JPH11221270A

JPH11221270A - 光触媒型空気浄化装置

Info

Publication number: JPH11221270A
Application number: JP10026189A
Authority: JP
Inventors: Fumie Yoshikawa; 文恵吉川
Original assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 1998-02-06
Filing date: 1998-02-06
Publication date: 1999-08-17

Abstract

(57)【要約】【課題】光触媒による有害物質の除去率を長時間、高
効率に維持する。【解決手段】ＵＶランプ４を点灯すると共にイオナイ
ザ８の電極９，１０を浄化対象空気に対して＋イオン化
の作用を行うように放電動作することにより、ＵＶラン
プ４より発生した波長３５２ｎｍの紫外線が光触媒５，
６に照射した状態において、浄化対象空気７を入口２よ
りケース１の内部に導入した後、イオナイザ８、光触媒
５、ＵＶランプ４、光触媒６を順に経由する。この過程
において、イオナイザ８が電極９，１０でのコロナ放電
により浄化対象空気７中の有害物質を＋イオン化すると
共に浄化対象空気中の水分よりヒドロニウムイオンを生
成する。＋イオン化された有害物質が光触媒５，６に良
好に吸着され、ヒドロニウムイオンが光触媒５，６の価
電帯より伝導帯に励起した電子を中和して当該電子と価
電帯の正孔との再結合を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、空気中の揮発性
有機物、煙草の煙、窒素酸化物、硫黄酸化物等の有害物
質を光触媒により除去して、清浄な空気を得る光触媒型
空気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は従来の光触媒型空気浄化装置を示
している。この図７において、１は箱型のケース、２は
ケース１に形成された入口、３はケースに形成された出
口、４はケース１の内部に配置されたＵＶランプ、５，
６はＵＶランプ４を間に置くようにケース１の内部に配
置された光触媒である。そして、ＵＶランプ４を点灯す
ることにより、ＵＶランプ４より発生した波長３５２ｎ
ｍの紫外線が光触媒５，６に照射した状態において、入
口２よりケース１の内部に取り入れられた有害物質を含
む浄化対象空気７が光触媒５、ＵＶランプ４、光触媒６
を順に経由する過程において、光触媒５，６の酸化還元
反応により浄化対象空気７中の有害物質を分解除去し、
清浄な空気を出口３よりクリーンルームや居住空間等に
供給し得る形態である。光触媒５，６としては、浄化対
象空気７の流れる方向に格子状（ハニカム状）の通路の
あるモノリス担体をコージエライト（２Ｍｇ０・２Ａｌ
₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂）により形成し、このモノリス担体の
通路側表面に酸化チタン（Ｔｉ０₂）や酸化亜鉛（Ｚｎ
Ｏ）等のような光触媒半導体を担持した活性成分担持層
をコーティングした形態のモノリスタイプが用いられて
いる。つまり、図８に示すように、この従来の光触媒型
空気浄化装置では、光触媒５，６の光触媒半導体５０に
バンドギャップ５１より高いエネルギーを有する紫外線
のような光子５６を照射することにより、価電帯５２よ
り伝導帯５３に電子５４を励起させ、価電帯５２に電子
５４の抜け殻として正孔（ホール）５５を発生し、酸化
還元が同時に起こる光触媒反応を利用している。光触媒
半導体５０を酸化チタンにより形成した場合は、正孔５
５によって生成されるＯＨラジカルによる酸化反応が卓
越している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の光触媒型空気浄化装置では、光触媒５，６の周囲に
＋イオンが存在しなければ、価電帯より伝導帯に励起し
た電子は価電帯の正孔と再結合しやしい状態である。そ
して、上記電子が正孔に再結合すると、正孔が酸化反応
に寄与しなくなる。このことは、光触媒による有害物質
の除去率の経時変化を測定した図３の測定結果Ｌ３によ
り明らかである。即ち、図３の測定結果Ｌ３は、浄化対
象空気に相当する試料ガスとして所定濃度のトルエンガ
スを生成して図７の光触媒型空気浄化装置の入口に送り
込み、入口と出口とにおけるトルエン濃度を１時間毎に
ガスクロマトグラフで測定してトルエンの除去率をプロ
ットしたものである。この測定結果Ｌ３について考察す
ると、除去率は２時間以降は０.２より０.１以下まで低
下しており、長時間、高効率の除去が期待できない。

【０００４】ところで、特開平５−２３７３３７号公報
には、浄化対象空気にアンモニアを注入し、浄化対象空
気の流れの内側に配置した内部電極と浄化対象空気の流
れの外側に配置した外部電極とによりグロー放電を行
い、このグロー放電により浄化対象空気をイオン化する
と共に、グロー放電からの光により酸化チタンのような
光触媒を励起して、有害物質をアンモニウム塩としての
固形体に生成し、この固形体を浄化対象空気より分離
し、清浄な空気を得るようにした、光触媒型空気浄化装
置が開示されている。しかし、この光触媒型空気浄化装
置は、グロー放電から発生する波長４００ｎｍ程度の紫
外線により光触媒に正孔と電子とを発生することはでき
るものの、アンモニアの使用が必要であり、グロー放電
による浄化対象空気に対するイオン化に際し＋イオンを
−イオンより多量に作る形態になっておらず、前記と同
様に、価電帯より伝導帯に励起した電子と価電帯の正孔
との再結合防止を図ることができず、有害物質の除去率
を長時間、高効率に期待することはできない。

【０００５】又、特開平８−２９９７８６号公報には、
装置に導入された浄化対象空気にＸ線を照射して有害物
質をイオン化し、このイオン化された有害物質をＸ線照
射により活性していると共に高電圧印加により電界を生
じている酸化チタンのような光触媒に吸着して除去する
ようにした、光触媒型空気浄化装置が開示されている。
しかし、この光触媒型空気浄化装置は、Ｘ線照射により
光触媒に正孔と電子とを発生することはできるものの、
Ｘ線の漏れ対策が必要であり、Ｘ線照射による浄化対象
空気に対するイオン化に際し＋イオンを−イオンより多
量に作る形態になっておらず、前記と同様に、価電帯よ
り伝導帯に励起した電子と価電帯の正孔との再結合防止
を図ることができず、有害物質の除去率を長時間、高効
率に期待することはできない。

【０００６】そこで、この発明は、放電により浄化対象
空気中の有害物質を＋イオン化して光触媒への吸着性を
高めると共に、上記放電により浄化対象空気中の水分よ
りヒドロニウムイオン（Ｈ⁺（Ｈ₂Ｏ）ｎ：ｎは自然数で
ある。ヒドロニウムイオンはオキソニウムイオンと呼ば
れる場合もある）を生成して紫外線の照射による光触媒
の価電帯より伝導帯に励起した電子と価電帯の正孔との
再結合を防止することにより、光触媒による有害物質の
除去率を長時間、高効率に維持できる、光触媒型空気浄
化装置を提供しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明にあって
は、ケースの入口より内部に導入された浄化対象空気を
紫外線の照射により励起した光触媒に通過させ、この光
触媒により浄化対象空気中の有害物質を除去して清浄な
空気を生成し、この清浄な空気をケースの出口より導出
するようにした光触媒型空気浄化装置において、ケース
の内部に浄化対象空気に対して＋イオン化の作用を行う
ための放電用の電極を設けたことを特徴としている。請
求項２の発明にあっては、請求項１に記載の放電用の電
極が光触媒の上流側に配置されたことを特徴としてい
る。請求項３の発明にあっては、請求項１に記載の放電
用の電極が光触媒に対してサンドイッチ状に配置された
ことを特徴としている。請求項４の発明にあっては、請
求項１に記載の紫外線の発生源が波長３５２ｎｍの紫外
線を発生するＵＶランプにより形成されたことを特徴と
している。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は第１実施形態を示してい
る。この図１において、ケース１の入口２及び出口３と
の間の内部には、ＵＶランプ４と、光触媒５，６と、イ
オナイザ８とを配置している。光触媒５，６は、浄化対
象空気７の流れる方向に格子状の通路のあるコージエラ
イトにより形成されたモノリス担体の通路側表面に酸化
チタン（Ｔｉ０₂）のような光触媒半導体を担持した活
性成分担持層をコーティングした形態のモノリスタイプ
として形成されており、ＵＶランプ４を間に置くように
して浄化対象空気７の流れの上流側と下流側とに配置さ
れている。そして、ＵＶランプ４と光触媒５，６との間
隔は同じ寸法に設定されおり、ＵＶランプ４から発生し
た波長３５２ｎｍの紫外線が光触媒５，６に均等に照射
する形態になっている。

【０００９】イオナイザ８は、上流側の光触媒５より上
流側において、電極９，１０を、浄化対象空気７の流れ
の上流側と下流側とに所定間隔を以てケース１の一部を
構成する両端開放状の筒状の側壁に外部より内部に電気
的な絶縁状態で突設している。電極９，１０には、コン
トローラ１１の放電用の出力端子１１ａ，１１ｂがコネ
クタ１２を介して電線１３，１４により接続されてい
る。そして、コントローラ１１が設定されたイオン発生
タイミングに従ってＡＣ４８Ｖを電線１３，１４を経て
コネクタ１２に供給し、コネクタ１２が上記交流低電圧
をＤＣ±３〜１７ＫＶの直流高電圧に変換して電線１
３，１４を経て電極９，１０に供給する。これにより、
電極９，１０の間でコロナ放電が起こり、電極９，１０
付近の浄化対象空気７の分子が直流高電圧の極性に従っ
て＋又は−にイオン化される。イオン発生量は、コネク
タ１２で変換される直流高電圧の電圧値を変えることに
より調整される。

【００１０】そして、＋イオンを多量に発生させる場合
は、上流側の電極９を低電位とし、下流側の電極１０を
高電位として、１秒間に１回の割合で、パルス的に直流
高電圧をかけることにより、−イオンの発生量を極端に
少なくする。−イオンを多量に発生させる場合は、電極
９，１０の電位を逆にすればよい。発生される＋イオン
の種類は主にヒドロニウムイオンであり、発生される−
イオンの種類は主にＯ₂ ^-、ＣＯ₃ ^-、ＮＯ₂ ^-、ＮＯ₃ ^-、Ｏ
^-、Ｏ₃ ^-等である。

【００１１】この第１実施形態では、イオナイザ８が浄
化対象空気に対して＋イオン化の作用を行うこと、つま
り、イオナイザ８により浄化対象空気中の有害物質を＋
イオン化すると共に、上浄化対象空気中の水分よりヒド
ロニウムイオンを生成することが重要であるので、上流
側の電極９を低電位とし、下流側の電極１０を高電位に
設定している。

【００１２】この第１実施形態の構造によれば、ＵＶラ
ンプ４を点灯すると共にイオナイザ８を放電動作するこ
とにより、ＵＶランプ４より発生した波長３５２ｎｍの
紫外線が光触媒５，６に照射した状態において、浄化対
象空気７を入口２よりケース１の内部に導入した後、イ
オナイザ８、光触媒５、ＵＶランプ４、光触媒６を順に
経由する。この過程において、イオナイザ８がコロナ放
電により浄化対象空気７中の有害物質を＋イオン化する
と共に浄化対象空気中の水分よりヒドロニウムイオンを
生成する。そして、＋イオン化された有害物質は、光触
媒５，６に到達することにより、光触媒５，６中の光触
媒半導体物質であるＴｉＯ₂に良好に吸着される。又、
＋イオンとして生成されたヒドロニウムイオンは、光触
媒５，６に到達して、光触媒５，６の価電帯より伝導帯
に励起した電子を中和し、当該電子と価電帯の正孔との
再結合を防止する。よって、光触媒５，６では、有害物
質を効率良く吸着除去すると共に、正孔による有害物質
の除去率を長時間向上できる。又、清浄な空気が出口３
よりクリーンルームや居住空間等に供給され得る。

【００１３】図２は第１実施形態における光触媒５，６
による有害物質の除去率が向上することを確認すべく行
った実験装置を示している。この図２では、浄化対象空
気生成系統２０とイオン化空気生成系統３０と光触媒浄
化系統４０とを備える。浄化対象空気生成系統２０は、
エアーポンプ２１により系統内に空気を導入してシリカ
ゲル２２に通して乾燥した後、活性炭２３に通して浄化
し、バッファ２４により脈動を除いた後、バルブ２５よ
り流量調節器２６を経てエアーフィルタ２７に供給し、
エアーフィルタ２７により空気中の粒子状の塵埃を除去
し、更に、拡散チューブ２８により除去対象としての有
害物質に相当するトルエン２９を拡散させて試料ガスと
しての所定濃度のトルエンガスを生成する。又、イオン
化空気生成系統３０は、エアーポンプ３１により系統内
に空気を導入してシリカゲル３２、活性炭３３、バッフ
ァ３４、バルブ３５、流量調節器３６、エアーフィルタ
３７を順に経て、乾燥した清浄な空気をイオナイザ８に
供給し、イオナイザ８により空気をイオン化する。そし
て、イオン化空気生成系統３０でイオン化された空気と
前記浄化対象空気生成系統２０で試料ガスとして生成さ
れたトルエンガスとを混合してＵＶランプ４と光触媒
５，６とを有する光触媒浄化系統４０に送り込む。

【００１４】図３の測定結果Ｌ１，Ｌ２は、図２の実験
装置の光触媒浄化系統４０の入口と出口とにおけるトル
エン濃度を１時間毎にガスクロマトグラフで測定してト
ルエンの除去率をプロットしたものである。つまり、図
３の測定結果Ｌ１はイオナイザ８で＋イオンを多量に作
った場合であり、測定結果Ｌ２はイオナイザ８で−イオ
ンを多量に作った場合である。この図３について考察す
ると、測定結果Ｌ１で示した＋イオンを多量に作った場
合は、測定結果Ｌ３で示したイオン化しない場合よりも
除去率が大きくなっている。又、測定結果Ｌ２で示した
−イオンを多量に作った場合は、測定結果Ｌ３で示した
イオン化しない場合よりも除去率が小さくなっている。
これは、＋イオンを多量に作った場合には、＋イオン化
されたトルエンが光触媒５，６に良好に吸着されると共
に、ヒドロニウムイオンが光触媒５，６の電子と正孔と
の再結合を防止して酸化反応に寄与する正孔を増やすこ
とにより光触媒による分解が活性化されたものと思われ
る。よって、前記第１実施形態の構造による有害物質の
除去率が向上することは明らかであろう。又、供給する
＋イオン化量を増やすことにより光触媒反応の活性が更
に向上するものと考えられる。

【００１５】図４は第２実施形態を示している。この図
４では、イオナイザ８の放電用の複数の電極９Ａ，１０
Ａを光触媒５，６の部分に配置して、ヒドロニウムイオ
ンや＋イオン化された有害物質の輸送経路損失を低減す
ると共に装置の小型化を図る特徴を有する。即ち、イオ
ナイザ８の電極９Ａ，１０ＡをＵＶランプ４の前後に等
距離に離隔配置した光触媒５，６に対してサンドイッチ
状に配置している。各光触媒５，６の上流側の電極９Ａ
としてはステンレスワイヤを張り、下流側の電極１０Ａ
としてはステンレスワイヤメッシュを配置している。そ
して、ステンレスワイヤ９Ａを低電位とし、ステンレス
ワイヤメッシュ１０Ａを高電位として、第１実施形態と
同様にコントローラ１１よりコネクタ１２を介して直流
高電圧を１秒間に１回の割合でパルス的にかけて、光触
媒５，６の表面でコロナ放電を起こすことにより、＋イ
オンによる光触媒反応の活性向上、コロナ放電による分
解作用向上、コロナ放電により発生するオゾンによる分
解作用向上を図ることができる。

【００１６】この第２実施形態ではステンレスワイヤの
ような電極９Ａとステンレスワイヤメッシュのような電
極１０Ａとを光触媒５，６の部分の双方に配置したが、
電極９Ａと電極１０Ａとを光触媒５，６のうちの一方に
対してサンドイッチ状に配置しても良いが、この場合、
下流側の光触媒６に対し電極９Ａと電極１０Ａとを配置
すれば、上流側の光触媒５で有害物質が除去された浄化
対象空気に対して下流側の電極９Ａと電極１０Ａとが＋
イオン化の作用を行うので、上流側の光触媒５に対し電
極９Ａと電極１０Ａとを配置したものよりも除去率が良
い。

【００１７】図５は第２実施形態の効果を検証すべく、
ステンレスワイヤ９Ａを０.２ｍｍとし、ステンレスワ
イヤメッシュ１０Ａの網目を２ｍｍ間隔とし、ステンレ
スワイヤ９Ａとステンレスワイヤメッシュ１０Ａとの間
隔を１０ｍｍと定め、ステンレスワイヤ９Ａとステンレ
スワイヤメッシュ１０Ａとに直流電圧をかけてコロナ放
電の発生を確かめた実験結果を示している。図５中のＬ
４はステンレスワイヤ９Ａを１本とした１ラインの時の
電圧に対する電流の変化であり、Ｌ５はステンレスワイ
ヤ９Ａを３本とした３ラインの時の電圧に対する電流の
変化であり、Ｌ６はステンレスワイヤ９Ａを５本として
５ラインの時の電圧に対する電流の変化である。この図
５について考察すると、直流電圧が４ＫＶ以上でステン
レスワイヤ９Ａとステンレスワイヤメッシュ１０Ａとの
間に電流が流れ始め、直流電圧が５〜６ＫＶでコロナ放
電が安定して起こり、又、ステンレスワイヤ９Ａの本数
による電流値に差がほとんど無いことがわかるであろ
う。しかし、ステンレスワイヤ９Ａの本数が多いほど、
＋イオンが多く発生することから、実用上は、ステンレ
スワイヤ９Ａの本数を５本以上にしても良い。

【００１８】前記第１，２実施形態ではＵＶランプ４を
光触媒５，６の中間に配置したが、図６に示す第３実施
形態のように、光触媒５，６の間に位置するケース１の
一部分を紫外線透過体１５により形成し、この紫外線透
過体１５の外側にＵＶランプ４を配置しても良い。

【００１９】前記第１〜第３実施形態では入口２を空洞
にしたが、入口２にエアーフィルタを配置し、このエア
ーフィルタによりケース１の内部に導入される浄化対象
空気中の粒子状の塵埃を除去すれば、光触媒５，６の目
詰まりを低減できる。

【００２０】前記第１〜第３実施形態では出口３を空洞
にしたが、出口３にルーバーのような風向制御部材を設
ければ、出口３よりクリーンルームや居住空間に供給さ
れる清浄な空気の向きを適宜に選定できる。

【００２１】前記第１〜第３実施形態においては、ケー
ス１をクリーンルームや居住空間の内部に設置し、入口
２にクリーンルームや居住空間に存在する浄化対象空気
を導入する形態、又は、クリーンルームや居住空間を区
切る壁部材に外気取入口を形成し、その外気取入口にケ
ース１の入口２を連結し、入口２にクリーンルームや居
住空間の外部に存在する浄化対象空気を導入する形態の
何れであっても適用できる。

【００２２】前記第１〜第３実施形態では光触媒５，６
の光触媒半導体として酸化チタンを用いたが、それ以外
のＵＶランプ４より照射される波長３５２ｎｍの紫外線
により励起することにより浄化対象空気中の有害物質を
分解除去できる光触媒半導体であれば良い。

【００２３】前記第１〜第３実施形態ではＵＶランプ４
の上流側と下流側とに光触媒５，６を配置したが、ＵＶ
ランプ４の上流側又は下流側の一方に光触媒を配置して
も良い。

【００２４】前記第１〜第３実施形態においてケース１
に浄化対象空気を導入するのは、ケース１の内部にモー
タで駆動するファンを設けて強制的に導入するか、又
は、部屋の内部の対流や外の風による空気の流れに応じ
て自然的に導入すれば良い。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、電極での放電により、ケースの内部に導入された浄
化対象空気中の水分よりヒドロニウムイオンを生成し、
そのヒドロニウムイオンが紫外線の照射で励起した光触
媒の価電帯より伝導帯に励起した電子を中和し、伝導体
の電子と価電帯の正孔との再結合を防止するため、光触
媒の正孔による有害物質の除去率を長時間向上できる。
又、上記電極での放電により、ケースの内部に導入され
た浄化対象空気中の有害物質が＋イオン化して極性を持
つため、光触媒での吸着率が良くなる。請求項２の発明
にあっては、光触媒の上流側に配置された放電用の電極
での放電により、紫外線照射で励起した光触媒に到達す
る前の浄化対象空気中の水分よりヒドロニウムイオンを
生成すると共に同浄化対象空気中の有害物質を＋イオン
化し、ヒドロニウムイオンと＋イオン化された有害物質
とが光触媒に到達することにより、光触媒の価電帯より
伝導帯に励起した電子と価電帯の正孔との再結合を良好
に防止できると共に、＋イオン化された有害物質に対す
る光触媒での吸着率がより良くなる。請求項３の発明に
あっては、放電用の電極を光触媒に対してサンドイッチ
状に配置したことにより、ヒドロニウムイオンや＋イオ
ン化された有害物質の輸送経路損失を低減でき、装置の
小型化を図ることができる。請求項４の発明にあって
は、光触媒の励起に波長３５２ｎｍの紫外線を用いるこ
とにより、波長１８４ｎｍの真空紫外線や波長２４ｎｍ
の殺菌紫外線とは異なり、人への悪影響が少ない紫外線
であって、特別な漏れ対策が不要であり、装置の簡素化
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態を示す模式図。

【図２】第１実施形態に相当する実験装置の模式図。

【図３】有害物質の除去率を示す実験結果図。

【図４】この発明の第２実施形態を示す模式図。

【図５】第２実施形態の電圧と電流との関係を示す実
験結果図。

【図６】この発明の第３実施形態の要部を示す模式
図。

【図７】従来の光触媒型空気浄化装置を示す模式図。

【図８】光触媒半導体の光触媒作用を示す模式図。

【符号の説明】

１ケース２入口３出口４ＵＶランプ５，６光触媒８イオナイザ９，１０，９Ａ，１０Ａ放電用の電極１５紫外線透過体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケースの入口より内部に導入された浄化
対象空気を紫外線の照射により励起した光触媒に通過さ
せ、この光触媒により浄化対象空気中の有害物質を除去
して清浄な空気を生成し、この清浄な空気をケースの出
口より導出するようにした光触媒型空気浄化装置におい
て、ケースの内部に浄化対象空気に対して＋イオン化の
作用を行うための放電用の電極を設けたことを特徴とす
る光触媒型空気浄化装置。
【請求項２】放電用の電極が光触媒の上流側に配置さ
れたことを特徴とする請求項１記載の光触媒型空気浄化
装置。
【請求項３】放電用の電極が光触媒に対してサンドイ
ッチ状に配置されたことを特徴とする請求項１記載の光
触媒型空気浄化装置。
【請求項４】紫外線の発生源が波長３５２ｎｍの紫外
線を発生するＵＶランプにより形成されたことを特徴と
する請求項１記載の光触媒型空気浄化装置。