JP2005246352A - 気体改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 OHラジカルを利用して有害物質を効率良く無害化する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内の気体に曝すように電極組４を配置し、プラズマ中のイオンを、第1グリッド電極３により、空気流に逆らって上流側へ低速で引き出させ、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を形成させる。このクラスターを、気体流により電極組４へ戻してプラズマ中に流入させ、プラズマ中の電子とクラスターの衝突による水分子の解離を促進させて、ＯＨラジカルの生成量を増やす。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体改質装置に関する。

従来、例えば空気浄化装置等では、コロナ放電等によりガス分子の一部が電離したプラズマを発生させ、このプラズマ中で生成したＯラジカルが酸素分子と反応してオゾンが生成される。このような空気浄化装置では、オゾンによる反応速度が遅いため、触媒（吸着剤）を用い当該触媒に吸着させて臭い成分等の有害物質を処理している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３３４２６号公報

しかしながら、このような空気浄化装置では、高湿度の空気を処理する場合、水分子が解離して生成されるＯＨラジカルが、Ｏラジカルと反応してしまい、オゾンの生成が阻害されて処理効率が低下するという問題がある。そして、ＯＨラジカルは、反応速度が極めて速く触媒を必要とせず、有害物質の無害化に対し効果があるにも関わらず、ＯＨラジカルによる反応は、有効利用が図られていない。

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、ＯＨラジカルを利用して有害物質を効率良く無害化する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可能な流路内に、パルス電圧又は交流電圧が印加され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、この電極対付近のイオンを気体の流れに逆らって上流側へ移動可能な電場を発生させる電場発生手段と、を有する改質部を備えた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、プラズマ中のイオンは、電場発生手段により、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を形成する。このクラスターは、成長に伴い電界による移動度が低下し、気体流により電極対へ向かって流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。

ここで、上記作用を奏する電場発生手段の構成としては、具体的には、電場発生手段が、電極対の一方の電極を基準電極として備えると共に、電極対より上流側に配置された第１電極を備え、当該第１電極の電位を、基準電極の電位に対して正又は負側の電位とする構成が挙げられ、第１電極の電位を、基準電極の電位に対して正側の電位とした場合には、負イオンが気体流に逆らって上流側へ低速で引き出され、第１電極の電位を、基準電極の電位に対して負側の電位とした場合には、正イオンが気体流に逆らって上流側へ低速で引き出される。

また、上記作用を効果的に奏する電場発生手段の構成としては、電場発生手段が、具体的には、電極対の一方の電極を基準電極として備えると共に、電極対より下流側に配置された第２電極を備え、電場発生手段が電極対付近の負イオンを気体の流れに逆らって上流側へ移動可能とする電場を発生させる場合には、第２電極の電位を、基準電極の電位に対して負側の電位とし、電場発生手段が電極対付近の正イオンを気体の流れに逆らって上流側へ移動可能とする電場を発生させる場合には、第２電極の電位を、基準電極の電位に対して正側の電位とする構成が挙げられ、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イオン及びクラスターは、基準電極と第２電極とで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、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一層促進される。

また、上記作用を効果的に奏する電場発生手段の構成としては、具体的には、電場発生手段が、気体の流れ方向に、電極対を複数並設し、電場発生手段が電極対付近の負イオンを気体の流れに逆らって上流側へ移動可能とする電場を発生させる場合には、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し、電場発生手段が電極対付近の正イオンを気体の流れに逆らって上流側へ移動可能とする電場を発生させる場合には、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する構成が挙げられ、これらの並列される電極対の電場により、イオンが上流側へ引き出される。

また、電極対は、結合コンデンサと、抵抗及びインダクタの少なくとも一方とに接続され、当該抵抗及び当該インダクタのインピーダンスは、パルス電圧又は交流電圧を印加する電源のインピーダンスより高くされている構成が挙げられる。

ここで、改質部の後段に、気体を水洗浄する水洗浄部を備えていると、改質部の電極対で、気体中の例えば炭化水素等はＯＨラジカルと反応しＯＨ基が組み込まれて親水性が付与され、これが水洗浄部の洗浄水により吸収されて気体中から分離される。

このように本発明による気体改質装置によれば、プラズマ中のクラスターが増加し、ＯＨラジカルの生成量が増加されるため、ＯＨラジカルを利用して有害物質が効率良く無害化される気体改質装置を提供することが可能となる。

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に適用されるものである。この気体改質装置１は、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と、電場発生手段（詳しくは後述）９と、を有する改質部を備えている。

ダクト２は、例えば炭素鋼、ステンレス鋼等から構成され、角筒状又は円筒状を成している。

電場発生手段９は、空気の流れ方向Ｇに沿って、第１グリッド電極（第１電極）３、電極組４、第２グリッド電極（第２電極）５をこの順に並設して備えている。第１グリッド電極３及び第２グリッド電極５は、例えば炭素鋼、ステンレス鋼等から構成され、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。

次に、第１グリッド電極３、電極組４及び第２グリッド電極５と各電源等との接続について説明する。

第１グリッド電極３は、直流電源１６の正端子に接続され、図２に示すように、所定の正電位とされている。

電極組４は、図１に示すように、その基準電極６が接地され０Ｖ（図２参照）とされる共に、励起電極７がパルス電源又は交流電源８に接続されて図２に示す電位とされ、励起電極７とこれに隣接する基準電極６との間で、各々プラズマを生じさせる。

第２グリッド電極５は、直流電源１７の負端子に接続され、図２に示すように、所定の負の電位とされている。

すなわち、電場発生手段９は、その第１グリッド電極３、基準電極６、第２グリッド電極５が、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、負イオンを空気流に逆らって上流側へ引き出させる電場を形成する。

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、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。これらのプラズマ中の負イオンは、第１グリッド電極３と電極組４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集される。なお、これらの負イオン及びクラスターにより捕集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。

第１グリッド電極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、多量の水分子及び有害物質を付着して成長し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、第1グリッド電極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すると水分子の解離が起きる。具体的には、電子がクラスターに衝突すると、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。

また、電極組４では、流入する気体分子等が電子と接触して、正イオン及び負イオンを形成する。これらのうち負イオンは、上述したように、第１グリッド電極３により上流側に引き出される。

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と第２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共に、上述したように、オゾン及び負イオンを生成する。

このように、本実施形態においては、気体分子は電極組４のプラズマ中で電離して正イオン及び負イオンを生成し、このようにして発生した負イオンは、第１グリッド電極３と電極組４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低速で引き出され、負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を形成し、このクラスターは、成長し電界による移動度が低下し、空気流により電極組４へ向かって流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。その結果、ＯＨラジカルを利用して有害物質が効率良く無害化される。

因みに、本実施形態の気体改質装置１では、電源８により、パルス立上りを１μ秒以下としてパルス電圧を印加するとストリーマコロナ放電による良好なプラズマが得られる。また、励起電極７を例えば石英管等の誘電体で覆い、電源８により、パルス電圧又は周波数を１００Ｈｚ〜５０，０００Ｈｚとして交流電圧を印加するとバリア放電（オゾナイザ放電、無声放電とも言うことがある。）による良好なプラズマが得られる。

また、本実施形態においては、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負イオン及びクラスターは、電極組４と第２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、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。その結果、ＯＨラジカルを利用して有害物質が一層効率良く無害化される。

図３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、図４は、図３中の各電極における電位を示す線図である。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、電場発生手段９を構成する各電極３，６，７，５の電位を変更すべく、各電極３，６，７，５と接続される回路を変更した点である。

すなわち、基準電極６は、図１に示す接地に代えて、図３に示すように、電源８の一方の出力端及び直流電源１８の負側の出力端に接続され、電源８の出力回路は内部でパルストランスによって接地や低圧回路から絶縁されている。これにより、図４に示すように、基準電極６は負の電位とされ、電極６，７間に発生するプラズマの平均電位は負の電位とされている。また、図３に示すように、第1グリッド電極３は、図１に示す直流電源１６との接続に代えて、接地され、図４に示すように、第１グリッド電極３の電位は、０Ｖとされている。また、図３に示すように、第２グリッド電極５は、当該第２グリッド電極５に直流電圧を印加する直流電源１７の負端子に接続され、図４に示すように、第２グリッド電極５の電位は、基準電極６の電位よりさらに負側の電位とされている。すなわち、電場発生手段９は、その第１グリッド電極３、基準電極６、第２グリッド電極５が、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。

このように構成しても第１実施形態と同様に、負イオンを空気流に逆らって上流側へ移動させる電場が生じているため、第1実施形態と同様な作用・効果を奏する。

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、図６は、図５中の各電極における電位を示す線図である。この第３実施形態の気体改質装置３１が第２実施形態の気体改質装置２１と違う点は、電極組４と接続される回路を変更した点である。

すなわち、図５に示すように、基準電極６は、直流電源１８の負側の出力端に接続され、励起電極７は、結合コンデンサ３２を介して電源８の一方の出力端に接続され、他方の出力端は接地され、これらの基準電極６及び励起電極７は、抵抗３３を介して接続されている。この抵抗３３は、電源８に対して実質的に十分高いインピーダンスを有している。これらにより、図６に示すように、電源８は正の出力電圧とされて、基準電極６は負の電位とされ、電極６，７間に発生するプラズマの平均電位は負の電位とされている。すなわち、電場発生手段９は、その第１グリッド電極３、基準電極６、第２グリッド電極５が、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。

このように構成しても第２実施形態と同様に、負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ているため、第１実施形態と同様な作用・効果を奏する。

図７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、図８は、図７中の各電極における電位を示す線図である。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に示す電場発生手段９に代えて、図７に示すように、電極組を複数備えると共に第２グリッド電極５を無くした電場発生手段４９を用いた点である。

すなわち、電場発生手段４９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ように直流電源１８ａ〜１８ｃの負端子に各々接続されている。これらにより、図８に示すように、第1グリッド電極３及び基準電極６ａ〜６ｃ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、プラズマ中の電子とクラスターの衝突による水分子の解離が効果的に行われ、ＯＨラジカルの生成量が増やされる。その結果、第３実施形態に比して有害物質が一層無害化される。

なお、上記第４実施形態において、電極組４ｃより下流に第２グリッド電極を備える構成としても良い。

また、上記第４実施形態において、電場発生手段４９は、第1グリッド電極３及び基準電極６ａ〜６ｃ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、第1グリッド電極３及び基準電極６ａ〜６ｃ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、上記実施形態にあっては、電場発生手段９は、第１グリッド電極３の電位を基準電極６の電位より正側の電位とする構成としているが、第１グリッド電極３の電位を基準電極６の電位より負側の電位とする構成としても良い。このように構成すると、第１グリッド電極３と基準電極６との間に形成された電場により、電極組４のプラズマで発生した正イオンが、空気流に逆らって上流側へ低速で引き出され、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を形成する。このクラスターは、空気流により電極組４へ向かって流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。その結果、ＯＨラジカルを利用して有害物質が効率良く無害化される。

また、このような正イオンを上流側に引き出させる電場発生手段９，４９においては、第２グリッド電極５の電位を、基準電極６の電位に対して正側の電位とする。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と第２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。その結果、ＯＨラジカルを利用して有害物質が一層効率良く無害化される。

また、上記実施形態において、電場発生手段９，４９は、第1グリッド電極３を備える構成としているが、第1グリッド電極３を備えない構成としても良い。

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、上記実施形態において、改質部の後段に、気体を水洗浄する水洗浄部を備えていると、改質部の電極組４により、気体中の例えば炭化水素等は、ＯＨラジカルと反応し、ＯＨ基が組み込まれて親水性が付与され、これが水洗浄部の洗浄水により吸収されて気体中から分離される。

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、上記実施形態の気体改質装置１，２１，３１，４１は、気体中の水分子をクラスターとして捕集するため、気体の除湿等にも適用可能であり、例えば一般家庭、各種工場等に適用してもよい。また、改質部の後段に触媒を配置する構成とすると、この触媒の乾燥状態が持続し、触媒寿命が延びるという利点がある。

また、上記実施形態では、基準電極６及び励起電極７を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。

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。

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。 図３中の各電極における電位を示す線図である。 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。 図５中の各電極における電位を示す線図である。 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。 図７中の各電極における電位を示す線図である。

符号の説明

１，２１，３１，４１…気体改質装置、２…ダクト（流路）、３…第１グリッド電極（第１電極）、４，４ａ〜４ｃ…電極組（電極対）、５…第２グリッド電極（第２電極）、６…基準電極、９，４９…電場発生手段、３２…結合コンデンサ、３３…抵抗。

Claims (6)

1. 水分子を含む気体が流動可能な流路内に、パルス電圧又は交流電圧が印加され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、
   この電極対付近のイオンを前記気体の流れに逆らって上流側へ移動可能とする電場を発生させる電場発生手段と、を有する改質部を備えた気体改質装置。
2. 前記電場発生手段は、前記電極対の一方の電極を基準電極として備えると共に、前記電極対より上流側に配置された第１電極を備え、
   当該第１電極の電位を、前記基準電極の電位に対して正又は負側の電位とすることを特徴とする気体改質装置。
3. 前記電場発生手段は、前記電極対の一方の電極を基準電極として備えると共に、前記電極対より下流側に配置された第２電極を備え、
   前記電場発生手段が前記電極対付近の負イオンを前記気体の流れに逆らって上流側へ移動可能とする電場を発生させる場合には、
   前記第２電極の電位を、前記基準電極の電位に対して負側の電位とし、
   前記電場発生手段が前記電極対付近の正イオンを前記気体の流れに逆らって上流側へ移動可能とする電場を発生させる場合には、
   前記第２電極の電位を、前記基準電極の電位に対して正側の電位とす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。
4. 前記電場発生手段は、前記気体の流れ方向に、前記電極対を複数並設し、
   前記電場発生手段が前記電極対付近の負イオンを前記気体の流れに逆らって上流側へ移動可能とする電場を発生させる場合には、
   前記基準電極の電位を、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し、
   前記電場発生手段が前記電極対付近の正イオンを前記気体の流れに逆らって上流側へ移動可能とする電場を発生させる場合には、
   前記基準電極の電位を、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。
5. 前記電極対は、結合コンデンサと、抵抗及びインダクタの少なくとも一方とに接続され、
   前記抵抗及び前記インダクタのインピーダンスは、前記パルス電圧又は前記交流電圧を印加する電源のインピーダンスより高くされていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の気体改質装置。
6. 前記改質部の後段に、前記気体を水洗浄する水洗浄部を備え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。

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