(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を処理する処理部及びこの処理部内に光を導入する手段を備えた流体処理装置において、
前記処理部内に分散される磁性を有する光触媒粒子と、
前記処理部に接続され該処理部に対し給水と排水の切り替えが可能な給排水配管と、
この給排水配管内または処理部と上記給排水配管との接続部に設けられ、処理後の流体中から前記磁性光触媒粒子を分離するための粒子分離手段と、
この粒子分離手段で処理流体から分離された光触媒粒子を前記処理部内に返送するための粒子戻し手段とを備えたことを特徴とする光酸化流体処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水などの各種流体を光触媒を用いて浄化する光酸化流体処理装置及びこれに用いる複合化光触媒粒子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光触媒を用いる流体の光酸化処理は、流体中に混入した有害有機物の分解や殺菌などに用いられる方法である。光触媒作用を示す物質では二酸化チタンがよく知られている。通常は、被処理流体中に二酸化チタン粒子を分散させて光を照射し、酸化反応を起こして被処理流体を処理する。酸化反応は光触媒の表面で起こるので、反応効率を上げるためには、被処理流体中に分散させる光触媒粒子をできるだけ微小なものとして比表面積を大きくし、光触媒粒子と被処理流体との接触効率を向上させることが必要である。
【０００３】
なお、この種従来技術としては、特開平４−３７１２３３号公報に記載されたものなどがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
被処理流体が空気などの気体の場合には、光触媒粒子がかなり小さくてもその沈降速度が大きくなり、被処理気体と光触媒粒子が分離し易い。しかし、被処理流体が水などの液体の場合には微小粒子の沈降性が気体とのそれに比べて大幅に劣るために、反応効率を犠牲にして光触媒粒子を大きくするか、微小な粒子を用いる場合には膜分離法によって触媒粒子を処理後の流体液から分離する手法がとられている。しかしながら、粒子を大きくした場合、反応効率低下を保障するために装置が巨大化する。
【０００５】
膜分離を用いる場合には、膜分離部で必要となる動力が大きくなるだけでなく、処理後の流体から光触媒粒子が分離できても処理装置内部にだんだんと溜まっていく汚濁物粒子と光触媒粒子を分離する手段がない。膜分離を利用した場合には分離した光触媒粒子を連続的に回収して処理部で再使用することも困難であった。
【０００６】
これらの理由により、実用レベルでの光触媒応用光酸化流体処理装置を実現する状況に至っていないのが実状である。
【０００７】
本発明の目的は、微小な光触媒粒子を利用でき、しかもその微小な光触媒粒子を被処理液体から容易に分離できるようにした光酸化流体処理装置を得ることにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、光酸化流体処理装置において、光触媒粒子の比表面積を大きくして、光触媒粒子と被処理流体との接触効率を向上させることのできる複合化光触媒粒子を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、流体を処理する処理部及びこの処理部内に光を導入する手段を備えた流体処理装置において、前記処理部内に分散される磁性を有する光触媒粒子と、前記処理部に接続され該処理部に対し給水と排水の切り替えが可能な給排水配管と、この給排水配管内または処理部と上記給排水配管との接続部に設けられ、処理後の流体中から前記磁性光触媒粒子を分離するための粒子分離手段と、この粒子分離手段で処理流体から分離された光触媒粒子を前記処理部内に返送するための粒子戻し手段とを備えたこにより達成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施例を示す概略構成図である。被処理水は流入口２から処理部１内に導入される。処理部１内には磁性体に担持された微小な光触媒粒子（磁性光触媒粒子）が被処理水中に分散されている。処理部１には空気導入管９から空気も導入され、この導入された空気が上昇するのに伴って、処理部１内では被処理水が分散している光触媒粒子と一緒に流動している。なお、空気は空気抜き１０から処理部１外に放出される。処理部１内には光源部壁８内に光源７が挿入され、この光源部壁８を通して光が処理部１内に照射される。被処理水中に分散している光触媒粒子表面では照射光により強力な酸化作用が発生し、被処理水中に存在するバクテリアを死滅させたり、あるいは溶存している有機物を分解したりする。処理された水は流出部３から処理部１外に排出される。流出部３には、流出処理水中に分散している光触媒粒子を磁気分離するための磁気分離磁石４が設置されている。磁気分離磁石４で捕捉された光触媒粒子はかき取り板５で磁気分離磁石４から掻き取られて、粒子戻り６を経て戻り粒子放出口１１から処理部１内に再び連続的に返送される。空気導入管９から処理部１内に供給される空気は酸化反応に必要な酸素を被処理水に溶解させて供給し、かつ処理部１内に光触媒粒子を分散させ攪拌する役割を持っている。なお、この供給される気体は、空気以外の気体、例えば酸素やオゾン等でもも良い。
【００２３】
図２は図１に示された磁気分離磁石４の具体的実施例を説明するものである。複数（図２では３枚）の円盤状の磁気分離磁石４ａ，４ｂ，４ｃが回転軸１２で連結されて図中のΩ方向に回転している。この実施例では、磁気分離磁石４ａと４ｂの向かい合う面、及び磁気分離磁石４ｂと４ｃの向かい合う面のそれぞれに磁石が貼ってある。回転している磁気分離磁石４ａ，４ｂ，４ｃは処理水中の磁性光触媒粒子を磁気で捕捉し、捕捉された光触媒粒子は掻き取り板５（５ａ，５ｂ）により磁気分離磁石４ａ，４ｂ，４ｃの磁石表面上から掻き取られ、図１に示す粒子戻り６に送られる。
【００２４】
図３〜図５により図１に示した実施例の変形例を説明する。この例は、図１に示す磁気分離磁石４の代わりに電磁石を用いたものである。
【００２５】
図３において、処理水の流出部３としては流出部３ａと流出部３ｂの二つが設けられている。処理部１で処理された処理水は磁気フィルタ１３ａを経て流出部３ａから流出する。この時一方のバルブ１６ａは開いており、他方のバルブ１６ｂは閉じている。また、磁気フィルター１３ａは通電により電磁石が働いた状態となり磁場が発生しているが、磁気フィルター１３ｂの方は通電を停止することで電磁石が切れた状態となり磁場が発生していない。このようにすると、流出部３ａから流出する処理水中の光触媒粒子は磁気フィルター１３ａで捕捉される。さらに、本実施例では、適当なタイミングでバルブ操作により流出部３ａと流出部３ｂとを切り替えて使用する。すなわち、バルブ１６ａが閉じ、バルブ１６ｂを開く。同時に磁気フィルター１３ａの電磁石は切られ、磁気フィルター１３ｂの電磁石を作動させ、処理水は処理部３ｂから放流され、その際に処理水中の光触媒粒子は磁気フィルター１３ｂで捕捉される。磁気フィルター１３ａで捕捉されていた光触媒粒子は、磁気フィルター１３ａで磁場が作用しなくなるので磁気フィルター１３ａから離脱し、ゆっくりと処理部１内に沈降しながら戻っていく。
【００２６】
図４は図３に示す磁気フィルター部分の詳細構造を示す図で、磁気フィルター１３（１３ａ，１３ｂ）の周辺に電磁石１４（１４ａ，１４ｂ）を配置している。
【００２７】
図５は図３に示した例の縦断面図で、流入口２から光触媒粒子が充満分散している処理部１に流入した被処理水は、空気導入管９から導入された空気と共に処理部１内を上昇しながら撹拌され、光源部壁８を介して光源７から照射された光により分散している光触媒粒子の光触媒作用により、酸化作用を受ける。処理された水と共流れている光触媒粒子は磁気フィルター１３で磁気分離され、処理水のみが流出部３から流出する。この例では、複数の磁気フィルター１３ａ，１３ｂを切り替えて使用することにより、処理水中から分離した光触媒粒子を連続的に処理部１内に返送することができる。
【００２８】
図６は本発明の他の例を示すもので、この実施例では光源として太陽光を用いる。流入口２から流入した被処理水はまず磁性光触媒粒子が充満して分散している混合部１７に入る。混合部１７からは光触媒粒子が分散している被処理水がポンプ１８により処理部１に送られる。処理部１は太陽光を透過する材質で形成されている。また、太陽光を無駄なく集光できるように処理部１の背面には反射板４１も設けられている。処理部１で光酸化処理を受けた処理水は、流出部３において図２と同様の回転型の磁気分離磁石４を用いた磁気分離方式により分散している光触媒粒子を分離した後、放流される。磁気分離磁石４上に捕捉された光触媒粒子は掻き取り板５で掻き取られ、粒子戻り６を経て混合部１７に戻る。圧縮機１９により光酸化処理で必要な酸素または酸素を含む空気が混合部１７内に導入される。なお、この例では、連続処理も回分処理も可能である。連続処理の場合、流入口２より流入する被処理水量がポンプ１８による送水量と等しい時はバルブ２１は閉じられている。流入口２より流入する被処理水量がポンプ１８による送水量より小さい時は、バルブ２１が開いており、流入口２より流入した水量と同じ量の処理水が流出部３より流出し、残りの分は戻り流路２２を通って混合部１７に戻る。バッチ処理の場合、一旦流入口２から被処理水が流入した後、バルブ１５，２０が閉じられ、バルブ２１が開いて、被処理水は処理部１、戻り流路２２、混合部１７を循環し、適当な処理時間の後、今度はバルブ２１を閉じてバルブ２０をあけて処理水を流出部３を経て（従って処理水中の光触媒粒子は磁気分離して）、放流する。
【００２９】
図７は本発明の更に他の例を示すものであり、自然曝気方式とすることにより、図６に示すような圧縮機１９を使用しないようにして動力を節約するようにしたものである。図６に示す戻り流路２２の代わりに本例では戻り処理部２３を設けている。戻り処理部２３では被処理水が水面を形成する状態で混合部１７に流下し、このとき被処理水内に空気が巻き込まれて自然曝気される。また、戻り処理部２３は太陽光を透過する材質で作成されているので、このときにも光酸化作用が生じる。従って戻り処理部２３の背面にも反射板２４を設けている。
【００３０】
図８は本発明の更に他の例を示すもので、この例のものは回分処理を行うものである。給水バルブ２５を開くと流入口２から磁性光触媒粒子が充填されている処理部１に被処理水が導入され、適当な水位になると、一旦給水バルブ２５を閉じて処理が開始される。このとき、流出部３に至る排水バルブ２６は閉じている。処理部１の下方には磁気分離用の磁気フィルター１３と電磁石１４が設置されているが、処理部１で被処理水を処理している間、電磁石１４の電源は切断（ＯＦＦ）されている。また、被処理水の処理中は圧縮機などの気体供給手段１９により磁気フィルター１３の下方に設けた空気導入管９から処理部１内に空気が供給され、その気泡の上昇流に伴って被処理水は処理部１内で光触媒粒子とともに攪拌される。上記実施例と同様に、光源７から照射された光が光触媒粒子表面に照射されることによって酸化処理が行われる。適当な処理時間の後、処理水を排出される。このとき電磁石１４に通電されてＯＮとなり、磁気フィルター１３に磁場が加えられる。その後、排水バルブ２６が開かれ、処理部１からの処理水が流出部３から排出される。その際、処理水中の磁性光触媒粒子を磁気フィルター１３により処理水中から分離することができる。処理された水が全て排出されると、次の処理を始めるために排水バルブ２６を閉じ、電磁石１４をＯＦＦとし、給水バルブ２５を開けて流入口２から新たな被処理水を処理部１内に導入する。磁気フィルター１３に捕捉された磁性光触媒粒子は電磁石１４への通電を切断することにより磁場による拘束から開放され、空気導入管９から導入される空気の上昇流と、それに伴う水流によって容易に処理部１内に再び分散させることができる。また、この例では、処理部１内に汚泥やゴミ等が蓄積した場合でも、通常の処理を行うだけで磁性光触媒粒子と汚泥とを磁気フィルター１３で分離して汚泥等を処理部１内から排出することができる。
【００３１】
図９は本発明の別の実施例を示すもので、基本構成は図８の例と類似しているが、この例では処理部１の下方に給排水配管２７を接続し、給排水配管２７に流入口２および流出部３が接続され、各々給水バルブ２５または排水バルブ２６が設けられている。被処理水は給水バルブ２５を開き、排水バルブ２６を閉じて流入口２から処理部１に導入される。処理された水の排水は、給水バルブ２５を閉、排水バルブ２６を開として処理部１から排出される。本例では、被処理水が磁気フィルター１３を通って処理部１に供給されるので、磁気フィルター１３で補足した磁性光触媒粒子を処理部１内に再度分散させる際、空気導入管９からの気泡による上昇流に加えて被処理水の上向きの流れを利用することができる。したがって、この例のものではより迅速かつ確実に磁性光触媒粒子を処理部１に返送することができる。
【００３２】
図１０および図１１は本発明の更に他の例を示すもので、基本構成は図８，図９に示した例と類似している。これらの例では処理部１内に気泡と被処理水の流れを拘束する仕切り板２８が設置され、光触媒粒子に光を照射する光源７は仕切り板２８の外側に設置されている。酸化処理中には空気導入管９から処理部１内に供給された気泡は仕切り板２８の内側を通って上昇し、空気抜き１０から排出される。したがって、処理部１内の被処理水の流れは図中矢印で示す通り、仕切り板２８の内側は上昇流、外側は下向流となり処理部１内に安定した循環流を起こすことができ、処理部１内に分散させた光触媒粒子を効率的に攪拌することができる。また、気泡は仕切り板２８の内側を流れるから光源７から照射した光は気泡に光路を妨害されることなく光触媒粒子表面に直接到達するので、酸化反応を促進させることもできる。
【００３３】
図１２は本発明の更に他の例を示すもので、処理水を膜分離モジュール２９で光触媒粒子と分離することで連続処理を行う例である。処理水はポンプ３２により膜２９を通して吸引され、流出部３から放流される。この例では、磁気フィルター１３および電磁石１４で構成される磁気分離手段は、処理部１内に溜まるゴミや汚泥の排出のために使用される。処理部１内部にゴミや汚泥が溜まった場合、被処理水の導入を止め、電磁石１４をＯＮにして磁気フィルター１３を作用させ、次にドレインバルブ３０を開いてゴミや汚泥をドレイン管３１から排出する。この汚泥排出作業時、光触媒粒子は磁気フィルター１３に捕捉される。
【００３４】
図１３は本発明の更に他の例を示すもので、磁気分離手段による処理水と光触媒粒子との分離を連続的に行えるようにしたものである。この例では、給排水配管２７が処理部１に複数（この例では２ヶ所）接続され、かつ各々の給排水配管２７には磁気フィルター１３と電磁石１４により構成される磁気分離手段が設置され、複数の給排水配管２７の両方共、被処理水の供給、及び処理水中から磁性光触媒粒子を分離回収して処理水を排水できる構成となっている。すなわち、この例では通水方向を切り替えることにより被処理水を処理部１に供給、あるいは処理水を処理部１から排出することが可能となる。被処理水は一方の給排水配管２７から処理部１に連続的に導入され、処理部１で酸化処理が行われた後、他方の給排水配管２７から連続的に処理水として排出される。処理水の排出に使用される側の給排水配管２７に設置の電磁石１４には通電して磁場を発生させ、磁気フィルター１３で処理水中に含まれる磁性光触媒粒子を捕捉する。適当な時間連続処理を行った後、各々の給排水配管２７の通水方向を切り替え、同時に電磁石１４のＯＮ−ＯＦＦも切り替えて連続的に使用する。すなわち、給水に使われている給排水配管側の電磁石は通電させず、排水に使われている側の給排水配管側の電磁石は通電させて、磁性光触媒粒子を処理水中から捕捉する。この動作を２つの給排水配管間で一定時間毎に交互に繰り返す。排水側であった磁気フィルター１３には処理水中から捕捉した磁性光触媒粒子が堆積しているが、給水側となったときにその電磁石への通電を停止させるので、磁場から開放され、被処理水の流れにより処理部１へ容易に返送することができる。この例によれば、処理水中から分離した光触媒粒子を自動的に処理部１に返送することができ、連続的に処理を継続することができる。
【００３５】
上述した本発明の各例において、磁気分離手段により処理水中から光触媒粒子を分離するためにはあらかじめ光触媒粒子に磁性を持たせなければならない。この具体例を図１４，図１５により説明する。
【００３６】
図１４は本発明に使われる磁性を有する光触媒粒子（磁性光触媒粒子）の一例で、皮膜３６でコーティングされた磁性粒子３４を母材とし、これに光触媒物質粒子３５が母材表面に接合等の手段で担持され、磁性光触媒粒子３３を構成している。磁性粒子３４としては例えば三価の酸化鉄などの強磁性物質を用い、光触媒物質粒子３５としては例えば二酸化チタン微粉末等を用いる。皮膜３６としては例えば二酸化シリコン等の酸化作用に対して安定な皮膜を用いる。これは、例えば磁性粒子３４として三価の酸化鉄を使用した場合、磁性粒子が光酸化作用で逆に還元されて二価の酸化鉄に変化し磁性が弱まるのを防止するためである。またこの例において、光触媒物質粒子３４の磁性粒子３４への接合は、粒子３４を磁性粒子母材に機械的に食い込ませることによっている。また、磁性粒子３４としては粒径が数ｍｍ〜数ｍｍ程度の粒子を用い、光触媒物質粒子３５としては数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の大きさの微細粒子を用いると良い。
【００３７】
図１５は本発明に使われる磁性光触媒粒子の他の例を示すもので、この例では、光触媒物質粒子３５を母材とし、皮膜３６で保護された磁性粒子３４を前記光触媒物質粒子３５に接合させたものである。
【００３８】
本発明の光酸化流体処理装置は、例えば水道水原水のトリハロメタン前駆物質などの有害有機物や塩素消毒後のトリハロメタンの分解除去、あるいは排水中に含まれる有機塩素化合物の分解除去などをする水処理装置として用いることができる。また、本発明の光酸化流体処理装置は活性汚泥法などの生物処理装置と組み合わせることにより、従来生物処理のみでは除去しきれなかった物質も分解除去することができる。
【００３９】
図１６は、排水等を処理するシステムにおいて、前段で生物を利用した流体処理装置（生物処理装置）３７を用いて処理を行い、後段で上記したような光酸化流体処理装置３８を用いて酸化処理を行うようにしたものである。図１６において、光酸化流体処理装置３８では処理部１内に光触媒粒子を分散させ、この光触媒粒子に光源７により光を照射して酸化処理を行い、排水される処理水中の光触媒粒子は光触媒粒子分離部３９により水と分離され、粒子戻り部６から処理部１に返送されて連続使用される。処理中はブロア４０により空気導入管９を通して処理部１内を曝気することで酸化反応に必要な酸素を供給すると共に光触媒粒子を処理槽内に均一に分散させることができる。この例によれば、原水中の有機物が生物処理により分解副生成物としてフミン質などの生物難分解性物質を生成する場合でも、後段の光酸化流体処理装置３８による強い酸化力により前記フミン質などの副生成物を分解除去することができる。
【００４０】
図１７に示す例では、前段に光酸化流体処理装置３８を配置して酸化処理を行い、後段で生物処理装置３７を用いて生物処理を行う例である。この例では、原水中に高分子の生物難分解性物質が含まれている場合でも、これを前段の光酸化流体処理装置３８の強い酸化力により酸化分解し、生物分解しうる分解中間生成物にすることができ、後段の生物処理装置３７でこの分解中間生成物を分解除去することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、光触媒粒子を磁気分離部で被処理水から分離し、磁気分離部で捕捉された光触媒粒子を光酸化処理装置の処理部に戻すように構成しているので、微小な光触媒粒子を被処理液体から容易に分離でき、実用レベルの光触媒応用光酸化流体処理装置を得ることができる効果がある。したがって、粒子径が数ミクロン程度以下の微小粒子を使用できるから、従来のものよりはるかに反応効率を向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概略正面構成図。
【図２】図１に示す磁気分離部の詳細斜視図。
【図３】本発明の変形例を示す斜視図。
【図４】図３に示す磁気分離部の詳細斜視図。
【図５】図３に示す変形例の正面断面図。
【図６】本発明の他の例を示す概略正面構成図。
【図７】本発明の更に他の例を示す概略正面構成図。
【図８】本発明の更に他の例を示す概略正面構成図。
【図９】本発明の更に他の例を示す概略正面構成図。
【図１０】本発明の更に他の例を示す概略正面構成図。
【図１１】本発明の更に他の例を示す概略正面構成図。
【図１２】本発明の更に他の例を示す概略正面構成図。
【図１３】本発明の更に他の例を示す概略正面構成図。
【図１４】本発明に使用される磁性を有する光触媒粒子の一例を示す縦断面図。
【図１５】本発明に使用される磁性を有する光触媒粒子の他の例を示す縦断面図。
【図１６】本発明による生物処理装置と光酸化流体処理装置とを組み合わせた排水等の処理システムの一例を説明する概略正面構成図。
【図１７】本発明による生物処理装置と光酸化流体処理装置とを組み合わせた排水等の処理システムの一例を説明する概略正面構成図。
【記号の説明】
１…処理部、２…流入口、３（３ａ，３ｂ）…流出部、４（４ａ，４ｂ，４ｃ）…磁気分離磁石、５（５ａ，５ｂ）…かき取り板、６…粒子戻り、７…光源、８…光源部壁、９…空気導入管、１０…空気抜き、１１…戻り粒子放出口、１２…回転軸、１３（１３ａ，３ｂ）…磁気フィルタ、１４…電磁石、１５…バルブ、１６（１６ａ，１６ｂ）…バルブ、１７…混合部、１８…ポンプ、１９…圧縮機、２０，２１…バルブ、２２…戻り流路、２３…戻り処理部、２４…反射板、２５…給水バルブ、２６…排水バルブ、２７…給排水配管、２８…仕切り板、２９…膜分離モジュール、３０…ドレインバルブ、３１…ドレイン、３２…ポンプ、３３…磁性光触媒粒子、３４…磁性粒子、３５…光触媒物質粒子、３６…皮膜、３７…生物処理装置、３８…光酸化流体処理装置、３９…光触媒粒子分離装置、４０…ブロア、４１…反射板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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