光触媒素子、光触媒デバイス及び光触媒清浄装置
【課題】 光利用効率の高い光触媒反応を実現できる光触媒素子、それを用いた光触媒デバイス及び光触媒清浄装置の提供。
【解決手段】 光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質からなる基材４の表面に光触媒が担持された光触媒担持体２と、外部光源から励起光を該光触媒担持体の内部に導く少なくとも１つの光導波路３とからなり、前記光触媒担持体は、多数の光触媒担持体を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とされている光触媒素子１。該光触媒素子の光触媒素子を、流体の入口と出口を有する反応槽に多数収容してなる光触媒デバイス。該光触媒デバイスと、反応槽内に収容された光触媒素子の光導波路の入射端に励起光を入射可能に設けられた励起光源とを備えた光触媒清浄装置。
【解決手段】 光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質からなる基材４の表面に光触媒が担持された光触媒担持体２と、外部光源から励起光を該光触媒担持体の内部に導く少なくとも１つの光導波路３とからなり、前記光触媒担持体は、多数の光触媒担持体を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とされている光触媒素子１。該光触媒素子の光触媒素子を、流体の入口と出口を有する反応槽に多数収容してなる光触媒デバイス。該光触媒デバイスと、反応槽内に収容された光触媒素子の光導波路の入射端に励起光を入射可能に設けられた励起光源とを備えた光触媒清浄装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒による酸化還元反応を利用して処理対象の流体中の有機化合物を分解する光触媒素子及び光触媒デバイス、それを用いて流体中の汚染物質、細菌、悪臭などを除去して清浄化する光触媒清浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化チタン（ＴｉＯ２）を代表とする光触媒により、空気中の有毒ガスや水中の汚染物質などを分解する方法は、現在注目されている環境浄化技術である。
しかし、これらの技術の殆どは、光触媒を担持した担持体の表面に励起光を照射する、つまり励起光を外部から担持体表面の光触媒に照射する方法によって、担持体周囲を通過する処理対象である流体（気体又は液体）中の分解対象物を分解する方法である。
【０００３】
例えば、光触媒を用いた有害ガス処理の一例として、特許文献１には、粒状光触媒と活性炭を混合して有害ガスと接触させ、外部光源から光触媒に光を照射することによって有害ガスを除去する方法が記載されている。
また、光触媒を用いた水処理の一例として、特許文献２には、浄水フィルターの上に光触媒を固定し、紫外線ランプから紫外光を照射することによってフィルターを通過する水を浄化処理する方法が記載されている。
【特許文献１】特開平６−２１８２３４号公報
【特許文献２】特開平１０−１７４９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前述した従来技術では、いずれも光源を光触媒担持体の外部に設置しているため、光触媒の表面に埃や、その他の有機物などのゴミに覆われた場合、光源からの光が光触媒層の表面に十分に到達できなくなり、光触媒反応が起こらなかったり、あるいは反応力不足のため実用上問題を生じるおそれがある。
【０００５】
さらに、外部からの光照射では、光源から光触媒層の間に距離があって、出射した光量は散乱や吸収などにより損失し、出射光量の一部しか光触媒反応に利用できず、光の利用効率が悪いという問題がある。例えば、特許文献２の場合には、光源から出射した光は汚水に吸収され、出射光量の一部しか光触媒の表面に到達せず、光の利用効率が悪かった。
【０００６】
また、水処理の場合では、照射距離を短くするため、光触媒を担持した粒子を浮遊させた処理層内に直接光を照射するようにした技術も提案されているが、光源の防水密閉などによって余分なコストが生じ、高コストになる問題がある。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、光利用効率の高い光触媒反応を実現できる光触媒素子、それを用いた光触媒デバイス及び光触媒清浄装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質からなる基材の表面に光触媒が担持された光触媒担持体と、外部光源から励起光を該光触媒担持体の内部に導く少なくとも１つの光導波路とからなり、前記光触媒担持体は、多数の光触媒担持体を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とされていることを特徴とする光触媒素子を提供する。
【０００９】
本発明の光触媒素子において、前記光触媒担持体の形状は、球状であることが好ましい。
【００１０】
本発明の光触媒素子において、前記光触媒担持体の形状は、棒状又は表面に凹凸のある不規則形状としてもよい。
【００１１】
本発明の光触媒素子において、前記光導波路が光ファイバであることが好ましい。
【００１２】
また、前記光ファイバはシリカコアとフッ素添加シリカクラッドからなることが好ましい。
【００１３】
本発明の光触媒素子において、前記光触媒担持体の一部に中空腔が設けられ、前記光導波路の出射端が前記中空腔内に埋設、固定されていることが好ましい。
【００１４】
本発明の光触媒素子において、前記光触媒担持体の一部に前記光導波路の出射端が融着接続されている構成としてもよい。
【００１５】
また本発明は、前述した本発明に係る光触媒素子の光触媒素子を、流体の入口と出口を有する反応槽に多数収容してなることを特徴とする光触媒デバイスを提供する。
【００１６】
また本発明は、前述した本発明に係る光触媒デバイスと、前記反応槽内に収容された光触媒素子の光導波路の入射端に励起光を入射可能に設けられた励起光源とを備えたことを特徴とする光触媒清浄装置を提供する。
【００１７】
本発明の光触媒清浄装置において、前記励起光源が発光ダイオードであることが好ましい。
【００１８】
本発明の光触媒清浄装置において、前記励起光源が発光ダイオードであり、前記光導波路が多数本束ねられて少なくとも入射端側がバンドル化され、そのバンドル化された入射端に発光ダイオードが励起光を入射可能に結合されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の光触媒素子は、光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質からなる基材の表面に光触媒が担持された光触媒担持体と、外部光源から励起光を該光触媒担持体の内部に導く少なくとも１つの光導波路とからなり、前記光触媒担持体は、多数の光触媒担持体を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とされたものなので、光導波路の入射端から励起光を入射することで、該励起光が光導波路内を通って光触媒担持体の内部に伝搬され、光触媒担持体表面に担持された光触媒層に裏面側から照射されて光触媒反応を発現し、光触媒に接触した又は近傍の流体（液体又は気体）中の汚染物質等を光触媒分解することができ、光触媒担持体の外部から励起光を照射する従来法に比べ、処理対象物である流体による励起光の吸収や散乱が起こらず、励起光の利用効率を高めることができる。
本発明の光触媒デバイスは、前記本発明の光触媒素子の光触媒担持体を、流体の入口と出口を有する反応槽に多数収容した構成なので、その反応槽の入口から出口に向けて処理対象物である流体を流すことで、該流体が多数の光触媒素子の光触媒担持体間の隙間を通って流れ、光触媒担持体表面の光触媒と効果的に接触し、各光触媒素子の光導波路に励起光を入射することで、効率良く光触媒反応によって流体中の汚染物質等を分解、除去することができる。
本発明の光触媒清浄装置は、前記光触媒デバイスと、前記反応槽内に収容された光触媒素子の光導波路の入射端に励起光を入射可能に設けられた励起光源とを備えたものなので、反応槽の入口から出口に向けて処理対象物である流体を流すとともに、各光触媒素子の光導波路に励起光を入射することによって、該流体が多数の光触媒素子の光触媒担持体間の隙間を通って流れ、光触媒担持体表面の光触媒と効果的に接触し、効率良く光触媒反応によって流体中の汚染物質等を分解、除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る光触媒素子の一実施形態を示す構成図であり、図１中、符号１は光触媒素子、２は光触媒担持体、３は光ファイバなどの光導波路、４は励起光に透明な材料からなる基材、５は光触媒層、６は光触媒担持体３に設けられた中空腔、７は接着剤である。
【００２１】
本実施形態の光触媒素子１は、光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質、例えば石英ガラスからなる基材４の表面に光触媒層５が担持された球状をなす光触媒担持体２と、外部光源から励起光を光触媒担持体２の内部に導く光導波路３とからなっている。光触媒担持体２の任意位置には中空腔６が設けられ、該中空腔６には光導波路３の出射端部が挿入され、該腔内に接着剤７を注入、硬化させることによって、光触媒担持体２と光導波路３が接続されている。
【００２２】
この光触媒素子１は、光導波路３の入射端に図示しない励起光源から光触媒を励起可能な励起光を入射することによって、光導波路３内を伝搬されて出射端から光触媒担持体２内に伝搬された励起光が、触媒担持体２の基材４を通して表面の光触媒層５に裏面側から照射され、光触媒層５にて光触媒反応を発現できるようになっている。
【００２３】
前記の光導波路３は、従来の光ファイバ形状は勿論、リボン状、シート状でも同様な機能を果たすことができる。その中でも、フレキシブルな且つ機動性の良い、比較的製造容易な光ファイバが好ましい。光導波路３の構造は、従来の光導波路と同じく、屈折率の比較的に高いコアとそれを囲む屈折率の比較的低いクラッド部とからなっている。
【００２４】
また、光導波路３の光学特性については、屈折率分布がグレーテッドインデックス（ＧＩ）タイプでもステップインデックス（ＳＩ）タイプでもよく、またマルチモード伝送タイプでもシングルモード伝送タイプでも良いが、光源と高効率に接合するためには、開口数（ＮＡ）が光源のＮＡ以上であることが望ましい。従って、励起光源のＮＡによって光導波路３の比屈折率・コア径などを調整し、最適化すれば良く、光導波路３の光学特性は特に制限されない。
【００２５】
また、光導波路３として石英ガラス製の光ファイバを用いる場合、構造的にはシリカコアとフッ素添加シリカクラッドからなる光ファイバを用いることが望ましい。従来の光ファイバの構造は、クラッド部はシリカで、コア部は屈折率を高くするために、Ｇｅなどのドーパントを酸化物の状態で添加している。しかし、これらのドーパントの殆どは通常の光触媒励起光波長帯域である紫外線帯域にて吸収があるため、紫外線の伝搬損失を生じる。そこで本発明では、光導波路３として、紫外透過性の高いシリカコアとフッ素添加シリカクラッドを持つ構造の光ファイバを用いることによって、光導波路部分の伝送損失を小さくし、光触媒担持体２まで低損失で励起光を導く構造とすることが望ましい。
【００２６】
また、光導波路３のコア部をなす材料としては、シリカに限定されることなく、光触媒を励起する波長域に吸収を持たない材料、例えば、ポリメチルメタクリレートやフッ素系樹脂などの合成樹脂などを用いることもできる。
【００２７】
同様にクラッド部をなす材料としては、フッ素添加シリカ以外にも、前記のコアをなす材料の屈折率より低い屈折率を持ち、且つ漏れ光の波長域に吸収を持たない材料、例えば、ポリメチルメタクリレートやフッ素系樹脂などの合成樹脂などを用いることもできる。
【００２８】
本発明では、複数の前記光触媒担持体２を充填した反応槽９を有する光触媒デバイス８において、処理対象物である汚染物質を含むガスや汚水などの流体を流すための流路を供給し、かつ流体と光触媒を効率よく接触させるために、光触媒担持体２の形状については、多数の光触媒担持体２を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体２間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とし、例えば、図１に示すような球状、あるいは棒状や表面に凹凸のある不規則形状とすることが望ましい。
【００２９】
光触媒担持体２のサイズについては、基本的に微小構造にするほど、比表面積が大きくなり、すなわち反応面積が大きくなり、反応能力も高くなるが、必要な分解反応力や製造工程の難易度、コストなど総合的に考えた上で、サイズを自由に変更することができる。従って、本発明において光触媒担持体２のサイズは特に限定されない。
【００３０】
前記光触媒担持体２の基材４をなす材料としては、光触媒を励起する光の波長域に吸収を持たない材料が望ましく、例えば、石英ガラス、あるいはポリメチルメタクリレートやフッ素系樹脂などの合成樹脂などが用いられる。
【００３１】
この基材としてポリメチルメタクリレートやフッ素系樹脂などの合成樹脂を使用する場合、樹脂自体が有機物なので、光触媒反応により分解されるおそれがあるため、使用に際しては光触媒に対する耐分解能力を持つ材質を使用するか、基材４と光触媒層５の間に透明なアンダーコート材を設けることが望ましい。
【００３２】
光触媒層５に用いる光触媒としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタンアパタイト、酸化タンタル、酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化バナジウム、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ４Ｏ９）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｔｉ６Ｏ１３）、二酸化ジルコニウム、硫化カドミウム、α−Ｆｅ２Ｏ３、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが挙げられ、この中でも酸化チタンが好ましい。酸化チタンからなる光触媒を基材４の表面にコーティングする場合、酸化チタン微粒子を含む市販の光触媒コーティング液を用いることができ、膜厚やコーティング回数などは所定の条件にしたがって形成すればよい。
【００３３】
本発明の光触媒素子１において、光導波路３の出射端を光触媒担持体２に接続する方法としては、
ａ．埋設方式：光導波路３の出射端側を、光触媒担持体２の任意部位に設けた中空腔６内に埋設し、中空腔開口部にて樹脂などの接着剤７で固定する方法、
ｂ．融着接続方式：光導波路３の出射端を光触媒担持体２の任意部位に融着接続する方法、がある。
【００３４】
ａ．埋設方式では、図１に示した通り、光触媒担持体２の任意部位に小さい中空腔６を設け、光導波路３の出射端側を光触媒担持体２の基材４と接触するまで中空腔６内に差し込んだ後、中空腔６開口部に樹脂などの接着剤７を注入、硬化させて固定すればよい。ここで、光導波路３の出射端と光触媒担持体２の基材４とを接触させる目的は、出射端からの反射などを防ぎ、光触媒担持体への入射効率を向上させるためである。
【００３５】
光触媒担持体２の任意部位に中空腔６を形成する方法は特に限定されず、光触媒担持体２の基材４の成形工程で形成しても良いし、基材４作製後に、例えばドリルなどで再加工しても良い。ドリルによる加工により、中空腔６内壁や端面の欠けや、微小の切削屑などが生じるが、それらのものは本発明の効果に余り影響を及ぼさない。なぜならば、内壁や端面の欠けや微小の切削屑は光導波路３の出射端からの出射光を散乱する機能を持っているが、散乱された光は、中空腔６内で複数回反射され、最後に殆どの光は光触媒担持体２内部に入り、表面に放射され、一部のみが熱エネルギーとして消滅するからである。
【００３６】
ｂ．融着接続方式は、基材４に中空腔６を形成する必要が無く、通常の光ファイバ同士又は光ファイバと他の光学部品との融着接続と同様にして、光触媒担持体２の任意部位に光導波路３の出射端を融着接続することによって実施する。融着接続方法としては、基本的には接続部に熱を提供すればよいが、光導波路３が石英ガラス製の光ファイバであり、光触媒担持体２の基材４がガラス球である場合には、融着するために高温が必要なので、アーク放電方式が好ましい。
【００３７】
また、一つの光導波路３からの出射励起光量が限られるため、光触媒担持体２のサイズが大きい時、すなわち表面積が大きい時には、単位面積に照射される励起光密度が小さくなり、十分な分解能力が発現できなくなる。そのため、本発明では、一つの光触媒担持体２に一つの光導波路３を接続することに限定せず、必要な単位面積あたりの励起光密度に応じて光触媒担持体２に複数の光導波路３を接続して使用してもよい。
【００３８】
図２は、本発明に係る光触媒デバイスの一実施形態を示す構成図であり、図２中符号８は光触媒デバイス、９は反応層、１０は多数本の光導波路３を束ねたバンドルである。本実施形態の光触媒デバイス８は、多数の光触媒素子１を、流体の入口と出口を有する反応槽９に収容し、反応槽９に光触媒担持体２を流体が透過可能に密接状態で充填するとともに、それぞれの光触媒素子１の光導波路３を反応槽９から引き出し、束ねてバンドル１０とした構成になっている。反応槽９の形状や大きさ、材質等及び反応槽９内への光触媒担持体２の収容方式は特に限定されず、処理対象となる流体の物性、光触媒担持体２のサイズや形状、必要な流速等に応じて適宜設定することができる。
【００３９】
本実施形態の光触媒デバイス８は、円筒状などの入口と出口を有する適当な形状をなしている反応槽９内に、前述した通り、多数の光触媒担持体２を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体２間に流体が通過可能な隙間を生じる形状、例えば球状、棒状あるいは表面に凹凸のある不規則形状の光触媒担持体２を複数配列し、積層したので、反応槽９の一端側の入口（図２中、ＩＮと記す。）から他端側の出口（図２中、ＯＵＴと記す。）に向けて処理対象物である流体を流すことで、該流体が多数の光触媒担持体２間の隙間を通って流れ、光触媒担持体２表面の光触媒層５と効果的に接触し、各光触媒素子１の光導波路３に励起光を入射することで、効率良く光触媒反応によって流体中の汚染物質等を分解、除去することができる。
【００４０】
光触媒の反応面積は、光触媒デバイス８の反応能力の重要なパラメータである。本発明では、前記の球状、棒状あるいは表面に凹凸のある不規則形状の光触媒担持体２を複数配列し、積層することによって、光触媒反応面積（＝分解対象の流体との接触面積）及び総励起光量を大きくすることができる。また、光触媒担持体２が処理対象の流体となるべく多く接触するため、多数の光触媒担持体２を反応槽９内になるべく均一に充填配置することが望ましい。
【００４１】
図３は、本発明に係る光触媒清浄装置の一実施形態を示す構成図であり、図３中符号１１は光触媒清浄装置、１２は光触媒デバイス８の入口、１３は出口、１４は流体を循環させるための管路、１５は流体を入れた容器（実験容器）、１６はサンプリング部、１７は励起光源、１８はバンドル１０の入射端である。
【００４２】
本実施形態の光触媒清浄装置１１は、前述した反応槽９とバンドル１０とからなる光触媒デバイスと、反応槽９内に収容された光触媒素子１の光導波路３のバンドル化された入射端１８に励起光を入射可能に設けられた励起光源１７とを備えた構成になっている。さらに、図３に示す例示では、流体を入れた容器１５に循環用の管路１４を設け、この管路１４の途中に反応槽９の入口１２と出口１３を接続することによって、容器１５内の流体の一部を管路１４に導いて、反応槽９の入口１２から導入し、光触媒反応による清浄化を終えた流体を出口１３から管路１４を通して容器１５内に返送できるように構成されている。
【００４３】
本実施形態の光触媒清浄装置１１は、反応槽９の入口１２から出口１３に向けて処理対象物である流体を流すとともに、励起光源１７から発した励起光をバンドル１０の入射端からバンドル１０内に入射し、光触媒担持体２表面の光触媒層５において光触媒反応を発現させることで、該流体が多数の光触媒担持体２間の隙間を通って流れ、光触媒担持体２表面の光触媒層５と効果的に接触し、効率良く光触媒反応によって流体中の汚染物質等を分解、除去することができる。
【００４４】
光触媒反応を励起する励起光源１７としては、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）を用いることが望ましい。小型のＬＥＤを励起光源として用いることで、消費電力を低減でき、光源が小型化できることから、小型で消費電力の少ない光触媒清浄装置１１を実現できる。
【００４５】
従来の技術では、外部に設けた励起光源１７から光触媒層の表面に直接照射するため、光源のサイズが大きくないと照射面積を確保できない。従って、従来の光触媒清浄装置の光源は、比較的大型のブラックライト、水銀キセノンランプなどの光源を使用することが多いが、本実施形態の光触媒清浄装置１１では、励起光源１７として、通常のブラックライト、水銀キセノンランプなどの光源は勿論、小型ＬＥＤでも使用できる。
また本実施形態の光触媒清浄装置１１では、微細構造の光導波路３、例えば光ファイバなどを使用するため、数百乃至数千単位の光導波路３があっても、出射端で束ねてバンドル化すれば、小さいスポットとなり、ＬＥＤのような小型の励起光源１７でも十分結合できる。従って、小型で消費電力の少ない光触媒清浄装置１１を実現できるという大きな利点が得られる。
【実施例】
【００４６】
［実施例１］
本実施例では、光触媒担持体の基材として石英ガラス球を用い、該石英ガラス球の表面に酸化チタンをコーティングし、光導波路として石英ガラス製光ファイバを用いた。光触媒担持体と光導波路の接続は埋設方式とした。また励起光源として紫外ＬＥＤ（ＵＶ ＬＥＤ）を用いた。
【００４７】
まず、光触媒担持体の基材となる石英ガラス球２００個を用意した。石英ガラス球の直径は１０ｍｍである。これらの石英ガラス球の表面に市販の光触媒機能を有する酸化チタンコーティング液を塗布し、乾燥して外周面が光触媒活性を有する酸化チタン膜で被覆された光触媒担持体を得た。得られた光触媒担持体表面の酸化チタン膜の厚みは約１μｍであった。
【００４８】
光導波路は、シリカコア及びフッ素添加シリカクラッドからなる母材を通常の紡糸工程で線引きして得られた石英ガラスファイバを用いた。得られた光ファイバを１ｍずつに切断して２００本の光ファイバを用意した。この光ファイバの特性は次の通りである。
・コア直径：２００μｍ、
・クラッド直径：２５０μｍ、
・比屈折率差：０．６％、
・ＮＡ（開口数）：０．１６、
・被覆樹脂：２層構造。
【００４９】
次に、前記光触媒担持体の表面にドリルで直径２ｍｍ、深さ２ｍｍの中空腔を形成し、前記の光ファイバを被覆付きのままで１本ずつ、基材と接触するまで中空腔に差し込み、中空腔開口部にエポキシ系接着剤を注入、硬化させて光ファイバを固定し、図１に示す光触媒素子を作製した。
【００５０】
光ファイバと接続した２００個の光触媒担持体を５×５×８個の配置で、高さ５２ｍｍ×横幅５２ｍｍ×高さ１００ｍｍのアルミ箱内に積層し、それぞれの光ファイバを箱外に導出し、ファイバ長を入射側で合わせ、余長を切断して入射端部をバンドル化した。
【００５１】
得られたアルミ箱を反応槽とし、図３に示すような２０Ｌの実験容器と循環系を構成し、バンドル化した光ファイバの入射端を反応槽から出し、外部に設置したチップ型のＵＶ ＬＥＤと結合して励起光を入射可能とし、アセトアルデヒドガスの分解実験を行った。
【００５２】
分解実験条件は以下の通りとした。
・光源：チップ型ＵＶ ＬＥＤ（出力８０ｍＷ、中心波長３８０ｎｍ）、
・光触媒担持表面積：約６２８ｃｍ２、
・単位表面積あたりの平均照度：約０．１ｍＷ／ｃｍ２、
・初期アセトアルデヒド濃度：３０ｐｐｍ。
【００５３】
また、図３中に示していないが、実験装置内には、ガス循環のために小さいファンを挿入してガスを循環撹拌した。一定時間毎に実験装置内の残留アセトアルデヒドガス濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、分解反応の進捗状態を確認した。実験結果を図４に示す。図４に示すように、本実施例によればアセトアルデヒドガスを効率よく分解除去することができる。
【００５４】
［実施例２］
本実施例では、光触媒担持体の基材にＵＶ透過型アクリル棒を用い、光導波路にＵＶ透過型アクリル光ファイバを用いた。光触媒担持体と光導波路の接続は融着方式とした。また励起光源として紫外ＬＥＤ（ＵＶ ＬＥＤ）を用いた。
【００５５】
ＵＶ透過型のアクリル樹脂からなる円柱状のアクリル棒を１００本用意した。アクリル棒の直径は１０ｍｍで、長さ２０ｍｍである。これらのアクリル棒の表面に、市販の透明な光触媒アンダーコート材（保護層）を塗布し、さらにその上に光触媒機能を有する酸化チタンコーティング溶液を塗布し、乾燥して外周面が光触媒活性を有する酸化チタン膜で被覆された光触媒担持体を得た。得られた光触媒担持体表面の酸化チタン膜の厚みは約１μｍであった。
【００５６】
光導波路は、ＵＶ透過型のアクリル樹脂からなるアクリルファイバを用い、長さ１ｍのアクリルファイバを１００本用意した。使用したアクリルファイバの特性は次の通りである。
・コア直径：２００μｍ、
・クラッド直径：２５０μｍ、
・比屈折率差：０．８％、
・ＮＡ（開口数）：０．１８、
・被覆樹脂：無し。
【００５７】
次に、アクリルファイバの先端を熱で溶かし、１本ずつ、光触媒担持体と融着接続した。
【００５８】
アクリルファイバを接続した１００本の光触媒担持体を５×５×４個の配置で、高さ５２ｍｍ×横幅５２ｍｍ×高さ１００ｍｍのアルミ箱内に積層し、それぞれの光ファイバを箱外に導出し、ファイバ長を入射側で合わせ、余長を切断して入射端部をバンドル化した。
【００５９】
得られたアルミ箱を反応槽とし、実施例１と同様に、図３に示すような２０Ｌの実験容器と循環系を構成し、バンドル化した光ファイバの入射端を反応槽から出し、外部に設置したチップ型のＵＶ ＬＥＤと結合して励起光を入射可能とし、アセトアルデヒドガスの分解実験を行った。
【００６０】
分解実験条件は以下の通りとした。
・光源：チップ型ＵＶ ＬＥＤ（出力８０ｍＷ、中心波長３８０ｎｍ）、
・光触媒担持表面積：約７８５ｃｍ２、
・単位表面積あたりの平均照度：約０．０５ｍＷ／ｃｍ２、
・初期アセトアルデヒド濃度：３０ｐｐｍ。
【００６１】
また、実施例１と同様に、図３中に示していないが、実験装置内には、ガス循環のために小さいファンを挿入してガスを循環撹拌した。一定時間毎に実験装置内の残留アセトアルデヒドガス濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、分解反応の進捗状態を確認した。実験結果を図４に示す。図４に示すように、本実施例によればアセトアルデヒドガスを効率よく分解除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の光触媒素子の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の光触媒デバイスの一実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明の光触媒清浄装置の一実施形態を示す構成図である。
【図４】本発明に係る実施例の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１…光触媒素子、２…光触媒担持体、３…光導波路、４…基材、５…光触媒層、６…中空腔、７…接着剤、８…光触媒デバイス、９…反応槽、１０…バンドル、１１…光触媒清浄装置、１２…入口、１３…出口、１４…管路、１５…実験容器、１６…サンプリング部、１７…励起光源、１８…入射端。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒による酸化還元反応を利用して処理対象の流体中の有機化合物を分解する光触媒素子及び光触媒デバイス、それを用いて流体中の汚染物質、細菌、悪臭などを除去して清浄化する光触媒清浄装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化チタン（ＴｉＯ２）を代表とする光触媒により、空気中の有毒ガスや水中の汚染物質などを分解する方法は、現在注目されている環境浄化技術である。
しかし、これらの技術の殆どは、光触媒を担持した担持体の表面に励起光を照射する、つまり励起光を外部から担持体表面の光触媒に照射する方法によって、担持体周囲を通過する処理対象である流体（気体又は液体）中の分解対象物を分解する方法である。
【０００３】
例えば、光触媒を用いた有害ガス処理の一例として、特許文献１には、粒状光触媒と活性炭を混合して有害ガスと接触させ、外部光源から光触媒に光を照射することによって有害ガスを除去する方法が記載されている。
また、光触媒を用いた水処理の一例として、特許文献２には、浄水フィルターの上に光触媒を固定し、紫外線ランプから紫外光を照射することによってフィルターを通過する水を浄化処理する方法が記載されている。
【特許文献１】特開平６−２１８２３４号公報
【特許文献２】特開平１０−１７４９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前述した従来技術では、いずれも光源を光触媒担持体の外部に設置しているため、光触媒の表面に埃や、その他の有機物などのゴミに覆われた場合、光源からの光が光触媒層の表面に十分に到達できなくなり、光触媒反応が起こらなかったり、あるいは反応力不足のため実用上問題を生じるおそれがある。
【０００５】
さらに、外部からの光照射では、光源から光触媒層の間に距離があって、出射した光量は散乱や吸収などにより損失し、出射光量の一部しか光触媒反応に利用できず、光の利用効率が悪いという問題がある。例えば、特許文献２の場合には、光源から出射した光は汚水に吸収され、出射光量の一部しか光触媒の表面に到達せず、光の利用効率が悪かった。
【０００６】
また、水処理の場合では、照射距離を短くするため、光触媒を担持した粒子を浮遊させた処理層内に直接光を照射するようにした技術も提案されているが、光源の防水密閉などによって余分なコストが生じ、高コストになる問題がある。
【０００７】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、光利用効率の高い光触媒反応を実現できる光触媒素子、それを用いた光触媒デバイス及び光触媒清浄装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質からなる基材の表面に光触媒が担持された光触媒担持体と、外部光源から励起光を該光触媒担持体の内部に導く少なくとも１つの光導波路とからなり、前記光触媒担持体は、多数の光触媒担持体を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とされていることを特徴とする光触媒素子を提供する。
【０００９】
本発明の光触媒素子において、前記光触媒担持体の形状は、球状であることが好ましい。
【００１０】
本発明の光触媒素子において、前記光触媒担持体の形状は、棒状又は表面に凹凸のある不規則形状としてもよい。
【００１１】
本発明の光触媒素子において、前記光導波路が光ファイバであることが好ましい。
【００１２】
また、前記光ファイバはシリカコアとフッ素添加シリカクラッドからなることが好ましい。
【００１３】
本発明の光触媒素子において、前記光触媒担持体の一部に中空腔が設けられ、前記光導波路の出射端が前記中空腔内に埋設、固定されていることが好ましい。
【００１４】
本発明の光触媒素子において、前記光触媒担持体の一部に前記光導波路の出射端が融着接続されている構成としてもよい。
【００１５】
また本発明は、前述した本発明に係る光触媒素子の光触媒素子を、流体の入口と出口を有する反応槽に多数収容してなることを特徴とする光触媒デバイスを提供する。
【００１６】
また本発明は、前述した本発明に係る光触媒デバイスと、前記反応槽内に収容された光触媒素子の光導波路の入射端に励起光を入射可能に設けられた励起光源とを備えたことを特徴とする光触媒清浄装置を提供する。
【００１７】
本発明の光触媒清浄装置において、前記励起光源が発光ダイオードであることが好ましい。
【００１８】
本発明の光触媒清浄装置において、前記励起光源が発光ダイオードであり、前記光導波路が多数本束ねられて少なくとも入射端側がバンドル化され、そのバンドル化された入射端に発光ダイオードが励起光を入射可能に結合されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の光触媒素子は、光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質からなる基材の表面に光触媒が担持された光触媒担持体と、外部光源から励起光を該光触媒担持体の内部に導く少なくとも１つの光導波路とからなり、前記光触媒担持体は、多数の光触媒担持体を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とされたものなので、光導波路の入射端から励起光を入射することで、該励起光が光導波路内を通って光触媒担持体の内部に伝搬され、光触媒担持体表面に担持された光触媒層に裏面側から照射されて光触媒反応を発現し、光触媒に接触した又は近傍の流体（液体又は気体）中の汚染物質等を光触媒分解することができ、光触媒担持体の外部から励起光を照射する従来法に比べ、処理対象物である流体による励起光の吸収や散乱が起こらず、励起光の利用効率を高めることができる。
本発明の光触媒デバイスは、前記本発明の光触媒素子の光触媒担持体を、流体の入口と出口を有する反応槽に多数収容した構成なので、その反応槽の入口から出口に向けて処理対象物である流体を流すことで、該流体が多数の光触媒素子の光触媒担持体間の隙間を通って流れ、光触媒担持体表面の光触媒と効果的に接触し、各光触媒素子の光導波路に励起光を入射することで、効率良く光触媒反応によって流体中の汚染物質等を分解、除去することができる。
本発明の光触媒清浄装置は、前記光触媒デバイスと、前記反応槽内に収容された光触媒素子の光導波路の入射端に励起光を入射可能に設けられた励起光源とを備えたものなので、反応槽の入口から出口に向けて処理対象物である流体を流すとともに、各光触媒素子の光導波路に励起光を入射することによって、該流体が多数の光触媒素子の光触媒担持体間の隙間を通って流れ、光触媒担持体表面の光触媒と効果的に接触し、効率良く光触媒反応によって流体中の汚染物質等を分解、除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る光触媒素子の一実施形態を示す構成図であり、図１中、符号１は光触媒素子、２は光触媒担持体、３は光ファイバなどの光導波路、４は励起光に透明な材料からなる基材、５は光触媒層、６は光触媒担持体３に設けられた中空腔、７は接着剤である。
【００２１】
本実施形態の光触媒素子１は、光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質、例えば石英ガラスからなる基材４の表面に光触媒層５が担持された球状をなす光触媒担持体２と、外部光源から励起光を光触媒担持体２の内部に導く光導波路３とからなっている。光触媒担持体２の任意位置には中空腔６が設けられ、該中空腔６には光導波路３の出射端部が挿入され、該腔内に接着剤７を注入、硬化させることによって、光触媒担持体２と光導波路３が接続されている。
【００２２】
この光触媒素子１は、光導波路３の入射端に図示しない励起光源から光触媒を励起可能な励起光を入射することによって、光導波路３内を伝搬されて出射端から光触媒担持体２内に伝搬された励起光が、触媒担持体２の基材４を通して表面の光触媒層５に裏面側から照射され、光触媒層５にて光触媒反応を発現できるようになっている。
【００２３】
前記の光導波路３は、従来の光ファイバ形状は勿論、リボン状、シート状でも同様な機能を果たすことができる。その中でも、フレキシブルな且つ機動性の良い、比較的製造容易な光ファイバが好ましい。光導波路３の構造は、従来の光導波路と同じく、屈折率の比較的に高いコアとそれを囲む屈折率の比較的低いクラッド部とからなっている。
【００２４】
また、光導波路３の光学特性については、屈折率分布がグレーテッドインデックス（ＧＩ）タイプでもステップインデックス（ＳＩ）タイプでもよく、またマルチモード伝送タイプでもシングルモード伝送タイプでも良いが、光源と高効率に接合するためには、開口数（ＮＡ）が光源のＮＡ以上であることが望ましい。従って、励起光源のＮＡによって光導波路３の比屈折率・コア径などを調整し、最適化すれば良く、光導波路３の光学特性は特に制限されない。
【００２５】
また、光導波路３として石英ガラス製の光ファイバを用いる場合、構造的にはシリカコアとフッ素添加シリカクラッドからなる光ファイバを用いることが望ましい。従来の光ファイバの構造は、クラッド部はシリカで、コア部は屈折率を高くするために、Ｇｅなどのドーパントを酸化物の状態で添加している。しかし、これらのドーパントの殆どは通常の光触媒励起光波長帯域である紫外線帯域にて吸収があるため、紫外線の伝搬損失を生じる。そこで本発明では、光導波路３として、紫外透過性の高いシリカコアとフッ素添加シリカクラッドを持つ構造の光ファイバを用いることによって、光導波路部分の伝送損失を小さくし、光触媒担持体２まで低損失で励起光を導く構造とすることが望ましい。
【００２６】
また、光導波路３のコア部をなす材料としては、シリカに限定されることなく、光触媒を励起する波長域に吸収を持たない材料、例えば、ポリメチルメタクリレートやフッ素系樹脂などの合成樹脂などを用いることもできる。
【００２７】
同様にクラッド部をなす材料としては、フッ素添加シリカ以外にも、前記のコアをなす材料の屈折率より低い屈折率を持ち、且つ漏れ光の波長域に吸収を持たない材料、例えば、ポリメチルメタクリレートやフッ素系樹脂などの合成樹脂などを用いることもできる。
【００２８】
本発明では、複数の前記光触媒担持体２を充填した反応槽９を有する光触媒デバイス８において、処理対象物である汚染物質を含むガスや汚水などの流体を流すための流路を供給し、かつ流体と光触媒を効率よく接触させるために、光触媒担持体２の形状については、多数の光触媒担持体２を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体２間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とし、例えば、図１に示すような球状、あるいは棒状や表面に凹凸のある不規則形状とすることが望ましい。
【００２９】
光触媒担持体２のサイズについては、基本的に微小構造にするほど、比表面積が大きくなり、すなわち反応面積が大きくなり、反応能力も高くなるが、必要な分解反応力や製造工程の難易度、コストなど総合的に考えた上で、サイズを自由に変更することができる。従って、本発明において光触媒担持体２のサイズは特に限定されない。
【００３０】
前記光触媒担持体２の基材４をなす材料としては、光触媒を励起する光の波長域に吸収を持たない材料が望ましく、例えば、石英ガラス、あるいはポリメチルメタクリレートやフッ素系樹脂などの合成樹脂などが用いられる。
【００３１】
この基材としてポリメチルメタクリレートやフッ素系樹脂などの合成樹脂を使用する場合、樹脂自体が有機物なので、光触媒反応により分解されるおそれがあるため、使用に際しては光触媒に対する耐分解能力を持つ材質を使用するか、基材４と光触媒層５の間に透明なアンダーコート材を設けることが望ましい。
【００３２】
光触媒層５に用いる光触媒としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）、チタンアパタイト、酸化タンタル、酸化スズ、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、酸化バナジウム、チタン酸バリウム（ＢａＴｉ４Ｏ９）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸ナトリウム（Ｎａ２Ｔｉ６Ｏ１３）、二酸化ジルコニウム、硫化カドミウム、α−Ｆｅ２Ｏ３、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などが挙げられ、この中でも酸化チタンが好ましい。酸化チタンからなる光触媒を基材４の表面にコーティングする場合、酸化チタン微粒子を含む市販の光触媒コーティング液を用いることができ、膜厚やコーティング回数などは所定の条件にしたがって形成すればよい。
【００３３】
本発明の光触媒素子１において、光導波路３の出射端を光触媒担持体２に接続する方法としては、
ａ．埋設方式：光導波路３の出射端側を、光触媒担持体２の任意部位に設けた中空腔６内に埋設し、中空腔開口部にて樹脂などの接着剤７で固定する方法、
ｂ．融着接続方式：光導波路３の出射端を光触媒担持体２の任意部位に融着接続する方法、がある。
【００３４】
ａ．埋設方式では、図１に示した通り、光触媒担持体２の任意部位に小さい中空腔６を設け、光導波路３の出射端側を光触媒担持体２の基材４と接触するまで中空腔６内に差し込んだ後、中空腔６開口部に樹脂などの接着剤７を注入、硬化させて固定すればよい。ここで、光導波路３の出射端と光触媒担持体２の基材４とを接触させる目的は、出射端からの反射などを防ぎ、光触媒担持体への入射効率を向上させるためである。
【００３５】
光触媒担持体２の任意部位に中空腔６を形成する方法は特に限定されず、光触媒担持体２の基材４の成形工程で形成しても良いし、基材４作製後に、例えばドリルなどで再加工しても良い。ドリルによる加工により、中空腔６内壁や端面の欠けや、微小の切削屑などが生じるが、それらのものは本発明の効果に余り影響を及ぼさない。なぜならば、内壁や端面の欠けや微小の切削屑は光導波路３の出射端からの出射光を散乱する機能を持っているが、散乱された光は、中空腔６内で複数回反射され、最後に殆どの光は光触媒担持体２内部に入り、表面に放射され、一部のみが熱エネルギーとして消滅するからである。
【００３６】
ｂ．融着接続方式は、基材４に中空腔６を形成する必要が無く、通常の光ファイバ同士又は光ファイバと他の光学部品との融着接続と同様にして、光触媒担持体２の任意部位に光導波路３の出射端を融着接続することによって実施する。融着接続方法としては、基本的には接続部に熱を提供すればよいが、光導波路３が石英ガラス製の光ファイバであり、光触媒担持体２の基材４がガラス球である場合には、融着するために高温が必要なので、アーク放電方式が好ましい。
【００３７】
また、一つの光導波路３からの出射励起光量が限られるため、光触媒担持体２のサイズが大きい時、すなわち表面積が大きい時には、単位面積に照射される励起光密度が小さくなり、十分な分解能力が発現できなくなる。そのため、本発明では、一つの光触媒担持体２に一つの光導波路３を接続することに限定せず、必要な単位面積あたりの励起光密度に応じて光触媒担持体２に複数の光導波路３を接続して使用してもよい。
【００３８】
図２は、本発明に係る光触媒デバイスの一実施形態を示す構成図であり、図２中符号８は光触媒デバイス、９は反応層、１０は多数本の光導波路３を束ねたバンドルである。本実施形態の光触媒デバイス８は、多数の光触媒素子１を、流体の入口と出口を有する反応槽９に収容し、反応槽９に光触媒担持体２を流体が透過可能に密接状態で充填するとともに、それぞれの光触媒素子１の光導波路３を反応槽９から引き出し、束ねてバンドル１０とした構成になっている。反応槽９の形状や大きさ、材質等及び反応槽９内への光触媒担持体２の収容方式は特に限定されず、処理対象となる流体の物性、光触媒担持体２のサイズや形状、必要な流速等に応じて適宜設定することができる。
【００３９】
本実施形態の光触媒デバイス８は、円筒状などの入口と出口を有する適当な形状をなしている反応槽９内に、前述した通り、多数の光触媒担持体２を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体２間に流体が通過可能な隙間を生じる形状、例えば球状、棒状あるいは表面に凹凸のある不規則形状の光触媒担持体２を複数配列し、積層したので、反応槽９の一端側の入口（図２中、ＩＮと記す。）から他端側の出口（図２中、ＯＵＴと記す。）に向けて処理対象物である流体を流すことで、該流体が多数の光触媒担持体２間の隙間を通って流れ、光触媒担持体２表面の光触媒層５と効果的に接触し、各光触媒素子１の光導波路３に励起光を入射することで、効率良く光触媒反応によって流体中の汚染物質等を分解、除去することができる。
【００４０】
光触媒の反応面積は、光触媒デバイス８の反応能力の重要なパラメータである。本発明では、前記の球状、棒状あるいは表面に凹凸のある不規則形状の光触媒担持体２を複数配列し、積層することによって、光触媒反応面積（＝分解対象の流体との接触面積）及び総励起光量を大きくすることができる。また、光触媒担持体２が処理対象の流体となるべく多く接触するため、多数の光触媒担持体２を反応槽９内になるべく均一に充填配置することが望ましい。
【００４１】
図３は、本発明に係る光触媒清浄装置の一実施形態を示す構成図であり、図３中符号１１は光触媒清浄装置、１２は光触媒デバイス８の入口、１３は出口、１４は流体を循環させるための管路、１５は流体を入れた容器（実験容器）、１６はサンプリング部、１７は励起光源、１８はバンドル１０の入射端である。
【００４２】
本実施形態の光触媒清浄装置１１は、前述した反応槽９とバンドル１０とからなる光触媒デバイスと、反応槽９内に収容された光触媒素子１の光導波路３のバンドル化された入射端１８に励起光を入射可能に設けられた励起光源１７とを備えた構成になっている。さらに、図３に示す例示では、流体を入れた容器１５に循環用の管路１４を設け、この管路１４の途中に反応槽９の入口１２と出口１３を接続することによって、容器１５内の流体の一部を管路１４に導いて、反応槽９の入口１２から導入し、光触媒反応による清浄化を終えた流体を出口１３から管路１４を通して容器１５内に返送できるように構成されている。
【００４３】
本実施形態の光触媒清浄装置１１は、反応槽９の入口１２から出口１３に向けて処理対象物である流体を流すとともに、励起光源１７から発した励起光をバンドル１０の入射端からバンドル１０内に入射し、光触媒担持体２表面の光触媒層５において光触媒反応を発現させることで、該流体が多数の光触媒担持体２間の隙間を通って流れ、光触媒担持体２表面の光触媒層５と効果的に接触し、効率良く光触媒反応によって流体中の汚染物質等を分解、除去することができる。
【００４４】
光触媒反応を励起する励起光源１７としては、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す。）を用いることが望ましい。小型のＬＥＤを励起光源として用いることで、消費電力を低減でき、光源が小型化できることから、小型で消費電力の少ない光触媒清浄装置１１を実現できる。
【００４５】
従来の技術では、外部に設けた励起光源１７から光触媒層の表面に直接照射するため、光源のサイズが大きくないと照射面積を確保できない。従って、従来の光触媒清浄装置の光源は、比較的大型のブラックライト、水銀キセノンランプなどの光源を使用することが多いが、本実施形態の光触媒清浄装置１１では、励起光源１７として、通常のブラックライト、水銀キセノンランプなどの光源は勿論、小型ＬＥＤでも使用できる。
また本実施形態の光触媒清浄装置１１では、微細構造の光導波路３、例えば光ファイバなどを使用するため、数百乃至数千単位の光導波路３があっても、出射端で束ねてバンドル化すれば、小さいスポットとなり、ＬＥＤのような小型の励起光源１７でも十分結合できる。従って、小型で消費電力の少ない光触媒清浄装置１１を実現できるという大きな利点が得られる。
【実施例】
【００４６】
［実施例１］
本実施例では、光触媒担持体の基材として石英ガラス球を用い、該石英ガラス球の表面に酸化チタンをコーティングし、光導波路として石英ガラス製光ファイバを用いた。光触媒担持体と光導波路の接続は埋設方式とした。また励起光源として紫外ＬＥＤ（ＵＶ ＬＥＤ）を用いた。
【００４７】
まず、光触媒担持体の基材となる石英ガラス球２００個を用意した。石英ガラス球の直径は１０ｍｍである。これらの石英ガラス球の表面に市販の光触媒機能を有する酸化チタンコーティング液を塗布し、乾燥して外周面が光触媒活性を有する酸化チタン膜で被覆された光触媒担持体を得た。得られた光触媒担持体表面の酸化チタン膜の厚みは約１μｍであった。
【００４８】
光導波路は、シリカコア及びフッ素添加シリカクラッドからなる母材を通常の紡糸工程で線引きして得られた石英ガラスファイバを用いた。得られた光ファイバを１ｍずつに切断して２００本の光ファイバを用意した。この光ファイバの特性は次の通りである。
・コア直径：２００μｍ、
・クラッド直径：２５０μｍ、
・比屈折率差：０．６％、
・ＮＡ（開口数）：０．１６、
・被覆樹脂：２層構造。
【００４９】
次に、前記光触媒担持体の表面にドリルで直径２ｍｍ、深さ２ｍｍの中空腔を形成し、前記の光ファイバを被覆付きのままで１本ずつ、基材と接触するまで中空腔に差し込み、中空腔開口部にエポキシ系接着剤を注入、硬化させて光ファイバを固定し、図１に示す光触媒素子を作製した。
【００５０】
光ファイバと接続した２００個の光触媒担持体を５×５×８個の配置で、高さ５２ｍｍ×横幅５２ｍｍ×高さ１００ｍｍのアルミ箱内に積層し、それぞれの光ファイバを箱外に導出し、ファイバ長を入射側で合わせ、余長を切断して入射端部をバンドル化した。
【００５１】
得られたアルミ箱を反応槽とし、図３に示すような２０Ｌの実験容器と循環系を構成し、バンドル化した光ファイバの入射端を反応槽から出し、外部に設置したチップ型のＵＶ ＬＥＤと結合して励起光を入射可能とし、アセトアルデヒドガスの分解実験を行った。
【００５２】
分解実験条件は以下の通りとした。
・光源：チップ型ＵＶ ＬＥＤ（出力８０ｍＷ、中心波長３８０ｎｍ）、
・光触媒担持表面積：約６２８ｃｍ２、
・単位表面積あたりの平均照度：約０．１ｍＷ／ｃｍ２、
・初期アセトアルデヒド濃度：３０ｐｐｍ。
【００５３】
また、図３中に示していないが、実験装置内には、ガス循環のために小さいファンを挿入してガスを循環撹拌した。一定時間毎に実験装置内の残留アセトアルデヒドガス濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、分解反応の進捗状態を確認した。実験結果を図４に示す。図４に示すように、本実施例によればアセトアルデヒドガスを効率よく分解除去することができる。
【００５４】
［実施例２］
本実施例では、光触媒担持体の基材にＵＶ透過型アクリル棒を用い、光導波路にＵＶ透過型アクリル光ファイバを用いた。光触媒担持体と光導波路の接続は融着方式とした。また励起光源として紫外ＬＥＤ（ＵＶ ＬＥＤ）を用いた。
【００５５】
ＵＶ透過型のアクリル樹脂からなる円柱状のアクリル棒を１００本用意した。アクリル棒の直径は１０ｍｍで、長さ２０ｍｍである。これらのアクリル棒の表面に、市販の透明な光触媒アンダーコート材（保護層）を塗布し、さらにその上に光触媒機能を有する酸化チタンコーティング溶液を塗布し、乾燥して外周面が光触媒活性を有する酸化チタン膜で被覆された光触媒担持体を得た。得られた光触媒担持体表面の酸化チタン膜の厚みは約１μｍであった。
【００５６】
光導波路は、ＵＶ透過型のアクリル樹脂からなるアクリルファイバを用い、長さ１ｍのアクリルファイバを１００本用意した。使用したアクリルファイバの特性は次の通りである。
・コア直径：２００μｍ、
・クラッド直径：２５０μｍ、
・比屈折率差：０．８％、
・ＮＡ（開口数）：０．１８、
・被覆樹脂：無し。
【００５７】
次に、アクリルファイバの先端を熱で溶かし、１本ずつ、光触媒担持体と融着接続した。
【００５８】
アクリルファイバを接続した１００本の光触媒担持体を５×５×４個の配置で、高さ５２ｍｍ×横幅５２ｍｍ×高さ１００ｍｍのアルミ箱内に積層し、それぞれの光ファイバを箱外に導出し、ファイバ長を入射側で合わせ、余長を切断して入射端部をバンドル化した。
【００５９】
得られたアルミ箱を反応槽とし、実施例１と同様に、図３に示すような２０Ｌの実験容器と循環系を構成し、バンドル化した光ファイバの入射端を反応槽から出し、外部に設置したチップ型のＵＶ ＬＥＤと結合して励起光を入射可能とし、アセトアルデヒドガスの分解実験を行った。
【００６０】
分解実験条件は以下の通りとした。
・光源：チップ型ＵＶ ＬＥＤ（出力８０ｍＷ、中心波長３８０ｎｍ）、
・光触媒担持表面積：約７８５ｃｍ２、
・単位表面積あたりの平均照度：約０．０５ｍＷ／ｃｍ２、
・初期アセトアルデヒド濃度：３０ｐｐｍ。
【００６１】
また、実施例１と同様に、図３中に示していないが、実験装置内には、ガス循環のために小さいファンを挿入してガスを循環撹拌した。一定時間毎に実験装置内の残留アセトアルデヒドガス濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、分解反応の進捗状態を確認した。実験結果を図４に示す。図４に示すように、本実施例によればアセトアルデヒドガスを効率よく分解除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の光触媒素子の一実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明の光触媒デバイスの一実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明の光触媒清浄装置の一実施形態を示す構成図である。
【図４】本発明に係る実施例の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１…光触媒素子、２…光触媒担持体、３…光導波路、４…基材、５…光触媒層、６…中空腔、７…接着剤、８…光触媒デバイス、９…反応槽、１０…バンドル、１１…光触媒清浄装置、１２…入口、１３…出口、１４…管路、１５…実験容器、１６…サンプリング部、１７…励起光源、１８…入射端。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質からなる基材の表面に光触媒が担持された光触媒担持体と、外部光源から励起光を該光触媒担持体の内部に導く少なくとも１つの光導波路とからなり、前記光触媒担持体は、多数の光触媒担持体を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とされていることを特徴とする光触媒素子。
【請求項２】
前記光触媒担持体の形状が球状であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒素子。
【請求項３】
前記光触媒担持体の形状が棒状又は表面に凹凸のある不規則形状であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒素子。
【請求項４】
前記光導波路が光ファイバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒素子。
【請求項５】
前記光ファイバがシリカコアとフッ素添加シリカクラッドからなることを特徴とする請求項４に記載の光触媒素子。
【請求項６】
前記光触媒担持体の一部に中空腔が設けられ、前記光導波路の出射端が前記中空腔内に埋設、固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光触媒素子。
【請求項７】
前記光触媒担持体の一部に前記光導波路の出射端が融着接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光触媒素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載された光触媒素子の光触媒素子を、流体の入口と出口を有する反応槽に多数収容してなることを特徴とする光触媒デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の光触媒デバイスと、前記反応槽内に収容された光触媒素子の光導波路の入射端に励起光を入射可能に設けられた励起光源とを備えたことを特徴とする光触媒清浄装置。
【請求項１０】
前記励起光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項９に記載の光触媒清浄装置。
【請求項１１】
前記励起光源が発光ダイオードであり、前記光導波路が多数本束ねられて少なくとも入射端側がバンドル化され、そのバンドル化された入射端に発光ダイオードが励起光を入射可能に結合されていることを特徴とする請求項９に記載の光触媒清浄装置。
【請求項１】
光触媒反応の励起光波長帯域で透明な材質からなる基材の表面に光触媒が担持された光触媒担持体と、外部光源から励起光を該光触媒担持体の内部に導く少なくとも１つの光導波路とからなり、前記光触媒担持体は、多数の光触媒担持体を密接配置した際にそれぞれの光触媒担持体間に流体が通過可能な隙間を生じる形状とされていることを特徴とする光触媒素子。
【請求項２】
前記光触媒担持体の形状が球状であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒素子。
【請求項３】
前記光触媒担持体の形状が棒状又は表面に凹凸のある不規則形状であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒素子。
【請求項４】
前記光導波路が光ファイバであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光触媒素子。
【請求項５】
前記光ファイバがシリカコアとフッ素添加シリカクラッドからなることを特徴とする請求項４に記載の光触媒素子。
【請求項６】
前記光触媒担持体の一部に中空腔が設けられ、前記光導波路の出射端が前記中空腔内に埋設、固定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光触媒素子。
【請求項７】
前記光触媒担持体の一部に前記光導波路の出射端が融着接続されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光触媒素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載された光触媒素子の光触媒素子を、流体の入口と出口を有する反応槽に多数収容してなることを特徴とする光触媒デバイス。
【請求項９】
請求項８に記載の光触媒デバイスと、前記反応槽内に収容された光触媒素子の光導波路の入射端に励起光を入射可能に設けられた励起光源とを備えたことを特徴とする光触媒清浄装置。
【請求項１０】
前記励起光源が発光ダイオードであることを特徴とする請求項９に記載の光触媒清浄装置。
【請求項１１】
前記励起光源が発光ダイオードであり、前記光導波路が多数本束ねられて少なくとも入射端側がバンドル化され、そのバンドル化された入射端に発光ダイオードが励起光を入射可能に結合されていることを特徴とする請求項９に記載の光触媒清浄装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１３０３６５（Ｐ２００６−１３０３６５Ａ）
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１９０６６（Ｐ２００４−３１９０６６）
【出願日】平成１６年１１月２日（２００４．１１．２）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月２５日（２００６．５．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月２日（２００４．１１．２）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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