JP2001340731A - 光触媒構造体および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光触媒装置が抱える問題点をなくして、触媒
面すべてに光を照射させることができるコンパクトでか
つメンテナンスが容易な光触媒構造体ならびに光触媒装
置を提供する。 【解決手段】 被処理物が流通する、相対する開放端部
を有する箱体と、該箱体中に被処理物の流通方向と平行
に、所定の層間隔を置いて多層状に配置された平板状光
照射体と、該光照射体の光源に連結された電源とを備
え、該光照射体には光触媒が担持されていることを特徴
とする光触媒構造体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光触媒構造体およ
び装置に関し、特にガスや水中に含まれる有害有機化合
物や窒素酸化物等の有害成分を浄化するための光触媒構
造体および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】塗装工場や化学プラント、半導体製造設
備において有機化合物を材料や溶媒として使用する際に
は、排ガスや環境雰囲気中に有機化合物が含まれてしま
うため、その除去処理が必要とされる。この要望に対し
ては、吸着剤による吸着処理法やバーナで燃焼する方法
などが用いられているが、吸着法は吸着させたものをさ
らに処理する必要があるため、ランニングコストが高
く、また燃焼法は燃焼を伴うため燃料設備や供給ライン
を要し、また発火の危険対策が必要であるといった難点
がある。

【０００３】また、半導体や医薬品の製造工程で使用さ
れる水は、高純度であることが求めれることから、細菌
を殺菌し、有機物を酸化分解して浄化処理する必要があ
る。また、水道水等の上水には消毒成分としての残留塩
素や微量の有機物が含まれており、熱した場合にトリハ
ロメタン等の有害な有機塩素化合物やその前駆体である
トリクロロエチレン等の有機物が生成するため、これら
の有機物を極力除去することが求められている。この要
望に対しては、オゾンを添加する方法、膜処理法、高強
度の光を照射する方法などが用いられているが、オゾン
添加法や膜処理法は設備コストが高く、また光照射法は
光強度の高い光を使用するためランニングコストがかさ
むだけでなく、人体に曝露された際にガンを発症させる
危険性を伴う。また、光照射法は、紫外光のエネルギー
を用いて生物の遺伝子中のタンパク質の３次構造、４次
構造を破壊する作用、すなわち強い殺菌作用を持ってい
るが、有機物を完全に分解するためには高強度光を長時
間当てなくてはならない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術に対し、
近年、光触媒を用いた浄化方法が提案されてきた。この
方法は二酸化チタン等の光触媒を含む触媒反応器中に有
機物を含んだ水またはガスを流通させ、このとき触媒表
面に紫外線等の光を照射させる方法である。これは触媒
に光を照射させることによって触媒中の荷電帯電子が導
電帯に励起されて電子（ｅ^- ）およびホール（ｈ⁺ ）を
生成させ、生成した電子（ｅ^- ）およびホール（ｈ⁺ ）
から作り出される活性酸素（Ｏ₂ ^- ）、オゾン
（Ｏ₃ ）、過酸化水素（Ｈ₂ Ｏ₂ ）、水酸基ラジカル
（・ＯＨ）等の酸化活性種が有機物を分解する機能を利
用したものである。

【０００５】上記反応で生成した酸化活性種は有機物だ
けでなく、大気や排ガス等の気相中に含まれる窒素酸化
物をＮＯ₂ に酸化させることができるため、さらに水と
反応させて硝酸として除去することができる。この光触
媒法は触媒表面に光を照射させることが必要であるが、
分解そのものは化学的な酸化分解反応によっており、光
照射法のように同一処理物に対して長時間照射する必要
がないため、ランニングコストを抑えることが可能であ
る。また、被処理物である有機物は酸化反応によって分
解されるため、さらなる処理が不要という利点を有して
いる。

【０００６】光触媒を用いた浄化装置は移動床型と固定
床型とに大別されるが、このうち移動床型は粉末または
顆粒状の触媒が反応器内を移動できるようにすることで
被処理物質と触媒との接触面積を増加させたものである
が、使用済みの光触媒を回収し、再び装置内に戻すライ
ンが必要のため複雑な構造になってしまい、また水処理
の場合触媒粉末または顆粒が反応器内で懸濁するために
光が照射体の近傍付近にしか照射できず、高い性能が得
られないという欠点を有する。これに対し、固定床型は
光触媒成分を担体に担持させて光触媒体として反応器中
に固定させているため簡単な構造とすることができる。

【０００７】ところで、通常、触媒装置は触媒量が多い
ほど多量の処理が可能であるが、光触媒装置の場合には
光を触媒に照射しないと反応が起こらないため、触媒の
量だけでなく、いかに触媒に光を照射させるかが重要な
点となる。これまでに提案されてきた光触媒装置は光触
媒体と光照射体とで構成されているものがほとんどであ
るが、この構成で装置の触媒量をふやそうとして光触媒
体を積層すると、触媒表面すべてに光を照射するのが非
常に困難になり、期待する有機物の分解または窒素酸化
物処理の性能が得られなくなる。触媒量をふやし、なお
かつ触媒すべてに光を照射させようとすると、光を触媒
表面にまんべんなく照射するための空間を必要とするた
め、装置自体が大変巨大なものになってしまう。

【０００８】上記以外の構成として蛍光灯表面に光触媒
を担持させる方法も提案されているが（特開平０８−２
６４００８、特開平１０−２４１５６０等）、この方法
は蛍光灯の光に光触媒を担持することで屋内の有機物が
蛍光灯に付着するのを防いだり、におい成分を分解する
ことを目的としており、蛍光灯に含まれる微量の紫外線
で反応するため分解性能は低く、塗装工場や化学プラン
ト、半導体製造設備等の排ガス、環境雰囲気の浄化や半
導体や医薬品製造工程で使用される水、水道水の高度浄
化には不適である。仮に光触媒担持蛍光灯を組合わせて
光触媒装置とししたとしても、装置内に無数に設置した
蛍光灯のメンテナンスが非常に困難である。

【０００９】本発明の課題は、前述のような光触媒装置
が抱える問題点をなくして、触媒面すべてに光を照射さ
せることができるコンパクトでかつメンテナンスが容易
な光触媒構造体ならびに光触媒装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願で特許請求される発明は下記のとりおである。 （１）被処理物が流通する、相対する開放端部を有する
箱体と、該箱体中に被処理物の流通方向と平行に、所定
の層間隔を置いて多層状に配置された平板状光照射体
と、該光照射体の光源に連結された電源とを備え、該光
照射体には光触媒が担持されていることを特徴とする光
触媒構造体。 （２）前記多層状に配置された平板状光照射体の間に、
光触媒を担持した薄板を介在させたことを特徴とする
（１）に記載の光触媒構造体。 （３）（１）に記載した光触媒構造体を１つ以上配置し
た固定床反応器と、該反応器に被処理物を含む流体を供
給する手段とを備えたことを特徴とする光触媒装置。 （４）前記光照射体または該光照射体の間に介在させる
薄板に、被処理物を含む流体の流れを乱す機構を備えた
ことを特徴とする（２）に記載の光触媒構造体。

【００１１】

【作用】光触媒装置は、光触媒に紫外線等を照射するこ
とによって触媒中の荷電帯電子が導電帯に励起されて電
子（ｅ^- ）およびホール（ｐ⁺ ）を生成させ、例えば下
式の反応で気相または液相中の酸素や水と反応して生成
した酸化活性種が有機物を分解する。

【００１２】 ｅ^- ＋Ｏ₂ ＋Ｈ⁺ → Ｈ₂ Ｏ₂ …（１） ｐ⁺ ＋Ｈ₂ Ｏ → ・ＯＨ ＋Ｈ⁺ …（２） 排ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝触媒の場合、性能
を発揮するために必要なエネルギーは熱から得ている。
これに対して光触媒の場合は光であり、光をいかにして
触媒表面にまんべんなく照射させるかが大きな問題とな
る。本発明を用いれば、光触媒構造体自身が光を放出す
るために、従来のように照射体と触媒面との配置につい
て検討する必要がないし、上記の問題が解決される。す
なわち、本発明では平板状の光照射体上に触媒を担持す
るため、触媒間の距離を狭めても触媒表面上には必ず光
が照射されて反応が起こる。本発明では、光が照射され
る面と酸化活性種が生成する面とは異なるが、触媒内に
図１のような連鎖反応が生じて、光線照射面と反対側に
も酸化活性種が生成する。ただし、電子、ホールの移動
の際にいろいろな障壁があるため、実用的には、触媒層
は薄い方が好ましく、触媒層の厚さとしては０．０２〜
４μｍ程度が望ましい。本発明では、光触媒と光照射体
が別置されている触媒装置に較べて、単位体積あたりの
触媒量を格段に大きくすることができる。また、この触
媒構造体をユニット化して反応器に組込むことにより、
コンパクトかつ高性能な有害物質浄化装置とすることが
できる。また、触媒構造体をユニット化した場合、不具
合の生じた個所をユニット単位で取出すことができ、メ
ンテナンスが容易である。

【００１３】本発明における光触媒としては酸化チタン
（ＴｉＯ₂ ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉ
Ｏ₂ ）、硫化カドニウム（ＣｄＳ）、硫化モリブデン
（ＭｏＳ₂）等の酸化物やシリコン（Ｓｉ）等の半導体
担体、さらにこれらの酸化物や半導体担体に金（Ａ
ｕ）、白金（Ｐｔ）パラジウム（Ｐｄ）、酸化ロジウム
（ＲｈＯ ₂ ）等の金属または金属酸化物を担持したもの
等が挙げられるが、光を照射することで電子（ｅ^- ）お
よびホール（ｈ⁺ ）を生成させるものであれば特に成分
にはこだわらない。また、成分としては１成分にこだわ
らず複数の成分を組合わせたものでもよい。

【００１４】本発明に用いる平板状光照射体としては、
発光ダイオード、紫外線発生装置（例えば特開平１１−
７３９１３号）等の光照射体を平板状に配置、固定した
ものがあげられる。平板状光照射体に光触媒を担持させ
るには、光触媒粒子を光照射体表面に塗布するなど、通
常の固着方法を用いればよい。

【００１５】光照射体の光としては、光触媒反応が起き
る波長を含んでいることが必要である。通常、約３８０
ｎｍ以下の紫外線によって触媒表面上に電子およびホー
ルを生成するが、超微粒子の触媒成分を担持したり、あ
るいは複数成分系としたり、あるいは触媒に金属イオン
を注入したりする等の処理によって、可視光領域の光で
も電子およびホールを生成することができる触媒を用い
るのであれば、照射する光は紫外線に限定することなく
可視光領域の光を発生する光照射体を用いてもよい。

【００１６】本発明の他の態様として、多層状に配置し
た、光触媒を担持した平板状光照射体の間に薄い平板に
光触媒を担持した触媒体を介在させたものがあげられ
る。被処理流体が光を透過しにくいガスまたは溶液の場
合は、触媒に照射される光が弱まるのを防ぐために、触
媒担持光照射体同士を層状に配置する構造体とすること
が望ましいが、光を透過し易いガスまたは溶液の場合
は、触媒担持光照射体と薄板に担持した光触媒を交互に
層状に配置することにより、さらにコンパクト化を図る
ことができる。

【００１７】光触媒を担持する平板としては、金属基
板、金網、メタルラス、セラミック基板、セラミック織
布、ガラス織布等特に制限はないが、流体に含まれる被
処理物質や光触媒の酸化作用によって変質を起こさない
ことが重要である。さらに、前述の光触媒担持光照射体
および光触媒担持平板を側面にスリット加工したユニッ
トボックスにはめ込んで層状に設置する構造とすること
により、必要な個所だけを簡単に抜出して修理または交
換することが可能となり、メンテナンスを簡略にするこ
とができる。

【００１８】前述したように光触媒の反応は、光照射に
よって触媒表面に生成した酸化活性種が化学反応を起こ
すものであるため、触媒性能を向上させるには流体中の
被処理物質と触媒表面上の酸化活性種との接触頻度を向
上させるとよい。触媒の流路部分に流体の流れを乱す機
構がついていれば、流れが乱流となってより接触頻度が
大きくなって性能は向上する。流れ乱し機構としては、
触媒反応器につけたもの、触媒体を組合わせたユニット
につけたもの、触媒体自体につけたものなど、流れを乱
す能力さえ持っていれば特にこだわらない。

【００１９】なお、従来技術の特開平０８−２６４００
８号、特開平１０−２４１５６０号等で提案されてい
る、蛍光灯表面に光触媒を担持させる方法は、蛍光灯に
含まれる微量の紫外線で反応するため分解性能は低い。
また、その改良策として蛍光灯の代わりにブラックライ
ト等の紫外線灯を用いることで性能を高めることも考え
られるが、この場合も紫外線灯は円筒形ないし円筒を曲
げ加工して得られる形状であり、その体積に対する照射
面積が小さいため、平板状光照射体を用いたときほどコ
ンパクトにすることはできず、さほど効果が見られな
い。また、装置化するためには無数の紫外線灯を設置す
る必要があり、メンテナンスが非常に困難であることに
は変わりない。また、平板状の光照射装置自体は特開平
１１−７３９１３号にて提案されているが、この方法は
あくまでも光触媒の装置にすぎず、有機物を分解するた
めには高強度で長時間照射する必要があるだけでなく、
水の処理しか適用できない。

【００２０】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の一実施例を示す
光触媒構造体の斜視図である。この光構造体は、被処理
物が流通する、相対する開放端部を有する箱体１と、該
箱体１内に被処理物の流通方向と平行に所定の層間隔を
置いて多層状に配置された平板状光照射体２と、該光照
射体の光源にコード３を介して連結された電源（図示せ
ず）を備え、前記光照射体の表面に光触媒を担持させた
ものである。光触媒を担持した平板状光触媒体は、箱体
の中に層状に収納されるが、電源は箱体の側面から電源
コード３を介して取り入れられ、外部から電力が供給さ
れるようになっている。電源を入れて光を照射しなが
ら、箱体の開放端部を有する方向５にガスまたは液を流
通させることにより、該ガスまたは液中の有機物、窒素
酸化物等を光触媒によって浄化することができる。

【００２１】図３は、図２に示した実施例の応用例を示
すもので、光触媒を担持した光照射体２と、光触媒を担
持した薄板（薄板状光触媒体）２Ａを、間隔をあけて交
互に平行に、かつ層状に配置したものである。平板状光
照射体２の間に薄板状光触媒体２Ａを交互に介在させる
ことにより、触媒効果がさらに高められ、浄化効率をあ
げることができる。

【００２２】図４は、上記図２に示した実施例の変形例
を示すもので、箱体１の側面に平板状光照射体および薄
板を挿入するためのスリット６、６Ａを形成し、着脱自
在にしたもので、このような構造とすることにより、光
照射体が故障したり、薄板に不具合が生じたりしてそれ
ぞれ交換が必要になった場合、スリット６、６Ａからス
ライドさせて簡単に交換することができる。

【００２３】図５は、図２に示した光触媒構造体に、流
れ乱し機構として触媒担持光照射体２を縦方向に貫通す
るロッド７を設けたものである。上記実施例に示した光
触媒構造体をひとつまたは２以上積層させて、図６に示
すような固定床触媒反応器８を構成し、これを被処理物
（ガス、溶液等）を導入するダクト２に連結し、排出ダ
クト１０を設けることにより、光触媒装置とすることが
できる。この光触媒装置に有害有機物、窒素酸化物等を
含んだ被処理流体を導入し、前記光触媒および光により
有害有機物等を分解処理することにより、該被処理流体
を無害化し、排出ダクトから排出させることができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ガス、液体等の中に含
まれる、ダイオキシン等のハロゲン化有機化合物等の有
害有機化合物、窒素酸化物、水中に含まれる有害有機物
等の有害成分を効率よく分解処理することができる、コ
ンパクトかつ高性能な装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる光触媒の作用を説明する説明
図。

【図２】本発明の一実施例を示す光触媒構造体の斜視
図。

【図３】図２に示した実施例の応用例を示す光触媒構造
体の斜視図。

【図４】図３に示した実施例の変形例を示す光触媒構造
体の斜視図。

【図５】本発明の一実施例を示す光触媒構造体の斜視
図。

【図６】本発明の光触媒構造体を組込んだ固定床反応器
の概念図。

【符号の説明】

１…箱体、２…光触媒担持平板状光照射体、２Ａ…薄板
状光触媒体、３…電源コード、４…電源、５…被処理流
体の流れ方向、６、６Ａ…スリット、７…流体の流れ攪
拌体（ロッド）、８…固定床反応器、９…流体の入口ダ
クト、１０…流体の排出ダクト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永井 良憲 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉事業所内 Ｆターム(参考） 4D048 AA06 AA21 AB03 BA06Y BA07Y BA15Y BA26Y BA31Y BA33Y BA41Y BA42Y BA46Y BB03 CA07 CC23 CC32 CC36 EA01 4G069 AA03 BA02A BA04A BA48A BB01A BB06A BB09A BC12A BC33A BC36A BC50A BC59A BC71A BC72A BC75A BD05A CA02 CA05 CA10 CA11 CA13 CA17 DA06 EA11 EE07

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理物が流通する、相対する開放端部
   を有する箱体と、該箱体中に被処理物の流通方向と平行
   に、所定の層間隔を置いて多層状に配置された平板状光
   照射体と、該光照射体の光源に連結された電源とを備
   え、該光照射体には光触媒が担持されていることを特徴
   とする光触媒構造体。
2. 【請求項２】 前記多層状に配置された平板状光照射体
   の間に、光触媒を担持した薄板を介在させたことを特徴
   とする請求項１記載の光触媒構造体。
3. 【請求項３】 請求項１に記載した光触媒構造体を１つ
   以上配置した固定床反応器と、該反応器に被処理物を含
   む流体を供給する手段とを備えたことを特徴とする光触
   媒装置。
4. 【請求項４】 前記光照射体または該光照射体の間に介
   在させる薄板に、被処理物を含む流体の流れを乱す機構
   を備えたことを特徴とする請求項２記載の光触媒構造
   体。