| 【発明の名称】 |
非平衡プラズマによるガス処理方法と放電電極及びそれを備えたガス処理装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】室井 國昌
【氏名】尾形 敦
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| 【要約】 |
【課題】非平衡プラズマによるガス処理を効率的に、しかも低コストで行うことができる非平衡プラズマによるガス処理方法と放電電極及びそれを備えたガス処理装置を提供する。
【解決手段】本発明の非平衡プラズマによるガス処理方法は、非平衡プラズマＰ内に、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体１５を配置し、この非平衡プラズマＰ内に被処理ガスｇを導入し、この被処理ガスｇの分解処理を行うことを特徴とする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非平衡プラズマ内に、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体を配置し、この非平衡プラズマ内に被処理ガスを導入して該被処理ガスの分解処理を行うことを特徴とする非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項２】
前記光触媒体は、成形体であることを特徴とする請求項１記載の非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項３】
前記光触媒は、前記光触媒を除く触媒に担持されているか、もしくは前記光触媒自体であることを特徴とする請求項１または２記載の非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項４】
前記光触媒を除く触媒は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎの群から選択される１種または２種以上の元素を含有してなることを特徴とする請求項１、２または３記載の非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項５】
前記光触媒を除く触媒は、比表面積が１０ｍ２／ｇ以上の触媒担体に、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎの群から選択される１種または２種以上の元素を５重量％以下担持してなることを特徴とする請求項１、２または３記載の非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項６】
前記光触媒は、紫外線反応または可視光反応する酸化チタンであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項７】
前記固体物質は、吸着性多孔質物質、誘電性物質、粘土性物質、合成樹脂の群から選択された１種または２種以上であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項８】
前記吸着性多孔質物質は、比表面積が２００ｍ２／ｇ以上であり、かつ、ＨＹ型ゼオライト、ＨＸ型ゼオライト、Ｈ型モルデナイト、シリカアルミナ、金属シリケートの群から選択された１種または２種以上であることを特徴とする請求項７記載の非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項９】
前記吸着性多孔質物質は、比表面積が１０ｍ２／ｇ以上かつ７５０ｍ２／ｇ以下であり、かつ、シリカアルミナ、ゼオライト、シリカゲル、ジルコニア、チタニアの群から選択された１種または２種以上であることを特徴とする請求項７記載の非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項１０】
前記非平衡プラズマは、パルスストリーマ放電、無声放電、沿面放電のいずれかにより発生させることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項記載の非平衡プラズマによるガス処理方法。
【請求項１１】
接地電極と、該接地電極に絶縁体を介して設けられた表面電極とを備えた放電電極であって、
非平衡プラズマを発生する領域に、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体の成形体を配置してなることを特徴とする放電電極。
【請求項１２】
前記接地電極は筒状体であり、前記絶縁体は前記接地電極の内周面を覆っており、前記表面電極は前記絶縁体の内周面に前記筒状体と同軸的に設けられたスパイラル状のコイルであることを特徴とする請求項１１記載の放電電極。
【請求項１３】
前記接地電極は前記絶縁体により包囲され、前記表面電極は前記絶縁体を挟持するように対向して設けられた一対の電極からなることを特徴とする請求項１１記載の放電電極。
【請求項１４】
前記放電電極に、その厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成し、この貫通孔が形成された放電電極を複数個配列し、これらの放電電極間に前記光触媒体を充填してなることを特徴とする請求項１３記載の放電電極。
【請求項１５】
請求項１１ないし１４のいずれか１項記載の放電電極を備えたことを特徴とするガス処理装置。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、非平衡プラズマによるガス処理を効率的に、しかも低コストで行うことが可能な非平衡プラズマによるガス処理方法と放電電極及びそれを備えたガス処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般廃棄物や産業廃棄物の焼却炉から排出される排気ガス中には、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン等の種々の有害化学物質が含まれているが、これらの有害化学物質による環境汚染や人体への悪影響を防ぐためには、これらの有害化学物質を含む有害ガスを分解処理して無害化した後に、大気中へ排出しなければならない。
そこで、有害ガスを分解処理する方法として種々のガス処理方法が提案されている。
中でも、近年、放電を利用するガス処理方法が検討され、提案されている。このガス処理方法は、ガス処理に伴なう後処理が必要でないこと、処理装置を小型化することができること等の利点がある。
【０００３】
この放電を利用するガス処理方法としては、熱プラズマを利用する方法と、非平衡プラズマ（低温プラズマ）を利用する方法とが挙げられる。特に、非平衡プラズマを利用する方法では、電子のエネルギー（電子温度）のみが高く、イオンおよび分子のエネルギー（イオン温度および分子温度）は低い。したがって、非平衡プラズマを利用する方法では、処理されるガスの温度自体は常温であるにもかかわらず電子温度が高いので、高温に適さない材料や条件に適用できる上に、非平衡プラズマを発生する装置の設置が容易で、熱プラズマでは生成困難なラジカルを生成して、特異な化学反応を引き起こすことができる等の利点がある。
【０００４】
このような非平衡プラズマを発生させるには、コロナ放電、無声放電、部分放電（パックドベッド型）、沿面放電、パルスストリーマ放電（高圧パルス電源を必要とする）等の放電が用いられる。
特に、非平衡プラズマを大気圧下にて発生させる場合、パルスストリーマ放電、無声放電、沿面放電のいずれかが用いられている。中でも、電極の形状の自由度の高さ等から、沿面放電が多く利用されている。
【０００５】
図１５は、従来の沿面放電電極を示す概略構成図である。
この沿面放電電極は、外形が筒状の電極で、筒状体からなる接地電極１と、この接地電極１を包囲している筒状体からなる誘電体２と、この誘電体２の内周面近傍に設けられた表面電極３とから概略構成されている。この接地電極１と表面電極３は、配線４を介して電源５に接続されている。
この沿面放電電極では、電源５により接地電極１および表面電極３に電圧を印加すると、図１６に示すように、表面電極３の表面に非平衡プラズマが発生し、プラズマ層６を形成するようになっている。このプラズマ層６にＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン等の有害化学物質を含む排気ガス、有害ガス等のガス（以下、被処理ガスと称する）ｇを導入することにより、この被処理ガスｇが非平衡プラズマにより分解処理されて無害化される。
【０００６】
また、非平衡プラズマを用いた処理装置としては、絶縁体にガスを通過させる複数の貫通孔が互いに平行に形成されたハニカム構造体と、放電プラズマを発生させる電極と、この電極に放電プラズマを発生させる電圧を印加する電源とを備えた物質処理装置が提案されている（特許文献１参照）。この物質処理装置では、貫通孔が電極に対して平行に形成されたものと、垂直に形成されたものとがある。また、電極の形状は、筒状、平板状、ワイヤー状のものが用いられている。
【特許文献１】特開２００１−３８１３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来のガス処理方法では、エネルギー効率が低い、分解処理の過程で中間生成物が発生する、分解処理の効率が低い等の様々な問題点があった。
特に、パルスストリーマ放電では、立ち上がりの急峻なパルス電圧を発生させる高圧パルス電源が必要であることから、高コストとなり、実用的でない。
そこで、例えば、分解処理の効率を向上させる方法として、酸化チタン等の光触媒を併用する方法、アルミナ等の吸着剤を併用する方法等が提案されているが、効率の高い光触媒と吸着剤を兼ねたものが無い、酸化チタン等の光触媒を併用した部分放電（パックドベッド型）では発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）を抑えられない、等の問題点があり、上記の問題点は依然として解決されていないのが現状である。
【０００８】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、非平衡プラズマによるガス処理を効率的に、しかも低コストで行うことができる非平衡プラズマによるガス処理方法と放電電極及びそれを備えたガス処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は次の様な非平衡プラズマによるガス処理方法と放電電極及びそれを備えたガス処理装置を提供した。
すなわち、本発明の非平衡プラズマによるガス処理方法は、非平衡プラズマ内に、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体を配置し、この非平衡プラズマ内に被処理ガスを導入して該被処理ガスの分解処理を行うことを特徴とする。
【００１０】
この非平衡プラズマによるガス処理方法では、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体を有する非平衡プラズマ内に被処理ガスを導入することにより、この被処理ガスが非平衡プラズマにより直接分解されるとともに、非平衡プラズマにより励起された光触媒によっても分解され、よって、被処理ガスの分解効率が向上する。
【００１１】
前記光触媒体は、成形体であることが好ましい。
前記光触媒は、前記光触媒を除く触媒に担持されているか、もしくは前記光触媒自体であることが好ましい。
前記光触媒を除く触媒は、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎの群から選択される１種または２種以上の元素を含有することが好ましい。
【００１２】
前記光触媒を除く触媒は、比表面積が１０ｍ２／ｇ以上の触媒担体に、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎの群から選択される１種または２種以上の元素を５重量％以下担持してなることが好ましい。
【００１３】
前記光触媒は、紫外線反応または可視光反応する酸化チタンであることが好ましい。
前記固体物質は、吸着性多孔質物質、誘電性物質、粘土性物質、合成樹脂の群から選択された１種または２種以上であることが好ましい。
【００１４】
前記吸着性多孔質物質は、比表面積が２００ｍ２／ｇ以上であり、かつ、ＨＹ型ゼオライト、ＨＸ型ゼオライト、Ｈ型モルデナイト、シリカアルミナ、金属シリケートの群から選択された１種または２種以上であることが好ましい。
また、前記吸着性多孔質物質は、比表面積が１０ｍ２／ｇ以上かつ７５０ｍ２／ｇ以下であり、かつ、シリカアルミナ、ゼオライト、シリカゲル、ジルコニア、チタニアの群から選択された１種または２種以上であることが好ましい。
【００１５】
前記非平衡プラズマは、パルスストリーマ放電、無声放電、沿面放電のいずれかにより発生させることが好ましい。
上記のいずれかの放電を用いることにより、分解処理の過程で発生する窒素酸化物（ＮＯｘ）や一酸化炭素（ＣＯ）の発生量が抑制される。
【００１６】
本発明の放電電極は、接地電極と、該接地電極に絶縁体を介して設けられた表面電極とを備えた放電電極であって、非平衡プラズマを発生する領域に、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体の成形体を配置してなることを特徴とする。
【００１７】
この放電電極では、非平衡プラズマを発生する領域に、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体の成形体を配置したことにより、接地電極と表面電極との間に電圧を印加して非平衡プラズマ内に被処理ガスを導入すると、非平衡プラズマ及び該非平衡プラズマにより励起される光触媒の双方により被処理ガスを分解する。その結果、被処理ガスの分解効率が向上する。
また、非平衡プラズマを発生する領域に、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体の成形体を配置するのみでよいので、高圧パルス電源等の高価な設備を要せず、分解処理コストの低減が可能になる。
【００１８】
この放電電極では、前記接地電極を筒状体とし、前記絶縁体を前記接地電極の内周面を覆ったものとし、前記表面電極を前記絶縁体の内周面に前記筒状体と同軸的に設けられたスパイラル状のコイルとした構成としてもよい。
また、前記接地電極を前記絶縁体により包囲し、前記表面電極を前記絶縁体を挟持するように対向して設けた一対の電極とした構成としてもよい。
【００１９】
これらの放電電極では、非平衡プラズマ形成領域内に光触媒体の成形体が良好に保持されることにより、非平衡プラズマ内に導入される被処理ガスを非平衡プラズマ及び該非平衡プラズマにより励起される光触媒の双方により効率的に分解する。よって、被処理ガスの分解効率が向上する。
【００２０】
前記放電電極に、その厚み方向に貫通する貫通孔を複数形成し、この貫通孔が形成された放電電極を複数個配列し、これらの放電電極間に前記光触媒体の成形体を充填した構成としてもよい。
この放電電極では、放電電極に形成された複数の貫通孔を通過した被処理ガスを光触媒体の成形体に導入することで、この被処理ガスを非平衡プラズマ及び該非平衡プラズマにより励起される光触媒の双方により無駄なく効率的に分解する。これにより、被処理ガスの分解効率がさらに向上する。
【００２１】
本発明のガス処理装置は、本発明の放電電極を備えたことを特徴とする。
このガス処理装置では、非平衡プラズマ及び該非平衡プラズマにより励起される光触媒の双方により被処理ガスを分解するので、被処理ガスの分解効率が向上し、被処理ガスの分解処理量が増加する。
また、放電電極の構成が簡単であり、しかも高圧パルス電源等の高価な設備を必要としないので、装置自体に掛かる費用を削減することが可能になり、分解処理コストを低減することが可能になる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の非平衡プラズマによるガス処理方法によれば、非平衡プラズマ内に、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体を配置し、この非平衡プラズマ内に被処理ガスを導入して該被処理ガスの分解処理を行うので、この被処理ガスを非平衡プラズマにより直接分解するとともに、非平衡プラズマにより励起された光触媒によっても分解することができ、被処理ガスの分解効率を向上させることができる。
【００２３】
本発明の放電電極によれば、非平衡プラズマを発生する領域に、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを含有する光触媒体の成形体を配置したので、非平衡プラズマと、この非平衡プラズマにより励起される光触媒、の双方により被処理ガスを分解することができ、被処理ガスの分解効率を向上させることができる。
また、非平衡プラズマを発生する領域に光触媒体の成形体を配置するのみでよいので、装置の構成が簡単で、高圧パルス電源等の高価な設備も不要となり、分解処理コストを低減することができる。
【００２４】
本発明のガス処理装置によれば、本発明の放電電極を備えたので、非平衡プラズマ、この非平衡プラズマにより励起される光触媒、の双方により被処理ガスを効率的に分解することができ、被処理ガスの分解効率を向上させることができ、被処理ガスの分解処理量の増加を図ることができる。
また、放電電極の構成が簡単であり、しかも高圧パルス電源等の高価な設備を必要としないので、装置の低価格化を図ることができ、分解処理コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の非平衡プラズマによるガス処理方法と放電電極及びそれを備えたガス処理装置の各実施の形態について図面に基づき説明する。
「第１の実施形態」
図１は本発明の第１の実施形態の沿面放電電極を示す概略構成図である。
この沿面放電電極１１は、円板状の平板電極であり、薄厚の円板からなる接地電極１２と、この接地電極１２を包囲する厚みのある円板からなる絶縁体１３と、絶縁体１３の上面（一主面）１３ａに形成された渦巻状の表面電極１４と、この表面電極１４上の非平衡プラズマ領域Ｒ内に配置された光触媒と該光触媒を除く固体物質とを含有する光触媒体１５とから概略構成され、接地電極１２と表面電極１４とは、配線１６を介して電源１７に接続されている。
なお、この沿面放電電極１１の外形および大きさは、特に限定されるものではなく、処理するガスの種類、流量、流速等から、必要に応じて適宜決定される。
【００２６】
接地電極１２は、円形状の平板電極であり、絶縁体１３内のほぼ中央に位置し、その厚さは０．１〜１ｍｍ程度である。
この接地電極１２は、導電性及び耐熱性を有する材料、例えば、銅、ステンレス、タングステン、銀、チタン等により構成されている。
絶縁体１３は、外形が矩形状の平板であり、その厚さは１．０〜５．０ｍｍ程度である。
【００２７】
この絶縁体１３は、無機絶縁性材料、例えば、ガラス、アルミナ、シリカ、チタン酸バリウム、酸化チタン等により構成されている。
表面電極１４は、渦巻状の平板電極で、接地電極１２と平行になるように絶縁体１３の上面に密着されており、その厚さは３０μｍ〜１．０ｍｍ程度である。 この表面電極１４は、接地電極１２と同様、導電性を有する材料、例えば、銅、ステンレス、タングステン、銀、チタン等により構成されている。
【００２８】
光触媒体１５は、光触媒と、この光触媒を除く固体物質と、光触媒を除く触媒とを含有するもので、その形状は、特に限定されないが、光触媒と該光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒とを混合し造粒して得られる顆粒、または前記混合粉を造粒・成形して得られるペレット（成形体）が好ましい。
【００２９】
光触媒は、光触媒反応を行うことができるものであれば特に限定されないが、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等であり、特に、二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、紫外線反応または可視光反応を行うので好ましい。
【００３０】
この二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、平均粒径が５〜３００ｎｍ、粒度分布の範囲が３〜５００ｎｍの微粒子が好ましい。
平均粒径が５ｎｍ未満であると、嵩密度が小さいために、加圧成形した際の嵩減りが大きく、形状保持が難しくなるからであり、平均粒径が３００ｎｍを超えると、粒子の表面積が小さくなり、光活性が低下するからである。
【００３１】
この二酸化チタン（ＴｉＯ２）微粒子は、分解性能を向上させるために、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎの群から選択される１種または２種以上の元素を担持することが好ましい。
この光触媒は、前記光触媒を除く触媒に担持されているか、もしくは前記光触媒自体であることが好ましい。
【００３２】
光触媒を除く固体物質としては、補強材としての機能を有するもので、吸着性多孔質物質、誘電性物質、粘土性物質、合成樹脂の群から選択された１種または２種以上であることが好ましい。
この吸着性多孔質物質は、比表面積が２００ｍ２／ｇ以上であり、かつ、ＨＹ型ゼオライト、ＨＸ型ゼオライト、Ｈ型モルデナイト、シリカアルミナ、金属シリケートの群から選択された１種または２種以上であることが好ましい。
また、この吸着性多孔質物質は、比表面積が１０ｍ２／ｇ以上かつ７５０ｍ２／ｇ以下であり、かつ、シリカアルミナ、ゼオライト、シリカゲル、ジルコニア、チタニアの群から選択された１種または２種以上であってもよい。
【００３３】
誘電性物質としては、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等の強誘電体が好ましく、粘土性物質としては、タルク等の珪酸マグネシウム系またはモンモリロナイトに代表されるスクメタイト系の粘土物質が好ましく、合成樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の耐熱性樹脂が好ましい。
【００３４】
光触媒を除く触媒としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎの群から選択される１種または２種以上の元素を含有することが好ましい。
【００３５】
この光触媒を除く触媒は、比表面積が１０ｍ２／ｇ以上の触媒担体、例えば、アルミナ、コージェライト等に、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｖ、Ｗ、Ｚｎの群から選択される１種または２種以上の元素を５重量％以下担持したものであってもよい。
【００３６】
この光触媒体１５における光触媒（Ｌ）、この光触媒を除く固体物質（Ｓ）、光触媒を除く触媒（Ｃ）それぞれの重量比は、特に制限は無いが、通常、光触媒（Ｌ）は１０〜８０ｗ／ｗ％が好ましく、より好ましくは４０〜８０ｗ／ｗ％である。
その理由は、１０ｗ／ｗ％未満では光触媒の機能が低く、また、８０ｗ／ｗ％を超えると成型品の強度が低下するからである。
【００３７】
この光触媒体１５は、次の様にして作製される。
（ａ）顆粒状の光触媒体
まず、所定の平均粒径の光触媒微粒子及び固体物質微粒子を、所定の組成となるようにそれぞれ秤量し、これらを乾式あるいは湿式ボールミル等を用いて混合する。
【００３８】
（ｂ）ペレット状の光触媒体
上記にて得られた混合粉を所定量、成型用金型に充填し、その後、この金型に所定の圧力を加え、上記粉体を圧縮成形する。
この圧縮成形は、大気中、真空中または不活性雰囲気中にて行われ、圧力は５００〜６０００ｋｇ／ｃｍ２程度、加圧時間は０．０１〜６０秒程度である。
以上により、光触媒と、この光触媒を除く固体物質とを含有してなるペレット（成形体）が得られる。
このペレットの表面電極１４上への配置については、形状と同様、特に限定されない。
【００３９】
次に、非平衡プラズマを用いて、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン等の有害化学物質を含む排気ガス、有害ガス等の被処理ガスｇを分解処理する方法について説明する。
まず、接地電極１２と表面電極１４を配線１６を介して電源１７に接続し、この電源１７を作動させて接地電極１２と表面電極１４との間に電圧を印加することにより、表面電極１４上の非平衡プラズマ発生領域Ｒに非平衡プラズマＰが発生する。
【００４０】
その後、この非平衡プラズマＰ内にＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン等の有害化学物質を含む排気ガス、有害ガス等の被処理ガスｇを導入すると、この被処理ガスｇは非平衡プラズマＰのエネルギーにより直接分解されるとともに、光触媒体１５に吸着される。この光触媒体１５に吸着された被処理ガスｇは、非平衡プラズマＰのエネルギー、及び非平衡プラズマＰの発光により生じる紫外線や可視光により励起された光触媒体１５中の光触媒により分解される。また、非平衡プラズマＰにより発生するオゾンが光触媒の分解効率を向上させる。
【００４１】
このように、本実施形態の沿面放電電極１１を用いて被処理ガスｇを処理すれば、被処理ガスｇは沿面放電電極１１の表面だけでなく光触媒体１５の表面でも非平衡プラズマＰと接触することにより、被処理ガスｇと非平衡プラズマＰとの接触面積が増加し、結果として接触効率が向上する。したがって、非平衡プラズマＰ及び光触媒体１５の双方が被処理ガスｇの分解に寄与することで、非平衡プラズマＰ中に生成される高エネルギー電子およびラジカルと、被処理ガスｇ中に含まれるＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン等の有害化学物質との反応が、極めて効率よく行われ、その結果、有害化学物質を効率よく分解することができる。
【００４２】
以上説明した様に、本実施形態の沿面放電電極１１によれば、表面電極１４上の非平衡プラズマ領域Ｒ内に、光触媒と該光触媒を除く固体物質とを含有する光触媒体１５を配置したので、非平衡プラズマＰ及び非平衡プラズマＰにより励起される光触媒体１５中の光触媒の双方により被処理ガスｇを分解処理することができ、被処理ガスｇの分解効率を向上させることができ、その結果、被処理ガスｇの分解処理量を増大させることができる。
また、沿面放電電極１１の構成が簡単であり、しかも高圧パルス電源等の高価な設備を必要としないので、被処理ガスｇの分解処理コストを低減することができる。
【００４３】
また、本実施形態の非平衡プラズマＰによる被処理ガスｇの処理方法によれば、非平衡プラズマＰ内に導入された被処理ガスｇを、非平衡プラズマＰと該非平衡プラズマＰにより励起された光触媒体１５中の光触媒とにより分解処理するので、被処理ガスｇ中のＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン等の有害化学物質を効率よく分解することができる。
【００４４】
「第２の実施形態」
図２は本発明の第２の実施形態の沿面放電電極を示す概略構成図であり、本実施形態の沿面放電電極２１において、上記の第１の実施形態の沿面放電電極１１と同一の構成要素については、同一の符号を付してある。
【００４５】
この沿面放電電極２１は、パイプ状の導電材料（筒状体）からなる接地電極２２と、この接地電極２２を密閉状態で包囲するパイプ状の絶縁材料（筒状体）からなる絶縁体２３と、この絶縁体２３の内周面２３ａ上に接地電極２２と同軸的に設けられたストライプ状の表面電極２４と、この表面電極２４上の非平衡プラズマ領域Ｒ内に配置された光触媒と該光触媒を除く固体物質とを含有する光触媒体１５とにより概略構成されている。これら全てのストライプ状の表面電極２４は、配線（図示せず）を介して電源１７に接続されている。
これら接地電極２２、絶縁体２３及び表面電極２４は、上記の第１の実施形態の接地電極１２、絶縁体１３及び表面電極１４と形状が異なるのみで、材料組成、動作、特性等については全く同様である。
【００４６】
本実施形態の沿面放電電極２１においても、第１の実施形態の沿面放電電極１１と同様の効果を奏することができる。
なお、本実施形態では、接地電極２２を絶縁体２３により密閉状態で包囲する構成としたが、図３に示すように、接地電極２２の一方の面、例えば、内面に絶縁体２３を設けた構成としてもよい。
【００４７】
「第３の実施形態」
図４は本発明の第３の実施形態のガス処理装置の要部を示す断面図であり、本実施形態においては、上記の第１の実施形態の沿面放電電極１１と同一の構成要素については、同一の符号を付してある。
このガス処理装置３１は、一般廃棄物や産業廃棄物の焼却炉に設けられた排気管路内などに設置されて用いられるもので、板状の沿面放電電極３４が非平衡プラズマ領域Ｒとなる被処理ガスｇの排気管３５内に、管路内の排気の流れを遮るように複数段（図３では、３段）、配置されている。そして、隣接する沿面放電電極３４、３４間には、光触媒と該光触媒を除く固体物質とを含有する光触媒体１５が充填されている。沿面放電電極３４は、略矩形状の薄厚の板状体からなる接地電極１２と、この接地電極１２を包囲する厚みのある板状体からなる絶縁体１３と、絶縁体１３の両面に形成された表面電極３２、３２とにより構成され、これらには厚み方向に貫通する貫通孔３３が形成されている。
【００４８】
この表面電極３２は、上記の第１の実施形態の表面電極１４と形状が異なるのみで、材料組成については全く同様である。
この沿面放電電極３４の段数や形状は、特に限定されるものではなく、被処理ガスｇの流量や流速等から、必要に応じて適宜決定される。なお、沿面放電電極３４の数が多くなるほど、被処理ガスｇと非平衡プラズマとの接触効率が向上するので、被処理ガスｇの量が多い場合や処理時間を短縮したい場合には、沿面放電電極３４の段数を多くすることが好ましい。
また、ここでは、管路内の排気の流れを遮るために、管路と沿面放電電極３４が直交するように配置したが、管路と沿面放電電極３４とのなす角度や配置はこれに限定されない。この沿面放電電極３４は排気管３５の内径いっぱいとなる平板形状であるのが望ましい。
【００４９】
このガス処理装置３１では、沿面放電電極３４を排気管３５内に複数段、配置した構成とすることにより、前段の沿面放電電極３４で分解されなかった被処理ガスｇ中の有害化学物質が、後段の沿面放電電極３４で分解され、最終的に、大気中に排出される排気ガス中には有害化学物質が含まれなくなる。
この場合、沿面放電電極３４、３４の間隔は、非平衡プラズマ領域Ｒの幅以下であることが望ましい。間隔がこの範囲内であれば、前段の沿面放電電極３４の貫通孔３３を通過した被処理ガスｇが、後段の沿面放電電極３４に向かって流れる間に、効率良く分解処理することができる。
【００５０】
図５〜図８は本実施形態の沿面放電電極３４を示す図であり、図５は同平面図、図６は同正面図、図７は図６のＣ−Ｃ線に沿う断面図、図８はこの沿面放電電極に電源を接続した状態を示す正面図である。
この沿面放電電極３４は、外形が矩形状の平板電極であり、接地電極１２と、接地電極１２を包囲する絶縁体１３と、絶縁体１３を挟持するように対向して積層された一対の表面電極３２、３２とから概略構成されており、表面電極３２の表面に対して垂直方向に、複数の貫通孔３３、３３、…が互いに平行に形成されている。
【００５１】
この沿面放電電極３４の外形および大きさは、特に限定されるものではなく、この沿面放電電極３４を用いて処理するガスの流量や流速などから、必要に応じて適宜決定される。また、この沿面放電電極３４に形成される貫通孔３３は、上述のように、表面電極３２の表面に対して垂直方向に、互いに平行に形成されている必要は無く、表面電極３２の表面の垂直方向に対して傾いていてもよい。
【００５２】
接地電極１２は、外形が矩形状の平板電極であり、絶縁体１３の断面のほぼ中央に、表面電極３２、３２と平行に配置されており、その厚さは０．０５〜１ｍｍ程度である。この接地電極１２は、銅、ステンレス、タングステン、銀、チタン等で形成されている。
絶縁体１３は、外形が矩形状の平板であり、その厚さは１〜５ｍｍ程度であり、アルミナ、ガラス、チタン酸バリウム、酸化チタン等で形成されている。
【００５３】
表面電極３２、３２は、外形が矩形状の平板電極で、接地電極１２と平行になるように絶縁体１３の両面に密着されており、その厚さは０．０５〜１ｍｍ程度である。また、表面電極３２は、銅、ステンレス、タングステン、銀、チタン等で形成されている。また、表面電極３２は、網目構造を有しており、その網目３６、３６、…の位置と貫通孔３３、３３、…との位置が一致するようになっている。すなわち、貫通孔３３、３３、…の開口部が表面電極３２で覆い隠されることなく、貫通孔３３、３３、…の開口部の外周が網目３６、３６、…で囲まれている。また、この網目構造の網目の大きさは、貫通孔３３、３３、…の大きさ（開口径）に応じて適宜決定される。
【００５４】
また、これらの貫通孔３３、３３、…の形状は特に限定されるものではないが、貫通孔３３内の位置におけるプラズマとガスの接触効率の差が小さいことから、円形が好ましい。また、これらの貫通孔３３、３３、…の開口径は、０．５〜５ｍｍ程度が好ましい。また、これらの貫通孔３３、３３、…の数は特に限定されるものではなく、貫通孔３３、３３、…が沿面放電電極３４の全体に万遍なく形成されていればよい。
さらに、図５および図６には、貫通孔３３、３３、…を整列して配置した状態を示したが、本発明の沿面放電電極では、これに限定されるものではなく、貫通孔３３、３３、…が沿面放電電極３４の全体に万遍なく形成されていればよい。
【００５５】
この沿面放電電極３４では、図８に示すように、接地電極１２と表面電極３２、３２を、導線３７を介して電源３８に接続し、この電源３８から接地電極１２および表面電極３２、３２に電圧を印加することにより、非平衡プラズマが発生する。
この沿面放電電極３４では、表面電極３２、３２の表面および貫通孔３３内で、貫通孔３３の長手方向に平衡に、非平衡プラズマを発生させることができる。すなわち、この沿面放電電極３４では、その３次元方向に非平衡プラズマを発生させることができるので、非平衡プラズマが発生する面積が大きくなる。
また、貫通孔３３内に発生する非平衡プラズマは、貫通孔３３の径方向にほぼ均一に発生し、かつ貫通孔３３の長手方向に沿ってほぼ均一に発生する。
【００５６】
したがって、この沿面放電電極３４を用いて排ガス、有害ガス等のガス（以下、「被処理ガス」と称する）を処理すれば、この被処理ガスは、沿面放電電極３４の表面だけでなく、貫通孔３３内でも非平衡プラズマと接触することにより、被処理ガスと非平衡プラズマとの接触面積が増加し、結果として接触効率が向上する。ゆえに、非平衡プラズマ中に生成される高エネルギー電子およびラジカルと、被処理ガス中に含まれるＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン等の有害化学物質との反応がきわめて効率よく行われ、有害化学物質を効率よく分解することができる。
【００５７】
光触媒体１５は、特に形状は問わないが、排気管３５の管路内におけるガス流が乱流となるように、この管路内にランダムに配置することのできる形状及び大きさの成形体が望ましい。この成形体の具体的な形状としては、ペレットタブレット状、円筒状、球状等が望ましい。
【００５８】
次に、上記第１〜第３の実施形態で用いられた光触媒体の特性評価結果について説明する。
図９は、光触媒体の特性評価を行う試験装置の要部を示す断面図であり、図において、４１は石英ガラスからなる排気管、４２は排気管４１内に設けられステンレススチールからなるコイル状の内部電極、４３は排気管４１の外周に内部電極４２と同軸的に設けられ筒状の銅板からなる外部電極であり、内部電極４２と外部電極４３とは配線４４を介して電源４５に接続されている。
この試験装置では、内部電極４２の占める領域が非平衡プラズマ領域Ｒとされ、この非平衡プラズマ領域Ｒには、ペレット状の光触媒体４６が複数個、ランダムに配置されている。
【００５９】
この試験装置では、内部電極４２と外部電極４３を配線４４を介して電源４５に接続し、この電源４５を作動させて内部電極４２と外部電極４３との間に電圧を印加することにより、内部電極４２の内周面の非平衡プラズマ発生領域Ｒに非平衡プラズマを発生させる。この状態で、この非平衡プラズマ発生領域Ｒに被処理ガスｇを導入すると、この被処理ガスｇは非平衡プラズマのエネルギー及び非平衡プラズマの発光により生じる紫外線や可視光により励起された光触媒体４６中の光触媒により分解され、この有害物質が除去されたガスが排気管４１の他の端部から排出される。
【００６０】
次に、この試験装置による光触媒体の特性評価結果について説明する。
ここでは、放電方式として沿面放電を採用し、電源として２４ｋＨｚの交流電圧を用い、一次側の電力を３Ｗとした。また、試験ガスとして、空気（２０ｖ／ｖ％Ｏ２−８０ｖ／ｖ％Ｎ２）にベンゼン（Ｃ６Ｈ６）を２００ｐｐｍ加えたものを用い、その流速を２００ｍＬ／分とした。また、光触媒体４６としては、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を６６重量％、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を３４重量％含むペレットを用いた。
【００６１】
図１０〜図１４は、この試験装置による光触媒体の特性評価結果を示す図であり、図１０はベンゼン（Ｃ６Ｈ６）の濃度（ｐｐｍ）を、図１１は一酸化炭素（ＣＯ）の濃度（ｐｐｍ）を、図１２は二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度（ｐｐｍ）を、図１３は亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の濃度（ｐｐｍ）を、図１４はオゾン（Ｏ３）の濃度（ｐｐｍ）を、それぞれ示している。また、図中、Ａはペレットの吸着特性、Ｂはペレットへの吸着後にプラズマを印加した場合の特性、Ｃはペレットに吸着することなくプラズマを印加して試験ガスを導入した場合の特性、Ｄはペレットを除いた状態でプラズマを印加して試験ガスを導入した場合の特性である。
【００６２】
この特性評価結果によれは、以下のことが明らかとなった。
（１）ベンゼン（Ｃ６Ｈ６）について
・吸着のみによっても、ベンゼンの濃度が時間とともに減少する。
・吸着後にプラズマを印加した場合、初期にベンゼンの脱離に相当するピークが観測され、最終的には、ベンゼン濃度は２００ｐｐｍから１５ｐｐｍにまで減少する。
・ペレットに吸着することなくプラズマを印加した場合のベンゼンの除去率は９２％である。
・プラズマのみの場合のベンゼンの除去率は７６％である。
・ペレットがある方が、ベンゼンの除去率は１７％程度向上した。
【００６３】
（２）一酸化炭素（ＣＯ）について
・１８０分後の一酸化炭素（ＣＯ）は、Ｂの場合では２６０ｐｐｍ、Ｃの場合では２３０ｐｐｍ、Ｄの場合では３７０ｐｐｍにそれぞれ達した。
【００６４】
（３）二酸化炭素（ＣＯ２）について
・１８０分後の二酸化炭素（ＣＯ２）は、Ｂの場合では５３０ｐｐｍ、Ｃの場合では４５０ｐｐｍ、Ｄの場合では４０５ｐｐｍにそれぞれ達した。
上記（２）及び（３）の時点での炭素の物質収支は、Ｂの場合では７１％、Ｃの場合では６０％、Ｄの場合では８５％であった。また、二酸化炭素（ＣＯ２）の選択率も向上していた。
【００６５】
（４）亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）について
・反応初期に若干の違いは見られるが、最終的には、Ｂ〜Ｄのいずれの場合でも１４０ｐｐｍとなっていた。なお、この試験結果では、窒素酸化物（ＮＯｘ）は検出されなかった。
（５）オゾン（Ｏ３）について
・反応初期に若干の違いは見られるが、最終的には、Ｂ〜Ｄのいずれの場合でも６８０ｐｐｍとなっていた。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
非平衡プラズマと、この非平衡プラズマにより励起される光触媒、の双方により被処理ガスを分解することができることから、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン等の種々の有害化学物質を効果的に分解・除去することができる。したがって、一般廃棄物や産業廃棄物の焼却炉から排出される排気ガス、自動車等から排出される排気ガス等、有害化学物質を含む有害ガスを分解処理して無害化することが求められる工業分野に適用すれば、その効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施形態の沿面放電電極を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の沿面放電電極を示す概略構成図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の沿面放電電極の変形例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第３の実施形態のガス処理装置の要部を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の沿面放電電極の変形例を示す平面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態の沿面放電電極の変形例を示す正面図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態の沿面放電電極に電源を接続した状態を示す正面図である。
【図９】光触媒体の特性評価を行う試験装置の要部を示す断面図である。
【図１０】光触媒体の特性評価結果の一例であるベンゼン（Ｃ６Ｈ６）の濃度の経時変化を示す図である。
【図１１】光触媒体の特性評価結果の一例である一酸化炭素（ＣＯ）の濃度の経時変化を示す図である。
【図１２】光触媒体の特性評価結果の一例である二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度の経時変化を示す図である。
【図１３】光触媒体の特性評価結果の一例である亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）の濃度の経時変化を示す図である。
【図１４】光触媒体の特性評価結果の一例であるオゾン（Ｏ３）の濃度の経時変化を示す図である。
【図１５】従来の沿面放電電極を示す概略構成図である。
【図１６】従来の沿面放電電極の作用を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１１、２１、３４…沿面放電電極、１２、２２…接地電極、１３、２３…絶縁体、１４、２４、３２…表面電極、１５…光触媒体、１６…配線、１７…電源、３１…ガス処理装置、３５…排気管、３６…網目、３７…導線、３８…電源。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４０７５
【氏名又は名称】ヤマハ株式会社
【識別番号】３０１０２１５３３
【氏名又は名称】独立行政法人産業技術総合研究所
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| 【出願日】 |
平成１６年１０月２２日（２００４．１０．２２） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６４９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
【識別番号】１０００８９０３７
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邊 隆
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| 【公開番号】 |
特開２００５−１４４４４５（Ｐ２００５−１４４４４５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１７年６月９日（２００５．６．９） |
| 【出願番号】 |
特願２００４−３０８４９８（Ｐ２００４−３０８４９８） |
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