放電プラズマを用いたベンゼンの分解

平成15年度電気関係学会北海道支部連合大会 B-51 北海学園大学工学部 18 October 2003
弱電離気体プラズマの解析(LIII)
大気圧コロナ放電によるベンゼン分解
―ガスフロー時の分解特性―
林押忍
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)
Studies on weakly ionized gas plasmas (LIII)
Decomposition of benzene using corona discharge at atmospheric pressure
―Decomposition characteristics at gasflow condition―
H Hayashi, K Satoh, H Itoh and H Tagashira (Muroran Institute of Technology)
M Shimozuma (Hokkaido University)
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
背景と目的
背景
・ベンゼンは自動車や工場 (コークス炉等) の排ガスに含まれる。
・ベンゼンには発ガン性があり、ベンゼン暴露と白血病に強い因果関係。
早急な対策 (除去、分解) が必要
これまでの研究と成果
• ガス封じ切り状態での針‐平板電極を用いたコロナ放電中でのベンゼンの分解
[吉澤他電気学会A部門大会講演論文集 VII-31, 2002, p.389]
正極性ストリーマコロナでベンゼンが効率よく分解される
針数を増やすと放電が安定する
放電領域が広がるとベンゼン分解効率が上がる
目的
• 煙道への実装を考慮し，ガスフロー状態での多数針‐平板電極コロナ放電による
ベンゼン分解特性を調査する。
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
実験装置の構成
DC Power Supply
CH1
Benzene ：濃度 382ppm
横河電機(株)製 DL1620
エア･ウォーター(株)製
200MS/s
200MHz
酸素：純度 99.5%
窒素：純度 99.999%
O2
F.C.
N2
F.C.
N 2 +C 6 H 6
マクセレック(株)製 LS40-10R1
Vmax±40kV, Imax±10mA
日本酸素（株）製
1 MΩ
放電リアクタ (アクリル製, 円筒) (株)GASTEC製 GV-100S
Digital strage
Oscilloscope
GASTEC
Gas-Mixing
Chamber
Exhaust
Fan
d=20mm
CH2
F.C.
 平板電極(ステンレス製)
針電極土台(真鍮製)
測定範囲(ベンゼン)：2.5～120ppm
内径：f 80mm
長さ：210mm
：55mm×150mm×3mm
：f 1.65mm×416穴
針(ステンレス製釘)
：f 1.5mm×16.4mm, 10本×10本
グランド電極(真鍮製) ：55mm×150mm×3mm
GND
150mm
1 kΩ
Fourier
Transform Gas Cell
Infrared
Spectrophotometer
Rotary
Pump
ＩｎｆｒａrｅｄＡｎａｌｙｓｉｓ
Inc. ,10-PA
：30°入射マイケルソン干渉計
(株)島津製作所製 FTIR-8900
55mm
干渉計
光学系
波数範囲
波数精度
S/N
ﾃﾞｰﾀｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ
：シングルビーム方式
：7800cm-1～350cm-1
：±0.125
：20000：1
：He-Neレーザー
光路長：10ｍ
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
実験条件と測定内容
ベンゼン濃度混合ガス流量バックグラウンドガス組成
窒素 [%] : 酸素 [%]
[ppm]
[sccm]
38
50
99
149
208
248
306
・ガス検知管
250
500
1000
97 : 3
95 : 5
93 : 7
90 : 10
85 : 15
80 : 20
70 : 30
62 : 38
52 : 48
：C6H6, (O3)の濃度
・オシロスコープ：電圧･電流波形
・FT-IR
：吸光度スペクトル
印加電圧
[kV]
DC 15～20
ベンゼン分解率
注入電力
分解生成物
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
実験条件と測定内容
ベンゼン濃度混合ガス流量バックグラウンドガス組成
窒素 [%] : 酸素 [%]
[ppm]
[sccm]
38
50
99
149
208
248
306
・ガス検知管
250
500
1000
97 : 3
95 : 5
93 : 7
90 : 10
85 : 15
80 : 20
70 : 30
62 : 38
52 : 48
：C6H6, (O3)の濃度
・オシロスコープ：電圧･電流波形
・FT-IR
：吸光度スペクトル
印加電圧
[kV]
DC 15～20
ベンゼン分解率
注入電力
分解生成物
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
実験条件と測定内容
ベンゼン濃度混合ガス流量バックグラウンドガス組成
窒素 [%] : 酸素 [%]
[ppm]
[sccm]
38
50
99
149
208
248
306
・ガス検知管
250
500
1000
97 : 3
95 : 5
93 : 7
90 : 10
85 : 15
80 : 20
70 : 30
62 : 38
52 : 48
：C6H6, (O3)の濃度
・オシロスコープ：電圧･電流波形
・FT-IR
：吸光度スペクトル
印加電圧
[kV]
DC 15～20
ベンゼン分解率
注入電力
分解生成物
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
ベンゼン初期濃度に対するベンゼン分解率, オゾン濃度
400
80
300
60
40
20
ガス流量：
ガス組成：
500 sccm
N280 %, O220 %
Decom. Rate O3
C6H6= 38ppm
C6H6= 50ppm
C6H6= 99ppm
C6H6=149ppm
C6H6=208ppm
C6H6=248ppm
C6H6=306ppm
0
200
100
Ozone Concentration [ppm]
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
0
0
1
2
3
4
Input Pow er [W]
5
6
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
ベンゼン初期濃度に対するベンゼン分解率
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
80
60
40
20
ガス流量：
ガス組成：
500 sccm
N280 %, O220 %
Decom. Rate
C6H6= 38ppm
C6H6= 50ppm
C6H6= 99ppm
C6H6=149ppm
C6H6=208ppm
C6H6=248ppm
C6H6=306ppm
0
0
1
2
3
4
Input Pow er [W]
5
6
・注入電力の増加とともにベンゼン分解率も増加する。
注入電力が増えるとベンゼン分解量が増える。
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
ベンゼン初期濃度に対するオゾン濃度
400
オゾン生成過程
2. O + O2 + M → O3 + M
O3
ガス流量：
ガス組成：
500 sccm
N280 %, O220 %
C6H6= 38ppm
C6H6= 50ppm
C6H6= 99ppm
C6H6=149ppm
C6H6=208ppm
C6H6=248ppm
C6H6=306ppm
300
200
100
Ozone Concentration [ppm]
1. O2 + e → O + O + e
0
0
1
2
3
4
Input Pow er [W]
5
・オゾン濃度は注入電力に比例して増加する。
・ベンゼン初期濃度が高くなるとオゾン濃度が低くなる。
後藤ら「窒素-酸素混合ガス中でのバリア放電によるベンゼンの分解」
ベンゼンが多くなると，放電により生成されたO単原子のベンゼン分解
生成物との反応が多くなり，オゾン生成への反応が少なくなる。
6
高ベンゼン濃度で
オゾン濃度が減少
（後藤他電気学会論文A誌部門誌
Vol. 123, 2003, pp.900-906）
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
ベンゼン初期濃度に対するベンゼン分解率, オゾン濃度
400
80
300
60
40
20
ガス流量：
ガス組成：
500 sccm
N280 %, O220 %
Decom. Rate O3
C6H6= 38ppm
C6H6= 50ppm
C6H6= 99ppm
C6H6=149ppm
C6H6=208ppm
C6H6=248ppm
C6H6=306ppm
0
200
100
Ozone Concentration [ppm]
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
0
0
1
2
3
4
Input Pow er [W]
5
6
・一定量のベンゼンに加わる電力が異なっている。
ベンゼン初期濃度が異なる場合の
ベンゼン分解率を統一的に評価したい。
スケーリング則の導入
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
スケーリング則 (作用エネルギー密度)の導入
（作用エネルギー密度）＝
（放電電力）
（ベンゼン初期濃度）（ガス流量）
作用エネルギー密度は放電電力、ベンゼン初期濃度、流量
が変化した場合でも、放電によるベンゼン分解率を評価できる。
（後藤他電気学会論文A誌部門誌 Vol. 123, 2003, pp.900-906）
放電電力 [W] 、流量 [L / min] 、ベンゼン初期濃度 [ppm] の時
W  min
単位は
となる。
L  ppm
単位ベンゼン量当たりの注入エネルギー
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
作用エネルギー密度に対するベンゼン分解率
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
80
60
40
20
ガス流量：
ガス組成：
0
0.00
0.05
500 sccm
N280 %, O220 %
C6H6= 38ppm
C6H6= 50ppm
C6H6= 99ppm
C6H6=149ppm
C6H6=208ppm
C6H6=248ppm
C6H6=306ppm
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Operation Energy Density [(W*min)/(L*ppm)]
0.35
・ベンゼン初期濃度が異なっていても、一つの曲線上にプロットが並んでいる。
・ベンゼン初期濃度が異なっていてもベンゼンの分
解プロセスは同様である。
・十分な電力をプラズマに注入できれば，ベンゼン
分解率を100%近くまで向上させることができる。
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
ガス流量に対するベンゼン分解率, オゾン濃度
400
80
300
60
200
40
20
ベンゼン濃度：208 ppm
ガス組成
：N280 %, O220 %
Decom. Rate O3
250ccm
500ccm
1000ccm
100
0
Ozone Concentration [ppm]
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
0
0
1
2
3
4
Input Pow er [W]
5
6
7
・ガス流量が小さくなると多くのベンゼンが分解できる。
・オゾン濃度も同様にガス流量が小さいと濃度が高くなる。
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
作用エネルギー密度に対するベンゼン分解率
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
80
60
40
20
250 ccm
500 ccm
1000 ccm
0
0
-3
20
40
60
80x10
Operation Energy Density [(W*min)/(L*ppm)]
・ガス流量が異なっていても、一つの曲線上にプロットが並んでいる。
ベンゼン分解量は単位ベンゼン量に注入されるエネルギーで決まる。
ベンゼン濃度：208 ppm
ガス組成
：N280 %, O220 %
ガス流量が異なっていてもベンゼンの分解プロセスは同様である。
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
酸素濃度に対するベンゼン分解率, オゾン濃度
400
80
300
Decom.Rate O3
O3= 3%
O3= 5%
O3= 7%
O3=10%
O3=15%
O3=20%
O3=30%
O3=38%
O3=48%
60
40
20
ガス流量
：500 sccm
ベンゼン濃度：208 ppm
0
200
100
Ozone Concentration [ppm]
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
0
0
2
4
6
Input Pow er [W]
8
10
・ガス流量，ベンゼン濃度を一定として酸素濃度（スケーリング則に無関係）だけを
変えているため，注入電力で作用エネルギー密度と同様な評価ができる。
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
酸素濃度に対するベンゼン分解率
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
80
Decom.Rate
O3= 3%
O3= 5%
O3= 7%
O3=10%
O3=15%
O3=20%
O3=30%
O3=38%
O3=48%
60
40
20
ガス流量
：500 sccm
ベンゼン濃度：208 ppm
0
0
2
4
6
Input Pow er [W]
8
10
・酸素濃度が異なっていても, ベンゼン分解率は一つの曲線上にプロットが並んでいる。
酸素濃度が異なっていてもベンゼンの分解プロセスは同様である。
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
酸素濃度に対するオゾン濃度
400
O3
O3= 3%
O3= 5%
O3= 7%
O3=10%
O3=15%
O3=20%
O3=30%
O3=38%
O3=48%
ガス流量
：500 sccm
ベンゼン濃度：208 ppm
200
100
Ozone Concentration [ppm]
300
0
0
2
4
6
Input Pow er [W]
8
10
石島ら
・酸素濃度が15%以上になるとオゾンの生成量が飽和している。
負コロナ放電のオゾン生成
特性の結果と同様である。
[石島他電気学会全国大会
講演論文集 1-022, 2003, pp.30-31]
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
酸素濃度に対するベンゼン分解率, オゾン濃度
400
80
300
Decom.Rate O3
O3= 3%
O3= 5%
O3= 7%
O3=10%
O3=15%
O3=20%
O3=30%
O3=38%
O3=48%
60
40
20
0
200
100
Ozone Concentration [ppm]
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
0
0
2
4
6
Input Pow er [W]
8
・オゾン濃度が変化してもベンゼンの分解率は変わらない。
10
後藤ら
窒素-ベンゼン混合ガスに
オゾンを注入
ベンゼンは分解されない。
（後藤他電気学会論文A誌部門誌
Vol. 123, 2003, pp.900-906）
生成されたオゾンはベンゼン分解率に寄与していない。
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Muroran Institute of Technology
吸光度スペクトル
(ガス流量500ccm, 酸素濃度20%, ベンゼン濃度208ppm)
波数 4000～2200 cm-1
減少物質
Absorbance [a.u.]
2.5
Discharge OFF
Discharge 20 kV
2.0
・ベンゼン(C6H6)
O3
CO 2
1.5
1.0
増加物質
N2O
C6H6
新たな物質
H2O
0.5
・二酸化炭素(CO2)
・二窒化酸素(N2O)
0.0
4000
3800
3600
3400
3200
3000
2800
2600
2200 ・オゾン(O3)
2400
-1
・ギ酸(HCOOH)
Wave Number [cm ]
波数 2300～500 cm-1
Absorbance [a.u.]
2.5
Discharge OFF
Discharge 20 kV
2.0
O3
CO 2
C6H6
O3
1.5
1.0
・ベンゼンの分解
・二酸化炭素,
二窒化酸素,
オゾン,
ギ酸の生成
HCOOH
O3
HCOOH
N2O
C6H6
H2O
0.5
0.0
2200
2000
1800
1600
1400
1200
-1
Wave Number [cm ]
1000
800
600
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology
まとめ
ガスフロー状態での多数針-平板電極コロナ放電によるベンゼン分解より
以下のことがわかった。
•
ベンゼン濃度が高くなると，放電により生成されるO単原子はベンゼンの
分解生成物との反応が多くなり，オゾン濃度が減少する。
•
ベンゼン初期濃度，ガス流量，酸素濃度が異なっていてもベンゼンの分解
プロセスは同様である。
•
ベンゼン分解量は単位ベンゼン量に注入されるエネルギーにより決まる。
•
酸素濃度が約15%以上になるとオゾン濃度は飽和する。
•
放電中に生成されたオゾンはベンゼン分解に寄与しない。
•
今回の放電による生成物は二酸化炭素，二窒化酸素，オゾン，ギ酸である。
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Muroran Institute of Technology
作用エネルギー密度に対するベンゼン分解率
Decomposition Rate of Benzene [%]
100
80
60
分解率が悪い
40
20
0
0.00
0.05
C6H6 38ppm
C6H6 50ppm
C6H6 99ppm
C6H6 149ppm
C6H6 208ppm
C6H6 248ppm
C6H6 306ppm
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Operation Energy Density [(W*min)/(L*ppm)]
0.35
・各ベンゼン濃度でエネルギー密度が低いときにベンゼン分解率が悪い。
・各ベンゼン初期濃度において, 電圧を下げる(作用エネルギー密度が低い部分)と
電極の一部でしか放電が起きず, 放電領域が減少するため。
・同じエネルギー密度でも放電領域が減ると, 分解効率も低下する。
Dept. of Electrical & Electronic Eng.
Muroran Institute of Technology

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