JP5892614B2 - 光触媒担持体、その製法及び光触媒担持体を用いた有機物分解方法 - Google Patents
光触媒担持体、その製法及び光触媒担持体を用いた有機物分解方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、粒子状光触媒担持体の製造方法に関する。本発明の製造方法は、以下の工程(1)および(2)を含む。
(1)基材の表面にアパタイトスラリーを塗布して担持用基材を準備する工程、
(2)前記担持用基材の少なくとも表面に十面体アナターゼ型TiO2の分散液を塗布すること、及び塗布後の前記担持用基材を焼成して光触媒担持体を得る工程。
工程(1)は、担持用基材を準備する工程である。表面にアパタイトスラリーを塗布する基材としては、基材のアパタイトスラリーへの浸漬後に基材の焼成を行うので、耐熱性を有する材質からなるものが好ましく、例えば、ガラスやセラミックスであることが適当である。セラミックスとしては、アルミナ、コーディエライト、ムライト、シリカ、ジルコニア、炭化ケイ素、チタン酸アルミニウムなどを用いることができる。基材の形状、寸法および空隙率等は、本発明の製造方法で得られる光触媒担持体の使用目的に応じて適宜決定できる。
工程(1)で調製した担持用基材の少なくとも表面に十面体アナターゼ型TiO2の分散液を塗布する。十面体アナターゼ型TiO2は、例えば、特許文献3に記載のものであることができる。十面体アナターゼ型TiO2の分散液は、十面体アナターゼ型TiO2を固形分として、例えば、0.1〜20質量%含有するものであることができる。但し、より高い活性の十面体アナターゼ型TiO2を担持用基材表面に固定化するという観点からは、分散液中の十面体アナターゼ型TiO2の濃度は低いことが好ましく、例えば、0.5〜5質量%の範囲、より好ましくは1〜3質量%の範囲である。分散液中の十面体アナターゼ型TiO2の濃度が低くなると、1回の塗布で固定化できる十面体アナターゼ型TiO2の量は限られるので、その場合には、複数回塗布することができる。複数回塗布する場合、1回塗布した後に所定条件で乾燥し、次いで次の回の塗布を行う。所定条件での乾燥は、例えば、室温で好ましくは濾紙等の吸水性素材上で10〜60分、次いで、40〜60℃で1〜30分、100〜140℃で1〜30分の条件で実施することができる。このような条件で乾燥することで、コーテイング面の亀裂防止、密着強度を強化できるという利点がある。
本発明は、基材、前記基材表面の少なくとも一部に設けたアパタイト含有層、及び前記アパタイト含有層に担持された十面体アナターゼ型TiO2を含む光触媒担持体を包含する。基材は、前記製造方法で説明したものと同様のものである。
露出したアパタイト表面へ分解対象物質が吸脱着しやすいために、十面体アナターゼ型酸化チタンによる光触媒分解が促進されるためと推察される。
本発明は、前記本発明の光触媒担持体に、前記十面体アナターゼ型TiO2を活性化し得る光を照射し、前記光照射下の光触媒担持体に、有機物または有機物を含有する気体を接触させて、前記有機物の少なくとも一部を部分的または完全に分解することを含む、有機物の分解方法を包含する。
<天然アパタイト/稚内層珪質頁岩由来複合体 (HAp/WS)の作製方法>
図1に天然アパタイト/稚内層珪質頁岩由来複合体 (HAp/WS)の作製方法のフローチャートを示す。天然アパタイトと稚内層珪質頁岩由来複合体 (HAp/WS)の作製方法を示す。動物骨(牛骨等)を煮沸、800〜1100℃で24h焼成、硝酸に溶解し天然アパタイト(HAp)水溶液を調製した。それと平均粒径4μmの稚内層珪質頁岩(WS)粉末を所定組成比(HAp固体重量比 50、40、20%)で混合・攪拌(3〜18h、300rpm)、超音波処理(120W、38kHz、30min)後、アンモニア水を滴下しpH10〜10.5、25-29℃で24h熟成し、HAp結晶を析出させた。それを濾過、超純水で洗浄、超純水で再分散し、HAp/WS(固体濃度1〜10%)スラリーを調製した。それを凍結乾燥し、HAp/WS(HAp(50%)、HAp(40%)、HAp(20%))粉末を作製した。同様にして、動物骨由来溶解析出HAp(HAp(100%)粉末を調製した。得られた試料について、X線回折(XRD)による生成相の同定、デジタルマイクロスコープ(DM)と走査形電子顕微鏡(SEM)による表面組織と微細構造の観察、エネルギー分散型電子線微小部分析(EPMA)による組成分析、窒素吸着法による比表面積(BET)と細孔分布(PSD)の測定等により表面の特性評価を行った。
SEMによるHAp/WS系粉末の微細構造を示す。HAp(100%)ではHydroxyapatite相の針状または棒状ナノ結晶からなる凝集粒子が、WSではCristobalite、Tridymite、Quartz相の多種形状粒子が観察された。比表面積は、HAp(100%)が180m2・g-1、WSが130m2・g-1であり、Al2O3基材(0.18m2・g-1)に比べ720〜1,000倍大きい値になった。HAp(40%)とHAp(20%)では、WS粒子表面上にHAp微結晶が析出した組織が認められ、比表面積はそれぞれ、134m2・g-1と176m2・g-1であった。
<HAp/WSスラリーの多層コーティング方法>
図3にHAp/WSスラリーの多層コーティング方法のフローチャートを示す。
HAp/WSスラリーの多層コーティング方法を示す。Al2O3(α-Al2O380%とCordierite20%の複合体)基材をHAp(100%)スラリー(固体濃度 1%)に浸漬、超音波処理(120W、38kHz、1min)後、乾燥(濾紙上で15〜30min乾燥、次に50℃、湿度40%で15〜30min乾燥、さらに120℃で10min)した。それを再びHAp(100%)スラリーに浸漬し、同様にして乾燥する操作を4回繰り返した。それを1100℃、2h焼成により、 1層目のHAp(100%)-coated基材を作製した。2〜4層目のコーティングの組成と焼成温度条件では、2層目はHAp(50%)/WSスラリー、1000℃で2h焼成、3層目はHAp(40%)/WSスラリー、800℃で2h焼成、4層目はHAp(20%)/WSスラリー、600℃で2h焼成の各層コーティングを行い、HAp/WS/Al2O3基材を作製した。
HAp/WS-coated 基材の重量変化を示す。HAp/WSスラリーを用いた各層コーティング後、その総重量を測定し、Al2O3基材の重量変化率を算出した。各層コーティングにより0.4-0.6%の重量増加率がみられ、4層コーティング後の重量増加率は2.13%であった。
HAp/WS-coated基材の窒素吸着法による比表面積変化を示す。Al2O3基材に対して1000〜1100℃焼成を伴うコーティングでは、Hydroxyapatite、Cristobalite、Tridymite、Quartz相の結晶化、粒子の焼結が進行するため、試料の比表面積は小さく、その値は3層目からしだいに増加し、4層コーティング後の比表面積の増加率はAl2O3基材の4.5倍になった。
Al2O3基材に対してHAp/WSスラリーの積層コーティング試料について、DM(20倍)による表面組織を示す。積層コーティングの進行、重量増加に伴い、Al2O3基材の白色が茶褐色へ変化した。
Al2O3基材に対してHAp/WSスラリーの積層コーティング試料について、SEM(5,000、10,000倍)による微細構造を示す。積層コーティングによりAl2O3基材表面にHApやWS微粒子が付着していることが分かる。1層目では高温焼成によるHApの粒子成長と焼結が、2層目では部分的な焼結が、3、4層目ではHAp/WS微粒子がみられ、試料表面の多孔質化が確認された。
Al2O3基材に対してHAp/WSスラリーの積層コーティング後の基材表面について、EPMAによる組成分析結果を示す。Cordierite相を含むAl2O3基材にはアルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、マグネシウム(Mg)、酸素(O)が、HAp(100%)、HAp(50%)、HAp(40%)、HAp(20%)の各積コーティング後にはカルシウム(Ca)、リン(P)、Al、Si、Mg、Na、O、炭素(C)が検出された。なお、HAp含有量が少ないHAp/WSスラリーのコーティングの方がSiの相対強度が高い傾向を示した。
Al2O3基材に対してHAp/WSスラリーの積層コーティング後の基材表面について、EPMAによる各元素のX線像を示す。HAp(100%)、HAp(50%)、HAp(40%)、HAp(20%)スラリーを用いた各積コーティング後のHAp/WS-coated基材表面では、Ca、P、Al、Si、Mgの均一な分布が確認された。
<HApスラリーの多層コーティング方法>
図10にHApスラリーの多層コーティング方法のフローチャートを示す。
HApスラリーの多層コーティング方法を示す。Al2O3基材をHAp(100%)スラリー(固体濃度 1%)に浸漬、超音波処理(120W、38kHz、1min)後、乾燥(濾紙上で15〜30min乾燥、次に50℃、湿度40%で15-30min乾燥、さらに120℃で10min)した。それを再びHAp(100%)スラリーに浸漬し、同様に乾燥する操作を4回繰り返した。それを1100℃で2h焼成により、1層目のHAp(100%)-coated基材を作製した。2層目のコーティングでは、HAp(100%)膜を同様にコーティング、未焼成のHAp/Al 2O3基材を作製した。
HAp/WS/Al2O3, HAp/Al2O3基材に対する光触媒異種TiO2の担持方法を示す。固体重量濃度15%TiO2溶液に2回浸漬し網上で室温乾燥により、Al2O3基材空隙の閉塞、クラックが観察されたため、低濃度1.5%TiO2溶液に5回浸漬する方法も採用した。すなわち、HAp/Al2O3またはHAp/WS/Al2O3基材を光触媒TiO2(十または八面体)スラリー(固体濃度1.5%または15%)に浸漬、超音波処理(120W、38kHz、1min)後、乾燥(濾紙上で15〜30min乾燥、次に50℃、湿度40%で15〜30min乾燥、さらに120℃で10min)した。それを再び光触媒TiO2スラリーに浸漬し、同様に乾燥する操作を1.5%TiO2濃度では4回、15%TiO2濃度は2回繰り返した。それを450℃、3h焼成によりTiO2-loaded HAp/Al2O3またはTiO2-loaded HAp/WS/Al2O3基材を作製した。
光触媒TiO2(十面体)-loaded基材の重量変化を示す。光触媒TiO2スラリー(固体重量濃度1.5%)を用いた各層コーティング後、その総重量を測定し、HAp/Al2O3またはHAp/WS/Al2O3基材の重量変化率を算出した。各層コーティングにより0.4-0.6%の重量増加率がみられ、5層コーティング後の重量増加率は、TiO2-loaded HAp/Al2O3基材で1.75%、TiO2-loaded HAp/WS/Al2O3基材で1.93%であった。
DMによる光触媒TiO2(十面体)-loaded基材の表面組織を示す。HAp/Al2O3、HAp/WS/Al2O3基材に対して光触媒TiO2(10面体)をコーティング後の表面組織をDM(20倍)により観察した。15%TiO2濃度では両基材で亀裂、空隙閉塞がみられ、HAp/WS/Al2O3基材ではHAp/WSの茶褐色が認められた。一方、1.5% TiO2濃度では均質コーティング膜が得られた。
SEMによる光触媒TiO2(十面体)-loaded基材の微細構造(低倍率)を示す。HAp/Al2O3、HAp/WS/Al2O3基材に対して光触媒TiO2(10面体)をコーティング後の微細構造をSEM(100、500倍)により観察した。15%TiO2濃度では両基材が完全にコーティングされたが、多くの亀裂が認められた。1.5% TiO2濃度では亀裂はなく、均一コーティングが示唆された。
SEMによる光触媒TiO2(十面体)-loaded基材の微細構造(高倍率)を示す。HAp/Al2O3、HAp/WS/Al2O3基材に対して光触媒TiO2(10面体)をコーティング後の微細構造をSEM(1,000、10,000倍)により観察した。15%TiO2濃度ではHAp/WS/Al2O3基材で亀裂がみられた。1.5% TiO2濃度では微小な表面の凹凸が観察され、均質な微粒子コーティングが検証された。
1.5%TiO2(十面体)-loaded HAp/WS/Al2O3、1.5%TiO2(十面体)-loaded HAp/Al2O3基材表面について、EPMAによる各元素のX線像を示す。1.5%TiO2(十面体)-loaded HAp/WS/Al2O3基材表面では、表面濃度に依存したX線像が観察され、Ti、Ca、P、Al、Siの均一な分布が確認された。1.5%TiO2(十面体)-loaded HAp/Al2O3基材表面も同様な傾向が得られた。
光触媒TiO2コ−テイング層の密着性評価試験方法を示す。TiO2-loaded HAp/WS/Al2O3基材、TiO2- loaded HAp/Al 2O3 基材を超純水中50cm3、16h浸漬・攪拌し、120℃、2h乾燥後、浸漬・攪拌前後の重量変化を測定した。
超純水中16h攪拌放置したTiO2-loaded HAp/WS/Al2O3, HAp/Al2O3基材の重量変化を示す。赤棒は水中攪拌放置後の試料の重量減少率である。両基材では、15%より1.5%TiO2濃度、八面体より十面体の方が重量減少率は低く、コ−テイング膜の剥離は少なく、密着性は良好であることが分かった。また、HAp/WS/Al2O3よりHAp/Al2O3の方が重量減少率は低くなり、HApとセラミックス担体との界面相互作用が示唆された。
超純水中16h攪拌放置したTiO2-loaded HAp/WS/Al2O3基材について、DMによる表面組織を示す。
15%TiO2濃度では、攪拌や操作時の衝撃によりコ−テイング膜の剥離や亀裂の進行がみられた。1.5%TiO2濃度、十面体では、コ−テイング膜の変化はほとんど認められなかった。
有機物ガスの分解反応の評価方法を示す。
光触媒TiO2(1.5または15%, 十または八面体)-loaded各種基材による有機物ガスの分解反応の評価方法を示す。試料室(500cm3)に各種基材を入れ、表面に付着した有機物を分解するため、フィルターを設置し、1mW・cm-2で24hブラックライト照射した。試料室を30min合成空気で置換後、相対湿度50%に調整するため超純水5.8μl注入、30minスターラーバーの回転により水分を蒸発させた。暗室状態で初期濃度100〜600ppmアセトアルデヒドまたはトルエンガスを注入1h放置後、紫外線強度 1.2mW・m-2を照射、光触媒分解反応(2CH3CHO + 5O2 → 4CO2 + 4H2OまたはC6H5CH3 + 9O2 → 7CO2 + 4H2O)を開始し、マイクロガスクロマトグラフイー(μGC)により暗室状態のアセトアルデヒドまたはトルエン濃度、紫外線照射状態の二酸化炭素濃度を測定した。
(TiO2-loaded HAp/WS/Al2O3, HAp/Al2O3基材条件)
有機物ガス(アセトアルデヒドまたはトルエン)の分解反応を評価する測定試料として、固体濃度1.5または15%、十または八面体TiO2スラリーの光触媒TiO2-loaded HAp/WS/Al2O3基材、HAp/Al2O3基材条件を示す。
光触媒TiO2(15%,八面体)-loaded各種基材によるアセトアルデヒド分解反応の経時変化を示す。HAp/WS/Al2O3の方がAl2O3より分解反応が進行し、照射時間15hでアセトアルデヒドの分解率は前者が77%、後者が61%でなり、HAp/WSコ−テイングの有効性が示唆された。
光触媒TiO2(15%,十面体)-loaded各種基材によるアセトアルデヒド分解反応の経時変化を示す。高濃度15% TiO2では、十面体TiO2の分散性が悪くアセトアルデヒド分子の表面移動も困難であるため、八面体よりは分解反応が進行したが、照射時間15hでアセトアルデヒドの分解率はHAp/WS/Al2O3は96%、Al2O3は89%であった。
光触媒TiO2 (十面体)-loaded各種基材によるアセトアルデヒド分解反応活性の経時変化を示す。低濃度1.5%TiO2では、両基材による分解反応活性は高く、HAp/WS基材が照射時間8h、HAp基材が7hで、アセトアルデヒドは化学量論的に二酸化炭素と水に完全分解した。
Claims (10)
- (1)基材の表面にアパタイトスラリーを塗布して担持用基材を準備する工程、
(2)前記担持用基材の少なくとも表面に十面体アナターゼ型TiO2の分散液を塗布すること、及び塗布後の前記担持用基材を焼成して光触媒担持体を得る工程、を含み、
工程(1)における前記アパタイトスラリーの基材の表面への塗布は、基材をアパタイトスラリーに浸漬することを少なくとも2回繰り返すこと及び繰り返し浸漬後の基材を焼成することを含み、かつ前記繰り返し浸漬及び繰り返し浸漬後の基材焼成を少なくとも2回繰り返すことで行い、かつ
前記アパタイトスラリーは、動物骨を煮沸及び焼成した後に酸水溶液に溶解してアパタイト含有水溶液を得、得られたアパタイト含有水溶液を中和して得られたスラリーである、
粒子状光触媒担持体の製造方法。 - 前記アパタイトスラリーは、アパタイトを固形分として1〜10質量%含有する請求項1に記載の製造方法。
- 前記アパタイトスラリーは、粒子状珪質頁岩をさらに含む、請求項1または2に記載の製造方法。
- 前記アパタイトスラリーまたは粒子状珪質頁岩を含むアパタイトスラリーは、基材の表面が、アパタイトまたは粒子状珪質頁岩及びアパタイトで被覆されるに十分な量、塗布される請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記粒子状光触媒の分散液は、十面体アナターゼ型TiO2を固形分として0.1〜10質量%含有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記粒子状光触媒の分散液は、基材の表面のアパタイトまたは粒子状珪質頁岩及びアパタイトの被覆層を被覆するのに十分な量、塗布される請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。
- 基材、前記基材表面の少なくとも一部に設けたアパタイト含有層、及び前記アパタイト含有層に担持された十面体アナターゼ型TiO2を含む光触媒担持体であって、
前記アパタイト含有層は、動物骨由来のアパタイトスラリーの塗布形成層である、前記光触媒担持体。 - 前記アパタイト含有層は、粒子状珪質頁岩をさらに含有する請求項7に記載の光触媒担持体。
- 請求項7または8に記載の光触媒担持体に、前記十面体アナターゼ型TiO2を活性化し得る光を照射し、前記光照射下の光触媒担持体に、有機物または有機物を含有する気体を接触させて、前記有機物の少なくとも一部を部分的または完全に分解することを含む、有機物の分解方法。
- 前記有機物または有機物を含有する気体は、前記光照射下の光触媒担持体に、流通下、半流通下または非流通下で接触させる、請求項9に記載の有機物の分解方法。
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