JP6251696B2

JP6251696B2 - 光触媒反応装置

Info

Publication number: JP6251696B2
Application number: JP2015017172A
Authority: JP
Inventors: 武長澤; 憲一岩崎; 修伊原
Original assignee: 株式会社大高商事; 武長澤
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: JP2016140806A

Description

本発明は、可視光応答型光触媒を利用した気体改質、消臭、殺菌等の反応装置に関する。

従来光触媒には、通常の二酸化チタンを主たる原料として用いるのが一般的であるが、この二酸化チタンは紫外線の照射によって触媒活性が得られるものであり、太陽光の得られる室外での使用に限定される傾向にあり、又、紫外線が強いエネルギーを有することから目に有害で、装置の損壊等のおそれもある。
そこで、近年、紫外線に代わって可視光線で活性化する可視光応答型光触媒の開発が進められ、Ｓドープ酸化チタンやＮドープ酸化チタン等が登場し、自然光に近い条件での活性が得られるものとして活用が期待されている。
その応用例として特許文献１が挙げられ、可視光応答型光触媒を施したフィルターに加湿タンク及び送風機等を配し、そこに照明機構を具備させた空気清浄機が提案されている。
しかし、これら可視光応答型光触媒にあっては、家庭用の冷蔵庫、車、下駄箱等への消臭、殺菌等を図ろうとしたとき、その光触媒効果が未だ不十分であることが否めない。

特開２０１４−１１２０３０号公報

そこで本発明は、斯かる可視光応答型光触媒を活用し、且つ、その触媒活性能に改良を加え、家庭用冷蔵庫、車、下駄箱等への気体改質、消臭、殺菌等への用途に対する効果を増大させ、小型で高効率な装置を提供しようとするものである。

本発明光触媒反応装置は、導入口と排出口を配した筒型の反応管の一方に送気又は吸引のファンを備えてなり、a）該反応管の中央部に反射板を設けると共に、該反射板に乱流を惹起する通気孔を穿設し、ｂ）該反射板の通気孔を挟んで導入口側及び排出口側の双方に、可視光応答型光触媒を施した不織布の繊維層から成る有隙性素材で形成する反応層を配設し、ｃ）該反応層に向けて可視光を照射する可視光ランプを配設し、ｄ）前記反応管の内面及び反射板の表面を鏡面に形成したことを特徴とする。
請求項２記載の光触媒反応装置は、光応答型光触媒をＳドープ二酸化チタンとしたことを特徴とする。

有隙性素材で形成する反応層にランプからの可視光が照射されると、そこに施された可視光応答型光触媒が励起し、導入口から導かれた対象となる気体と反応し、改質、消臭、殺菌等の作用効果が促される。このとき、反射板及びそこに穿設された通気孔の作用で、通気孔付近の気流は速まる一方で反応層表面付近は遅くなり、その比較的ゆっくりした気流はランプからの可視光と可視光応答型光触媒との反応に充分な時間を保持し、高い反応性が得られる。
又、有隙性素材により気体の内部への流入が促されると共に、通気孔によって速められた気流は、同時に反応層内に乱流を惹起し、その乱流が反応層内部に撹拌効果をもたらし、反応層の内部の光触媒と気流との接触チャンスが増加し、気流に対する触媒の反応性が増大する。
このとき、反応管の内部側面及び反射板の表面が鏡面に形成されているので、反応層内部に入射した光は有隙性素材で散乱されるも鏡面によって反射され、散乱と反射が繰り返されることで、光照射効果が倍増する。
総じて、反応層の表面付近では、ゆっくりした気流とランプからの比較的強い可視光照射で高い反応性が得られ、反応層内部では、反射板の通気孔による乱流効果で接触チャンスが増加すると共に、反応管内面及び反射板表面に施された鏡面でその入射光の効果が倍増し、反応層の表面及び内部の双方で高い反応性が得られる。

反応装置内部を示す模式的断面図である。反応装置内の気体の流れを示す模式的断面図である。反射板と通気孔を示す正面図である。エチレン濃度の時間経過に伴う変化を示すグラフである。

本発明装置は、図１に示す如く、対象となる気体を導入して反応を促進する反応管１を備え、該反応管１は、両端の開放された筒型をなし、一方を導入口２とし、反対側を排出口３とし、その一方に、送気又は吸気のためのファン４を配して成る。
その大きさは、対象となる気体の存在形態に合わせて異なるものとし、家庭用冷蔵庫、車、下駄箱等それに合わせた大きさとなる。
又、筒型となる反応管１は、円形管を主とするが、六角形、四角形等の角型であっても良い。
又、ファン４は、送気又は吸気（反応層に対して）のいずれか一方を選択することになるが、図１では送気型を示した。

該反応管１の略中央部には、導入口２側と排出口３側とを区画する反射板５を設け、且つ、その反射板５には、導入された気体を導入口２側から排出口３側へと導くための通気孔６を穿設する。
反射板５及び通気孔６は、導入口２から流入する気体を後述する反応層７の表面側で比較的ゆっくりと、通気孔６付近で速く流れるようにすると共に、該反応層７の内部で乱流が惹起されるよう図るものである。
通気孔６に穿設する数及びその口径は、必要とされる流れの速度及び乱流の状態によって異なるが、例えば、反射板５の直径が４８ｍｍの場合、通気孔６の直径を２．０ｍｍとし、その数を２５個とする（図３参照）。

上記反射板５及び通気孔６を挟んで、その両脇に２つの反応層７を配設する。
該反応層７は、後述の有隙性素材８で形成されるが、その表面には可視光応答形光触媒が施される。
可視光応答型光触媒とは、紫外線によらず可視光によって励起され得る光触媒をいい、例えばSドープ二酸化チタン、Nドープ二酸化チタン等が挙げられる。酸化チタンにイオウ、チッソ等をドーピングさせることで、光触媒の分子構造が変化し、新たなバンドキャップが生まれ、長波長の可視光を吸収可能とすることができるものである。
Sドープ二酸化チタンでは、可視光照射によって、価電子帯側と伝導帯との間にあるドープ順位での電子の抜けた正孔と水のOH基との反応からOHラジカルを、伝導帯側で空気中の酸素と電子との反応でスーパーオキサイドアニオン（O^2-）を得る。そこで、本発明装置では、該OHラジカル及びスーパーオキサイドアニオン（O^2-）が後述する本発明装置の目的とする気体改質、消臭や殺菌等により有効であることから、還元反応の速いSドープ二酸化チタンがより好ましいものとなる。

ここで、有隙性素材とは、隙間を有して対象気体を流通させると共に、同じ隙間を介して内部（奥部）に光を導き、表面部のみでなく光の到達し得る内部（奥部）においても光触媒反応を惹起し得る素材をいい、例えば、不織布等の繊維を層状に重ねたもの等を指す。
例えば、上記Sドープ二酸化チタンの溶液に不織布等の繊維を浸漬させて、それを引きあげて乾燥させることで、繊維の表面及び内部にSドープ二酸化チタンの施された層を形成したものを用いることができる。

反応管１内で上記反応層７，７と対向する位置に、反応層７に施した可視光応答型光触媒を励起させ得る可視光ランプ８，８を配設する。この可視光ランプにはＬＥＤランプを用いることができ、例えば、発生する波長が４５０ｎｍで、３．４V、２０ｍAのＬＥＤランプを５×５個（１０個）配置することができる。

上記反応管１の内面及び反射板５の表面にあっては、上記可視光ランプ８，８からの光を反射できる鏡面に形成する。
可視光ランプ８，８から発せられた光を、一つ目には反応層５に至る側面で、二つ目には反応層５の内部側面で、三つ目には反応層の最奥部となる反射板５で、それぞれ反射し得るものとする。
その鏡面の形成には、ガラス質面を施しても良いが、反応管１及び反射板５にステンレス鋼を用いた場合には、その表面を研磨して鏡面に仕上げることで優れた鏡面とすることができる。

以下本発明装置の作用・効果を説明する。
本発明装置で処理対象となるものは、空気中に含まれる水分又は酸素が可視光応答型光触媒の励起によって活性化された場合に、その酸素ラジカル又は活性酸素によって促される気体改質、消臭、殺菌等の処理の可能なものである。具体的には、野菜の老化成分としてのエチレンガス、悪臭成分としての硫化水素、雑菌、ウイルス等を指す。

上記成分を含む気体が反応管１の導入口２からファン４の吸引力又は送気力によって導入されると、その気体はやがて反応層７へと至る。該反応層７には可視光応答型の光触媒が施されており、そこに可視光ランプ８からの、例えば波長４５０ｎｍの可視光が照射されると、光触媒の励起が促される。
即ち、従来の酸化チタンは紫外線のみの吸収であったものが、可視光応答型光触媒により、価電子帯より高い位置及び伝導帯より低い位置（バンドキャップ内のエネルギー順位）に電子が存在できる順位が生まれ、可視光が吸収可能となり、光触媒の励起が促されるものとなる。
この光触媒の励起で、価電子帯側では、電子の抜けた正孔と水のOH基が反応して、OHラジカルを発生し、伝導帯側では、空気中の酸素と電子が反応して、スーパーオキサイドアニオン（O^2-）の発生が促される。
これにより、後述するエチレンの改質、消臭や殺菌等が可能となる。

このとき、反射板５及びそこに穿設された通気孔６の作用で、後述する如く通気孔６付近の気流は速まる一方で、反応層７，７表面付近は遅くなり、比較的ゆっくりとした気流となる。すると、上記可視光ランプ８からの光照射と可視光応答型光触媒の励起によって生じたOHラジカル又はスーパーオキサイドアニオン（O2-）と、気流中に含まれるエチレンガス、悪臭成分としての硫化水素、雑菌、ウイルス等が反応する際に、充分な時間が保持され、反応率が向上する（図２参照）。

さて、上記反応層７，７の表面部での反応を終えた気流は、次いで上記反応層の内部に入り、有隙性素材で形成された反応層の内部に施された光触媒と接触する。
このとき、本発明装置では、図２に示す如く、反応管１の中央部に反射板５が設けられ、そこには通気孔６が穿設されているので、この通気孔６によって経路の狭められた気流は、通気孔６付近で流速が速くなる。
例えば、反射板の孔の総面積：Ｓ_{0 、}孔を通過する気体の速度：Ｖ_{0 、}反応層表面部の面積：Ｓ、表面部を流れる気体の速度：Ｖ、とすると、
Ｓ₀Ｖ₀＝ＳＶ・・・（１）より、
Ｖ＝Ｓ₀／Ｓ×Ｖ₀ ・・・（２）
が導かれる。
例えば、Ｓ₀＝N₀πr₀ ² 孔の数N₀＝２５、孔の半径r₀＝１ｍｍ，
S＝Nπｒ²、N＝1,ｒ＝２２ｍｍとすると、
（２）式より、V＝（２５π×１²／１π×２２^２）×V₀＝２５／４８４V₀＝１／１９
が得られる。
即ち、反応層７の入口部付近及び出口部付近の速度に比べて通気孔６付近の気流の速度は約１９倍の速さとなる。この通気孔６付近の速い気流に促されて、周囲の相対的に遅い気流との間で回転を伴う乱流が惹起されるものとなる。
この結果、反応層７内では、有隙性素材で形成された光触媒と気流との接触のチャンスが増加し、例えば、不織布内に含浸されたSドープ二酸化チタン光触媒の周りを気流が周回し、気流に含まれるエチレンガス、悪臭成分等との反応の頻度が増大する。

またこのとき、入射光にあっても、反応管の内面及び反射板の表面が鏡面に形成されているので、一旦反応層内に入射した可視光が反応層の有隙性素材と衝突し、その結果散乱された光が、鏡面の作用によって反射され、戻されて光触媒への照射を繰り返す。同時に、凹凸形状の多い有隙素材は、光を散乱する傾向が強いが、一旦飛散した光が鏡面によって戻され、繰り返しによって光照射効果が倍増される。

上記乱流による接触チャンスの増大と鏡面による反射効果とは、光触媒面で可視光の励起によって活性化されたOHラジカル又は活性酸素と気流の出会いを促し、互いに相乗効果の得られるものとなる。

以上の如くで、反応層７の表面部付近では、反射板５及び通気孔６の作用で、気流の速度が相対的に遅くなり、比較的ゆっくりとした流れとなり、充分な反応時間が保持されることから、反応の効率を高く維持することができる。
一方、反応層７内にあっては、本来、可視光ランプ８からの照射が減衰し、反応層７内で促されるはずの光触媒反応が低下してしまうことが避けられないものであったが、本発明装置では、当該反応層７内での通気孔６等による乱流作用で接触のチャンスが増大すると共に、そこに有隙性素材で散乱された可視光が鏡面によって反射され、両者が相俟って、反応層７内の反応性の低下を充分に補うものとなる。
従って、本発明装置では、反応層の表面部付近と反応層の内部との双方で、光触媒による励起作用が確保され、総じて極めて高い反応効率が得られるものとなる。

本発明装置は、可視光ランプからの光照射と可視光応答型光触媒の励起によって生じたOHラジカル又はスーパーオキサイドアニオン（O^2-）が、菌、ウイルス、悪臭、エチレンガス等と反応し、例えば、雑菌やウイルスが殺菌され、悪臭が無臭化され、野菜等を熟成老化させるエチレンガスが改質される等の効果がもたらされる。

３６リットルの容器にエチレンを注入し、初期値を１２５ppmとした。この容器中に本発明装置を設置して検証実験を行った。
反応管は直径５ｃｍ、長さ６ｃｍの円筒型として中央部に反射板を設け、そこに直径２．０ｍｍの通気孔２５個を穿設した。可視光ランプには、ブルーＬＥＤランプ（電圧３．４Ｖ、電流２０ｍＡ）６個と、グリーンＬＥＤランプ（３．４Ｖ、２０ｍＡ）４個を並列で使用し、消費電力を０．６８Ｗとした。有隙性素材にはSドープ二酸化チタン積層メッシュの不織布（(株)ピアレックス・テクノロジーズ製・商標名ピュアコートV）を、厚さ１ｃｍで面積１５．２ｃｍ² で２枚使用した。
その結果が図４に示す如くで、エチレン濃度の初期値（ｔ＝０）は１２５ｐｐｍで、容器中で自然減衰し、４０分後ではほぼ飽和状態となった。
４０分後にＬＥＤランプを照射すると、照射後エチレンの減衰量が増加することが確認された。

本発明装置は、冷蔵庫へのエチレンガス改質装置、トイレ・下駄箱・車への消臭装置、花用ショーケース・書庫への殺菌装置等としての利用が可能で、使用容積に応じて装置の個数の増加、規模の調整が可能である。

１反応管
２導入口
３排出口
４ファン
５反射板
６通気孔
７反応層
８可視光ランプ
９ファン用電源
１０ランプ用電源

Claims

導入口と排出口を配した筒型の反応管の一方に送気又は吸引のファンを備えてなり、
a）該反応管の中央部に反射板を設けると共に、該反射板に乱流を惹起する通気孔を穿設し、
ｂ）該反射板の通気孔を挟んで導入口側及び排出口側の双方に、可視光応答型光触媒を施した不織布の繊維層から成る有隙性素材で形成する反応層を配設し、
ｃ）該反応層に向けて可視光を照射する可視光ランプを配設し、
ｄ）前記反応管の内面及び反射板の表面を鏡面に形成した、
ことを特徴とする光触媒反応装置。
請求項１記載の可視光応答型光触媒を、Sドープ二酸化チタンとしたことを特徴とする光触媒反応装置。