JP4431753B2 - 窒素酸化物含有空気の浄化方法および浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、窒素酸化物で汚染された空気の浄化方法および浄化装置に関する。

自動車や工場等から排出される排ガスは、一酸化窒素や二酸化窒素等の窒素酸化物を多量に含んでいる。例えば、幹線道路や、車が渋滞するような交差点、デパートの周辺、地下駐車場、または、工場の周辺等では排ガス中の窒素酸化物による大気汚染が著しい。従来、このような場所には、土壌脱硝法（例えば、特許文献１参照）、光触媒法（例えば、非特許文献１参照）またはフィルター式の空気浄化法等が用いられてきた。しかしながら、土壌脱硝法には、浄化処理速度が遅く、ランニングコストが高いという問題があり、光触媒法には、夜間や雨、曇りの日にはその効率が低下するという問題があり、フィルター式の空気浄化法には、フィルターの活性炭の廃棄物処理に問題があった。
特許第２９４１６４１号公報 ジャーナル・オブ・キャタリシス（Journal of Catalysis），第１９８巻，２００１年，ｐ．１−８

本発明の課題は、コンパクトで浄化処理速度が大きく、設備費やランニングコストが低く、夜間や屋内でも使用できる窒素酸化物含有空気の浄化方法および浄化装置を提供することにある。

本発明者は、鋭意検討した結果、セルロース含有植物材料が二酸化窒素を浄化する機能を有することを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、下記に示すとおりの窒素酸化物含有空気の浄化方法および浄化装置を提供するものである。
項１． 窒素酸化物含有空気を湿潤状態のセルロース含有植物材料に通気させて窒素酸化物含有空気中の二酸化窒素を反応させ、前記セルロース含有植物材料の表面に生成、蓄積した硝酸および亜硝酸を空気と水の流動により除去することを特徴とする窒素酸化物含有空気の浄化方法。
項２． 予め、窒素酸化物含有空気中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化することを特徴とする項１に記載の窒素酸化物含有空気の浄化方法。
項３． 容器、
前記容器に収容されてなり、二酸化窒素含有空気と水の通過が可能で二酸化窒素が硝酸および亜硝酸に変化するセルロース含有植物材料槽、
前記容器に設けられてなり、二酸化窒素含有空気が導入されるとともに水が添加される導入空間、
前記導入空間に二酸化窒素含有空気と水を供給して前記セルロース含有植物材料槽に二酸化窒素含有空気と水を同方向に通過させる供給手段、ならびに、
前記容器に設けられてなり、前記セルロース含有植物材料槽を通過して浄化された空気と生成した硝酸および亜硝酸を含んだ水とが排出される排出口
を有する窒素酸化物含有空気の浄化装置。
項４． 前記導入空間に二酸化窒素含有空気を導入する空気供給管と水を導入する水供給管が、前記容器に接続されてなる項３に記載の窒素酸化物含有空気の浄化装置。
項５． 前記容器の上部に、二酸化窒素含有空気が導入されるとともに水が添加される導入空間が形成され、前記容器の下部に、空気と水の通過が可能でセルロース含有植物材料を前記容器の底面の上方に支持する部材が設けられ、前記浄化された空気と水の排出口が前記容器の底部に形成され、前記二酸化窒素含有空気の供給手段が前記空気供給管に接続され、前記水供給手段が前記水供給管に接続されてなる項４に記載の窒素酸化物含有空気の浄化装置。
項６． 前記空気供給管の途中に酸化手段が接続されてなる項４または５に記載の窒素酸化物含有空気の浄化装置。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明においては、木材又は竹類のおが粉、おが屑、破砕細片、切削片、チップ類で、粒径０．２ｍｍ〜２０ｍｍの材料を通過することにより、窒素酸化物含有空気中の二酸化窒素（ＮＯ₂）を下記式（１）に示すように水と反応させ、硝酸（ＨＮＯ₃）や亜硝酸（ＨＯＮＯ）に変化させて除去することを特徴とする。
２ＮＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＝ＨＮＯ₃＋ＨＯＮＯ （１）
しかしながら、前記材料中の水分が不足すると、下記式（２）に示すように、二酸化窒素は硝酸と一酸化窒素（ＮＯ）とに変化し、一酸化窒素は容易に二酸化窒素に戻るため、浄化効率は低下する。前記材料がさらに乾燥し、水分がなくなると、下記式（２）に示す反応も停止する。そのため、本発明は、水を十分に補給し、上記式（１）に示す反応を促進し、下記式（２）に示す反応を抑制して、二酸化窒素の浄化効率を高めることを特徴とする。
３ＮＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＝２ＨＮＯ₃＋ＮＯ （２）
また、本発明においては、前記材料に含まれるリグニンに二酸化窒素が吸収されるので、前記材料による二酸化窒素の浄化能力をより高めることができる。

本発明に用いられるセルロース含有植物材料としては、セルロースを含有する植物材料の細片が好ましく、このようなものとしては、例えば、木材（スギ、ヒノキ等）、竹類等のおが粉、おが屑、破砕細片、切削片、チップ類で、粒径０．２ｍｍ〜２０ｍｍ程度のものが挙げられる。

水の使用量は、セルロース含有植物材料に通気させる窒素酸化物含有空気の水蒸気圧を飽和状態に維持できる量の２〜１０倍（例えば、２０℃、相対湿度５０％の窒素酸化物含有空気を１２Ｌ／分で通気させる場合には、０．２２〜１．１ｍＬ／分で水をセルロース含有植物材料に添加する）であるのが好ましい。このような量の水をセルロース含有植物材料に添加することにより、セルロース含有植物材料の表面を湿潤状態に保ち、通気する空気に含まれる二酸化窒素を上記式（１）に示す反応によって効果的に硝酸および亜硝酸に変化させるとともに、セルロース含有植物材料の表面に生成、蓄積した硝酸および亜硝酸を水と空気の流動によって効果的に洗浄・除去することができ、長期間にわたって、セルロース含有植物材料の表面における二酸化窒素の浄化効果を持続させる。

なお、窒素酸化物含有空気を湿潤状態のセルロース含有植物材料に通気させる前に、予め、窒素酸化物含有空気中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化しておくと、窒素酸化物全体の除去効率を高めることができるので、好ましい。一酸化窒素を二酸化窒素に酸化するには、例えば、オゾン発生器、プラズマ発生器、固形酸化剤を用いることができる。

本発明の窒素酸化物含有空気の浄化装置は、容器、セルロース含有植物材料槽、空気と水の導入空間、空気と水の供給手段、および浄化空気と排水とが排出される排出口を有する。セルロース含有植物材料槽は、前記容器に収容されてなり、二酸化窒素含有空気と水の通過が可能であり、ここで空気中の二酸化窒素と水が反応して硝酸と亜硝酸に変化する。空気と水の導入空間は、前記容器に設けられてなり、ここに二酸化窒素含有空気が導入されるとともに水が添加される。空気と水の供給手段は、前記導入空間に二酸化窒素含有空気と水を供給するものであり、これによって供給された二酸化窒素含有空気と水は、前記セルロース含有植物材料槽中を同方向に通過する。浄化空気と排水とが排出される排出口からは、前記セルロース含有植物材料槽を通過して浄化された空気と、反応によって生成した硝酸および亜硝酸を含んだ水とが排出される。

前記導入空間に二酸化窒素含有空気を導入する空気供給管と水を導入する水供給管が、前記容器に接続されているのが好ましい。

二酸化窒素含有空気が導入されるとともに水が添加される導入空間は、前記容器の上部に形成されるのが好ましく、前記容器の下部には、空気と水の通過が可能でセルロース含有植物材料を前記容器の底面の上方に支持する部材が設けられるのが好ましい。浄化空気と排水とが排出される排出口は、前記容器の底部に形成されるのが好ましい。前記二酸化窒素含有空気の供給手段は、前記空気供給管に接続されているのが好ましく、前記水供給手段は、前記水供給管に接続されているのが好ましい。

また、前記空気供給管の途中には、窒素酸化物含有空気中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化するための酸化手段が接続されているのが好ましい。

本発明の浄化方法によれば、浄化処理速度が大きく、コストをかけずに窒素酸化物含有空気中の窒素酸化物を効率よく除去することができる。

また、本発明の浄化装置を用いて空気を浄化する際に発生する硝酸や亜硝酸を含んだ排水は、土壌に散水されると、土壌中の嫌気的条件下で脱窒細菌の作用により窒素ガスに分解される。このため、窒素酸化物含有空気中の窒素酸化物が効率よく除去でき、コストをかけずに簡単に設置することができる。

本発明の浄化装置は、従来の物理的、化学的脱硝装置とは異なり、何らメンテナンスを要することなく長期運転が可能である。

また、本発明で用いるセルロース含有植物材料は、木材や竹の間伐材、建築廃木材から得ることができ、脱硝利用後には燃料として再利用することができるので、廃棄物処理の必要がなく、コスト的に極めて有利である。

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

図１は、窒素酸化物含有空気の浄化装置の一実施例の概略説明図を示す。図において、１は、空気浄化装置であり、空気浄化装置１は、容器３と、容器３に収容されたセルロース含有植物材料槽５と、セルロース含有植物材料槽５の中を窒素酸化物含有空気が通過するようにセルロース含有植物材料槽５に窒素酸化物含有空気を供給する空気供給手段７と、一酸化窒素を二酸化窒素に酸化させる酸化手段（例えば、オゾン発生器（オゾナイザー））９と、セルロース含有植物材料槽５に水を添加するノズル１２等を備える。容器３は、例えば、円筒状に形成され、容器３の上部には、二酸化窒素含有空気が導入されるとともに水が添加されるための導入空間１３が形成され、容器３の底面３Ａから所定の高さには、ステンレス金網等のようなメッシュ材からなる支持部材１４が水平に配設され、容器３の底部には、浄化空気および排水の排出口１５が形成されている。

セルロース含有植物材料槽５は、容器３内で支持部材１４の上に収容されている。本実施例では、セルロース含有植物材料として粒径０．５９〜１．００ｍｍの大きなスギおが屑を使用しているため、空隙率が高く、二酸化窒素含有空気の通気流量が大きく、水の流動も滑らかである。空気浄化装置１の二酸化窒素浄化能力の安定化を図るためには、空気浄化装置１の稼働前にセルロース含有植物材料槽５に水を供給し、スギおが屑に水を十分に含浸させておくのが好ましい。

空気供給手段７は、例えば、エアーポンプ２３で構成され、エアーポンプ２３の吸入管３０は、窒素酸化物含有空気を吸入すべき適宜箇所に配設される。空気供給管３１は、導入空間１３に二酸化窒素含有空気を導入できるように、容器３の上部に接続されている。空気供給管３１には、マスフローコントローラー２５とフロート式流量計２７が接続されている。オゾン発生器９はオゾンを発生させ、発生したオゾンは、オゾン供給管２９を介して、フロー式流量計２７よりも上流側でマスフローコントローラー２５よりも下流側の空気供給管３１内に供給される。

水供給手段１１は、例えば、水タンクと送水ポンプで構成され、水供給管１６に接続されている。水供給管１６は、導入空間１３に水を導入できるように、容器３の上部に接続されており、その先にノズル１２を有する。

エアーポンプ２３の駆動により、窒素酸化物含有空気が吸入管３０から吸い込まれ、マスフローコントローラー２５により一定の流量で空気供給管３１に供給され、フロー式流量計２７を経て一定流量で導入空間１３に圧送される。この際、オゾン発生器９の駆動により発生したオゾンが、オゾン供給管２９を介して空気供給管３１に一定の割合で供給される。このオゾンにより、主として空気供給管３１内において、窒素酸化物含有空気中の一酸化窒素が酸化されて二酸化窒素となり、導入空間１３に圧送される。導入空間１３に圧送された二酸化窒素含有空気は、セルロース含有植物材料槽５の中を上方から下方に通過する。同時に、セルロース含有植物材料槽５には、ノズル１２から水が添加され、セルロース含有植物材料槽５の中を上方から下方に通過する。セルロース含有植物材料槽５を通過する際に、空気中の二酸化窒素と水が反応して硝酸と亜硝酸に変化する。二酸化窒素が除去された浄化空気は、排出空間２１、排出口１５を経て大気中に放出される。

二酸化窒素含有空気がセルロース含有植物材料槽５を通過する際、スギおが屑のフィルターとしての物理的な作用により、粉塵の捕捉や二酸化硫黄の吸着が行われる。さらに、空気中の二酸化窒素は、水と反応して硝酸や亜硝酸に変化する。生成した硝酸や亜硝酸は、スギおが屑の表面に蓄積される。蓄積された硝酸や亜硝酸は、水の流動により洗い流される。このように、汚染物質が除去された清浄な空気が、セルロース含有植物材料槽５の底部から、排出空間２１、排出口１５を経て大気中に放出される。硝酸や亜硝酸を含んだ排水は、セルロース含有植物材料槽５の底部から、排出空間２１、排出口１５を経て、例えば、土壌に散水される。散水された後に、土壌中の嫌気的条件下で、脱窒細菌（シュードモナス（Pseudomonas）属細菌、パラコッカス（Paracoccus）属細菌など）の作用により、窒素ガスに分解される。

次に、図２に基づいて実験例を説明する。図２の符号において、図１と同じものは、図１と同じ部材を示す。

図２において、３２は、自動車トンネルであり、自動車排ガス含有空気（ＮＯ＝１．３１±０．３３ｐｐｍ、ＮＯ₂＝０．１６±０．０７ｐｐｍ（ｎ＝７２））は、エアーポンプ２３の駆動により吸入管３０から吸い込まれ、マスフローコントローラー２５を介して一定流量で空気供給管３１に供給された。容器３は、内径が５ｃｍ、高さが６０ｃｍの円筒状に形成されている。セルロース含有植物材料槽５には、スギおが屑（粒径０．５９〜１．００ｍｍ）１８０ｇが５８ｃｍの厚さで充填された。実験開始前に、セルロース含有植物材料槽５に水を供給し、スギおが屑に水を４００ｍＬ含浸させた。オゾン発生器９からＯ₃ガスを空気供給管３１に供給し、自動車排ガス含有空気にＯ₃ガスが混入された空気を、フロー式流量計２７を介して０．１Ｋｇ／ｃｍ²、流量１２Ｌ／分で導入空間１３に圧送し、水を１ｍＬ／分で添加し、通気線速度１０ｃｍ／秒でスギおが屑に通気した。高感度ＮＯ_X計により、導入空間１３と排出空間２１におけるＮＯ濃度とＮＯ₂濃度を測定した。その結果を表１に示す。

本発明の空気浄化装置の一実施例を示す概略説明図である。 空気浄化装置の実験例を示す概略説明図である。

符号の説明

１ 空気浄化装置
３ 容器
３Ａ 容器の底面
５ セルロース含有植物材料槽
７ 空気供給手段
９ 酸化手段（オゾン発生器）
１１ 水供給手段
１２ ノズル
１３ 導入空間
１４ 支持部材
１５ 排出口
１６ 水供給管
２１ 排出空間
２３ エアーポンプ
２５ マスフローコントローラー
２７ フロー式流量計
２９ オゾン供給管
３０ 吸入管
３１ 空気供給管
３２ 自動車トンネル

Claims (6)

1. 窒素酸化物含有空気を湿潤状態の木材又は竹類のおが粉、おが屑、破砕細片、切削片、チップ類で、粒径０．２ｍｍ〜２０ｍｍの材料に通気させて窒素酸化物含有空気中の二酸化窒素を反応させ、前記材料の表面に生成、蓄積した硝酸および亜硝酸を空気と水の流動により除去することを特徴とする窒素酸化物含有空気の浄化方法。
2. 予め、窒素酸化物含有空気中の一酸化窒素を二酸化窒素に酸化することを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物含有空気の浄化方法。
3. 容器、
   前記容器に収容されてなり、二酸化窒素含有空気と水の通過が可能で二酸化窒素が硝酸および亜硝酸に変化する木材又は竹類のおが粉、おが屑、破砕細片、切削片、チップ類で、粒径０．２ｍｍ〜２０ｍｍのものを充填した材料槽、
   前記容器に設けられてなり、二酸化窒素含有空気が導入されるとともに水が添加される導入空間、
   前記導入空間に二酸化窒素含有空気と水を供給して前記材料槽に二酸化窒素含有空気と水を同方向に通過させる供給手段、ならびに、
   前記容器に設けられてなり、前記材料槽を通過して浄化された空気と生成した硝酸および亜硝酸を含んだ水とが排出される排出口
   を有する窒素酸化物含有空気の浄化装置。
4. 前記導入空間に二酸化窒素含有空気を導入する空気供給管と水を導入する水供給管が、前期容器に接続されてなる請求項３に記載の窒素酸化物含有空気の浄化装置。
5. 前記容器の上部に、二酸化窒素含有空気が導入されるとともに水が添加される導入空間が形成され、前記容器の下部に、空気と水の通過が可能で木材又は竹類のおが粉、おが屑、破砕細片、切削片、チップ類で、粒径０．２ｍｍ〜２０ｍｍの材料を前記容器の底面の上方に支持する部材が設けられ、前記浄化された空気と水の排出口が前記容器の底面に形成され、前記二酸化窒素含有空気の供給手段が前記空気供給管に接続され、前記水供給手段が前記水供給管に接続されてなる請求項４に記載の窒素酸化物含有空気の浄化装置。
6. 前記空気供給管の途中に酸化手段が接続されてなる請求項４または５に記載の窒素酸化物含有空気の浄化装置。
   

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