JP2005526599A - 燐光を発する固体と組み合わせた光触媒を用いて流体を処理するための反応器及び方法 - Google Patents

燐光を発する固体と組み合わせた光触媒を用いて流体を処理するための反応器及び方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、液状又はガス状の反応媒体中で光触媒反応を実施するための、固体光触媒（８）を備えた反応容器（１）、供給管及び排出管（４，５）、混合装置（２）及び電磁放射線（５）を供給するための装置からなり、前記の反応媒体はマイクロラジエーター（７）を含有し、このマイクロラジエーターは電磁放射線を吸収しかつ時間的に遅延して光触媒を励起する光を放出する、反応器（１）、並びに固体光触媒を液状又はガス状の反応媒体中に懸濁させ、かつ電磁放射源で蓄光されかつそのエネルギーを時間的に遅延して放射するマイクロラジエーターを用いて活性化させる光触媒反応を実施するための装置に関する。

Description

本発明の対象は、光触媒を工業的に適用するための新規の反応器及び方法の構想である。
背景技術の記載
この光触媒作用は、電気的半導体が反応可能な物質と接触した場合に生じる作用である。この照射によって、電子はより高いエネルギー準位の伝導帯になる。「正孔」は残ったままである。この励起された電子及び／又は正孔は分子又はラジカルと半導体表面で、例えばレドックス反応を起こす。従って、酸素の存在で、大抵の有機分子、細菌及びウイルスは完全に酸化することができる。
既に水及びガスの精製のための適用が存在している（Bahnemann, Detlef 著: "Photocatalytic Detoxifikation of Polluted Waters", in the Handbook of Enviromental Chemistry, O. Hutzinger (Hrg.) Vol. 2.: Reactions and Processes, Part L 著: Enviromental Photochemistry, P. Boule (Ed. ), Springer Verlag Heidelberg 1999,285-351）。最も頻繁に使用される光触媒はＴｉＯ２である。３．２ｅＶのバンドギャップで、この光触媒は３８５ｎｍより小さい波長の紫外線によって活性化することができる。しかしながら、部分的により深いバンドギャップを有する多くの他の光触媒も存在する。このような光触媒はより大きな波長の光で活性化される。最近では、多様な特性を有する光触媒の開発が研究されている。特に、この関連で、エネルギー励起源として、可視光の領域（Lettmann, Christian 著: "Konventionelle und kombinatorische Entwicklung von Mischoxiden zur photokatalytischen Wasserreinigung mit sichtbarem Licht", ザールラント大学学位論文, 2001）及び太陽光（EP 0 812 619 A1）の使用を挙げることができる。
この文献では多様な構造の反応器が記載されている。
「リブ付き多層板反応器（Stegmehrfachplattenreaktor）」が広く普及しており、この反応器の場合には処理すべき流体をメアンダー状に光触媒で被覆された面上で流動させる。この触媒は流体を通過して照射され、このために下水処理の記載された場合には、励起源として太陽光が記載され、かつ触媒としてＴｉＯ２が記載されている。この実施態様として、触媒を流体中に懸濁させかつ装置を通過した後に再び分離することが記載されている。
この装置は極端に高い所要面積を必要とする。
触媒を含有し、かつ処理すべき流体を貫流させるカートリッジが記載されている。この照明は、カートリッジの横側に取り付けられているランプを用いて行われる（WO96/36565）。この装置は、前記の「リブ付き多層板反応器」と同様に高い所要面積を必要とする。
「球堆積反応器（Kugelhaufenreaktor）」は、触媒で被覆されているガラス球からなり、このガラス球の間隙を流体が流動する（WO95/11751）。この照射は、堆積物中にもたらされているランプにより行う。固定層として、同様に流動層として最も頻繁に使用される。放射線のわずかな侵入深さを犠牲にして高い充填密度を達成しなければならないことは欠点である。
懸濁反応器中では微細粒の懸濁された触媒が多様に設置されたランプで照射される（EP 0 233 498 B1）。極めて希薄な触媒溶液及び相応してわずかな転化率で処理されない場合には、他の触媒粒子又は反応体粒子により著しく遮蔽されることにより、存在する触媒表面の極めて僅かな部分が活性されるだけである。
光がガラスプレートを通して光触媒にまで運ばれる装置も記載されている（WO 97/37936）。所要面積及び複雑な構造様式は前記のリブ付き多層板反応器と同等である。
WO 98/17390には、複数の薄いガラス小板を備えた装置が記載されている。このガラス小板はその表面に触媒を有している。この照射は、ガラスプレート内に凹所を用いて環状に配置されたガラス小板の堆積物を通過するランプにより行われる。この構造様式も細密でかつ複雑である。
先行技術の欠点及びそれにより生じる結果
全ての公知の反応器構造様式は、これらの反応器が照射される触媒表面の著しくわずかな充填密度を達成していることが共通している。このことは装置を高価にしている。更に、この装置は著しく高い所要面積を必要とすることが多く、この所要面積は同様にこの使用を高価にしている。いくらかコンパクト化された公知の構造様式は、極めて細密でかつ複雑に構築され、従って相応して高価である。
このような事情に本来の理由があり、この理由から光触媒は今までに大規模工業的に使用されていなかった。
従って、本発明の課題は、照射される触媒表面積のできる限り高い充填密度が、できる限り安価な構造様式及び運転方法と結びつく方法及び装置を開発することであった。
前記の課題は、独立形式請求項の特徴部により解決され及び引用形式請求項の特徴部により促進される。
燐光を発する物質によるエネルギーの輸送
本発明は、燐光を発する物質により必要なエネルギーを光触媒の活性表面（以後光触媒ＰＫと言う）の付近に輸送し、その付近では燐光を発する粒子が適切な波長の光を放射しかつＰＫを活性化するという新規の種類の原則に基づく。
燐光を発する粒子（以後マイクロラジエーターＭＲと言う）は適当な光源で「蓄光」されなければならない。この粒子は次いで、光触媒の活性層に輸送され、その箇所でこの粒子はその蓄積された電磁エネルギーを完全に又は部分的に放出し、再びＵＶ光源に到達する。
適当なＭＲの選択時に、数秒〜数分の半減期を有する蓄えられたエネルギーを反応室の内部でＰＫのそばの触媒作用を生じさせることができる箇所で再現するのが有利であり、一方でＰＫの活性状態の短い半減期に基づき、エネルギー源の付近においてだけ反応することが有利である。
反応器として、反応のため及び／又は物質輸送プロセスのために使用することができる多様なタイプの反応器が挙げられ、有利には次のものが挙げられる：
− 流動層、流動層カスケード、流動溝（Wirbelrinne）
− 噴流層、噴流層からなるカスケード
− 撹拌容器、撹拌容器カスケード
− 管状反応器
− 固定層（ＰＫで被覆された）又は全ての開放型の整列した構造、例えば小板、ハニカム等。
この全ての方法において、ＭＲは光源で活性化され、反応溶液及びＰＫと物理的に混合され、ＰＫのそばでエネルギーを放出した後に光源に返送され、「蓄光」され、新たに触媒に供給される。
この混合は、装置内で流動又は粒子拡散によって行うことができる。この輸送メカニズムが十分である場合には、光源、例えば１つ又は複数のＵＶランプは装置の壁部又は装置内に直接設置され、それにより付近を通り過ぎるＭＲは高いエネルギー密度で蓄光され、次いで再び流動によって反応器の内部へ達する。
付加的に、案内板、邪魔板、撹拌装置等によってこの輸送メカニズムを改善することができる。
これとは別に又は付加的にＭＲは外部循環路を介して適当なランプのそばを通過するように案内することができる。このために、有利にＭＲは、光源に接するＭＲの濃度を高めかつＰＫ粒子及び基質粒子による遮蔽を回避するために、処理すべき流体から及びＰＫから分離される。この場合にＭＲは少量の処理すべき流体と一緒に対流的に輸送されるのが有利である。
最も頻繁に使用される光触媒はＴｉＯ２である。３．２ｅＶのバンドギャップで、この光触媒は３８５ｎｍより小さい波長の紫外線によって活性化することができる。３８５ｎｍよりも大きな波長を有する光で活性化される多くの他の光触媒も公知である。例として、ＺｎＯ及び他の遷移元素の酸化物（WO 95/11751）並びにＣｄＳ（EP 0 234 875 B1）及びＳｎＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＷＯ３、Ｆｅ２Ｏ３（WO 96/36565）が挙げられる。この一連の例が、更になお後続する。
最近では、光触媒を、可視光の領域（Lettmann, Christian 著: "Konventionelle und kombinatorische Entwicklung von Mischoxiden zur photokatalytischen Wasserreinigung mit sichtbarem Licht", ザールラント大学学位論文, 2001）及び太陽光（EP 0 812 619 A1）に対して使用することが開発された。
有利に、比較的硬質でかつ耐摩耗性のＰＫを使用し、その際に酸化されない無機物質が有利である。使用の種類に応じて、このＰＫは極めて多様な粒度及び構造を有することができる。
懸濁触媒：粒径：１ｎｍ〜１００μｍ
流動層反応器：粒径：１μｍ〜１ｍｍ
固定層（又は整列した構造、例えば小板、ハニカムなどを有する全ての反応器）を使用する場合には、この光触媒は程度に差はあるが静止する担体上に薄層が固定されている。
マイクロラジエーターＭＲ
このマイクロラジエーターＭＲは燐光を発する固体であり、粒子の形で使用される。このマイクロラジエーターは、十分に長い残光時間（少なくとも秒の範囲内で、好ましくは数分又はそれ以上、有利に５秒〜３０分）を有しなければならず、かつ光触媒を活性化することができる波長領域で発光しなければならない。
適当な燐光を発する固体の例
他の目的で開発されたが、ここに記載された適用のための全ての要求をカバーする、可視光領域において発光する燐光を発する多くの固体は公知である。広範囲に列挙する代わりに、次の文献を指摘し、この文献の内容は本願明細書に組み込まれる（US P 6,287, 993, DE 195 21 119A1, DE 199 26 980A1, DE 199 34 436A1）。
このＭＲの使用は、例えば、Lettmann, Christian 著: "Konventionelle und kombinatorische Entwicklung von Mischoxi- den zur photokatalytischen Wasserreinigung mit sichtbarem Licht",ザールラント大学学位論文に記載された光触媒（ＰＫ）と組み合わせて行われる。
US P 6,287, 993には、長期間発光する燐光を発する物質が記載されている。特に、実施例１７には亜鉛とプラセオジムとでドープしたガラスが記載されていて、このガラスは３５０〜４５０ｎｍの発光のために適していて、光触媒としてＴｉＯ２を活性化する（図３参照）。
DE 195 21 119 A1にも「長期間で次第に弱まる」燐光を発する物質が記載されていて、これはＴｉＯ２活性体として利用することができる、それというのもこの物質は４００ｎｍより下で発光することができるためである。この場合には希土類金属でドープされたガラスが使用される。
原則として、ＭＲの粒度スペクトルは、光触媒ＰＫの場合と同様に、適用に応じて１ｎｍ〜１ｍｍ、有利に１μｍ〜０．５ｍｍである。
有利に比較的大きな装置に対して、有効でかつ経済的な解決策は、ＭＲの粒度がＰＫの粒度を明らかに上回り、それによりランプで「蓄光された」ＭＲはできる限り多くのＰＫ粒子を照射することにある。更に、このＭＲはフィルタ又は篩で容易に流体及びその中に含まれるＰＫから分離されかつ再生のために戻すことができるという利点がある。
有利に小さな装置に対して、他の有効でかつ経済的な解決策は、ＭＲの粒度が明らかにＰＫの粒度よりも小さく、その結果、ＰＲとＰＫの簡単な分離を達成することができることにある。
しかしながら、原則として、ＰＫとＭＲとの粒度の小さな比は排除することができる。これは、単に多様な適当な装置タイプから生じる。
特に簡単に製造される塊状の粒子が適しているが、燐光を発する材料が担体コア上に被覆されているようなものも適している。磁性のコアを使用する場合に、ＭＲ粒子の分離及び輸送のために付加的な可能性が生じる。
ＭＲの摩耗及び／又はＭＲの腐食及び／又は溶解の回避
摩耗の回避のために、ＭＲがいずれにせよガラスからなっていない場合には、これは光を透過する（薄い）層（例えばガラス）で被覆されていることができる。この被覆は処理すべき流体中でのＭＲの腐食もしくは溶解に対しても保護することができる。
光触媒ＰＫとマイクロラジエーターＭＲの分離
ＰＫ及びＭＲの流体からの分離（摩耗も）、一般的方法、例えばフィルタ、サイクロン、遠心分離等で行うことができ、ＭＲの場合では磁気分離器（上記参照）を用いても行うこともできる。
ＰＫ及びＭＲの相互の分離は、粒度（濾過、サイクロン）によっても、密度（サイクロン、遠心分離）によっても、他の物理的相違（例えばＭＲの磁性コア；上記参照）によっても行うことができる。
有利な方法は、大量のＭＲをベルト式フィルタで流体及びＰＫから分離し、この分離したＭＲを高エネルギー光源で活性化し、フィルタベルトの端部から再び流体内へ戻すことにある。
光源として、特に、マイクロラジエーター粒子の励起のために適当なスペクトルを有するＵＶ放射装置が適している。
外部循環路の場合には、このランプは有利に特別な装置中に設置することができる。この装置は、ＭＲ粒子の案内により、全てのＭＲ粒子のできる限り有効な照射を行うことを配慮する；例えば次の手段により：
ランプの周囲の狭い間隙中でのＭＲ粒子の運動、
流動方向に対して横方向の、良好な粒子輸送を伴う流動（例えば組み込まれたランプを備えた流動層又は乱流の形成による）。
有利に、光触媒ＰＫをマイクロラジエーターＭＲから外部ランプの前で分離して、ＭＲの「蓄光」の際のＰＫによる遮蔽を回避する。
装置内で直接の照射する場合でも、ＰＫをＭＲから放射装置の付近で（少なくとも並行的に）分離することが有利である（例えば、流動案内又はフィルタ又は磁場（ＭＲの磁性コアを使用する場合）を前方に設置することによる）。
反応器には処理すべき流体の他に必要な反応体が供給されなければならないことは自明のことである。（例えば：水中での有機不純物の酸化のためのＯ２の供給）。
同様に、大抵は反応生成物（例えばＣＯ２）は反応器の後方で処理された流体から分離しなければならない。
媒体及び反応体に対する問題解決の適性
本発明による方法は、光触媒作用に関して活性の表面上で液体又はガス中で実施することができる全ての化学反応に対して適している。
本発明は、溶解した有機分子、分散した液滴及び固体粒子、微生物及びウイルスの水中及びガス中（水の場合にバブリングも）での酸化のために有利に適用される。
ＭＲの「蓄光」のための光の波長とＭＲによる放射の際の波長とは同じである必要はない。放射される光は長波長にシフトされていることが多い。ＭＲから放射されるこの光は、必要な触媒エネルギーを調達するために、十分に高エネルギー（短波長）であるのが好ましい（例えばＵＶ光）。
「光」の概念は、「適当な波長の電磁線」の概念に置き換えることができ、つまり相応する光触媒の使用の場合に他の波長領域であるとも見なされる（特に可視光もしくは太陽光）。
マイクロラジエーターＭＲの使用により、公知の方法を用いては不可能であった、照射される触媒表面の充填密度が達成される。更に、まさに簡単で場合により公知の装置を使用することができる。この装置は新規の方法に適合させるかもしくは変更させなければならないだけである。単に外部ランプを有する装置は、できれば新しく構成する必要があるだけである。
実施例１
図１による実験室懸濁反応器
この反応器は、羽根攪拌機２を備えた撹拌容器１、酸素（空気）用の供給管３、排ガス用の排出管４及び外側のランプ（ＵＶ放射器）５からなり、かつ反応媒体６、○で示されたマイクロラジエーター７並びに●で示された光触媒８とからなる懸濁液を有する。
反応器容量８００ｍｌ中の有機物質及び光触媒並びにマイクロラジエーターＭＲの水溶液５００ｍｌからなる懸濁液を絶え間なく撹拌し、それにより、中心では低下し、壁部では上昇する回転流が生じ、ＵＶランプ（３５０ｎｍの最大放射線で出力２０ワット）を横側から入射させる（放射される面積５０ｃｍ２）全てのＭＲ粒子は、時間平均で、ＵＶ源に到達し、そこでこの粒子は活性化される。空気は微細な気泡の形で導入される。
マイクロラジエーターＭＲの添加は、有機成分の分解率をかなり高め、その際にこのマイクロラジエーターが放射エネルギーを反応器内部へもたらす。
実施例２
図２によるマイクロラジエーターＭＲの、外部循環装置を備えた実験室懸濁反応器
この反応器は、羽根攪拌機２を備えた撹拌容器１、酸素（空気）用の供給管３、排ガス用の排出管４からなり、その際に攪拌機２の下側に沈降室９が設けられており、その沈降室内に比較的重いＭＲ７が捕集され、少量の流体６と一緒にポンプ１０及び導管１１を介して外側の環状部１２でＵＶランプ５にさらされ、活性化の後で導管１３を介して上側から撹拌容器１内へ戻される。
酸化可能な物質の水溶液、光触媒並びにマイクロラジエーターからなるこの懸濁液は、常に撹拌され、Ｏ２を有する空気の導通により飽和される。このマイクロラジエータ（０〜１０ｇ）は、沈降室内で常に光触媒と分離され、かつＵＶランプの前を通過して実験室反応器に戻される。この循環速度は、例えば５〜１０ｍｌ／ｍｉｎである。外側の環状部中には、この場合に、例えば前記の量に対して付加的に、ＭＲ１０ｇもしくは２本のランプの場合には２０ｇが撹拌容器内に存在する。マイクロラジエーターの添加は有機物質の分解率をかなり高める。循環する流量の上昇も分解率を高める。
実施例３
図３によるメアンダーリブを備えた反応器及び光触媒（ＰＫ）とマイクロラジエータ（ＭＲ）との別個の外部循環路
この反応器は、組み込まれた水平方向のメアンダー状に配置されたリブ２２を備えた管状反応器２１からなり、かつ反応溶液６（この反応溶液は酸素富有でありかつ導管２５を介して混合器に供給される）、光触媒８（この光触媒はポンプ２７及び導管２６／２８を介して循環路に供給される）及びマイクロラジエーター７（このマイクロラジエーターは導管１１及び１３、ポンプ１０及びＵＶランプ５を取り囲む環状ジャケット１２を経由して循環される）からなる混合物が混合器から供給され、この混合物はセパレータ２９を経由し、その箇所で成分が分離される。十分に反応したこの反応溶液並びに形成された排ガスを、導管３０を介して排出する。
実施例４
図４による光触媒で被覆されたハニカム構造体及び外部活性化装置を備えた管状反応器
この反応器は、管の方向に向かうハニカム構造体３２を備えた管状の反応器ケーシング１からなり、このハニカム構造体は光触媒で被覆されている。供給管２５からの反応溶液６と、循環管１３からの活性化されたマイクロラジエーター７とは、混合器２４及び導管２３を介して反応器内へ導入され、ハニカム構造体３２を通過し、その際に光エネルギーがＰＫに放射され、その後にこのマイクロラジエーターはセパレータ２９中で溶液６と分離され、導管１１及びポンプ１０を介してランプ５の環状ジャケット１２に供給され、そこでこのマイクロラジエーターはＵＶ光で活性化され、導管１３を介して反応器中に戻される。
実験室懸濁反応器を示す図 マイクロラジエーターＭＲの、外部循環装置を備えた実験室懸濁反応器を示す図 メアンダーリブを備えた反応器及び光触媒（ＰＫ）とマイクロラジエータ（ＭＲ）との別個の外部循環路を備えた反応器を示す図 光触媒で被覆されたハニカム構造体及び外部活性化装置を備えた管状反応器を示す図

Claims (17)

  1. 液状又はガス状の反応媒体中で光触媒反応を実施するための、固体光触媒を備えた反応容器、供給管及び排出管、混合装置及び電磁放射線を供給するための装置からなる反応器において、放射線源に対して電磁放射線を吸収しかつ反応器内部で時間的に遅延して光触媒を励起する光を放射するマイクロラジエーターを含有することを特徴とする、反応器。
  2. 放射線源は放射線透過性の壁部に又は反応容器内部に取り付けられていて、かつ混合装置は、マイクロラジエーターを反応容器内部から放射線源に運搬しかつ返送するのに適していることを特徴とする、請求項１記載の反応器。
  3. 電磁放射線を供給するための装置がランプと液体通路とからなり、この液体通路はマイクロラジエーター用の輸送管及び運搬装置を介して反応容器と接続していることを特徴とする、請求項１記載の反応器。
  4. ランプが棒状に構成されていてかつこのランプは液体通路によりジャケット状に取り囲まれていることを特徴とする、請求項３記載の反応器。
  5. この反応容器にマイクロラジエーターを光触媒及び／又は反応媒体から分離する装置が設けられていることを特徴とする、請求項３又は４記載の反応器。
  6. 空気又は酸素用の供給管と、排ガスのための排出管とが設けられていることを特徴とする、水又は排水中の有機不純物を酸化するための請求項１から５記載の反応器。
  7. 反応容器が、流動層反応器、貫流型反応器又は管状反応器、固定層反応器又は撹拌容器反応器であることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の反応器。
  8. 光触媒は、懸濁反応器中では１ｎｍ〜１００μｍの粒径を有し、流動層反応器又は固定層反応器中では１μｍ〜１ｍｍの粒径を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の反応器。
  9. マイクロラジエーターが、５秒〜３０分の燐光半減期を有し、かつ１ｎｍ〜１ｍｍ、有利に１０μｍ〜０．５ｍｍの粒度を有することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の反応器。
  10. １ｎｍ〜１ｍｍの粒度を有する担体上に被覆されている燐光を発する材料からなることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の、反応器中に使用するためのマイクロラジエーター。
  11. 担体が磁性材料からなることを特徴とする、請求項１０記載のマイクロラジエーター。
  12. 担体が放射線透過性の層で被覆されていることを特徴とする、請求項１０又は１１記載のマイクロラジエーター。
  13. 固体光触媒を液状又はガス状の反応媒体中に懸濁させるか、又は表面上に被覆し、かつこの固体光触媒は、電磁放射線源で蓄光されていてかつこのエネルギーを時間的に遅延して放射するマイクロラジエーターを用いて活性化させる、光触媒反応を実施するための方法。
  14. マイクロラジエーターを、エネルギーの放出による光触媒の活性化後に、再び放射線源を通過させ、新たに蓄光させることを特徴とする、請求項１３記載の方法。
  15. マイクロラジエーターが光触媒及び／又は反応媒体から分離され、その後で別個の放射線源に案内されかつ活性化され、引き続き反応媒体中に戻されることを特徴とする、請求項１４記載の方法。
  16. 光触媒反応は水溶液中での有機化合物の酸化であることを特徴とする、請求項１３から１５記載の方法。
  17. 触媒がＴｉＯ２粒子であり、マイクロラジエーターがガラス粒子であり、このガラス粒子は希土類でドープされていてかつＵＶ光又は可視光で励起することができることを特徴とする、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の方法。
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