JP2005016483A

JP2005016483A - 排ガス中に含まれる微粒子の除去方法

Info

Publication number: JP2005016483A
Application number: JP2003185644A
Authority: JP
Inventors: Keizo Saito; 敬三齊藤; Hirofumi Shimura; 洋文志村; Akifumi Seto; 章文瀬戸; Shinya Sasaki; 信也佐々木; Osamu Shinozaki; 修篠崎; Seiichi Hirasawa; 誠一平澤; Nobuhiro Aya; 信博綾; Harumichi Watanabe; 治道渡邊
Original assignee: SHIN NISSEKI TECHNOLOGY KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: SHIN NISSEKI TECHNOLOGY KK; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】排ガス中に含まれる広範囲の粒径分布を有する微粒子を効率よく除去する方法を提供する。
【解決手段】排ガス中に含まれる微粒子をフィルターで除去する方法において、該排ガス中に粒径が３０ｎｍ以下の超微粒子状物質を存在させることを特徴とする前記方法。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンや煙道等からの排ガス中に含まれる粒子状物質（微粒子）を除去する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エンジンや煙道等の燃焼排ガスの中に含まれる粒子状物質の低減対策については、発生源における燃焼技術の改善等根本的な対策が施されてきたが、今後は環境基準のより一層の達成のために、排気後処理による低減対策を余儀なくされることとなってきた。
【０００３】
現在、排気後処理技術に用いられている一般的な方法は、フィルターなどの粒子状物質低減装置を排気系に設置し、排出微粒子をこれに捕捉捕集させることで、排出微粒子濃度を低減処理しようとするものである。
【０００４】
しかしながら、上記環境基準やディーゼル車排出微粒子規制は、重量基準の濃度に依っていることから、従来の低減技術の多くは排出微粒子の質量濃度に支配的な、質量の大きい即ち比較的粗大粒径側の粒子を低減除去することに主眼を置いてきたものであった。このため、今日その健康影響が懸念される粒径がナノメーターオーダーの微粒子、所謂排気中ナノ微粒子の低減には従来の粒子状物質低減装置の効果の少ないことが問題となっている。
【０００５】
一般に、粒子状物質低減装置に用いられるＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）等のフィルターの細孔径は１０μｍ〜数十μｍであり、ディーゼル車等の排気中に含まれる微粒子の粒径分布が数ｎｍ〜数μｍに分布していることを鑑みれば、衝突沈着等物理的な捕集を行うＤＰＦなどの粒子状物質低減装置においては、ナノ微粒子の捕集効率が低下する一因ともなることも必然として看過されてきた。
【０００６】
一方、化石燃料の燃焼に伴って排気されるディーゼル車等の排ガス中に含まれる微粒子は、炭化水素成分の重縮合や脱水素化等の反応により生成されるため、炭素成分を核とする一次生成粒子と、その周りに高級炭化水素やＳＯＦ成分、サルフェート等が凝集付着した二次生成粒子により構成され、その粒子径は、ナノメーター（ｎｍ）オーダーからミクロン（μｍ）オーダーまでの広範囲に分布することが知られている。特に、今日では粒径がｎｍオーダーの微粒子は、人間の肺胞深部まで吸入され易いため、沈着後上皮細胞や肺間質に移行した際には、上記二次生成粒子の周囲に付着している高級炭化水素やＳＯＦ等有害成分が健康に悪影響を及ぼすことが懸念されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、排ガス中に含まれる広範囲の粒径分布を有する微粒子を効率よく除去する方法を提供することをその課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、以下に示す排ガス中に含まれる微粒子の除去方法が提供される。
（１）排ガス中に含まれる微粒子をフィルターで除去する方法において、該排ガス中に粒径が３０ｎｍ以下の超微粒子状物質を存在させることを特徴とする前記方法。
（２）該排ガスがディーゼルエンジン排ガスであり、該超微粒子状物質又はその前駆体を、該エンジンに供給される燃料油及び／又は潤滑油に添加することを特徴とする前記（１）に記載の方法。
（３）該超微粒子状物質が光触媒からなることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の方法。
（４）該光触媒がチタニアからなることを特徴とする前記（３）に記載の方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、排ガス中に含まれる微粒子をフィルターを介して除去する方法である。このような方法は従来から広く実施されている。この場合、排ガスには、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関からの排ガス、及び各種燃焼炉からの排ガス（煙道ガス）が包含される。また、排ガス中に含まれている微粒子を除去するためのフィルターとしては、従来公知のもの、例えば、ディーゼルエンジン排ガス用のフィルターとしては、慣用のＤＰＦが用いられる。このフィルターにおいて、その微粒子を捕集するためのフィルターの細孔平均寸法は、通常、１０μｍ程度である。
【００１０】
本発明においては、微粒子を含む排ガス中に、超微粒子状物質を存在させる。この場合の超微粒子状物質としては、排ガス中に含まれるナノ微粒子（その粒径が５０ｎｍ以下）で半揮発性成分がその主成分となる粒子に対して吸着作用を有するものであればよく、従来公知の各種のものを用いることができる。このようなものには、シリカ、アルミナ、シリカ−アルミナ、マグネシア、酸化亜鉛、チタニア、ゼオライト、セピオライト等が包含される。
【００１１】
本発明においては、前記超微粒子状物質としては、光触媒の使用が好ましく、この場合の光触媒としては、半導体金属酸化物、例えば、チタニアや酸化亜鉛、酸化スズの他、各種有機光触媒等を挙げることができる。
【００１２】
超微粒子状物質を排ガス中に存在させる方法としては、その排ガスに対して、該超微粒子状物質又はその前駆体を直接添加する方法がある。該超微粒子状物質は、空気等のガスに浮遊させた状態で又は溶媒中に溶解させた状態（溶液）で添加し得る他、乾燥微粉末の状態で添加することができる。
【００１３】
該超微粒子状物質をその前駆体の形態で添加する場合、該前駆体は、その排ガスの温度で超微粒子状物質に変換し得るものであればよい。このようなものには、金属水酸化物や、金属アルコキシド、金属錯体等が包含される。これらの前駆体は、水中に分散させた状態（水性スラリー液）や、水中に溶解させた状態（水溶液）で排ガス中に添加される。このようにして添加された超微粒子状物質前駆体は、排ガス中で反応して超微粒子状物質（金属酸化物）となる。
【００１４】
排ガス中に存在させる超微粒子状物質の割合は、特に制約されないが、環境負荷への影響を最小限にする意味で、粒子状物質に関る規制レベルの１／１００程度である。
【００１５】
本発明により超微粒子状物質を排ガス中に存在させる他の方法は、該超微粒子状物質又はその前駆体を燃料油にあらかじめ混入させる方法である。この場合には、超微粒子状物質又はその前駆体をそのまま又は液体（水や油等）に分散又は溶解した状態で燃料油に添加すればよい。燃料油に添加する場合の超微粒子状物質前駆体は、エンジンや燃料炉内の高温で分解して超微粒子状物質（金属酸化物）を与えるようなものであればよい。このようなものには、金属塩、金属錯体、金属アルコキシド等が包含される。
また、排ガスがディーゼルエンジン等の内燃料関からの排ガスの場合、超微粒子状物質又はその前駆体は、燃料油及び／又は潤滑油に添加するのが好ましい。この場合の超微粒子状物質又はその前駆体の添加量は、それ自身が汚染物質として問題にならない量、通常、０．０００１〜０．０２ｗｔ％、好ましくは０．０００５〜０．００２ｗｔ％である。潤滑油に添加する場合は、０．２ｗｔ％以下が好ましい。
【００１６】
排ガス中に存在させる超微粒子状物質において、その粒径は、３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下である。このような超微粒子を排ガス中に存在させると、排ガス中に含まれるナノ微粒子は、該超微粒子状物質に吸着して、その粒子径が拡大した粒子となり、フィルターに捕集可能なものとなる。
【００１７】
例えば、ディーゼル車等の排ガス中に含まれる微粒子は、主に燃料の不完全燃焼により生成されるもので、大きく無機炭素成分からなる煤と凝縮性の未燃炭化水素類に分類される。特に後者は、炭化水素が排気過程において冷却され凝縮して微粒子化したものであり、多くの有害炭化水素を含むことから人体へのインパクトが懸念されている。このような凝縮過程において、核となる微小な粒子（外核粒子）が存在すると、いわゆる不均一核生成によって核粒子の周りに物理的、化学的に吸着した二層粒子が生成する。その結果、全体の微粒子の個数濃度が減少するとともに、粒径分布を粗大側に変化させる効果がある。その結果、通常のフィルターで捕集し得なかったナノ微粒子も、フィルターで捕集し得るようになり、微粒子の除去率は向上する。
【００１８】
本発明においては、超微粒子状物質としては、光触媒の使用が好ましい。即ち、本発明により排ガス中に超微粒子状物質を存在させると、該排ガスに含まれるナノ微粒子は、該光触媒に吸着され、粒子径の増大した粒子が形成される。そして、この粒子径の増大した粒子はフィルターに捕集されるが、その一部はフィルターを通過し、大気中へ放出される場合がある。この場合には、その大気中へ放出された粒子は、光触媒を含むことから、該光触媒に吸着した排ガス微粒子は、紫外光を受け、その光触媒の作用により分解され無害化される。
【００１９】
【実施例】
次に本発明を実施例によりさらに詳述する。
【００２０】
実施例１、比較例１
燃料軽油に超微粒子状物質を存在させ、この燃料軽油を用いてディーゼルエンジンをアイドリング状態で駆動させたときに得られる排ガス中の微粒子を分析し、その微粒子の粒径分布を測定した。その結果を図１に示す。
また、比較のために、超微粒子状物質を含まない燃料軽油を用いてディーゼルエンジンをアイドリング状態で駆動させたときに得られる排ガス中の微粒子を分析し、その微粒子の粒径分布を測定した。その結果を図１にあわせて示す。
【００２１】
なお、超微粒子状物質としては、チタニア（平均粒径１１ｎｍ）を用い、このチタニアを濃度１０％で含む水分散液として燃料軽油に添加した。この場合、その添加量は、燃料軽油に対して０．０２ｗｔ％であった。
また、比較実験の場合には、チタニア水分散液の代りに、水を前記と同量の割合で添加した。
【００２２】
前記実験では、排ガス中の微粒子の粒径分布は２０ｎｍ程度のＮｕｃｌｅｉモードの山と、７０ｎｍ程度のＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎモードの山からなる二峰性のピークが得られる特徴を有しているが、核粒子であるチタニアを添加したことによって７０ｎｍ付近の濃度が約半分程度に減少している。これは、微粒子の生成過程において添加したチタニアを核とした不均一核生成が粒子の成長を促進した結果であると考えられる。
【００２３】
上記実験の例は、燃料軽油中に核粒子であるチタニアを分散した例であるが、潤滑油中にこれを分散することで、潤滑油起源による排出微粒子についても上記と同様に低減、無害化することが可能となる。現状潤滑油を起源とする煤やＳＯＦ、サルフェート等の微粒子成分は微粒子全体の１／３程度であるが、燃焼改善等により燃焼起源の粒子の割合が減少した際には、上記潤滑油起源の粒子の割合が高くなり、低減化が必須となる。
【００２４】
【発明の効果】
以上要するに、本発明は、排ガス中に存在させた超微小な粒子を核とする、不均一核生成や微粒子の凝集作用等により、該微粒子の粒子径（粒径）を増大せしめ、後流に設置されたＤＰＦなどの粒子状物質低減装置に捕捉され易くすることにより、微粒子低減効果を向上させることができる。この場合、排ガス中に存在させる超微粒子を光触媒効果を持つ粒子とすることで、大気中に放出された場合にも、その光触媒効果により凝集粒子群を無害化することを可能とすることができる。
【００２５】
したがって、本発明によれば、エンジンや煙道等からの排ガス中に含まれる粒子状物質（微粒子）を、その生成が燃焼起源であるかあるいは潤滑油起源であるかを問わず、多孔質物質からなる微量な核粒子を燃料または潤滑油中に分散させることにより、ＤＰＦでの微粒子の捕集を容易にし低減化することを可能とするものである。また、大気中に排出された微粒子についても、該核粒子として光触媒を用いることにより、無害化・低毒化することが可能であり、多大な実用的効果を奏するものである。
【００２６】
なお、分散される核粒子は排出微粒子濃度に比べ極めて微量であり、またそれ自体は無毒性であるため、これの添加による環境への影響は殆どない。
【図面の簡単な説明】
【図１】排ガス中に含まれる微粒子の粒径分布を示す。
Ａ：比較例
Ｂ：実施例

Claims

排ガス中に含まれる微粒子をフィルターで除去する方法において、該排ガス中に粒径が３０ｎｍ以下の超微粒子状物質を存在させることを特徴とする前記方法。
該排ガスがディーゼルエンジン排ガスであり、該超微粒子状物質又はその前駆体を、該エンジンに供給される燃料油及び／又は潤滑油に添加することを特徴とする請求項１に記載の方法。
該超微粒子状物質が光触媒からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
該光触媒がチタニアからなることを特徴とする請求項３に記載の方法。