(57)【要約】【課題】低電圧でプラズマ生成が可能で、処理効率が高く、誘電体の発熱を抑えて安定したプラズマを維持できる誘電体を提供する。【解決手段】誘電体は、ガスＧ１が流れる流路６５を有し、電圧を印加することによって、大気圧下で、流路６５にプラズマを生成する。誘電体は、孔６６を有する誘電体基材６１と、孔６６の表面を覆う、誘電体基材６１よりも比誘電率の高い強誘電膜６２と、強誘電膜６２の表面を覆う吸着材６３と、吸着材６３の表面の一部を覆い、吸着材６３とともに流路６５の外周部を形成する触媒６４とを有している。【選択図】  図３
2005313108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが流れる流路を有し、電圧を印加することによって、大気圧下で、該流路にプラズマを生成する誘電体であって、
孔を有する誘電体基材と、
前記孔の表面を覆う、前記誘電体基材よりも比誘電率の高い強誘電膜と、
該強誘電膜の表面を覆う吸着材と、
該吸着材の表面の一部を覆い、該吸着材とともに前記流路の外周部を形成する触媒とを有する誘電体。
【請求項２】
前記流路は、３次元状に、かつ、網目状に形成されている、請求項1に記載の誘電体。
【請求項３】
請求項１または２に記載の誘電体と、
該誘電体を間に挟み、該誘電体に前記電圧を印加する、接地側電極と高圧側電極と
を有する、ガス処理装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の誘電体と、
該誘電体を間に挟み、該誘電体に前記電圧を印加する、接地側電極と高圧側電極と
を有し、
ガス処理装置に着脱可能に搭載できる、ガス処理装置用のカートリッジ。
【請求項５】
請求項４に記載のカートリッジを着脱可能に搭載できる保持部を有する、ガス処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種の工業的処理工程から排出される揮発性有機化合物（以下、ＶＯＣ（Volatile Organic Compounds）という。）を含むガスを、大気プラズマ分解方式で無害化するガス処理装置に用いられる誘電体、およびガス処理装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＶＯＣは、有機溶剤を使用する塗装工程等で発生する、トルエン、キシレン、ＭＥＫ（メチルエチルケトン）等の有害化学物質である。かつては、ＶＯＣは、大気中に放出されていたのが実情であったが、近年、環境汚染物質排出移動登録（ＰＲＴＲ）制度が施行されるなど、環境への負荷物質であるＶＯＣの低減が社会的にも求められるようになり、ＶＯＣの無害化技術が広く検討されている。ＶＯＣ無害化技術としては、例えば光分解、触媒分解、強制燃焼などの方式があるが、装置の大型化や運転コストの増加、有害物質の発生、処理効率等の問題があり、近年これらの課題を克服する技術として、放電利用型のＶＯＣ無害化技術が注目されている。放電利用型は、常圧下で放電を発生させ、その放電によりＶＯＣを処理するもので、放電方式によって、無声放電方式、沿面放電方式、パルスコロナ放電方式、大気プラズマ分解方式等に分類される。中でも、大気プラズマ分解方式は、大気圧で適用することができ、真空ポンプ等の付加設備が不要であるため装置構成が簡便であり、また、処理効率も高いことから、有望な技術の一つに位置づけられている。
【０００３】
大気プラズマ分解方式では、誘電体に電圧を印加することによって、誘電体同士の間隙に、大気圧（常圧下）でグロー放電を誘起させ、プラズマを発生させる。そして、処理対象ガスであるＶＯＣをプラズマが発生している間隙に通し、プラズマの酸化作用でＶＯＣを分解し、二酸化炭素や水に分解する。このため、大気プラズマ分解方式では、プラズマを効率的に発生させることが重要であり、そのための技術がいくつか開示されている。
【０００４】
まず、一対の電極間に、導電体の全面に絶縁体を被覆して形成した粒状誘電体を充填し、放電を生起させる大気圧プラズマ発生装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、粒状誘電体同士の間隙が小さいので、酸素や窒素などの放電開始電圧の大きいガスであっても、極めて小さい印加電力で均質なグロー放電を発生させることができる。
【０００５】
しかし、粒状誘電体を電極間に充填した場合、空隙率が非常に小さくなるため、プラズマ空間にガスを流通するときに、大きな圧力損失を生じてしまう。そこで、粒状誘電体を用いる代わりに、三次元状の多孔質セラミックに触媒を被覆した誘電体を電極間に配置して、プラズマを生起させる技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。三次元状の多孔質セラミックは空孔率が高いため、プラズマ空間容積が粒状誘電体に比べ大きく、圧力損失がより小さく、ファンの動力が少なくてすむ等のメリットがある。
【特許文献１】特開平８−３２１３９７号公報
【特許文献２】特開平１１−１２８７２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献２に示したような、多孔質セラミックに触媒を支持させた誘電体を用いる場合、粒状誘電体を用いた場合よりも処理効率は向上するものの、ＶＯＣが高濃度であったり、処理風量が大きくなると、プラズマ生成部の容積を増やすか、印加電圧を高めるか、または双方の対策を講じて、処理能力を向上させることが必要となる。このため、装置コストや運転コストが増大してしまうという問題がある。
【０００７】
また、誘電体の電気特性は一般に温度により影響を受けるため、印加電圧を高めると、誘電体が発熱し、それによってプラズマの状態が影響を受け、処理効率の低下をもたらすという問題点も指摘されている。この問題点を解消するには、ガス流量を増やして、空冷効果を高めることが有効であるが、ファン容量の増加や、圧損増加によるファン動力の増加を招いてしまう。
【０００８】
本発明は、かかる事情に基づき、特に、大気圧プラズマ分解方式のガス処理装置に適用できる誘電体を提供するべくなされたものであり、低電圧でプラズマ生成が可能で、処理効率が高く、誘電体の発熱を抑えて安定したプラズマを維持できる誘電体を提供することを目的とする。また、併せて、かかる誘電体を用いたガス処理装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の誘電体は、ガスが流れる流路を有し、電圧を印加することによって、大気圧下で、流路にプラズマを生成する誘電体である。誘電体は、孔を有する誘電体基材と、孔の表面を覆う、誘電体基材よりも比誘電率の高い強誘電膜と、強誘電膜の表面を覆う吸着材と、吸着材の表面の一部を覆い、吸着材とともに流路の外周部を形成する触媒とを有している。
【００１０】
このように構成された誘電体では、処理対象物質がプラズマが発生した流路を流れることによって酸化され、処理対象物質の無害化が可能となる。処理対象物質は、触媒によっても酸化が促進されるので、処理効率が一層高められる。また、処理対象物質は、吸着材によって流路内に効率的に捕捉されるので、より確実に酸化処理され、処理されなかった部分も、系外に排出されにくくなる。これに加えて、誘電体基材を、誘電体基材よりも比誘電率の高い強誘電膜で覆う構造によって、低電圧で強誘電膜からのプラズマ生成が可能となり、誘電体の発熱が抑制されるため、プラズマ生成特性への影響を抑えることができ、安定したプラズマを維持できる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明の誘電体は、処理対象物質を、プラズマだけでなく触媒によっても処理し、かつ、吸着材によって流路内に有効に捕捉する。また、誘電体の発熱が抑えられ、プラズマの安定化にも寄与する。これらの理由によって、以下の効果を奏することが可能となる。
（１）処理対象物質の性能（処理率）が向上する。
（２）処理率の高い大気圧プラズマ分解が実現できるので、装置の大型化などによる設備コストを抑えることが可能となる。
（３）印加電圧が少なくてすみ、運転コストの低減が可能となる。
（４）プラズマが安定するため、長時間の運転が容易となり、無用な調整時間や停止時間が不要となる。この結果、運転効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明の誘電体およびガス処理装置の実施形態を図面を用いて説明する。本発明のガス処理装置は、ＶＯＣや臭気物質を処理することができ、土壌汚染処理や、人が集まる屋内収容空間、家庭等の居室、自動車内、その他脱臭を必要とする空間におけるガス処理に広く用いることができる。
【００１３】
図１は、本発明による誘電体を有するガス処理装置の概略構成図である。ガス処理装置１は、処理対象物質である被処理ガスＧ１を導入するガス導入口２を有するガス導入部１ａと、ガス導入部１ａから流入する被処理ガスＧ１をプラズマ処理するプラズマ処理室１ｂと、プラズマ処理室１ｂでプラズマ処理された処理済ガスＧ２を系外に排出するガス排出口３を有するガス排出部１ｃとを有している。また、ガス導入部１ａの下流側には、被処理ガスＧ１をガス導入部１ａに送り込むファン１１が設けられている。
【００１４】
プラズマ処理室１ｂには、下流側から順に、接地側電極４ａ、誘電体６ａ、高圧側電極５ａ、誘電体６ｂ、接地側電極４ｂ、誘電体６ｃ、高圧側電極５ｂ、誘電体６ｄ、接地側電極４ｃが設けられている。これらの各々は、被処理ガスＧ１の全量が通過するように、プラズマ処理室１ｂの断面の全域に渡って配置されている。接地側電極４ａ、４ｂ、４ｃ（以下、接地側電極４ａ等と略称する場合がある。）は、適宜の方法によって接地されており、高圧側電極５ａ、５ｂ（以下、高圧側電極５ａ等と略称する場合がある。）は、交流の高圧電源１２に接続している。この結果、高圧側電極５ａは、接地側電極４ａ、４ｂと対向し、これらの間に挟まれて設けられている誘電体６ａ、６ｂに交流電圧を印加し、高圧側電極５ｂは、接地側電極４ｂ、４ｃと対向し、これらの間に挟まれて設けられている誘電体６ｃ、６ｄに交流電圧を印加する。なお、高圧側電極と接地側電極の枚数は、処理対象物質や必要な処理率によって、適宜に変更することができる。交流電源の周波数は５０Ｈｚ、６０Ｈｚの商用周波数から、高周波（ＭＨｚ）の範囲まで使用可能であり、電圧は数ｋＶ〜数１０ｋＶの範囲であることが多いが、これに限定されるわけではない。
【００１５】
図２にはこれらの接地側電極、高圧側電極、および誘電体を有するカートリッジの概略斜視図を示している。カートリッジ７は、接地側電極４ａ等と、高圧側電極５ａ等と、誘電体６ａ〜６ｄ（以下、誘電体６ａ等と略称する場合がある。）とを有するパッケージで、ガス処理装置１に着脱可能に搭載できる。このため、カートリッジ７は、一定時間使用後や、性能劣化の程度に応じて、適宜交換可能である。また、ガス処理装置１は、カートリッジ７を保持する保持部（図示せず）を有している。ただし、このようなカートリッジ方式を採用するかどうかは任意である。
【００１６】
高圧側電極５ａ等および接地側電極４ａ等は、例えば金属網で形成される。金属網は被処理ガスＧ１の種類により異なるが、０．０１〜０．５ｍｍ程度の金属細線で構成されていることが好ましい。網目の大きさ（メッシュサイズ）は、誘電体６ａ等を保持し、誘電体６ａ等に均一に電圧を印加し、被処理ガスＧ１が大きな圧損を受けずに通過できるよう、適切に選定される。材質としては、例えばステンレス、銅、真鍮、アルミニウム、鉄、タングステン等が用いられる。
【００１７】
次に、誘電体の構造について説明する。図３には、誘電体の一つの流路の周辺の部分詳細図を示す（図２のＡ部を例としたが、他の部位も同様である。）。
【００１８】
誘電体６ａ等の基本構造は、多孔質のセラミック材からなる誘電体基材６１を骨格部とし、内部に３次元状に、かつ、網目状に形成されている流路６５（図３参照）を有するものである。流路６５は互いに接続し、連絡しており、これによって誘電体６ａ等の各々の入口から入った被処理ガスＧ１は、各々の出口に到達し、誘電体６ａ等の各々を通過することができる。
【００１９】
図３において、誘電体基材６１の内部には、３次元状かつ網目状に延びる無数の孔６６が形成されている。孔６６の表面には、強誘電膜６２が被覆されている。強誘電膜６２の上には吸着材６３が被覆され、さらに、触媒６４が、吸着材６３の表面の一部を覆っている。触媒６４は、吸着材６３とともに流路６５の外周部を形成している。強誘電膜６２、吸着材６３、および触媒６４は薄いため、孔６６を閉塞することはなく、流路６５は、誘電体基材６１の孔６６と比べてそれほど縮小しない。このため、流路６５は、孔６６の構造と同様に、３次元状に、かつ、網目状に形成されており、内部を被処理ガスＧ１および処理済ガスＧ２が流れることができる。流路６５の間隙は、例えば平均１ｍｍ程度であり、空孔率は、例えば８０％程度である。
【００２０】
誘電体基材６１は、セラミック基材で形成され、比誘電率は５０以下であることが望ましい。使用材料としては、例えば、アルミナや酸化ジルコニウムが挙げられる。
【００２１】
強誘電膜６２は、比誘電率が１０００以上であることが望ましく、例えば、チタン酸バリウムやチタン酸ストロンチウムが挙げられる。しかし、この条件を満たすものであれば、他のセラミックスや強誘電体を使用することも可能である。強誘電膜６２は、例えば直径３ｍｍ程度の球状ペレットであり、焼成により誘電体基材６１の表面に形成されることが好ましい。特に、焼成温度１０００℃以上で焼成すると、強誘電膜６２の比誘電率が１０００以上まで向上するため、より一層好ましい。焼成したかどうかは、表面を操作型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡等で観察すれば、互いの粒子の焼結の度合いから判別でき、また、強誘電膜６２形成後の空隙の大きさからもわかる。
【００２２】
吸着材６３には、ゼオライトや活性炭等が用いられる。ゼオライトを使用すれば、アンモニア、トルエン等の臭気物質を除去でき、特に、疎水性ゼオライトを使用することが好ましい。２枚以上の誘電体を配置する場合、各々の誘電体に同じ種類の吸着材を被覆してもよく、異なる種類の吸着材を被覆してもよい。
【００２３】
触媒６４には、白金、パラジウム、ロジウム、ニッケル、二酸化マンガン等の貴金属あるいは金属酸化物が好ましい。触媒６４は、例えば直径２ｍｍ程度の球形状ペレットである。触媒６４には、数種類の触媒を用いてもよく、また、２枚以上の誘電体を使用する場合には、各々の誘電体に同じ種類の触媒を用いてもよく、異なる種類の触媒を用いてもよい。
【００２４】
次に、本発明のガス処理装置１の作用について説明する。図１において、ＶＯＣを含有する被処理ガスＧ１が、ファン１１により、ガス導入部１ａからプラズマ処理室１ｂ内の誘電体６ａ等に順次流入する。接地側電極４ａ等と高圧側電極５ａ等との間には、高圧電源１２によって電圧が印加されており、これらに挟まれている誘電体６ａ等には、流路６５内や、流路６５の壁面に放電が発生して、常圧下でプラズマが生起されている。流路６５に流れ込んだ被処理ガスＧ１はプラズマと接触しながら、プラズマによって酸化・分解されて、無害化される。無害化された処理済ガスＧ２はガス排出部１ｃに移行し、ガス排出口３を介して系外に排出される。
【００２５】
このとき、触媒６４が被処理ガスＧ１の酸化を促進するので、被処理ガスＧ１の処理は、プラズマによる酸化との相乗効果によって促進される。また、被処理ガスＧ１は、流路６５の表面に設けられている吸着材６３に吸着・捕捉されて、より確実に酸化処理されるとともに、処理されずに残った未処理ガスも吸着材６３に吸着され、系外に放出されにくくなる。一方、比誘電率の大きい強誘電膜６２は、構成粒子の分極率が高く、低い印加電圧で容易にプラズマを生起するため、大きな発熱を生ずることがなく、しかも非常に薄く発熱部分が限られている。このため、誘電体６ａ等の全体の発熱が抑えられ、温度の上昇によるプラズマへの悪影響が抑えられる。このような作用によって、処理効率がさらに向上し、しかもプラズマを安定して維持することができる。
【００２６】
本発明の誘電体の効果を、以下の実施例によって、より具体的に説明する。なお、以下の実施例は、一つの例示であり、本発明の内容を限定するものではない。
【００２７】
図４には、実施例および比較例１、２に用いたガス処理装置の概略構成を示す。ガス処理装置１０１のガス導入口には、流量調節器１１５を介して、被処理ガスを充填した被処理ガスボンベ１１４が接続されている。プラズマ処理室は、室内容積１６ｃｍ3であり、ガス排出口は、パイプを介して分析装置１１６（ガステック社製ガス検知管）に接続されている。被処理ガスは、１０ｐｐｍアンモニアガスで、流量１６リットル／分とした。
【００２８】
実施例における電極・誘電体の構成は、上記の実施形態で説明したものより多少簡略化されており、高圧電源１１２が接続された高圧側電極１０５（１ｍｍφタングステン棒）の両側に、接地側電極１０４ａ、１０４ｂ（ステンレスメッシュ）が、各々誘電体１０６ａ、１０６ｂ（外寸４０ｍｍ×４０ｍｍ×５ｍｍ）を挟んで配置された構造である。誘電体１０６ａ、１０６ｂは、多孔質アルミナ基材上に、強誘電膜としてチタン酸バリウム（比誘電率εｒ＝４０００）を塗布し、１２５０℃で焼成後、吸着材としてハイシリカゼオライトを塗布し、触媒としてニッケルを使用して製作した。強誘電膜の厚みは２０μｍ、吸着材塗布量は３５ｗ％、触媒量は０.５ｗ％とした。誘電体の流路の間隙は平均１ｍｍ、空孔率は８０％である。
【００２９】
比較例１では、多孔質アルミナ基材に強誘電膜と触媒とが設けられており、吸着材は被覆されていない。比較例２では、多孔質アルミナ基材に吸着材と触媒とが設けられており、強誘電膜は設けられていない。その他の条件は実施例と同じである。そして実施例および比較例１、２について、ガス処理装置１０１を使用して、上記の被処理ガスの無害化処理を行った。
【００３０】
図５に結果を示す。図５（ａ）には、各例の主要条件および結果の一覧を、図５（ｂ）には、各例の印加電圧と処理率との関係を示す。なお、処理率の定義は図５（ａ）中に示す。比較例１では、吸着材を塗布していないため、アンモニアをプラズマ空間中に保持することができず、実施例に比べてプラズマや触媒にアンモニアが接触する時間が短いため、処理能力が劣る。比較例２では印加電圧を実施例より１．５倍程度高くしているにもかかわらず、処理率は７０％に止まっており、実施例と同程度の処理率を得るにはさらに印加電圧を上げなければならない。これは、比較例２ではチタン酸バリウムを塗布していないため、放電に必要な印加電圧が高くなるためである。その結果、所望の処理率を得るためには、印加電圧を実施例よりも高くしなければならず、その結果消費電力も大きくなる。しかも、発熱も増加するため、プラズマの安定化上も好ましくない。
【００３１】
以上説明したように、本発明のガス処理装置は、処理対象物質である被処理ガスが、プラズマの発生した流路を流れることによって酸化され、さらに、触媒によっても酸化され、被処理ガスの無害化が可能となる。また、吸着材によって、被処理ガスが確実に流路内に捕捉され、酸化処理の効率を高めることができ、未処理部も系外に放出されにくくなる。一方、誘電体基材を、誘電体基材よりも比誘電率の高い強誘電膜で覆っているため、小さな印加電圧でプラズマの発生が可能となり、誘電体の発熱が抑えられ、プラズマの安定化にも寄与する。その結果、性能（処理率）が向上するだけでなく、設備コスト、運転コストの低減や、運転効率の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス処理装置の概略構成図である。
【図２】図１に示すガス処理装置のガス処理部の概略斜視図である。
【図３】図２に示すガス処理部を構成する誘電体の表面付近の模式的な断面図である。
【図４】実施例、比較例に用いたガス処理装置の構成図である。
【図５】実施例、比較例の試験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１  ガス処理装置
１ａ  ガス導入部
１ｂ  プラズマ処理室
１ｃ  ガス排出部
２  ガス導入口
３  ガス排出口
４ａ、４ｂ、４ｃ  接地側電極
５ａ、５ｂ  高圧側電極
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ  誘電体
６１  誘電体基材
６２  強誘電膜
６３  吸着材
６４  触媒
６５  流路
６６  孔
７  カートリッジ
１１  ファン
１２  高圧電源
１１４  被処理ガスボンベ
１１５  流量調節器
１１６  分析装置
Ｇ１  被処理ガス
Ｇ２  処理済ガス
【図１】
2005313108.tif 000003
【図２】
2005313108.tif 000004
【図３】
2005313108.tif 000005
【図４】
2005313108.tif 000006
【図５】
2005313108.tif 000007