JP2024022455A - Gas decomposition method and gas decomposition device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ガス分解方法及びガス分解装置に関する。 The present invention relates to a gas decomposition method and a gas decomposition device.
産業革命以降、地球の平均気温が上昇しているために、地球温暖化対策は喫緊の課題となっている。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、一酸化二窒素、フロンガス等が知られている。このガスの中で、二酸化炭素の排出量が一番多く、次いでメタンの排出量が多く、その次に、一酸化二窒素の排出量が多い。しかしながら、メタンの地球温暖化係数は二酸化炭素の地球温暖化係数の25倍であり、一酸化二窒素の地球温暖化係数は二酸化炭素の地球温暖化係数の298倍であると報告されている。特に、一酸化二窒素の排出による地球温暖化の影響は無視できない。 Since the industrial revolution, the average temperature of the earth has been rising, making countermeasures against global warming an urgent issue. Carbon dioxide, methane, dinitrogen monoxide, chlorofluorocarbon gas, and the like are known as greenhouse gases that cause global warming. Among these gases, carbon dioxide has the largest amount of emissions, followed by methane, and then nitrous oxide. However, it has been reported that the global warming potential of methane is 25 times that of carbon dioxide, and that of nitrous oxide is 298 times that of carbon dioxide. In particular, the impact of global warming due to nitrous oxide emissions cannot be ignored.
一酸化二窒素は、化学製品の製造等の工業活動及び廃棄物の燃焼によって多量に排出されるだけでなく、人及び畜産動物の排泄物の処理過程や農業からも多量に排出される。メタンは、農地や畜産廃棄物、バイオマス燃焼、下水処理など一酸化二窒素と同じ箇所から排出されることが多い。一酸化二窒素とメタンが同じ箇所から排出される理由は、両者はともに微生物由来で発生するケースが多いためである。昨今、一酸化二窒素とメタンの濃度が上昇傾向にあることから、一酸化二窒素とメタンの濃度の上昇を抑え、又は、濃度を低下させることが、地球温暖化対策として期待されている。 Dinitrogen monoxide is emitted in large quantities not only from industrial activities such as the manufacture of chemical products and from the combustion of waste, but also from the processing of human and livestock excrement and from agriculture. Methane is often emitted from the same sources as nitrous oxide, such as agricultural land, livestock waste, biomass combustion, and sewage treatment. The reason why dinitrogen monoxide and methane are emitted from the same place is that both are often generated from microorganisms. Recently, the concentrations of dinitrogen monoxide and methane have been on the rise, so suppressing or reducing the concentrations of dinitrogen monoxide and methane is expected to be a countermeasure against global warming.
一酸化二窒素及びメタンの上記した排出場面では、排出されるガス組成の大半が大気であり、一酸化二窒素及びメタンは、排出ガス組成の中で比較的、低濃度を占めることが多い。以前より、一酸化二窒素を分解するための方法として、高温燃焼方式と触媒方式が使われている。しかしながら、高温燃焼方式ではガスを燃焼させるために多量のエネルギーを必要とする。多量のエネルギーの確保に化石燃料を使用すると二酸化炭素の排出が増えるため、地球温暖化対策として効率的であるとはいえない。触媒方式においても、ガスを高温に加熱することを必要とする。さらに、触媒や還元剤に使用するアンモニアの調達が必要であり、処理後の排水処理問題もある。よって、触媒方式も効率的であるとはいえない。また、メタンを分解するための方法として高温燃焼方式と触媒方式が知られているが、前述したとおりの課題がある。また、その他の分解方法としてプラズマ方式もある。しかしながら、被処理ガスに、窒素や一酸化二窒素といった窒素原子を含むガスと、酸素などの酸素原子を含むガスの両方が含まれていると、プラズマによって環境汚染物質であるNOxや一酸化二窒素が多量に生成されるため、被処理ガスの組成が限定されてしまう。 In the above-mentioned emission situations of dinitrogen monoxide and methane, most of the gas composition exhausted is the atmosphere, and dinitrogen monoxide and methane often occupy a relatively low concentration in the exhaust gas composition. High-temperature combustion and catalytic methods have long been used to decompose dinitrogen monoxide. However, the high-temperature combustion method requires a large amount of energy to combust the gas. Using fossil fuels to secure large amounts of energy increases carbon dioxide emissions, so it cannot be said to be an efficient means of combating global warming. Catalytic systems also require heating the gas to high temperatures. Furthermore, it is necessary to procure ammonia for use in catalysts and reducing agents, and there is also the problem of wastewater treatment after treatment. Therefore, the catalytic method cannot be said to be efficient either. Furthermore, high-temperature combustion methods and catalyst methods are known as methods for decomposing methane, but these methods have the same problems as described above. There is also a plasma method as another decomposition method. However, if the gas to be treated contains both a gas containing nitrogen atoms, such as nitrogen or dinitrogen monoxide, and a gas containing oxygen atoms, such as oxygen, the plasma will generate environmental pollutants such as NOx and dinitrogen monoxide. Since a large amount of nitrogen is generated, the composition of the gas to be treated is limited.
一酸化二窒素を分解するための新たな方法として、紫外光の照射により一酸化二窒素を分解する方法が知られている。例えば、特許文献1には、一酸化二窒素を分解可能なエンジンの排気浄化システムが記載されている。当該システムでは、エンジンの排気ガス中の炭化水素やCOを酸化し、NOxを除去し、水蒸気を取り除いた後で、一酸化二窒素を172nmの紫外光で分解除去することが記載されている。 As a new method for decomposing dinitrogen monoxide, a method is known in which dinitrogen monoxide is decomposed by irradiation with ultraviolet light. For example, Patent Document 1 describes an engine exhaust purification system that can decompose dinitrogen monoxide. This system describes that after oxidizing hydrocarbons and CO in engine exhaust gas, removing NOx, and removing water vapor, dinitrogen monoxide is decomposed and removed using 172 nm ultraviolet light.
特許文献1に開示されている一酸化二窒素の浄化方法は、非常に複雑な構造であり、効率的でない。そこで、本発明は、より簡易な方法又は構造で効率よく温室効果ガスを分解できる、ガス分解方法及びガス分解装置を提供する。 The method for purifying dinitrogen monoxide disclosed in Patent Document 1 has a very complicated structure and is not efficient. Therefore, the present invention provides a gas decomposition method and a gas decomposition device that can efficiently decompose greenhouse gases using a simpler method or structure.
本発明のガス分解方法は、酸素と、一酸化二窒素と、飽和炭化水素と、を含む被処理ガスに、主たる発光波長が160nm以上200nm未満に属する第一光を照射し、前記一酸化二窒素と前記飽和炭化水素を分解する。 The gas decomposition method of the present invention irradiates a gas to be treated containing oxygen, dinitrogen monoxide, and saturated hydrocarbons with first light having a main emission wavelength of 160 nm or more and less than 200 nm, and Decompose nitrogen and the saturated hydrocarbons.
本明細書において、単に「酸素」と表記する場合の「酸素」は、「酸素分子」(以下、「O2」と表記することがある。)を意図する。前記飽和炭化水素は、一種類の炭化水素でも構わないし、二種類以上の炭化水素でも構わない。詳細は後述するが、第一光が一酸化二窒素(以下、「N2O」と表記することがある。)を直接分解するとともに、第一光の照射により生成された励起酸素原子(「一重項酸素」又は「O(1D)」と呼ばれることがある。以下、「O(1D)」と表記することがある。)が、N2Oを分解する。また、第一光の照射により生成された、O(1D)と、基底状態の酸素原子(「三重項酸素」又は「O(3P)」と呼ばれることがある。以下、「O(3P)」と表記することがある。)と、が前記炭化水素を分解する。その結果、前記第一光で、N2Oと前記炭化水素の両方を分解できる。前記炭化水素の分解反応によって生成された水(H2O)が、N2O分解により生成したNOxの硝酸化を促進する。NOxは人体及び動物に悪影響を与える物質であるから、NOxを削減することは環境維持の点から好ましい。さらに、N2O分解により生成されたO(1D)が前記炭化水素の分解に寄与する点から、炭化水素の分解にとっても、N2Oの分解と同時に行うことは、好ましい。 In this specification, "oxygen" when simply written as "oxygen" is intended to mean "oxygen molecule" (hereinafter, sometimes written as "O 2 "). The saturated hydrocarbon may be one type of hydrocarbon or two or more types of hydrocarbon. Although the details will be described later, the first light directly decomposes dinitrogen monoxide (hereinafter sometimes referred to as "N 2 O"), and at the same time decomposes excited oxygen atoms (" Oxygen (sometimes referred to as "singlet oxygen" or "O( 1 D)" (hereinafter sometimes referred to as "O( 1 D)") decomposes N 2 O. In addition, O( 1 D) generated by the first light irradiation and oxygen atoms in the ground state (sometimes called "triplet oxygen" or "O( 3 P)". Hereinafter, "O( 3 P)"P)" decomposes the hydrocarbon. As a result, the first light can decompose both N 2 O and the hydrocarbon. Water (H 2 O) produced by the hydrocarbon decomposition reaction promotes nitrification of NOx produced by N 2 O decomposition. Since NOx is a substance that has an adverse effect on the human body and animals, reducing NOx is preferable from the viewpoint of environmental maintenance. Furthermore, since O( 1 D) generated by N 2 O decomposition contributes to the decomposition of the hydrocarbons, it is preferable to perform the decomposition simultaneously with the decomposition of N 2 O.
NOxの硝酸化によって、硝酸(以下、「HNO3」と表記することがある。)が得られる。硝酸は様々な産業分野で有用な物質であるため、硝酸は、多くのエネルギーを使用しながら、工業生産されている。これに対し、前記ガス分解方法では、多くのエネルギーを要することなく硝酸を生成できるため、生成した硝酸を回収し利用できるという副次的効果が得られる。 Nitric acid (hereinafter sometimes referred to as "HNO 3 ") is obtained by nitric oxidation of NOx. Since nitric acid is a useful substance in various industrial fields, nitric acid is industrially produced using a lot of energy. On the other hand, in the gas decomposition method, nitric acid can be produced without requiring much energy, so a secondary effect is obtained in that the produced nitric acid can be recovered and used.
前記飽和炭化水素は、アルカンであっても構わない。前記アルカンの炭素数は10以下、6以下、又は4以下であっても構わない。 The saturated hydrocarbon may be an alkane. The number of carbon atoms in the alkane may be 10 or less, 6 or less, or 4 or less.
前記第一光が照射されるときの前記被処理ガスの温度は、前記被処理ガスが収集される前の温度より高くても構わない。つまり、収集した被処理ガスを加熱しても構わない。加熱方法としては、第一光源と後述する第二光源の少なくとも一つの熱エネルギーや各化学反応における反応熱を利用する方法と、被処理ガスを加熱するためのヒータを利用する方法とがある。 The temperature of the gas to be treated when the first light is irradiated may be higher than the temperature before the gas to be treated is collected. In other words, the collected gas to be processed may be heated. As heating methods, there are two methods: a method that utilizes thermal energy of at least one of a first light source and a second light source (described later) and reaction heat of each chemical reaction, and a method that utilizes a heater for heating the gas to be processed.
前記被処理ガスは、水(H2O)を含んでも構わない。本明細書において、水は、気体である水蒸気と、液体である霧状の水と、を含む概念である。詳細は後述するが、前記被処理ガスが水を含んでいると、前記第一光、又は前記第一光の照射により水(H2O)が光分解されて、ヒドロキシラジカル(以下、「OH」と表記することがある。)を生成する。ヒドロキシラジカルは、前記炭化水素の分解を促進する。また、上述したように、水がN2O分解により生成したNOxの硝酸化を促進する。 The gas to be treated may contain water (H 2 O). In this specification, water is a concept that includes water vapor, which is a gas, and mist water, which is a liquid. The details will be described later, but if the gas to be treated contains water, water (H 2 O) will be photolyzed by the first light or irradiation with the first light, and hydroxyl radicals (hereinafter referred to as "OH ”) is generated. Hydroxy radicals promote the decomposition of the hydrocarbons. Furthermore, as described above, water promotes nitrification of NOx generated by N 2 O decomposition.
前記アルカンは、主にメタンを含んでも構わない。上記したように、メタンは、N2Oと同様に温室効果ガスの一つである。本発明者は、前記第一光の照射により、一酸化二窒素とメタンという二種類の温室効果ガスを同時に削減できることを見出した。なお、主にメタンを含む炭化水素とは、炭素数が4以下のアルカンの炭化水素のうち、メタンのガス濃度(vol%)が最大である場合を指す。 The alkane may mainly contain methane. As mentioned above, methane, like N 2 O, is one of the greenhouse gases. The present inventor has discovered that two types of greenhouse gases, dinitrogen monoxide and methane, can be reduced simultaneously by irradiation with the first light. Note that hydrocarbons mainly containing methane refer to the case where the gas concentration (vol%) of methane is the highest among the hydrocarbons of alkanes having 4 or less carbon atoms.
詳細は後述するが、一酸化二窒素及びメタンの組み合わせは、比較的低濃度であるものの、下水道もしくは浄化槽、又はバイオマス工場もしくはごみ処理場から排出されている。生ごみや人及び畜産動物の排泄物を含む廃棄物は、炭化水素とアンモニアを含むことが多い。そのため、これらの廃棄物が腐敗することで、総じて、アンモニア由来の一酸化二窒素及び炭化水素由来のメタンの両方が発生する。そのため、一酸化二窒素とメタンを同一地点で調達できる。なお、一酸化二窒素及びメタンをそれぞれ異なる地点から調達しても構わない。 As will be discussed in more detail below, the combination of dinitrogen monoxide and methane is discharged from sewers or septic tanks, or from biomass plants or garbage disposals, albeit at relatively low concentrations. Wastes, including food scraps and human and livestock waste, often contain hydrocarbons and ammonia. Therefore, as these wastes decompose, both dinitrogen monoxide derived from ammonia and methane derived from hydrocarbons are generated in general. Therefore, dinitrogen monoxide and methane can be procured from the same location. Note that dinitrogen monoxide and methane may be procured from different locations.
前記メタンは、前記一酸化二窒素に対して20vol%以上を占めても構わない。メタンが一酸化窒素に対して相対的に多い場合には、メタン由来の水素と酸素により水が多く生成される。これにより、N2O分解の副生成物として生成されるNOxは、硝酸化の促進が可能となり、結果として、有害物質であるNOxの量を低減できる。 The methane may occupy 20 vol% or more with respect to the dinitrogen monoxide. When methane is relatively abundant compared to nitrogen monoxide, a large amount of water is produced due to hydrogen and oxygen derived from methane. As a result, NOx generated as a byproduct of N 2 O decomposition can promote nitric oxidation, and as a result, the amount of NOx, which is a harmful substance, can be reduced.
前記被処理ガスに、主たる発光波長が200nm以上1180nm未満に属する第二光を照射しても構わない。つまり、第一光より長波長の第二光を照射することにより、第一光の照射により副次的に生成されたオゾン(以下、「O3」と表記することがある。)から、O(1D)又はO(3P)を生成する。O(1D)は、N2Oの分解、前記炭化水素の分解、及びヒドロキシラジカルの生成に利用される。O(3P)は、NOxの硝酸化及び前記炭化水素の分解に利用される。 The gas to be treated may be irradiated with second light having a main emission wavelength of 200 nm or more and less than 1180 nm. In other words, by irradiating the second light with a longer wavelength than the first light, O ( 1 D) or O( 3 P). O( 1 D) is used to decompose N 2 O, decompose the hydrocarbons, and generate hydroxy radicals. O( 3 P) is used for nitric oxidation of NOx and decomposition of the hydrocarbons.
前記第二光は、主たる発光波長が780nm以上1180nm未満に属する光であっても構わない。つまり、第二光は、主に赤外線を含んでいても構わない。赤外線により被処理ガスの温度上昇をアシストし、炭化水素の分解を促進する。 The second light may be light whose main emission wavelength is 780 nm or more and less than 1180 nm. In other words, the second light may mainly include infrared rays. Infrared rays assist in increasing the temperature of the gas to be treated, promoting the decomposition of hydrocarbons.
分解した被処理ガスから硝酸を生成しても構わない。 Nitric acid may be generated from the decomposed gas to be treated.
本発明のガス分解装置は、酸素と、一酸化二窒素と、飽和炭化水素と、を含む被処理ガスを供給するチャンバと、
主たる発光波長が160nm以上200nm未満に属する第一光を、前記チャンバに照射する第一光源と、を備え、
前記一酸化二窒素と前記飽和炭化水素を分解する。
The gas decomposition apparatus of the present invention includes a chamber that supplies a gas to be treated containing oxygen, dinitrogen monoxide, and saturated hydrocarbons;
a first light source that irradiates the chamber with first light whose main emission wavelength is 160 nm or more and less than 200 nm;
The dinitrogen monoxide and the saturated hydrocarbon are decomposed.
前記チャンバは、前記第一光源の内部に配置される内側チャンバと、前記第一光源を囲い覆うように配置される外側チャンバと、を含んでも構わない。本明細書において、単に、「チャンバ」と示されるとき(参照符号と共に示される場合を含む)は、前記第一光源を囲い覆うように配置される外側チャンバを指す。本明細書において、前記第一光源の内部に配置される内側チャンバについて説明するとき、「内側チャンバ」と記載するか、又は、チャンバが光源の内部に配置されるチャンバであることを明示する。 The chamber may include an inner chamber disposed inside the first light source and an outer chamber disposed to surround and cover the first light source. In this specification, when simply referred to as a "chamber" (including when referred to with a reference numeral), it refers to an outer chamber that is arranged to surround and cover the first light source. In this specification, when describing the inner chamber disposed inside the first light source, the term "inner chamber" is used or it is specified that the chamber is a chamber disposed inside the light source.
前記飽和炭化水素は、アルカンであっても構わない。前記アルカンの炭素数は10以下、6以下、又は4以下であっても構わない。 The saturated hydrocarbon may be an alkane. The number of carbon atoms in the alkane may be 10 or less, 6 or less, or 4 or less.
前記チャンバは、5vol%以下の前記一酸化二窒素と5vol%以下の炭素数が4以下のアルカンを含むガスが存在する空間に接続される接続口を有しても構わない。「5vol%以下の前記一酸化二窒素と5vol%以下の炭素数が4以下のアルカンを含むガスが存在する空間」とは、例えば、下水道もしくは浄化槽、又はバイオマス工場もしくはごみ処理場の排水管、排水槽、排気管及び排気槽である。一酸化二窒素と前記アルカンが、ともに1%以下の低濃度である場合でも、一酸化二窒素と前記アルカンの分解が可能である。なお、一酸化二窒素の濃度と前記アルカンの濃度の少なくとも一方が5vol%を超える場合にも、一酸化二窒素と前記アルカンの分解が可能である。 The chamber may have a connection port connected to a space in which a gas containing 5 vol% or less of the dinitrogen monoxide and 5 vol% or less of an alkane with a carbon number of 4 or less exists. "A space where a gas containing 5 vol% or less of the dinitrogen monoxide and 5 vol% or less of an alkane with a carbon number of 4 or less exists" means, for example, a sewer or a septic tank, or a drain pipe of a biomass factory or a garbage treatment plant, These are a drainage tank, an exhaust pipe, and an exhaust tank. Even when dinitrogen monoxide and the alkane are both at low concentrations of 1% or less, decomposition of dinitrogen monoxide and the alkane is possible. Note that dinitrogen monoxide and the alkane can be decomposed even when at least one of the concentration of dinitrogen monoxide and the concentration of the alkane exceeds 5 vol%.
前記チャンバは前記第一光源を囲う外側チャンバであり、
前記外側チャンバに前記被処理ガスを供給しても構わない。
the chamber is an outer chamber surrounding the first light source;
The gas to be processed may be supplied to the outer chamber.
前記外側チャンバに供給される前記被処理ガスは、前記第一光源と接触しなくても構わない。前記外側チャンバと前記第一光源の間ある隙間には、前記第一光に吸収されにくいガス(例えば、不活性ガスである窒素ガス)が充填されていてもよい。 The processing gas supplied to the outer chamber does not need to come into contact with the first light source. A gap between the outer chamber and the first light source may be filled with a gas that is not easily absorbed by the first light (for example, nitrogen gas, which is an inert gas).
前記外側チャンバの外部に、主たる発光波長が200nm以上1180nm未満に属する光を、前記外側チャンバと前記第一光源との間に位置する前記被処理ガスに向けて照射する第二光源を有しても構わない。 A second light source is provided outside the outer chamber that irradiates light having a main emission wavelength of 200 nm or more and less than 1180 nm toward the gas to be treated located between the outer chamber and the first light source. I don't mind.
前記チャンバは前記第一光源の内部に位置する内側チャンバであり、
前記内側チャンバ内に前記被処理ガスを供給しても構わない。
the chamber is an inner chamber located inside the first light source;
The gas to be processed may be supplied into the inner chamber.
前記チャンバは、前記第一光源の内部に位置する内側チャンバと、前記第一光源を囲う外側チャンバと、の両方を含み、
前記内側チャンバ内、及び、前記外側チャンバと前記第一光源の間に、それぞれ、前記被処理ガスを供給しても構わない。
The chamber includes both an inner chamber located inside the first light source and an outer chamber surrounding the first light source,
The gas to be processed may be supplied into the inner chamber and between the outer chamber and the first light source.
前記被処理ガスは、前記内側チャンバ内、及び、前記外側チャンバと前記第一光源の間のいずれか一方を通過した後に、
前記内側チャンバ内、及び、前記外側チャンバと前記第一光源の間の他方を通過させても構わない。
After the gas to be treated passes through either one of the inner chamber and between the outer chamber and the first light source,
The light may be passed through the inner chamber and the other between the outer chamber and the first light source.
前記チャンバの内部空間に、前記チャンバに到達する光を透過する導光部が設けられていても構わない。前記導光部は、柱形状、又は、板状でも構わない。 A light guiding portion that transmits light reaching the chamber may be provided in the internal space of the chamber. The light guide portion may have a columnar shape or a plate shape.
前記導光部は、前記第一光源との間に空隙を有していても構わない。前記導光部と前記第一光源との間に空隙を有していなくても構わない。 The light guide portion may have a gap between it and the first light source. There may be no gap between the light guide and the first light source.
前記第一光源はエキシマランプであっても構わない。前記エキシマ光の主たる波長は172nm又は172nm近傍であっても構わない。斯かるエキシマ光は、キセノンガスを発光管内に封入したキセノンエキシマランプを点灯させることにより得られる。エキシマランプは安定的に大量生産できる光源であり、高いコスト削減効果を有する。エキシマランプに供給される電力は制御部によって制御される。制御部は、エキシマランプの点灯及び消灯を制御する。 The first light source may be an excimer lamp. The main wavelength of the excimer light may be 172 nm or around 172 nm. Such excimer light is obtained by lighting a xenon excimer lamp whose arc tube is filled with xenon gas. Excimer lamps are light sources that can be stably mass-produced and have a high cost reduction effect. The electric power supplied to the excimer lamp is controlled by the control section. The control unit controls turning on and turning off the excimer lamp.
本明細書において、「172nm近傍」とは、172nm±5nmの範囲内の領域を指す。本明細書において、「主たる波長」とは、ある波長λに対して±10nmの波長域Z(λ)を発光スペクトル上で規定した場合において、発光スペクトル内における全積分強度に対して40%以上の積分強度を示す波長域Z(λi)における、波長λiを指す。「主たる波長」の光を出射する光源が、キセノンエキシマランプのように、半値幅が極めて狭く、且つ、特定の波長においてのみ高い光強度を示す光源においては、通常は、光強度が相対的に最も高い波長(ピーク波長)を、主たる波長とみなして構わない。 In this specification, "near 172 nm" refers to a region within the range of 172 nm±5 nm. In this specification, "principal wavelength" means 40% or more of the total integrated intensity within the emission spectrum when a wavelength range Z(λ) of ±10 nm is defined on the emission spectrum for a certain wavelength λ. refers to the wavelength λi in the wavelength range Z(λi) showing the integrated intensity of . When a light source that emits light at a "main wavelength" has an extremely narrow half-width and a high light intensity only at a specific wavelength, such as a xenon excimer lamp, the light intensity is usually relatively low. The highest wavelength (peak wavelength) may be regarded as the main wavelength.
これにより、より簡易な方法又は構造で効率よく温室効果ガスを分解できる、ガス分解方法及びガス分解装置を提供できる。斯かるガス分解方法及びガス分解装置を提供することは、国連が主導する持続可能な開発目標(SDGs)の目標13「気候変動及びその影響を軽減するための緊急対策を講じる」に大きく貢献するものである。 Thereby, it is possible to provide a gas decomposition method and a gas decomposition device that can efficiently decompose greenhouse gases using a simpler method or structure. Providing such gas decomposition methods and gas decomposition equipment will greatly contribute to Goal 13 of the Sustainable Development Goals (SDGs) led by the United Nations: “Take urgent measures to reduce climate change and its impacts.” It is something.
適宜、図面を参照しながら実施形態を説明する。なお、グラフを除く図面は、いずれも模式的に図示されたものであり、当該図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比と一致しておらず、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。 Embodiments will be described with reference to the drawings as appropriate. Please note that all drawings, excluding graphs, are schematic illustrations, and the dimensional ratios on the drawings do not necessarily match the actual dimensional ratios, and the dimensional ratios do not necessarily match between drawings. Not yet.
<第一実施形態>
[ガス分解装置の概要]
図1Aは、ガス分解装置の第一実施形態を示す図である。図1Bは図1AのS1-S1線断面図である。ガス分解装置10は、チャンバ2と、チャンバ2の中に配置された、主たる発光波長が160nm以上200nm未満に属する第一光L1を出射する第一光源1とを含む。チャンバ2は、ガス供給口3iとガス排出口3oを含む。ガス供給口3iとガス排出口3oは、第一光源1を挟んで相互に対向するように配置されている。本明細書において、第一光源1より出射される第一光L1は、第一光源1から外に向かう実線の矢印で例示されている。
<First embodiment>
[Overview of gas decomposition equipment]
FIG. 1A is a diagram showing a first embodiment of a gas decomposition device. FIG. 1B is a sectional view taken along the line S1-S1 in FIG. 1A. The gas decomposition device 10 includes a chamber 2 and a first light source 1 disposed in the chamber 2 that emits first light L1 having a main emission wavelength of 160 nm or more and less than 200 nm. The chamber 2 includes a gas supply port 3i and a gas discharge port 3o. The gas supply port 3i and the gas discharge port 3o are arranged to face each other with the first light source 1 in between. In this specification, the first light L1 emitted from the first light source 1 is illustrated by a solid arrow pointing outward from the first light source 1.
ガス供給口3iからチャンバ2にガスG1を供給し、被処理ガスであるガスG1に第一光源1から出射される第一光L1を照射し、光照射後のガスG2をガス排出口3oから排出することを続ける。これにより、ガスG1中のN2Oと炭化水素の分解を連続的に行うことができる。第一光源1は、制御部5と電気的に接続されており、電力が制御部5から第一光源1に供給されることで、第一光源1が点灯する。 Gas G1 is supplied to the chamber 2 from the gas supply port 3i, the gas G1, which is the gas to be treated, is irradiated with the first light L1 emitted from the first light source 1, and the gas G2 after the light irradiation is released from the gas discharge port 3o. Continue to drain. Thereby, N 2 O and hydrocarbons in the gas G1 can be continuously decomposed. The first light source 1 is electrically connected to the control unit 5, and when power is supplied from the control unit 5 to the first light source 1, the first light source 1 is turned on.
本実施形態において、第一光源1は、ピーク波長が172nmのエキシマ光を出射するキセノンエキシマランプである。本実施形態のキセノンエキシマランプは、発光管の内部1i(図1B参照)にキセノンガスが封入されている。本実施形態の発光管は円筒型である。しかしながら、発光管の形状は円筒型に限らない。また、第一光源1はキセノンエキシマランプに限らず、例えば、低圧水銀ランプでも構わない。第一光源1は、キセノン以外のガスが封入されたエキシマランプでも構わない。第一光源1は、LEDやLD等の固体光源でも構わない。 In this embodiment, the first light source 1 is a xenon excimer lamp that emits excimer light with a peak wavelength of 172 nm. In the xenon excimer lamp of this embodiment, xenon gas is sealed inside the arc tube 1i (see FIG. 1B). The arc tube of this embodiment is cylindrical. However, the shape of the arc tube is not limited to a cylindrical shape. Further, the first light source 1 is not limited to a xenon excimer lamp, but may be a low-pressure mercury lamp, for example. The first light source 1 may be an excimer lamp filled with a gas other than xenon. The first light source 1 may be a solid light source such as an LED or an LD.
第一光L1はガスG1に吸収されやすく、第一光L1は遠くまで届かない。そのため、第一光源1の発光管の表面とチャンバ2の内壁との間隔D1(図1A又は図1B参照)は、比較的狭い。間隔D1は、例えば、50mm以下であるとよく、30mm以下であると好ましい。間隔D1を光が減衰しすぎない適切な距離に設定することで、第一光L1に照射されずにチャンバ2を通り抜けるガスG1を減らすことができる。 The first light L1 is easily absorbed by the gas G1, and the first light L1 does not reach far. Therefore, the distance D1 (see FIG. 1A or FIG. 1B) between the surface of the arc tube of the first light source 1 and the inner wall of the chamber 2 is relatively narrow. The distance D1 may be, for example, 50 mm or less, and preferably 30 mm or less. By setting the interval D1 to an appropriate distance that does not attenuate the light too much, it is possible to reduce the amount of gas G1 that passes through the chamber 2 without being irradiated with the first light L1.
[被処理ガス]
被処理ガスについて説明する。被処理ガスであるガスG1は、酸素と、N2Oと、飽和炭化水素、特に炭素数が10以下、6以下、又は4以下のアルカン、を含む。
[Gas to be processed]
The gas to be processed will be explained. Gas G1, which is the gas to be treated, contains oxygen, N 2 O, and saturated hydrocarbons, particularly alkanes having 10 or less carbon atoms, 6 or less carbon atoms, or 4 or less carbon atoms.
ガスG1に含まれる酸素は、空気中の酸素であってもよい。つまり、ガスG1は空気を含んでいてもよい。ガスG1が空気を含むとき、必然的に、窒素と、微量の二酸化炭素を含むことになる。また、ガスG1は水を含んでいてもよい。 The oxygen contained in the gas G1 may be oxygen in the air. That is, the gas G1 may contain air. When gas G1 contains air, it will necessarily contain nitrogen and a trace amount of carbon dioxide. Further, the gas G1 may contain water.
炭素数が4以下のアルカンの場合、炭素数が4以下のアルカンには、メタン(以下、「CH4」と表記することがある。)、エタン(C2H6)、プロパン(C3H8)、ブタン(C4H10)が例示される。「炭素数が4以下のアルカン」は、一種類の炭化水素を含んでも構わないし、又は、二種類以上の炭化水素を含んでも構わない。これらの炭化水素のうち、CH4は、二酸化炭素より高い地球温暖化係数を有する温室効果ガスである。被処理ガスにN2OとCH4の両方が含まれる場合、二種類の温室効果ガスを同時に削減できる。 In the case of alkanes with 4 or less carbon atoms, examples of alkanes with 4 or less carbon atoms include methane (hereinafter sometimes referred to as "CH 4 "), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ) and butane (C 4 H 10 ). The "alkane having 4 or less carbon atoms" may contain one type of hydrocarbon, or may contain two or more types of hydrocarbons. Among these hydrocarbons, CH4 is a greenhouse gas with a higher global warming potential than carbon dioxide. When the gas to be treated contains both N 2 O and CH 4 , two types of greenhouse gases can be reduced at the same time.
[N2O分解メカニズム]
紫外光によるN2Oの分解メカニズムについて説明する。N2Oの分解方法には、紫外光による直接分解と、紫外光により生成されたO(1D)による間接分解とが存在する。
[N 2 O decomposition mechanism]
The decomposition mechanism of N 2 O by ultraviolet light will be explained. Methods for decomposing N 2 O include direct decomposition using ultraviolet light and indirect decomposition using O( 1 D) generated by ultraviolet light.
N2Oの直接分解について説明する。340nm以下の波長の紫外光hν(≦340nm)がN2Oに照射されると、N2Oが分解されて、N2とO(1D)を生成する。これを(1)式に示す。
N2O+hν(≦340nm) → N2+O(1D) …(1)
Direct decomposition of N 2 O will be explained. When N 2 O is irradiated with ultraviolet light hv (≦340 nm) having a wavelength of 340 nm or less, N 2 O is decomposed to generate N 2 and O( 1 D). This is shown in equation (1).
N 2 O + hν (≦340 nm) → N 2 + O ( 1 D) … (1)
(1)式の分解反応は、理論上、340nm以下の波長の紫外光により起こる。しかしながら、N2Oに対する200nm以上の波長の光の吸収断面積は、小さいため、(1)式の分解反応を促進するには、吸収断面積の比較的大きい200nm未満の波長の光を使用すると、より効率的である。 The decomposition reaction of formula (1) is theoretically caused by ultraviolet light having a wavelength of 340 nm or less. However, the absorption cross section of light with a wavelength of 200 nm or more for N 2 O is small, so in order to promote the decomposition reaction of equation (1), it is necessary to use light with a wavelength of less than 200 nm, which has a relatively large absorption cross section. , more efficient.
次に、N2Oの間接分解について説明する。O(1D)は反応性の高い高活性物質である。紫外光により生成されたO(1D)がN2Oに接触すると、(2)式により酸素分子及び窒素分子が生成されるか、又は、(3)式により一酸化窒素(以下、「NO」と表記することがある。)が生成される。
N2O+O(1D) → O2+N2 …(2)
N2O+O(1D) → NO+NO …(3)
Next, indirect decomposition of N 2 O will be explained. O( 1 D) is a highly reactive and highly active substance. When O( 1D ) generated by ultraviolet light comes into contact with N2O , oxygen molecules and nitrogen molecules are generated according to equation (2), or nitric oxide (hereinafter referred to as "NO") is generated according to equation (3). ") is generated.
N2O +O( 1D ) → O2 + N2 ...(2)
N2O +O( 1D ) → NO+NO…(3)
(2)式及び(3)式の反応に必要なO(1D)は、(1)式によって生成される他に、以下の(4)式及び(5)式によっても生成される。なお、「hν(≦175nm)」は、175nm以下の紫外光を表し、「hν(≦411nm)」は、411nm以下の紫外光を表す。
O2+hν(≦175nm) → O(3P)+O(1D) …(4)
O3+hν(≦411nm) → O(1D)+O2 …(5)
O( 1 D) required for the reactions of formulas (2) and (3) is generated not only by formula (1) but also by formulas (4) and (5) below. Note that "hv (≦175 nm)" represents ultraviolet light of 175 nm or less, and "hv (≦411 nm)" represents ultraviolet light of 411 nm or less.
O 2 + hν (≦175 nm) → O ( 3 P) + O ( 1 D) … (4)
O 3 + hν (≦411 nm) → O ( 1 D) + O 2 … (5)
(5)式の反応に必要なO3は、以下の、(1),(4),(6),(7),(8)式の反応を経て生成される((1)式及び(4)式は再掲される)。(6)式に関し、紫外光hνが242nm以下であれば、(6)式に示される反応が生じることを表す。(7)式及び(8)式に含まれる「M」は第三体を表す。
N2O+hν(≦340nm) → N2+O(1D) …(1)
O2+hν(≦175nm) → O(3P)+O(1D) …(4)
O2+hν(≦242nm) → O(3P)+O(3P) …(6)
O(1D)+M → O(3P)+M …(7)
O2+O(3P)+M → O3+M …(8)
O 3 required for the reaction of formula (5) is produced through the reactions of formulas (1), (4), (6), (7), and (8) below (formula (1) and ( 4) The formula is reproduced). Regarding equation (6), if the ultraviolet light hv is 242 nm or less, it means that the reaction shown in equation (6) occurs. "M" included in formulas (7) and (8) represents a third body.
N 2 O + hν (≦340 nm) → N 2 + O ( 1 D) … (1)
O 2 + hν (≦175 nm) → O ( 3 P) + O ( 1 D) … (4)
O 2 + hν (≦242 nm) → O ( 3 P) + O ( 3 P) … (6)
O( 1 D)+M → O( 3 P)+M…(7)
O 2 + O ( 3 P) + M → O 3 + M … (8)
以上で、紫外光hνによるN2Oの直接分解と、紫外光により生成されたO(1D)によるN2Oの間接分解を説明した。通常、直接分解と間接分解の両方が行われる。直接分解と間接分解が起こる比率は、ガスG1のガス組成によって異なる。 Above, the direct decomposition of N 2 O by ultraviolet light hv and the indirect decomposition of N 2 O by O( 1 D) generated by ultraviolet light have been explained. Both direct and indirect decomposition are usually performed. The ratio at which direct decomposition and indirect decomposition occur differs depending on the gas composition of gas G1.
ところで、上記した一連の反応は副生成物を生成する。(3)式の反応により生成されたNOは、チャンバ2内で以下の反応を示す。この反応を以下の(9)式~(14)式に示す。
NO+O(3P) → NO2 …(9)
NO+O3+M → NO2+O2+M …(10)
NO2+O(3P)+M → NO3+M …(11)
NO2+O3+M → NO3+O2+M …(12)
NO3+NO2 → N2O5 …(13)
N2O5+H2O → HNO3+HNO3 …(14)
By the way, the series of reactions described above generate byproducts. NO generated by the reaction of formula (3) exhibits the following reaction within the chamber 2. This reaction is shown in the following formulas (9) to (14).
NO+O( 3P ) → NO2 …(9)
NO+O 3 +M → NO 2 +O 2 +M…(10)
NO 2 + O ( 3 P) + M → NO 3 + M … (11)
NO 2 +O 3 +M → NO 3 +O 2 +M…(12)
NO3 + NO2 → N2O5 ... (13)
N2O5 + H2O → HNO3 + HNO3 ...(14)
(9)式及び(10)式により、NOは、二酸化窒素(以下、「NO2」と表記することがある。)に変換される。そして、チャンバ2内にO3とH2Oが十分にある場合には、NO2は、(11)式~(14)式により、NO3及びN2O5を経て硝酸(HNO3)に変換される。チャンバ内にO3とH2Oが十分にない場合には、(12)式及び(14)式が十分に起こらず、硝酸化しない。NOxサイクル反応が起こることによりO3が消費され、O3が欠乏する場合があり、この場合にはNOxは残留する。 According to equations (9) and (10), NO is converted to nitrogen dioxide (hereinafter sometimes referred to as "NO 2 "). Then, when there are sufficient O 3 and H 2 O in the chamber 2, NO 2 is converted to nitric acid (HNO 3 ) through NO 3 and N 2 O 5 according to equations (11) to (14). converted. If there is not enough O 3 and H 2 O in the chamber, equations (12) and (14) will not occur sufficiently, and nitrification will not occur. O 3 may be consumed due to the NOx cycle reaction, resulting in a deficiency of O 3 , and in this case, NOx remains.
[NOxサイクル反応]
NOxサイクル反応について説明する。本明細書において、NOxは、NOとNO2を含む概念である。以下に再掲される(9)式及び(10)式により、NOは、NO2に変換される。他方で、NO2は、以下の(15)式により、酸素原子Oと反応して、NOを生成する。(15)式に含まれる酸素原子OはO(1D)とO(3P)の両方が含まれる。
NO+O(3P) → NO2 …(9)
NO+O3+M → NO2+O2+M …(10)
NO2+O → NO+O2 …(15)
[NOx cycle reaction]
The NOx cycle reaction will be explained. In this specification, NOx is a concept that includes NO and NO2 . NO is converted to NO 2 using equations (9) and (10), which are reproduced below. On the other hand, NO 2 reacts with oxygen atom O to generate NO according to the following equation (15). The oxygen atom O included in formula (15) includes both O( 1 D) and O( 3 P).
NO+O( 3P ) → NO2 …(9)
NO+O 3 +M → NO 2 +O 2 +M…(10)
NO 2 + O → NO + O 2 … (15)
NOからNO2を生成する、特に(10)式の反応と、NO2からNOを生成する(15)式の反応は繰り返すことがある。これをNOxサイクル反応という。NOxサイクル反応の過程で、N2Oや炭化水素の分解に必要な酸素原子Oと、O(1D)の生成に必要なO3((5)式参照)とを消費し続ける。よってNOxサイクル反応が発生すると、酸素原子OとO3が消失し、N2Oと炭化水素の分解が妨げられる。 In particular, the reaction of equation (10) for producing NO 2 from NO and the reaction of equation (15) for producing NO from NO 2 may be repeated. This is called a NOx cycle reaction. In the course of the NOx cycle reaction, oxygen atoms O, which are necessary for the decomposition of N 2 O and hydrocarbons, and O 3 (see equation (5)), which are necessary for the production of O( 1 D), continue to be consumed. Therefore, when the NOx cycle reaction occurs, oxygen atoms O and O 3 disappear, preventing the decomposition of N 2 O and hydrocarbons.
NOxは人体及び動物に悪影響を与える。そのため、O3とH2Oがチャンバ内に十分にある環境を形成して、NOxから硝酸(HNO3)を生成する反応を促進することが望ましい。O3及びH2Oを十分に存在させるためには、光照射空間にO2及びH2Oが存在することが必要である。つまり、被処理ガスであるガスG1に、O2を多く含ませる必要がある。H2Oを十分に存在させる方法には、ガスG1に炭化水素を含ませる方法がある。詳細は後述するが、炭化水素とヒドロキシラジカルの化学反応がH2Oの生成に寄与する。また、ガスG1にH2Oを含ませることも好ましい。 NOx has a negative impact on humans and animals. Therefore, it is desirable to create an environment with sufficient O 3 and H 2 O in the chamber to promote the reaction of producing nitric acid (HNO 3 ) from NOx. In order to have a sufficient amount of O 3 and H 2 O, it is necessary that O 2 and H 2 O exist in the light irradiation space. In other words, it is necessary to include a large amount of O 2 in the gas G1, which is the gas to be processed. A method of making H 2 O sufficiently present includes a method of including hydrocarbons in the gas G1. Although details will be described later, a chemical reaction between hydrocarbons and hydroxyl radicals contributes to the production of H 2 O. It is also preferable that the gas G1 contains H 2 O.
[硝酸の処理方法]
図2に硝酸の処理方法の一例を示す。図2では、ガス分解装置10で生成された硝酸を含み、チャンバ2から排出されるガスG2が、ガス排出口3oに接続された排出管11を通って、容器12中の水W1と接触することで、ガスG2に含まれる硝酸が水W1に溶解して硝酸水溶液となり、結果的に硝酸をトラップできる。硝酸は、硝酸アンモニウムの原料であり、化学工業分野、又は、農業分野等で有用な物質である。そのため、容器12内の硝酸水溶液を回収してもよい。また、硝酸水溶液の濃度が排水可能な程度に薄い場合には、硝酸水溶液を回収することなく下水道に流しても構わない。下水道に流された硝酸は、生物分解によりNO3
-を経て、最終的にN2に変換される。図2では水W1に溶け込ませて回収する方法を記載しているが、ガスG2を単に冷却することにより、硝酸を液体化して回収する方法でも構わない。硝酸の沸点は概ね83℃であるため、ガスが冷却されると硝酸はガスから液体化する。
[Nitric acid treatment method]
FIG. 2 shows an example of a nitric acid treatment method. In FIG. 2, gas G2 containing nitric acid produced in the gas decomposition device 10 and discharged from the chamber 2 passes through the discharge pipe 11 connected to the gas discharge port 3o and comes into contact with the water W1 in the container 12. As a result, the nitric acid contained in the gas G2 is dissolved in the water W1 to become a nitric acid aqueous solution, and as a result, the nitric acid can be trapped. Nitric acid is a raw material for ammonium nitrate, and is a substance useful in the chemical industry, agriculture, and the like. Therefore, the nitric acid aqueous solution in the container 12 may be recovered. Furthermore, if the concentration of the nitric acid aqueous solution is low enough to allow drainage, the nitric acid aqueous solution may be flushed into the sewer system without being recovered. Nitric acid discharged into sewers is biodegraded into NO 3 - and finally converted into N 2 . Although FIG. 2 shows a method of recovering nitric acid by dissolving it in water W1, it is also possible to liquefy nitric acid and recover it by simply cooling gas G2. Since the boiling point of nitric acid is approximately 83°C, when the gas is cooled, nitric acid turns from a gas to a liquid.
[飽和炭化水素のガス分解メカニズム]
飽和炭化水素の紫外光による分解メカニズムについて説明する。以下では、飽和炭化水素がCH4である場合について説明するが、CH4以外の飽和炭化水素についても、以下と同様に説明される。
[Gas decomposition mechanism of saturated hydrocarbons]
The decomposition mechanism of saturated hydrocarbons by ultraviolet light will be explained. In the following, a case will be described in which the saturated hydrocarbon is CH 4 , but saturated hydrocarbons other than CH 4 will also be explained in the same manner as below.
CH4は、以下の(16)~(19)式の化学反応により、分解される。
CH4+O(1D) → CH3+OH …(16)
CH4+O(1D) → CH2O+H2 …(17)
CH4+O(3P) → CH3+OH …(18)
CH4+OH → CH3+H2O …(19)
CH 4 is decomposed by the chemical reactions of formulas (16) to (19) below.
CH 4 +O( 1 D) → CH 3 +OH…(16)
CH4 +O( 1D ) → CH2O + H2 ...(17)
CH 4 +O( 3P ) → CH 3 +OH…(18)
CH 4 +OH → CH 3 +H 2 O…(19)
O(1D)及びO(3P)は、上記(1)式、(4)式、(5)式、(6)式又は(7)式により生成される。(19)式に使用されるOHは、上記(16)式及び(18)式によって生成されるほか、以下の(20)式及び(21)式により生成される。
H2O+hν(≦242nm) → H+OH …(20)
H2O+O(1D) → OH+OH …(21)
O( 1 D) and O( 3 P) are generated by the above formula (1), formula (4), formula (5), formula (6), or formula (7). OH used in equation (19) is generated not only by equations (16) and (18) above, but also by equations (20) and (21) below.
H2O +hν(≦242nm) → H+OH…(20)
H2O +O( 1D ) → OH+OH...(21)
したがって、CH4は、紫外光が照射されることにより生成されたO(1D)、O(3P)、又はOHにより、分解される。紫外光が照射されることにより生成されたO(1D)は、N2Oの分解とCH4の分解の両方に使用されるため、分解処理を同時に進めることができる。さらに、(1)式により示されるように、CH4の分解においては、N2Oを分解することにより得られたO(1D)を使用できる。CH4の分解処理をN2Oの分解処理と同時に行うことより、効率的な分解が可能となることは、飽和炭化水素として、主にCH4を含む場合の、有利な特徴の一つである。 Therefore, CH 4 is decomposed by O( 1 D), O( 3 P), or OH generated by irradiation with ultraviolet light. Since O( 1 D) generated by irradiation with ultraviolet light is used for both N 2 O decomposition and CH 4 decomposition, the decomposition process can proceed at the same time. Furthermore, as shown by formula (1), in the decomposition of CH 4 , O( 1 D) obtained by decomposing N 2 O can be used. One advantageous feature of saturated hydrocarbons that mainly contain CH 4 is that CH 4 can be decomposed at the same time as N 2 O, resulting in more efficient decomposition. be.
[炭化水素分解反応の温度依存性]
CH4分解反応のうち、以下に再掲される、(18)式及び(19)式の反応は、温度に依存する。図3は、メタンガスの温度T1と反応速度定数kとの関係を示すグラフである。図3のR1曲線は、(19)式の温度T1(℃)に対する反応速度定数k(m3/kmol s)を表す。図3のR2曲線は、(18)式の温度T1(℃)に対する反応速度定数k(m3/kmol s)を表す。R1曲線及びR2曲線から、(18)式及び(19)式の反応は、いずれも、温度が高くなるほど、反応性が増すことがわかる。
CH4+O(3P) → CH3+OH …(18)
CH4+OH → CH3+H2O …(19)
[Temperature dependence of hydrocarbon decomposition reaction]
Among the CH 4 decomposition reactions, the reactions of formulas (18) and (19), which are reproduced below, depend on the temperature. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the temperature T1 of methane gas and the reaction rate constant k. The R1 curve in FIG. 3 represents the reaction rate constant k (m 3 /kmol s) with respect to the temperature T1 (° C.) in equation (19). The R2 curve in FIG. 3 represents the reaction rate constant k (m 3 /kmol s) with respect to the temperature T1 (° C.) in equation (18). From the R1 curve and the R2 curve, it can be seen that in both the reactions of formulas (18) and (19), the reactivity increases as the temperature increases.
CH 4 +O( 3P ) → CH 3 +OH…(18)
CH 4 +OH → CH 3 +H 2 O…(19)
さらに、温度が上昇すると、以下に再掲される、(7)式によりO(3P)の生成量が増加する。この増加現象は、オゾンが熱により分解することに起因する。そして、増加したO(3P)が、以下に再掲される、(18)式のCH4分解反応を、促進する。
O(1D)+M → O(3P)+M …(7)
CH4+O(3P) → CH3+OH …(18)
Furthermore, as the temperature rises, the amount of O( 3 P) produced increases according to equation (7), which is reproduced below. This increase phenomenon is caused by the decomposition of ozone due to heat. The increased O( 3 P) then promotes the CH 4 decomposition reaction of formula (18), which is reproduced below.
O( 1 D)+M → O( 3 P)+M…(7)
CH 4 +O( 3P ) → CH 3 +OH…(18)
本実施形態では、チャンバ2の中に第一光源1が配置されている。第一光源1は点灯し紫外光を出射するとともに発熱する。そのため、第一光源1は、第一光源1の周囲のガスを加熱し、CH4を含むガスG1の温度を高めて、上記(18)式及び(19)式によるCH4の分解反応を促進する。さらには、(2)式、(3)式、(9)式及び(10)式は発熱反応であり、ガスG1の温度を高めるため、CH4の分解処理をN2Oの分解処理と同時に行うことより、効率的な分解が可能となる。なお、CH4以外の飽和炭化水素についても、CH4と同様に、分解反応の温度依存性がある。 In this embodiment, the first light source 1 is placed inside the chamber 2 . The first light source 1 is turned on, emits ultraviolet light, and generates heat. Therefore, the first light source 1 heats the gas around the first light source 1, increases the temperature of the gas G1 containing CH 4 , and promotes the decomposition reaction of CH 4 according to equations (18) and (19) above. do. Furthermore, equations (2), (3), (9), and (10) are exothermic reactions, and in order to increase the temperature of gas G1, the decomposition treatment of CH 4 is performed at the same time as the decomposition treatment of N 2 O. By doing so, more efficient decomposition becomes possible. Note that for saturated hydrocarbons other than CH 4 as well, the decomposition reaction is temperature dependent, similar to CH 4 .
[炭化水素と一酸化二窒素との混合比]
図4Aは、N2Oに対するCH4の割合と、NOxの生成量との関係を、シミュレーションにより求めた結果である。「N2Oに対するCH4の割合」は、被処理ガスに含まれるN2Oの量に対するCH4の量の割合の百分率(単位:vol%)で示される。「NOxの生成量」は、NOの生成量とNO2の生成量の合計を表す。R3曲線~R5曲線は、N2Oの含有量を異ならせている。R3曲線ではN2Oが10000ppmである。R4曲線ではN2Oが1000ppmである。R5曲線ではN2Oが100ppmである。R3曲線~R5曲線において、チャンバ2内のガスG1の温度は、500Kに統一されている。なお、図4Aにおいて、グラフの視認性を高めるため、複数のプロットが重なる箇所や互いに近接する箇所の一部のプロットが省略されている。R3曲線~R5曲線は、横軸において、いずれも同じ割合においてシミュレーションを行っている。省略された一部のプロットは各曲線上に存在すると解されたい。
[Mixing ratio of hydrocarbon and dinitrogen monoxide]
FIG. 4A shows the results obtained by simulation of the relationship between the ratio of CH 4 to N 2 O and the amount of NOx produced. “Ratio of CH 4 to N 2 O” is expressed as a percentage (unit: vol%) of the amount of CH 4 to the amount of N 2 O contained in the gas to be treated. The “amount of NOx produced” represents the sum of the amount of NOx produced and the amount of NO 2 produced. The R3 to R5 curves have different N 2 O contents. In the R3 curve, N 2 O is 10,000 ppm. In the R4 curve, N 2 O is 1000 ppm. In the R5 curve, N 2 O is 100 ppm. In the R3 curve to R5 curve, the temperature of the gas G1 in the chamber 2 is unified to 500K. Note that in FIG. 4A, in order to improve the visibility of the graph, some plots where multiple plots overlap or are close to each other are omitted. The R3 curve to R5 curve are all simulated at the same rate on the horizontal axis. It should be understood that some omitted plots are present on each curve.
NOxの生成量は、少ない方がよい。図4Aより、N2Oの量に拘わらず、N2Oに対するCH4の割合が高くなるにつれて、NOxの生成量が低下していることが分かる。そして、CH4が、N2Oに対して10vol%以上存在するとき、NOxが生成されないことを表す。これは、十分な炭化水素が供給されたため、炭化水素の分解により生成されたH2OによりNOxが硝酸化されたことに因る。 The smaller the amount of NOx produced, the better. From FIG. 4A, it can be seen that the amount of NOx produced decreases as the ratio of CH 4 to N 2 O increases, regardless of the amount of N 2 O. When CH 4 is present at 10 vol % or more relative to N 2 O, it means that NOx is not generated. This is because sufficient hydrocarbons were supplied and NOx was nitrated by H 2 O produced by decomposition of hydrocarbons.
図4Bは、N2Oに対するCH4の割合と、NOxの生成量との関係を、シミュレーションにより求めた結果である。「N2Oに対するCH4の割合」及び「NOxの生成量」の意味は、図4Aと同じである。R6曲線~R9曲線は、チャンバ2内のガスG1の温度を異ならせている。R6曲線では、温度が350Kである。R7曲線では、温度が400Kである。R8曲線では、温度が450Kである。R9曲線では、温度が500Kである。R6曲線~R9曲線において、N2Oの流量は10000ppmに統一されている。 FIG. 4B shows the results obtained by simulation of the relationship between the ratio of CH 4 to N 2 O and the amount of NOx produced. The meanings of “ratio of CH 4 to N 2 O” and “amount of NOx produced” are the same as in FIG. 4A. The R6 to R9 curves have different temperatures of the gas G1 in the chamber 2. In the R6 curve, the temperature is 350K. In the R7 curve, the temperature is 400K. For the R8 curve, the temperature is 450K. For the R9 curve, the temperature is 500K. In the R6 curve to R9 curve, the flow rate of N 2 O is unified to 10,000 ppm.
図4Bより、チャンバ2内の温度が高くなるにつれて、NOxの生成量が低下していることが分かる。また、N2Oに対するCH4の割合が高くなるにつれて、NOxの生成量が低下していることが分かる。そして、CH4が、N2Oに対して20vol%以上存在するとき、350Kの場合であってもNOxが生成されないことを表す。この結果は、温度が高くなることで、または、CH4の割合が高くなることで、十分な炭化水素が供給されたため、炭化水素の分解により生成されたH2OによりNOxが硝酸化されたことに因る。 From FIG. 4B, it can be seen that as the temperature inside the chamber 2 increases, the amount of NOx generated decreases. Furthermore, it can be seen that as the ratio of CH 4 to N 2 O increases, the amount of NOx produced decreases. Further, when CH 4 exists at 20 vol % or more with respect to N 2 O, it means that NOx is not generated even at 350K. This result indicates that sufficient hydrocarbons were supplied by increasing the temperature or by increasing the proportion of CH4 , so that NOx was nitrified by H2O produced by decomposition of hydrocarbons. This is because of this.
図4A及び図4Bより、N2Oに対するCH4の割合は、20vol%以上であると好ましい。20vol%以上であると、NOxの生成量を低減しやすい。なお、図4Aでは100ppm~10000ppmのN2Oと、それに対応する量のCH4で、シミュレーションを行い、図4Bでは、10000ppmのN2Oと、それに対応する量のCH4でシミュレーションを行ったが、より少ないN2O(例えば、100ppm未満)とそれに対応する量のCH4であっても、同様の作用効果が得られる。CH4以外の飽和炭化水素であっても、同様の作用効果が得られる。 From FIGS. 4A and 4B, the ratio of CH 4 to N 2 O is preferably 20 vol% or more. When it is 20 vol% or more, the amount of NOx generated can be easily reduced. In addition, in FIG. 4A, the simulation was performed with 100 ppm to 10,000 ppm of N 2 O and the corresponding amount of CH 4 , and in FIG. 4B, the simulation was performed with 10,000 ppm of N 2 O and the corresponding amount of CH 4 . However, similar effects can be obtained with less N 2 O (eg, less than 100 ppm) and a corresponding amount of CH 4 . Similar effects can be obtained with saturated hydrocarbons other than CH 4 .
[ガス分解装置の使用方法]
ガス分解装置10の使用方法を説明する。一酸化二窒素は、人及び動物の排泄物、農畜産場、並びにバイオマス若しくは生ゴミを微生物によって発酵させる過程により排出される。一方、メタンは、動物の消化器官、沼地、海底堆積物又は地殻等に存在する嫌気性のメタン生成菌により生成される。そのため、一酸化二窒素及びメタンの両方は、上記したように、例えば、下水道もしくは浄化槽、又はバイオマス工場もしくはごみ処理場の排水管、排水槽、排気管及び排気槽に存在する。微生物は二酸化酸素もまた放出している。しかしながら、下水道又は浄化槽の場合には、大量の空気で曝気する処理により、ほぼ空気中の濃度(約21vol%)に近い濃度の酸素と大量の水が含まれる。
[How to use gas decomposition equipment]
A method of using the gas decomposition device 10 will be explained. Dinitrogen monoxide is emitted by human and animal waste, agricultural and livestock farms, and the process of microbial fermentation of biomass or food waste. On the other hand, methane is produced by anaerobic methanogens present in the digestive organs of animals, marshes, seafloor sediments, the earth's crust, and the like. Therefore, both dinitrogen monoxide and methane are present, as mentioned above, in drain pipes, sump tanks, exhaust pipes and exhaust tanks, for example in sewers or septic tanks, or in biomass plants or garbage disposal plants. Microorganisms also emit carbon dioxide. However, in the case of a sewer or a septic tank, a large amount of water and oxygen at a concentration close to that in the air (approximately 21 vol%) are contained due to the process of aerating with a large amount of air.
そこで、ガス分解装置10のガス供給口3iを、下水道もしくは浄化槽、又は、バイオマス工場、ごみ処理場もしくは化学工場の排水管、排水槽、排気管及び排気槽等に接続する。これにより、一酸化二窒素及びメタンの両方を同一地点で調達できる。被処理ガスの大半は空気であり、中の一酸化二窒素と炭化水素の割合は、いずれも5vol%以下であることが多い。しかしながら、本発明の分解方法は、5vol%以下のような低濃度の被処理ガスであっても、分解可能である。被処理ガスは、1vol%以下であってもよい。また、メタン以外の炭化水素についても同様である。 Therefore, the gas supply port 3i of the gas decomposition device 10 is connected to a sewer or a septic tank, or a drain pipe, a drainage tank, an exhaust pipe, an exhaust tank, etc. of a biomass factory, a garbage treatment plant, or a chemical factory. This allows both dinitrogen monoxide and methane to be procured at the same location. Most of the gas to be treated is air, and the proportions of dinitrogen monoxide and hydrocarbons therein are often both 5 vol% or less. However, the decomposition method of the present invention can decompose even the gas to be treated at a low concentration of 5 vol% or less. The gas to be treated may be 1 vol% or less. The same applies to hydrocarbons other than methane.
[第一変形例]
第一実施形態の第一変形例を示す。以下に、第一実施形態と異なる事項を中心に説明し、第一実施形態と共通する事項についてはその記載を省略する。後述する変形例及び第二実施形態以降についても同様である。
[First variation]
A first modification of the first embodiment is shown. Below, the explanation will focus on matters that are different from the first embodiment, and descriptions of matters common to the first embodiment will be omitted. The same applies to modifications and second embodiments and subsequent embodiments that will be described later.
図5Aは第一変形例のガス分解装置15を示す。図5Bは、図5AのS2-S2線断面図である。図5A及び図5Bに示されるように、ガス分解装置15のチャンバ2の内部には、第一光源1が配置されている。第一光源1は、紫外光透過管6で覆われている。紫外光透過管6は、第一光源1が出射する第一光L1を透過する。第一光源1が紫外光透過管6で覆われていない場合、第一光源1がガスG1に曝されることで、ガスG1の固形成分(例えば、炭化物)が、第一光源1の発光管の表面に付着するおそれがある。第一光源1が紫外光透過管6で覆われている場合、ガスG1の固形成分は、第一光源1に付着しない。紫外光透過管6に固形成分が付着し、照度低下が懸念されるとき、紫外光透過管6を、固形成分が付着していない紫外光透過管に交換するとよい。紫外光透過管6を、定期的に交換しても構わない。また、紫外光透過管6内を窒素で充填してもよい。 FIG. 5A shows a gas decomposition device 15 of a first modification. FIG. 5B is a sectional view taken along the line S2-S2 in FIG. 5A. As shown in FIGS. 5A and 5B, the first light source 1 is arranged inside the chamber 2 of the gas decomposition device 15. The first light source 1 is covered with an ultraviolet light transmitting tube 6. The ultraviolet light transmitting tube 6 transmits the first light L1 emitted from the first light source 1. When the first light source 1 is not covered with the ultraviolet light transmitting tube 6, when the first light source 1 is exposed to the gas G1, solid components (for example, carbide) of the gas G1 are transferred to the arc tube of the first light source 1. There is a risk of it adhering to the surface. When the first light source 1 is covered with the ultraviolet light transmitting tube 6, the solid components of the gas G1 do not adhere to the first light source 1. When solid components adhere to the ultraviolet light transmitting tube 6 and there is a concern that the illuminance will decrease, it is preferable to replace the ultraviolet light transmitting tube 6 with an ultraviolet light transmitting tube to which solid components do not adhere. The ultraviolet light transmitting tube 6 may be replaced periodically. Further, the inside of the ultraviolet light transmitting tube 6 may be filled with nitrogen.
紫外光透過管6は、例えば石英ガラスで構成されていてもよい。紫外光透過管6は、第一光源1の全体を覆ってもよく、全体を覆わなくても構わない。紫外光透過管6は、少なくとも第一光源1の発光管を覆うように構成されていればよい。 The ultraviolet light transmitting tube 6 may be made of quartz glass, for example. The ultraviolet light transmitting tube 6 may or may not cover the entire first light source 1. The ultraviolet light transmitting tube 6 may be configured to cover at least the arc tube of the first light source 1.
[第二変形例]
図6Aは第二変形例のガス分解装置20を示す。図6Bは、図6AのS3-S3線断面図である。図6A及び図6Bに示されるように、ガス分解装置20は、ガス流路が二つに分岐されて構成された、第一チャンバ2aと第二チャンバ2bを備える。第一光源1は、第一チャンバ2a及び第二チャンバ2bの外に配置される。第一光源1が、チャンバ(2a,2b)の外にあるので、ガスG1の固形成分が第一光源1に付着せず、かつ、第一光源1の保守点検及び交換が容易にできる。
[Second modification]
FIG. 6A shows a gas decomposition device 20 of a second modification. FIG. 6B is a sectional view taken along line S3-S3 in FIG. 6A. As shown in FIGS. 6A and 6B, the gas decomposition device 20 includes a first chamber 2a and a second chamber 2b, each of which has a gas flow path branched into two. The first light source 1 is arranged outside the first chamber 2a and the second chamber 2b. Since the first light source 1 is located outside the chamber (2a, 2b), the solid components of the gas G1 do not adhere to the first light source 1, and the first light source 1 can be easily maintained, inspected, and replaced.
ガス分解装置20は、第一チャンバ2aと第二チャンバ2bが第一光源1を挟むように配置されている。第一光源1からの第一光L1を、第一チャンバ2aと第二チャンバ2bに導くことができる。本実施形態の、第一光源1、第一チャンバ2a及び第二チャンバ2bは、いずれも断面が扁平の矩形形状である。第一光源1から出射した第一光L1がチャンバ(2a,2b)の外を進む距離は、短い。そのため、第一光L1の減衰量が少なく、かつ、第一光L1がチャンバ(2a,2b)に均等に到達しやすい。 The gas decomposition device 20 is arranged such that the first chamber 2a and the second chamber 2b sandwich the first light source 1 therebetween. The first light L1 from the first light source 1 can be guided to the first chamber 2a and the second chamber 2b. In this embodiment, the first light source 1, the first chamber 2a, and the second chamber 2b all have a rectangular shape with a flat cross section. The distance that the first light L1 emitted from the first light source 1 travels outside the chamber (2a, 2b) is short. Therefore, the amount of attenuation of the first light L1 is small, and the first light L1 easily reaches the chambers (2a, 2b) evenly.
第一光源1と第一チャンバ2a及び第二チャンバ2bとの間は、第一光源1からの第一光L1に吸収されにくいガス、例えば、窒素ガスが充填されていると、より好ましい。チャンバ(2a,2b)の外において、第一光L1の吸収を抑えることができる。 It is more preferable that the space between the first light source 1 and the first chamber 2a and second chamber 2b is filled with a gas that is difficult to absorb the first light L1 from the first light source 1, such as nitrogen gas. Absorption of the first light L1 can be suppressed outside the chamber (2a, 2b).
本実施形態では、チャンバ(2a,2b)は、第一光L1を透過する石英ガラス管で構成されている。しかしながら、チャンバ(2a,2b)を構成する全ての筐体が紫外光透過材料で構成されていなくてもよい。少なくとも第一光L1を透過するべき部分が、石英ガラス等の紫外光透過材料で構成されているとよい。ガス分解装置20は、ガス流路が三つ以上に分岐されて構成された、三つ以上のチャンバを備えていても構わない。 In this embodiment, the chambers (2a, 2b) are constructed of quartz glass tubes that transmit the first light L1. However, all the casings that make up the chambers (2a, 2b) do not need to be made of ultraviolet light transmitting material. It is preferable that at least a portion through which the first light L1 is transmitted is made of an ultraviolet light transmitting material such as quartz glass. The gas decomposition device 20 may include three or more chambers in which the gas flow path is branched into three or more.
[第三変形例]
図7Aは第三変形例のガス分解装置25を示す。図7Bは、図7AのS4-S4線断面図である。図7A及び図7Bに示されるように、ガス分解装置25は、第一光源1を内部に配置される円管状のチャンバ2の外に巻き付けられた、ヒータ7を備えている。
[Third variation]
FIG. 7A shows a gas decomposition device 25 of a third modification. FIG. 7B is a sectional view taken along line S4-S4 in FIG. 7A. As shown in FIGS. 7A and 7B, the gas decomposition device 25 includes a heater 7 wound around the outside of a cylindrical chamber 2 in which the first light source 1 is disposed.
上記したように、ガスG1の温度が高いほど、効率的に分解が進むとともに、NOxの生成が少ない。上記した第一実施形態では、エキシマランプが放射する熱により、ガスG1が加熱される。さらに、本変形例におけるガス分解装置25のように、ガスG1を加熱するヒータ7を配置してもよい。本実施形態のヒータ7は、電気エネルギーを熱に変換して加熱するシーズヒータである。電気エネルギーは再生可能エネルギーであると好ましい。
ヒータ7を配置することでオゾンが分解されることから、大気へのオゾンの排出も抑制される副次的効果がある。
As described above, the higher the temperature of the gas G1, the more efficiently the decomposition progresses and the less NOx is produced. In the first embodiment described above, the gas G1 is heated by the heat radiated by the excimer lamp. Furthermore, like the gas decomposition device 25 in this modification, a heater 7 that heats the gas G1 may be arranged. The heater 7 of this embodiment is a sheathed heater that heats by converting electrical energy into heat. Preferably, the electrical energy is renewable energy.
Since ozone is decomposed by arranging the heater 7, there is a secondary effect of suppressing the emission of ozone into the atmosphere.
ヒータ7は、熱媒流路による流体加熱、又はヒートパイプであってもよい。ヒータ7は、第一光源1の上流側に配置されてもよく、高温にしたガスG1をガス供給口3iに導いてもよい。また、ヒータ7は、太陽光又は太陽光により熱せられた流体であってもよい。 The heater 7 may be a fluid heating device using a heat medium flow path or a heat pipe. The heater 7 may be arranged upstream of the first light source 1, and may guide the heated gas G1 to the gas supply port 3i. Further, the heater 7 may be sunlight or a fluid heated by sunlight.
<第二実施形態>
図8Aは第二実施形態を示す。図8Bは、図8AのS5-S5線断面図である。本実施形態のガス分解装置30は、複数の第二光源8を備えている。複数の第二光源8は、チャンバ2に向けて第二光L2を出射する。本明細書において、第二光源8より出射される第二光L2は、第二光源8から外に向かう破線の矢印で例示されている。第二光源8は、第二光L2の被照射空間が第一光L1の被照射空間と重なるように配置されるとよい。
<Second embodiment>
FIG. 8A shows a second embodiment. FIG. 8B is a sectional view taken along line S5-S5 in FIG. 8A. The gas decomposition device 30 of this embodiment includes a plurality of second light sources 8. The plurality of second light sources 8 emit second light L2 toward the chamber 2. In this specification, the second light L2 emitted from the second light source 8 is illustrated by a broken line arrow pointing outward from the second light source 8. The second light source 8 is preferably arranged such that the space irradiated with the second light L2 overlaps the space irradiated with the first light L1.
第二光源8から出射する第二光L2の波長は、第一光源1が出射する第一光L1の波長と異なり、第二光L2は第一光L1よりも長波長である。第二光L2は、以下の(21)式及び(22)式に示すように、O3からO(1D)又はO(3P)を生成する。
O3+hν(≦411nm) → O(1D)+O2 …(21)
O3+hν(≦1180nm) → O(3P)+O2 …(22)
The wavelength of the second light L2 emitted from the second light source 8 is different from the wavelength of the first light L1 emitted from the first light source 1, and the second light L2 has a longer wavelength than the first light L1. The second light L2 generates O( 1 D) or O( 3 P) from O 3 as shown in the following equations (21) and (22).
O 3 + hν (≦411 nm) → O ( 1 D) + O 2 … (21)
O 3 + hν (≦1180 nm) → O ( 3 P) + O 2 … (22)
(21)式及び(22)式は、第二光L2の波長によって生成される酸素原子の活性状態が異なることを表す。第二光L2が411nm未満の紫外光である場合、高活性のO(1D)を生成する。(21)式により生成されたO(1D)は、N2Oの分解((2)式及び(3)式参照)、炭化水素の分解((15)式及び(16)式参照)、ヒドロキシラジカルの生成((20)式参照)に利用される。 Equations (21) and (22) represent that the active state of the oxygen atoms generated differs depending on the wavelength of the second light L2. When the second light L2 is ultraviolet light with a wavelength of less than 411 nm, highly active O( 1 D) is generated. O( 1 D) generated by the formula (21) is generated by the decomposition of N 2 O (see formulas (2) and (3)), the decomposition of hydrocarbons (see formulas (15) and (16)), It is used to generate hydroxyl radicals (see formula (20)).
第二光L2が1180nm未満の赤外線又は可視光である場合、低活性のO(3P)を生成する。生成されたO(3P)は、炭化水素の分解((17)式参照)及びNOxの硝酸化((9)式、(11)式参照)に利用される。このように、第二光L2をガスG1に照射することにより、第一光L1によるN2O及びCH4の分解が、促進される。 When the second light L2 is infrared or visible light with a wavelength of less than 1180 nm, low activity O( 3 P) is generated. The generated O( 3 P) is used for decomposition of hydrocarbons (see equation (17)) and nitric oxidation of NOx (see equations (9) and (11)). In this way, by irradiating the gas G1 with the second light L2, the decomposition of N 2 O and CH 4 by the first light L1 is promoted.
第二光源8はエキシマランプ、LEDやLD等の固体光源、低圧水銀ランプ、及び蛍光ランプでも構わない。第二光源8は、紫外光、可視光又は赤外線を発するランプであってもよい。また、第二光源8が赤外線を発するランプである場合、第一実施形態の第三変形例で説明したように、ガス加熱による分解反応促進効果も得られる。また、加熱を目的としてヒータ7を配置した場合においても、配置したヒータ7により、赤外線によるO(3P)の生成による分解反応促進効果が得られる。 The second light source 8 may be an excimer lamp, a solid light source such as an LED or an LD, a low-pressure mercury lamp, or a fluorescent lamp. The second light source 8 may be a lamp that emits ultraviolet light, visible light, or infrared light. Furthermore, when the second light source 8 is a lamp that emits infrared rays, the effect of promoting the decomposition reaction by gas heating can also be obtained, as explained in the third modification of the first embodiment. Further, even when the heater 7 is arranged for the purpose of heating, the effect of promoting the decomposition reaction due to the generation of O( 3 P) by infrared rays can be obtained by the arranged heater 7.
図8A及び図8Bに示されるように、第一光源1及び第二光源8のうち、いずれか一つをチャンバ2内部に配置する場合に、第一光源1をチャンバ2内部に配置するとよい。なぜなら、第一光源1の出射光は、第二光源8の出射光に比べて短波長であるため、第一光源1の出射光は、第二光源8の出射光に比べて、チャンバ2を透過し難い。第一光源1の出射光の透過率を高めるには、チャンバ2の材料に、石英ガラス等、短波長の光でも透過率の高い材料を選択することが求められる。しかしながら、第一光源1をチャンバ2内部に配置すると、第一光源1の出射光がチャンバ2を透過しなくてよいため、チャンバ2に使用可能な材料の選択肢を広げられる。 As shown in FIGS. 8A and 8B, when any one of the first light source 1 and the second light source 8 is disposed inside the chamber 2, the first light source 1 is preferably disposed inside the chamber 2. This is because the light emitted from the first light source 1 has a shorter wavelength than the light emitted from the second light source 8. Difficult to penetrate. In order to increase the transmittance of the light emitted from the first light source 1, it is required to select a material for the chamber 2 that has a high transmittance even for short wavelength light, such as quartz glass. However, when the first light source 1 is placed inside the chamber 2, the emitted light from the first light source 1 does not have to pass through the chamber 2, so that the choices of materials that can be used for the chamber 2 can be expanded.
<第三実施形態>
図9Aは第三実施形態のガス分解装置50を示す。図9Bは、図9AのS6-S6線断面図である。図9A及び図9Bに示されるように、ガス分解装置50は、第一光源51と内側チャンバ52を有する。内側チャンバ52は、第一光源51の内部に位置する。第一光源51は、外管53の中に内管54が配置された二重管構造を呈する。第一光源51は、外管53の外壁面に接して外電極55が配置され、内管54の内壁面に接して内電極56が配置される。外管53と内管54との間にはキセノンガス等の発光ガスが充填されて封止されている。外電極55と内電極56との間に電圧を印加することにより、発光ガスの放電空間58が形成され(図9B参照)、第一光L1が放射される(図9A参照)。なお、内電極56及び外電極55は網状を呈しているとよい。
<Third embodiment>
FIG. 9A shows a gas decomposition device 50 according to a third embodiment. FIG. 9B is a sectional view taken along line S6-S6 in FIG. 9A. As shown in FIGS. 9A and 9B, the gas decomposition device 50 includes a first light source 51 and an inner chamber 52. As shown in FIGS. Inner chamber 52 is located inside first light source 51 . The first light source 51 has a double tube structure in which an inner tube 54 is disposed within an outer tube 53. In the first light source 51, an outer electrode 55 is arranged in contact with the outer wall surface of the outer tube 53, and an inner electrode 56 is arranged in contact with the inner wall surface of the inner tube 54. The space between the outer tube 53 and the inner tube 54 is filled with a luminescent gas such as xenon gas and sealed. By applying a voltage between the outer electrode 55 and the inner electrode 56, a discharge space 58 of luminescent gas is formed (see FIG. 9B), and the first light L1 is emitted (see FIG. 9A). Note that the inner electrode 56 and the outer electrode 55 preferably have a net shape.
内管54は、発光ガスを透過する材料、例えば、石英で構成されている。発光ガスは内管54を透過して内側チャンバ52に到達する。ガス分解装置50は、内側チャンバ52の一端にガス供給口3iを有し、内側チャンバ52の他端にガス排出口3oを有する。ガス供給口3iから内側チャンバ52にガスG1を供給し、被処理ガスであるガスG1に第一光源1から出射される第一光L1を照射し、光照射後のガスG2をガス排出口3oから排出することを続ける。これにより、ガスG1中のN2Oと炭化水素の分解を連続的に行うことができる。 The inner tube 54 is made of a material that transmits the luminescent gas, such as quartz. The luminescent gas passes through the inner tube 54 and reaches the inner chamber 52 . The gas decomposition device 50 has a gas supply port 3i at one end of the inner chamber 52, and a gas discharge port 3o at the other end of the inner chamber 52. Gas G1 is supplied to the inner chamber 52 from the gas supply port 3i, the gas G1, which is the gas to be processed, is irradiated with the first light L1 emitted from the first light source 1, and the gas G2 after the light irradiation is sent to the gas exhaust port 3o. Continue to drain from. Thereby, N 2 O and hydrocarbons in the gas G1 can be continuously decomposed.
外管53は、例えば石英で構成されている。ガス分解装置50は、外管53の内壁面に、第一光L1を反射する反射膜57が形成されている。発光ガスは外管53の外側に向かって放射され得るところ、外管53の内壁面に反射膜57が形成されていると、外管53の外側に向かおうとしていた第一光L1が内部に折り返すため、内側チャンバ52内の光強度が増加する。 The outer tube 53 is made of quartz, for example. In the gas decomposition device 50, a reflective film 57 that reflects the first light L1 is formed on the inner wall surface of the outer tube 53. The luminescent gas can be emitted toward the outside of the outer tube 53, but if the reflective film 57 is formed on the inner wall surface of the outer tube 53, the first light L1 that was about to go to the outside of the outer tube 53 will be emitted inside. Due to the folding, the light intensity within the inner chamber 52 increases.
ガス分解装置50において、外管53の外径D1は、10mm以上であり50mm以下であるとよく、20mm以上であり40mm以下であるとより好ましい。内管54の外径D2は、2mm以上であり20mm以下であるとよく、4mm以上であり10mm以下であるとより好ましい。 In the gas decomposition device 50, the outer diameter D1 of the outer tube 53 is preferably 10 mm or more and 50 mm or less, more preferably 20 mm or more and 40 mm or less. The outer diameter D2 of the inner tube 54 is preferably 2 mm or more and 20 mm or less, and more preferably 4 mm or more and 10 mm or less.
図10は第三実施形態の第一変形例のガス分解装置60を示す。ガス分解装置60が、第三実施形態のガス分解装置50と異なる点は、ガス分解装置60が反射膜57を有していないこと、及び外管53の外に外側チャンバ2を有することである。ガス分解装置60は、外側チャンバ2の一端にもガス供給口4iを有し、外側チャンバ2の他端にもガス排出口4oを有する。ガス供給口4iから外側チャンバ2にガスG1を供給し、被処理ガスであるガスG1に第一光源1から出射される第一光L1を照射する。ガス分解装置60は、内側チャンバ52と外側チャンバ2の両方でガスG1を処理できるため、多量のガスを処理でき、第一光L1の利用効率が向上する。 FIG. 10 shows a gas decomposition device 60 of a first modification of the third embodiment. The gas decomposition device 60 differs from the gas decomposition device 50 of the third embodiment in that the gas decomposition device 60 does not have a reflective film 57 and has an outer chamber 2 outside the outer tube 53. . The gas decomposition device 60 also has a gas supply port 4i at one end of the outer chamber 2, and a gas discharge port 4o at the other end of the outer chamber 2. Gas G1 is supplied from the gas supply port 4i to the outer chamber 2, and the first light L1 emitted from the first light source 1 is irradiated onto the gas G1, which is the gas to be processed. Since the gas decomposition device 60 can process the gas G1 in both the inner chamber 52 and the outer chamber 2, it can process a large amount of gas and improve the utilization efficiency of the first light L1.
図11は第三実施形態の第二変形例のガス分解装置70を示す。ガス分解装置60が、第三実施形態の変形例のガス分解装置60と異なる点は、内側チャンバ52のガス排出口3oが外側チャンバ2のガス供給口4iに接続されている点である。内側チャンバ52において処理されたガスG2は、外側チャンバ2において再び処理されるため、被処理ガスの処理をより効果的に行うことができ、第一光L1の利用効率が向上する。 FIG. 11 shows a gas decomposition device 70 of a second modification of the third embodiment. The gas decomposition device 60 differs from the gas decomposition device 60 of the modification of the third embodiment in that the gas exhaust port 3o of the inner chamber 52 is connected to the gas supply port 4i of the outer chamber 2. Since the gas G2 processed in the inner chamber 52 is processed again in the outer chamber 2, the gas to be processed can be processed more effectively, and the utilization efficiency of the first light L1 is improved.
本変形例では、先ず内側チャンバ52を通過した後に外側チャンバ2を通過する実施形態を示しているが、先ず外側チャンバ2を通過した後に内側チャンバ52を通過するようにしても構わない。 In this modification, an embodiment is shown in which the tube first passes through the inner chamber 52 and then the outer chamber 2, but it is also possible to first pass through the outer chamber 2 and then pass through the inner chamber 52.
<第四実施形態>
図12Aは第四実施形態のガス分解装置80を示す。ガス分解装置80は、外側チャンバ(2a,2b)の内部空間に、外側チャンバ(2a,2b)に到達する光を透過する導光部81が設けられている。外側チャンバ(2a,2b)と第一光源1との間に空隙を有するので、導光部81もまた、第一光源1との間に空隙を有する。導光部81は、外側チャンバ(2a.2b)の管壁に接して形成される。空隙では、第一光L1を吸収し難いガス(例えば、窒素ガス)が主成分であるとよい。
<Fourth embodiment>
FIG. 12A shows a gas decomposition device 80 according to a fourth embodiment. The gas decomposition device 80 is provided with a light guide section 81 in the internal space of the outer chambers (2a, 2b) that transmits light that reaches the outer chambers (2a, 2b). Since there is a gap between the outer chamber (2a, 2b) and the first light source 1, the light guide part 81 also has a gap between it and the first light source 1. The light guide portion 81 is formed in contact with the tube wall of the outer chamber (2a, 2b). It is preferable that the main component of the gap is a gas (for example, nitrogen gas) that is difficult to absorb the first light L1.
図12Bは図12Aの導光部81周辺の拡大図である。図12Bを使用して導光部81の機能を説明する。導光部81は第一光L1をその内部に導き、導光部81の表面で第一光L1を拡散させる。その結果、第一光L1がガスG1に接触する面積が拡大し、光反応がより効果的になる。 FIG. 12B is an enlarged view of the vicinity of the light guide section 81 in FIG. 12A. The function of the light guide section 81 will be explained using FIG. 12B. The light guide section 81 guides the first light L1 into its interior, and diffuses the first light L1 on the surface of the light guide section 81. As a result, the area where the first light L1 contacts the gas G1 is expanded, and the photoreaction becomes more effective.
図12Cは導光部81の上面図であり、具体的には第一光L1が第一光源1から出射する方向と逆向きに第一チャンバ2aの導光部81を見た図である。本実施形態の導光部81は、円柱形状であり、第一チャンバ2a内に複数配置されている。導光部81の配置は規則的に配置されてもよく、不規則に配置されてもよい。導光部81は、円柱形状以外の柱形状(例えば、多角柱形状、又は、楕円柱形状)でもよい。導光部81は、板形状でもよい。また、導光部81は内側チャンバに配置されてもよい。 FIG. 12C is a top view of the light guide section 81, specifically, a view of the light guide section 81 of the first chamber 2a viewed in the opposite direction to the direction in which the first light L1 is emitted from the first light source 1. The light guide section 81 of this embodiment has a cylindrical shape, and a plurality of light guide sections 81 are arranged in the first chamber 2a. The light guide portions 81 may be arranged regularly or irregularly. The light guide portion 81 may have a columnar shape other than a cylindrical shape (for example, a polygonal columnar shape or an elliptical columnar shape). The light guide section 81 may have a plate shape. Further, the light guide section 81 may be arranged in the inner chamber.
以上で、ガス分解方法と、ガス分解装置の各実施形態及び変形例とを説明した。上記実施形態は、本発明の一例を示すものにすぎず、本発明は、上記した実施形態に何ら限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記の実施形態に種々の変更又は改良を加えたり、上記実施形態又は変形例を組み合わせたりすることができる。 The gas decomposition method and the embodiments and modifications of the gas decomposition apparatus have been described above. The above-mentioned embodiment shows only an example of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment at all. Various changes or improvements can be made to the above-described embodiments, or the above-described embodiments or modifications can be combined without departing from the spirit of the present invention.
図13に示す実験設備100を構築した。実験設備100は、ガス分解装置40を組み込んでいる。実験設備100は、空気供給源21、N2O供給源22及びCH4供給源23を備えている。さらに、実験設備100は、空気供給源21、N2O供給源22及びCH4供給源23の供給量を制御するためのマスフローコントローラ(24,25,26)と、空気、N2O及びCH4が混合された被処理ガスの量を検出するためのマスフローメータ27と、を備える。ガス供給口3iは、マスフローメータ27及びマスフローコントローラ(24,25,26)を介して、空気供給源21、N2O供給源22及びメタン供給源23に接続されている。 Experimental equipment 100 shown in FIG. 13 was constructed. Experimental equipment 100 incorporates gas decomposition device 40 . The experimental equipment 100 includes an air supply source 21, a N 2 O supply source 22, and a CH 4 supply source 23. Furthermore, the experimental equipment 100 includes mass flow controllers (24, 25, 26) for controlling the supply amounts of the air supply source 21, the N 2 O supply source 22, and the CH 4 supply source 23, and 4 is provided with a mass flow meter 27 for detecting the amount of the mixed gas to be treated. The gas supply port 3i is connected to an air supply source 21, an N 2 O supply source 22, and a methane supply source 23 via a mass flow meter 27 and a mass flow controller (24, 25, 26).
空気供給源21は、工場の空気供給配管である。供給される空気は、一定の水分量を有する。空気には、窒素、酸素、及び微量の二酸化炭素等が含まれる。N2O供給源22は、N2Oの充填されたガスシリンダであり、当該ガスシリンダは、実質的にN2Oのみを含む。CH4供給源23は、CH4の充填されたガスシリンダであり、当該ガスシリンダは、実質的にCH4のみを含む。 The air supply source 21 is a factory air supply pipe. The supplied air has a constant moisture content. Air includes nitrogen, oxygen, trace amounts of carbon dioxide, and the like. The N 2 O source 22 is a gas cylinder filled with N 2 O, which contains substantially only N 2 O. The CH 4 source 23 is a gas cylinder filled with CH 4 , which contains substantially only CH 4 .
ガス分解装置40について、第一光源1は、円筒状で長さ800mmのキセノンエキシマランプである。チャンバ2は、内部に第一光源1を配置できる、内径が38mmの円筒状の配管である。配管の両側は、それぞれ、ガス流入路又はガス流出路付き封止部材で封止されている。封止部材の一方には、第一光源1に繋がる電力線が貫通しており、第一光源1は、封止部材を介してチャンバ2の外に位置する制御部5により点灯制御される。 Regarding the gas decomposition device 40, the first light source 1 is a cylindrical xenon excimer lamp with a length of 800 mm. The chamber 2 is a cylindrical pipe with an inner diameter of 38 mm, in which the first light source 1 can be placed. Both sides of the piping are each sealed with a sealing member with a gas inflow path or a gas outflow path. A power line connected to the first light source 1 passes through one of the sealing members, and the first light source 1 is controlled to be turned on by a control unit 5 located outside the chamber 2 via the sealing member.
三種類のガスG1を準備し、三種類のガスG1をそれぞれガス分解装置10に送り込んでガス分解処理を行った。
試料S1は、空気に、N2Oを1000ppm加えたガスである。
試料S2は、空気に、CH4を1000ppm加えたガスである。
試料S3は、空気に、N2Oを1000ppm、CH4を1000ppm加えたガスである。
Three types of gases G1 were prepared, and each of the three types of gases G1 was sent to the gas decomposition device 10 for gas decomposition treatment.
Sample S1 is a gas in which 1000 ppm of N 2 O is added to air.
Sample S2 is a gas in which 1000 ppm of CH 4 is added to air.
Sample S3 is a gas in which 1000 ppm of N 2 O and 1000 ppm of CH 4 are added to air.
表1に、ガスG1の試料S1~S3に含まれる成分(空気を除く)をまとめる。
表2は、ガス分解装置40のガス排出口3oから排出されたガスG2のガス成分の含有量測定結果を示す。各ガス成分はブルカー社製のガス分析装置FT-IR(型式:MATRIX-5)により測定された。 Table 2 shows the measurement results of the gas component content of the gas G2 discharged from the gas exhaust port 3o of the gas decomposition device 40. Each gas component was measured using a gas analyzer FT-IR (model: MATRIX-5) manufactured by Bruker.
試料S1より、以下の事項が分かる。
ガス分解装置40によりN2Oが分解された結果、N2Oが1000ppmから423ppmまで減少した。N2Oの減少分は、N2およびO2、加えて、NOx(NOとNO2)及びHNO3に転化した。H2Oの含有量は、分解前から存在したものと推認される。また、第一光源1より、O3が生成されているはずだが、O3はガスG2に含まれていない。これは、NOxサイクル反応によってO3を消費したためと考えられる。
The following matters can be found from sample S1.
As a result of decomposing N 2 O by the gas decomposition device 40, N 2 O decreased from 1000 ppm to 423 ppm. The loss of N2O was converted to N2 and O2 , as well as NOx (NO and NO2) and HNO3 . It is presumed that the content of H 2 O was present before decomposition. Further, although O 3 is supposed to be generated from the first light source 1, O 3 is not included in the gas G2. This is considered to be because O 3 was consumed by the NOx cycle reaction.
試料S2より、以下の事項が分かる。
ガス分解装置40により全てのCH4が酸化・分解され、CO2、H2O、O3を生成した。なお、各試料におけるH2OとCO2含有量について、各試料S1~S3の処理前のガスG1に含まれる空気は、H2OとCO2を含有しているため、H2OとCO2の含有量の全てが分解反応によって生成されたものではない。
The following matters can be found from sample S2.
All the CH 4 was oxidized and decomposed by the gas decomposition device 40 to generate CO 2 , H 2 O, and O 3 . Regarding the H 2 O and CO 2 contents in each sample, since the air contained in the gas G1 before processing of each sample S1 to S3 contains H 2 O and CO 2 , H 2 O and CO 2 Not all of the content of 2 was produced by the decomposition reaction.
試料S3より、以下の事項が分かる。
試料S3は、試料S1に対してCH4が添加されている。CH4の添加により、O3を消費するNOxサイクル反応が起こりにくく、十分な量のO3とH2Oにより、試料S1で残留していたNOxがHNO3に転化したと考えられる。添加されたCH4は、酸化・分解されて、CO2とH2Oに変換されたため、CH4はガスG2に含まれていない。
The following matters can be found from sample S3.
Sample S3 has CH 4 added to sample S1. It is considered that the addition of CH 4 made it difficult for the NOx cycle reaction that consumes O 3 to occur, and that the NOx remaining in sample S1 was converted to HNO 3 by a sufficient amount of O 3 and H 2 O. Since the added CH 4 was oxidized and decomposed and converted into CO 2 and H 2 O, CH 4 is not included in the gas G2.
1,51:第一光源
2 :チャンバ
2a :第一チャンバ
2b :第二チャンバ
3i.4i:ガス供給口
3o,4o:ガス排出口
5 :制御部
6 :紫外光透過管
7 :ヒータ
8 :第二光源
11 :排出管
12 :容器
10,15,20,25,30,40,50,60,70,80:ガス分解装置
81 :導光部
21 :空気供給源
22 :一酸化二窒素供給源
23 :CH4供給源
24,25,26:マスフローコントローラ
27 :マスフローメータ
52 :内側チャンバ
53 :外管
54 :内管
55 :外電極
56 :内電極
57 :反射膜
58 :放電空間
81 :導光部
100 :実験設備
G1 :(処理前の)ガス
G2 :(処理後の)ガス
L1 :第一光
L2 :第二光
1, 51: first light source 2: chamber 2a: first chamber 2b: second chamber 3i. 4i: Gas supply ports 3o, 4o: Gas discharge ports 5: Control unit 6: Ultraviolet light transmission tube 7: Heater 8: Second light source 11: Discharge tube 12: Containers 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50 , 60, 70, 80: Gas decomposition device 81: Light guiding section 21: Air supply source 22: Nitrogen monoxide supply source 23: CH4 supply source 24, 25, 26: Mass flow controller 27: Mass flow meter 52: Inner chamber 53: Outer tube 54: Inner tube 55: Outer electrode 56: Inner electrode 57: Reflective film 58: Discharge space 81: Light guide section 100: Experimental equipment G1: (Before treatment) Gas G2: (After treatment) Gas L1 :First light L2 :Second light
Claims (21)
主たる発光波長が160nm以上200nm未満に属する第一光を、前記チャンバに照射する第一光源と、を備え、
前記一酸化二窒素と前記飽和炭化水素を分解することを特徴とする、ガス分解装置。 a chamber for supplying a gas to be treated containing oxygen, dinitrogen monoxide, and saturated hydrocarbon;
a first light source that irradiates the chamber with first light whose main emission wavelength is 160 nm or more and less than 200 nm;
A gas decomposition device characterized in that the dinitrogen monoxide and the saturated hydrocarbon are decomposed.
前記外側チャンバに前記被処理ガスを供給することを特徴とする、請求項10~12のいずれか一項に記載のガス分解装置。 the chamber is an outer chamber surrounding the first light source;
The gas decomposition apparatus according to claim 10, wherein the gas to be treated is supplied to the outer chamber.
前記内側チャンバ内に前記被処理ガスを供給することを特徴とする、請求項10~12のいずれか一項に記載のガス分解装置。 the chamber is an inner chamber located inside the first light source;
The gas decomposition apparatus according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the gas to be treated is supplied into the inner chamber.
前記内側チャンバ内、及び、前記外側チャンバと前記第一光源の間に、それぞれ、前記被処理ガスを供給することを特徴とする、請求項10~12のいずれか一項に記載のガス分解装置。 The chamber includes both an inner chamber located inside the first light source and an outer chamber surrounding the first light source,
The gas decomposition device according to claim 10, wherein the gas to be treated is supplied into the inner chamber and between the outer chamber and the first light source, respectively. .
前記内側チャンバ内、及び、前記外側チャンバと前記第一光源の間の他方を通過することを特徴とする、請求項17に記載のガス分解装置。 After the gas to be treated passes through either one of the inner chamber and between the outer chamber and the first light source,
18. Gas decomposition device according to claim 17, characterized in that the gas passes through the inner chamber and the other between the outer chamber and the first light source.
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