JP4286709B2

JP4286709B2 - 汚染物分解装置

Info

Publication number: JP4286709B2
Application number: JP2004126865A
Authority: JP
Inventors: 佳弘寺田; 充上片野; 嘉磊賀; 邦治姫野
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: JP2005305333A

Description

本発明は、光触媒を担持した光触媒コートリークファイバを用いた汚染物分解装置に関する。

酸化チタン（ＴｉＯ_２）粒子は、ペイント、化粧品、食品添加物などとして広く使われてきた。その他に酸化チタンが示す光触媒作用により、大気汚染の原因となるＮＯｘの分解や水質汚濁を生む有機溶剤の分解など、検討が行われている。
酸化チタン粒子を光触媒として機能させるには、特許文献１及び２に記載されているような、フィルターやガラス板など、分解対象物と効率よく酸化チタンが接触できる基材に担持することが望ましい。触媒の機能上、当然のことであるが、先ず酸化チタンが反応物質と接触している必要があり、また、それと同時に反応光である紫外光線、又は可視光線が触媒部分に有効に到達することが必要とされる。そのため、特許文献３及び４に記載されているように、反応物質と接触する面積が広く、かつ、基材内部を反射光が伝達するような機構をもった、光触媒を線材表面に塗布した物体が提案されている。特に線材としてガラス製の光ファイバを用いたものは、大きな吸着表面積を有し、導光性に優れ、優れた分解能力を示すことは公知である。
特許第３２５８０２３号公報特許第２５７４８４０号公報特開平９−２２５２６２号公報特開平１１−２９０７０１号公報

これらの光触媒機能をもった導光体を用いた汚染物質の分解装置は数多く提案されているが、従来の分解装置は、分解対象物と光触媒の接触効率が低いため、励起光の利用効率が低く、装置光源の消費電力に対する分解効率が低いという問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、励起光の利用効率の高い光触媒コートリークファイバを用いた汚染物分解装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、光触媒を励起可能な光を照射する光源と、該光源に直接接続された光ファイバの表面に光触媒を塗布し、光ファイバの表面から励起光を漏光させて励起光を光触媒に照射可能な複数本の光触媒コートリークファイバをそれぞれ所定間隔をおいてシート上に並設し、これを筒状又は棒状に巻いて構成された光触媒集合体と、該光触媒集合体が挿入される分解対象物の流路を有する装置本体とを有することを特徴とする汚染物分解装置を提供する。
本発明の汚染物分解装置において、光ファイバが石英ガラス又はアクリルからなることが好ましい。
本発明の汚染物分解装置において、光ファイバに曲げを加えることで光ファイバ側面から励起光を漏光させることが好ましい。
あるいは、光ファイバ内部および／または表面に光ファイバの表面から励起光を漏出させる散乱因子を配置し光ファイバ側面から励起光を漏光させることもできる。
本発明の汚染物分解装置において、シートがフッ素樹脂からなるメッシュであることが好ましい。
本発明の汚染物分解装置において、光ファイバに直接接続する光源がＬＥＤ又はＬＤであることが好ましい。
本発明の汚染物分解装置において、流路の断面積に対する光触媒コートリークファイバ及びシートの充填率が４０〜８０％の範囲内であることが好ましい。

本発明の汚染物分解装置は、光触媒コートリークファイバの光ファイバを光源に直接接続することで励起光の利用効率を高めることができ、また光触媒コートリークファイバを所定間隔をおいてシート上に並設し、これを筒状又は棒状に巻いて光触媒集合体とし、これを流路内に挿入したことで、流路に分解対象物を流した際に光触媒と分解対象物との接触効率を高めることができるので、励起光の利用効率が高く、低い消費電力で効率よく汚染物を分解することができる。

以下、図面を参照して本発明の汚染物分解装置の実施形態を説明する。
図１は本発明の汚染物分解装置の一実施形態を示す構成図であり、この図中符号１は汚染物分解装置、２は光源、３は複数本の光ファイバを束ねてなる光ファイババンドル、４は光触媒コートリークファイバ、５はシート、６は光触媒集合体、７は流路、８は装置本体、９は電源、１０はフレキシブルチューブ、１１は分解対象物の入口、１２は入口側キャップ、１３は分解対象物の出口、１４は出口側キャップ、１５はパイプである。

この汚染物分解装置１は、光触媒を励起可能な光を照射する光源２と、該光源２に一端側を直接接続した光ファイババンドル３の各光ファイバ表面に光触媒を塗布し、光ファイバの表面から励起光を漏光させて励起光を光触媒に照射可能な複数本の光触媒コートリークファイバ４をそれぞれ所定間隔をおいてシート５上に並設し、これを筒状又は棒状に巻いて構成された光触媒集合体６と、該光触媒集合体６が挿入される分解対象物の流路７を有する装置本体８とを有することを特徴としている。

前記光源２は、酸化チタン等の光触媒を活性状態とする励起光を照射可能な光源であればよく、特に制限はないが、例えばＬＥＤ、ＬＤ、キセノンランプを用いることができ、価格、消費電力、省スペース性を考慮するとＬＥＤが好ましく、さらにこの光源２と光ファイババンドル３の一端（入射端）側を直接接続することが望ましい。その接続方法は、ＬＥＤの発光面積に合わせ、光ファイババンドル３の入射端とＬＥＤ発光素子を単一のパッケージとすることで可能となる。またＬＥＤ光をレンズなどで集光し、集光面積に合わせたバンドル入射端を集光点に合わせてパッケージすることもできる。光触媒として可視光活性型の酸化チタンを用いる場合、光源は白色蛍光灯などの室内灯の他に太陽光を集光して用いることもできる。光源２には電源９が接続されている。

前記光ファイババンドル３を構成する光ファイバは、光触媒励起光の透過率を考慮して石英ガラス製や樹脂製のものを用いることができる。導光体である光ファイバから励起光を光触媒に照射するには、導波している励起光を漏らす機構が必要となるが、これは、例えば光ファイバの表面に散乱因子を設けて漏光させる機構を用いることが望ましい。この散乱因子としては、屈折率の高い合成樹脂粒子や無機粒子などが用いられ、例えばアクリル製球体などが好適に用いられる。また、光ファイバに曲げを加えることによって光を漏らす効果を利用してもよく、光ファイバ内の屈折率プロファイルを最適化し、曲げによって所望の漏れ率を達成する光ファイバを用いることもできる。

前記光ファイババンドル３を構成する光ファイバは、製造コストと総表面積を考慮して直径０．０５ｍｍ〜０．５０ｍｍとすることが望ましい。石英ガラス製の光ファイバを用いた場合、ガラス保護のため表面にウレタンアクリレート系有機樹脂やフッ素系樹脂などをコーティングすることが望ましい。この保護コーティング中に前記散乱因子を混合することもできる。光ファイバの使用本数は限定されず、分解対象物の処理量の増加に応じて、光源２の出力とともに光ファイバの本数を増加することができる。光ファイババンドル３部分（光源２から装置本体８までの部分）は、合成樹脂製のフレキシブルチューブ１０で被覆されている。

前記光ファイババンドル３を構成する光ファイバの一部には光触媒が塗布され、光触媒コートリークファイバ４になっている。前記光ファイバの表面に塗布する光触媒としては、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化タンタル、酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化バナジウム、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ_４Ｏ_９）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｔｉ_６Ｏ_１３）、二酸化ジルコニウム、硫化カドミウム、α−Ｆｅ_２Ｏ_３、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが挙げられ、この中でも酸化チタンが好ましい。酸化チタンからなる光触媒を塗布する場合、酸化チタン微粒子を含む市販の光触媒コーティング液を用いることができ、膜厚やコーティング回数などは所定の条件にしたがって形成すればよい。また光ファイバのみならずそれを配置するシート５や分解対象物の流路７内壁にも光触媒のコーティングを施すことが望ましい。光ファイバ表面の酸化チタンが吸収せずに漏れだした紫外光はそれらに吸収され活性化するので、分解力を強めることができる。

前記光触媒コートリークファイバ４を配置するシート５の作用としては、シート５に等間隔で光触媒コートリークファイバ４を固定することで、光触媒コートリークファイバ４を均等に配置する効果を有する他に、各光触媒コートリークファイバ４間に分解対象物が通る隙間を保つ効果がある。またシート５は酸化チタン等の光触媒に分解されない材質であることが望ましく、例えばフッ素樹脂やシリコーン樹脂などが好ましい。アクリル樹脂やナイロンを用いる場合、保護層として市販の光触媒用アンダーコートやフッ素樹脂などで表面をコーティングして用いることもできる。またメッシュ状のシート５を用いると、メッシュ近傍を分解媒質が通過する際、乱流が発生し、光触媒と分解対象物がより効率よく接触できるので望ましい。シート５上に光触媒コートリークファイバ４を固定する場合、接着剤を用いて固定する方法、糸で縫着する方法、クリップなどの固定部材を用いる方法などを用いることができる。

シート５上に複数本の光触媒コートリークファイバ４を配置する際、光触媒コートリークファイバ４同士の間隔を狭くすることで分解対象物と光触媒の接触効率を高めることができ、例えば直径０．２５ｍｍの光触媒コートリークファイバ４を配置する場合、ファイバ間隔を１．０ｍｍ以下とすることで、分解力が十分に向上する。この分解力は分解対象物の粘度と分解対象物の流速に依存するが、例えば溶媒が水で０．５ｍ／ｓｅｃ以上の流速の場合、間隔を０．０５ｍｍ以下にすると、水が流れ込まないファイバ隙間部分が生じやすく、却って分解力が低下することになるので、用途により調整が必要である。

光触媒コートリークファイバ４を配置したシート５を筒状又は棒状に巻く際、分解対象物が通る流路に均一に配置されるよう、均一に巻くことが望ましい。シート５を円筒状に巻く場合、中心に空洞ができやすいので円柱を芯にして円筒状に巻くことが好ましい。この場合、形成される光触媒集合体６の形態としては、二重円筒管の間の層に光触媒担持光ファイバを配置し、分解対象物も二重円筒管の間の層を流れる構造となる。また、流路断面積に対する光触媒コートリークファイバ４及びシート５の充填率は、４０〜８０％程度になるように、光触媒コートリークファイバ４の本数及びシート５の厚さを調整することで、最良の分解効率を得ることができる。充填率が４０％未満では分解対象物と光触媒の接触確率が落ち分解力が低下する。また充填率が８０％を超えると、分解対象物の圧力損失が大きくなり望ましくない。また光触媒コートリークファイバ４への加重も大きくなることから、ファイバの断線などの障害が起こりやすくなるので望ましくない。

前記光触媒集合体６の長さは、光触媒コートリークファイバ４の励起光漏れ光量を調整することで任意に調整することができる。例えば、導光路近傍に散乱因子を配置して露光する機構では、散乱因子の濃度を調整することで光触媒コートリークファイバ４の長さ方向に漏れ光量を調整することができる。光触媒コートリークファイバ４に曲げを加えることで漏光を生じさせる機構では、ファイバの曲げ径を調整することで長さ方向に漏れ光量を調整することができる。装置の長さが短いため、光触媒コートリークファイバ長が短く十分に漏光ができず、光源２とは反対側のファイバ端から光が直接漏れてしまう場合は、光源２とは反対側のファイバ端面をミラー加工することで励起光を光触媒コートリークファイバ４内に戻すことができ、励起光を有効に利用できる。ファイバ端面をミラー加工するには、ファイバ端を平坦に切断もしくは研磨した後、金属蒸着することなどにより行うことができる。

前記装置本体８は、本例示では、分解対象物を導入する入口１１を有する入口側キャップ１２と、処理物を排出する出口１３を有する出口側キャップ１４と、両端にこれらのキャップ１２，１４を装着した円筒形のパイプ１５とを備えて構成されている。このパイプ１５の内部には、前記光触媒集合体６が収容されており、このパイプ１５内は分解対象物の流路７になっている。光触媒集合体６につながる光ファイババンドル３は、入口側キャップ１２を通して装置本体８外に引き出されている。
なお、この装置本体８の構成は単なる例示に過ぎず、形状、寸法、本数、気密構造等は適宜変更可能である。また、この装置本体には、分解対象物を流路７内に流すためのポンプやファン、分解対象物を貯留するタンク、処理物を貯留するためのタンク、分解対象物を濾過するための濾過装置、温度調節用の熱交換機、汚染物の量を測定するセンサ、運転条件を制御する制御装置などの各種の機器等を付設することができる。

本実施形態の汚染物分解装置１は、光源２をＯＮとし、光触媒に励起光を照射している状態とし、装置本体８の入口１１から分解対象物を導入し、パイプ１５内の光触媒集合体６と接触させることで、汚染物を分解する。分解対象物は、液体、気体などの流体であればよく、工業用排水、家庭排水、排気ガス、室内の空気などの各種の流体を用いることができる。

この汚染物分解装置１により分解する汚染物としては、有害な化学物質（ＮＯｘ、揮発性有機化合物など）等が挙げられる。また、水や空気に含まれる細菌、カビ、ウイルス等を殺菌したり、不活化することも可能である。

入口１１から導入された分解対象物は、光触媒集合体６と接触し、光触媒コートリークファイバ４同士の隙間を通って出口１３に向けて流れ、その間に汚染物が活性化した光触媒に接触して分解される。そして、出口１３からは汚染物が分解され、汚染物の含量が減じられた分解対象物である処理物が排出される。

本実施形態の汚染物分解装置１は、光触媒コートリークファイバ４の光ファイバを光源２に直接接続することで励起光の利用効率を高めることができ、また光触媒コートリークファイバ４を所定間隔をおいてシート５上に並設し、これを筒状又は棒状に巻いて光触媒集合体６とし、これを流路７内に挿入したことで、流路７に分解対象物を流した際に光触媒と分解対象物との接触効率を高めることができるので、励起光の利用効率が高く、低い消費電力で効率よく汚染物を分解することができる。

［実施例１］
石英ガラスを主成分とする直径２００μｍの光ファイバにフッ素系樹脂でコーティングを施した光ファイバを作製した。このフッ素樹脂被覆は散乱因子として直径０．１ｍｍのアクリル製球体を５質量％含んでおり、コーティング厚が２５μｍとなるようディップコーティングした。得られた光ファイバを長さ１０００ｍｍに揃え、片端から５００ｍｍの長さまでに光触媒コーティングをディップコーティングで施した。光触媒コーティングは市販の光触媒コーティング液を用いて行った。この光ファイバ１００本をフッ素樹脂からなる厚さ１００μｍのメッシュシート上に０．５ｍｍ間隔で配置し、円筒状に巻き、内径φ８．０ｍｍ、外径φ１１．０ｍｍのステンレス鋼製パイプの内部に挿入した。このパイプを図２に示す流通式の実験系に配置した。
図２の実験系は、メチレンブルー水溶液１６を貯留するタンク１７と、タンク１７内の水溶液を汚染物分解装置１の入口に供給するためのポンプ１８と、図１に示すように構成された汚染物分解装置１と、処理された処理液を貯留するタンク１９とを直列に接続して構成されている。
図２の実験系において、１０μｍｏｌ／Ｌ濃度のメチレンブルー水溶液を３０ｃｃ／ｍｉｎで汚染物分解装置１内に流通させた。流路断面積に対する光触媒担持光ファイバ及びシートの充填率は６０％であった。流路から引き出した光ファイバ端１００本をまとめバンドルに加工し、３６５ｎｍの波長を発する出力１００ｍＷのＬＥＤ１個に接続し、光触媒を活性化させ、メチレンブルーの分解を試みた。メチレンブルーの分解は溶液の透過率を測定して評価した。
初期メチレンブルー溶液の吸収波長域は１８％であったのに対し、分解装置通過後の溶液の透過率は６２％となり、メチレンブルー濃度は約半分に分解された。

［実施例２］
石英ガラスを主成分とする直径２００μｍの光ファイバにフッ素系樹脂でコーティングを施した光ファイバを作製した。このフッ素樹脂被覆は散乱因子として直径０．１ｍｍのアクリル製球体を５質量％含んでおり、コーティング厚が２５μｍとなるようディップコーティングした。得られた光ファイバを長さ１０００ｍｍに揃え、片端から５００ｍｍの長さまでに光触媒コーティングをディップコーティングで施した。光触媒コーティングは市販の光触媒コーティング液を用いて行った。この光ファイバ８０本をフッ素樹脂からなる厚さ１００μｍのメッシュシート上に０．５ｍｍ間隔で配置し、円筒状に巻き、内径φ８．０ｍｍ、外径φ１１．０ｍｍのステンレス鋼製パイプの内部に挿入した。このパイプを図３に示す流通式の実験系に配置した。
図３の実験系は、アセトアルデヒドガス２０を貯留するタンク２１と、タンク２１内のガスを汚染物分解装置１の入口に供給するためのファン２２と、図１に示すように構成された汚染物分解装置１と、処理されたガスを貯留するタンク２３とを直列に接続して構成されている。
図３の実験系において、１００ｐｐｍ濃度のアセトアルデヒドガスを１５ｃｃ／ｍｉｎで汚染物分解装置１内に流通させた。流路断面積に対する光触媒担持光ファイバ及びシートの充填率は５０％であった。流路から引き出した光ファイバ端８０本をまとめバンドルに加工し、３６５ｎｍの波長を発する出力１００ｍＷのＬＥＤ１個に接続し、光触媒を活性化させ、アセトアルデヒドガスの分解を試みた。アセトアルデヒドガス濃度はガスクロマトグラフィーで測定し評価した。
初期アセトアルデヒド濃度が１００ｐｐｍであったのに対し、分解装置通過後の濃度は７ｐｐｍまで減少し大部分を分解することができた。

本発明の汚染物分解装置の一実施形態を示す構成図である。実施例１で用いた汚染物分解装置を含む実験系の構成図である。実施例２で用いた汚染物分解装置を含む実験系の構成図である。

符号の説明

１…汚染物分解装置、２…光源、３…光ファイババンドル（光ファイバ）、４…光触媒コートリークファイバ、５…シート、６…光触媒集合体、７…流路、８…装置本体、９…電源、１０…フレキシブルチューブ、１１…入口、１２…入口側キャップ、１３…出口、１４…出口側キャップ、１５…パイプ

Claims

光触媒を励起可能な光を照射する光源と、該光源に直接接続された光ファイバの表面に光触媒を塗布し、光ファイバの表面から励起光を漏光させて励起光を光触媒に照射可能な複数本の光触媒コートリークファイバをそれぞれ所定間隔をおいてシート上に並設し、これを筒状又は棒状に巻いて構成された光触媒集合体と、該光触媒集合体が挿入される分解対象物の流路を有する装置本体とを有することを特徴とする汚染物分解装置。
光ファイバが石英ガラス又はアクリルからなることを特徴とする請求項１に記載の汚染物分解装置。
光ファイバに曲げを加えることで光ファイバ側面から励起光を漏光させることを特徴とする請求項１又は２に記載の汚染物分解装置。
光ファイバ内部および／または表面に光ファイバの表面から励起光を漏出させる散乱因子を配置し光ファイバ側面から励起光を漏光させることを特徴とする請求項１又は２に記載の汚染物分解装置。
シートがフッ素樹脂からなるメッシュであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の汚染物分解装置。
光ファイバに直接接続する光源がＬＥＤ又はＬＤであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の汚染物分解装置。
流路の断面積に対する光触媒コートリークファイバ及びシートの充填率が４０〜８０％の範囲内であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の汚染物分解装置。