(57)【要約】【課題】空気中に含まれる揮発性有機物質を効率良く二酸化炭素まで分解すると共に、二酸化炭素まで分解しきれない有機物中間体を効率良く除去する空気清浄装置を提供する。【解決手段】  空気を吸引する吸引部、吸引した空気を浄化する空気浄化部、浄化した空気を排気する排気部からなる空気清浄装置であって、空気浄化部が誘電体薄膜基板上に複数の尖状突起を有する微細電極素子を持つプラズマ放電電極と、プラズマ放電処理した空気中のゾル状ないしゲル状物質を捕捉する捕捉部から構成されることを特徴とする空気清浄装置。【選択図】  図２
2006192013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を吸引する吸引部、吸引した空気を浄化する空気浄化部、浄化した空気を排気する排気部からなる空気清浄装置であって、空気浄化部が誘電体薄膜基板上に複数の尖状突起を有する微細電極素子を持つプラズマ放電電極と、プラズマ放電処理した空気中のゾル状ないしゲル状物質を捕捉する捕捉部から構成されることを特徴とする空気清浄装置。
【請求項２】
プラズマ放電電極が、５０〜１００ＫＨｚ、３．０〜５．０ＫＶで作動する請求項１に記載した空気清浄装置。
【請求項３】
誘電体薄膜基板が雲母であり、微細電極が加工された板状の金属板である請求項１又は請求項２に記載した空気清浄装置。
【請求項４】
プラズマ放電処理した空気中のゾル状ないしゲル状物質を荷電させるイオン発生装置を兼ね備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかひとつに記載した空気清浄装置。
【請求項５】
捕捉部が多孔質薄膜である請求項１ないし請求項４のいずれかひとつに記載した空気清浄装置。
【請求項６】
多孔質薄膜が、紙又はプラスチックスである請求項５に記載した空気清浄装置。
【請求項７】
多孔質薄膜が、段違い配置をとる請求項５に記載した空気清浄装置。
【請求項８】
捕捉部全体を取替可能な構造とする請求項１ないし請求項７のいずれかひとつに記載した空気清浄装置。
【請求項９】
捕捉部がプラス若しくはマイナスに荷電されていることを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれかひとつに記載した空気清浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気清浄装置とくに大気中に含まれる揮発性有機物質の分解および除去ができる空気清浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業資材や自宅建材から発生する揮発性有機物質が半導体産業での汚染物質としてあるいはシックハウス症候群の起因物質として大きな課題となっている。そこで、これら大気環境に存在する揮発性有機物質を効果的に取り除く手法の研究開発が活発に行われている。
従来、揮発性有機物質を除去する手法として、プラズマ放電（特許文献１、特許文献４、特許文献５、非特許文献６）やコロナ放電（特許文献２、非特許文献２、非特許文献３）などの放電処理装置、電子ビーム発生（特許文献３）による物理的装置、オゾン発生による化学的分解装置（非特許文献１）、光触媒や酸化触媒を用いる化学的分解装置（非特許文献４、非特許文献５）、あるいは吸着させた揮発性有機物質を燃焼させる処理装置、及びそれらの組み合わせから成る種々の処理装置等が知られている。
プラズマやコロナ放電による揮発性有機物質を除去する方法は、放電により生成される高エネルギー電子と有機化合物との衝突反応により開始され、同時に大気から生成される酸素活性種との反応により一酸化炭素や二酸化炭素まで分解されるものと推定されている。しかし、分解過程には種々の中間体が含まれ、放電の結果生成する二次生成物もあり、完全に二酸化炭素などへ無機物化するのは困難である。
【０００３】
オゾンによる方法は、オゾン発生器から生成するオゾンを熱分解させて化学的に活性な酸素原子やヒドロキシラジカルと揮発性有機化合物との反応により酸化分解させる手法である。この場合も二酸化炭素まで分解させるのは難しく、かつ、有害な酸化物も生成する。
光触媒や酸化触媒による方法は光照射や熱で触媒を活性化させ、揮発性有機化合物の分解反応を促進させて除去する手法である。この手法でも二酸化炭素まで分解しきれない副生成物が生成される。
前述のように、揮発性有機化合物が完全に二酸化炭素まで分解されれば問題はないが、一般には炭化水素やその誘導体の分解過程には中間体として活性化学種や反応中間体が含まれ、それらを経由して二酸化炭素以外の化学物質が二次的に生成される。それらの中には人体に有害なアルデヒド類も含まれる。例えば、トルエンを熱的オゾン処理した場合には、中間体と活性酸素原子やヒドロキシラジカルなどとの反応によるベンズアルデヒド、フェノール類などが生成する（図６）。
そこで、前述の手法の組み合わせによる装置、例えば、放電装置の後に触媒装置を配置させて二段構えで二酸化炭素までの分解を促進させようとするものも知られている。しかし、放電後に含まれる活性種や中間反応物が触媒表面に大量に滞留した場合に触媒の劣化を招くことになる。また、一般に複数の手法を複合した場合には装置が大型化する問題点を有している。また、電力以外に触媒や熱エネルギーなどを使用する場合は、維持管理上の負担が大きな欠点となっている。
【特許文献１】特開２０００−２７９４９２号公報
【特許文献２】特開２００１−６２２８７号公報
【特許文献３】特開２００３−１４４８４１号公報
【特許文献４】特開２００４−２８３７４２号公報
【特許文献５】特開２００４−２９０７８９号公報
【特許文献６】特開２００４−１０５５１７号公報
【特許文献７】特開２００４−２１５８１１号公報
【特許文献８】特願２００３−３４１１９２
【非特許文献１】G.Xiong,J.A.Koiel, J.Pawlisyn: J. Chromatography A, 1025, 57(2004)
【非特許文献２】W.Tanthapanichakoon,N.Sano, T.Charinpanitkul, N.Dhattavorn, S.Chaiyo, H.Tamon: J.Chem.Eng.Jpn, 36,946(2003)
【非特許文献３】D.Li,D.Yakushiji, S.Kanazawa, T.Ohkubo, Y.Nomoto: J.Electrostatics,  55, 311(2002)
【非特許文献４】Z.Pengyi,L.Fuyan, Y.Gang, C.Qing, Z.Wanpeng: J.Photochem. Photobio. A, Chem. 156,189(2003)
【非特許文献５】K.Sekiguchi,A.Sanada, K.Sakamoto: Catalysis Commun. 4, 247(2003)
【非特許文献６】R.Rudolph, K.-P.Francke, H.Miessner:Plasma Chem Plasma Phys. 22, 401(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、プラズマ放電で生成する高エネルギー電子により大気中の揮発性有機物質を二酸化炭素までに分解させる処理装置において、分解過程で生成する副生成物であってゾル状ないしゲル状物質である化学活性種や反応中間体を、オゾンや触媒や熱エネルギーを使用せずに、常温で簡易に除去できる小型装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明者らは、微細電極素子を用いて揮発性有機物質をプラズマ放電により処理、とくに揮発性有機物質として代表的な物質であるトルエンの分解を鋭意検討した。その結果、トルエンは主たるプロセスとしては二酸化炭素にまで効率良く分解されるが、一部に反応中間体が生成し、微細電極素子から同時に生成している荷電粒子雰囲気下で、急速に凝縮しつつエアロゾル化している粒子群が存在することを確認した。
これらの粒子群がそのまま処理容器内に存在すると酸化性媒体、例えばオゾンの熱分解や光分解で生成する発生期の酸素やヒドロキシラジカルなどとの反応により酸化物が生成することが確認されている。
一方、揮発性有機物質のプラズマ放電による処理中に生成する粒子群である中間体自身は、活性であり多孔質絶縁物質、例えば紙やプラスチックス、代表的には濾紙などの表面に容易に吸着され、ポリマー化することを見出した。本発明は揮発性有機物質のプラズマ放電におけるこれらの知見に基づいてなされたものである。
【０００６】
すなわち、本発明は、空気を吸引する吸引部、吸引した空気を浄化する空気浄化部、浄化した空気を排気する排気部からなる空気清浄装置であって、空気浄化部が誘電体薄膜基板上に複数の尖状突起を有する微細電極素子を持つプラズマ放電電極と、プラズマ放電処理した空気中のゾル状ないしゲル状物質を捕捉する捕捉部から構成されることを特徴とする空気清浄装置である。
また、本発明においてはプラズマ放電電極を、５０〜１００ＫＨｚ、３．０〜５．０ＫＶで作動させることができる。
さらに、本発明は、誘電体薄膜基板が雲母であり、微細電極素子が加工された板状の金属板とすることができる。このようにすることにより、プラズマ放電電極を高出力とすることができる。
また、本発明は、プラズマ放電処理した空気中のゾル状ないしゲル状物質を荷電させるイオン発生装置を兼ね備えることができる。このようにすることにより、捕捉部をプラス若しくはマイナスに荷電して、捕捉部の効率をさらに高めることが出来る。
さらに、本発明において、捕捉部を多孔質薄膜とすることができる。
多孔質薄膜としては、紙類又はプラスチックス類を用いることが出来る。一般に絶縁体である多孔質薄膜の表面は正、又は負に電荷を帯びており、これらが不均一な電場を形成するために、上記荷電ゾル状ないしゲル状物質を静電捕集することができ、捕集効率の向上が可能となる。
ここで、多孔質薄膜が、段違い配置をとることができる。この場合、捕集部における有効捕集面積を増大することが可能となるために、捕集効率の向上ができる。
また、本発明においては、捕捉部全体を取替可能な構造とすることができる。取り替え部品として安価な紙やプラスチック薄膜をもちいることで、上記ゾル状ないしゲル状物質の廃棄を簡便にしかも安価に行うことができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、揮発性有機物質を効率良く二酸化炭素に変換させると共に、変換されずに副生する活性化学種をオゾンや触媒や熱エネルギーを使用せずに、常温で簡易に除去できる小型装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の空気清浄装置で処理対象とする大気中の主な揮発性有機物質としては、炭化水素、アルコール、アルデヒド、有機酸などの揮発性有機化合物（VOCｓ：Volatile Organic Compounds）である。
本発明の空気清浄装置で使用する微細電極素子は、誘電体薄膜基板上に放電電極として複数の尖状突起を連結したものであり、対極として尖状突起に近接した線状の微細電極回路から形成されるものである。
このような電極は、すでに本発明者らにより開発され、出願されている（特許文献８）。この電極は、両極が誘電体薄膜で遮蔽され、高電圧印加により、高エネルギー電子、イオン、ラジカルを放出することができる。
図１にその概要を示す。電極基板２１５上に、微細電極素子２１１、接地電極２１３が設けられ、それぞれ導線２１２と導線２１４により電源に接続されている。
電源は、周波数が５０〜１００ＫＨｚ、ピーク電圧が±３．０〜５．０ＫＶであり、代表的なものとしては、圧電トランスを用いた高周波電源等が挙げられる。
ここで周波数が５０ＫＨｚ以下の場合あるいは３．０ＫＶ以下の場合は、分解効率が低減し、また１００ＫＨｚ以上、５．０ＫＶ以上の場合は電極の劣化が生じる。
本発明の空気清浄装置においては、揮発性有機物質を含む空気が、微細電極素子基板上に到達すると共に、高エネルギー電子やイオン、酸素ラジカルと衝突反応を起こし、多くは二酸化炭素まで分解される。しかし、同時に分解過程で副生するイオンを含む活性化学種が基板上で生成し、ゾル状ないしゲル状物質として浮遊しており、これを吸着、ポリマー化させるための絶縁物質薄膜へと流通するように置かれた構成を特徴とする装置である。
【０００９】
とくに、活性化学種が生成するのは、高エネルギー電子やイオンと衝突反応する基板近傍であり、二酸化炭素以外の副生しているそれらの活性化学種は経路を流れる過程で会合、帯電したエアロゾルへと変化する。この反応過程は、大気の流量に依存するが、通常は基板から３０ｃｍまでに起こっている。そこで、本発明では、基板から３０ｃｍ以内に帯電している化学活性種を効率よく吸着させ、吸着後に安定な樹脂状有機物質に変換させて固定化する絶縁物薄膜とすることができる。微細電極素子基板の近傍に置かれる絶縁物薄膜としては、紙類やプラスチックス類で作成された薄膜状のものなどで良い。絶縁物薄膜は、多孔質なものが望ましくとくに濾紙が好適に用いられる。
また、その配置は処理する大気の流通を妨げないように、かつ、浮遊する活性化学種を効果的に捕捉できるように、段違いに配置すると良いが、これに限定されるものではない。
さらに、プラズマ放電処理した空気中のゾル状ないしゲル状物質を荷電させるイオン発生装置は、プラズマ放電電極と共有することができる。このことによって、プラズマ放電処理された空気中にあるゾル状ないしゲル状の物質を、これらと同時に生成する正あるいは負イオンによって帯電させることにより、捕捉部で捕捉しやすくすることができる。この際には、捕捉部の絶縁物薄膜は帯電させておくと良い。
本発明によれば、二酸化炭素以外に副生する活性中間体からなるエアロゾルをろ紙やプラスチックス膜上に凝縮して固定化できるので、大量の大気を流すことが可能である。また、エアロゾル状物質から樹脂状に固定化される量は極めて少量であり、絶縁性薄膜は長時間に亘って使用できる。さらにまた、捕捉部全体を紙製とし、適宜取替可能な構造とするといつも清潔にしておけるので、好ましい。
固定化物が蓄積された際は、絶縁性薄膜を容易に交換すると共に、使用後の絶縁性薄膜は有機高分子系樹脂であり、焼却廃棄できる。
また、本発明は、放電による高エネルギー電子や酸素ラジカルが生成し、揮発性有機物質を効率良く二酸化炭素まで分解し、同時に副生する活性化学種を生成直後に捕捉できるために、放電過程と捕捉過程を可能な限り近接した場で行うために、放電体として誘電体放電回路が小型素子化された微細電極素子を使用する。
【実施例１】
【００１０】
本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図２は本発明の空気清浄装置の一例を示す。
吸引部１より、トルエンを含む大気を空気清浄部２に導き、プラズマ放電電極２−１の微細電極素子２２１近傍に当該トルエンを含む大気を当てる。
まず閉鎖空間での分解率を求めるために、トルエンを含む大気を吸入部から導いた後、一定時間後入口と出口のバルブを閉鎖して実験を行った。微細電極素子２２１は、６７ＫＨｚ、３．５ＫＶで駆動した。
トルエンを含む大気は、空気清浄部２内で分解され、二酸化炭素とゾル状ないしゲル状物質である活性中間体となると見られる。
その後、捕捉部３の絶縁性薄膜（ろ紙部）を通過して、排気部より排出する。
絶縁性薄膜（ろ紙部）は処理すべき大気の流れを著しく妨げないようにかつ浮遊する活性化学種を効果的に捕捉できるように電極素子基板の近傍に配置することが望ましい。
図３はトルエンを約３０ｐｐｍ含む大気を本発明の処理装置において、処理前と処理後に試料採取したガスクロマトグラフ質量分析計での測定結果を示す図である。図４はトルエンを約３０ｐｐｍ含む大気を閉じた容量が７５ｃｍ３のガラス製容器内で一定時間微細電極素子を作動して処理した際のトルエンの分解率を示す図である。本発明の空気浄化素子を用いることで、閉鎖空間中３０分程度の電圧印加によって９９％以上の分解率が得られていることが分かる。
ここで用いたプラズマ放電電極の写真を図７に示し、プラズマ放電したときの写真を図８に示す。
【実施例２】
【００１１】
トルエンの量を変えたほかは、実施例１と同じ条件で、空気中に混入したトルエンの連続分解を行った。
図５は本発明の処理装置において、トルエンを、１から１００ｐｐｍ含む大気を一定の滞留時間で流通させ、処理前と処理後に試料採取したガスクロマトグラフ質量分析計での測定からトルエンの分解率を算出した結果を示す図である。
【００１２】
（比較例）
トルエンを約２０ｐｐｍ含む大気の経路にオゾン発生器からの１０から２０ｐｐｍのオゾンを単純混合させた状態で試料採取したガスクロマトグラフ質量分析計での測定結果を図６に示す。本発明である図３（２）ではほとんど検出されなかったベンズアルデヒド等が、副生成物としてより多く生成していることがわる。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本発明の空気清浄装置は、室内や工場などに設置することで、空気中に存在する有機化合物の分解を行うことができる小型の空気浄化装置として広く用いることができる。またメンテナンスが簡単で、しかも従来の大型装置と比較してランニングコストも低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】プラズマ放電電極
【図２】実施例で用いた処理装置の概略図。
【図３】トルエンを含む空気の本装置の使用前と処理後のガスクロマトグラフ質量分析計による測定結果を示すクロマトグラフ。（１）は処理前のクロマトグラフ、（２）は処理後のクロマトグラフ。
【図４】密閉容器内で微細電極素子を印加した場合のトルエン残存率を表すグラフ。
【図５】流通式容器内でトルエンを含む大気を本発明の装置で処理した場合に分解される割合を示すグラフ。
【図６】トルエンを含む空気のオゾン処理後のガスクロマトグラフ質量分析測定によるクロマトグラフ。（２）は（１）のトータルイオン強度を１０倍にした拡大図。
【図７】プラズマ放電電極の実物写真
【図８】プラズマ放電中のプラズマ放電電極の実物写真
【符号の説明】
【００１５】
１    吸引部
２    空気浄化部
２１  プラズマ放電電極
２１１  微細電極素子  
２１２  導線  
２１３  接地電極
２１４  導線  
２１５  電極基板
３    排気部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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