JP2015080772A

JP2015080772A - 光触媒担持光ファイバ及びこれを用いた水処理装置

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Publication number: JP2015080772A
Application number: JP2013221166A
Authority: JP
Inventors: 美香安宅; Mika Ataka; 智文山室; Tomofumi Yamamuro; 功三郎伊藤; Kozaburo Ito
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2013-10-24
Filing date: 2013-10-24
Publication date: 2015-04-27

Abstract

【課題】水処理装置に用いた場合に汚染物質の分解効率を向上させる光触媒担持光ファイバを提供すること。
【解決手段】光触媒担持光ファイバF1は、コア１と、コア１の外周の一部に設けられたクラッド２と、コア１の外周の他部に設けられた光駆動型アクチュエータ３と、クラッド２及び光駆動型アクチュエータ３の外周に設けられ、透明なフィルム４とより構成されている。コア１及びクラッド２と光駆動型アクチュエータ３とはフィルム４によって巻回されてフィルム４の端を接着剤等によって固定されている。フィルム４には、光触媒層５が担持されている。光駆動型アクチュエータ３は、可撓性を有する支持体３１、配向層３２及び架橋型液晶高分子層３３よりなる。
【選択図】図１

Description

本発明は光触媒担持光ファイバ及びこれを用いた水処理装置に関する。

光触媒たとえば酸化チタン（TiO₂）は紫外線を吸収して強い酸化還元作用を発現し、その酸化作用により発生したOHラジカルによって廃水中の汚染物質を分解する。つまり、紫外線照射により光触媒が活性化して廃水中の汚染物質を分解する。

光触媒担持ユニットとしては、光触媒機能を損なうことなく、折れにくくかつ長期に亘って信頼の高い光触媒担持光ファイバが知られている。

第１の従来の光触媒担持光ファイバにおいては、光ファイバのコアの外側クラッド相当分に光触媒層を担持させている（参照：特許文献１）。この場合、コアの屈折率より光触媒層の屈折率を大きくし、光がコアから直接漏洩して光触媒層を照射するようにする。

第２の従来の光触媒担持光ファイバにおいては、シングルモード光ファイバの外側全面もしくは一部に光触媒層を担持させている（参照：特許文献２）。この場合、コアの断面積よりクラッドの断面積を非常に大きくし、光がコアからクラッドを介して漏洩して光触媒層を照射するようにする。

第３の従来の光触媒担持光ファイバにおいては、光ファイバの外周面の一部を有機樹脂で被覆し、他部で光触媒層を担持している（参照：特許文献３）。この場合、光がコアから直接漏洩して光触媒層を照射するようにする。尚、有機樹脂は光ファイバを折れにくくするためのものである。

上述の第１、第２、第３の従来の光触媒担持光ファイバを用いた廃水処理装置においては、光触媒担持光ファイバのコアから漏洩した光が光触媒層に吸収されて廃水中の汚染物質を分解する。

特開平９−２２５２６２号公報特開平１１−２９０７０１号公報特開２００５−２００２７５号公報特開２０１０−６８６９１号公報（特許第５２４７３２１号）

しかしながら、上述の第１、第２、第３の従来の光触媒担持光ファイバを用いた水処理装置たとえば廃水処理装置においては、光触媒担持光ファイバが常に静止状態であるので、光触媒層と廃水との接触面積は、ファイバそのものの表面積に限定される。一方、OHラジカルが廃水中の汚染物質を分解できる光触媒層からの有効距離範囲は1μm程度と極めて小さい。従って、光触媒担持光ファイバからの狭い距離範囲でしか汚染物質の分解処理できず、この結果、汚染物質の分解効率が低いという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光触媒担持光ファイバは、コアと、コアの外周面の少なくとも一部に設けられたクラッドと、コアもしくはクラッドの外周面の一部に設けられ、活性光照射のオン、オフにより可逆的に異性化するフォトクロミック分子を含有する光駆動型アクチュエータと、光触媒層とを具備し、活性光照射のオン、オフにより光駆動型アクチュエータを収縮、伸長状態とすると共に光触媒層を活性化、非活性化させるようにしたものである。

また、本発明に係る水処理装置は、上述の光触媒担持光ファイバを設けた水処理槽、及び上述の活性光を出射する光源を具備する。

本発明によれば、光駆動型アクチュエータの収縮、伸長状態により光触媒担持光ファイバは振動状態となる。従って、この光触媒担持光ファイバを用いた水処理装置たとえば廃水処理装置においては、光触媒層と接触する廃水量が増え、つまり、OHラジカルがより多くの廃水中の汚染物質を分解できるようになるため、この結果、汚染物質の分解効率を向上できる。

本発明に係る光触媒担持光ファイバの第１の実施の形態を示す斜視図である。本発明に係る光触媒担持光ファイバの第２の実施の形態を示す斜視図である。本発明に係る光触媒担持光ファイバの第３の実施の形態を示す斜視図である。図１、図２、図３の光触媒担持光ファイバの動作を説明するための図である。図１、図２、図３の光触媒担持光ファイバの変更例を示す図である。図１、図２、図３の光触媒担持光ファイバを用いた水処理装置の第１の例を示す図である。図６の紫外光源の駆動電圧を示すタイミング図である。図５の水処理装置の変更例を示す図である。図８の紫外光源、可視光源の駆動電圧を示すタイミング図である。図１、図２、図３の光触媒担持光ファイバを用いた水処理装置の第２の例を示す図である。図９の紫外光源の駆動電圧を示すタイミング図である。

図１は本発明に係る光触媒担持光ファイバの第１の実施の形態を示す斜視図である。

図１においては、光触媒担持光ファイバF1は、コア１と、コア１の外周の一部に設けられたクラッド２と、コア１の外周の他部に設けられた光駆動型アクチュエータ３と、クラッド２及び光駆動型アクチュエータ３の外周に設けられ、ポリエステル等よりなる透明なフィルム４とより構成されている。つまり、コア１及びクラッド２と光駆動型アクチュエータ３とはフィルム４によって巻回されてフィルム４の端を接着剤等によって固定されている。フィルム４には、光触媒層５が担持されている。但し、光触媒層５はフィルム４の少なくともクラッド２側のみに担持されていればよい。また、フィルム４は予めチューブ状をなしていてもよい。

つまり、図１の光触媒担持光ファイバF1は、コア１の外周にクラッドを設けた光ファイバにおけるクラッドを一部欠いたコア露出部に、光駆動型アクチュエータ３を接着剤を用いずにフィルム４によって結合したものである。この場合、コア露出部は光触媒担持光ファイバF1の円周の1/2以下とし、つまり、光駆動型アクチュエータ３は光触媒担持光ファイバF1の円周方向長さの1/2以下とする。これにより、光駆動型アクチュエータ３の架橋型液晶高分子層３３が収縮した場合、光触媒担持光ファイバF1は屈曲するようになる。

図１において使用する光ファイバは、漏洩光ファイバとして公知なものを用いる。すなわち、光ファイバの端部からのみ光を出射するものではなく、光ファイバのクラッドからも光が照射（漏洩）するタイプのものを使用する。このような漏洩光ファイバとしては、コア１とクラッド２の間のコア１の表面複数個所に、光学的な作用（屈折や拡散）を奏する光学部材を設けたり、コア１とクラッド２との屈折率の関係を調整するなど公知ないずれの構成を用いるとこができる。それぞれを形成する材料としては、たとえば、コア１はフッ素系ポリマ等の高屈折率材よりなり、また、クラッド２は完全フッ素化ポリマ、ポリメタクリル酸メチル系物質、ポリカーボネート、ポリスチレン、含重水素化ポリマ等のコアよりも低屈折率な材料よりなる。さらに、コア１及びクラッド２は共に、紫外線を透過させるため石英ガラスやシリカガラスを用いることが好ましい。尚、図１においては、クラッド２を設けずに、コア１の表面に光学部材を設けて光を照射（漏洩）することもできる。

光駆動型アクチュエータ３は、可撓性を有するたとえばポリエチレン等よりなる支持体３１、たとえばポリイミド膜をラビング処理した配向層３２及び架橋型液晶高分子層３３よりなる（参照：特許文献４）。

架橋型液晶高分子層３３は、活性光照射たとえば紫外線照射及びこの活性光線照射以外の物理的刺激により可逆的に異性化するフォトクロミック分子を含有する。架橋型液晶高分子層３３の骨格部分であるメソゲンは配向層３２によって所定方向に配向されかつ電子線照射により架橋構造をなしており、紫外線照射のオン、オフ（あるいは可視光照射）によるフォトクロミック分子の異性化により架橋型液晶高分子層３３の形状変化が誘起される。たとえば、フォトクロミック分子がアゾベンゼンであれば、アゾベンゼンに波長300〜400nmの紫外線を照射すると棒状のトランス体から屈曲したシス体へ異性化し、逆に、紫外線照射をオフもしくは波長500〜650nmの可視光を照射すると屈曲したシス体から棒状のトランス体へ異性化する。この場合、紫外線照射を単にオフにするよりも紫外線照射のオフと共に可視光照射を行う方が棒状のトランス体に異性化する速度は大きい。他方、架橋型液晶高分子層３３には、液晶の配向に直接関与するメソゲンの配向可能領域なるドメイン領域が存在し、かつ高分子骨格が三次元網を構成している。従って、配向したメソゲンが高分子骨格に緩やかに拘束され、高分子骨格の動きがメソゲンの配向と強く相関した構造をなしている。また、架橋構造が長距離に亘って配向秩序を保持している。この結果、フォトクロミック分子の異性化に伴う分子構造変化をメソゲンの配向変化として効率的に変換でき、また、架橋構造によってメソゲンの配向変化を高分子骨格に伝播して異方的な形状変化を誘起することができる。

フィルム４が担持する光触媒層５は酸化チタン（TiO₂）、酸化亜鉛（ZnO）、硫化カドニウム（CdS）、酸化鉄等よりなる。担持方法は、たとえば、酸化チタン微粒子を無機もしくは有機バインダで混合してフィルム４上に塗布する。あるいは、フィルム４上にたとえば多孔質酸化チタン薄膜層をゾルゲル法、熱分解法、パイロゾル法、ディップ法、印刷法、化学的気相成長（CVD）法、真空蒸気法、スパッタ法、イオンプレーティング法等を用いて形成する。

図２は本発明に係る光触媒担持光ファイバの第２の実施の形態を示す斜視図である。

図２の光触媒担持光ファイバF2においては、図１のフィルム４を設けていない。つまり、図２の光触媒担持光ファイバF2は、コア１の外周にクラッドを設けて光ファイバにおけるクラッドの一部を欠いたコア露出部及びクラッド２の切欠いた面に、光駆動型アクチュエータ３を接着剤４’によって結合したものである。光触媒層５はクラッド２及び光駆動型アクチュエータ３の外周面に担持されている。尚、この場合も、コア露出部は光触媒担持光ファイバF2の円周の1/2以下とし、従って、光駆動型アクチュエータ３は光触媒担持光ファイバF2の円周の一部つまり円周方向長さの1/2以下とする。これにより、光駆動型アクチュエータ３の架橋型液晶高分子層３３が収縮した場合、光触媒担持光ファイバF2は屈曲するようになる。尚、図２においても、クラッド２を設けずに、コア１の表面に光学部材を設けて光を照射（漏洩）することもできる。

図３は本発明に係る光触媒担持光ファイバの第３の実施の形態を示す斜視図である。

図３の光触媒担持光ファイバF3においては、クラッド２は欠いておらず、従って、コア１は露出していない。つまり、図３の光触媒担持光ファイバF3は、コア１の外周にクラッドを設けて光ファイバにおけるクラッド２の外周に光駆動型アクチュエータ３を接着剤４”によって結合したものである。光触媒層５はクラッド２及び光駆動型アクチュエータ３の外周側に担持されている。尚、この場合、光駆動型アクチュエータ３は光触媒担持光ファイバF3の円周の一部つまり円周方向長さの1/2以下である。これにより、光駆動型アクチュエータ３の架橋型液晶高分子層３３が収縮した場合、光触媒担持光ファイバF3は屈曲するようになる。尚、図３においても、クラッド２を設けずに、コア１の表面に光学部材を設けて光を照射（漏洩）することもできる。

図４は図１、図２、図３の光触媒担持光ファイバF1、F2、F3の動作を説明するための図である。

図４の（Ａ）に示すごとく、紫外光UVを光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）に照射すると、光駆動型アクチュエータ３の架橋型液晶高分子層３３が収縮する。この結果、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は光駆動型アクチュエータ３側に屈曲する。このとき、同時に、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）の光触媒層５は紫外光UVを吸収して光触媒層５に接触する廃水（図示せず）の汚染物質を分解する。

図４の（Ｂ）に示すごとく、紫外光UVをオフにすると、光駆動型アクチュエータ３の架橋型液晶高分子層３３が元に戻る、つまり、伸長する。この結果、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は棒状状態となる。このとき、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）の光触媒層５は廃水（図示せず）の汚染物質の分解を行わない。

尚、図４の（Ｂ）において、紫外光UVの照射をオフにすると共に、可視光VLを光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）に照射すると、光駆動型アクチュエータ３の架橋型液晶高分子層３３の元に戻る（伸長する）速度が大きくなる。

このように、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は紫外光UVの照射のオン、オフまたは紫外光UVの照射、可視光VLの照射によって振動状態となり、従って、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）の光触媒層５と接触する廃水の量が増大し、この結果、光触媒層５から発生したOHラジカルが廃水中のより多くの汚染物質を分解できる。

図１、図２、図３の光触媒担持光ファイバF1、F2、F3においては、光駆動型アクチュエータ３が光触媒担持光ファイバF1、F2、F3の長さ方向全体に連続的に設けられているが、図５に示すごとく、光触媒担持光ファイバF1、F2、F3の長さ方向に離散的に設けてもよい。

図６は図１、図２、図３の光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）を用いた水処理装置の第１の例を示す図である。尚、図６の水処理装置４０は密閉型である。

図６の水処理装置４０においては、廃水Wが流入口４１ａから水処理槽４１に流入し、一時、水処理槽４１に貯留され、流出口４１ｂから流出する。このとき、貯留される廃水Wの量は調整弁４３ａ、４３ｂによって調整される。また、複数の図１（図２、図３）の光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）が水処理槽４１の天井より水処理槽４１の内部へ設けられている。さらに、水処理槽４１の上部の各光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）の光入射端には、たとえば紫外光発光ダイオード（LED）素子よりなり、約300〜400nmの紫外光UVを出射するための紫外光源４２が設けられている。

図６の紫外光源４２は、図７に示すような駆動電圧V₁で駆動する。尚、紫外光源４２の光度は駆動電圧V₁にほぼ比例するものとする。たとえば、図７の（Ａ）では、5秒間オンにし、その後10秒間オフにし、以後、これを繰返す。また、図７の（Ｂ）では、5秒間正弦波の半周期の正電圧で駆動し、その後、8秒間オフにし、以後、これを繰返す。但し、この場合、正弦波電圧の代りに、徐変する電圧でもよい。これにより、光駆動型アクチュエータ３は収縮状態、伸長状態を繰返し、この結果、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は屈曲状態（図６の点線）、棒状状態（図６の実線）を繰返す。つまり、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は水処理槽４１内で振動状態となる。

図８は図６の水処理装置の変更例を示す図である。

図８の水処理装置４０’においては、水処理槽４１の上部の各光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）の光入射端には、たとえば可視光LED素子よりなり、約500〜650nmの可視光VLを出射するための可視光源４４が設けられている。

図８の紫外光源４２、可視光源４４は、図９に示すような駆動電圧V₁、V₂で駆動する。尚、紫外光源４２、可視光源４４の各光度は駆動電圧V₁、V₂にほぼ比例するものとする。たとえば、図９の（Ａ）では、5秒間V₁をオンにV₂をオフにし、その後5秒間 V₁をオフにV₂をオンにし、以後、これを繰返す。また、図９の（Ｂ）では、10秒周期の正弦波の正電圧V₁及びその反転正弦波の正の電圧V₂で駆動し、以後、これを繰返す。但し、この場合、正弦波電圧の代りに、徐変する電圧でもよい。これにより、光駆動型アクチュエータ３は収縮状態、伸長状態を繰返し、この結果、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は屈曲状態（図８の点線）、棒状状態（図８の実線）を繰返す。つまり、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は水処理槽４１内で振動状態となる。図９に示すごとく、可視光源４４の存在のために、光駆動型アクチュエータ３の伸長時間、つまり、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）の棒状期間は図７の場合に比較して短くなる。

尚、図６、図８においては、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）を水処理槽４１の天井に設けているが、水処理槽４１の床に設けてもよい。

図１０は図１、図２、図３の光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）を用いた水処理装置の第２の例を示す図である。尚、図１０の水処理装置５０は開放型である。

図１０の水処理装置５０においては、図６の天井は存在しない。従って、太陽光つまり可視光VLが常時照射されている。また、廃水Wが流入口５１ａから水処理槽５１に流入し、一時、水処理槽５１に貯留され、流出口５１ｂから流出する。このとき、貯留される廃水Wの量は調整弁５３ａ、５３ｂによって調整される。また、複数の図１（図２、図３）の光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）が水処理槽５１の床より水処理槽５１の内部へ設けられている。さらに、水処理槽５１の上部の各光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）の光入射端には、たとえば紫外光LED素子よりなり、約300〜400nmの紫外光UVを出射するための紫外光源５２が設けられている。

図１０の紫外光源５２は、図１１に示すような駆動電圧V₁で駆動する。尚、紫外光源５２の光度は駆動電圧V₁にほぼ比例するものとする。たとえば、図１１の（Ａ）では、5秒間オンにし、その後5秒間オフにし、以後、これを繰返す。また、図９の（Ｂ）では、5秒間正弦波の半周期の正電圧で駆動し、その後、5秒間オフにし、以後、これを繰返す。但し、この場合、正弦波電圧の代りに、徐変する電圧でもよい。すなわち、図１１の駆動電圧V₁は、紫外光UVの光度が常時照射されている可視光VLの光度よりも大きくなるように、図７の駆動電圧V₁より大きく設定されている。また、常時照射されている可視光VLのために、光駆動型アクチュエータ３の伸長時間、つまり、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）の棒状期間は図７の場合に比較して短くなる。これにより、光駆動型アクチュエータ３は収縮状態、伸長状態を繰返し、この結果、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は屈曲状態（図１０の点線）、棒状状態（図１０の実線）を繰返す。つまり、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は水処理槽５１内で振動状態となる。

図６、図８、図１０の水処理装置４０、５０のいずれにおいても、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）は水処理槽４１、５１内で振動状態となるので、光触媒担持光ファイバF1（F2、F3）の光触媒層５と接触する廃水Wの量が増える。従って、光触媒層５が紫外光UVを吸収した場合、光触媒層５の酸化作用により発生したOHラジカルによる廃水中の汚染物質の分解効率を向上できる。

本発明は、上述の実施の形態の自明の範囲内でいかなる変更にも適用し得る。

本発明に係る光触媒担持光ファイバは水処理装置に利用されるが、具体的には、浄水処理場向け水処理装置、下水処理場向け水処理装置、バラスト水処理装置、純水製造装置、ボトルドウォーター製造装置、温泉施設向け水処理装置、プール向け水処理装置、工場向け廃水処理装置等に利用できる。

F1、F2、F3...光触媒担持光ファイバ
１... コア
２... クラッド
３... 光駆動型アクチュエータ
４... フィルム
５... 光触媒層
３１... 支持体
３２... 配向層
３３... 架橋型液晶高分子層
４０、４０’... 水処理装置
４１... 水処理槽
４１ａ... 流入口
４１ｂ... 流出口
４２... 紫外光源
４３ａ、４３ｂ...調整弁
４４... 可視光源
５１... 水処理装置
５１ａ... 流入口
５１ｂ... 流出口
５２... 紫外光源
５３ａ、５３ｂ...調整弁

Claims

コアと、
該コアの外周面の少なくとも一部に設けられたクラッドと、
前記コアもしくはクラッドの外周面の一部に設けられ、活性光照射のオン、オフにより可逆的に異性化するフォトクロミック分子を含有する光駆動型アクチュエータと、
光触媒層と
を具備し、
前記活性光照射のオン、オフにより前記光駆動型アクチュエータを収縮、伸長状態とすると共に前記光触媒層を活性化、非活性化させるようにした光触媒担持光ファイバ。
前記クラッドは前記コアの外周面の一部に設けられ、
前記光駆動型アクチュエータは前記コアの外周面の他部に設けられた請求項１に記載の光触媒担持光ファイバ。
さらに、前記コア及び前記クラッドと前記光駆動型アクチュエータとを結合するフィルムを具備し、
前記光触媒層は前記フィルムに担持された請求項２に記載の光触媒担持光ファイバ。
前記フィルムはチューブ状である請求項３に記載の光触媒担持光ファイバ。
前記コア及び前記クラッドと前記光駆動型アクチュエータとを接着剤によって結合し、
前記光触媒層は少なくとも前記コアの外周面に担持された請求項２に記載の光触媒担持光ファイバ。
前記クラッドは前記コアの外周面全体に設けられ、
前記光駆動型アクチュエータは前記コアの外周面の一部に接着剤によって結合され、
前記光触媒層は少なくとも前記コアの外周面の他部に担持された請求項１に記載の光触媒担持光ファイバ。
水処理槽と、
該水処理槽に設けられた請求項１〜６のいずれか１つに記載の光触媒担持光ファイバと、
該光触媒担持光ファイバの前記光駆動型アクチュエータを伸長状態から収縮状態にすると共に前記光触媒層を活性化させるための前記活性光を出射するための第１の光源と
を具備する水処理装置。
前記活性光は紫外光である請求項７に記載の水処理装置。
前記第１の光源は間欠的にオンとされるようにする請求項７に記載の水処理装置。
前記第１の光源は徐変する電圧で駆動されるようにする請求項７に記載の水処理装置。
前記水処理槽は密閉型であり、
さらに、前記光触媒担持光ファイバの前記光駆動型アクチュエータを前記収縮状態から前記伸長状態にすると共に前記光触媒層を非活性化させるための前記活性光と異なる光を出射するための第２の光源を具備する請求項７に記載の水処理装置。
前記活性光は紫外光であり、前記活性光と異なる光は可視光である請求項１１に記載の水処理装置。
前記第１、第２の光源は交互にオン、オフとされ、前記第１の光源がオン、オフのときに前記第２の光源をオフ、オンとするようにした請求項１１に記載の水処理装置。
前記第１の光源は徐変する第１の電圧で駆動され、前記第２の光源は前記第１の電圧を反転した徐変する第２の電圧で駆動されるようにした請求項１１に記載の水処理装置。
前記水処理槽は開放型である請求項７に記載の水処理装置。