JP2022121823A

JP2022121823A - ディーゼルエンジンの排ガスを乾式法で同時に分解する方法及び分解装置

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Publication number: JP2022121823A
Application number: JP2021018740A
Authority: JP
Inventors: 仁水口; Hitoshi Mizuguchi; 宏雄高橋; Hiroo Takahashi; 正彦金子; Masahiko Kaneko
Original assignee: Jintec Corp
Current assignee: Jintec Corp
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2022-08-22

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを乾式法で同時に効率よく、安価で簡易な手法により分解する方法及び分解する装置を提供することを目的とする。【解決手段】ディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスが、酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度に加熱された状態で、酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体を通過する際に、正孔の酸化力を利用して分解される。ＰＭが構造体に付着するのを防止するために、多段に配置される構造体のうち、排ガス導入口に近い初段の構造体を集中的に加熱するように制御する。正孔の酸化力を利用してＮＯｘから結合電子を引き抜き、ＮとＯの間の３電子結合を不安定化することにより、ＮＯｘは窒素と酸素に分解される。【選択図】図１

Description

本発明はディーゼルエンジンの排ガスを乾式法で同時に分解する方法及び分解装置に関する。

ディーゼルエンジンの排ガスにはＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：黒色粒状物質）、ＮＯｘ、ＶＯＣ（ＶｏｌａｔｉｌｅＯｒｇａｎｉｃＣｏｍｐｏｕｎｄ：揮発性有機化合物）が含まれている。これらはいずれも人体に有害であるので、外部への排出には厳しい規制がなされている。実用化されている排ガスの浄化方法として代表的なものはＰＭの除去を目的としたＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｌｅＦｉｌｔｅｒ：ディーゼル微粒子捕集フィルター）とＮＯｘを還元浄化するＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｓｔＲｅｄｕｃｔｉｏｎ：接触還元）装置を組み合わせた方法である（非特許文献１）。ＤＰＦはハニカムの一通路ごとに通路の端面を封じたものと、封じていない構造を持っている。排気ガスがハニカムに入ると、ＰＭ粒子は目封じした通路の端に集積される。一方、ＮＯｘ等の分子状の排ガスは、壁の細孔を通って、隣りの目封じされていない通路に入り、ＰＭを含まない排気ガス成分として排出される。つまり、ＤＰＦを通してＰＭとＮＯｘを分離する。ＰＭの集積により、内部圧力が高くなると、ハニカムの入口に外部から可燃ガスを導入し、ハニカム内で燃焼させ、ハニカム温度を６００℃以上にあげてＰＭを燃焼処理する。
ＳＣＲ法は窒素酸化物のＮＯｘをアンモニアで還元し、Ｎ_２とＨ_２Ｏに無害化する方法である（非特許文献２）。まず、ＳＣＲ装置の入口でＮＯｘ濃度を測定し、この濃度に見合ったアンモニア量を決定する。ＮＯｘの濃度計には通常、日本碍子のＺｒＯ_２検出器が使われている。ＺｒＯ_２は酸化ガスや還元ガスに対し、様々な電気伝導度を示すが、排ガス中にＮＯｘのみが含まれていると仮定し、電気伝導度変化は総てＮＯｘ濃度に起因するとして濃度測定を行っている。
アンモニアが適量であれば、ＮＯｘの除去率は１００％となるが、アンモニア量が少なければＮＯｘが残存し、多ければ有毒なアンモニアが排気ガスと一緒に排出される（アンモニア・スリップ）。この場合、未反応のアンモニアの除去も別途必要となる。ＮＯｘの除去反応はＮＯｘ分子とアンモニア分子の直接衝突に基づくガス反応であるため、両者の濃度が低いと衝突頻度が下がり、反応速度が格段に低下する。さらに、“気体／気体”の相互拡散速度は一般的に低い（ｉ．ｅ．混ざりにくい）ことが知られ、アンモニアを導入する位置や導入角度に特段の工夫が必要である。また、還元反応に用いるアンモニア水（３５％）は燃料の３－７％も必要とされ、アンモニア（尿素と水を反応させてアンモニアとすることもある）を常備する必要もある。また、アンモニアは一般に３００－３５０℃程度の温度領域では高い脱硝率が得られるが、３５０℃を越えると、アンモニア自身が酸化され除去能力が減少する。一方、２００℃を下回る温度では、還元反応が不十分となる。さらに、反応促進のためにチタン、バナジウム、タングステン等の触媒を格子状ハニカムにして用いているが、ハニカム孔のピッチを細かくすると同一体積で高い脱硝率が得られるが、煤やダストによる目詰まりの問題点も抱えている。

このように現行のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置は、緻密でかつ複雑な制御を必要とする高価な装置である。このような状況下にあって、１００％乾式法でＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを同時に、かつ高い分解率で除去し、アンモニア等の常備物質も必要としないメンテナンス・フリーのシステムで、しかも簡易で安価な装置の到来が待たれていた。

本発明者の一人はポリマー、ガス体等の有機物からなる被処理物を分解する方法として、半導体を真性電気伝導領域となる温度に加熱し、この温度で顕著に起こるバンド間遷移により、電子・正孔キャリアーを大量に発生させ、被処理物を加熱処理により発現した強力な酸化力を持つ正孔に接触させ、酸素の存在下において被処理物を完全分解する「半導体の熱活性」（ＴｈｅｒｍａｌＡｃｔｉｖａｔｉｏｎｏｆＳｅｍｉ－Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ：以下ＴＡＳＣと略称）による処理方法について提案した（特許文献１、非特許文献３）。この現象は、半導体を３５０－５００℃に加熱すると強い酸化作用（ｉ．ｅ．結合電子を引き抜く力が強い）を発現する効果で、ポリマーから結合電子を引き抜くと、不安定なラジカルがポリマー内に生成し、これがポリマー内を伝播してさらに増殖し、ポリマー全体を不安定化する。不安定化したポリマーは安定性を維持できずに、自滅するような形で裁断化が誘起され、プロパン等の小分子に裁断化される。続いて、裁断化された小分子は空気中の酸素と反応して、炭酸ガスと水に完全分解される。つまり、あらゆるポリマー（熱可塑性ならびに熱硬化性ポリマー）はＴＡＳＣ触媒により、酸素の存在下で、一瞬にして炭酸ガスと水に分解される。以上のように、ＴＡＳＣ分解過程は、（１）酸化力によるラジカルの生成する過程、（２）ラジカルの伝播により、巨大分子が不安定化され小分子に分解される過程、（３）小分子化された分子が空気中の酸素と完全燃焼する過程の３つの素過程から構成されている。
ＴＡＳＣ法で使用できる半導体は高温、酸素雰囲気で安定な半導体であれば良い。従って、酸化物半導体が好んで用いられる。酸化物半導体の例として、ＢｅＯ、ＣａＯ、ＣｕＯ、Ｃｕ_２Ｏ、ＳｒＯ_２、ＢａＯ、ＭｇＯ、ＮｉＯ、ＣｅＯ_２、ＭｎＯ、ＧｅＯ、ＰｂＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＺｎＯ、ＦｅＯ、ＰｄＯ、Ａｇ_２Ｏ、ＴｉＯ_２、ＭｏＯ_２、ＰｂＯ_２、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、Ｔｉ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＷＯ_３、ＭｏＯ_３、ＷＯ_２、ＳｎＯ_２、Ｃｏ_３Ｏ_４、Ｓｂ_２Ｏ_３、Ｍｎ_３Ｏ_４、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｖ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｍｎ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ、ＭｇＦｅ_２Ｏ_４、ＮｉＦｅ_２Ｏ_４、ＺｎＦｅ_２Ｏ_４、ＺｎＣｏ_２Ｏ_４、ＭｇＣｒ_２Ｏ_４、ＦｅＣｒＯ_４、ＣｏＣｒＯ_４、ＣｏＣｒＯ_４、ＺｎＣｒ_２Ｏ_４、ＣｏＡｌ_２Ｏ_４、ＮｉＡｌ_２Ｏ_４等がある。この中で、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）は高温安定性（融点：約２２００℃）に優れ、さらにアルコール飲料のガラス瓶等の染色にも使われる安全な材料である。また、酸化鉄（α－Ｆｅ_２Ｏ_３：ヘマタイト）は、安定性はＣｒ_２Ｏ_３には及ばないが、安全で廉価な材料であるので実用性が高い。

また、繊維強化プラスチックに同じＴＡＳＣ法を用いて、プラスチックを完全分解し、カーボン・ファイバーやグラス・ファイバー等の強化繊維をほぼ無傷で完全回収する方法を提案した（特許文献２、非特許文献４）。この方法は特にコストの高いカーボン・ファイバー等の繊維を切断するなどのダメージを与えることなく強化繊維を回収して再使用することができるので、非常に有用であり、強化繊維に限らず、無機物とポリマーを混合した複合材料から無機物だけを回収できる普遍性のある方法である。
さらに、加熱処理室にＶＯＣ（ＶｏｌａｔｉｌｅＯｒｇａｎｉｃＣｏｍｐｏｕｎｄｓ、揮発性有機化合物）浄化装置を連結し、太陽光パネルや合わせガラスなどのプラスチックまたはプラスチック複合材料をＴＡＳＣ法により分解し、無害のガスに浄化する処理装置についても提案した（特許文献３、４）。
ＴＡＳＣ法で用いる酸化物半導体をＴＡＳＣ触媒と呼ぶが、この触媒は「何回でも使うことが出来る」と言う意味で「触媒」に分類される。しかし、通常の化学触媒とは全く異なる機能を有する。化学触媒は、触媒と反応物質が活性錯合体を形成し、これにより活性化エネルギーが低下した反応パスを通して反応が進行する。これに対し、ＴＡＳＣ触媒は、上述のメカニズムにより、ポリマー等の被分解物から結合電子を奪い、被分解物を“不安定化／小分子化”して、酸素下で完全燃焼させるものである。

このように、ＴＡＳＣ効果を利用した有機物の気体（ＶＯＣ、排煙、悪臭など）あるいはミスト状のタール、ＰＭ等の完全分解を実現してきた。具体的には、酸化物半導体を担持したブロック群を加熱し、この中を気体あるいは気体類似物を通過させる方法をとった。一方、被分解物が、ポリマー複合化合物のような固体の場合には、マトリックス・ポリマーのみを分解し、中から有価物を回収することに利用してきた。この場合には被分解物が触媒担持体と接触するような形態をとった。その例として、ＦＲＰ（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ：繊維強化プラスチック）から炭素繊維、太陽電池パネルから、ガラス、シリコン・ウェーファー、電極、さらにボンド磁石からレア・アース粉体、合わせガラスからガラスの回収に及んでいる。

ディーゼルエンジンからのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスのＴＡＳＣ法による乾式法で同時に分解することを試みた。
ＴＡＳＣ法によるＰＭおよびＶＯＣ単独の分解については、上述に述べたように、酸素下で完全分解することが示されている。しかし、今回の３種類の物質を同時分解する際には、ＰＭ除去に関する留意点とＮＯｘがＴＡＳＣ法で分解できる技術的な記載が必要である。
まずＰＭであるが、ＰＭ粒子が黒色であることから、炭素粒子と間違われることがある。しかし、ＰＭは炭素粒子ではなく、タールと類似した有機化合物の不完全燃焼物の粒子である。タールはＰＭに比べて、分子量の小さな炭化水素化合物の集合体であり、室温では高い粘性物質となる。これに対し、タールよりも分子量が大きな集合体であれば、室温では固体となる。固体粒子の大きさにより、直径が２．５ミクロンであればＰＭ２．５、１０ミクロンであればＰＭ１０と表現される。
ＰＭは通常、ＶＯＣ等の分子群と一緒に浮遊しているので、これらを触媒担持ブロックの中を通過させて、酸化分解する。しかし、触媒担持ブロック群の初段のブロック温度が低いとＰＭはブロック上に凝縮し、ブロックの目詰りを起こす原因となる。初段ブロックの温度がＰＭの付着温度よりも高ければ、ＰＭは触媒担持ハニカム群のバルク（すなわち、初段ブロック以降のブロック群）に入り、バルクで二酸化炭素と水に完全分解される。これに対しで、初段ブロック温度が凝縮温度よりも低ければ、初段ブロック上に付着し、この量が多ければブロックは目詰まりを起こす。目詰りを避けて安定浄化を進行させるためには、初段ブロックを凝縮温度以上に加熱することが不可欠となる。

次にＮＯｘ分解の技術的な背景について説明する。ＴＡＳＣ分解は熱活性化された半導体で生じる正孔の酸化力を利用する分解法である。まず、酸化の一般的な意味を説明し、その後で、酸化反応の「電子の引き抜き反応」を利用してＮＯｘを分解できることを述べる。
化学変化を取り扱う際に、酸化／還元と言う言葉が用いられる。酸化は文字通り、酸素を与え、例えば、銅と化合する反応（２Ｃｕ＋Ｏ_２＝２ＣｕＯ）等を意味し、逆に還元とは、例えば、水素で酸素を奪い取る反応（ＣｕＯ＋Ｈ_２＝Ｃｕ＋Ｈ_２Ｏ）である。ここで、水素は還元剤である。典型的な例として、本題のＮＯｘ処理に見られるように、ＮＯｘをアンモニアで還元して、Ｎ_２とＨ_２Ｏを生成反応する方法は、脱硝法として広く用いられている。このような、酸化／還元の意味では、ＮＯｘを“酸化”して無害化する、あるいは無害化できるという概念は出てこない。
一方、酸化／還元反応を電子的な見方をすると、酸化とは電子を引き抜くことであり、還元とは逆に電子を与えることである。本発明では、我々が見出した「半導体の熱活性」現象に基づく強力な酸化力（ｉ．ｅ．電子を引き抜く力が強い）を使い、ＮＯｘ分子から結合電子を引き抜き、当該分子を不安定化し、無害の窒素と酸素に分解することが可能であろうと考えるに至った。つまり、通常の還元物資を作用させるのではなく、全く逆転の発想として酸化力（電子の引き抜き作用）を利用することを思いついた。
そこで問題になるのが、ＮＯｘ分子に、電子が引き抜かれやすい属性があるかどうかであり、まず、ＮＯやＮＯ_２の電子状態を精査した。まず、ＮＯの電子構造を図６で考えて見る。Ｎ_２と（Ｎと原子番号が隣り合わせのＯとからなる）ＮＯの電子構造は比較的類似しているが、大きな違いは、Ｎ_２は、各々の結合軌道が２つの電子で占有され、完全な閉殻構造をとった安定分子である（総電子数：１４個）。これに対し、ＮＯは、電子が７個の窒素と電子が８個の酸素から構成される奇数分子（ｏｄｄｍｏｌｅｃｕｌｅ；総電子数：１５個）であり、不対電子（ｕｎｐａｉｒｅｄｅｌｅｃｔｒｏｎ）を１つ持つラジカル分子である。言い換えれば、ＮＯは閉殻構造をとらないフリー・ラジカルであり、その“ラジカル”の名が示すように原則的には不安定である。それにも拘わらず、ＮＯは安定な分子である。ここで重要なことは、ＮＯの安定化に３電子結合（非特許文献５）と言う特殊な結合様式が関与していることである。図６において３電子結合は３つの“点”（・・・）で示されている。つまり、ＮとＯの間には、Ｎ＝Ｏ（６５％）とＮ^－＝Ｏ^＋（３５％）の共鳴構造の寄与があり、その結果、ＮＯ間には３電子結合と呼ばれる単結合の半分程度の結合力が働いている。つまり、ＮＯ間には、二重結合に加えて３電子結合が作用している。これがＮＯの安定性を確保している機構である。しかし、その安定性はＮ_２には及ばない。これは、Ｎ_２とＮＯの結合エネルギー（それぞれ、９４５ｋＪ／ｍｏｌｅ，６３０ｋＪ／ｍｏｌｅ）にも反映されている。電子を引き抜くエネルギーは、通常、イオン化ポテンシャルが目安となる。Ｎ_２の１５．５８ｅＶに対し、ＮＯは９．２ｅＶであるので、ＮＯから電子を引き抜くのはＮ_２に比べると格段に容易であると考えられる。これが本発明の発想である。さらに、一般にベンゼン等の芳香族ＶＯＣは分解されにくいとされているが、ＴＡＳＣ技術では問題なく分解されている。ベンゼンのイオン化ポテンシャルは９．５２ｅＶ程度であるから、ＮＯの９．２ｅＶよりもやや大きい。従って、この点からもＮＯ分子のＴＡＳＣ分解が可能であることが示唆される。
ＮＯ_２の場合にも同様なことが期待される。ＮＯ_２も奇数分子（総電子数：２３個）であるから、ラジカルであり、この場合にも３電子結合で安定化が確保されている。しかし、ＮＯ_２の安定性は、ＮＯには及ばない。ＮＯ_２の濃度が低い場合（例えば１００ｐｐｍ程度）に、分子同士の衝突頻度が低く、二量体を形成する確率は小さい。その為、ＮＯ_２は気体中でラジカル分子の単量体で存在する。
以上より、ＮＯ、ＮＯ_２は共に不安定なラジカル分子であり、結合電子を奪われやすい構造と言える。さらに、これが、結合電子の引抜き（酸化）でＮＯｘ分解が可能ではないかと考えた動機である。
ＮＯ分子のどの部位が最も酸化され易いかについて結合エネルギーの立場から考えてみる。結合エネルギーは、単結合（σ結合１本：３４９ｋＪ／ｍｏｌｅ）、二重結合（σ結合１本＋π結合１本：６１７ｋＪ／ｍｏｌｅ）、三重結合（σ結合１本＋π結合２本：８１５ｋＪ／ｍｏｌｅ）であり、３電子結合は単結合の半分程度の結合エネルギーであるので、ＮＯ分子の結合の中では一番弱い部位である。従って、ＴＡＳＣによる電子引き抜き反応により、３電子結合の電子が奪われると考えよい。ラジカルであるＮＯ分子の安定性を確保しているのは３電子結合であるので、３電子結合が崩れれば、ＮＯ分子は瞬時にして安定性を失い、窒素と酸素に分解すると考えられる。
一般的に、ラジカルはその名称が示すように、極めて不安定で、実際に室温状態で安定なラジカル分子の例は極めて少なくい。その例外として、ＥＳＲ（電子スピン共鳴）の磁場較正用に使われるＤＰＰＨ（ラジカル分子：α，α’－ｄｉｐｈｅｎｙｌ－β－ｐｉｃｒｙｌｈｙｄｒａｚｙｌ）が知られている。

特許第４５１７１４６号特許第５９０４４８７号特開２０１６－９３８０４号公報特開２０１６－１７２２４６号公報特許第６４０９２２２号

平田公一、岸武行、仁木洋一：海上技術安全研究所報告、第１２巻、第４号、４３－５０（２０１３）石原義己：燃料協会誌、第５１巻第５３７号，３－１０（１９７２）Ｔ．Ｓｈｉｎｂａｒａ，Ｔ．Ｍａｋｉｎｏ，Ｋ．Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，ａｎｄＪ．Ｍｉｚｕｇｕｃｈｉ：Ｃｏｍｐｌｅｔｅｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｐｏｌｙｍｅｒｓｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｈｅｒｍａｌｌｙｇｅｎｅｒａｔｅｄｈｏｌｅｓａｔｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｎｔｉｔａｎｉｕｍｄｉｏｘｉｄｅａｎｄｉｔｓｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９８，０４４９０９１－５（２００５）水口仁：半導体の熱活性によるＦＲＰの完全分解とリサイクル技術、加工技術４７巻，３７－４７（２０１２）Ｌ．Ｐａｕｌｉｎｇ：ＴｈｅＣｈｅｍｉｃａｌＢｏｎｄ（ＣｏｒｎｅｌｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，１９６７）第１０章１８６－１９２頁

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを、１００％乾式法で、同時に、かつ高い分解率で除去し、さらにアンモニア等の常備物質も必要としないメンテナンス・フリーのシステムで、しかも安価で簡易な手法により完全分解する方法及び分解する装置を提供することを目的とする。

本発明に係るディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する方法は、酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体を、排ガス処理室内に多段に配置し、前記多段に配置された構造体は前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度に加熱され、かつ前記多段に配置された構造体の内、前記排ガス処理室の排ガス導入口側の初段に配置された前記構造体は、排ガス導入時においても前記ＰＭの凝縮温度以上に保たれるように集中的に加熱されるように制御されることにより、前記ＰＭが前記初段に配置された前記構造体に付着残存するのを防止しつつ、前記排ガス導入口から前記排ガス処理室内に導入された前記排ガスが前記多段に配置された構造体を通過する際に前記排ガスが前記酸化物半導体に接触し、酸素の存在下で前記正孔の酸化力を利用して前記ＰＭと前記ＶＯＣは水と二酸化炭素に完全分解され、さらに前記ＮＯｘは前記正孔の酸化力により、結合電子を引き抜かれ、ＮＯ間の３電子結合が消滅されることにより、ＮＯ分子の不安定化が誘起され、窒素と酸素に分解され、発生したガスは前記排ガス処理室のガス排出口から排出されることを特徴とする。

本発明に係るディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する方法は、前記多段に配置された構造体の内、初段を含む複数の構造体には集中加熱のための複数のヒーターが埋め込まれており、かつ前記複数のヒーターの少なくともひとつは、前記初段に配置された前記構造体の前記排ガス導入口側の表面近くに埋め込まれていることにより、前記多段に配置された構造体の内、前記排ガス導入口側の前記初段に配置された構造体は、前記排ガス導入時においても前記ＰＭの凝縮温度以上に保たれるように集中的に加熱されるように制御されることを特徴とする。

本発明に係るディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する装置は、排ガス導入口とガス排出口を有する排ガス処理室と前記排ガス処理室内に配置されたヒーターに通電する加熱システムを有し、酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体を前記排ガス処理室内に多段に配置し、前記多段に配置された構造体を前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度に加熱し、かつ多段に配置された構造体の内、前記排ガス導入口側の初段に配置された前記構造体を、排ガス導入時においても前記ＰＭの凝縮温度以上に保たれるように集中的に加熱することにより、前記ＰＭが前記初段に配置された前記構造体に付着残存するのを防止しつつ、前記排ガス導入口から前記排ガス処理室内に導入された前記排ガスが前記多段に配置された構造体を通過する際に前記排ガスが前記酸化物半導体に接触し、酸素の存在下で前記正孔の酸化力を利用して、前記ＰＭと前記ＶＯＣは水と二酸化炭素に完全分解し、前記ＮＯｘから前記正孔の酸化力を利用して結合電子を引き抜き、ＮＯ間の３電子結合を消滅させることにより、ＮＯ分子の不安定化を誘起し、前記ＮＯｘを窒素と酸素に分解し、発生したガスは前記ガス排出口から排出することを特徴とする。

本発明に係るディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する装置は、前記多段に配置された構造体の内、初段を含む複数の構造体には集中加熱のための複数のヒーターが埋め込まれており、かつ前記複数のヒーターの少なくともひとつは、前記初段に配置された前記構造体の前記排ガス導入口側の表面近くに埋め込まれていることにより、前記多段に配置された構造体の内、前記排ガス導入口側の前記初段に配置された前記構造体を、前記排ガス導入時においても前記ＰＭの凝縮温度以上に保たれるように集中的に加熱することを特徴とする。

本発明により、ディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスが、酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度に加熱された状態で、酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体を通過する際に、正孔の酸化力を利用して分解される。ＰＭが構造体に付着残存するのを防止するために、複数個配置される構造体のうち、初段の構造体をＰＭの凝縮温度以上の温度にガス導入時においても保たれるように集中的に加熱するように複数のヒーターを配置し、ヒーターの少なくともひとつは初段に配置された前記構造体の前記ガス導入口側の表面近くに埋め込まれているように配置する。
排ガス処理室内のヒーターの集中的配置に替わり、ディーゼルエンジンの排出口に熱風発生器を配置し、加熱された排ガスを排ガス処理室に導入して初段の構造体がＰＭの凝縮温度以上に保たれるようにしても良い。

本発明のＮＯｘを分解する方法及び装置に関しては、「半導体の熱活性」に基づいて、強力な酸化力（ｉ．ｅ．結合電子を引き抜く力が強い）を使い、ＮＯｘ分子から結合電子を引き抜き、当該分子を不安定化し、無害の窒素と酸素に分解することが特徴である。これは従来のＮＯｘの分解法に見られる還元反応と触媒を用いる化学的な反応や触媒を使って高温で分解する方法とは原理的に異なる。
「半導体の熱活性」はＮＯｘの結合電子を引き抜く力が強く、高い効率でＮＯｘを窒素と酸素に分解することができる。ＮＯならびにＮＯ_２は共に奇数分子のフリー・ラジカルであり、ＮＯ間には３電子結合がある。酸素下であっても「半導体の熱活性」に基づく強力な酸化力により、ＮＯｘから結合電子を引き抜き、ＮＯ間の３電子結合を不安定化することにより、これらの分子を窒素と酸素に分解する。

本発明によれば、ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを同時に、かつ高い分解率で除去できるメンテナンス・フリーで、１００％乾式のシステムの構築が可能となる。

図１は本発明に係るディーゼルエンジンの排ガスを分解する装置の排ガス処理室を示す図である。図２はＶＯＣ浄化装置を示す図である図３は触媒担持ブロックにヒーターが埋め込まれた触媒担持ユニットを示す図である。図４は本発明に係るディーゼルエンジンの排ガスを分解するために３つの架台を使った装置の排ガス処理室を示す図である。図５は排ガス処理室内温度を熱電対位置に対して表した図である。図６はＮＯの共鳴構造と３電子結合を示す模式図である。

図２は株式会社ジンテクから市販されているＶＯＣ浄化装置１４（モデル：標準ＭＴ－１３０－２００）であり、ディーゼルエンジンの排ガスの内、ＶＯＣとＮＯｘの分解を実施できる。酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体としては特許文献５に記載した方法で製造した触媒担持ブロックを使用する。ブロックの目の粗さは通常３００ｃｐｓｉ（ｃｅｌｌｓｐｅｒｓｑｕａｒｅｉｎｃｈ）程度を使用するが、荒すぎると排ガスの分解効率が落ち、細かすぎると圧力損失が大きくなるので、適宜調整して最適化すれば良い。ブロックに替えて、小径穴からなるハニカム担体を用いて触媒担持ハニカムとすることも可能である。図３は１３０（縦）×２００（横）×３０（厚み）ｍｍの触媒担持ブロック４にＭ字型ヒーター７を埋め込んだＣｒ_２Ｏ_３触媒担持ユニットである。
図２のＶＯＣ浄化装置１４には８段のＣｒ_２Ｏ_３触媒担持ユニット１５，１６を、長さ２４０ｍｍと１６０ｍｍの架台の上に組み込んである。ヒーターは総て３００Ｗ／１００Ｖである。ＶＯＣ浄化装置１４の排ガス導入口１２とガス排出口１３のダクトロ径は６３．５ｍｍである。通常はＣｒ_２Ｏ_３担持ユニット１５のヒーターのみを結線し、熱電対１７で制御する。本ＶＯＣ浄化装置１４は０．３ｍ^３／ｍｉｎ程度の流量下で、たばこ煙（４本）、タール気流、その他ＶＯＣを完全に無臭化できる。実装テストに近い大量（約２ｍ^３／ｍｉｎ）のＶＯＣ等を処理する場合には、Ｃｒ_２Ｏ_３担持ユニット１６のヒーターも点灯し、熱交換器と連結して用いる。しかし、熱交換器を接合しても、熱交換器で加熱されたタール気流等の温度がＶＯＣ浄化装置１４の排ガス導入口１２で、例えば２５０℃を下回る場合には、ＶＯＣ浄化装置１４内の初段のブロックにタールが沈着することがあるので、流量を下げるなどの処置を施し、気流温度を上げて凝縮を妨げる操作が必要となる。本発明においては既に述べたＮＯｘ分解の技術的な背景に基づき、図２のＶＯＣ浄化装置１４を用いて実施例１のＮＯｘ分解を行った。

図１はディーゼルエンジンからのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する装置の排ガス処理室１の上面図（装置を上部からみた図）である。本装置は図２に示す標準型ＭＴ－１３０－２００を改造したもので、改造型ＭＴ－１３０－２００と呼称する。本装置の排ガス導入口１２とガス排出口１３のダクトロ径は１００ｍｍである。改造型ＭＴ－１３０－２００の特徴は装置の前段を集中的に加熱することであり、具体的には標準ＭＴ－１３０－２００の１６０ｍｍの架台を、前部の排気ガス導入部に配置し、２４０ｍｍの架台を後部に移している。改造型ＭＴ－１３０－２００は厚さ５０ｍｍの触媒担持ブロック（２枚）と厚さ３０ｍｍの触媒担持ブロック（９枚）の合計１１枚から構成され、合計の長さは４００ｍｍである。図１の上面図の上と下には２点の黒丸が記されている。この２点のペアは１本の５００Ｗ／１００Ｖヒーター５，６に対応し、２つのヒーターの電極部が黒丸で表示されていることを示す。同様に、白丸のペアは１対の３００Ｗ／１００Ｖのヒーター７で、電極部は白丸である。さらに、黒丸と白丸の付いていない無印ブロックは電極が装備されていない触媒担持ブロックである。前記装置内の温度は、ヒーターの電極５ならびに６（合計５００Ｗヒーターが４本）とヒーターの電極７（３００Ｗヒーターが３本）を使用して、それぞれ熱電対８と９により、独立な２台の温度制御装置により制御される。熱電対１０と１１は温度モニターである。また、黒丸と白丸が付与されているＣｒ_２Ｏ_３を触媒として担持したブロックには図３に示すように、ヒーターが埋め込まれている。酸化物半導体として安定性に優れたＣｒ_２Ｏ_３を用いるのが良い。
改造型ＭＴ－１３０－２００のさらなる特徴は、前段部にヒーターを集中させて加熱することである。特に、初段のブロック２は５０ｍｍのブロックの表と裏の両面にヒーターが配置され、１段目のヒーター５は排気ガスと対峙している。この配置により、ブロック２は標準型ＭＴ－１３０－２００（図２）のヒーターの裏面配置のみの構造に比べて格段に加熱効果が高められる。
前段加熱の意味を詳しく説明する。排ガス処理室１内のヒーターに通電することにより、各ブロックは酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度（例えば３５０－５００℃）に加熱される。しかし、ＰＭの凝縮温度以下の温度の排ガスが大量に導入されると、排ガス導入口１２に向き合っているブロック２の温度がＰＭの凝縮温度以下に下がり、ＰＭが前記ブロック２の表面に付着残存して、ブロック２が目詰まりすることがある。これを防止する手段として、図１の装置においては、初段のブロック２がガス導入時においてもＰＭの凝縮温度以上の温度を保つ必要があり、その為にヒーター５（５００Ｗ／１００Ｖ）とヒーター６（５００Ｗ／１００Ｖ）を配置して集中加熱を施している。このうちヒーター５は初段のブロック２の排ガス導入口１２側の表面近くに埋め込まれている。なお、ＰＭの凝縮温度はＰＭの種類にもよるが約２５０－３５０℃程度であるので、いかなる排ガスの温度ならびに風量に対しても、凝縮温度以上の温度の確保が必須であり、余裕を見てこれより高めの温度に保てるような特段の処置が求められる。
ヒーター５、６、７に通電して触媒担持ブロック２がＰＭの凝縮温度よりも高い温度になると、ＰＭは初段ブロック２に付着することなく、排ガス処理室１のバルク（ｉ．ｅ．初段ブロック以降のブロック群）に入る。バルク内の温度は通常３５０－５００℃になっており、この温度領域では酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成しているので、ＰＭは酸化分解される。触媒担持ブロック２の近傍の温度はヒーター５と６により加熱され、熱電対８によって制御される。また、ヒーター７による加熱温度は熱電対９により制御される。排ガス導入口１２からＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスが導入され、ＮＯｘがブロックに担持された酸化物半導体（Ｃｒ_２Ｏ_３）に接触すると、酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度において、正孔の酸化力を利用して排ガスが分解される。ガス排出口１３から分解されたガスが排出される。
熱電対８によって制御されるブロック２の温度は５００℃に設定されるが、排気ガスの風量やヒーターの容量にもよるが、５００℃に到達することは稀である。しかし、いかなる排ガスの温度と風量に対しても、排ガス導入側のブロック２の表面温度は少なくともＰＭの凝縮温度（約２５０－３５０℃）以上を確保することが必須である。一方、排ガス処理室１内のバルク温度は５００℃に設定され、この温度は、ヒーター７による加熱ばかりでなく、ブロック２から運ばれる高温ガスとＴＡＳＣ効果により小分子化された排ガスの燃焼熱等により熱電対９でモニターされ、個別の温度調節器で制御される。従って、ヒーターに投入する電力はかなり軽減される。
排ガスがＮＯｘからなる場合は触媒担持ブロックに付着する問題は生じない。ＮＯｘ分解は、酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度において、正孔の酸化力により結合電子を引き抜かれ、ＮＯ間の３電子結合が消滅されることにより、ＮＯｘが不安定化して、窒素と酸素に分解される。
以上より、排ガスがＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む場合に図１の構造体（ブロック）とヒーターの配置を採用することでＰＭが構造体（ブロック）に付着することを防ぎつつ、排ガスは分解されてガス排出口１３より排出される。

図４は改造型ＭＴ－１３０－２００（図１）と同様にディーゼルエンジンからのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する装置の排ガス処理室１を示す図であり、改造型ＭＴ－１３０－２００－２００と称する。本装置も図１と同様に、前段集中加熱の方式を取り、さらに排ガス導入口１２とガス排出口１３のダクトロ径も１００ｍｍである。改造型ＭＴ－１３０－２００－２００では、改造型ＭＴ－１３０－２００で使用した２種類の架台（１６０ｍｍと２４０ｍｍ）を、１６０ｍｍ、２４０ｍｍ、２４０ｍｍの順序で配置した全長６４０ｍｍの架台である。触媒担持ブロックは、５０ｍｍブロックが２枚、３０ｍｍブロックが１８枚で、合計２０枚である。このうち、ヒーターが埋め込まれているブロックは１２枚である。また、使用したヒーターは総て５００Ｗ／２００Ｖである。図１で使用した黒丸と白丸、ならびに無印の表示を図４でも踏襲している。
初段の５０ｍｍブロック２の表裏にヒーターを埋め込んで配置し、図１の装置と同様に集中加熱を行い、ＰＭの凝縮温度（約２５０－３５０℃）以上を確保した。装置の加熱は、２本の独立した熱電対により、２台の温度調整装置で制御した。一番目の制御装置は、熱電対２２で温度をモニターし、加熱ヒーター１９（４本）で制御した。二番目の制御装置は、熱電対２３で温度をモニターし、ヒーター２０（４本）に通電した。ヒーター２１は本実験では結線しなかった。熱電対２４は温度モニターとして使用した。
ＰＭ，ＮＯｘ、ＶＯＣの除去プロセスは図1の装置を使用した記載と同様である。

実施例１
分解設定温度を５００℃に固定し、図２のＶＯＣ浄化装置１４を使用してＮＯ濃度を変化させた分解実験を行った。実験室内で行う実験であるので、風量を下げた。
（実験装置ならびに実験条件）
（１）Ｎ_２ベースの５００ｐｐｍＮＯガスを使用した。ガス混合器を用いて、５００ｐｐｍのＮＯガスをＮ_２で希釈し、２５０ｐｐｍ、１２５ｐｐｍ、６２．５ｐｐｍのＮＯガスを調製した。ＶＯＣ浄化装置１４に導くガスは４０Ｌ／ｍｉｎの一定流量とした。基本的には窒素下で行った実験である。
（２）検知管は北川式ＮＯ／ＮＯ_２検知管（１７４Ａ）を使用した。本検知管は、１回の測定で、ＮＯとＮＯ_２の濃度を測定することができる。また、検知管は常温使用のものであり、ＶＯＣ浄化装置１４の出口温度が３００℃程度となる為、ホット・エア・プロ―ブを介して測定を行った。
（３）装置内の設定温度は５００℃で、使用した触媒はＣｒ_２Ｏ_３である。酸化物半導体であるＣｒ_２Ｏ_３は５００℃の温度で、強力な酸化力（結合電子を引き抜く力）を発現し、ＮＯから結合電子を引き抜いて、不安定化を誘起する。その結果、ＮＯは自滅するような形で窒素と酸素に分解する。酸化物半導体の中で、最も安定なＣｒ_２Ｏ_３を好んで用いるが、ＮｉＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＺｎＯ等も使用することができる。

（４）ＮＯの分解実験：
予め５００℃に加熱されたＶＯＣ浄化装置１４の排ガス導入口１２に、所定の濃度に混合器内で希釈されたＮＯガスを導き、ＶＯＣ浄化装置１４のガス排出口１３で、ＮＯ濃度を検知管で測定した。
（実験結果）
下表に、入口ＮＯ濃度、出口ＮＯ濃度、ＮＯ分解率、生成したＮＯ_２を示す。ＮＯの分解率は平均して７０％であった。また、僅かではあるが、ＮＯ_２の生成が認められた。

本実験結果から、３電子結合で安定性を確保されていたＮＯから、結合電子がＴＡＳＣ効果で引き抜かれ、不安定化が誘起されて、ＮＯ分解が実現されていることが分かる。本実験は、ＮＯガスをＶＯＣ浄化装置１４に導くだけで良く、装置的にも、また化学的な処理も一切必要としないので、極めて簡便でかつ安価な乾式の脱硝法であると言える。

実施例２
ＮＯ濃度を２５０ｐｐｍに固定し、分解率の温度依存性を検討した
実験室内で行う実験であるので、風量を下げ、ＮＯ濃度を固定して測定を行った。使用した実験装置は図１に示すものである。但し、排ガス処理室１の排ガス導入口１２の前には吸引ボックスを設けた。排ガス処理室１内の温度は図１に示す熱電対８、９、１０、１１の位置で測定した。５００ｐｐｍのＮＯガスを混合ボックス内で空気と混合して混合ガス中のＮＯ濃度を２５０ｐｐｍとし、予め加熱した排ガス処理室１内に導いた。本実験は基本的には空気下における実験である。
入口温度を示す図1の熱電対８の温度を、それぞれ、２００、３００、５３０℃と設定して混合ガスを排ガス処理室１に導入し、NOの分解率を測定した。図５に3種の温度設定に対する排ガス処理室１内の温度分布結果を示す。２００℃設定におけるＮＯの分解率は約６０％、また、３００℃設定では８８％であった。さらに、５３０℃設定ではほぼ１００％のＮＯ分解率が達成された。
実施例１及び２の結果から、ＮＯｘ分解は、高流量の排気ガスの場合でも、ＶＯＣ浄化装置１４及び排ガス処理室１内で十分な温度さえ確保されていればＮＯ分解は瞬時に確実に起こると考えられる。

実施例３
株式会社竹内製作所の重機ＴＢ２２５（Ｙａｎｍａｒ／３ＴＮＶ８０Ｆディーゼルエンジンを搭載）のマフラーを外し、シリンダー出口における温度ならびに排気流量を測定した。３段階の運転モード（アイドリング、通常作業モード、負荷モード）における温度と流量はそれぞれ以下の通りであった。
アイドリング時：約１５０℃ 約１．５ｍ^３／ｍｉｎ
通常作業モード時：約２１８℃ 約３．５ｍ^３／ｍｉｎ
負荷モード時：約３７０℃ 約５．０ｍ^３／ｍｉｎ
シリンダー出口からの排ガスを図１の排ガス導入口１２から排ガス処理室１に導入して分解する実験を行うために以下の検討を行った。ＴＡＳＣ技術に基づく排ガス処理室１に求められる活性化温度は、何れの動作モードであっても３５０－５００℃は必要である。さらに、初段の触媒担持ブロック２でＰＭの沈着（凝縮）を防ぐために、初段温度が少なくとも３００℃程度とすることが必須である。そこで、重機の通常作業モードにおける２１８℃の排ガス温度を１５０℃上げ、排ガス処理室１内の温度を３５０－５００℃としたいと考えた。これを達成するためには、排ガス処理室１に組み込まれたヒーターで排ガス処理室１を予め加熱する必要がある。どの程度のヒーターのパワーが必要であるかを概算した。排ガスを空気と見立て、空気温度を１５０℃上昇させるパワーを見積もった。
空気の密度（温度変化が大きい）から排ガスの単位時間当たりの総重量を計算し、これに空気の比熱（温度変化が小さい）と上昇させる温度を乗じて、毎秒あたりのｋＪ（つまりワット数）を計算した。一例を述べると、通常作業モード（３．５ｍ^３／ｍｉｎ）時の排ガス（計算では２３０℃の空気とした。）を１５０℃上昇させる熱量は約６ｋＷとなる。現在の改造型ＭＴ－１３０－２００（図１）は２．９ｋＷなので、かなりパワー不足である。しかし、排ガス処理室１内で燃焼する排ガスの燃焼熱を考慮すれば、パワー不足もかなり補えると見込んだ。さらに、４ｋＷの改造型ＭＴ－１３０－２００－２００（図４）の装置でもテストした（実施例４）。
重機ＴＢ２２５の排ガスを図１の装置に導入して排ガスの分解実験を実施し、ＮＯｘ濃度の測定は、北川式検知管を用いた。ＰＭのスモークテストはＨｏｄａｋａ製のスモーク・テスター（白／黒の評価は１－９段階で評価）を使用した。ＶＯＣ濃度（単位：ｐｐｍＣ）は日本サーモの炭化水素計（モデル：ＴＶＡ）で測定した。計測は通常作業モードで行い、始動後３０分での値を読んだ。排ガス処理室１内のヒーター５，６，７の加熱電源はＴＢ２２５重機（株式会社竹内製作所）の始動と共にＯＮとされた。
熱電対８，９の設定温度を５００℃にして制御し、図１の熱電対８、９、１０、１１の温度はそれぞれ、２４５℃、３０４℃、３０５℃、３０７℃であった。ＮＯ濃度は約１０－２０ｐｐｍ、ＰＭのスモークテストは指標値１－２（ほぼ最低レベル）。ＶＯＣ濃度は１．２ｐｐｍＣであった。これらの結果はＰＭ，ＮＯｘ，ＶＯＣの浄化が良好に進行しているものと考え得られる。しかし、試験終了後に浄化装置を分解してみると、ごく僅かであったが、初段の触媒担持ブロック２（温度２４５℃）にはＰＭの付着が認められた。

比較例１
図２のＶＯＣ浄化装置１４（標準型ＭＴ－１３０－２００）を用いて、実施例３と同条件でＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣの分解実験を実施した。標準型ＭＴ－１３０－２００では８本の３００Ｗ／１００Ｖヒーターが装備され、この内触媒担持ユニット１５のヒーターを熱電対１７で制御する。熱電対の温度を５００℃に設定した。
通常作業モードで、始動後３０分のＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣの値を測定した。熱電対１７の温度は２０５℃程度に下がってしまい、ＶＯＣ浄化装置１４内の温度は、ほぼ排ガス温度に近い値に留まった。
ＮＯ濃度は約４０ｐｐｍ、ＰＭのスモークテストは指標値３程度であり、ＶＯＣ濃度は約７．５ｐｐｍＣであった。実験終了後に、装置を分解し、ＰＭの付着状況を調べた。初段のＣｒ_２Ｏ_３担持ブロック表面には、うっすらとＰＭの付着が観測されたが、２段以降のＣｒ_２Ｏ_３担持ブロックに付着していることはなかった。また、ＶＯＣの値を反映し、排ガスの臭気も多少認められた。

実施例４
図４の装置を用いて、実施例３と同様の実験を行った。図４の熱電対２２、２３、２４の温度はそれぞれ、３１２℃、３７３℃、４４２℃であった。ＮＯ濃度は約１０ｐｐｍ（測定限界）、ＰＭのスモークテストは指標値１－２（ほぼ最低レベル）。ＶＯＣ濃度は０．８ｐｐｍＣであった。内蔵のヒーターによる加熱効果も認められ、温度分布も極めて安定しており、ＶＯＣの浄化も完璧であった。試験終了後に装置を分解した結果、初段の触媒担持ブロック２にはＰＭの付着は皆無であった。これらの結果はＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣの浄化が良好に進行したことを示している。

本発明はこれまでの還元剤を使う湿式法に比べ、全く新規なＴＡＳＣ効果（ｉ．ｅ．結合電子の引き抜き）によるもので、完全な乾式システムである。分解システムも極めて簡便で、単にディーゼルエンジンからのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを導くだけで排ガスを分解でき、特段のメンテナンスも必要としない。これらの理由から、産業上の利用価値は非常に高い。

１ディーゼルエンジンの排ガスを分解する装置の排ガス処理室
２Ｃｒ_２Ｏ_３担持ブロック
３Ｃｒ_２Ｏ_３担持ブロック
４Ｃｒ_２Ｏ_３担持ブロック
５ヒーター（５００Ｗ／１００Ｖ）
６ヒーター（５００Ｗ／１００Ｖ）
７ヒーター（３００Ｗ／１００Ｖ）
８熱電対
９熱電対
１０熱電対
１１熱電対
１２排ガス導入口
１３ガス排出口
１４ＶＯＣ浄化装置
１５Ｃｒ_２Ｏ_３担持ユニット
１６Ｃｒ_２Ｏ_３担持ユニット
１７熱電対
１８熱電対
１９ヒーター（５００Ｗ／２００Ｖ）
２０ヒーター（５００Ｗ／２００Ｖ）
２１ヒーター（５００Ｗ／２００Ｖ）
２２熱電対
２３熱電対
２４熱電対

Claims

ディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する方法であって、酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体を、排ガス処理室内に多段に配置し、前記多段に配置された構造体は前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度に加熱され、かつ前記多段に配置された構造体の内、前記排ガス処理室の排ガス導入口側の初段に配置された前記構造体は、排ガス導入時においても前記ＰＭの凝縮温度以上に保たれるように集中的に加熱されるように制御されることにより、前記ＰＭが前記初段に配置された前記構造体に付着残存するのを防止しつつ、前記排ガス導入口から前記排ガス処理室内に導入された前記排ガスが前記多段に配置された構造体を通過する際に前記排ガスが前記酸化物半導体に接触し、酸素の存在下で前記正孔の酸化力を利用して前記ＰＭと前記ＶＯＣは水と二酸化炭素に完全分解され、さらに前記ＮＯｘは前記正孔の酸化力により、結合電子を引き抜かれ、ＮＯ間の３電子結合が消滅されることにより、ＮＯ分子の不安定化が誘起され、窒素と酸素に分解され、発生したガスは前記排ガス処理室のガス排出口から排出されることを特徴とするディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する方法。
前記多段に配置された構造体の内、初段を含む複数の構造体には集中加熱のための複数のヒーターが埋め込まれており、かつ前記複数のヒーターの少なくともひとつは、前記初段に配置された前記構造体の前記排ガス導入口側の表面近くに埋め込まれていることにより、前記多段に配置された構造体の内、前記排ガス導入口側の前記初段に配置された構造体は、前記排ガス導入時においても前記ＰＭの凝縮温度以上に保たれるように集中的に加熱されるように制御されることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する方法。
ディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する装置であって、排ガス導入口とガス排出口を有する排ガス処理室と前記排ガス処理室内に配置されたヒーターに通電する加熱システムを有し、酸化物半導体を担持した通気性を有する構造体を前記排ガス処理室内に多段に配置し、前記多段に配置された構造体を前記酸化物半導体のバンド間遷移により大量の正孔と電子とが生成する温度に加熱し、かつ多段に配置された構造体の内、前記排ガス導入口側の初段に配置された前記構造体を、排ガス導入時においても前記ＰＭの凝縮温度以上に保たれるように集中的に加熱することにより、前記ＰＭが前記初段に配置された前記構造体に付着残存するのを防止しつつ、前記排ガス導入口から前記排ガス処理室内に導入された前記排ガスが前記多段に配置された構造体を通過する際に前記排ガスが前記酸化物半導体に接触し、酸素の存在下で前記正孔の酸化力を利用して、前記ＰＭと前記ＶＯＣは水と二酸化炭素に完全分解し、前記ＮＯｘから前記正孔の酸化力を利用して結合電子を引き抜き、ＮＯ間の３電子結合を消滅させることにより、ＮＯ分子の不安定化を誘起し、前記ＮＯｘを窒素と酸素に分解し、発生したガスは前記ガス排出口から排出することを特徴とするディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する装置。
前記多段に配置された構造体の内、初段を含む複数の構造体には集中加熱のための複数のヒーターが埋め込まれており、かつ前記複数のヒーターの少なくともひとつは、前記初段に配置された前記構造体の前記排ガス導入口側の表面近くに埋め込まれていることにより、前記多段に配置された構造体の内、前記排ガス導入口側の前記初段に配置された前記構造体を、前記排ガス導入時においても前記ＰＭの凝縮温度以上に保たれるように集中的に加熱することを特徴とする請求項３に記載のディーゼルエンジンのＰＭ、ＮＯｘ、ＶＯＣを含む排ガスを乾式法で同時に分解する装置。