JP2016168581A - 亜酸化窒素ガス分解装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】亜酸化窒素ガスを無害化するために亜酸化窒素ガスを完全分解する。
【解決手段】
処理ガスの入口(１)及び出口(２)を有する筒体(３)の内部を貫通する状態で棒状電極(４)を位置させるとともに、この筒体(３)の外周面を外部電極(５)で被覆し、前記棒状電極(３)の外周部と、筒体(３)の内周部とに誘電体からなる綿状充填材(６)を配置し、対向して位置している内外綿状充填材(６a)(６b)の間に活性炭(８)を充填し、棒状電極(３)と外部電極(５)とにパルス電源装置(９)からのパルス電圧を印加する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、医療用の麻酔ガス等に使用される亜酸化窒素ガス(Ｎ_２Ｏガス)を無害化するためにＮ_２Ｏガスを分解する装置及びその方法に関し、特にプラズマを用いて完全分解する技術に関する。

Ｎ_２Ｏガスは、紫外線により分解されるなどしてＮＯを生成するため、Ｎ_２Ｏガスの増加もオゾン層破壊につながる。そして、Ｎ_２Ｏガスは二酸化炭素の約３００倍(１００年ＧＷＰ(１００年間で発揮する温室効果))の温室効果ガスであるため、適切な処理が望まれる。

従来、多量のＮ_２Ｏガスを廃棄する際には、吸着方式を採用していたが、吸着方式では、装置が大掛かりになるうえ、吸着した素材は、有害廃棄物になることから、廃棄のためのコストが高価になるという問題があった。

そこで近年、Ｎ_２Ｏガスにコロナ放電を印加することでガスをプラズマ化させるとともに、プラズマ電極と外部電極との間に充填された光触媒を活性化させ、この活性化した光触媒にＮ_２Ｏガスを作用させて分解するようにしたもの(特許文献１)や、電圧印加により大気圧プラズマを発生させる一対の第１放電電極間に、ヒータ機能を有する第２放電電極を位置させ、第２放電電極の外表面全体に触媒を位置させ、大気圧プラズマと触媒との相乗効果でＮ_２Ｏガスを分解するもの(特許文献２)が提案されている。

特開２００２−３６１０３７号公報 特許第５４７９８２６号公報

前記先行技術では、電極間に電圧を印加することにより発生したプラズマと触媒とにより、ガスを分解するようにしているが、プラズマ発生に伴う光や、ヒータによる加熱で触媒層を活性化させることで、触媒でのガス分解性能を高めている。

つまり、上述のＮ_２Ｏガスを分解する技術思想では、コロナ放電によりガスをプラズマ化するものであるから、放電電極と触媒との間に存在する空間でアーク放電が発生して、局所的な高温部分が生じてＮＯｘを発生させたり、高い放電開始電圧を必要とすることから、電源装置を含む全体のコストが高くなるという問題があった。また、使用するＮ_２Ｏガスは高濃度であるが、その使用量が産業界に比べて少量である医療機関からの廃棄Ｎ_２Ｏガスを処理するには、設備、コストともに使用し難いという不都合もあった。

本発明はこのような点に着目して、ＮＯxの生成を抑制でき、装置を低コストで形成することのできる亜酸化窒素ガス分解装置及びその方法を提供することを目的とする。
なお、「分解」とは単にＮ_２Ｏガス濃度が減少する一次分解を指し、「完全分解」とはＮ_２Ｏガスはもちろん反応副生成物であるＮＯやＮＯ_２も消失した状態、すなわち無機化に至った状態を指すこととする。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、亜酸化窒素ガスを無害化するために亜酸化窒素ガスを分解する装置において、
処理ガスの入口及び出口を有する絶縁体の筒体の内部を貫通する状態で棒状電極を位置させるとともに、この筒体の外周面を外部電極で被覆し、前記棒状電極の外周部と、筒体の内周部とに誘電体からなる綿状充填材を配置し、対向して位置している内外綿状充填材の間に活性炭を充填し、棒状電極と外部電極とにパルス電源からのパルス電圧を印加することを特徴としている。

また、請求項３に記載した発明は、亜酸化窒素ガスを無害化するために亜酸化窒素ガスを分解する方法であって、
処理ガスの入口及び出口を有する筒体の内部を貫通する状態で棒状電極を位置させるとともに、この筒体の外周面を外部電極で被覆し、前記棒状電極の外周部と、筒体の内周部とに誘電体からなる綿状充填材を配置し、対向して位置している内外綿状充填材の間に活性炭を充填し、処理ガス入口より導入した亜酸化窒素ガスに対し、棒状電極と外部電極とにパルス電源装置からのパルス電圧を印加することで分解処理することを特徴としている。

本発明では、活性炭層の両電極側部分に誘電体からなる綿状充填材を配置していることから、活性炭の接点及び表面での局所的な高電界の発生、すなわちアーク放電(局所的な高温状態)を抑制することができ、ＮＯｘの生成を抑制することができる。また、誘電体のバリア放電による放電開始電圧を低減し、高電圧パルス電源を低コストにすることができる。

本願発明に係る亜酸化窒素ガス分解装置の概略図である。 本願発明に係る亜酸化窒素ガス分解装置の概念を示す斜視図である。 本願発明に係る亜酸化窒素ガス分解装置の電源部分の構成図である。 本願発明に係る亜酸化窒素ガス分解装置の実験装置を示す構成図である。 １００％亜酸化窒素ガスの化学平衡計算結果を示すグラフである。 亜酸化窒素ガスと炭素との化学平衡計算結果を示すグラフである。 綿状充填材としてアルミナ綿を使用した場合の滞留時間と分解率との関係を示す図である。 綿状充填材としてアルミナ綿を使用した場合の滞留時間と一酸化窒素濃度及び二酸化窒素濃度との関係を示す図である。 充填物の相違による滞留時間と分解率との関係を示す図である。 充填物としてシリカゲルを使用した場合の滞留時間と一酸化窒素濃度及び二酸化窒素濃度との関係並びに分解率を示す図である。 充填物として活性炭及び綿状充填材としてアルミナ綿を使用した場合の滞留時間と一酸化窒素濃度及び二酸化窒素濃度との関係並びに分解率を示す図である。 充填物として活性炭を使用した場合での放電前と放電中の組成物の相違を示すスペクトル図ある。 充填物として活性炭及び綿状充填材としてのアルミナ綿を使用した場合での放電前と放電中の組成物の相違を示すスペクトル図である。

本発明に係る亜酸化窒素ガス分解装置は、図１乃至図３に示すように、処理ガスである亜酸化窒素ガス(Ｎ_２Ｏガス)の入口(１)及び出口(２)を有する石英製の筒体(３)の内部を貫通する状態でステンレス製の棒状電極(４)を位置させるとともに、この筒体(３)の外周面を外部電極(５)で被覆し、前記棒状電極(４)の外周部と、筒体(３)の内周部とに綿状充填材(６)を層状に配置し、対向して位置している内外綿状充填材(６a・６b)の間に活性炭(８)を均質に充填し、棒状電極(４)と外部電極(５)とにパルス電源装置(９)からのパルス電圧を印加するようにしてある。

綿状充填材(６)は、アルミナ、フッ素樹脂(テフロン(登録商標))、グラスウール、石英などの誘電体で綿状に形成したものであり、棒状電極(４)の外周部に配置した内側綿状充填材(６a)は棒状電極(４)を所定の厚みで包被する状態で均質に充填してあり、石英管で構成された絶縁体製の筒体(３)の内側に配置した外側綿状充填材(６b)は筒体(３)の内周面を所定の厚みで覆う状態で均質に充填してある。

外部電極(５)は、筒体(３)の外周面を銅テープあるいは銅メッシュで巻回被覆することにより形成してある。

パルス電源装置(９)は、直流電源(10)から出力された電力をＦＰＧＡ(field-programmable gate array)(11)によりスイッチング制御されているＩＧＢＴ(12)を経て高電圧変圧器(13)で昇圧し、この昇圧された直流電圧を棒状電極(４)と外部電極(５)にパルス的に印加するようにしてある。なお、直流電源(10)としては、交流を整流して得た直流であっても良い。

このように、活性炭(８)と棒状電極(４)との間、及び活性炭(８)と石英製筒体(３)とが接触しないように誘電体製の綿状充填材(６)を配置すると、スパーク状の局所的な強いアーク放電が発生することを抑制することになる。

図４は亜酸化窒素ガス分解装置の実験装置を示し、図示を省略した電気炉内にφ２５・ｔ＝２ｍｍの石英製の筒体(３)を使用した亜酸化窒素ガス分解装置を収容し、１００％濃度の亜酸化窒素ガス(Ｎ_２Ｏガス)をマスフローコントローラ(14)で流量制御して石英製の筒体(３)内に供給するようにしてある。この場合、亜酸化窒素ガス分解装置に印加するパルス電源は、パルス幅：２０μｓ、パルス周期:２００μｓ、パルスピーク電圧：９〜２０ｋＶであった。また、石英製の筒体(３)から流出した排気ガスをフーリエ変換赤外線分光計(15)で分光計測するとともに水槽(16)に送給して、溶解成分を水に溶解除去させた後、ガスを放出するようにしてある。

なお、本実施の形態では、綿状充填材(６)を層状に配置した場合について記載しており、その構成比は体積比で活性炭(８)：綿状充填材(６)＝３５％：６５％であった。同程度の構成比で活性炭(８)と綿状充填材(６)を適度に混合させても良く、いずれの場合においても綿状充填材(６)を充填することにより、局所的な強いアーク放電が発生することを抑制することができる。

図５は、大気圧下(１atm)での１００％濃度の亜酸化窒素ガス(Ｎ_２Ｏガス)１molの化学平衡計算結果を示す。
この結果から、Ｎ_２Ｏガスは、全ての温度範囲で不安定であり、窒素ガスと酸素ガスとに分解できることがわかる。また、分解率は、Ｎ_２Ｏガスの分解反応速度と、Ｎ_２Ｏガスの再生反応速度との兼ね合いで決まり、温度が高くなると、二酸化窒素ガス(ＮＯ_２ガス)が発生する。

図６は、大気圧下(１atm)でのＮ_２Ｏガス１molと炭素(Ｃ)１０molの化学平衡計算結果を示す。
この結果から、Ｎ_２Ｏガスは、全ての温度範囲で不安定であり、窒素ガスと二酸化炭素ガス(ＣＯ_２ガス)とに分解できることがわかる。また分解率は、Ｎ_２Ｏガスの分解反応速度と、Ｎ_２Ｏガスの再生反応速度との兼ね合いで決まる。副生成物は、分解した酸素と窒素／炭素との反応速度との兼ね合いで決まり、温度が高くなると一酸化炭素ガス(ＣＯガス)が発生する。
そして、一酸化炭素ガス(ＣＯガス)の発生を１ppm 未満に抑えるには、１５０℃以下での処理が理想的であることもわかる。

図７は、反応筒(３)に綿状充填材としてアルミナ綿を均質に充填し、外部電極として銅テープを巻回したものを使用し、１次電圧：１６０Ｖ、２次電圧：２０ｋＶ、消費電力：１２９Ｗで１００％濃度のＮ_２Ｏガスを処理した場合での、分解率と滞留時間との関係を示す。
この結果、アルミナ綿だけであると、１００％分解するためには５００sec程度の滞留時間がかかり、かつ、放電電圧として２０ｋＶと非常に高い電圧が必要であることがわかる。

図８は、反応筒(３)に綿状充填材としてアルミナ綿を均質に充填し、外部電極として銅テープを巻回したものを使用し、１次電圧：１６０Ｖ、２次電圧：２０ｋＶ、消費電力：１２９Ｗで１００％濃度のＮ_２Ｏガスを処理した場合での、ＮＯガス濃度およびＮＯ_２ガス濃度と滞留時間との関係を示す。滞留時間を採れば、１００％に近い分解率を示す一方で、２５０sec程度の滞留時間では、ＮＯ_２が２０％もの濃度で残留していることがわかる。

図９は、反応筒(３)に充填する充填物による温度２５℃での１００％濃度のＮ_２Ｏガスの分解率の変化を示すもので、充填物として、アルミナ綿、シリカゲル、活性炭、活性炭＋アルミナ綿を使用した場合の滞留時間と分解率の関係を示している。
この結果によると、充填物として活性炭＋アルミナ綿を使用した場合には、短時間(６０sec)で８０％の分解率を得ることができた。

図１０は、充填物としてシリカゲルを使用し、１００％濃度のＮ_２Ｏガスを放電電圧１２ｋＶで処理した場合の滞留時間とＮＯガス濃度およびＮＯ_２ガス濃度との関係並びに分解率を示す。充填物としてシリカゲルを使用した場合には、１４０secでも分解率は１５％程度にとどまることが分かる。

図１１は、充填物として活性炭層の両側をアルミナ綿層で挟持したものと充填物として活性炭を使用したものについて、１００％濃度のＮ_２Ｏガスを放電電圧９ｋＶで処理した場合の滞留時間とＮＯガス濃度およびＮＯ_２ガス濃度との関係並びに分解率を示す。
活性炭を誘電体として使用することでＮＯ_２ガス濃度を低くできることがわかる。放電電圧は９ｋＶと低く抑えているが、分解率を上げるために電圧を高めると、石英製筒体(３)と活性炭の間隙あるいは、活性炭同士の間隙に局所的アークが発生し局所的に高温となることから、ＮＯｘ発生抑制の観点からは、これ以上電圧を上げることは好ましくない。

一方で、活性炭＋アルミナ綿という構成を採用すると、放電電圧を低く抑えつつ、ＮＯ_２ガス濃度を極微量に押さえた上で、さらに分解率の向上も図れていることが分かる。また、副生成物のＮＯガスは検出されなかった(検出下限値１００ｐｐｍ未満)。

さらに、活性炭の充填量や滞留時間などを最適化することにより、ＮＯ_２ガスを生成させない。すなわちＮ_２Ｏガスの完全分解(無機化)が可能となる。

図１２は、充填物として活性炭を使用した場合でのフーリエ変換赤外線分光計測定値であり、放電前と放電中の組成物の相違をスペクトルで示すグラフである。活性炭を誘電体として使用することで副生成物としてＣＯ_２ガスが生成されることが分かり、その結果、ＮＯ_２ガス濃度の濃度を低く抑えることができる。

図１３は、充填物として活性炭及び綿状充填材としてのアルミナ綿を使用した場合でのフーリエ変換赤外線分光計測定値であり、放電前と放電中の組成物の相違をスペクトルで示すグラフである。活性炭のみの場合と同様に、ＮＯ_２ガス濃度の濃度を低く抑えることができる。

また、熱分解については、充填物なしの条件では５００℃の加熱でもＮ_２Ｏガスは全く分解しなかった。
充填物として活性炭を使用した場合、２００℃の加熱でもＮ_２Ｏガスは全く分解しなかったが、５００℃の加熱により１００％の分解が見られた。ただし、ＮＯガスが２０％以上の濃度で発生しており、熱分解では完全分解にはいたっていないことが分かる。

以上の実験結果から、
いくつかの充填物においては、Ｎ_２Ｏガスをほぼ１００％分解できるものの、滞留時間を十分確保しなければならないという問題がある。電極に活性炭とアルミナ綿等の綿状充填物を充填することで、短い滞留時間でも分解効率を格段に向上させることができる。
Ｎ_２Ｏガスをプラズマ分解させると、副生成物としてＮＯガスおよびＮＯ_２ガスが生成されるが、充填物として活性炭を採用すると、ＮＯｘガスの生成を抑制できる。
充填物として活性炭とアルミナ綿等の綿状充填材を用いることで、放電電圧が低く抑えつつ、ＮＯｘガス濃度を極微量に抑えた上で、さらに分解率の向上も図れることがわかる。

なお、本発明では、亜酸化窒素ガス分解装置に印加するパルス電源のパルスのデューティー比(パルス幅／パルス周期)を小さくすることにより、消費電力が抑えられ、低温でのプラズマ処理が可能になることから、実施態様では、デューティー比を１０％(パルス幅：２０μｓ／パルス周期：２００μｓ)としているが、デューティー比をより小さく(パルス幅を小さく又はパルス周期を長く)することで、１５０℃以下の低温をより実現しやすくなる。また、逆に、デューティー比を大きく(パルス幅を大きく又はパルス周期を短く)することで、分解率を高めることもできることから、デューティー比としては５〜３０％程度が好ましく、６〜１０％がさらに好ましい。

本実施の形態では、綿状充填材(６)を層状に配置した場合について記載しているが、活性炭(８)と綿状充填材(６)を適度に混合させても良く、いずれの場合も構成比は活性炭の体積比で２０〜６０％が好ましく、３０〜５０％がさらに好ましい。活性炭の比率が２０％を下回ると、ＣＯ_２への転化が進まず完全分解に支障が出てくる。また活性炭が６０％を超えると、アーク放電が増えて局所的高温になりＮＯｘが増え、完全分解に支障が出る上に、さらに活性炭比率が１００％に近づくと、一次分解の分解率が低下することになる。

本発明では放電電圧を９ｋＶとしているが、これ以外の電圧値を採用することもでき、特に１０ｋＶ以下に電圧を抑えることで低温でのプラズマ処理が可能となり、さらに高電圧パルス電源も低コストに抑えることができる。

本発明は、Ｎ_２Ｏガスの消費量が比較的少量である医療機関でも利用することができる。

１…処理ガスの入口、２…処理ガスの出口、３…筒体、４…棒状電極、５…外部電極、６・６a・６b…綿状充填材、８…活性炭、９…パルス電源装置。

Claims (3)

1. 亜酸化窒素ガスを無害化するために亜酸化窒素ガスを分解する装置において、
   処理ガスの入口(１)及び出口(２)を有する筒体(３)の内部を貫通する状態で棒状電極(４)を位置させるとともに、この筒体(３)の外周面を外部電極(５)で被覆し、前記棒状電極(３)の外周部と、筒体(３)の内周部とに誘電体からなる綿状充填材(６)を配置し、対向して位置している内外綿状充填材(６a)(６b)の間に活性炭(８)を充填し、棒状電極(３)と外部電極(５)とにパルス電源装置(９)からのパルス電圧を印加することを特徴とする亜酸化窒素ガス分解装置。
2. 綿状充填材(６)がアルミナ綿である請求項１に記載の亜酸化窒素ガス分解装置。
3. 亜酸化窒素ガスを無害化するために亜酸化窒素ガスを分解する方法であって、
   処理ガスの入口(１)及び出口(２)を有する筒体(３)の内部を貫通する状態で棒状電極(４)を位置させるとともに、この筒体(３)の外周面を外部電極(５)で被覆し、前記棒状電極(３)の外周部と、筒体(３)の内周部とに誘電体からなる綿状充填材(６)を配置し、対向して位置している内外綿状充填材(６a)(６b)の間に活性炭(８)を充填し、処理ガス入口(１)より導入した亜酸化窒素ガスに対し、棒状電極(３)と外部電極(５)とにパルス電源装置(９)からのパルス電圧を印加することで分解処理することを特徴とする亜酸化窒素ガス分解方法。

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