大気圧コロナ放電による揮発性有機化合物分解 - …...muroran institute of...

MURORAN INSTITUTEMURORAN INSTITUTEOF TECHNOLOGYOF TECHNOLOGY

M.Kikuchi, K.Satoh and H.Itoh (Muroran Institute of Technology)菊池将臣佐藤孝紀伊藤秀範（室蘭工業大学）

平成19年度第43回応用物理学会北海道支部/第4回日本光学会北海道支部合同学術講演会平成20年 1月10日(木) 北海道大学学術交流会館

大気圧コロナ放電による揮発性有機化合物分解大気圧コロナ放電による揮発性有機化合物分解


背景背景

[1] 環境省 : 「大気汚染防止法の一部を改正する法律の施行について」(2005)

浮遊粒子状物質(SPM)や光化学オキシダントの生成原因となる前駆物質大気・土壌汚染や人体に対する健康被害

揮発性有機化合物揮発性有機化合物(VOC)(VOC)

大気汚染防止法の改正大気汚染防止法の改正[1][1]多くの種類の多くの種類のVOCVOCの処理の処理

低濃度の低濃度のVOCVOCの処理の処理が必要が必要

Thermal plasma

Electron beam

Thermal oxidation(Combusion)

Adsorption

Discharge plasma Catalytic oxidation

各排ガス処理法の有効適用範囲[1]

放電プラズマによるVOC分解が必要である

実用化における２つの問題実用化における２つの問題

分解率分解率

分解生成物分解生成物


1.1. トルエントルエン

2.2. キシレンキシレン

3.3. 1, 3, 51, 3, 5--トリメチルベンゼントリメチルベンゼン

4.4. 酢酸エチル酢酸エチル

5.5. デカンデカン

6.6. メタノールメタノール

7.7. ジクロロメタンジクロロメタン

8.8. メチルエチルケトンメチルエチルケトン

9.9. nn--ブタンブタン

10.10. イソブタンイソブタン

11.11. トリクロロエチレントリクロロエチレン

12.12. イソプロピルアルコールイソプロピルアルコール

13.13. 酢酸ブチル酢酸ブチル

14.14. アセトンアセトン

15.15. メチルイソブチルケトンメチルイソブチルケトン

16.16. ブチルセロソルブブチルセロソルブ

17.17. nn--へキサンへキサン

18.18. nn--ブタノールブタノール

19.19. nn--ヘプタンヘプタン

20.20. ciscis--22--ブテンブテン

(ベンゼン環) ((アルカンアルカン) ) ((ケトンケトン) ) ((アルコールアルコール))

固定発生源からの排出量の上位物質固定発生源からの排出量の上位物質 ((環境省環境省「「VOCVOC排出イベントリ」排出イベントリ」(2000))(2000))

ヘプタンヘプタン(C(C77HH1616))ベンゼンベンゼン (C(C66HH66))アセトンアセトン ((CH((CH33))22CO)CO)メタノールメタノール (CH(CH33OH)OH)


C6H6CH3OH (CH3)2CO C7H16

大気圧コロナ放電によってVOCを分解し，分解特性を調査する研究の目的研究の目的

アルコールアルコールケトンケトンベンゼン環ベンゼン環アルカンアルカン

について調査した結果を報告する

目的目的

分子構造と分解率

分子構造と分解生成物


実験装置実験装置

200MS/s ，200MHz横河電機横河電機((株株))製製 DL1620DL1620

マクセレック(株)製 LS40-10R1Vmax±40kV, Imax±10mA

ベンゼン：純度 992ppm酸素：純度 99.5%窒素：純度 99.99%

上部(高圧)電極

針電極土台(真鍮製)：55mm×150mm×3mm：1.65mm×416穴

針(ステンレス製(釘)：Φ 1.5mm×16.3mm

グランド電極(真鍮製)：55mm×150mm×3mm

放電リアクタ (アクリル製, 円筒)内径：Φ 80mm長さ：210mm

放電リアクタ放電リアクタ

島津製作所製島津製作所製 FTIRFTIR--89008900

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：±0.125S/N ：20000：1ﾃﾞｰﾀｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ：He-Neレーザー

メタノール：純度 99.8%アセトン：純度 99.5%ヘプタン：純度 99.0%


実験条件実験条件

電源電圧 : DC12kV～18kV

VOC試料 : CH3OH，(CH3)2CO，C6H6 ,C7H16

初期VOC濃度 :100ppm

ガス流量 : 2slm

窒素－酸素混合比 : N2:O2 = 80：20

電極間隔 : 15mm


VOCVOCの分解率の比較の分解率の比較

作用エネルギー密度作用エネルギー密度[1][1] [W/([W/(ppmppm・・slmslm)] =)] =注入電力 [W]

初期VOC濃度 [ppm] ×ガス流量 [slm][1] 後藤他, 電学論 A, Vol. 123, No.9, pp. 900-906(2000)

80

60

40

20

0

deco

mpo

sitio

n ra

te [%

]

0.200.150.100.050.00

operation energy density [W/(ppm ・slm)]

initial concentration : 100ppmgas flow rate : 2slm

C6H6 C7H16 CH3OH (CH3)2CO

CC77HH1616 CHCH33OHOH (CH(CH33))22COCO＞＞CC66HH66 ＞＞＞＞((ベンゼン環ベンゼン環)) ((アルカンアルカン) ) ((アルコールアルコール) ) ((ケトンケトン) )


VOCVOCの分解率の比較の分解率の比較

作用エネルギー密度作用エネルギー密度[1][1] [W/([W/(ppmppm・・slmslm)] =)] =注入電力 [W]

初期VOC濃度 [ppm] ×ガス流量 [slm][1] 後藤他, 電学論 A, Vol. 123, No.9, pp. 900-906(2000)

80

60

40

20

0

deco

mpo

sitio

n ra

te [%

]

0.200.150.100.050.00




CC77HH1616 CHCH33OHOH (CH(CH33))22COCO＞＞CC66HH66 ＞＞＞＞

ベンゼン環

C－HC＝CC－O

5.37eV4.29eV3.61eV3.73eV

結合エネルギー

((ベンゼン環ベンゼン環)) ((アルカンアルカン) ) ((アルコールアルコール) ) ((ケトンケトン) )


分解率と分子量分解率と分子量

CC77HH1616 CHCH33OHOH (CH(CH33))22COCO＞＞CC66HH66 ＞＞＞＞分解率 :

(100 g/mol) (78 g/mol) (58 g/mol) (32 g/mol)CC77HH1616 CHCH33OHOH(CH(CH33))22COCO＞＞ CC66HH66 ＞＞＞＞分子量 :

80

60

40

20

0

deco

mpo

sitio

n ra

te [%

]

0.200.150.100.050.00





CH3OHの赤外吸収スペクトルは，2900~3051cm-1，2844cm-1および1060cm-1の

波数帯に確認できる

CH3OH(2900～3051cm-1) CH3OH

(2844cm-1)

CH3OH(1060cm-1)

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

abs

orba

nce

[a.u

.]

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 wave number [cm-1]

without discharge

initial concentration of methanol : 100ppmgas flow rate : 2slmback ground gas : N2:O2=80:20

赤外吸収スペクトルによる赤外吸収スペクトルによる分解生成物の特定分解生成物の特定 (CH(CH33OH OH 注入電力：約注入電力：約24W24W))


CH3OH(2900～3051cm-1)

CO2( 2349cm-1)

N2O(2170~2260cm-1)

CO(2040~2230cm-1)

O3 (1042cm-1)

H2O(bend 1595cm-1)

CH3OHの赤外吸収スペクトルは，2900~3051cm-1，2844cm-1および1060cm-1の

波数帯に確認できる

メタノール分解時の生成物は， CO2, CO, HCOOH, HCHO, N2O, O3である

分解生成物としてH2Oも生成されている可能性がある

CO2(669cm-1)

N2O(1248~1283cm-1)

CH3OH(2844cm-1)

HCOOH(1080~1130cm-1) CH3OH(1060cm-1)

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0

abs

orba

nce

[a.u

.]

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 wave number [cm-1]

without discharge with discharge (18kV)

initial concentration of methanol : 100ppmgas flow rate : 2slmback ground gas : N2:O2=80:20

赤外吸収スペクトルによる赤外吸収スペクトルによる分解生成物の特定分解生成物の特定 (CH(CH33OH OH 注入電力：約注入電力：約24W24W))


(CH3)2CO

CH3OH

C6H6

C7H16

CO2 CO HCOOH HCHO HCN N2O O3

分解生成物とその生成量分解生成物とその生成量 ((注入電力：約注入電力：約24W)24W)

1264 73 74 128

1550 214 66 81

253 55 148

312 47 175 12

56

60

10

(10)

(20)

単位：[ppm]


COCO22 , CO, COおよびおよびHCOOHHCOOHの生成量の生成量 ((注入電力：約注入電力：約24W) 24W)

CO ・・・ 1つの分子に含まれるC原子数が多くなるほど減少する

・・・ 1つの分子に含まれるC原子数の増加に従って増加するHCOOH

CO2

CC原子数原子数少少多多

((ベンゼン環ベンゼン環)) ((アルカンアルカン) ) ((アルコールアルコール) ) ((ケトンケトン) )

400

300

200

100

0

conc

entra

tion

of b

y-pr

oduc

ts [p

pm]

CH3OH (CH3)2CO C6H6 C7H16

CO2 CO HCOOH

C6H6 CH3OH (CH3)2CO C7H16


まとめまとめ

大気圧コロナ放電によってCH3OH，(CH3)2CO，C6H6およびC7H16を分解し，放

電分解特性を調査した

以下に示す順に高い分解率が得られた

主たる副生成物(CO2，COおよびHCOOH)の生成量は，被分解物質のC原子数によって以下の傾向が得られる

CC77HH1616 CHCH33OHOH (CH(CH33))22COCO＞＞CC66HH66 ＞＞＞＞

C原子数が多い CO2およびHCOOHが生成されやすい

C原子数が少ない COが生成されやすい

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