(57)【要約】【課題】太陽光を主なエネルギー源に用いて大気中の有害な化学物質を吸着及び触媒反応により連続的に分解除去し、環境汚染ガスを安価で簡便に処理できる大気浄化方法及びその装置を提供する。【解決手段】大気中の有害化学物質を吸着材に吸着させた後、該有害化学物質を光触媒により分解除去させる大気浄化方法において、太陽光集光器で集光される太陽光を受光して吸着材及び光触媒の加熱温度を調整し、有害化学物質の吸着及び脱着を制御した後、脱着した有害化学物質を光触媒と接触させて分解させる大気浄化方法及びそれに用いる装置である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中の有害化学物質を吸着材に吸着させた後、該有害化学物質を光触媒により分解除去させる大気浄化方法において、太陽光集光器で集光される太陽光を受光して吸着材及び光触媒の加熱温度を調整し、有害化学物質の吸着及び脱着を制御した後、脱着した有害化学物質を光触媒と接触させて分解させることを特徴とする太陽光を利用した大気浄化方法。
【請求項２】
太陽光集光器と、その集光器で集光される太陽光を受光する部位に大気中の有害化学物質を吸着する吸着材とその吸着された有害化学物質を分解させる光触媒とを備えてなり、該集光器で集光される太陽光により吸着材及び光触媒の加熱温度が調整され、吸着材による有害化学物質の吸着及び脱着を制御し、脱着した有害化学物質を光触媒により分解させることを特徴とする太陽光を利用した大気浄化装置。
【請求項３】
吸着材及び光触媒が、光を透過する２重管容器内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の太陽光を利用した大気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
大気中の有害化学物質を効率的に分解除去する大気浄化方法及びその方法に用いられる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光触媒は、光を吸収して活性酸素種を生成し化学反応を引き起こすものであり、この化学反応を利用して、室内環境中や大気環境中の有害化学物質を酸化・分解させる技術が研究開発されており、既に一部では実用化されている。光触媒が作用するには光照射を必要とし、その光源には、キセノン灯、水銀灯、ブラックライトなどの人工光源または太陽光という自然光源が用いられる。ところが、人工光源を用いる場合には電力を必要とするため、エネルギー消費及びランニングコストを低く抑えることは困難である。また、太陽光を用いる場合、太陽光が十分に得られない時間帯には、反応効率が低下したり、反応が停止するという問題があった。
【０００３】
そこで、発熱体に吸着材と光触媒を担持させ、その吸着材に反応対象物質を吸着させた後、通電加熱により対象物質を吸着材より脱離させると同時に光照射を行い、反応対象物質の分解を行う方法が検討されている（例えば、特許文献１参照）が、この方法は、人工光源を用いた時と同じく、エネルギー消費が大きく、ランニングコストが高いという問題がある。
また、太陽光集光器を用いて得られる高温を利用した触媒反応・反応システム（例えば、特許文献２参照）が提案され、その実用化研究が進められているが、日射条件に恵まれた砂漠地帯などにおける使用に限られており、四季があり一年を通して日射条件の変化の大きい我が国においては、実用化は殆ど進んでいないのが現状である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１７８８０３号公報
【特許文献２】
特開２０００−１０２５９７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、太陽光を用いて光触媒反応を行う場合、日照条件の悪い日や夜間には光が不足することから反応を進行させることができない。最近、光触媒反応を利用した空気浄化が検討されているが、実際の空気汚染は連続的に起きているため、２４時間かつ通年利用できる空気浄化システムの出現が要望されている。光が不足した時に人工光源を点灯したり、他のシステムを用いて空気浄化を行う方法も考えられるが、コスト、エネルギー及び簡便性などに問題がある。これらの問題を解決する方法として、太陽光のみを利用する汚染空気の連続的処理を可能とする新たなシステムの構築が求められる。
【０００６】
本発明は、従来の技術における上記した実状に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、太陽光を主なエネルギー源に用いて大気中の有害な化学物質を吸着及び触媒反応により連続的に分解除去し、環境汚染ガスを安価で簡便に処理できる大気浄化方法及びその方法に用いられる大気浄化装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、太陽光を用いる環境汚染物質の除去法について鋭意検討を重ねた結果、太陽光集光器と吸着材を複合的に利用することにより、太陽熱を有効に活用して大気中の有害化学物質を吸着し、その脱着を制御した後に光触媒で分解処理して有害化学物質を効率的に除去できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、大気中の有害化学物質を吸着材に吸着させた後、該有害化学物質を光触媒により分解除去させる大気浄化方法において、太陽光集光器で集光される太陽光を受光して吸着材及び光触媒の加熱温度を調整し、有害化学物質の吸着及び脱着を制御した後、脱着した有害化学物質を光触媒と接触させて分解させることを特徴とする太陽光を利用した大気浄化方法を提供するものである。
また、本発明は、太陽光集光器と、その集光器で集光される太陽光を受光する部位に大気中の有害化学物質を吸着する吸着材とその吸着された有害化学物質を分解させる光触媒とを備えてなり、該集光器で集光される太陽光により吸着材及び光触媒の加熱温度が調整され、吸着材による有害化学物質の吸着及び脱着を制御し、脱着した有害化学物質を光触媒により分解させることを特徴とする太陽光を利用した大気浄化装置を提供するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、太陽光集光器、吸着材及び光触媒を組み合わせ、太陽光を利用して大気中に含まれる有害化学物質を自動的かつ連続的に反応させて除去する大気浄化方法及びそれに用いる装置である。この場合、太陽光集光器の焦点部位に、その集光を利用する吸着材を充填した管状体（吸脱着カラム）を配置することが重要であり、これによって太陽光の集光熱を用いる吸着材の温度変化により吸・脱着を制御するものである。
【００１０】
本発明方法によると、日射条件の悪い時間帯には、吸脱着カラムの温度は低く、有害化学物質は吸着材により空気から取り除かれる。一方、日射条件の良好な時間帯には、吸脱着カラムの温度は上昇し、吸着材から有害化学物質は脱着されて、反応器内の光触媒により反応させる。このことから、有害化学物質を含む大気を吸脱着カラムに連続的に供給して有害化学物質を吸着材に吸着させ、太陽光が十分に照射されているときに限り触媒反応器に送り込んで反応させることができる。この方法及び装置を用いると、工場及び家庭などから連続して空気中に排出される有機溶剤、臭気物質及び排気ガス等の有害化学物質を常時除去し、分解させることが可能となる。
【００１１】
以下、本発明を、代表的な装置を参照して詳細に説明する。
１）本発明に用いられる集光器としては、図１に見られるように、太陽光を集光し熱エネルギー及び光エネルギーとして利用できる構造及び形状を有するものであればよく、例えば、雨どい（トラフ）型、タワー型、複合パラボラ集光型（ＣＰＣ）等のミラー、フレネル型等のレンズなどが挙げられ、また、それにより得られる加熱温度によって吸着材による有害化学物質の吸・脱着をコントロールできるものであれば、いずれも使用可能である。その集光器のミラーとしては、ガラスなどの透明な無機材料やアクリル樹脂などのプラスチック製の基材に、アルミニウムなどの光反射に有効な金属類を蒸着し、シリカなどの無機材料で保護したものが望ましいが、太陽光を集光できるものであれば、その他の材質も使用可能である。その形状としては、曲面状に成形した基材にミラーを付けたものでも、平板ミラーを曲面状に湾曲させたものでもよい。
【００１２】
２）集光器は、一年を通じて太陽光を十分に受光できる駆動手段が設けられていることが好ましい。その駆動方式は、太陽光の照射角度の変化に対応できるものであって、通常、図１（ａ）の２軸方式と（ｂ）の１軸方式が考えられる。２軸方式は定常的に比較的高温が得られるのに対し、１軸方式はコストが低く、大規模化しやすい利点を有する。集光時間が短くても良い場合には、駆動軸が無くても良い（図６参照）。
【００１３】
３）吸着材としては、吸着力の大きい高表面積のものであって、かつ数百度の高温に耐え得る耐熱性のものが好ましく、例えば、ゼオライト、炭素材料、シリカ、アルミナ、多孔質ガラスなどが挙げられるが、吸着対象とする物質や環境に応じて選択する必要がある。また、吸着材自体に金属微粒子を担持して、触媒作用を持たせたものでも良い。
【００１４】
４）光触媒反応器は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステンなどの光触媒、またはこれらを酸化チタン、シリカ、アルミナ、ゼオライトなどの担体に担持した光触媒、またはこれらに白金、ロジウム、銀などの金属を担持した光触媒（触媒）と、主にガラスなどの光透過性材料で構成されている。形態としては、固定床式、流動層式などのいずれの方式も使用可能である。
【００１５】
５）太陽光集光器には、有害化学物質（対象物質）を含むガス気流の流れに対し、順に上記の吸着材及び触媒反応器を配置する。図２（ａ）は、その１例を示すものであり、吸着材カラムと触媒反応器が同心円上に配置されている。図２（ｂ）のように、ミラー自身に光触媒を担持する方法も採用できる。
【００１６】
本発明方法では、有害化学物質（対象物質）を含むガス気流は、まず吸着材充填層を通り、対象物質が吸着材に吸着される。その際、曇り、雨天のような日射条件の悪い時間帯では温度が低く抑えられるために、優先的に吸着が起こる。日射条件の良い時間帯では、これら吸着した対象物質が温度上昇により吸着材から脱着して触媒反応器に移送され、光・熱による触媒反応が行われる。
【００１７】
本発明においては、大気中に放出され大気汚染の原因となる工場排ガス、都市排ガス、家庭内の汚染された空気のように、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの炭化水素類、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類、臭化物、アンモニア、酢酸などの臭い成分、一酸化炭素、窒素酸化物などの有害化学物質を含む空気を、吸着材を充填したカラムなどの一定の流路内を通すことにより、太陽光量に応じて自動的に吸着または脱着が選択されることから、単純な処理システムの形成が可能である。また、必要なエネルギーは太陽光と集光器を駆動させる僅かな電力で十分なため、省エネルギーで低コストである。また、用いる吸着材は、太陽光量が十分な時間帯に自動的に再活性化されるため、吸着材を交換する必要がなくなり、メンテナンスも容易である。このことから、室内環境中や大気環境中の有害化学物質の酸化・分解による環境汚染物質の除去に有用である。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
大気浄化装置として、下記する太陽光集光ミラーと透明なガラス製同心円２重管を備えた装置を用いた。
まず、２次元パラボラ型に成形したガラス基板の裏面に、アルミニウム薄膜の反射層とシリカの保護層を順に蒸着し、太陽光入射面積が１．００ｍ２のパラボラトラフミラーからなる集光器を作成した。この集光器は、２方向のステップモーターにより常に太陽光の方向にミラーの垂直方向を合わせることができる。
次に、そのパラボラトラフミラーに太陽光を照射した際に形成される直線状の焦点部位に円筒形の同心円２重ガラス管（２重パイレックス（登録商標）管、ほう珪酸ガラス製）を設置した（図１（ａ））。この２重パイレックス（登録商標）管は、吸着材による吸脱着カラム、受光器及び光触媒反応器の３種の役割を果すものであり、その断面図を図２に示す。
その２重パイレックス（登録商標）管の内側管内には、活性炭ペレットを充填し、その活性炭ペレットは、集光された太陽光を吸収して熱に変換する受光器及び吸着材として作用させた。また、その内側パイレックス（登録商標）管の外周面には酸化チタンを含む光触媒を塗布し、その外側は他のパイレックス（登録商標）管でカバーして、その間を光触媒反応器とした。
【００１９】
汚染空気は、吸脱着カラムを通った後、反応器へと導かれて浄化され、その後に排出された。観測された紫外線強度と吸脱着カラム（受光器）の温度を、図３に示す。午前１０時から午後２時までの間、３〜４ｍｗ／ｃｍ２の紫外線強度があり、吸脱着カラムの中心は２００〜２５０℃を保ち続けた。ここでは受光器を直径３ｃｍの円筒のものを用いたが、使用する円筒の直径を適宜調節することにより、最高温度を４００℃までの間で制御することができる。
図４には、１０ｐｐｍのトルエンを所定の温度にした吸着材（粒状活性炭）に流通させた時の流出濃度を示した。吸着材の温度が２００℃以下の場合には、９９．９％以上のトルエンが除去されており、２００℃を超えるとトルエンの放出が始まることが分かる。図４に見られるように、日照条件の良好な１０時頃までは吸脱着カラムの温度は２００℃以下であり、トルエンは吸脱着カラムに吸着される。午前１０時から午後２時までの４時間の間、吸脱着カラム（受光器）の温度は２００〜２５０℃になり、トルエンの脱着が起こった。その脱着したトルエンは光触媒反応器に導かれ、この際には３〜４ｍＷ／ｃｍ２の十分な紫外線強度があり、トルエンは迅速に炭酸ガスと水に分解された。
また、特願２００２−２５８０４５号に示す白金担持光触媒等を用いた場合には、集光した熱を併用してさらに高い分解能力を発揮した（図５）。図５は、トルエン濃度１５ｐｐｍの空気（湿度８０％）を０．２重量％の白金担持酸化チタン触媒反応器に流速２００ｍｌ／分で通した時の光触媒温度とトルエン分解速度との関係を示す。
一般に、日照条件が悪くなる午後３時以降には、吸脱着カラムの温度が２００℃以下に低下するため、トルエンは吸着材に吸着されており光触媒反応器には到達しない。そのため、光量が不十分であるために不完全な反応が生起して中間体を放出したり失活が起こる可能性を大きく低減できる。ここで吸着されたトルエンは、次回の日照条件の良い時に脱着されて光触媒反応器中で接触分解される。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、太陽光を有効利用して、空気浄化を日照条件に因らずに連続的かつ省エネルギー的に容易に行うことができるから、本発明の方法及び装置は工業的実施に有用である。また、これらは、空気浄化以外の太陽光を利用する化学反応にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる太陽光集光器の一例を示す模式構成図である。
【図２】本発明の装置において（ａ）は吸脱着カラム（受光器）と反応器とを同心円上に配置した構成の一断面図を示し、（ｂ）は集光器やカバーにも触媒を担持させた構成の一断面図を示す。
【図３】太陽光集光の紫外線強度と吸脱着カラムの温度（実測値）の関係を示すグラフである。
【図４】トルエンを含む空気を通したときの吸脱着カラムの温度と流出するトルエン濃度の関係を示すグラフである。
【図５】トルエンを含む空気を通したときの光触媒温度とトルエン分解速度の  関係を示すグラフである。
【図６】本発明における一例の大気洗浄装置の写真である。
【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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