JP2001137643A

JP2001137643A - ガス分解装置

Info

Publication number: JP2001137643A
Application number: JP32047199A
Authority: JP
Inventors: Toshimoto Nishiguchi; 敏司西口; Ikuo Nakajima; 生朗中嶋; Hiromi Aoyanagi; 広美青柳
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2001-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】大気圧プラズマによる放電を利用し、大気圧
下で安定した均一なグロー放電を発生させることによ
り、有機化合物成分を含むガスを連続的に高効率で分解
処理することができるガス分解装置を提供する。【解決手段】リアクター１内に配設された相対向する
反応管電極５と接地電極６間にガスが流れることが可能
な空隙を有する無機誘電体２を充填し、有機化合物を含
むガスをパイプ７からリアクター１内の無機誘電体２中
に導入するとともに、両電極５、６間に交流電界を印加
して電位差を設け、大気圧下でグロー放電プラズマを発
生させる。この大気圧プラズマによる放電を利用し、反
応器電極間に充填された誘電体を最適な材質および形態
とすることで、放電の安定性と高い処理効率を得ること
ができ、ガス中の有機化合物を効率良く分解処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機化合物を含む
気体、特に揮発性有機物質を含む気体を分解処理するた
めのガス分解装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、有機化合物の分解方法として、
熱、光、生物、化学反応、触媒利用などの方法が知られ
ており、また、これらの方法を利用した装置が数多くて
提案されている。例えば、熱分解の最も身近かな例は焼
却であり、排ガス処理、廃液処理等に利用されている。
また、光反応では紫外線による分解法、生物分解では廃
水に対する活性汚泥法などが知られている。

【０００３】しかし、上記のような熱、光、生物、化学
反応、触媒利用などの方法はいずれも分解効率、装置規
模、ランニングコストなどの点で全てのプロセスで満足
されるものではない。特に、分解対象物質が、低濃度成
分のガスを連続して小規模装置で処理する必要がある場
合、上記のような処理方法ではいずれも満足されるもの
ではない。

【０００４】また、有機化合物を効率よく分解する方法
として、プラズマによる方法が提案されている。例え
ば、特開平３−９０１７２号や特開平７−２４０８１号
では、プラズマによるハロゲン化合物の分解が提案され
ている。この方法によれば、低濃度ガスに対しても分解
を実施することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
プラズマを利用した分解方法では、高温プラズマを利用
したり、あるいは減圧状態にあるガスを高周波などによ
りプラズマ化したものを利用するものであるために装置
が大規模であったり、連続した処理には適していない等
の問題を有している。

【０００６】そこで、このような問題点を解決するため
には、常圧かつ低温で放電を発生させて、有機化合物の
分解を実施する方法が必要であり、このような常圧下で
放電を発生させる方法もこれまでに数多く開発されてお
り、その方法は、無声放電、沿面放電、パルスコロナ放
電等に大別できる。

【０００７】無声放電は、オゾン発生器として知られて
いるが、電極間距離が数ｍｍ程度と非常に狭く大容量の
ガスで安定放電を得るためには反応器を数多く用意する
必要がある。また、沿面放電は、セラミックス等の無機
物表面と内部に電極を形成し、交流電界を印加するとセ
ラミックス表面に放電が発生するもので、極めて部分的
な放電状態となる。パルスコロナ放電は、電極の立上が
り時間が１０〜５０ｎｓと速く、半値幅５０〜５００ｎ
ｓの極短パルス高電圧を印加するとストリーマーコロナ
が電極空間に発生するが、電源や電極等が高価である。
また、電極の工夫により大気圧下で安定したグロー放電
を得る方法も提案されているが、ヘリウムあるいはアル
ゴンといった高価なガスを必要としたり、安定放電部分
が極端に狭いなどの欠点を有している。

【０００８】すなわち、上記のような方法は、いずれも
高い処理効率を得ることが難しく、連続した処理を簡易
な装置で実施するには適していない。

【０００９】そこで、本発明は、上述の従来技術の有す
る未解決の問題点に鑑みてなされたものであって、大気
圧プラズマによる放電を利用し、大気圧下で安定した均
一なグロー放電を発生させることにより、有機化合物成
分を含むガスを連続的に高効率で分解処理することがで
きるガス分解装置を提供することを目的とするものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のガス分解装置は、相対向する２つの電極に
よって構成される反応電極を有する反応装置を備え、前
記両電極間にガスが流れることが可能な空隙を有する誘
電体を充填し、両電極間に電位差を印加することにより
発生するグロー放電により、前記両電極間に導入される
有機化合物を含むガスの分解処理を行なうことを特徴と
する。

【００１１】本発明のガス分解装置において、前記誘電
体は、Ｂａ_x Ｓｒ_(1-x) ＴｉＯ₃ （但し、ｘは、０≦ｘ
≦１）で表される物質であることが好ましい。

【００１２】本発明のガス分解装置において、前記誘電
体は、粒状、網目状構造、格子状構造、あるいはスポン
ジ体に形成されていることが好ましい。

【００１３】

【作用】本発明によれば、相対向する両電極間にガスが
流れることが可能な空隙を有する誘電体を充填し、両電
極間に電位差を印加することにより、大気圧下で安定し
た均一なグロー放電をきわめて小さい印加電圧で発生さ
せることができ、大気圧プラズマを得ることができ、こ
の大気圧プラズマによる放電を利用して、両電極間に導
入されるガス中の有機化合物、特に揮発性有機物質を連
続的にかつ高効率で分解処理を行なうことができる。

【００１４】なお、大気圧プラズマ法とは、大気圧下で
安定して均一なグロー放電をきわめて小さい印加電力で
発生することで、反応効率が高く、発熱等のエネルギー
ロスの少ないエネルギー効率に優れた方法をいう。

【００１５】また、相対向する両電極間に充填される誘
電体は、粒状、網目状、格子状あるいはスポンジ体のよ
うに誘電体内をガスが流れる空隙を有する構造とするこ
とにより、誘電体の小さい空隙での放電が可能となり、
極めて小さい印加電力で均一なグロー放電を発生させる
ことができ、また、誘電体として、Ｂａ_x Ｓｒ_(1-x)Ｔ
ｉＯ₃ （但し、ｘは、０≦ｘ≦１）で表される物質が適
している。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００１７】図１は、本発明に係るガス分解装置を示す
概略構成図であり、図２は、本発明に係るガス分解装置
におけるリアクターの詳細な構造を粒状誘電体を使用し
た例で示す断面図であり、図３の（ａ）および（ｂ）
は、同じくリアクターの詳細な構造を網目状誘電体を使
用した例で示す断面図である。

【００１８】図１に図示する本発明のガス分解装置は、
リアクター１とリアクター１の電極対間に電圧を印加す
る交流電源３と電流計４を備え、リアクター１の電極対
間に交流電界を印加することができるように構成されて
いる。

【００１９】リアクター１は、図２に示すように、円筒
状の反応管電極５、反応管電極５に対向するように中心
部に配置された断面円形状の接地電極６、リアクター１
内の両電極５、６の間にガスを導入し排出するためのパ
イプ７（７ａ、７ｂ）、アウターフランジ８（８ａ、８
ｂ）およびインナーフランジ９（９ａ、９ｂ）とで構成
され、相対向する反応管電極５と接地電極６の間に粒状
の無機誘電体２がガスが流れることができる状態で充填
されている。

【００２０】リアクター１の蓋の役割を果たすアウター
フランジ８（８ａ、８ｂ）は、円筒状の反応管電極５の
両端部に、ガスの漏れがないように密着状態で、それぞ
れ取り付けられ、また、その中心部にはパイプ７（７
ａ、７ｂ）がガス漏れのない状態で挿通されている。両
アウターフランジ８（８ａ、８ｂ）からそれぞれ内方へ
やや離間して配置されたインナーフランジ９（９ａ、９
ｂ）は、アウターフランジ８（８ａ、８ｂ）との間に空
間部を形成するとともに、無機誘電体２を密閉するため
の蓋の役割を果たすものであり、その中心部には接地電
極６に接続されるパイプ７（７ａ、７ｂ）が挿通されて
いる。また、インナーフランジ９（９ａ、９ｂ）にはガ
スが通過できるように複数のガス通過穴１１（１１ａ、
１１ｂ）が設けられている。これらのアウターフランジ
８とインナーフランジ９は、絶縁体で形成され、その材
料としては、ナイロン、塩ビ、ポリテトラフルオロエチ
レン、ポリエチレン、ＰＥＴ、ポリイミド、ポリサルフ
ォン、エポキシ樹脂等の有機物や、ガラス、セラミック
ス等の無機物などを用いることができる。

【００２１】接地電極６の両端部には、リアクター１の
内部にガスを導入しそして排出するためのパイプ７（７
ａ、７ｂ）が溶接などにより接続されており、パイプ７
ａ、７ｂには、リアクター１内の両フランジ８、９の間
の空間部に対応する部位に複数のパイプガス通過穴１０
（１０ａ、１０ｂ）がそれぞれ設けられており、一方の
パイプ７ａを介して導入されるガスを、パイプガス通過
穴１０ａから両フランジ８ａ、９ａ間の空間部に流れ、
さらにインナーフランジ９ａに設けられた複数のガス通
過穴１１ａを経てリアクター１内部に供給し、そして、
他方側のインナーフランジ９ｂの複数のガス通過穴１１
ｂを経て両フランジ８ｂ、９ｂ間の空間部およびパイプ
ガス通過穴１０ｂｂを介して他方側のパイプ７ｂから排
出するように構成されている。

【００２２】相対向する反応管電極５と接地電極６は導
電体で形成され、材料としては、ＳＵＳ、銅、真鍮、
鉄、アルミニウム、タングステン、ニッケル等が挙げら
れる。そして、接地電極６に接続するパイプ７（７ａ、
７ｂ）を導電体で形成することにより、パイプ７と接地
電極６が導通している状態とし、このパイプ７を利用し
て接地電極６をアースすることが可能となる。このよう
に相対向する反応管電極５と接地電極６に対して交流電
源３によりガス存在下で交流電界を印加することによ
り、大気圧下でグロー放電プラズマを発生させ、このプ
ラズマにより排ガス処理等を行なうことができる。な
お、相対向する電極５、６の接続は逆でもよく、すなわ
ち、円筒状の電極５を接地電極とし、他方の中心部の電
極６を反応管電極とすることも可能であり、ここで必要
なことは二つの電極間に電圧差が存在し、それによりプ
ラズマが発生することである。

【００２３】本発明において特に重要な要素である無機
誘電体２は、リアクター１内の相対向する反応管電極５
と接地電極６の間に充填されており、無機誘電体２の形
状は、粒状（図２）、あるいは網目状（図３）や格子
状、あるいはスポンジ体のように内部に空隙を有し、そ
の空隙を通ってガスが透過できかつ誘電体間の空隙で放
電が発生することができる構造を有するものである。ま
た、無機誘電体２は、高誘電体であり、特に、誘電率が
１０００以上のものが望ましいため、その材質として
は、Ｂａ_x Ｓｒ_(1-x) ＴｉＯ₃ （但し、ｘは、０≦ｘ≦
１）で表される物質が特に適している。以上述べた無機
誘電体２に求められる形状および誘電率についてさらに
言い換えれば、誘電体を充填した両電極間にガスを導入
した際にその誘電体の空隙部分を通ってガスが流れ、そ
して、電極間に適当な電位差を設けたときにプラズマの
発生に適した範囲の電流が流れるように設定することが
重要である。

【００２４】誘電体の形状についてさらに詳細に説明す
ると、図２に示すような粒状（ペレット）の場合は、そ
の最適形状は用途により異なるが、通常ガス処理の場合
は、サイズは０．１ｍｍ〜数１０ｍｍ程度であることが
望ましい。形状は、球状、ペレット状、角状、不定形状
のいずれでもよく、特に限定されるものではない。

【００２５】また、図３の（ａ）および（ｂ）に示すよ
うな網目状に形成した誘電体を用いることもできる。図
３において、１２は網目状誘電体であり、その断面形状
は内外の両電極５、６にそれぞれ接触するような外径と
内径を有する大きさとし、これをリアクター１の内部に
ガスの流れ方向に複数重ねて充填する。網目の形状は、
図３に図示する形状に限定されるものではなく、多角
形、円、不定形状等いずれでもよく、特に限定されるも
のではない。また、網目の大きさについては、大きさに
より分解効率が異なってくるため用途により適宜選択す
る必要があるが、特に制限はない。さらに、例えばセラ
ミックスなどの他の材料で網目状構造に形成し、その表
面に無機誘電体をコーティングしたものを用いることも
できる。

【００２６】また、放電に必要な交流周波数は、数Ｈｚ
からＭＨｚオーダーの高周波数の範囲で使用でき、特
に、５０〜６０Ｈｚの商用周波数で使用可能である。

【００２７】次に、本発明のガス分解装置におけるプラ
ズマの発生およびガスの分解処理について、特に図１お
よび図２を用いて説明する。

【００２８】図２に示すようにリアクター１の反応管電
極５と接地電極６の間に粒状の無機誘電体２をガスが粒
状無機誘電体の空隙部を流れることができる状態で充填
し、有機化合物を含む気体をパイプ７ａからパイプガス
通過穴１０ａおよびインナーフランジ９ａのガス通過穴
１１ａを介して両電極５、６間に導入する。そして、交
流電源３により両電極５、６間に交流電界を印加して電
位差を設けて、大気圧下でのグロー放電を発生させる。
このとき、リアクター１内には粒状の無機誘電体２が充
填されているので、無機誘電体２はその内部間で分極が
起こり、ｎｓオーダーのパルス状マイクロディスチャー
ジが発生すると考えられる。このマイクロディスチャー
ジによりガスがプラズマ化する。この無機誘電体２の空
隙が非常に小さいため、酸素や窒素などの放電開始電圧
の大きいガスであっても、極めて小さい印加電力で均一
なグロー放電を発生させることが可能であり、大気圧下
でプラズマを発生させることができる。

【００２９】そして、リアクター１内で分解処理された
ガスは、他方のインナーフランジ９ｂのガス通過穴１１
ｂおよびパイプガス通過穴１０ｂを介して他方のパイプ
７ｂから排出される。

【００３０】以上のように、大気圧プラズマによる放電
を利用し、反応器電極間に充填された誘電体を最適な材
質および形態とすることで、放電の安定性と高い処理効
率を得ることができ、ガスに含まれる揮発性有機物質等
の有機化合物を連続的に高効率的に分解処理することが
できる。

【００３１】以下に、本発明の具体的な実施例を効果と
ともに説明するが、本発明はこれらの実施例に限定され
るものではない。

【００３２】（実施例１）図１および図２に図示するガ
ス分解装置において、電極５および６をＳＵＳ製とし、
反応管電極５を内径８０ｍｍφ、長さ３００ｍｍの円筒
形状とし、接地電極６を芯部分で外径４０ｍｍφの形状
とし、無機誘電体２として、誘電率５０００で２ｍｍφ
のチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃ ）ペレットを約２０
０ｇを対向する両電極５、６間に充填した。そして、反
応管電極５と接地電極６の間に５０Ｈｚ、４ＫＶの電圧
を印加し、乾燥空気を５００ｍｌ／分の流量で流通させ
てプラズマを発生させたところ、電流は５０ｍＡ流れ
た。

【００３３】その状態において、処理ガスとしてメタノ
ールを３００ｍｇ／ｌ含有した空気をプラズマ空間に５
ｌ／分の流量で流通させ、そして、排出されるガスの種
類および濃度をガスクロマトグラフ質量分析計で測定し
たところ、メタノール濃度は５ｍｇ／ｌであり、酸素、
窒素、二酸化炭素がそれぞれ検出された。

【００３４】（実施例２）処理ガスとして、ジクロロメ
タンを５００ｍｇ／ｌ含有した空気をプラズマ空間に１
ｌ／分の流量で流通させ、その他の構造や条件は実施例
１と同様に設定して同様に分解を実施した。そして、排
出されるガスの種類および濃度をガスクロマトグラフ質
量分析計で測定したところ、ジクロロメタンは検出され
ず、塩化水素、酸素、窒素、二酸化炭素がそれぞれ検出
された。

【００３５】（実施例３）処理ガスとして、テトラクロ
ロエチレンを５０ｍｇ／ｌ含有した空気をプラズマ空間
に１ｌ／分の流量で流通させ、その他の条件は実施例１
と同様に設定して同様に分解を実施した。そして、排出
されるガスの種類および濃度をガスクロマトグラフ質量
分析計で測定したところ、テトラクロロエチレンは検出
されず、塩化水素、酸素、窒素、二酸化炭素がそれぞれ
検出された。

【００３６】（実施例４）ガス分解装置において、両電
極間に充填する誘電体を図３に図示するような網目構造
のものを用い、その他の構造や条件は、実施例１のもの
と同様とする。誘電体は、図３に図示するように、穴径
１〜３ｍｍの網目構造を有するセラミックスにチタン酸
バリウム（ＢａＴｉＯ₃ ）を有機バインダーを用いてコ
ーティングしたものを用い、その断面形状は両電極に接
触するような外径と内径を有する大きさとし、これをリ
アクター内部にガスの流れ方向に複数重ねて充填した。

【００３７】実施例１と同様に分解を実施し、排出され
るガスの種類および濃度をガスクロマトグラフ質量分析
計で測定したところ、メタノール濃度は検出されず、酸
素、窒素、二酸化炭素がそれぞれ検出された。

【００３８】（実施例５）誘電体として２ｍｍφのチタ
ン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃ ）ペレットを用い、
その他の構造や条件は実施例１と同様に設定して同様に
分解を実施した。そして、排出されるガスの種類および
濃度をガスクロマトグラフ質量分析計で測定したとこ
ろ、メタノール濃度は７ｍｇ／ｌであり、酸素、窒素、
二酸化炭素がそれぞれ検出された。

【００３９】（比較例１）誘電体としてのチタン酸バリ
ウムの代わりにポリテトラフルオロエチレンを使用し、
その他の構造や条件は実施例１と同様に設定して同様に
分解を実施した。そして、排出されるガスの種類および
濃度をガスクロマトグラフ質量分析計で測定したとこ
ろ、メタノール濃度は３００ｍｇ／ｌのままであり、ガ
スの分解処理を行なうことができなかった。

【００４０】（比較例２）誘電体としてのチタン酸バリ
ウムの代わりに酸化アルミニウムを使用し、その他の構
造や条件は実施例１と同様に設定して同様に分解を実施
した。そして、排出されるガスの種類および濃度をガス
クロマトグラフ質量分析計で測定したところ、メタノー
ル濃度は３００ｍｇ／ｌのままであり、ガスの分解処理
を行なうことができなかった。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安定した大気圧プラズマを得ることができ、有機化合物
成分を含むガスに対し大気圧プラズマにより高効率で連
続的に分解処理を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガス分解装置を示す概略構成図で
ある。

【図２】本発明に係るガス分解装置におけるリアクター
の詳細な構造を示し、粒状無機誘電体を使用した例を示
す断面図である。

【図３】（ａ）は本発明に係るガス分解装置におけるリ
アクターの詳細な構造を示し、網目状誘電体を使用した
例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ
面に沿った縦断面図である。

【符号の説明】

１リアクター２（粒状）無機誘電体３交流電源４電流計５反応管電極６接地電極７（７ａ、７ｂ）パイプ８（８ａ、８ｂ）アウターフランジ９（９ａ、９ｂ）インナーフランジ１０（１０ａ、１０ｂ）パイプガス通過穴１１（１１ａ、１１ｂ）ガス通過穴１２網目状誘電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青柳広美東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 4D002 AA21 AA40 BA07 DA04 DA11 DA25 4G075 AA03 AA37 BA05 CA16 EB21 EC21 EE15 FA14 FB02 FB04 FB06 FB12 FC11 FC15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】相対向する２つの電極によって構成され
る反応電極を有する反応装置を備え、前記両電極間にガ
スが流れることが可能な空隙を有する誘電体を充填し、
両電極間に電位差を印加することにより発生するグロー
放電により、前記両電極間に導入される有機化合物を含
むガスの分解処理を行なうことを特徴とするガス分解装
置。
【請求項２】前記誘電体は、Ｂａ_x Ｓｒ_(1-x) ＴｉＯ
₃ （但し、ｘは、０≦ｘ≦１）で表される物質であるこ
とを特徴とする請求項１記載のガス分解装置。
【請求項３】前記誘電体は、粒状、網目状構造、格子
状構造、あるいはスポンジ体に形成されていることを特
徴とする請求項１または２記載のガス分解装置。