JP7300105B2 - ガス処理装置及びガス処理方法 - Google Patents

Description

この発明は、ガス処理装置及びガス処理方法に関し、特にＶＯＣを含む被処理ガスを処理する装置及び方法に関する。

近年、悪臭成分等の化学汚染物質を含むガスを紫外線で分解するガス処理装置が開発されている。このようなガス処理装置において、従来、ガス処理効率を高めるために水分を供給することが知られている。例えば、下記特許文献１には、オゾンガスと酸化チタンとを含む洗浄溶液が散水される洗浄容器内に紫外線を照射し、生ゴミガスを通過させて脱臭する装置が記載されている。下記特許文献２には、紫外線照射空間に洗浄水を供給し、ヒドロキシラジカルを生成し易くして、紫外線照射による化学汚染物質の分解除去を効率的に行うことが記載されている。

特開２００２－１４３６３７号公報 特開２００６－２０４６８３号公報

本発明者は、化学汚染物質であるＶＯＣを含む被処理ガスを分解するために、上記特許文献とは異なる、真空紫外線の波長領域に属する、主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光を使用することを検討している。

現時点において、主たる発光波長が１６０～１８０ｎｍの光を用いてＶＯＣを含む被処理気体に対する処理を効率的に行うことについての知見は得られていない。

本発明は、主たる発光波長が１６０～１８０ｎｍの光を用いて、ＶＯＣを含む被処理気体を効率的に処理することのできる、ガス処理装置及びガス処理方法を提供することを目的とする。

本発明に係るガス処理装置は、ＶＯＣ及び酸素を含む第一ガスと、水蒸気を含む第二ガスと、を混合して、ＶＯＣ、酸素、及び９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気を含む被処理ガスを生成するガス混合空間と、
主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光を放射する光源と、
前記光源の光出射面から１０ｍｍ以内の領域に前記被処理ガスを導き、前記領域に導かれた前記被処理ガスに対し前記光を照射するガス処理空間と、を備える。

被処理ガスがＶＯＣ及び酸素を含む第一ガス（例えばＶＯＣが混在された空気）である場合において、被処理ガスに水分が含まれる場合には、主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光が被処理ガスに照射されることにより多量のヒドロキシラジカルが生成される。なお、この反応については、「発明を実施するための形態」の項において、（１）式～（５）式を参照して後述される。

多量のヒドロキシラジカルが生成されると、被処理ガスに含まれるＶＯＣに対する高い分解性能が実現できると考えられる。

一方で、被処理ガスに対して水分を含ませるに際しては、ＶＯＣの分解効率が特に向上する条件下で行われるのが好ましい。本発明者は、鋭意研究の結果、９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気を含む第二ガスを被処理ガスに含めた状態で、被処理ガスに対して主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光を照射することで、ＶＯＣに対する分解性能が特に向上することを見出し、本発明に至ったものである。

上記のガス処理装置によれば、水蒸気（気体）の状態で水分を供給するため、光が水分子と接触する確率が高まって、ヒドロキシラジカルが生成され易い。そして、被処理ガスが９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気を含むことにより、多量のＶＯＣを除去できる。

さらに、前記ガス処理装置は、前記ガス混合空間に前記第二ガスを供給する第二ガス供給部と、
前記第一ガスに含まれる水蒸気量を検出する水蒸気量検出部と、
前記水蒸気量検出部の検出結果に基づいて、前記第二ガス供給部から供給する前記第二ガスに含まれる水蒸気量を調整する制御部と、を備えてもよい。

上記のガス処理装置によれば、前記第一ガスに含まれている水蒸気量に応じて、効率的なＶＯＣ除去を行うために必要な量の水蒸気を前記第二ガスに追加できる。また、水蒸気を過剰に供給したときに発生し得る被処理ガスの結露を抑制でき、光源を損傷する可能性を低下させる。

本発明に係るガス処理方法は、ＶＯＣ、酸素、及び９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気を含む被処理ガスを、主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光を放射する光源の光出射面から１０ｍｍ以内の領域に流入させる、流入ステップ（ａ）と、
前記領域に流入させた前記被処理ガスに前記光を照射する、光照射ステップ（ｂ）と、
を備える。

上記のガス処理方法によれば、多量のヒドロキシラジカルが生成され、被処理ガスに含まれるＶＯＣに対する高い分解性能が実現できる。そして、多量のＶＯＣを除去できる。

さらに、前記ガス処理方法は、前記光照射ステップ（ｂ）の前に、ＶＯＣ及び酸素を含む第一ガスと、水蒸気を含む第二ガスと、を混合して前記被処理ガスを生成する被処理ガス生成ステップ（ｃ）を備えても構わない。

さらに、被処理ガス生成ステップ（ｃ）において、
前記第一ガスに含まれる水蒸気量を検出する検出ステップと、
前記検出ステップで検出した前記水蒸気量に基づいて、前記第二ガスに含まれる水蒸気の量を調整する水蒸気量調整ステップと、を備えても構わない。

上記のガス処理方法によれば、前記第一ガスに含まれている水蒸気量に応じて、効率的なＶＯＣ除去を行うために必要な量の水蒸気を追加できる。また、水蒸気を過剰に供給したときに発生し得る被処理ガスの結露を抑制でき、光源を損傷する可能性を低下させる。

光出射面から１０ｍｍ以内の領域に導かれた被処理ガスに含まれる水蒸気は、２０ｇ／ｍ^３以下であるとよい。これにより、被処理ガスの結露の抑制を容易にして、光源を損傷する可能性を低下させる。

前記ＶＯＣはトルエン又はホルムアルデヒドを含んでいても構わない。

上記構成によれば、主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光を使用してＶＯＣを含む被処理ガスを分解するにあたり、効率的な供給態様及び供給量にて水分を供給するガス処理装置及びガス処理方法を提供できる。

ガス処理装置の一実施形態を模式的に示す図である。 図１におけるＡ－Ａ矢視断面図である。 図１におけるＢ－Ｂ矢視断面図である。 キセノンエキシマランプの発光スペクトルと、酸素（Ｏ_２）及びオゾン（Ｏ_３）の吸収スペクトルとを重ねて表示したグラフである。 エキシマランプの光出射面からの距離とヒドロキシラジカル濃度との関係を示す図である。 ガス処理の実験系を模式的に示す図である。 第１実施形態において、トルエンを含有する被処理ガスに対して１７２ｎｍの光を照射したときの、含有水蒸気量とＶＯＣ除去量との関係を示す図である。 第１実施形態において、ホルムアルデヒドを含有する被処理ガスに対して１７２ｎｍの光を照射したときの、含有水蒸気量とＶＯＣ除去量との関係を示す図である。 ガス処理装置の第３実施形態を示す図である。 第３実施形態における含有水蒸気量とＶＯＣ除去量との関係を示す図である。 ガス処理装置の第４実施形態が示す図である。

＜第１実施形態＞
［ガス処理装置の構成］
本発明に係るガス処理装置の一実施形態につき、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書に開示された各図面は、あくまで模式的に図示されたものである。すなわち、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しておらず、また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

図１は、ガス処理装置の一実施形態を模式的に示す図である。図１に示すガス処理装置１０は、筐体１と、筐体１の内側に収容された光源とを有する。光源には、一方向に延びる管体で構成されたエキシマランプ５が例示される。

ガス処理装置１０は、ＶＯＣ（Volatile Organic Compounds）を含む気体（以下、「被処理ガス」と呼ぶ。）に対して、光源（図１におけるエキシマランプ５に対応する。）から所定波長の光（紫外線）を照射することで、ＶＯＣを分解する機能を有する装置である。ＶＯＣは、常温常圧においてガス状をなす揮発性有機化合物であり、室内空気汚染や大気汚染の原因物質である。ＶＯＣの代表的な物質としては、トルエン、ホルムアルデヒド、キシレン、ベンゼン、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトン、メチルイソブチルケトン、酢酸エチル等が挙げられる。被処理ガスは、筐体１内を、総じて、破線で示された矢印の方向に流れる。

被処理ガスは、ＶＯＣの他に水分及び酸素を含む。理由は後述するが、被処理ガスに含まれる水分は水蒸気（気体）として存在し、被処理ガスに含まれる水蒸気の量は９ｇ／ｍ^３以上である。被処理ガスは、ＶＯＣ及び酸素を含む第一ガスＧ１と、水蒸気を含む第二ガスＧ２とを混合して生成される。本実施形態では、筐体１内を通る第一ガスＧ１の流れの中に、第二ガス供給部２から流路２ｆを介して第二ガスＧ２が供給され、ガス混合空間３（図１中の破線枠内）において混合される。

第一ガスＧ１は、第一ガス導入部（図１では不図示）から導入される。第一ガス導入部は、例えば、ドラフトチャンバ等のチャンバ空間の排気口に対応する。ガス処理装置１０の下流には、ブロワ（図１では不図示）が配置される。ブロワを駆動し吸引させることで、第一ガス導入部から第一ガスＧ１が導入され、筐体１内を第一ガスＧ１が流れる。

ところで、ドラフトチャンバ等の空間は、大気の雰囲気下にあることが多い。そのため、第一ガスＧ１には、一般的に、ＶＯＣのみならず大気中の酸素が含まれる。ただし、大気の存在しない、又は酸素量の少ない特殊環境下で発生したＶＯＣを分解除去する場合には、ＶＯＣに酸素を意図的に供給して第一ガスＧ１を生成しても構わない。また、大気中には水蒸気を含むことが多いから、第一ガスＧ１には多少の水蒸気を含んでいることが多い。

第二ガスＧ２は、空気中に水蒸気を含んだ状態で供給される。図２は、図１におけるＡ－Ａ矢視断面図である。筐体１は円筒状に形成されている。筐体１の中央に、エキシマランプ５の端部５９が存在する。第二ガスＧ２を供給するための４本の流路２ｆが、筐体１を取り囲むように等角度間隔に形成されている。各流路２ｆは、ひとつの第二ガス供給部２から分岐されて接続されているとよい。各流路２ｆの噴出口２ｐから第二ガスＧ２が噴出する。噴出した第二ガスＧ２は、ガス混合空間３にて第一ガスＧ１と混合され、被処理ガス（Ｇ１＋Ｇ２）になる。理由は後述するが、被処理ガスに含まれる水蒸気は９ｇ／ｍ^３以上である。

被処理ガスは、ガス処理空間７（図１中の一点鎖線枠内）で、エキシマランプ５から光照射される。ガス処理空間７は、エキシマランプ５の光出射面における管軸方向の長さＬ_７、及びエキシマランプ５の光出射面から筐体１の内壁までの長さである離間距離Ｗ_７を含む大きさを呈する。理由は後述するが、離間距離Ｗ_７は、１０ｍｍ以内である。つまり、被処理ガスはエキシマランプ５の光出射面から１０ｍｍ以内の領域に導かれることになる。

エキシマランプ５は、主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光を放射する。主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光は、ＶＵＶ（Ｖａｃｕｕｍ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ；真空紫外光）と言われる波長帯域にある。従来より知られている低圧水銀灯による紫外線（例えば、主たるピーク波長が１８５ｎｍの光）よりも短波長である。主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光を発生させる光源のうち、代表的な光源がキセノン（Ｘｅ）を含むガスを封入したエキシマランプであり、当該エキシマランプの代表的なピーク波長は概ね１７２ｎｍである。以降の記述では、「主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光」に代えて、「１７２ｎｍの光」という表現を使用することがあるが、本明細書の内容に関していえば、「１７２ｎｍの光」の特性は、「主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光」の特性との間に然したる相違を示さない。そのため、以降の「１７２ｎｍの光」に関する記述は、「主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光」についても成立し得るものであるから、後述する「１７２ｎｍの光」は、「主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光」と読み替えることができる。

ガス処理空間７を通過した被処理ガスは、処理済みガスとしてガス回収槽に送られるか、大気中に放出される。

図３は、図１におけるＢ－Ｂ矢視断面図である。円筒状の筐体１の中央に、該筐体の円筒の中心軸Ｃに沿ってエキシマランプ５が配されている。エキシマランプ５の光出射面と筐体１の内壁との間はガス処理空間７となる。エキシマランプ５の一実施形態を以下に示す。

本実施形態では、エキシマランプ５はいわゆる一重管タイプと言われる構造を呈する。すなわち、合成石英ガラスなどの誘電体からなる管体５１と、管体５１の内側に、管体５１から空間５４を隔てて配設された第一電極５２と、管体５１の外側の壁面に配設された第二電極５３と、を有する。空間５４には、キセノンを含む放電用ガスが充填されている。第一電極５２は中心軸Ｃを含み、かつ、中心軸Ｃの延びる方向に沿って延びている。第一電極５２の中心軸Ｃは、円筒状の筐体１の中心軸であってもよい。第二電極５３は、例えばメッシュ状又は線状を呈する。

不図示の点灯電源から不図示の給電線を介して、第一電極５２と第二電極５３との間に、例えば５０ｋＨｚ～５ＭＨｚ程度の高周波の交流電圧が印加されると、空間５４に充填された放電用ガスの電子が励起されてエキシマ状態となり、この原子が基底状態に移行する際にエキシマ発光を生じる。エキシマ発光は、管体５１を透過し、さらに、第二電極５３の隙間を通過してガス処理空間７を流れる被処理ガスに放射される。

エキシマランプ５は、管体が二重に構成された、いわゆる「二重管構造」を呈するランプでも構わない。また、扁平形状の管体の両側に電極を配設するランプでも構わない。また、複数のエキシマランプ５を、被処理ガスの流路に沿って直列に、又は被処理ガスの流路に対して並列に配置してもよい。

上述したように、上記実施形態では、ＶＯＣ及び酸素を含む第一ガスＧ１と、水蒸気を含む第二ガスＧ２とを混合して、ＶＯＣ、酸素、及び９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気を含む被処理ガスを生成する。生成した被処理ガスをエキシマランプ５の光出射面から１０ｍｍ以内の領域に導いて、１７２ｎｍの光を照射した。これは以下の検証及び実験を通じて得られた知見に基づくものである。

［検証］
水分及び酸素は、ＶＯＣの分解作用を有するヒドロキシラジカルを生成するための原料である。その理由を以下の反応式にて示す。以下の反応式において、Ｏ（^１Ｄ）は反応性の高い酸素原子、・ＯＨはヒドロキシラジカル、Ｏ（^３Ｐ）は基底状態のＯ原子、ｈνは、吸収される１７２ｎｍの光のエネルギーを示す。
ｈν＋Ｈ_２Ｏ → ・ＯＨ＋Ｈ ・・・（１）
ｈν＋Ｏ_２ → Ｏ（^１Ｄ）＋Ｏ（^３Ｐ） ・・・（２）
Ｏ（^１Ｄ）＋Ｈ_２Ｏ → ２（・ＯＨ） ・・・（３）
Ｏ（^３Ｐ）＋Ｏ_２＋Ｍ → Ｏ_３＋Ｍ ・・・（４）
ｈν＋Ｏ_３＋Ｍ →Ｏ（^１Ｄ）＋Ｏ（^３Ｐ）・・・（５）

上記（１）式は、１７２ｎｍの光が水分に吸収されヒドロキシラジカルを生成することを示す。（１）式の反応自体は、例えば、主たるピーク波長が１８５ｎｍの光でも起こり得る。しかしながら、１８５ｎｍの光よりも１７２ｎｍの光の方が（１）式の反応が遥かに起こり易く、１７２ｎｍの光は多量のヒドロキシラジカルを生成する。

上記（２）式は、１７２ｎｍの光が酸素に吸収されＯ（^１Ｄ）が生成されることを示す。図４はキセノンエキシマランプの発光スペクトルと、酸素（Ｏ_２）及びオゾン（Ｏ_３）の吸収スペクトルとを重ねて表示している。図４において、横軸は波長を示し、左縦軸はエキシマランプの光強度の相対値を示し、右縦軸は、酸素（Ｏ_２）及びオゾン（Ｏ_３）の吸収係数を示す。図４に示されるように、キセノンエキシマランプの射出光は、１６０～１８０ｎｍの波長帯λ_１の成分を含み、この波長帯λ_１の光における酸素（Ｏ_２）による吸収量は大きく、波長帯λ_１の光の大部分は、当該エキシマランプの近傍を通流する、酸素を含む被処理ガスによって吸収されてしまう。反対に、１８０ｎｍよりも長い波長の光（例えば１８５ｎｍの光）は、酸素（Ｏ_２）による吸収量が小さい。これは、１８０ｎｍよりも長い波長の光では、（２）式の反応があまり起こらないことを示す。

（２）式で生成されたＯ（^１Ｄ）は、上記（３）式の反応によってヒドロキシラジカルを生成する。よって、１７２ｎｍの光は、（２）式及び（３）式を経由して多量のヒドロキシラジカルを生成する。

上記（４）式及び（５）式は、（２）式で生成されたＯ（^３Ｐ）と酸素からオゾン（Ｏ_３）を生成し、生成したオゾンに１７２ｎｍの光を照射することで、Ｏ（^１Ｄ）を生成することを示している。そして、生成されたＯ（^１Ｄ）と水から（３）式によってヒドロキシラジカルが生成される。つまり、（２）式で生じたＯ（^３Ｐ）は、酸素と水分があれば、オゾンとＯ（^１Ｄ）を経由してヒドロキシラジカルを生成できることを示している。

以上により、１７２ｎｍの光を用いて、水分及び酸素から多量のヒドロキシラジカルを効率よく生成できる。

次に、被処理ガスに含まれる水分について言及する。水分を供給するには、例えば、シャワーヘッドから噴出させる、又は液滴状態で噴霧させる、といった液体での供給や、水蒸気、すなわち、気体での供給などが考えられる。ここで、上記（１）式の反応を高めるには、１７２ｎｍの光が水分子に接触する確率を高めることが望ましく、上記（３）式の反応を高めるには、Ｏ（^１Ｄ）が水分子に接触する確率を高めることが望ましい。そして、光やＯ（^１Ｄ）が水分子との接触確率を高めるためには、単位空間あたりの水分子との接触面積の大きい、つまり、単位空間における水分子の分散度合いの高い、水蒸気（気体）での供給が適している。

以上により、ＶＯＣ、酸素及び水蒸気を含む被処理ガスに１７２ｎｍの光を照射することで多量のヒドロキシラジカルを生成し、ＶＯＣに対して高い分解除去能力を得ることができる。

図５は、エキシマランプの光出射面からの距離と、１７２ｎｍの光照射により生成されたヒドロキシラジカル濃度との関係をシミュレーションにより算出した結果である。この図は、（ａ）２．６ｇ／ｍ^３、（ｂ）７．７ｇ／ｍ^３、（ｃ）１２．９ｇ／ｍ^３及び（ｄ）１８．０ｇ／ｍ^３の水蒸気量をそれぞれ含む空気の雰囲気下で、１７２ｎｍの光により生成されるヒドロキシラジカルの濃度を示したものである。図５より、光出射面からの距離が比較的近い領域では、水蒸気量が多いほどヒドロキシラジカル濃度が高くなる。これは、水蒸気量が多くなるほど、雰囲気中の酸素分子及び水分子が増えて、１７２ｎｍの光が酸素分子及び水分子に吸収され易くなることを表している。さらに、光出射面からの距離が近いほど、ヒドロキシラジカル濃度が高くなる。そして、光出射面からの距離が遠くなればなるほど、水蒸気量の差がヒドロキシラジカル濃度の差に寄与しなくなることが分かる。特に、光出射面からの距離が６ｍｍを超えると、水蒸気量の多寡とは関係なくヒドロキシラジカル濃度が低くなる。これは、光出射面からの距離が６ｍｍを超えると、酸素分子による１７２ｎｍの光の吸収により光エネルギーを消失し、光出射面からの距離が６ｍｍを超える領域に光が到達しないものと考えられる。

ガス処理空間７における離間距離Ｗ_７（エキシマランプ５の光出射面から筐体１の内壁までの長さを表す。図１参照）をどの程度の大きさに設定するかは、重要な事項である。当初、図５の結果から、離間距離Ｗ_７が６ｍｍを超えると、１７２ｎｍの光が到達しない領域が生じ、光出射面から離れたところを通過するＶＯＣが、未分解のままガス処理空間７を通過するおそれがあると予想していた。

ところが、鋭意研究の結果、離間距離Ｗ_７が６ｍｍを超えていても、離間距離Ｗ_７が１５ｍｍ以下ならば、光出射面から離れたところを通過するＶＯＣが、未分解のままガス処理空間７を通過することを比較的抑制できることが判明した。その理由は、ガス処理空間７において、被処理ガスは、エキシマランプ５に平行に層流を呈して流れずに、乱流を呈して光射出面からの距離を変化させながら流れるためである。つまり、離間距離Ｗ_７が１５ｍｍ以下のガス処理空間７であれば、ガス処理空間７において離間距離Ｗ_７が６ｍｍを超える領域に存在する被処理ガスも、乱流により、ガス処理空間７内のどこかで、離間距離Ｗ_７が６ｍｍ以内の光の到達する領域に入ることが多い。離間距離Ｗ_７を大きく確保できると、ガス処理空間７を通る被処理ガスの流速を低下させることができ、その結果、被処理ガスの光反応に十分な時間を確保することができる。

特に、離間距離Ｗ_７を１０ｍｍ以内に設定すると好ましい。光出射面から離れたところを通過するＶＯＣが、未分解のままガス処理空間７を通過することを抑制しつつ、ガス処理空間７を通る被処理ガスの流速を低下させて、被処理ガスの光反応に十分な時間を確保することができる。

［実験］
上記実施形態では、ＶＯＣと酸素を含む第一ガスＧ１に９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気を含む第二ガスＧ２を供給しているが、これは以下の実験を通じて得られた知見に基づいている。

図６は、ガス処理の実験系を模式的に示す図である。実験系１００は、第二ガス供給部２、ガス混合空間３、第一ガス導入部４、エキシマランプ５、及びガス処理空間７、ブロワ８及びＶＯＣ検出器９を有する。ブロワ８を駆動することで、第一ガス導入部４から、第一ガスＧ１（ＶＯＣを含む空気）が、流路4ｆを通じてガス混合空間３に吸引される。

ガス混合空間３は、流路２ｆを介して第二ガス供給部２に接続されている。第二ガス供給部２は、例えば、コンプレッサ２ａ、除湿フィルタ２ｂ、圧力調整器２ｃ、流量調整弁２ｖ及び加湿器２ｅを有する。コンプレッサ２ａが、大気中の空気等を取り入れて圧縮する。除湿フィルタ２ｂにおいて、圧縮されたガスに含まれる水分が除去される。除湿フィルタ２ｂは、メンブレンなどのフィルタでもよく、ゼオライトやシリカゲル等の吸湿材空間で構成してもよい。又は、除湿フィルタ２ｂに代えて、ガスを冷却し強制結露させる機構を配置して取り入れた空気に含まれる水分を除去してもよい。

水分の除去されたガスは、圧力調整器２ｃ及び流量調整弁２ｖにより圧力と流量が調節され、加湿器２ｅにて所望する量の水蒸気が加えられる。このようにして、第二ガスＧ２に含まれる水蒸気の量を制御する。なお、コンプレッサ２ａが大気を取り入れ圧縮する場合には、第二ガス供給部２から供給される気体にも、大気中の酸素を含むことになる。こうして、空気中に所要量の水蒸気を含む第二ガスＧ２が、流路２ｆを通ってガス混合空間３に送られる。

ガス混合空間３で、ＶＯＣと空気（酸素）を含む第一ガスＧ１と水蒸気を含む第二ガスＧ２とが混合され、被処理ガスが生成される。被処理ガスは、整流部６においてガス流速のムラを取り除いたうえで、ガス処理空間７に送られる。ガス処理装置１０におけるガス混合空間３は、ガス処理空間７の直前に位置しているのに対し、実験系１００におけるガス混合空間３は、ガス処理空間７と離れており、両空間の間に整流部６を挟んでいるという違いがあるが、この違いがＶＯＣ除去量に相違をもたらすことはない。

実験条件に関して、ガス処理空間７は、ＳＵＳ３０４の中空状の筐体で構成した。筐体の内部には、エキシマランプ５を図１に示されるように配置した。エキシマランプ５は、キセノンを含む放電用ガスが封入されたエキシマランプとし（１７２ｎｍの光）、ランプの光照射部分の管軸方向の長さＬ_７を１３０ｍｍとした。管体５１の直径は１６ｍｍである。また、離間距離Ｗ_７を１０ｍｍとした。エキシマランプへのインバーター入力は、３１．７Ｗであった。供給される第一ガスＧ１はトルエンを１０ｐｐｍ含有する空気とし、被処理ガスに含まれる水蒸気の濃度を変更して実験を行った。第一ガスＧ１のガス流速は毎分２０Ｌとした。

被処理ガスをガス処理空間７でガス処理した後に、ＶＯＣ検出器９で、ガス処理空間７を通過した被処理ガスのＶＯＣ濃度を検出した。ＶＯＣ濃度を検出するためのＶＯＣ検出器９に理研計器株式会社のＶＯＣ濃度計Ｔｉｇｅｒを利用した。そして、エキシマランプ５を発光させた状態でＶＯＣ濃度を検出する一方、エキシマランプ５の発光を停止させた状態でＶＯＣ濃度を検出する。両ＶＯＣ濃度の差分がエキシマランプ５によるＶＯＣ除去量になる。なお、ＶＯＣ除去量は、ガス処理空間７の上流側にＶＯＣ検出器９とは別のＶＯＣ検出器を配し、両検出器の計測値の差分からＶＯＣ除去量を算出しても構わない。

図７は、上記実験条件の下で、トルエンを含有する被処理ガスに含まれる水蒸気量を異ならせた状態で、ガス処理空間７から被処理ガスに対して１７２ｎｍの光を照射させてＶＯＣ除去量を測定したときの、含有水蒸気量とＶＯＣ除去量との関係をグラフ化したものである。

当初、水蒸気量の増加と共に、ＶＯＣに対して高い分解能を有するヒドロキシラジカル濃度が高くなるという図５の結果から、水蒸気量の増加と共にＶＯＣ除去量が上昇することを予想していた。しかしながら、実験をすると、図７に示されるように、水蒸気量が９ｇ／ｍ^３未満の場合には、水蒸気量の増加と共にＶＯＣ除去量が上昇するものの、水蒸気量が９ｇ／ｍ^３以上の場合には、水蒸気量が増加してもＶＯＣ除去量は増加しないという驚くべき実験結果が得られた。この理由として、本発明者は、水蒸気量が９ｇ／ｍ^３以上となると、ヒドロキシラジカルは増えるものの、ヒドロキシラジカル同士の自己結合も多く発生するようになり、ヒドロキシラジカル増加分がＶＯＣ除去に使用されないためと推察している。この実験結果より、効率的にＶＯＣを除去するには、被処理ガスが９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気を含むとよいことが分かった。

次に、供給される第一ガスＧ１として、トルエンを１０ｐｐｍ含有する空気に代えて、ホルムアルデヒドを１０ｐｐｍ含有する空気を使用し、被処理ガスに含まれる水蒸気の濃度を変更して実験を行った。第一ガスＧ１のガス流速は毎分２０Ｌとした。他の実験条件は上記と同様である。図８に実験結果を示す。図８は、ホルムアルデヒドを含有する被処理ガスに含まれる水蒸気量を異ならせた状態で、ガス処理空間７から被処理ガスに対して１７２ｎｍの光を照射させてＶＯＣ除去量を測定したときの、含有水蒸気量とＶＯＣ除去量との関係をグラフ化したものである。その結果、図７（第一ガスＧ１として、トルエンを１０ｐｐｍ含有する空気を使用した実験結果）と同様に、水蒸気量が９ｇ／ｍ^３未満の場合には、水蒸気量の増加と共にＶＯＣ除去量が上昇するものの、水蒸気量が９ｇ／ｍ^３以上の場合には、水蒸気量が増加してもＶＯＣ除去量は増加しないという実験結果が得られた。これにより、９ｇ／ｍ^３という閾値はＶＯＣの種類によって変化しないことがわかる。その理由は、１７２ｎｍの光に対するヒドロキシラジカルの挙動についてはＶＯＣの種類に影響されにくいためと考えられる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態において、下記に示す事項以外は第１実施形態と同様の構成であるため、共通した事項について記載を省略する。第３実施形態以降についても同様である。

ガス処理装置１０は、ＶＯＣ及び酸素を含む第一ガスＧ１に含まれる水蒸気量を検出する水蒸気量検出部１１と、水蒸気量検出部１１の検出結果に基づいて、第二ガス供給部２から供給する水蒸気量を調整する制御部１２と、を有する。図１で示したガス処理装置１０を参照して説明すると、水蒸気量検出部１１は、ガス処理装置１０の第一ガスＧ１の流入側に設けられており、制御部１２と電気的に接続されている。制御部１２は、第二ガス供給部２と電気的に接続されている。水蒸気量検出部１１が水蒸気量を検出した結果、第一ガスＧ１に含まれる水蒸気量が９ｇ／ｍ^３に満たないとき、制御部１２が、効率的なＶＯＣ除去を行うために、９ｇ／ｍ^３に満たない分の水蒸気量を補うように、第二ガス供給部２を制御するとよい。なお、水蒸気量検出部１１には、例えば電子式湿度計等が使用される。

第一ガスＧ１に９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気量が含まれている場合には、第二ガス供給部２から、水蒸気を含む第二ガスＧ２を供給する必要はない。つまり、この場合には、第一ガスＧ１のみに光を照射してガス処理を行えばよい。

被処理ガスに含まれる水蒸気量について、水蒸気量が被処理ガスの飽和水蒸気量を超えて、被処理ガスがガス処理空間７内で結露するようになると、ヒドロキシラジカルが生成されにくくなる。また、被処理ガスはエキシマランプ５の第二電極５３に接するように通流するが（図３参照）、通流する被処理ガスが第二電極５３の上で結露すると、電極間の局所的な抵抗値変化による集中放電によって、エキシマランプ５が損傷する可能性がある。よって、被処理ガスが結露しないように、被処理ガスの水蒸気量が飽和水蒸気量に到達しないようにすることが好ましい。例えば常温付近である２３℃における飽和水蒸気量が２０．６ｇ／ｍ^３であることを踏まえると、被処理ガスに含まれる水蒸気量を２０ｇ／ｍ^３以下にするとよい。好ましくは、被処理ガスに含まれる水蒸気量を１５ｇ／ｍ^３以下にするとよい。

もちろん、水蒸気量が２０ｇ／ｍ^３以下又は１５ｇ／ｍ^３以下であっても、被処理ガスの温度が低いときには結露することもある。被処理ガスの温度が低いときには、エキシマランプ等の熱源の近くに被処理ガスの流路を配置する、又は、何らかの簡素な加熱機構を配置することにより、被処理ガスを結露の抑制が可能となる温度（例えば、２３℃）まで昇温するとよい。

また、被処理ガスの結露リスクを考慮すると、相対湿度は８０％以下であると好ましい。また、第一ガスＧ１に含まれる水蒸気量が、２０ｇ／ｍ^３（又は１５ｇ／ｍ^３）を超えている場合や、第一ガスＧ１がミスト等の液滴を含む場合には、流路４ｆの途中に除湿フィルタや、ゼオライトやシリカゲル等の吸湿材空間を配置したり、ガスを冷却して強制結露させたりすることで、ＶＯＣガスに含まれる水分を除去してもよい。

＜第３実施形態＞
図９には、ガス処理装置の第３実施形態が示されている。ガス処理装置２０のエキシマランプ２５は、直径が９ｍｍ、長手方向の長さが１４ｍｍの円管体で構成され、エキシマランプ２５の長手方向が紙面に直交する方向に延びるように配置されている。離間距離Ｗ_７は１０ｍｍを呈する。エキシマランプ２５へのインバーター入力は３Ｗである。

図１０は、上記実験条件の下で、被処理ガスに含まれる水蒸気量を異ならせた状態で、ガス処理空間７から被処理ガスに対して１７２ｎｍの光を照射させてＶＯＣ除去量を測定したときの、含有水蒸気量とＶＯＣ除去量との関係をグラフ化したものである。なお、被処理ガスのガス流速は毎分１Ｌであり、トルエンを１０ｐｐｍ含有した被処理ガスを用いている。

図１０に示されるように、水蒸気量が９ｇ／ｍ^３未満の場合には水蒸気量の増加と共にＶＯＣ除去量が上昇するものの、水蒸気量が９ｇ／ｍ^３以上の場合には水蒸気量が増加してもＶＯＣ除去量は増加しないという、図７と同じ結果が得られた。図７と図１０により、エキシマランプの配置、大きさ及び出力などが異なっていたとしても、被処理ガスの９ｇ／ｍ^３以上という、効率的なＶＯＣ除去を行うのに必要な水蒸気量は変化しないことが分かる。なお、ＶＯＣ除去量を全体的に増やすには、エキシマランプの種類、寸法及び出力を変更したり、エキシマランプの数自体を増やしたりすることが有効である。

＜第４実施形態＞
図１１には、ガス処理装置の第４実施形態が示されている。本実施形態に係るガス処理装置３０では、筐体１に突起部１５を設けている。そして、エキシマランプ５の光出射面から突起部１５までの間隔Ｗ_１５を、光の到達可能性の高い大きさ（例えば、６ｍｍ以内）に設定している。エキシマランプ５の光出射面から突起部１５までの間を全ての被処理ガスが通過するので、被処理ガスの全量に対し確実に光照射できる。そして、このような突起部１５を設けた場合には、突起部１５以外におけるエキシマランプ５の光出射面から筐体１までの離間距離Ｗ_７を、少なくとも一部の被処理ガスに光が到達しない大きさ（例えば、１５ｍｍ超）に設定しても構わない。

本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。

１ ：筐体
２ ：第二ガス供給部
２ａ ：コンプレッサ
２ｂ ：除湿フィルタ
２ｃ ：圧力調整器
２ｅ ：加湿器
２ｆ ：流路
２ｐ ：噴出口
２ｖ ：流量調整弁
３ ：ガス混合空間
４ ：第一ガス導入部
４ｆ ：流路
５，２５：エキシマランプ
６ ：整流部
７ ：ガス処理空間
８ ：ブロワ
９ ：ＶＯＣ検出器
１０，２０，３０：ガス処理装置
１１ ：水蒸気量検出部
１２ ：制御部
１５ ：突起部
５１ ：管体
５２ ：第一電極
５３ ：第二電極
５４ ：（管体５１と第一電極５２との間の）空間
５９ ：端部
１００ ：実験系
Ｇ１ ：第一ガス
Ｇ２ ：第二ガス

Claims (9)

1. ＶＯＣ及び酸素を含む第一ガスと、水蒸気を含む第二ガスと、を混合して、ＶＯＣ、酸素、及び９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気を含む被処理ガスを生成するガス混合空間と、
   主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光を放射する光源と、
   前記光源の光出射面から１０ｍｍ以内の領域にのみ前記被処理ガスを導き、前記領域に導かれた前記被処理ガスに対し前記光を照射するガス処理空間と、を備えることを特徴とするガス処理装置。
2. 前記ガス混合空間に前記第二ガスを供給する第二ガス供給部と、
   前記第一ガスに含まれる水蒸気量を検出する水蒸気量検出部と、
   前記水蒸気量検出部の検出結果に基づいて、前記第二ガス供給部から供給する前記第二ガスに含まれる水蒸気量を調整する制御部と、を備えることを特徴とする、請求項１に記載のガス処理装置。
3. 前記被処理ガスに含まれる水蒸気は、２０ｇ／ｍ^３以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のガス処理装置。
4. 前記ＶＯＣはトルエン又はホルムアルデヒドを含むことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガス処理装置。
5. ＶＯＣ、酸素、及び９ｇ／ｍ^３以上の水蒸気を含む被処理ガスを、主たるピーク波長が１６０～１８０ｎｍの光を放射する光源の光出射面から１０ｍｍ以内の領域にのみ流入させる、流入ステップ（ａ）と、
   前記領域に流入させた前記被処理ガスに前記光を照射する、光照射ステップ（ｂ）と、
   を備えることを特徴とするガス処理方法。
6. 前記光照射ステップ（ｂ）の前に、ＶＯＣ及び酸素を含む第一ガスと、水蒸気を含む第二ガスと、を混合して前記被処理ガスを生成する被処理ガス生成ステップ（ｃ）、
   を備えることを特徴とする請求項５に記載のガス処理方法。
7. 前記被処理ガス生成ステップ（ｃ）において、
   前記第一ガスに含まれる水蒸気量を検出する検出ステップと、
   前記検出ステップで検出した前記水蒸気量に基づいて、前記第二ガスに含まれる水蒸気の量を調整する水蒸気量調整ステップと、を備えることを特徴とする、請求項６に記載のガス処理方法。
8. 前記被処理ガスに含まれる水蒸気量は２０ｇ／ｍ^３以下であることを特徴とする、請求項５乃至７のいずれか一項に記載のガス処理方法。
9. 前記ＶＯＣはトルエン又はホルムアルデヒドを含むことを特徴とする、請求項５乃至８のいずれか一項に記載のガス処理方法。

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