PowerPoint プレゼンテーション

電気学会全国大会放電・放電化学(II) 1-091 工学院大学 29 March 2002
弱電離気体プラズマの解析（XLVIII）
直流グロー放電を用いたベンゼンの分解－発光分光・質量分析診断－
澤田武志
（
林押忍佐藤孝紀
室
蘭
工
業
伊藤秀範
大
学
田頭博昭下妻光夫
）
（北海道大学）
Studies on weakly ionized gas plasma (XLVIII)
Destruction of benzene using DC glow discharge -Emission and Mass spectroscopic diagnostics-
T. Sawada, S. Hayashi, K. Satoh, H. Itoh and H. Tagashira (Muroran Institute of Technology)
M.Shimozuma (Hokkaido University)
Agenda
• Background and Objective
• Experimental Apparatus and Condition
• Results
• Conclusions
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背景と目的
 背景
有害大気汚染物質の生態系への影響が問題
放電プラズマによる
分解・除去が有効
 目的
ベンゼンを放電プラズマを用いて分解するとともに, 分解過程を明確にする
 これまでの報告
ベンゼン単体および窒素－ベンゼン混合ガス中で, 直流グロー放電を発生させ,ベンゼンの分解
を行い, その過程において, 発光分光測定, ガス検知管によるベンゼン濃度測定, 堆積物の赤外
吸収スペクトル測定を行った（ガス封じきり実験）
成果
• 分解生成物としてC2, CH, CN, H, HCNおよびNH3(?) が生成される
• 堆積物の赤外吸収スペクトル測定により, CH, NHおよびNH3(?)が確認できた
 今回の報告
詳細に分解生成物を調査するために, これまでの測定方法に質量分析測定を加え,
質量分析測定と発光分光測定の同時測定を行った結果を報告する
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実験装置の構成
放電チェンバー (ステンレス製) 電極 (ステンレス製)
内径： f155mm
直径： f60mm
高さ： 300mm
厚さ： 10mm
平行平板
GASTEC
KEPCO BOP 1000M
DC output range：Vmax±1000V, Imax±40mA
DC Power
Supply
B-A Gauge
Quadrupole
Mass
Spectrometer
Photonic
Multi-Channel
Analyzer
Orifice
f 0.1mm
アネルバ株式会社製
質量数範囲：1～200amu
最小検知分圧：1.5×10-12Pa以下
浜松ホトニクス製
測定波長範囲： 200～950nm
波長分解能： <2nm (FMHM)
Turbo
Molecular
Pump
Rotary
Pump
Baratron
Manometer
Diffusion
Pump
Aｒ
N2
エア･ウォーター製
純度： 99.999%
Rotary
Pump
C6H6
関東化学製
純度： 99%
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実験条件
全圧
: p1 = 13.3Pa, Flow
混合比
: N2 : C6H6 = 9 : 1
電極間隔 : d = 25mm
放電電流 : I = 1.0mA, 2.0mA, 放電OFF
放電電圧 : V = 722, 887V
四重極質量分析計の測定条件
分析管内圧力 : p2 = 8.59×10-3 ～ 9.17×10-3Pa
イオン化電圧 : EE = 40V
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放電前後の質量スペクトル（N2 : C6H6 = 9 : 1, 13.3Pa, I=1mA, EE=40V）
-8
10
N2
放電OFF
放電ON
-9
ion current [A]
10
N
-10
HCN
C2 H3
CN
C2H5O2
C2 H2
H2
10
H
H2O
C6 H6
50～52
（39）
74～77
-11
10
NH3
CH4
H3
NH
CH3
CH
C
-12
10
0
10
質量数
C2 H
38
C2
20
放電前
（49）
30
放電後
63
CO2
40
mass [a.m.u.]
（53）
50
60
70
80
変化の
割合
52
2.3×10-11
1.3×10-11
0.57
53
7.2×10-13
5.5×10-13
0.77
38
2.0×10-12
1.4×10-12
0.70
63
2.2×10-12
1.0×10-12
0.47
39
1.6×10-11
9.3×10-12
0.57
74
2.2×10-12
9.6×10-13
0.43
49
5.5×10-13
4.3×10-13
0.78
75
1.0×10-12
4.8×10-13
0.47
50
1.7×10-11
1.0×10-11
0.58
76
3.5×10-12
1.9×10-12
0.54
51
2.4×10-11
1.4×10-11
0.58
77
1.7×10-11
8.2×10-12
0.50
78 （C6H6）
7.2×10-11
3.7×10-11
0.51
■ ：ベンゼンがイオン化室で電子衝突により分解されて生じた分子
■ ：放電による分解生成物と考えられる分子
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放電前後の質量スペクトル（N2 : C6H6 = 9 : 1, 13.3Pa, I=1mA, EE=40V）
-8
10
N2
放電OFF
放電ON
-9
ion current [A]
10
-10
N
H2
10
H
HCN
CN
CN C2H3
C
C22H
H22
H2O
C2 H5
-11
10
NH3
H3
C CH
-12
10
0
質量数
2
4
6
放電前
8
放電後
10
12
2.5×10-11
2.3×10-11
1.0
2（H2）
8.6×10-12
7.9×10-11
9.2
3（H3）
1.9×10-13
1.9×10-12
9.9
12（C）
4.8×10-14
1.2×10-12
25.0
13（CH） ★ ★
5.3×10-13
1.3×10-12
2.5
★ : 同時測定で得られた発光スペクトル
★ : 以前のガス封じきり実験で観測された発光スペクトル
★ : 赤外吸収スペクトル測定で観測された堆積（分解生成物）
[1] Phelps AV : 1990, J.Phys. Chem. Ref. Data, 19, 3, 653-75
C2
14
16
mass [a.m.u.]
変化の
割合
1（H） ★ ★
NH
CH3
C2 H
CH4
18
20
22
24
26
28
30
15（NH,CH3） ★
7.5×10-13
1.0×10-12
1.4
16（CH4）
2.1×10-12
2.7×10-12
1.3
17（NH3,OH） ★ ★
2.5×10-12
4.8×10-12
1.9
24（C2） ★
1.2×10-13
7.2×10-13
6.0
25（C2H）
2.4×10-14
3.7×10-12
152.0
26（CN,C2H2） ★ ★ ★
2.7×10-12
2.4×10-11
8.9
27（HCN,C2H3） ★
3.5×10-11
5.2×10-11
1.5
29（C2H5）
2.3×10-11
2.5×10-11
1.1
H3+イオンの生成過程[1]
H2+ + H2 → H3+ + H
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emission intensity [a.u.]
300
400
N2:2nd positive band
N2:1n( 0, 2) band
500
500
600
wave length [nm]
700
800
CN : 918.95nm
N2:1p( 1, 0) band
N2:1p( 5, 4) band
NH3 : 791.90nm
N2:1p( 2, 1) band
N2:1st positive band
N2:1st positive band
Ha : 686.28nm
Hb : 486.02nm
1000
N2:2p( 1, 0) band
N2:1n( 0, 1) band
N2:1n( 0, 0) band
N2:2p( 0, 1) band
N2:2p( 0, 0) band
放電時の発光スペクトル
（N2 : C6H6 = 9 : 1, I=1mA, 13.3Pa）
1500
I=1mA
0
900
分解生成物の発光として, Ha, Hb, NH3およびCNの発光が確認できる
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放電電流による変化（N2 : C6H6 = 9 : 1, 13.3Pa, I=1mA, 2mA, EE=40V）
I=1mA
I=2mA
-8
-8
10
10
放電OFF
放電ON
-9
-9
10
-10
HCN
C2H3
CN
C2 H2
H2
10
H
C6 H6
-11
ion current [A]
10
ion current [A]
放電OFF
放電ON
H2
HCN
C2 H3
CN
C2 H2
-10
10
H
-11
10
NH3
CH4
H3
C
-12
10
0
4
8
NH3
CH4
10
NH C2H
CH3
H3
CH
C
NH
CH3
CH
12
16
20
mass [a.m.u.]
24
C2 H
C2
-12
C2
C6H6
10
28
7832
0
4
8
12
16
20
mass [a.m.u.]
P=726mW
24
28
32
78
P=1777mW
放電電流を変化させた時
変化量が大きい分子
2（H2）, 3（H3）, 12（C）, 17（NH3）, 24（C2）, 27（HCN,C2H3）
変化量が小さい分子
1（H）, 13（CH）, 15（NH,CH3）, 25（C2H）, 26（CN,C2H2）
増加から減少に変わる分子
16（CH4）
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まとめ
窒素－ベンゼン混合ガス中において質量分析測定と発光分光測定
の同時測定を行った
• 質量分析測定により, 分解生成物として以下の分子が確認できた
M/Z = 1（H）, 2（H2）, 3（H3）,12（C）, 13（CH）, 15（NH,CH3）,
16（CH4）, 17（NH3）, 24（C2）, 25（C2H）, 26（CN,C2H2）,
27（HCN,C2H3）, 29（C2H5）
• 質量分析測定と発光分光測定の同時測定により, H（1amu）,
NH3（17amu）およびCN（26amu）が共通して観測された
• 放電電力を増加させることにより, ベンゼンの分解が促進され,
分解生成物が増加する。増加割合については一様でないこと
がわかった
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赤外吸収スペクトル測定
（ N2 : C6H6 = 9 : 1, 13.3Pa, I=1mA, t = 3600s）
160
NH
CH
CO2
HOH, NH3, CO
CO
140
A
120
100
B
C
160
%T
A
140
B
120
140
120
C
100
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
-1
[cm ]
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