繊維状光触媒体の製造方法
【課題】 光触媒作用を効率良く発揮させることができる光触媒体及びこれの製造方法、並びにこのような光触媒体を用いた浄化装置を提供する。
【解決手段】 光触媒作用を有する繊維状の光触媒体であって、少なくとも、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなることを特徴とする繊維状光触媒体、及びこのような繊維状光触媒体の製造方法、並びにこのような繊維状光触媒体を具備する浄化装置。
【解決手段】 光触媒作用を有する繊維状の光触媒体であって、少なくとも、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなることを特徴とする繊維状光触媒体、及びこのような繊維状光触媒体の製造方法、並びにこのような繊維状光触媒体を具備する浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒体及びこれの製造方法、並びにこれを利用した浄化装置に関し、特には、大きな比表面積を有する光触媒体等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外光照射下の光触媒により水や空気を浄化する技術が知られている。光触媒としては、酸化物半導体、特に酸化チタン（ＴｉＯ２）は優れた触媒作用があり、化学的に安定であり、溶出して環境汚染する可能性の低い安全な化合物であることが知られている。
【０００３】
酸化チタンの光触媒作用を利用して各種の環境汚染物質の分解除去が行われている。例えば、水の浄化、又は水中のアンモニア、アルデヒド類、アミン類等の悪臭物質の分解、及び菌類の殺菌、藻類の殺藻等に利用されている。
空気やガスの処理については、例えば、トイレの尿臭、ペットの臭い、煙草の臭い等の悪臭物質の分解、又は焼却炉から排出される窒素化合物、硫化化合物、ダイオキシン等の環境汚染物質の分解除去においても酸化チタンの光触媒作用が使われている。
【０００４】
酸化チタンを各種用途の光触媒として使用する場合、他の無機材料を担体として、それに担持させることが一般的である。
なお、本明細書中においては、光触媒作用を発揮する材料を単に「光触媒体」と呼ぶ。
これには、均一な素材で構成されており、単独で光触媒作用を有するものや、担体と該担体に担持させた光触媒材料とからなる複合材料等が含まれる。
【０００５】
光触媒体を多孔質形状とし、光触媒材料が被処理物と接触できる比表面積を大きくすることにより、光触媒作用を効率良く発揮させるための試みが多々なされている。
例えば特許文献１には、陶磁器、セメント、発泡コンクリート、レンガ、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸バリウム等を主体とするセラミックス多孔体が担体として好ましいことが開示されている。この公報において多孔体と記述されているものは、上記各種無機材料をジョークラッシャー等の粉砕機により破砕し数ｍｍ〜数十ｍｍ、典型的には１〜１００ｍｍの細片状若しくは粒状にしたものである。
【０００６】
また、別の例として、特許文献２において活性炭、ゼオライト、シリカゲル、アルミナ、パーライト、多孔質ガラスが担体として用いられており、特に活性炭が好ましい旨が開示されている。活性炭の製造方法として、椰子殻を乾燥して微粉を除いた活性炭原料をロータリーキルン（５５０〜６５０℃）中に投入し、赤熱した状態で水蒸気、炭酸ガス（燃焼ガス中のＣＯ２）及び酸素（燃焼空気中のＯ２）の混合雰囲気にて、温度８５０〜９５０℃で活性化処理することにより、粒状の活性炭としている。
【０００７】
また、特許文献３では、炭化ケイ素、シリカガラス、活性炭、ゼオライト、セピオライトを主成分とする無機紙を担体としその上に薄膜状酸化チタンを形成する例が示されている。
また、特許文献４及び５では、活性炭、活性アルミナ、シリカゲル、多孔質ガラスが担体として用いられている光触媒を用いた水浄化装置の例、及び排気ガス浄化装置の例が示されている。
【０００８】
また、特許文献６では、ニッケルカドミウム、ステンレス、バーマロイ、アルミニウム合金、銅の多孔質金属担体、及び活性炭、活性アルミナ、シリカゲル、多孔質ガラス粒状セラミックス、粘土の多孔質セラミック担体の例が示されている。
また、特許文献７では、活性炭、活性アルミナ、シリカゲル、多孔質ガラスが担体として用いられる光触媒を用いた排気ガス処理装置の例が示されている。
【０００９】
しかしながら、これらのような従来の多孔質光触媒体は、比表面積を大きくするために多孔質としているにも関わらず、担体が紫外光に対して不透明であること等の理由から、その大きな比表面積から期待されるほどの処理能力が得られていなかった。また、これらのような従来の多孔質光触媒体は、一般に、耐熱性、耐薬品性、化学的安定性等が低く、また、機械的強度が弱い等の問題があり、長期間の使用や、特には、過酷な条件下での使用には耐えられなかった。
【００１０】
また、不純物が多く含まれる場合、例えば水の浄化においては、担体の不純物元素含有量が多くまた化学安定性が低いために、浄化した水にこれら担体に含有される不純物元素が溶出して混入することが多々起こる。あるいは空気の浄化においては、担体の不純物元素含有量が多くまた担体が破砕された粉体であるために、浄化した空気にこれら担体に含有される不純物元素含有微粉末が混入することが多々起こる。特に、処理する気体が高温で腐蝕性ガスを含んでいる場合には、担体が劣化することにより二次的不純物が発生してしまう。
【００１１】
また酸化チタンは、高いエネルギーバンドギャップ構造（３．２ｅＶ）を持つため、波長が短い紫外光しか吸収せず、可視光による触媒反応がほとんど起こらない。室内灯や太陽光の大部分を占める可視光を有効利用できる可視光応答型の酸化チタン光触媒の開発とその応用が現在の重要な研究課題である。
【００１２】
このような可視光応答型の酸化チタン粉末の製造方法が種々提案されている。例えば、特許文献８、９には、二酸化チタン等の光触媒にバナジウム、クロム、マンガン等の金属イオンを化学的にドーピングする製造方法が記載されている。しかしながら、前述のバナジウム等の金属陽イオンを化学的にドーピングした光触媒では、可視光における光触媒活性は認められるものの、ドーピング前の光触媒が本来保有していた紫外光における光触媒活性の低下が見られる場合が多い。これは、新たに導入した金属イオンが光触媒表面に凝集することにより新たな不純物エネルギー順位を形成し、これが紫外光照射により生じる正孔と電子の再結合中心となり、光触媒活性の低下をもたらすからだと推定されている。
【００１３】
特許文献１０では、二酸化チタンの光触媒にバナジウム、クロム、マンガン等の遷移金属をイオン注入する製造方法が示されている。遷移金属イオンを注入した光触媒では注入された遷移金属イオンは、二酸化チタンの表面構造を劣化させることなく内部の適切な深さに均一に注入されるため、注入前に備えていた紫外光における固有の光触媒活性を維持しながら可視光においても光触媒活性が発現する。しかし、イオン注入する製造方法は大規模な製造装置や厳密な製造工程管理等を必要とし、生産性及びコストの両面で問題がある。
【００１４】
特許文献１１では、可視光にも応答する光触媒材料として窒素を含む金属酸化物と酸化チタンの複合微粒子を高収率で得ることが示されている。また特許文献１２では、この類似発明として窒素を含む酸化チタン微粒子を高収率で得ることが示されている。しかしながら、これらの文献に示された酸化チタンから成る光触媒は微粒子形状であるため、そのまま光触媒反応装置（ユニット）に搭載して、排気ガス処理や排水処理に使用できるものではなかった。
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−２３０３０１号公報
【特許文献２】特開２００６−１１０４７０号公報
【特許文献３】特開２００４−３０５８８３号公報
【特許文献４】特開２００３−１８１４７５号公報
【特許文献５】特開２００２−３５５５１号公報
【特許文献６】特開２００１−２３２２０６号公報
【特許文献７】特開２００１−１７０４５３号公報
【特許文献８】特開平９−１９２４９６号公報
【特許文献９】特開２０００−２３７５９８号公報
【特許文献１０】特開平９−２６２４８２号公報
【特許文献１１】特開２００５−１３８００８号公報
【特許文献１２】特開２００５−１３９０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、光触媒作用を効率良く発揮させることができる光触媒体及びこれの製造方法、並びにこのような光触媒体を用いた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】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光触媒作用を有する繊維状の光触媒体であって、少なくとも、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなることを特徴とする繊維状光触媒体を提供する。
【００１８】
このようなシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体であれば、シリカチタニア系ガラス繊維そのものを、光触媒作用を有する光触媒体として機能するものとして使用することができる。このような繊維状光触媒体であれば、光触媒体の表面に照射される紫外光や可視光が光触媒体の内部まで透過、散乱しながら効率良く吸収される。このことにより大きな体積を有する光触媒体であっても、表面のみならず内部において光触媒反応を効率よく生じさせることができる。
また、繊維状であるがゆえに通気性及び通水性が高く、また、光触媒材料と被処理物とが接触することができる比表面積が大きい光触媒体とすることができる。そして、これらの特徴を同時に有することにより、光触媒作用を効率よく発揮させることができる。
また、繊維状の光触媒体であるので、粒子状の光触媒体と比較して飛散しにくく取扱いが容易である。また、塊状の光触媒体と比較して任意の形状に成形しやすく、任意の形状の容器に容易に充填することができる。
また、繊維状の光触媒体であるので、目的に応じて充填密度、空隙率を容易に任意に設定することができる。また、用途に合わせて布状、ウール状、フェルト状等にすることができる。
【００１９】
この場合、前記繊維状光触媒体は、繊維径が５〜５００μｍであり、繊維長が１００ｍｍ以上であることが好ましい。
このように、本発明の繊維状光触媒体の繊維径が５μｍ以上であれば、繊維の強度を十分確保できるので、切断されて粒子様になってしまうことなどを防止することができ、より取り扱い易いものとすることができる。また、繊維径が５００μｍ以下であれば、繊維の強度が強すぎることなく適度であり、より取り扱い易いものとすることができる。
なお、本明細書における繊維径とは、通常用いられる定義に準じ、繊維の断面積を、該繊維の断面形状が真円形であると仮定して換算したときの直径に該当する値を意味するものであり、断面形状が真円形でなくとも定義されるものである。
また、本発明の繊維状光触媒体の繊維長が１００ｍｍ以上であれば、より取り扱いしやすい繊維状光触媒体とすることができる。
【００２０】
また、前記繊維状光触媒体が、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくとも一種を含有するものとすることができる。
このように、繊維状光触媒体が、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくとも一種を含有するものであれば、繊維状光触媒体それ自体を、可視光応答性を有する光触媒体とすることができる。その結果、紫外光のみならず可視光照射下において光触媒作用を効率良く発揮させることができる。
【００２１】
そして、この場合、前記チタン以外の遷移金属元素が、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、パラジウム、銀、白金、セリウム、ネオジムの少なくともいずれか一種であることが好ましい。
このように、本発明に係る繊維状光触媒体に含有させるチタン以外の遷移金属元素を上記の遷移金属元素とすれば、特に可視光領域において、より高い光触媒作用を有する光触媒体とすることができる。
【００２２】
また、上記のいずれかの繊維状光触媒体の表面に、さらに、光触媒材料の被膜が形成されている繊維状光触媒体とすることができる。そして、この場合には、前記光触媒材料の被膜が少なくとも主成分として酸化チタンを含有するものであることが好ましい。
このように、上記のいずれかの繊維状光触媒体の表面に、さらに光触媒材料の被膜が形成されている繊維状光触媒体であり、さらにその主成分が酸化チタンであれば、より光触媒作用を効率よく発揮させることができる光触媒体とすることができる。
【００２３】
この場合、前記光触媒材料の被膜が、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種及び／又は窒素を含有することが好ましい。
光触媒材料の被膜をこのような成分とすれば、被膜についても、可視光領域において、高い光触媒作用を有する光触媒体とすることができる。
【００２４】
また、本発明は、少なくとも、光触媒反応器と、該光触媒反応器内に収容された、上記のいずれかの繊維状光触媒体と、少なくとも紫外光を含む光線を発する光源とを具備し、前記光源で前記繊維状光触媒体に前記光線を照射しながら、前記繊維状光触媒体を収容した前記光触媒反応器に被処理物を通過させ、光触媒作用によって被処理物を浄化処理するものであることを特徴とする浄化装置を提供する。
【００２５】
このような、本発明に係る繊維状光触媒体を具備する浄化装置であれば、光触媒作用を効率よく発揮させることができる光触媒体を具備する浄化装置であるので、高い処理能力を有する浄化装置とすることができる。
【００２６】
また、本発明は、シリカを主成分とし、酸化チタンを含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造する方法であって、少なくとも、ケイ素化合物及びチタン化合物を原料として、火炎加水分解法により、シリカチタニア系ガラス母材を形成する母材形成工程と、該シリカチタニア系ガラス母材を棒状体に加工する工程と、該シリカチタニア系ガラス棒状体を溶融し、繊維状に線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する線引き工程とを含むことを特徴とする繊維状光触媒体の製造方法を提供する。
【００２７】
このような繊維状光触媒体の製造方法であれば、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなる光触媒体を製造することができる。
【００２８】
この場合、前記母材形成工程において、さらにチタン以外の遷移金属元素のいずれか一種以上を含む化合物を原料とし、該遷移金属元素をさらに含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造することができる。
このように、母材形成工程において、さらにチタン以外の遷移金属元素のいずれか一種以上を含む化合物を原料とすることにより、遷移金属元素をさらに含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造する繊維状光触媒体の製造方法であれば、繊維状光触媒体それ自体を、可視光応答性を有する光触媒体とすることができる。その結果、紫外光のみならず可視光照射下において光触媒作用を効率良く発揮させることができる繊維状光触媒体とすることができる。
【００２９】
また、前記線引き工程よりも後に、前記シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、さらに、光触媒材料の被膜を形成する被膜形成工程を有することができる。また、この場合には、前記被膜形成工程の際に、前記光触媒材料の被膜として、少なくとも主成分として酸化チタンを含有する被膜を形成することが好ましい。
このように、シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、さらに、光触媒材料の被膜を形成する被膜形成工程を有する繊維状光触媒体の製造方法であり、さらにその被膜の主成分が酸化チタンであれば、より光触媒作用を効率よく発揮させることができる光触媒体を製造することができる。
【００３０】
また、この場合、前記酸化チタンを含有する光触媒材料の被膜として、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種を含有する被膜を形成することができる。
このように、酸化チタンを含有する光触媒材料の被膜を、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種を含有する被膜とすれば、特に可視光領域において、より高い光触媒作用を有する光触媒体とすることができる。
【００３１】
また、前記被膜形成工程よりも後に、アンモニア含有雰囲気下、４００℃〜１０００℃にて熱処理を行う工程を有することができる。
このようなアンモニア含有雰囲気下、４００℃〜１０００℃にて熱処理を行えば、上記の光触媒材料被膜に対して窒素ドープ処理を行うことができる。よって、光触媒材料被膜に可視光応答性をより確実に付与することができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上のように、本発明に従う繊維状光触媒体及び繊維状光触媒体の製造方法であれば、シリカチタニア系ガラス繊維そのものを、光触媒作用を有する光触媒体として機能するものとして使用することができる。また、シリカチタニア系ガラス繊維そのものを光触媒体とすることができるので、通気性及び通水性が高く、光触媒材料と被処理物とが接触することができる比表面積が大きい繊維状光触媒体とすることができる。また、チタン以外の遷移金属元素を含有させることにより、繊維状光触媒体そのものに可視光応答性を付与することもできる。さらに、この繊維状光触媒体に光触媒作用を有する被膜を形成することで、より一層の高い光触媒作用、特に可視光応答性を有する光触媒作用を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３４】
図１に、本発明に係る繊維状光触媒体の構造を模式的に例示する。
図１（ａ）は、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体１１である。なお、図１（ａ−１）には、繊維の軸方向に沿った断面、図１（ａ−２）には、繊維の軸方向に対する垂直断面をそれぞれ模式的に示している。
【００３５】
このようなシリカチタニア系ガラス繊維（繊維状光触媒体）１１は、以下のような製造方法で製造することができる。
すなわち、
（工程１） ケイ素化合物及びチタン化合物を原料として、火炎加水分解法により、シリカチタニア系ガラス母材を形成する母材形成工程
（工程２） 該シリカチタニア系ガラス母材を棒状体に加工する工程
（工程３） 該シリカチタニア系ガラス棒状体を溶融し、繊維状に線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する線引き工程
を順次行う方法である。
【００３６】
以下、この製造方法をより具体的に説明する。
まず、以下のようにしてシリカチタニア系ガラス母材を形成する（工程１）。
高純度ケイ素化合物と高純度チタン化合物、例えばＳｉＣｌ４とＴｉＣｌ４を原料とし、酸水素ガス又はプロパンガス等を用いた火炎加水分解法によりシリカチタニア系ガラス母材を形成する。ここで行う火炎加水分解法は高温（１７００℃以上）にして直接透明なシリカチタニア系ガラス母材を得る方法である直接溶融法や、比較的低温（５００〜１０００℃程度）で一度白色不透明のスート体を作った後、減圧下にて加熱溶融させてシリカチタニア系ガラス母材を得る方法であるスート法等の方法を適宜選択して行うことができる。火炎加水分解法以外の製造方法を用いて上記シリカチタニア系ガラス母材を製造してもよいが、火炎加水分解法によれば、より高純度なものが得られ、ＯＨ基の濃度も調節しやすいので好ましい。その他のシリカチタニア系ガラスの原料としては、ガス化可能な原料であれば特に限定されないが、Ｓｉ前駆体としてはＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ３Ｃｌなどの塩化物、ＳｉＦ４、ＳｉＨＦ３、ＳｉＨ２Ｆ２などのフッ化物、ＳｉＢｒ４、ＳｉＨＢｒ３などの臭化物、ＳｉＩ４などのヨウ化物といったハロゲン化ケイ素化合物、またＲｎＳｉ（ＯＲ）４−ｎ（ここにＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数）で示されるアルコキシシランが挙げられ、また、Ｔｉ前駆体としては、ＴｉＣｌ４、ＴｉＢｒ４などのハロゲン化チタン化合物、またＲｎＴｉ（ＯＲ）４−ｎ（ここにＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数）で示されるアルコキシチタンが挙げられる。また、Ｓｉ前駆体およびＴｉ前駆体として、シリコンチタンダブルアルコキシドなどのＳｉとＴｉの化合物を使用することもできる。
【００３７】
次に、以下のようにして、上述のシリカチタニア系ガラス母材を棒状体に加工する（工程２）。これにより、次の工程３における繊維形状への線引き加工を行いやすくする。
例えば、シリカチタニア系ガラス母材を加熱軟化させる熱加工により、直径５〜１０ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ程度の棒状体に延伸加工する。このような加工方法とした場合、シリカチタニア系ガラス棒状体の軸方向に対する垂直断面形状は真円や楕円に近いものとなりやすい。
また、シリカチタニア系ガラス母材を切断機により加工し、必要に応じて、軸方向に対する垂直断面形状が正方形、長方形、三角形その他多角形の細長い棒状体に加工してもよい。寸法としては、多角形の辺の長さの合計が１０〜５０ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ程度とする。垂直断面形状を多角形とすることにより、次の工程３の、繊維形状への延伸（線引き加工）によって繊維に適度な曲げ（ファイバーカール）を形成することができる。
【００３８】
次に、以下のようにして、上述のシリカチタニア系ガラス棒状体を溶融し、繊維状に線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する（工程３）。
例えば、工程２で得られた直径５〜１０ｍｍの合成シリカチタニア系ガラス棒状体を１０〜３０本並列させてプロパン等の火炎、あるいは、ヒーターによる直接電気抵抗加熱、高周波誘導加熱にて加熱、溶融軟化し、延伸（線引き）させて、繊維径５００μｍ程度以下のシリカチタニア系ガラス繊維とする。なお、溶融線引きの際の加熱方法は上記の方法を複数組み合わせてもよい。
このまま冷却し、連続繊維（長繊維）のシリカチタニア系ガラス繊維としてもよいが、このあと更に引き続き高速の流体を吹き付ける（例えば、火炎でジェットブローする）ことにより、繊維径５〜１００μｍ程度のウール状（短繊維）のシリカチタニア系ガラス繊維を作製してもよい。
【００３９】
以上のような各工程を経ることにより、図１（ａ）に示したような、シリカチタニア系ガラス繊維１１を製造することができる。
また、シリカチタニア系ガラス繊維を収束したり、紡糸したり、編み込んだりして、ストランド、ヤーン、クロス等と呼ばれる形態として、シリカチタニア系ガラス繊維としてもよい。その他、本発明に係るシリカチタニア系ガラス繊維の形態としては、一般にシリカ系のガラス繊維がとりうるような種々の形態を適宜選択することができる。
【００４０】
このシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体は、シリカチタニア系ガラス繊維一本の寸法については、下記のような理由により、直径（繊維径）が５〜５００μｍ、長さ（繊維長）は１００ｍｍ以上であることが好ましい。
なお、本明細書における繊維径とは、前述したように、繊維の断面積を、該繊維の断面形状が真円形であると仮定して換算したときの直径に該当する値を意味するものである。また、上記好ましい繊維径、繊維長の限定は、多数本のシリカチタニア系ガラス繊維の平均（平均繊維径、平均繊維長）により規定することができる。
【００４１】
上記のように、本発明の繊維状光触媒体に係るシリカチタニア系ガラス繊維の繊維径を５μｍ以上とすることが好ましい。このようにすれば、シリカチタニア系ガラス繊維の強度を十分確保できるので、切断されて粒子様になってしまうことなどを防止することができ、より取り扱い易いものとすることができる。また、繊維径が５００μｍ以下であれば、繊維の強度が強すぎることがなく適度であり、より取り扱い易いものとすることができる。
また、本発明の繊維状光触媒体に係るシリカチタニア系ガラス繊維の長さが１００ｍｍ以上であれば、繊維状光触媒体をまとめて綿状の塊体とするときに適度にまとまりやすく、より取り扱いしやすい繊維状光触媒体とすることができるので好ましい。また、このシリカチタニア系ガラス繊維の長さは、３０００ｍｍ以下であれば、繊維状光触媒体をまとめて綿状の塊体とするときに適度にまとまりやすく、より取り扱いやすい繊維状光触媒体とすることができるので好ましい。
【００４２】
なお、シリカチタニア系ガラス繊維の繊維径は、シリカチタニア系ガラス棒状体を線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維とする時の、棒状体の送り速度、繊維の引っ張り速度、火炎量や温度等により制御することができる。
また、シリカチタニア系ガラス繊維の繊維長は、短繊維とする場合は、例えば、高速の流体を吹き付ける際の流速等により制御することができる。また、連続繊維とする場合には、巻き取った後に適度な長さで切断することなどにより調節することができる。
【００４３】
また、シリカチタニア系ガラス繊維中のＯＨ基は、１〜１０００ｗｔ．ｐｐｍ程度含有させておくことが好ましく、１〜１００ｗｔ．ｐｐｍ程度とすることがより好ましい。このようにすれば、耐紫外線性が向上し、特に光透過率低下と強度劣化を防止できる。また、この劣化によって引き起こされる光触媒材料被膜の剥離を抑制することができる。
これは、ＯＨ基はシリカのＳｉ原子とＯ原子の網目構造（ネットワークストラクチャー）を終端させるもの（ネットワークターミネーター）であり、適量存在させることによりシリカチタニア系ガラス構造を安定化させ（リラックスさせ）、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの結合角度を安定値にすることができ、その結果、紫外線照射による劣化を抑制させることが可能となるからである。ＯＨ基濃度は、Ｄ．Ｍ．Ｄｏｄｄ ａｎｄ Ｄ．Ｂ．Ｆｒａｓｅｒ， Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＯＨ ｉｎ ｆｕｓｅｄ ｓｉｌｉｃａ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．３７ （１９６６） ｐ．３９１１に従う。
【００４４】
また、上記工程２において、シリカチタニア系ガラス母材を、軸方向に対する垂直断面形状が正方形、長方形、三角形その他多角形の細長い棒状体に加工した場合には、線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維としたときに、該シリカチタニア系ガラス繊維の垂直断面形状が正方形、長方形、三角形その他多角形になりやすいが、このような断面形状であれば、シリカチタニア系ガラス繊維に適度な曲げ（ファイバーカール）を形成することができる。シリカチタニア系ガラス繊維はストレートであるよりも、むしろカールがある方が繊維状光触媒体を塊状にまとめて取り扱う際の容易性の点から好ましい。
カールの程度は繊維を空気中の室温２５℃、相対湿度５０％以下の雰囲気にて乾燥したシリカガラス板上に上から落下させた後の形状から判断することが可能である。
【００４５】
このときのシリカチタニア系ガラス繊維の曲率半径、すなわちファイバーカール半径は、２００ｍｍ以下が好ましく、１００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。ファイバーカール半径の好ましい範囲の下限は特に限定されるものではないが、取り扱いのし易さ等により決定することができ、例えば１０ｍｍ程度である。
【００４６】
上記したようなシリカチタニア系ガラス繊維の製造方法であれば、極めて純度の高いシリカチタニア系ガラスからなる繊維とすることができる。
【００４７】
また、シリカチタニア系ガラス棒状体を線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する際に、高速のガス流体を吹き付けることによって短繊維のシリカチタニア系ガラス繊維を作製することもできる。このように、ガラス棒状体を線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する際に高速のガス流体を吹き付けることによって、短繊維（ウール）のシリカチタニア系ガラス繊維を作製すれば、繊維状光触媒体を塊状等の任意の形状にまとめることがより容易にすることができ、より取り扱いしやすくすることができる。
【００４８】
なお、シリカチタニア系ガラス棒状体を線引きする際の溶融方法は特に限定されるものではないが、例えば、火炎加熱、ヒーターによる直接電気抵抗加熱、高周波誘導加熱の少なくとも１手法により行うことができ、各種の方法を適宜選択して行うことができる。
【００４９】
また、本発明に係る繊維状光触媒体１１は、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくとも一種を含有するものとすることができる。この添加金属元素としての遷移金属元素は、被処理体の特性又は光反応の光源の種類等にもよるが、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、パラジウム、銀、白金、セリウム、ネオジム等を採用することができる。なお、このチタン以外の遷移金属元素の含有量は、チタン以外の遷移金属元素の合計含有量が５０００ｗｔ．ｐｐｍ以下となるようにすることが好ましい。
【００５０】
なお、シリカチタニア系ガラス繊維１１の各元素の含有量は、好ましくは、チタンが５〜１５ｗｔ．％であり、チタン以外の遷移金属元素の合計含有量が１００〜１０００ｗｔ．ｐｐｍである。
【００５１】
このように繊維状光触媒体１１にチタン以外の遷移金属元素の一種を含有させたものを製造するには、上記した工程１の母材形成工程において、さらにチタン以外の遷移金属元素のいずれか一種以上を含む化合物を原料とし、該遷移金属元素をさらに含有するシリカチタニア系ガラス母材を形成し、該母材から繊維状光触媒体を製造する。
【００５２】
また、図１（ｂ）に示したように、シリカチタニア系ガラス繊維１１の表面に、光触媒材料の被膜１２を形成し、これを繊維状光触媒体１３としてもよい。なお、図１（ｂ−１）には、繊維の軸方向に沿った断面、図１（ｂ−２）には、繊維の軸方向に対する垂直断面をそれぞれ模式的に示している。
【００５３】
上記の光触媒材料の被膜形成処理は、例えばスパッタリング法、グロー放電法、熱蒸着法、真空蒸着法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、イオンプレーティング法のいずれかの方法で行うことができる。また光触媒材料の被膜形成処理を、光触媒材料の前駆体となる有機金属化合物の溶液又は光触媒材料の前駆体となる化合物からなる微粒子の分散液にシリカチタニア系ガラス繊維を含浸させた後、加熱乾燥処理することにより行うことができる。
【００５４】
被膜１２となる光触媒材料としては酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、チタン酸ストロンチウム等が挙げられるが、光触媒活性が高い等の理由により酸化チタンが好ましい。酸化チタンには、純粋な無水酸化チタン（ＴｉＯ２）の他、各種の水和物等が包含される。また、ドープ剤やバインダーなどを含んでいてもよい。また必要に応じて、さらにチタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種を含むものとしてもよい。
本発明の実施にあたって使用する酸化チタンとしては、光触媒活性の高いアナターゼ型結晶構造のもの（アナターゼ型酸化チタン）が特に好ましい。
以下では、好適な例として、酸化チタンの被膜を形成する場合について主に説明する。
【００５５】
この光触媒材料被膜１２は、例えば、以下のような方法により形成することができる。大きく分けて２種類、すなわち、乾式法と湿式法が挙げられる。
【００５６】
第１の方法はシリカチタニア系ガラス繊維の表面への光触媒材料の蒸着である（乾式法）。蒸着法としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）を、スパッタリング法、グロー放電法、熱蒸着法、真空蒸着法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、イオンプレーティング法等の膜付け技術により蒸着することができる。技術的な手軽さやコスト面からは特に熱蒸着法が好ましい。被膜として形成される酸化チタンは二酸化チタン（ＴｉＯ２）が好ましく、構造としてはアナターゼ型酸化チタンが好ましい。
【００５７】
第２の方法は、光触媒材料の前駆体となる有機金属化合物の溶液、又は、光触媒材料の前駆体となる化合物からなる微粒子の分散液（酸化チタンの場合は、有機チタン化合物の溶液又は酸化チタン分散液）に、シリカチタニア系ガラス繊維を含浸させた後、加熱乾燥処理することにより行うものである（ディップコーティング法、湿式法）。
例えば、有機チタン化合物を酸触媒下で加水分解によって調整した酸化チタン（ＴｉＯ２）のゾル溶液にシリカチタニア系ガラス繊維を浸漬して含浸させ、次いで一定速度で引き上げて乾燥、３００〜７００℃程度で加熱焼成する。均一で高品質の酸化チタンの被膜を作製するためには、前述の浸漬・含浸・乾燥・焼成の各段階を複数回繰り返すのが好ましい。有機チタン化合物としては、チタンエトキシド［Ｔｉ（ＯＣ２Ｈ５）４］、チタンプロキシド［Ｔｉ（ＯＣ３Ｈ７）４］、チタンブロキシド［Ｔｉ（ＯＣ４Ｈ９）４］等のチタンアルコキシドが利用できる。酸触媒としては、例えば、塩酸、硫酸、硝酸などの無機酸、又は蓚酸、乳酸、酢酸などの有機酸を使用することができる。
【００５８】
シリカチタニア系ガラス繊維１１の表面部に形成する光触媒材料被膜の量は、特に限定されるものではなく、その用途や目的、被処理体の気体又は液体かの物質形態等に応じて適宜選択することができる。一般的にはシリカチタニア系ガラス繊維１００ｗｔ．％に対して、光触媒材料０．１〜５０ｗｔ．％程度を被膜として担持させることができる。
【００５９】
また、図１（ｃ）に示したように、シリカチタニア系ガラス繊維１１の表面の被膜１５をさらに窒素を含むものとして形成し、これを繊維状光触媒体１６としてもよい。なお、図１（ｃ−１）には、繊維の軸方向に沿った断面、図１（ｃ−２）には、繊維の軸方向に対する垂直断面をそれぞれ模式的に示している。
【００６０】
このような繊維状光触媒体は、図１（ｂ）に示したような光触媒材料の被膜１２を表面に形成したシリカチタニア系ガラス繊維１１に窒素ドープ処理を行うことによって製造することができる。
この窒素ドープ処理は、光触媒材料の被膜に窒素が添加されるものであれば特に限定されないが、好ましくは以下のような処理によって行うことができる。
すなわち、アンモニア（ＮＨ３）ガス含有雰囲気下で、４００℃〜１０００℃、好ましくは５００℃〜７００℃の温度範囲にて熱処理を行うことができる。このアンモニアガス熱処理は、例えばシリカガラスチャンバーを設置した電気加熱炉の中に光触媒材料被膜形成処理後のシリカチタニア系ガラス繊維を入れ、チャンバー内部をアンモニアガス雰囲気とし、次いで６００℃に昇温し、１時間保持後室温まで冷却処理を行う。また必要に応じて引き続きチャンバー内をアンモニアガスから窒素ガス雰囲気に切り替えて２００℃〜３００℃、１〜３時間程度のベーキング処理を行う。このベーキング処理は窒素ドープされた光触媒材料の被膜を物理的、化学的に安定化させる効果がある。
【００６１】
このような窒素ドープ処理を行うことにより、光触媒材料となる光触媒材料の被膜に窒素を添加し、光触媒材料に可視光応答性を付加することができる。
【００６２】
以上説明したように、本発明に係る繊維状光触媒体の製造方法によれば、光触媒作用を有する繊維状の光触媒体であって、少なくとも、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体を製造することができる。
この本発明にかかる繊維状光触媒体の断面構造の例を示す概念図を図２に示した。図２（ａ）〜（ｆ）それぞれ、以下の構造を有する。
（ａ） シリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体
（ｂ） チタン以外の遷移金属元素（ここではバナジウム、クロムを例示）が添加されたシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体
（ｃ） シリカチタニア系ガラス繊維に、光触媒材料（ここでは酸化チタン）被膜が形成された繊維状光触媒体
（ｄ） （ｃ）の繊維状光触媒体の酸化チタン被膜にチタン以外の遷移金属元素（ここではバナジウム、クロムを例示）が添加された繊維状光触媒体
（ｅ） （ｃ）の繊維状光触媒体の酸化チタン被膜に窒素が添加された繊維状光触媒体
（ｆ） （ｃ）の繊維状光触媒体の酸化チタン被膜にチタン以外の遷移金属元素（ここではバナジウム、クロムを例示）及び窒素が添加された繊維状光触媒体
【００６３】
なお、繊維状光触媒体１１は、繊維に含まれるアルカリ金属元素Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ各々の含有量が１００ｗｔ．ｐｐｂ以下、特には５０ｗｔ．ｐｐｂ以下、アルカリ土類金属元素Ｍｇ、Ｃａ各々の含有量が５０ｗｔ．ｐｐｂ以下、特には２０ｗｔ．ｐｐｂ以下とすることができる。
これらの金属元素は、それぞれ、作業者の人体、建築物の構成材料等から混入しやすいものであるが、本発明に係る繊維状光触媒体の製造方法によれば、繊維状光触媒体に含まれる上記の不純物金属元素を上記範囲に抑制することが可能である。このように、不純物金属元素が非常に少なく、高純度のシリカチタニア系ガラス繊維であれば、可視光の透過率がさらに高くなり、水の浄化処理や空気の浄化処理における光化学反応をより促進させることができる。また、不純物が少ないシリカチタニア系ガラス繊維であることにより、高温腐蝕性ガスや腐蝕性排水の処理時におけるシリカチタニア系ガラス繊維の変質、劣化、再結晶化（失透）及びそれによって起こる強度低下及び透過率低下等を効果的に防止することができ、光触媒体として利用する際の環境中への不純物の放出も防止することができる。このような高純度は、従来の焼結法等による多孔質光触媒体の製造方法などでは達成することは極めて困難であった。従って、本発明の繊維状光触媒体は、耐久性に関しても優れている。
このような光触媒体は、耐熱性、耐薬品性、耐紫外線性、耐候性があり、高温下での排ガス処理、腐蝕性の排水処理、腐蝕性の排ガス処理等に好ましい。
【００６４】
そして、本発明に係る繊維状光触媒体を光触媒反応器内に収容し、少なくとも紫外光を含む光線を発する光源により繊維状光触媒体に光線を照射しながら、繊維状光触媒体に被処理物を接触させ、光触媒作用によって被処理物を浄化処理する浄化装置とすることができる。
【００６５】
浄化装置の構成は、様々な態様とすることができる。図３に繊維状光触媒体と光源とを具備する汚染ガス浄化装置の一例として、繊維状光触媒体の中心部に紫外可視光源が配置された例を示した。なお、図３（ａ）は光触媒反応ユニットの側面方向から見た概略断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＡ−Ａ’面の概略断面図である。この汚染ガス浄化装置は、金属製（ステンレス、アルミニウム等）チャンバー２１に覆われており、例えばらせん状の仕切り板２２ａを有するシリカガラスチャンバー２２が反応器となる。また、その中心部に紫外可視光源２３が配置されている。本発明の繊維状光触媒体２５はシリカガラスチャンバー２２内に充填される。紫外可視光源２３により繊維状光触媒体２５に紫外可視光を照射しながら汚染ガス導入口２６から汚染ガスを導入し、繊維状光触媒体２５を通過させることにより汚染ガスを浄化し、浄化ガス排出口２７から浄化されたガスを排出させる。仕切り板２２ａはなくてもよいが、このようならせん状の仕切り板２２ａを反応器内に配置することで、光触媒体内におけるガスの通過距離を長くすることができ、汚染ガスの浄化処理を効果的に行うことができる。
なお、紫外可視光源２３は、少なくとも紫外光を含む光線を照射できるものであれば良いが、中圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、エキシマランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、レーザーダイオード、発光ダイオード等を用いることが可能である。
【００６６】
また、図４に繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する汚染ガス浄化装置の別の一例として、繊維状光触媒体の外周部に紫外可視光源が配置された例を示した。なお、図４（ａ）は光触媒反応ユニットの側面方向から見た概略断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＢ−Ｂ’面の概略断面図である。この汚染ガス浄化装置は金属製チャンバー３１に覆われたシリカガラス製外管３２内に、反応器として、仕切り板３４ａを有するシリカガラス製内管３４と紫外可視光源３３が配置されている。そして、シリカガラス製内管３４内に本発明の繊維状光触媒体３５が配置されている。紫外可視光源３３によりシリカガラス製内管３４内の繊維状光触媒体３５に紫外可視光を照射しながら汚染ガス導入口３６から汚染ガスを導入し、繊維状光触媒体３５を通過させることにより汚染ガスを浄化し、浄化ガス排出口３７から浄化されたガスを排出させる。
【００６７】
また、図５に繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する汚染ガス浄化装置のさらに別の一例を示した。なお、図５（ａ）は光触媒反応ユニットの上方から見た概略断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＣ−Ｃ’面の概略断面図である。この汚染ガス浄化装置は、特に車両等の排気ガス浄化処理ユニットに用いることができる。
この汚染ガス浄化装置は、楕円断面形状の筒型アルミニウム製排気ガス処理ユニットカバー４０の内部に光触媒反応器としてシリカガラス製光触媒反応チャンバー４１が配置されている。また、上記の楕円断面形状の焦点に相当する２箇所に紫外可視光源４３ａ、４３ｂが配置されている。また、シリカガラス製光触媒反応チャンバー４１の内部に繊維状光触媒体４２が配置されている。
また、車両のエンジンから排出される排気ガスは排気ガス導入口４４に入り光触媒反応により浄化された後、浄化ガス排出口４５から外部へ出される。排気ガスは高温であるため、光源を保護する目的から、冷却用空気が冷却空気入口４６から入り冷却空気出口４７から外部へ出る構造となっている。
【００６８】
そして、車両排気ガス処理の際には、紫外可視光源４３ａ、４３ｂにより、シリカガラス製光触媒チャンバー４１内の繊維状光触媒体４２に紫外可視光を照射しながら排気ガス導入口４４から汚染ガスを導入し、繊維状光触媒体４２を通過させることにより排気ガスを浄化し、浄化ガス出口４５から浄化されたガスを排出させる。また、排気ガスによる熱を冷却するため、冷却空気入口４６及び冷却空気出口４７によって排気ガス処理ユニットカバー４０と光触媒反応チャンバー４１との間の空間に冷却空気を流通させる。
なお、紫外可視光源４３ａ、４３ｂは高効率で少なくとも紫外光を含む光線を照射するものであれば良いが、水銀ランプ、エキシマランプ、メタルハライドランプ、発光ダイオード、レーザーダイオード等を用いることが可能である。
【００６９】
このような、本発明に係る繊維状光触媒体を具備する浄化装置であれば、高い化学的安定性を有するとともに、光触媒作用を効率よく発揮することができる光触媒体を具備する浄化装置であるので、高耐久性と高い処理能力を併せ持つ浄化装置とすることができる。したがって、悪臭や空気中の有害物質を除去する浄化装置として利用でき、特に、熱反応装置から排出される高温燃焼ガス中の環境汚染物質の除去等の過酷な環境下においても使用できる。例えば、焼却炉、火力発電所、自動車等の排ガスの処理に用いることができる。特に、高純度のシリカチタニア系ガラス繊維を光触媒体とすれば、このような目的にさらに合致する。更に本装置の光触媒反応を高効率化、大型化させることにより、太陽光を光源として水を光触媒分解反応させて水素燃料を取り出すことも可能となる。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７１】
（実施例１）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ａ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
【００７２】
シリカチタニア系ガラス繊維の作製を、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）及び四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）を原料とし、酸水素ガスを用いた火炎加水分解によるスート法によって以下のように行った。
すなわち、高純度の四塩化ケイ素及び四塩化チタンを原料とした酸水素火炎加水分解法のスート法により、ＯＨ基を５０ｗｔ．ｐｐｍ含有する高純度透明合成シリカチタニア系ガラス母材を作製した。この透明合成シリカチタニア系ガラス母材を切断加工することにより、３ｍｍ×１０ｍｍ角、長さ２ｍのシリカチタニア系ガラス棒状体を２０本作製した。次にこれら２０本のシリカチタニア系ガラス棒状体を繊維製造装置に原料棒としてセットし、第１のガスバーナにて火炎加熱により軟化延伸して直径２００〜３００μｍ程度の太い繊維とし、引き続き第２のガスバーナにて火炎加熱により軟化延伸して線引きして直径１０〜３０μｍ程度の細い繊維とすると同時にジェットブローにより短繊維（ウール）の作製を行った。ウールの直径は原料棒としてのシリカチタニア系ガラス棒状体の送り速度、繊維の引っ張り速度（線引き速度）、火炎量と温度コントロールにより制御することができた。ウールを巻き取り器に収容した後、長さ５００〜７００ｍｍ程度になるように切断し、混合して綿状で塊状の高純度シリカチタニア系ガラス繊維を作製した。ファイバーカール半径は５０〜１００ｍｍであった。
また、プラズマ発光分析法（ＩＣＰ−ＡＥＳ）及び原子吸光分光分析法（ＡＡＳ）により、シリカチタニア系ガラス繊維の不純物金属元素濃度分析を行った。
【００７３】
（実施例２）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｂ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
すなわち、実施例１と同様に、ただし、母材作製の際、スートの多孔質体に塩化バナジウム、塩化クロムをドープし、バナジウム、クロムが添加された繊維状光触媒体を製造した。
また、各物性値を実施例１と同様に測定した。
【００７４】
（実施例３）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｃ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
まず実施例１と同様の方法に従いシリカチタニア系ガラス繊維を作製した。
次に、以下のように、シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、光触媒材料として酸化チタンを用いて、被膜をディップコーティング法により形成した。すなわち、光触媒の酸化チタン源となるチタンアルコキシドと溶媒となるエチルアルコール、安定化剤となるエチレングリコール等の試薬を混合してディップコーティング液として調整した。次いで、耐圧製のグローブボックス内に先に作られたシリカチタニア系ガラス繊維と容器入りのディップコーティング液を入れ、次いでグローブボックス内を１０−２Ｔｏｒｒ（約０．１３Ｐａ）以下の減圧にしつつシリカチタニア系ガラス繊維内部（多数本のシリカチタニア系ガラス繊維間の空隙）を脱ガスして、次いで常圧に戻しつつこの繊維をディップコーティング液に入れてチタン化合物液に浸漬させた。このディップコーティング操作を５回繰り返した後、グローブボックスより取り出し、電気炉内に設置し、４５０℃１時間で焼成を行い透明の被膜とした。
【００７５】
この透明被膜をＸ線回析分析法等により調べたところ、アナターゼ型の酸化チタン（ＴｉＯ２）であることが確認され、また走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等により観察したところ被膜表面は粒径１０〜２０ｎｍ程度の酸化チタンの超微粒子から成り、２〜５ｎｍ程度の細孔を有しており、比表面積は５０ｍ２／ｇであった。次いで酸化チタン被膜が形成された後の繊維状光触媒体の重量（ｇ）を測定することにより、シリカチタニア系ガラス繊維重量に対する光触媒材料被膜の重量比率（％）を求めた。
また、各物性値を実施例１と同様に測定した。
【００７６】
（実施例４）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｄ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
まず、実施例１と同様にシリカチタニア系ガラス繊維を作製した。
【００７７】
次に、以下のようにして、シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、光触媒材料の主成分として酸化チタンを、添加元素としてクロム、バナジウムを用いて、被膜をディップコーティング法により形成した。
光触媒の酸化チタン源となるチタンアルコキシドと溶媒となるエチルアルコール、安定化剤となるエチレングリコール等の試薬、及び塩化クロムと塩化バナジウム（チタン重量に対して各々１００分の１比率の各添加元素量）を混合してディップコーティング液として調整した。次いで、耐圧製のグローブボックス内に先に作られたシリカチタニア系ガラス繊維と容器入りのディップコーティング液を入れ、次いでグローブボックス内を１０−２Ｔｏｒｒ（約０．１３Ｐａ）以下の減圧にしつつシリカチタニア系ガラス繊維内部（多数本のシリカチタニア系ガラス繊維間の空隙）を脱ガスして、次いで常圧に戻しつつこの繊維をディップコーティング液に入れてチタン化合物液に浸漬させた。このディップコーティング操作を５回繰り返した後、グローブボックスより取り出し、電気炉内に設置し、４５０℃１時間で焼成を行い透明の被膜とした。
【００７８】
また、各物性値を実施例１と同様に（シリカチタニア系ガラス繊維に対する光触媒材料被膜の重量比率（％）については実施例３と同様に）測定した。
【００７９】
（実施例５）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｅ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
まず、実施例３と同様に酸化チタンの被膜を形成したシリカチタニア系ガラス繊維を製造した。
この酸化チタンの被膜を形成したシリカチタニア系ガラス繊維に窒素ドープ処理を以下のように行った。
酸化チタンを含有する光触媒材料被膜が形成されたシリカチタニア系ガラス繊維の綿状塊を５００ｇ程度取り、シリカガラスチャンバーが内部に設置されている電気炉内に入れた。そしてチャンバー内部へ窒素ガスで希釈されたアンモニアガス（窒素ガス５０Ｖｏｌ．％、アンモニアガス５０Ｖｏｌ．％）を導入し、６０ｍｌ／ｍｉｎでフローさせつつ６００℃１時間のアンモニアドープ処理を行った。次いでチャンバー内を窒素ガス１００％雰囲気に変え、３００℃３時間のベーキング処理を行い、添加した窒素を安定化させた。
【００８０】
その後この透明被膜をＸ線回折分析法等により調べたところ、アナターゼ型の酸化チタン（ＴｉＯ２）であることが確認され、また走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等により観察したところ被膜表面は粒径５〜１０ｎｍ程度の酸化チタンの超微粒子から成り、２〜３ｎｍ程度の細孔を有しており、比表面積は約８０ｍ２／ｇであった。
また、各物性値を実施例１と同様に（シリカチタニア系ガラス繊維に対する光触媒材料被膜の重量比率（％）については実施例３と同様に）測定した。
【００８１】
（実施例６）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｆ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
まず、実施例４と同様に、シリカチタニア系ガラス繊維状にバナジウム、クロムを含有する酸化チタン被膜を形成した繊維状光触媒体を製造した。
次に、この酸化チタンを含有し、バナジウム、クロムを含有する被膜が形成されたシリカチタニア系ガラス繊維に対して、窒素ドープ処理を実施例５の窒素ドープ処理条件と同様の条件で行い、繊維状光触媒体とした。
また、各物性値を実施例１と同様に（シリカチタニア系ガラス繊維に対する光触媒材料被膜の重量比率（％）については実施例３と同様に）測定した。
【００８２】
（比較例１）
繊維径１０〜３０μｍ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）３０ｗｔ．％のシリカアルミナ(ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３)系ガラス繊維を担体として準備した。次にシリカアルミナ系ガラス繊維の表面に光触媒材料として酸化チタンのみのディップコーティングによる被膜形成処理を行い、繊維状光触媒体を製造した。
また、各物性値を実施例１と同様に測定した。また、シリカアルミナ系ガラス繊維の重量に対する酸化チタン被膜の重量比率（％）については実施例３と同様の手法により測定した。
【００８３】
（比較例２）
粒径１〜２ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミックス粒、純度９９．９％グレード品をそのまま担体として用い、比較例１と同様に酸化チタンのディップコーティングによる被膜形成処理を行い、光触媒体とした。
この光触媒体は見た目でも不透明である。
また、各物性値を実施例１と同様に測定した。なお、粉体であるため、繊維径、繊維長は定義できない。また、担体重量に対する酸化チタン被膜の重量比率（％）については実施例３と同様の手法により測定した。
【００８４】
実施例１〜６、比較例１、２で製造したそれぞれの光触媒体について、以下のように、アセトアルデヒド浄化試験と、ＮＯｘ浄化試験を行い、光触媒特性を測定した。
【００８５】
（光触媒作用の性能評価（アセトアルデヒド浄化試験））
作製した繊維状光触媒体を、アセトアルデヒド光分解反応を用いて、光触媒作用の性能評価を行った。
先ず、繊維状光触媒体１２０ｇを、均一密度にて寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの板状に成形して準備した。
図６に示した繊維状光触媒体とアセトアルデヒドとの反応装置は、閉鎖系装置であり、供試体である繊維状光触媒体５７ｂを載置する高純度合成シリカガラス製容器５７ａを内部に設置する高純度合成シリカガラス製の内容量５Ｌの反応容器（チャンバー）５５と光源（ランプ）５６ａから構成される。反応ガスは、アセトアルデヒドボンベ５１から供給される、６６０Ｔｏｒｒ（約８８ｋＰａ）の、Ｈｅで希釈されたＣＨ３ＣＨＯ（１０００ｖｏｌ．ｐｐｍ）ガスと、酸素ガスボンベ５２から供給される１００Ｔｏｒｒ（約１３ｋＰａ）Ｏ２ガスの計７６０Ｔｏｒｒ（約１０１ｋＰａ）（ほぼ大気圧と同一）混合ガスとした。光源５６ａとしては、紫外〜可視光を照射することができる中圧水銀ランプを用いた。その他、ガス供給側にはガス圧力調整器５３ａ、５３ｂ、マスフローコントローラ５４ａ、５４ｂ等を具備する。また、ガス排出側には、ガス分析器（ガスクロマトグラフ装置）５８、排気ファン５９ａ、５９ｂ等を具備し、排出されたガスを分析する。
【００８６】
（アセトアルデヒド浄化試験１）
以下のような手順にて、紫外〜可視光の照射による光触媒作用を評価した。
【００８７】
（１） 光触媒反応用チャンバーの中に綿状の供試体（繊維状光触媒体）重量１２０ｇ、寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍ、１個を設置し、内部を２５℃空気雰囲気とし、波長４００ｎｍ以下の紫外線強度１０ｍＷ／ｃｍ２程度の出力で中圧水銀ランプ光を照射しつつ６時間保持する。
【００８８】
（２） 反応チャンバー内を一度１０３Ｐａ以下の真空にして排気した後、アセトアルデヒド混合ガス（６６０Ｔｏｒｒ（約８８ｋＰａ）分圧のＣＨ３ＣＨＯ、１０００ｖｏｌ．ｐｐｍ Ｈｅ希釈ガスと１００Ｔｏｒｒ（約１３ｋＰａ）分圧Ｏ２ガス）を、１０５Ｐａ（ほぼ大気圧）にて導入し、３００ｍｌ／ｍｉｎの流量で流しつつ室温２５℃で６時間放置した。この時ランプ光源は点灯していない。
【００８９】
（３） アセトアルデヒド混合ガスのガスフローを停止し反応チャンバー内（内容量５Ｌ）を封じ切り、中圧水銀ランプ照射を開始する。中圧水銀ランプの分光スペクトル分布を図８に、ランプ仕様を表１に示す。供試体の表面における波長４００ｎｍ以下の紫外線強度は１０ｍＷ／ｃｍ２に設定する。
【００９０】
【表１】
【００９１】
（４） 反応チャンバーの温度を２５℃に保ち中圧水銀ランプ光を連続照射し、６時間後の混合ガスのアセトアルデヒド濃度をガスクロマトグラフィーで測定を行う。
【００９２】
このアセトアルデヒド浄化試験１における浄化率は、以下の計算式（１）によって求めた。
浄化率（％）＝１００×｛（ＣＨ３ＣＨＯ初期濃度）−（ＣＨ３ＣＨＯ最終濃度）｝／（ＣＨ３ＣＨＯ初期濃度）・・・（１）
【００９３】
浄化率の評価は、浄化率が１００〜９０％の場合は◎（極めて良好）、９０〜７０％の場合は○（良好）、７０〜４０％の場合は△（やや不良）、４０〜０％の場合は×（不良）とした。
【００９４】
（アセトアルデヒド浄化試験２）
可視光のみの照射による光触媒作用を評価した。
具体的には、アセトアルデヒド浄化試験１と同様に、ただし、（３）（４）において、３９０ｎｍ以下の紫外線を吸収するランプ光源調整用フィルター５６ｂを付けて供試体表面における４００ｎｍ以上の可視光強度を５ｍＷ／ｃｍ２に調整して中圧水銀ランプ照射を開始し、温度２５℃、６時間照射試験を行った。
このアセトアルデヒド浄化試験２の浄化率の計算及び評価はアセトアルデヒド浄化試験１と同様とした。
【００９５】
（光触媒作用の性能評価（ＮＯｘ浄化試験））
また、光触媒体の浄化処理能力を評価するため、図７に概念図を示したような評価装置を用いて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解実験を行った。ＮＯｘとしては、具体的には、一酸化窒素（ＮＯ）を用いた。
円筒形の反応容器６５内には、中心に紫外・可視光ランプ６６を通し、その周りに光触媒体６７を配置した。その他ＮＯ１００ｗｔ．ｐｐｍ標準ガスを流せるＮＯｘガスボンベ６１、空気ガスボンベ６２、圧力調整器６３ａ、６３ｂ、マスフローコントローラ６４ａ、６４ｂ、各種バルブ、ＮＯｘ濃度計６８、排気ファン６９ａ、６９ｂ等を備えているシステムである。
なお、反応容器６５の外寸法は１２０ｍｍ長さ３２０ｍｍ、光触媒体の収納シリカガラスチャンバーの外径１００ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍ、容積約２Ｌであり、各光触媒体の投入量２００ｇとした。
【００９６】
実験条件は以下の通りである。
（１）吸着安定化を図るため、ＮＯｘガスフローを、ＮＯ濃度１ｗｔ．ｐｐｍ、ガス流量６０ｍｌ／ｍｉｎで３０分行った。
（２）次に、反応容器内の紫外可視光光源を点灯、紫外線の強度１０ｍＷ／ｃｍ２とした。この状態で、ＮＯｘガスフロー、ＮＯ濃度１ｗｔ．ｐｐｍ、ガス流量６Ｌ／ｍｉｎ、温度２５℃、相対湿度５０％、３時間の連続運転を行い、光触媒作用によるＮＯの分解実験を行った。
ＮＯ浄化率の評価は、下記の式（２）により計算された数値に基づいて行った。
【００９７】
｛（ＮＯ初期濃度）−（ＮＯ浄化後濃度）｝／（ＮＯ初期濃度） …式（２）
【００９８】
ＮＯ分解率が９０％以上を◎（極めて良好）、９０％〜７０％を○（良好）、７０％〜４０％を△（やや不良）、４０％未満を×（不良）と評価した。
【００９９】
（耐候性試験）
各光触媒体に対して、低圧水銀ランプを用い、１０ｍＷ／ｃｍ２の紫外線照射エネルギー密度にて温度５０℃、湿度９０％以上５００時間の連続耐候性実験を行い、その後光触媒体の目視観察、実体顕微鏡観察を行った。変化が検知されない時は○（良好）、若干の変色が生じたり酸化チタンの剥離が認められた時は△（やや不良）、変色が認められ、酸化チタンの１割以上に剥離が認められた時は×（不良）と評価した。
【０１００】
（耐熱性試験）
各光触媒体を、高純度アルミナ保温材、ニケイ化モリブデンヒータを具備する大気炉内に設置し、５００℃にて１０００時間の連続耐熱性実験を行い、その後の光触媒体の目視観察、実体顕微鏡観察を行った。評価基準は上記耐候性試験と同じく、変化が検知されない時は○（良好）、若干の変色が生じたり酸化チタンの剥離が認められた時は△（やや不良）、変色が認められ、酸化チタンの１割以上に剥離が認められた時は×（不良）と評価した。
【０１０１】
実施例１〜６、比較例１、２で製造したそれぞれの光触媒体について、物性値と、光触媒としての特性評価の結果を下記の表２〜４にまとめた。
【０１０２】
【表２】
【０１０３】
【表３】
【０１０４】
【表４】
【０１０５】
実施例１〜６は、比較例１、２に対してアセトアルデヒド浄化試験１、ＮＯｘ浄化試験が良好な結果であった。これは、実施例１〜６がシリカチタニア系ガラス繊維からなる光触媒体であるため、紫外線及び可視光が光触媒体の内部に十分に行き渡り、光触媒作用が効果的に発揮されたためと考えられる。また実施例２、４、５、６ではアセトアルデヒド浄化試験２においても好ましい結果が得られた。これはチタン以外の元素がドープされることにより、光触媒体に可視光応答性が生じたものと考えられる。
一方、比較例１、２は、アセトアルデヒド浄化試験１、ＮＯｘ浄化試験はやや不良であった。これは、比較例１、２のような光触媒体は、紫外線が十分に行き渡らないためであると考えられる。またアセトアルデヒド浄化試験２の結果から明らかなように、光触媒体に可視光応答性は全く認められなかった。
【０１０６】
また、実施例１〜６の光触媒体は、成形が容易であり、アセトアルデヒド浄化試験、ＮＯｘ浄化試験では反応容器への充填が容易であった。
【０１０７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】それぞれ本発明に係る繊維状光触媒体構造の概念図であり、（ａ）は被膜が形成されていないシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体を示し、（ｂ）は光触媒材料の被膜が形成された繊維状光触媒体を示し、（ｃ）は光触媒材料の被膜が形成されさらに窒素ドープ処理された繊維状光触媒体を示す。
【図２】それぞれ本発明に係る繊維状光触媒体の断面構造を示す概念図であり、（ａ）はシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体を示し、（ｂ）はチタン以外の遷移金属が添加されたシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体を示し、（ｃ）はシリカチタニア系ガラス繊維に、光触媒材料被膜が形成された繊維状光触媒体を示し、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）はそれぞれシリカチタニア系ガラス繊維に、可視光応答性光触媒材料被膜が形成された繊維状光触媒体を示す。
【図３】本発明に係る繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する浄化装置の一例を示した概略断面図である。
【図４】本発明に係る繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する浄化装置の別の一例を示した概略断面図である。
【図５】本発明に係る繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する浄化装置のさらに別の一例を示した概略断面図である。
【図６】光触媒体の処理能力を評価する装置の一例として、アセトアルデヒド浄化試験装置を示した概略図である。
【図７】光触媒体の処理能力を評価する装置の別の一例として、ＮＯｘ浄化試験装置を示した概略図である。
【図８】中圧水銀ランプの相対分光強度スペクトル（波長３６５ｎｍを相対強度１００とする）を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０９】
１１…シリカチタニア系ガラス繊維からなる本発明の繊維状光触媒体、
１２…光触媒材料の被膜、 １３…本発明の繊維状光触媒体、
１５…窒素ドープされた光触媒材料の被膜、 １６…本発明の繊維状光触媒体、
２１…金属製チャンバー、
２２…シリカガラスチャンバー、 ２２ａ…らせん状仕切り板、
２３…紫外可視光源、 ２５…繊維状光触媒体、
２６…汚染ガス導入口、 ２７…浄化ガス排出口、
３１…金属製チャンバー、 ３２…シリカガラス製外管、 ３３…紫外可視光源、
３４…シリカガラス製内管、 ３４ａ…仕切り板、
３５…繊維状光触媒体、
３６…汚染ガス導入口、 ３７…浄化ガス排出口、
４０…排気ガス処理ユニットカバー、 ４１…光触媒反応チャンバー、
４２…繊維状光触媒体、
４３ａ、４３ｂ…紫外可視光源、
４４…排気ガス導入口、 ４５…浄化ガス排出口、
４６…冷却空気入口、 ４７…冷却空気出口。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒体及びこれの製造方法、並びにこれを利用した浄化装置に関し、特には、大きな比表面積を有する光触媒体等に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、紫外光照射下の光触媒により水や空気を浄化する技術が知られている。光触媒としては、酸化物半導体、特に酸化チタン（ＴｉＯ２）は優れた触媒作用があり、化学的に安定であり、溶出して環境汚染する可能性の低い安全な化合物であることが知られている。
【０００３】
酸化チタンの光触媒作用を利用して各種の環境汚染物質の分解除去が行われている。例えば、水の浄化、又は水中のアンモニア、アルデヒド類、アミン類等の悪臭物質の分解、及び菌類の殺菌、藻類の殺藻等に利用されている。
空気やガスの処理については、例えば、トイレの尿臭、ペットの臭い、煙草の臭い等の悪臭物質の分解、又は焼却炉から排出される窒素化合物、硫化化合物、ダイオキシン等の環境汚染物質の分解除去においても酸化チタンの光触媒作用が使われている。
【０００４】
酸化チタンを各種用途の光触媒として使用する場合、他の無機材料を担体として、それに担持させることが一般的である。
なお、本明細書中においては、光触媒作用を発揮する材料を単に「光触媒体」と呼ぶ。
これには、均一な素材で構成されており、単独で光触媒作用を有するものや、担体と該担体に担持させた光触媒材料とからなる複合材料等が含まれる。
【０００５】
光触媒体を多孔質形状とし、光触媒材料が被処理物と接触できる比表面積を大きくすることにより、光触媒作用を効率良く発揮させるための試みが多々なされている。
例えば特許文献１には、陶磁器、セメント、発泡コンクリート、レンガ、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、チタン酸バリウム等を主体とするセラミックス多孔体が担体として好ましいことが開示されている。この公報において多孔体と記述されているものは、上記各種無機材料をジョークラッシャー等の粉砕機により破砕し数ｍｍ〜数十ｍｍ、典型的には１〜１００ｍｍの細片状若しくは粒状にしたものである。
【０００６】
また、別の例として、特許文献２において活性炭、ゼオライト、シリカゲル、アルミナ、パーライト、多孔質ガラスが担体として用いられており、特に活性炭が好ましい旨が開示されている。活性炭の製造方法として、椰子殻を乾燥して微粉を除いた活性炭原料をロータリーキルン（５５０〜６５０℃）中に投入し、赤熱した状態で水蒸気、炭酸ガス（燃焼ガス中のＣＯ２）及び酸素（燃焼空気中のＯ２）の混合雰囲気にて、温度８５０〜９５０℃で活性化処理することにより、粒状の活性炭としている。
【０００７】
また、特許文献３では、炭化ケイ素、シリカガラス、活性炭、ゼオライト、セピオライトを主成分とする無機紙を担体としその上に薄膜状酸化チタンを形成する例が示されている。
また、特許文献４及び５では、活性炭、活性アルミナ、シリカゲル、多孔質ガラスが担体として用いられている光触媒を用いた水浄化装置の例、及び排気ガス浄化装置の例が示されている。
【０００８】
また、特許文献６では、ニッケルカドミウム、ステンレス、バーマロイ、アルミニウム合金、銅の多孔質金属担体、及び活性炭、活性アルミナ、シリカゲル、多孔質ガラス粒状セラミックス、粘土の多孔質セラミック担体の例が示されている。
また、特許文献７では、活性炭、活性アルミナ、シリカゲル、多孔質ガラスが担体として用いられる光触媒を用いた排気ガス処理装置の例が示されている。
【０００９】
しかしながら、これらのような従来の多孔質光触媒体は、比表面積を大きくするために多孔質としているにも関わらず、担体が紫外光に対して不透明であること等の理由から、その大きな比表面積から期待されるほどの処理能力が得られていなかった。また、これらのような従来の多孔質光触媒体は、一般に、耐熱性、耐薬品性、化学的安定性等が低く、また、機械的強度が弱い等の問題があり、長期間の使用や、特には、過酷な条件下での使用には耐えられなかった。
【００１０】
また、不純物が多く含まれる場合、例えば水の浄化においては、担体の不純物元素含有量が多くまた化学安定性が低いために、浄化した水にこれら担体に含有される不純物元素が溶出して混入することが多々起こる。あるいは空気の浄化においては、担体の不純物元素含有量が多くまた担体が破砕された粉体であるために、浄化した空気にこれら担体に含有される不純物元素含有微粉末が混入することが多々起こる。特に、処理する気体が高温で腐蝕性ガスを含んでいる場合には、担体が劣化することにより二次的不純物が発生してしまう。
【００１１】
また酸化チタンは、高いエネルギーバンドギャップ構造（３．２ｅＶ）を持つため、波長が短い紫外光しか吸収せず、可視光による触媒反応がほとんど起こらない。室内灯や太陽光の大部分を占める可視光を有効利用できる可視光応答型の酸化チタン光触媒の開発とその応用が現在の重要な研究課題である。
【００１２】
このような可視光応答型の酸化チタン粉末の製造方法が種々提案されている。例えば、特許文献８、９には、二酸化チタン等の光触媒にバナジウム、クロム、マンガン等の金属イオンを化学的にドーピングする製造方法が記載されている。しかしながら、前述のバナジウム等の金属陽イオンを化学的にドーピングした光触媒では、可視光における光触媒活性は認められるものの、ドーピング前の光触媒が本来保有していた紫外光における光触媒活性の低下が見られる場合が多い。これは、新たに導入した金属イオンが光触媒表面に凝集することにより新たな不純物エネルギー順位を形成し、これが紫外光照射により生じる正孔と電子の再結合中心となり、光触媒活性の低下をもたらすからだと推定されている。
【００１３】
特許文献１０では、二酸化チタンの光触媒にバナジウム、クロム、マンガン等の遷移金属をイオン注入する製造方法が示されている。遷移金属イオンを注入した光触媒では注入された遷移金属イオンは、二酸化チタンの表面構造を劣化させることなく内部の適切な深さに均一に注入されるため、注入前に備えていた紫外光における固有の光触媒活性を維持しながら可視光においても光触媒活性が発現する。しかし、イオン注入する製造方法は大規模な製造装置や厳密な製造工程管理等を必要とし、生産性及びコストの両面で問題がある。
【００１４】
特許文献１１では、可視光にも応答する光触媒材料として窒素を含む金属酸化物と酸化チタンの複合微粒子を高収率で得ることが示されている。また特許文献１２では、この類似発明として窒素を含む酸化チタン微粒子を高収率で得ることが示されている。しかしながら、これらの文献に示された酸化チタンから成る光触媒は微粒子形状であるため、そのまま光触媒反応装置（ユニット）に搭載して、排気ガス処理や排水処理に使用できるものではなかった。
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−２３０３０１号公報
【特許文献２】特開２００６−１１０４７０号公報
【特許文献３】特開２００４−３０５８８３号公報
【特許文献４】特開２００３−１８１４７５号公報
【特許文献５】特開２００２−３５５５１号公報
【特許文献６】特開２００１−２３２２０６号公報
【特許文献７】特開２００１−１７０４５３号公報
【特許文献８】特開平９−１９２４９６号公報
【特許文献９】特開２０００−２３７５９８号公報
【特許文献１０】特開平９−２６２４８２号公報
【特許文献１１】特開２００５−１３８００８号公報
【特許文献１２】特開２００５−１３９０２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、光触媒作用を効率良く発揮させることができる光触媒体及びこれの製造方法、並びにこのような光触媒体を用いた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】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、光触媒作用を有する繊維状の光触媒体であって、少なくとも、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなることを特徴とする繊維状光触媒体を提供する。
【００１８】
このようなシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体であれば、シリカチタニア系ガラス繊維そのものを、光触媒作用を有する光触媒体として機能するものとして使用することができる。このような繊維状光触媒体であれば、光触媒体の表面に照射される紫外光や可視光が光触媒体の内部まで透過、散乱しながら効率良く吸収される。このことにより大きな体積を有する光触媒体であっても、表面のみならず内部において光触媒反応を効率よく生じさせることができる。
また、繊維状であるがゆえに通気性及び通水性が高く、また、光触媒材料と被処理物とが接触することができる比表面積が大きい光触媒体とすることができる。そして、これらの特徴を同時に有することにより、光触媒作用を効率よく発揮させることができる。
また、繊維状の光触媒体であるので、粒子状の光触媒体と比較して飛散しにくく取扱いが容易である。また、塊状の光触媒体と比較して任意の形状に成形しやすく、任意の形状の容器に容易に充填することができる。
また、繊維状の光触媒体であるので、目的に応じて充填密度、空隙率を容易に任意に設定することができる。また、用途に合わせて布状、ウール状、フェルト状等にすることができる。
【００１９】
この場合、前記繊維状光触媒体は、繊維径が５〜５００μｍであり、繊維長が１００ｍｍ以上であることが好ましい。
このように、本発明の繊維状光触媒体の繊維径が５μｍ以上であれば、繊維の強度を十分確保できるので、切断されて粒子様になってしまうことなどを防止することができ、より取り扱い易いものとすることができる。また、繊維径が５００μｍ以下であれば、繊維の強度が強すぎることなく適度であり、より取り扱い易いものとすることができる。
なお、本明細書における繊維径とは、通常用いられる定義に準じ、繊維の断面積を、該繊維の断面形状が真円形であると仮定して換算したときの直径に該当する値を意味するものであり、断面形状が真円形でなくとも定義されるものである。
また、本発明の繊維状光触媒体の繊維長が１００ｍｍ以上であれば、より取り扱いしやすい繊維状光触媒体とすることができる。
【００２０】
また、前記繊維状光触媒体が、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくとも一種を含有するものとすることができる。
このように、繊維状光触媒体が、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくとも一種を含有するものであれば、繊維状光触媒体それ自体を、可視光応答性を有する光触媒体とすることができる。その結果、紫外光のみならず可視光照射下において光触媒作用を効率良く発揮させることができる。
【００２１】
そして、この場合、前記チタン以外の遷移金属元素が、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、パラジウム、銀、白金、セリウム、ネオジムの少なくともいずれか一種であることが好ましい。
このように、本発明に係る繊維状光触媒体に含有させるチタン以外の遷移金属元素を上記の遷移金属元素とすれば、特に可視光領域において、より高い光触媒作用を有する光触媒体とすることができる。
【００２２】
また、上記のいずれかの繊維状光触媒体の表面に、さらに、光触媒材料の被膜が形成されている繊維状光触媒体とすることができる。そして、この場合には、前記光触媒材料の被膜が少なくとも主成分として酸化チタンを含有するものであることが好ましい。
このように、上記のいずれかの繊維状光触媒体の表面に、さらに光触媒材料の被膜が形成されている繊維状光触媒体であり、さらにその主成分が酸化チタンであれば、より光触媒作用を効率よく発揮させることができる光触媒体とすることができる。
【００２３】
この場合、前記光触媒材料の被膜が、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種及び／又は窒素を含有することが好ましい。
光触媒材料の被膜をこのような成分とすれば、被膜についても、可視光領域において、高い光触媒作用を有する光触媒体とすることができる。
【００２４】
また、本発明は、少なくとも、光触媒反応器と、該光触媒反応器内に収容された、上記のいずれかの繊維状光触媒体と、少なくとも紫外光を含む光線を発する光源とを具備し、前記光源で前記繊維状光触媒体に前記光線を照射しながら、前記繊維状光触媒体を収容した前記光触媒反応器に被処理物を通過させ、光触媒作用によって被処理物を浄化処理するものであることを特徴とする浄化装置を提供する。
【００２５】
このような、本発明に係る繊維状光触媒体を具備する浄化装置であれば、光触媒作用を効率よく発揮させることができる光触媒体を具備する浄化装置であるので、高い処理能力を有する浄化装置とすることができる。
【００２６】
また、本発明は、シリカを主成分とし、酸化チタンを含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造する方法であって、少なくとも、ケイ素化合物及びチタン化合物を原料として、火炎加水分解法により、シリカチタニア系ガラス母材を形成する母材形成工程と、該シリカチタニア系ガラス母材を棒状体に加工する工程と、該シリカチタニア系ガラス棒状体を溶融し、繊維状に線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する線引き工程とを含むことを特徴とする繊維状光触媒体の製造方法を提供する。
【００２７】
このような繊維状光触媒体の製造方法であれば、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなる光触媒体を製造することができる。
【００２８】
この場合、前記母材形成工程において、さらにチタン以外の遷移金属元素のいずれか一種以上を含む化合物を原料とし、該遷移金属元素をさらに含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造することができる。
このように、母材形成工程において、さらにチタン以外の遷移金属元素のいずれか一種以上を含む化合物を原料とすることにより、遷移金属元素をさらに含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造する繊維状光触媒体の製造方法であれば、繊維状光触媒体それ自体を、可視光応答性を有する光触媒体とすることができる。その結果、紫外光のみならず可視光照射下において光触媒作用を効率良く発揮させることができる繊維状光触媒体とすることができる。
【００２９】
また、前記線引き工程よりも後に、前記シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、さらに、光触媒材料の被膜を形成する被膜形成工程を有することができる。また、この場合には、前記被膜形成工程の際に、前記光触媒材料の被膜として、少なくとも主成分として酸化チタンを含有する被膜を形成することが好ましい。
このように、シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、さらに、光触媒材料の被膜を形成する被膜形成工程を有する繊維状光触媒体の製造方法であり、さらにその被膜の主成分が酸化チタンであれば、より光触媒作用を効率よく発揮させることができる光触媒体を製造することができる。
【００３０】
また、この場合、前記酸化チタンを含有する光触媒材料の被膜として、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種を含有する被膜を形成することができる。
このように、酸化チタンを含有する光触媒材料の被膜を、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種を含有する被膜とすれば、特に可視光領域において、より高い光触媒作用を有する光触媒体とすることができる。
【００３１】
また、前記被膜形成工程よりも後に、アンモニア含有雰囲気下、４００℃〜１０００℃にて熱処理を行う工程を有することができる。
このようなアンモニア含有雰囲気下、４００℃〜１０００℃にて熱処理を行えば、上記の光触媒材料被膜に対して窒素ドープ処理を行うことができる。よって、光触媒材料被膜に可視光応答性をより確実に付与することができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上のように、本発明に従う繊維状光触媒体及び繊維状光触媒体の製造方法であれば、シリカチタニア系ガラス繊維そのものを、光触媒作用を有する光触媒体として機能するものとして使用することができる。また、シリカチタニア系ガラス繊維そのものを光触媒体とすることができるので、通気性及び通水性が高く、光触媒材料と被処理物とが接触することができる比表面積が大きい繊維状光触媒体とすることができる。また、チタン以外の遷移金属元素を含有させることにより、繊維状光触媒体そのものに可視光応答性を付与することもできる。さらに、この繊維状光触媒体に光触媒作用を有する被膜を形成することで、より一層の高い光触媒作用、特に可視光応答性を有する光触媒作用を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３４】
図１に、本発明に係る繊維状光触媒体の構造を模式的に例示する。
図１（ａ）は、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体１１である。なお、図１（ａ−１）には、繊維の軸方向に沿った断面、図１（ａ−２）には、繊維の軸方向に対する垂直断面をそれぞれ模式的に示している。
【００３５】
このようなシリカチタニア系ガラス繊維（繊維状光触媒体）１１は、以下のような製造方法で製造することができる。
すなわち、
（工程１） ケイ素化合物及びチタン化合物を原料として、火炎加水分解法により、シリカチタニア系ガラス母材を形成する母材形成工程
（工程２） 該シリカチタニア系ガラス母材を棒状体に加工する工程
（工程３） 該シリカチタニア系ガラス棒状体を溶融し、繊維状に線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する線引き工程
を順次行う方法である。
【００３６】
以下、この製造方法をより具体的に説明する。
まず、以下のようにしてシリカチタニア系ガラス母材を形成する（工程１）。
高純度ケイ素化合物と高純度チタン化合物、例えばＳｉＣｌ４とＴｉＣｌ４を原料とし、酸水素ガス又はプロパンガス等を用いた火炎加水分解法によりシリカチタニア系ガラス母材を形成する。ここで行う火炎加水分解法は高温（１７００℃以上）にして直接透明なシリカチタニア系ガラス母材を得る方法である直接溶融法や、比較的低温（５００〜１０００℃程度）で一度白色不透明のスート体を作った後、減圧下にて加熱溶融させてシリカチタニア系ガラス母材を得る方法であるスート法等の方法を適宜選択して行うことができる。火炎加水分解法以外の製造方法を用いて上記シリカチタニア系ガラス母材を製造してもよいが、火炎加水分解法によれば、より高純度なものが得られ、ＯＨ基の濃度も調節しやすいので好ましい。その他のシリカチタニア系ガラスの原料としては、ガス化可能な原料であれば特に限定されないが、Ｓｉ前駆体としてはＳｉＣｌ４、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨ３Ｃｌなどの塩化物、ＳｉＦ４、ＳｉＨＦ３、ＳｉＨ２Ｆ２などのフッ化物、ＳｉＢｒ４、ＳｉＨＢｒ３などの臭化物、ＳｉＩ４などのヨウ化物といったハロゲン化ケイ素化合物、またＲｎＳｉ（ＯＲ）４−ｎ（ここにＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数）で示されるアルコキシシランが挙げられ、また、Ｔｉ前駆体としては、ＴｉＣｌ４、ＴｉＢｒ４などのハロゲン化チタン化合物、またＲｎＴｉ（ＯＲ）４−ｎ（ここにＲは炭素数１〜４のアルキル基、ｎは０〜３の整数）で示されるアルコキシチタンが挙げられる。また、Ｓｉ前駆体およびＴｉ前駆体として、シリコンチタンダブルアルコキシドなどのＳｉとＴｉの化合物を使用することもできる。
【００３７】
次に、以下のようにして、上述のシリカチタニア系ガラス母材を棒状体に加工する（工程２）。これにより、次の工程３における繊維形状への線引き加工を行いやすくする。
例えば、シリカチタニア系ガラス母材を加熱軟化させる熱加工により、直径５〜１０ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ程度の棒状体に延伸加工する。このような加工方法とした場合、シリカチタニア系ガラス棒状体の軸方向に対する垂直断面形状は真円や楕円に近いものとなりやすい。
また、シリカチタニア系ガラス母材を切断機により加工し、必要に応じて、軸方向に対する垂直断面形状が正方形、長方形、三角形その他多角形の細長い棒状体に加工してもよい。寸法としては、多角形の辺の長さの合計が１０〜５０ｍｍ、長さ５００〜２０００ｍｍ程度とする。垂直断面形状を多角形とすることにより、次の工程３の、繊維形状への延伸（線引き加工）によって繊維に適度な曲げ（ファイバーカール）を形成することができる。
【００３８】
次に、以下のようにして、上述のシリカチタニア系ガラス棒状体を溶融し、繊維状に線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する（工程３）。
例えば、工程２で得られた直径５〜１０ｍｍの合成シリカチタニア系ガラス棒状体を１０〜３０本並列させてプロパン等の火炎、あるいは、ヒーターによる直接電気抵抗加熱、高周波誘導加熱にて加熱、溶融軟化し、延伸（線引き）させて、繊維径５００μｍ程度以下のシリカチタニア系ガラス繊維とする。なお、溶融線引きの際の加熱方法は上記の方法を複数組み合わせてもよい。
このまま冷却し、連続繊維（長繊維）のシリカチタニア系ガラス繊維としてもよいが、このあと更に引き続き高速の流体を吹き付ける（例えば、火炎でジェットブローする）ことにより、繊維径５〜１００μｍ程度のウール状（短繊維）のシリカチタニア系ガラス繊維を作製してもよい。
【００３９】
以上のような各工程を経ることにより、図１（ａ）に示したような、シリカチタニア系ガラス繊維１１を製造することができる。
また、シリカチタニア系ガラス繊維を収束したり、紡糸したり、編み込んだりして、ストランド、ヤーン、クロス等と呼ばれる形態として、シリカチタニア系ガラス繊維としてもよい。その他、本発明に係るシリカチタニア系ガラス繊維の形態としては、一般にシリカ系のガラス繊維がとりうるような種々の形態を適宜選択することができる。
【００４０】
このシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体は、シリカチタニア系ガラス繊維一本の寸法については、下記のような理由により、直径（繊維径）が５〜５００μｍ、長さ（繊維長）は１００ｍｍ以上であることが好ましい。
なお、本明細書における繊維径とは、前述したように、繊維の断面積を、該繊維の断面形状が真円形であると仮定して換算したときの直径に該当する値を意味するものである。また、上記好ましい繊維径、繊維長の限定は、多数本のシリカチタニア系ガラス繊維の平均（平均繊維径、平均繊維長）により規定することができる。
【００４１】
上記のように、本発明の繊維状光触媒体に係るシリカチタニア系ガラス繊維の繊維径を５μｍ以上とすることが好ましい。このようにすれば、シリカチタニア系ガラス繊維の強度を十分確保できるので、切断されて粒子様になってしまうことなどを防止することができ、より取り扱い易いものとすることができる。また、繊維径が５００μｍ以下であれば、繊維の強度が強すぎることがなく適度であり、より取り扱い易いものとすることができる。
また、本発明の繊維状光触媒体に係るシリカチタニア系ガラス繊維の長さが１００ｍｍ以上であれば、繊維状光触媒体をまとめて綿状の塊体とするときに適度にまとまりやすく、より取り扱いしやすい繊維状光触媒体とすることができるので好ましい。また、このシリカチタニア系ガラス繊維の長さは、３０００ｍｍ以下であれば、繊維状光触媒体をまとめて綿状の塊体とするときに適度にまとまりやすく、より取り扱いやすい繊維状光触媒体とすることができるので好ましい。
【００４２】
なお、シリカチタニア系ガラス繊維の繊維径は、シリカチタニア系ガラス棒状体を線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維とする時の、棒状体の送り速度、繊維の引っ張り速度、火炎量や温度等により制御することができる。
また、シリカチタニア系ガラス繊維の繊維長は、短繊維とする場合は、例えば、高速の流体を吹き付ける際の流速等により制御することができる。また、連続繊維とする場合には、巻き取った後に適度な長さで切断することなどにより調節することができる。
【００４３】
また、シリカチタニア系ガラス繊維中のＯＨ基は、１〜１０００ｗｔ．ｐｐｍ程度含有させておくことが好ましく、１〜１００ｗｔ．ｐｐｍ程度とすることがより好ましい。このようにすれば、耐紫外線性が向上し、特に光透過率低下と強度劣化を防止できる。また、この劣化によって引き起こされる光触媒材料被膜の剥離を抑制することができる。
これは、ＯＨ基はシリカのＳｉ原子とＯ原子の網目構造（ネットワークストラクチャー）を終端させるもの（ネットワークターミネーター）であり、適量存在させることによりシリカチタニア系ガラス構造を安定化させ（リラックスさせ）、Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉの結合角度を安定値にすることができ、その結果、紫外線照射による劣化を抑制させることが可能となるからである。ＯＨ基濃度は、Ｄ．Ｍ．Ｄｏｄｄ ａｎｄ Ｄ．Ｂ．Ｆｒａｓｅｒ， Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＯＨ ｉｎ ｆｕｓｅｄ ｓｉｌｉｃａ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｖｏｌ．３７ （１９６６） ｐ．３９１１に従う。
【００４４】
また、上記工程２において、シリカチタニア系ガラス母材を、軸方向に対する垂直断面形状が正方形、長方形、三角形その他多角形の細長い棒状体に加工した場合には、線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維としたときに、該シリカチタニア系ガラス繊維の垂直断面形状が正方形、長方形、三角形その他多角形になりやすいが、このような断面形状であれば、シリカチタニア系ガラス繊維に適度な曲げ（ファイバーカール）を形成することができる。シリカチタニア系ガラス繊維はストレートであるよりも、むしろカールがある方が繊維状光触媒体を塊状にまとめて取り扱う際の容易性の点から好ましい。
カールの程度は繊維を空気中の室温２５℃、相対湿度５０％以下の雰囲気にて乾燥したシリカガラス板上に上から落下させた後の形状から判断することが可能である。
【００４５】
このときのシリカチタニア系ガラス繊維の曲率半径、すなわちファイバーカール半径は、２００ｍｍ以下が好ましく、１００ｍｍ以下であることがさらに好ましい。ファイバーカール半径の好ましい範囲の下限は特に限定されるものではないが、取り扱いのし易さ等により決定することができ、例えば１０ｍｍ程度である。
【００４６】
上記したようなシリカチタニア系ガラス繊維の製造方法であれば、極めて純度の高いシリカチタニア系ガラスからなる繊維とすることができる。
【００４７】
また、シリカチタニア系ガラス棒状体を線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する際に、高速のガス流体を吹き付けることによって短繊維のシリカチタニア系ガラス繊維を作製することもできる。このように、ガラス棒状体を線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する際に高速のガス流体を吹き付けることによって、短繊維（ウール）のシリカチタニア系ガラス繊維を作製すれば、繊維状光触媒体を塊状等の任意の形状にまとめることがより容易にすることができ、より取り扱いしやすくすることができる。
【００４８】
なお、シリカチタニア系ガラス棒状体を線引きする際の溶融方法は特に限定されるものではないが、例えば、火炎加熱、ヒーターによる直接電気抵抗加熱、高周波誘導加熱の少なくとも１手法により行うことができ、各種の方法を適宜選択して行うことができる。
【００４９】
また、本発明に係る繊維状光触媒体１１は、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくとも一種を含有するものとすることができる。この添加金属元素としての遷移金属元素は、被処理体の特性又は光反応の光源の種類等にもよるが、バナジウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、パラジウム、銀、白金、セリウム、ネオジム等を採用することができる。なお、このチタン以外の遷移金属元素の含有量は、チタン以外の遷移金属元素の合計含有量が５０００ｗｔ．ｐｐｍ以下となるようにすることが好ましい。
【００５０】
なお、シリカチタニア系ガラス繊維１１の各元素の含有量は、好ましくは、チタンが５〜１５ｗｔ．％であり、チタン以外の遷移金属元素の合計含有量が１００〜１０００ｗｔ．ｐｐｍである。
【００５１】
このように繊維状光触媒体１１にチタン以外の遷移金属元素の一種を含有させたものを製造するには、上記した工程１の母材形成工程において、さらにチタン以外の遷移金属元素のいずれか一種以上を含む化合物を原料とし、該遷移金属元素をさらに含有するシリカチタニア系ガラス母材を形成し、該母材から繊維状光触媒体を製造する。
【００５２】
また、図１（ｂ）に示したように、シリカチタニア系ガラス繊維１１の表面に、光触媒材料の被膜１２を形成し、これを繊維状光触媒体１３としてもよい。なお、図１（ｂ−１）には、繊維の軸方向に沿った断面、図１（ｂ−２）には、繊維の軸方向に対する垂直断面をそれぞれ模式的に示している。
【００５３】
上記の光触媒材料の被膜形成処理は、例えばスパッタリング法、グロー放電法、熱蒸着法、真空蒸着法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、イオンプレーティング法のいずれかの方法で行うことができる。また光触媒材料の被膜形成処理を、光触媒材料の前駆体となる有機金属化合物の溶液又は光触媒材料の前駆体となる化合物からなる微粒子の分散液にシリカチタニア系ガラス繊維を含浸させた後、加熱乾燥処理することにより行うことができる。
【００５４】
被膜１２となる光触媒材料としては酸化チタン、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、チタン酸ストロンチウム等が挙げられるが、光触媒活性が高い等の理由により酸化チタンが好ましい。酸化チタンには、純粋な無水酸化チタン（ＴｉＯ２）の他、各種の水和物等が包含される。また、ドープ剤やバインダーなどを含んでいてもよい。また必要に応じて、さらにチタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種を含むものとしてもよい。
本発明の実施にあたって使用する酸化チタンとしては、光触媒活性の高いアナターゼ型結晶構造のもの（アナターゼ型酸化チタン）が特に好ましい。
以下では、好適な例として、酸化チタンの被膜を形成する場合について主に説明する。
【００５５】
この光触媒材料被膜１２は、例えば、以下のような方法により形成することができる。大きく分けて２種類、すなわち、乾式法と湿式法が挙げられる。
【００５６】
第１の方法はシリカチタニア系ガラス繊維の表面への光触媒材料の蒸着である（乾式法）。蒸着法としては、酸化チタン（ＴｉＯ２）を、スパッタリング法、グロー放電法、熱蒸着法、真空蒸着法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、イオンプレーティング法等の膜付け技術により蒸着することができる。技術的な手軽さやコスト面からは特に熱蒸着法が好ましい。被膜として形成される酸化チタンは二酸化チタン（ＴｉＯ２）が好ましく、構造としてはアナターゼ型酸化チタンが好ましい。
【００５７】
第２の方法は、光触媒材料の前駆体となる有機金属化合物の溶液、又は、光触媒材料の前駆体となる化合物からなる微粒子の分散液（酸化チタンの場合は、有機チタン化合物の溶液又は酸化チタン分散液）に、シリカチタニア系ガラス繊維を含浸させた後、加熱乾燥処理することにより行うものである（ディップコーティング法、湿式法）。
例えば、有機チタン化合物を酸触媒下で加水分解によって調整した酸化チタン（ＴｉＯ２）のゾル溶液にシリカチタニア系ガラス繊維を浸漬して含浸させ、次いで一定速度で引き上げて乾燥、３００〜７００℃程度で加熱焼成する。均一で高品質の酸化チタンの被膜を作製するためには、前述の浸漬・含浸・乾燥・焼成の各段階を複数回繰り返すのが好ましい。有機チタン化合物としては、チタンエトキシド［Ｔｉ（ＯＣ２Ｈ５）４］、チタンプロキシド［Ｔｉ（ＯＣ３Ｈ７）４］、チタンブロキシド［Ｔｉ（ＯＣ４Ｈ９）４］等のチタンアルコキシドが利用できる。酸触媒としては、例えば、塩酸、硫酸、硝酸などの無機酸、又は蓚酸、乳酸、酢酸などの有機酸を使用することができる。
【００５８】
シリカチタニア系ガラス繊維１１の表面部に形成する光触媒材料被膜の量は、特に限定されるものではなく、その用途や目的、被処理体の気体又は液体かの物質形態等に応じて適宜選択することができる。一般的にはシリカチタニア系ガラス繊維１００ｗｔ．％に対して、光触媒材料０．１〜５０ｗｔ．％程度を被膜として担持させることができる。
【００５９】
また、図１（ｃ）に示したように、シリカチタニア系ガラス繊維１１の表面の被膜１５をさらに窒素を含むものとして形成し、これを繊維状光触媒体１６としてもよい。なお、図１（ｃ−１）には、繊維の軸方向に沿った断面、図１（ｃ−２）には、繊維の軸方向に対する垂直断面をそれぞれ模式的に示している。
【００６０】
このような繊維状光触媒体は、図１（ｂ）に示したような光触媒材料の被膜１２を表面に形成したシリカチタニア系ガラス繊維１１に窒素ドープ処理を行うことによって製造することができる。
この窒素ドープ処理は、光触媒材料の被膜に窒素が添加されるものであれば特に限定されないが、好ましくは以下のような処理によって行うことができる。
すなわち、アンモニア（ＮＨ３）ガス含有雰囲気下で、４００℃〜１０００℃、好ましくは５００℃〜７００℃の温度範囲にて熱処理を行うことができる。このアンモニアガス熱処理は、例えばシリカガラスチャンバーを設置した電気加熱炉の中に光触媒材料被膜形成処理後のシリカチタニア系ガラス繊維を入れ、チャンバー内部をアンモニアガス雰囲気とし、次いで６００℃に昇温し、１時間保持後室温まで冷却処理を行う。また必要に応じて引き続きチャンバー内をアンモニアガスから窒素ガス雰囲気に切り替えて２００℃〜３００℃、１〜３時間程度のベーキング処理を行う。このベーキング処理は窒素ドープされた光触媒材料の被膜を物理的、化学的に安定化させる効果がある。
【００６１】
このような窒素ドープ処理を行うことにより、光触媒材料となる光触媒材料の被膜に窒素を添加し、光触媒材料に可視光応答性を付加することができる。
【００６２】
以上説明したように、本発明に係る繊維状光触媒体の製造方法によれば、光触媒作用を有する繊維状の光触媒体であって、少なくとも、シリカを主成分とし、酸化チタン（ＴｉＯ２）の含有量が１〜５０ｗｔ．％であるシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体を製造することができる。
この本発明にかかる繊維状光触媒体の断面構造の例を示す概念図を図２に示した。図２（ａ）〜（ｆ）それぞれ、以下の構造を有する。
（ａ） シリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体
（ｂ） チタン以外の遷移金属元素（ここではバナジウム、クロムを例示）が添加されたシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体
（ｃ） シリカチタニア系ガラス繊維に、光触媒材料（ここでは酸化チタン）被膜が形成された繊維状光触媒体
（ｄ） （ｃ）の繊維状光触媒体の酸化チタン被膜にチタン以外の遷移金属元素（ここではバナジウム、クロムを例示）が添加された繊維状光触媒体
（ｅ） （ｃ）の繊維状光触媒体の酸化チタン被膜に窒素が添加された繊維状光触媒体
（ｆ） （ｃ）の繊維状光触媒体の酸化チタン被膜にチタン以外の遷移金属元素（ここではバナジウム、クロムを例示）及び窒素が添加された繊維状光触媒体
【００６３】
なお、繊維状光触媒体１１は、繊維に含まれるアルカリ金属元素Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ各々の含有量が１００ｗｔ．ｐｐｂ以下、特には５０ｗｔ．ｐｐｂ以下、アルカリ土類金属元素Ｍｇ、Ｃａ各々の含有量が５０ｗｔ．ｐｐｂ以下、特には２０ｗｔ．ｐｐｂ以下とすることができる。
これらの金属元素は、それぞれ、作業者の人体、建築物の構成材料等から混入しやすいものであるが、本発明に係る繊維状光触媒体の製造方法によれば、繊維状光触媒体に含まれる上記の不純物金属元素を上記範囲に抑制することが可能である。このように、不純物金属元素が非常に少なく、高純度のシリカチタニア系ガラス繊維であれば、可視光の透過率がさらに高くなり、水の浄化処理や空気の浄化処理における光化学反応をより促進させることができる。また、不純物が少ないシリカチタニア系ガラス繊維であることにより、高温腐蝕性ガスや腐蝕性排水の処理時におけるシリカチタニア系ガラス繊維の変質、劣化、再結晶化（失透）及びそれによって起こる強度低下及び透過率低下等を効果的に防止することができ、光触媒体として利用する際の環境中への不純物の放出も防止することができる。このような高純度は、従来の焼結法等による多孔質光触媒体の製造方法などでは達成することは極めて困難であった。従って、本発明の繊維状光触媒体は、耐久性に関しても優れている。
このような光触媒体は、耐熱性、耐薬品性、耐紫外線性、耐候性があり、高温下での排ガス処理、腐蝕性の排水処理、腐蝕性の排ガス処理等に好ましい。
【００６４】
そして、本発明に係る繊維状光触媒体を光触媒反応器内に収容し、少なくとも紫外光を含む光線を発する光源により繊維状光触媒体に光線を照射しながら、繊維状光触媒体に被処理物を接触させ、光触媒作用によって被処理物を浄化処理する浄化装置とすることができる。
【００６５】
浄化装置の構成は、様々な態様とすることができる。図３に繊維状光触媒体と光源とを具備する汚染ガス浄化装置の一例として、繊維状光触媒体の中心部に紫外可視光源が配置された例を示した。なお、図３（ａ）は光触媒反応ユニットの側面方向から見た概略断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）中のＡ−Ａ’面の概略断面図である。この汚染ガス浄化装置は、金属製（ステンレス、アルミニウム等）チャンバー２１に覆われており、例えばらせん状の仕切り板２２ａを有するシリカガラスチャンバー２２が反応器となる。また、その中心部に紫外可視光源２３が配置されている。本発明の繊維状光触媒体２５はシリカガラスチャンバー２２内に充填される。紫外可視光源２３により繊維状光触媒体２５に紫外可視光を照射しながら汚染ガス導入口２６から汚染ガスを導入し、繊維状光触媒体２５を通過させることにより汚染ガスを浄化し、浄化ガス排出口２７から浄化されたガスを排出させる。仕切り板２２ａはなくてもよいが、このようならせん状の仕切り板２２ａを反応器内に配置することで、光触媒体内におけるガスの通過距離を長くすることができ、汚染ガスの浄化処理を効果的に行うことができる。
なお、紫外可視光源２３は、少なくとも紫外光を含む光線を照射できるものであれば良いが、中圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、エキシマランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、レーザーダイオード、発光ダイオード等を用いることが可能である。
【００６６】
また、図４に繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する汚染ガス浄化装置の別の一例として、繊維状光触媒体の外周部に紫外可視光源が配置された例を示した。なお、図４（ａ）は光触媒反応ユニットの側面方向から見た概略断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）中のＢ−Ｂ’面の概略断面図である。この汚染ガス浄化装置は金属製チャンバー３１に覆われたシリカガラス製外管３２内に、反応器として、仕切り板３４ａを有するシリカガラス製内管３４と紫外可視光源３３が配置されている。そして、シリカガラス製内管３４内に本発明の繊維状光触媒体３５が配置されている。紫外可視光源３３によりシリカガラス製内管３４内の繊維状光触媒体３５に紫外可視光を照射しながら汚染ガス導入口３６から汚染ガスを導入し、繊維状光触媒体３５を通過させることにより汚染ガスを浄化し、浄化ガス排出口３７から浄化されたガスを排出させる。
【００６７】
また、図５に繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する汚染ガス浄化装置のさらに別の一例を示した。なお、図５（ａ）は光触媒反応ユニットの上方から見た概略断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＣ−Ｃ’面の概略断面図である。この汚染ガス浄化装置は、特に車両等の排気ガス浄化処理ユニットに用いることができる。
この汚染ガス浄化装置は、楕円断面形状の筒型アルミニウム製排気ガス処理ユニットカバー４０の内部に光触媒反応器としてシリカガラス製光触媒反応チャンバー４１が配置されている。また、上記の楕円断面形状の焦点に相当する２箇所に紫外可視光源４３ａ、４３ｂが配置されている。また、シリカガラス製光触媒反応チャンバー４１の内部に繊維状光触媒体４２が配置されている。
また、車両のエンジンから排出される排気ガスは排気ガス導入口４４に入り光触媒反応により浄化された後、浄化ガス排出口４５から外部へ出される。排気ガスは高温であるため、光源を保護する目的から、冷却用空気が冷却空気入口４６から入り冷却空気出口４７から外部へ出る構造となっている。
【００６８】
そして、車両排気ガス処理の際には、紫外可視光源４３ａ、４３ｂにより、シリカガラス製光触媒チャンバー４１内の繊維状光触媒体４２に紫外可視光を照射しながら排気ガス導入口４４から汚染ガスを導入し、繊維状光触媒体４２を通過させることにより排気ガスを浄化し、浄化ガス出口４５から浄化されたガスを排出させる。また、排気ガスによる熱を冷却するため、冷却空気入口４６及び冷却空気出口４７によって排気ガス処理ユニットカバー４０と光触媒反応チャンバー４１との間の空間に冷却空気を流通させる。
なお、紫外可視光源４３ａ、４３ｂは高効率で少なくとも紫外光を含む光線を照射するものであれば良いが、水銀ランプ、エキシマランプ、メタルハライドランプ、発光ダイオード、レーザーダイオード等を用いることが可能である。
【００６９】
このような、本発明に係る繊維状光触媒体を具備する浄化装置であれば、高い化学的安定性を有するとともに、光触媒作用を効率よく発揮することができる光触媒体を具備する浄化装置であるので、高耐久性と高い処理能力を併せ持つ浄化装置とすることができる。したがって、悪臭や空気中の有害物質を除去する浄化装置として利用でき、特に、熱反応装置から排出される高温燃焼ガス中の環境汚染物質の除去等の過酷な環境下においても使用できる。例えば、焼却炉、火力発電所、自動車等の排ガスの処理に用いることができる。特に、高純度のシリカチタニア系ガラス繊維を光触媒体とすれば、このような目的にさらに合致する。更に本装置の光触媒反応を高効率化、大型化させることにより、太陽光を光源として水を光触媒分解反応させて水素燃料を取り出すことも可能となる。
【実施例】
【００７０】
以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７１】
（実施例１）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ａ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
【００７２】
シリカチタニア系ガラス繊維の作製を、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）及び四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）を原料とし、酸水素ガスを用いた火炎加水分解によるスート法によって以下のように行った。
すなわち、高純度の四塩化ケイ素及び四塩化チタンを原料とした酸水素火炎加水分解法のスート法により、ＯＨ基を５０ｗｔ．ｐｐｍ含有する高純度透明合成シリカチタニア系ガラス母材を作製した。この透明合成シリカチタニア系ガラス母材を切断加工することにより、３ｍｍ×１０ｍｍ角、長さ２ｍのシリカチタニア系ガラス棒状体を２０本作製した。次にこれら２０本のシリカチタニア系ガラス棒状体を繊維製造装置に原料棒としてセットし、第１のガスバーナにて火炎加熱により軟化延伸して直径２００〜３００μｍ程度の太い繊維とし、引き続き第２のガスバーナにて火炎加熱により軟化延伸して線引きして直径１０〜３０μｍ程度の細い繊維とすると同時にジェットブローにより短繊維（ウール）の作製を行った。ウールの直径は原料棒としてのシリカチタニア系ガラス棒状体の送り速度、繊維の引っ張り速度（線引き速度）、火炎量と温度コントロールにより制御することができた。ウールを巻き取り器に収容した後、長さ５００〜７００ｍｍ程度になるように切断し、混合して綿状で塊状の高純度シリカチタニア系ガラス繊維を作製した。ファイバーカール半径は５０〜１００ｍｍであった。
また、プラズマ発光分析法（ＩＣＰ−ＡＥＳ）及び原子吸光分光分析法（ＡＡＳ）により、シリカチタニア系ガラス繊維の不純物金属元素濃度分析を行った。
【００７３】
（実施例２）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｂ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
すなわち、実施例１と同様に、ただし、母材作製の際、スートの多孔質体に塩化バナジウム、塩化クロムをドープし、バナジウム、クロムが添加された繊維状光触媒体を製造した。
また、各物性値を実施例１と同様に測定した。
【００７４】
（実施例３）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｃ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
まず実施例１と同様の方法に従いシリカチタニア系ガラス繊維を作製した。
次に、以下のように、シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、光触媒材料として酸化チタンを用いて、被膜をディップコーティング法により形成した。すなわち、光触媒の酸化チタン源となるチタンアルコキシドと溶媒となるエチルアルコール、安定化剤となるエチレングリコール等の試薬を混合してディップコーティング液として調整した。次いで、耐圧製のグローブボックス内に先に作られたシリカチタニア系ガラス繊維と容器入りのディップコーティング液を入れ、次いでグローブボックス内を１０−２Ｔｏｒｒ（約０．１３Ｐａ）以下の減圧にしつつシリカチタニア系ガラス繊維内部（多数本のシリカチタニア系ガラス繊維間の空隙）を脱ガスして、次いで常圧に戻しつつこの繊維をディップコーティング液に入れてチタン化合物液に浸漬させた。このディップコーティング操作を５回繰り返した後、グローブボックスより取り出し、電気炉内に設置し、４５０℃１時間で焼成を行い透明の被膜とした。
【００７５】
この透明被膜をＸ線回析分析法等により調べたところ、アナターゼ型の酸化チタン（ＴｉＯ２）であることが確認され、また走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等により観察したところ被膜表面は粒径１０〜２０ｎｍ程度の酸化チタンの超微粒子から成り、２〜５ｎｍ程度の細孔を有しており、比表面積は５０ｍ２／ｇであった。次いで酸化チタン被膜が形成された後の繊維状光触媒体の重量（ｇ）を測定することにより、シリカチタニア系ガラス繊維重量に対する光触媒材料被膜の重量比率（％）を求めた。
また、各物性値を実施例１と同様に測定した。
【００７６】
（実施例４）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｄ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
まず、実施例１と同様にシリカチタニア系ガラス繊維を作製した。
【００７７】
次に、以下のようにして、シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、光触媒材料の主成分として酸化チタンを、添加元素としてクロム、バナジウムを用いて、被膜をディップコーティング法により形成した。
光触媒の酸化チタン源となるチタンアルコキシドと溶媒となるエチルアルコール、安定化剤となるエチレングリコール等の試薬、及び塩化クロムと塩化バナジウム（チタン重量に対して各々１００分の１比率の各添加元素量）を混合してディップコーティング液として調整した。次いで、耐圧製のグローブボックス内に先に作られたシリカチタニア系ガラス繊維と容器入りのディップコーティング液を入れ、次いでグローブボックス内を１０−２Ｔｏｒｒ（約０．１３Ｐａ）以下の減圧にしつつシリカチタニア系ガラス繊維内部（多数本のシリカチタニア系ガラス繊維間の空隙）を脱ガスして、次いで常圧に戻しつつこの繊維をディップコーティング液に入れてチタン化合物液に浸漬させた。このディップコーティング操作を５回繰り返した後、グローブボックスより取り出し、電気炉内に設置し、４５０℃１時間で焼成を行い透明の被膜とした。
【００７８】
また、各物性値を実施例１と同様に（シリカチタニア系ガラス繊維に対する光触媒材料被膜の重量比率（％）については実施例３と同様に）測定した。
【００７９】
（実施例５）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｅ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
まず、実施例３と同様に酸化チタンの被膜を形成したシリカチタニア系ガラス繊維を製造した。
この酸化チタンの被膜を形成したシリカチタニア系ガラス繊維に窒素ドープ処理を以下のように行った。
酸化チタンを含有する光触媒材料被膜が形成されたシリカチタニア系ガラス繊維の綿状塊を５００ｇ程度取り、シリカガラスチャンバーが内部に設置されている電気炉内に入れた。そしてチャンバー内部へ窒素ガスで希釈されたアンモニアガス（窒素ガス５０Ｖｏｌ．％、アンモニアガス５０Ｖｏｌ．％）を導入し、６０ｍｌ／ｍｉｎでフローさせつつ６００℃１時間のアンモニアドープ処理を行った。次いでチャンバー内を窒素ガス１００％雰囲気に変え、３００℃３時間のベーキング処理を行い、添加した窒素を安定化させた。
【００８０】
その後この透明被膜をＸ線回折分析法等により調べたところ、アナターゼ型の酸化チタン（ＴｉＯ２）であることが確認され、また走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等により観察したところ被膜表面は粒径５〜１０ｎｍ程度の酸化チタンの超微粒子から成り、２〜３ｎｍ程度の細孔を有しており、比表面積は約８０ｍ２／ｇであった。
また、各物性値を実施例１と同様に（シリカチタニア系ガラス繊維に対する光触媒材料被膜の重量比率（％）については実施例３と同様に）測定した。
【００８１】
（実施例６）
本発明の繊維状光触媒体の製造方法に従い、図２（ｆ）に断面構造を示したような繊維状光触媒体を以下のように製造した。
まず、実施例４と同様に、シリカチタニア系ガラス繊維状にバナジウム、クロムを含有する酸化チタン被膜を形成した繊維状光触媒体を製造した。
次に、この酸化チタンを含有し、バナジウム、クロムを含有する被膜が形成されたシリカチタニア系ガラス繊維に対して、窒素ドープ処理を実施例５の窒素ドープ処理条件と同様の条件で行い、繊維状光触媒体とした。
また、各物性値を実施例１と同様に（シリカチタニア系ガラス繊維に対する光触媒材料被膜の重量比率（％）については実施例３と同様に）測定した。
【００８２】
（比較例１）
繊維径１０〜３０μｍ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）３０ｗｔ．％のシリカアルミナ(ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３)系ガラス繊維を担体として準備した。次にシリカアルミナ系ガラス繊維の表面に光触媒材料として酸化チタンのみのディップコーティングによる被膜形成処理を行い、繊維状光触媒体を製造した。
また、各物性値を実施例１と同様に測定した。また、シリカアルミナ系ガラス繊維の重量に対する酸化チタン被膜の重量比率（％）については実施例３と同様の手法により測定した。
【００８３】
（比較例２）
粒径１〜２ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミックス粒、純度９９．９％グレード品をそのまま担体として用い、比較例１と同様に酸化チタンのディップコーティングによる被膜形成処理を行い、光触媒体とした。
この光触媒体は見た目でも不透明である。
また、各物性値を実施例１と同様に測定した。なお、粉体であるため、繊維径、繊維長は定義できない。また、担体重量に対する酸化チタン被膜の重量比率（％）については実施例３と同様の手法により測定した。
【００８４】
実施例１〜６、比較例１、２で製造したそれぞれの光触媒体について、以下のように、アセトアルデヒド浄化試験と、ＮＯｘ浄化試験を行い、光触媒特性を測定した。
【００８５】
（光触媒作用の性能評価（アセトアルデヒド浄化試験））
作製した繊維状光触媒体を、アセトアルデヒド光分解反応を用いて、光触媒作用の性能評価を行った。
先ず、繊維状光触媒体１２０ｇを、均一密度にて寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍの板状に成形して準備した。
図６に示した繊維状光触媒体とアセトアルデヒドとの反応装置は、閉鎖系装置であり、供試体である繊維状光触媒体５７ｂを載置する高純度合成シリカガラス製容器５７ａを内部に設置する高純度合成シリカガラス製の内容量５Ｌの反応容器（チャンバー）５５と光源（ランプ）５６ａから構成される。反応ガスは、アセトアルデヒドボンベ５１から供給される、６６０Ｔｏｒｒ（約８８ｋＰａ）の、Ｈｅで希釈されたＣＨ３ＣＨＯ（１０００ｖｏｌ．ｐｐｍ）ガスと、酸素ガスボンベ５２から供給される１００Ｔｏｒｒ（約１３ｋＰａ）Ｏ２ガスの計７６０Ｔｏｒｒ（約１０１ｋＰａ）（ほぼ大気圧と同一）混合ガスとした。光源５６ａとしては、紫外〜可視光を照射することができる中圧水銀ランプを用いた。その他、ガス供給側にはガス圧力調整器５３ａ、５３ｂ、マスフローコントローラ５４ａ、５４ｂ等を具備する。また、ガス排出側には、ガス分析器（ガスクロマトグラフ装置）５８、排気ファン５９ａ、５９ｂ等を具備し、排出されたガスを分析する。
【００８６】
（アセトアルデヒド浄化試験１）
以下のような手順にて、紫外〜可視光の照射による光触媒作用を評価した。
【００８７】
（１） 光触媒反応用チャンバーの中に綿状の供試体（繊維状光触媒体）重量１２０ｇ、寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×１０ｍｍ、１個を設置し、内部を２５℃空気雰囲気とし、波長４００ｎｍ以下の紫外線強度１０ｍＷ／ｃｍ２程度の出力で中圧水銀ランプ光を照射しつつ６時間保持する。
【００８８】
（２） 反応チャンバー内を一度１０３Ｐａ以下の真空にして排気した後、アセトアルデヒド混合ガス（６６０Ｔｏｒｒ（約８８ｋＰａ）分圧のＣＨ３ＣＨＯ、１０００ｖｏｌ．ｐｐｍ Ｈｅ希釈ガスと１００Ｔｏｒｒ（約１３ｋＰａ）分圧Ｏ２ガス）を、１０５Ｐａ（ほぼ大気圧）にて導入し、３００ｍｌ／ｍｉｎの流量で流しつつ室温２５℃で６時間放置した。この時ランプ光源は点灯していない。
【００８９】
（３） アセトアルデヒド混合ガスのガスフローを停止し反応チャンバー内（内容量５Ｌ）を封じ切り、中圧水銀ランプ照射を開始する。中圧水銀ランプの分光スペクトル分布を図８に、ランプ仕様を表１に示す。供試体の表面における波長４００ｎｍ以下の紫外線強度は１０ｍＷ／ｃｍ２に設定する。
【００９０】
【表１】
【００９１】
（４） 反応チャンバーの温度を２５℃に保ち中圧水銀ランプ光を連続照射し、６時間後の混合ガスのアセトアルデヒド濃度をガスクロマトグラフィーで測定を行う。
【００９２】
このアセトアルデヒド浄化試験１における浄化率は、以下の計算式（１）によって求めた。
浄化率（％）＝１００×｛（ＣＨ３ＣＨＯ初期濃度）−（ＣＨ３ＣＨＯ最終濃度）｝／（ＣＨ３ＣＨＯ初期濃度）・・・（１）
【００９３】
浄化率の評価は、浄化率が１００〜９０％の場合は◎（極めて良好）、９０〜７０％の場合は○（良好）、７０〜４０％の場合は△（やや不良）、４０〜０％の場合は×（不良）とした。
【００９４】
（アセトアルデヒド浄化試験２）
可視光のみの照射による光触媒作用を評価した。
具体的には、アセトアルデヒド浄化試験１と同様に、ただし、（３）（４）において、３９０ｎｍ以下の紫外線を吸収するランプ光源調整用フィルター５６ｂを付けて供試体表面における４００ｎｍ以上の可視光強度を５ｍＷ／ｃｍ２に調整して中圧水銀ランプ照射を開始し、温度２５℃、６時間照射試験を行った。
このアセトアルデヒド浄化試験２の浄化率の計算及び評価はアセトアルデヒド浄化試験１と同様とした。
【００９５】
（光触媒作用の性能評価（ＮＯｘ浄化試験））
また、光触媒体の浄化処理能力を評価するため、図７に概念図を示したような評価装置を用いて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解実験を行った。ＮＯｘとしては、具体的には、一酸化窒素（ＮＯ）を用いた。
円筒形の反応容器６５内には、中心に紫外・可視光ランプ６６を通し、その周りに光触媒体６７を配置した。その他ＮＯ１００ｗｔ．ｐｐｍ標準ガスを流せるＮＯｘガスボンベ６１、空気ガスボンベ６２、圧力調整器６３ａ、６３ｂ、マスフローコントローラ６４ａ、６４ｂ、各種バルブ、ＮＯｘ濃度計６８、排気ファン６９ａ、６９ｂ等を備えているシステムである。
なお、反応容器６５の外寸法は１２０ｍｍ長さ３２０ｍｍ、光触媒体の収納シリカガラスチャンバーの外径１００ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍ、容積約２Ｌであり、各光触媒体の投入量２００ｇとした。
【００９６】
実験条件は以下の通りである。
（１）吸着安定化を図るため、ＮＯｘガスフローを、ＮＯ濃度１ｗｔ．ｐｐｍ、ガス流量６０ｍｌ／ｍｉｎで３０分行った。
（２）次に、反応容器内の紫外可視光光源を点灯、紫外線の強度１０ｍＷ／ｃｍ２とした。この状態で、ＮＯｘガスフロー、ＮＯ濃度１ｗｔ．ｐｐｍ、ガス流量６Ｌ／ｍｉｎ、温度２５℃、相対湿度５０％、３時間の連続運転を行い、光触媒作用によるＮＯの分解実験を行った。
ＮＯ浄化率の評価は、下記の式（２）により計算された数値に基づいて行った。
【００９７】
｛（ＮＯ初期濃度）−（ＮＯ浄化後濃度）｝／（ＮＯ初期濃度） …式（２）
【００９８】
ＮＯ分解率が９０％以上を◎（極めて良好）、９０％〜７０％を○（良好）、７０％〜４０％を△（やや不良）、４０％未満を×（不良）と評価した。
【００９９】
（耐候性試験）
各光触媒体に対して、低圧水銀ランプを用い、１０ｍＷ／ｃｍ２の紫外線照射エネルギー密度にて温度５０℃、湿度９０％以上５００時間の連続耐候性実験を行い、その後光触媒体の目視観察、実体顕微鏡観察を行った。変化が検知されない時は○（良好）、若干の変色が生じたり酸化チタンの剥離が認められた時は△（やや不良）、変色が認められ、酸化チタンの１割以上に剥離が認められた時は×（不良）と評価した。
【０１００】
（耐熱性試験）
各光触媒体を、高純度アルミナ保温材、ニケイ化モリブデンヒータを具備する大気炉内に設置し、５００℃にて１０００時間の連続耐熱性実験を行い、その後の光触媒体の目視観察、実体顕微鏡観察を行った。評価基準は上記耐候性試験と同じく、変化が検知されない時は○（良好）、若干の変色が生じたり酸化チタンの剥離が認められた時は△（やや不良）、変色が認められ、酸化チタンの１割以上に剥離が認められた時は×（不良）と評価した。
【０１０１】
実施例１〜６、比較例１、２で製造したそれぞれの光触媒体について、物性値と、光触媒としての特性評価の結果を下記の表２〜４にまとめた。
【０１０２】
【表２】
【０１０３】
【表３】
【０１０４】
【表４】
【０１０５】
実施例１〜６は、比較例１、２に対してアセトアルデヒド浄化試験１、ＮＯｘ浄化試験が良好な結果であった。これは、実施例１〜６がシリカチタニア系ガラス繊維からなる光触媒体であるため、紫外線及び可視光が光触媒体の内部に十分に行き渡り、光触媒作用が効果的に発揮されたためと考えられる。また実施例２、４、５、６ではアセトアルデヒド浄化試験２においても好ましい結果が得られた。これはチタン以外の元素がドープされることにより、光触媒体に可視光応答性が生じたものと考えられる。
一方、比較例１、２は、アセトアルデヒド浄化試験１、ＮＯｘ浄化試験はやや不良であった。これは、比較例１、２のような光触媒体は、紫外線が十分に行き渡らないためであると考えられる。またアセトアルデヒド浄化試験２の結果から明らかなように、光触媒体に可視光応答性は全く認められなかった。
【０１０６】
また、実施例１〜６の光触媒体は、成形が容易であり、アセトアルデヒド浄化試験、ＮＯｘ浄化試験では反応容器への充填が容易であった。
【０１０７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】それぞれ本発明に係る繊維状光触媒体構造の概念図であり、（ａ）は被膜が形成されていないシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体を示し、（ｂ）は光触媒材料の被膜が形成された繊維状光触媒体を示し、（ｃ）は光触媒材料の被膜が形成されさらに窒素ドープ処理された繊維状光触媒体を示す。
【図２】それぞれ本発明に係る繊維状光触媒体の断面構造を示す概念図であり、（ａ）はシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体を示し、（ｂ）はチタン以外の遷移金属が添加されたシリカチタニア系ガラス繊維からなる繊維状光触媒体を示し、（ｃ）はシリカチタニア系ガラス繊維に、光触媒材料被膜が形成された繊維状光触媒体を示し、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）はそれぞれシリカチタニア系ガラス繊維に、可視光応答性光触媒材料被膜が形成された繊維状光触媒体を示す。
【図３】本発明に係る繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する浄化装置の一例を示した概略断面図である。
【図４】本発明に係る繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する浄化装置の別の一例を示した概略断面図である。
【図５】本発明に係る繊維状光触媒体と紫外可視光源とを具備する浄化装置のさらに別の一例を示した概略断面図である。
【図６】光触媒体の処理能力を評価する装置の一例として、アセトアルデヒド浄化試験装置を示した概略図である。
【図７】光触媒体の処理能力を評価する装置の別の一例として、ＮＯｘ浄化試験装置を示した概略図である。
【図８】中圧水銀ランプの相対分光強度スペクトル（波長３６５ｎｍを相対強度１００とする）を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０９】
１１…シリカチタニア系ガラス繊維からなる本発明の繊維状光触媒体、
１２…光触媒材料の被膜、 １３…本発明の繊維状光触媒体、
１５…窒素ドープされた光触媒材料の被膜、 １６…本発明の繊維状光触媒体、
２１…金属製チャンバー、
２２…シリカガラスチャンバー、 ２２ａ…らせん状仕切り板、
２３…紫外可視光源、 ２５…繊維状光触媒体、
２６…汚染ガス導入口、 ２７…浄化ガス排出口、
３１…金属製チャンバー、 ３２…シリカガラス製外管、 ３３…紫外可視光源、
３４…シリカガラス製内管、 ３４ａ…仕切り板、
３５…繊維状光触媒体、
３６…汚染ガス導入口、 ３７…浄化ガス排出口、
４０…排気ガス処理ユニットカバー、 ４１…光触媒反応チャンバー、
４２…繊維状光触媒体、
４３ａ、４３ｂ…紫外可視光源、
４４…排気ガス導入口、 ４５…浄化ガス排出口、
４６…冷却空気入口、 ４７…冷却空気出口。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカを主成分とし、酸化チタンを含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造する方法であって、少なくとも、
ケイ素化合物及びチタン化合物を原料として、火炎加水分解法により、シリカチタニア系ガラス母材を形成する母材形成工程と、
該シリカチタニア系ガラス母材を棒状体に加工する工程と、
該シリカチタニア系ガラス棒状体を溶融し、繊維状に線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する線引き工程と
を含むことを特徴とする繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項２】
前記線引き工程よりも後に、前記シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、さらに、光触媒材料の被膜を形成する被膜形成工程を有することを特徴とする請求項１に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項３】
前記被膜形成工程の際に、前記光触媒材料の被膜として、少なくとも主成分として酸化チタンを含有する被膜を形成することを特徴とする請求項２に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項４】
前記酸化チタンを含有する光触媒材料の被膜として、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種を含有する被膜を形成することを特徴とする請求項３に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項５】
前記被膜形成工程よりも後に、アンモニア含有雰囲気下、４００℃〜１０００℃にて熱処理を行う工程を有することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項６】
前記母材形成工程において、さらにチタン以外の遷移金属元素のいずれか一種以上を含む化合物を原料とし、該遷移金属元素をさらに含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項１】
シリカを主成分とし、酸化チタンを含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造する方法であって、少なくとも、
ケイ素化合物及びチタン化合物を原料として、火炎加水分解法により、シリカチタニア系ガラス母材を形成する母材形成工程と、
該シリカチタニア系ガラス母材を棒状体に加工する工程と、
該シリカチタニア系ガラス棒状体を溶融し、繊維状に線引きしてシリカチタニア系ガラス繊維を作製する線引き工程と
を含むことを特徴とする繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項２】
前記線引き工程よりも後に、前記シリカチタニア系ガラス繊維の表面に、さらに、光触媒材料の被膜を形成する被膜形成工程を有することを特徴とする請求項１に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項３】
前記被膜形成工程の際に、前記光触媒材料の被膜として、少なくとも主成分として酸化チタンを含有する被膜を形成することを特徴とする請求項２に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項４】
前記酸化チタンを含有する光触媒材料の被膜として、さらに、チタン以外の遷移金属元素の少なくともいずれか一種を含有する被膜を形成することを特徴とする請求項３に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項５】
前記被膜形成工程よりも後に、アンモニア含有雰囲気下、４００℃〜１０００℃にて熱処理を行う工程を有することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【請求項６】
前記母材形成工程において、さらにチタン以外の遷移金属元素のいずれか一種以上を含む化合物を原料とし、該遷移金属元素をさらに含有するシリカチタニア系ガラスからなる繊維状光触媒体を製造することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の繊維状光触媒体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１９６６７７（Ｐ２０１２−１９６６７７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１６３２２６（Ｐ２０１２−１６３２２６）
【出願日】平成２４年７月２４日（２０１２．７．２４）
【分割の表示】特願２００８−１８８６２８（Ｐ２００８−１８８６２８）の分割
【原出願日】平成２０年７月２２日（２００８．７．２２）
【出願人】（０００１９０１３８）信越石英株式会社 (183)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月２４日（２０１２．７．２４）
【分割の表示】特願２００８−１８８６２８（Ｐ２００８−１８８６２８）の分割
【原出願日】平成２０年７月２２日（２００８．７．２２）
【出願人】（０００１９０１３８）信越石英株式会社 (183)
【Ｆターム（参考）】
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