JP4334004B2 - プラズマ放電リアクターおよびガス処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマによって処理対象物質を含有する被処理ガスを処理するためのプラズマ放電リアクターおよびガス処理装置に関する。

近年、揮発性化合物等を含有するガスによる大気汚染、人体への影響が注目されている。そうした揮発性化合物等を含有する被処理ガスを処理する技術が数多く提案されている中で、プラズマ放電、特に非平衡プラズマ放電によって揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ）等のガスを処理する技術に基づいたガス処理方法およびガス処理装置が提案されている。

このような従来のガス処理装置としては、電極間に配置される誘電体に、吸着材や触媒が被覆されてなるプラズマ放電リアクターを備える構成が開示されている（特許文献１，２参照。）。特許文献２の段落番号［００１０］には、ハニカム触媒は、誘電体による基材またはセラミック等の基材に誘電体を均等に添着させたものに、触媒や吸着剤を添着させたものであることが開示されている。さらに、この特許文献２の段落番号［００１３］には、放電電極とハニカム触媒、ハニカム触媒と対向電極の間は数ｍｍ〜数ｃｍの空間を持ってもよいが、近接または接触または貫入させてもよい、と記載されている。
特開２００２−１５３７４９号公報 特開２００４−１１３７０４号公報

しかしながら、上述した従来のガス処理装置が備えるプラズマ放電リアクターでは、電極とハニカム触媒が接触する場合において、接触している部分に吸着剤が添着されておらず、ハニカム触媒が露出しているという記載はない。さらに、上述した特許文献には、電極とハニカム触媒が接触する場合においてハニカム触媒を露出させる構成にするということに想到し得る記載もない。そのため、従来のプラズマ放電リアクターは、電極とハニカム触媒が接触する場合、ハニカム触媒に添着した吸着剤に吸収された水分によって電極と誘電体との間で火花放電が発生する可能性がある。さらにこれによって、誘電体が劣化する、あるいは処理能力が低下とするといった問題があった。

そこで、本発明は、電極と誘電体との間で発生する火花放電を抑制し、誘電体の劣化あるいは処理能力の低下を抑制できるプラズマ放電リアクターおよびガス処理装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明のプラズマ放電リアクターは、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、且つ少なくともいずれか一方の前記電極と当接している誘電体と、を有し、前記誘電体は、被処理ガスを通過させる内部を有し、前記誘電体の前記内部で前記被処理ガスに含有される処理対象物質を処理するプラズマ放電リアクターにおいて、前記誘電体の外面と前記誘電体の前記内部を構成する壁面は共に前記処理対象物質を吸着する吸着材で被覆され、前記誘電体における、前記少なくとも一方の電極と当接している当接部は、前記誘電体自体が露出している。

上述したように、本発明によれば、電極に当接する誘電体の当接部は、誘電体自体が露出し吸着材で被覆されていないので、誘電体の当接部に水分が吸着されるのを抑制することができる。このことによって、電極と誘電体との間において火花放電の発生を抑制し、誘電体の劣化あるいは処理能力の低下を抑制できる。

本発明に係るプラズマ放電リアクターは、例えば揮発性有機化合物、あるいは臭気成分等を含むガスを処理する装置であり、例えば工場、研究施設、ホテル、病院、家屋などの施設において利用することができる。本発明に係るプラズマ放電リアクターは、第１の電極と第２の電極との間において発生する放電によって、吸着材に吸着した処理対象物質を処理することができる。

本発明に係るプラズマ放電リアクターにおいて、誘電体は第１の電極と第２の電極の少なくとも一方の電極と当接している。誘電体と電極とが当接することによって放電を安定させることができる。

誘電体は、例えばセラミック等の物質からなっていて、その内部を処理対象物質が通過できるようになっている。内部を処理対象物質が通過できるものとして、例えば３次元網目構造、ハニカム構造或いはコルゲート構造になっているものがある。そして、誘電体の外面と、誘電体の内部を構成する壁面は共に吸着材で被覆されている。処理対象物質は電極間に配置された誘電体の内部を通過する際に吸着材に吸着され、電極間に発生した放電によって処理される。外面とは、誘電体の面のうち少なくとも電極と接する面のことである。

そして、誘電体における、電極と当接している当接部は、誘電体自体が露出している。つまり、誘電体は、吸着材を介さずに直接電極と当接しており、誘電体は電極と当接している当接部において吸着材で被覆されていないので、水分が吸着されるのを抑制することができる。このことによって、この電極と誘電体との間において火花放電の発生を抑制し、誘電体の劣化あるいは処理能力の低下を抑制できる。

本実施の形態に係るプラズマ放電リアクターとしては、カートリッジタイプの構成が挙げられる。これは、ガス処理装置の装着部に対して着脱自在に構成されたプラズマ放電リアクターを指している。ガス処理装置は、カートリッジタイプであるプラズマ放電リアクターが装着される装着部を少なくとも備えているガス処理装置である。カートリッジタイプとすることで、必要に応じてプラズマ放電リアクターを容易に交換することが可能にされている。

もちろん本発明に係るプラズマ放電リアクターは、上述のカートリッジタイプでなくてもよく、ガス処理装置に交換困難に搭載されている構成でもよい。この構成の場合でも同様に、ガス処理装置は、プラズマ放電リアクターが装着される装着部を有している。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明するが、本発明は本実施の形態に限るものではない。

（第１の実施の形態）
本実施の形態に係るプラズマ放電リアクターは、処理対象物質を含有している被処理ガスをプラズマによってガス処理（プラズマ処理）するカートリッジであって、電極と当接している部分において、誘電体自体が露出している誘電体を備えている。

つまり、当接部において誘電体には吸着材が被覆されていないので、電極と誘電体との間で発生している火花放電を抑制し、誘電体の劣化あるいは処理能力の低下を抑制できる。

ここで処理対象物質としては、例えば、揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ）、窒素酸化物、臭気物質等が挙げられるが、これらの物質に限定されず、あらゆるガス状物質を対象としている。

以下、本実施の形態に係るプラズマ放電リアクターについて、図面を参照して説明する。図１に、本実施の形態に係るガス処理としてプラズマ放電リアクターの断面図を示す。

図１に示すように、本実施の形態のプラズマ放電リアクター１は、処理対象物質を含有している被処理ガスを処理するカートリッジであって、被処理ガスのプラズマ処理を行うための反応容器７を備えている。この反応容器７には、被処理ガスが導入される導入口８と、プラズマ処理された処理ガスが排気される排気口９とが対向する位置にそれぞれ設けられている。

また、このプラズマ放電リアクター１は、第１の電極である複数の接地電極４と、この接地電極４に対して空間を隔てて配置された第２の電極である複数の高電圧印加電極２と、を備えている。そして、プラズマ放電リアクター１は、被処理ガスに含有された処理対象物質を吸着する吸着材１３で被覆された誘電体５と、高電圧印加電極２と接地電極４との間に電圧を供給する電源部６とを備えている。接地電極４および高電圧印加電極２は電源部６に接続配線を介して電気的に接続されている。

誘電体５は、図１に示すように、第１の電極である接地電極４と当接していて、第２の電極である高電圧印加電極２と離間している。そして、誘電体５はその内部を処理対象物質が通過できるように構成されている。本実施の形態では、誘電体５は、図２に示すように、３次元網目構造をなしているが、例えばハニカム構造あるいはコルゲート構造をなしているものでもよい。このような構造にすることによって、誘電体５の表面積が大きくなり、誘電体５の上に吸着材１３が被覆される面積が大きくなる。吸着材１３は、図２に示すように、誘電体５の外面および内部を含めた３次元網目構造全体に被覆されている。ここで、誘電体とは、比誘電率が１０〜５００の範囲にある物質を指している。

さらに必要であれば、図２に示すように、誘電体５の上には、強誘電体材料１２が被覆されていて、さらにその上に吸着材１３が被覆されていてもよい。強誘電体材料１２は、誘電体５を被覆しても被覆しなくてもよいが、誘電体５が強誘電体材料１２で被覆されていることによって、放電電圧を低下させ、安定した放電を得ることができる。ここで、強誘電体材料とは、比誘電率が１６００〜１００００の範囲にある材料を指している。

吸着材１３で誘電体５を被覆するには、例えば吸着材１３を含む溶液中に誘電体５を浸漬させ、誘電体５に吸着材１３を添着させた後に溶液中から取り出して乾燥させることが考えられる。

誘電体５の当接部１１ａにおいて吸着材１３で被覆されてはおらず、誘電体５自体が露出している。つまり、当接部１１ａには、吸着材１３が被覆されていないので、当接部１１ａには水分が吸着されにくくなる。このような当接部１１ａにおいて誘電体５自体が露出している誘電体を得るためには、一旦誘電体５の上に吸着材１３を被覆させた後に、被覆させた吸着材１３を除去することが考えられる。吸着材１３を除去する方法として、例えば研磨することが考えられる。なお、吸着材１３を除去する際に、強誘電体材料１２は吸着材１３と共に除去されてもよいし、されなくてもよい。

接地電極４は、ロッド形状の電極であり、且つ互いに離間して配置された複数の電極であることが好ましい。こうすることによって、被処理ガスの通過が容易になる。さらに、複数の電極のうちで各ロッド形状の電極は互いに平行に配置されていることが好ましい。こうすることによって、放電の分布がより均一になり、処理効率が向上する。また、同様の理由により、高電圧印加電極２もロッド形状の電極であり且つ互いに離間して配置された複数の電極であることが好ましく、さらには複数の電極が平行に配置されていることが好ましい。

さらに、接地電極４は、接地電極４の長尺方向に対して交差する方向の断面の輪郭が湾曲した形状であることが好ましい。こうすることによって火花放電が起こりにくくなり、被処理ガスの処理を良好に行うことができる。より好ましくは、接地電極４の断面形状は円形である。これと同様の理由により、高電圧印加電極２も高電圧印加電極２の長尺方向に対して交差する方向の断面の輪郭が湾曲した形状であることが好ましく、断面形状が円形であることがより好ましい。

さらに、ロッド形状の接地電極４の長尺方向とロッド形状の高電圧印加電極２の長尺方向とは互いに交差する方向に配置されていることが好ましい。接地電極４と高電圧印加電極２の交差する領域では放電が起こりやすくなるため、良好に被処理ガスの処理を行うことができる。

また、接地電極４は、外周部が被覆材で被覆されておらず、いわゆる裸電極として露出した構成になっていることが好ましい。電極を裸電極にすることによって、放電をより一層低電圧で行うことができる。

高電圧印加電極２は、外周部が例えばセラミック材などの誘電体が円筒状に形成されたバリヤ材３で被覆されていることが好ましい。電極にバリヤ材３を被覆することによって放電による熱の発生を抑制することができ、良好に被処理ガスの処理を行うことができる。

なお、高電圧印加電極２および接地電極４は、例えばワイヤー状やメッシュ状等の他の形状に形成されても良い。また、高電圧印加電極２と接地電極４は、上述した配置と逆に配置されても良く、バリヤ材３で被覆された接地電極と、被覆されていない裸電極としての高電圧印加電極とを備える構成でも良く、この構成の場合、誘電体の表面に設けられる強誘電体材料および吸着材は、高電圧印加電極に当接される当接面以外に被覆されている。

また、本実施の形態のプラズマ放電リアクターでは、バリヤ材で被覆された高電圧印加電極２と誘電体５とが離間している構成が採られたが、離間しているか否かは特に問わず、バリヤ材で被覆された高電圧印加電極２と誘電体５とが当接する構成にしても良い。

以上のように構成されたプラズマ放電リアクター１について、処理対象物質を含有している被処理ガスを処理する動作を説明する。

プラズマ放電リアクター１では、バリヤ材３で被覆された高電圧印加電極２に、電源部６によって電圧を印加することで、高電圧印加電極２と接地電極４との間に、誘電体５を介して非平衡プラズマが発生する。被処理ガスａは、導入口８から反応容器７内に導入されて、誘電体５を通過する間に処理され、排気口９から処理ガスｂとして系外へ排出される。

上述したように、プラズマ放電リアクター１によれば、誘電体５が、接地電極４に当接される当接面１１ａのみが吸着材１３で被覆されていないことで、接地電極４と誘電体５の当接面１１ａとの間で発生している火花放電を抑制し、かつ放電以外の有効電流を抑制することによる処理能力の向上、および電力の抑制を図ることができる。

以下、上述した誘電体５と異なる他の誘電体を備える他の実施の形態のプラズマ放電リアクターについて説明する。なお、他の実施の形態において、上述した実施の形態と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

（第２の実施の形態）
本実施の形態に係るプラズマ放電リアクターは、図３に示す誘電体が用いられる。

図３に示すように、誘電体１５の上には、強誘電体材料１２が被覆され、さらに強誘電体材料１２の上に触媒担持吸着材１４が被覆されている。それ以外の構成は、上述の第１の実施の形態と同様である。本実施の形態のように、誘電体１５に、触媒を担持させた触媒担持吸着材１４を被覆することによって、被処理ガスの処理能力をより向上させることができる。

以上のような基本構成であるプラズマ放電リアクター１は、ガス処理装置が有する装着部に対して着脱可能に構成され、ガス処理装置の装着部に装着された状態でプラズマ放電リアクター１として使用されるカートリッジとして構成されてもよい。

また、本実施の形態のガス処理装置は、図示しないが、上述のプラズマ放電リアクター１が着脱可能に装着される装着部を備えている。このガス処理装置は、装着部にカートリッジタイプのプラズマ放電リアクター１が装着された状態で、プラズマ放電リアクター１によってプラズマ処理を行う。また、ガス処理装置は、内部に上述したプラズマ放電リアクター１が組み付けられる構成にされてもよい。

本発明の効果を以下に示す実施例および参考例により具体的に説明するが、本発明は実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１では、図２に示したように、強誘電体材料１２がセラミックからなる誘電体５の上に被覆され、さらに吸着材１３が強誘電体材料１２の上に被覆されている。さらに、この誘電体５は、裸電極である接地電極４に当接する当接部１１ａにおいて露出している。

図１に示したプラズマ放電リアクター１を用いて、処理対象物質の処理率を求めた。高電圧印加電極２、接地電極４としては、直径φ１ｍｍのロッド棒を使用した。バリヤ材３としては、アルミナによって内径１ｍｍ、外径３ｍｍの筒状に形成したものを使用した。

誘電体５は、セラミックとしてアルミナが用いられ、体積２ｃｍ³、厚さ５ｍｍの３次元網目構造をなす誘電体５を有している。誘電体５の上に、強誘電体材料１２として０．２ｇのＢａＴｉＯ₃が被覆され、さらに強誘電体材料１２の上に吸着材１３として０．４ｇの疎水性ゼオライトが被覆されている。ここで用いた疎水性ゼオライトは、ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃モル比が１０００以上のゼオライトである。このように誘電体５に強誘電体材料１２及び吸着材１３が被覆されたものにおいて、当接部１１ａを含む面全体を研磨して強誘電体材料１２及び吸着体１３を除去した。つまり、当接部１１ａにおいて、誘電体５は露出していて、強誘電体材料１２及び吸着材１３は被覆されていない。

被処理ガスａとしては、５ｐｐｍのＮＨ₃を含有するＡｉｒ（通常の窒素と酸素を主成分とする空気）ベースガスを用い、流速２０Ｌ／ｍｉｎで反応容器７内に流入させた。次いで、高電圧印加電極２と接地電極４との間に、電源部６よって電圧を印加してプラズマ放電を生起させて、Ａｉｒベースガスのプラズマ処理を行った。このときの電力は１．４Ｗとした。

図４に、本実施例のプラズマ放電リアクター１から排出された処理ガスｂを検知管によって測定した結果を示す。なお、図４において、曲線Ｌ₁が実施例１、曲線Ｌ₂が実施例２、曲線Ｃ₁が比較例１、曲線Ｃ₂が比較例２をそれぞれ示している。図４中の曲線Ｌ₁で示すように、本実施例では、放電時間が９０ｍｉｎ経過後の処理率が６０％であった。

（実施例２）
実施例２では、図３に示したように、強誘電体材料１２がセラミックからなる誘電体１５の上に被覆され、さらに触媒担持吸着材１４が強誘電体材料１２の上に被覆されている。さらに、この誘電体１５は、裸電極である接地電極４に当接する当接部１１ａにおいて露出している。

誘電体１５は、セラミックとしてアルミナが用いられ、体積２ｃｍ³、厚さ５ｍｍの３次元網目構造をなす誘電体５を有している。誘電体５の上に、強誘電体材料１２として０．２ｇのＢａＴｉＯ₃が被覆され、さらに強誘電体材料１２の上に触媒担持吸着材１４としてＡｇが１ｗｔ％担持された０．４ｇの疎水性ゼオライトが被覆されている。このように誘電体５に強誘電体材料１２及び触媒担持吸着材１４が被覆されたものにおいて、当接部１１ａを含む面全体を研磨して強誘電体材料１２及び触媒担持吸着体１４を除去した。つまり、当接部１１ａにおいて、誘電体１５は露出していて、強誘電体材料１２及び触媒担持吸着材１４は被覆されていない。それ以外の構成および条件は、上述の実施例１と同一である。

図４に、プラズマ放電リアクター１から排出された処理ガスｂを検知管によって測定した結果を示す。図４中の曲線Ｌ₂で示すように、本実施例２は、放電時間が９０ｍｉｎ経過後の処理率が８０％であった。

（比較例１）
比較例１では、セラミックからなる誘電体５の全面に亘って強誘電体材料１２が被覆され、さらにこの強誘電体材料１２の表面に吸着材１３が被覆されてなる誘電体２５を使用した。

誘電体２５は、セラミックとしてアルミナが用いられ、体積２ｃｍ³、厚さ５ｍｍの３次元網目構造をなす誘電体５を有している。強誘電体材料１２として、０．３ｇのＢａＴｉＯ₃を誘電体５の全面に亘って被覆し、さらに強誘電体材料１２の表面に、吸着材１３として０．６ｇの疎水性ゼオライトを被覆した。この誘電体２５は当接部１１ａも、強誘電体材料１２及び吸着材１３で被覆されている。それ以外は、上述の実施例１と同一である。

図４に、プラズマ放電リアクター１から排出された処理ガスｂを検知管によって測定した結果を示す。図４中の曲線Ｃ₁で示すように、本比較例１では、放電時間が９０ｍｉｎ経過後の処理率が３０％であった。

（比較例２）
比較例２は、誘電体として、セラミックからなる誘電体５の全面に亘って強誘電体材料１２で被覆され、さらにこの強誘電体材料１２の表面が触媒担持吸着材１４で被覆されてなる誘電体３５を使用した。

誘電体３５は、セラミックとしてアルミナが用いられ、体積２ｃｍ³、厚さ５ｍｍの３次元網目構造をなす誘電体５を有している。強誘電体材料１２として、誘電体５の全面に亘って０．３ｇのＢａＴｉＯ₃を被覆し、さらに強誘電体材料１２の表面に、触媒担持吸着材１４としてＡｇが１ｗｔ％担持された０．６ｇの疎水性ゼオライトを被覆した。この誘電体２５は当接部１１ａも、強誘電体材料１２及び触媒担持吸着材１４で被覆されている。それ以外は、上述の実施例１と同一である。

図４に、プラズマ放電リアクター１から排出された処理ガスｂを検知管によって測定した結果を示す。図４中の曲線Ｃ₂で示すように、本比較例２では、放電時間が９０ｍｉｎ経過後の処理率が３０％であった。

上述したように、実施例２の処理率が最も高く、８０％の処理率を得ることができた。実施例１も処理率が６０％で良好であった。

一方、比較例１、２では、実施例１、２に比較して電力当たりの処理能力が低く、いずれも３０％程度の処理率にとどまった。

実施の形態のプラズマ放電リアクターを模式的に示す断面図である。 第１の実施の形態のプラズマ放電リアクターに使用される誘電体を模式的に示す断面図である。 第２の実施の形態のプラズマ放電リアクターに使用される誘電体を模式的に示す断面図である。 実施例１、２および比較例１、２について、放電時間と処理率との関係を示す図である。

符号の説明

１ プラズマ放電リアクター
２ 高電圧印加電極
３ バリヤ材
４ 接地電極
５ 誘電体
６ 電源部
１０ 収納空間
１１ａ 当接部
１２ 強誘電体材料
１３ 吸着材
１４ 触媒担持吸着材
ａ 被処理ガス
ｂ 処理ガス

Claims (10)

1. 第１の電極と、
   第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置され、且つ少なくともいずれか一方の前記電極と当接している誘電体と、を有し、
   前記誘電体は、被処理ガスを通過させる内部を有し、
   前記誘電体の前記内部で前記被処理ガスに含有される処理対象物質を処理するプラズマ放電リアクターにおいて、
   前記誘電体の外面と前記誘電体の前記内部を構成する壁面は共に前記処理対象物質を吸着する吸着材で被覆され、
   前記誘電体における、前記少なくとも一方の電極と当接している当接部は、前記誘電体自体が露出していることを特徴とするプラズマ放電リアクター。
2. 前記誘電体は、前記第２の電極と離間している請求項１に記載のプラズマ放電リアクター。
3. 前記第２の電極はバリヤ材で被覆されている請求項１または請求項２に記載のプラズマ放電リアクター。
4. 前記第１の電極は裸電極である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ放電リアクター。
5. 前記吸着材には触媒が担持されている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ放電リアクター。
6. 前記第１の電極はロッド形状の電極であり、且つ互いに離間して配置された複数の電極である請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ放電リアクター。
7. 前記第１の電極は前記第１の電極の長尺方向に対して交差する方向の断面の輪郭が湾曲した形状である請求項６に記載のプラズマ放電リアクター。
8. 前記第２の電極はロッド状の電極であり、且つ互いに離間して配置された複数の電極であり、前記第２の電極の長尺方向は前記第１の電極と交差する方向である請求項６または請求項７に記載のプラズマ放電リアクター。
9. 前記当接している部分は、前記誘電体を被覆していた前記吸着材が除去されたことで前記誘電体自体が露出している部分である請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載のプラズマ放電リアクター。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載のプラズマ放電リアクターと、前記プラズマ放電リアクターを装着する装着部とを有するガス処理装置。

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