JP2004041862A - ガス処理装置及びガス処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】各種処理工程などから排出される有害な揮発性有機化合物（を含有する排ガスを大気圧プラズマにより分解して無害化するガス処理装置を提供する。
【解決手段】大気圧プラズマを利用して被処理ガスを分解処理するためのガス処理装置であって、電源に接続された高電圧側電極（４）、アースに接続されたアース電極（３）、及び前記高電圧側電極と前記アース電極との間に充填された誘電体（５）とからなる構成のリアクターを有し、前記誘電体は多孔質物質で構成されたものであることを特徴とするガス処理装置。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種処理工程などから排出される有害な揮発性有機化合物（ＶＯＣ）［ｖｏｌａｔｉｌｅ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ］を含有する排ガスを大気圧プラズマにより分解して無害化するガス処理装置及びガス処理方法に関する。本発明によれば、例えば、塗布、塗装、メッキなどの工程、化学プラント、職品工場、或いは肥料、飼料などの取り扱い場所などより発生する、臭気、有機化合物、有害性分などを含有する排ガスを分解して無害化することができるので、前記排ガスによる作業者や周囲の環境に対する悪影響を低減することができる。
【０００２】
【従来の技術】
各種処理工程などから排出される揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を含有する気体（排ガス）を分解して無害化するガス処理装置として、大気圧状態で発生させたプラズマにより前記排ガスをプラズマ処理して分解するガス処理装置が幾つか提案されている。これらのガス処理装置においては、大気圧状態でプラズマを発生するための放電方式として、無声放電、パルス放電、或いは部分放電などが採用されている。これらの放電方式は、いずれも、大気圧或いはそれに近い圧力状態の所定の空間に対し、その空間の近傍に位置する電極に電圧を加えることで所定の空間をプラズマ状態にするもので、その際、前記プラズマ状態にされた空間に前記揮発性有機化合物を含有する気体を導入することで、該気体中の前記有機化合物はプラズマ処理されて分解される。
【０００３】
放電方式の異なる前記ガス処理装置にはそれぞれに固有の特徴があり、それらの構成は、使用目的、使用環境、コストなどを考慮して決定される。例えば、どの放電方式が最適であるか、どのような電極またリアクターを用いるべきか、そして全体のプロセスをどの様にすべきか、などの要件の決定を行い、全体の装置仕様を決定する。具体的には、プラズマ処理できる分当たりガス流量、処理対象の排ガスの種類、該排ガスに含まれる揮発性有機化合物の濃度、などの排ガス処理に当たって必要とされる基礎項目を調査し、その調査データに基づき全体の装置仕様が決定される。但し、いずれのガス処理装置による処理も万能ではないため、それぞれの長所、短所を見極めなければならない。例えばパルス放電方式を採用した場合、電源の選択により放電形態が異なり、また無声放電方式を採用した場合、電極間距離などによりプラズマの発生状態が異なる。また、粒状誘電体を利用した部分放電方式の場合、例えば特開２０００−３４８８９６号公報に開示されているように、誘電体の比誘電率などにより放電状態、処理効率が異なる。
しかし、いずれの放電方式を採用する場合においても、処理対象の揮発性有機化合物を含有する排ガスをより高い処理効率で処理できるようにすることが望ましく、換言すれば、小型のガス処理装置により大量の前記排ガスをより高い処理効率で処理できるようにすることが望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のガス処理装置については、大量の被処理ガスを高効率で分解処理するためには、装置の大型化が必要とされる。即ち、上述したいずれの放電方式を採用した場合においても、プラズマを発生させる空間には制限があるため、大量の被処理ガスを分解処理のためには、装置スケールをそうした処理量に対応できるように拡大する必要がある。ところがそのように装置スケールを拡大する場合、問題点を生ずる。例えば、無声放電方式を採用した従来のガス処理装置の場合、電極間距離を数ｍｍ以下にすることが通常であり、それ以上にすれば高密度なプラズマを安定して得ることが難しくなる。そのため、大量の被処理ガスを分解処理できるようにするためには、電極数を増やし且つ流路を多くしなければならない。また、粒状誘電体を使用した部分放電方式を採用した従来のガス処理装置の場合、プラズマ空間は誘電体物質で充填されているため、処理ガス流量を増大させれば、それに伴い発生する圧力損失が増加するといった問題があるため、リアクターを大きくすることが必須になる。
【０００５】
上記問題点の解決策として、上記ガス処理装置の前段に、活性炭などを利用した濃縮装置を設ける提案がある。この提案は、前記濃縮装置を利用することでガス処理装置に導入される被処理ガスの濃度を制御し、それによりガスの分解処理効率を高めるというものであるが、この場合、前記濃縮装置は、前記ガス処理装置とは別に設けられるものであるので、その分のスペースが必要になる他、コストが増大する。この他、前記ガス処理装置の放電空間内に、吸着材物質を添加する方法が提案されている。この方法によれば、上記同様に吸着による濃度制御効果を得ることができるが、この場合、放電密度が低下してガスの分解処理効率が低下してしまうので、これを防止するために投入電力を上げる必要があり、そのためには電源を大型化しなければならないという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
従来技術における上記課題を解決する本発明は、大量の被処理ガスを高効率で分解処理することを可能にする大気圧プラズマによるガス処理装置を提供する。即ち、プラズマを発生させる為のリアクター内に用いる誘電体物質を多孔質物質とすることで、該多孔質物質表面に被処理ガス中の揮発性有機化合物の吸着が行われ、それにより前記被処理ガスの分解処理効率の向上を達成するガス処理装置を提供する。具体的には、本発明により提供されるガス処理装置は、大気圧プラズマを利用して被処理ガスを分解処理するためのガス処理装置であって、電源に接続された高電圧側電極、アースに接続されたアース電極、及び前記高電圧側電極と前記アース電極との間に充填された誘電体とからなる構成のリアクターを有し、前記誘電体は多孔質物質で構成されたものであることを特徴とする。前記被処理ガスは、各種処理工程などから排出される有害な揮発性有機化合物を含有する排ガスを包含する。
本発明のガス処理装置においては、被処理ガスが、前記高電圧側電極と前記アース電極との間に充填された多孔質物質からなる誘電体に吸着して濃縮され、その際前記誘電体内には高密度の放電が生じてプラズマを発生し、それにより該被処理ガスは高分解処理効率で分解処理される。本発明のガス処理装置によれば、大量の被処理ガスの分解処理が可能である。
本発明は、また、被処理ガスを上記ガス処理装置を使用して処理するガス処理方法を提供する。
【０００７】
【実施態様例】
以下に、図を用いて、本発明をより具体的説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明のガス処理装置におけるリアクターの一例の構成を模式的に示す略断面図である。図２は、本発明のガス処理装置の装置構成を大別して示した模式図である。図２に示すように、本発明のガス処理装置装置は、リアクター１と該リアクターに電気的に接続した電源２を有し、リアクター１及び電源２は電気的に接地状態にされている。
図１は、図２に示すリアクター１の構成を示すものである。図１に示すリアクターは、電源２（図２参照）に接続された中心電極３と、アースと接続された外側電極４の２つの電極を有し、中心電極３と外側電極４の間には、誘電体粒子５が充填されている。誘電体粒子５は、多孔質物質からなるものである。前記多孔質物質の好ましい具体例として、チタン酸バリウムを挙げることができる。しかしこれに限定されず、他の多孔質物質であってもよい。
【０００８】
誘電体粒子５は、比誘電率が１０００またはそれ以上であることが望ましい。
比誘電率が１０００以下である誘電体粒子を使用した場合、任意の電力を得るために必要とされる電圧が大きくなり、そのためには電源設備を大型化する必要になり、装置コストを引き上げてしまう問題点が生じる。この他、発生するプラズマの密度が低くなり、その結果、被処理ガスの分解効率が低下する、と云った問題点の生起が懸念される。また、誘電体粒子５を構成する多孔質物質は、表面に複数の１μｍ以上の孔径の孔を有し、且つ比重が５．０以下であることが望ましい。これは、誘電体粒子５が、その表面に分解対象物質を効率よく吸着するものであるための好ましい条件である。誘電体粒子５を構成する多孔質物質が、複数の孔を備えた表面を有するものであっても、それらの孔の孔径が１μｍ以下である場合、該誘電体粒子表面への被処理ガス中の分解対象物質の吸着量が小さくなる為、被処理ガスの分解処理効率が小さくなってしまう。また誘電体粒子５を構成する多孔質物質が、５．０以上の比重を有するものである場合、誘電体粒子５全体での前記分解対象物質の吸着容量が小さくなり、やはり被処理ガスの分解処理効率を高くすることができない。誘電体粒子５を構成する多孔質物質が、表面に複数の１μｍ以上の孔径の孔を有し且つ５．０以下の比重を有するものであれば、該誘電体粒子の成型方法、成型圧力、成型温度に特に制限はない。ただし、比重が小さくなるにともない誘電体粒子の強度は低下するため、用途に応じて強度を選択する必要がある。
【０００９】
以上説明した図１に示すリアクターを有する図２に示すガス処理装置により被処理ガスの処理を行う場合、まず被処理ガスをリアクター１（図２参照）のガス導入口６（図１参照）より該リアクター内へ導入する。具体的には、図１に示すように、被処理ガスはガス導入口６より導入され、ガス拡散空間７で拡散し、誘電体セパレーター８のガス通過孔９を通って、リアクターの誘電体粒子５の充填されたプラズマ発生領域へ入る。該プラズマ発生領域では、中心電極３に交流高圧電源２（図２参照）より電圧が印加することで、誘電体粒子５の表面のマイクロディスチャージによりプラズマが発生する。前記プラズマ発生領域に入った被処理ガスは、前記プラズマにより処理される。即ち、被処理ガス中の有機化合物が前記プラズマにより分解されるのと同時並行的に、誘電体粒子５の表面の多孔質への該被処理ガス中の有機化合物の吸着が進行する。誘電体粒子５の表面に吸着した有機化合物は、時間が経過し反応が進めば、発生した熱により該誘電体粒子より脱着される。脱着された有機化合物は被処理ガス中の有機化合物と混合するため、有機化合物の濃度は被処理ガスがリアクター内に送り込まれた時よりも高濃度の状態となる。
【００１０】
一般的に、大気圧プラズマによる有機化合物の分解を行う場合、投入電力あたりの分解処理量は処理される被処理ガスの中の成分濃度が高いほど大きいことが、これまでの研究により知られている。そのため、例えば適切なタイミング、および適切な流量で、リアクター内への被処理ガスの導入と前記プラズマ発生領域内での放電を断続的に行うことで、投入電力コストを抑制し、ランニングコストを低減した理想的なガス処理を行うことのできるガス処理装置を実現できる。
上述したように、プラズマ処理と吸着作用により分解処理されたガスは、被処理ガスがリアクター内へ導入される方向とは逆の方向へ、リアクターの排出側の誘電体セパレーター８のガス通過孔９を通過し、ガス排出口１０より排出される。
【００１１】
以上説明したように、従来のガス処理装置においては、大量の被処理ガスを高効率で分解処理するためには、該装置を大型化する以外の方法はなかったが、本発明によれば、誘電体を多孔質物質とすることで、該誘電体に被処理ガス中の有機化合物を吸着する機能を持たせ、それにより被処理ガスの処理効率を上げることができ、またガス処理装置の小型化を図ることができる。
本発明のガス処理装置のリアクターの構造は、電極形状により制限されるものではなく、電極形状は任意の形状であることができる。例えば、高電圧側と接地側の両電極がともに平板の形状であってもよい。
【００１２】
【実施例】
本発明の効果を以下に示す実施例及び比較例により具体的に説明するが、本発明は該実施例により限定されるものではない。
【００１３】
【実施例１】
本実施例のガス処理装置は、図２に示す構成を有し、図２におけるリアクター１は、図１示す構造を有する。具体的には、リアクター１は、円筒状の外側電極４と棒状の中心電極３との間に多孔質の誘電体粒子５を充填した構造を有する。中心電極３は、ステンレス製の直径１５ｍｍの棒状電極からなり、長さは３００有効電極長さが３００ｍｍであるものである。外側電極４は、内径５０ｍｍ及び厚さ１ｍｍのステンレス製のものである。誘電体粒子５は、チタン酸バリウムを主成分とする比誘電率７０００の材料で構成された、平均粒径３ｍｍのほぼ球形の粒子からなるものである。該誘電体粒子の表面は、電子顕微鏡により観察した結果、約１０μｍの孔径の複数の孔が存在する多孔質表面を有しており、粒の比重は４．１である。図２に示すように、外側電極４はアース線と接続されており、中心電極３は高電圧線により、交流高圧電源２と接続されている。
【００１４】
以上述べた構成のガス処理装置を使用して、被処理ガスの処理を行った。
即ち、被処理ガスとしての、メタノールを約１００ｐｐｍ含有するガスを、リアクターのガス導入口６より１リットル／分の流量でリアクター内に導入した。導入された被処理ガスは、リアクターの誘電体粒子５が充填されたプラズマ発生領域に入り、誘電体粒子５の空隙を通過しガス排出口１０より排出される。被処理ガスのリアクター内への導入開始から３０分後に、交流電源２によりリアクター内に電圧を印加して前記プラズマ発生領域内にプラズマを発生させ、該発生したプラズマにより被処理ガスを処理した。この被処理ガスのプラズマ処理を、１０Ｗ、１５Ｗ、２０Ｗの三つの異なる投入電力の条件の夫々で行った。それぞれの場合において、放電開始後３０分経過した時点でガス導入口とガス排出口のそれぞれでガスを採取し、その後１０分ごとに５回、同様にガス導入口とガス排出口のそれぞれでガスを採取した。採取したガスをガスクロマトグラフで分析をした。得られた値の平均値を表１に示す。
【００１５】
【比較例１】
誘電体粒子５として、１μｍの孔径の複数の孔が存在する緻密な表面を有し、比重が５．２である誘電体材料で構成された誘電体粒子を使用した以外は、実施例１におけると同様にして、被処理ガスの処理行った。実施例１におけると同様にして得られた濃度測定に係る結果を表１に示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれは、大気圧プラズマによるガス処理装置において、誘電体を多孔質物質とすることで、該誘電体に被処理ガス中の有機化合物を吸着する機能を持たせ、それにより前記有機化合物の濃縮効果と放電によるガス処理効果を、放電密度を下げることなく達成でき、また該ガス処理装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス処理装置におけるリアクターの一例の構造を模式的に示す略断面図である。
【図２】本発明のガス処理装置の一例の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１　リアクター
２　電源
３　中心電極
４　外側電極
５　誘電体粒子
６　　ガス導入口
７　ガス拡散空間
８　誘電体セパレーター
９　ガス通過孔
１０　ガス排出口

Claims (13)

1. 大気圧プラズマを利用して被処理ガスを分解処理するためのガス処理装置であって、電源に接続された高電圧側電極、アースに接続されたアース電極、及び前記高電圧側電極と前記アース電極との間に充填された誘電体とからなる構成のリアクターを有し、前記誘電体は多孔質物質で構成されたものであることを特徴とするガス処理装置。
2. 前記被処理ガスは、各種処理工程などから排出される揮発性有機化合物を含有する排ガスである請求項１に記載のガス処理装置。
3. 前記誘電体は、前記多孔質物質で構成された粒状の誘電体物質からなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス処理装置。
4. 前記誘電体は、比誘電率が１０００以上であることを特徴する請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガス処理装置。
5. 前記誘電体を構成する多孔質物質は、表面に１μｍ上の孔径の孔を複数個有するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のガス処理装置。
6. 前記誘電体の比重が５．０以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のガス処理装置。
7. 前記多孔質物質で構成された誘電体は、チタン酸バリウムを主成分とする多孔質物質で構成された誘電体であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のガス処理装置。
8. 大気圧プラズマを利用するガス処理装置を使用して被処理ガスを分解処理するガス処理方法であって、前記ガス処理装置は、電源に接続された高電圧側電極とアースに接続されたアース電極を備え且つ前記高電圧側電極と前記アース電極との間に多孔質物質で構成された誘電体粒子が充填されたプラズマ発生領域を備えたリアクターを有するガス処理装置であり、前記被処理ガスを前記リアクターの前記プラズマ発生領域に導入し、前記プラズマ発生領域に前記電源からの電力を前記高電圧側電極と前記アース電極を介して投入してプラズマを発生させ、該プラズマにより前記被処理ガスを分解処理することを特徴とするガス処理方法。
9. 前記被処理ガスは、各種処理工程などから排出される揮発性有機化合物を含有する排ガスである請求項８に記載のガス処理方法。
10. 前記誘電体粒子は、比誘電率が１０００以上である請求項８または請求項９に記載のガス処理方法。
11. 前記誘電体粒子は、表面に１μｍ上の孔径の孔を複数個有するものである請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載のガス処理方法。
12. 前記誘電体粒子は、５．０以下の比重を有するものである請求項８乃至請求項１１のいずれかに記載のガス処理方法。
13. 前記多孔質物質で構成された誘電体粒子は、チタン酸バリウムを主成分とする多孔質物質で構成された誘電体粒子である請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載のガス処理方法。

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