JP4575649B2 - 光化学反応装置及び光化学反応方法 - Google Patents
光化学反応装置及び光化学反応方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4575649B2 JP4575649B2 JP2003107477A JP2003107477A JP4575649B2 JP 4575649 B2 JP4575649 B2 JP 4575649B2 JP 2003107477 A JP2003107477 A JP 2003107477A JP 2003107477 A JP2003107477 A JP 2003107477A JP 4575649 B2 JP4575649 B2 JP 4575649B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reaction
- molecule
- photochemical
- catalyst
- energy
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Fire-Extinguishing Compositions (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒を用いた光化学反応を実施可能な光化学反応装置に関する。より詳しくは、光化学反応により有機化合物の分解を行う光化学反応装置に関し、または、光化学反応により土壌や焼却灰等の固相に含まれるダイオキシン類等の有害物質を分解して無害化する光化学反応装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
これまで、光エネルギーを利用した化学反応プロセスについては多くの文献が開示されている。特に、有害物質処理に関する文献として、例えば以下のものが報告されており、それぞれについて以下に示すような問題があった。
【0003】
(1)特開2000−5562号公報(特許文献1)には、抽出処理と、吹込み処理と、紫外線照射処理とを行うことにより、土中、水中に含まれた有機塩素化合物(例えば、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレンなど)を分解処理する方法が開示されている。
【0004】
この特許文献1に係る処理方法は、酸化剤および/または触媒により有機塩素化合物を分解処理し、さらに紫外線の照射によって処理するものである。このように、酸化剤、触媒または紫外線の個別の効果により有機塩素化合物を処理するものであり、酸化剤と触媒と紫外線との相関関係についての技術的思想についてはなんら記載されていない。また、紫外線の効果に着目すると、有機塩素化合物の光分解(紫外線酸化分解)に直接用いられるため、高エネルギーかつ大エネルギーの紫外線が必要であり、エネルギー損失が大きい。
【0005】
(2)特開2002−18240号公報(特許文献2)には、真空紫外領域を含む紫外線を排ガスに照射して有害有機物を分解する光分解反応工程と、真空紫外領域を含まない紫外線を光触媒に照射して前工程を経た排ガスを光触媒に接触させて有害有機物を分解する光触媒反応工程とを行うことにより、排ガスに含まれる有害な有機化合物(例えば、トリクロロエタンなど)を無害化する処理方法が開示されている。
【0006】
この特許文献2によれば、光分解反応工程において、発光効率が低く、かつ空気中での透過率が極めて低い真空紫外光を用いるため、投入したエネルギーのうち有害有機物の分解に利用されずに熱エネルギーとして消費される割合が高く効率が悪いうえ、1段の処理工程だけでは充分な分解効率を得ることができない。
また、光触媒反応工程においては、光触媒を用いて光励起された触媒表面への有害有機物の接触反応により分解処理を行っているが、光触媒としては具体的に二酸化チタンを使用した実施例しか記載されておらず、反応は二酸化チタンの特徴が利用できるものに限定されてしまい、多種の有害物質に適用できない。
【0007】
(3)特開平11−335204号公報(特許文献3)には、透明材の棒状体を土壌に立て、露呈している部分から光線を集光して棒状体に沿って土壌中に誘導し、該棒状体表面に坦持させた光触媒に照射して光触媒反応により近傍の土壌について、滅菌、殺菌する土壌の浄化方法が開示されている。
【0008】
この特許文献3によれば、光源として太陽光が利用できるため低コストであるが、気象条件の変動によっては太陽光の確保が困難となるため確実性が乏しいうえ、光触媒としての酸化チタンを励起させるだけのエネルギーを有する光(紫外線)の地表面への到達が限定されるため反応効率が低い。また、光触媒が坦持された棒状体の近傍しか減菌できないことも問題である。
【0009】
なお、光エネルギーの利用でなく、熱エネルギーを利用して有害物質を分解する手段について、特許2725819号公報(特許文献4)には、ごみ焼却処理施設から回収される焼却灰を300℃以上に加熱して焼却灰中に含まれる芳香族系塩素化合物(例えば、ダイオキシン類など)を分解し、加熱処理後の焼却灰を速やかに200℃以下に冷却する処理方法が開示されている。
【0010】
以上示したように、光エネルギーをそのまま用いての有害物質の分解処理、二酸化チタンなどの触媒の光励起を使用した有害物質の分解処理、または熱エネルギーを利用した有害物質の分解処理については多くの文献が開示されている。
【0011】
【特許文献1】
特開2000−5562号公報
【特許文献2】
特開2002−18240号公報
【特許文献3】
特開平11−335204号公報
【特許文献4】
特許2725819号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、光エネルギーを利用した化学反応の実用技術としては、以下の2種類に大別することができ、それぞれについて以下のような問題がある。
【0013】
▲1▼反応分子を光エネルギーで直接光分解する方法。この方法では、光エネルギーを利用して分子内の化学結合を切断する(すなわち、結合性軌道に存在する電子を反結合性軌道に励起させる)ため、真空紫外光などの高エネルギー光を用いる必要がある。すなわち、光エネルギーだけによる結合の切断を考慮した場合には、一般に、小さいエネルギー(浅いエネルギー準位)で結合している電子よりも、大きいエネルギー(深いエネルギー準位)で結合している複数の電子を反結合性軌道へ励起することが有効であることから、当該深いエネルギー準位に束縛されている複数の電子を自由にするだけの高エネルギー、且つ、大エネルギーの光照射が必要となってしまい、消費エネルギーが大きく、経済的に劣る。
【0014】
▲2▼光触媒を利用して反応分子を反応させる方法。この方法では、光エネルギーは光触媒の励起に用いられるため、化学反応によらず、光触媒を励起させるだけの一定のエネルギーを有する光が常に必要であり、エネルギー効率が低い。また、この場合、励起した光触媒が水などと反応して生成されるヒドロキシラジカル、スーパーオキサイドイオンなどを媒介して反応が進行する多段反応であることが多く、触媒の光励起に必要なエネルギーは、反応に必要とされるエネルギーより大きくなり、エネルギー効率が低い。
【0015】
また、利用できる反応が限定されてしまう。すなわち、現在のところ実用的な効率で利用可能な光触媒としては、二酸化チタンを主としたものにほぼ限定され、二酸化チタンのエネルギーギャップに相当する光(紫外線)の照射が必須であり、可視光の利用は一般に困難であるため効率が低い。また、事実上、二酸化チタンの特性を利用したものに限定されるため、二酸化チタンのエネルギーギャップ相当以上のエネルギーを要する反応には用いることができず、また、それ以下のエネルギーで進行する反応については、その差が無駄に消費されることとなる。
【0016】
そこで、種々の化学反応を実施可能であり、低コストで高効率な化学反応を実施できる反応装置が望まれており、その反応装置を提供することが本発明の課題である。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様に係る光化学反応装置の発明は、固相に含まれる反応分子に光化学反応を起こさせて前記反応分子を所望の生成分子に変える光化学反応装置であって、加熱手段を備えている反応容器中に、前記反応分子を前記生成分子に変える反応を進行させない範囲で該反応分子の反応性を高めるエネルギーを有する光を照射して該反応分子を光励起させる光源を設け、前記反応容器中において固相に含まれる前記反応分子に前記エネルギーの光を照射することにより該反応分子を励起させ、励起状態の前記反応分子に前記反応容器中において該反応分子の当該励起状態における電子状態と前記所望の生成分子との間の活性化障壁を低減する触媒を作用させることにより、前記光源から照射される前記範囲のエネルギーの光と前記触媒の両者の作用によって前記反応分子から前記生成分子を得る前記光化学反応を起こさせるように構成したことを特徴とする。
【0018】
この特徴によれば、反応分子を励起させることにより反応分子の反応性を高め、さらに、励起した反応分子に触媒を作用させることによって活性化障壁を下げることができるので、反応速度を向上させて反応をスムーズに進行させることができる。
【0019】
また、本発明の第2の態様に係る光化学反応装置の発明は、前記第1の態様において、前記反応容器は、加熱手段を備えていることを特徴とする。この特徴によれば、熱エネルギーにより反応分子の励起を促進させることができるとともに、触媒の活性を高めることができる。従って、反応を促進させることができる。
【0020】
また、本発明の第3の態様に係る光化学反応装置の発明は、前記第1の態様または前記第2の態様において、前記反応容器は、酸素導入手段を備えていることを特徴とする。この特徴によれば、反応分子と触媒との接触による反応において、酸素を存在させることによって反応分子の酸化反応を促進させることができる。従って、ダイオキシン類などの有害物質を無害な物質まで効率的に酸化分解させることができる。
【0021】
また、本発明の第4の態様に係る光化学反応装置の発明は、前記第1の態様から前記第3の態様のいずれかの態様において、前記反応容器は、撹拌手段を備えていることを特徴とする。この特徴によれば、例えば、反応分子が土壌や焼却灰などに含まれていたとしても、その反応分子に光を確実に照射することができるとともに、励起した反応分子に触媒を確実に作用させることができ、反応を促進させることができる。
【0022】
また、本発明の第5の態様に係る光化学反応装置の発明は、前記第1の態様から前記第4の態様のいずれかの態様において、前記反応分子は、有機ハロゲン化合物であることを特徴とする。
【0023】
また、本発明の第6の態様に係る光化学反応装置の発明は、前記第1の態様から前記第5の態様のいずれかの態様において、前記反応分子は、土壌または焼却灰に含有されていることを特徴とする。
【0024】
前記第5の態様及び第6の態様によれば、土壌または焼却灰などの固相に含まれる環境汚染物質であるダイオキシン類などの有機ハロゲン化合物を、酸化反応または分解反応させることで効率的に除去することができる。
【0025】
また、本発明の第7の態様に係る光化学反応装置の発明は、前記第1の態様から前記第6の態様のいずれかの態様において、前記触媒は、金属酸化物であることを特徴とする。
【0026】
また、本発明の第8の態様に係る光化学反応装置の発明は、前記第1の態様から前記第6の態様のいずれかの態様において、前記触媒は、土壌に含まれる金属酸化物又は複合金属酸化物であることを特徴とする。この特徴によれば、ダイオキシン類などの有機ハロゲン化合物などによって汚染された土壌に所定の光を照射することによって、汚染原因物質である有機ハロゲン化合物などを効率的に分解、除去することができる。
【0027】
また、本発明の第9の態様に係る光化学反応方法の発明は、前記第1の態様から前記第8の態様のいずれかの態様の光化学反応装置を使用して、反応分子を反応させることを特徴とする。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明では、光エネルギーを反応分子の励起に用いる。
反応分子を励起させるのに充分なエネルギーを有する光を反応分子に照射することにより、反応分子は、結合性軌道に電子が充満し強固な結合が形成された基底状態から、一部の電子が反結合性軌道に励起した励起状態となる。すなわち、結合性軌道の一部の電子がエネルギーを得て、より反応性の高い反結合性軌道に移動する。この励起は、一般的に、1電子励起であるため、反応分子を光分解する際のエネルギーに比べて少ないエネルギーで反応を進行させることができる。
また、照射光は、個々の反応分子の励起に必要充分なエネルギーがあればよいため、光触媒の場合に比べて原理的に無駄に消費されるエネルギーを削減することができる。
【0029】
励起状態の反応分子は、一般に基底状態の反応分子に比べて反応性が高いことから、基底状態の分子より少ないエネルギーで反応を進行させることができる。
また、励起状態にある反応分子に適当な触媒を作用させることにより、活性化障壁を下げることができるので、反応をよりスムーズに進めることができる。
【0030】
すなわち、反応分子を光励起させることで反応性を高め、かつ、触媒作用によって活性化障壁を下げることにより、反応をスムーズに進行させて低コストで高効率な化学反応を実現できる。
【0031】
なお、本発明で実施される光化学反応は、基底状態にある反応分子を触媒を介して反応させる通常の触媒反応とは異なる反応機構(例えば、励起した反応分子から触媒に電子が移動する。)になると考えられることから、光源、触媒、反応温度、圧力、共存物質等の反応条件を適宜選定することにより、所望の反応を実現することができる。すなわち、実施される光化学反応は、結合の開裂、異性化(転位)、付加環化、閉環、開環、付加、置換、酸化、還元、合成、分解などの反応に適用可能であり、特に、反応分子が芳香族有機ハロゲン化合物である場合の脱ハロゲン反応、酸化反応、分解反応に有効である。これは、基底状態では結合性軌道にある電子が光エネルギーによって反結合性軌道に励起されるために、炭素−塩素結合及び芳香環内の特定の炭素−炭素結合の結合力が弱まり、分解反応性が著しく向上するためと考えられる。
【0032】
本発明に係る光化学反応装置は、土壌または焼却灰などの固相中に存在するダイオキシン類などの有害物質の処理に有効に用いることができる。すなわち、光化学反応により、有害物質を含む土壌または焼却灰を無害化処理する土壌または焼却灰の処理装置として有効に使用することができる。
【0033】
図1は、有害物質を含む土壌または焼却灰などの固形物を処理して無害化する、本発明に係る光化学反応装置10の概略構成を示す図面である。
【0034】
この光化学反応装置10によって処理される土壌としては、例えば、電子部品や精密機械の洗浄に使われるトリクロロエチレンやテトラクロロエチレンなどの揮発性有機塩素化合物、ダイオキシン類(例えば、ポリハロゲン化ジベンゾダイオキシンなど)やベンゾフラン類(例えば、ポリハロゲン化ジベンゾフランなど)などの芳香族ハロゲン化合物、農薬、有機着色物質、内分泌撹乱化学物質などの有害物質を含むものを挙げることができる。また、焼却灰としては、例えば、都市ゴミや産業廃棄物などを処理する焼却炉において焼却処理の際に発生するダイオキシン類(例えば、ポリハロゲン化ジベンゾダイオキシンなど)やベンゾフラン類(例えば、ポリハロゲン化ジベンゾフランなど)などの有機ハロゲン化合物などの有害物質を含むものを挙げることができる。
【0035】
本実施形態における光化学反応装置10は、光励起装置と触媒反応装置が一体となって光化学反応槽11を構成しており、この光化学反応槽11の内部には処理対象の反応分子に応じたエネルギーを有する光を照射する光源12が設けられている。また、反応物質を光化学反応槽11に導入する供給装置13が設けられ、さらに、必要に応じて触媒を供給する触媒供給装置14が配設されている。また、有害物質が分解され、無害化された固形物、生成物質を光化学反応槽11から排出させる排出装置15が設けられている。
【0036】
本実施形態における光化学反応槽11は、光励起装置と触媒反応装置とが一体となって構成されている。このような構成とすることにより、反応分子が励起されている状態(すなわち、励起状態)が短時間しか維持できない場合、または励起状態の反応分子の平均移動距離が短い場合においても、励起状態の反応分子を効率的に触媒に接触させることができ、反応を確実に進行させることができる。
【0037】
光化学反応槽11は、通常の反応槽であれば特に限定することなく用いることができ、個別の条件に応じて、例えば、全長数m以上の比較的大型なリアクターから、数〜数十mm程度の小型のリアクターを適宜選択できる。
【0038】
反応分子としては、照射された光によって励起される物質であれば特に限定されることはなく、例えば、土壌、焼却灰などに含まれる有機化合物、芳香環有機化合物、ハロゲン含有化合物などの有害物質を挙げることができる。ここで有機化合物としては、例えば、カルボニル化合物、アルカン、アルケン、芳香族炭化水素、共役不飽和カルボニル化合物、カルボン酸、ハロゲン化合物、カルボニトリル、アルコール、エーテル、窒素含有有機物、硫黄含有有機物、リン含有有機物、ケイ素含有有機物、複素芳香族化合物、有機金属錯体などを挙げることができる。
【0039】
さらに、青色色素一号などの有機着色物質、アントラセンなどの芳香環有機化合物、ダイオキシン類などの有機塩素化合物、ベンゼン類またはフェノール類などのダイオキシン類前駆物質、内分泌撹乱化学物質(いわゆる、環境ホルモン)に代表される1環または多環芳香族ハロゲン化合物などを挙げることができる。
特に、芳香環有機化合物は、官能基により可視光によって励起される場合も多く、比較的容易に励起させることが可能である。
【0040】
また、これらの反応分子が土壌や焼却灰などの固形物に含まれていてもよい。
すなわち、ダイオキシン類などの有害物質により汚染された土壌や焼却灰などを光化学反応装置10に導入することにより、有害物質を分解させて土壌等を無害化することができる。
【0041】
光源12から反応分子に照射する光は、少なくとも、反応分子を励起させるのに充分なエネルギーを有していれば良く、反応分子に応じて適宜設定できる。なお、反応分子を励起させるが、触媒を励起させないエネルギーを有する光を発する光源を用いることが好ましい。
【0042】
光源12としては、特に限定されないが、自然光または所望の人工光源を利用できる。自然光は、長時間の曝露処理が可能である場合や人工光源を用いずに低コストで処理を行う場合に用いることができる。この場合には、光化学反応槽11の外装を自然光が通過する部材で構成したり、反応槽内部に自然光を集光、採光できる構成とすることが好ましい。
【0043】
人工光源は、比較的短期間での効率的な処理が必要な場合に用いることができ、インコヒーレント光源(例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプ、重水素ランプ、メタルハライドランプなど)や波長選択性の高いコヒーレント光源(例えば、エキシマレーザー、アルゴンイオンレーザー、ルビーレーザー、半導体レーザーなど)を、反応分子に応じて適宜用いることができる。波長選択性の高い光源を用いた場合には、反応分子を選択的に励起させて、当該反応分子を選択的に反応させることができる。
【0044】
例えば、反応分子がダイオキシン類である場合には、ダイオキシン類は紫外域に吸収帯(すなわち、光励起される波長領域)があることから、水銀ランプなどの紫外光源を選択できる。光の照射時間、光度などの条件は、反応分子、反応時間、反応温度などの反応条件に応じて適宜設定することができる。
【0045】
反応分子を光励起させうるエネルギー(波長)は、反応分子の状態に固有であり、例えば、反応分子が塩素のないダイオキシンである場合では350nm、4塩素価ダイオキシン類である場合では300nm、8塩素価ダイオキシン類である場合では400nm、クロロホルム・四塩化炭素である場合では170nm、低級アルコール類である場合では180nm、アルデヒド類である場合では300nm前後、ナフタレン・ピレン・フェナントレンの縮合多環式芳香族である場合では300〜400nm、インジゴである場合では620nm、エオシンである場合では520nm、βカロテンである場合では480nm、クロロフィルαである場合では660nm、亜鉛フタロシアニン・銅フタロシアニン・フタロシアニンである場合では700nm、マラカイトグリーンである場合では620nm、メチレンブルーである場合では660nm、青色色素一号である場合では630nm付近、アントラセンである場合では400nm付近、2,4,5−トリクロロフェノールである場合では350nm付近、などである。
【0046】
触媒としては、励起した反応分子の電子状態と所望の生成分子との間の活性化障壁を低減する効果を有する物質であれば特に限定することなく使用できる。また、触媒は光触媒である必要はない。好ましい触媒の具体例として、例えば、Mg、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Auなどの金属またはこれらの金属酸化物もしくはこれらの複合金属酸化物を使用することができる。ここで、金属酸化物としては、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化亜鉛、酸化ジルコニア、酸化ニオブ、酸化銀、酸化タリウム、酸化タングステンなどを、また、複合金属酸化物としては、例えば、チタン、シリコン、アルミニウム、白金、ルテニウム、ニオブ、タンタル、ストロンチウム、バリウム、ナトリウム、カリウム、タングステン、ビスマス、セリウム、アンチモン、イリジウム、イットリウム、ガリウムなどの多成分複合系などを挙げることができる。
【0047】
触媒は、粉末状、粒子状など反応分子との接触面積が大きい(すなわち、反応分子との接触頻度が大きい)形態のものが好ましく、また、ゼオライト、活性炭などの坦持体に坦持されたものを用いることもできる。また、これらの触媒は、反応物質に対して所定の添加量となるように添加される。添加量は、光源、反応分子、反応温度、反応時間などの反応条件に応じて適宜設定することができる。
【0048】
また、反応物質が土壌や焼却灰などの固形物である場合には、これらに含まれる金属酸化物または複合金属酸化物をそのまま触媒として使用できる。すなわち、触媒として土壌や焼却灰などに含まれる金属酸化物または複合金属酸化物をそのまま用いることができるので、新たに触媒を添加することなく土壌、焼却灰などをそのまま用いることができる。ここで、土壌などに含まれる金属酸化物または複合金属酸化物としては、例えば、マグネシア、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化亜鉛などを挙げることができる。また、反応を促進させるために土壌などに上記金属または金属酸化物もしくは複合金属酸化物を添加することもできる。この場合には、光源、反応分子、反応温度、反応時間などの反応条件に応じて添加量を調整することが好ましい。また、反応を促進させるために反応分子と接触する反応槽内表面に触媒を存在させることもできる。なお、有機塩素化合物の分解には固体金属酸化物触媒が好ましい。
【0049】
排出装置15は、有害物質が除去された土壌等を光化学反応槽11から取り出すことができるものであれば特に限定することなく用いることができ、シュート式、ロータリー式、テーブル式などの重力式装置、または、ベルトフィーダー、バケットフィーダー、振動フィーダー、チェーンフィーダー、スクリューフィーダ、空気力式フィーダー、ロータリープローなどの機械力式装置などを例示できる。
【0050】
光化学反応槽11には、加熱手段を設けることが好ましい。加熱手段としては通常用いられる手段でよく、例えば、ジャケットに加熱媒体を流す方法、または電気ヒーターで加熱する方法を挙げることができる。これにより、反応物質に含まれる水分が取り除かれ、励起した反応分子をより長時間存在させることができ、触媒との接触頻度を高めることができる。また、反応分子の励起を促進させて反応をより円滑に進めることが可能であるとともに、触媒の活性を高めて反応の活性化障壁をより一層低減することができる。
【0051】
加熱手段による加熱温度は、触媒、反応分子、反応時間などの反応条件に応じて適宜設定することができ、例えば、50℃から250℃程度であり、80℃から150℃程度が好ましい。
【0052】
また、光化学反応槽11には、酸素導入手段を設けることが好ましい。酸素を導入することにより反応系内での反応分子の酸化反応を促進することができ、ダイオキシン類などの有害物質の酸化、分解反応を速やかに行うことができる。反応系内の酸素濃度は、反応分子、反応温度、反応時間、触媒などの反応条件に応じて適宜設定することができ、例えば、0.1%から30%程度であり、1%から20%程度が好ましい。
【0053】
また、光化学反応槽11には、撹拌手段を設けることが好ましい。撹拌手段としては通常用いられる手段でよく、例えば、ミキサー型撹拌装置または遊星運動する撹拌軸を有する撹拌装置などを挙げることができる。反応物質を撹拌することにより、土壌や焼却灰などに含まれている反応分子に光を充分に照射することができ、反応分子を確実に励起させることができる。また、励起した反応分子と触媒との接触頻度を向上させることが可能である。
【0054】
【作用】
ここで、本発明の反応機構として考えられる機構について図2に沿って説明する。
通常の化学反応(図2中、点線で示す)では、反応分子が障壁を超えて生成分子となるには、E1の活性化エネルギーを要する。すなわち、E1に相当するエネルギーが供給されなければ反応が進行しないので、反応速度が遅く、反応を促進させるために高エネルギーを要する。
【0055】
一方、本発明における光化学反応(図2中、実線で示す)では、反応分子を励起させるだけのエネルギーを有する光を照射することによって反応分子を励起状態とさせるため、反応分子自体の内部エネルギーを高めて反応性を高めることができる。さらに、この励起状態にある反応分子に触媒を作用させることにより活性化障壁を下げることができる。すなわち、前記E1よりも小さいE2の活性化エネルギーを有する、新たな反応経路を構成させる。このように、通常の化学反応より小さい活性化障壁となるため反応を進行させやすいとともに、反応の効率が高く、省エネルギーである。
【0056】
【実施例】
次に実施例及び比較例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらによってなんら制約されるものではない。
【0057】
反応分子として波長630nm付近の光で励起される青色色素一号(東京化成工業株式会社製;型番F−0147)、波長400nm付近の光で励起されるアントラセン(和光純薬工業株式会社製;型番011−09855)、波長350nm付近の光で励起される2,4,5−トリクロロフェノール(和光純薬工業株式会社製;型番500−34441)を用い、触媒としておよそ波長200nm以下の光で励起される酸化ケイ素(富士シリシア化学株式会社製;型番CARiACT−Q30)、およそ波長250nm以下の光で励起される酸化ジルコニウム(第一稀元素化学工業株式会社製;型番RC100)を用い、光源には発光波長300〜400nm、出力15Wのブラックライト(ニッポ電気株式会社製;型番FL15BLB)を用いた。なお、光源に用いたブラックライトからの光は、反応分子を励起させるには充分なエネルギーであるが、触媒を励起させるには不十分なエネルギーを有するものである。
【0058】
実施例1
青色色素一号0.5gを蒸留水1000mlに溶解させて青色色素水溶液を調整した。この青色色素水溶液を酸化ケイ素10gにホールピペットを用いて一定量滴下した後、充分に撹拌して試料を調整した。この試料をホッパーに充填し重力式フィーダーで暗室中に用意したブラックライトの真下1cmに設置した触媒反応器に導入し、混合撹拌の上20時間静置した後、抽出用溶液とともに排出させて取り出し、抽出溶液成分をGC−MSを用いて定量分析して青色色素一号の分解率を評価した。結果を表1に示した。
【0059】
比較例1
光照射を実施しなかったこと以外は、実施例1と同様に行った。
【0060】
実施例2
触媒として酸化ケイ素の換わりに酸化ジルコニウムを用いたこと以外は、実施例1と同様に行った。
【0061】
比較例2
光照射を実施しなかったこと以外は、実施例2と同様に行った。
【0062】
比較例3
酸化ケイ素を用いなかったこと以外は、実施例1と同様に行った。
【0063】
比較例4
光照射を実施しなかったこと、及び酸化ケイ素を用いなかったこと以外は、実施例1と同様に行った。
【0064】
実施例3
アセトン水混合溶液に濃度100ppmとなるようにアントラセンを溶解させてアントラセン・アセトン水混合溶液を調整した。このアントラセン・アセトン水混合溶液を酸化ジルコニウム10gにホールピペットを用いて一定量滴下した後、充分に撹拌して試料を調整した。この試料をホッパーに充填し重力式フィーダーで暗室中に用意したブラックライトの真下1cmに設置した触媒反応器に導入し、混合撹拌の上20時間静置した後、抽出用溶液とともに排出させて取り出し、抽出溶液成分をGC−MSを用いて定量分析してアントラセンの分解率を評価した。結果を表1に示した。
【0065】
比較例5
光照射を実施しなかったこと以外は、実施例3と同様に行った。
【0066】
比較例6
酸化ジルコニウムを用いなかったこと以外は、実施例3と同様に行った。
【0067】
比較例7
光照射を実施しなかったこと、及び酸化ジルコニウムを用いなかったこと以外は、実施例3と同様に行った。
【0068】
実施例4
アセトン水混合溶液に濃度100ppmとなるように2,4,5−トリクロロフェノールを溶解させて2,4,5−トリクロロフェノール・アセトン水混合溶液を調整した。この2,4,5−トリクロロフェノール・アセトン水混合溶液を酸化ジルコニウム10gにホールピペットを用いて一定量滴下した後、充分に撹拌して試料を調整した。この試料をホッパーに充填し重力式フィーダーで暗室中に用意したブラックライトの真下1cmに設置した触媒反応器に導入し、混合撹拌の上20時間静置した後、抽出用溶液とともに排出させて取り出し、抽出溶液成分をGC−MSを用いて定量分析して2,4,5−トリクロロフェノールの分解率を評価した。結果を表1に示した。
【0069】
比較例8
光照射を実施しなかったこと以外は、実施例4と同様に行った。
【0070】
比較例9
酸化ジルコニウムを用いなかったこと以外は、実施例4と同様に行った。
【0071】
比較例10
光照射を実施しなかったこと、及び酸化ジルコニウムを用いなかったこと以外は、実施例4と同様に行った。
【0072】
【表1】
【0073】
実施例1、実施例2、実施例3及び実施例4より、光照射を行い、かつ、触媒を存在させることにより、分解反応が進行していることが判る。なお、実施例3においては、分解されたアントラセンの一部は、ヘプタノール等の脂肪族化合物に分解されており、これより芳香環の開環反応、酸化分解反応が進行していることが判った。
比較例1、比較例2、比較例5及び比較例8より、触媒が存在しても光照射を行わない場合には、反応が進行していないことが判る。
比較例3、比較例6及び比較例9より、光照射を行っても触媒が存在しない場合には、反応が進行していないことが判る。
比較例4、比較例7及び比較例10より、触媒が存在せず、かつ、光照射も行わない場合には、反応が進行していないことが判る。
【0074】
以上の結果から、反応分子を励起させるエネルギーを有する光を照射し、触媒を作用させることによって反応を高効率で進行させることができることが判った。すなわち、反応分子を直接光分解する程のエネルギーまたは触媒を励起させる程のエネルギーを有する光を用いずとも、反応分子の吸収波長領域程度の比較的低いエネルギーを有する光を照射して反応分子を励起させ、かつ、光触媒のように触媒を光励起させなくとも励起した反応分子に触媒を作用させることで反応を進行させることができる。これより、低コストで高効率な化学反応が実現可能である。
【0075】
【発明の効果】
以上説明したように、反応分子に光を照射して励起させることにより反応分子の反応性を高めるとともに、励起した反応分子に触媒を作用させることで活性化障壁を下げることができる。よって、低エネルギーで反応を進行させることが可能であり、例えば、ダイオキシン類などの有害物質を低コスト、かつ効率的に分解処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光化学反応装置の説明に供する概略構成図。
【図2】光化学反応の説明に供する図面。
【符号の説明】
10 光化学反応装置
11 光化学反応槽
12 光源
13 供給装置
14 触媒供給装置
15 排出装置
Claims (8)
- 固相に含まれる反応分子に光化学反応を起こさせて前記反応分子を所望の生成分子に変える光化学反応装置であって、
加熱手段を備えている反応容器中に、前記反応分子を前記生成分子に変える反応を進行させない範囲で該反応分子の反応性を高めるエネルギーを有する光を照射して該反応分子を光励起させる光源を設け、前記反応容器中において固相に含まれる前記反応分子に前記エネルギーの光を照射することにより該反応分子を励起させ、
励起状態の前記反応分子に前記反応容器中において該反応分子の当該励起状態における電子状態と前記所望の生成分子との間の活性化障壁を低減する触媒を作用させることにより、
前記光源から照射される前記範囲のエネルギーの光と前記触媒の両者の作用によって前記反応分子から前記生成分子を得る前記光化学反応を起こさせるように構成したことを特徴とする、光化学反応装置。 - 請求項1に記載された光化学反応装置において、前記反応容器は、酸素導入手段を備えていることを特徴とする、光化学反応装置。
- 請求項1又は請求項2に記載された光化学反応装置において、前記反応容器は、撹拌手段を備えていることを特徴とする、光化学反応装置。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載された光化学反応装置において、前記反応分子は、有機ハロゲン化合物であることを特徴とする、光化学反応装置。
- 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載された光化学反応装置において、前記反応分子は、土壌または焼却灰に含有されていることを特徴とする、光化学反応装置。
- 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載された光化学反応装置において、前記触媒は、金属酸化物であることを特徴とする、光化学反応装置。
- 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載された光化学反応装置において、前記触媒は、土壌に含まれる金属酸化物又は複合金属酸化物であることを特徴とする、光化学反応装置。
- 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の光化学反応装置を使用して、反応分子を反応させることを特徴とする、光化学反応方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003107477A JP4575649B2 (ja) | 2003-04-11 | 2003-04-11 | 光化学反応装置及び光化学反応方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003107477A JP4575649B2 (ja) | 2003-04-11 | 2003-04-11 | 光化学反応装置及び光化学反応方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004313831A JP2004313831A (ja) | 2004-11-11 |
JP4575649B2 true JP4575649B2 (ja) | 2010-11-04 |
Family
ID=33469299
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003107477A Expired - Fee Related JP4575649B2 (ja) | 2003-04-11 | 2003-04-11 | 光化学反応装置及び光化学反応方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4575649B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4667724B2 (ja) * | 2003-04-11 | 2011-04-13 | 三井造船株式会社 | 光化学反応方法、液体の処理方法、および液体処理装置 |
EP1862430A4 (en) * | 2005-03-18 | 2009-10-21 | Tokyo Inst Tech | HYDROGEN PRODUCTION DEVICE, LASER REDUCTION DEVICE, ENERGY CONVERSION DEVICE, METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN AND ELECTRICITY GENERATION SYSTEM |
JP5124728B2 (ja) * | 2005-03-18 | 2013-01-23 | 国立大学法人東京工業大学 | 水素生成装置、レーザ還元装置、エネルギー変換装置、水素生成方法および発電システム |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000210637A (ja) * | 1999-01-26 | 2000-08-02 | Babcock Hitachi Kk | 灰処理装置および方法 |
JP2001137832A (ja) * | 1999-11-18 | 2001-05-22 | Idemitsu Kosan Co Ltd | 塩素化ダイオキシン類の分解方法 |
JP2001231881A (ja) * | 2000-02-24 | 2001-08-28 | Japan Atom Energy Res Inst | Pcb、フラン、ダイオキシン類似環境汚染物質の赤外レーザーによる分解方法 |
-
2003
- 2003-04-11 JP JP2003107477A patent/JP4575649B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000210637A (ja) * | 1999-01-26 | 2000-08-02 | Babcock Hitachi Kk | 灰処理装置および方法 |
JP2001137832A (ja) * | 1999-11-18 | 2001-05-22 | Idemitsu Kosan Co Ltd | 塩素化ダイオキシン類の分解方法 |
JP2001231881A (ja) * | 2000-02-24 | 2001-08-28 | Japan Atom Energy Res Inst | Pcb、フラン、ダイオキシン類似環境汚染物質の赤外レーザーによる分解方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004313831A (ja) | 2004-11-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Laoufi et al. | The degradation of phenol in water solution by TiO2 photocatalysis in a helical reactor | |
Ghatak | Advanced oxidation processes for the treatment of biorecalcitrant organics in wastewater | |
Barakat et al. | Hydrogen peroxide-assisted photocatalytic oxidation of phenolic compounds | |
Gültekin et al. | Synthetic endocrine disruptors in the environment and water remediation by advanced oxidation processes | |
US5045288A (en) | Gas-solid photocatalytic oxidation of environmental pollutants | |
Zhan et al. | A facile VUV/H2O system without auxiliary substances for efficient degradation of gaseous toluene | |
Ray | Photodegradation of the volatile organic compounds in the gas phase: a review | |
JPH029850B2 (ja) | ||
WO2012133006A1 (ja) | 有機ハロゲン化合物の処理法 | |
US6372095B1 (en) | Method for decomposing bromic acid by photocatalyst and apparatus therefor | |
Tseng et al. | Photocatalytic oxidation process for the treatment of organic wastes | |
JP4575649B2 (ja) | 光化学反応装置及び光化学反応方法 | |
Shiragami et al. | Silica gel-supported porphyrinatoantimony (V) complex acting as visible-light driven photocatalyst for dechlorination of chlorophenols in aqueous solution | |
JP4130150B2 (ja) | 光化学反応方法、土壌または焼却灰の処理方法及び処理装置 | |
JP2006272034A (ja) | 光触媒を用いた汚染ガス処理装置及び方法 | |
JP4288094B2 (ja) | 光化学反応方法、液体処理方法及び液体処理装置 | |
JP4667724B2 (ja) | 光化学反応方法、液体の処理方法、および液体処理装置 | |
JP2000042575A (ja) | 環境ホルモン含有水の処理方法 | |
JP2006281005A (ja) | 光触媒を用いた水処理装置及び水処理方法 | |
JP2004313835A (ja) | 土壌処理方法 | |
JP2007105059A (ja) | ダイオキシン類の分解方法 | |
JP2003310723A (ja) | 空気浄化装置、および触媒 | |
JP2005279595A (ja) | 光化学反応装置および光化学反応方法 | |
JP2001246261A (ja) | 光触媒 | |
Caliman et al. | APPLICATIONS OF HETEROGENEOUS PHOTOCATALYSIS FOR INDUSTRIAL WASTEWATER TREATMENT. |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060410 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080711 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080716 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080916 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090701 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090831 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100804 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100820 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130827 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |