放射線触媒及び放射線場触媒装置
【課題】
放射線の利用効率を向上させ、高効率の放射線場触媒装置を提供する。
【解決手段】
本発明は、金属酸化物を放射線場に設置し、酸素や水からＯ2-イオンやＯＨラジカルを金属表面に生成させることにより、酸化反応を促進する。具体的には、金属酸化物よりなる触媒と、前記触媒の配置される部位を放射線場とする放射線源とを有する放射線場触媒装置である。また、特に金属酸化物よりなる触媒は、粒子形状を有し、前記粒子径は放射線の飛程以下であることが望ましい。
放射線の利用効率を向上させ、高効率の放射線場触媒装置を提供する。
【解決手段】
本発明は、金属酸化物を放射線場に設置し、酸素や水からＯ2-イオンやＯＨラジカルを金属表面に生成させることにより、酸化反応を促進する。具体的には、金属酸化物よりなる触媒と、前記触媒の配置される部位を放射線場とする放射線源とを有する放射線場触媒装置である。また、特に金属酸化物よりなる触媒は、粒子形状を有し、前記粒子径は放射線の飛程以下であることが望ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線場に設置され、放射線の照射により、水などの水素を含む流体から水素ガスを発生させる触媒、当該触媒で水素発生反応を促進する方法、及び放射線場触媒装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化チタンに代表される光触媒は、太陽エネルギーを用いて水素生成などに利用されている。また、光より高エネルギーの放射線を酸化チタンに照射して水を分解する方法がある。
【０００３】
酸化チタン以外にアルミナやジルコニアなどの金属酸化物を用いて、放射線場で水を分解する方法もある。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１８３６０２号公報
【特許文献２】特開平８−１８４６８９号公報
【特許文献３】特開２００３−８１６０２号公報
【特許文献４】特開２００６−２４８８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これら放射線場で金属酸化物を用いて水を分解して水素を生成する方法は、水が放射線のエネルギーを吸収して水素を発生する効率と比較して最大で約１.４倍である。本願発明の目的は、さらに放射線の利用効率を向上させ、高効率の放射線場触媒装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本願発明の特徴は、金属酸化物を触媒とし、放射線を照射して水を分解し水素を発生させる水素発生装置であって、金属酸化物に放射線を照射し、金属酸化物表面で酸素をイオン化し、もしくは酸素を活性な酸素イオンとし、もしくは水から化成なＯＨラジカルを生成させることを特徴とする水素発生装置にある。
【０００７】
他の本発明の特徴は、金属酸化物を触媒とし、放射線を照射して水を分解し水素を発生させる水素発生装置であって、放射線源と、放射線源の周囲に配置された触媒層を有し、前記放射線源のより照射される放射線の強度を、触媒層の外周に到達できる程度の強度としたことを特徴とする水素発生装置にある。
【０００８】
本願発明に使用される触媒は、粒子径の小さいアルミナやジルカロイなどの金属酸化物が望ましい。金属酸化物は、光触媒のような半導体や、絶縁体とすることがよい。金属酸化物にパラジウムやニッケルを担持すると、水存在下でパラジウムやニッケル上で伝導帯から電子が供給されて水素原子が生成する。このように、処理する対象に合わせて担持する金属を選択する。本発明における触媒は、粒状，柱状，ペレット状などに成形して使用することができる。
【０００９】
本発明の装置は、金属酸化物を含有する触媒を、放射線場に設置することを特徴とする。放射線源には、放射性同位体を用いる。放射線には、β線，γ線，α線などがある。いずれの放射線も金属酸化物に吸収されると、高速の電子を生成し、それが再度電子を生成して、徐々にエネルギーを失っていく。電子が熱平衡化すると、金属酸化物の伝導帯に電子が、価電子帯に正孔が入る。両者のエネルギー差は、バンドギャップと呼ばれている。チタニアのようにバンドギャップが小さいものが半導体で、アルミナのようにバンドギャップが大きいものが絶縁体である。しかし、放射線のエネルギーは通常、絶縁体のバンドギャップより大きいので、絶縁体でも半導体のように電子と正孔を分離できる。酸素が存在すると、金属酸化物の表面で伝導帯から電子をもらい、酸素イオンを生成する。水が存在すると、価電子帯の正孔と反応してＯＨラジカルを生成する。
【００１０】
放射線を有効に利用するため、放射線の移動する距離である飛程は、金属酸化物の径以上で、触媒層の範囲以内が望ましい。触媒層外周で放射線強度を０にすることは難しいので、触媒層の周りは鉛などで遮蔽する。いま、放射線源としてＣｏ−６０を用い、金属酸化物としてアルミナを用いると、触媒層厚さは以下となる。１ＭｅＶのγ線のアルミナの吸収係数は約０.２cm-1なので、放射線強度が１／１００となる厚さは約２３cmとなる。
【００１１】
本願の対象とする媒体は、酸素、または、水の少なくとも一方を含む流体である。本発明により、酸素、または、水分の少なくも一方を含む流体を高効率で処理することが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように、本発明では金属酸化物を放射線場に設置することにより、有害な有機物の分解や排ガス処理などに適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施例で具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【実施例１】
【００１４】
本実施例では、金属酸化物の密度依存性を調べた。
【００１５】
金属酸化物として、アルミナ，チタニア，Ｋ3Ｔａ3Ｓｉ2Ｏ，Ｋ3Ｔａ3Ｓｉ2Ｏ／ＮｉＯを用いた。Ｃｏ−６０のγ線を金属酸化物を混ぜた水に照射し、生成した水素量の密度依存性を図１に示す。金属酸化物の放射線の吸収は、金属酸化物の密度に比例するため、吸収量に比例して水素が生成した。
【００１６】
以上から、金属酸化物として、放射線の吸収量が多くなる高密度が有効である。
【実施例２】
【００１７】
本実施例では、金属酸化物の粒径依存性を調べた。
【００１８】
図２に、水素発生量の粒径と粒子量の依存性を示す。金属酸化物としてジルコニアを用いた。水素発生量は粒子量にはあまり依存せず、粒径の小さいほど多くなった。これは、金属酸化物の表面積効果である。
【００１９】
以上のように、金属酸化物の粒径は小さいほど有効である。
【実施例３】
【００２０】
本実施例では、水量の依存性を調べた。
【００２１】
図３に、水素生成量の水量依存性を示す。水量が少ないほど水素生成量が増加した。これは、反応が粒子表面で起きていることを示している。
【実施例４】
【００２２】
本実施例では、酸素存在下で生成するＯ2-や、水存在下で生成するＯＨラジカルの効果を調べた。
【００２３】
反応ガスとして有機物を入れると、Ｏ2-の酸化作用により有機物を分解できる。有機物として、ＰＣＢ，ダイオキシン，有機塩素化合物などを用いた。よって、本放射線触媒により有害な有機物を分解できる。
【実施例５】
【００２４】
本実施例では、酸素存在下で生成するＯ2-や、水存在下で生成するＯＨラジカルの別の効果を調べた。
【００２５】
反応ガスとしてＮＯやＳＯ2を入れると、硝酸や硫酸を生成した。よって、本放射線触媒により排ガス処理ができる。また、本放射線触媒を用いて、有機物の合成も可能である。
【実施例６】
【００２６】
本実施例では、放射線源を触媒層に入れた例を示す。図４では触媒層の中心に、図５では触媒層の中央部に、放射線源を入れた。ともに、触媒層に均一に放射線が照射された。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】金属酸化物の密度効果。
【図２】金属酸化物の粒径効果。
【図３】金属酸化物の表面効果。
【図４】触媒層への放射線源の設置例。
【図５】触媒層への放射線源の別の設置例。
【符号の説明】
【００２８】
１ 触媒層
２ 金属酸化物
３ 放射線源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線場に設置され、放射線の照射により、水などの水素を含む流体から水素ガスを発生させる触媒、当該触媒で水素発生反応を促進する方法、及び放射線場触媒装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化チタンに代表される光触媒は、太陽エネルギーを用いて水素生成などに利用されている。また、光より高エネルギーの放射線を酸化チタンに照射して水を分解する方法がある。
【０００３】
酸化チタン以外にアルミナやジルコニアなどの金属酸化物を用いて、放射線場で水を分解する方法もある。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１８３６０２号公報
【特許文献２】特開平８−１８４６８９号公報
【特許文献３】特開２００３−８１６０２号公報
【特許文献４】特開２００６−２４８８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これら放射線場で金属酸化物を用いて水を分解して水素を生成する方法は、水が放射線のエネルギーを吸収して水素を発生する効率と比較して最大で約１.４倍である。本願発明の目的は、さらに放射線の利用効率を向上させ、高効率の放射線場触媒装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本願発明の特徴は、金属酸化物を触媒とし、放射線を照射して水を分解し水素を発生させる水素発生装置であって、金属酸化物に放射線を照射し、金属酸化物表面で酸素をイオン化し、もしくは酸素を活性な酸素イオンとし、もしくは水から化成なＯＨラジカルを生成させることを特徴とする水素発生装置にある。
【０００７】
他の本発明の特徴は、金属酸化物を触媒とし、放射線を照射して水を分解し水素を発生させる水素発生装置であって、放射線源と、放射線源の周囲に配置された触媒層を有し、前記放射線源のより照射される放射線の強度を、触媒層の外周に到達できる程度の強度としたことを特徴とする水素発生装置にある。
【０００８】
本願発明に使用される触媒は、粒子径の小さいアルミナやジルカロイなどの金属酸化物が望ましい。金属酸化物は、光触媒のような半導体や、絶縁体とすることがよい。金属酸化物にパラジウムやニッケルを担持すると、水存在下でパラジウムやニッケル上で伝導帯から電子が供給されて水素原子が生成する。このように、処理する対象に合わせて担持する金属を選択する。本発明における触媒は、粒状，柱状，ペレット状などに成形して使用することができる。
【０００９】
本発明の装置は、金属酸化物を含有する触媒を、放射線場に設置することを特徴とする。放射線源には、放射性同位体を用いる。放射線には、β線，γ線，α線などがある。いずれの放射線も金属酸化物に吸収されると、高速の電子を生成し、それが再度電子を生成して、徐々にエネルギーを失っていく。電子が熱平衡化すると、金属酸化物の伝導帯に電子が、価電子帯に正孔が入る。両者のエネルギー差は、バンドギャップと呼ばれている。チタニアのようにバンドギャップが小さいものが半導体で、アルミナのようにバンドギャップが大きいものが絶縁体である。しかし、放射線のエネルギーは通常、絶縁体のバンドギャップより大きいので、絶縁体でも半導体のように電子と正孔を分離できる。酸素が存在すると、金属酸化物の表面で伝導帯から電子をもらい、酸素イオンを生成する。水が存在すると、価電子帯の正孔と反応してＯＨラジカルを生成する。
【００１０】
放射線を有効に利用するため、放射線の移動する距離である飛程は、金属酸化物の径以上で、触媒層の範囲以内が望ましい。触媒層外周で放射線強度を０にすることは難しいので、触媒層の周りは鉛などで遮蔽する。いま、放射線源としてＣｏ−６０を用い、金属酸化物としてアルミナを用いると、触媒層厚さは以下となる。１ＭｅＶのγ線のアルミナの吸収係数は約０.２cm-1なので、放射線強度が１／１００となる厚さは約２３cmとなる。
【００１１】
本願の対象とする媒体は、酸素、または、水の少なくとも一方を含む流体である。本発明により、酸素、または、水分の少なくも一方を含む流体を高効率で処理することが可能である。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように、本発明では金属酸化物を放射線場に設置することにより、有害な有機物の分解や排ガス処理などに適用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施例で具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
【実施例１】
【００１４】
本実施例では、金属酸化物の密度依存性を調べた。
【００１５】
金属酸化物として、アルミナ，チタニア，Ｋ3Ｔａ3Ｓｉ2Ｏ，Ｋ3Ｔａ3Ｓｉ2Ｏ／ＮｉＯを用いた。Ｃｏ−６０のγ線を金属酸化物を混ぜた水に照射し、生成した水素量の密度依存性を図１に示す。金属酸化物の放射線の吸収は、金属酸化物の密度に比例するため、吸収量に比例して水素が生成した。
【００１６】
以上から、金属酸化物として、放射線の吸収量が多くなる高密度が有効である。
【実施例２】
【００１７】
本実施例では、金属酸化物の粒径依存性を調べた。
【００１８】
図２に、水素発生量の粒径と粒子量の依存性を示す。金属酸化物としてジルコニアを用いた。水素発生量は粒子量にはあまり依存せず、粒径の小さいほど多くなった。これは、金属酸化物の表面積効果である。
【００１９】
以上のように、金属酸化物の粒径は小さいほど有効である。
【実施例３】
【００２０】
本実施例では、水量の依存性を調べた。
【００２１】
図３に、水素生成量の水量依存性を示す。水量が少ないほど水素生成量が増加した。これは、反応が粒子表面で起きていることを示している。
【実施例４】
【００２２】
本実施例では、酸素存在下で生成するＯ2-や、水存在下で生成するＯＨラジカルの効果を調べた。
【００２３】
反応ガスとして有機物を入れると、Ｏ2-の酸化作用により有機物を分解できる。有機物として、ＰＣＢ，ダイオキシン，有機塩素化合物などを用いた。よって、本放射線触媒により有害な有機物を分解できる。
【実施例５】
【００２４】
本実施例では、酸素存在下で生成するＯ2-や、水存在下で生成するＯＨラジカルの別の効果を調べた。
【００２５】
反応ガスとしてＮＯやＳＯ2を入れると、硝酸や硫酸を生成した。よって、本放射線触媒により排ガス処理ができる。また、本放射線触媒を用いて、有機物の合成も可能である。
【実施例６】
【００２６】
本実施例では、放射線源を触媒層に入れた例を示す。図４では触媒層の中心に、図５では触媒層の中央部に、放射線源を入れた。ともに、触媒層に均一に放射線が照射された。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】金属酸化物の密度効果。
【図２】金属酸化物の粒径効果。
【図３】金属酸化物の表面効果。
【図４】触媒層への放射線源の設置例。
【図５】触媒層への放射線源の別の設置例。
【符号の説明】
【００２８】
１ 触媒層
２ 金属酸化物
３ 放射線源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物よりなる触媒と、前記触媒の配置される部位を放射線場とする放射線源とを有する放射線場触媒装置。
【請求項２】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、前記金属酸化物よりなる触媒は、粒子形状を有し、前記粒子径は放射線の飛程以下であることを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項３】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、
前記金属酸化物は半導体または絶縁体であることを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項４】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、酸素と水分の少なくも一方を含む媒体を分解することを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項５】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、前記金属酸化物が、アルミナ，チタニア，ジルコニア，酸化タンタルの少なくともいずれかを含むことを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項６】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、前記触媒はパラジウムまたはニッケルを含むことを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項７】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、前記触媒は、前記放射線源の周りに配置されていることを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項１】
金属酸化物よりなる触媒と、前記触媒の配置される部位を放射線場とする放射線源とを有する放射線場触媒装置。
【請求項２】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、前記金属酸化物よりなる触媒は、粒子形状を有し、前記粒子径は放射線の飛程以下であることを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項３】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、
前記金属酸化物は半導体または絶縁体であることを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項４】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、酸素と水分の少なくも一方を含む媒体を分解することを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項５】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、前記金属酸化物が、アルミナ，チタニア，ジルコニア，酸化タンタルの少なくともいずれかを含むことを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項６】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、前記触媒はパラジウムまたはニッケルを含むことを特徴とする放射線場触媒装置。
【請求項７】
請求項１に記載された放射線場触媒装置であって、前記触媒は、前記放射線源の周りに配置されていることを特徴とする放射線場触媒装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２０３０９９（Ｐ２００９−２０３０９９Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４５３９１（Ｐ２００８−４５３９１）
【出願日】平成２０年２月２７日（２００８．２．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２７日（２００８．２．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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