JP2014530759A - 媒質の光触媒浄化 - Google Patents

Abstract

本発明は、媒質の処理、具体的には、水、空気、又は表面の浄化に関する。光活性層１２０は、基板１１０のエネルギー伝達面１１１の上に配置されている。従って、前記基板１１０から前記光活性層１２０への光エネルギーの伝達は、前記媒質を通る中間の経路なしで直接達成される。前記基板１１０は、好ましくは、光エネルギーがエバネッセント波を介して前記光活性層１２０に伝達される導波路である。更に、前記基板１１０と光活性層１２０との間の光結合は、空間的に変化する。

Description

本発明は、媒質処理、具体的には水若しくは空気のような流体媒質、又は表面の浄化のための装置及び方法に関する。

ＵＳ ２０１０／０２０９２９４ Ａ１は、水又は空気のような媒質の光触媒浄化装置を開示する。この装置は、処理される媒質が、光触媒物質を取り囲むように容器を通って導かれる容器を含む。光触媒物質は、導波路を介して媒質に光を放射する光源、例えばＬＥＤによって活性化される。

本発明の目的は、媒質、具体的には水又は空気の浄化のための効率的な光触媒処理を可能にする手段を提供することである。

この目的は、請求項１による装置及び請求項２による方法によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項に開示される。

本発明の第１の態様によると、本発明は、媒質処理、具体的には水若しくは空気のような流体媒質、又は表面のような固体媒体の浄化のための装置に関する。本装置は、以下のコンポーネントを含む。
a) 装置の動作中に、（光）エネルギーが伝達される表面を備える（強固な又は固体の）基板。参考のために、前記表面は、以下で「エネルギー伝達面」と呼ばれる。
b) 上述のエネルギー伝達面の上に（直接又は間接的に）配置され、装置の動作中に、媒質が接触できる光活性層。この文脈では、用語「光活性（photoactive）」は、光の影響下で媒質における物質と化学的に反応することができる物質を指し、前記反応は、具体的には他のコンポーネントの反応を可能にする／反応を開始させることを含む。

第２の態様によると、本発明は、媒質処理、具体的には水又は空気の浄化のための方法に関し、前記方法は、以下のステップを含む。
a) 基板から伝達される光エネルギーを吸収するステップであって、前記吸収は、前記基板上のエネルギー伝達面の上に配置される光活性層において起こる、当該吸収するステップ。
b) 媒質を光活性層に接触させることによって、媒質において（化学）反応を開始させるステップ。

本装置及び本方法は、同じ発明概念、すなわちエネルギー伝達面の上への光活性層の配置に基づく。従って、これらの実現のうちの１つのために提供される説明及び見解は、他の実現のためにも当てはまる。

前記基板からの光が、媒質を通る従来の通り道が無くても光活性層に到達するような態様で、光活性層が基板に光学的に結合していることが、本装置及び本方法の重要な態様である。この態様では、媒質内の光損失を回避することができ、よりエネルギー効率の良い動作をもたらす。

以下に、装置及び方法の両方に関する本発明のさまざまな好ましい実施形態が説明されるだろう。

第１の好ましい実施形態によると、光活性層は、光触媒物質を含む（又は完全に光触媒物質から成る）。触媒として、この物質は、動作中に消費されず、媒質のコンポーネントの反応を媒介するだけであり、光触媒物質は、通常、基板から受光する光によって活性化される。適切な光触媒物質の典型例は、ＴｉＯ_２である。更なる例は、例えばＵＳ ２０１０／０２０９２９４ Ａ１に見出される。

エネルギー伝達面から光活性層への光エネルギーの結合又は伝達は、好ましくはエバネッセント波によって起こる。エバネッセント波は、例えば光線が基板の内部で全て内部反射されるときに生成される。このアプローチの利点は、光活性層へのエネルギー伝達を高度に制御することができること、及びこのアプローチは、エネルギー伝達面のすぐ近くでのみ起こるため、媒質への光エネルギーの損失が回避されることである。

基板は、好ましくは導波路、すなわち（正しい向きの）光ビームが導波路の境界で繰り返される全内部反射によって伝播する素子を有する。導波路の助けを借りて、光は、最小の損失で所望の位置に伝送され、分布されることができる。更に、導波路において起こる全内部反射はエバネッセント波をもたらし、エバネッセント波により、上に説明したように、光エネルギーが光活性層に結合できる。光の分布及びアウトカップリング（出力）は、従って、最小のエネルギー損失で達成することができる。

基板によって光活性層に伝達されるエネルギーは、例えば前に基板に入力された環境（太陽）光である。しかしながら、好ましい実施形態によると、技術的な光源が、基板に入力される光を制御可能に生成するために提供される。光源は、例えばＬＥＤ又はレーザダイオードを含み、光活性層の要件に合わせることができるスペクトルを持つ光を生成することができる。これも、改善されたエネルギー効率をもたらす。

上述した光源から基板へと光を入力させる種々異なる可能性がある。ＬＥＤは、例えば基板の表面に直接取り付けられてもよい。好ましい実施形態では、反射素子は、光源と基板との間に設けられ、光が基板に到達することを保証しながら、都合の良い位置に光源を配置することを可能にする。反射素子は、例えば平面若しくは平面でない（例えば円錐の）ミラー面、又は複合放物面集光（Compound Parabolic Concentrator（ＣＰＣ）、 Ｗ．Ｔ ウェルフォード、Ｒ．ウィンストン著、”High Colloction Nonimaging Optics”、Academic Press Inc（１９９０年出版）。）の形状のミラー面を含んでもよい。最適な効率のために、基板が導波路を含む場合、反射素子は、光源からの光が導波路内部で全内部反射を達成するために適切な角度の下で基板に入るように、設計されるべきである。

本発明の好ましい実現によると、上述の光源は、基板のキャビティに配置される。基板によって光源を（可能な限り）囲むことは、光エネルギーの損失を更に最小化する。

光活性層は、基板に直接置かれる。好ましい実施例によると、中間（固体）層は、基板と光活性層との間に置かれ、そこで、全内部反射が、動作中に、この中間層と基板との間の界面で起こる。中間層は、通常、基板よりも低い屈折率によって特徴づけられる、すなわち、それは、「クラッド層」としての役割を果たす。基板は、従って、上に説明したように導波路として設計されることができる。このような導波路と光活性層との間に中間層を設けることは、導波路の特性及び光の出力特性を、別々に調整することができ、具体的には光活性層の光学特性に左右されない、という利点を有する。より具体的には、基板と中間層との間の界面での全内部反射の間に生成されるエバネッセント波は、大部分は中間層に閉じ込められ、中間層と接触する層に浸透する可能性がある。中間層の外部、すなわち隣接層に広がるエバネッセント波の一部だけが、エネルギー伝達に使用することができる。光触媒物質は、従って、中間（クラッド）層の屈折率及び厚みを調整することによって、基板（導波路）から部分的にデカップリングされることができる。このようなデカップリングによって、広いエリアにわたって、更に光源から遠い領域に配光することができる。これに反して、光活性層が直接導波路の上にある場合、層を通過する光の直接吸収が、導波路から漏れるエバネッセント波の部分的な吸収に起因して、代わりに（吸収係数及びこの層の経路長に比例して）発生する。
この屈折波の直接吸収は、比較的強く、照明を光源のすぐ近くに限定する。中間（クラッド）層を介するデカップリングの更なる利点は、それが（例えば、完全な層に満たない層から厚い層までの、粒子から成る光触媒層の）散乱光触媒コーティングの使用を可能にするということである。導波路の上に光触媒を直接付与すると、常に非散乱フィルムを使用しなければならない、なぜならば、この場合、散乱は、導波路の機能を直接破壊するからである。

上述した中間層をそれ自体新規なコンポーネントとみなす代わりに、発光層の、又は光活性層の一部として形式的にみなす方がよいことに留意すべきである。更に、光活性層が適切な光学特性（例えば基板よりも低い屈折率、非散乱構造）を有する場合、それ自体が基板の上の「クラッド層」としての役割を果たす可能性がある。

設計及び光学特性は、基板のエネルギー伝達面にわたって一様である。しかしながら、本発明の好ましい実施形態では、デザインは、基板と光活性層との間の光結合がエネルギー伝達面にわたって空間的に変化してもよい。この態様では、光が光活性層に入力される強度は、アプリケーションのニーズに従って、すぐに空間的に調整されることができる。光活性層への光エネルギーの一様な供給は、例えば（例えば光源の近くの）基板の高い光強度の位置で光結合を減らすことによって達成することができる。

基板、光活性層、及び／又は中間層は、エネルギー伝達面の平面にわたって空間的に変化する厚みを有する。このような厚みのバリエーションによって、光学特性は、所望通りに調整されることができる。上述した基板と光活性層との間の変化する光結合は、例えば中間層の厚さを適切に変化させることによって達成することができる。

本発明の別の実施形態によれば、基板は、それ自体で、光活性層の中を伝達する光を生成するように適合されている。この場合、光源から基板へ光を伝達するための外部光源及び手段は必要ない。

基板は、具体的には有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）を含む（又はそのものである）。これは、上述した設計の実施形態を実現する。ＯＬＥＤは、可撓性の形状及び大きな表面エリアで製造することができるという利点がある。従って、光は、光活性層に伝達される位置で直接に生成されるため、光分配層は必要ない。

本発明は、更に、媒質の光反応性処理、具体的には光触媒処理のための、説明された装置の使用に関する。この処理は、好ましくは、例えば
- 飲料水浄化装置、ＵＶ水殺菌ランプ、スイミングプール、温室、水族館、水産養殖、水を用いる工業プロセスにおける、
- エアコン、煙フード、照明器具における、
- 公共空間で多くの人々によって使用されるドアノブ又は他の表面における、水、空気、及び／又は表面の浄化を含む。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施形態の参照から明らかになり、解明されるだろう。

図１は、本発明による装置の側面図を模式的に示す。 図２は、基板と光活性層との間の界面での光学的状況を例示する。 図３は、光源と発光層との間のＣＤＣを示す。 図４は、基板に隣接するＬＥＤダイを示す。 図５は、基板のキャビティにおけるＬＥＤの配置を示す。 図６は、基板が屈折率１．４５を有する時に、中間層の屈折率が１．２５以上、１．４０以下である場合に対する、吸収度対内角を示す図である。

同じ参照符号は、図の中で同一又は類似のコンポーネントを指す。

光触媒酸化反応（ＰＣＯ）は、光で反応を開始させる方法であり、水、空気、又は表面の（部分）洗浄のための方法としても使用することができる。ＰＣＯは、入射光による光触媒の表面の活性化に基づく。光吸収に応じて、活性表面状態が生成される。これら活性状態は、その後、表面に吸着する又は作用する種と反応することができる。このように、有機化合物は、効率的に分解される。光触媒は、いくつかの態様に応用することができる。例は、モノリシックな物質として、又は浄化される媒質（水、空気、及び他の溶媒）と接触する薄いフィルム、若しくは、微粒子コーティングとして支持面の上にコーティングされる態様である。一般的な光触媒は、水又は空気と接触するＴｉＯ_２である。その特別な変形例では、可視光と共に使用することもできるが（Ｊ．タオ、Ｔ．Ｌｕｔｔｒｅｌｌ、Ｍ．Ｂａｔｚｉｌｌ著、”A two-dimensional phase of TiO₂ with a reduced bandgap”、NATURE CHEMISTRY、Vol.3、２０１１年４月、www.nature.com/naturechemistryで発表。）、ＴｉＯ_２の励起には、４００ｎｍより短い波長を持つ放射線が通常必要とされる。使用することができる青色光での照射によって活性化される物質は、例えばＴｉＯＮ_ｘを含む。

ＵＳ ２０１０／０２０９２９４ Ａ１では、光触媒の励起は、直接光源の助けを借りて達成される。しかしながら、直接光源の使用は、幾つかの不利な点を有する。第一に、光は、多くの場合、洗浄される媒質をまず通らなければならない。これが例えば濁水である場合、光束の限られた部分だけが実際に活性表面に到達する。第二に、活性表面での光の入射角度が制御されないために、活性物質の非常に厚い層が用いられない限り、光の大部分は、吸収されることなく活性物質を通過する。

このことから、エネルギーを活性表面へ伝達するために、（例えば平面状又は管状の）導波路から成る空気／水／表面浄化／殺菌装置が提案される。光触媒は、導波路表面上のクラッド層の上にコーティングされる。

図１は、上述した原理に従って設計された装置１００の側面図を模式的に示す。中心的コンポーネントとして、装置１００は、基板１１０を有し、ここでは、ｘ及びｙ方向に延びる平面状の導波路によって実現されている。この導波路１１０の上面は、光活性層１２０、ここでは、ＴｉＯ_２のような光触媒が上に重なるエネルギー伝達面１１１を構成している。示された実施形態では、光触媒１２０は、導波路１１０の上に直接的ではなく、中間層１３０を介して間接的に配置されている。

説明されるコンポーネントは、筺体又は支持体１４０に配置される。筺体１４０は、同様に上に配置される（好ましくはＵＶ又は青色）ＬＥＤ１５０によって生成される放熱のための冷却素子としての役割も果たす、例えばアルミニウム製の支持プレート１４１を含む。導波路１１０に入力する光は、ＬＥＤ１５０の上側のアルミニウム（又は高反射非ＵＶ又は青色吸収材又は材料のスタック）ウェッジ１４２によって達成される。導波路１１０は、アルミニウムプレート１４１によって、支持プレートの４つの支持点１４４で支持される。このように、導波路は、ＬＥＤの高さに一致させることができる。支持点は、表面の小さな部分を占めるのみであるため、任意の材料が可能であるが、好ましくは、これらは、少なくとも導波路を備える界面で、導波路よりも低い屈折率を有することによって、導波路から光学的に切り離される。導波路材料は、石英ガラス又は伝送される光の波長で吸収されない若しくはほとんど吸収されない別の材料でもよい。

説明されたアプローチを用いると、光Ｌが全内部反射で進むように導波路１１０を操作することができるため、光触媒１２０の照射が最も効率的である。これは、活性層１２０の単一経路に吸収されない光が、導波路１１０を離れないが、次の経路で吸収される可能性があることを意味する。これは、活性光触媒物質の非常に薄い層が使用されてもよいことも意味する。更に、活性物質が表面１１１を不連続的に覆っているとき（例えばパターン化されたフィルム、又は粒子コーティングを適用する場合）、これは、光触媒層を通過することなく装置を離れる光の結果として光損失をもたらさない。光は、しばしばかすみがかっているが（浄化される）媒質を通って進まないため、媒質から生じる損失はない。

説明されるアプローチの付加的な利点は、光分布、すなわちＰＣＯに使用できる局所的電力密度をいくつかの態様で調整することができるという点である。最も単純であるが、非常に限定されているのは、導波路の厚み（すなわちｚ―方向の延び）、及び光触媒１２０の厚みの適切な寸法による調整である。調整のより汎用的な方法は、導波路１１０よりも低い屈折率を有する中間又はクラッド層１３０を使用することによる。このような中間層１３０は、導波路１１０における全内部反射をＴｉＯ_２層１２０への屈折からデカップリングする。この中間層１３０の厚み及び屈折率を適切に調整することによって、光触媒１２０に入力することができる（エバネッセント波とのオーバーラップと関連する）光の部分が調整できる。中間層１３０の厚さの典型値は、約５０ナノメートルから約５マイクロメートルの間の範囲である。光活性層１２０の厚さは、重大ではなく、数十ナノメータから数μメータに及んでもよい。ＰＣＯに使用できる局所的電力密度は、中間層の上部の光触媒層の厚みを局所的に変化させることによって、又は光触媒層のパターン密度を変化させることによって、更に調整される。

説明されたデザインは、ＬＥＤ及びレーザダイオードのような低いエテンデュの光源を使用することによって利益がある、なぜならば、これらは、光源から導波路への高い入力結合効率を可能にし、更に放射された波長を光触媒の励起エネルギーに正確に調整することができるからである。

図２は、光分布が全内部反射（total internal relection、ＴＩＲ）を利用をすることによって達成される基本的な態様の例示を含む。光ビームＬの全内部反射は、導波路基板１１０の屈折率ｎ０よりも小さい、低い屈折率ｎ１を有する中間層１３０（又は「クラッド層」）を利用することによって達成される。（平行の矢印によって示された）エバネッセント波の、光触媒１２０との限られたオーバーラップが原因で、光のわずかな部分のみが光触媒によって吸収される。光が上方の導波路表面で反射するとき、エバネッセント波は、クラッド層１３０を透過し、ごく一部が光触媒１２０に吸収される。この一部は、導波路とクラッドとの間の屈折率の差の増加と共に、及びクラッド層厚の増加と共に減少する。

光が光源１５０から導波路１１０に入力される幾つかの態様がある。全てのこれらの態様は、適切である。ここで、２、３の例が挙げられる。図３では、ＬＥＤ１５０は、導波路１１０から少し間隔をおいて配置され、複合放物面集光（Compound Parabolic Concentrator（ＣＰＣ））の形状をした鏡１５２は、より大きい角度からの光を導波路に反射するために、両側に配置される。

図４は、別の実施形態を示しており、ＬＥＤダイ１５０は、導波路１１０の側に（小さなエアギャップで、又は接触させて）直接配置されている。

図５に例示されているように、光は、ＬＥＤ１５０を、上部に（例えば円錐の）反射器１５２を備える導波路１１０のホール又はキャビティ１１２に置くことによって、導波路１１０に入力されることもできる。このように、非常に薄い導波路を、使用することができる（約１ｍｍ厚）。

レーザダイオードを使用すると、スポット・サイズが小さく、入力角度を容易に制御することができるため、数十マイクロメートルの厚さを有する導波路が可能である。

説明されるアプローチは、さまざまな態様で変化させることができる。導波路は、導波路において所望の光分布を調整するために、例えば種々異なる形状の溝が設けられ、溝の間に種々異なる距離（不図示）が設けられてもよい。加えて、導波路の厚みは、統一されていなくてもよい。

図６は、光触媒における吸光度Ａ＝ｌｏｇ（Ｉ_０／Ｉ）を、中間クラッド層１３０の種々異なる屈折率ｎ１（屈折率１．４５を持つ導波路で１．２５から１．４の範囲）に対する内角θの関数としてプロットする２つの図を表す。クラッド層１３０の厚みは２００ｎｍと想定され、光触媒（ＴｉＯ_２）の厚みは１００ｎｍと想定される。
破線の垂直線は、臨界角（導波路を通る光伝送は、臨界角を超える角度で起こる）を示す。

説明される装置及び手順は、例えばエアコン、台所煙フード、研究室煙フード、（例えば化学薬品、溶媒、燃料などのための）貯蔵室の照明器具、トイレの照明器具、体育館の照明器具、病院の照明器具における空気浄化に対して、及び携帯用の飲料水浄化装置、固定の飲料水浄化装置、スイミングプール（例えばレジオネラ菌による感染のリスクを低下させる）、温室、水族館、水産養殖、水を用いる工業プロセス等における水浄化に対して、適用することができる。更に、例えば公共空間におけるドアノブの表面浄化、、又は例えば照明器具（特にメンテナンスコストが高い場合）の表面洗浄に適用することができる。

本発明は、恒久的に水と接触するＵＶ水殺菌ランプに適用することもできる。照明器具のＵＶ出射窓の上のバイオフィルム形成は、出射窓のＵＶ伝達を大幅に減らす。本発明は、出射窓の上のバイオフィルム形成を防止するために用いることができる。また、バイオフィルム形成が機能を妨げる他のシステムにおいても、本発明を適用することができる。

要約すると、本発明は、活性表面を照明するための導波路を含む空気／水／表面浄化／殺菌装置に関する。光触媒は、導波路表面の上にコーティングされる。重要な点は、エバネッセント波の強度を調整することにより、光の出力を達成することができるという態様である。これは、（光触媒的に活性化される）表面を介して逃げる光の（局所的）強度は、光が伝搬する導波路と光触媒酸化が起こる光活性層との間にある一種のデカップリング層（中間層）の屈折率及び厚みによって決定されることを意味する。本発明の主な利点は、以下の通りである。
- 光が、全内部反射によって導波路の内部で閉じ込められ、活性物質に吸収されるのみで、（従来の直接光源とは対照的に）媒質にほとんど伝達されないために、大幅に減少される光損失。
- 光伝送メカニズムは、伝達損失を導入することなく光触媒の非常に薄いフィルムの使用を可能とする。
- 光は、（しばしば光強度の低下をもたらす）浄化されるべき媒質を通る必要はない。
- 光分布は、低屈折率の中間層（エバネッセント波結合）を用いることによって、広い表面エリアで制御されることができる。
- 光源から導波路への高い入力結合効率を可能にし、放射された波長を光触媒の励起エネルギーに正確に調整することができ、更にエネルギー効率を改善する、ＬＥＤ及びレーザダイオードのような低いエテンデュ光源の使用。
- 光アルゴリズム、すなわち最適化されたパルス・スキームを使用することもできるＬＥＤのような光源の使用。加えて、このようなスキームは、例えば汚染のレベルを検出するセンサと相互作用する。

本発明は、図面及び前述の記述において詳細に例示され説明されているが、このような図示及び説明は、説明に役立てるため又は例示的であって、限定するものではないとみなされるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されない。図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、開示された実施形態の他のバリエーションは特許が請求される発明を実施する際に、当業者によって理解され、達成することができる。請求項において、単語「有する（comprising）」は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「an」は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項において引用されるという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使用されることができないことを示しているわけではない。請求項における任意の参照符号は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 媒質処理、具体的には、水若しくは空気のような流体媒質、又は表面の浄化のための装置であって、
   a) 前記装置の動作中に、エネルギーが伝達されるエネルギー伝達面を有する基板と、
   b) 前記エネルギー伝達面の上に配置され、前記媒質が接触できる光活性層と、
   を含む、装置。
2. 媒質処理、具体的には、水若しくは空気のような流体媒質、又は表面の浄化のための方法であって、
   a) 基板からの光エネルギーを、前記基板のエネルギー伝達面の上に配置される光活性層に伝達するステップと、
   b) 前記媒質を前記光活性層に接触させることによって、前記媒質における反応を開始させるステップと、
   を含む、方法。
3. 前記光活性層は、光触媒物質を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法。
4. 光エネルギーは、エバネッセント波によって前記基板から前記光活性層に伝達されることを特徴とする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法。
5. 前記基板は、導波路を含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法。
6. 光源は、前記基板に入力される光を生成するために提供されることを特徴とする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法。
7. 前記光源は、ＬＥＤ及び／又はレーザダイオードを含むことを特徴とする、請求項６に記載の装置又は方法。
8. 反射素子が、前記光源と前記基板との間に設けられることを特徴とする、請求項６に記載の装置又は方法。
9. 前記光源は、前記基板のキャビティに配置されることを特徴とする、請求項６に記載の装置又は方法。
10. 中間層が、前記基板と前記光活性層との間に配置され、動作中に、当該中間層と前記基板との間の界面で全内部反射が起こることを特徴とする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法。
11. 前記基板と前記光活性層との間の光結合は、前記エネルギー伝達面にわたって空間的に変化することを特徴とする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法。
12. 前記基板、前記光活性層、及び／又は前記中間層は、空間的に変化する厚みを有することを特徴とする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法。
13. 前記基板は、前記光活性層に放射される光を生成することを特徴とする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法。
14. 前記基板は、ＯＬＥＤを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置又は請求項２に記載の方法。
15. 媒質、具体的には、水、空気、及び／又は表面の浄化、例えば、
    - 飲料水浄化装置、ＵＶ水殺菌ランプ、スイミングプール、温室、水族館、水産養殖、水を用いる工業プロセスにおける、
    - エアコン、煙フード、照明器具における、
    - 公共空間におけるドアノブの、
    光反応性処理のための装置の使用であって、請求項１又は請求項３乃至１４のいずれか一項に記載の装置の使用。

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