(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも光触媒と、その光触媒が吸収する波長のうち最も長い波長として４００ｎｍの波長の光を、８９．５％以上反射する反射材料としての石英粒子と、これらを基材に結着するためのバインダーとからなる触媒材料を用い、基材に担持させた光触媒フィルタであって、前記基材に担持した光触媒と、前記反射材料と、バインダーとの重量に占める、前記反射材料の重量％が８％である光触媒フィルタ。
【請求項２】
請求項１に記載の光触媒フィルタを用い、光触媒に作用する波長の光を出力する光源を備えた水処理用容器を有する、水質浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水質浄化装置に使用される、光触媒を利用したフィルタおよびそのフィルタを用いた水質浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光触媒の有機物分解作用は約３０年前に見出された。酸化チタンなどある種の半導体は光照射で電子を励起、正孔を生成し、その電荷担体が半導体表面でスパーオキサイドアニオンやヒドロキシラジカルを生成する。これらが有機分子を攻撃し、有機物を分解する。
【０００３】
この種の作用をもつ半導体材料を光触媒と呼んでいる。特に酸化チタンは、光触媒の代表的な材料の一つである。
【０００４】
今までにこの光触媒による有機分解作用を利用した製品やデバイスの提案が数多くされており、多様な、フィルタ、デバイスが開発されている。
【０００５】
こうしたフィルタ、デバイスでは、光触媒による有機物分解活性向上のために、有機物を吸着剤に吸着させて、光触媒近辺の有機物濃度を相対的に高める濃縮効果によって、有機物成分をより効果的に分解する方法があり、その中でもエチレンなど特定の物質に対する吸着剤、例えばハイシリカゼオライトと組み合わせることで、対象とする有機物の分解速度を向上させているものもある（たとえば特許文献１、２参照）。
【０００６】
さらには、吸着剤による濃縮効果に加えて、フィルタの光入射面での反射による光損失を低減するために、光を吸収する層を表面に設けることで、光触媒への受光効率を高め、脱臭効果を高めたものもある（たとえば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１−１８９３２２号公報
【特許文献２】特開平７−１６４７３号公報
【特許文献３】特開２００８−２７２６５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来例のような吸着剤による有機物濃縮は、吸着剤の細孔の大きさ以上の物質に対する効果は期待できないという課題を有していた。
【０００９】
一般に用いられる活性炭やゼオライトなどの吸着剤の細孔は、大きくとも数１００ｎｍ程度であり、分子レベルの大きさの物質を吸着することはできるものの、細菌など、数マイクロメートル以上の物体では、吸着剤による濃縮効果は期待できない。
【００１０】
また、吸着剤による濃縮効果を高めるためには、光触媒に比して、吸着剤の量を多くせねばならず、そのためフィルタ表面での光の反射や吸収による光損失が無視できなくなり、触媒組成の異なる２層にするなどの工夫が必要となる課題を有していた。
【００１１】
そこで本願発明では、有機物分解だけではなく、殺菌など微生物のような、分子レベルのサイズに比して大きな物体にも、光触媒の効果を高めることを目的として、吸着剤による濃縮効果を利用することなく、フルタ表面で混合物が光を吸収してしまうという光損失を低減し光触媒の効果を最大限に発揮できるフィルタ、および水質浄化装置を提共することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記従来の課題を解決するため、本発明の光触媒フィルタは、少少なくとも光触媒と、その光触媒が吸収する波長のうち最も長い波長として４００ｎｍの波長の光を、８９．５％以上反射する反射材料としての石英粒子と、これらを基材に結着するためのバインダーとからなる触媒材料を用い、基材に担持させた光触媒フィルタであって、前記基材に担持した光触媒と、前記反射材料と、バインダーとの重量に占める、前記反射材料の重量％が８％である光触媒フィルタである。
【００１３】
本構成により、照射される光の利用効率を促進することができ、吸着剤を利用することなく、混合した反射材料としての石英粒子によって、光触媒による有機物分解や殺菌等の効果を最大限に高めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光触媒フィルタによれば、照射される光の利用効率を促進することで、吸着剤を利用することなく、光触媒による有機物分解や殺菌等の効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に使用した光触媒フィルタの構成図
【図２】本発明の実施の形態１に試用した光触媒の吸収端の波長の求め方の図
【図３】本発明の実施の形態２の水質浄化装置図
【図４】本発明の実施の形態２の水質浄化装置使用構成図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
（光触媒フィルタの作製方法）
測定に用いたフィルタの作製方法は、以下に示すとおりである。
【００１８】
光触媒と反射材料とを反射材料／光触媒＝２．６〜１７．７％にて混合したもの５ｇに、１Ｍ塩酸（和光純薬製を純水にて希釈）２５ｇ、エタノール特級（和光純薬製）１０ｇを加え、氷冷にて１０分ほど撹拌した。
【００１９】
その後、テトラエトキシシラン（信越化学製）４．３５ｇを加えて、３０分間撹拌し、１０ｃｍ□のフィルタ基材（ユニチカ製ガラスクロス：Ｖ６３５ＨＴ）を浸漬させ、室温にて１時間、次に８０℃にて１時間、乾燥させた。
【００２０】
このようにして作製したフィルタを、純水にて洗浄した後、１５Ｗ型ブラックライトブルー蛍光灯（パナソニック製：ＦＬ１５ＢＬ−Ｂ）を用い、３６１ｎｍの紫外光強度が２．０ｍＷ／ｃｍ2以上の照射下にて２４時間以上静置した。
【００２１】
紫外線強度は、紫外線積算光量計（ウシオ電機製：ＵＩＴ−２５０）に受光器（ウシオ電機製：ＵＶＤ−Ｓ３６５）を取り付けて測定した。
【００２２】
今回用いた光触媒は、堺化学工業製のＳＳＰ−２５の表面をフッ素処理することで、表面の水酸基の一部をフッ素に置き換えた、フッ化酸化チタンである。
【００２３】
表１は、今回用いた反射材料の品番並びに種別、粒径、主材料であるに酸化ケイ素の純度を示した表である。
【００２４】
【表１】
0005786116.tif 000002
【００２５】
いずれの反射材も組成比で９９．９％以上が二酸化ケイ素からなる材料を用いた。
【００２６】
（反射率測定）
反射率の測定は、紫外可視分光光度計（日本分光製：Ｖ−５５０）に積分球を装着し、粉末試料セルホルダを用いて測定した。
【００２７】
いずれの反射材料も、用いた光触媒の吸収端である４００ｎｍ以下の光を反射している。
【００２８】
表２は、各波長における反射率を示した表である。
【００２９】
【表２】
0005786116.tif 000003
【００３０】
（光触媒活性の測定）
光触媒の活性評価は、ＪＩＳ  Ｒ  １７０４、ファインセラミックス−活性酸素生成能力測定による光触媒材料の水質浄化性能試験方法に従った。
【００３１】
その方法の概略を以下に記載する。
【００３２】
ＪＩＳ  Ｒ  １７０４記載の試験装置に、上記方法にて作製した光触媒フィルタをセットして、２０Ｗ型ブラックライトブルー蛍光灯（パナソニック製：ＦＬ２０Ｓ・ＢＬ−Ｂ）２本を用い、フィルタ面での、３６１ｎｍの紫外光強度が２．０ｍＷ／ｃｍ2となるように調整した。
【００３３】
次に、ジメチルスルホキシド１０ｍｇ／Ｌの水溶液を５００ｍＬ、試験装置に入れ、初期濃度測定のために１０ｍＬ採取する。
【００３４】
その後、液流量が５００ｍＬ／ｍｉｎ        となるようにポンプを作動させ、１時間光照射せずに循環し、暗所での吸着が飽和に達していることを確認してから、２時間光照射を行った。
【００３５】
この間、３０分ごとにサンプルを採取し、採取した溶液は液体クロマトグラフィーによってジメチルスルホキシドの濃度を測定し、その減少量から半減時間を計算した。
【００３６】
半減時間が早いほど、光触媒フィルタの活性が高いことを示すため、数値が小さいほど、光触媒フィルタの性能が高いこととなる。
【００３７】
（実施の形態１）
上記、光触媒フィルタの作製方法に従って作製した、光触媒フィルタの構成を、図１を用いて説明する。
【００３８】
光触媒１０１としてフッ化酸化チタンを、反射材料１０２として表１に示した二酸化ケイ素を用いた。このとき、フィルタ基材１０３に担持される材料には、少なくとも、光触媒１０１、反射材料１０２、そしてバインダー１０４に用いたテトラエトキシシラン由来の二酸化ケイ素が含まれる。そのため、反射材料の混合比率は、式１に従って求めた。
【００３９】
反射材料の重量（％）
＝反射材料の重量／（光触媒の重量＋反射材料の重量＋バインダーの重量）・・・式１
【００４０】
上記、光触媒フィルタの作製方法に従うと、分母の値は、バインダー１０４に用いたテトラエトキシシラン由来の二酸化ケイ素の質量が、１．２５５ｇと、光触媒１０１と反射材料１０２との混合物の重量が５ｇとを足した、６．２５５ｇとなる。
【００４１】
表３は、上記式１で求めた反射材料１０２の比率を変えたときの、上記光触媒活性の測定から求めたジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）の半減時間を示したものである。上段にジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）の半減時間、下段に、判定結果を○または×で示した。
【００４２】
【表３】
0005786116.tif 000004
【００４３】
判定基準は、比較例として用いた、反射材料を混合しない場合、すなわち光触媒のみのときのジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）の半減時間、１．７２時間より、小さいときを○、同じかそれより大きいときを×とした。
【００４４】
この結果が示すように、ＳＩＯ１７ＰＢ以外の材料ではすべて、反射材料１０２の混合比率が２％より大きく、１２％より小さい範囲において、比較例である、光触媒１０１のみの半減時間より、反射材料１０２を混合したときの半減時間のほうが小さいことがわかった。
【００４５】
また、反射材料１０２の混合比率が４％以上１０％以下において、確実に半減時間が小さくなり、８％のとき、半減時間が最も小さくなった。
【００４６】
このことは、反射材料１０２によって反射された、照射光１０５の反射光１０６が光触媒１０１の照射光側からみて裏側に照射されることで、本来自らの影になって活用されなかった部分を有効に活用できるようになったからである。
【００４７】
表２からわかるように、ＳＩＯ１７ＰＢは、光触媒１０１の吸収端である４００ｎｍにおいて、光を４６．４％しか反射していないことから、反射材料１０２としての機能を十分に発揮していなかったと考えられる。
【００４８】
したがって、少なくとも、光触媒１０１の吸収端の波長において、４６．４％より反射率が大きくないと、反射材料１０２としての効果は示せない。
【００４９】
また、反射材料１０２として効果の見られた４つのうち、４００ｎｍでの反射率が最も小さいＳＩＯ１８ＰＢは、反射率が７４．４％であることから、光触媒１０１の吸収端の波長において、反射率７４．４％以上の反射材料１０２を用いることが望ましい。
【００５０】
図２に、光触媒の吸収端の求め方を示した。光触媒の吸収端の波長とは、光触媒が吸収できる波長のうち、最も長い波長のことであり、図２の反射率曲線の接線２０１と、吸収のない長波長域のベースライン２０２との交点２０３から求めることができる。図２の場合、交点２０３の垂線２０４から約３９５ｎｍのところであると求められるが、この方法は誤差を含むため、長波長側で１０ｎｍ刻みに繰上げすることと定義し、図２に示したフッ化酸化チタンの吸収端の波長は４００ｎｍであると読み取る。
【００５１】
本発明の実施の形態１には、反射材料として、二酸化ケイ素を９９．９％以上含む反射材料を用いたが、それ以外にも、ダイヤモンド、ジルコニア、アルミナ、アルミニウムなど、光触媒の吸収端の波長を反射する材料であればよい。特に二酸化ケイ素は、安価で、純度が高く、光の吸収が少ないことから望ましいが、不純物の混合によって吸収が増大することが多いため、９９．９％以上の組成比を持つ材料が好ましい。中でも石英は、可視光から紫外光まで、幅広い領域での光吸収がほぼないことから、最も好ましい。
【００５２】
今回光触媒としては、フッ化酸化チタンを用いたが、光触媒の種類としてはこれに限らず、酸化チタン、酸化タングステン、チタン酸ストロンチウムなど、種々の材料が利用可能である。ただし、光触媒の種類、組成が異なれば、吸収端の波長も異なるため、吸収端波長の短いものでは使えていた反射材料が、吸収端波長が長いものでは使えなくなることがある。
【００５３】
また、本発明は、光触媒に照射される光の利用効率を高めることが、フィルタ性能向上の理由であるため、光触媒の性能が高いほど、高い効果が望める。そのため、光触媒としては、有機物分解の活性に定評がある酸化チタンが望ましく、さらにはその表面の水酸基をフッ素で置き換えた、フッ化酸化チタンのほうが、通常の酸化チタンより有機物分解活性が高いため、より好ましい。
【００５４】
基材と光触媒、反射材料とを担持させるために、バインダーとしてテトラエトキシシランを用いたが、これ以外にもテトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシランなどのシリコンアルコキシドや、コロイダルシリカ、アルミナゾル、チタニアゾルなどの無機バインダーや、エポキシ樹脂やアクリル樹脂などの有機バインダーでも問題ない。
【００５５】
ただし、それ自体が光触媒に作用する光を吸収するバインダーは、光触媒への光照射の妨げになることから、反射材料と同様に、吸収が少ないものが望ましい。こうした観点から、加水分解によってシロキサン結合を作ることで、バインダー機能を果たす材料は、シロキサン結合が、可視光から紫外光まで幅広い領域での光吸収が少ないことから好ましく、その中でもテトラエトキシシランは、安価で、副生成物がエタノールであることから、工業的観点で好ましい。
【００５６】
基材には、ガラスクロスを用いたが、それ以外にもガラス板やパンチングメタル、網、など、特に材質・形状にはよらない。ガラスクロスは、柔軟性や流体の通過など、フィルタ基材としての特性に加え、紫外光による劣化がないことから、紫外光照射下で使用される際に、特に好ましい。
【００５７】
（実施の形態２）
本発明の光触媒フィルタを用いた、水質浄化装置を、図３を用いて説明する。
【００５８】
アクリル製の筐体３０１の側面に、石英ガラス板３０２を片側４枚、両側８枚になるようにはめ込み、光触媒フィルタ３０３を筐体３０１の中央部になるように配置した。筐体３０１の外部には、光源３０６を両側に配置し、筐体３０１と光源３０６との距離を変化することで、光の照射強度を変更できるようにした。また、筐体３０１の内部に水を流すために、片側に、入口側コネクタ３０４、その反対側に出口側コネクタ３０５を、図３に示すような配置にて設けた。
【００５９】
本発明では、図３に示した構成の装置を水質浄化装置とする。
【００６０】
次に、本発明の水質浄化装置を使用する際の構成を、図４を用いて説明する。
【００６１】
浄化するべき水を貯めておく、タンク４０１に、水流ポンプ４０２をつなぎ、その流れ後方に流量計４０３をつなぐ。流量計４０３の後方に流量調節用のバルブ４０４をつけ、その後ろに水質浄化装置４０５をつなぎ、そこで浄化された水は、タンク４０１に戻される。
【００６２】
運転条件の１例を以下に記す。
【００６３】
光触媒フィルタ３０３の面積を５０ｃｍ2にし、両面から光を照射することで、１００ｃｍ2とした。光源３０６には、３０Ｗ型ブラックライトブルー蛍光灯（パナソニック製：ＦＬ３０Ｓ・ＢＬ−Ｂ）２本を用い、フィルタ表面での光強度が２．０ｍＷ／ｃｍ2となるよう、光源３０６と筐体３０１との間隔を調整した。
【００６４】
次に、タンク４０１にジメチルスルホキシド１０ｍｇ／Ｌの水溶液を５００ｍＬ入れ、初期濃度測定のために１０ｍＬ採取する。
【００６５】
その後、液流量が５００ｍＬ／ｍｉｎとなるようにポンプを作動させ、１時間光照射せずに循環し、暗所での吸着が飽和に達していることを確認してから、２時間光照射を行った。
【００６６】
この間、３０分ごとにサンプルを採取し、採取した溶液は液体クロマトグラフィーによってジメチルスルホキシドの濃度を測定し、その減少量から半減時間を計算した。
【００６７】
光触媒としてフッ化酸化チタンを、反射材料としてＳＩＯ０７ＰＢを用い、反射材料の混合比率が８％となるように調整した光触媒フィルタにおいて、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）の半減時間は、１．４８時間であった。
【００６８】
この結果から、本発明の水質浄化装置によって、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）が分解することが確認された。
【００６９】
本発明では、有機物分解を対象とし、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）の分解を行ったが、その他の有機物でもよく、また、水中の菌類などの殺滅にも利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明にかかる光触媒フィルタ及び水質浄化装置は、光触媒に照射される光の利用効率を促進するものであるので、飲料水、工業用水、海水等の浄化に使用される水質浄化装置として有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１０１  光触媒
１０２  反射材料
１０３  フィルタ基材
１０４  バインダー
１０５  照射光
１０６  反射光
２０１  反射率曲線の接線
２０２  ベースライン
２０３  交点
２０４  垂線
３０１  筐体
３０２  石英ガラス板
３０３  光触媒フィルタ
３０４  入口側コネクタ
３０５  出口側コネクタ
３０６  光源
４０１  タンク
４０２  水流ポンプ
４０３  流量計
４０４  バルブ
４０５  水質浄化装置
【図１】
0005786116.tif 000005
【図２】
0005786116.tif 000006
【図３】
0005786116.tif 000007
【図４】
0005786116.tif 000008