(57)【要約】【課題】光触媒の励起効率の向上およびコストの低減を図ることができる光触媒反応装置を提供することにある。【解決手段】光触媒を励起するための励起光を放射する励起光源３と、励起光源３の周囲に所定の間隔で配列設置され、それぞれの間に形成された隙間から励起光を導入するとともに、それぞれの間で被反応流体１３の流通路を形成する複数の光触媒板５と、を備える。各光触媒板５は、導入した励起光の進路を遮る形態で設けられている。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒を励起するための励起光を放射する励起光源と、
前記励起光源の周囲に所定の間隔で配列設置され、それぞれの間に形成された隙間から前記励起光を導入するとともに、それぞれの間で被反応流体の流通路を形成する複数の光触媒板と、を備え、
前記各光触媒板が、前記導入した励起光の進路を遮る形態で設けられていることを特徴とする光触媒反応装置。
【請求項２】
前記各光触媒板上における前記励起光のパワーの不均一を抑制するため、該各光触媒板を彎曲させたことを特徴とする請求項１に記載の光触媒反応装置。
【請求項３】
前記各光触媒板の光入射面側に、該光入射面に対向するガイド板をそれぞれ配設し、前記各光触媒板とこれらに対応する前記ガイド板の間に前記被反応流体を流通させるようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の光触媒反応装置。
【請求項４】
前記各光触媒板が、互いに相対しかつ対称に配置された光触媒板の対を複数構成するように配列され、前記対をなす光触媒板相互が、外部から隔絶された前記被反応流体の流通路を形成するように互いに接合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光触媒反応装置。
【請求項５】
前記各光触媒板を前記被反応流体の流入側から流出側に向かって傾斜して配置し、これによって、前記各光触媒板に対する前記被反応流体の接触性を向上したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒反応装置。
【請求項６】
前記各光触媒板を被反応流体の流入側から流出側に向かって湾曲するよう形成し、これによって、前記各光触媒板に対する前記被反応流体の接触性を向上したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒反応装置の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１６は、光触媒反応装置の従来例を示した断面図である。この光触媒反応装置は、円筒形状の分解容器１０１と、光触媒励起用光源として該分解容器１０１の中心軸線に沿って設けられた蛍光管１０２と、この蛍光管１０２を内包するように設けられた透明筒１０３と、該透明筒１０３の外周面から分解容器１０１の内周面に向って放射状に配設された複数の光導波路板１０４とを備えている。
【０００３】
光導波路板１０４は、石英等の透明材料からなる基板１０４ａの両面に二酸化チタン等の光触媒からなる薄膜１０４ｂを形成した構造を有する。
この光触媒反応装置においては、分解しようとする物質を含む流体が分解容器１０１に送り込まれる一方、蛍光管１０２から光触媒の励起光（紫外光）が放射される。
【０００４】
上記励起光は、上記透明筒１０３を介して上記各光導波路板１０４の基板１０４ａ中に入射した後、この基板１０４ａの両面に形成された光触媒薄膜１０４ｂとこれらの面を流通する上記流体との各境界面間で反射を繰り返しながら伝播し、その間に光触媒薄膜１０４ｂの光触媒を励起する。この結果、この励起された光触媒により、上記流体に含まれた有毒物質等が酸化分解される。（例えば、特許文献１）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２４６２２６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記するように、従来の光触媒反応装置では、励起光を光導波路板１０４中で伝播させているので、この励起光の伝播ロスが大きい。また、流体が通過しない光触媒薄膜１０４ｂの裏面側から励起光が入射するので、光触媒の励起効率も低くなる。
さらに、石英等の高価な材料からなる基板１０４ａを使用する上に、蛍光管１０２からの励起光を各光導波路板１０４に効率良く導入するために複雑かつ高度な加工を必要とし、これは装置コストをアップさせる要因になっている。
【０００７】
本発明の目的は、このような状況に鑑み、光触媒の励起効率の向上およびコストの低減を図ることができる光触媒反応装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光触媒反応装置は、光触媒を励起するための励起光を放射する励起光源と、前記励起光源の周囲に所定の間隔で配列設置され、それぞれの間に形成された隙間から前記励起光を導入するとともに、それぞれの間で被反応流体の流通路を形成する複数の光触媒板と、を備え、前記各光触媒板が、前記導入した励起光の進路を遮る形態で設けられていることを特徴としている。
【０００９】
前記各光触媒板上における前記励起光のパワーの不均一を抑制するため、該各光触媒板を彎曲させることが望ましい。
【００１０】
前記各光触媒板の光入射面側に、該光入射面に対向するガイド板をそれぞれ配設し、前記各光触媒板とこれらに対応する前記ガイド板の間に前記被反応流体を流通させるように構成しても良い。この構成によれば、光触媒板と被反応流体の接触機会を均一化することができる。
【００１１】
好ましい実施例では、前記各光触媒板が、互いに相対しかつ対称に配置された光触媒板の対を複数構成するように配列され、前記対をなす光触媒板相互が、外部から隔絶された前記被反応流体の流通路を形成するように互いに接合される。
これにより、各光触媒板が外部から隔絶された反応容器を構成することになる。
【００１２】
前記各光触媒板に対する前記被反応流体の接触性を向上するため、前記各光触媒板を前記被反応流体の流入側から流出側に向かって傾斜しても良い。また、上記接触性を向上するため、前記各光触媒板を被反応流体の流入側から流出側に向かって湾曲するよう形成することも可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る光触媒反応装置の一実施の形態を示す斜視図である。また、図２および図３は、それぞれ図１に示す光触媒反応装置の縦断面図および横断面図である。
この光触媒反応装置は、筒状の反応容器１と、該反応容器１の中心軸線に沿って設けられた直管状の励起光源（例えば、紫外線を放射する蛍光管）３と、この光源３の周囲から反応容器１の内周面に至る複数の光触媒板５とを備えている。
【００１４】
上記反応容器１としては、任意の横断面形状（例えば、円、楕円、多角径等）を有する筒体を使用することが可能である。この実施の形態では、より均一な触媒の励起が期待できる円筒体を反応容器１として使用している。
【００１５】
光触媒板５は、アルミニウム、合成樹脂等からなる基板の表面に、二酸化チタン，フラーレン等からなる光触媒の薄膜を形成した構成を有する。なお、上記光触媒の薄膜は、スプレー法、ディップコーティング法、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の公知の成膜手法によって形成することができる。
【００１６】
上記励起光源３の周囲には、必要に応じて、該励起光源３を内包する透明の筒体７を同軸状に配設することができる。この場合、この筒体７の外周面に各光触媒板５の内側端が接近もしくは接合される。この筒体７は、後述の反応流体の流れを光触媒板５の近傍に導いて光触媒反応を促進する作用と、上記流体ならびにこの流体に含まれる物質が励起光源３に直接接触するのを防止する作用をなす。
筒体７は、石英等の透明材料で形成される。
【００１７】
次に、光触媒板５の配置形態について説明する。図４において、反応容器１の径方向中心点（光源３の中心点）  Ｐ１から放射状に伸びるｎ本（図示の例では、ｎ＝１２）のライン９は、θ１＝（３６０／ｎ）°の角度間隔で配列している。そして、上記各光触媒板５は、上記各ライン９の間に位置されている。すなわち、光触媒板５は、角度間隔θ１でｎ枚配置されている。
【００１８】
ここで、任意のライン９が上記筒体７および反応容器１と交わる点をそれぞれＰ２およびＰ３とし、上記任意のライン９に隣接するライン９が反応容器１と交わる点をＰ４とすると、光触媒板５は、直線Ｐ２−Ｐ３をＰ２点を中心として角度θ３だけ旋回させた直線Ｐ２−Ｐ４上に位置されている。
【００１９】
上記直線、直線Ｐ２−Ｐ４と上記隣接ライン９とのなす角度をθ２とすると、
θ３＝θ１＋θ２      ・・・（１）
という関係が成立する。また、直線Ｐ２−Ｐ３，Ｐ２−Ｐ４の長さをａ、直線Ｐ１−Ｐ２の長さをｂとすると、
ｂ・ｓｉｎθ１＝ａ・ｓｉｎθ２        ・・・（２）
という関係が成立する。
（２）式から、角度θ２は
θ２＝Ａｒｃｓｉｎ（ｂ・ｓｉｎθ１／ａ）・・・（３）
と表わされる。そこで、（１）、（３）式から下記の関係が得られる。
θ３＝θ１＋Ａｒｃｓｉｎ（ｂ・ｓｉｎθ１／ａ）・・・（４）
要するに、上記角度θ３は、ライン９の角度間隔θ１と、反応容器１および筒体７の径とによって規定される。
【００２０】
この実施の形態に係る光触媒反応装置においては、分解しようとする物質を含む被反応流体１３が反応容器１の一端側から該反応容器１内に送り込まれ、一方、光源３から励起光（例えば、紫外光）が放射される。そして、このとき、各光触媒板５が上述した形態で配設されていることから、上記励起光の全てがこれらの光触媒板５２に形成された光触媒薄膜の励起に利用される。
【００２１】
すなわち、図４における角度θ１の広がり角度で投射された励起光は、透明筒対７を通過した後、このエリアの前方に位置する光触媒板５の面５ａの全域を照射することになる。換言すれば、上記角度θ１の広がり角度で投射された励起光は、対応する光触媒板５の面５ａによってその進路が遮られる。したがって、上記面５ａに成膜された光触媒は、上記角度θ１の広がり角度もつ励起光励起によって効率良く励起される。
【００２２】
他の光触媒板５の光触媒も同様の形態で励起される。それゆえ、光源３から３６０°の方向に投射される励起光は、各光触媒板５の光触媒の励起のために無駄なくフル活用されることになる。
かくして、反応容器１内を通過する被反応流体１３は、励起された光触媒によって含有する有毒物質等が酸化分解され、容器１の他端側から反応流体１７として流出する。
【００２３】
上記光触媒反応装置においては、各光触媒板５の面５ａにおいて若干の散乱光が発生する。そこで、各光触媒板５の他方の面５ｂおよび反応容器１の内周面にも光触媒膜を形成し、この光触媒膜を上記散乱光によって励起させるようにしても良い。なお、上記散乱光をより積極的に利用するために、上記角度θ３を図示の角度よりも若干大きく設定することもできる。
【００２４】
ところで、上記励起光は、光源３の中心から放射状に拡散するので、光触媒板５の面５上における励起光のパワー配分は一様ではない。以下、このパワー配分について考察する。
図５に示すように、図４に示した角度θ１をｍ（この例では４）分割して考えると、各分割角度θ１／ｍに対応する光触媒板５上の受光域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３およびＤ４の大小関係は、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３＜Ｄ４である。したがって、光触媒板５上における励起光のパワーは、光源３の中心からの距離が小さい光触媒板５上の位置ほど大きくなる。光触媒板５の励起効率を向上するには、該光触媒板５上における励起光のパワーの不均一を抑制することが望ましい。
【００２５】
上記光触媒板５上における励起光のパワーの不均一を抑制するには、例えば、図６に示すような形状の光触媒板５０を用いればよい。この光触媒板５０は、例えば、平板状光触媒板をｋ本（この例では、ｋ＝３）の縦方向ライン５１に沿って曲げ加工することによって形成することができる。
上記縦方向ライン５１によって仕切られた区域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３およびＥ４の幅長は、図７に示すように、それぞれａ／ｍに設定されている。したがって、この光触媒板５０の内側端から外側端に至る長さは、図５に示した光触媒板５のそれと等しい。これは、光触媒板５０の面積と光触媒板５の面積が等しいことを意味している。
【００２６】
光触媒板５０は、前記角度θ１を規定するライン９上のＰ２点（筒体７との交点）に内側端が位置し、この分割ライン９に隣接するライン９上のＰ４’点に外側端が位置している。光触媒板５０の外側端位置Ｐ４’は、該光触媒板５０が湾曲していることから、前記した光触媒板５の外側端位置Ｐ４よりも内側（光源３側）に寄っている。そして、この光触媒板５０を用いる場合には、その外側端が反応容器１の内周面に接近もしくは接合される。
【００２７】
上記光触媒板５０は、前記各分割角度θ１／ｍを規定するラインｌ２，ｌ３およびｌ４が区域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３およびＥ４の境界点Ｐｅ２，Ｐｅ３およびＰｅ４を通るように形成される。つまり、上記光触媒板５０は、前記各分割角度θ１／ｍに対応する該光触媒板５０上の各励起光照射域がそれぞれ区域Ｅ１〜Ｅ４に一致するように形成される。
【００２８】
図８に示すように、ライン９と区域Ｅ１とのなす角度をθｅ１、境界線ｌ２と区域Ｅ２とのなす角度をθｅ２、境界線ｌ３と区域Ｅ３とのなす角度をθｅ３、境界線ｌ３と区域Ｅ４とのなす角度をθｅ４とし、光源３の中心点Ｐ１から上記境界点Ｐｅ２，Ｐｅ３およびＰｅ４に至る距離をそれぞれｂｅ２，ｂｅ３およびｂｅ４とすると、上記角度θｅ１〜θｅ４および上記距離ｂｅ２，ｂｅ３およびｂｅ４は以下のように表わされる。
【００２９】
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【００３０】
図９は、上記光触媒板５０を配列した本発明に係る光触媒反応装置の他の実施形態を示す斜視図である。また、図１０は、この光触媒反応装置の横断面図である。
この反応装置によれば、上記光触媒板５０に対する励起光のパワー配分が一様化されるので、該光触媒板５０の光触媒をより効率よく励起することができる。
【００３１】
なお、上記光触媒板５０は、曲げ加工とは異なる方法で形成しても良い。すなわち、例えば、図６に示した各区域Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３およびＥ４を構成する光触媒板を個別に形成しておき、これらを上記（１１），（１２）式の関係を満たすことができるように一体接合するようにしても良い。
【００３２】
また、上記光触媒板５０は、図６に示す各縦方向ライン５１によって間欠的に曲げられた構成を有しているが、図８のＰ２，Ｐｅ２，Ｐｅ３，Ｐｅ４およびＰ４’点間が弧状をなすように連続的に曲げて形成しても良い。上記のように間欠的に曲げることは、連続的に曲げることによって形成される曲面（以下、理想曲面という）に近似した曲面を形成することを意味し、上記（１０），（１１）式に示すｋの値が大きく設定されるほど、近似曲面が理想曲面に近づくことになる。
【００３３】
更に、上記光触媒板５０は、予めアルミニウム等の基板に対して上記近似曲面もしくは理想曲面を形成するための加工を施しておき、この加工済みの基板の表面に光触媒膜を形成するという方法で作成してもよい。
【００３４】
更にまた、例えば、図１０に示した実施の形態において、各光触媒板５０の光入射面側に、該光入射面に対向するガイド板（鎖線で示す）１９をそれぞれ配設し、各光触媒板５０とこれらに対応するガイド板１９の間に被反応流体を流通させるようにしても良い。上記ガイド板１９を設ければ、被反応流体の流路が光触媒板５０の面に近い部位に限定されるので、被反応流体が光触媒に接触する機会が均一化されて、光触媒よる被反応流体の酸化分解作用が促進される。もちろん、図３に示した光触媒板５に対しても、上記ガイド板１９に対応するガイド板２１を設けることができる。
なお、上記ガイド板１９は、対応する光触媒板５０への励起光の入射を妨げないように設けられる。また、このガイド板１９は、光触媒板５０に対向する面に光触媒膜を形成しても良い。
【００３５】
図１１および図１２は、本発明に係る光触媒反応装置の更に別の実施形態をそれぞれ示している。
図１１に示す光触媒反応装置は、複数の光触媒板５の対を光源３の周囲に配列した構成を有する。対をなす光触媒板５は、互いに相対しかつ対称に配置され、光源３から離隔した側の端部相互を接合して、外部から隔絶された被反応流体の流通路２３を形成している。この光触媒反応装置によれば、個々の光触媒板５が星型の断面を有する反応容器２５を構成するので、構成の簡素化とコストの低減を一層図ることができる。
なお、この光触媒反応装置においては、隣接する光触媒板５がライン９を中心にして対称に位置される。しかし、個々の光触媒板５の配置形態は、図４に示した光触媒板５の配置形態に準じているので、ここではその説明を省略する。
【００３６】
図１２に示す光触媒反応装置は、図１１に示す光触媒板５を図８に示す光触媒板５０に置き換えた構成を有している。この光触媒反応装置では、個々の光触媒板５０によって花びら型の断面を有する反応容器２７が形成される。
【００３７】
図３に示す光触媒板５および図１０に示す光触媒板５０は、図１３に模式的に示すように、流体の流入側から流出側に向かって傾斜して配置してもよく、また図１４に示すように、流体の流入側から流出側に向かって湾曲するよう形成しても良い。このような構造を採用すれば、流体がより積極的に光触媒板５，５０の光触媒膜面５ａ，５０ａに衝突することになるので、該流体中の反応基質と光触媒との接触の機会が増加して、光触媒反応の効率が一層向上する。
図１５は、図９に示す光触媒板５０を流体の流入側から流出側に向かって湾曲させた状態を示している。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、光源からの励起光を無駄なく利用して、広面積の光触媒を効率よく励起することができるので、運転コストが低減される。また、光ファイバ、光導波路、導光板等の高価な光伝達手段を用いないので、装置コストを抑制しながら大型化を図ることができ、しかも、上記光伝達手段を用いた場合の問題点である光伝達ロスも生じない。さらに、上記光伝達手段を使用した場合には、たとえば蛍光管のような発光特性を有する光源からの光を散逸させることなく導入することが困難であるが、本発明によれば、蛍光管のような安価で高効率な光源を用いた場合でも、その発光エネルギーを無駄なく利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光触媒反応装置の実施の形態を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示す光触媒反応装置の縦断面図である。
【図３】図１に示す光触媒反応装置の横断面図である。
【図４】光触媒板の配置構成を示す説明図。
【図５】光触媒板上における励起光のパワー配分を示す説明図である。
【図６】湾曲形状を有する光触媒板の概略斜視図である。
【図７】図６に示す光触媒板の構成を示す説明図である。
【図８】図６に示す光触媒板の幾何的構造および配置形態を示す説明図である。
【図９】図６に示す光触媒板を用いた本発明に係る光触媒反応装置の他の実施の形態を示す概略斜視図である。
【図１０】図９に示す光触媒反応装置の横断面図である。
【図１１】本発明に係る光触媒反応装置の別の実施形態を示す横断面図である。
【図１２】本発明に係る光触媒反応装置の更に別の実施形態を示す横断面図である。
【図１３】流体の流入側から流出側に向かって光触媒板を傾斜配置した状態を示す模式図である。
【図１４】流体の流入側から流出側に向かって光触媒板を彎曲させた状態を示す模式図である。
【図１５】図９に示す光触媒板を流体の流入側から流出側に向かって湾曲させた状態を示す斜視図である。
【図１６】従来の光触媒反応装置の一例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１，２５，２７  反応容器
３  励起光源
５，５０  光触媒板
７  筒体
１９，２１  ガイド板
【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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【図７】
2004351332.tif 000010
【図８】
2004351332.tif 000011
【図９】
2004351332.tif 000012
【図１０】
2004351332.tif 000013
【図１１】
2004351332.tif 000014
【図１２】
2004351332.tif 000015
【図１３】
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【図１４】
2004351332.tif 000017
【図１５】
2004351332.tif 000018
【図１６】
2004351332.tif 000019