水の浄化技術
【課題】光触媒反応の反応速度を上昇させる二酸化チタンの分散触媒を提供すること。
【解決手段】電磁石を用いて二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離する方法において、二酸化チタンの分散触媒を構成する多孔体によって吸着する有機不純物の分子量を増加させることにより、光触媒反応の反応速度を上昇させる。
【解決手段】電磁石を用いて二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離する方法において、二酸化チタンの分散触媒を構成する多孔体によって吸着する有機不純物の分子量を増加させることにより、光触媒反応の反応速度を上昇させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の浄化技術に関する。より詳しくは、被処理水の中に含まれる汚染物質を、二酸化チタン光触媒によって分解し処理する水処理装置及び水処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工業、農業及び人間の生活によって排水される種々の汚染水の浄化処理や、あるいは産業や医療に用いられる純水の製造過程に用いられる水処理過程では、水中に含まれる微生物や有機不純物を殺菌するか又は分解する必要がある。具体的な水処理技術としては、オゾン、過酸化水素と紫外光、紫外線のみ、さらには二酸化チタンと紫外光、といった技術に代表される高度酸化処理技術(AOT: Advanced oxidation technology)を用いた水処理方法が挙げられる。
【０００３】
上記で列挙したAOTの中で、二酸化チタンと紫外光による酸化過程は、水中に含まれる微生物や有機不純物の殺菌又は分解するという点に関して優れた特性を有することが知られている。二酸化チタンと紫外光による酸化過程を利用した水浄化装置において、二酸化チタンを使用する形体及び方式は大きく分けて二つの種類が存在する：(1)固定触媒；二酸化チタンの光触媒粒子とバインダーを用いて基板に固定するか、又はチタニウムアルコキシド等からゾルゲル法などによって基板の表面に二酸化チタン薄膜を形成する方法で、二酸化チタンが水中でバルク状の形体として存在することを特徴とする方式。（２）分散触媒；二酸化チタンの光触媒粒子を被処理水中に分散させる方法で、二酸化チタンが水中で懸濁状態の形体として存在することを特徴とする方式。
【０００４】
従来、上記の固定触媒又は分散触媒を用いて、水中の有機不純物を分解する実験室レベルの試みが数多くなされてきた。光触媒反応は触媒粒子の表面における表面光化学反応であるので、より大きい表面積を得られる分散触媒の方が優れた性能を示す場合が多いことが明らかになっている。例えば二酸化チタンの表面積を増大させると、二酸化チタンの表面に吸着する有機不純物の分子量が増大するため、水中の有機不純物の分解反応において著しく大きい反応速度を得ることが出来ると考えられる。
【０００５】
しかしながら分散触媒を用いる場合は、水中に分散している二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離し、被処理水（浄化された水）は目的の流路に流し、一方で二酸化チタンは未処理の被処理水と混合し再利用する必要がある。しかしながら、二酸化チタンの粒子径はナノメートルオーダーであるため、例えば水中から酸化チタンを分離する目的で高分子製のフィルターなどを用いると、フィルターは直ちに目詰まりを起こす。別の方法として、重力に起因した自然沈降による固液分離が挙げられるが、ナノメートルオーダーの二酸化チタン粒子が沈降する速度は非常に遅く、現実的には非常に困難である。従って、分散触媒は二酸化チタンの繰り返しの使用に大きな難点を有する。
【０００６】
ナノメートルオーダーよりも大きいサイズの二酸化チタン粒子を用いれば、いくらかの触媒性能を犠牲にするが、二酸化チタンと処理後の被処理水の固液分離が容易になると考えられる。しかしながら二酸化チタンの粒子径と光触媒活性の間には逆の相関があり、一般的に優れた性能を有する結晶系がアナターゼ型の二酸化チタンは、合成上の制限から粒子径が最大でも数百ナノメートルの粒子に限られる。粒子径が1μmを超える二酸化チタンは、そのすべてが光触媒活性の低いルチル型である。従って、光触媒活性の高いアナターセ型の二酸化チタンを用いる場合には、粒子径を大きくして固液分離の問題を解決することは事実上不可能である。
【０００７】
上記のような二酸化チタンの分散触媒における使用上の難点を解決する従来技術として、特許文献１には、粉末状光触媒による水の浄化方法が開示されている。この文献では、二酸化チタンの粉末と水酸化鉄微粒子及び/又は水酸化アルミニウム微粒子とを水中で共存させる。水処理後の任意のタイミングで高分子凝集剤を添加することにより、二酸化チタンと上記の微粒子は凝集する。この複合粒子は沈降分離速度が二酸化チタン単体と比べると早いため、高い分離効率を得ることが出来る。複合粒子の状態の二酸化チタンは、その表面活性サイトが高分子凝集剤や前記微粒子に覆われているため、光触媒の性能が失活している状態にある。従って二酸化チタンを再度活性化する目的で、光化学反応容器内において複合粒子に紫外光を照射し、高分子凝集剤を二酸化炭素まで分解する必要がある。すなわち、この再活性化プロセスは相当な量の紫外線が必要となり、水処理装置全体のエネルギー効率が低下してしまうという大きな欠点がある。
【０００８】
他方、従来技術として電磁石を用いて二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離する方法が特許文献２に開示されている。磁性により固液分離する方法は粒子径が小さく沈降速度の遅い粒子の固液分離において一般的に用いられる方法であり、特許文献１に示されたように回収した二酸化チタンを再度活性化する処理が不必要であるという優れた特徴を有する。しかしながら、特許文献２に開示された光触媒では、20-30mmの大きい粒子径を有するカーボンビーズの上に二酸化チタン多層膜が形成されている。二酸化チタンの単位質量当たりの表面積が小さくなると、二酸化チタンの表面に吸着する有機不純物の分子量が減少し、水中の有機不純物の分解反応において反応速度が低下する。特許文献２に開示された光触媒は単位質量当たりの表面積が小さいため、水中の有機不純物の分解反応において反応速度が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平9-174067号公報
【特許文献２】特開2003-18450号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電磁石を用いて二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離する方法において、吸着する有機不純物の分子量を増加させることにより、光触媒反応の反応速度を上昇させる二酸化チタンの分散触媒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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、被処理水中の有機不純物を分解する二酸化チタンの分散触媒においては二酸化チタンおよび磁性を有する多孔体から構成されることを特徴とする。電磁石を用いて二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離する方法において、二酸化チタンの分散触媒を構成する多孔体により吸着する有機不純物の分子量を増加させることにより、光触媒反応の反応速度を上昇させる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の二酸化チタンの分散触媒を用いた水処理方法によれば、二酸化チタンの分散触媒を構成する多孔体により吸着する有機不純物の分子量を増加させることにより、光触媒反応の反応速度を上昇させる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における二酸化チタン分散触媒の模式図
【図２】本発明の実施の形態2における水処理装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（実施の形態１）
図１において、二酸化チタン102は多孔体101の表面に担持されており、多孔体101には磁性体粒子103も同時に担持されている。
【００１６】
本構成によれば多孔体101の細孔内に被処理水中の有機不純物を吸着した後、二酸化チタン102によって多孔体101の細孔内に吸着した有機不純物を分解することができる。多孔体101には磁性体粒子103も同時に担持されていることから有機不純物の分解後は、電磁石によって二酸化チタンの分散触媒を分離することができる。
【００１７】
二酸化チタン102の粒子径は5nm〜500nm程度である。また、多孔体101の粒子径は5-50mmであり、その材料はゼオライト、メソポーラスシリカ、メソポーラスカーボンもしくは活性炭のいずれかである。
磁性体粒子103の粒子径は5-20nm程度であり、コバルトで構成されているが、他の常磁性材料であってもよい。
【００１８】
（実施の形態２）
図２において、水処理装置203は紫外線ランプ204および攪拌パドル205で構成されている。水処理装置203に導入された被処理水201は、ともに導入された二酸化チタンの分散触媒202と攪拌・混合される。二酸化チタンの分散触媒202と被処理水201を混合した混合水に紫外線ランプ204を用いて二酸化チタンの分散触媒の励起光を照射し、被処理水中の有機不純物を分解する。その後、二酸化チタンの分散触媒を混合した混合水は電磁石206から構成された回収装置20７に導入される。電磁石206に電気を供給し磁性を持たせることにより、二酸化チタンの分散触媒が電磁石206に吸着して二酸化チタンの分散触媒が分離される。二酸化チタンの分散触媒が分離された後の被処理水は被処理水貯水槽208に送られ、その後廃棄される。
【００１９】
また、電磁石206への電気の供給を停止して、電磁石206に吸着した二酸化チタンの分散触媒を回収装置20７中に分散させる。その後、被処理水貯水槽208から被処理水209を回収装置207に再送し、回収装置20７中に分散された二酸化チタンの分散触媒と被処理水209を混合する。二酸化チタンの分散触媒と被処理水が混合された混合水210を水処理装置203に返送することで、二酸化チタンの分散触媒を再利用する。上述の二酸化チタンの分散触媒の再利用工程の際は水処理装置203から回収装置20７への二酸化チタンの分散触媒202と被処理水201を混合した混合水の導入は停止する。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明にかかる水の浄化技術は、水中の有機不純物を分解する機能を有し、排水の処理方法等として有用である。また飲料水の製造等の用途にも応用できる。
【符号の説明】
【００２１】
101 多孔体
102 二酸化チタン
103 磁性体粒子
201 被処理水
202 二酸化チタンの分散触媒
203 水処理装置
204 紫外線ランプ
205 攪拌パドル
206 電磁石
207 回収装置
208 被処理水貯水槽
209 被処理水
210 二酸化チタンの分散触媒と被処理水が混合された混合水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の浄化技術に関する。より詳しくは、被処理水の中に含まれる汚染物質を、二酸化チタン光触媒によって分解し処理する水処理装置及び水処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工業、農業及び人間の生活によって排水される種々の汚染水の浄化処理や、あるいは産業や医療に用いられる純水の製造過程に用いられる水処理過程では、水中に含まれる微生物や有機不純物を殺菌するか又は分解する必要がある。具体的な水処理技術としては、オゾン、過酸化水素と紫外光、紫外線のみ、さらには二酸化チタンと紫外光、といった技術に代表される高度酸化処理技術(AOT: Advanced oxidation technology)を用いた水処理方法が挙げられる。
【０００３】
上記で列挙したAOTの中で、二酸化チタンと紫外光による酸化過程は、水中に含まれる微生物や有機不純物の殺菌又は分解するという点に関して優れた特性を有することが知られている。二酸化チタンと紫外光による酸化過程を利用した水浄化装置において、二酸化チタンを使用する形体及び方式は大きく分けて二つの種類が存在する：(1)固定触媒；二酸化チタンの光触媒粒子とバインダーを用いて基板に固定するか、又はチタニウムアルコキシド等からゾルゲル法などによって基板の表面に二酸化チタン薄膜を形成する方法で、二酸化チタンが水中でバルク状の形体として存在することを特徴とする方式。（２）分散触媒；二酸化チタンの光触媒粒子を被処理水中に分散させる方法で、二酸化チタンが水中で懸濁状態の形体として存在することを特徴とする方式。
【０００４】
従来、上記の固定触媒又は分散触媒を用いて、水中の有機不純物を分解する実験室レベルの試みが数多くなされてきた。光触媒反応は触媒粒子の表面における表面光化学反応であるので、より大きい表面積を得られる分散触媒の方が優れた性能を示す場合が多いことが明らかになっている。例えば二酸化チタンの表面積を増大させると、二酸化チタンの表面に吸着する有機不純物の分子量が増大するため、水中の有機不純物の分解反応において著しく大きい反応速度を得ることが出来ると考えられる。
【０００５】
しかしながら分散触媒を用いる場合は、水中に分散している二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離し、被処理水（浄化された水）は目的の流路に流し、一方で二酸化チタンは未処理の被処理水と混合し再利用する必要がある。しかしながら、二酸化チタンの粒子径はナノメートルオーダーであるため、例えば水中から酸化チタンを分離する目的で高分子製のフィルターなどを用いると、フィルターは直ちに目詰まりを起こす。別の方法として、重力に起因した自然沈降による固液分離が挙げられるが、ナノメートルオーダーの二酸化チタン粒子が沈降する速度は非常に遅く、現実的には非常に困難である。従って、分散触媒は二酸化チタンの繰り返しの使用に大きな難点を有する。
【０００６】
ナノメートルオーダーよりも大きいサイズの二酸化チタン粒子を用いれば、いくらかの触媒性能を犠牲にするが、二酸化チタンと処理後の被処理水の固液分離が容易になると考えられる。しかしながら二酸化チタンの粒子径と光触媒活性の間には逆の相関があり、一般的に優れた性能を有する結晶系がアナターゼ型の二酸化チタンは、合成上の制限から粒子径が最大でも数百ナノメートルの粒子に限られる。粒子径が1μmを超える二酸化チタンは、そのすべてが光触媒活性の低いルチル型である。従って、光触媒活性の高いアナターセ型の二酸化チタンを用いる場合には、粒子径を大きくして固液分離の問題を解決することは事実上不可能である。
【０００７】
上記のような二酸化チタンの分散触媒における使用上の難点を解決する従来技術として、特許文献１には、粉末状光触媒による水の浄化方法が開示されている。この文献では、二酸化チタンの粉末と水酸化鉄微粒子及び/又は水酸化アルミニウム微粒子とを水中で共存させる。水処理後の任意のタイミングで高分子凝集剤を添加することにより、二酸化チタンと上記の微粒子は凝集する。この複合粒子は沈降分離速度が二酸化チタン単体と比べると早いため、高い分離効率を得ることが出来る。複合粒子の状態の二酸化チタンは、その表面活性サイトが高分子凝集剤や前記微粒子に覆われているため、光触媒の性能が失活している状態にある。従って二酸化チタンを再度活性化する目的で、光化学反応容器内において複合粒子に紫外光を照射し、高分子凝集剤を二酸化炭素まで分解する必要がある。すなわち、この再活性化プロセスは相当な量の紫外線が必要となり、水処理装置全体のエネルギー効率が低下してしまうという大きな欠点がある。
【０００８】
他方、従来技術として電磁石を用いて二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離する方法が特許文献２に開示されている。磁性により固液分離する方法は粒子径が小さく沈降速度の遅い粒子の固液分離において一般的に用いられる方法であり、特許文献１に示されたように回収した二酸化チタンを再度活性化する処理が不必要であるという優れた特徴を有する。しかしながら、特許文献２に開示された光触媒では、20-30mmの大きい粒子径を有するカーボンビーズの上に二酸化チタン多層膜が形成されている。二酸化チタンの単位質量当たりの表面積が小さくなると、二酸化チタンの表面に吸着する有機不純物の分子量が減少し、水中の有機不純物の分解反応において反応速度が低下する。特許文献２に開示された光触媒は単位質量当たりの表面積が小さいため、水中の有機不純物の分解反応において反応速度が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平9-174067号公報
【特許文献２】特開2003-18450号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電磁石を用いて二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離する方法において、吸着する有機不純物の分子量を増加させることにより、光触媒反応の反応速度を上昇させる二酸化チタンの分散触媒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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、被処理水中の有機不純物を分解する二酸化チタンの分散触媒においては二酸化チタンおよび磁性を有する多孔体から構成されることを特徴とする。電磁石を用いて二酸化チタンと処理後の被処理水を固液分離する方法において、二酸化チタンの分散触媒を構成する多孔体により吸着する有機不純物の分子量を増加させることにより、光触媒反応の反応速度を上昇させる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の二酸化チタンの分散触媒を用いた水処理方法によれば、二酸化チタンの分散触媒を構成する多孔体により吸着する有機不純物の分子量を増加させることにより、光触媒反応の反応速度を上昇させる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１における二酸化チタン分散触媒の模式図
【図２】本発明の実施の形態2における水処理装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（実施の形態１）
図１において、二酸化チタン102は多孔体101の表面に担持されており、多孔体101には磁性体粒子103も同時に担持されている。
【００１６】
本構成によれば多孔体101の細孔内に被処理水中の有機不純物を吸着した後、二酸化チタン102によって多孔体101の細孔内に吸着した有機不純物を分解することができる。多孔体101には磁性体粒子103も同時に担持されていることから有機不純物の分解後は、電磁石によって二酸化チタンの分散触媒を分離することができる。
【００１７】
二酸化チタン102の粒子径は5nm〜500nm程度である。また、多孔体101の粒子径は5-50mmであり、その材料はゼオライト、メソポーラスシリカ、メソポーラスカーボンもしくは活性炭のいずれかである。
磁性体粒子103の粒子径は5-20nm程度であり、コバルトで構成されているが、他の常磁性材料であってもよい。
【００１８】
（実施の形態２）
図２において、水処理装置203は紫外線ランプ204および攪拌パドル205で構成されている。水処理装置203に導入された被処理水201は、ともに導入された二酸化チタンの分散触媒202と攪拌・混合される。二酸化チタンの分散触媒202と被処理水201を混合した混合水に紫外線ランプ204を用いて二酸化チタンの分散触媒の励起光を照射し、被処理水中の有機不純物を分解する。その後、二酸化チタンの分散触媒を混合した混合水は電磁石206から構成された回収装置20７に導入される。電磁石206に電気を供給し磁性を持たせることにより、二酸化チタンの分散触媒が電磁石206に吸着して二酸化チタンの分散触媒が分離される。二酸化チタンの分散触媒が分離された後の被処理水は被処理水貯水槽208に送られ、その後廃棄される。
【００１９】
また、電磁石206への電気の供給を停止して、電磁石206に吸着した二酸化チタンの分散触媒を回収装置20７中に分散させる。その後、被処理水貯水槽208から被処理水209を回収装置207に再送し、回収装置20７中に分散された二酸化チタンの分散触媒と被処理水209を混合する。二酸化チタンの分散触媒と被処理水が混合された混合水210を水処理装置203に返送することで、二酸化チタンの分散触媒を再利用する。上述の二酸化チタンの分散触媒の再利用工程の際は水処理装置203から回収装置20７への二酸化チタンの分散触媒202と被処理水201を混合した混合水の導入は停止する。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明にかかる水の浄化技術は、水中の有機不純物を分解する機能を有し、排水の処理方法等として有用である。また飲料水の製造等の用途にも応用できる。
【符号の説明】
【００２１】
101 多孔体
102 二酸化チタン
103 磁性体粒子
201 被処理水
202 二酸化チタンの分散触媒
203 水処理装置
204 紫外線ランプ
205 攪拌パドル
206 電磁石
207 回収装置
208 被処理水貯水槽
209 被処理水
210 二酸化チタンの分散触媒と被処理水が混合された混合水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機不純物を吸着する多孔体と、二酸化チタン粒子および二酸化チタンの分散触媒の分離を可能にする磁性体粒子から構成されることを特徴とする光触媒体。
【請求項２】
請求項１に記載の光触媒体において、前記二酸化チタンが多孔体の表面に担持されていることを特徴とする光触媒体。
【請求項３】
請求項１に記載の光触媒体において、前記磁性体粒子が多孔体の表面もしくは多孔体中に形成されていることを特徴とする光触媒体。
【請求項４】
請求項１−３に記載の光触媒体を用いた水処理装置であって、有機不純物を分解する分解槽、光触媒体を分離する回収装置、被処理水を貯水する貯水槽で構成されることを特徴とする。
【請求項１】
有機不純物を吸着する多孔体と、二酸化チタン粒子および二酸化チタンの分散触媒の分離を可能にする磁性体粒子から構成されることを特徴とする光触媒体。
【請求項２】
請求項１に記載の光触媒体において、前記二酸化チタンが多孔体の表面に担持されていることを特徴とする光触媒体。
【請求項３】
請求項１に記載の光触媒体において、前記磁性体粒子が多孔体の表面もしくは多孔体中に形成されていることを特徴とする光触媒体。
【請求項４】
請求項１−３に記載の光触媒体を用いた水処理装置であって、有機不純物を分解する分解槽、光触媒体を分離する回収装置、被処理水を貯水する貯水槽で構成されることを特徴とする。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２５４４２４（Ｐ２０１２−２５４４２４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２９８９６（Ｐ２０１１−１２９８９６）
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１０日（２０１１．６．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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