(57)【要約】【課題】被処理流体に均一に効果的に殺菌・浄化処理が施され、構成も簡単で維持も容易な流体浄化方法および流体浄化装置を提供する。【解決手段】風呂水等の被処理水１２が流れる配管１６の途中に設けられた反応容器３２と、外筒を兼ねる反応容器３２の外周部と、反応容器３２の内側に同心的に設けられ入口と出口が各々配管１６に接続された透明な内筒３４とを備える。内筒３４内に設けられ一方の電極と対を成す他方の電極を兼ねる光触媒の大表面積材料３０と、反応容器３２の外筒と内筒３４との間の密閉された空間に酸素を供給する酸素供給手段であるエアーポンプ３８と、反応容器３２の外筒と内筒３４との間を通過した酸素から、電極間の放電によって生成されたオゾンを、内筒３４の上流側の流体に混合する混合装置４４とを備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理流体が流れる配管の途中に設けられ内筒と外筒を備えた反応容器と、この反応容器の外筒全周に位置した一方の電極と、この反応容器の外筒内に所定の空間を空けて設けられるとともに入口と出口が各々上記配管に連通した透明な内筒と、この内筒内に設けられ上記一方の電極と対を成す他方の電極とを設け、上記外筒と内筒との間の密閉された空間に酸素を供給し、上記外筒と内筒との間で上記電極間に放電を発生させ、上記酸素が上記各電極間の放電区間を通過することによりオゾンを生成し、このオゾンを上記内筒に流入する流体に混合することを特徴とする流体浄化方法。
【請求項２】
上記内筒内に光触媒を設け、上記反応容器と内筒との間での上記放電により紫外線を発生させ、この紫外線により上記光触媒を機能させることを特徴とする請求項１記載の流体浄化方法。
【請求項３】
上記内筒内に、チタンまたはチタン合金製の大表面積材料を設け、この大表面積材料の表面に光触媒を形成し、上記反応容器と内筒との間での上記放電により紫外線を発生させ、この紫外線により上記大表面積材料の光触媒を機能させることを特徴とする請求項１記載の流体浄化方法。
【請求項４】
被処理流体が流れる配管の途中に設けられ内筒と外筒を備えた反応容器と、この反応容器の外筒全周に位置した一方の電極と、この反応容器の外筒内に所定の空間を空けて設けられるとともに入口と出口が各々上記配管に連通した透明な内筒と、この内筒内に設けられ上記一方の電極と対を成す他方の電極と、上記反応容器の外筒と内筒との密閉された空間に酸素を供給する酸素供給手段と、上記外筒と内筒との間を通過した上記酸素から、上記電極間の放電によって生成されたオゾンを、上記内筒の上流側の流体に混合する混合装置とを備えたことを特徴とする流体浄化装置。
【請求項５】
上記反応容器はステンレスの筒により形成され、この筒が外筒を兼用し、上記一方の電極を構成していることを特徴とする請求項４記載の流体浄化装置。
【請求項６】
上記内筒内には、チタンまたはチタン合金製の大表面積材料を有し、この大表面積材料が上記他方の電極を構成していることを特徴とする請求項４記載の流体浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、浴槽水、生活排水、飲料水、プール水、冷却水、洗浄水、貯留水、養殖用水、産業廃水、水耕栽培等の農業用水、空気などの流体を殺菌・浄化処理等する流体浄化方法および流体浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平８−８９７２５号公報
【特許文献２】特開平１１−２６２７５９号公報
従来、水や空気の殺菌・浄化装置としては、紫外線殺菌装置、オゾン殺菌装置、光触媒殺菌装置等があった。そのうち、紫外線殺菌装置は、紫外線波長帯の光を発生するランプを用いているが、このランプの寿命が短く、寿命の長い無電極放電ランプは高価で維持管理コストもかかるものであった。またランプ全周に均一な配光が出来ず、大型の処理装置においては複数の光源が必要であり設備コストがかかるものであった。さらに、処理対象の汚水等が接触するランプ面又はカバーは、有機物や無機物の汚れが付着し定期的な清掃作業が必要であった。
【０００３】
オゾン殺菌装置は、一般的な無声放電方式により放電させて酸素をオゾン化しているので、酸素と放電箇所との接触が短時間であり、高濃度のオゾンを生成できないものであった。またオゾンを効率的に水に溶解することができず、生成したオゾンが酸素に戻ったり水に溶解せずに大気中に逃げてしまっていた。さらに、オゾンを高濃度にすると、漏れたオゾンによる臭気があり人体に有害であるという問題点もあった。
【０００４】
光触媒殺菌装置は、光触媒である酸化チタンの固定が困難であり、長期の使用により酸化チタンが剥離し、性能の低下をきたすものであった。さらに、光触媒を利用した殺菌には酸素が必要であるが、汚水や浴槽水には酸素が少なく光触媒の殺菌作用を効果的に発揮できないものであった。しかも光触媒は、光が必要であり、光触媒全体に均一な光を当てることが困難である上、光触媒に菌や有機物が接触して殺菌作用を発揮することから、大表面積化が必要であるが、光触媒の大表面積化は困難なものであった。
【０００５】
さらに、特許文献１，２に開示されているように、被処理水を循環させる経路の途中に光触媒が設けられた反応容器を設け、この反応容器に紫外線を照射して、光触媒により被処理水中の菌を無害化するものも提案されている。この流体浄化装置は、酸化チタンが溶射された網を反応容器中に入れ紫外線ランプを照射して、被処理水を通過させ光触媒の作用により殺菌するものである。また、特許文献２では同様の装置を用いて、被処理水中にオゾンを含有した気体を供給する処理方法も提案されている。
【０００６】
この光触媒を用いた殺菌処理等の原理は以下のようなものである。半導体物質である二酸化チタン等の光触媒に波長が４００ｎｍ以下の紫外光が照射されると、価電子帯に正孔が発生するとともに伝導帯に電子が生じる。この正孔の酸化電位は、フッ素、オゾン、過酸化水素等の酸化電位よりも高く、有機物は光触媒により完全に酸化分解されて最終的には二酸化炭素ガスと水、硫酸、硝酸などに完全酸化される。光触媒による酸化反応のメカニズムは、光触媒に紫外光が照射された際に生じる正孔またはこの正孔と水が反応して生じる極めて反応活性に富むヒドロオキシルラジカル（ＯＨラジカル）により、酸化反応が起こると考えられている。このとき、紫外線が照射された際に生じる正孔と同時に発生する電子と酸素ガス等との還元反応が、並行して進行する。光触媒の作用は、このような強力な酸化反応により、従来のオゾンや過酸化水素、塩素等の殺菌剤よりも強い殺菌能力を有し、有機物の分解機能も備えている。また、光照射により生じた正孔やＯＨラジカルの寿命はミリ秒以下と短いので、オゾンや過酸化水素等の酸化剤のように処理後に残留がなく、残留酸化剤を処理する装置が不要であるという利点がある。このようなことから、これまでに光触媒を用いた多くの流体浄化装置が提案されている。
【０００７】
しかしながら、光触媒による作用は光が照射される光触媒表面のみで起こるため、効率良く処理を行うには光触媒の表面積を大きくして被処理水との接触効率を高める必要がある。また、光触媒に紫外光が照射された際に生じる正孔またはＯＨラジカルは寿命が短いので短時間で反応させる必要がある。また、紫外光は水に吸収されやすく、水中で減衰しやすいという問題がある。
【０００８】
さらに、上記従来の技術の場合、酸化および殺菌作用は紫外線が照射された光触媒の表面のみで起こり、酸化チタン等の光触媒が表面に溶射された網の表面に接触するごく一部の被処理水のみしか処理されず、処理能力が低いものであった。また、酸化チタン等の光触媒が溶射された網は、表面の光触媒が剥離等しやすく耐久性が低い。溶射された光触媒がなくなると、光触媒としての作用がなくなり、その部分を交換しなければならないという問題があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、被処理流体に均一に効果的に殺菌・浄化処理が施され、構成も簡単で維持も容易な流体浄化方法および流体浄化装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、汚水や浴槽水、水道水や空気等の被処理流体が流れる配管の途中に設けられ内筒と外筒を備えた反応容器と、この反応容器の外筒全周に位置した一方の電極と、この反応容器の外筒内に所定の空間を空けて設けられるとともに入口と出口が各々上記配管に連通した透明な内筒と、この内筒内に設けられ上記一方の電極と対を成す他方の電極とを設け、上記外筒と内筒との間の密閉された空間に酸素を供給し、上記外筒と内筒との間で上記電極間に放電を発生させ、上記酸素が上記電極間の放電区間を通過することによりオゾンを生成し、このオゾンを、上記内筒に流入する流体に混合する流体浄化方法である。
【００１１】
上記内筒内に光触媒を設け、上記反応容器と内筒との間での上記放電により紫外線を発生させ、この紫外線により上記光触媒を機能させるものである。また、上記内筒内に、チタンまたはチタン合金製の大表面積材料を設け、この大表面積材料の表面に光触媒を形成し、上記反応容器と内筒との間での上記放電により紫外線を発生させ、この紫外線により上記大表面積材料の光触媒を機能させるものである。
【００１２】
またこの発明は、汚水や浴槽水、水道水や空気等の被処理流体が流れる配管の途中に設けられ内筒と外筒を備えた反応容器と、この反応容器の外筒全周に位置した一方の電極と、この反応容器の外筒内に所定の空間を空けて設けられるとともに入口と出口が各々上記配管に連通した透明な内筒と、この内筒内に設けられ上記一方の電極と対を成す他方の電極と、上記反応容器の外筒と内筒との密閉された空間に酸素を供給する酸素供給手段と、上記外筒と内筒との間を通過した上記酸素から、上記電極間の放電によって生成されたオゾンを、上記内筒の上流側の流体に混合する混合装置とを備えた流体浄化装置である。
【００１３】
上記反応容器はステンレスの筒により形成され、この筒が外筒を兼用し、上記一方の電極を構成している。上記内筒内には、チタンまたはチタン合金製の大表面積材料を有し、この大表面積材料が光触媒であり、且つ上記他方の電極を構成している。光触媒は、ガラスビーズ表面に光触媒を設けたものや、その他ステンレス、セラミックス、ガラス繊維等の大表面積材料の表面に酸化チタン等の光触媒を設けたものでも良い。
【００１４】
この発明は、被処理流体を反応容器の内筒間で放電を発生させ、その間を酸素が通過することによりオゾンを発生させ、このオゾンを被処理水中に混合して殺菌・浄化処理を行なうものである。さらに、放電により発生した紫外線を、内筒内の大表面積材料の光触媒に当てて、光触媒による殺菌・浄化作用を起こさせ、さらに、チタンを含む大表面積材料の表面に上記オゾン等により光り触媒を常時再生させるようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明の流体浄化装置の一実施形態を示す概略図で、この実施形態の流体浄化装置１０は、被処理流体である被処理水１２として温泉や健康施設等において循環するお風呂の湯を処理するものである。この実施形態の流体浄化装置１０は、大浴槽１４の被処理水１２が流れ込み循環させる循環用配管１６に、髪の毛を回収するヘアーキャッチャー１８と、ヘアーキャッチャー１８の下流に設けられた循環ポンプ２０とを有している。循環ポンプ２０の下流側には、濾過タンク２２が設けられ、濾過タンク２２の下流に熱交換器２４が設けられ、被処理水１２の温度を所定温度に昇温し、循環用配管１６を介して大浴槽１４に被処理水１２を戻している。
【００１６】
ヘアーキャッチャー１８と循環ポンプ２０との間の循環用配管１６には、図１，図２に示すように、内部にチタンまたはチタン合金製の、網やチタン線、繊維状チタン材料の集合体、その他多孔質チタン材料等の大表面積材料３０を収容した反応容器３２が取り付けられている。大表面積材料３０は、チタンまたはチタン合金の表面に予め二酸化チタンの光触媒が形成されていても良く、後述するように、オゾンにより、使用中に二酸化チタンの光触媒を形成するものでも良い。
さらに、ガラスやステンレス等のチタン以外の材料の大表面積材料に光触媒を付着させたものでも良い。
【００１７】
反応容器３２はステンレス製の筒体であり、その両端部に循環用配管１６が接続されている。外筒である反応容器３２内には、同心的に透明な内筒３４が取り付けられ、内筒３４は、循環用配管１６との接続部の入口３４ａと出口３４ｂに各々気密状態で連通している。従って、反応容器３２の内壁と内筒３４の外壁間は筒状の密閉された空間３２ａとなっている。この反応容器３２の内壁と内筒３４の外壁間は筒状の密閉された空間３２ａには、その下流側の端部に酸素を含む空気供給する配管３６が接続され、配管３６には、エアーポンプ３８が設けられ、埃や湿気を除去するフィルタ４０を介して空気を供給可能に設けられている。
【００１８】
反応容器３２と内筒３４との間の空間３２ａの上流側には、この空間３２ａに連通した配管４２が接続され、配管４２は上流側の循環用配管１６に取り付けられた混合装置４４に接続されている。混合装置４４は、図３に示すように配管４２が側面に接続されたリング状のセラミックスや金属、または連続気泡樹脂等の多孔質体であり、気体を微細気泡にして放出する。
【００１９】
内筒３４は、紫外線を通しやすい石英ガラスまたはホウ珪酸ガラスにより形成されている。ステンレス製の反応容器３２は、後述する放電用の一方の電極として電源装置のプラス側に接続されるので、ステンレス部分は絶縁された状態で設置される。チタン線等の大表面積材料３０は、内筒３４内の被処理水１２とともに他方の電極を構成し、電源装置の接地側に接続されている。
【００２０】
次に、この実施形態の動作作用について説明する。被処理水１２は循環ポンプ２０により加圧されて、流体浄化装置１０の濾過タンク２２内に圧送され、異物等がある程度除去され、熱交換器２４を介して一定の温度に温められて大浴槽１４内に戻される。また、循環ポンプ２０の上流側では、大浴槽１４からの被処理水１２が、循環用配管１６によりヘアーキャッチャー１８で髪の毛等を除去され、反応容器３２を経て循環ポンプ２０に吸引される。
【００２１】
反応容器３２内では、この反応容器３２による電極と大表面積材料３０及びそれに接触した被処理水１２による他方の電極により、空間３２ａ内に無声放電を発生させる。このときの電圧は、適宜調節されるもので、良好な無声放電が可能な電圧に図示しない電源装置を設定する。さらに、空間３２ａ内全周で無声放電による紫外線が発生する。発生した紫外線は、ステンレス製の反応容器３２の内面で反射し、透明な内筒３４内に照射され、光触媒が表面に形成された大表面積材料３０の表面に照射される。さらに、空間３２ａ内には、エアーポンプ３８から酸素を含む空気が配管３６を介して送られ、その酸素が、空間３２ａでの放電区間を通過することによりオゾンに変化し、配管４２から送り出される。このオゾンは、循環用配管１６を流れる被処理水１２中に、混合装置４４により微細気泡にされて混合され、内筒３４の上流側に流れ込む。
【００２２】
被処理水１２に混合されたオゾンは被処理水１２が反応容器３２内の大表面積材料３０の隙間を通過する。大表面積材料３０の表面の光触媒は、無声放電による紫外線照射によりＯＨラジカルを発生させ、これにより殺菌や有機物の分解が行われる。この殺菌・浄化メカニズムは上述の通りである。同時に、上流側で混合されたオゾンによる殺菌も行われる。また、チタンまたはチタン合金製の大表面積材料３０は、その表面の光触媒が剥離した場合でも、露出したチタン原子に対して被処理液１２中のオゾンにより酸化反応し、容易に表面に二酸化チタンの光触媒が形成される。
【００２３】
この実施形態の流体浄化方法と装置によれば、紫外線ランプを用いる必要が無く、常時均一な紫外線を内筒３４内に照射することができる。しかも内筒３４内では光触媒の作用により内面に有機物が付着せず、常時きれいな面を維持することができ、清掃工数を大幅に削減することができる。また、反応容器３２内全周で無声放電が起き、内筒３４の全周から紫外線が入射するので、大表面積材料３０の光触媒に効率的に紫外線が照射される。
【００２４】
また、反応容器３２内のの空間３２ａでは、比較的長い区間に亘って放電が生じ、酸素が効率的にオゾンに変化し、高濃度のオゾンを生成することができる。
そして、被処理水１２の殺菌及び有機物の分解処理を、紫外線とオゾン及び光触媒により高効率で確実に行うことができる。例えば、レジオラ菌等による浴槽水の汚染を確実に防止することができ、大量の被処理水１２の処理が可能となる。
さらに、反応容器３２内の大表面積材料３０の二酸化チタンによる光触媒が、長期間の使用により剥離しても、オゾン発生器２６からのオゾンにより、チタンまたはチタン合金製の大表面積材料３０の表面には、常時二酸化チタンが生成され、光触媒が剥離してなくなるということはない。
【００２５】
また、紫外光照射時に光触媒では、正孔と同時に生成した電子が酸素と迅速に反応してスーパーオキサイド（Ｏ２−）が生成する。このとき、酸素が不足すると未反応の電子が正孔と再結合し、正孔の酸化反応を阻害することになるが、この発明では、オゾンを含む十分な酸素含有気体が光触媒表面に供給されるので、上記の電子と正孔の再結合を防止することができ、その結果、被処理水１２と二酸化チタンの光触媒との酸化反応効率を高めることができる。
【００２６】
さらに、この実施形態によれば、反応容器３２における被処理水１２の混合攪拌効果により、被処理水１２を光触媒表面に効率良く接触させることができるとともに、十分な酸素が供給され、二酸化チタン等の光触媒と被処理水１２との反応効率を飛躍的に高めることができる。
【００２７】
なお、この発明の流体浄化装置は上記実施形態に限定されず、図５に示すように、反応容器３２内の内筒３４内周面に長手方向に複数本の電極５０を設け、ステンレス製の反応容器３２と電極５０間で、空間３２ａ内に無声放電を発生させるようにしても良い。これにより、内筒３４内を流れる流体の導電率が低い場合も良好に空間３２ａ内に無声放電を発生させることができる。例えば、飲料水等は液中の電解質が少ないため導電率が低いが、これにより無声放電を良好に発生させ、効率的にオゾンを生成し、内筒３４内を流れる飲料水に溶解させることが出来る。また、無声放電による紫外線によっても殺菌される。飲料水を流す場合は、光触媒によるオゾンの消費を防ぐため、光触媒を内筒３４内に入れず、図５に示す態様で用いる。
【００２８】
また、図４に示す反応容器３２の内筒３４に空気を流して、空気の殺菌・消臭等に用いても良い。この場合、内筒３４内に流れる空気は、オゾン及び紫外線により殺菌され、さらに光触媒によっても殺菌及び有機物の分解、消臭等が行われる。また、オゾンは、光触媒により消費され、また酸素に変換し、オゾン臭が漏れることはない。
【００２９】
この他、この発明の流体浄化装置は、図６に示すように、反応容器３２内の空間３２ａからのオゾンガスを、加圧ポンプ５２を介して配管１６の被処理水１２に混合しても良い。この場合、加圧ポンプ５２に流れ込む配管の負圧を利用してオゾンを含む空気を吸引し、加圧ポンプ５２の羽根車により微細気泡に撹拌され、オゾンガスがより多く被処理水１２中に溶解する。加圧ポンプ５２を用いることにより、配管１６内の被処理水内圧が高い場合も、確実に効率的にオゾンを被処理水１２中に混合し、溶解させることができる。また、被処理水１２中に混合した微細気泡のオゾン及び酸素は、光触媒をより活性化させる。
【００３０】
また、反応容器３２をヘアーキャッチャー１８等の処理槽と兼用し、反応容器３２の被処理水１２の入り口側にヘアーキャッチャーの籠を設け、反応容器３２内の隔壁を隔てて、下流側に内筒３４を設けその中に大表面積材料３０を設けても良い。この場合も上記と同様に、内筒３４と反応容器３２の内壁との間で無声放電を発生させ、内筒内に紫外線を照射するとともに、発生したオゾンを反応容器３２の上流側で、被処理水１２に混合する。これにより、さらに装置の小型化、省スペース化を図ることができる。
【００３１】
また、内筒３４の外表面には、効果的に紫外線を発生させるための蛍光剤を塗布しておいても良い。
【００３２】
この発明の流体浄化方法と装置の対象とする被処理水は、浴槽の湯以外に生活排水や工業用水、水耕栽培等の農業用水、その他殺菌処理等を必要とする水や、空気、その他の気体等、全ての流体に利用可能である。
【００３３】
【発明の効果】
この発明に係る光触媒を用いた流体浄化方法と装置によれば、紫外線ランプを用いることなく効果的に紫外線を発生させることができ、被処理水を紫外線やオゾンとともに確実に殺菌・浄化することができる。また、発生する紫外線は内筒全周から内側に照射され、光触媒を用い場合も、光触媒である大表面積材料に効率的に紫外線が照射され、光触媒による殺菌及び有機物の分解処理を効率的に行わせることができる。そして、光触媒による処理を組み合わせることにより、被処理水等に含まれる有害有機物、細菌等の微生物、臭気物質や難分解物質などを効率良く大量に殺菌、分解除去することができる。
【００３４】
さらに、光触媒を表面に形成した大表面積材料を、チタンまたはチタン合金により形成することにより、二酸化チタンの光触媒が長期使用により剥離しても、オゾンによる強力な酸化作用で、大表面積材料のチタン原子を酸化し、表面に二酸化チタンの光触媒を常に再生する。これにより、大表面積材料は、半永久的に光触媒として機能することができ、使用による光触媒の剥離等の問題を解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の流体浄化装置の概略配管図である。
【図２】この実施形態の反応容器の縦断面図である。
【図３】この実施形態の混合装置の正面図である。
【図４】この実施形態の反応容器の横断面図である。
【図５】この発明の反応容器の他の実施形態を示す横断面図である。
【図６】この発明の反応容器のさらに他の実施形態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０  流体浄化装置
１２  被処理水
１４  大浴槽
１６  循環用配管
２０  循環ポンプ
２２  濾過タンク
２４  熱交換器
３０  大表面積材料
３２  反応容器
３４  内筒
３８  エアーポンプ
４４  混合装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004223345.tif 000006
【図５】
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【図６】
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