JP2006034771A

JP2006034771A - 浄化方法

Info

Publication number: JP2006034771A
Application number: JP2004221786A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Uekatano; 充上片野; Kuniharu Himeno; 邦治姫野; Yoshihiro Terada; 佳弘寺田; Karai Ga; 嘉磊賀
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】総合的に効率よく被浄化物質の分解を行う浄化方法の提供。
【解決手段】吸着剤を、被浄化物質を含んだ流体の流通系中に配置して被浄化物質を吸着させた後、前記吸着剤を流通系と実質的に隔離し、この隔離空間内に設けられた光触媒によって吸着した被浄化物質を分解し、しかる後に再び吸着剤を流通系中に配置することを特徴とする浄化方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、活性炭等の吸着剤と光触媒反応を利用して空間の被浄化物質を効率よく除去するための浄化方法に関する。

光触媒反応は、光照射下で励起された光触媒活性物質により生じる反応であり、多くの場合において、光触媒物質に対して紫外線または紫外線を含む光を照射しなければならない。光触媒物質が光励起されると、例えば光触媒物質表面は、水との接触角が１０度以下になる超親水性を発現し、また、光触媒的酸化還元反応により、電子−正孔対を生成し、生成された電子は表面酸素を還元してスーパーオキサイドアニオン（・Ｏ_２ ⁻）を生成すると共に、正孔は表面水酸基を酸化して水酸ラジカル（・ＯＨ）を生成し、これらの反応性活性酸素種の酸化還元反応によって、有機物質が高効率で光分解する。

このような光触媒作用を有する光触媒物質としては、例えば二酸化チタン、酸化タンタル、酸化スズ、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ_４Ｏ_９）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｔｉ_６Ｏ_１３）、二酸化ジルコニウム、硫化カドミウム、α−Ｆｅ_２Ｏ_３、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが知られているが、これらの中でも特に二酸化チタンが分解能力、安定性の点から好適に使用される。

近年、この二酸化チタンを各種基材上に担持し、紫外光を照射して各種の物質、特に臭気物質や、健康に有害とされる揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ）の分解を行うことを目的とした、各種の空気浄化装置が開発、生産されている。これらの被浄化物質は、通常数ｐｐｍ又はそれ以下の低濃度で存在し、被処理物の総量はわずかであり、大量の物質の急速な処理には不向きな光触媒反応でも、十分にその効果を発揮できるとされている。

一方で、光触媒における分解反応は、均一反応ではなく、光触媒表面での酸化還元反応であるため、分解される物質が光触媒表面か、ごく近傍に到達する必要がある。このため、光触媒反応を利用した装置を高性能化するために、光触媒を多孔質化又は柱状化して比表面積を大きくしたり（例えば、特許文献１，２参照。）、活性炭等の吸着剤と複合したりして接触効率を高めるための工夫がなされることが多かった（例えば、特許文献３，４参照。）。

しかしながら、光触媒自体の表面積を大きくするには限界があり、居室等の大きな空間の空気浄化を短時間で行うには、光触媒単独では分解速度が不足する場合が多かった。また、活性炭等の吸着剤と複合した場合も、活性炭等への初期吸着の速度は十分速くても、それ以降の分解速度は光触媒の能力に依存するため、活性炭が吸着飽和してしまうと、やはり分解速度が不足する場合が多かった。

また、活性炭等に直接光触媒を担持して、活性炭等に吸着した物質を光触媒で分解する技術も提案されている（例えば、特許文献５，６参照。）。
特開２００４−１２２０５６号公報特開２００２−３７００２７号公報特開平１１−１７９１１８号公報特開２０００−１０２５９６号公報特開２００１−７９０６９号公報特開平８−３３２３７８号公報

しかしながら、活性炭等に直接光触媒を担持したものは、活性炭等に吸着した物質を再生して活性炭等の寿命を延ばす効果は認められるものの、光触媒と活性炭等を別々に配置した場合と比べて、顕著な分解能力増強の効果は認められない場合が多かった。
また、吸着剤を併用する場合、物理吸着剤では吸着した物質を再放出して新たな汚染（臭気）源となってしまう場合があり、化学吸着剤では飽和吸着後は機能を果たさなくなってしまうという欠点があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、活性炭等の表面積の大きい吸着剤で急速に吸着した物質を、光触媒で効率的に分解して吸着剤を再生し、再び吸着に使用することにより、総合的に効率よく物質の分解を行う浄化方法の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、吸着剤を、被浄化物質を含んだ流体の流通系中に配置して被浄化物質を吸着させた後、前記吸着剤を流通系と実質的に隔離し、この隔離空間内に設けられた光触媒によって吸着した被浄化物質を分解し、しかる後に再び吸着剤を流通系中に配置することを特徴とする浄化方法を提供する。

また本発明は、吸着剤を、浄化すべき空間を含んだ循環流通系中に配置して被浄化物質を吸着させた後、前記吸着剤を浄化すべき空間と実質的に隔離し、この隔離空間内に設けられた光触媒によって吸着した被浄化物質を分解し、しかる後に再び吸着剤を浄化すべき空間を含んだ循環流通系中に配置することを特徴とする浄化方法を提供する。

本発明の浄化方法において、前記隔離空間が、隔離する前の空間よりも実質的に容積が小さいことが好ましい。

本発明の浄化方法において、前記吸着剤が、活性炭、シリカゲル、ゼオライト、又はこれらの組み合わせであることが好ましい。

本発明の浄化方法において、吸着剤を隔離し、光触媒によって吸着した物質を分解する際、吸着剤を加熱することが好ましい。

本発明の浄化方法は、活性炭等の吸着剤を、被浄化物質を含んだ流体の流通系中に配置して被浄化物質を急速に吸着した後、この吸着剤を流通系と実質的に隔離し、この隔離空間内に設けられた光触媒によって吸着した被浄化物質を分解して吸着剤を再生し、再び吸着の用に供することにより、総合的に効率の良い被浄化物質の分解を行うことができる。
また、本発明の浄化方法は、被浄化物質を吸着した吸着剤を流通系と実質的に隔離し、光触媒によって吸着した物質を分解することで、光触媒の分解・利用効率が高くなり、光源の消費電力を低減することができる。
また、吸着剤が常にリフレッシュされるので、吸着速度の低下がなく、被浄化物質の除去速度及び除去率を高くすることができる。
また、吸着剤を流通系と実質的に隔離した状態で再生するので、吸着物質の再放出による汚染が生じない。

本発明の浄化方法では、光触媒と活性炭等の吸着剤が複合された系において、まず浄化すべき空間中に活性炭等の吸着剤を配置して被浄化物質を吸着させる。次に、活性炭等の吸着剤を浄化すべき空間と実質的に切り離して隔離し、隔離された空間で光触媒を作用させて吸着剤に吸着した物質を速やかに分解して活性炭を再生する。次に、再び浄化すべき空間に再生された活性炭等の吸着剤を配置して被浄化物質を吸着させるというサイクルを繰り返す。

浄化すべき空間に比べて、隔離された空間は遙かに容積が小さいが、活性炭等の吸着剤には多くの物質が吸着されている。吸着剤が物理吸着剤であれば、周囲の空間とは濃度平衡にあるので、結局被浄化物質の空間的な濃度としては、隔離された空間の方が遙かに高くなると考えてよい。

光触媒による時間当たりの分解量を考えた場合、低濃度、大容積の系よりも、高濃度、小容積の系の方が有利なので、前記の隔離−再生のプロセスは、最初から大容積の系に光触媒と吸着剤を配置して同時に吸着と分解を行う系と比較して、総合的に効率的に物質の分解を行うことを可能にする。また、常に吸着剤は再生されるので、吸着物質の再放出といった問題も発生せず、吸着剤の寿命も長くなる。

以下、図面を参照して本発明の浄化方法の実施形態を説明する。
図１は本発明の浄化方法を実施する浄化装置の第１実施形態を示す図である。図１中、符号１は浄化すべき空間となる容器、２は光触媒シート、３はＵＶ光源、４は隔離空間を構成する小容器、５は吸着剤である活性炭、６はガラス蓋、７はファンである。

この浄化装置では、ファン７を駆動させた状態で小容器４のガラス蓋６を開き、容器１内の空気と活性炭５を接触させることで、容器１内の空気に含まれる被浄化物質が活性炭５に吸着、除去される。また、ＵＶ光源３を点灯した状態で小容器４のガラス蓋６を閉じることで、活性炭５が容器１内の循環系から隔離され、小容器４内に配置されＵＶ光源３からの紫外光が照射されている光触媒シート２によって活性炭５に吸着されていた被浄化物質が分解され、活性炭５が再生されるようになっている。従って、この浄化装置にあっては、小容器４のガラス蓋６を開くことで、被浄化物質が活性炭５に吸着される工程（吸着工程）が行われ、ガラス蓋６を閉じることで活性炭５を隔離状態で再生する工程（隔離再生工程）が行われ、所定時間毎にガラス蓋６の開閉を繰り返すことによって、活性炭５による被浄化物質の吸着除去と光触媒による分解を併用した浄化を継続的に行うことができる。

本発明において、浄化すべき空間は、特に限定されず、例えば住居の室内、自動車等の車両室内、工場の作業空間、体育館やホールの室内空間などの各種の空間を対象とすることができる。
本発明において、循環系から除去すべき被浄化物質としては、臭気物質や、健康に有害とされる揮発性有機化合物（ＶＯＣｓ）などであり、具体的にはホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、トルエン、キシレンなどが挙げられる。

本発明において用いられる吸着剤としては、前述した被浄化物質を吸着できればよく、特に限定されないが、例えば活性炭、シリカゲル、ゼオライトなどの物理吸着剤が挙げられる。
これらの吸着剤は、粉末、粒状、塊状、シート状などの様々な形態で用いることができ、その中でも取扱性に優れる点で、活性炭繊維の不織布からなるシートを用いることが好ましい。この活性炭繊維の不織布からなるシートは、平板状、コルゲート形状などの種々の形状に加工することができる。コルゲート加工した該不織布は、複数枚積層して通気性のあるデバイスを構成できることから、特に好ましい。

吸着剤とともに隔離空間である小容器４内に配設される光触媒シート２は、板や布などの適当な基材表面に光触媒物質を担持したものが使用できる。この光触媒物質としては、例えば二酸化チタン、酸化タンタル、酸化スズ、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ_４Ｏ_９）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｔｉ_６Ｏ_１３）、二酸化ジルコニウム、硫化カドミウム、α−Ｆｅ_２Ｏ_３、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが知られているが、これらの中でも特に二酸化チタンが分解能力、安定性の点から好適に使用される。

ＵＶ光源３としては、前記光触媒物質を励起可能な紫外線又は紫外線を含む光を光触媒シート２に照射できればよく、例えばブラックライト、ＵＶ−ＬＥＤなどを用いることができる。なお、図１の例示ではＵＶ光源３を容器１の外側に配置しているが、容器１の内側や小容器４の内外いずれかに配置することもできる。さらに、ＵＶ光源３の光をアクリル板や光ファイババンドルを通して伝送し、小容器４内の光触媒シート２に照射する構成とすることもできる。

図３は、吸着剤と光触媒及びライトガイドを複合したデバイスの一例を示す図である。本例示においてデバイスは、表裏両面をサンドブラスト加工して一端から入射し板内を導光した光を表裏両面から均一に出射可能なアクリル板９と、その表裏両面に重ねた光触媒コートシリカクロス８と、活性炭コルゲートシート１０とを複数枚重ね合わせて積層した構成になっている。ライトガイドとなるアクリル板９の一端側は、活性炭コルゲートシート１０よりも延出し、アクリル板９同士が積層され、その端面から光を入射するようになっている。

このように構成されたデバイスは、活性炭コルゲートシート１０の波板形状に沿って空気等の流体を流通可能であり、流体を流すと被浄化物質が活性炭コルゲートシート１０に急速に吸着される。また、アクリル板９の入射端面から励起光を入射すると、アクリル板９内を導光した光が、サンドブラスト加工された表裏両面から均一に出射し、光触媒コートシリカクロス８に照射される。そして、光触媒コートシリカクロス８に担持された光触媒によって、活性炭コルゲートシート１０に吸着されていた被浄化物質が分解され、活性炭コルゲートシート１０が再生される。

図４は本発明の浄化方法を実施する浄化装置の第２実施形態を示す図である。図４中、符号１１は前述したデバイス、１２はＵＶ光源であるＵＶ−ＬＥＤ、１３は流体の流通系を構成するダクト、１４と１５はダクト１３を閉止する蓋、１６はダクト１３に流体を流すブロワである。このダクト１３は、両端を浄化すべき空間に連通して設けられ、これらによって循環流通系が構成されている。

この浄化装置は、ブロワ１６を駆動させ、ダクト１３内に流体の流通させ、蓋１４，１５を開とした状態では、デバイス１１の吸着剤（活性炭コルゲートシート１０）に流体が接触し、流体中の被浄化物質が吸着剤に吸着される工程（吸着工程）が行われる。また、ＵＶ−ＬＥＤ１２を点灯した状態で蓋１４，１５を閉じることによって、吸着剤を隔離状態で再生する工程（隔離再生工程）が行われ、所定時間毎に蓋１４，１５の開閉を繰り返すことによって、吸着剤による被浄化物質の吸着除去と光触媒による分解を併用した浄化を継続的に行うことができる。

なお、吸着剤を隔離するプロセスでは、吸着剤を完全に外の空間と隔離する必要は無く、光触媒による吸着剤の再生速度が、開放系と比べて十分に速くなる程度に隔離（分離）されていればよい。
さらに、複数の吸着剤ユニットを設け、これらの吸着剤ユニットで隔離再生工程を交互に行うことにより、被浄化物質の吸収が行われない時間（デッドタイム）を無くすことも可能である。
また、吸着剤は物理吸着である場合、温度が上がるほど吸着量が少なくなるので、低温（常温）で吸着した物質を、吸着剤を加熱することにより被浄化物質の放出を促進し、光触媒による再生プロセスを加速することも可能である。
また、本発明の浄化方法は、空気などの気相系に限らず、排水などの液相系にも適用可能である。

［実施例１］
図１に示すように、外部から紫外線照射の可能な内容積２０Ｌのステンレス鋼製の容器１中に、外部から開閉可能な紫外線透過性のガラス製の蓋を有する小容器４（容積１００ｍＬ）を収納し、面積２２ｃｍ^２の市販ＴｉＯ_２光触媒コート液（日本曹達社製、商品名「ビストレイター」）をコートしたガラス板からなる光触媒シート２と、活性炭５（ユニチカ社製、商品名「アドール」）０．５ｇを小容器４中に静置した。

実験手順は以下の通りとした。
（１）小容器４のガラス蓋６を閉じた状態で、容器１にアセトアルデヒドを注入し、濃度３０ｐｐｍとなるよう調整する。ブラックライト（ＵＶ光源３）からＵＶ光を、光触媒シート４上で０．５ｍＷ／ｃｍ^２となるように照射する（この時点では小容器４のガラス蓋６が閉じられているので、光触媒による分解は行われていない。）。この状態でアセトアルデヒド濃度を十分安定させる。
（２）次に、小容器４のガラス蓋６を開け、活性炭５による吸着と、光触媒シート４による光触媒分解を行わせる。（９０分間）
（３）次に、小容器４のガラス蓋６を閉じ、活性炭５に吸着した物質を光触媒分解する。（１０分間）
（４）前記（２），（３）を繰り返す。

［比較例１］
実験条件は実施例１と同じであるが、実験手順は実施例１の（１）の後、小容器４のガラス蓋６を開け、以後開放状態のままで実験を続ける。

以上の実験結果を図２に示す。初回の開放後の分解速度は実施例１の方が比較例１よりも大きいことがわかる。したがって、単純に光触媒と吸着剤を複合するよりも、本発明によるプロセスを採用することにより、分解速度が向上することがわかる。

［実施例２］
厚さ０．５ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの紫外線透過型アクリル板１０枚をサンドブラスト加工し、端面から入射したＵＶ光が、アクリル板９後部の５０ｍｍ×１００ｍｍの領域の表裏面から均一に、ほぼ全量漏れるようにした。全部の５０ｍｍ×５０ｍｍの部分は両側を切り落として端部の幅が２５ｍｍの台形状とした。
板の間隔を５ｍｍに保って積層し、端部に曲げ加工を施して１０枚の先端部をまとめ、この端面に５ｍＷのＵＶ−ＬＥＤ１２（中心波長３８０ｎｍ）を５個並べてＵＶ光を入射できる構造とした。
アクリル板９の間には活性炭繊維の不織布をコルゲート加工してなる活性炭コルゲートシート１０（不織布厚さ０．６ｍｍ、コルゲート厚さ４ｍｍ）を挟み、活性炭コルゲートシート１０とアクリル板９の間には通気性のあるシリカ繊維クロスに光触媒をコートした光触媒コートシリカクロス８（厚さ０．５ｍｍ）を挟んだ（図３参照）。

このデバイス１１を、図４に示すように、長さ２５０ｍｍ、内部幅５０ｍｍ、内部高さ５０ｍｍのアルミ製のダクト１３中に配置し、ブロワ１６を接続し、容積２００Ｌのステンレス鋼製の容器中に設置した。ダクト１３の両端部には、外部から開閉可能な蓋１４，１５を取り付けた。ブロワＯＮ時のダクト内流速は５０ｃｍ／ｓｅｃである。

実験手順は以下の通りとした。
（１）蓋１４，１５を閉じた状態でステンレス鋼製の容器内にアセトアルデヒドを、濃度３０ｐｐｍになるように注入する。
（２）蓋１４，１５を開けてブロワ１６をＯＮ、ＵＶ−ＬＥＤ１２をＯＮとし、活性炭に吸着させる（６０分間）。以降、ＵＶ−ＬＥＤ１２は常にＯＮとする。
（３）次に、蓋１４，１５を閉じてブロワ１６をＯＦＦとし、活性炭の再生を行う（１０分間）。
（４）次に、蓋１４，１５を開けてブロワ１６をＯＮとし、活性炭に吸着させる（６０分間）。
（５）前記（３）〜（４）を繰り返す。

［比較例２］
実験条件は実施例２と同じであるが、実験手順は実施例２の（２）の後、蓋１４，１５は開放状態のままで実験を続ける。

実施例２及び比較例２の実験結果を図５に示す。初回の開放後の分解速度は実施例２の方が比較例２よりも大きいことがわかる。したがって、単純な流通系を組むよりも、本発明によるプロセスを組み合わせることにより、分解速度が向上することがわかる。

浄化装置の一例を示す構成図である。実施例１と比較例１の結果を示すグラフである。実施例２で用いたデバイスの構成図である。浄化装置の他の例を示す構成図である。実施例２と比較例２の結果を示すグラフである。

符号の説明

１…容器、２‥光触媒シート、３…ＵＶ光源、４…小容器（隔離空間）、５…活性炭（吸着剤）、６…ガラス蓋、７…ファン、８…光触媒コートシリカクロス、９…アクリル板、１０…活性炭コルゲートシート、１１…デバイス、１２…ＵＶ−ＬＥＤ、１３…ダクト、１４，１５…蓋、１６…ブロワ。

Claims

吸着剤を、被浄化物質を含んだ流体の流通系中に配置して被浄化物質を吸着させた後、前記吸着剤を流通系と実質的に隔離し、この隔離空間内に設けられた光触媒によって吸着した被浄化物質を分解し、しかる後に再び吸着剤を流通系中に配置することを特徴とする浄化方法。
吸着剤を、浄化すべき空間を含んだ循環流通系中に配置して被浄化物質を吸着させた後、前記吸着剤を浄化すべき空間と実質的に隔離し、この隔離空間内に設けられた光触媒によって吸着した被浄化物質を分解し、しかる後に再び吸着剤を浄化すべき空間を含んだ循環流通系中に配置することを特徴とする浄化方法。
前記隔離空間が、隔離する前の空間よりも実質的に容積が小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の浄化方法。
前記吸着剤が、活性炭、シリカゲル、ゼオライト、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の浄化方法。
吸着剤を隔離し、光触媒によって吸着した物質を分解する際、吸着剤を加熱することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の浄化方法。