JP2006528055A - 二機能酸化マンガン／二酸化チタン光触媒／熱触媒 - Google Patents

Abstract

酸化マンガン／二酸化チタン光触媒／熱触媒被覆は同時に、その被覆上に吸着する揮発性有機化合物を酸化し、オゾンを分解して、水、二酸化炭素および他の物質にする。酸化マンガンは、ナノサイズである。紫外光の光子が酸化マンガン／二酸化チタン被覆により吸収されると、反応性ヒドロキシルラジカルが形成される。汚染物質が、酸化マンガン／二酸化チタン被覆上に吸着されると、このヒドロキシルラジカルが、汚染物質を酸化して、水、二酸化炭素および他の物質を生成する。酸化マンガンは、オゾン分解に必要なエネルギー障壁を低下させて、オゾンを分子状酸素に分解する。したがって、酸化マンガン／二酸化チタン被覆は同時にオゾンを酸素に分解することもできる。

Description

本発明は一般に、光触媒表面に吸着する揮発性有機化合物を含む気体状汚染物質を酸化し、オゾンを分解して、二酸化炭素、水および他の物質を形成する酸化マンガン／二酸化チタン光触媒／熱触媒（ｔｈｅｒｍｏｃａｔａｌｙｓｔ）被覆に関する。

室内空気は、オゾンならびにホルムアルデヒド、トルエン、プロパナール、ブテンおよびアセトアルデヒドなどの揮発性有機化合物を含む痕跡量の汚染物質を含みうる。空気からこれらの汚染物質を除去するために、活性炭などの吸収剤空気フィルターが使用されている。空気がフィルターを通して流れる際に、フィルターは汚染物質の通過を阻止するので、汚染物質のない空気がフィルターから流出できる。フィルターを使用することの欠点は、これらが、汚染物質の通過を単に阻止するだけであって、これらを破壊しないことである。加えて、空気フィルターは、オゾンを阻止するためには有効ではない。

二酸化チタンは、汚染物質を破壊するための光触媒として空気浄化装置中で使用されている。二酸チタンに紫外光が照射されると、光子が二酸化チタンにより吸収され、価電子帯から伝導帯へと電子を上げる。すると、価電子帯に正孔が生じ、電子が伝導帯に付加される。上げられた電子は酸素と反応し、価電子帯に残っている正孔は水と反応して、反応性ヒドロキシルラジカルを形成する。汚染物質が、二酸化チタン触媒上に吸着すると、ヒドロキシルラジカルが攻撃し、汚染物質を、水、二酸化炭素および他の物質に酸化する。

光触媒として、二酸化チタンは単独では、オゾンを分解する際の有効性が低い。オゾン（Ｏ₃）は、コピー機、プリンター、スキャナーなどの職場に通常存在する機器から放出される汚染物である。オゾンは、吐き気および頭痛を誘発することがあり、長期間オゾンにさらされると、鼻粘膜がダメージを受けて、呼吸に問題が生じうる。ＯＳＨＡは、オゾンに対する許容暴露限界（ｐｅｒｍｉｓｓｉｂｌｅ ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｌｉｍｉｔ）（ＰＥＬ）を８時間で０．０８ｐｐｍと設定している。

オゾンは、熱力学的に不安定な分子であり、２５０℃の温度まで非常にゆっくりと分解する。周囲温度では、吸着表面酸素原子へのオゾンの酸化を促進することにより、オゾンを分解する際には、酸化マンガンが有効である。次いで、これらの吸着された酸素原子をオゾンと組み合わせて、吸着過酸化物化学種を形成するが、これは、分子状酸素として脱着される。

したがって、光触媒表面に吸着する揮発性有機化合物を含む気体状汚染物質を酸化し、オゾンを分解して、酸素、二酸化炭素、水および他の物質を形成する光触媒／熱触媒被覆が必要とされている。

基体上の酸化マンガン／二酸化チタン光触媒／熱触媒被覆は、その被覆上に吸着する任意の汚染物質を、水、二酸化炭素および他の物質に酸化することにより、空気を浄化する。

ファンが、空気を空気浄化システム中に引込む。空気は、ハニカムの開放通路またはチャネルを通して流れる。ハニカムの表面は、酸化マンガン／チタン被覆で被覆されている。連続するハニカムの間に設置されている紫外線光源が、酸化マンガン／二酸化チタン被覆を活性化する。

紫外光の光子が酸化マンガン／二酸化チタン被覆により吸収されると、反応性ヒドロキシルラジカルが形成される。揮発性有機化合物などの汚染物質が、酸化マンガン／二酸化チタン被覆上に吸着されると、このヒドロキシルラジカルが汚染物質を攻撃して、水素原子を汚染物質から引抜き、揮発性有機化合物を、水、二酸化炭素および他の物質に酸化する。

室温で、酸化マンガン／二酸化チタン被覆はオゾンを酸素に分解すると同時に、有害な揮発性有機化合物を酸化する。オゾンが被覆上に吸着されると、酸化マンガンは、オゾン分解に必要なエネルギー障壁を低下させて、オゾンを分子状酸素に分解する。加えて、二酸化チタンの表面上の酸化マンガン粒子は、電子および正孔の再結合速度を低下させて、被覆の光触媒活性を高める。酸化マンガン／二酸化チタン被覆は同時に、光触媒および熱触媒の両方として作用する。

次の詳述および図面により、本発明のこれらの形態や他の形態をさらに良好に理解することができるであろう。

現在好ましい実施形態の次の詳述により、本発明の様々な形態および利点が、当業者に明らかになるであろう。詳述を伴う図面を、簡単には次のように説明することができる。

図１は、部屋、オフィスもしくは車、列車、バスまたは航空機などの乗り物のキャビンなどの室内空間１２を含む建物、乗り物または他の構造物１０を示す図である。ＨＶＡＣシステム１４が、室内空間１２を暖房または冷房する。室内空間１２内の空気は、通路１６によって、ＨＶＡＣシステム１４中に引込まれる。ＨＶＡＣシステム１４は、室内空間１２から引出された空気１６の温度を変える。ＨＶＡＣシステム１４が冷房モードで作動しているならば、空気は冷却される。代わって、ＨＶＡＣシステム１４が暖房モードで作動しているならば、空気は加熱される。次いで、空気は、通路１８によって室内空間１２へと戻されて、室内空間１２内の空気温度は変わる。

図２は、揮発性有機化合物および半揮発性有機化合物などの汚染物質を、水、二酸化炭素および他の物質に酸化することにより、建物または乗り物１０内の空気を浄化するために使用される空気浄化システム２０を概略的に示す図である。汚染物質は、アルデヒド、ケトン、アルコール、芳香族化合物、アルケンまたはアルカンであってよい。さらに空気浄化システム２０は、オゾンを酸素に分解する。空気浄化システム２０は、空気を浄化し、その後、これを、通路１６でＨＶＡＣシステム１４に引き入れることもできるし、またはＨＶＡＣシステム１４から出た空気を浄化して、その後これを、通路１８で、建物または乗り物１０の室内空間１２に引き入れることもできる。空気浄化システム２０は、ＨＶＡＣシステム１４と共に使用されない独立ユニットであってもよい。

ファン３４は、入口２２を通して、空気浄化システム２０に空気を引込む。空気は、粒子フィルター２４を通して流れるが、これは、埃または任意の他の大きな粒子を、これらの粒子の流れを阻止することによりフィルター除去する。次いで、空気は、ハニカムなどの基体２８を通して流れる。一例では、ハニカム２８は、アルミニウムまたはアルミニウム合金から製造される。図３は、複数の六角形開放通路またはチャネル３０を有するハニカム２８の正面図を示す概略図である。複数の開放通路３０の表面は、酸化マンガン／二酸化チタン（ＭｎＯ_x／ＴｉＯ₂）光触媒／熱触媒被覆４０で被覆されている。紫外光により活性化されると、被覆４０は、酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０の上に吸着される揮発性有機化合物を酸化する。下記で説明するように、空気がハニカム２８の開放通路３０を通して流れると、酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０の表面に吸着される汚染物質は、二酸化炭素、水および他の物質に酸化される。

連続するハニカム２８の間に配置される光源３２が、開放通路３０の表面の光触媒被覆４０を活性化する。図に示されているように、ハニカム２８および光源３２は、空気浄化システム２０内に交互に存在する。即ち、各ハニカム２８の間に、光源３２は位置している。好ましくは、光源３２は、１８０ナノメートルから４００ナノメートルの範囲の波長を有する光を発生させる紫外線光源である。

光源３２が照射されると、ハニカム２８の表面上の酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０が活性化される。紫外光の光子が、酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０に吸収されると、電子が、価電子帯から伝導帯へと上げられ、価電子帯に正孔が生成される。酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０は、酸素および水の存在下で、汚染物質を、二酸化炭素、水および他の物質に酸化するはずである。伝導帯へ上げられた電子は、酸素に捕獲される。価電子帯の正孔は、酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０上に吸着される水分子と反応して、反応性ヒドロキシルラジカルを生成する。

汚染物質が、被覆４０上に吸着されると、ヒドロキシルラジカルが汚染物質を攻撃し、水素原子を汚染物質から引抜く。こうして、ヒドロキシルラジカルが、汚染物質を酸化し、水、二酸化炭素および他の物質を生成する。

周囲温度で、酸化マンガンは、オゾンの分解に有効である。二酸化チタンに担持された酸化マンガンにより、吸着表面酸素原子へのオゾンの分解が容易になる。次いで、これらの酸素原子がオゾンと組み合わさると、吸着過酸化物化学種が形成され、これは、分子状酸素として脱着される。オゾンが酸化マンガン上に吸着すると、酸化マンガンは、オゾン分解に必要なエネルギー障壁を低下させることにより、解離的オゾン吸着の部位として作用する。したがって、オゾンが単独で存在する場合には、酸化マンガンは、酸素を生成する。

加えて、過酸化物化学種は高度に反応性であり、二酸化炭素および水への揮発性有機化合物の酸化を促進する。したがって、酸化マンガンは、揮発性有機化合物を酸化する際にも特に有効であり得る。揮発性有機化合物が単独で存在する場合には、被覆４０の酸化マンガンは、二酸化炭素、水および他の物質を生成する。

室温では、酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０は、オゾンを酸素に分解すると同時に、有害な揮発性有機化合物を、二酸化炭素、水および他の物質に酸化する。したがって、酸化マンガン／二酸化チタン光触媒／熱触媒被覆は同時に、光触媒および熱触媒の両方として作用する。

二酸化チタンの表面に高度に分散された酸化マンガン粒子は、電子と正孔との再結合速度を低下させて、被覆の光触媒活性を高める。好ましくは、酸化マンガン粒子は、ナノサイズである。

好ましくは、二機能触媒のための基体は、二酸化チタンである。一例では、二酸化チタンは、ミレニウム（Ｍｉｌｌｅｎｎｉｕｍ）チタニア、デグッサ（Ｄｅｇｕｓｓａ）Ｐ−２５または同等の二酸化チタンである。しかしながら、熱触媒機能のための活性な担体であるならば、他の光触媒物質もしくは二酸化チタンと他の酸化金属酸化物との組み合わせを使用することもできることは理解されるであろう。例えば、光触媒物質は、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｖ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂またはＦｅＴｉＯ₃であってよい。加えて、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｖ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、ＣｕＯ、ＭｎＯ_x、ＷＯ₃、Ｃｏ₃Ｏ₄、ＣｅＯ₂、ＺｒＯ₂、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃またはＮｉＯなどの他の金属酸化物を二酸化チタンと混合することもできる。

酸化マンガン／二酸化チタンに、金属酸化物を負荷することもできる。一例では、金属酸化物は、ＷＯ₃、ＺｎＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、ＰｂＯ、ＭｇＯ、Ｃｏ₃Ｏ₄、ＮｉＯ、ＣｅＯ₂、ＣｕＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂である。

ハニカム２８を通過した後、次いで浄化された空気を、出口３６を通して空気浄化装置から排出する。空気浄化システム２０の壁３８は好ましくは、反射性物質４２でライニングされている。反射性物質４２は、ハニカム２８の開放通路３０の表面へと紫外光を反射する。

酸化マンガン／二酸化チタン被覆の触媒性能は、調製方法に影響を受ける。析出−沈殿、共沈、含浸または化学蒸着により、酸化マンガンのナノ粒子を生じさせることができる。これらの方法を使用することにより、酸化マンガンのナノ粒子を生じさせて、触媒活性を改善することができる。

図４は、本発明の酸化マンガン／二酸化チタン光触媒／熱触媒を調製する方法の流れ図を概略的に示す図である。水を粉末二酸化チタンに滴下で添加して、二酸化チタン内の細孔が水で満たされる点すなわち初期濡れ点（ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｉｎｃｉｐｉｅｎｔ ｗｅｔｎｅｓｓ）を決定する（ステップ４４）。次いで、ステップ４６に示されているように、この量の水を使用して、マンガン塩（硝酸マンガンまたは好ましくは酢酸マンガン）を溶かす。必要なマンガン塩の量を、表面の目標とされるマンガンのモル百分率により決定するが、通常は、０．１から６ｍｏｌ％である。

次いで、マンガン塩溶液を二酸化チタンに滴下で添加する（ステップ４８）。次いで、生じた粉末を１２０℃で６時間乾燥する（ステップ５０）。次いで、粉末を５００℃で６時間か焼して（ステップ５２）、酢酸塩および硝酸塩を除去する。か焼の間に、マンガンを酸化して、酸化マンガンを形成する。か焼の後に、酸化マンガンナノ粒子を積層された二酸化チタン粉末が形成される。

基体に酸化マンガン／二酸化チタン二機能触媒を被覆するために、水を、乾燥した酸化マンガン／二酸化チタン光触媒／熱触媒に添加して、懸濁液を形成する。噴霧、電気泳動または浸漬被覆により、この懸濁液をハニカム２８の表面に付与して、酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０を形成する。懸濁液を付与した後に、懸濁液を乾燥して、ハニカム２８上に均一な酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０を形成する。好ましくは、懸濁液は、二酸化チタン上に重量１％の酸化マンガンを有する。

ハニカム２８が描出および記載されているが、酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０を任意の構造物に付与することができることは、理解されるべきである。ハニカム２８の空隙は通常、形状が六角形であるが、他の空隙形状を使用することもできることは理解されるべきである。汚染物質が、光源の存在下で構造物の酸化マンガン／二酸化チタン被覆４０上に吸着すると、汚染物質は、水、二酸化炭素および他の物質に酸化される。

前記記載は、本発明の原理を例示しているにすぎない。上記の教示に従い、本発明の多くの変更および変化が可能である。本発明の好ましい実施形態を開示したが、当業者であれば、一定の変更も、本発明の範囲内であることを認めるであろう。したがって、添付の請求項の範囲内で、特に記載したとは別に、本発明を実施することもできることは理解されるべきである。このため、本発明の真の範囲および内容を決定するためには、この請求項を検討すべきである。

屋内空間およびＨＶＡＣシステムを含む建物、乗り物または他の構造物などの閉ざされた環境を示す概略図。 本発明の空気浄化システムを示す概略図。 空気浄化システムのハニカムを示す概略図。 本発明の酸化マンガン／二酸化チタン光触媒／熱触媒を調製する方法を概略的に示す図。

Claims (17)

1. 基体と、
   前記基体上に付与されている酸化マンガン／二酸化チタン被覆であって、二酸化チタン上に酸化マンガンを含む酸化マンガン／二酸化チタン被覆と、
   前記酸化マンガン／二酸化チタン被覆を活性化する光源と、
   を備える空気浄化システムであって、前記酸化マンガン／二酸化チタン被覆は、前記光源により活性化されると、前記酸化マンガン／二酸化チタン被覆上に吸着される汚染物質を酸化することを特徴とする空気浄化システム。
2. 前記酸化マンガンは、ナノサイズであることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
3. 前記光源は、紫外線光源であることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
4. 前記光源からの光子が、前記酸化マンガン／二酸化チタン被覆により吸収されて、酸素と水の存在下で汚染物質を二酸化炭素と水に酸化する反応性ヒドロキシルラジカルを形成することを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
5. 前記汚染物質は、アルデヒド、ケトン、アルコール、芳香族化合物、アルケンおよびアルカンの少なくとも一つを含む、揮発性有機化合物および半揮発性有機化合物のうちの一つであることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
6. 前記酸化マンガン／二酸化チタン被覆は、オゾンを分解することを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
7. 前記酸化マンガンは、前記オゾンの分解エネルギー障壁を低下させて、前記オゾンを分子状酸素に分解することを特徴とする請求項６記載の空気浄化システム。
8. 前記酸化マンガンは、吸着原子状酸素および吸着過酸化物化学種への前記オゾンの分解を促進し、前記吸着原子状酸素および前記吸着過酸化物化学種は、揮発性有機化合物を二酸化炭素、水および他の物質に酸化することを特徴とする請求項６記載の空気浄化システム。
9. 前記二酸化チタンの表面に金属酸化物をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
10. 前記金属酸化物は、ＷＯ₃、ＺｎＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、ＰｂＯ、ＭｇＯ、Ｃｏ₃Ｏ₄、ＮｉＯ、ＣｅＯ₂、ＣｕＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項９記載の空気浄化システム。
11. 前記二酸化チタンと混合されている金属酸化物をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
12. 前記金属酸化物は、ＷＯ₃、ＺｎＯ、ＣｄＳ、ＳｒＴｉＯ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、ＦｅＴｉＯ₃、ＰｂＯ、ＭｇＯ₃、Ｃｏ₃Ｏ４、ＮｉＯ、ＣｅＯ₂、ＣｕＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃およびＺｒＯ₂のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１１記載の空気浄化システム。
13. 前記基体は、固体壁により分離されている空隙の配列であることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
14. 前記空気浄化システムは、ハウジングをさらに含み、前記空気浄化システムは、前記ハウジング内にあり、前記ハウジングの壁は、反射性物質でライニングされていることを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
15. 前記空気浄化システムは、室温で存在することを特徴とする請求項１記載の空気浄化システム。
16. 入口および出口を有する容器と、
    前記容器内にある多孔性基体と、
    流体を前記入口を通して前記容器内に引込み、前記流体を前記多孔性基体を通して流し、前記流体を前記出口を通して前記容器から放出する装置と、
    前記基体上に付与されている酸化マンガン／二酸化チタン触媒被覆であって、二酸化チタン上に酸素へのオゾン分解のためのエネルギー障壁を低下させる酸化マンガンを含む酸化マンガン／二酸化チタン触媒被覆と、
    前記触媒被覆を活性化する紫外線光源と、
    を備える空気浄化システムであって、前記紫外線光源からの光子が、前記酸化マンガン／二酸化チタン触媒被覆により吸収されて、反応性ヒドロキシルラジカルを形成し、前記反応性ヒドロキシルラジカルは、前記光紫外線光源により活性化されると、前記酸化マンガン／二酸化チタン触媒被覆上に吸着される前記流体中の汚染物質を、水と酸素の存在下で水と二酸化炭素に酸化することを特徴とする空気浄化システム。
17. 二酸化チタン上に酸化マンガンを含む、付与される酸化マンガン／二酸化チタン触媒被覆を基体上に付与し、
    前記酸化マンガン／二酸化チタン触媒被覆を活性化し、
    反応性ヒドロキシルラジカルを形成し、
    前記酸化マンガン／二酸化チタン触媒被覆上に汚染物質を吸着し、
    前記汚染物質を前記ヒドロキシルラジカルで酸化し、
    前記酸化マンガン／二酸化チタン触媒被覆の前記酸化マンガンで、オゾン分解のエネルギー障壁を低下させ、
    次いで、前記オゾンを酸素に分解する、
    各ステップを含むことを特徴とする空気を浄化する方法。

Images