(57)【要約】【課題】効率のよい光触媒フィルタを提供する。【解決手段】シリカ、ガラス等の、好ましくは透明なシリカ材によって連通多空隙状に形成され、そのシリカ材の微粒子２２が微細空隙部２１を区画するように成形されてなる光触媒担持体２と、この微細空隙部２１の表面に付着して設けられる光触媒３と、光触媒担持体２の内部に埋設され、クラッド部１Ｂの外周部がその外側に位置する光触媒担持体２のシリカ材と融着している複数本の光ファイバ１とを有し、光ファイバ１には外部の光源４から所望波長の光が照射されるようにされた光触媒フィルタである。【選択図】        図１
2004230296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカ、ガラス等の、好ましくは透明なシリカ材の微粒子（２２）が、互いに連通する微細空隙部（２１）を区画するように連通多空隙状に形成された光触媒担持体（２）と、前記微細空隙部（２１）の内表面に付着して設けられる光触媒（３）と、前記光触媒担持体（２）の内部に埋設され、クラッド部（１Ｂ）の外周部がその外側に位置する光触媒担持体（２）のシリカ材と融着している複数本の光ファイバ（１）とを有し、前記光ファイバ（１）には外部の光源（４）から所望波長の光が照射されるようにされた光触媒フィルタ。
【請求項２】
前記の光は、前記光ファイバ（１）のコア部（１Ａ）またはクラッド部（１Ｂ）、またはこの双方を光導波路として前記光触媒担持体（２）内に導入照射されることを特徴とする請求項１記載の光触媒フィルタ。
【請求項３】
前記光触媒担持体（２）のシリカ材の屈折率が、前記光ファイバのクラッド部（１Ｂ）のそれとほぼ同等、またはそれより大きいことを特徴とする請求項１記載の光触媒フィルタ。
【請求項４】
前記光触媒担持体（２）の微細空隙部（２１）に、さら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（３）を付設したことを特徴とする請求項１記載の光触媒フィルタ。
【請求項５】
適宜のシリカ材の微粒子を成形型に入れ、一部が外部に延びるように内部に配置された複数本の光ファイバ（１）と共に圧縮成形する工程およびこの後加熱焼結して前記光ファイバ（１）のクラッド部（１Ｂ）の外周部と前記シリカ材とを融着させる工程により光触媒担持体（２）を作る工程と、前記光触媒担持体（２）に適宜の化学的または物理的方法によって適宜の光触媒（３）を付着担持させる工程とを有する光触媒フィルタの製造方法。
【請求項６】
前記シリカ材の微粒子として、リサイクルガラス、ガラスカレット、廃却スート、廃却ガラス等を使用することを特徴とする請求項５記載ま光触媒フィルタの製造方法。
【請求項７】
前記シリカ材の微粒子として、粒径３０ｎｍ〜３μｍのものを使用することを特徴とする請求項５記載の光触媒フィルタの製造方法。
【請求項８】
前記光触媒担持体（２）の前記微細空隙部（２１）の寸法を制御することによって選択的に有害物を捕獲できるようにした請求項１記載の光触媒フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光触媒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光触媒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、好ましくは透明なシリカ材の微粒子が互いに連通する微細空隙部を区画するように連通多空隙状に形成された光触媒担持体と、前記微細空隙部の内表面に付着して設けられる光触媒と、前記光触媒担持体の内部に埋設され、クラッド部の外周部がその外側に位置する光触媒担持体のシリカ材と融着している複数本の光ファイバとを有し、前記光ファイバには外部の光源から所望波長の光が照射されるようにされた光触媒フィルタである。
【００１８】
また請求項２の発明によるその解決手段は、前記の光は、前記光ファイバのコア部またはクラッド部、またはこの双方を光導波路として前記光触媒担持体内に導入照射されることを特徴とする請求項１記載の光触媒フィルタである。
【００１９】
また請求項３の発明によるその解決手段は、前記光触媒担持体のシリカ材の屈折率が、前記光ファイバのクラッド部のそれとほぼ同等、またはそれより大きいことを特徴とする請求項１記載の光触媒フィルタである。
【００２０】
また請求項４の発明によるその解決手段は、前記光触媒担持体の微細空隙部に、さら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１記載の光触媒フィルタである。
【００２１】
また請求項５の発明によるその解決手段は、適宜のシリカ材の微粒子を成形型に入れ、一部が外部に延びるように内部に配置された複数本の光ファイバと共に圧縮成形する工程およびこの後加熱焼結して前記光ファイバのクラッド部の外周部と前記シリカ材とを融着させる工程により光触媒担持体を作る工程と、前記光触媒担持体に適宜の化学的または物理的方法によって適宜の光触媒を付着担持させる工程とを有する光触媒フィルタの製造方法である。
【００２２】
また請求項６の発明によるその解決手段は、前記シリカ材の微粒子として、リサイクルガラス、ガラスカレット、廃却スート、廃却ガラス等を使用することを特徴とする請求項５記載ま光触媒フィルタの製造方法である。
【００２３】
また請求項７の発明によるその解決手段は、前記シリカ材の微粒子として、粒径３０ｎｍ〜３μｍのものを使用することを特徴とする請求項５記載の光触媒フィルタの製造方法である。
【００２４】
また請求項８の発明によるその解決手段は、前記光触媒担持体の前記微細空隙部の寸法を制御することによって選択的に有害物を捕獲できるようにした請求項１記載の光触媒フィルタである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
まず順序を変えて、本発明の光触媒フィルタ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光触媒フィルタの構成が一層明確にできる。
【００２６】
まず原料としてシリカ材を用意する。ここでシリカ材というのは、文字通り二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を主体とした材料であって、その結晶形は問わない。普通は六方晶形の石英が主流となる。この純然たるシリカ材破片の他に各種のガラス類、ガラスカレット、廃却スート（光ファイバ母材製造におけるもの）、廃却ガラス類などを用いてもよい。重要なことはそれらが光が透過できるようできるだけ透明であることである。
【００２７】
これらの原料のシリカ材破片を粉砕あるいは合成して微粒子（大きさは３０ｎｍ〜３μｍ）として成形型に詰め、圧縮して固める。この成形型は所望のフィルタの機械的な形状に合わせたものでもよいし、あるいはユニットとして所望の規格寸法、たとえば厚さ十数ミリ、縦横が数十センチといった大きさのものでもよい。
【００２８】
なお使用するシリカ微粒子としては気相法で光ファイバを作る際に生成するものも好適である。これが水分を含んだものである場合は型詰めの後に加熱脱水させて使用する。
【００２９】
シリカ微粒子を型内に詰めるとき、シングルモードの光ファイバを、一端部を成形型から外部に出すように複数本、シリカ微粒子の間に適宜の等間隔を保つように挟み込む。光ファイバは通信用の普通の、たとえば外径２５μｍ〜１ｍｍのものでよく、通信用の厳格な規格検査に合格しない不良品や使用済みの廃品などでもよい。ただし有機化合物系の塗料を塗布された光ファイバの場合は加熱してこれらを除去した後に使用する方がよい。
【００３０】
なぜかと言えば、光触媒の汚物処理反応は、基本的には有機化合物を無機化合物に変化させる反応であるから、光触媒に照射される光エネルギーが一部、この塗料の有機物を無機物に変化させる反応に消費されて、本来のフィルタ作用が減殺されるからである。
【００３１】
光ファイバの並べ方は、図１の符号１または１１に示すように、直線状に置いても、曲げたり、折り返したりしてもよい。ただ後述する光の通る光導波路としてコア部１Ａだけを使用する場合は、その各光ファイバの端部が、その成形型内において立体的に平均して散在するよう配置されることが望ましい。
【００３２】
上記工程の後に成形型を加熱して焼結させる。このとき成形型内の気体（主として空気）量を調節して、焼結体が図１で符号２１で示した互いに連通する微細な空隙部（孔部）を数多く含むようにする。
【００３３】
シリカ微粒子２２を焼結させる高温では、もちろん光ファイバ１のクラッド部１Ｂも融解し、図１の一部拡大図である図２に示すように、シリカ微粒子２２は光ファイバ１のクラッド部１Ｂの外周部と融合した状態となる。図１においてクラッド部１Ｂの外周面を破線で示した理由は、この融合状態により境界面がぼやけたことを意味する。
【００３４】
こうして光触媒担持体２の外郭部分は完成された。なおシリカ微粒子２２を詰めて圧縮焼結させる工程において、その屈折率をやや大きめに変えるように、光ファイバ母材製造において周知のドーパント材を混合してもよい。
【００３５】
つぎにこの光触媒担持体２に実際に、図１で黒点で示した光触媒３を担持させる工程を説明する。これには、ゾルゲル法、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。
【００３６】
光触媒３としては、もっとも好適なものとしてアナス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。なお図１においては図が錯綜しないために光触媒３は数個の黒点で示しただけだが、実際は微細空隙部２１の内表面の全面に高密度に付着しているものと理解されたい。
【００３７】
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、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。
【００３８】
あるいは光触媒担持体２による処理流体の捕捉性能を増すために、これも図示してはいないが、微細空隙部２１の内表面に、適宜の吸着材を付加し、この上に光触媒３を配設するようにしてもよい。このような吸着材としては、透明で透光性を有することが望ましく、シリカゲルが適している。また透光性は劣るが選択性吸着の性質を持つハイドロキシアパタイト、活性炭、ゼオライト等がある。
【００３９】
つぎに光触媒３に所望の光を照射する装置について説明する。光導波路としては光ファイバ１のコア部１Ａ，クラッド部１Ｂのいずれか、あるいはその両方を使用できるが、クラッド部１Ｂを使用するのが最も好ましい。
【００４０】
光導波路としてコア部１Ａだけを使用するときは、光はほとんどその光ファイバ１の端部から、外部の、この場合は光触媒担持体２の内部に放射され、そこから透明なシリカ材内を伝播して光触媒３に到達する。〔００３１〕項において説明した配置はこの理由による。
【００４１】
光触媒３として二酸化チタンＴｉＯ２を使用した場合は、波長が２００ｎｍ〜５００ｎｍの紫外線を照射する。したがって光源４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。
【００４２】
【発明の効果】
この発明によれば、この発明の光触媒フィルタは、処理すべき流体を捕捉し、それをある時間停留させておくための微小な空隙部を多く持った光触媒担持体を備え、しかも合計表面積の大きいその空隙部の内表面に光触媒を高密度に設けてあるから、処理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、かつ光ファイバを通って照射された光は、そのクラッド部から、またコア部から直接に周囲の透明なシリカ材質部に伝播し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】
請求項６の発明によれば、各自治体のゴミ処理の際にもっとも厄介なガラス破片や、光ファイバ製造工場でも処理が面倒な廃棄スートや廃却ガラス等を利用して、それを汚水処理や悪臭の除去装置として再生転化させるわけだから、エコロジーの観点からも極めてすぐれた方法と言うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光触媒フィルタを示す簡略側断面図である。
【図２】図１の部分的な拡大側断面図である。
【符号の説明】
１，１１  光ファイバ
１Ａ      コア部
１Ｂ      クラッド部
２        光触媒担持体
２１      空隙部
２２      シリカ微粒子
３        光触媒
４        光源部
【図１】
2004230296.tif 000003
【図２】
2004230296.tif 000004