JP2012045500A

JP2012045500A - 二酸化炭素分解処理装置及び二酸化炭素分解処理方法

Info

Publication number: JP2012045500A
Application number: JP2010190892A
Authority: JP
Inventors: Shunjiro Ikezawa; 俊治郎池澤
Original assignee: Chubu University
Current assignee: Chubu University
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2012-03-08

Abstract

【課題】二酸化炭素の処理効率が高く、処理コストが低い二酸化炭素分解処理装置及び二酸化炭素分解処理方法を実現する。
【解決手段】二酸化炭素分解処理装置１は、マイクロ波を伝送する導波管１０と、マイクロ波発振器１１と、マイクロ波のマッチングを行うマッチング部１２と、同軸変換部１３と、を備えている。マッチング部１２の側面には、二酸化炭素を含む被処理ガスを内部に導入するためのガス導入口１２ｂが設けられている。マッチング部１２の内部に導入された被処理ガスは、同軸変換部１３に導入され、同軸変換部１３において励起されたマイクロ波プラズマＰにより二酸化炭素が分解される。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波プラズマにより二酸化炭素を分解する二酸化炭素分解処理装置及び二酸化炭素分解処理方法に関する。

最近、環境問題から二酸化炭素の削減が大きな社会的課題になっている。現在ＣＯ_２削減を目指した化石燃料の代替としてのバイオ燃料への関心は増々増加の一途を辿っているが、利用されているバイオ燃料の原料は作物の食糧との競合や温室効果ガス増加などの問題から、新たな二酸化炭素処理技術の開発が注目されている。
二酸化炭素を分解処理する技術として、プラズマによる分解を応用した技術がある。例えば、特許文献１には、プラズマにより発生させたオゾンを用いて二酸化炭素を分解するシステムが開示されている。
非特許文献１には、Ａｒをキャリアガスとした流量１００ｍＬ／ｍ以下の被処理ガスをマイクロ波プラズマにより分解する技術が提案されている。また、非特許文献２には、液中に溶解させた二酸化炭素を液中水素プラズマにより還元処理を行う技術が提案されている。

特開２００８−２９０９１０号公報

K.Takamiet al., ISSP 2009, pp.493-435 O.Sakai etal.,J. Phys. D :Appl. Phys. 42,pp.1-4

しかし、特許文献１に記載のような技術では、プラズマを直接作用させて二酸化炭素を分解するのではないため、処理効率を高くすることが困難であるという問題があった。オゾン発生装置を別途用意するため、装置コストもかかるという問題もあった。
非特許文献１に記載のような技術では、被処理ガスのキャリアガスに高価な不活性ガスが用いられているとともに、ガス流量が小さく実用的ではない。
非特許文献２に記載のような技術では、二酸化炭素を一旦液中に溶解させる必要があるため、高効率の分解処理を行うことができない。

そこで、本発明は、二酸化炭素の処理効率が高く、処理コストが低い二酸化炭素分解処理装置及び二酸化炭素分解処理方法を実現することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、二酸化炭素分解処理装置において、マイクロ波発振器と、マイクロ波を伝送する導波管と、マイクロ波のマッチングを行うマッチング部と、前記マッチング部と接続された芯部と前記導波管と接続された外皮導体とから同軸に形成された同軸変換部と、を備え、前記マッチング部は、キャリアガスとして空気を用いた被処理ガスを導入するとともに、この被処理ガスを前記同軸変換部に導入可能に構成され、前記同軸変換部において、マイクロ波プラズマを発生させることにより、前記被処理ガス中の二酸化炭素を分解する、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、マイクロ波発振器で発振したマイクロ波を導波管により伝送し、マッチング部においてマッチングを行い、マッチング部と接続された芯部と導波管と接続された外皮導体とから同軸に形成された同軸変換部において発生させるマイクロ波プラズマによりキャリアガスとして空気を用いた被処理ガス中の二酸化炭素を分解することができる。
大気圧マイクロ波プラズマは、周波数が高く、プラズマ密度が高いため、被処理ガス中の二酸化炭素を高い効率で分解することができる。
また、キャリアガスが安価な空気であるため、処理コストを低減することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の二酸化炭素分解処理装置において、前記大気圧マイクロ波プラズマは、大流量大気圧マイクロ波プラズマ（Ｌａｒｇｅｆｌｏｗａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｌａｓｍａ：ＬＡＭＰ）である、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明のように、マイクロ波プラズマとして、大流量大気圧マイクロ波プラズマ（Ｌａｒｇｅｆｌｏｗａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｌａｓｍａ：ＬＡＭＰ）を用いると、被処理ガスの流量を大きくすることができるので、二酸化炭素の処理効率を高くすることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素分解装置を用い、被処理ガス中の二酸化炭素をマイクロ波プラズマにより分解する、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明の効果を奏して、効率よく二酸化炭素を分解処理することができる。

本発明の二酸化炭素分解処理装置の説明図である。図１（Ａ）は側面透視図であり、図１（Ｂ）はプラズマを発生させる同軸変換部近傍の拡大説明図である。マイクロ波プラズマのＫＨ不安定性の説明図である。二酸化炭素分解処理におけるプラズマの分光スペクトルである。ＣＯｂａｎｄのピーク強度のＣＯ_２流量の依存性を示す説明図である。

本発明に係る二酸化炭素分解処理装置について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に示すように、二酸化炭素分解処理装置１は、マイクロ波を伝送する導波管１０と、マイクロ波発振器１１と、マイクロ波のマッチングを行うマッチング部１２と、同軸変換部１３と、を備えている。

導波管１０は、銅などの導体により筒状に形成されており、本実施形態では、奥行きの幅Ｗがλ／２（λ：マイクロ波波長）となるように形成され、マイクロ波が基本モードのＴＥ１０で伝搬する矩形導波管を用いた。

マイクロ波発振器１１は導波管１０の下部側面に接続されており、汎用のマグネトロンなどのように公知のマイクロ波発振器を用いることができる。

マッチング部１２は、テーパー１２ａとストレート部１２ｃとを有する箱状に形成されており、マイクロ波発振器１１の上方に配置され、マイクロ波のマッチングを行う。ストレート部１２ｃは高さｈがλ／２となるように形成されている。マッチング部１２の側面には、二酸化炭素を含む被処理ガスを内部に導入するためのガス導入口１２ｂが設けられている。ガス導入口１２ｂを介して図示しないガス導入装置により、空気をキャリアガスとした大気圧の被処理ガスが導入される。マッチング部１２の内部に導入された被処理ガスは、後述する同軸変換部１３に導入される。

同軸変換部１３は、マッチング部１２と接続された芯部１３ａと、導波管１０と接続された外皮導体１３ｂとから同軸になるように構成されている。
芯部１３ａは、マッチング部１２のストレート部１２ｃの中央部から突出して設けられており、上下方向の端部までの距離はそれぞれλ／４となるように構成されている。同軸変換部１３に導入された被処理ガスを励起し、マイクロ波プラズマＰを発生させることができる。

同軸変換部１３の前方には、処理済みの被処理ガスを装置外部に案内するスリーブ１４が設けられている。

マッチング部１２の下方にはポリテトラフルオロエチレンなどからなるシート１６が設けられている。シート１６は、結露などによる水をマイクロ波発振器１１にかからないように遮断する。

二酸化炭素分解処理装置１によれば、マイクロ波発振器１１で発振したマイクロ波を導波管１０により伝送し、マッチング部１２においてマッチングを行い、ガス導入口１２ｂから同軸変換部１３に導入された被処理ガス中の二酸化炭素を同軸変換部１３で点火されたマイクロ波プラズマＰにより分解することができる。

マイクロ波プラズマは、周波数が高く、プラズマ密度が高い（１０^１６ｃｍ^−３以上）ため、被処理ガス中の二酸化炭素を高い効率で分解することができる。また、キャリアガスが大気圧の空気であるため、処理コストを低減することができる。

ここで、二酸化炭素分解処理装置１では、被処理ガスの流量が数１０Ｌ／ｍという大流量でもマイクロ波プラズマを点火することが可能である。このようなマイクロ波プラズマは、大流量大気圧マイクロ波プラズマ（Ｌａｒｇｅｆｌｏｗａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｌａｓｍａ：ＬＡＭＰ）であり、被処理ガスの流量を大きくすることができるので、二酸化炭素の分解処理効率を高くすることができる。
大流量では、ケルビン・ヘルムホルツ（ＫＨ）不安定性により、プラズマとガス流との界面近傍でかく乱が生じるため、二酸化炭素の分解処理効率が向上する。

二酸化炭素分解処理装置１は、ＬＡＭＰの点火を確認するためのマイクロフォンや分解反応をモニターするための分光器を備えてもよい。

本発明の二酸化炭素分解処理装置により、二酸化炭素の分解処理を行った。

マイクロ波発振器１１として、電力６００Ｗ、周波数２．４５ＧＨｚの汎用のマグネトロンを用いた。被処理ガスは、キャリアガスとして空気（Ａｉｒ）を用い、所定量の二酸化炭素（ＣＯ_２）を混合して作製した。大流量大気圧マイクロ波プラズマの点火はマイクロフォンで確認し、分光器により分解反応をモニターした。

（実施例１）
マイクロフォンでＬＡＭＰの点火により発生する低周波信号周波数Ｆｒｅｑ（〜１ｋＨｚ）をＦＦＴ変換し測定した。図２に示すように、低周波信号周波数は、空気流量の増加に対して減少し、Ｓｔｒｏｕｈａｌ（Ｓｔ）数は０．０１〜０．１であった。Ｓｔ数がこのような値のときにＫＨ不安定性が発生することが報告されており（例えば、Ｐｒｏｃ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ（１９９０）４３１．ｐｐ．３０１−３１４）、スリーブ移動測定によればプラズマ長Ｌがλ／２＝６１ｍｍに漸近したことから、ＬＡＭＰは大気圧表面波プラズマにより点火され、ＫＨ不安定が発生していると解される。

（実施例２）
空気流量は２５Ｌ／ｍに固定し、二酸化炭素流量を０．５〜１０Ｌ／ｍとした被処理ガスを用いて、二酸化炭素の分解処理を行った。
図３に示すように、分光器によるスペクトルとしては、３８５ｎｍ近傍にＣＯｂａｎｄ、４２７ｎｍ近傍にＣの原子スペクトル、５００ｎｍ近傍にＣ２ｓｗａｎｂａｎｄが認められた。二酸化炭素流量を増大させると、ＣＯｂａｎｄ及びＣの原子スペクトルが増大し、ＣＯ_２がＣ、ＣＯに分解されていることが確認された。
また、図４に示すように、ＣＯｂａｎｄに注目すると、ＣＯ_２の増加に伴いＣＯの分光強度が増加していることから、被処理ガスの流量が数１０Ｌ／ｍという大流量においても分解処理を行うことができることが分かる。
これらにより、本発明の二酸化炭素分解処理装置により、二酸化炭素が高効率で分解処理されていることが確認された。

（実施例３）
スリーブ１４の下流にフィルター紙（平均メッシュ径約１００μｍ）を配置し、二酸化炭素の分解で生じたＣの捕集を試みた。ＬＡＭＰ点火後に３０秒間配置したフィルター紙の表面にはＣが付着しており、本発明の二酸化炭素分解処理装置により、二酸化炭素が分解処理されていることが確認された。

（変更例）
本実施形態では、ＫＨ不安定性が生じているＬＡＭＰによる二酸化炭素分解処理について説明したが、マイクロ波プラズマが点火できれば、上記より流速が遅い層流でのマイクロ波プラズマを用いることもできる。

［実施形態の効果］
本発明の二酸化炭素分解処理装置１によれば、マイクロ波発振器１１で発振したマイクロ波を導波管１０により伝送し、マッチング部１２においてマッチングを行い、マッチング部１２と接続された芯部１３ａと導波管１０と接続された外皮導体１３ｂとから同軸に形成された同軸変換部１３において発生させるマイクロ波プラズマによりキャリアガスとして空気を用いた被処理ガス中の二酸化炭素を分解することができる。
大気圧マイクロ波プラズマは、周波数が高く、プラズマ密度が高いため、被処理ガス中の二酸化炭素を高い効率で分解することができる。
また、キャリアガスが安価な空気であるため、処理コストを低減することができる。
マイクロ波プラズマとして、大流量大気圧マイクロ波プラズマを用いると、被処理ガスの流量を大きくすることができるので、二酸化炭素の処理効率を高くすることができる。

１…二酸化炭素分解処理装置
１０…導波管
１１…マイクロ波発振器
１２…マッチング部
１２ａ…テーパー
１２ｂ…ガス導入口
１２ｃ…ストレート部
１３…同軸変換部
１３ａ…芯部
１３ｂ…外皮導体
１４…スリーブ
１６…シート

Claims

マイクロ波発振器と、
マイクロ波を伝送する導波管と、
マイクロ波のマッチングを行うマッチング部と、
前記マッチング部と接続された芯部と前記導波管と接続された外皮導体とから同軸に形成された同軸変換部と、を備え、
前記マッチング部は、キャリアガスとして空気を用いた被処理ガスを導入するとともに、この被処理ガスを前記同軸変換部に導入可能に構成され、
前記同軸変換部において、マイクロ波プラズマを発生させることにより、前記被処理ガス中の二酸化炭素を分解することを特徴とする二酸化炭素分解処理装置。
前記マイクロ波プラズマは、大流量大気圧マイクロ波プラズマ（Ｌａｒｇｅｆｌｏｗａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｌａｓｍａ：ＬＡＭＰ）であることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素分解処理装置。
請求項１または請求項２に記載の二酸化炭素分解装置を用い、被処理ガス中の二酸化炭素をマイクロ波プラズマにより分解することを特徴とする二酸化炭素分解処理方法。