JP2004202459A

JP2004202459A - 光触媒装置

Info

Publication number: JP2004202459A
Application number: JP2002377921A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Nakai; 道弘中居
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】本発明は、光触媒を導光ファイバに担持させて、入射光を光触媒の励起光としてその長手方向に沿って漏光させることを制御できるようにした光触媒装置を提供するものである。
【解決手段】かゝる本発明は、コア１１０とクラッド１２０からなる導光ファイバ１００Ａの外周に光触媒層２００を施した光触媒装置１０Ａであって、導光ファイバのコア外径をＸ、導光ファイバの外径をＹ、コアの屈折率をｎ₁、クラッドの屈折率をｎ₂として、Ｙが５０〜５０００μｍ、Ｘ＞１／３Ｙ、かつ、ｎ₁が僅かにｎ₂より大きく（ｎ₁＞ｎ₂）することにより、導光ファイバ１００Ａに入射された入射光を、クラッド１２０側から適宜漏光させることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒を導光ファイバに担持させて、入射光を光触媒の励起光としてその長手方向に沿って漏光させることを制御できるようにした光触媒装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光触媒は、その優れた特性からいろいろ分野での応用が期待されている。代表的な光触媒としてはＴｉＯ₂が挙げられ、基本的には、４００ｎｍ以下の波長の光（紫外光、紫外線とも同義）が照射されると、光触媒が活性化して周囲にある有機化合物などを分解する機能（光触媒分解機能）や周囲にある水と馴染み易くなる機能（光親水化機能）などがあるとされている。
【０００３】
しかも、光触媒の反応には、熱エネルギーを必要としないため、常温での反応が可能となるだけでなく、熱と比較して、光の応答速度の速さ故に反応の制御性にも優れているなどの利点が挙げられている。
【０００４】
このような優れた特性を有する光触媒であるが、触媒の機能上、当然のことであるが、先ず反応物質と接触している必要があり、また、それと同時に反応光である、紫外光が触媒部分に有効に到達することが必要とされる。
【０００５】
例えば、光触媒を汚水などの流体浄化フィルタなどとして使用する場合、その汚れによって汚水の光透過性が悪いと、光触媒の側方に設置した光源（ＵＶランプなど）からの紫外光が十分に伝達されないなどのことが問題となっている。
【０００６】
このような問題を解決するため、既に種々の形態からなる光触媒担体やその装置などが提案されている。特に、紫外光の伝達手段として、石英ガラスなどのコア、クラッドからなる光ファイバに着目し、この外周に光触媒を担持させたもの（特許文献１参照）が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１４０５７９号２〜３頁、図２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この紫外光の伝達手段としての光ファイバは、その長手方向への入射光の伝送特性に優れ、また、光触媒が直接ガラス材料に接触しているため、良好な結果が得られるものの、入射光が、光ファイバの長手方向に沿って、どのような構造のもとで、適宜漏光されて光触媒層を活性化させるかの点については、明らかにされていない。
【０００９】
そこで、本発明者は、コアとクラッドを有する光ファイバと同構造の導光ファイバにおいて、コアとクラッドの大きさやそれぞれの屈折率がどのような条件下にあれば、入射光が、光ファイバの長手方向に沿って、所望の形で漏光されるかについて、種々の研究を行った。
【００１０】
また、この研究の際、多成分系のガラス材を取り扱ったところ、400nm 以下の波長の光の透過率が悪いだけではなく、光触媒であるＴｉＯ₂と接する部分に種々の金属イオン（例えばＮａ、Ｋ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇなど）が含まれていると、金属イオンが光触媒層側に拡散していき易く、触媒活性が著しく低下することを見い出した。これは、石英ガラス製の光ファイバについても同様であり、導光ファイバの少なくとも光触媒層に接する部分には金属イオンが含まれない構造を採用することとした。
【００１１】
また、上記導光ファイバの場合、光触媒層の厚さは約１μｍ程度と薄く、この部分に紫外光が必要なだけ漏光されるには、通常の光ファイバ構造のものに比較して、相対的にコア部分の外径をクラッド部分のそれよりかなり大きなものとし、つまり、クラッド部分を薄膜状のものとする一方、コアとクラッドの屈折率の大小を適宜調整することで、漏光がある程度制御できることを見い出した。
さらに、漏光の程度が小さくしても、導光ファイバ側に曲げ応力などの外力を付加すれば、漏光が増やせるなど調整できることが判った。さらにまた、クラッドを２層構造とすると、つまり、クラッド上に薄膜状の第２クラッドを設け、かつ、これらの各クラッドとコアの屈折率の大小を適宜調整すれば、入射光（励起光）のよりスムーズな漏光が得られることが判った。
【００１２】
本発明は、このような研究結果に基づきなされたもので、通常の光ファイバ構造とは、各部の大きさや屈折率が異なる独自の導光ファイバや中空導光ファイバを採用し、その使用目的、用途などに合わせて、漏光量を制御できるようにした光触媒装置を提供せんとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の本発明は、コアとクラッドからなる導光ファイバの外周に光触媒層を施した光触媒装置であって、少なくとも前記光触媒層に接する導光ファイバの部位側に金属イオンが含まれない構造としたことを特徴とする光触媒装置にある。
【００１４】
請求項２の本発明は、前記導光ファイバのコア外径をＸ、導光ファイバの外径をＹ、コアの屈折率をｎ₁、クラッドの屈折率をｎ₂として、Ｙが５０〜５０００μｍ、Ｘ＞１／３Ｙ、かつ、ｎ₁を僅かにｎ₂より大きく（ｎ₁＞ｎ₂）することによって、当該導光ファイバに入射された入射光を、クラッド側から適宜漏光させることを特徴とする請求項１記載の光触媒装置にある。
【００１５】
請求項３の本発明は、前記導光ファイバのクラッド外周と光触媒層間に第２クラッドを設け、その厚さをＺ、その屈折率をｎ₃として、Ｚ＜Ｙ−Ｘで、ｎ₁、ｎ₃を僅かにｎ₂より大きく（ｎ₁、ｎ₃＞ｎ₂）することによって、前記入射光の漏光を促進させることを特徴とする請求項２記載の光触媒装置にある。
【００１６】
請求項４の本発明は、前記導光ファイバのコア外径をＸ、導光ファイバの外径をＹ、コアの屈折率をｎ₁、クラッドの屈折率をｎ₂として、Ｙが５０〜５０００μｍ、Ｘ＞１／３Ｙ、かつ、ｎ₁を僅かにｎ₂より小さく（ｎ₁＜ｎ₂）することによって、当該導光ファイバに入射された入射光を、クラッド側からより多く漏光させることを特徴とする請求項１記載の光触媒装置にある。
【００１７】
請求項５の本発明は、中空コアと中空内のクラッドからなる中空導光ファイバの内周に光触媒層を施した光触媒装置であって、少なくとも前記光触媒層に接する中空導光ファイバの部位側に金属イオンが含まれない構造としたことを特徴とする光触媒装置にある。
【００１８】
請求項６の本発明は、前記中空コアの屈折率をｎ₀₁、クラッドのそれをｎ₀₂として、ｎ₀₁を僅かにｎ₂より大きく（ｎ₀₁＞ｎ₀₂）することによって、当該中空導光ファイバに入射された入射光を、クラッド側から適宜漏光させることを特徴とする請求項５記載の光触媒装置にある。
【００１９】
請求項７の本発明は、前記中空コアの屈折率をｎ₀₁、クラッドのそれをｎ₀₂として、ｎ₀₁を僅かにｎ₂より小さく（ｎ₀₁＜ｎ₀₂）することによって、当該中空導光ファイバに入射された光触媒層の励起光を、クラッド側からより多く漏光させることを特徴とする請求項５記載の光触媒装置にある。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る光触媒装置の一例を示したものである。この光触媒装置１０Ａは、コア１１０とクラッド１２０からなる導光ファイバ１００Ａの外周に光触媒層２００を施してなる。これらのコア１１０、クラッド１２０は、多成分系のガラスとすることも可能であるが、好ましくは石英ガラス製がよく、少なくともクラッド１２０側にあっては、金属イオン、例えばＮａ、Ｋ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇなどが含まれない構造としてある。従って、金属イオンが光触媒層２００のＴｉＯ₂側に移行することもなく、触媒活性の低下が効果的に防止されている。また、クラッド１２０側には、紫外光自体の伝送損失を低減させるため、必要によりフッ素を添加することが望ましい（以下同様とする）。
【００２１】
この導光ファイバ１００Ａにおいて、コア外径をＸ、導光ファイバの外径をＹ、コア１１０の屈折率をｎ₁、クラッド１２０の屈折率をｎ₂としたとき、Ｙを５０〜５０００μｍとし、Ｘ＞１／３Ｙで、かつ、ｎ₁を僅かにｎ₂より大きく（ｎ₁＞ｎ₂）してある。その理由は、Ｙが５０μｍ未満であると、紫外光が十分に入射できず、逆に、Ｙが５０００μｍを越えるようになると、スムーズな曲げが困難となるからである。また、Ｘ＞１／３Ｙとしたのは、コア外径がこれより小さくなると、入射光が中心に集まるようになって、クラッド１２０側に漏光され難くなるからである。つまり、通常の光ファイバに比較して、コア部分がかなり太径のものとしてある。
【００２２】
さらに、ｎ₁を僅かにｎ₂より大きくしたのは、光ファイバの場合と同様、入射光のクラッド１２０側からの漏光を調整するためのものである。これらの屈折率ｎ₁、ｎ₂の比屈折率差Δであるが、光触媒層２００をＴｉＯ₂とした場合、その屈折率ｎ_caが２．５６とかなり高く、その外側の空気（層部分）は屈折率が１であるため、（２．５６−１）／ｎ₁、即ち１．５６／ｎ₁より小さいことが必要であり、実用的には、０．３〜１０％以下が望ましい。この条件により、コア１１０側から漏れてきた光が光触媒層２００側に取り込まれ易くなることが期待できる。
【００２３】
図２は、この光触媒装置１０Ａにおける、各部の屈折率ｎ₁、ｎ₂、ｎ_caを示したものであり、なお、ｎ_caは光触媒の屈折率である。より具体的な各部のパラメータは、表１の如くである。
【００２４】
【表１】

【００２５】
この表１のパラメータを有する導光ファイバ１００Ａにおいて、光源から、例えば３６５ｎｍの光を入射させた場合、その放射率は計算上−０．０４ｄＢ／ｍとなり、ファイバ中を伝搬している光のパワーが５０ｍＷとすると、５０ｍＷ×−０．０４ｄＢ／ファイバの表面積（１２５×１０^-4×３．１４×１０²）＝０．１３ｍＷ／ｃｍ²となる。これにより、適当なパワーの漏光（放射）が行われていることが判る。
【００２６】
本発明の光触媒装置１０Ａでは、各パラメータの調整により、入射光の伝搬中における単位表面積当たりの最大の漏光が１０ｍＷ／ｃｍ²で、最小のそれが５０μＷ／ｃｍ²となるようにすることができる。しかし、実用的には、５００μＷ／ｃｍ²〜５ｍＷ／ｃｍ²の範囲にあれば十分である。
【００２７】
このような範囲から、本発明では、光源として、ＬＥＤを用いることができる。ＬＥＤの使用は、装置のコンパクト化が可能となり、また、バッテリー駆動も可能となる。ＬＥＤの場合、高い光電効率が得られるため、低消費電力化も可能となる。さらに、光源と光触媒までを完全に閉じた系とすることもできるため、使用環境を選ばず、大きな汎用性が得られる。なお、他の光源として、自然光、ブラックライト、ＵＶランプなどにも勿論使用することができる。
【００２８】
光触媒装置１０Ａの場合、この構成から、入射光は、導光ファイバ１００Ａ中を伝搬しながら均一に、かつ徐々に光が漏光されるため、ファイバの長手方向に渡ってほぼ均一に効率よく触媒効果が得られる。従来技術によるこの種のものでは、光の漏光が均一ではなかったため、一部で漏光強度が過度に増大したりするだけでなく、光の強度が強すぎで、反応物の拡散が追いつかず、光エネルギーが化学反応に変換されることなく、熱ロスとして失われるなどの問題があった。
【００２９】
図３は、本発明に係る光触媒装置の他の例を示したものである。この光触媒装置１０Ｂは、コア１１０とクラッド１２０からなる導光ファイバ１００Ｂにおいて、クラッド１２０の外周と光触媒層２００間に第２クラッド１３０を設け、その厚さをＺ、その屈折率をｎ₃として、Ｚ＜Ｙ−Ｘで、かつ、ｎ₁、ｎ₃を僅かにｎ₂より大きく（ｎ₁、ｎ₃＞ｎ₂）してある。ここで、クラッド１２０のの屈折率ｎ₂より大きい屈折率ｎ₃の第２クラッド１３０を設けたのは、クラッド１２０からの漏光をより促進させるためである。この層の厚さＺを、Ｚ＜Ｙ−Ｘとしたのは、この厚さＺがあまり大きいと、漏光が大きくなり過ぎるからである。しかし、コア外径Ｘが小さいときには、ある程度大きくする必要がある。
【００３０】
第２クラッド１３０の厚さＺとその屈折率ｎ₃をどの程度の値にするかは、漏光量をどの程度の値にするかによって決定される。一般により多くの漏光を得るには、屈折率ｎ₃は、クラッド１２０の屈折率ｎ₂と光触媒層２００の屈折率ｎ_caの間にする必要がある。また、厚さＺは、屈折率ｎ₃が低いときには厚く、固いときには薄くする必要がある。
【００３１】
図４は、このこの光触媒装置１０Ｂにおける、各部の屈折率ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、ｎ_caを示したものであり、また、より具体的な各部のパラメータは、表２の如くである。
【００３２】
【表２】

【００３３】
この表２のパラメータによる光触媒装置１０Ｂの場合、入射光の導光ファイバ１００Ｂ中における漏光がより促進されて大きくなるため、放射され難い低次モードの光にあっても、良好に漏光されるようになる。因みに、この関係を示すと、表３〜表４のごとくである。
【００３４】
【表３】

【００３５】
【表４】

【００３６】
つまり、表３によると、第２クラッド１３０を設けた場合、低次モードの光でも、吸収率が高く、十分漏光されていることが判る。これに対して、第２クラッド１３０がない場合には、表４から明らかなように、低次モードの光は、殆ど吸収されず、漏光されないことが判る。
【００３７】
従って、本発明では、使用目的や用途によっては、例えばファイバを単に直線状に布設して、より多くの漏光を得るには、光触媒装置１０Ａより光触媒装置１０Ｂを用いる方が有利である。しかし、光触媒装置１０Ａであっても、導光ファイバ１００Ａ側に曲げ応力などの外力を付加すれば、通常の光ファイバと同様、漏光を適宜増やしたりして、調整し、制御することが可能である。なお、この曲げの大きさとしては、曲げ径（直径）が５００ｍｍ以下であることが好ましい。曲げ径があまり大きいと、漏光促進効果が得られないからである。曲げ径の大きさについては、以下も同様とする。
【００３８】
図５は、本発明に係る光触媒装置の他の例を示したものである。この光触媒装置１０Ｃは、基本的には、図１の場合と同構造であるが、導光ファイバ１００Ｃのコア１１０の屈折率ｎ₁とクラッド１２０の屈折率ｎ₂において、ｎ₁を僅かにｎ₂より小さく（ｎ₁＜ｎ₂）してある。
【００３９】
このため、入射光は、クラッド１２０側からより多く漏光されることとなる。つまり、直線状の布設状態にあって、特に曲げなどの外力の付加がなくとも、低次モードの光も含めて、すべての光を順次漏光させることができる。従って、使用目的や用途によっては、より有益な効果が得られる。例えば、直線状導波路などでの使用である。なお、図６は、この光触媒装置１０Ｃにおける、各部の屈折率ｎ₁、ｎ₂、ｎ_caを示したものである。
【００４０】
なお、この光触媒装置１０Ｃに対して、そのクラッド１２０の外側で、光触媒層２００との間に、上記図３の場合と同様、第２クラッド１３０を設けて３層構造とする一方、第２クラッド１３０の屈折率ｎ₃を、クラッド１２０の屈折率ｎ₂より小さくしたり、さらには、コア１１０の屈折率ｎ₁よりも小さくすることも考えられるが、試しに同構造のものを作製して見たところ、得られる効果は、光触媒装置１０Ｃと実質的に変わらなかった。このときの各屈折率ｎ₁、ｎ₂、ｎ₃、ｎ_caの関係を図示すると、図７の如くである。つまり、コア１１０の屈折率ｎ₁に対してクラッド１２０の屈折率ｎ₂が高い構造によって、既に十分な漏光効果が得られているため、第２クラッド１３０を設けて、その屈折率ｎ₃を下げて見ても、さらなる漏光の促進効果は特に得られない上に、漏光量の調整にも適していなかった。このことから、第２クラッド１３０を設け、その屈折率ｎ₃を下げた３層構造の場合、広義には光触媒装置１０Ｃに含まれる変形例と見なすことも可能である。
【００４１】
図８は、本発明に係る光触媒装置の他の例を示したものである。この光触媒装置１０Ｄは、中空コア１１１と中空内のクラッド１２０からなる中空導光ファイバ１００Ｄの内周に光触媒層２００を施してなる。この中空コア１１１、クラッド１２０は、多成分系のガラスとすることも可能であるが、好ましくは石英ガラス製がよく、少なくともクラッド１２０側にあっては、金属イオン、例えばＮａ、Ｋ、Ｃａ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｍｇなどが含まれない構造としてある。
そして、中空コアの屈折率をｎ₀₁、クラッドのそれｎ₀₂としたとき、ｎ₀₁を僅かにｎ₂より大きく（ｎ₀₁＞ｎ₀₂）してある。なお、中空コア１１１の外周には、入射光が外方に漏れるのを防止するため、遮光機能や反射機能などを有する層１４０を設けるとよい。
【００４２】
このため、入射光は、クラッド１２０側から適宜漏光される。しかし、漏光量は少ないので、より多くの漏光量を得るには、布設された中空導光ファイバ１００Ｄ側に曲げなどの外力を適宜付加すればよい、なお、図９は、この光触媒装置１０Ｄにおける、各部の屈折率ｎ₀₁、ｎ₀₂、ｎ_caを示したものである。
【００４３】
図１０は、本発明に係る光触媒装置の他の例を示したものである。この光触媒装置１０Ｅは、基本的には、図７の場合と同構造であるが、導光ファイバ１００Ｅの中空コア１１０´の屈折率ｎ₀₁とクラッド１２０の屈折率ｎ₀₂において、ｎ₀₁を僅かにｎ₀₂より小さく（ｎ₀₁＜ｎ₀₂）してある。
【００４４】
このため、入射光は、クラッド１２０側からより多く漏光されることとなる。つまり、直線状の布設状態にあって、特に曲げなどの外力の付加がなくとも、低次モードの光も含めて、すべての光を順次漏光させることができる。従って、使用目的や用途によっては、より有益な効果が得られる。例えば、直線状導波路などでの使用である。なお、図１１は、この光触媒装置１０Ｅにおける、各部の屈折率ｎ₀₁、ｎ₀₂、ｎ_caを示したものである。
【００４５】
以上の各例では、各部分の屈折率が均等な場合であったが、本発明は、これに限定されず、曲線状の分布形であってもよい。また、中空コア１１１の場合、穴は１個に限定されるものではない。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、通常の光ファイバ構造とは、各部の大きさや屈折率が異なる独自の導光ファイバや中空導光ファイバを採用してあるため、その使用目的、用途などに合わせて、漏光量を適宜制御できる優れた光触媒装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光触媒装置の一例を示した縦断面図である。
【図２】図１の光触媒装置における導光ファイバの各部分の屈折率分布図である。
【図３】本発明に係る光触媒装置の他の例を示した縦断面図である。
【図４】図３の光触媒装置における導光ファイバの各部分の屈折率分布図である。
【図５】本発明に係る光触媒装置の他の例を示した縦断面図である。
【図６】図５の光触媒装置における導光ファイバの各部分の屈折率分布図である。
【図７】本発明に係る光触媒装置の他の例になる導光ファイバの各部分の屈折率分布図である。
【図８】本発明に係る光触媒装置の他の例を示した縦断面図である。
【図９】図８の光触媒装置における中空導光ファイバの各部分の屈折率分布図である。
【図１０】本発明に係る光触媒装置の他の例を示した縦断面図である。
【図１１】図１０の光触媒装置における中空導光ファイバの各部分の屈折率分布図である。
【符号の説明】
１０Ａ〜１０Ｅ光触媒装置
１００Ａ〜１００Ｃ導光ファイバ
１００Ｄ〜１００Ｅ中空導光ファイバ
１１０コア
１１１中空コア
１２０クラッド
２００光触媒層

Claims

コアとクラッドからなる導光ファイバの外周に光触媒層を施した光触媒装置であって、少なくとも前記光触媒層に接する導光ファイバの部位側に金属イオンが含まれない構造としたことを特徴とする光触媒装置。
前記導光ファイバのコア外径をＸ、導光ファイバの外径をＹ、コアの屈折率をｎ₁、クラッドの屈折率をｎ₂として、Ｙが５０〜５０００μｍ、Ｘ＞１／３Ｙ、かつ、ｎ₁を僅かにｎ₂より大きく（ｎ₁＞ｎ₂）することによって、当該導光ファイバに入射された入射光を、クラッド側から適宜漏光させることを特徴とする請求項１記載の光触媒装置。
前記導光ファイバのクラッド外周と光触媒層間に第２クラッドを設け、その厚さをＺ、その屈折率をｎ₃として、Ｚ＜Ｙ−Ｘで、ｎ₁、ｎ₃を僅かにｎ₂より大きく（ｎ₁、ｎ₃＞ｎ₂）することによって、前記入射光の漏光を促進させることを特徴とする請求項２記載の光触媒装置。
前記導光ファイバのコア外径をＸ、導光ファイバの外径をＹ、コアの屈折率をｎ₁、クラッドの屈折率をｎ₂として、Ｙが５０〜５０００μｍ、Ｘ＞１／３Ｙ、かつ、ｎ₁を僅かにｎ₂より小さく（ｎ₁＜ｎ₂）することによって、当該導光ファイバに入射された入射光を、クラッド側からより多く漏光させることを特徴とする請求項１記載の光触媒装置。
中空コアと中空内のクラッドからなる中空導光ファイバの内周に光触媒層を施した光触媒装置であって、少なくとも前記光触媒層に接する中空導光ファイバの部位側に金属イオンが含まれない構造としたことを特徴とする光触媒装置。
前記中空コアの屈折率をｎ₀₁、クラッドのそれをｎ₀₂として、ｎ₀₁を僅かにｎ₂より大きく（ｎ₀₁＞ｎ₀₂）することによって、当該中空導光ファイバに入射された入射光を、クラッド側から適宜漏光させることを特徴とする請求項５記載の光触媒装置。
前記中空コアの屈折率をｎ₀₁、クラッドのそれをｎ₀₂として、ｎ₀₁を僅かにｎ₂より小さく（ｎ₀₁＜ｎ₀₂）することによって、当該中空導光ファイバに入射された光触媒層の励起光を、クラッド側からより多く漏光させることを特徴とする請求項５記載の光触媒装置。