説明

光触媒フィルタ及び水質浄化装置

【課題】有機物分解だけではなく、殺菌など微生物のような、分子レベルのサイズに比して大きな物体にも、光触媒の効果を高めることを目的とし、吸着剤による濃縮効果を利用することなく、光触媒の効果を最大限に発揮できるフィルタ、および水質浄化装置を提供することを目的とする。
【解決手段】光触媒101に光触媒101が吸収する波長を反射する反射材料102を混合する。光触媒101に当たる光が反射材料102で拡散され、ランプの照射方向だけでなく多方向から照射されるようになる。この効果によって、光の利用効率が促進され、光触媒作用の高いフィルタを提供することができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水質浄化装置に使用される、光触媒を利用したフィルタおよびそのフィルタを用いた水質浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
光触媒の有機物分解作用は約30年前に見出された。酸化チタンなどある種の半導体は光照射で電子を励起、正孔を生成し、その電荷担体が半導体表面でスパーオキサイドアニオンやヒドロキシラジカルを生成する。これらが有機分子を攻撃し、有機物を分解する。
【0003】
この種の作用をもつ半導体材料を光触媒と呼んでいる。特に酸化チタンは、光触媒の代表的な材料の一つである。
【0004】
今までにこの光触媒による有機分解作用を利用した製品やデバイスの提案が数多くされており、多様な、フィルタ、デバイスが開発されている。
【0005】
こうしたフィルタ、デバイスでは、光触媒による有機物分解活性向上のために、有機物を吸着剤に吸着させて、光触媒近辺の有機物濃度を相対的に高める濃縮効果によって、有機物成分をより効果的に分解する方法があり、その中でもエチレンなど特定の物質に対する吸着剤、例えばハイシリカゼオライトと組み合わせることで、対象とする有機物の分解速度を向上させているものもある(たとえば特許文献1、2参照)。
【0006】
さらには、吸着剤による濃縮効果に加えて、フィルタの光入射面での反射による光損失を低減するために、光を吸収する層を表面に設けることで、光触媒への受光効率を高め、脱臭効果を高めたものもある(たとえば特許文献3参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開平1−189322号公報
【特許文献2】特開平7−16473号公報
【特許文献3】特開2008−272651号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、前記従来例のような吸着剤による有機物濃縮は、吸着剤の細孔の大きさ以上の物質に対する効果は期待できないという課題を有していた。
【0009】
一般に用いられる活性炭やゼオライトなどの吸着剤の細孔は、大きくとも数100nm程度であり、分子レベルの大きさの物質を吸着することはできるものの、細菌など、数マイクロメートル以上の物体では、吸着剤による濃縮効果は期待できない。
【0010】
また、吸着剤による濃縮効果を高めるためには、光触媒に比して、吸着剤の量を多くせねばならず、そのためフィルタ表面での光の反射や吸収による光損失が無視できなくなり、触媒組成の異なる2層にするなどの工夫が必要となる課題を有していた。
【0011】
そこで本願発明では、有機物分解だけではなく、殺菌など微生物のような、分子レベルのサイズに比して大きな物体にも、光触媒の効果を高めることを目的とし、吸着剤による濃縮効果を利用することなく、フィルタ表面での光の反射や吸収による光損失を低減し光触媒の効果を最大限に発揮できるフィルタ、および水質浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
前記従来の課題を解決するため、本発明の光触媒フィルタは、少なくとも光触媒と、その光触媒が吸収する波長のうち最も長い波長の光を、46.4%より大きく反射する反射材料と、これらを基材に結着するためのバインダーとからなる触媒材料を用い、基材に担持させた、光触媒フィルタである。
【0013】
本構成により、照射される光の利用効率を促進することができ、吸着剤を利用することなく、光触媒による有機物分解や殺菌等の効果を高めることができる。
【発明の効果】
【0014】
本発明の光触媒フィルタによれば、照射される光の利用効率を促進することで、吸着剤を利用することなく、光触媒による有機物分解や殺菌等の効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の実施の形態1に使用した光触媒フィルタの構成図
【図2】本発明の実施の形態1に試用した光触媒の吸収端の波長の求め方の図
【図3】本発明の実施の形態2の水質浄化装置図
【図4】本発明の実施の形態2の水質浄化装置使用構成図
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0017】
(光触媒フィルタの作製方法)
測定に用いたフィルタの作製方法は、以下に示すとおりである。
【0018】
光触媒と反射材料とを反射材料/光触媒=2.6〜17.7%にて混合したもの5gに、1M塩酸(和光純薬製を純水にて希釈)25g、エタノール特級(和光純薬製)10gを加え、氷冷にて10分ほど撹拌した。
【0019】
その後、テトラエトキシシラン(信越化学製)4.35gを加えて、30分間撹拌し、10cm□のフィルタ基材(ユニチカ製ガラスクロス:V635HT)を浸漬させ、室温にて1時間、次に80℃にて1時間、乾燥させた。
【0020】
このようにして作製したフィルタを、純水にて洗浄した後、15W型ブラックライトブルー蛍光灯(パナソニック製:FL15BL−B)を用い、361nmの紫外光強度が2.0mW/cm2以上の照射下にて24時間以上静置した。
【0021】
紫外線強度は、紫外線積算光量計(ウシオ電機製:UIT−250)に受光器(ウシオ電機製:UVD−S365)を取り付けて測定した。
【0022】
今回用いた光触媒は、堺化学工業製のSSP−25の表面をフッ素処理することで、表面の水酸基の一部をフッ素に置き換えた、フッ化酸化チタンである。
【0023】
表1は、今回用いた反射材料の品番並びに種別、粒径、主材料であるに酸化ケイ素の純度を示した表である。
【0024】
【表1】

【0025】
いずれの反射材も組成比で99.9%以上が二酸化ケイ素からなる材料を用いた。
【0026】
(反射率測定)
反射率の測定は、紫外可視分光光度計(日本分光製:V−550)に積分球を装着し、粉末試料セルホルダを用いて測定した。
【0027】
いずれの反射材料も、用いた光触媒の吸収端である400nm以下の光を反射している。
【0028】
表2は、各波長における反射率を示した表である。
【0029】
【表2】

【0030】
(光触媒活性の測定)
光触媒の活性評価は、JIS R 1704、ファインセラミックス−活性酸素生成能力測定による光触媒材料の水質浄化性能試験方法に従った。
【0031】
その方法の概略を以下に記載する。
【0032】
JIS R 1704記載の試験装置に、上記方法にて作製した光触媒フィルタをセットして、20W型ブラックライトブルー蛍光灯(パナソニック製:FL20S・BL−B)2本を用い、フィルタ面での、361nmの紫外光強度が2.0mW/cm2となるように調整した。
【0033】
次に、ジメチルスルホキシド10mg/Lの水溶液を500mL、試験装置に入れ、初期濃度測定のために10mL採取する。
【0034】
その後、液流量が500mL/min となるようにポンプを作動させ、1時間光照射せずに循環し、暗所での吸着が飽和に達していることを確認してから、2時間光照射を行った。
【0035】
この間、30分ごとにサンプルを採取し、採取した溶液は液体クロマトグラフィーによってジメチルスルホキシドの濃度を測定し、その減少量から半減時間を計算した。
【0036】
半減時間が早いほど、光触媒フィルタの活性が高いことを示すため、数値が小さいほど、光触媒フィルタの性能が高いこととなる。
【0037】
(実施の形態1)
上記、光触媒フィルタの作製方法に従って作製した、光触媒フィルタの構成を、図1を用いて説明する。
【0038】
光触媒101としてフッ化酸化チタンを、反射材料102として表1に示した二酸化ケイ素を用いた。このとき、フィルタ基材103に担持される材料には、少なくとも、光触媒101、反射材料102、そしてバインダー104に用いたテトラエトキシシラン由来の二酸化ケイ素が含まれる。そのため、反射材料の混合比率は、式1に従って求めた。
【0039】
反射材料の重量(%)
=反射材料の重量/(光触媒の重量+反射材料の重量+バインダーの重量)・・・式1
【0040】
上記、光触媒フィルタの作製方法に従うと、分母の値は、バインダー104に用いたテトラエトキシシラン由来の二酸化ケイ素の質量が、1.255gと、光触媒101と反射材料102との混合物の重量が5gとを足した、6.255gとなる。
【0041】
表3は、上記式1で求めた反射材料102の比率を変えたときの、上記光触媒活性の測定から求めたジメチルスルホキシド(DMSO)の半減時間を示したものである。上段にジメチルスルホキシド(DMSO)の半減時間、下段に、判定結果を○または×で示した。
【0042】
【表3】

【0043】
判定基準は、比較例として用いた、反射材料を混合しない場合、すなわち光触媒のみのときのジメチルスルホキシド(DMSO)の半減時間、1.72時間より、小さいときを○、同じかそれより大きいときを×とした。
【0044】
この結果が示すように、SIO17PB以外の材料ではすべて、反射材料102の混合比率が2%より大きく、12%より小さい範囲において、比較例である、光触媒101のみの半減時間より、反射材料102を混合したときの半減時間のほうが小さいことがわかった。
【0045】
また、反射材料102の混合比率が4%以上10%以下において、確実に半減時間が小さくなり、8%のとき、半減時間が最も小さくなった。
【0046】
このことは、反射材料102によって反射された、照射光105の反射光106が光触媒101の照射光側からみて裏側に照射されることで、本来自らの影になって活用されなかった部分を有効に活用できるようになったからである。
【0047】
表2からわかるように、SIO17PBは、光触媒101の吸収端である400nmにおいて、光を46.4%しか反射していないことから、反射材料102としての機能を十分に発揮していなかったと考えられる。
【0048】
したがって、少なくとも、光触媒101の吸収端の波長において、46.4%より反射率が大きくないと、反射材料102としての効果は示せない。
【0049】
また、反射材料102として効果の見られた4つのうち、400nmでの反射率が最も小さいSIO18PBは、反射率が74.4%であることから、光触媒101の吸収端の波長において、反射率74.4%以上の反射材料102を用いることが望ましい。
【0050】
図2に、光触媒の吸収端の求め方を示した。光触媒の吸収端の波長とは、光触媒が吸収できる波長のうち、最も長い波長のことであり、図2の反射率曲線の接線201と、吸収のない長波長域のベースライン202との交点203から求めることができる。図2の場合、交点203の垂線204から約395nmのところであると求められるが、この方法は誤差を含むため、長波長側で10nm刻みに繰上げすることと定義し、図2に示したフッ化酸化チタンの吸収端の波長は400nmであると読み取る。
【0051】
本発明の実施の形態1には、反射材料として、二酸化ケイ素を99.9%以上含む反射材料を用いたが、それ以外にも、ダイヤモンド、ジルコニア、アルミナ、アルミニウムなど、光触媒の吸収端の波長を反射する材料であればよい。特に二酸化ケイ素は、安価で、純度が高く、光の吸収が少ないことから望ましいが、不純物の混合によって吸収が増大することが多いため、99.9%以上の組成比を持つ材料が好ましい。中でも石英は、可視光から紫外光まで、幅広い領域での光吸収がほぼないことから、最も好ましい。
【0052】
今回光触媒としては、フッ化酸化チタンを用いたが、光触媒の種類としてはこれに限らず、酸化チタン、酸化タングステン、チタン酸ストロンチウムなど、種々の材料が利用可能である。ただし、光触媒の種類、組成が異なれば、吸収端の波長も異なるため、吸収端波長の短いものでは使えていた反射材料が、吸収端波長が長いものでは使えなくなることがある。
【0053】
また、本発明は、光触媒に照射される光の利用効率を高めることが、フィルタ性能向上の理由であるため、光触媒の性能が高いほど、高い効果が望める。そのため、光触媒としては、有機物分解の活性に定評がある酸化チタンが望ましく、さらにはその表面の水酸基をフッ素で置き換えた、フッ化酸化チタンのほうが、通常の酸化チタンより有機物分解活性が高いため、より好ましい。
【0054】
基材と光触媒、反射材料とを担持させるために、バインダーとしてテトラエトキシシランを用いたが、これ以外にもテトラメトキシシラン、メチルトリメトキシシランなどのシリコンアルコキシドや、コロイダルシリカ、アルミナゾル、チタニアゾルなどの無機バインダーや、エポキシ樹脂やアクリル樹脂などの有機バインダーでも問題ない。
【0055】
ただし、それ自体が光触媒に作用する光を吸収するバインダーは、光触媒への光照射の妨げになることから、反射材料と同様に、吸収が少ないものが望ましい。こうした観点から、加水分解によってシロキサン結合を作ることで、バインダー機能を果たす材料は、シロキサン結合が、可視光から紫外光まで幅広い領域での光吸収が少ないことから好ましく、その中でもテトラエトキシシランは、安価で、副生成物がエタノールであることから、工業的観点で好ましい。
【0056】
基材には、ガラスクロスを用いたが、それ以外にもガラス板やパンチングメタル、網、など、特に材質・形状にはよらない。ガラスクロスは、柔軟性や流体の通過など、フィルタ基材としての特性に加え、紫外光による劣化がないことから、紫外光照射下で使用される際に、特に好ましい。
【0057】
(実施の形態2)
本発明の光触媒フィルタを用いた、水質浄化装置を、図3を用いて説明する。
【0058】
アクリル製の筐体301の側面に、石英ガラス板302を片側4枚、両側8枚になるようにはめ込み、光触媒フィルタ303を筐体301の中央部になるように配置した。筐体301の外部には、光源306を両側に配置し、筐体301と光源306との距離を変化することで、光の照射強度を変更できるようにした。また、筐体301の内部に水を流すために、片側に、入口側コネクタ304、その反対側に出口側コネクタ305を、図3に示すような配置にて設けた。
【0059】
本発明では、図3に示した構成の装置を水質浄化装置とする。
【0060】
次に、本発明の水質浄化装置を使用する際の構成を、図4を用いて説明する。
【0061】
浄化するべき水を貯めておく、タンク401に、水流ポンプ402をつなぎ、その流れ後方に流量計403をつなぐ。流量計403の後方に流量調節用のバルブ404をつけ、その後ろに水質浄化装置405をつなぎ、そこで浄化された水は、タンク401に戻される。
【0062】
運転条件の1例を以下に記す。
【0063】
光触媒フィルタ303の面積を50cm2にし、両面から光を照射することで、100cm2とした。光源306には、30W型ブラックライトブルー蛍光灯(パナソニック製:FL30S・BL−B)2本を用い、フィルタ表面での光強度が2.0mW/cm2となるよう、光源306と筐体301との間隔を調整した。
【0064】
次に、タンク401にジメチルスルホキシド10mg/Lの水溶液を500mL入れ、初期濃度測定のために10mL採取する。
【0065】
その後、液流量が500mL/minとなるようにポンプを作動させ、1時間光照射せずに循環し、暗所での吸着が飽和に達していることを確認してから、2時間光照射を行った。
【0066】
この間、30分ごとにサンプルを採取し、採取した溶液は液体クロマトグラフィーによってジメチルスルホキシドの濃度を測定し、その減少量から半減時間を計算した。
【0067】
光触媒としてフッ化酸化チタンを、反射材料としてSIO07PBを用い、反射材料の混合比率が8%となるように調整した光触媒フィルタにおいて、ジメチルスルホキシド(DMSO)の半減時間は、1.48時間であった。
【0068】
この結果から、本発明の水質浄化装置によって、ジメチルスルホキシド(DMSO)が分解することが確認された。
【0069】
本発明では、有機物分解を対象とし、ジメチルスルホキシド(DMSO)の分解を行ったが、その他の有機物でもよく、また、水中の菌類などの殺滅にも利用できる。
【産業上の利用可能性】
【0070】
本発明にかかる光触媒フィルタ及び水質浄化装置は、光触媒に照射される光の利用効率を促進するものであるので、飲料水、工業用水、海水等の浄化に使用される水質浄化装置として有用である。
【符号の説明】
【0071】
101 光触媒
102 反射材料
103 フィルタ基材
104 バインダー
105 照射光
106 反射光
201 反射率曲線の接線
202 ベースライン
203 交点
204 垂線
301 筐体
302 石英ガラス板
303 光触媒フィルタ
304 入口側コネクタ
305 出口側コネクタ
306 光源
401 タンク
402 水流ポンプ
403 流量計
404 バルブ
405 水質浄化装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも光触媒と、その光触媒が吸収する波長のうち最も長い波長の光を、46.4%より大きく反射する反射材料と、これらを基材に結着するためのバインダーとからなる触媒材料を用い、基材に担持させたことを特徴とする、光触媒フィルタ。
【請求項2】
少なくとも光触媒と、その光触媒が吸収する波長のうち最も長い波長の光を、74.4%以上反射する反射材料と、これらを基材に結着するためのバインダーとからなる触媒材料を用い、基材に担持させたことを特徴とする、光触媒フィルタ。
【請求項3】
光触媒フィルタの、基材に担持した光触媒と、反射材料と、バインダーとの重量に占める、反射材料の重量%が、2%より大きく12%より小さいことを特徴とする、請求項1または2記載の光触媒フィルタ。
【請求項4】
光触媒フィルタの、基材に担持した光触媒と、反射材料と、バインダーとの重量に占める、反射材料の重量%が、4%以上10%以下であることを特徴とする、請求項3記載の光触媒フィルタ。
【請求項5】
反射材料が、二酸化ケイ素を99.9%以上含有することを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の光触媒フィルタ。
【請求項6】
反射材料が、特に、石英であることを特徴とする、請求項5記載の光触媒フィルタ。
【請求項7】
光触媒に、酸化チタンを利用したことを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載の光触媒フィルタ。
【請求項8】
光触媒に、酸化チタンの表面をフッ素で修飾したフッ化酸化チタンを利用したことを特徴とする、請求項7記載の光触媒フィルタ。
【請求項9】
光触媒と、この光触媒が吸収する波長以下の光を反射する反射材料とを基材に担持させるためのバインダーとして、シロキサン結合を形成可能な前駆体を利用したことを特徴とする、請求項1乃至8のいずれかに記載の光触媒フィルタ。
【請求項10】
シロキサン結合を形成可能な前駆体は、テトラエトキシシランを利用したことを特徴とする、請求項9記載の光触媒フィルタ。
【請求項11】
光触媒と、この光触媒が吸収する波長以下の光を反射する反射材料とを担持した基材が、ガラス繊維からなる織布であることを特徴とする、請求項1乃至10いずれかに記載の光触媒フィルタ。
【請求項12】
請求項1乃至11いずれかに記載の光触媒フィルタを用い、光触媒に作用する波長の光を出力する光源を備えた水処理用容器を有する、水質浄化装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2012−86195(P2012−86195A)
【公開日】平成24年5月10日(2012.5.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−237005(P2010−237005)
【出願日】平成22年10月22日(2010.10.22)
【出願人】(000005821)パナソニック株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】