(57)【要約】【課題】優れた光触媒能を有し、取り扱い易く安価な光触媒粉体およびその製造方法を提供する。また、安価で浄化能の高い水処理装置を提供する。【解決手段】無機材料粒子の表面を、光触媒である二酸化チタン粒子により被覆して光触媒粉体とする。また、光触媒粉体の製造方法を、無機材料粒子と二酸化チタンとを含む原料を混合して原料混合物を調製する原料混合物調製工程と、前記原料混合物を５００℃以上１３００℃以下の温度で焼成する焼成工程とを含んで構成する。さらに、上記光触媒粉体を備えて水処理装置を構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機材料粒子の表面が、光触媒である二酸化チタン粒子により被覆されてなる光触媒粉体。
【請求項２】
前記無機材料粒子は、珪石、長石、陶石、粘土、凝灰岩、石灰石、タルク、アルミナから選ばれる一種以上の粒子である請求項１に記載の光触媒粉体。
【請求項３】
無機材料粒子と二酸化チタンとを含む原料を混合した原料混合物を、５００℃以上１３００℃以下の温度で焼成して製造された請求項１に記載の光触媒粉体。
【請求項４】
無機材料粒子と二酸化チタンとを含む原料を混合して原料混合物を調製する原料混合物調製工程と、
前記原料混合物を５００℃以上１３００℃以下の温度で焼成する焼成工程と
を含む光触媒粉体の製造方法。
【請求項５】
無機材料粒子の表面が、光触媒である二酸化チタン粒子により被覆されてなる光触媒粉体を備え、該光触媒粉体と汚水と接触させることにより該汚水を浄化する水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒粉体およびその製造方法、ならびに光触媒粉体を用いた水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、そのバンドギャップ以上のエネルギーを有する光が照射されることにより、表面に正孔を生ずる。生じた正孔は、強力な酸化力を有する。そのため、二酸化チタンは、光触媒として、大気中のＮＯｘやＳＯｘ等の分解、排水の浄化、防汚、抗菌等の様々な分野への応用が期待されている。
【０００３】
二酸化チタンは、通常、微粉末として製造される。そのため、二酸化チタンを光触媒として使用する際は、二酸化チタン粉末を支持基材に担持させて用いることが多い。二酸化チタン粉末が支持基材に担持された光触媒担持体としては、例えば、二酸化チタン粉末を含むゾル液を多孔性基材へ塗布し、乾燥凝固させた後に焼成して製造された光触媒担持体がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５９４３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された光触媒担持体は、ゾル液を調製する必要がある等、製造工程が煩雑であり、コストも高い。したがって、製造された光触媒担持体も高価なものとなる。
【０００６】
本発明は、上記実状に鑑みてなされたものであり、優れた光触媒能を有し、取り扱い易く安価な光触媒粉体を提供することを課題とする。また、そのような光触媒粉体を簡便に製造できる方法を提供することを課題とする。さらに、安価で浄化能の高い水処理装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光触媒粉体は、無機材料粒子の表面が、光触媒である二酸化チタン粒子により被覆されてなることを特徴とする。本発明の光触媒粉体は、無機材料粒子の表面全体に二酸化チタン粒子が付着している態様の他、同粒子の表面の一部に二酸化チタン粒子が付着している態様をも含む。例えば、二酸化チタン粒子の粒子径が比較的大きい場合には、無機材料粒子の表面に付着する二酸化チタン粒子の数が減少する。したがって、無機材料粒子の表面において、二酸化チタンと接触していない部分が生ずる。本発明の光触媒粉体は、このような態様をも含むものである。また、無機材料粒子が多孔質の材料からなる場合には、無機材料粒子の孔の内側に二酸化チタン粒子が付着していてもよい。
【０００８】
本発明の光触媒粉体は、粉末状を呈するため、取扱いが容易な光触媒となる。また、単位体積あたりの二酸化チタンの表面積が大きいため、光触媒能が高い。特に、無機材料粒子として、自然から採取できる材料を採用した場合には、本発明の光触媒粉体は、安価であり、かつ、環境を汚染することのない光触媒となる。したがって、本発明の光触媒粉体は、汚水処理、空気浄化、防汚、脱臭、抗菌等の種々の用途に有用である。
【０００９】
本発明の光触媒粉体の製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、以下に示す本発明の製造方法により、簡便に製造することができる。すなわち、本発明の光触媒粉体の製造方法は、無機材料粒子と二酸化チタンとを含む原料を混合して原料混合物を調製する原料混合物調製工程と、前記原料混合物を５００℃以上１３００℃以下の温度で焼成する焼成工程とを含むことを特徴とする。本発明の製造方法によれば、所定の原料を混合し、焼成するという簡便な工程により、上記本発明の光触媒粉体を製造することができる。したがって、上記本発明の光触媒粉体を、低コストに製造することができる。
【００１０】
さらに、本発明の水処理装置は、無機材料粒子の表面が光触媒である二酸化チタン粒子により被覆されてなる光触媒粉体を備え、該光触媒粉体と汚水と接触させることにより該汚水を浄化することを特徴とする。すなわち、本発明の水処理装置は、上記本発明の光触媒粉体を用いた水処理装置である。安価で光触媒能の高い本発明の光触媒粉体を用いることで、本発明の水処理装置は、安価で浄化能の高い水処理装置となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光触媒粉体およびその製造方法、ならびに光触媒粉体を用いた水処理装置について詳細に説明する。なお、本発明の光触媒粉体およびその製造方法、ならびに光触媒粉体を用いた水処理装置は、下記の実施形態に限定されるものではない。本発明の光触媒粉体およびその製造方法、ならびに光触媒粉体を用いた水処理装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００１２】
〈光触媒粉体〉
本発明の光触媒粉体は、無機材料粒子の表面が、光触媒である二酸化チタン粒子により被覆されてなる。無機材料粒子の種類は、特に限定されるものではない。例えば、珪石、長石、陶石、粘土、石灰石、タルク、アルミナ等が挙げられる。また、自然から採取でき、安価であるという観点から、抗火石、シラス、石川ライト（商品名、石川ライト工業株式会社製）等の凝灰岩を用いると好適である。
【００１３】
無機材料粒子の形状は、特に限定されるものではなく、球状の他、表面に凹凸を有する異形状等であってもよい。また、無機材料粒子の粒子径は、７０μｍ以上１０ｍｍ以下とすることが望ましい。２ｍｍ以上５ｍｍ以下とするとより好適である。ここで、無機材料粒子の形状が球状の場合には、球である無機材料粒子の直径が粒子径となる。無機材料粒子の形状が球状以外の場合には、無機材料粒子の最長径を粒子径とする。
【００１４】
二酸化チタンの結晶構造は、特に限定されるものではない。なかでも、光触媒能が高いという理由から、アナターゼ型の二酸化チタンを用いることが望ましい。二酸化チタン粒子の粒子径は、５ｎｍ以上３μｍ以下であることが望ましい。特に、粒子径が９ｎｍ以上３０ｎｍ以下の二酸化チタン粒子は、入手が容易であり好適である。
【００１５】
本発明の光触媒粉体において、無機材料粒子に対する二酸化チタン粒子の質量は、無機材料粒子の質量を１００ｗｔ％とした場合の１ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であることが望ましい。二酸化チタン粒子の質量が１ｗｔ％未満の場合には、光触媒能が低くなるからである。５ｗｔ％以上とするとより好適である。一方、二酸化チタン粒子の質量が３０ｗｔ％を超えると、光触媒粉体の製造が困難となる。１０ｗｔ％以下とするとより好適である。
【００１６】
本発明の光触媒粉体は、例えば、無機材料粒子と二酸化チタンとを含む原料を混合した原料混合物を、５００℃以上１３００℃以下の温度で焼成して製造することができる。以下、好適な製造方法の一例として、本発明の光触媒粉体の製造方法について説明する。
【００１７】
〈光触媒粉体の製造方法〉
本発明の光触媒粉体の製造方法は、原料混合物調製工程と、焼成工程とを含む。以下、各工程について順に説明する。
【００１８】
（１）原料混合物調製工程
本工程は、無機材料粒子と二酸化チタンとを含む原料を混合して原料混合物を調製する工程である。原料の混合は、公知の混合手段を用いればよく、例えば、攪拌ミキサー等にて行えばよい。
【００１９】
原料の一つとして用いられる二酸化チタンの形態は、特に限定されるものではない。紛末状、ゾル状、二酸化チタンの水溶液等、種々の形態のものを使用することができる。また、原料には、上記無機材料粒子および二酸化チタンの他、必要に応じて、水、バインダ等が含まれる。バインダとしては、例えば、水ガラス、フリット、リン酸アルミニウム、シリカゾル等が挙げられる。バインダは、その種類に応じて、水等により粘度を調整して用いるとよい。バインダは、無機材料粒子の１００重量部に対して、２重量部以上７０重量部以下の割合で混合することが望ましい。
【００２０】
原料を構成する無機材料粒子および二酸化チタンは、目的とする光触媒粉体に応じて、その種類や粒子径等を適宜選択すればよい。無機材料粒子および二酸化チタンの好適な種類、粒子径等については、上述した通りである。したがって、ここでは説明を省略する。原料混合物における無機材料粒子と二酸化チタンとの混合割合は、目的とする光触媒粉体に応じて決定すればよい。例えば、上述した好適な光触媒粉体を製造するためには、無機材料粒子の１００重量部に対して、二酸化チタンを１重量部以上３０重量部以下混合することが望ましい。二酸化チタンの混合量を５重量部以上１０重量部以下とするとより好適である。
【００２１】
（２）焼成工程
本工程は、原料混合物調製工程にて調製した原料混合物を５００℃以上１３００℃以下の温度で焼成する工程である。焼成は、公知の焼成炉を用いればよい。なかでも、ロータリーキルンを用いると、粒子が転動されながら焼成されるため、粒子の凝集を抑制することができる。また、連続生産が可能となる。そのため、ロータリーキルンは、本発明の光触媒粉体を大量に生産する場合に好適である。なお、焼結時間を短くするという観点から、焼成温度を６００℃以上とすることが望ましい。一方、無機材料粒子の溶融を抑制するという観点から、焼成温度を１０００℃以下とすることが望ましい。焼成は、３０分程度行えば充分である。
【００２２】
焼成により得られた本発明の光触媒粉体は、常温まで冷却される。この場合、粒子の凝集を抑制し、また、生産効率を向上させるという観点から、冷却速度を大きくすることが望ましい。例えば、焼成後の光触媒粉体を、３０分程度の時間で常温まで冷却することが望ましい。
【００２３】
なお、原料混合物調製工程にて調製した原料混合物は、焼成を行う前に乾燥しておくことが望ましい。焼成を行う前に、原料混合物を乾燥しておくことで、焼成時における粒子の凝集を抑制することができる。この場合、本発明の光触媒粉体の製造方法は、原料混合物調製工程にて調製した原料混合物を乾燥する乾燥工程を、焼成工程の前に含んで構成される。乾燥工程における原料混合物の乾燥は、例えば、炉内に原料混合物を収容し、２００〜４００℃程度の熱風を吹き付けて行えばよい。
【００２４】
〈水処理装置〉
本発明の水処理装置は、上記本発明の光触媒粉体を備え、該光触媒粉体と汚水と接触させることにより汚水を浄化する装置である。本発明の水処理装置の態様は、特に限定されるものではない。例えば、本発明の光触媒粉体を処理槽内に設置して構成することができる。図１に、本発明の水処理装置の一実施形態を示す。なお、図１では、光触媒粉体を拡大して示している。
【００２５】
図１に示すように、水処理装置１は、処理槽２と、光触媒粉体３とを備える。処理槽２は、上方が開放されており、上方から光が照射される。処理槽２の内側には、四方を木枠で囲まれ、縦４００ｍｍ×横６００ｍｍの大きさの金網２１（ステンレス鋼製、１８メッシュ）が設置されている。金網２１の上に光触媒粉体３が敷き詰められている。光触媒粉体３は、無機材料粒子である石川ライト（商品名、石川ライト工業株式会社製、粒子径約２．３〜４ｍｍ）の表面が、アナターゼ型二酸化チタン粒子（粒子径約１２ｎｍ）により被覆されたものである。
【００２６】
以下、水処理の流れを説明する。まず、処理対象となる汚水を、処理槽２に供給し、光触媒粉体３と接触させる。次に、処理槽２の上方から太陽光を照射して所定時間放置する。その結果、光触媒粉体３の強力な酸化力により汚水が浄化される。
【００２７】
光触媒粉体に照射する光は、使用した二酸化チタンのバンドギャップ以上のエネルギーを有する光であれば、特に限定されるものではない。上記太陽光の他、紫外線ランプ等の人工光源でも構わない。また、本実施形態では、バッチ式で処理を行ったが、連続的に汚水を供給して浄化するフロー式を採用してもよい。この場合、水の流入口と流出口とを有する処理槽に、本発明の光触媒粉体が充填されたカートリッジを設置して、本発明の水処理装置とすることができる。
【００２８】
【実施例】
上記実施の形態に基づいて、本発明の光触媒紛体を製造した。そして、製造された本発明の光触媒紛体を用いて水処理試験を行った。以下、光触媒紛体の製造、水処理試験について述べる。
【００２９】
（１）光触媒紛体の製造
無機材料粒子として、石川ライト（商品名、石川ライト工業株式会社製、粒子径約２．３〜４ｍｍ）を、二酸化チタンとして、粉末状のアナターゼ型二酸化チタン（ＳＳＰ−２０、堺化学工業株式会社製、粒子径約１２ｎｍ）を使用した。まず、バインダとしての水ガラス１７重量部と水２重量部とを混合した液体に、二酸化チタン５重量部を混合し、二酸化チタンの分散液を調製した。次に、石川ライト１００重量部を攪拌ミキサーへ入れ、攪拌しながら、二酸化チタンの分散液を投入し、原料混合物を調製した。次いで、その原料混合物を乾燥キルンへ収容し、温度約２００〜４００℃の熱風を吹き付けて乾燥した。その後、原料混合物を連続的にロータリーキルンへ導入し、約９００℃の温度で約３０分焼成した。焼成により得られた光触媒紛体を、ロータリークーラーに移して急冷し、本発明の光触媒紛体とした。
【００３０】
（２）水処理試験
上記製造した本発明の光触媒粉体５ｇを、金魚を飼育した後の汚水３００ｍｌとともに透明な容器に入れ、密閉した。また、比較のため、金魚を飼育した後の汚水３００ｍｌのみを透明な容器に入れ、密閉した。これら二種類の容器を、側方から太陽光が照射可能な状態として、常温で２週間放置した。目視による観察の結果、本発明の光触媒粉体を入れた容器では、汚水の濁りや着色が除々に消失し、二週間後にはほぼ無色透明の水になった。一方、汚水のみの容器では、変化は見られなかった。これより、本発明の光触媒粉体は、汚水の浄化能を有することが確認できた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の光触媒粉体は、無機材料粒子の表面が、光触媒である二酸化チタン粒子により被覆されてなる。本発明の光触媒粉体は、取扱いが容易で光触媒能が高い。特に、無機材料粒子として、自然から採取できる材料を採用した場合には、安価であり、かつ、環境を汚染することのない光触媒となる。また、本発明の製造方法によれば、本発明の光触媒粉体を、簡便かつ低コストに製造することができる。本発明の水処理装置は、本発明の光触媒粉体を用いているため、安価で浄化能の高い水処理装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水処理装置の一実施形態を示す。
【符号の説明】
１：水処理装置  ２：処理槽  ３：光触媒粉体
【図１】
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