(57)【要約】【課題】光触媒反応の効率よい中空状光触媒担持体およびこれによって構成される光触媒フィルタを提供する。【解決手段】シリカ、ガラス等のシリカ材、あるいはフッ素樹脂、プラスチックス等の比較的透明で光触媒反応に際して変化しない材料によって、内部に中空部２１，６２，７１を区画するように形成され、外表面および前記中空部の内表面に光触媒３担持させて成り、外表面と内表面との間の充実部２２，６３，７２、および／または別途設けられるコア部６１、光導波管８を光導波路とすることを特徴とする中空状光触媒担持体である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ、ガラス等のシリカ材、あるいはフッ素樹脂、プラスチックス等の比較的透明で光触媒反応に際して変化しない材料によって、内部に中空部（２１，６２，７１）を区画するように形成され、外表面および前記中空部の内表面に光触媒（３）を担持させて成り、前記外表面と前記内表面との間の充実部（２２，６３，７２）、および／または別途設けられるコア部（６１）、光導波管（８）を光導波路とすることを特徴とする中空状光触媒担持体。
【請求項２】
前記中空状光触媒担持体が中空円柱状をなすことを特徴とする請求項１記載の中空状光触媒担持体。
【請求項３】
前記中空状光触媒担持体の内、外両表面に透明な無機物の吸着材を付設させ、この吸着材に適宜の光触媒（３）を付着させたことを特徴とする請求項２記載の中空状光触媒担持体。
【請求項４】
前記中空円柱状光触媒担持体の外表面に、抗曲げ応力層（５）を融着させたことを特徴とする請求項２記載の中空状光触媒担持体。
【請求項５】
フォトニック結晶ファイバ（６）の中空部（６２）の内壁面に光触媒（３）を付着させ、該フォトニック結晶ファイバ（６）のコア部（６１）およびクラッド部（６３）を光導波路として成る中空状光触媒担持体。
【請求項６】
前記中空状光触媒担持体を各担持体間に適宜空間を区画するように集塊配置して成り、処理すべき流体と前記中空状光触媒担持体の内、外両表面とを接触させるよう構成したことを特徴とする中空状光触媒フィルタ。
【請求項７】
前記中空円柱状光触媒担持体をそれぞれの軸線方向を平行に集束し、処理すべき流体の流れの方向と前記中空円柱状光触媒担持体の軸線方向とを合致させるように配設して成る中空状光触媒フィルタ。
【請求項８】
石英、ガラス等のシリカ材、あるいはフッ素樹脂、プラスチックス等の比較的透明で光触媒反応に際して変化しない材料によって、中空円柱体、または外部に連通する通孔（９）を有する中空ブロックである中空体を形成する工程と、前記中空体の内、外両表面に適宜の光触媒（３）を付着させる工程とを有する中空状光触媒担持体の製造方法。
【請求項９】
前記中空円柱体の膜厚を好ましくは３０ｎｍ〜１μｍ、前記光触媒（３）は好ましくは粒径３０ｎｍ以下のものとすることを特徴とする請求項８記載の中空状光触媒担持体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は中空状光触媒担持体、同フィルタおよびその製造方法さらに詳しく言えば、光触媒による酸化還元反応を利用して処理すべき気体または液体中の有機化合物を分解し、これによりそれら流体中に含まれる汚染物質、細菌、悪臭などを除去する中空状光触媒担持体、同フィルタおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術文献に言及する前に、光触媒フィルタが効率よく機能するための必要かつ十分な構成上の条件を以下に説明する。まず、
Ｃ１．（条件１の意味、以下同じ）  処理のために対象流体を捕捉し、所要の化学反応が完了するまで、フィルタ内にある程度の時間滞留させることと、この反応がおこる場所を広くするためにフィルタの容積に比して接触表面積が大きいことが必要であって、このためフィルタは多くの微細な空隙部（微小孔）が互いに連通した連通多空隙状（連通多孔状）に形成されていることが必要である。
【０００３】
Ｃ２．しかしてこのすべての連通空隙部の表面に、たとえばＴｉＯ２のような光触媒が高い密度で付着配設されていることが必要である。この条件Ｃ１，Ｃ２の二つは、処理すべき流体が、高密度に存在する光触媒にある程度の時間、直接に接触することを保証するものである。
【０００４】
Ｃ３．しかして光触媒反応を効率的におこなわせるために、この光触媒には所要の波長の光、たとえば上記の例のＴｉＯ２（二酸化チタン）であれば紫外線が継続的に十分に照射されることが必要である。
【０００５】
Ｃ４．処理のための化学反応のためには酸素（Ｏ２）の存在が必要である。Ｏ２の代わりにこれを含む水分（Ｈ２Ｏ）が存在してもよい。
【０００６】
以上の４つの条件を頭に置いて、まず特開平９−２２５２６２号「光触媒フィルタ、その装置、およびそれを用いた流体処理方法」（特許文献１参照）を調べてみる。ここに開示された光触媒フィルタは、光触媒を導光体の表面に付着させた線状の光触媒ファイバ（通常の光ファイバのクラッド部に光触媒を付着し、コア部を導光体とする）による織り構造であり、この光触媒ファイバをすだれ格子状に組み合わせ、あるいはカラスの巣の材料のように複雑にからみ曲げ合わせて処理すべき対象との接触面積を拡大する工夫を施したものである。
【０００７】
しかしこのものでは、光源からある程度の長さまでは、光は確かに光触媒に十分供給されて条件Ｃ３は満たされるものの、処理対象流体はすだれ格子の目をくぐって通過してしまい、それを捕捉する能力に欠け、処理のための化学反応の時間が十分でない。つまり光触媒フィルタとしての必要条件Ｃ１，Ｃ２を欠いている。また光源からの距離が大きすぎれば、散乱損失が大きくなって条件Ｃ３も欠くことになる。つまり長い１本の光触媒ファイバを丸めたカラスの巣の形のフィルタは効果がない。
【０００８】
処理すべき流体の捕捉能力が足りない点はこの先行技術の発明者も意識していたらしく、その明細書の〔００４３〕において、ゼオライトや活性炭と共存させることを記載しているが、これでは捕捉した処理流体の滞留する位置と、光触媒が位置するところはあくまで互いに離れたところであって、直接接触状態の確保という条件Ｃ２を改善したことにはならないのである。
【０００９】
さらにこの先行技術では光ファイバのクラッド部に光触媒を担持させ、光導波路としてコア部分を利用しているため、ステップ型もしくはグレーテッド型の光ファイバでは、光を光触媒担持面に適度に漏らすために開口角よりわずかに大きい角度で入射させる必要があり、また逆に光の散乱損失が大きな光ファイバでは光が漏れすぎないように、開口角よりも小さい角度で光を入射させる必要があるなど、光源部分の装置が複雑になる欠点がある。
【００１０】
別の先行技術である特開平１１−２９０６９５「光触媒フィルタ」（特許文献２参照）を検討してみよう。これは光触媒を表面ないし内部に担持させた吸着材（繊維状活性炭）と、光導波路（シングルモード光ファイバ）とを一体に組み合わせたものである。
【００１１】
この先行技術では、その明細書の各実施例をみても、光触媒を担持した布状の吸着材と、光導波路としての光ファイバを束ねてシート状にしたものを交互に積層したり、あるいは横糸、縦糸として交互に織り込んだりした構造であって、処理すべき流体の停留位置と、光触媒位置とが合致する場所は縦糸、横糸の交錯部分のみに限られており、処理流体と光触媒とは総体としてかなり離隔していると言わざるを得ない。すなわち光触媒フィルタとしての条件Ｃ３を欠いている。またこの構造では物理的に捕捉効率が悪く、条件Ｃ１についても十分ではない。
【００１２】
またこの先行技術においても先のものと同様に、光ファイバにおいて光源からの距離が大きすぎれば散乱損失が大きくなって条件Ｃ３も欠くことになるから、光源からの距離が大きくなると光触媒による処理性能が低下してしまう不都合がある。
【００１３】
またさらに別の先行技術である特開平１１−２９０７０１「光触媒担持部材および光触媒フィルタ」（特許文献３参照）においては、シングルモード光ファイバの外側面の全面または一部に光触媒を担持させて光触媒ファイバとし、この光触媒ファイバを縦、横に組み合わせて織った布状体を積層して処理すべき流体を捕捉する多空隙構造体としたものであるから、所望波長の光がその１本１本の光触媒ファイバに導入供給されるという前提がもし確保されれば、光触媒に光が照射されることについての条件Ｃ３については十分に適格であると言える。
【００１４】
しかしながら、布状に織るには極めて多数本の光触媒ファイバを用いることになり、各光触媒ファイバに光を導入させる光源部構造が極めて複雑となる。また一方、少数の光触媒ファイバを使用し、これらを多数回折り返し使用して同等の面積の布状にする場合は、各光触媒ファイバが極めて長くなってしまい、それらの端部にゆくに従って光の散乱損失は増大するから、条件Ｃ３が満たされるのはある距離範囲までとなり、したがってこの先行技術の光触媒フィルタでは、場所によって処理能力のバラツキが大きすぎて実用にならない欠点がある（特許文献２のものについても同じ欠点がある）。
【００１５】
【特許文献１】
特開平９−２２５２６２号公報（全文、特に要約と図面）
【特許文献２】
特開平１１−２９０６９５号公報（同上）
【特許文献３】
特開平１１−２９０７０１号公報（同上）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、〔０００２〕〜〔０００５〕に述べた光触媒フィルタとしての必要かつ十分な条件Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４がすべて満たされる光触媒フィルタおよびその製造方法を求めようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上述の課題をすべて解決するためになされたものであって、請求項１の発明によるその解決手段は、シリカ、ガラス等のシリカ材、あるいはフッ素樹脂、プラスチックス等の比較的透明で光触媒反応に際して変化しない材料によって、内部に中空部を区画するように形成され、外表面および前記中空部の内表面に光触媒を担持させて成り、前記外表面と前記内表面との間の充実部、および／または別途設けられるコア部、光導波管を光導波路とすることを特徴とする中空状光触媒担持体である。
【００１８】
また請求項２の発明によるその解決手段は、前記中空状光触媒担持体が中空円柱状をなすことを特徴とする請求項１記載の中空状光触媒担持体である。
【００１９】
また請求項３の発明によるその解決手段は、前記中空状光触媒担持体の内、外両表面に透明な無機物の吸着材を付着させ、この吸着材に適宜の光触媒を付設したことを特徴とする請求項２記載の中空状光触媒担持体である。
【００２０】
また請求項４の発明によるその解決手段は、前記中空円柱状光触媒担持体の外表面に、抗曲げ応力層を融着させたことを特徴とする請求項２記載の中空状光触媒担持体である。
【００２１】
また請求項５の発明によるその解決手段は、フォトニック結晶ファイバの中空部の内壁面に光触媒を付着させ、該フォトニック結晶ファイバのコア部およびクラッド部を光導波路として成る中空状光触媒担持体である。
【００２２】
また請求項６の発明によるその解決手段は、前記中空状光触媒担持体を各担持体間に適宜空間を区画するように集塊配置して成り、処理すべき流体と前記中空状光触媒担持体の内、外両表面とを接触させるよう構成したことを特徴とする中空状光触媒フィルタである。
【００２３】
また請求項７の発明によるその解決手段は、前記中空円柱状光触媒担持体をそれぞれの軸線方向を平行に集束し、処理すべき流体の流れの方向と前記中空円柱状光触媒担持体の軸線方向とを合致させるように配設されて成る中空状光触媒フィルタである。
【００２４】
また請求項８の発明によるその解決手段は、石英、ガラス等のシリカ材、あるいはフッ素樹脂、プラスチックス等の比較的透明で光触媒反応に際して変化しない材料によって、外部と連通する通孔を有する中空体を形成する工程と、前記中空体の内、外両表面に適宜の光触媒を付着させる工程とを有する中空状光触媒担持体の製造方法である。
【００２５】
また請求項９の発明によるその解決手段は、前記中空円柱体の膜厚を好ましくは３０ｎｍ〜１μｍ、前記光触媒は好ましくは粒径３０ｎｍ以下のものとすることを特徴とする請求項８記載の中空状光触媒担持体の製造方法である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
まず中空状光触媒担持体の製造方法から先に説明する。このことによって本発明の中空状光触媒担持体、また中空状光触媒フィルタの構成を明確にできる。
【００２７】
原料としては石英やガラス等のシリカ材（ＳｉＯ２を主体とした材料）、あるいはフッ素樹脂、各種プラスチックス、シリカゲル等の、光触媒反応に際して変化を受けないものであればよい。しかして好ましくは透明な、あるいは比較的透明な材料であればよい。廃却スート（光ファイバ母材製造におけるもの）や、廃却ガラス類などを用いてもよい。
【００２８】
これらの材料によって中空体を形成する。この中空体としては、図１に示すように中空部２１を有する中空円柱状のものとしても、あるいは図４に示すように中空部７１を有し、通孔９によって外部と連通する中空ブロック状のものでもよい。
【００２９】
中空円柱状の場合、公知の線引き方法を利用して、寸法としてはたとえば膜の厚さが３０ｎｍ〜１μｍ程度の中空ファイバ状に仕上げることもでき、請求項１の表現はこの中空状ファイバを含んでいる。
【００３０】
中空状ファイバの外側にたとえばシリカゲルのような透光性のよい吸着材を付加してもよい。また透光性は劣るが選択性吸着性のあるハイドロキシアパタイト、活性炭、ゼオライト等の吸着材を表面に付着させることも可能である。
【００３１】
中空体としては図３に示すように、既成のフォトニック結晶ファイバ６を利用することもできる。この場合、中空部はその通孔６２である。
【００３２】
この中空体の全表面、つまり外表面と中空部２１，７１の内表面、フォトニック結晶ファイバ６利用の場合は通孔６２の内面にゾルゲル法などによって光触媒３を付着させる。また付着方法としてはこの他にパエロゾル法、ウォッシュ・コート法、蒸着法、スパッタ法、熱分解法、金属酸化法など化学的または物理的な各方法が利用できる。
【００３３】
光触媒３としては、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、もっとも好適なものとしてアナターゼ型二酸化チタンがよく、この他にルチル型二酸化チタン、含水二酸化チタンでもよい。しかしてこの光触媒３の大きさは、粒径３０ｎｍ以下が望ましい。
【００３４】
また図示してはいないが、これらの光触媒３の表面にさらに金属粒子を付加担持させることで光触媒反応の速度をさらに増大させ得ることが知られており、付加される金属粒子の材質としては、白金、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、タンタル、銀、ニッケル、銅、ジルコニウム、クロム、バナジウム、酸化テルル、酸化スズ、酸化マンガン、酸化ニッケル、酸化ルテニウムなどがある。
【００３５】
中空ファイバ状の光触媒担持体の場合は、その可撓性、つまり曲げた場合の耐曲げ応力特性を向上させるために、図２に拡大して示したように、中空状光触媒担持体の外周部に、適宜の透明な下塗り層４を介在させた上に、たとえばフッ素樹脂層のような透明な抗曲げ応力層５を被膜として形成すればよく光触媒３はこの上に付着される。この抗曲げ応力層５が透明でなければ、その場合は光触媒３の配置間隙部に被覆される。
【００３６】
つぎにこのように担持されている光触媒３に所望の光を照射する装置について説明する。光導波路としては図１の中空円柱状の場合、外面と中空部２１との間の充実部２２を使用する。光はこの充実部２２から半径方向の内、外に伝搬されて内外面の光触媒３に到達する。
【００３７】
また中空状光触媒担持体としてフォトニック結晶ファイバ６利用の場合は、光はそのコア部６１からクラッド部６３を経由して各通孔６１の光触媒３に伝搬させればよい。
【００３８】
また図４に示した中空ブロック７の場合は、光導波管８として、たとえば光ファイバの集束体のような導光体を中空ブロック７１内に挿入するように配置してもよい。
【００３９】
また使用光としては、波長が２００ｎｍ〜５００ｎｍの紫外線を用いる。したがって光源としては、この波長の光を連続的に発することのできる水銀ランプ、紫外線ランプ、キセノンランプ等を使用する。また反応効率は落ちるが、レンズを用いて太陽光を光源とすることもできる。
【００４０】
これまでに説明した中空状光触媒担持体２，７を集めて、光触媒フィルタを構成することができる。図１に示す中空管状、あるいは中空ファイバ状の場合は、軸線方向を平行に揃えて処理すべき流体をおなじ軸線方向に導入するようにしてもよく、またこの中空状ファイバを編んで平面状としたものを所望の厚さに集積させてもよい。
【００４１】
また図４に示した中空ブロック状の中空状光触媒担持体７の場合は、各ブロック７の外面間を処理すべき流体が通過できる程度の微小な隙間をおいて配置集積すれば、中空状光触媒フィルタを構成できる。
【００４２】
【発明の効果】
この発明の中空状光触媒担持体によって構成した中空状光触媒フィルタは、処理すべき流体をその各担持体固有の中空部、および各担持体相互間の配設隙間において効率的に捕捉でき、しかもその捕捉している流体を取り巻く３６０度の全方向にはすべて光触媒が配置されているわけであるから、処理すべき流体と光触媒が広い面積においてじかに接触状態に置かれることになって光触媒反応促進の物理的条件は完全に整い、かつ光導波路を通って照射された光は、各中空状担持体の充実部（クラッド部）、またコア部、あるいは別途設けられた光導波管によってそこに位置する光触媒に継続的に光エネルギーを供給し続けるわけだから、光触媒による酸化還元反応が効率的に推進されるすぐれた光触媒フィルタを提供できる利点がある。
【００４３】
また請求項１の中空円柱状の光触媒フィルタの場合は、処理すべき流体の流路を外側と中空内側の２つの流路に隔離することができ、たとえば外側は気体、内側は液体というように分離輸送することや、有毒な流体を内側だけで流動処理して外部から隔絶させることもできる等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の中空状光触媒担持体を示す一部断面で示した斜視図である。
【図２】図１の部分的な拡大側断面図である。
【図３】フォトニック結晶ファイバを利用した場合を示す側断面図である。
【図４】中空状光触媒ブロックを示す一部断面で示した斜視図である。
【符号の説明】
２                中空管
２１，６２，７１  中空部
２２，７２        充実部
３                光触媒
４              下塗り層
５          抗曲げ応力層
６          フォトニック結晶ファイバ
６１                コア部
７              クラッド部
８                光導波管
９                    通孔
【図１】
2004181331.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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