JPH0778A - 飼育水浄化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アンモニアによる飼育水の汚染を良好に防止
し得る魚貝類飼育装置を提供する。 【構成】 飼育水２中のアンモニアを分解する光触媒１
を備える魚貝類の飼育水浄化装置とする。半導体光触媒
は高活性な有機物の酸化分解触媒でもあるため、これら
が共存する飼育水においても有機物による触媒の被毒や
活性の低下は非常に少ない。したがって、処理水の有機
物濃度の変動にも非常に強く、安定した処理が可能であ
る。また、例えば光触媒として活性な酸化チタンは、白
色の顔料としてホワイトチョコレートなどの食品添加物
として認可されている。したがって、飼育する魚介類に
対して無毒であるばかりでなく、食用の養殖を行う場
合、万一光触媒が魚介類中に取り込まれても、人体に全
く影響のない安全なシステムとすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、海水および淡水の鑑賞
用または食用を目的とする鮮魚等の、水槽、養魚槽、輸
送手段および付随する浄化手段等に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】水槽中や養魚場などで魚貝類を飼育する
際には、飼育温度、明るさなどとともに、飼育する魚貝
類に適当な水質を確保することが非常に重要である。し
かしながら、自然環境中に生息する場合と比較して、一
定水量あたりに生育する魚貝類が非常に多いため、飼料
や魚貝類からの排泄物に由来する水質悪化がしばしば問
題となる。

【０００３】飼育にともなう汚染物質は、懸濁物質と溶
解物質に大別される。このうち懸濁物質には、魚貝類の
食べ残した飼料そのものや、排泄物、細菌類、ゴミなど
があり、これらの除去は従来濾過法が広く用いられてい
る。

【０００４】一方、溶解物質には、アンモニア、塩素、
硝酸、などの無機イオン、有機物などがある。有機物は
一般にそのままでは安定であるが、飼育水中では酸素や
微生物の存在により分解され、同時に炭酸ガス、アンモ
ニアなどが生成する。飼育生物からは直接呼吸代謝によ
り炭酸ガスやアンモニアが排泄されており、有機物は炭
酸ガス、水、アンモニアに最終的には変化する。このア
ンモニアは微生物の生物的硝化反応により、その一部が
亜硝酸または硝酸に転換されるが、蓄積すると飼育生物
に障害を与え、場合によっては死滅することが知られて
いる。

【０００５】従来、このアンモニアの除去または分解装
置には、イオン交換法、オゾン処理法、生物化学的浄化
法が用いられている。

【０００６】

【発明が解決すべき課題】イオン交換法は、アンモニア
をゼオライトまたはイオン交換樹脂によりナトリウムイ
オンなどと交換する方法であるため、他のカチオンが共
存する中から選択的にアンモニアを交換する能力が高い
ものを用いる必要がある。また、海水においては高濃度
の塩を多量に含むため、選択的除去が困難となるといっ
た問題があった。

【０００７】また、オゾン処理法は、中性条件下では亜
硝酸の硝酸への酸化反応は進行するものの、アンモニア
の硝化反応はほとんど進行しないといった問題があっ
た。また装置が比較的大規模になり、排出する残留オゾ
ンの処理が必要となるといった問題点もある。

【０００８】生物化学的処理法は、硝化細菌を用いる方
法で、硝化の能力は高いものの、処理水中のアンモニア
濃度の変化に弱く、また培養に数十日の時間を必要とす
るといった問題があった。また、水中有機物濃度の影響
を受けやすく、養魚槽などの急激な負荷変動に対して弱
いといった問題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、魚介類の飼育
水浄化装置に、飼育水中のアンモニアを分解する光触媒
を備えることで、上述の如き問題を解決しようとするも
のである。

【００１０】

【作用】半導体にそのバンドギャップ以上のエネルギー
を有するしかるべき波長の光を照射すると、光励起によ
り、価電子帯から伝導体に電子が遷移すると同時に、価
電子帯に正孔が生成し、いわゆる電荷分離が起こる。ま
た半導体に光を照射しつつ水あるいは溶液を接触させる
と、ショットキーバリヤに類似した接合が形成され、半
導体がｎ型の場合には正孔が、ｐ型の場合には電子が、
それぞれ半導体の固−液界面側の表面に集まってくるこ
とはよく知られている。そして、ｎ型半導体の場合に
は、正孔が水あるいは溶液種から電子を引き抜き、その
結果水が分解したり、溶液中の溶質が酸化される。ま
た、ｐ型半導体の場合には、電子が隣接する水あるいは
溶液種に付与され、その水あるいは溶液種の還元反応が
起こる。このように、光酸化還元反応を促進する半導体
を特に半導体光触媒あるいは、単に光触媒という。

【００１１】従来、光触媒を用いた酸化還元反応もしく
は酸化還元反応操作としては、水の分解反応、水素発生
反応、脱臭反応，排水処理その他などの各種有機化学反
応、殺菌反応などが提案されている。光触媒としては、
具体的には、ｎ型半導体としての酸化チタンが、その化
学的安定性の故に最も広く使用されている。

【００１２】この光触媒反応の特徴は、非常に強い酸化
力を持つこと、選択性に乏しいこと、触媒反応であるた
め長寿命が期待できること、が挙げられる。そこで本発
明者らは、光触媒を用いた飼育水中のアンモニアの酸化
分解の可能性に着目し、本発明が光触媒としての特徴を
生かした装置としてなることを発見し、鋭意研究の結果
本発明に至った。そこで本発明の構成を、鑑賞魚用水槽
に適した場合について詳述するが、食用魚その他にも応
用できることは勿論である。

【００１３】まず、光触媒体１に用いる材料について述
べる。光触媒体１は、光触媒とこれを支持する支持体と
を備えるか、または光触媒のみで構成される。

【００１４】光触媒としては、ＴｉＯ_２，ＺｎＯ，Ｓｒ
ＴｉＯ_３，ＣｄＳ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＧａＡｓ，ＢａＴ
ｉＯ_３，Ｋ_２ＮｂＯ_３，Ｆｅ_２Ｏ_３，Ｔａ_２Ｏ_５，ＷＯ
_３，ＳｎＯ_２，Ｂｉ_２Ｏ_３，ＮｉＯ，Ｃｕ_２Ｏ，Ｓｉ
Ｃ，ＳｉＯ_２，ＭｏＳ_２，ＩｎＰｂ，ＲｕＯ_２，ＣｅＯ
_２，などおよび、これらの光触媒にＰｔ，Ｒｈ，ＲｕＯ
_２，Ｎｂ，Ｃｕ，Ｓｎ，ＮｉＯなどの金属及び金属酸化
物を担持した従来公知のものがすべて適応できる。好ま
しくは、ＴｉＯ_２，ＳｒＴｉＯ_３などである。

【００１５】次に、支持体として用いられる材料は、光
触媒を保持し、ハンドリングや耐久性が実用上問題のな
い機械的特性をもつものであれば特に制約はない。例え
ば、ガラスやセラミックの繊維を水中に分散し、紙すき
の要領で抄造して得られるセラミックマット、多孔性ガ
ラス、または、ナイロン，アクリル，ポリエステルなど
の繊維製品、などのような三次元的な空孔をもつものあ
るいは、ガラス、ＰＭＭＡなどの透光性のもの、セラミ
ック、金属、プラスチックの成形品などがある。その形
状も板状、管状、棒状、螺旋状など、さまざまな形状が
適用できるが、触媒を活性化する光を受けやすい構造と
することが望ましい。また、光触媒が強い酸化力を持つ
ため、酸化反応により侵されにくいセラミック系材料な
どが好適である。しかしながらこれに限定されるもので
はない。

【００１６】そこで図１において、光触媒体１は、飼育
魚の存在する飼育水中に浸漬され、飼育水に直接接触す
ることができる。また、触媒を光活性化するための励起
光は、照明装置３中の照明用光源４より照射される。ま
た、一部には、水槽のガラス面５を透過して水槽中に侵
入する散乱光も励起光となる。このように光照射された
光触媒体１は、その表面または内部を通過した飼育水中
のアンモニアを酸化分解する。その結果飼育水は養魚の
飼育に適した水質となる。ここで、光触媒上でのアンモ
ニアの反応は次のように進行すると考えられる。

【００１７】 Ｈ₂ Ｏ ＋ h ⁺ → Ｈ⁺ ＋ ＯＨ^- ＮＨ₃ ＋ ６ ＯＨ^- → ＮＯ₂ ^- ＋ Ｈ⁺ ＋
４Ｈ₂ Ｏ ＮＯ ₂ ^-＋ ２ ＯＨ^- → ＮＯ₃ ^- ＋ Ｈ₂ Ｏ また、本反応はアルカリ性条件ではより進行し易い。こ
のことはアンモニアの蓄積を防ぐ方法としては非常に都
合のよい系である。

【００１８】また光触媒体１は、水槽中で、支持台、吸
盤、フロート等で固定または半固定される。あるいは、
支持体そのものがフロートとなり移動可能な形態をとっ
てもよい。いずれの場合も飼育水との接触を保ちつつ励
起光を受け易い構成とすることが好ましい。

【００１９】このような構成はさまざまな形状が考えら
れる。例えば、図２のように、光触媒体７を水槽底面に
石材のような形状として沈めるような構成としても、同
様の効果を得ることができる。また、図３のように水槽
内面９に光触媒を直接担持固着した構成とすることも非
常に有効である。この場合、容易に光触媒を大面積化す
ることができるため、反応効率が向上する場合がある。
またこのような構成は、用いる光触媒に可視光透過性を
持つ材料を用いることで、鑑賞用水槽としての機能を失
うことなく実施することができる。しかも飼育水を飼育
に適した水質とする本発明の効果をもつ水槽となる。も
ちろん鑑賞を目的としない水槽の場合、可視光透過性を
持たない光触媒を用いてもよい。

【００２０】濾過装置６及び照明装置３は本発明方法と
併用することが好ましいが、必ずしも用いる必要はな
い。ただしこの場合、光触媒を励起するための光源は、
別途何らかの手段を用いることが有効である。

【００２１】さて、光源には、光触媒を光活性化するた
めに必要な波長の光を放出する素子であれば何れも用い
ることができる。例えば光触媒に酸化チタンを用いる場
合には、４２０ｎｍ以下の波長の光が触媒の光活性化を
行うので、例えば、水銀ランプ、キセノンランプ、メタ
ルハライドランプなどの高輝度放電灯、ハロゲンラン
プ、白熱灯などのフィラメントランプ、飼育用蛍光灯、
ブラックライトなどの蛍光灯類などがすべて適用可能で
ある。またこの光源は、その目的が光触媒の光活性化の
みである必要はなく、水槽等の照明装置の光源に含まれ
る紫外光成分を利用する構成としてもよいことは前述の
通りである。またさらに、光源に太陽光のみを用いるま
たはこのような人工光源を併用することもできる。

【００２２】またさらに、本発明方法は例えば図４及び
図５のような飼育水の循環処理装置としても実施するこ
とができる。この場合、飼育水は導水管１０より装置中
に導入される。次に反応槽１１中を通過し、光触媒体１
２によりアンモニアが分解され、飼育に適した水質とな
る。次に処理された飼育水は、出水管１３を通り、再び
水槽に戻される。このとき光触媒体１２は、光源１４か
らの励起光が照射され、光活性化された状態にある。こ
のような構成とする場合には、より強い光源の使用、光
触媒体の大面積化、濾過装置との組み合わせなど、求め
る循環処理装置の性能に合わせた構成としやすいといっ
た利点がある。

【００２３】さて、本発明において光触媒を用いる意義
は、効率よくアンモニアを処理することができるためで
あることは言うまでもないが、このこと以外に以下の点
が非常に特徴的である。

【００２４】まず第１に、処理水の水質を選ばないこと
である。例えば、非常に高濃度の電解質を含む海水でも
淡水同様の処理が可能である。これは、ナトリウム、カ
リウム、マグネシウム、カルシウム、硝酸、硫酸、塩酸
などの無機イオンによる阻害がほとんどないといった半
導体光触媒の反応機構に由来する。また、半導体光触媒
は高活性な有機物の酸化分解触媒でもあるため、これら
が共存する飼育水においても有機物による触媒の被毒や
活性の低下は非常に少ない。したがって、処理水の有機
物濃度の変動にも非常に強く、安定した処理が可能であ
る。

【００２５】第２に、生物学的に全く無毒のものを用い
ることができることである。例えば光触媒として活性な
酸化チタンは、白色の顔料としてホワイトチョコレート
などの食品添加物として認可されている。したがって、
飼育する魚介類に対して無毒であるばかりでなく、食用
の養殖を行う場合、万一光触媒が魚介類中に取り込まれ
ても、人体に全く影響のない安全なシステムとすること
ができる。

【００２６】

【実施例】

＜実施例１＞チタンテトライソプロポキシド１０ｇを５
０ミリリットルのエタノールに溶解しここに、２０ミリ
リットルのエタノール、２ミリリットルの水及び、０．
３ミリリットルの濃塩酸の混合溶液を加え酸化チタンゾ
ルを得た。これを、１００ｍｍ×１００ｍｍ角のパイレ
ックスガラス板上にディップコーティング法にて酸化チ
タンゲル層を形成し、次に５００℃で３時間焼成し光触
媒体とした。

【００２７】得られた光触媒体２枚を、図１のような幅
４３ｃｍ×奥行３０ｃｍ×高さ３０ｃｍの鑑賞用水槽中
に図２のように固定し、海水３０リットルを入れ飼育水
とした。濾過装置は通常どうり運転し、照明装置の光源
には白色蛍光灯を用いた。コントロールとして光触媒を
担持していないガラス板を同様に固定したものを用い
た。ここに真鯵１０匹づつをそれぞれ収容し、２０日間
飼育した。

【００２８】その結果、光触媒体を浸漬した水槽中の真
鯵は１０匹とも生息したが、コントロールは６匹が死滅
した。２０日後の各水槽中のアンモニア濃度をイオンク
ロマトグラフで測定したところ、光触媒による処理を行
った飼育水は０．３ｐｐｍ以下、コントロールは１．７
ｐｐｍであった。

【００２９】＜実施例２＞まず光触媒体を次のように調
製した。テトラエトキシシラン４ｇを５０ミリリットル
のエタノールに溶解しここに、２０ミリリットルのエタ
ノール、２ミリリットルの水及び、０．３ミリリットル
の濃塩酸の混合溶液を加えシリカゾルを得た。これに、
あらかじめ３５０℃で２時間熱処理したアナターゼ型酸
化チタン（粒子径０．０３μm ）５ｇを分散して、光触
媒分散液とした。支持体として直径５ｍｍのガラスビー
ズを用い、光触媒分散液を支持体上に塗着し光触媒層を
形成した。その後、４５０℃で３時間焼成し光触媒体と
した。

【００３０】そこで、こうして得られた光触媒体を図４
に示した反応器中に２２０ｍｌ充填し、光源には２０Ｗ
ブラックライトブルー蛍光ランプを用い、前述の水槽の
飼育水を２０ｍｌ／ｍｉｎの流速で循環した。比較のた
めに本装置を取り付けない水槽を用意し、コントロール
とした。

【００３１】その結果、光触媒による処理を行った水槽
中の鯉は、３ケ月の間水を替えることなく生き続けた
が、コントロールは１週間で死滅した。このとき両水槽
中の飼育水のアンモニア濃度をイオンクロマトグラフを
用いて測定したところ、光触媒による処理を行った飼育
水は０．１ｐｐｍ以下、コントロールは１．２ｐｐｍで
あった。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明にかかる飼
育水の処理装置は、さまざまな飼育水に対応することが
でき、しかも安全に効率よくアンモニアを分解する方法
である。本発明を実施することで、飼育魚の寿命の延命
はもちろんのこと、水の入れ替え作業回数の大幅な減
少、水資源の省資源化など多大な効果が期待できる。そ
の工業的価値は極めて大きい。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【００３４】

【図１】本発明の第１の実施例にかかる飼育用水槽の断
面図である。

【００３５】

【図２】本発明にかかる飼育用水槽の断面図である。

【００３６】

【図３】本発明にかかる飼育用水槽の断面図である。

【００３７】

【図４】本発明の第２の実施例にかかる飼育用水を処理
する装置の断面図である。

【００３８】

【図５】本発明にかかる、飼育用水を処理する装置の断
面図である。

【００３９】

【符号の説明】

２ 飼育水 ８ 光触媒 ９ 水槽壁面 １５ 安定器 １６ 電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】飼育水中のアンモニアを分解する光触媒を
   備えることを特徴とする魚貝類の飼育水浄化装置。