プラズマを利用した環境汚染物質の防除 (<特集>環境問題)

　 MEMO ［RS

　

OF

　

SHONAN INSTITUTE

　

OF

　

TECHNOLOGY 　 VoL　34

，

　No

．

1

．

2〔XH）

　 ［

環 境 問 題

］

プ

ラ

ズ

マ

を利

_用

_{し た}

_{環 境}

_汚

_{染 物 質}

_の

_{防 除}

木

F

幸

一

＊

・

_{森 棟 隆}

_昭

＊ ＊

Environmental

　

Protection

　with 　

Plasma

　

Discharge

　

Processes

Kouichi

　

KiNosHITA

　_and 　

Takaaki

　

MoRiMurs

’

E

　We

　

have

　experimentally 　evaluated 　the　application　of　a　plasma　

discharge

　systems 　to　reduce 　the　concentrations 　of　envi

−

ronmental 　pollutants　such 　as　

NQ ，

，

　

SO．，

　

dust

　particles　and 　CFCs　in　the　gaseous　material

．

　

This

　paper　considers　

CFCs

　

de・

composition 　by　arc　plasma

、

　NO _．　removal 　by　NH3　and 　H2　radicals 　from　mixing 　_plasma

，

　

NO

_．　removal 　

by

　

N2

　corona 　

dis−

charge　and　NO_、

，

　smoke 　rernoval　

by

　corona 　

discharge

　reactor

．

　In　addition

，

　the　_prototype　reactors 　which 　reduce 　_pollution

concentrations 　are　proposed　

in

　this　study

．

　We　found　thatユ_）

CFC

　

l2

　

decomposition

　rate　of　above 　

99

_％

is

　obtained 　using

the　arc　plasma　

jet

　system

・

2

〕a　

NO

．　removal 　rate　of　nearly　

1009

・

6

　

is

　observed 　at　a　corona 　

input

　power　of　1　

kW

　

by

　

NH3

　er

H2　radical 　

inle

〔tion

．

3

）aNO _エremoval 　rate 　of 　about 　109も

is

　obtained 　by　the　N2　corona 　

discharge

　process　at　a　power　of　

30

watts

．

4＞soot 　and 　NQ

，　removal 　rate　of　7〔｝

−

₉₀％ are　observed 　in　a　corona 　coupled　reactor 　system 　at　an　

input

　

power

　of several　_watts

．

1

．

は じ め に 　プラ ズマ などの放電現象 を積極 的に応用 し て

，

大気や 排 ガス 中の気 体 状の環境 汚染 物質を防 除 するこ と が本 格 的に試み られたの はこ こ 十 数 年で あり

，

そ れまで の プラ ズマ は

，

い わゆ る雷や オ

ー

ロ ラ な どの 自 然現象と し て と ら え られて き た

。

　 現 在プラ ズマ _{放 電}はその _{高 温 特 性}

，

_{活 性 化 特 性}な どか ら

、

環 境 防 除に適 用 す る 重 要 な 基 礎プロセ ス の

一

つ とし て位置づ け ら れ て お り

、

気体 中の 窒 素 酸 化 物

、

硫 黄 酸 化 物

，

微 粒 子

，

臭いの除 去や有 機 溶 媒

，

フ ロ ン の分 解お よ びダ イ オ キ シ ン の分 解に い た る まで

，

高 温プラ ズマ や パ ル スコ ロ ナ 放 電が用い られるな ど

，

プラズマ を 用い た環 境 汚 染 物 質の 防 除 例は多岐に及ぶ n 　 こ こで は

，

湘 南 Il科 大 学 に おいて これ ま で 研 究 が 進 め られてい るプ ラ ズマ プロ セスを 利 用し た環 境 汚 染 物 質の 防 除に関 する 連 の 研 究の うち

，

高 温プ ラズマ シ ス テ ム に よるフ ロ ン の分解

，

プラ ズ マ 中で 生 成 し た ラ ジ カル の 注入 によ る 排ガ ス中の窒 素 酸 化 物の防 除

．

窒 素コ ロ ナ放 電プロセ ス に よ る 窒 素 酸 化 物の 除 去

，

コ ロ ナ放 電シス テ ＊ 大 学 院工学 研 究 科 博 十 後 期 課 程機 械工学 専攻 ＊ ＊ 機 械工学 科 　 教 授 　 平 成 11年 10 月14 日受 付 ム に よ る排 ガス 中の窒 素 酸 化 物

，

排 気 微 粒 子の除 去につ い て その研 究 概 要 を述べ _る

。

2

．

熱 プ ラズマ によ るフロン の分 解 特 性 　2

．

1　 ま えがき 　オ ゾ ン層 破 壊は世界的 深刻な 問 題 の

1

つ で あ り

，

南極

lt

空の オ ゾン ホ

ー

ル は毎 年拡 大し て い る との報告が あ る

。

これ を 食い_止め るに は現 存 するフロ ン類の処 理 以 外に方 法は ない

。

これ まで さ ま ざ ま なフ ロ ン分 解 技 術の 実 験

・

検討 】」_{が な さ れ て お り}

_、

_{ま た 現 在 稼 動 し てい る もの も あ} る が

，

コス ト面に問 題 を 抱え てい る

。

そこ で本 実 験で は

，

少 量の フ ロ ン分 解に着目し

．

直流ア

ー

ク放 電プ ラズマ を 用い た フ ロ ン分 解 特性を検 討 するもの で ある

，

　

2 ．

2

　 実 験 装 置およ び 実 験 方 法 　 1）　フ ロ ン 分 解装置 　

Figure

　

l

にフ ロ ン分 解 装 置 概 略 を示 す

。

プラズマ _リア ク タ

ー

は

，

20  角の 立_{方 体 型 （}SUS304 ）で

，

リア ク タ

ー

側面に はプラ ズマ ジェ ッ ト の可視用窓 を 取り付けて お り

，

また こ の 可視用窓の代わりに光フ ァ イバ

ー

を 取 り付 け る ことで 分光分析実 験 も 行え る

、

，

プ ラ ズマ ジ ェ ネレ

ー

タ

ー

部は陽 極に水 冷 式 銅 ノ ズ ル _（ノ ズ ル_{径 φ}

3

_）

_，

_{陰 極}に は ト リ ウム人りタ ン グステ ン _（φ3_）を用い

，

_{作 動 流}体で ある Ar ガス を プ ラ ズマ ト

ー

チ部 内へ _流人_（14Umin_）した後

．

両 極 1

湘 南工_{科大 学紀要　 第 34巻　第 1号} Catalyst

Pump

→

　

atomosphrere

「

　 　 　 　

Plas

皿a　

Generator

Plasma

　

Reactor

Temperature

By

−

_prOducts

treatment

　vessel 　 　 　

Exit

Plasma



_jet

Sa皿pllng

H

bag

＼

＼

GC

（

TCD

，・

ECD

）

hrgongas

回

Cooli

  xater　out

L

Cooling



腎ater

　

in

Detector

　

tube

D

　

Cpower

　supPly

Fig．

1

．

　

Experimenta1

　apparatus 　

for

　

CFCs

　decomposition　by　DC　are　plasma

の接 触法によ りプ ラズマ を 発 生 させ る

。

電 源に は直 流 電 源（

60

　

V，

　

60

　

A

_）を使 用し た_最大 出 力

1kW

程 度の フ ロ ン_分 解 装 置で ある。 フロ ン は

，

プラ ズマ 中で分解され

，

そ の 後 リア ク タ

ー

後 方の 排 気 出口部 よ り 触 媒 層 を 経て 外 部へ 排 出 され る

。

な おこ の 触 媒 層には

，

有 機 塩 素 系 物 質 が 発 生 し たと き処 理 が 可 能 なチタニ _ウム系 触 媒 と活性炭 を 充 填し て い る。 フロ ン濃 度分析 時に は

，

リア ク タ

ー

排気 出 口部 後 方に サ ンプリ ン グバ _ッ クを 設け

，

ガス収 集 し ガス ク ロ マ トグラ フお よびガス検知 管に よ りガ ス分 析 を 行 う

。

分 解 す るフ ロ ン は

，

冷 媒 等 使 用 頻 度の高 い フロ ン

12

（

CFC12，

　

CCI2F

_りを用い る

。

な おフ ロ ン_濃度は Ar に対し て 1000ppm （O

．

065　_g！min _）と し た

。

　また本 研 究で は

，

ハ ロゲン化合物であ るフ ロ ンを分 解 するこ とか ら

，

分 解 後に再 びフ ロ ンへ _{再 結 合 する}こ と や 有 害な副 生 成物が生 成 さ れること など を 考 え

，

副 生 成物 処理法とし て

，

石灰水を 入 れ た排ガス_処理器 （フッ 素 樹 脂製 ）を リア ク タ

ー

後 方 に 設 置 しt 副 生 成物 抑 制 技術 の 検 討 を行っ た

。

　

2

） フ ロ ン供 給 方 法 　まず 基 礎 実験と し てフ ロ ン分解 時の プラズ マ の _操作性 とフ ロ ン分解 率と の関 係を検 討 するため に フロ ン の供 給 方法に つ い て検 討 を行っ た

。

　

Figure

　

2

にプラ ズマ ト

ー

チ 部 概 略 図 を示 す

。

こ こでの フ ロ ン の 供 給 方 法は

2

種 類で あ り

，

作 動 流 体であ る

Ar

とフ ロ ン 12を 混合し

，

プラ ズマ ト

ー

チ部 内へ 流入 しプ ラズマ化と同 時に高 温の プラズマ 中に おい て フロ ン を 分 解 する方 法 （混 合 プラズマ 分 解 法）と

，

ノズ ル 出口 にス テ ンレ ス _{細 管 （φ}

2

_{）を 4本 設 置} し

，

フ ロ ンをプ ラ ズマ ジ ェ ッ ト中へ 直 接 注入 し て分 解 す る方法 （プ ラ ズマ ジェ _ッ ト_直接 注 入 分解法）である。 な おノズル 出口 とリ ア クタ

ー

後 方の排気 出口部 との距離が

100

  程度のス ペ

ー

ス がある た め に リア ク タ

ー

内壁の ふ く射の_{影 響}を 受 けて プ ラ ズマ_{温 度}が降 下 す る と考 え

，

陽 極 銅 ノズル 出口 か ら 15  後 方の 位 置にス テ ン レ ス管 を

91

気 出口部 方 向 へ _{設 置 し た実 験 も行っ て}い る

。

　

2．

3

　実 験 結果と考 察

　

1_） フ ロ ン_{分 解 率}の _{定 義} 　本 実 験で は

_，

ガス ク ロ マ トグラ ム に よ り得 られたフ ロ ン分 解 前 後の _{濃 度 値 を そ れ ぞ れ （}

CFC

_）o

_，

_（

CF

℃）1 と し て 下 記 の式に よ りフ ロ ン分解率

Dh

を求め る

。

　 　（

CFC

）o

−

（

CFC

）l

Dr ；

　 　 　 ×

100

_（％） 　 　 　 （

CFC

）。 （

2．

1

） 　

2

） フロ ン分解 時の プラズマ 特 性

　

Figure　3にプラズマ ジェ ッ ト発光写真 例 を示す

。

　Ar プ ラズマ ジェ _ッ トは

，

ノズル 出口よ り青 白 く発 光し

．

入 力 電 力 増 加によ り発 光 部は長 く大 き く な る

。

（a）混 合プ ラズ マ 法の場 合

、

低 濃 度で は変化が見ら れ ない が

，

濃 度 増 加 に ともない プラ ズマ ジェ _ッ ト後 縁 部が青 緑色に発光 する。 これ はフ ロ ン_{分 解 後}に発生 し た塩 素

，

フ ッ 素の ハ ロゲ ン と 陽 極銅ノズル との 反 応 Vに よ り 発 光 した もの と考 え ら れる

。一

方

，

（

b

）プラズ マ ジェ ッ ト直 接 注 入 法の 場 合

，

フ

一 2

プラ ズマ を利 用 した 環 境 汚 染 物 質の防 除 （木 下幸

一 ・

森 棟 隆 昭）

　 Ar　gas　er

（1）（Ar＋

CFC12

_）mb 【ing　gas　injection

I2 　

injection

　pipe

ling

　type　copPer 　nozzle

Exhaust　gas

Fig

．

2

，

　 Plasrna　torch _（CFCs　inj  tion　method _）

．

（

a

_）

MiXing

　

Plasma

　

Method

（

b

）

Direct

　

injection

　

Method

F

垉

．

3． Photographs

　of　plasma　

jet

_（16V

，

　

58A

_）

．

ロ ン分解 時に は青 緑色の 発 光 は確認で き なかっ た

。

また 混合 プラ ズマ 分 解法に比べ プラズマ ジ ェ ッ トの 長さ が短 く なっ てい るこ とからプラ ズマ直 接 注入分 解法の場 合

，

再 結 合 終了位 置が変 化 し た もの と考え られる

。

　Figure

　4に 入力 電力とプラズマ ジ ェ ッ ト後 縁 部に お け る温度との 関 係 を 示す

n

温 度測定 点は

，

ノズル よ り

t

／

d＝

5

の 位 置と し て お り

，

測 定に は W

−

Re高 温 熱 電 対 を 使 用 し た

。

な お

，

この温度 値は リ ア クタ

ー

内 壁 面の ふく射の 影 響 を 考 慮 し た もの と なっ てい る

。

こ の 結 果

，

得られた 温 度は約 1200

〜

4200K で あっ た

、

，

ま た

Ar

プラ ズマ の温度 に比べ _混合プ ラズマ 法の場 合プラズマ _温度_は上昇_し

，

_逆 にプラ ズマ ジェ ッ ト直 接 注入法の場 合は低下 した

。

プラ ズマ ジェ _ッ ト後 縁 部

Vd＝5

の位 置に おい て温度 変化 を確 認 した こ とか ら プラ ズマ再 結 合 終 了 位 置が 変 化したこ と と対 応 する。 な お

，

フ ロ ン 12を 分 解 す る際

，

吸熱 反 応 〔

1193．

68kJfmol

）を 生じ るが

，

本 実 験に おい て は フ ロ ン流 量 が 少 ないた めプラズマ ジェ ッ ト温度へ の影響は少ない もの と考え ら れ る。

　

3_） フ ロ ン注入法の比較検 討

　

Figure　5 に混 合プラ ズマ 分_{解 法}と ブ ラズマ ジェ ッ ト直 接 注 入 法の 分 解 率の 比 較 を示 す

。

いず れの フロ ン分 解 法 において も入 力 電 力 増 加に と も ない フ ロ ン分 解 率 も 上 昇 し てい る

。

混合プラ ズマ _法の場 合

．950W

以

E

で の最高 フロ ン分 解 率 は

85

％ 以 上に達 し てい る。 し か しフロ ン分 解に よ り電極 消 耗が起こ り

，

それに伴い プ ラズマ が 不安 定と な り連 続運 転が困 難と なっ た。 な お

，

電極 消 耗の結 果

，

塩化タ ン グ ス テ ン_（WCI りや_{塩 化 銅 （}CuCID と思わ れ る 粉 末 が 実 験 後 配 管 内で 確 認 さ れた

。 ．

’

方

，

プラ ズマ ジェ ッ ト直 接注入法で は

、

プラズ マの 発 生に は直接影響 3

湘 南工科 大学紀 要　 第

34

巻　 第

1

号 団

一

_Φ

門

邸 貫 o自 偲

一

Ω

噛

o   』 冒

一

的 」   自 日   ←

5000

40eo

3000

2000

1000

0

馴

一

→

ロ

ー

　Ar　only

− 一

囲

一

　　　

Mixing

　llethod

−

a

−

Di・e・・i・

jec

・i・nm・th_・

d

困／

6

’

　 　

ム 　 　 　 　ノ 　　　　　　　 ノ 　　　　　　　圜， ’ 　　　　　　　

．

’

°

　 　 　 ” 　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　　 ノ　 　 　 　　 　 　 　

ゆ

　　　　　　　’

●

♂

ρ

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

， ”



_◆



， ！ △

　

　

　

　

　

　

　

　

　

　

／

〆

　　

・

／

！ ！

°

　

℃

　

　

　

　

　

　

　

”



_◆



， ！

’

　　

ム 　 　 　　 　 　 　　 　 　 　　 　 　 　　 　 　 　　，

，

　　　

　　　　

囲

_．

”



ム 　　　　　　

●

ノ

　　　

　　　　

　　　　

ノ』’

　　　

　

◆

_．

_”

　　　

　

ら

・

・

’



























八r

　

gas

　

：

　

121

／min 　　　　　　

CFC12

：　1000ppm 　　　　　　

Plas

皿a　vo1Iage ； 　　　　　　

Plas

皿a　current 　：

　　　　　　Meas皿reing 　_point14

〜

20V60AQf

　　te皿perature1 ／d

＝

5

800

　　　　　　

900

　　　　　　　　　

1000

　　　　　　　　　

1100

　　　　　　　　　

1200

　　　　　　

1nPUt

　power 　　

W

　　　

Fig．

4

．

　

Relation

　

between

　

input

　_power　and 　temperature　of　_plasma　

jet

．

被 占  

一

田 琴 コ

［

_・

， 。 旨

8

Φ O

100

80

60

40

20

　　　　

0

　　　　　

800

　　　　　　

900

　　　　　　

1000

　　　　　　　

1100

　　　　　　　

1200

　　　　　　　

1nput

　

power

　　

W

Fig

．

5

．

　 Relation　between　iuput　power　and 　

decomposition

　rate　using　tWo 　method 　of　

CFCs

　injeCtion

．

プラ ズマ _{を 利 用} した環 境 汚 染 物 質の防 除 （木 ド幸

一 ・

森 棟 隆昭） 决 占

100

80

60

40   冨 」 ＝ o ＝ 冨 o 暑

8

昌 　 　

20



　 　 　 　

0750

850

950

　 　 　

1050

1nputpower

　

W

1150

1250

Fig

．

6

．

　 CFC　decomposition　in〔rase　of　using 　reaction 　_pipe

．

を 及ぼ さない た め安 定 した プラズマ が得 ら れ

，

連 続 運 転 が可 能と な る。 こ の と き の最 高 分 解 率は入 力 電 力

1．

2kW

で 97％ であっ た

。

以上の こ と か らプラズマの連 続 運 転 が 可 能で あ り

，

電 極 消 耗の 影 響が少ない プラ ズマ ジ ェ ッ ト 直 接注人法 を 用い て フ ロ ン分 解 実 験 を進め る

。

　 4） 反 応 管 設 置に よるフ ロ ン分 解 率の 向上 　本 研 究で は

．

プラズ マ ジェ ッ ト直 接 注入法が最 適なフ ロ ン注 人 方 法で あ ると し た こ と か ら次に リア ク タ

ー

排 気 出 1

．

1部に注 目した

。

現 行の装 置で は ノズル 出口 か ら リア ク タ

ー

排気出口 ま で約

100mm

の スペ

ー

ス が あ るためフ ロ ン分 解 時に は ふ く射の 影響に よ りプラズ マ温 度 が 低 ド するもの と 考え られた

。

そこ で ステ ン レ ス_製の _{配 管} （内 径

d−

8mm

，

　16rnm ）

2

種 類 を 用い て の フ ロ ン分 僻 の比 較

・

検 討 を 行っ た

。

　

Figure

　

6

に反 応 管 を 設 置 し た と きの 入 力 電力とフ ロ ン 分 解 率 と の 関係 を示す

。

反 応 管 を設 置 するこ とで高い フ ロ ン_{分 解 率}が得ら れ て お り

、

特に反 応管内 径d

−

8mm の と き

，

低 電 力 時に お い て も90％ 以 上の分解 率が得られ てい る。 また こ の ときの最 高 分 解 率は99％ で あっ た

．

内 径

d＝

16mm の と き

，

電 力 増 加にと も ない低 ド傾 向 を 示 して い る が

，

こ れ は陰極 タ ン グス テンを 通 常 よ り 長 く 取っ た こ とに よ りプラ ズ マが プラ ズマ ト

ー

チ部 内におい て発 生 し た結 果

，

プラズマ ジェ ッ ト温 度が低 下し分 解 率 も低 下 し たもの と考え ら れ る。 な お

，

長 時 間の運転の 際 に は内 径

d＝8mm

の 反 応 管は

、

内径が小さい た め高温流 中に お け る耐 熱 性に問 題が生 じた

。

　5＞ 副生 成物の処 理 　こ れ ま での 結 果 3）_{よりフ ロ} ン分 解 後に い くつ か の微 量 副生成 物が ガス ク ロ マ ト グ ラム に よ り確認 されて い るn そ こで本 研 究で は

，

水に

Ca

_（

OM2

を入れた処理器 をiJ _ア クタ

ー

排 気 出冂部と触 媒 層 との 間に 設 置した

。

これま で ア

ー

クプ ラ ズマ _法に お いて フ ロ ンを 分解 する際に添 加 剤 とし て Hz

_，

02

および水 蒸 気 を 用いて副生成 物を 処 理し て い る報 告が あるが

_，

プラ ズマ 生 成 時に水 蒸 気な ど を添加 する こ と で電極損 傷を 引き起こす 原 因 と なる ため

，

電 極 よ り距 離 をおい て処理 を行うこ と と し た

。

この 処 理 器 内 で は水に

Ca

（

OH

）2 を 混 ぜ 合 わせ

，

プラ ズマに よ り 分 解

・

電離し 沽性化さ れフ ロ ン 12 と水

，

生 成 された

HF ，

　HC1 と Ca（OH ）zの 反 応 を表 す次式に よ り無 害化 処理を 行っ た

。

CC12F2

＋2H20→

CO2

＋2HCI＋2HF （2

．

2

）

2HC1

＋

2HF

＋

2Ca

_（

OH

_）2→

CaF2

＋CaCl2＋4H20 　_（2

，

3_）

プラ ズマ に よ りフ ロ ンを 分 解し

_，

分 解ガス を処理器に

湘 南工科 大 学 紀 要 　 第

34

巻 　 第

1

号

、

Table1

．

Result　of　analysis 　by　detection　tUbe

．

Inlet

　_of　

Vessel



Outlet

　_of　

Vessel

HF

_75　ppm HC1 　　　　　　　　　 4ppm

Carbon

　

Tetrachloride

_O

．

8　ppm

Chloroform



lppm

Tetrachloroethylene



5ppm

Trichoroethylene

　 　　 　

lOppm

1

−

1

−

1trichloroethane　　　　　ND Polyvinyl　ChlorideNI）

NDO

．

8ppmNDNDM

）

m

　NDND

ND

：

Non

　

Detected

．

通 した後

，

ガス ク ロ _マ ト グ ラ フ によ り 分 析 した結 果

，

副 生 成物の生 成は認め られ なかっ た

。Table

　

1

に ガス検 知管 分 析 結 果 を示 す

。

こ の結 果か ら も抑 制が可 能で あるこ と が確認できた。 　2

．

4　 ま と め 　 直 流ア

ー

ク放 電 プラズ マ を 用い て フ ロ ン分解 実験を 行っ た結果

，

混合プラ ズマ 法は低電 力域に おい て も 高 分 解 率が得ら れ てい る が

，

電 極 消 耗が生じ た。

一

_方

_，

_プラ ズマ ジェ ッ ト直 接 注入法は

，

電 極へ の 影 響は なく

，

連 続 分 解 が 可 能 と な り最 高 分 解率

97

％ が え ら れ

，

ま た プラ ズ マ ジ ェ ッ ト後 縁よ り リア クタ

ー

出口へ 向かっ て 反応管 を 設 置 す るこ と で99％の 分 解率が得られた こ と か ら

，

プ ラ ズマ ガス温 度 もフ ロ ン分 解 率に影 響 を もたらす

。

　フ ロ ン分 解 後に は副生成 物が確 認さ れ たこ とか らフ ロ ン分 解ガス _{を 石 灰 水}に通 すこと によ り 副 生 成 物の 抑 制 を 可 能と し た

。

　 　 　

、

3 ． プ

ラズマ _生

_成

ラ

ジ

カ ル に よ る 　 　 　 窒 素 酸 化 物の除 去 　

3．

1

　 ま え が き

　

燃 焼装 置か ら排 出される窒素酸 化物（

NO

）によ る汚 染 は ， 大 都 市 圏で の総 量 規 制に もか か わ らず 増 加 傾 向に あ る。 これ まで燃 焼装置か ら排出される

NO

．（

NO ，

　

NOD

の 防 除を 目 的 と し て

，

廃棄物 焼 却 炉や デ ィ

ー

ゼ ル機 関に触 媒 脱 硝 法 4）_{や プラズマ法}5）

，

S）_{およ びコ ロ ナ 放 電法}m_{を適用 し} て

，

排ガス中の NO

_、

を 無 害な窒素

，

酸 素に変 換 する こ と の 可能 性や除去機 構 を著者 らは考 察 して き た が

_，

現 在で は さ ら に高 効率t 省エ ネル ギ

ー

_{的 な 方 法 を 開 発 するこ と} が求め られてい る

。

　

ア ン モニ ア _（N 恥 を 用い NOx _{を還元 す}る触 媒脱硝 法で は

，

生 成 され た

NH2 ，

　

NH ，

　

N，

　

H

ラジ カル が

NO ，

　

NO2

と反 応 し て

N2

や水 な どに変 換され る こ と によ り

NO ．

が除去 さ れ るメ カニ ズム _を持っ て お り

，

除去 率は触媒 表面に おけ るラジ カル _{生 成 率}に強 く依 存 す る

。

こ の ラ ジカ ル生 成 率 を どの よ う な 方 法でい か に上 昇 させるかは 重 要 な 問 題で あ る

。

　

本 研 究では 熱 プラ ズマ を 用いて

NH3

や _馬の ラ ジ カル を 高 効率で生 成する条 件 を求め る こ と

，

お よびラジ カル を排ガスに注入 して NOx と反 応さ せ これ を 除 去 するこ と を 目 的 とし てい る

。

ラ ジ カル 直 接 注 入 法につ い て は

，

こ れ まで

Zhou

ら8）_{が高 周 波 プラ ズマ に よ り 生成 し た}

NH

，ラ ジ カル を

CH4

炎の 下 流に注 入 し た場 合の

NOx

除 去 率 を 求 めて い るが

，

プラズマ 入力の 影 響

，

酸 素の 影 響

，

リ

ー

ク NH3 特性な ど不 明確で あ り

，

反 応 式に よる説明も な され てい ない

。一

方

，H2

ラ ジ カル につ いて は

，

全く研究さ れ てい ない 状 況に あ る

。

　

これ よ り

，

本 実 験で はア ル ゴ ン

Ar

と 微 量の

NH3

あ る い は H2 との混 合ガスをア

ー

ク放 電で プラズマ 化 し て

_，

そ の 高 温 場 におい て 解 離に よ り

NH3，

　

H2

ラ ジカ ル を 効 率 的 に生 成 さ せ

，

こ れ ら の ラ ジ カル _を排ガス と反 応さ せ て

，

排ガス 中の NOx を除去する場 合の 最適 条件を検 討する

。

　3

．

2　 実 験 装 置 と測 定の方 法 　

1

） ア

ー

ク放 電 プラ ズマ による ラ ジ カ ル発 生装 置

　Figure

　7に 示_すア

ー

クプラ ズ マ 発 生装 置は外筒 管と し て直径 200mm の ステ ン レ ス_{管 を 用}い

，

側 面の 観 察 用 窓 ガ ラスよ りプ ラ ズマ ジェ _ッ トの可 視が可 能 な 構 造 で あ る

。

内 側の陽 極は水 冷 銅ノズル （ノズル径 3  ）で あり

，

陰 極は タ ングス テ ン _（

3

_φ）とし て いる

。

外 筒 と陽 極はテ フ ロ ンによ り絶 縁されてお り

，

電 源に は_{直 流 電 源 （}

35

　

V，

　100　A_） を 用い る

。

発 生 した プラズマ 光は 観察窓に 取付けた光 フ ァイバ を通って モノクロ メ

ー

タ に 入射し た後 分光され

，

ペ ン レコ 上にスペ ク トル が描か れ る

。

　プラ ズマ作 動ガスとし て用い る

Ar

（

12

　

1

_／min _）は

，

そ_の

一

部 がバ イパス 流路 中のア ン モニ ア水の容器 を 通 過し て NH3 を 含み ， その後 再び Ar と混 合 して 陽 極 銅 ノズル に 流 入 す る

。

陽 極 内で は

Ar

と 微 量の

NH3

を 含 む 混 合 ガス がプラ ズマ 化さ れ

，

高温 と なっ て

NH3

ラ ジ カル が生 成さ れる。 同様に水 素の場 合は

，

水 素 発 生機に おい て生成し た微量の水 素を 愈 と 混合し

，

銅 ノズル に流入 さ せ てプ ラズマ _化さ せ るこ と で H2ラ ジ カル が発生する

。

　

2

） 生 成 ラジカ ル の混 合に よる脱 硝 特 性 と 実 験 条 件

　

燃 焼 模 擬 排 ガス とし て（

N2

＋

NO

_）

，

_（

Air

＋

CO2

＋

NO

_）ガスを 使用 する。 こ の模 擬ガス を プラズ マ 反応室に流入 させ る と

，

NO

は

NH

_』や

NH

，

　

N

，

　

H

な どの ラ ジ カル と反 応 し て除

6 一

プ ラズ マ _{を 利 用}した環 境 汚染物 質の防除 （木 下 幸

一 ・

森 棟 隆昭）

Treated 　ga3 （闢，州 Ol　 Spectr 。 皿eterHz 　generator

TV ロonitor Coohng 冐aterTe 皿P

．

_{驚 鱚}嚇 ← A_叶 H2 ← △r＋NH3 蝦 竃OH

』

Torch Si　tube _量1a 鋤

し

無甜宏c

_輔

1

_Ar Pu皿P

・

_{鰤 Feede}

鞭

幽 瞭 四〇x

，

02 H20

，

　 NH3 CO　he七e Cooling 　　冒ater ∈

D

Plotter Pre8sure Pouer　SUPPly

Atロ03phere 聊

Fig．

7

．

　

Radical

　generator　

by

　arc　plasma　and 　

de−NO

．　system （

NH3

　and 　H，　radicals ）

．

去さ れ る

。

プ ラズマ ジェ ッ ト近 傍の ラジ カル の 存 在 する 範 囲に ガス を注 入 する こ と や

，

ラ ジ カル の存 在 する時 間 内に反 応 を終了 さ せ る 必要が あ る

。

ガス とラ ジカル の混 合位置 を変え る た め に

，

ノズル 出口と ジェ ッ ト後流の排 気 管 との距離を

2

段 階に変え てい る

。

　 （

N2

＋NO ）ガス にAr プラズマ _{を作 用 する と}

NO

_{が還 元 さ} れて除去され る 特 性 5）

，

6］_{を 既に著者ら は確認し てい るが}

_，

本 実 験で は プ ラズマ ガス に

NH3

や

H2

を添加する こ とで 低入力エ ネル ギ

ー

部 分におい て

，

さ ら に

NO

除 去 特 性が 上昇 す る 可 能 性 を 求め る

。

な お

，

ガス 中に酸 素 を 含 む 場 合

，

N ，

　

NH

_{ラ ジ カ}ル と酸素の反応に よ るNO ．の 生 成が考 え られ

，

こ の 生成 量 を 低 く 押さえ る方 法の検 討が必要で ある。

　

反応 後の排ガス 中の NO 、の濃度 測 定に は化 学 発 光 式 濃 度 計 を 用い た

。

模 擬 排ガスの流量は

30Vmin

_， ガス温 度は 室温であ り

，

Ar

を 含めたガス _中の NOx 初 期 濃 度は 約 300

〜730ppm ，

アン モニ アモ ル _{比 （}NH ，nNO）は 0

．

5

〜

1で

3

段 階に変え

，

水 素モル 比（

H

，！NO ）は約2

．

5

とし た

。

　

NO

．除去率 Rn ％ につ い て は

，

　NOi。

，

　

NO

，x をプラ ズ マ放 電 印 加の _前後の 出口 NOx 濃 度とし て

_，

_式（

3．

1

_）で定 義す る。 Rn

＝

_（NOln

− NO

。x）！

NOin

×100 （％ ） （3

．

1）

　

また

_，

プラズ マ へ の電 気入力 条 件 を

50〜90A ，14〜

18V と変え るこ と に よ り_〔Ar＋NHalや _（Ar＋

H

_∂ガ ス の 高 温に お け る滞留時間 を 変 化 させ た実 験 も 行う

。

実 験で は Ar に 混 合し た

NH3

や H2が なるべ く残らず使用 さ れ るこ と が 望 ましいが

_，

未 反応や再結 合す るNH，や

4

も存 在 する と考 えられる の で

，

未反 応

NH3

につ い ては排 気 出口 で検 知管によ り測 定して NH3PNO で整 理 し た

。

な お

，

　

Ar

がア ン モニ ァ水の容 器 を通 過 する間に含ん だ水分 も

，

排 気 出 口で検知 管に よ り測 定 した

。

　

3

） プ ラ ズマ に よ る ラ ジ カル 生成の 平 衡 計 算

　

ア

ー

クプラ ズマ に よ りAr とNH3 や H2 の混 合ガス を励 起 し て NH2

_，

　

NH ，

　

N ，

　

H

等の ラジカ ル を 生 成 するが

_，

プ ラズ マ の 高 温場に おいてラ ジカ ルがど れ だけ生 成 する 可能 性 が ある かを検 討する た めに

_，NH3

に

H20

を含め た ガス の 温度上昇時の化学 平 衡 成 分 を計 算 した。 これよ り

，

高 温 と な り

NH

，が分 解して減 少 すると

，H2

や

N2

が増 加 しさ ら に 温度上昇に よ り

，

NH2

_，

　

NH ，

　

N，

　H が 生成 し増 加し て い く

。

ま た

，

水 素ラ ジカ ル の生成温度 特性 を求 め

，

再 結 合 速度 を 計 算し た

。

化 学 平衡計算プロ グラ ムと して はス タ ン フ ォ

ー

ド大 学の

STANJAN

を 用い て い る。 　

3．

3

　実 験 結果と考 察 　

1

）

NH3

ラ ジ カル 法 　

Ar

に

NH3

を添 加 するこ とに より プ ラズ マ _光は や や明 るく発 光 部が長 く鋭 く なる が

，

プラ ズマ の安定 性

，

持 続 性は変化 しない

。

NH3

を添 加 し た場 合の プラズマ 分 光ス ペ ク トル 中に は

Ar

の みの プラ ズ マで は見 ら れ なか っ た N，　

H ，

　

O

の スベ ク トル が観 察された

。

これ よ り

NH3

の添 加 によ りプラ ズマ ジェ _ッ ト中に NH3 ラ ジ カ ル が存 在 する可 能性が推察され る

。0

スペ ク トル が存在 する理由は実 験 で は

NH3

ガス より も実 機 搭 載に容 易と考えられ る ア ン モ ニ ア_水（NH40H _{）を 用}い たた め に

，

水の_解離に伴っ て 生じ た もの と考 察 さ れ る

。

　

Figure

　

8

に実験 結果例と して

，

模 擬ガ ス _（

N2

＋

NO

_）の流 量が

30Ltmin，

混 入するア ン モ ニ ア モル 比

NH3

／

NO

が0

〜

O．

4の場合の除 去 率

Rn

と プラズ マ の 入力 電 圧の関 係 を 示 す

。

ガス をプラ ズ マで生 成 し た

NH3

ラ ジカ ル に混人_する こ とに よ り

，

低電圧領 域に おい て除 去 率が 上昇し てい る

一 7

湘 南工科 大 学 紀 要　第34 巻　第 1号 口 100 05

0

2

田

［

σコ 冫 O 已 O 」 ×

OZ

14

Voltage

　 16

（

volts

_）

1

O

ζ

ヨ

Z

　 　 　 　 σ

5

℃ 0

鶯

o 日 ） 〔

18

Fig

．

8

．

　 NO_、　removal 　rate　and　leaked　NH3　using　

NH3

　radical　method

，

_（N2＋NO _）gas

．

こ と がわか る

。

ま た

，

リ

ー

ク NH ，は Fig

，

8で は oで あ る が

_，

NH _，をさ らに注入し て モ ル 比 1 とした_場合

，

リ

ー

ク

NH3

の モ ル比 は 最 大

O．

35

と なっ た が

，

除 去 率の上 昇はわ ずかで あっ た

。

リ

ー

ク

NH3

につ いて は

，

定性 的に は混合 し た NH4NO が 多い ほど 末 反 応 NH，

mNO

が多い結 果が得 られた

。

　

従 来の 著 者 ら の 研 究 5｝に よ れば

_，

NH3 を 注入 しな くて も

，

NO

は

Ar

プラ ズマ によ り解 離 され

Nb

　

02

に再 結 合 さ れるこ とで

NO

は減少する こ と が確 認されてい る が

，

　NH3 ラジ カル が存 在 す る場 合に は

_，

以 下の素 反 応 式の よ うに

，

NH2

_，

　NH

，

｝

H ，

　N 等 と反 応して

NO

は さ らに還 元 さ れ

，

　

Fig．

　

8

の よ う に

NH31NO ≡O．

12

〜

O

．

37

で は 脱硝効 果が 上昇する 結 果が得ら れ た もの と判 断される。

NH2

＋

NO

→

N2

＋

H20

NH

＋

NO

→

N2

＋

OH

N

＋

NO

→

N2

＋

0

4H＋2NO → N2＋2H20 （

3．

2

） （

3．

3

） （3

．

4） （3

．

5）

　

Figure　9に （Air＋

C

（）₂＋ NO _）ガス をNH3 ラジ カル と 混 合 し た場 合 を 示 すが

，

脱 硝 と は逆 に NOx が増 加 し 入 力 電 圧 が 高いほ どこ の傾 向 が 顕著で あ る 結 果 が 得 ら れた

。

これ は模 擬ガ ス 中に _酸素が含 ま れるこ とに よ り

．

N

_，

　NH ラジ カル と酸 素の反応

，

酸 素ラ ジ カル と窒 素の _{反 応}に よ り NO _、が生 成 された もの と考え ら れ る

。

また

，

電 圧の 上昇 に より ガス _中に

100〜500ppm

の

CO

が測 定されたe 以 上 よ り

，

ディ

ー

ゼル_排ガスの よ う に ガス _中に酸素が含まれ る場合は _， NH_：sラジカ ル注入法の 適 用は困 難で ある が

，

酸 素 がほと ん ど 含 まれない ガ ソ リン_機関 排ガスへ _の適用 の 可 能 性は十 分 あ る と 考 察 さ れ る

。

　2

）

H2

ラ ジカル 法

　Figure

　

10

_に実 験 結 果例_{と し て}

，

模_{擬ガ ス〔}

N2

_＋

NO

_）の流 量が30〃min

，

混入する水 素モ ル比 H21NO がO

〜

2

．

5

の 場 合 の _除去 ＊

・

　

Rn

_{と プラ ズマ の入 力電圧の関係 を示 す} 。 プラ ズマ で生 成 した_馬 ラ ジ カル と ガス を 混合 するこ と に よ り

，

低電 圧領 域に おい て除 去 率が ヒ昇 し て い るこ と がわ か る

。

な お

，

リ

ー

クは測 定し てい ない

。

模 擬ガス をプラ ズマ ジ ェ ッ トの 後 流 部（

lld

＝2

）に流入 さ せ た場 合の ほ う が ラ ジカル との_混合が良 好で

，

除 去率もや や高い _{結 果}が得 られて い る

。

い_ずれに し て もH2 を 混合す るこ と に よ り

，

プラズマ _{単 独}より も脱 硝 効 果が上昇 す る 結 果が得 ら れて お り

，

こ_{れ は 式 （}

3．

5

_）の 反 応 が 生じた た め と考 え られ る

。

　

Figure

　11_{に （}

Air

＋

NO

_｝ガス を排 気管の位 置 Vd

＝

1に おい て

H2

ラ ジ カル と混合し た結 果 を 示 す。 低 電 圧 部で は 1） の M _{｛3 の} 場合と同 様に NO

_、

が増 加 する が

，

入力 電 圧が 高く な る と脱硝が は じ ま り

，

電 圧 18V の 条 件で は 50％ 近い除 去 率が得られて い る、 これより

，

排ガ ス中に酸 素 が 含 ま れる場 合に は

，NH3

よ り も

H2

ラジ カル を適 用 し電 圧 を 17V 以 上とす るこ とで

_，

　NOx は減 少 す るこ と がわ

一 8 一

プラ ズマ を 利 用 した 環 境 汚染 物 質の防 除 （木ド幸

・・

森棟隆昭 ） O

50

　

ま 　 ロ に 　 o 琶 」 肩 冫 oEoh 　 　 oo 　 　 dxOZ

1

0

　 　 　

14

　 　 　 　

16

　 　 　 　18

　　　　　　Vbltage　　

（

volts

_）

Fig．9．

　

NO エ

removal 　rate　and 　

leaked

　

NH3

　using 　

NH3

　radical　method

，

〔

Air

＋

CO2

＋

NO

_）

gas．

100

05

  髯 」 罵 ＞ O 日 O 」 ×

OZ

0

14

Fig。

　 lo

．

　 　　 　 　　

16

　　　　 　　　 　　

18

　　 　　　　 　　　

20

　　　　　　　

Voltage

　（

volts

_）

NO

エ　removal 　charaCteristics 　

by

　

H2

　radical

，

（

N2

＋

NO

）

gas．

OZ

＼

ONZ

．

OZ

丶 ＝

Z

℃ o 》 冩 o 』 9

湘 南工科 大 学 紀 要 　 第

34

巻 　 第

1

号

100

　 　 　

50

承 ⊆

0

　

　

　

　

50

　

　

　

　

00

　 　 　 　 　 　 　 　

_一

　

　

　

司

o

輕

一

鐔

o

∈

o 」 xOZ

一150

十 Ar 十 200c／min ［476ppm］

一

_壷

一

_330c／min ［785ppm］ 十 　輪 c ／min 　　匸1047ppm］ 十 5500／min 【1308ppm】

一

_●

−

_{66cc／m   ［1569ppm］}

■

_く：》

■

覃

77

．

5cc／min ［1842pprn］

一

ロト9Sec〆m   匸

2091ppm

】 Ar　_plesme　90A

，

14酎 18V 　 　

Ar

：

12L

！rnin （A酬 O）：30L／mh esrne りec　　　り　り 　　　　　　　＝

Exhouet

　pip_●po_醐1_〆d＝ 1 　 　 NO：2219pprn

13

t4

15

　 　 　

16

　 　 　

17

Voltage

（

volts

_）

18

19

Fig

．

11

．

_NO κ　removal 　chara 〔ieristics　

by

　

H2

　radical

，

（

Air

＋

NO

）gas

．

かっ た。

N 瑞

の場 合

，

解 離によ り生 じ る

N

ラ ジ カル と酸 素 との 反 応 に よっ て

NOx

が 生 成 す る が

，

　

H2

の 場 合こ れ が ない こ と が 理 由 と 考 え ら れ る

。

　3

．

4　 ま と め

　

Ar

プ ラズマ によ り

NH3

や

H2

を 解離して

NH3

や

H2

ラ ジ カ ル を 生 成 させ

，

これに燃 焼 模 擬 排ガ ス _（N2＋NO_）

，

（Air＋

CO2

＋NO _{）を 混 合} し て

_，

排ガ ス中の NOx の 減 少する 可能 性を検 討し た結 果

，

プラ ズマ だ け で は

NOx

除去率の 低かっ た低 電 圧 部分 に おいて も

，

NH3 やH2 ラジ カル を混 入 す るこ とに よっ て除 去 率 を上 昇 す るこ と が 可 能であ る こ とがわか っ た

。

4 ．

窒 素 コ ロナ 放 電による燃 焼 排ガ ス

中

の 　 　 　 　窒 素 酸 化 物 の 除 去 　

4 ．

1

　 ま え が き 　 第 3 章で は

，

プラ ズマ によっ て生 成 したア ン モ ニ アや 水 素の ラジ カル を排ガス と 反 応 さ せ て

，

燃 焼排ガス 中の 窒 素 酸 化 物

NOx

を 除 去 す る場 合の最 適 条 件 を検 討して い る

。一

方

，

化 学 平 衡 計 算で は

，

窒素ラ ジカ ルが水 素ラジ カ ル よ り もその _{再 結 合}速 度が遅 く

，

従っ て

，

窒 素 ラジカ ル を 用い る ほ う が NO 。除 去の 可能 性は高い とい う結 果が 得 ら れた

。

これ よ り本 研 究では

，

取 扱い 上の安 全性や 実 用性から水 素 は 用い ずに

，

窒素源 とし ても

NH

，の かわ り に 窒素ガス を使用 し て 窒素 ラジ カル を 生成 し

，

NOx の 除 去 特 性 を 考 察 す ること と した

。

また

，

著 者 ら は

NOx

除 去 に関 連し て これまで ア

ー

ク放 電プラ ズマ を用い る方 法や

，

高 温の 窒 素プ ラ ズ マ を排ガ ス に 注入 _する方 法 を 検 討51

・

6｝

，

9）

llo

）_{し てい る が}

_，

_{熱 プラ ズマ より も低電 力で安定作} 動 するコ ロ ナ放 電 を使 用 する ほ う が ， 省エ ネル ギ

ー

_の観 点か ら は 望 ましい と考 え ら れ る

。

　

本 実 験で は

，

コ _{ロ ナ 放 電 管に は} NO 、減 少 反 応に関 連 す る窒素の みを流入 し て窒 素ラジ カル _を生成し

，

これ を模 擬 燃焼排ガ ス と混 合し て ガ ス中の

一

酸 化窒素

NO

と 反 応 さ せ

，

NOr を除去する窒 素コ ロ ナ放電方 式の 可能 性 を考 察 した

。

これ よ り燃 焼 排ガス 中に酸 素

，

水 分 が 存 在 し て も

NOx

除去 率に は影響せず

，

炭 酸 ガス か らの

CO

の発 生 も ない 窒素コ ロ ナ 放 電 に よ る

NOr

除去法 を提 案 し た の

_。

　

4．

2

　 実 験 装 置 と 方 法

　

Figure　12に_{実験 装}置概 略 図と使用放電管を示 す

。

放 電 管の 電 極は外 側 電 極の 内 径 D×長 さL（  _）が

，

54×160

10

プ ラズマ _{を利 用}し た環境汚 染 物 質の防 除 （木 下幸

一 ・

森 棟 隆 昭 ）

CO

，　

CO2

　

He

七

er

四

〇

xHe とe

（

層

0

，

HO2

｝

Vaeu

皿

Pu

皿

POu

ヒ

02Me

ヒ

er

厂

_ノ

、

　

　、

△

spirator







Sinula

七

ed



Exhaust



G

＼ コ 浮 一

CoronaDischarge

　

Tube

N2

　

eorona

　 　 　 −

十



DC



Supply

High



Vol

ヒ

．



Resis

ヒ

anee

匡

L D

　　

Tube

−

1

D

＝

₅叫

，

　L

＝

160

匡

壷

CO2

　

NOH20

　

Boiler

　　

Tube

−

2

D

＝

28

_，

　L

＝

160

（a ｝　Apparatus 　of 　N2　minus 　corena 　discharge 　　　　（b｝　Corena 　reactor 　Tube

−

1

，

2

Fig

．

12

．

　 Exhaust　

gas

　cleaning 　by　N2　corona 　discharge

．

〔Tube

−

1）

，

28

×

160

_（

Tube−2

_）の 2種類で材 質は

SUS304

を 使 用 し た

。

中 心 電 極に は

O．

18，0．

3，0．

8mmiP

の 3騨 の銅 線 を 使用し

，

電 極 径

d・

＝

O

．

3mmiP

の銅 線につ い て は

，

放 電の 安定 化 を試み る た めに銅 線に 20  ピ

・

ソチで結び目 を 付 けたもの も使用 し た

。

これ らの 外 側

，

中 心 電極の_{組 合}せ で放 電実験 を行い

，

放 電 範 囲が広 く 気 体の活性 化特 性の 良好な 放 電 管 を選 択 し た

。

これよ り

，

電 圧 電 流の作 動 範 囲や安定性を 考 えて 本 研 究で は中心電極

1

聟 を

03

  φ と し

，

放電管につ い て は作 動 範 囲と ともに

．

外 側電 極の 内 径

D

の大 きい放電 管の方が

，

処 理ガス量 を 多 くとれる 可能 性があ るこ とも考慮 し て

，

主 として

Tube−

1につ い て実験 を進め た。 なお こ こで は

，

中心電 極が正

，

負 極の 場 合に成立する放電 をそれ ぞ れ 正 極 性

，

負 極 性 コ ロナ放 電として い る

。

電 源に は高電 圧直 流電 源 （

35

　

kV，

　

3

　rnA _）を 用い

，

負 極 側に 10kΩ の_保護 抵抗 を入れて い る

。

　

放 電 管 内に窒 素 ガス を 注入 し て生成され た 窒素ラ ジカ ル は

，

放 電管を出た後に ア ス ピレ

ー

タに て 常 温の 模 擬 燃 焼 排ガス _（Air＋

CO2

＋

H20

＋

NO

》と 混 合

・

反 応 し た後

，

排 ガスの

一

部は サンプ リン グ されて NOx

，

　

02，

　

CO ，

　

CO2

な どの 体積成 分濃度が測定 され

，

その後 大 気へ _放出さ れ る。 放 電 管に流入 さ せ る窒 素ガス _（以 後 作 動ガス）は

，

コ ロナ 放 電の 安 定 性 を 考慮 して 3

〜

811min（15°

C，

101

．

3kPa

，

以

．

卜 同様 ）と した

。

な お

，

放 電 管 を流 出 する窒 素は ほぼ常温 で あ る。 処理 される模 擬排 ガス の流 量は 15

〜

25〃min と し てお り

．一

酸 化 窒 素の初 期 体 積 濃度

NOi

_， （作 動ガス と 模 擬排ガス との混 合 後の濃 度）は

3

段 階に_変えた

。

ま た

_，

窒素ラ ジ カル と模 擬 排ガス との 混 合ま で の 距離を 変え て 実 験 を 行い

，

NOx 除去率か ら滞 留 時 間に よ るラ ジ カル _残

存 特 性 を 考 察 し た。

NOx

（

NO

＋

NOD ，02，

（

CO ，

　

COD

の濃 度 測

定に は

．

それ ぞ れ 化 学 発 光法

，

磁気風 式

，

非 分散赤 外 線 吸 収 法 を 用い た _。 　 4

．

3

　窒素コ ロ ナ放 電によ る ラ ジ カル 生 成 特 性 と

NOx

　 　 　 除 去 率 　コ _{ロ ナ放 電 を 用}い た従 来の _排ガス_浄化 法 11P14）_{に おい て} は

，

燃焼 排ガス を直接 放 電 管に流入 さ せ てい るが

，

この 方 法で は被 処 理排ガス 中の_{酸 素}や水 分が NOx 除 去 率に影 響を 及 ぼ し

，

また

，

炭酸ガス よ り

CO

の発 生 す る 可 能 性 も あ る

。

本 研 究で は

，

放 電管に は

NOx

減 少に直 接 関 連 す る窒素の みを流入 させ る窒 素コ ロ _{ナ放電 方 式}によ り

，

解 離 窒 素 原 子

・

励 起 分 子 （

N ，N2

＊ ）な どの 窒 素 ラジ カル を 生 成 し

_，

こ の ラ ジ カル を模擬 排ガ ス と 混合

・

反応さ せ て

，

以 下の_{式 （}4

．

_1）およ び

Fontijn

ら15｝の提 案 す る式 （4

．

2

〕に よ る 排ガス 中の NO 除去の 可能 性 を 検 討した

。

N

＋

NO

→

N2

＋

0

N2

＊_＋

NO

→

N2

十N＋0 （4

．

1） （4

．

2

）

11

湘 南工科大学 紀要　 第

34

巻　 第

1

号

20

纛

15

Ol

5

o

←

田 駕 ＞ o 日

9

×

OZ

00

　 　 　

10

　 　 　

20

　 　 　

30

　 　 　

Power

　 　

W

Fig．

13

．

　 EffectS　of　corona 　power　and 　

NOin

　ppm 　on 　NO κ　removal 　rate （＋eorona ）

．

NO 、

除去率

Rn

につ い て は

．

　

NOi

_．

，

　

NO

_。h をコロ ナ_{放 電}印_加 の前 後の排ガス 中の

N

_{叺 濃}度 とし て式 （

4．

3

＞で 定 義する

。

Rn −

（

NOi

。

− NO

、h）／NOmX100 （％） 〔

4．

3

）

　

模擬排ガ ス _（

N2

＋NO _）の場 合に

，

ガス中の窒素酸化物 初 期濃 度 （荷電前の_濃度）

NOi

，の値 を 変 化さ せ放 電 管か ら の窒 素ラ ジカ ル と混合し て

．

排ガス 中の

NO

_、濃 度 を減 少 させ た結 果 をFig

．

　6に示 す

。

正極性の場 合 30w で最 大

10

％程 度の窒 素 酸 化 物が還 元され減 少し てい る が

，

窒素 ラ ジ カル量 は 窒 素ガス に有 効に伝 達さ れ た 放 電 入力で決 まると考 え られ

，

放 電入 力が

一

定で あれ ば生成 さ れ る窒 素ラ ジ カル 量は

一

定 と考え られ るの で

．

初 期濃度NOi． が 増加すると

NOx

除去 率

Rn

は低 下 す る

。

しか

v ，

　

Fig．

　

6

よ り同じ投入電力に おけ るNO_、減 少 量 を 求め る と

，

初期濃 度

NOi

，の高い ほど

NOx

減 少 量 が 少 な い結 果が得 られた

。

こ の 結 果に つ い て は窒 素ラ ジ カル と

NO

との反 応 効 率 が 関 連 すると 考 えられ る

。

負 極 性で は 16W 程 度でス パ

ー

クが生じ た

。

い_ずれに しても 正 負 極 性コ ロ ナの場 合に

，

初 期 濃度 NOi， が220ppm で は 10％ 程 度の NOx 除去率が 得られる こ と がわか る。 　本 研 究で提案する窒 素コ ロ ナ放 電は

．

とくに正極 性コ ロナの場 合にス パ

ー

クへ _{移 行} しやす く不 安 定な面が あ る

。

そこでO

．

3mmil

の 中心電極に結 帽 をつ けて放 醗 生 部 とすることで

，

コ ロ ナ放電の安 定性を さ らに向 上さ せ る こ とを 試み た

。

こ の場合の

NOx

除去 率

Rn

に つ い て

，

正 極 性コ ロ ナの_{結 果}の

Fig．

　14に よる と

，

結び目つ きの場合

NOx

除 去 率が低下 し作 動電 力範囲 も結 び 目 なしの場 合と 大 差ない が

，

放電 時の 電 流値の ふ れの有 無 な ど を 考 慮 す る と結 び 目つ きの方 が 放 電安定 性があ り

，

制御し やすく 実用的と考え られる

。

また負 極 性の場合結 び目 が 発光し て 安定 放 電 し て お り

，

以 後の _実験 で は 中 心 電 極 径 0

．

3  _φで 結び 目つ き の線を用い るこ と と し た

。

　

NO_．減 少に必要な解 離窒素 原 子な ど 窒 素ラ ジカ ル は

．

放 電領域 を 出てか ら急速に再 結 合し て

，

励 起 窒 素 分 子 さ らに窒 素 分 子に戻 ると考え られる。 こ れ よ り窒 素ラ ジ カ ル が模 擬 排ガス と混合するまで の_{距 離}を 可能な限り短 く し て

_，

ラ ジ カ ル の 多 く残っ て い る状 態で 排 ガス と 混合

・

反 応 させt 被 処 理ガス 中の

NOx

を減少さ せ る こ と が望 ま しい と考え られる

。

放 電 部 出口 か らア ス ピレ

ー

タ に お け る混合 部ま での 距 離と

NO

_．除去 率 Rn の 関 係 を 調べ る た めに

，

ア ス ピレ

ー

タへ の連 結 管 を延長し て

，

通 常の実 験 の 混 合まで の滞 留 時 間の 約 1

．

22倍と し た場 合の実 験 結 果 を

Fig，15

に示 す

。

　

Figure

　

15

に おいて τ

＝1222

の場 合

，

　

NOx

除 去 率

Rn

は 10

〜

20　W の 範 囲に おい て τ

＝1

の

Rl

値の

65〜80

％ に減 少して い る

。

これはア ス ピレ

ー

タ の混 合 部 ま で の体 積 部の増 加

，

す な わ ち

，

滞 留 時 間の 延長に よっ

て ラジ カル が 再 結 合 して窒 素ラ ジ カル量が減 少し たこ と が原 因と推 測さ れる

。

　

Figure

　

16

に さら に

H20

を 含 む 模 擬排ガ ス _（

Air

＋

CO2

＋

H20＋

NO

_）の _場合の

NO

工除 去 率

Rn

の 結 果 を 示 す

。

本研 究

プラ ズマ を利用し た環境汚 染 物 質の防 除 （木 下 幸

一 ・

森 棟隆昭）

20

纛

15

2

録 【 邸 ＞ O 日 O 」 ×

OZ

10

5

00

10Power

W20

30

Fig．14．



Effect

　of　

power

　on　

NO 、

removal rate_（伽ewire 　with 　and 　without 　knot_｝

．

20

長

15

01

5

譽

二

邸 ＞ O 日   」

さ

Z

OO

10Power

W20

30

Fig。15 ．

　

Effect

　of　retention 　time　on 　

NO

_ご　removal 　rate _（

−

corona _）

．

で検 討 し てい る窒 素コ ロ ナ放 電 方 式で は

，

被処 理ガス は 放 電 管 を 通 過せず H，O は放 電 印 加 されて い ない の で OH は生 成 しない

。

従っ て次 式 N＋

OH

→ NO ＋

H

_（

4．

4

_） に よ る

NO

の生成は な く

，NOr

除 去 率

1

〜η に及ぼす 被 処 理ガ ス中の水 分の 影 響は ない

。

また

，

Fig

．

　16中に 被 処理 ガス_流量 を

25

　

1

／min と し た場 合の結果 も併記する が

．

流 量 増 加に よ りNQ _，除去率 Rn は 当 然 低 下する． 以 トの

Figs．15，16

につ い て は正極 性コ ロナ の場 合に関 し ても 同 傾向の 結果が得ら れて い る

。

　4

．

4　 ま と め 　窒 素 をコ ロ ナ 放 電 管に直 接 流 入し

，

生 成 され た 窒素原 子

・

励 起分

f

な どの窒 素ラ ジ カル を 燃 焼排ガス と混 合

・

13

湘 南工科 大 学 紀 要 　 第34巻 　 第 1号

20

　　　　

　 　 　 　 ・

15

　　　　

O 罵 h01 肩 ＞ o 日 o 」

5

×

OZ

OO

10

20Power

30W

40

50

Fig

．

16

，

　 Effects　of　H20　and 　treated　gas　flow　rate　on　NO_κ　rernoval 　rate 　Rn （

−

corena _）

．

反 応 させ る窒素コ ロ ナ放 電 方 式に よ り

，

30W 程 度の投入 電 力で排 ガス 中の

10

％ 程 度の

NO

、を 減 少 す るこ とが で き る

。

被処理 ガス をコ ロナ放 電 管に直 接 通 過 させ る従 来 の排ガス_{浄 化 法}と比 較する と

，

本研 究で検 討し てい る窒 素コ ロ ナ 方 式に おいて は

，

NO

_、

除 去 率に及ぼす模 擬 排ガ ス 中の _{酸 素}や水 分の _{影 響}は な く

，

炭 酸ガ ス か らの CO の 発 生 も 見られ ず

，

ま た

，

投 入 電 力 は 従 来の コ ロナ 方 式の 半分程度と な る こ と がわかっ た

。

5

．

コ ロナ放 電によるデ ィ

ー

ゼル 排 ガス 中の

　　　

微 粒 子 と 窒 素 酸 化 物の連 続

除

去 　

5．

1

　 ま え が き 　デ ィ

ー

ゼル排ガス の主 成 分で あ る微粒子 〔PM ）と窒 素 酸 化 物 〔NO．）の 除 去に関 する研 究 は こ れ ま で さ ま ざま な研 究

・

検 討 が な さ れて きた が

，

い ま だ 解 決 を 見て い ない 。 こ れ ま で

PM

除去技術 と し て

，

セ ラ ミッ クフ ィ ル タ

ー

上 に

PM

を捕 集

・

焼却16｝_{する などの技 術が提案 されてお り}

_，

実際に路線バ ス に搭 載し試 験 的 採用 し て い る。

一

_方

_，

NOx 除 去 技 術とし て は

，

無 声 放 電

，

沿 面 放 電 m な ど を 用 い た 技 術 が 報 告 されてい る

。

しか し

，

PM ・

NOx

の 排 出 抑 制の方向 が 互い に反 対であ る た め 同 時 除 去 が 難しい こ と か ら

，

本 研 究で はコ ロ ナ放電 を用い て

PM ・

NOx

の _{同時 除} 去 を提案 ISす る もの である。 　

5．

2

　 実 験 装 置および実 験 方 法

　Figure

　

17

に

PM ・

NOx

連 続 除 去 装 置 概 略 を示 す

。

これは 2つ の コ ロ ナ放 電 管 をつ な ぎ合 わせ た実 験 装 置で あり

，

前 方に

PM

捕 集 用コ ロナ 放 電 管

，

後 方に

NO

．除 去 用コ ロ ナ放 電 管とし て い る

。

ディ

ー

ゼ ルエ ン ジ ン （供 試 定 置 型

，

単 気 筒

，411cc ，

直 接 噴 射 方 式

，

定格 出力

5．

1kW

／

2500rpm ，

　

JIS

　2号軽油を使用）より排 出された排ガスの

一

_{部 （1411min}

_，

₂₀

°

_C ）をド レ ン ト ラ ップに よ り水 分 除 去 を 行い

_，

排 ガス を

PM

捕 集 用コ ロナ 放 電 管に導 き

PM

の捕 集 を行っ た 後

，NOx

除去 用コ ロ ナ放 電 管におい て

NO

_．除 去 を 行 う。 コ ロ ナ 放 電 管内で処 理 された ガス の

一

部は

，

コ ロナ放電 管出口 よりス モ

ー

ク汚染 度

，

ガス成 分分析の た めサ ン プ リ ング され

，

その 後 大 気 中に放 出される

。

　本 実 験 に用い るコ ロナ 放 電 管 は

，

円 筒 電 極に

SUS304

を 用い て お り

，

内 径 dx 長 さL が PM 捕 集 器の 場 合

，

54

×

160，

　

NOx

_{除 去 器の場}合

，

54x320 _{と な}っ てい る

。

な お 円 筒 電 極 外 部 をテ フロ ンにす るこ と によ り電 気 絶 縁と し て い るe 電 源に は高 電 圧 直 流 （

35

　

kV，

　

2

　rnA）を 用い てお り

，

中 心 電 極 を 負 極性とし たマ イ ナス コ ロナ放 電に よ りPM

・

NO

、除去 を行う

。

なお コ ロナ放 電の 安 定 性 を 考 慮し て負 極 側に 10kW の保護抵 抗を 入 れ た

。

　 PM 捕 集 用コ ロ ナ_{放 電 管}の 中心 電 極は

_，

　

PM

を捕 集 す るためロ

ー

ル 外 形

iP

　4

．

6

の ニ ク ロ ム線を使用 し た

。

こ の ニ ク ロ ム 線 は 加 熱 に よる変形 を 防 ぐた め ピ ア ノ

Wt

　_（φ

1

　mm ）を中心に入 れた

4

本の セ ラ ミッ ク管 （外 形 3 

，

長さ100  ） をつ なぎ合わ せ た芯 を もつ

。

PM を こ の 中心 電 極 上で捕集 を す るが

，PM

の蓄積によ り次 第

14 一