弱電離気体プラズマの解析(xciii) -...
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弱電離気体プラズマの解析弱電離気体プラズマの解析(XCIII)(XCIII)大気圧コロナ放電によるベンゼン分解時の堆積物大気圧コロナ放電によるベンゼン分解時の堆積物
Studies on weakly ionized gas plasma (XCIII)Deposited material by an atmospheric-pressure DC corona discharge
in artificial air containing benzene
○酒井誠二酒井誠二 佐藤孝紀佐藤孝紀 伊藤秀範伊藤秀範 ((室蘭工業大学室蘭工業大学))○Seiji Sakai, Kohki Satoh and Hidenori Itoh (Muroran Institute of Technology)
平成22年度 電気・情報関係学会北海道支部連合大会平成22年10月24日(日) 北海学園大学
MURORAN INSTITUTEMURORAN INSTITUTEOF TECHNOLOGYOF TECHNOLOGY
15. 放電物理・電気材料
背景背景
大気圧直流コロナ放電によりベンゼン(C6H6)を分解し,気相中の分解生成物気相中の分解生成物
および分解過程分解過程を詳細に調査ベンゼンに含まれるC原子の約30%が電極やチャンバー内壁への堆積物堆積物となる
ことを示しているが,その特定には至っていない
ヘリウム-ベンゼン混合ガス中で低気圧高周波グロー放電を発生させた際に生じる堆積物について詳細に調査堆積物の主な成分が,ビフェニルビフェニル(C(C1212HH1010)),テルフェニル,テルフェニル(C(C1818HH1414))などのポリフェニポリフェニ
ル化合物ル化合物およびアモルファスカーボンアモルファスカーボンであることを報告
排出量の多いトルエン,キシレン排出量の多いトルエン,キシレン
[1] 長尾他 : 電気学会プラズマ・パルスパワー・放電合同研資,PST-09-57, PPT-09-57, ED-09-101, p.19 (2009)[2] S. Lee et al. : J. Appl. Phys, 101, 113303 (2007)
長尾ら[1]・・・・
Lee et al.[2]・・・・
ビフェニルビフェニルBiphenylBiphenyl (C(C1212HH1010))
テルフェニルテルフェニルTerphenyl (CTerphenyl (C1818HH1414))
放電プラズマ放電プラズマを用いたベンゼン分解に関する研究例
毒性の強いベンゼン毒性の強いベンゼン
揮発性有機化合物揮発性有機化合物(VOC)(VOC)
ベンゼン分解時ベンゼン分解時に生じる堆積物堆積物に関する研究例
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ベンゼン環ベンゼン環を有しているを有している
放電プラズマ放電プラズマによる処理法が注目による処理法が注目
C6H6
目的目的
目的目的
堆積物に含まれる物質
堆積物と気相中の生成物の関係
ガス流量を変化させた場合の堆積物
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赤外吸収分光分析を用いて,大気圧コロナ放電によるベンゼン分解時の
堆積物堆積物を詳細に調査
実験装置および実験条件実験装置および実験条件
C6H6 : N2バランス 990 ppmO2 : 純度99.5 %
電極間隔:15 mm針配置:3本×2列のCluster
印加電圧印加電圧 :: 14.4 ~ 14.7 kV14.4 ~ 14.7 kV
注入電力注入電力 :: 約約15 W15 W放電時間放電時間 :: 30 min30 min
放電電流放電電流 :: 1.0 ~ 1.11.0 ~ 1.1 mAmA
NN22 :: OO22混合比混合比((流量比流量比) = 80 ) = 80 :: 20 %20 %
CC66HH66初期濃度初期濃度 :: 800 ppm800 ppm
ガス流量ガス流量 :: 1.0, 2.0, 3.0 slm1.0, 2.0, 3.0 slm
電極の構成および条件電極の構成および条件
複数針対平板電極
試料ガスおよび条件試料ガスおよび条件試料ガス
18か所に分散配置
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堆積写真堆積写真
放電前放電前
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放電放電3030分後分後((流量流量2.0 slm)2.0 slm)
透過スペクトル透過スペクトル((ガス流量ガス流量 2.0 slm)2.0 slm)
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120
110
100
90
80
70
60
trans
mitt
ance
[%]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm -1]
透過スペクトル透過スペクトル((ガス流量ガス流量 2.0 slm)2.0 slm)
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120
110
100
90
80
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60
trans
mitt
ance
[%]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm -1]
透過スペクトル透過スペクトル((ガス流量ガス流量 2.0 slm)2.0 slm)
680および750 cm-1付近のピーク
11およびおよび22置換ベンゼン置換ベンゼン
堆積物にベンゼン環が含まれている
110
108
106
104
102
100
trans
mitt
ance
[%]
800 780 760 740 720 700 680 660
wavenumber [cm-1]
120
110
100
90
80
70
60
trans
mitt
ance
[%]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm -1]
透過スペクトル透過スペクトル((ガス流量ガス流量 2.0 slm)2.0 slm)
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ポリフェニル化合物ポリフェニル化合物のピーク
10001000 ~ 1200 cm~ 1200 cm--11付近に複数現れる
120
110
100
90
80
70
60
trans
mitt
ance
[%]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm -1]
透過スペクトル透過スペクトル((ガス流量ガス流量 2.0 slm)2.0 slm)
ビフェニル,テルフェニルのピークは現れていない
異なるポリフェニル化合物異なるポリフェニル化合物が堆積している可能性
Si-O-Si
BiphenylBiphenyl[1][1]
TerphenylTerphenyl[1[1]]
ポリフェニル化合物ポリフェニル化合物のピーク
10001000 ~ 1200 cm~ 1200 cm--11付近に複数現れる
[1] NIST Chemistry WebBook
120
110
100
90
80
70
60
trans
mitt
ance
[%]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm -1]
92
90
88
86
84
82
80
trans
mitt
ance
[%]
1200 1150 1100 1050 1000
wavenumber [cm-1]
透過スペクトル透過スペクトル((ガス流量ガス流量 2.0 slm)2.0 slm)
①
②
③ ④
O-H基
C-H基(不飽和炭化水素)
C=O基
O=C-O(カルボキシレート)基
O=N=O(ニトロ)基
3400 cm-1付近①
2950 cm-1付近②
1730 cm-1付近③
1340 cm-1⑤
1640 cm-1付近④
⑤120
110
100
90
80
70
60
trans
mitt
ance
[%]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm -1]
透過スペクトル透過スペクトル((ガス流量ガス流量 2.0 slm)2.0 slm)
O-H基
C-H基(不飽和炭化水素)
C=O基
O=C-O(カルボキシレート)基
O=N=O(ニトロ)基
①
③ ④ ⑤
3400 cm-1付近①
2950 cm-1付近②
1730 cm-1付近③
1340 cm-1⑤
1640 cm-1付近④
②
120
110
100
90
80
70
60
trans
mitt
ance
[%]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm -1]
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
abso
rben
ce [a
.u.]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm -1]
without discharge
赤外吸収スペクトル赤外吸収スペクトル((放電前放電前))
CC66HH66
CC66HH66 CC66HH66
CC66HH66
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
abso
rben
ce [a
.u.]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm -1]
without discharge with discharge (15 W)
赤外吸収スペクトル赤外吸収スペクトル((放電前後放電前後))
COCO22
COCO
N2O
HNO3
HCOOH, FAHHCOOH, FAHO3
COCO22
CC22HH22
CC22HH22 (CHO)(CHO)22(Glyoxal)(Glyoxal) CC44HH22OO3 3 (Maleic anhydride)(Maleic anhydride)HCNHCN
HCOOHHCOOHCOCOCOCO22 (CHO)(CHO)22O (Formic anhydrideO (Formic anhydride : FAH): FAH)
HNO3O3 N2O
バックグラウンドガスからの生成物
CC66HH66の分解生成物の分解生成物
CC66HH66
CC66HH66
CC66HH66
気相中の生成物および堆積物の比較気相中の生成物および堆積物の比較
堆積物と気相中の生成物は堆積物と気相中の生成物は必ずしも同じではない必ずしも同じではない
堆積物堆積物
O-H基
C-H基(不飽和炭化水素)
C=O基 O=C-O基O=N=O基
1-置換ベンゼン o-置換ベンゼン p-置換ベンゼン
m-置換ベンゼン
主な生成物(150 ppm以上)
気相中の生成物気相中の生成物
微量の生成物(20 ppm以下)
CO2 COHCOOH
C2H2
HCN
(CHO)2(Glyoxal)
(CHO)2O(Formic anhydride : FAH)
C4H2O3(Maleic anhydride)
HNO3O3N2O
BGガスからの生成物
各流量における堆積物の透過スペクトル各流量における堆積物の透過スペクトル
120
100
80
60trans
mitt
ance
[%]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm-1]
100
80
60
100
80
60
2.0 slm
1.0 slm
3.0 slm
各流量における堆積物の透過スペクトル各流量における堆積物の透過スペクトル
①①②②C=OC=O基基, O=C, O=C--OO基基 11およびおよび22置換ベンゼン置換ベンゼン
120
100
80
60trans
mitt
ance
[%]
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500wavenumber [cm-1]
100
80
60
100
80
60
2.0 slm
1.0 slm
3.0 slm
流量を増加させた場合の堆積物の変化流量を増加させた場合の堆積物の変化
11およびおよび22置換ベンゼン置換ベンゼン
108104100
96
trans
mitt
ance
[%]
800 750 700 650 600
wavenumber [cm -1]
104100
9692
104100
9692
2.0 slm
1.0 slm
3.0 slm
堆積量は増加堆積量は増加
C=OC=O基基, O=C, O=C--OO基基①① ②②
堆積量はほぼ一定堆積量はほぼ一定
120100
8060
trans
mitt
ance
[%]
2000 1800 1600 1400
wavenumber [cm -1]
100806040
100806040
2.0 slm
1.0 slm
3.0 slm
堆積過程堆積過程
各流量において生じる堆積物の組成がわずかに異なる各流量において生じる堆積物の組成がわずかに異なる
分解
H原子が解離
堆積量は増加堆積量は増加
堆積量はほぼ一定堆積量はほぼ一定
解離など
流量を増加させた場合
注入電力が一定
①①
②②
多くのベンゼン分子がプラズマ中へ
フラグメントの生成量が制限
まとめまとめ
大気圧コロナ放電によってベンゼンを分解した際に生じる堆積物を赤外吸収分光大気圧コロナ放電によってベンゼンを分解した際に生じる堆積物を赤外吸収分光分析により詳細に調査した分析により詳細に調査した
大気圧コロナ放電中のベンゼン分解時に生じる堆積物には,1および2置換ベンゼンが含まれ,未分解のベンゼン環が堆積している
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ビフェニルやテルフェニルとは異なるポリフェニル化合物が堆積していることが考えられる
堆積物中には,O-H基,C-H基(不飽和炭化水素),C=O基,O=C-O基, O=N=O基が存在している
堆積物中のO-H基,C=O基,O=C-O基は,気相中の主な生成物であるCO2,HCOOHなどのフラグメントによるものであると考えられる
置換ベンゼンのように,気相中には存在しないものが堆積物に含まれており,気相中の生成物と堆積物は必ずしも同じではないと考えられる
ガス流量を増加させると,ベンゼン環の堆積物が増加し,C=O基,O=C-O基の堆積量はほぼ一定であることから,各流量において生じる堆積物の組成が異なることが考えられる