(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化チタンの光触媒作用により空気中から窒素酸化物、硫黄酸化物などの有害ガス成分を除去する有害ガス除去装置であり、被処理空気を流すダクト状の反応器の内壁面に二酸化チタン、または二酸化チタンと吸着剤の混合物を主成分とする光触媒層を成層し、この光触媒層に近紫外光を照射することにより生じる酸化反応で、被処理空気に含まれている有害ガス成分を酸化して触媒層に捕捉させるようにしたものにおいて、反応器の入口側から出口側に至る被処理空気の通流方向に沿った光触媒層の有害ガス除去速度係数の調整手段として、光触媒層に照射する紫外光の強度を、反応器の入口側領域で弱く、出口側領域に向けて漸次増強するように調整する手段を設け、触媒層全域で有害ガス成分の捕捉量が平均化されるように調整したことを特徴とする光触媒式有害ガス除去装置。
【請求項２】
請求項１記載の有害ガス除去装置において、光触媒層の有害ガス除去速度係数の調整手段は、被処理空気の流れ方向に沿って反応器内に紫外線ランプを分散配置するとともに、該紫外線ランプの配列ピッチを、反応器の入口側領域では大きく、出口側領域に向けて漸次小さくなるように設定したことを特徴とする光触媒式有害ガス除去装置。
【請求項３】
二酸化チタンの光触媒作用により空気中から窒素酸化物、硫黄酸化物などの有害ガス成分を除去する有害ガス除去装置であり、被処理空気を流すダクト状の反応器の内壁面に二酸化チタン、または二酸化チタンと吸着剤の混合物を主成分とする光触媒層を成層し、この光触媒層に近紫外光を照射することにより生じる酸化反応で、被処理空気に含まれている有害ガス成分を酸化して触媒層に捕捉させるようにしたものにおいて、反応器の入口側から出口側に至る被処理空気の通流方向に沿った光触媒層の有害ガス除去速度係数の調整手段として、光触媒層に添加するアルカリ成分の量を、反応器の入口側領域では少なく、出口側領域に向けて漸次多くなるように調整したことを特徴とする光触媒式有害ガス除去装置。
【請求項４】
請求項３記載の有害ガス除去装置において、光触媒層に添加するアルカリ成分を、アルカリ溶液として光触媒層の表面に噴霧することを特徴とする光触媒式有害ガス除去装置。
【請求項５】
請求項３記載の有害ガス除去装置において、光触媒層に添加するアルカリ成分を、水に不溶な固体アルカリとして光触媒層に混合することを特徴とする光触媒式有害ガス除去装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車道路のトンネル換気設備と組み合わせ使用し、二酸化チタンの光触媒作用を利用してトンネル内の空気中に含まれている低濃度の窒素酸化物（ＮＯｘ），硫黄酸化物（ＳＯｘ）などの環境汚染物質（有害ガス成分）を除去するようにした有害ガス除去装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近になり、大気汚染に対する環境改善対策の一つとして、自動車道路用トンネル，あるいは地下駐車場などの環境空気中に含まれている定濃度の大気汚染物質（窒素酸化物（ＮＯｘ），硫黄酸化物（ＳＯｘ）など）を光触媒を用いて除去する有害ガス除去技術の研究，開発が進められている。
【０００３】
すなわち、特許第１６１３３０１号には代表的な光触媒として、二酸化チタンを主成分として活性炭を添加した光触媒が提案されている。かかる光触媒に波長３００〜４００ｎｍ程度の近紫外光を照射すると、光触媒である二酸化チタンが活性化してその表面に活性な酸素種が生成し、その反応により空気中に含まれている有害ガス成分である窒素酸化物（ＮＯｘ），硫黄酸化物（ＳＯｘ）を酸化して硝酸，硫酸に変え、光触媒層の表面に捕捉，吸着する。ここで、光触媒による有害ガス成分の除去原理を、ＮＯｘを例に示すと、
ＮＯ→ＮＯ2 →ＮＯ3 - 
で表すように順次酸化され、最終的にはＮＯ3 - の形態で光触媒層の表面に捕捉される。
【０００４】
なお、この光触媒層はその表面が捕捉した有害ガス成分の酸化生成物で覆われるようになると触媒活性が低下するが、水洗浄法などで酸化生成物を溶出して洗い流すことより、触媒能力が回復して光触媒層が再生するようになる。
また、前記の光触媒を使用して自動車道路トンネルの換気空気中から有害ガスであるＮＯｘ，ＳＯｘなどを除去するようにしたトンネル換気設備が特開平３−２３３１００号として既に提案されている。
【０００５】
図６はかかる光触媒式有害ガス除去装置の従来における原理構成図であり、１は被処理空気を流すダクト状の反応器、２は反応器１の入口から出口にいたる内壁面全域に成層した二酸化チタン，または二酸化チタンと吸着剤（活性炭）との混合物を主成分とする光触媒層、３は反応器１の長手方向に沿ってダクトの中心に配置した紫外線ランプ（ブラックライト，ハロゲンランプなど）である。
【０００６】
図６において、紫外線ランプ３を点灯した状態でトンネルの車道空間から取り込んだ被処理空気を反応器１の入口から流すと、近紫外光の照射を受けた光触媒層２が活性化し、その反応により被処理空気中のＮＯｘ，ＳＯｘが酸化され、硝酸，亜硝酸，硫酸となって光触媒層２の表面に捕捉，吸着され、浄化された被処理空気は反応器１の出口より流出する。
【０００７】
また、光触媒層２に対しては、前記のように光触媒層で捕捉した汚染物質を洗い流して触媒能力を回復させるために、定期的に光触媒層２を水洗浄するようにメンテナンスを行っており、その洗浄方法としては光触媒層２に向けて反応器１の内部に洗浄水を噴射するか、あるいは反応器１の内部全体に洗浄水を満たして循環させる方法が採用されている。これにより、硝酸イオン，硫酸イオンの形で光触媒層２に吸着されているＮＯｘ，ＳＯｘの酸化生成物が、光触媒層２から溶出してその触媒能力が回復する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した光触媒式有害ガス除去装置の光触媒層を繰り返し洗浄して長期間使用するには、次記のような解決すべき問題点がある。
すなわち、反応器１に被処理空気を流して有害ガス成分を除去する場合に、反応器１の入口側近くでは被処理空気中に含まれている有害ガス成分の濃度が高く、入口領域の光触媒層２には有害ガス成分が多く捕捉されて、その酸化生成物の蓄積量も多くなる。これに対して反応器１の入口から離れた下流側領域を流れる被処理空気は有害ガス成分濃度が低下しているので、出口側に近い領域では光触媒層２に捕捉される有害ガス成分，およびその酸化生成物の蓄積量も少なくなる。そのために、一定の運転期間を通して見ると、光触媒層２に捕捉された有害ガス成分の酸化生成物蓄積量が触媒層全域で平均化せず、反応器１の入口に近い上流側領域と出口側に近い下流側領域とでは蓄積量に大きな差が生じる。
【０００９】
一方、光触媒層２を再生させる洗浄工程では、触媒層全域で酸化生成物の蓄積量が少ない反応器１の下流側領域も、蓄積量の多い上流側領域と同じように洗浄を行っている。したがって、蓄積量の多い入口側領域の触媒能力が十分回復するまで時間をかけて洗浄を行うと、蓄積量の少ない下流側領域では触媒層が過剰に洗浄されることになる。
【００１０】
このために、光触媒層の定期洗浄にかかるランニングコストが必要以上に嵩むほか、過剰な洗浄処理に伴う触媒層の磨耗，剥離などにより劣化の進行も早まって光触媒層２の寿命が短くなる。
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は前記課題を解決し、定期的に行う光触媒層の洗浄処理にかかるランニングコストの低減，並びに光触媒層の長寿命化が図れるように改良した光触媒式有害ガス除去装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明によれば、被処理空気を流すダクト状の反応器の内壁面に二酸化チタン，または二酸化チタンと吸着剤の混合物を主成分とする光触媒層を成層し、この光触媒層に近紫外光を照射することにより生じる酸化反応で、被処理空気に含まれている有害ガス成分を酸化して触媒層に捕捉させるようにした光触媒式有害ガス除去装置において、反応器の入口側から出口側に至る被処理空気の通流方向に沿った光触媒層の各部領域における有害ガス除去速度係数を、触媒層全域で有害ガス成分の捕捉量が平均化されるように調整することを基本原理とする。ここで、前記した有害ガス除去速度係数ｋは、単位時間当たりに光触媒層に捕捉される有害ガスの量をｕ、被処理空気の有害ガスの濃度を〔ＮＯｘ，ＳＯｘ〕として、次式(1) のように定義する。
【００１２】
【数１】
ｕ＝ｋ〔ＮＯｘ，ＳＯｘ〕  …………(1)
そして、この光触媒層に対する有害ガス除去速度係数の分布を前記のように調整することにより、反応器の入口から出口に至る光触媒層の全域で有害ガス成分が略均一的に捕捉されるようになり、かつ光触媒層の表面に蓄積する有害ガス成分の酸化生成物蓄積量も平均化される。したがって、定期的に行う触媒の洗浄時には、反応器の入口から出口に至る全領域で光触媒層の洗浄が平均的に進行し、触媒能力が略同時に回復するようになる。これにより、光触媒層が局部的に過剰洗浄されることがなくなるので、定期洗浄にかかるランニングコストの低減化が図れるほか、触媒層の劣化進行の度合いも低下し、それだけ光触媒層の寿命が伸びる。
【００１３】
そして、この発明によれば、前記した光触媒層の有害ガス除去速度係数の調整手段は、具体的に次記のような形態で実現できる。(1) 光触媒層に照射する紫外光の強度を、反応器の入口側領域で弱く、出口側領域に向けて漸次増強するように調整するものとし（請求項１）、具体的には被処理空気の通流方向に沿って反応器内に複数本の紫外線ランプを分散配置するとともに、該紫外線ランプの配列ピッチを、反応器の入口側領域では大きく、出口側領域に向けて漸次小さくなるように設定する（請求項２）。
【００１４】
(2) 光触媒層に添加するアルカリ成分の量を、反応器の入口側領域では少なく、出口側領域に向けて漸次増量するように調整するものとし（請求項３）、光触媒層にアルカリ成分を添加する具体的な方法として、アルカリ溶液として光触媒層の表面に噴霧する（請求項４），あるいは光触媒層に添加するアルカリ成分を、水に不溶な固体アルカリとして光触媒層に混合する（請求項５）がある。
【００１５】
ここで、発明者が行った前記有害ガス除去速度係数の測定方法，およびその測定に使用した実験装置を図３で説明する。図３の実験装置において、反応器１はその上面が透明なガラス蓋で覆われた容器であり、その容器内の底部側に光触媒２の試料を布設し、容器の上方に設置した紫外線ランプ３から近紫外光を光触媒に照射する。また、ガスボンベ４から減圧弁５を通じて供給する高濃度なＮＯガス（５００ｐｐｍ）を、大気側からコンプレッサ６，空気清浄器７，流量調節弁８を経て供給する精製空気をガス混合器９で希釈して被処理処理ガスとし、この被処理ガスを四方弁１０を通じて反応器１に流し、ＮＯｘを除去処理する。また、ガス配管路の下流側には窒素ガス測定装置１１，レコーダ１２を接続しておき、四方弁１０を切換えて反応器１を通過した被処理ガスと反応器１を迂回する被処理ガスのＮＯｘ濃度を測定し、その測定データを基に前記の式(1) で定義した有害ガス除去速度係数ｋを次のように求めた。
【００１６】
すなわち、反応器１の入口における被処理空気のＮＯｘ濃度Ａinと反応器を通過した被処理空気のＮＯｘ濃度をＡout との間には次式(2) の関係があり、式(2) から有害ガス除去速度係数ｋを式(3) により求めることかできる。
【００１７】
【数２】
Ａout ＝Ａin＊exp(−ｋＬ／ｖＨ）      …………(2)
【００１８】
【数３】
ｋ＝ (−ｖＨ／ｋＬ）ln（Ａout ／Ａin）…………(3)
但し、Ｌ：反応器の全長，Ｈ：反応器の深さ、ｖ：被処理空気の平均風速である。
図４は、前記の実験装置を使用して光触媒層に照射される紫外線の照度と有害ガス除去速度係数ｋとの関係を調べた実験結果の特性線図である。なお、この実験では市販の触媒用二酸化チタンとフッ素樹脂を７対３の割合に混ぜたものを光触媒試料として使用し、紫外光の照度を様々な値に変えて有害ガス除去速度係数ｋを求めた。図４から判るように、紫外光の照度が０〜１［ｍＷ／ｃｍ2 ］の範囲では、照度を強めて行くと触媒の有害ガス除去速度係数ｋが大きくなり、それ以上の範囲では係数ｋが略一定の値に飽和する。
【００１９】
一方、図５は図３の実験装置で、供試触媒にＫＯＨ溶液を噴霧してアルカリ成分を添加し、その溶液濃度と有害ガス除去速度係数ｋとの関係を調べた実験結果を示す。図５の特性線図から、ＫＯＨ溶液の濃度が０〜１［ｍｏｌ／Ｌ］の範囲では、光触媒層に添加するアルカリ成分の溶液濃度が高くなるほど、有害ガス除去速度係数ｋが大きくなることが判る。なお、アルカリ成分の溶液を噴霧する代わりに、供試触媒を作成する際に水に不溶性の固体アルカリ成分を添加し、その添加量の割合を変えた場合でも、アルカリ成分溶液の噴霧と略同様な特性の得られることが確認されている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図示実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で図６に対応する同一部材には同じ符号が付してある。
〔実施例１〕
図１(a) 〜(c) はこの発明の請求項２，３に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、図１(a) で示すように、反応器１がその入口と出口の間で左右に並ぶ複数のダクトに仕切られており、各ダクトの内壁面全域に光触媒層２を成層するするとともに、反応器１の長手方向に分散して容器を左右に貫通するように＃１〜＃ｎで表す複数本の紫外線ランプ３が布設されている。なお、各紫外線ランプ３は同一仕様のものを使用している。ここで、反応器１の全長をＬ，その入口側からから数えてｋ番目に並ぶランプの位置までの距離をｌとして、この距離ｌが次式(4) となるようにランプの配列ピッチを設定する。
【００２１】
【数４】
ｌ＝５ｋＬ／ｎ＋４ｋ  …………(4)
反応器１の長手方向に分散配置した紫外線ランプ３の配列ピッチを前記のように設定すると、反応器１に分散配備した紫外線ランプ３の相互間隔が反応器１の入口側領域では大きく、出口側に行くにしたがって漸次小さくなる。したがって、光触媒層２を照射する紫外線強度［ｍＷ／ｃｍ2 ］が入口側から出口側に向けて漸次増強されようになり、これに比例して有害ガス除去速度係数ｋが図１(b) で表すように指数関数的に大きくなる。
【００２２】
その結果、反応器１に入口側から被処理空気を流して有害ガスの除去処理を行った際に、光触媒層２の全域で捕捉される有害ガス成分の量が図１(c) で表すように反応器の入口から出口に至る全域で略同じ量となるように平均化し、触媒層の表面を覆う有害ガス成分の酸化生成物の蓄積量も略均一になる。
したがって、定期的に行う光触媒層の洗浄工程では、その洗浄時間を必要最小限に抑えて触媒層全域を効率よく洗浄することができるとともに、洗浄の繰り返しによって進行する触媒層の劣化を低く抑えて寿命を伸ばすことができる。
【００２３】
〔実施例２〕
図２はこの発明の請求項４，５に対応する実施例を示すものである。この実施例においては、反応器１を前後段に二分した縦向きの反応器１ａ，１ｂに分割し、かつその下端の間を連結ダクト１ｃで相互連結してＵ字形に形成した上で、各反応器１ａ，１ｂごとにその内壁面に光触媒層２を成層し、さらに容器の長手方向に沿ってその中心部に紫外線ランプ６を配置する。また、前後段の各反応器１ａ，１ｂの上部側にはアルカリ溶液噴霧ノズル１３、下部側の連結ダクト１ｃには液抜きドレン１４を備えている。
【００２４】
そして、光触媒層２を洗浄して運転を再開する際に、前記ノズル１３を通じてタンク１５に収容したアルカリ溶液１６ａ，１６ｂを光触媒層２に向けて噴霧し、その余剰排液をドレン１４を通じて排出した後、光触媒層２を十分に乾燥して有害ガス除去処理運転を再開するようにしている。なお、前段の分割容器１ａに供給するアルカリ溶液１６ａの濃度を、例えば０．０５［ｍｏｌ／Ｌ］に調整し、後段の分割容器１ｂに供給するアルカリ溶液１６ｂの濃度を前記濃度よりも高い１［ｍｏｌ／Ｌ］に調整しておく。
【００２５】
これにより、図５で述べたように光触媒層２の有害ガス除去速度係数ｋは、前段側の反応器１ａが小さく，後段側の反応器１ｂでは大きくなり、したがって、反応器１に被処理空気を流して有害ガス成分を除去する運転過程では、前段側の反応器１ａで捕捉する有害ガス量と後段側の反応器１ｂで捕捉する有害ガス量，したがって光触媒層２を覆う酸化生成物の蓄積量も平均化する。
【００２６】
〔実施例３〕
次に、この発明の請求項６に対応する実施例を述べる。すなわち、先記の実施例２では、光触媒層２へのアルカリ成分の添加方法としてアルカリ溶液を噴霧するようにしているのに対して、この実施例では光触媒層を成形する製造段階で、触媒に水に不溶な固体アルカリ成分として、アルカリ金属、もしくはアルカリ土類金属の酸化物，または水酸化物を添加するようにし、その添加量の割合を反応器の入口に近い上流側領域では少なく、下流側領域では漸次多くなるように調整しておく。これにより、先記の実施例２と同様に、光触媒層の有害ガス除去速度係数ｋが反応器の入口側領域では小さく、出口側領域に向けて多くなる。したがって、運転に際して反応器内の全域で光触媒層に捕捉される有害ガス成分の量が平均化する。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、反応器の入口側から出口側にいたる被処理空気の通流方向に沿った光触媒層の有害ガス除去速度係数を、触媒層全域で有害ガス成分の捕捉量が平均化されるように調整したことにより、定期的に行う光触媒層の洗浄時には、反応器の入口から出口に至る全領域で光触媒層の洗浄が平均的に進行して触媒能力が略同時に回復するようになる。したがって、光触媒層が局部的に過剰洗浄されることがなくなり、定期洗浄にかかるランニングコストの低減化が図れるほか、触媒層の劣化進行の度合いも低下して光触媒層の長寿命化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１に対応する実施例の説明図であり、(a) は光触媒式有害ガス除去装置の構成図、(b) は反応器の長手方向に沿った光触媒層の各領域に対する有害ガス除去速度定数の分布図、(c) は(b) 図に対応した光触媒層への有害ガス成分の捕捉量の分布図
【図２】この発明の実施例２に対応する光触媒式有害ガス除去装置の構成図
【図３】光触媒層の有害ガス除去速度定数を測定する実験装置の構成図
【図４】光触媒層に照射する紫外線強度と有害ガス除去速度係数との関係を表した特性線図
【図５】光触媒層に噴霧するＫＯＨ溶液の濃度と有害ガス除去速度係数との関係を表した特性線図
【図６】従来における光触媒式有害ガス除去装置の原理構成図
【符号の説明】
１    反応器
２    光触媒層
３    紫外線ランプ
１３    噴霧ノズル
１６ａ  アルカリ溶液（低濃度）
１６ｂ  アルカリ溶液（高濃度）
【図１】
0003796894.tif 000002
【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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