JP2013244440A

JP2013244440A - 水浄化装置

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Publication number: JP2013244440A
Application number: JP2012118655A
Authority: JP
Inventors: Maomi Harada; 真臣原田; Nobutoshi Arai; 暢俊洗
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2013-12-09
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: JP5961447B2

Abstract

【課題】本発明は、消費電力が小さい水浄化装置を提供する。
【解決手段】本発明の水浄化装置は、浄化槽と、前記浄化槽内に設けられた浄化部とを備え、前記浄化部は、複数の板状光触媒部材と被処理水の流路を含み、各板状光触媒部材は、パルス光を面発光する板状発光体と、前記板状発光体の少なくとも一方の面上に設けられ前記パルス光を受光する光触媒層を有し、前記光触媒層は、前記流路の内壁を構成することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水浄化装置に関する。

酸化チタンなどの光触媒にブラックライト、水銀灯などからの紫外線を照射することにより生じる光触媒活性を利用した水浄化装置が知られている（例えば、特許文献１）。
このような光触媒活性を利用した水浄化装置では、酸化チタンなどの光触媒を担持した多孔質体や繊維布に紫外線などを照射し、この多孔質体や繊維布に被処理水を接触させることにより被処理水の浄化を行っている。

特開２００８−９３５４９号公報

しかし、従来の水浄化装置では、紫外線光源の消費電力が大きく、蓄電池を電源とする場合、長時間水を浄化できないという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、消費電力が小さい水浄化装置を提供する。

本発明は、浄化槽と、前記浄化槽内に設けられた浄化部とを備え、前記浄化部は、複数の板状光触媒部材と被処理水の流路を含み、各板状光触媒部材は、パルス光を面発光する板状発光体と、前記板状発光体の少なくとも一方の面上に設けられ前記パルス光を受光する光触媒層を有し、前記光触媒層は、前記流路の内壁を構成することを特徴とする水浄化装置を提供する。

本発明によれば、パルス光を面発光する板状発光体と、前記板状発光体の少なくとも一方の面上に設けられ前記パルス光を受光する光触媒層とを有する板状光触媒部材を浄化部に備えるため、光触媒層が光触媒活性を有することができる。
本発明によれば、板状光触媒部材が被処理水の流路の内壁を構成するため、被処理水を板状光触媒部材の光触媒層に接触させることができ、光触媒層の光触媒活性により被処理水を浄化することができる。
本発明によれば、板状発光体が面発光する光がパルス光であるため、光源の消費電力を小さくすることができ、水浄化装置の消費電力を小さくすることができる。特に、水浄化装置の電源を蓄電池とする場合、長時間の水の浄化が可能になる。

本発明の一実施形態の水浄化装置の構成を示す概略断面図である。図１の点線Ｘ−Ｘにおける水浄化装置の概略断面図である。図１の点線Ｙ−Ｙにおける水浄化装置の概略断面図である。図１の点線Ｚ−Ｚにおける水浄化装置の概略断面図である。本発明の一実施形態の水浄化装置の構成を示す概略断面図である。（ａ）は、本発明の一実施形態の水浄化装置に含まれる板状光触媒部材の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線Ａ−Ａにおける板状光触媒部材の概略断面図である。（ａ）は、本発明の一実施形態の水浄化装置に含まれる板状光触媒部材の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線Ｂ−Ｂにおける板状光触媒部材の概略断面図である。（ａ）は、本発明の一実施形態の水浄化装置に含まれる板状光触媒部材の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線Ｃ−Ｃにおける板状光触媒部材の概略断面図である。（ａ）は、本発明の一実施形態の水浄化装置に含まれる板状光触媒部材の概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線Ｄ−Ｄにおける板状光触媒部材の概略断面図である。図９（ｂ）の点線で囲んだ範囲Ｅにおける板状光触媒部材の概略断面図である。図９（ｂ）の点線で囲んだ範囲Ｅに対応する板状光触媒部材の概略断面図である。本発明の一実施形態の水浄化装置に含まれる浄化部の概略斜視図である。本発明の一実施形態の水浄化装置に含まれる浄化部内の流路の説明図である。本発明の一実施形態の水浄化装置の構成を示す概略断面図である。（ａ）は本発明の一実施形態の水浄化装置に含まれる浄化ユニットの概略平面図であり、（ｂ）は（ａ）の点線Ｆ−Ｆにおける浄化ユニットの概略断面図である。本発明の一実施形態の水浄化装置に含まれる光触媒層の活性種の量と光源の光量との関係を説明する説明図である。本発明の一実施形態の水浄化装置に含まれる流路を流れる被処理水の流量とレイノルズ数または流速との関係を示したグラフである。

本発明の水浄化装置は、浄化槽と、前記浄化槽内に設けられた浄化部とを備え、前記浄化部は、複数の板状光触媒部材と被処理水の流路を含み、各板状光触媒部材は、パルス光を面発光する板状発光体と、前記板状発光体の少なくとも一方の面上に設けられた光触媒層を有し、前記光触媒層は、前記流路の内壁を構成することを特徴とする。
なお、本発明において、板状とは比較的薄い厚さを有する形状をいい、主要面は、平面であってもよく、曲面であってもよい。また、主要面は、屈曲していてもよい。また、板状には、比較的薄い厚さを有し管状になった形状も含まれる。

本発明の水浄化装置において、前記板状発光体は、周波数が０．１kHz〜１MHzであるパルス光を発することが好ましい。
このような構成によれば、光源の消費電力を小さくすることができ、水浄化装置の消費電力を小さくすることができる。
本発明の水浄化装置において、前記複数の板状光触媒部材は、第１板状発光体を有する第１板状光触媒部材と、第２板状発光体を有する第２板状光触媒部材とを含み、第１および第２板状発光体は、同じ周波数のパルス光を発し、第１板状発光体は、第２板状発光体が発するパルス光の位相と異なる位相のパルス光を発することが好ましい。
このような構成によれば、第１板状発光体が消灯しているときに、第２板状発光体が発光し光触媒層に光を照射することが可能になる。また逆も同様である。このことにより、板状発光体の発光をパルス光とすることによる光触媒層の光触媒活性の低下を抑制することができ、水浄化装置の浄化能力の低下を抑制することができる。また、水浄化装置の消費電力を小さくすることができる。

本発明の水浄化装置において、第１板状光触媒部材に含まれる光触媒層は、第１板状発光体が発するパルス光および第２板状発光体が発するパルス光を受光するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、光触媒層に第１板状発光体の発光および第２板状発光体の発光を照射することができ、光触媒層の光触媒活性を高くすることができる。
本発明の水浄化装置において、第１板状光触媒部材に含まれる光触媒層は、第１板状発光体が発するパルス光を受光しないときに第２板状発光体が発するパルス光を受光し、第２板状発光体が発するパルス光を受光しないときに第１板状発光体が発するパルス光を受光するように設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、板状発光体の発光をパルス光とすることによる光触媒層の光触媒活性の低下を抑制することができ、水浄化装置の浄化能力の低下を抑制することができる。

本発明の水浄化装置において、前記複数の板状光触媒部材は、第３板状発光体を有する第３板状光触媒部材を含み、第１、第２および第３板状発光体は、同じ周波数のパルス光を発し、第１板状発光体、第２板状発光体および第３板状発光体は、それぞれ異なる位相のパルス光を発することが好ましい。
このような構成によれば、第１および２板状光触媒部材に含まれる板状発光体が消灯または減灯しているときに、第３板状光触媒部材に含まれる板状発光体が発光し光触媒層に光を照射することが可能になる。また、第２および３板状光触媒部材に含まれる板状発光体が消灯または減灯しているときに第１板状光触媒部材を発光させ、第１および３板状光触媒部材に含まれる板状発光体が消灯または減灯しているときに第２板状光触媒部材を発光させることができる。このことにより、板状発光体の発光をパルス光とすることによる光触媒層の光触媒活性の低下を抑制することができ、水浄化装置の浄化能力の低下を抑制することができる。また、水浄化装置の消費電力を小さくすることができる。
本発明の水浄化装置において、前記流路は、複数の分岐点および複数の合流点を有することが好ましい。
このような構成によれば、浄化槽で浄化する被処理水が流路の側壁の光触媒層に接触する確率を高くすることができ、効率的に被処理水を浄化することができる。

本発明の水浄化装置において、前記板状光触媒部材は、短冊形状または格子形状であることが好ましい。
このような構成によれば、板状光触媒部材を組み合わせることにより、容易に流路を有する浄化部を形成することができる。
本発明の水浄化装置において、前記浄化部は、縦方向に並列に間隔をおいて並べられた短冊形状の前記板状光触媒部材と、横方向に並列に間隔をおいて並べられた短冊形状の前記板状光触媒部材とが交互に積重された構造を有することが好ましい。
このような構成によれば、並列に並べた板状光触媒部材の隙間を被処理水の流路とすることができ、この流路を流れた被処理水が他の板状光触媒部材にぶつかるように被処理水を流すことができ、被処理水が光触媒層に効率よく接触させることができる。

本発明の水浄化装置において、前記浄化部は、前記板状光触媒部材を積重した方向からの平面視において、前記板状光触媒部材が隙間なく配置された構造を有することが好ましい。
このような構成によれば、被処理水が流れる流路が曲折したものとなり、被処理水が光触媒層に接触する確率を高くすることができる。
本発明の水浄化装置において、前記光触媒層は、前記板状発光体の両面上にそれぞれ設けられたことが好ましい。
このような構成によれば、浄化部に含まれる光触媒層の表面積を広くすることができ、水浄化装置の浄化能を高くすることができる。

本発明の水浄化装置において、前記板状発光体の側面に光を照射することができるように設けられた光源をさらに備え、前記板状発光体は、導光板であることが好ましい。
このような構成によれば、導光板から面発光させることができ、光触媒層に光触媒活性の低い部分が発生することを抑制することができる。このことにより、被処理水が浄化されずに排水されることを抑制することができる。
本発明の水浄化装置において、前記光源は、発光ダイオードを含むことが好ましい。
このような構成によれば、光源を小型化、省エネ化、長寿命化することができる。

本発明の水浄化装置において、前記光源に電力を供給する電源回路をさらに備え、前記電源回路は、蓄電池を電源とすることが好ましい。
このような構成によれば、水浄化装置の設置が容易になる。
本発明の水浄化装置において、前記光触媒層は、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、ＷＯ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＳｒＴｉＯ₃、ＫＴａＯ₃、ＺｒＯ₂、ＧａＰ、ＢｉＶＯ₄、Ｂｉ₂ＭｏＯ₆およびＡｇ₃ＰＯ₄のうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
このような構成によれば、光触媒層が光触媒を含むことができる。
本発明の水浄化装置において、前記光触媒層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｎおよびＳｎのうち少なくとも１つの金属が担持された酸化チタンを含むことが好ましい。
このような構成によれば、光触媒層に含まれる光触媒が高い光触媒活性を有することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。

水浄化装置の構成
図１〜５、図１４は本実施形態の水浄化装置の構成を示す概略断面図であり、図６、７、８、９は、本実施形態の水浄化装置に含まれる板状光触媒部材の概略平面図および概略断面図であり、図１０、１１は、板状光触媒部材の一部の概略断面図であり、図１２は、本実施形態の水浄化装置に含まれる浄化部の概略斜視図であり、図１３は、浄化部内の流路の説明図であり、図１５は、本実施形態の水浄化装置に含まれる浄化ユニットの概略平面図および概略断面図である。

本実施形態の水浄化装置２７は、浄化槽１と、浄化槽１内に設けられた浄化部３とを備え、浄化部３は、複数の板状光触媒部材７と被処理水の流路１０を含み、各板状光触媒部材７は、パルス光を面発光する板状発光体５と、板状発光体５の少なくとも一方の面上に設けられた光触媒層６を有し、光触媒層６は、流路１０の内壁を構成することを特徴とする。
以下、本実施形態の水浄化装置２７について説明する。

１．浄化槽
浄化槽１は、被処理水を浄化するための水槽である。浄化槽１は、被処理水を溜めるまたは流すことができれば特に限定されない。浄化槽１は、例えば、金属製、樹脂製、強化プラスチック製、ガラス製、陶器製である。
浄化槽１は、その内部に浄化部３を備える。このため、浄化槽１内の被処理水を浄化部３により浄化することができる。

浄化槽１は、その一部が透光性部材１２から構成されてもよい。例えば図５のように、透光性部材１２の外側に光源１４を設置すると、この光源１４の発光を光触媒層６に照射することができ、光触媒層６が光触媒活性を有することができる。また、このような構造にすると、光源１４を浄化槽１内の被処理水と分離でき、漏電を防止することができ、光源１４の長寿命化を図ることができる。

浄化槽１は、流入口１７および排水口１８を有することができる。このことにより、未浄化の被処理水を流入口１７から浄化槽１内に流入させることができ、浄化した被処理水を排水口１８から排出することができる。また、図５のように流入口１７から浄化槽１内に被処理水を流入させる前に不純物を取り除けるように、フィルター２２を設けてもよい。フィルター２２は孔径の異なる複数の種類から成っていてもよい。例えば、ＭＦ膜やＵＦ膜、ＲＯ膜等を使用することができる。このことにより、水浄化装置２７の浄化能を向上させることができる。

浄化槽１は、図５のようにその内壁上に光触媒層６を有することができる。この浄化槽１の内壁上に設けられた光触媒層６が板状発光体５の発光を受光し、光触媒活性を有することができ、水浄化装置２７の浄化能を向上させることができる。また、浄化槽１は、その内壁上に反射層を備えることもできる。このことにより、浄化槽１の内壁に照射された光を浄化槽１の内部側に反射させることができ、板状光触媒部材７に含まれる光触媒層６の受光量を多くすることができ、水浄化装置２７の浄化能を向上させることができる。
また、浄化槽１は、図１４のように、図１５に示したような浄化ユニット３９が積重することにより形成されてもよい。この場合、隣接する２つの浄化ユニット３９間にシール部材４１を設けることにより、被処理水が漏れるのを防止することができる。

２．板状光触媒部材、板状発光体、光触媒層
板状光触媒部材７は、浄化部３に含まれ、パルス光を面発光する板状発光体５と、板状発光体５の少なくとも一方の面上に設けられた光触媒層６とを有する。このような構造を有することにより、板状発光体５が発するパルス光を光触媒層６が受光することができ、光触媒層６が光触媒活性を有することができる。
板状光触媒部材７の形状は、比較的薄い厚さを有する形状であればよく、主要面は、平面であってもよく、曲面であってもよい。また、板状光触媒部材７の主要面は、屈曲していてもよい。また、板状光触媒部材７は、比較的薄い厚さを有し管状になった形状であってもよい。板状光触媒部材７の形状は、例えば図１〜３、５、６、８、９のように短冊形状であってもよく、図７のように格子形状であってよい。このような形状の板状光触媒部材７を複数組み合わせることにより、浄化部３を形成することができ、浄化部３中に流路１０を形成することができる。
また、板状光触媒部材７は、図１５のような浄化ユニット３９を構成してもよい。

板状発光体５は、面発光する板状の発光体であれば特に限定されないが、例えば、その側面から光を入射可能に設けられた導光板である。この導光板は、側面から入射した光を面発光することができる。導光板は、例えば、反射ドットが形成されたアクリル板からなる。この場合、アクリル板の側面から入射した光は、アクリル板の表面反射を繰り返すことにより、アクリル板全体に広がることができ、反射ドットで散乱された光がアクリル板の表面から外に出て行くことができる。このように導光板は面発光することができる。また、導光板は、その一方の面から面発光するものであってもよく、両面から面発光するものであってもよい。また、このアクリル板は、紫外線透過アクリルからなってもよい。このことにより、アクリル板による紫外線吸収を抑制することができ、光触媒層６の受光量を多くすることができる。

反射ドットは、例えば、白色インクで印刷したものであってもよく、スタンパーやインジェクションでアクリル板の表面につけた凹凸であってもよく、アクリル板を溝加工することにより形成された溝であってもよい。反射ドットは、アクリル板の一方の面にのみ形成されてもよく、両方の面に形成されてよい。

導光板の側面に入射する光は、例えば、光源１４が照射する光である。また、導光板の側面に光源１４からの光を入射させる場合、光源１４は、光触媒活性を生じさせることができるものであれば特に限定されないが、例えば、キセノンランプ、紫外線ＬＥＤなどである。また、光源１４は、導光板の側面に効率よく光を入射させるために反射カバーを備えてもよい。また、光源１４は、紫外光を発するものであることが好ましい。このことにより、光触媒層６が高い光触媒活性を有することができ、また、光源１４の発する紫外光による殺菌効果により被処理水を浄化することができる。

板状発光体５は、パルス光を面発光する。板状発光体５が導光板からなる場合、導光板の側面に光を入射させる光源１４の光をパルス光とすることにより、板状発光体５がパルス光を面発光することができる。例えば、光源１４が紫外線ＬＥＤの場合、ＬＥＤに流す電流を制御することにより光源１４をパルス発光させることができる。板状発光体５は、例えば、０．１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の周波数のパルス光を発することができる。水浄化装置２７は、光源１４に供給する電流を制御する電流制御部を有することができる。このことにより、光源１４をパルス発光させることができる。
また、光源１４は、図１のように浄化槽１内に設け導光板の側面に光を照射するように設けてもよく、図５のように浄化槽１を構成する透光性部材１２を介して導光板の側面に光を照射するように設けてもよく、図１４のように導光板の側面に隣接して設けることもできる。また、光源１４からの光を光ファイバーで導光板の側面に供給してもよい。このことにより、光源１４からの光を効率よく導光板に供給することができ、また、設置する光源１４の数を減らすことができる。

また、板状発光体５は、図９、図１０に示したように、基板３１の少なくとも一方の面に、導体または半導体からなる第１電極３２と、透光性電極３４と、第１電極３２と透光性電極３４とに挟まれた絶縁体層３３と、絶縁体層３３の内部に形成されＧｅを含む発光体３５とを備えるものであってもよい。このような構成によれば、第１電極３２と透光性電極３４との間に電圧を印加することにより、絶縁体層３３に電流を流すことができ、この電流により発光体３５を発光させることができる。また、発光体３５にＧｅを含むものを用いることにより、発光体３５から紫外線を発光させることができる。また、板状発光体５は、基板３１の両面に第１電極３２、絶縁体層３３、透光性電極３４を設けることができる。また、絶縁体層３３に流す電流を制御することにより、板状発光体５をパルス発光させることができる。
例えば、第１電極３２は不純物をドープしたシリコンとすることができ、絶縁体層３３はＳｉＯ₂膜とすることができ、透光性電極３４はＩＴＯ電極やスリット状の電極とすることができる。また、絶縁体層３３中の発光体３５は、例えば、ＳｉＯ₂膜にＧｅをイオン注入することにより形成することができる。

また、板状発光体５は、基板の少なくとも一方の面に、不純物を含む導体または不純物を含む半導体からなる第１電極３２と、透光性電極３４と、第１電極３２および透光性電極３４に挟まれた絶縁体層３３とを備え、第１電極３２は、イオン注入された原子を有し、前記原子は、絶縁体層３３と第１電極３２との界面から５００ｎｍ以内の第１電極３２中に濃度ピークを有するものであってもよい。このような構成によれば、第１電極３２と透光性電極３４との間に電圧を印加することにより、板状発光体５を発光させることができる。
また、第１電極３２にイオン注入された原子はＧｅを含むものを用いることにより、紫外線を発光させることができる。また、板状発光体５は、基板３１の両面に第１電極３２、絶縁体層３３、透光性電極３４を設けることができる。
例えば、第１電極３２は不純物をドープしたシリコンとすることができ、絶縁体層３３はＳｉＯ₂膜とすることができ、透光性電極３４はＩＴＯ電極やスリット状の電極とすることができる。また、イオン注入された原子を有する第１電極３２は、例えば、シリコン基板に直接または絶縁体層付きシリコン基板に、Ｇｅをイオン注入することにより形成することができる。

光触媒層６は、光触媒を含む層であり、受光することにより光触媒活性を有する。光触媒層６に含まれる光触媒は、例えば、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、ＷＯ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＳｒＴｉＯ₃、ＫＴａＯ₃、ＺｒＯ₂、ＧａＰ、ＢｉＶＯ₄、Ｂｉ₂ＭｏＯ₆、Ａｇ₃ＰＯ₄であり、また、これらの表面にＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｎおよびＳｎのうち少なくとも１つの金属が担持されたものであってもよい。光触媒層６に含まれる光触媒は、好ましくは酸化チタンである。
光触媒層６は、光触媒を含む薄膜であってもよく厚膜であってもよい。また、光触媒を含むフィルム、光触媒が担持されたガラスや繊維体などであってもよい。光触媒層６が光触媒を含む薄膜である場合、例えば、ＣＶＤ法やスパッタ法により形成することができ、光触媒層６が光触媒を含む厚膜である場合、例えば、微粒子状の光触媒を含むペースト、コーティング剤を板状発光体上に塗布、乾燥または焼成することにより形成することができる。

光触媒層６は、板状発光体５の少なくとも一方の面上に設けられる。このことにより、光触媒層６は、板状発光体５からの光を受光することができ、光触媒活性を有することができる。光触媒層６は、板状発光体５の一方の面上のみに設けられてもよく、図６〜９のように板状発光体５の両面上に設けられてもよい。光触媒層６が板状発光体５の一方の面上のみに設けられ、板状発光体５が導光板からなる場合、他方の面上には反射層２９が設けられてもよい。このことにより、反射層２９からの反射光を光触媒層６が受光することができ、光触媒層６の受光量を多くすることができる。また、図８のように、板状発光体５の一方の面上に反射層２９と光触媒層６とを積層してもよい。この場合、反射層２９が形成されていない面上の光触媒層６の受光量を多くすることができ、反射層２９の上に形成された光触媒層６が他の板状発光体５が発する光を受光することができる。このことにより、光触媒層が吸収しきれなかった光を他の光触媒層で吸収することで投入した光を無駄なく利用でき全体として光触媒能力が向上する。また、高い光触媒活性を有する部分と、低い光触媒活性を有する部分とを作ることができ、被処理水の流通に合わせてこれらの部分を形成することができる。

また、反射層２９と光触媒層６とが積層されている場合、反射層２９は導電性を有し、光触媒層６と電気的に接続してもよい。このことにより、反射層２９を導電板として用いることができ、光触媒層６が受光することにより生成する電子および正孔のうち、電子を反射層２９に引き付け、正孔は光触媒の表面でＯＨラジカルなどの活性種の生成に利用することができる。このことにより、光触媒が受光することにより生成した電子および正孔の再結合を抑制することができ、光触媒の表面における活性種の生成効率を向上させることができる。
また、反射層２９上に形成する光触媒層６は、光触媒が担持された透明導電膜であってもよい。このことにより、反射層２９と光触媒層６との間を電荷が容易に移動することができる。

また、光触媒層６が図９のような板状発光体５上に形成される場合、光触媒層６は、図１０のように透光性電極３４の上に直接形成されてもよい。このことにより、透光性電極３４に印加する電圧により、光触媒層６の光触媒活性を向上させることもできる。また、光触媒層６は、図１１のように透光性電極３４との間に透光性絶縁層３７を挟んで形成されてもよい。このことにより、光触媒層６が透光性電極３４に印加する電圧の影響を受けることを抑制することができ、光触媒層６の光触媒活性を安定させることができる。また、透光性絶縁層３７により、透光性電極などを保護することができる。
また、光触媒層６は、浄化部３内の流路１０の内壁を構成する。このことにより、流路１０を流通する被処理水を光触媒層６に接触させることができ、被処理水を浄化することができる。

３．浄化部、流路
浄化部３は、浄化槽１の内部に設けられ、複数の板状光触媒部材７および被処理水の流路１０を備え、光触媒層６が流路１０の内壁を構成する。このことにより、浄化槽１内の被処理水を光触媒層６の光触媒活性により浄化することができる。
また、浄化部３は、浄化槽１で浄化される被処理水が流通する曲折した流路１０を複数有することができ、光触媒層６がこの流路１０の内壁を構成する。この流路１０に被処理水を流通させることにより、被処理水を光触媒層６に効率よく接触させることができ、被処理水を浄化することができる。

光触媒による水の浄化効率を向上させるためには、活性種による酸化反応の反応速度を決めるボトルネックを解消することが重要である。反応速度は大まかには、ラジカルの発生速度と光触媒表面への被処理水の接触頻度のバランスによって決められる。ラジカルが発生するためには、光触媒表面へ照射光が入射して、電子―ホールペアが生成され、それらが光触媒表面でOH基を主とする反応物と反応してラジカルを発生させなければならない。この過程の中でのボトルネックは、電子−ホールペア対の生成頻度、すなわち照射光強度である。
一方、光触媒表面と被処理水の接触頻度は主に流速によって決められる。
従って、光触媒表面と被処理水の接触頻度が一定であるとすると、照射光強度が小さいときには、光触媒効率はラジカル発生速度律速となり、照射光強度が大きいときは、光触媒効率は被処理水の接触頻度律速となる。

浄化部３は、例えば、図１〜４のように、短冊形状の板状光触媒部材７を接合し管状とすることにより形成することができる。図１〜４に示した水浄化装置２７では、導光板からなる板状発光体５の両面上に光触媒層６が設けられた短冊形状の板状光触媒部材７を８枚組み合わせ八角形の断面を有する管状にしている。このよう管状にした複数の板状光触媒部材７を比較的大きい第１管状部８と比較的小さい第２管状部９を形成し、第２管状部９を第１管状部８の内部に配置し、浄化部３を設けている。また、導光板の側面にパルス光を照射する光源１４が設けられている。また、板状光触媒部材７を支持するための支持部材１１が設けられている。さらに、光源１４に電力を供給する電源回路１９を備えている。電源回路１９は、例えば、蓄電池を有することができる。また、電源回路１９は、光源１４をパルス発光させるように光源１４に供給する電力を制御する制御回路を備えることができる。
なお、図１〜４に示した水浄化装置２７では、短冊形状の板状光触媒部材７を組み合わせて第１または第２管状部８、９を設けているが、第１または第２管状部８、９は、それぞれ１つの部材として形成してもよい。つまり、管状の発光体の内面上および外面上に光触媒層６を設けることにより形成してもよい。

図１〜４に示した水浄化装置２７では、第２管状部９の内部、第１管状部８と第２管状部９との間、第１管状部８と浄化槽１との間がそれぞれ被処理水の流路１０となる。浄化部３がこのような構成を有することにより、流路１０の被処理水を光触媒活性を有する光触媒層６に接触させることができ、被処理水を浄化することができる。

また、板状光触媒部材７ａと７ｂとが流路１０を挟んで対向して設けられ、板状光触媒部材７ｂと７ｃとが流路１０を挟んで対向して設けられ、板状光触媒部材７ｃと７ｄとが流路１０を挟んで対向して設けられる。このことにより、板状光触媒部材７ｂの内側の光触媒層６は、板状光触媒部材７ｂが有する板状発光体５の発光を受光することができ、板状光触媒部材７ｃが有する板状発光体５の発光で、板状光触媒部材７ｃの光触媒層６を透過した光を受光することができる。他の対向して設けられた板状光触媒部材７でも同様である。このような場合、対向する板状光触媒部材７のうち一方に含まれる板状発光体５（第１板状発光体）と、他方に含まれる板状発光体５（第２板状発光体）とを同じ周波数のパルス光を発するように設け、第１板状発光体が発するパルス光の位相と第２板状発光体が発するパルス光の位相とが異なるように設けることができる。このことにより、第１板状発光体上の光触媒層６または第２板状発光体上の光触媒層６は、第１板状発光体が発するパルス光を受光しないときに第２板状発光体が発するパルス光を受光し、第２板状発光体が発するパルス光を受光しないときに第１板状発光体が発するパルス光を受光することができる。

例えば、第１板状発光体を光源Ａが発するパルス光により発光させ、第２板状発光体を光源Ｂが発するパルス光により発光させることができる。図１６は、このような場合の光源Ａの光量と、光源Ｂの光量と、第１および第２板状発光体からの光を受光する光触媒層６で発生する活性種の量との関係を示したグラフである。光源Ａと光源Ｂは、図１６の上図、中図のように同じ周波数の光を発するように設け、光源Ａが消灯しているときに光源Ｂを発光させ、光源Ｂが消灯しているときに光源Ａを発光させるように設けることができる。この場合、光触媒層６に存在する活性種（例えば、ＯＨラジカル）の量は、図１６の下図のようになる。光触媒層６が受光することにより発生する活性種の１つであるＯＨラジカルの寿命は、１μsec〜１ｍsec程度である。このため、第１板状発光体の発光または第２板状発光体の発光を光触媒層６が受光し始めると、時間の経過と共に光触媒層６に存在する活性種の量は増えていく。また、第１板状発光体の発光または第２板状発光体の発光を光触媒層６が受光しなくなると、光触媒層６の活性種の量は、徐々に少なくなる。光触媒層６において、このような活性種の量の変化が第１板状発光体の発光および第２板状発光体の発光の両方により生じるため、光触媒層６に存在する活性種の量は、ほぼ一定となる。このため、板状発光体が発する光をパルス光としても、光触媒層６の光触媒活性が低下することを抑制することができる。
また、活性種の寿命は１μsec〜１ｍsec程度であるため、板状発光体が発するパルス光は、１kHz以上１MHz以下であることが好ましい。

このように第１板状発光体と第２板状発光体を発光させる方法として、第１板状発光体が発するパルス光の位相を、第２板状発光体が発するパルス光の位相から実質的に１８０度ずれるように第１および第２板状発光体を発光させることが挙げられる。このことにより第１板状発光体が消灯または減灯しているときに第２板状発光体を発光させることができ、第２板状発光体が消灯または減灯しているときに第１板状発光体を発光させることができる。

ここまでは、対向する２つの板状光触媒部材７について説明したが、例えば、第１板状発光体を含む第１光触媒部材、第２板状発光体を含む第２光触媒部材、第３板状発光体を含む第３板状光触媒部材７を三角形に組むことにより、第１〜３板状発光体のそれぞれの発光を第１〜第３板状光触媒部材の光触媒層が受光できるように浄化部３を設けてもよい。この場合、第１〜第３板状発光体が同じ周波数のパルス光を発するように設け、第１〜第３板状発光体がそれぞれ異なる位相のパルス光を発するように設けることができる。このことにより、光源の消費電力を小さくすることができ、かつ、光触媒層６の光触媒活性が低下することを抑制することができる。例えば、第１板状発光体が発するパルス光の位相を第２板状発光体が発するパルス光の位相から実質的に１２０度ずれるようにし、第３板状発光体が発するパルス光の位相を第１および第２板状発光体が発するパルス光の位相から実質的に１２０度ずれるようにすることができる。

図１〜４に示した水浄化装置２７では、流路１０を流れる被処理水に乱流が生じるように被処理水を流通させることが好ましい。このことにより、光触媒層と被処理水との接触頻度を高くすることができ、被処理水を効率よく浄化することができる。被処理水を乱流させる方法として、レイノルズ数が高くなるように被処理水を流路１０を流通させることが挙げられる。

図１７は、図２の中央の流路１０であって、側壁の一辺の長さを１ｃｍとしたときの流量（Ｌ／min）と流速（μm／msec）との関係および流量（Ｌ／min）とレイノルズ数との関係を示した図である。
レイノルズ数は、式１で表現される。ここで、Uは平均流速、Lは代表長さ、νは動粘性である。
（式１）Re=UL/ν
一般的に、レイノルズ数が小さいとき、流路管の流れは層流となり、Re>2300程度になると流れは乱流となると言われている。
一辺の長さが1cmの正八角形の流路管で家庭用浄水器（吐出量：2L/min）を作製した場合、レイノルズ数は小さくて、流れは層流となり（図１７）、被処理水と光触媒板材の接触頻度は大きくないため、光触媒効率は被処理水の接触頻度律速となっている。
すなわち、こういう場合は、板状光触媒を明滅することによって、光源の省電力化が可能である。

また、浄化部３は、例えば、図６、８、９のような短冊形状の板状光触媒部材７を組み合わせることにより形成することができる。このことにより、内壁が光触媒層６で構成される流路１０を有する浄化部３を容易に形成することができ、流路１０の断面積を適切な大きさに形成することができる。
浄化部３は、縦方向に並列に間隔をおいて並べられた短冊形状の板状光触媒部材７と、横方向に並列に間隔をおいて並べられた短冊形状の板状光触媒部材７とが交互に積重された構造を有することができる。このことにより、並列に並べられた隣接する２つの板状光触媒部材７の間の空間を被処理水を流通させる流路１０とすることができ、縦方向に並べた板状光触媒部材７により形成される空間と横方向に並べた板状光触媒部材７により形成される空間とがつながった流路１０を形成することができる。このようにして形成された流路１０は、内壁が触媒層６を含み、曲折した流路を複数有し、複数の分岐点および複数の合流点を有する。また、板状光触媒部材７は、３層以上１００層以下に積重することができる。
板状光触媒部材７は、浄化槽１に固定されていてもよく、固定されていなくてもよい。また、並列に並べられた短冊形状の板状光触媒部材７は、その間隔が変化しないように連結されていてもよい。また、積重された各層の板状光触媒部材７は、連結していてもよく連結していなくてもよい。

また、浄化部３は、図７に示したような格子形状の板状光触媒部材７を積重して形成することもできる。このことにより、短冊形状の板状光触媒部材７を積重して形成した浄化部３と同様に内壁が光触媒層６で構成される流路１０を有する浄化部３を容易に形成することができ、流路１０の断面積を適切な大きさに形成することができる。

また、浄化部３は、板状光触媒部材７を積重した方向からの平面視において、板状光触媒部材７が隙間なく配置された構造を有してもよい。このことにより、浄化部３内に形成される流路１０を曲折したものとすることができ、流路１０を流れる被処理水が流路１０の内壁を構成する光触媒層６に接触しやすくなり、効率よく被処理水を浄化することができる。

浄化部３は、例えば、図１２に示した斜視図のように短冊形状の板状光触媒部材７を組み合わせることにより形成することができる。図１２において、最下層（第１層４５）の短冊形状の板状光触媒部材７は、ｘ方向に並列に間隔をおいて並べられ、その上のｚ方向に積重された層（第２層４６）の短冊形状の板状光触媒部材７は、ｙ方向に並列に間隔をおいて並べられている。その上のｚ方向に積重された層（第３層４７）の短冊形状の板状光触媒部材７は、ｘ方向に並列に間隔をおいて並べられる。この第３層４７の板状光触媒部材７は、第１層の板状光触媒部材７の間隔よりも広い幅を有し、ｚ方向からの平面視において、第１層の板状光触媒部材７の隙間を埋めるように並べられる。このことにより、浄化部３内の流路１０を曲折したものとすることができる。その上のｚ方向に積重された層（第４層４８）の短冊形状の板状光触媒部材７はｙ方向に並列に間隔をおいて並べられている。第４層４８の板状光触媒部材７は、ｚ方向からの平面視において、第２層４６の板状光触媒部材７の隙間を埋めるように並べることもできる。
第１層から第４層を繰り返し積層することにより、図１２のような浄化部３を形成することができる。なお、図５、図１４の断面図は、図１２のｘ−ｚ面の断面図に対応する。
また、浄化部３は、被処理水が図１２の最下層側から浄化部３に流入し、図１２の浄化部３の最上層側から流出するように設けることができる。

図１３は、浄化部３内に形成される流路１０を模式的に表した説明図である。図１３は、図１２のｘ−ｚ面の断面図に対応し、第２層４６、第４層４８が含まれない部分の断面図である。図１３の下側から浄化部３に流入した被処理水は、第１層４５の板状光触媒部材７の隙間を流れ、この流れは、第３層３７の板状光触媒部材７にぶつかり分岐し、隣接する第１層４５の板状光触媒部材７の隙間の流れが分岐した流れと合流し、第３層３７の板状光触媒部材７の隙間を流れる。このように流路１０は、分岐点と合流点を繰り返した流路とすることができ、被処理水が板状光触媒部材７に含まれる光触媒層６と接触しやすくできる。また、光触媒層６は、流路１０の内壁を構成することができる。

また、図１２、図１３のような浄化部３において、第１層４５の板状光触媒部材７（第１板状光触媒部材）とその４層上に積層された第１層４５の板状光触媒部材７（第２板状光触媒部材）とは、対向するように設けられる。このとき、第１板状光触媒部材に含まれる光触媒層６は、第２板状光触媒部材に含まれる板状発光体の発光を受光できるように設けることができる。このことにより、第１板状光触媒部材に含まれる光触媒層６が、第１板状光触媒部材に含まれる板状発光体からの発光、および第２板状光触媒部材に含まれる板状発光体からの発光の両方を受光することができ、光触媒層６の光触媒活性を高くすることができる。また、図８のように、板状発光体の一方の面上に第１光触媒層６が設けられ、他方の面上に反射層２９が設けられ、反射層２９の上に第２光触媒層６が設けられた板状光触媒部材７であっても、第２光触媒層６が対向して設けられた板状光触媒部材７に含まれる板状発光体５の発光を受光することができ、光触媒活性を有することができる。

浄化部３は、図１５に示したような浄化槽１の一部および板状光触媒部材７を含む浄化ユニット３９を、図１４のように積重することにより浄化部３を形成することができる。このことにより、積層する浄化ユニット３９の数を変えることにより浄化部３の浄化能を変更することができる。つまり要求される浄化能に応じて、水処理装置２７の浄化能を変えることができる。
水浄化装置２７は、図１２、図１３に示した浄化部３と同じように板状光触媒部７が組まれるように浄化ユニット３９を積重することにより形成することができる。つまり、図１２に示した第１層から第４層に対応する第１浄化ユニット、第２浄化ユニット、第３浄化ユニット、第４浄化ユニットを積重することにより図１３に示した流路１０と同じような流路１０を形成することができる。

４．気泡発生部、超音波発生部
気泡発生部２４は、浄化槽１で浄化される被処理水中に酸素またはオゾンを含む気泡を供給するように設けることができる。例えば、図５のように浄化槽１の流入口１７に気泡が供給された被処理水が流れるように気泡発生部２４を設けることができる。このことにより、被処理水中の溶存酸素量を多くすることができ、スーパーオキシドラジカルＯ^2-・の生成を促し、水素Ｈ₂の発生を抑制することができる。また、光触媒が受光することにより生じた電子と正孔の再結合を抑制することができ、光触媒層６の光触媒活性を高くすることができる。また、被処理水中の気泡により、板状発光体５の発光を散乱することができ、光触媒層６に影ができ光触媒活性が低下することを防止することができる。また、被処理水中に気泡が存在することにより、水流に乱流が顕著に発生し、攪拌装置なしに攪拌効果を有することができる。それにより光触媒表面に水が滞留することが抑制され、効率よく水が光触媒表面に供給されるため実効的な浄化効率（触媒効率）が向上する。また気泡の分解効果により、光触媒表面のゴミの付着、２つの板状光触媒部材７の隙間の目詰まりを抑制することができる。
また、気泡発生部２４は、マイクロ−ナノバブルを発生させるものであってもよい。このことにより、気泡が凝集し光触媒層６の表面に滞留することを防止することができる。

超音波発生部２５は、浄化部３に超音波を照射することができるように設けることができる。例えば、図５のように浄化槽１の外側に超音波発生部２５を設けることができる。浄化部３に超音波を照射することにより、光触媒表面の汚れ付着を防止することができ、また、流路の目詰まりを防止することができる。また、被処理水が光触媒近辺で滞留することを抑制することができる。
また、気泡発生部２４と超音波発生部２５の両方を設けた場合、超音波発生部２５が浄化部３に超音波を照射することにより、気泡発生部２４において発生させた気泡の凝集を抑制することができ、大きな気泡による水流の阻害を防止することができる。また、光触媒表面に気泡が付着、滞留することによる実効的な光触媒活性の低下を防止することができる。

１：浄化槽３：浄化部５：板状発光体６：光触媒層７：板状光触媒部材８：第１管状部９：第２管状部１０：流路１１：支持部材１２：透光性部材１４：光源１５：カバー部材１７：流入口１８：排水口１９：電源回路２０：導水管２１：配線２２：フィルター２４：気泡発生部２５：超音波発生部２７：水浄化装置２９：反射層３１：基板３２：第１電極３３：絶縁体層３４：透光性電極３５：発光体３７：透光性絶縁層３９：浄化ユニット４１：シール部材４３：接続部材４５：第１層４６：第２層４７：第３層４８：第４層

Claims

浄化槽と、前記浄化槽内に設けられた浄化部とを備え、
前記浄化部は、複数の板状光触媒部材と被処理水の流路を含み、
各板状光触媒部材は、パルス光を面発光する板状発光体と、前記板状発光体の少なくとも一方の面上に設けられ前記パルス光を受光する光触媒層を有し、
前記光触媒層は、前記流路の内壁を構成することを特徴とする水浄化装置。
前記板状発光体は、周波数が０．１kHz〜１MHzであるパルス光を発する請求項１に記載の水浄化装置。
前記複数の板状光触媒部材は、第１板状発光体を有する第１板状光触媒部材と、第２板状発光体を有する第２板状光触媒部材とを含み、
第１および第２板状発光体は、同じ周波数のパルス光を発し、
第１板状発光体は、第２板状発光体が発するパルス光の位相と異なる位相のパルス光を発する請求項１または２に記載の水浄化装置。
第１板状光触媒部材に含まれる光触媒層は、第１板状発光体が発するパルス光および第２板状発光体が発するパルス光を受光するように設けられた請求項３に記載の水浄化装置。
第１板状光触媒部材に含まれる光触媒層は、第１板状発光体が発するパルス光を受光しないときに第２板状発光体が発するパルス光を受光し、第２板状発光体が発するパルス光を受光しないときに第１板状発光体が発するパルス光を受光するように設けられた請求項４に記載の水浄化装置。
前記複数の板状光触媒部材は、第３板状発光体を有する第３板状光触媒部材を含み、
第１、第２および第３板状発光体は、同じ周波数のパルス光を発し、
第１板状発光体、第２板状発光体および第３板状発光体は、それぞれ異なる位相のパルス光を発する請求項３〜５のいずれか１つに記載の水浄化装置。
前記流路は、複数の分岐点および複数の合流点を有する請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
前記板状光触媒部材は、短冊形状または格子形状である請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置。
前記浄化部は、縦方向に並列に間隔をおいて並べられた短冊形状の前記板状光触媒部材と、横方向に並列に間隔をおいて並べられた短冊形状の前記板状光触媒部材とが交互に積重された構造を有する請求項１〜８のいずれか１つに記載の装置。
前記浄化部は、前記板状光触媒部材を積重した方向からの平面視において、前記板状光触媒部材が隙間なく配置された構造を有する請求項９に記載の装置。
前記光触媒層は、前記板状発光体の両面上にそれぞれ設けられた請求項１〜１０のいずれか１つに記載の装置。
前記板状発光体の側面に光を照射することができるように設けられた光源をさらに備え、
前記板状発光体は、導光板である請求項１〜１１のいずれか１つに記載の装置。
前記光源は、発光ダイオードを含む請求項１２に記載の装置。
前記光源に電力を供給する電源回路をさらに備え、
前記電源回路は、蓄電池を電源とする請求項１２または１３に記載の装置。
前記光触媒層は、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、ＷＯ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＳｒＴｉＯ₃、ＫＴａＯ₃、ＺｒＯ₂、ＧａＰ、ＢｉＶＯ₄、Ｂｉ₂ＭｏＯ₆およびＡｇ₃ＰＯ₄のうち少なくとも１つを含む請求項１〜１４のいずれか１つに記載の装置。
前記光触媒層は、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、ＩｎおよびＳｎのうち少なくとも１つの金属が担持された酸化チタンを含む請求項１〜１５のいずれか１つに記載の装置。