JP2014094340A - 光触媒体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
製造コストを軽減すると共に、被処理流体の圧力損失を少なくし、且つ、光触媒に対する衝突確率を向上させることにより、汚染流体の処理効率を向上させる。
【解決手段】
チタンシート（２）に、切込部位を曲げ加工して開口された流通口（５）と、当該流通口（５）を流通する被処理流体と衝突する位置に曲げ加工された衝突片（６）とを備えた多数の衝突流路を形成し、当該チタンシートの表面は粗面化されて、その表層に陽極酸化被膜（９）が形成され、さらにその表層に光触媒層（４）を形成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外線環境下で空気や水などの流体中に含まれる汚染物質を分解する光触媒体と、その製造方法に関する。

アナターゼ型の酸化チタンは光触媒として知られており、紫外線照射によりヒドロキシラジカル（・ＯＨ）などの活性種や正孔が生成し、これによって有機物が分解されるため、脱臭効果や殺菌効果が得られ、空気清浄機などに応用されている。

このような空気清浄機に使用される光触媒体として、円筒形金属メッシュの全表面に光触媒をコーティングさせたものが知られている（特許文献１参照）。
そして、この光触媒体の中心に紫外線ランプを配したものを空気流路中に置けば、汚染空気が光触媒体の金属メッシュを透過し、メッシュ表面にコーティングされた光触媒に接触するので、汚染空気中の有害周期成分を処理することができる。

しかしながら、光触媒となるアナターゼ型の酸化チタンを一般の金属メッシュや金属網目体にコーティングさせようとしても、酸化チタンは結合強度が弱く、担体となる金属表面に形成した酸化チタン膜が剥がれやすいため、製品寿命が短い。また、酸化チタン膜が剥がれた部分では、有害臭気成分を効率的に分解することができないという問題がある。

特に、表面積を増やすために細いワイヤを細かく編んだ金属メッシュを円筒に形成したものは、手で軽く握るだけで簡単に凹んでしまう程度に機械的強度が低いため、組み立てが困難なだけでなく、その外周面を握ることにより表面が撓んでしまうと、広範囲にわたって酸化チタン膜が簡単に剥がれ落ちてしまうという問題があった。

このため、本出願人らは、厚さ０.１〜０.３ｍｍ程度のチタンシートの片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施して表裏を貫通する多数の微細流路を形成して、当該チタンシートを非周期性海綿構造とし、その表面に陽極酸化処理を施して酸化チタンベースを形成し、当該酸化チタンベースにアナターゼ型酸化チタン粒子を焼き付けた触媒体を提案した（特許文献２参照）

これによれば、チタンシートに光触媒となるアナターゼ型酸化チタンを強固に担持させると共に剥がれを防止し、さらに、光触媒に接する機会を増大させて、光触媒による浄化処理効率を格段に向上させることができる。
また、図８（ａ）に示すように、チタンシート５１はエッチング処理により多数の微細流路５２が形成されて非周期性海綿構造を成し、その微細流路５２は、図８（ｂ）に示すＺ−Ｚ線断面図のように内壁５３がクランク状に形成された屈曲流路となっている。
そして、チタンシート５１の表面及び微細流路５２の内壁５３に陽極酸化処理が施されてアナターゼ型酸化チタン粒子を焼き付けられている。
このように、微細流路５２はその内壁がクランク状に形成されているので、微細流路５２を通過する汚染空気が内壁５３に衝突する衝突する確率が高くなる。

しかしながら、チタンシートを非周期性海綿構造とするために、その両面から非周期的パターンによるエッチング処理を施した場合、そのコストが嵩むという問題がある。
また、微細流路５２の流路長は、当然のことながらチタンシート５１の厚さ（０.１〜０.３ｍｍ）が限度であり、微細流路５２の開口径を厚さと同程度まで細く形成すれば、微細流路５２が屈曲流路として機能するため汚染空気の衝突確率が向上するが、圧力損失が増大して透過空気量が減少するため必ずしも処理効率が向上しないことが判明した。
これとは逆に、微細流路５２による開口径を厚さに比して十分大きくすれば、流路抵抗が減少して透過空気量が増大するが、素通りする空気流が増え微細流路５２が屈曲流路として機能しないため、汚染空気の衝突確率が減少し、処理効率を向上させることができない。

特開平１１−２７６５５８号公報 特開２０１１−１８３２４０号公報

そこで本発明は、製造コストが極めて安価で、圧力損失が少なく、且つ、光触媒に対する衝突確率を向上させることにより、汚染流体の処理効率を向上させることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、チタンシートの表面にアナターゼ型酸化チタン粒子が担持された光触媒層を備えた光触媒体において、前記チタンシートには、切込部位を曲げ加工して開口された流通口と、当該流通口を流通する被処理流体と衝突する位置に曲げ加工された前記切込部位で成る衝突片とを備えた多数の衝突流路が形成され、当該チタンシートの表面は粗面化されて、その表層に陽極酸化被膜が形成され、さらにその表層に前記光触媒層が形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、チタンシートに形成された多数の衝突流路が、切込部位を曲げ加工して開口された流通口と、当該流通口を流通する被処理流体と衝突する位置に曲げ加工された切込部位で成る衝突片とを備えた構成となっているので、各衝突流路は、流通口及び衝突片を個別に形成することなく、プレス成形により一工程で形成することができるので、エッチングにより流通口を形成する場合に比して格段にコストを軽減することができる。

また、チタンシートの表面に陽極酸化被膜が形成され、その表層に、アナターゼ型酸化チタン粒子が塗布焼成されて光触媒層が形成されている。
チタンシートの陽極酸化皮膜と光触媒層は、酸化チタン同士であるので、これらの結合性が極めて強く、光触媒層が剥がれ難い。
さらに、陽極酸化被膜は、粗面化されたチタンシートの表面に形成されているので、同様に粗面化されており、その表層に光触媒層を形成した場合の結合性はさらに高いものとなる。

このように構成された光触媒体に、汚染空気を流通させると、流通口のない部分に衝突した汚染空気は光触媒層に接触した後、チタンシートに沿って流通口に向けて流れが曲げられ、流通口に吹き付けられた汚染空気はそのまま流通口から衝突流路に流入する。
衝突流路には、被処理流体と衝突する位置に衝突片が曲げ加工されているので、汚染空気がそのまま衝突流路を素通りして反対側に透過することがなく、ほとんどが衝突片に衝突してその表面に形成された光触媒と接触する。
さらに、衝突流路の断面積を数ｍｍ^２〜１０ｍｍ^２と比較的大きくすることにより圧力損失を低下させても、衝突流路には衝突片が設けられているので、被処理流体と光触媒との衝突確率を高率に維持することができ、処理効率を向上させることができる。

本発明に係る光触媒体の一例を示す説明図。 その製造方法を示す説明図。 本発明に係る光触媒体を用いた空気清浄器を示す説明図。 本発明に係る光触媒体の作用を示す説明図。 本発明に係る光触媒体を用いた他の空気清浄機を示す説明図。 本発明に係る光触媒体の他の実施例を示す説明図。 本発明に係る光触媒体の他の実施例を示す説明図。 従来の光触媒体を示す模式断面図。

本発明は、製造コストを軽減し、被処理流体の圧力損失を少なくし、且つ、光触媒に対する衝突確率を向上させることにより、汚染流体の処理効率を向上させるという目的を達成するため、チタンシートに、切込部位を曲げ加工して開口された流通口と、当該流通口を流通する被処理流体と衝突する位置に起こされた前記切込部位で成る衝突片とを備えた多数の衝突流路が形成され、当該チタンシートの表面は粗面化されて、その表層に陽極酸化被膜が形成され、さらにその表層に前記光触媒層を形成した。

図１（ａ）は本発明に係る光触媒体１の正面図、図１（ｂ）はその縦断面図、図１（ｃ）は拡大斜視図、図１（ｄ）はＡ−Ａ線断面図であり、光触媒体１は、チタンシート２の表面にアナターゼ型酸化チタン粒子３が担持された光触媒層４を備えている。
チタンシート２には、切込部位を曲げ加工して開口された流通口５と、当該流通口５を流通する被処理流体と衝突する位置に曲げ加工された前記切込部位でなる衝突片６とを備えた多数の衝突流路７Ａ、７Ｂが、プレス成型により形成されている。

本例では、チタンシート２として厚さ０.１〜０.３ｍｍ程度のチタン箔が用いられると共に、直径３ｍｍ程度、中心角３１５°程度の円弧状の切込みが形成され、その切込みで囲まれた略円形の領域からなる切込部位が４５°程度曲げ加工されて、チタンシート２に流通口５が開口されると共に、曲げ加工された前記切込部位で衝突片６が形成され、この流通口５と衝突片６とで衝突流路７Ａ、７Ｂが形成されている。
これにより、チタンシート２の片側から反対側へ透過する被処理流体は、衝突流路７Ａ、７Ｂを通過する際に衝突片６に衝突されて、方向を変えながらチタンシート２の反対側へ透過されることになる。

この衝突流路７Ａは、衝突片６がチタンシート２の一方の面に突出するように曲げ加工され、衝突流路７Ｂは、衝突片６がチタンシート２の他方の面に突出するように曲げ加工されて、チタンシート２にこれらが混在して形成されている。
ただし、本発明ではこれに限らず、すべての衝突片６がチタンシート２の一方の面に突出するように曲げ加工される場合であってもよい。

また、チタンシート２の表面は、サンドブラストなどにより粗面化された凹凸面８となっており、その表層に陽極酸化被膜９が形成され、さらにその表層に、アナターゼ型酸化チタン粒子３が付着焼成された光触媒層４が形成されている。

以上が本発明に係る光触媒体１の構成例であり、次に製造方法について説明する。
図２はその製造方法を示す説明図であり、図２（ａ）に示す粗面処理工程Ｐ１と、図２（ｂ）及び（ｃ）に示すプレス成形工程Ｐ２と、図２（ｄ）及び（ｅ）に示す陽極酸化処理工程Ｐ３と、図２（ｆ）及び（ｇ）に示す光触媒層形成工程Ｐ４からなる。

粗面処理工程Ｐ１では、厚さ０.１〜０.３ｍｍ程度のチタンシート２の表裏両面にサンドブラスト処理を施してその表面を粗面化する。

プレス成形工程Ｐ２では、形成する衝突流路の形状に応じた切曲パンチ１１とダイプレート１２を用い、粗面処理工程Ｐ１が終了したチタンシート２をダイプレート１２上に載せ、切曲パンチ１１を降下させて切曲加工を行う。
チタンシート２は、切曲パンチ１１によりダイプレート１２の凹部１３に押し込まれて円弧状の切込みが形成され、さらにパンチ１１が降下されると、その切込みに囲まれた略円形の切込部位が凹部１３内に設けられたノックアウト１４との間に挟まれて切残し部分から４５°に折り曲げられるので、一工程で、切込部位に流通口５と衝突片６が形成され、これにより、衝突流路７Ａ、７Ｂが形成される。

流通口５は、チタンシート２の面内に開口され、衝突片６は、その流通口５を通ってチタンシート２を直角に貫通する直線を横切るように曲げ加工されている。
これにより、衝突片６は、流通口５を流通する被処理流体と衝突する位置に配されることになり、流通口５側から衝突片６側に向かって流れる被処理流体は、衝突片６に衝突してその周囲からチタンシート２の反対面側に拡散され、衝突片６側から流通口５側に向かって流れる被処理流体は、衝突片６に衝突してこれを回り込むように流れて流通口５からチタンシート２の反対面側に透過される。

陽極酸化処理Ｐ３では、リン酸浴（例えばリン酸３％水溶液）Ｂ中で、陽極となるチタンシート２と陰極Ｃとの間に所定電圧を印加して行われ、その結果、チタンシート２の表面が酸化されて陽極酸化皮膜が形成される。
このとき、酸化皮膜は、チタンシート２の表裏両面だけでなく、衝突片６の表面や切断端面などリン酸浴に曝されている全表面に形成される。
その後、このチタンシート２を電気炉Ｈにより、大気存在下で５５０℃、３時間加熱する加熱処理を施す。

光触媒層形成工程Ｐ４は、表面に陽極酸化被膜９が形成されたチタンシート２を、アナターゼ型酸化チタン粒子３を分散したスラリーＳ中にディッピングして付着させた後、これを電気炉Ｈで５５０℃で焼成すると、チタンシート２及び衝突片６の表裏両面に光触媒層４が形成される。
陽極酸化被膜９と光触媒層４は、酸化チタン同士が結合することになるので、その結合性が極めて強くなり、その結果、光触媒層４が剥がれ難くなる。

さらに、サンドブラストなどの粗面処理Ｐ１を施しているので、陽極酸化皮膜９も凹凸状に形成され、光触媒層４がより強固に結合するだけでなく、表面積が増え、処理効率が格段に向上する。
また、ＵＶ光を照射したときに光触媒層５の表面及び酸化チタンベース３との界面で乱反射／光散乱が起き、ＵＶ光を効率よく利用できる。
さらにまた、チタンシートを使用したことで光触媒体自体を軽量に形成することができることから設計の自由度が大きくなり、耐熱性、耐薬品にも優れるため、過酷な使用条件の下でも使用に耐え得る。

以上が本発明に係る光触媒体の構成及び製造方法であり、次にその作用を図３及び図４に基づいて説明する。
図３は光触媒体１を用いた空気清浄器１５を示し、両端に流入口１６in及び流出口１６outが形成された角筒状のチャンバ１６内に、紫外線ランプ１７が平行に複数本配されると共に、その前後に一対の光触媒体１、１が配されており、流入口１６inには大きな塵埃を除去するフィルタ１８が配され、流出口１６outにはファン１９が配され、このファン１９により、チャンバ１６内を流入口１６inから流出口１６outに向かう強制対流が形成される。

図４は、この光触媒体１を透過する汚染空気の流線モデルである。
衝突片６が、チタンシート２の両面に突出している場合、衝突片６がチタンシート２の背面側に突出された衝突流路７Ａの近傍に吹き付けられる流れＦＡと、衝突片６がチタンシート２の正面側に突出された衝突流路７Ｂの近傍に吹き付けられる流れＦＢが形成される。

流れＦＡのうちチタンシート２の正面側から衝突流路７Ａの流通口５に流入された汚染空気は、そのほとんどが衝突片６に衝突された後、衝突片６の傾きに沿って流れ、略円形の衝突片６の周囲から拡散するようにチタンシート２の背面側へ透過される。
また、流れＦＡのうちチタンシート２に衝突した汚染空気は、チタンシート２の表面に沿って流れ、衝突流路７Ａの流通口５に流入して、同様に、チタンシート２の背面側に透過される。

流れＦＢのうちチタンシート２の正面側から衝突流路７Ｂの衝突片６に衝突した汚染空気は、衝突片６の斜面及びチタンシート２の正面に沿って流れ、隣接する衝突流路７Ａの流通口５に流入される。
また、流れＦＢのうちチタンシート２に衝突した汚染空気は、チタンシート２の表面に沿って流れ、衝突片６に衝突して衝突流路７Ｂの流通口５に向かうように流れの方向が変えられて、チタンシート２の背面側に透過される。
そして、流通口５及び衝突片６の縁を流れる汚染空気は、これらを通過する際にその背面側に流れが巻き込まれて乱れ、あるいは、渦が形成されるので、その流れの乱れ等によりチタンシート２の背面側に再度衝突される。

このように、流れＦＡ及びＦＢとも、ほとんどがチタンシート２及び衝突片６の一方又は双方に衝突しながら正面側から背面側に透過され、場合によっては流れに乱れにより背面側に再度衝突されるので、光触媒層４に確実に接触される。
また、いずれにも衝突することなく光触媒体１を透過する空気流は極めて少ないので、圧力損失が低いにもかかわらず、処理効率が極めて高いというメリットがある。

なお空気清浄器１５は、図５に示すように、光触媒体１を円筒状に巻回させ、その中央に紫外線ランプ１７を配するようにしてもよい。

図６は本発明の他の実施形態を示し、図６（ａ）は本発明に係る光触媒体２１の正面図、図６（ｂ）はその縦断面図、図６（ｃ）は拡大斜視図、図６（ｄ）はＸ−Ｘ線断面図である。なお、図１と重複する部分については、同一符号を付して詳細説明を省略する。
本例の光触媒体２１は、チタンシート２として厚さ０.１〜０.３ｍｍ程度のチタン箔が用いられると共に、長さ３〜５ｍｍ程度の直線状の切込みを長辺とする長方形エリアでなる切込部位がルーバー状に曲げ加工されて、チタンシート２に流通口２２が開口されると共に、曲げ加工された前記切込部位で衝突片２３が形成され、この流通口２２と衝突片２３とで衝突流路７Ａ、７Ｂが形成されている。
これにより、チタンシート２の片側から反対側へ透過する被処理流体は、衝突流路７Ａ、７Ｂを通過する際に衝突片２３に衝突されて、方向を変えながらチタンシート２の反対側へ透過されることになる。

この衝突流路７Ａは、衝突片２３がチタンシート２の一方の面に突出するように曲げ加工され、衝突流路７Ｂは、衝突片２３がチタンシート２の他方の面に突出するように曲げ加工されて、チタンシート２にこれらが混在して形成されている。

なお、チタンシート２の表面は、サンドブラストなどにより粗面化された凹凸面８が形成され、その表層に陽極酸化被膜９が形成され、さらにその表層にアナターゼ型酸化チタン粒子３が付着焼成された光触媒層４が形成されている点は、実施例１と同様である。
また、光触媒体２１の製造方法も、プレス成形工程Ｐ２で用いる切曲パンチ１１とダイプレート１２を、ルーバー状の衝突片２３の形状に応じたものとすれば足り、それ以外は実施例１と同様であり、また、作用効果についても同様である。

図７は本発明の他の実施形態を示し、図７（ａ）は本発明に係る光触媒体３１の斜視図、図７（ｂ）はその縦断面図、図７（ｃ）はＹ−Ｙ線断面図である。なお、図１と重複する部分については、同一符号を付して詳細説明を省略する。
本例の光触媒体３１は、チタンシート２として厚さ０.１〜０.３ｍｍ程度のチタン箔が用いられると共に、長さ３ｍｍ程度の直線状の切込みを底辺とする三角形エリアでなる切込部位が三角錘状に曲げ加工されて、チタンシート２に三角形状の流通口３２が開口されると共に、三角錘状に曲げ加工された前記切込部位で衝突片３３が形成され、この流通口３２と衝突片３３とで衝突流路７Ａ、７Ｂが形成されている。
これにより、チタンシート２の片側から反対側へ透過する被処理流体は、衝突流路７Ａ、７Ｂを通過する際に衝突片３３に衝突されて、方向を変えながらチタンシート２の反対側へ透過されることになる。

衝突流路７Ａは、衝突片３３がチタンシート２の一方の面に突出するように曲げ加工され、衝突流路７Ｂは、衝突片３３がチタンシート２の他方の面に突出するように曲げ加工されて、チタンシート２にこれらが混在して形成されている。

なお、チタンシート２の表面には、サンドブラストなどにより粗面化された凹凸面８が形成され、その表層に陽極酸化被膜９が形成され、さらにその表層にアナターゼ型酸化チタン粒子３が付着焼成された光触媒層４が形成されている点は、実施例１と同様である。
また、光触媒体３１の製造方法も、プレス成形工程Ｐ２で用いる切曲パンチ１１とダイプレート１２を、略三角錘形状の衝突片３３に応じたものとすれば足り、それ以外は実施例１と同様であり、また、作用効果についても同様である。

本発明の衝突流路７Ａ、７Ｂは、上記各実施例で例示した形状に限らず、プレス成形により切曲加工し得るものであれば、その形状は問わない。

本発明は、紫外線環境下で空気や水に含まれる汚染物質を分解する光触媒体に用いて好適である。

１ 光触媒体
２ チタンシート
３ アナターゼ型酸化チタン粒子
４ 光触媒層
５ 流通口
６ 衝突片
７Ａ、７Ｂ 衝突流路
８ 凹凸面
９ 陽極酸化被膜

Claims (6)

1. 触媒体
   チタンシートの表面にアナターゼ型酸化チタン粒子が担持された光触媒層を備えた光触媒体において、
   前記チタンシートには、切込部位を曲げ加工して開口された流通口と、当該流通口を流通する被処理流体と衝突する位置に起こされた前記切込部位で成る衝突片とを備えた多数の衝突流路が形成され、
   当該チタンシートの表面は粗面化されて、その表層に陽極酸化被膜が形成され、さらにその表層に前記光触媒層が形成されたことを特徴とする光触媒体。
2. 前記チタンシートには、前記衝突片が当該チタンシートの一方の面に突出するように曲げ加工された衝突流路と、前記衝突片が当該チタンシートの他方の面に突出するように曲げ加工された衝突流路が混在して形成された請求項１記載の光触媒体。
3. 前記チタンシートの表面がサンドブラスト処理により粗面化された請求項１記載の光触媒体。
4. チタンシートの表面にアナターゼ型酸化チタン粒子が担持された光触媒層を備えた光触媒体の製造方法において、
   前記チタンシートに、切込部位を曲げ加工して開口された流通口と、当該流通口を流通する被処理流体と衝突する位置まで曲げ加工された衝突片とを備えた多数の衝突流路を形成するプレス成形工程と、
   当該プレス成形工程の前工程又は後工程として、前記チタンシートの表面を粗面化する粗面処理工程と、
   前記プレス成形工程及び粗面処理工程が終了したチタンシートの表層に陽極酸化被膜を形成する陽極酸化処理工程と、
   前記陽極酸化被膜の表層にアナターゼ型酸化チタン粒子を付着させ焼成して光触媒層を形成する光触媒層形成工程を含むことを特徴とする光触媒体の製造方法。
5. 前記プレス成形工程で、前記衝突片が前記チタンシートの一方の面に突出するように曲げ加工された衝突流路と、前記衝突片が前記チタンシートの他方の面に突出するように曲げ加工された衝突流路を混在して形成する請求項４記載の光触媒体の製造方法。
6. 前記粗面処理工程で、サンドブラスト処理が施される請求項４記載の光触媒体の製造方法。
   
   

Images