(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒を担持した複数枚の平板光触媒体または一部に突起を有する複数枚の平板光触媒体を隙間をもって積層してなり、前記隙間に対して光が照射され前記隙間に供給される流体に含まれる有害成分を分解する光触媒ユニットにおいて、
前記平板光触媒体または一部に突起を有する平板光触媒体は、その表面及び裏面にそれぞれ、光触媒を担持した光触媒領域と金属面でなる光反射領域とを分散して有することを特徴とする光触媒ユニット。
【請求項２】
前記光触媒領域及び前記光反射領域はそれぞれ帯状に交互に形成されたことを特徴とする請求項１記載の光触媒ユニット。
【請求項３】
前記光触媒領域及び前記光反射領域は、格子の桝目を交互に占めるように形成されたことを特徴とする請求項１記載の光触媒ユニット。
【請求項４】
前記光触媒領域は前記光反射領域中に分布して点在することを特徴とする請求項１記載の光触媒ユニット。
【請求項５】
請求項１記載の光触媒ユニット用部品として、板の表面及び裏面にそれぞれ、光触媒を担持した光触媒領域と金属面でなる光反射領域とを分散して有する光触媒体。
【請求項６】
被処理流体の流路を内部に形成する容器と、前記流路内に設置された請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光触媒ユニットと、該光触媒ユニットの近傍から前記光触媒体間の隙間に光を照射する光源とからなり、前記被処理流体を前記隙間に沿う方向に流すことを特徴とする光触媒装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排ガスもしくは廃液の処理装置に用いる板状光触媒体を積層した光触媒ユニット及びそれを用いる装置に係り、特に少ないエネルギーで効率よく排ガス、廃液中の有害物を分解、除去するのに好適な光触媒ユニット及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸化チタン(ＴｉＯ2)に波長の小さい光が照射されると強い酸化能を示すことは古くから知られている(触媒学会編、元素別触媒便覧p256(1977)など)。酸化チタンの光触媒機能を利用して、近年、廃水や排ガス中の各種有機物(ＮＯｘ)除去へ利用する試みが種々の分野で盛んに行われ、トンネル内の排ガス浄化や、ダイオキシンを含む廃水の浄化などへ適用する発明が多数なされている。特に、光触媒を用いると光を照射するだけで各種有害有機物や窒素酸化物が容易に分解して除去できるため、揮発性有機物（ＶＯＣ）の除去やシックハウスの原因物質（新建材から生じる有害成分）の除去などへの応用が精力的に進められている。
それらに用いられる酸化チタン触媒の形状は、微粉状(特開平6-12689号など)、ガラスや金属にコーティングされた形状(特開平7-10378号等)の他、ガラス繊維織布にコーティングしたフェルト状(特開平7-96202号)など種々のものが知られている。
また、触媒の充填方法に関しても数多くの方式が検討されている。中でも平板光触媒を多数積層して用いる方法(特開平10-286436号)では、その装置は、平板光触媒の積層体の横に積層方向に延びる管状光源を配置し、隣り合う平板光触媒と平板光触媒間の隙間に光を照射し、また隣り合う平板光触媒同士間のスペーサを実質的に無くして陰の発生を抑制するように構成して、光を有効に利用する。この装置では処理する排ガスを隣り合う平板光触媒間を通じて流すので、該ガス流の圧損が小さく排ガス浄化能にも優れている。
【０００３】
一方、発明者らは、上記特開平10-286436号と同様に光を有効に利用するという観点から、スペーサ形状及び光源との配置関係から陰の発生を最小限に抑えた平板状触媒を用いた触媒装置を開発した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の中、図7に示すように平板または平板光触媒体を隙間をあけて積層したユニットは、ガス流の圧力損失が少なく、光源と光触媒との配置の工夫から光エネルギーの利用効率が従来に比べれば高いものの、積層した光触媒の全面を有効に利用するという観点からは十分とは言えなかった。
【０００５】
即ち、本発明者らが検討した結果によれば、管状光源を、積層ユニットの横の方に平板光触媒体の面に直交する方向、言い換えれば積層方向に配置した場合、平板光触媒体間の隙間の入口近傍にしか光が十分に照射されない。例えば、積層した平板光触媒体のピッチ（ないし隙間）５mmの時には、隙間入口から約１cmまでは光照射強度が高いが、それ以降の強度は相当小さくなる。その結果、隙間入口から離れて光量の少ない所に位置する光触媒は、必ずしも有効に利用されていなかった。
【０００６】
本発明の目的は、平板光触媒体間の隙間の入口近傍しか光が照射されないという問題を解決して、光触媒全体を有効に利用できる高性能な光触媒ユニット及びそれを用いた光触媒装置を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、光触媒を担持した複数枚の平板光触媒体または一部に突起を有する複数枚の平板光触媒体を隙間をもって積層してなり、前記隙間に対して光が照射され前記隙間に供給される流体に含まれる有害成分を分解する光触媒ユニットにおいて、前記平板光触媒体または一部に突起を有する平板光触媒体は、その表面及び裏面にそれぞれ、光触媒を担持した光触媒領域と金属面でなる光反射領域とを分散して有する第１の光触媒ユニットを提案する。第１の光触媒ユニットにおいては、光触媒領域及び光反射領域はそれぞれ帯状に交互に形成されているか、あるいは格子の桝目を交互に占めるように形成されているか、あるいは光触媒領域が光反射領域中に分布して点在するように形成されていることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の第２の光触媒ユニットは、第１の光触媒ユニットにおける光触媒体、すなわち表裏両面にそれぞれ光触媒領域及び光反射領域を有する光触媒体の代わりに、一方の面に光触媒を担持した光触媒領域を、他方の面に金属面でなる光反射領域を有する光触媒体を、光触媒領域と光反射領域が対向するように積層したものである。
【０００９】
また、本発明の第３の光触媒ユニットは、第１の光触媒ユニットにおける光触媒体、すなわち表裏両面にそれぞれ光触媒領域及び光反射領域を有する光触媒体の代わりに、板の両面に光触媒を担持してなる板状光触媒体と、板の両面が金属面で形成された光反射体と、を交互に積層したものである。
【００１０】
さらに、本発明の目的を達成するために、本発明の光触媒装置は、被処理流体の流路を内部に形成する容器と、流路内に設置された上記第１〜第３の何れかに光触媒ユニットと、この光触媒ユニットの近傍から光触媒体間の隙間に光を照射する光源とを備え、被処理流体を隙間に沿う方向に流すようにしたものである。
【００１１】
上記第1の光触媒ユニットにおける光の伝播及び光触媒の作用について図４を用いて説明する。一般に、金属は光触媒の励起に必要な近紫外以下の波長の光の反射率が高いため、金属面でなる光反射領域は光をよく反射する。したがって、図４(Ａ)に示すように、照射された光線５の一部は光触媒領域２に衝突して光触媒の活性化に利用されるが、光反射領域１に照射された光線５は反射されて、積層された光触媒体間の隙間のより奥に向かって進行する。その過程で、光触媒領域２の光触媒成分と衝突した光から逐次利用されるので、光触媒体の広い範囲に均一に光が照射されるようになる。その結果、広い範囲で光により発生した活性種は、排ガスまたは廃水などの被分解物により速やかに消費されるようになり、光触媒体全体が活性化する。一方、図４(Ｂ)に示す従来の光触媒体の場合、光触媒体間の隙間に入射した光線５は、積層された他の光触媒体に遮られるために隙間の入口部分にしか到達できない。また、光触媒体表面は全面が光触媒成分で覆われており、通常、光触媒成分は紫外域や近紫外域の光の吸収率が高いため、照射された光線５の大半は隙間の入口近傍で吸収されるので反射は殆ど起こらない。その結果、光により励起され有害物などの分解に必要な活性種は、触媒層隙間の入口部分に集中することになる。また、光触媒の活性種には寿命があり、速やかに有害物との反応に利用されなければ熱エネルギーなどに変化して消滅する性質がある。これらが原因して、隙間の入口近傍に大量の活性種が局在するため、反応物の拡散による物質移動速度が活性種の発生速度に追いつかず、活性種が有効に利用されず消滅する頻度が大きい。このことが、光触媒の活性化を阻害している。
【００１２】
ここで、本発明にかかる光触媒体を構成する部材について説明しておきたい。光反射領域を構成する部材及び光触媒領域の光触媒を担持する担体として、一枚の金属基板を用いる。金属基板は、鉄、アルミニウム、各種ステンレス金属、ジュラルミンなど軽金属合金など、金属光沢有する態様のもので、使用環境下で腐食や錆を発生しないものが良い。それらの使用の形態は、板状のまま、もしくは板状のものに機械加工により表面に凹凸加工やメタルラス加工などが施された状態、あるいは、線状金属を織った網状など、種々の形態のものが用いられる。
光触媒としては、酸化チタンを主成分とするものを用い、硫酸法、ゾルゲル法、気相法などで調整されたアナターゼ型またはルチール型の酸化チタン単独、もしくはそれらにＰｔ、Ｐｄなどの貴金属、Ｖなどの遷移金属元素を添加したものなどが使用できる。それら各種光触媒成分は、そのまま、またはシリカゾル、過酸化チタンなどの無機結合剤、またはポリエチレン、ポリビニールアルコール、ポリエチレングリコール、テフロンなどの樹脂ディスパージョンなど有機結合剤とともに、ゾル状またはスラリ状にして、金属基板の表面にコーティングされ、必要に応じて焼成や水洗などが行われる。光触媒成分は、図１に例を示すように（1）光触媒成分コーティングされた部分と、金属面が露出する部分が帯状、千鳥状に配置された状態に、（2）金属基板の表面もしくは裏面の一方にのみコーティングされた状態に、また（3）図示しないが、複数枚積層された光触媒体のうち一部の光触媒体両面にされた状態に形成される。
触媒をコーティングする厚さは、大きくても構わないが、通常０.１mm〜数十μｍ程度にすることが好結果を与えやすい。あまり厚みが大きいと剥離し易くなり、薄すぎると触媒成分が不足して性能が低下する傾向がある。
光触媒体の積層方法については、触媒成分をコーティングした板状や網状の光触媒体を、図２に示すように、（Ａ）平板、（Ｂ）平板の一部に波上凹凸の線状突起を形成したもの、（Ｃ）平板一部に角状凹凸の線状突起を形成したもの、（Ｄ）平板の一部に山状凹凸の線状突起を形成したものなどに成形して用い、図３に示すように積層して、光触媒ユニットを構成する。なお、図２に示す成形は、触媒コーティング後でもよいし、コーティングに先立ち行われていもよい。また、必要なら、図１に示す光触媒体等を混用してユニットとしても差し支えない。
【００１３】
本発明の光触媒ユニットを実際の装置で使用するに当たっては、光源と光触媒体の配置が重要であり、管状光源を用いる場合には、光触媒ユニットの横側に、管状の長手方向と平板状触媒との面が直交するように配置するとよい。光触媒体はその線状突起が光の照射方向と平行になるように配置する。もちろん、光源の配置がこれ以外の場合であっても、本発明の効果は発現されるが、上記光源−触媒配置がより効果が大きい傾向にある。
【００１４】
更に、本発明にかかる光触媒体の基板構成が光触媒体の全体である必要はなく、例えば金属基板とセラミックス製光触媒体の組み合わせのように、全体の一部に用いられてもかまわない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、具体例を用いて本発明を詳細に説明する。
（実施の形態１）
厚さ０.２mmのステンレス鋼ＳＵＳ４３０の薄板をローラプレスを用いて図５に示す形状、寸法に成形し、２００mm幅×１００mm長に切断した成形基板を用意した。これとは別にＳＵＳ４３０の薄板を２００mm幅×１００mm長に切断した平板基板を用意した。加工時の油脂成分を取り除くため、アセトン中につけて脱脂し、大気中で乾燥した。
一方、重合度７００のポリビニールアルコール(クラレポバール１０７)１３ｇを水１００mlに溶かし、これに弱アルカリ性シリカゾル(日産化学製シリカゾル−Ｎ)６５０ｇに加えた。この溶液に微粒アナターゼ型酸化チタン(デグッサ製Ｐ-２５ 、表面積５０ｍ／ｇ)を２００ｇ添加し攪拌して、第１のスラリを得た。
上記２種類の金属基板に、第１のスラリを長手方向と平行に幅約５mm間隔で縞模様に（図１（Ａ）参照）に、薄く刷毛により塗布した後、１００℃で乾燥して固化させた。その後、余剰有機バインダを除去するため、流水に晒してバインダを溶解除去後、１００℃で乾燥して光触媒体を得た。得られた２種類の形状の光触媒体を幅２００mm、奥行き１００mm、高さ３００mmの金属枠に交互に積層し（図３（Ａ）参照）、光触媒ユニットを作製した。
実施の形態１の光触媒ユニットを一対用い、図６に示す試験装置でベンゼンの光分解反応性能を測定した。測定条件を表１に示す。試験装置は、一端にガス入口を、他端にガス出口を有し内部に流路を有する容器２０と、容器２０内の流路に順に配置された分散板８、光触媒ユニット６、管状光源７及びもう一つの光触媒ユニット６と、容器のガス入口に接続されベンゼン１０ppmを含む空気を模擬排ガスとして容器２０に供給するファン９とから構成されている。分散板８は排ガスを流路断面に分散して供給するものである。また、管状光源７（例えば蛍光灯）は、光触媒ユニット６の幅方向中心に、かつ光触媒ユニット６内の光触媒体の積層方向に延びて設置されている。また光触媒体はその線状突起の長手が光の照射方向と平行になるように配置されている。
【００１６】
【表１】
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実施の形態１の光触媒ユニットを用いた試験の結果は、後述の表２に示すように、ベンゼン分解率が６９％であった。
【００１７】
（実施の形態２）
重合度７００のポリビニールアルコール(クラレポバール１０７)１３ｇを水１００mlに溶かし、これに弱アルカリ性シリカゾル(日産化学製シリカゾル−Ｎ)６５０ｇに加えた。この溶液に微粒アナターゼ型酸化チタン(デグッサ製Ｐ-２５ 、表面積５０ｍ／ｇ)を１７０ｇ添加し攪拌して、第２のスラリを得た。
【００１８】
実施の形態１で用いた２種類の金属基板表面に、第２の上記スラリを塗装用霧吹き機を用いて噴霧し、基板全面に分布しかつ基板面積の約半分程度がスラリの微細な液滴で覆われる状態（図１(Ｃ)参照）にした。この光触媒体を、実施の形態１と同様の条件で、乾燥、水洗、乾燥、枠組みをして光触媒ユニットを得た。この実施の形態２の光触媒ユニットを一対用い、実施の形態１と同様にして、図６に示す試験装置でベンゼンの光分解反応性能を測定した。実施の形態２の光触媒ユニットを用いた試験の結果は、後述の表２に示すように、ベンゼン分解率が７２％であった。
【００１９】
（実施の形態３）
実施の形態１における金属基板の中、平板状金属基板の両面全面に触媒スラリを塗布した光触媒体を得た。一方、図５に示す形状に成形した金属基板には触媒を塗布せず全面金属面が露出している状態の金属基板を得た。これらの光触媒体及び金属基板を、実施の形態１と同様に、交互に積層して光触媒ユニットを作製した。
この実施の形態３の光触媒ユニットを一対用い、実施の形態１と同様にして、ベンゼンの光分解反応性能を測定した。実施の形態３の光触媒ユニットを用いた試験の結果は、後述の表２に示すように、ベンゼン分解率が６２％であった。
【００２０】
（実施の形態４）
実施の形態１で用いた２種類の金属基板の片面全体に触媒スラリを塗布し、他の面全体を金属面が露出した光触媒体を作製し（図１(Ｄ)参照）、光触媒面と金属面が対向するように積層し、他は同様にして光触媒ユニットを得た。
実施の形態４の光触媒ユニットを一対用い、実施の形態１と同様にして、ベンゼンの光分解反応性能を測定した。実施の形態４の光触媒ユニットを用いた試験の結果は、後述の表２に示すように、ベンゼン分解率が７４％であった。
【００２１】
（実施の形態５）
実施の形態１で用いた０.２mmＳＵＳ基板に代えて、これを幅約２mmの大きさのメタルラスを施した（薄板に細かい切れ目を交互に入れ引っ張って金網状に広げた）網状金属板（エキスパンドメタル）を用い、これに光触媒を縞模様に形成し、他は実施の形態１と同様にして光触媒ユニットを調製した。
実施の形態５の光触媒ユニットを一対用い、実施の形態１と同様にして、ベンゼンの光分解反応性能を測定した。実施の形態５の光触媒ユニットを用いた試験の結果は、後述の表２に示すように、ベンゼン分解率が６５％であった。
【００２２】
（実施の形態６）
重合度１７００のポリビニールアルコール(クラレポバール１１７)１３０ｇを水１０００mlに溶かし、これに弱アルカリ性シリカゾル(日産化学製シリカゾル−Ｎ)６５００ｇに加えた。この溶液に微粒アナターゼ型酸化チタン(デグッサ製Ｐ-２５ 、表面積５０ｍ／ｇ)を２５００ｇ添加して攪拌し、粘ちょうな第３のスラリを得た。このスラリを、繊維径６μｍのＥ-ガラス繊維２０００本を１インチ当たり８本で平織りした網状織布に含浸した後、加熱成形金型の間に挟んで乾燥し、図５の形状に成形した後、切断して２００mm幅×１００mm長の網状乾燥体を得た。一方、これとは別に、厚み０.３mmのアルミニウムの薄板を２００mm幅×１００mm長に切断した金属板を作製した。上記で調製した、触媒体及び金属板を実施の形態１と同様の方法で交互に積層し、光触媒ユニットを作製した。
【００２３】
実施の形態６の光触媒ユニットを一対用い、実施の形態１と同様にして、ベンゼンの光分解反応性能を測定した。実施の形態６の光触媒ユニットを用いた試験の結果は、後述の表２に示すように、ベンゼン分解率が５７％であった。
【００２４】
（比較例）
実施の形態１における触媒スラリの塗布方法を一部から全面に変え、基板全体が触媒で覆われた触媒体を調製し、他は同様にして触媒体ユニットを調製した。この比較例で得られた光触媒ユニットを各々一対用い、実施の形態１と同様にして、ベンゼンの光分解反応性能を測定した。比較例の光触媒ユニットを用いた試験の結果は、表２に示すように、ベンゼン分解率が３６％であった。
【００２５】
【表２】
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表２にまとめたベンゼン分解率をみると、実施の形態１〜６の光触媒ユニットは５７〜７４％と高いベンゼン分解率を示しているのに対し、比較例は３６％と低い値を示している。比較例で用いた光触媒体は表裏全面が触媒成分で覆われたものである。一方、本発明の各実施例で用いた光触媒体は光触媒領域と光反射領域と有するもので、触媒成分で覆われた面積は比較例の場合の半分程度と低いにも拘わらず、表２に示すように高い性能が得られており、触媒面が触媒機能を有する部分と光の反射機能を有する部分とで構成された光触媒体が触媒性能の向上に極めて有効な手段であることは明白である。
実施の形態１、２では、光触媒体の対向面はそれぞれ光触媒領域と光反射領域とを混在して有している。一方、実施の形態３と４では、対向する一つの面が光触媒領域で他の面が光反射領域で構成されている。実施の形態１〜４の光触媒ユニットがいずれも高い触媒性能を示していることからも分かるように、触媒機能を有する部分と光の反射機能を有する部分とを別々の面に設け、触媒機能を用いる平板と光の反射機能を有する平板の組み合わせのように別機能を有する構造物の組み合わせによっても、優れた触媒性能を達成することができる。
また、実施の形態５のようにメタルラス加工を施し多数の穴のあいた金属基板に光触媒を担持させた光触媒体や、実施の形態６のように網状織布に光触媒を担持させた光触媒体のように、光触媒を担持する面が平面で構成されていないもの、あるいは、光の反射機能を有する金属基板と酸化物で構成された触媒との組み合わせによっても、高い値が得られており、本発明の適用範囲が広いことを示している。
以上説明したように、本発明により、触媒自身の陰により触媒全体を使用できないという光の直進性に起因した本質的な問題を改善することができ、その結果、触媒性能を飛躍的に向上させることが可能になる。これまで、光触媒反応はエネルギー効率が悪く、家電等民生機器の補助手段としての用途に限られる傾向にあったが、本発明により大型かつ省エネルギーの光触媒反応器を実現できるようになり工業技術の発展への効果も大きい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、光触媒ユニットを、板の両面に光触媒を担持した光触媒領域と金属面でなる光反射領域とを分散して有する複数の光触媒体を隙間をあけて積層して構成したので、隙間に入射した光線は光反射領域で反射しながら隙間の奥深く進行し、その結果、広い範囲で光により発生した活性種は、隙間に流入した排ガスまたは廃水などの被分解物により速やかに消費されるようになり、光触媒体全体を活性化することができ、高性能な光触媒ユニットが得られる 。
【００２７】
また、光触媒ユニットを、積層した板状光触媒体の対向面の一方を光触媒領域とし、他方を光照射領域とするように構成しても、上記同様に高性能な光触媒ユニットが得られる 。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる光触媒体に形成した光触媒のパターンを示す図である。
【図２】本発明にかかる光触媒体の基板の形状を示す図である。
【図３】本発明の光触媒ユニットにおける光触媒体の積層例を示す図である。
【図４】本発明の光触媒ユニットにおける光の進行経路を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態で作成した光触媒体の形状寸法を示す図である。
【図６】本発明の光触媒ユニットの触媒性能を測定した試験装置を示す図である。
【図７】従来技術の問題点を説明するための補足図である。
【符号の説明】
１  光反射領域
２  光触媒領域
３  平板触媒
４  成形触媒
５  光線
６  光触媒ユニット
７  光源
８  分散板
９  ファン
１０  平板触媒
【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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