(57)【要約】【課題】フィルタなどで流路を狭めることなく、水や石油などの流体と触媒を効率よく接触させて処理を行うことが可能な流体処理装置を提供する。【解決手段】表面に酸化チタンを担持させたブラックライトを円筒形の処理容器の中心に載置し、処理容器の壁面内側とブラックライトとの間に、処理の対象となる流体が流れる流路を形成する。また、処理容器の下方に、流体が流れ込む流入口を形成すると共に、処理容器の上方に、流体が流れ出す流出口を形成し、流入口から流体を一定の流速以上で流れ込ますことにより、ブラックライトの表面に渦を形成して流体の処理を行わせる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に触媒を備えた流路形成体と、
前記流路形成体を内部に載置した処理容器と、
前記処理容器の壁面内側と前記流路形成体との間に形成された流路と、
前記処理容器の外部から前記流路に流体を流入させる流入口と、
前記流路から前記処理容器の外部に流体を流出させる流出路と
を具備し、
前記流出口は、前記流入口の上方に設けられ、
前記流入口から流入した流体は、前記流路形成体の周囲を螺旋状に流れて前記流出口から流出する
ことを特徴とする流体処理装置。
【請求項２】
壁面内側に触媒を担持した処理容器と、
前記処理容器の内部に載置された流路形成体と、
前記処理容器の壁面内側と前記流路形成体との間に形成された流路と、
前記処理容器の外部から前記流路に流体を流入させる流入口と、
前記流路から前記処理容器の外部に流体を流出させる流出路と
を具備し、
前記流出口は、前記流入口の上方に設けられ、
前記流入口から流入した流体は、前記流路形成体の周囲を螺旋状に流れて前記流出口から流出する
ことを特徴とする流体処理装置。
【請求項３】
前記流路形成体は、柱状であり、
前記処理容器は、円筒形であり、
前記流路形成体と前記処理容器は、同心円上に配置されている
ことを特徴とする請求項１又は２記載の流体処理装置。
【請求項４】
前記触媒の触媒活性を高める補助装置が前記流路形成体の内側に設けられていることを特徴とする請求項３記載の流体処理装置。
【請求項５】
前記触媒の触媒活性を高める補助装置が前記処理容器の壁面外側に設けられていることを特徴とする請求項３記載の流体処理装置。
【請求項６】
前記触媒は、光触媒であり、
前記補助装置は、前記光触媒に光触媒活性を発揮させることが可能な波長の光を備えた光源である
ことを特徴とする請求項４又は５記載の流体処理装置。
【請求項７】
前記光触媒は、酸化チタンであり、
前記光源は、ブラックライトである
ことを特徴とする請求項６記載の流体処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体処理装置に関し、特に、水などの流体を触媒を用いて効率よく処理することが可能な流体処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水中に含まれる汚染物質の分解・除去や温泉の殺菌など、水を処理する方法の一つとして、光触媒を用いた方法が広く知られており、例えば、酸化チタンなどの光触媒に紫外線ランプやブラックライトなどの光源から光を照射して、光触媒としての触媒活性を利用した水処理装置などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、水中での光触媒の反応効率は低いとする研究もある。これは、光触媒反応は表面反応であり、水に溶け込んだ物質の拡散係数は１０-5cm2/s程度と低いことなどに起因するものと考えられ、例えば、粒状の酸化チタン（光触媒）を水処理が施される水（被処理水）の流路に充填する方法（例えば、特許文献２参照）や、表面に光触媒を担持したフィルタを流路に設置する方法など、処理の対象となる目標物質（被処理水中の汚染物質など）と光触媒とが接する面積を増加させ、接触効率を向上させることにより、効率的に水処理を行う方法が提案されている。
【特許文献１】特開2004-113932号公報
【特許文献２】特開2004-154742号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、粒状や繊維状など、任意の形状の光触媒を被処理水の流路に充填する方法や、光触媒を担持したフィルタを流路に設置する方法では、流路が狭められるため、被処理水の流速を上げることが困難である。このため、さらに水処理の効率を上げるためには、流路の口径を拡大するなど、光触媒を用いて水処理を行う光触媒モジュールを大型化しなければならず、小型の水処理装置に適用することは困難であった。
【０００５】
また、触媒を用いた処理は、水処理に限られるものではなく、例えば、石油の精製や改質など、石油化学などの分野においても利用されている。そして、石油など、処理を施す流体と触媒との接触効率の向上が水処理と同様に求められるが、石油の粘性は水よりも高く、流路が狭められた場合、石油の流速を上げることは、水以上に困難であった。
【０００６】
そこで本発明では、フィルタなどで流路を狭めることなく、水や石油などの流体と触媒を効率よく接触させて処理を行うことが可能な流体処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明における流体処理装置は、表面に触媒を備えた流路形成体と、前記流路形成体を内部に載置した処理容器と、前記処理容器の壁面内側と前記流路形成体との間に形成された流路と、前記処理容器の外部から前記流路に流体を流入させる流入口と、前記流路から前記処理容器の外部に流体を流出させる流出路とを具備し、前記流出口は、前記流入口の上方に設けられ、前記流入口から流入した流体は、前記流路形成体の周囲を螺旋状に流れて前記流出口から流出することを特徴とする。
【０００８】
また、壁面内側に触媒を担持した処理容器と、前記処理容器の内部に載置された流路形成体と、前記処理容器の壁面内側と前記流路形成体との間に形成された流路と、前記処理容器の外部から前記流路に流体を流入させる流入口と、前記流路から前記処理容器の外部に流体を流出させる流出路とを具備し、前記流出口は、前記流入口の上方に設けられ、前記流入口から流入した流体は、前記流路形成体の周囲を螺旋状に流れて前記流出口から流出することを特徴とする。
【０００９】
また、前記流路形成体は、柱状であり、前記処理容器は、円筒形であり、前記流路形成体と前記処理容器は、同心円上に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
また、前記触媒の触媒活性を高める補助装置が前記流路形成体の内側に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記触媒の触媒活性を高める補助装置が前記処理容器の壁面外側に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また、前記触媒は、光触媒であり、前記補助装置は、前記光触媒に光触媒活性を発揮させることが可能な波長の光を備えた光源であることを特徴とする。
【００１３】
また、前記光触媒は、酸化チタンであり、前記光源は、ブラックライトであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、触媒を用いた流体の処理を効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す本発明を実施するための形態は、本発明の具体的態様の一例であり、当該形態に限定されるものではない。
【００１６】
図１は、本発明に係る流体処理装置の一例を示す概略構成図である。同図に示すように、本発明に係る流体処理装置は、表面に酸化チタン１１を担持させたブラックライト１０と、耐熱ガラスからなる円筒形の処理容器（内径４２mm、外径４８mm、長さ４６０mm）２０を備え、ブラックライト１０を処理容器２０と同心円を成すように当該処理容器２０の内側に配置することによって、ブラックライト１０と処理容器２０との間に、幅約５mmの流路３０を形成している。
【００１７】
また、処理容器２０の下方には、流体が流路３０に流入する流入口２１が設けられ、処理容器２０の上方には、流体が流路３０から流出する流出口２２が設けられている。ここで、流入口２１は、流路３０に流入した流体がブラックライト１０表面の曲面に沿うように接線的に設置されており、流入口２１に流入させる流体の速度を制御するポンプなどの流速制御装置（図示しない）が設けられている。
【００１８】
なお、流速制御装置としては、流入口から流入する流体の速度を所望の速度に加速することが可能であれば、例えば、ポンプなどの任意の装置を利用することが可能であり、流入口２１から流入する流体の速度が既に所望の速度を有する場合は、流速制御装置を用いることなく、流体を流入口２１から流入させてもよい。
【００１９】
ここで、ブラックライト１０表面に酸化チタンを固定する方法の一例について説明する。
【００２０】
まず、Ｈ2Ｏ2（３３vol％）５mL、水８mL、ＮＨ3ＯＨ溶液（２８vol％）３.５mLと、酸化チタン（P-25、degssa製)２gを混合して、スラリーを調製し、ブラックライト蛍光灯（FL20-BLB、外径32mm、長さ580mm、東芝製）の表面にスプレーして均一に塗布した後、４０℃で２時間、乾燥機中で乾燥させることによって十分に固着化させた。
【００２１】
この方法では、Ｈ2Ｏ2を含むＮＨ3ＯＨ溶液に酸化チタン（P-25）を添加してスラリーを調整するため、P-25の一部が溶解し、スラリーが完全に乾いた際に、溶解させた部分がブラックライト表面およびP-25粒子とのバインダーとしての効果を発現させるため、過度の接着剤を使用することなく、ブラックライトに光触媒を固着化させることが可能であり、光エネルギーを最大効率で利用することができる。
【００２２】
光触媒を塗布した部分の有効長は、４００mm、総面積は、３２１.５cm2であり、ブラックライト表面に塗布された光触媒重量は約１００mgであった。
【００２３】
上記構成を用いて、本発明にかかる流体処理装置は、まず、ブラックライト１０を点灯させ、流速制御装置で流速を制御しながら、流入口２１から流体を流入させる。そして、流体の液面が流出口２２に達した流体が当該流出口２２から流出する。
【００２４】
ここで、流路３０における流体の流れについて説明する。まず、流入口２１から流入した流体は、流路に流れ込んだ流体の量に応じて徐々に液面を押し上げる流れを形成する。そして、流入口２１から流入する流体の速度が上昇するにつれて、液面が単に上昇する流れから、ブラックライトを中心とした螺旋状の流れに変化する。
【００２５】
なお、流速制御装置としては、例えば、ポンプなど、流体の速度をDean渦が形成される速度に加速することが可能な任意の装置を利用することが可能であり、流入口２１から流入する流体の速度が既にDean渦を形成するに十分な速度を有する場合は、流速制御装置を用いることなく、流体を流入口２１から流入させてもよい。
【００２６】
このように本発明に係る流体処理装置では、ブラックライトを中心とした螺旋状の水流を形成することにより、流体の処理を効率よく行う。これは、ブラックライトを中心とした螺旋状の水流を形成することにより、ブラックライトの表面において、螺旋状の水流（Dean渦）が形成され、流体に含まれる分解対象物質などと触媒との接触の可能性が増加するためであると思慮され、流路を狭めたりすること無く、流体の処理を効率よく行うことができる。
【００２７】
なお、本実施例では、光触媒である酸化チタンを触媒として用いているが、触媒は、光触媒や酸化チタンに限られるものではなく、流体の処理に適した任意の触媒を用いることができる。
【００２８】
また、酸化チタンの光触媒活性を効率良く発現させるため、ブラックライトを光源として設けているが、光源は、光触媒の光触媒活性を発現させるために適した波長の光を発生させる任意の光源を用いることが可能であり、特に光源を設置することなく、自然光を光源として利用してもよい。
【００２９】
さらに、触媒が熱触媒である場合は、光源に代えて電熱線などの熱源を設けるなど、触媒に応じて、当該触媒の触媒活性を高めることが可能な任意の補助装置を光源に代えて設けてもよい。
【００３０】
加えて、処理容器は、ガラスに限られるものではなく、金属やセラミックなど、任意の材料を用いることが可能であるが、触媒活性の発現に適した波長の光を透過させることが可能な場合は、実施例２における処理装置のように、処理容器の外側に光源を設置することも可能である。
【００３１】
また、本実施例では、処理容器内に設置したブラックライトの表面に酸化チタンを固定しているが、例えば、処理容器の内側など、流路内で流体と接する位置であれば、任意の箇所に触媒を設置することが可能である。なお、光触媒は、光源との距離が近いほど高い触媒活性を示すことから、ブラックライト表面に固定することが望ましい。
【００３２】
さらに、本実施例では、ブラックライトと処理容器との間に流路を形成しているが、例えば、円筒形の二つの管を同心円上に載置し、内側の管と外側の管との間に流路を形成するなど、任意の方法で流路を形成することが可能である。
【実施例１】
【００３３】
本実施例では、高濃度の擬似汚染水である３ppmのメチレンブルー（関東化学製）水溶液１Lを、図１を用いて説明した流体処理装置で処理し、ＵＶ−Ｖｉｓ分光光度計（Uvmini-1240、島津製）を用いて脱色効果を検討した。分解実験時の流速と分解速度定数との関係、及び任意の流量における水流の様子を図３に示す。
【００３４】
ここで、点(ａ)乃至(ｅ)の各地点の写真（画像）は、オレンジ色の蛍光剤で着色して細かく裁断した紙製のウエス（指標）を流路に設置し、各点の流速で水（流体）を流し込むことによって流体の流れを可視化し、一定時間シャッターを開放して写真撮影した画像をモノクロに変換したものである。
【００３５】
図３に示すように、本実施例では、流速が増大するにつれて反応速度定数が増加し、２.０L/min（点(ｂ)）を超えると反応速度定数が急激に増加することが確認された。
【００３６】
点(ａ)における写真に示すように、流速０.１L/minでは、流入口近辺でブラックライトを周回する水流を形成するものの、流体処理装置の上方に行くにつれて指標の動きが小さくなっている。これは、流入時の流速が遅すぎるため、水（流体）の抵抗によって、流体処理装置上方まで螺旋状の流れを維持することができずに失速し、層流を形成するためであると考えられる。
【００３７】
一方、流速が２L/min（点(ｂ)）を超えると、点(ｂ)乃至(ｅ)における各写真に示すように、ブラックライトの円周に沿った螺旋状の流れが流体処理装置の上方にまで形成されており、反応速度定数の急激な変化は、このような流体の流れの変化によるものであると考察される。すなわち、螺旋状の流れを形成するまで水流の流速を上げることで、より効果的な分解速度定数が得られることを見いだした。
【００３８】
ここで、流速が２L/minの時のレイノルズ数（Ｒｅ）を次式に基づいて算出すると、平均流速（Ｕ）が０.０５７[m/sec]、特性長さ（Ｌ）が０.４６[m]、動粘性係数（ｖ）が１.００３８×１０-6[m2/ssec]（流体が２０℃の純水の場合）であることから、２.６×１０4となる。
【００３９】
【数１】
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【００４０】
従って、流れのパターンは、流速が低速から２L/minにまで上昇するにつれて、層流からＲｅ=２.６×１０4の螺旋状の流れに変化していることがわかる。
【００４１】
螺旋状の流れでは、流速の上昇に伴って、流路曲面で遠心力が増加することから流速が上がるにつれて、ディーン（Dean）渦が形成されとなり、溶存中のＭＲ分子と光触媒の間との接触の確率が高くなるといった、螺旋状の水流の効果が発現しているものと思慮される。
【００４２】
すなわち、流速が２.０L/minを超えた時、３ppmのメチレンブルー水溶液の分解速度定数が劇的な増加を示したのは、螺旋状の水流の遠心力によってディーン渦が形成され、ＭＲ分子と光触媒との間に高い接触の可能性がもたらされたからであると考察される。
【００４３】
なお、図３において、流速が６L/minを超えた最後の２点（点(ｄ)、(ｅ)）は、傾斜が徐々に緩やかになっているが、これは分解に必要な接触時間の減少によるものと考察される。
【実施例２】
【００４４】
本実施例では、高濃度の擬似汚染水である３ppmのメチレンブルー（関東化学製）水溶液を、実施例１で用いた流体処理装置で処理し、ＵＶ−Ｖｉｓ分光光度計（Uvmini-1240、島津製）を用いて脱色効果を検討した。流速２.２ L/min又は６.１ L/minで１.０Lのメチレンブルー水溶液を循環させ、処理総量が２００Lになった時の分解率を図４に示す。なお、流速がどちらの場合も、ブラックライト表面に螺旋状の流れが形成されていた。
【００４５】
図４に示すように、流速が２.２L/minの時の分解率が６４.８％であり、流速が６.１L/minの時の分解率が７８.０％の分解率であり、螺旋状の流れが形成される状態であっても、流速が上昇すると、分解対象物質と光触媒との接触の可能性が増加することが示唆された。これは、流速が増加するにつれて、螺旋状の水流の間隔が狭まることによる効果と考えられる。
【実施例３】
【００４６】
流体、特に水処理では、汚染物質の濃度が減少するにつれて、分解の対象となる汚染物質と触媒とが接する可能性が減少することから、水処理が困難となる。
【００４７】
そこで本実施例では、５０ppbの4,4'-(1-メチルエチリデン)-ビスフェノール（関東化学製）水溶液（ＢＰＡ）を低濃度の擬似汚染水として用い、実施例１で用いた本発明に係る流体処理装置と、光触媒フィルタを用いた従来型の流体処理装置でそれぞれ処理を行った。
【００４８】
ここで、本実施例で用いた光触媒フィルタを備えた流体処理装置の構成を図２を用いて説明する。
【００４９】
図２は、触媒をフィルタに固定した従来型の流体処理装置の一例を示す概略構成図である。同図に示すように流体処理装置は、処理容器１０１と、光触媒フィルタ１０２と、光源１０３とを備えて構成されている。
【００５０】
処理容器１０１は、流体が流入する流入口１０４と、流体が流出する流出口１０５を備えたガラス製の容器であり、流入口１０４側の面が耐熱製のガラス板（パイレックスTM）１０６（３mm厚）で覆われている。なお、処理容器は、ガラス製に限られるものではなく、鉄やアルミニウム、ステンレスなどの金属や、プラスチックなど、任意の素材からなる容器を用いること可能であり、この際、流体の処理を阻害するイオン等が溶出しない素材を用いることが好ましい。
【００５１】
光触媒フィルタ１０２は、市販の３次元光触媒フィルタ（Solaclea、５０mm×４００mm×１３mm、ノリタケカンパニーリミテド製）であり、処理容器１０１の流入口１０４と流出口１０５の間の流路１０７内に、面積が最も広い面（表面）をガラス板１０６側に向けて固定されている。ガラス板１０６及び処理容器１０２の底面１０８との５mmの隙間を設定した。
【００５２】
ブラックライト１０３は、ガラス板１０６の外側、光触媒フィルタ１０１表面からの距離が２０mmの位置に設置されている。
【００５３】
そして、本実施例における流体処理装置では、まず、ブラックライト１０３を点灯させると、当該ブラックライト１０３から照射された光がガラス板１０３を通過して光触媒フィルタ１０２に照射される。次に、流入口１０４から流体を流入させると、流体は、光触媒フィルタ１０２を通過し、流出口１０５から流出する。
【００５４】
なお、実施例１で用いた本発明における流体処理装置は、流体の流れに乱れが生じた螺旋状の流れを用いて、目標となる物質と触媒との接触効率を上げることを目指しているのに対して、触媒フィルタを用いた従来型の流体処理装置は、３次元的に構造化した触媒フィルタを用いて、接触効率を上げることを目指すものである。
【００５５】
各流体処理装置で処理されたＢＰＡ水溶液を、抽出ディスク（Empore SDB-XD、３Ｍ製）を備えた抽出方法及びガスクロマトグラフ質量分析(GC-MS)（QP-5050、島津製作所製）を用いて分析し、濃度変化を測定することで分解の効果を検討した。５.０LのＢＰＡ水溶液を流速８.０L/minで２時間循環させて処理を行い、経過時間と濃度の関係から算出した分解速度定数を図５に示す。
【００５６】
５０ppb以下という濃度の水処理においても、本発明に係る流体処理装置を用いて効果的に処理を行うことができることが確認された。
【００５７】
また、螺旋状の水流を用いながらＵＶ光を効果的に利用することが可能であり、コンパクトな本発明における流体処理装置が、３次元光触媒フィルタを利用した従来型の流体処理装置とほぼ同等の性能を有することが確認された。
【実施例４】
【００５８】
本実施例では、微生物を用いてし尿を処理する循環型トイレから採取した再生水（ＲＷ）１Lを６.１L/minの流速で実施例１で用いた流体処理装置内を循環させて処理を行い、処理前の再生水が琥珀色であることから、ＵＶ−Ｖｉｓ分光光度計（Uvmini-1240、島津製）を用いて脱色効果を検討した。測定結果を図６に示す。
【００５９】
図６に示すように、再生水の吸収は、短波長側に強く現れ、処理時間が進むにつれて吸収が弱くなった。また、目視においても、実験当初、琥珀色であったが、２時間処理した後には、透明になった。
【００６０】
このことから本発明における流体処理装置は、微生物によってし尿が処理された再生水の処理においても有用であることが確認された。
【００６１】
また、本発明における流体処理装置を用いて再生水の処理を行うことにより、化学薬品を使用せずに再生水を浄化することが可能であることから、ユーザにも有益で環境にもやさしく、水源を確保できない場所や使用後の水を放流できない場所で多く利用される循環型トイレなどで特に有効に活用することができると思慮される。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本実施例に係る流体処理装置の構成の一例を示す概略構成図である。
【図２】光触媒フィルタを用いた従来型の流体処理装置の一例を示す図である。
【図３】分解実験時の流速と分解速度定数との関係を示す図である。
【図４】流速と分解率の関係を示す図である。
【図５】図１と図２を用いて説明した各流体処理装置における分解速度定数を示す図である。
【図６】処理時間ごとの各波長の吸光度を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０…ブラックライト
１１…酸化チタン
２０…処理容器
２１…流入口
２２…流出口
３０…流路
１０１…処理容器
１０２…光触媒フィルタ
１０３…光源
１０４…流入口
１０５…流出口
１０６…ガラス板
１０７…流路
１０８…底面
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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