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論文題目「ロングDCアークを用いたSF6の分解機構の解明」

松井和希

1. 緒言
 化学的に非常に安定であるSF6は,主に変電所のガス遮断器や半導体産業におけるクリーニングガスとして使用されている.工業的に有用である反面,地球温暖化係数は約24,000と非常に高く,様々な分解処理手法が考えられている.中でも熱プラズマ処理は高温ゆえの高化学活性という特徴より,処理速度が速く,有害な副生成物を生じないという利点がある.
 そこで,本研究では新規の熱プラズマ発生方法であるロングDCアークを用いたSF6の分解を試みた.ロングDCアークは通常のDCアークよりも一桁以上長い電極間距離(300 mm)を有する.このため被分解物質の滞留時間が長く,難分解性であるフッ素系ガスの分解には非常に有用である.

2. 実験装置及び実験方法
 プラズマガスとしてN2 (30 L/min),被分解ガスとしてSF6 (1 L/min),添加ガスとしてH2 (0, 0.5, 1.0 L/min)を選定し,それらの混合ガスを反応管上部から流した.添加ガスとしてH2を用いる理由は,SF6の再結合を抑制するためであり,H/Fモル比として0.0,0.17,0.33と変化させた.
 SF6は反応管内ロングDCアークによって分解処理される.処理後の気体はHFを含むことが想定されるため,スクラバにて水酸化カリウム水溶液で中和処理を行ない,スクラバ下流で残りのガスをサンプリング,または排気する.分解率,生成ガス組成の検討のため,サンプリング後のガスはガスクロマトグラフ(GC)とGC質量分析器(GC-MS)により分析を行う.

3. 実験結果
 H/Fが0.0の場合DRE(DRE: Destruction and removal efficiency)が0%であるが,これは熱分解後の再結合反応によるものである.H/Fを大きくするにつれてDREは約99%となり,SF6は完全に分解された.これはSF6分解後のFとHが結合し,安定なHFを形成したからである.またSF6の分解生成物をGC-MSで分析した.H/Fを増やすことで SOF2が生成したが,これはSF6由来のSF4がスクラバにて加水分解する際の生成物である.また,H2Sの生成も顕著である.これらよりH2を添加することによりSF6の再結合を抑制できることが示された.
 H2添加によるSF6の再結合抑制について,ギブスの自由エネルギー変化の観点から考察した.HFの生成は約5,000 K以下,SF6の再結合反応は約2,000 K以下で開始する.熱プラズマの高温場で分解された解離種による反応は,より高い温度から生成が始まるHF形成が支配的となり,SF6の再結合に必要なFが減少する.したがってSF6の再結合が抑制された.

4. 結言
 ロングDCアークシステムにより難分解性ガスであるSF6の分解処理を行い,GC分析より分解率,生成ガスについて評価した.SF6の分解はH2の添加割合を増加させることにより完全に進行した.難分解性代替フロンガスを低出力で完全分解できるロングDCアークの半導体産業における活躍が期待される.

.得られた知見より,低消耗な多相交流アークによる粉体処理プロセス構築が可能となる.


第37回 プラズマ・核融合学会 年会 若手学会発表賞
(2020年12月)

「ロングDCアークによる難分解性ガスSF6の分解機構
化学工学部門2021年 修士中間発表 優秀発表賞
(2021年2月)

「ロングDCアークによる難分解性ガスSF6の分解機構

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