JP3502414B2 - 液中重金属イオン除去用光触媒の製造方法 - Google Patents

液中重金属イオン除去用光触媒の製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光を照射することによ
り液中に存在する水銀、鉛、カドミウム、砒素、銅、マ
ンガン、6価クロム等の重金属イオンを吸着して除去す
る、即ち、重金属イオンを還元して重金属として光触媒
の表面に析出させて除去する液中重金属イオン除去用光
触媒の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、光触媒を利用して液中の重金属イ
オンを除去する方法としては、酸化チタン粉体を液中に
分散させてこれに重金属イオンを含む溶液を流し込み、
光を照射して吸着除去する方法や、ガラス棒やガラス球
にCVD法やゾルゲル法で酸化チタン膜を被覆したもの
を液中に配置し、これに重金属イオンを含む溶液を流
し、光を照射して吸着除去する方法が知られている。ま
た、重金属イオンの吸着効率を高めるために、白金、パ
ラジウム、ロジウム、金、銀、ルテニウム等の貴金属を
酸化チタンに担持させて光触媒機能を向上させようとす
る方法がとられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の酸化チタン粉体を液中に分散させる方法は、粉体と
液体を分離するために、下流側に濾過膜を設ける必要が
あり、そのために圧力損失が高くなる。また、粉体を液
中に分散させると光が最外層のみで吸収され、照射光が
内部まで透過しにくくなり、吸着効率が小さくなるとい
う欠点を有する。また、前記従来の酸化チタン膜を被覆
したガラス棒やガラス球を用いる方法は、粉体を回収す
る濾過膜の設置は必要なく、光も透過するが、水や気相
との接触界面が少なくなり吸着効率が悪いという欠点を
有する。更に、従来法であるCVD法やゾルゲル法で酸
化チタン膜を被覆した場合には、基材であるガラス繊維
上に酸化チタンがガラス繊維との間にSi−O−Ti結
合層を介在することなく単独で存在するため、長時間の
使用の結果、膜の脱落等の問題があった。本発明は、こ
れら従来技術の欠点を解消し、高効率で使いやすい液中
重金属イオン除去用光触媒の製造方法を提供することを
目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、前記欠点
を解決するため鋭意検討の結果、加熱により酸化チタン
になる前駆体と有機物樹脂とを相溶性のある溶媒に溶解
してなる溶液にガラス繊維からなる織布を浸漬した後、
乾燥、焼成することにより、従来品の不具合を解消し得
ることを知見し、本発明を完成させた。
【0005】即ち、本発明の液中重金属イオン除去用光
触媒の製造方法はガラス繊維からなる織布に酸化チタン
を被覆した液中重金属イオン除去用光触媒の製造方法
あって、前記ガラス繊維からなる織布を、加熱により酸
化チタンになる前駆体と有機物樹脂とを相溶性のある溶
媒に溶解してなる溶液に浸漬した後、乾燥、焼成するこ
とにより前記ガラス繊維と前記酸化チタンの間にSi−
O−Ti結合層を形成したことを特徴とする。
【0006】前記ガラス繊維からなる織布の目付け(g
/m2)は、いくらのものでも構わないが、取扱い性や
吸着効率の関係から、通常100〜900g/m2のも
のを用いる。また、織布を構成するガラス繊維の種類と
しては、石英ガラス、高石英ガラス、Eガラス、Cガラ
ス、Sガラス、Aガラス等、光を透すならばどのような
組成でも構わないが、経済性からEガラス繊維が好まし
い。また、ガラス繊維の平均繊維径は、特に限定される
ものではないが、製造可能でしかも液体との接触面積を
確保して効率を得るため5〜20ミクロンが好ましい。
また、織布の織り方は平織、綾織、朱子織など、どのよ
うな織り方でも構わないが、光透過性の観点から平織が
好ましい。また、打込み密度、厚さ、引張強度は特に限
定されるものではないが、液体に対する強度の観点か
ら、各々タテ、ヨコ共に10〜80本/25mm、0.
01〜2.0mm、5kgf/25mm巾以上が好まし
い。
【0007】また、前記加熱により酸化チタンとなる前
駆体としては、チタンアルコキシド、チタン塩化物、チ
タン硫化物、チタン酢酸塩等が使用できるが、有機物樹
脂との相溶性の関係から、アルコール類を相溶性溶媒と
する場合はチタンアルコキシド、水を相溶性溶媒とする
場合はチタン塩化物を選択することが好ましい。しか
し、前記前駆体と有機物樹脂が相溶する場合はどのよう
な組み合わせを選択しても構わない。
【0008】また、前記有機物樹脂はアクリル系、オレ
フィン系等が一般的であるが、製造工程中の焼成工程で
酸化分解することが必要であるため、分解温度が200
℃以上且つ焼成温度以下の樹脂で、更に該酸化チタン前
駆体との相溶性があれば良く、モノマーの種類や分子量
によって特に限定されるものではない。
【0009】このようにして選定された有機物樹脂と酸
化チタン前駆体の溶液に、前記織布を浸漬した後乾燥す
る。乾燥温度は相溶性溶媒の沸点により異なるが、40
〜150℃の範囲で行うのが好ましい。次に、乾燥膜を
焼成することにより、有機物樹脂や酸化チタンの前駆体
を構成している有機残基を取り除く。この焼成で酸化チ
タン前駆体は酸化チタンに変化し、有機物樹脂は酸化分
解されたSi−O−Ti結合を有する薄膜が得られる。
【0010】被覆する酸化チタン膜の厚さは、膜の接着
性や光透過性から1μm以下が好ましい。1μmを越え
ると膜の剥離が生じ、水の濁りや吸着効率の低下が生じ
る。また、光の透過性も悪くなり、織布内部まで光が到
達しにくくなり吸着効率的にも好ましくない。また、酸
化チタンの厚さは、溶液の酸化チタン前駆体の濃度を調
整するか、前記作製工程を繰り返すことにより変化させ
ることが可能である。
【0011】また、織布全体から考えると、被覆した酸
化チタン膜の織布全体に対する量の比率は40wt%以
下が好ましい。この場合も40wt%を越えると光の透
過性が悪くなり、酸化チタンの剥離も生ずるため好まし
くない。
【0012】尚、予め貴金属が担持されている光触媒を
重金属イオンの除去に利用した場合、貴金属イオンは還
元されて原子となって酸化チタンの表面に析出され、重
金属イオンも同じ還元作用を利用して重金属として吸着
除去するため、酸化チタンの吸着量に限界があり、貴金
属イオンの付着量だけ重金属イオンの吸着量が減少して
触媒機能が低下するので、貴金属の担持は好ましくな
い。
【0013】また、前記製造方法により製造された液中
重金属イオン除去用光触媒を用いて、液中金属イオンを
含む溶液を通過させる容器内に前記液中重金属イオン除
去用光触媒を配置すると共に該光触媒に光を照射するた
めの光源を備えた液中重金属イオン除去用装置を形成す
ることができる。前記装置は例えば、容器をプラスチッ
ク類、ホウ珪酸塩ガラス或いは、石英ガラス等による透
明容器に構成して、該容器の外部から光を照射するよう
にしてもよく、或いは、該容器を特に透明容器にするこ
となく該容器内に光源を配置するようにしてもよい。ま
た、前記光源としては、低圧水銀灯やブラックライト蛍
光灯等を用いる。
【0014】
【作用】従来、知られているCVD法やゾルゲル法によ
り基材と薄膜の間にSi−O−Tiなる結合を形成せし
めようとした場合、600℃以上の高温が必要となる。
これは、本反応が基材表面のSi−OH基と薄膜のTi
−OH基の間の脱水縮合反応によるものであるためで、
一般にこの縮合反応は−OH基の自由度が大きくなる6
00℃以上で起こるとされている。このため、汎用性が
高く耐熱性の小さいAガラス、Cガラス、Eガラス等に
被覆することは不可能であり、被覆する基材が限定され
ていた。本発明において、Si−O−Ti結合の生成が
基材表面のSi−OH基と薄膜のTi−OH基の間の脱
水縮合反応によるものである点は前記CVD法やゾルゲ
ル法と同様である。しかしながら本発明では、有機物樹
脂および酸化チタン前駆体を構成している有機残基の酸
化分解反応により生成する燃焼熱により表面のみ局部的
に加熱できるので前記脱水縮合反応が進行し、比較的低
温でSi−O−Ti結合が形成される。このため、耐熱
性の小さいガラス等の基材を用いた場合でも、Si−O
−Ti結合を持つ層を有した薄膜を形成することが可能
となり、強固な酸化チタン膜を得ることができる。更
に、このSi−O−Ti結合の存在によって重金属イオ
ンの吸着が促進される。酸化チタン光触媒を用いた場
合、重金属イオンの吸着は、光析出反応によって起こ
る。即ち、光の照射により酸化チタンの基底状態にある
電子が伝導帯に励起され、重金属イオンが酸化チタンか
ら励起電子を受け取り重金属となって酸化チタン表面に
析出する。このとき、Si−O−Ti結合が存在すると
酸化チタン構造の乱れが生じ、酸化チタンの基底状態と
励起状態のエネルギーの差(バンドギャップ)は、小さ
くなる。即ち、酸化チタンの電子が励起される確率が高
くなるため、重金属イオンが重金属となって酸化チタン
表面に析出され易くなる。このため前記重金属イオンの
吸着を促進することができる。更に、該光触媒はフレキ
シブルであり、どのような形状の容器にも設置すること
ができる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図1は本発明の製造方法により製造した液中重金属
イオン除去用光触媒を用いた装置の一実施例を示すもの
で、図中1は透明石英管からなる容器を示し、該容器1
内には液中重金属イオン除去用光触媒2が配置され、該
容器1内にポンプ3を介して重金属イオンを含む溶液を
循環通過させるようにし、容器1の近傍に設けた光源4
から光を照射して重金属イオンを除去するように構成し
てある。尚、図中5は集光用ミラー、6は重金属イオン
を除去された溶液を取り出すための取出口、7は新たな
重金属イオンを含む溶液を供給するための取入口を示
す。
【0016】次に、前記装置の使用例に即し、具体的な
実施例を比較例と共に説明する。 (実施例) 平均繊維径7μmのEガラスモノフィラメント(単一繊
維)からなるヤーンを織ってなる目付け500g/m2
のガラス織布(ガラスクロス)を、酸化チタン前駆体で
あるチタンイソプロポキシド10gとアクリル系樹脂1
0gをエチルアルコール180gに溶解した溶液に浸漬
した。このガラス織布を溶液から取り出し、60℃で1
時間乾燥した後毎分1℃の速度で450℃まで昇温し、
450℃で5時間保持することにより、有機物樹脂を完
全に酸化分解し、同時にチタンイソプロポキシドもTi
2に変化させ、ガラス繊維表面にTiO2膜を形成し
た。このときのTiO2膜の厚さは約0.3μmであ
り、強固に付着していた。この場合、被覆した酸化チタ
ンのガラス織布全体に対する量の比率は18%であっ
た。この膜についてEPMA(測定にはX線マイクロア
ナライザー,日本電子製,JEM−2000FXIIを使
用)およびESCA(測定にはX線光電子分光装置,島
津・クレイトス社製,XSAM800を使用)により分
析を行ったところ、Si−O−Ti結合の存在が確認さ
れた。ここで図2は本実施例による膜の断面図であり、
Aはガラス繊維、BはTiO2薄膜、CはSi−O−T
i結合層を示している。この織布(触媒)を直径12m
m、長さ500mmの透明石英管に詰め、水銀70pp
m、カドミウム90ppmを含有する反応液100リッ
トルをポンプにより循環させた。約2時間光照射を行い
ながら循環させたところ、水銀0.02ppm以下、カ
ドミウム0.05ppm以下の処理水を得た。この場
合、水の濁りはなかった。
【0017】(比較例) 実施例で用いたガラス織布を用い、従来のゾルゲル法に
よりTiO2薄膜の形成を試みた。ガラス織布を浸漬さ
せる液をチタンイソプロポキシド10gと濃硫酸0.1
gおよびエチルアルコール190gを混合した溶液に変
えた以外は実施例と同様の方法とした。結果形成された
TiO2膜の厚さは約0.3μmであったが、弱い付着
で簡単に剥離した。この場合、被覆した酸化チタンのガ
ラス織布全体に対する量の比率は18%であった。この
膜について前記実施例と同様にEPMAおよびESCA
により分析を行ったところ、Si−O−Ti結合の存在
は確認されなかった。ここで、図3は本比較例による膜
の断面図であり、Aはガラス繊維、BはTiO2膜を示
している。この織布(触媒)を直径12mm、厚さ50
0mmの透明石英管に詰め、実施例1と同じ反応液をポ
ンプにより循環させた。約2時間光照射後、水銀1pp
m以下、カドミウム2ppm以下になったが、酸化チタ
ンの脱落により水がかなり濁った。
【0018】
【発明の効果】このように、本発明の液中重金属イオン
除去用光触媒の製造方法によって製造された織布は、光
透過性が良く、かつ水や気体との接触面積が大きいた
め、液中の重金属イオンを高効率で除去できるという効
果を有する。また、織布を構成する繊維にSi−O−T
i結合により強固に酸化チタン膜が被覆されているた
め、酸化チタンの剥離や脱落がなく、長期に渡り高効率
を維持し、また水の濁りもないので粉体等を回収する必
要がない、という効果を有する。更にSi−O−Ti結
合が存在するため、酸化チタンの電子が励起され易く、
重金属イオンの光析出反応を促進させるといった効果を
有する。また、フレキシブル性を有するので、複雑な形
状の容器にも適用することが可能となり、カラム化も可
能である、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の製造方法により製造した液中重金属
イオン除去用光触媒を用いた装置の一実施例の説明図
【図2】 本発明の製造方法により製造した液中重金属
イオン除去用光触媒の被覆の形成状態を示す拡大断面図
【図3】比較例による液中重金属イオン除去用光触媒の
被覆の形成状態を示す拡大断面図
【符号の説明】 1 容器 2 液中重金属イオン除去用光触媒 3 ポンプ 4 光源 5 集光用ミラー 6 取出口 7 取入口 A ガラス繊維 B TiO 2 薄膜 C Si−O−Ti結合層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C02F 1/62 C02F 1/62 Z (72)発明者 村林 眞行 神奈川県横浜市旭区笹野台4−25−14 (72)発明者 伊藤 公紀 東京都目黒区目黒本町1−16−13−906 (56)参考文献 特開 昭60−118236(JP,A) 特開 平5−96180(JP,A) 特開 平6−320010(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 21/00 - 38/74 B01D 53/94 C02F 1/28 C02F 1/32 C02F 1/62

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガラス繊維からなる織布に酸化チタンを
    被覆した液中重金属イオン除去用光触媒の製造方法であ
    って、前記ガラス繊維からなる織布を、加熱により酸化
    チタンになる前駆体と有機物樹脂とを相溶性のある溶媒
    に溶解してなる溶液に浸漬した後、乾燥、焼成すること
    により前記ガラス繊維と前記酸化チタンの間にSi−O
    −Ti結合層を形成したことを特徴とする液中重金属イ
    オン除去用光触媒の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記酸化チタンの厚さが1μm以下であ
    ることを特徴とする請求項1記載の液中重金属イオン除
    去用光触媒の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記酸化チタンの量がガラス繊維織布に
    対して40wt%以下であることを特徴とする請求項1
    または2記載の液中重金属イオン除去用光触媒の製造方
    法。
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JP4045659B2 (ja) * 1998-08-14 2008-02-13 Jsr株式会社 二酸化チタン前駆体組成物、二酸化チタン膜の形成方法および二酸化チタン前駆体薄膜

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