静電気学会誌，42, 4（2018）180-185

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論文

ウッドセラミックス集塵電極を用いた電気集塵装置に関する検討
川田 吉弘 ，清水 洋隆 ，大川 正洋 ，森 茂樹 ，柿下 和彦
＊, 1

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（2018年2月13日受付；2018年5月7日受理）

A Feasibility Study on Woodceramics Collector
in Electrostatic Precipitator
＊, 1

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Yoshihiro KAWADA , Hirotaka SHIMIZU , Masahiro OHKAWA ,＊＊Shigeki MORI and Kazuhiko KAKISHITA（Received February 13, 2018; Accepted May 7, 2018）
An electrostatic precipitator is one of the applications using corona discharge. Especially, a single stage type electrostaticprecipitator is charging and collecting particles in the corona discharge area. In this area, an ionic wind is generated with moving
ions, charged particles are drifted by a Coulomb force from the high voltage wire electrode to the grounded plate electrode. In
order to improve the particle collection efficiency, we focused on the high resistivity and porous structure material as thegrounded electrode. When the grounded electrode is made of a woodceramics instead of a stainless steel electrode, it isconsidered that the fine suspended particles trapped on the grounded electrode surface increases due to the porous structure andthe high resistivity. The high resistivity electrode prevents that the charged particles on the electrode releasing charge. Thewoodceramics is able to be adjusted for the suitable electric resistivity. As a result, the discharge current characteristics with thewoodceramics grounded electrode was the same as that with the stainless steel grounded electrode. The performance of particle
collection with the woodceramics grounded electrode was above the collection efficiency with the stainless steel groundedelectrode for the large size particles.

1．はじめに抗の浮遊粒子を電気集塵装置で処理することは難しい．

電気集塵装置の集塵電極にはステンレスなどの金属を一旦集塵電極に捕集された粒子は，互いに数珠状に凝集用いることが一般的と考えられる．理由として，薄くてするだけでなく，凝集粒子は誘導帯電することで，逆極も強度が保て，かつ槌打ちや水洗浄にも耐えられるため性に帯電し，電気集塵装置下流へ流出する．いわゆる再である ．

飛散現象である1）．また絶縁シートにより電極表面を

1, 6, 7）

ウッドセラミックスは，木質系材料から作られる炭素被覆した場合，捕集した粒子から電荷が放出され難いこ材料である ．廃材となったベニア板やおがくずを炭にし，とから集塵率が一時的に向上するものの，稼働時間が増

フェノール樹脂を加え，加熱加圧により成形し，真空加加するにつれて集塵率は低下した実験例も報告されてい熱により焼成するなどして作られる．木材の再利用方法

る ．つまり集塵電極の抵抗値を変えれば，電極表面にとして注目され，断熱材や腐食しにくい接地電極の研究おける電荷の移動を制御し，凝集粒子形成や誘導帯電をが行われてきた．ウッドセラミックスは，焼成温度に抑制できる可能性がある．ウッドセラミックスならば製対し電気抵抗が異なる．焼成温度が高いと，炭素を含む造過程において，焼成温度を変えることで電気抵抗値を割合が増加し電気抵抗値は低くなる特性を持つ ．

調整することができる．2 つ目はウッドセラミックス表

2）

3, 4）

5）

8）

本研究において，2 つの目的から，ウッドセラミック面が多孔質であるという点である．粒子を捕集できる面スを電気集塵装置の集塵電極に用いることを検討した．

積，つまり集塵電極面積を増加させることができる．ま1 つ目は，電気抵抗値が調整できる点である．低電気抵た負コロナ放電下の集塵電極では，クーロン力やイオン風により，負イオンは接地電極表面に移動する．仮に電キーワード：電気集塵装置，コロナ放電，ウッドセラミ
ックス，集塵率＊
職業能力開発総合大学校 能力開発院（〒187-0035 東京都小平市小川西町 2-32-1）
Polytechnic University, 2-32-1, Ogawanishimachi, Kodairashi, Tokyo 187-0035, Japan
1
kawada@uitec.ac.jp

極表面が三次元構造をもつ材質であったならば，ガスは深部まで拡散する．負イオンに成り得るガス種を選択的に吸着させる可能性を有している．
本研究では，ウッドセラミックスを電気集塵装置に適用するための初期段階として，ウッドセラミックスを接地電極とした一段式の電気集塵装置を製作した．ウ9, 10）

ウッドセラミックス集塵電極を用いた電気集塵装置に関する検討（川田 吉弘ら）

181（33）

ッドセラミックスの諸特性，ならびに負コロナ放電特性，集塵特性について，ステンレス電極と比較し検討したので報告する．

2．試験材料および実験方法
2.1 ウッドセラミックス製作および電気抵抗測定
ウッドセラミックスの製作方法を示す．おがくずの炭（オガ炭）を粉砕後，粒径 1 mm 以下の粉末としたのち，オガ炭の粉末とフェノール樹脂（機能性微粒子状フェノール樹脂ベルパール ）を重量比 8：2 の割合で混合した．
®

これを型に入れ，200 ℃で圧縮成型した後，600 ℃で 3時間，真空中で加熱し焼成した．ウッドセラミックス試
験片の外観を図 1 に示す．寸法は焼成後のものである．
試験に用いたウッドセラミックス，およびステンレスの図 3 コロナ放電電極配置（ウッドセラミックス接地電極）
Fig.3 Corona discharge configuration with the woodceramics
grounded electrode.

抵抗値について，図 2 の装置を用い簡易測定を行った．
距離 19.5 mm の間隔に，先端を平らにした M4 ネジを締付トルク 40 Nm で送り込んだ．ネジを端子とし，LCRメータ（エヌエフ回路設計ブロック社製 ZM2253）を接続した．測定電圧 5 V とし，周波数を 100 Hz～100 kHzと変えながら抵抗を測定した．

図 4 コロナ放電電極配置（ステンレス接地電極）
Fig.4 Corona discharge configuration with the stainless steel
grounded electrode.
図 1 ウッドセラミックス試験片外観
Fig.1 A test piece of woodceramics.に垂直に，2 本並列に配置した．線電極および接地電極の有効な電極長さ（ガス流断面における水平方向）およびダクト幅は 88 mm とした．また接地電極間隔（ガス流断面における垂直方向）およびダクト高さは 18 mmである．線電極には負極性の直流高電圧を印加した．高電圧電源（松定プレシジョン製 HAR-20R15）を用い，電源から送り出される電流値をコロナ放電電流値とした．接地電極には，ウッドセラミックスおよびステンレ

図 2 電気抵抗の簡易測定装置
Fig.2 Measurement apparatus of electrode resistance.

ス板を用いた．いずれの電極であっても，電極表面から線電極までの距離を同じとした．またウッドセラミック
スの厚みは 10 mm あり，ウッドセラミックス背後に銅2.2 コロナ放電電極構造製の接地電極を配置した．さらに接地電極の背後にはア

ウッドセラミックス接地電極におけるコロナ放電電極

クリル板（厚さ 0.5 mm ）を配置し，アクリル板を介し配置を図 3 に，ステンレス接地電極におけるコロナ放電て接地電極をウッドセラミックスに押し当てて固定し電極配置を図 4 に示す．接地平板電極間 18 mm 一定とし，た．この電極構造において，図 1 に示したウッドセラミ

中央にステンレス製線電極（ φ0.28 mm ）をガス流方向ックス試験片は 4 本用いる．

182（34）

静電気学会誌 第42巻 第 4 号（2018）

電極間を通過したガスは 20 mm 下流にある，穴直径始時と終了時においてほとんど変化がないことを確認し

φ5 mm，ピッチ 5 mm，厚み 0.8 mm のアルミパンチングた．また下流ダクト内にオゾンセンサ（ NISSHA エフア

板で作られた整風板を通過したのち，ファンにより下流試

イエス製 A051020-SP61-02F ）を設けた．ただし本装置

験ダクト内へ排出される．ファンの回転数により流速を調はアナログ濃度出力を持つセンサであり，計測器ではな整した．印加電圧放電電流特性測定時は無風で行い，集い．オゾン検知濃度は 0～250 ppb であり，濃度に対応

塵性能評価時は入口における平均ガス流速 3 m/s とした．

する電圧を 0-5 V の範囲でアナログ出力する．出力において± 10％の誤差がある．

2.3 集塵性能試験方法

集塵性能は，式（1）を用いて，捕集された粒子数の割合，装置概略図を図 5 に示す．試験粒子には，植物油の不完全燃焼により生じる煤を用いた．燃焼時の上昇気流，および先に示した電気集塵装置に付属するファンにより，燃焼ガスはダクト内に入り込む．ダクト内においてすなわち集塵率 η として評価した．

（η= 1-NoutNin）

× 100 ［％］（1）煤を含むガスでは，ファンにより拡散されたのち，電気ここで，N は下流粒子個数濃度を示し，Nin は電圧印加集塵装置に吸い込まれ処理される．処理後のガスは出口

直前 5 分間の平均粒子濃度，Nout は電圧印加後の粒子濃側ダクト中で循環後，オーバーフローし試験ダクトから度を示す．この集塵率算出においては，電圧未印加時の外に排出される．出口側ダクトにおいて，パーティクル電極への粒子付着は考慮されない．また下流ダクト内にカウンタ（ RION 製 KC-01E ＋希釈器 KD-01）を用いておける処理後の粒子濃度は，室内大気より低くなる場合粒子個数濃度を測定した．対象としたガスに含まれる粒もあった．

子濃度を表 1 に示す．粒径範囲 0.3-0.5 μm において 1Lあたり 1.2 × 10 個程度，粒径範囲 0.5-1.0 μm において3．結果および検討

5.8 × 10 個程度で，粒径範囲 1.0-2.0 μm において 5.8 ×3.1 電気抵抗

4310 個程度であった．また粒径 2.0-5.0 μm においては 1 L

ウッドセラミックス，およびステンレスの電気抵抗測あたり 170 個程度と少ないため，時間変化の評価におい定結果を図 6 に示す．今回対象とした周波数に対する依ては除外した．室内大気に対し，増加した粒子は燃焼由

存性は小さく，ウッドセラミックスの平均値で 19.7 Ω，来の粒子であり，8 割程度の粒子がこれに該当する．上ステンレスで 0.02 Ω であり，ウッドセラミックスはス

流側粒子濃度については，試験前後においてサンプリンテンレスのおおよそ 1000 倍の抵抗値であった．

2

グチューブを入れ換えて粒子濃度の測定を行い，試験開図 5 試験装置概略図
Fig.5 Experimental apparatus for particle collection.
表 1 実験条件における粒子濃度
Tab.1 Particle concentration under experimental condition.
Particle Size
Range［ μm ］
0.3-0.5
0.5-1.0
1.0-2.0
2.0-5.0

Room Air［ Number/L ］
41.6 ⊗ 1029.6 ⊗ 103.0 ⊗ 100Target Gas［ Number/L ］
51.2 ⊗ 1035.8 ⊗ 1025.8 ⊗ 1021.7 ⊗ 10

図 6 ウッドセラミックスおよびステンレスにおける電気抵抗測定結果
Fig.6 The resistance of woodceramics and stainless steel.

3.2 放電電流特性
接地電極にウッドセラミックス，ステンレスを用いた場合における，コロナ放電の放電電流特性を図 7 に示す．
放電開始電圧は，ウッドセラミックスにおいて -6.5 kVウッドセラミックス集塵電極を用いた電気集塵装置に関する検討（川田 吉弘ら）

図 7 ウッドセラミックス，およびステンレスを接地電極とした場合における放電電流特性
Fig.7 Discharge currents as a function of applied voltage withwoodceramics and stainless steel electrodes.

程度，ステンレス電極において -6.8 kV 程度であった．

183（35）図 8 集塵率の時間特性（ウッドセラミックス電極）
Fig.8 Time dependencies of the collection efficiency with thewoodceramics electrode.

同一印加電圧時の放電電流についてはステンレス電極の方が僅かに低いものの，ほぼ同様の放電電流特性が得られた．電極構造において，ウッドセラミックス電極の背後にある銅平板電極と線電極間は 19 mm と離れている．
電極間隔 9 mm のステンレス電極と同様の放電電流特性になったことから，ウッドセラミックス表面と線電極間でコロナ放電が発生したと考えられる．またウッドセラ
ミックス表面において，電荷が蓄積し放電を阻害するような現象も起きていないと考えられる．

3.3 集塵性能の比較
集塵性能を確認するにあたり，高電圧線電極には直流負極性 -8 kV を印加した．この際の放電電流は，ウッドセラミックス電極で平均 0.37 mA，ステンレス電極で平均 0.33 mA であった．試験粒子，ガス流速や印加電圧等

図 9 集塵率の時間特性（ステンレス電極）
Fig.9 Time dependencies of the collection efficiency with thestainless steel electrode.の試験条件は，ステンレス電極を用いた場合に，極板凝集および再飛散現象が生じることを確認したうえで決定はいずれの粒径範囲においても -0.8～0％の範囲であっした．

た．時間変化については図 9 で示し，集塵率についてはウッドセラミックス電極を用いた場合の集塵率の時間時間平均を算出した図 10 において後述する．ステンレ

特性を図 8 に，ステンレス電極を用いた場合の集塵率のス電極において，装置稼働直後に高い値を示すが，粒径時間特性を図 9 に示す．試験中，電気集塵装置のファン1-2 μm の粒子の集塵率は稼働時間とともに低下し 40％は処理ガス流速 3 m/s 一定となるよう稼働させたままと程度となった．大粒径粒子を捕集しつつ，捕集された微し，線電極に高電圧を印加した時間を稼働時間 0 分とし小粒子は極板上で凝集したのち，ガス流に戻り，下流にた．本実験において発生源の粒子濃度は一定となるよう流出したと考えられる．ウッドセラミックス電極におい努めたが，発生源の燃焼ガスを完全に一定とさせることても粒径 1-2 μm の粒子の集塵率は不安定であるが，60はできない．そのため装置稼働 5 分前から 0 分までにお％以上の高い集塵率を維持している．これらの結果に対ける装置通過後の粒子濃度は，粒径 1 μm 以下では± 10し，装置稼働 5 分後から 30 分後の間における平均集塵％程度，粒径 1～2 μm では± 40％程度変動した．ただ率の粒子径特性を図 10 に示す．誤差範囲は装置稼働前

しこの装置稼働 5 分前から 0 分までの集塵率の時間平均

5 分間の粒子濃度 Nin における最大と最小に対する集塵184（36）

静電気学会誌 第42巻 第 4 号（2018）

図 10 集塵率の捕集粒径特性Fig.10 Collection efficiencies as a function of particle size.

率が取り得る範囲である．ウッドセラミックスでも大粒径粒子の集塵率は低下するが，ステンレス電極では著しく低下したことが分かる．つまりウッドセラミックス電極では，極板上で凝集を抑制している，もしくは捕集された粒子が再飛散しにくいことが示された．集塵電極上での粒子凝集を抑えて，大粒径粒子の排出を抑えることは，見通しの向上に加え ，集塵装置排気口付近の汚れ11）を抑制できるなど利点は多い ．
12）

ところで，装置稼働 5 分後から 30 分後の 25 分間における下流平均オゾン濃度をセンサ出力より算出した．あくまで参考値だが，ウッドセラミックス電極においては72 ppb，ステンレス電極においては 30 ppb であった．ウッドセラミックス電極においても，ステンレス電極時と

図 11 電極表面のレーザ顕微鏡写真
Fig.11 Images of electrode surface.

同様にオゾンが検出された．ウッドセラミックス電極を使用した際に放電電流は高かったことが発生オゾン濃度に影響を与えた可能性はある．ウッドセラミックス電極とガス状物質の反応や吸着について，今後検討する予定である．

3.4 電極の表面状態
ウッドセラミックス電極とステンレス電極の表面拡大
写真を図 11 に示す．顕微鏡写真は走査型共焦点レーザ顕微鏡（オリンパス製 OLS-3000）を用い，凹凸の測定も本顕微鏡の機能を使用した．これら写真の上下中央付
近を水平に走査した場合における凹凸を図 12 に示す．
さらに水平，垂直に走査し，凹凸の平均値を基準面（表面粗さ Surface Roughness = 0）とした場合における凹凸

図 12 電極表面における凹凸
Fig.12 The roughness of electrode surface roughness.の累積分布を図 13 に示す．ステンレス表面に比べ，ウッドセラミックス表面については，大きな凹凸は多数存

際に酸化し水素が脱離する．その結果，分子レベルで構在する．木質として残っているセルロースや結合させる造が変化する

ために添加したフェノール樹脂等の炭化水素は，焼成のは評価できないが，ステンレス表面の凹凸の 10-90％は．レーザ顕微鏡ではそのようなレベル

5, 13）

ウッドセラミックス集塵電極を用いた電気集塵装置に関する検討（川田 吉弘ら）

185（37）る．この原因には，集塵電極の電気抵抗値の増加もしくは表面の凹凸の効果が考えられる．どちらが集塵率向上に効果があったか，今後の検討課題である．
参考文献
1） 静電気学会編：静電気ハンドブック，オーム社（1981）2） 岡部敏弘監修 齋藤幸司，堀切川一男，大塚正久，伏谷賢美編集：木質系多孔質炭素材料 ウッドセラミックス，内田老鶴圃（1996）
3） H.Shimizu，M.Asada，Y.Kawada：A Feasibility Study on
Carbon Grounding Electrode Made of Woodceramics，
図 13 基準面に対する凹凸の累積分布
Fig.13 Cumulative frequencies as a function of surface roughnessof electrode for standard level.

EntryNo.3320, IUMRS-ICA2014（2014）4） 川田吉弘，松永紗織，清水洋隆：接地電極の腐食評価方法およびウッドセラミックス接地電極の提案．職業能力開発研究誌, 31（2015）94-99± 0.3 μm に存在する反面，ウッドセラミックスの凹凸

5） 川田吉弘, 清水洋隆：C-H bonds and phenol resin contentsの 10-90％は -3.8～+2.2 μm に存在することが分かった．

in woodceramics under fabrication．第 25 回日本 MRS 年次

今回パーティクルカウンタで測定した粒子のうち，粒径大会，F1-010-007（2015）

範囲 0.3～0.5 μm の粒子が個数の上では大半を占めてお6） Jen-Shih Chang, Arnold J.Kelly, Joseph M.Crowley edt.：

り，ウッドセラミックス表面の凹凸の高さから，粒子がHandbook of Electrosatic Processess, Marcel Dekker, Inc.

引っ掛かるように捕集された可能性がある．今回使用し（1995）

たウッドセラミックスは発泡材と異なり図 11（b）の写真

7） 瑞慶覧章朝，安本浩二：富士電機システムズのトンネルや図 12 より表面に大きな空隙は見当たらない．そのた用電気集塵装置－再飛散の防止とナノ粒子の集塵性能－．

め粒子は表層に捕集されると考えられる．捕集粒子の除静電気学会誌，32［5］（2008）192-197

去について電極強度の観点から槌打ちはできないが，エ8） T.Takahashi, Y.Kawada, A.Zukeran, Y.Ehara, T.Ito: Inhibitory

アブローや水洗浄などの方法は可能と考えられる．またEffect of Coating Electrode with Dielectric Sheets on Re-

使用後のウッドセラミック電極は，焼成温度である 600

entrainment in electrostatic Precipitator. J.Aerosol.Sci., 29E℃以下の高温で再生処理することができ，捕集粒子を燃［ Suppl.1］（1998）s485-s486

焼除去できると考えられる．微細な凹凸が集塵に与える影響や捕集状態，集塵率向上のプロセスについても，追って研究を進める．

9） 川田吉弘，清水洋隆，大川正洋，森茂樹，柿下和彦：

ウッドセラミックス集塵電極を用いた電気集塵装置に関する検討．静電気学会講演論文集 2017，pp.27-30（2017）10）川田吉弘，清水洋隆，大川正洋，森茂樹，柿下和彦：

4．おわりにEffect of High Electrical Resistivity Woodceramics Grounded

環境材料として注目されているウッドセラミックスがElectrode on Corona Discharge. 第 27 回日本 MRS 年次大会，多孔質であること，および高電気抵抗であることに着目し，電気集塵装置における集塵電極に応用した．その結K-07-015（2017）11） 瑞慶覧章朝，河野良宏，安本浩二，川田吉弘，藤村英和，果，以下のことが分かった．

江原由泰，岸田治夫，高橋武男，伊藤泰郎：電気集じん（1）印加電圧に対する放電電流特性は，通常の金属電極装置の性能評価における見通し改善率と集じん率の関とほぼ同様であった．

係．電気設備学会誌, 22（2002）650-656（2）ステンレス電極に比べ，全粒径範囲において集塵率12）安本浩二，瑞慶覧章朝，高木康裕，江原由泰：交流電界は向上した．特に粒径 1-2 μm における大粒径粒子形電気集塵装置における再飛散防止と下流壁面への粒子の集塵率向上が示された．

付着防止．粉体工学会誌, 43［3］（2006）198-204（2）の理由としては捕集された粒子が電極上で凝集すること，もしくは飛散することが抑制されたと考えられ

13）石 原 茂 久： 機 能 性 炭 素 材 料 と し て の 木 炭．J.Soc.Mat.
Sci,Japan, 48［5］（1999）473-482