JP2009233635A - Method and apparatus for water purification - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and apparatus for water purification capable of easily and effectively decomposing an organic substance in water using simply structured installations without utilizing expensive oxygen gas. <P>SOLUTION: The method for water purification is characterized in that air micro-bubbles are injected to water to be treated that contains organic substances, and then the water to be treated is brought into contact with a photocatalyst having titanium oxide on its surface while irradiating the water with ultraviolet rays. The photocatalyst is preferably a nonwoven fabric of a photocatalyst fiber having titanium oxide on its surface. The ultraviolet ray exposed to the photocatalyst preferably has its peak wavelengths at 180 to 190 nm and 250 to 260 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、水中に存在する不要な有機物を光触媒を用いて効果的に分解することにより水を浄化することができる水浄化装置及び水浄化方法に関する。   The present invention relates to a water purification device and a water purification method capable of purifying water by effectively decomposing unnecessary organic substances existing in water using a photocatalyst.

近年、排水の再生利用が進められており、再生利用をするために生物処理による排水中に含まれる有機物の分解が行われてきた。しかし、上記生物による排水処理は処理施設の大型化および処理時間の長時間化は否めない。そこで水中に含まれる有機物を効果的に分解、浄化できる水処理装置が求められている。水中に含まれる不要な有機物を浄化する装置として、例えば特許文献1においては、酸化チタン光触媒を利用し効率的にOHラジカルを生成させ、このOHラジカルと水中の有機物とが良好に接触する構造であり、高い分解効率が得られることが開示されている。   In recent years, recycling of wastewater has been promoted, and organic substances contained in wastewater by biological treatment have been decomposed for recycling. However, the wastewater treatment by the above-mentioned organisms cannot deny the enlargement of the treatment facility and the long treatment time. Therefore, there is a need for a water treatment apparatus that can effectively decompose and purify organic substances contained in water. As an apparatus for purifying unnecessary organic substances contained in water, for example, in Patent Document 1, a structure in which OH radicals are efficiently generated using a titanium oxide photocatalyst and the OH radicals and organic substances in water are in good contact with each other. It is disclosed that high decomposition efficiency can be obtained.

また、水中の有機物質の分解方法として、特許文献2には、処理水中に酸素ガスをバブリングする方法が開示されている。
特許第3436267号公報 特開2002−113474号公報
As a method for decomposing organic substances in water, Patent Document 2 discloses a method of bubbling oxygen gas into treated water.
Japanese Patent No. 3436267 JP 2002-113474 A

しかしながら、特許文献2に記載の方法では、酸素純度の高い酸素ガスを用いるために、酸素ガスの取扱いに注意が必要となり、高価であり、特殊な装置等が必要となり、実用的ではない。また、特許文献1に記載の水処理装置は、優れた水処理装置であるが、現代の高い水質基準を満たすための十分な分解効率を得られないという問題を有し、さらに高い分解効率が求められている。本発明は、高価な酸素ガスを用いず、容易に、且つ簡単な構成で、水中に存在する有機物を効果的に分解することができる水浄化方法及び水浄化装置を提供することを目的とする。   However, in the method described in Patent Document 2, since oxygen gas with high oxygen purity is used, it is necessary to be careful in handling oxygen gas, is expensive, requires special equipment, and is not practical. Moreover, although the water treatment apparatus of patent document 1 is an excellent water treatment apparatus, it has the problem that sufficient decomposition efficiency for satisfying modern high water quality standards cannot be obtained, and further higher decomposition efficiency. It has been demanded. An object of the present invention is to provide a water purification method and a water purification apparatus capable of effectively decomposing organic substances present in water with an easy and simple configuration without using expensive oxygen gas. .

上記の目的を達成するために、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、有機物を含む処理水に空気のマイクロバブルを注入した処理水を光触媒で処理することにより、効率的に水の浄化ができることを見いだし本発明に至った。   In order to achieve the above object, the present inventors have conducted intensive research, and as a result, treated water, in which microbubbles of air are injected into treated water containing organic matter, is treated with a photocatalyst to efficiently purify water. The present invention has been found.

即ち、本発明は、有機物を含有する処理水に空気のマイクロバブルを注入した後、該処理水を、紫外線を照射しながら酸化チタンを表面に有する光触媒に接触させることを特徴とする水浄化方法に関する。光触媒としては、表面に酸化チタンを有する光触媒繊維の不織布であることが好ましい。また、光触媒に照射される前記紫外線は、180−190nmと250−260nmとにピーク波長を有することが好ましい。
また、本発明は、有機物を含有する処理水に空気のマイクロバブルを注入するマイクロバブル注入槽と、該マイクロバブル注入槽から流出した処理水中の有機物を光触媒により分解する光触媒分解槽とからなる水浄化装置に関する。前記光触媒分解槽の一実施形態として、表面に酸化チタンを有する光触媒繊維の平板状不織布と、紫外線ランプとが処理水の流れ方向に対してほぼ垂直に設置されていることが好ましい。
That is, the present invention provides a water purification method comprising injecting air microbubbles into treated water containing an organic substance, and then contacting the treated water with a photocatalyst having titanium oxide on the surface while irradiating ultraviolet rays. About. The photocatalyst is preferably a non-woven fabric of photocatalyst fibers having titanium oxide on the surface. Moreover, it is preferable that the said ultraviolet-ray irradiated to a photocatalyst has a peak wavelength in 180-190 nm and 250-260 nm.
The present invention also provides water comprising a microbubble injection tank that injects microbubbles of air into treated water containing organic matter, and a photocatalytic decomposition tank that decomposes organic matter in the treated water that has flowed out of the microbubble injection tank using a photocatalyst. The present invention relates to a purification device. As one embodiment of the photocatalyst decomposition tank, it is preferable that a flat nonwoven fabric of photocatalyst fibers having titanium oxide on the surface and an ultraviolet lamp are installed substantially perpendicular to the flow direction of the treated water.

また、本発明の一実施形態は、前記光触媒繊維は、光触媒機能を有するシリカ成分を主体とする酸化物相(第1相)とTiを含む金属酸化物相(第2相)との複合酸化物の繊維からなり、第2相を構成する金属酸化物のTiの存在割合が繊維の表層に向かって傾斜的に増大しているシリカ基複合酸化物繊維である前記水浄化装置に関する。   In one embodiment of the present invention, the photocatalytic fiber is a composite oxidation of an oxide phase (first phase) mainly composed of a silica component having a photocatalytic function and a metal oxide phase (second phase) containing Ti. It is related with the said water purification apparatus which is a silica group composite oxide fiber which consists of a product fiber, and the ratio of Ti of the metal oxide which comprises a 2nd phase is increasing toward the surface layer of a fiber.

さらに、本発明の一実施形態は、前記光触媒繊維の表面に、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)及びスズ(Sn)のうち少なくとも1以上の金属が担持されている前記の水浄化装置に関する。   Furthermore, in one embodiment of the present invention, platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu) is formed on the surface of the photocatalytic fiber. ), Iron (Fe), nickel (Ni), zinc (Zn), gallium (Ga), germanium (Ge), indium (In) and tin (Sn) on which at least one metal is supported The present invention relates to a water purification apparatus.

以上のように本発明によれば、水中に存在する不要な有機物を高価な酸素ガスを用いず大気中の空気をマイクロバブル化させることで光触媒による有機物の分解が効果的に行える水浄化方法及び水浄化装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, there is provided a water purification method capable of effectively decomposing organic matter by a photocatalyst by making unnecessary air present in water into microbubbles in the air without using expensive oxygen gas. A water purification apparatus can be provided.

次に、本発明に係る水浄化方法及び水浄化装置の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図1は本実施の形態に関わる水浄化装置の概念断面図である。本発明の水浄化方法は、有機物を含有する処理水に空気のマイクロバブルを注入した後、該処理水を、紫外線を照射しながら酸化チタンを表面に有する光触媒に接触させることを特徴とする。   Next, embodiments of a water purification method and a water purification apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view of a water purification apparatus according to this embodiment. The water purification method of the present invention is characterized by injecting air microbubbles into treated water containing an organic substance, and then contacting the treated water with a photocatalyst having titanium oxide on the surface while irradiating ultraviolet rays.

本実施の形態に係る水浄化装置10は、空気のマイクロバブルを注入するマイクロバブル注入槽20と、マイクロバブル注入槽20から流出した処理水中の有機物を光触媒により分解する光触媒分解槽30で構成されている。有機物を含んだ処理水は、処理水流入口11より流入し、マイクロバブル注入槽20中でマイクロバブルを含んだ処理水になる。このマイクロバブルを含んだ処理水は、送水ライン12を通って光触媒分解槽30に流入され光触媒分解槽30中を通過する際、光触媒によって有機物は分解され、処理された水は処理流出口13より流出する。   The water purification apparatus 10 according to the present embodiment includes a microbubble injection tank 20 that injects microbubbles of air, and a photocatalytic decomposition tank 30 that decomposes organic matter in the treated water flowing out of the microbubble injection tank 20 with a photocatalyst. ing. The treated water containing organic matter flows from the treated water inlet 11 and becomes treated water containing microbubbles in the microbubble injection tank 20. When the treated water containing the microbubbles flows into the photocatalytic decomposition tank 30 through the water supply line 12 and passes through the photocatalytic decomposition tank 30, the organic matter is decomposed by the photocatalyst, and the treated water is discharged from the treatment outlet 13. leak.

図2は本実施の形態に係るマイクロバブル注入槽20の概念断面図である。マイクロバブル注入槽20では、処理水にマイクロバブルが注入される。マイクロバブル注入槽20には、処理水流入口11と処理水を次の光触媒分解槽に導くための送水ライン12と、さらに、マイクロバブル発生装置23が設置されている。マイクロバブル注入槽20に貯めた処理水はマイクロバブル発生装置入口21からマイクロバブル発生装置23に流入し、マイクロバブル発生装置23で発生した50μm以下の空気マイクロバブルを含んだ処理水がマイクロバブル発生装置出口22から流出しマイクロバブル注入槽20に収容される循環系の構造になっている。一般にマイクロバブルは、気泡サイズが50μm以下の気泡のことを指し、通常の気泡とは異なった特性を示し、例えば、気泡の上昇速度が通常の気泡よりも非常に遅い、自己加圧効果による空気の水中へ過飽和溶解などの性質を持つ。   FIG. 2 is a conceptual cross-sectional view of the microbubble injection tank 20 according to the present embodiment. In the microbubble injection tank 20, microbubbles are injected into the treated water. The microbubble injection tank 20 is provided with a treated water inlet 11, a water supply line 12 for introducing the treated water to the next photocatalyst decomposition tank, and a microbubble generator 23. The treated water stored in the microbubble injection tank 20 flows into the microbubble generator 23 from the inlet 21 of the microbubble generator, and the treated water containing air microbubbles of 50 μm or less generated in the microbubble generator 23 generates microbubbles. It has a circulation system structure that flows out from the apparatus outlet 22 and is accommodated in the microbubble injection tank 20. In general, a micro bubble refers to a bubble having a bubble size of 50 μm or less, and exhibits characteristics different from those of a normal bubble. For example, air bubbles due to a self-pressurizing effect in which the rising speed of a bubble is much slower than a normal bubble. It has properties such as supersaturation dissolution in water.

一般にマイクロバブルの発生方法として加圧溶解式、エジェクタ式、キャビテーション式および旋回式が挙げられる。マイクロバブルの特性は生成した気泡の直径と生成量に左右されるため、比較的大量かつ微細な気泡を生成できる加圧溶解式の発生方法が好ましい。また、発生したマイクロバブルの直径は30μm以下が好ましい。   In general, a method for generating microbubbles includes a pressure dissolution method, an ejector method, a cavitation method, and a swivel method. Since the characteristics of microbubbles depend on the diameter and amount of bubbles generated, a pressure-melting generation method that can generate relatively large amounts of fine bubbles is preferable. Further, the diameter of the generated microbubbles is preferably 30 μm or less.

マイクロバブル注入後のマイクロバブル注入槽20中の処理水の溶存酸素量は飽和率で80−150%が好ましい。上記記述のマイクロバブルの特性からも、マイクロバブルの自己加圧効果によって溶存酸素の飽和量以上の酸素を溶存させることができる。   The amount of dissolved oxygen in the treated water in the microbubble injection tank 20 after microbubble injection is preferably 80 to 150% in terms of saturation. Also from the characteristics of the above-described microbubbles, oxygen exceeding the saturation amount of dissolved oxygen can be dissolved by the self-pressurizing effect of the microbubbles.

光触媒としては、一般に酸化チタンが用いられ、好ましくはアナターゼ型の酸化チタンが用いられる。光触媒体の形状は、粉末、繊維、薄膜、厚膜の形態をとることができる。繊維形態の場合、大別して三種類の光触媒繊維が存在する。酸化チタンで構成される繊維、ガラス繊維などの表面に酸化チタンがコーティングされている繊維、表面が酸化チタン、内部が高強度のシリカの傾斜構造を有する繊維などがある。酸化チタンで構成されている場合、繊維自体の強度が低く流水圧による破断が生じやすく、またコーティングの場合、コーティング相が流水による剥がれ落ちるという問題がある。本発明者らは、すでに特許第3465699に示すように、繊維同士のブリッジングが全く無く、一本一本の繊維表面に酸化チタンを始めとする光触媒成分が緻密に析出した構造の光触媒繊維を開発している。この光触媒繊維は、従来のコーティングという手法によらないために繊維表面の光触媒成分が脱落するという問題点も解決されている。この不織布の成形物は、繊維一本一本がある程度の空隙を有して分散した構造になっているために、処理流体は繊維一本一本の隙間を通るために、処理流体と光触媒との接触面積が非常に大きいことが特徴である。   As the photocatalyst, titanium oxide is generally used, and preferably anatase type titanium oxide is used. The shape of the photocatalyst body can take the form of powder, fiber, thin film, and thick film. In the fiber form, there are roughly three types of photocatalytic fibers. There are fibers composed of titanium oxide, fibers such as glass fibers whose surfaces are coated with titanium oxide, fibers having a gradient structure of titanium oxide on the surface and high-strength silica inside. When composed of titanium oxide, the strength of the fiber itself is low and breakage due to flowing water pressure tends to occur. In the case of coating, there is a problem that the coating phase is peeled off by flowing water. As already shown in Japanese Patent No. 3465699, the present inventors have prepared a photocatalytic fiber having a structure in which no bridging occurs between fibers and a photocatalytic component such as titanium oxide is densely deposited on the surface of each fiber. We are developing. Since this photocatalyst fiber is not based on the conventional coating method, the problem that the photocatalyst component on the fiber surface falls off is also solved. This non-woven fabric molding has a structure in which each fiber is dispersed with a certain amount of voids, so that the processing fluid passes through the gap between each fiber. The contact area is very large.

図3は本実施の形態に係わる光触媒分解槽30の概念断面図である。底面に形成された送水ライン12から上面に形成された処理水流出口13に浄化される水を流動させる流動槽31と、流動槽31内に収容され、浄化される水の流動方向に対してほぼ垂直に交わるように互いに平行に設置された3つの平板状光触媒不織布カートリッジ32と、これら平板状光触媒不織布カートリッジ32の間に配置された紫外線ランプ33とを備えている。   FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view of the photocatalytic decomposition tank 30 according to the present embodiment. A flow tank 31 for flowing water to be purified from a water supply line 12 formed on the bottom surface to a treated water outlet 13 formed on the top surface, and a flow direction of the water to be purified within the flow tank 31 to be purified. Three flat photocatalyst nonwoven fabric cartridges 32 arranged in parallel to each other so as to intersect perpendicularly, and an ultraviolet lamp 33 disposed between these flat photocatalyst nonwoven fabric cartridges 32 are provided.

マイクロバブル注入槽の空気マイクロバブルを含んだ処理水は送水ライン12を通過して光触媒分解槽30に流し込まれる。流し込まれた処理水は、流動槽31内を通って処理水流出口13から排出される。平板状不織布41は、繊維一本一本がある程度の空隙を有して分散した構造になっているために、水が通過する際、光触媒との接触面積が非常に大きい。このため、光触媒機能を有する平板状不織布41によって効率的にラジカルが発生し、不要な有機物を分解する。また、185nmの紫外線が直接水に照射されることにより、不要な有機物が分解される。完全分解まで至らなかった不要な有機物は、OHラジカル等により分解中間生成物である有機酸にまで分解されているので、処理水流出口13から排出された処理水をイオン交換等によって除去してもよい。   The treated water containing air microbubbles in the microbubble injection tank passes through the water supply line 12 and flows into the photocatalyst decomposition tank 30. The treated water poured in is discharged from the treated water outlet 13 through the fluidized tank 31. Since the flat nonwoven fabric 41 has a structure in which each of the fibers is dispersed with a certain amount of voids, the contact area with the photocatalyst is very large when water passes. For this reason, radicals are efficiently generated by the flat nonwoven fabric 41 having a photocatalytic function, and unnecessary organic substances are decomposed. Moreover, unnecessary organic substances are decomposed by directly irradiating water with 185 nm ultraviolet rays. Unnecessary organic substances that have not been completely decomposed are decomposed into organic acids, which are decomposition intermediate products, by OH radicals or the like. Therefore, even if the treated water discharged from the treated water outlet 13 is removed by ion exchange or the like. Good.

通常、酸化チタン光触媒を利用した水浄化装置においては、紫外線ランプは、波長351nmのブラックライト蛍光ランプ又は波長254nmの殺菌ランプが用いられる。酸化チタン光触媒は、387nm以下の波長であれば励起することができ、又これらのランプは製品として入手しやすいためである。本発明に係る水浄化装置においては、従来用いられなかった紫外線を利用し、かつ光触媒を所定の配置構造にすることにより、高い分解効率を得ることができる。すなわち、本発明に係る水浄化装置においては、光触媒が坦持された平板状不織布41と、この平板状不織布41と平行になるように設置され、180〜190nmと250〜260nmとにピーク波長を有する紫外線を照射する紫外線照射手段とを有するので、上記光触媒への光照射効率と処理流体との接触効率を維持しながら、180〜190nmの紫外線が光触媒によって遮断されることはない。このため、250〜260nmの紫外線を平板状不織布41に照射することにより光触媒を励起し、発生するOHラジカルによって有機物を分解し、180〜190nmの紫外線により水中の有機物を直接分解することができ、分解効果を高く維持することができる。   Usually, in a water purification apparatus using a titanium oxide photocatalyst, a ultraviolet light lamp is a black light fluorescent lamp having a wavelength of 351 nm or a sterilizing lamp having a wavelength of 254 nm. This is because the titanium oxide photocatalyst can be excited at a wavelength of 387 nm or less, and these lamps are easily available as products. In the water purifying apparatus according to the present invention, high decomposition efficiency can be obtained by using ultraviolet rays that have not been used conventionally and making the photocatalyst have a predetermined arrangement structure. That is, in the water purification apparatus according to the present invention, the flat nonwoven fabric 41 on which the photocatalyst is supported is installed so as to be parallel to the flat nonwoven fabric 41, and peak wavelengths are set to 180 to 190 nm and 250 to 260 nm. Since it has the ultraviolet irradiation means for irradiating the ultraviolet rays it has, the ultraviolet light of 180 to 190 nm is not blocked by the photocatalyst while maintaining the light irradiation efficiency to the photocatalyst and the contact efficiency with the processing fluid. For this reason, it is possible to excite the photocatalyst by irradiating the flat nonwoven fabric 41 with ultraviolet rays of 250 to 260 nm, decompose organic substances with generated OH radicals, and directly decompose organic substances in water with ultraviolet rays of 180 to 190 nm, The decomposition effect can be kept high.

本発明に係る水浄化装置における紫外線ランプ33は、水中で使用するため水と紫外線発光部材との接触を防止するためのカバー部材を設けている。すなわちカバー部材内部に紫外線発光部材を挿入する構造なっている。紫外線ランプ33の外表面を構成するカバー部材は、円柱状に形成され、250〜260nmだけでなく、180〜190nmのピーク波長を透過する材質からなる。このカバー部材の材質としては、例えば、合成石英が挙げられる。一般的な低圧水銀ランプは、本来、185nmと254nmの2つの波長を有するが、通常のカバー部材の素材であるガラスが短波長の紫外線を透過しないため、254nmの波長のみを照射する。本実施の形態に係る水浄化装置において、紫外線ランプ33は、上述のようにカバー部材の素材を特殊なものとすることによって、180〜190nmと250〜260nmにピーク波長を有する紫外線を照射可能に構成されている。紫外線照射ランプ35から照射される紫外線は、180〜190nm、好ましくは185nmにピーク波長を有し、かつ、250〜260nm、好ましくは254nmにピーク波長を有する。各紫外線ランプ33は、例えば、各平板状光触媒不織布カートリッジ32の間に2本ずつ、計4本配置されており、それぞれ平行に、かつその軸方向が平板状光触媒不織布カートリッジ32に平行となるように配置されている。なお、本実施の形態において、紫外線照射ランプ33のカバー部材は、円柱状に形成したが、それに限定されず、長手方向に延びる形状であればよい。紫外線ランプ33の数は、求められる水質や処理水中に含まれる不要な有機物の量等に応じて決定される。   The ultraviolet lamp 33 in the water purification apparatus according to the present invention is provided with a cover member for preventing contact between water and the ultraviolet light emitting member for use in water. That is, the ultraviolet light emitting member is inserted into the cover member. The cover member constituting the outer surface of the ultraviolet lamp 33 is formed in a cylindrical shape and is made of a material that transmits not only 250 to 260 nm but also a peak wavelength of 180 to 190 nm. An example of the material of the cover member is synthetic quartz. A general low-pressure mercury lamp originally has two wavelengths of 185 nm and 254 nm. However, since glass, which is a material of a normal cover member, does not transmit short-wave ultraviolet light, it irradiates only a wavelength of 254 nm. In the water purification apparatus according to the present embodiment, the ultraviolet lamp 33 can irradiate ultraviolet rays having peak wavelengths of 180 to 190 nm and 250 to 260 nm by making the material of the cover member special as described above. It is configured. The ultraviolet rays irradiated from the ultraviolet irradiation lamp 35 have a peak wavelength at 180 to 190 nm, preferably 185 nm, and a peak wavelength at 250 to 260 nm, preferably 254 nm. For example, two ultraviolet lamps 33 are arranged between each of the flat photocatalyst nonwoven fabric cartridges 32, for a total of four, so that the axial directions thereof are parallel to the flat photocatalytic nonwoven fabric cartridge 32, respectively. Is arranged. In the present embodiment, the cover member of the ultraviolet irradiation lamp 33 is formed in a cylindrical shape, but is not limited thereto, and may be any shape that extends in the longitudinal direction. The number of ultraviolet lamps 33 is determined according to the required water quality, the amount of unnecessary organic substances contained in the treated water, and the like.

各平板状光触媒不織布カートリッジ32は、図4に示すように、光触媒繊維の平板状不織布41と一対の金網42とからなり、平板状不織布41が一対のステンレス製の金網に挟持されている。このように金網をサポート材として用いてカートリッジ状にすることにより、光触媒機能が劣化した平板状不織布41を容易に取り換えることができる。多段の平板状光触媒不織布カートリッジを枠体等を用いて連結構造とすることにより、脱着を容易にすることもできる。本実施の形態においては、平板状不織布41を3個としたが、求められる水質等に応じて、任意にその数を決定することができ、例えば1〜50個とすることができる。また、本実施の形態においては、平板状光触媒不織布カートリッジ32として平板状不織布を流動槽31に固定したが、他の手段により設置してもよい。また、本実施の形態において、各平板状光触媒不織布カートリッジ32は、その面が水の流動方向にほぼ垂直に交わるように設置したが、ほぼ垂直とは、流動する水が効率良く各平板状光触媒不織布カートリッジ32を通過する範囲であり、例えば流動方向に対して10°前後、好ましくは5°前後、傾いて設置されても良い。   As shown in FIG. 4, each flat photocatalyst nonwoven fabric cartridge 32 includes a photocatalytic fiber flat nonwoven fabric 41 and a pair of wire meshes 42, and the flat nonwoven fabric 41 is sandwiched between a pair of stainless steel wire meshes. Thus, by using a wire mesh as a support material and making it into a cartridge shape, the flat nonwoven fabric 41 having a deteriorated photocatalytic function can be easily replaced. Desorption can be facilitated by providing a multi-stage flat photocatalyst nonwoven fabric cartridge with a connecting structure using a frame or the like. In the present embodiment, the number of the flat nonwoven fabric 41 is three, but the number can be arbitrarily determined according to the required water quality and the like, for example, 1 to 50. Moreover, in this Embodiment, although the flat nonwoven fabric was fixed to the flow tank 31 as the flat photocatalyst nonwoven fabric cartridge 32, you may install by the other means. In the present embodiment, each flat photocatalyst nonwoven fabric cartridge 32 is installed so that its surface intersects substantially perpendicularly to the direction of water flow. It is a range that passes through the nonwoven fabric cartridge 32, and may be installed, for example, tilted around 10 °, preferably around 5 ° with respect to the flow direction.

本実施の形態に係る水浄化装置において、平板状不織布上の平均紫外線強度は、1〜10mW/cmであることが好ましく、さらに2〜8mW/cmの範囲であることが好ましい。平板状不織布表面での紫外線強度が1〜10mW/cmであると、2つの紫外線成分による水処理を高効率に行うことができる。このような範囲にするには、紫外線照射手段と平板状不織布との距離等を適当な範囲になるようにすればよい。ここで、平均紫外線強度は、不織布表面の中央部から端部までの複数個所の紫外線強度を測定し、それらの値を平均して平均紫外線強度とすることができる。 In the water purification apparatus of the present embodiment, the average UV intensity on flat nonwoven is preferably is preferably 1~10mW / cm 2, a further range of 2~8mW / cm 2. When the ultraviolet intensity on the surface of the flat nonwoven fabric is 1 to 10 mW / cm 2 , water treatment with two ultraviolet components can be performed with high efficiency. In order to make such a range, the distance between the ultraviolet irradiation means and the flat nonwoven fabric may be set to an appropriate range. Here, the average ultraviolet intensity can be obtained by measuring the ultraviolet intensity at a plurality of locations from the center to the end of the nonwoven fabric surface and averaging the values to obtain the average ultraviolet intensity.

平板状不織布41の好ましい形態は、シリカ成分を主体とする酸化物相(以下、第1相という。)とTiを含む金属酸化物相(以下、第2相という。)との複合酸化物であるシリカ基複合酸化物繊維からなる。   A preferred form of the flat nonwoven fabric 41 is a composite oxide of an oxide phase mainly composed of a silica component (hereinafter referred to as a first phase) and a metal oxide phase containing Ti (hereinafter referred to as a second phase). It consists of a certain silica-based composite oxide fiber.

第1相は、シリカ成分を主体とする酸化物相であり、非晶質であっても結晶質であってもよく、またシリカと固溶体あるいは共融点化合物を形成し得る金属元素あるいは金属酸化物を含有してもよい。シリカと固溶体を形成し得る金属元素(A)としては、例えば、チタン等が挙げられる。シリカと固溶体を形成し得る金属酸化物の金属元素(B)としては、例えば、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、リチウム、ナトリウム、バリウム、カルシウム、ホウ素、亜鉛、ニッケル、マンガン、マグネシウム、及び鉄等が挙げられる。   The first phase is an oxide phase mainly composed of a silica component, and may be amorphous or crystalline, and may be a metal element or metal oxide capable of forming a solid solution or a eutectic compound with silica. It may contain. Examples of the metal element (A) that can form a solid solution with silica include titanium. Examples of the metal element (B) of the metal oxide that can form a solid solution with silica include aluminum, zirconium, yttrium, lithium, sodium, barium, calcium, boron, zinc, nickel, manganese, magnesium, and iron. It is done.

第1相は、シリカ基複合酸化物繊維の内部相を形成しており、力学的特性を負担する重要な役割を演じている。シリカ基複合酸化物繊維全体に対する第1相の存在割合は40〜98重量%であることが好ましく、目的とする第2相の機能を十分に発現させ、なお且つ高い力学的特性をも発現させるためには、第1相の存在割合を50〜95重量%の範囲内に制御することがさらに好ましい。   The first phase forms the internal phase of the silica-based composite oxide fiber and plays an important role in bearing the mechanical properties. The ratio of the first phase to the entire silica-based composite oxide fiber is preferably 40 to 98% by weight, and the desired function of the second phase is sufficiently expressed, and high mechanical properties are also expressed. For this purpose, it is more preferable to control the ratio of the first phase within the range of 50 to 95% by weight.

一方、第2相は、Tiを含む金属酸化物相であり、光触媒機能を発現させる上で重要な役割を演じるものである。金属酸化物を構成する金属としては、Tiが挙げられる。この金属酸化物は、単体でもよいし、その共融点化合物やある特定元素により置換型の固溶体を形成したもの等でもよい。第2相は、シリカ基複合酸化物繊維の表層相を形成しており、シリカ基複合酸化物繊維の第2相の存在割合は、金属酸化物の種類により異なるが、2〜60重量%が好ましく、その機能を十分に発現させ、また高強度をも同時に発現させるには5〜50重量%の範囲内に制御することがさらに好ましい。第2相のTiを含む金属酸化物の結晶粒径は15nm以下が好ましく、特に10nm以下が好ましい。   On the other hand, the second phase is a metal oxide phase containing Ti and plays an important role in developing the photocatalytic function. Ti is mentioned as a metal which comprises a metal oxide. The metal oxide may be a simple substance, or may be a compound in which a substitutional solid solution is formed with the eutectic compound or a specific element. The second phase forms the surface layer phase of the silica-based composite oxide fiber, and the proportion of the second phase of the silica-based composite oxide fiber varies depending on the type of metal oxide, but is 2 to 60% by weight. Preferably, it is more preferably controlled within a range of 5 to 50% by weight in order to sufficiently exhibit its function and to simultaneously exhibit high strength. The crystal grain size of the metal oxide containing Ti of the second phase is preferably 15 nm or less, particularly preferably 10 nm or less.

第2相に含まれる金属酸化物のTiの存在割合は、シリカ基複合酸化物繊維の表面に向かって傾斜的に増大しており、その組成の傾斜が明らかに認められる領域の厚さは表層から5〜500nmの範囲に制御することが好ましいが、繊維直径の約1/3に及んでもよい。尚、第1相及び第2相の「存在割合」とは、第1相を構成する金属酸化物と第2相を構成する金属酸化物全体、即ちシリカ基複合酸化物繊維全体に対する第1相の金属酸化物及び第2相の金属酸化物の重量%を示している。   The proportion of Ti contained in the metal oxide contained in the second phase increases in a gradient toward the surface of the silica-based composite oxide fiber, and the thickness of the region where the gradient of the composition is clearly recognized is the surface layer. From 5 to 500 nm, but may be about 1/3 of the fiber diameter. The “existence ratio” of the first phase and the second phase refers to the first phase with respect to the metal oxide constituting the first phase and the entire metal oxide constituting the second phase, that is, the entire silica-based composite oxide fiber. % By weight and the second phase metal oxide.

シリカ基複合酸化物繊維からなる平板状不織布41は、次の製造方法により得ることができる。   The flat nonwoven fabric 41 made of silica-based composite oxide fiber can be obtained by the following production method.

シリカ基複合酸化物繊維は、下記化1で表される主鎖骨格を有する数平均分子量が200〜10,000のポリカルボシランを、有機金属化合物で修飾した構造を有する変性ポリカルボシランあるいは変性ポリカルボシランと有機金属化合物との混合物を溶融紡糸し、不融化処理後、空気中又は酸素中で焼成することにより、シリカ基複合酸化物繊維を製造することができる。以下、これらを第1工程乃至第4工程に分けて詳細に説明する。   The silica-based composite oxide fiber is a modified polycarbosilane having a structure in which a polycarbosilane having a main chain skeleton represented by the following chemical formula 1 having a number average molecular weight of 200 to 10,000 is modified with an organometallic compound or a modified polycarbosilane A silica-based composite oxide fiber can be produced by melt spinning a mixture of polycarbosilane and an organometallic compound, followed by infusibilization and firing in air or oxygen. Hereinafter, these will be described in detail by dividing them into a first step to a fourth step.

Figure 2009233635
Figure 2009233635

(但し、式中のRは水素原子、低級アルキル基又はフェニル基を示す。)
(第1工程)
シリカ基複合酸化物繊維を製造するための出発原料として使用する数平均分子量が1,000〜50,000の変性ポリカルボシランを製造する工程である。変性ポリカルボシランの基本的な製造方法は、特開昭56−74126号に極めて類似しているが、その中に記載されている官能基の結合状態を注意深く制御する必要がある。これについて以下に概説する。
(However, R in the formula represents a hydrogen atom, a lower alkyl group or a phenyl group.)
(First step)
This is a process for producing a modified polycarbosilane having a number average molecular weight of 1,000 to 50,000 used as a starting material for producing a silica-based composite oxide fiber. The basic production method of the modified polycarbosilane is very similar to JP-A-56-74126, but it is necessary to carefully control the bonding state of the functional group described therein. This is outlined below.

出発原料である変性ポリカルボシランは、主として上記化1で表される主鎖骨格を有する数平均分子量が200〜10,000のポリカルボシランと、一般式、M(OR’)nあるいはMR”m(Mは金属元素、R’は炭素原子数1〜20個を有するアルキル基又はフェニル基、R”はアセチルアセトナート、mとnは1より大きい整数)を基本構造とする有機金属化合物とから誘導されるものである。   The modified polycarbosilane as the starting material is composed mainly of a polycarbosilane having a main chain skeleton represented by the above chemical formula 1 having a number average molecular weight of 200 to 10,000, and a general formula of M (OR ′) n or MR ″. an organometallic compound having a basic structure of m (M is a metal element, R ′ is an alkyl group or phenyl group having 1 to 20 carbon atoms, R ″ is acetylacetonate, and m and n are integers greater than 1) Is derived from

傾斜構造を有するシリカ基複合酸化物繊維を製造するには、前記有機金属化合物の一部のみがポリカルボシランと結合を形成する緩慢な反応条件を選択する必要がある。その為には280℃以下、好ましくは250℃以下の温度で、不活性ガス中で反応させる必要がある。この反応条件では、有機金属化合物は、ポリカルボシランと反応したとしても、1官能性重合体として結合(即ちペンダント状に結合)しており、大幅な分子量の増大は起こらない。この有機金属化合物が一部結合した変性ポリカルボシランは、ポリカルボシランと有機金属化合物の相溶性を向上させる上で重要な役割を演じる。   In order to produce a silica-based composite oxide fiber having an inclined structure, it is necessary to select a slow reaction condition in which only a part of the organometallic compound forms a bond with polycarbosilane. For this purpose, it is necessary to react in an inert gas at a temperature of 280 ° C. or lower, preferably 250 ° C. or lower. Under these reaction conditions, even if the organometallic compound reacts with polycarbosilane, it is bonded as a monofunctional polymer (that is, bonded in a pendant form), and no significant increase in molecular weight occurs. The modified polycarbosilane partially bonded with the organometallic compound plays an important role in improving the compatibility between the polycarbosilane and the organometallic compound.

尚、2官能基以上の多くの官能基が結合した場合は、ポリカルボシランの橋掛け構造が形成されると共に顕著な分子量の増大が認められる。この場合は、反応中に急激な発熱と溶融粘度の上昇が起こる。一方、1官能基しか反応せず未反応の有機金属化合物が残存している場合は、逆に溶融粘度の低下が観察される。   In addition, when many functional groups more than two functional groups couple | bond together, the bridge | crosslinking structure of polycarbosilane is formed and the remarkable increase in molecular weight is recognized. In this case, a sudden exotherm and a rise in melt viscosity occur during the reaction. On the other hand, when only one functional group reacts and an unreacted organometallic compound remains, conversely, a decrease in melt viscosity is observed.

傾斜構造を有するシリカ基複合酸化物繊維を製造するには、未反応の有機金属化合物を意図的に残存させる条件を選択することが望ましい。主として上記変性ポリカルボシランと未反応状態の有機金属化合物あるいは2〜3量体程度の有機金属化合物が共存したものを出発原料として用いるが、変性ポリカルボシランのみでも、極めて低分子量の変性ポリカルボシラン成分が含まれる場合は、同様に出発原料として使用できる。   In order to produce a silica-based composite oxide fiber having an inclined structure, it is desirable to select conditions that intentionally leave an unreacted organometallic compound. Mainly, the modified polycarbosilane and the unreacted organometallic compound or the organic metal compound of about 2 to 3 mer are used as starting materials. However, the modified polycarbosilane alone has a very low molecular weight modified polycarbosilane. If a silane component is included, it can be used as a starting material as well.

(第2工程)
第1工程で得られた変性ポリカルボシラン、あるいは変性ポリカルボシランと低分子量の有機金属化合物の混合物(以下、前駆体という場合がある。)を溶融させて紡糸原液を造り、場合によってはこれをろ過してミクロゲル、不純物等の紡糸に際して有害となる物質を除去し、これを通常用いられる合成繊維紡糸用装置により紡糸する。紡糸する際の紡糸原液の温度は原料の変性ポリカルボシランの軟化温度によって異なるが、50〜200℃の温度範囲が有利である。上記紡糸装置において、必要に応じてノズル下部に加湿加熱筒を設けてもよい。尚、繊維径は、ノズルからの吐出量と紡糸機下部に設置された高速巻き取り装置の巻き取り速度を変えることにより調整される。また、メルトブロー法あるいはスパンボンド法により、ノズルから吐出した繊維を巻き取らずに直接フェルト形状に成型してもよい。
(Second step)
A spinning dope is prepared by melting the modified polycarbosilane obtained in the first step or a mixture of the modified polycarbosilane and a low molecular weight organometallic compound (hereinafter sometimes referred to as a precursor). Is filtered to remove substances that are harmful when spinning, such as microgels and impurities, and this is spun by a commonly used apparatus for spinning synthetic fibers. The temperature of the spinning dope during spinning varies depending on the softening temperature of the raw material modified polycarbosilane, but a temperature range of 50 to 200 ° C. is advantageous. In the above spinning apparatus, a humidification heating cylinder may be provided below the nozzle as necessary. The fiber diameter is adjusted by changing the discharge amount from the nozzle and the winding speed of a high-speed winding device installed at the lower part of the spinning machine. Alternatively, the fiber discharged from the nozzle may be directly molded into a felt shape by a melt blow method or a spun bond method.

前記溶融紡糸の他に、第1工程で得られた変性ポリカルボシラン、あるいは変性ポリカルボシランと低分子量の有機金属化合物の混合物を、例えばベンゼン、トルエン、キシレンあるいはその他変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物を溶融することのできる溶媒に溶解させ、紡糸原液を造り、場合によってはこれをろ過してマクロゲル、不純物等紡糸に際して有害な物質を除去した後、前記紡糸原液を通常用いられる合成繊維紡糸装置により乾式紡糸法により紡糸し、巻き取り速度を制御して目的とする繊維を得ることができる。   In addition to the melt spinning, the modified polycarbosilane obtained in the first step, or a mixture of the modified polycarbosilane and a low molecular weight organometallic compound, for example, benzene, toluene, xylene or other modified polycarbosilane and a low molecular weight Synthetic fibers that are usually used after dissolving an organometallic compound in a solvent that can be melted to form a spinning dope, and in some cases filtering this to remove harmful substances such as macrogel and impurities Spinning can be performed by a dry spinning method using a spinning device, and the winding speed can be controlled to obtain a target fiber.

これらの紡糸工程において、必用ならば、紡糸装置に紡糸筒を取り付け、その筒内の雰囲気を前記溶媒のうち少なくとも1つの気体との混合雰囲気とするか、あるいは空気、不活性ガス、熱空気、熱不活性ガス、スチーム、アンモニアガス、炭化水素ガス、有機ケイ素化合物ガスの雰囲気とすることにより、紡糸筒中の繊維の固化を制御することができる。   In these spinning processes, if necessary, a spinning cylinder is attached to the spinning device, and the atmosphere in the cylinder is mixed with at least one gas of the solvent, or air, inert gas, hot air, By setting the atmosphere of heat inert gas, steam, ammonia gas, hydrocarbon gas, and organosilicon compound gas, solidification of the fibers in the spinning cylinder can be controlled.

(第3工程)
第2工程で得られた紡糸繊維を酸化雰囲気中で、張力または無張力の作用の下で予備加熱を行い、前記紡糸繊維の不融化を行う。この工程は、後工程の焼成の際に繊維が溶融せず、且つ隣接繊維と接着しないことを目的として行うものである。処理温度並びに処理時間は、組成により異なり、特に限定されないが、一般に50〜400℃の範囲内で、数時間〜30時間の処理上条件が選択される。酸化雰囲気中には、水分、窒素酸化物、オゾン等、紡糸繊維の酸化力を高めるものが含まれていてもよく、酸素分圧を意図的に変えてもよい。
(Third step)
The spun fiber obtained in the second step is preheated in an oxidizing atmosphere under the action of tension or no tension to infusibilize the spun fiber. This step is performed for the purpose of preventing the fibers from melting and adhering to the adjacent fibers during the subsequent baking. The treatment temperature and treatment time vary depending on the composition and are not particularly limited, but generally, a treatment condition of several hours to 30 hours is selected within a range of 50 to 400 ° C. The oxidizing atmosphere may contain moisture, nitrogen oxides, ozone, or the like that increases the oxidizing power of the spun fiber, and the oxygen partial pressure may be changed intentionally.

ところで、原料中に含まれる低分子量物の割合によっては、紡糸繊維の軟化温度が50℃を下回る場合もあり、その場合は、あらかじめ上記処理温度よりも低い温度で、繊維表面の酸化を促進する処理を施す場合もある。尚、同第2工程並びに第3工程の際に、原料中に含まれている低分子量化合物の繊維表面へのブリードアウトが進行し、目的とする傾斜組成の下地が形成されるものと考えられる。   By the way, depending on the ratio of the low molecular weight substance contained in the raw material, the softening temperature of the spun fiber may be lower than 50 ° C. In this case, the fiber surface oxidation is promoted at a temperature lower than the treatment temperature in advance. In some cases, processing is performed. In the second step and the third step, it is considered that the low molecular weight compound contained in the raw material progresses to the fiber surface, and the base of the target gradient composition is formed. .

(第4工程)
第3工程により不融化された繊維を、張力または無張力下で、500〜1800℃の温度範囲で酸化雰囲気中において焼成し、目的とする、シリカ成分を主体とする酸化物相(第1相)とTiを含む金属酸化物相(第2相)との複合酸化物相からなり、表層に向かって第2相を構成する金属酸化物のTiの存在割合が傾斜的に増大するシリカ基複合酸化物繊維を得る。この工程において、不融化繊維中に含まれる有機物成分は基本的には酸化されるが、選択する条件によっては、炭素や炭化物として繊維中に残存する場合もある。このような状態でも、目的とする機能に支障を来さない場合はそのまま使用されるが、支障を来す場合は、更なる酸化処理が施される。その際、目的とする傾斜組成並びに結晶構造に問題が生じない温度、処理時間が選択されなければならない。
(4th process)
The fiber insolubilized in the third step is fired in an oxidizing atmosphere at a temperature range of 500 to 1800 ° C. under tension or no tension, and the target oxide phase mainly composed of silica component (first phase) ) And a metal oxide phase (second phase) containing Ti, a silica-based composite in which the Ti content of the metal oxide constituting the second phase increases in a gradient toward the surface layer. An oxide fiber is obtained. In this step, the organic component contained in the infusible fiber is basically oxidized, but depending on the conditions selected, it may remain in the fiber as carbon or carbide. Even in such a state, when the target function is not hindered, it is used as it is. However, when the target function is hindered, further oxidation treatment is performed. At that time, the temperature and processing time must be selected so as not to cause problems in the intended gradient composition and crystal structure.

第4工程により得られた光触媒機能を有するシリカ基複合酸化物繊維を短繊維にした後、ニードルパンチ等を行い、平板状不織布41とすることができる。   After the silica-based composite oxide fiber having a photocatalytic function obtained in the fourth step is made into a short fiber, needle punching or the like is performed to obtain the flat nonwoven fabric 41.

また、他の製造方法としては、シリカ基複合酸化物繊維からなる平板状不織布は、メルトブロー法を用いて、前記前駆体を溶融し、溶融物を紡糸ノズルから吐出するとともに、紡糸ノズルの周囲から加熱窒素ガスを噴出させて紡糸し、紡糸ノズルの下部に配置した受器に紡糸繊維を捕集することにより不織布を形成させ、次いで、その不織布を不融化処理後、酸化雰囲気中で焼成することにより製造することができる。   As another production method, a flat nonwoven fabric made of silica-based composite oxide fibers is melt-blown using a melt-blowing method, and the melt is discharged from a spinning nozzle and from around the spinning nozzle. Spinning by blowing heated nitrogen gas, forming a nonwoven fabric by collecting the spun fibers in a receiver placed at the bottom of the spinning nozzle, and then firing the nonwoven fabric in an oxidizing atmosphere after infusibility treatment Can be manufactured.

紡糸ノズルの直径は通常100〜500μm程度のものを用いる。窒素ガス噴出速度は30〜300m/s程度であり、速度が速いほど細い繊維が得られる。また、窒素ガスの加熱温度は、所望の紡糸繊維が得られれば特に制限はないが、通常500℃程度に加熱した窒素ガスを噴出させる。従来、一般的なメルトブロー法では、噴出ガスとして空気が用いられているが、前記前駆体を紡糸するには窒素を用いる必要がある。噴出ガスとして窒素を用いることにより安定して紡糸を行うことができる。   The diameter of the spinning nozzle is usually about 100 to 500 μm. Nitrogen gas ejection speed is about 30 to 300 m / s, and the higher the speed, the thinner the fiber. The heating temperature of the nitrogen gas is not particularly limited as long as a desired spun fiber can be obtained, but nitrogen gas heated to about 500 ° C. is usually ejected. Conventionally, in a general melt-blowing method, air is used as a jet gas, but it is necessary to use nitrogen in order to spin the precursor. Spinning can be performed stably by using nitrogen as the jet gas.

紡糸ノズルの下部に配置した受器に紡糸繊維を捕集する際、吸引可能な受器を用いて、受器の下側から吸引しながら紡糸することが好ましい。吸引することにより、繊維が効果的にからまり、高強度の不織布が得られる。吸引速度は2〜10m/s程度の範囲が好ましい。   When collecting the spun fiber in a receiver disposed at the lower part of the spinning nozzle, it is preferable to perform spinning while sucking from the lower side of the receiver using a suckable receiver. By sucking, the fibers are effectively entangled and a high-strength nonwoven fabric is obtained. The suction speed is preferably in the range of about 2 to 10 m / s.

得られた不織布に上記溶融紡糸の場合と同様の不融化処理及び焼成を行うことにより、シリカ基複合酸化物繊維の平板状不織布34とすることができる。上記メルトブロー法により製造されるシリカ基複合酸化物繊維は、平均繊維径が1〜20μm、好ましくは、1〜8μm、より好ましくは、2〜6μmと、溶融紡糸で製造される繊維に比べてより細いものとすることができる。これにより、繊維の表面積も大きくでき、触媒活性が増大する。また、メルトブロー法により製造される平板状不織布は、溶融紡糸法で製造された長さ40〜50mm程度の短繊維をニードルパンチ法で不織布としたものに比べて繊維が長いものとなる。その結果、不織布は強度が高く(引張強度2N以上)、フィルター等に加工する際に十分なプリーツ加工性を有する。   The obtained nonwoven fabric is subjected to the same infusibility treatment and firing as in the case of the melt spinning, whereby a flat nonwoven fabric 34 of silica-based composite oxide fibers can be obtained. The silica-based composite oxide fiber produced by the melt blow method has an average fiber diameter of 1 to 20 μm, preferably 1 to 8 μm, more preferably 2 to 6 μm, as compared with fibers produced by melt spinning. It can be thin. Thereby, the surface area of a fiber can also be enlarged and catalyst activity increases. Moreover, the flat nonwoven fabric manufactured by a melt blow method has a long fiber compared with the short fiber manufactured by the melt spinning method about 40-50 mm in length made into the nonwoven fabric by the needle punch method. As a result, the nonwoven fabric has high strength (tensile strength of 2N or more) and has sufficient pleatability when processed into a filter or the like.

平板状不織布41の目付けや厚みについては特に限定は無いが、通常目付けが50〜500g/m、厚みは好ましくは0.5〜20mmのものが用いられる。厚みは、必要に応じて不織布を積層することにより調整できる。厚みは、0.5mmよりも薄い場合には、光触媒量そのものが少なすぎて水の浄化効果が十分に得られない。20mmよりも厚い場合は平板状不織布41が抵抗となり、圧力損失が増大し、水処理が難しくなる。平板状不織布の形状は特に制限はないが、平板状不織布41を挿入する流動槽の形状に合わせて、丸型、角型などにすることができ、平板状不織布41の表面積を大きくするために波板状にすることもできる。 The basis weight and thickness of the flat nonwoven fabric 41 are not particularly limited, but those having a basis weight of 50 to 500 g / m 2 and a thickness of preferably 0.5 to 20 mm are used. The thickness can be adjusted by laminating a nonwoven fabric as necessary. If the thickness is less than 0.5 mm, the amount of photocatalyst itself is too small to obtain a sufficient water purification effect. When it is thicker than 20 mm, the flat nonwoven fabric 41 becomes resistance, pressure loss increases, and water treatment becomes difficult. The shape of the flat nonwoven fabric is not particularly limited, but can be round, square or the like according to the shape of the fluid tank into which the flat nonwoven fabric 41 is inserted. It can also be corrugated.

上記のような平板状不織布41の製造方法によれば、繊維同士のブリッジングが全く無く、一本一本の繊維表面に酸化チタンを始めとする光触媒成分が緻密に析出した構造の光触媒繊維からなる平板状不織布41が得られる。また、この光触媒繊維は、従来のコーティングという手法によらないため、繊維表面の光触媒成分が脱落するという問題がない。さらにこの繊維からなる平板状不織布41は、繊維一本一本がある程度の空隙を有して分散した構造になっているために、処理流体と光触媒との接触面積が非常に大きくなる。一般に、光触媒の機能を十分に引き出すためには、光触媒への光の照射効率と処理流体との接触効率を高めることが必要である。   According to the manufacturing method of the flat nonwoven fabric 41 as described above, there is no bridging between fibers, and the photocatalyst fiber having a structure in which photocatalyst components such as titanium oxide are densely precipitated on the surface of each fiber. A flat nonwoven fabric 41 is obtained. Moreover, since this photocatalyst fiber does not depend on the conventional technique of coating, there is no problem that the photocatalyst component on the fiber surface falls off. Furthermore, since the flat nonwoven fabric 41 made of fibers has a structure in which each fiber has a certain amount of gaps and dispersed therein, the contact area between the processing fluid and the photocatalyst becomes very large. Generally, in order to fully exploit the function of the photocatalyst, it is necessary to increase the light irradiation efficiency to the photocatalyst and the contact efficiency with the processing fluid.

上記光触媒繊維の表面は、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)及びスズ(Sn)のうち少なくとも1以上の金属が担持しているのが好ましい。   The surface of the photocatalyst fiber is platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni ), Zinc (Zn), gallium (Ga), germanium (Ge), indium (In), and tin (Sn) are preferably supported by at least one metal.

前記金属の担持方法は、特に制限はないが、前記金属の金属イオンが含まれる液と前記シリカ基複合酸化物繊維を接触させながら、第2相を構成する金属酸化物のバンドギャップに相当するエネルギー以上のエネルギーを有する光を照射することによって、前記金属酸化物の還元サイト(光の非照射面)に還元した金属粒子を担持することができる。例えば、第2相がアナターゼ型の酸化チタンの場合、そのバンドギャップは3.2eVであるので、これに相当するエネルギー、すなわち387nm以下の波長を有する光を照射することによって、酸化チタン粒子の表面に金属粒子を担持することができる。   The method for supporting the metal is not particularly limited, and corresponds to the band gap of the metal oxide constituting the second phase while contacting the liquid containing metal ions of the metal and the silica-based composite oxide fiber. By irradiating light having energy higher than energy, the reduced metal particles can be supported on the reduction site (non-irradiated surface) of the metal oxide. For example, when the second phase is anatase-type titanium oxide, its band gap is 3.2 eV, and therefore, by irradiating light having a corresponding energy, that is, a wavelength of 387 nm or less, the surface of the titanium oxide particles. Metal particles can be supported on the substrate.

以下、本発明に係る水浄化装置の実施例を説明する。 Hereinafter, examples of the water purification apparatus according to the present invention will be described.

(製造例1)
先ず、実施例に用いられる平板状不織布として酸化チタン/シリカ繊維を製造した。すなわち、5リットルの三口フラスコに無水トルエン2.5リットルと金属ナトリウム400gとを入れ窒素ガス気流下でトルエンの沸点まで加熱し、ジメチルジクロロシラン1リットルを1時間かけて滴下した。滴下終了後、10時間加熱還流し沈殿物を生成させた。この沈殿をろ過し、まずメタノールで洗浄した後、水で洗浄して、白色粉末のポリジメチルシラン420gを得た。ポリジメチルシラン250gを水冷還流器を備えた三口フラスコ中に仕込み、窒素気流下、420℃で30時間加熱反応させて数平均分子量が1200のポリカルボシランを得た。
(Production Example 1)
First, titanium oxide / silica fibers were produced as flat nonwoven fabrics used in the examples. That is, 2.5 liters of anhydrous toluene and 400 g of metallic sodium were placed in a 5-liter three-necked flask and heated to the boiling point of toluene under a nitrogen gas stream, and 1 liter of dimethyldichlorosilane was added dropwise over 1 hour. After completion of the dropwise addition, the mixture was heated to reflux for 10 hours to form a precipitate. This precipitate was filtered, first washed with methanol and then with water to obtain 420 g of white powder of polydimethylsilane. Polydimethylsilane (250 g) was charged into a three-necked flask equipped with a water-cooled reflux condenser, and heated and reacted at 420 ° C. for 30 hours under a nitrogen stream to obtain polycarbosilane having a number average molecular weight of 1200.

ポリカルボシラン16gにトルエン100gとテトラブトキシチタン64gを加え、100℃で1時間予備加熱させた後、150℃までゆっくり昇温してトルエンを留去させてそのまま5時間反応させ、更に250℃まで昇温して5時間反応させ、変性ポリカルボシランを合成した。この変性ポリカルボシランに意図的に低分子量の有機金属化合物を共存させる目的で5gのテトラブトキシチタンを加えて、変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物の混合物を得た。   After adding 100 g of toluene and 64 g of tetrabutoxytitanium to 16 g of polycarbosilane, preheated at 100 ° C. for 1 hour, slowly raised to 150 ° C., distilled off toluene, allowed to react for 5 hours, and further up to 250 ° C. The temperature was raised and reacted for 5 hours to synthesize modified polycarbosilane. In order to intentionally allow the low molecular weight organometallic compound to coexist with the modified polycarbosilane, 5 g of tetrabutoxytitanium was added to obtain a mixture of the modified polycarbosilane and the low molecular weight organometallic compound.

この変性ポリカルボシランと低分子量有機金属化合物の混合物をトルエンに溶解させた後、ガラス製の紡糸装置に仕込み、内部を十分に窒素置換してから昇温してトルエンを留去させて、180℃で溶融紡糸を行った。紡糸繊維を空気中、段階的に150℃まで加熱し不融化させた後、1200℃の空気中で1時間焼成を行い、酸化チタン/シリカ繊維からなる不織布を得た。   After the mixture of the modified polycarbosilane and the low molecular weight organometallic compound was dissolved in toluene, the mixture was charged into a glass spinning apparatus, the interior was sufficiently purged with nitrogen, and the temperature was raised to distill off the toluene. Melt spinning was carried out at 0 ° C. The spun fiber was heated to 150 ° C. stepwise in air and infusibilized, and then fired in air at 1200 ° C. for 1 hour to obtain a nonwoven fabric composed of titanium oxide / silica fibers.

(製造例2)
製造例1で得られた酸化チタン/シリカ繊維不織布をパラジウム濃度2.5ppmのパラジウムメッキ液(パラデックス:田中貴金属(株)製)内に浸漬し、波長が351nmの紫外線を4mW/cm2の強度で4時間照射した。照射後、繊維を取り出し、水洗、さらに乾燥を行うことによって、実施例2に係るパラジウム担持酸化チタン/シリカ繊維不織布を得た。重量測定の結果から、パラジウム担持量は、0.05重量%であった。
(Production Example 2)
The titanium oxide / silica fiber non-woven fabric obtained in Production Example 1 was immersed in a palladium plating solution (Paradex: manufactured by Takanaka Tanaka Co., Ltd.) having a palladium concentration of 2.5 ppm, and ultraviolet light having a wavelength of 351 nm was an intensity of 4 mW / cm 2. For 4 hours. After irradiation, the fiber was taken out, washed with water, and further dried to obtain a palladium-supported titanium oxide / silica fiber nonwoven fabric according to Example 2. From the results of the weight measurement, the amount of palladium supported was 0.05% by weight.

(実施例1)
製造例1で得られた酸化チタン/シリカ繊維からなる不織布を用いて、図4に示される平板状不織布を含む光触媒カートリッジを作成し、図1に示される水浄化装置を用いて有機物を含有する処理水を処理した。用いた紫外線ランプは、三共電気製GL16KZF(出力:16W)であり、カバー部材は合成石英が使用されている。出力は16Wであり、この紫外線ランプを4本使用した。紫外線ランプの波長は254nmと185nmの両方を放射するものである。紫外線ランプと光触媒カートリッジの距離は50mmとし、平板状不織布表面の平均紫外線強度は4mW/cmであった。紫外線強度はTOPCON社製UVR−2紫外線照度計を用いて測定し、平板状不織布表面の中央部から端部まで9箇所を測定し、この平均値を平均紫外線強度とした。
Example 1
A photocatalyst cartridge including the flat nonwoven fabric shown in FIG. 4 is prepared using the nonwoven fabric made of titanium oxide / silica fibers obtained in Production Example 1, and contains an organic substance using the water purification device shown in FIG. Treated water was treated. The ultraviolet lamp used is GL16KZF (output: 16W) manufactured by Sankyo Electric, and the cover member is made of synthetic quartz. The output was 16 W, and four ultraviolet lamps were used. The wavelength of the ultraviolet lamp emits both 254 nm and 185 nm. The distance between the ultraviolet lamp and the photocatalyst cartridge was 50 mm, and the average ultraviolet intensity of the flat nonwoven fabric surface was 4 mW / cm 2 . The ultraviolet intensity was measured using a UVR-2 ultraviolet illuminometer manufactured by TOPCON, and nine locations were measured from the center to the end of the flat nonwoven fabric surface, and this average value was defined as the average ultraviolet intensity.

処理水は、蓚酸をイオン交換水で溶解し、250ppmの蓚酸水溶液とした。また、マイクロバブル注入槽では前記250ppm蓚酸処理溶液をマイクロバブルを20−23L/minで発生させた。処理溶液中の平均溶存酸素飽和率は110%であった。溶存酸素量はHORIBA製D−50溶存酸素計を用いて測定し、飽和溶存酸素量は温度と水中の酸素溶存量から算出した。
前記蓚酸処理溶液60Lを前記水浄化装置を用いて5L/minで循環処理を行った。本条件で検討した結果、消費エネルギー8Wh/Lで98%の蓚酸を分解し得た。
The treated water was prepared by dissolving oxalic acid with ion-exchanged water to obtain a 250 ppm oxalic acid aqueous solution. In the microbubble injection tank, microbubbles were generated in the 250 ppm oxalic acid treatment solution at 20-23 L / min. The average dissolved oxygen saturation in the treatment solution was 110%. The dissolved oxygen amount was measured using a HORIBA D-50 dissolved oxygen meter, and the saturated dissolved oxygen amount was calculated from the temperature and the dissolved oxygen amount in water.
The oxalic acid treatment solution 60L was circulated at 5 L / min using the water purification device. As a result of studying under these conditions, 98% of oxalic acid could be decomposed with an energy consumption of 8 Wh / L.

(実施例2)
製造例2に記載の方法で得られたパラジウム担持酸化チタン/シリカ繊維からなる不織布用いて、実施例1と同様の条件で検討を行った。250ppmの蓚酸を含む処理溶液60Lを5L/minで循環処理した。その結果、消費エネルギーが8Wh/Lで90%の蓚酸を分解し得た。
(Example 2)
Using the nonwoven fabric made of palladium-supported titanium oxide / silica fibers obtained by the method described in Production Example 2, the same conditions as in Example 1 were used for examination. A treatment solution 60 L containing 250 ppm of oxalic acid was circulated at 5 L / min. As a result, 90% of oxalic acid could be decomposed at an energy consumption of 8 Wh / L.

(比較例1)
製造例1に記載の方法で得られた酸化チタン/シリカ繊維からなる不織布を用いて、マイクロバブル注入槽を通さないこと以外は実施例1と同様の条件で検討を行った。250ppmの蓚酸を含む処理溶液60Lを5L/minで循環処理した。その結果、消費エネルギーが8Wh/Lで50%の蓚酸しか分解することができず、浄化能力は著しく低かった。
(Comparative Example 1)
A non-woven fabric made of titanium oxide / silica fiber obtained by the method described in Production Example 1 was used, and examination was performed under the same conditions as in Example 1 except that the microbubble injection tank was not passed. A treatment solution 60 L containing 250 ppm of oxalic acid was circulated at 5 L / min. As a result, the energy consumption was 8 Wh / L and only 50% oxalic acid could be decomposed, and the purification ability was extremely low.

(比較例2)
製造例2に記載の方法で得られたパラジウム担持酸化チタン/シリカ繊維からなる不織布を用いて、マイクロバブル注入槽を通さないこと以外は実施例2と同様の条件で検討を行った。250ppmの蓚酸を含む処理溶液60Lを5L/minで循環処理した。その結果、消費エネルギーが8Wh/Lで70%の蓚酸しか分解することができず、浄化能力は著しく低かった。以下の表に結果をまとめて示す。
(Comparative Example 2)
A non-woven fabric made of palladium-supported titanium oxide / silica fibers obtained by the method described in Production Example 2 was used, and examination was performed under the same conditions as in Example 2 except that the microbubble injection tank was not passed. A treatment solution 60 L containing 250 ppm of oxalic acid was circulated at 5 L / min. As a result, energy consumption was 8 Wh / L, and only 70% oxalic acid could be decomposed, and the purification ability was extremely low. The following table summarizes the results.

Figure 2009233635

本発明のマイクロバブルを用いた水浄化装置は、極めて優れた蓚酸の分解性能を示すことがわかる。
Figure 2009233635

It can be seen that the water purification apparatus using the microbubbles of the present invention exhibits extremely excellent oxalic acid decomposition performance.

本発明の水浄化装置の概念図である。It is a conceptual diagram of the water purification apparatus of this invention. 本発明に係るマイクロバブル注入槽の概念図である。It is a conceptual diagram of the microbubble injection | pouring tank which concerns on this invention. 本発明に係る光触媒分解槽の概念図である。It is a conceptual diagram of the photocatalyst decomposition tank which concerns on this invention. 本発明に係る光触媒カートリッジの概念図である。It is a conceptual diagram of the photocatalyst cartridge which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 水浄化装置
11 処理水流入口
12 送水ライン
13 処理水流出口
20 マイクロバブル注入槽
21 マイクロバブル発生装置入口
22 マイクロバブル発生装置出口
23 マイクロバブル発生装置
30 光触媒分解槽
31 流動槽
32 平板状光触媒不織布カートリッジ
33 紫外線ランプ
41 平板状不織布
42 金網
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Water purification apparatus 11 Treated water inlet 12 Water supply line 13 Treated water outlet 20 Microbubble injection tank 21 Microbubble generator inlet 22 Microbubble generator outlet 23 Microbubble generator 30 Photocatalytic decomposition tank 31 Flow tank 32 Flat photocatalyst nonwoven fabric cartridge 33 UV lamp 41 Flat nonwoven fabric 42 Wire mesh

Claims (7)

有機物を含有する処理水に空気のマイクロバブルを注入した後、該処理水を、紫外線を照射しながら酸化チタンを表面に有する光触媒に接触させることを特徴とする水浄化方法。   A water purification method comprising injecting air microbubbles into treated water containing an organic substance, and then contacting the treated water with a photocatalyst having titanium oxide on the surface while irradiating ultraviolet rays. 前記光触媒が、表面に酸化チタンを有する光触媒繊維の不織布であることを特徴とする請求項1記載の水浄化方法。   The water purification method according to claim 1, wherein the photocatalyst is a non-woven fabric of photocatalyst fibers having titanium oxide on the surface. 光触媒に照射される前記紫外線は、180−190nmと250−260nmとにピーク波長を有することを特徴とする請求項1記載の水浄化方法。   The water purification method according to claim 1, wherein the ultraviolet rays irradiated to the photocatalyst have peak wavelengths at 180 to 190 nm and 250 to 260 nm. 有機物を含有する処理水に空気のマイクロバブルを注入するマイクロバブル注入槽と、該マイクロバブル注入槽から流出した処理水中の有機物を光触媒により分解する光触媒分解槽とからなる水浄化装置。   A water purification apparatus comprising: a microbubble injection tank for injecting air microbubbles into treated water containing organic matter; and a photocatalytic decomposition tank for decomposing organic matter in the treated water flowing out of the microbubble injection tank with a photocatalyst. 前記光触媒分解槽は、表面に酸化チタンを有する光触媒繊維の平板状不織布と、紫外線ランプとが処理水の流れ方向に対してほぼ垂直に設置されていることを特徴とする請求項4記載の水浄化装置。   5. The water according to claim 4, wherein the photocatalytic decomposition tank has a flat non-woven fabric of photocatalyst fibers having titanium oxide on the surface and an ultraviolet lamp arranged substantially perpendicularly to the flow direction of the treated water. Purification equipment. 前記光触媒繊維は、光触媒機能を有するシリカ成分を主体とする酸化物相(第1相)とTiを含む金属酸化物相(第2相)との複合酸化物の繊維からなり、第2相を構成する金属酸化物のTiの存在割合が繊維の表層に向かって傾斜的に増大しているシリカ基複合酸化物繊維であることを特徴とする請求項5記載の水浄化装置。   The photocatalyst fiber is composed of a composite oxide fiber of an oxide phase (first phase) mainly composed of a silica component having a photocatalytic function and a metal oxide phase (second phase) containing Ti. 6. The water purification apparatus according to claim 5, wherein the metal oxide is a silica-based composite oxide fiber in which the Ti content of the metal oxide is increasing in a slanting manner toward the surface layer of the fiber. 前記光触媒繊維の表面に、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)及びスズ(Sn)のうち少なくとも1以上の金属が担持されていることを特徴とする請求項6記載の水浄化装置。   On the surface of the photocatalytic fiber, platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), iron (Fe), nickel (Ni ), Zinc (Zn), gallium (Ga), germanium (Ge), indium (In), and tin (Sn), at least one metal is supported. apparatus.
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