JP5008193B2 - 水溶性ガス捕集構造 - Google Patents

Description

本発明は、水蒸気、水溶性ガスおよび粒子を含む通過気体中に含まれるホルムアルデヒド、二酸化窒素（ＮＯ_２）、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）等の水溶性ガスを粒子から分離して捕集するための水溶性ガス捕集構造に関するものである。

特許文献１には、本願発明者らが発明した水溶性ガス捕集構造（以下、適宜「先行捕集構造」という）が開示されている。先行捕集構造は、水溶性ガス捕集用の拡散スクラバーと、二酸化窒素捕集用の第１の吸着管と、一酸化窒素捕集用の第２の吸着管と、を含めて構成されている。拡散スクラバーは、多孔質中空管の外側に水を導入し、その多孔質中空管の内側を流れる水溶性ガスを吸収するように構成されている。特許文献１にいう水溶性ガスとは、塩酸、硝酸、アンモニア等のことをいい、二酸化窒素は含まれない。二酸化窒素は第１の吸着管により吸着される。第１の吸着管は、試料ガスが通過するガラス管を有し、ガラス管の内壁表面には、酸化チタン微粒子とガス吸着剤（ハイドロキシアパタイト）とがバインダーとともに塗布されている。また、第１の吸着管のガラス管内側には石英管が挿入され、石英管中心部には、紫外線ランプが配されている。ガラス管と石英管との間がガス流路となる。第１の吸着管は、上述したように、二酸化窒素を吸着するためのものであるが、そのとき紫外線ランプは点灯されない。すなわち、酸化チタンは紫外線を受けないので、その表面で酸化作用を生じない。すなわち、酸化チタンはガス吸着には寄与せず、二酸化窒素はもっぱらガス吸着剤によって吸着されることになる。第２の吸着管は、上述した第１の吸着管と同じ構造を備え、紫外線ランプ点灯により、酸化チタン表面の光触媒による酸化作用によって二酸化窒素はもちろん一酸化窒素も硝酸に酸化されてガス吸着剤によって吸着される。
特許３１９２３４２号公報（００１２〜００１５、００２８、図２及び３参照）

上述した先行捕集構造は、水溶性ガス、二酸化窒素及び一酸化窒素を効率よく捕集できるものである一方、水溶性ガス捕集用のスクラバーとは別に二酸化窒素捕集用の吸着管を必要とする点で、より単純な構造によるより経済的かつ簡便な水溶性ガス捕集構造が求められていた。本発明が解決しようとする課題は、単純な構造であって経済的かつ簡便な水溶性ガス捕集構造を提供することにある。

上記課題を解決するために発明者は、上掲した第１の吸着管について詳細な検討を行った。その結果、ガラス管と石英管との間の狭いガス流路に臨む酸化チタン表面には、通過気体もしくは通過気体を通過させる前に当該通気路に存した気体のうち何れか一方または双方の中に含まれる水蒸気を吸着することによって吸着水の層（表面吸着水層）が形成されることを見出した。そして、酸化チタン表面の表面吸着水に基づく超親水性についてはよく知られているが、酸化チタン表面吸着水への水溶性ガスの溶解を利用することを検討した。さらに実験を重ねた発明者は、水溶性ガスが粒子よりも拡散係数が大きいことを利用すれば通過させた気体に含まれる水溶性ガスのみが粒子と分離して上記吸着水層に拡散溶解させられる、という結論に至った。本発明は、上記経緯に基づいてなされたものである。発明の詳しい内容については、項を改めて説明する。なお、何れかの請求項に係る発明を説明するに当たって行う用語の定義等は、その性質上可能な範囲において、発明のカテゴリーの違いや記載の前後等に関わらず、他の請求項に係る発明にも適用があるものとする。

〔請求項１記載の発明の特徴〕
請求項１記載の発明に係る水溶性ガス捕集構造（以下、適宜「請求項１の捕集構造」という）は、たとえば、大気（空気）のような水蒸気、水溶性ガスおよび粒子を含む通過気体から水溶性ガスを粒子から分離して捕集する捕集構造である。ここで、請求項１の捕集構造は、当該通過気体を通過させるための通気路を挟んで対向する両側壁と、当該両側壁の少なくとも一方の対向面の少なくとも一部に形成した酸化チタン層と、を含めて構成してある。酸化チタン層は、たとえば、酸化チタンをバインダーとともに側壁に塗布したり、側壁に練りこんだり、側壁に含浸させたりすることによって形成することができる。要するに、何らかの方法により、酸化チタンの表面が通過する気体と接触可能な状態が形成されていればよい。酸化チタン層は、両側壁の両方に形成することが酸化チタン層の総面積を大きくする上で好ましいが、何れか一方の側壁にのみ酸化チタン層を形成したり、一方の側壁にのみ形成する場合においてその側壁の一部にのみ形成したりすることを妨げない。さらに、双方の側壁に酸化チタン層を形成する場合に、各々の側壁の全部又は一部に形成することもできる。このようにして形成した酸化チタン層には、それを構成する酸化チタンの格子欠損により酸素と結合していないチタンが、通過気体もしくは通過気体を通過させる前に当該通気路に存した気体のうち何れか一方または双方に含まれる水分子中の酸素と結合し、その水分子がさらに他の水分子と水素結合することによる表面吸着水層が当該酸化チタン層表面に形成される。ちなみに、水蒸気は、たとえば大気中の飽和水蒸気圧は、１７．５ｍＨｇ（２０℃）であり、ガスボンベに封入された乾燥空気（ドライエアー）中にも相対湿度で１０％以内の水蒸気が含まれている。そして、水溶性ガスが粒子よりも拡散係数が大きいことを利用して通過させた気体に含まれる水溶性ガスのみを粒子と分離して当該表面吸着水層に拡散溶解させて捕集するようになっている。気体の通気路通過は、通気路入り口側からの送風、通気路出口側からの吸引の何れか一方又は双方によって行うことができる。なお、本明細書における表面吸着水層は、水溶性ガス捕集前に通気路を通過させた（通気路に存した）気体に含まれる水蒸気のみによって形成される場合と、水溶性ガス捕集時に通気路を通過させた（通気路に存した）気体に含まれる水蒸気のみよって形成される場合と水溶性ガス捕集前及び水溶性ガス捕集時に通気路を通過させた（通気路に存した）それぞれの気体に含まれる水蒸気によって形成される場合がある。

請求項１の捕集構造によれば、両側壁間に形成された通気路を通過気体が通過すると、酸化チタン層表面に形成された表面吸着水層に水溶性ガスが粒子から分離して拡散溶解する。水溶性ガスは粒子に比べて拡散係数が大きいため拡散して表面吸着水層に溶解する（捕集される）一方、粒子は拡散係数が小さいため通気路内を直進するので表面吸着水層に捕集されない。ここで、拡散スクラバー法とは、上述したような、拡散係数の大小の差を利用して気体中のガス成分を分離吸着する方法のことをいう。表面吸着水層に水溶性ガスを拡散吸着させる請求項１の捕集構造によれば、酸化チタン層を形成しておくだけで足りガス吸着剤を用いる必要がないから、単純な構造でありながら簡便に水溶性ガスのみを粒子から分離して捕集することができる。単純な構造であるために、コスト的に有利であって経済性にも優れている。後述するように発明者らが行った実験によれば、ホルムアルデヒド、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）等の水溶性ガスに加え、二酸化窒素（ＮＯ_２）も高効率で捕集することができた。酸化チタンの光触媒作用を利用する場合とは異なり、紫外線ランプのような光源を必要としない点も、単純構造を実現できた一因である。

〔請求項２記載の発明の特徴〕
請求項２記載の発明に係る水溶性ガス捕集構造（以下、適宜「請求項２の捕集構造」という）には、請求項１の捕集構造の基本構造を備えさせた上で、前記両側壁のうち一方が外管により、他方が当該外管内部に配した内管により、それぞれ構成してある。内管は軽量化のためには中空であることが好ましいが、通気路形成の目的のみに着目する限り中空である必要はない。もっとも、内管を中空管によって構成し、その中空管の内部にさらに中空管を配して中空管同士の間に別の通気路を形成することもできる。上述した２重管、３重管に限らず、４重管以上の多重管（多重通気路）としてもよい。外管や内管は、これらをガラス管によって構成することが一般的であるが、透光性を必要としないので、ガラス管以外の素材、たとえば、金属、合成樹脂さらにセラミックス等によって構成することもできる。酸化チタン層は、外管内面若しくは内管外面の何れか一方、又は、外管内面と内管外面の双方に酸化チタン（又は、酸化チタンを含む部材）を、塗布（付着）させることによって形成するとよい。

請求項２の捕集構造によれば、外管と内管との間に通気路が形成され、その通気路において請求項１の捕集構造の作用効果と同じ作用効果が生じる。また、捕集構造を構成する素材の入手を比較的容易に行うことができる。つまり、ガラス管にせよ金属管にせよ、さらに、他の素材管にせよ管部材は比較的入手が容易であるから、捕集構造を構成する素材形態として好適である。さらに、管という極めて単純な構造により構成することによって、捕集構造そのものの単純化を実現する。

〔請求項３記載の発明の特徴〕
請求項３記載の発明に係る水溶性ガス捕集構造（以下、適宜「請求項３の捕集構造」という）には、請求項１の捕集構造の基本構造を備えさせた上で、前記両側壁が、気体通過方向に長い複数のスペーサを介して対向するシート状部材を含めて構成してある。シート状部材は、これを、たとえば、合成樹脂製のフィルムや不織布により構成することができる。酸化チタン層は、一方のシート状部材の対向面若しくは他方のシート状部材の対向面の何れか一方、又は、同対向面双方に酸化チタン（又は、酸化チタンを含む部材）を、塗布（付着、含浸等）させることによって形成するとよい。各シート状部材は、平面状のものを用いることが一般的であるが、対向関係が形成されている（通気路が確保されている）限り、また、シート状部材が充分な柔軟性等を有する限り、たとえば、湾曲させて波状に形成したり、ジグザグ状態を形成したり、巻き上げてロール状に形成したり、することもできる。小型化を図りながら表面吸着水層の面積を拡大するために有効である。スペーサを気体通過方向に長く形成したのは、通気路を横切るスペーサを排除するためである。通気路を横切るスペーサは気体通過を妨げるからである。

請求項３の捕集構造によれば、請求項１の捕集構造の作用効果に加え、対向するシート状部材の間に通気路が形成され、その通気路において請求項１の捕集構造の作用効果と同じ作用効果が生じる。シート状部材を用いて捕集構造を構成すると、表面吸着水層を形成するための酸化チタン層の面積を広く取ることができる。対向するシート状部材は、両者間に介したスペーサによって離間状態に保たれ、この離間によって通気路が形成される。極めて単純な構造であるが、表面吸着水層の面積を広く取ることができるので、高い捕集効率を期待することができる。

〔請求項４記載の発明の特徴〕
請求項４記載の発明に係る水溶性ガス捕集構造（以下、適宜「請求項４の捕集構造」という）には、請求項３の捕集構造の基本構造を備えさせた上で、前記シート状部材が、複数厚み方向に重ねてあり、各シート部材間に前記スペーサを配してある。つまり、複数のシート状部材を、各々の間にスペーサを介して離間配置することによって、１枚のシート状部材を挟んでその両側に通気路が形成される。

請求項４の捕集構造によれば、請求項３の捕集構造の作用効果に加え、複数の通気路を備えさせることによって、酸化チタンの表面吸着水層の総面積を実質的に広げることができる。複数のシート状部材をスペーサを介して幾重かに重ねるだけであるから、構造的が過度に複雑化することはない。

〔請求項５記載の発明の特徴〕
請求項５記載の発明に係る水溶性ガス捕集構造（以下、適宜「請求項５の捕集構造」という）には、請求項１乃至４何れかの捕集構造の基本構造を備えさせた上で、酸化チタン層の表面吸着水を洗浄するために前記通気路内に臨む洗浄水注入構造と、排水を当該通気路内から排出するための排水排出構造と、を含めて構成してある。

請求項５の捕集構造によれば、請求項１乃至４何れかの捕集構造の作用効果に加え、洗浄水注入構造から注入した洗浄水（たとえば、水、純水、超純水）によって酸化チタン層の表面吸着水を洗浄し、洗浄後の排水を排水構造から排出することによって表面吸着水を洗浄することができる。水溶性ガスが溶解した表面吸着水を洗浄排出することによって、酸化チタン層の表面吸着水層を綺麗な吸着水によって形成することができる。つまり、超親水性によって吸着された吸着水は、洗浄水によって容易に洗浄可能であるから、洗浄水の注入及び洗浄後の排水の排出を行うことによって綺麗な吸着水に置き換えることができる。つまり、単に水による洗浄のみで捕集構造の再使用を可能とする。捕集した水溶性ガスを排出して再利用を可能とすることによって、水溶性ガスの種類や捕集量の違いにもよるが、捕集構造を気体清浄装置の主要部分として使用することができる。また、排水を回収して化学成分を分析定量するための測定装置の主要部分としての使用も可能である。

〔請求項６記載の発明の特徴〕
請求項６記載の発明に係る水溶性ガス捕集構造（以下、適宜「請求項６の捕集構造」という）には、請求項５の捕集構造の基本構造を備えさせた上で、前記排水構造が、排水に含まれる化学成分（たとえば、化学イオン種濃度）を分析定量する分析定量装置に送水可能に構成してある。請求項６の捕集構造は、これを外付けの分析定量装置に接続して排水を送水できる構造に構成してあればよいが、これを分析定量装置に組み込んでおいてもよい。つまり、請求項６の捕集構造は、分析定量装置の付属装置又は内蔵装置として使用することができる。

請求項６の捕集構造によれば、請求項５の捕集構造の作用効果に加え、排水を分析定量装置に送水して排水に含まれる化学成分を分析定量することができる。分析定量装置による分析定量の結果を知ることによって気体に含まれていた水溶性ガスの化学成分を把握することができる。

〔請求項７記載の発明の特徴〕
請求項７記載の発明に係る水溶性ガス捕集構造（以下、適宜「請求項７の捕集構造」という）には、請求項５の捕集構造の基本構造を備えさせた上で、前記排水構造が、排水を処理する排水処理装置に送水可能に構成してある。請求項７の捕集構造は、これを外付けの排水処理装置に接続して排水を送水できる構造に構成してあればよいが、これを排水処理装置に組み込んでおいてもよい。つまり、請求項７の捕集構造は、排水装置の付属装置又は内蔵装置として使用することができる。排水処理の方法には、たとえば、排水に含まれている水溶性ガス成分を、たとえば、イオン交換樹脂を用いて除去したり、含まれている同成分を、たとえば、触媒法によって分解したりする方法がある。

請求項７の捕集構造によれば、請求項５の捕集構造の作用効果に加え、排水を排水処理装置に送水して処理することができる。

〔請求項８記載の発明の特徴〕
請求項８記載の発明に係る水溶性ガス捕集構造（以下、適宜「請求項８の捕集構造」という）は、水蒸気、水溶性ガスおよび粒子を含む通過気体から当該水溶性ガスを粒子から分離して捕集する水溶性ガス捕集構造である。請求項８の捕集構造は、通気路を内部に有する単管と、当該単管内面の少なくとも一部に形成した酸化チタン層と、を含めて構成してある。酸化チタン層には、それを構成する酸化チタンの格子欠損により酸素と結合していないチタンが、通過気体もしくは通過気体を通過させる前に当該通気路に存した気体のうち何れか一方または双方に含まれる水分子中の酸素と結合し、その水分子がさらに他の水分子と水素結合することによる表面吸着水層が当該酸化チタン層表面に形成される。そして、水溶性ガスが粒子よりも拡散係数が大きいことを利用して通過させた気体に含まれる水溶性ガスのみを当該表面吸着水層に拡散スクラバー法により粒子と分離して拡散溶解させるようになっている。

請求項８の捕集構造によれば、単管が内部に有する通気路を気体が通過すると、酸化チタン層の表面に形成された表面吸着水層に水溶性ガスのみが分子と分離して拡散溶解する。水溶性ガスは粒子に比べて拡散係数が大きいため拡散して表面吸着水層に溶解する（捕集される）一方、粒子は拡散係数が小さいため通気路内を直進するので表面吸着水層に捕集されない。すなわち、拡散スクラバー法によって気体中のガス成分のみが表面吸着水層に分子と分離して吸着される。表面吸着水層に水溶性ガスを拡散吸着させる請求項８の捕集構造によれば、酸化チタン層を形成しておくだけで足りガス吸着剤を用いる必要がないから、単純な構造でありながら簡便に水溶性ガスを捕集することができる。単純な構造であるために、コスト的に有利であって経済性にも優れている。後述するように発明者らが行った実験によれば、ホルムアルデヒド、二酸化硫黄（ＳＯ_２）アンモニア（ＮＨ_３）等の水溶性ガスに加え、二酸化窒素（ＮＯ_２）も高効率で捕集することができた。酸化チタンの光触媒作用を利用する場合とは異なり、紫外線ランプのような光源を必要としない点も、単純構造を実現できた一因である。

本発明によれば、単純な構造をであって経済的かつ簡便な水溶性ガス捕集構造を提供することができる。

次に、各図を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態（以下、適宜「本実施形態」という）について説明する。以下において、「水溶性ガス捕集構造」のことを特に断らない限り「捕集構造」と略称する。図１は、本実施形態に係る捕集構造の適応例である水溶性ガス捕集システムの概略正面図である。図２は、図１に示す捕集構造のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１に示す捕集構造のＢ−Ｂ断面図である。図４は、表面吸着水層が形成される原理を示す図である。図５は、拡散スクラバー法の原理を説明するための図である。図６は、本実施形態の第１変形例を示す図である。図７及び８は、本実施形態の第２変形例を示す図である。図９は、拡散スクラバーの理論捕集効率を求めるための捕集管の斜視図である。図１０乃至１２は水溶性ガスの捕集実験の結果を示す図表である。

〔捕集装置の適用例〕
図１乃至３を参照しながら、本実施形態に係る捕集構造の適用例について説明する。図１に示す符号２１は、捕集構造を示す。捕集構造２１は、符号１で示す水溶性ガス捕集システム１（以下、適宜「捕集システム１」という）の主要構造である。捕集システム１は、上述した捕集構造２１と、気体注入用の気体注入バルブ３と、ガス吸引ポンプ５と、フィルター７と、洗浄水タンク１１と、洗浄水排水ポンプ１３と、定量分析装置１５と、から概略構成してある。以下、順に説明する。

〔水溶性ガス捕集構造〕
図１乃至３に示すように、捕集構造２１は、ガラス管からなる外管２３と、内管２５と、外管２３の両端を閉鎖する閉鎖部材２９，３１と、により外観構成してある。外管２３をガラス管によって構成したのは、その汎用性及び加工容易性の高さと、価格の低さに着目したからであって、ガラス管以外の部材によって構成することを妨げない。たとえば、合成樹脂や金属のほか、セラミックス等も外管２３の素材として使用することができる。閉鎖部材２９，３１は、何れも、たとえば、合成樹脂やアルミニウム等の金属によって構成してあり、図３に示すように、短尺中空のリング部２９ｃ（３１ｃ）と、リング部２９ｃ（３１ｃ）の一端（外管２３から離れた一端）を閉鎖する閉鎖板部２９ｄ（３１ｄ）とから概略構成してある。リング部２９ｃ（３１ｃ）の内面には雄ネジ部（図示を省略）を形成してあり、外管２３両端の外面に形成した雌ネジ部と螺合させて外管２３（通気路２７）内外を気密閉鎖可能に構成してある。リング部２９ｃには、半径方向に突き出すガス注入管２９ａ及び洗浄水注入管２９ｂを固定してある。ガス注入管２９ａは、外部から通気路２７に汚染ガスを注入するための部材である。洗浄水注入管２９ｂは、通気路２７に洗浄水を注入するための洗浄水注入構造の一部を構成する。閉鎖部材３１のリング部３１ｃには、半径方向に突き出すガス排出管３１ａ及び洗浄水排出管３１ｂを固定してある。ガス排出管３１ａは、通気路２７にあるガスを排出するための部材である。洗浄水排出管３１ｂは、通気路２７から洗浄水を排出するための構造の一部を構成する。

外管２３の内部には、外管２３と同じ長さで外管２３内径より小さい外径の内管２５を配してあり、外管２３（の内壁）と内管２５（の外壁）との間に所定幅の通気路２７を形成してある。すなわち、通気路２７は、外管２３（内管２５）の半径方向に所定幅を持ち、外管２３（内管２５）の長さ方向全長に沿った中空空間を形成する。内管２５も外管２３と同様にガラス管によって構成してある。閉鎖部材２９，３１には、外管（側壁）２３と内管（側壁）２５との間に突き出るスペーサ部（図示を省略）を形成してあり、これらのスペーサ部が通気路２７内に突き出てこれを挟む外管２３と内管２５とを対向させる。図２及び３に示すように、外管２３の内壁（対向面）のほぼ全域には、酸化チタン層３３ａを形成してある。酸化チタン層３３ａは、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＰＴＦＥ）のようなバインダー樹脂に酸化チタン（ＴｉＯ_２）微粒子をブレンド体を有機溶媒中で均一混合して得られるエマルジョン組成物を塗布してから成膜化することで形成するとよい。塗布を容易にするために外管２３の内壁を予めフッ酸処理して表面に凹凸を形成しておいてもよい。酸化チタン層３３ａは、酸化チタンを含む層が形成できればよいので、その範囲内において、上述したバインダー以外のバインダーを使用することはもちろん、たとえば、外管自体を合成樹脂製としその合成樹脂に酸化チタンを混合させておくこともできる。一方、内管２５の外壁（対向面）のほぼ全域にも、酸化チタン層３３ｂを形成してある。酸化チタン層３３ａと酸化チタン層３３ｂは、いずれか一方のみとすること、さらに、一方又は双方に限らず全域の代わりに一部の領域のみとすること、を妨げるものではないが、酸化チタン層３３ａ（３３ｂ）に吸着された表面吸着水層（後述）と空気との接触領域をなるべく広くする（捕集効率を高める）ために双方を形成することが好ましい。なお、以後の記載において、酸化チタン層３３ａと酸化チタン層３３ｂを総称するときに、酸化チタン層３３という場合がある。なお、捕集構造２１は２重管構成としたが、３重管以上の多重管構成とすることもできる。

ガス注入管２９ａには、気体注入バルブ３を介して気体が注入できるように構成してあり、ガス吸引ポンプ５の吸引作用によって注入された気体は通気路２７を抜け、やがて、ガス排出管３１ａから外部へ吸引排出されるようになっている。吸引排出された気体は、フィルター７によって粒子が取り除かれて浄化気体となる。

〔洗浄水の注入構造と排出構造〕
図１に示すように、捕集構造２１の注入側には、先に述べた洗浄水注入管２９ｂと、純水を貯留した洗浄水タンク１１とにより構成した洗浄水注入構造４１を設けてある。また、同じく排出側には、先に述べた洗浄水排出管３１ｂと、洗浄水排出管３１ｂに接続した洗浄水排水ポンプ１３と、により構成した洗浄水排出構造４３を設けてある。洗浄水注入構造４１と洗浄水排出構造４３とを設けるか設けないかは、捕集構造２１の用途に応じて選択すればよい。ただ、設けることによって、後述する吸着水層を洗浄することができるので、捕集構造２１を繰り返して使用する場合に、特に都合よい。洗浄水排水ポンプ１３を駆動させると、洗浄水タンク１１内にある純水を洗浄水注入管２９ｂ経由で通気路２７内に吸引し、洗浄後の洗浄水を洗浄水排出管３１ｂから捕集構造２１外部へ排出するようになっている。なお、図１において符号１５は、定量分析装置を示す。定量分析装置１５は、洗浄水排出構造４３から送水された洗浄水に含まれる化学成分を定量分析する定量分析する装置である。定量分析装置１５は、これを排出された洗浄水を浄化等の処理をするための排水処理装置に代えることもできる。なお、洗浄水タンク１１に貯留した洗浄水は純水であることを先に述べたが、これは、洗浄水に含まれる化学成分を定量分析する関係上、不純物を混入させないようにするためである。一方、定量分析装置１５の代わりに排水処理装置を用いた場合であって不純物混入が問題とならないのであれば、水道水等を洗浄水として用いることもできる。

〔本実施形態の作用効果〕
図１乃至５を参照しながら、本実施形態の作用効果を説明する。捕集構造２１によれば、気体注入バルブ３（ガス注入管２９ａ）を介して注入された気体Ａが外管２３と内管２５との間に形成された通気路２７を通過すると、気体Ａに含まれる水蒸気が酸化チタン層３３ａ（３３ｂ）表面に吸着されて表面吸着水層３５ａ（３５ｂ）を形成する（表面吸着水層３５ａと表面吸着水層３５ｂとを総称する場合には、表面吸着水層３５という）。気体Ａの通過は、ガス吸引ポンプ５の吸引作用によって行われる。表面吸着水層３５の形成は、図４に示すように、酸化チタン層３３の酸化チタンの格子欠損に由来する。すなわち、酸化チタンの格子欠損により酸素と結合していないチタンが気体中の水分子中の酸素と結合し、その水分子がさらに他の水分子と水素結合することによって酸化チタン表面に水分子が積層される結果、酸化チタン層３３の表面に表面吸着水層３５が形成されるのである。酸化チタン表面の超親水性は、この表面吸着水によるものである。このようにして形成された表面吸着水層３５に水溶性ガス（図５に矢印ｇで示す）のみが粒子ｐから分離して拡散溶解する。図５に示すように、水溶性ガスｇは粒子ｐに比べて拡散係数が大きいため拡散して表面吸着水層３５に溶解する（捕集される）。その一方、粒子ｐは水溶性ガスｇに比べて拡散係数が小さいため通気路内を直進する。このため、粒子ｐは、表面吸着水層３５に捕集されない。すなわち、拡散スクラバー法によって水溶性ガスｇと粒子ｐとが分離される。気体Ａに残る粒子ｐは、フィルター７によって捕集除去される。

次は、表面吸着水層３５の洗浄である。ガス吸引ポンプ５の駆動を停止すると気体Ａの注入が停止する。ここで、洗浄水排水ポンプ１３を駆動する。洗浄水排水ポンプ１３は、洗浄水注入管２９ｂを介して洗浄水タンク１１内の純水（洗浄水）を通気路２７内に流し、洗浄水を外に排出する。このとき、純水は、酸化チタン層３３の表面吸着水層３５を洗い流す。すなわち、純粋で洗浄することで洗浄水には表面吸着水層３５に拡散溶解していた水溶性ガスｇが回収される。排水は、これを定量分析装置１５に送水して含まれる化学成分を定量分析する。定量分析によって、気体Ａに含まれていた水溶性ガスｇの種類や量などを知ることができる。定量分析装置の代わりに排水処理装置を用いた場合は、排水処理によって気体Ａに含まれていた水溶性ガスｇの分離処理が完了する。

〔本実施形態の第１変形例〕
図６を参照しながら、本実施形態の第１変形例（以下、適宜「第１変形例」という）について説明する。第１変形例に係る捕集構造４５が、前掲した本実施形態に係る捕集構造２１と基本的に異なる点は、捕集構造２１が多重管構造であるのに対し、捕集構造４５は単管構造である点にある。より具体的には、捕集構造２１から内管２５を取り去り、外管２３の中空部全体を通気路とした構造と同じ構造を捕集構造４５が有している。閉鎖部材については、両捕集構造において異ならない。このため、以下においては、捕集構造２１と異なる捕集構造４５の特有の点についてだけ説明を行い、両者共通する部材については、図１で用いた符号と同じ符号を図６に使用するにとめ、共通する部材の説明は理解に必要なときにだけ行うことにする。

すなわち、捕集構造４５は、中空の単管４６と、閉鎖部材２９及び閉鎖部材３１と、により外観構成してある。単管４６は、ガラス管によって構成してあり、内部に通気路４９を有している。単管４６の内面の全域（一部領域でもよい）には、酸化チタンを主成分とする酸化チタン層４７を形成してある。酸化チタン層４７は、通気路４９を通過する気体に含まれる水蒸気を吸着させて表面吸着水層４８を形成可能に構成してある。この表面吸着水層４８が形成されることによって、水溶性ガスは粒子よりも拡散係数が大きいことを利用して通気路４９内を通過させた気体に含まれる水溶性ガスを表面吸着水層４８に拡散溶解させる。気体に含まれる粒子は、拡散溶解せずに通気路４９を通過するので、水溶性ガスと粒子との分離が行われる。なお、単管４６は断面形状が円形の丸管であるが、円形以外の断面形状（たとえば、楕円形、多角形）を持つ単管によって構成することもできる。

〔本実施形態の第２変形例〕
図７及び８を参照しながら、本実施形態の第２変形例（以下、適宜「第２変形例」という）について説明する。第２変形例に係る捕集構造５１が、先に説明した本実施形態に係る捕集構造２１と主として異なる点は、捕集構造２１が二重のガラス管の間に通気路を形成してあるのに対し、捕集構造５１の通気路はスペーサを挟んだシート状部材の間に形成してある点である。以下は、その異なる点を中心に説明する。

図７及び８に示すように、捕集構造５１は、厚み方向に重ねた複数のシート状部材５３，・・と、シート状部材５３と隣接する他のシート状部材５３との間に配した複数のスペーサ５５，・・と、から概ね構成してある。スペーサ５５，・・を挟んで対向するシート状部材５３と他のシート状部材５３との間に通気路５７が形成される。シート状部材５３は、図７及び８では理解を容易にするために誇張して描いてあるが、たとえば、０．５ｍｍ程度の厚さを持った不織布や合成樹脂板によって構成することができる。シート状部材５３各々の一方又は両方の面には、酸化チタンを含む水分吸着層（図示を省略）を塗布又は含浸等により形成してある。スペーサ５５の各々を構成する部材として好適なのは、合成樹脂製の棒材である。軽量であり、かつ、加工が簡単だからである。スペーサ５５は、各シート状部材５３に対する気体の通過方向（図８に矢印で示す方法）に沿って複数本（少なくとも２本）配するようにする。気体の通過方向に沿ってスペーサ５５，・・を配するのは、スペーサ５５，・・が通気路５７を横切ると気体の通過を妨げてしまうからである。

シート状部材５３を充分な柔軟性を持った素材で構成するとともに、隣接するスペーサ５５，・・間の距離を適切に選択することにより、捕集構造５１を、たとえば、通気路５７を閉鎖しない方向に湾曲させて波状に形成したり、ジグザグ状態を形成したり、巻き上げてロール状に形成したり、することもできる。小型化を図りながら水分吸着層の面積を拡大するために有効である。なお、シート状部材５３は、少なくとも２枚あれば、対向する両者間に通気路５７を形成することができるから、その枚数は、捕集構造５１の使用目的、用途、設置スペースの大小、通気流量等に応じて適宜選択することができる。

〔拡散スクラバーの理論捕集効率〕
直管捕集構造による理論捕集効率は、Ｇｏｒｍｌｅｙ−Ｋｅｎｎｅｄｙ（Ｇｏｒｍｌｅｙ Ｐ．，Ｋｅｎｎｅｄｙ Ｍ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｒｏｙａｌ Ｉｒｉｓｈ Ａｃａｄｅｍｙ， Ｖｏｌ．５２Ａ， １６３−１６９（１９４９））の式によって導かれた下記の式（１）によって算出することができる。

すなわち、除去パラメータである（μ）を式（１）に代入して、捕集効率（ｆ）を求める。除去パラメータ（μ）は、水溶性ガス成分の拡散係数（Ｄ）と、図１に示す気体Ａが通過する通気路の有効長（Ｌ）と、水溶性ガスｇの通気流量（Ｑ）と、に依存する。除去パラメータ（μ）が大きくなればなるほど捕集効率（ｆ）がよくなる。除去パラメータ（μ）は、拡散係数（Ｄ）と有効長（Ｌ）に比例して大きくなり、通気流量（Ｑ）に反比例して小さくなり、直管の管径（ｄ）の二乗に反比例する。従って、有効長（Ｌ）をより長くし、通気流量（Ｑ）をより少なくし、直管の管径（ｄ）を小さくすれば、その分だけ除去パラメータ（μ）が大きくなり捕集効率（ｆ）がよくなる。Ｇｏｒｍｌｅｙ−Ｋｅｎｎｅｄｙの式を用いて算出した大気汚染ガスである二酸化窒素（ＮＯ_２）、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）の理論捕集効率を表１に示す。この理論捕集効率は、図９に示す単管の捕集管１０１を用いて算出した。捕集管１０１の全長（Ｌ）は１０ｃｍ、内径（ｄ）は０．６ｃｍ及び外径（Ｏ）は０．８ｃｍである。捕集管１０１の内壁全域に渡って酸化チタンを塗布してある。

表１が示すように、捕集管１０１による理論捕集効率は、通気流量が０．１Ｌ／ｍｉｎのときであれば、二酸化窒素（ＮＯ_２）、二酸化硫黄（ＳＯ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、ホルムアルデヒド（ＨＣＨＯ）をほぼ１００％である。一方、通気流量を増加させるに従い捕集効率は徐々に低下し１．０Ｌ／ｍｉｎまで増加させると８０％を割るまで低下する。

〔実験１〕
捕集管１０１を用いて行ったＮＯ_２捕集実験について説明する。約１００ｐｐｂｖのＮＯ_２標準ガスを通気流量０．１Ｌ／ｍｉｎで捕集管１０１を通過させ、捕集管１０１の入り口と出口のＮＯ_２濃度を化学発光法によるＮＯ_Ｘ自動連続測定装置で測定した。測定結果を表２に示す。表２に示すように、ＮＯ_２捕集効率は９７．７±１．４％（ｎ＝５）となり、ほぼ１００％に近い捕集効率が得られた。

〔実験２〕
次に、捕集管１０１を用いてＮＯ_２の捕集容量を測定した。４．１６ｐｐｍｖのＮＯ_２標準ガスを通気流量０．１Ｌ／ｍｉｎで５時間、捕集管１０１を通過させ、捕集管１０１の入り口と出口のＮＯ_２濃度を化学発光法によるＮＯ_Ｘ自動連続測定装置で測定することによりＮＯ_２捕集容量を求めた。その結果、１２．８±３．１μｍｏｌ（ｎ＝４）であった。ＮＯ_２濃度１００ｐｐｂｖの大気を通気流量０．１Ｌ／ｍｉｎで２４時間、捕集管１０１を通過させた場合のＮＯ_２量は０．６μｍｏｌであることから、捕集管１０１の捕集容量は、環境大気中のＮＯ_２を充分捕集できるものであることが判った。

〔実験３〕
次に、大気中ＮＯ_２の濃度測定の是非について実験した。室内空気を通気流量０．１Ｌ／ｍｉｎで２４時間通過させＮＯ_２捕集した捕集管１０１を用意する。ここで、両端をキャップ（図示を省略）で閉じた捕集管１０１の中に純水を入れ振とう装置で１０分間振とうすることを３回繰り返し、捕集管１０１から取り出した抽出溶液（洗浄水）をイオンクロマトグラフで分析した。この分析方法を、適宜「本法」という。本法による分析結果と公定法である化学発光法によるＮＯ_Ｘ自動連続測定装置による測定結果とを比較した。比較結果を表３に示す。表３が示すように、本法と化学発光法との間の大気中ＮＯ_２濃度の平均値の比は１．０５（ｎ＝４）となり、両法は良好な一致を見せた。よって、本法を用いて大気中ＮＯ_２濃度を充分精度よく測定できることが判った。

実施例２について説明する。実施例２で用いる捕集構造は、図１乃至３に示す捕集構造２１と同じ二重管構造であり、外管及び内管は、いずれもガラス管で構成した。したがって、実施例２で用いる捕集構造及びそれを構成する各部材には、本実施形態で用いた部材番号と同じ部材番号を用いる。すなわち、実施例２に係る捕集構造２１は、外管２３（内管２５）の寸法は、図１及び２に示す全長Ｌ＝３０ｃｍ、外管の内径ｄ_０＝２．１ｃｍ、内管の外径ｄ_ｉ＝１．９５ｃｍとした。酸化チタン層３３は、外管２３内壁にのみ塗布した。また、外管２３内壁に塗布した酸化チタン層の有効長は２５ｃｍである。

〔二重管拡散スクラバーの理論捕集効率〕
二重管構造を持った捕集構造の理論捕集効率は、直管構造のＧｏｒｍｌｅｙ−Ｋｅｎｎｅｄｙ（Ｇｏｒｍｌｅｙ Ｐ．，Ｋｅｎｎｅｄｙ Ｍ．）の式（１）に変形した除去パラメーターの式（４）を代入することによって算出することができる。除去パラメーターの式（４）は、二重管構造を持った捕集構造の外管の内壁部分のみを酸化チタンを塗布した場合を例として表わした。

すなわち、除去パラメーターである（μ）を式（１）に代入して、捕集効率（ｆ）を求める。除去パラメーター（μ）は、対象とするガスの拡散係数（Ｄ）と、通気路２７の有効長（Ｌ）と、外管２３の内径（ｄ_０）と、内管の外径（ｄ_ｉ）と、水溶性ガスｇの通気流量（Ｑ）と、に依存する。除去パラメーター（μ）が大きくなればなるほど捕集効率（ｆ）がよくなる。特に、外管２３の内径ｄ_０の二乗に比例することから、外管２３の内径（ｄ_０）が大きければ大きいほど除去パラメーター（μ）を大きくすることに貢献する。一方、式（４）の分母に着目すると、外管の内径（ｄ_０）と内管の外径（ｄ_ｉ）との差が小さければ小さいほど（通気路２７の隙間が狭ければ狭いほど）除去パラメーター（μ）を大きくできることが判る。式（１）と式（４）に基づいて算出した大気汚染気体（ＮＯ_２、ＳＯ_２、ＮＨ_３、ＨＣＨＯ）の理論捕集効率を表４に示す。表４が示すように、捕集構造２１に通気流量１Ｌ／ｍｉｎで汚染気体を通過させれば、各汚染気体がほぼ１００％の効率で除去できることが判った。この結果から、実施例１で示した単管でなく、実施例２で示す二重管構造をとることで、同じ高い捕集効率で大きな通気流量を得ることが可能となる。

〔実験１〕
捕集構造２１を用いてＮＯ_２、ＳＯ_２、ＮＨ_３の除去実験を行った。ガスボンベから取り出した除去対象となる各標準ガスをマニホルドで乾燥空気を用いて希釈し、約１００ｐｐｂｖ程度の濃度に調整した。このガスを捕集構造２１に通気流量１Ｌ／ｍｉｎで流した。捕集構造２１の入口と出口とにおけるガス濃度を測定して、その濃度差から除去効率を算出した。除去結果は、図１０（ＮＯ_２）、図１１（ＳＯ_２）及び図１２（ＮＨ_３）に示すとおりである。図１０乃至１２が示すように、何れのガスもほぼ１００％除去できることが判った。

〔実験２〕
捕集構造２１を１本用いた大気汚染ガスの除去量を算出したところ、ＮＯ_２、ＳＯ_２、ＮＨ_３、について、それぞれ２．５３ｍｏｌ、５．７６ｍｏｌ及び１８．５ｍｏｌとなった。特に、このＮＨ_３の除去量は、１ｐｐｍのＮＨ_３を通気流量１Ｌ／ｍｉｎで除去するとしたときに約３００日間連続して除去できる容量に匹敵する。

本実施形態に係る捕集構造の適応例である水溶性ガス捕集システムの概略正面図である。 図１に示す捕集構造のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す捕集構造のＢ−Ｂ断面図である。 表面吸着水層が形成される原理を示す図である。 拡散スクラバー法の原理を説明するための図である。 本実施形態の第１変形例を示す断面図である。 本実施形態の第２変形例を示す平面図である。 本実施形態の第２変形例を示す斜視図である。 拡散スクラバーの理論捕集効率を求めるための捕集管の斜視図である。 水溶性ガス（Ｎ０_２）の捕集実験の結果を示す図表である。 水溶性ガス（ＳＯ_２）の捕集実験の結果を示す図表である。 水溶性ガス（ＮＨ_３）の捕集実験の結果を示す図表である。

符号の説明

１ 水溶性ガス捕集システム
３ 気体注入バルブ
５ ガス吸引ポンプ
７ フィルター
１１ 洗浄水タンク
１３ 洗浄水排水ポンプ
１５ 定量分析装置
２１ 捕集構造
２３ 外管（側壁）
２５ 内管（側壁）
２７ 通気路
２９，３１ 閉鎖部材
３３ 酸化チタン層
３３ａ 酸化チタン層
３３ｂ 酸化チタン層
３５ 表面吸着水層
３５ａ 表面吸着水層
３５ｂ 表面吸着水層
４１ 洗浄水注入構造
４３ 洗浄水排出構造
４５ 捕集構造
４６ 単管
４７ 酸化チタン層
４８ 表面吸着水層
４９ 通気路
５１ 捕集構造
５３ シート状部材（側壁）
５５ スペーサ
５７ 通気路
１０１ 捕集管

Claims (8)

1. 水蒸気、水溶性ガスおよび粒子を含む通過気体から当該水溶性ガスを粒子から分離して捕集する水溶性ガス捕集構造であって、
   当該通過気体を通過させるための通気路を挟んで対向する両側壁と、
   当該両側壁の少なくとも一方の対向面の少なくとも一部に形成した酸化チタン層と、を含めて構成してあり、
   当該酸化チタン層を構成する酸化チタンの格子欠損により酸素と結合していないチタンが、通過気体もしくは通過気体を通過させる前に当該通気路に存した気体のうち何れか一方または双方に含まれる水分子中の酸素と結合し、その水分子がさらに他の水分子と水素結合することによって当該酸化チタン層表面に形成される表面吸着水層に、水溶性ガスは粒子よりも拡散係数が大きいことを利用して気体中のガス成分のみを粒子と分離して吸着する拡散スクラバー法により当該通過気体に含まれる水溶性ガスを当該表面吸着水層に拡散溶解させて捕集するように構成してある
   ことを特徴とする水溶性ガス捕集構造。
2. 前記両側壁のうち一方が外管により、他方が当該外管内部に配した内管により、それぞれ構成してある
   ことを特徴とする請求項１記載の水溶性ガス捕集構造。
3. 前記両側壁が、気体通過方向に長い複数のスペーサを介して対向するシート状部材を含めて構成してある
   ことを特徴とする請求項１記載の水溶性ガス捕集構造。
4. 前記シート状部材が、複数厚み方向に重ねてあり、各シート部材間に前記スペーサを配してある
   ことを特徴とする請求項３記載の水溶性ガス捕集構造。
5. 表面吸着水を洗浄するために前記通気路内に臨む洗浄水注入構造と、排水を当該通気路内から排出するための排水排出構造と、を含めて構成してある
   ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか記載の水溶性ガス捕集構造。
6. 前記排水構造が、排水に含まれる化学成分を分析定量する分析定量装置に送水可能に構成してある
   ことを特徴とする請求項５記載の水溶性ガス捕集構造。
7. 前記排水構造が、排水を処理する排水処理装置に送水可能に構成してある
   ことを特徴とする請求項５記載の水溶性ガス捕集構造。
8. 水蒸気、水溶性ガスおよび粒子を含む通過気体から水溶性ガスを粒子から分離して捕集する水溶性ガス捕集構造であって、
   通気路を内部に有する単管と、
   当該単管内面の少なくとも一部に形成した酸化チタン層と、を含めて構成してあり、
   当該酸化チタン層を構成する酸化チタンの格子欠損により酸素と結合していないチタンが、通過気体もしくは通過気体を通過させる前に当該通気路に存した気体のうち何れか一方または双方に含まれる水分子中の酸素と結合し、その水分子がさらに他の水分子と水素結合することによって当該酸化チタン層表面に形成される表面吸着水層に、水溶性ガスは粒子よりも拡散係数が大きいことを利用して気体中のガス成分のみを粒子と分離して吸着する拡散スクラバー法により当該通過気体に含まれる水溶性ガスを当該表面吸着水層に拡散溶解させて捕集するように構成してある
   ことを特徴とする水溶性ガス捕集構造。

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