JP2004344720A - Ｃｏ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにｃｏ２低減装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】外部光源が不要で、太陽光が遮断された空間でもＣＯ２を低減し、Ｏ２を発生させるＣＯ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにＣＯ２低減装置を提供する。
【解決手段】水の存在下でＣＯ２を含む気体を人工光合成誘起物１４の表層の光触媒酸化チタン１４ａに接触し、この状態で光触媒酸化チタン１４ａをセラミックスボール１４ａを構成するセラミックスとトルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により励起し、人工光合成を起こす。これにより、人工光合成型の光触媒反応で生じた電子と正孔とにより、ＣＯ２の還元と水の酸化反応とが促される。その結果、外部光源が不要で、太陽光が遮断された空間でも人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減できるとともに、Ｏ２を発生させることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】水の存在下でＣＯ２を含む気体を人工光合成誘起物１４の表層の光触媒酸化チタン１４ａに接触し、この状態で光触媒酸化チタン１４ａをセラミックスボール１４ａを構成するセラミックスとトルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により励起し、人工光合成を起こす。これにより、人工光合成型の光触媒反応で生じた電子と正孔とにより、ＣＯ２の還元と水の酸化反応とが促される。その結果、外部光源が不要で、太陽光が遮断された空間でも人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減できるとともに、Ｏ２を発生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】
この発明は、ＣＯ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにＣＯ２低減装置、詳しくは例えば内燃機関から排気通路を通して排出される排気ガスに含まれるＣＯ２を発生させる物質またはＣＯ２そのものを低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車のガソリンエンジンの排気ガス中には、ＣＯ２が十数％含まれている。ＣＯ２は空気より重く、地球温暖化を招く物質である。エンジンの排気系から大気解放されたＣＯ２は、地表付近で厚いＣＯ２層を形成する。それが太陽光により熱せられ、その熱がＣＯ２層内で留まる温暖効果によって、地表の温度が高まる。
ＣＯ２は、例えば自然界における葉緑体の光合成により低減されることが知られている。光合成とは、葉緑体内で光吸収により発生した電子と正孔とが、ＣＯ２の還元と水の酸化反応とを促すことで起きる、ＣＯ２と水から有機物とＯ２を生成する反応である。
【０００３】
近年、クリーンな太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換し、環境浄化や化学物質を合成することが可能な光触媒が注目されている。例えば、酸化チタンやＭｏ酸化物などが挙げられる。最近では、未だ理論は確立されていないものの、光触媒の一種である光触媒酸化チタンの新規な機能として、非特許文献１に記載したような人工光合成が発見されている。
人工光合成の原理は、以下のように推論される。すなわち、光触媒酸化チタンに対して、そのバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する３８０ｎｍ以下の紫外光領域の光を照射する。これにより、その伝導帯に電子が発生するとともに、価電子帯に正孔が発生する。このうち、電子は高い還元力を有し、正孔は高い酸化力を有して、光触媒酸化チタンの光触媒反応を励起する。その結果、前述した葉緑体の光合成と同じように、これらの電子と正孔とにより、ＣＯ２の還元と水の酸化反応とを促すものと考えられる。
【０００４】
ところで、従前の人工光合成では、３８０ｎｍ以下の紫外光領域の光を照射しなければならかった。そのため、紫外線を放出する光源が必要であった。そこで、従来、太陽光や可視光（波長４００〜８００ｎｍ）でも作動する光触媒酸化チタンが開発されている。例えば、石英板などの担体の表面に、光触媒酸化チタンの薄膜を形成した薄膜状光触媒酸化チタンがそれである。反応物の濃度が希薄であるため、蛍光灯などの光源でも十分に光触媒反応が発生する。酸化チタン薄膜の調整には、例えばマグネトロンスパッタ法などを採用することができる。
また、太陽光や可視光により光触媒反応を誘起する別の光触媒酸化チタンとして、例えばゼオライト骨格またはメソ多孔質シリカに、四配位の酸化チタンを高分散させた状態で担持したものが知られている（非特許文献１）。
四配位酸化チタンは、それまでの六配位酸化チタンより高い光触媒反応性を有している。それをゼオライトの骨格内に組み込んだり、メソ型の多孔質シリカの細孔内に組み込んで高分散させることで、太陽光や可視光による光触媒反応を可能にした。
【０００５】
【非特許文献１】「第５回佐賀県シンクロトロン光利用シンポジウムのテキスト：酸化チタン光触媒の開発動向と将来展望」 佐賀県シンクロトロン光応用研究施設利用研究フォーラム、平成１５年３月１１日、Ｐ１〜Ｐ２７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来のＣＯ２低減方法では、太陽光や可視光による光触媒反応であり、外部光源が絶たれ、太陽光が遮断された空間で人工光合成を行うことはできなかった。
【０００７】
【発明の目的】
この発明は、外部光源が不要で、しかも太陽光が遮断された空間であっても人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減するとともにＯ２を発生させることができるＣＯ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにＣＯ２低減装置を提供することを目的としている。
また、この発明は、近赤外線、赤外線または遠赤外線の出力を高めることができるＣＯ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにＣＯ２低減装置を提供することを目的としている。
さらに、この発明は、低コスト化を図ることができるＣＯ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにＣＯ２低減装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、水の存在下でＣＯ２を含む気体を、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンに接触させ、この接触状態のまま、該光触媒酸化チタンを、近赤外線、赤外線または遠赤外線を発生させるセラミックスとトルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により励起し、人工光合成を起こさせてＣＯ２を低減するＣＯ２低減方法である。
ＣＯ２の発生源は限定されない。例えば、各種の燃焼機が挙げられる。燃焼機としては、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関、ごみ処理施設、軽油やＡ重油などを燃料とする自家発電機、ボイラなどを採用することができる。
光触媒酸化チタンの種類は限定されない。純粋な酸化チタンの他、含水酸化チタン、水和酸化チタン、メタチタン酸、オルトチタン酸、水酸化チタンなどでもよい。また、四配位酸化チタン、六配位酸化チタンの何れでもよい。ただし、四配位酸化チタンの方が、前述したように高い光触媒反応性を有しているので、好ましい。
【０００９】
ここでいう光触媒酸化チタンは、少なくとも近赤外線、赤外線または遠赤外線の照射により、人工光合成型の光触媒反応を誘起する物質である。ただし、これらの赤外線系だけでなく、ガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視光線（太陽光を含む）を照射したときにも光触媒反応を誘起する物質でもよい。
人工光合成時の気体の温度は限定されない。ただし、葉緑体の光合成が活発となる温度と同じ、１０〜３５℃が好ましい。
セラミックスの種類は限定されない。要は、トルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により光触媒酸化チタンを励起し、光触媒酸化チタンに対して人工光合成型の光触媒反応を起こさせる物質であればよい。例えば、後述するπ化セラミックスを採用することができる。
トルマリンの種類は限定されない。要は、セラミックスとの相乗効果で生じた電磁波により光触媒酸化チタンを励起し、光触媒酸化チタンに対して人工光合成型の光触媒反応を起こさせる物質であればよい。トルマリンとしては、例えばピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレット、緑色のトルマリーナベルジェ、青色のトルマリーナアズー、赤色のトルマリーナフビリッタ、褐色のトルマリーナマフォンなどを採用することができる。トルマリンは単体でもよいし、混合物でもよい。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記セラミックスとして、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、ＮａＯ、ＭｎＯを混合したπ化セラミックスを採用した請求項１に記載のＣＯ２低減方法である。
各成分の添加量は限定されない。例えば、ＳｉＯ２（石英）：８２．２５重量％、Ａｌ２Ｏ３：８．５９重量％、Ｆｅ２Ｏ３：１．０６重量％、ＴｉＯ２：０．３３重量％、ＣａＯ：１．５５重量％、ＭｇＯ：０．３７重量％、Ｋ２Ｏ：２．９６重量％、ＮａＯ：２．２６重量％、ＭｎＯ：０．０２重量％、その他：０．６１重量％でもよい。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記トルマリンとして、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用した請求項１または請求項２に記載のＣＯ２低減方法である。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、水とＣＯ２とに接触することで、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンと、近赤外線、赤外線または遠赤外線を発生させるセラミックスと、該セラミックスとの相乗効果で発生した電磁波により、前記光触媒酸化チタンを励起するトルマリンとを備えた人工光合成誘起物である。
人工光合成誘起物の用途は限定されない。対象となる気体中に水とＣＯ２とが存在し、その気体中のＣＯ２濃度を低減する必要がある用途であればよい。もちろん、人工光合成により生成されるＯ２を得たい用途でもよい。
光触媒酸化チタンは、例えばセラミックスとトルマリンとの混合物（担体）の表面に担持させてもよい。また、それぞれ粉体の光触媒酸化チタンとセラミックスとトルマリンとを混合し、無機のバインダを接着剤として所定形状（例えば球体、三角錐、円錐、直方体、立方体など）に成形した混合物でもよい。また、セラミックスとトルマリンの他に、添加物として近赤外線、赤外線または遠赤外線を生じないセラミックス（鉱物を含む）を添加してもよい。各混合物の大きさは限定されない。例えば粒径５〜７ｍｍである。
混合物への光触媒酸化チタンの担持方法は限定されない。例えば、スプレーや刷毛塗りなどの塗布法、シリコン系バインダまたは有機質バインダなどによるバインダ固定法、担体の材料中に添加して混練する混練法、担体を光触媒酸化チタンの溶液に漬ける浸漬法などを採用することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記セラミックスとして、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、ＮａＯ、ＭｎＯを混合したπ化セラミックスを採用した請求項４に記載の人工光合成誘起物である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記トルマリンとして、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用した請求項４または請求項５に記載の人工光合成誘起物である。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、水とＣＯ２との接触により人工光合成を誘起する人工光合成誘起物と、該人工光合成誘起物が収納され、水とＣＯ２を含む気体が供給されるＣＯ２処理部とを備え、前記人工光合成誘起物は、水とＣＯ２との接触により人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンと、近赤外線、赤外線または遠赤外線を発生させるセラミックスと、該セラミックスとの相乗効果で発生した電磁波により光触媒酸化チタンを励起するトルマリンとの混合物であるＣＯ２低減装置である。
ＣＯ２処理部としては、例えば各種の燃焼機の排気路が挙げられる。具体的には、内燃機関の排気管やマフラ、ごみ処理施設の排気管や煙突、軽油やＡ重油などを燃料とする自家発電機の排気管、ボイラの排気管などを採用することができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、前記セラミックスとして、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、ＮａＯ、ＭｎＯを混合したπ化セラミックスを採用した請求項７に記載のＣＯ２低減装置である。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、前記トルマリンとして、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用した請求項７または請求項８に記載のＣＯ２低減装置である。
【００１８】
【作用】
請求項１〜請求項９に記載の発明によれば、水の存在下でＣＯ２を含む気体を、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンに接触させる。そして、この接触状態のまま、光触媒酸化チタンをセラミックスとトルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により励起する。すなわち、セラミックスからは近赤外線、赤外線または遠赤外線が発生し、トルマリン（例えば粒径０．３μｍ）からも０．０６ｍＡ程度の微弱な静電気が発生する。また、外部から熱、圧力といったエネルギーが作用して遠赤外線などの電磁波が発生する。さらに、トルマリンからはマイナスイオンも多量に発生する（１９８０年代に株式会社アダン鉱山が発見）。その両物質の相乗効果により、光触媒酸化チタンの伝導帯に電子が発生するとともに、価電子帯に正孔が発生し、光触媒酸化チタンの光触媒反応を励起する。その結果、自然界における葉緑体の光合成と同じように、電子と正孔とによってＣＯ２の還元と水の酸化反応とが促される。よって、外部光源が不要で、しかも太陽光が遮断された空間であっても人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減するとともに、Ｏ２を発生させることができる。
【００１９】
特に、請求項２、請求項５および請求項８の発明によれば、セラミックスとしてπ化セラミックスを採用したので、近赤外線、赤外線または遠赤外線の出力を高めることができる。
【００２０】
また、請求項３、請求項６および請求項９の発明によれば、トルマリンとして、安価なピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用したので、気体中のＣＯ２の低減に要するコストの高騰を抑えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
図２において、１０はこの発明の一実施例に係るＣＯ２低減装置で、このＣＯ２低減装置１０は、自動車のガソリンエンジン１１の排気管１２の先端部に連通されたケーシング（ＣＯ２処理部）１３と、ケーシング１３内に充填され、排気ガス中の水とＣＯ２との接触により人工光合成を誘起する人工光合成誘起物１４とを備えている。
ＣＯ２低減装置１０の具体的な連通位置は、排気管１２のうち、マフラ１５の設置位置より若干下流（排気口側）の部分である。排気管１２は直径４２ｍｍである。排気管１２のうち、ＣＯ２低減装置１０より下流部分には、排気管１２より若干大径な筒体１６が連通されている。筒体１６は内容積４５０ｃｍ３のステンレス製で、必要によりその内部空間に人工光合成誘起物１４を充填する場合がある。
【００２２】
次に、図１および図２を参照して、ＣＯ２低減装置１０を詳細に説明する。ケーシング１３は縦６５ｍｍばつ横１３０ｍｍ×高さ１００ｍｍの直方体の容器で、ステンレス製である。ケーシング１３内には、不燃性の金属ネット１７を介して、直径５〜７ｍｍの人工光合成誘起物１４が多数充填されている。人工光合成誘起物１４は、水とＣＯ２とに接触することで、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタン１４ａと、主に遠赤外線を発生させるπ化セラミックス（セラミックス）と、π化セラミックスとの相乗効果で発生した電磁波により、光触媒酸化チタン１４ａを励起するトルマリンと、粘土状鉱物と、無機物質のバインダ（トーヨーテクノ有限会社製のバインダ）とを主成分としている。
【００２３】
光触媒酸化チタン１４ａは、四配位酸化チタンである。
π化セラミックスの配合は、ＳｉＯ２（石英）：８２．２５重量％、Ａｌ２Ｏ３：８．５９重量％、Ｆｅ２Ｏ３：１．０６重量％、ＴｉＯ２：０．３３重量％、ＣａＯ：１．５５重量％、ＭｇＯ：０．３７重量％、Ｋ２Ｏ：２．９６重量％、ＮａＯ：２．２６重量％、ＭｎＯ：０．０２重量％、その他：０．６１重量％である。トルマリンには、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用している。π化セラミックスとトルマリンとの粒径は１〜２００μｍ、好ましくは２０〜３０μｍである。
人工光合成誘起物１４の全体における、トルマリン（前記混合物、以下同じ）とπ化セラミックスとの混合物が占める割合は６０重量％、粘土状鉱物２０重量％、バインダ２０重量％である。
【００２４】
以下、人工光合成誘起物１４の製造方法を説明する。
まず、π化セラミックスとトルマリンとを粉砕機に投入し、所定の粒径に達するまで粉砕する。粉砕機としては、例えばボールミル、ロッドミルを採用することができる。
その後、π化セラミックスとトルマリンとの混合物（粉体）を、所定量の水と水ガラスとともに顆粒機に投入する。次いで、顆粒機内でこれらを所定時間攪拌する。これにより、混合物は徐々に顆粒状となる。顆粒工程の仕上げ段階では並１次反応が発生し、混合物から直径５〜７ｍｍのセラミックスボール１４ｂが得られる。次に、各セラミックスボール１４ｂを１５０℃で加熱し、水分を除去後、７００℃で焼結する。焼結されたセラミックスボール１４ｂは、水に株式会社アバン製の光触媒酸化チタン１４ａを分散させた１．０重量％の酸化チタン溶液（ゾル状）に１５〜３０分間浸漬する。次いで、酸化チタン溶液の液面からセラミックスボール１４ｂを引き上げると、光触媒酸化チタン１４ａが空気に接触し、光触媒酸化チタン１４ａがセラミックスボール１４ｂの表面にイオン結合し、薄膜が形成される。結合した光触媒酸化チタン１４ａの分量は、セラミックスボール１４ｂの８〜１５重量％である。その後、得られたものを所定時間乾燥することで、球形状を有する人工光合成誘起物１４が製造される。
【００２５】
次に、ＣＯ２低減装置１０を利用した排気ガス中のＣＯ２低減方法を説明する。
図２に示すように、自動車のエンジンから排出された排気ガスは、エンジンの排気側に連通された排気管１２を通し、マフラ１５により消音および温度低下された後、大気解放される。その途中、マフラ１５を通過した排気ガスがＣＯ２低減装置１０に供給され、ここで人工光合成が誘起される。
以下の説明は、一実施例における人工光合成の仮説である。排ガス中に含まれる水分とＣＯ２とは、ケーシング１３内で人工光合成誘起物１４の表面を被覆する光触媒酸化チタン１４ａの薄膜と接触する。このとき、光触媒酸化チタン１４ａは、セラミックスボール１４ｂを構成するセラミックスとトルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により励起されている。具体的には、セラミックスからは近赤外線、赤外線または遠赤外線が発生し、トルマリン（例えば粒径０．３μｍ）からも０．０６ｍＡ程度の微弱な静電気が発生する。また、外部から熱、圧力といったエネルギーが作用して遠赤外線などの電磁波が発生する。さらに、トルマリンからはマイナスイオンも多量に発生する。これらの作用により、光触媒酸化チタン１４ａの伝導帯に電子が発生し、価電子帯に正孔が発生して、光触媒酸化チタン１４ａの光触媒反応が励起される。その結果、自然界における葉緑体の光合成と同じように、電子と正孔とによるＣＯ２の還元と水の酸化反応とが促される。よって、外部光源が不要で、しかも太陽光が遮断された空間であっても人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減するとともにＯ２を発生させることができる。
【００２６】
一実施例では、遠赤外線を発生させるセラミックスとして、遠赤外線の出力が高まる物質を混合したπ化セラミックスを採用している。そのため、他のセラミックスに比べて、高い出力の遠赤外線を発生させることができる。
また、トルマリンとして、安価なピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用している。これにより、高価なトルマリンのコスト低減を図ることができる。
【００２７】
ここで、実際に自動車のガソリンエンジンの排気管の先端部に一実施例のＣＯ２低減装置を装着し、アイドリング時における排気ガス中に含まれるＣＯ２量とＯ２量とを評価した際の結果を報告する。自動車の使用台数は４台で、それぞれ型式などが異なる。
【００２８】
【表１】
【００２９】
表１から明らかなように、人工光合成誘起物が有しない比較例に比べて、人工光合成誘起物を有する試験例は、排気ガス中のＣＯ２の濃度が低減し、かつ排ガス中のＯ２の濃度が高まった。これは、排気ガス中に含まれる水とＣＯ２とから、人工光合成誘起物を利用した人工光合成が誘起された結果であると推察される。なお、試験例１７では外部から筒体に水をかけるとともに、エアコンプレッサから空気を吹き付けることで冷却し、排気ガスの温度を下げた。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１〜請求項９に記載の発明によれば、水の存在下でＣＯ２を含む気体を、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンに接触させ、その状態のまま、光触媒酸化チタンを、セラミックスとトルマリンとの相乗効果で発生した電磁波により励起し、人工光合成を起こす。これにより、自然界における葉緑体の光合成と同じように、人工光合成型の光触媒反応により発生した電子と正孔とにより、ＣＯ２の還元と水の酸化反応とが促される。よって、外部光源が不要で、しかも太陽光が遮断された空間であっても人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減するとともにＯ２を発生させることができる。
【００３１】
特に、請求項２、請求項５および請求項８の発明によれば、セラミックスとしてπ化セラミックスを採用したので、近赤外線、赤外線または遠赤外線の出力を高めることができる。
【００３２】
また、請求項３、請求項６および請求項９の発明によれば、トルマリンとして、安価なピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用したので、気体中のＣＯ２の低減に要するコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る人工光合成誘起物の拡大断面図である。
【図２】この発明の一実施例に係るＣＯ２低減装置の使用状態の斜視図である。
【符号の説明】
１０ ＣＯ２低減装置、
１３ ケーシング（ＣＯ２処理部）、
１４ 人工光合成誘起物、
１４ａ 光触媒酸化チタン。
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＣＯ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにＣＯ２低減装置、詳しくは例えば内燃機関から排気通路を通して排出される排気ガスに含まれるＣＯ２を発生させる物質またはＣＯ２そのものを低減する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、自動車のガソリンエンジンの排気ガス中には、ＣＯ２が十数％含まれている。ＣＯ２は空気より重く、地球温暖化を招く物質である。エンジンの排気系から大気解放されたＣＯ２は、地表付近で厚いＣＯ２層を形成する。それが太陽光により熱せられ、その熱がＣＯ２層内で留まる温暖効果によって、地表の温度が高まる。
ＣＯ２は、例えば自然界における葉緑体の光合成により低減されることが知られている。光合成とは、葉緑体内で光吸収により発生した電子と正孔とが、ＣＯ２の還元と水の酸化反応とを促すことで起きる、ＣＯ２と水から有機物とＯ２を生成する反応である。
【０００３】
近年、クリーンな太陽光エネルギーを化学エネルギーに変換し、環境浄化や化学物質を合成することが可能な光触媒が注目されている。例えば、酸化チタンやＭｏ酸化物などが挙げられる。最近では、未だ理論は確立されていないものの、光触媒の一種である光触媒酸化チタンの新規な機能として、非特許文献１に記載したような人工光合成が発見されている。
人工光合成の原理は、以下のように推論される。すなわち、光触媒酸化チタンに対して、そのバンドギャップよりも大きいエネルギーを有する３８０ｎｍ以下の紫外光領域の光を照射する。これにより、その伝導帯に電子が発生するとともに、価電子帯に正孔が発生する。このうち、電子は高い還元力を有し、正孔は高い酸化力を有して、光触媒酸化チタンの光触媒反応を励起する。その結果、前述した葉緑体の光合成と同じように、これらの電子と正孔とにより、ＣＯ２の還元と水の酸化反応とを促すものと考えられる。
【０００４】
ところで、従前の人工光合成では、３８０ｎｍ以下の紫外光領域の光を照射しなければならかった。そのため、紫外線を放出する光源が必要であった。そこで、従来、太陽光や可視光（波長４００〜８００ｎｍ）でも作動する光触媒酸化チタンが開発されている。例えば、石英板などの担体の表面に、光触媒酸化チタンの薄膜を形成した薄膜状光触媒酸化チタンがそれである。反応物の濃度が希薄であるため、蛍光灯などの光源でも十分に光触媒反応が発生する。酸化チタン薄膜の調整には、例えばマグネトロンスパッタ法などを採用することができる。
また、太陽光や可視光により光触媒反応を誘起する別の光触媒酸化チタンとして、例えばゼオライト骨格またはメソ多孔質シリカに、四配位の酸化チタンを高分散させた状態で担持したものが知られている（非特許文献１）。
四配位酸化チタンは、それまでの六配位酸化チタンより高い光触媒反応性を有している。それをゼオライトの骨格内に組み込んだり、メソ型の多孔質シリカの細孔内に組み込んで高分散させることで、太陽光や可視光による光触媒反応を可能にした。
【０００５】
【非特許文献１】「第５回佐賀県シンクロトロン光利用シンポジウムのテキスト：酸化チタン光触媒の開発動向と将来展望」 佐賀県シンクロトロン光応用研究施設利用研究フォーラム、平成１５年３月１１日、Ｐ１〜Ｐ２７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの従来のＣＯ２低減方法では、太陽光や可視光による光触媒反応であり、外部光源が絶たれ、太陽光が遮断された空間で人工光合成を行うことはできなかった。
【０００７】
【発明の目的】
この発明は、外部光源が不要で、しかも太陽光が遮断された空間であっても人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減するとともにＯ２を発生させることができるＣＯ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにＣＯ２低減装置を提供することを目的としている。
また、この発明は、近赤外線、赤外線または遠赤外線の出力を高めることができるＣＯ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにＣＯ２低減装置を提供することを目的としている。
さらに、この発明は、低コスト化を図ることができるＣＯ２低減方法および人工光合成誘起物ならびにＣＯ２低減装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、水の存在下でＣＯ２を含む気体を、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンに接触させ、この接触状態のまま、該光触媒酸化チタンを、近赤外線、赤外線または遠赤外線を発生させるセラミックスとトルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により励起し、人工光合成を起こさせてＣＯ２を低減するＣＯ２低減方法である。
ＣＯ２の発生源は限定されない。例えば、各種の燃焼機が挙げられる。燃焼機としては、例えば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関、ごみ処理施設、軽油やＡ重油などを燃料とする自家発電機、ボイラなどを採用することができる。
光触媒酸化チタンの種類は限定されない。純粋な酸化チタンの他、含水酸化チタン、水和酸化チタン、メタチタン酸、オルトチタン酸、水酸化チタンなどでもよい。また、四配位酸化チタン、六配位酸化チタンの何れでもよい。ただし、四配位酸化チタンの方が、前述したように高い光触媒反応性を有しているので、好ましい。
【０００９】
ここでいう光触媒酸化チタンは、少なくとも近赤外線、赤外線または遠赤外線の照射により、人工光合成型の光触媒反応を誘起する物質である。ただし、これらの赤外線系だけでなく、ガンマ線、Ｘ線、紫外線、可視光線（太陽光を含む）を照射したときにも光触媒反応を誘起する物質でもよい。
人工光合成時の気体の温度は限定されない。ただし、葉緑体の光合成が活発となる温度と同じ、１０〜３５℃が好ましい。
セラミックスの種類は限定されない。要は、トルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により光触媒酸化チタンを励起し、光触媒酸化チタンに対して人工光合成型の光触媒反応を起こさせる物質であればよい。例えば、後述するπ化セラミックスを採用することができる。
トルマリンの種類は限定されない。要は、セラミックスとの相乗効果で生じた電磁波により光触媒酸化チタンを励起し、光触媒酸化チタンに対して人工光合成型の光触媒反応を起こさせる物質であればよい。トルマリンとしては、例えばピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレット、緑色のトルマリーナベルジェ、青色のトルマリーナアズー、赤色のトルマリーナフビリッタ、褐色のトルマリーナマフォンなどを採用することができる。トルマリンは単体でもよいし、混合物でもよい。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記セラミックスとして、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、ＮａＯ、ＭｎＯを混合したπ化セラミックスを採用した請求項１に記載のＣＯ２低減方法である。
各成分の添加量は限定されない。例えば、ＳｉＯ２（石英）：８２．２５重量％、Ａｌ２Ｏ３：８．５９重量％、Ｆｅ２Ｏ３：１．０６重量％、ＴｉＯ２：０．３３重量％、ＣａＯ：１．５５重量％、ＭｇＯ：０．３７重量％、Ｋ２Ｏ：２．９６重量％、ＮａＯ：２．２６重量％、ＭｎＯ：０．０２重量％、その他：０．６１重量％でもよい。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記トルマリンとして、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用した請求項１または請求項２に記載のＣＯ２低減方法である。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、水とＣＯ２とに接触することで、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンと、近赤外線、赤外線または遠赤外線を発生させるセラミックスと、該セラミックスとの相乗効果で発生した電磁波により、前記光触媒酸化チタンを励起するトルマリンとを備えた人工光合成誘起物である。
人工光合成誘起物の用途は限定されない。対象となる気体中に水とＣＯ２とが存在し、その気体中のＣＯ２濃度を低減する必要がある用途であればよい。もちろん、人工光合成により生成されるＯ２を得たい用途でもよい。
光触媒酸化チタンは、例えばセラミックスとトルマリンとの混合物（担体）の表面に担持させてもよい。また、それぞれ粉体の光触媒酸化チタンとセラミックスとトルマリンとを混合し、無機のバインダを接着剤として所定形状（例えば球体、三角錐、円錐、直方体、立方体など）に成形した混合物でもよい。また、セラミックスとトルマリンの他に、添加物として近赤外線、赤外線または遠赤外線を生じないセラミックス（鉱物を含む）を添加してもよい。各混合物の大きさは限定されない。例えば粒径５〜７ｍｍである。
混合物への光触媒酸化チタンの担持方法は限定されない。例えば、スプレーや刷毛塗りなどの塗布法、シリコン系バインダまたは有機質バインダなどによるバインダ固定法、担体の材料中に添加して混練する混練法、担体を光触媒酸化チタンの溶液に漬ける浸漬法などを採用することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、前記セラミックスとして、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、ＮａＯ、ＭｎＯを混合したπ化セラミックスを採用した請求項４に記載の人工光合成誘起物である。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、前記トルマリンとして、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用した請求項４または請求項５に記載の人工光合成誘起物である。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、水とＣＯ２との接触により人工光合成を誘起する人工光合成誘起物と、該人工光合成誘起物が収納され、水とＣＯ２を含む気体が供給されるＣＯ２処理部とを備え、前記人工光合成誘起物は、水とＣＯ２との接触により人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンと、近赤外線、赤外線または遠赤外線を発生させるセラミックスと、該セラミックスとの相乗効果で発生した電磁波により光触媒酸化チタンを励起するトルマリンとの混合物であるＣＯ２低減装置である。
ＣＯ２処理部としては、例えば各種の燃焼機の排気路が挙げられる。具体的には、内燃機関の排気管やマフラ、ごみ処理施設の排気管や煙突、軽油やＡ重油などを燃料とする自家発電機の排気管、ボイラの排気管などを採用することができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、前記セラミックスとして、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、ＮａＯ、ＭｎＯを混合したπ化セラミックスを採用した請求項７に記載のＣＯ２低減装置である。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、前記トルマリンとして、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用した請求項７または請求項８に記載のＣＯ２低減装置である。
【００１８】
【作用】
請求項１〜請求項９に記載の発明によれば、水の存在下でＣＯ２を含む気体を、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンに接触させる。そして、この接触状態のまま、光触媒酸化チタンをセラミックスとトルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により励起する。すなわち、セラミックスからは近赤外線、赤外線または遠赤外線が発生し、トルマリン（例えば粒径０．３μｍ）からも０．０６ｍＡ程度の微弱な静電気が発生する。また、外部から熱、圧力といったエネルギーが作用して遠赤外線などの電磁波が発生する。さらに、トルマリンからはマイナスイオンも多量に発生する（１９８０年代に株式会社アダン鉱山が発見）。その両物質の相乗効果により、光触媒酸化チタンの伝導帯に電子が発生するとともに、価電子帯に正孔が発生し、光触媒酸化チタンの光触媒反応を励起する。その結果、自然界における葉緑体の光合成と同じように、電子と正孔とによってＣＯ２の還元と水の酸化反応とが促される。よって、外部光源が不要で、しかも太陽光が遮断された空間であっても人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減するとともに、Ｏ２を発生させることができる。
【００１９】
特に、請求項２、請求項５および請求項８の発明によれば、セラミックスとしてπ化セラミックスを採用したので、近赤外線、赤外線または遠赤外線の出力を高めることができる。
【００２０】
また、請求項３、請求項６および請求項９の発明によれば、トルマリンとして、安価なピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用したので、気体中のＣＯ２の低減に要するコストの高騰を抑えることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例を図面を参照して説明する。
図２において、１０はこの発明の一実施例に係るＣＯ２低減装置で、このＣＯ２低減装置１０は、自動車のガソリンエンジン１１の排気管１２の先端部に連通されたケーシング（ＣＯ２処理部）１３と、ケーシング１３内に充填され、排気ガス中の水とＣＯ２との接触により人工光合成を誘起する人工光合成誘起物１４とを備えている。
ＣＯ２低減装置１０の具体的な連通位置は、排気管１２のうち、マフラ１５の設置位置より若干下流（排気口側）の部分である。排気管１２は直径４２ｍｍである。排気管１２のうち、ＣＯ２低減装置１０より下流部分には、排気管１２より若干大径な筒体１６が連通されている。筒体１６は内容積４５０ｃｍ３のステンレス製で、必要によりその内部空間に人工光合成誘起物１４を充填する場合がある。
【００２２】
次に、図１および図２を参照して、ＣＯ２低減装置１０を詳細に説明する。ケーシング１３は縦６５ｍｍばつ横１３０ｍｍ×高さ１００ｍｍの直方体の容器で、ステンレス製である。ケーシング１３内には、不燃性の金属ネット１７を介して、直径５〜７ｍｍの人工光合成誘起物１４が多数充填されている。人工光合成誘起物１４は、水とＣＯ２とに接触することで、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタン１４ａと、主に遠赤外線を発生させるπ化セラミックス（セラミックス）と、π化セラミックスとの相乗効果で発生した電磁波により、光触媒酸化チタン１４ａを励起するトルマリンと、粘土状鉱物と、無機物質のバインダ（トーヨーテクノ有限会社製のバインダ）とを主成分としている。
【００２３】
光触媒酸化チタン１４ａは、四配位酸化チタンである。
π化セラミックスの配合は、ＳｉＯ２（石英）：８２．２５重量％、Ａｌ２Ｏ３：８．５９重量％、Ｆｅ２Ｏ３：１．０６重量％、ＴｉＯ２：０．３３重量％、ＣａＯ：１．５５重量％、ＭｇＯ：０．３７重量％、Ｋ２Ｏ：２．９６重量％、ＮａＯ：２．２６重量％、ＭｎＯ：０．０２重量％、その他：０．６１重量％である。トルマリンには、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用している。π化セラミックスとトルマリンとの粒径は１〜２００μｍ、好ましくは２０〜３０μｍである。
人工光合成誘起物１４の全体における、トルマリン（前記混合物、以下同じ）とπ化セラミックスとの混合物が占める割合は６０重量％、粘土状鉱物２０重量％、バインダ２０重量％である。
【００２４】
以下、人工光合成誘起物１４の製造方法を説明する。
まず、π化セラミックスとトルマリンとを粉砕機に投入し、所定の粒径に達するまで粉砕する。粉砕機としては、例えばボールミル、ロッドミルを採用することができる。
その後、π化セラミックスとトルマリンとの混合物（粉体）を、所定量の水と水ガラスとともに顆粒機に投入する。次いで、顆粒機内でこれらを所定時間攪拌する。これにより、混合物は徐々に顆粒状となる。顆粒工程の仕上げ段階では並１次反応が発生し、混合物から直径５〜７ｍｍのセラミックスボール１４ｂが得られる。次に、各セラミックスボール１４ｂを１５０℃で加熱し、水分を除去後、７００℃で焼結する。焼結されたセラミックスボール１４ｂは、水に株式会社アバン製の光触媒酸化チタン１４ａを分散させた１．０重量％の酸化チタン溶液（ゾル状）に１５〜３０分間浸漬する。次いで、酸化チタン溶液の液面からセラミックスボール１４ｂを引き上げると、光触媒酸化チタン１４ａが空気に接触し、光触媒酸化チタン１４ａがセラミックスボール１４ｂの表面にイオン結合し、薄膜が形成される。結合した光触媒酸化チタン１４ａの分量は、セラミックスボール１４ｂの８〜１５重量％である。その後、得られたものを所定時間乾燥することで、球形状を有する人工光合成誘起物１４が製造される。
【００２５】
次に、ＣＯ２低減装置１０を利用した排気ガス中のＣＯ２低減方法を説明する。
図２に示すように、自動車のエンジンから排出された排気ガスは、エンジンの排気側に連通された排気管１２を通し、マフラ１５により消音および温度低下された後、大気解放される。その途中、マフラ１５を通過した排気ガスがＣＯ２低減装置１０に供給され、ここで人工光合成が誘起される。
以下の説明は、一実施例における人工光合成の仮説である。排ガス中に含まれる水分とＣＯ２とは、ケーシング１３内で人工光合成誘起物１４の表面を被覆する光触媒酸化チタン１４ａの薄膜と接触する。このとき、光触媒酸化チタン１４ａは、セラミックスボール１４ｂを構成するセラミックスとトルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により励起されている。具体的には、セラミックスからは近赤外線、赤外線または遠赤外線が発生し、トルマリン（例えば粒径０．３μｍ）からも０．０６ｍＡ程度の微弱な静電気が発生する。また、外部から熱、圧力といったエネルギーが作用して遠赤外線などの電磁波が発生する。さらに、トルマリンからはマイナスイオンも多量に発生する。これらの作用により、光触媒酸化チタン１４ａの伝導帯に電子が発生し、価電子帯に正孔が発生して、光触媒酸化チタン１４ａの光触媒反応が励起される。その結果、自然界における葉緑体の光合成と同じように、電子と正孔とによるＣＯ２の還元と水の酸化反応とが促される。よって、外部光源が不要で、しかも太陽光が遮断された空間であっても人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減するとともにＯ２を発生させることができる。
【００２６】
一実施例では、遠赤外線を発生させるセラミックスとして、遠赤外線の出力が高まる物質を混合したπ化セラミックスを採用している。そのため、他のセラミックスに比べて、高い出力の遠赤外線を発生させることができる。
また、トルマリンとして、安価なピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用している。これにより、高価なトルマリンのコスト低減を図ることができる。
【００２７】
ここで、実際に自動車のガソリンエンジンの排気管の先端部に一実施例のＣＯ２低減装置を装着し、アイドリング時における排気ガス中に含まれるＣＯ２量とＯ２量とを評価した際の結果を報告する。自動車の使用台数は４台で、それぞれ型式などが異なる。
【００２８】
【表１】
表１から明らかなように、人工光合成誘起物が有しない比較例に比べて、人工光合成誘起物を有する試験例は、排気ガス中のＣＯ２の濃度が低減し、かつ排ガス中のＯ２の濃度が高まった。これは、排気ガス中に含まれる水とＣＯ２とから、人工光合成誘起物を利用した人工光合成が誘起された結果であると推察される。なお、試験例１７では外部から筒体に水をかけるとともに、エアコンプレッサから空気を吹き付けることで冷却し、排気ガスの温度を下げた。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１〜請求項９に記載の発明によれば、水の存在下でＣＯ２を含む気体を、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンに接触させ、その状態のまま、光触媒酸化チタンを、セラミックスとトルマリンとの相乗効果で発生した電磁波により励起し、人工光合成を起こす。これにより、自然界における葉緑体の光合成と同じように、人工光合成型の光触媒反応により発生した電子と正孔とにより、ＣＯ２の還元と水の酸化反応とが促される。よって、外部光源が不要で、しかも太陽光が遮断された空間であっても人工光合成を起こし、ＣＯ２を低減するとともにＯ２を発生させることができる。
【００３１】
特に、請求項２、請求項５および請求項８の発明によれば、セラミックスとしてπ化セラミックスを採用したので、近赤外線、赤外線または遠赤外線の出力を高めることができる。
【００３２】
また、請求項３、請求項６および請求項９の発明によれば、トルマリンとして、安価なピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用したので、気体中のＣＯ２の低減に要するコスト削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係る人工光合成誘起物の拡大断面図である。
【図２】この発明の一実施例に係るＣＯ２低減装置の使用状態の斜視図である。
【符号の説明】
１０ ＣＯ２低減装置、
１３ ケーシング（ＣＯ２処理部）、
１４ 人工光合成誘起物、
１４ａ 光触媒酸化チタン。
Claims (9)
- 水の存在下でＣＯ２を含む気体を、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンに接触させ、
この接触状態のまま、該光触媒酸化チタンを、近赤外線、赤外線または遠赤外線を発生させるセラミックスとトルマリンとの相乗効果で生じた電磁波により励起し、人工光合成を起こさせてＣＯ２を低減するＣＯ２低減方法。 - 前記セラミックスとして、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、ＮａＯ、ＭｎＯを混合したπ化セラミックスを採用した請求項１に記載のＣＯ２低減方法。
- 前記トルマリンとして、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用した請求項１または請求項２に記載のＣＯ２低減方法。
- 水とＣＯ２とに接触することで、人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンと、
近赤外線、赤外線または遠赤外線を発生させるセラミックスと、
該セラミックスとの相乗効果で発生した電磁波により、前記光触媒酸化チタンを励起するトルマリンとを備えた人工光合成誘起物。 - 前記セラミックスとして、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、ＮａＯ、ＭｎＯを混合したπ化セラミックスを採用した請求項４に記載の人工光合成誘起物。
- 前記トルマリンとして、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用した請求項４または請求項５に記載の人工光合成誘起物。
- 水とＣＯ２との接触により人工光合成を誘起する人工光合成誘起物と、
該人工光合成誘起物が収納され、水とＣＯ２を含む気体が供給されるＣＯ２処理部とを備え、
前記人工光合成誘起物は、水とＣＯ２との接触により人工光合成型の光触媒反応を起こす光触媒酸化チタンと、近赤外線、赤外線または遠赤外線を発生させるセラミックスと、該セラミックスとの相乗効果で発生した電磁波により光触媒酸化チタンを励起するトルマリンとの混合物であるＣＯ２低減装置。 - 前記セラミックスとして、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ２Ｏ、ＮａＯ、ＭｎＯを混合したπ化セラミックスを採用した請求項７に記載のＣＯ２低減装置。
- 前記トルマリンとして、ピンク色のトルマリーナホーザ、黒色のトルマリーナプレットとの混合物を採用した請求項７または請求項８に記載のＣＯ２低減装置。
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