2018 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 – 2020-03-31
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| Keywords | エレクトロスプレー / 水上沿面放電 / 交互進展法 / 排ガス処理 / 廃水処理 / 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を高効率分解する技術の確立を目指す。水面に対向する注射針電極から，エレクトロスプレー により過酸化水素含有ミストを拡散させるとともに，同一電極から水上沿面放電を進展させ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，スプレー拡散と放電進展の時間制御を目指している。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）エレクトロスプレー によるラジカルインジェクションの効果の確認
昨年度（２０１７年度）に，エレクトロスプレー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，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。これを受けて今年度は，トルエン含有ガスの分解処理に本手法を適用し，その処理能力を評価した。濃度１％の過酸化水素水の静電噴霧とパルス沿面放電をトルエン含有ガス中へ交互進展させることにより，トルエンが分解することを確認した。このときのトルエン除去率は，静電噴霧単独処理や，放電プラズマ単独処理におけるそれらよりも高い値を示すことを実験的に示した。
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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
それぞれ独立した二つのプラズマ処理室が直列に接続されたハイブリッド型の排ガス処理装置を製作した。各処理室では，エレクトロスプレー と水上沿面放電の交互進展，もしくは乾燥雰囲気中でのコロナ放電によるオゾン生成のどちらかがなされる。すなわち，様々なラジカルの組み合わせによるプラズマ化学反応実験が可能となった。
ギャップ長10 mmの電極間に，正の直流電圧6 kV を印加するとともに，注射針先端部の液滴の固有振動周波数成分を含んだインパルス電圧を重畳した。インパルス電圧の波頭部および波尾部にはそれぞれ重要な役割を有している。針先からのストリーマ放電を進展させる役割を波頭部が果たしており，一方，波尾部印加中には，針先端の水滴の固有振動による噴霧液滴の微細化が引き起こされる。すなわち，波尾部に含まれる脈動成分が，針先端の水滴の固有振動を引き起こすように時定数を最適化しているのが特徴である。
濃度50 ppmのトルエン含有空気を1L/minで反応器中に送気した状態のもと，反応器の一室で過酸化水素水の静電噴霧とパルス放電を交互に進展させた。重畳パルスの波高値がゼロの場合，すなわち直流成分だけで静電噴霧によるラジカルインジェクションのみが引き起こされている場合には，トルエン除去率はゼロであった。これに対して，脈動パルスを重畳することによって水上沿面放電が広がると，トルエンが分解されていることを確認した。脈動電圧の波高値の上昇とともに，トルエン除去率は上昇し，除去率は最大で60%に達した。さらに過酸化水素水を用いることなく乾燥状態での放電処理によりオゾンを形成し，これによるトルエン分解を試みたが，この場合の除去率はゼロであった。以上の結果より，過酸化水素水の噴霧によるラジカルインジェクションとパルスストリーマの同一空間への拡散がトルエン除去に有効に作用することを実験的に示すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）論文発表（担当：弓達，尾崎）
２０１８年度終盤に得られた研究成果を，査読付き論文誌への掲載するとともに，２０１９年度の国際会議での発表を目指す。
（２）廃水処理技術への展開（担当：門脇）
廃水中に含まれている難分解性有機化合物の分解処理を試みる。模擬廃水としての酢酸水溶液を注射針先端から静電噴霧により噴射させるとともに，パルス放電を交互進展させる。排水中でのパルス放電処理による酢酸の分解効率と比較することにより，本手法の有効性を検証する。
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| Causes of Carryover |
2018年度下期に得られた研究成果を，2019年度上期に，学会誌に掲載するとともに，国際会議にて発表する。これらのために要する費用の一部に，2018年度の直接経費の一部を充てる。
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