JP5943391B2 - 光触媒脱臭装置 - Google Patents
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Description
このような光触媒脱臭装置は、ガス中に置かれた光触媒に、光源からの光を照射することにより、光触媒反応を利用してガスに含まれる臭気成分を分解するようにしたものである。
この光触媒脱臭装置は、他の方式の脱臭装置と比べて設備の簡易化や小型化が図り易く、しかも、光触媒は光をエネルギー源として自己再生機能を発揮するため廃棄処理が不要であり、半永久的に使用できることからランニングコストが低いので、近年、注目を集めているものである。
即ち、上記光触媒脱臭装置では、光源に蛍光灯型の紫外線ランプを用いていたが、蛍光灯型の紫外線ランプには寿命があるため、定期的に交換しなければならないなどのメンテナンス上の問題があった。
また、蛍光灯型の紫外線ランプには水銀が使用されているため環境面において問題があり、点灯するのに安定器などの高電圧回路を使用するため費用が掛かるという問題があった。
更に、蛍光灯型の紫外線ランプは、消費電力が通常の蛍光灯と同じかまたはそれ以上であるため、近年の電力事情に鑑みて、より一層の省電力化が望まれている。
そこで、本発明は、上記した問題点を解決することを、主な目的としている。
前記光触媒に、酸化タングステン触媒を用いると共に、
前記光源に、前記酸化タングステン触媒が脱臭効果を発揮可能な特定波長の可視光を発生するLEDを用いるものとされ、
前記光源は、前記特定波長として中心波長が400nm〜450nmの可視光を発生するLEDであり、
酸化タングステン触媒に銅を担持させたものを有することにより、
メチルメルカプタンに対する脱臭効果も更に得られるようにしたことを特徴とする。
即ち、光源としてのLEDは、他の可視光源(例えば、蛍光灯や通常のキセノンランプなど)と比べて発生する光の発光波長の幅が極めて狭いという特性を有している。そのため、光触媒としての酸化タングステン触媒に対して、脱臭効果を(最も)有効に発揮可能な特定波長の可視光のみを意図的に効率的且つ集中的に照射することが可能となる。よって、このような脱臭効果を有効に発揮可能な特定波長が実際に存在することが解明されれば、可視光であっても、酸化タングステン触媒に、高い脱臭効果を発揮させることが可能となる。その結果、酸化タングステン触媒と上記LEDとの組合せによって、これまでの酸化チタン触媒と蛍光灯型の紫外線ランプとの組合せとほぼ同等またはそれ以上の脱臭性能を達成することが可能となる。
また、LEDは、蛍光灯型の紫外線ランプよりも格段に寿命が長く、消費電力が小さいので、現行の酸化チタン触媒と蛍光灯型の紫外線ランプとを組合せた設備と比べて、大幅にメンテナンスの手間を削減することができると共に、ランニングコストを下げることができる。
更に、紫外線を用いずに、(上記した特定波長の)可視光で脱臭が行えるので安全であり、しかも、水銀が使用されないので環境的にも好ましい設備にすることができる。
また、酸化タングステン触媒に銅を担持させたものを有することにより、メチルメルカプタンに対する脱臭効果を更に得ることができる。
図1〜図6は、この実施の形態の実施例およびその変形例を説明するためのものである。
図1に示すように、ガス1中に含まれる臭気成分を脱臭するのに、光触媒脱臭装置2などの空気浄化装置が用いられている。
この光触媒脱臭装置2は、図2(特に、図2(b))に示すように、(ガス1中に置かれた)光触媒3に、光源4からの光5を照射することにより、光触媒反応を利用して脱臭を行わせるようにしたものとされる。
ここで、上記についての補足説明を行う。
上記した「ガス1」は、脱臭処理の対象となる(臭気成分を含んだ)気体のことである。
上記した「光触媒脱臭装置2」は、文字通り、光触媒3を利用した脱臭装置のことである。
上記した「光触媒3」は、光5を吸収して、他の物質に化学反応を起こさせる触媒機能を有する物質である。
上記した「光源4」は、光触媒3に光触媒反応を起こさせるための光5を発生させる発光部のことである。
上記した「光触媒反応」は、光触媒3と光5とを利用した酸化・還元反応などのことである。
上記した「脱臭」は、ガス1中に含まれる臭気成分を分解して低臭化することである。
図の光触媒脱臭装置2は、例えば、大規模商業施設や、オフィスビルや、集合住宅などの建物の屋上などに設置されるような、比較的大型のものとなっている。但し、光触媒脱臭装置2の構成や大きさや設置場所などは、これに限るものではない。
なお、光源4については、後述する。
そして、上記した構成に対し、この実施例では、以下のような構成を備えるようにする。
上記光触媒3に、白金担持酸化チタン触媒または酸化タングステン触媒を用いるようにする。
そして、上記光源4に、上記白金担持酸化チタン触媒または酸化タングステン触媒が脱臭効果を(有効に)発揮可能な特定波長の可視光を発生する(可視域の)LED23を用いるようにする。
ここで、上記した「白金担持酸化チタン触媒」は、白金化合処理された酸化チタン(Pt−TiO2)のことである。
上記した「酸化タングステン触媒」は、酸化タングステン(WO3)を用いた触媒のことである。
光触媒3は、基本的に、白金担持酸化チタン触媒または酸化タングステン触媒の少なくとも1つを主成分とするものであるが、光触媒3には上記の他に、吸着剤や、シリカなどの周知の添加物が混合されていても良い。
上記した「特定波長の可視光」は、可視光に含まれる様々な波長の光のうち、白金担持酸化チタン触媒または酸化タングステン触媒が吸収して脱臭効果を有効に発揮する特別な波長(特定の可視吸収波長または可視脱臭促進波長)の光5のことである。特定波長は、単波長(特定波長)であることが望ましいが、狭い幅(特定波長域)を有していても良い。この場合、上記した狭い幅は、LED23が有する波長の幅程度のものとされる。
この場合、蛍光灯型LEDランプは、LED23が、基板25の片面側に対して、基板25の長手方向にほぼ沿うように多数取付けられることにより、基板25の片面側に対してのみ発光可能なものとされている(片面発光タイプ)。即ち、この蛍光灯型LEDランプは、ランプ本体24の周方向に対し、最大で180°の照射角度を有するものとされている。但し、LED23を、基板25の両面に取付けることにより、基板25の両面側に対して発光が可能なものとすることもできる(両面発光タイプ)。
なお、上記した片面発光タイプの場合、光5を光源4の両側に配置された各光触媒フィルター15に対して万遍なく照射できるようにするために、上下方向に位置する蛍光灯型LEDランプを、交互に反対側の光触媒フィルター15へ向けて光5を照射するように、ランプ本体24の向きが180°反対になるように取付けたり、または、上記した回転ソケット26aによって角度を調整したり微調整したりするようにしている。但し、LED23には、上記した蛍光灯型LEDランプ以外の形態のものを用いることもできる。
上記光源は、上記特定波長として中心波長が400nm〜490nmの可視光を発生するLED23とされる。
「可視光」は、波長の下限が360nm〜400nmとされ、波長の上限が760nm〜830nmとされる。そして、上記した400nm〜490nmの可視光は、ほぼ紫色から青色の光5となる。なお、より高い脱臭効率を得るためには、LED23の中心波長は、400nm〜470nm程度の範囲とするのが好ましい。
「LED23」は、中心波長に対して±20nm〜30nm程度の狭い波長の幅を有する光5を発光することができるものである。ここで、一般に、LED23の中心波長は、製造時のバラ付きなどによって、表示値に対する誤差を有している。そのため、上記した蛍光灯型LEDランプも、中心波長に誤差を有するLED23が使われる可能性が高いが、この場合には、誤差の範囲を±10nm程度以下に抑えるようにしている。なお、蛍光灯型LEDランプは、上記した波長範囲内(400nm〜490nm)で様々な中心波長を有するLED23を組合せて構成するようにしても良い。
より具体的には、上記光触媒3が、白金担持酸化チタン触媒とされる。
そして、上記光源4が、白金担持酸化チタン触媒に対する特定波長となる、中心波長400nm〜450nmの可視光を発生するLED23とされる。
光触媒3が白金担持酸化チタン触媒の場合、より一層高い脱臭効率を得るためには、LED23は、中心波長400nm〜420nmの可視光を発光するものを使用するのが好ましい。
または、上記光触媒3が、酸化タングステン触媒とされる。
そして、上記光源4が、酸化タングステン触媒に対する特定波長となる、中心波長400nm〜470nmの波長の可視光を発生するLED23とされる。
光触媒3が酸化タングステン触媒の場合、より一層高い脱臭効率を得るためには、LED23は、中心波長400nm〜450nmの可視光を発光するものを使用するのが好ましい。
(作用効果1)
上記構成1によれば、以下のような作用効果を得ることができる。
即ち、光源4としてのLED23は、他の可視光源(例えば、蛍光灯や通常のキセノンランプなど)と比べて発生する光5の発光波長の幅が極めて狭いという特性を有している。そのため、光触媒3としての白金担持酸化チタン触媒または酸化タングステン触媒に対して、これらが脱臭効果を(最も)有効に発揮可能な特定波長の可視光のみを意図的に効率的且つ集中的に照射することが可能となる。よって、このような脱臭効果を有効に発揮可能な特定波長が実際に存在することが解明されれば、可視光であっても、白金担持酸化チタン触媒または酸化タングステン触媒に、高い脱臭効果を発揮させることが可能となる。その結果、白金担持酸化チタン触媒または酸化タングステン触媒と上記LED23との組合せによって、これまでの酸化チタン触媒と蛍光灯型の紫外線ランプとの組合せとほぼ同等またはそれ以上の脱臭性能を達成することが可能となる。
なお、LED23は、波長が長いもの程、安価に入手することができるため、上記した特定波長の光5は、波長が長くなる程、コスト的には有利となる。
更に、紫外線を用いずに、(特定波長の)可視光で脱臭が行えるので安全であり、しかも、水銀が使用されないので環境的にも好ましい設備にすることができる。
上記構成2によれば、以下のような作用効果を得ることができる。
即ち、中心波長が400nm〜490nmの可視光を発生するLED23を用いることにより、白金担持酸化チタン触媒および酸化タングステン触媒は、脱臭性能を有効に発揮することができる。
上記構成3によれば、以下のような作用効果を得ることができる。
即ち、白金担持酸化チタン触媒は、LED23からの中心波長400nm〜450nm、好ましくは中心波長400nm(の特定波長)の可視光を照射することによって、最も高い脱臭性能を発揮することができる。
上記構成4によれば、以下のような作用効果を得ることができる。
即ち、酸化タングステン触媒は、LED23からの中心波長400nm〜470nm、好ましくは中心波長400nm〜450nm(の特定波長)の可視光を照射することによって、高い脱臭性能を発揮することができる。
以下、光触媒3と光5の波長との関係について説明する。
また、線dが現在最も多く使われている酸化チタン触媒の拡散反射スペクトル、線eが白金担持酸化チタン触媒の拡散反射スペクトル、線fが酸化タングステン触媒の拡散反射スペクトルである。
上記考察の結果を確かめるために、以下のような実験を行った。
実験には、図5に示すような装置を用いた。この実験装置は、一面に透明な窓板31を有する反応容器32の内部に、水で溶いた光触媒3を塗布して乾燥させた試料33を、スペーサ34を介して設置し、反応容器32に臭気成分としてのアセトアルデヒド(AcH)を含むガス1(空気)を供給しつつ、反応容器32の外部に設置されたLED23(蛍光灯型LEDランプなどの光源4)からの光5を、窓板31を通して試料33に照射し、光触媒反応によるアセトアルデヒドの除去率を測定装置35で測定するようにしたものである。この際、蛍光灯型LEDランプと試料33の表面との間隔は30mmとし、窓板31と試料33との間の空気層は5mmとしている。
なお、その他の構成については、特に説明しないが、図に記載した通りである。
・アセトアルデヒド初期濃度:5ppm
(約200ppmの標準ガスボンベのガス1を空気精製装置の精製空気で希釈して調整)
・反応容器32 :JIS R1701−2
・サンプルサイズ :幅50mm、長さ100mm(または50mm)
・光触媒塗布量 :0.20g
・前処理 :UV照射10W/m3(16h)
・流量 :1.0L/min
・湿度 :50%(25℃換算)
・光源4の位置 :試料33(サンプル)の表面から30mm
・ガス分析 :FID検出器付きガスクロマトグラフ
・酸化チタン :日本エアロジル P25(TiO2)
・白金担持酸化チタン :石原産業 MPT623
・酸化タングステン :日本無機化学工業 WO3(Lot#101059)
・鉄担持酸化チタン :石原産業 MPT625(実験1bで使用)
番号 光触媒 LED波長 AcH除去率 CO2転化率
1 酸化チタン触媒(比較例)400nm 21.3% 18.3%
2 同上 420nm 12.5% 7.3%
3 同上 450nm 1.4% 2.1%
4 白金担持酸化チタン触媒 400nm 80.1% 92.8%
5 同上 420nm 78.0% 68.0%
6 同上 450nm 41.3% 18.0%
7 酸化タングステン触媒 400nm 68.7% 70.2%
8 同上 420nm 73.7% 78.9%
9 同上 450nm 74.4% 79.6%
この実験の結果、まず、現行の「酸化チタン触媒」(TiO2)では、上記したどのLED23との組合せでもアセトアルデヒドの除去率が低く(それぞれ21.3%(400nm)、12.5%(420nm)、1.4%(450nm))、可視域のLED23との組合せは不向きであることが確認された。
また、400nm以上の中心波長のLED23については、波長が長くなる程、安価かつ高効率になる(エネルギー当たりの発生光子数が多くなる)という傾向があるため、波長が長い程、実用化にとっては有利となる。
また、420nmの中心波長のLED23との組合せについても高いアセトアルデヒドの除去率(78.0%)が得られた(CO2転化率68.0%)。
そして、450nmの中心波長のLED23との組合せではアセトアルデヒドの除去率は上記よりも低く(41.3%)、CO2転化率も上記より低くなった(18.0%)。
また、追加として、異なる方法で銅を担持させた二種類の酸化タングステン触媒(Cu−WO3)について、上記と同様の実験を行った(硝酸銅水溶液を用いる銅の担持方法(方法1)と、塩化銅水溶液を用いる銅の担持方法(方法2))。
方法1の銅担持酸化タングステン触媒は、アセトアルデヒドの除去率が42.6%、CO2転化率が18.2%となった。
また、方法2の銅担持酸化タングステン触媒は、アセトアルデヒドの除去率が51.4%となり、CO2転化率が27.1%となった。
よって、特定波長の可視光に特化した本実験では、銅を担持させないものの方が、性能が良いという結果となった。
また、サンプルサイズを半分にして(幅50mm、長さ50mm)、同様の実験を行った。
この実験では、光触媒3として、酸化チタン触媒に鉄を担持させたもの(鉄担持酸化チタン触媒)や、酸化タングステン触媒に白金担持酸化チタン触媒を混合したもの(混合光触媒A)や、酸化タングステン触媒に酸化チタン触媒を混合したもの(混合光触媒B)などを用いて、光触媒3を組合せた場合の効果などについても調べた。
番号 光触媒 LED波長 AcH除去率 CO2転化率
1b 白金担持酸化チタン触媒 400nm 59.1% 80.6%
2b 白金担持酸化チタン触媒 420nm 46.6% 46.0%
3b 鉄担持酸化チタン触媒 400nm 46.5% 35.7%
4b 酸化タングステン触媒 450nm 47.7% 59.7%
5b 混合光触媒A 420nm 42.2% 44.5%
6b 混合光触媒B 420nm 46.5% 47.7%
更に、上記した光触媒3を、実際にフィルター化しての実験も行った。
フィルター基材には、ガス1との接触効率や光利用効率が高い、3次元の網目状をしたセラミック製のものを用いた。そして、このフィルター基材に対し、光触媒3を水に懸濁させたコーティング溶液を付着させて乾燥させるなどの手段により、光触媒3を担持させるようにした。なお、フィルター基材に対する光触媒3の付加重量については、現行の酸化チタン触媒が最大除去率を示す約2gを基準とした。
・アセトアルデヒド初期濃度:5ppm程度
・反応容器32 :JIS R1701−2(フィルター用)
・サンプルサイズ :幅50mm、長さ25mm(JISの1/4)
・前処理 :UV照射16h
・流量 :1.0L/min
・湿度 :50%(25℃換算)
・光源4 :蛍光灯型の紫外線ランプ (酸化チタン触媒)
:中心波長400nmのLED23 (白金担持酸化チタン触媒)
:中心波長420nmのLED23 (酸化タングステン触媒)
・光源4の位置 :光触媒3の表面とLED23の外面との距離30mm
・ガス分析 :FID検出器付きガスクロマトグラフ
番号 光触媒 付加重量(5×10cm2当り) AcH除去率
21 酸化チタン触媒(比較例) (約2.00g) 40.3%
22 白金担持酸化チタン触媒 1.00g 54.4%
23 酸化タングステン触媒 1.49g 60.0%
24 同上(450nmLED23) 0.93g 58.5%
また、アセトアルデヒドの他に、臭気成分としてのメチルメルカプタンについての実験も行った。
・メチルメルカプタン初期濃度:5ppm(200ppmの標準ガスを希釈)
・反応容器32 :JIS R1701−5(フィルター用)
・サンプルサイズ :幅50mm、長さ25mm(JISの1/4)
・前処理 :UV照射16h
・流量 :1.0L/min
・湿度 :50%(25℃換算)
・光源4 :中心波長400nmのLED23(白金担持酸化チタン触媒)
:中心波長450nmのLED23(酸化タングステン触媒)
・光源4の位置 :光触媒3の表面とLED23の外面との距離30mm
・ガス分析 :FID検出器付きガスクロマトグラフ
番号 光触媒 付加重量(5×10cm2当り) 除去率
31 酸化チタン触媒(比較例) (2.00g) 43.1%
32 白金担持酸化チタン触媒 2.01g 57.0%
33 酸化タングステン触媒 0.93g 3%未満
34 酸化タングステン触媒+銀 同上(銀0.10%担持) 18.3%
35 酸化タングステン触媒+銅 同上(銅0.12%担持) 40.9%
更に、様々な(中心)波長の光源を使って実験を行った。
実験には、サンプルとして上記実験2の24番などで使用した酸化タングステン触媒と同じ触媒を使用した。
・アセトアルデヒド初期濃度:5ppm(200ppmの標準ガスを希釈)
・反応容器32 :JIS R1701−5(フィルター用)
・サンプルサイズ :幅50mm、長さ25mm(JISの1/4)
・前処理 :UV照射16h
・流量 :1.0L/min
・湿度 :50%(25℃換算)
・光源4の位置 :光触媒3の表面とLED23の外面との距離30mm
・ガス分析 :FID検出器付きガスクロマトグラフ
番号 光源 除去率
41 中心波長450nmの蛍光灯型LEDランプ(脱臭装置用) 54.6%
42 一般の470nm青色LED(KBU−10W)10W蛍光灯型 30.0%
43 植物育成ライト(BSJ−81)455nmと670nmとの混合型 63.0%
44 浜松ホトニクス 波長可変光源(OSJL12194)
a 波長400nm 31.1%
b 波長425nm 26.9%
c 波長450nm 19.2%
d 波長460nm 11.7%
e 波長470nm 5.8%
f 波長480nm 2.5%
g 波長490nm 1.1%
h 波長500nm 0%
3 光触媒
4 光源
5 光
23 LED
Claims (3)
- 光触媒に、光源からの光を照射して、光触媒反応により脱臭を行わせるようにした光触媒脱臭装置において、
前記光触媒に、酸化タングステン触媒を用いると共に、
前記光源に、前記酸化タングステン触媒が脱臭効果を発揮可能な特定波長の可視光を発生するLEDを用いるものとされ、
前記光源は、前記特定波長として中心波長が400nm〜450nmの可視光を発生するLEDであり、
酸化タングステン触媒に銅を担持させたものを有することにより、
メチルメルカプタンに対する脱臭効果も更に得られるようにしたことを特徴とする光触媒脱臭装置。 - 請求項1に記載の光触媒脱臭装置において、
前記光源は、前記特定波長として中心波長が400nm〜420nmの可視光を発生するLEDであることを特徴とする光触媒脱臭装置。 - 請求項1に記載の光触媒脱臭装置において、
前記酸化タングステン触媒に銅を担持させたものに対する光源は、前記特定波長として中心波長が450nmの可視光を発生するLEDであることを特徴とする光触媒脱臭装置。
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