Transcript 20,大気汚染物質の光化学反応による変質と評価

20 大気汚染物質の光化学反応による変質と評価
Chemical conversion of air pollutants by photochemical reaction
参加登録学生指名
指導担当教員名
: 北代哲也（Tetsuya KITASHRO）, 木下勝利史（Masatoshi KINOSHITA）, 栗田優樹（Yuki KURITA）
:関口和彦（Kazuhiko SEKIGUCHI）
概要
大気中に存在する揮発性有機化合物 (VOC) ガスは、光化学
反応を経て大気中で有害なナノ粒子へと変質する。その一方で、
これら光化学反応を触媒等を複合し人工的に起こせば、VOCガ
スの無害の無機ガスへと変換可能である。本プロジェクトでは、
大気中超微小粒子における昼夜別 挙動を明らかにするため、8
月7～19日の間、サンプリングを行った。また、これら光化学反応
を用いたVOCガスの処理技術について基礎的検討を加えた。
サンプリング
Summary
Volatile organic compound (VOC) gas that exists in the atmosphere
changes to harmful nanoparticles in the atmosphere through the
photochemical reaction. On the other hand, if this photochemical
reaction is caused artificially with catalyst, VOC gas is decomposed
and converted to harmless inorganic gases, such as CO and CO2. In
this project, atmospheric sampling was carried out at daytime and
nighttime to clarify the behavior of ultra-fine particles during 7th-19th
in August. Furthermore, a fundamental examination of VOC gas
treatment using photochemical reaction was also carried out.
Table.1 Sampling condition.
Sampling site
光触媒、オゾンマイクロバブルによる2-propanol分解実験
period
Sampling time
Sampler
8/7~8/19
8:00~19:30(11.5h)
20:00~07:30(11.5h)
PM0.1nanosampler
PM2.5 cyclone
Background(10F)
Roadside
Ultra-fine particle collection system
Fine particle collection system
Inlet (40 L / min)
PM10 impactor
PM2.5 impactor
PM1 impactor
PM0.5 impactor
PM0.1 impactor
Inertial filter
(Quartz fiber filter)
Fig. 2. Experimental setup for decomposition and mineralization of 2-propanol using photocatalyst
and ozone microbubble. T: Water tank (40 L); OG: Ozone generator; R: Photochemical
reactor; MBG: Microbubble generator; F: Flow meter; S: Sampling port; C: Cooler; P: Pump
Pump(40 L / min)
(Quartz fiber filter)
Fig. 1 Principle of nano-particle sampler and cyclon .
測定結果
Table 2 Carbonaceous and ionic components in PM0.1 and PM2.5 during measuring period
at background(10F) and roadside
roadside PM2.5 day
night
PM0.1 day
night
10F
PM2.5 day
night
PM0.1 day
night
average
Max
Min
average
Max
Min
average
Max
Min
average
Max
Min
average
Max
Min
average
Max
Min
average
Max
Min
average
Max
Min
4.26
6.99
2.03
3.75
8.13
1.26
1.10
1.68
0.81
0.96
1.41
0.65
4.18
7.00
1.66
3.55
7.11
0.94
1.27
1.92
0.68
1.00
1.52
0.59
char-EC soot-EC WSOC
(mg/m 3 ) (mg/m 3 ) (mg/m 3 )
0.61
1.07
0.19
0.45
0.93
0.00
0.01
0.07
0.00
0.00
0.00
0.00
0.84
1.58
0.19
0.55
1.04
0.05
0.07
0.02
0.00
0.03
0.08
0.00
1.52
3.06
0.26
1.64
3.51
0.39
0.06
0.12
0.02
0.04
0.08
0.01
0.71
1.17
0.15
0.67
1.53
0.13
0.06
0.14
0.01
0.03
0.06
0.01
0.42
0.63
0.33
0.48
0.72
0.29
0.08
0.13
0.03
0.08
0.14
0.03
0.30
0.39
0.17
0.27
0.44
0.19
0.06
0.12
0.00
0.04
0.10
0.00
NH4 +
K+
(mg/m 3 ) (mg/m 3 ) (mg/m 3 )
3.22
4.97
1.58
2.65
4.61
1.39
0.58
0.75
0.39
0.48
0.65
0.31
3.48
7.17
1.44
2.68
4.40
1.12
0.63
0.82
0.49
0.37
0.56
0.15
1.70
2.91
0.42
1.23
2.08
0.29
0.02
0.04
n.d.
0.01
0.02
n.d.
1.73
3.12
0.44
1.36
2.15
0.28
0.05
0.14
0.01
0.02
0.04
0.01
0.17
0.28
0.07
0.28
0.72
0.07
0.01
0.01
0.00
n.d.
0.01
n.d.
0.19
0.31
0.11
0.24
0.63
0.08
0.03
0.05
0.01
0.02
0.04
0.01
Cl-
NO3 -
(mg/m 3 ) (mg/m 3 )
0.90
2.07
0.23
1.21
2.95
0.34
0.03
0.03
n.d.
0.06
0.15
0.01
0.55
1.76
0.12
0.80
1.71
0.33
n.d.
n.d.
n.d.
n.d.
n.d.
n.d.
0.30
0.40
0.19
0.68
1.82
0.19
0.03
0.02
n.d.
0.04
0.05
0.02
0.32
0.45
0.22
0.54
1.20
0.20
0.04
0.09
0.01
0.04
0.01
n.d.
SO4 2(mg/m 3 )
5.57
9.60
1.49
3.79
6.21
0.96
0.07
0.14
n.d.
n.d.
0.05
n.d.
5.78
10.28
1.37
3.57
7.03
0.84
0.18
0.48
n.d.
0.05
0.12
n.d.
4
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
3
ln[TOC] [ppm]
(mg/m 3 )
PyOC
Mineralization ratio [%]
OC
実験結果
UV
UV without tank
MB/UV
0
5
10
15
2
UV
UV without tank
UV/MB
1
0
-1
-2
20
-3
0
5
Time [h]
Fig. 3. Time variation of mineralization ratio for 2propanol, （▲）Decomposition using ozone
microbubble and UV irradiation; （◆）
Decomposition using UV irradiation;（■）
Decomposition using UV irradiation without
tank.
n.d. not detected
・二次生成の寄与が大きいとされる成分 (OC、WSOC、NH4+、SO42-)の濃
度が日中に高かったことがTable2から見て取れる。日中におけるこれら
成分とO3との間に良い相関が得られたため、光化学生成により、微小な
粒子が生成されたと考えられる。一方、二次生成起源であるNO3-と、燃焼
起源であるCl-成分に関しては夜間の方が高濃度で検出された。これは
NO3-は共に揮発性を有するため、日中の光化学生成により生成された
Cl-とNO3-のガス成分が湿度が上昇する夜間において粒子化し高濃度で
検出されたものと考えられる。
・Roadsideにおける昼夜別PM0.1のOC/EC比とOC/SO42-比、また、OC、EC
間、OC、O3間等の相関結果から日中では2次生成が支配的であり、夜間
では1次生成が支配的であることが明らかとなった。この結果はPM2.5 に
おいても同様な結果が得られた。
・10Fにおいても同様の計算を行った結果、 PM0.1 PM2.5それぞれでこのよ
うな傾向がさらに顕著に表れた。
10
Time [h]
15
20
Fig. 4. Pseudo-first-order fitting of total organic carbon
（TOC）. （▲） Decomposition using ozone
microbubble and UV irradiation; （◆）
Decomposition using UV irradiation; （■）
Decomposition using UV irradiation without tank.
Table 3
Mineralization performance of UV and efficiency of microbubble
MB/UV
Pseudo-first–order constant（K）（h-1）
0.32
UV
0.08
UV without
tank
1.63
・光触媒を固定化することで、光触媒を回収する工程を省略
することができた。また、通常の光触媒を懸濁させて使用す
る際の使用量(1 g/L)と比較して非常に少量(0.085 g)ながら、
高い分解効率を示した。
・オゾンマイクロバブルを導入することで、反応速度は約4倍
に向上した。
・今後は、無機化率向上のため、オゾン濃度、光源波長、マ
イクロバブルの流量と発生方法について検討を加えていく
予定である。