JP2003251341A - 水処理装置 - Google Patents

水処理装置

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JP2003251341A
JP2003251341A JP2002058273A JP2002058273A JP2003251341A JP 2003251341 A JP2003251341 A JP 2003251341A JP 2002058273 A JP2002058273 A JP 2002058273A JP 2002058273 A JP2002058273 A JP 2002058273A JP 2003251341 A JP2003251341 A JP 2003251341A
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JP2002058273A
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Asako Kishida
麻子 岸田
Noriaki Senba
範明 仙波
Yasuhiro Sueoka
靖裕 末岡
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Ind Ltd
三菱重工業株式会社
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 夜間や悪天候時を問わず継続的に触媒作用を
働かせて有害物質の分解処理が可能であるとともに、電
力を他の動力源から供給することなしに、湖沼等に独立
して設置可能な水処理装置を提供する。 【解決手段】 処理水の水面付近に装置本体を浮かせる
シート状浮体と、該シート状浮体上面の太陽光が照射さ
れる位置に設置される、太陽電池と、該太陽電池によっ
て蓄電された電力を用いて発光させる、人工光源と、該
人工光源の近傍に設置され、太陽光および人工光源のス
ペクトル発光域において触媒活性を有する、光触媒と、
を含み、該光触媒に対して処理水を送液して、処理水と
光触媒を接触させることを特徴とする水処理装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、湖沼等における環
境水を処理するのに最適な水処理装置に関し、さらに詳
しくは、環境水中に存在する環境ホルモンに代表される
低濃度有害物質を効率的に分解処理できる水処理装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】河川、湖沼、ダム湖など環境水中には、
例えば環境ホルモンに代表されるような低濃度の有害物
質が存在する。このような低濃度有害物質の処理では、
河川や湖沼のように所有者が明確になっていないため、
管理主体が定まっていない領域が多く、ランニングコス
トを出来るだけ低く抑えて効率的な処理をすることが必
要である。低濃度有害物質の分解処理では、太陽光を有
効利用できるTiO2等の光触媒が、性能及びコストの面で
有利であると考えられる。
【0003】これまでにも太陽光を利用する浮遊型(特
開平11-104629、特開平9-174046)や液送型(実開平6-8
5085、特開平9-131587)水処理技術が提案されている。
浮遊型(表面の液が流れないタイプ)では水面にいかだ
状の浮遊物を浮かせて、この浮遊物の表面に塗布された
酸化チタン等の光触媒の作用によって、水を太陽光の下
で処理する。液送型(表面の液が流れるタイプ)は、主
に河川等の勾配がある程度存在する環境水中、あるい
は、人工的に液を流すことのできる例えばポンプ等によ
る送液が行われる環境水中、において用いられ、水面か
ら僅かに沈めて設置する装置である。光触媒は水面側の
上面に塗布して、装置上面の上部を流れる液が太陽光と
光触媒の作用によって、分解処理される。また従来、浮
体に光触媒を設けて、スクリュー等による搬送路、整流
板を備えた装置が知られており、例えば触媒層が平板波
形状なので太陽の角度が変わっても受光可能とする態様
なども提案されていた。
【0004】しかしながら、これら従来の浮遊型や液送
型装置のように太陽光のみを光源とした場合、夜間や悪
天候時は分解反応が進行せず、水浄化速度には限度があ
るという問題があった。湖沼全体の環境水浄化を行うに
は、太陽光が照射されている間のみならず、夜間や悪天
候時においても積極的に水質浄化を行う必要がある。特
に、湖沼等における環境水中においては、天候の如何に
よって水質が左右されるような状況は好ましいとは言え
ない。このため、昼夜を問わずに水を処理するには、処
理水を効率的に分解処理できる水処理装置が必要であ
り、光触媒の特性および太陽光の特性を十分把握した上
での新しい効率的な水処理法が必要となる。
【0005】一方、従来の水循環装置は、自浄促進や異
物濾過機能を有するものの、上記した低濃度有害物質に
ついては分解しない。また、環境水中では、水を流して
いる間に光触媒装置上に異物等が堆積したり、管状の部
分では詰りや閉塞が生じる場合がある。このような異物
は、触媒の表面に付着してしまい、太陽光を遮る原因に
なっていた。これによって、触媒作用が低下してしま
い、水浄化の効率も低下してしまっていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記問
題点に鑑み、光触媒による環境水の処理において、夜間
や悪天候時を問わず継続的に触媒作用を働かせて有害物
質の分解処理が可能であるとともに、電力を他の動力源
から供給することなしに、湖沼等に独立して設置可能な
水処理装置を開発すべく、鋭意検討した。その結果、本
発明者らは、太陽電池および光触媒それぞれの太陽光ス
ペクトルの作用領域が異なることを利用して、太陽電池
を電力とする人工光源を設けることによって、効率的な
光触媒作用を連続的に発揮させて高い水浄化作用が達成
されて、かかる問題点が解決されることを見い出した。
本発明は、かかる見地より完成されたものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、処
理水の水面付近に装置本体を浮かせるシート状浮体と、
該シート状浮体上面の太陽光が照射される位置に設置さ
れる、太陽電池と、該太陽電池によって蓄電された電力
を用いて発光させる、人工光源と、該人工光源の近傍に
設置され、太陽光および人工光源のスペクトル発光域に
おいて触媒活性を有する、光触媒と、を含み、該光触媒
に対して処理水を送液して、処理水と光触媒を接触させ
ることを特徴とする水処理装置を提供するものである。
ここで、前記シート状浮体は、透明性を有するものが用
いられ、可視光だけでなく紫外領域においても出来るだ
け透明性を有するものがよい。具体的には、ガラス、シ
リカゲルなどの材質からなるシートが挙げられる。
【0008】本発明では、光触媒が、浮体上面の水面方
向に光触媒層として塗布されるとともに、該光触媒層の
上部を処理水が送液する態様が一つの形態として挙げら
れる。また、人工光源が浮体上部に設置されており、人
工光源の外周表面に光触媒が塗布されている態様も挙げ
られる。このような態様の装置では、光触媒が担持され
た人工光源の間、および、人工光源周辺を処理水が送液
する。
【0009】さらに他の形態として、前記光触媒が光透
過性のある粒状の触媒担体に光触媒を担持させた粒状光
触媒である態様が挙げられ、このような粒状触媒は磁性
を帯びたものであってもよい。このような粒状光触媒を
用いる場合には、例えば、人工光源が浮体下部に設置さ
れており、粒状光触媒が浮体上部に配置されるととも
に、浮体上部を処理水が送液する態様、あるいは、人工
光源が浮体内部に設置されるとともに、粒状光触媒が浮
体内部の人工光源間に配置され、人工光源間を処理水が
送液する態様、などが好適に挙げられる。
【0010】また、本発明においては、さらに加えて超
音波発生装置を備え、光触媒に超音波による振動を発生
させることで、光触媒上に堆積してしまう蓄積物、例え
ば苔や微生物などを除去することができる。触媒に付着
する微生物等を除去することで、触媒耐久性及び光透過
性が向上する。さらに、光触媒に処理水を通液する前段
において、該処理水中の異物をろ過する、ろ過手段を備
えることもできる。水中異物をろ過することで、触媒耐
久性及び光透過性が向上する。
【0011】本発明では、太陽電池は好ましくは透明又
は半透明の素材から構成され、太陽光の一部を透過させ
る。これによって、光触媒層との重ねあわせが可能とな
り、装置自体を小型にすることもできる。用いられる太
陽電池の材料は、以下のように分類される。太陽電池
は、シリコン系と化合物太陽電池とに大別されるが、化
合物系(II−VI族やIII−V族など)太陽電池はいずれも
用いることができる。シリコン系の太陽電池には、結晶
系とアモルファス(非結晶系)がある。結晶系は発電効
率が優れており、薄膜系の単結晶(GaAs、InP)や多結
晶(CdS/CdTe、CIS)の他、バルク系でも多結晶は好適
に用いられる。一方、アモルファスを用いる場合には、
ガラス等の低価格基板の上に薄膜状アモルファスシリコ
ンを成長させて作るため、低コスト化が可能である。
【0012】太陽電池は、用いる材料により吸収できる
光の波長が異なる。GaAs、CdTe、CIS 等の化合物半導体
を用いた太陽電池では、GaAsは400-900nm、CdTeは500nm
-900nm、CISは400-1200nm、の各吸収帯域において、太
陽光を充分に吸収できる。また、amorphous-Siを用いた
太陽電池は400-800nm、crystalline-Siを用いた太陽電
池は400-1200nm、のそれぞれの波長領域において短波
長、長波長を有する太陽光の吸収に優れており、a-Siと
c-Siなどの複数の太陽電池を組合せることもできる。太
陽電池の層と光触媒が重なるような場合には、光触媒が
主に作用する紫外領域における吸収が少ないことが必要
であり、上記した太陽電池材料はいずれも好ましく用い
ることができる。
【0013】光透過型太陽電池としては、例えば特開20
01-339087(採光型太陽電池モジュールおよび採光型太
陽電池システム)で提案されたような光透過型太陽電池
を用いることができる。これによれば、光触媒と太陽電
池を重ね置きすることも可能である。ここでの太陽電池
材料は、アモルファスシリコンが多く用いられる。この
ような太陽電池を用いれば、人工光源の電力を装置内部
で独立して供給することができるため、送電可能場所を
超えてどこでも設置可能であり、湖沼等の環境において
は特に有効である。
【0014】本発明において用いられる光触媒成分の種
類としては、例えば、TiO2, ZnO, WO3, SnO, SrTiO3, S
iC, Fe2O3, SiO2, Al2O3, ZrO2, B2O3, P2O3, CdS等が
挙げられる。これら光触媒の形状としては例えば球状、
円柱状、多角粒状、角柱状、楕球形状、板形状等のもの
が挙げられる他、粉末状であってもよい。粒状光触媒と
して用いる場合には、充填や磨耗を考慮して、球形状あ
るいは楕球形状の触媒が好ましい。これらの光触媒成分
は、光触媒層や人工光源に塗布する態様の他、触媒担体
上に担持される場合にも用いられる。本発明において粒
状光触媒を用いる場合には、光透過性のある粒状の触媒
担体に光触媒を担持させる。触媒担体としては光透過性
を有するものであれば特に限定されないが、例えば石
英、シリカゲル、ガラスなど無機系の光透過性のある材
料が好ましい。また、触媒担体は担持面積を大きく確保
する観点からは、多孔質形状又は多孔質材料であること
がよい。そして、光による減衰を起こし難く、耐磨耗性
を有する材料が好ましい。
【0015】粒状光触媒の粒径は通常0.1〜100m
m、好ましくは1.0〜10mmの範囲である。100
mmを超えると粒子が大きすぎて好ましくない。0.1
mm未満だと粒子の製造上困難であるので好ましくな
い。粒径としては、表面積を出来るだけ向上させなが
ら、製造可能な大きさ、例えば3mm程度の粒径が最適
である。
【0016】また、本発明においては、上記粒状光触媒
について磁性を持つ触媒を使用することができ、このよ
うな触媒を使用する場合には、送液した場合にも触媒の
流出を効果的に防止できる。光触媒は他の触媒に比較す
ると防護機能があるので、通常、分解活性作用の劣化は
少ない。しかし、環境水中における長時間の連続使用に
よれば徐々に劣化が進行する。よって、上記のような光
触媒を使用することによって、触媒劣化の原因となる汚
れが付きにくく、また、光触媒の入れ替え等も容易に行
えるので、メンテナンスも容易になる。
【0017】光触媒を用いた有害物質の処理において
は、化学的反応によって対象有害物を分解するものであ
り、通常は酸素存在下で光触媒に太陽光を作用させて、
環境ホルモン等の有害物質を分解する。上記光触媒のう
ち、例えば二酸化チタン(TiO2)を用いる場合、バンドギ
ャップ以上(390nmより短波長)の光で照射すると、価
電子体の電子が伝導帯に励起され、その跡に正孔が生じ
る。正孔は水溶液中の有害物質と反応して、これを酸化
する場合と、二酸化チタン表面に吸着した水およびO
H-、あるいはチタノール基と反応してOHラジカルを生成
し、このラジカルが有害物質を酸化する場合がある。ま
た、電子は水に溶解している酸素を還元して、O2 -ラジ
カルを生じる。このラジカルは、H2O2を経てOHラジカル
を生成すると考えられる。
【0018】ここで、正孔と電子の両者が消費されない
と正孔と電子の再結合が生じてしまい、反応は中止す
る。二酸化チタンによる水処理では、正孔の反応の方が
効率が大きく、電子の反応が遅いので、H22などの電
子受容体を加えることにより再結合を抑制し、処理効率
を促進することができる。以上のような本発明によれ
ば、低ランニングコスト、低イニシャルコストで天候や
昼夜を問わずに環境水の浄化処理が可能となる。また、
光触媒に付着する微生物等を除去、あるいは、水中の不
純物を除去してから触媒設置部分に送液することより、
触媒耐久性及び光透過性を向上させることもできる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る処理装置につ
いて、添付図面を参照しながら、その具体的な実施形態
を詳細に説明する。図1〜図4は各実施の形態における
処理装置全体を模式的に表す斜視図である。
【0020】図1の装置では、光触媒1が浮体3上面の
水面方向に光触媒層として塗布され、光触媒層の上部を
処理水が送液して、光触媒と接触する。装置本体は、シ
ート状浮体3によって処理水の水面付近に配置され、こ
のシート状浮体3上面の太陽光が照射される位置に太陽
電池10が設置される。太陽電池10によって蓄電され
た電力を用いて発光させる人工光源2は、光触媒層の下
部に設けられる。前記光触媒1は、太陽光によって触媒
活性を有して有害物質を分解除去できるとともに、近傍
に設置された人工光源2によっても、該人工光源のスペ
クトル発光域において触媒活性を有する。人工光源とし
ては、254nmや365nmに発光ピークを有するU
Vランプ、360nmにピークを有するブラックライ
ト、太陽光に類似したスペクトルを有するキセノンラン
プなどが用いられる。この人工光源2は防水構造を有し
ている。
【0021】人工光源2の波長域との関係から、光触媒
1としては通常400nm以下の紫外域に光励起波長が存在
する光触媒半導体が用いられる。例えば、励起波長326n
mのSnO2、励起波長344nmのZnS、励起波長388nmのZnO,WO
3,TiO2,SrTiO3などが好適に用いられる。また、上記し
た太陽電池10の種類による透過光の波長域から、太陽
光の波長を有効に利用するには、上記した紫外域で主に
励起させる光触媒を用いる他、例えば透過光に可視光領
域が含まれる場合には、このような領域でも作用する光
触媒を用いることができる。一方、光触媒の種類を選択
もしくは複数組み合わせることによって、作用する光の
範囲を広げることもできる。光触媒は紫外光を使用し
て、太陽電池は可視光や赤外を用いるような組み合わせ
が可能であると考えられる。
【0022】図1の装置では、光触媒1は太陽電池10
が設置された透明な浮体3の上面に塗布されており、上
部からの太陽光を受ける。透明な浮体3の下部からは、
設置された人工光源2から光が入射する。処理水は浮体
3の上部にて光触媒1と接触して、有害物質の分解除去
が行われる。太陽光が照射される間は太陽電池10で蓄
電しながら、光触媒1が太陽光によって作用し、太陽光
が照射されない間は蓄電した電力で人工光源2を発光さ
せて光触媒1を作用させる。また、太陽光が照射される
間においても、太陽電池による蓄電と同時に、人工光源
2を発光させて光触媒1を作用させることもできる。
【0023】本発明では、浮体3上面の太陽光が照射さ
れる面に光触媒1層を設けるが、浮体上部の太陽電池1
0面は広いので、この太陽電池10の広げられた浮体表
面に光触媒1を重ねて塗布することで、処理水の分解効
率が向上する。このような態様によれば、装置に太陽光
が照射される水面付近の広範囲に光触媒が固定して担持
されているので、水浄化が一層促進される。光触媒1層
は太陽電池10が作用する可視光領域では、通常吸収も
少ないので上記態様が有効であるが、ある程度の吸収は
あるので、光触媒1層は分解作用を維持できる範囲で出
来るだけ薄いことが好ましい。または、太陽電池を有し
ない面に対しては、例えば格子状に光触媒1を塗布する
ことができる。
【0024】図2の装置では、人工光源2が浮体3上部
に設置されており、人工光源2の外周表面に光触媒1が
塗布されている。太陽光は平行に入射するが、人工光源
2の場合には場所によって光の強度が異なる。よって、
図2の装置では、光触媒1を人工光源2(UVランプ)の
周囲に設置(塗布)する。これによって、太陽光による
作用は変化しないが、人工光源による触媒作用を増大さ
せることができる。
【0025】図3の装置では、先ず光触媒として、光透
過性のある粒状の触媒担体に光触媒1を担持させた粒状
光触媒11を用いる。粒状光触媒11を用いることによ
って、表面積が大きくなり、処理水との接触面積を増大
させることが可能となり、有害物質の分解活性が向上す
る。この粒状光触媒11は磁性を帯びていてもよく、送
液による流出の防止や、磁選により触媒回収・再利用な
どが可能となる。図3では、人工光源2が浮体3の下部
に設置されており、粒状光触媒11が浮体3上部に配置
されている。浮体の上面には、太陽電池10が設置され
ている。浮体3上部を処理水が送液することによって、
太陽光もしくは人工光源2による光照射の下、処理水と
光触媒が接触して、有害物質が分解処理される。
【0026】図4の装置では、図3の装置の装置容積を
抑えるために、人工光源2が浮体3内部に設置されると
ともに、粒状光触媒11が浮体3内部の人工光源2間に
配置される。ここでも浮体3の上面には、太陽電池10
が設置されている。そして本装置では、浮体3内部の人
工光源2間にも、処理水が送液することによって、太陽
光もしくは人工光源2による光照射の下、処理水と光触
媒が接触して、有害物質が分解処理される。図4の態様
では、太陽電池10の下部に光触媒が配置される。よっ
て、浮体3内部の光触媒1を有効に作用させるために
は、光触媒が作用する紫外光領域および必要に応じて一
部の可視光領域についても透過する太陽電池10を用い
ることが好ましい。GaAs、CdTe、CIS 等の化合物半導体
を用いた太陽電池、amorphous-Siあるいはcrystalline-
Siを用いた太陽電池、のそれぞれを用いることもできる
が、特にCdTe化合物もしくはcrystalline-Siを用いた太
陽電池が好ましい。
【0027】なお、本発明において、太陽電池で得た電
力を蓄電するために、通常は蓄電装置を有する。また、
環境水中の処理水を装置に送液する送液装置は、自然流
下が困難な場所等において、必要に応じて設置する。上
記太陽電池で蓄電した電力は、人工光源に使用すること
の他、送液装置の動力としても使用できる。
【0028】
【発明の効果】本発明に係る水処理装置によれば、光触
媒による環境水の処理において、夜間や悪天候時を問わ
ず継続的に触媒作用を働かせて有害物質の分解処理が可
能である。また、電力を他の動力源から供給することな
しに、湖沼等に独立して設置可能であり、運転中のメン
テナンスも容易である。さらに人工光源を用いることに
よって、低ランニングコスト、低イニシャルコストにて
連続的な水浄化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水処理装置の一例を模式的に示す構成
図である。
【図2】本発明の水処理装置の他の一例を模式的に示す
構成図である。
【図3】本発明の水処理装置であって、粒状光触媒を用
いる場合の一例を模式的に示す構成図である。
【図4】本発明の水処理装置であって、粒状光触媒を用
いる場合の他の一例を模式的に示す構成図である。
【符号の説明】
1 光触媒 2 人口光源 3 浮体 5 送液部 10 太陽電池 11 粒状光触媒
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 末岡 靖裕 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目8番地1 三菱重工業株式会社横浜研究所内 Fターム(参考) 4D037 AA05 AB18 BA16 BA18 BA26 CA02 4D050 AA02 AB11 BC06 BC09 BD03 BD06 4G069 AA03 BA01A BA02A BA04A BA04B BA05A BA14A BA38 BA48A BB01A BB04A BB06A BB09A BC12A BC22A BC35A BC36A BC50A BC60A BD02A BD03A BD07A CA05 EA02X EA02Y EB18Y EC27

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 処理水の水面付近に装置本体を浮かせる
    シート状浮体と、 該シート状浮体上面の太陽光が照射される位置に設置さ
    れる、太陽電池と、 該太陽電池によって蓄電された電力を用いて発光させ
    る、人工光源と、 該人工光源の近傍に設置され、太陽光および人工光源の
    スペクトル発光域において触媒活性を有する、光触媒
    と、を含み、 該光触媒に対して処理水を送液して、処理水と光触媒を
    接触させることを特徴とする水処理装置。
  2. 【請求項2】 前記光触媒が、浮体上面の水面方向に光
    触媒層として塗布されるとともに、該光触媒層の上部を
    処理水が送液することを特徴とする請求項1記載の水処
    理装置。
  3. 【請求項3】 前記人工光源が浮体上部に設置されてお
    り、該人工光源の外周表面に前記光触媒が塗布されてい
    ることを特徴とする請求項1記載の水処理装置。
  4. 【請求項4】 前記光触媒が、光透過性のある粒状の触
    媒担体に光触媒を担持させた粒状光触媒であることを特
    徴とする請求項1記載の水処理装置。
  5. 【請求項5】 前記粒状光触媒が、磁性を帯びているこ
    とを特徴とする請求項4記載の水処理装置。
  6. 【請求項6】 前記人工光源が浮体下部に設置されてお
    り、前記粒状光触媒が浮体上部に配置されるとともに、
    該浮体上部を処理水が送液することを特徴とする請求項
    4又は5に記載の水処理装置。
  7. 【請求項7】 前記人工光源が浮体内部に設置されると
    ともに、前記粒状光触媒が浮体内部の該人工光源間に配
    置され、該人工光源間を処理水が送液することを特徴と
    する請求項4又は5に記載の水処理装置。
  8. 【請求項8】 さらに加えて、超音波発生装置を備えて
    おり、光触媒に超音波による振動を発生させることを特
    徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の水処理装置。
  9. 【請求項9】 さらに加えて、光触媒に処理水を通液す
    る前段において、水中異物をろ過するろ過手段を備えて
    いることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の
    水処理装置。
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CN110844966A (zh) * 2019-12-05 2020-02-28 西安交通大学 一种漂浮式模块化太阳能光反应器

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