使用非熱等離子體和催化劑介質的氣體處理裝置和方法
【專利摘要】本發明提供了一種用于在常溫下對揮發性有機化合物(VOC)等的有害氣體進行氧化分解處理的裝置和方法。本發明的氣體處理裝置的特征在于設置有等離子體生成單元和催化劑介質。等離子體生成單元設置有：至少一個供待處理氣體流過的流道；以及布置在流道內部的用于提供電力的電源單元、第一電極、第二電極和電介質材料。由所述電源在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓，從而引起放電，產生等離子體。催化劑介質被設置在由所述流道內部的所述等離子體生成單元生成的等離子體所存在的位置，加速與待處理氣體的反應，其中，所述催化劑介質具有存在于無機物質上的金屬催化劑顆粒。
【專利說明】使用非熱等離子體和催化劑介質的氣體處理裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用非熱等離子體和催化劑介質對有害氣體進行氧化分解處理的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]近年來，作為分解有害氣體的方法和裝置，有人提出利用非熱等離子體的方法和裝置。由于利用非熱等離子體的裝置簡單、并且因為非熱等離子體是一種可使用具有高反應性的活性物質的化學反應，所以反應是瞬時進行的，因此可期待非熱等離子體有效地分解氣體中的有害氣體。此外，非熱等離子體容易與其他技術相結合。已知非熱等離子體可應用于多種類型的組合處理。然而，當有效分解不足時，有害氣體的分解會產生副產品。為了進行充足的有效分解，需要輸入大量的能量。在這種情況下，存在以下問題，即，由空氣產生氮氧化物和大量的臭氧。為了能夠將利用非熱等離子體來移除空氣中的有害氣體的技術投入實際應用，抑制氮氧化物和臭氧的產生并提高有害氣體的分解效率是一個重要的目標。
[0003]作為實現該目標的方法，有人提出利用等離子體來分解乙烯氣的方法(專利文獻I和2)，在放電電極與地電極(接地電極)之間設置蜂窩狀催化劑的方法(專利文獻3)，以及設置錳基催化劑的方法(專利文獻4)。此外，還提出了一種利用非熱等離子體結合已知催化劑，對傳統方法中所產生的臭氧和分解有害氣體所產生的副產品進一步補救的方法和一種對有害氣體進行凈化的裝置(專利文獻5)。
[0004]現有技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開2000-139198號公報
[0007]專利文獻2:日本特開2003-158996號公報
[0008]專利文獻3:日本特開2000-140562號公報
[0009]專利文獻4:日本特開2002-336343號公報
[0010]專利文獻5:日本特開2005-230627號公報

【發明內容】

[0011]技術問題
[0012]基于吸附的氣體凈化方法需要短時間內吸附劑的再生。在吸附劑的常規再生方法中，水蒸汽解吸附和加熱解吸附的設備是必需的。因此，設備可能較大并且根據解吸附方法可能需要排水設備。在放電電極與地電極之間設置鐵電材料的顆粒(pellet)的方法中，需要根據電介質材料的粒徑和電介質材料的填充量來施加高電壓。這導致了從空氣產生有害的臭氧和氮氧化物的問題。此外，在設置蜂窩狀催化劑的方法中，需要確保催化劑與有害氣體相接觸。因此，放電電極與地電極之間的距離變長。另外，為了穩定地產生等離子體，需要施加高壓來產生大量能量。結果，存在從空氣產生氮氧化物和大量臭氧的問題。在發明人提出的方法中，使用了具有金屬催化劑功能的吸附劑。在這種情況下，存在的問題是，待處理有害氣體的濃度受到具有金屬催化劑功能的吸附劑的量的限制。在處理顆粒狀或蜂窩狀催化劑時，難以在結構方面對凈化裝置進行靈活設計。
[0013]為解決該問題而提出本發明。本發明的目的是提供一種在室溫下對揮發性有機化合物等(volatile organic compound, V0C)的有害氣體進行氧化分解處理的裝置和方法。
[0014]技術手段
[0015]本發明的第一方面是一種氣體處理裝置，其設置有:
[0016]待處理氣體流通的流道；
[0017]等離子體生成單元，其被設置在所述流道內，包括至少第一電極、第二電極、電介質材料和用于提供電力的電源單元，其中，由所述電源單元在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓以引發放電，由此生成等離子體；以及
[0018]催化劑介質，其被設置在由所述流道內的所述等離子體生成單元生成的所述等離子體所存在的位置，加速與所述待處理氣體的反應，并具有存在于無機物質上的金屬催化劑顆粒。
[0019]本發明的第二方面是根據本發明第一方面的氣體處理裝置，其中，所述第一電極、所述第二電極、所述電介質材料以及所述催化劑介質被依次排布在所述待處理氣體的流動方向上，并且在所述氣體的流動方向上都是可透氣的；并且所述催化劑介質被布置在所述流道中引發放電的空間中、或者被布置在所述氣體的流動方向上的所述空間的下游側。
[0020]本發明的第三方面是根據本發明第一方面的氣體處理裝置，其中，所述第一電極、所述第二電極、所述電介質材料以及所述催化劑介質在與所述氣體的流動方向垂直的方向上依次排布。
[0021]本發明的第四方面是根據本發明第一至第三方面中任一項的氣體處理裝置，其中，所述催化劑介質還包括由無機材料制成的基板，至少所述金屬催化劑顆粒被固定于該基板。
[0022]本發明的第五方面是根據本發明第一至第三方面中任一項的氣體處理裝置，其中，所述催化劑介質還包括:
[0023]無機顆粒，其表面固定有所述金屬催化劑顆粒；和
[0024]由無機材料制成的基板，所述無機顆粒被固定于該基板。
[0025]本發明的第六方面是根據本發明第一至第三方面中任一項的氣體處理裝置，其中，所述催化劑介質填充有支持所述金屬催化劑顆粒的大量的無機顆粒。
[0026]本發明的第七方面是根據本發明第一至第六方面中任一項的氣體處理裝置，其中，所述第一電極和所述第二電極均為由在各自的預定方向上延伸的大量電極形成的梳齒狀電極，并且所述待處理氣體流經由所述梳齒狀電極、所述電介質材料和所述催化劑介質形成的空間。
[0027]本發明的第八方面是根據本發明第一至第七方面中任一項的氣體處理裝置，其中，所述等離子體是無聲放電、沿面放電、電暈放電和脈沖放電的放電等離子體中的至少一種。
[0028]本發明的第九方面是根據本發明第一至第八方面中任一項的氣體處理裝置，其中，所述金屬催化劑顆粒是由Pt、Au、CeO2、PdO、MnO2、CuO和Ag中的至少一種制成的。
[0029]本發明的第十方面是根據本發明第一至第九方面中任一項的氣體處理裝置，其中，所述電源單元以0.5kHz以上的輸出頻率來提供電力。
[0030]本發明的第十一方面是一種氣體處理方法，包括:通過在設置有用于加速與待處理氣體的氧化分解反應的催化劑介質的范圍內進行放電來生成等離子體；以及使所述待處理氣體流經所述等離子體來進行氧化分解。
[0031]本發明的第十二方面是根據本發明第十一方面的氣體處理方法，其中，以0.5kHz以上的輸出頻率來提供電力以引發放電，由此生成所述等離子體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發明的實施方式的氣體處理裝置的示意性剖面圖。
[0033]圖2是本發明的實施方式的固定有催化劑微粒的催化劑介質的示意圖。
[0034]圖3是本發明的另一實施方式的催化劑介質的示意圖。
[0035]圖4是本發明的另一實施方式的催化劑介質的示意圖。
[0036]圖5是本發明的另一實施方式的催化劑介質的示意圖。
[0037]圖6是本發明的另一實施方式的氣體處理裝置的示意圖。
[0038]圖7是本發明的另一實施方式的氣體處理裝置的示意圖。
[0039]圖8是本發明的另一實施方式的氣體處理裝置的剖面示意圖。
[0040]圖9是本發明的另一實施方式的氣體處理裝置的剖面示意圖。
[0041]圖10是本發明的另一實施方式的氣體處理裝置的剖面示意圖。
[0042]圖11是本發明的另一實施方式的氣體處理裝置的剖面示意圖。
[0043]圖12是本發明的另一實施方式的氣體處理裝置的剖面示意圖。
[0044]附圖標記說明
[0045]100催化劑介質
[0046]200氣體處理裝置
[0047]300另一實施方式的氣體處理裝置
[0048]400另一實施方式的氣體處理裝置
[0049]500另一實施方式的氣體處理裝置
[0050]600另一實施方式的氣體處理裝置
[0051]700另一實施方式的氣體處理裝置
[0052]800另一實施方式的氣體處理裝置
[0053]1-a催化劑微粒
[0054]Ι-b無機微粒
[0055]Ι-c無機顆粒
[0056]2硅烷單體
[0057]3化學結合
[0058]4氧化膜
[0059]5 微孔
[0060]8放電空間
[0061]9等離子體存在區域
[0062]10 基板[0063]11施加電極
[0064]12接地電極
[0065]13電介質材料
[0066]14電源
【具體實施方式】
[0067]下面，對本發明的實施方式進行說明。
[0068](第I實施方式)
[0069]圖1是表示本發明的實施方式的氣體處理裝置200的剖面的示意性視圖。氣體處理裝置200設置在供應氣體的流道內，所供應的氣體包含待處理氣體。在圖1中，氣體處理裝置200為下述裝置，即，利用在氣體處理裝置200中產生的等離子體和催化劑介質100的功能進行氧化分解，由此將以箭頭A的方向供應到氣體處理裝置200的包含待處理氣體的氣體轉換成CO2。 [0070]氣體處理裝置200設置有施加電極(application electrode) 11、接地電極12、電介質材料13、催化劑介質100和作為供電單元的(高壓)電源14。在氣體處理裝置200中，施加電極11、接地電極12、電介質材料13和電源14構成了用于產生等離子體的構件和裝置(等離子體發生單元)。當由電源14施加電壓時，在施加電極11與電介質材料13之間由施加電極11、接地電極12和電介質材料13產生放電，由此形成非熱等離子體反應層。在氣體處理裝置200中，施加電極11、催化劑介質100、接地電極12和電介質材料13被配置為彼此緊密接觸。施加電極11和接地電極12之一為第一電極，另一為第二電極。在其他實施方式中，將多個施加電極11和多個接地電極12組合。即使該情形下，其中一種電極均為第一電極，另一種電極均為第二電極。
[0071]施加電極11是由電源14施加電壓的電極。接地電極12通過接地線12a接地。施加電極11、接地電極12和電介質材料13具有氣體可以穿過這些電極的可透氣結構。施加電極11、接地電極12和電介質材料13的結構的具體例子可以包括格子結構、簾狀結構、通過打孔處理得到的多孔結構，以及絲網(expanded mesh)結構。也可使用兩個以上的上述結構組合而成的結構。施加電極11和接地電極12可以為針狀結構。施加電極11、接地電極12和電介質材料13可以為上述形狀和結構當中相同的形狀和結構。在圖1中，施加電極11具有大量網格樣的小孔，而接地電極12和電介質材料13具有少量通過打孔處理得到的多孔結構之類的大孔。
[0072]作為施加電極11和接地電極12，可使用具有電極功能的材料。作為施加電極11和接地電極12的材料，可使用Cu、Ag、Au、N1、Cr、Fe、Al、T1、W、Ta、Mo、Co等金屬以及它們
的合金。
[0073]電介質材料13可以具有作為絕緣體的特性。電介質材料13的材料實例可以包括ZrO2> Y -Al2O3^ α-Α1203、Θ -A1203> r1-Al2O3、非晶 Al2O3、氣化招、多招紅柱石、阜石、續撤攬石、堇青石、鈦酸鎂、鈦酸鋇、Sic, Si3N4, S1-SiC、云母和玻璃等無機材料，以及聚酰亞胺、液晶聚合物、聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、聚氟乙烯(PVF)、聚亞乙烯基二氟化物(PVDF)、聚醚酰亞胺和聚酰胺酰亞胺等聚合物。考慮到等離子體耐受性和耐熱性，更優選無機材料。[0074]當下述催化劑介質100具有作為電介質材料的功能(例如，當催化劑介質的一部分是絕緣體)時，催化劑介質100可以被用作電介質材料。在這種情況下，可以不設置電介質材料13。
[0075]接下來說明催化劑介質100。圖2是表示該實施方式的催化劑介質100的剖面的一部分的示意性視圖。催化劑介質100是一種用于加速通過氧化分解將待處理氣體轉換成二氧化碳(CO2)的反應的催化劑。在該實施方式中，由于催化劑介質100受等離子體的作用，因此進一步加速了經催化劑介質100加速過的氧化分解反應。
[0076]本實施方式的催化劑介質100是氣體可以穿過的可透氣的板狀或片狀構件。催化劑介質100包括基板10和固定到基板10上的催化劑I等。催化劑介質100被設置在存在由等離子體產生單元產生的等離子體的位置(區域)。在本實施方式中，催化劑介質100具體地設置在施加電極11與電介質材料13之間(放電空間中)。氣體可以沿著圖2中虛線雙頭箭頭B的方向穿過催化劑介質100。因此，本發明的催化劑介質100具有以下結構，即，催化劑I被固定到基板10上以保持透氣性。基板10具有過濾器結構、網結構等的可透氣結構，或者通過打孔等處理而在板狀構件上形成多個孔的結構。優選的是，在氣體處理裝置200中，催化劑介質100被設置為，固定有催化劑I的面朝向施加電極11 一側(氣流方向的上流側)。例如，當基板10具有過濾器狀或網狀結構時，能夠在基板10內形成空間。在這種情況下，根據制造催化劑介質100的方法，可將催化劑I固定到基板10的內部。另一方面，催化劑I可被固定到基板10的兩面。當催化劑I被固定到基板10的內部或者基板10的兩面時，催化劑介質100可以朝向任一方向設置。
[0077]在催化劑I中，催化劑微粒ι-a由載體微粒ι-b支持。通過化學結合3將結合于各載體微粒l_b的硅烷單體2結合到基板10上，而將催化劑I固定到基板10上。下面說明利用硅烷單體2的固定。
[0078]催化劑I的催化劑微粒Ι-a并沒有限制，只要它們具有加速通過氧化分解將待處理氣體轉換成CO2的反應的功能即可。優選的是，催化劑微粒可以由具有高氧化催化劑功能的 Au、Pt、CeO2、PdO、MnO2 或者 CuO 制成。
[0079]催化劑微粒Ι-a可具有約0.5nm以上和約200nm以下的粒徑。要固定到載體微粒Ι-b上的催化劑微粒Ι-a的量優選為0.1?20質量％，更優選為0.5?10質量％。如果支持20質量％以上的催化劑微粒，則作為催化劑微粒l_a的催化劑微粒之間發生凝集。這是由于催化劑活性低造成的。如果量為0.1質量％以下，則無法獲得足夠的催化劑活性。因此不優選該范圍。
[0080]催化劑微粒Ι-a需包括至少用于加速上述通過氧化分解將待處理氣體轉換成二氧化碳的反應的催化劑功能的微粒，但是催化劑微粒l_a也可與其它物質相組合。具體來講，催化劑微粒l_a可以是催化劑微粒和助催化劑微粒的混合物，或者包括通過將各種金屬元素與催化劑微粒進行組合而獲得的復合微粒的復合催化劑。在催化劑微粒被單獨使用或者當助催化劑被混合在催化劑微粒中的情形下，催化劑微粒可具有多面體狀且其尺寸可落在上述范圍內。當使用與其它金屬元素組合的復合微粒時，催化劑微粒的尺寸可以落在上述范圍內。被用作助催化劑或復合催化劑的、催化劑微粒以外的金屬微粒(納米顆粒)的例子可以包括諸如Pt、Pd和Ir等貴金屬及其氧化物，以及堿金屬及其氧化物。兩種以上的貴金屬及其氧化物和堿金屬及其氧化物的微粒可以混合并由載體微粒ι-b的表面支持。[0081]載體微粒l_b是支持催化劑微粒Ι-a的顆粒，催化劑微粒Ι-a通過載體微粒l_b固定到基板10上。載體微粒ι-b并不限于特定微粒，只要能夠支持催化劑微粒ι-a即可。優選的是，作為載體微粒Ι-b，可以使用主要具有物理吸附性質的金屬氧化物或無機化合物。
[0082]金屬氧化物例如可包括Y -A1203、a -Al2O3> θ _Α1203、η _Α1203、非晶 Α1203、TiO2, ZrO2、SnO2、SiO2、MgO、ZnO2、Bi203、In2O3、MnO2、Mn2O3、Nb2O5、FeO、Fe2O3、Fe3O4、Sb2O3、CuO、Cu2O, NiO、Ni3O4' Ni2O3' CoO、Co3O4' Co2O3' W03、CeO2, Pr6O11, Y2O3> In2O3, PbO 和 ThO2 等的單一無機氧化物。金屬氧化物例如可以是 Si02-Al203、Si02-B203、Si02_P205、Si02-Ti02、Si02-Zr02、A1203_T i O2、Al2O3-ZrO2、Al203_Ca0、AI2O3-B2O3、AI2O3H32O5、Al2O3-CeO2、A I2O3-Fe2O3、Ti O2-CeO2、TiO2-ZrO2, TiO2-WO3> ZrO2-WO3> SnO2-WO3> CeO2-ZrO2, SiO2-TiO2-ZrO2, Al2O3-TiO2-ZrO2,SiO2-Al2O3-TiO2或SiO2-TiO2-CeO2或鈰-鋯-鉍復合氧化物等的復合氧化物。鈰-鋯-鉍復合氧化物是由通式Cel-X-YZrXBiY02-S表示的固溶體，其中X、Y和δ分別落在0.1≤X≤0.3、0.1≤Y≤0.3和0.05≤δ≤0.15的范圍內。
[0083]具有物理吸附性質的無機化合物的例子可包括硅酸鹽，所述硅酸鹽包括:沸石Α、沸石P、沸石X和沸石Y等的合成沸石，斜發沸石、海泡石、絲光沸石等的天然沸石，高嶺石、蒙脫石、酸粘土和硅藻土等的層狀硅酸鹽化合物，硅灰石和柱星葉石等的環狀硅酸鹽化合物。還可以包括例如磷酸化合物，所述磷酸化合物包括磷酸三鈣、磷酸氫鈣、焦磷酸鈣、偏磷酸鈣、羥磷灰石、活性炭、多孔玻璃。
[0084]要使用的載體微粒Ι-b是根據待處理氣體的類型來選擇的。載體微粒l_b的平均粒徑可以是0.1ym以上、500 μL?以下。載體微粒l_b可以單用一種，也可以使用兩種以上載體微粒Ι-b作為混合物。這里使用的平均粒徑是指體積平均粒徑。除非有特殊說明，否則本說明書中的平均粒徑均表示體積平均粒徑。
[0085]下面來說明制造催化劑I的方法。該催化劑I的制造方法可以是催化劑微粒l_a具有多面體結構并能夠被固定到載體微粒ι-b上的方法。該方法例如可包括共沉淀法、沉積-沉淀法、溶膠-凝膠法、滴下中和-沉淀法、還原劑添加法、PH控制中和-沉淀法以及羧酸金屬鹽添加法。可以根據載體的類型適當地使用上述方法。
[0086]基板10是固定催化劑I的、構成作為板狀構件的催化劑介質100的基板。基板10具有上述的可透氣結構。例如，可以使用具有通過打孔形成的許多通孔的片狀基板，或者具有由織布、編織物或無紡布制成的具有纖維結構(過濾器狀)的纖維、布狀或網狀結構。另外，可以根據使用目的適當使用具有多種形狀和尺寸的基板。
[0087]優選的是，基板10可以由具備優良等離子體耐受性和耐熱性的無機材料制成。需要等離子體耐受性是因為基板10被置于存在等離子體的區域中。當基板10具有等離子體耐受性時，催化劑介質100的催化劑功能可以長期維持。需要耐熱性是因為要在氣體處理裝置200中處理的氣體可以是在燃燒燃料過程中釋放的廢氣并且具有相對較高的溫度。在對廢氣進行處理時，基板需要具備耐熱性。等離子體耐受性是在等離子體環境下的耐久性，表現為難以被等離子體腐蝕。
[0088]優選的是，用于基板10的無機材料具體為金屬材料、陶瓷或玻璃，更優選為金屬、金屬氧化物或玻璃。在本實施方式中，支持催化劑微粒l_a的載體微粒Ι-b通過硅烷單體2被固定到基板10上。在硅烷單體2經由脫水縮合反應與基板10共價結合的情形下，優選在基板10表面形成氧化物薄膜。[0089]作為用于本發明的基板10的金屬材料，可使用例如鎢、鑰、鉭、鈮、鈦鋯鑰(TZM)、鎢錸(W-Re)等高熔點金屬，銀和釕等貴金屬及其合金或氧化物，鈦、鎳、鋯、鉻、因科內爾(inconel)鉻鎳鐵合金、哈斯特洛伊(hastelloy)耐蝕鎳基合金等的特殊金屬,招、銅、不銹鋼、鋅、鎂、鐵等的通用金屬以及包括上述通用金屬的合金或上述通用金屬的氧化物。此外，通過各種電鍍、真空蒸鍍、CVD法或濺射法而形成有上述金屬、合金或氧化物的膜的構件可被用作金屬材料。
[0090]通常在金屬表面和合金表面形成有自然氧化的薄膜。為了將硅烷單體2與之結合，可以使用該自然氧化的薄膜。在此情況下，優選通過公知方法預先去除粘附在氧化薄膜表面的油潰和灰塵。這是因為載體微粒ι-b可以穩定且均勻地固定。可以通過已知的化學方法或已知的電化學方法例如陽極氧化來代替使用自然氧化膜來結合硅烷單體2，在金屬表面或者合金表面形成氧化薄膜。
[0091]作為用于本發明的基板10的陶瓷，可以使用如素燒陶器、陶器、炻器、瓷器等陶瓷制品，和玻璃、水泥、石膏、搪瓷或精細陶瓷等陶瓷。作為陶瓷制品的成分，可以使用基于元素系、氧化物系、氫氧化物系、碳化物系、碳酸鹽系、氮化物系、鹵化物系或者磷酸鹽系陶瓷制品，或者它們的復合物。
[0092]作為用于本發明的基板10的陶瓷，可以使用鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鐵氧體、鋁土、鎂橄欖石、氧化鋯、鋯英石、莫來石、滑石、堇青石、氮化鋁、氮化硅、碳化硅、新碳(newcarbon)、新玻璃(new glass)等,或高強度陶瓷、功能陶瓷、超導陶瓷、非線性光學陶瓷、抗菌陶瓷、可生物降解陶瓷和生物陶瓷等陶瓷。
[0093]作為用于本發明的基板10的玻璃，可以使用堿石灰玻璃、鉀玻璃、水晶玻璃、石英玻璃、硫屬玻璃、鈾玻璃、水玻璃、極化玻璃、鋼化玻璃、夾層玻璃、耐熱玻璃/硼硅玻璃、防彈玻璃、玻璃纖維、雙色玻璃、金星玻璃(紅金星玻璃、砂金石、藍金星玻璃)、玻璃陶瓷、低熔點玻璃、金屬玻璃或藍寶石玻璃(saphiret)等玻璃。
[0094]另外,作為本發明的基板10,可以使用水泥。水泥包括普通娃酸鹽水泥、快硬(高快固，high-early-strength)硅酸鹽水泥、超快硬硅酸鹽水泥，或中度加熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥、作為通過向硅酸鹽水泥中添加高爐礦渣、粉煤灰和硅質混合劑等而獲得的混合水泥的硅酸鹽高爐礦渣水泥、硅石水泥、粉煤灰水泥等。
[0095]此外，作為本發明的基板10，可以使用二氧化鈦、氧化鋯、氧化鋁、二氧化鈰(氧化鈰)、沸石、磷灰石、二氧化硅、活性炭、硅藻土等。作為本實施方式的無機氧化物，可以使用鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅和錫等金屬的氧化物。
[0096]接下來說明將催化劑I固定到基板10上的方法。通過化學結合3 (共價鍵)將結合在支持催化劑微粒l_a的載體微粒Ι-b的表面上的硅烷單體2與基板10結合，而將本實施方式中的催化劑I保持于基板10，所述化學結合3是通過脫水縮合反應形成的。
[0097]下面來說明通過硅烷單體2將支持催化劑微粒Ι-a的載體微粒l_b結合到基板10上的機制。結合到載體微粒l_b上的硅烷單體2被取向為，不飽和結合點或者反應官能團相對于載體微粒Ι-b朝向外側并結合。這是因為，位于每個娃燒單體2 —端的親水娃醇基團被吸引到載體微粒l_b的親水表面。另一方面，因為位于另一端的不飽和結合點或反應官能團是疏水性的，所以它趨于遠離載體微粒l_b的表面。因此，每個硅烷單體2的硅醇團都通過脫水縮合反應而共價結合到載體微粒l_b的表面，結果，硅烷單體2易于被取向為，不飽和結合點或反應官能團朝向外側。因此，許多硅烷單體2共價結合到載體微粒Ι-b，且不飽和結合點或反應官能團朝向外側。硅烷單體2的結合到載體微粒Ι-b的表面并朝向外側的不飽和結合點或反應官能團彼此結合。結果，載體微粒ι-b彼此結合。另外，不飽和結合點或反應官能團還結合到基板10的表面，由此將載體微粒Ι-b固定于基板10。
[0098]換言之，本實施方式所使用的催化劑介質100中，使用了均具有不飽和結合點或反應官能團且反應性優異的硅烷單體2。因此，基板10上的多個載體微粒Ι-b通過硅烷單體2的不飽和結合點或反應官能團之間的化學結合3彼此結合。此外，化學結合3是由朝向基板10的載體微粒Ι-b的表面上的硅烷單體2與基板10的表面之間的不飽和結合點或反應官能團形成的。結果，載體微粒l_b被固定于基板10。
[0099]通過脫水縮合反應共價結合到載體微粒Ι-b上的各硅烷單體2的不飽和結合點或反應官能團的例子可以包括乙烯基團、環氧基團、苯乙烯基團、甲基丙酸烯基團、丙烯酰氧基基團和異氰酸酯基團。
[0100]上述具有不飽和結合點或反應官能團的硅烷單體2的例子可以包括乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、Ν-β-(Ν-乙烯基芐基氨乙基)_ Y _氛丙基二甲氧基硅烷、Ν_(乙烯基芐基)-2_氛乙基_3_氛丙基二甲氧基硅烷的鹽酸鹽、2-(3，4_環氧環己基)乙基三甲氧基硅烷、3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、3-縮水甘油氧基丙基甲基~二乙氧基硅烷、3_縮水甘油氧基丙基二乙氧基硅烷、對苯乙烯基二甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基甲基二乙氧基硅烷、3-甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷、3-丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和3-異氰酸酯丙基三乙氧基硅烷。
[0101]接下來說明通過將催化劑I固定于基板10來制造催化劑介質100的方法。
[0102]具有不飽和結合點或反應官能團的硅烷單體2被共價結合到支持催化劑微粒l_a的載體微粒l_b上。硅烷單體2可以通過通用方法結合到載體微粒Ι-b上。例如，方法可以包括將硅烷單體2添加到分散溶液中，所述分散溶液是，將支持催化劑微粒l_a的載體微粒l_b分散于水、甲醇、乙醇、甲乙酮(MEK)、丙酮、二甲苯或甲苯等的分散介質，然后在回流下加熱，由此通過脫水縮合反應將硅烷單體2共價結合到載體微粒Ι-b的表面。
[0103]下面說明另一種方法。支持催化劑微粒l_a的載體微粒Ι-b被粉碎成更細小的微粒。該更細小的微粒被分散于上述分散介質中的任意一種以獲得分散溶液。將硅烷單體2添加于該分散溶液。另選的是，硅烷單體2被添加于支持催化劑微粒Ι-a的載體微粒l_b，將該混合物粉碎成更細小的微粒，這些更細小的微粒被分散于分散介質。分散溶液經過固液分離，所得產物在100°C到180°C下加熱，使得硅烷單體2通過脫水縮合反應共價結合到載體微粒l_b的表面。
[0104]催化劑I中的硅烷單體2的量取決于載體微粒l_b的平均粒徑。然而，當該量相對于載體微粒l_b的量為0.01質量％以上、40質量％以下時，載體微粒Ι-b之間的結合以及載體微粒l_b與基板10之間的結合的結合強度足以進行實際應用。此外，可以存在與結合無關的過量硅烷單體2。
[0105]然后，化學結合到硅烷單體2的表面的載體微粒l_b被混合并分散在分散介質中，例如甲醇、乙醇、甲乙酮(MEK)、丙酮、二甲苯和甲苯。為了加速分散，需要的話，可以添加表面活性劑、鹽酸和硫酸等無機酸、醋酸和檸檬酸等羧酸等。接下來，利用珠磨機、球磨機、砂磨機、輥磨機、振動磨機、或均質機等裝置將載體微粒l_b壓碎并分散于分散介質，制作包含載體微粒ι-b的漿料。
[0106]將上述獲得的、分散有載體微粒Ι-b的漿料涂覆到基板10的表面。將漿料涂覆在基板10上的方法并無特定限制，只要能根據需要涂覆漿料即可，漿料可以通過普遍使用的旋涂法、浸涂法、噴涂法、鑄涂法、輥涂法、微凹印涂布法或凹印涂布法來涂覆。
[0107]如有必要，則通過加熱或干燥來去除分散介質。結果，載體微粒l_b化學結合至基板10。具體來說，分散介質被移除以在載體微粒Ι-b表面的硅烷單體2之間形成化學結合3。由此，載體微粒Ι-b彼此結合，并且在硅烷單體2與基板10之間形成了化學結合3。結果，載體微粒Ι-b被固定于基板10。
[0108]在本實施方式中，優選的是，作為通過化學結合3將硅烷單體2結合到基板10上的方法，使用通過接枝聚合的結合方法。可采用的接枝聚合的例子可以包括使用過氧化物催化劑的接枝聚合、使用熱能或光能的接枝聚合，以及使用輻射的接枝聚合(輻射接枝聚合)。根據基板10和載體微粒Ι-b的形狀和配置來適當選擇要使用的接枝聚合。
[0109]為了有效且均勻地對硅烷單體2進行接枝聚合，可以預先對基板10的表面進行親水處理，所述親水處理包括電暈放電處理、等離子體放電處理、火焰處理，以及利用鉻酸或過氯酸等氧化酸的水溶液或者包含氫氧化鈉的堿性溶液進行的化學處理。
[0110]上面說明了催化劑介質和產生方法。根據上述的催化劑介質100，與基板10接合的載體微粒Ι-b通過硅烷單體2被牢固地固定于基板10。因此，可切實阻止催化劑I與基板10的分離。
[0111]氣體處理裝置200中使用的電源14是可以施加高電壓的電源。作為電源14，可以使用交流(AC)高壓和脈沖高壓的高壓電源、在直流(DC)偏置上疊加AC電壓或脈沖電壓的電源等。AC高壓例如可包括正弦波交流電壓、矩形波交流電壓、正切波交流電壓和鋸齒波交流電壓。可以由電源14向施加電極11和接地電極12施加預定電壓，使得在施加電極11、接地電極12和電介質材料13形成的放電空間中生成等離子體。電源14施加的電壓根據待處理氣體的濃度等而改變，通常為I?20kV，優選為2?10kV。由電源14施加的電能所引起的放電類型并無特定限制，只要可以產生等離子體即可。例如，放電可以是無聲放電、沿面放電、電暈放電、脈沖放電等。可以將兩種以上放電進行組合來生成等離子體。
[0112]優選的是，電源的輸出頻率是高頻，具體地，輸出頻率可以是0.5kHz以上。輸出頻率優選為0.5kHz以上、15kHz以下。當頻率低于0.5kHz時，產生的中間產品和臭氧的量會增大。當頻率高于15kHz時，任何待處理氣體的氧化分解都受抑制。
[0113]以上說明了本實施方式的氣體處理裝置200的構造。
[0114]接下來說明本實施方式中的氣體處理裝置200對氣體進行的氧化分解處理。在本實施方式中，在氣體處理裝置200中的待處理氣體是包含以下至少任意一種的氣體:揮發性有機化合物(VOC)等的包含在燃料、溶劑等中的揮發物，以及一氧化碳。待處理氣體是包含多種氣體的混合氣體或單種氣體。VOC的具體例子可包括苯、二甲苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、對二氯苯、鄰苯二甲酸-2-乙基己酯等的芳香族碳氫化合物，以及包括丙酮、甲乙酮(MEK)等酮，異丙醇、甲醇等醇，乙酸乙酯和鄰苯二甲酸二丁酯等酯，甲醛和乙醛等醛等，具有C =O雙鍵(羰基)的化合物。其例子還可以包括乙烯和十四烷等烷烴，毒死蜱和二嗪農等有機磷化合物，三氯乙烯，以及四氯乙烯。[0115]用于產生等離子體的電源的優選輸出頻率隨待處理氣體的變化而改變。如果待處理氣體的成分是預先指定的，則可以根據氣體來設置輸出頻率。具體來講，當氣體是CO時，輸出頻率優選為0.5kHz以上、15kHz以下。當氣體是乙烯等烷烴時，輸出頻率優選為0.5kHz以上、7kHz以下，而當氣體是另一種VOC時，輸出頻率優選為0.5kHz以上和15kHz以下。當輸出頻率落在上述范圍內時，不產生中間產品和臭氧，氣體則被氧化和分解。因此，如果在已經指定了氣體的情況下將輸出頻率設定在該范圍之內，就可以確定地對氣體進行氧化分解處理，而不產生中間產品和臭氧。
[0116]為了對氣體進行處理，用電源14對施加電極11施加電壓。在這種狀態下，在圖1中從施加電極11側到接地電極12側的方向(箭頭A的方向)上供應包含待處理氣體的氣體。由此，無需加熱，在室溫下利用等離子體和催化劑就對待處理氣體進行氧化，使其分解為C02。在僅使用催化劑的情況下，催化劑微粒的表面由于和氣體接觸而中毒。結果，催化劑活性可能喪失，未轉換為C02的一氧化碳可能會殘留，并且可能會產生諸如甲醛的中間物。然而，當結合等離子體來使用催化劑時，催化劑表面是清潔的并且催化劑活性得以保持。此夕卜，幾乎不產生反應中間物，并且待處理氣體通過氧化分解被轉換為C02。
[0117]本實施方式的氣體處理裝置200可以處理待處理氣體，將其分解為C02以使之無害，并在常溫下將無害氣體釋放到空氣中。VOC是一種能夠被本實施方式的空氣處理裝置200處理的氣體，例如可以包括從工廠或辦公室中使用的涂覆材料、粘合劑、清潔劑等中的有機溶劑中揮發的物質。例如還可以包括從諸如重油、煤油、液化石油氣(LPG)和人工煤氣等的燃料中揮發的物質以及在燃燒燃料的過程中未燃的氣體。另外的例子可以包括從農產品產生的乙烯。另外,其例子還可以包括從車輛的內部材料、住宅建筑材料和內部材料，以及從家電設備的殼體和組件揮發的物質。例如，作為待處理氣體的一氧化碳是在工廠或廚房、或者在家用加熱電器中的燃燒過程中由于不完全燃燒而產生的。包含此類待處理氣體的氣體流經催化劑介質100并同時受等離子體作用。因此，待處理氣體可不被加熱并通過氧化分解有效地轉換為C02而無害化，并且無害氣體可以釋放到空氣中。
[0118]本實施方式中，說明了氣體處理裝置200設置有催化劑I作為獨立催化劑介質100。然而，本發明并不限于該實施方式。等離子體生成單元可以被配置為與催化劑介質成一體。具體來講，催化劑I可以被配置為，使催化劑微粒l_a固定在施加電極11、接地電極12或電介質材料13的表面。上述配置可以進行組合。
[0119]本實施方式被配置為電介質材料與接地電極12緊密接觸，但是本發明并不限于本實施方式。只要可以生成等離子體并且電介質材料13可以與施加電極11和接地電極12中的至少一方緊密接觸即可。此外，可以設置成一個電介質材料13與施加電極11緊密接觸而另一個電介質材料13與接地電極12緊密接觸，并且可以將催化劑介質100設置在兩個電介質材料13之間。
[0120]本實施方式中，說明了催化劑介質100設置在施加電極11與電介質材料13之間，但是本發明并不限于該實施方式。當催化劑介質100位于氣流通道中存在等離子體的位置時，待處理氣體通過氧化分解被轉換成CO2的處理會得到加速。因此，催化劑介質100可以設置在包括有施加電極11、電介質材料13和接地電極12的等離子體生成單元的氣流方向的下流側。
[0121]本實施方式中，說明了施加電極11設置在氣流方向的下流側，但是本發明并不限于該實施方式。氣體可流自接地電極12偵U。
[0122]本實施方式中，說明了支持催化劑微粒Ι-a的載體微粒Ι-b通過硅烷單體2等的硅烷化合物來固定，但是本發明并不限于該實施方式。載體微粒ι-b可以通過包括一般樹脂的粘合劑來固定。除了化學結合以外，還可以使用諸如范德華力和物理吸附之類的已知固定方法。
[0123]在上述本實施方式的氣體處理裝置200中，可以通過等離子體與催化劑媒體100的組合對待處理氣體進行有效氧化和分解，以加速待處理氣體被氧化和分解的反應。此外，即使催化劑I在分解處理的過程中中毒，催化劑I也可以被等離子體解毒。因此，能夠長期維持催化劑介質100的催化活性。在根據本實施方式的氣體處理裝置200中，能夠長期穩定地對待處理氣體進行氧化分解。此外，在本實施方式中，如果結合到基板10的載體微粒Ι-b通過硅烷單體2結合到基板10，則催化劑I被牢固地固定到基板10上。因此，可以抑制脫離。相應地，可以防止催化劑I掉落，并且可以長期穩定地維持對待處理氣體的氧化分解性能。
[0124](第二實施方式)
[0125]接下來說明第二實施方式。圖3是表示根據本實施方式的催化劑介質100的一部分剖面的不意性視圖。以下，用相同符號表不與第一實施方式中的部件相同的部件，并省略其說明。
[0126]在本實施方式的催化劑介質100中，催化劑微粒l_a通過范德華力、物理吸附等固定到基板10的表面。本實施方式的催化劑微粒Ι-a沒有與無機微粒固定而是直接固定到基板10的表面。優選的是，催化劑微粒Ι-a的粒徑與第一實施方式中的相同。
[0127]被基板10所支持的催化劑微粒l_a的量相對于基板10的量優選為0.5~20質量％，更優選為0.5~10質量％。這是因為當該量是20質量％以上時,催化劑微粒Ι-a會聚合從而降低催化活性。
[0128]對基板10上的催化劑微粒l_a進行支持的方法并無特定限制。該方法的具體例子以包括共沉淀法、沉積-沉淀法、溶膠-凝膠法、滴下中和-沉淀法、還原劑添加法、PH控制中和-沉淀法以及羧酸金屬鹽添加法。可以根據載體的類型適當使用上述方法。
[0129]下面將參照沉積-沉淀法來具體說明本發明的用于調節催化劑介質的方法。在沉積-沉淀法中，在20~90°C，優選為50~70°C的溫度下對溶解有金化合物的水溶液進行加熱并攪拌，同時用堿性溶液將該溶液的PH值調節為3~10，優選為5~8。將調節后的溶液添加到基板10上，然后在100到200°C下加熱并干燥。
[0130]金化合物水溶液的例子可以包括HAuCl4.4H20、NH4AuCl4、KAuCl4.nH20、KAu (CN) 4、Na2AuCl4, KAuBr4.2H20 和 NaAu^v 金化合物的濃度優選為 I X 10-2 ~I X r5mol/L。
[0131]根據本實施方式，催化劑微粒l_a被直接固定到基板10。因此，基板本身充當了載體。進而不需要載體微粒，而能獲得抑制催化劑微粒聚合的效果。
[0132]在本實施方式中，催化劑微粒l_a可以是與助催化劑混合的混合顆粒或者復合顆粒。
[0133]在催化劑介質100中，除了催化劑微粒Ι-a以外，還可以在基板10的表面上支持錳、鈷等的氧化物。這是因為，氧化物微粒抑制了有害物質與催化劑微粒l_a的粘附從而長期穩定地維持催化劑活性。具體來講，氧化物微粒可以阻止未被等離子體分解的無機物質的有害物質附著到催化劑微粒l_a，因此是有效的。在本實施方式中，金(Au)被用作催化劑微粒Ι-a。當然,使用在第一實施方式中例示的Pt、Ce02、Pd0等，同樣也能制造催化劑介質100。
[0134](第三實施方式)
[0135]接下來說明第三實施方式。圖4是表示該實施方式的催化劑介質100的部分示意性剖視圖。在第三實施方式的催化劑介質100中，在通氣方向上可透氣的容器內填充有大量無機顆粒1-C，無機顆粒1-C上固定有催化劑微粒Ι-a。當包含待處理氣體的氣體在圖4所示的通氣方向上流過時，該氣體流過無機顆粒Ι-c之間的空間，并且與無機顆粒Ι-c上的催化劑微粒Ι-a接觸。結果，加速了氧化分解反應，將待處理氣體轉換成C02。本實施方式的支持催化劑微粒l_a的無機顆粒Ι-c的容器可具有保證透氣性且無機顆粒Ι-c不會泄漏到外部的結構。例如，在該結構中，氣體流進的面和氣體流出的面可以具有孔徑小于無機顆粒Ι-c粒徑的孔。容器的材料無特定限制，可以使用上述實施方式中的基板10的材料。
[0136]作為本實施方式的無機顆粒Ι-c的材料，可以使用與無機顆粒l_b相同的物質。要使用的材料可根據要分解的氣體的類型來選擇。無機顆粒Ι-c的平均粒徑可以是100 μ m以上、5000 μ m以下，優選為IOOym?ΙΟΟΟμπι。無機顆粒可以單獨使用或者可以兩種以上混用。
[0137]催化劑微粒Ι-a被固定到無機顆粒Ι-c的表面。制造無機顆粒l_c和催化劑微粒1-a的復合顆粒的方法(當與其他功能微粒組合使用時，制造作為母顆粒的無機顆粒Ι-c的復合顆粒、催化劑微粒l_a和其他功能微粒)并無特定限制，只要無機顆粒Ι-c可以與催化劑微粒l_a進行組合即可。例如，當無機顆粒Ι-c和子顆粒(催化劑微粒l_a)在研缽中混合時，可以形成催化劑微粒l_a嵌入在無機顆粒Ι-c中的復合顆粒。此外，復合顆粒可以通過機械化學方法來形成。機械化學方法的例子可以包括高速氣流撞擊法和表面融化法，前者是無機顆粒Ι-c與催化劑微粒l_a撞擊以機械地將無機顆粒Ι-c結合到子顆粒，而后者是對無機顆粒Ι-c和催化劑微粒l_a施加高壓以通過所產生的能量將無機顆粒Ι-c結合到催化劑微粒l_a。
[0138]作為能夠通過將催化劑微粒l_a嵌入到無機顆粒Ι-c中進行固定來形成復合顆粒的裝置，例示了通用球磨機。此類裝置的其他例子可以包括旋轉刀片型裝置，包括KAWATAMFG公司制造的超級混合器；和震蕩型裝置，包括ASADA IRON WORK公司制造的PAINTSHAKERo另外，例如還可包括Nara Machinery公司制造的Hybridization System(注冊商標)、Hosokawa Micron公司制造的Mechanofusion (注冊商標)以及介質衆料干燥機(mediaslurry dryer)。然而,該裝置并不具體限于上述裝置。
[0139]在另一混合方法中，例如可以使用滾筒式球磨機、高速旋轉粉碎機、高速氣流沖擊型粉碎機、介質攪拌磨或機械融合設備。作為高速旋轉粉碎機的運行因數，對攪拌速度、介質量、攪拌時間等進行調節。通過該調節，可以調整催化劑微粒l_a嵌入無機顆粒Ι-c的程度(深度)。作為高速氣流沖擊型粉碎機的運行因數，對載體氣體的壓力、停留時間等進行調節。通過該調節，可以調節催化劑微粒l_a嵌入無機顆粒Ι-c的程度。
[0140]在組合過程中，將無機顆粒Ι-c和催化劑微粒l_a供應給能夠產生上述復合微粒的組合裝置，使得催化劑微粒l_a相對于無機顆粒Ι-c的比率是0.5質量％以上、40質量％以下。在使用該裝置的組合過程中，催化劑微粒l_a嵌入無機顆粒Ι-c。所形成的復合微粒彼此碰撞以將催化劑微粒l_a更深入地嵌入無機顆粒Ι-c。結果是，形成平滑表面，使得催化劑微粒l_a不會從無機顆粒Ι-c的表面突出。
[0141]根據本實施方式，催化劑微粒Ι-a由具有相對較大的粒徑的無機顆粒Ι-c支持。因此，催化劑微粒Ι-a不聚合。此外，由于粒徑較大，顆粒難以分散。因此，不必將催化劑微粒固定到基板。
[0142](第四實施方式)
[0143]下面說明第四實施方式。圖5是表示根據本實施方式的催化劑介質100的一部分剖面的示意性視圖。在本實施方式的催化劑介質100中，催化劑微粒ι-a固定在多孔氧化膜的微孔內部。
[0144]在本實施方式的催化劑介質100中，在基板10的表面形成有氧化膜4。在氧化膜4上形成有許多微孔5。形成于氧化膜4的每個微孔5都填充有催化劑微粒Ι-a。因為催化劑介質100必須可透氣，所以通過打孔形成穿過催化劑介質100的多個孔。優選的是，本實施方式的催化劑介質100被設置成，在氣體處理裝置200中，使氧化膜4 一側的催化劑介質100與電極對置并朝向氣流方向的上游側。
[0145]在催化劑介質100中，對金屬板進行陽極氧化處理以形成氧化膜，并通過黏著將其固定到由第一實施方式中例示的任意材料形成的基板10的表面。另選的是，對作為基板10的金屬板進行氧化以在基板10的表面形成氧化膜4。金屬板的例子可以包括鋁、鉭、鈮、鈦、鉿、鋯、鋅、鎢、鉍和銻。由于易于通過陽極氧化形成微孔，所以優選鋁和鈦。盡管對金屬板的形狀無特定限制，但是其整體厚度優選為0.05?1.0mm,更優選為0.08?0.35mm,最優選為0.1?0.3_。
[0146]作為氧化方法，可以使用任何已知方法。例如，可以使用以下方法，即，在酸濃度為I?10質量％的溶液中，電流流過作為陽極的、形成有氧化膜的金屬板。作為在陽極氧化處理中使用的溶液，例如可以使用磷酸、鉻酸、草酸、硫酸、檸檬酸、丙二酸、酒石酸的水溶液。為了控制結晶度，可進行熱處理。在形成具有諸如Y-氧化鋁或α-氧化鋁的結晶度的氧化膜時，可以使用在包含碳酸鈉或磷酸鈉的水溶液中對鋁進行火花放電的方法，或者在包含硫酸氫鈉和硫酸氫銨的熔鹽中進行陽極氧化的方法。根據金屬板的金屬材料，通過陽極氧化形成微孔5。根據氧化中的諸如施加電壓、處理溫度、處理時間等條件，可以對微孔5的直徑、微孔間距、膜厚等進行調節。
[0147]催化劑微粒Ι-a吸附在氧化膜4的表面。此外，催化劑微粒l_a固定于氧化膜4，即使與待處理氣體相接觸也不會解吸附。將催化劑微粒l_a固定到氧化膜4上的方法并無具體限定，可以采用沉積-沉淀法、沉積-還原法、浸潰法、離子交換法、共沉淀法、沉積法、揉捏法、水熱合成法、氣相合成法等已知方法。
[0148]根據本實施方式，當催化劑微粒l_a固定于金屬材料時，這些微粒固定于氧化膜4的表面。因此，可以獲得牢固固定的效果。具體來講，當催化劑微粒l_a固定到通過陽極氧化處理而形成的微孔5的內部時，這些微粒更牢固地固定于催化劑介質100。因此，可以防止催化劑微粒l_a掉落，并且可以長期穩定地獲得催化劑效果。
[0149]本實施方式被說明為催化劑微粒l_a被直接支持于氧化膜4，但是本發明并不限于該實施方式。載體微粒l_b可以沉淀在氧化膜4的表面，催化劑微粒Ι-a可以由載體微粒Ι-b的表面支持。當然，利用催化劑微粒l_a被直接支持到氧化膜4上的方法易于進行生產。
[0150](第五實施方式)
[0151]接下來說明第五實施方式。圖6是本實施方式的氣體處理裝置300的示意圖。本實施方式是氣體處理裝置的另一個實施方式。具體來講，本實施方式的氣體處理裝置300具有下述構造:多個在第一實施方式中說明的氣體處理裝置200在待處理氣體的流動方向
上層置。
[0152]在本實施方式中，氣體處理裝置300具有多個施加電極11、多個接地電極12、多個電介質材料13、多個催化劑介質100以及一個電源14。在本實施方式的氣體處理裝置300中，非熱等離子體反應層8通過交替放置施加電極11、接地電極12和電介質材料13而設置。支持催化劑微粒的各個催化劑介質100均被設置在非熱等離子體反應層8中的施加電極11與接地電極12之間。一組施加電極11、催化劑介質100、電介質材料13和接地電極12相當于第一實施方式的氣體處理裝置200。多個施加電極11或者多個接地電極12中一方充當第一電極，另一方充當第二電極。此外，所述多個施加電極11、所述多個接地電極
12、所述多個電介質材料13和所述電源14構成等離子體生成單元。
[0153]待處理氣體沿箭頭a的方向流入氣體處理裝置300，分解氣體沿箭頭b的方向從該裝置排出。在氣體處理裝置300中，等離子體反應層8具有多層結構，其中施加電極11、接地電極12和催化劑介質100層疊在一起。每一層中均設置有支持催化劑的催化劑介質100，以形成多層結構。因此，待處理氣體等可以在電極之間高度氧化和分解。
[0154]根據本實施方式，得益于多層結構，可高效氧化分解大量氣體。
[0155](第六實施方式)
[0156]下面說明第六實施方式。圖7是本實施方式的氣體處理裝置400的示意圖。圖8是本實施方式的氣體處理裝置400的剖面的示意圖。圖7是表示具有圖8所示結構的氣體處理裝置400的分解狀態的分解立體圖。在氣體處理裝置400中，施加電極11和接地電極12分別設置在板狀或片狀電介質材料13的一面和另一面上。在這種結構中，在電介質材料13的兩面引發放電從而生成等離子體。本實施方式的氣體處理裝置400區別于氣體處理裝置200和氣體處理裝置300之處在于，待處理氣體沿著催化劑介質100的面流動，然后被處理。下面說明本實施方式的氣體處理裝置400的構造，用相同符號表示與上述實施方式中相同的部件，并省略其說明。
[0157]本實施方式的施加電極11和接地電極12都是由大量電極形成的梳齒狀電極。施加電極11、接地電極12和電介質材料13被設置成，使電介質材料13與施加電極11和接地電極12中的至少一個相接觸。因此，所有施加電極11、接地電極12和電介質材料13均可緊密地層疊。優選的是，當催化劑介質100對應于等離子體存在區域9時，施加電極11和接地電極12的厚度薄。
[0158]當在施加電極11和接地電極12之間施加AC高壓時，在施加電極11和電介質材料13之間，于電介質材料13發生沿面放電，從而生成等離子體。類似地，在接地電極12和電介質材料13之間，于電介質材料13的表面發生沿面放電，從而生成等離子體。
[0159]催化劑介質100具有與上述實施方式中的催化劑介質相同的構造。如圖7所示，本實施方式的催化劑介質100設置在施加電極11和接地電極12的外部。如上所述，在氣體處理裝置400中，待處理氣體沒有流過催化劑介質100，而是沿著催化劑介質100流動以加速變為CO2的氧化分解反應。因此，本實施方式的催化劑介質100可以具有在氣體處理裝置200和300中使用的可透氣結構，或者無透氣性的片狀結構或板狀結構。
[0160]當催化劑介質100具有不透氣結構時，可以用壓花在表面形成凹凸。如果在催化劑介質100的表面上形成了凹凸，與流動氣體接觸的面積就會增大。可以進一步加速將待處理氣體變為CO2的氧化分解反應。
[0161]如圖7所示(箭頭c-d)，在具有本實施方式的結構的氣體處理裝置400對氣體進行處理的過程中，氣體在施加電極11的梳齒之間沿梳齒流動。當氣體在接地電極12 —側流動時，梳齒狀電極可以是可透氣的。氣體沿著施加電極11的梳齒的方向(如接地電極12一側上的箭頭c-d所示)流過可透氣的接地電極12。在此情況下，當催化劑介質100是可透氣的時，氣體可以從電極一側穿過相鄰催化劑介質100，并且氣體可以從催化劑介質100穿過電極。
[0162]如圖8所示，當電極薄時，等離子體存在區域9也存在于催化劑介質100的外部。如圖7的箭頭a-b所示，氣體可以在催化劑介質100的外部流動。因此，氣體在流動的同時與設置在施加電極11和接地電極12外部的催化劑介質100接觸。這加速了將待處理氣體轉換為CO2的氧化分解反應。此外，由施加電極11與電介質材料13之間的放電所生成的等離子體和由接地電極12與電介質材料13之間的放電所生成的等離子體加速了 CO變為CO2的氧化分解反應。
[0163]本實施方式能夠提供即使氣體沿著催化劑介質100的表面流動并被處理，也能夠加速待處理氣體變為CO2的氧化分解反應，從而有效地將包含待處理氣體的氣體氧化和分解為CO2等的氣體處理裝置400。具體來講，由于氣體沿著催化劑介質100的表面流動，所以氣體與催化劑介質100的接觸時間增加，并且可以在將待處理氣體變為CO2的氧化分解反應中獲得催化劑介質100產生的反應加速效果。
[0164]在本實施方式中，能夠通過在電介質材料13兩側的放電生成等離子體，并且可以通過一組施加電極11、接地電極12和電介質材料13來有效地處理氣體。
[0165]本實施方式中，說明了作為氣體處理裝置400，施加電極11設置在電介質材料13一面側，接地電極12設置在電介質材料13的另一面側，而催化劑介質100設置在電極外部。然而，本發明并不限于該實施方式。氣體處理裝置可以具有這種結構，即，催化劑介質100與待處理氣體相接觸，氣體流過由施加電極11、接地電極12和電介質材料13生成了等離子體的空間，等離子體由此作用于待處理氣體。具體來講，當催化劑微粒l_a被固定于電介質材料的表面，并且催化劑材料13具有和催化劑介質100 —樣的功能時，可以省略催化齊IJ介質100。此外，可以采用將電極設置在催化劑介質100外部的方法、將催化劑介質100固定到電極表面上的方法，或者上述方法中兩種以上的組合。當催化劑介質100和電介質材料13可透氣時，待處理氣體可以在不沿著梳齒而是與催化劑介質100或電介質材料13的表面垂直的方向上流動。
[0166](第七實施方式)
[0167]下面說明第七實施方式。圖9是表示該實施方式的氣體處理裝置500的示意性視圖。本實施方式的氣體處理裝置500是第六實施方式的氣體處理裝置400的變型例。
[0168]氣體處理裝置500是通過在層疊電極(11和12)和電介質材料13的方向上層疊多個第六實施方式的氣體處理裝置400而構成的。在氣體處理裝置500中，與氣體處理裝置400中的氣體流道相同地，待處理氣體從電極的梳齒之間的空間穿過催化劑介質100。另選的是，當氣體處理裝置400被層疊時，在這些裝置之間設置了間隙，使得等離子體存在區域不被中斷，并且氣體流過該間隙。催化劑介質100和等離子的使用加速了待處理氣體變為CO2的氧化分解反應。
[0169]根據本實施方式，氣體處理裝置500是通過層疊多個氣體處理裝置400而構成的。因此，能夠更有效地將氣體中的待處理氣體氧化分解。
[0170](第八實施方式)
[0171]下面說明第八實施方式。圖10表示作為該實施方式的一個實施例的氣體處理裝置600的一部分剖面的示意性視圖。在本實施方式的氣體處理裝置600中，通過無聲放電來生成等離子體。
[0172]在氣體處理裝置600中，非熱等離子體反應層設置有施加電極11、接地電極12和電介質材料13，通過高壓電源14施加的電壓由施加電極11、接地電極12和電介質材料13生成有等離子體，并且兩個電極之間設置有催化劑介質100。這些電極、電介質材料13和催化劑介質100緊緊地層壓在一起。在圖10中，施加電極11和接地電極12被層疊從而均與電介質材料13緊密接觸。然而，可以僅為它們中的任意一個設置電介質材料13。
[0173]催化劑介質100與電介質材料13可緊密接觸，也可不緊密接觸。當催化劑介質與電介質材料在兩側緊密接觸時，催化劑介質100必須可透氣。當催化劑介質100不與至少一個電介質材料13緊密接觸時，催化劑介質100可以是不可透氣的。在本實施方式的氣體處理裝置600中，氣體以圖10的箭頭a的方向流入，并且氣體在箭頭b的方向上從另一端側排出。由此，該氣體被分解。當氣體處理裝置600具有多層結構時，廢氣處理裝置600被設置成可有效分解大量的氣體，并且根據使用條件，例如待處理氣體的量和流速，可以有效地氧化分解待處理氣體。催化劑介質100可以是單層或多層，并可以任意設定。
[0174](第九實施方式)
[0175]下面說明第九實施方式。圖11表示本實施方式的氣體處理裝置700的一部分剖面的示意性視圖。在本實施方式的氣體處理裝置700中，通過無聲放電產生等離子體以分解氣體。
[0176]氣體處理裝置700具有圓筒形的結構，其中，筒形施加電極11、筒形接地電極12和筒形催化劑介質100沿徑向方向以年輪形狀向外層疊。在設置有施加電極11、接地電極12和電介質材料13，并通過高壓電源14施加的電壓生成等離子體的非熱等離子體反應層中，在兩個電極之間設置有催化劑介質100。在圖11中，施加電極11和接地電極12被層疊，從而均與電介質材料13緊密接觸。然而，可以僅為它們中的任意一個設置電介質材料13。
[0177]催化劑介質100與電介質材料13可以緊密接觸，也可不緊密接觸。在氣體處理裝置700中，氣體從兩個圓形端部的一側流入，而從另一端排出。由此將氣體分解。氣體處理裝置700的等離子體反應層8可具有年輪形狀的多層結構。在該多層結構中，可有效地分解大量氣體，這與第五實施方式的氣體處理裝置300 (圖6)的多層結構或第七實施方式的氣體處理裝置500(圖9)的多層結構相同。設置等離子體反應層8，從而可以根據使用條件，例如待處理氣體的量和流速有效地氧化分解待處理氣體。在這種情況下，可以任意設定一個或多個催化劑介質100的年輪形狀層。
[0178](第十實施方式)[0179]下面說明第十實施方式。圖12是例示了本實施方式的氣體處理裝置800的構造的示意圖。本實施方式的氣體處理裝置800是由四個在第九實施方式所述的圓柱狀的氣體處理裝置700組合而成的。由此，將多個圓筒狀的氣體處理裝置700組合，從而可以處理更大量的氣體。
[0180]在圖12的氣體處理裝置800中，氣體處理裝置700被布置成兩行兩列。本發明并不局限于這種布置。氣體處理裝置700可以根據氣體處理裝置800被設置的地點的形狀來適當地排列。例如，多個氣體處理裝置700可以被布置成在一行或一列，或者可以將氣體處理裝置800的剖面布置成矩形、梯形和三角形等多邊形或圓形。
[0181]實施例
[0182]在下文中，參照實施例更具體地說明本發明。然而，本發明不限于下述實施例。
[0183](催化劑介質I的制造)
[0184]用堿性洗滌劑沖洗氧化鋁織物(100毫米XlOO毫米，NHlVY股份有限公司生產)的表面，然后用離子交換水沖洗。將氧化鋁織物浸潰在甲醇中，然后通過干燥機干燥。再將氧化鋁織物浸潰在氧化鋁溶膠(日產化學工業株式會社生產)，并通過鼓風機去除過量的氧化鋁溶膠。將織物在110°c下臨時干燥2分鐘，然后在1300°C下燒制2小時。通過噴霧將鉬納米顆粒的膠體溶液(TOKURIKI HONTEN股份有限公司，5nm)施加到處理過的氧化鋁織物上。接著，將氧化鋁織物在600°C下干燥4小時，以產生具有支持鉬的α-氧化鋁層的氧化鋁織物(催化劑介質)(相當于第二實施方式的催化劑介質)。此時，支持的鉬的量經ICP測定，為1.5重量％。
[0185](催化劑介質2的制造)
[0186]將0.5重量％的二(乙酰丙酮)鉬在研缽中與直徑為500 μ m、純度為99.99重量％的α -氧化鋁珠(ΤΑΜΕΙ CHEMICALS有限公司生產)混合，以在氧化鋁珠的表面支持乙酰丙酮鉬。接著，在電爐中將支持有乙酰丙酮鉬的氧化鋁珠在450°C下燒制4小時，以獲得支持0.9重量％的鉬的催化劑介質(相當于第三實施方式的催化劑介質)。催化劑為顆粒。因此，當實際上將催化劑用作催化劑介質時，將催化劑填充至容器內，使得顆粒不會漏出，同時維持透氣性，以允許待處理氣體穿過催化劑并允許存在等離子體。在實施例中，使用圖10中所示的裝置作為如下所述的氣體處理裝置。因此，催化劑被包裹在可透氣網中來用作催化劑介質。
[0187](催化劑介質3的制造)
[0188]將厚度為0.2毫米的99.7重量％的鋁板(100毫米X 100毫米)浸潰在將硫酸氫鈉和NH4HSO4以1:1的重量比混合并在170°C下加熱混合物所得的熔融鹽中。將SUS304用作反電極，將浸潰的鋁用作陽極，施加170V的電勢以形成由多孔α-氧化鋁構成的氧化膜。接著，對膜進行水洗和干燥。通過噴涂將2.0重量％的PT(NO2) (NH3)的水溶液施加到薄膜上，并在電爐中于450°C下燒制4小時，以獲得支持有1.2g/m2鉬的板狀催化劑介質(相當于第四實施方式的催化劑介質)。
[0189](非熱等離子體反應器(氣體處理裝置))
[0190]在實施例中，作為產生非熱等離子體的裝置，使用設置有圖10所示的非熱等離子體施加單元的氣體處理裝置600。接地電極12由氧化鋁板制成，施加電極11由電介質材料13外側的銅帶構成。電介質材料13為α-氧化鋁。在反應中使用的支持有鉬的催化劑介質100被設置在與施加電極11相接觸的電介質材料13和與接地電極12接觸的另一電介質材料13之間的間隙(I毫米)中。催化劑介質100是按照上述方式制造的三種催化劑介質中的每一種。
[0191]在氣體處理裝置600中，由于待處理氣體在圖10的箭頭a的方向流入，并在箭頭b的方向排出(從而使氣體不會從箭頭b的方向以外的其它方向泄漏)，雖未在圖中表不，但平行于氣流方向的兩側的面(催化劑介質100的圖10紙面前側和背側的面)涂覆有由氯乙烯制成的殼體。
[0192]用氣體處理裝置600將電壓施加在施加電極11和接地電極12之間，使得由施加電極11和接地電極12形成的等離子體反應層之間產生等離子體。使乙烯(C2H4)氣體作為待處理氣體流入，進行在室溫下除去(分解)C2H4的試驗。
[0193]為了生成等離子體，使用了設置有函數發生器和高壓放大器的AC高壓電源。所施加的電壓被設定為O?20kVpk-pk的范圍。放電輸出由V-Q利薩如法確定。
[0194]在C2H4氧化試驗中，C2H4氣體的初始濃度和流速分別被調整為50ppm和200毫升/分鐘，從而使C2H4氣體被允許流過氣體處理裝置600。利用配備有2.4微米光路徑長度的氣體單元(gas cell)的FTIR(傅氏轉換紅外線光譜分析儀)對穿過氣體處理裝置600的氣體進行氣體分析，并且執行對C2H4、CO和CO2的定量分析。
[0195]使C2H4氣體穿過氣體處理裝置600，并且施加等離子體。施加等離子體后15分鐘的C2H4XO和CO2的濃度被用作反應后的氣體濃度。C2H4清除率、CO生成率和CO2的生成率如下確定。
[0196]C2H4清除率(％ ) = {(初始C2H4濃度-反應后C2H4濃度)/C2H4的初始濃度} X 100
[0197]CO生成率(％) = [(反應后CO濃度)/ {(初始C2H4濃度)X 2} ] X 100
[0198]CO2生成率(%) = [(反應后CO2濃度)/ {(初始C2H4濃度)X 2} ] X 100
[0199]由分解后的乙烯產生的除了 CO或CO2以外的其它反應中間物的比率如下確定。
[0200]反應中間物產生比率(％ ) = C2H4清除率)-CO生成率)-CO2生成率)
[0201]實施例1到21
[0202]作為催化劑微粒，除了 Pt以外還使用Ce02、Pd0和Au。在表I中，作為催化劑介質的形式，將在制造催化劑介質I (織物形式)時產生的，形成有α-氧化鋁層的氧化鋁織物的形式表示為a。將在制造催化劑介質2 (珠形式)時產生的，平均粒徑為500μπι的α-氧化鋁顆粒的形式表示為b。將在制造催化劑介質3時產生的，同樣具有由多孔α-氧化鋁形成的氧化膜的氧化鋁板(平板形式)表示為C。電源14的放電輸出分別為0.5、1.0和
3.0ff,電源的輸出頻率分別為 0.05,0.5,0.75、1.0、1.5,2.0,3.0,5.0,7.0 和 9.0kHz0
[0203]比較例I和2
[0204]在比較例I中，使用Pt作為催化劑，(織物形式)用作催化劑的形式，使乙烯氣體在不施加等離子體(僅使用催化劑)的情況下流動。在比較例2中，未使用催化劑，并且以1.0ff的放電輸出和1.0kHz的電源輸出頻率來施加等離子體。
[0205]表I中示出了實施例與比較例的細節條件、以及乙烯分解結果。
[0206]表I
【權利要求】
1.一種氣體處理裝置，包括: 待處理氣體流通的流道； 等離子體生成單元，其被設置在所述流道內，包括至少第一電極、第二電極、電介質材料和用于提供電力的電源單元，其中，由所述電源單元在所述第一電極和所述第二電極之間施加電壓以引發放電，由此生成等離子體；以及 催化劑介質，其被設置在由所述流道內的所述等離子體生成單元生成的所述等離子體所存在的位置，加速與所述待處理氣體的反應，并具有存在于無機物質上的金屬催化劑顆粒。
2.根據權利要求1所述的氣體處理裝置，其中: 所述第一電極、所述第二電極、所述電介質材料以及所述催化劑介質被依次排布在所述待處理氣體的流動方向上，并且在所述氣體的流動方向上都是可透氣的；并且 所述催化劑介質被布置在所述流道中引發放電的空間中、或者被布置在所述氣體的流動方向上的所述空間的下游側。
3.根據權利要求1所述的氣體處理裝置，其中，所述第一電極、所述第二電極、所述電介質材料以及所述催化劑介質在與所述氣體的流動方向垂直的方向上依次排布。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的氣體處理裝置，其中，所述催化劑介質還包括由無機材料制成的基板，至少所述金屬催化劑顆粒被固定于該基板。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的氣體處理裝置，其中，所述催化劑介質還包括: 無機顆粒，其表面固定有所述金屬催化劑顆粒；和 由無機材料制成的基板，所述無機顆粒被固定于該基板。
6.根據權利要求1至3中任一項所述的氣體處理裝置，其中，所述催化劑介質填充有支持所述金屬催化劑顆粒的大量的無機顆粒。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的氣體處理裝置，其中，所述第一電極和所述第二電極均為由在各自的預定方向上延伸的大量電極形成的梳齒狀電極，并且所述待處理氣體流經由所述梳齒狀電極、所述電介質材料和所述催化劑介質形成的空間。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的氣體處理裝置，其中，所述等離子體是無聲放電、沿面放電、電暈放電和脈沖放電的放電等離子體中的至少一種。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的氣體處理裝置，其中，所述金屬催化劑顆粒是由Pt、Au、CeO2> PdO、MnO2> CuO和Ag中的至少一種制成的。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的氣體處理裝置，其中，所述電源單元以0.5kHz以上的輸出頻率來提供電力。
11.一種氣體處理方法,包括: 通過在設置有用于加速與待處理氣體的氧化分解反應的催化劑介質的范圍內進行放電來生成等離子體；以及 使所述待處理氣體流經所述等離子體來進行氧化分解。
12.根據權利要求11所述的氣體處理方法，其中，以0.5kHz以上的輸出頻率來提供電力以引發放電，由此生成所述等離子體。
【文檔編號】A61L9/00GK103974758SQ201280056876
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年9月4日 優先權日:2011年9月21日
【發明者】池上誠, 松本貴紀, 中山鶴雄, 直原洋平 申請人:株式會社Nbc紗綱技術