(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に化学反応を引き起こす方法において、光触媒の存在下に液体に超音波を照射することによって気泡収縮を起こさせ、前記気泡収縮による発光のみを利用することを特徴とする液体処理方法。
【請求項２】
液体に超音波を照射する手段として、液体を収容した反応容器及び／又は前記反応容器内部に設置した反応器に固有の共鳴周波数の超音波を照射することを特徴とする請求項１記載の液体処理方法。
【請求項３】
液体中にガスを供給することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の液体処理方法。
【請求項４】
前記光触媒が酸化チタンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の液体処理方法。
【請求項５】
液体に化学反応を引き起こす装置において、液体を収容し光触媒が存在する反応容器と、該反応容器内にガスをバブリングするバブリング装置と、前記反応容器に発光を伴う気泡収縮を起こさせるための超音波発生装置を具備している、前記気泡収縮による発光のみを利用することを特徴とする液体処理装置。
【請求項６】
前記超音波発生装置は、圧電素子及びそれを駆動させるための電源とを具備していることを特徴とする請求項５記載の液体処理装置。
【請求項７】
前記超音波発生装置は、前記反応容器及び／又は前記反応容器内部に設置した反応器に固有の共鳴周波数の超音波を発生させるものであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の液体処理装置。
【請求項８】
前記光触媒は、前記反応容器内に設けた反応器にコーティングして担持されたものであることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の液体処理装置。
【請求項９】
前記光触媒が酸化チタンであることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の液体処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体の浄化や化学合成を促進する方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体に超音波を照射したり、また、液体中で物体を高速度で運動させることに伴い気泡が生じ、それが収縮することは知られている。そして、その気泡収縮に伴い、光が発生することも知られている。
また、超音波を共鳴させることにより液体中で気泡収縮が起こり、発光する現象も、ソノルミネッセンスとして知られている。
上記のいずれの光のスペクトルとも、紫外域から可視域までのブロードのスペクトルである。
これらの気泡収縮に伴い、気泡中では高温・高圧場が生じ、燃焼反応の形で、化学反応が進行することが報告されている。例えば、液体中に有機化合物が存在する場合、この気泡収縮に伴い、この有機化合物は分解することが知られている。
一方、光触媒は、そのエネルギーバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を照射することに伴い、表面に強力な酸化作用を持つ活性種が生成されるといわれている。それにより、水の分解による水素・酸素の生成、有機物分解による浄化、殺菌、防汚などの特性を持つことが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の液体中の気泡収縮に伴う化学反応にあっては、完全分解に近い形で、反応が進行するが、反応場は気泡中であり、従って揮発性の高い物質が効率的に分解されるものの、揮発性の低いもの、あるいは水中であれば、親水性の強いものは反応しなかったり、反応速度が遅いことが問題であった。即ち、液体中に留まる物質の処理には不向きであるという問題点があった。
一方、光触媒は強い酸化作用を発生し、液体中に置けば、活性種を表面に発生させ、光触媒近傍に拡散してきた物質を酸化分解する。すなわち、液体中の難分解性物質も分解する。ただし、光照射が必要であり、表面反応であるため光触媒を大面積、あるいは液との触媒面積を増やすために複雑な形状にした場合、効果的な光照射が不可能となるか、あるいは多大なエネルギーを必要とした。また、粉末状の光触媒を用い、液体中に分散させても、有色液など光が透過しにくい液体の処理の場合には、効果的な処理が不可能となるという問題点があった。
さらに、光触媒反応に伴い、有害物質であるホルムアルデヒドを副生するという問題点があった。
【０００４】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、気泡収縮作用と光触媒の酸化作用を組合わせて、液体中の揮発性の低い成分や親水性の強い成分も効率的に分解できる液体処理方法およびそのための装置を提供することを目的とする。また、結果として、光触媒作用により副生成する有害物質であるホルムアルデヒドの量を最小限に抑えることができる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、長年液体に対する超音波の分解効果について研究を続けてきた。また、超音波を液体に照射した際に液体中の気泡が発光するソノルミネッセンスについても鋭意研究を続けてきた。その結果、超音波を照射すると、液体中で気泡が生じ、その気泡は収縮し、ある半径に達すると光を放出する。この光は、紫外域から可視域までブロードのスペクトルであり、黒体放射に類似していると言われている。特に発光スペクトルは紫外域に行くほど強くなることを知見した。そして、この局部的に発する紫外光を利用し、光触媒の分解作用を生成することによって、液体中にある蒸気圧の低いもの、また水中であれば、親水性の強いものも分解することができることを見出した。
また、光触媒だけでは完全酸化分解が難しく、有害な副生物を生じる物質も、気泡収縮で分解可能となることも知見した。
本発明者は、上記の複数の知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明は、次の構成からなるものである。
１．  液体に化学反応を引き起こす方法において、光触媒の存在下に液体に超音波を照射することによって気泡収縮を起こさせ、前記気泡収縮による発光のみを利用することを特徴とする液体処理方法。
２．  液体に超音波を照射する手段として、液体を収容した反応容器及び／又は前記反応容器内部に設置した反応器に固有の共鳴周波数の超音波を照射することを特徴とする前記１記載の液体処理方法。
３．  液体中にガスを供給することを特徴とする前記１又は２記載の液体処理方法。
４．  前記光触媒が酸化チタンであることを特徴とする前記１〜３のいずれか１項記載の液体処理方法。
５．  液体に化学反応を引き起こす装置において、液体を収容し光触媒が存在する反応容器と、該反応容器内にガスをバブリングするバブリング装置と、前記反応容器に発光を伴う気泡収縮を起こさせるための超音波発生装置を具備している、前記気泡収縮による発光のみを利用することを特徴とする液体処理装置。
６．  前記超音波発生装置は、圧電素子及びそれを駆動させるための電源とを具備していることを特徴とする前記５記載の液体処理装置。
７．  前記超音波発生装置は、前記反応容器及び／又は前記反応容器内部に設置した反応器に固有の共鳴周波数の超音波を発生させるものであることを特徴とする前記５又は６に記載の液体処理装置。
８．  前記光触媒は、前記反応容器内に設けた反応器にコーティングして担持されたものであることを特徴とする前記５〜７のいずれか１項に記載の液体処理装置。
９．  前記光触媒が酸化チタンであることを特徴とする前記５〜８のいずれか１項に記載の液体処理装置。
【０００７】
【作用】
上記したように、現状で光触媒の応用展開が進まない理由の一つは、反応対象への接触面積を拡大することと、効率的な表面へ光照射することが両立しない点にある。しかし、気泡収縮に伴う放射光を利用することにより、この問題が解決する。反応対象液体内部において、すなわち、反応場近傍で、発光があり、その光で光触媒反応が進めば、外部からの光の供給が必要無いことと、光触媒の酸化分解反応で生じた揮発性の高い副生物が気泡中に移動し、効果的に完全分解が進むことで、理想的な有害物質の処理反応となる。例えば、水の分解に伴う水素・酸素の生成や、処理の難しい有害物質であるダイオキシン類、ＰＣＢ類などにおいても、効果的に反応・分解が進行する。
【０００８】
微小気泡の生成、収縮、爆発による気泡崩壊を起こす方法として、超音波照射、液体中での物体の高速運動、オリフィスからの高速通過流などがある。
なお、本発明において、「気泡崩壊」とは、気泡が生成し、収縮し、爆発することをさすが、気泡が収縮し、発光すれば、爆発する必要はない。
超音波照射の場合、処理容器に固有の周波数を照射することで、超音波を共鳴させることができ、さらに効果的に反応が進む。また、バブリングを併用させても効果的に反応が進む。バブリングするガスとして水素、酸素、オゾンなどもあるが、キセノン、アルゴンなどの希ガスやヘリウムなどのガスにするとより効果的である。
光触媒体としては、光触媒粒子、光触媒を表面へコーティングした中空体、平面板、細管、ハニカムなどを液体中に置き利用する。また、本発明は、このような固定床式の触媒保持方式の他、光触媒体を流動床として反応槽内に配置してもよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態（第１〜第５の実施の形態）について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の方法を実施するための反応装置の一実施の形態（第１の実施形態）を説明する概略説明図である。
図１の装置は、光触媒微粒子を液体中に分散させ、超音波発生装置を備えたものである。反応容器１２の側面二箇所に圧電素子１３を対向的に接着固定してある。その中に粉末状光触媒を分散した処理対象液１４を入れる。反応容器１２にはガス導入管１１が設置してあり、その先端には微小気泡発生部１５がある。ガス導入管１１から、気泡用ガスを供給しながら、圧電素子１３により超音波を発生させる。気泡は超音波により収縮し、光を放出する。
放出した光は液体中に分散した粉末状光触媒に到達し、光触媒は表面に活性部位を形成する。一方、収縮気泡は、内部に高温高圧の反応場を形成する。これら２つの反応場により、分解などの化学反応が進行する。
【００１０】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の方法を実施するための液体処理装置の一実施の形態（第２の実施形態）を説明する概略説明図である。
図２の装置は、光触媒をコーティングした板からなる反応器を設置した反応装置である。図１の反応装置と同様に、二つの圧電素子２２と、微小気泡の発生部２３があり、二つの圧電素子２２の間に多数枚の光触媒をコーティングした板からなる反応器２１がある。これらを、処理溶液の入った容器内に設置し、気泡発生とともに、超音波を発生させることで、分解などの化学反応が進行する。
【００１１】
（第３の実施形態）
図３は、本発明の方法を実施するための液体処理装置の一実施の形態（第３の実施形態）を説明する概略説明図である。
図３の装置は、上記の図１および図２に示す液体処理装置と違って、別途散気管などの微小気泡の発生部を必要としないものである。すなわち、図３に示す液体処理装置は、多数の光触媒をコーティングした管３１と超音波発生用の装置３２だけから構成される。これを処理溶液中に設置し、管内で超音波が共鳴する周波数の超音波を発生させる。
管内の多数の個所で、共鳴点が形成され、そこで微小気泡の発生、収縮が起こる。そのとき発生した、光が管内面の光触媒に到達する。これより、分解などの化学反応が進行する。
【００１２】
（第４の実施形態）
図４は、本発明の方法を実施するための液体処理装置の一実施の形態（第４の実施形態）を説明する概略説明図である。
図４の装置は、図３に示す液体処理装置と同様に別途散気管のような微小気泡の発生部を必要としないで、液体を高速度で運動させる手段によって微小気泡の発生、収縮を起こさせるものである。
すなわち、図４の装置は、光触媒微粒子を液体中に分散させ、攪拌機を備えた反応装置を示すものである。反応容器４２の中に、粉末状の光触媒を分散させた処理溶液４３を入れる。駆動部４１を持つ高速に回転するプロペラ４４を溶液内に入れ、回転させる。このとき微小気泡が発生、そして収縮し、前述と同様、分解などの化学反応が進行する。しかも、この反応装置は圧電素子のような高価な機器を必要としない利点も有する。
【００１３】
（第５の実施形態）
図５は、本発明の方法を実施するための液体処理装置の一実施の形態（第５の実施形態）を説明する概略説明図である。
図５の装置も、図４に示す液体処理装置と同様に散気管のような微小気泡の発生部も圧電素子も必要としないものである。
すなわち、図５の装置は、光触媒微粒子を液体中に分散させ、流路にオリフィスを設置した反応装置を示すものである。流路管５１内に、オリフィス５２を設置し、光触媒微粒子を分散させた処理溶液５３を高速、高圧で流す。オリフィス５２の下流側には気泡が発生、収縮し、前述と同様に分解などの化学反応が進行する。
【００１４】
【実施例】
以下に実施例において本発明を具体的に説明するが、本発明は、この実施例に限定されるものではない。
【００１５】
実施例１
反応容器として丸底フラスコを用いた。この側面二箇所に円形の圧電素子を対向的に二個接着固定した。そのフラスコの中に１００ミリリットルのフェノール水溶液（濃度１０ｍｇ／リットル）を入れた。容器にはバブリング用の管が設置してある。バブリングガスとして、アルゴンを毎分１リットルの割合で供給した。
光触媒は、ゾルゲル法で作製したアナターゼ型酸化チタン微粒子５０ｍｇを液中に分散させた。
４６．３ｋＨｚの超音波を照射するとともに水中のフェノールの濃度変化を測定した。
結果として、照射時間とともにフェノール濃度は減少し、６時間照射するとフェノール濃度は初期の３０％まで減少した。
また、同時にホルムアルデヒド生成量を測定した。ホルムアルデヒドの濃度は５０μｇ／リットル程度であり、時間によって変化はなかった。
【００１６】
比較例１
反応装置、反応条件は実施例１と同様にして実験を行った。
光触媒微粒子を添加せず、バブリングガスとして、アルゴンを毎分１リットルの割合で供給した。４６．３ｋＨｚの超音波を照射し、水中のフェノールの濃度変化を測定した。
結果として、６時間照射したところ、フェノール濃度は７０％程度までしか減少しなかった。
【００１７】
比較例２
反応装置として石英製丸底フラスコを用いた。その中に１００ミリリットルのフェノール水溶液（濃度１０ｍｇ／リットル）を入れた。容器にはバブリング用の管が設置してある。バブリングガスとして、アルゴンを毎分１リットルの割合で供給した。光触媒は、ゾルゲル法で作製したアナターゼ型酸化チタン微粒子５０ｍｇを液中に分散させた。
この容器に高圧水銀ランプからの光を照射し、照射時間とともに水中のフェノールの濃度変化を測定した。
結果として、照射時間とともにフェノール濃度は減少し、６時間照射するとフェノール濃度は初期の約５０％まで減少した。
また、同時にホルムアルデヒド生成量を測定したところ、ホルムアルデヒドの濃度は照射時間とともに増加し、６時間後には濃度２００μｇ／リットルにまで達した。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明によれば、気泡収縮作用に伴い、放出される紫外光と光触媒の酸化作用を組合せることによって、有害物質であるホルムアルデヒドの副生量を最小限に抑制しながら、液体中の揮発性の低い成分や親水性の強い成分も効率良く分解できる液体処理方法および処理装置を提供することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波発生装置を具備した反応容器内の液体中に光触媒微粒子を分散させた液体処理装置の一実施例の概略説明図である。
【図２】本発明に係る光触媒をコーティングした板を配設した液体の反応処理装置の概略説明図である。
【図３】本発明に係る光触媒をコーティングした管を配設した液体処理装置の概略説明図である。
【図４】本発明の攪拌機を具備した反応容器内の液体中に光触媒微粒子を分散させた液体の反応処理装置の概略説明図である。
【図５】本発明に係る光触媒微粒子を液体中に分散させ、流路にオリフィスを設置した液体の反応処理装置の概略説明図である。
【符号の説明】
１１  ガス導入管
１２  反応容器
１３  圧電素子
１４  処理対象液
１５  微小気泡発生部
２１  光触媒をコーティングした板からなる反応器
２２  圧電素子
２３  微小気泡発生部
３１  光触媒をコーティングした管
３２  超音波発生用装置
４１  駆動部
４２  反応容器
４３  処理溶液
４４  プロペラ
５１  流路管
５２  オリフィス
５３  処理溶液
【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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