JP5266758B2 - 揮発性有機化合物処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えばトルエン、キシレン、スチレンなど大気に放出すると有害である有機溶剤やその他有機化合物の蒸気すなわち揮発性有機化合物（Volatile Organic Compounds：ＶＯＣ）の分解に用いられる揮発性有機化合物処理装置に関するものである。
塗装工場や半導体工場、あるいは印刷工場などは多量の有機溶剤を使用している。工場から大気に排出されるＶＯＣは、太陽光やオゾンなどとの反応により有害な有機性微粒子を形成し、また大気中のオゾン濃度を増大させるなど大気環境に重大な悪影響を与えることが知られている。このため、ＶＯＣを回収し無害化することが強く求められている。
ＶＯＣを少ないエネルギー量で回収し無害化する方法として、従来から、無声放電を用いて、疎水性ゼオライトに吸着させたＶＯＣを脱着、分解する方法が提案されている。ＶＯＣを含む排ガスと粒子状の光触媒とを接触させ、ＶＯＣを吸着後、光触媒をベルトコンベアで移動させながら紫外線を照射させて分解・再生をおこなう方法がある。（例えば、特許文献１参照）
一方、ＶＯＣを含む排ガスと粒子状の光触媒とを接触させ、ＶＯＣを吸着後、光触媒をベルトコンベアで移動させながら紫外線を照射させて分解・再生をおこなう方法もある。（例えば、特許文献２参照）
特開２００２−１２６４４５号公報（図１、Ｐ.２〜Ｐ.３参照） 特開２００２−２８４４５号公報（図１、Ｐ.４〜Ｐ.５参照）
なお、ＶＯＣ吸着体が吸着飽和し処理対象のガス中のＶＯＣを十分には吸着できなくなることを、ＶＯＣ吸着体が破過するという。（例えば、特許文献１を参照）
光触媒を用いた有害物質の分解装置では、吸着層から取り出した小さな粒子の光触媒をベルトコンベアで移動させながら紫外線を照射させて分解・再生をおこなっている。このとき、光触媒は、吸着体から取り出してベルトコンベアで移動させるため、小さな粒子状でなければならなかった。
従来の無声放電を用いて、ＶＯＣを脱着、分解する方法は、加熱や光照射によりＶＯＣを脱着する方法と比較して、少ないエネルギーで処理することが可能であるが、全てのＶＯＣ吸着体を一度に処理するので、ＶＯＣを吸着していない部分にも均等に放電させる必要があるため、放電電流ひいては電源容量を大きくする必要が有り、装置コストが高くなるという問題があった
また、放電発生時も放電が発生してない時と同じ量のガスを流しているため、ガス中の窒素と酸素が放電により反応して、大量の有害な窒素酸化物（ＮＯｘ）を発生するという問題があった。
一方、特許文献２に示した方法では、吸着体である光触媒はガス排出口から、ガス導入口付近に移動しながらガスと接触し、ＶＯＣを吸着した後、ベルトコンベアで移動させながら紫外線を照射させて分解・再生をおこなっているため、ＶＯＣを吸着していない光触媒を処理することはないため、不要な光エネルギーは必要ではない。
しかし、本方法は紫外線を均一に照射するために、吸着体である光触媒を小さな粒子状とし、しかも振動を与えながら処理する必要がある。吸着体が粒子状のままで無声放電を行うのは、放電のギャップ長を制御できないため放電が安定しないなどの問題点があり、本方法を無声放電で脱着する方法に適用することはできないという問題点がある。
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、有害なＮＯｘを大量に発生することなく、ＶＯＣを効率良く分解する、装置コストの低廉な揮発性有機化合物処理装置を得ることを目的とする。
この発明に係る揮発性有機化合物処理装置は、揮発性有機化合物を吸着する吸着体を有する吸着ユニットがガスの流れ方向に積層されて配置される吸着処理室と、高圧電極と接地電極と誘電体とを有する複数の放電ユニットが、順次、前記吸着ユニットを挟み込んで再生処理を行う吸着体再生処理室と、ガスの上流方向にある前記吸着ユニットを前記吸着体再生処理室に移動させ、前記吸着体再生処理室内の前記吸着ユニットをガスの下流方向に移動させる移動機構とを有することを特徴とするものである。
この発明に係る揮発性有機化合物処理装置は、揮発性有機化合物を吸着する吸着体を有する吸着フレームがガスの流れ方向に積層されて配置された吸着処理室と、高圧電極と接地電極と誘電体とを有する放電ユニットが設置された吸着体再生処理室と、ガスの上流方向にある前記吸着フレームを前記吸着体再生処理室に移動させ、前記吸着体再生処理室内の前記吸着フレームをガスの下流方向に前記吸着ユニットを移動させる移動機構とを有するため、揮発性有機物を吸着した吸着体のうち、揮発性有機物の濃縮率が高いもののみ再生するため、揮発性有機物を効率よく分解することができる。
本発明の実施の形態１に係る揮発性有機化合物処理装置の構造を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る揮発性有機化合物処理装置の構造を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る吸着ユニットの構造を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る放電ユニットの構成を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る揮発性有機化合物処理装置の吸着ユニット再生時の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る揮発性有機化合物処理装置の吸着ユニットの移動方式を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る吸着ユニットの分離の方式を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る吸着ユニットの合体の方式を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る吸着ユニットの他の合体の方式を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る吸着ユニットの他の合体の方式を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る他の吸着ユニットを説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るガスシール構造を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る他のガスシール構造を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る他のガスシール構造を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る他のガスシール構造を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る揮発性有機化合物処理装置の処理動作を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る揮発性有機化合物処理装置の処理動作を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る揮発性有機化合物処理装置の処理動作を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る揮発性有機化合物処理装置の処理動作を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る揮発性有機化合物処理装置の変形例を説明する図である。 本発明の実施の形態３に係る揮発性有機化合物処理装置の処理動作を説明する図である。 本発明の実施の形態４に係る揮発性有機化合物処理装置の処理動作を説明する図である。 本発明の実施の形態４に係る揮発性有機化合物処理装置の処理動作を説明する図である。 本発明の実施の形態５に係る揮発性有機化合物処理装置の処理動作を説明する図である。 本発明の実施の形態６に係る吸着ユニットの構造を説明する図である。 本発明の実施の形態６に係る揮発性有機化合物処理装置の吸着ユニット再生時の構成を説明する図である。 本発明の実施の形態６に係る他の吸着ユニットの構造を説明する図である。 本発明の実施の形態６に係る他の吸着ユニットの構造を説明する図である。 本発明の実施の形態６に係る他の吸着ユニットの構造を説明する図である。 本発明の実施の形態６に係る他の吸着ユニットの構造を説明する図である。 本発明の実施の形態７に係る揮発性有機化合物処理装置の構造を説明する図である。 本発明の実施の形態７に係る揮発性有機化合物処理装置の構造を説明する図である。 本発明の実施の形態７に係る揮発性有機化合物処理装置の構造を説明する図である。
符号の説明
１ 吸着処理室、２ 吸着体再生処理室、３ 吸着ユニット、３Ａ 吸着体、３Ｂ フレーム、５ 吸着ユニット結合機構、５Ａ カギ、５Ｂ フック、５Ｃ バネ、６ 放電ユニット、６Ａ 高圧電極、６Ｂ 接地電極、６Ｃ 誘電体、６Ｄ 接地電極押さえ用支持台、６Ｅ 接地電極押さえ用ばね、７ 高電圧電源、８ 高電圧用電線、９ スイッチング素子、１０ チラー、１０Ａ、１０Ｂ 冷却水配管、１１ フィルター、１２ 排気ファン、１３ シール板、１４ 吸着ユニット移動機構、１４Ａ 吸着室内の吸着ユニット移動機構、１４Ｂ 再生処理室への吸着ユニット移動機構、１５ ガス導入口、１６ ガス排出口、１７ センサー、１８ 制御装置、１９ 給気口、２０ 排気口、２１ 遮蔽板、２２ 押さえ板、２３ 突起、２４ 電磁石、３０ 金属線、３１ 車輪、３２ 駆動用ローター、３３ 酸素発生装置、３４圧力調整器。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による揮発性有機化合物処理装置を示す模式図である。図において、吸着処理室１内には吸着体３Ａと吸着体３Ａを保持するためのフレーム３Ｂとからなる吸着ユニット３がガスの流れ方向に積層されて配置されている。なお、揮発性有機化合物処理装置が吸入するガスを処理対象ガスと呼び、揮発性有機化合物処理装置から排気されるガスを処理済ガスと呼ぶ。処理対象ガスが吸着ユニット３の周囲を流れず、吸着ユニット３内を流れるように吸着ユニット３の周囲と吸着処理室１の壁との間にはシール板１３が設けられている。吸着処理室１の一面には処理対象ガスを導入するガス導入口１５が設けられている。ガス導入口１５にはフィルター１１が配置されている。ガス導入口１５に対向する一面にはガス排出口１６が設けられている。処理対象ガスがガス導入口１５からガス排出口１６の方向に流れるように排気ファン１２がガス排出口１６に設けられている。フィルター１１は、ペンキカスや油分などの粘着度が高く処理対象ガスから比較的容易に分離できる成分を除去するためのものである。別の装置で処理された後のガスが処理対象ガスになるなどして、処理対象ガスにフィルター１１で除去可能な成分が含まれない場合は、フィルター１１は設けなくても良い。
吸着ユニットと吸着処理室１の壁面との間に隙間があると、ＶＯＣを含んだ処理対象ガスが吸着体の中を通過せずに外部へ放出されるためにＶＯＣを含んだ空気中からＶＯＣを取り除く処理率が低下する。そのため、シール板１３を設置して、ガスが吸着体に流れ込むようにしている。
吸着処理室１に隣接して吸着体再生処理室２が設けられている。吸着処理室１と吸着体再生処理室２とはガス導入口１５近傍およびガス排出口１６近傍の２箇所で吸着ユニット３がそれぞれ移動可能なように連通している。吸着処理室１と吸着体再生処理室２との連通口は吸着ユニット３の移動時以外は閉まっており、処理対象ガスが吸着体再生処理室２に流入しない構造となっている。
吸着体再生処理室２内には、高圧電極６Ａ、接地電極６Ｂおよびガラスやセラミックスからなる誘電体６Ｃよりなる放電ユニット６が吸着ユニット３内で放電が発生するように設置されている。
また、放電に必要な高電圧を高圧電極６Ａに印加するための高電圧電源７および高電圧をスイッチングするスイッチング素子９と高圧電極６Ａが接続されている。また、誘電体６Ｃを冷却するために冷却水配管１０Ａが放電ユニット６に接続されている。なお、冷却水配管１０Ａはチラー１０と接続され、冷却水が循環している。
また、図１のＡ‐Ａ’断面の模式図を図２に示す。図２は吸着ユニット３の吸着処理室１と吸着体再生処理室２とにおける移動機構の概略を示している。
ここで、吸着処理室１と吸着体再生処理室２との上部に吸着ユニット移動機構１４が設けられている。吸着ユニット３は吸着ユニット移動機構１４に吊り下げられている。
また、吸着ユニット３の移動をスムーズに行うために吸着ユニット３の下部には車輪３１が取り付けられている。
また、接地電極６Ｂは接地電極押さえ用支持台６Ｄに接地電極押さえ用ばね６Ｅにより支持されている。
吸着ユニットが十分軽く、移動機構で吊り下げて動かすことができれば、必ずしも車輪は必要でなく、また、押さえばね６Eは、ゴム、ウレタンやゲル状固形のものなど、吸着剤を挟み込んだときに、ギャップ長が一定になるように押さえつけることができる用に弾力性があるものであれば良い。さらに、接地電極が重くなる場合には、別途支持台に固定された棒などで接地電極を支持する。
図３（ａ）は吸着ユニットの平面図である。
吸着ユニット３はフレーム３Ｂおよびハニカム基台からなる吸着体３Ａからなっており、フレーム３Ｂ内に吸着体３Ａをはめ込むように構成している。吸着体３Ａは疎水性ゼオライトを１５．５〜７７．５個／ｃｍ２の穴が空いたハニカム基台上に添着したものである。ハニカム基台はセラミクスもしくはペーパーセラミクス、または、ゼオライトそのものを材料として焼成して作られている。また、図３（ｂ）に示すように移動時の回転半径をできるだけ小さくするためフレームを蝶番状にしている。１０，０００ｍ３／ｈｒの処理量で吸着ユニットの大きさは１辺１〜２ｍ程度、厚みは３〜５０ｍｍ程度となる。この吸着ユニット３を複数枚重ねて吸着処理を行う。吸着体の圧力損失が増えると運転電力が増すため、圧力損失は可能な限り小さくすることが望ましい。そこで、吸着体を通過する前面での風速が０．３メートル毎秒から２メートル毎秒の範囲に収まるように開口面積を調整する。また、吸着ユニット３の枚数が増えると圧力損失の増加につながるため、吸着ユニットの風の流れ方向の長さ（吸着体の厚み）が１００から１０００ｍｍの間になるようにする。
このように、吸着体をフレームで補強していることから移動時に生じる磨耗などによる吸着体の損傷を防ぐことができる。
図４は、吸着ユニット３が無い状態での、放電ユニット６の模式図である。高圧電極６Ａと誘電体６Ｃは吸着体再生処理室２内に固定されている。接地電極６Ｂは、吸着ユニット３の格子フレームの形状に対応するように凸形状をしている。
図５は吸着ユニット３と放電ユニット６とが結合した状態を示す模式図である。
図５に示すように、誘電体と接地電極の間に吸着ユニット３がある場合に、接地電極移動用車輪が動き、吸着ユニット３を挟みこむ。これにより、吸着体３Ａと誘電体６Ｃ、および吸着体３Ａと接地電極６Ｂとが密着する。この構造により、放電時の空隙による異常放電を減少させることができる。
また、接地電極押さえ用ばね６Ｅで接地電極６Ｂを押さえることにより、精度良く放電ギャップ長を形成することができる。放電ギャップが均一になれば、一箇所に放電が集中することなく、放電を電極面一様に広げることが可能となり、広範囲でのＶＯＣの分解処理が可能になる。このとき、吸着ユニット３のフレーム３Ｂ内に区切られた空間に、誘電体６Ｃと接地電極６Ｂとで閉鎖された空間を形成する。このことにより放電により生成するオゾンや、窒素酸化物を周囲に漏洩することなくＶＯＣを処理することができる。
また、吸着体を放電に触れさせて、吸着体を再生する時に、吸着体を高圧電極もしくは接地電極と吸着体を構成する吸着フレームで閉空間内に入れることにより、ＶＯＣを効率よく分解することができるとともに、放電により生成するオゾンや窒素酸化物を低減することができる。
さらに、吸着体を高圧電極もしくは接地電極と誘電体ではさみこむときに、バネなどの弾性体により押さえつけることにより放電の空隙を均一につくることができるため、放電エネルギーを均等に投入することができる。
なお、本実施の形態では図１に示すように放電ユニット６が３組設置されている。吸着ユニット３は、各放電ユニット６で同じ時間放電にさらされ、最後は吸着処理室１内のガス流の最も風下たる位置に戻る。
なお、ガスの流速が遅い場合、もしくは、吸着処理室１から吸着体再生処理室２へのガスの流れ込みが少ない場合には、吸着ユニット３枚を同時に動かし、３枚を１組として、各々の放電ユニットで処理することが可能となる。吸着ユニットが順次、放電ユニット間を移動していく場合には、一旦放電を停止する必要がある。この方式の場合には、順次放電ユニット間を移動する方式のように、一旦放電に接することにより温度が上昇した吸着体の温度が低下することがないため効率がよくなる。
本実施の形態に係る揮発性有機化合物処理装置は、図１に示すように排気ファン１２により装置からガスを排気することにより、同量のガスを吸入口から吸入する。
次に動作を説明する。まず、吸着処理室１内の動作状態について説明する。吸着処理室１内には、吸着ユニット３が幾層に重ねられて設置されている。また、フレーム上部につけられたアームにより、吸着ユニット移動機構１４に吊り下げられている。また図６に示すように、吸着ユニット移動機構は、吸着室内の吸着ユニット移動機構１４Ａと、再生処理室への吸着ユニット移動機構１４Ｂの２系統を備えて、それぞれ独立に動作する。
吸着体は一定量のＶＯＣを吸着するとそれ以上は吸着することができなくなる。本処理装置では、処理対象ガスが入ってくる風上の吸着体から、順次吸着体再生処理室に移動させて、放電により再生処理を行う。吸着ユニットをカーテンレールのように吊り下げて、図６に示すように自動移動装置１４Ｂにより、吸着体再生処理室２に移動させる。移動させた吸着ユニットを、高圧電極６Ａと接地電極６Ｂの間に誘電体６Ｃと共に挟み込む。なおこの誘電体は、高圧電極側、低圧電極側のどちらか、もしくは、高圧電極側、低圧電極側の両方にあっても良い。
ただし、誘電体は１００℃を超えると電気絶縁に対する耐電性が低下する。そのため、冷却水により誘電体を冷却する。このとき高圧電極に誘電体を置く場合は高圧電極を冷却、接地電極側に誘電体を置く場合は接地電極を冷却する。ただし、高圧電極を冷却する場合は、電気の導通を避けるため、冷却水は比抵抗１０４（Ω×ｍ）以上の純水とする。図１の場合は、高圧電極とチラー１０とは冷却水配管１０Ａ，１０Ｂを通してつないでいる。
吸着処理室１内では吸着ユニット３は、地面に対して垂直方向に重ねていくと、最下部には相当量が加重されることになるので好ましくない。このため、吸着ユニット３は地面と平行方向に重ねることが好ましい。また、吸着ユニット３の下部で支えようとした場合、倒れないように安定させるために大きな面積を有する土台部を設ける必要がある。上部から吊るした場合には、コンパクトに設計することができ、移動時に余計なストレスがかからないことから、フレーム部の歪みや、吸着体の破損を防ぐことができる。
吸着ユニットに固定された吸着体は、疎水性ゼオライトを用いている。この疎水性ゼオライトは、ハイシリカゼオライトと呼ばれ、ゼオライト中にシリカ（ＳｉＯ２）成分を多く含んでいるため、水分の吸着が少ない。処理対象ガス中には、処理対象となるＶＯＣ以外に空気中の水分も多く含んでいる。特に夏場などの高湿度下では、水分濃度が３％（体積分率）程度にまで高まり、ＶＯＣの１００倍以上の濃度になる。このため、疎水性ゼオライトを用いることは、夏場の高湿度下においてもその吸着性能を低下させないために有用である。しかし、装置に除湿機を備え、水分を除去することが可能であれば疎水性である必要はなく、５Å以上の細孔径をもつゼオライトで良い。
疎水性ゼオライトはハニカム状としたが、球状、円柱状のものをフレーム内に収めるなど、処理対象ガスを通すことができ、電極の間に配置できるものであれば、吸着体はどのような形状であってもよい。ゼオライト以外でも、メソボーラスシリケート、脱アルミニウムフォージャサイト、高シリカペンタシルゼオライト、シリカゲルなどの高シリカ吸着体であってもよいし、他の種類の吸着体でもよい。ＶＯＣを吸着できかつ脱着できるものであれば、吸着体はどのようなものでもよい。
吸着体が、処理対象ガスを吸着飽和し、それ以上吸着できなくなる状態を吸着破過と呼ぶ。幾層にも重ねた吸着ユニット３のうち、処理対象ガスが流れ込んでくるガス上流から順次吸着体は破過していく。本装置はＶＯＣの処理を目的とするため、装置出口でのＶＯＣ濃度が、環境基準値などの設定された排出値以下である必要がある。
本実施の形態においては、入口付近の吸着ユニット内の吸着体はすでに破過をしているが、ガス出口付近の吸着ユニット３内にある吸着体は破過には到達しておらず、さらにＶＯＣを吸着処理することが可能である。また、特許文献１でも記載されているように、ＶＯＣの濃度が高いほどＶＯＣの処理に要するエネルギー量が少なくなる。よって、吸着体が破過した後に処理すれば分解時に必要となるエネルギーが少なく、高効率でＶＯＣを分解することができる。
本発明に係るＶＯＣ処理装置では、吸着破過したガス上流に設置した吸着ユニットから順次処理していくため、効率良く分解することが可能となる。また、分解が終了し、吸着体の再生が終わった吸着ユニットは、ガスの最下流位置に移動させることにより、順次連続的に吸着破過した吸着体を持つ吸着ユニットを処理し続けることができる。処理ガスが吸着体を通過せずにユニット周辺を通過するとＶＯＣの処理率が低下するため、吸着ユニットの周りには、漏れて通過するガスを防ぐためにガスシール用のシール板１３が必要となる。また、移動時には、吸着処理室内での吸着ユニットの移動は、ユニットを一体化して行う方が安定して良い。
また、本実施の形態では、吸着処理室において吸着パネルを平行に移動するため、パネル面において一様に揮発性有機物を吸着することができるため、揮発性有機物を分解するための放電エネルギーを均等に投入することができ、揮発性有機物を効率良く分解することができる。
図７および図８は吸着処理室において吸着ユニットを結合する吸着ユニット結合機構を説明する図である。吸着ユニット結合機構５は図７に示すように、吸着ユニット３にとりつけたクサビ状のカギ５Ａとフック５Ｂとフック５Ｂおよびフレーム３Ｂ間に設けられたバネ５Ｃとからなる。吸着ユニット３は吸着処理室においてはカギ５Ａとフック５Ｂとにより締結される。吸着ユニット３が吸着処理室１の外壁に取り付けられた突起２３を通過するときに、カギ５Ａが突起２３にひっかかり自動的にカギとフックが分離できるようになっている。
合体時には、図８に示すように再生が終了した吸着ユニット３が一体化したユニット方向に進むときに、フック５Ｂが丸みを帯びているために自動的にカギが開き、合体し一体化する。なお、この吸着ユニット結合機構は、図９に示すようなフレームに内部に電磁石２４を埋め込み、フレームを磁性体で作ることによって磁力の力を用いて行っても良い。また、図１０に示すようにフレーム３Ｂに凹凸があり、はめ合わせにより吸着体を一体化してもよい。このとき横から板状の突起を入れることにより合体および分離してもよい。
破過した後の吸着ユニットは順次、吸着体再生処理室２に送りこまれる。吸着処理室では連続的に処理対象ガスが流入してくる。吸着処理室１と吸着体再生処理室２の間にはすだれ状のカーテンを設置し、吸着ユニット３が吸着処理室１から吸着体再生処理室２へ、もしくは、吸着体再生処理室から吸着処理室１へ移動するときに処理対象ガスが吸着体再生処理室２へ流れ込まないようにしている。
吸着体再生処理室２には、少なくとも１組以上の放電ユニット６が存在する。実施の形態１では、放電ユニット６を３組備えている。放電ユニットの数が多いほど、単位面積あたりに投入される放電エネルギーが少なくすみ、放電処理時間が長く取ることができる。
吸着ユニット３が吸着体再生処理室２に送られた後に、吸着ユニット３内の吸着体は前述のようにガラスやセラミックスなどの誘電体と接地電極間に挟み込まれ閉鎖空間が形成される。その後、スイッチング素子がオンとなり、高圧電極６Ａに波高値１０〜３０ｋＶ程度の電圧が周波数５０〜１００００Ｈｚ程度で印加される。
ＶＯＣは、放電により生成した電子との衝突、もしくは、放電により生成した電子と酸素分子と衝突して発生した酸素原子やオゾンなどの活性種と反応して、分解される。このため、処理対象ガス中のＶＯＣの濃度が高いほど、ＶＯＣが電子または活性種と反応する確率が高くなり、処理の効率も高くなる。このため、ＶＯＣを濃縮しない連続方式では、ＶＯＣを濃縮する本方式及び間欠方式よりも消費電力量が大きくなる。ＶＯＣを分解する力がオゾンよりも強い酸素原子の寿命は１マイクロ秒程度と短く、発生するとほとんど移動しないうちに消滅する。そのため、酸素原子によるＶＯＣの分解は、放電が発生している個所のすぐ近くで行われる。オゾンの寿命は１００秒程度と比較的長いので、ガス処理ユニット１内部の放電が発生している個所から離れた所でもオゾンが移動してくれば、オゾンとＶＯＣが反応してＶＯＣを分解する。
吸着体３Ａは放電に触れて温度が上昇し、吸着したＶＯＣを放出する。放出されたＶＯＣは、電子と衝突したり、放電で発生した酸素原子やオゾンなどの活性種と反応したりして、水と二酸化炭素に分解される。吸着体３ＡからはＶＯＣが脱着され、吸着体３ＡはＶＯＣを吸着可能な状態に再生される。
本実施の形態では、放電処理時には吸着ユニット３内に処理対象ガスが流れないようにしている。これは、ＮＯｘをできるだけ発生させないようにするためである。放電エネルギーを注入することで高速電子が生成され、生成された高速電子が処理対象ガス中の酸素分子や窒素分子と衝突することで、有害なＮＯｘが生成される。放電処理時にガス流を止めておくと、ガス処理ユニット１内のＮＯｘ濃度は高くなるがガス量が少ないため、ＮＯｘの生成量は少なくなる。ガス中のＮＯｘ濃度が３％程度になると、ＮＯｘの分解と生成がほぼつりあう平衡状態になり、投入する放電エネルギーが大きくなってもＮＯｘの濃度は上昇しなくなる。
ガスを止めた場合にはガス処理ユニット１の内部空間でこの平衡状態になり、発生するＮＯｘの量がガス処理ユニット１の内部空間の体積に対して３％程度しか生成されないことになる。ガス処理ユニット１の内部空間の体積は、ガス流量と比較して格段に小さく、発生するＮＯｘの量が少なくなる。一方、放電発生時も放電が発生していない時と同じ量のガスを流す場合には、ＮＯｘは投入する放電エネルギーにほぼ比例して生成される。
なお、放電発生中にガス流を止めることによるＮＯｘの生成量を低減させる効果は、間欠方式でも適用できる。ただし、間欠方式に適用した場合は、放電発生中はＶＯＣ処理装置に処理対象ガスを流すことができず、その間に発生した処理対象ガスをどこかに貯めておくか、処理対象ガスが発生しないようにする必要が有る。これに対して、本方式では、ガス流を止めるのは一部のガス処理ユニットだけであり、ＶＯＣ処理装置全体としては処理対象ガスの処理を中断することがないという効果が有る。
ただし、ＶＯＣの分解に必要な酸素は供給しなければならないため、放電分解時に酸素を供給することが可能となれば、放電によるＮＯｘの生成が無く、また、前述の酸素原子やオゾンが効率良く生成されるため、低エネルギーでの揮発性有機化合物の分解が可能になる。
また、十分にＶＯＣを吸着した吸着体に放電を触れさせると、吸着体温度が上昇し、吸着されていたＶＯＣが急速に脱着され、ガスを流す場合には、放電で分解しきれなかったＶＯＣが処理済ガスとしてＶＯＣ処理装置外に漏れ出す問題があった。放電時にガスを止めることにより、ＶＯＣがガス処理ユニットの外部に出ることはない。脱着されたＶＯＣは、吸着ユニット３内にとどまり、電子や活性種と反応して分解される。
また、放電時に脱着したガスを外部に漏らすことなく、閉鎖空間でガスを放電に触れるように循環すれば、ガスを止めることなく、放電で分解しきれなかったＶＯＣが処理済ガスとしてＶＯＣ処理装置外に漏れ出す問題はなくなり前述のガスを止めるのと同様の効果を得ることができる。
吸着体３ＡからＶＯＣを脱着する上では、吸着体３Ａの温度が高い方が脱着効率は高くなる。しかし、放電が発生する空間内のガスの温度が高くなり、誘電体６Ｃの温度があまり高くなると、誘電体６Ｃの耐電圧の低下をもたらし、誘電体６Ｃが絶縁破壊を引き起こすことがある。誘電体６Ｃが絶縁破壊すると、放電によりＶＯＣを分解することができなくなり、ついては吸着体３Ａの再生ができなくなる。絶縁破壊に至らなくても、誘電体６Ｃの温度が上昇すると誘電体６Ｃの誘電体損失ｔａｎδが増大して、消費電力が増大する。
このため、本実施の形態１では、図１に示すように接地電極６Ｂを水冷して、間接的に誘電体６Ｃの温度上昇抑え、放電中でも誘電体６Ｃや吸着体３Ａの温度が１００℃程度になるようにしている。従来のガス濃縮ローターなどでは、吸着体の周囲のＶＯＣ濃度が高くなることにより吸着体からＶＯＣが脱着する速度が低下するという現象（飽和現象と呼ぶ）が発生するので、この現象があってもＶＯＣを脱着できるように３００℃程度まで加熱してＶＯＣを脱着している。放電によりＶＯＣを脱着する本方式では、脱着したＶＯＣをその場で分解するので、飽和現象が発生することなく、吸着体の温度を１００℃程度に抑えても、ＶＯＣを脱着できる。なお、必ずしも１００℃程度でなくてもよい。誘電体を保護でき脱着処理を効率よく行える温度であれば、１００℃程度より高くても低くてもよい。
放電が発生中でも吸着体３Ａを１００℃程度までしか加熱しないので、放電を終了した後でもすぐに吸着体の温度が低下し、ＶＯＣを吸着できるようになる。なお、放電していない時の吸着ユニット３の温度は、冷却水の温度程度になる。放電を終了した直後でＶＯＣを十分に吸着できない吸着ユニット３がある場合でも、過半の吸着ユニット３はＶＯＣを十分に吸着できる状態であり、吸着体を再生するために、ＶＯＣの分解を停止する工程がなくてもよいという効果が有る。
なお、吸着体はハニカムに疎水性ゼオライトなどの吸着体を添着したものの他、図１１に示すような吸着ユニット内に粉、球、円柱状の粒をしたものを吸着ユニット３内に収めたものでも同様の効果が得られる。
また、貴金属の白金、パラジウム、ロジウム、銀など貴金属触媒を吸着体に混ぜることにより、分解に必要なエネルギーを低下させ、分解効率を上げることができる。
さらに、たとえば揮発性有機化合物の代表物質であるトルエンと酸素原子の反応速度およびトルエンとオゾンの反応速度を比べた場合、トルエンとオゾンの反応では、J. Phys. Chem. 89, 1982(1985)にあるToby, S.らの「Kinetics and chemiluminescence of ozone-aromatic reactions in the gas phase」によれば反応速度がk=5.23×10-12×(T/298)1.21×exp(-6713.5/T)cm3/(molecule・s))[T：反応温度]とあらわされ、25℃での反応速度は3.89×10-22cm3/(molecule・s)となる。一方、J. Phys. Chem. Ref. Data 23, 847-1033(1994)にあるBaulch, D. Lらの「Evaluated kinetic data for combustion modeling. Supplement I」ではトルエンと酸素原子の反応速度k=5.23×10-12*(T/298)1.21*exp(-1261.13/T)cm3/(molecule・s)とあらわされ、25℃での反応速度は7.62×10-14cm3/(molecule・s)となる。従って、トルエンと酸素原子との反応速度はオゾンとの反応速度と比較すると約5800倍早い。
よって、トルエンを効率よく分解するためには放電により発生したオゾンと反応させるより、オゾンが分解し発生した酸素原子と反応させることが望ましい。一方酸素原子は寿命が短いため、酸素原子と揮発性有機化合物とを反応させるためには、放電により生成したオゾンを吸着剤近傍で分解すれば良い。そこで揮発性有機化合物が濃縮された吸着剤近傍にオゾン分解触媒を置くことが有効である。オゾン分解触媒としては、マンガン、ニッケル、チタニア、銅、鉄、コバルトまたはこれらの酸化物が有効であり、これらの粉末を吸着剤上に添着することにより、寿命の短い酸素原子と、吸着剤上の有機化合物の衝突・分解する確率が増えるため、さらに分解効率が上がる。
なお、上述の揮発性有機物を吸着するための疎水性ゼオライトと、貴金属触媒、オゾン分解触媒は単に各々を粒状にして混ぜ合わせても上述のように揮発性有機物の分解を促進させる効果を得ることができるが、酸素原子の寿命は数マイクロ秒と短いため、酸素原子を使って揮発性有機化合物と分解する場合は、貴金属またはオゾン分解触媒、またはこれらを組み合わせたものを、微粒子状にして疎水性ゼオライト上に添着することにより、酸素原子が消滅して酸素分子や他の分子に変わる前に分解に利用できるため、揮発性有機化合物を効率良く分解することが可能になる。
ガスが吸着体に触れずに通りぬけるのを防ぐシール板１３は、図１２のように弾力性を持つシリコンゴムなどの板を容器壁面に取り付けてなる。このシール板１３は、図１３に示すように吸着ユニット３の４辺の外周に回転式のシール板を設置しても、ガスの漏れを防ぐことがでる。また、図１４に示すようにシール板１３をローラに巻きつくように設置しても良い。この図１３、図１４の方式では、移動時にシール板が回転しガスのリークが少なく、摩擦も少ないので容易に構成することができる。また、図１６に示すようにシール板を吸着ユニットの周りに取り付けても同様の効果は得られる。
このように、従来、吸着破過していない吸着体も同時に再生処理する必要があったが、本発明によれば、吸着破過後の濃縮率の高いＶＯＣを処理することができるため、効率が良い装置ができる。また、必要となる放電ユニットの数も少なく経済的な装置が実現できる。
実施の形態２．
図１６〜１９は、本発明の実施の形態２によるＶＯＣ処理装置を示す図である。実施の形態２では吸着後の吸着体を再生するための再生処理室２の形態が実施の形態１と異なっているのみであり他のものは実施の形態１と同じであるので説明を省略する。この実施の形態２では、吸着体再生処理室２内に吸着ユニット３を収納し再生処理室２が移動するものである。
図１６は、吸着再生処理室にまだ吸着ユニット３が入っていない状態を示した図である。実施の形態１と同様に、吸着処理室内で吸着破過した吸着ユニット３をガス流の上流側から順次、図１７に示すように再生処理室２に送りこむ。吸着ユニット３が高圧電極６Ａ、接地電極６Ｂおよびその間に存在するガラスやセラミックなどの誘電体６Ｃの間に設置された後に接地電極６Ｂが移動して、吸着体を挟み込む。このとき、誘電体６Ｃと接地電極６Ｂ間の距離、すなわち放電ギャップ長が一定になるようにバネなどの力によって押している。吸着ユニット３がセットされた後に放電処理室が移動し、図１８に示すようにあらかじめ処理室内に固定してある蓋により、処理室が密閉されるようになる。密閉されたのちに高圧電極に高電圧を印加しプラズマを発生する。
ここで、放電によりＶＯＣが分解する原理は前述のとおりである。また、本実施の形態では、吸着再生室２が蓋と合わさり閉鎖空間を形成するため、吸着ユニット３のフレーム３Ｂと誘電体６Ｃ、接地電極６Ｂが閉鎖空間になる必要はない。放電により吸着体の再生が終了したのち、図１９に示すように吸着ユニット３は、吸着処理室に戻され、ガス流の最も風下たる位置に配置される。
この実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、吸着破過後の濃縮率の高いＶＯＣを処理することができるため、効率が良い装置ができる。必要となる放電ユニットの数も少なく経済的な装置が実現できる。
図２０は、図１６に記載のＶＯＣ処理装置に酸素発生装置３３と圧力調整器３４を加えたものである。酸素発生装置３３と圧力調整器３４を追加することで吸着ユニットが吸着剤再生処理室２に収納された時点で酸素発生装置から酸素を吸着剤再生処理室２内に供給する。この場合、酸素の供給方法は、間欠的に供給しても、連続的に供給しても良い。酸素を供給することにより、吸着剤再生処理室内の圧力が増加すると放電を発生させるための電圧が大きくなる。そのため圧力調整器３４により圧力を大気圧に保つ必要がある。
これまでに述べたとおり、揮発性有機化合物は空気中の酸素を放電により発生する酸素原子またはオゾンによって分解する。よって酸素発生装置３３と圧力調整器３４を追加し、酸素を供給することで酸素濃度を高めることができればそれだけ分解効率をあげることができる。
実施の形態３．
図２１は、本実施の形態によるＶＯＣ処理装置の模式図である。図において、ローター１３はシールと吸着ユニット移動時のガイドを兼ねている。吸着ユニット移動用のための駆動用ローター１４と、駆動系統を持たない吸着ユニット３を送るために設けてある送り用ローター１５を有している。
本実施の形態では、吸着ユニット３を、一繋がりに連結している。この一連の吸着ユニット３を、駆動用ローター３２を回転させることにより、吸着処理室１から、吸着体再生処理室２へと移動させ、放電によりＶＯＣを分解、再生が終わった吸着体を再度、吸着処理室へと戻している。ガスが流入してくるガス上流側の吸着体がもっとも早く吸着破過する。吸着破過後の吸着ユニット３の一列分を、吸着体再生処理室に送り込む。移動後にスイッチング素子がオンになり放電を開始する。放電条件およびＶＯＣを分解する原理は前述のとおりである。
また、吸着ユニット３のフレーム３Ｂと誘電体６Ｃおよび接地電極６Ｂで囲まれる空間は実施の形態１と同様に閉空間になっている。スイッチング素子がオン状態で放電が印加された状態では、放電により発生する熱によって空間内の温度および高圧および接地電極、誘電体の温度が上昇する。これまでの実施例と同様、温度が上昇すると吸着体に吸着したＶＯＣが脱着し放電にさらされやすくなるため都合が良いが、誘電体の温度が１００℃を超えると絶縁破壊や、ｔａｎδの増加により効率の低下が起こる。そのため、チラーに純水を流して誘電体の温度が１００℃付近になるように冷却する。この本実施の形態においても、実施の形態１、２と同様に、吸着破過後の濃縮率の高いＶＯＣを処理することができるため、効率が良い装置ができる。必要となる放電ユニットの数も少なく経済的な装置が実現できる。また、吸着ユニットの移動が容易な揮発性有機物除去装置を得ることができる。
実施の形態４．
図２２は本発明の本実施の形態によるＶＯＣ処理装置の模式図であり、図２３は横断面図を示したものである。図において、吸着ユニット３を一連に繋げたものである。この吸着ユニット３を螺旋状に巻き、吸着処理室１から、吸着体再生処理室２へと一連の流れで動き、吸着処理、分解再生処理を行うものである。給気口１９および排気口２０は吸着処理室１に設けられ、給気口１９は螺旋状に巻かれた吸着ユニット３の外部にガスを供給するように配置され、排気口２０は螺旋状に巻かれた吸着ユニット３の内部に配置されている。また遮蔽版２１は螺旋状に巻かれた吸着ユニット３と吸着処理室１との間にガスが流れないように配置されている。
排気口２０はファンに接続されており、ファンにより排出されたＶＯＣ処理装置のガス分を、給気口１９から処理対象ガスをひきこんでいる。ＶＯＣ処理装置内に引き込まれた処理対象ガスは、螺旋状に巻かれた吸着ユニット３の外周部から内周部へと流れるときに、吸着体３ＡにＶＯＣ成分が吸着されて、排気口２０から外部へ清浄空気として排出される。なお、本装置は、螺旋状に吸着ユニット３を巻いて、駆動用ローター１４を回転することにより、吸着ユニット３が移動する。中心部へと流れている吸着量の少ない吸着ユニットと、中心部から外周部へと動いている吸着量が多い吸着ユニットが交互に並んでいる。分解再生処理に送り込まれてくる吸着ユニットは、ＶＯＣ吸着量が多いものが送られてくる。
実施の形態５．
図２４は、本発明の実施の形態５によるＶＯＣ処理装置の模式図である。本実施の形態は処理済みガス中に含まれるＶＯＣを測定するセンサー１７が設けられている。他は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。本実施の形態では、センサー１７で常時、処理済みガス中に含まれるＶＯＣを監視している。処理済みガス中に含まれるＶＯＣの濃度が所定濃度に達したときに、センサー１７の信号に応じて、制御装置１８から制御信号を発し、吸着ユニット３を移動させるものである。また、吸着体３Ａに吸着しているＶＯＣの吸着量により、放電により印加する電力を制御するものである。
この方式により、排出ガス中に含まれるＶＯＣを常時所定量以下にでき、吸着体の吸着量も一定に保つことができるため、無駄な電力を消費することなく効率良くＶＯＣを処理することができる。
図２４では、ＶＯＣセンサーを処理装置の出口にのみ取り付けたが、ＶＯＣセンサーの取り付け位置は、ＶＯＣ処理装置の入口でも良い。あらかじめ記憶させておいた、入口濃度と吸着時間もしくは吸着量の関係から、入口濃度により移動時間を自動的に計算し、制御装置にて吸着ユニットの移動、放電電力の制御を行うことにより同様の効果を得る。さらに、コストが許せば、入口側と出口側の両方にＶＯＣセンサーを取り付けることにより、入口濃度と出口濃度を監視でき、その差分から吸着体へのＶＯＣ吸着量を監視することができる。このため、入口のみ、出口のみのＶＯＣ濃度を監視するよりもより精度の高い制御を行うことができる。
実施の形態６．
これまでの実施の形態では、吸着ユニット３は、吸着体３Ａとフレーム３Ｂで構成されていた。本実施の形態では、図２５に示すように、吸着ユニット３に接地電極６Ｂを一体化して形成している。この形態では、吸着ユニット３と接地電極６Ｂとを一体化しているため、接地電極６Ｂが吸着ユニット３の補強材として機能する。よって、フレームを薄くできるため軽量化が可能となる。接地電極６Ｂは、吸着処理室１においてガスを流す必要があるため、金属板に穴が空いているパンチングメタル、もしくは、金属製の金網やワイヤーなどの導電性をもつものが望ましい。この場合、接地電極に穴が空いているため、放電時にガスが漏れ出る可能がある。そこで、図２６に示すように押さえ板２２により、放電ギャップ長を均一に保つとともに、押さえ板２２で接地電極の穴を防ぐ必要がある。
また、図２７に示すように吸着ユニット３を、吸着体３Ａを、接地電極６Ｂと誘電体６Ｃで挟みこんで一体化することもできる。本方式では、放電ギャップがあらかじめ設定されているため、精度良く均一に放電できる。また、接地電極６Ｂと誘電体６Ｃは、吸着処理室１においてガスを流す必要があるための穴が空いている必要がある。このため、接地電極は、パンチングメタル、もしくは、金属製の金網やワイヤーなどの導電性をもつものが望ましい。
吸着体再生処理室２では、冷却した高圧電極と接し放電を発生させる。誘電体は高圧電極と接する部分、すなわち放電面と反対の面に金やクロム、ニッケルなどの蒸着やめっきなどで給電層を設けることで、高圧電極との接触抵抗を低減することができる。また導電層を設ける代わりに、図２８に示すように、水冷部を設けた高圧電極６Ａを誘電体で被覆したり、図２９に示すように誘電体の内部に金属線３０や、パンチングメタルなどを埋め込んでもよい。
さらに図３０に示すように、接地電極６Ｂを吸着体３Ａで挟みこんで吸着ユニット３を構成しても良い。この場合、吸着体再生処理室２にて放電を行う場合、接地電極６Ｂの表裏２面にて放電することができる。
実施の形態７
図３１に示すように、吸着体再生処理室２では、吸着体がプラットホーム状に並んでいてもよい。これにより吸着体再生処理室２での吸着体処理数を自由にきめることができる。
なお、吸着処理室１と吸着体再生処理室２の配置は、図３２に示すように横に配置しても、図３３に示すように縦に配置してもよい。吸着処理室１と吸着体再生処理室２の配置は、本処理装置の設置スペース、処理風量による吸着体の重量により自由にとり決めることができる。また、吸着体再生処理室２にて吸着ユニット３が、吸着体再生処理室の吸着ユニットと垂直となすようにすることにより、吸着体再生室２に、多くの吸着ユニット３を収納することができる。
なおこれまで、放電による再生につき述べてきたが吸着体の再生に熱などを用いて酸化分解することによりＶＯＣを分解して吸着体を再生してもよい。
また、放電により発生した熱をとるためにチラーにより冷却していたが、吸収式の熱交換器などで熱をとり、生成したお湯を利用したりすることができる。

Claims (16)

  1. 揮発性有機化合物を吸着する吸着体を有する吸着ユニットがガスの流れ方向に積層されて配置される吸着処理室と、
    高圧電極と接地電極と誘電体とを有する複数の放電ユニットが、順次、前記吸着ユニットを挟み込んで再生処理を行う吸着体再生処理室と、
    ガスの上流方向にある前記吸着ユニットを前記吸着体再生処理室に移動させ、前記吸着体再生処理室内の前記吸着ユニットをガスの下流方向に移動させる移動機構と、
    を有する揮発性有機化合物処理装置。
  2. 吸着ユニットはパネル状に成形されており、吸着体再生処理室において放電ユニット間を移動する間に回転して方向を変更することを特徴とする請求項１に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  3. 吸着体再生処理室において、放電ユニット内の放電空間に吸着ユニット内の吸着体を設置し、放電により前記吸着体に吸着した揮発性有機化合物を分解し、前記吸着ユニットを再生することを特徴とする請求項１または２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  4. 放電時に、吸着体が放電ユニットにより密閉されることを特徴とする請求項３に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  5. 弾性体で放電ユニットを押し付けることにより、吸着体が放電ユニットにより密閉されることを特徴とする請求項４に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  6. 吸着ユニットは蝶番状のフレームを有していることを特徴とする請求項１または２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  7. 吸着ユニットが吊るされていることを特徴とする請求項１または２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  8. 前記吸着ユニットを再生するときに、酸素濃度を高めたガスを供給することを特徴とする請求項１または２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  9. 揮発性有機化合物を吸着する吸着体を有する吸着ユニットがガスの流れ方向に積層されて配置された吸着処理室と、
    高圧電極と接地電極と誘電体とを有する放電ユニットが設置された吸着体再生処理室と、
    ガスの上流方向にある前記吸着ユニットを前記吸着体再生処理室に移動させ、前記吸着体再生処理室内の前記吸着ユニットをガスの下流方向に移動させる移動機構とを有し、
    前記吸着ユニットを再生するときに、酸素を含むガスを間欠的に供給することを特徴とする揮発性有機化合物処理装置。
  10. 処理済みガス中の揮発性有機物の濃度を測定するセンサーを有している事を特徴とする請求項１または２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  11. 放電により生成した熱を熱交換により二次使用することを特徴とする請求項１または２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  12. 吸着ユニットが、疎水性ゼオライトからなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  13. 吸着ユニットに、貴金属触媒を含むことを特徴とする請求項１２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  14. 吸着ユニットに、オゾンを分解する能力を持つ触媒を含むことを特徴とする請求項１２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  15. 吸着ユニットを形成する吸着剤に、オゾンを分解する能力を持つ触媒を添着していることを特徴とする請求項１４に記載の揮発性有機化合物処理装置。
  16. 放電ユニット内に吸着ユニットを加熱する手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の揮発性有機化合物処理装置。
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