机颗粒1-c不会泄漏到外部的结构。例如，在该结构中，气体流进的面和气体流出的面可以具有孔径小于无机颗粒1-c粒径的孔。容器的材料无特定限制，可以使用上述实施方式中的基板10的材料。

作为本实施方式的无机颗粒1-c的材料，可以使用与无机颗粒1-b相同的物质。要使用的材料可根据要分解的气体的类型来选择。无机颗粒1-c的平均粒径可以是100μm以上、5000μm以下，优选为100μm～1000μm。无机颗粒可以单独使用或者可以两种以上混用。

催化剂微粒1-a被固定到无机颗粒1-c的表面。制造无机颗粒1-c和催化剂微粒1-a的复合颗粒的方法(当与其他功能微粒组合使用时，制造作为母颗粒的无机颗粒1-c的复合颗粒、催化剂微粒1-a和其他功能微粒)并无特定限制，只要无机颗粒1-c可以与催化剂微粒1-a进行组合即可。例如，当无机颗粒1-c和子颗粒(催化剂微粒1-a)在研钵中混合时，可以形成催化剂微粒1-a嵌入在无机颗粒1-c中的复合颗粒。此外，复合颗粒可以通过机械化学方法来形成。机械化学方法的例子可以包括高速气流撞击法和表面融化法，前者是无机颗粒1-c与催化剂微粒1-a撞击以机械地将无机颗粒1-c结合到子颗粒，而后者是对无机颗粒1-c和催化剂微粒1-a施加高压以通过所产生的能量将无机颗粒1-c结合到催化剂微粒1-a。

作为能够通过将催化剂微粒1-a嵌入到无机颗粒1-c中进行固定来形成复合颗粒的装置，例示了通用球磨机。此类装置的其他例子可以包括旋转刀片型装置，包括KAWATA MFG公司制造的超级混合器；和震荡型装置，包括ASADA IRON WORK公司制造的PAINT SHAKER。另外，例如还可包括Nara Machinery公司制造的Hybridization System(注册商标)、Hosokawa Micron公司制造的Mechanofusion(注册商标)以及介质浆料干燥机(media slurry dryer)。然而，该装置并不具体限于上述装置。

在另一混合方法中，例如可以使用滚筒式球磨机、高速旋转粉碎机、高速气流冲击型粉碎机、介质搅拌磨或机械融合设备。作为高速旋转粉碎机的运行因数，对搅拌速度、介质量、搅拌时间等进行调节。通过该调节，可以调整催化剂微粒1-a嵌入无机颗粒1-c的程度(深度)。作为高速气流冲击型粉碎机的运行因数，对载体气体的压力、停留时间等进行调节。通过该调节，可以调节催化剂微粒1-a嵌入无机颗粒1-c的程度。

在组合过程中，将无机颗粒1-c和催化剂微粒1-a供应给能够产生上述复合微粒的组合装置，使得催化剂微粒1-a相对于无机颗粒1-c的比率是0.5质量％以上、40质量％以下。在使用该装置的组合过程中，催化剂微粒1-a嵌入无机颗粒1-c。所形成的复合微粒彼此碰撞以将催化剂微粒1-a更深入地嵌入无机颗粒1-c。结果是，形成平滑表面，使得催化剂微粒1-a不会从无机颗粒1-c的表面突出。

根据本实施方式，催化剂微粒1-a由具有相对较大的粒径的无机颗粒1-c支持。因此，催化剂微粒1-a不聚合。此外，由于粒径较大，颗粒难以分散。因此，不必将催化剂微粒固定到基板。

(第四实施方式)

下面说明第四实施方式。图5是表示根据本实施方式的催化剂介质100的一部分剖面的示意性视图。在本实施方式的催化剂介质100中，催化剂微粒1-a固定在多孔氧化膜的微孔内部。

在本实施方式的催化剂介质100中，在基板10的表面形成有氧化膜4。在氧化膜4上形成有许多微孔5。形成于氧化膜4的每个微孔5都填充有催化剂微粒1-a。因为催化剂介质100必须可透气，所以通过打孔形成穿过催化剂介质100的多个孔。优选的是，本实施方式的催化剂介质100被设置成，在气体处理装置200中，使氧化膜4一侧的催化剂介质100与电极对置并朝向气流方向的上游侧。

在催化剂介质100中，对金属板进行阳极氧化处理以形成氧化膜，并通过黏着将其固定到由第一实施方式中例示的任意材料形成的基板10的表面。另选的是，对作为基板10的金属板进行氧化以在基板10的表面形成氧化膜4。金属板的例子可以包括铝、钽、铌、钛、铪、锆、锌、钨、铋和锑。由于易于通过阳极氧化形成微孔，所以优选铝和钛。尽管对金属板的形状无特定限制，但是其整体厚度优选为0.05～1.0mm，更优选为0.08～0.35mm，最优选为0.1～0.3mm。

作为氧化方法，可以使用任何已知方法。例如，可以使用以下方法，即，在酸浓度为1～10质量％的溶液中，电流流过作为阳极的、形成有氧化膜的金属板。作为在阳极氧化处理中使用的溶液，例如可以使用磷酸、铬酸、草酸、硫酸、柠檬酸、丙二酸、酒石酸的水溶液。为了控制结晶度，可进行热处理。在形成具有诸如γ-氧化铝或α-氧化铝的结晶度的氧化膜时，可以使用在包含碳酸钠或磷酸钠的水溶液中对铝进行火花放电的方法，或者在包含硫酸氢钠和硫酸氢铵的熔盐中进行阳极氧化的方法。根据金属板的金属材料，通过阳极氧化形成微孔5。根据氧化中的诸如施加电压、处理温度、处理时间等条件，可以对微孔5的直径、微孔间距、膜厚等进行调节。

催化剂微粒1-a吸附在氧化膜4的表面。此外，催化剂微粒1-a固定于氧化膜4，即使与待处理气体相接触也不会解吸附。将催化剂微粒1-a固定到氧化膜4上的方法并无具体限定，可以采用沉积-沉淀法、沉积-还原法、浸渍法、离子交换法、共沉淀法、沉积法、揉捏法、水热合成法、气相合成法等已知方法。

根据本实施方式，当催化剂微粒1-a固定于金属材料时，这些微粒固定于氧化膜4的表面。因此，可以获得牢固固定的效果。具体来讲，当催化剂微粒1-a固定到通过阳极氧化处理而形成的微孔5的内部时，这些微粒更牢固地固定于催化剂介质100。因此，可以防止催化剂微粒1-a掉落，并且可以长期稳定地获得催化剂效果。

本实施方式被说明为催化剂微粒1-a被直接支持于氧化膜4，但是本发明并不限于该实施方式。载体微粒1-b可以沉淀在氧化膜4的表面，催化剂微粒1-a可以由载体微粒1-b的表面支持。当然，利用催化剂微粒1-a被直接支持到氧化膜4上的方法易于进行生产。

(第五实施方式)

接下来说明第五实施方式。图6是本实施方式的气体处理装置300的示意图。本实施方式是气体处理装置的另一个实施方式。具体来讲，本实施方式的气体处理装置300具有下述构造：多个在第一实施方式中说明的气体处理装置200在待处理气体的流动方向上层叠。

在本实施方式中，气体处理装置300具有多个施加电极11、多个接地电极12、多个电介质材料13、多个催化剂介质100以及一个电源14。在本实施方式的气体处理装置300中，非热等离子体反应层8通过交替放置施加电极11、接地电极12和电介质材料13而设置。支持催化剂微粒的各个催化剂介质100均被设置在非热等离子体反应层8中的施加电极11与接地电极12之间。一组施加电极11、催化剂介质100、电介质材料13和接地电极12相当于第一实施方式的气体处理装置200。多个施加电极11或者多个接地电极12中一方充当第一电极，另一方充当第二电极。此外，所述多个施加电极11、所述多个接地电极12、所述多个电介质材料13和所述电源14构成等离子体生成单元。

待处理气体沿箭头a的方向流入气体处理装置300，分解气体沿箭头b的方向从该装置排出。在气体处理装置300中，等离子体反应层8具有多层结构，其中施加电极11、接地电极12和催化剂介质100层叠在一起。每一层中均设置有支持催化剂的催化剂介质100，以形成多层结构。因此，待处理气体等可以在电极之间高度氧化和分解。

根据本实施方式，得益于多层结构，可高效氧化分解大量气体。

(第六实施方式)

下面说明第六实施方式。图7是本实施方式的气体处理装置400的示意图。图8是本实施方式的气体处理装置400的剖面的示意图。图7是表示具有图8所示结构的气体处理装置400的分解状态的分解立体图。在气体处理装置400中，施加电极11和接地电极12分别设置在板状或片状电介质材料13的一面和另一面上。在这种结构中，在电介质材料13的两面引发放电从而生成等离子体。本实施方式的气体处理装置400区别于气体处理装置200和气体处理装置300之处在于，待处理气体沿着催化剂介质100的面流动，然后被处理。下面说明本实施方式的气体处理装置400的构造，用相同符号表示与上述实施方式中相同的部件，并省略其说明。

本实施方式的施加电极11和接地电极12都是由大量电极形成的梳齿状电极。施加电极11、接地电极12和电介质材料13被设置成，使电介质材料13与施加电极11和接地电极12中的至少一个相接触。因此，所有施加电极11、接地电极12和电介质材料13均可紧密地层叠。优选的是，当催化剂介质100对应于等离子体存在区域9时，施加电极11和接地电极12的厚度薄。

当在施加电极11和接地电极12之间施加AC高压时，在施加电极11和电介质材料13之间，于电介质材料13发生沿面放电，从而生成等离子体。类似地，在接地电极12和电介质材料13之间，于电介质材料13的表面发生沿面放电，从而生成等离子体。

催化剂介质100具有与上述实施方式中的催化剂介质相同的构造。如图7所示，本实施方式的催化剂介质100设置在施加电极11和接地电极12的外部。如上所述，在气体处理装置400中，待处理气体没有流过催化剂介质100，而是沿着催化剂介质100流动以加速变为CO₂的氧化分解反应。因此，本实施方式的催化剂介质100可以具有在气体处理装置200和300中使用的可透气结构，或者无透气性的片状结构或板状结构。

当催化剂介质100具有不透气结构时，可以用压花在表面形成凹凸。如果在催化剂介质100的表面上形成了凹凸，与流动气体接触的面积就会增大。可以进一步加速将待处理气体变为CO₂的氧化分解反应。

如图7所示(箭头c-d)，在具有本实施方式的结构的气体处理装置400对气体进行处理的过程中，气体在施加电极11的梳齿之间沿梳齿流动。当气体在接地电极12一侧流动时，梳齿状电极可以是可透气的。气体沿着施加电极11的梳齿的方向(如接地电极12一侧上的箭头c-d所示)流过可透气的接地电极12。在此情况下，当催化剂介质100是可透气的时，气体可以从电极一侧穿过相邻催化剂介质100，并且气体可以从催化剂介质100穿过电极。

如图8所示，当电极薄时，等离子体存在区域9也存在于催化剂介质100的外部。如图7的箭头a-b所示，气体可以在催化剂介质100的外部流动。因此，气体在流动的同时与设置在施加电极11和接地电极12外部的催化剂介质100接触。这加速了将待处理气体转换为CO₂的氧化分解反应。此外，由施加电极11与电介质材料13之间的放电所生成的等离子体和由接地电极12与电介质材料13之间的放电所生成的等离子体加速了CO变为CO₂的氧化分解反应。

本实施方式能够提供即使气体沿着催化剂介质100的表面流动并被处理，也能够加速待处理气体变为CO₂的氧化分解反应，从而有效地将包含待处理气体的气体氧化和分解为CO₂等的气体处理装置400。具体来讲，由于气体沿着催化剂介质100的表面流动，所以气体与催化剂介质100的接触时间增加，并且可以在将待处理气体变为CO₂的氧化分解反应中获得催化剂介质100产生的反应加速效果。

在本实施方式中，能够通过在电介质材料13两侧的放电生成等离子体，并且可以通过一组施加电极11、接地电极12和电介质材料13来有效地处理气体。

本实施方式中，说明了作为气体处理装置400，施加电极11设置在电介质材料13一面侧，接地电极12设置在电介质材料13的另一面侧，而催化剂介质100设置在电极外部。然而，本发明并不限于该实施方式。气体处理装置可以具有这种结构，即，催化剂介质100与待处理气体相接触，气体流过由施加电极11、接地电极12和电介质材料13生成了等离子体的空间，等离子体由此作用于待处理气体。具体来讲，当催化剂微粒1-a被固定于电介质材料的表面，并且催化剂材料13具有和催化剂介质100一样的功能时，可以省略催化剂介质100。此外，可以采用将电极设置在催化剂介质100外部的方法、将催化剂介质100固定到电极表面上的方法，或者上述方法中两种以上的组合。当催化剂介质100和电介质材料13可透气时，待处理气体可以在不沿着梳齿而是与催化剂介质100或电介质材料13的表面垂直的方向上流动。

(第七实施方式)

下面说明第七实施方式。图9是表示该实施方式的气体处理装置500的示意性视图。本实施方式的气体处理装置500是第六实施方式的气体处理装置400的变型例。

气体处理装置500是通过在层叠电极(11和12)和电介质材料13的方向上层叠多个第六实施方式的气体处理装置400而构成的。在气体处理装置500中，与气体处理装置400中的气体流道相同地，待处理气体从电极的梳齿之间的空间穿过催化剂介质100。另选的是，当气体处理装置400被层叠时，在这些装置之间设置了间隙，使得等离子体存在区域不被中断，并且气体流过该间隙。催化剂介质100和等离子的使用加速了待处理气体变为CO₂的氧化分解反应。

根据本实施方式，气体处理装置500是通过层叠多个气体处理装置400而构成的。因此，能够更有效地将气体中的待处理气体氧化分解。

(第八实施方式)

下面说明第八实施方式。图10表示作为该实施方式的一个实施例的气体处理装置600的一部分剖面的示意性视图。在本实施方式的气体处理装置600中，通过无声放电来生成等离子体。

在气体处理装置600中，非热等离子体反应层设置有施加电极11、接地电极12和电介质材料13，通过高压电源14施加的电压由施加电极11、接地电极12和电介质材料13生成有等离子体，并且两个电极之间设置有催化剂介质100。这些电极、电介质材料13和催化剂介质100紧紧地层压在一起。在图10中，施加电极11和接地电极12被层叠从而均与电介质材料13紧密接触。然而，可以仅为它们中的任意一个设置电介质材料13。

催化剂介质100与电介质材料13可紧密接触，也可不紧密接触。当催化剂介质与电介质材料在两侧紧密接触时，催化剂介质100必须可透气。当催化剂介质100不与至少一个电介质材料13紧密接触时，催化剂介质100可以是不可透气的。在本实施方式的气体处理装置600中，气体以图10的箭头a的方向流入，并且气体在箭头b的方向上从另一端侧排出。由此，该气体被分解。当气体处理装置600具有多层结构时，废气处理装置600被设置成可有效分解大量的气体，并且根据使用条件，例如待处理气体的量和流速，可以有效地氧化分解待处理气体。催化剂介质100可以是单层或多层，并可以任意设定。

(第九实施方式)

下面说明第九实施方式。图11表示本实施方式的气体处理装置700的一部分剖面的示意性视图。在本实施方式的气体处理装置700中，通过无声放电产生等离子体以分解气体。

气体处理装置700具有圆筒形的结构，其中，筒形施加电极11、筒形接地电极12和筒形催化剂介质100沿径向方向以年轮形状向外层叠。在设置有施加电极11、接地电极12和电介质材料13，并通过高压电源14施加的电压生成等离子体的非热等离子体反应层中，在两个电极之间设置有催化剂介质100。在图11中，施加电极11和接地电极12被层叠，从而均与电介质材料13紧密接触。然而，可以仅为它们中的任意一个设置电介质材料13。

催化剂介质100与电介质材料13可以紧密接触，也可不紧密接触。在气体处理装置700中，气体从两个圆形端部的一侧流入，而从另一端排出。由此将气体分解。气体处理装置700的等离子体反应层8可具有年轮形状的多层结构。在该多层结构中，可有效地分解大量气体，这与第五实施方式的气体处理装置300(图6)的多层结构或第七实施方式的气体处理装置500(图9)的多层结构相同。设置等离子体反应层8，从而可以根据使用条件，例如待处理气体的量和流速有效地氧化分解待处理气体。在这种情况下，可以任意设定一个或多个催化剂介质100的年轮形状层。

(第十实施方式)

下面说明第十实施方式。图12是例示了本实施方式的气体处理装置800的构造的示意图。本实施方式的气体处理装置800是由四个在第九实施方式所述的圆柱状的气体处理装置700组合而成的。由此，将多个圆筒状的气体处理装置700组合，从而可以处理更大量的气体。

在图12的气体处理装置800中，气体处理装置700被布置成两行两列。本发明并不局限于这种布置。气体处理装置700可以根据气体处理装置800被设置的地点的形状来适当地排列。例如，多个气体处理装置700可以被布置成在一行或一列，或者可以将气体处理装置800的剖面布置成矩形、梯形和三角形等多边形或圆形。

实施例

在下文中，参照实施例更具体地说明本发明。然而，本发明不限于下述实施例。

(催化剂介质1的制造)

用碱性洗涤剂冲洗氧化铝织物(100毫米×100毫米，NITIVY股份有限公司生产)的表面，然后用离子交换水冲洗。将氧化铝织物浸渍在甲醇中，然后通过干燥机干燥。再将氧化铝织物浸渍在氧化铝溶胶(日产化学工业株式会社生产)，并通过鼓风机去除过量的氧化铝溶胶。将织物在110℃下临时干燥2分钟，然后在1300℃下烧制2小时。通过喷雾将铂纳米颗粒的胶体溶液(TOKURIKI HONTEN股份有限公司，5nm)施加到处理过的氧化铝织物上。接着，将氧化铝织物在600℃下干燥4小时，以产生具有支持铂的α-氧化铝层的氧化铝织物(催化剂介质)(相当于第二实施方式的催化剂介质)。此时，支持的铂的量经ICP测定，为1.5重量％。

(催化剂介质2的制造)

将0.5重量％的二(乙酰丙酮)铂在研钵中与直径为500μm、纯度为99.99重量％的α-氧化铝珠(TAIMEI CHEMICALS有限公司生产)混合，以在氧化铝珠的表面支持乙酰丙酮铂。接着，在电炉中将支持有乙酰丙酮铂的氧化铝珠在450℃下烧制4小时，以获得支持0.9重量％的铂的催化剂介质(相当于第三实施方式的催化剂介质)。催化剂为颗粒。因此，当实际上将催化剂用作催化剂介质时，将催化剂填充至容器内，使得颗粒不会漏出，同时维持透气性，以允许待处理气体穿过催化剂并允许存在等离子体。在实施例中，使用图10中所示的装置作为如下所述的气体处理装置。因此，催化剂被包裹在可透气网中来用作催化剂介质。

(催化剂介质3的制造)

将厚度为0.2毫米的99.7重量％的铝板(100毫米×100毫米)浸渍在将硫酸氢钠和NH₄HSO₄以1:1的重量比混合并在170℃下加热混合物所得的熔融盐中。将SUS304用作反电极，将浸渍的铝用作阳极，施加170V的电势以形成由多孔α-氧化铝构成的氧化膜。接着，对膜进行水洗和干燥。通过喷涂将2.0重量％的PT(NO₂)(NH₃)的水溶液施加到薄膜上，并在电炉中于450℃下烧制4小时，以获得支持有1.2g/m²铂的板状催化剂介质(相当于第四实施方式的催化剂介质)。

(非热等离子体反应器(气体处理装置))

在实施例中，作为产生非热等离子体的装置，使用设置有图10所示的非热等离子体施加单元的气体处理装置600。接地电极12由氧化铝板制成，施加电极11由电介质材料13外侧的铜带构成。电介质材料13为α-氧化铝。在反应中使用的支持有铂的催化剂介质100被设置在与施加电极11相接触的电介质材料13和与接地电极12接触的另一电介质材料13之间的间隙(1毫米)中。催化剂介质100是按照上述方式制造的三种催化剂介质中的每一种。

在气体处理装置600中，由于待处理气体在图10的箭头a的方向流入，并在箭头b的方向排出(从而使气体不会从箭头b的方向以外的其它方向泄漏)，虽未在图中表示，但平行于气流方向的两侧的面(催化剂介质100的图10纸面前侧和背侧的面)涂覆有由氯乙烯制成的壳体。

用气体处理装置600将电压施加在施加电极11和接地电极12之间，使得由施加电极11和接地电极12形成的等离子体反应层之间产生等离子体。使乙烯(C₂H₄)气体作为待处理气体流入，进行在室温下除去(分解)C₂H₄的试验。

为了生成等离子体，使用了设置有函数发生器和高压放大器的AC高压电源。所施加的电压被设定为0～20kVpk-pk的范围。放电输出由V-Q利萨如法确定。

在C₂H₄氧化试验中，C₂H₄气体的初始浓度和流速分别被调整为50ppm和200毫升/分钟，从而使C₂H₄气体被允许流过气体处理装置600。利用配备有2.4微米光路径长度的气体单元(gas cell)的FTIR(傅氏转换红外线光谱分析仪)对穿过气体处理装置600的气体进行气体分析，并且执行对C₂H₄、CO和CO₂的定量分析。

使C₂H₄气体穿过气体处理装置600，并且施加等离子体。施加等离子体后15分钟的C₂H₄、CO和CO₂的浓度被用作反应后的气体浓度。C₂H₄清除率、CO生成率和CO₂的生成率如下确定。

C₂H₄清除率(％)＝{(初始C₂H₄浓度-反应后C₂H₄浓度)/C₂H₄的初始浓度}×100

CO生成率(％)＝[(反应后CO浓度)/{(初始C₂H₄浓度)×2}]×100

CO₂生成率(％)＝[(反应后CO₂浓度)/{(初始C₂H₄浓度)×2}]×100

由分解后的乙烯产生的除了CO或CO₂以外的其它反应中间物的比率如下确定。

反应中间物产生比率(％)＝C₂H₄清除率(％)-CO生成率(％)-CO₂生成率(％)

实施例1到21

作为催化剂微粒，除了Pt以外还使用CeO₂、PdO和Au。在表1中，作为催化剂介质的形式，将在制造催化剂介质1(织物形式)时产生的，形成有α-氧化铝层的氧化铝织物的形式表示为a。将在制造催化剂介质2(珠形式)时产生的，平均粒径为500μm的α-氧化铝颗粒的形式表示为b。将在制造催化剂介质3时产生的，同样具有由多孔α-氧化铝形成的氧化膜的氧化铝板(平板形式)表示为c。电源14的放电输出分别为0.5、1.0和3.0W，电源的输出频率分别为0.05、0.5、0.75、1.0、1.5、2.0、3.0、5.0、7.0和9.0kHz。

比较例1和2

在比较例1中，使用Pt作为催化剂，(织物形式)用作催化剂的形式，使乙烯气体在不施加等离子体(仅使用催化剂)的情况下流动。在比较例2中，未使用催化剂，并且以1.0W的放电输出和1.0kHz的电源输出频率来施加等离子体。

表1中示出了实施例与比较例的细节条件、以及乙烯分解结果。

表1

1)N.D(未检测到，Not Detected)：低于检测极限

从以上结果可以证实，仅利用催化剂(比较例1)没有将乙烯分解。此外，还证实了仅利用等离子体(比较例2)将乙烯分解，但是没有完全氧化分解为CO₂。还证实留下了大量CO并产生了大量中间产物和臭氧。此外，证实了在低于0.5kHz的频率下乙烯未能完全分解为CO₂，还残留有CO，并产生了臭氧。还证实了，在超过700kHz的频率下，乙烯的清除率显著下降。

使作为待处理气体的CO气体穿过气体处理装置600，并且施加等离子体。将施加等离子体之后15分钟CO和CO₂的浓度作为反应后的气体浓度。CO清除率和CO₂产生率如下确定。

CO清除率(％)＝{(初始CO浓度-反应后CO浓度)/(初始CO浓度)}×100

CO₂产生率(％)＝{(反应后CO2浓度)/(初始CO浓度)}×100

实施例22到33

作为催化剂微粒，使用Au。使用了被支持的锆。电源14的放电输出分别为0.5、1.0和3.0W，电源的输出频率分别为6、7、8、9、11、12、13、14和15kHz。

比较例3和4

在比较例3中，Au被用作催化剂，将a(织物形式)用作催化剂的形式，并且使CO气体在不施加等离子体(仅使用催化剂)的情况下流动。在比较例4中，未使用催化剂，并且以1.0W的放电输出和1.0kHz的电源输出频率来施加等离子体。

表2中示出了实施例与比较例的条件的细节，以及CO气体处理结果。

表2

1)N.D(未检测到，Not Detected)：低于检测极限

从以上结果不能证实在将CO气体氧化为CO2的过程中有中间产物的生成。仅使用催化剂而不施加等离子体(比较例3)的情况下CO被氧化。然而，在组合使用等离子体和催化剂的情况下，证实了CO清除率的提高。在仅使用等离子体(比较例4)的情况下，不能证实有CO的氧化。另外，可以证实在低于0.5kHz的频率下(实施例31到33)CO没有完全分解成CO₂，残留有CO，并且产生了臭氧。

接下来，使CO气体流动，并且在室温下、在一段时间里进行CO氧化试验。在CO氧化试验中，CO气体的初始浓度和流率被分别调整为1000ppm和500毫升/分钟，并且使CO气体流过气体处理装置600。利用配备有2.4微米光路长度的气体单元的FTIR对穿过气体处理装置600的气体进行气体分析，并且进行CO和CO₂的定量分析。

实施例34

类似于实施例22，Au/ZrO2用作催化剂微粒。催化剂介质的形式是a(织物形式)，电源14的放电输出为0.5W，并且电源的输出频率是6kHz。

比较例5

Au被用作催化剂，催化剂的形式是a(织物形式)，且不施加等离子体。

表3中示出了实施例与比较例的条件和随时间的CO氧化测试结果的细节。

表3

在不使用等离子体(比较例5)的情况下，证实了CO清除率下降。

使MEK(CH₃COC₂H₅)气体流过气体处理装置600，并且施加等离子体。将施加等离子体15分钟后的MEK、CO和CO2浓度用作反应后的气体浓度。CO清除率和CO₂的产生率如下确定。

MEK清除率(％)＝{(初始MEK浓度-反应后MEK浓度)/(初始MEK浓度)}×100

CO产生率(％)＝[(反应后CO浓度)/{(初始MEK浓度)×4}]×100

CO₂产生率(％)＝[(反应后CO₂浓度)/{(初始MEK浓度)×4}]×100

从分解的MEK产生除了CO或CO₂以外的反应中间物的比例如下确定。

反应中间物产生率(％)＝MEK清除率(％)-CO产生率(％)-CO₂产生率(％)

实施例35到46

CeO₂被用作催化剂微粒。电源14的放电输出分别为1.0、2.0、5.0和7.0W，且电源的输出频率分别为0.05、1、3、5、6、8、10、15和20kHz。

比较例6和7

在比较例6中，CeO₂被用作催化剂，催化剂的形式是a(织物形式)，并且使MEK气体在没有施加等离子体(仅使用催化剂)的情况下流动。在比较例7中，未使用催化剂，并且在1.0W的放电输出和1.0kHz的电源输出频率下施加等离子体。

表4中示出了实施例与比较例的条件的细节以及MEK的分解结果。

表4

1)N.D(未检测到，Not Detected)：低于检测极限

从上面的结果，证实了在仅使用催化剂(比较例6)的情况下MEK气体没有被分解。此外，在仅使用等离子体(比较例7)的情况下，可以证实，MEK气体被分解，但没有被完全氧化分解成CO₂，残留大量CO，并且产生了大量的中间物和臭氧。另外可以证实，在低于0.5kHz的频率下MEK气体没有完全分解，残留了CO并且产生了臭氧。可以证实，在高于15kHz的频率下，MEK气体完全没有被分解。

接下来，使甲苯(C₇H₈)气体流过气体处理装置600，并且施加等离子体。将施加等离子体15分钟之后的C₇H₈、CO和CO₂浓度用作反应后的气体浓度。C₇H₈清除率、CO产生率和CO₂产生率如下确定。

C₇H₈清除率(％)＝{(初始C₇H₈浓度-反应后C₇H₈浓度)/初始C₇H₈浓度}×100

CO产生率(％)＝[(反应后CO浓度)/{(初始C₇H₈浓度)×7}]×100

CO₂产生率(％)＝[(反应后CO₂浓度)/{(初始C₇H₈浓度)×7}]×100

从分解的C₇H₈气体产生的除了CO或CO₂以外的反应中间物的比率如下确定。

反应中间物产生率(％)＝C₇H₈清除率(％)-CO产生率(％)-CO₂产生率(％)

实施例47到51

作为催化剂微粒，PdO被使用。在表1中，作为催化剂介质的形式，将在制造催化剂介质1(织物形式)时制造的，形成有α-氧化铝层的氧化铝织物的形式表示为a。将在制造催化剂介质2(珠形式)时制造的平均粒径为500μm的α-氧化铝颗粒的形式表示为b。将在制造催化剂介质3时产生的，同样具有由多孔α-氧化铝形成的氧化膜的氧化铝板(平板形式)表示为c。电源14的放电输出为1.0、5.5和7.0W，电源的输出频率为0.5、6.0和15.0kHz。

比较例8和9

PdO被用作催化剂，催化剂的形式是a(织物形式)，并且电源的输出频率是0.5W。

表5中示出了实施例与比较例的条件以及C₇H₈的分解结果的细节。

表5

1)N.D(未检测到，Not Detected)：低于检测极限

从上面的结果，证实了仅使用催化剂(比较例8)的情况下，C₇H₈气体没有被分解。此外，还证实了仅使用等离子体(比较例9)的情况下，C₇H₈气体被分解，但没有被完全氧化分解成CO₂，残留有大量的CO，并且产生了大量的中间产物和臭氧。另外，可以证实，在低于0.5kHz的频率下C₇H₈气体没有被完全分解成CO₂，残留有CO并且产生臭氧。可以证实，在高于15kHz的频率下，C₇H₈气体完全没有被分解。

在比较例10中，使用了PET非织造织物而非氧化铝织造织物来作为实施例30的催化剂介质。使用实施例30和比较例10的催化剂介质，使CO气体流动，并且施加等离子体4小时。当观察基板的状态时，没有发现氧化铝织造织物(实施例30)的任何变化。但PET非织造织物(比较例10)发生劣化并证实其等离子体耐受性低。

Claims

1.一种气体处理装置，包括：

待处理气体流通的流道；

2.根据权利要求1所述的气体处理装置，其中：

所述第一电极、所述第二电极、所述电介质材料以及所述催化剂介质被依次排布在所述待处理气体的流动方向上，并且在所述气体的流动方向上都是可透气的；并且

所述催化剂介质被布置在所述流道中引发放电的空间中、或者被布置在所述气体的流动方向上的所述空间的下游侧。

3.根据权利要求1所述的气体处理装置，其中，所述第一电极、所述第二电极、所述电介质材料以及所述催化剂介质在与所述气体的流动方向垂直的方向上依次排布。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的气体处理装置，其中，所述催化剂介质还包括由无机材料制成的基板，至少所述金属催化剂颗粒被固定于该基板。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的气体处理装置，其中，所述催化剂介质还包括：

无机颗粒，其表面固定有所述金属催化剂颗粒；和

由无机材料制成的基板，所述无机颗粒被固定于该基板。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的气体处理装置，其中，所述催化剂介质填充有支持所述金属催化剂颗粒的大量的无机颗粒。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的气体处理装置，其中，所述第一电极和所述第二电极均为由在各自的预定方向上延伸的大量电极形成的梳齿状电极，并且所述待处理气体流经由所述梳齿状电极、所述电介质材料和所述催化剂介质形成的空间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的气体处理装置，其中，所述等离子体是无声放电、沿面放电、电晕放电和脉冲放电的放电等离子体中的至少一种。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的气体处理装置，其中，所述金属催化剂颗粒是由Pt、Au、CeO₂、PdO、MnO₂、CuO和Ag中的至少一种制成的。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的气体处理装置，其中，所述电源单元以0.5kHz以上的输出频率来提供电力。

11.一种气体处理方法，包括：

通过在设置有用于加速与待处理气体的氧化分解反应的催化剂介质的范围内进行放电来生成等离子体；以及

使所述待处理气体流经所述等离子体来进行氧化分解。

12.根据权利要求11所述的气体处理方法，其中，以0.5kHz以上的输出频率来提供电力以引发放电，由此生成所述等离子体。