JP4596362B2

JP4596362B2 - アミン系化合物分解方法及びアミン系化合物分解装置

Info

Publication number: JP4596362B2
Application number: JP2005054621A
Authority: JP
Inventors: 剛田久保; 忍木下; 達行岩崎; 史生鈴木; 広樹高橋; 賢一西尾
Original assignee: Iwasaki Denki KK; Toyota Motor Corp
Current assignee: Iwasaki Denki KK; Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: JP2006239478A

Description

本発明は、アミン系化合物を含む被処理溶液中のアミン系化合物を分解することができるアミン系化合物分解方法及びアミン系化合物分解装置に関する。

従来から、有機自硬性鋳型を用いて鋳造を行なう鋳造工場等では、金属溶湯を鋳型内に注湯するときに、鋳型の樹脂や硬化剤が分解されて臭気ガスが発生し、問題となっている。この臭気ガスを処理する装置として、例えば特開２００３−３３９８３３号公報の循環式光触媒脱臭装置等が提案されている。この循環式光触媒脱臭装置では、鋳物工場で発生した臭気ガスを水処理装置（スクラバー）で洗浄水に溶かし込み、臭気ガスを溶かした溶液を浄化装置で浄化している。

特開２００３−３３９８３３号公報特開平５−１９２７３８号公報

上述した従来の浄化装置は、ブラックライトを光触媒に照射することにより、光触媒を活性化させて溶液中の臭気成分を分解している。しかしながら、従来の浄化装置では、溶液に溶けた臭気成分を分解するために、溶液を循環させて繰り返し光触媒に接触させる必要があり、臭気成分の分解に長時間を要していた。このため、この分解処理時間の短縮が望まれている。

本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、アミン系化合物を含む被処理溶液のアミン系化合物を短時間で分解処理することができるアミン系化合物分解方法及びアミン系化合物分解装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するための本発明にかかるアミン系化合物分解方法は、有機自硬性鋳型を用いて鋳造する際に発生する臭気ガスを回収して水に溶かし込んだ溶液であるアミン系化合物を含む被処理溶液を光触媒に接触させながら、Ｎ−Ｈ結合の解離エネルギー以上のエネルギーを有する紫外線を含む低圧水銀灯からの光を、前記光触媒の表面での平均照度が少なくとも３．４２ｍＷ／ｃｍ^２となるように、前記光触媒の表面に照射すると共に前記溶液にも照射することにより、前記アミン系化合物を分解することを特徴とする。

上記の目的を達成するための本発明にかかるアミン系化合物分解装置は、Ｎ−Ｈ結合の解離エネルギー以上のエネルギーを有する紫外線を含む光を照射する紫外光源としての低圧水銀灯と、光を照射すると活性化する光触媒と、を有し、有機自硬性鋳型を用いて鋳造する際に発生する臭気ガスを回収して水に溶かし込んだ溶液であるアミン系化合物を含む被処理溶液を光触媒に接触させながら、前記紫外光源からの光を、前記光触媒の表面での平均照度が少なくとも３．４２ｍＷ／ｃｍ^２となるように、前記光触媒の表面に照射すると共に前記溶液にも照射することにより、前記アミン系化合物を分解することを特徴とする。

鋳物工場等で発生する臭気ガスは、アミン系化合物が主な成分であることが多い。ここで、アミン系化合物とは、アンモニア（ＮＨ３）及び、アンモニアの水素原子を炭化水素基等の原子団で置換した化合物（すなわち、アミン）を指す。上記臭気ガス中に含まれるアミンの例としては、モノメチルアミン、ジメチルアミン、ヘキサメチレンテトラミン（別名ヘキサミン）等を挙げることができる。

上記臭気ガス中に含まれるアミン系化合物は、実際には上記のような複数の化合物から構成されているが、以下の説明では、簡単のために、臭気ガス中にアンモニアだけが含まれると仮定する。こうすれば、この臭気ガスを溶かした溶液はアンモニアを溶かした溶液と同等のものと考えることができる。この溶液（被処理溶液）は、ブラックライトを照射して活性化させた光触媒に接触させることにより、アンモニアを分解することができる。しかしながら、従来のこの方法は上述したように処理に時間がかかる。ところで、アンモニアの分解工程には、アンモニアのＮ−Ｈ結合を解離する解離工程と、解離したＮやＨをＯと結合させる酸化工程とがある。本発明者等は、前者の解離工程に着目し、解離工程の時間短縮方法を模索した。アンモニアのＮ−Ｈ結合を解離するには、約８４ｋｃａｌ／ｍｏｌの解離エネルギーが必要となる。この解離エネルギーは、従来は光触媒によって与えられると考えられていた。光触媒以外に、解離エネルギーを外部から供給できれば、解離工程の処理時間の短縮が可能となる。従来の装置で使用されているブラックライトの波長は３６５ｎｍであり、そのエネルギーは約７８．４ｋｃａｌ／ｍｏｌである。したがって、ブラックライトからの光は光触媒を活性化することはできても、アンモニアのＮ−Ｈ結合を解離するには、エネルギーが少し足りない。そこで、本発明者等は、アンモニアの解離に必要なエネルギーを有する紫外線を被処理溶液に照射すれば、アンモニアの解離が促進されるのではないかと考え、後述する実験を行なった。後述する実験により、アンモニアの解離に必要なエネルギーを有する紫外線を被処理溶液に照射することにより、アンモニアの分解処理時間を大幅に短縮することができることを確認した。

以下に、図面を参照して、本願に係る発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明の一実施形態であるアミン系化合物分解装置の概略正面図、図２はそのアミン系化合物分解装置の概略側部断面図である。図１に示すように本発明の一実施形態であるアミン系化合物分解装置１は、光を受けて活性化する６組の光触媒１１と、被処理溶液Ａをシャワー状にして光触媒１１に散水するための６個の散水ノズル１２と、光触媒１１に接触している被処理溶液Ａに紫外線を照射するための紫外光源１３と、下部に被処理溶液Ａを蓄えると共に、上方に光触媒１１、散水ノズル１２及び紫外光源１３等を収納する筐体１４とを備えている。尚、本実施形態のアミン系化合物分解装置１は、被処理溶液Ａを循環して散水するためのパイプ１５やポンプ（不図示）等を備えている。

紫外光源１３として、２本を一組として合計１４本の低圧水銀灯を設けている。この低圧水銀灯は、２５４ｎｍの波長の紫外線を含む光を発するものである。また、本実施形態の紫外光源１３は、低圧水銀灯に被処理溶液Ａや塵埃等が付着するのを防ぐために保護管１３１内に収められている。この保護管１３１は、紫外線を透過するものである。また、本実施形態では、光触媒１１としては、酸化チタンを含むものを用いている。

本実施形態では、有機自硬性鋳型を用いて鋳造を行なう鋳物工場等で、鋳造時に発生する臭気ガスを回収して脱臭装置で水に溶かした溶液を被処理溶液Ａとして使用する。なお、この臭気ガスはアンモニアを主な成分としているので、本実施形態の被処理溶液Ａは、アンモニアの溶液と考えることができる。

次に、本実施形態のアミン系化合物分解装置の動作について説明する。予め、上述した被処理溶液Ａを本アミン系化合物分解装置１内に所定量だけ蓄える。次に、図示しないポンプを稼動して、筐体１４内の下部に蓄えた被処理溶液Ａを汲み上げて散水ノズル１２から光触媒１１に散水する。このとき、紫外光源１３により２５４ｎｍの波長の紫外線を含む光を光触媒１１及び被処理溶液Ａに照射する。この２５４ｎｍの波長の紫外線を含む光を照射することにより、光触媒１１が活性化されると同時に、被処理溶液Ａのアンモニアが２５４ｎｍの波長の紫外線の照射を受けて、アンモニアのＮ−Ｈ結合の解離が促進され酸素と結合し、一酸化窒素ＮＯ、二酸化窒素ＮＯ_２を経て、下の反応式（１）に示すように最終的にはアンモニアは硝酸と水に分解される。

ＮＨ_３＋２Ｏ_２ → ＨＮＯ_３＋Ｈ_２Ｏ（１）

次に、図１及び図２に示すアミン系化合物分解装置を使用して行った実験結果について説明する。本実験に使用した筐体１４の容積は約４００Ｌである。また、被処理溶液Ａとして、実際に鋳造を行っている鋳造工場内で臭気ガスを脱臭処理する際に生ずる、臭気ガスを含む溶液を水で約５倍に希釈したものを使用した。また、本実験では、４００ｍｍ×２４０ｍｍの可視光応答型光触媒フィルタを、６組の光触媒の各々に３枚ずつ、合計１８枚使用している。

紫外光源１３である低圧水銀灯としては、岩崎電気株式会社製の４０Ｗのもの(型式：EGL40-2)を使用した。また、比較のために、４０Ｗのブラックライトを用いた実験も行なった。上述した低圧水銀灯を連続点灯し、被処理溶液Ａを循環させて、上方から光触媒１１に散水し、０から２４時間の間で４回測定した。また、被処理溶液Ａに含まれるアンモニアの濃度はイオン電極法により測定した。

図３は、本実験の結果得られたデータに基づいて作成した、アンモニアの除去率と受光エネルギーの関係を示す図であり、縦軸にアンモニアの除去率（％）を取り、横軸に受光エネルギー（ｋＪ）を取っている。なお、ランプを点灯せずに、被処理溶液を循環させて光触媒に接触させただけでも、アンモニアを分解することができる。そこで、図３では、ランプによるアンモニアの分解の効果だけを比較するために、ランプを点灯してアンモニアの分解処理を行なった時の処理後のアンモニアの濃度から、ランプを点灯せずにアンモニアの分解処理を行った時の処理後のアンモニアの濃度を差し引いた値を処理後のアンモニアの濃度として、アンモニアの除去率を算出した。ここで、アンモニアの除去率というのは、［｛（処理前のアンモニアの濃度）−（処理後のアンモニアの濃度）｝÷（処理前のアンモニアの濃度）］×１００の式で算出される値である。

また、受光エネルギーは｛照度×時間×光触媒面積｝で表し、ブラックライトは３６５ｎｍの波長をピークとする照度,低圧水銀灯は２５４ｎｍの波長をピークとする照度を基に受光エネルギーを算出した。

図３に示すように、例えば、１００００ｋＪの時には、ブラックライトの光を照射させる本発明の装置を用いて処理した時の除去率は約８％位であるが、本発明の４０Ｗのランプを点灯して処理した時の除去率は約３４％位である。すなわち、ブラックライトを照射したときと、本発明の２５４ｎｍの紫外線を照射したときとでは、アンモニアを分解する効果に約４倍の差がある。

次に、上述した４０Ｗの低圧水銀灯に使用する安定器や供給電圧を変えて、光触媒表面の平均照度を８．０９ｍＷ／ｃｍ^２にしたときと、光触媒表面の平均照度を４．６１ｍＷ／ｃｍ^２にしたときと、光触媒表面の平均照度を３．４２ｍＷ／ｃｍ^２にしたときについて各々実験を行なった。ランプ以外の他の実験条件は、上述した実験条件と同じである。なお、同じ光触媒の表面であっても、ランプからの距離等により照度が異なるので、ここでは、光触媒の表面の複数箇所について照度を測定して得た値を平均した平均照度を用いている。図４は、本実験の結果得られたデータに基づいて作成した、アンモニアの除去率と照射時間の関係を示す図である。

図４より、光触媒表面の照度が大きい程、アンモニアの除去率が大きくなり、また時間を長く照射する程、アンモニアの除去率が大きくなることが解かる。従来のブラックライトの光を照射する方法では、光触媒の表面の照度は約１ｍＷ／ｃｍ^２で十分であり、照度をこれ以上大きくしても効果は変らないと考えられていた。しかしながら、２５４ｎｍの波長の紫外線を照射する本発明の場合、照度が大きい程、すなわち使用するランプの容量が大きい程、アンモニアの分解処理時間を短縮することができ、またしたがって装置全体を小型化することができる。

上記の実施形態によれば、２５４ｎｍの波長の紫外線を照射することにより、従来のブラックライトを用いる方法に比べて、短時間で、アンモニアの分解処理を行うことができる。このように、従来のブラックライトの光を使用する場合に比べて、２５４ｎｍの波長の紫外線を使用すると、短時間でアンモニアの分解処理を行うことができるのは、以下の理由によると考える。波長が３６５ｎｍのブラックライトの光のエネルギーは７８．４ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、したがって、ブラックライトの光はアンモニアのＮ−Ｈ結合を解離するのに必要なエネルギーに持っていない。これに対して本実施形態の２５４ｎｍの波長の紫外線のエネルギーは１１２．７ｋｃａｌ／ｍｏｌであり、２５４ｎｍの紫外線はアンモニアのＮ−Ｈ結合を解離するのに必要十分なエネルギーを持っている。すなわち、２５４ｎｍの波長の紫外線を使用する場合、この紫外線は、単に光触媒を活性化させるだけでなく、光触媒とともにアンモニアの解離を促進していると考える。また、本実験の結果、本実施形態の場合、照射する紫外線の照度を高くすると、よりアンモニアの分解処理を短時間で行なうことができることが確認できた。したがって、本実施形態のアミン系化合物分解装置によれば、大きな容量のランプを使用することにより、従来の装置に比べて短時間でアンモニアの分解処理を行うことができ、また装備するランプの灯数が少なくてすむので、装置をより小型化することができる。

尚、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。例えば、上記の実施形態では、２５４ｎｍの波長の紫外線を照射する場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、アンモニアの解離エネルギーは、８４ｋｃａｌ／ｍｏｌであるので、この解離エネルギー以上のエネルギーを有する紫外線、すなわち波長が３４０ｎｍ以下の紫外線であればよい。波長が短い程、光子のエネルギーは大きくなるからである。

また、上記の本実施形態では、鋳造工場で発生するアンモニアを主成分とする臭気ガスを含む被処理溶液を処理する場合について説明したが、本発明これに限定されるものではなく、被処理溶液は、アミン系化合物を含む臭気ガスであれば、どのような臭気ガスの溶液であってもよい。

また、上記の本実施形態では、紫外光源として２５４ｎｍの波長の紫外線を含む光を発する低圧水銀灯を用いる場合について説明したが、紫外光源は、３４０ｎｍ以下の紫外線を含む光を発するものであれば、例えば高圧水銀灯等であってもよい。

また、上記の本実施形態では、被処理溶液を光触媒の上方から散水する場合にいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、被処理溶液中に光触媒を配置して紫外線を照射するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明のアンモニア分解装置によれば、従来の装置に比べて短時間でアンモニアを分解することができる。したがって、本発明は、鋳物工場等で使用されている臭気性ガスの脱臭装置における洗浄水の浄化装置等に適用することができる。

本発明の一実施形態であるアンモニア分解装置の概略正面図である。本発明の一実施形態であるアンモニア分解装置の概略側部断面図である。アンモニアの除去率と受光エネルギーの関係を示す図である。アンモニアの除去率と照射時間の関係を示す図である。

符号の説明

１アンモニア分解装置
１１光触媒
１２散水ノズル
１３紫外光源
１３１紫外光源の保護管
１４筐体
１５パイプ
Ａ被処理溶液

Claims

有機自硬性鋳型を用いて鋳造する際に発生する臭気ガスを回収して水に溶かし込んだ溶液であるアミン系化合物を含む被処理溶液を光触媒に接触させながら、Ｎ−Ｈ結合の解離エネルギー以上のエネルギーを有する紫外線を含む低圧水銀灯からの光を、前記光触媒の表面での平均照度が少なくとも３．４２ｍＷ／ｃｍ^２となるように、前記光触媒の表面に照射すると共に前記溶液にも照射することにより、前記アミン系化合物を分解することを特徴とするアミン系化合物分解方法。
請求項１記載の発明において、前記アミン系化合物はアンモニア（ＮＨ３）、及び又はアンモニアの水素原子を炭化水素基等の原子団で置換した化合物（すなわち、アミン）を含むことを特徴とするアミン系化合物分解方法。
請求項１又は２に記載の発明において、前記紫外線は、波長が約３４０ｎｍ以下であることを特徴とするアミン系化合物分解方法。
請求項１又は２に記載の発明において、前記紫外線は、波長が約２５４ｎｍであることを特徴とするアミン系化合物分解方法。
請求項１乃至４の何れかに記載の発明において、前記光触媒は酸化チタンを含有するものであることを特徴とするアミン系化合物分解方法。
請求項１乃至５の何れかに記載の発明において、前記アミン系化合物を含む被処理溶液をシャワー状に散水して前記光触媒に接触させるものであることを特徴とするアミン系化合物分解方法。