JP2005246353A

JP2005246353A - 気体改質装置

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Publication number: JP2005246353A
Application number: JP2004064642A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Terai; 寛寺井; Akio Nakao; 彰夫中尾
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】気体中の有害物質を効率良く除去する共に、気体中の水分を除去し、性能の向上が図られた気体改質装置を提供すること。
【解決手段】電源８によりパルス電圧又は交流電圧を印加してガス分子の一部が電離したプラズマを発生させ、このプラズマをダクト２内の空気流に曝すように電極組４を配置する。また、負電位の直流バイアスを印加した電極組４と接地した捕集部２，３とにより、これらの電極組４と捕集部２，３との間に適度な電場を形成し、この電場により、負イオンを捕集部２，３に引き出し、イオンを気体中の水分子及び有害物質に接触させて、イオンを核として周囲に水分子や有害物質を付着したクラスターの生成量を増やし、これらのクラスターを、捕集部２，３上の水膜に引き出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体改質装置に関する。

従来、気体中の有害物質を除去する除害装置として、負極に直流高電圧を印加してコロナ放電を発生させ、このコロナ放電により生じた電子を酸素や有害物質等の気体分子に捕獲させて負イオンを生成する共に、この負イオンが有害物質や水分子を付着してクラスターになり、これらの負イオン及びクラスターを正極で捕集するものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
田門肇「コロナ放電を利用した気相汚染物質除去、化学工学６６巻１２号、２００２年、ｐ．７５０〜ｐ．７５３」

しかしながら、このような除害装置では、負イオンの形成量が少なく、また、コロナ放電により生じた負イオンが強い電場により高速で移動してしまい有害物質分子を捕獲する機会が少なく、有害物質を効率良く除去できないといった問題がある。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、気体中の有害物質を効率良く除去する共に、気体中の水分を除去し、性能の向上が図られた気体改質装置を提供することを目的とする。

本発明による気体改質装置は、水分子を含む気体が流動する流路と、当該流路内に、パルス電圧又は交流電圧が印加されてプラズマを発生させると共にこのプラズマを気体に曝すように配置された電極対と、流路に設けられ接地された導電体を有する捕集部と、を備え、電極対は、当該電極対の一方の電極を基準電極としてこの基準電極の電位を、正電位又は負電位とする直流バイアスが印加されていることを特徴としている。

このように構成された気体改質装置によれば、パルス電圧又は交流電圧が印加されて放電を生じガス分子の一部が電離したプラズマが発生し、このプラズマを流路内の気体に曝すように電極対が配置される。また、正電位又は負電位の直流バイアスが印加された基準電極を備える電極対と流路に設けられ接地された捕集部とにより、これらの電極対と捕集部との間に適度な電場が形成され、このようにして形成された電場により、プラズマ中のイオンは捕集部に向かって低速で引き出され、イオンが気体中の水分子及び有害物質に接触して、イオンを核として周囲に水分子や有害物質を付着したクラスターの生成量が増やされ、これらのイオン及びクラスターは、捕集部上の水膜に捕集される。

ここで、上記作用を奏する捕集部の構成としては、具体的には、捕集部は流路の内壁とする構成が挙げられ、電極対で生成されたイオンは、電極対と流路内壁との間に形成された電場により、流路内壁に向かって引き出されて、クラスターと共に捕集される。

また、上記作用を効果的に奏する捕集部の構成としては、具体的には、捕集部が、電極対より上流側に配置された接地グリッドを有している構成が挙げられ、電極対で生成されたイオンは、電極対と接地グリッドとの間に形成された電場により、気体流に逆らって上流側へ低速で引き出され、イオンを核として周囲に水分子や有害物質を付着したクラスターの生成量が増やされる。また、接地グリッドにより、さらに上流側に引き出されたイオン及びクラスターは、接地グリッド上の水膜に捕集される。また、質量が増え電界による移動度が低下したクラスターは、気体流により電極対に向かって戻されてプラズマ中に流入し、プラズマ中の電子とクラスターとの衝突による水分子の解離が促進され、ＯＨラジカルが生成される。このＯＨラジカルは、有害物質と接触して当該有害物質を分解する。

また、上記作用を効果的に奏する構成としては、具体的には、基準電極より下流側に配置されると共に直流電圧が印加されるグリッド電極を備え、基準電極の電位が正電位の場合には、グリッド電極の電位を、基準電極の電位より正側の電位差を有する電位とし、基準電極の電位が負電位の場合には、グリッド電極の電位を、基準電極の電位より負側の電位差を有する電位とする構成が挙げられる。気体流により、電極対にかかる電圧が０Ｖ時に当該電極対より下流側に流されたクラスターは、電極対とグリッド電極との間に形成された電場により、気体流に逆らって上流側へ押し戻されてプラズマ中に流入して、ＯＨラジカルが生成される。このＯＨラジカルは、有害物質と接触して当該有害物質を分解する。

また、捕集部が、電極対より下流側に配置された接地グリッドを有している構成としても良く、このように構成すると、電極対で生成されたイオンは、電極対と接地グリッドとの間に形成された電場により、電極対の下流側にもイオンが引き出されて、質量が増加した巨大クラスター及びミストはイオンにより帯電し、下流に配置された接地グリッドにも捕集される。

また、上記作用を効果的に奏する構成としては、具体的には、気体の流れ方向に、電極対を複数並設し、基準電極の電位が正電位の場合には、当該基準電極の電位を、気体の流れ方向に順に正側に電位差を有する電位とし、基準電極の電位が負電位の場合には、当該基準電極の電位を、気体の流れ方向に順に負側に電位差を有する電位とする構成が挙げられ、これらの並列される電極対により、イオンの生成量が増やされて、クラスターの生成量も増やされる。これらのイオン及びクラスターは、流路に設けられた捕集部上の水膜に捕集される。

ここで、捕集部に、紫外線が照射されると水膜を形成可能な光触媒コーティングが塗布されていると、プラズマからの紫外線により水膜が捕集部上に好適に形成されて、イオン、クラスター及び分解生成物は水膜に捕集される。

さらに、流路が当該流路内の水を排出可能な排水口を備えていると、流路内に滞留した水が良好に排出される。

このように本発明による気体改質装置によれば、イオン及びこのイオンを核として周囲に水分子や有害物質を付着したクラスターの生成量が増やされ、これらのイオン及びクラスターが捕集されるため、気体中の有害物質が効率良く除去されると共に、気体中の水分が除去されて、性能の向上が図られる。

以下、本発明による気体改質装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。図１は、本発明の第１実施形態に係る気体改質装置を示す概略構成図、図２及び図３は、図１中の各電極における電位を示す線図である。

図１に示すように、本実施形態の気体改質装置１は、例えば下水処理場等に設置され、下水から蒸発した水蒸気及び硫化水素等を含む空気の脱臭及び除湿等に適用されるものである。この気体改質装置１は概略、処理される空気が流入するダクト（流路）２内に、プラズマを発生させる電極組（電極対）４を備え、このプラズマにより生成された負イオンを、水分子及び有害物質等に接触させてクラスターを生成して、このクラスター等を捕集部で捕集するものである。

ダクト２は、例えば炭素鋼、ステンレス鋼等の導電体から構成されて角筒状又は円筒状を成し、内部に、接地グリッド３、電極組４、グリッド電極５を、空気の流れ方向Ｇに沿って並設して備えている。また、ダクト２には、内部のドレンを系外に排出すべくサイホン式のドレンノズル（排水口）１０が設けられている。

接地グリッド３及びグリッド電極５は、例えば炭素鋼、ステンレス鋼等の導電体から構成され、格子状を成し、ダクト２の横断面に対応する大きさとされ、空気流方向Gに対面するように配置されている。

電極組４は、金属製の基準電極６及び励起電極７を備え、これらの基準電極６及び励起電極７は、各々棒状を成し、ダクト２の横断面に対応する長さとされて、空気流方向Gに直交する方向に交互に複数並設されている。基準電極６及び励起電極７の数量は、これらの電極６，７間に生じるプラズマが、ダクト２内を通過する空気流全体に接触するように設定されている。

捕集部は、ダクト２内壁及び接地グリッド３を備え、接地されている。また、捕集部２，３の表面には、紫外線が照射されると水膜を形成する酸化チタン光触媒コーティングが塗布され、プラズマからの紫外線により好適な水膜が形成されている。

次に、電極組４及びグリッド電極５と各電源等との接続について説明する。電極組４は、その基準電極６が直流電源１１の負端子及び高周波（交流）電源８に接続され、所定の負電位（図２参照）とされると共に、励起電極７が高周波電源８に接続されて図２の示す電位とされ、励起電極７とこれに隣接する基準電極６との間に、各々プラズマを生じさせる。因みに、電源８をパルス電源とした場合には、基準電極６及び励起電極７は、図３に示す電位とされる。

グリッド電極５は、図１に示すように、直流電源１２の負端子に接続され、図２及び図３に示すように、基準電極６の電位より負側に電位差を有する所定の電位とされている。

すなわち、電源８が高周波電源の場合、ダクト２内壁及び接地グリッド３、基準電極６、グリッド電極５が、図２示すように、順に負側に電位差を有する電位とされている。

同様に、電源８がパルス電源の場合、ダクト２内壁及び接地グリッド３、基準電極６、グリッド電極５が、図３示すように、順に負側に電位差を有する電位とされている。

このように構成された気体改質装置１によれば、電源８によりパルス電圧又は交流電圧が印加されて、基準電極６と励起電極７との間に、放電によってガス分子の一部が電離したプラズマが発生し、このプラズマをダクト２内の空気流に曝すように電極組４が配置される。プラズマの中では、空気中の例えば酸素分子、窒素分子及び水分子等は電離して正イオンを形成して電子を放出し、オゾン、酸素分子及びラジカル等は電子を捕獲して負イオンを形成する。また、悪臭の主成分である硫化水素は負イオンになり、その他の悪臭物質も多くが負イオンとなる。また、負電位の直流バイアスが印加された基準電極６を備える電極組４と接地された捕集部２，３とにより、これらの電極組４と捕集部２，３との間に適度な電場が形成される。このようにして形成された電場により、電極組４で発生した負イオンは、空気流に逆らって上流側へ低速で引き出される。この移動の際に、空気中の水分子が負イオンに接触してクラスターを形成する。さらに、このクラスターに有害物質が接触して周囲に有害物質を付着したクラスターを形成する。特に、有害物質がＯ⁻、ＯＨ⁻、Ｏ_２ ⁻、Ｏ_３ ⁻等の負イオンやこれらの負イオンを核としたクラスターに接触すると、これらの負イオン及びクラスターにより捕獲される。なお、これらの負イオン及びクラスターにより捕獲される有害物質としては、例えば硫黄化合物、アセトアルデヒド及びヨウ化メチル等が挙げられる。

負イオン及びクラスターは、電極組４と捕集部２，３との間に形成された電場により、捕集部２，３に向かって引き出され、具体的には、ダクト２内壁、接地グリッド３に引き出されて、捕集部２，３上の水膜に捕集されると共に重力で流れ落ち、ドレンノズル１０を通り系外に排出される。すなわち、有害物質を付着したクラスターが水膜に吸収されて系外に排出される。

接地グリッド３を通過した空気流は電極組４のプラズマ中に流入し、また、多量の水分子を付着して電界による移動度が低下したクラスターも、空気流により、接地グリッド３より下流側に流され電極組４のプラズマ中に流入する。

電極組４のプラズマ中では、種々のエネルギーを有する電子が存在し、単独の水分子に衝突してもエネルギーが大きすぎて水分子の解離を起こさせない電子であっても、クラスターの水分子に衝突して水分子の解離を起こさせる。具体的には、電子がクラスターに衝突して、そのエネルギーが水分子の振動及び励起に消費され、分子の解離に適したエネルギーの電子とされる。これにより、水分子の解離が容易に起こりＯＨラジカルが生成される。また、酸素分子の解離で生じたＯラジカルが、クラスターの水分子とラジカル反応してＯＨラジカルを生成する。これらによりＯＨラジカルの生成量が増やされる。また、Ｏラジカルが、酸素分子と反応してオゾンを生成する。

これらのＯＨラジカルは、極めて酸化力が強く、空気中の有害物質及びクラスターに付着する有害物質と連鎖反応的に接触して、これらの有害物質を分解する。また、オゾンも有害物質を分解する。因みにオゾンにより分解される有害物質としては、ヨウ素化合物、スカトール及びトリメチルアミン等が挙げられる。

空気流は電極組４を通過し、電極組４にかかる電圧が０Ｖ時に当該電極組４から下流側に流された負イオン及びこれを核とするクラスターは、電極組４とグリッド電極５との間に形成された電場により、空気流に逆らって上流側へ押し戻されてプラズマ中に流入し、プラズマ中のクラスターの量が増やされ、電子とクラスターの衝突による水分子の解離が促進され、ＯＨラジカルの生成量が増やされる。

このように本実施形態においては、パルス電圧又は交流電圧が印加されて、基準電極６と励起電極７との間に、放電によりガス分子の一部が電離したプラズマが発生し、このプラズマ中では酸素分子やＯＨラジカルに電子が付着して負イオンを生ずる。負イオンは、電極組４と捕集部２，３との間に形成された電場により、捕集部２，３に向かって引き出されると共に、クラスターを生成し、捕集部２，３に捕集される。その結果、空気中の有害物質が効率良く除去されると共に、空気中の水分が除去されて、性能の向上が図られる。

また、本実施形態においては、負電位の直流バイアスが印加された基準電極６を備える電極組４と接地された捕集部２，３とにより、これらの電極組４と捕集部２，３との間に適度な電位差が生じる。その結果、簡素な構成で電場が形成される。

また、本実施形態においては、捕集部２，３はダクト２内壁を含んでいるため、広範囲の捕集部２，３を容易に得ることができる。その結果、有害物質及び水分の除去性能が一層向上されている。

また、特に本実施形態においては、捕集部として接地グリッド３を有しているため、電極組４で生成された負イオンは、空気流に逆らって上流側へ低速で引き出され、負イオンを核としたクラスターの生成量が増やされて、このクラスターは、気体流により電極組４のプラズマ中に流入し、ＯＨラジカルが生成されると共に負イオンも生成される。その結果、有害物質及び水分の除去効率が一層向上されている。

因みに、本実施形態の気体改質装置１では、電極組４と捕集部２，３との間に形成された電界強度を１００〜１０００Ｖ／ｃｍと設定して、負イオンの移動速度を２〜２０ｍ／ｓとすると、良好に有害物質及び水分が除去される。

また、本実施形態においては、電極組４より下流側に流された負イオン及びクラスターは、電極組４とグリッド電極５との間に形成された電場により、空気流に逆らって上流側へ押し戻されプラズマ中に流入し、ＯＨラジカルが生成されると共に負イオンも生成される。その結果、有害物質及び水分の除去効率が一層向上されている。

図４は、本発明の第２実施形態に係る気体改質装置を示す概略構成図である。この第２実施形態の気体改質装置２１が第１実施形態の気体改質装置１と違う点は、電極組及びこの電極組に接続される電源を複数備えた点である。

すなわち、気体改質装置２１は、各電極組４ａ〜４ｃを、空気流方向Ｇに沿って並設して備え、各基準電極６ａ〜６ｃは、負の電位が空気流方向Ｇの下流側に向かって順に大となる直流電源１１ａ〜１１ｃの負端子に各々接続され、接地グリッド３、基準電極６ａ〜６ｃ、グリッド電極５の電位は、空気流方向Ｇの下流側に向かって順に負側に電位差を有する電位とされている。

このように構成すると、電極組４ａ〜４ｃを複数備えているため、これらの並列される電極組４ａ〜４ｃにより、負イオンの生成量が増やされる。その結果、第１実施形態に比して有害物質が一層除去されて、性能の向上が図られる。

図５は、本発明の第３実施形態に係る気体改質装置を示す概略構成図である。この第３実施形態の気体改質装置３１が第１実施形態の気体改質装置１と違う点は、図１に示すグリッド電極５に代えて、図５に示すように、接地グリッド３を電極組４の下流側にも備えた点である。

このように構成すると、負イオンが電極組４の下流側にも引き出され、質量が増加した巨大クラスター及びミストは負に帯電し、下流側に配置された接地グリッド３にも捕集される。その結果、第１実施形態に比して水分が一層除去されて、性能の向上が図られる。

図６は、本発明の第４実施形態に係る気体改質装置を示す概略構成図である。この第４実施形態の気体改質装置４１が第３実施形態の気体改質装置３１と違う点は、図５に示す下流側に配置された接地グリッド３より更に下流側に、第３実施形態と同様の電極組４及び接地グリッド３を、空気流方向Ｇに沿って並設して備えた点である。

このように構成すると、電極組４及び接地グリッド３が増やされているため、負イオンの生成量及び捕集部２，３が増やされる。その結果、第３実施形態に比して有害物質及び水分が一層除去されて、性能の向上が図られる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態の気体改質装置１，３１，４１にあっては、基準電極６を直流電源１１の負端子に接続し、負電位とする構成としているが、基準電極６を直流電源１１の正端子に接続し、正電位とする構成としても良い。このように構成すると、電極組４と捕集部２，３との間に形成された電場により正イオンは捕集部２，３に向かって引き出されて、正イオンが空気中の水分子及び有害物質に接触して、正イオンを核として周囲に水分子や有害物質を付着したクラスターの生成量が増やされ、これらの正イオン及びクラスターは、捕集部２，３上に形成された水膜に捕集される。その結果、空気中の有害物質が効率良く除去されると共に、空気中の水分が除去されて、性能の向上が図られる。また、このような正イオンを捕集部２，３に向けて引き出させる気体改質装置１においては、グリッド電極５を、直流電源１２の正端子に接続し、基準電極６の電位より正側の電位差を有する電位とする。このようにすると、空気流により、電極組４にかかる電圧が０Ｖ時に当該電極組４から下流側に流されたクラスターは、電極組４とグリッド電極５との間に形成された電場により、空気流に逆らって上流側へ押し戻されてプラズマ中に流入し、プラズマ中のクラスターの量が増やされ、電子とクラスターの衝突による水分子の解離が促進され、ＯＨラジカルが生成されると共に負イオンも生成される。その結果、有害物質及び水分の除去効率が一層向上される。

また、上記第２実施形態において、気体改質装置２１は、接地グリッド３、基準電極６ａ〜６ｃ、グリッド電極５の電位を、空気流方向Ｇの下流側に向かって順に負側に電位差を有する電位とする構成としているが、接地グリッド３、基準電極６ａ〜６ｃ、グリッド電極５の電位を、空気流方向Ｇの下流側に向かって順に正側に電位差を有する電位とする構成としても良い。このように構成すると、正イオンを空気流に逆らって上流側へ引き出させる電場が生じ、これらの正イオン及びクラスターは、流路に設けられた捕集部２，３上の水膜に捕集される。

また、上記第２実施形態の気体改質装置２１では、電極組４ｃの下流にグリッド電極５を配置する構成としているが、グリッド電極５に代えて、接地グリッド３を配置する構成としても良い。これにより、イオン及びクラスターは、下流側の接地グリッド３にも捕集される。

また、上記実施形態では、気体改質装置１，２１，３１，４１を下水処理場等の空気の処理に適用したが、各種工場等から排出される排ガスの処理、その他の気体の処理にも適用可能であり、また、クリーンルーム等の空気清浄等に適用してもよい。

また、上記実施形態の気体改質装置１，２１，３１，４１は、気体中の細菌をクラスターに付着させて捕集すると共に、Ｏ⁻等の負イオン、オゾン及びＯＨラジカルにより気体中の細菌を死滅させるため、気体の除菌及び殺菌等にも適用可能であり、例えば病院、一般家庭、冷蔵庫等に適用してもよい。

また、上記実施形態では、基準電極６及び励起電極７をダクト２の横断面に沿って一列に配置したが、空気の流れ方向Ｇに対して位置を変化させても良く、要は、基準電極６、励起電極７間にプラズマが発生し、このプラズマをダクト２内の空気に曝すように基準電極６及び励起電極７を配置すれば良い。

また、上記実施形態では、紫外線が照射されると水膜を形成可能な光触媒コーティングを捕集部２，３に塗布して、水膜を形成する構成としているが、処理気体中に水蒸気が多量に含まれている場合には、光触媒コーティングを塗布しなくてもよい。また、ダクト２内壁、接地グリッド３を露点以下に冷却することで、水膜を形成する構成としても良い。

なお、上記実施形態のグリッド電極３，５は、金網、多孔板を含んだものとする。

また、上記実施形態の気体改質装置の後段に触媒を配置する構成とすると、捕集部２，３で水分が捕集されて、ダクト２内を流動する気体が除湿されているため、触媒の乾燥状態が持続し、触媒寿命が延びるという利点もある。

また、上記実施形態の気体改質装置では、捕集部をダクト２内壁、接地グリッド３とする構成としているが、ダクト２内壁のみを捕集部とする構成や、ダクト２を導電体とせずに接地グリッド３のみを捕集部とする構成としても良い。

本発明の第１実施形態に係る気体改質装置を示す概略構成図である。図１中の各電極における電位を示す線図であり、電源を高周波電源とした場合のものである。図１中の各電極における電位を示す線図であり、電源をパルス電源とした場合のものである。本発明の第２実施形態に係る気体改質装置を示す概略構成図である。本発明の第３実施形態に係る気体改質装置を示す概略構成図である。本発明の第４実施形態に係る気体改質装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１，２１，３１，４１…気体改質装置、２…ダクト（流路；捕集部）、３…接地グリッド（捕集部）、４，４ａ〜４ｃ…電極組（電極対）、５…グリッド電極、６…基準電極、１０…排水口。

Claims

水分子を含む気体が流動する流路と、
前記流路内に、パルス電圧又は交流電圧が印加されてプラズマを発生させると共にこのプラズマを前記気体に曝すように配置された電極対と、
前記流路に設けられ接地された導電体を有する捕集部と、を備え、
前記電極対には、当該電極対の一方の電極を基準電極としてこの基準電極の電位を、正電位又は負電位とする直流バイアスが印加されていることを特徴とする気体改質装置。
前記捕集部は、前記流路の内壁であることを特徴とする請求項１記載の気体改質装置。
前記捕集部は、前記電極対より上流側に配置された接地グリッドを有していることを特徴とする請求項１又は２記載の気体改質装置。
前記基準電極より下流側に配置されると共に直流電圧が印加されるグリッド電極を備え、
前記基準電極の電位が正電位の場合には、
前記グリッド電極の電位を、前記基準電極の電位より正側の電位差を有する電位とし、
前記基準電極の電位が負電位の場合には、
前記グリッド電極の電位を、前記基準電極の電位より負側の電位差を有する電位とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の気体改質装置。
前記捕集部は、前記電極対より下流側に配置された接地グリッドを有していることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の気体改質装置。
前記気体の流れ方向に、前記電極対を複数並設し、
前記基準電極の電位が正電位の場合には、
当該基準電極の電位を、前記気体の流れ方向に順に正側に電位差を有する電位とし、
前記基準電極の電位が負電位の場合には、
当該基準電極の電位を、前記気体の流れ方向に順に負側に電位差を有する電位とすることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の気体改質装置。
前記捕集部は、紫外線が照射されると水膜を形成可能な光触媒コーティングが塗布されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の気体改質装置。
前記流路は、当該流路内の水を排出可能な排水口を備えていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の気体改質装置。