JP2005237954A - プラズマ化学反応器及びプラズマ化学反応器を使用した浄化・脱臭装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラズマと触媒材料を用いた化学反応器において、触媒材料と環状電極及びガス移動手段等の制御により、また、デバイスの標準化とシステム化によって多種多様な化学物質を安全かつ効率的に化学反応を起こさせることができるプラズマ化学反応器及び該プラズマ化学反応器を使用した浄化・脱臭装置を提供する。
【解決手段】中心部にガス移動手段を設けてガスの流れを調節できるようにし、内部電極として環状電極、その外周には環状の外部電極及び誘電体層を設け、反応生成物を容易に除去処理できるようにし、環状電極の形状、電極間距離や誘電体層の厚み等を変えることによりプラズマ空間を任意に創造し、量的濃度的に多様な複数種の化学物質にも対応できるようにした。また、触媒材料をスリットフィン間や環状電極近傍に配置し、アーク放電又はグロー放電によりプラズマを発生させて反応効率を大幅に向上させ、更に電源や装置を標準化、システム化することによってコストの低減化を実現した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマと触媒材料を用いて化学物質に化学反応を起こさせるもので、環状電極と触媒材料及びガスの移動手段等の制御により、或いはデバイスの標準化とシステム化によって多種多様な化学物質を安全且つ効率的に化学反応を起こさせることができるプラズマ化学反応器並びに該プラズマ化学反応器を使用した浄化・脱臭装置に関するものである。

従来の化学物質の化学反応装置としては、化学触媒やプラズマによる処理手段等があるが、近年プラズマ放電と触媒材料を組み合わせた手段が創案され、触媒金属を電極材料としてプラズマ放電させるＰＡＣＴ装置（特許文献１）が開発されている。

しかしながら、これまで開発されているＰＡＣＴ装置は、生ごみ、自動車等の排気ガス、空気清浄等への応用といった個別に対応するものであり装置が一品一様になりがちで、ガスの種類や濃度や流量等の変化によって装置を一々変更する必要があり、それらに対応することは容易なことではなかった。

従来のＰＡＣＴ装置では、触媒材料を電極表面に配置しているため、プラズマと触媒材料が時間的及び空間的（以下、時空間的という。）に共存しており、パワーの強いアーク放電では触媒材料の消耗が激しく、時間とともに効率が低下し、そのためパワーの弱いグロー放電を用いざるをえなかった。また、装置毎に個別の電源を必要とし、コストの面でも課題があり、製品の標準化、システム化が困難であった。
特開２００１−３００２９７号公報

本発明は、プラズマを用いた化学反応装置における上記の問題点を解決するためになされたもので、ガスの強制移動手段を用い、環状電極と触媒材料とによりガス種、ガス濃度及びガス流量等の条件変化に対応でき、装置の標準化やシステム化を可能にしたプラズマ化学反応器及び該プラズマ化学反応器を使用した浄化・脱臭装置を提供するものである。

従来の柱状の電極を用いたＰＡＣＴ装置では、反応生成物の除去処理に多くの問題点があった。本発明の装置は、電極として環状の電極を用い、該電極の外周に反応生成物をリング状に付着させて剥離をし易くし、また環状の電極の中心部にガスの移動手段を設け、該ガスの移動手段を制御することによってガスの流れを調節できるようにした。

また、本発明の装置は、環状の内部電極１を、その半径、スリットフィン間の幅、スリットフィン数等の形状を適切に選定することにより、ガス種、ガス濃度及びガス量等の従来の問題点を容易に解決することを可能とした。また、内部電極１の外周に発生するプラズマについては、電極間距離、誘電体層の厚み等を変え、また印加電流、周波数等を制御することによって任意のプラズマ４を創造することを可能とした。更に、スリットフィンを形成した環状電極の該スリットフィン間又は／及び環状電極近傍に触媒材料を配置することにより、反応効率を大幅に向上させることを可能とした。

本装置によるプラズマ放電は、従来のＰＡＣＴ装置と異なり電極表面に触媒材料が存在しないので、電極表面が消耗しても処理能力が低下せず、完全に消失した時のみ交換すればよい。そこで、パワーの強いアーク放電を利用することができ、反応効率を大幅に向上させることができる。また、ガスを選択処理したい場合には、ＰＡＣＴ装置の前後にフィルタを付加することも可能である。

システム化については、まず本発明によるファン型ＰＡＣＴ装置８を大・中・小の３つに分類して製造する（図７）。それらを組み合わせることによって全てのガス種、ガス濃度、ガス流量に対処することができる。たとえば濃度４ｎのガス（ガス流量Ｑ）を一気に処理したい場合には、本発明によるファン型ＰＡＣＴ装置８を順次直列的に接続することによって、単一種の高電圧電源９により同一構造の装置でこれを処理することができる（図５）。また、たとえば濃度ｎのガス（ガス流量４Ｑ）を大量に処理したい場合には、回転羽根やスリットフィン等を適切に変更した単一のファン型ＰＡＣＴ装置８を並列的に接続すればよい。この際、同一構造の高電圧電源９を直列に接続して電源供給をするだけで多くの電流を得ることができる（図６）。

このように、従来は電源が装置ごとに専用のものが必要であったが、本発明ではファン型ＰＡＣＴ装置のユニットを適宜組み合わせることによって様々な条件に対応することができ、電源や装置を標準化することができる。また、従来のＰＡＣＴ装置では電極表面に触媒処理を施すため、グロー放電で電極間にプラズマを閉じ込める際の耐消耗対策として交流の高電圧電源に限定されるものであったが、本発明のＰＡＣＴ装置ではアーク放電まで拡大可能であり、直流電源でも交流電源でも利用可能である。もちろん、ガス濃度やガス流量はそれぞれ４ｎ、４Ｑに限ったものではなく、複数種の任意量のガスに対して本発明によるシステムが適用可能である。

また、上記では主としてファン型ＰＡＣＴ装置について説明したが、サイクロン型ＰＡＣＴ装置も同様の作用効果を達成することができる。

本発明は、ＰＡＣＴにガス移動構造を取り入れることにより、従来は個別にしか対応できなかったガスの種類や濃度や流量の変化に対応して適切な化学反応を起こさせることができ、また電極をスリットフィンや溝型形状とすることによりプラズマ化学反応後の反応生成物を容易に除去することを可能とした。

本発明は、スリットフィン形状や溝型形状、電極間距離或いは誘電体層厚等を変えること等により任意のプラズマ空間を創出することができ、任意の物質に対して化学反応を促進することができる。内部電極のスリットフィン間への触媒材料の挿入や取替えも容易であり、ガスの種類や濃度や流量等に応じてプラズマと触媒材料の時空間的共存或いは非共存のどちらにも対応することができる。また、触媒材料を電極表面に配置しないため、触媒材料の消耗を気にせず反応効率の高いアーク放電を用いることを可能とした。

更に、同一構造のファン型ＰＡＣＴ装置やサイクロン型ＰＡＣＴ装置を複数個使用することによって、量的、濃度的に多様な複数種の化学物質に化学反応を起こさせることができる。本発明によって従来使われていた個別対応の装置ではできなかった装置の標準化、システム化を実現することが可能となった。

以下に、本発明に係るプラズマ化学反応器及び該プラズマ化学反応器を使用した浄化・脱臭装置の実施形態を図面に基づいて説明する。

本発明におけるファン構造を図１に、ガスの流れを含めた構成図を図２に示す。円筒形ハウジングの中心部に回転羽根を有するファンを設け、該ファンの外周にスリットフィンを有する環状の内部電極とその外周に環状の外部電極を設け、該外部電極に内接して環状の誘電体層を設ける。該円筒形ハウジングは、ガス流入側を開放し、ガス流出側の中央部に閉塞壁を設ける。まず、ガスは流入ガス６として円筒形ハウジングのファン５に導入される。ガスの流れはファン５の回転数で制御するため、ガス流量対策は容易である。流入ガス６はスリットフィンを形成した電極１を通ってプラズマ４内に導入される。

ガスの種類に応じた触媒材料をスリットフィンを形成した内部電極１の付近に配置することで、効果的に反応を促進することができる。上記スリットフィンを形成した電極１におけるスリットフィン１０の形成は、図４（ａ）に示すようにガスの移動方向に対してほぼ平行方向かそれに近い方向に形成するスリットフィン１０ａとしたり、図４（ｂ）に示すようにガスの移動方向に対してほぼ直交かそれに近い方向に形成する溝１０ｂとすることができる。触媒材料１１の配置は、図４（ａ）、（ｂ）のように各スリットフィン１０ａ、溝１０ｂに挟まれる或いは詰め込まれる位置であってもよいし、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように、ガス流入側のファン中央部、ガス出口側の両電極間，或いはそのいずれもに配置してもよい。上記図４（ｂ）に示す筒状体の外周壁の円周方向に沿って溝１０ｂを形成することにより多くの溝を設けることができる。上記スリットフィン間或いは溝に触媒材料１１を配置することにより大量の触媒材料１１を使用することが可能となる。触媒材料１１の詰め込み高さとスリットフィン１０ａ及び溝１０ｂの高さとを同じにしてプラズマ４と触媒材料１１を時空間的に共存していてもよいし、触媒材料１１の挟持或いは詰め込み高さをスリットフィン１０ａや溝１０ｂの高さより低くしてプラズマ４と触媒材料１１を異時空間に配置してもよい（図４（ａ））。また、プラズマ４を制御して発生範囲を調節することによって同時空間的にも異時空間的にも利用することが可能である。

プラズマ生成層は、電極の径や電極間距離或いは誘電体層３の厚さを変更することによって調節することができ、流入ガス６のガス量Ｑの変化に対応することができる。ここでプラズマ化学反応後には流出ガス７が外部に放出されるが、一方、反応生成物は環状の電極や誘電体層に付着する。

付着した反応生成物は、ガス処理によって除去する。たとえば生成物がＣの場合は、Ｏ_２やＨ_２といったガスを流入させて無害なＣＯ_２やＨ_２Ｏを生成させて除去することができる。また、印加電圧にバイアスをかけスパッタリング（はねかける）させることにより、放電イオンを内部電極１へ衝突させ表面の反応生成物を剥離させることができる。また、反応生成物が付着した環状誘電体層を取り替えることによって反応生成物を処分することも可能である。更に、プラズマ放電には従来よりも強力なアーク放電を用いることによって、反応効率を大幅に向上させることができる。

流入ガス６には油煙類や湿気が含まれ、流出ガス７にはオゾンが含まれていることがあるため、ファン５への導入前後にフィルタ（図示せず）を付加してそれらを除去することで反応効率を上げることができる。

処理能力が大・中・小の３種類の装置を製造し、それらの組み合わせによって任意のガスに対応させることができる。高電圧電源９はどの装置にも共通なものとして、装置の数や処理に応じて高電圧電源９を直列又は並列に取りつけて電源供給を行えばよい。たとえば、流入ガス６として複数種のガスが存在する場合には、本発明によるファン型ＰＡＣＴユニットを複数個直列接続することによって対応することができる(図５)。また、流入ガス６として大量のガスが存在する場合には、本発明に使用する高電圧電源９を複数個直列接続することによって対応させることができる（図６）。

本発明のプラズマ化学反応器において、ガス流量又は／及びガス濃度を変化させた時の反応率を、従来のＰＡＣＴ装置と比較してみた。同一容積でＣｕを触媒材料とし、トルエンの分解を行った結果を図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。ガス流量又は／及びガス濃度が増加していった時、本発明によるファン型ＰＡＣＴ装置のほうが従来のＰＡＣＴ装置に比べ１０倍近く処理能力が向上することが確認された。また、１００％分解するのに必要な消費電力は１０分の１程度に抑えることができた。更に、本発明によるファン型ＰＡＣＴ装置では従来のグロー放電よりも強力なアーク放電を用いることが可能なため、分解率を格段に向上させることが可能であることが分かった。

図９（ａ）は、本発明のプラズマ化学反応器の他の実施例を示すものである。
本発明のプラズマ化学反応器は、サイクロン型装置と組み合わせることにより、ディーゼルエンジン排気ガスのＰＭの排除及び／又はＮＯ_ｘ対策を効率的に達成することを可能とするものである。

図９（ａ）のプラズマ化学反応器１００は、サイクロン型装置の内部にスリットフィン型電極１０１を配置している。スリットフィン型電極１０１のスリットフィン１０２間には酸化触媒材料を設けている。ディーゼルエンジンにおける排気ガスは、ガス入口１０３からプラズマ化学反応器１００内へ導入され、矢印で示したようにガスが旋回しながら下降する。この旋回により発生する遠心力により、排気ガス中のＰＭ（粒子状物質）は外方への力を受け、スリットフィン型電極１０１表面に捕捉される。該スリットフィン型電極１０１の表面は、ＰＭが捕捉される程度の微細口が多数ポーラス状に設けられている。

上記スリットフィン型電極１０１で捕捉されたＰＭは、触媒材料の作用により排気ガス自体の比較的低温でも急速に酸化され、消滅除去される。ＰＭの除去された排気ガスは、排気管１０４を通過して排出される。その後、ＮＯ_ｘ等の処理デバイス側へ接続される。

上記プラズマ化学反応器１００を周波数１０ｋＨｚ、ピーク電圧８ｋＶ程度の交流高電圧電源１０５をスリットフィン型電極１０１と外壁間に接続することにより、誘電体バリア放電による大気圧プラズマ１０６を形成することができる。なお、１０７はガラス等の誘電体層であり、外壁の内側に配置している。

上記放電により、排気ガス中の有害成分を分解除去することが可能となる。このプラズマは、スリットフィン間の触媒材料を一層活性化させることができ、ＰＭ除去能力は極めて高くなる。
また、上記プラズマにより生成されるオゾンは、排気管１０４内でガスと混合し、有害成分を酸化、無害化する作用をする。

図９（ｂ）は、プラズマ化学反応器の他の実施例を示すものである。上記実施例２とほぼ同様の構成を有しているが、上記実施例２のスリットフィン型電極の替わりに触媒材料を担持したポーラス状の触媒構造体を設けている。

図９（ｂ）において、プラズマ化学反応器１１０は、触媒構造体１１１を設け、この表面にＰＭを捕捉させて除去する。該触媒構造体１１１の触媒作用によりＰＭは徐々に酸化分解されることになる。
上記実施例３は、比較的ＰＭ量の少ない系に適用することが最適である。

図中、１１３はガス入口を示し、１１４は排気管を示している。該排気管１１４は、その内側に円柱状の電極１１５を設置し、排気管内壁と排気管外壁の誘電体層１１６を介して交流高電圧電源１１７により電力を付加することでプラズマ１１８を形成している。上記構成により、装置の内部で有害ガスの清浄化まで行なうことができる。

図１０は、上記実施例１〜３のプラズマ化学反応器を使用したガスの浄化・脱臭装置の具体例である。該浄化・脱臭装置２０１は、例えばディーゼルエンジンにおける排気ガスや喫煙室或いはパチンコ店等のように狭い空間において多量のＰＭ及び／又はＮＯ_ｘを含むガスを排出する場所において、それらのガスを容器内へ取り入れ、フィルター２０２により水分又は／及びある程度の粒子径を有する物質を吸着させる。その後、該フィルター２０２を通り抜けたガスは、プラズマ化学反応器２０３へと導入され、上記実施例１〜３で示したように、プラズマと触媒材料とによりガス成分とＰＭ及び／又はＮＯ_ｘとに分離される。該ＰＭ及び／又はＮＯ_ｘは、電極表面で捕捉され、ＰＭ及び／又はＮＯ_ｘが除去され且つ該プラズマ化学反応器で生成された副生成物を含むガスは、後段におけるフィルター２０４により除去され排気管より排出されることになる。

図１１は、実施例４の浄化・脱臭装置を更に実用化したもので、容器３０１内に上記実施例４の浄化・脱臭装置を組み込み、容器３０１の外面壁に設けたガスの取り込み口３０２と浄化されたガスの排出口３０３とを設けている。図において、ガスの取り込み口３０２を下方部に、ガスの排出口３０３を上方部に各々設けているが、これらの位置は限定されるものではない。上記浄化・脱臭装置は、特にタバコの臭気成分を脱臭し、且つ毒性のあるＣＯや一部ＶＯＣを除去することが可能である。

なお、本発明は上記の実施形態及び実施例における化学物質の化学反応に限定されるものではなく、化学物質の合成、分解、改質等のさまざまな変形が可能であり、本発明はこれら全てを含むものである。

本発明は、従来はガス濃度やガス流量に応じて個別に開発していたプラズマ化学反応器の全ての領域をカバーできる装置であり、プラズマ空間や触媒材料を変えることによって全てのガス種に対応することが可能となった。また、同一構造の装置を製造すればよいのでコスト的にも大幅な削減を見込むことができる。このように本発明のプラズマ化学反応器は、上記実施例で示した用途以外に、家庭用の生ごみ処理機やバイオトイレ等の小規模なものから原子力発電所、廃棄物処理場、農耕畜産場、衛生下水場、印刷業界、運輸機器等の大規模なものまで様々な分野に応用することが可能である。

ファンを用いたプラズマ化学反応器の正面図である。 ファンを用いたプラズマ化学反応器のガスの流れを示す側面断面図である。 前段に触媒材料を配置した形態の側面断面図である。 後段に触媒材料を配置した形態の側面断面図である。 前段及び後段に触媒材料を配置した形態の側面断面図である。 スリットフィン間に触媒材料を挟む形態の電極側面図である。 溝に触媒材料を詰め込む形態の電極の一部断面側面図である。 実施形態において４種類のガスに対応するためのシステム構成図である。 実施形態において４倍量の単一ガスに対応するためのシステム構成図である。 ガス濃度、ガス流量を指標とした３つの分類を示すグラフである。 実施例におけるガス流量に対する分解率を比較するグラフである。 実施例におけるガス濃度に対する分解率を比較するグラフである。 実施例における分解率に対する消費電力を比較するグラフである。 実施例における放電の種類の違いに対する分解率を比較するグラフである。 サイクロンを用いたプラズマ化学反応器の側面断面図である。 サイクロンを用いた他の実施例のプラズマ化学反応器の側面断面図である。 プラズマ化学反応器を使用した排気ガスの浄化・脱臭装置の概略側面図である。 プラズマ化学反応器を組み込んで浄化・脱臭装置の製品とした外形斜視図である。

符号の説明

１ 内部電極
２ 外部電極
３ 誘電体層
４ プラズマ
５ ファン
６ 流入ガス
７ 流出ガス
８ ファン型ＰＡＣＴ装置
９ 高電圧電源
１０ａ スリットフィン
１０ｂ 溝
１１ 触媒材料
１００ プラズマ化学反応器
１０１ スリットフィン型電極
１０２ スリットフィン
１０３ ガス入口
１０４ 排気管
１０５ 高電圧電源
１０６ プラズマ
１０７ 誘電体層
１１０ プラズマ化学反応器
１１１ 触媒構造体
１１３ ガス入口
１１４ 排気管
１１５ 電極
１１６ 誘電体層
１１７ 高電圧電源
１１８ プラズマ
２０１ 浄化・脱臭装置
２０２ フィルター
２０３ プラズマ化学反応器
２０４ フィルター
３０１ 容器
３０２ 取り込み口
３０３ 排出口

Claims (19)

1. ガスが導入される円筒形ハウジングの中心部にガス移動手段を設け、該ガス移動手段の外周に環状の内部電極と所定間隔を有してその外周に環状の誘電体層を形成した外部電極とを設け、該間隔を触媒材料を介してのプラズマ発生領域としてなるプラズマにより化学反応を起こさせることを特徴とするプラズマ化学反応器。
2. 前記ガス移動手段を回転羽根を有するファン型としたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ化学反応器。
3. 前記ガス移動手段をサイクロン型としたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ化学反応器。
4. 前記触媒材料をガスの移動方向或いはそれに近い方向に設けた内部電極側の多数個のスリットフィン間に配設したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
5. 前記触媒材料をガスの移動方向と直交或いはそれに近い方向に設けた内部電極側の多数個の溝に詰め込み配設したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
6. 前記触媒材料をポーラス状の触媒構造体とし、ガスの移動する空間に設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
7. 前記両電極の近傍に、触媒材料を取り付けたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
8. 前記ファンの回転数の変化或いはサイクロンの吸引力の増減によりガス流量を制御することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
9. 前記電極の外径を変更してプラズマを制御することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
10. 前記誘電体層の厚さの変更によりプラズマを制御することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
11. 前記ガス導入の前段において水分又は／及びガスを吸着させるフィルタを設けたことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
12. 前記ガス導入の後段においてオゾンを吸着させるフィルタを設けたことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
13. 前記プラズマによる化学反応により生成した反応生成物を、ガス処理によって除去処理することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
14. 前記両電極の印加電圧によるスパッタリングにより、前記反応生成物を剥離除去することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
15. 前記環状誘電体層は、反応生成物が付着した状態で取り替えることにより、該反応生成物を除去処分することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
16. 前記プラズマは、アーク放電又はグロー放電としたことを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
17. 前記プラズマ化学反応器の異種仕様のもの又は／及び同一仕様のものを複数個直列的に接続し、単一種の高電圧電源により、多様な複数種の化学物質に対応して化学反応を起こさせることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
18. 前記プラズマ化学反応器の異種仕様のもの又は／及び同一仕様のものを複数個並列的に接続し、単一種の高電圧電源により、多様な複数種の化学物質に対応して化学反応を起こさせることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載のプラズマ化学反応器。
19. 上記請求項１ないし１８のいずれかのプラズマ化学反応器の前段にフィルタ、後段にフィルタを各々設け、ガス取り込み口から導入されたＰＭ及び／又はＮＯ_ｘを含むガスを前段のフィルタにより水分又は／及び一部粒子成分を吸着し、該プラズマ化学反応器によりガス成分とＰＭ及び／又はＮＯ_ｘとに分離し、更に、該プラズマ化学反応器により生成された副生成物を含む分離されたガス中の該副生成物を後段のフィルタにより除去し、該ガス中よりＰＭ及び／又はＮＯ_ｘが除去され脱臭されてなることを特徴とするプラズマ化学反応器を使用した浄化・脱臭装置。
    

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