JP2007021278A - 光触媒浄化装置及び光触媒浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２種類の光ファイバを組み合わせることにより、それぞれロスの少ない導波と光触媒への効率的な漏光を実現する光触媒浄化装置及び光触媒浄化方法を提供する。
【解決手段】本発明の光触媒浄化装置１は、光源部２で発光させた光を光ケーブル３を経由して浄化処理部４に送るような構成としている。浄化処理部４は、さらにケーブル端末部６、接続部７、及び光触媒処理部８から構成されている。光触媒処理部８は、所定本数の漏光ファイバ９に酸化チタン等の光触媒を担持させ、これをテープ状あるいはシート状に広げて形成されたもので、終端は固定されず外からの力で自由に変形できるような柔構造としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光触媒を使った大気、排ガス、雰囲気ガス等の浄化、及び排水、廃液等の液体の浄化や配管の浄化、さらには汚染土壌の浄化、等を目的とする浄化装置、及び該浄化装置を用いた浄化方法の技術分野に関するものである。特に、光源から直接は光の届かない遠隔地での浄化処理や広い空間の浄化処理等に適した浄化装置及び浄化方法に関する。

酸化チタン系の光触媒を用いた浄化方法は、有機物やＳＯＸ及びＮＯＸなどを完全に無害化できるという優れた特性を有しており、さまざまな分野への用途開発や浄化装置の開発が行われている。例えば、室内の空気を浄化するための適用例として、光触媒を用いた空気清浄機や人工植物、あるいは壁や機器へのコーティング品などとして実用化されている。

このような室内の空気浄化を目的とした用途は、シックハウス症候群の対策として、また細菌やウイルス、タバコの煙や花粉などの除去のために、さらに病院における院内感染対策や老人ホームにおける屎尿などの匂い除去、等のために実用化されたものである。最近では、乗用車の空気清浄用にも実用化されており、また工場の排ガスや焼却炉の排ガスの処理用にも実用化されている。

空気の浄化以外では、排水中のダイオキシン類、地下水に漏れたトリクロロエチレンやテトラクロロエチレン、あるいはドライクリーニング用の洗浄剤や洗剤、等の有機物質を処理する用途にも適用されている。さらに、土壌汚染の無害化にも実用化が進められている。

上記用途に用いられている光触媒は、酸化チタン系のものが主流であり、これに紫外線を照射することで光触媒効果が発揮されるものである。最近の研究段階では、可視光を照射することで光触媒効果が得られる材料も開発されている。

光触媒である酸化チタンは、基材にコーティングされることによって、あるいはチタン材料をその表面だけ酸化させて酸化チタンとすることによって、浄化装置等に用いられる。大半の用途では、光触媒以外の材料を基材とし、その表面に光触媒を担持させて用いている。光触媒以外の材料を基材とするのは、用途によって形状や機能を実現しやすくするためである。また、基材の表面にのみ光触媒を担持させるのは、光触媒で処理できるのが表面に吸着された有害物質のみのためである。

空気清浄や排水処理等に用いる浄化装置として、ハニカム状または多孔質フィルタ状のセラミックス、あるいはフィルタ状またはビーズ状のガラス繊維等を用いたものが考案されている。また、処理面積をできるだけ大きくするとともに、光触媒に効率的に紫外光を照射することを目的に、石英や紫外線を効率的に透過するプラスチックファイバを用いて、その表面に光触媒を担持させた光ファイバも考案されている。

光触媒を用いた環境浄化装置のうち、大量の液体や大気の浄化等に用いる浄化装置は、ファンやポンプを用いて被処理流体を装置内の処理部に供給し、ここで一括して処理する集中型の浄化装置が一般的である。集中型浄化装置の場合、処理部内に配設された触媒の表面積を大きくすることと、被処理流体を処理部内に均一に流すことが特に重要となる。すなわち、処理部内の流路抵抗が不均一となっている場合には、被処理流体が流路抵抗の小さい場所に選択的に流れるようになり、処理部の断面内で均一な浄化処理が行えなくなってしまう。

また、光触媒に用いる光源と浄化対象が離れている場合の浄化処理（フィールド用途）として、池の底、海底等の浄化や、湖水、池、河川等の水あるいは日陰となる外壁などといった広い空間の浄化、等を行うために、遠隔地に布設された光触媒まで前記光源の光を導波させる技術、および広い空間の浄化に適用可能な大規模装置が必要となる。

例えば特許文献１に記載の浄化装置では、導波路としてシリカファイバを束ねて外径φ８ｍｍのコード状にしたものを用いており、浄化装置の内筒部と外筒部に収納されている複数の光触媒に対し、装置外部に設けられた光源から前記導波路を経由して光を分配している。

また、特許文献２に記載の浄化装置では、複数の光ファイバを適当な間隔で配列して固定金具で固定している。ここで用いられている光ファイバは、それぞれが光を漏洩させることなく遠隔地まで伝播したのち、触媒膜が担持されている部分で光を外部に漏光させるような構造としている。すなわち、各光ファイバが、導波路と漏光部を兼ねた構造としている。

さらに、特許文献３に記載の浄化装置では、通常は通信に用いられる標準シングルモードファイバを浄化装置に用いており、該ファイバの表面に光触媒を担持させ、ファイバ側面から適度に漏光させて光触媒を励起させるようにしている。

これに対し、特許文献４に記載の浄化装置では、通常の通信用標準シングルモード光ファイバを用いるのではなく、コア径１００μｍ、クラッド径１２５μｍの光ファイバを製造し、従来とは屈折率を変えた構造とすることにより、漏光させるようにしている。

また、特許文献５に記載の光触媒用ファイバでも、通常の光ファイバとは異なるものを用いており、長手方向に屈折率分布を変化させた光ファイバを用いている。すなわち、該光ファイバの屈折率を長手方向に変化させることで漏光させるようにしている。

さらに、特許文献６に記載の光触媒用ファイバは、ガラス母材を延伸するときに、表面に光触媒層を連続的にコーティングするようにしている。
特開平９−６６２８２号 特開２０００−１５１０８号 特開平１１−２９０７０１号 特開２００４−２０２４５９号 特開２００４−１７４３９９号 特開２００４−２１６３０７号

しかしながら、特許文献１に記載の浄化装置では、光を導波する導波路のみに光ファイバが用いられており、光触媒が収納された分解装置には光ファイバは用いられていない。そのため、導波路の端部で触媒層による反射や散乱等が生じ、光エネルギーのロスが大きくなるといった問題がある。

また、特許文献２に記載の浄化装置では、１本のファイバで導波路と漏光部の両方の機能を実現させているが、これをどのようにして実現するのかの記述がない。同じ特性を有する光ファイバを、機能が異なる導波路と漏光部の両方に使い分けることはできない。

また本浄化装置では、光ファイバを固定金具を用いて適当な間隔で配列するようにしているが、この方法では光触媒を担持させた光ファイバの集積密度が小さくなり、浄化効率が低下してしまうといった問題がある。

特許文献３に記載の浄化装置では、通常のシングルモードファイバに光触媒を担持させるようにしているが、該光ファイバは漏光の小さい光ファイバのため、光触媒に光を効率よく照射することはできないといった問題がある。

一方、特許文献４に記載の浄化装置では、漏光性能を積極的に制御した光ファイバを用いるものとしているが、該光ファイバは通常多用されているシングルモードファイバとは異なる仕様となっており、特に該光ファイバのコアを大きくすることから、製造コストが高くなるといった問題がある。

さらに特許文献５に記載の光触媒用ファイバでは、長手方向に屈折率を変化させるようにしているが、このようなファイバを製造するのはコストが高くなるといった問題がある。

これに対し、特許文献６に記載の光触媒用ファイバは、生産性の面では優れているものの、ガラス母材から延伸したチューブの寸法と光触媒のコーティング層の厚さの両方を同時に制御するのは、技術的に大きな困難を伴い、必ずしも生産性は向上しないといった問題がある。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、２種類の光ファイバを組み合わせることにより、それぞれロスの少ない導波と光触媒への効率的な漏光を実現する光触媒浄化装置及び光触媒浄化方法を提供することを目的とする。

この発明の光触媒浄化装置の第１の態様は、所定の波長を有する光を生成する光源部と、前記光源部で生成された光を集光する集光部と、前記集光部で集光された光を導波する導波路部と、前記導波路部から導波された光を光触媒に照射して浄化処理を行う浄化処理部とからなる浄化装置であって、前記導波路部が、コア、クラッド及び１層以上の被覆層からなる複数本の光ファイバを１つ以上のテープ状またはケーブル状に束ねて形成され、前記浄化処理部が、光を外部に漏洩する構造のファイバ（以下では漏光ファイバと呼ぶ）の一部に光触媒を被覆または担持させたものを複数本束ねて一枚または複数枚のシート状に形成した光触媒処理部と、前記光ファイバと前記漏光ファイバとを接続する接続部とを備え、前記導波路部及び前記浄化処理部の一部又は全部は可撓性を有することを特徴とする光触媒浄化装置である。

第２の態様は、前記導波路部に用いられる前記光ファイバと、前記浄化処理部に用いられる前記漏光ファイバとは別種のファイバであり、前記接続部が、前記光ファイバと前記漏光ファイバとをコネクターにより突合せ接続することを特徴とする光触媒浄化装置である。

第３の態様は、前記漏光ファイバが、外径が長手方向に変化していることを特徴とする光触媒浄化装置である。

第４の態様は、前記漏光ファイバが、結晶または気泡、あるいはその両方を内包していることを特徴とする光触媒浄化装置である。

第５の態様は、前記漏光ファイバが、長手方向に連続又は断続した１ヶ所以上の孔を内部に形成していることを特徴とする光触媒浄化装置である。

第６の態様は、前記孔が形成される前記漏光ファイバの断面内の位置が、前記漏光ファイバの長手方向で変化することを特徴とする光触媒浄化装置である。

第７の態様は、前記漏光ファイバが、内部に形成された孔の径が長手方向に変化することを特徴とする光触媒浄化装置である。

第８の態様は、前記漏光ファイバが、外径が長手方向で変化することを特徴とする光触媒浄化装置である。

第９の態様は、第１の態様から第８の態様のいずれか１項に記載の光触媒浄化装置を用いた光触媒浄化方法であって、不使用時は前記導波路部を形成する前記光ファイバを所定の巻取り部に巻き取って保管し、使用時は前記所定の巻取り部から前記光ファイバを繰り出すことによって、前記光源部から遠隔地にある浄化対象を浄化することを特徴とする光触媒浄化方法である。

以上説明したように本発明によれば、光導波に適した光ファイバと漏光に適した光ファイバを組み合わせて用いることにより、浄化効率の高い光触媒浄化装置を提供することができる。

特に、浄化対象が光源から離れた遠隔地にある場合でも、光導波に適した光ファイバ用いていることから、光エネルギーのロスを低減して光触媒まで効率よく導波することが可能である。また、光触媒を漏光用光ファイバに担持させていることから、光触媒全体に効率よく光を照射させることが可能となる。

本発明の光触媒浄化装置は、上記の通り、異なる２種類の光ファイバを用いていることから、それぞれのコア同士を付き合わせのコネクタ方式で接続することができ、光エネルギーのロスを防いで光触媒まで光を効率よく導波することが可能である。

また、本発明の光触媒浄化装置の浄化処理部は、光通信用ファイバに光触媒を担持させたものをテープ状に集合させていることから、標準的に０．２５ｍｍピッチでファイバを配列することができ、多数の光ファイバを高密度に集合させることができる。

さらに、本発明の光触媒浄化装置の導波路及び浄化処理部は可撓性があることから、使用しないときは所定の巻取り部等に巻き取って保管することができ、使用時は巻取り部から容易に繰り出して布設することが可能である。これに加えて、漏光ファイバの終端を固定しないようにしていることから、例えば水の流れの方向に自然に沿わせることができ、効率よく浄化処理を行うことが可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態における光触媒浄化装置及び光触媒浄化方法について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光触媒浄化装置の概略の構成を示すブロック図である。光触媒浄化装置１は、光源部２で発光させた光を光ケーブル３を経由して浄化処理部４に送るような構成としている。光ケーブル３は、多芯を含む光ファイバケーブルで構成されており、所定の本数の導波用光ファイバが束ねられている。

本実施形態の光触媒浄化装置１は、河川や貯水槽等を浄化する場合のように、光源部２を浄化対象１０から離れた位置に設置して浄化処理を行うのに好適な浄化装置である。遠隔地での利用が容易となるよう、光触媒浄化装置１は光ケーブル３の途中に巻取り部５を設けている。これを用いることにより、光ケーブル３を必要なだけ十分長くすることができるとともに、光触媒浄化装置１の保管、移動や光ケーブル３の敷設が容易に行えるような構成とすることができる。

浄化処理部４は、さらにケーブル端末部６、接続部７、及び光触媒処理部８から構成されている。ケーブル端末部６では、光ケーブル３に内包される導波用光ファイバが平面状に広げられており、接続部７で前記導波用光ファイバと漏光ファイバ９とが一本ずつ接続されている。光触媒処理部８は、所定本数の漏光ファイバ９に酸化チタン等の光触媒を担持させ、これをテープ状あるいはシート状に広げて形成されたもので、終端は固定されず外からの力で自由に変形できるような柔構造としている。漏光ファイバ９をシート状に広げて形成する方法として、例えば可撓性のある樹脂層あるいはフィルムに複数の漏光ファイバ９をラップ、コーティングさせる方法がある。

上記の通り、本発明による光触媒浄化装置１は、光を導波するための光ケーブル３に内包された前記導波用光ファイバと、光触媒を担持してこれに光を照射する漏光ファイバ９との２種類の光ファイバを備えている。このような構成とすることにより、前記導波用光ファイバには、長距離でも光エネルギーを効率よく導波できる光ファイバを用いることができる一方、漏光ファイバ９には、前記導波用光ファイバから送られてきた光を前記光触媒にできるだけ均一に照射するような構造の光ファイバを用いることができる。

上記の通り構成された本実施形態の浄化装置１を用いた浄化方法によれば、光源部２を浄化対象１０から離れた場所に設置して浄化処理を行うことが可能となる。また、浄化対象１０が広い空間に分布するものであっても、該空間内を効率的に浄化させることができる。

例えば、浄化対象１０が河川のような広域のものであってもよく、また貯水槽の表層油分処理装置として用いることもできる。本実施形態の光触媒浄化装置１では、光触媒処理部８を柔構造としているため、河川の流れ等に従って変形できることから、漏光ファイバ９と浄化対象１０との接触面積を最大化できる。

次に、浄化装置１に備えられた巻取り部５の構造を、図２を用いて説明する。
図２は、巻取り部５を詳細に説明する図である。巻取り部５は、両側にボビンツバ１２を有するボビン１１と、口出巻取り部１３、ボビン１１を回転させるための駆動モータ１４、及び駆動モータ１４の動力をボビン１１に伝えるための駆動軸１５から構成されている。

光ケーブル３のうち、光源部２に接続された一部の光ケーブル３−ａは、口出巻取り部１３に巻き取られる一方、浄化処理部４までの大部分の光ケーブル３−ｂは、ボビン１１に巻き取られるような構造となっている。光ケーブル３は高い可撓性を有しており、ボビン１１または口出巻取り部１３に容易に巻き取れるようにしている。

本実施形態の浄化装置１では、光触媒処理部８が可撓性のあるテープ状あるいはシート状に形成されており、さらに光触媒処理部８の終端が固定されていないことから、浄化処理部４も可撓性を有する構造となっている。そのため、浄化処理部４も含めてボビン１１に巻き取ることが可能であり、光ケーブル３及び浄化処理部４を全て巻取り部５に巻き取った状態で浄化対象１０のある場所まで移動し、そこで布設することが容易に可能である。

あるいは、接続部７の構造を、光ケーブル３に内包された前記導波用ケーブルと漏光ファイバ９との接続／切離しが容易に行えるコネクタ構造としておき、巻取り部５には光ケーブル３のみを巻取るようにしてもよい。この場合には、布設時に光ケーブル３を巻取り部５から繰り出した後、接続部７で光ケーブル３のケーブル端末部６と光触媒処理部８とを接続すればよい。

本発明の第２の実施形態を、図３を用いて説明する。図３に示す本実施形態の光触媒浄化装置２１では、浄化処理部２２の構造が第１の実施形態の光触媒浄化装置１と異なっている。また、光ケーブル３に内包されている前記導波用光ファイバは、所定の本数ずつ束ねられてファイババンドル２３を複数形成しており、ケーブル端末部２４では光ケーブル３の中から各ファイババンドル２３を取り出して自由に動けるようにしている。

浄化処理部２２では、ファイババンドル２３毎に、内包された前記導波用光ファイバと漏光ファイバ９とを接続部２５で一本ずつ接続している。本実施形態の光触媒処理部２６は、前記導波用光ファイバと接続された漏光ファイバ９をファイババンドル２３毎にテープ状に樹脂コーティングすることで、ファイババンドル２３毎に処理対象１０内を所定の範囲内で自由に動けるような構造としている。

上記の通り構成された本実施形態の光触媒浄化装置２１を用いた浄化方法では、浄化対象１０の中をファイババンドル２３毎に広がることができるため、漏光ファイバ９が局部的な浄化対象１０とのみ接触するのを回避することができる。これにより、浄化対象１０が広範囲に広がっている場合でも、漏光ファイバ９が浄化対象１０内を広がることで、浄化対象１０と漏光ファイバ９とを効率よく接触させることができる。よって、本実施形態の光触媒浄化装置２１を用いた浄化方法によれば、処理対象１０が広い領域に分布している場合であっても、効率よく浄化処理が行えるようになる。

本発明の光触媒浄化装置１または２１に用いる光源部２の構造を、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、光源部２の一実施例を説明するための概略図である。光源部２は、ランプ３１と反射体３２とを有しており、ランプ３１から発せられた光は直接または反射体３２に反射されてファイババンドル３３内の導波用光ファイバ３５に入射される。反射体３２は、ランプ３１から発せられた光を所定の位置に集光させる集光部の機能を有するものである。

図４（ｂ）は、光源部２に接続されたファイババンドル３３の構造を説明するための断面図であり、図４（ａ）に示すＡＡ面での断面を示す図である。ファイババンドル３３は、複数本の導波用光ファイバ３５をチューブ３４内に束ねたものである。また、チューブ３４内の導波用光ファイバ３５が占める領域以外の隙間には、接合剤３６を充填させている。光ケーブル３は、このような構造のファイババンドル３３を１本、ないしは複数本有する構造としている。

図４では、一つの光源から複数の導波用光ファイバ３５を有する多芯ファイババンドル３３に導光する場合について説明した。光源部２の別の実施例を、図５を用いて以下に説明する。図５は、光源部２の別の実施例を示す概略図である。

図５において、光源部２はＬＤまたはＬＥＤからなる光源４１を複数有している。各光源４１をコネクタ部４２でファイババンドル４３に接続しており、さらに複数のファイババンドル４３を束ねて光ケーブル３内に収納している。図５に示す光源部２を用いた本発明の光触媒浄化装置では、処理対象に応じて使用する光源４１の個数を選択することで、漏光ファイバ９に送出する光量を調節することが可能となる。

なお、浄化処理部４または２２に用いる漏光ファイバ９として、シリカガラス製のファイバか、あるいはフッ素、塩素またはＯＨがドープされたシリカ系のファイバを用いることができる。もしくは、紫外線を透過する樹脂製のファイバを用いてもよい。漏光ファイバ９は、上記のような一般的なファイバをベースに用いることができる。

漏光ファイバ９は、上記のいずれかのファイバをベースとして、少なくとも一部の表面に光触媒の薄膜や光触媒粒子または吸着剤を担持したものである。あるいは、銀、白金、銅、タングシテンなどの金属が付与された光触媒の被覆を施したもの、あるいはそれらの粒子を担持させたものでもよい。

漏光ファイバ９は、前記導波用光ファイバから送られてきた光を光触媒に照射させるために、外部に適切に漏洩させる必要がある。そこで、ベースとなるファイバに以下のような加工を施すことで、漏光ファイバ９を形成することも可能である。

すなわち、外径を長手方向に変化させるか、ファイバ内部に結晶、気泡、またはその両方を形成する、あるいはファイバの長手方向に連続又は断続して孔を１ヶ所以上に形成する、あるいは前記孔の断面上の位置を長手方向で変化させて形成する、あるいは前記孔の径を長手方向で変化させる、のいずれかの加工、あるいは２以上の加工を組み合わせて行う。これにより、一般的なファイバを用いても、光を適切に漏光させることが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る光触媒浄化装置１の概略の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に備えられた巻取り部５を詳細に説明する図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る光触媒浄化装置２１の概略の構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の光触媒浄化装置に用いる光源部２の構造を説明する図である。図４（ａ）は、光源部２の一実施例を説明するための概略図である。図４（ｂ）は、光源部２に接続されたファイババンドル３３の構造を説明するための断面図であり、図４（ａ）に示すＡＡ面での断面図である。 図５は、光源部２の別の実施例を示す概略図である。

符号の説明

１、２１・・・光触媒浄化装置
２・・・光源部
３・・・光ケーブル
４、２２・・・浄化処理部
５・・・巻取り部
６、２４・・・ケーブル端末部
７、２５・・・接続部
８、２６・・・光触媒処理部
９・・・漏光ファイバ
１０・・・浄化対象
１１・・・ボビン
１２・・・ボビンツバ
１３・・・口出巻取り部
１４・・・駆動モータ
１５・・・駆動軸
２３、３３、４３・・・ファイババンドル
３１・・・ランプ
３２・・・反射体
３４・・・チューブ
３５・・・導波用光ファイバ
３６・・・接合剤
４１・・・光源（ＩＤまたはＬＥＤ）
４２・・・コネクタ部

Claims (9)

1. 所定の波長を有する光を生成する光源部と、前記光源部で生成された光を集光する集光部と、前記集光部で集光された光を導波する導波路部と、前記導波路部から導波された光を光触媒に照射して浄化処理を行う浄化処理部とからなる浄化装置であって、
   前記導波路部は、コア、クラッド及び１層以上の被覆層からなる複数本の光ファイバを１つ以上のテープ状またはケーブル状に束ねて形成され、
   前記浄化処理部は、光を外部に漏洩する構造のファイバ（以下では漏光ファイバと呼ぶ）の一部に光触媒を被覆または担持させたものを複数本束ねて一枚または複数枚のシート状に形成した光触媒処理部と、前記光ファイバと前記漏光ファイバとを接続する接続部とを備え、
   前記導波路部及び前記浄化処理部の一部又は全部は可撓性を有する、
   ことを特徴とする光触媒浄化装置。
2. 前記導波路部に用いられる前記光ファイバと、前記浄化処理部に用いられる前記漏光ファイバとは別種のファイバであり、
   前記接続部は、前記光ファイバと前記漏光ファイバとをコネクターにより突合せ接続する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光触媒浄化装置。
3. 前記漏光ファイバは、外径が長手方向に変化している
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光触媒浄化装置。
4. 前記漏光ファイバは、結晶または気泡、あるいはその両方を内包している
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光触媒浄化装置。
5. 前記漏光ファイバは、長手方向に連続又は断続した１ヶ所以上の孔を内部に形成している
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光触媒浄化装置。
6. 前記孔が形成される前記漏光ファイバの断面内の位置は、前記漏光ファイバの長手方向で変化する
   ことを特徴とする請求項５に記載の光触媒浄化装置。
7. 前記漏光ファイバは、内部に形成された孔の径が長手方向に変化する
   ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光触媒浄化装置。
8. 前記漏光ファイバは、外径が長手方向で変化する
   ことを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか１項に記載の光触媒浄化装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光触媒浄化装置を用いた光触媒浄化方法であって、
   不使用時は前記導波路部を形成する前記光ファイバを所定の巻取り部に巻き取って保管し、使用時は前記所定の巻取り部から前記光ファイバを繰り出すことによって、前記光源部から遠隔地にある浄化対象を浄化する
   ことを特徴とする光触媒浄化方法。

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