JP2005081252A

JP2005081252A - 複合触媒フィルター

Info

Publication number: JP2005081252A
Application number: JP2003316491A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Kondo; 泰慶近藤
Original assignee: Mitsubishi Paper Mills Ltd
Current assignee: Mitsubishi Paper Mills Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】本発明の課題は、光触媒剤および、酸化触媒剤の特徴を有効利用した複合触媒フィルターを提供することである。
【解決手段】光触媒剤を含有する光触媒層と酸化触媒層を密着させてなる複合フィルターであり、光触媒層が風上側に設置されて使用されることを特徴とする複合触媒フィルター。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気清浄化フィルターに関するものであり、２種触媒の特徴を組合せることにより総合的脱臭を可能にした複合触媒フィルターを提供することである。

従来、工場などにおける工業的に発生する悪臭や、多量の廃棄物を排出する飲食店やホテルなどのサービス産業における廃棄物に起因した悪臭が問題となっていたが、最近では、自動車内や一般室内などの日常生活空間における悪臭もクローズアップされてきている。従って、これら悪臭などの有害物質除去に対するニーズが高まっており、脱臭装置や脱臭フィルターなどを組み込んだ空気清浄機の開発が盛んに行なわれている。

酸化チタンをはじめとする光触媒剤は、強力な酸化分解作用を利用して脱臭剤の構成材料として用いられている。光触媒反応により悪臭成分を分解するためには、悪臭成分を触媒表面に吸着させた状態とする必要があるが、酸化チタン自体は比表面積が３００ｍ²／ｇ程度であり、あまり大きくないため、吸着能力が不十分である。そこで、吸着剤と光触媒剤を併用し、吸着剤表面に光触媒剤を付加した、あるいは吸着剤に光触媒剤を練りこんだ部材として用いる脱臭装置が提案されている（特許文献１参照）。上記構成において、空気中の悪臭成分を吸着剤表面に物理吸着作用により捕捉し、光触媒剤の活性部まで表面拡散させ、光触媒剤の酸化作用により分解するという一連の反応を生じさせる。

光触媒剤の酸化分解力を利用した空気清浄化システムとして、エアコン、空気清浄機、除湿器、加湿器など様々な家庭用の家電製品に用いられている。光触媒剤は分子量１００以上の比較的分子量の大きな有機系のガスに対しても高い酸化分解作用を有するため、より低分子量の異なる悪臭ガスを発生させてしまうという問題があった。

また、白金、パラジウム、酸化マンガン、炭酸マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウムのうち少なくとも一種の金属が多孔質材料表面に担持されて構成される酸化触媒剤は分子量５０以下の例えば、アセトアルデヒド、ホルムアルデヒド、一酸化炭素などの比較的低分子量の脱臭に優れるが、高分子量のガスにはほとんど作用せず、総合的な空気清浄という目的には不向きであった。
特開平１−１８９３２２号公報

本発明の課題は、光触媒剤および、酸化触媒剤の特徴を有効利用した複合触媒フィルターを提供することである。

（１）光触媒剤を含有する光触媒層と酸化触媒層を密着させてなる複合フィルターであり、光触媒層が風上側に設置されて使用されることを特徴とする複合触媒フィルター。
（２）酸化触媒層が、白金、パラジウム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛およびジルコニウムのうち少なくとも一種の金属化合物が多孔質材料表面に担持されて構成されることを特徴とする複合触媒フィルター。

本発明の複合触媒フィルターにより、光触媒層のごく近傍に酸化触媒層を設けることにより、分解途上のガスを効率良く除去する複合触媒フィルターを提供することが可能である。

本発明の複合触媒フィルターについて以下に詳細に説明する。

光触媒層に用いられる光触媒剤とは、０．５〜５ｅＶ、好ましくは１〜４ｅＶの禁止帯幅を有する、光触媒反応をもたらす光反応性半導体であり、励起光を照射することによって、脱臭、抗菌、抗ウイルス、防黴、防汚、有害物質分解などの機能を発現する素材であり、脱臭のみならず複合的な空気清浄機能を有する素材である。特にその抗菌性は優れたものであり、細菌の増殖を抑えるだけでなく、細菌が死滅する際に発生する毒素を分解して無害化し、また、細菌の死骸をも分解するため、その効果は従来の無機系抗菌剤などのように短期間で低下することがなく永続するといわれている。

光触媒層に用いられる光触媒剤としては、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化チタン、および酸化セリウム等の金属酸化物粒子が挙げられる。なかでも、酸化チタンはその構造安定性、光反応性有害物除去能、更に取扱い上の安全性等から生活空間において使用するには最も適しており、本発明においても有利に用いられる。酸化チタンは、白色顔料として用いられる汎用の二酸化チタン（但し、耐候処理が全くまたは部分的にしかされていないもの）の他、メタチタン酸、オルトチタン酸、含水酸化チタン、水和酸化チタン、水酸化チタンおよび過酸化チタン等のチタン酸化物や水酸化物などが挙げられる。なかでも一次粒径が数十ｎｍ程度で、アナターゼ結晶構造を有する微粒子酸化チタンは比較的安価で性能の優れた光触媒である。但し、本発明に係わる酸化チタンはアナターゼ結晶構造に限定されるものではなく、光触媒能を有するものであれば、ルチルやブルカイトなどの結晶構造を有するものや非晶性酸化チタンであっても良い。

光触媒層に用いられる光触媒剤はシリカ、アルミナ−シリカ、ジルコニアまたはアパタイトなどの無機物質、好ましくは多孔性無機物質によって被覆されたマイクロカプセル化光触媒剤であってもよい。これらの材料を用いることにより、光触媒剤が基材と直接接触することがなく担持性に優れ、被覆物である多孔性無機物質が吸着剤として機能することも出来るため好ましい。

光触媒層に用いられる光触媒剤は、室内照明光、すなわち波長４００ｎｍ以上の可視光によって励起され得る可視光対応型の光触媒剤であってもよく、具体的にはバナジウムやクロムなどの金属元素または金属イオン、あるいは窒素などの還元性元素をドープした酸化チタン化合物、低温プラズマ処理などで改質された酸素欠陥型酸化チタン、および酸化チタン／酸化タングステン複合体などが知られている。

光触媒層には、光触媒剤の他に物理吸着により悪臭物質を吸着する脱臭剤が併用されていても良い。すなわち、脱臭剤の吸着および脱離の可逆反応が可能であることを利用して、これを酸化チタンと混合して脱臭層１を形成することにより、気相中に存在する臭気成分を一旦捕捉、光触媒剤の活性点まで拡散させ、酸化分解する一連の反応を生じさせる。

脱臭剤とは、主に悪臭を除去する目的で用いられるものであり、具体的には活性炭、添着活性炭、活性炭素繊維、竹炭および備長炭などの炭素系吸着脱臭剤、天然および合成ゼオライト（沸石族）、活性アルミナ、酸化鉄等の鉄系化合物および多孔質シリカなどの無機系吸着脱臭剤、有機酸系化合物、キチン、キトサンおよびイオン交換樹脂などの有機系吸着脱臭剤、鉄アスコルビン酸や鉄、コバルトまたはマンガン等の金属フタロシアニン誘導体などの酵素系脱臭剤、マンガン系酸化物やペロブスカイト型化合物、白金酸化物、パラジウム酸化物またはバナジウム酸化物などの酸化触媒、炭化珪素、窒化珪素、珪酸カルシウム、アルミナ・シリカ系、ジルコニア系などの合成セラミクスや麦飯石、フェルソング石などの遠赤外線セラミクス、植物抽出成分に含まれる化合物であるカテキン、タンニン、フラボノイド、リモネンおよびピネン等を用いた消臭剤などが挙げられる。これらの脱臭剤は必要に応じて複数のものを併用しても良く、また、これらの脱臭剤を複合化したハイブリッド脱臭剤として用いても良い。

脱臭剤としてはハイシリカゼオライトが特に好ましい。ハイシリカゼオライト（疎水性ゼオライトに同じ）は通常のゼオライトと同様にアルミノシリケート金属塩の結晶であるが、特に結晶中のアルミナに対するシリカの割合が高いものであり、シリカ構造中の酸素原子が塩基性をほとんど持たず、表面のＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合が水素結合の形成に関与しないため、疎水性を示して水分子を吸着せず、高湿度環境下および高温度環境下においても効率良くアルデヒド類などを吸着することが可能である。

更に、ハイシリカゼオライトは吸着法での除去が一般に困難なアルデヒド類などの低沸点化合物をはじめとする広範囲の臭気物質、例えば有機酸、アンモニア、アミン類、ケトン類、硫化水素やメルカプタン類などの含硫黄化合物、インドール類などを吸着できる特長を有する。

次に、本発明における酸化触媒層について説明する。酸化触媒層には、光触媒層で完全に分解しきれなかった中間生成物を分解させる目的で用いられる。この酸化触媒層は光触媒層と密着した状態で風下側に設置されていなくてはならない。光触媒反応で分解された中間生成物は電子的に不安定な状態で存在する場合が多く、ごく近傍に酸化触媒層を設置することにより、悪臭物質をより効率良く除去することが可能となる。密着の手段としては、２層の接触面にバインダーを介在させて接着させても良いし、２層の間に空間を有しない状態で隣接された状態で構成されていれば必ずしも接着剤を使用しなくてもよい。

光触媒層と酸化触媒層の構成を図１に示す。図中の矢印は風向きを示す。請求項１の複合触媒フィルターはこの図のように、風上側に光触媒層（１）、風下側に酸化触媒層（２）を互いが密着した状態で構成されることを特徴とし、光触媒剤の作用を最大限に引出す為に光触媒層（１）の更に風上側に紫外線ランプが設置されていてもよい。最も簡単な構成としては、シートに光触媒剤、酸化触媒剤を各々担持させ貼合わせて用いてもよく、これを図３の様にプリーツ状にして使用してもより効果を高めることが出来るため好適である。また、図４のようにシート状の光触媒層、酸化触媒層を波状にして形状を維持する為の支持体を貼合わせてもよい。この支持体に、脱臭、抗菌、除塵等の何らかの機能が付与されていても構わない。

光触媒層、酸化触媒層の形状としては通気性の不織布シートやウレタン等の素材に担持させたシートをそのまま使用したり、このシートをプリーツ、ハニカム、コルゲートの形状として用いても良い。粒状の光触媒剤、酸化触媒剤をフィルター枠に充填して使用しても構わない。

請求項２における酸化触媒層には多孔質材料の表面に白金、パラジウム、酸化マンガン、炭酸マンガン、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウムのうち少なくとも１種類が表面担持されていることを特徴とし、前段の光触媒部で反応しきれなかった中間体をより効率良く分解する。

本発明に用いられる多孔質材料としては、前述の金属を担持することができるものであれば特に制限はなく、例えば、活性炭、活性白土、活性アルミナ、ゼオライト、シリカゲル等を挙げることができる。なかでも、活性炭およびハイシリカゼオライトが好ましく用いられる。

以下、本発明を実施例により説明するが、本発明の趣旨を逸脱しない限り、実施例に限定されるものではない。

（調製例１）
坪量７０ｇ／ｍ²の通気性不織布に酢酸ビニルを主原料とする定着剤１０ｇ／ｍ²、二酸化チタン３０ｇ／ｍ²を担持させて調整例１の光触媒シートとした。

（調製例２）
坪量７０ｇ／ｍ²の通気性不織布に酢酸ビニルを主原料とする定着剤３０ｇ／ｍ²、二酸化チタン３０ｇ／ｍ²、ハイシリカゼオライト３０ｇ／ｍ²を担持させて調整例２の光触媒シートとした。

（調製例３）
坪量７０ｇ／ｍ²の通気性不織布に、活性炭（比表面積１０００ｍ²／ｇ）に対して白金を３質量％担持させた酸化触媒剤を３０ｇ／ｍ²、酢酸ビニルを主原料とする定着剤１０ｇ／ｍ²を担持させて調整例３の酸化触媒シートとした。

（調製例４）
坪量７０ｇ／ｍ²の通気性不織布に、活性炭（比表面積１０００ｍ²／ｇ）に対してパラジウムを３質量％担持させた酸化触媒剤を３０ｇ／ｍ²、酢酸ビニルを主原料とする定着剤１０ｇ／ｍ²を担持させて調整例４の酸化触媒シートとした。

（調製例５）
坪量７０ｇ／ｍ²の通気性不織布に、二酸化マンガンに対して白金を３質量％担持させた酸化触媒剤を３０ｇ／ｍ²、酢酸ビニルを主原料とする定着剤１０ｇ／ｍ²を担持させて調整例５の酸化触媒シートとした。

（調製例６）
坪量７０ｇ／ｍ²の通気性不織布に、二酸化チタン３０ｇ、活性炭（比表面積１０００ｍ²／ｇ）に対して白金を３質量％担持させた酸化触媒を３０ｇ／ｍ²、酢酸ビニルを主原料とする定着剤２０ｇ／ｍ²を担持させて混合触媒シートを作製した。

調製例１の光触媒シートと調製例３の酸化触媒シートをエチレンビニルアルコールを主原料とするホットメルト接着剤で貼り合せ、３０ｃｍ×３０ｃｍの寸法として実施例１の複合触媒フィルターとした。

調製例１の光触媒シートと調製例４の酸化触媒シートをエチレンビニルアルコールを主原料とするホットメルト接着剤で貼り合せ、３０ｃｍ×３０ｃｍの寸法として実施例２の複合触媒フィルターとした。

調製例１の光触媒シートと調製例５の酸化触媒シートをエチレンビニルアルコールを主原料とするホットメルト接着剤で貼り合せ、３０ｃｍ×３０ｃｍの寸法として実施例３の複合触媒フィルターとした。

調製例２の光触媒シートと調製例３の酸化触媒シートをエチレンビニルアルコールを主原料とするホットメルト接着剤で貼り合せ、３０ｃｍ×３０ｃｍの寸法として実施例４の複合触媒フィルターとした。

調製例２の光触媒シートと調製例５の酸化触媒シートをエチレンビニルアルコールを主原料とするホットメルト接着剤で貼り合せ、３０ｃｍ×３０ｃｍの寸法として実施例４の複合触媒フィルターとした。

（比較例１）
風上側に調製例１の光触媒シート、５ｃｍ間隔を空けて風下側に調製例３の酸化触媒シートを配置して比較例１の複合触媒フィルターとした。

（比較例２）
風上側に調製例２の光触媒シート、５ｃｍ間隔を空けて風下側に調整例３の酸化触媒シートを配置して比較例２の複合触媒フィルターとした。

（比較例３）
調製例６の混合触媒シートを比較例３の複合触媒フィルターとした。

（比較例４）
調製例１の光触媒シートと調製例５の酸化触媒シートをエチレンビニルアルコールを主原料とするホットメルト接着剤で貼り合せ、３０ｃｍ×３０ｃｍの寸法とし、酸化触媒シートを風上側に設置して比較例４の複合触媒フィルターとした。

実施例１〜６の複合触媒フィルターについては光触媒シートを風上側にセットして以下の評価を行なうものとし、光触媒剤を担持された触媒部には近傍に紫外線ランプを設置し平均的に１ｍＷ／ｃｍ²の光量が照射される条件とした。

次に、実施例、比較例の各フィルターの評価結果を示し、具体的な発明の効果について記述する。

［オクチルアルコールの分解除去試験］
＜注入ガス量＞
実施例１〜５および比較例１〜４の複合触媒フィルターを１立米の密閉容器内で運転しながらオクチルアルコールガスを徐々に注入し、ガス検知管を用いて検出される密閉容器内のオクチルアルコール濃度が２０ｐｐｍになったところでガスの注入を停止し、注入したオクチルアルコールの容量（ｍｌ）を求め注入ガス量とし、以下の５水準で評価した。光触媒剤を担持された光触媒層の近傍には紫外線ランプを設置し平均的に１ｍＷ／ｃｍ²の光量が照射される条件とした。
Ａ：２０１ｍｌ〜
Ｂ：１２１ｍｌ〜２００ｍｌ
Ｃ：８１ｍｌ〜１２０ｍｌ
Ｄ：４１ｍｌ〜８０ｍｌ
Ｅ：〜４０ｍｌ

＜センサー値＞
実施例１〜５および比較例１〜４の複合触媒フィルターを１立米の密閉容器内で運転しながらオクチルアルコールガスを６０分間連続で注入させた。オクチルアルコールの供給速度は容器の濃度を２ｐｐｍ/ｍｉｎで上昇させる速度に設定した。
６０分後に容器中に存在する分解ガスを総揮発性有機化合物（ＴＶＯＣ）センサー（新コスモス電機製）を用いて評価し、センサー読値から以下の５水準で評価した。該センサーを用いることにより分解途中の中間生成物の総モル数についておおよその比較が行える。注入ガス量とセンサー値を表１に示す。
Ａ：〜３００
Ｂ：３０１〜６００
Ｃ：６１０〜１０００
Ｄ：１００１〜１３００
Ｅ：１３００〜単位[無単位]

表１の結果より実施例の検体は、オクチルアルコールの様なやや分子量の大きなガス状物質の分解除去量が大きく、更に分解時に生成する反応中間体の量も非常に少ないことが分かる。光触媒剤は分子量の大きなガス状物質も分解する強い酸化力を有しているが反応速度が速くないためどうしても反応中間体が生成してしまう。光触媒層のごく近傍では、これらの中間体は一次的にラジカル、活性酸素といった不安定物質として存在していることが多い。これらの中間体を光触媒層と密着させた酸化触媒層で効果的に分解除去することができる。比較例１、２の様に光触媒層と酸化触媒層が密着していない場合は効果が著しく低下してしまう結果となった。更に、比較例３の様に同一層に両触媒を含有する混合触媒層としても、酸化触媒が分子量の大きなガス状物質に対する酸化力が弱いため、相乗的な効果は得られてない。更に、風上側に酸化触媒層、風下側に光触媒層を配置した比較例４の場合は、実質的に光触媒剤のみの効果しか分解に寄与せず効果的な脱臭効果は得られてない。光触媒層のごく近傍の下流側に酸化触媒層を設けることで、比較的高分子量のガスが光触媒剤で分解され、返って臭気モル数が上昇してしまうという致命的な問題点をも解決することができた。

本発明の複合触媒フィルターの全体構成を示す図である。本発明の複合触媒フィルターの構造例を示す図。本発明の複合触媒フィルターの構造例を示す図。本発明の複合触媒フィルターの構造例を示す図。

符号の説明

１光触媒層
２酸化触媒層

Claims

光触媒剤を含有する光触媒層と酸化触媒層を密着させてなる複合フィルターであり、光触媒層が風上側に設置されて使用されることを特徴とする複合触媒フィルター。
酸化触媒層が、白金、パラジウム、マンガン、ニッケル、銅、亜鉛およびジルコニウムのうち少なくとも一種の金属化合物が多孔質材料表面に担持されて構成されることを特徴とする複合触媒フィルター。