JP3561618B2

JP3561618B2 - 有機物分解合成装置

Info

Publication number: JP3561618B2
Application number: JP30738797A
Authority: JP
Inventors: 洋藤安; 新一郎石垣; 広保西沢; 剛一立花; 哲緒河野; 毅光石垣; 幸弘中山
Original assignee: 株式会社日本ゲルマニウム研究所
Priority date: 1997-11-10
Filing date: 1997-11-10
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2017-11-10
Also published as: JPH11138154A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海水などの魚類、貝類が生息する被処理水に含まれる有機物を分解あるいは合成する有機物分解合成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海水、湖沼水、河川水あるいは水槽水などには、魚貝類の排泄物の他に、微生物の死骸や排泄物など、多様な有機物が含まれている。この有機物の含有量の多少は、魚類や貝類の生育に重大な影響を与える。このため、この有機物を除去あるいは分解する技術の開発が求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術では、良好な有機物の分解が達成されていなかった。例えば、有機物を分解する薬剤を投入する方法では、有機物を分解した後に薬剤が残り、これが新たな汚染を引きおこす。特に、魚類や貝類が生息する環境下での薬物汚染は、これらの生育を阻害するだけでなく、これらを食用に供することが不可能になる。
【０００４】
また、ＴｉＯ_２などの半導体光触媒を用いる方法も考えられるが、この方法では、ＴｉＯ_２を触媒活性させるのが容易ではない。なぜなら、ＴｉＯ_２を光励起するためには紫外線などの短波長光の照射が必要になるが、これは水によって吸収されるため、ＴｉＯ_２に紫外線を照射する特別の工夫が必要になる。
【０００５】
そこで本発明は、被処理水に含まれる有機物を効率よく分解あるいは合成でき、しかも魚類や貝類に悪影響を与えることのない有機物分解合成装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、被処理水に含まれる有機物を分解・合成する有機物分解合成装置において、ＧｅとＳｉとがヘテロ接合又は接触し、ＳｉがＳｉＣ、ＳｉＯ ₂ 及びＣのうち少なくともいずれか１つからなる触媒機能増強材と接触又は接合するものを含んで構成され、前記被処理水中に設置される半導体光触媒と、半導体光触媒にＧｅのバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する光を投射する投光手段とを備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、半導体光触媒はバンドギャップエネルギー；Ｅｇ＝０．６７ｅＶのＧｅを含んでいるので、水中で吸収されることの少ない波長１．８５μｍより短い近赤外線や可視光で光励起される。ここで、Ｇｅは光励起キャリアが再結合で消滅する確率の低い間接遷移型半導体であるため、半導体光触媒は容易に触媒活性され、これに接触する有機物は容易に酸化・還元反応で分解・合成される。また、Ｇｅは魚類や貝類に全く無害であり、不均一系の触媒として作用するため、被処理水を汚染させることもない。
【００１１】
Ｓｉを含むこととしており、可視光による光励起は更に促進される。また、ＳｉＣやＣ（例えばグラファイト、アモルファスカーボン、木炭、ダイヤモンドなど）などを含むこととしており、これら半導体材料のバンド構造は禁制帯中に有機物の酸化・還元準位を有しているので、光励起による光キャリアを効率よく有機物に授受し、その分解を促進する。特に、Ｇｅ半導体とＳｉ半導体がヘテロ接合（または接触）し、Ｓｉ半導体がＳｉＣやＣ、ＳｉＯ₂からなる触媒機能増強材と接触または接合しているので、光キャリアの生成効率と生成した光キャリアの有機物に対する授受効率を高め、良好な有機物の分解が実現できる。
【００１２】
さらに、本発明の有機物分解装置は、投光手段に電力を供給する太陽電池を更に備えることを特徴としてもよい。
【００１３】
近海あるいは海岸の海水中で使用するときは、太陽光エネルギーにより発電電力を得ることができ、この電力で投光手段を発光させれば、経済性に優れている。また、微生物が異常発生しやすい夏期には発電量が多く、したがって半導体光触媒をより強く触媒活性して有機物をより多く分解し、清浄な海水にできる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明のいくつかの実施形態を説明する。なお、図中において、同一要素には同一の符号を付する。
【００１５】
図１は、本発明を真珠貝などの養殖筏に適用した第１実施形態を示す。海上で潮位に応じて浮動する養殖筏１００は、一対のフロート１０１Ａ，Ｂと、これらに掛け渡された連結板材１０２とを有し、これと垂直に交叉するように、棒材１０３の一端が連結板材１０２に固定されている。棒材１０３の大半は海中に没しており、その先端には養殖ネット１０４が固定されている。また、棒材１０３の上部には電源箱１０６が固定され、棒材１０３の先端には水平方向に伸びる支持棒５１の基端が固定され、その先端にはランプ１５が固定されている。
【００１６】
電源箱１０６の上部には太陽電池パネル１４が設けられ、これからリード線が棒材１０３に沿ってランプ１５に延びている。そして、発光ダイオード等からなるランプ１５は、養殖ネット１０４を臨むようにセットされている。なお、太陽電池パネル１４は常に海面下に位置するように、固定する位置が調整されている。また、電源箱１０６などはエポキシ樹脂などで十分な防水処理が施されている。
【００１７】
図２は本実施形態の要部を示している。棒材１０３の先端に取り付けられた一対のバー４１Ａ，Ｂは鉛直方向に互いに平行に延び、これに掛けられた保持ネット４２で触媒プレート４３を保持することにより養殖ネット１０４が構成されている。そして、触媒プレート４３の表面には貝類（例えば真珠具）が付着して生息している。なお、ランプ１５からの光は海水を透過し、触媒プレート４３に照射される。ここで、ランプ１５の先端に光ファイバを取り付け触媒プレート４３の近傍に光を導くようにしてもよい。
【００１８】
触媒プレート４３は後に詳述するように、Ｇｅを含む半導体光触媒である。
【００１９】
図３は電源箱１０６の詳細な構成を示している。長方体形状のハウジング６１の上部開口には、ガラス板６２が嵌め込まれて内部は気密にされている。ハウジング６１の下部にはバッテリー１８が置かれ、この上部には充放電回路１９がセットされている。そして、ガラス板６２の下部には太陽電池パネル１４が固定されている。さらに、ハウジング６１の側部からリード線６３が導かれ、この先端にはランプ１５が接続されている。
【００２０】
図４は電気系統の回路図を示している。昼間には、太陽電池パネル１４に太陽光が照射され、その発電電力は光源（ランプ）１５に与えられる。そして、余剰電力は充放電制御回路１９を経てバッテリー１８に与えられ、蓄電される。夜間は、充放電制御回路１９を経てバッテリー１８の電力が光源１５に与えられる。このため、１日２４時間の連続投光が可能になる。
【００２１】
ここで、太陽電池パネル１４Ａ，Ｂの受光面は海面下にあるので、受光面は常に海水で洗われるため、塩分が結晶化することはない。このため、太陽光の入射率が低下することはなく、長期にわたって太陽光発電を一定に維持できる。また、海面と受光面の距離は潮位に変化に拘らず常に一定なので、受光効率も一定に保たれる。
【００２２】
次に、図２に示す触媒プレート４３について詳細に説明する。触媒プレート４３はＧｅの微粒子をプロピレン樹脂中に分散させて固化・成型した樹脂板であり、不均一系の半導体光触媒として機能する。ここで、Ｇｅに代えてＳｉ粒子を含んでいてもよく、またＧｅ粒子に加えて、Ｓｉ粒子を含んでいてもよく、さらにＧｅ粒子またはＳｉ粒子に加えてＳｉＣ粒子やカーボン粒子を含んでいてもよい。さらに、Ｓｉ粒子の表面には極薄のＳｉＯ_２が形成されていてもよい。
【００２３】
これら触媒の構成要素のエネルギー準位と、各種の有機物の酸化・還元準位を図示すると、図５のようになる。半導体としてのＳｉＣやカーボン結晶（グラファイトやダイヤモンド）の禁制帯の範囲内には、多くの有機物の酸化・還元準位が位置している。したがって、Ｇｅに加えてＳｉＣやカーボン粒子を触媒プレート４３に含ませておくと、触媒活性が著しく高まることがわかる。
【００２４】
すなわち、第１に、ＧｅやＳｉは間接遷移型半導体であってバンドギャップエネルギーが小さいため、近赤外光や赤色光などの可視光によって効率よく酸化・還元作用のための電子／正孔対を形成する。第２に、ＳｉＣやＣはその禁制帯の範囲が有機物の酸化・還元準位を含んでいるため、電子／正孔の授受が容易である。以上の２つの理由により、本実施形態の触媒プレート４３プロピレンなどのは樹脂板中に、光励起が容易なＧｅやＳｉなどの半導体と、触媒機能を増強させるＳｉＣまたはＣなどの半導体を含んでいることが望ましい。
【００２５】
さらに望ましくは、Ｇｅ粒子とＳｉ粒子が半導体ヘテロ接合（または接触）し、Ｓｉ粒子とＳｉＣまたはＣ粒子がヘテロ接合（接触）しているときには、光励起によるキャリアの移送（Ｇｅ→Ｓｉ→ＳｉＣ，Ｃへの移送）が容易になり、励起光の伝搬（ＳｉＣ，Ｃ→Ｓｉ→Ｇｅへの伝搬）も容易になるので、触媒活性は更にに高まる。
【００２６】
なお、触媒プレート４３については、図６に示すようにＧｅ粒子とＳｉ粒子とＳｉＣ粒子を混ぜて焼結によりプレート状等に成形してもよい。また、図７に示すように、Ｇｅ粒子とＳｉ粒子、Ｇｅ粒子とＳｉＣ粒子、Ｓｉ粒子とＳｉＣ粒子が互いに接触するように、樹脂中に分散させてプレート状に成型してもよい。さらに、図８に示すように、Ｇｅ粒子とＳｉ粒子とＳｉＣ粒子が相互にダブルヘテロ接合（接触）するように、樹脂中に分散させてもよい。さらに、図９に示すように、ＧｅとＳｉとＳｉＣが相互にヘテロ接合した粒子を得て、これを樹脂でプレート状にしてもよい。ここで、ＧｅやＳｉに代えてＧｅＳｉ混晶を用いてもよく、ＳｉＣに代えてＣ粒子を用いてもよい。
【００２７】
次に、上記第１実施形態の作用と効果を、特に図１，２を参照して説明する。図１，２に示すにように、触媒プレート４３とランプ１５を海中にセットし、触媒プレート４３に生きた真珠貝をセットしておく。昼間は太陽の光で太陽電池パネル１４は発電し、これによりランプ１５は点灯する。夜間はバッテリーの放電によりランプ１５が発光し、したがって１日２４時間にわたって触媒プレート４３はランプ１５により光励起されている。
【００２８】
ここで、触媒プレート４３はＧｅ半導体（Ｅｇ＝０．６７ｅＶ）を含んでおり、ランプ１５の発光ダイオードからは赤色光を含む可視光が投射されている。このため、波長１．８５μｍより短波長の光により触媒プレート４３中のＧｅで電子／正孔対が生成される。また、触媒プレート４３中のＳｉ（Ｅｇ＝１．１ｅＶ）では、波長１．１３μｍより短波長の光により電子／正孔が生成され、ＳｉＣやＣ粒子中でも青色等の短波長光で電子／正孔が生成される。
【００２９】
上記の電子／正孔のうち、特にＧｅやＳｉ中で生成されたものは、隣接するＳｉＣやＣ粒子に移送され、これに接触する有機物の酸化・還元準位との間で授受される。つまり、海水中に含まれた有機物は、触媒プレート４３に接することで酸化あるいは還元されて分解される。このため、真珠貝の生育環境で有機物は取り除かれ、清浄に保たれる。また、微生物が異常発生したりすることもないので、真珠貝の養殖に最適な環境を実現できる。
【００３０】
また、本実施形態では太陽電池パネル１４を用いて発電しているため、季節に応じた最適の海水コントロールが可能になる。すなわち、海水の有機物汚染や微生物の異常発生は、低温の冬期よりも高温の夏期の方が可能性が高い。一方、太陽光発電のパワーは冬期よりも夏期の方が大きい。したがって、夏期には冬期よりも強い励起光をランプ１５から触媒プレート４３に与えることができ、より触媒活性を高めることができる。このため、夏期にも冬期にも、有機物の発生状況に応じた有機物分解が可能になる。
【００３１】
図１０は第２実施形態を示している。図１の実施形態と異なる点は、電源箱１０６から太陽電池パネル１４が取り外され、太陽電池パネル１４のみが海中に置かれていることである。この実施形態によれば、電源箱１０６に完全な防水処理を施すことが不要になり、操作や保守等が容易である。また、電源箱１０６の上面のサイズよりも大きい面積の太陽電池パネル１４を用いることができ、したがって発電量を多くすることが可能になる。なお、太陽電池パネル１４は海面上に設けるようにしてもよい。
【００３２】
図１１は第３実施形態を示している。図１の実施形態と異なる点は、太陽光の集光／投光システムが用いられていることである。連結板材１０２上には集光装置の本体３０が設けられ、本体３０に備えられた駆動部３１には凹面鏡３２が取り付けられ、本体３０から延びる保持バー３３の先端には受光器３４が取り付けられている。この駆動部３１は時刻と共に凹面鏡３２と受光器３４を回転駆動し、凹面鏡３２で集光された太陽光は常に受光器３４に入射されるようになっている。一方、受光器３４には光ファイバ３５の一端が接続され、その他端は投光器１１５に導かれている。
【００３３】
この実施形態によれば、太陽光を光電変換することなく投光器１１５に導くことができる。したがって、太陽光を養殖ネット１０４に直接に照射できる。また、海中に電気系統がセットされることはないので、特別な防水処理が不要になる。また、夏期には冬期よりも強く半導体光触媒を光励起できる。なお、この光ファイバ方式に加えて、太陽電池によるＬＥＤの投光方式（例えば第１実施形態）を併用してもよい。
【００３４】
図１２は第４実施形態を示している。ガラス製の水槽２０には淡水が満たされ、金魚が飼われている。水槽２０の上部には商用電源で点灯する蛍光灯２１が置かれ、底部には人造砂利２２と人造植物２３がセットされている。ここで、人造砂利２２と人造植物２３は共に、樹脂中にＧｅ，Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｃ粒子などを分散させた樹脂状の半導体光触媒から成型されており、これらには蛍光灯２１からの光が照射される。
【００３５】
一方、水槽２０の内側面には、励起ランプ１１５と樹脂プレート２４が並行にセットされ、それぞれ一対の吸盤により固定されている。ここで、励起ランプ１１５は水槽２０の淡水を温める機能を有すると共に、可視光を樹脂プレート２４に投射する役割を有している。また、樹脂プレート２４は人造砂利２２や人造植物２３と同様に、樹脂状の半導体光触媒で成形されている。
【００３６】
この第４実施形態によれば、人造砂利２２と人造植物２３に含まれる半導体光触媒は、主に蛍光灯２１からの光により触媒活性され、金魚の排泄物などの有機物を分解する。また、樹脂プレート２４に含まれる半導体光触媒は、主に励起ランプ１１５からの光により触媒活性され、有機物を分解する。特に励起ランプ１１５は水中に設けられているため樹脂プレート２４に接近しており、したがって効率よく半導体光触媒が触媒活性される。
【００３７】
次に、本発明者による具体的実施例を説明する。本発明者は、Ｇｅ，Ｓｉ，カーボンの各粒子を含む樹脂製の触媒プレートを用いて、真珠貝の養殖場で海水浄化の実験した。光源にはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三色のＬＥＤを用い、電力は太陽電池から供給した。
【００３８】
ここで、光源（投光器）は７種類とし、Ｒのみ、Ｇのみ、Ｂのみの３種の単色投光器と、ＲとＧ、ＧとＢ、ＢとＲの３種の二色投光器と、ＲとＧとＢの三色（白色）投光器を用意した。そして、昼夜を問わず投光し続けたところ、特にＲ（赤）の単色投光器について顕著な結果を確認した。
【００３９】
すなわち、ＧやＢの投光器では、稚貝などによる汚れが投光器の前面（投光面）に付着し、投光効率が時間と共に低下したが、Ｒの投光器ではこの様な汚れは生じなかった。本発明では、半導体光触媒はＧｅまたはＳｉを含んでおり、これらはＲ（赤）の光で十分に励起できるので、この汚れが付着しないという作用と相まって、赤色光または赤色光を含む光源を魚類または貝類が生息する被処理水中に設置したときには、長期にわたる安定した有機物の分解合成が可能になることが判明した。
【００４０】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、被処理水中にＧｅまたはＳｉを含む半導体光触媒が設けられ、これを光励起するランプ等の投光手段が設けられるので、有機物の酸化・還元反応を促進し、海水や淡水中に含まれる有機物を効率よく分解できる。このため、魚類や貝類の生息に適した環境を実現することができる。特に赤色光または赤色光を含む光を投光する構成とすれば、長期にわたる安定した有機物の分解あるいは合成が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の全体構成図。
【図２】第１実施形態の要部構成図。
【図３】第１実施形態に用いられる電源箱の図。
【図４】第１実施形態の電気系統図。
【図５】半導体の準位と酸化・還元準位を示す図。
【図６】半導体光触媒の一例を示す図。
【図７】半導体光触媒の他の例を示す図。
【図８】半導体光触媒の他の例を示す図。
【図９】半導体光触媒の他の例を示す図。
【図１０】第２実施形態の構成図。
【図１１】第３実施形態の構成図。
【図１２】第４実施形態の構成図。
【符号の説明】
１００…養殖筏、１０１Ａ，Ｂ…フロート、１０２…連結板材、１０３…棒材、１０４…養殖ネット、１５…ランプ、１４…太陽電池パネル、１５…ランプ、，…触媒プレート、１８…バッテリー、１９…充放電制御回路

Claims

被処理水に含まれる有機物を分解・合成する有機物分解合成装置において、
ＧｅとＳｉとがヘテロ接合又は接触し、ＳｉがＳｉＣ、ＳｉＯ ₂ 及びＣのうち少なくともいずれか１つからなる触媒機能増強材と接触又は接合するものを含んで構成され、前記被処理水中に設置される半導体光触媒と、
前記半導体光触媒にＧｅのバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する光を投射する投光手段と
を備えることを特徴とする有機物分解合成装置。
前記投光手段に電力を供給する太陽電池を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の有機物分解合成装置。