JP4120719B2 - ファイバ型光触媒を用いた反応装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバ型光触媒を用いた反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中のＮＯｘや屋内のホルムアルデヒド等の有害物の分解除去や水からのＨ2 抽出、防蝕等有用物の合成等を行う方法として光触媒を用いる方法がある。これは有害物（有用物）に光触媒を接触させると共に、光触媒に光を照射して反応を促進するものである。
【０００３】
通常、光触媒は無機バインダあるいは有機バインダで成型された状態で使用されたり、プラスチックあるいはガラス上に分散された状態で使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した光触媒に効率的に光を照射するために、触媒の形状や触媒を用いた反応装置の構造等を工夫する必要がある。
【０００５】
すなわち従来の光触媒はシート状あるいはハニカム状に形成されていたが、シート状の光触媒では多量の流体を処理するには大きな受光面積が必要なため反応装置が大型化し、ハニカム状の光触媒ではハニカム内部に光が届かないため光触媒の性能を十分に活用することができず反応効率が悪かった。また、従来の光触媒では不透明な流体を処理することはできなかったという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光触媒に光が届かないような環境下であっても有用物や有害物を含む流体を処理することができ、しかも処理すべき流体が不透明であっても処理することができるファイバ型光触媒を用いた反応装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、有害物の分解除去あるいは有用物の合成等を行う反応装置において、光ファイバのファイバ本体の外周に光触媒をコーティングし、このファイバ本体を、伝搬光が外部に漏れるような所定の曲率で支持棒にらせん状に巻き付けてファイバ型光触媒を形成し、このファイバ型光触媒を、金属製固定格子内に多数平行に取り付けて、光ファイバ型光触媒ユニットを形成し、この光ファイバ型光触媒ユニットを有害物あるいは有用物の流体が流れる容器内に複数配置し、上記ファイバ型光触媒のファイバ本体の一端あるいは両端に光入射手段を設けたことを特徴とするファイバ型光触媒を用いた反応装置である。
【００１１】
本発明によれば、ファイバ本体が支持棒に所定の曲率で曲げられることにより、ファイバ本体の外周より光が漏洩するので、光が届かないような環境下であっても、光触媒に十分に光が照射される。また支持棒に光ファイバ本体を巻き付けてファイバ型光触媒とすることで、これを反応装置の容器に取り付けることができ、容器内では、光触媒に十分に光が照射されることにより、有害物の分解除去あるいは有用物の合成等の反応効率が高くなる。しかも有害物や有用物を含む流体が不透明であっても十分な光が光触媒に照射され、反応が十分に促進される。また、光ファイバがシート状に形成されている場合には、ファイバ本体の一部が破損しても他のファイバ本体が光触媒に光を伝搬するので、信頼性が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１３】
図１（ａ）は本発明の反応装置の一実施の形態を示す概念図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した反応装置に用いられるファイバ型光触媒の概念図である。
【００１４】
図１（ａ）に示す反応装置１は、有害物あるいは有用物等の処理流体の入口２及び出口３が形成された容器４と、容器４内に配置されたファイバ型光触媒からなるファイバ充填層５とで構成されている。ファイバ充填層５は、後述するファイバ型光触媒を有し、光ファイバに入射された光がファイバ本体から漏洩して光触媒に照射するようになっている。
【００１５】
図１（ｂ）に示すファイバ型光触媒６は、光触媒が吸収する波長の光を透過する光ファイバのファイバ本体８の外周に光触媒をコーティングして光触媒層７を形成し、このファイバ本体８を、後述する支持棒に所定の曲率で巻き付けたものである。
【００１６】
光ファイバ内を伝搬する光は通常、ファイバ本体８内を反射しながら伝搬するが、光ファイバを所定の曲率で曲げると伝搬光がファイバ本体８の外部へ透過する性質がある。本発明はこのような性質を利用したものである。ファイバ本体８は、予め表面を研磨して光が光触媒層７側に漏れやすくするのが好ましい。
【００１７】
光触媒とは、紫外光や可視光を照射すると触媒活性（物質を分解あるいは合成する活性）を示す物質をいう。この種の光触媒としてはアナターセ型構造を有するＴｉＯ2 や金属担持ＴｉＯ2 やゼオライトが挙げられる。ＴｉＯ2 は紫外光を吸収して触媒活性を示すが、アナターセ型のＴｉＯ2 にＦｅやＣｒをドープすると可視光でも触媒活性を示すようになる。尚、図には直線状のファイバ本体８が示されているが実際には伝搬光が外部に漏れるような所定の曲率で曲げられている。
【００１８】
このようなファイバ型光触媒６は、所定の間隔で容器４内に固定される。このときファイバ型光触媒６の末端は光を取り入れることができるように外部に出すのが好ましい。反応装置１に処理すべき処理流体を流すと共に、ファイバ充填層５の各ファイバ本体８に光を導光すると、ファイバ本体８から径方向に光が漏れ、その漏れた光が光触媒層７に十分に照射されるので、処理流体の反応が効率的になる。また、処理流体が不透明であってもファイバ本体８自体が径方向に発光することになるので、光触媒層７に十分に光が照射される。
【００１９】
図２（ａ）は本発明におけるファイバ型光触媒の概念図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示したファイバ型光触媒に用いられる光ファイバのファイバ本体の断面図である。
【００２０】
光ファイバ９は、光が伝搬するコア１０の外周を、コア１０より屈折率の低いクラッド１１で覆ってファイバ本体８を形成し、ファイバ本体８の外周を、プラスチック等の被覆材で被覆した構造を有している。
【００２１】
光ファイバ９には紫外線の透過率の高いＵＶファイバを用いる方が好ましい。これは光触媒層７が可視光より紫外光に対してより強く反応を促進するからである。
【００２２】
図２（ａ）に示すファイバ型光触媒は、光ファイバ９の被覆を除去してファイバ本体８を露出させ、ファイバ本体８のクラッドの外周に光触媒（例えばＴｉＯ2 ）層を形成し（図２（ｂ））、そのファイバ本体を光ファイバの支持棒１２にらせん状に巻き付けたものである。ファイバ本体８への光触媒のコーティングは、被覆を除去した担持前の光ファイバをチタン化合物の水溶液に浸漬することにより行われる。その結果、ファイバ本体表面（クラッド表面）にアナターセ型の酸化チタン被膜が形成される。
【００２３】
このような支持棒１２に光ファイバ９を巻き付けたファイバ型光触媒６を図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す金属製固定格子１３内に多数平行に取り付けて、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すファイバ型光触媒ユニット１４を形成し、複数のファイバ型光触媒ユニット１４を容器４内に配置し、光入射手段（図示せず）を設けて反応装置１を構成する（図５）。
【００２４】
尚、１５はファイバ型光触媒ユニット１４を固定するための金属製アングルである。
【００２５】
尚、図３（ａ）は金属製固定格子の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の正面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の右側面図である。図４（ａ）はファイバ型光触媒ユニットの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の正面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）の右側面図である。図５は反応装置の概念図である。
【００２６】
ここで、図４（ａ）に示したファイバ型光触媒ユニット１４のファイバ型光触媒６の各光ファイバ９の両側はそれぞれ束ねられてバンドルファイバの一端に接続される。バンドルファイバの他端を、例えば凹面鏡（あるいは凸レンズ）の焦点位置に配置することにより、太陽光が集束された後、バンドルファイバ及び光ファイバ９を伝搬して光触媒に照射される。尚、太陽光の代わりにＵＶ（紫外線）ランプやＸｅ（キセノン）ランプ等の光源を用いてバンドルファイバに光を入射するようにしてもよい。また、光ファイバ９の一方のみから光を入射してもよい。
【００２７】
このような反応装置１の入口２に処理すべき処理流体を流すと共に光ファイバ９にバンドルファイバを介して太陽光等の光を入射すると、ファイバ本体８（図１）の外周より光が漏洩するので、光が届かないような環境下であっても、光触媒に十分に光が照射されることにより、有害物の分解除去あるいは有用物の合成等の反応効率が高くなる。しかも有害物や有用物を含む流体が不透明であっても十分な光が光触媒に照射され、反応が十分に促進される。反応装置１内で有害物の分解除去あるいは有用物の合成が行われた後、出口３から処理済み流体が排出される。
【００２８】
すなわち、光ファイバ９に光が導光されると、光はファイバ本体８表面から光触媒層７に照射する。この光によって光触媒層７上で目的とする反応が生じる。また反応に必要な光は、バンドルファイバ及び光ファイバ９によって光触媒まで導光されるため、従来の反応装置のように光が届かないような場所で使用できないことが無くなり、光が届かないような場所であっても光が届くので反応装置の大型化が期待できる。また、処理すべき処理流体が不透明な場合であっても光触媒に光を供給することができる。
【００２９】
上述した反応装置の適用例を以下に示す。
【００３０】
（１）トンネル排ガス、燃焼排ガスの浄化
▲１▼ＮＯｘ除去
２ＮＯ＋Ｏ2 →ＮＯ2 （ＮＯ2 が触媒に吸着して除去される）
▲２▼有機化合物の分解
ＣｘＨｙ＋（ｘ＋ｙ／２）Ｏ2 →ｘＣＯ2 ＋ｙ／２Ｈ2 Ｏ
（２）排水
▲１▼有機化合物の分解
▲２▼有害微生物の殺菌（滅菌）
尚、本実施例では１本の支持棒に、光触媒がコーティングされた１本のファイバ本体を巻き付けた場合で説明したが、これに限定されず１本の支持棒に、光触媒がコーティングされたシート状のファイバ本体を巻き付けてもよい。この場合、ファイバ本体の一部が破損しても他のファイバ本体が光触媒に光を伝搬するので、信頼性が向上する。
【００３１】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００３２】
光触媒に光が届かないような環境下であっても有用物や有害物を含む流体を処理することができ、しかも処理すべき流体が不透明であっても処理することができるファイバ型光触媒を用いた反応装置の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の反応装置の一実施の形態を示す概念図であり、（ｂ）は（ａ）に示した反応装置に用いられるファイバ型光触媒の概念図である。
【図２】（ａ）は本発明のファイバ型光触媒の一実施例を示す概念図であり、（ｂ）は（ａ）に示したファイバ型光触媒に用いられる光ファイバのファイバ本体の断面図である。
【図３】（ａ）は金属製固定格子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は（ａ）の右側面図である。
【図４】（ａ）はファイバ型光触媒ユニットの平面図であり、（ｂ）は（ａ）の正面図であり、（ｃ）は（ａ）の右側面図である。
【図５】反応装置の概念図である。
【符号の説明】
１ 反応装置
４ 容器
５ ファイバ充填層
６ ファイバ型光触媒
７ 光触媒層
８ ファイバ本体
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバ型光触媒を用いた反応装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気中のＮＯｘや屋内のホルムアルデヒド等の有害物の分解除去や水からのＨ2 抽出、防蝕等有用物の合成等を行う方法として光触媒を用いる方法がある。これは有害物（有用物）に光触媒を接触させると共に、光触媒に光を照射して反応を促進するものである。
【０００３】
通常、光触媒は無機バインダあるいは有機バインダで成型された状態で使用されたり、プラスチックあるいはガラス上に分散された状態で使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した光触媒に効率的に光を照射するために、触媒の形状や触媒を用いた反応装置の構造等を工夫する必要がある。
【０００５】
すなわち従来の光触媒はシート状あるいはハニカム状に形成されていたが、シート状の光触媒では多量の流体を処理するには大きな受光面積が必要なため反応装置が大型化し、ハニカム状の光触媒ではハニカム内部に光が届かないため光触媒の性能を十分に活用することができず反応効率が悪かった。また、従来の光触媒では不透明な流体を処理することはできなかったという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光触媒に光が届かないような環境下であっても有用物や有害物を含む流体を処理することができ、しかも処理すべき流体が不透明であっても処理することができるファイバ型光触媒を用いた反応装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、有害物の分解除去あるいは有用物の合成等を行う反応装置において、光ファイバのファイバ本体の外周に光触媒をコーティングし、このファイバ本体を、伝搬光が外部に漏れるような所定の曲率で支持棒にらせん状に巻き付けてファイバ型光触媒を形成し、このファイバ型光触媒を、金属製固定格子内に多数平行に取り付けて、光ファイバ型光触媒ユニットを形成し、この光ファイバ型光触媒ユニットを有害物あるいは有用物の流体が流れる容器内に複数配置し、上記ファイバ型光触媒のファイバ本体の一端あるいは両端に光入射手段を設けたことを特徴とするファイバ型光触媒を用いた反応装置である。
【００１１】
本発明によれば、ファイバ本体が支持棒に所定の曲率で曲げられることにより、ファイバ本体の外周より光が漏洩するので、光が届かないような環境下であっても、光触媒に十分に光が照射される。また支持棒に光ファイバ本体を巻き付けてファイバ型光触媒とすることで、これを反応装置の容器に取り付けることができ、容器内では、光触媒に十分に光が照射されることにより、有害物の分解除去あるいは有用物の合成等の反応効率が高くなる。しかも有害物や有用物を含む流体が不透明であっても十分な光が光触媒に照射され、反応が十分に促進される。また、光ファイバがシート状に形成されている場合には、ファイバ本体の一部が破損しても他のファイバ本体が光触媒に光を伝搬するので、信頼性が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１３】
図１（ａ）は本発明の反応装置の一実施の形態を示す概念図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した反応装置に用いられるファイバ型光触媒の概念図である。
【００１４】
図１（ａ）に示す反応装置１は、有害物あるいは有用物等の処理流体の入口２及び出口３が形成された容器４と、容器４内に配置されたファイバ型光触媒からなるファイバ充填層５とで構成されている。ファイバ充填層５は、後述するファイバ型光触媒を有し、光ファイバに入射された光がファイバ本体から漏洩して光触媒に照射するようになっている。
【００１５】
図１（ｂ）に示すファイバ型光触媒６は、光触媒が吸収する波長の光を透過する光ファイバのファイバ本体８の外周に光触媒をコーティングして光触媒層７を形成し、このファイバ本体８を、後述する支持棒に所定の曲率で巻き付けたものである。
【００１６】
光ファイバ内を伝搬する光は通常、ファイバ本体８内を反射しながら伝搬するが、光ファイバを所定の曲率で曲げると伝搬光がファイバ本体８の外部へ透過する性質がある。本発明はこのような性質を利用したものである。ファイバ本体８は、予め表面を研磨して光が光触媒層７側に漏れやすくするのが好ましい。
【００１７】
光触媒とは、紫外光や可視光を照射すると触媒活性（物質を分解あるいは合成する活性）を示す物質をいう。この種の光触媒としてはアナターセ型構造を有するＴｉＯ2 や金属担持ＴｉＯ2 やゼオライトが挙げられる。ＴｉＯ2 は紫外光を吸収して触媒活性を示すが、アナターセ型のＴｉＯ2 にＦｅやＣｒをドープすると可視光でも触媒活性を示すようになる。尚、図には直線状のファイバ本体８が示されているが実際には伝搬光が外部に漏れるような所定の曲率で曲げられている。
【００１８】
このようなファイバ型光触媒６は、所定の間隔で容器４内に固定される。このときファイバ型光触媒６の末端は光を取り入れることができるように外部に出すのが好ましい。反応装置１に処理すべき処理流体を流すと共に、ファイバ充填層５の各ファイバ本体８に光を導光すると、ファイバ本体８から径方向に光が漏れ、その漏れた光が光触媒層７に十分に照射されるので、処理流体の反応が効率的になる。また、処理流体が不透明であってもファイバ本体８自体が径方向に発光することになるので、光触媒層７に十分に光が照射される。
【００１９】
図２（ａ）は本発明におけるファイバ型光触媒の概念図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示したファイバ型光触媒に用いられる光ファイバのファイバ本体の断面図である。
【００２０】
光ファイバ９は、光が伝搬するコア１０の外周を、コア１０より屈折率の低いクラッド１１で覆ってファイバ本体８を形成し、ファイバ本体８の外周を、プラスチック等の被覆材で被覆した構造を有している。
【００２１】
光ファイバ９には紫外線の透過率の高いＵＶファイバを用いる方が好ましい。これは光触媒層７が可視光より紫外光に対してより強く反応を促進するからである。
【００２２】
図２（ａ）に示すファイバ型光触媒は、光ファイバ９の被覆を除去してファイバ本体８を露出させ、ファイバ本体８のクラッドの外周に光触媒（例えばＴｉＯ2 ）層を形成し（図２（ｂ））、そのファイバ本体を光ファイバの支持棒１２にらせん状に巻き付けたものである。ファイバ本体８への光触媒のコーティングは、被覆を除去した担持前の光ファイバをチタン化合物の水溶液に浸漬することにより行われる。その結果、ファイバ本体表面（クラッド表面）にアナターセ型の酸化チタン被膜が形成される。
【００２３】
このような支持棒１２に光ファイバ９を巻き付けたファイバ型光触媒６を図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す金属製固定格子１３内に多数平行に取り付けて、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すファイバ型光触媒ユニット１４を形成し、複数のファイバ型光触媒ユニット１４を容器４内に配置し、光入射手段（図示せず）を設けて反応装置１を構成する（図５）。
【００２４】
尚、１５はファイバ型光触媒ユニット１４を固定するための金属製アングルである。
【００２５】
尚、図３（ａ）は金属製固定格子の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の正面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の右側面図である。図４（ａ）はファイバ型光触媒ユニットの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の正面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）の右側面図である。図５は反応装置の概念図である。
【００２６】
ここで、図４（ａ）に示したファイバ型光触媒ユニット１４のファイバ型光触媒６の各光ファイバ９の両側はそれぞれ束ねられてバンドルファイバの一端に接続される。バンドルファイバの他端を、例えば凹面鏡（あるいは凸レンズ）の焦点位置に配置することにより、太陽光が集束された後、バンドルファイバ及び光ファイバ９を伝搬して光触媒に照射される。尚、太陽光の代わりにＵＶ（紫外線）ランプやＸｅ（キセノン）ランプ等の光源を用いてバンドルファイバに光を入射するようにしてもよい。また、光ファイバ９の一方のみから光を入射してもよい。
【００２７】
このような反応装置１の入口２に処理すべき処理流体を流すと共に光ファイバ９にバンドルファイバを介して太陽光等の光を入射すると、ファイバ本体８（図１）の外周より光が漏洩するので、光が届かないような環境下であっても、光触媒に十分に光が照射されることにより、有害物の分解除去あるいは有用物の合成等の反応効率が高くなる。しかも有害物や有用物を含む流体が不透明であっても十分な光が光触媒に照射され、反応が十分に促進される。反応装置１内で有害物の分解除去あるいは有用物の合成が行われた後、出口３から処理済み流体が排出される。
【００２８】
すなわち、光ファイバ９に光が導光されると、光はファイバ本体８表面から光触媒層７に照射する。この光によって光触媒層７上で目的とする反応が生じる。また反応に必要な光は、バンドルファイバ及び光ファイバ９によって光触媒まで導光されるため、従来の反応装置のように光が届かないような場所で使用できないことが無くなり、光が届かないような場所であっても光が届くので反応装置の大型化が期待できる。また、処理すべき処理流体が不透明な場合であっても光触媒に光を供給することができる。
【００２９】
上述した反応装置の適用例を以下に示す。
【００３０】
（１）トンネル排ガス、燃焼排ガスの浄化
▲１▼ＮＯｘ除去
２ＮＯ＋Ｏ2 →ＮＯ2 （ＮＯ2 が触媒に吸着して除去される）
▲２▼有機化合物の分解
ＣｘＨｙ＋（ｘ＋ｙ／２）Ｏ2 →ｘＣＯ2 ＋ｙ／２Ｈ2 Ｏ
（２）排水
▲１▼有機化合物の分解
▲２▼有害微生物の殺菌（滅菌）
尚、本実施例では１本の支持棒に、光触媒がコーティングされた１本のファイバ本体を巻き付けた場合で説明したが、これに限定されず１本の支持棒に、光触媒がコーティングされたシート状のファイバ本体を巻き付けてもよい。この場合、ファイバ本体の一部が破損しても他のファイバ本体が光触媒に光を伝搬するので、信頼性が向上する。
【００３１】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００３２】
光触媒に光が届かないような環境下であっても有用物や有害物を含む流体を処理することができ、しかも処理すべき流体が不透明であっても処理することができるファイバ型光触媒を用いた反応装置の提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の反応装置の一実施の形態を示す概念図であり、（ｂ）は（ａ）に示した反応装置に用いられるファイバ型光触媒の概念図である。
【図２】（ａ）は本発明のファイバ型光触媒の一実施例を示す概念図であり、（ｂ）は（ａ）に示したファイバ型光触媒に用いられる光ファイバのファイバ本体の断面図である。
【図３】（ａ）は金属製固定格子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）の正面図、（ｃ）は（ａ）の右側面図である。
【図４】（ａ）はファイバ型光触媒ユニットの平面図であり、（ｂ）は（ａ）の正面図であり、（ｃ）は（ａ）の右側面図である。
【図５】反応装置の概念図である。
【符号の説明】
１ 反応装置
４ 容器
５ ファイバ充填層
６ ファイバ型光触媒
７ 光触媒層
８ ファイバ本体
Claims (1)
- 有害物の分解除去あるいは有用物の合成等を行う反応装置において、光ファイバのファイバ本体の外周に光触媒をコーティングし、このファイバ本体を、伝搬光が外部に漏れるような所定の曲率で支持棒にらせん状に巻き付けてファイバ型光触媒を形成し、このファイバ型光触媒を、金属製固定格子内に多数平行に取り付けて、光ファイバ型光触媒ユニットを形成し、この光ファイバ型光触媒ユニットを有害物あるいは有用物の流体が流れる容器内に複数配置し、上記ファイバ型光触媒のファイバ本体の一端あるいは両端に光入射手段を設けたことを特徴とするファイバ型光触媒を用いた反応装置。
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