JP2006260955A - 超臨界流体プラズマ発生装置および超臨界流体プラズマ発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超臨界流体に高エネルギーのプラズマを発生でき、高い反応速度が実現できる超臨界流体プラズマ発生装置および超臨界流体プラズマ発生方法を提供すること。
【解決手段】超臨界流体プラズマ発生装置１は、圧力容器２と、圧力容器２に原料流体を供給する原料供給装置３と、圧力容器２内に設けられた電極７と、電極７に高周波電力を供給する高周波電源を有するものであり、原料流体を圧力容器２に供給して圧力容器２内に超臨界流体を生成するとともに、高周波電源によって圧力容器２内に設けた電極７に電力を供給して超臨界流体に高エネルギーのプラズマを発生させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、超臨界流体に高エネルギーのプラズマを発生するためのプラズマ発生装置およびプラズマ発生方法に関するものである。

超臨界流体は液体に近い物質濃度であり、気体のような拡散性を有する。また、高い溶解性を有し、高付加価値物質の抽出や、有害物質の分解・無害化を始め、さまざまな応用が期待されている。

そして、超臨界流体雰囲気におけるプラズマ状態として特許文献１には、超臨界流体セル中、もしくは外部に放電発生用の電極を設置し、直流／交流電圧を用いること、もしくは窓を用いたセルを用い、レーザー光を用いること等により高圧力／高粒子密度雰囲気である超臨界流体雰囲気においてプラズマ状態を創生すると、記載されている。
特開２００３−１７８９００号公報

特許文献１には超臨界状態でのプラズマ発生を撮影した写真が掲載されている。これは、超臨界流体固有の性質を生かした化学反応に応用できる可能性があり、意義あるものと考えられる。しかし、同文献においてはプラズマ発生の具体的な方法については多くの記載がない。「超臨界流体セル中、もしくは外部に放電発生用の電極を設置」「直流／交流電圧を用いること」との記載があるが、同文献中にある程度具体的に記載されているのは、超臨界流体セル中に電極を極微細ギャップで設けて直流電圧を印加することのみである。これらより判断すると、記載された超臨界流体雰囲気におけるプラズマ発明は、直流アーク放電によるものである。したがって、プラズマ領域が狭く、反応速度は遅い。また、極めて小規模なプラズマであり微細加工には適していても、化学反応炉としての用途は極めて限定的と思われる。

この発明は、超臨界流体に高エネルギーのプラズマを発生でき、高い反応速度が実現できる超臨界流体プラズマ発生装置および超臨界流体プラズマ発生方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る超臨界流体プラズマ発生装置は、圧力容器と、圧力容器に原料流体を供給する原料供給装置と、圧力容器内に設けられた電極と、電極に高周波電力を供給する高周波電源を有するものである。

さらに、本発明に係る超臨界流体プラズマ発生方法は、原料流体を圧力容器に供給して圧力容器内に超臨界流体を生成するとともに、高周波電源によって圧力容器内に設けた電極に電力を供給して超臨界流体にプラズマを発生させるものである。特に、常温・常圧において液体である物質の超臨界状態を使用するときには、圧力容器内の電極部分が気体状態の原料物質で保持された状態にして電極に高周波電力を供給し、高周波電源によって圧力容器内に設けた電極に電力を供給して気体内にプラズマを発生させ、そのプラズマを維持しつつ圧力ポンプにより原料物質の液体を圧力容器に供給して圧力容器内を超臨界状態にすることによって、超臨界流体にプラズマを容易に発生させることができる。

この発明の本発明に係る超臨界流体プラズマ発生装置および超臨界流体プラズマ発生方法は、液中プラズマ用電極、液中プラズマ発生装置および液中プラズマ発生方法は、超臨界流体に高エネルギーのプラズマを発生でき、高い反応速度が実現できるという効果を有する。

この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図１は超臨界流体プラズマ発生装置を示す概念図、図２は圧力容器周辺の詳細図、図３は電極を示す正面図、図４は高周波回路を示す回路図である。

超臨界流体プラズマ発生装置１は、圧力容器２を有する。この圧力容器２に超臨界流体の原料物質である原料流体を供給するために原料供給装置３が接続されている。原料供給装置３には、液体二酸化炭素ボンベなどの原料流体源４と、圧力をかけながら原料流体を供給する圧力ポンプ５が含まれている。圧力容器２は超臨界流体の生成・維持に必要な高温・高圧に耐えるものであるが、圧力調整弁６が設けられていて、何らかの圧力異常が生じても圧力容器２が破損することを防止する。

圧力容器２の内部には電極７と対向電極８が設けられている。電極７は接点Ｂ−Ｂ‘により、対向電極８は接点Ａ−Ａ‘により、それぞれ高周波回路９に接続される。

図３に示す電極の例について説明する。先端部７ａは外径３．３ｍｍのアルミニウム材の頂点を丸く形成したものである。先端部７ａには外径４ｍｍの銅の基部７ｂが接続されており、外径１．５５ｍｍの銅線７ｃによって電力が供給される。先端部７ａよりやや離れた位置には、電極７を圧力容器２に固定するための取り付け部材７ｄが設けられている。そして、取り付け部材７ｄはフッ化樹脂などの絶縁材７ｅ、７ｆによってそれぞれ基部７ｂおよび銅線７ｃから絶縁されている。
された

高周波回路９は、電源１０、マッチングボックス１１、結合用コンデンサー１２、コイル１３、コンデンサー１４を有する。本例において、例えば２７．１２ＭＨｚの高周波を供給する場合に、結合用コンデンサー１２としてソリッジコンデンサ（日東電磁株式会社製、ＲＦ−４０、５０ｐＦ）を３個直列接続したものを、コイル１３として銅板（厚さ０．１ｍｍ、幅２５ｍｍ）を直径２０ｍｍの空芯を有するように３回巻いたものを、コンデンサー１４としてソリッジコンデンサ（日東電磁株式会社製、ＲＦ−８０、５００ｐＦ）を５個直列接続したものを使用した。

圧力容器２は圧力計１５が接続されていて、内部の圧力が測定できるようになっている。また、窓１６が設けられていて、プラズマが発生しているか、内部が超臨界状態になっているかなどが、目視またはビデオカメラなどで観察できるようになっている。さらに、圧力容器２内部を加熱するための加熱器を設けてもよいが、これは必ずしも独立して設けられる必要はなく、電極７からの高周波供給の際に発生する熱を加熱源として利用してもよい。

次に、この超臨界流体プラズマ発生装置１を用いた超臨界流体プラズマ発生方法の例について説明する。ここでは、二酸化炭素を超臨界流体として使用する例で説明する。

原料供給装置３として、液体二酸化炭素ボンベが接続される。まず、圧力容器２内の空気を排出するとともに、少量の二酸化炭素を圧力容器２に供給し、圧力容器２が気体の二酸化炭素で満たされた状態にする。この状態で高周波回路９を作動させて、周波数２７．１２ＭＨｚ、入射電力３３０Ｗを電極７に供給する。電極７より高周波が圧力容器２内に供給され、気体の二酸化炭素にプラズマが発生する。プラズマ発生が開始したときの圧力は大気圧であり、温度は２９５Ｋである。

プラズマの形成が確認された後、圧力ポンプ５を作動させ圧力容器２内に液体二酸化炭素を供給する。圧力調整弁６を所定の圧力に設定しておき、圧力容器２内に二酸化炭素を供給することで任意の圧力まで加圧することができようにしておく。また、電極７より発生する熱によって圧力容器２内は加熱される。圧力ポンプ５により圧力容器２に液体二酸化炭素を供給して圧力を臨界圧力（７４気圧）以上まで加圧させていく。この間、窓１６を観察しながら、プラズマが維持されるように電極７への電力供給を調整し続ける。さらに圧力容器２内の温度が臨界温度（３０４Ｋ）まで加熱されると圧力容器２内で気相と液相に分かれていた二酸化炭素は超臨界状態になり界面が消えてなくなるのが、窓１６より観察される。ここまでの行程において高周波の入射はプラズマ状態を維持しつつ入射電力３３０Ｗから入射電力２００Ｗまで下げる。さらに圧力容器２内の昇圧に伴い入射電力／反射電力を２００／１６０→２５０／２２０→２７０／２４０と変化させプラズマを維持させる。

圧力容器２内の二酸化炭素が超臨界流体となった後、圧力容器２内の圧力は急に加圧が進むため、圧力ポンプ５の流量を調整して急な加圧を避けるようにする。さらに本例では圧力容器２内を１００気圧まで昇圧し、温度は３１５Ｋ以上に保つようにした。

続いて高周波は入射電力／反射電力を２７０／２４０→３００／２８０と徐々に変化させた。超臨界状態でプラズマを一分間形成させた後に入射電力をさげ、入射電力／反射電力が１００／８０付近まで下がったところでプラズマの形成が確認されなくなった

ついで、この発明の実施例について説明する。本実施例では反応炉内に５ｍｍ四方のシリコン基板を電極７の前後に設置した。超臨界流体のプラズマを発生させた後に基板を圧力容器から取り出した。この基板上には茶色の付着物が確認された。図５は、この基板の表面を観察した走査電子顕微鏡写真である。ここでも、原料物質より生成された物質が基板上に付着していることが確認できる。

この発明の超臨界流体プラズマ発生装置および超臨界流体プラズマ発生方法は、超臨界流体プラズマにおいて高エネルギーのプラズマを発生することができるものであり、各種物質の抽出、特殊な化学反応、ダイオキシン等の融解物質の分解・無害化処理、材料の合成、精密部品の洗浄など広く利用できるものである。また、超臨界流体そのものの基礎研究手段としても適しており、試験装置としても利用できるものである。

超臨界流体プラズマ発生装置を示す概念図である。 圧力容器周辺の詳細図である。 電極を示す正面図である。 高周波回路を示す回路図を示す説明図である。 基板の表面を観察した走査電子顕微鏡写真である。

符号の説明

１．超臨界流体プラズマ発生装置
２．圧力容器
３．原料供給装置
４．原料流体源
５．圧力ポンプ
６．圧力調整弁
７．外容器電極
８．対向電極
９． 高周波回路
１０．電源
１１．マッチングボックス
１２．結合用コンデンサー
１３．コイル
１４．コンデンサー
１５．圧力計
１６．窓

Claims (4)

1. 圧力容器と、圧力容器に原料流体を供給する原料供給装置と、圧力容器内に設けられた電極と、電極に高周波電力を供給する高周波電源を有する超臨界流体プラズマ発生装置。
2. 原料流体を圧力容器に供給して圧力容器内に超臨界流体を生成するとともに、高周波電源によって圧力容器内に設けた電極に電力を供給して超臨界流体にプラズマを発生させる超臨界流体プラズマ発生方法。
3. 圧力容器内の電極部分が気体状態の原料物質で保持された状態にして電極に高周波電力を供給し、高周波電源によって圧力容器内に設けた電極に電力を供給して気体内にプラズマを発生させ、そのプラズマを維持しつつ圧力ポンプにより原料物質の液体を圧力容器に供給して圧力容器内を超臨界状態にすることによって超臨界流体にプラズマを発生させる請求項２に記載の超臨界流体プラズマ発生方法。
4. 二酸化炭素の超臨界流体を使用する請求項３に記載の超臨界流体プラズマ発生方法。