WO2001034300A1 - Procede permettant de renforcer une reaction de catalyseur - Google Patents

Procede permettant de renforcer une reaction de catalyseur Download PDF

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WO2001034300A1
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Yugen Kaisha Kankyogijyutsu Kenkyusho
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Definitions

  • the present invention relates to a method for enhancing a catalytic reaction, and more particularly, to a magnetic field catalyst that enhances a catalytic reaction such as oxidation, reduction reaction, denitrification reaction, desulfurization reaction, dechlorination reaction using a semiconductor catalyst using a magnetic field and charged particles.
  • a magnetic field catalyst that enhances a catalytic reaction such as oxidation, reduction reaction, denitrification reaction, desulfurization reaction, dechlorination reaction using a semiconductor catalyst using a magnetic field and charged particles.
  • a magnetic field catalyst that enhances a catalytic reaction such as oxidation, reduction reaction, denitrification reaction, desulfurization reaction, dechlorination reaction using a semiconductor catalyst using a magnetic field and charged particles.
  • the photocatalytic reaction requires a sufficient amount of ultraviolet energy to reach the surface of the catalyst, which is an essential condition for the catalytic reaction to occur, and various factors that prevent ultraviolet energy from reaching the surface of the catalyst (the surface of the catalyst).
  • Light scattering due to dirt and fine particles, absorption / attenuation of light energy by liquid phase, etc.) and low energy efficiency (catalytic effect per irradiation energy) S which is a major obstacle to real practical application . Disclosure of the invention
  • the problem to be solved by the present invention is to overcome both weak points simultaneously by combining the principles of the conventional fluid magnetic activation method and the photocatalytic method. Specifically, by utilizing the electromagnetic induction energy generated by charged particles moving in a magnetic field for the catalytic reaction of the semiconductor, the catalytic ability of the semiconductor can be maximized and the semiconductor can be sustained.
  • An object of the present invention is to provide a method for enhancing the catalytic reaction of a semiconductor, which can maintain the capability.
  • the present invention preferably provides an effective method for reducing nitrogen oxides and a dechlorination reaction of a chlorine-based organic compound using the present invention.
  • a semiconductor catalyst is disposed in a fluid containing charged particles, and a magnetic field is formed in a field where the semiconductor catalyst is disposed to apply electromagnetic induction energy to the charged particles. Thereby enhancing the catalytic reaction of the semiconductor catalyst.
  • (Claim 1) and a catalytic reaction device comprising: a semiconductor catalyst layer; fluid supply / discharge means for introducing and discharging a fluid containing charged particles to the catalyst layer; and a magnetic field generating unit for forming a magnetic field in the fluid.
  • a catalytic reaction device comprising: a semiconductor catalyst layer; fluid supply / discharge means for introducing and discharging a fluid containing charged particles to the catalyst layer; and a magnetic field generating unit for forming a magnetic field in the fluid.
  • charged particles are contained in a gas or liquid fluid that comes into contact with the semiconductor catalyst, and a magnetic field is applied to the flow path of the semiconductor catalyst while flowing this fluid at a required speed. Then, the induced electromagnetic energy (Lorentz force) is generated in the charged particles as shown in Figs.
  • the excited energy of the activated charged particles comes into contact with the semiconductor catalyst and is provided to the semiconductor catalyst to enhance its catalytic function, and various reactions (oxidation / reduction reaction, denitrification reaction, desulfurization reaction, Dechlorination, etc.) can proceed efficiently.
  • Is a semiconductor catalyst used in the present invention T io 2 (diacid titanium), Z N_ ⁇ , b 2 0 5, S r T i 0 3, P b N b 2 0 6, K 4 N oxides such as b 6 O 17 , sulfides such as C d S and Zn S, and polypropylene.
  • Organic polymers such as raffinylene may be mentioned, and may be appropriately selected depending on the intended catalytic reaction.
  • oxide semiconductors are preferred, and titanium dioxide, which produces an oxidation * reduction reaction, is most preferred.
  • the following components and elements are examples of charged particles in a fluid.
  • charged particles contained in gas include nitrogen oxides, sulfur oxides, ozone, and odor components.
  • charged particles contained in the liquid include nitrogen oxides; organochlorine compounds such as trichloroethylene, tetrachloroethylene, trichloroethane, dioxins, and trihalomethane. Na, Mg ions; various artificial chemicals, and the like.
  • the water molecule itself has polarity and is charged in a broad sense, and thus is a kind of the charged particle of the present invention.
  • a substance having localization (uneven distribution) in the electron distribution is a charged particle of the present invention.
  • These charged particles need not necessarily be substances that undergo a catalytic reaction.
  • the magnetic field applied in the present invention may be a magnetic field in one direction (a direct current magnetic field) or an alternating magnetic field that reverses the direction of a magnetic field line.
  • An oxide is obtained by reversing a strong magnetic field at a high speed. Enhance the catalytic action of semiconductors.
  • the strength of the magnetic field is preferably greater than 0.1 Tesla (100 gauss).
  • the first method is to make the charged particles move linearly or rotationally in one direction (for example, charged particles).
  • Method of moving by fluid pressure The second method is a method in which charged particles are subjected to ultrasonic-microwave wave energy to directly move the charged particles randomly.
  • the third method is a method in which charged particles are indirectly moved by moving the semiconductor catalyst by collision with the catalyst and viscosity on the catalyst surface (for example, the rotational movement of the semiconductor catalyst in the space where the charged particles are present, Reciprocating movement, random movement).
  • the energy sources that produce this are: (1) hydraulic pressure pre-applied to the fluid, and (2) various natural energies (potential energy, wind energy, natural energy such as wave power and tidal energy, etc.) (3) Artificial energy (electric motor, internal combustion engine, ultrasonic wave, micro wave, etc.).
  • the following embodiments can be selected for a semiconductor catalyst such as titanium dioxide.
  • the particle size is small and the surface area is large, but a bulk such as a film or a lump may be used.
  • the catalytic reaction of the present invention can be further enhanced by adding an acid / alkaline component to the fluid and controlling the pH value to an optimum pH value.
  • the semiconductor catalyst layer comprises: a semiconductor catalyst layer; a fluid supply / discharge means for introducing and discharging a fluid containing charged particles into the catalyst layer; and a magnetic field generating unit for forming a magnetic field in the fluid.
  • a catalytic reactor is used.
  • the semiconductor catalyst layer may be arranged in a fluid passage or a tank such as a reaction vessel, but the catalyst layer itself may be of any type such as a fixed bed or a fluidized bed.
  • the fluid supply / discharge means is not particularly limited, and can be a pump or the like.
  • the magnetic field generating section is not particularly limited, but preferably applies an alternating magnetic field as described above.
  • the catalytic action of the semiconductor catalyst can be enhanced and the sustaining power can be maintained, so that it can be used in various fields as described below.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the structure of the embodiment in a state where no magnetic field is applied in Examples 1 to 3.
  • FIG. 2 is an explanatory view showing the arrangement of magnets and measurement points of the devices of Examples 1 to 3.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory diagram of the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing Lorentz force of the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the fourth embodiment. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings and data, but the present invention is not limited thereto.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing the structure of an embodiment of the first to third embodiments in the state where no magnetic field is applied.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing the arrangement of magnets and measurement points of the devices of Examples 1 to 3.
  • Examples 1 to 3 titanium dioxide particles were filled in the middle of the passage as a semiconductor catalyst, and a magnetic magnet (Nd_Fe_BM) having a surface magnetic flux density of 4000 Gauss was formed around the passage.
  • the stock solution is forcibly pumped by a pump, and the stock solution is activated by the oxidation-reduction reaction of titanium dioxide, thereby purifying and activating the stock solution.
  • 1 is a passage through which the undiluted solution flows
  • la is a stainless steel pipe that forms the passage and has a width of 37 mm, a height of 15 mm, a total length of 1,000 mm, and a wall thickness of 1.5 mm.
  • 3 is a pressurizing pump which feeds the stock solution 4 into the passage at a low speed of 1.9 L Zmin and 5.4 L Zmin
  • 4 is a stock solution to be treated
  • 5 is a stock solution.
  • the activated treatment solution, 6 is a neodymium magnet with a surface magnetic flux density of 4, OOOG auss, 7 is an induced electromotive force measurement terminal with a 2.5 cm interparticle distance, and 3 of A, B, C in passage 1 It is measured at a point. Point A of passage 1 is 25 cm from the entrance, point B is 40 cm from the entrance, and point C is 75 cm from the entrance.
  • the force received when a charged particle moves in a magnetic field is called the mouth-Lentz force
  • a charged particle that is vertically incident on a uniform magnetic field is Lorentz perpendicular to the magnetic field and also to the direction of motion of the charged particles Receive force (electromagnetic induction energy).
  • the force F is given by the charge of a charged particle as q, the velocity of the charged particle as v, and the magnetic flux density as B
  • B is the vector of the magnetic field.
  • Table 1 shows the results obtained by measuring the induced electromotive force twice at points A, B, and C shown in Figs. 1 and 2 and changing the flow rate using the stock solution as tap water.
  • the main charged particles in tap water are Na + , Mg + + , C 1-ions and the like.
  • Photocatalytic systems using oxide semiconductors such as titanium dioxide required a sufficient amount of light energy to reach the catalytic metal surface directly
  • the present invention focuses on the fact that the essence of electromagnetic energy and light energy, which is a type of electromagnetic wave, is the same, and charged particles can be charged even in an aqueous solution or a closed space where light cannot sufficiently reach.
  • a part of the electromagnetic induction energy directly applied to itself is transmitted to the oxide semiconductor metal, so that a photocatalytic reaction and a chemical reaction can be caused.
  • it can be used together with light energy such as ultraviolet light.
  • nitrite and nitrate ion concentrations of the treatment solution 5 after the magnetic field catalyst treatment in Cases A, B, and C Measure the denitrification reaction by measuring.
  • treatment solution 5 nitrate ion concentration in the solution after magnetic-catalyst treatment
  • HPLC high-performance liquid chromatography
  • PCP is a representative chlorinated organic compound that has characteristics in common with dioxins and PCB, etc., and it is assumed that other chlorinated organic compounds can be efficiently dechlorinated (detoxified).
  • Example 3 (Example of enhancing magnetic field catalytic effect) (Denitration reaction)
  • the composition of the filler in passage 1 was determined by (1) titanium dioxide having a particle diameter of 0.2 mm, (2) activated carbon having a particle diameter of 0.2 mm, and (3) particle diameter of 5 mm magnetite, mixed in a 1: 1: 4 volume ratio Refill.
  • water containing a nitrate ion (stock solution 4) is passed through the pressurizing pump 3, and the nitrate ion concentration is compared before and after. Result 1.
  • the oxidation / reduction catalysis is further increased by combining the known method for enhancing the photocatalytic reaction with the magnetic field catalysis method of the present invention. It is suggested that it can be strengthened.
  • Example 4 magnetic field catalyst by application of ultrasonic waves
  • a 5 ppm NO 3 solution pH 3, 6, 9
  • a brown glass bottle 10 100 ml
  • a catalyst 12 of 1 g of titanium dioxide particles, activated carbon particles lg and 5 g of magnetite particles of the same material used in Example (3) is soaked.
  • the neodymium magnet 13 (4, 00 G) described above is attached to the bottom of the glass bottle 10 from the outside.
  • Ultrasonic frequency output Enenoregi one aquarium X 38KHz, 600W, 1 W / cm 2 aquarium Y 150KHz, 1200W, 2.5W / cm 2 water tank Z 770KHz, 2400W, 2. SW / cm 2 The results are shown following 'this.
  • Ultrasonic irradiation in low or high frequency band is effective for removing nitrogen oxides in aqueous solution.
  • Ultrasonic irradiation in medium wavelength band is considered to be effective for oxidizing adsorption of nitric oxide in air.
  • electromagnetic induction energy electromagnettic force
  • a chemical reaction redox reaction, denitrification, desulfurization yellow, dechlorination reaction
  • the magnetic field catalyst system according to the present invention also has the following convenience.
  • the structure is very simple, and it is relatively easy to design and manufacture from large-capacity industrial use to small-scale general household use, as long as there is a strong magnet and a device (such as a pump) that gives kinetic energy to the fluid.

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Description

明 細 書 触媒反応の強化方法 技術分野
本発明は、 触媒反応の強化方法に関し、 さ らに詳しく は半導体触 媒による酸化 · 還元反応 · 脱窒素反応 · 脱硫黄反応 · 脱塩素反応等 の触媒反応を磁界と荷電粒子とによって高める磁場触媒法の技術に 関する。 気体や水に溶存した化学物質の酸化 · 還元等の反応を効率 的 · 経済的且つ大量に進めるのに有用な技術であ り 、 特に化学ブラ ン ト、 環境汚染対策、 浄水処理、 脱臭処理、 空気清浄処理、 農業 - 畜産用等に利用できるものである。 背景技術
従来、 流体 （すなわち気体 · 液体） に磁界を与えて気体 ' 液体の 活性化 · 改質を行う技術が知られている。 又酸化チタンなどの酸化 物等の半導体触媒に紫外線エネルギーを照射し、 その触媒面に接触 する気体や液体に酸化 · 還元反応、 脱窒素反応、 脱硫黄反応、 脱塩 素反応等を生起させる技術 （光触媒法） も広く知られている。
しかしながら、 これらの単独の使用ではその効果 · 反応が充分で なかった り、 又持続性に乏しいものであった。
特に、 光触媒反応は触媒表面に充分量の紫外線エネルギーが到達 させるこ とが、 触媒反応を生起させる必須条件とな り 、 紫外線エネ ルギ一の触媒表面への到達を妨げる様々な要因 （触媒表面の汚れ、 微粒子による光散乱、 光エネルギーの液相による吸収 · 減弱、 等） や低いエネルギー効率 （照射エネルギーあた り の触媒効果） 力 S、 本 格的な実用化を妨げる大きな障壁となっている。 発明の開示
本発明が解決しょう とする課題は、 従来の流体の磁気活性化法と 光触媒法の原理を組み合わせることによ り、 双方の弱点を同時に克 服しょ う という ものである。 具体的には、 磁界中で運動する荷電粒 子に発生する電磁誘導エネルギーを半導体の触媒反応に利用するこ とによ り、 半導体が有する触媒能を最大限に引き出し、 且つ、 持続 的にその能力を保持できる、 半導体の触媒反応の強化法を提供する ことにある。 特に、 好適にはこの発明を用いた効果的な窒素酸化物 の還元方法と塩素系有機化合物の脱塩素反応の提供にある。
かかる課題を解決した本発明の構成は、 荷電粒子を含む流体中に 半導体触媒を配置し、 該半導体触媒が配置された場に磁界を形成さ せて該荷電粒子に電磁誘導エネルギーを付与することによ り、 該半 導体触媒の触媒反応を高めることを特徴とする触媒反応の強化方法
(請求項 1 ) 、 ならびに半導体触媒層、 該触媒層に荷電粒子を含む 流体を導入し排出する流体供給 · 排出手段ならびに該流体に磁界を 形成させるための磁界発生部を備えてなる触媒反応装置 （請求項 1 3 ) 、 を要旨とする。
本発明では、 好適には、 半導体触媒と接触する気体又は液体の流 体内に荷電粒子を含ませ、 この流体を所要の速度で流しながら半導 体触媒の流路箇所に磁界を与えるこ とで、 荷電粒子に電磁誘導エネ ルギー （ローレンツ力） を図 4の a , bに示すよ うに生起させる。 この活性化された荷電粒子が持つ励起されたエネルギーは半導体触 媒に接触することでこれに供与されその触媒機能を高め、 様々な反 応 （酸化 · 還元反応、 脱窒素反応、 脱硫黄反応、 脱塩素反応等） を 効率的に進行させることができる。
さ らに、 荷電粒子を流路中を移動させるばかりでなく 、 反応器等 の槽内の流体に超音波振動を与えて運動を与えることによつても同 様な効果を与え う る。
本発明において使用される半導体触媒と しては、 T i o 2 (二酸 化チタン） ， Z n〇， b 2 0 5 ， S r T i 0 3 ， P b N b 2 0 6 ， K 4 N b 6 O 1 7等の酸化物、 C d S， Z n S等の硫化物、 ポリ ノ、。 ラフ ニレン等の有機高分子が挙げられ、 目的とする触媒反応によ り適宜選択しう る。
これらのう ちで、 酸化物半導体が好適であり、 さ らには酸化 * 還 元反応を生起する二酸化チタンが最も好ま しい。
流体中の荷電粒子の例と して下記の成分 · 元素がある。 気体に含 まれる荷電粒子の例と しては、 窒素酸化物、 硫黄酸化物、 オゾン、 臭い成分、 などがある。 さ らに、 液体に含まれる荷電粒子の例と し ては、 窒素酸化物 ； ト リ ク ロ ロエチレン、 テ ト ラク ロ ロエチレン、 ト リ ク ロ ロェタン、 ダイォキシン類、 ト リハロメ タン等の有機塩素 化合物 ； N a , M gイオン ； 各種の人工化学物質、 などがある。 更 に、 水分子そのものも極性をもち、 広い意味で荷電しているので、 本発明の荷電粒子の一種である。 電子分布に局在 （偏在） がある物 質であれば本発明の荷電粒子とな り う る。 これらの荷電粒子は、 必 ずしも触媒反応を受ける物質でなく てもよい。
本発明の印加する磁界と しては一方向の磁界 （直流磁界） と、 磁 力線方向を反転させる交番磁界との場合があり 、 高速で強磁界を反 転させるこ とによ り酸化物半導体の触媒作用を高める。 その発生方 法は、 電磁石と、 永久磁石があり 、 これらを通路外周又は通路内に 配置して酸化物半導体の場所に磁界を与える。 磁界の強さは、 0 . 1 テスラ （ 1 0 0 0ガウス） 以上であるのが好適である。
さ らに、 本発明において荷電粒子に運動エネルギーを付与する方 法と して、 大き く三つの方法がある。 第 1 の方法は、 荷電粒子を一 方向性に直線あるいは回転運動させる方法である （例えば荷電粒子 を流体圧で移動させる方法） 。 第 2 の方法は、 荷電粒子に超音波 - マイ ク 口 ウエーブのエネルギーを与えて荷電粒子を直接ランダム運 動させる方法である。 第 3 の方法は、 半導体触媒を運動させる こ と で荷電粒子を触媒との衝突と触媒面における粘性によって間接的に 運動させる方法である （例えば半導体触媒を荷電粒子のある空間内 で回転運動、 往復運動、 ランダム運動させる） 。 これを生み出すェ ネルギ一源と して、 （ 1 ) 流体にあらかじめ付与されている液圧、 ( 2 ) 各種の自然エネルギー （位置エネルギー、 風力エネルギー、 波力や潮力エネルギー等の自然エネルギーなど） 、 （ 3 ) 人工エネ ルギー （電力モーター、 内燃エンジン、 超音波、 マイ ク ロ ウエーブ など） などが挙げられる。
また、 二酸化チタン等の半導体触媒に関しても以下のよ うな態様 が選択されう る。
( 1 ) 触媒のサイズ
粒径が小さ く て、 表面積が大きい方が好ま しいが、 膜状、 塊状等 のバルクであってもよい。
( 2 ) 目的とする触媒反応に至適な各種化合物の選定
二酸化チタンと鉛の化合物では、 光触媒反応によって C O 2 から メ タ ンを産生する （炭酸同化反応） 効率が二酸化チタ ン単独よ り約 3 0倍増強されるこ と、 テ ト ラチタン酸バリ ゥムにルテニウムを担 持させるこ とによ り、 紫外線エネルギーにて水を水素と酸素に分解 出来るこ と （水分解反応） 、 等もわかっている。 このよ う に、 従来 の酸化物半導体等を使った光触媒法で検討されてきた様々な経験や 技術を基に、 目的とする触媒反応に適合した酸化物半導体の化合物 を選定するこ とが出来、 目的とする触媒反応を従来法よ り効率的に 実施しう る。 もちろん、 光照射法を併用するこ と もできる。
( 3 ) 他の触媒との併用 二酸化チタン等の半導体触媒に活性炭や酸化鉄を組み合わせるこ とによ り 、 触媒作用を強化するこ とができる。
( 4 ) p Hコ ン ト ロールと の併用
流体中に酸 ' アルカ リ成分を付加して最適 p H値に p H値コ ン ト ロールするこ とで、 更に本発明の触媒反応を高める こ とができる。
( 5 ) 流体中に H 2 O 2 やオゾン O— 3を添加するこ とによってフ リ —ラジカルの発生を高めて触媒反応を強化できる。
本発明方法を実施するために、 半導体触媒層、 該触媒層に荷電粒 子を含む流体を導入し排出する流体供給 · 排出手段ならびに該流体 に磁界を形成させるための磁界発生部を備えてなる触媒反応装置が 用いられる。 半導体触媒層は、 流体の通路も しく は反応容器等の槽 内に配置されう るが、 触媒層自体は、 固定床、 流動床等のいかなる 方式であってもよい。 さ らに、 流体供給 · 排出手段も特に制限され ず、 ポンプ等によるこ とができる。 磁界発生部も、 特に制限されな いが、 上述のよ う に交番磁界を印加しう るものが好適である。
本発明を使用 して半導体触媒の触媒作用を高め、 持続力を保持で きるので、 下記のよ うな種々の分野で活用できる。
1 . 一般の有機化学合成や化学分解プラ ン トへの応用
2 . 環境汚染対策
1 ) 自動車ゃゴミ焼却によって排出される排ガス中の脱窒素、 脱 硫黄、 脱塩素処理
2 ) 家庭排水、 産業排水、 産排処理施設からの排水、 一般下水処 理施設からの排水等の脱窒素、 脱硫黄、 脱塩素処理や各種人工化学 物質の除去や無毒化
3 ) 湖沼や河川、 池、 海等の富栄養化対策 （脱窒素、 脱燐酸等）
4 ) 湖沼や河川、 池、 海、 土壌等に含まれる各種人工化学物質の 効率的な除去 5 ) 自然エネルギーを利用して二酸化炭素からメタンを合成する システムを開発する事による地球温暖化対策
3 . 健康 · 保健対策
1 ) 上水道施設や個別の浄水施設 （企業、 ホテル、 病院、 家庭な ど） における浄水処理 （水質浄化や各種人工化学物質の除去や無毒 化）
2 ) —般家庭用水道水に含まれる可能性のある有害物質 （塩素、 ト リハロメ タ ン、 環境ホルモン類など） の分解 ' 除去
3 ) プール、 公衆浴場などの水質浄化
4 ) 消臭、 除菌機能を合わせ持つ空気清浄機の開発
4 . 産業への応用
1 ) 浄化水あるいは磁場活性水と しての農業 （畜産 · 養鶏 ' 園芸 等） への利用
2 ) 活魚、 熱帯魚、 養殖魚などの水槽の浄化システム
3 ) 自然エネルギーを利用した水分解システムによる、 燃料電池 の原料となる水素燃料の供給。 図面の簡単な説明
図 1 は、 実施例 1 〜 3における磁場を印加させていない状態の実 施装置の構造を示す説明図である。
図 2は、 実施例 1 〜 3の実施装置の磁石の配置と計測点を示す説 明図である。
図 3は、 本発明の模式的な説明図である。
図 4は、 本発明のローレンツ力を示す説明図である。
図 5は、 実施例 4を示す説明図である。 発明を実施するための最良の形態 以下、 本発明の実施例を図面とデータに基づいて説明するが、 本 発明はこれらに限定されるものではない。
図 1 は、 実施例 1〜 3における磁場を印加させてない状態の実施 装置の構造を示す説明図である。
図 2は、 実施例 1〜 3の実施装置の磁石の配置と計測点を示す説 明図である。
実施例 1〜 3は半導体触媒と して二酸化チタ ン粒子を通路途中に 充填し、 その通路外周に 4， 0 0 0 G a u s s の表面磁束密度のネ ォジ磁石 （N d _ F e _ B M a g n e t ) を配置し、 原液をボン プで強制圧送し、 原液を二酸化チタ ンの酸化還元反応で活性化し、 これによつて原液を浄化 · 活性化することができるよ うにした例で ある。
図 1， 2中、 1 は原液を流す通路、 l aは同通路を形成する横幅 3 7 mm, 高さ 1 5 mm， 全長 1， 0 0 0 mmで肉厚 1 . 5 mmの ステンレスパイプ、 2は酸化物半導体である粒状二酸化チタン、 3 は原液 4を 1 . 9 L Zm i nの低速と、 5. 4 L Zm i nの高速で 通路に送り込む加圧ポンプ、 4は処理される原液、 5は活性化処理 された処理液、 6は 4， O O O G a u s s の表面磁束密度のネオジ 磁石、 7は粒子間距離が 2. 5 c mの誘導起電力測定端子で、 通路 1 の A， B， Cの 3箇所で計測される。 通路 1 の A点は入口から 2 5 c mの位置， B点は入口から 4 0 c mの位置及び C点は入口から 7 5 c mの位置にある。
(電磁誘導エネルギー）
本発明における磁界と荷電粒子による電磁誘導エネルギーの発生 について説明すると、 荷電粒子が磁界中を運動する時に受ける力を 口一レンツ力といい、 一様な磁界内に垂直に入射した荷電粒子は、 磁界にも、 また、 荷電粒子の運動方向にも垂直な方向でロー レンツ 力 （電磁誘導エネルギー） を受ける。 その力 Fは、 荷電粒子の電荷 を q、 荷電粒子の速度を v、 磁束密度を Bとすると
F = q V B ( 1 )
で示される。
そして、 この時に、 発生する電圧 e tは
e t= e s+ (E L) = e s+ ( ( V x B ) L ) ( 2 ) ここで、 e s は静電圧、 Eは流れによって生ずる電場のべク トル、 Lは磁場に置かれた 2つの電極の間隔、 Vは流体の流れのべク トル o
、 Bは磁場のベク トルである。 o o
実際、 1 Vの電位差で電子が加速されて得るエネルギー 1 e Vは 1 . 6 X 1 0 - 19 J であり、 これを温度に換算してみる （B o l t z m a n n定数 k = l . 3 8 x l O -23J K- 1 で割る） と
1 e V = 1 1 , 5 8 8. 3 K = 1 1 , 3 1 5 °C ( 3 ) となる。
以下に、 本発明による磁場活性化によ り実際にどの程度の起電力 が生じるかを示す。 原液を水道水と して流速を変え、 図 1， 2に示 す A， B， Cの箇所で誘導起電力を 2回計測して平均値を計算した 結果を下記表 1 に示している。 水道水中の主な荷電粒子は、 N a + ， M g + +， C 1 - イオン等である。
表 1
表 1 一 1
磁石なし 計測誘導起電力 （単位 mV)
測定箇所 流速 0 低速 高速 低速一流速 0 高速一流速 0
A 一 5.5 -6.5 一 1.0 -5.5
B 0.5 -3.0 -3.5 一 10.5
C -7.5 -0.5 一 2.0 7.0 5.5 O 01 表 1 一 2
磁石あり 計測誘導起電力 （単位 m V)
Figure imgf000011_0001
以上の結果から、 次のことがわかる。
1 ： 通路 1 に磁場を負荷するだけで、 その起電力の基礎値は大きく 変動する。 これは、 水道水中に存在する荷電粒子の分布が強力な磁 場の影響で偏ったために生ずる起電力と考えられる。
2 ： さらに、 加圧ポンプ 3で強制的に通水すると、 流速に依存して 起電力が大きく変化する。 これは、 強磁界中に存在する荷電粒子に 運動エネルギーが加えられることによ り生じる電磁誘導エネルギー
(ローレンツ力） によ り発生した起電力と考えられる。
3 ： この時生じる電磁エネルギー （磁石ありの上記表中の B ： 測定 箇所の値一 6 9. 0 ) を （ 3 ) 式よ り温度換算すると
1 1， 3 1 5 °C X 6 9 / 1 0 0 0 = 7 8 0. 7 °C
の温度上昇に匹敵する。
(酸化 · 還元反応の触媒）
二酸化チタン等の酸化物半導体類を使った光触媒システムでは充 分量の光エネルギーを触媒金属表面に直接到達させる必要があった
。 これに対し、 本発明は、 電磁誘導エネルギーと電磁波の一種であ る光エネルギーの本質が同一のものである事に注目 し、 光が充分に 到達できない水溶液中や閉鎖空間であっても荷電粒子自身に直接負 荷される電磁誘導エネルギーの一部が酸化物半導体金属に伝えられ ることによ り光触媒反応と化学反応を生じせしめるこ とができる。 もちろん、 紫外線等の光エネルギーと併用するこ と もできる。
実施例 1 (磁場触媒を使った脱硝反応）
図 1 , 2の装置を使用し、 原液 4 と して、 下記の硝酸ナ ト リ ウム 溶液を使用し、 ケース A， B , Cにおける磁場触媒処理後の処理液 5の亜硝酸および硝酸イオン濃度を計測して、 脱硝酸反応を確認す る。
1 : 原液 4 と して l O m g ZL ( 1 0 p p m) の硝酸ナ ト リ ウム溶 液 （水道水中の許容限界） を作成する。
2 ： 表 1 の試験と同様な実験システムを使って磁場触媒処理後の溶 液 （処理液 5 ) 中の硝酸イオン濃度を高速液体ク ロマ トグラム法 （ H P L C) を使って検体を分離し、 グリ ース反応させ、 最終的にジ ァゾ発色強度によって定量した。 以下 N O xの濃度は吸光度検出器 から電圧強度の積分値と して表現している （ピーク面積） 。
ケース A ： 1 0 p p mの硝酸ナ ト リ ゥムを含んだ磁場触媒処理前溶 液 （原液 4 ) で検出される N O X のピーク面積
ケース B ： 磁石を装着しないシステムで処理をした時の N〇 xのピ ーク面積
ケース C ： 磁石を装着した磁場触媒処理をした時の N O xのピーク 面積
その結果を下記表 2に示す。
表 2
Figure imgf000013_0001
n = 4 以上の結果から、
1 ： 磁石を装着しない場合は N O 3から N〇-2へのシフ 卜が約 1 0 %見られたが、 N O X と しての総量に変化は見られなかった。
2 ： これに対して、 磁石を装着した場合は、 1 回の磁場触媒処理で 約 2 0 %の総窒素酸化物を消失させるこ とができた。 本実験結果か らも明らかなよ うに、 本触媒システムを有効に機能させるためには 磁場活性化が必要条件といえる。
3 ： このシステムを多段階式あるいは循環式に構築した場合劇的な 脱硝効果が期待できる。
実施例 2 (磁場触媒を使った脱塩素反応）
図 1， 2の装置を用い、 原液 4 と して下記の 5塩化フエノール （ P e n t a c h r o l p h e n o l , P C P ) 溶液を使用し、 下記 ケース D， Eにおける処理水の P C P濃度を計測して、 脱塩素反応 を確認した。
1 ： 原液 4 と して 5 m g ZL ( 5 p p m) の P C P溶液を作成する
2 ： 前記試験と同様な実験システムを使って磁場触媒処理後の溶液 (処理液 5 ) 中の P C P濃度を高速液体ク ロマ トグラム法 （H P L C) +電気化学検出器を使って測定する
ケース D : 5 p p mの P C Pを含んだ磁場触媒処理前溶液 （原液 4 ) で検出される P C Pのピーク面積
ケース E ： 磁場触媒システムで処理をした時の P C Pのピーク面積 その結果を下記表 3に示す。
表 3
Figure imgf000014_0001
n = 4
以上の結果から、
1 ： 本発明を応用した 1 回の磁場触媒処理によ り、 約 2 5 %の P C Pを消失させるこ とができた。 さらに、 本磁場処理溶液 （処理液 5 ) 中の残留塩素濃度が処理前後で優位に上昇することも試験紙法に て確認できており、 この P C Pの消失は脱塩素反応によるものと推 測された。
2 ： このシステムを多段階式あるいは循環式に構築した場合劇的な 脱塩素効果が期待できる。
3 ： P C Pはダイォキシン類や P C B等と も共通の特徴を持つ代表 的な塩素系有機化合物であり、 他の塩素系有機化合物も効率的に脱 塩素化 （無毒化） できるものと推測される。
実施例 3 (磁場触媒効果を増強させる例） （脱硝反応）
図 1， 2の装置を用い、 通路 1 内の充填物の組成を （ 1 ) 粒子径 0. 2 mmの二酸化チタ ン、 （ 2 ) 粒子径 0. 2 mmの活性炭、 （ 3 ) 粒子径 5 mmの磁鉄鉱、 を 1 ： 1 ： 4の容量比で混合状態で充 填する。 実施例 （ 1 ) と同様に硝酸イ オンを含む水 （原液 4 ) を加 圧ポンプ 3によって通水し、 前後で硝酸イオン濃度を比較する。 結果 1 . B地点による起電力
磁石なし
流速 なし + 5 m V
流 ¾E 1 . 7 L / m i n 一 5 0 m V
起電力の差 一 5 5 m V
磁石あり
し + 2 0 m V 流速 丄 . 7 L z m i n - 1 0 0 m V
起電力の差 一 1 2 0 m V
結果 2. 硝酸イ オン濃度の変化
2 0 p p mのイ オンを含んだ溶液 N O . 3 m V s
(原液 4 ) N O 1， 6 0 3 m V s
(残存率）
処理後の溶液 磁石なし N O— 9 1 1 m V s
(処理液 5 ) N O 6 3 7 0 m V s
(59.4%)
磁石あり NO"2 1 5 m V s
N O-3 4 0 1 0 m V s
(34.6%)
以上の結果から、
1 ： 二酸化チタンの粒子を細かく し活性炭及び磁鉄鉱を加えるこ と によ り 、 誘導される起電力エネルギーが増強され、 脱硝作用も顕著 になった。
2 ： 本実施例から、 光触媒反応を増強する既知の方法を本発明の磁 場触媒法と組み合わせるこ とによ り、 酸化 · 還元触媒反応をよ り増 強させ得る こ とが示唆される。
実施例 4 (超音波付与による磁場触媒）
実験手順
1 . 図 5に示すよ う に褐色のガラス瓶 1 0 ( 1 0 0 m l ) の中に各 種 p H溶液 （ p H 3 , 6 , 9 ) 5 p p mの N O 3溶液 8 0 m l の原 液 1 1 を溶解し、 実施例 （ 3 ) で使用した同じ素材の二酸化チタン 粒子 1 g と活性炭粒子 l g と磁鉄鉱粒子 5 gの触媒 1 2を浸す。 さ らに、 このガラス瓶 1 0の底に前述したネオジ磁石 1 3 ( 4， 0 0 0 G) を外から張り付ける。
2. 下記した各種の波長と出力の超音波を発生する水槽 X， Υ, Z を準備し、 この水槽 X， Y, Zの中に上記 1 で準備した各種ガラス 瓶 1 0を浸し、 一定時間超音波を付与し、 その前後の窒素酸化物濃 度を測定する。 図 5中、 1 4は超音波発振装置， 1 5は水槽 ， Y ， Zの底部に設けた超音波発振部である。
超音波周波数 出力 ェネノレギ一 水槽 X 38KHz, 600W, 1 W/cm2 水槽 Y 150KHz, 1200W, 2.5W/cm2 水槽 Z 770KHz, 2400W, 2. SW/cm2 得られた結果を次 'こ示す。
水槽 X Total
<pH3 > 時間 N O 2濃度 NO 3濃度 N Ox濃度
Omin 1.3mVs 2048mVs 2049mVs lOmin 32.3mVs 1514mVs 1546mVs 20min 35.9mVs 1383mVs 1419mVs
Total
<pH6 > 時間 N O 2濃度 N O 濃度 N Ox濃度
Omin 3.5mVs 2727mVs 2730mVs lOmin 43.7mVs 1989mVs 2032mVs
20m in 47.9mVs 1977mVs 2025mVs
1 o t a丄
<pH9 > 時間 N 0— 2濃度 N O- 3濃度 N Ox濃度
Omin 3.8mVs 3413mVs 3417mVs lOmin 10.7mVs 3230mVs 3241mVs 0min OO C 3081mVs 3095mVs 水槽 Y 1 o t a <pH3 > 時間 N O 濃度 N O 3濃度 N Ox濃度
Omin 0.7mVs 2384mVs 2385mVs lOmin 1817mVs 2236mVs
20min 689. ImVs 1557mVs 2246mVs o t a
<pH6 > 時間 N O- 2濃度 N O 3濃度 N Ox濃度
Omin 1.6mVs 2046mVs 2048mVs lOmin 34.5mVs 1870mVs 1905mVs
20min 268.9mVs 1637mVs 1906mVs
1 O t 3丄
<pH9 > 時間 N O - 2濃度 N O 濃度 N Ox濃度
Omin 2. OmVs 2877mVs 2879mVs lOmin 428. OmVs 3277mVs 3705mVs
20min 763.2mVs 3519mVs 4282mVs 水槽 z Total
<pH3 > 時間 N O 2濃度 N O- 3濃度 N Ox濃度 Omin 2. OmVs 1728mVs 1730mVs lOmin 1.2mVs 2053mVs 2054mVs 20min 2.7mVs 1572mVs 1575mVs
Total
<pH6 > 時間 N〇—2濃度 N O 3濃度 N Ox濃度
Omin 1.5mVs 2874mVs 2876mVs lOmin 3.6mVs 500mVs 2504mVs
20min 2.8mVs 2133mVs 2136mVs
Total
<pH9 > 時間 N O 2濃度 N O 3濃度 N Ox濃度
Omin 4.8mVs 3141mVs 3145mVs lOmin 7.3mVs 3237mVs 3244mVs 20min 7.4mVs 3315mVs 3322mVs 以上の結果から、
1 ： 上記の結果から以下のよ うな傾向が認められる。
1 ) p Hが低いほど総窒素酸化物の吸着及び分解が増強される。 総窒素酸化物溶存量で評価する と、 低波長帯 （ 3 8 K H Z ) が最も 脱硝効果が高く 、 次に高周波帯 （ 7 7 0 KH z ) がこれに続く。
2 ) 中波長帯 （ 1 5 0 K H z ) の p H 3及び p H 6では、 窒素酸 化物総量は変化しないが、 N O 2の濃度が付与エネルギー量依存的 に増加する傾向が見られた。 さ らに、 P H 9では、 窒素酸化物総量 そのものも増加した。 この結果は、 中波長帯において、 N〇— 3から N CT2が誘導される反応のみでなく 、 溶液に溶存する窒素や酸素か ら N O— や N O 2が誘導される可能性も示唆される。
2 ： 超音波エネルギー付与による磁場触媒反応の場合、 低周波帯及 び高周波帯は脱硝反応 （還元反応） が優位のよ う であるが、 中波長 帯では、 むしろ溶存ガスからの亜硝酸イオンの誘導 （酸化反応） が 特徴的であった。 これは、 磁場触媒の条件によって酸化反応や還元 反応の優位性が変化するこ とを意味し、 逆にこの特性を利用し、 （
1 ) 水溶液中の窒素酸化物の除去目的は低周波あるいは高周波帯の 超音波照射 （ 2 ) 空気中の一酸化窒素の酸化吸着目的には中波長帯 の超音波照射、 が有効と考えられる。
3 ： 文献的にも、 水分子に超音波を照射する と水分子そのものが分 解し、 「ΟΗ· 」 ヒ ドロキシラジカル （活性酸素） や 「Η· 」 活性 水素が発生するこ とが知られている （M a k i n o e t a 1 . ， R a d i a t . R e s . 9 6， 4 1 6— 4 2 1， 1 9 8 3 ) 。 磁 場触媒法では、 この時発生する 「ΟΗ· 」 ヒ ドロキシラジカル （活 性酸素） や 「Η· 」 活性水素を効率的に利用して酸化や還元反応が 誘導できるものと推測される。 発明の効果
以上の様に、 本発明によれば、 流体中のあらゆる荷電粒子に効率 的に電磁誘導エネルギー （電磁力） を負与するこ とが可能となり 、 さ らにこれらの励起状態の荷電粒子と半導体触媒と接触させるこ と によ り、 半導体触媒による化学反応 （酸化還元反応、 脱窒素、 脱硫 黄、 脱塩素反応） を効率的に誘導するこ とが可能となる。
本発明による磁場触媒システムは、 さ らに、 以下のよ う な利便性 もある。
( 1 ) 構造が大変簡単で、 強磁石と流体に運動エネルギーを与える 機器 （ポンプ等） さえあれば、 大容量の産業用から小規模の一般家 庭用まで比較的容易に設計製造できる。
( 2 ) 触媒作用を利用しているので、 その効果は長期に保たれ、 維 持管理が容易でコス ト も低減できる。 さ らに、 本発明によ り、
( 1 ) 自然環境中に排出される環境ホルモン様物質や洗剤などに代 表される人工化学物質の中和除去、
( 2 ) 酸性雨や農業排水、 一般下水排水等によって生ずる湖沼や海 の富栄養化対策、
( 3 ) ゴミ処理施設や産業廃棄物処理施設で排出される大量の塩素 有機化合物などの脱塩素化 （無毒化） 処理、
( 4 ) 一般飲料水の浄化対策、
など、 が実現可能とな り、 地球環境問題や人類の福祉の向上に大ぃ に貢献できる。

Claims

請 求 の 範 囲
I . 荷電粒子を含む流体中に半導体触媒を配置し、 該半導体触媒 が配置された場に磁界を形成させて該荷電粒子に電磁誘導エネルギ 一を付与するこ とによ り、 該半導体触媒の触媒反応を高めることを 特徴とする触媒反応の強化方法。
2 . 荷電粒子が磁界中で運動エネルギーを付与される請求項 1記 載の方法。
3 . 運動エネルギーが流体に付与される請求項 2記載の方法。
4 . 運動エネルギーが超音波エネルギーによ り付与される請求項 2もしくは 3記載の方法。
5 . 半導体触媒が配置される場が流体の通路もしく は槽である請 求項 1記載の方法。
6 . 半導体触媒が酸化物半導体触媒である請求項 1〜 5のいずれ かに記載の方法。
7 . 酸化物半導体が二酸化チタ ンである請求項 6記載の方法。
8 . 二酸化チタンを活性炭および磁鉄鉱と ともに使用する請求項 7記載の方法。
9 . 磁界が交番磁界である請求項 1〜 8のいずれかに記載の方法
1 0 . 磁界が 0 . 1テスラ （ 1 0 0 0ガウス） 以上である請求項 1〜 9のいずれかに記載の方法。
I I . 触媒反応が流体中の窒素酸化物の還元である請求項 1〜 1 0のいずれかに記載の方法。
1 2 . 触媒反応が流体中の有機塩素化合物の脱塩素反応である請 求項 1〜 8のいずれかに記載の方法。
1 3 . 半導体触媒層、 該触媒層に荷電粒子を含む流体を導入し排 出する流体供給 · 排出手段ならびに該流体に磁界を形成させるため の磁界発生部を備えてなる触媒反応装置。
1 4. さ らに超音波エネルギー発生部を備えてなる請求項 1 3記 載の装置。
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