(57)【要約】【課題】  大容積処理，高い均一処理化，高効率化ができかつ低コストでかつ使用上安全であることを同時に満足するマイクロ波反応処理装置を提供する。【解決手段】  気体状の物質を、誘電体の内部あるいは表面に接触させながら誘電体をマイクロ波表面波線路として用いながらマイクロ波を照射し分解を行う装置において、水分子ミストあるいは水蒸気膜を誘電体表面に形成しながら処理を行う。これにより、処理領域あるいは界面においてマイクロ波励起が均一均等で処理反応部を大面積に展開できる大容量処理が可能な装置であり、かつ反応処理において効率よく接触反応が行え、かつ低コスト処理である処理装置が提供できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体状の物質を、誘電体の内部あるいは表面に接触させながら前記誘電体をマイクロ波表面波線路として用いながらマイクロ波を照射し分解を行う装置において、水分子ミストあるいは水蒸気膜を前記誘電体表面に形成しながら処理を行うことを特徴とするマイクロ波反応処理装置。
【請求項２】
処理ガスに対する水分子ミストあるいは水蒸気の分圧が１０％以下であることを特徴とする請求項第一項記載のマイクロ波反応処理装置。
【請求項３】
前記処理を行う処理部へのマイクロ波導入線路が表面波誘電体線路でありかつマイクロ波の伝搬線路において無限長となるように線路が閉鎖している事を特徴とする請求項第一項及び第二項記載のマイクロ波反応処理装置。
【請求項４】
前記処理の対象となる処理物質が揮発性有機化合物であることを特徴とする請求項第一項及び第二項記載のマイクロ波反応処理装置。
【請求項５】
前記誘電体が多孔体であることを特徴とする請求項第一項及び第二項記載のマイクロ波反応処理装置。
【請求項６】
触媒を担持された多孔体であることを特徴とする請求項第五項記載のマイクロ波反応処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ波反応処理装置のうち加熱・化学分解・化学合成・触媒反応・脱臭処理等において、被処理材料をマイクロ波励起による電磁波処理反応により行うことを特徴とするマイクロ波帯域を用いた高周波反応処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波による反応処理は、被加熱体の形状にとらわれず材料誘電率によって加熱できることから乾燥、焼結分野等で主に加熱反応に利用されている。これはマイクロ波が電磁波であり極性分子を回転させることによる回転エネルギーによる摩擦現象によるためであり、また処理部における高周波電磁波の共振現象を利用してエネルギー投入を行うものである。
【０００３】
このようにマイクロ波では分子を直接励起でき、また分子の極性状態により選択的に励起できることから分解・合成・触媒反応等に利用でき研究が進められている。
【０００４】
これらの処理の中で従来マイクロ波を用いた分解処理として、マイクロ波を熱源として用いてマイクロ波吸収体あるいはその近傍において加熱反応による熱分解によって分解反応処理を行うもの、マイクロ波による熱平衡プラズマにより分解反応を行うもの、あるいは減圧非平衡プラズマにより分解反応処理を行うもの、あるいは水素ガスを添加して誘電体表面にて反応をおこなうもの等が提案されている（たとえば特許文献１）。
【特許文献１】特開平９−３１２２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マイクロ波を熱源とした熱分解方法では、第一に熱吸収体において反応を制御するために限られた誘電率の材料を用いなければならないため材料選択の制約が生じる。また第二に熱吸収体部位での均熱が必要であるためマイクロ波の均一照射が必要となり処理容量を増やすための処理部領域の大型化等に困難が生じ装置構造に制約が生じる。
【０００６】
マイクロ波を用いた熱平衡プラズマによる分解方法は、被処理気体を含む水蒸気雰囲気内にマイクロ波を照射して分解を行おうとするものであるが、水蒸気雰囲気内においてマイクロ波はその周囲領域にて吸収されるため反応自体が処理内部領域で促進されず、処理容量と効率に問題を生じる。
【０００７】
マイクロ波を用いた減圧非平衡プラズマによる分解処理方法では、減圧雰囲気内での処理が必要であるとともに処理密度が低くなるため低コスト化および大量処理が困難であって実用的な手法ではない。また水素ガスを処理雰囲気に導入し、気体固体接触反応により分解を行うものも提案されているが水素ガスの取扱いには制約があるため実用上問題が生じる。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は次のとおりである。（１）処理領域あるいは界面においてマイクロ波を均一均等に照射可能な装置であって、かつ（２）マイクロ波照射領域を大面積に展開できる大容量処理が可能な装置であり、かつ（３）反応処理において効率よく接触反応を行える装置であり、かつ（４）低コスト化のためにコンパクトでかつ常圧にて処理が可能であり、かつ（５）水蒸気を反応のための水素供給源として使用できる処理装置を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明はマイクロ波反応処理装置のうち加熱・化学分解・化学合成・触媒反応等において、マイクロ波帯域高周波を用いた反応処理装置に関するものである。
【００１０】
本発明の目的は前記のような従来技術の課題を解消し大容積処理，高い均一処理化，高効率化ができかつ低コストでかつ使用上安全であることを同時に満足するマイクロ波反応処理装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の目的を達成するためには、マイクロ波照射構造として、反応処理領域に対してマイクロ波高周波電界面を大きく均一に形成でき、導入される高周波電力に対して損失が小さく負荷に高い効率でエネルギーを移送することができ、さらに装置は最大限小型化されるとともに、処理のための装置維持保守に係わる部分が少なく、さらに大容量処理に対して、マイクロ波導入電力を増加する際に複数の発振源を同一負荷に導入できる構造である必要性がある。
【００１２】
同時にマイクロ波の被照射部でありかつ反応処理領域においては反応接触面を大きくとりながらマイクロ波励起表面反応が反応接触面全体で行えてかつ処理ガスが容易に通過できる反応処理部でなければならない。さらに処理ガスの反応界面がマイクロ波照射界面との間で効率よく確実に接触できなければならない。
【００１３】
また反応において処理ガスに反応ガスを導入して処理反応を行うような場合には、処理反応部において反応が安全でかつ確実に処理ガス及び反応ガスが接触しなければならない。
前記内容を具体化するために以下の手法を用いる。
【００１４】
マイクロ波照射装置構造として本出願人により国際出願されているPCT／ＪＰＯ３／０５６６２に記載されている、誘電体による筒状あるいは球状の誘電体面線路を構成し、当該誘電体線路を無限線路と等価にするために高周波結合部を筒状側面あるいは球状側面に設けて高周波伝播線路がループ状に帰還する無限長誘電体線路を構成し、帰還長をすくなくとも導入される高周波の１／４波長の整数倍とし、さらに前記無限長誘電体線路である容器外側の高周波結合部以外の部分を導入高周波接地電位となるよう導体被覆し、当該導体面と無限長誘電体線路の境界面から導入される高周波波長の１／４波長長さを隔てた距離の部分に少なくとも一部の面をもつ処理容器を構成し、必要に応じて処理容器の内側に導体面をもつ構成の装置を用いたマイクロ波照射方法を用いる。
【００１５】
同時に処理接触反応部にマイクロ波励起表面反応を行うために処理ガスが通過できかつマイクロ波表皮伝搬が可能な無機誘電多孔体を用いることにより反応接触面積の大きな処理部が構成できる方法を用いる。同時に処理部での処理ガスと無機誘電多孔体界面における固体／気体接触界面での接触反応効率をあげさらに全ての処理ガスが確実に反応系路を通過するために、気体吸着及びマイクロ波励起吸収が効率よく行えるために微細な水分子ミストを処理反応部に導入して接触反応効率をあげる方法を用いる。
【００１６】
水分子ミストを用いる事により処理気体が一般的なスクラバー処理の効果と同様に水分子ミストに吸着されてマイクロ波処理反応部に導入される事になると同時に、マイクロ波反応処理部において無機誘電多孔体表面に水分子ミストと処理ガスが効率よく吸着しかつマイクロ波吸収率の高い水分子ミストによりマイクロ波励起吸収が促進されることになる。
水分子ミストが誘電多孔体表面においてマイクロ波励起される事によって、気体／固体表面界面における熱平衡反応により水素基あるいはＯＨ基の供給が行われることにより処理によってはさらに処理効果が促進することになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によるマイクロ波反応処理装置により、処理領域あるいは界面においてマイクロ波励起が均一均等で処理反応部を大面積に展開できる大容量処理が可能な装置であり、かつ反応処理において効率よく接触反応が行え、かつ低コスト処理である処理装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の実施態様を図１に基づき説明する。図１は本発明のマイクロ波反応処理部構成の鉛直中心部断面図である。図１において処理ガスあるいは処理ガスと反応ガスの混合ガスが導入側フランジ"７"に構成された処理ガス導入口"６"より導入される。導入側フランジ"７"には金属製管状の水分子ミスト発生部管"１７"が接続されている。
【００１９】
水分子ミスト発生管部"１７"内部には貯水容器"１２"が設置されていて、水分子ミスト発生用の水が常時一定量で注水ライン"１５"より貯水容器"１２"に導入され排水ライン"１６"よりオーバーフローして水液面を一定化する構造となっている。貯水容器"１２"の底部には圧電素子を用いた水分子ミスト発生部"１３"が設置されていてこの作動により水分子ミスト"１４"が貯水容器"１２"から発生する。２．４５ＧＨｚマイクロ波がマイクロ波発振マグネトロン"１"からＴＭモードによりマイクロ波結合部"２"を経由して円筒型の外筒誘電体マイクロ波伝搬線路部"８"と金属製の円筒共振体"３"で構成される領域へ導入される。
【００２０】
マイクロ波は外筒誘電体マイクロ波伝搬線路部"８"と金属製の円筒共振体"３"内面において円周方向に無限長に誘電体線路伝搬する。この誘電体線路伝搬によりエバネセント表面波を内部に形成し、内筒処理管"９"の内部円周方向に多点ピークを持つマイクロ波が伝搬導入されて無機誘電多孔体"１０"に吸収される。
【００２１】
本構成のマイクロ波照射装置においてマイクロ波発振マグネトロン"１"から導入されたマイクロ波は無限長線路を伝搬することによって負荷側からの反射波が発振側に帰還することが無いために高周波線路内にアイソレーターあるいは整合器等の設置が不要であって低コスト化が実現すると同時に複数の同様なマイクロ波発振源を同一負荷に接続する事ができ大電力化に対応できる構造となっている。
無機誘電多孔体"１０"は多孔部が連結していて気体通過が可能なものである。さらに触媒等が担持されていてもよく、また複数の異なった種類の多孔体が設置されていても良い。
【００２２】
前記記載の構成部がマイクロ波処理部となるが、当該の処理部には処理ガス排出口"４"をもつ排出側フランジ"５"が接続されていて、排出側フランジ"５"には処理部からガスを吸気できる負圧とされている外部配管に接続される。
【００２３】
前記構成において装置作動時には、処理ガス導入口"６"より導入される処理ガスあるいは処理ガスと反応ガスの混合ガスは水分子ミスト発生部管"１７"内部にて水分子ミスト"１４"と接触して一部は水分子と吸着しながら内筒処理管"９"内の無機誘電多孔体"１０"の多孔表面を接触吸着しながら通過することになる。一方マイクロ波発振マグネトロン"１"から導入されたマイクロ波は無機誘電多孔体"１０"の多孔内部域も含めた表面を表面波により伝搬し、多孔体表面にて吸着接触している水分子ミストと処理ガスの混合気体に対して励起作用する。
【００２４】
水分子はマイクロ波吸収率が高く、無機誘電多孔体表面での表面励起が促進されることになる。さらに無機誘電多孔体表面での固体／気体・液体混合相界面においては電磁波励起による電子の移動により水分子の一部は水素基あるいは水酸基を脱離することにより、処理の用途によっては還元あるいは酸化反応を界面にて形成できる。
本実施形態では水分子ミストを形成するために圧電素子によるミスト発生器を用いているが、微細水粒が形成できる加圧スプレイあるいは超音波ノズル等による微細水粒の形成方法を用いることもできる。
【００２５】
ここで具体的寸法と容量を示す。マイクロ波発振マグネトロン"１"は２．４５ＧＨｚ２００Ｗ用マグネトロンであり、マイクロ波結合部"２"部は幅７０ミリ高さ１３０ミリの開口部をもって、アルミ製の円筒共振体"３"と外筒誘電体マイクロ波伝搬線路部"８"の側面にてＴＭ１１モードにより結合している。円筒共振体"３"は外径１００φ肉厚５ミリ長さ２００ミリの円筒構造であり、外筒誘電体マイクロ波伝搬線路部"８"はマイカ膜で積層形成した外径８５ミリ内径６０ミリ長さ１７０ミリの円筒構造となっている。内筒処理管"９"は外径５２ミリ内径４６ミリ長さ２００ミリの石英管であり、オーリング"１１"により処理部が外圧対応密閉構造となるようにシールされている。無機誘電多孔体"１０"はＳｉＣ製で平均多孔径がφ１ミリの外径４５ミリ長さ１７０ミリであり、白金触媒が重量比で０．５％担持されたものとなっている。アルミ製φ１００厚み２０ミリの排出側フランジ"５"にはＮＷ２５フランジ接続可能なφ２３ミリの処理ガス排出口"４"が形成されていて、さらに外部配管と接続できるようにフランジ加工がなされている。
【００２６】
水分子ミスト発生管部"１７"はアルミ製φ９０ミリ肉厚３ミリ長さ１００ミリで低部厚みは１５ミリであり、低部は円筒共振体"３"とボルトにて固定接続されている。貯水容器"１２"は高さ６０ミリ外径６０ミリ内径５４ミリ底部厚み３ミリのステンレス製容器であり、注水ライン"１５"及び排水ライン"１６"は１/４インチステンレス管で構成されていて水分子ミスト発生管部"１７"よりシールの上貫通している。水分子ミスト発生部"１３"はＡＣ２４Ｖ、１．２Ａ消費の気化能力９０ｍＬ／時の圧電素子振動によるミスト発生器であって構造部はステンレス製である。
【００２７】
アルミ製φ１００厚み２０ミリの導入側フランジ"７"にはＮＷ２５フランジ接続可能なφ２３ミリの処理ガス導入口"６"が形成されていて、さらに外部配管と接続できるようにフランジ加工がなされている。
【実施例】
【００２８】
本実施形態での処理効率の実施例は次のとおりである。処理ガスとしてトルエン気体を装置内を通過するように導入側フランジ"７"より導入し、１５０ｐｐｍ／分の流量となるよう処理ガス排出口"４"より排気量を制御して一定量通過させた。
【００２９】
処理マイクロ波パワーは１００ワットで固定とし、処理時間０分、１分及び５分のマイクロ波処理時間ごとに吸引型濃度測定のトルエンデテクターチューブＧＡＳＴＥＣ、Ｎｏ１２２を用いて処理ガス排出口"４"のトルエン濃度を測定し、水ミスト混入の有無それぞれについて測定をおこなった。
【００３０】
水ミスト処理の際には８０ｍＬ/時の水分子ミストを水分子ミスト発生部"１３"にて発生させて処理をおこなった。
【００３１】
水ミスト処理の無い場合において、０分処理後のトルエン濃度１５０ｐｐｍに対して、１分後では８８ｐｐｍ、５分後では５０ｐｐｍという結果に対して、水ミスト処理を導入した場合には０分処理後のトルエン濃度１５０ｐｐｍに対して、１分後では２ｐｐｍ、５分後では０ｐｐｍという結果を得た。
【００３２】
本実施形態では無機誘電多孔体"１０"の材料としてＳｉＣを用いたが、アルミナ、Ｓｉ、カーボン混入の誘電体であってもよく、さらに触媒担持を用いる場合、白金系以外の他の触媒を用いることもできる。
【００３３】
本発明の応用分野は合成処理・分解処理・改質処理・触媒反応処理・脱臭処理等の分野である。また、本発明は前記した実施形態や実施態様に限定されず、特許請求の精神及び範囲を逸脱せずに各種の変形を含む。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例でのマイクロ波反応処理装置の鉛直中心部断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…マイクロ波発振マグネトロン
２…マイクロ波結合部
３…円筒共振体
４…処理ガス排出口
５…排出側フランジ
６…処理ガス導入口
７…導入側フランジ
８…外筒誘電体マイクロ波伝搬線路部
９…内筒処理管
１０…無機誘電多孔体
１１…オーリング
１２…貯水容器
１３…水分子ミスト発生部
１４…水分子ミスト
１５…注水ライン
１６…排水ライン
１７…水分子ミスト発生管部
【図１】
2005246138.tif 000003