JP4922042B2 - 光触媒能を有するプラズマ電極、光触媒アパタイトの活性方法、ガス浄化方法、及びガス浄化装置 - Google Patents
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Description
前記プラズマを安定して放電させるには、電極間の距離をより狭く、かつ均一化することが重要である。しかし、大気圧プラズマを使った空気浄化を行う場合、電極間の狭いプラズマ空間内を、汚れた空気を通過させるのは困難で、処理効率に劣る問題がある。効率化を図るには、一回の処理における分解能力を引き上げる、即ち、プラズマ空間を長く形成するなどの対策が必要となり、装置が膨大化する、コスト高となるなどの問題がある。また、電極間距離を大きくするとプラズマ放電が不安定となるため、電圧を高くする必要があり消費電力が増大する問題がある。
しかし、前記酸化チタン等の前記半導体物質の場合、有害物質やウイルスなどに対する吸着能に乏しく、その光触媒機能に基づく十分な分解作用、抗菌作用、防汚作用等が得られ難いという問題がある。
一方、前記空気清浄機におけるフィルターに、吸着性能に優れる光触媒活性を有するアパタイトを付着させたものが開示されている(特許文献3参照)。特許文献3では、空気がフィルターを通過する際に、プラズマ放電により空気中の有害物質やウイルスなどを帯電させ、前記フィルターの光触媒活性を有するアパタイトによる有害物質やウイルスなどを吸着させるとともに、前記プラズマの光によりその光触媒活性を活性化して、吸着された有害物質やウイルスなどの分解を行なうものである。
しかし、この場合、プラズマエネルギーにより有害成分を分解することについては開示がない。
本発明の光触媒能を有するプラズマ電極は、電圧の印加により大気圧プラズマを発生する放電部を少なくとも備えたプラズマ電極であって、該放電部の放電面の少なくとも一部に複数の突起部を有し、該突起部間に光触媒活性を有するアパタイトを、該突起部の高さよりも低くなるよう担持させたことを特徴とする。
該光触媒能を有するプラズマ電極においては、放電部に電圧が印加され、大気圧プラズマが発生する。該プラズマエネルギーにより、例えば、プラズマ放電場(以下、プラズマ空間と称することがある)中を通過する気体中の有害成分などの分解対象物が分解される。また、光触媒活性を有するアパタイト(以下、「光触媒アパタイト」と称することがある)の優れた吸着能により、有害成分が吸着される。前記大気圧プラズマの発生により生じる光が、前記光触媒アパタイトに照射され、その光触媒活性が励起される。該光触媒活性により、前記光触媒アパタイトに吸着された有害成分が分解される。その結果、プラズマエネルギーによる有害成分の分解能と、前記光触媒アパタイトが有する有害成分の分解能との相乗効果により、NOx、SOx、酸化エチレンガスなどの有害物質、臭い成分、ウイルスなどの病原、その他の有害成分が、簡便かつ効果的に分解除去される。
従来、不導体である光触媒アパタイトを電極表面に成膜などにより付着させるのは困難である。また、該不導体の光触媒アパタイトで電極表面を被覆した場合、プラズマ放電が不安定となることがあり、分解処理に高電圧が必要となって消費電力が増大することがある。
しかし、本発明の前記光触媒能を有するプラズマ電極では、放電面に突起部を設け、該突起部の先端を、前記光触媒アパタイトから突出させているので、安定した放電が可能となり、プラズマエネルギーによる分解性能を向上させることができるとともに、消費電力の節約が可能となる。
また、前記突起部間に前記光触媒アパタイトを担持させているので、成膜などの特殊な技術を必要とせず、前記光触媒アパタイトを電極に確実かつ簡単に付着させることができ、生産性も向上する。また、安定した大気圧プラズマの発光により、前記光触媒アパタイトによる有害成分の分解を効率的に行なうことができる。
該光触媒アパタイトの活性方法では、電極間に電圧を印加して大気圧プラズマを発生させる。該大気圧プラズマのプラズマエネルギーにより、処理ガス、処理ガス中の有害成分、その他の分解対象物が分解される。一方、前記光触媒アパタイトの有する吸着能により、有害成分が吸着される。前記大気圧プラズマの光が、前記光触媒アパタイトに照射される。該光触媒アパタイトの光触媒活性が励起され、該光触媒アパタイトにより吸着された有害成分が分解される。その結果、プラズマエネルギーによる有害成分の分解能と、前記光触媒アパタイトが有する有害成分の分解能との相乗効果により、NOx、SOx、酸化エチレンガスなどの有害物質、臭い成分、ウイルスなどの病原、その他の有害成分が、簡便かつ効果的に分解除去される。
該光触媒アパタイトの活性方法では、本発明の前記光触媒能を有するプラズマ電極を用いているので、低電圧でも安定したプラズマ放電が可能となり、光触媒活性の励起を、効率的に行なうことができる。
該ガス浄化方法においては、放電部に電圧が印加され、大気圧プラズマが発生する。該プラズマエネルギーにより、例えば、プラズマ放電場中を通過する浄化対象ガス中のNOx、SOx、酸化エチレンガスなどの有害物質、臭い成分、ウイルスなどの病原、その他の有害成分(分解対象物)が分解される。また、前記光触媒アパタイトの吸着能により、前記有害成分が吸着される。前記プラズマの発生により生じる光が、光触媒アパタイトに照射され、その光触媒活性が励起される。該光触媒活性により、光触媒アパタイトに吸着された有害成分が分解される。その結果、プラズマエネルギーによる有害成分の分解能と、前記光触媒アパタイトが有する有害成分の吸着能及び分解能との相乗効果により、浄化対象ガス中のNOx、SOx、酸化エチレンガスなどの有害物質、臭い成分、ウイルスなどの病原、その他の有害成分が、簡便かつ効果的に分解され、優れたガスの浄化が可能となる。
該ガス浄化装置においては、放電部に電圧が印加され、大気圧プラズマが発生する。該プラズマエネルギーにより、例えば、プラズマ放電場中を通過する浄化対象ガス中のNOx、SOx、酸化エチレンガスなどの有害物質、臭い成分、ウイルスなどの病原、その他の有害成分(分解対象物)が分解される。また、前記光触媒アパタイトの吸着能により、前記有害成分が効率的に吸着される。前記プラズマの発生により生じる光が、光触媒アパタイトに照射され、その光触媒活性が励起される。該光触媒活性により、光触媒アパタイトに吸着された有害成分が分解される。その結果、プラズマエネルギーによる有害成分の分解能と、光触媒アパタイトが有する有害成分の吸着能及び分解能との相乗効果により、浄化対象ガス中のNOx、SOx、酸化エチレンガスなどの有害物質、臭い成分、ウイルスなどの病原、その他の有害成分が、簡便かつ効果的に分解され、ガスの優れた浄化が可能なガス浄化装置が得られる。
本発明の光触媒能を有するプラズマ電極は、放電部と、光触媒活性を有するアパタイト(光触媒アパタイト)とを少なくとも有してなり、プラズマの作用と光触媒の作用とを融合させたものである。
<放電部>
前記放電部は、放電面の少なくとも一部に、複数の突起部を有し、該突起部間に光触媒アパタイトを担持させている。この場合、突起部の高さよりも光触媒アパタイトが低くなるように担持させ、突起部の先端が光触媒アパタイトに埋もれることなく、光触媒アパタイトから外方に突出するようにする。
このように、放電面に突起部を設け、かつ、突起部を光触媒アパタイトよりも外方に突出させていることにより安定した放電が可能となり、プラズマエネルギーの分解能を効率的かつ経済的に発現させることができる。
前記放電部の構造としては、電圧の印加により大気圧プラズマを発生させ、かつ、該大気圧プラズマの光により、光触媒アパタイトの光触媒活性を励起するものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
例えば、金属製の第一の電極板と、第二の電極板とからなり、いずれか又は双方の放電面に、突起部を設けて光触媒アパタイトを担持させてもよい。
また、第一の電極板と、第二の電極板との間に、円筒型の第三の電極を配置し、第一の電極板と円筒型の第三の電極との間、及び第二の電極板と円筒型の第三の電極との間に、各々プラズマ空間が形成されるように形成してもよい。これら第一〜第三の電極の放電面の少なくともいずれかに、突起部を設けて光触媒アパタイトを担持させる。
前記突起部としては、その形状、大きさ、数などは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、突起部の先端が、尖端であるのが好ましく、少ない電圧で安定したプラズマ放電が可能となる。
前記尖端を有する突起部を得るため、例えば、放電面に、断面が三角形状の長尺な突条を複数本、平行に突設けて突起部としてもよいし、放電面に、V字状の溝を複数本、平行に凹設して、溝間に突起部を設けてもよい。また、円錐形、角錐形の突起部を複数個、設けてもよい。
また、前記複数の突起部の配置としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、ランダムに配置してもよいが、等間隔で配置するのが好ましく、より安定したプラズマ放電が可能となるとともに、光触媒アパタイトを均一かつ安定して担持させることができる。
前記放電部に印加する電圧としては、数kV〜十数kVが好ましく、低電圧であっても効果的な放電が可能となる。
光触媒アパタイトは、紫外線により光触媒活性が励起されるものを用いるのが好ましい。前記大気圧プラズマの光の波長は、380nmであり、光触媒アパタイトの励起波長と一致するため、光触媒アパタイトの光触媒活性を効果的に励起させることができる。
前記光触媒アパタイトとしては、前記大気圧プラズマの光の照射により活性化されるものであれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記光触媒アパタイトの形態としては、特に制限はなく、その形状、大きさ、比重等については適宜選択することができるが、例えば、粒子状(粒状)、粉状、多孔質固形状、などが好適に挙げられる。これらの中でも、前記プラズマ電極に、浸漬、コーティングなどによって付着させ易い点で、粒子状(粒状)であるのが特に好ましい。
また、前記粒子状(粒状)の光触媒アパタイトは、更に表面に凹凸を有する形状、例えば、イガグリ形状であるのが好ましい。この場合、その表面積が拡大し、分解対象物との接触効率がより向上する。
前記光触媒アパタイトの大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前光触媒アパタイトが前記粉状乃至粒子状(粒状)である場合の粒度分布(粒子径分布)としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記粒度分布がシャープである(狭くなる)程、前記光触媒アパタイトを、前記コート剤や塗料などに均一に分散させることができる。
これらの光触媒の中でも、光触媒活性を有するアパタイトと、更に紫外光吸収性金属原子を少なくともを含んでなるものが好ましい。また、可視光吸収性金属原子を含んでなるものを用いてもよい。前記光触媒が、前記紫外光吸収性金属原子を含んでいると、大気圧プラズマから生じる紫外光の照射条件下での使用に好適な点で有利であり、前記可視光吸収性金属原子を含んでいると、紫外光以外の可視光などでの光触媒の活性化が可能となる点で有利である。
なお、本発明においては、前記光触媒アパタイトは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
Bは、リン原子(P)及び硫黄原子(S)のいずれかを表し、これらの中でも、生体親和性に優れる点で、リン原子(P)が好ましい。
Oは、酸素原子を表す。
Xは、水酸基(OH)、CO3、及びハロゲン原子のいずれかを表し、これらの中でも、前記Aの金属原子と共に金属酸化物型の光触媒性部分構造を形成可能な点で、水酸基(OH)が特に好ましい。なお、前記ハロゲン原子としては、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子、などが挙げられる。
m、n、z、及びsは、整数を表し、例えば、電荷バランスが良好な点で、mは、8〜10が好ましく、nは、3〜4が好ましく、zは、5〜7が好ましく、sは、1〜4が好ましい。
前記アパタイトの含有量が、85mol%未満であると、前記光触媒の光触媒活性が十分でないことがあり、97mol%を超えても、それに見合う効果が得られず、また、該光触媒の前記有害成分(分解対象物)に対する吸着特性や光触媒活性などが低下することがある。
なお、前記アパタイトの前記光触媒における含有量は、例えば、ICP−AESによる定量分析を行うことにより測定することができる。
前記光触媒活性を有するのに必要な金属原子の含有量が、5mol%未満であると、前記光触媒の光触媒活性が十分でないことがあり、15mol%を超えても、それに見合う効果が得られず、また、該光触媒の分解対象物に対する吸着特性や光触媒活性等が劣化することがある。
なお、前記光触媒活性を有するのに必要な金属原子の前記光触媒における含有量は、例えば、ICP−AESによる定量分析を行うことにより測定することができる。
このような光触媒性部分構造を有する前記アパタイトは、光触媒活性を有し、また、アパタイト構造部分が吸着特性に優れ、光触媒活性を有する公知の金属酸化物よりも、有害成分(分解対象物)に対する吸着特性に優れるため、前記病原の分解作用、抗菌作用、前記病原の増殖阻止乃至抑制作用、更には、防汚作用などにも優れる。
前記光触媒活性を有するアパタイトの市販品としては、例えば、前記カルシウム・チタンハイドロキシアパタイトでは、太平化学産業株式会社製の商品名「PCAP−100」などが好適に挙げられる。図1に、該「PCAP−100」の二次粒子の電子顕微鏡写真を示す。該写真によれば、ナノオーダーの微細な一次粒子が凝集して、球状の二次粒子が形成されている。
前記可視光吸収性金属原子の含有量が、0.001mol%未満であると、前記光触媒の可視光の吸収能が十分でないことがあり、1mol%を超えてもそれに見合う効果が得られず、前記光触媒の前記有害成分(分解対象物)に対する吸着性能が低下等してしまうことがある。
なお、前記可視光吸収性金属原子の前記光触媒における含有量は、例えば、ICP−AESによる定量分析を行うことにより測定することができる。
前記紫外光吸収性金属原子の含有量が、0.001mol%未満であると、前記光触媒の紫外光の吸収能が十分でないことがあり、0.1mol%を超えてもそれに見合う効果が得られず、前記光触媒アパタイトの前記有害性分(分解対象物)に対する吸着性能が低下したり、可視光の吸収能が低下等してしまうことがある。
なお、前記紫外光吸収性金属原子の前記光触媒における含有量は、例えば、ICP−AESによる定量分析を行うことにより測定することができる。
前記含有量の合計が、15mol%を超えてもそれに見合う光触媒活性の向上効果が得られず、却って光触媒活性が低下することがある。
このような光触媒アパタイトは、前記有害成分(分解対象物)の吸着性能に優れ、また、前記光触媒が前記紫外光吸収性金属原子も含む場合には、大気圧プラズマから生じる紫外光により光触媒アパタイトの光触媒能を活性化させるのに好適に使用可能である。そして、該光触媒アパタイトは、可視光及び紫外光のいずれを照射した場合においても光触媒活性が飽和することがなく、長期間にわたって優れた光触媒活性を示し、特に紫外光を長期間にわたって照射した場合においても光触媒活性が飽和することがなく優れた光触媒活性(光触媒能)を維持可能な点で有利である。
なお、前記光触媒の同定・形態等の観察は、例えば、TEM、XRD、XPS、FT−IR等に行うことができる。
光触媒活性を有するアパタイトの一次粒子(単結晶)としては、10nm〜1μmの粒子径分布を有するのが好ましい。
前記置換の態様としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記光触媒活性を有するアパタイトとして、前記光触媒活性を有するのに必要な金属原子を有してなるアパタイトを用いた場合、該金属原子の少なくとも一部を、前記紫外光吸収性金属原子等により置換させる態様、などが好適に挙げられる。この態様の場合には、前記紫外光吸収性金属原子等が、前記アパタイトに脱落不能に保持される点で有利である。
なお、前記水溶液は、静置しておいてもよいが、攪拌した方が前記置換が効率的に行われる点で好ましい。なお、該攪拌は、公知の装置、手段を用いて行うことができ、例えば、マグネティックスターラーを用いてもよいし、攪拌装置を用いてもよい。これらの方法の中でも、簡便に操作可能な点で、浸漬法がより好ましい。
なお、前記光触媒活性を有するアパタイトを出発物質として用いる態様の場合には、予めNiがドープされているカルシウム・チタンハイドロキシアパタイト(TiHAP)を、前記光触媒活性を有するアパタイトとして好適に使用することができる。
前記アパタイトの濃度が、0.3質量%未満であると、光触媒活性が低下することがあり、1.0質量%を超えても、それに見合う光触媒活性の向上効果が得られず、却って光触媒活性が低下することがある。
前記可視光吸収性金属原子の濃度が、1×10−4M未満であると、可視光応答性が低下することがあり、1×10−3Mを超えても、それに見合う可視光応答性の向上効果が得られず、却って可視光応答性が低下することがある。
前記紫外光吸収性金属原子の濃度が、1×10−3M未満であると、紫外光に対する光触媒活性が低下することがあり、1×10−2Mを超えても、それに見合う光触媒活性の向上効果が得られず、却って紫外光に対する活性が低下することがある。
該塩又は水和物としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記可視光吸収性金属原子が、クロム(Cr)及びニッケル(Ni)である場合には、これらから選択される少なくとも1種を含む塩であるのが好ましく、塩化物や硫酸塩では光触媒活性を低下させることがあるため、硝酸塩やアンモニウム塩であるのが特に好ましい。
この場合、該液としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、水乃至水を主体にした液が好ましい。
なお、該液を収容する容器としては、特に制限はなく、公知のものの中から適宜選択することができ、例えば、ラージスケールであれば混合器、攪拌器などが挙げられ、スモールスケールであればビーカーなどが好適に挙げられる。
前記温度としては、特に制限はなく、材料の種類や量比等に応じて異なり、一概に規定することはできないが、例えば、通常、0℃〜100℃程度であり、室温(20℃〜30℃)が好ましい。前記時間としては、特に制限はなく、材料の種類や量比に応じて異なり、一概に規定することはできないが、通常、10秒〜30分間程度であり、1〜10分間がより好ましい。前記圧力としては、特に制限はなく、材料の種類や量比等に応じて異なり、一概に規定することはできないが、通常、大気圧であるが好ましい。
なお、前記光触媒における、前記光触媒活性を有する金属、前記紫外光吸収性金属原子等の量は、これらの添加量(M)、あるいは前記条件を適宜調整することにより、所望に制御することができる。
前記焼成の温度が、600℃未満であると、光触媒活性が最大とならないことがあり、800℃を超えると、分解が生ずることがある。
前記焼成を行うことにより、前記紫外光吸収性金属原子等をドープした、前記光吸収活性を有するアパタイトの結晶性を高めることができ、前記光触媒における光触媒能(吸着特性、光触媒活性などを含む)をより高めることができる。
本発明の光触媒能を有するプラズマ電極の一例を、図2に示す。該プラズマ電極は、図2に示すように、金属板からなる第一の電極1(電極板)と、第二の電極2(電極板)との間に、棒状(円柱状)電極3を、図2中の矢印方向に回転可能に配置して放電部4を構成している。これらに接続した電源5から、電圧を印加することにより、前記第一の電極1と棒状電極3との間、及び前記第二の電極2と棒状電極3との間に、大気圧プラズマが発生し、プラズマ空間6が形成される。前記棒状電極3は、その放電面に一定間隔でV字状の溝7が形成され、尖端状の先端を有する複数の突起部8が、一定間隔で放射状に形成されている。該突起部8間の前記溝7内に、光触媒アパタイトを担持させ、光触媒層9を形成している。該光触媒層9の厚みは、前記突起部8の高さよりも低く形成し、突起部8の先端を光触媒層9から外方に突出させている。なお、前記棒状電極3は、不動に形成してもよいが、本態様のように回転可能に形成することにより、棒状電極3の光触媒層9全体に大気圧プラズマの光を照射することが可能となり、光触媒層9を局所的にではなく均一に活性化させることができ、光触媒アパタイトによる有害成分の分解能を効率的に発揮させることができる。
なお、前記態様では、棒状電極のみに突起部及び光触媒層を設けているが、他の異なる態様として、第一、第二の電極のいずれか又は双方に、突起部及び光触媒層を設けてもよい。
また、前記実施形態では、第一及び第二の電極板の間に円筒状電極を配置しているが、更に異なる形態として、円筒状の電極内に、前記棒状電極を不動又は回転可能に配置してもよい。
本発明の前記光触媒アパタイトの活性方法は、本発明の前記光触媒能を有するプラズマ電極を用いるものであって、電極間に電圧を印加して大気圧プラズマを発生させ、該大気圧プラズマの光を、光触媒活性を有するアパタイトに照射することを少なくとも含む。
該大気圧プラズマの光の照射により、前記光触媒アパタイトの光触媒活性が励起され、優れた酸化分解作用、抗菌作用、防汚作用が発揮される。
前記光触媒アパタイトとしては、本発明の前記光触媒能を有するプラズマ電極で用いたものと同様のものが好適に用いられる。これらの中でも、光触媒能に優れ、前記大気圧プラズマの光(波長380nm)で光触媒能が励起される観点から、光触媒活性を有するのに必要な金属原子として、チタンを有する光触媒チタンアパタイトが最も好ましく挙げられる。
前記基材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、不織布、織布などからなるフィルターが好ましい。該フィルターに、光触媒アパタイトを付着させることにより、フィルター内を有害成分を含む気体などが通過する際に、有害成分が光触媒アパタイトに吸着される。また、光触媒アパタイトにより吸着しにくい比較的大きな埃、粉塵、細菌などであっても、フィルターにより捕捉することができる。そして、大気圧プラズマの光が、フィルターの光触媒アパタイトに照射されることにより、光触媒能が励起されて、前記光触媒アパタイトに吸着された有害成分が分解除去される。
本発明の前記ガス除去方法は、本発明の前記光触媒アパタイトの活性方法を用いて行なわれ、電極間に電圧を印加して発生した大気圧プラズマと、該大気圧プラズマの光によって光触媒活性が励起された光触媒アパタイトとにより、浄化対象ガスを分解することを少なくとも含み、必要に応じて、大気圧プラズマから発生するオゾンの除去、フィルターなどによる有害成分の捕捉などを行なってもよい。
本発明の前記ガス浄化装置は、本発明の前記ガスの浄化方法に用いられ、例えば、大気圧プラズマを発生させる電極と、該大気圧プラズマの光により励起される光触媒アパタイトと、を少なくとも有し、必要に応じて、大気圧プラズマから発生するオゾンの除去手段、フィルターなどの有害成分の捕捉手段、などを有してもよい。また、浄化対象ガスの導入口と、導出口とを備えたチャンバーを有し、該チャンバー内に電極及び光触媒アパタイトを配置してもよい。
以下、本発明の前記ガス浄化装置について説明することにより、本発明のガス浄化方法についても明らかにする。
前記電極としては、本発明の前記光触媒能を有するプラズマ電極が用いられ、必要に応じて、従来公知の電極を併用してもよい。該従来公知の電極に光触媒アパタイトを付着させてもよいし、該電極からの大気圧プラズマが照射可能な位置に、光触媒アパタイトを付着させた基材などを配置してもよい。
本発明の前記光触媒能を有する電極を用いることにより、光触媒アパタイトを電極に付着させたり、光触媒アパタイトを付着させた基材を配置する手間がなく、しかも、安定して大気圧プラズマを発生させることができ、光触媒アパタイトの光触媒活性を簡易かつ効果的に励起させることができ、優れた光触媒能が得られるとともに、大気圧プラズマの作用の相乗効果により、優れたガス浄化作用が得られる。
前記光触媒アパタイトとして、本発明の前記光触媒能を有するプラズマ電極で用いたものと同様のものが好適に用いられる。これらの中でも、光触媒能に優れ、前記大気圧プラズマの光(波長380nm)で光触媒能が励起される観点から、光触媒活性を有するのに必要な金属原子として、チタンを有する光触媒チタンアパタイトが最も好ましく挙げられる。
前記基材としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、前記光触媒アパタイトの活性方法で述べたような、不織布、織布などからなるフィルターが好ましく、光触媒アパタイトの簡易な付着が可能となるとともに、粒子径の大きな有害物質や細菌などを捕捉することができる。
前記オゾン除去手段は、大気圧プラズマにより発生するオゾンを外部に放出させないために設けるものであり、特に制限はなく、従来公知のものを用いることができる。例えば、優れたオゾン分解能を有する活性炭を担持させたフィルターを用いることにより、オゾン除去を簡易かつ確実に行なうことができる。
<捕捉手段>
前記捕捉手段は、処理対象ガス内に含まれる有害物質、臭い成分、ウイルスなどの病原、その他の有害成分を、捕捉する手段であり、前記フィルターなどが好適に挙げられる。なお、このようなフィルターで有害成分を捕捉することにより、プラズマ発光により生じたオゾンが、処理対象ガスとともにフィルター側に流れてくると、該オゾンによりフィルターに付着した有害成分を分解又は不活性化することができ、ガス浄化作用を、より向上させることができる。
−第一の態様−
前記ガス浄化装置の第一の態様としては、図2に示すような光触媒アパタイトを突起部間に備えたプラズマ電極そのものをガス浄化装置として用いることができる。該プラズマ電極の詳細は、上述したとおりである。
また、図示はしないが、図2に示すような光触媒能を有するプラズマ電極を、浄化対象ガスの導入口と、導出口とを備えたチャンバー内に配置し、ガス浄化装置を形成してもよい。
前記ガス浄化装置の第二の態様を、図3に示す。該図3に示すガス浄化装置100は、処理対象ガスの導入口14と導出口15とを備えたチャンバー16内に前記本発明の光触媒能を有するプラズマ電極10を備え、該電極10の図3中に矢印で示す処理対象ガスの流れに対して、上流側(導入口14側)及び下流側(導出口15側)に、光触媒アパタイトを付着させたフィルター11a、bを配置し、前記電極10から発生する大気圧プラズマの光を照射可能としている。また、該フィルター11aの上流側及びフィルター11bの下流側に、光触媒アパタイトを付着させていないフィルター12a、12bを各々配置し、更に、フィルター12bの下流側に、オゾン除去機能を有するフィルター13を配置している。
また、前記プラズマ電極10では、図4に示すように、放電部4が、縦方向に3セット配置されている。各放電部4は、金属板で形成された第一の電極1及び第二の電極2の間に、ガラス棒の表面を金属でコーティングして形成した棒状電極3が配置されている。該棒状電極3は、表面に突起部(不図示)が形成され、該突起部間に、光触媒アパタイトが担持されている。また、前記プラズマ電極10は、各放電部4内を、処理対象ガスが流通可能に形成されている。
このように、大気圧プラズマの分解作用と、光触媒アパタイトの分解作用との相乗効果により、優れたガス浄化が可能となる。
また、プラズマ電極10から生じるオゾンが、フィルター11b、12b側に流れてくることにより、該フィルター11b、12bで捕捉された有害成分が酸化分解され、よりガス浄化作用を向上させることができる。なお、オゾンは、オゾン除去機能を備えたフィルター13により分解されるため、外部に排出されることはなく、浄化が良好に行なわれた処理対象ガスが、導出口15から排出される。
なお、一度の処理で浄化が仕切れなかった場合、又はより確実な浄化を行なうため、導出口15から排出された処理対象ガスを、導入口14からチャンバー16内に導入して、繰り返し浄化処理を行ってもよく、ガス浄化度をより向上させることができる。
<ガス浄化装置>
ガス浄化装置として、インパクトワールド株式会社製のVOC(Volatile Organic Compound)分解装置(μPS−FL01−T002)を使用した。該VOC分解装置内には、図2に示すように、金属板製の第一及び第二電極1、2との間に、放射状に複数の突起部8を設けた棒状(円柱状)電極3が回転可能に配置されている。該棒状電極3の突起部8間に、光触媒アパタイトとして、図1に示すカルシウム・チタンハイドロキシアパタイト(TiHAP;太平化学産業株式会社製、PCAP−100、平均粒子径3〜8μmの白色粉体)を担持させて、光触媒能を有するプラズマ電極を作製した。
病院では、滅菌ガスとして酸化エチレンが使用されるが、この成分は人体にとっても好ましくない。該病院内の環境浄化(ガス浄化)を想定して、酸化エチレンを10ppm含んだ空気を、前記ガス浄化装置内に1m3/minで導入して、酸化エチレンの分解による浄化能力の測定実験を行なった。なお、空気中の酸化エチレン濃度は、ガスクロマトグラフィーにより測定した。
その結果、図5に示すように、約20分後に酸化エチレン濃度を0.3ppmまで減少させることができ、優れたガス浄化作用が得られたことが判った。
前記ガス浄化装置では、酸化エチレンが大気圧プラズマにより発生したオゾンによって、アセトアルデヒドとホルムアルデヒドとに酸化分解される。これらが、光触媒アパタイトにより吸着された後、酸化分解されて、無害な水と二酸化炭素とに分解される。また、一部分解しきれなかったアセトアルデヒド及びホルムアルデヒドは、再度ガス浄化装置内に導入され、プラズマエネルギーにより更に小さな分子構造の成分に分解されたり、光触媒アパタイトに分解されることにより、最終的に無害な水と二酸化炭素とに分解される。
ガス浄化装置として、インパクトワールド株式会社製のVOC分解装置(μPS−FL01−T002)を使用し、棒状電極に光触媒アパタイトを担持させなかったこと以外は、実施例1と同様にして、酸化エチレンガスの浄化実験を行なった。
その結果、図5に示すように、酸化エチレン濃度を0.3ppmまで減少させるのに、60分以上の時間が必要であった。
ガス浄化装置として、インパクトワールド株式会社製のVOC分解装置(μPS−FL01−T002)を使用し、光触媒アパタイトの代わりに、棒状電極に酸化チタンを担持させたこと以外は、実施例1と同様にして、酸化エチレンガスの浄化実験を行なった。
その結果、図5に示すように、酸化エチレン濃度を0.3ppmまで減少させるのに、30分以上の時間が必要であった。
<ガス浄化装置及び浄化実験>
実施例1のガス浄化装置に代え、図4に示すプラズマ電極を備え、プラズマ電極10の上流側及び下流側に、光触媒アパタイトをとして、実施例1と同様の太平化学産業株式会社製、PCAP−100を付着させたフィルター11a、11bを配置した、図3に示すようなガス浄化装置を用いることがきる。該ガス浄化装置においても、実施例1と同様に、大気圧プラズマの作用と光触媒アパタイトの作用の相乗効果により、短時間で優れたガス浄化が可能である。
<ガス浄化装置及び浄化実験>
比較例3では、実施例2と同様のガス浄化装置において、プラズマ電極10の上流側と下流側に配置したフィルター11a、11bに、光触媒アパタイトを付着させずに、ガス浄化実験を行なう。この場合ガス浄化がプラズマエネルギーのみで行なわれるため、処理効率が悪く、ガス浄化に長時間を要する。
(付記1) 電圧の印加により大気圧プラズマを発生する放電部を少なくとも備えたプラズマ電極であって、該放電部の放電面の少なくとも一部に複数の突起部を有し、該突起部間に光触媒活性を有するアパタイトを、該突起部の高さよりも低くなるよう担持させたことを特徴とする光触媒能を有するプラズマ電極。
(付記2) 前記突起部の先端が、尖端である付記1に記載の光触媒能を有するプラズマ電極。
(付記3) 前記複数の突起部が、等間隔で位置された付記1から2のいずれかに記載の光触媒能を有するプラズマ電極。
(付記4) 前記光触媒活性を有するアパタイトが、カルシウムハイドロキシアパタイトCa10(PO4)6(OH)2である付記1から3のいずれかに記載の光触媒能を有するプラズマ電極。
(付記5) 付記1から4のいずれかに記載の光触媒能を有するプラズマ電極を用いた光触媒アパタイトの活性方法であって、該プラズマ電極間に電圧を印加して大気圧プラズマを発生させ、該大気圧プラズマの光を、前記光触媒活性を有するアパタイトに照射することを特徴とする光触媒アパタイトの活性方法。
(付記6) 前記大気圧プラズマの光の波長が、380nmである付記5に記載の光触媒アパタイトの活性方法。
(付記7) 前記大気圧プラズマを発生させるプラズマ電極表面に、前記光触媒活性を有するアパタイトを付着させた付記5から6のいずれかに記載の光触媒アパタイトの活性方法。
(付記8) 前記大気圧プラズマを発生させるプラズマ電極に近接して、前記光触媒活性を有するアパタイトを付着させた基材を少なくとも1個配置した付記5から7のいずれかに記載の光触媒アパタイトの活性方法。
(付記9) 付記5から8のいずれかに記載の光触媒アパタイトの活性方法を用いたガス浄化方法であって、前記プラズマ電極間に電圧を印加して発生した大気圧プラズマと、該大気圧プラズマの光によって光触媒活性が励起された光触媒アパタイトとにより、浄化対象ガスを分解することを特徴とするガス浄化方法。
(付記10) 前記大気圧プラズマの光の波長が、380nmである付記9に記載のガス浄化方法。
(付記11) 付記9又は10に記載のガス浄化方法に用いられることを特徴とするガス浄化装置。
(付記12) 前記浄化対象ガスの流通経路であって、大気圧プラズマを発生させる前記プラズマ電極の上流側及び下流側の少なくともいずれかに、前記光触媒活性を有するアパタイトを付着させた基材を少なくとも1個配置した付記11に記載のガス浄化装置。
(付記13) 前記プラズマ電極及び前記光触媒活性を有するアパタイトが、浄化対象ガスの導入口と、導出口とを備えたチャンバー内に配置された付記11又は12に記載のガス浄化装置。
本発明の光触媒アパタイトの活性方法は、プラズマエネルギーにより光触媒アパタイトを効果的に活性化させることができ、該光触媒アパタイトの有する吸着能及び分解能と、プラズマエネルギーによる分解能との相乗効果により、分解対象物の分解除去を簡便かつ効果的に行なうことが可能となる。そのため、本発明のガス浄化方法、ガス浄化装置に好適に用いることができる。
本発明のガス浄化方法及びガス浄化装置は、プラズマエネルギーにより光触媒アパタイトを効果的に活性化させることができ、該光触媒アパタイトの有する吸着能及び分解能と、プラズマエネルギーによる分解能との相乗効果により、分解対象物の分解除去を簡便かつ効果的に行なうことが可能となる。そのため、空気浄化装置、排気ガスその他の有害ガス分解装置、VOC分解装置など、環境浄化に好適に用いることができる。
2 第二の電極
3 棒状電極
4 放電部
5 電源
6 プラズマ空間
7 溝
8 突起部
9 光触媒層
10 プラズマ電極
11 フィルター(光触媒アパタイト有り)
12 フィルター(光触媒アパタイトなし)
13 フィルター(オゾン除去手段)
14 導入口
15 導出口
16 チャンバー
100 ガス浄化装置
Claims (5)
- 処理対象ガスの導入口及び導出口を備えたチャンバー内に、
電源に接続された第一の電極と第二の電極との間に、
表面に等間隔で形成された複数の尖端部が形成され、かつ隣接する該尖端部間に、光触媒アパタイトが担持されてなる棒状電極を配してなり、
前記第一の電極と前記棒状電極と前記第二の電極とにより、プラズマを発生させる放電部を形成したことを特徴とするガス浄化装置。 - 前記放電部を複数有してなる請求項1に記載のガス浄化装置。
- 棒状電極が回転可能である請求項1から2のいずれかに記載のガス浄化装置。
- 前記放電部よりも導入口側及び導出口側にフィルターを配してなる請求項1から3のいずれかに記載のガス浄化装置。
- 棒状電極が、ガラス棒の表面に金属コーティングがされ、かつ放射状に複数の尖端部が形成され、隣接する該尖端部間に光触媒アパタイトが担持されてなる請求項1から4のいずれかに記載のガス浄化装置。
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