JP2009219958A - Oxidative decomposition method using photocatalyst and water purification apparatus - Google Patents

Oxidative decomposition method using photocatalyst and water purification apparatus Download PDF

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正裕 古谷
Moriyasu Tokiwai
守泰 常磐井
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伸幸 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxidative decomposition method using a photocatalyst the photocatalytic function of which can be improved, and to provide a water purification apparatus. <P>SOLUTION: When oxidative decomposition is performed by using a photocatalyst layer consisting of a carbon-doped metal oxide layer arranged on the surface of a metal-made base body, the photocatalyst layer is kept in an electric potential-imparted state. The photocatalyst layer is a carbon-doped titanium oxide layer or a carbon-doped titanium alloy oxide layer and is formed by heat-treating the surface of the base body, the surface layer of which consists of titanium, a titanium alloy, a titanium alloy oxide, titanium oxide or the like at the least, in such an atmosphere that chemical pieces containing carbon and oxygen are supplied to the surface of the base body. The photocatalyst layer thus formed is a dense layer, is integrated with the base body and has excellent electrical conductance with the base body. As a result, an overvoltage can be restrained and an energy loss can be decreased when an electric potential is imparted. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、光触媒、特に、金属製基体の表面に設けられた炭素ドープ金属酸化物層からなる光触媒層からなる光触媒の酸化分解力を向上させる光触媒による酸化分解方法及び水浄化装置に関する。   The present invention relates to a photocatalyst, in particular, an oxidative decomposition method and a water purification apparatus using a photocatalyst for improving the oxidative decomposition ability of a photocatalyst composed of a carbon-doped metal oxide layer provided on the surface of a metal substrate.

従来より、光触媒機能を呈する物質として二酸化チタンTiO2(本明細書、特許請求の範囲においては、単に、酸化チタンという)が知られている。また、このような光触媒機能により防臭、抗菌、防曇や防汚の効果が得られる光触媒製品を製造する場合、一般的には、酸化チタンゾルをスプレーコーティング、スピンコーティング、ディッピング等により基体上に付与して成膜している。 Conventionally, titanium dioxide TiO 2 (simply referred to as titanium oxide in the present specification and claims) is known as a substance exhibiting a photocatalytic function. In addition, when manufacturing photocatalyst products that can provide deodorizing, antibacterial, antifogging and antifouling effects by such photocatalytic function, titanium oxide sol is generally applied to the substrate by spray coating, spin coating, dipping, etc. Film formation.

また、酸化チタンを光触媒として機能させるためには波長が400nm以下の紫外線が必要であるが、光触媒機能を向上させるため、又は可視光により光触媒機能を発揮させるために、他元素をドープした酸化チタン光触媒が種々検討され、酸化チタンの酸素サイトを窒素等の原子やアニオンXで置換してなるチタン化合物、酸化チタンの結晶の格子間に窒素等の原子またはアニオンXをドーピングしてなるチタン化合物、あるいは酸化チタン結晶の多結晶集合体の粒界に窒素等の原子またはアニオンXを配してなるチタン化合物Ti−O−Xからなる光触媒が提案されている(特許文献1〜4等参照)が、実用化にはさらに特性を向上させる必要がある。   In addition, in order for titanium oxide to function as a photocatalyst, ultraviolet light having a wavelength of 400 nm or less is necessary. In order to improve the photocatalytic function or to exhibit the photocatalytic function by visible light, titanium oxide doped with other elements Various photocatalysts have been studied, a titanium compound obtained by substituting the oxygen site of titanium oxide with an atom such as nitrogen or an anion X, a titanium compound obtained by doping an atom such as nitrogen or an anion X between the lattices of the titanium oxide crystal, Or the photocatalyst which consists of titanium compound Ti-O-X which arrange | positions atoms, such as nitrogen, or anion X to the grain boundary of the polycrystalline aggregate of a titanium oxide crystal is proposed (refer patent documents 1-4 etc.). For practical use, it is necessary to further improve the characteristics.

一方、本出願人は、特殊な製造方法により製造された炭素ドープ酸化チタン、炭素ドーム酸化ハフニウム、炭素ドープ酸化ジルコニウムが可視光にも応答する光触媒機能を具備することを知見し、先に出願した(特許文献5〜8など参照)。   On the other hand, the present applicant has found that carbon-doped titanium oxide, carbon dome hafnium oxide, carbon-doped zirconium oxide produced by a special production method has a photocatalytic function that also responds to visible light, and filed earlier. (Refer patent documents 5-8 etc.).

しかしながら、実用化に向けては、光触媒機能をできるだけ向上させたいという要望があるのは勿論である。   However, of course, there is a demand for improving the photocatalytic function as much as possible for practical use.

特開2001−205103号公報(特許請求の範囲)JP 2001-205103 A (Claims) 特開2001−205094号公報(特許請求の範囲)JP 2001-205094 A (Claims) 特開2002−95976号公報(特許請求の範囲)JP 2002-95976 A (Claims) 国際公開第01/10553号パンフレット(請求の範囲)WO 01/10553 pamphlet (claims) 特許3948738号公報(特許請求の範囲)Japanese Patent No. 3948738 (Claims) 特許4010558号公報(特許請求の範囲)Japanese Patent No. 4010558 (Claims) 特開2007−270316号公報(特許請求の範囲)JP 2007-270316 A (Claims) 特開2007−270318号公報(特許請求の範囲)JP 2007-270318 A (Claims)

本発明は、上述した事情に鑑み、光触媒機能を向上させることができる光触媒による酸化分解方法及び水浄化装置を提供することを課題とする。   This invention makes it a subject to provide the oxidative decomposition method and water purification apparatus by a photocatalyst which can improve a photocatalytic function in view of the situation mentioned above.

前記課題を解決する第1の態様は、金属製基体の表面に設けられた炭素ドープ金属酸化物層からなる光触媒層を用いて酸化分解を行うに際し、前記光触媒層に電位を与えた状態とすることを特徴とする光触媒による酸化分解方法にある。   A first aspect for solving the above-described problem is that a potential is applied to the photocatalyst layer when oxidative decomposition is performed using a photocatalyst layer made of a carbon-doped metal oxide layer provided on the surface of a metal substrate. It is in the oxidative decomposition method by the photocatalyst characterized by the above-mentioned.

かかる第1の態様では、金属製基体の表面に設けられた炭素ドープ金属酸化物層からなる光触媒層に電位を与えた状態で酸化分解を行うことにより酸化分解力を向上させることができる。   In the first aspect, the oxidative decomposition power can be improved by performing the oxidative decomposition in a state where a potential is applied to the photocatalyst layer formed of the carbon-doped metal oxide layer provided on the surface of the metal substrate.

本発明の第2の態様は、第1の態様に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記光触媒層に光源より紫外乃至可視光を照射することを特徴とする光触媒による酸化分解方法にある。   According to a second aspect of the present invention, there is provided the photocatalytic oxidative decomposition method according to the first aspect, wherein the photocatalyst layer is irradiated with ultraviolet to visible light from a light source.

かかる第2の態様では、光源より紫外乃至可視光を照射することにより、光触媒層の光触媒機能を確実に機能させることができる。   In the second aspect, the photocatalytic function of the photocatalyst layer can be reliably functioned by irradiating ultraviolet to visible light from the light source.

本発明の第3の態様は、第1又は2の態様に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記光触媒層を被処理水中に浸漬し、被処理水の浄化を行うことを特徴とする光触媒による酸化分解方法にある。   According to a third aspect of the present invention, in the oxidative decomposition method using the photocatalyst according to the first or second aspect, the photocatalyst layer is immersed in the water to be treated to purify the water to be treated. It is in the oxidative decomposition method.

かかる第3の態様では、被処理水の浄化を効率よく行うことができる。   In the third aspect, the water to be treated can be efficiently purified.

本発明の第4の態様は、第1〜3の何れかの態様に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記金属が、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、およびこれらを主体とする合金から選択される少なくとも一種であることを特徴とする光触媒による酸化分解方法にある。   According to a fourth aspect of the present invention, in the oxidative decomposition method using a photocatalyst according to any one of the first to third aspects, the metal is at least selected from titanium, hafnium, zirconium, and an alloy mainly composed of these. It is in the oxidative decomposition method by the photocatalyst characterized by being 1 type.

かかる第4の態様では、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、およびこれらを主体とする合金から選択される少なくとも一種である金属製基体の表面の光触媒層により、酸化分解を効率よく行うことができる。   In the fourth aspect, the oxidative decomposition can be efficiently performed by the photocatalyst layer on the surface of the metal substrate that is at least one selected from titanium, hafnium, zirconium, and alloys mainly composed of these.

本発明の第5の態様は、第4の態様に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記光触媒層中の炭素が、金属−炭素結合の状態で含有されていることを特徴とする光触媒による酸化分解方法にある。   According to a fifth aspect of the present invention, in the method for oxidative decomposition using a photocatalyst according to the fourth aspect, the photocatalyst layer contains carbon in a state of metal-carbon bonds. It is in the decomposition method.

かかる第5の態様では、光触媒層中に含有されている炭素が金属−炭素結合の状態で含有されているので、光触媒層の耐久性及び光触媒機能がより向上したものとなる。   In the fifth aspect, since the carbon contained in the photocatalyst layer is contained in a metal-carbon bond state, the durability and the photocatalytic function of the photocatalyst layer are further improved.

本発明の第6の態様は、第4又は5の態様に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記光触媒層が、前記金属製基体の表面を、炭素、酸素を含む化学種が当該表面に供給される雰囲気下で加熱処理することにより形成されたものであることを特徴とする光触媒による酸化分解方法にある。   According to a sixth aspect of the present invention, in the oxidative decomposition method using a photocatalyst according to the fourth or fifth aspect, the photocatalyst layer supplies the surface of the metal substrate with a chemical species containing carbon and oxygen. The photocatalytic oxidative decomposition method is characterized by being formed by heat treatment in an atmosphere.

かかる第6の態様では、所定加熱処理により、金属製基体の表面に設けられた炭素ドープ金属酸化物層からなる光触媒層をより確実に製造することができる。   In the sixth aspect, the photocatalyst layer composed of the carbon-doped metal oxide layer provided on the surface of the metal substrate can be more reliably manufactured by the predetermined heat treatment.

本発明の第7の態様は、被処理水を浄化する水浄化装置であって、被処理水を少なくとも一時的に保持する処理容器と、金属製基体の表面に設けられた炭素ドープ金属酸化物層からなり且つ前記処理容器中に保持された被処理水と接触するように配置された光触媒層と、前記光触媒層に電位を与える電源とを具備することを特徴とする水浄化装置にある。   7th aspect of this invention is the water purification apparatus which purifies the to-be-processed water, Comprising: The processing container which hold | maintains to-be-processed water at least temporarily, The carbon dope metal oxide provided in the surface of metal base | substrates A water purification apparatus comprising: a photocatalyst layer comprising a layer and arranged to contact water to be treated held in the treatment vessel; and a power source for applying a potential to the photocatalyst layer.

かかる第7の態様では、金属製基体の表面に設けられた炭素ドープ金属酸化物層からなる光触媒層に電位を与えた状態で被処理水を処理することにより、含有される不純物等を効率的に酸化分解することができ、被処理水を確実に浄化することができる。   In such a seventh aspect, by treating the water to be treated with a potential applied to the photocatalyst layer composed of the carbon-doped metal oxide layer provided on the surface of the metal substrate, impurities contained therein can be efficiently removed. Therefore, the water to be treated can be purified with certainty.

本発明の第8の態様は、第7の態様に記載の水浄化装置において、前記光触媒層に紫外乃至可視光を照射する光源をさらに具備することを特徴とする水浄化装置にある。   An eighth aspect of the present invention is the water purification apparatus according to the seventh aspect, further comprising a light source that irradiates the photocatalyst layer with ultraviolet to visible light.

かかる第8の態様では、光源より紫外乃至可視光を照射することにより、光触媒層の光触媒機能を確実に機能させることができ、浄化をより確実に行うことができる。   In the eighth aspect, by irradiating ultraviolet to visible light from the light source, the photocatalytic function of the photocatalyst layer can be reliably functioned, and purification can be performed more reliably.

本発明の第9の態様は、第7又は8の態様に記載の水浄化装置において、前記処理容器が、被処理水を導入する導入口と、処理された処理水を排出する排出口とを具備することを特徴とする水浄化装置にある。   According to a ninth aspect of the present invention, in the water purification apparatus according to the seventh or eighth aspect, the treatment container includes an introduction port for introducing the water to be treated and a discharge port for discharging the treated water. It is in the water purification apparatus characterized by comprising.

かかる第9の態様では、被処理水を処理容器の導入口から導入し、排出口から排出することができ、効率的に被処理水を浄化することができる。   In the ninth aspect, the water to be treated can be introduced from the inlet of the processing container and discharged from the outlet, so that the water to be treated can be purified efficiently.

本発明の第10の態様は、第9の態様に記載の水浄化装置において、前記処理容器中に被処理水を連続的に導入する手段を具備することを特徴とする水浄化装置にある。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the water purification apparatus according to the ninth aspect, further comprising means for continuously introducing the water to be treated into the treatment container.

かかる第10の態様では、処理容器中に被処理水を連続的に導入することにより、多量の被処理水を連続的に浄化することができ、また、循環処理することにより浄化率を高めることができる。   In the tenth aspect, a large amount of water to be treated can be continuously purified by continuously introducing the water to be treated into the treatment container, and the purification rate can be increased by circulating treatment. Can do.

本発明で用いる金属製基体の表面に設けられた炭素ドープ金属酸化物層からなる光触媒層は、上述した特許文献5〜7などに記載されたものであり、詳細な説明は省略するが、以下に簡単に説明する。   The photocatalyst layer composed of the carbon-doped metal oxide layer provided on the surface of the metal substrate used in the present invention is described in Patent Documents 5 to 7 described above, and detailed description thereof is omitted. Briefly described.

かかる光触媒層としては、炭素がドープされた炭素ドープ酸化チタン層又は炭素ドープチタン合金酸化物層、炭素がドープされた炭素ドープ酸化ジルコニウム層又は炭素ドープジルコニウム合金酸化物層、炭素がドープされた炭素ドープ酸化ハフニウム層又は炭素ドープハフニウム合金酸化物層などを挙げるこことができる。このような光触媒層は、例えば、少なくとも表面層がチタン、チタン合金、チタン合金酸化物、酸化チタン、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ジルコニウム合金酸化物、酸化ジルコニウム、ハフニウム、ハフニウム合金、ハフニウム合金酸化物、酸化ハフニウムなどからなる基体の表面を、炭素、酸素を含む化学種が当該表面に供給される雰囲気下で加熱処理することにより形成できる。かかる光触媒層は、セラミックの溶射により形成されたコーティング層とは異なり、緻密な層であり、基体と一体的となっており、基体との電気的コンダクタンスが良好である。これにより、電位を与える際の過電圧を抑制し、エネルギー損失を低減できるという利点がある。   Examples of such a photocatalytic layer include carbon-doped carbon-doped titanium oxide layers or carbon-doped titanium alloy oxide layers, carbon-doped carbon-doped zirconium oxide layers or carbon-doped zirconium alloy oxide layers, and carbon-doped carbon. Examples thereof include a doped hafnium oxide layer or a carbon-doped hafnium alloy oxide layer. Such a photocatalyst layer has, for example, at least a surface layer of titanium, titanium alloy, titanium alloy oxide, titanium oxide, zirconium, zirconium alloy, zirconium alloy oxide, zirconium oxide, hafnium, hafnium alloy, hafnium alloy oxide, oxidation The surface of the substrate made of hafnium or the like can be formed by heat treatment in an atmosphere in which chemical species including carbon and oxygen are supplied to the surface. Such a photocatalyst layer is a dense layer unlike a coating layer formed by thermal spraying of ceramic, and is integrated with the substrate, and has good electrical conductance with the substrate. Thereby, there is an advantage that an overvoltage at the time of applying a potential can be suppressed and energy loss can be reduced.

また、かかる光触媒層は、炭素が金属(M)−C結合した状態でドープされているのが好ましい。すなわち、光触媒層において炭素が金属酸化物Mの酸素を置換するようにドープされているのであり、M−C結合が生成されている。このようにM−C結合が存在することにより、耐久性が著しく向上し、光触媒としての特性が向上する。 Moreover, it is preferable that this photocatalyst layer is doped in a state where carbon is in a metal (M) -C bond. That is, in the photocatalyst layer, carbon is doped so as to replace oxygen of the metal oxide M x O y , and an MC bond is generated. The presence of the MC bond in this way significantly improves the durability and improves the characteristics as a photocatalyst.

なお、基体の形状については、使用する用途によって選定することができ、板状、線又は棒状などを挙げることができる。また、表面積を増加させるような形状、例えば、表面に多数のフィンを有する形状であってもよく、また、電位が印加できる状態が確保できれば、粉末状であってもよい。   In addition, about the shape of a base | substrate, it can select according to the use to be used, and plate shape, a wire, or a rod shape etc. can be mentioned. Moreover, the shape which increases a surface area, for example, the shape which has many fins on the surface, and a powder form may be sufficient if the state which can apply an electric potential is ensured.

さらに、光触媒層は、例えば、特許4010558号公報に記載されるように、酸化チタン又はチタン合金酸化物からなる微細柱が林立している層が露出しているか又は薄膜上に酸化チタン又はチタン合金酸化物からなる多数の連続した狭幅突起部及び該突起部上に林立している微細柱が露出しており、該突起部、例えば該微細柱、該狭幅突起部が炭素ドープされているようなものとしてもよい。この場合には、表面積がさらに著しく大きくできるという利点がある。   Further, the photocatalyst layer is, for example, disclosed in Japanese Patent No. 4010558, where a layer in which fine columns made of titanium oxide or titanium alloy oxide are exposed is exposed, or titanium oxide or titanium alloy is formed on the thin film. A large number of continuous narrow protrusions made of oxide and fine pillars standing on the protrusions are exposed, and the protrusions, for example, the fine pillars and the narrow protrusions are carbon-doped. It is good also as such. In this case, there is an advantage that the surface area can be remarkably increased.

本発明の光触媒層は、例えば、上述したような基体の表面を、炭素、酸素を含む化学種が当該表面に供給される雰囲気下で加熱処理することにより形成できる。   The photocatalyst layer of the present invention can be formed, for example, by subjecting the surface of the substrate as described above to heat treatment in an atmosphere in which chemical species containing carbon and oxygen are supplied to the surface.

ここで、炭素、酸素を含む化学種が表面に供給される雰囲気下で加熱処理するとは、例えば、炭素及び酸素を含む化合物を含むガス(炭素原子と酸素原子がガス雰囲気中に存在していればよく、炭素を含む化合物を含むと共に酸素を含むガス、炭素及び酸素の両者を含む化合物を含むと共に必要に応じて酸素を含むガスなどをいう)の燃焼炎を用いて加熱処理すること、又はこのような燃焼炎の雰囲気ガスを表面に供給しながら必要に応じて加熱処理することである。すなわち、炭素、酸素を含む化学種、すなわち、活性化された炭素原子又は炭素原子を含む原子団、活性化された酸素又は酸素原子を含む原子団、炭素及び酸素を含む原子団などが表面に供給される状態で加熱処理をすればよく、好適には燃焼炎を用いて直接表面を加熱処理するか、燃焼炎の雰囲気ガスを表面に供給しながら加熱処理することにより、表面を酸化しつつ炭化するという複雑な表面改質を実現し、炭素を表面にドープして炭素ドープ酸化金属層を形成する。   Here, heat treatment in an atmosphere in which chemical species including carbon and oxygen are supplied to the surface means, for example, a gas containing a compound containing carbon and oxygen (if carbon atoms and oxygen atoms exist in the gas atmosphere). Heat treatment using a combustion flame containing a compound containing carbon and a gas containing oxygen, a compound containing both carbon and oxygen, and a gas containing oxygen if necessary), or It is heat-treating as needed while supplying the atmosphere gas of such a combustion flame to the surface. That is, carbon, chemical species including oxygen, that is, activated carbon atoms or atomic groups including carbon atoms, activated oxygen or atomic groups including oxygen atoms, atomic groups including carbon and oxygen, and the like are present on the surface. Heat treatment may be performed in the supplied state, and preferably the surface is oxidized by directly heat-treating the surface using a combustion flame, or by heat treatment while supplying the atmosphere gas of the combustion flame to the surface. A complicated surface modification of carbonization is realized, and carbon is doped on the surface to form a carbon-doped metal oxide layer.

具体的には、基体の表面にガスの燃焼炎を直接当てて高温で加熱処理しても、そのような基体の表面を燃焼ガスの雰囲気中で加熱処理してもよく、この加熱処理は例えば炉内で実施することができる。燃焼炎を直接当てて高温で加熱処理する場合には、上記のようなガスを炉内で燃焼させ、その燃焼炎を該基体の表面に当てればよい。燃焼ガス雰囲気中で加熱処理する場合には、上記のようなガスを炉内で燃焼させ、その高温の燃焼ガス雰囲気を利用する。   Specifically, a gas combustion flame may be directly applied to the surface of the substrate and heat treatment may be performed at a high temperature, or such a substrate surface may be heat-treated in a combustion gas atmosphere. It can be carried out in a furnace. When heat treatment is performed at a high temperature by directly applying a combustion flame, the above gas may be burned in a furnace, and the combustion flame may be applied to the surface of the substrate. When heat treatment is performed in a combustion gas atmosphere, the above gas is burned in a furnace and the high-temperature combustion gas atmosphere is used.

このような光触媒層の好ましい形成方法としては、炭素、酸素を含む化合物を含む燃焼ガス、例えば、アルコール系化合物、炭化水素などを含むガスの燃焼炎を用いて加熱処理するのが望ましい。   As a preferred method for forming such a photocatalyst layer, it is desirable to perform heat treatment using a combustion gas containing a gas containing a compound containing carbon or oxygen, for example, a gas containing a gas containing an alcohol compound or hydrocarbon.

このような燃焼炎を用いて加熱処理して本発明の光触媒層を得る場合、特に、炭化水素、好ましくは不飽和結合を含む炭化水素、特に三重結合を有するアセチレンを、主成分とするガスの燃焼炎、特に還元炎を利用することが望ましい。炭化水素含有量が少ない燃料を用いる場合には、炭素のドープ量が不十分であったり、皆無であったりし、その結果として硬度が不十分となる。   When the photocatalyst layer of the present invention is obtained by heat treatment using such a combustion flame, in particular, a gas mainly composed of hydrocarbons, preferably hydrocarbons containing unsaturated bonds, particularly acetylenes having triple bonds. It is desirable to use a combustion flame, particularly a reducing flame. When a fuel having a low hydrocarbon content is used, the carbon doping amount is insufficient or not at all, and as a result, the hardness becomes insufficient.

ここで、炭化水素を主成分とするガスとは、炭化水素、好ましくは不飽和炭化水素、特にアセチレンを、少なくとも30容量%、好ましくは少なくとも50容量%含有するガスを意味し、例えば、アセチレンを30容量%以上、好ましくは50容量%以上含有し、適宜、空気、水素、酸素等を混合したガスを意味する。このような多機能材の製造においては、炭化水素を主成分とするガスがアセチレンを50容量%以上含有することが好ましく、炭化水素がアセチレン100%であることが最も好ましい。不飽和炭化水素、特に三重結合を有するアセチレンを用いた場合には、その燃焼の過程で、特に還元炎部分で、不飽和結合部分が分解して中間的なラジカル物質が形成され、このラジカル物質は活性が強いので炭素ドープが生じ易いと考えられる。   Here, the hydrocarbon-based gas means a gas containing at least 30% by volume, preferably at least 50% by volume of hydrocarbon, preferably unsaturated hydrocarbon, particularly acetylene, for example, acetylene. It means a gas containing 30% by volume or more, preferably 50% by volume or more and appropriately mixed with air, hydrogen, oxygen or the like. In the production of such a multifunctional material, the gas containing hydrocarbon as a main component preferably contains 50% by volume or more of acetylene, and the hydrocarbon is most preferably 100% acetylene. When unsaturated hydrocarbons, especially acetylene having a triple bond, are used, in the process of combustion, especially in the reducing flame part, the unsaturated bond part decomposes to form an intermediate radical substance. It is considered that carbon doping is likely to occur because of its high activity.

なお、このように燃焼炎を用いて光触媒層を製造する場合、加熱処理する基体の表面層が金属(合金を含む)である場合には、該金属を酸化する酸素が必要であり、その分だけ空気又は酸素を含んでいる必要がある。   When producing a photocatalyst layer using a combustion flame in this way, if the surface layer of the substrate to be heat-treated is a metal (including an alloy), oxygen that oxidizes the metal is required, and accordingly Need only contain air or oxygen.

このような光触媒層は、紫外乃至可視光、すなわち、紫外線、可視光、又は紫外線及び可視光の作用により光触媒機能を発揮するが、本発明では、光触媒層に電位を与えた状態とすることにより、本来の酸化分解力を著しく向上させた状態で光触媒として機能させるものである。なお、光触媒層は、紫外乃至可視光の他、さらに短波長の放射線にも応答するものであり、放射線照射により光触媒機能を発揮させるようにしてもよい。   Such a photocatalyst layer exhibits a photocatalytic function by the action of ultraviolet to visible light, that is, ultraviolet light, visible light, or ultraviolet light and visible light. In the present invention, a potential is applied to the photocatalytic layer. In this state, it functions as a photocatalyst in a state where the original oxidative decomposition power is remarkably improved. The photocatalyst layer responds to ultraviolet rays or visible light as well as short-wavelength radiation, and may exhibit a photocatalytic function by radiation irradiation.

ここで、光触媒層に電位を与えた状態とは、光触媒層又は光触媒層を表面に有する基体に正の電圧を印加した状態とすることである。このように光触媒層に電位を与えた状態とすると、分極により電荷分離効率が向上するため、光触媒層の酸化分解力が著しく向上する。   Here, the state where a potential is applied to the photocatalyst layer is a state where a positive voltage is applied to the photocatalyst layer or a substrate having the photocatalyst layer on the surface. In this way, when a potential is applied to the photocatalyst layer, charge separation efficiency is improved by polarization, so that the oxidative decomposition power of the photocatalyst layer is remarkably improved.

また、このように光触媒層を分極した状態で使用するので、電極過電圧が変化した場合であっても、分極電圧を正に大きくすることで、光触媒特性を同じ効率に制御することができるという機能を有する。   In addition, since the photocatalyst layer is used in a polarized state in this way, even if the electrode overvoltage changes, the function that the photocatalytic characteristics can be controlled to the same efficiency by increasing the polarization voltage positively. Have

本発明方法は、光触媒層を分極した状態で使用するため、気相での酸化分解にも適用でき、例えば、気相中の有機物除去などに適用できるが、液相での酸化分解に適用するのが好適である。   Since the method of the present invention is used in a state in which the photocatalyst layer is polarized, it can be applied to oxidative decomposition in the gas phase. For example, it can be applied to the removal of organic substances in the gas phase, but is applied to oxidative decomposition in the liquid phase. Is preferred.

また、本発明方法による酸化分解を行う場合、光触媒層を自然光が当たる環境下に載置してもよいが、安定的に且つ効率的に酸化分解を行うために、光触媒層に光源より紫外乃至可視光を照射するようにするのが好ましい。   When performing oxidative decomposition according to the method of the present invention, the photocatalyst layer may be placed in an environment exposed to natural light. However, in order to perform oxidative decomposition stably and efficiently, the photocatalyst layer is irradiated with ultraviolet rays from the light source. It is preferable to irradiate with visible light.

また、本発明方法は、上述したように液相、すなわち、水中での酸化分解を行うのに好適であるので、水の浄化の他、液相中の有機物の分解除去などに適用して好適である。   In addition, the method of the present invention is suitable for performing oxidative decomposition in the liquid phase, that is, in water as described above. Therefore, the method of the present invention is suitable for application to decomposition and removal of organic substances in the liquid phase in addition to purification of water. It is.

さらに、本発明で用いる光触媒層は、耐久性(高硬度、耐スクラッチ性、耐磨耗性、耐薬品性、耐熱性)に優れるものであるという利点があるので、このような特性を生かして種々の用途に適用できるものである。   Furthermore, the photocatalyst layer used in the present invention has the advantage of being excellent in durability (high hardness, scratch resistance, abrasion resistance, chemical resistance, heat resistance). It can be applied to various uses.

以下、本発明方法により被処理水を処理する水浄化装置の一例を説明する。図1には本実施形態に係る水浄化装置の概略平面図及びそのA−A′線断面図を示す。   Hereinafter, an example of the water purification apparatus which processes to-be-processed water by this invention method is demonstrated. FIG. 1 shows a schematic plan view of a water purification apparatus according to this embodiment and a cross-sectional view taken along the line AA ′.

図1に示すように、この水浄化装置は、被処理水を一時的に保持する金属製で円筒形状の処理容器1を具備する。処理容器1は、被処理水を導入する導入口2と、処理された処理水を排出する排出口3とを具備し、導入口2から被処理水を導入し、排出口3から処理水を排出するようになっている。かかる処理容器1中には光触媒4が配置されている。光触媒4は、金属板からなる基体を螺旋形状とし、その金属製基体の表面に炭素ドープ金属酸化物層からなる光触媒層が設けられたものであり、処理容器1の中央部に固定されており、導入口2から導入された被処理水が接触するように配置されている。   As shown in FIG. 1, the water purification apparatus includes a metal cylindrical treatment container 1 that temporarily holds water to be treated. The treatment container 1 includes an introduction port 2 for introducing treated water and a discharge port 3 for discharging treated treated water. The treated water is introduced from the introduction port 2, and treated water is fed from the discharge port 3. It comes to discharge. A photocatalyst 4 is disposed in the processing container 1. The photocatalyst 4 is formed by forming a base made of a metal plate in a spiral shape, and a photocatalyst layer made of a carbon-doped metal oxide layer is provided on the surface of the metal base, and is fixed to the central portion of the processing vessel 1. The water to be treated introduced from the introduction port 2 is arranged so as to come into contact.

ここで、光触媒4には、直流電源5の正極が接続され、直流電源5の負極は処理容器1に接続されている。これにより、光触媒4の光触媒層に電位が与えられた状態とし、分極させることができるようになっている。   Here, a positive electrode of a DC power source 5 is connected to the photocatalyst 4, and a negative electrode of the DC power source 5 is connected to the processing container 1. As a result, the photocatalyst layer of the photocatalyst 4 can be polarized with the potential applied.

なお、光触媒4の形態は上述したものに限定されず、金属板ではなく、金属棒を用いたものでよく、さらには、金属板を螺旋以外の形状に加工したものであってもよい。また、金属板は、金属粒子を焼結したものであってもよく、何れにしても、光触媒層が表面に有効に設けられているものであればよい。   In addition, the form of the photocatalyst 4 is not limited to the above-mentioned thing, The metal plate may be used instead of the metal plate, and the metal plate may be processed into a shape other than the spiral. In addition, the metal plate may be obtained by sintering metal particles, and any metal plate may be used as long as the photocatalyst layer is effectively provided on the surface.

また、処理容器1内の光触媒4の周囲には、図示は4つの光源6が設けられている。かかる光源6は、光触媒4に紫外乃至可視光を照射するものであり、これにより、光触媒4の光触媒層を有効に光触媒として機能させることができる。   In addition, four light sources 6 are provided around the photocatalyst 4 in the processing container 1. Such a light source 6 irradiates the photocatalyst 4 with ultraviolet or visible light, and thus the photocatalyst layer of the photocatalyst 4 can effectively function as a photocatalyst.

なお、かかる水浄化装置では、処理容器1を金属製として、直流電源5の負極を処理容器1に接続したが、処理容器1内に別途負極を設けて直流電源5の負極を接続するようにしてもよい。この場合、処理容器1は金属製でなくてもよいことはいうまでもない。   In this water purification apparatus, the processing vessel 1 is made of metal and the negative electrode of the DC power source 5 is connected to the processing vessel 1. However, a separate negative electrode is provided in the processing vessel 1 to connect the negative electrode of the DC power source 5. May be. In this case, it goes without saying that the processing container 1 may not be made of metal.

また、処理容器1中の被処理水と光触媒4との接触効率を高めるために、導入口2付近に乱流を起こさせる部材を設けたり、被処理水の流路を触媒面に流体が衝突するように工夫したり、被処理水の攪拌手段を設けたりしてもよい。   In addition, in order to increase the contact efficiency between the water to be treated in the treatment container 1 and the photocatalyst 4, a member that causes turbulent flow is provided near the inlet 2 or the fluid collides with the catalyst surface in the flow path of the water to be treated. You may devise so that a to-be-processed water stirring means may be provided.

さらに、処理容器1内に光源6を配置したが、処理容器1を透明素材で形成できる場合には、処理容器1の外側に光源6を配置してもよい。   Further, although the light source 6 is disposed in the processing container 1, the light source 6 may be disposed outside the processing container 1 when the processing container 1 can be formed of a transparent material.

かかる水浄化装置によれば、導入口2から被処理水を導入し、光触媒4に電位を与え、且つ光源6から紫外乃至可視光を照射した状態とすることにより、光触媒4に接触した被処理水中の不純物等が酸化分解され、被処理水を浄化して処理水として排出口3から排出することができる。   According to such a water purification apparatus, water to be treated is introduced from the introduction port 2, a potential is applied to the photocatalyst 4, and ultraviolet light or visible light is irradiated from the light source 6, so that the water to be treated is in contact with the photocatalyst 4. Impurities and the like in the water are oxidatively decomposed, and the water to be treated can be purified and discharged from the outlet 3 as treated water.

このような被処理水の浄化処理は、バッチ方式で行ってもよいし、被処理水を連続的に通水する連続処理で行ってもよく、さらには、循環経路を設けて被処理水を処理容器1内に複数回導入する循環方式としてもよい。   Such purification treatment of the water to be treated may be performed in a batch system, or may be carried out by a continuous treatment in which the water to be treated is continuously passed, and furthermore, the water to be treated is provided by providing a circulation path. It is good also as a circulation system introduce | transduced in the processing container 1 in multiple times.

以下、本発明の実際に試験した結果を実施例及び比較例として説明する。
(実施例1)
試験材として、JIS 1種チタン板32mm×64mm×t0.4mmの片面にアセチレン(流量5NL/min)の燃焼火炎を300秒触れさせて、表面をカーボンドープ酸化チタンからなる光触媒層とした。裏面および端面はエポキシ樹脂(ニチバン株式会社 アラルダイトラピッド)でシーリングを行った。これにより電極面積は30mm×43mmとなる。
The results of actual testing of the present invention will be described below as examples and comparative examples.
Example 1
As a test material, a combustion flame of acetylene (flow rate 5 NL / min) was brought into contact with one side of a JIS type 1 titanium plate 32 mm × 64 mm × t 0.4 mm for 300 seconds to make a photocatalyst layer made of carbon-doped titanium oxide. The back and end surfaces were sealed with an epoxy resin (Nichiban Co., Ltd. Araldai Rapid). As a result, the electrode area becomes 30 mm × 43 mm.

この試験片を50mLの水溶液中に浸漬した。この溶液は、電解質として硫酸ナトリウム(NaSO、和光純薬株式会社、試薬特級)が0.05M、被分解物としてメチレンブルーが10μM(和光純薬株式会社 メチレンブルー3水和物)を含有するものである。 This test piece was immersed in a 50 mL aqueous solution. This solution contains 0.05 M sodium sulfate (Na 2 SO 4 , Wako Pure Chemical Industries, Ltd., reagent special grade) as an electrolyte, and 10 μM methylene blue (methylene blue trihydrate, Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a decomposition product. Is.

試験片に電圧を印加して分極させながら、メチレンブルーの退色試験を実施した。なお、メチレンブルーの退色試験は、光触媒の酸化分解による水浄化効果として一般的に用いられている。   While applying voltage to the test piece to polarize it, a methylene blue fading test was performed. The methylene blue fading test is generally used as a water purification effect by oxidative decomposition of a photocatalyst.

紫外光の照射には東芝ライテック株式会社製 UVランプEDF15BLBを用いた。紫外線強度は、約3mW/cmであった(株式会社カスタム製 UVA−365で計測)。 A UV lamp EDF15BLB manufactured by Toshiba Lighting & Technology Co., Ltd. was used for irradiation with ultraviolet light. The ultraviolet intensity was about 3 mW / cm 2 (measured with a custom-made UVA-365).

光触媒層の分極にはボルタンメトリーとして北斗電工株式会社製 HSV−100を使用した。分極電位は0.6V vs.SSEである。   For the polarization of the photocatalyst layer, HSV-100 manufactured by Hokuto Denko Co., Ltd. was used as voltammetry. The polarization potential is 0.6 V vs. SSE.

また、比較対象として、カーボンドープ酸化チタンの代わりに白金板を用いた。   As a comparison object, a platinum plate was used instead of carbon-doped titanium oxide.

図2に試験結果(メチレンブルーの退色速度)を示す。縦軸はメチレンブルーの濃度であり、横軸は経過時間である。0時間は紫外線照射開始および分極開始時刻を示す。メチレンブルー濃度は分光光度計(株式会社島津製作所 UV−1650PC)を用いて計測した。   FIG. 2 shows the test results (methylene blue fading speed). The vertical axis is the concentration of methylene blue, and the horizontal axis is the elapsed time. 0 hour indicates the ultraviolet irradiation start and polarization start time. The methylene blue concentration was measured using a spectrophotometer (Shimadzu Corporation UV-1650PC).

図2より、紫外線照射のみおよび分極のみではメチレンブルーの退色速度が低いことが分かる。一方、紫外線を照射しながら、分極を実施することにより退色速度が著しく向上している。これは分極により電荷分離効率が向上したためと考えられる。すなわち、光照射で発生した励起電子と正孔との再結合が抑制され、それぞれ還元反応および酸化反応に効率的に利用できるためであると考えられる。   FIG. 2 shows that the fading speed of methylene blue is low only by ultraviolet irradiation and polarization alone. On the other hand, the fading speed is remarkably improved by performing polarization while irradiating with ultraviolet rays. This is presumably because the charge separation efficiency was improved by polarization. That is, it is considered that this is because recombination between excited electrons and holes generated by light irradiation is suppressed and can be efficiently used for a reduction reaction and an oxidation reaction, respectively.

比較のために、白金電極に紫外線を照射し、同時に分極を行ったが、光触媒としては機能せず、メチレンブルーは殆ど退色しないことが判明した。   For comparison, it was found that the platinum electrode was irradiated with ultraviolet rays and simultaneously polarized, but it did not function as a photocatalyst and methylene blue hardly faded.

この結果、光触媒層に対しては分極と紫外線照射の双方が相乗的に作用し、メチレンブルーの分解を促進していることが分かった。   As a result, it was found that both polarization and ultraviolet irradiation act synergistically on the photocatalyst layer to promote the decomposition of methylene blue.

(実施例2)
実施例1で用いた光触媒層を、日本金属工業株式会社製の光触媒Type−B(比較材)と比較した。試験面の面積や端部シール法、溶液などの条件は全て同一として比較した。
(Example 2)
The photocatalyst layer used in Example 1 was compared with a photocatalyst Type-B (comparative material) manufactured by Nippon Metal Industry Co., Ltd. The test surface area, end seal method, solution and other conditions were all the same and compared.

メチレンブルーの耐食性試験結果を図3に示す。   The result of the corrosion resistance test for methylene blue is shown in FIG.

比較材を分極した場合では、メチレンブルーの濃度が減少していない。紫外線照射時には比較材では顕著なメチレンブルー退色性能が得られた。紫外線照射と同時に分極を行ったが、分極による相乗効果は得られなかった。   When the comparative material is polarized, the concentration of methylene blue does not decrease. A remarkable methylene blue fading performance was obtained with the comparative material when irradiated with ultraviolet rays. Polarization was performed simultaneously with the ultraviolet irradiation, but a synergistic effect due to the polarization was not obtained.

一方、実施例の光触媒層では、紫外線照射と同時に分極を行うことで比較材より高いメチレンブルー退色性能が得られた。比較材のように一般的な光触媒は酸化チタン粉末のコーティング材をディッピングやスプレー、ディッピングによりコーティングする方法であり、バインダーが母材との電気的コンダクタンスが低下する。一方、実施例で使用した光触媒層はチタンまたはチタン合金を酸化と炭化を同時に行う手法で形成したもものである。バインダーを介していないことと、光触媒の皮膜と母材(基体)とのコンダクタンスが良好であることが、分極による相乗効果をもたらしていると考えられる。   On the other hand, in the photocatalyst layer of the example, methylene blue fading performance higher than that of the comparative material was obtained by performing polarization simultaneously with ultraviolet irradiation. As a comparative material, a general photocatalyst is a method of coating a titanium oxide powder coating material by dipping, spraying or dipping, and the electrical conductance of the binder with the base material is lowered. On the other hand, the photocatalyst layer used in the examples is formed by a technique of simultaneously oxidizing and carbonizing titanium or a titanium alloy. It is considered that a synergistic effect due to polarization is brought about by the fact that the binder is not interposed and the conductance between the photocatalyst film and the base material (substrate) is good.

一実施形態に係る水浄化装置の概略平面図及び断面図である。It is the schematic plan view and sectional drawing of the water purification apparatus which concern on one Embodiment. 実施例1のメチレンブルー退色試験の結果を示すグラフである。2 is a graph showing the results of a methylene blue fading test in Example 1. 実施例2のメチレンブルー退色試験の結果を示すグラフである。4 is a graph showing the results of a methylene blue fading test in Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

1 処理容器
4 光触媒
5 直流電源
6 光源
1 Processing Container 4 Photocatalyst 5 DC Power Supply 6 Light Source

Claims (10)

金属製基体の表面に設けられた炭素ドープ金属酸化物層からなる光触媒層を用いて酸化分解を行うに際し、前記光触媒層に電位を与えた状態とすることを特徴とする光触媒による酸化分解方法。   A photocatalytic oxidative decomposition method, characterized in that a potential is applied to the photocatalyst layer when performing oxidative decomposition using a photocatalyst layer comprising a carbon-doped metal oxide layer provided on the surface of a metal substrate. 請求項1に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記光触媒層に光源より紫外乃至可視光を照射することを特徴とする光触媒による酸化分解方法。   2. The photocatalytic oxidative decomposition method according to claim 1, wherein the photocatalytic layer is irradiated with ultraviolet to visible light from a light source. 請求項1又は2に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記光触媒層を被処理水中に浸漬し、被処理水の浄化を行うことを特徴とする光触媒による酸化分解方法。   3. The oxidative decomposition method using a photocatalyst according to claim 1, wherein the photocatalyst layer is immersed in water to be treated to purify the water to be treated. 4. 請求項1〜3の何れか一項に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記金属が、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、およびこれらを主体とする合金から選択される少なくとも一種であることを特徴とする光触媒による酸化分解方法。   The oxidative decomposition method using a photocatalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal is at least one selected from titanium, hafnium, zirconium, and an alloy mainly composed of these. Oxidative decomposition method using photocatalyst. 請求項4に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記光触媒層中の炭素が、金属−炭素結合の状態で含有されていることを特徴とする光触媒による酸化分解方法。   5. The photocatalytic oxidative decomposition method according to claim 4, wherein carbon in the photocatalyst layer is contained in a metal-carbon bond state. 請求項4又は5に記載の光触媒による酸化分解方法において、前記光触媒層が、前記金属製基体の表面を、炭素、酸素を含む化学種が当該表面に供給される雰囲気下で加熱処理することにより形成されたものであることを特徴とする光触媒による酸化分解方法。   6. The oxidative decomposition method using a photocatalyst according to claim 4 or 5, wherein the photocatalyst layer heat-treats the surface of the metal substrate in an atmosphere in which chemical species including carbon and oxygen are supplied to the surface. A photocatalytic oxidative decomposition method characterized by being formed. 被処理水を浄化する水浄化装置であって、被処理水を少なくとも一時的に保持する処理容器と、金属製基体の表面に設けられた炭素ドープ金属酸化物層からなり且つ前記処理容器中に保持された被処理水と接触するように配置された光触媒層と、前記光触媒層に電位を与える電源とを具備することを特徴とする水浄化装置。   A water purification apparatus for purifying water to be treated, comprising a treatment container for at least temporarily holding the water to be treated, and a carbon-doped metal oxide layer provided on the surface of the metal substrate, and in the treatment container A water purification apparatus comprising: a photocatalyst layer disposed so as to be in contact with the water to be treated, and a power source for applying a potential to the photocatalyst layer. 請求項7に記載の水浄化装置において、前記光触媒層に紫外乃至可視光を照射する光源をさらに具備することを特徴とする水浄化装置。   The water purification apparatus according to claim 7, further comprising a light source that irradiates the photocatalyst layer with ultraviolet to visible light. 請求項7又は8に記載の水浄化装置において、前記処理容器が、被処理水を導入する導入口と、処理された処理水を排出する排出口とを具備することを特徴とする水浄化装置。   The water purification apparatus according to claim 7 or 8, wherein the treatment container includes an introduction port for introducing the water to be treated and a discharge port for discharging the treated water. . 請求項9に記載の水浄化装置において、前記処理容器中に被処理水を連続的に導入する手段を具備することを特徴とする水浄化装置。
The water purification apparatus according to claim 9, further comprising means for continuously introducing water to be treated into the treatment container.
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