弱電離気体プラズマの解析 (LIX) 分散配置クラスタ型針電極を用いた コロナ放電リアクタによるベンゼン分解

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1 弱電離気体プラズマの解析 (LIX) 分散配置クラスタ型針電極を用いた コロナ放電リアクタによるベンゼン分解
平成17年度　電気･情報関係学会北海道支部連合大会 平成17年10月23日(日) 　北海道大学大学院情報科学研究科 弱電離気体プラズマの解析 (LIX) 分散配置クラスタ型針電極を用いた コロナ放電リアクタによるベンゼン分解 Studies on weakly ionized gas plasmas (LIX) Decomposition of benzene by corona discharge generated by using clustered needle electrodes 松田　修政　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） N.Matsuda, T.Matsuzawa, K.Satoh, H.Itoh, H.Tagashira (Muroran Institute of Technology) M.Shimozuma (Hokkaido University) 1 背景と目的 2 実験装置の構成 3 実験結果 　① 単層電極 　② 二層電極 4. まとめ

2 背景 ベンゼン(C6H6) 自動車や工場などの排ガスに含まれる有害大気汚染物質による環境汚染や人体への影響が懸念されている
自動車や工場などの排ガスに含まれる有害大気汚染物質による環境汚染や人体への影響が懸念されている　 優先取組物質［1］（22種類）　　 アクリロニトリル アセトアルデヒド 塩化ビニルモノマー クロロホルム クロロメチルメチルエーテル 酸化エチレン １，２－ジクロロエタン ジクロロメタン 水銀及びその化合物 タルク（ｱｽﾍﾞｽﾄ様繊維を含むもの） ダイオキシン類 テトラクロロエチレン トリクロロエチレン ニッケル化合物 ヒ素及びその化合物 1,3-ブタジエン ベリリウム及びその化合物 ベンゼン ベンゾ(a)ピレン ホルムアルデヒド マンガン及びその化合物 六価クロム化合物 ベンゼン トリクロロエチレン テトラクロロエチレン ジクロロメタン 早急に抑制が必要な指定物質 ベンゼン(C6H6) 発癌性や白血病との因果関係を有する 低濃度であっても長期的な摂取により人体への影響を生じる恐れがある 環境省により，環境基準値は3mg/m3(0.86ppb)と設定されている 有害大気汚染物質モニタリング調査結果では，全観測点の5.5%（23ヶ所）で 環境基準値を超過している 吸着法や触媒酸化法などを用いて処理されている [1] 環境省，報道発表資料，1996年10月18日 [2] 環境省，報道発表資料，2005年9月30日

3 背景と目的 目 的 放電プラズマを用いた処理法 分散配置クラスタ型針電極で発生させた大気圧コロナ放電によるベンゼン分解特性を明らかにする
放電プラズマを用いた処理法　 化学的に安定で付加反応を受けにくい物質(ベンゼン環を有する物質)の結合を直接切断して分解・無害化が可能である 従来の処理法(吸着法，触媒酸化法)では処理が困難な 低濃度領域における処理に適する 各排ガス処理法の有効適用範囲[1] Thermal oxidation (Combusion) Thermal plasma Adsorption →低濃度でも人体への影響が大きい物質（環境ホルモン）の処理に有効 Discharge plasma 排ガス処理に用いられる放電プラズマ（大気圧放電） 誘電体バリア放電 パルスコロナ放電 直流コロナ放電 Catalytic oxidation Electron beam 放電領域が広い 大量の排ガス処理に適している［2］ 放電が不安定で火花放電へ移行しやすい 針電極をCluster化し，分散配置することで ストリーマコロナ放電を安定かつ広範囲に発生・維持させることが可能である[3] 目　的 分散配置クラスタ型針電極で発生させた大気圧コロナ放電によるベンゼン分解特性を明らかにする 初期ベンゼン濃度およびガス流量を変化させた場合のベンゼン分解特性を調査する 2つの電極(単層および2層電極)を用いた場合のベンゼン分解特性の違いを調査する [1] 　J S Chang : 応用物理，69巻，3号，pp (2000) [2]　吉岡 芳夫 ：電学論A ,Vol.122-A pp (2002) [3]　｢コロナ放電用の電極，コロナ放電発生装置および化学物質の分解装置｣, 特願2004－353 (2004)

4 実験装置 複数針電極（Cluster構成と配置） Cluster 単層電極 二層電極 Cluster間隔:14.5mm 放電リアクタ
マクセレック(株)製 LS40-10R1 Vmax±40kV, Imax±10mA 放電リアクタ 放電リアクタ (アクリル製, 円筒) 内径 ：f 80mm 長さ ：210mm エア･ウォーター(株)製 酸素　　　：純度 99.5% 日本酸素（株）製 Benzene ：濃度 382ppm，766ppm 窒素　　　：純度 % 測定範囲(ベンゼン)：2.5～120ppm 　　　　　　　　　　　　　　 2～ 312ppm (株)GASTEC製 GV-100S 200MS/s 200MHz 横河電機(株)製 DL1620 上部(高圧)電極 針電極土台(真鍮製) ：55mm×150mm×3mm ：f 1.65mm×416穴 針(ステンレス製(釘) ：f 1.5mm×16.3mm グランド電極(真鍮製) ：55mm×150mm×3mm 複数針電極（Cluster構成と配置） Cluster　 単層電極　 二層電極　 Cluster間隔:14.5mm

5 初期ベンゼン濃度の変化～単層電極 初期ベンゼン濃度の変化は電圧‐電流特性に影響を与えない 初期ベンゼン濃度の低い場合の分解率が大きい
電源電圧 [kV] DC 8.5～13.0 窒素：酸素 80 : 20 ガス流量 [slm] 1.0 初期ベンゼン濃度 [ppm] 50, 100, 182, 286 ギャップ長 [mm] 10 　単層電極　 電圧‐電流特性 注入電力に対するベンゼン分解率 初期ベンゼン濃度の変化は電圧‐電流特性に影響を与えない 初期ベンゼン濃度の低い場合の分解率が大きい

6 作用エネルギー密度に対するベンゼン分解率
作用エネルギー密度[1]＝ operation energy density [W/(ppm ・slm)] ベンゼン分解率は1つの特性曲線を示す 分解率は作用エネルギー密度で決定される [1] 後藤他, 電学論 A, Vol. 123, No.9, pp (2000)

7 作用エネルギー密度に対するベンゼン分解率 operation energy density [W/(ppm ・slm)]
ガス流量の変化～単層電極 電源電圧 [kV] DC 9.0～14.0 窒素：酸素 80 : 20 ガス流量 [slm] 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 初期ベンゼン濃度 [ppm] 100 ギャップ長 [mm] 10 　単層電極　 電圧‐電流特性 作用エネルギー密度に対するベンゼン分解率 operation energy density [W/(ppm ・slm)] 低流量時に電流値が小さくなる傾向を示す 分解率は作用エネルギー密度で決定される

8 初期ベンゼン濃度およびガス流量の変化～二層電極
電源電圧 [kV] DC 9.0～14.5 窒素：酸素 80 : 20 ガス流量 [slm] 0.5 1.0 2.0 初期ベンゼン濃度 [ppm] 50, 100, 208 50, 100, 273 50, 100, 182 ギャップ長 [mm] 10 　二層電極　 放電の様子 電圧‐電流特性 作用エネルギー密度に対するベンゼン分解率 applied voltage [kV] operation energy density [W/(ppm ・slm)]

9 単層電極と二層電極の比較～電圧電流特性 二層電極を用いた場合 電流値は単層電極の約2倍となる ⇒ 単層電極の2倍の電力を注入できる
電源電圧 [kV] DC 9.0～14.5 窒素：酸素 80 : 20 ガス流量 [slm] 1.0 初期ベンゼン濃度 [ppm] 100 ギャップ長 [mm] 10 単層電極 二層電極 二層電極を用いた場合 電流値は単層電極の約2倍となる ⇒ 単層電極の2倍の電力を注入できる ⇒ 低電圧で単層電極と同程度の電力を得ることができる 放電の安定性の面でメリットがある

10 単層電極と二層電極の比較～作用エネルギー密度に対するベンゼン分解率
operation energy density [W/(ppm ・slm)] 二層電極を用いた場合 単層電極 二層電極 低作用エネルギー密度においてベンゼンの分解率は二層電極の方が高くなる 100%の分解が低作用エネルギー密度側になる 放電体積の影響 Plasma Plasma Plasma 二層電極を用いた場合，放電プラズマが照射されない部分が減少する

11 まとめ 分散配置クラスタ型針電極で発生させた大気圧コロナ放電を用いたベンゼン分解特性を調査するとともに，2つの電極を用いた場合のベンゼン分解特性の違いを調査した 単層電極を用いた場合 二層電極を用いた場合 初期ベンゼン濃度の変化は電圧－電流特性に影響を与えない ガス流量の増加にともない電流値は上昇する傾向を示すが， 1slm以上では同様な電流値となる 分解率は作用エネルギー密度で決定される 分解率は作用エネルギー密度で決定される 電流値は単層電極の約2倍となり，ほぼ2倍の電力を注入できる 低電圧で単層電極と同等な電力を得られるため，放電の安定性の面でメリットがある チェンバ体積に対する放電体積比が大きくなるので効率が良い

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