JP2010069346A - 光触媒反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した気体浄化性能が得られ、かつ容易に製造できる光触媒反応装置を提供する。
【解決手段】光触媒反応装置１は、気体が通過可能な３次元構造の基体に光触媒を担持させた光触媒素子７と、光触媒素子７を挟んで対向配置された１対の電極８，９と、電極８，９間に高電圧を印加して放電を生じさせる高圧電源部５とを備え、電極８，９は、複数の開口部１０が形成された金属板からなり、開口部１０の周囲に突起が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光触媒と放電により生じたオゾンの作用により空気等の気体を浄化する光触媒反応装置に関する。

従来、放電光を照射して活性化した光触媒とオゾンの作用により空気等の気体を浄化する装置として、気体が通過する筒状の筐体内に配置された、光触媒を担持する光触媒素子と、この光触媒素子を挟んで対向配置された１対の電極と、この１対の電極間に高電圧を印加する高圧電源とを備える光触媒反応装置が知られている。

このような光触媒反応装置では、１対の電極間に高電圧が印加されて放電が生じ、放電とともに紫外線を含む放電光が発生して光触媒素子に照射される。この放電光により光触媒が活性化されるとともに、電極間には、紫外線と気体に含まれる酸素とが反応してオゾンが生成される。

この結果、電極間において、気体に含まれる有害物質は、活性化された光触媒およびオゾンの作用により分解されて浄化される。

このような光触媒反応装置においては、コロナ放電が容易に生じるように電界の不平等性が高くなる細線を電極に使用し、機械的強度や耐スパーク強度を得るため、細線の材質としてステンレス鋼、Ｗ、Ｍｏ等が用いられてきた。

また、ステンレス製のハニカム状金属板の一部を切り欠いて生じた鋭利な端部周辺に不平等電界を形成する電極を用いた光触媒反応装置も開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−２６３７２９号公報

しかしながら、上述の細線を電極に用いた光触媒反応装置では、電極の構造や材質、使用環境等により放電状況が変化しやすく、安定した気体浄化性能を維持することが困難であった。

また、ハニカム状金属板を用いた電極の場合、ハニカム素材は０．１ｍｍ程度の薄板により形成されているため、切り欠き加工が困難で電極が変形しやすく、さらに、電極の製造コストの増大も招いていた。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、安定した気体浄化性能が得られ、かつ容易に製造できる光触媒反応装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の光触媒反応装置は、気体が通過可能な３次元構造の基体に光触媒を担持させた光触媒素子と、前記光触媒素子を挟んで対向配置された１対の電極と、前記１対の電極間に高電圧を印加して放電を生じさせる高圧電源とを備え、前記電極は、複数の開口部が形成された金属板からなり、前記開口部の周囲に突起が形成されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光触媒反応装置において、前記開口部に形成された前記突起は、平面視三角形状または矩形状であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の光触媒反応装置において、前記電極は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金から選ばれる１種類からなることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光触媒反応装置において、前記前記１対の電極間に生じる放電により発生するオゾンを分解するオゾン分解触媒をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、安定した気体浄化性能が得られ、かつ容易に製造できる光触媒反応装置を提供することができる。

以下、本発明の光触媒反応装置を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る光触媒反応装置を示す概略構成図、図２は、図１に示す光触媒反応装置の模式図、図３は、図１に示す光触媒反応装置の電極の平面図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る光触媒反応装置１は、筐体２と、単位構造体３と、送風機４と、高圧電源部５とを備える。

筐体２は、筒状体からなり、その内部には、臭気物質や有害物質等の分解対象体を含む空気等の気体が通過する流路６が形成されるとともに、単位構造体３および送風機４が収納されている。

単位構造体３は、光触媒素子７と、この光触媒素子７を挟んで対向配置された１対の電極８，９とを備える。電極８，９と光触媒素子７との間は、図示しないスペーサにより空隙が確保されるようになっている。

光触媒素子７は、気体が通過可能な３次元構造の基体に光触媒を担持している。光触媒素子７は、例えば３次元網目構造のセラミック基体の表面に光触媒作用を有する半導体微粒子を担持させた構成である。ただし、光触媒素子７の基体は、気体が通過可能でかつ光触媒を担持できれば、格子状、ハニカム状、多孔構造等の３次元構造であってもよい。

光触媒素子７の気体の流れ方向の厚さは、光触媒の活性化に必要な放電光を十分に光触媒素子７の内部に到達させるために、１５ｍｍ以下とすることが好ましい。

光触媒作用を有する半導体微粒子の例としては、酸化チタンＴｉＯ_２（ａｎａｔａｓｅ型、ｒｕｔｉｌｅ型、ｂｒｏｏｋｉｔｅ型）、ＳｒＴｉＯ_３、ＺｎＯ、ＢａＴｉＯ_３、Ｖ_２Ｏ_５、ＳｎＯ_２等の金属酸化物半導体、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＣｄＳ、ＺｎＳ等の単体半導体や化合物半導体が挙げられる。

電極８，９は、厚さ約０．３〜０．５ｍｍの金属材料からなる薄板により構成され、図３に示すように、複数の平面視矩形状の開口部１０が桝目状に形成されている。

図４は、図３における開口部の拡大図である。図４に示すように、開口部１０の周囲には、開口部１０の各辺から内側に向かって突出した平面視三角形状の突起１１が形成されている。突起１１の高さｂ_１は、大きすぎると電極８，９の開口率が低下して通気抵抗が増加してしまうため、開口部１０の短辺の長さａの１０％程度であることが好ましい。

電極８，９は、高圧電源部５に接続され、図示しないが電極８，９の一方は接地されており、高圧電源部５により高電圧が印加されると、突起１１の先端で放電が生じ、電極８，９間で放電を行うことができるように構成されている。

電極８，９に用いる金属材料としては、空気中で電離気体に晒されても酸化され難く、またスッパタされ難い耐酸化性金属材料とする。耐酸化性金属材料の例としては、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、真鍮や洋銀等のＣｕ合金が挙げられる。

なお、開口部１０の周囲に形成する突起は三角形状に限らず、図５に示すように平面視矩形状の突起１２を開口部１０の周囲に形成してもよい。この場合も、突起１２の高さｂ_２は、開口部１０の短辺の長さａの１０％程度とすることが好ましい。

電極８，９を製造する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、耐酸化性金属の薄板を材料として、開口部１０に対応する桝目を並べ突起を設けた電極形状パターンをマスクとしてエッチングプロセスにより電極８，９を容易に製造することができる。また、電極形状パターンを有する金型を用いたプレス成型によっても電極８，９を容易に製造することが可能である。

送風機４は、流路６の気体の流れを加速し、ある程度の流速を確保するためのものである。送風機４は、図示例のように単位構造体３に対して気体の流れ方向の下流側に設置してもよいし、上流側に設置してもよい。

高圧電源部５は、電極８，９に電力を供給する。高圧電源部５としては、例えば直流電源、Ｄｕｔｙ比０．５以下の短パルスを出力するパルス電源、周波数１０ｋＨｚ以上の交流電源等の電源が挙げられる。さらに、各種高圧電源に波高値の５０％から９０％に相当する直流バイアスを重畳する構成や、間欠動作する機能を備える構成としてもよい。

高圧電源部５として直流電源を用いると電源構成が簡易となり装置コストを低減できるとともに、動作音を比較的小さく抑えることができる。

また、高圧電源部５としてパルス電源を用いると直流電源に比べて大きな電力投入を容易に行うことができるため、装置の小型化を図ることができるとともに、電源構成が簡易となり装置コストを低減できる。さらに、直流電源に比べて投入電力を大きくすることが容易できるため、低価格かつ中規模の光触媒反応装置１を構成する場合に有効である。

また、高圧電源部５として周波数１０ｋＨｚ以上の交流電源を用いた場合には、動作周波数の増加に伴って、投入電力を大きくすることができる。このため、大容量の脱臭処理や高濃度の処理対象に対応する場合は有効である。

さらに、高圧電源部５に直流バイアスを重畳すると、パルス電源を単独で用いた場合に、パルス電圧を低減できるため、光触媒反応装置１を小型化できる。さらに、放電発生の元となる偶存電子の個数が安定するため、スパーク移行電圧のばらつきを抑えて安定した電源動作を確保することができる。

次に、光触媒反応装置１の作用について説明する。

外部から電力を供給して送風機４を駆動することにより、浄化しようとする空気等の気体を流路６に流入させるとともに、高圧電源部５により電極８，９間に高電圧を印加する。

高電圧が印加されると、電極８，９の突起１１の先端で放電が生じ、電極８，９間で光触媒素子７を経由する放電とともに、紫外線を含む放電光が生じる。この放電光は、光触媒素子７に照射され、光触媒素子７の基体に担持された光触媒を活性化させる。

電極８の開口部１０を通過した気体は、放電光により活性化された光触媒素子７に導かれ、光触媒素子７の内部に流入する。そして、光触媒素子７内部に流入した気体に含まれる酸素と水とが、活性化された光触媒の作用により反応し、過酸化水素と水酸基ラジカルとが生成される。

また、電極８，９間に生じた紫外線と気体に含まれる酸素とが反応して、電極８よりも下流側にはオゾンが生成される。

光触媒素子７近傍に生成されたオゾン、過酸化水素および水酸基ラジカルは酸化力が強く、物質の分子結合を分断する機能、すなわち脱臭、脱色、殺菌、減菌作用等の機能を有する。

このため、光触媒素子７内部に流入した気体に含まれる臭気物質や有害物質等の分解対象体は、活性化状態となった光触媒の作用で生じた過酸化水素および水酸基ラジカル、並びにオゾンの作用により分解される。

なお、分解対象体の例としては、例えば、臭いの発生要因であるホルムアルデヒド等の臭い発生物質、浮遊菌等の菌類および細菌類、汚れの成分を構成する物質、有害物質、トリハロメタン等の有機塩素化合物、内分泌撹乱化学物質やその他オゾンおよび水酸基ラジカルの酸化力の作用で分解可能な物質、化合物、混合物、生物が挙げられる。

また、電極８，９間に生じた放電も、臭いの発生要因であるホルムアルデヒド等の物質あるいは有害物質の分解、浮遊菌の除菌および不活性化に作用し、浄化および脱臭に寄与する。

光触媒反応装置１における電極８，９では、開口部１０の周囲に設けた突起の先端にコロナ放電が生じるため、この突起の形状が放電特性に影響を及ぼすこととなる。本実施の形態では、必要な放電量を確保するため、突起の先端に比較的強い電界が発生するように、三角形状の突起１１あるいは矩形状の突起１２を形成している。

図６は、突起の形状と放電量との関係を示す図である。電極８，９として、Ｔｉからなる５０ｍｍ×１８０ｍｍ×ｔ０．５ｍｍの薄板に８ｍｍ×１５ｍｍの開口部１０を３行×２１列（＝６３個）形成し、各開口部１０に突起を設けないもの、高さ１ｍｍの三角形状の突起１１を各開口部１０に４つずつ形成したもの、および高さ１ｍｍの矩形状の突起１２を各開口部１０に４つずつ形成したものを用い、それぞれの場合の放電量を比較した。

図６に示すように、三角形状の突起１１、矩形状の突起１２を設けた場合では、突起なしの場合に比べて放電量が大きく、光触媒を活性化させるのに十分な放電量が得られた。

また、光触媒反応装置１における電極８，９では、従来の細線を用いた電極に比べて電界の歪が小さく、湿度による放電特性の変化を小さく抑えることができる。

図７は、放電の湿度依存特性の測定結果を示す図である。電極８，９として、Ｔｉからなる５０ｍｍ×１８０ｍｍ×ｔ０．５ｍｍの薄板に８ｍｍ×１５ｍｍの開口部１０を３行×２１列（＝６３個）形成し、各開口部１０の周囲に高さ１ｍｍの三角形状の突起１１を各開口部１０に４つずつ形成したものを用い、湿度が異なる環境の中で放電を生じさせ、それぞれの湿度における放電量を測定した。比較例として、φ０．１ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の細線からなる網目寸法が□１０ｍｍのメッシュ電極を用い、それぞれの湿度における放電量を測定した。

図７に示すように、本実施の形態では、比較例と比べて、湿度が変化しても電極８，９の放電量の変化が小さく、安定した放電特性が得られている。これは、比較例のメッシュ電極では、湿度が上昇すると、電極上で放電可能な領域が広がり、放電量が増加するのに対し、本実施の形態では、突起１１の先端で放電が生じるため、湿度が上昇しても放電可能な領域が広がりすぎることがないためである。

放電量は光触媒反応装置１の分解対象物の分解能力と比例関係を有するため、本実施の形態によれば、安定した気体浄化性能が得られる。

電極８，９間に空気中でコロナ放電を発生させると、荷電粒子の衝突により電極８，９の表面がスッパタされ、金属原子あるいは微粒子が放出される。このスッパタ物は雰囲気の酸素により酸化され、一部は電荷を帯び、電極８，９の突起１１の強い電界による集塵効果によって突起１１の表面に付着する。また、突起１１の先端部は、放電により生じた活性化した酸素分子などに晒されることにより酸化が進展する。

このように突起１１の先端部に酸化物が付着した場合、コロナ放電は酸化物を介して生じるため酸化物での電力損失が発生し、効率の低下が引き起こされる。このような特性により、安定な動作を長時間持続させるためには、電極８，９の材質としてスッパタされ難い材料、あるいは酸化され難い材料を用いることが必要である。

図８は、電極８，９の材質と放電量との関係を示す図である。上述の図７の測定に用いた電極と同様の形状で、材質をステンレス鋼（ＳＵＳ３０４），Ｔｉ，Ｎｉ，洋銀とした電極８，９を用い、動作時間１０００時間後の放電量を比較した。

図８に示すように、Ｔｉ，Ｎｉ，洋銀では、ステンレス鋼と比較して放電量の低下が抑えられた。ステンレス鋼は通常の環境での耐食性は良好であるが、放電によりスッパタされた場合では原子状態のＦｅが生じ酸化鉄の生成、堆積が避けられない。したがって、ステンレス鋼のような鉄系合金を電極として用いた場合では経年変化により特性劣化が大きく、安定な動作が望めない。

一方、ＴｉあるいはＴｉ合金の場合では、プラズマに晒された場合でも酸化が起こり難く、またスッパタされ難いため、突起１１の先端部の酸化や酸化物堆積が生じない。そのため電極材料として用いた場合、経年劣化が少なく安定な動作が達成される。

また、ＮｉあるいはＮｉ合金の場合では、突起先端がスッパタされ若干の形状変化は生じるが、材料的に酸化され難く、突起１１の先端部の酸化や酸化物堆積が生じない。そのため電極材料として用いた場合、経年劣化が少なく安定な動作が達成される。洋銀等のＣｕ合金についても同様である。

また、光触媒反応装置１においては、電極８，９の通気抵抗が性能に大きな影響を及ぼす。図９は、電極８，９の開口率と脱臭性能との関係を示す図である。容積１ｍ^３の試験槽内にＮＨ_３ガスを２０ｐｐｍ注入し、光触媒反応装置１を配置して運転を行い、１０分後のＮＨ_３ガス濃度から脱臭能力を測定した。光触媒反応装置１の電極８，９として、Ｔｉからなる５０ｍｍ×１８０ｍｍ×ｔ０．５ｍｍの薄板に三角形状の突起１１を有する開口部１０を複数形成した電極を用い、開口部１０の寸法を調整することにより電極の開口率を変え、それぞれの開口率における脱臭能力を測定した。

開口率が小さい、つまり通気抵抗が大きいと、光触媒素子７に流入する気体が減少し、脱臭性能が低下する。図９に示すように、開口率７０％以上とすることにより、十分な脱臭性能が得られた。

上記説明のように本実施の形態によれば、複数の開口部１０が形成され、開口部１０の周囲に突起１１を設けた電極８，９により、突起１１の先端に放電を生じさせて電極８，９間で放電を行うので、湿度による放電特性の変化を小さく抑えることができ、使用環境が変化しても安定した気体浄化性能が得られる。

また、電極８，９の材料として耐酸化性金属材料を用いることで、経年変化による特性劣化を抑制し、長期に渡って安定した気体浄化性能を維持することができる。

また、電極８，９は、エッチングやプレス成型によって容易に製造することができ、製造コストを安価に抑えることができる。

（変形例１）
図１０は、本発明の実施の形態の変形例１に係る光触媒反応装置の模式図である。なお、図１０において、図１、図２に示す光触媒反応装置１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１０に示すように、変形例１に係る光触媒反応装置１Ａは、図１および図２に示す光触媒反応装置１に対し、筐体２内において単位構造体３対して気体の流れ方向の下流側に配置されたオゾン分解触媒１３を追加した構成である。

上記実施の形態で説明した光触媒反応装置１では、電極８，９間の放電時において、放電光によって発生したオゾンはその酸化力で有害物質等の分解対象体を分解除去するが、分解対象体と反応しなかったオゾンは、そのまま外部に放出されてしまう。しかし、オゾンは通常空気中にそのまま放出すると人体にとって有害なため、使用環境によっては分解する必要がある。

光触媒反応装置１Ａでは、オゾン分解触媒１３により、分解対象体と反応しなかったオゾンを無害な酸素に分解処理する。

オゾンを分解する方法としては、使用状況によって様々なものが考えられるが、代表的なものとして、活性炭吸着分解法、加熱分解法、接触分解法、水洗法、薬液洗浄法（アルカリ洗浄法）、薬液還元法等が挙げられる。

変形例１によれば、上記実施の形態で説明した図１、図２に示す光触媒反応装置１と同様の効果に加えて、人体に有害なオゾンの放出を抑制することができるという効果が得られる。

（変形例２）
図１１は、本発明の実施の形態の変形例２に係る光触媒反応装置の模式図である。なお、図１１において、図１、図２に示す光触媒反応装置１と同様の構成については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１１に示すように、変形例２に係る光触媒反応装置１Ｂは、図１および図２に示す光触媒反応装置１に対し、筐体２内において単位構造体３対して気体の流れ方向の上流側に配置され、空気中の塵や埃等を除去するフィルタ１４を追加した構成である。

埃や塵の多い環境での使用は、光触媒素子７の目詰まりや破損を引き起こす可能性が考えられる。光触媒反応装置１Ｂでは、埃や塵といった、光触媒等を覆うことでその性能を低下させるものや機能を阻害するもの、単位構造体３では分解処理できないものを、まずフィルタ１４により取り除き、継続して安定した物質分解性能を確保する。

変形例２によれば、上記実施の形態で説明した図１、図２に示す光触媒反応装置１と同様の効果に加えて、フィルタ１４により予め空気中の塵や埃等を取り除くことによって、気体浄化性能を安定して確保することが可能となり、気体浄化性能を長期間維持させるという効果を奏する。

なお、光触媒反応装置１Ｂに、上記変形例１の光触媒反応装置１Ａと同様のオゾン分解触媒１３を追加してもよい。

上記実施の形態および各変形例では、開口部１０が矩形状の場合について説明したが、開口部１０の形状はこれに限らない。また、各開口部１０に形成する突起１１，１２の数が４つである場合を示したが、突起１１，１２の数はこれに限らない。

本発明の実施の形態に係る光触媒反応装置を示す概略構成図である。 図１に示す光触媒反応装置の模式図である。 図１に示す光触媒反応装置の電極の平面図である。 図３に示す電極の部分拡大図である。 開口部の周囲に矩形状の突起を形成した電極の部分拡大図である。 電極の開口部に形成した突起の形状と放電量との関係を示す図である。 放電の湿度依存特性を示す図である。 電極の材質と放電量との関係を示す図である。 電極の開口率と脱臭性能との関係を示す図である。 本発明の実施の形態の変形例１に係る光触媒反応装置の模式図である。 本発明の実施の形態の変形例２に係る光触媒反応装置の模式図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 光触媒反応装置
２ 筐体
３ 単位構造体
４ 送風機
５ 高圧電源部
６ 流路
７ 光触媒素子
８，９ 電極
１０ 開口部
１１，１２ 突起
１３ オゾン分解触媒
１４ フィルタ

Claims (4)

1. 気体が通過可能な３次元構造の基体に光触媒を担持させた光触媒素子と、
   前記光触媒素子を挟んで対向配置された１対の電極と、
   前記１対の電極間に高電圧を印加して放電を生じさせる高圧電源とを備え、
   前記電極は、複数の開口部が形成された金属板からなり、前記開口部の周囲に突起が形成されていることを特徴とする光触媒反応装置。
2. 前記開口部に形成された前記突起は、平面視三角形状または矩形状であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒反応装置。
3. 前記電極は、Ｔｉ、Ｔｉ合金、Ｎｉ、Ｎｉ合金、Ｃｕ合金から選ばれる１種類からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光触媒反応装置。
4. 前記前記１対の電極間に生じる放電により発生するオゾンを分解するオゾン分解触媒をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光触媒反応装置。

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