JP2021194617A - メタンガス分解方法、メタンガス分解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】数百ｐｐｍ以下といった低濃度にメタンを含む被処理ガスであっても、簡便な方法でメタンを分解することのできる方法及び装置を提供する。【解決手段】メタンガス分解方法は、誘電体バリア放電によって形成された大気圧プラズマ空間Ｓ１内に、メタンガスが空気に混在されてなる被処理ガスＧ１を通流させることで昇温し、メタンを分解する方法である。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、メタンガス分解方法及びメタンガス分解装置に関する。

地球温暖化が進んでいる現在、地球温暖化の原因となる温室効果ガスとして、二酸化炭素、メタン、フロンガス等が知られている。二酸化炭素の排出量が一番多いが、次いでメタンが多い。メタンの地球温暖化係数は二酸化炭素の約２０〜７０倍とも言われており、温暖化への影響は大きい。また近年メタン濃度は上がり続けている事情もあり、排出されるメタンを効率よく分解する技術は、今後の地球環境を鑑みた場合には必要なものとなり得る。

従来、メタンを分解する技術として、下記特許文献１に開示されたメタン除去システムが存在する。図１０は、そのメタン除去システムの構成を模式的に示す図面である。

メタン除去システム１００は、被処理ガス中に含まれるメタンを分解するシステムであり、被処理ガス管１０２、メタン酸化除去用触媒１０４、プラズマ生成手段１０５、及び制御手段１０６を備えている。

被処理ガス管１０２は、被処理ガス排出源１０１からの被処理ガスＥｇを排出するための被処理ガス路１０２ａ内部に設定されている。メタン酸化除去用触媒１０４は、被処理ガス路１０２ａ内に設定された触媒収容部１０４ａに層状に収容されており、被処理ガス路１０２ａ内を流通する被処理ガスＥｇを除去するために配置されている。

プラズマ生成手段１０５は、外部電極１０８ａと、内部電極１０８ｂと、電力供給源１０７とを備えている。外部電極１０８ａは、触媒収容部１０４ａを囲むように被処理ガス管１０２の外周面に配設され、筒形状を呈する。内部電極１０８ｂは、被処理ガス路１０２ａ内における触媒収容部１０４ａに対応する位置に配設されている。電力供給源１０７の一方の端子は、内部電極１０８ｂに電気的に接続されている。なお、電力供給源１０７の他方の端子及び外部電極１０８ａは接地されている。

プラズマ生成手段１０５は、電力供給源１０７によって内部電極１０８ｂに電力を供給することにより、触媒収容部１０４ａ内に収容されたメタン酸化除去用触媒１０４が存在する箇所に、大気圧プラズマを生成する。これにより、被処理ガス路１０２ａ内を流通する被処理ガスＥｇが触媒収容部１０４ａにおいてプラズマ化されるとともに、生成したプラズマによってメタン酸化除去用触媒１０４が活性化する。そして、被処理ガスＥｇに含まれるメタンは、活性化したメタン酸化除去用触媒１０４による作用と生成したプラズマによる作用との相乗効果によって二酸化炭素に分解される。

特開２０１９−１５５２４２号公報

環境に放出されるメタン発生源として、排出量が最も多いのは家畜等からおならやゲップとして排出されるとされている。例えば、牛一頭から排出されるメタンの量は、１日約３００リットルともいわれる。一方で、畜舎に飼育されている牛等の家畜から排出されるメタンの雰囲気濃度は、２０ｐｐｍ程度である。

特許文献１では、メタン濃度が３０００ｐｐｍである被処理ガスを通流させることで、メタンが分解できたことが記載されている。しかし、数百ｐｐｍ以下といった低濃度のメタンをほぼ完全に分解処理する技術は、現時点において充分に確立されているとは言えない。

メタンを高濃度（例えば数千ｐｐｍ以上、数％以下程度）に含む被処理ガスからメタンを分解する場合には、被処理ガスを単に燃焼させる方法が最も簡便且つ効果的であると考えられる。しかし、このような燃焼処理による方法の場合には、残存ガスに数百ｐｐｍ以下のメタンが含まれることが多く、このような低濃度にメタンガスが含まれる被処理ガスに対して燃焼処理を行うことでメタンを分解するのは、投入エネルギー量に対するメタン分解量の観点からは現実的な方法とはいえない。

本発明は、上記の課題に鑑み、数百ｐｐｍ以下といった低濃度にメタンを含む被処理ガスであっても、簡便な方法でメタンを分解することのできる技術を提供することを目的とする。

本発明に係るメタンガス分解方法は、誘電体バリア放電によって形成された大気圧プラズマ空間内に、メタンガスが空気に混在されてなる被処理ガスを通流させることで当該被処理ガスを昇温し、メタンを分解することを特徴とする。

本発明者の鋭意研究により、上記の方法によれば、１００ｐｐｍといった極めて低濃度にメタンを含有する被処理ガスに対して、メタンを分解できることが立証された。

また、コロナ放電と異なり、誘電体バリア放電の場合には、誘電体で囲まれた領域内の広い範囲に放電を生じさせることができる。このため、導入された被処理ガスのほぼ全量を大気圧プラズマ空間内に通流させることができる。これにより、プラズマ処理されずに通過する被処理ガスの量を極力少なくすることができる。

上記方法において、前記被処理ガスを２００℃以上に加温した状態で前記大気圧プラズマ空間内に通流させるものとしても構わない。

本発明者の鋭意研究により、メタンガスを含む被処理ガスを、２００℃以上の高温下で大気圧プラズマ空間に対して通流させることで、メタンの分解率が向上することが確認された。すなわち、上記の方法によれば、メタンガスの分解率を高めることができる。

上記の方法において、前記被処理ガスを加湿した状態で前記大気圧プラズマ空間内に通流させるものとしても構わない。

本発明者の鋭意研究により、メタンガスを含む被処理ガスを加湿した状態で大気圧プラズマ空間に対して通流させることで、メタンの分解率が向上することが確認された。すなわち、上記の方法によれば、メタンガスの分解率を高めることができる。

本発明に係るメタンガス分解装置は、
誘電体からなる管壁を含む管体と、
前記管壁を挟んで配置された一対の電極と、
前記一対の電極に高周波電圧を印加する電源と、
前記管体の内側にメタンガスが空気に混在されてなる被処理ガスを導入するガス導入口と、
前記一対の電極に前記高周波電圧が印加されることで前記管体の内側に形成された大気圧プラズマ空間内を通流した前記被処理ガスを、前記管体の外側に排出するガス排出口とを備えたことを特徴とする。

上記のメタンガス分解装置によれば、管体の内側の被処理ガスが通流する空間内において、管体の管軸方向に直交する方向であって管壁から軸心に向かう方向（便宜上「径方向」と称する。）のほぼ全域にわたって、大気圧プラズマ空間が形成される。このため、導入された被処理ガスのほぼ全量が大気圧プラズマ空間を通過するため、被処理ガスに含まれるメタンが効率的に分解される。

上記メタンガス分解装置において、電極の配置態様や管体の形状は、種々の設計が可能である。

例えば、前記一対の電極は、前記管壁の外表面に形成された第一電極と、前記管体の内側に前記管体の管軸方向に沿って延伸して形成された第二電極とを含んで構成されているものとしても構わない。

また、例えば、前記一対の電極は、前記管壁の外表面の一部に形成された第一電極と、前記管体の内側を介して前記第一電極に対向する位置に係る前記管壁の外表面の一部に形成された第二電極とを含んで構成されているものとしても構わない。

また、例えば、前記一対の電極は、前記管壁の外表面の一部に形成された第一電極と、前記第一電極に対して前記管体の管軸方向に離間した位置において前記管壁の外表面の一部に形成された第二電極とを含んで構成されているものとしても構わない。

また、前記管体の内側に形成された前記大気圧プラズマ空間の、前記管体の管軸方向に係る前記ガス排出口側の端部の、外側に位置する前記管体の前記管壁が２３０℃以上であるのが好適である。

かかる構成によれば、大気圧プラズマ空間内を通流する被処理ガスの温度を２００℃以上にすることができ、メタンの分解率を高めることができる。管壁の温度は、例えば電源から電極に投入する電力によって制御できる。なお、別のヒータが設けられても構わない。

本発明によれば、数百ｐｐｍ以下といった低濃度にメタンを含む被処理ガスであっても、簡便な方法でメタンの分解が可能となる。

メタンガス分解装置の第一実施形態の構成を模式的に示す平面図である。 図１Ａ内のＡ１−Ａ１線での断面図である。 メタンガス分解装置の第一実施形態の別構成を模式的に示す平面図である。 図２Ａ内のＡ１−Ａ１線での断面図である。 メタンガス分解装置の第一実施形態の別構成を模式的に示す断面図である。 メタンガス分解装置の第一実施形態の別構成を模式的に示す断面図である。 メタンガス分解装置の第一実施形態の別構成を模式的に示す平面図である。 メタンガス分解装置の第二実施形態の構成を模式的に示す平面図である。 図３Ａ内のＡ１−Ａ１線での断面図である。 メタンガス分解装置の第二実施形態の別構成を模式的に示す平面図である。 図４Ａ内のＡ１−Ａ１線断面図である。 メタンガス分解装置の第三実施形態の構成を模式的に示す平面図である。 図５Ａ内のＡ１−Ａ１線断面図である。 メタンガス分解装置の第三実施形態の別構成を模式的に示す断面図である。 メタンガス分解装置の第四実施形態の構成を模式的に示す平面図である。 図６Ａ内のＡ１−Ａ１線断面図である。 図６Ａ内のＡ２−Ａ２線断面図である。 メタンガス分解装置の第四実施形態の別構成を模式的に示す平面図である。 実施例における冷却処理の方法を模式的に示す平面図である。 実施例における加熱処理の方法を模式的に示す平面図である。 実施例における加湿処理の方法を模式的に示す平面図である。 オゾンの熱分解速度と温度の関係を示すグラフである。 従来のメタン除去システムの構成を模式的に示す図面である。

本発明に係るメタンガス分解方法及びメタンガス分解装置につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は、模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致していない。また、各図面間においても、寸法比は必ずしも一致していない。

［第一実施形態］
図１Ａ及び図１Ｂは、メタンガス分解装置の第一実施形態の構成を模式的に示す図面である。図１Ｂは、図１Ａ内のＡ１−Ａ１線断面図である。

メタンガス分解装置１は、管体３と、一対の電極（５ａ，５ｂ）とを備える。本実施形態では、管体３は二重管構造を呈している。より詳細には、図１Ｂに示すように、管体３は、円筒形状を呈し外側に位置する外側管３ａと、外側管３ａの内側において外側管３ａと同軸上に配置されており、外側管３ａよりも内径が小さい円筒形状を呈した内側管３ｂとを有する。

外側管３ａの外壁には、一方の電極５ａ（「第一電極」に対応する。）が配設されている。本実施形態では、この電極５ａはメッシュ形状を呈している。また、内側管３ｂの内側には、管体３の管軸方向ｄ１に沿って延在する棒状の電極５ｂ（「第二電極」に対応する。）が挿通されている。外側管３ａと内側管３ｂとの間には、管軸方向ｄ１から見たときに環形状（ここでは円環形状）を呈する放電空間Ｓ１が形成される。

外側管３ａ及び内側管３ｂは、例えば石英ガラス、セラミックス等の誘電体材料で構成される。電極（５ａ，５ｂ）は、例えばステンレス、アルミニウム、銅、タングステン、ニッケル等の金属材料で構成される。

図１Ａに示すように、管体３には、２箇所に開口部が形成されており、それぞれがガス導入口１１とガス排出口１２に対応する。ガス導入口１１は、ガス供給源２０から供給された、メタンガスが空気に混在されてなる被処理ガスＧ１を、管体３の内側に導入する開口部である。ガス供給源２０は、メタンガスを含む雰囲気の処理が必要な空間内の被処理ガスＧ１をメタンガス分解装置１に送り出す機構であり、例えば、ブロアやダクトで構成される。

ガス導入口１１は、外側管３ａの一部箇所に開口部として設けられており、内側管３ｂの外側に位置する上記放電空間Ｓ１に連絡されている。すなわち、ガス供給源２０から供給された被処理ガスＧ１は、ガス導入口１１を通じて放電空間Ｓ１内に流入される。

ガス排出口１２は、管軸方向ｄ１に関して、ガス導入口１１から離間した位置に配置されている。本実施形態では、ガス排出口１２は、ガス導入口１１を基準として、管軸方向ｄ１に関して、電極５ａが形成されている領域を隔てた位置に配置されている。ガス排出口１２は、ガス導入口１１と同様に、外側管３ａの一部箇所に開口部として設けられており、内側管３ｂの外側に位置する上記放電空間Ｓ１に連絡されている。

メタンガス分解装置１は、電源６を備える。電源６は、電極５ａと電極５ｂとに接続されており、両電極（５ａ，５ｂ）間に所定の電圧を印加する構成である。電源６から供給される印加電圧、及び、周波数としては、電極（５ａ，５ｂ）間に電圧が印加されることで、管体３内において誘電体バリア放電を起こさせることが可能な範囲であればよい。具体的には、電源６から供給される印加電圧としては、３ｋＶｐｐ以上、５０ｋＶｐｐ以下の範囲内であることが好ましい。また、電源６から供給される印加電圧の周波数としては、１ｋＨｚ以上、１０００ｋＨｚ以下の範囲内であることが好ましく、１ｋＨｚ以上、１５０ｋＨｚ以下の範囲内であることがより好ましい。上限が１５０ｋＨｚであることが好ましいとした理由は、ＥＭＣ規格での雑音端子電圧で検出される周波数が１５０ｋＨｚ以上であることによる。このように電源６からは両電極（５ａ，５ｂ）間に高周波の電圧が印加される。

なお、電源６は、電極５ａが接地電圧、電極５ｂが高電圧となるように電圧を印加するのが好ましい。これにより、外部に露出される側の電極が高電圧となることによる感電のリスクが低下する。

電源６から上記の電圧が両電極（５ａ，５ｂ）間に印加されると、管体３内において誘電体バリア放電が生じる。すなわち、放電空間Ｓ１内を通流する被処理ガスＧ１に対して誘電体バリア放電が生じ、プラズマ化する。すなわち、放電空間Ｓ１が大気圧プラズマ空間を形成する。

被処理ガスＧ１に含まれる酸素は、大気圧プラズマ空間内を通流することで、下記（１）式の反応を示す。なお、下記（１）式においてＡＰは、大気圧プラズマによるエネルギーが加えられることを意味する。
Ｏ₂ ＋ ＡＰ → Ｏ + Ｏ ‥‥（１）

（１）式で生成された一部の酸素原子Ｏは、被処理ガスＧ１に含まれる酸素分子と反応し、下記（２）式によってオゾン（Ｏ₃）を生成する。なお、（２）式中のＭは反応の第三体を示す（以下同様）。
Ｏ+ Ｏ₂ + Ｍ → Ｏ₃ + Ｍ ‥‥（２）

被処理ガスＧ１に含まれるメタンは、Ｏ原子中のＯ（³Ｐ）と反応し、下記（３）式によってメチルラジカル（ＣＨ₃）に変化する。また、被処理ガスＧ１に含まれる水蒸気（Ｈ₂Ｏ）は、プラズマにより分解されて下記（４）式によってヒドロキシラジカル（ＯＨ）を生成する。更に、被処理ガスＧ１に含まれるメタンは、下記（５）式のように、ヒドロキシラジカル（ＯＨ）とも反応する。なお、（５）式の反応で利用されるヒドロキシラジカルとしては、（４）式で生成されたものがより支配的であるが、（３）式で生成されたヒドロキシラジカルも一部含まれる。
ＣＨ₄ ＋ Ｏ（³Ｐ） → ＣＨ₃ ＋ ＯＨ ‥‥（３）
Ｈ₂Ｏ + ＡＰ → Ｈ + ＯＨ ‥‥（４）
ＣＨ₄ ＋ ＯＨ → ＣＨ₃ ＋ Ｈ₂Ｏ ‥‥（５）

分解によって得られたメチルラジカル（ＣＨ₃）は、更にさまざまな反応を経て、より安定した一酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（ＣＯ₂）に分解される。

すなわち、放電空間Ｓ１（大気圧プラズマ空間）内を被処理ガスＧ１が通流することで、被処理ガスＧ１に含まれるメタンの濃度が低下した処理後ガスＧ２に変換される。この処理後ガスＧ２は、ガス排出口１２から排出される。この結果は、実施例を参照して後述される。

なお、本実施形態において、外側管３ａの管壁に配設された電極５ａは、メッシュ形状には限られない。例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、電極５ａは、外側管３ａの管壁を周方向に覆うように配設されたブロック形状を呈していても構わない。図２Ａ及び図２Ｂは、この別態様のメタンガス分解装置の構成を、図１Ａ及び図１Ｂにならって模式的に示す図面であり、図２Ｂは、図２Ａ内のＡ１−Ａ１線断面図に対応する。

なお、図２Ｂに示す例では、電極５ａが中央部に円筒状の開口を有したブロック形状を呈し、前記開口内に管体３が挿通されている構成が想定されている。しかし、電極５ａは、側面が曲面形状を呈し、管体３の外側管３ａの外壁を周方向に覆うような構成であっても構わない（図２Ｃ参照）。更に、電極５ａは、必ずしも外側管３ａの管壁を周方向に完全に覆う必要はなく、例えば図２Ｄに示すように、外側管３ａの管壁の一部を覆わない構成であっても構わない。

更に、図２Ｅに示すように、電極５ａは、メッシュ形状とブロック形状とが組み合わされてなる構成であっても構わない。

［第二実施形態］
メタンガス分解装置の第二実施形態につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では、第一実施形態と同一の要素については同一の符号を付すことで、その説明が適宜省略される。

図３Ａ及び図３Ｂは、メタンガス分解装置の第二実施形態の構成を模式的に示す図面である。図３Ｂは、図３Ａ内のＡ１−Ａ１線断面図である。

本実施形態では、第一実施形態とは異なり、管体３は単一の管体で構成される。電極５ａは、管体３の外壁に配設され、電極５ｂは、管体３の内側の位置において管体３の管軸方向ｄ１に沿って延在するように配設される。放電空間Ｓ１は、管体３の内側に形成される。

本実施形態の構成においても、電源６から両電極（５ａ，５ｂ）間に電圧が印加されると、管体３内において誘電体バリア放電が生じ、放電空間Ｓ１内が大気圧プラズマ空間を形成する。被処理ガスＧ１に含まれるメタンは、大気圧プラズマ空間内を通流することで、第一実施形態と同様に分解され、メタン含有濃度が低下した処理後ガスＧ２としてガス排出口１２から排出される。

本実施形態においても、管体３の外壁に配設された電極５ａは、メッシュ形状には限られず、例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、管体３の外壁を周方向に覆うように配設されたブロック形状を呈していても構わない。図４Ａ及び図４Ｂは、この別態様のメタンガス分解装置の構成を、図３Ａ及び図３Ｂにならって模式的に示す図面であり、図４Ｂは、図４Ａ内のＡ１−Ａ１線断面図に対応する。この場合においても、第一実施形態と同様に、電極５ａは、曲面形状を呈して管体３の外壁を周方向に覆うような構成であっても構わないし、管体３の外壁の一部を覆わない構成であっても構わない。

［第三実施形態］
メタンガス分解装置の第三実施形態につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

図５Ａ及び図５Ｂは、メタンガス分解装置の第三実施形態の構成を模式的に示す図面である。図５Ｂは、図５Ａ内のＡ１−Ａ１線断面図である。

本実施形態では、第一実施形態とは異なり、管体３は単一の管体で構成される。また、本実施形態では、管体３は、管軸方向ｄ１から見たときに、対向する一対の平坦面（７ａ，７ｂ）を有する、矩形筒状を呈している（図５Ｂ参照）。

本実施形態では、一対の電極（５ａ，５ｂ）の双方が管体３の外壁に配設されている。一方の電極５ａは平坦面７ａ上に配設され、他方の電極５ｂは平坦面７ｂ上に配設されている。すなわち、相互の電極（５ａ，５ｂ）は、管体３を介して隔てられている。なお、電極（５ａ，５ｂ）は、いずれもメッシュ形状であっても構わないし、膜形状であっても構わない。

本実施形態の構成においても、電源６から両電極（５ａ，５ｂ）間に電圧が印加されると、管体３内において誘電体バリア放電が生じ、放電空間Ｓ１内が大気圧プラズマ空間を形成する。被処理ガスＧ１に含まれるメタンは、大気圧プラズマ空間内を通流することで、第一実施形態と同様に分解され、メタン含有濃度が低下した処理後ガスＧ２としてガス排出口１２から排出される。

なお、本実施形態において、管体３は、管軸方向ｄ１から見たときに円形状であっても構わない。この場合、図５Ｃに示すように、両電極（５ａ，５ｂ）は、管体３の外壁の曲面に沿うような形状を呈しつつ管軸方向ｄ１に延在し、相互に管体３を介して隔てられている。

［第四実施形態］
メタンガス分解装置の第四実施形態につき、第一実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

図６Ａ〜図６Ｃは、メタンガス分解装置の第四実施形態の構成を模式的に示す図面である。図６Ｂは、図６Ａ内のＡ１−Ａ１線断面図であり、図６Ｃは、図６Ａ内のＡ２−Ａ２線断面図である。

本実施形態では、第一実施形態とは異なり、管体３は単一の管体で構成される。また、本実施形態では、電極５ａ及び電極５ｂが、それぞれ管体３の外壁に配設されると共に、管軸方向ｄ１に対して直交する方向に見たときに両者がスパイラル状に交互配置されている。すなわち、図６Ａ〜図６Ｃに示すように、管軸方向ｄ１に係る位置に応じて、管体３の＋ｄ２側の管壁に配置された電極が電極５ａになる場所と、電極５ｂになる場所とが変化する態様である。管体３の−ｄ２側の管壁に配置された電極についても同様である。

本実施形態の構成においても、電源６から両電極（５ａ，５ｂ）間に電圧が印加されると、管体３内において誘電体バリア放電が生じ、放電空間Ｓ１内が大気圧プラズマ空間を形成する。被処理ガスＧ１に含まれるメタンは、大気圧プラズマ空間内を通流することで、第一実施形態と同様に分解され、メタン含有濃度が低下した処理後ガスＧ２としてガス排出口１２から排出される。

別の態様として、図７に示すように、電極５ａと電極５ｂとは、それぞれ管体３の管壁の表面に沿って形成された状態で、管軸方向ｄ１に沿って離間した状態で配置されているものとしても構わない。この場合、電極５ａと電極５ｂとは、それぞれが相互に管軸方向ｄ１に沿って離間した状態で配置されている。

この構成の場合には、管体３の内側において、管軸方向ｄ１に関して電極５ａと電極５ｂとで挟まれた空間が大気圧プラズマ空間を形成する。すなわち、大気圧プラズマ空間が管軸方向ｄ１に沿って離散的に配置される。しかし、かかる構成であっても、各大気圧プラズマ空間内を被処理ガスＧ１が通流することで、第一実施形態と同様に分解され、メタン含有濃度が低下した処理後ガスＧ２としてガス排出口１２から排出される。

以下、実施例を参照して本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に制限されない。

［実験条件の説明］
以下、実験条件について説明する。

（実験系）
第一実施形態で上述したメタンガス分解装置１を用いて実験を行った。実験系の各寸法は以下の通りである。
外側管３ａ：内径１２ｍｍ、肉厚１ｍｍ、石英ガラス製
内側管３ｂ：内径６．５ｍｍ、肉厚０．８５ｍｍ、石英ガラス製
電極５ａ：管軸方向ｄ１に沿って３００ｍｍの領域に配設、ニッケル製
電極５ｂ：内側管３ｂの軸心に沿って挿通し、少なくとも電極５ａが形成されている領域を含む領域に配設、ＳＵＳ（ステンレス）製

ガス導入口１１から、空気とメタンの混合ガス（メタンの濃度は１００ｐｐｍ）からなる被処理ガスＧ１を導入し、電源６から各電極（５ａ，５ｂ）に対して３００Ｗの電力を供給して管体３内部に大気圧プラズマ空間を形成した。具体的には、印加電圧１５〜１８ｋＶｐｐ、周波数４０〜５０ｋＨｚ、パルス幅１．８μ秒の高周波電圧が両電極（５ａ，５ｂ）間に印加された。

ガス排出口１２から排出された処理後ガスＧ２を、サンプリングバッグ（ジーエルサイエンス社製）に導入し、サンプリングバッグ内に収容された処理後ガスＧ２に対してＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光法）を用いて成分分析を行った。

（被処理ガスＧ１）
被処理ガスＧ１は、ＦＴＩＲ分析によって表１に示される条件の成分を有するものが採用された。なお、表１には、被処理ガスＧ１内の空気に含まれる窒素（Ｎ₂）、酸素（Ｏ₂）、及びアルゴン（Ａｒ）については記載されていない。また、表１における「ＮＯ_y」は、ＮＯ，ＮＯ₂、Ｎ₂Ｏ、Ｎ₂Ｏ₅、ＨＮＯ₂、及びＨＮＯ₃を包括した表記である。

（温度測定）
実験に際しては、管体３の温度Ｔ１と、処理後ガスＧ２の温度Ｔ２がそれぞれ測定された。温度Ｔ１は、管軸方向ｄ１に関してガス排出口１２に最も近い位置における電極５ａの形成箇所の外側の管体３の外壁の温度を熱電対によって測定した値が採用された。

（冷却処理）
一部の実験において、被処理ガスＧ１を冷却するために、内側管３ｂの内側に水温１５℃の冷却水Ｗ１が通流された（図８Ａ参照）。

（加熱処理）
一部の実験において、被処理ガスＧ１の温度を上昇させるために、５００℃に設定された電気炉３０内を通流させた被処理ガスＧ１がガス導入口１１に導入された（図８Ｂ参照）。

（加湿処理）
一部の実験において、被処理ガスＧ１を加湿するために、水Ｗ２が貯水された気密性の容器３１内の水中に導入管３２を通じて被処理ガスＧ１を供給した。そして、水中を通過して水面よりも上方の位置に設置された導出管３３から抽出された被処理ガスＧ１が、ガス導入口１１に導入された（図８Ｃ参照）。

［検証］
表２に示す実施例１〜９の各実験条件の下、メタンガス分解装置１に対して被処理ガスＧ１を異なる流量の条件下で通流させて、ガス排出口１２から排出された処理後ガスＧ２の成分分析を行った。結果を表３に示す。

（結果分析１）
表３によれば、全ての実施例において、被処理ガスＧ１と比較して処理後ガスＧ２に含まれるメタンの濃度が低下できていることが確認された。そして、同一の条件下では、メタンガス分解装置１に導入する被処理ガスＧ１の流量が小さいほど、メタンの分解量が多くなることが確認された。

特に、冷却、加熱、加湿の各処理を行わなかった実施例１〜実施例４において、相互の結果を比較すると、被処理ガスＧ１の流量が最も少ない３Ｌ／分であった実施例１の場合、被処理ガスＧ１に含まれるメタンをほぼ１００％分解できたことが確認された。なお、ここで「ほぼ１００％」という記載をしているのは、検出限界以下であることを意味するものであり、０．０１ｐｐｍ以下（１０ｐｐｂ以下）のオーダーを考慮しないということを意味する。

また、流量が最も多い２０Ｌ／分であった実施例４においても、被処理ガスＧ１に含まれるメタンを約２０％程度分解できたことが確認された。つまり、上記実施例１〜４の結果から、被処理ガスＧ１に含まれるメタンの濃度が１００ｐｐｍという極めて低濃度である場合であっても、メタンの分解が行えることが確認された。

（結果分析２：冷却処理の有無による影響について）
冷却処理の有無によって、被処理ガスＧ１の分解率に対して与える影響を検証した。実施例３と実施例５、実施例４と実施例６は、それぞれ冷却処理の有無以外の条件を共通化した実施例群に対応する。冷却処理は、上述したように、メタンガス分解装置１が備える内側管３ｂ内に水温１５℃の冷却水Ｗ１を通流させることにより行われた。

表３によれば、被処理ガスＧ１の流量が共に１０Ｌ／分である実施例３と実施例５を比較すると、被処理ガスＧ１に対する冷却処理を行った実施例５は、実施例３と比べてメタンの分解性能が大きく低下していることが確認された。同様に、被処理ガスＧ１の流量が共に２０Ｌ／分である実施例４と実施例６を比較すると、被処理ガスＧ１に対する冷却処理を行った実施例６は、実施例４と比べてメタンの分解性能が大きく低下していることが確認された。

また、冷却処理を行った実施例５及び実施例６では、冷却処理を行わなかった実施例３及び実施例４と比較して、Ｏ₃が検出された。

表３の結果から、大気圧プラズマによって被処理ガスＧ１から生成されたオゾン（Ｏ₃）は、ＣＨ₄の分解には直接寄与しないことが推察される。また、大気圧プラズマだけではほとんどＣＨ₄が分解できていないことも示される。

また、表３の結果に示されるように、実施例３及び実施例４では、処理後ガスＧ２内にオゾンが存在しなかったのは、オゾン（Ｏ₃）が下記（６）式によって熱分解されてＯ（³Ｐ）に変化したためと考えられる。
Ｏ₃ → Ｏ（³Ｐ） + Ｏ₂ ‥‥（６）

図９は、オゾンの熱分解速度（半減期）と温度の関係をグラフにしたものである。図９によれば、１００℃の場合にオゾンの半減期が約１０００秒であり、２００℃の場合にオゾンの半減期が約１秒であることが分かる。すなわち、２００℃以上にオゾンが加熱されると、１秒以内にオゾンが分解されてＯ（³Ｐ）が生成されることが分かる。

つまり、上記の結果からは、実施例５及び実施例６では、ガス排出口１２に最も近い位置における電極５ａの形成箇所の外側の管体３の外壁の温度Ｔ１が２００℃未満であることに鑑みると（表２参照）、処理後ガスＧ２の温度は２００℃以上とはならず、処理後ガスＧ２内には熱分解されなかったオゾンが残存していたものと考えられる。一方、実施例３及び実施例４では、ガス排出口１２に最も近い位置における電極５ａの形成箇所の外側の管体３の外壁の温度Ｔ１が２３０℃以上であることに鑑みると（表２参照）、大気圧プラズマ空間内を通過している時点における被処理ガスＧ１の温度は２００℃以上に達していると考えられるため、この領域を通過時に生成されたオゾンについてはＯ（³Ｐ）に分解された後、上述した（３）式に従ってこのＯ（³Ｐ）がメタンの分解に寄与したものと考えられる。

管体３内において、放電空間Ｓ１内で誘電体バリア放電が生じることで大気圧プラズマ空間が形成されると、プラズマ空間内における電子、イオン、中性粒子、分子などの衝突により発生する熱と，誘電体バリア放電による誘電損の熱により当該空間内は高温化される。すなわち、大気圧プラズマ空間及び管体３が、被処理ガスＧ１に対する加熱源を構成する。上記の結果からは、少なくとも大気圧プラズマ空間内は、オゾンが１秒以内、遅くとも数秒以内には熱分解される程度に昇温される。この結果、被処理ガスＧ１を単に大気圧プラズマ空間内に通流させることで、メタンを効率的に分解できることが分かる。

そして、実施例５及び実施例６のように、大気圧プラズマ空間を冷却すると、オゾンの分解率が低下することで、メタンの分解率が低下することも確認される。ただし、実施例５及び実施例６においても、実施例１〜実施例４と比較するとわずかではあるが、メタンの分解が確認された。

なお、上記の結果に鑑みれば、大気圧プラズマ空間の、ガス排出口１２側の端部位置の外側に対応する管体３の箇所の温度Ｔ１が２３０℃以上であれば、大気圧プラズマ空間内を通過する被処理ガスＧ１の温度を２００℃以上に設定できると考えられる。

（結果分析３：加熱処理の有無による影響について）
加熱処理の有無によって、被処理ガスＧ１の分解率に対して与える影響を検証した。実施例２と実施例７、実施例３と実施例８、実施例４と実施例９は、それぞれ加熱処理の有無以外の条件を共通化した実施例群に対応する。加熱処理は、上述したように、５００℃に設定された電気炉３０内に被処理ガスＧ１を通流させた後、ガス導入口１１よりメタンガス分解装置１内に被処理ガスＧ１を導入させることにより行われた。

表３によれば、被処理ガスＧ１の流量が共に５Ｌ／分である実施例２と実施例７を比較すると、被処理ガスＧ１に対する加熱処理を行った実施例７は、実施例２よりも更にメタンの分解性能が向上していることが確認された。より詳細には、実施例２の場合には、処理後ガスＧ２内にメタンが２４．０ｐｐｍ残存していたのに対し、被処理ガスＧ１に対する加熱処理が行われた実施例７によれば、処理後ガスＧ２内に含まれるメタンの濃度は検出限界以下であった。

同様に、被処理ガスＧ１の流量が共に１０Ｌ／分である実施例３と実施例８を比較すると、被処理ガスＧ１に対する加熱処理を行った実施例８は、実施例３よりも更にメタンの分解性能が向上していることが確認された。同様に、被処理ガスＧ１の流量が共に２０Ｌ／分である実施例４と実施例９を比較すると、被処理ガスＧ１に対する加熱処理を行った実施例９は、実施例４よりも更にメタンの分解性能が向上していることが確認された。

被処理ガスＧ１を加熱したことにより、大気圧プラズマ空間内（放電空間Ｓ１内）を通過する時点で被処理ガスＧ１の温度が高温となり、この結果、上記（６）式に記載のオゾンの分解反応、及び、上記（３）式に記載のメタンの分解反応の速度が速められ、メタンの分解率が向上したものと考えられる。

（結果分析４：加湿処理の有無による影響について）
加湿処理の有無によって、被処理ガスＧ１の分解率に対して与える影響を検証した。実施例３と実施例１０は、加湿処理の有無以外の条件を共通化した実施例群に対応する。加湿処理は、図８Ｃを参照して上述したように、被処理ガスＧ１をメタンガス分解装置１内に導入する前に、水が貯水された気密性の容器３１内の水中に被処理ガスＧ１を通過させることにより行われた。

表３によれば、被処理ガスＧ１の流量が共に１０Ｌ／分である実施例３と実施例１０を比較すると、被処理ガスＧ１に対する加湿処理を行った実施例１０は、実施例３よりも更にメタンの分解性能が向上していることが確認された。より詳細には、実施例３の場合には、処理後ガスＧ２内にメタンが５２．９ｐｐｍ残存していたのに対し、被処理ガスＧ１に対する加湿処理が行われた実施例１０によれば、処理後ガスＧ２内に含まれるメタンの濃度は３１．９ｐｐｍであった。

よって、加湿処理によって被処理ガスＧ１内に含まれる水分量が多くなることで、上記（４）式によってプラズマにより分解生成されるヒドロキシラジカル（ＯＨ）の量が増加する。この結果、上記（５）式の反応量が増え、メタンの分解率が向上したものと考えられる。

１ ：メタンガス分解装置
３ ：管体
３ａ ：外側管
３ｂ ：内側管
５ａ ：電極（第一電極）
５ｂ ：電極（第二電極）
６ ：電源
７ａ ：平坦面
７ｂ ：平坦面
１１ ：ガス導入口
１２ ：ガス排出口
２０ ：ガス供給源
３０ ：電気炉
３１ ：容器
３２ ：導入管
３３ ：導出管
１００ ：メタン除去システム
１０１ ：被処理ガス排出源
１０２ ：被処理ガス管
１０２ａ ：被処理ガス路
１０４ ：メタン酸化除去用触媒
１０４ａ ：触媒収容部
１０５ ：プラズマ生成手段
１０６ ：制御手段
１０７ ：電力供給源
１０８ａ ：外部電極
１０８ｂ ：内部電極
Ｇ１ ：被処理ガス
Ｇ２ ：処理後ガス
Ｓ１ ：放電空間
Ｗ１ ：冷却水
Ｗ２ ：水
ｄ１ ：管軸方向

Claims (8)

1. 誘電体バリア放電によって形成された大気圧プラズマ空間内に、メタンガスが空気に混在されてなる被処理ガスを通流させることで昇温し、メタンを分解することを特徴とする、メタンガス分解方法。
2. 前記被処理ガスを２００℃以上に加温した状態で前記大気圧プラズマ空間内に通流させることを特徴とする、請求項１に記載のメタンガス分解方法。
3. 前記被処理ガスを加湿した状態で前記大気圧プラズマ空間内に通流させることを特徴とする、請求項１又は２に記載のメタンガス分解方法。
4. 誘電体からなる管壁を含む管体と、
   前記管壁を挟んで配置された一対の電極と、
   前記一対の電極に高周波電圧を印加する電源と、
   前記管体の内側にメタンガスが空気に混在されてなる被処理ガスを導入するガス導入口と、
   前記一対の電極に前記高周波電圧が印加されることで、前記管体の内側に形成された大気圧プラズマ空間内を通流した前記被処理ガスを、前記管体の外側に排出するガス排出口とを備えたことを特徴とする、メタンガス分解装置。
5. 前記一対の電極は、前記管壁の外表面に形成された第一電極と、前記管体の内側に前記管体の管軸方向に沿って挿通された第二電極とを含んで構成されていることを特徴とする、請求項４に記載のメタンガス分解装置。
6. 前記一対の電極は、前記管壁の外表面の一部に形成された第一電極と、前記管体の内側を介して前記第一電極に対向する位置に係る前記管壁の外表面の一部に形成された第二電極とを含んで構成されていることを特徴とする、請求項４に記載のメタンガス分解装置。
7. 前記一対の電極は、前記管壁の外表面の一部に形成された第一電極と、前記第一電極に対して前記管体の管軸方向に離間した位置において前記管壁の外表面の一部に形成された第二電極とを含んで構成されていることを特徴とする、請求項４に記載のメタンガス分解装置。
8. 前記管体の内側に形成された前記大気圧プラズマ空間の、前記管体の管軸方向に係る前記ガス排出口側の端部の、外側に位置する前記管体の前記管壁が２３０℃以上であることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか１項に記載のメタンガス分解装置。

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