作成： 1997/10/15 須藤 高史
データ番号 ：010073
放射線による大気中揮発性有機物の除去
目的 ：大気中揮発性有機物除去
放射線の種別 ：電子,ガンマ線
放射線源 ：電子加速器(550kV)、電子加速器(2MV、1mA)、60Co線源
線量（率） ：15kGy
利用施設名 ：KfK AGATE-2、 日本原子力研究所高崎研究所
照射条件 ：空気中／窒素中、室温
概要 ：
環境保全のために工場の排ガス等に含まれる揮発性有機物の電子線及びγ線照射による分解を検討した。日本原子力研究所ではキシレンを含む窒素あるいは空気の模擬ガスに電子線とγ線照射を行い、エアロゾル化による除去を試験した。電子線はγ線より除去効率は若干劣るが、出力密度は高く大容量排ガス処理線源として適している。KfK（カールスルーエ研究所）ではブチルアセテートとキシレンの混合模擬ガスを電子線処理し、分解生成物分析を行い、計算モデルを提案した。
詳細説明 ：
大気への揮発性有機物(VOC)の放出は、オゾンやスモッグの発生原因となり、地球温暖化やオゾン層破壊等の環境破壊に関与し、環境庁では排出規制を行っていく方針である。ここでは工場等の排ガス中に含まれるVOCの電子ビームによる除去技術の開発検討を行った。日本原子力研究所の実験では、バッチ式のガラス管に、ボンベからの空気あるいは窒素ガスを液体キシレン中を通し、所定濃度にした調整ガスを満たし、照射を行った。電子ビーム照射には2MV、1mAの加速器を用い、γ線照射にはCo60線源を用いた。図1にキシレンの除去率を示す。窒素中も、空気中と変わらぬ除去率を示している。γ線のG値3.0は、電子線の2.1より大きく、分解が進みやすい事を示す。
図1 Removal efficiency vs. dose（原論文2より引用）
空気や窒素ガスに放射線照射を行うと反応活性が高いラジカルやイオン等が生じ、これ等の活性種がキシレンの分解を促す。電子線照射ではγ線に比べ照射時間が短時間であり、生成される活性種の密度が高く、活性種同士の再結合による減少が大きくなり、キシレン分解への利用が低下したためと考えられる。
図2 Change of xylene and carbon concentrations by electron beam irradiation（原論文2より引用）
図2に電子ビーム照射時のキシレン濃度、ガス中の総炭素濃度と炭酸ガス濃度を示す。初期値から総炭素濃度を差し引いた値は、反応容器壁に付着したエアロゾル相当分と考えられる。窒素中では空気中より高く、空気中で認められる炭酸ガスの増加も、窒素中ではない。空気中では活性種との反応でベンゼン環の開裂による有機酸、炭酸ガスの生成がある。窒素中では活性種との反応はあるものの、酸素がないためベンゼン環の開裂は起こらず、2分子結合等により低揮発性の分子量の高い物質に変換される。
KfKではAGATE2プラントで、脂肪族と芳香族の代表的な溶剤成分ブチルアセテートとキシレンの大気中からの電子ビームによる除去について、その生成物の研究を行った。電子加速器は550kVであり、0-10kGyの照射を行った。空気流中の入口VOC濃度は100mg C/Nm3、つまりブチルアセテートで38±2ppm、キシレンで22.5±0.5ppmに調整された。キシレンの方がブチルアセテートより除去率が大きかった。また、ブチルアセテートではガス中に未分解物以外のガス状有機生成物が残存した。照射したガス中には3種類の炭素含有生成物が確認された。1)アニオンの形の脂肪酸、2)C 50%,O 40%の粉末(キシレンの場合のみ)、3)COとCO2 これらの生成物の定量分析により、炭素バランスを95±15%の精度で求めた。
表1 Carbon balance for irradiation of butylacetate and xylene in air.（原論文1より引用。 Reproduced from Radiat. Phys. Chem. Vol.46, No.4-6, pp.1093-1097(1995), Tab.1,2(p.1095), Hirota K., Woletz K., Paur H.R., Maetzing H., Removal of Butylacetate and Xylene from Air by Electron Beam; Copyright(1995), with permission from Elsevier Science.）
(a)butylene
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Unreacted Butylacetate
Dose HCOOH CH3COOH C2H5COOH C3H7COOH CO CO2 Butylacetate Input Recovery
[kGy] [mgC/Nm3] [%]
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10 4.62 24.20 9.80 13.93 3.52 5.40 47.49 125.89 86.6
8 4.61 41.42 9.78 9.07 3.22 - 51.86 128.61 93.3
5 4.16 21.32 12.15 5.78 1.17 2.70 59.43 117.06 91.2
2 2.59 14.64 10.69 - 1.16 - 82.66 115.73 96.6
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(b) xylene
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Products Unreacted Xylene
Dose HCOOH CH3COOH C2H5COOH C3H7COOH CO CO2 on the filter xylene Input Recovery
[kGy] [mgC/Nm3] [%]
----------------------------------------------------------------------------------------------
10 2.48 6.26 2.58 1.76 5.25 6.31 40.56* 13.98 97.02 81.6
8 2.59 5.79 6.05 1.58 6.43 2.37 38.69** 18.86 95.65 86.1
5 3.41 6.80 26.59 - 4.27 2.70 34.48* 29.20 98.27 109.9
2 1.51 3.12 19.21 2.52 0.11 22.20** 49.01 93.75 104.2
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* Carbon content 50 weight % acc. to elemental analysis
** Assuming a carbon content of 50 weight(%)
キシレンのような芳香族成分は主に粉末状生成物を生じ、活性種をそれ以上消費せず、高い除去率を示す。ブチルアセテートのような芳香族成分は、中間的あるいは最終的に様々なガス状生成物に分解し、さらに活性種を消費し、除去率は低くなる。これはブチルアセテートとOHラジカルとの反応等に基づくモデル計算と良い一致を示す。
電子ビームはγ線より除去率は若干劣るものの、出力密度は高く、短時間大量照射の排ガス処理に適している。今後さらに効率的なエアロゾル生成条件の検討を行う。
コメント ：
排ガスのような大容量でかつ汚染物質濃度が低い場合、放射線処理は非常に有効である。特に電子線では出力及びその密度は高くする事ができ、より安全に運転できる特長を持っている。多種の揮発性有機物を含む場合や、さらに効率を向上させる処理方法の開発が望まれる。
原論文１ Data source 1：
Removal of Butylacetate and Xylene from Air by Electron Beam
Hirota K.,Woletz K.*,Paur H.R.*, Maetzing H.*
Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, JAERI; *Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh
Radiat. Phys. Chem. Vol.46, No.4-6, pp.1093-1097(1995)
原論文２ Data source 2：
電子ビームによる揮発性有機物のエアロゾル化
橋本 昭司、ウ・シュンキ*、廣田 耕一、箱田 照幸
日本原子力研究所高崎研究所、 *中国技術情報研究所
第33回日本伝熱シンポジウム講演論文集
キーワード：電子ビーム、γ線、大気汚染、排ガス処理、揮発性有機物、エアロゾル、キシレン、ブチルアセテート
electron beam, gamma rays, air-Pollusion, treatment of flue gas, VOC, aerosol, xylene, butylacetate
分類コード：010501,010505