大気圧コロナ放電中のベンゼン分解特性 ーマスバランスから見た分解過程ー 平成１6年度応用物理学会北海道支部学術講演会 平成１6年10月17日(日)　旭川勤労者福祉会館 大気圧コロナ放電中のベンゼン分解特性 ーマスバランスから見た分解過程ー 松澤 俊春　佐藤 孝紀　伊藤 秀範　田頭 博昭（室蘭工業大学） 下妻　光夫（北海道大学） 背景 実験装置・条件 実験結果 分解生成物の調査 C原子のマスバランス 堆積物の調査 まとめ MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

背景と目的 ベンゼン 放電プラズマを用いた処理法 目的 排ガス処理に用いられる大気圧下の放電プラズマ パルスコロナ放電 バリア放電 ・ 発ガン性や催奇形性を有し，白血病との因果関係がある ・ 低濃度であっても長期的な摂取により健康への影響を生じる恐れがある物質 ・ 環境基準値は3mg/m3(0.86ppb) ・ ダイオキシン類，トリクロロエチレンおよびテトラクロロエチレンとともに早急　 な抑制が必要な指定物質 既存の処理法 ： 吸着法，触媒燃焼法，直接燃焼法 放電プラズマを用いた処理法 ・ 既存の処理法では処理が困難な数ppm程度の濃度に対しても適用可能[1] ・ 安定で付加反応を受けにくいベンゼン環等を有する物質の処理に有効 ・ 大流量のガス処理には適さない 排ガス処理に用いられる大気圧下の放電プラズマ　 パルスコロナ放電 バリア放電 DCコロナ放電 ・放電領域を広くとることができ，大量のガス流に対して適合性がある[2] ・放電が不安定で火花放電へ移行しやすい 針電極を密集させることでストリーマコロナ放電を安定に発生可能 目的　 大気圧下でのストリーマコロナ放電による窒素－酸素混合ガス中のベンゼン分解特性の解明 酸素混合割合を変化させたときのベンゼン分解過程をC原子のマスバランスにより検討する [1] K. L. Vercammen, A.A.Berezin, F. Lox and J. S. Chang:J. Adv. Oxid. Tech. 2, 312(1997) [2]吉岡 芳夫 ：電学論A ,Vol.122-A pp.676-682(2002)

実験装置 針電極形状 針電極数：１３本 放電チェンバー (ステンレス製) マクセレック(株)製 LS40-10R1 平板電極(ステンレス製) 内径 ：f197mm 高さ ：300mm 針電極形状 針電極数：１３本 針電極 ：ステンレス製　直径f4mm 台座 ：真鍮製　直径f50mm 針密度 ：0.66本/cm2 高圧側 マクセレック(株)製 LS40-10R1 Vmax±40kV, Imax±10mA 平板電極(ステンレス製) 直径 ：f80mm 厚さ ：10mm グランド側 VACUUBRAND　DVR2 測定範囲 ：1～1100hPa 測定精度 ：<1hPa 許容圧力 ：0.2MPa 測定周期時間 ：1sec Ｉｎｆｒａrｅｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ, Inc. ,10-PA 光路長 ：10ｍ 日本MKS(株)製　622A12TCE ﾌﾙｽｹｰﾙﾚﾝｼﾞ ：1.33×104Pa 分解能 ：1×10-5F.S. 精度 ：0.25% 島津製作所製 FTIR-8900 干渉計 ：30°入射マイケルソン 干渉計 光学系 ：シングルビーム方式 波数範囲 ：7800cm-1～350cm-1 波数精度 ：±0.125 S/N ：20000：1 ﾃﾞｰﾀｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ ：He-Neレーザー エア･ウォーター(株)製 日本酸素（株）製 Benzene濃度：766ppm 純度：99.5% 純度：99.999% MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

実験条件 電極構成 ：針(13本)対平板電極 電極間隔 ：3.0cm 印加電圧の極性 ：正極性 電極構成 ：針(13本)対平板電極 電極間隔 ：3.0cm 印加電圧の極性 ：正極性 印加電圧 ：23.0kV (約350～1400mA ストリーマコロナ) 初期ベンゼン濃度 ：約300ppm （280～320ppm） MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

吸光度スペクトル ~ C6H6 ~ C6H6の赤外活性な振動 ① ④ ③ ② ① CH str 3068cm-1 N2：O2 = 98：2 Ring deform CH bend CH str ① ④ ③ ② NIST C6H6の赤外活性な振動 ① CH str 3068cm-1 ② CH bend 　673cm-1 ③ CH bend 1038cm-1 ④ Ring deform 1486cm-1 他の吸収ピークとの重複が無い 濃度を算出しC6H6中のC原子に見積る　 MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY ＊NIST Chemistry webbook(http://webbook.nist.gov/chemistry/form-ser.html)

吸光度スペクトル ~ 分解生成物 ~ CO2 CO HCOOH C6H6 N2O O3 分解生成物の赤外吸収スペクトル HCN HCN bend 712cm-1 C2H2 CH bend 730cm-1 HCOOH CO str 1105cm-1 CO 2040-2230cm-1 CO2 Anti str 2349cm-1 C2H2 MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

濃度換算 Lambert-Beerの法則 吸光度は試料濃度と比例関係 C6H6と分解生成物中に含まれるC原子 透過率 %T 吸光度 A k=吸光係数 Ｉ0=入射光強度 Ｉ=透過光強度 c=試料濃度[g/l] d=ガスセルの光路長[cm] 吸光度は試料濃度と比例関係 C6H6と分解生成物中に含まれるC原子　 C6H6　１分子に含まれるC原子 = 6個 C6H6濃度[ppm] ×6 = C6H6中のC原子数 [ppm] C2H2濃度[ppm] ×2 HCN濃度[ppm] HCOOH濃度[ppm] CO濃度[ppm] CO2濃度[ppm] ×1 = 各分解生成物中のC原子数[ppm] MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

C原子のマスバランス ~ C6H6分解過程と堆積 ~ 酸素濃度 ： 0.2% 酸素濃度 ： 2% 酸素濃度 ： 20% C6H6：0ppm 分解生成物と注入エネルギーとの関係 CO2が最終分解生成物で，HCOOHおよびCOは中間生成物である (今回の図では確認できないが，HCN，C2H2は微量な中間生成物) 酸素混合割合の影響 ・ 酸素濃度の増加とともにC6H6分解に必要なエネルギーが増加する ・ HCOOHの生成は，高酸素濃度のときはCOとほぼ同量で，低酸素濃度のときはHCNおよび 　C2H2と同様に微量である ・ (今回の図では確認できないが， HCNおよびC2H2の生成は低酸素濃度のときに多くなる） 低酸素濃度時にCOを経て 高酸素濃度時にCOおよびHCOOHを経て　 C6H6は， CO2に分解される　 堆積の酸素混合割合の影響 酸素濃度を高くすると，堆積物中のC原子の割合が減少する(気相中のC原子の割合が増加する)

堆積の透過率スペクトル ~ 位置による変化 ~ -OH(str) -C=O(str) ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 酸素濃度 ： 0.2％ 注入エネルギー ： 29.8kJ （放電時間） （30min） ① ② ③ ④ ⑥ ⑦ ⑤ MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

堆積の透過率スペクトル ~ O2濃度と注入エネルギー変化 ~ 酸素濃度 ： 0.2% 酸素濃度 ： 20% MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

まとめ ベンゼン分解過程 大気圧コロナ放電を用いて窒素－酸素混合ガス中のベンゼンを分解し， ベンゼンの分解過程をC原子のマスバランスから調査した ベンゼン分解過程 分解生成物と注入エネルギーの関係 CO2が最終分解生成物で，HCN，C2H2，HCOOHおよびCOは中間生成物である 酸素混合割合の影響 ・ 酸素濃度の増加とともにC6H6分解に必要なエネルギーが増加する ・ HCNおよびC2H2の生成は，低酸素濃度のときに多くなるがCOの生成に比べ微量である ・ HCOOHの生成は，高酸素濃度のときはCOとほぼ同量で，低酸素濃度のときはHCNおよび　 C2H2と同様に微量である ・ 酸素濃度を高くすると堆積物に含まれるC原子の割合が減少し，気相中の分解生成物の割合 が増加する C6H6は， 低酸素濃度時にCOを経て CO2に分解される 高酸素濃度時にCOおよびHCOOHを経て