JP2015196109A - ガス処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】限られた空間内においてフィルタと触媒の接触機会を増やすことで、処理効率の高いガス処理装置を提供する。
【解決手段】第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極の互いに対向する対向面をそれぞれ覆う誘電体と、を備え両電極の間にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記両電極間に導入される処理対象のガスが流れる、前記両電極間に形成される蛇行した流路と、前記流路内に配置される処理対象のガスの分解反応を促進する触媒が固定された触媒体と、を備えることを特徴とするガス処理装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温プラズマと触媒体を利用して、有害なガスを分解する装置に関する。特に、触媒体とガスの接触効率を高めた構造に関する。

近年、地球環境や人体に影響を及ぼす可能性がある有害ガスが問題視されるようになっている。例えば、自動車分野においては、特にディーゼル車などについて、排気ガスの規制が年々厳しくなっている。また、室内環境の分野においても、シックハウス症候群の原因となる、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の使用が制限されている。

このような有害ガスの除去方法としては、活性炭やゼオライトなどの吸着剤を用いて有害ガスを吸着除去する方法（特許文献１）や、空気にオゾンを混合し、紫外線を照射することで発生する活性酸素によって有害ガスを分解する方法（特許文献２）が提案されている。

また、低温プラズマを用いた方法や装置も提案されている。低温プラズマは装置が簡単であること、および反応性に富んだ活性種が利用できる化学反応であることから、反応が瞬時に進行するため、効率よくガス中に存在する有害ガスを分解することが期待できる。例えば、ハニカム構造の触媒を設置する方法（特許文献３）などが提案されている。

特開昭５８−１３３８２０号公報 特開平６−３８５号公報 特開２０００−１４０５６２号公報

しかしながら、活性炭やゼオライトなどの吸着剤を用いて吸着除去する場合には、初期は高い吸着能を示しても、飽和状態になると性能が落ちるため、新しい吸着剤と交換したり、吸着剤を再生するためのシステムを併設するなどの必要がある。また、空気にオゾンを混合し、紫外線を照射することで発生する活性酸素によって有害ガスを分解する場合、大量の空気を処理する際の処理後の気体排出時に、微量のオゾンが同時に流出する可能性があり、不快なオゾン臭の発生や人体への影響が懸念される。

一方、ハニカム状の触媒を設置する方法では有害ガスと触媒との接触を確保することが必要となる。そのため、放電電極とアース電極間距離が長くなり、安定にプラズマを発生させるために高い電圧を印加してエネルギーを多量に投与することが必要となることから、空気から窒素酸化物や多量のオゾンが生成されるという問題がある。エネルギー投与を低く抑えつつ安定にプラズマを発生させようとすると放電電極とアース電極間距離を短くする必要があり、ガスの処理空間が小さくなり処理効率が低くなるといった問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、小さな空間でも処理効率の高い、ガス処理装置を提供することを目的とする。

すなわち第１の発明は、第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、両電極の互いに対向する対向面をそれぞれ覆う誘電体と、を備える電極間にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
前記電極間に導入される処理対象のガスが流れる、前記電極間に形成される蛇行した蛇行流路と、
前記蛇行流路に配置される処理対象のガスの分解反応を促進する触媒が固定された触媒体と、を備えることを特徴とするガス処理装置である。

第２の発明は、前記両電極間においてガスを誘導し、前記蛇行した流路を形成するガス誘導部を備え、前記触媒体は前記触媒が固定されたフィルタであり、前記フィルタは前記ガス誘導部に保持されることを特徴とする第１の発明に記載のガス処理装置である。

第３の発明は、前記フィルタの形態が、繊維構造体、ハニカム構造体、多孔質構造体であることを特徴とする第２の発明に記載のガス処理装置である。

第４の発明は、前記ガス誘導部は前記両電極の一方の電極から他方の電極の方向に形成される壁状の部材であり、前記蛇行した流路はガスを前記両電極の対向方向に蛇行させることを特徴とする第２または第３の発明に記載のガス処理装置である。

第５の発明は、前記ガス誘導部は電極に沿った方向に延びる壁状の部材であり、前記蛇行した流路はガスを電極に沿った方向に蛇行させることを特徴とする第２または第３の発明に記載のガス処理装置である。

第６の発明は、前記電極間に、前記触媒体であるフィルタと、複数の開口部が並んで形成されるガス誘導板と、が交互に重ねられ、重なった複数の前記ガス誘導板の前記両電極の対向方向に重なる開口部によって前記両電極の対向方向に沿った流路が複数形成され、隣り合う前記流路が互いに連結されて前記蛇行流路を構成することを特徴とする第１の発明に記載のガス処理装置である。

第７の発明は、重なった前記ガス誘導板のうち、前記第１の電極を覆う前記誘電体に接する前記ガス誘導板と、前記第２の電極を覆う前記誘電体に接するガス誘導板と、が、前記隣り合う流路を連結する連結用開口部を有することを特徴とする第６の発明に記載のガス処理装置である。

第８の発明は、前記第１の電極を覆う前記誘電体に接する前記ガス誘導板と、前記第２の電極を覆う前記誘電体に接するガス誘導板のいずれかが前記電極間にガスを取り込む導入口を形成し、前記第１の電極を覆う前記誘電体に接する前記ガス誘導板と、前記第２の電極を覆う前記誘電体に接するガス誘導板のいずれかが前記電極間からガスを排出する排出口を形成することを特徴とする第7の発明に記載のガス処理装置。

本発明によれば、限られた空間内においてフィルタと触媒の接触機会を増やすことで、処理効率の高いガス処理装置を提供するものである。

実施形態のガス処理装置の構成図である。 他の実施形態のガス処理装置の構成図である。 他の実施形態のガス処理装置の構成図である。 他の実施形態のガス処理装置の構成を示す分解斜視図である。 比較例のガス処理装置の構成を示す分解斜視図である。

以下、本発明のガス処理装置の実施形態について詳述する。本発明の実施形態に係るガス処理装置は、限られた空間内で、処理対象のガスと触媒の接触効率を高めたことを特徴とする。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のガス処理装置１０の断面を模式的に表した図である。ガス処理装置１０は、処理対象ガスを含むガスが供給される流路内に配置される。そして、ガス処理装置１０は、図１において、ガス処理装置１０に対して矢印Ａ方向に供給される処理対象ガスを含むガスを、ガス処理装置１０において発生させるプラズマと、触媒体４の機能によって処理する装置である。

ガス処理装置１０は、印加電極１と、接地電極２と、誘電体３と、触媒体４と、電源部である（高圧）電源６と、ガス誘導部である隔壁５を備える。そして側壁部８によって周囲が覆われて、印加電極１、接地電極２、誘電体３、側壁部８等によってガスが流通する空間が形成される。なお、印加電極１、接地電極２、誘電体３等が筐体（ケース）に収められてガス処理空間が形成されてもよい。

ガス処理装置１０において、印加電極１と接地電極２と誘電体３と電源６は、プラズマを発生させるための部材・装置（プラズマ発生部）である。電源６によって電圧が印加されることで、印加電極１と接地電極２と誘電体３とによって、印加電極１と設置電極２との間に放電による低温プラズマ反応層が形成される。低温プラズマ（Ｎｏｎ−Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｌａｓｍａ）とは、電子温度だけが高く、イオンや中性粒子の温度が低い非平衡プラズマである。

本実施形態では、両電極間の一端側からガスが導入され他端側から排出されるが、その電極間に形成される流路が蛇行した流路となっている。処理ガスはその蛇行流路を通過しながらガス処理され、電極間のガス処理空間から排出される。本実施形態の蛇行流路は、導入されたガスが電極間の対向方向に蛇行しながら排出口に流れる流路である。

印加電極１と接地電極２の距離（間隔）は、より長い方がガス処理装置の容量を大きく出来る。風速を一定とした場合、電極間距離が長いほど単位時間当たりに処理できるガス量を増やせる利点がある。しかし、電極間距離をより長くすると、プラズマを発生させるために印加電圧をより大きくする必要があり、それに応じてエネルギー消費量が大きくなるだけでなく、電源のサイズも大きくなるという欠点がある。その場合、電源も含めたガス処理装置全体が大きくなるため、例えば、自動車用途のように、設置場所の大きさに制限がある場合は、ガス処理装置を設置できなくなる。そのため、電極間距離は、１０ｍｍ以下にすることが好ましい。電極間の距離はより好ましくは５ｍｍ以下である。５ｍｍ以下であれば、プラズマの発生効率がより高く、効率よくガス処理を行うことができる。ガス処理量を確保するため、電極間の距離は１ｍｍ以上が好ましい。

印加電極１は、電源６によって電圧が印加される電極である。接地電極２は、接地線２ａによって接地されている。印加電極１と接地電極２の構造としては、プラズマが発生する構造であれば特に限定されず、板状、格子状や簾状、パンチング加工などによる多孔状やエキスパンドメッシュ状、針状の構造が挙げられ、これらの構造を２種以上組み合わせた構造であってもよい。また、印加電極１と接地電極２は、上記した形状・構造のうち、同じ形状・構造であってもよいし、互いに異なる形状・構造であってもよい。本実施形態では一例として、図１に示すように印加電極１と接地電極２は同じ形状の板状の構造としている。

印加電極１および接地電極２としては、電極として機能する材料を用いることができる。印加電極１、接地電極２の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｏなどの金属やその合金を用いることができる。

誘電体３は、印加電極１と接地電極２の互いに対向する面を覆う。誘電体３は絶縁体となる性質を有していればよい。誘電体３の材料としては、例えば、ＺｒＯ₂、γ−Ａｌ₂Ｏ₃、α−Ａｌ₂Ｏ₃、θ−Ａｌ₂Ｏ₃、η−Ａｌ₂Ｏ₃、アモルファスのＡｌ₂Ｏ₃、アルミナナイトライド、ムライト、ステアライト、フォルステライト、コーディエライト、チタン酸マグネシウム、チタン酸バリウム、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｓｉ−ＳｉＣ、マイカ、ガラスなどの無機材料や、ポリイミド、液晶ポリマー、ＰＴＦＥ（poly tetra fluoro ethylene）、ＥＴＦＥ（ethylene tetra fluoro ethylene）、ＰＶＦ（poly vinyl fluoride）、ＰＶＤＦ（poly vinylidene difluoride）、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミドなどの高分子材料が挙げられる。耐プラズマ性、耐熱性を考慮すると無機材料がより好ましい。なお、側壁部８の一部または全部が誘電体３で形成されてもよい。

触媒体４は、処理対象ガスを分解する反応を促進する触媒が担持されており、本実施形態では触媒体４に対してプラズマを作用させるため、触媒体４によって促進される反応がさらに促進される。

本発明の触媒体４の形態としては、通気性があれば特に限定されるものではなく、触媒が固定されたフィルタでよい。具体的には板状、シート状、プレート状の部材にパンチング加工などの穿孔処理がされた複数の穴を有するものや、メッシュ状、繊維構造体、通気性を有するハニカム構造体、通気性を有する焼結体などが挙げられる。この中でも圧力損失がより小さなものが好ましく、例えば、繊維構造体、ハニカム構造体、焼結体などが挙げられる。

図１の触媒体４の形態は繊維構造体の場合である。本実施形態の触媒体４は繊維構造体からなる基体と、基体に固定される触媒などから構成される。触媒体４の基体としては、ガスが通過可能な繊維構造体であり、具体的には、不織布、混抄紙、編み物や織物などが挙げられる。触媒体４は、プラズマ発生部によって発生したプラズマが存在する位置（範囲）に配置されている。具体的には、本実施形態では、印加電極１と接地電極２の間（放電空間）に配置されている。そして触媒体４は、蛇行する流路の少なくとも一部に配置されていればよいが、流路の全域にわたって配置あるいは充填されていることが好ましい。触媒体４が流路全体に配置されていることで、より効率よくガスを処理することができる。触媒体４は、図１において矢印で示す方向にガスが通過可能である。触媒は、基体表面に固定されてもよいし、基体内部に固定されてもよく、また基体の表面と内部の両方に固定されてもよい。

本実施形態における触媒体４の基体である繊維構造体の材料としては、繊維形成能があれば特に限定されるものではない。たとえば、合成繊維や、綿、麻、絹等の天然繊維や、ガラス、金属、セラミックス等の無機材料や、パルプ、炭素繊維などが挙げられるが、中でも耐プラズマ性と耐熱性に優れた無機材料が好ましい。耐プラズマ性については、触媒体４の基体はプラズマが存在する領域に配置されるため、耐プラズマ性を有することで、触媒体４の触媒機能を長期間維持できるためである。耐熱性については、ガス処理装置１０の処理対象のガスが、燃料を燃焼して排出される排ガスなど比較的温度の高いガスである場合もあり、耐熱性が必要であるためである。なお、耐プラズマ性とは、プラズマ雰囲気中での耐久性であり、プラズマによる侵食のされにくさである。

触媒体４の繊維構造体に用いられる無機材料としては、具体的には上述のように金属材料や、セラミックスや、ガラスなどが好ましい。金属材料としては、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、ＴＺＭ（Titanium Zirconium Molybdenum）、Ｗ−Ｒｅ（tungsten-rhenium）などの高融点金属や、銀、ルテニウムなどの貴金属、及び高融点金属や貴金属の合金または酸化物、チタン、ニッケル、ジルコニウム、クロム、インコネル、ハステロイなどの特殊金属、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、亜鉛、マグネシウム、鉄などの汎用金属およびこれら汎用金属を含む合金またはこれら汎用金属の酸化物を用いることができる。また、各種めっき法及び真空蒸着法や、ＣＶＤ法や、スパッタ法などにより、上述した金属、合金または酸化物の被膜が形成された部材（被膜を形成する部材自体は、金属材料あるいはそれ以外の材料でよい。）を金属材料として用いてもよい。

さらに、本実施形態の触媒体４の繊維構造体に用いられるセラミックスとしては、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、フェライト、アルミナ、フォルステライト、ジルコニア、ジルコン、ムライト、ステアタイト、コーディエライト、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ニューカーボン、ニューガラスなどや、高強度セラミックス、機能性セラミックス、超伝導セラミックス、非線形光学セラミックス、抗菌性セラミックス、生分解性セラミックス、及びバイオセラミックスなどのセラミックスを用いることができる。また、上述のセラミックスの複合物でもよい。

また、触媒体４を構成する触媒は、基体（繊維構造体）に固定できる形態、材料であれば特に限定されない。基体（繊維構造体）が酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの金属酸化物であれば、触媒を直接基体に固定してもよいし、触媒微粒子が担体微粒子に担持されたものでもよい。触媒微粒子としては、反応を促進する触媒機能を有すれば、限定されるものではない。好ましくは触媒能の高い、Au、Pt、CeO₂、PdO、MnO₂、CuO、あるいはこれらを組み合わせてもよい。

この触媒微粒子は、粒径が０．５ｎｍ以上２００ｎｍ以下程度であればよい。また、これらの触媒微粒子は担体微粒子に対して、０．１〜２０質量％分固定されることが好ましく、０．５〜１０質量％とするのがより好ましい。２０質量％以上担持させると、触媒微粒子である触媒微粒子同士が凝集し、触媒活性が減少するからである。０．１質量％以下では十分な触媒活性が得られないので好ましくない。

なお、触媒微粒子としては、上述のように、少なくとも処理対象ガスを分解する反応を促進する触媒機能を有する微粒子が含まれている必要があるが、他の物質と組み合わせてもよい。具体的には、触媒微粒子に助触媒を組み合わせた助触媒粒子と触媒微粒子が混在するものとすることができる。また、触媒微粒子と他の材料の粒子とを複合化させた複合触媒としてもよい。触媒微粒子単独の場合や触媒微粒子に助触媒を混合させた場合には、触媒微粒子が上述の大きさの範囲内であればよい。また、他の材料の粒子と複合した複合触媒の場合には、触媒微粒子の大きさが上述の大きさの範囲内であればよい。

助触媒や複合触媒における他の材料の粒子としては、金属や金属酸化物を用いることができる。金属としては、Pt、Pd、Irなどといった貴金属、または卑金属が挙げられる。金属酸化物としては、これらの貴金属や卑金属の酸化物が挙げられる。これらの貴金属およびその酸化物、卑金属およびその酸化物は２種以上混合されて用いてよい。触媒微粒子を担体微粒子に担持する構成とする場合には、助触媒として２種以上が担体微粒子の表面に担持されてもよいし、複合触媒の場合には２種以上の他の材料の粒子と触媒微粒子が複合化したものが担体微粒子の表面に担持されてもよい。

担体微粒子は、触媒微粒子を担持させるとともに、担体微粒子を介して触媒微粒子を基体（繊維構造体）に固定するための粒子である。担体微粒子は、触媒微粒子を担持させることができればどのようなものでもよいが、金属酸化物を用いることができる。また、主に物理的な吸着性によって担持させる物質を固定できる無機化合物を用いることが好ましい。ただし、基体である繊維構造体として、金属酸化物または主に物理的な吸着性を有する無機化合物を用いる場合には、担体微粒子はなくてもよい。触媒微粒子を直接繊維構造体に固定すればよい。

担体微粒子に用いる金属酸化物としては、例えば、γ-Al₂O₃、α- Al₂O₃、θ- Al₂O₃、η- Al₂O₃、アモルファスのAl₂O₃、TiO₂、ZrO₂、SnO₂、SiO₂、MgO、ZnO₂、Bi₂O₃、In₂O₃、MnO₂、Mn₂O₃、Nb₂O₅、FeO、Fe₂O₃、Fe₃O₄、Sb₂O₃、CuO、Cu₂O、NiO、Ni₃O₄、Ni₂O₃、CoO、Co₃O₄、Co₂O₃、WO₃、CeO₂、Pr6O11、Y₂O₃、In₂O₃、PbO、ThO₂などの単一の無機酸化物が挙げられる。また、金属酸化物としては、例えば、SiO₂−Al₂O₃、SiO₂−B₂O₃、SiO₂−P₂O₅、SiO₂−TiO₂、SiO₂−ZrO₂、Al₂O₃−TiO₂、Al₂O₃−ZrO₂、Al₂O₃−CaO、Al₂O₃−B₂O₃、Al₂O₃−P₂O₅、Al₂O₃−CeO₂、Al₂O₃−Fe₂O₃、TiO₂−CeO₂、TiO₂−ZrO₂、TiO₂−WO₃、ZrO₂−WO₃、SnO₂−WO₃、CeO₂−ZrO₂、SiO₂−TiO₂−ZrO₂、Al₂O₃−TiO₂−ZrO₂、SiO₂−Al₂O₃−TiO₂、SiO₂−TiO₂−CeO₂、セリウム・ジルコニウム・ビスマス複合酸化物などの複合酸化物でもよい。尚、セリウム・ジルコニウム・ビスマス複合酸化物は一般式Ｃｅ_1-X-YＺｒ_XＢｉ_YＯ_2-δで表わされる固溶体であり、Ｘ、Ｙ、δの値がそれぞれ０．１≦Ｘ≦０．３、０．１≦Ｙ≦０．３、０．０５≦δ≦０．１５の範囲である。

また、担体微粒子に用いる物理的な吸着性を有する無機化合物としては、例えば、ケイ酸塩としては、ゼオライトA、ゼオライトP、ゼオライトX、ゼオライトYなどの合成ゼオライトや、クリノプチルライトやセピオラオライト、モルデナイトなどの天然ゼオライトなどや、カオリナイト、モンモリロナイト、酸性白土、珪藻土などの層状ケイ酸塩化合物や、オラストナイト、ネプツナイトなどの環状ケイ酸塩化合物が挙げられる。また、リン酸３カルシウム、リン酸水素カルシウム、ピロリン酸カルシウム、メタリン酸カルシウム、ハイドロキシアパタイトなどのリン酸塩化合物や、活性炭や、多孔質ガラスなども挙げられる。

これらの担体微粒子は処理対象のガス等の種類に応じて、上述した物質から適宜選択して使用されるものである。担体微粒子の平均粒子径は、０．１μｍ以上５００μｍ以下であれば良い。また、これらの担体微粒子は単体で用いても、２種類以上混合して用いてもよい。なお、ここでいう平均粒子径とは、体積平均粒子径のことをいう。本明細書において、特に記載しない限りは、平均粒子径は体積平均粒子径とする。

触媒体４の繊維構造体に固定する触媒の製造方法を説明する。触媒は、触媒微粒子が、多面体構造で担体微粒子に固定できる方法であればよい。共沈法、析出沈殿法、ゾル−ゲル法、滴下中和沈殿法、還元剤添加法、ｐＨ制御中和沈殿法、カルボン酸金属塩添加法等の方法が挙げられ、これらの方法は担体の種類により適宜使い分けることができる。

触媒の繊維構造体に対する固定方法については、公知の方法を用いることができる。例えば、一般的な樹脂などで構成されるバインダーによって固定してもよい。また、化学結合以外にも、ファンデルワールス力や物理的吸着などで固定してもよい。

つぎに、ガス処理装置１０に用いられる電源６は、高電圧を印加可能な電源である。電源６としては、交流高電圧、パルス高電圧などの高電圧電源、DCバイアスに交流あるいはパルスを重畳させた電源などを用いることができる。交流高電圧の例としては、正弦波交流、矩形波交流、三角波交流、鋸波交流などが挙げられる。この電源６により、印加電極１と接地電極２と側壁部８等によって形成される放電空間にプラズマを発生させることができるように、印加電極１と接地電極２に所定の電圧を印加すればよい。電源６による印加電圧は、処理対象ガスの濃度などにより変動するが、通常１〜２０kV、好ましくは２〜１０kVである。なお、プラズマを発生させるために電源６から供給される電力により発生させる放電の種類としては、プラズマを発生させることができれば特に限定されないが、たとえば無声放電や沿面放電やコロナ放電やパルス放電などであればよい。また、これらの放電が２種類以上組み合わされて発生してプラズマを発生させてもよい。

また、その電源の出力周波数は高周波数が好ましく、具体的には０．５kHz以上であればよい。さらには０．５kHz以上１５kHz以下が好ましく、より好ましくは１kHz以上１０kHz以下がよい。周波数が０．５kHzよりも小さいと中間生成物やオゾンの生成量が増え、１５kHzよりも大きいと処理対象とするいずれのガスについても分解が抑制されてしまう。

そして本実施形態のガス処理装置１０は、内部にガス誘導部として隔壁５を１つ以上有しており、隔壁５によって筐体内は複数の空間に仕切られている。この隔壁５は、電極（の表面の誘電体３）や側壁部８によって形成される放電空間内を流れる処理対象のガスの流れをガイドする部材である。電極と隔壁５と側壁部８とによって蛇行流路が形成され、ガスを触媒体４に複数回通過させる。図１では、隔壁５は３つ配置される。隔壁５は、図１の紙面に垂直方向に一方の側壁（紙面手前側にある側壁部８）から他方の側壁（紙面奥側にある側壁部８）まで延びており、印加電極１の内面（印加電極１表面の誘電体３の表面）あるいは接地電極２の内面（接地電極２の誘電体３の表面）との間に開口部（ガスが流通する隙間）が形成されるように配置されている。これにより、矢印のＡからガス処理装置１０に入ったガスが、図の矢印のように流れ、触媒体４を４回通過する構造になっている。すなわち、処理対象ガスは導入口からガス処理空間内に導入され、１つ目の隔壁５によって仕切られる最初の空間に入る。空間内には触媒体４があり、処理対象ガスは触媒体４を通過する。最初の隔壁５は、印加電極１側の面との間が開口しているので、触媒体４を通過したガスはガスの流れ方向下流側（図１の右側）の空間に流れる。そして、ガスは次の隔壁５によって接地電極２側にガイドされることで、触媒体４を通って下方に流れ、さらに隔壁５と電極との隙間を通って右側に流れていく。これを繰り返して、最後の空間に流れたガスが、排出口から処理空間外へ排出される。このように、隔壁５と電極や側壁部８等によって形成される内壁面とによって、処理対象のガスを電極間において蛇行させて流し、触媒体４に複数回通過させて分解処理することができる。

本実施形態の隔壁５は、上述の通り一方の電極側から他方の電極側の方向に延びる板状の部材である。上述のように、隔壁５の図１の紙面に垂直方向の幅は、一方の側壁から他方の側壁までの長さであり、隔壁５の両側の側壁との間に隙間ができないように配置される。隔壁５の高さ（図１の上下方向の幅）は上述のように、電極間の間隔（一方の誘電体３の表面と他方の誘電体３の表面との間隔）よりも小さく、印加電極側の内壁または接地電極側の内壁との間に隙間が形成される高さである。隔壁５は、ガス処理装置１０の導入口から排出口までの間に少なくとも１つ配置されることが好ましい。１つ以上配置されることで、ガスを触媒体４に対して接触させる機会をより増やして効果的にガス処理することができる。隔壁５の配置位置は特に限定されないが、たとえば導入口から排出口までの空間を等分する位置に配置することができる。たとえば、隔壁５が１つであれば中間位置であり、３つであれば空間を４等分する位置に配置されればよい。

本実施形態では隔壁５は一方の電極側から垂直に他方の電極の方向に延びる板状の部材としたがこれに限られない。たとえば、垂直方向からガス処理装置１０全体でのガスの流れ方向（図１の左右方向）に傾斜して配置されてもよい。また、本実施形態の隔壁５は板状の部材としたが、ガスを触媒体４を複数回通過するようにガイドできる形状であれば板状に限られない。たとえば、三角柱状や角柱状や円柱状などでもよい。

また、隔壁５としては、用いる材料は特に限定されず、誘電体３と同じ材料でもよい。

なお、隔壁５の配置数や形状や材料等は、処理するガスの種類やガスの流量等に応じて設定されればよい。

以上が、本実施形態のガス処理装置１０の構成である。

次に、以上に説明した本発明におけるガス処理装置によるガスの分解処理について説明する。まず、本実施形態のガス処理装置における処理対象ガスとしては、VOC（揮発性有機化合物：Volatile Organic Compounds）などの燃料や溶剤などに含まれる揮発性を有する物質、炭化水素、一酸化炭素、あるいはアンモニアなどのうち少なくともいずれかを含むガスである。つまり、これら複数種類のガスを含む混合ガスや、単独のガスである。VOCの具体例としては、ベンゼン、キシレン、トルエン、エチルベンゼン、スチレン、パラジクロロベンゼン、フタル酸ジ-２-エチルヘキシルなどの芳香族化合物が挙げられる。また、C=Oの二重結合（カルボニル基）を持つ化合物では、アセトン、メチルエチルケトン（MEK）などのケトン類や、イソプロピルアルコール、メタノールなどのアルコール類や、酢酸エチル、フタル酸ジ-ｎ-ブチルなどのエステル類や、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類などがある。また、エチレン、テトラデカン、プロピレン、プロパンなどの炭化水素類や、クロルピリホス、ダイアジノンなどの有機リン化合物、その他、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン等が挙げられる。

ガスを処理する場合には、まず、電源６によって、印加電極１に電圧を印加した状態で、図１において矢印Ａ方向に処理対象ガスを含むガスを供給することにより、プラズマと触媒により加温することなく常温で処理対象ガスを分解する。触媒のみであれば、ガスとの接触により触媒微粒子表面が被毒し、触媒活性が失われたり、一酸化炭素やホルムアルデヒドなどの反応中間体を生じたりする。しかし、プラズマを併用することにより触媒表面がクリーニングされ触媒活性が保たれ、反応中間体の生成量もほとんどなく、処理対象のガスは分解される。

なお、本実施形態のガス処理装置１０は、対象ガスを分解することで無害化して、常温で大気中に排出できる。ここで無害化とは、例えば処理対象ガスがＶＯＣや炭化水素、一酸化炭素などの場合は、二酸化炭素に分解することである。また、処理対象ガスがアンモニアや窒素酸化物などの場合は、窒素に分解することである。本実施形態のガス処理装置１０において処理可能なガスであるＶＯＣや炭化水素としては、たとえば、工場や事業所で使用される塗料、接着剤、洗浄剤などの有機溶剤から揮発する物質が挙げられる。また、重油や灯油や液化石油ガス（ＬＰＧ）や都市ガスなどの燃料から揮発する物質、あるいはこれらの燃料を燃焼した際の未燃焼のガスが挙げられる。また、農産物から発生するエチレンも挙げられる。さらに、自動車の内装材、住宅の建材・内装材、家電の筐体・部材などの素材から揮発する物質などがある。また、処理対象である一酸化炭素としては、たとえば、工場や厨房の燃焼工程、あるいは家庭用暖房器具などで、不完全燃焼により生じる。また、アンモニアは、トイレなどで発生する。このような処理対象ガスを含むガスを、触媒体４に対して流すとともにプラズマを作用させることにより、加温することなく、効率的に処理対象ガスを分解して無害化することができ、大気中へ排出することができる。

触媒体４の他の実施形態について説明する。上述の実施形態では、繊維構造体に触媒微粒子を固定した例を示したが、別の実施形態の触媒体４としては、ハニカム構造体が好ましい。本実施形態におけるハニカム構造体とは、一方の端面から他方の端面まで貫通する流体の流路となる複数のセルを区画形成する壁を備えたものであって、壁には触媒が固定されている。一方の端面からセル内に流入した排ガスは、壁に固定された触媒と接触することで分解された後、他方の端部から流出する。触媒体４として触媒が固定されたハニカム構造体を用いることで、圧力損失を低減することができる。

ハニカム構造体に用いる材料としては、特に限定されないが、耐プラズマ性、耐熱性を考慮すると無機材料が好ましく、中でもセラミックスが好ましい。セラミックス材料としては、炭化珪素、珪素−炭化珪素系複合材料、コージェライト化原料、ムライト、アルミナ、スピネル、炭化珪素−コージェライト系複合材料、リチウムアルミニウムシリケート、およびアルミニウムチタネート、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、フェライト、フォルステライト、ジルコニア、ジルコン、ステアタイト、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、ニューカーボンなどや、高強度セラミックス、機能性セラミックス、超伝導セラミックス、非線形光学セラミックス、抗菌性セラミックス、生分解性セラミックス、及びバイオセラミックスなどのセラミックスからなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。

触媒体４において触媒を固定する基体として焼結体を用いる場合には、触媒としては、基体が繊維構造体の場合と同様の触媒を使用すればよい。具体的には焼結体の表面（外表面および細孔内）に繊維構造体の場合と同様の方法で固定されればよい。焼結体がハニカム構造体の場合も同様に、ハニカム構造を構成する各セルの壁の表面に繊維構造体と同様の方法で触媒を固定すればよい。

また、さらに触媒体４の他の実施形態としては、多孔質構造体が挙げられる。多孔質構造体とは、細孔を有する材料を用いた構造体で、通気性を有していればよい。多孔質構造体の表面（外表面および細孔内）には、触媒が固定されている。

多孔質構造体に用いる材料としては、細孔を有していれば特に限定されないが、耐プラズマ性、耐熱性を考慮すると無機材料が好ましい。例えば、シリカ、アルミナ、マグネシア、チタニア、ジルコニア等の酸化物や、アルミノシリケート、チタノシリケート等の複合酸化物、ＭＣＭ−４１、ＳＢＡ−１５、ＦＳＭ−１６等の規則性メソ多孔体、結晶性アルミノシリケート、メタロシリケート、アルミノフォスフェート、シリカアルミノフォスフェート等のゼオライトまたはメソ多孔体、あるいは多孔質ガラスや粘土鉱物等などから選択される少なくとも１種であればよい。

触媒体４において基体として多孔質構造体を用いる場合には、触媒としては、繊維構造体の場合と同様の触媒を使用すればよく、多孔質構造体の表面に繊維構造体と同様の方法で固定すればよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を説明する。図２は、本実施形態におけるガス処理装置１０の断面の一部を模式的に表した図である。なお、以下の説明において第１の実施形態と共通する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

本発明の第２実施形態であるガス処理装置１０は電極間の中間の位置に導入口を有しており、導入口に最も近い隔壁５によって上下に流路が分かれ、次の隔壁５によって合流するという流れを繰り返して蛇行する流路を構成するものである。導入口に最も近い隔壁５は開口部を図面における上側と下側の位置に有しており、さらに隣の隔壁５の開口部は中間部に位置している。導入口から導入された処理対象ガスは、図面の上下方向の中間部から触媒体４を通って上下方向に流れ、隔壁５の上下の開口部（電極表面の誘電体３との隙間）から次の空間に流れる。その空間内では触媒体４を通過して、図面における上下方向の中間部に集まり、隔壁５の中間部に形成される開口部からその次の空間に流れる。これを繰り返して、排出口からガス処理装置１０の外部へ排出される。

本実施形態の構成のガス処理装置１０によっても、第1実施形態の場合と同様に効率的にガスを分解処理することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態を説明する。図３は、本実施形態のガス処理装置の１０の断面の一部を模式的に表した図である。なお、以下の説明において第１の実施形態と共通する構成については、同じ符号を付して説明を省略する。

本発明の第３実施形態であるガス処理装置１０は、電極間に形成されるガス処理のための蛇行流路が、印加電極１と接地電極２に沿った方向に蛇行する流路であることを特徴とする。図３に示すように、一例として接地電極２側から処理対象ガスが導入され、電極に沿った方向（図３では左右方向）に電極に挟まれた範囲内で蛇行しながら印加電極１側に流れる。そして、印加電極１側の導入口とは反対側の排出口から排出される。

隔壁５は電極と平行に配置され、電極の対向方向に放電空間を複数の空間に区切る。そして隔壁５は、ガスの導入口側と排出口側の一方の側壁部８に対しては隙間なく配置され、他方の側壁との間に隙間を形成するように配置する。図３に示すように、隔壁５と側壁部８との隙間が、導入口側と排出口側（電極の一端側と他端側）に交互に形成されることで、蛇行流路を形成できる。

触媒体４は電極（印加電極１または接地電極２）と隔壁５とで形成される流路あるいは２つの隔壁５によって形成される流路の途中に配置される。触媒体４は第１の実施形態で示した触媒が固定されたフィルタでよい。図３では、蛇行流路を構成する各流路において、一方の側壁部８側から他方の側壁部８側の間に４か所触媒体４が固定されているものを例示している。触媒体４は少なくとも蛇行流路の一部に配置されていればよいが、上述のように蛇行流路の全域にわたって配置されるのがより好ましい。

本実施形態のガス処理装置１０では、図面の下部に備えられている導入口から処理対象ガスを含むガスが導入され、触媒体４を通って排出口側の側壁部８まで流れ、隔壁５の開口部（隔壁５と側壁部８との隙間）から図面上側の次の空間に流れる。次の空間に流れたガスはその空間内の触媒体４を通って、ガス処理装置１０の導入口側に流れ、さらに次の空間へと流れていく。このように、導入口側と排出口側（電極の一端側と他端側）との間をガスが繰り返して行き来して流れることで、ガスは触媒体４を複数回通過して排出されることができる。なお導入口が図面の上側に形成され、排出口が図面下側にあってもよい。また、本実施形態の場合には、ガスの導入口と排出口が電極の同じ端部側にあってもよい。

以上説明した第１から第３の実施形態において、ガス処理装置１０の印加電極１と接地電極２と側壁部８等で形成されるガス処理空間は、略直方体であっても、略円筒形のような形状であってもよい。円筒形の場合は、導入口が形成される側面と排出口が形成される側面（図面のA側から見た面）が円形となる円筒形である。

（第４の実施形態）
本実施形態は、触媒体４であるフィルタとガス誘導板７を交互に複数枚重ねることで、蛇行流路を形成するものである。図４は本実施形態のガス処理装置１０の構成を示す分解斜視図である。

ガス誘導板７は、複数の開口部７０が並んで形成される板である。このガス誘導板７とフィルタ状の触媒体４とが交互に複数枚重ねられて印加電極１と接地電極２の間に配置されている。そして、ガス誘導板７の開口部７０によって電極の対向方向に開口部７０が重なっている範囲にガスが通過可能な流路が形成される。また、ガス誘導板７が複数枚重ねられることで、ガス誘導板７の開口部７０と開口部７０の間の枠部が、第１の実施形態等の隔壁５と同様の役割を果たし、ガスを誘導するガス誘導部を形成する。

複数枚重ねられたガス誘導板７のうち、印加電極１側と接地電極２側には、枠部の形状が異なるガス誘導板が重ねられている。具体的にはガスを矢印Ａで示すように導入する導入口を形成する導入口用誘導板７１と、ガスを矢印Ｂで示すように排出する排出口を形成する排出口用誘導板７２が配置される。導入口用誘導板７１と排出口用誘導板７２は同じ形状であり、互いに方向が逆向きに配置されている。図４では、接地電極２に対向して導入口用誘導板７１が配置され、印加電極１に対向して排出口用誘導板７２が配置される。

導入口用誘導板７１と排出口用誘導板７２はそれぞれ電極の一方の端部側の位置における枠部がなく、外部に開放している。この枠部が無い部分が導入口用誘導板７１では接地電極２の表面（誘電体３の表面）と共にガスの導入口を形成し、排出口用誘導板７２では印加電極１の表面（誘電体３の表面）と共にガスの排出口を形成する。導入口用誘導板７１の枠部とその上に重ねられたガス誘導板７の枠部がガス誘導部として働く。導入口から導入されたガスは図４において上方向に誘導され、枠部によって規定される開口部７０を通って印加電極１側に流れる。また、排出口用誘導板７２の排出口側まで流れたガスは、排出口用誘導板７２（と印加電極１）によって形成される排出口から外部に排出される。

また、導入口用誘導板７１と、排出口用誘導板７２は、他のガス誘導板７と異なる大きさの連結用開口部７４を有する。連結用開口部７４では、上流側の流路と次の隣接する下流側の流路とを連結するための開口部であり、電極の表面と連結用開口部７４によって隣の流路にガスが流れる空間が形成される。連結用開口部７４において蛇行流路におけるガスの流れが逆方向になり、ガスが蛇行して流れることができる。連結用開口部７４は図４では２つの開口部７０に跨るような大きさであり、図４に示すように２つの開口部７０とその間の枠部を含む領域と一致する開口であることが好ましい。

以上の構成のガス処理装置では、まずガスが矢印Ａで示すように導入口に導入され、周囲の枠部によって上方向に誘導される。そして、上方向に重なっている開口部７０によって形成される次の流路を、ガス誘導板７と交互に配置される触媒体４を通過しながら印加電極１側（上方）にガスが流れる。最初の連結用開口部７４と印加電極１によって形成される空間において、上方向の流れが下方向に変わり、同じく開口部７０によって形成される流路を触媒体４を通過しながら接地電極側２（下方）に流れる。そして、２つ目の連結用開口部７４と接地電極２によって形成される空間によってガスの流れが下方向から上方向に変わる。そして、上方向に流れるガスが排出口に到達し、矢印Ｂで示すように電極間から排出される。したがって、このような本実施形態の構成の場合にも、ガスが電極間を蛇行しながら流れ、さらに流路の全体にわたって触媒体と接触しながら流れることができる。したがって、効率よくガス分解処理を行うことができる。

なお、導入口と排出口は印加電極１と接地電極２のどちら側に形成されてもよい。導入口と排出口が形成される位置が逆であれば、印加電極１に接して（向かい合って）導入口用誘導板７１が配置され、接地電極２に接して（向かい合って）排出口用誘導板７２が配置されてもよい。導入口と排出口が共に印加電極１側、あるいは導入口と排出口が共に接地電極２側にあってもよい。この場合、導入口用誘導板と、排出口用誘導板とは一体化したものになる。また、図４において導入口を排出口とし、排出口を導入口として逆方向にガスを流してもよい。また、図４の構成の場合に、ガスが一部、蛇行した流路ではなく触媒体４内を流れる場合もあるが、ごく微量であるので十分に分解処理は行われる。

以上の本実施形態の構造の場合であっても、第１の実施形態と同等の構造の蛇行流路を有するガス処理装置１０を形成することができる。本実施形態によれば、同じ構造の部材（ガス誘導板７や触媒体４）を用いて蛇行流路を形成することができる。また、重ねる枚数を調整することで流路の長さも調整できる。なお、ガス誘導板７に形成される開口部の数を変えることで蛇行する回数も適宜変更可能である。図４の場合には３つの開口部７０であるが、開口部７０をさらに増やせば電極間の蛇行回数をより増やすことができる。

次に実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。

（金微粒子を担持した触媒体の作製）
無機微粒子として、市販のジルコニア微粒子（日本電工株式会社製、ＰＣＳ）を溶媒であるメタノールに対して10.0質量％加えて、塩酸を用いてｐＨを3.0に調整した。調整後ビーズミルにより平均粒子径20nmに粉砕分散し、ジルコニア微粒子分散液を作製した。

次に、表面をアルカリ洗剤で洗浄後、イオン交換水で洗浄し、メタノールに浸漬後、乾燥機で乾燥させたアルミナ織物（株式会社ニチビ製）を、上記ジルコニア微粒子分散液に浸漬させ、エアーブロアーで余剰分を除去した後、110℃、2分間乾燥した。

続いて、無機微粒子に金を担持する処理として、0.5mmolの塩化金酸（ＨＡｕＣｌ₄・4Ｈ₂Ｏ）を100mlの水に溶解させ、70℃に加温して水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液でｐＨ７に調製し、上記前駆体を１時間浸漬させた。次に、上記水溶液からアルミナ織物を取り出し、水洗処理を３回行った。その後、窒素雰囲気下、300℃で2時間加熱し、金微粒子を担持したアルミナ織物を得た。

作製した金微粒子を担持した触媒体を用いてアンモニアの分解反応を実施形態で示したガス処理装置により行った。アンモニアを10,000ppm含む窒素ガス、トリメチルアミンを10,000ppm含む窒素ガス、室内空気を混合して反応ガスを調製し、それぞれのガス流量はサーマルマスフローコントローラーで制御した。反応ガスの分析は長光路（20m）のガスセルを装填した赤外分光光度計（ＦＴＩＲ−６０００、日本分光株式会社製）を用いた。反応条件はアンモニア濃度5ppm、トリメチルアミン濃度10ppm、酸素濃度20％、相対湿度50％、ガス流量250L／min、触媒量100cm³、反応温度室温とした。

プラズマの発生には、誘電体バリア放電による平行平板電極（誘電体マイカに銅テープを貼り付けた電極）を用いた。印加電圧は〜17kVpk−pkの範囲に設定し、周波数は10kHzに固定した。放電電力は、V-Qリサージュ法により求めた。

上記の作成した触媒体を用いてガス分解処理を行ったガス処理装置の実施例、比較例の構成は以下のとおりである。

（実施例１）
平行平板電極間に下方から順次に触媒体である金微粒子を担持したアルミナ織物、ガス誘導板、金微粒子を担持したアルミナ織物、ガス誘導板、と交互に図４のように多段に積層したものを挿入した。金微粒子を担持したアルミナ織物（触媒体）は２段目、４段目、６段目、８段目、１０段目とした。ガスの経路は入口の１段目から入り、出口の１１段目から排出される。実施例１では重ねるガス誘導板７の開口部７０の数を、図４と同じく３つとした。つまり、電極の対向方向に延びる隔壁を２つ配置した場合と同様の構造とした。この場合、電極間に導入されたガスは、１段目から入って上方向、下方向、上方向と蛇行して１１段目から排出される。

（実施例２）
開口部７０を４つ有するガス誘導板７を用いて蛇行流路を構成した。つまり、電極対向方向に延びる隔壁を３つ配置した場合と同様の構造とした。それ以外は、実施例１と同様にして分解反応を行った。

（実施例３）
開口部７０を５つ有するガス誘導板７を用いて蛇行流路を構成した。つまり、電極対向方向に延びる隔壁を４つ配置した場合と同様の構造とした。それ以外は、実施例１と同様にして分解反応を行った。

（比較例１）
金微粒子を担持したアルミナ織物のみを実施例と同数になるように１段目から5段目まで積層し、さらにガスを通すための６段目にスペーサ１２を図５のように1段分積層して、ガスの経路が６段目に形成される導入口から導入され、６段目の排出口から排出される構成とした。ガス流れ方向に垂直に配列する隔壁はなく、矢印で示すような蛇行しない流路とした。流量は実施例と同様に２５０L／ｍｉｎにして分解反応を行った。

ガス分解処理の結果として、処理対象のガスに含まれるアンモニアとトリメチルアミンの除去率を表１に示す。

上記の結果から、比較例はアンモニア、トリメチルアミンを分解するが、除去率が不十分である。これは、ガスが５段目の触媒フィルタの表面でしか接触していないと考えられる。これに対して実施例はアンモニア、トリメチルアミンを効率良く除去することが確認された。これは、ガスが触媒フィルタを通る（通過する）流路であることによって、触媒フィルタと有害ガスの接触効率が向上し、さらに蛇行流路によってガス滞留時間を増加させることができ、有害ガスを効率良く分解すると考えられる。

１：印加電極
２：接地電極
３：誘電体
４：触媒体
５：隔壁
６：電源
７：ガス誘導板
７０：開口部
７１：導入口用誘導板
７２：排出口用誘導板
７４：連結用開口部
８：側壁部
１０：ガス処理装置

Claims (8)

1. 第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、両電極の互いに対向する対向面をそれぞれ覆う誘電体と、を備える電極間にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、
   前記電極間に導入される処理対象のガスが流れる、前記電極間に形成される蛇行した蛇行流路と、
   前記蛇行流路に配置される処理対象のガスの分解反応を促進する触媒が固定された触媒体と、を備えることを特徴とするガス処理装置。
2. 前記電極間においてガスを誘導し、前記蛇行流路を形成するガス誘導部を備え、
   前記触媒体は前記触媒が固定されたフィルタであり、前記フィルタは前記ガス誘導部に保持されることを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
3. 前記フィルタの形態が、繊維構造体、ハニカム構造体、多孔質構造体であることを特徴とする請求項２に記載のガス処理装置。
4. 前記ガス誘導部は前記両電極の一方の電極から他方の電極の方向に形成される壁状の部材であり、前記蛇行流路はガスを前記両電極の対向方向に蛇行させることを特徴とする請求項２または３に記載のガス処理装置。
5. 前記ガス誘導部は電極に沿った方向に延びる壁状の部材であり、前記蛇行流路はガスを電極に沿った方向に蛇行させることを特徴とする請求項２または３に記載のガス処理装置。
6. 前記電極間に、前記触媒体であるフィルタと、複数の開口部が並んで形成されるガス誘導板と、が交互に重ねられ、重なった複数の前記ガス誘導板の前記両電極の対向方向に重なる開口部によって前記両電極の対向方向に沿った流路が複数形成され、隣り合う前記流路が互いに連結されて前記蛇行流路を構成することを特徴とする請求項１に記載のガス処理装置。
7. 重なった前記ガス誘導板のうち、前記第１の電極を覆う前記誘電体に接する前記ガス誘導板と、前記第２の電極を覆う前記誘電体に接するガス誘導板と、が、前記隣り合う流路を連結する連結用開口部を有することを特徴とする請求項６に記載のガス処理装置。
8. 前記第１の電極を覆う前記誘電体に接する前記ガス誘導板と、前記第２の電極を覆う前記誘電体に接するガス誘導板のいずれかが前記電極間にガスを取り込む導入口を形成し、前記第１の電極を覆う前記誘電体に接する前記ガス誘導板と、前記第２の電極を覆う前記誘電体に接するガス誘導板のいずれかが前記電極間からガスを排出する排出口を形成することを特徴とする請求項７に記載のガス処理装置。