JP6714018B2 - オゾン発生方法 - Google Patents
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Description
(全体概要)
この発明による実施の形態の全体概要を図1〜図11を参照して説明する。
以下、図1を参照して、(窒素添加レス・)オゾン発生器1の作用、動作、放電のエネルギー注入の説明し、オゾン発生器1内におけるオゾン生成効率とオゾン分解率の説明をし、オゾン発生器1から取り出せるオゾン濃度について理論的に説明する。
まず、3L/min以上の大流量で、純度99.99(%)以上の高純度の酸素ガス994を供給したオゾン発生器1の放電面(接地電極1b及び誘電体1cの表面)の全面に周期率表に示された数々の金属元素材料を金属化合物質層1dとして塗布し、取り出せるオゾン濃度を測定した。その結果、放電面の全面に塗布した金属化合物質層1dの材料が金属のような導電体物質の状態では、いずれの金属元素の材料においても、取り出せる最大オゾン濃度は、100g/m3以下であり、200g/m3以上の高濃度オゾンを取り出すことはできなかった。
誘電体バリア放電は、オゾン発生器1における放電電極1a,1b間に誘電体1cを介した放電空間に交流高電圧を印加させる放電であるため、放電は、誘電体1c面に均一に帯電した電荷を放電空間に放電させる火花放電である。この火花放電は、誘電体1c面の微小部に帯電電荷した空間に限定的を放出させる放電であるため、放電自身は、微小放電径で微小時間の継続放電の間欠放電となる。そのため、1つの放電は数十ナノ径の放電柱でナノ秒の短寿命放電が印加した放電面全面に均一に無数発生する間欠放電になっているのが特徴で、この放電は、非常に高電界な放電であるため、高エネルギーな放電光を放電面全面に発光できる特殊な放電形態を有するものとなっている。
つぎに、放電プラズマによって光触媒状態に励起した、金属化合物質層1dにおける放電面材料と酸素ガス解離メカニズムについて説明する。図3は、励起状態(光触媒状態)になった放電面とオゾン発生器1に供給した酸素ガスとの接触による化学反応を模式図で示している。
次に生成した高濃度の酸素原子からオゾン発生器1内で、オゾンガスの生成までのメカニズムについて説明する。
図5は、本発明に用いる金属化合物質層1dの構成材料に用いる半導体の性質を有した金属化合物質の励起状態(光触媒状態)を示す説明図である。同図において、横軸は、半導体の性質を有した金属化合物質が光を吸収して励起状態になる得る光吸収波長を示し、この光吸収波長は、半導体の性質を有した金属化合物質のバンドギャップの電位幅と相関関係になっている。また、縦軸は、半導体の性質を有した金属化合物質が励起状態での伝導帯へのポンピングした価電子の励起電位と価電子帯で誘起したホールの励起電位を示す。この価電子の励起電位とホールの励起電位の電位差がバンドギャップ電位に相当する。図5において、半導体の性質を有した各金属化合物質で示したバンドギャップ電位幅の特性線BL−Vで示す下の電位が価電子帯に形成されるホール電位を示し、特性線AL−Vで示す上の電位が伝導帯にポンピングした価電子の電子電位を示す。
(2) 導電体ではなく、
(3) 金属化合物質層1dのバンドギャップが2.0〜4.0[eV]の範囲であり、
(4) 金属化合物質層1dの励起状態において形成される価電子帯部のホール電位が酸素分子の結合電位(1.25(eV))より大きい。
周期率表の第5族、第6族に属する電子配置のオゾン生成の有効性について説明する。
同時に価電子帯部にも1.25eV以上の+ホールが形成される酸化金属物質となり、光触媒状態になったバンドギャップの電位範囲とオゾン発生器1の誘電体バリア放電の光エネルギーと良く合っており、効率良く放電光を吸収することができる。このバンドギャップ範囲に加え、励起した半導体物質のホールの電位が放電空間に放電面と接触している酸素ガスの分解させる電位より高くなっていることで、化学反応が促進でき、酸素を触媒的に分解することで、高濃度の酸素原子が生成し、高濃度のオゾンガスを生成でき、結果として、高濃度のオゾンガスを取り出せることができる。
放電面に塗布する金属化合物質層1dの粒子径の優位性について説明する。
オゾン発生器1に金属化合物質層1dとして固着させる金属化合物質の表面積を高める手段としては、金属化合物質自身の粒径を小さいものにするだけでなく、放電面を微細な凹凸構造にして放電面の表面積を高めることも、オゾン発生効率ηを高めることになり、取り出せるオゾン濃度をアップさせる。
以上、放電面材料として、触媒的に酸素ガスを解離できる光触媒状態になり得る物質について述べてきたが、放電面に固着させる金属化合物質は、オゾンガスを触媒的に解離分解できる物質でもある。そのため、放電面に固着させる金属化合物質は、オゾン生成させる能力とオゾンガスを分解させる能力の2つの作用を共存している物質と言える。
オゾン生成効率ηは、塗布した物質の光触媒状態で、酸素ガスを解離してオゾンを生成する能力とオゾンガスを触媒的に解離分解させる能力との差で決まる値であると述べた。オゾン発生器1から取り出せるオゾン濃度は、図10で示すように、このオゾン生成効率ηと単位体積当たりの放電によって注入される比電力W/Qできまるオゾン生成量(接線La)とオゾン発生器1自身の構造(ガス速度(流量)、放電ギャップ長d等)やガス条件(ガス温度、ガス圧力等)によって決まる生成したオゾン量を分解する割合(オゾン分解率σ)の増加で、取り出せるオゾン濃度の低下度合(接線Lc)の合成で決まる。
オゾン発生器1から取り出せるオゾン濃度を高めるには、オゾン発生器1内で、オゾン生成効率ηを高め、生成するオゾン量を高めるとともに、生成したオゾン量に対して、オゾン分解率σを抑制するオゾン分解抑制要件をオゾン発生器1に課すべく、放電中のガス温度等のオゾン発生器1の構造もしくは設定手段を最適条件範囲にすることが必要である。
本実施の形態では、互いに対向した電極1a及び1b(第1及び第2の電極)と、高圧電極1a上に形成された誘電体1cとを有し、誘電体1cと接地電極1bとの間に放電空間を有するオゾン発生器1を用いてオゾンを発生させるオゾン発生方法を述べている。オゾン発生器1において、接地電極1b及び誘電体1cそれぞれの表面(放電面)に金属(元素)化合物質層1dをさらに有している。
なお、本実施の形態では、高圧電極1a上に誘電体1cを設けたが、接地電極1b上に誘電体1cを設けるように構成しても良い。
1a 高圧電極
1b 接地電極
1c 誘電体
1d 金属化合物質層
2 オゾン電源
99 原料供給系
Claims (7)
- 互いに対向した第1及び第2の電極(1a及び1b)と、前記第1の電極上に形成された誘電体(1c)とを有し、前記誘電体と前記第2の電極との間に放電空間を有するオゾン発生器を用いてオゾンを発生させるオゾン発生方法であって、
前記オゾン発生器は、前記第2の電極及び前記誘電体の少なくとも一つの表面に設けられる金属化合物質層(1d)をさらに有し、
前記金属化合物質層は以下の条件(1)〜(4)を満足し、
(1) Mn、Co、Ni、Cu、及びAgの何れも含まない
(2) 導電体ではない
(3) 前記金属化合物質層のバンドギャップが2.0〜4.0[eV]の範囲である
(4) 前記金属化合物質層の励起状態において形成される価電子帯部のホール電位が酸素分子の結合電位1.25eVより大きい
前記オゾン発生方法は、
(a) 前記放電空間に酸素ガスを主体にした原料ガスを供給するステップと、
(b) 外部エネルギーを与え、前記放電空間において誘電体バリア放電を発生させ、その放電光によって、前記金属化合物質層を光触媒状態にすることにより、前記ステップ(a) で供給した前記原料ガスから酸素原子を生成させるステップと、
(c) 前記ステップ(b) で生成された酸素原子と前記原料ガスに含まれる酸素ガスとの衝突化学反応でオゾンを発生させるステップと、
(d) オゾンの分解量を抑制させるオゾン分解抑制要件を前記オゾン発生器に課した環境下で前記ステップ(a) 〜(c) を実行させるステップとを備え、
前記金属化合物質層を構成する金属化合物の粒子径を0.1〜50(μm)の粉末にし、
前記金属化合物質層に含まれる主要金属元素は、V、Cr、Nb、Mo、Ta、W、Biのうち、少なくとも一つであり、前記金属化合物質層は金属酸化層を含み、
前記ステップ(d)にて前記オゾン発生器に課した前記オゾン分解抑制要件は、以下の要件(d1)〜(d3)を満足することを特徴とする、
(d1) 前記原料ガスとして酸素ガス純度を99.99(%)とした高純度酸素ガスを用いる
(d2) 前記原料ガスの供給時のガス流量は3(L/min)以上とする
(d3) 前記誘電体バリア放電における放電電力密度を1〜5(W/cm2)の範囲内で、かつ、比電力W/Q値を300〜500(W・min/L) の範囲内にする、
オゾン発生方法。 - 請求項1記載のオゾン発生方法であって、
前記金属化合物質層に含まれる主要金属元素は、ビスマス元素を含むことを特徴とする、
オゾン発生方法。 - 請求項1記載のオゾン発生方法であって、
前記金属化合物質層は、3元素が結合した金属化合物質層を含むことを特徴とする、
オゾン発生方法。 - 請求項1記載のオゾン発生方法であって、
前記金属化合物質層は、その結晶構造として体心立方構造を有することを特徴とする、
オゾン発生方法。 - 請求項1記載のオゾン発生方法であって、
前記金属化合物質層は、塗布、吹付、焼き付け、面接合により、前記第2の電極及び前記誘電体の少なくとも一つの表面に固着されることを特徴とする、
オゾン発生方法。 - 請求項1から請求項5のうち、いずれか1項に記載のオゾン発生方法であって、
前記ステップ(d)にて前記オゾン発生器に課した前記オゾン分解抑制要件は、以下の要件(d4)を満足することを特徴とする、
(d4) 前記オゾン発生器における前記第1及び第2の電極の温度を20(℃)以下に設定する、
オゾン発生方法。 - 請求項1から請求項6のうち、いずれか1項に記載のオゾン発生方法であって、
前記ステップ(d)にて前記オゾン発生器に課した前記オゾン分解抑制要件は、以下の要件(d5)及び(d6)を満足することを特徴とする、
(d5) 前記オゾン発生器の放電空間のギャップ長を0.02〜0.12(mm)範囲内に設定する、
(d6) 前記放電空間のガス圧力を絶対圧で、0.2〜0.4(MPa)の範囲内に設定する、
オゾン発生方法。
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