(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理液が流通する筒状反応器の内部に光源および光触媒体を有する水処理装置において、前記光触媒体は、反応器壁面に沿って螺旋状突起を形成した円筒状光触媒体で、その内部に光源を有し、かつ該円筒状光触媒体の螺旋状突起の先端部と該光源との間に隙間を有し、該隙間の間に被処理液が通過して液の乱れを生じるように構成されていることを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
螺旋構造を有する光触媒体が円筒状反応器内面に挿入され、反応器壁を構成するようにしたことを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
【請求項３】
前記光触媒体が光触媒成分以外の触媒成分を担持していることを特徴とする請求項１または２記載の水処理装置。
【請求項４】
前記反応器の管端から有機化合物含有廃水をその長さ方向に供給し、当該反応器により浄化処理された処理水を供給口と反対位置の管端から上記と同じ方向で排出することを特徴とする請求項１記載の水処理装置を用いた水処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水処理装置に関し、特に光触媒を用いて廃水中の有害有機物であるダイオキシン、有機ハロゲン化合物、揮発性有機化合物、農薬および菌類等の酸化分解を効率よく分解し、廃水を浄化する水処理装置および方法、ならびに光触媒体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
廃水の処理・浄化には、活性炭吸着法、イオン交換法、沈澱法、接触酸化法および薬液注入法等があり、対象廃水によって最適な処理方法が単独または複数の組合わせで用いられているが、これらの方法は建設費、維持・管理費が高くなるという問題がある。これらの問題点を克服するため、コンパクトで取扱い易く、安価でしかも処理効率の高い装置として二酸化チタン（ＴｉＯ2 ）等の光触媒を利用した水処理装置が提案されている。この水処理装置は、光触媒への光照射で生じた強力な酸化力により殺菌、有害有機物または悪臭等を分解するものである。
【０００３】
従来の光触媒を用いた水処理装置として、光源を内蔵する管状の反応器に被処理水を通過させる管状の装置が提案されているが、これは、流速を上げて生じた撹拌効果により液中の有機物の拡散抵抗を小さくし、有機物と光触媒の接触効率を大きくして有機物の分解率を高めようとするものである。
【０００４】
図４に従来技術に基づく光触媒を用いた水処理装置の概略を示す。この装置は、反応器外管４内壁に設けられた織布に担持された光触媒体１と、反応器内の中心部に設けられた光源２と、反応器の側面に設けられた廃水５の供給孔７および排出孔９とからなる。廃水５は、供給孔７から反応器外管内に入り、反応器外管４内壁と光源２との間隙を流れ、処理された後、排出孔９から外部へ排出される。図中、８は処理水、１５は支持体を示す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示すように反応器内壁に光触媒１、内部に光源２を設置した場合、反応器内の廃水が光触媒と接触する長さが一定であれば、光触媒と光源との間を流れる廃水の流路幅を狭くしたほうが、反応器内の廃水の流速が大きくなり、撹拌効果が生じるので分解率が高くなる。しかし、流路幅を狭くすることには限界があり、また流路幅が狭くなると反応器の圧損が大きくなるという問題がある。
本発明の課題は、従来の問題点を解決し、廃水中の有害成分を高効率で分解できる、光触媒を用いた水処理装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願で特許請求する発明は以下のとおりである。
（１）被処理液が流通する筒状反応器の内部に光源および光触媒体を有する水処理装置において、前記光触媒体は、反応器壁面に沿って螺旋状突起を形成した円筒状光触媒体で、その内部に光源を有し、かつ該円筒状光触媒体の螺旋状突起の先端部と該光源との間に隙間を有し、該隙間の間に被処理液が通過して液の乱れを生じるように構成されていることを特徴とする水処理装置。
（２）螺旋構造を有する光触媒体が円筒状反応器内面に挿入され、反応器壁を構成するようにしたことを特徴とする（１）記載の水処理装置。
（３）前記光触媒体が光触媒成分以外の触媒成分を担持していることを特徴とする（１）または（２）記載の水処理装置。
（４）前記反応器の管端から有機化合物含有廃水をその長さ方向に供給し、当該反応器により浄化処理された処理水を供給口と反対位置の管端から上記と同じ方向で排出することを特徴とする（１）記載の水処理装置を用いた水処理方法。
【０００７】
本発明でいう反応器壁面に沿って螺旋状突起を有する円筒状光触媒体とは、螺旋状突起を有する反応管壁に光触媒成分を担持したものや、円筒状反応管内に、あらかじめ光触媒成分を螺旋突起を有する円筒状に成形した光触媒体を挿入したものが例示される。
【０００８】
光触媒成分としては、二酸化チタン、チタンストロンチウム、酸化亜鉛、酸化鉛およびセレン化カドミウム等の数多くの半導体が利用可能であるが、分解効率、安定性および安全性の観点から二酸化チタンの利用が好ましい。二酸化チタンにはルチル型、アナターゼ型の２種類の結晶形態が存在する。これは単独あるいは併用して用いてもかまわないが、アナターゼ型はルチル型よりも光触媒活性が高いのでアナターゼ型の利用が好ましい。しかし、ルチル型はアナターゼ型よりもバンドギャップが低いので、紫外光よりもエネルギーの低い可視光も利用できる利点がある。
【０００９】
光触媒を螺旋突起を有する反応管に担持させる場合には、光触媒と蓚酸アンモニウムを水中に懸濁させた液を反応管の内面にコーティングすればよい。一方、螺旋状突起を有する光触媒体をあらかじめ成形して用いる場合には、光触媒、ポリビニルアルコールおよびシリカゾルを水中に懸濁させた液を無機繊維織布に含浸させたものを成形したり、光触媒、ガラス繊維、蓚酸およびシリカゾルを混練してペースト状としたものを成形する方法などにより本発明の光触媒体を得ることができる。
【００１０】
これら光触媒体をそのまま用いてもかまわないが、光触媒体の活性向上あるいは対象廃水中の成分の選択的分解のために、金、銀、白金およびパラジウム等の貴金属またはこれらの塩化物、硫酸塩および各種錯体等を当該光触媒を担持させてもよい。
しかし、以上の方法は一例であって、表面に螺旋状突起を有する円筒状触媒体内部に光源が配置され、その間隙を被処理液が流れるようにすれば、いずれも本発明の範囲内である。
【００１１】
さらに、本発明の装置においては、反応器内の円筒状触媒体内には光源が設置されている。光源は反応器に内管を設けてその内部に設置してもよいし、光源の配線部分が水と接触しないようにすれば、反応器内管を用いず、そのまま円筒状触媒体内に設置してもよい。
光触媒体へ照射する光源としては、光触媒を励起するものであればいずれでもよく、ブラックライト、低圧水銀灯、高圧水銀灯、殺菌灯、キセノン灯および補虫灯等の使用が可能である。条件によっては太陽光の利用も可能である。光源の位置としては、光源から放射状に光が照射されて光触媒体の全面に当たり、全光が有効に利用できる反応器の中心部が好ましい。
【００１２】
反応器外管は光を透過する必要がなく、耐薬品性、耐腐食性を有する材質であればいずれでもよく、特に有機物濃度が低く外管を侵すおそれがない場合はポリ塩化ビニル等の有機化合物の材質でもよい。反応器内管はほとんど光を透過し、しかも耐薬品性、耐腐食性に優れた石英ガラス等の材質であればいずれでもよい。
【００１３】
本発明の装置を複数個組合わせる場合、当該反応器を直列または並列で接続することができる。この場合、反応器内の廃水の流れを均一化するために、廃水、浄化水は当該反応器内の長さ方向、または廃水の流れ方向に対して平行な方向で供給、排出されることが好ましい。直列で組合わせる場合、反応器間は反応器径と同じ径の配管で接続されることが好ましく、廃水供給口を有する反応器から浄化水排出口を有する反応器へ廃水が流れるに従って有機物濃度が小さくなるので、これに応じて光量または触媒面積を低減してもよい。
【００１４】
【作用】
螺旋状突起を有する光触媒体を用いれば、反応器内の廃水の流れが乱れて液が撹拌されるので、廃水と光触媒体の接触効率が向上する。そのため、従来技術よりも流速を小さくしても従来とほぼ同じ分解率が得られ、圧損も低減できる。
また、光触媒体が螺旋構造を有しているために従来より光触媒面積が増加しているだけでなく、螺旋流も生じて反応器内の液の滞留時間が長くなるので光触媒作用が促進される。
【００１５】
以下、本発明を図面により具体的に説明する。
図１は、反応器外管４内に螺旋突起１９を有する円筒状光触媒体１を設置した場合の説明図である。
【００１６】
螺旋構造を有する円筒状光触媒体１は、図１のように反応器外管４内へ挿入され、光源２は反応器内部に配置され、支持体１５により反応器内に固定される。上記装置において、廃水５は反応器の側面の廃水供給口７から反応器外管４内に供給され、反応器外管４内壁と光源２との間隙を流れ、浄化処理された後、反応器側面の浄化水排出口９から系外に排出される。
【００１７】
上記反応器を用いれば、反応器内に螺旋流が生じて液が撹拌され、廃水と光触媒体の接触効率が向上するので、有害な有機化合物の分解が促進される。
【００１８】
光触媒体としては、光触媒、ポリビニルアルコールおよびシリカゾルから構成される含浸液を織布、金属またはガラス等に含浸させて螺旋状突起を有する円筒状に成形したものを用いてもよく、光触媒、ガラス繊維、蓚酸およびシリカゾルを混練してペースト状としたものを螺旋構造を有する円筒状に成形したものを用いてもよい。
反応器内に円筒状触媒体を挿入するかわりに、反応器自体の内壁を上記触媒体の成形原料で螺旋状に形成してもよく、また反応器自体の内壁を螺旋状に加工した後、触媒体材料を塗布してもよい。
【００１９】
図１に示すように、反応器内の廃水の流れに対して直角方向に廃水が供給または排出される場合、廃水供給口７または浄化水排出口９付近を通って流れる廃水は遅く、これらと反対側の反応器外管４内壁付近を流れる廃水は速くなるという偏流が生じる。しかし、図２に示すように、廃水の流れに対して平行な方向で廃水供給口７または排出口９から廃水が供給または排出されれば、当該反応器内の廃水の流れ１６が均一となり、螺旋流を形成しながら効率よく有機物の分解が行われる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
実施例１
図３に本発明の実施例に用いた水処理装置の概略を示す。反応器はガラス管の二重構造となっている。反応器外管４はパイレックス製で、長さは３５０mm、径は５０mm、反応器内管３は石英製で、長さは４００mm、径は４２mmで、内部に光源を有する。光触媒体１Ａはデグッサ社製光触媒Ｐ２５（高品質）、酸化チタンＣＲ５０、ポリビニルアルコール（クラレ社製＃１１７）およびシリカゾルから構成される含浸液をＥ−ガラスに含浸させ、螺旋構造を有する円筒状の鋳型を用いて円筒状に成形後、４５０℃で８時間焼成して調製された。光触媒Ｐ２５の担持率は１２％であった。光触媒体上の螺旋状突起物は幅３mm、高さ１．５mmで、円筒の長さ方向に８本形成されている。この円筒状触媒体１Ａを反応器内管３として反応器外管４内壁に挿入した。光源として、光量１０Ｗのブラックライトブルー蛍光灯を反応器内管３の中心部に配置し、光触媒体１Ａへ均一に光を照射できるようにした。このような装置において、廃水５は反応器内の廃水５の流れに対して垂直な方向に循環タンク１７から循環ポンプ１３を用いて１５Ｌ／ｍｉｎの流速で供給される。廃水中の有機化合物は反応器内で分解されて廃水５が浄化される。浄化水８は上記と同じ方向で供給側と反対の位置から循環タンク１７へ排出される。この場合、反応器内の廃液の流れ１６が螺旋流となり、廃水と光触媒が効率的に接触するので有機化合物の分解率を向上させることができる。
【００２１】
比較例１
実施例１で用いた水処理装置で、螺旋突起を有する円筒状光触媒体の代わりに突起のない円筒状光触媒体を設置してｏ−クロロフェノールの分解実験を行った。比較例１と実施例１による分解実験の結果を比較したものを表１に示す。なお、表中の分解率は光照射後１時間のものである。
【００２２】
【表１】
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実施例１では螺旋流による廃水の撹拌効果が見られ、比較例１よりも分解率が向上していることがわかる。
実施例２
螺旋状突起を有した円筒状の光触媒体を用いる代わりに、反応器外管４の内壁に光触媒体をコーティングした幅３mm、高さ１．５mmの螺旋状突起物を８本設置したものを用い、それ以外は実施例１で示した反応器と同じ構造のものを用いた。光触媒体のコーティングは、前記光触媒体Ｐ２５および蓚酸チタンアンモニウムから構成される懸濁液中に反応器内管を浸し、室温で充分乾燥後、４５０℃８時間焼成することにより行った。担持率は、実施例１の場合と同じく１２％であった。
【００２３】
実施例３
実施例１に示した反応器で、廃水５が反応器内の廃水５の流れに対して平行な方向で反応器へ供給し、上記と同じ方向で浄化水８が反応器から排出されるようにした。この場合、反応器内の廃液の流れが均一となるので、実施例１よりさらに廃水と光触媒体が効率的に接触することになる。
実験例１
実施例１〜３で用いた水処理装置でｏ−クロロフェノールの分解実験を行った。表２にその結果を示す。なお、表中の分解率は光照射後１時間のものである。
【００２４】
【表２】
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実施例１、２の分解率は同じであり、螺旋状突起を有する円筒状の光触媒体または螺旋状突起を有する反応器外管内壁に光触媒体をコーティングしたもののどちらを用いても、反応器内に螺旋流が生じて同じ効果が得られる。
【００２５】
実施例３の分解率は実施例１、２より大きくなっている。これは実施例３で廃水の供給、浄化水の排出を反応器内の廃水の流れと平行な方向とすることで反応器内の廃液の流れが均一化され、実施例１、２より廃水と光触媒体が効率的に接触するようにしたためである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の光触媒を用いて廃水中の有害物質を分解する水処理装置では、反応器内の均一な螺旋流により撹拌効果を生じさせるため、光触媒と有害物質の接触効率が向上し、光触媒の強力な酸化力と相まって廃水中の有害成分を高効率で分解できるという効果を有する。本発明は、例えば廃水中に存在するトリクロロエチレン、ダイオキシン、ベンゼン等の有機化合物、農薬および菌類の分解ができるため、工場廃水、焼却設備の浸出水、ゴルフ場廃水、病院廃水等の廃水の浄化に本発明の水処理装置を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水処理装置に用いる反応器の概略図。
【図２】本発明の水処理装置に用いる反応器の部分図。
【図３】本発明による水処理装置の廃水の流れを示す系統図。
【図４】従来の水処理装置に用いる反応器の概略図。
【符号の説明】
１…担持光触媒、２…光源、３…反応器内管、４…反応器外管、５…廃水、７…廃水供給口、８…浄化水、９…浄化水排出口、１３…循環ポンプ、１５…支持体、１６…反応器内の廃水の流れ、１７…循環タンク、１８…撹拌機、１９…螺旋構造。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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