(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部に太陽光を受光する開口部を設け、内面に入射光を拡散させる反射鏡を設けた最外側筒状体と、その中央部に、上端が開口され表面に拡散反射光が照射される光触媒層を表面に設けた内側筒体およびその内側筒体を内包するように配置され上端が閉じられた外側筒体からなる二重筒体とを備えてなり、該内側筒体内の下部より揮発性有機化合物を含む汚染大気を流入させて光触媒反応により浄化された大気を外側筒体内の下部より流出させることを特徴とする大気浄化用光触媒反応塔。
【請求項２】
最外側筒状体は、最上部の開口部が傾斜した構造からなるものであることを特徴とする請求項１に記載の大気浄化用光触媒反応塔。
【請求項３】
揮発性有機化合物を含む汚染大気の浄化が、太陽光の届かない空間の大気浄化であることを特徴とする請求項１または２に記載の大気浄化用光触媒反応塔。
【請求項４】
揮発性有機化合物を含む汚染大気が、自動車の排ガスまたは揮発性有機化合物を取り扱う事業所の排ガスであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の大気浄化用光触媒反応塔。
【請求項５】
請求項１または２に記載された大気浄化用光触媒反応塔を２個以上配置したことを特徴とする大気浄化用光触媒反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、道路沿道における自動車排ガス中に含まれる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）成分及び零細事業所等から大気開放により未処理排出されているＶＯＣ成分を太陽光を主な励起光源とする光触媒反応により分解無害化させる大気浄化用処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）発生源対策において、厳しい環境基準が適用されるようになってきたが、自動車由来ならびに小規模事業所等からの排出は、ＶＯＣ放出量の半数以上を占めているにも関わらず未規制のままとなっている。その大きな理由として、低濃度ＶＯＣ処理に関わるコストや処理装置の設置場所に投資できないことが挙げられる。
【０００３】
なかでも、光触媒を利用したＶＯＣ処理装置では、常時紫外光源を働かせた場合には電力コストが掛かり、一方、太陽光のみを使用する場合には、装置が大きくなるため広大な設置面積を必要とするうえ、太陽光が直接当たる場所でしか使用できないという制限があった。
【０００４】
近年、自動車用道路のトンネル内で発生する排ガスを外部に吸引し、光触媒を用いてＮＯｘを分解させる排ガス処理装置（例えば、引用文献１参照）や燃焼排ガス中のアルデヒド類を光触媒により分解させる燃焼排ガス処理装置（例えば、引用文献２参照）などが提案されているが、空気中に放出される低濃度のＶＯＣを含む汚染大気を光触媒により有効に処理できる排ガス処理装置は未だ知られていない。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０-３２３５４０号公報
【特許文献２】特開２００４-２６７９１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、従来の技術における上記した課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、大気中に低濃度（数ppmレベル以下）で存在する揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を、主に太陽光により光触媒を活性化させて効率的に除去できる簡易な大気浄化用光触媒反応塔を提供するものである。また、本発明の他の目的は、太陽光の届かない空間の大気浄化を行う装置であって、終日日陰の道路際に集光部のみに太陽光が当たるように設置して自動車等から排出される揮発性有機化合物を除去するほか、建造物密集地域などで揮発性有機化合物を発生させている小規模事業所等より大気放出されている低濃度揮発性有機化合物を除去できるものであって、低コストで簡易に設置できる大気浄化用光触媒反応塔を提供するものである。さらに、本発明の他の目的は、太陽光が必ずしも当たるとは限らない場所に低濃度ＶＯＣ発生源が数多く存在し、しかも処理装置を設置するスペースが十分でない場所にも配置でき、ＶＯＣを容易に除去できる大気浄化用光触媒反応塔を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記した問題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、太陽光を乱反射させて鏡筒深部まで到達させ、通常光の届かない場所でも光触媒反応を行わせることにより大気中のＶＯＣを容易に除去できる光触媒反応塔を見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明の大気浄化用光触媒反応塔は、上部に太陽光を受光する開口部を設け、内面に入射光を拡散させる反射鏡を設けた最外側筒状体と、その中央部に、上端が開口され表面に拡散反射光が照射される光触媒層を表面に設けた内側筒体およびその内側筒体を内包するように配置され上端が閉じられた外側筒体からなる二重筒体とを備えてなり、該内側筒体内の下部より揮発性有機化合物を含む汚染大気を流入させて光触媒反応により浄化された大気を外側筒体内の下部より流出させることを特徴とする。
【０００８】
本発明の光触媒反応塔において、最外側筒状体は、上部の開口部が太陽光の受光量を可能な限り多くできるように傾斜した構造であることが好ましい。また、その光触媒反応塔は、大気中の揮発性有機化合物による汚染濃度や処理流量に応じて２本以上を設置することができ、またその縦（上下）方向の長さは、最外側筒状体の上部開口部が太陽光を受光できるように設置場所に応じて任意に変更できることが好ましい。
本発明において処理対象とする揮発性有機化合物を含む汚染大気は、太陽光の届かない空間の汚染大気であって、あるいは太陽光が届いても従来型（平面型）光触媒装置を設置するに十分でない面積であって、かつ自動車からの排ガスまたは揮発性有機化合物を取り扱う事業所からの排ガスであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る光触媒反応塔を利用した大気浄化によれば、以下に示す作用効果を奏するものである。
１．道路沿道などに設置した場合には、自動車から排出される排気ガス中に含まれる揮発性有機化合物を光触媒分解し、水と二酸化炭素にまで酸化分解して無害化できる。
２．現在まで光触媒の使用が困難であった終日日陰となるような道路沿道に光触媒反応塔を設置することにより、そのような場所の大気浄化が可能である。
３．道路沿道のみならず、従来型ＶＯＣ処理装置の設置が経済的に困難であった零細事業所等から排出される低濃度ＶＯＣの処理も可能となる。特に、本発明の光触媒塔は大きな設置面積を必要としない縦型反応塔であるから、建物の壁等に固定するなどの使用方法が可能である。
４．使用地域が低緯度の場合、太陽光入射角度が極めて浅くなるので、光触媒反応塔の深部まで光が届くようになる。このため、本反応塔の垂直方向の長を大きくすることにより、同一光照射面積においてより効率的に大気汚染物質を処理できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、任意の位置に滞留している低濃度の揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を含む汚染大気を一旦光触媒反応塔内部に導入し、太陽光の存在する位置まで導いた後、太陽光による光触媒の直接励起、ならびに紫外線散乱鏡による鏡筒内拡散光により汚染大気を浄化する大気浄化用の光触媒反応塔である。この光触媒反応塔は、太陽光のみを利用するパッシブ型大気浄化装置としてばかりでなく、夜間に使用する場合には、紫外灯を内蔵することにより、終日使用することも可能である。特に、昼間の太陽光発電により小型充電池に蓄電し、鏡筒内部に設置した紫外線ダイオードを発光させることにより、極めて省電力型の大気浄化が可能になるものと推定される。さらに、光触媒には、紫外光に活性を有する公知の光触媒のみならず、可視光応答性を有する光触媒も使用可能である。
【００１１】
本発明の光触媒反応塔は、最外側筒状体（外殻）内側が全面に亘って紫外線散乱鏡（反射鏡）が備えられており、この外殻上部には、太陽光線が入射する開口部が設けられている。その紫外線反射鏡は、太陽光を乱反射させるための加工を施した鏡からなるものである。また、その外殻の中央部には、直立する光触媒反応部に拡散反射光を照射して揮発性有機化合物を化学反応させて分解処理する二重筒体が備えられている。その二重筒体は、上端が開口され表面に拡散反射光が照射される光触媒反応部（光触媒塗布層）を表面に設けた内側筒体とその内側筒体を内包するように配置され上端が閉じられた外側筒体とからなるものである。
【００１２】
本発明の光触媒反応塔は、ＶＯＣによる大気汚染が常態化しているところに設置し、光照射による光触媒反応を利用して大気浄化を行うが、特に設置面積の限られた場所、あるいは太陽光が有効利用できない場所にも設置でき、ＶＯＣなどの大気中汚染物質を分解させて除去することができる。
【００１３】
本発明においては、ＶＯＣを含む汚染大気は、装置下部より内側筒体の内部を通って光触媒反応塔の外側筒体最上部まで達し、この地点より光触媒を表面に塗布した光触媒塗布層を有する内側筒体と外側筒体との隙間を通って反応塔最下部まで達する構造を有する。光触媒塗布層円筒（内側筒体）を覆う外側筒体としてガラス管を用いることにより、ＶＯＣを含む汚染大気（反応ガス）と紫外光及び光触媒との接触率を高めてＶＯＣの分解除去による浄化効率を向上させることができる。
【００１４】
光触媒反応塔最上部の反射鏡（鏡筒）は、斜めに切断（カット）された構造であることが好ましい。これは、太陽光を可能な限り終日効率よく外殻内部に取り込むためである。光触媒塗布円筒最上部は、このカットされた部分よりも高くなるように設定し、太陽光の高度が低いときでも太陽光が光触媒と直接当たるような構造とするが、必要に応じて、この太陽光取り込み口を太陽追尾可動型にすることも技術的に可能である。また、装置全体を構成する鏡筒は、六角柱構造にするなど必ずしも円筒形状でなくても良い。
【００１５】
ＶＯＣを含む汚染大気は、光触媒塗布円筒管内部を通って光触媒反応塔最上部にまで達し、ここで初めて光触媒と接触を開始する。光触媒反応塔上部は太陽光が直接届くため、光触媒活性は最も高くなる。この部位において汚染大気は処理され、鏡筒により覆われた装置下部へと光触媒により処理されながら降りる構造を有する。鏡筒内部においては、光触媒反応塔開口部から入射した太陽光が反射しながら光触媒反応塔深部へと達し、光触媒反応を逐次行わせる構造を有する。
【００１６】
光触媒円筒の表面に設けられる光触媒層は、従来公知の光触媒を用いて円筒状触媒支持体表面に形成される被膜であれば如何なるものであっても良い。また、被膜でなく、例えばメッシュ状の光触媒固定化材料を内殻ガラス管と中心円筒の通気路隙間に設置しても良い。さらに、光触媒支持円筒は、必ずしも円筒でなければならない必要性はなく、また、光触媒支持円筒は担持した光触媒により劣化するものでなければ如何なる材料も使用可能であるが、ガスが内側から外側に透過する性質の材料は装置の構成上使用できない。
【００１７】
光触媒塗布円筒を覆う外側筒体としては、光触媒を励起する波長領域の光を透過する材料であれば、ガラス、石英、紫外光透過性高分子材料など如何なるものも使用可能である。ただし、装置に導入するガスと反応する材質をそのまま用いることは好ましくない。
本発明の上記した光触媒反応塔は、処理対象とする大気の汚染濃度、処理流量等に応じて２本以上の複数を適宜組み合わせて、ＶＯＣを含む大気を浄化する光触媒反応装置として使用することができる。
【００１８】
さらに、本発明について図面を参照して説明する。
図１は、本発明における光触媒反応塔の一例を示す概略構成図である。図１Ａは反応塔の正面図であり、図１Ｂは反応塔の側面透視図である。図１において、１は装置支柱、２は最外側筒状体（鏡筒）、３は散乱鏡、４は光触媒層を収納したガラス管、５は装置の上面図、６はガラス管支持棒、７は支柱保持具、８は地上固定具、９はガス折返キャップ、１０は斜め開口鏡筒、１１はガス導入／排出部と光触媒反応管の接続具、１２は光触媒反応塔固定台、１３はガス導入管、１４はガス排出管である。
【００１９】
図２は、図１に示す光触媒反応塔の要部を拡大した側面断面図である。ガス導入管（１３）から装置に入ったＶＯＣを含むガスは、光触媒反応管（１７）の内側を通って上昇し、ガス折返キャップ（９）により光触媒塗布層（１５）とガラス管１６の間の反応部に導入される。太陽光照射時には、ＶＯＣは光触媒反応により分解処理されて除去される。装置上部においては、太陽光の直接励起、鏡筒内部においては斜めの開口部（１０）より入射した太陽光の鏡筒による下部方向への内乱反射光により装置深部の光触媒も光励起され、処理される。最終的に処理されたガスは排出口（１４）より排出される。
【００２０】
図１Ａにおいて、３で示される散乱鏡には、紫外光を吸収しない素材の鏡面材料を使用することが望ましく、最適な材料はアルミニウムである。また、３の散乱鏡の散乱方法はいかなる方法を用いても良いが、乱反射方向が必ず下方になる反射材を用いるものことが好ましい。すなわち、入射口から入った励起光が散乱鏡の乱反射により上方に出ると、その分励起エネルギーを無駄にすることになるからである。
【００２１】
図２において、導入されたガス（１３）は、その濃度を保ったまま光触媒反応塔最上部（９）に達するが、鏡筒開口部は太陽光の直接励起される部分であり、数ppm程度の比較的濃度が高いトルエン等の難分解性ガスでも処理することが可能である。太陽光が直接励起できない鏡筒深部においては、太陽光の直接光より紫外光強度の劣る鏡筒内部の反射光のみで光触媒反応を行わせることになるが、塔頂部で高濃度ガスは太陽光の直接励起により光触媒処理されていることから、深部においては相対的に低濃度ガスのみを処理すれば良く、結果として光触媒能を浪費することなくＶＯＣ処理が可能である。
【００２２】
大気中のＶＯＣ濃度が高いか、または風量が大きい場合には、本反応塔を用いても処理しきれない可能性も考えられるが、このような場合には濃度や風量に合わせて本反応塔を複数本配置し、ガス流路を並列ないし直列に配管することにより対応可能である。その概念図を図３に示す。この図３では、光触媒反応塔（１８）、（１９）、（２０）の３本を束ねた構造のものを示しているが、ガスの濃度等に応じてその本数を適宜増減すれば良い。                          
【００２３】
図４及び図５は、本発明の光触媒反応塔の応用例を示す。図４では、ストリートキャニオン内の二重構造となっている高架道下の大気浄化に用いた概念図である。高架下では太陽光は届かず、また、高架道により上部が遮蔽、側面は高層建築物により遮蔽されているため、汚染大気の滞留が著しい。この空間内の大気を清浄化するためには、空気交換が必要であるが、この空間内に存在する大気汚染物質は光化学オキシダントを発生させるため、大気中への放散は好ましくない。このような場合には、光触媒の使用が考えられるが、高架下には光が届かないため、この部分への直接の光触媒材料の施工では大気浄化の効果が薄い。従って、このような構造空間に光触媒反応塔を設置し、この空間の大気を浄化することが期待される。図４中の（２１）は高架道２階部分、（２２）は高架道下の概念図である。空間（２２）で発生した自動車からの排気ガスは上面（２１）並びに高層ビル（２４）の側面でブロックされて滞留する。ここに、大気浄化用光触媒反応塔（２３）を設置し、空気取り込み口（２８）よりルート（２６）に沿って大気を送入し、光触媒反応塔（２３）で浄化した後、ルート（２７）により歩道側（２５）などに開放する。空気取り込み口（２８）には光触媒層に反応困難な粒子状物質が送られないようフィルターを取り付けることが好ましい。なお、ＶＯＣによっては、ハロゲン化合物などが含まれる場合も考えられる。これらの分解生成物であるハロゲン化イオン類は光触媒表面に残留しやすいことが知られている。このため、光触媒層をなす二重筒体内の頂頭部内部に水洗機構を設け、適宜光触媒表面を洗浄する機構を付加することも考えられる。
【００２４】
図５は、個人事業所等における小規模ＶＯＣ発生源に光触媒反応塔を適応した場合の概念図である。２３は光触媒反応塔、２９は発生源建造物、３０は隣接建造物、３１は建造物間隙である。この光触媒反応塔２３は直立型の処理装置であるため、狭い空間にも設置できる。
【００２５】
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】
【００２６】
まず、図１に示す光触媒反応塔を使用し、模擬大気汚染物質としてトルエンを使用した。装置へのガス導入速度は毎分１.５リットルとした。この時のトルエン初期濃度は約４ppmとした。希釈には通常の大気を用いた。光触媒には、特許文献Ａ（特開２００１-３８２０４号公報）に準ずる方法で、アルミナセラミックパイプ上に多重コーティングを行ったものを使用した。
【００２７】
図６には、本実験に使用した装置の構成を示す。２３は光触媒反応塔、３２はコンプレッサー、３３はＶＯＣ発生装置、３４はガス流量制御器、３５は４方バルブ、３６はＣＯ２モニタ、３７はＶＯＣモニタ、３８は排出口である。コンプレッサー（３２）から送られた空気は、一部がＶＯＣ発生器（３３）を通り、処理対象ガスとしてトルエンを発生させた。これをガス流量制御器（３４）により、ＶＯＣと空気の混合比率を制御し、任意のトルエン濃度とした。４方バルブ（３５）により、流路を光触媒反応塔（２３）に切り替えることによりＶＯＣが処理される。光触媒反応塔を通過したガスはＣＯ２モニタ（３６）ならびにＶＯＣモニタ（３７）によりそれぞれ濃度を分析した。
【００２８】
図７および図８は、図６の装置を用いて取得された実験結果を示す。トルエンの初期濃度は４ppm、ガス流速は１．５L/minであった。光触媒反応塔にトルエンガスを流す前に、光触媒反応塔に遮光カバーを掛け、９時半に開放して太陽光照射を開始した。
図７に示す実験では、午前中は雲の多い天候のため、紫外線強度が大きく乱高下しているが、これに対応してトルエン濃度及びトルエンの光触媒分解生成物であるＣＯ２量も変化した。午後になって雲がなくなり、紫外線量も安定化し、同時にトルエン除去量、ＣＯ２発生量も紫外線量に対応した。
朝９時半に太陽光導入口を開放すると同時にトルエン濃度はゼロ近くまで低下し、ＣＯ２が発生した。午後１時までの紫外線強度の上下は雲に依存した。午後１時過ぎに快晴となり、紫外線強度は安定化するが、太陽高度の低下により紫外線強度も低下し、その結果トルエン除去量とＣＯ２発生量も低下した。
【００２９】
図８では、この日はほぼ快晴であったので、紫外線強度は正午をピークとした山なりとなった。紫外線強度の低下し始めた午後２時頃になって、トルエンの除去量が低下し始め、同時に発生ＣＯ２量も減少し始めた。
【００３０】
この実験は連続して行ったものであるが、実験の繰り返しによる触媒活性の低下は見られなかった。このことから、本装置は耐久性を含め、効率的な大気中汚染物質の除去が可能であった。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の光触媒反応塔は、低濃度ＶＯＣ汚染大気の浄化を可能とするものであるうえに、低コストで作製でき、設置場所も取らないことから、利用可能性が広く、国内外の高速道路で遮蔽されたストリートキャニオン、規制対象外の零細事業所等からの排出ＶＯＣの処理に有益であり、現在問題となっているＶＯＣの排出量削減に有効であることから、産業上の利用に大きく貢献できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一例の大気浄化用光触媒反応塔の正面概略構成図（Ａ）ならびに側面概略透視図（Ｂ）である。
【図２】本発明の一例の大気浄化用光触媒反応塔の要部を拡大した側面断面図である。
【図３】本発明の一例の大気浄化用光触媒反応塔を３本束ねた構造の概念図である。
【図４】本発明の大気浄化用光触媒反応塔を用いてストリートキャニオン内の二重構造となっている高架道下の大気浄化を行う一例の概念図である。
【図５】本発明の大気浄化用光触媒反応塔を用いて個人事業所等の小規模ＶＯＣ発生源に光触媒反応塔を適用した場合の一例の概念図である。
【図６】本発明の実施例に用いた大気浄化用光触媒反応塔の評価装置の構成例である。
【図７】実施例において大気浄化用光触媒反応塔を用いたトルエンの除去結果を示すグラフ（曇りのち快晴時のデータ）である。
【図８】実施例において大気浄化用光触媒反応塔を用いたトルエンの除去結果を示すグラフ（快晴時のデータ）である。
【符号の説明】
【００３３】
１    大気浄化用光触媒反応塔支持棒
２    鏡筒
３    乱反射鏡
４    光触媒反応管
５    装置水平断面図
６    光触媒反応管指示腕
７    大気浄化用光触媒反応塔支持棒固定金具
８    固定脚
９    ガス折り返し装置
１０  斜め開口鏡筒
１１  ガス分離装置
１２  大気浄化用光触媒反応塔支持台
１３  ガス導入口
１４  ガス排出口
１５  光触媒管
１６  ガラス管
１７  ガス上昇路
１８  大気浄化用光触媒反応塔
１９  大気浄化用光触媒反応塔
２０  大気浄化用光触媒反応塔
２１  高架道路２階部分
２２  高架道路１階部分
２３  大気浄化用光触媒反応塔
２４  高架道より高い構造物
２５  歩道
２６  排ガス流路方向
２７  浄化空気流路方向
２８  フィルター付排ガス吸入口
２９  ＶＯＣ発生小規模事業所建造物
３０  隣接建造物
３１  建造物間狭隘空隙
３２  コンプレッサー
３３  ＶＯＣガス発生器
３４  流速制御器
３５  ４方バルブ
３６  ＣＯ２モニタ
３７  ＶＯＣモニタ
３８  排出口
【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】
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【図８】
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