ガス処理装置
【課題】 非平衡プラズマによるガス処理を効率的かつ低コストで行うことができ、しかも、消費電力が少なく、装置の小型化が可能なガス処理装置を提供する。
【解決手段】 本発明のガス処理装置１は、被処理ガスｇを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部２と、このプラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒により分解処理する光触媒反応部３とにより構成され、プラズマ反応部２は、棒状の接地電極１１及び誘電体１２と、円筒状の表面電極１３と、光触媒体１５とにより構成され、光触媒反応部３は、透明ガラスからなる筒状の容器３１と、この内部に充填された光触媒体３２と、容器３１の外側に設けられた光源３３とにより構成されていることを特徴とする。
【解決手段】 本発明のガス処理装置１は、被処理ガスｇを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部２と、このプラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒により分解処理する光触媒反応部３とにより構成され、プラズマ反応部２は、棒状の接地電極１１及び誘電体１２と、円筒状の表面電極１３と、光触媒体１５とにより構成され、光触媒反応部３は、透明ガラスからなる筒状の容器３１と、この内部に充填された光触媒体３２と、容器３１の外側に設けられた光源３３とにより構成されていることを特徴とする。
【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かつ低コストで行うことが可能であり、しかも消費電力が少なく、装置の小型化が可能な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（いわゆるホットエレクトロン）、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利用した反応装置としては、沿面放電（パルス放電）式プラズマ反応器、バリア放電式プラズマ反応器、パックトベッド放電式プラズマ反応器、これらを組み合わせた複合プラズマ反応器等が提案されている。
また、プラズマ反応器と光触媒ユニットとを組み合わせた空気清浄装置も提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３２９４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の種々のプラズマ反応器では、低電力の範囲では分解の対象となるガスの分解効率が低いために、このガスの分解効率を上げるためには、電力を大きくする必要がある。しかしながら、電力の値を高くしていくと、ある電力値を超えた場合に窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生してしまうという問題点があった。
【０００６】
従来のプラズマ反応器を用いた場合、プラズマ放電によりオゾン（Ｏ３）が発生してしまうために、このオゾンを二酸化マンガン（ＭｎＯ２）や活性炭（Ｃ）等のオゾン分解触媒を用いて分解処理する必要があるが、これらの触媒は、使用とともに分解能力が低下するために、定期的に回収・交換する必要があった。また、活性炭（Ｃ）を用いた場合、オゾンは分解処理はできるが、窒素酸化物（ＮＯｘ）は分解処理できないという問題点があった。
また、プラズマ反応器と光触媒ユニットとを組み合わせた空気清浄装置では、対象となる分解処理可能なガス中の有害物質の濃度が数ｐｐｍ程度と低く、これ以上の高濃度の有害物質を除去することは難しい。
【０００７】
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かつ低コストで行うことができ、しかも、消費電力が少なく、装置の小型化が可能な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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は次の様なガス処理装置を提供した。
すなわち、本発明のガス処理装置は、被処理ガスを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部と、このプラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を光触媒により分解処理する光触媒反応部とを備えてなることを特徴とする。
【０００９】
このガス処理装置では、プラズマ反応部の非平衡プラズマ内に被処理ガスを導入すると、非平衡プラズマにより被処理ガスを高い分解効率（高いエネルギー効率）で分解する。その結果、被処理ガスの分解効率が向上する。
また、プラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び非平衡プラズマにより生成される副生成物は、光触媒反応部の光触媒により分解処理する。
このように、分解効率（エネルギー効率）の高いプラズマ反応部と、プラズマ反応部よりは分解効率（エネルギー効率）が低いが有害な分解副生成物を発生させない光触媒反応部を組み合わせることにより、被処理ガスの分解効率をさらに向上させるとともに、分解処理に費やす消費電力が小さくなり、装置の小型化も可能になる。
【００１０】
前記プラズマ反応部は、中心電極と該中心電極に誘電体を介して設けられた表面電極とを備えた放電電極と、この放電電極の非平衡プラズマを発生する領域に配置され光触媒を含有する光触媒体とを備えた構成とすることが好ましい。
【００１１】
このプラズマ反応部では、中心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、光触媒を含有する光触媒体を配置することで、誘電体でもある光触媒体の存在が放電を容易にし、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。
【００１２】
このプラズマ反応部では、前記中心電極を、線状、棒状または筒状の電極とし、前記表面電極を前記線状、棒状または筒状の電極に同軸的に設けられたスパイラル状のコイルとし、これら中心電極と表面電極との間の非平衡プラズマを発生する領域に前記光触媒体を配置した構成としてもよい。
この様な構成とすることにより、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。
また、プラズマ反応部の構造が簡単化され、製造コストが低減される。
【００１３】
このプラズマ反応部では、前記中心電極を棒状電極とし、前記表面電極を前記棒状電極に同軸的に設けられた筒状電極とし、これら中心電極と表面電極との間の非平衡プラズマを発生する領域に前記光触媒体を配置した構成としてもよい。
この様な構成とすることにより、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。
また、プラズマ反応部の構造が簡単化され、製造コストが低減される。
【００１４】
このプラズマ反応部では、前記誘電体を、前記中心電極に同軸的に設けられた筒状の誘電体としてもよい。
この様な構成とすることにより、プラズマ反応部の構造が簡単化され、製造コストが低減される。
【００１５】
前記光触媒反応部は、前記光触媒を活性化する光を照射する光照射手段を備えた構成とすることが好ましい。
この光触媒反応部では、光照射手段が照射する光により前記光触媒を活性化するので、プラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び低温プラズマにより生成される副生成物を、活性の高い光触媒により、より効率的に分解処理する。よって、被処理ガスの分解効率がさらに向上するとともに、分解処理に費やす消費電力もさらに小さくなり、装置のさらなる小型化も可能になる。
【００１６】
前記プラズマ反応部、前記光触媒反応部のいずれか一方または双方を多段に配置してもよい。
このように、分解効率（エネルギー効率）の高いプラズマ反応部、プラズマ反応部よりは分解効率（エネルギー効率）が低いが有害な分解副生成物を発生させない光触媒反応部のいずれか一方または双方を多段に配置することで、被処理ガスの分解効率がさらに高まるとともに、分解処理に費やす消費電力もさらに小さくなり、装置のさらなる小型化も可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のガス処理装置によれば、被処理ガスを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部と、このプラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び前記低温プラズマにより生成される副生成物を光触媒により分解処理する光触媒反応部とを備えたので、分解効率（エネルギー効率）の高いプラズマ反応部と、プラズマ反応部よりは分解効率（エネルギー効率）が低いが有害な分解副生成物を発生させない光触媒反応部を組み合わせることにより、被処理ガスの分解効率をさらに向上させることができ、分解処理に費やす消費電力を小さくすることができる。
【００１８】
また、高濃度や大量の被処理ガスであっても、プラズマ反応部と光触媒反応部を組み合わせることにより、光触媒反応だけでは処理しきれない被処理ガスを処理することができる。
また、プラズマ反応部及び光触媒反応部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】
【００１９】
本発明の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の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
このガス処理装置１は、被処理ガスｇを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部２と、このプラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒により分解処理する光触媒反応部３とにより概略構成されている。
【００２０】
プラズマ反応部２は、図１及び図２に示すように、外径が５ｍｍ程度の棒状の導電性及び耐熱性を有する材料、例えば、ステンレススチール、タングステン、銀、銅、チタン等からなる中心電極１１の外周部には、この外周部の主要部を覆う様に誘電性を有する材料、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、チタン酸バリウム等からなる厚みが０．５〜５ｍｍ程度の誘電体１２が一体に形成され、これら中心電極１１及び誘電体１２と同軸的かつこれらを囲む様に導電性及び耐熱性を有する材料、例えば、ステンレススチール、タングステン、銀、銅、チタン等からなる円筒状の筐体の表面電極１３が設けられ、これら中心電極１１、誘電体１２及び表面電極１３の両端部には、絶縁体からなる蓋１４が設けられ、これら中心電極１１、誘電体１２、表面電極１３および蓋１４により放電電極１５が構成されている。
【００２１】
この放電電極１５の非平衡プラズマを発生する非平衡プラズマ発生領域Ｒ、すなわち中心電極１１及び誘電体１２と表面電極１３との間の円筒状の領域には、光触媒体１６が充填されている。
また、この中心電極１１は配線１７を介して、表面電極１３は配線１８を介して、電源１９に接続されている。
また、一方の蓋１４（図１中左側）には、処理すべきガスｇを非平衡プラズマ発生領域Ｒに導入するための配管２１が設けられ、他方の蓋１４（図１中右側）には、非平衡プラズマ領域Ｒから排出されるガスｇ’を光触媒反応部３に送るための配管２２が設けられている。
【００２２】
光触媒反応部３は、少なくとも主要部が光透過性を有する材料、例えば、石英ガラス等の透明ガラスからなる筒状の容器３１の内部には、光触媒体３２が充填され、この容器３１の外側には、この容器３１を挟むように、光触媒体３２を紫外線または可視光により活性化させるための光を照射する一対の光源（光照射手段）３３が設けられている。光源３３としては、紫外線により活性化させる場合には紫外線ランプが、可視光により活性化させる場合には白色ランプが好適に用いられる。
【００２３】
この容器３１の一方の端部には、プラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を導入するための配管２２が設けられ、この容器３１の他方の端部には、未分解のガス及び非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒体３２により分解処理したガスｇ”を排出する配管３４が設けられている。
【００２４】
光触媒体１６、３２は、酸化チタン等の光触媒を含有するもので、光触媒単体の他、この光触媒を除く固体物質、あるいは光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒等を含んでいてもよい。また、その形状は、特に限定されないが、光触媒とその他の成分とを混合し造粒して得られる顆粒、または光触媒とその他の成分とを混合した混合粉を造粒・成形して得られるペレット（成形体）が好ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
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。
【００３１】
この光触媒体１６、３２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。
【００３２】
この光触媒体１６（３２）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。
【００３３】
（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。
【００３４】
このペレットのプラズマ反応部２の非平衡プラズマ領域Ｒ内への配置や、光触媒反応部３の容器３１内への配置については、形状と同様、特に限定されない。
なお、プラズマ反応部２の放電電極１５の外形および大きさ、光触媒反応部３の容器３１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。
【００３５】
次に、このガス処理装置１を用いて、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ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、プラズマ反応部２により被処理ガスｇをプラズマ処理する。
ここでは、中心電極１１を配線１７を介して電源１９に接続し、表面電極１３を配線１８を介して電源１９に接続し、この電源１９を作動させて中心電極１１と表面電極１３との間に電圧を印加することにより、表面電極１３と中心電極１１との間の非平衡プラズマ発生領域Ｒに非平衡プラズマが発生する。
【００３６】
その後、この非平衡プラズマ内にＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ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は非平衡プラズマのエネルギーにより直接分解されるとともに、光触媒体１６に吸着される。この光触媒体１６に吸着された被処理ガス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１６中の光触媒により分解される。また、非平衡プラズマ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。
【００３７】
このプラズマ反応部２から排出されるガスｇ’には、被処理ガスｇ中の未分解のガス、例えば、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質を含む排気ガス、有害ガス等、及び非平衡プラズマにより生成される副生成物が含まれているので、これら未分解のガスや副生成物を取り除く必要がある。
そこで、光触媒反応部３により、未分解のガスや副生成物が含まれているガスｇ’を分解処理する。
【００３８】
光触媒反応部３では、光源３３からの光により光触媒体３２が活性化されているので、ガスｇ’中のＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質は、活性化された光触媒体３２に吸着するとともに、光触媒体３２により分解され、無害化される。したがって、光触媒反応部３から排出されるガスｇ”には、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質や非平衡プラズマにより生成される副生成物は含まれていない。
【００３９】
また、光触媒体３２は、光が照射されている限り、光触媒が活性化されて復元されるので、光触媒を回収・交換する必要がない。
また、光触媒体３２の光触媒によりオゾンが分解される際に発生する酸素ラジカル等の活性種は、高酸化力を有するので、この活性種が被処理ガスｇ’の分解にさらに寄与する。したがって、ガスｇ’の分解処理効率をさらに向上させることができる。
【００４０】
このように、本実施形態のガス処理装置１を用いて被処理ガスｇを処理すれば、この被処理ガスｇがプラズマ反応部２の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により被処理ガスｇ中に含まれるＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質が分解され、さらに、光触媒反応部３により被処理ガスｇ中の未分解のガスや非平衡プラズマにより生成された副生成物が吸着・分解されるので、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質を含む被処理ガスｇの分解効率をさらに向上させることができる。その結果、分解処理に費やす消費電力を小さく抑えることができ、その装置の小型化を図ることができる。
【００４１】
「第２の実施形態」
図３は本発明の第２の実施形態のガス処理装置４１を示す概略構成図であり、この実施形態のガス処理装置４１において、上記の第１の実施形態のガス処理装置１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４１は、被処理ガスｇを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部４２と、このプラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒により分解処理する光触媒反応部３とにより概略構成されている。
【００４２】
プラズマ反応部４２は、図３及び図４に示すように、中心電極１１及び誘電体１２と、これらを同軸的かつこれらを囲む様に設けられた絶縁性を有する材料、例えば、ガラスからなる円筒状の筐体４３および蓋１４と、この筐体４３の内周面に沿ってスパイラル状に配置された導電性及び耐熱性を有する材料、例えば、ステンレススチール、タングステン、銀、銅、チタン等からなるコイル状電極４４とにより構成され、コイル状電極４４は配線１８を介して電源１９に接続されている。
これら中心電極１１、誘電体１２及びコイル状電極４４により放電電極４５が構成されている。
このガス処理装置４１においても、上記の第１の実施形態のガス処理装置１と同様の効果を奏することができる。
【００４３】
「第３の実施形態」
図５は本発明の第３の実施形態のガス処理装置５１を示す概略構成図であり、この実施形態のガス処理装置５１において、上記の第２の実施形態のガス処理装置４１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５１は、被処理ガスｇを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部５２と、このプラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒により分解処理する光触媒反応部３とにより概略構成されている。
【００４４】
プラズマ反応部５２は、誘電性を有する材料、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、チタン酸バリウム等からなる厚みが１〜５ｍｍ程度の円筒状の筐体４３と、この筐体４３の内周面に沿ってスパイラル状に配置されたコイル状電極（中心電極）４４と、この筐体４３の外周面に一体に設けられた導電性及び耐熱性を有する材料、例えば、ステンレススチール、タングステン、銀、銅、チタン等からなる円筒状電極（表面電極）５３とにより構成され、コイル状電極４４及び円筒状電極５３により放電電極５４が構成されている。
また、このコイル状電極４４と円筒状電極５３とは、配線１７、１８を介して電源１９に接続されている。
このガス処理装置５１においても、上記の第２の実施形態のガス処理装置４１と同様の効果を奏することができる。
【００４５】
「第４の実施形態」
図６は本発明の第４の実施形態のガス処理装置６１を示す概略構成図、図７は同概略平面図であり、この実施形態のガス処理装置６１において、上記の第１の実施形態のガス処理装置１と同一の構成要素については、同一の符号を付してある。
【００４６】
このガス処理装置６１は、上記の第１の実施形態のプラズマ反応部２を４段に直列接続して多段プラズマ反応部６２とし、光触媒反応部３の光触媒体３２が充填された筒状の容器３１を１８段に直列接続したものを２組、互いに並行に配置し、これらの容器３１の外側に、これらの容器３１を囲むように、光触媒体３２を紫外線または可視光により活性化させるための光を照射する光源３３を、例えば、３行４列のマトリックス状に計１２本設けて多段光触媒反応部６３とした構成である。なお、図中、６４はプラズマ反応部２同士を直列接続する配管、６５は容器３１同士を直列接続する配管、６６は高圧電源、６７は光源３３用の電源である。
【００４７】
このガス処理装置６１は、上記の第１の実施形態のガス処理装置１のプラズマ反応部２および光触媒反応部３を多段としたものであるが、多段としたことで、個々の構成要素の材質や大きさが異なったものになっている。
例えば、中心電極１１は、径が５ｍｍ、長さが６００ｍｍのステンレスロッドであり、誘電体１２は、外径が１０ｍｍ、内径が６ｍｍ、長さが６００ｍｍのアルミナからなる誘電体パイプであり、表面電極１３は、外径が２０ｍｍ、内径が１９ｍｍ、長さが５００ｍｍのステンレスパイプである。
また、筒状の容器３１は、外径が１２ｍｍ、内径が１０ｍｍ、長さが７００ｍｍのガラス管であり、光源３３は、ガラス管とほぼ同じ長さの紫外線ランプである。
【００４８】
このガス処理装置６１においては、プラズマ反応部２を４段に直列接続して多段プラズマ反応部６２とし、光触媒体３２が充填された筒状の容器３１を１８段に直列接続したものを２組、互いに並行に配置して多段光触媒反応部６３としたので、被処理ガスの分解効率をさらに高めることができ、分解処理に費やす消費電力もさらに小さくすることができ、装置のさらなる小型化を図ることができる。
【００４９】
次に、このガス処理装置６１の特性評価結果について説明する。
このガス処理装置６１の処理条件は下記の通りである。
被処理ガスｇ：酸化エチレンを６０００ｐｐｍ含有
被処理ガスｇの流量：８Ｌ／分
消費電力：多段プラズマ反応部６２ ２００Ｗ
多段光触媒反応部６３ ３６０Ｗ
【００５０】
この被処理ガスｇを多段プラズマ反応部６２を通過させた後の酸化エチレンの濃度、および多段プラズマ反応部６２により生成した中間生成物の濃度は次の通りであった。
酸化エチレンの濃度：１５００ｐｐｍ
（酸化エチレンの除去率：７５％）
中間生成物：オゾン（Ｏ３）：２００ｐｐｍ
：一酸化窒素（ＮＯ）：５０ｐｐｍ
：二酸化窒素（ＮＯ２）：２００ｐｐｍ
【００５１】
次に、多段プラズマ反応部６２を通過させた被処理ガスを、さらに多段光触媒反応部６３を通過させたところ、酸化エチレンおよび中間生成物の濃度は次の通りであった。
酸化エチレンの濃度：０ｐｐｍ
（酸化エチレンの除去率：１００％）
中間生成物：オゾン（Ｏ３）：０ｐｐｍ
：一酸化窒素（ＮＯ）：０ｐｐｍ
：二酸化窒素（ＮＯ２）：０ｐｐｍ
（中間生成物の除去率：１００％）
【００５２】
以上、被処理ガスｇを多段プラズマ反応部６２および多段光触媒反応部６３を順次通過させたことにより、酸化エチレンの除去率、中間生成物の除去率共に１００％となり、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質を含む被処理ガスｇの分解効率が極めて優れていることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のガス処理装置は、分解効率（エネルギー効率）の高いプラズマ反応部と、プラズマ反応部よりは分解効率（エネルギー効率）が低いが有害な分解副生成物を発生させない光触媒反応部を組み合わせたものであるから、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容易に適用することができ、その効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のガス処理装置のプラズマ反応部を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態のガス処理装置のプラズマ反応部を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
【図６】本発明の第４の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第４の実施形態のガス処理装置を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１、４１、５１、６１…ガス処理装置、２、４２、５２…プラズマ反応部、３…光触媒反応部、１１…中心電極、１２…誘電体、１３…表面電極、１４…蓋、１５、４５、５４…放電電極、１６…光触媒体、１７、１８…配線、１９…電源、２１、２２、３４、６４、６５…配管、３１…容器、３２…光触媒体、３３…光源、４３…筐体、４４…コイル状電極、５３…円筒状電極、６２…多段プラズマ反応部、６３…多段光触媒反応部、６６…高圧電源、６７…電源。
【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かつ低コストで行うことが可能であり、しかも消費電力が少なく、装置の小型化が可能な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（いわゆるホットエレクトロン）、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利用した反応装置としては、沿面放電（パルス放電）式プラズマ反応器、バリア放電式プラズマ反応器、パックトベッド放電式プラズマ反応器、これらを組み合わせた複合プラズマ反応器等が提案されている。
また、プラズマ反応器と光触媒ユニットとを組み合わせた空気清浄装置も提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３２９４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来の種々のプラズマ反応器では、低電力の範囲では分解の対象となるガスの分解効率が低いために、このガスの分解効率を上げるためには、電力を大きくする必要がある。しかしながら、電力の値を高くしていくと、ある電力値を超えた場合に窒素酸化物（ＮＯｘ）が発生してしまうという問題点があった。
【０００６】
従来のプラズマ反応器を用いた場合、プラズマ放電によりオゾン（Ｏ３）が発生してしまうために、このオゾンを二酸化マンガン（ＭｎＯ２）や活性炭（Ｃ）等のオゾン分解触媒を用いて分解処理する必要があるが、これらの触媒は、使用とともに分解能力が低下するために、定期的に回収・交換する必要があった。また、活性炭（Ｃ）を用いた場合、オゾンは分解処理はできるが、窒素酸化物（ＮＯｘ）は分解処理できないという問題点があった。
また、プラズマ反応器と光触媒ユニットとを組み合わせた空気清浄装置では、対象となる分解処理可能なガス中の有害物質の濃度が数ｐｐｍ程度と低く、これ以上の高濃度の有害物質を除去することは難しい。
【０００７】
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かつ低コストで行うことができ、しかも、消費電力が少なく、装置の小型化が可能な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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は次の様なガス処理装置を提供した。
すなわち、本発明のガス処理装置は、被処理ガスを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部と、このプラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を光触媒により分解処理する光触媒反応部とを備えてなることを特徴とする。
【０００９】
このガス処理装置では、プラズマ反応部の非平衡プラズマ内に被処理ガスを導入すると、非平衡プラズマにより被処理ガスを高い分解効率（高いエネルギー効率）で分解する。その結果、被処理ガスの分解効率が向上する。
また、プラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び非平衡プラズマにより生成される副生成物は、光触媒反応部の光触媒により分解処理する。
このように、分解効率（エネルギー効率）の高いプラズマ反応部と、プラズマ反応部よりは分解効率（エネルギー効率）が低いが有害な分解副生成物を発生させない光触媒反応部を組み合わせることにより、被処理ガスの分解効率をさらに向上させるとともに、分解処理に費やす消費電力が小さくなり、装置の小型化も可能になる。
【００１０】
前記プラズマ反応部は、中心電極と該中心電極に誘電体を介して設けられた表面電極とを備えた放電電極と、この放電電極の非平衡プラズマを発生する領域に配置され光触媒を含有する光触媒体とを備えた構成とすることが好ましい。
【００１１】
このプラズマ反応部では、中心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、光触媒を含有する光触媒体を配置することで、誘電体でもある光触媒体の存在が放電を容易にし、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。
【００１２】
このプラズマ反応部では、前記中心電極を、線状、棒状または筒状の電極とし、前記表面電極を前記線状、棒状または筒状の電極に同軸的に設けられたスパイラル状のコイルとし、これら中心電極と表面電極との間の非平衡プラズマを発生する領域に前記光触媒体を配置した構成としてもよい。
この様な構成とすることにより、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。
また、プラズマ反応部の構造が簡単化され、製造コストが低減される。
【００１３】
このプラズマ反応部では、前記中心電極を棒状電極とし、前記表面電極を前記棒状電極に同軸的に設けられた筒状電極とし、これら中心電極と表面電極との間の非平衡プラズマを発生する領域に前記光触媒体を配置した構成としてもよい。
この様な構成とすることにより、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。
また、プラズマ反応部の構造が簡単化され、製造コストが低減される。
【００１４】
このプラズマ反応部では、前記誘電体を、前記中心電極に同軸的に設けられた筒状の誘電体としてもよい。
この様な構成とすることにより、プラズマ反応部の構造が簡単化され、製造コストが低減される。
【００１５】
前記光触媒反応部は、前記光触媒を活性化する光を照射する光照射手段を備えた構成とすることが好ましい。
この光触媒反応部では、光照射手段が照射する光により前記光触媒を活性化するので、プラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び低温プラズマにより生成される副生成物を、活性の高い光触媒により、より効率的に分解処理する。よって、被処理ガスの分解効率がさらに向上するとともに、分解処理に費やす消費電力もさらに小さくなり、装置のさらなる小型化も可能になる。
【００１６】
前記プラズマ反応部、前記光触媒反応部のいずれか一方または双方を多段に配置してもよい。
このように、分解効率（エネルギー効率）の高いプラズマ反応部、プラズマ反応部よりは分解効率（エネルギー効率）が低いが有害な分解副生成物を発生させない光触媒反応部のいずれか一方または双方を多段に配置することで、被処理ガスの分解効率がさらに高まるとともに、分解処理に費やす消費電力もさらに小さくなり、装置のさらなる小型化も可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のガス処理装置によれば、被処理ガスを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部と、このプラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び前記低温プラズマにより生成される副生成物を光触媒により分解処理する光触媒反応部とを備えたので、分解効率（エネルギー効率）の高いプラズマ反応部と、プラズマ反応部よりは分解効率（エネルギー効率）が低いが有害な分解副生成物を発生させない光触媒反応部を組み合わせることにより、被処理ガスの分解効率をさらに向上させることができ、分解処理に費やす消費電力を小さくすることができる。
【００１８】
また、高濃度や大量の被処理ガスであっても、プラズマ反応部と光触媒反応部を組み合わせることにより、光触媒反応だけでは処理しきれない被処理ガスを処理することができる。
また、プラズマ反応部及び光触媒反応部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】
【００１９】
本発明の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の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
このガス処理装置１は、被処理ガスｇを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部２と、このプラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒により分解処理する光触媒反応部３とにより概略構成されている。
【００２０】
プラズマ反応部２は、図１及び図２に示すように、外径が５ｍｍ程度の棒状の導電性及び耐熱性を有する材料、例えば、ステンレススチール、タングステン、銀、銅、チタン等からなる中心電極１１の外周部には、この外周部の主要部を覆う様に誘電性を有する材料、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、チタン酸バリウム等からなる厚みが０．５〜５ｍｍ程度の誘電体１２が一体に形成され、これら中心電極１１及び誘電体１２と同軸的かつこれらを囲む様に導電性及び耐熱性を有する材料、例えば、ステンレススチール、タングステン、銀、銅、チタン等からなる円筒状の筐体の表面電極１３が設けられ、これら中心電極１１、誘電体１２及び表面電極１３の両端部には、絶縁体からなる蓋１４が設けられ、これら中心電極１１、誘電体１２、表面電極１３および蓋１４により放電電極１５が構成されている。
【００２１】
この放電電極１５の非平衡プラズマを発生する非平衡プラズマ発生領域Ｒ、すなわち中心電極１１及び誘電体１２と表面電極１３との間の円筒状の領域には、光触媒体１６が充填されている。
また、この中心電極１１は配線１７を介して、表面電極１３は配線１８を介して、電源１９に接続されている。
また、一方の蓋１４（図１中左側）には、処理すべきガスｇを非平衡プラズマ発生領域Ｒに導入するための配管２１が設けられ、他方の蓋１４（図１中右側）には、非平衡プラズマ領域Ｒから排出されるガスｇ’を光触媒反応部３に送るための配管２２が設けられている。
【００２２】
光触媒反応部３は、少なくとも主要部が光透過性を有する材料、例えば、石英ガラス等の透明ガラスからなる筒状の容器３１の内部には、光触媒体３２が充填され、この容器３１の外側には、この容器３１を挟むように、光触媒体３２を紫外線または可視光により活性化させるための光を照射する一対の光源（光照射手段）３３が設けられている。光源３３としては、紫外線により活性化させる場合には紫外線ランプが、可視光により活性化させる場合には白色ランプが好適に用いられる。
【００２３】
この容器３１の一方の端部には、プラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を導入するための配管２２が設けられ、この容器３１の他方の端部には、未分解のガス及び非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒体３２により分解処理したガスｇ”を排出する配管３４が設けられている。
【００２４】
光触媒体１６、３２は、酸化チタン等の光触媒を含有するもので、光触媒単体の他、この光触媒を除く固体物質、あるいは光触媒を除く固体物質と光触媒を除く触媒等を含んでいてもよい。また、その形状は、特に限定されないが、光触媒とその他の成分とを混合し造粒して得られる顆粒、または光触媒とその他の成分とを混合した混合粉を造粒・成形して得られるペレット（成形体）が好ましい。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
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。
【００３１】
この光触媒体１６、３２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。
【００３２】
この光触媒体１６（３２）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。
【００３３】
（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。
【００３４】
このペレットのプラズマ反応部２の非平衡プラズマ領域Ｒ内への配置や、光触媒反応部３の容器３１内への配置については、形状と同様、特に限定されない。
なお、プラズマ反応部２の放電電極１５の外形および大きさ、光触媒反応部３の容器３１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。
【００３５】
次に、このガス処理装置１を用いて、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ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、プラズマ反応部２により被処理ガスｇをプラズマ処理する。
ここでは、中心電極１１を配線１７を介して電源１９に接続し、表面電極１３を配線１８を介して電源１９に接続し、この電源１９を作動させて中心電極１１と表面電極１３との間に電圧を印加することにより、表面電極１３と中心電極１１との間の非平衡プラズマ発生領域Ｒに非平衡プラズマが発生する。
【００３６】
その後、この非平衡プラズマ内にＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ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は非平衡プラズマのエネルギーにより直接分解されるとともに、光触媒体１６に吸着される。この光触媒体１６に吸着された被処理ガス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１６中の光触媒により分解される。また、非平衡プラズマ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。
【００３７】
このプラズマ反応部２から排出されるガスｇ’には、被処理ガスｇ中の未分解のガス、例えば、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質を含む排気ガス、有害ガス等、及び非平衡プラズマにより生成される副生成物が含まれているので、これら未分解のガスや副生成物を取り除く必要がある。
そこで、光触媒反応部３により、未分解のガスや副生成物が含まれているガスｇ’を分解処理する。
【００３８】
光触媒反応部３では、光源３３からの光により光触媒体３２が活性化されているので、ガスｇ’中のＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質は、活性化された光触媒体３２に吸着するとともに、光触媒体３２により分解され、無害化される。したがって、光触媒反応部３から排出されるガスｇ”には、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質や非平衡プラズマにより生成される副生成物は含まれていない。
【００３９】
また、光触媒体３２は、光が照射されている限り、光触媒が活性化されて復元されるので、光触媒を回収・交換する必要がない。
また、光触媒体３２の光触媒によりオゾンが分解される際に発生する酸素ラジカル等の活性種は、高酸化力を有するので、この活性種が被処理ガスｇ’の分解にさらに寄与する。したがって、ガスｇ’の分解処理効率をさらに向上させることができる。
【００４０】
このように、本実施形態のガス処理装置１を用いて被処理ガスｇを処理すれば、この被処理ガスｇがプラズマ反応部２の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により被処理ガスｇ中に含まれるＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質が分解され、さらに、光触媒反応部３により被処理ガスｇ中の未分解のガスや非平衡プラズマにより生成された副生成物が吸着・分解されるので、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質を含む被処理ガスｇの分解効率をさらに向上させることができる。その結果、分解処理に費やす消費電力を小さく抑えることができ、その装置の小型化を図ることができる。
【００４１】
「第２の実施形態」
図３は本発明の第２の実施形態のガス処理装置４１を示す概略構成図であり、この実施形態のガス処理装置４１において、上記の第１の実施形態のガス処理装置１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４１は、被処理ガスｇを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部４２と、このプラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒により分解処理する光触媒反応部３とにより概略構成されている。
【００４２】
プラズマ反応部４２は、図３及び図４に示すように、中心電極１１及び誘電体１２と、これらを同軸的かつこれらを囲む様に設けられた絶縁性を有する材料、例えば、ガラスからなる円筒状の筐体４３および蓋１４と、この筐体４３の内周面に沿ってスパイラル状に配置された導電性及び耐熱性を有する材料、例えば、ステンレススチール、タングステン、銀、銅、チタン等からなるコイル状電極４４とにより構成され、コイル状電極４４は配線１８を介して電源１９に接続されている。
これら中心電極１１、誘電体１２及びコイル状電極４４により放電電極４５が構成されている。
このガス処理装置４１においても、上記の第１の実施形態のガス処理装置１と同様の効果を奏することができる。
【００４３】
「第３の実施形態」
図５は本発明の第３の実施形態のガス処理装置５１を示す概略構成図であり、この実施形態のガス処理装置５１において、上記の第２の実施形態のガス処理装置４１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５１は、被処理ガスｇを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部５２と、このプラズマ反応部２から排出される未分解のガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を含むガスｇ’を光触媒により分解処理する光触媒反応部３とにより概略構成されている。
【００４４】
プラズマ反応部５２は、誘電性を有する材料、例えば、アルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニア、チタン酸バリウム等からなる厚みが１〜５ｍｍ程度の円筒状の筐体４３と、この筐体４３の内周面に沿ってスパイラル状に配置されたコイル状電極（中心電極）４４と、この筐体４３の外周面に一体に設けられた導電性及び耐熱性を有する材料、例えば、ステンレススチール、タングステン、銀、銅、チタン等からなる円筒状電極（表面電極）５３とにより構成され、コイル状電極４４及び円筒状電極５３により放電電極５４が構成されている。
また、このコイル状電極４４と円筒状電極５３とは、配線１７、１８を介して電源１９に接続されている。
このガス処理装置５１においても、上記の第２の実施形態のガス処理装置４１と同様の効果を奏することができる。
【００４５】
「第４の実施形態」
図６は本発明の第４の実施形態のガス処理装置６１を示す概略構成図、図７は同概略平面図であり、この実施形態のガス処理装置６１において、上記の第１の実施形態のガス処理装置１と同一の構成要素については、同一の符号を付してある。
【００４６】
このガス処理装置６１は、上記の第１の実施形態のプラズマ反応部２を４段に直列接続して多段プラズマ反応部６２とし、光触媒反応部３の光触媒体３２が充填された筒状の容器３１を１８段に直列接続したものを２組、互いに並行に配置し、これらの容器３１の外側に、これらの容器３１を囲むように、光触媒体３２を紫外線または可視光により活性化させるための光を照射する光源３３を、例えば、３行４列のマトリックス状に計１２本設けて多段光触媒反応部６３とした構成である。なお、図中、６４はプラズマ反応部２同士を直列接続する配管、６５は容器３１同士を直列接続する配管、６６は高圧電源、６７は光源３３用の電源である。
【００４７】
このガス処理装置６１は、上記の第１の実施形態のガス処理装置１のプラズマ反応部２および光触媒反応部３を多段としたものであるが、多段としたことで、個々の構成要素の材質や大きさが異なったものになっている。
例えば、中心電極１１は、径が５ｍｍ、長さが６００ｍｍのステンレスロッドであり、誘電体１２は、外径が１０ｍｍ、内径が６ｍｍ、長さが６００ｍｍのアルミナからなる誘電体パイプであり、表面電極１３は、外径が２０ｍｍ、内径が１９ｍｍ、長さが５００ｍｍのステンレスパイプである。
また、筒状の容器３１は、外径が１２ｍｍ、内径が１０ｍｍ、長さが７００ｍｍのガラス管であり、光源３３は、ガラス管とほぼ同じ長さの紫外線ランプである。
【００４８】
このガス処理装置６１においては、プラズマ反応部２を４段に直列接続して多段プラズマ反応部６２とし、光触媒体３２が充填された筒状の容器３１を１８段に直列接続したものを２組、互いに並行に配置して多段光触媒反応部６３としたので、被処理ガスの分解効率をさらに高めることができ、分解処理に費やす消費電力もさらに小さくすることができ、装置のさらなる小型化を図ることができる。
【００４９】
次に、このガス処理装置６１の特性評価結果について説明する。
このガス処理装置６１の処理条件は下記の通りである。
被処理ガスｇ：酸化エチレンを６０００ｐｐｍ含有
被処理ガスｇの流量：８Ｌ／分
消費電力：多段プラズマ反応部６２ ２００Ｗ
多段光触媒反応部６３ ３６０Ｗ
【００５０】
この被処理ガスｇを多段プラズマ反応部６２を通過させた後の酸化エチレンの濃度、および多段プラズマ反応部６２により生成した中間生成物の濃度は次の通りであった。
酸化エチレンの濃度：１５００ｐｐｍ
（酸化エチレンの除去率：７５％）
中間生成物：オゾン（Ｏ３）：２００ｐｐｍ
：一酸化窒素（ＮＯ）：５０ｐｐｍ
：二酸化窒素（ＮＯ２）：２００ｐｐｍ
【００５１】
次に、多段プラズマ反応部６２を通過させた被処理ガスを、さらに多段光触媒反応部６３を通過させたところ、酸化エチレンおよび中間生成物の濃度は次の通りであった。
酸化エチレンの濃度：０ｐｐｍ
（酸化エチレンの除去率：１００％）
中間生成物：オゾン（Ｏ３）：０ｐｐｍ
：一酸化窒素（ＮＯ）：０ｐｐｍ
：二酸化窒素（ＮＯ２）：０ｐｐｍ
（中間生成物の除去率：１００％）
【００５２】
以上、被処理ガスｇを多段プラズマ反応部６２および多段光触媒反応部６３を順次通過させたことにより、酸化エチレンの除去率、中間生成物の除去率共に１００％となり、ＮＯｘ、ＳＯｘ、ダイオキシン、ＶＯＣ等の有害化学物質を含む被処理ガスｇの分解効率が極めて優れていることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明のガス処理装置は、分解効率（エネルギー効率）の高いプラズマ反応部と、プラズマ反応部よりは分解効率（エネルギー効率）が低いが有害な分解副生成物を発生させない光触媒反応部を組み合わせたものであるから、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容易に適用することができ、その効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のガス処理装置のプラズマ反応部を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態のガス処理装置のプラズマ反応部を示す断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
【図６】本発明の第４の実施形態のガス処理装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第４の実施形態のガス処理装置を示す概略平面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１、４１、５１、６１…ガス処理装置、２、４２、５２…プラズマ反応部、３…光触媒反応部、１１…中心電極、１２…誘電体、１３…表面電極、１４…蓋、１５、４５、５４…放電電極、１６…光触媒体、１７、１８…配線、１９…電源、２１、２２、３４、６４、６５…配管、３１…容器、３２…光触媒体、３３…光源、４３…筐体、４４…コイル状電極、５３…円筒状電極、６２…多段プラズマ反応部、６３…多段光触媒反応部、６６…高圧電源、６７…電源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理ガスを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部と、
このプラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を光触媒により分解処理する光触媒反応部とを備えてなることを特徴とするガス処理装置。
【請求項２】
前記プラズマ反応部は、中心電極と該中心電極に誘電体を介して設けられた表面電極とを備えた放電電極と、この放電電極の非平衡プラズマを発生する領域に配置され光触媒を含有する光触媒体とを備えてなることを特徴とする請求項１記載のガス処理装置。
【請求項３】
前記中心電極は、線状、棒状または筒状の電極であり、前記表面電極は前記線状、棒状または筒状の電極に同軸的に設けられたスパイラル状のコイルであり、これら中心電極と表面電極との間の非平衡プラズマを発生する領域に前記光触媒体を配置してなることを特徴とする請求項２記載のガス処理装置。
【請求項４】
前記中心電極は棒状電極であり、前記表面電極は前記棒状電極に同軸的に設けられた筒状電極であり、これら中心電極と表面電極との間の非平衡プラズマを発生する領域に前記光触媒体を配置してなることを特徴とする請求項２記載のガス処理装置。
【請求項５】
前記誘電体は、前記中心電極に同軸的に設けられた筒状の誘電体であることを特徴とする請求項３または４記載のガス処理装置。
【請求項６】
前記光触媒反応部は、前記光触媒を活性化する光を照射する光照射手段を備えてなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載のガス処理装置。
【請求項７】
前記プラズマ反応部、前記光触媒反応部のいずれか一方または双方を多段に配置してなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載のガス処理装置。
【請求項１】
被処理ガスを非平衡プラズマ内にてプラズマ分解処理するプラズマ反応部と、
このプラズマ反応部から排出される未分解の被処理ガス及び前記非平衡プラズマにより生成される副生成物を光触媒により分解処理する光触媒反応部とを備えてなることを特徴とするガス処理装置。
【請求項２】
前記プラズマ反応部は、中心電極と該中心電極に誘電体を介して設けられた表面電極とを備えた放電電極と、この放電電極の非平衡プラズマを発生する領域に配置され光触媒を含有する光触媒体とを備えてなることを特徴とする請求項１記載のガス処理装置。
【請求項３】
前記中心電極は、線状、棒状または筒状の電極であり、前記表面電極は前記線状、棒状または筒状の電極に同軸的に設けられたスパイラル状のコイルであり、これら中心電極と表面電極との間の非平衡プラズマを発生する領域に前記光触媒体を配置してなることを特徴とする請求項２記載のガス処理装置。
【請求項４】
前記中心電極は棒状電極であり、前記表面電極は前記棒状電極に同軸的に設けられた筒状電極であり、これら中心電極と表面電極との間の非平衡プラズマを発生する領域に前記光触媒体を配置してなることを特徴とする請求項２記載のガス処理装置。
【請求項５】
前記誘電体は、前記中心電極に同軸的に設けられた筒状の誘電体であることを特徴とする請求項３または４記載のガス処理装置。
【請求項６】
前記光触媒反応部は、前記光触媒を活性化する光を照射する光照射手段を備えてなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載のガス処理装置。
【請求項７】
前記プラズマ反応部、前記光触媒反応部のいずれか一方または双方を多段に配置してなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載のガス処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−３２０８２７（Ｐ２００６−３２０８２７Ａ）
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４５６０９（Ｐ２００５−１４５６０９）
【出願日】平成１７年５月１８日（２００５．５．１８）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１８日（２００５．５．１８）
【出願人】（０００００４０７５）ヤマハ株式会社 (5,930)
【Ｆターム（参考）】
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