JP2015116546A - 光触媒浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】浄化能力むらを解消した光触媒浄化装置を提供すること。
【解決手段】導光体で形成される内管１、外管２の間に、内径D₁、D₂（D₁>D₂）を有する中空管３−１、３−２が長手方向に配置されている。中空管３−１、３−２の外径は共に10mmであり、中空管の密度は均一である。各中空管３−１、３−２の少なくとも内周面に光触媒層４が形成されている。内管１側には、光触媒層４を励起するための励起光源５が設けられ、外管２の外周面には、励起光源５からの励起光Lを反射して有効に装置内に閉じ込めるための反射層６が形成されている。中空管３−１は、励起光源５に面した励起光入射部Pから近いので密に配置される。また、中空管３−２は励起光入射部Pから遠いので、その内径D₂は中空管３−１の内径D₁より小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は光触媒浄化装置に関する。

光触媒たとえば酸化チタン（TiO₂）は近紫外線等の励起光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ラジカルによって流体中の汚染物質を分解する。つまり、励起光照射により光触媒が励起されて流体中の汚染物質を分解することにより流体を浄化する。

従来の光触媒浄化装置においては、導光体の長手方向に流体が流通可能な複数の同一内径、外径の処理通路（中空管）を均一に配置し、つまり、中空管の密度を一定にし、これらの中空管の内周面に光触媒層をコーティングしてある（参照：特許文献１）。この場合、励起光源を用いて導光体の外周面から励起光を照射することにより光触媒層を励起する。従って、中空管の均一な配置により照射光触媒面積を稼ぎかつ未照射光触媒面積を減少させることにより、励起光の照射光触媒面積を実質的に大きくでき、この結果、装置全体の浄化能力を高めることができる。

ＷＯ２０１２／１１４７２０Ａ１

しかしながら、上述の従来の光触媒浄化装置においては、励起光源から離れた領域では、励起光源に近い領域に比較して、励起光密度（強度）が小さいので、中空管の内周面の光触媒層の励起量は小さい。他方、励起光源から離れた領域でも、中空管が均一に配置されているので、流体の流量はほとんど変化ない。従って、励起光源から離れた領域における単位流体に対する浄化能力は低下する。この結果、光触媒浄化装置内で浄化能力むらが発生するという課題がある。特に、励起光源から離れた領域の浄化能力が低い中空管がボトルネックとなる。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光触媒浄化装置は、励起光を入射するための励起光入射部を有する光触媒浄化装置において、装置の長手方向に設けられ、励起光に対して透明な複数の中空管と、各中空管の少なくとも内周面に形成され、励起光によって励起される光触媒層とを具備し、励起光入射部から遠くなる程励起光入射部からの距離における中空管の内径を細くしたものである。

本発明によれば、励起光入射部から離れた領域の流体の単位流量当りの浄化能力が上昇するので、光触媒浄化装置内の浄化能力むらを解消できる。

本発明に係る光触媒浄化装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のB-B線横断面図である。 本発明に係る光触媒浄化装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のB-B線横断面図である。 図２の（Ｂ）の部分拡大断面図である。 本発明に係る光触媒浄化装置の第３の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のB-B線横断面図である。 図４の光触媒浄化装置の変更例を示す横断面図である。 本発明に係る光触媒浄化装置の第４の実施の形態を示す横断面図である。 図１の光触媒浄化装置の変更例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のB-B線断面図である。

図１は本発明に係る光触媒浄化装置の第１の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のB-B線横断面図である。

図１においては、導光体で形成される内管１、外管２の間に、内径D₁、D₂（D₁>D₂）を有する中空管３−１、３−２が長手方向に配置されている。ここで、内管１が内径41mm、外径45mm、厚さ2mm、外管２が内径65mm、外径75mm、厚さ5mmとすれば、D₁=3mm、D₂=2mmである。また、中空管３−１、３−２の外径は共に5mmであり、従って、中空管の密度は均一である。さらに、太い実線で示すように、各中空管３−１、３−２の少なくとも内周面に光触媒層４が形成されている。内管１の中心には、光触媒層４を励起するための励起光源５が設けられ、外管２の外周面には、励起光源５からの励起光Lを反射して有効に装置内に閉じ込めるためのAl等よりなる反射層６が形成されている。尚、７は流体の流入口、８は流体の流出口である。

光触媒層４はたとえば活性度が高いアナターゼ構造の酸化チタン（TiO₂）よりなり、チタン酸アンモニウムを用いた液相成長法によって形成できる。この場合、各中空管３−１、３−２を内管１、外管２間に配置する前に光触媒層４を形成すれば、各中空管３−１、３−２の内周面のみに形成できる。他方、各中空管３−１、３−２を内管１、外管２間に配置した後に光触媒層４を形成すれば、各中空管３−１、３−２の内外周面並びに内管１の外周面及び外管２の内周面に形成される。図１は後者の場合を図示している。尚、光触媒層４は液相成長法以外に、光触媒材料のバインダによる付着、光触媒を練り込んだ樹脂によるコーティング法、ゾルゲル法でも形成できる。

光触媒層４を酸化チタンで形成した場合、励起光源５の励起光Lには365nm以下の波長の近紫外光が必要である。この近紫外光を発生する励起光源５としてたとえば管径32.5mm、長さ580mmのブラックライトランプ（たとえば、三共電気株式会社製 型名FL20SBL）を用いる。また、光触媒層４を可視光応答型光触媒で形成した場合、励起光源５として可視光源を用いる。

内管１、外管２及び中空管３−１、３−２は励起光源５の励起光Lに対して透明な母材により構成されている。このような母材としては、たとえば、ホウケイ酸ガラス、石英でもよいが、酸化チタンの光触媒活性を低下させない低アルカリ金属含有量の低アルカリガラス、無アルカリガラス、アルカリ金属が溶出しないように酸化シリコンでコーティングしたアルカリガラス等が好ましい。また、内管１、外管２、中空管３−１、３−２は接触していればよいが、導光を促すために融着している状態が好ましい。この場合には、母材の軟化点もしくは融点まで加熱してアニールする。たとえば、ホウケイ酸ガラスであれば、525℃以上でアニールする。

図１においては、中空管３−１は、励起光源５に面した励起光入射部Pから近くに内管１の周囲に内径D₁の管を密接させて配置される。他方、中空管３−２は内管１の周囲に密接させて配置した内径D₁の管の周囲に密接させて配置するが、励起光入射部Pから遠いので、その内径D₂は中空管３−１の内径D₁より細い管を配置する。これにより、中空管３−１、３−２の光触媒層４の分布は、励起光入射部Pから遠くなる程、励起光入射部Pからの距離における中空管の内径を減少させることにより、変化することになる。従って、励起光入射部Pから遠くなると、励起光入射部Pからの距離における励起光源５からの励起光密度は小さくなるので、励起光入射部Pからの距離における光触媒層４の酸化還元作用も低下するが、これに伴う励起光入射部Pからの距離における中空管の内径の減少により、液体抵抗が増大して装置の単位断面積当りの流体の流量も小さくなるので、励起光入射部Pから離れた領域の流体の単位流量当りの浄化能力は上昇し、励起光密度の低下分を補填できる。

尚、図１においては、中空管を2グループとしているが、3つ以上のグループとすることもできる。また、励起光源５も2以上にし得る。

図２は本発明に係る光触媒浄化装置の第２の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のB-B線横断面図である。図３は図２の（Ｂ）の部分拡大断面図である。

図２、図３においては、内管１、外管２の間に、図１の中空管３−１、３−２の代りに、内径D₁、D₂、D₃（D₁>D₂>D₃）を有する中空管３’−１、３’−２、３’−３が長手方向に配置されている。ここで、内管１が内径41mm、外径45mm、厚さ2mm、外管２が内径65mm、外径75mm、厚さ5mmとすれば、D₁=3mm、D₂=2mm、D₃=1mmである。また、中空管３−１、３−２、３−３の外径は5mm（=D₁+2mm）、3mm（=D₂+1mm）、2mm（=D₃+1mm）であり、中空管の密度は、励起光入射部Pからの距離が遠くなる程、大きくなっている。

詳細には、中空管３’−１は、図１の中空管３−１と同様に、励起光源５に面した励起光入射部Pから近いので密に配置される。また、中空管３’−２は励起光入射部Pから少し遠いので、その内径D₂は中空管３’−１の内径D₁より細い。さらに、中空管３’−３は励起光入射部Pから遠いので、その内径D₃は中空管３’−２の内径D₂より細い。このとき、特に、径が細い中空管３’−２、３’−３の間には、大きな隙間が発生するので、この間隙をダミー導光体３’ａで埋めることにより中空管の圧着状態を維持する。このダミー導光体３’ａは中空でない円、多角形でもよい。従って、励起光入射部Pから遠くなると、励起光入射部Pからの距離における励起光源５からの励起光密度は小さくなるので、励起光入射部Pからの距離における中空管の光触媒層４の酸化還元作用も低下するが、装置の単位断面積当りの流体の流量も小さくなるので、励起光入射部Pから離れた領域の流体の単位流量当りの浄化能力は上昇し、励起光密度の低下分を補填できる。さらに、励起光入射部Pからの距離における中空管の密度の増大により、装置全体の浄化能力を高めることができる。

尚、図２において、中空管を3グループとしているが、4つ以上のグループとすることもできる。また、励起光源５を2つ以上になし得る。

図４は本発明に係る光触媒浄化装置の第３の実施の形態を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のB-B線横断面図である。

図４においては、図１の励起光源５の代りに、外管２の外周側に励起光源５’−１、５’−２、…、５’−８が設けられており、従って、励起光入射部Pは外管２の外周部となる。尚、励起光源の数は8以外の他の数になし得る。また、図１の内管１及び反射層６は存在しない。さらに、外管２の内側に、図１の中空管３−１、３−２の代りに、内径D₁、D₂、D₃、D₄、D₅（D₁>D₂>D₃>D₄>D₅）を有する中空管３”−１、３”−２、３”−３、３”−４、３”−５が長手方向に配置されている。ここで、外管２が内径65mm、外径75mm、厚さ5mmとすれば、D₁=5mm、D₂=4mm、D₃=3mm、D₄=2mm、D₅=1mmである。また、中空管３”−１、３”−２、３”−３、３”−４、３”−５の外径は10mm（=D₁+5mm）、7mm（=D₂+3mm）、6mm（=D₃+3mm）、4mm（=D₄+2mm）、3mm（=D₅+2mm）であり、中空管の密度は、励起光入射部Pから遠くなる程、大きくなっている。

詳細には、中空管３”−１は、図１の中空管３−１と同様に、励起光源５’−１、５’−２、…、５’−８に面した励起光入射部Pから近い位置に配置される。また、中空管３”−２は励起光入射部Pから少し遠いので、その内径D₂は中空管３”−１の内径D₁より小さい。さらに、中空管３”−３は励起光入射部Pから遠いので、その内径D₃は中空管３”−２の内径D₂より細い。以下、同様にして、中空管３”−３、３”−４、３”−５の内径D₃、D₄、D₅は順に細くなる。このとき、特に径が細い中空管３”−３、３”−４、３”−５の間及び装置の中心には、大きな隙間が発生するので、この間隙をダミー導光体３”ａで埋めることにより中空管の圧着状態を維持する。このダミー導光体３”ａは中空でない円、多角形でもよい。これにより、中空管３”−１、３”−２、３”−３の光触媒層４の分布は、励起光入射部Pから遠くなる程、励起光入射部Pからの距離における中空管の内径を減少させる。従って、励起光入射部Pからの距離が遠くなると、励起光入射部Pからの距離における励起光源５’−１、５’−２、…、５’−８からの励起光密度は小さくなるので、励起光入射部Pからの距離における中空管の光触媒層４の酸化還元作用も低下するが、装置の単位断面積当りの流体の流量も小さくなるので、励起光入射部Pから離れた領域の流体の単位流量当りの浄化能力は上昇し、励起光密度の低下分を補填できる。さらに、励起光入射部Pから遠くなるほど、中空管の外径が減少することで、その距離における中空管の密度の増大により、装置全体の浄化能力を高めることができる。

尚、図４においても、中空管を5グループとしているが、2〜4、6つ以上のグループとすることもできる。

図５は図４の光触媒浄化装置の変更例を示す横断面図である。

図５においては、図４の励起光源５’−１、５’−２、…、５’−８の代りに、太陽光を利用したものである。太陽光は装置の上方より照射されるものとすれば、装置の下方側にリフレクタ９を設ける。これにより、装置の下方からも太陽光を照射するようにして装置全体の浄化能力を高める。

リフレクタ９の反射材料としては、アルミニウム、銀、銀合金等の近紫外光を含む紫外光から可視光を反射するものを用いる。また、リフレクタ９の断面形状は、均一に反射を行うように円、楕円、多面等の形状とする。さらに、リフレクタ９の面は、反射のために鏡面もしくは散乱面でもよい。この場合、リフレクタ９の反射面材料としては、石英、シリカ、アルミナ、窒化アルミニウム、酸化チタン等の近紫外光を含む紫外光から可視光を散乱するものでもよい。

図６は本発明に係る光触媒浄化装置の第４の実施の形態を示す横断面図である。図６においても、図５と同様に、太陽光を利用したものである。太陽光は装置の上方より照射されるものとすれば、この場合には、装置の下方側にリフレクタを設ける必要ない。

図６においては、また、導光体１０の内部に、図２の場合と同様な内径D₁、D₂、D₃、D₄（D₁>D₂>D₃>D₄）を有する中空管３”−１、３”−２、３”−３、３”−４が長手方向に配置されている。ここで、たとえば、D₁=5mm、D₂=4mm、D₃=3mm、D₄=2mmである。また、中空管３”−１、３”−２、３”−３、３”−４の外径は10mm（=D₁+5mm）、9mm（=D₂+5mm）、8mm（=D₃+5mm）、7mm（=D₄+5mm）であり、中空管の内径および外形は、励起光入射部Pから遠くなるほど細くなり、中空管の密度は、励起光入射部Pから遠くなる程、高くなっている。このとき、特に、径が細い中空管３”−４の間の隙間には、ダミー導光体３”ａを埋めることにより中空管の圧着状態を維持する。

従って、励起光入射部Pから遠くなると、励起光入射部Pからの距離における太陽光の励起光密度は小さくなるので、励起光入射部Pからの距離における中空管の光触媒層４の酸化還元作用も低下するが、装置の単位断面積当りの流体の流量も小さくなるので、励起光入射部Pから離れた領域の流体の単位流量当りの浄化能力は上昇し、励起光密度の低下分を補填できる。さらに、励起光入射部Pから遠くなるほど、中空管の外径が減少することで、励起光入射部Pからの距離における中空管の密度の増大により、装置全体の浄化能力を高めることができる。

尚、図６においても、中空管を4グループとしているが、2、3、5つ以上のグループとすることもできる。

図７は図１の光触媒浄化装置の変更例を示し、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）のB-B線断面図である。

図７においては、各中空管３−１、３−２に導光粒状体１１を充填し、各中空管３−１、３−２の流量調整を行うようにする。この場合、導光粒状体１１の径は各中空管３−１、３−２の内径より小さく、このとき、各中空管３−１、３−２の内径に合せて調整してもよく、また、各中空管３−１、３−２内で異なる径にしてもよい。さらに、導光粒状体１１は中空管３−１、３−２に単に接触していてもよく、あるいは中空管３−１、３−２に融着させてもよい。

さらにまた、導光粒状体１１の表面に光触媒層（図示せず）を形成する。これにより、光触媒層の表面積を実質的に増大せしめて浄化能力をさらに高めることができる。

尚、上述の導光粒状体１１は好ましくは中空管と同一母材で形成し、中空管の全体でなく一部でも充填すればよい。

また、図７の変更例は図２、図４、図５、図６の光触媒浄化装置にも適用し得る。

さらにまた、本発明は、上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更も適用し得る。

本発明に係る光触媒浄化装置は水浄化装置以外に、空気浄化装置、水素発生装置等に利用できる。

１... 内管
２... 外管
３−１、３−２、３’−１、３’−２、３’−３、３”−１、３”−２、…、３”−５... 中空管
３’ａ、３”ａ... ダミー導光体
４... 光触媒層
５、５’−１、５’−２、…、５’−８... 励起光源
６... 反射層
７... 流入口
８... 流出口
９... リフレクタ
１０...導光体
１１...導光粒状体
L... 励起光
P... 励起光入射部

Claims (10)

1. 励起光を入射するための励起光入射部を有する光触媒浄化装置において、
   前記装置の長手方向に設けられ、前記励起光に対して透明な複数の中空管と、
   前記各中空管の少なくとも内周面に形成され、前記励起光によって励起される光触媒層と
   を具備し、
   前記励起光入射部から遠くなる程、該励起光入射部からの距離における前記中空管の内径を細くしたことを特徴とする光触媒浄化装置。
2. さらに、前記励起光入射部から遠くなる程、該励起光入射部からの距離における前記中空管の密度を増大させた請求項１に記載の光触媒浄化装置。
3. 前記励起光入射部が前記装置の内部に設けられた請求項１または２に記載の光触媒浄化装置。
4. さらに、前記装置の内部に設けられた励起光源を具備する請求項３に記載の光触媒浄化装置。
5. さらに、前記装置の外周面に前記励起光を反射するための反射層を具備する請求項１〜４のいずれかに記載の光触媒浄化装置。
6. さらに、前記励起光入射部が前記装置の外周面に設けられた請求項１または２に記載の光触媒浄化装置。
7. さらに、前記装置の外周面側に設けられた励起光源を具備する請求項６に記載の光触媒浄化装置。
8. さらに、前記装置の外周面側に設けられたリフレクタを具備する請求項６に記載の光触媒浄化装置。
9. さらに、前記各中空管内に充填された導光粒状体を具備する請求項１〜８のいずれかに記載の光触媒浄化装置。
10. さらに、前記導光粒状体に形成された光触媒層を具備する請求項９に記載の光触媒浄化装置。
    
    
    

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