JP2008119676A - 光触媒による有害物質分解除去、光殺菌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光触媒は、光源が照射された部分でしか有害物質の分解、除去が行われない欠点と有効部位に接触が必要な欠点、及び反応速度が遅い欠点とがあり、この三つの欠点と、増殖速度が早い雑菌の殺菌性能とを同時に解決する装置の実現は困難であった。
【解決手段】 光触媒の作用は、照射面積に比例して増大し、光の照射強度はある値で充分である事と流体は球状の球面を包み込むように通過する性質に着目し、球状の触媒の直径に最適な形状と寸法の擬似光源、光反射板を設置する事で、光を触媒のほぼ全面に照射させ、触媒が作用する面積を大幅に拡大した。同時に、被浄化対象物が触媒の球面を包み込んで通過する様に配慮する事で、触媒作用の有効な部位に常に接触させた。
従来の照射面積不足と触媒の反応速度が遅い欠点と有効部位に接触しにくい欠点とを解決した。又、浄化対象物に常に光が照射されるので殺菌作用も同時に得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、飲料水などの液体や空気、ガスなどの気体に含まれる有害ガス等の有害物質を光触媒の作用で分解、除去する光触媒装置と、紫外線による殺菌作用を行う光触媒による有害物質の分解除去装置と光殺菌装置。

空気や水などを浄化するために、殺菌用として紫外線が有効である事と有害物質の分解、除去に光触媒が有効である事が知られており、飲料水の浄化器や空気清浄機、エアコンなどに採用されています。
しかし従来技術の実情は、有害物質の除去性能が高いとされる空気清浄機を始めいずれの機器に於いても、「煙草の有害物質の殆ど（一酸化炭素、ニコチン、ダイオキシン等）は空気清浄機では除去できないガス組成分であり、煙草の荒い粒子は取り除くが、煙草の有害物質の殆どは除去できず、排気口から周囲に散らす」などの考えが広まって、空気清浄機メーカーやエアーコンデショナー機器メーカーなどの最新機器では、カタログや取り扱い説明書に「煙草などの有害物質は除去できない。」と明記したり、「空気清浄」の文語を削除し、「清浄方式」を「集塵方式」に改めるなど、修正や変更が急速に進められています。

従来技術の光触媒機器が上記のように充分な性能が得られないのは、光触媒には、光源が照射されている部位以外では有害物質の分解除去作用が行われない欠点と、光が照射され有効に作用している部位に被浄化対象物が接触している必要がある欠点と、光触媒の反応速度が遅い欠点との三つの欠点があります。これを同時に解決し、更に、処理速度と殺菌作用を併せて解決する構造は、相反する問題が難解であり解決されませんでした。
これらの問題に対し従来技術での解決、取り組み方法の現状を図６を用いて以下に説明します。

従来の一般的な光触媒機器では、平面フイルター状の光触媒が採用される例が多くありますが、有害物質の殆どは、化学分子レベルの超微細であり、光触媒フイルター網目の隙間を通過してしまいます。仮に、光触媒フイルターに捕捉された有害物質も光触媒の反応速度が遅いため、分解するまでの長時間、滞留するに至らず、分解が不充分なまま、流れ出し通過してしまう問題が残されます。
それを防止するため、フイルターの網目を微細にし、多段に重ね合わせ、多段層の平面方向に通過させる方法が採用された例では、２段目以降のフイルターでは前段フィルターの影になり、光源からの光照射量が激減する事から、光触媒の有害物質の分解、除去能力が大幅に低下します。同時に、光照射強度が不充分である事は殺菌効果も低下する事を意味しています。
更に、微細な網目状のフイルターの多段である事から、被浄化対象物の通過量が減少するため処理能力が大幅に減少する問題が発生します。
通過量が減少する事は、殺菌作用が行われない状態で滞留時間が長くなる事から増殖速度の速い雑菌などが繁殖しやすい状態となる問題があります。

図６（Ａ）は、平面フイルター状の光触媒を多段に積層し、層の方向に沿って被浄化対象物９を通過させる方法で、通過量の減少を解決したものです。
しかし、光源に最も近い一段目のフイルターの光源側に接触して通過する被浄化対象物には、充分な効果が期待できますが、２段目以降のフイルターには光源の照射量が激減し、有害物質除去作用と殺菌作用に効果が得られないのは、上記の平面方向に通過させる方法と同じく、有害物質の分解、除去能力と殺菌能力には問題が残されたままです。

球状型の光触媒の採用で、被浄化対象物の通過量は向上し、処理能力の問題が解決される可能性が高まります。しかし、光源の影になり有害物質の分解除去と殺菌能力が得られない問題は残されたままです。
図６（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、従来技術の球状光触媒の様子を示したものですが、図６（Ｂ）は、光源１からの照射面積は、光源が直視出来る触媒の前方面に限られ、球状の後方半面には、光が照射されない影が残され問題は解決しません。
図６（Ｃ）の様に、小型の球状光触媒を少数にした場合は、光が照射される被浄化対象物の量が増えるので殺菌作用の能力は高まります。しかし、有害物質の分解除去作用は、光が照射されている触媒の表面に接触している部分のみで作用するので、触媒作用の効果は増加しません。従って、処理能力と殺菌効果は満足できても、有害物質の分解除去能力には、問題が残されたままとなります。
図６（Ｄ）の様に、小型の球状光触媒を多数個用いても、球状の後方半面や、前の触媒の影に位置する触媒部では、何の効果も得られないので問題は解決できません。

光触媒作用と殺菌に効果のある光源は制御回路も含め複雑で高価ですので、光源を複数採用する方法は、大型で複雑、相当な高価になるため一般用途には採用されませんでした。

光触媒の光源が照射されている部位以外では有害物質の分解除去作用が行われない欠点と、光が照射され有効に作用している部位に被浄化対象物が接触している必要がある欠点と、光触媒の反応速度が遅い欠点との三つの欠点を解決し、更に、殺菌能力と処理能力も充分に確保する。
シンプルな構造で、信頼性が高く、製造や保守も容易で、社会に普及し易い装置とする。

光触媒の有害物質の分解、除去作用は、照射面積に比例して増大するが、光源光の照射強度はある値があれば充分である事、及び、流体は球状の球面を包み込むように通過する性質に着目した。

触媒の使用数を制限し、球状の触媒の直径に最適な形状と寸法の擬似光源２と光反射板４を設置する事で、光を触媒のほぼ全面に照射させ、触媒が作用する面積を大幅に拡大した。同時に、被浄化対象物が触媒の球面を包み込んで通過する様にも形状や寸法を配慮する事で、触媒作用の有効な部位に被浄化対象物を常に接触させる。即ち、擬似光源と光反射板は、光が照射されない触媒が配置できない事、触媒に影ができない事、触媒作用の無効な部分を被浄化対象物が通過させない事の制限機能を持つ様に形状、寸法化する。
触媒作用が有効な部位に被浄化対象物が常に接触している事は、被浄化対象物にも常に光が照射さてれる事なので、殺菌作用も常時得られる。

背景技術と課題で説明した光触媒の三つの欠点を解決し、光触媒の有害物質の分解、除去能力と殺菌能力、処理性能にも充分な装置が実現できた。
本発明を単独の装置と従来技術の機器との性能比較試験では、従来技術では不可能であった煙草の煙や匂い、有害物質（一酸化炭素、ニコチン等）を短時間で充分に取り除き、性能の差に格段の進歩がある事が確認でき、殺菌能力と処理能力も充分であった。

更に、高性能が要求される特殊用途の場合などには、並列、直列に連結する事が容易で、図５で説明する様に、目的や用途に応じた高性能を充分に得る事ができる。連結する場合も、シンプルな単独構造の物をそのまま連結できるので、容易に性能アップや拡張、変更が可能である。
シンプルで、信頼性が高く、製造や保守も容易、低コストであり、各種装置に組み込みも可能など実用性が高い。

請求項１を説明する図１の実施例は、円筒状の光源１の周囲に、光源の光を四方へ照射させる円筒状の擬似光源２を４本設置し、擬似光源２の周囲に、光触媒３を複数個、配置した円筒状の有害物質分解除去槽５を儲けた上面図である。

図２の実施例は、請求項２を説明するもので、擬似光源２を４本採用し、図２（Ａ）の様な上面図で円筒状の光反射板４を光触媒の後方に配置し、光触媒の後方からも光を照射する事で、球状の光触媒３のほぼ全面に光を照射する事ができた。
その状態で、複数の触媒を積層した側断面が、図２（Ｂ）である。被浄化対象物９への光照射も可能で、殺菌作用を同時に与えながら、球状である触媒の使用数を制限している事から通過量も充分であり、処理能力の問題も解決した。
以下に、図１と図２の有害物質分解除去槽５の説明の追加と図３、図４、図５の実施例を説明する。

擬似光源２は、光源の光が通過する材料の円筒の単品で、内部に光源の機能を有していないが、光源１と接触させて配置され、光はガラス管の表面（端面、切り口）に沿って通過する性質がある事を利用し、更に、光源に波長の短い紫外線を採用する事でこの特徴は顕著に現れ、光源の光が通過する円筒状のガラス管の表面を、四方へ光を照射する擬似光源として作用させる。更に、性能を上げるのに、擬似光源のガラス管の表面に石英ガラスなどの荒い粒子の粒を溶着させても良い。
擬似光源２の照射強度は光源１より弱まるが、光触媒の作用は、光の照射面積に比例して増大するが、照射強度はある値で充分であるため、光源光に対する損失が少ない石英ガラス管などの材料によれば、光源は照射強度が強めの既製の触媒用光源を用いれば充分実用になる事が実験の結果から判明できた。
紫外線波長の光は、殺菌作用と光触媒の作用に有効であるので、本発明の目的にも適している。

球状触媒のほぼ全面へ光を照射した上で、触媒作用のある球面全体を包み込むように流体を通過させ、触媒に接触している時間を長くする。又、多段に積層した球状の光触媒を通過させる事で、触媒に接触している時間を更に長くする事ができるので、光触媒の反応速度の遅い欠点を解決できる。
又、球体の面を包み込むように流体が通過する球体同士の接触部では、流体の混流が起こるので、光が照射され球体の全面が触媒作用する多段槽を通過する被浄化対象物に於いては、光が照射されない影の部分のみを通過する問題は解決される。

光触媒の球面上のほぼ全面へ光源からの光を照射するために、光触媒の球の直径と、擬似光源と光源の直径と反射板の形状を最適に選定する事は容易である事と光触媒の使用数を過多にしない方が効果的である事も実験の結果から判明できたが、擬似光源と光反射板は、光が照射されない触媒が配置できない事、触媒に影ができない事、触媒作用の無効な部分を被浄化対象物が通過させない事の制限機能を持つ様に形状、寸法化する。図２（Ａ）、図３（Ａ）はその例である。

図３（Ａ）が上面図、（Ｂ）が側断面図の実施例は、光源１の周囲に、円筒の光殺菌槽６を設け、その殺菌槽の外側に、図１、図２で説明の有害物質分解除去槽５を配置した物である。
光殺菌槽の外壁は、光源の光が低損失で通過する石英ガラス管などの材料で生成され、光源の光は殺菌槽の外壁を低損失で通過して、有害物質分解除去槽へ照射され、低照射強度で動作する光触媒の作用が損なわれる事はない。
殺菌槽を通過した直後の被浄化対象物９を外部へ取り出す構造は、増殖の速度が速い雑菌類にも効率良い殺菌ができるが、下記で述べる図４の循環機能や図５で説明する連結をした場合にも殺菌性能を劣化させない要素の一つである。
図３（Ａ）の上面図では、光触媒の直径は同じであるが、光殺菌槽を追加した事により、光源１と擬似光源２、外装ケース７の直径を変更し、光反射板４の形状は、それらに最適になるように変更されたもである。

図４の実施例は、実際に稼動ができる様に構造化した物で、被浄化対象物９を還流、循環させる還流機能８を付の随させ、本発明の実験や性能テストに用いた物だが、図１、図２、図３原理図に意味ある手を加える事なく、発明の効果で説明の通り充分な性能が得られた。
尚、光反射板の材質は鏡面処理をしたステンレス等の金属でも必要な性能が得られたが、更に性能を上げるために、凹凸を儲けるなど希望の形状の物は容易に製造が可能であり、ガラスによる鏡を採用しても良い。
又、擬似光源の使用数は４本に限定するものでなく、光源１と同じ光源を使用しても良い。

図５の実施例は、本発明を連結する事で、更に高性能を得たり、業務用など目的や用途に応じた性能を得る例である。
図５（Ａ）は、本発明を直列に連結した例で、有害物質の分解、除去能力を連結数に比例して高める事が可能であり、殺菌能力と処理能力は、単体の性能を維持したままである。
図５（Ｂ）は、本発明を並列に連結した例で、処理する量や処理速度を連結数に比例して高める事が可能であり、有害物質の除去能力と殺菌能力は、単体の性能を維持したままである。

当発明の擬似光源２の作用を説明する実施例１の上面図である。 当発明の擬似光源２と光反射板４を用いた実施例２の上面図（Ａ）と側断面図（Ｂ）である。 実施例１、又は、実施例２に、殺菌槽６を追加した実施例３の上面図（Ａ）と側断面図（Ｂ）である。 実施例３に、還流機能８を追加した実施例４の側断面図である。 目的に応じて実施例４を連結した実施例５で、（Ａ）は直列に、（Ｂ）は並列に接続したものである。 従来技術の方法と欠点を説明したものである。

符号の説明

１ 光源
２ 擬似光源
３ 球状光触媒
４ 光反射板
５ 有害物質分解除去槽
６ 光殺菌槽
７ 外槽ケース
８ 還流機能
９ 被浄化対象物
１０ 平面フイルター状光触媒

Claims (4)

1. 図１のように、円筒状の光源１の周囲に、光源の光が通過するガラス管などの材料で、円筒状の擬似光源２を配置し、その擬似光源の周囲に光触媒３を配置する方法で、光触媒３の光照射面積を拡大させ触媒が作用する面積を増大させた、光触媒による有害物質分解除去槽５を有する光触媒装置。
2. 図２のように、円筒状の光源１の周囲に、光源の光が通過するガラス管などの材料で、円筒状の擬似光源２を配置し、その擬似光源の周囲に光触媒３を配置する方法と、光触媒３の背面に円筒状の光反射板４を設置する方法を併用して、光触媒３の球状面の全域に光源の光を照射させる事で触媒作用の面積を増大した、光触媒による有害物質分解除去槽５を有する光触媒装置。
3. 図３のように、光源１の周囲に光源の光が通過する石英ガラス管などの材料による円筒状の光殺菌槽６を設け、この光殺菌槽６の周囲に、請求項１の擬似光源２、又は、請求項２の光反射板４を用いた光触媒による有害物質分解除去槽５を設置した有害物質分解除去、光殺菌装置。
4. 図４のように、請求項１、又は、請求項２、又は、請求項３の装置に、被浄化対象物９を還流、循環させる還流機能８を付随させた装置、及び、その装置を、図５のように直列、並列に連結した有害物質分解除去、光殺菌装置。

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