Pyrolysis and oxidation of particulates in exhaust gas by laser induced breakdown plasma

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K13891
• Research Institution: Shibaura Institute of Technology
• Principal Investigator: 斉藤 寛泰 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (80362284)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: レーザ誘起ブレークダウン / アブレーション / プラズマ / 排ガス処理 / 粒子状物質 / すす / ナノ粒子

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、エンジンやボイラーなどの燃焼器から排出される微細な粒子状物質（PM）や多環芳香族炭化水素（PAH）などの人体に有害な物質を、高密度光照射によって生じる物質の蒸発やブレークダウン、プラズマ化現象を利用して迅速熱分解酸化処理する小型デバイスの開発を全体構想として実施したものである。物理的な吸着フィルタを用いない方式のため，圧力損失の低減や堆積物除去の対応等が不要になる．
まず、固体炭素にパルスレーザを照射した場合の基礎的知見を得るために、密閉容器内に設置した固体炭素試料表面にレーザ光を集光してアブレーションを発生させ、表面性状の変化や質量減少量を調べた。レーザ強度、レーザ照射回数が炭素試料の質量減少量に及ぼす影響を調べた結果、レーザ強度、レーザ照射回数と除去質量は概ね比例関係にあることを確認した。また、レーザ照射後に、ガスクロマトグラフやガス検知管にによって容器内残留気体の成分分析を行ったところ、二酸化炭素濃度が増加していることが確認され、アブレーションによって試料表面から放出された炭素の一部は周囲酸素と反応し結合することがわかった．
次に，燃焼排気への適用可能性を検証するために，炭素のナノオーダ粒子を含む配管内流れを形成し、同様のレーザ照射実験を試みた。具体的には、レーザ強度とレーザ照射領域に供給される炭素ナノ粒子の数密度を変化させて、レーザ照射領域通過後の総粒子個数変化、平均粒径、粒径分布変化を調べた．その結果、レーザ照射によって総粒子個数は減少し、その効果はレーザ強度が強いほど顕著になることがわかった。また、平均粒径（ザウタ平均粒径）と粒径分布の変化から，本研究で用いた実験系であれば、およそ80 nmより小さな炭素粒子には効果が見られるという結果を得た。