JP4249308B2

JP4249308B2 - 光触媒を用いた水処理装置

Info

Publication number: JP4249308B2
Application number: JP00466299A
Authority: JP
Inventors: 久人今宿
Original assignee: Asahi Breweries Ltd
Current assignee: Asahi Breweries Ltd
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 1999-01-11
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2019-01-11
Also published as: JP2000202467A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒を用いた水処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種産業廃水、都市下水、上水等の水を光触媒によって処理し、水中の有機物を酸化分解して脱色、脱臭、殺菌を行う水処理装置及び方法が知られている。例えば、特開平６−１７０３６０号公報には、水に溶解している2−メチルイソボルネオールまたはジオスミンのような異臭味物質を、自熱灯、水銀灯、蛍光灯、殺菌等の光触媒を励起し得る光源からの光をＴｉＯ_２、ＺｎＯ、ＳｒＴｉＯ_３等の光触媒に照射することにより分解させる異臭味物質の分解方法が開示されている。また、特開平３−１９３１９１号公報には、紫外線を照射した光触媒層に水を接触させることにより、水中の有機物質を酸化分解して、飲料水のかび臭の原因物質であるジオスミンや2−ＭＩＢ、トリハロメタン、その他の有機物質を分解することにより水の脱臭処理及び発ガン性物質の除去を行うことが開示されている。
【０００３】
さらに、特開平４−４５８９６号公報には水中から遊離塩素、トリハロメタンなどの有機物を除去する光触媒反応器として、紫外線発生器と光触媒反応を伴う半導体物質で構成され、半導体物質としてアナターゼ型酸化チタン・ルチル型酸化チタン・酸化タングステン・酸化すず・酸化亜鉛、あるいはこれらの混合物を用いたものが開示されている。
【０００４】
一方、特公平２−５５１１７号公報には、水を、ｐＨ８以下で過酸化物の存在下に反応装置の下部から空気又は酸素を吹き込みながら光照射されている光触媒で処理することを特徴とする光触媒による水の処理方法及び脱色、脱臭、殺菌を行う方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
光触媒は通常粒径がｎｍ単位の小さい粉体であるため、水処理に使用するためには分離の容易な形態として用いることが望ましい。そのため従来技術においても焼結等により数ｍｍ程度の粒径にしたものや、セラミックペーパーに光触媒と白金等の金属を旦持するなど、支持体上に固定した状態で使用する場合が多い。
【０００６】
光触媒を支持体に比較的強固に固定する方法としては、光触媒の粉末を接着剤などにより支持体に固定する方法、光触媒を分散した液体を支持体に塗布した後焼き付ける方法などがあるが、プラスチック、ガラス、セラミックなどの支持体と光触媒層の間には何らかの接着層が介在することになり、水処理のように大きな応力のかかる処理においては剥離が起こりやすい。処理後の水に触媒や接着材などが混入することは品質上好ましくない。
【０００７】
一方、金属支持体の表面を処理して表面部分を光触媒化することにより、固定化光触媒を生成する方法もあり、この方法では上述の接着層が存在せず、支持体と表面層との明確な境界もないため、非常に強固な固定化を実現することができ、剥離防止の面からは好ましい。しかしながら、支持体が光を透過しない金属であるため、直接光が届いた部分しか触媒として利用できず、活性の面で問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、光触媒を安全かつ効率よく使用できる水処理装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の要旨は、被処理水を光触媒の表面に接触させて処理する水処理装置であって、被処理水を流入する入水口と、処理後の被処理水を排出する吐水口とを有し、少なくとも光触媒と光透過物質との混合物が充填された本体部と、光触媒を所定の波長を有する光で照射する光源とを有し、光触媒が球状の金属支持体表面を光触媒化することにより形成され、光透過物質が球状のガラス材料であることを特徴とする水処理装置に存する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳細に説明する。
本発明において使用可能な光触媒としては、Ｓｅ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｔｉ，Ｚｎ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｃ，Ｃｄ，Ｓ，Ｔｅ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ａｇ，Ｍｏ，Ｓｒ，Ｗ，Ｃｒ，Ｂａ，Ｐｂのいずれか、又はこれらの化合物、又は合金、又は酸化物が好ましく、これらは単独で、又二種類以上を複合して用いることができる。
【００１３】
例えば、単独ではＳｉ，Ｇｅ，Ｓｅ、化合物としてはＡｌＰ，ＡｌＡｓ．ＧａＰ，ＡｌＳｂ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＳｂ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＩｎＰｂ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＺｎＳ，ＭｏＳ_２，ＷＴｅ_２，ＳｉＣ，Ｃｒ_２Ｔｅ_３，ＭｏＴｅ，Ｃｕ_２Ｓ，ＷＳ_２、酸化物としてはＴｉＯ_２，Ｂｉ_２Ｏ_３，ＣｕＯ，Ｃｕ_２Ｏ，ＺｎＯ，ＭｏＯ_３，ＩｎＯ_３，Ａｇ_２Ｏ，ＰｂＯ，ＳｒＴｉＯ_３，ＢａＴｉＯ_３，Ｃｏ_３Ｏ_４，Ｔａ_２Ｏ_５，ＷＯ_３，ＳｎＯ_２，Ｆｅ_２Ｏ_３，Ｋ_２ＮｂＯ_３，ＣｅＯ_２，ＮｉＯ等を例示することができる。また、これらの光触媒粉末にＰｔ，Ｒｈ，ＲｕＯ_２，Ｎｂ，Ｃｕ，Ｓｎ，ＮｉＯなどの金属及び金属酸化物を担持したものを用いることもできる。
【００１４】
これらの中でも、光触媒活性、安全性、入手容易性などの条件から、ＴｉＯ_２，ＳｒＴｉＯ_３などが好ましい。
【００１５】
本発明において光触媒の形状には特に制限はないが、被処理水との接触面積が大きい形状が好ましく、多孔質な球状、ドーナツ状、網目状、ハニカム状（蜂の巣の断面のような網状構造）等の貫通孔を有する形状、コイル状、コルゲート状（段ボールの断面形状のような構造）などが好ましい。網目状、コイル状、ハニカム状、コルゲート状など、充填方向によって水との実質的な表面積が変化する場合には、実効面積が大きくなるように充填することが好ましい。すなわち、これら形状を板状と見なせば、板の最大面が水の通過方向と並行にならないように、換言すれば水の通過方向と直交する断面積が最小とならないように充填することが好ましく、板の最大面が水の通過方向と直交する様に充填することが特に好ましい。
このような形状の光触媒を用いる場合には、数ｍｍ角程度の小片に加工すると充填可能な触媒の量と実効面積が大きくなるため好ましい。
【００１６】
本発明において光触媒はそれ自身を焼結する等の方法で形成することもできるが、触媒の効率や被処理水との分離、取り扱いの容易さなどの点から、何らかの支持体へ固定化して用いることが好ましい。
【００１７】
光触媒の固定化方法としては従来の方法を用いることができるが、処理時に触媒に対して加わる応力が大きいことから、剥離や脱落などが起こりにくい方法を用いることが好ましく、具体的には、金属支持体の表面処理によって支持体表面を光触媒化する方法などを用いることが好ましい。
【００１８】
本発明において光触媒を活性化するために用いられる光源としては、用いる光触媒を励起し得る光源たとえば、自熱灯などのフィラメントランプ、水銀灯、水素放電管、キセノン灯などの高輝度放電灯、蛍光灯、プラックライト、紫外線ランプ、殺菌灯などの蛍光灯類、レーザー光源などの人工光源または、太陽光の自然光源を用いることができる。また２種類以上の光源を組み合わせて使用することもできる。光源は光触媒の吸収がよく、かつ後述する光透過物質の透過性が高い波長を有するものを選択すればよい。処理速度の点からは紫外線ランプを用いることが好ましい。
【００１９】
例えば光触媒としてＴｉＯ_２を用いる場合には、光吸収が近紫外部にあるため近紫外部の出力波長を有する紫外線ランプを用いることができる。
【００２０】
光源の大きさや形状は任意だが、カラムなどに光源と光触媒、光透過物質を充填する場合などにおいては、発光量が大きく、かつ、光触媒に対する発光面積が大きい光源が好ましい。また、耐熱衝撃性、処理応力への耐性なども要求される。
【００２１】
光源は、光触媒と同一の容器に収納しても、一方、光源が発生する光触媒の活性化を促す波長の光を透過する容器に光触媒を充填し、容器外部に配置しても、その両方を組み合わせても良い。
【００２２】
本発明において用いる光透過物質は、光源の光を固定化光触媒に効率よく到達させるために用いられ、固定化光触媒とともに容器に充填される。すなわち、光触媒自体には光透過性が無いため、光源から離れた位置にある光触媒には光が届きにくく、光触媒の形状や大きさによっては光源の光が届かず実質的に触媒として使用されていない部分も存在する。そのため、本発明においては光触媒に光透過物質を混合して用いることにより、光透過物質が光伝搬路の役目を果たし、光源から離れた位置にある光触媒の表面にも光を到達させている。光透過物質は、触媒の形状自身が光伝達機能を有する場合、例えば上述の網目状、ハニカム状など貫通孔を有する形状のように、管通孔が実質的に光の伝搬路を形成可能な場合においては、必ずしも用いる必要がない。
【００２３】
光透過物質としては特に制限はないが、光触媒を活性化し得る波長を持つ光の透過性に優れ、被処理水に溶解せず、光酸化反応によって分解されず、また処理時の応力に耐えられる物が好ましい。具体的には石英、ホウケイ酸などのガラス材料が好ましい。また、ソーダライムガラス等の紫外線透過率は比較的低いけれどもその表面における紫外線の反射率の高い材料を用いた場合も、乱反射によって触媒層内部迄、光を到達させることができる。耐薬品性や安全性、光透過性の点から、ガラス材料を用いることが好ましい。
【００２４】
光透過物質の形状は任意だが、充填時や使用時の相互摩擦による破損や剥離などを防止するため、鋭角な形状で無いことが好ましく、球状であることが特に好ましい。また、光透過物質の大きさにも特に制限はないが、大きすぎると光触媒を充填するスペースを無駄に消費することになり、また小さすぎると光触媒の表面に効率よく光源からの光を伝達するという効果が無くなるため、触媒の形状、大きさによって適宜定めればよい。
【００２５】
光透過物質と光触媒の混合比は、光透過物質を加えない場合に比べて同等かそれ以上の除去が実現できる範囲で、求められる性能に応じて定めればよいが、例えば光透過物質と光触媒の合計に対する光触媒の重量比の下限値が５％が好ましく、１５％以上がより好ましく、３０％以上が更に好ましく、５０％以上であることが特に好ましく、６０％以上であることが最も好ましい。一方、上限値は１００％未満であることが好ましく、９８％以下が更に好ましく、９０％以下がより好ましく、８５％以下であることが最も好ましい。
【００２６】
光触媒と光透過物質をカラム状等の容器に充填する場合には、通過する水ができるだけ多くの光触媒の表面に接触して容器内を通過するように充填することが好ましい。実際には容器、光触媒、光透過物質の形状及び被処理水の流入口、吐出口の位置などを考慮して充填する。
【００２７】
（水処理装置の構成）
図１は、本発明による水処理装置を用いた処理システムの一実施形態を示す図である。処理システムは未処理の原水が溜めてある原水槽３、少なくとも光触媒が充填された反応槽１、原水槽３から反応槽１へ原水を送り込むポンプ４、反応槽１内の光触媒を照射し、活性化する光源５、処理後の水を溜める処理水槽６から構成されている。本発明においては、反応槽１（内部の充填物を含む）と光源５をあわせて水処理装置と見なす。
【００２８】
図２は、本発明による水処理装置を構成する反応槽の一実施形態を示す図である。図において、反応槽１は、入水口１１及び吐水口１２を有する略円筒状の本体部１０と、本体部１０の蓋１３と、本体１０に充填された光触媒１６及び光透過性物質１５とから構成されている。
【００２９】
処理する水は、本体部１０下部に設けられた入水口１１から、ポンプ４によって供給される。吐水口１２には処理水槽６が接続され、入水口１１から流入した被処理水が吐水口１２から流出するように構成されている。図においては入水口１１と吐水口１２が本体部１０の同じ側に設けられているが、対向する部位に設けることもできる。本体部１０は、略円筒形状を有しており、本実施形態では光源５が反応槽１の外部に配置されているので、少なくとも光触媒の活性化に必要な波長の光を透過する材料、例えばガラスで形成されている。
【００３０】
図３は、本発明による水処理装置を構成する反応槽の別の実施形態を示す図である。本実施形態は、本体部１０に光触媒のみを充填し、光触媒１８の形状を網目状とした以外は図２に示した構成と同一である。
【００３１】
図４及び図５は、本発明による水処理装置を構成する反応槽の更に別の実施形態を示す図である。これら実施形態においては、光源２０を反応槽１の内部に配置した点が図２及び図３に示した構成と異なる。光源２０は略棒状で、本体部１０の底面近くまで発光部が到達している。光源２０は蓋１３に接続された図示しない電源により駆動される。
【００３２】
【実施例】
（実施例１〜３、比較例１〜２）
図１に示した構成の処理システムにおいて、図２構成の反応槽を用い、以下に示す環境で、光触媒と光透過物質の量を表１に示すように変化させて水処理を行った。
【００３３】
光触媒：ＳＰＡＲＫＴ（（株）神戸製鋼所製）。球状Ｔｉ表面を酸化し、表面部分をＴｉＯ_２とした固定化光触媒（直径２ｍｍ）。
光透過物質：ガラスビーズ（直径３ｍｍ）。
光源：紫外線ランプ（直径１８ｍｍ、波長２５４ｎｍ、発光量８０ｍＷ／ｃｍ^２（ランプ表面））、ランプ表面と反応槽表面とがほぼ接する距離に配置した。
容器：石英ガラス製、外形１８ｍｍ、高さ２００ｍｍ
【００３４】
（脱臭能力評価）
処理前及び処理後の水におけるジオスミン（ＧＥＳ）、２−メチルイソボルネオール（ＭＩＢ）及び２，４，６−トリクロロアニソール（ＴＣＡ）の濃度を測定し、評価を行った。これらの物質は水にかび臭を与える物質である。なお、評価は以下のように行った。
方法：パージ＆トラップＧＣ−ＭＳ法（水道公定法に準拠）
装置：（１）質量分析器付きガスクロマトグラフ装置
（ヒューレット・パッカード社製ＧＣ：ＨＰ６８９０、ＭＳＤ：ＨＰ５９７３）
（２）サーマルディソープションコールドトラップインジェクター
（クロムパック社製ＣＰ４０１０）
（３）ＴＥＮＡＸ捕集セット（クロムパック社製）
未処理の被処理水の測定結果を含め、結果を表１に示す。
【００３５】
（透過光照度）
中央に存在する光源の光が、容器外部にどの程度伝達されるかを測定した。測定は、反応槽（容器）壁面の外部（出光側。光源とほぼ対向する位置で、光源から直接測定器に入射する光はない）で照度計（紫外線強度計ＵＭ−１０（ミノルタ（株）製））を用いて行った。結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
表１から明らかなように、本発明の実施例によれば、光透過物質を用いない場合に比べ、透過光照度が大きく、中心部に配置された光源の光が容器外周部の光触媒にまでよく伝達されていることがわかる。そして、少ない触媒量で従来と同様かそれ以上の脱臭効果が得られることがわかる。
【００３８】
（実施例４）
図３に示した構成の反応槽を用いた以外は実施例１〜３と同様に処理及び評価を行った。すなわち、光触媒として、２ｍｍ×２ｍｍの網目状のＴｉＯ_２を５ｍｍ角に切断したもの（チタン板材の表面を電気的に処理してＴｉＯ_２皮膜を形成した後、網状に加工したもの）を用い、光透過物質を用いなかった以外は実施例１と同様にして処理及び評価を行った。未処理の被処理水の測定結果を含め、結果を表２に示す。
（比較例３）
比較例１と同様に処理及び評価を行った。結果を表２に示す。
【００３９】
【表２】

【００４０】
表２から明らかなように、触媒の形状を表面積の大きな網目状にすることによって、粒状の触媒に比べて非常に少ない触媒量で同等の脱臭能力が得られ、触媒を効率的に使用できることが明らかである。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光触媒を用いた水処理において、効率よく光触媒を用いることができるという効果を有する。特に、光透過性のない支持体に固定した光触媒を効率よく使用することができるため、剥離などの問題が少ない、安全な水処理を安価で実現することが可能となる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における水処理装置の全体構成を示す図。
【図２】本発明による水処理装置の構成例を示す図。
【図３】本発明による水処理装置の別の構成例を示す図。
【図４】本発明による水処理装置の別の構成例を示す図。
【図５】本発明による水処理装置の別の構成例を示す図。
【符号の説明】
１０本体部
１１入水口
１２吐水口
１３蓋
１５光透過物質
１６光触媒
２０光源

Claims

被処理水を光触媒の表面に接触させて処理する水処理装置であって、
前記被処理水を流入する入水口と、前記処理後の前記被処理水を排出する吐水口とを有し、少なくとも前記光触媒と光透過物質との混合物が充填された本体部と、
前記光触媒を所定の波長を有する光で照射する光源とを有し、
前記光触媒が球状の金属支持体表面を光触媒化することにより形成され、前記光透過物質が球状のガラス材料であることを特徴とする水処理装置。
前記光透過物質と前記光触媒との合計に対する前記光触媒の混合比が６５〜８５重量％であることを特徴とする請求項１記載の水処理装置。
前記光触媒が球状のチタン表面を酸化して形成された酸化チタンであることを特徴とする請求項２記載の水処理装置。
前記光源が紫外線ランプであり、前記光透過物質がソーダライムガラスから形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水処理装置。