弱電離気体プラズマの解析(XCI) -...

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 13. 放電物理・電気材料

弱電離気体プラズマの解析弱電離気体プラズマの解析(XCI)(XCI)水上パルス放電プラズマ中のフェノール分解過程水上パルス放電プラズマ中のフェノール分解過程

Studies on weakly ionized gas plasma (XCI)Decomposition process of phenol in pulsed-discharge plasma

above water surface

○塩田晴基佐藤孝紀伊藤秀範 (室蘭工業大学)○Haruki Shiota, Kohki Satoh and Hidenori Itoh (Muroran I.T.)

背景

揮発性有機塩素化合物揮発性有機塩素化合物

難分解性化学物質難分解性化学物質促進酸化法促進酸化法により処理

蓄積されたエネルギーが短時間で放出されるため，高エネルギー密度で出力できる

パルス立ち上がり時間が非常に短いため，高エネルギー電子を効率よく生成できる

高エネルギー電子により，化学的に活性な種が生成される[1]

水上でパルス放電を発生させることで，酸化力の高いOHやH2O2などが生成される[2]

汚染水の効果的な処理が期待できる汚染水の効果的な処理が期待できる

[1]M.A.Malik et al.: Plasma., 10, 82 (2001)[2]P.Lukes et al.: J.hys.D:Appl.Phys., Sources Sci. Technol 38, 409 (2005)

パルス放電パルス放電

促進酸化法促進酸化法[1]

による水質汚染

様々な方法により発生させた酸化剤(OHなど)によって，有害有機化合物を分解する方法

パルス放電 O3酸化光酸化

MURORAN INSTITUTEMURORAN INSTITUTEOF TECHNOLOGYOF TECHNOLOGY

（トリクロロエチレンなど）

（PCBなど）

バックグラウンドガス(BGガス)をArあるいはAirとしたときの分解生成物を調査

OHOHによって，ジヒドロキシベンゼンが生成される過程，およびOO33によって，によって，

不飽和脂肪族化合物が生成される過程不飽和脂肪族化合物が生成される過程を報告

目的および報告内容

• Hoeben et al.[1]

• 板橋ら[2] BGガスをArとし，OHOHが分解に寄与するときの分解生成物の種類および濃度変化を詳細に調査

BGBGガスをガスをOO22としたときの分解生成物としたときの分解生成物の調査の調査

得られた得られた分解生成物から推定される分解過程分解生成物から推定される分解過程

MURORAN INSTITUTEMURORAN INSTITUTEOF TECHNOLOGYOF TECHNOLOGY[1]W.F.L.M.Hoeben et al.: Plasma Sources Sci. Technol., 9, 361 (2000)

[2]板橋他 : 基礎・材料・共通部門大会講演論文集，315 (2009)

水上パルス放電によるフェノール分解の研究例

難分解性化学物質の分解過程を明らかにする難分解性化学物質の分解過程を明らかにする

目的

報告内容

実験装置および実験条件


電極針数： 55本ギャップ長： d = 4 mm

d

BGガス純度： 99.5 %流量： 1 L/min

フェノール水溶液濃度： 300 ppm液量： 70 g

直流高電圧電源放電照射時間 : 60min極性 : 負極性充電電圧 : 14.14 kVパルス繰り返し周波数

: 20 pps

放電の様子


放電の様子


O2 + efast → O + O + eslow

O + O2 + M → O3 + M M :第三体O : Oラジカル

O2中で放電 O3が生成

O3 O3

O3

6x106

5

4

3

2

1

0

inte

nsity

[a.u

.]

2.01.81.61.41.2retention time [min]

before discharge after discharge (60 min)

分解生成物の特定

phenol


6x106

5

4

3

2

1

0

inte

nsity

[a.u

.]




phenol


peak 1 peak 2 peak 3

10080604020

0

inte

nsity

[%]

10080604020m/z [amu]

ret. time 1.45 min ref. succinic anhydride

6x106

5

4

3

2

1

0

inte

nsity

[a.u

.]





2856


phenol

6x106

5

4

3

2

1

0

inte

nsity

[a.u

.]






phenol

10080604020

0

inte

nsity

[%]

10080604020m/z [amu]


2856

201510

50

inte

nsity

[%]

6055504540m/z [amu]

10080604020

0

inte

nsity

[%]

10080604020m/z [amu]




2856 [1]

[1]NIST Chemistry WebBook

44 5455

6x106

5

4

3

2

1

0

inte

nsity

[a.u

.]



10080604020

0

inte

nsity

[%]

10080604020m/z [amu]

after sparation




phenol

6x106

5

4

3

2

1

0

inte

nsity

[a.u

.]



10080604020

0

inte

nsity

[%]

10080604020m/z [amu]

after sparation



26 55


phenol

29 4472

6x106

5

4

3

2

1

0

inte

nsity

[a.u

.]



10080604020

0

inte

nsity

[%]

10080604020m/z [amu]

after sparation ref. 5-hydroxy-2(5H)-furanone



26 55


[1]


phenol

29 4472

6x106

5

4

3

2

1

0

inte

nsity

[a.u

.]



10080604020

0

inte

nsity

[%]

12010080604020m/z [amu]

ret. time 1.57 min ref. ortho-DHB


64

110


[1]

peak 3

phenol

peak 1 peak 2


6x106

5

4

3

2

1

0

inte

nsity

[a.u

.]





phenol


10080604020

0

inte

nsity

[%]

12010080604020m/z [amu]

ret. time 1.83 min

10080604020

0

inte

nsity

[%]

12010080604020m/z [amu]

ref. para- benzoquinone

10080604020

0

inte

nsity

[%]

12010080604020m/z [amu]

ref. para-dihydroxybenzene(p-DHB)

(p-BQ)

23.7 %

100 %110

108


(ref. p-DHB) + (ref. p-BQ) × 0.237

110

10854

54 82

82

82


[1]

[1]

10080604020

0

inte

nsity

[%]

12010080604020m/z [amu]

ret. time 1.83 min (ref. p-DHB) + (ref. p-DQ) x 0.237

10080604020

0

inte

nsity

[%]

12010080604020m/z [amu]

ref. para- benzoquinone

10080604020

0

inte

nsity

[%]

12010080604020m/z [amu]

ref. para-dihydroxybenzene(p-DHB)


(ref. p-DHB) + (ref. p-BQ) × 0.237

110

54 82

82


[1]

(p-BQ)

10854

82[1]

110

108

フェノールの分解生成物


無水こはく酸 5-ヒドロキシ-2(5H)-フラノン

o-DHB p-DHB p-BQ




o-DHB p-DHB p-BQ


BGBGガスを変化させても生成する分解生成物ガスを変化させても生成する分解生成物[1]




o-DHB p-DHB p-BQ

BGBGガスをガスをOO22としたときのみ生成する分解生成物としたときのみ生成する分解生成物

BGBGガスを変化させても生成する分解生成物ガスを変化させても生成する分解生成物[1]


Hoeben et al.の報告した分解過程

1,31,3--双極子付加反応双極子付加反応によりモロゾニドモロゾニドさらにオゾニドオゾニドが生成

オゾニドとH2Oとの反応によりベンゼン環が開裂

[1]W.F.L.M.Hoeben et al.: Plasma Sources Sci. Technol., 9, 361 (2000)

[1]

不飽和脂肪族化合物が生成

最終的にシュウ酸，ギ酸，グリオキシル酸およびグリオキサールが生成


不飽和脂肪族化合物が生成

グリオキシル酸グリオキシル酸およびマレイン酸マレイン酸

シュウ酸シュウ酸および (Z)(Z)--33--ホルミルアクリル酸ホルミルアクリル酸

H2Oとの反応によりベンゼン環が開裂

1,3-双極子付加反応によりモロゾニドさらにオゾニドが生成

本研究で得られた分解生成物から推定される分解過程


分子内反応

無水マレイン酸

→→無水こはく酸無水こはく酸（水素添加反応）

55--ヒドロキシヒドロキシ--2(5H)2(5H)--フラノンフラノン

回転

分子内反応

本研究で得られた分解生成物から推定される分解過程

Hoeben et al.の報告した分解過程との比較および検討Hoeben et al.

本研究で予測した分解過程

まとめ

水上パルス放電を用いてフェノール水溶液を分解するとともに，その分解生成物

を調査し，得られた分解生成物から分解過程の推定を行った

フェノールの分解生成物は，無水こはく酸，5-ヒドロキシ-2(5H)-フラノン，o-DHB，p-DHBおよびp-BQである

放電を発生させると，O3による1,3-双極子付加反応によってベンゼン環の開裂が起こり，マレイン酸あるいは(Z)-3-ホルミルアクリル酸が生成された後，分子内反応によって無水こはく酸および5-ヒドロキシ-2(5H)-フラノンが生成されると考えられる

本研究で得られた分解生成物から推定される分解過程は，Hoeben et al. の報告する不飽和脂肪族化合物が，その後の反応により無水こはく酸および5-ヒドロキシ-2(5H)-フラノンになることを示すものであり，Hoeben et al. の結果と矛盾するものではない

結結果果


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