平成27年電気学会全国大会 3月24日(火) 東京都市大学世田谷キャンパス 1BD-A2 放電放電応用(Ⅱ) 1-149 弱電離気体プラズマの解析(CXXII) パックトベッド放電を用いたROS/RNSの生成特性 Studies on weakly ionized gas plasma (CXXII) Generation characteristics of ROS/RNS using a packed-bed dielectric barrier discharge 細井彰悟＊, 西岡大介, 高橋一弘, 佐藤孝紀, 伊藤秀範, 川口秀樹 (室蘭工業大学) Igor Timoshkin, Martin Given and Scott MacGregor (ストラスクライド大学) MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 背景 Plasma exposure to water プラズマ照射水水にプラズマを照射することにより生成 water プラズマ照射水中には， H2O2, NOX- などの活性酸素種(ROS) および活性窒素種(RNS)が存在近年，プラズマ照射水を植物の生長促進に応用する研究が行われている[1] Plant growth promoting[1] Plasma-exposed Control water 水への放電照射と水中のROS/RNSの生成特性を明らかにすることが重要 [1] K. Takaki: “Agricultural and Food Processing Applications of Pulsed Power and Plasma Technologies”, IEEJ Trans. FM, 130, 963 (2010). MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 背景および目的大気圧下で安定して発生させることのできる放電コロナ放電パルス放電プラズマジェット発生されるガス組成の変化の幅が限られる様々なガス組成で発生されるがパルス電源が必要ガス組成をコントロールできないパックトベッド放電  様々なガス組成で発生できる  安価な交流高電圧電源でよい (例.ネオン変圧器) 目的パックトベッド放電後のオフガスによる水中のROS/RNSの生成特性を調査  バックグラウンドガス混合比を変化させた際の、水中のROS/RNSの濃度を高速液体クロマトグラフを用いて測定 MURORAN INSTITUTE  バックトベッド放電後のオフガスをFT-IRを用いて分析 OF TECHNOLOGY 実験装置および実験条件  ガス混合比 N2, O2 N2/O2 = 80/20, 60/40, 40/60, 20/80 %  サンプリング時間 0, 15, 30, 45, 60 min  流量 2.0 L/min  ガス混合チェンバー内径 : 140 mm 高さ : 106 mm 容量 : 約1.6 L Vp-p = 21.7 - 26.3 kV f = 11 kHz  イオン交換水量 100 mL 放電リアクタ充填材料  glass ball ガス導入口棒状電極(f 2mm) ガス導出口網目状電極(16メッシュ) 直径 : 3.0 mm ガラス管・外径 : 22 mm ・内径 : 20 mm ・全長 : 250 mm 150 mm MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 実験装置および実験条件  ガス混合比 N2, O2 N2/O2 = 80/20, 60/40, 40/60, 20/80 %  サンプリング時間 0, 15, 30, 45, 60 min  流量 2.0 L/min  ガス混合チェンバー内径 : 140 mm 高さ : 106 mm 容量 : 約1.6 L Vp-p = 21.7 - 26.3 kV f = 11 kHz  イオン交換水量 100 mL 放電リアクタ充填材料  glass ball ガス導入口棒状電極(f 2mm) ガス導出口網目状電極(16メッシュ) 直径 : 3.0 mm ガラス管・外径 : 22 mm ・内径 : 20 mm ・全長 : 250 mm 150 mm MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY サンプリングした水のクロマトグラム NO3- のみ検出 H2O2 およびNO2- の生成に寄与する活性な種はない MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 各ガス組成における水中のNO3-の濃度変化 concentration [ppm] 200 N2 N2/O2 = 80/20 N2/O2 = 60/40 N2/O2 = 40/60 N2/O2 = 20/80 O2 150 100 50 0 0 20 40 60 input energy [kJ] N2の混合割合が増加 80 NO3- の濃度が増加 N2およびO2のみではNO3-が生成されない MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY オフガスの吸光度スペクトル absorbance [a.u.] 0.8 0.6 N2/O2 = 80/20 HNO3 HNO3 N2O5 0.4 N2O N2O5 O3 O3 0.2 0.0 2400 2200 2000 1800 1600 1400 -1 1200 1000 800 wavenumber [cm ] オフガス中の生成物 N2O(亜酸化窒素), HNO3(硝酸), N2O5, O3 N2O5 + H2O → 2HNO3 HNO3 + H2O → H3O+ + NO3- HNO3 とN2O5によりNO3-が生成される可能性 MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY バブリング前後のオフガスの吸光度スペクトル absorbance [a.u.] 0.8 0.6 N2/O2 = 80/20 before sparging after sparging 0.4 N2O HNO3 HNO3 N2O5 N2O5 O3 O3 0.2 0.0 2400 2200 2000 1800 1600 1400 -1 1200 1000 800 wavenumber [cm ] オフガス中の生成物 N2O(亜酸化窒素), HNO3(硝酸), N2O5, O3 N2O5 + H2O → 2HNO3 HNO3 + H2O → H3O+ + NO3- HNO3 とN2O5が減少 NO3-の生成に寄与 MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY それぞれの放電によるNO3-の最大濃度パックトベッド放電 concentration [ppm] 200 N2/O2 = 60/40 Packed-bed Corona Pulse Plasma-jet 150 コロナ放電 100 パルス放電 50 0 0 プラズマジェット(Ar+N2/O2) 20 40 60 input energy [kJ] 80 パックトベッド放電のNO3-の生成効率が最も高い MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY まとめパックトベッド放電を発生させてオフガスをバブリングさせた後の水中の ROS/RNSの濃度を調査した。また，放電後のオフガスを調査した  RNSとしてNO3-のみ検出でき，NO3-の濃度はガス混合比をN2/O2=60/40%としたときに最大となり，その濃度は約173 ppmであった  パックトベッド放電後のオフガスのバブリングでは，水中にH2O2(ROS)および NO2- は生成されない  オフガス中にN2O, N2O5, HNO3およびO3の生成を確認できた  バブリング前後の吸光度スペクトルにより，NO3-を生成する過程の一部として N2O5 とHNO3が水と反応する以下の反応式が関与していると考えられる N2O5 + H2O → 2HNO3 HNO3 + H2O → H3O+ + NO3 NO3-の生成には他の放電に比べてパックトベッド放電が効果的 MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY