JP3784780B2 - 脱臭用触媒およびその製造方法ならびに脱臭装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば生ごみ処理装置の悪臭、ごみ集積室の悪臭、調理場および飲食店、動物室や畜舎などから排出される気体悪臭を限り無く無臭化する脱臭用触媒およびその製造方法ならびに脱臭装置に係り、特に長期間にわたって高い脱臭効果が維持できる脱臭用触媒およびその製造方法ならびに脱臭装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の脱臭方法には、例えば活性炭などの吸着材に臭気ガスを吸着する吸着法、水や酸化剤などを利用して中和または酸化反応をさせて吸着除去する洗浄法、臭気成分を燃焼により熱分解させる燃焼法、臭気成分を常温下で酸化反応させて分解するオゾン法などがある。この中でもオゾン法は、臭気成分の化学的な分解を迅速に行なうという特長を有している。
【０００３】
なお、この種の排ガス処理に関しては、例えば下記のような非特許文献１を挙げることができる。
【０００４】
【非特許文献１】
「大気圧非平衡プラズマの環境工学への応用 ５．環境汚染揮発性有機物質の除去」 プラズマ・核融合学会誌 第７４巻第２号 １４６〜１５０頁
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の工業用に使用されるオゾン法では、例えば１０ＫＶ〜５０ＫＶ程度の交流高電圧（周波数：５０Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）が必要である。悪臭は一般に数種類の物質が混合した気体であり、悪臭源によりその種類や混合割合が異なる。理論的にはオゾンは有機性の悪臭物質を酸化分解するとされているが、実際には悪臭源の種類や混合割合などによって酸化分解し難い場合もある。
【０００５】
このように高電圧負荷によるオゾン法は、一般に電源装置が大型化し重量も重くなり、コスト高になること、オゾンだけでは脱臭効果が低く、またその効果に持続性がないことなどの問題点を有している。
【０００６】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、優れた脱臭効果を長期間にわたって維持でき、しかもオゾンの発生が効率的に行なわれ、ラジカルおよび触媒による酸化還元反応に基づいて、効果の高い脱臭用触媒およびその製造方法ならびに脱臭装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の第１の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素を含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜４０重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の第２の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化マグネシウムが３〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第３の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の第４の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒の製造方法において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素を含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜４０重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％であるように各原材料粉末を配合して混合する工程と、その混合した原材料に水を所定量添加して練成する工程と、その混練物を所定の形状に成形する工程と、得られた成形体を乾燥する工程と、乾燥後に空気を遮断した状態で焼成する工程と、焼成後に冷却して触媒とする工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の第５の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒の製造方法において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化マグネシウムが３〜１５重量％であるように各原材料粉末を配合して混合する工程と、その混合した原材料に水を所定量添加して練成する工程と、その混練物を所定の形状に成形する工程と、得られた成形体を乾燥する工程と、乾燥後に空気を遮断した状態で焼成する工程と、焼成後に冷却して触媒とする工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の第６の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒の製造方法において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１５重量％であるように各原材料粉末を配合して混合する工程と、その混合した原材料に水を所定量添加して練成する工程と、その混練物を所定の形状に成形する工程と、得られた成形体を乾燥する工程と、乾燥後に空気を遮断した状態で焼成する工程と、焼成後に冷却して触媒とする工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第７の手段は、一対の電極と、その電極の間に設置された脱臭用触媒と、少なくとも一方の電極と脱臭用触媒の間に介在された誘電体と、前記一対の電極間に給電する電源部を備え、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭装置において、前記脱臭用触媒が少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素を含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜４０重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第８の手段は、一対の電極と、その電極の間に設置された脱臭用触媒と、少なくとも一方の電極と脱臭用触媒の間に介在された誘電体と、前記一対の電極間に給電する電源部を備え、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭装置において、前記脱臭用触媒が少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化マグネシウムが３〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の第９の手段は、一対の電極と、その電極の間に設置された脱臭用触媒と、少なくとも一方の電極と脱臭用触媒の間に介在された誘電体と、前記一対の電極間に給電する電源部を備え、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭装置において、前記脱臭用触媒が少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第１０の手段は、前記第７の手段ないし第９の手段のいずれかにおいて、前記脱臭用触媒に供給する前記気体中の水分を除去するヒータなどの除湿手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は実施形態に係る脱臭装置の概略構成図、図２（ａ），（ｂ）はその脱臭装置に用いる触媒カートリッジの横断面図と縦断面図である。
【００１８】
図１に示すように例えばステンレス鋼などの金属製のハウジング１に、未処理の臭気ガス２２を導入する導入口２と、浄化した無臭ガス２３を排出する排出口３が設けられている。ハウジング１の内側空間部４に、触媒カートリッジ５が図に示すように設置されている。
【００１９】
触媒カートリッジ５は図２（ａ），（ｂ）に示すように、カートリッジケース６と、外側放電電極７と、誘電体８と、内側放電電極９と、上流側支持体１０と、下流側支持体１１と、脱臭用触媒１２とから構成されている。
【００２０】
前記カートリッジケース６、例えばセラミックなどの断熱性と電気絶縁性を有する材料で円筒状に形成され、ハウジング１の内面に接するように配置される。前記外側放電電極７は、例えばステンレス鋼などの金網、金属平板、多孔金属平板、エキスパンデットメタルなどからなり、カートリッジケース６の内面の全周に沿って設置され、その端部がハウジング１に接続されている。
【００２１】
前記誘電体８は、例えば耐熱性ガラスやセラミックなどからなり円筒状に形成され、外側放電電極７の内面に沿って設置されている。前記内側放電電極９は、例えばステンレス鋼などの金網、多孔金属平板、エキスパンデットメタルなどからなり通気性を有し、誘電体８の内側に所定の間隔をおいて配置され、それの両端部が外側に折り曲げられて誘電体８に内接するように加工されている。
【００２２】
前記外側放電電極７と内側放電電極９によって形成される円筒状の空間内に、ランダムな状態あるいは整列した状態で触媒１２が充填される。触媒１２としては、直径が約８〜１２ｍｍの粒状触媒、一辺が約８〜１５ｍｍの三角形あるいは四角形または直径が約８〜１５ｍｍの円形の断面を有する長さが約２５〜５０ｍｍの棒状触媒が用いられる。棒状触媒は若干捩じれた棒状のものでも構わない。また、板状触媒、湾曲などにより変形した板状触媒、短管状触媒など他の形状の触媒でも構わない。
【００２３】
なお、触媒の直径あるいは辺長は必ずしも前記の長さに制限されるものではなく、約８ｍｍ以下のものを使用することも可能である。また棒状触媒も必ずしも前記の長さに制限されるものではない。
【００２４】
前記上流側支持体１０と下流側支持体１１は例えばセラミックで構成され、断面形状がＬ字形で、全体的に円筒状に成形されて、誘電体８の内面に配置され、上流側支持体１０と下流側支持体１１で内側放電電極９の両端部と触媒１２層を挟持した状態になっている。
【００２５】
図１に示すようにハウジング１の一方の端面に電極棒挿入孔１３が設けられ、チタン合金またはステンレス鋼からなる電極棒１４が挿入され、電極棒１４を碍子１５で固定している。電極棒１４の先端部は内側放電電極９に接続され、外側放電電極７はハウジング１に取り付けられた端子１８に接続され、電極棒８と端子１８の間に電源部１６が接続されている。
【００２６】
電源部１６は図示していないが、高周波インバータを内蔵し、定電流放電制御手段と電流切替え手段を内蔵している。この電源部１６の接続により、内側放電電極９はプラス側の放電電極、外側放電電極７がマイナス側の放電電極となり、両電極７，９間に誘電体８を介して触媒１２が設置された構造になっている。
【００２７】
１７は導入口２と対向するように設けられた傘状の拡散板で、矢印で示すようにガスを触媒１２側に案内する機能を有している。なお拡散板１７は平板状あるいは円筒状であったり、内側放電電極９と一体型にすることも可能である。
【００２８】
触媒１２層の内側を中空状にすることにより、背圧が高くなるのを抑制している。１９は触媒１２と排出口３の間に形成された滞留部で、脱臭反応の促進のために設けられている。
【００２９】
前記触媒１２として、次の３種類の組成のものが用いられる。
【００３０】
（第１の組成）
酸化ジルコニウム １０〜３４重量％
二酸化マンガン １５〜２５重量％
炭素 ２〜１５重量％
酸化カリウム １０〜１５重量％
二酸化ケイ素 １０〜４０重量％
炭化ケイ素 ５〜１５重量％
この組成の中で、特に酸化ジルコニウムを１５〜２０重量％、炭素を２〜５重量％含有したものが好ましい。
【００３１】
（第２の組成）
酸化ジルコニウム １０〜３４重量％
二酸化マンガン １５〜２５重量％
炭素 ２〜１５重量％
酸化カリウム １０〜１５重量％
二酸化ケイ素 １０〜２７重量％
炭化ケイ素 ５〜１５重量％
酸化マグネシウム ３〜１５重量％
この組成の中で、特に酸化ジルコニウムを１５〜２０重量％、炭素を２〜５重量％含有したものが好ましい。
【００３２】
（第３の組成）
酸化ジルコニウム １０〜３４重量％
二酸化マンガン １５〜２５重量％
炭素 ２〜１５重量％
酸化カリウム １０〜１５重量％
二酸化ケイ素 １０〜２７重量％
炭化ケイ素 ５〜１５重量％
酸化アルミニウム １〜１５重量％
この組成の中で、特に酸化ジルコニウムを１５〜２０重量％、炭素を２〜５重量％含有したものが好ましい。
【００３３】
これらの触媒はセラミック触媒で、炭素などを包摂した構造体を成している。前記組成の触媒で炭化ケイ素の含有率が１０重量％以下の場合、炭素の含有率を２２〜２７重量％にするのが好ましい。またこれらの触媒中に酸化ニッケルを適量添加することもできる。
【００３４】
酸化ジルコニウムの含有率が１０重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が急激に高くなり、一方、含有率が３４重量％を超えると特性が低下すると共に、含有量が多くなるほどコスト高になる傾向にある。従って酸化ジルコニウムの含有率は１０〜３４重量％、好ましくは１５〜２０重量％の範囲に規制する必要がある。
【００３５】
二酸化マンガンの含有率が１５重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、２５重量％を超えると特性がほぼ一定となり、添加効果がそれ以上得られない。従って二酸化マンガンの含有率は１５〜２５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００３６】
炭素の含有率が２重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って炭素の含有率は２〜１５重量％、好ましくは２〜５重量％の範囲に規制する必要がある。なお、炭素は、後述の電子なだれ現象を起き易くする機能を有している。
【００３７】
酸化カリウムの含有率が１０重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って酸化カリウムの含有率は１０〜１５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００３８】
二酸化ケイ素の含有率が１０重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、４０重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って二酸化ケイ素の含有率は１０〜４０重量％の範囲に規制する必要がある。
【００３９】
また触媒成分の組み合わせによっては、二酸化ケイ素の含有率は１０〜２７重量％の範囲に規制する必要がある。
【００４０】
炭化ケイ素の含有率が５重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って炭化ケイ素の含有率は５〜１５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００４１】
酸化マグネシウムの含有率が３重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って酸化マグネシウムの含有率は３〜１５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００４２】
酸化アルミニウムの含有率が１重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って酸化アルミニウムの含有率は１〜１５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００４３】
本発明の触媒表面は定常状態では絶縁体であり、各原子間では電子の移動は行なわれないが、外部から電界を与えて一定の電荷が蓄積されると、各原子間で電子が移動し始め、次第に多量の電子移動が行なわれるようになり、電子なだれ現象を生じる。このとき触媒表面から電子が急激に奪われるため、触媒表面近傍の空間に存在する電子をも巻き込んで、電子なだれ現象を助長する。
【００４４】
触媒は電極としても機能し、隣接する触媒ペレット間の放電電極となる。また、触媒内の誘電体であるケイ酸塩や固定誘電体に接する炭素は、バリア放電電極としても機能し、その結果としてオゾンが効率的に発生する。さらに触媒内における炭素の濃度差部分では、キャパシター電極として機能し、その結果として局部的充電が起こり、消費電力の削減が図れる。
【００４５】
このように本発明に係る触媒は、電子供与体（酸化剤）と電子受容体（還元剤）の両方（しかも両極端）の機能を果たし、発生する強度の活性酸素により、例えばアンモニア類などの難分解の臭気成分をも比較的簡単に分解して無臭化することができる。本発明に係る触媒の酸化作用と還元作用の機能比率の調整は、例えば電界の強さ（電圧）や原材料の配合比率を変えることにより容易に可能である。
【００４６】
図３は、このような原理を説明するための図である。電源の直流成分は、放電電極７がマイナス、放電電極９がプラスになるように重畳され、臭気ガスの微粒子を帯電させ、触媒１２に吸着し易いように機能する。一方、電源の交流成分は、誘電体８を挟んだ触媒１２の表面でプラズマ放電２０を発生させる。なお、コロナ放電が成長して火花放電やアーク放電を起こすことがあるから、これを防止するために放電電極７と触媒１２層の間に誘電体８（バリア）を介在しており、いわゆるバリア放電が起こっており、このバリアのためにプラズマ放電２０は非平衡プラズマとなっている。
【００４７】
このプラズマ放電２０は、触媒１１を活性化させて臭気物質の分解を促進させる。また触媒１２のもつ電子親和作用により、触媒表面に蓄積した電子は一定の量に達すると隣合った触媒１２に放電するが、このとき周囲の電子をも巻き込んで電子なだれ現象を引起し、一時的に多量の電流を放電する。この結果臭気ガス中の多原子、分子が電子の衝突により解離して短寿命の遊離原子が酸化還元を行ない、酸素、二酸化炭素、水、窒素などの無臭化された安定分子に変化する。
【００４８】
また臭気ガス中の酸素化合物に含まれている酸素を用いて活性酸素を発生し、有機性臭気の成分粒子を酸化燃焼させる。本発明の触媒は、このような一連の酸化・還元反応を連続的にかつ安定に行なうことができる。
【００４９】
臭気ガス中に混在する塵埃などが触媒層中に付着し、炭化が促進された場合には、放電電流が大きくなり、ある値を超えると電源回路が低電圧に切り替わり、瞬時にアーク放電が始まる。即ち、触媒の導電性が高くなり、大電流が流れて前記炭化物質（煤）などを完全燃焼させるから、触媒層が炭化物質（煤）などで目詰りを生じることはない。放電電流が減ると電源回路が高電圧に切り替り、前述のプラズマ放電が再開される。
【００５０】
図４は、本発明の触媒の製造方法を説明するためのフローチャートである。各工程での内容の概略は次の通りである。
【００５１】
Ｓ１：原材料である酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、二酸化ケイ素、炭素、炭化ケイ素をそれぞれ３００〜４００メッシュに粉砕して、ケイ酸カリウム溶液と共に所定の割合で混合する。
【００５２】
Ｓ２：原材料に水を所定量混合して、混練する。
【００５３】
Ｓ３：粒状触媒の場合には、造粒機を使用して直径が８〜１２ｍｍの粒状に造粒成形する。
【００５４】
：棒状触媒の場合には、成形機を使用して直径が８〜１５ｍｍの円形、あるいは一辺が８〜１５ｍｍの三角形あるいは四角形の断面を有する長さが２５〜５０ｍｍの棒状に成形する。
【００５５】
Ｓ４：得られた触媒を常温下で２４時間以上自然乾燥させるか、または温風と熱風で強制乾燥する。
【００５６】
Ｓ５：電気炉で空気を遮断して３５０℃で３０分間加熱後、９００℃で１時間焼成する。
【００５７】
Ｓ６：室温まで自然冷却した後、電気炉より取り出して粒状触媒または棒状触媒
とする。
【００５８】
次に触媒の製造方法の実施例を説明する。
【００５９】
（Ｓ１：原材料の調整工程）
▲１▼．酸化ジルコニウム粉末 ２０ｋｇ
▲２▼．二酸化マンガン粉末 １８ｋｇ
▲３▼．二酸化ケイ素粉末 ２８ｋｇ
▲４▼．炭素粉末 １５ｋｇ
▲５▼．炭化ケイ素 ６ｋｇ
▲６▼．ケイ酸カリウム溶液 ６０ｋｇ
▲７▼．直径２ｍｍのアルミナ小球 １０ｋｇ
▲１▼〜▲７▼の合計重量は１５７ｋｇとなる。▲１▼〜▲５▼は３２５〜３５０メッシュの微粉末である。▲７▼は造粒用の中心核として使用する。
【００６０】
（Ｓ２：原材料の混練工程）
前記原材料を混練装置に投入し、水３０〜４０リッタを注入して、混練装置の攪拌回数を毎分１０〜１５回に設定し、４０〜５０分間混練する。
【００６１】
（Ｓ３−１：粒状触媒の造粒成形工程）
粒状触媒の造粒成形工程は、造粒装置にアルミナ小球を１ｋｇ投入し、毎分１０〜１５回の割合で回転駆動し、前記Ｓ２の混練が終了した原材料を毎分５００ｇの割合でその造粒装置に流し込む。アルミナ小球に原材料が付着して球径が徐々に大きくなり、外径が１０ｍｍに達したら造粒装置より取り出す。
【００６２】
（Ｓ３−２：棒状触媒の成形工程）
棒状触媒の成形工程は、前記Ｓ１でアルミナ小球を含まない混練が終了した原材料を所定の形状を有する金属または硬質樹脂からなる型枠内に充填して型締めし、３〜４時間後に型枠より取り外す。型枠は、個々の棒状触媒を同時に多数成形することができ、硬化乾燥した触媒が容易に取り外せる２枚合わせ型を使用する。
【００６３】
（Ｓ４：乾燥工程）
造粒済みまたは成形済みの原材料を常温下で２４時間以上自然乾燥させるか、または電気炉内において４０℃の温風で３０分間乾燥させ、次に９０℃の熱風で１時間強制乾燥させる。
【００６４】
（Ｓ５：焼成工程）
乾燥させた造粒済みまたは成形済み原料を電気炉（真空炉または無酸化炉）に入れ、３５０℃に昇温して３０分間維持し、その後９００℃まで昇温して１時間焼成する。
【００６５】
（Ｓ６：取出工程）
室温まで自然冷却した後、電気炉より取り出して粒状または棒状触媒とする。図５は、本発明に係る脱臭装置を生ごみ処理システムに適用する場合を示す概略構成図である。同図に示すように本発明に係る脱臭装置２１の上流側に、臭気ガスの発生源である生ごみ処理装置２４と、臭気ガスの湿度を下げるための簡易ヒータからなる除湿乾燥機２５が設置されている。臭気ガス中に含まれている水分は、脱臭装置２１内においてオゾンの生成を妨げる傾向にあるため、脱臭装置２１に供給する前に臭気ガス中の水分を前記除湿乾燥機２５で除去している。
【００６６】
脱臭装置２１の下流側に、生ごみ処理装置２４の容量規模に対応して、脱臭装置２１の内部における臭気成分の酸化還元反応を十分に促進することができる風量および風速になるように、無臭ガス２３を吸引排出するブロワー２７が設置されている。
【００６７】
ブロワー２７は、生ごみ処理装置２４の内部で行なわれる生ごみ処理反応速度に影響がなく、また、脱臭装置２１の内部を通過する臭気ガスの分解反応が十分可能な風量および風速を保つように調整されており、脱臭装置２１内の臭気ガスの風速は０．３ｍ／秒以下であることが望ましい。
【００６８】
脱臭装置２１の放電電極７，９間には電源部１６が接続されている。図６は電源回路図である。図中のＱはブロッキング発振用のトランジスタで、Ｒ１とＣ１による積分回路によりベース電流が供給される。トランジスタＱが導通すると発振トランスＰＴの１次側巻線Ｐにコレクタ電流が流れ、発振トランスＰＴの２次側巻線Ｓに高圧の出力電流が発生する。このとき帰還巻線ＦにトランジスタＱを逆バイアスする方向に制動電流が流れ、トランジスタＱは導通が遮断される。
【００６９】
以下、導通と遮断が繰り返され、発振トランスＰＴの２次側巻線Ｓに高電圧のパルス電流が発生する。図中のＣ４は出力のグランドを交流的に接地するコンデンサで、Ｒ２は帯電防止用の抵抗器、Ｄは発振トランスＰＴの電磁誘導作用を効果的にするための制動ダイオードである。
【００７０】
図７ないし図９は、触媒カートリッジ５の変形例を示す縦断面図である。なおこれらの図において内側放電電極９の形状を明確に表すため、触媒１２の一部を省略している。
【００７１】
図７に示す第１の変形例に係る触媒カートリッジ５の場合、縦断面形状が星形の内側放電電極９を使用し、各外側角部が誘電体８に内接しており、星形の内側放電電極９と誘電体８の間に触媒１２が充填されている。
【００７２】
図８に示す第２の変形例に係る触媒カートリッジ５の場合、縦断面形状が円形で数カ所誘電体８側に延びた延設部２８が設けられた内側放電電極９を使用し、各延設部２８が誘電体８に内接しており、円形の内側放電電極９と誘電体８の間に触媒１２が充填されている。
【００７３】
図９に示す第３の変形例に係る触媒カートリッジ５の場合、縦断面形状が三角形以上の多角形で数カ所誘電体８側に延びた金属平板からなる延設部２８が設けられた内側放電電極９を使用し、各延設部２８が誘電体８に内接しており、多角形の内側放電電極９と誘電体８の間に触媒１２が充填されている。
【００７４】
実施形態では脱臭触媒について説明したが、例えばディーゼル発電機の排気ガス、ボイラや焼却炉などの燃焼装置の燃焼ガス、工場や研究所などから排出されるガスの浄化，脱臭、あるいは微生物取扱施設でのバイオハザード防止、脱臭殺菌、難分解物質の無害化及び医療用装置など他の分野にも使用可能である。
【００７５】
【発明の効果】
図１０は、前記実施例ならびに各比較例における原料の配合、各原料を用いて製造した電極の成分組成ならびに各電極の放電状態の良否を示した図である。この図から明らかなように、本発明で規定している各成分の範囲より外れた成分組成を有する比較例１〜４の電極では放電状態が不良であるが、本発明の実施例に係る電極の放電状態は良好である。
【００７６】
図５に示すように生ごみ処理装置２４に脱臭装置２１を接続して脱臭官能試験を実施した。生ごみ処理装置２４は、アキツ精機株式会社製 ＭＹ−１５０型（商品名マイソイラー１５０型）を使用した。脱臭触媒は前記実施例で説明した棒状触媒１．０Ｋｇを内蔵、触媒カートリッジは直径９０ｍｍ、触媒層厚３０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、導入口と排出口径３０ｍｍ、電源部は電磁機械工業株式会社製 製品名「Ｇ９６型」高周波インバーター内蔵のものを使用した。出力電圧２０ＫＶ、周波数１６ＫＨｚ、出力６０Ｗ、電圧電源ＡＣ１００Ｖである。
【００７７】
この脱臭装置を連続運転させた際のオゾンの発生状態を図１１に示す。この図から明らかなように、本発明に係る脱臭装置の運転中におけるオゾンの発生状態が極めて安定して、ほぼ一定のオゾン濃度を維持している。
【００７８】
また、この脱臭装置に導入する前の未処理の排出ガスならびに脱臭装置で処理した後の処理ガスの臭気強度を６段階表示で図１２に示す。この図から明らかなように、生ごみ処理装置から発生する排出ガスは日によって臭気強度がまちまちであるが、この排出ガスを本発明に係る脱臭装置で処理することにより臭気強度を零にすることができ優れた脱臭効果を有している。
【００７９】
また本発明に係る脱臭装置を９０日間連続運転した際の性能の劣化状態を観察したところ、触媒性能の劣化はほとんどなく、優れた脱臭効果を維持しており、さらに触媒の減容および減量もなく耐用寿命に優れていることが確認できた。
【００８０】
前述のような組成を有する脱臭触媒ならびにそれを備えた脱臭装置は、優れた脱臭効果を長期間にわたって維持でき、しかも単位重量当たりの反応促進効果が高く、触媒毒がないためあらゆる気体脱臭に使用できる。また脱臭触媒の製造方法においては、触媒の製造が簡単であるなどの特長を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る脱臭装置の概略構成図である。
【図２】（ａ），（ｂ）はその脱臭装置に用いられる触媒カートリッジの横断面図ならびに縦断面図である。
【図３】プラズマ放電下での触媒の原理を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態に係る触媒の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る脱臭装置を生ごみ処理システムに適用した場合を示す概略構成図である。
【図６】本発明の実施形態の脱臭装置に用いる電源部の回路図である。
【図７】触媒カートリッジの第１の変形例を示す縦断面図である。
【図８】触媒カートリッジの第２の変形例を示す縦断面図である。
【図９】触媒カートリッジの第３の変形例を示す縦断面図である。
【図１０】本発明の実施例ならびに各比較例における原料の配合、各原料を用いて製造した電極の成分組成ならびに各電極の放電状態の良否を示した図である。
【図１１】本発明の実施例に係る脱臭装置を連続運転させた際のオゾンの発生状態を示す図である。
【図１２】本発明の実施例に係る脱臭装置に導入する前の未処理の排出ガスならびに脱臭装置で処理した後の処理ガスの臭気強度を示す特性図である。
【符号の説明】
１：ハウジング、２：導入口、３：排出口、４：内側空間部、５：触媒カートリッジ、６：カートリッジケース、７：外側放電電極、８：誘電体、９：内側放電電極、１０：上流側支持体、１１：下流側支持体、１２：触媒、１３：電極棒挿入孔、１４：電極棒、１５：碍子、１６：電源部、１７：拡散板、１８：端子、１９：滞留部、２０：プラズマ放電、２１：脱臭装置、２２：臭気ガス、２３：無臭ガス、２４：生ごみ処理装置、２５：除湿乾燥機、２７：ブロワー、２８：延設部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば生ごみ処理装置の悪臭、ごみ集積室の悪臭、調理場および飲食店、動物室や畜舎などから排出される気体悪臭を限り無く無臭化する脱臭用触媒およびその製造方法ならびに脱臭装置に係り、特に長期間にわたって高い脱臭効果が維持できる脱臭用触媒およびその製造方法ならびに脱臭装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の脱臭方法には、例えば活性炭などの吸着材に臭気ガスを吸着する吸着法、水や酸化剤などを利用して中和または酸化反応をさせて吸着除去する洗浄法、臭気成分を燃焼により熱分解させる燃焼法、臭気成分を常温下で酸化反応させて分解するオゾン法などがある。この中でもオゾン法は、臭気成分の化学的な分解を迅速に行なうという特長を有している。
【０００３】
なお、この種の排ガス処理に関しては、例えば下記のような非特許文献１を挙げることができる。
【０００４】
【非特許文献１】
「大気圧非平衡プラズマの環境工学への応用 ５．環境汚染揮発性有機物質の除去」 プラズマ・核融合学会誌 第７４巻第２号 １４６〜１５０頁
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の工業用に使用されるオゾン法では、例えば１０ＫＶ〜５０ＫＶ程度の交流高電圧（周波数：５０Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）が必要である。悪臭は一般に数種類の物質が混合した気体であり、悪臭源によりその種類や混合割合が異なる。理論的にはオゾンは有機性の悪臭物質を酸化分解するとされているが、実際には悪臭源の種類や混合割合などによって酸化分解し難い場合もある。
【０００５】
このように高電圧負荷によるオゾン法は、一般に電源装置が大型化し重量も重くなり、コスト高になること、オゾンだけでは脱臭効果が低く、またその効果に持続性がないことなどの問題点を有している。
【０００６】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、優れた脱臭効果を長期間にわたって維持でき、しかもオゾンの発生が効率的に行なわれ、ラジカルおよび触媒による酸化還元反応に基づいて、効果の高い脱臭用触媒およびその製造方法ならびに脱臭装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の第１の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素を含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜４０重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の第２の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化マグネシウムが３〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第３の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の第４の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒の製造方法において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素を含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜４０重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％であるように各原材料粉末を配合して混合する工程と、その混合した原材料に水を所定量添加して練成する工程と、その混練物を所定の形状に成形する工程と、得られた成形体を乾燥する工程と、乾燥後に空気を遮断した状態で焼成する工程と、焼成後に冷却して触媒とする工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の第５の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒の製造方法において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化マグネシウムが３〜１５重量％であるように各原材料粉末を配合して混合する工程と、その混合した原材料に水を所定量添加して練成する工程と、その混練物を所定の形状に成形する工程と、得られた成形体を乾燥する工程と、乾燥後に空気を遮断した状態で焼成する工程と、焼成後に冷却して触媒とする工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の第６の手段は、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒の製造方法において、少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１５重量％であるように各原材料粉末を配合して混合する工程と、その混合した原材料に水を所定量添加して練成する工程と、その混練物を所定の形状に成形する工程と、得られた成形体を乾燥する工程と、乾燥後に空気を遮断した状態で焼成する工程と、焼成後に冷却して触媒とする工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の第７の手段は、一対の電極と、その電極の間に設置された脱臭用触媒と、少なくとも一方の電極と脱臭用触媒の間に介在された誘電体と、前記一対の電極間に給電する電源部を備え、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭装置において、前記脱臭用触媒が少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素を含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜４０重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の第８の手段は、一対の電極と、その電極の間に設置された脱臭用触媒と、少なくとも一方の電極と脱臭用触媒の間に介在された誘電体と、前記一対の電極間に給電する電源部を備え、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭装置において、前記脱臭用触媒が少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化マグネシウムが３〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の第９の手段は、一対の電極と、その電極の間に設置された脱臭用触媒と、少なくとも一方の電極と脱臭用触媒の間に介在された誘電体と、前記一対の電極間に給電する電源部を備え、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭装置において、前記脱臭用触媒が少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１５重量％であることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第１０の手段は、前記第７の手段ないし第９の手段のいずれかにおいて、前記脱臭用触媒に供給する前記気体中の水分を除去するヒータなどの除湿手段が設けられていることを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は実施形態に係る脱臭装置の概略構成図、図２（ａ），（ｂ）はその脱臭装置に用いる触媒カートリッジの横断面図と縦断面図である。
【００１８】
図１に示すように例えばステンレス鋼などの金属製のハウジング１に、未処理の臭気ガス２２を導入する導入口２と、浄化した無臭ガス２３を排出する排出口３が設けられている。ハウジング１の内側空間部４に、触媒カートリッジ５が図に示すように設置されている。
【００１９】
触媒カートリッジ５は図２（ａ），（ｂ）に示すように、カートリッジケース６と、外側放電電極７と、誘電体８と、内側放電電極９と、上流側支持体１０と、下流側支持体１１と、脱臭用触媒１２とから構成されている。
【００２０】
前記カートリッジケース６、例えばセラミックなどの断熱性と電気絶縁性を有する材料で円筒状に形成され、ハウジング１の内面に接するように配置される。前記外側放電電極７は、例えばステンレス鋼などの金網、金属平板、多孔金属平板、エキスパンデットメタルなどからなり、カートリッジケース６の内面の全周に沿って設置され、その端部がハウジング１に接続されている。
【００２１】
前記誘電体８は、例えば耐熱性ガラスやセラミックなどからなり円筒状に形成され、外側放電電極７の内面に沿って設置されている。前記内側放電電極９は、例えばステンレス鋼などの金網、多孔金属平板、エキスパンデットメタルなどからなり通気性を有し、誘電体８の内側に所定の間隔をおいて配置され、それの両端部が外側に折り曲げられて誘電体８に内接するように加工されている。
【００２２】
前記外側放電電極７と内側放電電極９によって形成される円筒状の空間内に、ランダムな状態あるいは整列した状態で触媒１２が充填される。触媒１２としては、直径が約８〜１２ｍｍの粒状触媒、一辺が約８〜１５ｍｍの三角形あるいは四角形または直径が約８〜１５ｍｍの円形の断面を有する長さが約２５〜５０ｍｍの棒状触媒が用いられる。棒状触媒は若干捩じれた棒状のものでも構わない。また、板状触媒、湾曲などにより変形した板状触媒、短管状触媒など他の形状の触媒でも構わない。
【００２３】
なお、触媒の直径あるいは辺長は必ずしも前記の長さに制限されるものではなく、約８ｍｍ以下のものを使用することも可能である。また棒状触媒も必ずしも前記の長さに制限されるものではない。
【００２４】
前記上流側支持体１０と下流側支持体１１は例えばセラミックで構成され、断面形状がＬ字形で、全体的に円筒状に成形されて、誘電体８の内面に配置され、上流側支持体１０と下流側支持体１１で内側放電電極９の両端部と触媒１２層を挟持した状態になっている。
【００２５】
図１に示すようにハウジング１の一方の端面に電極棒挿入孔１３が設けられ、チタン合金またはステンレス鋼からなる電極棒１４が挿入され、電極棒１４を碍子１５で固定している。電極棒１４の先端部は内側放電電極９に接続され、外側放電電極７はハウジング１に取り付けられた端子１８に接続され、電極棒８と端子１８の間に電源部１６が接続されている。
【００２６】
電源部１６は図示していないが、高周波インバータを内蔵し、定電流放電制御手段と電流切替え手段を内蔵している。この電源部１６の接続により、内側放電電極９はプラス側の放電電極、外側放電電極７がマイナス側の放電電極となり、両電極７，９間に誘電体８を介して触媒１２が設置された構造になっている。
【００２７】
１７は導入口２と対向するように設けられた傘状の拡散板で、矢印で示すようにガスを触媒１２側に案内する機能を有している。なお拡散板１７は平板状あるいは円筒状であったり、内側放電電極９と一体型にすることも可能である。
【００２８】
触媒１２層の内側を中空状にすることにより、背圧が高くなるのを抑制している。１９は触媒１２と排出口３の間に形成された滞留部で、脱臭反応の促進のために設けられている。
【００２９】
前記触媒１２として、次の３種類の組成のものが用いられる。
【００３０】
（第１の組成）
酸化ジルコニウム １０〜３４重量％
二酸化マンガン １５〜２５重量％
炭素 ２〜１５重量％
酸化カリウム １０〜１５重量％
二酸化ケイ素 １０〜４０重量％
炭化ケイ素 ５〜１５重量％
この組成の中で、特に酸化ジルコニウムを１５〜２０重量％、炭素を２〜５重量％含有したものが好ましい。
【００３１】
（第２の組成）
酸化ジルコニウム １０〜３４重量％
二酸化マンガン １５〜２５重量％
炭素 ２〜１５重量％
酸化カリウム １０〜１５重量％
二酸化ケイ素 １０〜２７重量％
炭化ケイ素 ５〜１５重量％
酸化マグネシウム ３〜１５重量％
この組成の中で、特に酸化ジルコニウムを１５〜２０重量％、炭素を２〜５重量％含有したものが好ましい。
【００３２】
（第３の組成）
酸化ジルコニウム １０〜３４重量％
二酸化マンガン １５〜２５重量％
炭素 ２〜１５重量％
酸化カリウム １０〜１５重量％
二酸化ケイ素 １０〜２７重量％
炭化ケイ素 ５〜１５重量％
酸化アルミニウム １〜１５重量％
この組成の中で、特に酸化ジルコニウムを１５〜２０重量％、炭素を２〜５重量％含有したものが好ましい。
【００３３】
これらの触媒はセラミック触媒で、炭素などを包摂した構造体を成している。前記組成の触媒で炭化ケイ素の含有率が１０重量％以下の場合、炭素の含有率を２２〜２７重量％にするのが好ましい。またこれらの触媒中に酸化ニッケルを適量添加することもできる。
【００３４】
酸化ジルコニウムの含有率が１０重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が急激に高くなり、一方、含有率が３４重量％を超えると特性が低下すると共に、含有量が多くなるほどコスト高になる傾向にある。従って酸化ジルコニウムの含有率は１０〜３４重量％、好ましくは１５〜２０重量％の範囲に規制する必要がある。
【００３５】
二酸化マンガンの含有率が１５重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、２５重量％を超えると特性がほぼ一定となり、添加効果がそれ以上得られない。従って二酸化マンガンの含有率は１５〜２５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００３６】
炭素の含有率が２重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って炭素の含有率は２〜１５重量％、好ましくは２〜５重量％の範囲に規制する必要がある。なお、炭素は、後述の電子なだれ現象を起き易くする機能を有している。
【００３７】
酸化カリウムの含有率が１０重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って酸化カリウムの含有率は１０〜１５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００３８】
二酸化ケイ素の含有率が１０重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、４０重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って二酸化ケイ素の含有率は１０〜４０重量％の範囲に規制する必要がある。
【００３９】
また触媒成分の組み合わせによっては、二酸化ケイ素の含有率は１０〜２７重量％の範囲に規制する必要がある。
【００４０】
炭化ケイ素の含有率が５重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って炭化ケイ素の含有率は５〜１５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００４１】
酸化マグネシウムの含有率が３重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って酸化マグネシウムの含有率は３〜１５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００４２】
酸化アルミニウムの含有率が１重量％以上になると臭気成分の酸化分解率が高くなり、一方、１５重量％を超えると特性が低下する傾向にある。従って酸化アルミニウムの含有率は１〜１５重量％の範囲に規制する必要がある。
【００４３】
本発明の触媒表面は定常状態では絶縁体であり、各原子間では電子の移動は行なわれないが、外部から電界を与えて一定の電荷が蓄積されると、各原子間で電子が移動し始め、次第に多量の電子移動が行なわれるようになり、電子なだれ現象を生じる。このとき触媒表面から電子が急激に奪われるため、触媒表面近傍の空間に存在する電子をも巻き込んで、電子なだれ現象を助長する。
【００４４】
触媒は電極としても機能し、隣接する触媒ペレット間の放電電極となる。また、触媒内の誘電体であるケイ酸塩や固定誘電体に接する炭素は、バリア放電電極としても機能し、その結果としてオゾンが効率的に発生する。さらに触媒内における炭素の濃度差部分では、キャパシター電極として機能し、その結果として局部的充電が起こり、消費電力の削減が図れる。
【００４５】
このように本発明に係る触媒は、電子供与体（酸化剤）と電子受容体（還元剤）の両方（しかも両極端）の機能を果たし、発生する強度の活性酸素により、例えばアンモニア類などの難分解の臭気成分をも比較的簡単に分解して無臭化することができる。本発明に係る触媒の酸化作用と還元作用の機能比率の調整は、例えば電界の強さ（電圧）や原材料の配合比率を変えることにより容易に可能である。
【００４６】
図３は、このような原理を説明するための図である。電源の直流成分は、放電電極７がマイナス、放電電極９がプラスになるように重畳され、臭気ガスの微粒子を帯電させ、触媒１２に吸着し易いように機能する。一方、電源の交流成分は、誘電体８を挟んだ触媒１２の表面でプラズマ放電２０を発生させる。なお、コロナ放電が成長して火花放電やアーク放電を起こすことがあるから、これを防止するために放電電極７と触媒１２層の間に誘電体８（バリア）を介在しており、いわゆるバリア放電が起こっており、このバリアのためにプラズマ放電２０は非平衡プラズマとなっている。
【００４７】
このプラズマ放電２０は、触媒１１を活性化させて臭気物質の分解を促進させる。また触媒１２のもつ電子親和作用により、触媒表面に蓄積した電子は一定の量に達すると隣合った触媒１２に放電するが、このとき周囲の電子をも巻き込んで電子なだれ現象を引起し、一時的に多量の電流を放電する。この結果臭気ガス中の多原子、分子が電子の衝突により解離して短寿命の遊離原子が酸化還元を行ない、酸素、二酸化炭素、水、窒素などの無臭化された安定分子に変化する。
【００４８】
また臭気ガス中の酸素化合物に含まれている酸素を用いて活性酸素を発生し、有機性臭気の成分粒子を酸化燃焼させる。本発明の触媒は、このような一連の酸化・還元反応を連続的にかつ安定に行なうことができる。
【００４９】
臭気ガス中に混在する塵埃などが触媒層中に付着し、炭化が促進された場合には、放電電流が大きくなり、ある値を超えると電源回路が低電圧に切り替わり、瞬時にアーク放電が始まる。即ち、触媒の導電性が高くなり、大電流が流れて前記炭化物質（煤）などを完全燃焼させるから、触媒層が炭化物質（煤）などで目詰りを生じることはない。放電電流が減ると電源回路が高電圧に切り替り、前述のプラズマ放電が再開される。
【００５０】
図４は、本発明の触媒の製造方法を説明するためのフローチャートである。各工程での内容の概略は次の通りである。
【００５１】
Ｓ１：原材料である酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、二酸化ケイ素、炭素、炭化ケイ素をそれぞれ３００〜４００メッシュに粉砕して、ケイ酸カリウム溶液と共に所定の割合で混合する。
【００５２】
Ｓ２：原材料に水を所定量混合して、混練する。
【００５３】
Ｓ３：粒状触媒の場合には、造粒機を使用して直径が８〜１２ｍｍの粒状に造粒成形する。
【００５４】
：棒状触媒の場合には、成形機を使用して直径が８〜１５ｍｍの円形、あるいは一辺が８〜１５ｍｍの三角形あるいは四角形の断面を有する長さが２５〜５０ｍｍの棒状に成形する。
【００５５】
Ｓ４：得られた触媒を常温下で２４時間以上自然乾燥させるか、または温風と熱風で強制乾燥する。
【００５６】
Ｓ５：電気炉で空気を遮断して３５０℃で３０分間加熱後、９００℃で１時間焼成する。
【００５７】
Ｓ６：室温まで自然冷却した後、電気炉より取り出して粒状触媒または棒状触媒
とする。
【００５８】
次に触媒の製造方法の実施例を説明する。
【００５９】
（Ｓ１：原材料の調整工程）
▲１▼．酸化ジルコニウム粉末 ２０ｋｇ
▲２▼．二酸化マンガン粉末 １８ｋｇ
▲３▼．二酸化ケイ素粉末 ２８ｋｇ
▲４▼．炭素粉末 １５ｋｇ
▲５▼．炭化ケイ素 ６ｋｇ
▲６▼．ケイ酸カリウム溶液 ６０ｋｇ
▲７▼．直径２ｍｍのアルミナ小球 １０ｋｇ
▲１▼〜▲７▼の合計重量は１５７ｋｇとなる。▲１▼〜▲５▼は３２５〜３５０メッシュの微粉末である。▲７▼は造粒用の中心核として使用する。
【００６０】
（Ｓ２：原材料の混練工程）
前記原材料を混練装置に投入し、水３０〜４０リッタを注入して、混練装置の攪拌回数を毎分１０〜１５回に設定し、４０〜５０分間混練する。
【００６１】
（Ｓ３−１：粒状触媒の造粒成形工程）
粒状触媒の造粒成形工程は、造粒装置にアルミナ小球を１ｋｇ投入し、毎分１０〜１５回の割合で回転駆動し、前記Ｓ２の混練が終了した原材料を毎分５００ｇの割合でその造粒装置に流し込む。アルミナ小球に原材料が付着して球径が徐々に大きくなり、外径が１０ｍｍに達したら造粒装置より取り出す。
【００６２】
（Ｓ３−２：棒状触媒の成形工程）
棒状触媒の成形工程は、前記Ｓ１でアルミナ小球を含まない混練が終了した原材料を所定の形状を有する金属または硬質樹脂からなる型枠内に充填して型締めし、３〜４時間後に型枠より取り外す。型枠は、個々の棒状触媒を同時に多数成形することができ、硬化乾燥した触媒が容易に取り外せる２枚合わせ型を使用する。
【００６３】
（Ｓ４：乾燥工程）
造粒済みまたは成形済みの原材料を常温下で２４時間以上自然乾燥させるか、または電気炉内において４０℃の温風で３０分間乾燥させ、次に９０℃の熱風で１時間強制乾燥させる。
【００６４】
（Ｓ５：焼成工程）
乾燥させた造粒済みまたは成形済み原料を電気炉（真空炉または無酸化炉）に入れ、３５０℃に昇温して３０分間維持し、その後９００℃まで昇温して１時間焼成する。
【００６５】
（Ｓ６：取出工程）
室温まで自然冷却した後、電気炉より取り出して粒状または棒状触媒とする。図５は、本発明に係る脱臭装置を生ごみ処理システムに適用する場合を示す概略構成図である。同図に示すように本発明に係る脱臭装置２１の上流側に、臭気ガスの発生源である生ごみ処理装置２４と、臭気ガスの湿度を下げるための簡易ヒータからなる除湿乾燥機２５が設置されている。臭気ガス中に含まれている水分は、脱臭装置２１内においてオゾンの生成を妨げる傾向にあるため、脱臭装置２１に供給する前に臭気ガス中の水分を前記除湿乾燥機２５で除去している。
【００６６】
脱臭装置２１の下流側に、生ごみ処理装置２４の容量規模に対応して、脱臭装置２１の内部における臭気成分の酸化還元反応を十分に促進することができる風量および風速になるように、無臭ガス２３を吸引排出するブロワー２７が設置されている。
【００６７】
ブロワー２７は、生ごみ処理装置２４の内部で行なわれる生ごみ処理反応速度に影響がなく、また、脱臭装置２１の内部を通過する臭気ガスの分解反応が十分可能な風量および風速を保つように調整されており、脱臭装置２１内の臭気ガスの風速は０．３ｍ／秒以下であることが望ましい。
【００６８】
脱臭装置２１の放電電極７，９間には電源部１６が接続されている。図６は電源回路図である。図中のＱはブロッキング発振用のトランジスタで、Ｒ１とＣ１による積分回路によりベース電流が供給される。トランジスタＱが導通すると発振トランスＰＴの１次側巻線Ｐにコレクタ電流が流れ、発振トランスＰＴの２次側巻線Ｓに高圧の出力電流が発生する。このとき帰還巻線ＦにトランジスタＱを逆バイアスする方向に制動電流が流れ、トランジスタＱは導通が遮断される。
【００６９】
以下、導通と遮断が繰り返され、発振トランスＰＴの２次側巻線Ｓに高電圧のパルス電流が発生する。図中のＣ４は出力のグランドを交流的に接地するコンデンサで、Ｒ２は帯電防止用の抵抗器、Ｄは発振トランスＰＴの電磁誘導作用を効果的にするための制動ダイオードである。
【００７０】
図７ないし図９は、触媒カートリッジ５の変形例を示す縦断面図である。なおこれらの図において内側放電電極９の形状を明確に表すため、触媒１２の一部を省略している。
【００７１】
図７に示す第１の変形例に係る触媒カートリッジ５の場合、縦断面形状が星形の内側放電電極９を使用し、各外側角部が誘電体８に内接しており、星形の内側放電電極９と誘電体８の間に触媒１２が充填されている。
【００７２】
図８に示す第２の変形例に係る触媒カートリッジ５の場合、縦断面形状が円形で数カ所誘電体８側に延びた延設部２８が設けられた内側放電電極９を使用し、各延設部２８が誘電体８に内接しており、円形の内側放電電極９と誘電体８の間に触媒１２が充填されている。
【００７３】
図９に示す第３の変形例に係る触媒カートリッジ５の場合、縦断面形状が三角形以上の多角形で数カ所誘電体８側に延びた金属平板からなる延設部２８が設けられた内側放電電極９を使用し、各延設部２８が誘電体８に内接しており、多角形の内側放電電極９と誘電体８の間に触媒１２が充填されている。
【００７４】
実施形態では脱臭触媒について説明したが、例えばディーゼル発電機の排気ガス、ボイラや焼却炉などの燃焼装置の燃焼ガス、工場や研究所などから排出されるガスの浄化，脱臭、あるいは微生物取扱施設でのバイオハザード防止、脱臭殺菌、難分解物質の無害化及び医療用装置など他の分野にも使用可能である。
【００７５】
【発明の効果】
図１０は、前記実施例ならびに各比較例における原料の配合、各原料を用いて製造した電極の成分組成ならびに各電極の放電状態の良否を示した図である。この図から明らかなように、本発明で規定している各成分の範囲より外れた成分組成を有する比較例１〜４の電極では放電状態が不良であるが、本発明の実施例に係る電極の放電状態は良好である。
【００７６】
図５に示すように生ごみ処理装置２４に脱臭装置２１を接続して脱臭官能試験を実施した。生ごみ処理装置２４は、アキツ精機株式会社製 ＭＹ−１５０型（商品名マイソイラー１５０型）を使用した。脱臭触媒は前記実施例で説明した棒状触媒１．０Ｋｇを内蔵、触媒カートリッジは直径９０ｍｍ、触媒層厚３０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、導入口と排出口径３０ｍｍ、電源部は電磁機械工業株式会社製 製品名「Ｇ９６型」高周波インバーター内蔵のものを使用した。出力電圧２０ＫＶ、周波数１６ＫＨｚ、出力６０Ｗ、電圧電源ＡＣ１００Ｖである。
【００７７】
この脱臭装置を連続運転させた際のオゾンの発生状態を図１１に示す。この図から明らかなように、本発明に係る脱臭装置の運転中におけるオゾンの発生状態が極めて安定して、ほぼ一定のオゾン濃度を維持している。
【００７８】
また、この脱臭装置に導入する前の未処理の排出ガスならびに脱臭装置で処理した後の処理ガスの臭気強度を６段階表示で図１２に示す。この図から明らかなように、生ごみ処理装置から発生する排出ガスは日によって臭気強度がまちまちであるが、この排出ガスを本発明に係る脱臭装置で処理することにより臭気強度を零にすることができ優れた脱臭効果を有している。
【００７９】
また本発明に係る脱臭装置を９０日間連続運転した際の性能の劣化状態を観察したところ、触媒性能の劣化はほとんどなく、優れた脱臭効果を維持しており、さらに触媒の減容および減量もなく耐用寿命に優れていることが確認できた。
【００８０】
前述のような組成を有する脱臭触媒ならびにそれを備えた脱臭装置は、優れた脱臭効果を長期間にわたって維持でき、しかも単位重量当たりの反応促進効果が高く、触媒毒がないためあらゆる気体脱臭に使用できる。また脱臭触媒の製造方法においては、触媒の製造が簡単であるなどの特長を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る脱臭装置の概略構成図である。
【図２】（ａ），（ｂ）はその脱臭装置に用いられる触媒カートリッジの横断面図ならびに縦断面図である。
【図３】プラズマ放電下での触媒の原理を説明するための図である。
【図４】本発明の実施形態に係る触媒の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係る脱臭装置を生ごみ処理システムに適用した場合を示す概略構成図である。
【図６】本発明の実施形態の脱臭装置に用いる電源部の回路図である。
【図７】触媒カートリッジの第１の変形例を示す縦断面図である。
【図８】触媒カートリッジの第２の変形例を示す縦断面図である。
【図９】触媒カートリッジの第３の変形例を示す縦断面図である。
【図１０】本発明の実施例ならびに各比較例における原料の配合、各原料を用いて製造した電極の成分組成ならびに各電極の放電状態の良否を示した図である。
【図１１】本発明の実施例に係る脱臭装置を連続運転させた際のオゾンの発生状態を示す図である。
【図１２】本発明の実施例に係る脱臭装置に導入する前の未処理の排出ガスならびに脱臭装置で処理した後の処理ガスの臭気強度を示す特性図である。
【符号の説明】
１：ハウジング、２：導入口、３：排出口、４：内側空間部、５：触媒カートリッジ、６：カートリッジケース、７：外側放電電極、８：誘電体、９：内側放電電極、１０：上流側支持体、１１：下流側支持体、１２：触媒、１３：電極棒挿入孔、１４：電極棒、１５：碍子、１６：電源部、１７：拡散板、１８：端子、１９：滞留部、２０：プラズマ放電、２１：脱臭装置、２２：臭気ガス、２３：無臭ガス、２４：生ごみ処理装置、２５：除湿乾燥機、２７：ブロワー、２８：延設部
Claims (10)
- プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒において、
少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素を含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜４０重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％であることを特徴とする脱臭用触媒。 - プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒において、
少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化マグネシウムが３〜１５重量％であることを特徴とする脱臭用触媒。 - プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒において、
少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１５重量％であることを特徴とする脱臭用触媒。 - プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒の製造方法において、
少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素を含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜４０重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％であるように各原材料粉末を配合して混合する工程と、
その混合した原材料に水を所定量添加して練成する工程と、
その混練物を所定の形状に成形する工程と、
得られた成形体を乾燥する工程と、
乾燥後に空気を遮断した状態で焼成する工程と、
焼成後に冷却して触媒とする工程とを含むことを特徴とする脱臭用触媒の製造方法。 - プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒の製造方法において、
少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムを含み、その組成割合が、少なくとも酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化マグネシウムが３〜１５重量％であるように各原材料粉末を配合して混合する工程と、
その混合した原材料に水を所定量添加して練成する工程と、
その混練物を所定の形状に成形する工程と、
得られた成形体を乾燥する工程と、
乾燥後に空気を遮断した状態で焼成する工程と、
焼成後に冷却して触媒とする工程とを含むことを特徴とする脱臭用触媒の製造方法。 - プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭用触媒の製造方法において、
少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１５重量％であるように各原材料粉末を配合して混合する工程と、
その混合した原材料に水を所定量添加して練成する工程と、
その混練物を所定の形状に成形する工程と、
得られた成形体を乾燥する工程と、
乾燥後に空気を遮断した状態で焼成する工程と、
焼成後に冷却して触媒とする工程とを含むことを特徴とする脱臭用触媒の製造方法。 - 一対の電極と、その電極の間に設置された脱臭用触媒と、少なくとも一方の電極と脱臭用触媒の間に介在された誘電体と、前記一対の電極間に給電する電源部を備え、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭装置において、
前記脱臭用触媒が少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素を含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜４０重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％であることを特徴とする脱臭装置。 - 一対の電極と、その電極の間に設置された脱臭用触媒と、少なくとも一方の電極と脱臭用触媒の間に介在された誘電体と、前記一対の電極間に給電する電源部を備え、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭装置において、
前記脱臭用触媒が少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化マグネシウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化マグネシウムが３〜１５重量％であることを特徴とする脱臭装置。 - 一対の電極と、その電極の間に設置された脱臭用触媒と、少なくとも一方の電極と脱臭用触媒の間に介在された誘電体と、前記一対の電極間
に給電する電源部を備え、プラズマ放電下で気体中の臭気成分を分解する脱臭装置において、
前記脱臭用触媒が少なくとも酸化ジルコニウム、二酸化マンガン、炭素、酸化カリウム、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムを含み、その組成割合が、酸化ジルコニウムが１０〜３４重量％、二酸化マンガンが１５〜２５重量％、炭素が２〜１５重量％、酸化カリウムが１０〜１５重量％、二酸化ケイ素が１０〜２７重量％、炭化ケイ素が５〜１５重量％、酸化アルミニウムが１〜１５重量％であることを特徴とする脱臭装置。 - 請求項７ないし請求項９のいずれか１項記載の脱臭装置において、
前記脱臭用触媒に供給する前記気体中の水分を除去する除湿手段が設けられていることを特徴とする脱臭装置。
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