(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体中に含まれるイオン状物質を、このイオン状物質が非イオン状物質に変化する前に、物質間の質量差を利用して質量の異なる物質を分離する分離用ノズルにより他の気体分子から分離し回収することを特徴とするイオン状物質の分離方法。
【請求項２】
イオン状物質を、少なくとも一対の電極を互いに平行に且つ当該イオン状物質の進行方向に対して垂直に配置した電極室内に導入し、一対の電極に電圧を印加してイオン状物質の当該進行方向の運動エネルギーを低減し、上記電極室から差動排気して分離用ノズルに供給することを特徴とする請求項１記載のイオン状物質の分離方法。
【請求項３】
一対の電極に絶対値が等しく符号が異なる電圧を印加することを特徴とする請求項２記載のイオン状物質の分離方法。
【請求項４】
イオン状物質は、有害物質にエネルギーを付与して得た有害物質のイオン状分解生成物であることを特徴とする請求項１または２記載のイオン状物質の分離方法。
【請求項５】
イオン状物質は、固体物質をアブレーションして得たプラズマであることを特徴とする請求項１または２記載のイオン状物質の分離方法。
【請求項６】
イオン状物質を含む気体を得るための反応室、この反応室に隣接し、また少なくとも一対の電極を互いに平行に且つイオン状物質の進行方向に対して垂直に配置した電極室、上記一対の電極に電圧を印加する電源、物質間の質量差を利用して質量の異なる物質を分離する分離用ノズル、上記イオン状物質を上記電極室から差動排気して分離用ノズルに供給するポンプ、および分離したイオン状物質を回収する回収装置を備えたことを特徴とするイオン状物質の分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、イオン状物質、例えば有害物質を放電などのエネルギーの付与により分解した際に生じる有害物質のイオン状分解生成物を他の気体分子から分離するための分離方法並びに分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、産業の発展や生活レベルの向上によりＮＯX 、ＳＯX 、フロン、ダイオキシンなどの有害物質の発生量は増大の一途を辿っており、その一方で生活環境の保護の機運も益々高まりつつある。かかる実情から、発生した有害物質の効果的且つ実用的な処理技術の開発が焦眉の問題となっている。
【０００３】
有害物質の処理技術に関しては、従来から種々の提案がなされている。その処理の一般的な方法では、有害物質にエネルギーを付与してそれを分解し、分解生成物を化学的に無害化処理している。例えば特開平１０−２８８３６号公報に開示された処理方法はその一例であって、そこでは有害物質の一種であるフロンを放電プラズマにより分解した後、塩化水素、フッ化水素、二酸化炭素などの分解生成物を水酸化カルシュウム水溶液中に強制的に注入して中和処理する。しかしこの処理方法は、分解生成物の中和処理のために大きな中和槽が必要であるために処理装置が必然的に大型化して処理装置が高価となり、しかもそれの設置に広い場所が必要となるなどの問題がある。
【０００４】
一般的に有害物質を放電、紫外線照射、加熱などのエネルギーの付与により分解した場合、分解生成物は程度の差はあるものの概してプラズマ状となる。本発明者の研究によれば、プラズマ中では有害物質からの分解生成物は陽イオンや陰イオンなどのイオン状物質の形態で存在し、このために比較的短時間の内に他の陰イオンや陽イオンと再結合して元の、あるいは他の有害物質に変化して処理効率が低下することが明らかとなった。さらに続く研究から、処理効率を高めるには上記のイオン状分解生成物を他の気体から素早く分離し回収することが肝要であって、かかる素早い分離には分離用ノズルの採用が頗る有用なることが判明した。
【０００５】
なお上記の分離用ノズルは、ウラン濃縮のためのノズル法において採用されているそれと基本的に同じ構造および機能を有するものであり、それまたはそれの改良形による物質の分離方法は、特開昭５６−１２１６１６号公報、特開昭５６−１４１８２１号公報、特開昭６３−２９７２０２号公報などに開示されてもいる。しかしそれら先行技術は、いずれも専ら非イオン状物質の分離に関するものであってイオン状物質の分離に付いての技術ではなく、況んやイオン状物質をそれが有害物質に変化する前に分離し回収し得ることに付いて何ら教えるところがない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかして本発明が解決しようとする課題は、前記した近時における要求、即ち発生した有害物質の効果的且つ実用的な処理技術の開発、並びに従来技術の問題に鑑みて、大きな中和槽などが不要な、小型にしてしかも高効率でイオン状物質を分離回収し得る新規なイオン状物質の分離方法並びに分離装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるイオン状物質の分離方法は、(1) 気体中に含まれるイオン状物質を、イオン状物質が非イオン状物質に変化する前に、物質間の質量差を利用して質量の異なる物質を分離する分離用ノズルにより他の気体分子から分離し回収するものである。
【０００８】
(2) 上記(1) において、イオン状物質を、少なくとも一対の電極を互いに平行に且つ当該イオン状物質の進行方向に対して垂直に配置した電極室内に導入し、一対の電極に電圧を印加してイオン状物質の当該進行方向の運動エネルギーを低減し、電極室から電極に平行な方向に差動排気して分離用ノズルに供給するものである。
【０００９】
(3) 上記(2) において、一対の電極に絶対値が等しく符号が異なる電圧を印加するものである。
【００１０】
(4) 上記(1) および(2) において、イオン状物質は、有害物質にエネルギーを付与して得た有害物質のイオン状分解生成物である。
【００１１】
(5) 上記(1) および(2) において、イオン状物質は、固体物質をアブレーションして得たプラズマである。
【００１２】
さらに本発明によるイオン状物質の分離装置は、 (6)イオン状物質を含む気体を得るための反応室、この反応室に隣接し、また少なくとも一対の電極を互いに平行に且つイオン状物質の進行方向に対して垂直に配置した電極室、一対の電極に電圧を印加する電源、物質間の質量差を利用して質量の異なる物質を分離する分離用ノズル、イオン状物質を電極室から差動排気して分離用ノズルに供給するポンプ、および分離したイオン状物質を回収する回収装置とを備えたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明のイオン状物質の分離装置についての実施の形態の一部断面を示す概略的な正面図であり、図２は図１における電極室２を中心とした部分の拡大正面断面図であり、図３は図１における分離用ノズル３０１の拡大正面断面図である。なお図１に示す分離装置は、イオン状物質の分離のみならず、有害物質の処理装置として特に有用である。
【００１４】
図１〜図３において、１は有害物質の分解室、２は分解室１に隣接する電極室、３は分離用ノズル、４は分離用ノズル３の一方の排出路３６の出口に設置されたイオン状物質の回収手段、５は分離用ノズル３の他方の排出路３７の出口に設置されたイオン状物質の回収手段、６は真空ポンプ、７は有害物質を含むガスを充填したボンベ、８は連結管部分８１〜８３からなる連結管である。図１において、電極室２のみ断面図で示す。
【００１５】
電極室２は、分解室１に開口する窓２１１を有する負極２１と負極２１に対して平行に設置された正極２２とを有し、且つ両極はＸ軸方向（分解室１から移行して来るイオン状物質の進行方向、図２参照）に対して垂直に電極室２の側壁面上にそれぞれ設置されている。負極２１と正極２２とは電源２４の負極端子と正極端子にそれぞれ接続されており、電極室２の外壁２５は電源２４の中性点に接続され且つアースされている。
【００１６】
分離用ノズル３は、分離用ノズル３０１、分離用ノズル３０２、および分離用ノズル３０３の３基からなり、３基とも同じ構造であって同じガス分離機能を有し、当該３基は図１に示す通りに連結管８を介してカスケード状に接続配置されている。
分離用ノズル３の構造を、分離用ノズル３０１を代表にとり図３により詳細に説明すると、分離用ノズル３０１は、被分離ガスのガス受入れ口３１、凹面部３２、ノズル縁３３、凹面部３２の一部の表面とノズル縁３３の外壁面との間に形成されたノズル部３４、ガス分離隔壁３５、ノズル縁３３とガス分離隔壁３５との間に形成された軽質量ガスの排出路３６、およびガス分離隔壁３５と凹面部３２の一部の表面との間に形成された重質量ガスの排出路３７とからなる。
【００１７】
分離用ノズル３０１のガス受入れ口３１は、電極室２の天井に設けられた排出口２３と連結管部分８１にて接続されており、排出路３６は回収手段４を介して分離用ノズル３０３に、また排出路３７は回収手段５を介して分離用ノズル３０２にそれぞれ接続されている。分離用ノズル３０２、３０３の各排出路３６はイオン状物質の回収手段４を介して、また分離用ノズル３０２、３０３の各排出路３７はイオン状物質の回収手段５を介して、いずれも連結管部分８２にて真空ポンプ６の吸気口６１に接続されており、真空ポンプ６の排気口６２は連結管部分８３にて分解室１に接続されている。
【００１８】
なお本発明で使用する分離用ノズル３として、前記した特開昭５６−１２１６１６号公報、特開昭５６−１４１８２１号公報、特開昭６３−２９７２０２号公報に開示されているそれらを採用することができる。
【００１９】
つぎに図１〜図３に示す分離装置によるイオン状物質の分離機構を説明する。ボンベ７からＮＯX 、ＳＯX 、フロン、ダイオキシンなどの有害物質を含むガスを分解室１に供給し、そこでエネルギーの付与を行って有害物質を分解する。エネルギーの付与方法は、放電、紫外線照射、加熱、あるいはその他の任意の方法であってよい。要は、有害物質を分解するに必要な量のエネルギーを付与し得ればよい。有害物質は、どの方法で分解されても程度の差はあるもののイオン状の分解生成物を含むプラズマ状態になる。これは、物質の解離エネルギーと電離エネルギーがどちらも同程度（約２０ｅＶ以下）であるためである。本発明においては、分離されるべきイオン状分解生成物は正、負のいずれのイオンあってもよい。なお一般的には分解生成物は、自由電子と結び付いて負イオンを形成することも有り得るが、分解のためのエネルギーが外部から継続して加えられる場合は軌道電子を剥ぎ取られて正イオンになることが多い。
【００２０】
一般的に、イオン状物質が数ｋｅＶの運動エネルギーを保持した状態で固体に衝突すると、当該固体の内部に入り込んでしまう現象が生じる。分解室１内のイオン状分解生成物もある方向に数ｋｅＶ以上の運動エネルギーを保持している場合があって、分解室１内のガスを直接分離用ノズル３０１のガス受入れ口３１に供給すると、その数ｋｅＶ以上の運動エネルギーを保持する方向に飛散して分離用ノズル３０１のいずれかの部分に衝突したイオン状分解生成物の成分はその衝突個所内に入り込んでしまって当該ノズルによる分離ができなくなる。
これに対して図１に示す本発明の実施の形態では、分解室１内のガスを分離用ノズル３０１のガス受入れ口３１に供給する前に電極室２内に導いて進行方向（Ｘ方向）の運動エネルギーを低減乃至消滅せしめる。
【００２１】
即ち、イオン状分解生成物を含む分解室１内のガスを電極室２の外壁２５に設けられた貫通孔２６および負極２１の窓２１１を通過させて電極室２内に移す。この際、イオン状分解生成物が正イオンである場合は電極２１に負の電圧−ＰｋＶを印加すればよい。一方、電極２２に電極２１と同じ大きさで逆極性の電圧＋ＰｋＶを印加しておく。いまイオン状分解生成物がａ価の場合、Ｘ方向でのイオン状分解生成物が持つ運動エネルギーはａＰｋｅＶとなるが、電極２２に電極２１と同じ大きさで逆極性の電圧が印加されているために−ａＰｋｅＶの力を受ける。この結果、図２に示すように、イオン状分解生成物は矢印Ａで示す様に電極間を往復するが、漸次その運動エネルギーを消費して極く短時間でＸ方向の運動エネルギーを失うに至る。
電圧（Ｐの絶対値）の大きさは、イオン状分解生成物の種類、質量などにより多少異なるが一般的には１〜１０ｋＶ程度でよく、その際の電流量は少ないので本発明の装置の全体の構成上から考慮して利用し易い電圧を印加すればよい。
【００２２】
イオン状分解生成物がＸ方向の運動エネルギーを失うと、それはイオン状ではあっても電極室２から以降の移動に関しては電気的に中性の物質と同様に挙動し、真空ポンプ６による差動排気によりＹ方向に移動してガス受入れ口３１に到り、その結果、図１の矢印Ｂで示す物質流が生じる。なおイオン状分解生成物がＸ方向の運動エネルギーを失えば、イオン状分解生成物を電極室２から任意の方向に排出してもよいが、Ｘ方向に排出した場合には実際問題としてイオン状分解生成物の一部が未だその方向に比較的大きい運動エネルギーを保持した状態で排出される可能性があるので、本発明ではＸ方向と直交する方向、即ちＹ方向あるいはそれに近い方向にに排出することが好ましい。
【００２３】
電極室２における室内圧力、差動排気のための圧力差、真空ポンプ６の到達真空度などは、図１の装置全体の規模、分解対象たる有害物質の種類などにより異なるが、一般的には、電極室２における室内圧力は１００Ｐａ程度以下が好ましく、各分離用ノズル３０１〜３０３におけるガス受入れ口３１と回収手段４または５との間は少なくとも１桁程度の圧力差があればよい。また真空ポンプ６の到達真空度は、図１の装置のように分離用ノズルが二段カスケード構成の場合には連結管８の圧損を考慮して０．１Ｐａあるいはそれ以下とすることが好ましい。かかる真空度を得るための真空ポンプ６としては、例えばロータリーポンプと油拡散ポンプやターボ分子ポンプとの組み合わが好ましい。
【００２４】
電極室２から分離用ノズル３０１の受入れ口３１に供給されたイオン状分解生成物を含む被分離ガスは、湾曲したノズル部３４を通過することにより遠心力が付与され、質量差に基づく遠心力の差によって移行方向に分散が生じ、ガス分離隔壁３５により分けられて軽質量のガス成分は主として排出路３６の方に、重質量のガス成分は主として排出路３７の方にそれぞれ分離移行する。有害物質からのイオン状分解生成物は、被分離ガス中にあって他のガスと比較して軽質量かまたは重質量である。よって軽質量である場合には排出路３６の方に、また重質量である場合には排出路３７の方に分離移行する。ノズル部３４のノズル縁３３の最先端３３１と凹面部３２との間隔ｄ1 およびガス分離隔壁３５の最先端３５１と凹面部３２との間隔ｄ2 はイオン状分解生成物の質量により異なるが、ＮＯX 、ＳＯX 、フロン、ダイオキシンなどの有害物質からのイオン状分解生成物に対しては、それぞれ１〜１０ｍｍ程度および０．５〜５ｍｍ程度が適当である。
【００２５】
排出路３６の方に分離移行したイオン状分解生成物は回収手段４により、また排出路３７の方に分離移行したイオン状分解生成物は回収手段５により、それぞれ捕獲回収される。多くの場合、イオン状分解生成物は、個々の構成原子単位で回収することができる。回収手段４、５によるイオン状分解生成物の捕獲は、本発明においては種々の方法を採用してよく、例えばモレキュラーシーブによる吸着、磁場によるトラップ、さらには電場で再加速して固体内部へ入り込ませて吸蔵させるもよい。
【００２６】
有害物質からのイオン状分解生成物は、通常、質量の異なる複数成分からなっている。したがって分離用ノズル３０１の排出路３６と回収手段４を経由した被分離ガスを分離用ノズル３０３に、また分離用ノズル３０１の排出路３７と回収手段５を経由した被分離ガスを分離用ノズル３０２にそれぞれ供給して再分離並びに再捕獲回収することが好ましい。かくすると、質量の異なるイオン状分解生成物を各成分毎に分離回収することが出来る。
【００２７】
本発明において、電極室２および３基の分離用ノズルにおけるイオン状分解生成物の滞留時間は、通常１００ｍ秒以下の極く短時間であるので、イオン状分解生成物の大部分は非イオン化する前に分離回収される。しかし、極く一部のイオン状分解生成物はその間に非イオン化したり、あるいは分解室１での有害物質の分解が不十分となって未分解物が電極室２以下に移行することも有り得る。それらの非イオン化物や未分解物は、真空ポンプ６からの排気ガス中に残存するので、当該排気ガスを連結管部分８３を介して分解室１に戻してボンベ７から供給された有害物質と一緒に分解し、分離回収することが好ましい。
【００２８】
本発明は、有害物質のイオン状分解生成物の分離のみならず、分解室１内で各種の固体に大電流イオンビームなど用いてアブレーション（蒸発）させて得られるプラズマの分離に適用することが可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は以上説明した通り、気体中に含まれるイオン状物質を、イオン状物質が非イオン状物質に変化する前に他の気体分子から分離し回収するので、イオン状物質が他の陰イオンや陽イオンと再結合して元の、あるいは他の有害物質に変化することが実質的に防止される。その際、イオン状物質の分離手段として、物質間の質量差を利用して質量の異なる物質を互いに分離する分離用ノズルを使用することにより高速で所望の分離を行うことができる。分離用ノズルは小型であり、分離したイオン状物質も吸着などの小型の回収手段にて回収可能であるので、本発明の分離装置の全体を小型にし得て、かくして本発明の課題を解決することができる。
【００３０】
一般的にイオン状物質は、高運動エネルギーを有したままで分離用ノズルに供給されると、高運動エネルギーを有する方向で分離用ノズル壁に衝突したときには当該壁内に入り込んで分離の効率が低下することがある。これに対して本発明の好ましい態様においては、イオン状物質を他の気体分子から分離するに先立って、電極室内でのイオン状物質の進行方向の運動エネルギーを低減乃至消滅せしめ、ついで差動排気して分離用ノズルに供給する。かくすると、差動排気にて移動するときの運動エネルギーは小さく、したがって分離用ノズルに供給されても上記の壁内に入り込むことが防止あるいは軽度となって分離用ノズルによる分離の効率が向上する。
【００３１】
近時においては、産業の発展や生活レベルの向上によりＮＯX 、ＳＯX 、フロン、ダイオキシン等の有害物質の発生量は増大の一途を辿っており、その一方で生活環境の保護の機運も益々高まりつつあって発生した有害物質の効果的且つ実用的な処理技術の開発が焦眉の問題となっているが、本発明は有害物質の効果的な処理に特に顕著な効果を発揮するので、近時におけるかかる問題に応えることができる。
【００３２】
さらに本発明は、固体に大電流イオンビームなど用いてアブレーションさせて得られるプラズマの分離にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のイオン状物質の分離装置についての実施の形態の一部断面を示す概略的な正面図である。
【図２】  図１の電極室２を中心とした部分の拡大正面断面図である。
【図３】  図１の分離用ノズル３０１の拡大正面断面図である。
【符号の説明】
１  有害物質の分解室、２  電極室、３  分離用ノズル、
４  イオン状物質の回収手段、５  イオン状物質の回収手段、
６  真空ポンプ、７  ボンベ、８  連結管。
【図１】
0003653565.tif 000002
【図２】
0003653565.tif 000003
【図３】
0003653565.tif 000004