JP3790395B2 - 空気浄化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル内の空気などを浄化するのに好適な、空気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から知られている通り、自動車道トンネル内の空気は、自動車から排出される排気ガス中の有害ガス、煤煙、自動車の走行に伴って生じるタイヤや道路アスファルトの磨耗粉塵などのサブミクロンオーダの浮遊微粒子で汚染されている。そこで、この汚染空気中の煤煙・微粒子を除去するために、帯電部および集じん部によって構成された二段式電気集じん装置を用いた空気浄化設備が実用化されている。
【０００３】
従来型の二段式電気集じん装置においては、粒子の帯電のみを考慮し、有害ガスの除去はあまり考慮されてこなかった。有害ガスを除去するためには、▲１▼放電によって生成されたラジカルと有害ガスとの間で放電化学反応を行わせる機構、および、▲２▼放電プラズマにより有害ガスの直接解離させる機構が必要である。このことから、ラジカルを多く生成すること、および、放電プラズマ領域を大きくすることが、有害ガス除去率の向上につながる。
【０００４】
また、従来型の二段式電気集じん装置において、浮遊粒子の帯電方式には、コロナ放電を用いるのが通常である。このコロナ放電は、一般に良く知られているように、放電空間が小さい。このため、ラジカルの生成量は少なく、また有害ガスの直接解離もほとんど生じない。よって、有害ガス除去率は非常に小さい値となる。
【０００５】
そこで、浮遊粒子と有害ガスを同時に除去する無声放電式電気集じん装置が提案されている。また、この無声放電式電気集じん装置を採用することで、殺菌・脱臭効果も期待できる。
【０００６】
図１は、無声放電式電気集じん装置の概略構成を示す。本装置は、帯電部１と集じん部２から構成されている。帯電部１は、誘電体３により被覆された金属電極４を備えている。すなわち、この帯電部１は平行平板電極構造を有しており、電極間には交流高電圧電源６によって電圧が印加され、無声放電８が発生する。このことにより、空気中の浮遊粒子９は帯電部１において帯電・集じんされるが、一部は排出される。
【０００７】
帯電部１より排出された帯電粒子１０は、帯電部１の下流側に設置された集じん部２で集じんされる。
【０００８】
より具体的に述べると、帯電部１の平行平板電極構造では、向かい合う電極４のうち少なくとも片方が誘電体で被覆されている。そして、電極間に交流高電圧を印加することによって、電極間に無声放電８が発生する。ここでいう無声放電とは、オゾナイザ放電または誘電バリア放電ともいわれる。また、集じん部２は対向配置された金属電極５を有しており、電極間には直流高電圧電源７が接続されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した通り、従来型の二段式電気集じん装置は、ナノメータ粒子に対しても集じん率が高く、かつ大流量処理に適してはいるが、ガス中の有害ガスは、ほとんど除去できない。
【００１０】
他方、図１に示した無声放電式電気集じん装置を用いることによれば、浮遊粒子と有害ガスの同時除去が可能となるが、さらに高効率に有害ガスを除去する装置が望まれている。しかも、この無声放電式電気集じん装置は、現在のところ、流速の増加に対して性能が低下するといった解決すべき課題が残されている。
【００１１】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、様々な運転状況下でも単に浮遊粒子を除去するだけでなく、有毒ガスについての除去率およびエネルギー効率をより向上させた空気浄化装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る空気浄化装置は、無声放電式の空気浄化装置において、無声放電電極の一方にチタン電極を用い、このチタン電極の表面全体が放電空間内に置かれ、表面全体に放電により光触媒である酸化チタンが形成されるように、前記チタン電極と他方の無声放電電極を対向配置したものである。また、前記無声放電電極の他方に、光触媒性誘電体を被覆した金属電極を用いることも可能である。
【００１３】
その他の本発明は、無声放電式の空気浄化装置において、正極性および負極性のチタン電極間に誘電体を挿入する。ここで、前記誘電体として光触媒性誘電体を用いることも可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１５】
実施の形態１
図２は、本発明を適用した無声放電式電気集じん装置の帯電部を示す。なお、図示しない集じん部は、従来例として図１に示した集じん部２と同様の構造を有しているので、説明は省略する。
【００１６】
図２において、４は金属電極、６は交流高電圧電源、１１はチタン電極、１２は金属電極４の全体を被覆している光触媒性誘電体である。ここで、光触媒性誘電体とは、Ｔ_iＯ₂，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＳｉＣなどの光触媒（＝半導体）をバインダ（＝誘電体）中に混入させ、全体として、光触媒の特性を有するようにした誘電体である。また、２１は本実施の形態による帯電部全体を示す。
【００１７】
図２に示すように、チタン電極１１を用いた無声放電式帯電部２１は平行平板電極構造を有する。すなわち、向かい合う両電極のうち、一方の金属電極４は光触媒性誘電体１２で被覆され、他方の金属電極の材質としてチタンを用いる。
【００１８】
電極間には交流高電圧を課電し、無声放電を発生させ、ガスを流通させる。このガス中には酸素が含まれているので、無声放電によってオゾン、活性酸素原子および分子が生成される。このオゾン、活性酸素原子および分子によって、チタン電極１１は酸化され、チタン電極表面には光触媒である酸化チタン（ＴｉＯ₂）が形成される。この形成された酸化チタンは、放電によってスパッタリングされるが、再び電極表面には新たな酸化チタンが形成される。
【００１９】
このことにより、チタン電極１１も、光触媒性誘電体１２を被覆してある金属電極４と同様、光触媒電極としての機能を果たす。その結果として、チタン電極１１の表面に形成された酸化チタン（＝光触媒）および光触媒性誘電体１２による光触媒効果と、無声放電による放電化学反応とによって、処理ガス中の有害物質が除去される（後に、図５を参照して詳述する）。
【００２０】
ここで、上記チタン電極を用いた理由は、
▲１▼無声放電に伴なって、光触媒である酸化チタンが電極表面に形成される：
▲２▼酸化チタンは安全な物質として広く知られている：
からである。
【００２１】
図３は、無声放電電極の構造を示す。無声放電電極は、金属電極４と２枚の光触媒性誘電体１２から構成されており、金属電極４は光触媒性誘電体１２によって挟まれている。なお、無声放電電極は、金属電極４が光触媒性誘電体１２で完全に被覆されて金属電極４と光触媒性誘電体１２との間に空隙等が存在しないことが必要であり、被覆形態は問わない。誘電体の厚さは、電圧印加時および無声放電発生時における電気的ストレスや電界強度に耐える程度が必要である。
【００２２】
無声放電式帯電部における印加電圧は交流高電圧とし、その電圧値は電極間隔長により異なる。例えば、図２に示した帯電部において、金属（銅）電極の厚さ０．０５ｍｍ、誘電体１枚の厚さ０．５ｍｍ（図３参照）、電極間隔５．５ｍｍ、電源周波数５０Ｈｚの場合、放電開始電圧は約１１．５ｋＶである。一般に、同一電極構造において、電圧値が高いほど集じん率および有害ガス除去率は高くなる。また、電源周波数は、特に限定されず、周波数が高くなるほど電極長を短くすることができる等のメリットがある。
【００２３】
図４は、本実施の形態１を具体化した実際の帯電部電極構造（試作機）を示す。電極の寸法は本図に示す通りである。この電極構造において、放電開始電圧は約１１．５ｋＶ、電源周波数は５０Ｈｚである。しかし、電極構造・印加電圧あるいは誘電体の種類などいずれの項目においても、この例に限定されるものではない。例えば、電極間隔長を２倍にした場合には、印加電圧も２倍にする。また、印加電圧を大きくすれば、集じん率および有毒ガス除去率が向上する。
【００２４】
図５は、放電空間および電極表面におけるＮＯｘ除去プロセスを示す。すなわち、本図の（Ａ）は無声放電電極の表面が光触媒性誘電体でない場合、（Ｂ）は２つの無声放電電極の表面が光触媒性誘電体である場合、のＮＯｘ除去プロセスを示す。
【００２５】
図５の（Ａ）に示すように、窒素、酸素、水分、ＮＯｘが主に存在するガスを、無声放電空間を通過させると、放電化学反応によってＮＯｘは硝酸などに変化する。また、放電によって、励起窒素、励起酸素等の活性種や光が発生する。しかし、その大部分は熱に変換されて放出される。すなわち、ＮＯｘの除去の大部分は、放電空間で行われる。
【００２６】
一方、図５の（Ｂ）に示すように、誘電体が光触媒性の場合、その誘電体は無声放電によって発生した活性種および光と反応し、誘電体内で電子が励起されて正孔が発生する。このため、ガス中の酸素および水分が誘電体表面で反応し、活性酸素種を生成する。ＮＯｘがこの活性酸素種と反応することによって、硝酸が生成され除去される。
【００２７】
すなわち、光触媒効果によって、主に熱として放出していたエネルギーを有効にＮＯｘ除去に利用することができる。
【００２８】
実施の形態２
図６は、本発明を適用した第２の実施の形態を示す。上記の実施の形態１と同様、無声放電式電気集じん装置の帯電部のみを示す。すなわち、図示しない集じん部は、従来例として図１に示した集じん部２と同様の構造を有しているので、説明は省略する。
【００２９】
図６において、１１はチタン電極、１２は光触媒性誘電体、３１は本実施の形態による帯電部全体を示す。本図に示すように、両側金属電極型無声放電式帯電部３１は平行平板電極構造であり、向かい合う金属電極間に光触媒性誘電体１２が存在する。２つの金属電極の材質としては、上述した実施の形態１と同じ理由から、チタンを用いる。そして、金属電極間には交流高電圧を課電し、放電を発生させてガスを流通する。
【００３０】
チタン電極間には光触媒性誘電体１２が存在するため、発生する放電形態は無声放電である。流通ガス中の有害ガスは、先に述べた実施の形態１の場合と同様に、無声放電による放電化学反応および光触媒効果によって除去される。
【００３１】
図７は、本実施の形態２を具体化した実際の帯電部電極構造（試作機）を示す。電極の寸法は本図に示す通りである。この電極構造において、放電開始電圧は約１１．５ｋＶ、電源周波数は５０Ｈｚである。しかし、電極構造・印加電圧あるいは誘電体の種類などいずれの項目においても、この例に限定されるものではない。例えば、電極間隔長を２倍にした場合には、印加電圧も２倍にする。また、印加電圧を大きくすれば、集じん率および有毒ガス除去率が向上する。
【００３２】
本実施の形態２の電極構造によれば、実施の形態１として図２に示した電極構造に比べて光触媒効果の有効面積を２倍にすることができるので、よりエネルギー効率および有害ガス除去率の向上が可能となる。
【００３３】
実施の形態３
上述した図２，図３，図４では光触媒性誘電体１２を用いたが、光触媒でないガラス・セラミック等の通常の誘電体を用いることも可能である。但し、通常の誘電体を用いた場合には、無声放電を生じさせることは可能であっても、既述の光触媒効果による有毒ガス除去は行われない。したがって、図２に示した実施の形態１と比べて、光触媒効果の有効面積は１／２になる。換言すると、図５の（Ｂ）に示した反応は、チタン電極１１の酸化チタン上でのみ行われることになる。
【００３４】
実施の形態４
上述した図６，図７では光触媒性誘電体１２を用いたが、光触媒でないガラス・セラミック等の通常の誘電体を用いることも可能である。上記実施の形態３と同様、通常の誘電体を用いた場合には、無声放電を生じさせることは可能であっても、既述の光触媒効果による有毒ガス除去は行われない。したがって、図６に示した実施の形態２と比べて、光触媒効果の有効面積は１／２になる。換言すると、図５の（Ｂ）に示した反応は、チタン電極１１の酸化チタン上でのみ行われることになる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、様々な運転状況下でも単に浮遊粒子を除去するだけでなく、有毒ガスについての除去率およびエネルギー効率をより向上させた空気浄化装置を実現することができる。すなわち、本発明によれば、無声放電に伴って発生する紫外線および活性種のエネルギーを光触媒電極表面に蓄積することによって、ガス中の有害物質除去のエネルギー効率および除去率の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的な無声放電式電気集じん装置を示す構成図である。
【図２】実施の形態１における無声放電式電気集じん装置の帯電部を示す図である。
【図３】実施の形態１における無声放電式電気集じん装置の無声放電電極構造を示す図である。
【図４】本実施の形態１を具体化した実際の帯電部電極構造（試作機）を示す図である。
【図５】放電空間および電極表面におけるＮＯｘ除去プロセスを示す図である。
【図６】実施の形態２における無声放電式電気集じん装置の帯電部を示す図である。
【図７】本実施の形態１を具体化した実際の帯電部電極構造（試作機）を示す図である。
【符号の説明】
１ 帯電部
２ 集じん部
３ 誘電体
４ 金属電極
５ 金属電極
６ 交流高電圧電源
７ 直流高電圧電源
８ 無声放電
９ 浮遊粒子
１０ 帯電粒子
１１ チタン電極
１２ 光触媒性誘電体
２１ 帯電部
３１ 帯電部

Claims (4)

1. 無声放電式の空気浄化装置において、
   無声放電電極の一方にチタン電極を用い、このチタン電極の表面全体が放電空間内に置かれ、表面全体に放電により光触媒である酸化チタンが形成されるように、前記チタン電極と他方の無声放電電極を対向配置したことを特徴とする空気浄化装置。
2. 請求項１に記載の空気浄化装置において、
   前記無声放電電極の他方に、光触媒性誘電体を被覆した金属電極を用いることを特徴とする空気浄化装置。
3. 請求項１に記載の空気浄化装置において、
   正極性および負極性のチタン電極間に誘電体を挿入することを特徴とする空気浄化装置。
4. 請求項３に記載の空気浄化装置において、
   前記誘電体として光触媒性誘電体を用いることを特徴とする空気浄化装置。

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