JP4150450B2 - Catalytic reaction apparatus and catalyst excitation method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脱臭、防汚、SOx・NOx除去等触媒作用を利用して、有害物質により汚染された環境を浄化する技術分野、および従来触媒または光触媒が利用されていた分野での触媒励起エネルギーとして利用されている熱または光エネルギーを代替する技術分野、あるいは、光触媒作用の発現を要求されるが熱または光エネルギーを適用できない技術分野での触媒の励起技術に関する。
【0002】
【従来技術】
光触媒関連
(1)W096/29375
「基材の表面を光触媒的に超親水性にする方法、超親水性の光触媒性表面を備えた基材、およびその製造方法」
(2)特開平2−273514
「抗酸化性有害物質の除去剤及び除去方法」
光触媒(0.5〜5eVの禁止帯を有する半導体と表現されている)
に紫外線を照射して有害物質を除去。
【0003】
放電関連の触媒
(1)実公平6−45975
「コロナ放電装置」
活性炭素紙で形成された段ボール状シートからなる導電性シールドにより、オゾンを除去低滅しようとするもの。また、従来技術として、活性炭素上に、二酸化マンガン、過酸化鉛、パラジウム、白金、ニッケル、ロジウムなどの各金属及び金属酸化物を坦持させたオゾン分解触媒が開示されている。
(2)特公平7−015602
「コロナ放電装置」
金属または金属酸化物(酸化マンガン)を坦持した活性炭素繊維材料によりシールド部材を形成。
【0004】
(3)特開平5−088504
「イオン発生装置」
オゾン発生の少ない帯電装置
オゾン分解触媒は金網上の白金、白金以外は銅酸化物、ニッケルなど一般にオゾン分解触媒として知られているもの。
【0005】
(4)第2637556号
「電子写真装置」
エアーフィルターの触媒層に関する。触媒としては、CuO、MnOおよび水溶性ポリマーを含有する触媒が開示されている。
(5)特開平6−317974
「コロナ放電装置」
電極形状を鋸歯状にし、さらにその周辺に触媒を配したもの。ワイヤー状のものよりオゾンの発生が1/4程度と低い。
【0006】
(6)特開平8−062928
「帯電装置、ならびにこの帯電装置が利用される画像形成装置置」
接触帯電部材(ブレード)による帯電を行う。
(7)特開平5−088507
「帯電部材」
接触帯電部材(ローラ)による帯電を行う。
【0007】
(8)特開平5−173402
「帯電ブラシ」
接触帯電部材(ブラシ)による帯電を行う。
(9)特開平5−119585
「コロナ放電装置」
光触媒という明記が無いが、オゾン分解促進剤をシールドの内周側にに被覆する。オゾン分解促進剤の材料名としでは二酸化マンガン、二酸化鉛、白金などの金属酸化物及び金属から選ばれたもの。バインダーはは導電性樹脂組成物または導電性ゴム組成物。
【0008】
触媒関連
(1)特開平7−134473
「コロナ放電装置」
コロナ放電装置シールドケースの被帯電体側開口端あるいはその近傍傍に板状のオゾン分解用絶縁性触媒を設け、シールドケース内でのオゾゾンの発生量を押さえるとともに、イオンの流れを制御し放電を安定させる。
(2)特開平5−261246
「脱臭器及びそれの運転方法」
悪臭を触媒で吸着し、放電現象にて発生したオゾンにより触媒上に吸吸着したにおい成分を分解することで触媒を再生・活性化する。
(3)特許第2625811号
「オゾン分解触媒」
活性炭に酸化マンガンおよび難燃化剤を坦持したオゾン分解触媒。コロナ放電シールドの内側に形成。
【0009】
光触媒は、我が国から酸化チタン光触媒による水の電気分解に関する発表〔Fujishima.A.Honda.;K.Nature,Vol.238,JULY(1972)p37〜38〕があって以降、その応用的な展開が広く進められ、実際に製品に利用されるに至っている。
【0010】
たとえば、抗菌、脱臭、防汚、環境浄化、エネルギー変換、表面改質等多彩な応用分野に展開されている(例えばWO96/29375)。しかし、励起手段を光に限定して展開してきているため、当然のこととして光が応用できる範囲にその利用が限られている。勿論、屋外ならコストのかからないエネルギー源としで太陽光を利用することはLCA(Life Cycle Assessment)の点で好ましい。
【0011】
しかし、大気汚染浄化を例にとれば、最も頻繁に使われている二酸化チタン光触媒の励起に必要な光は、陽光に4〜5%しか含まれていない400nm以下の紫外光である。そのため、10ppmレベルの通常の汚染濃度環境下ではSOxやNOxなどの汚染物質の処理が可能だが、100ppm以上といった汚染濃度の進んだ場合では、必ずしも十分な励起工ネルギー量とはいえない〔『工業材料』.Vo1.44,no.8(1996)P107〕。
【0012】
このように、高濃度の処理には限界が認められる。また、特殊な紫外光を発生する照明を付加して装置化する場合は最終的な機能は得られるが、紫外光の発生および遮蔽など機能発現に付帯するものが大掛かりになり易いなどの欠点がある。また、紫外光を導入できない場所での利用の要求もある。
【0013】
もし、紫外光以外による励起手段で触媒作用が得られるならば、さらに応用範囲が広がるものと思われる。特に、近年における環境問題に対する関心の高まりに伴い、環境浄化分野でのさらなる応用展開性を提示していくことは重要である。一例として、画像形成装置の環境問題として帯電機構による有害ガスの発生があげられる。すなわち、画像形成装置では多くの場合、コロナ放電を用いて感光体の帯電が行われているが、コロナ放電によりオゾン(O)や窒素酸化物(NOx)が発生し、オフイース環境の悪化やOPC感光体の寿命低下を起こす。対策を講じない場合の帯電器直下でのオゾン濃度は1〜数10ppm、また、窒素酸化物濃度はN0換算で0.01〜0.1ppmと言われている。
【0014】
一方、人体への影響を考慮すると日本産業衛生協会によるオゾン許容濃度勧告値として0.1ppmという値が示されている。望ましくは0.02ppm以下とする努力がなされている。現段階の技術では、コロナ放電ワイヤーの材質変更や有害ガス用フィルターによる発生低減と除去が行われている〔『電子写真プロセス技術』株式会社トリケップス発行(1992).P60〕。
【0015】
これらのうち、オゾン分解触媒及びフィルタにより放電生成物の低減を図る際に用いられる触媒は、活性炭、白金、銅酸化物、ニッケル(特開平5−088504)あるいは酸化マンガン(特公平7−015602)などである。オゾンを発生させない別の技術としては、電極形状を鋸歯状にし、さらにその周辺に触媒を配したもの(特開平6−317974)あるいはローラ(特開平5−88507)、ブラシ(特開平5−173402)、フレード(特開平8−62928)など接触帯電部材による帯電を行い放電生成物を減少させようとするものなどがある。しかし、現時点では多くの画像形成装置はコロナ帯電方式が多用されている。
【0016】
一方、画像形成装置で用いられている感光体には、光により電気的な変化を起こす材料(光導電材料)が使用されているため、画像形成装置内に紫外線光源を導入しで、大気汚染浄化に一般的に光触媒を用いて有害ガスを除去するということは困難である。
【0017】
次の例として、空気清浄器の例が挙げられる。脱臭器の中にも多くの触媒が利用されているが、オゾナイザーによりオゾンを発生させ、そのオゾンの作用で臭気を分解し脱臭を行い、触媒自体が脱臭に機能するというのではなく、臭い成分を吸着させるものとしての役割である。このような例としては、特開平5−261246がある。また、有害物質除去技術として光触媒を利用する場合は、太陽光や微弱な蛍光灯中の紫外成分を使う以外は、特開平2−2735104や特開平3−23310のように紫外線光線を用いている。したがって、光を使える技術の範囲に限られてしまう。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、光により励起され酸化および還元の化学変化を生起する性質のある触媒(以下、光触媒あるいは半導体触媒とも呼称する)を光や熱を用いないで励起する触媒反応用装置及びそれを用いた画像形成装置を提供することを目的としている。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、炭素、水素、酸素、窒素、硫黄のうちから選ばれた少なくとも1つの元素を構成元素とする気体状の有機性物質または該有機性物質を含有する気体状混合物、あるいは窒素、硫黄、りんの亜酸化物あるいは酸化物のうちから選ばれた少なくとも1つの気体状物質または該気体状物質を含有する気体状混合物を分解除去することのできる触媒反応用装置であって、(i)光により励起され酸化および還元の化学変化を生起する性質のある触媒あるいは該触媒を含有した層、および電子線により前記触媒を励起する手段を有するものであり、( ii )前記触媒を励起する手段に対し触媒あるいは触媒を含有した層が、導電性を有し、かつ周期的に移動することができるものであることを特徴とする触媒反応用装置および該触媒反応用装置を用いた画像形成装置を提供することにより、前記課題を解決することができた。
また、本発明によると、電子またはイオンの作用により触媒の励起が起こるので、使用状態で常に触媒効果が持続される。
【0020】
本発明で用いる光触媒は、一般に光触媒として公知になっている光触媒単体、該光触媒をその活性を向上させる物質、例えば金属に坦持させたもの、汚染物質を吸着させることのできる物質、例えば活性炭やゼオライトなどの吸着剤に坦持させ、その触媒効率をアップしたものなどの触媒をあげることができる。
【0021】
電子線励起の場合は、電子またはイオンの持つ電荷のため、触媒層が次第にチヤージアップしてくるので、その蓄積されてくる電荷を逃がすには触媒層に導電性を持たせることが好ましい。この触媒層に導電性を持たせる具体的な手段としては、はじめから導電性を持った触媒を用いるか、不純物をドープするか、あるいは正確な化学量論比と比較し電子供与成分を余剰に持たせた触媒を用いる手段が挙げられる。
【0022】
また、これら反応用装置の基材あるいは少なくとも触媒あるいは触媒を含有した層との接触面の基材が、導電性を有していること、例えば基材あるいは基材と触媒との接触面が金属または金属の膜等導電性を有していると、触媒層の帯電をより防ぎ易すく、電荷を逃がし易いので好ましい。
【0023】
さらに、前記活性照射手段(特に電子線照射手段)は、前記触媒を励起するのに充分なエネルギーを持つ空間的な領域内に設置させることが、前記活性照射手段により生起された電子およびイオンにより効率的に触媒作用を引き出すことができるので好ましい。
【0024】
前記電子を発生する手段としてはコロナ放電が最も簡単であるが、電子を発生する手段で用いる放電ワイヤの雰囲気ガス(特に酸素や水分)による劣化を防ぐ点から、減圧下の方が有利である。
【0025】
具体的な使用形態の1つとして、前記のような画像形成装置におけるコロナ放電ユニット内およびその近傍に放電生成物質を分解除去する前記触媒反応装置を設けた使用形態が挙げられる。また、別の具体的な使用形態としては、気体状有害物質分解除去を行う触媒反応用装置が考えられる。このような装置では、異常放電やショートを防ぐために、浮遊粉塵を除去する手段、例えばフィルター等の除去手段を備えることが好ましい。
さらに、本発明の触媒反応用装置を吸着反応が律速となる遅い反応に使用する場合には、触媒反応生起部分と吸着部分とを空間的に機能分離して、周期的に触媒反応生起部分に触媒層が移動するような構成をとるのが好ましい。
【0026】
また、多くの場合、酸化還元により分解する対象の有害ガス成分はppmまたはppbレベルの濃度であるため、大気状態そのままの濃度で処理するよりも濃縮回収して処理する方が有利であり、また、濃縮回収することで減圧下に処理した場合の効率低下も防ぐことができる。
【0027】
【実施の態様】
以下、本発明の実施の態様を挙げる。
【0028】
本発明で使用する光触媒
酸化チタン(TiO)酸化亜鉛(ZnO)酸化カドミウム(CdO)、三酸化タングスでン(WO)、三酸化二鉄(Fe)、酸化スズ(SnO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、およびIn、AgO、MnO、CuO、Vなどの金属酸化物、硫化カドミウム(CdS)、セレン化カドミウム(CdSe)、硫化亜鉛(ZnS)、セレン化亜鉛(ZnSe)、およびPbS、In、CuS、MoS、WS、Sb、Bi、ZnCdS、WSe、HgSe、PbSe、CdTeなどのカルコゲナイド系化合物。
その他、炭化珪素(SiC)、ガリウム砒素(GaAs)、ガリウムりん(GaP)、珪素Si(n型)、ゲルマニウムGe(n型)などの金属及び金属化合物。
前記触媒の中で、触媒自体が導電性を持つ材料としては、酸化スズ(SnO)、酸化インジウム(In2O8)などが好ましい。
【0029】
また、触媒活性を向上するために坦持する金属としては、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、バラジウム、銀、白金、金などの遷移金属が挙げられる。これらの金属の担持は、特に導電帯に励起した電子による還元反応を引き出す際に有効であると言われている。
【0030】
触媒の励起方法のうち最も利用しやすい方法として、電子線による励起方法がある。しかし電子線は、マイナスの電荷を持っているため照射を連続して行っていくと次第に触媒層自体がマイナスの電位を持ってしまうという問題があり、前述のよう触媒層が導電性を持っていることが好ましい。
【0031】
また、触媒に不純物を導入するか、あるいは正確な化学量論比と比較し電子供与成分を余剰に持たせるものとしては、透明導電膜としてもよく知られている材料としての酸化亜鉛(ZnO)を挙げることができる。また、電子供与物質としては亜鉛よりも原子価が1つ多い周期表III属の元素の中から選ぶことができ、特にAlなどが最適である。
【0032】
混入されたAlは、結晶格子中でAl3+となり、膜中に電子を放出・供与する。また酸化亜鉛の場合は、結晶格子中に入った亜鉛原子またはその酸素空孔により膜の導電性が上がることが知られている。このように形成する不純物準位の濃度は、膜中で動作する有効成分として10−2〜10−4(主成分金属に対する原子個数比)である。もともと導電性を持たなかったとしても、この方法により触媒層に導電性を持たせることができる。
【0033】
さらに、導電性を示す材料群に前記の触媒材料を混合しても導電性を持たせることが可能である。混合する導電材料の量はSnO、In、ZnOなどを5〜50重量%程度が望ましい。あるいは、粒子状の炭素または金属を混入し導電性を持たせてもよい。炭素または金属の場合、前記の導電材料に比較して少なくてよく、その混合量は0.1〜20重量%が望ましい。また、触媒層の導電性のレベルは、帯電防止用途として必要となる10Ω/□以下、より好ましくは、10〜10Ω/□のレベルの面抵抗率である。
【0034】
次に触媒反応応用装置について具体的に説明する。
空気中の放電では、コロナワイヤーから発生した電子は、空気中での平均自由行程が0.34μmと非常に短いため、電子が電界から得る運動エネルキーは非常に小さいものと見積もられる(たとえは、コロナワイヤーから接地電極までの距離が10mm、印加電圧を10kVとすると単純平均電界は10V/mとなり、平均自由行程0.34μmで加速されて、約0.34eVの運動エネルギーである。〔電子1個の運動エネルギー(eV)=電界強度(V/m)×走行距離(m)より計算。〕
【0035】
しかし、実際には電子なだれ現象により中性分子は次々に電離している。空気中の各中性分子を電離させるのに必要な最低のエネルギーは、酸素分子で12.06eV、窒素分子では15.58eVと言われている。一方、本発明により効果を示すと思われる触媒のバントギャップは0.3〜5eVの範囲である。したがって、コロナ放電が起きている以上、その放電の範囲内に配置することにより、空気中において該触媒を励起(あるいは活性化)できるエネルギーは充分あると考えられる。
【0036】
さらに、一般の環境浄化技術への応用においては、反応物質濃度がppmあるいはppbレベルのごく微量の主に難分解性の有害物質である場合が殆どである。したがって、大気環境下でそのまま処理しようとすると非常に効率が悪い。しかも、有害物質を濃縮して処理しようとしても、光エネルギーで励起したのでは触媒の励起密度の下では高濃度になると処理できないという問題を生じる。しかし、本発明によれば、大気中でppmレベルの濃度を処理するのではなく、汚染物質を濃縮分離し高濃度の有害物質とした後に、減圧中で集中処理することも可能である。効率の点でも、大気圧中ppmレベルの処理と10−4Torrレベルの減圧下での処理とがほぼ等しい物質量となるので、10−1〜10−3Torrレベルの減圧下で処理できれば優位性が有る。
さらに、高濃度汚染物質排気出口付近に、このような浄化設備を設置することで濃縮分離の行程が軽減されるので望ましい。
【0037】
次に、この発明の画像形成装置における技術内容について説明する。コロナ放電でシールドに流れる電流は10−4〜10−6Aのレベル、シールドにかかる電圧は約5〜10kV、シールド部内側の面積は約2.8cm(株式会社リコー製の画像形成装置蓑置Spiro7000での値)なので、シールド面での照射エネルギーは以下の値となる。
(10−4〜10−6A)×(5〜10×10V)/2.8cm=1.8〜357mVA/cm
【0038】
次に、従来技術により要求される励起強度について述べる。
一般に光触媒として知られている触媒の励起エネルキー(紫外線強度)として、抗菌作用を引き出すためには1μW/cmの強度が必要である。これは通常の室内光の強度レベルである。また、有害物質の除去では、例えば1ppmレベルのNOを除去する場合、必要な紫外線強度は0.1mW/cmあれば十分である、と言われていて、これは冬の曇りの日の屋外に相当する。また、通常の屋外の強度は1mW/cm、晴れた夏の日であれば最大4mW/cmに達する。
したがって、前記触媒の酸化および還元の化学作用を引き出す励起には数mW/cmレベルのエネルギー強度があれば、多くの場合に適用可能であろうと思われる。
【0039】
上で計算した画像形成装置の場合では、従来技術で概観した励起エネルキーレベル以上に調整可能な範囲であり、十分に放電生成物の酸化還元分解が可能である。さらに、放電電流が増大するとともに放電生成物が増加するが、従来技術と使用されている分解触媒やフィルタでは分解吸収効率が変化しないので能力的に飽和してくるのに対し、本発明による電子線励起の方式では、励起強度が大きくなると励起された状態にある反応サイトが増大するために分解触媒の放電生成物分解効率が増大すると言う利点がある。したがって、プロセスの設定範囲を広げることができる等の利点も出てくる。
【0040】
分解後の生成物はオゾンに関しては分解されると気体状の酸素となるため、特に問題とはならない。窒素酸化物の場合は触媒表面上にNOまたは空気中の水分と結合したかたちのHNOとして残留して存在する。窒素酸化物の場合は定期的に交換する必要がある。ただし、水で洗い流す程度の洗争と乾燥で十分汚染物質の除去ができるのでリサイクル使用することが可能である。
【0041】
さらに、画像形成装置以外の触媒反応応用装置について説明する。これらの装置は空気清浄器に相当する。本発明による処理の対象は気体状のものである。
例えば炭素、水素、酸素、窒素、硫黄のうちから選ばれた少なくとも1つの元素を構成元素とする気体状の有機性物質または該有機性物質を含有する気体状混合物、あるいは窒素、硫黄、りんの亜酸化物あるいは酸化物のうちから選ばれた少なくとも1つからなる気体状物質または該気体状物質を含有する気体状混合物を分解除去する触媒反応用装置を挙げることができる。
【0042】
前記のような触媒反応応用装置は、炭素、水素、酸素、窒素、硫黄などを主成分とする気体状の有機性物質または窒素、硫黄、りんの亜酸化物あるいは酸化物からなる気体状物質のいずれか一つまたはそれらの混合物が搬送される流路の中に設け、該気体状の物質を分解除去することができる。また、前期の物質は人間にとって不快感を及ぼす異臭や刺激臭であったり、人体や環境に対し有害な物質である場合が多い。
【0043】
また、大気中には、前記のような気体状の有害物質のみではなく、ホコリ・チリなとのハウスダスト類、カビ等の細菌穎や昆虫類などの固体状のものも多く存在する。放電ワイヤーを用いる場合は、これらの大気中の浮遊物による異常放電やショートを起こす可能性がある。非常に清浄な環境下では必要が無い場合もあるが、これら大気中の浮遊物による異常放電やショート防ぐためにはフィルター等の除去手段を備えることが好ましい。
【0044】
これまで説明してきた装置においては、励起手段直下での反応が生起することを前提としたが、吸着反応が律速となる遅い反応も起こり得る。吸着が律速となる反応では、できるだけ吸着に関与する面積を広く取る方が有効である。そこで、触媒反応生起部分と吸着部分とを時間的あるいは空間上で機能分離して、周期的に触媒反応生起部分に触媒層が移動するような構成をとるのが望ましい。例えば、このような構成のものの1例として、図5に概念的な構成図を示した。形状としては円筒形に限ることはなく、円盤状であってもよいし、螺旋状の形状でもよいし、交換可能なように部分的に切断されていてもよい。また、被処理物質の流れの下流側に該被処理物質の濃度を検知する手段を設けて、触媒層が設けられた基体の移動速度を制御するなどの方法をとることも可能である。
【0045】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示す。
【0046】
実施例1
電子線による触媒表面の酸化作用でアセトアルデヒトを除去
横30cm、縦5cm、厚さ1mmのアルミ板上に市販の光触媒コーティング剤であるアナターゼ型酸化チタン(比表面積約300m/g)と炭素粉末を混合した後に塗布して触媒層を形成した。この触媒層の面積抵抗宰は2×10Ω/□、また膜厚は約3μmであった。この触媒層の上9mm離れたところに電子放出源となる放電ワイヤーを設置し、周囲と絶縁した。アルミ板はアースと接続され、電子放出源はこのアースに対し−10kVとなるように電位をかけられるように電装部を組み立てた。次に、この装置の電源部以外のところを容積5リットルとなるように囲む光を遮蔽できる密閉ケースをつくり、濃度検知によりアセトアルデヒドが250ppmなるように充満させた。これらの準備をした上で、電装部の電源をONし放電を開始した。20分後、アセトアルデヒトの濃度は20ppmまで下がっていた。
【0047】
実施例2
画像形成装置のコロナ帯電器のシールド
画像形成装置のコロナ帯電器のシールド部内面に無機バインダーを含む市販の酸化チタン光触媒材料(例えは、多木化学(株)製タイノックCA−62あるいはCRA−62)を0.3〜0.5μmの厚さでコーティングした。熱処理をして焼き固めた後画像形成装置に組み込んた。
画像形成装置での諸条件は、放電ワイヤーとの距離は最も近いところで7.8mmであり、最も遠いところでも125mmであった。シールド部の全面積は2.8cmである。フィラメントと呼ばれる放電ワイヤーに印可する電圧はシールド電圧あるいはアースに対し−5〜−10kVであり、ワイヤー両端には電子放出のため定電流型インバータ電源によりPWM(パルス幅変調)方式でコントロールされた矩形波の電圧が印可される。
【0048】
また、OPC感光体の表面電位を−600〜−800Vに帯電した場合、感光体に流れる電流は数10μAであり、一方触媒層を形成したシールドに流れる電流は数100μAであった。オゾン分解・除去の改善効果としては、帯電器直下の測定で金属シールドのみのオゾン濃度が1.1ppmなのに対し、触媒を付けた場合のオゾン濃度は0.1〜0.2ppmの範囲に検出された。
【0049】
また、外観的には23〜25万枚のコピー枚数に達したところで、シールト部に変色が見られたので、水洗後乾燥し再生した。水洗に使用した水には硝酸イオンが検出され、そのpHは6.0の弱酸性を示した。変色は窒素酸化物の吸着によるものと思われる。一方、再生した部品は新品と同じように繰り返し使用が可能であった。
本実施例では、シールド部内例に触媒層を配置した例で示したが、シールド部内例に限らずグリツド部または帯電装置の排気部等、触媒励起に必要なエネルギーを持つ電子またはイオンが及ぶ範囲内であればよい。
【0050】
実施例3(空気清浄器への利用)
汚染された大気を浄化する装置として空気清浄器がある。未処理の大気を導入し、先ず浮遊粉塵等を除去し、触媒により有害物質を分解して、最終フィルターを通り浄化される。図3に大気導入後の概念的な図を示した。触媒反応装置の部分は、図4に示すように先端が大気の流れを管璧部分に集中するように円錐形に形成した内側部分と円筒形状の外側部分とにより構成した。触媒層は円錐形の部分と連続した円筒形の外壁表面と更にその外側に設けた管状部の内側に形成した。触媒層の材料としては、酸化亜鉛とインジウムスズ酸化物および無機ハインダーを混合したものを壁面に0.3μmの厚みでコーティング後熱処理乾燥して形成した。電子放出部は内側部分に電気的に絶縁された碍子により固定され、図示していない電源により制御される。
【0051】
導入された未処理の気体は、内例の円鐘形部分により触媒層のある部分に圧縮され、触媒層の形成されている壁面問をぶつかりながら流路を進み、流れの中で触媒層の酸化還元反応により徐々に分解される。構成としては、浮遊粉塵の量が少ない場合は浮遊粉塵等を除去するフィルターと連結した図5の構成として良い。
【0052】
触媒層を形成した内側円筒形の外径が30cm、外例円筒形の内径が32cmで、流路方向の触媒層の長さを50cmとした触媒反応応用装置に、8リットル/分の流速で濃度8ppmのトルエンを含む気体を導入した。触媒層反応部の出口でトルエンの濃度を測定したところ、0.5ppmまで濃度が低下していた。このとき電子放出源に印可した電圧は−15kV、また電子放出源と触媒層との問で流れた電流は1.2mAであった。
【0053】
実施例4
実施例3と同形の触媒反装置に、酸化チタンと活性炭を主成分として無機バインダーによりコーティング用剤とした触媒を0.5μmの厚みとなるように壁面に実施例3と同じ面積だけコーティング後熱処理乾燥して形成した。排気口に油回転ポンプを接続し、油回転ポンプの上流側に電磁弁を設け、1×10−3Toorで接点を設け電磁弁を開閉し、反応装置全体が10−3Toor台に保たれるように減圧した。そこに、滅圧状態が保たれた反応装置に読量計に用いて1.5cc/分の流速で窒素酸化物を50容積%以上含む気体を反応系内に導入した(通常の大気中の窒素酸化物濃度は数ppmのオーダーなので1万倍に濃縮されているのと同等レベル)。窒素酸化物の除去速度的には、大気中で処理した場合と大差が無いが、放電ワイヤの劣化が進行し難いため、ワイヤーの交換頻度が1/100程度に減少した。
【0054】
実施例5
酸化還元反応よりも触媒層への被反応物質の吸着が律速であるような場合は、触媒層の励起は反応全体の中のポイントで良く、吸着反応を生起する部分を多くとることが望ましい。例えば、図6に示すように触媒層の励起部は回転の中の一部分であり、その他の部分は被反応物質の吸着を目的とした部分である。このような装置では、流路の下流側に被反応物質の検知部(図示せず)を設け、励起条件や触媒層をコートしたドラムの回転数等にフィードハツクをかけるなど、励起部分と吸着部分の最適化を図りながら処理することが可能である。
【0055】
【発明の作用効果】
従来技術の励起されていない触媒や活性炭シートなどの単なる吸着剤の場合は、雰囲気成分による汚染層の形成による触媒の分解作用の低下や汚染物質の吸着飽和によりその吸着効果が低下するなどの問題点があるのに比較し、光触媒を用いた場合では、動作時に触媒が活性化されるので、放電生成物の除去効果を一層向上することができると共にその効果が持続するという利点がある。
【0056】
また、効果が低下した時の保守点検に際して、従来のものはリサイクルではなく廃棄することになるのに対し、光触媒の場合は水洗して吸着物質を除去し触媒を再生できるので省資源につながる。
【0057】
さらに、上記の効果に加えて、各請求項の発明は、下記のような特有の効果を奏することができる。
(1)光触媒の光に限られた使用分野に比較し、光を用いることができない分野でも触媒作用を生起することができる装置が提供される。
(2)触媒層が導電性を有することで、層自体がチヤージアップすることがないため継続的に触媒作用を生起することができる装置が提供される。
(3)大気中に放出されると、人体に対し不快臭や刺激臭となるか、あるいは温暖化など地球環境の悪化につながる物質を無害なものに分解除去できる装置が提供される。
(4)放電生成物を帯電器外に拡散する前に分解除去でき、さらに、放電時の電子またはイオンの作用により触媒の励起が起こるので、使用状態で常に触媒効果が持続される。また、排気の経路の途中にオゾン等分解フィルターを設ける場合でも、フィルターに持ち込まれる際の濃度が低いために分解処理特性を長持ちさせることができる装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明した図である。
【図2】画像形成装置の帯電器に適用した場合の構成図を説明した図である。
【図3】被処理気体の流路の途中に触媒反応装置を組み込んだ場合を説明した図である。
【図4】触媒反応装置の内部構造を説明した図である。
【図5】浮遊粉塵フィルターを組み込んだ触媒反応装置の部分断面図を説明した図である。
【図6】活性照射手段に対し、触媒あるいは触媒を含有した層が周期的に移動することができる触媒反応装置の構成を説明した図である。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention relates to a catalyst excitation energy in a technical field for purifying an environment contaminated with a harmful substance by utilizing catalytic action such as deodorization, antifouling, SOx / NOx removal, and a field where a conventional catalyst or photocatalyst has been used. The present invention relates to a catalyst excitation technique in a technical field substituting for heat or light energy used as a light source or in a technical field where photocatalytic action is required but heat or light energy cannot be applied.
[0002]
[Prior art]
Photocatalyst related
(1) W096 / 29375
"Method for making the surface of a substrate photocatalytically superhydrophilic, a substrate having a superhydrophilic photocatalytic surface, and a method for producing the same"
(2) JP-A-2-273514
"Removal and removal method of antioxidant harmful substances"
Photocatalyst (expressed as a semiconductor with a forbidden band of 0.5-5 eV)
Irradiate UV to remove harmful substances.
[0003]
Discharge-related catalyst
(1) Reality 6-45975
"Corona discharge device"
It is intended to remove ozone by using a conductive shield made of corrugated cardboard sheet made of activated carbon paper. Further, as an existing technique, an ozone decomposition catalyst is disclosed in which metals such as manganese dioxide, lead peroxide, palladium, platinum, nickel, rhodium and metal oxides are supported on activated carbon.
(2) Japanese Patent Publication No. 7-015602
"Corona discharge device"
A shield member is formed from an activated carbon fiber material carrying a metal or metal oxide (manganese oxide).
[0004]
(3) JP-A-5-088504
"Ion generator"
Charging device with low ozone generation
Ozone decomposition catalysts are generally known as ozone decomposition catalysts such as platinum on wire mesh, copper oxide and nickel other than platinum.
[0005]
(4) No. 2633756
"Electrophotographic equipment"
The present invention relates to a catalyst layer of an air filter. As the catalyst, CuO, MnO2And catalysts containing water-soluble polymers are disclosed.
(5) JP-A-6-317974
"Corona discharge device"
The electrode shape is serrated and a catalyst is placed around it. Ozone generation is as low as about 1/4 compared to wire.
[0006]
(6) JP-A-8-062928
“Charging device and image forming apparatus using this charging device”
Charging is performed by a contact charging member (blade).
(7) JP-A-5-088507
`` Charging member ''
Charging is performed by a contact charging member (roller).
[0007]
(8) JP-A-5-173402
"Charging brush"
Charging is performed by a contact charging member (brush).
(9) JP-A-5-119585
"Corona discharge device"
Although there is no description of a photocatalyst, an ozonolysis accelerator is coated on the inner peripheral side of the shield. The material name of the ozonolysis accelerator is selected from metal oxides such as manganese dioxide, lead dioxide and platinum, and metals. The binder is a conductive resin composition or a conductive rubber composition.
[0008]
Catalyst related
(1) JP 7-134473 A
"Corona discharge device"
Corona discharge device A plate-shaped insulating catalyst for ozone decomposition is installed at or near the open end of the shield case side of the corona discharge device to reduce the amount of ozonozone in the shield case and control the ion flow to stabilize the discharge. Let
(2) JP-A-5-261246
"Deodorizer and its operating method"
A bad odor is adsorbed by the catalyst, and the catalyst is regenerated and activated by decomposing the odor component adsorbed and adsorbed on the catalyst by ozone generated by the discharge phenomenon.
(3) Japanese Patent No. 2625811
"Ozone decomposition catalyst"
Ozone decomposition catalyst with manganese oxide and flame retardant supported on activated carbon. Formed inside the corona discharge shield.
[0009]
The photocatalyst has been announced by Japan regarding the electrolysis of water using a titanium oxide photocatalyst [Fujishima. A. Honda. K. Nature, Vol. 238, JULY (1972) p37-38], since then, its applied development has been widely promoted and has been actually used in products.
[0010]
For example, it has been developed in various application fields such as antibacterial, deodorizing, antifouling, environmental purification, energy conversion, and surface modification (for example, WO96 / 29375). However, since the excitation means has been expanded to be limited to light, as a matter of course, its use is limited to the extent that light can be applied. Of course, it is preferable from the viewpoint of LCA (Life Cycle Assessment) to use sunlight as an energy source that does not cost if it is outdoors.
[0011]
However, taking air pollution purification as an example, the light necessary for excitation of the most frequently used titanium dioxide photocatalyst is ultraviolet light of 400 nm or less, which is contained only 4 to 5% in sunlight. Therefore, it is possible to treat pollutants such as SOx and NOx in a normal pollution concentration environment of 10 ppm level. However, when the pollution concentration is 100 ppm or more, it cannot be said that the amount of excitation energy is sufficient. material". Vo1.44, no. 8 (1996) P107].
[0012]
Thus, there are limitations to high concentration processing. In addition, the final function can be obtained when the device is added with illumination that generates special ultraviolet light, but there are drawbacks such as the fact that the incidental to the function expression such as generation and shielding of ultraviolet light tends to be large. is there. There is also a demand for use in places where ultraviolet light cannot be introduced.
[0013]
If the catalytic action can be obtained by excitation means other than ultraviolet light, the range of applications will be further expanded. In particular, with increasing interest in environmental issues in recent years, it is important to present further application development in the field of environmental purification. As an example, generation of harmful gas by a charging mechanism is given as an environmental problem of the image forming apparatus. That is, in many image forming apparatuses, the photoconductor is charged using corona discharge, but ozone (O3) And nitrogen oxides (NOx) are generated, resulting in a deterioration in the off-ice environment and a decrease in the life of the OPC photoreceptor. When no measures are taken, the ozone concentration just below the charger is 1 to several tens of ppm, and the nitrogen oxide concentration is N0.2It is said to be 0.01 to 0.1 ppm in terms of conversion.
[0014]
On the other hand, when the influence on the human body is taken into consideration, a value of 0.1 ppm is shown as a recommended ozone allowable concentration value by the Japan Industrial Hygiene Association. Efforts have been made to make 0.02 ppm or less. At the present stage, corona discharge wire materials are changed and the generation and reduction of harmful gas filters are carried out ["Electrophotographic process technology", published by Triqueps Co., Ltd. (1992). P60].
[0015]
Among these, the catalyst used for reducing the discharge products by the ozone decomposition catalyst and the filter is activated carbon, platinum, copper oxide, nickel (Japanese Patent Laid-Open No. 5-088504) or manganese oxide (Japanese Patent Publication No. 7-015602). Etc. As another technique that does not generate ozone, an electrode is formed in a sawtooth shape, and a catalyst is disposed around the electrode (Japanese Patent Laid-Open No. 6-317974), a roller (Japanese Patent Laid-Open No. 5-88507), a brush (Japanese Patent Laid-Open No. 5-173402). ), Flade (Japanese Patent Laid-Open No. 8-62928), and the like, which are intended to reduce discharge products by charging with a contact charging member. However, at present, the corona charging method is frequently used in many image forming apparatuses.
[0016]
On the other hand, since the photoconductor used in the image forming apparatus uses a material (photoconductive material) that causes an electrical change by light, an ultraviolet light source is introduced into the image forming apparatus, thereby causing air pollution. In general, it is difficult to remove harmful gases using a photocatalyst for purification.
[0017]
The next example is an air cleaner. Many catalysts are also used in deodorizers, but ozone is generated by an ozonizer, the odor is decomposed and deodorized by the action of the ozone, and the catalyst itself does not function to deodorize, but the odor component It is a role as a thing to adsorb | suck. An example of this is JP-A-5-261246. Further, when a photocatalyst is used as a harmful substance removal technique, ultraviolet rays are used as disclosed in JP-A-2-2735104 and JP-A-3-23310, except that sunlight or an ultraviolet component in a weak fluorescent lamp is used. . Therefore, it is limited to the scope of technology that can use light.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
  The present invention relates to an apparatus for catalytic reaction that excites a catalyst (hereinafter also referred to as a photocatalyst or a semiconductor catalyst) that is excited by light and causes chemical changes of oxidation and reduction without using light or heat, andImage forming apparatus using the sameThe purpose is to provide.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
  The present inventionGaseous organic substances containing at least one element selected from carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen and sulfur, or gaseous mixtures containing the organic substances, or nitrogen, sulfur and phosphorus An apparatus for catalytic reaction capable of decomposing and removing at least one gaseous substance selected from oxides or oxides or a gaseous mixture containing the gaseous substance, and (i) excited by light A catalyst having a property of causing a chemical change of oxidation and reduction or a layer containing the catalyst, and means for exciting the catalyst with an electron beam; ii The catalyst reaction apparatus characterized in that the catalyst or the layer containing the catalyst with respect to the means for exciting the catalyst has conductivity and can move periodically. Image forming apparatus using the apparatusBy providing the above, the above problems could be solved.
  In addition, according to the present invention, since the catalyst is excited by the action of electrons or ions, the catalytic effect is always maintained in the state of use.
[0020]
The photocatalyst used in the present invention is a photocatalyst that is generally known as a photocatalyst, a substance that improves the activity of the photocatalyst, for example, a substance that is carried on a metal, a substance that can adsorb a contaminant, such as activated carbon, Catalysts such as those supported on an adsorbent such as zeolite to increase the catalyst efficiency can be mentioned.
[0021]
  In the case of electron beam excitationSince the catalyst layer is gradually charged up due to the charge of electrons or ions, it is preferable to make the catalyst layer conductive in order to release the accumulated charge. As a specific means for imparting conductivity to the catalyst layer, a catalyst having conductivity from the beginning is used, impurities are doped, or an electron donating component is excessively compared with an exact stoichiometric ratio. A means of using the provided catalyst is mentioned.
[0022]
In addition, the substrate of these reaction devices or the substrate in contact with the layer containing at least the catalyst or catalyst has conductivity, for example, the contact surface of the substrate or the substrate and the catalyst is metal. Alternatively, it is preferable to have conductivity such as a metal film because it is easier to prevent the catalyst layer from being charged and to easily release the charge.
[0023]
Further, the active irradiation means (particularly the electron beam irradiation means) may be installed in a spatial region having sufficient energy to excite the catalyst due to electrons and ions generated by the active irradiation means. This is preferable because the catalytic action can be efficiently extracted.
[0024]
As the means for generating electrons, corona discharge is the simplest. However, in order to prevent the discharge wire used in the means for generating electrons from being deteriorated by the atmospheric gas (especially oxygen or moisture), lower pressure is more advantageous. .
[0025]
As one specific use form, there is a use form in which the catalytic reaction device for decomposing and removing the discharge product is provided in and near the corona discharge unit in the image forming apparatus as described above. As another specific form of use, an apparatus for catalytic reaction that decomposes and removes gaseous harmful substances can be considered. In such an apparatus, in order to prevent abnormal discharge and short-circuit, it is preferable to include means for removing suspended dust, for example, removal means such as a filter.
Furthermore, when the catalytic reaction apparatus of the present invention is used for a slow reaction in which the adsorption reaction is rate-determining, the catalytic reaction occurrence part and the adsorption part are spatially functionally separated to periodically form the catalytic reaction occurrence part. It is preferable to adopt a configuration in which the catalyst layer moves.
[0026]
In many cases, the harmful gas component to be decomposed by oxidation-reduction has a concentration of ppm or ppb level, so it is more advantageous to concentrate and recover than processing at the concentration in the atmospheric state, By reducing the concentration, it is possible to prevent the efficiency from being reduced when processing under reduced pressure.
[0027]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0028]
Photocatalyst used in the present invention
Titanium oxide (TiO2) Zinc oxide (ZnO2) Cadmium oxide (CdO), tungsten trioxide (WO3), Diiron trioxide (Fe2O8), Tin oxide (SnO)2), Strontium titanate (SrTiO)3), Zirconium oxide (ZrO)2), And In2O3, Ag2O, MnO2, Cu2O, V2O5Metal oxides such as cadmium sulfide (CdS), cadmium selenide (CdSe), zinc sulfide (ZnS), zinc selenide (ZnSe), and PbS, In2S3, Cu2S, MoS2, WS2, Sb2S3, Bi2S3ZnCdS2, WSe2, HgSe, PbSe, CdTe, and other chalcogenide compounds.
In addition, metals and metal compounds such as silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), silicon Si (n-type), and germanium Ge (n-type).
Among the above-mentioned catalysts, tin oxide (SnO) may be used as a material that is electrically conductive.2), Indium oxide (In 2 O 8), and the like are preferable.
[0029]
Examples of the metal supported for improving the catalytic activity include transition metals such as iron, cobalt, nickel, copper, zinc, baradium, silver, platinum, and gold. The loading of these metals is said to be particularly effective in extracting a reduction reaction by electrons excited in the conduction band.
[0030]
Among the catalyst excitation methods, the most easily used method is an electron beam excitation method. However, since the electron beam has a negative charge, there is a problem that when the irradiation is continuously performed, the catalyst layer itself gradually has a negative potential, and the catalyst layer has conductivity as described above. Preferably it is.
[0031]
In addition, as a material well known as a transparent conductive film, zinc oxide (ZnO) is used for introducing impurities into the catalyst or for providing an excessive electron donating component as compared with an accurate stoichiometric ratio. Can be mentioned. Further, as the electron donating substance, it can be selected from elements of Group III of the periodic table having one valence higher than that of zinc, and Al is particularly suitable.
[0032]
The mixed Al is Al in the crystal lattice.3+Thus, electrons are emitted and donated into the film. In the case of zinc oxide, it is known that the conductivity of the film is increased by zinc atoms or oxygen vacancies contained in the crystal lattice. The concentration of the impurity level formed in this way is 10 as an effective component operating in the film.-2-10-4(Atom number ratio to the main component metal). Even if it does not originally have conductivity, the catalyst layer can be made conductive by this method.
[0033]
Furthermore, it is possible to impart conductivity even if the catalyst material is mixed with a group of materials exhibiting conductivity. The amount of conductive material to be mixed is SnO2, In2O8ZnO or the like is preferably about 5 to 50% by weight. Alternatively, particulate carbon or metal may be mixed to provide conductivity. In the case of carbon or metal, the amount may be smaller than that of the conductive material, and the mixing amount is preferably 0.1 to 20% by weight. Also, the level of conductivity of the catalyst layer is required for antistatic applications.8Ω / □ or less, more preferably 105-106It is the surface resistivity at the level of Ω / □.
[0034]
Next, the catalytic reaction application apparatus will be specifically described.
In the discharge in the air, the electron generated from the corona wire has a very short mean free path in the air of 0.34 μm, and therefore the kinetic energy that the electron obtains from the electric field is estimated to be very small (for example, When the distance from the corona wire to the ground electrode is 10 mm and the applied voltage is 10 kV, the simple average electric field is 106V / m, accelerated by a mean free path of 0.34 μm, and a kinetic energy of about 0.34 eV. [Calculated from kinetic energy of one electron (eV) = electric field strength (V / m) × travel distance (m). ]
[0035]
However, in reality, neutral molecules are ionized one after another due to the avalanche phenomenon. The minimum energy required to ionize each neutral molecule in the air is said to be 12.06 eV for oxygen molecules and 15.58 eV for nitrogen molecules. On the other hand, the bunt gap of the catalyst that seems to be effective according to the present invention is in the range of 0.3 to 5 eV. Therefore, as long as corona discharge is occurring, it is considered that there is sufficient energy to excite (or activate) the catalyst in the air by disposing it within the discharge range.
[0036]
Furthermore, in the application to general environmental purification technology, in most cases, the concentration of the reactant is a very small amount of mainly degradable harmful substances having a ppm or ppb level. Therefore, it is very inefficient if it is to be treated as it is in an atmospheric environment. Moreover, even if an attempt is made to concentrate and treat harmful substances, there is a problem that if they are excited with light energy, they cannot be treated at high concentrations under the excitation density of the catalyst. However, according to the present invention, instead of treating the concentration at the ppm level in the atmosphere, it is also possible to concentrate and separate the pollutants to a high concentration of harmful substances, and then perform the concentrated treatment in a reduced pressure. Also in terms of efficiency, the treatment at the ppm level in atmospheric pressure and 10-4Since the amount of substance is almost equal to the treatment under reduced pressure at the Torr level, 10-1-10-3There is an advantage if it can be processed under reduced pressure at the Torr level.
Furthermore, it is desirable to install such a purification facility near the exhaust outlet of the high-concentration pollutant because the concentration / separation process is reduced.
[0037]
Next, the technical contents in the image forming apparatus of the present invention will be described. The current flowing through the shield by corona discharge is 10-4-10-6A level, the voltage applied to the shield is about 5-10 kV, the area inside the shield is about 2.8 cm2Since it is a value in the image forming apparatus apparatus Spiro7000 manufactured by Ricoh Co., Ltd., the irradiation energy on the shield surface is as follows.
(10-4-10-6A) × (5-10 × 103V) /2.8cm2= 1.8 to 357 mVA / cm2
[0038]
Next, the excitation intensity required by the prior art will be described.
As an excitation energy (ultraviolet ray intensity) of a catalyst generally known as a photocatalyst, 1 μW / cm is used to bring out an antibacterial action.2Strength is required. This is a normal intensity level of room light. In removing harmful substances, for example, 1 ppm level of NOXThe necessary UV intensity is 0.1 mW / cm2It is said that it is sufficient, which corresponds to the outdoors on a cloudy winter day. Also, the usual outdoor strength is 1mW / cm2On a sunny summer day, up to 4mW / cm2To reach.
Therefore, several mW / cm for excitation to derive the oxidation and reduction chemistry of the catalyst2Given the level of energy intensity, it would be applicable in many cases.
[0039]
In the case of the image forming apparatus calculated above, the range can be adjusted to be higher than the excitation energy level outlined in the prior art, and the redox product of the discharge product can be sufficiently oxidized. Furthermore, although the discharge current increases as the discharge current increases, the decomposition absorption efficiency does not change in the decomposition catalyst and filter used in the prior art and the capacity is saturated. The line excitation method has an advantage that the decomposition efficiency of the discharge product of the cracking catalyst increases because the number of reaction sites in the excited state increases as the excitation intensity increases. Therefore, there is an advantage that the setting range of the process can be expanded.
[0040]
Since the product after decomposition becomes gaseous oxygen when it is decomposed with respect to ozone, there is no particular problem. In the case of nitrogen oxides, NO on the catalyst surface2Or HNO combined with moisture in the air3Exist as a residue. In the case of nitrogen oxides, it is necessary to replace them periodically. However, it is possible to recycle it because it is possible to remove the pollutants by washing and drying enough to wash away with water.
[0041]
Further, a catalytic reaction application apparatus other than the image forming apparatus will be described. These devices correspond to air purifiers. The object of treatment according to the present invention is gaseous.
For example, a gaseous organic substance containing at least one element selected from carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and sulfur, or a gaseous mixture containing the organic substance, or nitrogen, sulfur, and phosphorus An apparatus for catalytic reaction that decomposes and removes a gaseous substance comprising at least one selected from suboxides or oxides or a gaseous mixture containing the gaseous substance can be given.
[0042]
The catalytic reaction application apparatus as described above is a gaseous organic substance mainly composed of carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur or the like, or a gaseous substance composed of nitrogen, sulfur, phosphorus suboxides or oxides. Any one or a mixture thereof may be provided in a flow path in which the gaseous substance is decomposed and removed. In many cases, the substances in the previous period are off-flavors or irritating odors that are uncomfortable for humans, or are harmful to the human body and the environment.
[0043]
In addition to the gaseous harmful substances as described above, there are many solid substances such as house dusts such as dust and dust, fungi such as fungi, and insects. When using a discharge wire, there is a possibility of causing abnormal discharge or short-circuiting due to these airborne suspended matters. Although it may not be necessary in a very clean environment, it is preferable to provide a removing means such as a filter in order to prevent abnormal discharge or short-circuit due to floating substances in the atmosphere.
[0044]
In the apparatus described so far, it is assumed that a reaction occurs directly under the excitation means, but a slow reaction in which the adsorption reaction is rate-limiting can also occur. In the reaction in which the adsorption is rate-limiting, it is effective to take as wide an area as possible for the adsorption. Therefore, it is desirable that the catalytic reaction occurrence part and the adsorption part are functionally separated in time or space so that the catalyst layer periodically moves to the catalytic reaction occurrence part. For example, FIG. 5 shows a conceptual configuration diagram as an example of such a configuration. The shape is not limited to a cylindrical shape, may be a disk shape, may be a spiral shape, or may be partially cut so as to be replaceable. Further, it is possible to provide a means for detecting the concentration of the substance to be treated on the downstream side of the flow of the substance to be treated to control the moving speed of the substrate on which the catalyst layer is provided.
[0045]
【Example】
Examples of the present invention will be described below.
[0046]
Example 1
Acetaldehyde is removed by oxidation of catalyst surface by electron beam.
Anatase-type titanium oxide (specific surface area of about 300 m), a commercially available photocatalyst coating agent, on an aluminum plate having a width of 30 cm, a length of 5 cm, and a thickness of 1 mm2/ G) and carbon powder were mixed and applied to form a catalyst layer. The area resistance こ の of this catalyst layer is 2 × 107Ω / □, and the film thickness was about 3 μm. A discharge wire serving as an electron emission source was installed 9 mm away from the catalyst layer to insulate it from the surroundings. The aluminum plate was connected to the ground, and the electrical component was assembled so that the electron emission source could be applied with a potential of −10 kV with respect to this ground. Next, a sealed case capable of shielding the light surrounding the portion other than the power supply portion of this apparatus so as to have a volume of 5 liters was made and filled with acetaldehyde to 250 ppm by concentration detection. After making these preparations, the power source of the electrical equipment was turned on to start discharging. After 20 minutes, the acetaldehyde concentration had dropped to 20 ppm.
[0047]
Example 2
Shield of corona charger of image forming device
Commercially available titanium oxide photocatalyst material containing an inorganic binder on the inner surface of the shield part of the corona charger of the image forming apparatus (for example, Tainok CA-62 or CRA-62 manufactured by Taki Chemical Co., Ltd.) is 0.3 to 0.5 μm. Coated with a thickness of. After being heat-treated and hardened, it was incorporated into an image forming apparatus.
Various conditions in the image forming apparatus were 7.8 mm at the shortest distance from the discharge wire and 125 mm at the farthest distance. The total area of the shield part is 2.8cm2It is. The voltage applied to the discharge wire, called the filament, is -5 to -10 kV with respect to the shield voltage or ground, and a rectangular current controlled at the both ends of the wire by a constant current type inverter power supply by a PWM (pulse width modulation) system for electron emission. A wave voltage is applied.
[0048]
When the surface potential of the OPC photoconductor was charged to -600 to -800 V, the current flowing through the photoconductor was several tens of μA, while the current flowing through the shield formed with the catalyst layer was several hundred μA. As an improvement effect of ozone decomposition / removal, the ozone concentration of the metal shield alone is 1.1 ppm as measured directly under the charger, whereas the ozone concentration when the catalyst is attached is detected in the range of 0.1-0.2 ppm. It was.
[0049]
In terms of appearance, when the number of copies reached from 230,000 to 250,000, discoloration was observed in the shield part, and it was dried and regenerated after washing with water. Nitrate ions were detected in the water used for washing with water, and the pH was slightly acidic at 6.0. The discoloration appears to be due to adsorption of nitrogen oxides. On the other hand, the regenerated parts could be used repeatedly as if they were new.
In the present embodiment, the example in which the catalyst layer is arranged in the shield part example is shown, but not limited to the shield part example, the range covered by electrons or ions having energy necessary for catalyst excitation, such as the grid part or the exhaust part of the charging device. If it is in.
[0050]
Example 3 (use for air purifier)
There is an air purifier as a device for purifying polluted air. Untreated air is introduced, suspended dust is first removed, harmful substances are decomposed with a catalyst, and then purified through a final filter. FIG. 3 shows a conceptual diagram after introduction of the atmosphere. As shown in FIG. 4, the catalytic reaction device portion was composed of an inner portion formed in a conical shape and a cylindrical outer portion so that the air flow was concentrated on the tube wall portion. The catalyst layer was formed on the inner surface of a cylindrical outer wall surface continuous with the conical portion and a tubular portion provided on the outer surface thereof. As a material for the catalyst layer, a mixture of zinc oxide, indium tin oxide and an inorganic hinder was formed on the wall surface by coating with a thickness of 0.3 μm, followed by heat treatment drying. The electron emission portion is fixed to the inner portion by an electrically insulated insulator, and is controlled by a power source (not shown).
[0051]
The introduced untreated gas is compressed into a part of the catalyst layer by the inner bell-shaped part of the inner case, proceeds along the flow path while hitting the wall surface where the catalyst layer is formed, and in the flow of the catalyst layer It is gradually decomposed by redox reaction. As a configuration, when the amount of floating dust is small, the configuration shown in FIG. 5 may be connected to a filter that removes floating dust and the like.
[0052]
In the catalytic reaction application apparatus in which the outer diameter of the inner cylinder formed with the catalyst layer is 30 cm, the inner diameter of the outer cylinder is 32 cm, and the length of the catalyst layer in the flow path direction is 50 cm, the flow rate is 8 liters / minute. A gas containing toluene at a concentration of 8 ppm was introduced. When the concentration of toluene was measured at the outlet of the catalyst layer reaction section, the concentration was reduced to 0.5 ppm. At this time, the voltage applied to the electron emission source was −15 kV, and the current flowing between the electron emission source and the catalyst layer was 1.2 mA.
[0053]
Example 4
In the catalyst reaction apparatus having the same shape as in Example 3, a catalyst having titanium oxide and activated carbon as main components and a coating agent by an inorganic binder is coated on the wall surface by the same area as in Example 3 so as to have a thickness of 0.5 μm. Dried to form. An oil rotary pump is connected to the exhaust port, and a solenoid valve is provided on the upstream side of the oil rotary pump.-3The contact is provided with Toor and the solenoid valve is opened and closed.-3The pressure was reduced so that it was maintained on the Toor table. A gas containing 50% by volume or more of nitrogen oxide was introduced into the reaction system at a flow rate of 1.5 cc / min using a reading meter in a reactor maintained in a depressurized state (in a normal atmosphere) Nitrogen oxide concentration is on the order of several ppm, so it is equivalent to being concentrated 10,000 times). Although the removal rate of nitrogen oxides is not much different from that in the case of treatment in the atmosphere, since the deterioration of the discharge wire is difficult to proceed, the wire replacement frequency is reduced to about 1/100.
[0054]
Example 5
In the case where the adsorption of the reactant to the catalyst layer is rate-limiting rather than the oxidation-reduction reaction, the excitation of the catalyst layer may be a point in the entire reaction, and it is desirable to take a large part that causes the adsorption reaction. For example, as shown in FIG. 6, the excitation part of the catalyst layer is a part of the rotation, and the other part is a part intended to adsorb the reactant. In such an apparatus, a detection part (not shown) for a substance to be reacted is provided on the downstream side of the flow path, and a feed hack is applied to the excitation conditions, the rotation speed of the drum coated with the catalyst layer, and the like. It is possible to process while optimizing the part.
[0055]
[Effects of the invention]
  In the case of simple adsorbents such as unexcited catalysts and activated carbon sheets of the prior art, there are problems such as a decrease in the decomposition effect of the catalyst due to the formation of a contaminated layer by atmospheric components and a decrease in the adsorption effect due to the adsorption saturation of contaminants I have a dotComparisonHowever, when a photocatalyst is used, the catalyst is activated during operation, so that there is an advantage that the effect of removing discharge products can be further improved and the effect can be sustained.
[0056]
Also, when maintenance is inspected when the effect is reduced, the conventional one is not recycled but discarded, whereas the photocatalyst can be washed with water to remove the adsorbed material and regenerate the catalyst, leading to resource saving.
[0057]
  Furthermore, in addition to the above-described effects, the invention of each claim can exhibit the following specific effects.
(1)There is provided an apparatus capable of causing catalysis even in a field where light cannot be used, as compared with a field of use limited to light of a photocatalyst.
(2)Since the catalyst layer has electrical conductivity, the layer itself is not charged up, and thus an apparatus capable of continuously producing a catalytic action is provided.
(3) An apparatus capable of decomposing and removing harmless substances that cause an unpleasant odor or irritating odor to the human body or cause deterioration of the global environment such as global warming when released into the atmosphere is provided.
(4) The discharge product can be decomposed and removed before diffusing out of the charger, and further, the catalyst is excited by the action of electrons or ions during discharge, so that the catalytic effect is always maintained in use. Further, even when an ozone decomposition filter is provided in the middle of the exhaust path, an apparatus is provided that can prolong the decomposition characteristics because the concentration when the filter is brought into the filter is low.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration diagram when applied to a charger of an image forming apparatus.
FIG. 3 is a diagram illustrating a case where a catalytic reaction apparatus is incorporated in the middle of a flow path of a gas to be processed.
FIG. 4 is a diagram illustrating the internal structure of a catalytic reaction apparatus.
FIG. 5 is a diagram illustrating a partial cross-sectional view of a catalytic reaction apparatus incorporating a suspended dust filter.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a catalytic reaction apparatus in which a catalyst or a layer containing a catalyst can periodically move with respect to an active irradiation means.

Claims (2)

炭素、水素、酸素、窒素、硫黄のうちから選ばれた少なくとも1つの元素を構成元素とする気体状の有機性物質または該有機性物質を含有する気体状混合物、あるいは窒素、硫黄、りんの亜酸化物あるいは酸化物のうちから選ばれた少なくとも1つの気体状物質または該気体状物質を含有する気体状混合物を分解除去することのできる触媒反応用装置であって、(i)光により励起され酸化および還元の化学変化を生起する性質のある触媒あるいは該触媒を含有した層、および電子線により前記触媒を励起する手段を有するものであり、(ii)前記触媒を励起する手段に対し触媒あるいは触媒を含有した層が、導電性を有し、かつ周期的に移動することができるものであることを特徴とする触媒反応用装置。Gaseous organic substances containing at least one element selected from carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen and sulfur, or gaseous mixtures containing the organic substances, or nitrogen, sulfur and phosphorus An apparatus for catalytic reaction capable of decomposing and removing at least one gaseous substance selected from oxides or oxides or a gaseous mixture containing the gaseous substance, and (i) excited by light A catalyst having the property of causing chemical changes of oxidation and reduction, or a layer containing the catalyst, and means for exciting the catalyst with an electron beam , and (ii) a catalyst or means for exciting the catalyst An apparatus for catalytic reaction, wherein a layer containing a catalyst has conductivity and can move periodically. 感光体の帯電にコロナ放電を用い、コロナ放電ユニット内またはその近傍に、放電生成物質を分解除去することのできる触媒反応用装置を設けた画像形成装置において、前記触媒反応用装置が(i)光により励起され酸化および還元の化学変化を生起する性質のある触媒あるいは該触媒を含有した層、および電子線により前記触媒を励起する手段を有するものであり、(ii)前記触媒を励起する手段に対し触媒あるいは触媒を含有した層が、導電性を有し、かつ周期的に移動することができるものであることを特徴とする画像形成装置。An image forming apparatus in which a corona discharge is used for charging a photosensitive member and a catalytic reaction device capable of decomposing and removing a discharge product in or near the corona discharge unit is provided. A catalyst having a property of being excited by light and causing a chemical change of oxidation and reduction, or a layer containing the catalyst, and a means for exciting the catalyst with an electron beam , and (ii) a means for exciting the catalyst On the other hand, the image forming apparatus is characterized in that the catalyst or the layer containing the catalyst has conductivity and can move periodically.
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