JP2014500797A

JP2014500797A - 光触媒反応装置

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Publication number: JP2014500797A
Application number: JP2013543096A
Authority: JP
Inventors: イル，ジョン−ヒョップ; ユン，ヒョン−ジン; ミンジェイ，デイヴィッド; ユン，ソン−ジン
Original assignee: SNU R&DB Foundation
Current assignee: SNU R&DB Foundation
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: WO2012077969A3; WO2012077969A2; KR20120063171A; WO2012077969A9; JP5841164B2

Abstract

本発明による光触媒反応装置は、紫外線を放出する紫外線光源、前記紫外線光源の周辺を囲むように設置され、光触媒が塗布された不織布を含み、前記紫外線光源と前記不織布との間に形成され、汚染された流体が進行されて光触媒反応によって浄化作用が行われる反応流路が形成されることを特徴とする。

Description

本発明は光触媒反応装置に関するものであり、更に詳しくは、光触媒反応を誘発する光源とそれに反応する光触媒反応器を具備して殺菌、消毒及び悪臭の除去を行うように構成された光触媒反応装置に関するものである。

光触媒とは触媒の一つであって、触媒反応が光エネルギーを受けて起こることをいう。殺菌、消毒及び悪臭の除去を行うように構成された光触媒反応装置には、通常光触媒として二酸化チタン（ＴｉＯ_２）が多く使用されており、光源としては紫外線（ＵＶ）光源多く使用されている。

光源の光エネルギーが光触媒に伝達されて光触媒反応が起こると、強い殺菌力を有する酸化物が発生して殺菌、消毒及び悪臭の除去が可能となる。よって、このような光触媒反応装置内で光触媒反応が起こる状態で汚染物質を含む水や空気を注入すると殺菌、消毒及び悪臭除去の効果が得られる。

特許文献１（以下、「従来技術」と称する）には、このような光触媒反応装置が開示されている。従来技術による光触媒反応装置は、石英管で形成されて光触媒が充填された上昇管２１、前記上昇管２１の下端部に具備された多孔性分散板２３、前記多孔性分散板２３の最末端に具備された反応気体注入部２８、前記上昇管２１の上端部位と連結されたサイクロン２６、前記サイクロン２６の下端部に具備された下降管２５、前記多孔性分散板２３に連結され、前記下降管２５の末端に具備されたループ−シール状の再循環設備、前記サイクロン２６及び上昇管２１の最上端部に具備された反応気体排出部２７及び前記上昇管２１の外部に具備された紫外線ランプ２２を含む。

しかし、従来技術に光触媒反応装置は上昇管２１の内部に光触媒が充填されるため殺菌、消毒能力に比べ光触媒装置に必要な光触媒剤の量が多くなり、光触媒剤が反応気体と一緒に循環するため殺菌消毒能力が均一ではなくなる可能性がある問題点があった。

大韓民国登録特許第０４６３７１３号

本発明は上述したような問題点を解決しようとするものであって、本発明の課題は光触媒を光触媒反応装置の内壁に固定し、少ない光触媒剤を使用しながらも均一で高い殺菌、消毒能力を有するようにした光触媒反応装置を提供するものである。

前記ような本発明の課題を解決するために、本発明による光触媒反応装置は、紫外線を放出する紫外線光源、前記紫外線光源の周辺を囲むように設置され、光触媒が塗布された不織布を含み、前記紫外線光源と前記不織布との間に形成され、汚染された流体が進行されて光触媒反応によって浄化作用が行われる反応流路が形成されることを特徴とする。

また、本発明による光触媒反応装置は、前記紫外線光源は円筒状に形成され、前記光触媒が塗布された不織布も前記紫外線光源の外側に円筒状のシート状に形成されることを特徴とする。

また、本発明による光触媒反応装置は、前記紫外線光源が設置される上部ハウジングと、前記上部ハウジングと結合され、前記不織布が設置される下部ハウジングを含むことを特徴とする。

また、本発明による光触媒反応装置は、前記上部ハウジングと前記下部ハウジングは密着手段によって密着結合されることを特徴とする。

また、本発明による光触媒反応装置は、前記下部ハウジングには汚染された反応流体が注入口を介して流入される注入部が形成され、前記反応流路は前記上部ハウジングの外壁と前記下部ハウジングの内壁との間に形成され、前記上部ハウジングには浄化された流体が排出される排出口が形成されることを特徴とする。

また、本発明による光触媒反応装置は、前記注入口と前記注入部が垂直に配置され、前記注入口を介して入ってくる汚染された反応流体の経路が注入部で垂直に曲がって前記反応流路に移動するとき乱流が形成されるようにすることを特徴とする。

また、本発明による光触媒反応装置は、前記注入口は前記注入部から下側に傾斜して配置され、前記注入口を介して入ってくる汚染された反応流体の経路が注入部で曲がって前記反応流路に移動するとき乱流が形成されるようにすることを特徴とする。

また、本発明による光触媒反応装置は、前記注入口の注入方向は前記注入部の中心から所定間隔離隔するように形成され、前記注入口を介して入ってくる汚染された反応流体の経路が前記注入部の内部で螺旋形をなすようにすることで乱流が形成されるようにすることを特徴とする。

また、本発明による光触媒反応装置は、前記注入口は前記注入部の両側面にそれぞれ一つずつ設置されることを特徴とする。

また、別の本発明による光触媒反応装置は、紫外線を放出する紫外線光源と、前記紫外線光源の周辺を囲むように設置され、光触媒が塗布された不織布と、上部に開口が形成され、前記光触媒の塗布された不織布が内壁に設置され、汚染された反応流体が注入口を介して注入される注入部を含む下部ハウジングと、前記下部ハウジングの内部に挿入され、前記紫外線光源が設置される光源保護部を含み、浄化された流体が排出流路を介して外部に排出されるように排出口が形成される上部ハウジングと、を含み、前記紫外線光源と前記不織布との間に形成され、汚染された流体が進行されて光触媒反応によって浄化作用が行われる反応流路が形成されることを特徴とする。

上記のような本発明による光触媒反応装置によると、不織布組織の間に光触媒剤が塗布されて固定されるため、狭い空間で高い光触媒反応効率が得られる効果がある。

また、注入口が反応流路内で乱流を形成するに適合するように形成されるため、光触媒反応の反応率が高くなる効果がある。

本発明の第１実施例による光触媒反応装置の正面を示す部分断面図である。本発明の第１実施例による光触媒反応装置の側面を示す部分断面図である。本発明の第１実施例による光触媒反応装置の下部ハウジングの正面を示す部分断面図である。本発明の第１実施例による光触媒反応装置の下部ハウジングの側面を示す部分断面図である。本発明の第１実施例による光触媒反応装置の下部ハウジングを示す断面図であって、図３のＡ−Ａ線に沿ったものである。本発明の第１実施例による光触媒反応装置の上部ハウジングの正面を示す部分断面図である。本発明の第１実施例による光触媒反応装置の上部ハウジングの側面を示す部分断面図である。本発明の第２実施例による光触媒反応装置の下部ハウジングを示す正面図である。本発明の第２実施例による光触媒反応装置の下部ハウジングを示す側面図である。本発明の第２実施例による光触媒反応装置の下部ハウジングを示す断面図であって、図８のＢ−Ｂ線に沿ったものである。本発明の第３実施例による光触媒反応装置の下部ハウジングを示す正面図である。本発明の第３実施例による光触媒反応装置の下部ハウジングを示す側面図である。本発明の第３実施例による光触媒反応装置の下部ハウジングを示す断面図であって、図１１のＣ−Ｃ線に沿ったものである。本発明による光触媒反応装置の光触媒が塗布された不織布を示す拡大写真である。本発明による光触媒反応装置の反応気体の流用による反応結果を示す比較実験資料である。本発明による光触媒反応装置の安定性をテストした結果である。

以下では、添付した図面を参照して本発明による光触媒反応装置の好ましい実施例を詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施例による光触媒反応装置の正面を示す部分断面図であり、図２は本発明の第１実施例による光触媒反応装置の側面を示す部分断面図である。

図１及び図２を参照すると、本発明による光触媒反応装置は上部ハウジング３０と下部ハウジング２０を含む。

上部ハウジング３０と下部ハウジング２０は、光が透過するようにガラス材質を選択することが好ましい。上部ハウジング３０と下部ハウジング２０は全体的におおよそ円筒状を有する。下部ハウジング２０の上部は上部ハウジング３０より直径が大きい。それゆえに、上部ハウジング３０が下部ハウジング２０の内部に差し込まれるように設置される。このように差し込まれた状態で固定されるように上部ハウジング３０と下部ハウジング２０の両側面には密着手段５が設置される。

上部ハウジング３０の外面と下部ハウジング２０の内面との間には反応流路１０が形成され、この反応流路１０の中で光触媒反応が起こる。

図３及び図４は本発明の第１実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０を示す部分断面図であって、図３は正面を、図４は側面を示す図である。図５は本発明の第１実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０を示す断面図であって、図３のＡ−Ａ線に沿ったものである。

図３乃至図５を参照すると、本発明による光触媒反応装置の下部ハウジング２０には上部に下側密着部２５が形成される。下側密着部２５は上部ハウジング３０と密着される部位であって、上側に行くほど直径が広くなるように形成される。下側密着部２５の上端には挿入口２７が形成され、上部ハウジング３０がこの挿入口２７を介して下部ハウジング２０の内部に挿入される。
下側密着部２５の下には下部ハウジング２０の両側面に下側かかり部２６が形成される。下側かかり部２６には下部ハウジング２０の外側に突出されて上部ハウジング３０と下部ハウジング２０を固定する密着手段５の下端が下側かかり部２６にかかるようになる。それによって上部ハウジング３０の外面と下部ハウジング２０の内面が密着するようになり、その間にある流路の気密が維持される。

下側かかり部２６の下部には反応部２３が形成される。反応部２３は内部空間が形成される円筒状を有する。この反応部２３の内部で汚染流体が反応する。
反応部２３の下部には注入部２１が形成される。注入部２１の一側面には注入口２２が形成される。注入部２１は内部に区間が形成されるおおよそ円筒状を有し、側面に注入口２２が形成される。注入口２２は長い管路状を有し、注入部２１と一体に形成される。この注入口２２を介して汚染流体が下部ハウジング２０の内部に流入される。注入部２１と反応部２３との間には凹部２４が形成される。凹部２４は下部ハウジング２０の側壁が内側に凹んだ形状を有するよう、側壁の周縁に沿って形成される。

注入部２１の下部には排水口２９が設けられ、この排水口２９に排水弁２８が設置される。排水口２９は反応によって発生した水又はその他の液体を外部に排出するためのものである。注入部２１の下側に液体を溜めてから排水弁２８を開けて一時に排出するように構成される。排水口２９は注入部２１の下側に延長され、注入部２１と一体に形成される。

図６及び図７は本発明の第１実施例による光触媒反応装置の上部ハウジング３０を示す部分断面図であって、図６は正面を、図７は側面を示す図である。

図６及び図７を参照すると、本発明による光触媒反応装置は下部に光源保護部３１が形成される。

光源保護部３１の下部は塞がっており、外形は円筒状を成す。内部には光源が設置されるように円筒状の空間が形成される。光源保護部３１は紫外線が通過するようにガラスや石英材質を使用してもよい。
光源保護部３１の上側は紫外線光源１が光源保護部３１の内部に入るように開口３７が形成され、上側に行くほど直径が広くなるように形成されて容易に紫外線光源１を設置されるように形成される。光源保護部３１の上部側面には上側かかり部３９が形成される。上側かかり部２９には密着手段５の上端がかかり、下側かかり部２６には密着手段５の下端がかかって密着手段５の張力によって上部ハウジング３０と下部ハウジング２０が密着する。

光源保護部３１の上部外側にはスカート部３３が形成される。光源保護部３１の外面から突出されて下側に延長されるスカート部３３の内部には排出流路３４が形成される。排出流路３４はスカート部３３の内面と光源保護部３１の外面との間に形成される。スカート部３３の一側面には外側に排出口３５が形成されて排出流路３４と連結される。よって、排出流路３４に入った流体が排出口３５から出るように形成される。

図１乃至図７を参照すると、本発明による光触媒反応装置は下部ハウジングの挿入口２７に上部ハウジング３０の光源保護部３１が挿入設置される。この状態で密着手段５を上側かかり部３９と下側かかり部２６に設置すると、上部ハウジング３０と下部ハウジング２０が密着する。

また、図２及び図１４に示したように、下部ハウジング２０の反応部２３の内面には支持台７と光触媒が塗布された不織布６が設置される。不織布６は円筒状に形成され、不織布６にスプレー型の光触媒を塗布して光触媒が不織布６の組織の間にもれなく分布されるようにする。支持台７は金属材質で形成され、不織布６を堅固に支持するためのものである。支持台７は不織布６より直径が微細に大きく、不織布６の外面が支持台７に接着固定される。

このように、不織布６と支持台７が設置された反応部２３の内側面と光源保護部３１の外面との間には流体が流通される反応流路１０が形成される。この反応流路１０は上部の排出流路３４と連通され、下部の注入部２１と連通される。よって、注入口２２を介して注入部２１に汚染された反応流体が入ってくると、反応流路１０と排出流路３４を通過し、排出口３５を介して外部に排出される。

紫外線光源１を作動し、反応流体を汚染物質を含む空気（水分を含む）にして注入口２２を介して注入すると、反応流路１０の内部で光触媒反応が起こって殺菌、消毒、悪臭の除去が行われ、排出口３５から浄化された空気が排出される。

この際、注入部２１、反応流路１０は垂直に形成される一方、注入口２２は水平に形成される。よって、注入口２２は注入部２１及び反応流路１０と直交に配置されるため反応流体に乱流が形成される。このように乱流が形成された状態で凹部２４を通過しながら更に乱流が強くなり、この状態で不織布６周辺を通過するため、層流が完全に乱流に変化する。反応流体は反応流路１０を通過しながら光触媒反応によって殺菌、消毒、悪臭の除去が行われるが、反応流路１０内部で反応流体が完全に乱流になるため、反応物と光触媒との接触確率が増加し、それによって不織布６の表面に塗布された光触媒との反応が層流である場合より活性化される。また、光源保護部３１と反応部２３との間の狭い空間に反応流路１０が形成されるため、不織布６を成す繊維の間に反応流体が浸透して接触面積が増加し、それによって反応装置の性能が向上される。

図８は、本発明の第２実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０を示す正面図である。図９は、本発明の第２実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０を示す側面図である。図１０は、本発明の第２実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０を示す断面図であって、図８のＢ−Ｂ線に沿ったものである。

図８乃至図１０を参照すると、本発明の第２実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０は注入口４１が注入部２１と第１実施例のように直交するのではなく、注入口４１が下側に傾斜して形成され、注入口４１の中心軸と注入部２１の中心軸が直交せずに離隔するように形成される。よって、注入口４１を介して注入される反応流体は螺旋形の経路を成して上側に進行する。反応流体が上側方向に進行するようになるため、反応流体が注入口４１及び反応部２３に進入する速度が増加する。また、反応流体の経路が螺旋形を成すため、遠心力によって外側の不織布６の方に圧力を受けるようになって乱流形成が更に容易である。よって、光触媒反応装置の効率が向上される。

図１１は、本発明の第３実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０を示す正面図である。図１２は、本発明の第３実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０を示す側面図である。図１３は、本発明の第３実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０を示す断面図であって、図１１のＣ−Ｃ線に沿ったものである。

図１１乃至図１３を参照すると、本発明の第３実施例による光触媒反応装置の下部ハウジング２０には注入部２１に注入口４２，４３が２つ形成される。２つの注入口４２，４３は互いに反対側に平行して形成され、２つの注入口４２，４３の中心軸は注入部２１の中心軸と離隔される。また、２つの注入口４２，４３は注入部２１から下側に傾斜して形成される。よって、２つの注入口４２，４３を介して反応流体が注入部２１に入ってくると、反応流体が注入部２１の内部で混合されて螺旋形の経路に沿って上側に移送され、この過程で反応流体に乱流が形成されて反応流路１０内部での反応効果が向上される。
本発明による光触媒反応装置は、不均一状の光触媒（二酸化チタン、ＴｉＯ_２）を不織布６に塗布して反応流路１０の内部に設置し、流体の挙動を反応部２３の内壁の方に最大に誘導すると同時に反応流体を乱流に形成させ、反応流体内の反応物に対する光触媒酸化反応の効率を向上させたものである。
また、円筒状を成す紫外線光源１の外側を囲むように光触媒が塗布された不織布６が設置されるため、紫外線光源１を照査された光触媒の酸化反応が反応部２３全域にわたってむらなく起こる。

図１５は本発明による光触媒反応装置の反応気体の流用による反応結果を示す比較実験資料であり、図１６は本発明による光触媒反応装置の安定性をテストした結果である。

図１５には、Ｘ軸の反応流体の流量によるＹ軸の反応流体内の反応物質の分解率が示されている。図１５において、第１グラフは不織布６ではない一般的な金属材質の滑らかな支持台に光触媒が塗布された場合であり（（１）ＳＴＳ−ｐｌａｉｎ）、第２グラフは不織布６に光触媒が塗布された場合を示すグラフであり（（２）Ｆｅｌｔ−ｐｌａｉｎ）、第３グラフは不織布６に光触媒が塗布された場合であって（（３）Ｆｅｌｔ−ｓｉｎｇｌｅｔａｎｇｅｎｔ）、第２実施例による接線方向に注入口４１が形成された光触媒反応装置を適用した場合である。

図１５に示したように、流量が増加するほど流体が有する運動エネルギーが増加するため乱流の形成に役に立つ。よって、流量が増加するほど反応性が高くなる。しかし、流路が一定範囲を超えて更に増加する場合にはかえって反応性が減少する。これは、反応流体が反応部２３の内部に留まる時間が減るようになって、反応流体と光触媒が接触する確率が低くなるためである。

この実験を適用した装置にでは、汚染された反応流体を分当たり５リットルで注入したとき最も反応率が高く、それ以上の流量では反応率が減少していた。
また、不織布６に光触媒を適用した第２グラフが不織布６ではない一般的な滑らかな金属に光触媒を塗布適用した第１グラブの場合より反応性が甚だしく高いことが分かり、第１実施例による垂直な注入口２２を提供した場合を示す第２グラフより第２実施例による接線方向に注入される注入口４１を適用した場合を示す第３グラフの反応性が高いことが分かった。

図１６には、本発明の第２実施例による光触媒反応装置を使用した安定性テストの結果を示すグラフが示されている。図１６を参照すると、光触媒反応装置を数日間持続的に稼動しても時間が経つほど反応率が落ちないことが分かる。光触媒を不織布６に噴射塗布するため、光触媒反応装置を長期間使用すると光触媒が不織布６から落ちる確率が高くなる恐れがある。しかし、反応流体の流れが反応部２３の内壁面に沿って上るため、発生するせん断応力は強く凝集されて結合された光触媒粒子を不織布６の外部に落とすには相対的に弱い力であることが分かる。

１紫外線光源６不織布
２０下部ハウジング２２注入口
２４凹部２９排水口
３０上部ハウジング３１光源保護部
３５排出口

Claims

紫外線を放出する紫外線光源と、
前記紫外線光源の周辺を囲むように設置され、光触媒が塗布された不織布と、を含み、
前記紫外線光源と前記不織布との間に形成され、汚染された流体が進行されて光触媒反応によって浄化作用が行われる反応流路が形成されることを特徴とする光触媒反応装置。
前記紫外線光源は円筒状に形成され、
前記光触媒が塗布された不織布も前記紫外線光源の外側に円筒状のシート状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光触媒反応装置。
前記紫外線光源が設置される上部ハウジングと、
前記上部ハウジングと結合され、前記不織布が設置される下部ハウジングと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の光触媒反応装置。
前記上部ハウジングと前記下部ハウジングは、密着手段によって密着結合されることを特徴とする請求項３に記載の光触媒反応装置。
前記下部ハウジングには汚染された反応流体が注入口を介して流入される注入部が形成され、
前記反応流路は前記上部ハウジングの外壁と前記下部ハウジングの内壁との間に形成され、
前記下部ハウジングには浄化された流体が排出される排出口が形成されることを特徴とする請求項３に記載の光触媒反応装置。
前記注入口と前記注入部が垂直に配置され、前記注入口を介して入ってくる汚染された反応流体の経路が注入部で垂直に曲がって前記反応流路に移動するとき乱流が形成されるようにすることを特徴とする請求項５に記載の光触媒反応装置。
前記注入口は前記注入部から下側に傾斜するように配置され、前記注入口を介して入ってくる汚染された反応流体の経路が注入部で曲がって前記反応流路に移動するとき乱流が形成されるようにすることを特徴とする請求項５に記載の光触媒反応装置。
前記注入口の注入方向は前記注入部の中心から所定間隔離隔されるように形成され、前記注入口を介して入ってくる汚染された反応流体の経路が注入部の内部で螺旋形を成すようにすることで乱流が形成されるようにすることを特徴とする請求項７に記載の光触媒反応装置。
前記注入口は、前記注入部の両側面にそれぞれ一つずつ設置されることを特徴とする請求項５に記載の光触媒反応装置。
紫外線を放出する紫外線光源と、
前記紫外線光源の周辺を囲むように設置され、光触媒が塗布された不織布と、
上部に開口が形成され、前記光触媒の塗布された不織布が内壁に設置され、汚染された反応流体が注入口を介して注入される注入部を含む下部ハウジングと、
前記下部ハウジングの内部に挿入され、前記紫外線光源が設置される光源保護部を含み、浄化された流体が排出流路を介して外部に排出されるように排出口が形成される上部ハウジングと、を含み、
前記上部ハウジングの外壁と前記下部ハウジングに設置された不織布との間に形成され、汚染された流体が進行されて光触媒反応によって浄化作用が行われる反応流路が形成されることを特徴とする光触媒反応装置。