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平成19年電気学会全国大会
平成19年3月15日(木) 富山大学五福キャンパス
放電化学・排ガス処理(Ⅰ)
弱電離気体プラズマの解析(LXXII)
大気圧コロナ放電によるアセトンの分解過程
Studies on weakly ionized gas plasmas (LXXII)
Decomposition process of acetone using a corona discharge at atmospheric pressure
坂本孝弘* 佐藤孝紀伊藤秀範（室蘭工業大学）
T.Sakamoto*, K.Satoh and H.Itoh (Muroran Institute of Technology)
1. 背景と目的
2. 実験装置および実験条件
3. 実験結果
・赤外吸収スペクトル
・注入エネルギーに対する濃度変化
・アセトンの分解過程
4. まとめ
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背景と目的
大気汚染防止法の改正[1]
 法規制と自主的取組のベストミックスでVOC排出量を
抑制
 ほぼ全てのVOC(メタノール・アセトンetc)が規制対象
従来まで未処理であった
低濃度物質も含め, より効
果的な処理方法が必要
2011年度までに2001年度比で30%削減
大気圧コロナ放電を用いた処理法
 既存の処理法では処理が困難な数ppm程度の濃
度に対しても適用可能[2]
 放電体積が大きく, 大量のガス流量に対して適合
性がある[3]
 放電が不安定で火花放電へ移行し易い
針電極を密集させることでストリーマコロナ
放電を安定に発生・維持が可能
アセトン CH3COCH3
 半導体の脱脂処理や有機溶剤として
多量に使用される
 気化ガスを長時間吸入すると血液機能
低下や中枢神経障害を促す作用がある
実験の目的
合成空気(窒素-酸素混合ガス)にアセトンを添加した模擬汚染ガス中で，大気圧
コロナ放電を発生させたときのアセトン分解特性を明らかにする
アセトンの分解生成物の調査および詳細な分解過程の考察
[1] 環境省 : 大気汚染防止法の一部を改正する法律の施行について (2005)
[2] J S Chang : 応用物理 69 3(2000)268
[3] 吉岡芳夫：電学論A Vol.122-A (2002)676
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実験装置
 平板電極(ステンレス製)
 マクセレック(株)製 LS40-10R1
 Vmax : ±40kV
 Imax : ±10mA
 直径 : φ80mm
 厚さ : 10mm
 放電チェンバー (ステンレス製)
 内径 : φ197mm
 高さ : 300mm
 複数針電極
 針電極数 : 13本
 針電極 : φ4mm(ステンレス製)
 針電極支持板 : φ50mm(真鍮製)
 針密度 : 0.66本/cm2
 ＩｎｆｒａrｅｄＡｎａｌｙｓｉｓ, Inc. ,10-PA
 光路長 : 10m
 O2純度 : 99.5%
 N2純度 : 99.999%
 純度 : 99.5%以上
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実験条件
共通条件




電極構成
電極間隔
初期アセトン濃度
印加電圧
：針(13本)対平板電極
： 30mm
：約200ppm
： +26kV(DC)
放電チェンバー内に封入したガスの混合比と分圧
窒素-酸素混合比
封入ガス圧
窒素分圧
酸素分圧
全圧
(hPa)
(hPa)
(hPa)
80 / 20
810
203
90 / 10
912
101
95 / 5
962
51
98 / 2
993
20
N2 /O2 (%)
1013
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赤外吸収スペクトル
N2 / O2 = 98 / 2 (%)
without discharge
with discharge at 11.0kJ(30min)
1.5
CO2 (anti str : 2349cm-1)
1.0
NO2 (1700～1580cm-1)
②
CO
(2050
～2220cm-1)
①
0.5
HCOOH
(C-O str : 1105cm-1)
③
④
CO2
(bend :
667cm-1)
O3
(anti str :
1042cm-1)
HCN
(bend :
712cm-1)
N2O (2170～2260cm-1)
0.0
3500
3000
2500
0.4
absorbnace [a.u.]
absorbnace [a.u.]
2.0
HCHO
(CH2 a-str
0.3 CH4
: 2843cm-1)
(deg str : 3019cm-1)
0.2
0.1
0.0
3200 3100 3000 2900 2800 2700
-1
-1] ]
wave
number
[cm
wavenumber
[cm
2000
1500
-1]-1
wavenumber
wav
e numbe[cm
r [cm
]
1000
500
 アセトンの赤外吸収帯
①CH3 d-str
: 3019cm-1
③CH3 s-deform : 1364cm-1
②C=O str : 1731cm-1
④C-C str : 1216cm-1
 アセトンの分解生成物 : CO2, CO, CH4, HCOOH, HCHO
HCN
 バックグラウンドガスからの生成物 : O3, N2O, NO2
注入エネルギーに対する濃度変化
CH3COCH3
150
N2 / O2 [%]
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
100
50
0
0
20
40
60
300
0
concentration [ppm]
concentration [ppm]
40
CO2
400
N2 / O2 (%)
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
100
0
0
20
40
60
input ene rgy [kJ]
 酸素濃度には依存しない
 最終分解生成物
40
60
80
N2 / O2 (%)
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
40
30
38ppm
20
10
0
80
CH4
0
20
40
60
80
input e ne rgy [kJ]
 高酸素濃度時に生成量が多くなる  低酸素濃度時に生成量が多くなる
 中間生成物
 微量な中間生成物
600
200
20
50
input ene rgy [kJ]
 約40kJで完全に分解される
 バックグラウンドガスの混合比
の影響はない
300
N2 / O2 (%)
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
100
input ene rgy [kJ]
500
249ppm
200
0
80
CO
HCOOH
30
20
N2 / O2 (%)
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
10
0
0
20
38ppm
concentration [ppm]
200
60
concentration [ppm]
400
concentration [ppm]
concentration [ppm]
250
20
40
60
input e ne rgy [kJ]
80
17ppm
HCN
15
10
N2 / O2 (%)
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
5
0
0
20
40
60
80
input e ne rgy [kJ]
 低酸素濃度時に生成量が多くなる  低酸素濃度時に生成量が多くなる
 微量な中間生成物
 微量な中間生成物
アセトンの分解過程
CO, CH4
300
60
CO
249ppm
200
concentration [ppm]
concentration [ppm]
400
N2 / O2 (%)
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
100
0
0
20
40
60
N2 / O2 (%)
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
40
30
38ppm
20
10
0
80
CH4
50
0
20
input ene rgy [kJ]
40
60
input e ne rgy [kJ]
 高酸素濃度時に生成量が多くなる
 低酸素濃度時に生成量が多くなる
 高酸素濃度時に多く生成される物質
O, O3
 低酸素濃度時に多く生成される物質
N, N2O, NO2 (NO)
NO + H
HNO
H
CH3COCH3
e
80
CH3
e
CH3CO
CH4
CH2
CH
e
e
O
CO
アセトンの分解過程
30
HCOOH
20
N2 / O2 (%)
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
10
0
20
38ppm
concentration [ppm]
concentration [ppm]
40
HCOOH, HCN
0
20
40
60
17ppm
15
10
N2 / O2 (%)
80 / 20
90 / 10
95 / 5.0
98 / 2.0
5
0
80
HCN
0
20
input e ne rgy [kJ]
80
 低酸素濃度時に生成量が多くなる
 低酸素濃度時に多く生成される物質
N, N2O, NO2 (NO)
NO2 + H
CH3COCH3
e
CH3
60
input e ne rgy [kJ]
 低酸素濃度時に生成量が多くなる
e
40
CH2
e
CH
OH
H
HCHO
OH
NO
C
CN
HCOOH
H
NO2 + H
OH
HCN
e
CN
C
まとめ
大気圧コロナ放電を用いて，窒素－酸素混合ガス中のアセトンを分解し，
生成物を調査するとともに, 気相化学反応に基づいてアセトンの詳細な
分解過程を考察した
 アセトンの分解生成物は, CO，CO2 ，CH4, HCOOH, HCHOおよびHCNである
 アセトンの分解は, バックグラウンドガス中の酸素濃度の影響を受けない
 COは主に, アセトンのフラグメントであるCH3COおよびCHから生成され, その際O
原子が重要な反応物質となる
 CH4は主に, アセトンのフラグメントであるCH3から生成され, その際HNOラジカルが
重要な反応物質となる
 HCOOHは主に, HCHOから生成され, その際OHラジカルが重要な反応物質となる
 HCNは主に, C原子から生成され, その際NOが重要な反応物質となる
MURORAN INSTITUTE
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反応速度定数
 CH3COCH3の分解反応
reaction formula
[1] CH3COCH3 + e
→ CH3CO
rate constant : k
+ CH3
1.33×1016
[2] CH3COCH3 + OH → CH3COCH2 + H2O
1.16 ×108
[3] CH3COCH3 + O
→ CH3COCH2 + OH
3.57
×105
unit
1/s
l /mol･s
 CH4の生成反応
reaction formula
[4] CH3 + H
→ CH4
[5] CH3 + HNO → CH4 + NO
[6] CH3 + OH → CH4 + O
[7] CH3 + H2
→ CH4 + H
rate constant : k
unit
1.43×1011
5.41 ×109
8.94
×103
l /mol･s
8.68 ×10
[1] Ernst.J et al.：Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 80 (1976)
[5] Choi.Y.M et al.：Inter. J. Chem. Kinet. 37 (2005) 261
[2] Alvarez-Idaboy.J.R et al. ：J. Phys. Chem. A 108 (2004) 2740
[6] Cohen.N et al. ：J. Phys. Chem. Ref. Data 20 (1991) 1211
[3] Herron.J.T ：J. Phys. Chem. Ref. Data 17 (1988)
[7] Maity.D.K et al. ：J. Phys. Chem. A 103 (1999) 2152
[4] Hase.W.L et al. ：J. Am. Chem. Soc. 109 (1987) 2916

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