2017 Fiscal Year Research-status Report
ナノ秒極性反転パルス沿面放電を用いた排ガス中有機化合物の高効率分解
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16K06227
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| Research Institution | Ehime University |
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Principal Investigator |
門脇 一則 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (60291506)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
尾崎 良太郎 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 准教授 (90535361)
弓達 新治 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 助教 (40380258)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | エレクトロスプレー / パルス放電 / 排ガス処理 / 排水処理 / ＯＨラジカル / プラズマ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
既存の触媒技術に頼ることなくパルス沿面放電処理だけで，排ガス中や排水中に含まれる難分解性物質や臭気性物質を高効率分解する技術の確立を目指す。静電噴霧下の気液混相領域中で非平衡プラズマを形成することにより多量のOHラジカルを形成し，その高い酸化力を利用して分解を促進する。しかしながら，ひとつの注射針電極から，液体の静電噴霧とストリーマ放電を同一空間に進展させることは難しい。そのため，静電噴霧用電極とストリーマ放電用電極を独立して用意し，噴霧とストリーマを別々の位置から進展させるのが一般的である。しかしこの方法では，針先端部の高電界領域で噴霧とプラズマの両方が形成されていることにはならない。我々はこの問題を解決するために，針先端の水滴の固有振動周波数に同期して脈動する直流電圧に繰り返しナノ秒パルス電圧を重畳することにより，静電噴霧の安定化とストリーマの気液混相領域への進展の両立を目指している。解決すべき課題は以下の通りである。
（１）脈動周波数の最適化に関する理論と実際
（２）気液混相領域でのパルス放電の進展特性の理解
（３） 湿式放電処理法による難分解性有機化合物の分解
２０１７年度に，１本の針電極（注射針）で，エレクトロスプレー法による気液混相領域の形成と放電プラズマ進展の両立を実現するための電圧印加方法について検討した。高速度カメラを用いた霧滴の拡散分布観察と暗室下での放電光観察を様々な電圧印加条件下で実施し，気液混相領域と放電プラズマ進展領域を一致させる条件を探した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
静電噴霧処理とパルス放電処理の両方が可能なプラズマ反応器を製作した。さらに，直流高電圧に正弦波交流電圧やナノ秒パルス電圧を重畳することのできる電源装置を構築した。プラズマ反応器内に注射針電極(外径 0.40 mm 内径 0.22 mm)１本を配置して，純水(導電率 8 μS/cm)を送り込みながら，脈動電圧を印加したときの気液混合領域の広がり方を高速撮影モード (1200 fps)を有するデジタルカメラ (CASIO COMPUTER CO., LTD.,EX-F1)で撮影した，さらに放電光の広がり方をデジタルカメラ(株 Nikon,D-90)による長時間露光撮影により観察した。平滑な直流電圧，直流に正弦波交流が重畳された脈動電圧，直流にナノ秒極性反転パルス（立ち上がり時間50ナノ秒）が重畳された繰り返しパルス電圧の3 種類を用いた場合の噴霧と放電の進展能力を実験的に調べた。
ギャップ長10 mmの電極間に，正の直流電圧5 kV を印加すると，静電噴霧により水滴の微粒子が電極間に拡散することを確認した。しかし，放電を引き起こすために電圧を上昇させると噴霧が不安定になった。さらに針を太くして流量を増やそうとすると，噴霧が全く形成されないことを確認した。ところが直流電圧にわずか数kVの正弦波交流を重畳すると，ある周波数において，流量が大きい条件下でも静電噴霧が安定して引き起こされることを見出した。噴霧が安定化する理由は，針先端の水滴の固有振動周波数に合致した交流電圧を重畳することにより，水滴が共振し，液滴の微細化が加速されるためである。水滴の共振周波数の理論値と，噴霧が安定化する脈動電圧の周波数の実験値とがおよそ一致することを確認した。さらにこの脈動電圧に間欠的にナノ秒高電圧パルスを重畳することによって，噴霧の安定状態を維持したままで，同一空間での放電の進展に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）実験装置のスケールアップ（担当：門脇）
現在，装置に組み込まれている注射針電極の内径を４倍程度まで拡大し，処理速度を１０倍以上に向上させる。
（２）静電噴霧法とパルス放電処理法の併用条件の最適化（担当：尾崎）
スケールアップされた装置を用いて，静電噴霧と放電の同一空間での形成を実現するための電圧印加条件を検討する。静電噴霧促進のための正弦波交流成分と，放電を進展させるための繰り返しナノ秒パルス電圧の重畳条件の最適化を目指す。スペクトル解析から得られる印加電圧の周波数成分と，理論から導かれる静電噴霧促進周波数との対比により，最適条件の理論的裏付けを得る。
（３）湿式放電処理による排ガス処理（担当：門脇）
（１）と（２）での検討結果を踏まえて，水中有機化合物の分解処理実験を実施する。さらに湿式放電処理による排ガス中のトルエン分解実験をおこなう。この方法はオゾンレスの脱臭処理技術としても期待できることから，脱臭能力についても定量的に評価する。
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