JP2907814B1

JP2907814B1 - 光触媒反応装置

Info

Publication number: JP2907814B1
Application number: JP15060498A
Authority: JP
Inventors: 暢弥石尾
Original assignee: 扶桑建設工業株式会社
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1999-06-21
Anticipated expiration: 2018-05-13
Also published as: JPH11319857A

Abstract

【要約】【課題】毒性・副生成物のない、イニシャルコストの
低い光触媒反応水処理装置において、然るべき強度の紫
外線を触媒表面に安定的に照射し続けることを可能とす
る。【解決手段】光触媒反応装置は、被処理水を順次次の
水槽に流動可能に互いに連結された多数の水槽１０〜１
５と、一部を水槽内の被処理水に浸すように各水槽内に
個々に設置され、光触媒を担持した回転体１〜６と、各
回転体に隣接して空中に配置した紫外線照射手段２８〜
３９とを備える。各水槽内の被処理水を回転体に付着さ
せ、その回転により空中に運び出し、空中で紫外線を照
射することにより、水中照射による紫外線強度の減衰を
抑制した処理が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水処理技術に関
し、特に、光触媒反応を利用する水処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】浄水処理及び海水淡水化における海水の
前処理等においては、しばしばオゾン（Ｏ₃）による処
理が使われる。このオゾン処理は、カビ臭の除去、着色
した有機物質の脱色、凝集効果の改善、殺菌等、その効
果に関しては顕著なものがある。しかしながら、このオ
ゾン処理に要するイニシャルコストは甚大であり、しか
も、オゾンの発生に要するエネルギ効率は著しく低い。
オゾン発生器に関しては、今日に至るも１９世紀に開発
されたジーメンス方式を改良したものが主流である。無
論、今日のエレクトロニクスの進歩は、オゾン発生器の
機能部品の改良に反映されてはいるが、オゾンの生成反
応の原理的なものから来る効率の低さは、あまり改善さ
れていないのが現状である。このような技術的な見地か
ら、爛熟期にあるものは徐々に他の新しい方式に置き換
えられていくと考えられる。そうした新しい方式の中
で、国の研究機関でも研究テーマとして取り上げられて
いるものが、光触媒を応用した水処理である。光触媒に
ついては、既に各種のものが知られているが、その中
で、人体に無害で、かつ比較的容易に入手若しくは加工
が可能なものは、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）のみという
ことができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そこで、この二酸化チ
タンを利用した水処理装置が発想される。このような二
酸化チタンを用いた水処理における有機物質の処理技術
において、光触媒の水処理への適用の仕方は、光触媒表
面と光源である紫外線ランプとの間に処理しようとする
水を介在させ、紫外線の照射により光触媒表面に生成し
たＯＨラジカルなどの非常に強力な作用を持つ化学種を
水中の有機物、細菌等の分解反応や不活性化に用いるも
のである。したがって、光触媒がこれらの有効な化学種
を放出し続けるためには、然るべき強度の紫外線が、水
中の光触媒表面に安定的に照射され続けなければならな
い。しかしながら、水中で紫外線を照射させる方式を想
定した場合、光触媒の表面に到達するまでの紫外線の強
度の減衰が問題になる。

【０００４】本発明は、上記の問題に鑑みてなされたも
のであって、然るべき強度の紫外線を光触媒表面に安定
的に照射し続けることを可能とする装置を、毒性・副生
成物の少ない、イニシャルコストの低い装置として提供
することを第１の目的とする。ところで、未だ除濁が完
全でない水を処理しようとする場合には、常に光触媒表
面に付着しようとする微生物や濁質を除去しなくてはな
らない。そこで、本発明は、上記光触媒作用を低下させ
るように働き、常に水中の紫外線ランプ及び光触媒表面
に付着しようとする微生物や濁質を除去することを第２
の目的とする。更に、本発明は、生物処理との併用によ
り光触媒反応による効果を一層顕著にすることを第３の
目的とする。また、本発明は、装置としての処理効率を
高めることを第４の目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明は、光触媒反応装置を、被処理水を順次
次の水槽に流動可能に互いに連結された多数の水槽と、
一部を水槽内の被処理水に浸すように各水槽内に個々に
設置され、光触媒を担持した回転体と、各回転体に隣接
して空中に配置した紫外線照射手段とで構成すること
で、各水槽内の被処理水を回転体に付着させ、その回転
により空中に運び出し、空中で紫外線を照射することに
より処理するようにしている。この場合において、水中
に配置した紫外線照射手段を付加することができる。ま
た、第２の目的を達成するため、各水槽に被処理水を振
動させる超音波振動手段を設けている。更に、第３の目
的を達成するため、多数の水槽の上流に光触媒を担持し
ない回転体を配した水槽を連結している。そして、第４
の目的を達成するため、最下流側の水槽と最上流側の水
槽とを被処理水返送ラインにより連結している。

【０００６】

【作用】上記の構成からなる装置では、光触媒を担持す
る部分は、既に水処理における生物処理方法の１つとし
て定着した回転円板法に類似させることとした。そうす
ることによって、光触媒の担持された面と、処理を行お
うとする水との接触が十分に行われ、安定した処理効果
が期待されることからである。また、光触媒担持部分を
回転させることにより、紫外線の空気中での照射が可能
になる。本装置では、たとえ紫外線の照射が空気中で行
われるとしても、回転体の表面には常に水の薄膜が存在
しており、紫外線の光源と光触媒との間に水を介在させ
るという処理の基本形式は満たされている。また、紫外
線が水の薄膜を透過するだけであるので、水中のみで紫
外線を照射させる方式に比べ、光触媒の表面に到達する
までの紫外線の強度の減衰が少なく、効率のよい光触媒
の利用が可能になる。この場合、請求項２に記載のよう
に、水中に配置した紫外線照射手段を付加することによ
り、より効率のよい光触媒の利用が可能になる。

【０００７】次に、被処理水の除濁が完全でない段階で
は、常に光触媒表面に付着しようとする微生物や濁質を
除去しなくてはならない。その手段として、請求項３に
記載の構成により、水中で超音波を作用させ、光触媒を
担持した回転体に付着しようとする水中の濁質を分散状
態に維持することが非常に有力な手段となり得る。更
に、超音波振動の付与は、比較的緩慢であるとされる光
触媒の反応を加速させる働きをする。なお、超音波が水
中の反応を加速するということは、既に事実として知ら
れているが、どのようなメカニズムに基づくのかという
点については、未だに定説がない。

【０００８】更に、請求項４及び請求項５に記載の構成
によると、通常の生物処理である回転円板法の後続とし
て本法を使用することで、生物処理でなかなか分解除去
できない物質を補完的に分解することができる。生物処
理においては、原水の除濁効果が十分に期待できるもの
で、このコンビネーションは光触媒装置にとって有利に
働くものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光触媒反応装置の
実施の形態を図面に基づいて説明する。本発明の光触媒
反応装置の一実施例を、図１〜図３を用いて説明する。
図１は本発明を具体化した光触媒反応装置の平面図（た
だし、上部のフードを除いて示す）である。この装置
は、主として光触媒を担持した回転体を構成する多数の
回転円板１〜６を設置した多数の水槽１０〜１５で構成
されている。図示のものでは、回転円板数が６枚の場合
を例示するが、円板数とそれに対応する水槽数は、必要
に応じて加減するものとする。

【００１０】光触媒を担持した回転円板１〜６は、適度
な浸漬率、例えば、浸漬率３０〜４０％程度となるよう
に回転円板の下方を囲う水槽１０〜１５内に設置されて
いる。これらの水槽は、前後互いに連結していて、前段
の水槽１０から後段の水槽１５に移行するに従って処理
の程度は進む配列とされている。

【００１１】図２に示すように、回転円板１〜６が浸か
る各水槽１０〜１５の底部には、発振器４２で駆動する
ことで超音波を発生させる超音波振動手段、具体的には
振動子函２０〜２５が設置されている。これら振動子函
２０〜２５は、回転円板１〜６が回転している間は、振
動子を作動させ、円板表面に付着しようとする濁質、生
物を分散させ、円板表面を常時清浄にし、照射された紫
外線が円板上に担持した光触媒上に効率よく到達するの
を助けるために設けられている。これにより与えられる
超音波振動は、同時に超音波独自の反応促進作用によ
り、水中に移行したＯＨラジカルや活性酸素による有機
物の分解反応を進め、装置全体としての必要反応時間を
短縮し、装置のコンパクト化を図る意図をも持ってい
る。

【００１２】光触媒を担持した回転円板１〜６は同一の
直径である。これらの円板は、回転用シャフト９に固定
してあり、シャフト９の一端には、回転用モータ２６が
減速機２７を介して設置されている。これらは、紫外線
が透過する水の薄膜の厚さを適切に調整するため、円板
の周速をモータ２６の回転数を制御して変更させること
を可能とするものである。また、本実施例においては、
光触媒を担持した回転円板１〜６及び後述の光触媒を担
持していない回転円板７，８を同一の回転用シャフト９
に固定し、同じ回転数で回転するように構成したが、原
水の水質によっては、光触媒を担持した回転円板１〜６
と担持していない回転円板７，８を、それぞれ別の回転
用シャフトに取り付けたり、減速機を介して取り付ける
ことにより、各々が最適の回転数で回転するように構成
することもできる。

【００１３】被処理水としての原水が円板１を配した水
槽１０の前段にある水槽１７にまず流入するように、水
槽１７が原水流入口１８により原水の供給ラインに連結
されている。水槽１７には光触媒を担持していないプラ
スチック製の通常のタイプの回転円板７が他の回転円板
と共通の回転用シャフト９に固定して設置されている。
この回転円板７は、前述したように、原水中の濁質をあ
る程度生物処理により除去するものである。この除濁が
単一の生物処理用回転円板７で十分でない場合は、適宜
円板数を増やすことで対応する。

【００１４】最終段の光触媒反応槽１５の後段には、通
常の回転円板処理槽１６が設けてある。ここで使用する
回転円板８の素材は、前記回転円板７のものと同一とす
る。この槽１６の中の水は、既にほとんど無菌的になっ
ており、マクロ的に処理水質が良好に維持されている
が、この状態は、回転円板８の表面を観察することによ
って知ることができる。また、原水の水質によっては、
光触媒で低分子化した有機物を後段の回転円板８で生物
処理するといった使い方も可能である。

【００１５】光触媒を担持した回転円板１〜６に紫外線
を照射するために、各円板の近傍に、紫外線照射手段と
して、円板を挟むように対をなす水銀ランプ２８〜３９
が空中に位置するように、適宜の手段で支持されてい
る。この場合において、必要に応じて、紫外線照射手段
として空中に配置した水銀ランプ２８〜３９の下方の水
中に、水銀ランプ２８〜３９と対応するように、水銀ラ
ンプ２８’〜３９’を配置することができ、これによ
り、より効率のよい光触媒の利用が可能になる。

【００１６】図示してないが、装置上部には、異物の侵
入と汚染防止のため、ＵＶカット可能なフードを取り付
ける。このフードは、紫外線の連続照射により低濃度の
オゾン（Ｏ₃）が発生するので、オゾンの装置外への漏
出を防ぐためにも必要である。

【００１７】また、この光触媒反応装置で低分子化した
有機物質を再度生物処理すると、低分子化により生物へ
の摂取状態が改善されているため、生物分解性が高ま
り、結果的に装置全体としての処理効率が高められるこ
とになる。そこで、この装置では、被処理水を返送又は
場合によって循環させる返送ライン４０が、図１に示す
ように処理水槽１６の下流と原水の供給ラインを連結す
るように設けられている。この返送ラインによる返送処
理については、処理水質の状況によって実施するか否か
を判断する。そのため、返送ライン４０には流路切換用
のコック４１を設けてある。

【００１８】更に、光触媒の活性化を向上させるため
に、図示しない光触媒反応装置部分のフードは、密閉型
となるようにし、フード内部に小型のオゾン発生装置か
ら発生するオゾン化空気を通導できるようにするのも有
効である。この場合、オゾンモニタを使用し、内部のオ
ゾン濃度が適度になるようにコントロールする。そし
て、点検時にはオゾン発生器を停止させ、排風器でフー
ド内部の空気を排気し、不要なオゾンは活性炭に吸着さ
せ、環境に配慮する。

【００１９】このように構成された装置において、供給
ラインから原水を供給しつつモータ２６の駆動により減
速機２７及び回転用シャフト９を介して全ての回転円板
１〜６，７，８を回転させ、空中に配置した水銀ランプ
２８〜３９及び水中に配置した水銀ランプ２８’〜３
９’を点灯させて回転円板１〜６に担持させた光触媒に
紫外線を照射し、更に、発振器４２により各振動子函２
０〜２５を超音波振動させ、必要に応じて小型のオゾン
発生装置から発生するオゾン化空気をフード内部に通導
させることで、装置を稼働させる。これにより、まず原
水流入口１８から水槽１７に入った原水が生物処理用円
板７に付着して生物処理された後、連結部を経て水槽１
０に入る。水槽１０に流入した被処理水は、超音波振動
により濁質を分離された状態で回転円板１に付着して空
中に持ち出され、紫外線の照射を受ける。処理後の水は
連結部を経て次の水槽１０に流れる。以下同様にして被
処理水は最終的に水槽１６に至り、モニタ用円板８に付
着した状態で水質確認され、処理水として排出される。
このモニタ用円板８によるモニタリングで、更に、処理
が必要と判断される場合には、コック１４を開き、処理
水を返送ライン４０を経て原水流入口側にフィードバッ
クする。

【００２０】ところで、従来のオゾンを用いた水処理の
場合、専用の反応装置が必要である。その発生装置は屋
内に格納する必要があるため、専用の建物が必要であ
る。更に、残留オゾン除去のため排オゾン処理装置が必
要になり、安全性の確保のため、これらを含めたイニシ
ャルコストは高い。これに比べて、光触媒反応装置にお
いては、反応槽、電源が必要であるが、オゾンを用いた
水処理のように格納する建物、空気源用のコンプレッ
サ、ブロワ、放電管の冷却装置などの相応に高額の付帯
設備が少ない。しかも部品点数が少ない分、メンテナン
スが楽になるという利点もある。

【００２１】ところで、二酸化チタンによる光触媒の本
格的な研究は、太陽光を用いて水から酸素と水素を得、
それからエネルギを獲得するという（例えば、通産省の
サンシャイン計画）から始まった。有機物の酸化にも応
用できることが指摘されて以来、二酸化チタンはトルク
ロロエチレン、モノクロロ酢酸、ＰＣＢ、ダイオキシン
類など難分解性有機塩素化合物を対象にした分解実験が
行われ、いずれについても高い分解能を示すことが示さ
れている。また、下水についても光触媒を使用し、その
効果を見たところ、ＣＯＤ、ＢＯＤ及びＴＯＣのいずれ
の値とも有意な減少を示してしる。また、二酸化チタン
をガラスなどの表面にコーティングする技術も既に確立
されている。この技術により本来粉末である二酸化チタ
ンの回収といった煩わしさを省くことができ、浄水処理
分野での連続運転が可能になった。現在まだ実装置とし
て稼働している例はないが、先に述べたような様々な利
点を持つことにより、２１世紀初頭の主流になる高度処
理として期待されている技術である。

【００２２】以下に本発明の光触媒反応装置の用途と効
果の関係を列記する。浄水処理において、フミン質の分
解に用いると、活性炭への吸着効果が増大し、トリハロ
メタン生成能が減少する。また、色度の減少効果が得ら
れる。同じく浄水処理における細菌類の不活性化に用い
ると、活性炭処理に不必要な細菌の除去により活性炭処
理の性能が安定する。また浄水処理におけるＦｅ、Ｍｎ
の酸化に用いると、水質の改善効果が得られる。また、
活性炭処理と組み合わせれば色度低下につながる。同じ
く浄水処理における臭気物質の分解に用いると、水質の
向上によりオゾン処理施設が不要となる。また、浄水処
理におけるオゾン処理施設の代替に用いると、イニシャ
ルコストの低減により、水道料金の増加が抑えられる。

【００２３】上記以外の用途として、逆浸透膜による海
水淡水化の前処理に用いると、膜のファウリングを起こ
し易い有機物質の分解により分離膜寿命が延長し、ラン
ニングコストの削減が可能となる。また、海水淡水化の
前処理における次亜臭素酸の発生に用いると、塩素剤使
用量の減少により、薬品補給量の減少を図ることができ
る。また、海水中の膜の性能劣化に係る細菌の繁殖抑制
に効果がある。更に、魚類飼育槽内の殺菌、殺藻による
衛生状態維持に用いることができる。更に、塩素剤の添
加を嫌う貯留水槽の殺菌装置として使用することもでき
る。更に、水中のダイオキシン類の分解装置として使用
することもできる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、紫外線の照射を空気中
で行いながら、光触媒担持部分を回転させることによ
り、回転体の表面には常に水の薄膜が存在しており、紫
外線照射手段と光触媒との間に水を介在させるという処
理の基本形式は満たされている。その結果、紫外線が水
の薄膜を透過するだけであるので、水中で紫外線を照射
させる方式に比べ、光触媒の表面に到達するまでの紫外
線の強度の減衰が少ない。したがって、光触媒の担持さ
れた面と、被処理水との接触が十分に行われ、安定した
処理効果が得られる。そして、特に、請求項２に記載の
構成によると、より効率のよい光触媒の利用が可能にな
る。また、請求項３に記載の構成によると、常に光触媒
表面に付着しようとする微生物や濁質を水中の濁質を分
散状態に維持することで除去し、しかも比較的緩慢であ
るとされる光触媒の反応を加速することができる。ま
た、請求項４又は請求項５に記載の構成によると、生物
処理との併用で、処理効果を一層顕著なものとすること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る光触媒反応装置の平面
図である。

【図２】同装置の断面図である。

【図３】同装置を斜め下方より見た斜視図である。

【符号の説明】

１〜６回転円板（回転体）７生物処理用円板（回転体）８モニタ用円板（回転体）９回転用シャフト１０〜１７水槽１８原水流入口１９処理水流出口２０〜２５超音波振動子函（超音振動手段）２６モータ２７減速機２８〜３９水銀ランプ（紫外線照射手段）２８’〜３９’ 水銀ランプ（紫外線照射手段）４０処理水返送ライン４１切換コック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C02F 1/32 B01J 35/02 C02F 1/72 C02F 3/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理水を順次次の水槽に流動可能に互
いに連結された多数の水槽と、一部を水槽内の被処理水
に浸すように各水槽内に個々に設置され、光触媒を担持
した回転体と、各回転体に隣接して空中に配置した紫外
線照射手段とを備え、各水槽内の被処理水を回転体に付
着させ、その回転により空中に運び出し、空中で紫外線
を照射することにより処理するようにしたことを特徴と
する光触媒反応装置。
【請求項２】水中に配置した紫外線照射手段を付加し
たことを特徴とする請求項１記載の光触媒反応装置。
【請求項３】前記各水槽に被処理水を振動させる超音
波振動手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記
載の光触媒反応装置。
【請求項４】前記多数の水槽の上流に、光触媒を担持
しない回転体を配した水槽を連結したことを特徴とする
請求項１、２又は３記載の光触媒反応装置。
【請求項５】最下流側の水槽と最上流側の水槽とを被
処理水返送ラインにより連結したことを特徴とする請求
項１、２、３又は４記載の光触媒反応装置。