JP3213075U - 水処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水中で、有機物分解とオゾン殺菌を行うことのできる水処理装置を提供する。【解決手段】水処理装置は、液相中の溶存酸素をキャビテーションバブルとして発生させるバブル発生ノズル５０１と、液相中に設けられ、純チタン板またはチタン合金板に酸化チタン系材料を表面層として形成した円筒状体１０１である光触媒構造体と、液相に波長２５４ｎｍの紫外線および波長１８５ｎｍの紫外線を照射するＵＶランプ１０５と、を備える。【選択図】図１

Description

本考案は、水中で、有機物分解とオゾン殺菌を行うことのできる水処理装置に関する。

従来、光触媒は、物質の表面に酸化チタンをコーティングすることにより形成されている。

例えば特開２０００−７９３２４号公報（特許文献１）には、螺旋形構造体またはハニカム構造体に光触媒機能を付加するため、酸化チタンをコーティングする技術が記載されている。また、特許第３８４８５１５号公報（特許文献２）には、螺旋状突起の表面に光触媒を担持するため、二酸化チタンなどの光触媒および蓚酸アンモニウムを水中に懸濁させた液をコーティングする技術が記載されている。また、特許第４０１０４１６号公報（特許文献３）には、スタティックミキサーの表面に金属酸化物を含む塗料を担持させて薄膜状の光触媒層を得る技術が記載されている。

また、水中でオゾン殺菌を行う水処理装置が提供されている。

例えば特許第５０２３４８１号公報（特許文献４）には、直径が５０μｍ以下の微細気泡と１００μｍ以上の粗大気泡とを被処理水に注入し、ピーク波長が異なる２つのＵＶ（ultraviolet）を照射することで、オゾンを生成する液体処理装置が記載されている。

特開２０００−７９３２４号公報 特許第３８４８５１５号公報 特許第４０１０４１６号公報 特許第５０２３４８１号公報

前記特許文献１〜３のように、光触媒をコーティングにより物質の表面に形成した場合は、コーティングの耐久性が劣る。特に水中ではコーティングが剥離しやすくなるため、光触媒を水中で使用する際の光触媒機能の持続性に課題がある。

また、前記特許文献４は、光触媒を組み合わせるものではなく、また、オゾン生成には波長１８５ｎｍ付近のＵＶが利用されるため、エネルギー効率が低いという課題がある。

本考案の目的は、水中での光触媒の耐久性および光触媒機能の持続性が優れており、かつ、水中で、有機物分解とオゾン殺菌を同時に行うことができる水処理装置を提供することにある。

本考案者は、従来技術の問題点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、純チタン板またはチタン合金板に、可視光応答性を有し光触媒活性に優れた酸化チタン系材料を表面層として形成した光触媒構造体を用いることで、水中での光触媒の耐久性および光触媒機能の持続性を良好にするという上記目的を達成できることを見出した。さらに、水中のキャビテーションバブルにＵＶを照射してオゾン水を生成することにより、水中で、有機物分解とオゾン殺菌を同時に行うという上記目的を達成できることを見出した。

すなわち、本考案は、光触媒構造体にＵＶを照射して水中の有機物を分解し、かつ、キャビテーションバブルにＵＶを照射して生成したオゾン水を利用してオゾン殺菌を行う水処理装置に係るものである。

本考案による水処理装置は、
（１）波長２５４ｎｍの紫外線および波長１８５ｎｍの紫外線を照射するＵＶ発生装置（ＵＶランプ）、
（２）純チタン板またはチタン合金板に、可視光応答性を有し光触媒活性に優れた酸化チタン系材料を表面層として形成した光触媒構造体、
（３）液相（水）の溶存酸素をキャビテーションバブルとして発生させるバブル発生装置、により構成される。

ＵＶ発生装置は、波長２５４ｎｍの紫外線および波長１８５ｎｍの紫外線を液相（水）に同時に照射することが好ましい。

光触媒構造体は、円筒状体であって、その円筒状体の外周が筒状に形成された筒状体で覆われるとともに、円筒状体の両側が円板状に形成されかつ中心部に丸孔を有する円板状体で覆われた構造であることが好ましい。円筒状体および円板状体の中心部に開口した丸孔に、ＵＶ発生装置を収納した合成石英管を挿入することができる。これにより、紫外線を光触媒構造体に効率よく照射することができる。

また、光触媒構造体は、右螺旋状体と左螺旋状体とで形成された２重螺旋状の円筒状体であり、右螺旋状体と左螺旋状体とが接合面を９０度ずらして接合された構造であることが好ましい。これにより、光触媒構造体に液相（水）を効率よく接触させることができるとともに、液相（水）を混合撹拌することができる。

また、光触媒構造体およびＵＶ発生装置を収納した合成石英管は、例えば樹脂製の容器に収納し、容器の両側とＵＶ発生装置を収納した合成石英管とは水封されることが好ましい。

バブル発生装置は、ポンプの吐出し側にバブル発生ノズルが配置され、液相（水）をポンプで０．０７ＭＰａ以上かつ０．３ＭＰａ以下で加圧供給して、バブル発生ノズルを通過させる。これにより、液相（水）中の溶存酸素を粒径５０μｍ以下のキャビテーションバブルとして発生させることができる。

本考案による水処理装置によれば、光触媒構造体において、純チタン板またはチタン合金板の表面に酸化チタン層が良好に密着し、酸化チタン層の剥離が発生しない。よって、水中での使用においても光触媒の耐久性および光触媒機能の持続性が優れている。

また、光触媒構造体にＵＶ発生装置で波長２５４ｎｍの紫外線を照射し、液相（水）を光触媒構造体に通過接触させることにより有機物を分解することができる。そのうえ、バブル発生装置により液相（水）中の溶存酸素をキャビテーションバブルとして発生させて、このキャビテーションバブルにＵＶ発生装置で波長１８５ｎｍの紫外線を照射する。これにより、酸素バブルからオゾンバブルが生成し、オゾンバブルの収縮、溶解によりオゾン水が生成するので、液相（水）中でオゾン殺菌することができる。

実施の形態による水処理装置を模式的に示す構成図である。 実施の形態による２重螺旋状の光触媒構造体の構成を示す斜視図である。 実施の形態による水処理装置において水中ＵＶ光触媒処理をした時のメチレンブルーの色素の変化を示したグラフ図である。 実施の形態による水処理装置において水中ＵＶオゾン処理をした時の溶存オゾン濃度の変化を示したグラフ図である。

本考案の実施の形態による水処理装置は、
（１）２つの紫外線を照射するＵＶ発生装置、
（２）２重螺旋状の光触媒構造体、
（３）液相（水）の溶存酸素を粒径５０μｍ以下のキャビテーションバブルとして発生させるバブル発生ノズルを備えたバブル発生装置、
（４）ＵＶ発生装置が中心部に挿入された光触媒構造体を収納する容器、
により構成される。

ＵＶ発生装置
本実施の形態によるＵＶ発生装置は、例えばＵＶランプであり、ＵＶランプから光触媒構造体に波長２５４ｎｍの紫外線を照射して、光触媒構造体に水を通過接触させることにより有機物を分解することができる。また、ＵＶランプからキャビテーションバブルに波長１８５ｎｍの紫外線を照射して、酸素バブルからオゾンバブルを生成させ、オゾンバブルが収縮、溶解することによりオゾン水が生成されて水をオゾン殺菌することができる。そのために、ＵＶ発生装置は、波長２５４ｎｍおよび波長１８５ｎｍの両方の紫外線を同時に照射する。

光触媒構造体
本実施の形態による光触媒構造体は、純チタン板またはチタン合金板に、可視光応答性を有し光触媒活性に優れた酸化チタン系材料を表面層として形成したもので、２重螺旋状に形成された円筒状体である。この円筒状体の外周が筒状に形成された筒状体で覆われるとともに円筒状体の両側が円板状に形成された円板状体で覆われている。円筒状体および円板状体の中心部には丸穴が開口しており、この丸穴にＵＶ発生装置を収納した合成石英管が挿入されている。

上記構成により、紫外線を照射したときに、光触媒構造体である円筒状体の板の両面と、筒状体の内面と、円板状体の内面とに紫外線が効率的に照射される。

また、２重螺旋状の光触媒構造体である円筒状体に水を供給すると、水が２分割に分流される。さらに、円筒状体を形成する右螺旋状体と左螺旋状体との接合面を９０度ずらして接合することにより、２分割に分流された水が接合面でさらに２分割と合流および流れ方向変換することで、水は混合撹拌されて２重螺旋状の光触媒構造体と接触する。

光触媒構造体は、円筒状体、筒状体および円板状体を純チタン板またはチタン合金板で組み立てた後に、その表面に可視光応答性を有し光触媒活性に優れた酸化チタン系材料を形成することによって、製造することができる。

光触媒構造体に使用する純チタン板またはチタン合金板の板厚は、０．３ｍｍ以上かつ１ｍｍ以下が望ましいが、特に制限されない。

バブル発生装置
本実施の形態によるバブル発生装置は、例えばバブル発生ノズルであり、水をポンプで０．０７ＭＰａ以上かつ０．３ＭＰａ以下でバブル発生ノズルに加圧供給してキャビテーションバブルを発生させることができる。ポンプは、自給式であることが好ましいが、特に制限されない。

容器
本実施の形態による容器は、光触媒構造体およびＵＶ発生装置を収納した合成石英管を収納し、容器の両側と合成石英管が水封されている。容器は、光触媒構造体の中心部に挿入されたＵＶ発生装置によるＵＶ照射により容器の内面に紫外線が直接照射されないように光触媒構造体で覆われている構造である。なお、容器は、樹脂製または金属製であることが好ましいが、容器の材質は特に制限されない。

以下、本考案の水処理装置の一実施例を図１〜図４を用いて説明する。図１は、本実施の形態による水処理装置を模式的に示す構成図である。図２は、本実施の形態による２重螺旋状の光触媒構造体の構成を示す斜視図である。図３は、本実施の形態による水処理装置において水中ＵＶ光触媒処理をした時のメチレンブルーの色素の変化を示したグラフ図である。図４は、本実施の形態による水処理装置において水中ＵＶオゾン処理をした時の溶存オゾン濃度の変化を示したグラフ図である。ただし、本考案の範囲は、実施例に限定されない。

図１に示すように、水処理装置は、収納容器２０１に収納された光触媒構造体を備え、光触媒構造体の中心部に、ＵＶランプ１０５を収納した合成石英管１０４が挿入されている。水処理装置は、処理水槽３０１からポンプ４０１で吸い込んだ処理水を加圧して収納容器２０１の液入口２０２に供給し、光触媒構造体と接触させた後、液出口２０３から排出して処理水槽３０１にもどす。ＵＶランプ１０５への電源は、収納容器２０１の上部からＵＶ電源６０１より配線で供給される。

ポンプ４０１は、処理水槽３０１の処理水を、例えば０．０７ＭＰａ以上かつ０．３ＭＰａ以下でバブル発生ノズル５０１に加圧供給する。キャビテーションバブルの生成圧力が０．０７ＭＰａ以上必要であり、キャビテーションバブルの粒径や量を調整するため、最高圧力を０．３ＭＰａ以下にしている。

バブル発生ノズル５０１は、収納容器２０１の液入口２０２に設けられている。バブル発生ノズル５０１は、例えば処理水の流れを絞ることによって処理水を急減圧して発泡させることができる。バブル発生ノズル５０１を通過した処理水は、収納容器２０１内の光触媒構造体に供給される。

光触媒構造体は、純チタン板またはチタン合金板の表面に、可視光応答性を有し光触媒活性に優れた酸化チタン系材料を形成したものである。光触媒構造体については、例えば特許第５６４４４３０号公報などに記載されている。

図２に示すように、光触媒構造体は、２重螺旋状に形成された円筒状体１０１、筒状体１０２および円板状体１０３で構成されており、円筒状体１０１の外周が筒状に形成された筒状体１０２で覆われるとともに円筒状体１０１の両側（液入口２０２側および液出口２０３側）が円板状に形成された円板状体１０３で覆われている。円筒状体１０１は、右螺旋状体と左螺旋状体とで形成される。円筒状体１０１および円板状体１０３の中心部には丸孔が開口している。円筒状体１０１および円板状体１０３の中心部に開口した丸穴にＵＶランプ１０５を収納した合成石英管１０４が挿入される。光触媒構造体および合成石英管１０４は、例えば樹脂製の収納容器２０１に収納され、収納容器２０１の両側（液入口２０２側および液出口２０３側）でＵＶランプ１０５を収納した合成石英管１０４は水封されている。

ＵＶランプ１０５は、一般的には、ランプの種類として、低圧、中圧、高圧または超高圧の各種水銀蒸気放電灯の他に、アマルガムランプ、重水素ランプ、キセノンランプ、メタルハイドライドランプまたはエキシマランプなどが使用できる。

一般に石英ガラス製低圧放電ランプは、石英ガラス管内に水銀と希ガスを封入するが、合成石英ガラスは、約１７０ｎｍの波長に対して非常に高い透過性を有し、１８５ｎｍの紫外線を石英ガラスより効率よく放射する。また、合成石英ガラス管内に水銀と特殊な金属の合金であるアマルガムを封入することにより、広い温度領域でＵＶ出力低下を改善することができる。これらの理由から、ＵＶランプ１０５には、アマルガムランプが好適であり、アマルガムランプは約１６，０００時間使用することが可能である。

ＵＶランプ１０５は、合成石英管１０４に内装されており、処理水の圧力の影響を受けない。

光触媒構造体は、ＵＶランプ１０５で紫外線を照射したときに、光触媒構造体である円筒状体１０１の板の両面と、筒状体１０２の内面と、円板状体１０３の内面とに紫外線が効率的に照射される。

光触媒構造体である円筒状体１０１に処理水を供給すると、処理水が２分割に分流される。さらに、光触媒構造体である円筒状体１０１を形成する右螺旋状体と左螺旋状体との接合面を９０度ずらして接合することにより、２分割に分流された処理水が接合面でさらに２分割と合流および流れ方向変換することで、処理水は均一に混合されて光触媒構造体と接触する。

図１および図２に示すように、２重螺旋状の光触媒構造体およびＵＶランプ１０５を収納容器２０１に収納し、処理水槽３０１からポンプ４０１で処理水を循環してＵＶ光触媒処理を行った。

図３は、ＵＶランプ１０５を照射した光触媒構造体にメチレンブルーを混合した水道水を処理水として循環接触させた時の色素変化（有機物残量および有機物濃度変化）の結果を示している。ＵＶランプ１０５は、アマルガムランプの２３０Ｖ仕様であり、波長２５４ｎｍの紫外線および波長１８５ｎｍの紫外線を同時に照射することができる。電圧１００Ｖを昇圧した２３０ＶをＵＶランプ１０５の安定器に供給した。２重螺旋状の光触媒構造体とＵＶランプ１０５との接触面積は４５７０ｃｍ^２であり、ＵＶランプ１０５の照射強度は１５０μＷ／ｃｍ^２である。処理液量は６リットルであり、循環流量は６リットル／分である。

図３に示すように、処理が始まって１０分後に有機物濃度は３８％まで低下し、４０分後に透明になった。開始から１０分までの色素の低下率が、１０分後から４０分までの色素の低下率よりも高い。

アマルガムランプの２３０Ｖ仕様のＵＶランプ１０５は、２５．５Ｗにおいて、波長１８５ｎｍの紫外線が５．５Ｗで約２２％、波長２５４ｎｍの紫外線が２０Ｗで約７８％である。オゾン生成には波長１８５ｎｍの紫外線が有効で、有機物分解には波長２５４ｎｍの紫外線が有効で、有効な波長の占有率が高いほどそれぞれの処理能力は向上する。

図４は、処理水中のキャビテーションバブルにＵＶランプ１０５を照射した時の溶存オゾン濃度の変化を示している。

図４に示すように、処理が始まって６分後には０．２２ｍｇ／Ｌに達している。従来の溶存オゾン濃度は高濃度のオゾン水を製造して希釈する方法が主であるが、魚病の殺菌利用などには溶存オゾン濃度を０．２５ｍｇ／Ｌ以下にしないと魚の二次鰓弁上皮の剥離が発生して魚は死亡する。このため、溶存オゾン濃度を０．２５ｍｇ／Ｌ以下にすることで魚病の殺菌に安心して使用できることができる。

１０１ 円筒状体
１０２ 筒状体
１０３ 円板状体
１０４ 合成石英管
１０５ ＵＶランプ
２０１ 収納容器
２０２ 液入口
２０３ 液出口
３０１ 処理水槽
４０１ ポンプ
５０１ バブル発生ノズル
６０１ ＵＶ電源

Claims (7)

1. 液相中の溶存酸素をキャビテーションバブルとして発生させるバブル発生装置と、
   前記液相中に設けられ、純チタン板またはチタン合金板に酸化チタン系材料を表面層として形成した光触媒構造体と、
   前記液相に波長２５４ｎｍの紫外線および波長１８５ｎｍの紫外線を照射するＵＶ発生装置と、を備える水処理装置。
2. 請求項１に記載の水処理装置において、
   前記光触媒構造体は、円筒状体であり、
   前記円筒状体の中心部に前記ＵＶ発生装置が配置されていることを特徴とする水処理装置。
3. 請求項１または２に記載の水処理装置において、
   前記光触媒構造体は、右螺旋状体と左螺旋状体とで形成された２重螺旋状の円筒状体であり、右螺旋状体と左螺旋状体とを接合面を９０度ずらして接合されてなることを特徴とする水処理装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の水処理装置において、
   前記光触媒構造体の外周は筒状体で覆われるとともに、前記光触媒構造体の両側は中心部に丸孔を有する円板状体で覆われていることを特徴とする水処理装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の水処理装置において、
   前記ＵＶ発生装置は合成石英管に収納され、
   前記光触媒構造体および前記合成石英管は、収納容器に収納され、
   前記収納容器の両側と前記合成石英管は水封されていることを特徴とする水処理装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の水処理装置において、
   前記バブル発生装置はバブル発生ノズルを有し、
   前記液相は、０．０７ＭＰａ以上かつ０．３ＭＰａ以下に加圧されて前記バブル発生ノズルに供給され、
   前記バブル発生ノズルでは、前記液相中の前記溶存酸素を粒径５０μｍ以下の前記キャビテーションバブルとして発生させることを特徴とする水処理装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の水処理装置において、
   前記ＵＶ発生装置は、波長２５４ｎｍの紫外線および波長１８５ｎｍの紫外線を同時に照射することを特徴とする水処理装置。