JP2001096169A - 光触媒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】活性炭などの不透明粒子に光触媒体を担持し、
しかも担持された光触媒体に一方からの光の照射だけで
まんべんなく光が当たるようにする。 【解決手段】表面に酸化チタンなどの光触媒体１２を担
持した活性炭などの非透明粒子１０と、光が透過可能な
シリカゲルなどの透明粒子１１とを混在してなる構成と
した。一方向から照射された光は、透明粒子１１表面で
反射するもの、透明粒子１１を透過するもの、透明粒子
１１に入射して透明粒子１１内で反射するものなどに分
かれ、透明粒子１１内での屈折も加わって、光は透明粒
子１１から出て種々の方向へ進む。したがって透明粒子
１１から出た光によって非透明粒子１０の影になる部分
にも光が当たり、その部分の光触媒体１２を活性化する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、脱臭、殺菌（抗
菌）、防汚などの目的に用いられる光触媒に関する。本
発明の光触媒は、空気清浄機などに用いることができ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、二酸化チタンに代表される光半導
体の微粒子による光触媒作用、特にその強い酸化触媒作
用が注目されている。

【０００３】即ち、二酸化チタン等の光半導性を有する
粒子状物質にそのバンドキャップエネルギ以上の光（二
酸化チタンの場合は４００ｎｍ以下の光、即ち、紫外
線）を照射すると、価電子帯の電子が光励起されて伝導
帯に移り、伝導帯には自由電子が生成すると共に、価電
子帯には正の電荷を帯びた粒子（正孔）が生成する。こ
れらの正孔と自由電子は光半導体粒子内部を運動し、時
間の経過と共に再結合して消滅する。しかしその粒子表
面に空気または水、或いはそれらの正孔や自由電子より
もエネルギの低い空順位を有する化合物やイオンが存在
すると、その粒子表面を通してそれらの正孔と自由電子
が化合物やイオンに移動し、その結果、正孔は粒子表面
に接触する化合物やイオンを直接酸化し、或いは活性酸
素の１つである水酸基ラジカルを生成する。また、電子
による還元反応は主に酸素の還元であり、ＨＯ₂ ラジカ
ルなどの電子が付加された酸化性のある酸素種が生成さ
れる。こうして、光半導体微粒子は光が照射されること
によって酸化性の活性表面を形成し、有機化合物の分解
等に触媒として作用する（「季刊 化学総説 『光が関
わる触媒化学』Ｎｏ．２３，１９９４）。

【０００４】このような光半導体微粒子による酸化触媒
作用は、光半導体の中でも二酸化チタンが特に高い。ま
た、二酸化チタンは安定性や安全性にも優れている。そ
して、この二酸化チタンの微粉末を薄膜として基体表面
に担持して光触媒を形成し、紫外線照射時のその高い酸
化力を有機化合物等の分解に利用した種々の応用が既に
知られている。

【０００５】例えば、二酸化チタンの薄膜からなる光触
媒をコーティングした中空のガラスビーズは、海上に流
出した原油の分解剤として知られている。すなわち、ガ
ラスビーズ表面に付着した原油は、太陽光中の紫外線に
よって活性化された二酸化チタンの強い酸化触媒作用に
よって分解される。

【０００６】また最近では、室内空気の脱臭または消
臭、殺菌（抗菌）、タバコのヤニや油膜等の汚れの分解
にもその応用が試みられ、自然光または蛍光灯の光に含
まれる紫外線を利用して光触媒体を活性化させ、それの
触媒反応によって接触するメルカブタン等の臭気化合
物、或いはタバコのヤニ等の有機物を分解し、または、
細菌等の微生物を死滅させ、またはその繁殖を抑えるも
のである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、吸着材とし
て活性炭やゼオライトなどが広く用いられている。そこ
でこれらの吸着材を基体としそれに光触媒体を担持すれ
ば、基体の吸着作用と光触媒体の触媒作用が相乗的に作
用し、きわめて高い効果が得られると考えられる。

【０００８】ところが活性炭やゼオライトは光が透過し
ない不透明体であるために、これらに光触媒体を担持し
たものでは、光が当たらない影の部分に担持されている
光触媒体の有効利用が図れないという不具合がある。こ
れを解決するためには、光を両側から照射して担持され
ている光触媒体にまんべんなく光が当たるように構成す
る必要があるが、コストが上昇するとともに装置が大型
となるためスペース面からの制約が大きい。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、活性炭などの不透明粒子に光触媒体を担持
し、しかも担持された光触媒体に一方からの光の照射だ
けでまんべんなく光が当たるようにすることを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の光触媒の特徴は、表面に光触媒体を担持した非透明
粒子と、光が透過可能な透明粒子とを混在してなること
にある。

【００１１】また非透明粒子は吸着材粒子であることが
望ましく、透明粒子にも光触媒体が担持されていること
が望ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の光触媒では、光触媒体を
担持した非透明粒子と透明粒子とが混在している。した
がってこの混合体に照射された光は、透明粒子表面で反
射するもの、透明粒子を透過するもの、透明粒子に入射
して透明粒子内で反射するものなどに分かれ、透明粒子
内での屈折も加わって、光は透明粒子から種々の方向へ
進む。したがって透明粒子から出た光によって非透明粒
子の影になる部分にも光が当たり、その部分の光触媒体
を活性化することができる。

【００１３】これにより本発明の光触媒では光の利用効
率が高まり、一方向からの光の照射でも十分高い活性が
発現される。したがって安価でコンパクトな光触媒装置
を構成することができる。

【００１４】非透明粒子としては、活性炭、ゼオライ
ト、セピオライトなど吸着性の高い吸着材の粒子を用い
ることが望ましい。吸着材を用いることにより、悪臭原
因物質を吸着することができ、脱臭特性を付与すること
ができる。また吸着した悪臭原因物質は、担持されてい
る光触媒体の触媒作用によって分解されるため、吸着特
性を長期間維持することが可能となる。

【００１５】また透明粒子としては、ガラス、透明セラ
ミックス、透明樹脂、シリカゲルなどを用いることがで
きる。完全透明であることが望ましいが、光が透過可能
であれば半透明のものも用いることができる。またシリ
カゲルは塩基性ガスの吸着特性に優れているので、シリ
カゲルを用いれば脱臭特性が一層向上する。

【００１６】非透明粒子と透明粒子の粒子径は特に制限
されないが、透明粒子が非透明粒子より大きいと影の部
分に光が当たりにくいので、透明粒子を非透明粒子と同
等以下の大きさとするのが好ましい。また非透明粒子と
透明粒子の混合比は、光の利用効率の面からは透明粒子
が多いほど好ましいが、透明粒子が少しでも含まれてい
ればその分だけ影の部分へ光を当てることができるの
で、混合比も特に制限されない。したがって目的とする
脱臭特性、抗菌特性あるいは防汚特性に応じて種々の混
合比とすることができる。

【００１７】また非透明粒子と透明粒子の形状は、それ
ぞれ粒子状、繊維状、あるいはチップ状とすることがで
きる。

【００１８】光触媒体としてはＴｉＯ₂ 、ＷＯ₃ 、Ｃｄ
Ｓ、ＳｒＴｉＯ₃ 、ＭｏＳ₂ などを用いることができる
が、安全性や活性の程度を考慮すると、ＴｉＯ₂ を用い
ることが特に望ましい。ＴｉＯ₂ としては、ルチル型及
びアナターゼ型のいずれも用いることができるが、触媒
活性の高いアナターゼ型の方が好ましい。

【００１９】光触媒体の担持形態としては、光触媒体粒
子を散点状に担持してもよいし、皮膜状に担持すること
もできる。皮膜状に担持する場合には、できるだけ透明
な状態で担持させることが望ましく、ＴｉＯ₂の場合に
は０．１〜１．０μｍの膜厚とすることが望ましい。光
触媒体は少なくとも非透明粒子に担持されるが、透明粒
子にも担持することが好ましい。

【００２０】なお担持方法としては、例えば酸化物系の
光触媒体であれば、光触媒体化合物の溶液又は分散液を
ディッピング、スピンコート、スプレーなどの方法で基
体に接触させ、それを焼成することで担持することがで
きる。また光触媒体粉末とバインダとを混合してスラリ
ー化し、それを基体に付着させて担持してもよい。ある
いはＣＶＤ法やＰＶＤ法で担持させてもよい。

【００２１】本発明の光触媒を活性化させる光源として
は、従来と同様にブラックライトや冷陰極管などを用い
ることもできるが、発光ダイオードを用いることが望ま
しい。これにより光触媒装置をきわめてコンパクトに薄
くすることができる。

【００２２】また本発明の光触媒を用いるには、空気及
び光が透過可能な状態で用いることが望ましい。そこで
例えばメッシュ状の容器に、光触媒体を担持した非透明
粒子と透明粒子を混合充填して用いることが好ましい。

【００２３】ところで光触媒に吸着された物質のうちは
大部分は分解除去されるが、微量成分が残留しそれが堆
積して最終的には吸着特性が大きく低下してしまう。そ
こで本発明の光触媒といえども、吸着特性がある程度低
下したときに再生処理あるいは新品への交換が必要とな
るが、その時期を検知する方法が必要である。

【００２４】そこで例えば光触媒の状態を視認できるよ
うにしておくことが望ましい。不純物の堆積により光触
媒が黄ばんでくるため、黄ばみ状態が所定の色調となっ
たときに再生処理あるいは新品への交換を行うことがで
きる。また、受光センサを配置し、光触媒を透過した光
を受けてその受光感度により交換・再生時期を判定する
ようにすることも好ましい。さらに光の出口側に蛍光体
を塗布しておき、光源に短波長の紫外光を発光する発光
ダイオードなどを用いれば、蛍光体の発色程度によって
交換・再生時期を判定することもできる。

【００２５】なお本発明の光触媒を再生処理するには、
加熱によって吸着成分を蒸発・分解させることで容易に
行うことができる。

【００２６】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。

【００２７】チタンアルコキシドのアルコール溶液を加
水分解することで得られたゾル溶液を用い、比表面積５
０〜５００ｍ² ／ｇで粒子径が１〜５ｍｍのシリカゲル
にスプレーで付着させた。これを大気中５００℃で２時
間焼成し、シリカゲル粒子表面に厚さ０．６μｍの酸化
チタン層を形成した。

【００２８】一方、比表面積１００〜１５００ｍ² ／ｇ
で平均粒子径が２０μｍの活性炭と、比表面積１００〜
５００ｍ² ／ｇで平均粒子径が７ｎｍであるアナターゼ
型結晶の酸化チタン粉末を、重量比で活性炭／酸化チタ
ン＝２０／８０となるように混合した。これにさらにバ
インダとしてフッ素樹脂のエマルジョンを１０重量％混
合してボールミルにてよく混合し、それを乾燥して酸化
チタンを担持した活性炭を調製した。得られた酸化チタ
ン担持活性炭の平均粒子径は１〜５ｍｍであり、酸化チ
タンの被覆により白色粒子となっている。

【００２９】そして酸化チタン担持シリカゲルと、酸化
チタン担持活性炭とを体積比で３：７となるように混合
し、本実施例の光触媒１とした。

【００３０】この光触媒１の拡大断面図を図１に示す。
この光触媒１は、非透明粒子としての活性炭粒子１０
と、透明粒子としてのシリカゲル粒子１１とから構成さ
れ、活性炭粒子１０及びシリカゲル粒子１１にはそれぞ
れ光触媒体としての酸化チタン層１２が形成されてい
る。この光触媒１では、一方向から光が照射された場合
であっても、酸化チタン層１２の表面での反射、酸化チ
タン層１２を透過した光のシリカゲル粒子１１又は活性
炭粒子１０との界面での反射、シリカゲル粒子１１を透
過した光の酸化チタン層１２との界面での反射、シリカ
ゲル粒子１１を透過し酸化チタン層１２を透過した光の
空気との界面での反射及びシリカゲル粒子１１を透過す
る際の屈折などが複雑に生じ、活性炭粒子１０の影にな
る部分にも光を照射することができる。したがって活性
炭粒子１０の影になる部分に担持されている酸化チタン
層１２も活性化されるため、酸化チタン層１２の有効利
用を図ることができる。

【００３１】図２〜図５に本実施例の光触媒１を用いた
空気清浄機の一例を示す。この空気清浄機は、乗用車の
天井に取り付けられて用いられる。

【００３２】この空気清浄機は、吸気口２０をもつ集塵
部２と、吹出口３０をもつ脱臭部３とから構成され、集
塵部２と脱臭部３との係合により吸気口２０と吹出口３
０の間に空気流路が形成されている。集塵部２と脱臭部
３との係合は図示しないロック手段により保持され、こ
のロック手段を手指などで解除することで集塵部２と脱
臭部３とは分離可能に構成されている。また集塵部２及
び脱臭部３の背面にはブラケット４が設けられ、自動車
室内の天井にブラケット４を介して吸気口２０が下方に
向かうように、かつ吹出口３０が斜め下方に向かうよう
に取付けられる。

【００３３】集塵部２の内部には、図３，４に示すよう
に、吸気口２０に対向してファン２１が配置され、ファ
ン２１の横に集塵フィルタ２２が配置されている。そし
てファン２１の回転により、空気流は吸気口２０から集
塵フィルタ２２へ向かい集塵フィルタ２２を通過して出
口開口２３へ向かうように構成されている。この集塵フ
ィルタ２２は、紙質材料から断面鋸刃形状に形成された
複数枚のフィルタが筒状容器に収納されて一体化され、
出口開口２３から集塵部２の内部に挿入されている。

【００３４】脱臭部３は三角柱形状をなし、断面直角三
角形の短辺部に入口開口３１が開口し、斜辺部に吹出口
３０が開口している。また長辺部にはプリント基板３２
が配置され、プリント基板３２上には短波長の光を発光
する発光ダイオード３３が配置されている。このプリン
ト基板３２には図示しない電気配線が接続され、自動車
のバッテリーを電源とする直流電流により発光ダイオー
ド３３が発光するように構成されている。そして斜辺部
の吹出口３０を覆うように、本実施例の光触媒１が配置
されている。

【００３５】光触媒１は、１０メッシュの金網から薄い
箱状に形成されたホルダに充填されて厚さの薄い板状に
形成されている。このように金網状のホルダに充填した
構造とすれば、ホルダ形状の自由度が高く種々の形状に
して用いることができる。そして厚さを薄くすれば、光
源からの光を面として受光することができるので、単位
受光面積当たりの酸化チタン量をきわめて多くすること
ができ脱臭効率がきわめて高い。また厚さを薄くするこ
とができるので、空気清浄機の薄型化に貢献している。

【００３６】そして光触媒１の形状は不定形の粒子状で
あるので、空気は粒子どうしの間隙を通って光触媒１内
を自由に通過可能となっている。また発光ダイオード３
３からの光は、上述したように反射光が影の部分にまで
照射されるため、酸化チタン層１２の利用効率がきわめ
て高い。さらに活性炭粒子１０及びシリカゲル１１自体
は多孔質であるので、空気中の臭い物質などの吸着性能
に優れ、活性炭粒子１０は硫化水素、酢酸などの酸性ガ
スをよく吸着し、シリカゲル粒子１１はアンモニア、ア
ミンなどの塩基性ガスをよく吸着する。

【００３７】プリント基板３２と光触媒１とは断面直角
三角形の長辺と斜辺の関係にあり鋭角に交差している。
そのためプリント基板３２と光触媒１との間隔は、入口
開口３１から遠ざかるにつれて狭くなるので、発光ダイ
オード３３から光触媒１に照射される光の光量は入口開
口３１から遠ざかるにつれて大きくなり、光触媒１の場
所によって光量が異なることとなる。そこでこの空気清
浄機では、プリント基板３２上の発光ダイオード３３の
数に入口開口３１側が多くなるような分布をもたせてい
る。これにより光触媒１に照射される光の光量分布を均
一とすることができる。

【００３８】この脱臭部３は、断面直角三角形の斜辺部
と短辺部が交差する頂点部が集塵部２の出口開口２３の
下部に枢支され、脱臭部３はその枢支軸を中心にして揺
動自在となっている。そして入口開口３１が出口開口２
３と対向して結合され、脱臭部３は図示しないロック手
段によって集塵部２に固定される。

【００３９】また集塵部２の出口開口２３近傍と脱臭部
３の入口開口３１近傍には、それぞれ互いに結合可能な
コネクタ２４，３４が設けられ、脱臭部３を集塵部２に
結合したときにコネクタ２４，３４が互いに連結される
ように構成されている。このコネクタ２４，３４には発
光ダイオード３３の点灯回路とファン２１の電源回路が
接続され、コネクタ２４，３４の連結・分離により発光
ダイオード３３とファン２１のオン−オフが可能となっ
ている。

【００４０】上記のように構成された空気清浄機では、
コネクタ２４，３４によって集塵部２と脱臭部３とが結
合された状態で、ファン２１の回転により車室内の空気
は吸気口２０から集塵部２内に吸引され、集塵フィルタ
２２を通過することで花粉や埃などの粒子状の汚れが捕
捉される。そして粒子状の汚れが捕捉され集塵フィルタ
２２を通過した空気は、出口開口２３及び入口開口３１
を通過して脱臭部３に入り、光触媒１の粒子どうしの間
隙を通過して吹出口３０から再び車室内へ吹き出す。

【００４１】脱臭部２では、発光ダイオード３３からの
波長 360nm〜 400nmの短波長の光が光触媒１に均一な光
量分布で照射され、光触媒１中の酸化チタン層１２が活
性化されている。したがって空気中の煙草の煙などの臭
い物質は、光触媒１を通過する間に分解されて脱臭され
る。また臭い物質の量が多い場合にも、臭い物質の所定
量が活性炭粒子１０又はシリカゲル粒子１１に吸着さ
れ、それが酸化チタン層１２によって分解されるため、
臭い物質がそのまま吹出口３０から排出されるのが抑制
されている。

【００４２】そして長時間の使用により集塵フィルタ２
２に目詰まりが生じた場合などには、図示しないロック
手段を解除することにより脱臭部３を集塵部２に対して
下方へ揺動させる。これにより出口開口２３が表出する
ため、図４に示すように集塵フィルタ２２を出口開口２
３から引出して新品と交換することができる。

【００４３】また脱臭部３を集塵部２に対して下方へ揺
動させることでコネクタ２４，３４が分離されるため、
ファン２１が停止するとともに発光ダイオード３３が消
灯する。そして集塵フィルタ２２を新品と交換後、脱臭
部３を再び集塵部２と結合すれば、コネクタ２４，３４
が自動的に接続されファン２１の回転が再開されるとと
もに発光ダイオード３３が点灯する。したがって安全か
つ簡易に集塵フィルタ２２を交換することができる。

【００４４】すなわちこの空気清浄機によれば、光源に
発光ダイオード３３を用いているので、光源自体の体積
をきわめて小さくすることができ、発光ダイオード３３
をプリント基板３２に搭載すること及び光触媒１を金網
状のホルダに充填して用いることで脱臭部３を集塵部２
に取り外し可能に係合保持することができる。したがっ
て、脱臭部３を集塵部２から取り外すことで、集塵フィ
ルタ２２を天井に沿う横方向へ取り出すことができる。

【００４５】また本実施例の光触媒１を用いたことで、
一方向からの光の照射により影になる部分の酸化チタン
層１２も活性化することができる。これにより発光ダイ
オード３３を１ヶ所に集中して配置することができ、き
わめて薄型の空気清浄機とすることができる。そして空
気の流れ方向に対して光触媒１を傾斜した構成とするこ
とができるため、光触媒１の空気との接触面積を大きく
確保することができ、脱臭効率が高く通風抵抗が増大す
ることもないので大きな風量を確保することができる。

【００４６】ところで光触媒１に吸着された物質のうち
大部分は酸化チタン層１２にて分解除去されるが、微量
成分が残留しそれが堆積して最終的には吸着特性が大き
く低下してしまう。そこで図５に示すように、受光セン
サ５を光触媒１の下流側に設けることが望ましい。

【００４７】この受光センサ５は発光ダイオード３３と
同一の発光ダイオードであり、吹出口３０に設けられて
いる。受光センサ５は図示しない検出装置に電気的に接
続され、光触媒１を透過した短波長の光を受けてその光
量に応じた電圧を発生する。そして検出装置ではその電
圧が検出され、その電圧が所定値以下となった場合に図
示しない警告ランプを点灯させるように構成されてい
る。

【００４８】すなわち光触媒１に吸着物質がある程度堆
積すると、発光ダイオード３３からの光が吸収されるた
め吹出口３０から出る光の光量が低下する。したがって
警告ランプの警告により光触媒１の交換・再生時期を認
知することができ、光触媒１の交換・再生により空気清
浄機の能力低下を防止することができる。なお発光ダイ
オード３３からの光は自然界にそれほど多く存在しない
短波長の光であるので、受光センサ５として発光ダイオ
ード３３と同一の発光ダイオードを用いることによりそ
の短波長の光を検出することができ、感度よく検出を行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光触媒の拡大断面図であ
る。

【図２】本発明の一実施例の光触媒を用いた空気清浄機
を車室天井に取り付けた状態で示す斜視図である。

【図３】本発明の一実施例の光触媒を用いた空気清浄機
の断面図である。

【図４】本発明の一実施例の光触媒を用いた空気清浄機
において、脱臭部を集塵部から取り外す途中の状態を示
す説明断面図である。

【図５】本発明の一実施例の光触媒を用いた空気清浄機
において、受光センサを設けた状態で示す脱臭部の要部
断面図である。

【符号の説明】

１：光触媒 １０：活性炭粒子
（非透明粒子） １１：シリカゲル粒子（透明粒子） １２：酸化チタン
層（光触媒体）

フロントページの続き Ｆターム(参考） 4C080 AA05 AA07 BB02 BB05 BB08 CC02 HH05 JJ04 KK08 LL02 MM02 MM04 MM05 MM06 QQ03 4D048 AA21 AA22 AB03 BA06X BA06Y BA07X BA07Y BA11X BA11Y BA15X BA16X BA26X BA27X BB01 BB08 BD01 CA01 CA06 CC40 EA01 4G066 AA05B AA22B BA09 BA16 BA20 BA26 CA02 CA24 CA27 CA29 CA56 DA03 4G069 AA03 BA03A BA03B BA04A BA04B BA07A BA07B BA08A BA08B BA14A BA14B BA27B BA37 BA38 BA48A BA48C BC12A BC12B BC36A BC36B BC59A BC59B BC60A BC60B BD08A BD08B CA01 CA11 CA17 CD02 EA02X EA02Y EA03X EA03Y EA07 EB15Y EB18Y EC02Y EC03Y EC22X EC22Y FA02 FB02 FB03 FB23 FB24 FB30 GA02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に光触媒体を担持した非透明粒子
   と、光が透過可能な透明粒子とを混在してなることを特
   徴とする光触媒。
2. 【請求項２】 前記非透明粒子は吸着材粒子であること
   を特徴とする請求項１に記載の光触媒。
3. 【請求項３】 前記透明粒子にも光触媒体が担持されて
   いることを特徴とする請求項１に記載の光触媒。