(57)【要約】【課題】  従来の光触媒反応装置に比べて、触媒による物質の分解率が高い光触媒反応装置を提供することである。【解決手段】  光触媒反応装置１は、光触媒、光触媒を担持する担体３、光触媒に対して光を照射するための窓６と流体の入口７と流体の出口８とが設けられている容器５、および流体を入口７から容器５内に供給しながら、担体３を容器５に対して相対的に動作させる駆動手段１０を備えている。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒、前記光触媒を担持する担体、前記光触媒に対して光を照射するための窓と流体の入口と前記流体の出口とが設けられている容器、および前記流体を前記入口から前記容器内に供給しながら、前記担体を前記容器に対して相対的に動作させる駆動手段を備えていることを特徴とする、光触媒反応装置。
【請求項２】
前記駆動手段が、前記担体を回転させる手段であることを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記担体が吸着剤を担持することを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
光触媒、前記光触媒を担持する担体、および前記光触媒に対して光を照射するための窓と流体の入口と前記流体の出口とが設けられている容器を備えており、前記流体を前記入口から前記容器内に供給しながら、前記光触媒へと光を断続的に照射し、この際前記光触媒へと光を照射しない時間を０．５秒以上とすることを特徴とする、光触媒反応装置。
【請求項５】
前記光を断続的に発生させる光源を備えていることを特徴とする、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記担体を前記容器に対して相対的に動作させることによって、前記光触媒へと前記光を前記窓から断続的に照射することを特徴とする、請求項４記載の装置。
【請求項７】
前記担体を回転させることを特徴とする、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記担体が吸着剤を担持することを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一つの請求項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気および水中の微量有害物質を光触媒反応で分解・除去する光触媒反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光触媒反応は、非常に強力で、有機化合物を主体とするほとんどの有害物質を酸化分解できる（特許文献１、特許文献２）。しかし、反応速度が遅いことから、有害物質を流通式の光触媒反応装置で1pass処理を行おうとすると、装置内の滞留時間を長くする必要があり、装置を大きくするか、流量を低く設定する必要があった。特に有害物質の処理流体中の濃度が10ppm以下の希薄な場合、反応速度が拡散律速となるため、さらに滞留時間を長くとる必要がある。そのため光触媒表面の吸着能力を高めることで有害物質の実質の滞留時間を長くする方法が提案されている（特許文献３、特許文献４）。
【特許文献１】特開２００１−１１２８８４
【特許文献２】特開２００２−１６６１７３
【特許文献３】特開平10-94587
【特許文献４】特開2000-102736
【発明の開示】
【０００３】
しかし、従来の反応装置ではこの方法を用いても有害物質の実質の滞留時間延長や量子効率の向上には限度があった。
【０００４】
本発明の課題は、従来の光触媒反応装置に比べて、触媒による物質の分解率が高い光触媒反応装置を提供することである。
【０００５】
第一の発明は、光触媒、光触媒を担持する担体、光触媒に対して光を照射するための窓と流体の入口と流体の出口とが設けられている容器、および流体を入口から容器内に供給しながら、担体を容器に対して相対的に動作させる駆動手段を備えていることを特徴とする、光触媒反応装置に係るものである。
【０００６】
従来装置では、担体上で光照射領域が移動しないので、担体表面への被処理物質の吸着が進行しにくい。このため、担体表面における被処理物質の濃度が高くならないので、量子効率、被処理物質の分解率が共に低くなる。また、光があたらない非照射領域においては、吸着破過が起こってしまうため、装置としての分解率は低下してしまう。
【０００７】
第一の発明においては、容器内に流体を流して担体上に目的の被処理物質を吸着させ、担体を容器に対して相対的に動かすことによって、担体上で光照射される照射領域と非照射領域とが交互に切り替わるようにする。これによって、光の非照射領域においては、被処理物質を吸着、濃縮し、担体での表面濃度を高めることができる。次いで、この非照射領域に光が照射されるが、このときの量子効率と分解率とが向上することが確認された。
【０００８】
第二の発明は、光触媒、光触媒を担持する担体、および窓と流体の入口と流体の出口とが設けられている容器を備えており、流体を入口から容器内に供給しながら、光触媒へと光を断続的に照射し、この際光触媒へと光を照射しない時間を０．５秒以上とすることを特徴とする、光触媒反応装置に係るものである。
【０００９】
第二の発明においては、容器内に流体を流して担体上に目的の被処理物質を吸着させ、光触媒へと光を断続的に照射する。これによって、光の非照射時においては、被処理物質を吸着、濃縮し、担体での表面濃度を高めることができる。次いで、この非照射領域に光が照射されるが、このときの量子効率と分解率とが向上することが確認された。
【００１０】
ここで、オフタイム（担体上の測定点に光が照射されない時間）は、ある程度以上、具体的には０．５秒以上とする必要がある。これは光源の単なるパルス発振とは区別されるような十分に長時間である。このようにある程度以上長いオフタイムをとることによって、被処理物質に光が照射されるまでの担体上での滞留時間が長くなり、光照射時の担体表面濃度を高めることができる。この観点からは、オフタイムは0.5秒以上であることが更に好ましく、5秒以上であることが最も好ましい。また、オフタイムが長すぎると、被処理物質が担体上で吸着破過を起こし、光触媒性能が損なわれるおそれがある。この観点からは、オフタイムは、300秒以下であることが好ましく、60秒以下であることが更に好ましい。
【００１１】
担体へと光を照射する時間は特に限定されないが、ある程度以上長時間にわたって連続的に光を照射すると、担体表面に濃縮していた被処理物質が分解されて表面濃度が低下するため、量子効率が低下する。従って、ある程度の時間にわたって光を照射した後、光照射を停止し、再濃縮を行うことが好ましい。光を照射する時間は、被処理物質の吸着濃縮速度と分解反応速度を測定して最適照射時間を設定する必要がある。これらの速度は被処理物質と担体の組み合わせとオフタイムで決まるものであり、一概に時間を設定することは難しい。経験的には300秒以下であることが好ましく、60秒以下であることが更に好ましい。
【００１２】
第一、第二の発明において、担体の材質は緻密質材料でも多孔質材料でもよい。材料は特に限定されず、セラミックス、ガラス、金属、セラミックス−金属複合体であってよい。特に好ましくは、担体が多孔質材料であり，あるいは、セラミック焼結体である。これにはコージェライト、アルミナを例示できる。
【００１３】
第一、第二の発明において、光触媒を構成する物質の種類は特に限定されないが、TiO2、SnO2、WO3、ZnO、SrTiO3等の光触媒物質を例示できる。アナターゼ型酸化チタンが特に好ましい。第一、第二の発明において、光触媒内にはパインダーを更に含有させることができる。このようなバインダーとしては、アルコキシシラン、シリカゾル等の無機バインダーが好ましい。また、光触媒には吸着剤を添加することが好ましい。このような吸着剤としては、ゼオライトや活性炭等を例示できる。
【００１４】
光触媒層を担体上に形成する方法は限定されない。例えば、担体上に、光散乱粒子、および光触媒機能を持つ光触媒粒子を含む塗布液からなる塗膜を形成し、この塗膜を少なくとも乾燥させる。この塗布液の分散媒は特に限定されず、水であってよく、エタノール、プロパノール、ブタノール等のアルコールなどの有機溶媒であってよく、水と有機溶媒との混合物であってよい。また、塗布液の塗布方法は特に限定されず、ディップコート、スピンコート、スプレーコートなどであってよい。
【００１５】
ゾルゲル法の場合には、例えばチタンアルコキシドをアルコール等の溶媒に溶かし、アミン類を安定化分散剤として用い、酸を解膠作用の目的に添加して調整する。又、上記光触媒の担持方法としてゾルゲル法を用いる場合、触媒活性の高いアナターゼ型にするためには、焼成を３００〜７００℃で行うこともできる。
【００１６】
また、光触媒層を、物理的気相成長法、化学的気相成長法、有機金属化学的気相成長法などの気相法によって成膜することもできる。
【００１７】
被処理物質は特に限定されない。被処理物質は、例えば、有害成分や汚染成分を含むガスであってよく、液体であってよい。汚染物質ないし有害物質としては、ＶＯＣ、ＮＯｘ、ダイオキシン、色度成分、COD、トリハロメタン、環境ホルモン、ＰＯＰＳ、重金属などであってよい。
【００１８】
光の種類も限定されず、光触媒反応に通常利用される光源を転用できる。また、レーザー光も利用できる。レーザー光の種類、波長、出力は特に限定されず、目的とする光触媒作用に応じて選定される。レーザー光源としては、例えば赤色半導体レーザーと光学非線形素子の一種であるSHGを組み合わせた全固体紫外レーザーを例示できる。また、レーザー光の波長は、例えば、DVD-R用に市販されている発振波長660nmの赤色レーザー光をSHG素子で変換した330nmである。
【００１９】
第一、第二の発明の好適な実施形態においては、多孔質材料が、不織布または織布からなる。特に好ましくは、不織布を折り畳むことによって、任意の形態の触媒支持層を容易に形成できる。
【００２０】
第一の発明において、担体の容器に対する相対速度および窓の寸法を適宜に設定することによって、担体上の各点上での光照射のオンタイムの長さとオフタイムの長さとを容易に決定できる。これによって、第二の発明の要件を満足することが特に好ましい。
【００２１】
第一の発明においては、担体を容器に対して相対的に移動させる。ここで、容器を固定して担体を駆動することができる。また、担体を固定して容器を駆動することができる。更に容器と担体との両方を駆動することができる。好ましくは容器を固定し、担体を駆動する。
【００２２】
具体的な駆動手段は特に限定されない。例えば、担体や容器を所定の回転軸の周りに回転させることができる。このような駆動手段としてはモーターやローターを例示できる。あるいは、担体または容器を直線上で往復運動させることができる。この場合には、担体や容器をベルト上に載せて駆動することができる。あるいは、担体や容器をワイヤー等の支持部材に取り付け、支持部材を往復運動させることができる。
【００２３】
図１は、第一の発明に係る装置１の容器５の内部を概略的に示す部分断面図であり、図２は、容器５の外観を示す正面図であり、図３は本例の装置１の縦断面図である。
本例の光触媒反応装置１は、外観略円板形状の容器５を備えている。容器５は台８上に支持されている。容器５の一方の面側には窓６と流体の入口７とが設けられている。容器５の他方の面側には流体の出口９が設けられている。容器５内には略リング状の担体３が収容されている。担体３の中央部分は回転軸２に取り付けられており、回転軸２は所定のモーター１０に対して固定されている。担体３の外周面と容器５の内面との間はシール材４によって気密にシールされている。
【００２４】
窓６へと向かって光Ｂを照射する。このとき、担体３のうち、図１に示す領域Ｋに対して光が照射される。残りの領域Ｌは非照射領域となる。そして入口７から矢印Ｄのように流体を容器内へと流しながら、窓６へと矢印Ｂのように光を照射する。この状態で回転軸２および担体３を矢印Ａのように回転させる。すると、光照射領域Ｋは、担体３の表面上を順になめらかに移動することになる。ここで、非照射領域Ｌ上には、流体中に含まれる目的の被処理物質が吸着され、被処理物質の濃度が上昇する。この状態で照射領域Ｋにおいて担体３へと光が照射され、濃縮された被処理物質が分解される。流体は担体３を通過し、出口９から矢印Ｃのように排出される。
ここで担体３表面の特定点では、照射領域Ｋ内に存在する間は光が照射され、オンタイムとなる。これが非照射領域Ｌ内に存在する間は光が照射されず、オフタイムとなる。従って、オンタイムおよびオフタイムの長さが第二の発明の範囲内となるように、担体３の回転速度を設定することが好ましい。
【００２５】
図４、図５は、他の実施形態で使用できる担体１５の形態を示す線図である。ただし、図４においては、図５で矢印ＩＶ方向から担体１５を見た線図を示しており、図５においてば、図４で矢印Ｖ方向から担体１５を見た線図を示す。図６は、第二の発明の実施形態に係る光触媒反応装置２７を示す模式図であり、担体１５を容器１６内に内蔵している。
【００２６】
本例で使用する担体１５は、帯状物ないし板状物を、図４に示すようにＶ字状に繰り返し折り曲げたものである。従って、多数の帯状部１５ｃが折曲点１５ｄで折り曲げられており、これによって多数の帯状部１５ｃが交互に反復される形態を有している。これによって、細長い空間１５ａと１５ｂとが交互に形成されている。空間１５ａと１５ｂとは、担体１５の両側に区分されている。こうした担体は、例えば不織布を折り曲げることによって形成できる。
【００２７】
図６に示す装置２７においては、容器１６内に担体１５が固定されている。担体１５と容器１６内面との間はシール材２５によって気密にシールされている。容器には入口１７、出口１８および窓２８が設けられている。窓２２から矢印Ｅのように光を照射し、光をビームエクスパンダー２１によって矢印Ｆのように拡散させる。そして窓から入射させ、光を矢印Ｇのように担体１５へと照射する。これと同時に、入り口１７から矢印Ｄのように流体を容器１６内へと供給すると、流体は、空間１５ａ側から入り、多孔質の担体１５を通過し、反対側の空間１５ｂ側から排出され、空間２０、出口１８から矢印Ｃのように排出される。
【００２８】
ここで、本発明においては、光源３０から光Ｇを断続的に担体１５へと照射する。この際光照射のオフタイムが０．５秒以上となるようにする。この結果、光の非照射時においては、被処理物質を吸着、濃縮し、担体での表面濃度を高めることができる。次いで、この非照射領域に光が照射されるが、このときの量子効率と分解率とが向上する。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
図１〜図３を参照しつつ説明した光触媒反応装置１を使用し、アセトアルデヒドの分解実験を行った。
具体的には、ガラス不織布を折り畳み、外直径100mm、内直径10mm、長さ200mmの円筒状に加工して担体３を得た。この担体３に、光触媒として酸化チタンを担持させた。この光触媒担体３の総BET表面積は2891m2である。容器５に石英ガラス窓６を設置した。石英窓６の有効径はφ45mmとした。容器５の内容積は2830cm3である。光源には、長軸反応装置内に光照射が有利な固体紫外線レーザーを(波長355nm)用いた。紫外線光量は窓から見える光触媒担体の投影面積あたり1mW/cm2になるよう、レーザーの出力を2.3Wに設定した。また回転軸２の回転数は、0〜50rpmで変えて測定を行った。この装置１にアセトアルデヒド濃度10ppm、温度25℃の空気を3Nm3/Hrの流速で流し、出口９側のアセトアルデヒド濃度とCO2濃度を測定し、量子効率と反応率を求めた。その結果を表1に示す。
【００３０】
【表１】
2005103458.tif 000003
【００３１】
（比較例１）
実施例１と同程度の反応装置容積を有する従来型反応装置を用意した。300mm角、厚さ20mmの多孔質アルミナ基材(セラミックフォーム)上に、光触媒として酸化チタンを担持させた担体を準備した。この光触媒担体の総BET表面積は324000m2である。この光触媒担持体を反応装置内に収容した。反応装置の内容積は4100cm3である。光源には10W直管型ブラックライトを12本用意し、装置と光源の距離を調整して実施例1と同様に光触媒担体投影面積あたり1mW/cm2の紫外線光量になるように設定した(総紫外線光量1.8W)。この装置にアセトアルデヒド濃度10ppm、温度25℃の空気を3Nm3/Hrの流速で流し、出口側のアセトアルデヒド濃度とCO2濃度を測定することで量子効率と反応率を求めた。その結果を表2に示す。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
本発明の実施例１と比較例１を比較した結果、本発明のローター型光触媒反応装置は、回転数を適正化すれば、同程度の容積の反応装置を使用する場合、量子効率、装置単位体積あたりの反応率とも従来型の同程度の容積を有する反応装置よりも優れていることが確認された。
【００３４】
（実施例２）
図４〜図６を参照しつつ説明した光触媒反応装置を使用し、アセトアルデヒドの分解実験を行った。酸化チタンを担持したガラス不織布を、図４、図５に示すように織り込み、担体１５を得た。この担体を、内寸100mm角、内側長さ200mmの直方体金属製容器１６に収納したものを用意した。この光触媒担体１５の総BET表面積は2900m2である。容器１６には石英窓２２を設置した。石英窓２８の有効径はφ142mmとした。容器１６の内容積は2000cm3である。
【００３５】
光源には、長軸反応装置内に光照射が有利な固体紫外線レーザー(波長355nm)を用い、レーザービームエクスパンダー２１で照射面積を拡大した。紫外線光量は光触媒担体の投影面積あたり1mW/cm2になるようレーザーの平均出力は2.3Wに設定した。レーザーをパルス駆動し、オンタイムおよびオフタイムを変えて運転を行った。この装置にアセトアルデヒド濃度10ppm、温度25℃の空気を3Nm3/Hrの流速で流し、出口側のアセトアルデヒド濃度とCO2濃度を測定して量子効率と反応率を求めた。その結果を表３に示す。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
表３から判るように、パルス駆動時は、オフタイムを０．５秒以上とすれば、連続発振時よりも高い量子効率が得られることが確認された。特に量子効率が高くなるのは、オフタイムが５秒以上の場合である。これは、オフタイム中にアセトアルデヒドが光触媒表面に吸着できる時間が長くとれるため、光照射時点での光触媒表面のアセトアルデヒド密度が高まる。その結果、光照射により光触媒上に発生するOHラジカル等の寿命の短い活性酸素種は消滅するまでにアセトアルデヒド分子と反応する確率が高まったためと考えられる。ただし、オフタイムが長すぎると、吸着が破過してしまい、反応器を素通りするアルデヒド分子が増えてしまったと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第一の発明に係る装置１の容器５の内部を概略的に示す部分断面図である。
【図２】容器５の外観を示す正面図である。
【図３】本例の装置１の縦断面図である。
【図４】他の実施形態で使用できる担体１５の形態を示す線図であり、図５で矢印ＩＶ方向から担体１５を見た線図を示す。
【図５】図４の担体１５の形態を示す線図であり、図４で矢印Ｖ方向から担体１５を見た線図を示す。
【図６】第二の発明の実施形態に係る光触媒反応装置２７を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１、２７  光触媒反応装置        ２  回転軸        ３、１５  担体        ４、２５  シール材        ５、１６  容器        ６、２２  窓        ７、１７  流体の入口        ８  台        ９、１８  流体の出口        １０  回転駆動手段        ３０  光源        Ａ  回転方向          Ｂ、Ｅ、Ｆ、Ｇ  光        Ｃ、Ｄ  流体の流れ        Ｋ  光の照射領域        Ｌ  光の非照射領域
【図１】
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【図２】
2005103458.tif 000007
【図３】
2005103458.tif 000008
【図４】
2005103458.tif 000009
【図５】
2005103458.tif 000010
【図６】
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