JP2023108800A - 光触媒体、および気体浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光触媒の脱落を抑制することができる光触媒体、および気体浄化装置を提供することである。【解決手段】実施形態に係る光触媒体は、基材と；前記基材に、ケイ素化合物を含む接合部を介して接合された光触媒と；を具備している。前記光触媒体は、以下の式を満足する。 ０．３≦Ｍ（ｍａｓｓ％）／Ｓ（ｍａｓｓ％）≦８Ｍ（ｍａｓｓ％）は、前記光触媒の質量百分率である。Ｓ（ｍａｓｓ％）は、前記接合部に含まれるケイ素（Ｓｉ）の質量百分率である。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、光触媒体、および気体浄化装置に関する。

健康意識の高まりを反映して、電車や自動車などの車内、冷蔵庫内、居住空間などの所謂、閉鎖空間における気体の浄化（例えば、空気の浄化）の要望が高まっている。例えば、雰囲気に含まれているアンモニア、エチレン、および、アセトアルデヒドなどのＶＯＣ(Volatile Organic Compounds；揮発性有機化合物）の除去や、雰囲気の脱臭などの要求が高まっている。

そのため、処理される気体が流れる空間を内部に有するフレームと、フレームの内部に並べて設けられた光源および光触媒体と、を備えた気体浄化装置が提案されている。一般的に、光触媒体は、複数のガラス繊維を用いて形成された基材と、基材に坦持された複数の光触媒とを有している。この様な気体浄化装置を用いれば、光触媒作用により生成された活性酸素種などにより、気体に含まれているＶＯＣなどを除去することができる。

ここで、光触媒体は、処理される気体が流れる空間に設けられるため、基材に坦持された複数の光触媒が気体の流れに晒されることになる。そのため、光触媒と基材との間の接合力が弱いと、光触媒が基材から脱落する場合がある。そこで、光触媒のバインダとして、ケイ素化合物を用いる技術が提案されている。

しかしながら、近年においては、処理流量の増加が求められており、処理される気体の流速が速くなり、且つ、処理される気体の流量が増加する傾向にある。そのため、光触媒に加わる力がさらに大きくなり、光触媒の脱落が生じ易くなるおそれがある。
そこで、光触媒の脱落をさらに抑制することができる技術の開発が望まれていた。

特許６６３０５１２号公報

本発明が解決しようとする課題は、光触媒の脱落を抑制することができる光触媒体、および気体浄化装置を提供することである。

実施形態に係る光触媒体は、基材と；前記基材に、ケイ素化合物を含む接合部を介して接合された光触媒と；を具備している。前記光触媒体は、以下の式を満足する。
０．３≦Ｍ（ｍａｓｓ％）／Ｓ（ｍａｓｓ％）≦８
Ｍ（ｍａｓｓ％）は、前記光触媒の質量百分率である。
Ｓ（ｍａｓｓ％）は、前記接合部に含まれるケイ素（Ｓｉ）の質量百分率である。

本発明の実施形態によれば、光触媒の脱落を抑制することができる光触媒体、および気体浄化装置を提供することができる。

吸気側から気体浄化装置を見た場合の模式斜視図である。 排気側から気体浄化装置を見た場合の模式斜視図である。 図１における気体浄化装置のＡ－Ａ線方向の模式断面図である。 光触媒の脱落率と、接合部に対する光触媒の質量比との関係を例示するためのグラフである。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図１は、吸気側から気体浄化装置１を見た場合の模式斜視図である。
図２は、排気側から気体浄化装置１を見た場合の模式斜視図である。
図３は、図１における気体浄化装置１のＡ－Ａ線方向の模式断面図である。
図１～図３に示すように、気体浄化装置１は、例えば、フレーム２、フィルタ３、ファン４、光源５、および光触媒体６を有する。

フレーム２は、箱状を呈している。気体Ｇの吸気側から見た場合に、フレーム２の輪郭は、例えば、四角形とすることができる。この場合、フレーム２の輪郭は、例えば、多角形とすることもできる。ただし、光触媒体６の着脱やスペース効率などを考慮すると、フレーム２の輪郭は、四角形とすることが好ましい。

例えば、フレーム２は、直方体形状を呈し、内部に、処理を行う気体Ｇが流れる空間を有する。フレーム２の内部には、光源５および光触媒体６が設けられる。フレーム２の、一方の端部（吸気側の端部）には孔２ａが設けられている。孔２ａは、処理の対象となる気体Ｇの流入口となる。フレーム２の、他方の端部（排気側の端部）には孔２ｂが設けられている。孔２ｂは、孔２ａと対向している。孔２ｂは、処理済みの気体Ｇの流出口となる。そのため、フレーム２の内部に、孔２ａから孔２ｂに向かって流れる気流を形成することができる。

気体Ｇは、例えば、空気を主成分とし、処理の対象となる物質を含んでいる。処理の対象となる物質は、光触媒作用により浄化可能なものであればよい。処理の対象となる物質は、例えば、アンモニア、エチレン、および、アセトアルデヒドなどのＶＯＣなどとすることができる。

図３に示すように、フレーム２の内部には、ブラケット２ｃ、２ｄが設けられている。ブラケット２ｃには、光触媒体６が着脱自在に設けられる。ブラケット２ｃは、光触媒体６の周縁部分を保持する。ブラケット２ｄには、光源５が着脱自在に設けられる。ブラケット２ｄは、光源５の周縁部分を保持する。

また、フレーム２の側部は開口している。フレーム２の側部の開口には、蓋２ｅを着脱自在に設けることができる。フレーム２の側部の開口を介して、光触媒体６、および光源５の着脱を行うことができる。また、フレーム２の側部などには、気体浄化装置１の外部に設けられた点灯回路や電源などと、光源５との電気的な接続を行うためのコネクタ２ｆを設けることができる。

フレーム２および蓋２ｅの材料には、特に限定はない。フレーム２および蓋２ｅの材料は、例えば、金属とすることができる。金属は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム合金などとすることができる。フレーム２および蓋２ｅの材料が金属の場合には、例えば、板金加工などにより、フレーム２および蓋２ｅを形成することができる。なお、図１～図３に例示をしたフレーム２および蓋２ｅは、板金加工などにより形成された金属製のフレーム２および蓋２ｅである。

フレーム２および蓋２ｅの材料は、例えば、熱可塑性樹脂とすることもできる。熱可塑性樹脂は、例えば、ＡＢＳ樹脂（アクリルニトリルーブタジエンースチレン共重合合成樹脂）、ポリプロピレン樹脂、アクリル樹脂（ポリメタクリル酸メチル樹脂）などとすることができる。フレーム２および蓋２ｅの材料が熱可塑性樹脂の場合には、例えば、射出成形などにより、フレーム２および蓋２ｅを形成することができる。

フィルタ３は、フレーム２の吸気側の端部に設けられた孔２ａを覆っている。図１および図３に示すように、フィルタ３は、ブラケット３ａにより、フレーム２の吸気側の端部に着脱自在に設けることができる。ブラケット３ａは、枠状を呈し、フィルタ３の周縁部分を保持する。ブラケット３ａの中央部分には孔が設けられ、孔の内部にフィルタ３の中央部分が露出している。そのため、フィルタ３を介して、気体Ｇをフレーム２の内部に導入することができる。

フィルタ３は、フレーム２の外部にあるゴミなどが、フレーム２の内部に吸引されるのを抑制する。フィルタ３は、例えば、目視にて確認できる程度の大きさのゴミを除去するために設けることができる。フィルタ３は、例えば、ステンレス製の平織の金網（線径φ０．１ｍｍ、１００メッシュ）とすることができる。

ファン４は、フレーム２の排気側の端部に設けられた孔２ｂに接続されている。図１～図３に示すように、ファン４は、フレーム２の排気側の端部に着脱自在に設けることができる。ファン４は、孔２ｂを介して、フレーム２の内部にある気体Ｇをフレーム２の外部に排出する。そのため、フレーム２の内部に、フィルタ３側からファン４側に向かう気体Ｇの流れを形成することができる。ファン４は、例えば、シロッコファンなどとすることができる。

光源５は、フレーム２の内部に設けられ、光触媒体６に所定の波長を有する光を照射する。図３に例示をした光源５には、発光素子５ｂが設けられているが、光源５は、所定の波長を有する光を照射可能なもので有ればよい。例えば、光源５は、所定の波長を有する光を照射する放電ランプを有するものであってもよい。以下においては、一例として、発光素子５ｂを有する光源５について説明する。

光源５は、少なくとも１つ設けることができる。図３に例示をした気体浄化装置１は、互いに離隔させて、並べて設けられた２つの光源５を備えている。光源５は、フレーム２の内部において、ブラケット２ｄに着脱自在に設けられている。例えば、光源５は、ネジなどの締結部材を用いて、ブラケット２ｄに取り付けることができる。光源５は、光触媒体６と対向している。光源５は、コネクタ２ｆを介して、気体浄化装置１の外部に設けられた点灯回路や電源などと電気的に接続される。

光源５は、例えば、基板５ａ、および発光素子５ｂを有する。
基板５ａは、板状を呈している。基板５ａは、光触媒体６と対向させて、気体Ｇの流路に設けられる。そのため、基板５ａが設けられていると、気体Ｇの流通が妨げられるおそれがある。この場合、厚み方向を貫通する複数の孔を基板５ａに設けることができる。しかしながら、孔の大きさが小さければ圧力損失が大きくなるので気体Ｇの流通が妨げられる。孔の大きさを大きくすると、発光素子５ｂおよび配線パターンの配置や数などに制約が生じる。

そこで、図３に示すように、基板５ａの幅寸法は、光触媒体６の幅寸法よりも小さくしている。この場合、「基板５ａの幅寸法（ｍｍ）／光触媒体６の幅寸法（ｍｍ）」が、０．５より小さければ、適切な気体Ｇの流通を確保するのが容易となる。

基板５ａの材料や構造には特に限定はない。例えば、基板５ａは、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどの無機材料（セラミックス）、紙フェノールやガラスエポキシなどの有機材料などから形成することができる。また、基板５ａは、金属板の表面を絶縁材料で被覆したメタルコア基板などであってもよい。

発光素子５ｂの発熱量が多い場合には、放熱性の観点から熱伝導率の高い材料を用いて基板５ａを形成することが好ましい。熱伝導率の高い材料としては、例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどのセラミックス、メタルコア基板などを例示することができる。また、基板５ａは、単層構造を有するものであってもよいし、多層構造を有するものであってもよい。

発光素子５ｂは、基板５ａの、光触媒体６と対向する面に設けられている。発光素子５ｂは、例えば、基板５ａの面に設けられた配線パターンと電気的に接続される。発光素子５ｂの形式には特に限定はない。発光素子５ｂは、例えば、ＰＬＣＣ（Plastic Leaded Chip Carrier）型などの表面実装型の発光素子とすることができる。発光素子５ｂは、例えば、砲弾型などのリード線を有する発光素子とすることもできる。発光素子５ｂは、例えば、チップ状の発光素子とすることもできる。チップ状の発光素子は、例えば、ＣＯＢ（Chip On Board）により配線パターンに実装することができる。図３に例示をした発光素子５ｂは、表面実装型の発光素子である。

発光素子５ｂは、光触媒体６に設けられた光触媒を励起させるために設けられている。この場合、光触媒の材料や組成が変われば、光触媒の吸収波長領域が変化する。そのため、光触媒の吸収波長領域に応じて、適切な波長の光を照射する発光素子５ｂを選択する。例えば、光触媒が、酸化チタンなどを含む紫外線応答型の光触媒であれば、発光素子５ｂは、ピーク波長が、例えば、３１５ｎｍ以上、４２０ｎｍ以下の紫外線を照射する発光ダイオードやレーザダイオードなどとすることができる。また、光触媒が、酸化タングステンなどの可視光応答型の光触媒であれば、発光素子５ｂは、ピーク波長が、例えば、４０５ｎｍ以上、６００ｎｍ以下の可視光を照射する発光ダイオード、レーザダイオード、有機発光ダイオードなどとすることができる。

ここで、近年においては、ＶＯＣなどの除去とともに、細菌やウィルスなどの殺菌や不活性化が求められている。そのため、発光素子５ｂが照射する光のピーク波長よりも短いピーク波長を有する光を照射する発光素子をさらに設けることもできる。例えば、ピーク波長が、２７０ｎｍ以上、３００ｎｍ以下の紫外線を照射する発光ダイオードやレーザダイオードなどをさらに設けることもできる。この様にすれば、フレーム２の内部を流れる気体Ｇに含まれる細菌やウィルスなどの殺菌や不活性化、および光触媒体６やフレーム２の内壁などに付着した細菌やウィルスなどの殺菌や不活性化を行うことができる。

以上は、発光素子５ｂを有する光源５の場合であるが、放電ランプを有する光源とする場合には、基板５ａおよび発光素子５ｂに代えて、放電ランプおよびソケットを設けることができる。放電ランプは、例えば、低圧水銀ランプやエキシマランプなどとすることができる。

光触媒体６は、フレーム２の内部において、ブラケット２ｃに着脱自在に設けられている。例えば、光触媒体６は、ネジなどの締結部材を用いて、ブラケット２ｃに取り付けることができる。

光触媒体６は、例えば、基材、光触媒、および、接合部を有する。
基材は、例えば、複数の線状体を織り込んだものである。例えば、基材は、複数の線状体を含む織物である。
例えば、基材は、シート状を呈し、複数のガラス繊維を織り込むことで形成される。複数のガラス繊維から形成された基材は剛性が低いので、基材の周縁を保持する枠状部材を設けることができる。また、近年においては、処理流量の増加が求められており、処理される気体Ｇの流速が速くなり、且つ、気体Ｇの流量が増加する傾向にある。そのため、基材の中央領域の変形を抑制するために、基材の周縁を保持する枠状部材に桟などを設けることもできる。

ただし、枠状部材や桟などが設けると、発光素子５ｂから照射された光が入射せず、且つ、気体Ｇも流通することができない領域が生じるので、処理流量の増加が図れなくなるおそれがある。

そのため、処理流量の増加が求められる場合には、シート状を呈し、金属を含む複数の線状体を有する基材とすることが好ましい。この様な基材は、例えば、金属を含む線状体を織り込むことで形成することができる。線状体の材料は、例えば、ステンレス、ニッケル、モネル、リン青銅、チタン、銅、銅合金、銀、銀合金などである。線状体の線径（太さ）は、例えば、０．０１６ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下である。１インチ（２５．４ｍｍ）の間にある隙間の数、すなわち、メッシュ数は、例えば、５００以下とすることができる。

この様な線状体を用いて基材を形成すれば、基材の剛性を高めることができるので、基材を透過する気体Ｇの流量や流速を増加させることができる。また、補強のための枠状部材や桟などを設ける必要もない。そのため、処理流量の増加を図ることができる。

光触媒は、例えば、所定の波長を有する光が入射した際に光触媒作用を発現する粒状体である。光触媒の種類は、気体浄化装置１の用途や、気体Ｇに含まれる物質などに応じて適宜選択することができる。例えば、光触媒は、紫外線応答型の光触媒や可視光応答型の光触媒などとすることができる。紫外線応答型の光触媒は、例えば、酸化チタンなどを含んでいる。可視光応答型の光触媒は、例えば、酸化タングステン、窒素などをドープした酸化チタン、異種金属をイオン注入した酸化チタンなどを含んでいる。

光触媒は、基材に直接坦持させることもできる。しかしながら、図３に示すように、光触媒体６は、処理される気体Ｇが流れる空間に設けられるため、基材に坦持された複数の光触媒が気体Ｇの流れに晒されることになる。この場合、光触媒と基材との間の接合力が弱いと、光触媒が基材から脱落し易くなる。近年においては、処理流量の増加が求められており、処理される気体Ｇの流速が速くなり、且つ、気体Ｇの流量が増加する傾向にある。そのため、基材に坦持された複数の光触媒に加わる力がさらに大きくなり、光触媒の脱落がさらに増加するおそれがある。

そこで、光触媒体６は、接合部を有している。接合部は、光触媒と基材との間に設けられている。接合部は、光触媒と基材との間の接合強度を高めるために設けられている。この場合、接合部が、ケイ素化合物を含んでいれば、光触媒と基材との間の接合強度を効果的に高めることができる。ケイ素化合物は、例えば、ケイ素の酸化物、ケイ素の窒化物、ケイ素の酸窒化物、ケイ素の炭化物、ケイ素の硫化物などである。
すなわち、光触媒は、基材に、ケイ素化合物を含む接合部を介して接合されている。

また、複数の光触媒が接合部の内部に完全に埋まっていると、光源５から照射された光が光触媒に届かなかったり、処理される気体Ｇが光触媒に接触できなかったりする。そのため、複数の光触媒のうちの、少なくとも一部の光触媒は、接合部から露出している。

ここで、接合部に対する光触媒の質量比が大きくなると、接合部が少なくなるので、光触媒の脱落が生じ易くなる。一方、接合部に対する光触媒の質量比が小さくなると、接合部が多くなるので、光触媒の脱落が生じ難くなるとも考えられる。しかしながら、本発明者らは鋭意検討の結果、接合部に対する光触媒の質量比を小さくし過ぎると、かえって光触媒の脱落が生じ易くなるとの知見を得た。

図４は、光触媒の脱落率と、接合部に対する光触媒の質量比との関係を例示するためのグラフである。
図４においては、接合部に対する光触媒の質量比を「Ｍ（ｍａｓｓ％）／Ｓ（ｍａｓｓ％）」としている。Ｍ（ｍａｓｓ％）は、光触媒の質量百分率である。Ｓ（ｍａｓｓ％）は、接合部に含まれるケイ素（Ｓｉ）の質量百分率である。
質量百分率Ｍ（ｍａｓｓ％）および質量百分率Ｓ（ｍａｓｓ％）は、例えば、電子線マイクロアナライザーを用いて測定できる。光触媒体６の所定の測定範囲、例えばφ２．０ｍｍの領域における各対象物の質量百分率を測定し、求めることができる。
また、光触媒の脱落試験においては、基材、光触媒、および、接合部を有する光触媒体６を、流量が０．５ｍ^３／ｍｉｎの空気の流れに晒した。また、光触媒体６の表面の直径が２００μｍの範囲において、光触媒の脱落率を測定した。

図４から分かるように、「０．３≦Ｍ（ｍａｓｓ％）／Ｓ（ｍａｓｓ％）≦８」とすれば、光触媒の脱落率を０．８％以下にすることができる。また、「０．４≦Ｍ（ｍａｓｓ％）／Ｓ（ｍａｓｓ％）≦６」とすれば、光触媒の脱落率をさらに小さくすることができる。

次に、本実施の形態に係る光触媒体６の製造方法について説明する。
以下においては、一例として、接合部が二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含む場合を説明する。そのため、二酸化ケイ素を、他のケイ素化合物に置き換えることで、他のケイ素化合物を含む接合部に適用することができる。

まず、水を主成分とする水溶液に、二酸化ケイ素を含む複数の粒子と、複数の光触媒（例えば、二酸化チタンを含む複数の粒子）と、を分散させて分散液を生成する。
この場合、二酸化ケイ素を含む複数の粒子に対する、複数の光触媒の質量比が、前述した「０．３≦Ｍ（ｍａｓｓ％）／Ｓ（ｍａｓｓ％）≦８」または「０．４≦Ｍ（ｍａｓｓ％）／Ｓ（ｍａｓｓ％）≦６」となるようにする。
二酸化ケイ素を含む複数の粒子の平均粒径は、例えば、1μｍ以下とすることができる。
複数の光触媒の平均粒径は、例えば、1μｍ以下とすることができる。

次に、分散液に、例えば、シート状の基材を浸漬させる。
次に、浸漬させた基材を分散液から引き上げる。
次に、基材の表面に残留する分散液を乾燥させて、基材の表面に、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含む接合部を形成するとともに、接合部を介して、複数の光触媒と基材とを接合する。
以上の様にして、光触媒体６を製造することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 気体浄化装置、２ フレーム、４ ファン、５ 光源、６ 光触媒体、Ｇ 気体

Claims (4)

1. 基材と；
   前記基材に、ケイ素化合物を含む接合部を介して接合された光触媒と；
   を具備し、
   以下の式を満足する光触媒体。
   ０．３≦Ｍ（ｍａｓｓ％）／Ｓ（ｍａｓｓ％）≦８
   Ｍ（ｍａｓｓ％）は、前記光触媒の質量百分率である。
   Ｓ（ｍａｓｓ％）は、前記接合部に含まれるケイ素（Ｓｉ）の質量百分率である。
2. 以下の式を満足する請求項１記載の光触媒体。
   ０．４≦Ｍ（ｍａｓｓ％）／Ｓ（ｍａｓｓ％）≦６
3. 前記基材は、シート状を呈し、金属を含む複数の線状体を有し、
   前記ケイ素化合物は、二酸化ケイ素である請求項１または２に記載の光触媒体。
4. 請求項１～３のいずれか１つに記載の光触媒体と；
   前記光触媒体に、所定の波長を有する光を照射可能な光源と；
   を具備した気体浄化装置。

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