J. Inst. Electrostat. Jpn.

静電気学会誌，36, 4 (2012) 241-246

プラズマ脱臭装置の開発と VOC 複合臭（たばこ臭）
低減効果の検証瑶樹 伸彦＊,1，河北 孝之＊，高橋 宏典＊，水野 彰＊＊（2011 年 9 月 12 日受付；2012 年 6 月 7 日受理）

Plasma Deodorization System for Volatile Organic Compound―It’s Cleaning Efficiency for Tobacco Odor―

Nobuhiko TAMAKI*,1 Takayuki KAWAKITA,* Hironori TAKAHASHI* and Akira MIZUNO**(Received September 12, 2011; Accepted June 7, 2012)
Plasma deodorization system has been developed for Tobacco odor and VOC removal. The system uses AC silent
discharge followed by charcoal-based catalyst. This system is able to remove those odors efficiently even at very low
inlet concentration. This performance is important for human sense to feel the effectiveness of the deodorization
system. The system has been commercialized and used in various places such as waiting rooms in airports, shopping
malls, department stores and offices.
1.

待できる．すでにエアコン用の脱臭・集塵装置 5) など，放電はじめに近代産業では重要な原料，燃料などとして揮発性有機化合プラズマを利用した多くの装置が市販されている．特にプラ物（Volatile Organic Compound ：以下 VOC）が使用されていズマと触媒との組合せを用いることで，反応選択性，ならびる．産業の発展に伴い大量に消費されているが，これらの物にエネルギー効率の向上が可能であり，活性炭，二酸化マン

質は処理されずに，あるいは不完全燃焼で大気中に放出されガン，あるいは酸化チタンや銀触媒などとの組み合わせが効

ると公害や健康被害を引き起こすことが知られている．

果的であることが知られている 6)．

近年，シックハウス症候群や化学物質過敏症の原因物質と我々は，たばこ煙の浄化を行うために放電プラズマと触媒しても VOC が問題となっており，厚生労働省より室内におを用いるシステムの検討を行い，顧客に受け入れられる装置

ける VOC の指針値が制定された．そのため，室内環境におの開発を目指した．そのためには（1）ワンパス（装置 1 回通

ける VOC 濃度を低減させるためにしかるべき対策が必要と

過）でたばこ煙の VOC 複合臭を高効率で低減できること，（2）

なってきている．

換気による熱ロスを高効率脱臭により低減できる経済性を備

また，空調の普及に伴い換気を十分に取ることが難しい場

えていること，（3）人が脱臭性能を実感できるように低濃度合があり，たばこ臭や体臭・ペット臭など VOC 複合臭の除の VOC ガスの浄化性能も高いこと，を満たすことが求めら

去の必要性も高まっている．VOC 複合臭の処理技術は数多くれている．

の研究・検討がされ，多くの実用機器があるが，その一つとプラズマと触媒との組み合わせは原理としては既知であり，．放電プラズマを用いることで

VOC 除去に対し相乗効果を有すること，触媒部の吸着限界ま従来の化学吸着法・燃焼法とは異なるシステムが開発可能ででの時間が長くなること，などが知られているが，実用化にあり，装置の小型化，ランニングコストの低減等の利点が期あたっては電源方式や電極形状の検討が必要である．我々はして放電プラズマ法がある

1-4)

実用上，比較的安価かつコンパクトに製作できる交流バース
キーワード：たばこ煙浄化，VOC 対策，プラズマ触媒反応，分煙，脱臭装置* 日鉄鉱業株式会社研究開発部（190-0182 東京都西多摩郡
日の出町平井 8-1）
Nittetsu Mining Co.,Ltd Research & Development，8-1.Hirai，Hinode-cho，Nishitama-Gun，Tokyo190-0182，Japan** 豊橋技術科学大学環境・生命工学系（441-8580 豊橋市天伯町雲雀ヶ丘 1-1）
Department of Ecological Engineering, Toyohashi University ofTechnology, Tenpaku-cho, Toyohashi 441-8580, Japan
1
tamaki@nittetsukou.co.jp

ト電源を用いてプラズマ発生部の開発を行った．使用電圧
ピーク値も安全性を考え 10kV 程度以下を目標とした．電極としては，従来からオゾン発生に用いられている誘電体を介した平行平板電極なども候補として考えられるが，長期使用に伴う不純物による目詰まりを防止する実用的な電極間隙である 5mm 程度以上では放電開始電圧が高くなりすぎ放電が発生しづらかったため，放電電圧を低くできるように不平等性の高い電極形状の検討を進めた．

242(78)

静電気学会誌

第 36 巻本開発で喫煙室用として実用化した本プラズマ脱臭装置は，
空港，
ショッピングモール，
オフィス等に納入されている．以

第 4 号 (2012)になることが示唆された．このため，ワイヤー電極同士の設
置間隔を 10 mm とした．

下に，放電プラズマの電極構造，電源の検討結果及び本放電

2.1.2

プラズマを組み込んだ脱臭装置の VOC，粒子状物質低減率の電源（日鉄鉱業製:HVO-05-5）は LC 共振を用いて，発振周測定方法と結果を報告する．

電源電圧・電流波形測定

波数 10 kHz で，正負の交流バースト電圧を発生するものである．電圧のピーク値は商用周波数（50 Hz）で変動している．

2.

実験

図 3 に電源の電圧及び電流波形を測定した回路を示す．電源

2.1

放電プラズマ評価試験

電圧の測定には高圧プローブ（Tektronix 製:P6015A）を使用

2.1.1

電極構造の決定

し，放電電流の測定には電流プローブ（Tektronix 製:P6021）

図 1 に示す二つの形状の電極を作成し，放電特性を比較しを用いた．リサージュ波形も放電電力の見積もりのために測た．タイプ A はガラス管の中に電極を挿入する方式である．

定した．このときには図に示すように接地側に 0.1 μF のコン

誘電体にはバイレックス管を用い，その中心に電極である金デンサを挿入して，その両端の電圧（電荷量）を測定した．

属棒を挿入する形状とし，それに対向してステンレス管を配測定にはタイプ（B）の装置用の電極を使用した．

置した．タイプ B はバイレックスガラス板で平板電極を挟2.1.3

み込んで，サンドイッチ構造とし，それに対向して金属ワ放電による脱臭性能と放電装置で発生するオゾン濃度

イヤー電極を 2.5 mm（ガラス面からワイヤー中心までの距に相関があると考え，室内空気中で放電を行い，その時に離）離して配置した．ガラス板表面間の距離は 5 mm である．

発生するオゾン濃度を測定し，できるだけ低い電力および放電状況評価ワイヤー付近の静電界はガラス板表面との距離だけでなく，隣り合うワイヤー電極との距離にも影響される．このため，

5mm

5mm

静電界の計算を行い隣り合うワイヤーの距離を決定した．計
算は有限要素法を用い，ガラス板表面をゼロ電位として行った．図 2 にタイプ(B)電極での解析結果を示す．左図に示すワ

5mm
10mm

イヤー電極 2 本，ワイヤー間隔 10 mm の場合に比べ，右図の5mm3 本（間隔 5 mm）の場合は中心のワイヤー電極の電界強度が低下しており，この電極配置を用いると放電の発生が不均一
Low(1) 2 wire:Emax = 0.104E+08
Heat-resistant glass tube

High(2) 3 wire:Emax = 0.933E+07

図 2 タイプ（B）電極プラズマ発生部の電界ベクトル解析
Emax: Maximum electric field strength (V/m)
Fig. 2 Electric field vector analysis of plasma generation.

Stainless pipe

(a)
Gap
3.5mm

Electrodes

Stainless plateGap 2.5mm(b)Electrodes
φ0.5mmHeat-resistant glass plate
図 1 電極構造(a)タイプ A (b)タイプ B
Fig. 1 Structure of the electrodes for comparison.
(a)TypeA (b)TypeB

図 3 電圧・電流波形測定回路図
Fig. 3 Measuring circuit voltage and current waveforms.

プラズマ脱臭装置の開発と VOC 複合臭（たばこ臭）低減効果の検証（瑶樹伸彦ら）

243(79)Intake vent
FilterThree Cigarettes（collection
efficiency
95%at0.3μm）

Air

Inlet sampling(0.1L/min,20min)

Flow
H:
1800
mm

Plasma generator
Non-woven cloth
Catalyst
Outlet sampling(0.1L/min,20min)

図 4 測定装置
Fig. 4 Weighing device.

D:350mmExhaust vent

電圧で高いオゾン濃度となるよう，電極形状と電圧波形を選択した．

W:900mm

図 5 プラズマ脱臭装置構成図サンプリング方法
Fig. 5 Plasma deodorization system and sampling method.

図 4 に測定装置を示す．室内空気（20℃，50%RH）を電極に通し，発生するオゾン濃度をオゾンモニター(ダイレック
製:MODEL1200)で測定した．空気流量は 830 L/min とした．
2を比較した．

電極の断面積は 92.16 cm ，電極内部でのガス速度を 1.5 m/s

当初，たばこ煙を直接装置に吸引させる方法でサンプリンとした．電極後段でガスをサンプリングして，放電で発生すグを実施した．しかし，たばこ煙の濃度分布を一様にするこるオゾン濃度を計測した．

とが困難であり，装置入口サンプリング部での濃度が安定し2.2

プラズマ脱臭装置の実用化なかった．そこで，整流板を装置吸気側に取付けサンプリン

2.2.1

プラズマ脱臭装置の VOC，粒子状物質除去性能

グを実施した．これにより再現性良くサンプリングすること確認が可能になった．

前述の基本性能測定結果をもとに，たばこ煙除去用のプラ

2.2.3

分析方法

ズマ脱臭装置を作成した．その構成を図 5 に示す．吸気は，VOC 濃度と成分の分析にはガスクロマトグラフ質量分析

装置上部から吸引し，まずフィルタ部（機械式フィルタ）で計を使用した．GC/MS（GC,Agilent technologies 製:6890N．

ガス中に含まれる粒子状物質を捕集する．続いて前述のプラ

MS,JEOL 製:JMS-Q1000GC）の条件を以下に記す．

ズマ発生部位とその後段の触媒中で VOC 複合臭を分解する．
活性炭ベースの触媒を使用した．装置内に 3.3kg 充填し，触MS 条件：イオン化電圧 70 eV，イオン源温度 150℃，イ
オン化電流 300 μA，検出器電圧 －1,000 Ⅴ

媒部のガス滞留時間は約 0.04 秒とした．実用レベルの脱臭効

GC 条件（分離カラムの温度条件）：サンプル注入後 40℃を果を得るためにはワンパスの除去率が高いことに加え，ガス

8 分間保持，その後 10℃/min の温度上昇率で 130℃まで上昇，処理量が十分であることが必要である．また，実用的な装置

その後 15℃/min の温度上昇率で 280℃まで上昇させて 1 分保として機能させるため，ガス処理量は 15 m3/min とした．

持する．

2.2.2

ガスサンプリング

また粒子状物質の測定には，吸気および排気の粒子状物質

図 5 に VOC および微粒子濃度測定時のたばこ煙ガスの供量をデジタル粉塵計（柴田科学製:LD3K2）で CPM 値（1 分

給方法およびサンプリング方法を示す．装置の吸気側でたば間あたりのパルスカウント数）を測定した．CPM 値は粉塵濃

こ 3 本を自然燃焼（たばこは常に燃焼している状態を保っ度に比例する値である．その CPM 値に質量濃度変換係数（Kた．
）させ，発生した微粒子を含む燃焼ガス全量を装置に吸引値 0.0008 mg/m3/cpm）を乗じた値を粒子状物質濃度とし，装した．装置吸引前の吸気を，炭素テナックス管及びガス吸引

置の粒子状物質除去性能を計算した．この質量濃度変換係数

ポンプを用い，0.1 L/min で 20 分間（2 L）採取した．同時には，密閉空間内に充満させたたばこ煙粒子をフィルタで捕集装置出口から排気されるガスを同様にテナックス管へ採取しして質量濃度を計測し，その時の CPM 値と比較して決定し3た．測定時の処理ガス流量は，15 m /min とした．また，プラズマの効果を確認するため，プラズマ ON/OFF による除去率

た値である．

244(80)

静電気学会誌

第 36 巻

第 4 号 (2012)3.

実験結果および考察

3.1

放電プラズマ評価結果

波高値が最大の時のリサージュ波形の測定結果を図 7 に示

3.1.1

電圧電流波形測定結果

す．この結果から算出できる一周期あたりの放電電力は約 2圧を半導体スイッチングにより発振しているためである．

図 6 に電源の出力波形の一例を示す．(a)は時間軸が 5mJ である.図 6(b)の包絡線の最大値付近（横軸 3 ms から 4 ms

ms/div.，(b) は 1ms/div.，(c) は 5 μs/div.である．デジタルオシの間のパルス数）でのパルス数は約７である．これから交流

ロスコープを用いているため，(a)では波高値が実際より低く

バースト一周期 10 ms あたりの放電電力は 14mJ，また放電電表示されているが，商用周波数の 2 倍(100 Hz)で波高値が変力値は 14 W と見積もることが出来る．電力計で測定したリ動する交流バースト電圧であり，(b) に示すように交流電圧サージュ測定時の入力電力は 15.5 W であった．包絡線に沿っの発振周波数は 15 kHz，最大波高値は 6 kV である．また(c)て変動する電力の平均値の算出は難しいが，本交流バーストに時間軸を拡大して示すように，交流バースト電圧の立ち上

電源の効率は実用上問題ないレベルであろうと推察される．

がりは約 10 μs である．

なお，この電源では，電圧ゼロでの ON, OFF 時に電流の振動

電流波形は典型的な無声放電のものであり，電圧の立ち上がりおよび立下り時に電極間の静電容量を充放電する無効電ノイズが発生しているが，リサージュ測定への影響はほとん
ど認められない．
プラズマ脱臭装置の開発にあたり，この電源以外にも連続流に，パルス的な放電電流が重畳した波形である．
電圧ゼロ付近で電流値が振動している．これはバースト電発振式，あるいはパルス高電圧電源などの検討を行ったが，採用した本方式は比較的回路構成が簡単であり，低コストで
ある．

[mA]

[kV]

Voltage

300

(a)

6

200

4

100

2

0

0

-100

-2

-200

-4

Current

-300

-6

3.1.2

放電状況評価結果

タイプ A，タイプ B の電極の比較結果を図 8(a) 及び図 8(b)に示す．図 8(a) は電力に対する発生オゾン濃度を示し，図8(b)は，電極に印加した電圧に対する発生オゾン濃度を示す．
電力は電源の損失分も含む入力側で測定した電力値を用いた．
測定結果より，
タイプ B 電極の方がタイプ A 電極より低電力，
低電圧で高濃度のオゾンを発生することが確認された．
続いて，図 4 の測定装置を使い交流バースト電圧の発振周

0

10

20

30

[mA]

Voltage[ms][kV]

ゾン濃度の結果を図 8 (c) に示す．測定結果より，発振周波2004数を 13 kHz とした方が低電力でオゾンを発生できることが100

2確認された．これは本電源の問題であるが，200 Hz の低周波

00では，使用しているトランスの磁束が飽和する条件に近づき

-100

-2

電力変換ロスが大きくなるようであり，オゾン発生効率が低

-200

-4

下しているものと思われる．

-300

-6

Current
2

4

6

8

[mA]

6

Voltage

200

4

100

2

0

0

-100

-2

Current

-4

-300
0

35

[kV]

300

-200

[V]

[ms]

-6
10

20

30

40

[μs]

Voltage of capacitor0(c)

波数を 13 kHz とした場合および 200 Hz とした場合の発生オ

6

300

(b)

40

30
25
20
15
10
5
0

-8

-4

0

Hi voltage

図 6 電圧・電流波形
Fig.6 Voltage and current waveforms.

図 7 リサージュ波形
Fig.7 Lissajous waveforms.

4

8 [kV]

プラズマ脱臭装置の開発と VOC 複合臭（たばこ臭）低減効果の検証（瑶樹伸彦ら）
3.2

プラズマ脱臭装置の VOC，粒子状物質除去性能確15

13kHz(TypeB)
200Hz(TypeB)

VOC 低減率分析結果および考察

Concentration of Ozone[ppm]

認結果
3.2.1

12

ワンパスでの化学物質除去性能を表 1 に示す．除去性能の計算には，質量スペクトルのピーク部面積値を化学物質量として使用し，検出された全ピークの面積値の和を吸気，排気それぞれで求め，トルエン濃度換算を行い，その比を除去性能とした．その結果を表 1 に示す．ワンパスで，90%から 95%の除去性能が得られた．

9
6
3
0
0

表 2 に吸気から検出された主な成分のピーク面積値と排気のピーク面積値をトルエン濃度換算した値を示す．放電プラ
ズマ脱臭の特徴といっても良いと思われるが，スペクトルを検出した異なるガス成分濃度は全て減少している．
このうち，Concentration of Ozone[ppm]

15
12

20

40

60

80

100

Input Power[W]図 8(c) プラズマ発生部の生成オゾン濃度の電力特性に対する周波数の影響
Fig.8(c) Influence of frequency on Watt-O3 characteristicsof plasma generation.
表 1 ガス状物質除去率

TypeA
TypeB

Table 1 Total removal rate of gaseous components.
OutletElimination factor
Inlet
No.
(μg/m3)(%)(μg/m3)

9
6
3

1st

1857

139

92.5

2nd

2827

142

95.0

3rd

3054

267

91.3

Ave

2580

183

92.9

0
20

40

60

80

100

Input Power[W]

図 8 (a) プラズマ発生部における生成オゾン濃度の電力特性Fig. 8(a) Watt-O3 characteristics of plasma generation.

15

TypeA
TypeB

12

Concentration of Ozone[ppm]245(81)96

表 2 主な検出成分の物質名とピークの積分値
Table 2 Major gas components at the inlet and outlet of theapparatus operated at 15 m3/min flow rate.
Gas components

Inlet
Toluene basis(μg/m3)

OutletToluene basis(μg/m3)Elimination
Factor (%)

1 Cyclobutane
2 Vinyl acrylate
3 Benzene
4 Toluene
5 Furfural
6 Xylene
7 Pyridine 4-vinyl8 Terpine
9 Nicotine

28.6
98.1
60.3
123.9
29.3
54.9
13.6
34.8
419.4

14.7
7.0
3.2
4.9
ND
0.3
2.5
1.5
ND

48.6
92.8
94.7
96.0
100
97.3
82.0
95.7
100

3

表 3 プラズマ ON/OFF による主な検出成分の除去率

0
0

5

10

Peak Voltage[kV]15

図 8 (b) プラズマ発生部における生成オゾン濃度の電圧(ピーク値)特性
Fig. 8 (b) Voltage(peak)-O3 characteristics of plasma
generation.

表 2 中でピーク面積値の大きい 2, 4, 9 の物質の除去率はそれ
ぞれ 92.8, 96.0, 100%であった．また逆にピーク面積値の小さ
い 1, 5, 7, 8 の除去率は，48.6, 100, 82.0, 95.7%であった．低濃Table 3 Elimination factor of the major gas components withplasma ON/OFF.
Gas components
1 Propyl Alcohol
2 Hexane
3 Methylheptane
4 Toluene
5 Benzylisobutylketone
6 Ethylbenzene

Elimination Factor(%)
Plasma ON
Plasma OFF

85.0
89.0
86.7
87.6
92.1
94.7

58.1
70.8
72.6
70.9
73.5
90.9

246(82)

静電気学会誌

第 36 巻

第 4 号 (2012)

れらの微粒子の一部は，VOC がプラズマ中で酸化分解される
際に変質し，プラズマで発生するイオンを核として凝集するなどで，ガス状の VOC から生成された可能性もあると考えられる．図 9 に喫煙室での使用前後(3 ヶ月使用)の触媒上部不

(b)

(a)

図 9 触媒上不織布(a)使用前，(b)使用後．
Fig. 9 Picture of the non-woven cloth used at the inlet of thecatalyst.
(a) Before use, (b) After use.

織布の写真を示す．
4.

まとめ

放電プラズマと触媒を組み合わせ，実用レベルの性能を満たす装置を開発した．本装置には低コストで製作できるバー
ストパルス電源を用いた．この電源を用いて，できるだけ低電圧で放電が発生するよう，オゾン発生量を脱臭性能の目安

表 4 粒子状物質除去率

として，電極形状を決定した．

Table 4 Removal rate of particulate material.

本プラズマ脱臭装置は VOC 複合臭の高濃度成分のみなら

No.

Inlet
(mg/m3)

Outlet(mg/m3)Elimination factor(%)

ず，低濃度成分も効率よく低減できることが確かめられた．

1st

0.81600.0080

99.0

またプラズマ脱臭の特徴ともいえるが，ほとんどの化学物質

2nd1.28000.0048

99.6

がまんべんなく低減できた．さらに，本装置は処理ガス風量3rd2.22160.021699.0

が 15ｍ3/min と，この種の装置としては大きい．このため，
建物外部への排気による脱臭が困難というような設備的制約

度でも一部の物質を除き，概ね良好な除去率が得られており，がある場合にも室内環境改善に有効であり，また建物外部へ

たばこ煙を吸気しない状態での排気とほぼ同程度まで VOCの排気をしないため熱ロスが極めて少なく，都市環境への負濃度を減少できることが判明した．

荷が低減できる．

表 3 にプラズマ ON/OFF による主な検出成分の除去率を比較した値を示す．プラズマを ON にすることで，各成分の除

参考文献
1)

去率が向上することが確認された．

processing - A new approach. J. Electrostat., 42 (1997) 227

これは，触媒部分でにおい成分が吸着され，ここにプラズ
マ中で発生する長寿命のラジカルやオゾンが到達し，におい

2)

あるが，これらは触媒部で吸着・分解され，装置出口からの

3.2.2

Mizuno:Industrial

applicationsofatmosphericPhys. Control. Fusion, 49 (2007) A1
3)

T. Oda: Non-thermal plasma processing for environmental
proection: Decomposition of dilute VOCs in air. J.

排出は抑制される．装置出口におけるオゾン濃度は 0.01 ppm
以下，NOx 濃度は 0.01 ppm 以下である．

A.

non-thermal plasma in environmental remediation. Plasma

成分を酸化分解していると考えられる．長寿命のラジカルは主としてオゾン（中性およびオゾンイオン）や酸素イオンで

T. Yamamoto: VOC decomposition by nonthermal plasma

Electrostat., 57 (2003) 293
4)

H.H. Kim, J.H. Kim and A. Ogata: Adsorption and oxygen
plasma-driven catalysis for total oxidation of VOCs. Int’l J.

粒子状物質除去結果および考察

Plasma Environ. Sci. Technol., 2 (2008) 1067)

たばこ煙微粒子の粒径は概ね 0.1 から 0.3μm であり，これらの微粒子もにおいの原因となるため，喫煙室のにおい除

5)

李 成華, 洪 寧基, 姜 光玉:プラズマ触媒反応器に去にはたばこ煙微粒子の高効率除去も必須である．ワンパス

よる室内空気浄化の研究―酸化チタン活性化メカニズの粒子状物質除去性能を表 4 に示す．測定条件は VOC 低減
率測定時と同様とした．装置 1 回の通過で粒子状物質は 99%

木佐貫善行, 吉田雅弘, 高島和則, 桂 進司, 水野 彰,

ムの実験的検討―. 静電気学会誌, 24 (2000) 153
6)

A. Ogata et al.: Decomposition of benzene in air in a plasma

以上低減されていることが確認できた．また，プラズマ部に

reactor: effect of reactor type and operating conditions.

入る前に準 HEPA フィルタで 95%程度の除去率が得られていPlasma Chem. Plasma Process., 22 (2002) 537

るが，その後段のプラズマ部においても電極および触媒部入口の不織布への微粒子の堆積が実験終了後に認められた．こ7)

淺井琢也: 喫煙環境改善技術に関する基礎的研究. 粉体工学会誌, 37 (2000) 897