弱電離気体プラズマの解析(XLIX)

平成14年度電気関係学会北海道支部連合大会
北見工業大学 12 October 2002 No.82
弱電離気体プラズマの解析(XLIX)
交流コロナ放電によるベンゼンの分解
Studies on weakly ionized gas plasmas (XLIX)
Destruction of benzene using AC corona discharge
○吉澤宣幸佐藤孝紀伊藤秀範田頭博昭（室蘭工業大学）
下妻光夫（北海道大学）
○N.Yoshizawa, K.Satoh, H.Itoh and H.Tagashira (Muroran Institute of Technology)
M.Shimozuma (Hokkaido University)
①
②
③
④
はじめに
実験装置・条件
実験結果
まとめ
MURORAN INSTITUTE
OF TECHNOLOGY
目的
近年，工場や自動車の排ガスに含まれるベンゼンによる環境破壊が問題となっている
○汚染ガス分解に使用される放電
コロナ放電・誘電体バリア放電
パックドベット放電・沿面放電
○コロナ放電の利点
放電領域を大きくとることができ，大量の
ガス流の処理に適用できる
（吉岡芳夫：電学論A ,Vol.122-A pp.676682(2002)）
GD2002(2-6 Sep. 2002) S.Pekarek
MULTI HOLLOW NEEDLE TO PLATE
ELECTRICAL DISCHARGE IN MIXTURE
OF AIR WITH N-HEPTANE
○目的
交流コロナ放電を用いてベンゼンの分解特性を調査し，この結果を直流コロナ
放電によるベンゼン分解特性と比較・検討する
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実験装置
放電チェンバー (ステンレス製)
内径：f197mm
高さ：300mm
DC or AC
Power Supply
 平板電極(ステンレス製)
直径：f80mm
厚さ：10mm
グランド側
GASTEC社製 NO.121
GASTEC
測定範囲
： 2.5～312ppm
島津製作所製 FTIR-8900
干渉計
Capsule
Dial Gauge
FTIR
EDWARDS CG16K
フルスケールレンジ
精度
光学系
波数範囲
波数精度
S/N
データサンプリング
：30°入射マイケルソン
干渉計
：シングルビーム方式
：7800cm-1～350cm-1
：±0.125
：20000：1
：He-Neレーザー
：1040mbar
：±2%
針電極形状
Baratron
Manometer
日本MKS(株)製 622A12TCE
フルスケールレンジ
分解能
精度
：1.33×104Pa
：1×10-5F.S.
：0.25%
Diffusion
Pump
Rotary
Pump
O2
N2
エア･ウォーター(株)製
純度：99.5%
純度：99.999%
針電極数：１３本
針電極
台座
針密度
高圧側
：ステンレス製直径f4mm
：真鍮製直径f50mm
：0.66本/cm2
C6H6
関東化学(株)製
純度：99%
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放電回路構成
Digital multimeter
AC
ADVANTEST製 R6441
測定範囲
：ACV200mV～700V ，ACI200mA，10A
精度
：ACV±0.25％，ACI±0.8％
サンプリングレート：2.5～90回/秒
1:500
A
AC100V
50Hz
V
cosf
Slidac
東芝製 TYPE 110-A
入力：100V 50/60Hz
出力：1kVA 0～130V MAX10A
DC
マクセレック(株)製 LS40-10R1
Testing
Transformer
東京変圧器(株)製 TYPE T-G-50
入力電圧：100V 周波数：50/60Hz
出力電圧：50kV 出力電流：0.06A
容量：3kVA
Vmax±40kV, Imax±10mA
＊電圧・電流測定
電源の電圧・電流出力モニタ用端子を使用
（電圧：1/4000倍電流：1000倍）
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実験条件と測定内容
○実験条件
ガス圧：全圧
1013hPa
窒素分圧
813hPa
酸素分圧
200hPa
ベンゼン分圧 0.01～0.31hPa
針電極極性
負極性
(3)
(2)
(1)
ベンゼン濃度[ppm]
実効値17（50Hz）
交流
正極性
放電電圧[kV]
電極間隔
[cm]
ガス封入順序
(約1.7～1.8mA ストリーマコロナが発生)
3
24
約 40
(約200～600mA ストリーマコロナが発生)
24
(約200～300mA グローコロナが発生)
○測定内容
放電電流の時間変化
ベンゼンの分解率（ガス検知管）
放電後のベンゼン濃度
=
1－
初期ベンゼン濃度
×100[%]
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放電電流の時間変化
2.0
83%
I [mA]
1.5
AC
DC(positive)
DC(negative)
1.0
数値は分解率
0.5
60%
95%
0.0
0
5
10
15
20
25
30
35
time [min]
交流コロナ放電は直流コロナ放電に比べ放電電流が大きい
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分解率の時間変化
30
25
80
20
60
40
20
0
-4
15
Decomposition rate (AC)
Decomposition rate (DC positive)
Voltage (AC)
Voltage (DC positive)
10
5
ストリーマコロナが発生し始める
-2
0
5
10
15
20
V[kV]
Decompositon rate [%]
100
25
30
0
time [min]
ベンゼンはストリーマコロナ発生と同時に分解されはじめる
交流コロナ放電のほうがベンゼン分解率が低い
エネルギー効率（10minまで）
交流：1.3×109 J/mol
直流：2.9×108 J/mol
交流コロナ放電の方が直流コロナ
放電より分解の効率が悪い
(低気圧直流グロー放電[1]：1.4×107 J/mol)
[1]佐藤他：電学論A ,Vol.122-A pp.479-484 (2002)
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放電回路構成の変更
P1
Digital multimeter
1:500
A
AC100V
50Hz
V
Slidac
cosf
Testing
Transformer
P2
変更点
Digital Storage
Scope
1kW
GND
岩津通信機(株)製 DS-8710
電流波形及び電圧波形の観測を試みた
分解能
最高サンプリングレート
レンジ
帯域制限
：8bit
：:20Mサンプル/sec
：2mV～5v/div 10nsec～50sec/div
：DC～10MHz
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交流コロナ放電の電流波形
3.0
0.5min
30
2.5
交流：電圧17kV（実効値）ベンゼン分圧 40ppm
3.0
10min
2.5
5msec/div
2.0
20
20
1.5
10
1.0
0.5
-0.5
-1.0
-10
-1.5
電流値
0.24mA
0.0
0
V[kV]
0
V[kV]
0.0
10
0.5
I[mA]
1.0
I[mA]
5msec/div
2.0
1.5
電流値
0.34mA
30
-0.5
-1.0
-10
-1.5
-2.0
-20
-2.5
-2.0
-20
-2.5
-3.0
0
5
10
15
-30
20
正の半周期においてスト
リーマパルスが発生した
エネルギー効率（10minまで）
-3.0
0
5
10
15
-30
20
時間の経過とともにストリーマ
パルスの大きさは減少した
交流：2.3×108 J/mol
（交流１次側：1.3×109 J/mol ）
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ストリーマパルスの電流波形
40ppm
0.5min
2.0
3
拡大
10
0
0
-1
-10
-2
-20
-3
0
5
10
I[mA]
1
パルス間隔が
ほぼ同じ
1.0
1.5
1.0
0.5
0.5
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
パルス間隔 0.38msec
-30
20
15
0.5min
2.0
0.2msec/div
1.5
20
40ppm
0.2msec/div
30
2
直流
I[mA]
交流
交流：電圧17kV（実効
値）
直流：電圧+24kV
1.2
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
パルス間隔
0.37msec
time[usec]
1.0
直流
0ppm 0.5min
255ppm 0.5min
2.0
2.5
0.2msec/div
0.2msec/div
2.0
I[mA]
I[mA]
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
1.5
1.0
0.5
0.2
0.4
0.6
パルス間隔
0.31msec
0.8
1.0
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
針電極形状
電極の各針か
ら発生するスト
リーマパルスの
位相が揃ってい
る
パルス間隔
0.48msec
パルス間隔が増加
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堆積物の調査
交流：針36本電極電圧18.5kV（実効値）
直流：針36本電極電圧26kV
赤外吸収スペクトル
堆積例
NH
CO2
HOH
SiO,OH2 CO2
=CH2(C2H4)
108
106
104
102
100
正極性
ベンゼン濃度
260ppm
負極性
ベンゼン濃度
257ppm
112
110
%T
108
106
104
102
100
104
103
針電極の真下に堆積物が
観測された
ベンゼンの分解生成物
と考えられる
102
101
100
99
交流50Hz
ベンゼン濃度
255ppm
98
4000
3000
2000
1000
-1
cm
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まとめ
針対平板間に交流コロナ放電を発生させ，ベンゼンの分解を試みた
分解率と放電電流の時間変化



ベンゼンはストリーマコロナの発生と同時に分解され始める
交流コロナ放電のベンゼン分解率は直流コロナ放電に比べ低い
交流コロナ放電と直流コロナ放電のベンゼン分解に要するエネル
ギー効率はほぼ同じであった
放電電流波形の観測



ストリーマコロナの発生に由来するストリーマパルスが観測された
ストリーマパルスのパルス間隔はベンゼンの初期濃度の増加に伴
い長くなった
電極の各針から発生するストリーマパルスの位相が揃う事が観測
された
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