JP2001502220A

JP2001502220A - 光触媒流体浄化装置

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Publication number: JP2001502220A
Application number: JP10519666A
Authority: JP
Inventors: セイ、ジェームズ; ボネケーズ、ロジャー; ヘラー、アダム; シトキーウイッツ、スティーブン; ヘラー、エフライム; ハウグスジャー、ポール
Original assignee: イー・ヘラー・アンド・カンパニー
Priority date: 1996-10-25
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 2001-02-20
Also published as: AU5150498A; US5790934A; EP0949970A2; US6063343A; WO1998017390A2; WO1998017390A3

Abstract

(57)【要約】流動体内の汚染物を光触媒変換するためのコンパクトで効率のよい反応器に関し、該反応器は、支持構造体に光触媒を備えて、該光触媒を活性化させるために支持構造体の光学的近傍に光源を備える。本発明の一実施例では、支持構造体は、流動体の全体の流動方向に平行に配置された交差しない多数のフィンを有し、圧力低下が小さく、且つフィン表面の光触媒への汚染物の十分な物質移動を行う反応器を提供する。光源は、光触媒を十分に照射するためにフィンを通る１以上のランプを備える。フィンは、平坦或いはひだ状でもよい。或いは、フィンは、ひだ状で、多孔性素材からなる。これらのフィンは、流動体がフィンを通過するように配置されている。他の実施例として、支持構造体は、ひだ状の内表面を有する１以上のシリンダを備えて、該シリンダ内には長尺なランプが配設されている。光触媒は、シリンダを通過する汚染物を変換するためにシリンダの内表面に設けられている。反応器は、支持構造体若しくは光源の除去又は交換が容易になるように設計され、大型の流体浄化ユニットのモジュラーサブアセンブリとして使用することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】光触媒流体浄化装置発明の分野水或いは空気のような流動体は、溶解ハロゲン化物或いは有機化合物、揮発性有機化合物、窒素酸化物、シアン化水素などの無機ガス、バクテリア、ウイルス、かび、及び菌類等の微生物のような汚染物を含んでいることがある。光触媒は、流動体からより簡単に除去できるような有害性の少ない物質或いは素材にこの汚染物を変換することによって流動体を浄化するために使用される。汚染物の変換は、光触媒の近傍の光源によって照らされる光触媒に流動体が接触したときに起こる。光触媒は、安定した光触媒表面を提供し、流動体によって光触媒が流されることがないようにするために、ある種の支持構造体の表面に通常は備えられている。この基本的な概念を採用している反応器が開発されてきた。しかし、他の設計要因が反応器の形態に大きく影響する。前記反応器を有効に機能させるためには、汚染物を光触媒に接触させなければならない。この過程の有効は、汚染物が流動体から光触媒表面に移動する割合である反応器の物質移動係数によって測定される。反応器における物質移動が不十分である場合、汚染物の変換が減少する。従って、有効な反応器を設計するには、バルク流体から光触媒への十分な物質移動を提供することが必要である。有効な反応器の設計の際、他に考慮すべきことは、反応器の圧力が低下することである。この圧力低下は、物質が流動を遮断して障害物の両側における流体の圧力差が生じるときに起こる。圧力低下を最小にするためには、流動の遮断を可及的に少なくして、層流を維持することが必要である。反応器の圧力低下が著しいと、装置の動作コストを大幅に上げることになる。しかし、触媒への物質移動を増加させる設計条件と、圧力低下を少なくする設計条件との釣り合いは重要である。物質移動の増加には、流体と支持構造体との接触を増やすことが通常は要されるが、圧力低下を少なくするには支持構造体による干渉を少なくすることが必要である。典型的な反応器の設計では、良好な物質移動を提供するべく、流動体が光触媒を含む表面に確実に衝突するように支持構造体は、流動体に直角に配置される。しかし、このような形態を有する反応器の場合、圧力低下には逆効果であることは明白である。従って、流体内の汚染物を除去するだけの十分な物質移動を提供すると同時に、流動体が反応器を円滑に流れるように圧力低下を小さくするような設計が反応器には必要である。更に、変換反応を触媒するためには、汚染物と光触媒との十分な接触がなければならない。必要とされる接触時間は、流動体内にある他の成分が触媒変換反応と競合するような反応を起こすことを考慮して、該触媒変換反応の力によって決定する。触媒変換反応の力は、光触媒を照射する光の強度にある程度依存する。光の強度が低すぎると、光触媒が十分に利用されず、光触媒に接触する汚染物を全て変換することができない。従って、有効な反応器の設計には、光触媒活性表面全体への十分な照射が提供されなければならない。その他の好ましい特徴は、反応器内の光源からの照射を効率良く利用することである。非常に好ましいコンパクトな反応器を提供するためには、基本的に、単位体積当たりの表面積が大きい素材或いは支持体に効率よく光を照らすことである。更に、好適な反応器は、整備、製造、及び点検が容易でなければならない。光源及び支持構造体の交換は、その難易度を最小限にして行われなければならない。以上の反応器の設計概念に対して、現在の設計では十分な対応がとれていない。反応器には、次に挙げる特徴を有することが必要である。それは、コンパクトであること、圧力低下が低く光触媒への物質移動が十分であること、表面積の大きい支持体に分散した光触媒に光を照らすために効率のよい光源を使用すること、ランプ及び光触媒支持構造体を簡単に整備できること、及び製造、整備、及び修理に対するコストが低いことである。発明の概要本発明は、上記の要求を満たす化合物の光触媒変換に使用される反応器に関する。本発明の１の実施例は、光源と、光触媒と、該光触媒を支持するための交差しない複数のフィンと、を有する反応器である。フィンは、流動体の流動方向に実質的に平行、且つ光源には直角になるように配置されている。フィンは、光源がフィン上の光触媒を照らすような形状である。本発明の他の実施例において、フィンは、光源に実質的に直角に配列される１或いはそれ以上のひだを備えている。ひだは、光源からの光がフィン上の光触媒を照らすような形状である。本発明の他の実施例において、反応器は、光触媒でコーティングされ、流動体の流動方向に実質的に平行な向きに配置される１或いはそれ以上の中空シリンダを有する形成ブロックを備えている。各シリンダの内表面は、光触媒が備えられている１或いはそれ以上のひだを有する。光源の長手軸がシリンダの長手軸に平行となるように各シリンダ内には１或いはそれ以上の円筒形光源が配置されている。ひだ及び光源は、光源からの光が各シリンダの実質的に全ての内表面を照らすような形状である。任意で、ブロックは、多孔性素材で形成され、流体にブロックを通過させる。本発明の更なる実施例は、互いに間隔を空けて重ねて円筒体を形成する複数のフィンを有している。各フィンは、中央開口を備えたリング形状を有している。フィンを整列させることによって、入力された流動体の流れに実質的に平行に配列された円筒構造体の中央キャビティが形成される。フィンの円筒体に回転装置を取り付けて該円筒体を回転させてもよい。フィンが回転すると、流体は、中央キャビティに引き込まれて、フィンの表面に実質的に平行して半径方向に分散する。光触媒はフィン上に配設され、光源は光触媒を照らすためにフィンの光学的近傍、例えば、中央キャビティ内、或いはリング状フィンの周の近傍に配置される。図面の簡単な説明以下の図面において、類似部品を類似参照番号で示す。図１は、本発明の実施例に従って構成され、光触媒が備えられたフィン１０２を有する反応器１００の内部の概略図であり、該フィンは、流体の流れに平行している。図２は、反応器１００の外側の斜視図であり、該反応器の入口及び出口が示されている。図３は、図１の反応器に使用するフィン１０２の前面図である。図４は、多数の光源２０４を備えた図１の反応器の形態に使用されるフィン２０２の前面図である。図５は、図１に図示された反応器に類似する反応器の概略図であり、送風器１１８、プレフィルタ１２０、及びポストフィルタ１２２を備えている。図６は、本発明に係る他の実施例を示す反応器３００の斜視図であり、該反応器の一部を断面にするために反応器側の壁の一部が取り除かれている。図７は、図６の反応器３００に使用されるフィン３０２の前面図である。図８は、本発明に係る更に他の実施例を示す反応器４００の概略図であり、該反応器４００は、光触媒を支持するための回転フィンアセンブリを備えている。図９は、本発明に係る更に他の実施例を示す反応器５００の概略図であり、該反応器５００は、光触媒を支持するためのひだ状フィン５０２を使用している。図１０は、光源５０４に対して、図９のひだ状フィン５０２を配置した状態を斜視図で示したものである。図１１は、本発明において、触媒支持体として使用するための形成ブロック６３８の斜視図である。図１２は、図６に示す反応器３００の変形例を示す平面図であり、光源３０４ ’が中心コアに位置している。好適実施例の詳細な説明本発明は、流動体内の汚染物の光触媒変換を行うための反応器、及びその作動方法に関する。本発明の原理に従って構成された反応器は、光触媒を備える１つ以上の支持構造体を含んでいる。光触媒は、支持構造体を照らす１以上の光源によって活性化される。流動体は、支持構造体間を流れ、汚染物を含んだ流体は、光触媒の存在下において、汚染物を他の有害性の少ない化合物或いは比較的抽出が簡単な化合物に変換するために光触媒と接触する。図面を参照すると、本発明の１の実施例は、図１乃至図５に示されている。反応器１００は、反応器チャンバ１０６内に収容され、光源１０４に対して直角に配置された略平行なフィン１０２からなる。反応器チャンバ１０６は、１以上の入口１０８或いは出口１１０を流動体が出入りするチャンバ壁に備えている。入口１０８及び出口１１０を配置することによって、流体は全体的に方向１１２に向かって流れる。フィン１０２は、流体が流れる方向１１２に実質的に平行に反応器チャンバ１０６内に配置される。フィン１０２は、光触媒を備える支持構造体からなる。図３は、フィン１０２の一実施例を示す。フィン１０２は、光触媒を十分に支持する素材で構成された薄く平坦な板であることが好ましい。好適な素材としては、金属、プラスチック、ポリマー材、紙、布、或いは繊維である。光触媒は、フィン１０２の前面、若しくは後面、又は両面に配置されている。これらの面は、フィンの表面積を大きくするために砂吹き或いはエッチングのような方法によって凹凸を形成してもよい。好適な実施例において、支持構造体（以下に記されるブロック或いはフィン）は、例えば活性化している波長の光を散乱或いは反射させる素材である反射面を有する。例えば、フィンは、２５４nmの光を散乱／反射する反射性アルミニウム或いはマグネシウム表面を有してもよい。若しくは、流体がフィン１０２を通過して光触媒に対する流体の露出が増加するようにフィン１０２を紙、布、或いは繊維のような多孔性素材で形成してもよい。フィン１０２は、図３に示された四角形、或いは長方形、円及びその他の多角形を含む形状でもよい。フィン１０２の形状は、所望の反応器或いは光源の形態によって、決定してもよい。フィン１０２の一実施例として、図３に示すように、フィン１０２は、光源１０４が通過する開口１１４を有している。若しくは、光源１０４は、フィン１０２の光学的近傍且つ、フィンの１或いはそれ以上の端部付近に設けられる。光触媒の活性は、光触媒に到達した光の強度によって決まる。強度が低すぎると、光触媒は、活性化しないか、或いは低度の活性を有する。光触媒に必要な活性は、流体内の汚染物の量及び濃度によって、概ね依存する。１以上のランプからなる光源１０４は、フィン１０２の表面に光を提供してフィンを照らし、フィン上に備えられる光触媒を活性化させる。光源１０４は、強度Ioの光を放射する点を多数有する面として成形される。フィン上の特定の点を照らす光源１０４上の各点からの光の強度は、光源上にある２点間の距離によって決定される。該距離が大きいほど、光の強度は小さくなる。フィン１０２上の特定の点を照らす光の強度の合計は、障害物によって遮断されることのない光源１０４上の各点からの光の強度を単純に合計したものである。効率のよい光触媒反応器は、必要な活性を得るために実質的に全ての光触媒が光源に十分接近するように設計されている。効率のよい光触媒反応器を設計するための更なる要因としては、光源を効率よく使用することである。光源１０４は、光源１０４からの可能な限り多くの光が光触媒を照らすように反応器１００内に好ましくは形成される。図３のフィン１０２は、光源１０４をフィン１０２の中心にある開口１１４に通すことによって、有効な光を最大に使用できるように設計されている。フィンにおける他の実施例としては、図４にて提供されている。この場合、フィン２０２は、多数の光源２０４が通過できる多数の開口２１４を有している。それぞれ異なる光源からの光が合成され、１つの光源だけでは確実に到達して活性化することのないフィン２０２の領域を活性化するので、多数の光源を使用することは有効である。図４のフィン２０２及び多数の光源２０４は、光触媒が大きなフィン領域を十分照らすために、反応器１００内にて使用することができる。更に、多数の光源を使用することによって、フィン２０２の間隔をより狭くすることができる。各フィン２０２に当たる光は、隣り合うフィン間の各光源部から実質的に照射される。フィン間隔を小さくするにつれて、その間にある可視の光源部が小さくなるので、各フィンを照らす光は弱くなる。多数の光源を配置することによって、より多くの光が同じフィン表面積に提供されるので、フィン間隔を狭くすることができ、十分な光の強度を更に提供して光触媒に必要な活性を提供する。フィン間隔は、反応器の形態にとって重要である。図１及び図２に示すように、フィン１０２は、全体的な流動方向１１２に平行に配置されている。この形態の場合、流体の流れに直交するフィンを有する形態と比べて反応器１００における圧力低下が小さくなるという効果がある。しかし、この配置は、光触媒を支持するフィン１０２の表面への汚染物の移動に影響を及ぼす。フィン１０２の間隔は、汚染物が光触媒と接触するようにするために狭くする必要がある。本発明の１の実施例において、反応器は、少なくとも２０、好ましくは１００を越えるフィンを有している。流体が気体の場合、フィン間隔は、好ましくは０．０５乃至５cm であり、０．２５乃至０．７５cmが最適である。この間隔によって、変換される化合物が光触媒に十分に移動することが可能となり、反応器における圧力低下が低くなる。加えて、フィンの端で吸収される光の量を最小にして、軽量でコンパクトな反応器を提供するために、フィンの厚さは、好ましくは０．２cm以下であり、０．０５cmが最適である。“装置の固定ベッド部”と呼ばれるフィン或いは触媒支持体を含む領域の体積に対する表面積の比は、好ましくは０．５cm^-1以上、４cm^-1以上が最適であり、もって、反応が遅い化合物でも変換される。圧力低下を最小にするために、反応器は、約2000以下のレイノルズ数に対応する層流となるように設計されることが好ましい。若しくは、光触媒への物質移動を最大にするために、反応器１００は、約2000以上のレイノルズ数に対応する乱流を提供するように設計してもよい。乱流は、１以上の乱流発生器２１６(図４参照)をフィンに備えることによって、生成できる。乱流発生器２１６は、全体的な流体の流れの方向に少なくとも一部垂直に配置された金属或いは他の素材で形成された線路である。該発生器２１６は、流体を他の方向に導く、或いは主要な流動に大部分が直交する渦状の流動体である横断流動渦を生成してもよい。乱流発生器２１６の１の使用は、流体が十分に流れないようなフィンの領域、例えば、光源に隣接したフィン領域に流体を流すことであり、該領域は、流体の流れる方向１１２に直交する光源２０４によって形成され、且つ流動が不十分であるような光源の影となる領域である。乱流発生器を使用することによって、フィン表面に流体を均等に分散させ、汚染物の光触媒への移動を最大にして該汚染物を変換させることができる。好適な形態としては、乱流発生器は、物質移動、特にランプの後側のように流体の流れが遮られて物質移動が少ないフィン表面の部分への物質移動を増加させるために実質的に層流である流体の流れに使用される。本発明の反応器に使用に適した光触媒としては、TiO₂、ZnO、CaTiO₃、SnO₂、M oO₃、Fe₂O₃、WO₃、Nb₂O₅、SiC、及びTix（Zr_1-X）O₂のような半導体が含まれる。ここでＸとはＯと１との間の値である。光触媒の支持構造体（フィン１０２、１０２）は、自身が光触媒となるか、処理を施して光触媒としてもよい。該処理としては、例えば、亜鉛或いはスズで形成された支持構造体の表面層を酸化させて酸化亜鉛或いは酸化スズにして光触媒とする。変換率を増加させるために、共触媒を光触媒と共に使用してもよい。好適な共触媒としては、Pt、Pd、Ru、 Ag、Cu、Ｗ、Rh、Mo、Au、Fe及びこれらの金属の酸化物及び硫化物がある。その他の周知な光触媒及び共触媒を本発明の反応器に使用してもよい。各光触媒は、光触媒を活性化させる光の波長の範囲によって特徴付けられる。本発明は、紫外線の使用に限らない。光触媒を適宜に選択して長波及び短波とを使用してもよい。例えば、活性波長の領域を可視領域に広げるために耐光酸化染料の薄膜を光触媒に上塗りしてもよい。耐光酸化染料において、適当なものとしては、フタロシアン、ビピリジン、及びフェナントロリンの金属イオン錯体が含まれる。光触媒は、多数の異なる技法によって支持構造体に備えられる。光触媒配置技術として適するものは、浸漬コーティング、吹き付け、或いはブラッシング、が含まれるが、他の配置技術が本発明の範囲内に含まれることは当業者にとって理解できよう。本発明の好適実施例において、光触媒は、該光触媒が周辺環境に解放されないように反応器の作動中においては支持構造体に固定されている。適当な光触媒結合技術としては、吸着、焼結、積層、実質的に酸化不可能な結合剤及びその組み合わせである。酸化不可能な結合剤の使用は、ヘラー、その他(Heller et.al.) に付与された米国特許第5616532号に開示されている。反応器の光触媒を照らすために各種の光源を利用してもよい。該光源としては、紫外線及び可視光ランプである。光源は、好ましくは０．１乃至１０mW/cm²、最適なものとして０．５乃至２．０mW/cm²で光触媒に平均的な活性光線強度を提供する。この光の強度は、ホルムアルデヒドを含む殆どの汚染物を変換するために十分な光触媒の活性を提供する。光の強度を比較的高くすると、効率がごくわずかに上がると共に、装置の作動コストが増加する。本発明の反応器に使用される光源は、装置の有効期間中は安定して触媒活性光線を出力することが好ましい。年間で２０％以下の劣化が好ましい。適当な光源は、紫外線を提供し、ランプ収納物内の水銀、ネオン、クリプトン、或いはキセノンガス、又はこれらの物質の組み合わせからなる低圧水銀放出ランプである。該収容物は、セラミック或いはガラスで形成することができて、蛍光体でコーティングしてもよい。また該収容物は、透明石英ガラス或いは９５％二酸化ケイ素で形成してもよい。水銀放出ランプは、温度感受性出力を有しているので、ランプの温度を許容動作範囲内に保つように注意しなければならない。例えば、“スリムライソ”の水銀アルゴンランプは、５０℃±１０℃の範囲が最適である。反応器を通過した流体が約１８℃乃至２８℃の範囲の温度を有する室内空気であるとき、ランプ温度は、７０℃以下であることが好ましい。流動体の温度に著しい変化を起こさせる空調機或いは炉の付近で反応器を使用するか、又は該空調機若しくは該炉と反応器とが一体化している場合、ランプの外壁は、約４０℃乃至８０℃の範囲にあることが好ましく、最適なランプ温度（外壁）は、５０℃以下である。他の適当な光源としては、低度ソーラリゼーションガラス収容技術を採用した殺菌ランプ型である。このランプは、フィリップス（Philips）によって商業用に製造され、モデルTUV 30 Ｗ G30T8 UV-C ロングライフ（Model TUV30WG30T8UV -C long-life）である。これらのランプは、コストが低く、紫外線の減損が低く、著しい量のオゾンを生成することはない。これらのランプは、コーティングされた低融点の”ソフト”ガラスで形成される。“ソフト”ガラスは、ある期間にわたってソーラリゼーションが発生する或いは暗くなる傾向を有しているので、この問題を克服するために、ランプは低度ソーラリゼーションガラス収容技術を利用することが好ましい。言及されていない他の光源としては、当業界で周知のものであり、本発明の範囲内にあることは理解できよう。ランプは、チューブ形状でもよく、例えばＵ字状或いは円形といった特定の反応器の形態に合わせるために真っ直ぐなチューブ、或いは所望の形状に曲げられたチューブでもよい。ランプを曲げることによって、光子をより効率的に分散でき、ランプの数を減少させることができる。ランプ数の減少は、所望の照射レベルを達成するために必要な安定抵抗、コネクタ、及びランプのコストを下げるのに好適である。効率及び容量を増加させるために反応器１００に更に構造体を追加してもよい。図５は、該構造体を追加した状態を図示したものである。送風機１１８は、流体、特に空気などの気体を方向１１２に向けて流しやすくするために追加される。送風機１１８は、ファン或いは流体を流すその他の装置で構成してもよい。若しくは、反応器の外部にある加熱、通気、或いは空調装置のファンのような図示されない装置で流体を流してもよい。加えて、プレフィルタ１２０を、反応器１００内に配置してもよく、もって流体は、フィン１０２を含む領域に進入する前にプレフィルタ１２０を通過する。プレフィルタ１２０は、光触媒の汚損及び失活を防止するために流動体内の粒子を除去するように設計された捕獲装置或いは粒子フィルタでもよい。反応器１００は、流動体内に位置するポストフィルタ１２２をフィン１０２の後に有してもよい。ポストフィルタは、フィン１０２からズレた光触媒粒子を捕獲するように設計されている。更に、ポストフィルタ１２２は、光触媒反応によって変換された生成物を捕獲するためのスクラッバー、吸着ベッド、或いは反応物ベッドで構成してもよい。反応器１００に追加する他の構造体としては、汚染物濃度の過度状態の期間を縮める、即ち、ピーク過度状態の期間を縮めて酸化の期間を延長するべく、反応器の汚染物の流動を緩衝するための図示せぬ吸収性緩衝液があり、該吸収性緩衝液はフィン１０２の前の流動体内に配置されている。緩衝液は、ピーク濃度期間において、汚染物分子を保持し、低濃度期間及びある期間中において、堆積した化合物を解放する。光触媒によって変換された進入汚染物分子の割合は、濃度の増加とともに概ね減少するので、緩衝液を使用すれば、ピーク期間における化合物の濃度を減少させることによって反応器の効率を上げる。吸収性緩衝液の例として、モレキュラーシーブ１３Ｘのようなゼロライト、活性炭、及びHEPAフィルタ、羊毛、のような高表面積素材、或いは高面積二酸化チタンである。吸収性緩衝液は、ほんの短い期間だけ不要な化合物を貯めるもので、該化合物が該緩衝液の容積分に達したときは効率良く作用することはない。容積分に達した際、緩衝液を交換或いは再生成しなければならない。緩衝液は、貯められた化合物をある期間だけ脱離させることによって再生成されることが好ましく、該期間は、約数分、数時間、数日である。図示しないオゾン発生器は、有機物質を予め部分的に酸化させるために反応器１００とともに利用することができ、その後の光触媒変換を促進させる。オゾン発生器は、流動体内にオゾンを発生させて汚染物の光触媒変換を容易にするために設けることが好ましい。発生したオゾンは、反応器から流出する前に好ましくは分解する。適当なオゾン生成器の例として、光触媒活性ランプでもあるオゾン生成紫外線ランプがある。図示せぬセンサは、光源の一部或いは全部が非動作状態であるとき、使用者に警告するために表示器が取り付けられている反応器１００に備えてもよい。センサは、例えばフォトダイオード或いは光源を通る電流を測定するための装置で構成してもよい。センサは、光源によって提供された照明が特定のしきい値を満たすことができないときは、可聴或いは可視アラーム、又はアラーム信号を出力するか、又は例えばワイヤ、モデム、或いはテレメータシステムを介して自動点検通知を発するようにしてもよい。照射の損出が著しいときは、自動的に動作が停止するように反応器を設計してもよい。更なる安全装置の例としては、反応器が動作する際、光源の動作を自動的に停止させるようなインタロックである。フィン１０２及び／又はランプ１０４を備える反応器１００の一部或いは反応器１００は、モジュラーサブアセンブリ（modular subassembly）として形成され、図示せぬより大型の反応器を形成するために他のサブアセンブリに接続してもよい。このモジュラーサブアセンブリを使用することで、反応器の構造を簡素化するだけでなく反応器の整備がより簡単になる。サブアセンブリは、直列或いは並列に接続してもよい。サブアセンブリが交換を必要としている際、新たなサブアセンブリをその場所に挿入することができる。若しくは、フィン１０２を水或いは溶剤で洗浄する、又は光触媒表面を再生成するためにモジュールを加熱することによってサブアセンブリを再活性させてもよい。再活性させたサブアセンブリは、その後反応器に戻してもよい。図６及び図７は、本発明に係る反応器３００の他の実施例を図示している。この実施例において、フィン３０２は、中心コア３２４の周りを放射状に、且つコア３２４の長手軸に平行に配置された互いに交差することのないプレートである。光源３２４は、コア３２４を中心に同心配置され、フィン３０２に垂直な１つ以上の環状チューブを備え、フィン３０２の表面を照らす。フィン３０２は、光触媒が備えられる支持構造体を提供する。流動体は、フィン３０２に平行である全体的な方向３１２の向きに流れる。フィン３０２は、中心リング３２６からなるサブアセンブリに構成してもよく、フィン３０２は、該リングに取り付けられて、等間隔で外方に放射している。この形状の場合、サブアセンブリを容易に取り除くことができ、フィン或いは光源の交換が可能になる。図７は、本発明の実施例に使用するためのフィン３０２の例を提供している。フィン３０２は、フィン１０２に提供された構成と同様に光源３０４が通過する開口３１４を有している。フィン３０２は、光源３０４の取り外しを簡単に行うために分離可能な２つのパーツ３０２a、３０２bから構成してもよい。フィン３０２は、フィン１０２に実質的に類似しており、フィン１０２と同じ設計要件及び素材が適用されることは当業者にとって理解できるものである。更に、発生器１１６に類似した乱流発生器３１６は、流動体を流して、横断流動する渦を発生させる。図１２に図示される反応器３００の他の実施例としては、環状チューブ３０４ではなく、中心コア３２４内に長尺な光源３０４’を含む。このような構成のフィン３０２’は、光源を配置するための開口を含んでも含まなくてもよい。或いは、中心リング３２６は、中心コア３２４に配置された光源３０４’からの光がフィン３０２’を照らすように透明な物体と交換する、又は取り除かれる。光源及び光触媒の選択、並びに実施例の形状をモジュラーサブアセンブリにすること、及び送風機３１８、プレフィルタ３２０、ポストフィルタ、吸収性緩衝液、オゾン発生器、センサの装備を含む反応器３００の設計上の要点は、反応器１００と実質的に同じであることは概ね理解できよう。図８は、本発明の他の実施例を図示している。反応器４００は、フィン４０２を回転させる回転装置４３０に取り付けられた複数のフィン４０２からなるファン４２８を有している。フィン４０２は、中央キャビティ４３２を画成する内径を有するリング形状である。任意で、回転装置４３０に最も近いフィン４０３は、中央キャビティを有さないディスク形状であることが好ましい。フィン４０２、４０３は、該フィンが回転装置４３０と同時に回転できるようにピン４３４を介して互いに保持し合っている。光源４０４は、中央キャビティ４３２内或いはフィン４０２、４０３の周囲の近傍、或いはそれらの組み合わせたものの中に設けられる。流体は、全体的な方向４１２に向かって、反応器４００に進入する。従って、流体は、中央キャビティ４３２を通過して、フィン４０２、４０３の回転によって半径方向にズレる。フィン４０２、４０３は、該フィン４０２、４０３の回転によって発生する剪断力により流体に円心力を掛けるので、空気がフィン４０２、４０３に平行に流れて中央キャビティ４３２から離れる。ピンは、該フィンが回転する際、空気を半径方向に流して流量が増加するように設計してもよい。流体がフィン４０２と４０３との間を流れる際、流体は、フィン４０２、４０３に備えられた光触媒に接触する。発生器１１６に類似した図示せぬ乱流発生器は、フィン４０２、４０３に取り付けられ、フィン表面に流れる流量を増加させるために使用することができる。フィン４０２、４０３の素材及び設計上の要点は、フィン１０２の場合に類似している。更に、本実施例の形態をモジュラーサブアセンブリにすること、送風機、プレフィルタ、ポストフィルタ、吸収性緩衝液、オゾン発生器、及びセンサの装備並びに光源及び光触媒の選択を含む反応器４００の設計上の要点は、実質的に反応器１００の場合と同様であることは概ね理解できよう。本発明の他の実施例を図９及び図１０に示す。この実施例において、フィン５０２は、光源５０４に実質的に垂直に延びているひだ５３６を有している。フィン５０２及び光源５０４は、光触媒がコーティングされたフイン５０２の表面に形成される影を最小にするような形態である。この形態は、実質的に平坦で均等なひだ表面で使用することが最適である。或いは、該ひだの実質的表面に照射の多様性或いは影を提供して、フィン５０２の光触媒を部分的に不活にするか又は減退させるようにしてもよい。上記実施例において、フィン５０２は、少なくとも２０、好ましくは１００を越えるひだを有している。ひだとひだとの間の角度は、好ましくは約２０°以下であり、５°以下が最適である。ひだの開口５３７は、好ましくは０．７５cm以下が好ましく、０．２５cm以下が最適である。ひだ５３６は、好ましくは２cmの深さを有することが好ましく、８cm以上が最適である。反応器の光触媒部の体積に対する表面積比は、好ましくは０．２５cm^-1以上が好ましく、４cm^-1以上が最適である。フィン５０２は、金属、プラスチック、ポリマー、紙、布、或いは繊維のような素材で構成される。図９に示される本発明の実施例において、フィン５０２は、全体の流れ５１２に垂直に配置される。本発明の一実施例は、流体が通過できる紙或いは布のような多孔性素材で構成されるフィン５０２を有する。本発明の該形態によって、光触媒と流体との最適な接触が提供される。しかし、流体の流れがフィンによって遮断されるため、結果として反応器における圧力低下に影響する。この形態の場合、圧力低下は、フィン素材の孔の大きさに関係している。孔のサイズを小さくすると、圧力低下は大きくなるが、望ましくない化合物の光触媒への移動を向上させることができる。好適な孔の大きさは、1000ミクロン以下であり、好ましくは１０ミクロン以下である。本発明の図示せぬ他の実施例は、流体の全体の流動方向５１２に平行なひだ５３６及びフィン５０２を形成している。これによって、反応器には、前述のひだ状フィン反応器よりも小さい圧力低下が提供される。しかし、化合物の光触媒への移動は減少する。実施例の形態をモジュラーアセンブリにすること、送風機、プレフィルタ、ポストフィルタ、吸収性緩衝液、オゾン発生器、及びセンサの装備、並びに光源及び光触媒の選択を含む反応器５００の設計上の要点は、反応器１００の場合と実質的に同じである。本発明の他の実施例において、図１１に示されるように、光触媒の支持取り付け具は、略星形の１つ以上のひだ６３６を有する表面によって画成される円筒形状の１つ以上のキャビティ６４０を有する形成ブロック６３８である。該形成ブロック６３８は、金属、発泡剤、繊維、プラスチック、或いはポリマーで形成してもよく、鋳造のような処理を介して容易に製造できるように１つ以上の部材で構成してもよい。光触媒は、ひだ６３６の表面上に備えられる。図示していないが光源１０４に実質的に類似している長尺な光源は、光源の長手軸と略平行な長手軸を有するキャビティ６４０を備えている。光源は、ひだ６３６の全表面を照らすためにキャビティ６４０の全長に沿って好ましくは延びている。キャビティ６４０は、流体がひだ６３６の表面に沿って流れるように、流動体の全体の流動方向６１２に平行に整列している。任意で、ひだを含むブロックは、多孔性素材で形成され、流体はブロックに進入して通過することができる。キャビティ６４０は、良好な製造及び整備が行えるように小さな通路６４２によって連結される。実施例の形態をモジュラーサブアセンブリにすること、送風機、プレフィルタ、ポストフィルタ、吸収性緩衝液、オゾン発生器、センサの装備、並びに光源及び光触媒の選択を含むこの反応器の設計上の要点は、実質的に反応器１００と等しいことは概ね理解できよう。本発明の反応器の効率の測定値を、Ｋ_effＡ_n/Ｖとする。このとき、Ｋ_eff＝汚染物、触媒、照度、汚染物の濃度、他の物質の濃度、及び物質移動によって決定する有効表面率定数、Ａ_n＝ｎ段の反応器の活性触媒表面積、Ｖ＝反応器の体積、室内空気浄化の条件に対して、以下の関係が成り立つ。Ｋ_effＡ_n/Ｖ＝−Qln(Ｃ_out/Ｃ_in)/Ｖ、ここでＱ＝反応器を通過する体積流量であり、Ｃ＝汚染物濃度である。例えば、流体が室内空気の場合、本発明に基づく効率のよい装置は、標的となる汚染物がホルムアルデヒドのような場合、２５min^-1以上、好ましくは７５min^-1 以上、最適なものとして、１００min^-1以上の値をＫ_effＡ_n/Ｖが有していることが必要である。移動及び貯蔵の際、光触媒の汚損及び不活を最小にする環境内に反応器を保管することが必要である。例えば、光触媒は、シリコン及び窒素酸化物を含む気体、粉じん粒子によって引き起こされる損傷を受けやすい。光触媒を保護するために、有効レベルのシリコン、窒素酸化物或いは揮発性有機化合物（VOC's）を含有せず、有効量のVOC'sをオフガス（off-gas）せず、VOC's、シリコン或いは窒素酸化物の拡散による進入を防ぐ閉塞コンテナ内に貯蔵して船積みすることが好ましい。この素材として、例えばテドラー（登録商標）(デュポン)（Tedlar）（DuPont）のような低浸透率のポリマーがある。例１図１乃至図５に図示されたタイプの反応器を構成して試験を行った。寸法が９．６２”×１０”×０．０２４”であり、図４に示された形状を有し、突出した乱流発生器を備えた１４８のアルミニウムフィンは、砂吹きして表面に凹凸を形成した。フィンは、二酸化チタン光触媒（ベイヤー社、ベイヤーチタン A VP P K 5585）(Bayer Corp.，Bayertitan A VP PK 5585)と、アルミナ（ビスタ・ディスパル23N4−20アルミナソル）(Vista Dispal 23N4−20alumina sol.)とを１：１で混合して、スプレーコーティングした。フィンは、互いに平行に配置し、フィン間隔が約０．２”であるような形状とした。主に２５４nm（フィリップ TUV 30 W G30T8 UV-Cロングライフ）で発光する６つの殺菌ランプをフィンに挿入した。各ランプに入力される電力は合計で３０ワットとした。反応器の光触媒部は、高さが９．６２”、幅を１０”とした。連続流量実験を行った。装置における流量は、熱線風速計を用いて１５７ft³/ minとした。反応器の入口の真下に位置する加熱板及び注射器ポンプを用いて、溶液を単位時間毎に周知の体積で蒸発させることによって、ホルマリン溶液（水中における１２％（wt.）のメタノール及び３７％（wt.）のホルムアルデヒド）を、汚染物として空気中に放置した。反応器の出口の濃度は、光音響赤外線分析器を用いて測定した。まず、反応器は、触媒表面上での吸収によって濃度変化が起こるように光を消して作動させる。暗闇の中の汚染物の安定状態の濃度は、ホルムアルデヒドが２．３７ppmv及びメタノールが０．８５ppmvであった。光を照らして、汚染物の光触媒変換を開始させた。化合物の安定状態濃度は、２０分で達成された。ホルムアルデヒドの濃度は、０．８３ppmvであり、６５％の変換を行った。この結果から、反応器の効率Ｋ_effＡ_n/Ｖは、ホルムアルデヒドの場合、８８min^-1であった。光触媒反応器の効率は、反応物の触媒表面への物質移動と、触媒表面上の反応と、光子の分散或いは該表面への照射とからなる３つの主な処理の理論的要因に基づいてモデル化或いは算出される。物質移動、或いは光触媒反応器による汚染物の消費率は、次の式によって表すことができる。ここで、Ｃ_pは、バルク流体相の濃度、Ｃ_psは、触媒の表面における濃度であり、Ａは、触媒の面積である。物質移動係数ｋｍは、汚染物がバルク流体相から表面に移動する比率に関係している。これは、層流或いは乱流に関する文献に記載されている標準的な相関関係から決定される。触媒の表面上の汚染物の消費率は、反応の割合に対するラングムアルティンシエルウッド（Langmuir ltinshelwood）型の式によって示され、形成された装置の場合は以下の式となる。ここで、Ｃ_wは水、Ｃ_mはメタノールの濃度である。Ｉは、ローカルイラジアンス (local irradiance)、Ｋ_oは速度定数、定数Ｋ_p、Ｋ_w、Ｋ_mは平衡吸収定数である。メタノールのような他の汚染物及び水のように反応箇所を競合する他の物質は、等式の分母を変形することによって、モデル化された効率に含むことができる。通常、水及びメタノールの濃度は、表面上における濃度であるが、ホルムアルデヒドのような汚染物と比べて、消費される割合は比較的低く、濃度はバルク流体中の値とほぼ等しいと仮定することができる。式（Ｉ）及び式（II）を解く際、光触媒表面における照射を決定する。距離の逆数の２乗として減衰するＩ_Oを有する各点光源を１組にしたものによってランプ表面が構成されると仮定して、光子の分散、或いはランプによる照射をモデル化する。反応器の触媒表面上のある点における照射は、全可視光源による効果を合計したものである。照射は、ランプの発光特性及び位置並びに触媒表面の幾何学形状を用いて算出される。与えられた定数を用いて、式（Ｉ）及び式（II）を同時に解いて反応器における汚染物の濃度変化の様子が決定される。或いは、上記等式は、他の形態に使用される定数を決定するべく、他の反応器からのデータに合わせて使用される。これらのモデル化判定基準を用いて、反応器の他の形態がモデル化されて、各特定の形態におけるモデル化の結果を表１に示す。ホルムアルデヒドを汚染物モデルとし、層流のｋ_mを流体が通過する構造体の水力半径に対する流体の拡散率の比の２．５倍として、モデル化を行った。ここで、水力半径とは、構造体の内周長に対する構造体の断面積の比である。使用される他の定数としては、ｋ_O＝７９．９、Ｋ_p：０．８６８、Ｋ_w＝３．５であり、Ｉは、mW/cm²で測定する。これらの関係を用いて、反応器の他の形態を数学的にモデル化し、その結果を表１に示す。長さは、板の数及び板の間隔によって決定する。ケース１，２，４，及び５（図１参照）において、反応器の光触媒部分の長さは、３３．４”であった。ケース３において、長さは、板間隔を増加したために４９．８”であった。これらのモデル化の結果から、フィン数の増加、フィン間隔の縮小、ランプ数の増加、乱流発生器の装備は、それぞれ本発明の反応器の効率を向上させる要因であることが分かる。例２図１１に示される型の反応器は、小部屋用のエアクリーナ（ハニーウェルエンビラケアー、ヘイガースタウン、ＭＤ、パート＃１１２００）(Honeywell Envir acaire，Hagerstown，MD，part#11200)である。該クリーナは、円筒形HEPAエアフィルタエレメント（ハニーウェルエンビラケアー、ヘイガースタウン、ＭＤ、タイプEV５０）(Honeywell Enviracaire，Hagerstown，MD，type EV50)を含んでいる。該フィルタエレメントの角にある小型送風機は、ポンプで空気を半径方向内方に向けてフィルタを通過させ、該空気は、クリーナの底で排出される。該クリーナは、直径８インチの２つの円形蛍光ブラックライト（シルバニア、デンバー、MA FC8T9/350BL/RS）(Sylvania，Danvers，MAFC8T9/350BL/RS)をフィルタカートリッジの内側に取り付けることによってクリーナを光触媒エアクリーナに変えた。フィルタをTiO₂及び水のスラリーに浸漬コーティングすることによって、フィルタ表面を光触媒フィルムTiO₂(ベイヤーチタンAVPPK5585)(Bayertitan AVP PK5585)でコーティングした。ホルマリンの水溶液を蒸発することによって、供給ガスを生成した。該溶液は、注射器ポンプによって、加熱された皿に送られる。蒸気は、ダクトに引き込まれて、ダクト内のファンによって迅速にかき混ぜられポンプによって反応器に送り込まれる。排気ダクトからのガスの速度を測定するデービスLCA 6000（Davis LCA 6000）ベーン風速計を用いて体積流量を測定する。ホルムアルデヒドの濃度は、ブルーエル（Bruel）及びジャエアー型（Kjaer） 1302光音響赤外線マルチガスモニタによって測定した。表２に実験の結果を示す。ここで、“SPR”は、ホルムアルデヒドが反応器を１回パスした後におけるホルムアルデヒドの減少をパーセントで示したものである。Ｋ_effＡ_n/Ｖとして測定されたユニットの効率は、４４ワットのランプへの入力電力にて、１３．８min^-1であり、光触媒がコーティングされたフィルタは、ひだを均等に有しておらず、フィルタ表面への影が最小化されなかったので、該装置の効率は特によいわけではなかった。例３反応器を図９の如く構成した。反応器は、光触媒がコーティングされた１枚のひだ状の支持構造体からなり、該支持構造体は両側から照射される。反応器は、ひだ状構造体表面に影が形成されないように構成されている。該触媒は、エタノールの２０％溶液を用いてチーズクロス（cheesecloth）製の支持構造体に捨て塗りされたデガッサ（Degussa）Ｐ25二酸化チタンで構成した。供給ガスは、９３００±３００ppmの水を含んだホルムアルデヒドである。流量は、３００±２０ft³/minであった。３６５nmのブラックライトランプ及びひだは、影を形成しないように配置される。出口及び入口濃度が５％以内になるまで、ランプをオフにして、装置を平衡状態にさせる。次いで該装置は、ランプをオンにして安定状態になるように更に１時間動作させた。出口での反応物の濃度を３０分間観測した。酸化した反応物の量は、反応物が光触媒に移動することによって制限されることが分かった。結果を表３に示す。これらの結果は、全てコンピュータのモデル化によって予想された結果の５％以内であった。参照箇所として、光触媒を備えたチーズクロスのひだのない層は、８％の変換を提供することが予想される。この装置は、物質移動が完全に制限された。例えば、孔の直径を０．５mmに縮小すると、高いパーセンテージの変換が予想され、物質移動が向上する。Ｋ_effＡ_n/Ｖとして測定されたユニットの効率は、１６０ワットのランプへの入力電力にて、６８．８min^-1であった。この結果から効率のよい反応器であることが分かった。照射強度の差を考慮するために例３及び例２の結果を正規化した後、１００ワットの入力電力を基本として用いた結果、Ｋ_effＡ_n/Ｖは、例２の反応器の場合は２０．８min^-1であり、例３の反応器の場合５４．４min^-1であった。２つの反応器における効率の差は、例３の反応器において影の形成を回避するようにひだ表面を少なくとも１部構成したためである。例４フィン内に形成された環状リングとしてではなく中心コアに配設されたランプを備えた図６の反応器に類似する理論反応器をモデル化した。フィンは、ランプ周辺に等間隔に配置して、外方に放射している。ランプの直径は、２５mmであった。ランプの周は、７９mmであり、４０のフィンがランプの周辺に挿入され、ランプ表面近傍にて約２mmのフィン間隔を提供する。この形状によって、光触媒がコーティングされた単純なシリンダに対して光触媒活性表面の大きい反応器が提供され、且つ、該シリンダに対して汚染物の光触媒変換を増加させ、構造体における圧力低下には殆ど影響しない結果となった。例５図６及び図７に示される反応器をモデル化した。該モデルには、二酸化チタンを含有するフィンを備える反応器１段につき２０Ｗのランプが使用されている。二酸化チタンによる汚染物の光触媒変換の速度定数は、実験の測定値から算出された。モデルは、２ppmのホルムアルデヒド及び４ppmのメタノールを含む室内空気の供給に基づいている。予想される変換率を表４に示すＫ_effＡ_n/Ｖとして測定された理論モデルに基づくユニットの予想効率は、変換が５０％を越える表４のユニットの場合に対して１００min^-1程度である。このＫ_effＡ_n/Ｖの値から、反応器は、効率がよいということが分かる。上記の本発明は、契約番号70NANB5H1125のアドバンスドテタノロジープログラム（Advanced Technology Program）の下、ナショナル・インスティチュート・オブ・スタンダード・アンド・テクノロジー(National Institute of Standard and T echnology)の財政支援によって達成された。上記明細書、例、及びデータから、本発明の構成物の使用及び製造に関する記述が完成される。本発明の範囲及び趣旨を逸脱しない限り本発明の多数の実施例が可能となるため、本発明は、添付された請求項に従うものである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１１年１月１３日（１９９９．１．１３）【補正内容】の体積に対する表面積比は、好ましくは０．２５cm^-1以上が好ましく、４cm^-1以上が最適である。フィン５０２は、金属、プラスチック、ポリマー、紙、布、或いは繊維のような素材で構成される。図９に示される本発明の実施例において、フィン５０２は、全体の流れ５１２に垂直に配置される。本発明の一実施例は、流体が通過できる紙或いは布のような多孔性素材で構成されるフィン５０２を有する。本発明の該形態によって、光触媒と流体との最適な接触が提供される。しかし、流体の流れがフィンによって遮断されるため、結果として反応器における圧力低下に影響する。この形態の場合、圧力低下は、フィン素材の孔の大きさに関係している。孔のサイズを小さくすると、圧力低下は大きくなるが、望ましくない化合物の光触媒への移動を向上させることができる。好適な孔の大きさは、1000マイクロメートル以下であり、好ましくは１０マイクロメートル以下である。本発明の図示せぬ他の実施例は、流体の全体の流動方向５１２に平行なひだ５３６及びフィン５０２を形成している。これによって、反応器には、前述のひだ状フィン反応器よりも小さい圧力低下が提供される。しかし、化合物の光触媒への移動は減少する。実施例の形態をモジュラーアセンブリにすること、送風機、プレフィルタ、ポストフィルタ、吸収性緩衝液、オゾン発生器、及びセンサの装備、並びに光源及び光触媒の選択を含む反応器５００の設計上の要点は、反応器１００の場合と実質的に同じである。本発明の他の実施例において、図１１に示されるように、光触媒の支持取り付け具は、略星形の１つ以上のひだ６３６を有する表面によって画成される円筒形状の１つ以上のキャビティ６４０を有する形成ブロック６３８である。該形成ブロック６３８は、金属、発泡剤、繊維、プラスチック、或いはポリマーで形成してもよく、鋳造のような処理を介して容易に製造できるように１つ以上の部材で構成してもよい。光触媒は、ひだ６３６の表面上に備えられる。図示していないが光源１０４に実質的に類似している長尺な光源は、光源の長手軸と略平行な長手軸を有するキャビティ６４０を備えている。光源は、ひだ６３６の全表面を照らすためにキャビティ６４０の全長に沿って好ましくは延びている。（DuPont）のような低浸透率のポリマーがある。例１図１乃至図５に図示されたタイプの反応器を構成して試験を行った。寸法が２４．４cm×２５．４cm×０．０６１cm（９．６２”×１０”×０．０２４”）であり、図４に示された形状を有し、突出した乱流発生器を備えた１４８のアルミニウムフィンは、砂吹きして表面に凹凸を形成した。フィンは、二酸化チタン光触媒（ベイヤー社、ベイヤーチタン A VP PK 5585）(Bayer Corp.，Bayertitan A VP PK 5585)と、アルミナ（ビスタ・ディスパル 23N4-20アルミナソル）(V ista Dispal 23N4-20alumlnasol.)とを１：１で混合して、スプレーコーティングした。フィンは、互いに平行に配置し、フィン間隔が約０．５cm（０．２”）であるような形状とした。主に２５４nm（フィリップ TUV30 W G30T8 UV-Cロングライフ）で発光する６つの殺菌ランプをフィンに挿入した。各ランプに入力される電力は合計で３０ワットとした。反応器の光触媒部は、高さが２４．４cm( ９．６２”) 、幅を２５．４cm（１０”）とした。連続流量実験を行った。装置における流量は、熱線風速計を用いて４．４５m³ /min（１５７ft³/min ）とした。反応器の入口の真下に位置する加熱板及び注射器ポンプを用いて、溶液を単位時間毎に周知の体積で蒸発させることによって、ホルマリン溶液（水中における１２％（wt.）のメタノール及び３７％（wt.）のホルムアルデヒド）を、汚染物として空気中に放置した。反応器の出口の濃度は、光音響赤外線分析器を用いて測定した。まず、反応器は、触媒表面上での吸収によって濃度変化が起こるように光を消して作動させる。暗闇の中の汚染物の安定状態の濃度は、ホルムアルデヒドが２．３７ppmv及びメタノールが０．８５ppmvであった。光を照らして、汚染物の光触媒変換を開始させた。化合物の安定状態濃度は、２０分で達成された。ホルムアルデヒドの濃度は、０．８３ppmvであり、６５％の変換を行った。この結果から、反応器の効率Ｋ_effＡ_n/Ｖは、ホルムアルデヒドの場合、８８min^-1であった。光触媒反応器の効率は、反応物の触媒表面への物質移動と、触媒表面上の反応と、光子の分散或いは該表面への照射とからなる３つの主な処理の理論的要因にする。反応器の触媒表面上のある点における照射は、全可視光源による効果を合計したものである。照射は、ランプの発光特性及び位置並びに触媒表面の幾何学形状を用いて算出される。与えられた定数を用いて、式（Ｉ）及び式（II）を同時に解いて反応器における汚染物の濃度変化の様子が決定される。或いは、上記等式は、他の形態に使用される定数を決定するべく、他の反応器からのデータに合わせて使用される。これらのモデル化判定基準を用いて、反応器の他の形態がモデル化されて、各特定の形態におけるモデル化の結果を表１に示す。ホルムアルデヒドを汚染物モデルとし、層流のｋ_mを流体が通過する構造体の水力半径に対する流体の拡散率の比の２．５倍として、モデル化を行った。ここで、水力半径とは、構造体の内周長に対する構造体の断面積の比である。使用される他の定数としては、ｋ_O＝７９．９、Ｋ_p＝０．８６８、Ｋ_w＝３．５であり、Ｉは、mW/cm²で測定する。これらの関係を用いて、反応器の他の形態を数学的にモデル化し、その結果を表１に示す。長さは、板の数及び板の間隔によって決定する。ケース１，２，４，及び５（図１参照）において、反応器の光触媒部分の長さは、８４．８cm（３３．４”）であった。ケース３において、長さは、板間隔を増加したために１２６．５cm（４９．８”）であった。これらのモデル化の結果から、フィン数の増加、フィン間隔の縮小、ランプ数の増加、乱流発生器の装備は、それぞれ本発明の反応器の効率を向上させる要因であることが分かる。例２図１１に示される型の反応器は、小部屋用のエアクリーナ（ハニーウェルエンビラケアー、ヘイガースタウン、ＭＤ、パート＃１１２００）(Honeywell Envir acaire，Hagerstown，MD，part＃11200)である。該クリーナは、円筒形HEPAエアフィルタエレメント（ハニーウェルエンビラケアー、ヘイガースタウン、ＭＤ、タイプEV５０）(Honeywell Enviracaire，Hagerstown，MD，type EV50)を含んでいる。該フィルタエレメントの角にある小型送風機は、ポンプで空気を半径方向内方に向けてフィルタを通過させ、該空気は、クリーナの底で排出される。該クリーナは、直径２０．３cmの２つの円形蛍光ブラックライト（シルバニア、デンバー、MA FC8T9/350BL/RS）(Sylvania，Danvers，MA FC8T9/35OBL/RS)をフィルタカートリッジの内側に取り付けることによってクリーナを光触媒エアクリーナに変えた。フィルタをTiO₂及び水のスラリーに浸漬コーティングすることによって、フィルタ表面を光触媒フィルムTiO₂(ベイヤーチタンAVPPK5585)（Bayertita n AVPPK5585）でコーティングした。ホルマリンの水溶液を蒸発することによって、供給ガスを生成した。該溶液は、注射器ポンプによって、加熱された皿に送られる。蒸気は、ダクトに引き込まれて、ダクト内のファンによって迅速にかき混ぜられポンプによって反応器に送り込まれる。排気ダタトからのガスの速度を測定するデービスLCA 6000（Davis LCA 6000）ベーン風速計を用いて体積流量を測定する。ホルムアルデヒドの濃度は、ブルーエル（Bruel）及びジャエアー型（Kjaer） 1302光音響赤外線マルチガスモニタによって測定した。表２に実験の結果を示す。ここで、“SPR”は、ホルムアルデヒドが反応器を１回パスした後におけるホルムアルデヒドの減少をパーセントで示したものである。Ｋ_effＡ_n/Ｖとして測定されたユニットの効率は、４４Ｗのランプへの入力電力にて、１３．８min^-1であり、光触媒がコーティングされたフィルタは、ひだを均等に有しておらず、フィルタ表面への影が最小化されなかったので、該装置の効率は特によいわけではなかった。例３反応器を図９の如く構成した。反応器は、光触媒がコーティングされた１枚のひだ状の支持構造体からなり、該支持構造体は両側から照射される。反応器は、ひだ状構造体表面に影が形成されないように構成されている。該触媒は、エタノールの２０％溶液を用いてチーズクロス（cheesecloth）製の支持構造体に捨て塗りされたデガッサ（Degussa）Ｐ25二酸化チタンで構成した。供給ガスは、９３００±３００ppmの水を含んだホルムアルデヒドである。流量は、８．５±０．６m³/min（３００±２０ft³/min）であった。３６５ｎｍのブラックライトランプ及びひだは、影を形成しないように配置される。出口及び入口濃度が５％以内になるまで、ランプをオフにして、装置を平衡状態にさせる。次いで該装置は、ランプをオンにして安定状態になるように更に１時間動作させた。出口での反応物の濃度を３０分間観測した。酸化した反応物の量は、反応物が光触媒に移動することによって制限されることが分かった。結果を表３に示す。これらの結果は、全てコンピュータのモデル化によって予想された結果の５％以内であった。参照箇所として、光触媒を備えたチーズクロスのひだのない層は、８％の変換を提供することが予想される。この装置は、物質移動が完全に制限された。例えば、孔の直径を０．５mmに縮小すると、高いパーセンテージの変換が予想され、物質移動が向上する。Ｋ_effＡ_n/Ｖとして測定されたユニットの効率は、１６０Ｗのランプへの入力電力にて、６８．8min^-1であった。この結果から効率のよい反応器であることが分かった。照射強度の差を考慮するために例３及び例２の結果を正規化した後、１０Ｗの入力電力を基本として用いた結果、Ｋ_effＡ_n/Ｖは、例２の反応器の場合は２０．８min^-1であり、例３の反応器の場合５４．４min^-1であった。２つの反応器における効率の差は、例３の反応器において影の形成を回避するようにひだ表面を少なくとも１部構成したためである。例４フィン内に形成された環状リングとしてではなく中心コアに配設されたランプを備えた図６の反応器に類似する理論反応器をモデル化した。フィンは、ランプ周辺に等間隔に配置して、外方に放射している。ランプの直径は、２５mmであった。ランプの周は、７９mmであり、４０のフィンがランプの周辺に挿入され、ランプ表面近傍にて約２mmのフィン間隔を提供する。この形状によって、光触媒がコーティングされた単純なシリンダに対して光触媒活性表面の大きい反応器が提供され、且つ、該シリンダに対して汚染物の光触媒変換を増加させ、構体における圧力低下には殆ど影響しない結果となった。例５図６及び図７に示される反応器をモデル化した。該モデルには、二酸化チタンを含有するフィンを備える反応器１段につき２０Ｗのランプが使用されている。二酸化チタンによる汚染物の光触媒変換の速度定数は、実験の測定値から算出された。モデルは、２ppmvのホルムアルデヒド及び４ppmvのメタノールを含む室内空気の供給に基づいている。予想される変換率を表４に示す請求の範囲１．全体の流動方向を有する流動体内の汚染物を光触媒変換するために使用される反応器であって、光源と、光触媒と、前記光触媒の支持体を提供するために前記流動体内に配置される交差しない複数のフィンであって、前記フィンは、前記流動体の前記全体の流動方向に実質的に平行であり、且つ前記光源に実質的に直角に配置され、又前記光源が前記光触媒を活性化できる波長を有する光を前記光触媒に照らすように形成されたフィンと、からなることを特徴とする反応器。２．前記各フィンは、薄く平坦な板である請求項１に記載の反応器。３．前記各フィンは、前記光源が通る１或いはそれ以上の開口を有する請求項１又は２に記載の反応器。４．前記光源は、１或いはそれ以上のランプからなる請求項１乃至３のいずれかに記載の反応器。５．前記ランプは、円筒形である請求項４に記載の反応器。６．前記ランプは、湾曲している請求項４又は５に記載の反応器。７．前記支持体は、前記光源の周りに放射状に配置されている請求項１乃至６のいずれかに記載の反応器。８．前記フィンは、中心コアから略直角状に放射し、前記中心コアは外周を有し、前記フィンは、前記中心コアの前記外周の周りに略等間隔に配置され、前記光源は、前記中心コアの周りに略同心配置された１或いはそれ以上の環状ランプからなり、前記ランプは、前記フィンを通り、且つ前記光源が前記光触媒を照らすように形成される請求項１乃至７のいずれかに記載の反応器。９．全体の流動方向を有する流動体内の汚染物を光触媒変換するために使用される反応器であって、長手軸を有する１或いはそれ以上の長尺ランプからなる光源と、光触媒と、前記光触媒を支持するために前記流動体内に配置される１或いはそれ以上のフィンであって、各フィンは、１或いはそれ以上のひだからなり、前記ひだは、前記流動体の方向に実質的に平行に配列され、前記ランプ及びフィンは、前記ひだに形成される陰影を最小にして、前記光触媒を活性化させる量の光を前記光触媒に照らすように形成され、前記ランプの少なくとも１つは各フィンに対して配置され、もって前記配置されたランプの前記長手軸は、前記フィンの前記ひだに直角となるフィンと、からなる反応器。１０．前記フィンは、前記流動体の全体の流動方向に平行に配置される請求項９に記載の反応器。１１．前記フィンは、多孔を有する請求項９に記載の反応器。１２．前記フィンは、前記流動体が前記多孔を有するフィンを通過するように配置されている請求項１１に記載の反応器。１３．前記各フィンは、少なくとも１００のひだからなる請求項９乃至１２のいずれかに記載の反応器。１４．前記各ひだは、少なくとも深さが２cmである請求項９乃至１３のいずれかに記載の反応器。１５．前記ひだとひだとの間の角度は、２０°或いはそれ以下である請求項９乃至１４のいずれかに記載の反応器。１６．全体の流動方向を有する流動体内の汚染物を光触媒変換するために使用される反応器であって、１或いはそれ以上のシリンダであって、前記シリンダは、前記流動体が前記全体の流動方向に向かって前記各シリンダを通過して、前記各シリンダは、内表面と長手軸とからなり、前記各シリンダの前記内表面は、前記シリンダの前記長手軸に実質的に平行に延びている１或いはそれ以上のひだを有するシリンダと、前記各シリンダの前記内表面に配置された光触媒と、前記光触媒を活性化できる波長を有する光を前記光触媒に照らすために前記各シリンダ内に長手方向に配置された光源と、からなる反応器。１７．１或いはそれ以上の前記シリンダは、互いに連結され形成ブロックとなる請求項１６に記載の反応器。１８．前記形成ブロック及び前記ひだは、流体の通過を許容する多孔性素材で形成されている請求項１７に記載の反応器。１９．前記光触媒は、Ｘを０から１までの値としたとき、TiO₂、ZnO、CaTiO₃、S nO₂、MoO₃、Fe₂O₃、WO₃、Nb₂O₅、SiC或いはTi（Zr_1-X）O₂である請求項１乃至１８のいずれかに記載の反応器。２０．更に前記反応器は、前記流動体内に配置されるプレフィルタと、ポストフィルタと、吸収性緩衝剤と、オゾン発生器と、或いはそれらの組み合わせと、からなる請求項１乃至１９のいずれかに記載の反応器。２１．前記フィンは、金属、プラスチック、ポリマー、紙、布、或いは繊維からなる請求項１乃至２０のいずれかに記載の反応器。２２．前記フィンは、光散乱或いは反射表面からなる請求項１乃至２１のいずれかに記載の反応器。２３．前記反射表面は、反射可能なアルミニウム或いはマグネシウムからなる請求項２２に記載の反応器。２４．少なくとも１００の交差しないフィンを有する請求項１乃至２３のいずれかに記載の反応器。２５．前記フィンは、０．２cm以下の厚さを有する請求項１乃至２４のいずれかに記載の反応器。２６．前記フィンは、正方形、長方形、或いは円形である請求項１乃至２４に記載の反応器。２７．前記光触媒は、前記フィンの前面、後面、或いは前後の両面に配置される請求項１乃至２６に記載の反応器。２８．前記光触媒は、実質的に酸化不可能な結合剤によって結合されている光触媒粒子からなる請求項１乃至２７に記載の反応器。２９．直列或いは並列に連結して使用される１或いはそれ以上の請求項１乃至２８のいずれかの反応器からなるモジュラー反応器アセンブリ。３０．流動体から汚染物を取り除く方法であって、前記汚染物を含有する流動体を全体の流動方向に流して、前記全体の流動方向に実質的に平行に配置される交差しない複数のフィンに前記流動体を通過させるステップと、前記交差しないフィンに配置された光触媒粒子を、前記フィンに実質的に直角に配置される光源で照らして活性化させるステップと、前記汚染物と前記光触媒とを接触させて前記汚染物の反応を触媒して前記汚染物を前記流動体から取り除くステップとからなる方法。３１．流動体から汚染物を取り除く方法であって、前記汚染物を含有する流動体を全体の流動方向に流して、前記流動体の方向に実質的に平行に配列され、陰影を最小限に形成するような１或いはそれ以上のひだからなる１或いはそれ以上のフィンに前記流動体を通過させるステップと、前記フィンの前記ひだに直角な長手軸を少なくとも１つ有するように前記フィンに対して配置された１つ或いはそれ以上のランプから、前記フィンによって支持されている光触媒を活性化できる量の光を出して前記光触媒を照らすステップと、からなる方法。３２．流動体から汚染物を取り除く方法であって、前記汚染物を含有する流動体を全体の流動方向に流して、内表面及び長手軸からなり、前記内表面が前記長手軸に実質的に平行に延びている１或いはそれ以上のひだを各々が有している１或いはそれ以上のシリンダに前記流動体を通過させるステップと、前記各シリンダ内で長手方向に配置された光源を備える前記シリンダの前記内表面に配置された光触媒を活性化できる波長を有する光で、前記光触媒を照らすステップと、からなる方法。３３．前記流動体は、液体の流動体からなる請求項３０乃至３２のいずれかに記載の方法。３４．前記流動体は、気体の流動体からなる請求項３０乃至３２のいずれかに記載の方法。３５．前記気体の流動体は、空気からなる請求項３４に記載の方法。３６．前記汚染物は、揮発性化合物からなる請求項３０乃至３５のいずれかに記載の方法。３７．前記汚染物は、揮発性有機化合物からなる請求項３６に記載の方法。３８．前記汚染物は、溶解ハロゲン化或いは有機化合物からなる請求項３０乃至３７のいずれかに記載の方法。３９．前記汚染物は、微生物からなる請求項３０乃至３５のいずれかに記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０２Ｆ 1/78 Ｃ０２Ｆ 1/78 (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者シトキーウイッツ、スティーブンアメリカ合衆国 78757 テキサス、オースチン、ショール・クリーク・ブルヴァード 6410 (72)発明者ヘラー、エフライムアメリカ合衆国 94611 カリフォルニア、オークランド、スカイライン・ブルヴァード 8101 (72)発明者ハウグスジャー、ポールアメリカ合衆国 01720 マサチューセッツ、アクトン、テイラー・ロード 23

Claims

【特許請求の範囲】１．全体の流動方向を有する流動体内の汚染物を光触媒変換するために使用される反応器であって、光源と、光触媒と、前記光触媒の支持体を提供するために前記流動体内に配置される交差しない複数のフィンであって、前記フィンは、前記流動体の前記全体の流動方向に実質的に平行であり、且つ前記光源に実質的に直角に配置され、又前記光源が前記光触媒を活性化できる波長を有する光を前記光触媒に照らすように形成されたフィンと、からなることを特徴とする反応器。２．前記各フィンは、薄く平坦な板である請求項１に記載の反応器。３．前記各フィンは、前記光源が通る１或いはそれ以上の開口を有する請求項１に記載の反応器。４．前記光源は、１或いはそれ以上のランプからなる請求項１に記載の反応器。５．前記ランプは、円筒形である値求項４に記載の反応器。６．前記ランプは、湾曲している請求項４に記載の反応器。７．前記支持体は、前記光源の周りに放射状に配置されている請求項１に記載の反応器。８．全体の流動方向を有する流動体内の汚染物を光触媒変換するために使用される反応器であって、前記流動体内に配置される交差しない複数のフィンであって、前記フィンは、前記流動体の前記流動方向に略平行に、且つ中心コアから略直角状に放射するように配置され、前記中心コアは外周を有し、前記フィンは、前記中心コアの前記外周の周りに略等間隔に配置されるようなフィンと、前記フィンに配置された光触媒と、前記中心コアの周りに略同心配置された１或いはそれ以上の環状ランプからなる光源であって、前記ランプは、前記フィンを通り、且つ前記光源が前記光触媒を活性化できる波長を有する光を前記光触媒に照らすように形成された光源と、からなる反応器。９．全体の流動方向を有する流動体内の汚染物を光触媒変換するために使用される反応器であって、１或いはそれ以上のランプからなる光源と、光触媒と、前記光触媒を支持するために前記流動体内に配置される１或いはそれ以上のフィンであって、各フィンは、１或いはそれ以上のひだからなり、前記ひだは、前記流動体の方向に実質的に平行に配列され、前記ランプ及びフィンは、前記ひだに形成される陰影を最小にして、前記光触媒を活性化させる量の光を前記光触媒に照らすように形成されたフィンと、からなる反応器。１０．前記フィンは、多孔を有する請求項９に記載の反応器。１１．全体の流動方向を有する流動体内の汚染物を光触媒変換するために使用される反応器であって、前記流動体内に配置される１或いはそれ以上のフィンであって、前記各フィンは、前記流動体に接触するための１或いはそれ以上のひだからなり、前記各フィンは、前記流動体が流れることができる多孔性素材から更に構成されるようなフィンと、前記フィンに配置された光触媒と、１或いはそれ以上の長尺なランプからなる光源であって、前記各ランプは、長手軸を有し、前記ランプの少なくとも１つは、前記各フィンに対して配置され、もって配置された前記ランプの前記長手軸は、前記光触媒を照らす光を提供するために前記フィンのひだに直角となるような光源と、からなる反応器。１２．全体の流動方向を有する流動体内の汚染物を光触媒変換するために使用される反応器であって、１或いはそれ以上のシリンダであって、前記シリンダは、前記流動体が前記全体の流動方向に向かって前記各シリンダを通過して、前記各シリンダは、内表面と長手軸とからなり、前記各シリンダの前記内表面は、前記シリンダの前記長手軸に実質的に平行に延びている１或いはそれ以上のひだを有するシリンダと、前記各シリンダの前記内表面に配置された光触媒と、前記光触媒を活性化できる波長を有する光を前記光触媒に照らすために前記各シリンダ内に長手方向に配置された光源と、からなる反応器。１３．１或いはそれ以上の前記シリンダは、互いに連結され形成ブロックとなる請求項１２に記載の反応器。１４．前記形成ブロック及び前記ひだは、流体の通過を許容する多孔性素材で形成されている請求項１３に記載の反応器。１５．全体の流動方向を有する流動体内の汚染物を光触媒変換するために使用される反応器であって、中央キャビティを有する円筒体を形成するために間隔を有して重ねられた複数の環状フィンであって、前記中央キャビティには前記全体の流動方向に流れる流動体が流れるようなフィンと、前記フィンを回転させて前記流動体に遠心力を掛けて、前記間隔を有して配置されたフィンの間に前記流動体を流すために前記フィンの前記円筒体に連結された回転装置と、前記複数のフィンに配置された光触媒と、前記光触媒を活性化できる波長を有する光を前記光触媒に照らすために前記フィンの光学的近傍にある光源と、からなる反応器。１６．前記光触媒は、Ｘを０から１までの値としたとき、TiO₂、ZnO、CaTiO₃、S nO₂、MoO₃、Fe₂O₃、WO₃、Nb₂O₅、SiC或いはTi（Zr_1-X)O₂である請求項１に記載の反応器。１７．更に前記反応器は、前記流動体内に配置されるプレフィルタと、ポストフィルタと、吸収性緩衝剤と、オゾン発生器と、或いはそれらの組み合わせと、からなる請求項１に記載の反応器。１８．前記フィンは、金属、プラスチック、ポリマー、紙、布、或いは繊維からなる請求項１に記載の反応器。１９．前記フィンは、光散乱或いは反射表面からなる請求項１に記載の反応器。２０．直列或いは並列に連結して使用される１或いはそれ以上の請求項１の反応器からなるモジュラー反応器アセンブリ。