浮遊性有機化合物の分解方法および浮遊性有機化合物分解装置
【課題】低コストかつ高効率で浮遊性有機化合物を分解できる浮遊性有機化合物の分解方法および装置を提供する。
【解決手段】浮遊性有機化合物を含有する被処理気体に、酸素存在下、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を照射し、浮遊性有機化合物を分解する方法において、被処理気体のほぼ全てを真空紫外光の照射範囲に導入し、浮遊性有機化合物の分解を真空紫外光の照射により発生した活性酸素種によりおこなうことを特徴とする浮遊性有機化合物の分解方法および浮遊性有機化合物を含有する被処理気体を導入する導入部２４および処理後の気体が排出される排出部４１を設けた反応容器３と、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を被処理気体に照射する照射手段３とを備え、上記条件を満たすよう反応容器３が形成された浮遊性有機化合物分解装置１。
【解決手段】浮遊性有機化合物を含有する被処理気体に、酸素存在下、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を照射し、浮遊性有機化合物を分解する方法において、被処理気体のほぼ全てを真空紫外光の照射範囲に導入し、浮遊性有機化合物の分解を真空紫外光の照射により発生した活性酸素種によりおこなうことを特徴とする浮遊性有機化合物の分解方法および浮遊性有機化合物を含有する被処理気体を導入する導入部２４および処理後の気体が排出される排出部４１を設けた反応容器３と、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を被処理気体に照射する照射手段３とを備え、上記条件を満たすよう反応容器３が形成された浮遊性有機化合物分解装置１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊性有機化合物を分解する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、ミスト状有機化合物、粒子状浮遊物質（ＰＭ）などの浮遊性有機化合物による大気汚染が大きな問題となっている。
揮発性有機化合物は、常温常圧で大気中に容易に揮発する有機化学物質の総称で、洗浄剤、溶剤、燃料等として、産業界で幅広く使用されている。しかし、揮発性有機化合物が環境中に放出されると、光化学スモッグの原因となる光化学オキシダントの生成、土壌、地下水および飲料水の汚染などを通して、公害や健康被害を引き起こすことが知られている。また、揮発性有機化合物がシックハウス症候群やシックビル症候群の原因物質であることや、粒子状浮遊物質（ＰＭ）生成の原因物質であることが明らかにされ、揮発性有機化合物と各種健康被害との因果関係が社会的に注目を集めるようになったのを契機に、揮発性有機化合物を始めとする浮遊性有機化合物の排出規制が強化され、２００４年改正大気汚染防止法により、主要な排出施設への規制が強化された。
【０００３】
このような背景の下、浮遊性有機化合物の排出量の抑制に加え、大気中に放出された浮遊性有機化合物、特に揮発性有機廃棄物を分解または除去する技術が注目を集めている。揮発性有機廃棄物の分解または除去については、高温下で揮発性有機廃棄物を燃焼させる燃焼法、白金、パラジウム等の貴金属触媒の存在下で揮発性有機廃棄物を酸化分解する触媒法等が知られている。
しかし、現在わが国で排出される揮発性有機廃棄物の多くは、５０〜１００ｐｐｍと比較的低濃度の状態で大気中に存在している。このような自然領域を下回る低濃度の揮発性有機廃棄物を含む気体を燃焼法で処理することは、大量の助燃用の燃料を必要とするため処理効率が低い上に、高温下での燃焼に伴いＮＯｘが副生するという課題がある。
一方、触媒法は、ガソリンエンジンの排気ガス浄化のための三元触媒として実用化しているが、貴金属の価格高騰に伴うコスト上昇や被毒等による触媒の劣化という課題が存在すると共に、希薄燃焼条件下で使用されるディーゼルエンジンの排気ガスの浄化には適用できないという大きな課題が存在する。
【０００４】
効率よく揮発性有機化合物を分解するための技術として、例えば特許文献１には、住宅室内の天井および／または壁面の少なくとも一部分に可視光型光触媒が塗布されている光触媒塗布面と、この光触媒塗布面の近傍に設けられた光源と、この光源からの光を前記光触媒塗布面に向けて反射する反射部材と、前記光触媒塗布面の少なくとも一ヶ所に形成された排気口とを備えたことを特徴とする空気清浄化機能付き住宅が開示されている。しかし、特許文献１記載の技術は、大量の揮発性有機化合物や粒子状浮遊物質（ＰＭ）の分解処理には不向きである。
【０００５】
特許文献２には、吸着体上で濃縮した揮発性有機化合物を放電により分解する揮発性有機化合物処理装置において、吸着した揮発性有機化合物を短時間に全量分解するために電源容量を大きくする必要があるという課題を解決するために、電極の対が複数のグループに分けられており、異なる吸着体の部分が順番に放電に触れるように、放電制御機構が電極の対のグループごとに電圧を印加する揮発性有機化合物処理装置が開示されている。
しかし、特許文献２記載の揮発性有機化合物処理装置は、揮発性有機化合物を分解するための電極に加え、吸着体と放電制御機構を別途必要とするため、小型化および軽量化が困難である。また、プラズマ放電により生成する窒素ラジカルが酸素と反応して、ＮＯｘやシアン化合物を生成するおそれがある。
【０００６】
特許文献３には、誘電バリア放電エキシマランプの光照射によって発生した活性酸素種を利用して、流体中に含まれるＣＯや炭化水素などの汚染物質の分解装置が開示されている。しかしながら、該装置は、光照射によって発生した活性酸素種が汚染物質の分解に寄与するものの、該活性酸素種のみで前記汚染物質を十分に分解できるわけではなく、分解中間生成物が残存するため、同文献の実施例１では、光照射と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈなどの貴金属触媒あるいはＴｉＯ2などの光触媒とを組み合わせることが必要と記載されている。光照射分解装置と高価な貴金属触媒の併用は従来の触媒のみでの分解装置よりコストがかかり実用化の障害となる。
また、ＴｉＯ2のような光触媒は紫外領域（波長範囲３８０ｎｍ以下）の光で作動するが、ＴｉＯ2は量子収率が１〜２％程度であるため、真空紫外領域の光（例えば、波長１７２ｎｍ）を照射しても、分解効果はほとんどないことが本発明者らの詳細な研究で明らかになっており、無用な光触媒の利用はコストがかかり装置が複雑になるだけで併用効果は期待できない。よって貴金属触媒や光触媒を必要としない廉価で高分解効率の光照射分解装置の開発が実用化のためには不可欠である。
【０００７】
また、非特許文献１には、真空紫外光を用いた浮遊性有機化合物の分解装置が開示されており、揮発性有機化合物の一種であるベンゼン（Ｃ6Ｈ6）、窒素（Ｎ2）及び酸素（Ｏ2）からなる混合気体を反応容器であるチャンバーに導入し、真空紫外光である波長１７２ｎｍのＸｅ2エキシマランプをチャンバーに照射することでベンゼンの分解を行っていることが記載されている。
【０００８】
ここで、非特許文献１に記載された従来の浮遊性有機化合物分解装置を図１４に示す。従来の浮遊性有機化合物分解装置１００では、円筒形状のチャンバーである反応容器１０１の一端側から導入されたＮ2とＯ2と、ＶＯＣであるＣ6Ｈ6とからなる混合気体が、反応容器１０１の他端面に設けられたＸｅ2エキシマランプ１０２からの中心波長（ピーク波長）が１７２ｎｍの光に照射され、他端側から排出されるように構成されている。真空紫外光の照射を受けたＯ2は活性酸素種（三重項酸素原子、一重項酸素原子、オゾン等）を生成し、これが揮発性有機化合物であるＣ6Ｈ6を酸化分解する。
【０００９】
しかし、非特許文献１記載の浮遊性有機化合物分解装置１００は、装置構成が比較的単純で小型化にも適している反面、混合気体に含まれる酸素による真空紫外光の吸収に起因して、エキシマランプ１０２より照射される真空紫外光の照射範囲が反応容器１０１内のごく一部の領域に限定される。したがって、浮遊性有機化合物の分解は反応容器１０１内のごく一部の領域でのみ進行することとなるため、浮遊性有機化合物の分解効率が低いという課題が存在する。活性酸素種のうち、オゾン（Ｏ3）は拡散により照射範囲外にも存在しうるが、特に活性の高い三重項酸素原子は、常圧では真空紫外光の照射範囲およびそのごく近傍にしか存在できないため、反応容器１０１に導入する被処理気体の流速を増大させる等の手段により浮遊性有機化合物の分解効率を向上させることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２４２５０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１７５４２２号公報
【特許文献３】特開２００７−５０１３４９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】川原孝史、外２名、「１７２ｎｍＸｅ2エキシマーランプによるベンゼンの分解過程に関する研究」，第５１回放射線化学討論会講演要旨集，平成２０年１０月１５日，ｐ（１１７）−ｐ（１１８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記の課題に鑑み、低コストかつ高効率で浮遊性有機化合物を分解できる浮遊性有機化合物の分解方法および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】
【００１３】
本発明は、浮遊性有機化合物として、揮発性有機化合物を含む被処理気体に、酸素存在下、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を照射して揮発性有機化合物の分解を行う場合において、活性酸素種種のうち三重項酸素原子が芳香族炭化水素の分解に主に寄与し、三重項酸素原子とオゾンがアルデヒド類の分解に主に寄与しているという、本発明者らにより見いだされた知見に基づくものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、浮遊性有機化合物を含有する被処理気体に、酸素存在下、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を照射し、浮遊性有機化合物を分解する方法において、前記被処理気体のほぼ全てを前記真空紫外光の照射範囲に導入し、前記浮遊性有機化合物の分解を前記真空紫外光の照射により発生した活性酸素種により浮遊性有機化合物の分解を行うことを特徴とするものである。
【００１５】
なお、本発明において、「浮遊性有機化合物」とは、揮発性有機化合物、ミスト状、粒子状浮遊物質（ＰＭ）などの有機性の大気汚染物質を意味する。
また、本発明において「酸素存在下」とは、被処理気体が酸素を含んでいる状態をいい、酸素が別途添加された状態および大気のようにもともと酸素を含んでいる状態の両者を意味する。本発明において「被処理気体のほぼ全て」とは、被処理気体の８０％以上、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上をいう。また、本発明において「照射範囲」とは、入射光の強度の１％以上の強度を有する真空紫外光で照射されている範囲をいう。
【００１６】
さらに、本発明において「被処理気体」とは、浮遊性有機化合物を含む任意の気体で、本発明の浮遊性有機化合物の分解方法および分解装置の処理対象となる気体をいう。また、本発明において「活性酸素種」とは、真空紫外光の照射によりＯ2の分解反応（１）で生成する三重項酸素原子（Ｏ（3Ｐ））、一重項酸素原子（Ｏ（1Ｄ））及び三重項酸素原子の三体反応（２）で生成するオゾンまたはそれらの混合物をいう。
Ｏ2 ＋ ｈν（１７２ ｎｍ）→ Ｏ（3Ｐ） ＋ Ｏ（1Ｄ） （１）
Ｏ（3Ｐ） ＋ Ｏ2 ＋ Ｍ（Ｍ＝ Ｎ2 またはＯ2) → Ｏ3 ＋ Ｍ （２）
Ｏ2は１７２ｎｍにおいて４．６ × １０-19ｃｍ2ｍｏｌｅｃｕｌｅ-1という大きな吸収断面積を有しており、この値はＡｒＦエキシマーレーザーの１９３ｎｍの値（３．２ × １０-22ｃｍ2ｍｏｌｅｃｕｌｅ-1）の約１４００倍である。そのため反応（１）と後続の（２）により極めて高濃度の活性酸素種を１７２ｎｍ光の照射領域に発生可能である。
【００１７】
本発明の構成によれば、被処理気体の大部分を活性酸素種（特に真空紫外光の照射範囲およびそのごく近傍にしか存在しない三重項酸素原子と一重項酸素原子）に効率的に接触させることができるため、被処理気体に含まれる浮遊性有機化合物の分解効率を従来法に比べ向上させることができる。また、窒素は１７２ｎｍの波長域に吸収帯を有しないため、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を用いると窒素の分解が起こらない。そのため、光反応による有害なＮＯｘやシアン化合物の生成を抑制できる。
【００１８】
上述のように浮遊性有機化合物とは、揮発性有機化合物、ミスト状、粒子状浮遊物質（ＰＭ）などの有機性の大気汚染物質を意味するが、この中でも、本発明は、揮発性有機化合物の分解に適するものである。本発明の分解方法では、ほとんどの揮発性有機化合物が分解可能であり、その種類は限定されるものではないが、具体例を例示すると、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、アセチレン、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトン、アクロレイン、蟻酸、酢酸、酪酸、メチルエチルケトン、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール、ベンゼン、トルエン、キシレン、フェノール、スチレン、エチルアセテート、ブチルアセテート、一酸化炭素、２―メトキシエタノール、２―エトキシエタノール、２―ブトキシエタノールなどが挙げられる。
なお、本発明では、上述の活性酸素種のすべてが、浮遊性有機化合物の分解に寄与するが、活性酸素種の浮遊性有機化合物の分解活性はそれぞれの汚染ガスの種類により異なり、脂肪族飽和炭化水素では一重項酸素が分解に寄与するのに対して、脂肪族不飽和炭化水素やアルデヒド類では三重項酸素とオゾン、芳香族化合物では三重項酸素が分解に大きく寄与する。
【００１９】
本発明の分解方法において、特に、揮発性有機化合物が芳香族炭化水素またはアルデヒド類であることが好ましい。芳香族炭化水素は安定な共鳴構造を有し、脂肪族炭化水素等に比べ分解が困難である上に、ベンゼンやトルエン等のように人体に有害なものも多い。アルデヒド類はホルムアルデヒドのようにシックハウス症候群の原因物質となるものも多い。したがって、芳香族炭化水素やアルデヒド類が分解可能であれば、浮遊性有機化合物の分解方法として強力かつ有益なものとなる。
【００２０】
この場合において、前記活性酸素種が主として三重項酸素原子またはオゾンであることが好ましい。
三重項酸素原子は芳香族炭化水素の分解活性が高い反面、真空紫外光の照射範囲およびそのごく近傍にしか存在できない。そのため、本発明の分解方法において被処理気体のほぼ全てを真空紫外光の照射範囲に導入することにより三重項酸素原子の存在可能範囲を大幅に拡大でき、ひいては浮遊性有機化合物、特に芳香族炭化水素の分解効率を大幅に向上できる。一方オゾンは寿命が長いために拡散により三重項酸素原子と比べて広い範囲に存在可能である。よって浮遊性有機化合物、特にアルデヒド類の分解効率を大幅に向上できる。
【００２１】
本発明の分解方法は、常温常圧または浮遊性有機化合物が液化しない程度の低温から５００℃程度までの広い温度範囲で適用することができ、反応圧力も減圧、もしくは加圧の条件下でも使用することができるが、真空装置などの設備が不要であり、浮遊性有機化合物の分解を低コストでおこなうことが可能になると共に、浮遊性有機化合物の分解に用いられる装置の小型軽量化が容易になるという観点からは、前記浮遊性有機化合物の分解が常温常圧の条件下でおこなわれることが好ましい。
【００２２】
本発明の浮遊性有機化合物分解装置は、浮遊性有機化合物を含有する被処理気体を導入する導入部および処理後の気体が排出される排出部を設けた反応容器と、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を前記被処理気体に照射する照射手段とを備えた浮遊性有機化合物分解装置において、前記反応容器は、前記照射手段より照射される前記真空紫外光の入射面が該真空紫外光を透過する部材からなり、かつ、その内部に収容される被処理気体のほぼ全てが前記真空紫外光の照射範囲内に存在するように形成されていることを特徴とする。
なお、ここで「真空紫外光を透過する部材」とは、反応容器において真空紫外光の入射面に用いた場合に、浮遊性有機化合物の分解に必要な強度の真空紫外光を反応容器中に照射させるために必要な透過率を有する部材をいう。
【００２３】
浮遊性有機化合物分解装置において反応容器を上記のような構成とすれば、被処理気体の大部分が活性酸素種と接触することとなるため、被処理気体に含まれる浮遊性有機化合物の分解効率を従来の装置に比べ向上させることができる。また、照射手段として窒素が吸収帯を有しない１７２ｎｍを中心波長とするものを用いることにより、窒素の光分解およびそれに伴うＮＯｘやシアン化合物の生成を抑制できる。
なお、本発明の装置において、真空紫外光を透過する透明な窓口に、浮遊性有機化合物の分解物（炭素、チャー）が付着し有機膜を形成することがあるが、このような有機膜が形成されたとしても直接光照射と活性酸素種の光洗浄効果によりすぐに分解されるため（セルフクリーニング機能）、反応容器内への光の照射が損なわれることを回避することができる。
【００２４】
また、この場合において、前記反応容器は、前記照射手段の照射面のほぼ全てと前記入射面とが重なり合うように、前記反応容器に隣接させて設けられていることが好ましい。
あるいは、前記照射手段は、前記反応容器の内部に配置され、側面より前記真空紫外光を照射する筒状の形状を有していてもよい。
【００２５】
これらのような構成とすることにより、照射手段より照射された真空紫外光の大部分を浮遊性有機化合物の分解に利用することができるため、浮遊性有機化合物分解装置におけるエネルギー効率を向上できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、金属触媒や光触媒を使用することがないため、低コストかつ高効率で浮遊性有機化合物の分解が可能であり、小型化および軽量化も容易で、幅広い用途および分野に応用可能な浮遊性有機化合物分解装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る浮遊性有機化合物分解装置を説明するための概略図である。
【図２】図１に示す浮遊性有機化合物分解装置の処理装置を示す図であり、（Ａ）は蓋部を外した状態の底面図、（Ｂ）は蓋部を示す図である。
【図３】実施例１における真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１及び比較例１における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係を示すグラフである。
【図５】実施例２及び比較例２における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係を示すグラフである。
【図６】実施例２における真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図７】実施例２において被処理気体のフロー速度が反応物の残留率に及ぼす影響を示すグラフである。
【図８】実施例２において被処理気体中の酸素濃度が反応物の残留率に及ぼす影響を示すグラフである。
【図９】実施例３における真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例３及び比較例３における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係を示すグラフである。
【図１１】酸素濃度が２０％である実施例３において真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図１２】酸素濃度が１０％である実施例３において真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図１３】酸素濃度が５％である実施例３において真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図１４】従来の浮遊性有機化合物分解装置を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施の形態に係る浮遊性有機化合物分解装置（以下、単に分解装置と略す。）を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態では、揮発性有機化合物(ＶＯＣ)の分解実験に使用した装置を例に説明する。
図１に示すように分解装置１は、被処理気体となる混合気体を供給する供給部２と、混合気体を処理する処理装置３と、分解処理された気体の成分を測定する排気部４とを備えている。
【００２９】
供給部２は、第１タンク２１と、第２タンク２２と、第３タンク２３と、導入管２４と、流量計２５ａ〜２５ｃと、圧力計２６と、第１弁２７と、第２弁２８とを備えている。
第１タンク２１には、窒素（Ｎ2）ガスが貯蔵されている。第２タンク２２には、酸素（Ｏ2）ガスが貯蔵されている。第３タンク２３には、ＶＯＣガスが貯蔵されている。
【００３０】
導入管２４は、第１〜第３タンク２１〜２３のそれぞれに一端が接続され、処理装置３に他端が接続され、第１〜第３タンク２１〜２３に貯蔵された気体を、処理装置３へ供給する導入部として機能する集合管である。流量計２５ａ〜２５ｃは、導入管２４のそれぞれの枝管に配設され、窒素ガス、酸素ガス、ＶＯＣガスのそれぞれの流量を測定する。圧力計２６は、導入管２４の本管に配置され、混合気体の圧力を測定する。第１弁２７は、圧力計２６より上流側の導入管２４の本管に配設され、混合気体の流量を調整するニードルバルブである。第２弁２８は、処理装置３の下方に位置する導入管２４の本管に配設され、混合気体の供給を止めたり、流したりするためのストップバルブである。
【００３１】
被処理気体に含まれる揮発性有機化合物の分解に用いられる分解装置１においては、第１〜第３タンク２１、２２、２３を省略し、被処理気体を導入するためのポンプ等を設けてもよい。なお、この場合においても、被処理気体中の窒素濃度および酸素濃度を調節するために、被処理気体を導入するためのポンプ等と共に第１および第２タンク２１、２２を設けてもよい。
【００３２】
処理装置３は、照射部３１と、反応容器３２とを備えている。照射部３１は、ケーシング３１１と、照射手段の一例であるエキシマランプ３１２と、密閉容器３１３と、窒素導入管３１４とを備えている。ケーシング３１１は、エキシマランプ３１２を支持する密閉容器３１３を搭載するための底板である支持板３１１ａと、エキシマランプ３１２および密閉容器３１３を囲む下方が開口した箱部３１１ｂとにより形成された箱状容器である。箱部３１１ｂには、エキシマランプ３１２の照射光を通過させるための円形状の開口が設けられている。
【００３３】
エキシマランプ３１２は、サイドオンタイプと称される細長の円柱状に形成され、外周周側面全体が発光することで、照光手段として機能するものである。エキシマランプ３１２は、反応容器３２に隣接して配置されている。分解装置１に用いられるエキシマランプ３１２では、円筒形状のガラス管にＸｅガスが封入されているので、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を発光する。
【００３４】
密閉容器３１３は、ケーシング３１１の支持板３１１ａの開口面に合わせて底面が開口した箱状容器である。密閉容器３１３は、エキシマランプ３１２の両端部を挿通した状態で支持すると共に、一端側に内部空間に窒素Ｎ2を充填するための窒素導入管３１４が接続されている。密閉容器３１３は、開口に反応容器３２を配置することで、内部空間が閉鎖空間となって気密性が確保される。
窒素導入管３１４は、密閉容器３１３の内部空間に窒素ガスを導入するための配管である。窒素導入管３１４から供給される窒素（Ｎ2）ガスにより密閉容器３１３を充満させることで、エキシマランプ３１２からの照射光を減衰することなく反応容器３２に到達させることができる。
【００３５】
図１および図２に示すように、反応容器３２は、窓部３２１と、容器本体３２２と、蓋部３２３とにより、エキシマランプ３１２の照射面である開口のほぼ全体と重なり合う入射面である窓部３２１を有し、エキシマランプ３１２と隣接させて設けられている。窓部３２１は、円形状の開口に、真空紫外光を透過する部材である石英ガラスが設けられており、エキシマランプ３１２からの照射光の入射面として機能するものである。容器本体３２２には、内部に、被処理気体が供給されることで分解処理が行われる円筒形状の処理空間Ｓが形成されている。蓋部３２３には、エキシマランプ３１２の一端側となる位置に導入管２４が接続され、エキシマランプ３１２の他端側となる位置に後述する排気管が接続された円盤状体である。蓋部３２３は、周縁部全体にねじ孔が設けられ、ボルト３２３ａにより容器本体３２２に固定されている。
【００３６】
窓部３２１および蓋部３２３と共に処理空間Ｓを形成する容器本体３２２の内径および高さは、処理空間Ｓに導入される被処理気体のほぼ全てがエキシマランプ３１２の照射範囲に存在するよう適宜調節される。容器本体３２２の内径については、箱部３１１ｂの開口の径とほぼ等しくすればよく、高さについては、被処理気体を充満させた状態で蓋部３２３の側に到達する真空紫外光の強度が、窓部３２１の側から入射する真空紫外光に対し所定の割合になるよう設定すればよい。蓋部３２３の側に到達する真空紫外光の強度は、真空紫外光を吸収する酸素ガスの被処理気体中の濃度に主に依存し、例えば、酸素の吸光係数の実験値あるいは文献値をＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ則に適用することにより計算することができる。例えば、蓋部３２３の側に到達する真空紫外光の強度が入射光の強度の１％程度となるようにするためには、容器本体３２２の高さを、被処理気体中の酸素濃度が１％の場合には２０〜２５ｃｍ、２０％の場合には１〜２ｃｍとする。
【００３７】
排気部４は、排気管４１と、成分分析に使用されるフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）４２と、酸素濃度の測定に使用される四重極質量分析装置４３と、圧力計４４と、第１排気ポンプ４５と、第２排気ポンプ４６と、第３排気ポンプ４７とを備えている。なお、第１排気ポンプ４５の前段には、補助ポンプであるブースターポンプ４５ａが設けられ、さらにその前段には、排気中のオゾンをトラップするオゾン吸収体４５ｂが備えられている。
排気管４１は、主管の一端が蓋部３２３に接続され、他端は枝管となって一方がフーリエ変換赤外分光光度計４２へ接続され、他方が四重極質量分析装置４３へ接続され、処理後の気体が排出される排出部として機能する配管である。この排気管４１の主管には、処理装置３の下方となる位置に、混合気体の排気の流れを止めたり、流したりするためのストップバルブである第３弁４８が設けられている。また、排気管４１の枝管には、フーリエ変換赤外分光光度計４２と四重極質量分析装置４３とのそれぞれの上流側に、混合気体の流入量を調整するためのニードルバルブである第４弁４９および第５弁５０が設けられている。
圧力計４４は、ロータリーポンプである第１排気ポンプ４５により吸引される混合気体の圧力を測定するものである。圧力計４４と第１排気ポンプ４５との間の配管には、第６弁５１が設けられている。
第２排気ポンプ４６はターボポンプであり、第３排気ポンプ４７はロータリーポンプである。この第２排気ポンプ４６および第３排気ポンプ４７は、四重極質量分析装置４３による酸素濃度の測定時に動作され、それ以外は停止状態で使用される。第１〜第３排気ポンプ４５〜４７へのそれぞれの配管には、ニードルバルブである第６〜８弁５１〜５３が設けられている。
なお、ニードルバルブである第４弁４９および第５弁５０を閉じ、ニードルバルブである第８弁５４および第９弁５５を開くことにより、フーリエ変換赤外分光光度計４２及び四重極質量分析装置４３を介さず直接排気することも可能である。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例および比較例について説明する。まず、比較例１、２、３および実施例１、２、３、４において使用した装置および実験操作について説明し、次いで各実験結果について説明する。なお特に断らない限りこれらの比較例と実施例は、すべて常温常圧下での実験結果である。
【００３９】
比較例１
本発明の実施の形態に係る分解装置１の分解性能との比較のために、図１４に示した従来の分解装置１００の分解性能についても検討を行った。なお、図１４においては、図１に示す分解装置１と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
従来の分解装置１００において、反応容器１０１は直径が約３．２ｃｍ、長さが２３ｃｍ円筒形状に形成されている。エキシマランプ（入力電力２０Ｗ、光強度５０ｍＷ／ｃｍ2、照射窓面積８ｃｍ2、フォトン数３．４４×１０17個／ｓ）１０２は、ヘッドオンタイプと称され、円柱状に形成された上面または底面となる一端面側から発光することで照光手段として機能するものである。エキシマランプ１０２が反応容器１０１の一端面に配置されていることで、照射光は反応容器の軸線方向に向かって出射されるので、照射面積は反応容器１０１の円形の断面積となる。
【００４０】
このように構成された従来の分解装置１００の反応容器１０１内に、被処理気体として窒素、酸素およびベンゼンからなる混合気体（酸素濃度２０％、ベンゼン濃度１０００ｐｐｍ）を導入し、エキシマランプ１０２を点灯して反応器１０１に照射することにより分解実験を行った。実験は、反応器１０１を閉鎖系とするために、第２弁２８および第３弁４８を閉鎖した状態で行った。所定時間経過毎に第４弁４９および第６弁５１を開放し、第１排気ポンプ４５を作動させて、一度排気管４１とフーリエ変換赤外分光光度計４２を真空状態にする。第６弁５１を閉め第３弁４８を開け、反応容器の内容物の一部をフーリエ変換赤外分光光度計４２に導入する。反応物であるベンゼンおよび反応生成物（オゾンＯ3、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ2、ギ酸ＨＣＯＯＨ）の濃度を、予め作成した検量線（既知濃度のサンプルを用い、濃度と各成分固有の吸収帯の吸光度との関係をプロットしたもの。）を用いて求めた。
【００４１】
実施例１
本実施の形態に係る分解装置１を用いて分解実験を行った。なお、本実施例では、処理空間Ｓが直径１００ｍｍ、厚みが３０ｍｍとなる容器本体３２２を使用した。また、エキシマランプ３１２については、入力電力２０Ｗ、光強度１０ｍＷ／ｃｍ2、照射窓面積７８．５ｃｍ2、フォトン数６．８３×１０17個／ｓのものを使用した。そして、供給部２の第１弁２７と第２弁２８を調整することにより、酸素Ｏ2濃度を２０％、ベンゼンＣ6Ｈ6濃度を１０００ｐｐｍとした混合気体を反応容器３２に供給し、エキシマランプ３１２を点灯して、処理空間Ｓに照射した。このとき処理空間Ｓを閉鎖系とするために、第１〜第３排気ポンプ４５〜４７は動作させず、第３弁４８は閉鎖した。比較例１の場合と同様、所定時間経過毎に第４弁４９および第６弁５１を開放し、第１排気ポンプ４５を作動させて、一度排気管４１とフーリエ変換赤外分光光度計４２を真空状態にする。第６弁５１を閉め第３弁４８を開け、反応容器の内容物の一部をフーリエ変換赤外分光光度計４２に導入する。反応物であるベンゼンおよび反応生成物（オゾンＯ3、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ2、ギ酸ＨＣＯＯＨ）の濃度を、予め作成した検量線を用いて求めた。
【００４２】
比較例２および実施例２
それぞれ、比較例１において使用した装置１００および実施例１において使用した装置１を使用し、混合気体（酸素濃度５〜２０％、ベンゼン濃度２００または１０００ｐｐｍ）を所定の流速（２５０〜１０００ｍＬ／ｍｉｎ）で反応容器１０１および３に流すフロー系で実験を行った。エキシマランプ１０２、３１２による照射は、フロー開始後１分経過時に開始し、１５分経過後に終了した。
【００４３】
実験結果
（１）実施例１における反応物および生成物濃度の経時変化
図３のグラフに示すように、ベンゼンＣ6Ｈ6は照射開始後約１．５分で分解されたことがわかる。ベンゼン濃度の減少に伴い、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ2およびギ酸ＨＣＯＯＨの濃度の濃度が増大している。これらのうち一酸化炭素およびギ酸については、照射開始後１．５分で濃度が最大となり、その後濃度が減少し、照射開始後３〜４分後に完全に消失している。二酸化炭素については、照射開始と共にその濃度が単調に増加し、照射開始後４〜５分後に定常状態に達していることがわかる。これらの結果から、ベンゼンの初期の分解産物として、一酸化炭素、ギ酸および二酸化炭素が生成し、このうち全二者については、さらに酸化を受け最終的には二酸化炭素に変換されると考えられる。
また、オゾンＯ3濃度が照射開始と共にほぼ直線的に増大し、照射開始後約１分でほぼ一定の値となっていることがわかる。
【００４４】
上記のような反応物および生成物濃度の経時変化は、真空紫外光の照射を行わずにオゾンを反応容器中に導入した場合におけるそれと大幅に異なっていることから、ベンゼンの分解に対するオゾンの寄与は大きくないものと考えられる。また、窒素原子との衝突による一重項酸素原子の衝突緩和を低減させるような条件下で実験を行ってもベンゼンの残留率に顕著な変化が見られなかったことから、ベンゼンの分解に対する一重項酸素原子の寄与も大きくないものと考えられる。以上の結果は、三重項酸素原子がベンゼン分解の主な活性種であることを示唆するものである。
【００４５】
（２）実施例１および比較例１における分解反応のエネルギー効率の比較
実施例１および比較例１における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係は、図４に示すとおりである。なお、酸素Ｏ2を２０％および窒素Ｎ2を８０％と、濃度が２００ｐｐｍのベンゼンＣ6Ｈ6とからなる混合気体を用いて行った。実施例１の方が、はるかにベンゼンの分解速度が大きく、照射開始後２分以内（９０秒）にベンゼンが完全に分解しているのに対し、比較例１においては、照射開始後２０分経過後もなお約５％のベンゼンが残存していた。
【００４６】
これらの結果を元に、下記の式を用いて、単位量のベンゼンを分解するのに必要なエネルギー量ＥEOを求めた。
ＥEO＝（１０００×Ｐ×ｔ）／（Ｖ×ｌｏｇ（Ｃ0／Ｃ））
式中、Ｐは照射強度［Ｗ］、ｔは経過時間［ｈ］、Ｖは反応容器の容積［Ｌ］、Ｃ0はベンゼンの初濃度［ｐｐｍ］、Ｃは時間ｔ経過時のベンゼンの濃度［ｐｐｍ］である。
実施例１および比較例１について得られたＥEOの値（単位：Ｗ・ｈ／ｏｒｄｅｒ）は、それぞれ、２．８７６および２５．６５であった。これらの結果より、本発明の実施形態に係る分解装置１は、従来の実施形態に係る分解装置１００の約８．９倍のエネルギー効率を有していることがわかる。
【００４７】
（３）実施例２および比較例２における分解性能の比較
次に、分解装置１と従来の分解装置１００とで比較実験を行った。比較実験は、酸素Ｏ2を２０％および窒素Ｎ2を８０％と、濃度が２００ｐｐｍのベンゼンＣ6Ｈ6とを混合した気体を、流速１０００ｍＬ／ｍｉｎで反応容器３または反応容器１０１に流し、残留濃度を測定するフロー系で行った。
図５に示すように、エキシマランプ３１２，１０２を点灯し始めてから、両装置とも、すぐにベンゼンＣ6Ｈ6の残留濃度が減少した。しかし、従来の分解装置１００では約９０％であったが、分解装置１では約５０％であり、分解装置１の方が高い分解性能を示した。
【００４８】
（４）実施例２における真空紫外光の照射時間と生成物の濃度との関係
結果は図６に示すとおりである。全ての生成物（オゾン、一酸化炭素、二酸化炭素およびギ酸）について、光照射後に一分程度で一定値となり照射終了後２分で光照射前の状態に戻った。
【００４９】
（５）実施例２における被処理気体のフロー速度が反応物の残留率に及ぼす影響
次に、混合気体（酸素Ｏ2２０％、窒素Ｎ2８０％、ベンゼンＣ6Ｈ6２００ｐｐｍ）の流速を、１０００ｍＬ／ｍｉｎとする以外に、５００ｍＬ／ｍｉｎ、２５０ｍＬ／ｍｉｎとしたときの残留濃度を測定した。
図７に示すように、混合気体の流速が１０００ｍＬ／ｍｉｎでは約５０％であったが、５００ｍＬ／ｍｉｎでは約７５％、２５０ｍＬ／ｍｉｎでは１００％の分解を行うことができた。このように混合気体を反応容器３に通過させる速度を遅くすることにより、分解性能を向上させることができることがわかる。流速が２５０ｍＬ／ｍｉｎの場合では、分解率の向上を反映して生成物中の二酸化炭素の割合が高くなることが確認された。このことから、反応容器中への被処理気体の滞留時間を長くして照射時間をある程度確保することにより分解性能を向上できることが示唆された。
【００５０】
（６）実施例２における被処理気体中の酸素濃度が反応物の残留率に及ぼす影響
次に、混合気体（流速１０００ｍＬ／ｍｉｎ、ベンゼンＣ6Ｈ6２００ｐｐｍ）の酸素濃度を、２０％とし残余を窒素Ｎ2する以外に、１０％、５％としたときのベンゼンＣ6Ｈ6の残留濃度を測定した。
図８に示すように、酸素濃度が２０％ではベンゼンの残留濃度が５０％であったが、酸素濃度が５％では残留濃度が３０％〜３５％と向上した。このように混合気体の酸素濃度が低いと、分解性能が高いことがわかる。
ベンゼンの分解効率には、酸素濃度以外に、例えば、被処理気体のフロー速度等の他の要因が影響を与えている可能性もあるが、例えば、被処理気体中の酸素による真空紫外光の吸収に伴う処理空間内部の真空紫外光強度の減少が、酸素濃度の増大に伴う分解効率の低下の一因となっていることも考えられる。
【００５１】
実施例３
本実施の形態に係る分解装置１を用いて分解実験を、実施例１，２のベンゼンの代わりに、代表的アルデヒド化合物であるアクロレインについて行った。なお、本実施例では、処理空間Ｓが直径１００ｍｍ、厚みが３０ｍｍとなる容器本体３２２を使用した。また、エキシマランプ３１２については、入力電力２０Ｗ、光強度１０ｍＷ／ｃｍ2、照射窓面積７８．５ｃｍ2、フォトン数６．８３×１０17個／ｓのものを使用した。そして、供給部２の第１弁２７と第２弁２８を調整することにより、酸素Ｏ2濃度を２０％、アクロレイン濃度を５００ｐｐｍとした混合気体を反応容器３２に供給し、エキシマランプ３１２を点灯して、処理空間Ｓに照射した。このとき処理空間Ｓを閉鎖系とするために、第１〜第３排気ポンプ４５〜４７は動作させず、第３弁４８は閉鎖した。比較例１の場合と同様、所定時間経過毎に第４弁４９および第６弁５１を開放し、第１排気ポンプ４５を作動させて、一度排気管４１とフーリエ変換赤外分光光度計４２を真空状態にする。第６弁５１を閉め第３弁４８を開け、反応容器の内容物の一部をフーリエ変換赤外分光光度計４２に導入する。反応物であるアクロレインおよび反応生成物（オゾンＯ3、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ2、ホルムアルデヒドＨＣＨＯ、ギ酸ＨＣＯＯＨ）の濃度を、予め作成した検量線を用いて求めた。
【００５２】
実施例４
実施例１において使用した装置１を使用し、混合気体（酸素濃度５〜２０％、アクロレイン濃度５００ｐｐｍ）を所定の流速（１０００ｍＬ／ｍｉｎ）で反応容器１０１および３に流すフロー系で実験を行った。エキシマランプ１０１、３１２による照射は、フロー開始後１分経過時に開始し、１５分経過後に終了した。
【００５３】
比較例３
アクロレインに対する本発明の実施の形態に係る分解装置１の分解性能との比較のために、図１４に示した従来の分解装置１００の分解性能についても検討を行った。
【００５４】
実験結果
（１）実施例３における反応物および生成物濃度の経時変化
図９のグラフに示すように、アクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）は測定開始約３０秒の時点で分解されたことがわかる。アクロレイン濃度の減少に伴い、二酸化炭素ＣＯ2の濃度が増大している。また一酸化炭素ＣＯ、ギ酸ＨＣＯＯＨについては発生後それぞれ減少し、ギ酸においては照射開始後６０秒後には完全に消失している。二酸化炭素については、照射開始と共にその濃度が単調に増加し、照射開始後１２０秒以降は緩やかに増加していることがわかる。これらの結果から、アクロレインの初期の分解産物として、一酸化炭素、ギ酸および二酸化炭素が生成し、このうち全二者については、さらに酸化を受け最終的には二酸化炭素に変換されると考えられる。
また、オゾンＯ3濃度が照射開始と共にほぼ直線的に増大し、照射開始後約１８０秒で最大となっていることがわかる。
【００５５】
オゾンの寄与を調べるために真空紫外光の照射を行わずに約６０００ｐｐｍのオゾンを反応容器中に導入した分解実験を実施した。その結果、アクロレインのオゾンによる分解速度は上記活性酸素種全てが存在する真空紫外光の照射下でのそれに近く、オゾンはアクロレインの分解の主要な活性種の一つであることを確認した。
【００５６】
（２）実施例３および比較例３における分解反応のエネルギー効率の比較
実施例３および比較例３における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係は、図１０に示すとおりである。なお、酸素Ｏ2を２０％および窒素Ｎ2を８０％と、濃度が５００ｐｐｍのアクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）とからなる混合気体を用いて行った。実施例１の方が、はるかにアクロレインの分解速度が大きく、照射開始後３０秒以内にアクロレインが完全に分解しているのに対し、比較例３においては、完全に分解するまでに照射開始後２７０秒かかった。よって分解装置１では従来の分解装置１００と比較してアクロレインの分解速度が９倍以上速いことを確認した。
【００５７】
（３）実施例３における真空紫外光の照射時間と生成物の濃度との関係
次に、酸素Ｏ2を２０％および窒素Ｎ2を８０％と、濃度が１３０ｐｐｍのアクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）とを混合した気体を、流速１０００ｍＬ／ｍｉｎで反応容器３に流し、残留濃度を測定するフロー系で行った。結果は図１１に示すとおりである。エキシマランプ３１２を点灯し始めてから、光照射後に１〜２分程度でアクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）が完全に分解するとともに、全ての生成物（オゾン、一酸化炭素、二酸化炭素およびギ酸）の濃度はほぼ一定値となり、照射終了後２分で光照射前の状態に戻った。
【００５８】
（４）実施例３における被処理気体中の酸素濃度が反応物の残留率に及ぼす影響
次に、混合気体（流速１０００ｍＬ／ｍｉｎ、アクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）１２０または１１０ｐｐｍ）の酸素濃度を、２０％とし残余を窒素Ｎ2する以外に、１０％、５％としたときのアクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）の残留濃度を測定した。その結果を図１２、１３に示す。酸素濃度２０％での実験結果と同様に、照射開始後１〜２分程度でアクロレインは完全に分解した。
【００５９】
実施例５
メタン、エチレン、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、トルエン、オルトキシレン、メタキシレン、パラキシレンなどのＶＯＣを常温常圧下で濃度１００−１０００ｐｐｍ領域での分解実験を分解装置１を用いて実施し、これらもこの装置で分解可能なことを確認した。これらのＶＯＣは最終的にはすべてＣＯ2、Ｈ2Ｏに分解されるが、途中中間体として表１のような化合物がＦＴ−ＩＲ分析からは観測された。また各物質の分解に寄与する主な活性酸素化学種をオゾンのみによる分解実験や一重項酸素の寄与が高い低圧実験結果を実施して得た結果は表１の通りである。なお◎が主要な活性種、○は分解速度は◎と比べて遅いが分解に寄与する活性種、×は分解に寄与しない活性種を表す。
メタンの場合は一重項酸素のみが分解に寄与するため、１０ｋＰａの低圧にすることにより一重項酸素の下記の失活反応（３）を抑制し、照射５分後で分解率を常圧の約５０％と比べて２倍の１００％まで上げることが可能である。
Ｏ（1Ｄ） ＋ Ｎ2 → Ｏ（3Ｐ） ＋ Ｏ（3Ｐ） （３）
一方、脂肪族不飽和炭化水素、アルデヒド類の分解には三重項酸素とオゾン、芳香族化合物では三重項酸素が特に有効である。よって対象とするＶＯＣにより有効な活性種の濃度が高い酸素濃度、全圧力に設定することが分解率を高めるためには必要である。
【００６０】
【表１】
【００６１】
本実施の形態では、図１に示すように照射手段であるエキシマランプ３１２は反応容器３２に隣接して配置されているが、側面より真空紫外光を照射する筒状の形状を有する照射手段を円筒形状の反応容器の内部に配置してもよい。このような構成とすることで、図１に示す分解装置１と同様の効果が得られるだけでなく、照射手段からの真空紫外光を被処理気体である混合気体に直接照射することができるので、照射手段と反応容器との間に窒素Ｎ2を充填するための密閉容器を省略することができる。また、反応容器は必ずしも光透過性を要しないので、耐腐食性、耐熱性、耐候性の高い材質もので形成することで、室内だけなく、車両や船舶などに設置することも可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 浮遊性有機化合物分解装置
２ 供給部
２１ 第１タンク
２２ 第２タンク
２３ 第３タンク
２４ 導入管
２５ａ〜２５ｃ 流量計
２６ 圧力計
２７ 第１弁
２８ 第２弁
３ 処理装置
３１ 照射部
３１１ ケーシング
３１１ａ 支持板
３１１ｂ 箱部
３１２ エキシマランプ
３１３ 密閉容器
３１４ 窒素導入管
３２ 反応容器
３２１ 窓部
３２２ 容器本体
３２３ 蓋部
３２３ａ ボルト
４ 排気部
４１ 排気管
４２ フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）
４３ 四重極質量分析装置
４４ 圧力計
４５ 第１排気ポンプ
４５ａ ブースターポンプ
４５ｂ オゾン吸収体
４６ 第２排気ポンプ
４７ 第３排気ポンプ
４８〜５５ 第３〜１０弁
Ｓ 処理空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、浮遊性有機化合物を分解する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、ミスト状有機化合物、粒子状浮遊物質（ＰＭ）などの浮遊性有機化合物による大気汚染が大きな問題となっている。
揮発性有機化合物は、常温常圧で大気中に容易に揮発する有機化学物質の総称で、洗浄剤、溶剤、燃料等として、産業界で幅広く使用されている。しかし、揮発性有機化合物が環境中に放出されると、光化学スモッグの原因となる光化学オキシダントの生成、土壌、地下水および飲料水の汚染などを通して、公害や健康被害を引き起こすことが知られている。また、揮発性有機化合物がシックハウス症候群やシックビル症候群の原因物質であることや、粒子状浮遊物質（ＰＭ）生成の原因物質であることが明らかにされ、揮発性有機化合物と各種健康被害との因果関係が社会的に注目を集めるようになったのを契機に、揮発性有機化合物を始めとする浮遊性有機化合物の排出規制が強化され、２００４年改正大気汚染防止法により、主要な排出施設への規制が強化された。
【０００３】
このような背景の下、浮遊性有機化合物の排出量の抑制に加え、大気中に放出された浮遊性有機化合物、特に揮発性有機廃棄物を分解または除去する技術が注目を集めている。揮発性有機廃棄物の分解または除去については、高温下で揮発性有機廃棄物を燃焼させる燃焼法、白金、パラジウム等の貴金属触媒の存在下で揮発性有機廃棄物を酸化分解する触媒法等が知られている。
しかし、現在わが国で排出される揮発性有機廃棄物の多くは、５０〜１００ｐｐｍと比較的低濃度の状態で大気中に存在している。このような自然領域を下回る低濃度の揮発性有機廃棄物を含む気体を燃焼法で処理することは、大量の助燃用の燃料を必要とするため処理効率が低い上に、高温下での燃焼に伴いＮＯｘが副生するという課題がある。
一方、触媒法は、ガソリンエンジンの排気ガス浄化のための三元触媒として実用化しているが、貴金属の価格高騰に伴うコスト上昇や被毒等による触媒の劣化という課題が存在すると共に、希薄燃焼条件下で使用されるディーゼルエンジンの排気ガスの浄化には適用できないという大きな課題が存在する。
【０００４】
効率よく揮発性有機化合物を分解するための技術として、例えば特許文献１には、住宅室内の天井および／または壁面の少なくとも一部分に可視光型光触媒が塗布されている光触媒塗布面と、この光触媒塗布面の近傍に設けられた光源と、この光源からの光を前記光触媒塗布面に向けて反射する反射部材と、前記光触媒塗布面の少なくとも一ヶ所に形成された排気口とを備えたことを特徴とする空気清浄化機能付き住宅が開示されている。しかし、特許文献１記載の技術は、大量の揮発性有機化合物や粒子状浮遊物質（ＰＭ）の分解処理には不向きである。
【０００５】
特許文献２には、吸着体上で濃縮した揮発性有機化合物を放電により分解する揮発性有機化合物処理装置において、吸着した揮発性有機化合物を短時間に全量分解するために電源容量を大きくする必要があるという課題を解決するために、電極の対が複数のグループに分けられており、異なる吸着体の部分が順番に放電に触れるように、放電制御機構が電極の対のグループごとに電圧を印加する揮発性有機化合物処理装置が開示されている。
しかし、特許文献２記載の揮発性有機化合物処理装置は、揮発性有機化合物を分解するための電極に加え、吸着体と放電制御機構を別途必要とするため、小型化および軽量化が困難である。また、プラズマ放電により生成する窒素ラジカルが酸素と反応して、ＮＯｘやシアン化合物を生成するおそれがある。
【０００６】
特許文献３には、誘電バリア放電エキシマランプの光照射によって発生した活性酸素種を利用して、流体中に含まれるＣＯや炭化水素などの汚染物質の分解装置が開示されている。しかしながら、該装置は、光照射によって発生した活性酸素種が汚染物質の分解に寄与するものの、該活性酸素種のみで前記汚染物質を十分に分解できるわけではなく、分解中間生成物が残存するため、同文献の実施例１では、光照射と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈなどの貴金属触媒あるいはＴｉＯ2などの光触媒とを組み合わせることが必要と記載されている。光照射分解装置と高価な貴金属触媒の併用は従来の触媒のみでの分解装置よりコストがかかり実用化の障害となる。
また、ＴｉＯ2のような光触媒は紫外領域（波長範囲３８０ｎｍ以下）の光で作動するが、ＴｉＯ2は量子収率が１〜２％程度であるため、真空紫外領域の光（例えば、波長１７２ｎｍ）を照射しても、分解効果はほとんどないことが本発明者らの詳細な研究で明らかになっており、無用な光触媒の利用はコストがかかり装置が複雑になるだけで併用効果は期待できない。よって貴金属触媒や光触媒を必要としない廉価で高分解効率の光照射分解装置の開発が実用化のためには不可欠である。
【０００７】
また、非特許文献１には、真空紫外光を用いた浮遊性有機化合物の分解装置が開示されており、揮発性有機化合物の一種であるベンゼン（Ｃ6Ｈ6）、窒素（Ｎ2）及び酸素（Ｏ2）からなる混合気体を反応容器であるチャンバーに導入し、真空紫外光である波長１７２ｎｍのＸｅ2エキシマランプをチャンバーに照射することでベンゼンの分解を行っていることが記載されている。
【０００８】
ここで、非特許文献１に記載された従来の浮遊性有機化合物分解装置を図１４に示す。従来の浮遊性有機化合物分解装置１００では、円筒形状のチャンバーである反応容器１０１の一端側から導入されたＮ2とＯ2と、ＶＯＣであるＣ6Ｈ6とからなる混合気体が、反応容器１０１の他端面に設けられたＸｅ2エキシマランプ１０２からの中心波長（ピーク波長）が１７２ｎｍの光に照射され、他端側から排出されるように構成されている。真空紫外光の照射を受けたＯ2は活性酸素種（三重項酸素原子、一重項酸素原子、オゾン等）を生成し、これが揮発性有機化合物であるＣ6Ｈ6を酸化分解する。
【０００９】
しかし、非特許文献１記載の浮遊性有機化合物分解装置１００は、装置構成が比較的単純で小型化にも適している反面、混合気体に含まれる酸素による真空紫外光の吸収に起因して、エキシマランプ１０２より照射される真空紫外光の照射範囲が反応容器１０１内のごく一部の領域に限定される。したがって、浮遊性有機化合物の分解は反応容器１０１内のごく一部の領域でのみ進行することとなるため、浮遊性有機化合物の分解効率が低いという課題が存在する。活性酸素種のうち、オゾン（Ｏ3）は拡散により照射範囲外にも存在しうるが、特に活性の高い三重項酸素原子は、常圧では真空紫外光の照射範囲およびそのごく近傍にしか存在できないため、反応容器１０１に導入する被処理気体の流速を増大させる等の手段により浮遊性有機化合物の分解効率を向上させることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２４２５０２号公報
【特許文献２】特開２００６−１７５４２２号公報
【特許文献３】特開２００７−５０１３４９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】川原孝史、外２名、「１７２ｎｍＸｅ2エキシマーランプによるベンゼンの分解過程に関する研究」，第５１回放射線化学討論会講演要旨集，平成２０年１０月１５日，ｐ（１１７）−ｐ（１１８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記の課題に鑑み、低コストかつ高効率で浮遊性有機化合物を分解できる浮遊性有機化合物の分解方法および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】
【００１３】
本発明は、浮遊性有機化合物として、揮発性有機化合物を含む被処理気体に、酸素存在下、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を照射して揮発性有機化合物の分解を行う場合において、活性酸素種種のうち三重項酸素原子が芳香族炭化水素の分解に主に寄与し、三重項酸素原子とオゾンがアルデヒド類の分解に主に寄与しているという、本発明者らにより見いだされた知見に基づくものである。
【００１４】
すなわち、本発明は、浮遊性有機化合物を含有する被処理気体に、酸素存在下、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を照射し、浮遊性有機化合物を分解する方法において、前記被処理気体のほぼ全てを前記真空紫外光の照射範囲に導入し、前記浮遊性有機化合物の分解を前記真空紫外光の照射により発生した活性酸素種により浮遊性有機化合物の分解を行うことを特徴とするものである。
【００１５】
なお、本発明において、「浮遊性有機化合物」とは、揮発性有機化合物、ミスト状、粒子状浮遊物質（ＰＭ）などの有機性の大気汚染物質を意味する。
また、本発明において「酸素存在下」とは、被処理気体が酸素を含んでいる状態をいい、酸素が別途添加された状態および大気のようにもともと酸素を含んでいる状態の両者を意味する。本発明において「被処理気体のほぼ全て」とは、被処理気体の８０％以上、好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上をいう。また、本発明において「照射範囲」とは、入射光の強度の１％以上の強度を有する真空紫外光で照射されている範囲をいう。
【００１６】
さらに、本発明において「被処理気体」とは、浮遊性有機化合物を含む任意の気体で、本発明の浮遊性有機化合物の分解方法および分解装置の処理対象となる気体をいう。また、本発明において「活性酸素種」とは、真空紫外光の照射によりＯ2の分解反応（１）で生成する三重項酸素原子（Ｏ（3Ｐ））、一重項酸素原子（Ｏ（1Ｄ））及び三重項酸素原子の三体反応（２）で生成するオゾンまたはそれらの混合物をいう。
Ｏ2 ＋ ｈν（１７２ ｎｍ）→ Ｏ（3Ｐ） ＋ Ｏ（1Ｄ） （１）
Ｏ（3Ｐ） ＋ Ｏ2 ＋ Ｍ（Ｍ＝ Ｎ2 またはＯ2) → Ｏ3 ＋ Ｍ （２）
Ｏ2は１７２ｎｍにおいて４．６ × １０-19ｃｍ2ｍｏｌｅｃｕｌｅ-1という大きな吸収断面積を有しており、この値はＡｒＦエキシマーレーザーの１９３ｎｍの値（３．２ × １０-22ｃｍ2ｍｏｌｅｃｕｌｅ-1）の約１４００倍である。そのため反応（１）と後続の（２）により極めて高濃度の活性酸素種を１７２ｎｍ光の照射領域に発生可能である。
【００１７】
本発明の構成によれば、被処理気体の大部分を活性酸素種（特に真空紫外光の照射範囲およびそのごく近傍にしか存在しない三重項酸素原子と一重項酸素原子）に効率的に接触させることができるため、被処理気体に含まれる浮遊性有機化合物の分解効率を従来法に比べ向上させることができる。また、窒素は１７２ｎｍの波長域に吸収帯を有しないため、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を用いると窒素の分解が起こらない。そのため、光反応による有害なＮＯｘやシアン化合物の生成を抑制できる。
【００１８】
上述のように浮遊性有機化合物とは、揮発性有機化合物、ミスト状、粒子状浮遊物質（ＰＭ）などの有機性の大気汚染物質を意味するが、この中でも、本発明は、揮発性有機化合物の分解に適するものである。本発明の分解方法では、ほとんどの揮発性有機化合物が分解可能であり、その種類は限定されるものではないが、具体例を例示すると、メタン、エタン、プロパン、ブタン、エチレン、プロピレン、アセチレン、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセトン、アクロレイン、蟻酸、酢酸、酪酸、メチルエチルケトン、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブチルアルコール、ベンゼン、トルエン、キシレン、フェノール、スチレン、エチルアセテート、ブチルアセテート、一酸化炭素、２―メトキシエタノール、２―エトキシエタノール、２―ブトキシエタノールなどが挙げられる。
なお、本発明では、上述の活性酸素種のすべてが、浮遊性有機化合物の分解に寄与するが、活性酸素種の浮遊性有機化合物の分解活性はそれぞれの汚染ガスの種類により異なり、脂肪族飽和炭化水素では一重項酸素が分解に寄与するのに対して、脂肪族不飽和炭化水素やアルデヒド類では三重項酸素とオゾン、芳香族化合物では三重項酸素が分解に大きく寄与する。
【００１９】
本発明の分解方法において、特に、揮発性有機化合物が芳香族炭化水素またはアルデヒド類であることが好ましい。芳香族炭化水素は安定な共鳴構造を有し、脂肪族炭化水素等に比べ分解が困難である上に、ベンゼンやトルエン等のように人体に有害なものも多い。アルデヒド類はホルムアルデヒドのようにシックハウス症候群の原因物質となるものも多い。したがって、芳香族炭化水素やアルデヒド類が分解可能であれば、浮遊性有機化合物の分解方法として強力かつ有益なものとなる。
【００２０】
この場合において、前記活性酸素種が主として三重項酸素原子またはオゾンであることが好ましい。
三重項酸素原子は芳香族炭化水素の分解活性が高い反面、真空紫外光の照射範囲およびそのごく近傍にしか存在できない。そのため、本発明の分解方法において被処理気体のほぼ全てを真空紫外光の照射範囲に導入することにより三重項酸素原子の存在可能範囲を大幅に拡大でき、ひいては浮遊性有機化合物、特に芳香族炭化水素の分解効率を大幅に向上できる。一方オゾンは寿命が長いために拡散により三重項酸素原子と比べて広い範囲に存在可能である。よって浮遊性有機化合物、特にアルデヒド類の分解効率を大幅に向上できる。
【００２１】
本発明の分解方法は、常温常圧または浮遊性有機化合物が液化しない程度の低温から５００℃程度までの広い温度範囲で適用することができ、反応圧力も減圧、もしくは加圧の条件下でも使用することができるが、真空装置などの設備が不要であり、浮遊性有機化合物の分解を低コストでおこなうことが可能になると共に、浮遊性有機化合物の分解に用いられる装置の小型軽量化が容易になるという観点からは、前記浮遊性有機化合物の分解が常温常圧の条件下でおこなわれることが好ましい。
【００２２】
本発明の浮遊性有機化合物分解装置は、浮遊性有機化合物を含有する被処理気体を導入する導入部および処理後の気体が排出される排出部を設けた反応容器と、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を前記被処理気体に照射する照射手段とを備えた浮遊性有機化合物分解装置において、前記反応容器は、前記照射手段より照射される前記真空紫外光の入射面が該真空紫外光を透過する部材からなり、かつ、その内部に収容される被処理気体のほぼ全てが前記真空紫外光の照射範囲内に存在するように形成されていることを特徴とする。
なお、ここで「真空紫外光を透過する部材」とは、反応容器において真空紫外光の入射面に用いた場合に、浮遊性有機化合物の分解に必要な強度の真空紫外光を反応容器中に照射させるために必要な透過率を有する部材をいう。
【００２３】
浮遊性有機化合物分解装置において反応容器を上記のような構成とすれば、被処理気体の大部分が活性酸素種と接触することとなるため、被処理気体に含まれる浮遊性有機化合物の分解効率を従来の装置に比べ向上させることができる。また、照射手段として窒素が吸収帯を有しない１７２ｎｍを中心波長とするものを用いることにより、窒素の光分解およびそれに伴うＮＯｘやシアン化合物の生成を抑制できる。
なお、本発明の装置において、真空紫外光を透過する透明な窓口に、浮遊性有機化合物の分解物（炭素、チャー）が付着し有機膜を形成することがあるが、このような有機膜が形成されたとしても直接光照射と活性酸素種の光洗浄効果によりすぐに分解されるため（セルフクリーニング機能）、反応容器内への光の照射が損なわれることを回避することができる。
【００２４】
また、この場合において、前記反応容器は、前記照射手段の照射面のほぼ全てと前記入射面とが重なり合うように、前記反応容器に隣接させて設けられていることが好ましい。
あるいは、前記照射手段は、前記反応容器の内部に配置され、側面より前記真空紫外光を照射する筒状の形状を有していてもよい。
【００２５】
これらのような構成とすることにより、照射手段より照射された真空紫外光の大部分を浮遊性有機化合物の分解に利用することができるため、浮遊性有機化合物分解装置におけるエネルギー効率を向上できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、金属触媒や光触媒を使用することがないため、低コストかつ高効率で浮遊性有機化合物の分解が可能であり、小型化および軽量化も容易で、幅広い用途および分野に応用可能な浮遊性有機化合物分解装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る浮遊性有機化合物分解装置を説明するための概略図である。
【図２】図１に示す浮遊性有機化合物分解装置の処理装置を示す図であり、（Ａ）は蓋部を外した状態の底面図、（Ｂ）は蓋部を示す図である。
【図３】実施例１における真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１及び比較例１における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係を示すグラフである。
【図５】実施例２及び比較例２における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係を示すグラフである。
【図６】実施例２における真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図７】実施例２において被処理気体のフロー速度が反応物の残留率に及ぼす影響を示すグラフである。
【図８】実施例２において被処理気体中の酸素濃度が反応物の残留率に及ぼす影響を示すグラフである。
【図９】実施例３における真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図１０】実施例３及び比較例３における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係を示すグラフである。
【図１１】酸素濃度が２０％である実施例３において真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図１２】酸素濃度が１０％である実施例３において真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図１３】酸素濃度が５％である実施例３において真空紫外光の照射時間と反応物及び生成物の濃度との関係を示すグラフである。
【図１４】従来の浮遊性有機化合物分解装置を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の実施の形態に係る浮遊性有機化合物分解装置（以下、単に分解装置と略す。）を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態では、揮発性有機化合物(ＶＯＣ)の分解実験に使用した装置を例に説明する。
図１に示すように分解装置１は、被処理気体となる混合気体を供給する供給部２と、混合気体を処理する処理装置３と、分解処理された気体の成分を測定する排気部４とを備えている。
【００２９】
供給部２は、第１タンク２１と、第２タンク２２と、第３タンク２３と、導入管２４と、流量計２５ａ〜２５ｃと、圧力計２６と、第１弁２７と、第２弁２８とを備えている。
第１タンク２１には、窒素（Ｎ2）ガスが貯蔵されている。第２タンク２２には、酸素（Ｏ2）ガスが貯蔵されている。第３タンク２３には、ＶＯＣガスが貯蔵されている。
【００３０】
導入管２４は、第１〜第３タンク２１〜２３のそれぞれに一端が接続され、処理装置３に他端が接続され、第１〜第３タンク２１〜２３に貯蔵された気体を、処理装置３へ供給する導入部として機能する集合管である。流量計２５ａ〜２５ｃは、導入管２４のそれぞれの枝管に配設され、窒素ガス、酸素ガス、ＶＯＣガスのそれぞれの流量を測定する。圧力計２６は、導入管２４の本管に配置され、混合気体の圧力を測定する。第１弁２７は、圧力計２６より上流側の導入管２４の本管に配設され、混合気体の流量を調整するニードルバルブである。第２弁２８は、処理装置３の下方に位置する導入管２４の本管に配設され、混合気体の供給を止めたり、流したりするためのストップバルブである。
【００３１】
被処理気体に含まれる揮発性有機化合物の分解に用いられる分解装置１においては、第１〜第３タンク２１、２２、２３を省略し、被処理気体を導入するためのポンプ等を設けてもよい。なお、この場合においても、被処理気体中の窒素濃度および酸素濃度を調節するために、被処理気体を導入するためのポンプ等と共に第１および第２タンク２１、２２を設けてもよい。
【００３２】
処理装置３は、照射部３１と、反応容器３２とを備えている。照射部３１は、ケーシング３１１と、照射手段の一例であるエキシマランプ３１２と、密閉容器３１３と、窒素導入管３１４とを備えている。ケーシング３１１は、エキシマランプ３１２を支持する密閉容器３１３を搭載するための底板である支持板３１１ａと、エキシマランプ３１２および密閉容器３１３を囲む下方が開口した箱部３１１ｂとにより形成された箱状容器である。箱部３１１ｂには、エキシマランプ３１２の照射光を通過させるための円形状の開口が設けられている。
【００３３】
エキシマランプ３１２は、サイドオンタイプと称される細長の円柱状に形成され、外周周側面全体が発光することで、照光手段として機能するものである。エキシマランプ３１２は、反応容器３２に隣接して配置されている。分解装置１に用いられるエキシマランプ３１２では、円筒形状のガラス管にＸｅガスが封入されているので、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を発光する。
【００３４】
密閉容器３１３は、ケーシング３１１の支持板３１１ａの開口面に合わせて底面が開口した箱状容器である。密閉容器３１３は、エキシマランプ３１２の両端部を挿通した状態で支持すると共に、一端側に内部空間に窒素Ｎ2を充填するための窒素導入管３１４が接続されている。密閉容器３１３は、開口に反応容器３２を配置することで、内部空間が閉鎖空間となって気密性が確保される。
窒素導入管３１４は、密閉容器３１３の内部空間に窒素ガスを導入するための配管である。窒素導入管３１４から供給される窒素（Ｎ2）ガスにより密閉容器３１３を充満させることで、エキシマランプ３１２からの照射光を減衰することなく反応容器３２に到達させることができる。
【００３５】
図１および図２に示すように、反応容器３２は、窓部３２１と、容器本体３２２と、蓋部３２３とにより、エキシマランプ３１２の照射面である開口のほぼ全体と重なり合う入射面である窓部３２１を有し、エキシマランプ３１２と隣接させて設けられている。窓部３２１は、円形状の開口に、真空紫外光を透過する部材である石英ガラスが設けられており、エキシマランプ３１２からの照射光の入射面として機能するものである。容器本体３２２には、内部に、被処理気体が供給されることで分解処理が行われる円筒形状の処理空間Ｓが形成されている。蓋部３２３には、エキシマランプ３１２の一端側となる位置に導入管２４が接続され、エキシマランプ３１２の他端側となる位置に後述する排気管が接続された円盤状体である。蓋部３２３は、周縁部全体にねじ孔が設けられ、ボルト３２３ａにより容器本体３２２に固定されている。
【００３６】
窓部３２１および蓋部３２３と共に処理空間Ｓを形成する容器本体３２２の内径および高さは、処理空間Ｓに導入される被処理気体のほぼ全てがエキシマランプ３１２の照射範囲に存在するよう適宜調節される。容器本体３２２の内径については、箱部３１１ｂの開口の径とほぼ等しくすればよく、高さについては、被処理気体を充満させた状態で蓋部３２３の側に到達する真空紫外光の強度が、窓部３２１の側から入射する真空紫外光に対し所定の割合になるよう設定すればよい。蓋部３２３の側に到達する真空紫外光の強度は、真空紫外光を吸収する酸素ガスの被処理気体中の濃度に主に依存し、例えば、酸素の吸光係数の実験値あるいは文献値をＬａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ則に適用することにより計算することができる。例えば、蓋部３２３の側に到達する真空紫外光の強度が入射光の強度の１％程度となるようにするためには、容器本体３２２の高さを、被処理気体中の酸素濃度が１％の場合には２０〜２５ｃｍ、２０％の場合には１〜２ｃｍとする。
【００３７】
排気部４は、排気管４１と、成分分析に使用されるフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）４２と、酸素濃度の測定に使用される四重極質量分析装置４３と、圧力計４４と、第１排気ポンプ４５と、第２排気ポンプ４６と、第３排気ポンプ４７とを備えている。なお、第１排気ポンプ４５の前段には、補助ポンプであるブースターポンプ４５ａが設けられ、さらにその前段には、排気中のオゾンをトラップするオゾン吸収体４５ｂが備えられている。
排気管４１は、主管の一端が蓋部３２３に接続され、他端は枝管となって一方がフーリエ変換赤外分光光度計４２へ接続され、他方が四重極質量分析装置４３へ接続され、処理後の気体が排出される排出部として機能する配管である。この排気管４１の主管には、処理装置３の下方となる位置に、混合気体の排気の流れを止めたり、流したりするためのストップバルブである第３弁４８が設けられている。また、排気管４１の枝管には、フーリエ変換赤外分光光度計４２と四重極質量分析装置４３とのそれぞれの上流側に、混合気体の流入量を調整するためのニードルバルブである第４弁４９および第５弁５０が設けられている。
圧力計４４は、ロータリーポンプである第１排気ポンプ４５により吸引される混合気体の圧力を測定するものである。圧力計４４と第１排気ポンプ４５との間の配管には、第６弁５１が設けられている。
第２排気ポンプ４６はターボポンプであり、第３排気ポンプ４７はロータリーポンプである。この第２排気ポンプ４６および第３排気ポンプ４７は、四重極質量分析装置４３による酸素濃度の測定時に動作され、それ以外は停止状態で使用される。第１〜第３排気ポンプ４５〜４７へのそれぞれの配管には、ニードルバルブである第６〜８弁５１〜５３が設けられている。
なお、ニードルバルブである第４弁４９および第５弁５０を閉じ、ニードルバルブである第８弁５４および第９弁５５を開くことにより、フーリエ変換赤外分光光度計４２及び四重極質量分析装置４３を介さず直接排気することも可能である。
【実施例】
【００３８】
次に、本発明の作用効果を確認するために行った実施例および比較例について説明する。まず、比較例１、２、３および実施例１、２、３、４において使用した装置および実験操作について説明し、次いで各実験結果について説明する。なお特に断らない限りこれらの比較例と実施例は、すべて常温常圧下での実験結果である。
【００３９】
比較例１
本発明の実施の形態に係る分解装置１の分解性能との比較のために、図１４に示した従来の分解装置１００の分解性能についても検討を行った。なお、図１４においては、図１に示す分解装置１と同じ構成のものは同符号を付して説明を省略する。
従来の分解装置１００において、反応容器１０１は直径が約３．２ｃｍ、長さが２３ｃｍ円筒形状に形成されている。エキシマランプ（入力電力２０Ｗ、光強度５０ｍＷ／ｃｍ2、照射窓面積８ｃｍ2、フォトン数３．４４×１０17個／ｓ）１０２は、ヘッドオンタイプと称され、円柱状に形成された上面または底面となる一端面側から発光することで照光手段として機能するものである。エキシマランプ１０２が反応容器１０１の一端面に配置されていることで、照射光は反応容器の軸線方向に向かって出射されるので、照射面積は反応容器１０１の円形の断面積となる。
【００４０】
このように構成された従来の分解装置１００の反応容器１０１内に、被処理気体として窒素、酸素およびベンゼンからなる混合気体（酸素濃度２０％、ベンゼン濃度１０００ｐｐｍ）を導入し、エキシマランプ１０２を点灯して反応器１０１に照射することにより分解実験を行った。実験は、反応器１０１を閉鎖系とするために、第２弁２８および第３弁４８を閉鎖した状態で行った。所定時間経過毎に第４弁４９および第６弁５１を開放し、第１排気ポンプ４５を作動させて、一度排気管４１とフーリエ変換赤外分光光度計４２を真空状態にする。第６弁５１を閉め第３弁４８を開け、反応容器の内容物の一部をフーリエ変換赤外分光光度計４２に導入する。反応物であるベンゼンおよび反応生成物（オゾンＯ3、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ2、ギ酸ＨＣＯＯＨ）の濃度を、予め作成した検量線（既知濃度のサンプルを用い、濃度と各成分固有の吸収帯の吸光度との関係をプロットしたもの。）を用いて求めた。
【００４１】
実施例１
本実施の形態に係る分解装置１を用いて分解実験を行った。なお、本実施例では、処理空間Ｓが直径１００ｍｍ、厚みが３０ｍｍとなる容器本体３２２を使用した。また、エキシマランプ３１２については、入力電力２０Ｗ、光強度１０ｍＷ／ｃｍ2、照射窓面積７８．５ｃｍ2、フォトン数６．８３×１０17個／ｓのものを使用した。そして、供給部２の第１弁２７と第２弁２８を調整することにより、酸素Ｏ2濃度を２０％、ベンゼンＣ6Ｈ6濃度を１０００ｐｐｍとした混合気体を反応容器３２に供給し、エキシマランプ３１２を点灯して、処理空間Ｓに照射した。このとき処理空間Ｓを閉鎖系とするために、第１〜第３排気ポンプ４５〜４７は動作させず、第３弁４８は閉鎖した。比較例１の場合と同様、所定時間経過毎に第４弁４９および第６弁５１を開放し、第１排気ポンプ４５を作動させて、一度排気管４１とフーリエ変換赤外分光光度計４２を真空状態にする。第６弁５１を閉め第３弁４８を開け、反応容器の内容物の一部をフーリエ変換赤外分光光度計４２に導入する。反応物であるベンゼンおよび反応生成物（オゾンＯ3、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ2、ギ酸ＨＣＯＯＨ）の濃度を、予め作成した検量線を用いて求めた。
【００４２】
比較例２および実施例２
それぞれ、比較例１において使用した装置１００および実施例１において使用した装置１を使用し、混合気体（酸素濃度５〜２０％、ベンゼン濃度２００または１０００ｐｐｍ）を所定の流速（２５０〜１０００ｍＬ／ｍｉｎ）で反応容器１０１および３に流すフロー系で実験を行った。エキシマランプ１０２、３１２による照射は、フロー開始後１分経過時に開始し、１５分経過後に終了した。
【００４３】
実験結果
（１）実施例１における反応物および生成物濃度の経時変化
図３のグラフに示すように、ベンゼンＣ6Ｈ6は照射開始後約１．５分で分解されたことがわかる。ベンゼン濃度の減少に伴い、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ2およびギ酸ＨＣＯＯＨの濃度の濃度が増大している。これらのうち一酸化炭素およびギ酸については、照射開始後１．５分で濃度が最大となり、その後濃度が減少し、照射開始後３〜４分後に完全に消失している。二酸化炭素については、照射開始と共にその濃度が単調に増加し、照射開始後４〜５分後に定常状態に達していることがわかる。これらの結果から、ベンゼンの初期の分解産物として、一酸化炭素、ギ酸および二酸化炭素が生成し、このうち全二者については、さらに酸化を受け最終的には二酸化炭素に変換されると考えられる。
また、オゾンＯ3濃度が照射開始と共にほぼ直線的に増大し、照射開始後約１分でほぼ一定の値となっていることがわかる。
【００４４】
上記のような反応物および生成物濃度の経時変化は、真空紫外光の照射を行わずにオゾンを反応容器中に導入した場合におけるそれと大幅に異なっていることから、ベンゼンの分解に対するオゾンの寄与は大きくないものと考えられる。また、窒素原子との衝突による一重項酸素原子の衝突緩和を低減させるような条件下で実験を行ってもベンゼンの残留率に顕著な変化が見られなかったことから、ベンゼンの分解に対する一重項酸素原子の寄与も大きくないものと考えられる。以上の結果は、三重項酸素原子がベンゼン分解の主な活性種であることを示唆するものである。
【００４５】
（２）実施例１および比較例１における分解反応のエネルギー効率の比較
実施例１および比較例１における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係は、図４に示すとおりである。なお、酸素Ｏ2を２０％および窒素Ｎ2を８０％と、濃度が２００ｐｐｍのベンゼンＣ6Ｈ6とからなる混合気体を用いて行った。実施例１の方が、はるかにベンゼンの分解速度が大きく、照射開始後２分以内（９０秒）にベンゼンが完全に分解しているのに対し、比較例１においては、照射開始後２０分経過後もなお約５％のベンゼンが残存していた。
【００４６】
これらの結果を元に、下記の式を用いて、単位量のベンゼンを分解するのに必要なエネルギー量ＥEOを求めた。
ＥEO＝（１０００×Ｐ×ｔ）／（Ｖ×ｌｏｇ（Ｃ0／Ｃ））
式中、Ｐは照射強度［Ｗ］、ｔは経過時間［ｈ］、Ｖは反応容器の容積［Ｌ］、Ｃ0はベンゼンの初濃度［ｐｐｍ］、Ｃは時間ｔ経過時のベンゼンの濃度［ｐｐｍ］である。
実施例１および比較例１について得られたＥEOの値（単位：Ｗ・ｈ／ｏｒｄｅｒ）は、それぞれ、２．８７６および２５．６５であった。これらの結果より、本発明の実施形態に係る分解装置１は、従来の実施形態に係る分解装置１００の約８．９倍のエネルギー効率を有していることがわかる。
【００４７】
（３）実施例２および比較例２における分解性能の比較
次に、分解装置１と従来の分解装置１００とで比較実験を行った。比較実験は、酸素Ｏ2を２０％および窒素Ｎ2を８０％と、濃度が２００ｐｐｍのベンゼンＣ6Ｈ6とを混合した気体を、流速１０００ｍＬ／ｍｉｎで反応容器３または反応容器１０１に流し、残留濃度を測定するフロー系で行った。
図５に示すように、エキシマランプ３１２，１０２を点灯し始めてから、両装置とも、すぐにベンゼンＣ6Ｈ6の残留濃度が減少した。しかし、従来の分解装置１００では約９０％であったが、分解装置１では約５０％であり、分解装置１の方が高い分解性能を示した。
【００４８】
（４）実施例２における真空紫外光の照射時間と生成物の濃度との関係
結果は図６に示すとおりである。全ての生成物（オゾン、一酸化炭素、二酸化炭素およびギ酸）について、光照射後に一分程度で一定値となり照射終了後２分で光照射前の状態に戻った。
【００４９】
（５）実施例２における被処理気体のフロー速度が反応物の残留率に及ぼす影響
次に、混合気体（酸素Ｏ2２０％、窒素Ｎ2８０％、ベンゼンＣ6Ｈ6２００ｐｐｍ）の流速を、１０００ｍＬ／ｍｉｎとする以外に、５００ｍＬ／ｍｉｎ、２５０ｍＬ／ｍｉｎとしたときの残留濃度を測定した。
図７に示すように、混合気体の流速が１０００ｍＬ／ｍｉｎでは約５０％であったが、５００ｍＬ／ｍｉｎでは約７５％、２５０ｍＬ／ｍｉｎでは１００％の分解を行うことができた。このように混合気体を反応容器３に通過させる速度を遅くすることにより、分解性能を向上させることができることがわかる。流速が２５０ｍＬ／ｍｉｎの場合では、分解率の向上を反映して生成物中の二酸化炭素の割合が高くなることが確認された。このことから、反応容器中への被処理気体の滞留時間を長くして照射時間をある程度確保することにより分解性能を向上できることが示唆された。
【００５０】
（６）実施例２における被処理気体中の酸素濃度が反応物の残留率に及ぼす影響
次に、混合気体（流速１０００ｍＬ／ｍｉｎ、ベンゼンＣ6Ｈ6２００ｐｐｍ）の酸素濃度を、２０％とし残余を窒素Ｎ2する以外に、１０％、５％としたときのベンゼンＣ6Ｈ6の残留濃度を測定した。
図８に示すように、酸素濃度が２０％ではベンゼンの残留濃度が５０％であったが、酸素濃度が５％では残留濃度が３０％〜３５％と向上した。このように混合気体の酸素濃度が低いと、分解性能が高いことがわかる。
ベンゼンの分解効率には、酸素濃度以外に、例えば、被処理気体のフロー速度等の他の要因が影響を与えている可能性もあるが、例えば、被処理気体中の酸素による真空紫外光の吸収に伴う処理空間内部の真空紫外光強度の減少が、酸素濃度の増大に伴う分解効率の低下の一因となっていることも考えられる。
【００５１】
実施例３
本実施の形態に係る分解装置１を用いて分解実験を、実施例１，２のベンゼンの代わりに、代表的アルデヒド化合物であるアクロレインについて行った。なお、本実施例では、処理空間Ｓが直径１００ｍｍ、厚みが３０ｍｍとなる容器本体３２２を使用した。また、エキシマランプ３１２については、入力電力２０Ｗ、光強度１０ｍＷ／ｃｍ2、照射窓面積７８．５ｃｍ2、フォトン数６．８３×１０17個／ｓのものを使用した。そして、供給部２の第１弁２７と第２弁２８を調整することにより、酸素Ｏ2濃度を２０％、アクロレイン濃度を５００ｐｐｍとした混合気体を反応容器３２に供給し、エキシマランプ３１２を点灯して、処理空間Ｓに照射した。このとき処理空間Ｓを閉鎖系とするために、第１〜第３排気ポンプ４５〜４７は動作させず、第３弁４８は閉鎖した。比較例１の場合と同様、所定時間経過毎に第４弁４９および第６弁５１を開放し、第１排気ポンプ４５を作動させて、一度排気管４１とフーリエ変換赤外分光光度計４２を真空状態にする。第６弁５１を閉め第３弁４８を開け、反応容器の内容物の一部をフーリエ変換赤外分光光度計４２に導入する。反応物であるアクロレインおよび反応生成物（オゾンＯ3、一酸化炭素ＣＯ、二酸化炭素ＣＯ2、ホルムアルデヒドＨＣＨＯ、ギ酸ＨＣＯＯＨ）の濃度を、予め作成した検量線を用いて求めた。
【００５２】
実施例４
実施例１において使用した装置１を使用し、混合気体（酸素濃度５〜２０％、アクロレイン濃度５００ｐｐｍ）を所定の流速（１０００ｍＬ／ｍｉｎ）で反応容器１０１および３に流すフロー系で実験を行った。エキシマランプ１０１、３１２による照射は、フロー開始後１分経過時に開始し、１５分経過後に終了した。
【００５３】
比較例３
アクロレインに対する本発明の実施の形態に係る分解装置１の分解性能との比較のために、図１４に示した従来の分解装置１００の分解性能についても検討を行った。
【００５４】
実験結果
（１）実施例３における反応物および生成物濃度の経時変化
図９のグラフに示すように、アクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）は測定開始約３０秒の時点で分解されたことがわかる。アクロレイン濃度の減少に伴い、二酸化炭素ＣＯ2の濃度が増大している。また一酸化炭素ＣＯ、ギ酸ＨＣＯＯＨについては発生後それぞれ減少し、ギ酸においては照射開始後６０秒後には完全に消失している。二酸化炭素については、照射開始と共にその濃度が単調に増加し、照射開始後１２０秒以降は緩やかに増加していることがわかる。これらの結果から、アクロレインの初期の分解産物として、一酸化炭素、ギ酸および二酸化炭素が生成し、このうち全二者については、さらに酸化を受け最終的には二酸化炭素に変換されると考えられる。
また、オゾンＯ3濃度が照射開始と共にほぼ直線的に増大し、照射開始後約１８０秒で最大となっていることがわかる。
【００５５】
オゾンの寄与を調べるために真空紫外光の照射を行わずに約６０００ｐｐｍのオゾンを反応容器中に導入した分解実験を実施した。その結果、アクロレインのオゾンによる分解速度は上記活性酸素種全てが存在する真空紫外光の照射下でのそれに近く、オゾンはアクロレインの分解の主要な活性種の一つであることを確認した。
【００５６】
（２）実施例３および比較例３における分解反応のエネルギー効率の比較
実施例３および比較例３における真空紫外光の照射時間と反応物の残留率との関係は、図１０に示すとおりである。なお、酸素Ｏ2を２０％および窒素Ｎ2を８０％と、濃度が５００ｐｐｍのアクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）とからなる混合気体を用いて行った。実施例１の方が、はるかにアクロレインの分解速度が大きく、照射開始後３０秒以内にアクロレインが完全に分解しているのに対し、比較例３においては、完全に分解するまでに照射開始後２７０秒かかった。よって分解装置１では従来の分解装置１００と比較してアクロレインの分解速度が９倍以上速いことを確認した。
【００５７】
（３）実施例３における真空紫外光の照射時間と生成物の濃度との関係
次に、酸素Ｏ2を２０％および窒素Ｎ2を８０％と、濃度が１３０ｐｐｍのアクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）とを混合した気体を、流速１０００ｍＬ／ｍｉｎで反応容器３に流し、残留濃度を測定するフロー系で行った。結果は図１１に示すとおりである。エキシマランプ３１２を点灯し始めてから、光照射後に１〜２分程度でアクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）が完全に分解するとともに、全ての生成物（オゾン、一酸化炭素、二酸化炭素およびギ酸）の濃度はほぼ一定値となり、照射終了後２分で光照射前の状態に戻った。
【００５８】
（４）実施例３における被処理気体中の酸素濃度が反応物の残留率に及ぼす影響
次に、混合気体（流速１０００ｍＬ／ｍｉｎ、アクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）１２０または１１０ｐｐｍ）の酸素濃度を、２０％とし残余を窒素Ｎ2する以外に、１０％、５％としたときのアクロレイン（Ｃ2Ｈ3ＣＨＯ）の残留濃度を測定した。その結果を図１２、１３に示す。酸素濃度２０％での実験結果と同様に、照射開始後１〜２分程度でアクロレインは完全に分解した。
【００５９】
実施例５
メタン、エチレン、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、トルエン、オルトキシレン、メタキシレン、パラキシレンなどのＶＯＣを常温常圧下で濃度１００−１０００ｐｐｍ領域での分解実験を分解装置１を用いて実施し、これらもこの装置で分解可能なことを確認した。これらのＶＯＣは最終的にはすべてＣＯ2、Ｈ2Ｏに分解されるが、途中中間体として表１のような化合物がＦＴ−ＩＲ分析からは観測された。また各物質の分解に寄与する主な活性酸素化学種をオゾンのみによる分解実験や一重項酸素の寄与が高い低圧実験結果を実施して得た結果は表１の通りである。なお◎が主要な活性種、○は分解速度は◎と比べて遅いが分解に寄与する活性種、×は分解に寄与しない活性種を表す。
メタンの場合は一重項酸素のみが分解に寄与するため、１０ｋＰａの低圧にすることにより一重項酸素の下記の失活反応（３）を抑制し、照射５分後で分解率を常圧の約５０％と比べて２倍の１００％まで上げることが可能である。
Ｏ（1Ｄ） ＋ Ｎ2 → Ｏ（3Ｐ） ＋ Ｏ（3Ｐ） （３）
一方、脂肪族不飽和炭化水素、アルデヒド類の分解には三重項酸素とオゾン、芳香族化合物では三重項酸素が特に有効である。よって対象とするＶＯＣにより有効な活性種の濃度が高い酸素濃度、全圧力に設定することが分解率を高めるためには必要である。
【００６０】
【表１】
【００６１】
本実施の形態では、図１に示すように照射手段であるエキシマランプ３１２は反応容器３２に隣接して配置されているが、側面より真空紫外光を照射する筒状の形状を有する照射手段を円筒形状の反応容器の内部に配置してもよい。このような構成とすることで、図１に示す分解装置１と同様の効果が得られるだけでなく、照射手段からの真空紫外光を被処理気体である混合気体に直接照射することができるので、照射手段と反応容器との間に窒素Ｎ2を充填するための密閉容器を省略することができる。また、反応容器は必ずしも光透過性を要しないので、耐腐食性、耐熱性、耐候性の高い材質もので形成することで、室内だけなく、車両や船舶などに設置することも可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 浮遊性有機化合物分解装置
２ 供給部
２１ 第１タンク
２２ 第２タンク
２３ 第３タンク
２４ 導入管
２５ａ〜２５ｃ 流量計
２６ 圧力計
２７ 第１弁
２８ 第２弁
３ 処理装置
３１ 照射部
３１１ ケーシング
３１１ａ 支持板
３１１ｂ 箱部
３１２ エキシマランプ
３１３ 密閉容器
３１４ 窒素導入管
３２ 反応容器
３２１ 窓部
３２２ 容器本体
３２３ 蓋部
３２３ａ ボルト
４ 排気部
４１ 排気管
４２ フーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）
４３ 四重極質量分析装置
４４ 圧力計
４５ 第１排気ポンプ
４５ａ ブースターポンプ
４５ｂ オゾン吸収体
４６ 第２排気ポンプ
４７ 第３排気ポンプ
４８〜５５ 第３〜１０弁
Ｓ 処理空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮遊性有機化合物を含有する被処理気体に、酸素存在下、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を照射し、浮遊性有機化合物を分解する方法において、
前記被処理気体のほぼ全てを前記真空紫外光の照射範囲に導入し、前記浮遊性有機化合物の分解を前記真空紫外光の照射により発生した活性酸素種によりおこなうことを特徴とする浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項２】
前記浮遊性有機化合物が、揮発性有機化合物であることを特徴とする請求項１記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項３】
前記浮遊性有機化合物が、芳香族炭化水素であることを特徴とする請求項２記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項４】
前記活性酸素種が、主として三重項酸素原子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項５】
前記浮遊性有機化合物が、アルデヒド類であることを特徴とする請求項２記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項６】
前記活性酸素種が、主として三重項酸素原子とオゾンであることを特徴とする請求項５記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項７】
前記浮遊性有機化合物の分解が常温常圧の条件下でおこなわれることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項８】
浮遊性有機化合物を含有する被処理気体を導入する導入部および処理後の気体が排出される排出部を設けた反応容器と、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を前記被処理気体に照射する照射手段とを備えた浮遊性有機化合物分解装置において、
前記反応容器は、前記照射手段より照射される前記真空紫外光の入射面が該真空紫外光を透過する部材からなり、かつ、その内部に収容される被処理気体のほぼ全てが前記真空紫外光の照射範囲内に存在するように形成されていることを特徴とする浮遊性有機化合物分解装置。
【請求項９】
前記反応容器は、前記照射手段の照射面のほぼ全てと前記入射面とが重なり合うように、前記反応容器に隣接させて設けられていることを特徴とする請求項８記載の浮遊性有機化合物分解装置。
【請求項１】
浮遊性有機化合物を含有する被処理気体に、酸素存在下、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を照射し、浮遊性有機化合物を分解する方法において、
前記被処理気体のほぼ全てを前記真空紫外光の照射範囲に導入し、前記浮遊性有機化合物の分解を前記真空紫外光の照射により発生した活性酸素種によりおこなうことを特徴とする浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項２】
前記浮遊性有機化合物が、揮発性有機化合物であることを特徴とする請求項１記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項３】
前記浮遊性有機化合物が、芳香族炭化水素であることを特徴とする請求項２記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項４】
前記活性酸素種が、主として三重項酸素原子であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項５】
前記浮遊性有機化合物が、アルデヒド類であることを特徴とする請求項２記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項６】
前記活性酸素種が、主として三重項酸素原子とオゾンであることを特徴とする請求項５記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項７】
前記浮遊性有機化合物の分解が常温常圧の条件下でおこなわれることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の浮遊性有機化合物の分解方法。
【請求項８】
浮遊性有機化合物を含有する被処理気体を導入する導入部および処理後の気体が排出される排出部を設けた反応容器と、中心波長が１７２ｎｍの真空紫外光を前記被処理気体に照射する照射手段とを備えた浮遊性有機化合物分解装置において、
前記反応容器は、前記照射手段より照射される前記真空紫外光の入射面が該真空紫外光を透過する部材からなり、かつ、その内部に収容される被処理気体のほぼ全てが前記真空紫外光の照射範囲内に存在するように形成されていることを特徴とする浮遊性有機化合物分解装置。
【請求項９】
前記反応容器は、前記照射手段の照射面のほぼ全てと前記入射面とが重なり合うように、前記反応容器に隣接させて設けられていることを特徴とする請求項８記載の浮遊性有機化合物分解装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−５６１９１（Ｐ２０１１−５６１９１Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１２２９８（Ｐ２００９−２１２２９８）
【出願日】平成２１年９月１４日（２００９．９．１４）
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１４日（２００９．９．１４）
【出願人】（５０４１４５３４２）国立大学法人九州大学 (960)
【Ｆターム（参考）】
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