JP2008194545A

JP2008194545A - 目的物質の酸化又は分解方法

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Publication number: JP2008194545A
Application number: JP2006133881A
Authority: JP
Inventors: Hideharu Osada; 秀晴長田; Kanji Takahashi; 侃治高橋; Tadami Kamaishi; 忠美釜石; Hironobu Shibamoto; 博信芝本; Shoma Osada; 尚磨長田
Original assignee: Osada Giken Co Ltd
Current assignee: Osada Giken Co Ltd
Priority date: 2006-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2008-08-28

Abstract

【課題】有機物等を光触媒によって酸化分解させる方法においては、光触媒粒子の加熱が難しく、電気ヒーターやガスバーナーでは、装置の不要な部分が加熱されるため熱量が無駄であり、加熱に時間がかかっていた。よって、短期間に運転と停止を繰り返す場合には、エネルギーの無駄が非常に多くなる。
【解決手段】酸化又は分解される目的物質を加熱された光触媒粒子に接触させ、加熱によって活性化された該光触媒と酸素によって、該目的物質を酸化又は分解する方法であって、該加熱はマイクロ波加熱であるもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、目的物質の酸化又は分解方法に関するものである。

最近、プラスチック等の有機物の処理が大きな社会問題となっている。これはプラスチックがそのままでは分解しないため、埋め立てでは解決しないこと、またその埋め立て場所もなくなりつつあるということが大きな原因である。

このようなプラスチック等の処理は、従来から焼却法であった。焼却は炉内で高温で燃焼させ、二酸化炭素、その他の酸化物にすることである。

しかしながら、燃焼方法では完全燃焼しない限り有毒ガスが発生する危険性がある。よって、どうしても高温で燃料を使用して燃焼させることとなる。よって、不要な燃料も焼却しているため、周囲環境を加熱し、二酸化炭素を不必要に発生していることとなる。
更に、ダイオキシンの発生を完全に押さえることも難しい。

そこで、発明者等は、有機物を光触媒によって比較的低温で酸化分解させる方法を考案し特許出願もしている。
これは、有機物を加熱した光触媒粉体と接触させるものであり、低温で簡単に有機物が分解できる優れた方法である。
特開２００５−１６９２９３

しかしながら、この方法では光触媒粒子の加熱が難しく、電気ヒーターやガスバーナーでは、装置の不要な部分が加熱されるため熱量が無駄であり、加熱に時間がかかっていた。
即ち、反応器の外側に設けられた加熱装置（例えば、電気ヒーター）で、触媒を３００℃に上げる場合、加熱をスタートするとまづ反応器が加熱され、反応器が３００℃以上にならないと触媒が３００℃にならない。よって、すぐに運転したり、逆にすぐに冷却したりすることはできない。
よって、短期間に運転と停止を繰り返す場合には、エネルギーの無駄が非常に多くなる。

そこで、光触媒をできる限り短時間で加熱できる方法を提供する。

以上のような現状に鑑み、本発明者は鋭意研究の結果本発明目的物質の酸化又は分解方法を完成したものであり、その特徴とするところは、加熱された光触媒粒子中に、酸化又は分解される目的物質を導入し、加熱によって活性化された該光触媒と酸素によって、該目的物質を酸化又は分解する方法であって、該加熱はマイクロ波加熱である点にある。

本発明者等は、光触媒を種々実験することによって、光触媒という名称から光触媒は紫外線等の照射によってのみ活性化するものという常識を覆した。即ち、光触媒は紫外線等の照射がなくても、加熱のみによって活性化し酸化源があれば、目的物質を酸化又は分解するという原理を用いている。

ここで目的物質とは、酸化又は分解できるものである。即ち、有機物のすべて及び無機物であって完全酸化されていない物質である。このような無機物としては、硫化水素、一酸化炭素、亜硫酸、塩素ガス、アンモニア、水素ガス等である。

また、有機物としては、プラスチック等の固体、油脂や有機溶媒のような液体だけでなく、ＰＣＢ等の有毒物も含まれる。有機物も低分子、高分子は問わない。更に、気体でもよい。例えば、工場や養鶏場からの悪臭ガスや有機物の分解装置から出る分解ガス等でもよい。要するに、有機物であればどのようなものでもよい。

固体の場合には、分解効率からして破砕、粉砕した方が好ましいことは当然である。固体は光触媒粒子と混合攪拌しながら分解させるのが好適である。
液体の場合には、充填加熱された光触媒粒子の上から噴霧するのが好適であるが、光触媒を浮遊させた反応器内にスプレーしてもよい。
気体の場合には、加熱された光触媒粒子間を通過させるだけでもよい。

光触媒は、通常酸化チタンのアナターゼ型結晶がよく知られているが、これ以外のものでもよい。要するに、紫外線や可視光等を受けて光酸化反応を起こすものである。
光触媒は、その粒径は小さいほど効率がよいため、通常は、数ｎｍ〜数μｍが好適であるが、特別限定はしない。また、微粉末では舞い上がりや、気体と同伴され系外に出るため、種々の方法で大きく（造粒等）してもよい。

大きくする方法としては、光触媒微粒子を接着剤を用いて造粒する方法、焼結する方法、また担体に光触媒粒子を固着する方法、更には、他の物質と共に造粒する等種々の方法が考えられる。また、フィルターのようなものに固着（担持）させてもよい。

加熱の方法は、マイクロ波による加熱である。マイクロ波には厳密な定義はないが、おおむねその周波数は１×１０⁹Ｈｚ（１ＧＨｚ）〜３×１０¹²Ｈｚ（３ＴＨｚ）とされている。一般には電子レンジ方式と呼ばれているが、その周波数は特に限定するものではない。しかし、日本で電子レンジとして使用されている約２４５０ＭＨｚが装置も安価で便利である。また、これより高い２８ＧＨｚ付近のものもあり、これの方が加熱が速くなる。

マイクロ波発生装置は市販のものでよく、特別なものである必要はない。

誘電体（加熱すべき物質）にマイクロ波を照射したとき、正負の双極子の集合体である誘電体は、双極子が激しく振動回転する、即ち誘電体物質の内部に侵入したマイクロ波の電場によって分子運動が起こり、その振動摩擦によって誘電体が発熱する。このときの単位体積当たりの発熱量Ｐは、次のように表される。
Ｐ＝２πｆε₀ε_rｔａｎδＥ²（Ｗ／ｍ³）
ｆ：周波数
ε₀：真空中の誘電率
ε_r：誘電体の比誘電率
ｔａｎδ：誘電体の誘電正接（損失角）
Ｅ：マイクロ波電界の強さ
式中のε₀ε_rｔａｎδを材料の誘電損率と呼び、温度と周波数によって変化する。一般にセラミックでは、周波数が高いほど誘電損率が高く、周波数が同じであれば温度が高いほど誘電損率が高くなる。
酸化チタンなどもこのマイクロ波で直接加熱される。

しかし、光触媒だけでは加熱が遅い場合、加熱の容易な（誘電損率が大きい）物質（ここでは被加熱物質という）を加熱してそれによって光触媒を加熱してもよい。即ち、光触媒と被加熱物質とを接して又は近傍に置き被加熱物質から光触媒に熱を与えるのである。
被加熱物質は、マイクロ波で加熱されればどのようなものでもよいが、誘電損率が大きいものとしては、例えば、ＢａＴｉＯ₃、ＫＨ₂ＰＯ₄、ＫＨ₂ＡｓＯ₄、ＲｂＨ₂ＰＯ₄、ＰｂＴｉＯ₃、ＮａＮｂＯ₃、ＫＮｂＯ₃、ＮａＴａＯ₃、ＫＴａＯ₃等がある。

この被加熱物質と光触媒を接して又は近傍に置く方法としては、両者の粒子を混合する方法、一方に他方を担持又は固着させる方法、両者を混合して成型（造粒等）する方法等種々な方法がある。要するに近くに存在すればよい。

まず両者の粒子を混合する方法は、ただ両者を混合するだけでよい。例えば、不織布（ガラス繊維やカーボン繊維等の不織布が好適）等の容器に両者を混合して入れるだけでもよい。この容器内に目的物質を通過させればよい。また、目的物質が固体の場合には、反応器内に両者の粒子を混合して充填し、そこに固体の目的物質（ある程度のサイズに破砕したもの）を入れて攪拌する等してもよい。

一方に他方を担持又は固着させる方法としては、次のような方法がある。
例えば、被加熱物質を担体として、それに光触媒微粒子を固着する方法がある。担体の形状は粒子でなく繊維状のものでもよい。粒径は、特に限定はしないが、１０ｍｍ以下、好ましくは数μｍ〜８ｍｍ、更に好ましくは１００μｍ〜４ｍｍ程度が好適である。
担体への固着の方法は、分解されにくいフッ素系樹脂、シリコン系の樹脂、更には水ガラス等で接着してもよく、また単に水だけでも可能である。また、接着剤としてチタンアルコキシドを使用すると全体として触媒効率が向上すると考えられる。また破砕したときにも同様である。

更に、水系樹脂（水溶性樹脂やエマルジョンタイプ樹脂）とセメント（水硬反応で硬化するものすべて）の両方で、担体に光触媒を固着したものでもよい。
固着の方法は、まず担体に水系樹脂を塗布し、次いでセメント、及び光触媒を固着するものである。最初に水系樹脂の初期接着力によりセメントや光触媒を固着する。そして、セメントが硬化すれば、光触媒による酸化力で水系樹脂が分解されてもセメントによって保持されているのである。
付着させる量は、自由であり、付着の方法にはよらないが担体との大きさの差により、通常は担体の重量の１％から１０％程度がよい。

また、被加熱物質の担体が上記のような小さいものではなく、フィルターや大きな多孔体、ハニカム構造体（酸化触媒によく用いられる形状）等の表面に光触媒粉体を固着してもよい。特に目的物質が気体の場合には、有効である。交換が容易であり、気体の通過も容易である。
ここでいうフィルターは、単に通路が多数の小さい孔になっているという程度の意味である。よって、粒を充填したもの、布、不織布、スポンジ、多孔物質等どのようなものでもよい。このフィルターに光触媒が担持されているのである。担持の方法は、分解されにくいフッ素系樹脂やシリコン系の樹脂を用いても、無機系の接着剤で固着してもよい。更に前記した水系樹脂とセメントの両方で固着したものでもよい。形状としては、網で構成したブロックや板状体に光触媒担持粒子を充填したもの、前記した布や不織布に光触媒粒子を固着して枠を付けたもの等自由である。

加熱されやすい物質との固着の他の方法として、光触媒粉体と加熱されやすい物質の粉体を混合して成型する方法もある。この場合には、全体として微粒子が点接着されている等の構造で表面積を大きくすることがよい。
この成型方法は、通常の成型技術や造粒技術でよく特別な方法である必要はない。また、サイズは、自由であるが１０μｍ〜１０ｍｍ程度が好適である。

加熱する温度としては、光触媒が触媒効果を発揮する温度でよく、その目的物質によって、低くてもよい場合がある。３００〜３５０℃程度が好適であるが、１００〜５００℃でもよい。ここでいう温度は光触媒の温度であり、反応器全体の温度ではない。

光触媒粒子は、上記したごとくフィルター等の固着した場合には、反応器にそのフィルターを１又は複数設置すればよく、粒子状の場合には、反応器に充填しても、メッシュ状の容器に充填してそれを反応器に設置する等自由である。

本発明でいう酸素は、酸素源という意味であり、厳密に酸素ガスのみをさすものではない。過酸化水素水や水等の分子内に酸素を有するものでもよい。光触媒が充填されている容器内に目的物質を酸化又は分解する程度の酸素（空気）があれば特に導入したり、別途考慮する必要はない。しかし、不足するようであれば別途空気導入管から導入してもよい。酸素源が含まれていれば空気でなくともよい。

酸化とは、アンモニアが酸化窒素になるような反応であり、ここで分解とは高分子が低分子になること等をいう。このうち一方又は両方が起って目的物質が変化する。変化した生成物は二酸化炭素と水がほとんどであるが、原料に窒素やイオウが含まれていれば、窒素やイオウの酸化物も当然発生する。これらは後の工程で処理すればよい。

また、本発明方法で目的物質を完全に酸化又は分解する必要はない。即ち、未分解や未酸化のものが残っていても問題はない。よって、他の処理装置の前処理のラフな分解方法として採用してもよい。特に本発明は簡単で装置も安価なものでできるため、このような前処理法としても非常に優れている。

本発明酸化又は分解方法は、連続式でもバッチ式でも実施可能である。また、使用した光触媒の表面にタール状物やカーボン等が付着した場合には、廃棄しても再生してもよいが、本発明には直接関係はない。

本発明方法には、次のような大きな利点がある。
（１）光触媒を加熱することによって効率よく酸化又は分解ができる。
（２）光触媒を用いているにもかかわらず、紫外線ランプ等が不要である。
（３）通常のバーナーや電熱線のような加熱装置と比べて必要なものを短期間で加熱できるためエネルギーの無駄がない。かつ加熱が速い。

以下好適な実施例に基づいて本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明目的物質の酸化又は分解方法を実施する装置１の１例を示す概略断面図である。反応器２内に、上下が不織布製のフィルター３で閉じられた空間（触媒層）に光触媒粒子４が充填されている。この光触媒粒子４は、酸化チタンのアナターゼ型結晶の微粉末を造粒し１〜２ｍｍ程度にしたものである。

上下には多数のマイクロ波発生装置５が設けられている。これは周波数や出力が変えられるものでも一定のものでもよい。また、マイクロ波を拡散させるためのファン６も設けている。更に、反応器２には、目的物質導入口７、排出口８が設けられている。これらは、連続的に開放でも、断続的に開放してもよい。

まず、導入口７から被処理気体を含む目的物質（気体）を導入する。同時に空気も導入される。触媒はマイクロ波によって加熱（この例では３５０℃）されて活性化しているため、酸素と反応し被処理気体は分解又は酸化される。これによって、有害物が無害化されたり、脱臭されたりする。排出口８以降は大気開放でも、他の処理工程でもよい。

この例の装置に、硫化水素が５００ｐｐｍ含まれた空気を４０l／分で導入した。光触媒の全量は、約２ｋｇであった。このときの排出口でも硫化水素濃度は、ほぼ最初から最後まで１ｐｐｍ以下であった。

本発明方法を実施する装置の１例を示す概略断面図である。

符号の説明

１装置
２反応器
３フィルター
４光触媒粒子
５マイクロ波発生装置
６ファン
７導入口
８排出口

Claims

酸化又は分解される目的物質を加熱された光触媒粒子に接触させ、加熱によって活性化された該光触媒と酸素によって、該目的物質を酸化又は分解する方法であって、該加熱はマイクロ波加熱であることを特徴とする目的物質の酸化又は分解方法。
該マイクロ波による加熱は、光触媒粒子を直接加熱するものである請求項１記載の目的物質の酸化又は分解方法。
光触媒粒子以外の被加熱物質をマイクロ波によって加熱し、その熱でも該光触媒を加熱するものである請求項１記載の目的物質の酸化又は分解方法。
該光触媒粒子は、該被加熱物質の粒子と混合されているものである請求項３記載の目的物質の酸化又は分解方法。
該光触媒粒子は、該被加熱物質である担体に固着されたものである請求項３記載の目的物質の酸化又は分解方法。
該光触媒粒子は、該被加熱物質と共に成型したものである請求項３記載の目的物質の酸化又は分解方法。