JP4447404B2 - 光触媒装置、励起光の照射方法、分解対象物分解方法及び光触媒装置の利用 - Google Patents

Description

本発明は、光触媒を用いて悪臭原因物質などの分解対象物を効率よく分解除去する光触媒装置、励起光の照射方法、分解対象物分解方法、光触媒装置を用いた脱臭装置、空気清浄装置、浄水器及び排水浄化装置に関する。

酸化チタンなどの光触媒は、紫外光を照射することで強力な酸化作用を発揮し、ガス中の悪臭原因物質を分解する脱臭や、排水中の環境汚染物質を分解する浄水などに利用する方法が広く検討されている。

光触媒を励起する光源は、従来より、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）、ブラックライト、水銀灯などが用いられている（例えば、特許文献１，２参照。）。
これらの中でも、ＬＥＤは、長寿命であり、電気−光変換効率が高く、コンパクトであるため、光触媒装置用光源として期待されている。またＬＥＤは、年々、出力や照度が高いものが開発されており、これを用いることで高い光触媒効果を得ることが期待できる。
特開平１１−３０９２０２号公報 特開平１０−２８１４８７号公報

ところで、従来の光触媒装置では、高出力光源から光触媒担持体に直接、高照度の励起光を照射する構造であった。通常、分解対象となるガス及び液中の分解対象物濃度は比較的希薄であるため、分解対象物の拡散により分解速度が律速され、高出力・高照度の光を用いて励起しても、折角励起した電子、ホールが再結合してしまい、光量の一部もしくは大部分が無駄になっているという問題があった。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、励起光を効率よく利用して高い光触媒効果を得ることができる光触媒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、光触媒装置本体と励起光源とから構成され、前記光触媒装置本体は、複数枚の拡散板と複数枚の光触媒担持体とからなり、前記拡散板は、その一側部側が拡散部とされ、他側部側が入射部とされ、前記拡散部と前記入射部との中間が中間部とされ、前記拡散部には光を拡散する拡散因子が配されており、該拡散因子の単位面積当たりの存在密度が、前記拡散部の先端に向けて次第に高くなっており、さらに複数の拡散板の個々の入射部が重ねられて入射口となっており、該入射口に前記励起光源が対向するように配置され、前記励起光源から個々の入射部に入射された光が導波されて個々の拡散部から拡散するようになっているものであり、前記光触媒担持体は、コルゲート板の両面に光触媒がコーティングされ、かつ該コルゲート板の波形が前記拡散板を導波される光の進行方向に沿うように配置されたものであり、前記複数枚の拡散板と前記複数枚の光触媒担持体は、個々の拡散板と個々の光触媒担持体とが交互に、かつ前記光触媒担持体全体と前記拡散板の拡散部とが対峙するように、かつ分解物質を含む流体が通過可能なスペースを配した状態で重ねられ、前記流体が前記拡散板の個々の中間部の重ね合わせによって形成されたスペースから流入し、前記光触媒担持体の波形部分を流れて、その先端から流出するように構成されたことを特徴とする光触媒装置を提供する。

本発明の光触媒装置において、前記拡散板がアクリルシートからなり、前記拡散因子がシート表面にサンドブラスト処理により形成された凹凸であることが好ましい。

本発明の光触媒装置において、前記拡散板がフッ素樹脂シートからなり、前記拡散因子がシート内部に混入されたシート材よりも屈折率の高い樹脂粒子であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る光触媒装置を用い、前記入射口から高照度で入射した励起光を拡散板から低照度で光触媒担持体に照射させることを特徴とする励起光の照射方法を提供する。

本発明の励起光の照射方法において、拡散板から光触媒担持体に照射される光の照度が０．３ｍＷ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る光触媒装置を用意し、前記励起光源を点灯し、前記光触媒担持体と拡散板との間のスペースに分解対象物質を含む流体を流し、前記入射口から高照度で入射した励起光を拡散板から低照度で光触媒担持体に照射して光触媒機能を発現させ、分解対象物を分解することを特徴とする光触媒による分解対象物分解方法を提供する。

本発明の光触媒による分解対象物分解方法において、流体中の分解対象物濃度が１０ｐｐｍ未満であり、拡散板から光触媒担持体に照射される光の照度が０．３ｍＷ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

また本発明は、前述した本発明に係る光触媒装置を含むことを特徴とする、脱臭装置、空気清浄装置、浄水器及び排水浄化装置を提供する。

本発明の光触媒装置は、板状の光触媒担持体と、一端から入射された光を任意の面に設けられた拡散因子により拡散して漏光させる拡散板とを、分解対象物質を含む流体が通過可能なスペースを設けた状態で交互に複数枚重ねて積層するとともに、各拡散板の一端を束ねて入射口が形成された光触媒装置本体と、該光触媒装置本体の入射口に励起光を入射可能に設けられた励起光源とを備えたものなので、その入射口から高照度で入射した励起光を拡散板から低照度で光触媒担持体に照射することで、励起光を効率よく利用して高い光触媒効果を得ることができる。

本発明の励起光の照射方法は、前述した本発明に係る光触媒装置を用い、前記入射口から高照度で入射した励起光を拡散板から低照度で光触媒担持体に照射させることによって、励起光を効率よく利用して高い光触媒効果を得ることができる。

本発明の光触媒による分解対象物分解方法は、前述した本発明に係る光触媒装置を用意し、前記励起光源を点灯し、前記光触媒担持体と拡散板との間のスペースに分解対象物質を含む流体を流し、前記入射口から高照度で入射した励起光を拡散板から低照度で光触媒担持体に照射して光触媒機能を発現させ、分解対象物を分解することによって、励起光を効率よく利用して高い光触媒効果を得ることができる。

また本発明は、前述した本発明に係る光触媒装置を備えたことによって、励起光を効率よく利用して高い光触媒効果を得ることができる脱臭装置、空気清浄装置、浄水器及び排水浄化装置を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る光触媒装置の一実施形態を示す図である。図１中、符号１は光触媒装置、２は光触媒装置本体、３は励起光源、４は光触媒担持体、５は拡散板、６は入射口である。

本実施形態の光触媒装置１は、コルゲート板（波板）状の光触媒担持体４と、一端から入射された光を任意の面に設けられた拡散因子により拡散して漏光させる拡散板５とを、分解対象物質を含む流体が通過可能なスペースを設けた状態で交互に複数枚重ねて積層するとともに、各拡散板５の一端を束ねて入射口６が形成された光触媒装置本体２と、該光触媒装置本体２の入射口６に励起光を入射可能に設けられた励起光源３とから構成されている。本実施形態の光触媒装置１は、ＬＥＤなどの高出力光源から出射された高照度の励起光が、多層に積層された拡散板５によって分配され、大面積な拡散面から低照度で光触媒担持体４に照射される構造になっている。

前記光触媒担持体４は、コルゲート基板の表面に酸化チタンなどの光触媒をコーティングして作製されたものである。コルゲート基板に担持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。

なお、本実施形態ではコルゲート基板の表面に酸化チタンなどの光触媒をコーティングして作製された光触媒担持体４を用い、これを平板状の拡散板５と交互に重ねて積層することで、分解対象物質を含む流体が通過可能なスペースが設けられた光触媒装置本体２を構成しているが、光触媒装置本体２の構造は本例示に限定されるものではなく、互いに平板状の光触媒担持体４と拡散板５とを、適当なスペーサを介して積み重ね、流体が通過可能なスペースが設けられた光触媒装置本体２を構成することもできる。
また、前記コルゲート基材の材料は限定されず、熱可塑性樹脂シートやアルミ合金板などを波板上に成形加工した基板を適宜選択して用いることができる。

前記拡散板５には、アクリル系樹脂、フッ素樹脂など紫外線を透過できる材料のシートを用いることができ、シート内部を導波してきた光を、シート内部もしくは表面に散乱因子を設けることで任意の割合で散乱、漏光することができるようになっている。散乱因子としては、屈折率の異なる微粒子をシート内に添加したり、シート表面にサンドブラスターで凹凸を設けたりすることで散乱因子とすることができる。シート内を導波する光の進行方向に対して、散乱因子の濃度を漸次増加させることで、全体として均一な散乱、漏光を達成することができる。

拡散板５の一端側は、光触媒担持体４よりも延出し、一端部では拡散板５同士が積層され、その端面である入射口６は、鏡面研磨されている。
また、光触媒装置本体２に分解対象物質を含む流体を流す場合、この図１中「ＩＮ」と記したように、流体は拡散板５同士の隙間を通して光触媒装置本体２内に入り、光触媒担持体４のコルゲート板形状に沿って流れ、図１中「ＯＵＴ」と記したように、光触媒装置本体２の他端側から出るようになっている。

前記励起光源３としては、複数のＬＥＤを並べたＬＥＤアレイが用いられている。前述したように、ＬＥＤは長寿命であり、電気−光変換効率が高く、コンパクトである。また、出力や照度の高いＬＥＤを用いることで、高い光触媒効果を得ることができる。
なお、本発明において、励起光源３としてはＬＥＤに限定されず、ブラックライト、水銀灯などの他の光源を用いてもよい。

本発明の励起光の照射方法では、前述したような光触媒装置１を用い、前記入射口６から高照度で入射した励起光を拡散板５から低照度で光触媒担持体４に照射させることを特徴としている。

また本発明の光触媒による分解対象物分解方法は、前述したような光触媒装置１を用意し、前記励起光源３を点灯し、前記光触媒担持体４と拡散板５との間のスペースに分解対象物質を含む流体を流し、前記入射口６から高照度で入射した励起光を拡散板から低照度で光触媒担持体５に照射して光触媒機能を発現させ、分解対象物を分解することを特徴としている。
前記分解対象物としては、例えば、窒素酸化物（Ｎｏｘ）、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類、酢酸などのカルボン酸類、含硫化合物や含窒素化合物などの悪臭成分、環境ホルモン、レジオネラ菌、などが挙げられる。
また、前記分解対象物質を含む流体としては、室内空気、エンジン排ガス、工場排煙、飲料水、生活排水、温泉、プールの水、工場排水、などが挙げられる。

通常、分解対象となるガスおよび液中の分解対象物濃度は、比較的希薄であるため、分解対象物の拡散により分解速度が律速されている。その場合、高照度の光を用いて光触媒を励起しても、励起された電子、ホールが再結合する割合が高くなり、光量の一部もしくは大部分が無駄になっている。したがって、光量一定で励起光を照射するならば、高照度、小面積よりも低照度、大面積で光触媒機能を発現させた方が有利になると考えられる。

これをモデル実験によって確認した。実験方法を説明すると、まず、市販の光触媒コーティング液を用いて光触媒コーティングを施したアルミ板を紫外線が透過するガラス製密閉容器に入れ、所定量のアセトアルデヒドガスを前記密閉容器内にシリンジで注入し、吸着平衡状態になるまで放置した。平衡状態での容器内のアセトアルデヒド濃度が１０ｐｐｍになるよう注入量を調整した。次に、ガラス容器の外側からブラックライトを用いて紫外線を照射し、光触媒の分解作用によって容器内のアセトアルデヒド濃度が低下していく様子をガスクロマトグラフィーを用いて定量した。光量が一定になるように照度とアルミ板の面積を変えて比較実験を行った。照度は０．０５〜０．５ｍＷ／ｃｍ^２とし、光量は１．１ｍＷになるよう、それぞれアルミ板の面積を変更した。

比較の方法は、紫外線を照射してからの時間（ｍｉｎ）をｘ、そのとき測定した容器内のアセトアルデヒド濃度（ｐｐｍ）をｙとし、ｙ＝ａ×ｅｘｐ（−ｂ×ｘ）の形にグラフィッティングを行った。ここで、ａ，ｂはそれぞれ定数である。ｂを分解速度係数と定義し、この分解速度係数の大小を比較することで、光触媒効果を比較した。実験の結果、横軸に照度の逆数、縦軸に分解速度係数をとったグラフを図２に示す。

図２の結果より、通常の脱臭、浄化レベルと考えられる１０ｐｐｍ程度のアセトアルデヒド濃度では、光量一定で励起光を照射するならば、高照度、小面積よりも低照度、大面積で光触媒機能を発現させた方が有利になることがわかった。この効果は、脱臭、浄化速度が分解対象物の拡散濃度によって律速される条件では顕著になると考えられ、すなわち悪臭原因物質などの分解対象物の濃度が通常の室内、車内のように１０ｐｐｍより低い条件でも有利であると予想される。モデル実験の結果、分解対象物が１０ｐｐｍ以下の気相分解では、０．３ｍＷ／ｃｍ^２以下の照度において効率が良くなることがわかった。

本発明の装置では、拡散板端の入射口にＬＥＤで照射する際、入射口面内では均一照度であるとし、拡散面からの漏光照度も均一であるとすると、拡散板の入射口の面積に入射口面内の照度をかけて得られる値が、拡散面からの漏光照度に拡散面の面積をかけて得られる値にほぼ等しくなる。したがって、拡散板を構成するシートの厚さを薄くして面積を広くすれば任意の低照度化が可能になる。
光源の出射位置から光触媒担持体の受光位置までの距離を離し照度を下げるという方法では、装置全体が大きくなってしまうために好ましくない。

本発明に係る光触媒装置１は、脱臭装置、空気清浄装置、浄水器及び排水浄化装置などに利用することができる。本発明に係る脱臭装置、空気清浄装置、浄水器及び排水浄化装置は、前述した光触媒装置を備えたことによって、励起光を効率よく利用して高い光触媒効果を得ることができる。

［実施例１］
厚さ０．２５ｍｍ、面積４００ｃｍ^２の紫外線を透過するアクリルシート表面に、図３に示すようにサンドブラストで凹凸を付けた。アクリルシート５の長さａは４００ｍｍ、幅ｂは１００ｍｍ、サンドブラスト処理部分７の長さｃは３００ｍｍである。シートの一端から波長３６５ｎｍの光を入射させ、アクリルシートの透過光とサンドブラスト処理部分からの散乱漏光を測定したところ、入射光量のうち、９８％がアクリルシート表面（両面）から漏光していた。

面積３００ｃｍ^２のアルミ板１００枚に市販の光触媒コーティング液で光触媒コーティングを施し、サンドブラスト処理をしたアクリルシート１０１枚と交互に重ねて積層した。アクリルシートは一端を口金で固定し、十分に鏡面研磨をして入射口とした。

光源には中心波長３８０ｎｍ、消費電力２．５ＷのＬＥＤ５個を用い、入射口から距離５ｍｍの位置に均等に固定した。この状態で照射を行うと、入射口面内では、平均照度は２０．６ｍＷ／ｃｍ^２であり、合計で５２０ｍＷが照射される。これが面積３００×１０１×２（両面）＝６０６００ｃｍ^２から均等に照射されるとすると、０．００８６ｍＷ／ｃｍ^２で光触媒担持体（アルミ板）に照射されることになる。

この光触媒装置をステンレス鋼製の２０Ｌの密閉容器に入れ、この容器を密閉した後、所定濃度、所定量のアセトアルデヒドガスを導入し、吸着平衡に達するまで放置して容器内部のアセトアルデヒド濃度をガスクロマトグラフィーで測定したところ、９．０ｐｐｍであった。
この後、ＬＥＤを点灯させ、光触媒効果によりアセトアルデヒド分解を行った。アセトアルデヒド濃度の経時変化を図４に示す。後述の比較例１と比べ、短時間でアセトアルデヒドを分解することができた。

［比較例１］
面積３００ｃｍ^２のアルミ板１枚に市販の光触媒コーティング液で光触媒コーティングを施した。
光源には中心波長３８０ｎｍ、消費電力２．５ＷのＬＥＤ５個を用い光触媒コーティングを施したアルミ板から距離１００ｍｍの位置に均等に固定した。この状態で照射を行うと、アルミ板表面では、平均照度が１．７ｍＷ／ｃｍ^２となり、合計で５２０ｍＷが照射される。

この光触媒装置をステンレス鋼製の２０Ｌの密閉容器に入れ、この容器を密閉した後、所定濃度、所定量のアセトアルデヒドガスを導入し、吸着平衡に達するまで放置して容器内部のアセトアルデヒド濃度をガスクロマトグラフィーで測定したところ、９．０ｐｐｍであった。
この後、ＬＥＤを点灯させ、光触媒効果によりアセトアルデヒド分解を行った。アセトアルデヒド濃度の経時変化を図４に示す。比較例１は実施例１に比べ、分解速度が遅かった。

本発明の光触媒装置の一実施形態を示す斜視図である。 照射照度と分解速度係数の関係を表すグラフである。 実施例で作製した光触媒装置の要部構造を示す斜視図である。 実施例の結果であり、アセトアルデヒド濃度と時間との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…光触媒装置、２…光触媒装置本体、３…励起光源、４…光触媒担持体、５…拡散板、６…入射口、７…サンドブラスト処理領域。

Claims (11)

1. 光触媒装置本体と励起光源とから構成され、
   前記光触媒装置本体は、複数枚の拡散板と複数枚の光触媒担持体とからなり、
   前記拡散板は、その一側部側が拡散部とされ、他側部側が入射部とされ、前記拡散部と前記入射部との中間が中間部とされ、前記拡散部には光を拡散する拡散因子が配されており、該拡散因子の単位面積当たりの存在密度が、前記拡散部の先端に向けて次第に高くなっており、さらに複数の拡散板の個々の入射部が重ねられて入射口となっており、該入射口に前記励起光源が対向するように配置され、前記励起光源から個々の入射部に入射された光が導波されて個々の拡散部から拡散するようになっているものであり、
   前記光触媒担持体は、コルゲート板の両面に光触媒がコーティングされ、かつ該コルゲート板の波形が前記拡散板を導波される光の進行方向に沿うように配置されたものであり、
   前記複数枚の拡散板と前記複数枚の光触媒担持体は、個々の拡散板と個々の光触媒担持体とが交互に、かつ前記光触媒担持体全体と前記拡散板の拡散部とが対峙するように、かつ分解物質を含む流体が通過可能なスペースを配した状態で重ねられ、
   前記流体が前記拡散板の個々の中間部の重ね合わせによって形成されたスペースから流入し、前記光触媒担持体の波形部分を流れて、その先端から流出するように構成されたことを特徴とする光触媒装置。
2. 前記拡散板がアクリルシートからなり、前記拡散因子がシート表面にサンドブラスト処理により形成された凹凸であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒装置。
3. 前記拡散板がフッ素樹脂シートからなり、前記拡散因子がシート内部に混入されたシート材よりも屈折率の高い樹脂粒子であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒装置を用い、前記入射口から高照度で入射した励起光を拡散板から低照度で光触媒担持体に照射させることを特徴とする励起光の照射方法。
5. 拡散板から光触媒担持体に照射される光の照度が０．３ｍＷ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項４に記載の励起光の照射方法。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒装置を用意し、前記励起光源を点灯し、前記光触媒担持体と拡散板との間のスペースに分解対象物質を含む流体を流し、前記入射口から高照度で入射した励起光を拡散板から低照度で光触媒担持体に照射して光触媒機能を発現させ、分解対象物を分解することを特徴とする光触媒による分解対象物分解方法。
7. 流体中の分解対象物濃度が１０ｐｐｍ未満であり、拡散板から光触媒担持体に照射される光の照度が０．３ｍＷ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする請求項６に記載の光触媒による分解対象物分解方法。
8. 請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒装置を含むことを特徴とする脱臭装置。
9. 請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒装置を含むことを特徴とする空気清浄装置。
10. 請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒装置を含むことを特徴とする浄水器。
11. 請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒装置を含むことを特徴とする排水浄化装置。

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