JP5681357B2 - マイクロ波非平衡プラズマを用いた有機物質の処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、非平衡プラズマによりバイオマスまたは有機廃液を分解し、分解後の生成物の大半を可燃ガスとすることのできる有機物質の処理方法に関する。
変圧器等に使用されている電気絶縁油は定期点検で交換した後に廃油が発生する。近年の環境保全の観点から、これら廃油を処理する場合は、環境に比較的影響の少ない物質に分解処理する必要がある。
分解処理方法の一例としては、高周波誘導熱プラズマを利用した廃油処理方法が従来から知られている（特許文献１参照）。
上記処理方法は、アルゴンガスを酸素および水蒸気、水素などの廃油分解に適した反応ガスに置換した後、高温のプラズマフレームに晒されて１０００〜２０００℃に加熱された加熱部材に廃油を供給することにより、廃油は瞬時に蒸発・分解し、酸素などとの反応が促進される。分解物質は、排気口から外部に廃棄される。
この処理方法によれば、廃油を処理するための酸素等の量は、廃油の分解処理に必要な最低限の量ですむため、排出ガス量を抑制できる利点を有する。
然るに、近年、環境保全に加え、資源の有効利用の観点から廃棄物を適正に処理した後、これを有効活用する社会的要請が高まりつつある。上記の処理方法については、排出ガスは無害なものであり環境保全の点からは優れているが、その一方で、廃油を分解処理し生成される生成物を直接有効活用することができれば、上記資源の有効利用の観点から好ましいものと言える。
そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みて、バイオマスや有機廃液を分解処理した際の生成物の大半を可燃ガスとすることを実現し、該可燃ガスを発電等（水素および水は燃料電池）に利用することを目的とするマイクロ波非平衡プラズマを用いた有機物質の処理方法の提供を目的とする。
請求項１記載の発明は、減圧下のプラズマ反応管内に、当量反応に満たない酸素を反応ガスとして供給して、酸素不足による還元雰囲気を生成した状態でマイクロ波を照射し、グロー放電によって反応ガスをプラスマ化してから、前記プラズマ反応管内にバイオマス又は有機廃液をプローブを介して直接投入して分解処理することにより、可燃ガスを生成することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、バイオマス又は有機廃液は、前記プローブを介して前記反応部内に設置した試料台上に滴下し、試料台上に一定時間保持することを特徴とする。
請求項１記載の発明によれば、減圧下の反応部内に供給する反応ガスとしての酸素を当量反応に満たない量に制限することにより、プローブより滴下した有機物質のマイクロ波非平衡プラズマによる分解後の生成物の大半を可燃ガスとすることができ、生成された可燃ガスを回収装置により回収すれば、燃料電池や発電等に利用することができる。
請求項２記載の発明によれば、プラズマ反応部内に設置した試料台上に、分解処理する有機物質を一定時間保持するようにしたので、プラズマ内に有機物質を長時間滞留させることができ、有機物質の分解率を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図１および図２を用いて説明する。図１は本発明に係る有機物質の処理方法を実現するための有機物質処理装置Ａを示すものである。
有機物質処理装置Ａは、マイクロ波発生装置１と、マイクロ波導波管２、有機物質の投入部３、反応ガス供給部４、プラズマ反応管５、および、真空ポンプ６と、有機物質を分解処理した後の生成物を捕集する捕集部７によって構成されている。
前記マイクロ波導波管２には、マイクロ波発生装置１から発振されたマイクロ波が反射して当該発生装置１内に入ることを防止するために、反射したマイクロ波を吸収するためのアイソレータ８と、マイクロ波の強さを調べるパワーモニタ９、および、マイクロ波を共振させ、プラズマの発生位置に焦点を合わせるスタブチューナ１０が備えられている。１１は真空ポンプ６によって気圧調整されるプラズマ反応管５内の気圧を測定する圧力計である。
前記捕集部７は、廃液を分解した結果、生成される生成物のうち、水を冷却して捕集するコールドトラップ１２と、発生ガスを回収するガス回収装置１３によって構成されている。
１４はプラズマの発生状況を目視するための観察窓であり、図２に示すプラズマ反応部Ｘの状況を確認するためのものである。プラズマ反応部Ｘは、マイクロ波導波管２に対してプラズマ反応管５が垂直に設置され、その上部は前記投入部３と反応ガス供給部４に接続され、下部は前記真空ポンプ６および捕集部７に接続されている。
前記プラズマ反応管５内には、上端を前記投入部３に接続した細管（以下、プローブという）１５の下端が、マイクロ波によって生じるプラズマの発生位置上部に延出しており、該プラズマ発生位置の下部には、投入部３からプローブ１５を介して供給された有機物質をプラズマ発生位置で長時間滞留させるための試料台１６が設置されている。
前記プラズマ反応管５は、例えば、透明の石英管によって形成され、図１に示すプラズマ発生装置１から発振してプラズマ導波管２を通過したマイクロ波をプラズマ反応管５内に良好に通過させるものである。
次に、本発明に係る有機物質の処理方法について説明する。本発明の有機物質処理方法は、図１に示す有機物質処理装置Ａによって実現可能あり、当該有機物質処理装置Ａは、バイオマスや有機廃液を分解処理することができる。
以下に有機物質として絶縁油を分解処理する場合について説明する。
絶縁油としては、例えば、柱上変圧器用の電気絶縁油を用いる。絶縁油を元素分析してみるに、炭素および水素から構成されており、その他の元素は含まれない純粋な炭化水素であった。
上記絶縁油を分解処理するにあたって、まず、図１に示す反応ガス供給部４から反応ガスとして酸素を供給する。このとき、前記酸素の供給量は、後述する当量反応に満たない量に設定する。供給された酸素は、プラズマ反応管５内を図１に示す下方へ通過し、図２に示すプラズマ反応部Ｘに供給される。
次に、真空ポンプ６および圧力計１１を用いて、プラズマ反応管５内を所定圧力（例えば、１.５ｋＰａ）に減圧・固定し、この状態でマイクロ波発生装置１によって生成したマイクロ波を所定の出力（６７０Ｗ等）で発振する。
マイクロ波発生装置１から出力されたマイクロ波は、マイクロ波導波管２、アイソレータ８を介してパワーモニタ９に伝播し、パワーモニタ９により入射電力が検出される。このとき、アイソレータ８は反射したマイクロ波を吸収することによって、マイクロ波発生装置１を保護する。反射したマイクロ波の電力はパワーモニタ９によって検出される。
導波管２内を通過したマイクロ波は、スタブチューナ１０によって共振され図２に示すプラズマ発生位置に焦点が合わされ、プラズマ反応部Ｘに入射する。
プラズマ反応部Ｘに入射したマイクロ波は、透明石英管等からなるプラズマ反応管５を良好に透過する。このとき、プラズマ反応管５内には、図１に示す反応ガス供給部４より反応ガスとして酸素が供給されており、この酸素は入射したマイクロ波によって電離してプラズマ化される。
このとき発生するプラズマは、プラズマ反応管５内が一定圧に減圧（例えば、１.５ｋＰａ）されているので、グロー放電によって生じる。グロー放電は、コロナ放電と比較してより広範囲で安定した放電であり、アーク放電と比較して低エネルギーで生じさせることができる。
プラズマ反応部Ｘにグロー放電プラズマを発生させたら、処理対象である絶縁油を液体の状態で投入部３に投入する。絶縁油の投入量は、反応ガスとして供給される酸素量が当量反応に満たない量に設定する。投入した廃油は、図１又は図２に示すプローブ１５内を下降するが、当該絶縁油は常温で粘度が高いので、プローブ１５内に留まってしまう問題がある。
そこで、投入部３に絶縁油を投入する際に、プローブ１５に酸素等の気体（例えば、５０ｍｌ／ｓ）を導入する。当該気体の導入により、投入した絶縁油は、プローブ１５内を下方に押し出され、図２に示す下端（先端）からプラズマ反応部Ｘに連続的に滴下される。
このとき、プラズマ反応部Ｘにはグロー放電プラズマが生じているので、プローブ１５の下端から滴下された絶縁油は、このプラズマによって分解されるが、反応ガスとしての酸素が当量反応に充分な供給量を満たしていないため、絶縁油はガスと炭素（煤）および水に分解される。
前記ガスは、水素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、その他低分子炭化水素からなり、そのうち、水素、一酸化炭素、その他低分子炭化水素の割合が全体の７割を占める。
分解処理時、プローブ１５から滴下された有機物質は、プラズマ発生部Ｘの下部に設置された試料台１６上に滞留するため、長時間プラズマ中に留まることができ、絶縁油のプラズマによる分解率を向上できる。
分解により生じた煤（炭素）は、反応ガス供給部４より供給された酸素と結合し、二酸化炭素としてプラズマ反応部Ｘの下方へプラズマ反応管５内を下降する。これにより、煤（炭素）がプラズマ反応管５内に付着することにより、マイクロ波が当該反応管５を透過することの阻害となることを阻止することができる。
有機物質の分解により生じた水やガスも同様に、プラズマ反応管５内を下降し、水または氷はコールドトラップ１２による冷却過程を通じて捕集され、ガスは、その後のガス回収装置１３内にて回収される。
なお、未分解の絶縁油は、プラズマ放電管５下部の装置内に滞留するため、プラズマ放電管５その他の配管をヘキサン等の有機溶剤により洗浄して回収することができる。装置を洗浄して得られた未分解の絶縁油とヘキサンの混合液は、濾過後にロータリーエバポレータを用いてヘキサンを除去し、未分解の絶縁油のみとして重量測定できる。これにより、絶縁油の分解率の計算が可能となり、併せて、絶縁油の投入速度と分解率の関係を調べることが可能となる。
以上の方法により、投入した絶縁油をプラズマ分解処理することによって、有機物質から可燃ガスを高効率で採取することができる。
また、本発明の方法は、グロー放電によるプラズマであるので、安定した放電を実現することができる。さらに、プラズマ反応部Ｘにプローブ１５を介して絶縁油を滴下することにより、プラズマが分解処理途中で消失してしまう問題もなく、絶縁油の分解効率を向上させることができる。
なお、絶縁油に代えて、バイオマスその他有機物質を分解処理する場合についても、前述と同様の方法によるものであるので、説明は割愛する。
以上説明したように、本発明の有機物質の処理方法は、バイオマスや有機廃液を高効率で可燃ガスに改質することができ、採取した可燃ガスは、発電や燃料電池への利用が可能となる。
また、グロー放電プラズマによって有機物質を分解処理するので、安定した放電を実現することができ、分解率の向上を図ることができる。
さらに、有機物質をプローブを利用して滴下することにより、グロー放電が消失してしまう問題を防止することができる。つまり、有機物質の分解処理が途中で中断されることを確実に阻止して、有機物質の分解率を向上することができる。
しかも、試料台上に有機物質を滞留させることにより、プラズマ中に長時間有機物質を滞留させることで、分解率の向上を図ることができる。
マイクロ波非平衡プラズマを用いて、有機物質を可燃ガスに高効率で改質することのできる有機物質の処理方法を提供するものである。
１ マイクロ波発生装置
２ マイクロ波導波管
３ 投入部
４ 反応ガス供給部
５ プラズマ反応管
６ 真空ポンプ
７ 捕集部
８ アイソレータ
９ パワーモニタ
１０ スタブチューナ
１１ 圧力計
１２ コールドトラップ
１３ ガス回収装置
１４ プラズマ観察窓
１５ 細管（プローブ）
１６ 試料台
Ａ 有機物質処理装置
Ｘ プラズマ反応部
２ マイクロ波導波管
３ 投入部
４ 反応ガス供給部
５ プラズマ反応管
６ 真空ポンプ
７ 捕集部
８ アイソレータ
９ パワーモニタ
１０ スタブチューナ
１１ 圧力計
１２ コールドトラップ
１３ ガス回収装置
１４ プラズマ観察窓
１５ 細管（プローブ）
１６ 試料台
Ａ 有機物質処理装置
Ｘ プラズマ反応部
Claims (2)
- 減圧下のプラズマ反応管内に、当量反応に満たない酸素を反応ガスとして供給して、酸素不足による還元雰囲気を生成した状態でマイクロ波を照射し、グロー放電によって反応ガスをプラスマ化してから、前記プラズマ反応管内にバイオマス又は有機廃液をプローブを介して直接投入して分解処理することにより、可燃ガスを生成することを特徴とするマイクロ波非平衡プラズマを用いた有機物質の処理方法。
- 前記バイオマス又は有機廃液は、前記プローブを介して前記反応部内に設置した試料台上に滴下し、試料台上に一定時間保持することを特徴とする請求項１記載のマイクロ波非平衡プラズマを用いた有機物質の処理方法。
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