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論文題目「大気圧水プラズマによる有機化合物の分解機構」
水プラズマを用いて有機化合物の分解機構の検討を行った．本研究で扱う水プラズマは通常外部に捨てている冷却水を直接放電領域に吹き込んでいるため，90%以上の高い熱効率を得ることができる．また，本システムは水だけでなく，メタノール水溶液やエタノール水溶液を用いてもプラズマを発生することができる．
熱プラズマによる廃棄物処理を行う場合，処理物質を完全に分解するためには高反応性を持つ活性種の存在が重要になる．そのため，活性種を生み出す反応場としてプラズマの励起温度を求めた．水プラズマの励起温度は約9000 Kであり，励起温度はメタノール水溶液，エタノール水溶液の順に減少することがわかった．また，アーク電流値を増加させると励起温度は増加したことから，プラズマの温度を制御するパラメータはアーク電流である．したがって，水プラズマの持つ高温といった特性を利用して廃棄物処理に利用できると考えられる．
液体廃棄物のモデル物質としてメタノール水溶液，エタノール水溶液を使用し，分解実験を行い，分解生成ガスと分解生成液の定量分析をし，固体残渣を分析することで分解機構の検討を行った．本システムはプラズマの放電領域で処理物質を分解できるので分解効率が良い方法である．分解生成ガスは主に水素，一酸化炭素，二酸化炭素，メタンであった．分解ガス中に含まれる水素濃度は60%以上であった．カーボン収支を算出したところ，メタノール分解では固体炭素の生成がなかったのに対し，エタノール分解では固体炭素が顕著に生成していることがわかった．これらの結果から水プラズマは液状の廃棄物処理に利用できると考えられる．この方法は，処理するだけでなく，同時に水素というエネルギーを取り出せるため，ケミカルリサイクルへの移行が行われている現在において有用な手段であり，水素エネルギー社会構築の礎になり得ると言える．
水プラズマを用いた有機化合物の分解において，メタノール水溶液は燃焼反応が主な分解機構であり，カーボンブラックの生成は見られなかったのに対し，エタノール水溶液では熱分解反応が主な分解機構であり，C-C結合の開裂によるCH3，CHといった励起種が生成し，カーボンブラックを顕著に生成した．炭素分をカーボンブラックとして分離することで水素の分離にかかるコストを抑えることができると考えられる．また，カーボンブラックはインキ・塗料用着色剤や樹脂着色・フィルム用着色材や導電性部材や電子機器関連部材などに再利用できると考えられる．
修士論文の内容の一部はMicrosoft Innovation Award 2007 優秀賞 「大気圧プラズマによる廃棄物処理システム」として表彰されました。
修士論文の内容は2008年8月5日にフジテレビの「仰天映像88連発！驚異の水世界〜水検定2008」にてテレビ放映されました。
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新聞報道
- 日経産業新聞 2007年9月14日 「缶ビール１本で２キロ走行 低純度アルコールから水素―東工大が小型装置」
- 空調タイムス 2008年1月2日 「モバイルフロン破壊装置を 水プラズマ、１万度の高温で分解 1kW機での実用化目指す」
研究論文
- Hiroshi Nishioka, Hironori Saito, and Takayuki Watanabe: Liquid Waste Decomposition by DC Water Plasmas at Atmospheric Pressure, Transactions of Materials Research Society of Japan, 33 (3), p.691-694 (2008.9).
- Hiroshi Nishioka, Hironori Saito, and Takayuki Watanabe: Decomposition Mechanism of Organic Compounds by DC Water Plasmas at Atmospheric Pressure, Thin Solid Films, 518 (3), p.924-928.
- Narengerile, Hiroshi Nishioka, and Takayuki Watanabe: Mechanisms of Decomposition of Organic Compounds by Water Plasmas at Atmospheric Pressure, Japanese Journal of Applied Physics, 50 (8), 08JF13 (2011.8).
- Takayuki Watanabe, Narengerile, and Hiroshi Nishioka: Role of CH, CH3, and OH Radicals in Organic Compound Decomposition by Water Plasmas, Plasma Chemistry and Plasma Processing, 32 (1), p.123-140 (2012.1).
国際会議
- Hiroshi Nishioka, Hironori Saito, and Takayuki Watanabe: Decomposition Mechanism of Organic Compounds by DC Water Plasmas at Atmospheric Pressure, Abstracts of 9th Asia-Pacific Conference on Plasma Science and Technology, p.198, SP8 (2008.10 Huangshan, China).
国内学会
- Hiroshi Nishioka, Hironori Saito, and Takayuki Watanabe: Liquid Waste Decomposition by DC Water Plasmas at Atmospheric Pressure, Abstracts of 18th Symposium of The Materials Research Society of Japan, H-P47-M, p.213 (2007.12.9 日本大学駿河台キャンパス).
- 西岡浩史, 齊藤寛典, 渡辺隆行: 大気圧水プラズマによる有機物分解機構の解明, 化学工学会第40回秋季大会研究発表講演要旨集, Q106 (2008.9.24 東北大学).
- Narengerile, Hiroshi Nishioka, Hironori Saito, and Takayuki Watanabe: HFC Decomposition by Water Plasma Generated under Atmospheric Pressure, プラズマ科学シンポジウム2009プロシーディングス, P1-30, p.72-73 (2009.2.2 名古屋大学豊田講堂).
- 渡辺隆行, 西岡浩史: 大気圧水プラズマによる有機系廃棄物からの水素製造, 化学工学会第74年会研究発表講演要旨集, N316 (2009.3.20 横浜国立大学).
- 渡辺隆行, 西岡浩史: 大気圧直流放電の水プラズマによる有機系廃棄物の分解, 電気学会研究会資料プラズマ研究会, PST-09-99, p.35-38 (2009.9.4 大阪府立大学淀屋橋サテライト).
- 渡辺隆行, 西岡浩史: 大気圧直流放電の水プラズマによる有機物の分解機構, 日本機械学会2009年度年次大会講演資料集, 2, p.111-112, S0502-2-1 (2009.9.14 岩手大学).
