JP2006224037A - 酸化反応促進方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体中の活性酸素を有効利用することで、気体中の化学物質を効率よく選択的に酸化させる手段を提供する。
【解決手段】活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料に電圧を印加して発生させた活性酸素により、気体中の化学物質の酸化反応を促進して化学物質を処理することを特徴とする化学物質の処理方法、前記活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料として、ナノケージ構造、もしくは格子欠陥に活性酸素を保有できる機能を有した素材を用いる前記の処理方法、及びその装置。
【効果】化学反応に供することのできる活性酸素を効率よく選択的に生成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体中の化学物質を酸化させる際に、固体中に含まれている活性酸素を用いることで、酸化反応を促進する方法及びその装置に関するものであり、更に詳しくは、活性酸素を発生させることのできる材料を利用することにより、気体中の化学物質の酸化反応を促進して該化学物質を処理する方法、該方法により気体中の有害化学物質を無害化もしくは除去する方法、及びその処理装置、例えば、空気浄化装置に関するものである。

空気中の有害化学物質は、人体に直接健康被害を及ぼすだけでなく、土壌や水などに溶け、環境へ多大な負担を強いている。これらの有害化学物質は、例えば、活性炭への吸着や、スクラバーを用いた液層への移動により処理することで、空気の浄化が行われているが、空気から固体や液体にその場所を変えているだけであり、潜在的な危険性は減っていない。一方、有害化学物質を化学的に無害化・分解することは理想的な処理法である。しかしながら、化学的な処理は、一般に、熱や光などのエネルギーを大量に必要にするため、コスト的に不利である。

特に酸化反応を考えると、空気中の酸素は安定であり、化学反応に供するためには、活性化するためにエネルギーが必要となる。この酸素を簡単に活性化することができれば、上記化学反応に必要なエネルギーを大幅に減少することができるとともに、生成物に関しても選択性を向上させ得ると考えられる。従来、例えば、酸素負イオンの発生方法及び酸素負イオンの発生装置(特許文献１)、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３化合物とその作製方法(特許文献２)、活性酸素種を包接する化合物とその作製方法（特許文献３）、等が報告されている。しかしながら、通常、活性酸素を作るには、例えば、放電プラズマ、燃焼、光などが用いられるが、これらは、いずれにしても、エネルギーが必要であることと、発生する活性酸素は、様々な種類を含んでおり、反応選択性を上げることは困難である。

化学反応に供することのできる活性酸素を、効率よく選択的に生成することは、極めて重要である。このことが可能となれば、有害化学物質の完全無害化など、生活環境の安全性・快適性が著しく向上することが期待される。しかしながら、現状では、そのような要求にこたえる手法は皆無であり、活性酸素を効率よく選択的に生成することを可能とする新しい手法を開発することが強く要請されているのが実情である。

特開２００４−７５４３１号公報 特開２００３−１２８４１５号公報 特開２００２−３１２１８号公報

本発明は、上記のような背景と要求のもとになされたものであり、固体中の活性酸素を有効利用することで、気体中の化学物質を効率よく選択的に酸化させる手段を提供することを目的とするものである。また、本発明は、気体中の有害化学物質等の酸化反応を促進して該化学物質を処理する方法、及びその処理装置、例えば、空気中の有害物質を酸化処理して無害化もしくは除去するための空気浄化装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料に電圧を印加して発生させた活性酸素により、気体中の化学物質の酸化反応を促進して化学物質を処理することを特徴とする化学物質の処理方法。
（２）前記活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料として、ナノケージ構造を有する、もしくは格子欠陥を有し、活性酸素を保有できる機能を有した素材を用いる前記（１）に記載の処理方法。
（３）ナノケージ構造を持つ素材として、ゼオライト又はそれを一部に含む材料を用いる前記（２）に記載の処理方法。
（４）ナノケージ構造を持つ素材として、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３又はそれを一部に含む材料を用いる前記（２）に記載の処理方法。
（５）前記気体中の化学物質の酸化反応が、大気汚染や健康被害を引き起こす有害化学物質を無害化もしくは除去する反応である前記（１）に記載の処理方法。
（６）前記有害化学物質を無害化もしくは除去する反応が、揮発性有機化合物（ＶＯＣ類）を無害化もしくは除去する反応である前記（５）に記載の処理方法。
（７）被処理ガスを導入して酸化反応を促進させる反応部、及び活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料に電圧を印加して活性酸素を発生させる活性酸素発生器を有することを特徴とする化学物質処理装置。
（８）活性酸素を反応部に導入する導入手段、及び処理済みガスを排出する排出手段を有する前記（７）に記載の処理装置。
（９）気体中の有害化学物質を酸化処理して無害化もしくは除去するための処理装置である前記（７）に記載の処理装置。
（１０）気体中の揮発性有機化合物（ＶＯＣ類）を無害化もしくは除去するための処理装置である前記（７）に記載の処理装置。
（１１）空気中の化学物質を酸化処理して浄化するための空気浄化装置である前記（７）に記載の処理装置。

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料を利用することにより、気体中の化学物質の酸化反応を促進することができる化学反応方法、及び該化学反応方法を利用した気体中の有害化学物質を無害化もしくは除去する該化学物質の処理方法、及びその処理方法を実施するための処理装置を提供するものである。本発明の化学物質の処理方法は、活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料に電圧を印加して発生させた活性酸素により、気体中の化学物質の酸化反応を促進して化学物質を処理することを特徴とするものである。

本発明では、前記活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料として、例えば、ナノゲージ構造を有する、もしくは格子欠陥を有し、活性酸素を保有できる機能を有した素材が用いられる。そして、ナノゲージ構造を持つ素材としては、好適には、例えば、ゼオライト、マイエナイト又はそれらを一部に含む材料、具体的には、例えば、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３又はその構造を一部含む材料が用いられる。また、格子欠陥に活性酸素を保有できる機能を有した素材としては、固体電解質、好適には、例えば、ＹＳＺ（［Ｙ_２Ｏ_３］_ｘ［ＺｒＯ］_１−ｘ、ただし、ｘは任意の数値）、ＭＳＺ（［ＭｇＯ］_ｘ［ＺｒＯ］_１−ｘ、ただし、ｘは任意の数値）が用いられる。しかし、これらに制限されるものではなく、これらと同等もしくは類似の物質であって同効のものであれば同様に使用することができる。

本発明では、上記化学反応を利用して、例えば、気体中の化学物質として、大気汚染や健康被害を引き起こす有害化学物質を対象として、該有害化学物質を無害化もしくは除去するための有害化学物質の処理方法とすることが可能であり、また、具体的には、揮発性有機物質（ＶＯＣ類）を無害化もしくは除去するための該ＶＯＣ類の処理方法とすることが可能である。

また、本発明では、上記化学反応を利用して、例えば、被処理ガスを導入して酸化反応を促進させる反応部、活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料に電圧を印加して活性酸素を発生させる活性酸素発生器、該活性酸素を上記反応部に導入する導入手段、及び処理済みガスを排出する排出手段を有することからなる気体中の化学物質を酸化処理するための処理装置、具体的には、例えば、気体中の化学物質の酸化反応を促進するための化学反応装置、また、気体中の有害化学物質を酸化処理して無害化もしくは除去するための処理装置、更に、空気中の化学物質を酸化処理して無害化もしくは除去するための空気浄化装置、を構築することが可能である。

本発明は、上述のように、活性酸素を表面及び気相に発生させることのできる材料に電圧を印加することにより、表面及び気相に積極的に活性酸素を発生させる化学反応方法、及びその仕組みを有した化学反応手段により、化学反応に供することのできる活性酸素を、効率よく選択的に生成することを可能にするものであり、それにより、熱や光などのエネルギーを大量に投入する必要がなく、高い反応選択性を有する酸化反応法を実現するものである。本発明は、上記酸化反応法を利用して、化学物質の処理方法、化学物質の処理装置、例えば、空気浄化装置を構築し、提供することを可能とするものであり、酸化反応であればその種類を限定することなく全ての反応系に適用されるものである。

本発明により、（１）固体中の活性酸素を有効利用することで、気体中の化学物質を効率よく、選択的に酸化させる手段を提供することができる、（２）化学反応に供することのできる活性酸素を、効率よく、選択的に生成させることが可能な新しい化学反応手段を提供することができる、（３）上記化学反応手段を利用した気体中の有害化学物質を無害化もしくは除去する方法及び装置を提供することができる、（４）上記化学反応手段を利用した空気浄化装置を提供することができる、（５）上記空気清浄機により、安全な室内環境を提供することができる、（６）上記空気清浄機により、空間の殺菌・除菌を行い、バイオクリーンな環境を提供することができる、という効果が奏される。

次に、図面の記載に基づいて本発明の実施態様について具体的に説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
まず、図１に基づいて説明する。図１は、反応ガスを酸化処理するための反応システムの概略を示す。この反応システムは、反応ガス５を、ナノケージセラミック材料（１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３）１を有する空間に供給し、通過する間に酸化反応を生じさせしめ、処理済ガス６として排出する形態を有している。ナノケージセラミック材料１から活性酸素を引き出すために、電極２及び空間電極３を配置し、これに電源４が接続される。この反応システムでは、反応ガスを、ナノゲージセラミック材料を有する空間に供給し、反応ガスが該空間を通過する間に電圧を印加することにより、反応ガスは酸化処理され、酸化処理された処理ガスは処理済みガス６として排出される。

図２は、本発明を実施するための異なった形態を有する反応システムの一例を示すものであり、活性酸素発生部と反応部を分けた反応システムの概略を示す。図１に示した構造を１つのユニットとした活性酸素発生器７として構築し、反応ガスが流れる反応部８に活性酸素発生器７から発生した活性酸素を導入し、混合・反応せしめ、処理済ガス６として排出する。

図３は、ナノケージセラミック材料１から活性酸素が生成する仕組みの概略を示したものである。空気中の酸素５は、ナノケージセラミック材料１に形成されている電極２に吸着すると、電源４から供給される電子と結合し、酸素負イオン６となる。ナノケージセラミック材料１は構造内に負イオン物質を取り込むことができるため、電極上の酸素負イオン６はナノケージセラミック材料中に取り込まれる。ナノケージセラミック材料中では、酸素負イオンは電極２と空間電極３により形成された電位勾配もしくは酸素濃度勾配により移動することができる。一方、酸素が取り込まれた反対側では、適当な温度及び電界が形成されていれば、移動してきた酸素負イオンは、気相中に取り出すことができる。生成した気相酸素負イオン７は、気相中の反応ガス８と化学反応し、処理済ガス９となる。また、この反応は、気相中だけでなく、ナノケージセラミック材料表面でも同時に進行させることができる。

図４は、ナノケージセラミック材料から生成する活性酸素物質を調べた結果であり、活性酸素が気相中に生成していることを示すものである。図３に示したシステムでは、発生物質としては、酸素負イオンの一形態Ｏ⁻のみが生成していた。Ｏ⁻はオゾンにくらべて極めて早い反応速度を有しており、酸化反応への適用により、従来より早く、また、小型の反応装置での化学反応処理が可能となる。

図５は、本発明の実施例の一例である反応装置を示す。ナノケージセラミック材料として、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３を用いた。タンマン管と呼ばれる片端の閉じた筒状のナノケージセラミックを石英反応管中に配置した。タンマン管の内側は多孔質の白金電極を塗布してあり、空気中の酸素をナノケージセラミック内に取り込める構造を有する。また、タンマン管の外径から５ｍｍの距離を隔てた位置に空間電極として、網状のステンレス電極を配置し、接地した。この白金電極とステンレス電極には電源を接続した。石英反応管は電気炉により外側から温度制御を行った。

図６は、図５の装置により、反応ガスとして、アセトアルデヒドを用いた場合の実験結果を示すものである。アセトアルデヒドは、揮発性有機物質のひとつであり、健康被害をもたらす化学物質として知られており、効率のよい無害化技術の開発が望まれている。図６の横軸は反応管の温度を示しており、縦軸はアセトアルデヒドの濃度を示している。反応管にナノケージセラミックを配置していない場合では、本実験例の範囲において、アセトアルデヒドの濃度の減少は見られていないが、ナノケージセラミックを導入したとき、３２０℃以上において、アセトアルデヒドの減少が確認された。

更に、ナノケージセラミックに電圧を印加したときには、アセトアルデヒドの分解が促進されている。このときの分解生成物の組成を表１に示す。生成物はＣＯ、ＣＯ_２であり、酸化反応が進んでいることが実証されている。

図７は、印加電圧とアセトアルデヒドの反応促進の効果を調べた結果であり、印加電圧を変化させたときの、分解促進効果ηの変化を示す。分解促進効果ηは、
η＝１−（電圧印加したときのアセトアルデヒドの濃度）／（電圧印加していないときのアセトアルデヒドの濃度）
で表し、電圧印加による反応促進の度合いを示している。図７の横軸は印加電圧であり、縦軸が分解促進効果ηである。白金電極に負電圧をかけたときのみ、つまり活性酸素が発生する場合のみ、酸化反応の促進が確認できる。このことは、本発明において、ナノケージセラミック中の活性酸素が、酸化反応に有効に寄与していることを証明している。

トルエン５０ｐｐｍ、酸素３％、窒素希釈によるサンプルガスを総量１Ｌ／ｍｉｎとして、図５に示す実験装置に導入したところ、４００℃、２ｋＶの電圧を印加した場合、図８に示すように、酸化促進効果が認められた。また、酸素雰囲気が異なる条件においても、酸化促進効果を確認することができており、本発明は多くの有機化学物質の酸化分解反応に利用できる。また、このように、本発明では、オゾンより大きな酸化反応速度を有する活性酸素を、ナノケージセラミックから積極的に生じせしめ、これを酸化反応の促進に利用することを可能とする新しい技術を提供するものである。

以上詳述したように、本発明は、酸化反応促進方法及びその装置に係るものであり、本発明により、固体中の活性酸素を有効利用することで、気体中の化学物質を効率よく、選択的に酸化させる手段を提供することができる。化学反応に供することのできる活性酸素を、効率よく選択的に生成することは、極めて重要である。しかしながら、現状では、そのような要求にこたえる手法は皆無であり、このことが可能となれば、有害化学物質の完全無害化など、我々の生活環境の安全性・快適性が著しく向上することが期待される。本発明は、気体中の化学物質を効率よく、選択的に酸化させ、無害化もしくは除去するための化学物質の処理方法及びその装置を提供することを可能とするものである。

本発明の実施の形態の一つであり、反応ガスを酸化処理するための反応システムの概略である。 本発明の実施形態の一つであり、活性酸素発生部と反応部を分けた反応システムの概略である。 本発明において、活性酸素が発生する原理の概略の説明図である。 本発明において、活性酸素が気相中に生成していることを説明する実施例の一つである。 本発明の実施例で用いた実験装置の概略である。 本発明における、活性酸素とアセトアルデヒドによる酸化反応の実施例の一つである。 本発明において、印加電圧とアセトアルデヒドの反応促進の効果を調べた結果である。 印加電圧とトルエンの反応促進の効果を調べた結果である。

符号の説明

(図１、２の符号)
１．ナノケージ材料 １２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３
２．電極
３．空間電極
４．電源
５．反応ガス
６．処理済みガス
７．活性酸素発生器
８．反応部
(図３の符号)
１ ナノゲージセラミック材料
２ 電極
３ 空間電極
４ 電源
５ 酸素
６ 酸素負イオン
７ 気相酸素負イオン
８ 反応ガス
９ 処理ガス

Claims (11)

1. 活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料に電圧を印加して発生させた活性酸素により、気体中の化学物質の酸化反応を促進して化学物質を処理することを特徴とする化学物質の処理方法。
2. 前記活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料として、ナノケージ構造を有する、もしくは格子欠陥を有し、活性酸素を保有できる機能を有した素材を用いる請求項１に記載の処理方法。
3. ナノケージ構造を持つ素材として、ゼオライト又はそれを一部に含む材料を用いる請求項２に記載の処理方法。
4. ナノケージ構造を持つ素材として、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３又はそれを一部に含む材料を用いる請求項２に記載の処理方法。
5. 前記気体中の化学物質の酸化反応が、大気汚染や健康被害を引き起こす有害化学物質を無害化もしくは除去する反応である請求項１に記載の処理方法。
6. 前記有害化学物質を無害化もしくは除去する反応が、揮発性有機化合物（ＶＯＣ類）を無害化もしくは除去する反応である請求項５に記載の処理方法。
7. 被処理ガスを導入して酸化反応を促進させる反応部、及び活性酸素を表面及び／又は気相に発生させることのできる材料に電圧を印加して活性酸素を発生させる活性酸素発生器を有することを特徴とする化学物質処理装置。
8. 活性酸素を反応部に導入する導入手段、及び処理済みガスを排出する排出手段を有する請求項７に記載の処理装置。
9. 気体中の有害化学物質を酸化処理して無害化もしくは除去するための処理装置である請求項７に記載の処理装置。
10. 気体中の揮発性有機化合物（ＶＯＣ類）を無害化もしくは除去するための処理装置である請求項７に記載の処理装置。
11. 空気中の化学物質を酸化処理して浄化するための空気浄化装置である請求項７に記載の処理装置。