(57)【要約】【課題】  励起光を効率よく利用でき、分解力が高い光触媒担持シリカスート体とその製造方法、及び光触媒担持シリカスート体を用いた高性能な空気清浄装置、排ガス処理装置、排水処理装置及び浄水装置の提供。【解決手段】  シリカガラス微粒子を堆積させて形成されたシリカスート体に光触媒が担持されてなることを特徴とする光触媒担持シリカスート体。シリカガラス微粒子を堆積させて形成されたシリカスート体を、光触媒粒子および／または光触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、該溶液を含浸させた後、乾燥することで光触媒を担持させることを特徴とする光触媒担持シリカスート体の製造方法。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカガラス微粒子を堆積させて形成されたシリカスート体に光触媒が担持されてなることを特徴とする光触媒担持シリカスート体。
【請求項２】
前記シリカスート体が粒径１０ｎｍ〜１μｍのシリカガラス微粒子からなることを特徴とする請求項１に記載の光触媒担持シリカスート体。
【請求項３】
前記シリカスート体の比表面積が１ｍ２／ｇ〜４００ｍ２／ｇの範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光触媒担持シリカスート体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒担持シリカスート体の製造方法であって、シリカガラス微粒子を堆積させて形成されたシリカスート体を、光触媒粒子および／または光触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、該溶液を含浸させた後、乾燥することで光触媒を担持させることを特徴とする光触媒担持シリカスート体の製造方法。
【請求項５】
四塩化珪素蒸気を酸水素炎に導入してシリカガラス微粒子を生成せしめ、該シリカガラス微粒子を堆積させてシリカスート体を作製することを特徴とする請求項４に記載の光触媒担持シリカスート体の製造方法。
【請求項６】
多重パイプ構造の酸水素バーナーに四塩化珪素を導入し、シリカガラス粒子を含む酸水素炎を基材に吹き付けることによってシリカスート体を作製することを特徴とする請求項５に記載の光触媒担持シリカスート体の製造方法。
【請求項７】
基材表面およびシリカスート体表面温度が５００℃〜１４００℃の範囲でシリカスート体を作製することを特徴とする請求項６に記載の光触媒担持シリカスート体の製造方法。
【請求項８】
請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒担持シリカスート体と、該光触媒担持シリカスート体に励起光を照射する光源とを空気の流路に配置したことを特徴とする空気清浄装置。
【請求項９】
請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒担持シリカスート体と、該光触媒担持シリカスート体に励起光を照射する光源とを排ガスの流路に配置したことを特徴とする排ガス処理装置。
【請求項１０】
請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒担持シリカスート体と、該光触媒担持シリカスート体に励起光を照射する光源とを排水の流路に配置したことを特徴とする排水処理装置。
【請求項１１】
請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒担持シリカスート体と、該光触媒担持シリカスート体に励起光を照射する光源とを水の流路に配置したことを特徴とする浄水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒担持シリカスート体とその製造方法、光触媒担持シリカスート体を用いた空気清浄装置、排ガス処理装置、排水処理装置及び浄水装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化チタンなどの光触媒は、紫外線を照射することで強力な酸化作用を発生させ、ガス中の悪臭要因物質を分解する脱臭や、排水中の環境汚染物質を分解する浄水などに使用する方法が広く検討されている。酸化チタン粒子を光触媒として機能させるには、フィルターやガラス板など、分解対象物を含む流体と効率良く酸化チタンが接触できる基体に酸化チタン粒子を担持することが望ましい（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００３】
また、光触媒を励起する光源としては、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）、ブラックライト、水銀灯などが用いられている（例えば、特許文献３，４参照。）。中でもＬＥＤは、長寿命であり、電気−光変換効率が高く、コンパクトであるために、光触媒装置用光源として期待されている。また、ＬＥＤは年々、出力、照度の高いものが開発されてきており、それを用いることで高い光触媒効果が期待できる。
【特許文献１】特許第３２５８０２３号公報
【特許文献２】特許第２５７４８４０号公報
【特許文献３】特開平１１−３０９２０２号公報
【特許文献４】特開平１０−２８１４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常、分解対象物質を含む流体（ガス、液体）中の分解対象物濃度は、比較的希薄であるため、前述したような高出力光源からフィルターやガラス板に光触媒を塗布した光触媒担持体に直接、高照度の励起光を照射した場合、分解対象物の拡散により分解速度が律速され、高出力・高照度の光を用いて励起しても、折角励起した電子、ホールが再結合してしまい、光量の一部もしくは大部分が無駄になってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、励起光を効率よく利用でき、分解力が高い光触媒担持シリカスート体とその製造方法、及び光触媒担持シリカスート体を用いた高性能な空気清浄装置、排ガス処理装置、排水処理装置及び浄水装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明は、シリカガラス微粒子を堆積させて形成されたシリカスート体に光触媒が担持されてなることを特徴とする光触媒担持シリカスート体を提供する。
【０００７】
本発明の光触媒担持シリカスート体において、前記シリカスート体が粒径１０ｎｍ〜１μｍのシリカガラス微粒子からなることが好ましい。
【０００８】
本発明の光触媒担持シリカスート体において、前記シリカスート体の比表面積が１ｍ２／ｇ〜４００ｍ２／ｇの範囲であることが好ましい。
【０００９】
また本発明は、前述した本発明に係る光触媒担持シリカスート体の製造方法であって、シリカガラス微粒子を堆積させて形成されたシリカスート体を、光触媒粒子および／または光触媒前駆体を含む溶液に浸漬し、該溶液を含浸させた後、乾燥することで光触媒を担持させることを特徴とする光触媒担持シリカスート体の製造方法を提供する。
【００１０】
本発明の光触媒担持シリカスート体の製造方法において、四塩化珪素蒸気を酸水素炎に導入してシリカガラス微粒子を生成せしめ、該シリカガラス微粒子を堆積させてシリカスート体を作製することが好ましい。
【００１１】
本発明の光触媒担持シリカスート体の製造方法において、多重パイプ構造の酸水素バーナーに四塩化珪素を導入し、シリカガラス粒子を含む酸水素炎を基材に吹き付けることによってシリカスート体を作製することが好ましい。
【００１２】
本発明の光触媒担持シリカスート体の製造方法において、基材表面およびシリカスート体表面温度が５００℃〜１４００℃の範囲でシリカスート体を作製することが好ましい。
【００１３】
また本発明は、前述した本発明に係る光触媒担持シリカスート体と、該光触媒担持シリカスート体に励起光を照射する光源とを空気の流路に配置したことを特徴とする空気清浄装置を提供する。
【００１４】
また本発明は、前述した本発明に係る光触媒担持シリカスート体と、該光触媒担持シリカスート体に励起光を照射する光源とを排ガスの流路に配置したことを特徴とする排ガス処理装置を提供する。
【００１５】
また本発明は、前述した本発明に係る光触媒担持シリカスート体と、該光触媒担持シリカスート体に励起光を照射する光源とを排水の流路に配置したことを特徴とする排水処理装置を提供する。
【００１６】
また本発明は、前述した本発明に係る光触媒担持シリカスート体と、該光触媒担持シリカスート体に励起光を照射する光源とを水の流路に配置したことを特徴とする浄水装置を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の光触媒担持シリカスート体は、シリカガラス微粒子を堆積させて形成されたシリカスート体に光触媒が担持されてなり、非常に大きな比表面積を持ったシリカスート体の表面に光触媒が担持された構造なので、照射された励起光が散乱して低照度、大面積で光触媒機能が発現され、分解対象物を効率よく分解することができる。
また、シリカスート体は多孔質構造であり、気体や液体を透過させるフィルターとして機能させることができ、気体や液体と光触媒との接触効率を高め、分解対象物を効率よく分解することができる。
本発明の光触媒担持シリカスート体の製造方法によれば、前述した通り分解対象物を効率よく分解することができる高性能の光触媒担持シリカスート体を簡単に製造することができる。また本発明の製造方法によれば、種々の形状や大きさの光触媒担持シリカスート体を簡単に製造することができる。
本発明の空気清浄装置、排ガス処理装置、排水処理装置及び浄水装置は、前述した本発明に係る光触媒担持シリカスート体と、該光触媒担持シリカスート体に励起光を照射する光源とを流路に配置したものなので、気体や液体と光触媒との接触効率を高め、分解対象物を効率よく分解することができ、小型で高効率の装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
本発明の光触媒担持シリカスート体は、シリカガラス微粒子を堆積させて形成されたシリカスート体に光触媒が担持されてなることを特徴としている。この光触媒としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、酸化タンタル、酸化スズ、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ４Ｏ９）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｔｉ６Ｏ１３）、二酸化ジルコニウム、硫化カドミウム、α−Ｆｅ２Ｏ３、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが知られているが、これらの中でも特に酸化チタンが分解能力、安定性の点から好適に使用される。
【００１９】
本発明においてシリカスート体としては、四塩化珪素を原料として用い、四塩化珪素蒸気を酸水素炎に投じることで加水分解及び熱酸化が起こり、これにより形成されるシリカガラス微粒子の集合体を用いることが望ましい。このシリカスート体は、粒径１０ｎｍ〜１μｍのシリカガラス微粒子からなることが望ましい。シリカガラス微粒子の粒径が１０ｎｍ〜１μｍの範囲であれば、比表面積が大きく、適当な強度を持ったシリカスート体を得ることができる。また、シリカスート体の比表面積は１ｍ２／ｇ〜４００ｍ２／ｇの範囲であることが望ましい。その比表面積が１ｍ２／ｇ未満であると、照射した光を散乱させ、担持した光触媒に低照度、大面積で照射する効果が不十分となる。また比表面積が４００ｍ２／ｇを超えると、シリカスート体の機械強度が不十分となる。
【００２０】
通常、このようなシリカスート体を得るには、図１に示すような多重パイプ構造の酸水素バーナー１に、シリカ原料である四塩化珪素蒸気を導入するパイプを設け、四塩化珪素蒸気を導入しつつ、基材に酸水素炎を吹き付けることでシリカスート体を形成する。図１（ａ）は酸水素バーナー１の断面図、（ｂ）は正面図である。図１に示す多重パイプ構造の酸水素バーナー１は、三重管構造をなしており、最内側が四塩化珪素蒸気流路２、その外側が水素流路３、その外側が酸素流路４になっている。この酸水素バーナー１は、各流路にそれぞれ四塩化珪素蒸気、水素ガス及び酸素ガスを所定流量で供給し、先端から吹き出す酸水素炎中でシリカ原料である四塩化珪素を分解、熱酸化してシリカガラス微粒子を形成できるようになっている。この酸水素バーナー１は、四塩化珪素蒸気、水素ガス及び酸素ガスの供給量を適宜変更することにより、生成するシリカガラス微粒子の粒径をある程度調整することができる。このシリカスート体の作製において、シリカスート体表面温度を５００℃〜１４００℃の範囲でシリカスート体を作製することが望ましい。シリカスート体表面温度が５００℃未満であると、作製されるシリカスート体の強度が不足し易い。一方、表面温度を１４００℃より高くすると、焼結が進行して比表面積が低くなってしまう。
【００２１】
この製法により生成するシリカガラス微粒子の粒径は、数ｎｍ〜数μｍ程度であり、このシリカガラス微粒子が堆積すると共に酸水素炎の加熱により半焼結状態のシリカスート体となり、ハンドリングや溶液に浸漬するなどの工程に耐え得る強度を持つことができる。通常のシリカガラス微粒子の集合体とは、この点で大きく異なる。
【００２２】
シリカスート体形成用の基材は、ガラス、金属、セラミックスなどを用いることができる。この基材は酸水素バーナー炎にさらされるので、耐熱性に優れた材料を用いる必要がある。また、シリカスート体の強度が不足する場合には、作製したシリカスート体を電気炉に入れ、８００〜１１００℃程度で熱処理することによって、シリカガラス粒子同士の焼結作用により強度を高め、その後に光触媒コーティング液に浸漬することもできる。この基材の形状及び大きさは自由に設定することができ、例えば、平板状、波板状、ハニカム状、メッシュ状、円筒状、棒状などの各種形状の基材を用い、その表面にシリカガラス微粒子を堆積してシリカスート体を構成することができる。また、図４に示すように、基材を引き上げながらシリカガラス微粒子の堆積を行うことにより、シリカガラス微粒子の焼結体のみからなるシリカスート体を作製することもできる。
【００２３】
このシリカスート体に光触媒コーティングを施すことで、光触媒担持シリカスート体とすることができる。この光触媒コーティングには、光触媒粒子および／または光触媒前駆体を含む液状の市販のコーティング液を用いることができ、このコーティング液中にシリカスート体を浸漬して該液をスート体に含浸させ、引き上げて乾燥させることで光触媒コーティングをなすことができる。
【００２４】
発明の光触媒担持シリカスート体は、シリカガラス微粒子を堆積させて形成されたシリカスート体に光触媒が担持されてなり、非常に大きな比表面積を持ったシリカスート体の表面に光触媒が担持された構造なので、照射された励起光が散乱して低照度、大面積で光触媒機能が発現され、分解対象物を効率よく分解することができる。
【００２５】
通常、分解対象となる気体および液体中に含まれる分解対象物濃度は比較的希薄であるため、分解対象物の拡散により分解速度が律速されている。その場合、高照度の光を用いて光触媒を励起しても、励起した電子、ホールが再結合する割合が高くなり、光量の一部もしくは大部分が無駄になっている。したがって光量一定で励起光を照射するならば、高照度、小面積よりも低照度、大面積で光触媒機能を発現させたほうが有利になると考えられる。
【００２６】
シリカスート体は高純度石英ガラスからなるので、紫外光の透過に非常に優れる。またシリカスート体を形成する微粒子１つ１つは非常に微細なため、直進してくる光線に対して適度な散乱効果を備えている。またシリカスート粒子は非常に微細であり比表面積が大きいため、散乱して低照度になった光を大面積で受けることができる。光触媒担持シリカスート体は、前述したようなシリカスート体の粒子表面に光触媒がコーティングされた構造であるので、大面積に光触媒担持がなされることになる。したがって、これらの性質により光触媒担持シリカスート体に高照度の励起光を照射した場合、悪臭原因物質や水質汚染物質など、生活環境における比較的低濃度の汚染物質を分解除去するのに有利である。
【００２７】
シリカスート体は空気、ガス、水などを透過することができ、これらが流体のときフィルターとして使用することができる。シリカスート体を構成するシリカガラス微粒子の粒径を制御することで、任意の粗さのフィルターを実現できる。シリカガラス微粒子の粒径の制御は、前述した通り酸水素炎に原料を投じてシリカガラス微粒子を合成する際、多重パイプ状バーナーに供給する原料ガス量、酸素量、水素量を調整することで行うことができる。
【００２８】
シリカスート体はシリカガラス微粒子からなるため、比表面積が大きく、吸着力に優れるので、分解対象物を効率よく分解することができる。また、シリカスート体は多孔質構造であり、気体や液体を透過させるフィルターとして機能させることができ、気体や液体と光触媒との接触効率を高め、分解対象物を効率よく分解することができる。
【００２９】
本発明に係る光触媒担持シリカスート体を用いた装置の第１実施形態として、図２のような空気清浄装置１０が挙げられる。この空気清浄装置１０は、前面に空気取込口１１と後部上方に空気噴出口１２を有する箱形の筐体１８と、この筐体１８内の空気流れ方向上流から下流に向けて順に設けられたプレフィルター１３、電気集塵装置１４、光触媒シリカスート体フィルタ１５、光源１６及びファン１７とを備えて構成されている。
【００３０】
この空気清浄装置１０は、空気噴出口１２の下のファン１７を駆動させることにより、前面から空気を取り込み、プレフィルター１３、電気集塵装置１４、光触媒シリカスート体フィルタ１５を順次透過させ、空気噴出口１２から清浄な空気を噴出するようになっている。光触媒担持シリカスート体フィルター１３の裏面には、紫外光を発するＬＥＤ、ブラックライトなどの光源１６を等間隔で配置し、高照度で励起光を照射できるようになっている。高照度で照射された励起光は、前述した通り、散乱効果により大面積、低照度で光触媒に照射することができる。この光触媒担持シリカスート体フィルター１５は、セラミックス又は金属などのメッシュ上に多重パイプ状の酸水素バーナーでシリカスートを堆積させた後、光触媒コーティング液に浸漬し、乾燥することで作製することができる。
【００３１】
本発明に係る光触媒担持シリカスート体を用いた装置の第２実施形態として、図３のような排水処理装置２０が挙げられる。この排水処理装置２０は、ステンレス鋼などからなる排水パイプ２２の中心に石英ガラス、アクリル系樹脂などの紫外光透過率が高い材質からなるパイプ２３を通して二重管構造とし、その中に冷陰極管、ＬＥＤなどの光源２４を配置し、二重管の間に円筒状の光触媒担持シリカスート体２１を配置した構造になっている。なお、排水パイプ２２の後端は二重管キャップ２５が装着されており、光触媒担持シリカスート体２１を透過した排水は、排水パイプ２２の後端部に設けられた流路から流出するようになっている。
【００３２】
この排水処理装置２０に用いる光触媒担持シリカスート体２１は、基材上に形成することなく、シリカガラス微粒子のみを堆積させたシリカスート体を用いることもできる。その作製方法は、ガラス棒などの基材先端に前述した酸水素バーナー炎を放射することで任意の太さ、長さの柱状のシリカスート体を成長させ、これをカッターナイフ等で任意の形状のフィルター材に加工して利用することができる。この方法で作製したシリカスート体を用いたフィルター材は、排水処理のみならず、空気清浄、排ガス処理、浄水などにも利用することができる。
【００３３】
冷陰極管などの光源２４から照射された励起光は、内側のパイプ２３を透過して高照度で光触媒担持シリカスート体２１に照射されるが、前述した通り、散乱効果により大面積、低照度で光触媒に照射することができる。分解対象である汚染物質を含む排水は、二重管の間の光触媒担持シリカスート体２１部分を通過する構造になっており、光触媒と汚染物質の接触効率が高く、分解力が高い。
【実施例】
【００３４】
［実施例１］
図１の構造の多重管酸水素バーナー１に水素１５Ｌ／ｍｉｎ、酸素１７Ｌ／ｍｉｎ、四塩化珪素６００ｍＬ／ｍｉｎを導入し、図４に示すシリカスート体製造装置３０を用いて、石英ガラス製で直径１５ｍｍの円柱３３の先端に酸水素炎３１を吹き付け、シリカガラス微粒子の積層にともない、ガラス円柱を引き上げてやることで、直径６０ｍｍ、長さ７００ｍｍのシリカスート体３２を作製した。このシリカスート体の作製は、図示しない排気手段に接続された排気口３５を有するチャンバー３４内で行った。
得られたシリカスート体を構成するシリカガラス微粒子をＳＥＭ観察したところ、粒径は８０ｎｍ程度であった。また、ＢＥＴ法で比表面積を推定したところ、１０．５ｍ２／ｇであった。
【００３５】
［実施例２］
実施例１で得られたシリカスート体を市販の光触媒コーティング液に浸漬し、該液を含浸させた後、１２０℃で４時間乾燥させ、円柱形状の光触媒担持シリカスート体を得た。次に、この中心にコルクボーラーで直径４０ｍｍの穴をあけて筒状にし、カッターナイフで長さ５００ｍｍに加工した。図５に示すように、筒状の光触媒担持シリカスート体４１を内径６０ｍｍのステンレス管に挿入し、さらに筒状の光触媒担持シリカスート体４１の中心に外径４０ｍｍのアクリル管４０を挿入し、二重管構造にした。アクリル管４０に発光中心波長が３８０ｎｍで消費電力２．５ＷのＬＥＤ４２を５個配置し、気密密閉した。この二重管を金属製２００Ｌ密閉タンク４４に配管接続した。二重管と２００Ｌ密閉タンク４４の接続口にファン４５を設置し、タンク内の空気が配管４６内に配置された二重管内の光触媒担持シリカスート体４１を一定速度で流通するようにした。
【００３６】
２００Ｌ密閉タンク４４内に所定量のアセトアルデヒドガスを導入し、ファン４５を回したまま十分な時間放置した後、タンク内部のアセトアルデヒド濃度をガスクロマトグラフィーで測定したところ、１５ｐｐｍであった。この状態からＬＥＤを点灯させ、１時間おきにタンク内部のアセトアルデヒド濃度を測定した。結果を図６に示す。
比較例１と比較して、照射される総光量は同じであるが、実施例２の方がアセトアルデヒドの分解速度が速いことがわかった。
【００３７】
［比較例１］
面積３００ｃｍ２のアルミ板１枚に市販の光触媒コーティング液で光触媒コーティングを施した。光源には中心波長３８０ｎｍ、消費電力２．５ＷのＬＥＤ５個を用い、光触媒コーティングを施したアルミ板から距離１０ｍｍの位置に均等に固定した。ＬＥＤから光線の出射角を考慮すると、１０ｍｍの距離から照射すれば９５％以上の光量を光触媒面に照射することができる。この光触媒コーティング板とＬＥＤ光源を実施例２で用いた２００Ｌ密閉タンク内に固定した。タンク内部のガスが光触媒コーティング板に接触するようタンク内部にファンを置いた。
２００Ｌ密閉タンク内に所定量のアセトアルデヒドガスを導入し、ファンを回したまま十分な時間放置した後、タンク内部のアセトアルデヒド濃度をガスクロマトグラフィーで測定したところ、１５ｐｐｍであった。この状態からＬＥＤを点灯させ、１時間おきにタンク内部のアセトアルデヒド濃度を測定した。結果を図６に示す。
実施例２と比較して、照射される総光量は同じであるが、分解速度は遅かった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】シリカスート体の作製に用いる酸水素バーナーを例示し、（ａ）はその断面図、（ｂ）は正面図を示す。
【図２】本発明に係る空気製造装置の一例を示す構成図である。
【図３】本発明に係る排水処理装置の一例を示す構成図である。
【図４】実施例で用いたシリカスート体製造装置の構成図である。
【図５】実施例で用いた実験装置の構成図である。
【図６】実施例の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１…酸水素バーナ、２…四塩化珪素蒸気流路、３…水素流路、４…酸素流路、１０…空気清浄装置、１１…空気取込口、１２…空気噴出口、１３…プレフィルター、１４…電気集塵装置、１５…光触媒シリカスート体フィルタ、１６…光源、１７…ファン、１８…筐体、２０…排水処理装置、２１…光触媒シリカスート体、２２…排水パイプ、２３…パイプ、２４…光源、２５…二重管キャップ、３０…シリカスート体製造装置、３１…酸水素炎、３２…シリカスート体、３３…円柱、３４…チャンバー、３５…排気口、４０…アクリルパイプ、４１…光触媒シリカスート体、４２…光源、４３…ＤＣ電源、４４…２００Ｌ密閉容器、４５…ファン、４６…配管。
【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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