JP4436205B2 - 光触媒による環境ホルモン除去装置、および同除去方法 - Google Patents

Description

本発明は、水の中に含まれている環境ホルモンを光触媒の作用で分解除去する装置、及び同方法に関するものである。

最近の社会的問題として、環境ホルモンが重大視されている。
環境ホルモンについては、たとえばダイオキシンなどにように『発生させないこと』を
中心にして対策すべき技術的問題と、
たとえばエストロジェン（女性ホルモン）などのように、発生の阻止は困難であるから『除去すること』を中心にして対策すべき技術的問題とがある。
本願発明が対象とする環境ホルモンの除去について、化学技術の分野では水溶性酸化チタンなど、有効で使い易い光触媒が開発されているが、この光触媒を実用に供するためのメカニズムについては未だ研究開発の途上であり、
従来一般に、光触媒を用いた触媒フィルタで、環境ホルモン含有水を濾過していた。
下記の特許文献１には、排水を濾過するための濾材の構成について提案されているが、環境ホルモンの分解除去に関して格別の考慮は為されていない。
特開２００４−６６１３４号公報

従来技術のように触媒フィルタで環境ホルモン含有水を濾過すると、紫外線と溶存空気との存在を条件として環境ホルモンが分解除去される。しかし、
イ．環境ホルモン含有水は、触媒フィルタを通過している間だけ触媒に接触するが、その前後では触媒作用を受けない。
ロ．触媒フィルタといっても、要するにフィルタであって濾過作用を行なうので、次第にフィルタ目詰まりを生じ、メンティナンスの所要工数が少なくない。
上記イ、ロの事情が総合されて、実用プラントとしては環境ホルモン除去効率が低く、
設備が巨大になる上に、操業コストが高い。

本発明は以上に述べた事情に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは、
比較的簡単で安価な設備を用いて、大量の環境ホルモン含有水を低コストで処理し得る技術を提供するにある。

上記の目的を達成するために創作した本発明の基本的原理について、その１実施形態に対応する図面を参照しながら略述すると次のとおりである。
環境ホルモン含有水の流れに撹拌を与えつつ、触媒に対してなるべく長時間接触させるため、図１（Ａ）に例示した乱流プレート１を透明な板状部材で形成し、これに光触媒をコーティングする。
２個の光触媒を図１（Ｂ）のように組み合わせて、図１（Ｃ）のような乱流フレーム２を構成する。
このように光触媒コーティングされた乱流フレーム２の多数を、図３のように水流を誘導する堤４で形成された水路に入れておく。
多数の乱流フレーム２の間を流れる環境ホルモン含有水は、自然に撹拌され、「多数の乱流フレームで形成されたラビリンス」の中を流れながら、長時間触媒コーティングに接触する。

上述の原理に基づく具体的な構成として請求項１に係る発明装置の構成は、（図１（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）参照）
光触媒によって環境ホルモンを除去する装置において、
透明な板状部材に光触媒をコーティングして乱流プレート（１）が形成され、
複数の乱流プレート（１）が立体的に組み合わされて乱流フレーム（２）が構成されており、
環境ホルモンを含む水の流路中に、多数の乱流フレーム（２）が配置されていることを特徴とする（なお、本発明において透明とは、紫外線に対して透明であることを意味するものとする）。

乱流フレーム（２）に関する以上の説明は、その構造を理解し易いように「複数枚の乱流プレート（１）を組み合わせた」と述べたが、図１（Ｃ）に示した形状の部材を射出成形またはプレス成形で一体に構成しても良く、このような応用例も本発明の技術的範囲に属するものである。

以上に説明した請求項１の発明装置によると、環境ホルモンを含む水の流路中に多数の乱流フレームが配置されているので、水流は乱流フレームで撹拌され、コーティングされた光触媒と良く接触する。このため、光触媒による環境ホルモンの分解除去が高能率で遂行される。
しかも、上記の乱流フレームは透明な板状材料で構成されているので「光触媒を作用させるに必要な紫外線」を妨げない。このため、自然光または人工光の紫外線が有効に働いて、光触媒が充分に“環境ホルモン分解機能”を果たす。
その上、前記乱流フレームは、板状の乱流プレートを組み合わせた簡単な構造であるから、製造コストが低廉である。
さらに前記乱流フレームは、複数の乱流プレートが立体的に組合わされているので、多数の乱流フレームが水路中にラビリンスを形成して環境ホルモン含有水を自然に撹拌する。
これにより、実効流路長が延長され、環境ホルモン含有水と光触媒とが良く接触して、
環境ホルモンがほぼ完全に分解除去されることを期待し得る。

請求項２に係る発明装置の構成は、前記請求項１の発明装置の構成要件に加えて、（図２（Ａ）および図４参照）
光触媒反応プール（３）の中に、水流を蛇行させる誘導堤（４）が設置されており、
かつ、上記水流の中へ空気を吹き込むエアーノズル管（８）が設けられていることを特徴とする。

以上に説明した請求項２の発明装置によると、環境ホルモン含有水流中に空気（酸素）が供給され、光触媒の存在下で紫外線の照射を受けて活性酸素を発生させるので、環境ホルモンの分解除去が促進される。
しかも、環境ホルモン含有水流が光触媒反応プール内を蛇行するので、狭い面積を有効に利用して、大容量の環境ホルモン除去施設を建設することができる。すなわち、請求項１の構成によってミクロなラビリンスを形成して乱流を生じさせ、併せて請求項２の構成によってマクロな蛇行を生じさせ、これらの総合的な効果として、環境ホルモン含有水の光触媒に対する実効接触面積が極めて大きくなる。従って、高能率の環境ホルモン分解除去が遂行される。

請求項３に係る発明装置の構成は、前記請求項１または請求項２の発明装置の構成要件に加えて、（図２（Ｃ）参照）
光触媒反応プール（３）の中に、水路を蛇行させる誘導堤（４）が設置されており、
かつ、上記の水路の途中に段差が設けられて、水流に滝（ｉ，ｊ）が形成され、環境ホルモンを含む水の中へ気泡が混入するようになっていることを特徴とする。

以上に説明した請求項３の発明装置によると、滝の落下水流によって環境ホルモン含有水の中に気泡（酸素）が供給され、光触媒の存在下で紫外線の照射を受けて活性酸素を発生させるので、環境ホルモンの分解除去が促進される。
しかも、環境ホルモン含有水流が光触媒反応プール内を蛇行するので、狭い面積を有効に利用して、大容量の環境ホルモン除去施設を建設することができる。すなわち、請求項１の構成によってミクロなラビリンスを形成して乱流を生じさせ、併せて請求項３の構成によってマクロな蛇行を生じさせ、これらの総合的な効果として、環境ホルモン含有水の光触媒に対する実効接触面積が極めて大きくなる。従って、高能率の環境ホルモン分解除去が遂行される。

請求項４に係る発明装置の構成は、前記請求項２または請求項３の発明装置の構成要件に加えて、（図４参照）
前記誘導堤（４）が、透明な板状部材で形成されており、
かつ、該誘導堤で導かれる水路の近傍に紫外線発光体（７）が配設されていて、該紫外線発光体から出射した紫外線が誘導堤を透過して、環境ホルモンを含む水流の中へ入射するようになっていることを特徴とする。

以上に説明した請求項４の発明装置によると、太陽の直射による紫外線に加えて人工の紫外線を照射し、充分な紫外線照射量を与えることができる。
これにより、環境ホルモン除去能率が上昇するのみでなく、雨天や曇天においても環境ホルモン除去施設の操業が可能となる（格別な事情が有る場合には、夜間操業も不可能ではない）。
また、異なる観点から考察すると、自然光の紫外線を人工の紫外線で補うことができるので、所望の処理容量を有する環境ホルモン除去施設の設置所要面積を縮小することもできる。

請求項５に係る発明方法の構成は、（図１参照）光触媒によって環境ホルモンを除去する方法において、
ａ．透明な板状部材に光触媒をコーティングして乱流プレート（１）を形成し、
ｂ．複数個の乱流プレート（１）を立体的に組合わせて乱流フレーム（２）を構成し、
ｃ．環境ホルモンを含む水を、多数の乱流フレーム（２）の間に流通させることにより、上記の環境ホルモンを含む水に撹拌を与えるとともに、この水を光触媒と良く接触させることを特徴とする。

以上に説明した請求項５の発明方法によると、環境ホルモンを含む水の流れが乱流フレームによって自動的に撹拌されるので、「該乱流フレームを形成している乱流プレートにコーティングされた光触媒」が水流と良く接触する。
しかも、板状の乱流プレートを組み合わせるという簡単な操作で、立体的な乱流フレームが構成されるので、容易にかつ低コストで製作することができる。
その上、このようにして製作された乱流フレームは、板状部材の組合せで出来ていて、フィルタではなく不透水性であるから、フィルタにおけるがごとき目詰まりを生じる虞れが無い。従ってメンティナンスフリーであり、保守管理が容易である。

請求項６に係る発明方法の構成は、前記請求項５の発明方法の構成要件に加えて、
前記環境ホルモンを含む水の流れの中へ気泡を混入させるとともに、
該水の流れの中へ紫外線を投射することを特徴とする。
前記の「気泡」は、単なる空気の泡であっても良いが、その中にオゾンもしくは過酸化水素を添加すると一層環境ホルモンの分解除去を促進することができる。

以上に説明した請求項６の発明方法によると、環境ホルモン含有水の中に酸素が供給されるので、光触媒の存在の下で紫外線照射を受けて活性酸素を発生し、環境ホルモンを有効に分解除去することができる。
前記の気泡混入は、圧力空気の吹き込みによって、もしくは流路中に段差を設けて滝を形成させることによって、技術的な困難無く行なうことができる。また紫外線投射は、太陽光の利用が望ましいが、水銀灯などの人工紫外線を併用すれば一層強力な紫外線が得られて環境ホルモンの分解除去が促進される。

請求項１の発明装置によると、環境ホルモンを含む水の流路中に多数の乱流フレームが配置されているので、水流は乱流フレームで撹拌され、コーティングされた光触媒と良く接触する。このため、光触媒による環境ホルモンの分解除去が高能率で遂行される。
しかも、上記の乱流フレームは透明な板状材料で構成されているので「光触媒を作用させるに必要な紫外線」を妨げない。このため、自然光または人工光の紫外線が有効に働いて、光触媒が充分に“環境ホルモン分解機能”を果たす。
その上、前記乱流フレームは、板状の乱流プレートを組み合わせた簡単な構造であるから、製造コストが低廉である。
さらに前記乱流フレームは、複数の乱流プレートが立体的に組合わされているので、多数の乱流フレームが水路中にラビリンスを形成して環境ホルモン含有水を自然に撹拌する。これにより、実効流路長が延長され、環境ホルモン含有水と光触媒とが良く接触して、環境ホルモンがほぼ完全に分解除去されることを期待し得るようになった。
なお、環境ホルモン含有水の流路の内面（水に接触する面）にも光触媒をコーティングしておくと、環境ホルモンの分解除去が一層有効に行なわれる。

請求項２の発明装置によると、環境ホルモン含有水流中に空気（酸素）が供給され、光触媒の存在下で紫外線の照射を受けて活性酸素を発生させるので、環境ホルモンの分解除去が促進される。
しかも、環境ホルモン含有水流が光触媒反応プール内を蛇行するので、狭い面積を有効に利用して、大容量の環境ホルモン除去施設を建設することができる。すなわち、請求項１の構成によってミクロなラビリンスを形成して乱流を生じさせ、併せて請求項２の構成によってマクロな蛇行を生じさせ、これらの総合的な効果として、環境ホルモン含有水の光触媒に対する実効接触面積が極めて大きくなる。従って、高能率の環境ホルモン分解除去が遂行される。

請求項３の発明装置によると、滝の落下水流によって環境ホルモン含有水の中に気泡（酸素）が供給され、光触媒の存在下で紫外線の照射を受けて活性酸素を発生させるので、環境ホルモンの分解除去が促進される。
しかも、環境ホルモン含有水流が光触媒反応プール内を蛇行するので、狭い面積を有効に利用して、大容量の環境ホルモン除去施設を建設することができる。すなわち、請求項１の構成によってミクロなラビリンスを形成して乱流を生じさせ、併せて請求項３の構成によってマクロな蛇行を生じさせ、これらの総合的な効果として、環境ホルモン含有水の光触媒に対する実効接触面積が極めて大きくなる。従って、高能率の環境ホルモン分解除去が遂行される。

請求項４の発明装置によると、太陽の直射による紫外線に加えて人工の紫外線を照射し、充分な紫外線照射量を与えることができる。
これにより、環境ホルモン除去能率が上昇するのみでなく、雨天や曇天においても環境ホルモン除去施設の操業が可能となる（格別な事情が有る場合には、夜間操業も不可能ではない）。
また、異なる観点から考察すると、自然光の紫外線を人工の紫外線で補うことができるので、所望の処理容量を有する環境ホルモン除去施設の設置所要面積を縮小することもできる。

請求項５の発明方法によると、環境ホルモンを含む水の流れが乱流フレームによって自動的に撹拌されるので、「該乱流フレームを形成している乱流プレートにコーティングされた光触媒」が水流と良く接触する。
しかも、板状の乱流プレートを組み合わせるという簡単な操作で、立体的な乱流フレームが構成されるので、容易にかつ低コストで製作することができる。
その上、このようにして製作された乱流フレームは、板状部材の組合せで出来ていて、フィルタではなく不透水性であるから、フィルタにおけるがごとき目詰まりを生じる虞れが無い。従ってメンティナンスフリーであり、保守管理が容易である。

請求項６の発明方法によると、環境ホルモン含有水の中に酸素が供給されるので、光触媒の存在の下で紫外線照射を受けて活性酸素を発生し、環境ホルモンを有効に分解除去することができる。
前記の気泡混入は、圧力空気の吹き込みによって、もしくは流路中に段差を設けて滝を形成させることによって、技術的な困難無く行なうことができる。また紫外線投射は、太陽光の利用が望ましいが、水銀灯などの人工紫外線を併用すれば一層強力な紫外線が得られて環境ホルモンの分解除去が促進される。

図１は本発明に係る乱流フレーム２の構造を説明するための模式図であって、その使用方法については図３を参照して後に詳しく述べる。
（図１（Ａ）参照）紫外線に対して透明（以下、単に透明と略記する）な板状部材で、乱流プレート１を構成する。この実施形態では透明アクリル板を用いたが、本発明を実施する場合、これに限定されるものではない。
乱流プレートとは、本発明者が創作した部材であって、相互に組み合わせるための溝孔１ａを備えるとともに、水流の通過を許容する透孔１ｂを穿った透明な板状の部材であって、光触媒でコーティングされたものをいう。ただし、透孔１ｂの代りに切欠１ｃが設けられていても良い。

（図１（Ｂ）参照）それぞれの溝孔１ａを向かい合わせて、２枚の乱流プレート１を組み合わせて、図１（Ｃ）のように立体的な乱流フレーム２を構成する。
乱流フレームとは、本発明者が創作した部材であって、複数の乱流プレート１が立体的に組み合わされたものをいう。
図示を省略するが、３枚またはそれ以上の乱流プレート１が立体的に組み合わされていても乱流フレームである。
ここに立体的とは、少なくとも２枚の乱流プレートについて、それぞれの乱流プレートの板面が、相互に交差していることをいう。すなわち、２枚の乱流プレートが同一平面上に位置したり、平行であったりしないことをいい、必ずしも直交していなくても良い。
先に段落０００７で述べたように、本図１（Ｃ）に示した乱流フレーム２を、射出成形もしくはプレス成形で一体に構成することもできる。

図２は、本発明の１実施形態における光触媒反応プール３の全体図である。前掲の図１には、本発明のミクロな部分的構成を示したが、この図２は本発明のマクロな全体的構造を示す。なお、図１のミクロ構造と図２のマクロ構造との関係のついては、図３を参照して後に詳しく説明する。
図３（Ａ）は模式的な平面図であって、光触媒反応プール３の中に誘導堤４が設けられている。
これにより、矢印ａのように光触媒反応プール３内へ導入された環境ホルモン含有水は矢印ｂのように直進したり、矢印ｃのように旋回反転したり、また先刻の矢印ｂと反対方向の矢印ｄのように直進したりを繰り返し、矢印ｇ，矢印ｈのように光触媒反応プール３から流出して行く。
誘導堤４の役目の一つは、環境ホルモン含有水を導いて蛇行させることである。

図２（Ｂ）は、上述した光触媒反応プール３の模式的な垂直断面図である。
前記の誘導堤４は、断面Ｖ字状の水路を形成している。この誘導堤４の構造の詳細については、図４を参照して後述する。
図２（Ａ）で誘導堤４に導かれて反転する矢印ｃの流れが、図２（Ｂ）では三角図状の堤を潜り抜けているように見える。これについては図４を参照して後に説明する。矢印ｇの流れについても同様である。

図２（Ｃ）は、前掲の図２（Ｂ）と異なる実施形態の模式的な垂直断面図である。
この（Ｃ）図が（Ｂ）図と異なる点は、流路の途中に段差Ｈが設けられていることである。これにより、水流は滝（ｉ，ｊ）を生じる。
滝の落下点では、気泡が環境ホルモン含有水の中に混入して、水中に酸素が溶け込む。酸素の存在は、光触媒による環境ホルモン分解除去に不可欠であり、豊富な酸素の溶入は環境ホルモンの分解除去を促進する。

図３は、誘導堤４によって形成された断面Ｖ字状の流路の詳細図である。
流路の中に、前掲の図１（Ｃ）に示した乱流フレーム２の多数が配置されている。
この乱流フレームは立体的な計上であるから、隣接する乱流フレーム同士で面接触することなく、多数の乱流フレーム２の間にラビリンス（迷路・複雑な流路）が形成される。しかも、この乱流フレームは、図１について説明したように透孔１ｂまたは切欠１ｃを有しているので、さらに複雑な細部流路が形成される。

図４は、流路の部分拡大斜視図であるが、読図の便宜を考慮して、乱流フレーム２を取り除いた状態を描いてある。
透明なアクリル板６を連続山形に配置して、先に説明した誘導堤を形成している。
構成材料にを重視して呼称するとアクリル板６であり、受け持つ役目を重視して呼称すると誘導堤４である。詳しくは、多数のアクリル板６を組み合わせて誘導堤４が形成されている。
先に図１（Ａ）で説明したＵターン流路ｄ−ｅ−ｆを形成するため、誘導堤４の一部分が切り欠かれている。

アクリル板６を隔てて流路の外側に、紫外線発光体としての水銀灯７が配置されている。本実施形態では水銀灯を用いたが、紫外線の光源はこれに限られるものではなく、たとえば紫外線発光ＬＥＤを用いることもできる。
流路中の環境ホルモン含有水は、上方から太陽光を受けるが、これを補強して水銀灯７の紫外線が照射される。
前記アクリル板６が紫外線に対して透明であるから、流路側方の水銀灯７から出射した紫外線が流路内に入射する。該アクリル板６に平行溝６ａが設けられているので、紫外線が拡散され、環境ホルモン含有水の中に良く行き渡る。
上記のように平行溝６ａを設けたときは、アクリル板６の内面のみでなく、該平行溝の内側面（水に接触する面）にも光触媒をコーティングしておくことが望ましい。

この図４の実施形態では、アクリル板６の下側に紫外線発光体としての水銀灯７を配置したが、夜間操業や曇天・雨天に稼働する場合を考慮すると、アクリル板６の上方にも水銀灯７を設置しておくことが望ましい。
環境ホルモン含有水の流路の中に、エアーノズル管８が設けられている。このノズル管から圧縮空気を吹き込むと、水流中に上昇気泡が発生して酸素が供給され、光触媒による環境ホルモンの分解除去が促進される。この圧縮空気の中にオゾンまたは過酸化水素を混入させておくと、十分な酸素が補給されて、環境ホルモンの分解除去に有効である。

本発明の１実施形態における乱流プレートおよび乱流フレームを説明するために示したもので、（Ａ）は分解平面図、（Ｂ）は組み立て作業を描いた模式的な外観斜視図、（Ｃ）は組み立てた状態の外観斜視図。 本発明の実施形態における光触媒反応プールを示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は垂直断面図、（Ｃ）は上記と異なる実施形態における垂直断面図。 誘導堤で形成された流路の中に、多数の乱流フレームを配置した状態を描いた模式的な断面図。 アクリル板６で形成された誘導堤、およびその付近に設置された水銀灯及びエアーノズル管を描いた模式的な斜視図。

符号の説明

１…乱流プレート
１ａ…溝孔
１ｂ…透孔
１ｃ…切欠
２…乱流フレーム
３…光触媒反応プール
４…誘導堤
５…段差付反応プール
６…アクリル板
６ａ…平行溝
７ …紫外線発光体としての水銀灯
８ …エアーノズル管
９ …反射面

Claims (6)

1. 光触媒によって環境ホルモンを除去する装置において、
   透明な板状部材に光触媒をコーティングして乱流プレート（１）が形成され、
   複数の乱流プレート（１）が立体的に組み合わされて乱流フレーム（２）が構成されており、
   環境ホルモンを含む水の流路中に、多数の乱流フレーム（２）が配置されていることを特徴とする、光触媒による環境ホルモン除去装置。
2. 光触媒反応プール（３）の中に、水流を蛇行させる誘導堤（４）が設置されており、
   かつ、上記水流の中へ空気を吹き込むエアーノズル管（８）が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載した光触媒による環境ホルモン除去装置。
3. 光触媒反応プール（３）の中に、水路を蛇行させる誘導堤（４）が設置されており、
   かつ、上記水路の途中に段差が設けられていて、水流に滝（ｉ，ｊ）が形成され、環境ホルモンを含む水の中へ気泡が混入するようになっていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載した光触媒による環境ホルモン除去装置。
4. 前記誘導堤（４）が、透明な板状部材で形成されており、
   かつ、該誘導堤で導かれる水路の近傍に紫外線発光体（７）が配設されていて、
   該紫外線発光体から出射した紫外線が誘導堤を透過して、環境ホルモンを含む水流の中へ入射するようになっていることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載した光触媒による環境ホルモン除去装置。
5. 光触媒によって環境ホルモンを除去する方法において、
   ａ．透明な板状部材に光触媒をコーティングして乱流プレート（１）を形成し、
   ｂ．複数個の乱流プレート（１）を立体的に組合わせて乱流フレーム（２）を構成し、
   ｃ．環境ホルモンを含む水を、多数の乱流フレーム（２）の間に流通させることにより、
   上記の水に撹拌を与えるとともに、該水を光触媒と良く接触させることを特徴とする、
   光触媒による環境ホルモン除去方法。
6. 前記環境ホルモンを含む水の流れの中へ気泡を混入させるとともに、
   該水の流れの中へ紫外線を投射することを特徴とする、請求項５に記載した光触媒による環境ホルモン除去方法。
   

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