JPWO2012017637A1 - 光反応器及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

ガラス管２の中にガラス素材により形成した多数の粒体３…を収容し、かつガラス管２の中に流体Ｌを流通可能に構成した光反応器であって、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部を、それぞれ所定の面積を有する溶着面Ｊ…とすることにより、ガラス管２及び粒体３…に溶着面Ｊ…を介して連続する導光路Ｃを設ける。溶着面Ｊ…を除く粒体３…の表面及びガラス管２の内面には光触媒層４を設けることができる。ガラス管２は、断面形状を、円形に形成してもよいし、非円形に形成してもよい。

Description

本発明は、ガラス管の中にガラス素材により形成した多数の粒体を収容し、かつガラス管の中に流体を流通可能に構成した光反応器及びその製造方法に関する。
従来、ガラス素材により形成した粒体の表面に二酸化チタンをコーティングして構成した光触媒体を、ガラス管等の容器に多数収容し、この光触媒体に光（紫外線）を照射するとともに、被処理水を通過させることにより、当該被処理水を浄化するようにした浄水装置（光反応器）は知られており、特許文献１には浄化装置が開示され、また、特許文献２には水処理装置が開示されている。
特許文献１に開示される浄化装置は、ガラス等のように紫外線を透過させる材料で形成された両端が開放された外管と、この外管に収容されて、外管との間に、ガラスビーズ表面にアナターゼ型二酸化チタンが被覆された光触媒が充填されると共に、被処理水が供給される処理空間を形成する内管と、外管の両端部に設けられたガラスフィルタと、外管の近傍に配置された紫外線を照射する紫外線ランプと、紫外線ランプから照射された紫外線を外管に向けて反射する反射板とを備えて構成したものであり、また、特許文献２に開示される水処理装置は、円筒形状容器である処理槽が、駆動装置の回転支軸上に取り付けられ、中心軸を軸にして、毎分１〜５回転程度の速さで回転するよう設置され、その内部には、球状ガラスの担体にアナターゼ型結晶からなる二酸化チタンを主成分としたコーティングが施された無数の光触媒体を収容しており、さらにこの光触媒体に対して光を照射する棒状紫外線ランプが配置され、さらに、処理槽の一方に被処理水の導入パイプが、また、他方に、排出パイプが設けられ、この処理槽に所定の流通量となるよう被処理水が導入・排出されるように設定されたものである。
特開平９−２３９３５８号公報 特開２０００−１１７２７１号公報
しかし、上述した従来における浄水装置（浄化装置，水処理装置）は、次のような問題点があった。
いずれの浄水装置も、ガラス素材により形成した粒体の表面に二酸化チタンをコーティングして構成した光触媒体を多数用いることにより、被処理水に対する二酸化チタン（光触媒）の接触面積を増大させて処理能力（処理効率）を高めている。一方、光触媒に対しては紫外線を照射する必要があるため、特許文献１のように、ガラス管に多数の光触媒体を充填した場合には、多くの光触媒体は他の光触媒体の陰になる。したがって、陰になる光触媒体は活性化されなくなり、紫外線の照射面積を増大させる観点からは不十分となる。結局、処理能力（処理効率）を高めるには限界がある。
他方、特許文献２は、処理槽を毎分１〜５回転程度の速さで回転させるため、この処理槽に収容された光触媒体はランダムに撹拌される。したがって、全ての光触媒体を平均的に活性化できるものの陰になる光触媒体を活性化できない点は引用文献１の場合と同じであり、紫外線の照射面積を増大させる観点からは不十分となる。しかも、大型の処理槽やこの処理槽を回転させる駆動装置が必要となるなど、装置全体のコストアップ及び大型化を招くとともに、電力を使用する必要があることから、省エネルギ性に劣り、加えて、使用できる場所が限定されるなど、汎用性にも劣る。
本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した光反応器及びその製造方法の提供を目的とするものである。
本発明に係る光反応器１は、上述した課題を解決するため、ガラス管２の中にガラス素材により形成した多数の粒体３…を収容し、かつガラス管２の中に流体Ｌを流通可能に構成した光反応器であって、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部を、それぞれ所定の面積を有する溶着面Ｊ…とすることにより、ガラス管２及び粒体３…に溶着面Ｊ…を介して連続する導光路Ｃを設けてなることを特徴とする。
この場合、発明の好適な態様により、溶着面Ｊ…を除く粒体３…の表面及びガラス管２の内面には光触媒層４を設けることができる。一方、ガラス管２は、外周面に対して外部の発光部５から光を照射可能な単管を用いることができる。ガラス管２は、断面形状を、円形に形成してもよいし、或いは、非円形に形成してもよい。この際、非円形には、少なくとも、多角形，長辺側が短辺側に対して三倍以上となる直線状又は曲線状の細長形状を含ませることができる。なお、ガラス管２は、同軸上に外管２ｅと内管２ｉを配し、中心に発光部５を配設可能にするとともに、外管２ｅと内管２ｉの間に粒体３…を収容可能に構成した二重管を用いることもできる。他方、粒体３…は、単一のガラス素材により形成してもよいし、或いは単一のガラス素材により形成した基体３ｂ…の表面に、当該ガラス素材よりも融点の低い透明素材によるコーティング層３ｃ…を設けて構成してもよい。さらに、粒体３…は、同一径の球状に形成することができる。なお、光反応器１は、ガラス管２の一端が被処理水Ｌａの流入口２ａとなり、かつ他端が処理水Ｌｂの流出口２ｂとなる浄水装置Ｍに用いることができる。
一方、本発明に係る光反応器１の製造方法は、上述した課題を解決するため、ガラス管２の中にガラス素材により形成した多数の粒体３…を収容し、かつガラス管２の中に流体Ｌを流通可能な光反応器１を製造するに際し、ガラス管２に粒体３…を充填した後、当該粒体３…を充填したガラス管２を所定の加熱温度Ｔｈで加熱することにより、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部に、それぞれ所定の面積を有する溶着面Ｊ…を生成し、ガラス管２及び粒体３…に溶着面Ｊ…を介して連続する導光路Ｃを設けるようにしたことを特徴とする。
この場合、発明の好適な態様により、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部に溶着面Ｊ…を生成した後、ガラス管２の内部に光触媒用溶液Ｋを充填するとともに、この後、当該光触媒用溶液Ｋをガラス管２から排出し、溶着面Ｊ…を除く粒体３…の表面及びガラス管２の内面に光触媒層４を設けることができる。また、溶着面Ｊは、単一のガラス素材により形成した粒体３…の表面に、直接生成してもよいし、或いは粒体３…を、単一のガラス素材により形成した基体３ｂ…の表面に、当該ガラス素材よりも融点の低い透明素材によるコーティング層３ｃ…を設けて構成し、このコーティング層３ｃ…により生成してもよい。なお、単一のガラス素材により形成した粒体３…の表面に溶着面Ｊを直接生成する際には、ガラス管２の素材として、粒体３…の素材よりも融点の高い素材を用いることが望ましい。
このような本発明に係る光反応器１及びその製造方法によれば、次のような顕著な効果を奏する。
（１） ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部を、それぞれ所定の面積を有する溶着面Ｊ…とすることにより、ガラス管２及び粒体３…に溶着面Ｊ…を介して連続する導光路Ｃを設けたため、ガラス素材により形成した多数の粒体３…を用い、かつガラス管２の外部から光を照射する場合であっても、ガラス管２の内部に流体Ｌを流通させた際には、流体Ｌに対する粒体３…の表面の接触面積を増大させることと同時に、粒体３…の表面に対する照射面積を増大させることができ、流体Ｌに対する処理能力（処理効率）を飛躍的に高めることができる。
（２） 光反応器１を製造するに際しては、ガラス管２に粒体３…を充填した後、当該粒体３…を充填したガラス管２を所定の加熱温度Ｔｈで加熱することにより、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部に、それぞれ所定の面積を有する溶着面Ｊ…を生成すれば足りるため、少ない部品点数により極めて容易に製造することができ、全体のコストダウン及び小型コンパクト化を実現できるとともに、動力部等は不要なため、省エネルギ性及び汎用性にも優れる。
（３） 好適な態様により、溶着面Ｊ…を除く粒体３…の表面及びガラス管２の内面に光触媒層４を設ければ、ガラス管２の一端が被処理水Ｌａの流入口２ａとなり、かつ他端が処理水Ｌｂの流出口２ｂとなる浄水装置Ｍ等を容易に構成することができるとともに、被処理水Ｌａを浄化する際における処理能力（処理効率）を飛躍的に高め、しかも、コストダウン及び小型コンパクト化を図ることができる浄水装置Ｍ等として提供できる。
（４） 好適な態様により、ガラス管２に、外周面に対して外部の発光部５から光を照射可能な単管を用いれば、よりシンプルで廉価な光反応器１を構成できる。
（５） 好適な態様により、ガラス管２の断面形状を円形に形成すれば、最もポピュラな形状にできるため、容易かつ低コストに製造できる。
（６） 好適な態様により、ガラス管２の断面形状を非円形に形成するとともに、この非円形に、少なくとも、多角形，長辺側が短辺側に対して三倍以上となる直線状又は曲線状の細長形状を含ませれば、様々な用途や目的、更には発光部５の種類や形状等に柔軟対応させることにより、処理効率の向上や最適化を容易に実現することができる。
（７） 好適な態様により、同軸上に外管２ｅと内管２ｉを配し、中心に発光部５を配設可能にするとともに、外管２ｅと内管２ｉの間に粒体３…を収容可能にした二重管を用いれば、リング状に配される各粒体３…に対して、中心に配した発光部５から３６０゜の方向に光を照射できるため、粒体３…に対する実質的な照射面積（照射効率）をより高めることができる。
（８） 好適な態様により、粒体３…を単一のガラス素材により形成すれば、粒体３…の表面に溶着面Ｊ…を直接生成できるため、損失の少ない導光路Ｃを容易に設けることができる。
（９） 好適な態様により、ガラス管２の素材に、粒体３…の素材よりも融点の高い素材を用いれば、粒体３…の表面に溶着面Ｊ…を直接生成する場合であっても、ガラス管２の無用な変形を招くなどの悪影響を回避することができる。
（１０） 好適な態様により、粒体３…を、単一のガラス素材により形成した基体３ｂ…の表面に、当該ガラス素材よりも融点の低い透明素材によるコーティング層３ｃ…を設けて構成すれば、コーティング層３ｃ…により溶着面Ｊ…を生成できるため、より低い加熱温度により光反応器１を製造可能となり、特に、基体３ｂ…の無用な溶解を回避することができる。
（１１） 好適な態様により、粒体３…を、同一径の球状に形成すれば、処理性能においてバラツキの少ない、品質及び均質性の高い光反応器１を得ることができる。
（１２） 好適な態様により、光反応器１を製造するに際し、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部に溶着面Ｊ…を生成した後、ガラス管２の内部に光触媒用溶液Ｋを充填するとともに、この後、当該光触媒用溶液Ｋをガラス管２から排出し、溶着面Ｊ…を除く粒体３…の表面及びガラス管２の内面に光触媒層４を設けるようにすれば、粒体３…の表面及びガラス管２の内面に均一の光触媒層４を容易に設けることができる。
本発明の最良実施形態に係る光反応器の正面視の原理的断面構成図、 同光反応器の一部を省略した側面断面図、 同光反応器における一部の粒体の抽出拡大断面を含む作用説明図、 同光反応器に使用するガラスの光波長に対する透過率特性図、 同光反応器における粒体同士の光波長に対する光強度特性図、 図４に示す光強度特性を測定する際の測定条件説明図、 同光反応器による被処理液の処理結果を示す特性図、 同光反応器における粒体に用いるコーティング層の評価用特性図、 同光反応器の製造方法を説明するためのフローチャート、 同光反応器の製造方法を説明するための模式的工程図、 本発明の変更実施形態に係る光反応器における一部の粒体の断面図、 本発明の他の変更実施形態に係る光反応器の一部を示す側面断面図、 本発明の他の変更実施形態に係る光反応器の一部を示す側面断面図、 本発明の他の変更実施形態に係る光反応器の一部を示す側面断面図、 本発明の他の変更実施形態に係る光反応器の一部を示す斜視図、 本発明の他の変更実施形態に係る光反応器のガラス管の組付説明図、 本発明の他の変更実施形態に係る光反応器の一部を示す斜視図、 本発明の他の変更実施形態に係る光反応器の一部を示す斜視図、
１：光反応器，２：ガラス管，２ｅ：外管，２ｉ：内管，２ａ：流入口，２ｂ：流出口，３…：粒体，３ｂ…：基体，３ｃ…：コーティング層，４：光触媒層，５：発光部，Ｌ：流体，Ｌａ：被処理水，Ｌｂ：処理水，Ｊ…：溶着面，Ｃ：導光路，Ｍ：浄水装置，Ｋ：光触媒用溶液
次に、本発明に係る最良実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
まず、本実施形態に係る光反応器１の構成について、図１〜図７を参照して具体的に説明する。
本実施形態に係る光反応器１は、基本的な構成として、図１及び図２に示すように、ガラス管２の中に、ガラス素材により形成した多数の粒体３…を収容し、かつガラス管２の中に流体Ｌを流通可能にするとともに、特に、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部を、それぞれ所定の面積を有する溶着面Ｊ…とすることにより、ガラス管２及び粒体３…に、溶着面Ｊ…を介して連続する導光路Ｃを設けたものである。したがって、図１及び図３に示すように、ガラス管２と粒体３間の当接部，及び粒体３と３同士間の当接部は、それぞれ溶着面Ｊとして生成するため、ガラス管２の外周面に照射された光は、点線で示すように、各粒体３…間に連続する導光路Ｃを透過し、ガラス管２内のほとんどの粒体３…対して光強度が大きく劣化することなく効率的に導かれる。
本実施形態は、このような光反応器１を、図２のような浄水装置Ｍに用いる場合を例示する。したがって、本実施形態に係る光反応器１は、上述した基本的な構成に対して、さらに、溶着面Ｊ…を除く粒体３…の表面及びガラス管２の内面に、アナターゼ型の二酸化チタン（ＴｉＯ2）を用いた光触媒層４を設けている。このため、例示の光反応器１は、図２に示すように、ガラス管２の一端が被処理水Ｌａの流入口２ａとなり、かつ他端が処理水Ｌｂの流出口２ｂとなる。
この場合、ガラス管２は、図１に示すように、外周面に対して外部の発光部５から光を照射可能な断面形状が円形の単管であり、パイレックス（登録商標）ガラス等の耐熱ガラスを用いて形成する。したがって、使用するガラス管２は、所定の径を有する長いガラスパイプから使用する長さ分だけ切断すれば、容易に目的のガラス管２を得ることができる。なお、本実施形態では、ガラス管２にパイレックス（登録商標）ガラスを用いた。このように、ガラス管２の断面形状を円形に形成すれば、最もポピュラな形状にできるため、容易かつ低コストに製造できる利点がある。
また、粒体３は、ガラス素材を用いることにより同一径の球状に形成する。同一径となる球状の粒体３…を用いることにより、処理性能においてバラツキの少ない、品質及び均質性の高い光反応器１を得ることができる。粒体３のガラス素材には、汎用的な板ガラス等に用いるソーダガラスを用いることができる。一方、光触媒層４における光触媒を活性化させる紫外線照射光の光源となる外部の発光部５には、ブラックランプを用いることができる。
図４は、パイレックス（登録商標）ガラス，ソーダガラス及びブラックランプの評価データであり、各ガラスの光波長に対する透過率特性及びブラックランプ（１０〔Ｗ〕）の放射スペクトル特性を示す。図４中、Ｇｐはパイレックス（登録商標）ガラスの透過率、Ｇｓはソーダガラスの透過率、Ｆｂはブラックランプの放射スペクトルである。パイレックス（登録商標）ガラスは、光波長が３００〔ｎｍ〕以上で８５〜９５〔％〕の透過率を確保し、ソーダガラスは、光波長が３５０〔ｎｍ〕以上で８５〜９５〔％〕の透過率を確保する。また、ランプの相対光強度は、光波長が３５０〜４００〔ｎｍ〕の間に存在する。したがって、粒体３…として廉価なソーダガラスを使用するとともに、紫外線照射光の光源としてブラックランプを使用した場合であっても、必要十分な導光性を確保できる。
図５は、粒体３…同士の光波長に対する光強度特性を示す。図５中、Ｆｉは、二つの粒体３と３間に溶着面Ｊを設けた場合の光強度特性であり、このときの測定条件を図６（ａ）に示す。また、Ｆｒは、二つの独立した粒体３と３を単に接触させた場合の光強度特性であり、このときの測定条件を図６（ｂ）に示す。図６（ａ），（ｂ）に示すように、光強度特性は、二つの並んだ粒体３，３の並び方向の一端側に入光側光ファイバ４１の一端を対向させ、かつ並び方向の他端側に出光側光ファイバ４２の一端を対向させるとともに、入光側光ファイバ４１の他端に発光源の光を入光させ、かつ出光側光ファイバ４２の他端に分光器を臨ませて測定した。図６（ｂ）に示すように独立した粒体３と３を単に接触させたのみでは、いずれの波長域であってもほとんど光は透過しない。しかし、図６（ａ）に示す本実施形態のように、粒体３と３間に溶着面Ｊを生成することにより、少なくとも光波長が３５０〔ｎｍ〕以上において、十分な光の透過性（導光性）を確認できる。
このように、ガラス管２にパイレックス（登録商標）ガラス等の耐熱ガラスを使用し、粒体３…にソーダガラスを使用すれば、結果的に、ガラス管２の素材は、粒体３…の素材よりも融点が高くなる。したがって、粒体３…の表面に溶着面Ｊ…を直接生成する場合であっても、ガラス管２の無用な変形を招くなどの悪影響を回避することができる。また、単一のガラス素材により形成した粒体３…同士を溶着するため、粒体３…の表面に溶着面Ｊ…を直接生成でき、損失の少ない導光路Ｃを容易に設けることができる。さらに、ガラス管２には、外周面に対して外部の発光部５から光を照射可能な単管を用いるため、よりシンプルで廉価な光反応器１を構成可能である。
一方、光触媒層４は、溶着面Ｊ…を除く粒体３…の表面及びガラス管２の内面に、コーティングにより設ける。光触媒層４には前述した二酸化チタンを用いるため、光触媒による酸化反応及び分解反応により、公知の作用である空気洗浄、浄水，脱臭、除菌、防汚等の作用が行われる。即ち、図３に示すように、粒体３（ソーダガラス）に設けた光触媒層４の表面に汚染物質Ｘが接触している場合、同時に励起光（紫外線）Ｕが照射されていることを条件にして汚染物質Ｘの浄化が行われる。特に、この条件を満たす浄化作用は、液体の場合、気体に比べて著しく低くなるため、実際、液体の場合、気体に比べて１０００倍の処理能力が必要とされる。したがって、光触媒層４の表面に汚染物質Ｘを接触さる実質的な接触面積を増大させると同時に、励起光Ｕが照射される実質的な照射面積を増大させることは、浄水装置１の処理能力を高める上での重要な課題となる。
本実施形態に係る光反応器１は、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部を、それぞれ所定の面積を有する溶着面Ｊ…とすることにより、ガラス管２及び粒体３…に溶着面Ｊ…を介して連続する導光路Ｃを設けるようにしたため、ガラス素材により形成した多数の粒体３…を用い、かつガラス管２の外部から光を照射する場合であっても、ガラス管２の内部に流体Ｌを流通させた際には、流体Ｌに対する粒体３…の表面の接触面積を増大させることと同時に、粒体３…の表面に対する照射面積を増大させることができ、流体Ｌに対する処理能力（処理効率）を飛躍的に高めることができる。また、溶着面Ｊ…を除く粒体３…の表面及びガラス管２の内面に二酸化チタンを用いた光触媒層４を設けたため、ガラス管２の一端が被処理水Ｌａの流入口２ａとなり、かつ他端が処理水Ｌｂの流出口２ｂとなる浄水装置Ｍ等を容易に構成することができるとともに、被処理水Ｌａを浄化する際における処理能力（処理効率）を飛躍的に高め、しかも、コストダウン及び小型コンパクト化を図ることができる浄水装置Ｍ等として提供できる。
図７は、光反応器１（浄水装置Ｍ）による被処理液Ｌａの処理結果を示す。図７は、５０〔ｍＭ〕，ｐＨ３．０，４〔ｍＬ〕のメチレンブルーを、光反応器１に収容するとともに、ブラックランプからの紫外線をガラス管２の周面に照射した際における処理結果であり、図７中、Ｑｒはメチレンブルー（被処理液Ｌａ）の初期濃度、Ｑｉは処理後のメチレンブルー（処理液Ｌｂ）の濃度を示す。また、Ｑｐは溶着面Ｊ…を設けない場合の比較例であり、独立した粒体３…を従来と同様にそのままガラス管２に充填し、Ｑｉの場合と同一の条件により処理した結果を示す。本実施形態に係る光反応器１（浄水装置Ｍ）を用いた場合（Ｑｉ）には、従来の場合（Ｑｐ）に比べ、格段に高い浄水効果を得ることができる。
次に、本実施形態に係る光反応器１の製造方法について、図９に示すフローチャート及び図１０（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
まず、使用部品であるガラス管２及び多数の粒体３…を準備するとともに、光触媒層４を設けるための光触媒用溶液Ｋを準備する（ステップＳ１）。光触媒用溶液Ｋは、二酸化チタンを主成分とし、必要なバインダ等を含ませることができる。準備が終了したなら、図１０（ａ）に示すように、基板治具２１の上にガラス管２を起立させ、ガラス管２の上端開口から粒体３…を投入することによりガラス管２の内部に充填する（ステップＳ２）。次いで、図１０（ｂ）に示すように、ヒータ２２により加熱を行う加熱炉２３の内部に、粒体３…を充填したガラス管２を収容し、予め設定した加熱温度Ｔｈ〔℃〕の温度環境下で予め設定した加熱時間Ｚｈだけ加熱処理する（ステップＳ３，Ｓ４）。これにより、ガラス管２と粒体３…の表面は、加熱温度Ｔｈ〔℃〕により溶解し、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部がそれぞれ溶着することにより、所定の面積を有する溶着面Ｊ…が生成される。この場合、加熱温度Ｔｈ〔℃〕が低過ぎる場合には溶解不足が発生し、十分かつ良好な溶着面Ｊ…が得られない。また、加熱温度Ｔｈ〔℃〕が高過ぎる場合には過度に溶解し、良好な内部形状が得られないとともに、流路も狭くなる。したがって、加熱温度Ｔｈ〔℃〕及び加熱時間Ｚｈは、実験等により最適値を設定することが望ましい。なお、例示の場合、加熱温度Ｔｈ〔℃〕としては、６００〜７００〔℃〕程度が望ましい。これにより、ガラス管２及び粒体３…には溶着面Ｊ…を介して連続する導光路Ｃが設けられる。そして、加熱時間Ｚｈが経過したなら加熱炉２３からガラス管２を取り出し、自然冷却により常温まで冷却する（ステップＳ５）。
次いで、図１０（ｃ）に示すように、ガラス管２の上端開口から光触媒用溶液Ｋを注入し、ガラス管２の内部に光触媒用溶液Ｋを充填する（ステップＳ６）。この際、必要により振動等を加え、粒体３…同士間の隙間等に光触媒用溶液Ｋを浸透させることができる。一方、所定の時間が経過したなら、ガラス管２から光触媒用溶液Ｋを排出する（ステップＳ７）。そして、光触媒用溶液Ｋを排出した後の粒体３…を含むガラス管２は、乾燥又は焼成する（ステップＳ８）。これにより、溶着面Ｊ…を除く粒体３…の表面及びガラス管２の内面に、二酸化チタンを用いた光触媒層４を設けられる。このような手法により、粒体３…の表面及びガラス管２の内面には、均一の光触媒層４を容易に設けることができる。なお、必要により、ステップＳ６〜Ｓ８を繰り返すことにより、光触媒層４の膜厚（層厚）を調整することができる。この後、基板治具２１を取り除き、ガラス管２の端面や外周面等に付着した不要な光触媒層４を取り除くなどの仕上げを行い、さらに、導光性等の検査を行えば、図１０（ｄ）に示す光反応器１を得ることができる（ステップＳ９）。
また、得られた光反応器１に対して、その両端開口を閉塞する図２に示すキャップ３１，３２を装着すれば、浄水装置Ｍとして構成することができる。各キャップ３１，３２の中央には、外方に突出する接続口３１ｃ，３２ｃを有し、各接続口３１ｃ，３２ｃに、光反応器１の内部に被処理水Ｌａを流入させ、又は光反応器１の内部から処理水Ｌｂを流出させる配水管３３，３４をそれぞれ接続することができる。これにより、ガラス管２の一端は被処理水Ｌａの流入口２ａとなり、かつ他端は処理水Ｌｂの流出口２ｂとなる浄水装置Ｍが得られる。
このような光反応器１の製造方法によれば、ガラス管２に粒体３…を充填した後、当該粒体３…を充填したガラス管２を所定の加熱温度Ｔｈで加熱することにより、ガラス管２と粒体３…間の当接部，及び粒体３…同士間の当接部に、それぞれ所定の面積を有する溶着面Ｊ…を生成するようにしたため、少ない部品点数により極めて容易に製造することができ、全体のコストダウン及び小型コンパクト化を実現できるとともに、動力部等は不要なため、省エネルギ性及び汎用性にも優れる。
次に、本実施形態に係る光反応器１（浄水装置Ｍ）の使用方法及び作用について、各図を参照して説明する。
光反応器１を浄水装置Ｍとして使用する際には、図１に示すように、光反応器１におけるガラス管２の周面に、紫外線を発光するブラックランプを用いた発光部５を対向させて配設する。これにより、発光部５から発光する紫外線はガラス管２の周面に照射される。なお、図１は、便宜上、一つの発光部５を示すが、光反応器１の回りに複数の発光部５を配置したり、或いは断面半円形の反射板を、ガラス管２の周面に対向する位置であって発光部５に対して反対側の位置に配置するなどの構成を採用できる。一方、ガラス管２と粒体３…間，及び粒体３…同士間には、それぞれ溶着面Ｊ…が生成され、この溶着面Ｊ…を介して連続する導光路Ｃを設けられているため、ガラス管２の外周面から入光した紫外線は、図１に点線矢印で示す導光路Ｃを通って、各粒体３…に導光され、各粒体３…の内部側から各粒体３…の表面に設けた光触媒層４の裏面に照射される。
他方、光反応器１におけるガラス管２には、図２に示すように、一端の流入口２ａから、例えば、汚れた被処理水Ｌａが流入し、ガラス管２の内部を通過する。この際、被処理水Ｌａは、ガラス管２の内部に存在する多数の粒体３…の表面に設けた光触媒層４に接触して流通するとともに、同時に、ほとんどの粒体３…において内部側から紫外線が励起光として光触媒層４に照射され、光触媒層４の活性化が行われているため、光触媒層４による酸化反応及び分解反応により、水中の汚れ、例えば、各種環境ホルモン，ダイオキシン，トリハロメタン，細菌類等の有害溶解物が、効率的に分解され、無害化される。そして、処理された処理水Ｌｂは、他端の流出口２ｂから、直接又は図示を省略したストレーナを通して流出する。
次に、本発明の変更実施形態に係る各種光反応器１…について、図８及び図９を含む図１１〜図１８を参照して説明する。
図１１は、粒体３…を、単一のガラス素材により形成した基体３ｂ…の表面に、当該ガラス素材よりも融点の低い透明素材によるコーティング層３ｃ…を設けて構成したものである。この場合、使用する粒体３は、図９に示すステップＲ１〜Ｒ４により予め製造することができる。即ち、最初に、低融点ガラスの生成材料として５８〔重量％〕のＮａ2ＳｉＯ3（０．５Ｍ）と４２〔重量％〕のＨＣＩ（１Ｍ）を調合し、十分に撹拌することにより前駆体溶液を用意する（ステップＲ１，Ｒ２）。次いで、単一のガラス素材により形成した基体３ｂ…を前駆体溶液に浸漬し、この後、取り出して乾燥する（ステップＲ３，Ｒ４）。これにより、基体３ｂ…の表面にコーティング層３ｃ…を有する粒体３…が得られる。
そして、この粒体３…を使用し、図９に示すステップＳ１〜Ｓ９を経て光反応器１を製造すれば、図１１に示すように、コーティング層３ｃ…同士による溶着面Ｊ…が生成される。このように、基体３ｂ…の表面にコーティング層３ｃ…を設けた粒体３…を用いれば、コーティング層３ｃ…により溶着面Ｊ…を生成できるため、より低い加熱温度により光反応器１を製造することができる。特に、基体３ｂ…の無用な溶解を回避できるため、基体３ｂ…の形状をそのまま維持させることができる。
図８は、コーティング層３ｃ…を設けた粒体３…の評価用特性図、特に、機械的強度を評価した特性図を示す。強度の判定において、「１」は溶着なし。「２」は外れるが溶着痕がある。「３」は溶着しているが床上１０〔ｃｍ〕から落下させると外れる。「４」は溶着しているが床上５０〔ｃｍ〕から落下させると外れる。「５」は溶着しており床上５０〔ｃｍ〕から落下させても外れない。「６」は基体３ｂ…の融点を越えて原形を留めない。を示している。したがって、図８の結果を考慮すれば、図８中、符号Ｖを付した条件が良好な溶着条件となり、特に、符号Ｖｓを付した条件、即ち、加熱温度６８０〔℃〕，ｐＨ１０が最適となる。
図１２は、光触媒層４を設けない光反応器１を示す。即ち、図９のステップＳ５で得られる中間製造物をそのまま光反応器１として使用するものである。この場合であっても、溶着面Ｊ…及び導光路Ｃは形成されるため、ガラス管２を流通する流体に対して効率的な光照射が可能になる。したがって、例えば、エタノールにマーガリンを溶かした有機溶媒を流し、マーガリン成分のトランス体を活性化させることにより、短波長側にあるシス体に変化させるなどの用途に利用することが可能であり、このような処理後、エタノールを揮発させれば、有害とされるトランス体を除去することができる。
図１３は、ガラス管２として、同軸上に外管２ｅと内管２ｉを配し、中心に発光部５を配設可能にするとともに、外管２ｅと内管２ｉの間に粒体３…を収容可能にした二重管を用いたものである。したがって、図１３に示すように、内管２ｉの中心に、ブラックライト等の発光部５を配設し、外管２ｅと内管２ｉの間に粒体３…を充填すれば、光反応器１（浄水装置Ｍ）を得ることができる。図１３の光反応器１によれば、リング状に配した各粒体３…に対して、中心に配した発光部５から３６０゜の方向に光を照射できるため、粒体３…に対する照射効率をより高めることができる。
図１４は、ガラス管２の内部に、多孔質体５１を設けたものである。この場合、例えば、ガラス材を破壊することによりランダムな破片による粒体３…を得、この粒体３…をガラス管２の内部に充填するとともに、加熱処理することにより、各粒体３…同士を溶着させれば、基本的に、前述した球状の粒体３…を用いる場合と同様の原理により、所定の面積を有する溶着面Ｊ…を生成することができる。この際、溶着状態を適度に確保すれば、通水路となる多孔質空間５２…が得られ、損失の少ない、より効果的な導光路Ｃを得ることができる。
図１５〜図１８は、特に、ガラス管２の断面形状を変更したものである。図１〜図３は、ガラス管２の断面形状を円形に選定したが、図１５〜図１８は、非円形に選定した。まず、図１５（ａ）及び（ｂ）は、ガラス管２の断面形状を多角形に選定したものであり、図１５（ａ）は正方形、図１５（ｂ）は三角形に選定した場合を示す。なお、ガラス管２の断面形状を変更した場合であっても、変更する点は、断面形状のみであり、他の構成は前述した図１〜図１４に示した実施例と同様に構成できる。また、ガラス管２の断面形状を多角形に選定した場合、必ずしも一体成形することを要せず、図１６に示すように、複数のプレート部材を組付けて製作可能である。例えば、図１５（ａ）の正方形の場合、図１６に示すように、四枚の平坦なプレート部材２ｓｘ，２ｓｘ，２ｓｙ，２ｓｙを用意し、透明な接着液や接着シート等の接着部６１…を介して各プレート部材２ｓｘ…同士を固定（結合）することができる。他の固定手段としては、例えば、各プレート部材２ｓｘ…同士を位置決め用の凹凸を介して組合わせ、周囲を固定バンド等により固定してもよく、その固定手段は任意である。その他、多角形には、六角形等をはじめ、台形や菱形等の各種形状が含まれる。
一方、図１７及び図１８は、ガラス管２の断面形状を、長辺側Ｄｍが短辺側Ｄｓに対して三倍以上となる細長形状に選定したものであり、図１７は直線状、図１８は曲線状に選定した場合を示す。ガラス管２の断面形状を細長形状に選定することにより、長辺側Ｄｍにおける広幅面の面積を大きくできるため、この広幅面に光を効率的に照射できる。また、このような形状選定により、幅方向サイズの小さい光反応器１を得ることができる。
図１５〜図１８に示すように、ガラス管２の断面形状を非円形に形成するとともに、この非円形に、少なくとも、多角形，長辺側が短辺側に対して三倍以上となる直線状又は曲線状の細長形状を含ませれば、様々な用途や目的、更には発光部５の種類や形状等に柔軟対応させることにより、処理効率の向上や最適化を容易に実現することができる。なお、図１１〜図１８において、図１〜図３と同一部分には同一符号を付してその構成を明確にした。
以上、最良実施形態（変更実施形態）について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。
例えば、ガラス管２の素材及び粒体３…の素材は、例示以外の任意のガラス素材を利用可能であるとともに、ガラス素材と同様の作用を呈する他の透明素材の使用を排除するものではない。また、ガラス管２は直線形（Ｉ形）に形成した場合を示したが、必要によりＬ形やＵ形等ように折曲したり湾曲させて形成してもよい。一方、光源ランプについても、使用する光触媒や反応物質に好適な波長を放射する光源を選択することが可能であり、例示したランプ以外の光源を排除するものではない。さらに、光触媒層４は二酸化チタンを用いて形成した場合を示したが、他の光触媒作用を呈する物質を用いて形成する場合を排除するものではない。
本発明に係る光反応器１は、広くは、光又は光の成分により流体（液体，気体）を反応させることができる各種光反応器に利用できるとともに、実用的には、例示の浄水装置をはじめ、空気浄化装置，消臭装置，滅菌装置等の光反応器１を一部に備える各種装置に利用できる。

Claims (15)

  1. ガラス管の中にガラス素材により形成した多数の粒体を収容し、かつガラス管の中に流体を流通可能に構成した光反応器において、前記ガラス管と前記粒体間の当接部，及び前記粒体同士間の当接部を、それぞれ所定の面積を有する溶着面とすることにより、前記ガラス管及び前記粒体に前記溶着面を介して連続する導光路を設けてなることを特徴とする光反応器。
  2. 前記溶着面を除く前記粒体の表面及び前記ガラス管の内面には、光触媒層を設けてなることを特徴とする請求項１記載の光反応器。
  3. 前記ガラス管は、外周面に対して外部の発光部から光を照射可能な単管であることを特徴とする請求項１又は２記載の光反応器。
  4. 前記ガラス管は、断面形状を円形に形成することを特徴とする請求項１，２又は３記載の光反応器。
  5. 前記ガラス管は、断面形状を非円形に形成するとともに、この非円形には、少なくとも、多角形，長辺側が短辺側に対して三倍以上となる直線状又は曲線状の細長形状を含むことを特徴とする請求項１，２又は３記載の光反応器。
  6. 前記ガラス管は、同軸上に外管と内管を配し、中心に発光部を配設可能にするとともに、前記外管と前記内管の間に前記粒体を収容可能に構成した二重管であることを特徴とする請求項１又は２記載の光反応器。
  7. 前記粒体は、単一のガラス素材により形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光反応器。
  8. 前記粒体は、単一のガラス素材により形成した基体の表面に、当該ガラス素材よりも融点の低い透明素材によるコーティング層を設けてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光反応器。
  9. 前記粒体は、同一径の球状に形成することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光反応器。
  10. 前記ガラス管の一端が被処理水の流入口となり、かつ他端が処理水の流出口となる浄水装置に用いることを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載の光反応器。
  11. ガラス管の中にガラス素材により形成した多数の粒体を収容し、かつガラス管の中に流体を流通可能な光反応器を製造するための光反応器の製造方法において、前記ガラス管に前記粒体を充填した後、当該粒体を充填したガラス管を所定の加熱温度で加熱することにより、前記ガラス管と前記粒体間の当接部，及び前記粒体同士間の当接部に、それぞれ所定の面積を有する溶着面を生成し、前記ガラス管及び前記粒体に前記溶着面を介して連続する導光路を設けることを特徴とする光反応器の製造方法。
  12. 前記ガラス管と前記粒体間の当接部，及び前記粒体同士間の当接部に、前記溶着面を生成した後、前記ガラス管の内部に光触媒用溶液を充填するとともに、この後、当該光触媒用溶液を前記ガラス管から排出し、前記溶着面を除く前記粒体の表面及び前記ガラス管の内面に光触媒層を設けることを特徴とする請求項１１記載の光反応器の製造方法。
  13. 前記溶着面は、単一のガラス素材により形成した粒体の表面に直接生成することを特徴とする請求項１１又は１２記載の光反応器の製造方法。
  14. 前記ガラス管の素材は、前記粒体の素材よりも融点の高い素材を用いることを特徴とする請求項１１，１２又は１３記載の光反応器の製造方法。
  15. 前記粒体は、単一のガラス素材により形成した基体の表面に、当該ガラス素材よりも融点の低い透明素材によるコーティング層を設けてなり、前記溶着面は、前記コーティング層により生成することを特徴とする請求項１１又は１２記載の光反応器の製造方法。
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