JP6448490B2 - ガス処理装置 - Google Patents
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Description
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るガス分解装置10の全体構成を示す。
ガス分解装置10では、放電電極と接地電極間に印加された交流高電圧で発生する放電により、大気やプロセス排気ガスに含まれる分解対象ガス(炭素または窒素の少なくともいずれかを含むガス、例えば、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトアルデヒド、アンモニアガス)を分解する。ガス分解装置10は、被処理ガスを処理するガス処理装置として機能する。
流路拡大部12は、ガス導入口11からプレフィルタ13,ガス分解室14へと流路を拡大する。流路拡大部12は、後の図2で示される放電電極22間(または放電電極22とガス流隔壁26の間)に被処理ガスを供給するガス流路である。
オゾン処理室15は、オゾン処理器(図示せず。例えば、オゾン触媒)を有し、ガス分解室14で生成した高濃度のオゾンガス、NOx、またはSOxを処理、分解する。
流量調節部16は、複数の積層体の下流側に配置され、前記対象ガスの流量を制限する流量制限機構として機能する。
この駆動装置は、複数の流量制限板161それぞれに設けても良いし、流量制限板161を棒状体で接続している場合には、その棒状体を動かしても良い。
バルブを開閉することで、被処理ガスの流量を調節できる。
送風機での送風の方向および送風量を変化させることによって、被処理ガスの流量を調節できる。例えば、送風機での送風方向を被処理ガスの流れ方向と逆にし、送風量をガス導入口11からの被処理ガスの導入量と対応させることで、これらを拮抗させ、ガス導入口11からの被処理ガスの導入を停止、制限することができる。また、送風機での送風方向を被処理ガスの流れ方向と同一とし、送風量を小さく、あるいは事実上ゼロとすることで、被処理ガスの流量を制限できる。
制御装置41は、検出器Sの検出結果等に応じて、流量調節部16を制御して、被処理ガスの流量を制限する。
処理ユニットUは、ガス分解素子20(20(1)〜20(5))、ガス流隔壁26を有する。ここでは、処理ユニットUに含まれるガス分解素子20の個数を5としているが、これは適宜に変更できる。
放電電極22、接地電極23は、金属等の導電体から構成される。例えば、スパッタリングまたはメッキを用いて、誘電体基板21上に金(Au)の薄膜を形成し、放電電極22、接地電極23とすることができる。
最上部(および最下部)のガス分解素子20の誘電体基板21は、ガス流隔壁26と、間隔G2を有して配置される。なお、ここでは、間隔G1、G2に対して、放電電極22の厚さや光触媒層25の厚さは無視できるとしている。
接地電極23に気体が接触すると、逆放電による逆流により、後述のプラズマ誘起流Fpの流れが抑制されたり、微小空間で異常放電(過熱)が起きたりする。それらを防止するために、絶縁封止層24の周辺は、絶縁封止層24で密着密閉することが望ましい。
ガス流隔壁26は、被処理ガスの流路を制限する隔壁である。ガス流隔壁26は、処理ユニットUの最上部、最下部を通過する被処理ガスが、プラズマP内を通過し、プラズマPの外部を素通しないように制限する。
高電圧交流電源30からの交流高電圧によって、誘電体基板21の表面上、放電電極22側の接地電極23方向にプラズマPが生成される。プラズマPは、正イオンと電子を含む。この正イオンは放電電極22から接地電極23上の誘電体基板21の表面方向に流れる。この流れは、大気と衝突し、その周囲にガス気流を伴い、プラズマ誘起流Fpが発生する。
横軸は誘電体基板21の上下方向での位置Yであり、Y=6mmの位置が誘電体基板21の表面に対応する。熱線流速計を上下に動かして、プラズマ誘起流Fpの流速Vの分布を測定した。ここでは、周波数fが10kHz、印加電圧Vrfが6kVの正弦波電圧を印加している。
図5に示す通り、プラズマ誘起流Fpは約3kVの印加電圧Vrfから生成される。印加電圧Vrfの増加とともにプラズマの密度(イオン密度)が高くなり、引き込み電界も大きくなる。このため、印加電圧Vrfの増加とともに、プラズマ誘起流Fpの流速Vは大きくなる。
大気中の酸素ガス(O2)、水分(H2O)、分解対象ガス中の水素、窒素、酸素成分から、活性酸素(ヒドロキシラジカル:OH、酸素原子ラジカル:O、オゾン:O3等)が生成する。
そして、分解対象ガス(例えば、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトアルデヒド、アンモニアガス)は、酸化剤と混合されると、(1)、(2)、(3)に示される反応によって、CO2、H2O、NOx(NO2、NO)等に分解される。
なお、NOxは後段に設置した光触媒層25a,25bやオゾン処理層15で除去できる。
分解対象ガス + O → CO2 + H2O +NOx (2)
分解対象ガス + O3 → CO2 + H2O +NOx (3)
図6は、比較例に係るガス分解装置10xの全体構成を示す。
ガス分解装置10xは、流量調節部16を有しない。このため、処理ユニットUに流入する被処理ガスの流量が大きくなりすぎて、ガス分解の効率が低下し易くなる。
(1)分解効率の低下
(2)完全酸化率の低下
(3)放電電極22の汚れの発生
放電電極22の汚れは、分解効率のさらなる低下、放電の不安定の原因ともなる。
ここで、処理ユニットUに印加する電圧を9500Vとした。試験ガス中のトルエンガスの濃度は、約50ppmとした。トルエンガス濃度、ガス分解率(%)の計測には、FT−IR装置を用いた。
ここで、試験ガスの流量を6、12、25LM(L/min)と増加させるに従い、分解効率は約50%、30%、5%と著しく減少する。これは、プラズマP中で発生する高活性なOHラジカルの生成量が有限であり、供給されるトルエン量に追いつかないためである。
C6H5CH3 + 18OH → 7CO2 + 4H2O + 5H2 (4)
なお、式(4)の右辺の生成物(CO2等)以外に、副生成物として、CO、CH3CHO、CH3COOHが発生する可能性がある。
なお、トルエンガスの濃度が増大した場合にも、同様に、不完全燃焼反応や未分解のトルエンが発生する。
ここで、大気のプラズマP中でO2とH2OからOHラジカルを生成する速度とOHとトルエンが反応する速度の大小関係が、トルエンの分解反応の進行上重要である。
一方、OHラジカルの寿命は700μ秒程度である。処理ユニットU内の気流流速は1〜3m/sである。このため、プラズマPで発生したOHラジカルは、プラズマPから1、2mmまでしか出ることができない(生き残れない)。すなわち、トルエンの分解反応を進めるためには、(プラズマを一定条件では、)反応ガスがプラズマPに滞留する時間を長くすることが必要となる。
図8は、第2の実施形態に係るガス分解装置10aの全体構成を示す。
ガス分解装置10aは、ガス導入口11,流路拡大部12,プレフィルタ13,ガス分解室14,オゾン処理室15a,15b,流量調節部16a,16b,ガス流出口17を有する。
オゾン処理室15a,15bがガス分解室14の上下流双方に配置される。オゾン処理室15aの上流、オゾン処理室15bの下流それぞれに、流量調節部16a,16bが配置される。
流量調節部16を用いて、被処理ガスの流量を調節して、滞留時間を変更することができる。
処理するガス種に応じて、流量調節部16の開閉度を調節してもよい。
例えば、難分解性ガス(例えば、トルエン)の場合には、開閉度を小さくして流速少(滞留時間大)として分解率を上げる。易分解ガス(例えば、ホルムアルデヒド)の場合には、開閉度を大きくして流速大(滞留時間小)とする。
この場合、検出器Sとして、ガス分析装置を備え、ガス種、あるいは濃度を検出する。そして、制御部41は、この検出結果に応じて流量調節部16の開閉度を調整する。
制御部41は、ガス濃度が高いときは、開閉度を小さくして流速少(滞留時間大)として分解率を上げる。それにより、放電電極22の汚れを防止する。
制御部41は、ガス濃度が低いときは、開閉度を大きくして流速大(滞留時間小)として分解率を下げる。
ここで、ガス種およびガス濃度の双方を考慮して、流量調節部16の開閉度を調節してもよい。
・制御部41は、流量調節部16を定期的に閉塞して、クリーニングしても良い。
被処理ガスを流さない場合は、OHラジカルにより、放電電極22をクリーニングできる。
・定期的に、開閉度を小さくして流速少(滞留時間大)としてOHラジカル濃度を上げて、放電電極22をクリーニングする。そのことにより、分解効率は復活する。
また、その際には被処理ガスの導入を停止して、クリーニングすることがさらに有効である。
放電電極22の汚れを検出し、この検出結果に応じて、制御部41は、流量調節部16の開閉度を調節しても良い。次のように、センサーを用いて、放電電極22の汚れを検出できる。
例えば、放電電極22の上方あるいは下流側に光センサーを設置して、放電電極22の放電部でのプラズマの発光強度を測定する。発光強度の減少により、放電電極22が汚れ、放電が弱くなったことを検知できる。
また、高電圧交流電源30に電流計または電力計を設置し、放電電流あるいは放電電力を測定しても良い。放電電流、放電電力の減少により、放電電極22が汚れ、放電が弱くなったことを検知できる。
さらに、放電電極22の下流側にガスセンサーを設置し、分解対象ガスの濃度を測定しても良い。分解対象ガスの濃度の増加(放電によるガス分解能力の低下)により、放電電極22が汚れ、放電が弱くなったことを検知できる。
図9は、第3の実施形態に係るガス分解装置10bの全体構成を示す側面図である。図10は、ガス分解装置10bの処理ユニットUbの構成を示す側面図である。
図11は、第4の実施形態に係るガス分解装置10cの処理ユニットUcの構成を示す側面図である。
既述のように、図面左方向(逆方向)にプラズマ誘起流Fpが流れるガス分解素子20b(5)、20b(4)間等の電極22bは、ガス分解素子20b(積層体)の下流側に配置され、対象ガスの流量を制限する流量制限機構として機能する。
図12は、第5の実施形態に係るガス分解装置10dの処理ユニットUdの構成を示す側面図である。
処理ユニットUdはガス分解素子20d(1)〜20d(6)を有し、プラズマ誘起流Fpが交互に逆方向へ流れる。すなわち、ガス分解素子20c(6)、20c(5)間、ガス分解素子20d(4)、20d(3)間、ガス分解素子20d(2)、20d(1)間は、図面右方向(順方向)にプラズマ誘起流Fpが流れる。また、ガス分解素子20d(5)、20d(4)間、ガス分解素子20d(3)、20d(2)間(以下、ガス分解素子20d(5)、20d(4)間等という)は、図面左方向(逆方向)にプラズマ誘起流Fpが流れる。
この結果、被処理ガスの効率的な分解が可能となる。
図13は、比較例2に係るガス分解装置10yの処理ユニットUyの構成を示す側面図である。
処理ユニットUyは、2つの処理ユニットUを流れ方向に沿って接続した構造を有する。すなわち、ガス分解素子20yの誘電体基板21aには、2組の放電電極22a,光触媒層25aが間隔L隔てて配置されている。同様に、誘電体基板21bには、2組の放電電極22b,光触媒層25bが間隔L隔てて配置されている。
これに対して、第5の実施形態に係るガス分解装置10dの処理ユニットUdは、間隔Lを必要とせず、接地電極23を放電電極22a、22bで共有するため、処理ユニットUdの小型化を図れる。
図14は、第6の実施形態に係るガス分解装置10eの処理ユニットUeの構成を示す側面図である。
処理ユニットUeのガス分解素子20e(1)〜20e(5)は、上下それぞれに2組の放電電極22a(22a1、22a2(第1,第4の電極))、放電電極22b(22b1、22b2(第2,第5の電極))を有する。
例えば、容分解性ガス(例えば、ホルムアルデヒド)の場合、ガス分解素子20e(1)〜20e(5)の放電電極22a1、22b1に電圧を印加し、放電電極22a2、22b2に電圧を印加しないことが考えられる。この場合、紙面左から右方向にのみプラズマ誘起流Fpが流れ、流量が増大し、分解処理量が大きくなる。
11 ガス導入口
12 流路拡大部
13 プレフィルタ
14 ガス分解室
15 オゾン処理室
16 流量調節部
161 流量制限板
162 回転軸
17 ガス流出口
20 ガス分解素子
21 誘電体基板
22 放電電極
23 接地電極
24 絶縁封止層
25 光触媒層
26 ガス流隔壁
28 ガス流隔壁
30 高電圧交流電源
41 制御装置
S 検出器
U 処理ユニット
Claims (15)
- 第1、第2の主面を有する第1の誘電体基板と、
第3、第4の主面を有する第2の誘電体基板と、
前記第2の主面と前記第3の主面の間に挟持される接地電極と、
前記第1の主面に配置される第1の放電電極と、
前記第4の主面に配置される第2の放電電極と、
をそれぞれ備え、互いに間隔を有して並列に配置される、複数の積層体と、
前記複数の積層体間に対象ガスを供給するガス流路と、
前記第1、第2の放電電極と前記接地電極間に交流電圧を印加して、前記第1、第2の放電電極で放電させることによって、前記複数の積層体間の間隙に前記対象ガスの複数のプラズマ誘起流を生成する交流電源と、
前記ガス流路から供給されて前記複数の積層体間の間隙を通過した前記対象ガスの流量を制限する流量制限機構と、
を具備するガス処理装置。 - 前記複数の積層体間の間隙の厚さが、前記プラズマ誘起流の厚さの1.3倍以下である、
請求項1記載のガス処理装置。 - 前記複数の積層体と前記流量制限機構の間に配置されるオゾン処理触媒
をさらに具備する、請求項1または2に記載のガス処理装置。 - 前記ガス流路と前記複数の積層体の間に配置される、第2のオゾン処理触媒
をさらに具備する、請求項3記載のガス処理装置。 - 前記ガス流路と前記複数の積層体の間に配置され、前記ガス流路から供給されて前記複数の積層体間の間隙に流入する前記対象ガスの流量を制限する第2の流量制限機構
をさらに具備する、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のガス処理装置。 - 前記流量制限機構が、
離間して配置される複数の板状体と、
前記複数の板状体の角度を調節する調節機構と、を有する、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載のガス処理装置。 - 前記複数のプラズマ誘起流が、前記ガス流路から前記流量制限機構に向かう方向に流れる第1のプラズマ誘起流と、前記流量制限機構から前記ガス流路に向かう方向に流れる第2のプラズマ誘起流と、を有する
請求項1乃至6のいずれか1項に記載のガス処理装置。 - 前記複数の積層体が、順に配置される第1、第2、および第3の積層体を有し、
前記第1、第2の積層体間の第1の間隙に、前記第1のプラズマ誘起流が生成され、
前記第2、第3の積層体間の第2の間隙に、前記第2のプラズマ誘起流が生成される、
請求項7記載のガス処理装置。 - 前記第1のプラズマ誘起流に対応する前記第1、第2の放電電極が、前記第1、第4の主面上の前記ガス流路側に配置され、
前記第2のプラズマ誘起流に対応する前記第1、第2の放電電極が、前記第1、第4の主面上の前記流量制限機構側に配置される、
請求項7または8に記載のガス処理装置。 - 前記複数の積層体から出射した前記第1のプラズマ誘起流を前記第2のプラズマ誘起流へと誘導するガイド
をさらに具備する請求項9記載のガス処理装置。 - 前記複数の積層体がそれぞれ、前記第1、第4の主面上に、前記第1、第2の放電電極と対応して配置される第3、第4の放電電極を有する
請求項1乃至10のいずれか1項に記載のガス処理装置。 - 前記第1、第2の放電電極と前記第3、第4の放電電極を切り替えて、交流電圧を印加する切り替え機構、
をさらに具備する請求項11記載のガス処理装置。 - 前記流量制限機構を制御して、前記対象ガスの流量を周期的に制限する制御部
をさらに具備する請求項1乃至12のいずれか1項に記載のガス処理装置。 - 前記第1、第2の放電電極の汚れを検出する汚れ検出部と、
前記汚れ検出器での検出結果に応じて、前記流量制限機構を制御して、前記対象ガスの流量を制限する制御部と、
をさらに具備する請求項1乃至12のいずれか1項に記載のガス処理装置。 - ガスの種別を検知するガス検知器と、
前記ガス検知器での検知結果に応じて、前記流量制限機構を制御して、前記対象ガスの流量を制限する制御部と、
をさらに具備する請求項1乃至12のいずれか1項に記載のガス処理装置。
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