JP4288094B2 - Photochemical reaction method, liquid processing method and liquid processing apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒を用いた光化学反応に関する。より詳しくは、光化学反応を利用した有機化合物の反応に関し、さらに、工業排水や地下水などに含まれるダイオキシン類等の有害物質を、光化学反応方法を利用して処理する液体処理方法及び処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
これまで、光エネルギーを利用した化学反応プロセスについては多くの文献が開示されている。特に、有害物質処理に関する文献として、例えば以下のものが報告されており、それぞれについて以下に示すような問題があった。
【0003】
(1)特開2000−5562号公報(特許文献1)には、抽出処理と、吹込み処理と、紫外線照射処理とを行うことにより、土中、水中に含まれた有機塩素化合物(例えば、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレンなど)を分解処理する方法が開示されている。
【0004】
この特許文献1に係る処理方法は、酸化剤および/または触媒により有機塩素化合物を分解処理し、さらに紫外線の照射によって処理するものである。このように、酸化剤、触媒または紫外線の個別の効果により有機塩素化合物を処理するものであり、酸化剤と触媒と紫外線との相関関係についての技術的思想についてはなんら記載されていない。また、紫外線の効果に着目すると、有機塩素化合物の光分解(紫外線酸化分解)に直接用いられるため、高エネルギーかつ大エネルギーの紫外線が必要であり、エネルギー損失が大きい。
【0005】
(2)特開2002−18240号公報(特許文献2)には、真空紫外領域を含む紫外線を排ガスに照射して有害有機物を分解する光分解反応工程と、真空紫外領域を含まない紫外線を光触媒に照射して前工程を経た排ガスを光触媒に接触させて有害有機物を分解する光触媒反応工程とを行うことにより、排ガスに含まれる有害な有機化合物(例えば、トリクロロエタンなど)を無害化する処理方法が開示されている。
【0006】
この特許文献2によれば、光分解反応工程において、発光効率が低く、かつ空気中での透過率が極めて低い真空紫外光を用いるため、投入したエネルギーのうち有害有機物の分解に利用されずに熱エネルギーとして消費される割合が高く効率が悪いうえ、1段の処理工程だけでは充分な分解効率を得ることができない。また、光触媒反応工程においては、光触媒を用いて光励起された触媒表面への有害有機物の接触反応により分解処理を行っているが、光触媒としては具体的に二酸化チタンを使用した実施例しか記載されておらず、反応は二酸化チタンの特徴が利用できるものに限定されてしまい、多種の有害物質に適用できない。
【0007】
(3)特開平11−335204号公報(特許文献3)には、透明材の棒状体を土壌に立て、露呈している部分から光線を集光して棒状体に沿って土壌中に誘導し、該棒状体表面に坦持させた光触媒に照射して光触媒反応により近傍の土壌について、滅菌、殺菌する土壌の浄化方法が開示されている。
【0008】
この特許文献3によれば、光源として太陽光が利用できるため低コストであるが、気象条件の変動によっては太陽光の確保が困難となるため確実性が乏しいうえ、光触媒としての酸化チタンを励起させるだけのエネルギーを有する光(紫外線)の地表面への到達が限定されるため反応効率が低い。また、光触媒が坦持された棒状体の近傍しか減菌できないことも問題である。
【0009】
以上示したように、光エネルギーをそのまま用いての有害物質の分解処理、または、二酸化チタンなどの触媒の光励起を使用した有害物質の分解処理については多くの文献が開示されている。
【0010】
【特許文献1】
特開2000−5562号公報
【特許文献2】
特開2002−18240号公報
【特許文献3】
特開平11−335204号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、光エネルギーを利用した化学反応の実用技術としては、以下の2種類に大別することができ、それぞれについて以下のような問題がある。
【0012】
▲1▼反応分子を光エネルギーで直接光分解する方法。この方法では、光エネルギーを利用して分子内の化学結合を切断する(すなわち、結合性軌道に存在する電子を反結合性軌道に励起させる)ため、真空紫外光などの高エネルギー光を用いる必要がある。すなわち、光エネルギーだけによる結合の切断を考慮した場合には、一般に、小さいエネルギー(浅いエネルギー準位)で結合している電子よりも、大きいエネルギー(深いエネルギー準位)で結合している複数の電子を反結合性軌道へ励起することが有効であることから、当該深いエネルギー準位に束縛されている複数の電子を自由にするだけの高エネルギー、且つ、大エネルギーの光照射が必要となってしまい、消費エネルギーが大きく、経済的に劣る。
【0013】
▲2▼光触媒を利用して反応分子を反応させる方法。この方法では、光エネルギーは光触媒の励起に用いられるため、化学反応によらず、光触媒を励起させるだけの一定のエネルギーを有する光が常に必要であり、エネルギー効率が低い。また、この場合、励起した光触媒が水などと反応して生成されるヒドロキシラジカル、スーパーオキサイドイオンなどを媒介して反応が進行する多段反応であることが多く、触媒の光励起に必要なエネルギーは、反応に必要とされるエネルギーより大きくなり、エネルギー効率が低い。
【0014】
また、利用できる反応が限定されてしまう。すなわち、現在のところ実用的な効率で利用可能な光触媒としては、二酸化チタンを主としたものにほぼ限定され、二酸化チタンのエネルギーギャップに相当する光(紫外線)の照射が必須であり、可視光の利用は一般に困難であるため効率が低い。また、事実上、二酸化チタンの特性を利用したものに限定されるため、二酸化チタンのエネルギーギャップ相当以上のエネルギーを要する反応には用いることができず、また、それ以下のエネルギーで進行する反応については、その差が無駄に消費されることとなる。
【0015】
そこで、種々の化学反応に利用可能であり、低コストで高効率な化学反応が望まれており、その反応方法を提供することが本発明の課題である。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の第1の態様に係る光化学反応方法の発明は、反応分子に光化学反応を起こさせて前記反応分子を所望の生成分子に変える光化学反応方法であって、前記反応分子を触媒に吸着させた後、前記反応分子を前記生成分子に変える反応を進行させない範囲で該反応分子の反応性を高めるエネルギーであって、前記触媒に対しては該触媒だけで前記反応を進行させない範囲のエネルギーを有する光を照射して前記触媒に吸着された状態の当該吸着反応分子を光励起させ、該光励起した反応分子に、該反応分子の当該励起状態における電子状態と前記所望の生成分子との間の活性化障壁を低減する触媒を作用させて前記生成分子を得る反応を起こさせることを特徴とする。
【0017】
この特徴によれば、触媒に反応分子を吸着させることにより反応の活性化障壁を下げることができ、さらに、この吸着反応分子を光励起させることにより反応性を高めることができるので、反応速度を向上させて反応をスムーズに進行させることができる。
【0018】
また、本発明の第2の態様に係る光化学反応方法の発明は、前記第1の態様において、前記反応分子は、有機ハロゲン化合物であることを特徴とする。
【0019】
また、本発明の第3の態様に係る光化学反応方法の発明は、前記第1の態様または前記第2の態様において、前記反応分子は、液相中に存在していることを特徴とする。
【0020】
この特徴によれば、例えば、反応分子が排水などに含まれる有機ハロゲン化合物などの有害物質である場合には、この有害物質を触媒に吸着させることにより排水から取り除くことができるとともに、前記第1の態様における作用効果を得ながら反応させることにより有害物質を確実に処理することができる。
【0021】
また、本発明の第4の態様に係る光化学反応方法の発明は、前記第1の態様から前記第3の態様のいずれかの態様において、前記触媒は、金属酸化物であることを特徴とする。
【0022】
また、本発明の第5の態様に係る液体処理方法の発明は、前記第1の態様から前記第4の態様のいずれかの態様に記載の光化学反応方法を利用して、液体を処理することを特徴とする。
【0023】
また、本発明の第6の態様に係る液体処理装置の発明は、液体中に存在する有害物質である反応分子に光化学反応を起こさせて前記反応分子を所望の生成分子に変える液体処理装置であって、液体中に存在する有害物質である前記反応分子を触媒に吸着させる有害物質吸着手段と、前記触媒に吸着した有害物質である吸着反応分子に光を照射して光励起させる光源を有する反応容器とを備え、前記光源は、前記反応分子を前記生成分子に変える反応を進行させない範囲で該反応分子の反応性を高めるエネルギーであって、前記触媒に対しては該触媒だけで前記反応を進行させない範囲のエネルギーを有する光を照射して該吸着反応分子を光励起させるもので構成され、前記触媒は、前記光励起した吸着反応分子に作用して当該吸着反応分子の当該励起状態における電子状態と前記所望の生成分子との間の活性化障壁を低減することにより前記生成分子を得る反応を起こさせるもので構成されていることを特徴とする。
【0024】
この特徴によれば、有害物質吸着手段により液体中に存在する有害物質を確実に取り除くことができるとともに、触媒に吸着した有害物質に光を照射することにより、触媒作用によって吸着有害物質を確実に処理することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明の光化学反応方法は、反応分子を光化学反応させる方法において、反応分子を触媒に吸着させた後、反応分子を励起させるエネルギーを有する光を照射して当該吸着反応分子を光励起させて、励起した反応分子を触媒作用により反応させることにより実施される。
【0026】
本発明では、光エネルギーを反応分子の励起に用いる。
反応分子を励起させるのに充分なエネルギーを有する光を反応分子に照射することにより、反応分子は、結合性軌道に電子が充満し強固な結合が形成された基底状態から、一部の電子が反結合性軌道に励起した励起状態となる。すなわち、結合性軌道の一部の電子がエネルギーを得て、より反応性の高い反結合性軌道に移動する。この励起は、一般的に、1電子励起であるため、反応分子を光分解する際のエネルギーに比べて少ないエネルギーで反応を進行させることができる。また、照射光は、個々の反応分子の励起に必要充分なエネルギーがあればよいため、光触媒の場合に比べて原理的に無駄に消費されるエネルギーを削減することができる。
【0027】
励起状態の反応分子は、一般に基底状態の反応分子に比べて反応性が高いことから、基底状態の分子より少ないエネルギーで反応を進行させることができる。また、反応分子は適当な触媒に吸着された状態であるので触媒作用により反応の活性化障壁を下げることができ、反応をよりスムーズに進めることができる。
【0028】
すなわち、触媒に吸着した反応分子に光を照射することにより反応性を高めると同時に、触媒作用により反応の活性化障壁を下げることで、反応をスムーズに進行させて低コストで高効率な化学反応を実現できる。
【0029】
なお、本発明での光化学反応は、基底状態にある反応分子を触媒を介して反応させる通常の触媒反応とは異なる反応機構(例えば、励起した反応分子から触媒に電子が移動する。)になると考えられることから、光源、触媒、反応温度、圧力、共存物質等の反応条件を適宜選定することにより、所望の反応を実現することができる。すなわち、本発明における光化学反応は、結合の開裂、異性化(転位)、付加環化、閉環、開環、付加、置換、酸化、還元、合成、分解などの反応に適用可能であり、特に、反応分子が芳香族有機ハロゲン化合物である場合の脱ハロゲン反応、酸化反応、分解反応に有効である。これは、基底状態では結合性軌道にある電子が光エネルギーによって反結合性軌道に励起されるために、炭素−塩素結合及び芳香環内の特定の炭素−炭素結合の結合力が弱まり、分解反応性が著しく向上するためと考えられる。
【0030】
本発明に係る光化学反応は、液相、特に、水相中に存在するダイオキシン類などの有害物質の処理に用いることができる。すなわち、光化学反応を利用して、有害物質を含む工業排水、生活排水、地下水、河川、湖水などの被処理水を無害化処理する液体処理方法として有効に利用することができる。
【0031】
また、土壌や焼却灰に含まれる有害物質の処理にも用いることができる。すなわち、土壌や焼却灰に含まれる有害物質を抽出処理によって液相に取り込み、この有害物質を取り込んだ液相を処理対象とすることができる。また、有害物質を抽出処理によって一旦気相に取り込み、その後、この気相を液相に接触させることにより有害物質を液相に取り込み、この液相を処理対象とすることも可能である。
【0032】
反応分子としては、照射された光によって励起される物質であれば特に限定されることはなく、例えば、工業排水、地下水、河川、湖水などに含まれる有機化合物、芳香環有機化合物、ハロゲン含有化合物などの有害物質を挙げることができる。ここで有機化合物としては、例えば、カルボニル化合物、アルカン、アルケン、芳香族炭化水素、共役不飽和カルボニル化合物、カルボン酸、ハロゲン化合物、カルボニトリル、アルコール、エーテル、窒素含有有機物、硫黄含有有機物、リン含有有機物、ケイ素含有有機物、複素芳香族化合物、有機金属錯体などを挙げることができる。
【0033】
さらに、青色色素一号などの有機着色物質、アントラセンなどの芳香環有機化合物、ダイオキシン類などの有機塩素化合物、ベンゼン類またはフェノール類などのダイオキシン類前駆物質、内分泌撹乱化学物質(いわゆる、環境ホルモン)に代表される1環または多環芳香族ハロゲン化合物などを挙げることができる。特に、芳香環有機化合物は、官能基により可視光によって励起される場合も多く、比較的容易に励起させることが可能である。
【0034】
また、これらの反応分子は工業排水や地下水などに含まれていてもよい。すなわち、本発明の光化学反応方法は、工業排水や地下水などの水相に含まれるダイオキシン類などの有害物質を分解させることによりこれらを無害化する、液体の処理方法として利用することができる。
【0035】
触媒としては、反応分子を吸着する能力を有するとともに、励起した反応分子の電子状態と所望の生成分子との間の活性化障壁を低減する効果を有する物質であれば特に限定することなく使用できる。なお、触媒は光触媒である必要はない。
【0036】
好ましい触媒の具体例として、例えば、Mg、Al、Si、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Auなどの金属またはこれらの金属酸化物もしくはこれらの複合金属酸化物を使用することができる。ここで、金属酸化物としては、例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化亜鉛、酸化ジルコニア、酸化ニオブ、酸化銀、酸化タリウム、酸化タングステンなどを、また、複合金属酸化物としては、例えば、チタン、シリコン、アルミニウム、白金、ルテニウム、ニオブ、タンタル、ストロンチウム、バリウム、ナトリウム、カリウム、タングステン、ビスマス、セリウム、アンチモン、イリジウム、イットリウム、ガリウムなどの多成分複合系などを挙げることができる。
【0037】
これらの触媒は、通常、それ自体吸着機能を有しているため、反応分子との接触機会を増やすことにより、触媒に反応分子を吸着させることができる。
【0038】
触媒は粉末状、粒子状など表面積が大きく、反応分子を吸着しやすい形態のものが好ましい。また、触媒を表面処理することにより吸着能を高めたものを用いることもできる。また、ゼオライト、シリカゲル、活性アルミナなど強力な吸着機能を有するものを用いることもできる。また、ゼオライト、シリカゲル、アルミナ、活性炭などの基質に触媒を坦持させたもの(いわゆる、坦持触媒)を用いることもできる。この場合には吸着能が向上されるため反応分子を確実に吸着することができ、またゼオライト、シリカゲル、アルミナなどがそのまま触媒としても機能するため、好ましい。
【0039】
また、触媒は、反応分子を確実に吸着できる程度となるように被処理水などの対象に対して所定の添加量となるように添加される。添加量は、反応分子、反応温度、反応時間などの反応条件に応じて適宜設定することができる。
【0040】
また、触媒として、土壌や焼却灰などの金属酸化物または複合金属酸化物を含有するものを用いることができる。すなわち、触媒として土壌や焼却灰などに含まれる金属酸化物または複合金属酸化物をそのまま用いることができる。ここで、土壌などに含まれる金属酸化物または複合金属酸化物としては、例えば、マグネシア、シリカ、アルミナ、酸化チタン、酸化バナジウム、酸化クロム、酸化マンガン、酸化鉄、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化亜鉛などを挙げることができる。また、反応を促進させるために、土壌等にさらに上記金属または金属酸化物もしくは複合金属酸化物を添加することもできる。
【0041】
反応分子に照射する光は、少なくとも、反応分子を励起させるのに充分なエネルギーを有していれば良く、反応分子に応じて適宜設定できる。なお、反応分子を励起させるが、触媒を励起させないエネルギーを有する光を用いることが好ましい。
【0042】
光源としては、特に限定されないが、自然光または所望の人工光源を利用できる。自然光は、長時間の曝露処理が可能である場合や人工光源を用いずに低コストで処理を行う場合に用いることができる。
【0043】
人工光源は、比較的短期間での効率的な処理が必要な場合に用いることができ、インコヒーレント光源(例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプ、重水素ランプ、メタルハライドランプなど)や波長選択性の高いコヒーレント光源(例えば、エキシマレーザー、アルゴンイオンレーザー、ルビーレーザー、半導体レーザーなど)を、反応分子に応じて適宜用いることができる。波長選択性の高い光源を用いた場合には、反応分子を選択的に励起させて、当該反応分子を選択的に反応させることができる。
【0044】
例えば、反応分子がダイオキシン類である場合には、ダイオキシン類は紫外域に吸収帯(すなわち、光励起される波長領域)があることから、水銀ランプなどの紫外光源を選択できる。光の照射時間、光度などの条件は、反応分子、反応時間、反応温度などの反応条件に応じて適宜設定することができる。
【0045】
反応分子を光励起させうるエネルギー(波長)は、反応分子の状態に固有であり、例えば、反応分子が塩素のないダイオキシンである場合では350nm、4塩素価ダイオキシン類である場合では300nm、8塩素価ダイオキシン類である場合では400nm、クロロホルム・四塩化炭素である場合では170nm、低級アルコール類である場合では180nm、アルデヒド類である場合では300nm前後、ナフタレン・ピレン・フェナントレンの縮合多環式芳香族である場合では300〜400nm、インジゴである場合では620nm、エオシンである場合では520nm、βカロテンである場合では480nm、クロロフィルαである場合では660nm、亜鉛フタロシアニン・銅フタロシアニン・フタロシアニンである場合では700nm、マラカイトグリーンである場合では620nm、メチレンブルーである場合では660nm、青色色素一号である場合では630nm付近、アントラセンである場合では400nm付近、2,4,5−トリクロロフェノールである場合では350nm付近、などである。
【0046】
次に、図面に基づき本発明の液体処理装置について説明する。
ここで、図1は本発明の液体処理装置の一実施形態に係る水処理装置10の概略構成を示す図面である。この水処理装置10は、被処理水に含まれる有害物質を触媒に吸着させる有害物質吸着手段としての有害物質吸着装置11と、有害物質吸着装置11に触媒を供給する触媒供給装置12と、触媒に吸着した有害物質に照射する光を発する光源14を有し、有害物質を反応させる反応容器13と、さらに図示しない被処理水導入口と排出口とを備えている。なお、本実施形態では有害物質吸着装置11と反応容器13とを別体に設けたが、これらを一体に構成することもできる。
【0047】
有害物質吸着装置11に導入された被処理水に含まれる有害物質は、有害物質吸着装置11に存在する触媒に吸着される。有害物質を効率的に触媒に吸着させるために、被処理水と触媒との接触頻度が高めることが好ましい。具体的には、例えば、充分な触媒量を維持すること、被処理水の滞留時間を充分に確保すること、被処理水を充分に撹拌すること、被処理水を循環させて触媒に複数回接触させること、長手方向に長い吸着装置とすることなどが好ましい。また、被処理水を濃縮または乾燥させることで、有害物質を確実に触媒に吸着させることもできる。この場合には、有害物質吸着装置11に加熱手段、水蒸気排出手段、負圧手段など被処理水の蒸発、濃縮、乾燥を補助する手段を設けることが好ましい。
【0048】
触媒に吸着された有害物質は反応容器13に移送され、光源14からの光により励起される。この場合には、有害物質が光励起されるだけでなく、有害物質の触媒への吸着によって構成された有害物質と触媒との錯体が光励起される場合もある。そして、励起した有害物質を触媒作用によって酸化、分解反応させて処理する。
【0049】
また、有害物質が取り除かれた触媒を回収して、再利用することも可能である。この場合には、回収触媒を加熱処理などによってその活性を高めることが好ましい。
【0050】
反応容器13には加熱手段を設けることもできる。これにより、有害物質の励起を促進させて反応をより円滑に進めることが可能であるとともに、触媒の活性を高めて、反応の活性化障壁をより一層低減することができる。加熱温度は、触媒、有害物質、反応時間などの反応条件に応じて適宜設定することができる。
【0051】
また、反応容器13には酸素導入手段を設けることもできる。酸素を導入することにより反応系内での有害物質の酸化反応を促進することができ、ダイオキシン類などの有害物質の酸化反応、分解反応を速やかに行うことができる。反応系内の酸素濃度は、有害物質、反応温度、反応時間、触媒などの反応条件に応じて適宜設定することができる。
【0052】
また、反応容器13には撹拌手段を設けることもできる。容器内を撹拌することにより、有害物質に光を充分に照射することができ、有害物質を確実に励起させることができ、有害物質の反応を促進させることができる。
【0053】
【作用】
ここで、本発明の反応機構として考えられる機構について図2に沿って説明する。
通常の化学反応(図2中、点線で示す)では、反応分子が障壁を超えて生成分子となるには、E1の活性化エネルギーを要する。すなわち、E1に相当するエネルギーが供給されなければ反応が進行しないので、反応速度が遅く、反応を促進させるために高エネルギーを要する。
【0054】
一方、本発明における光化学反応(図2中、実線で示す)では、触媒に吸着した反応分子を光励起させるだけのエネルギーを有する光を照射することによって吸着反応分子を励起状態とさせるため、反応分子自体の内部エネルギーを高めて反応性を高めると同時に触媒作用により反応の活性化障壁を下げることできる。すなわち、前記E1よりも小さいE2の活性化エネルギーを有する、新たな反応経路を構成させることができる。このように、通常の化学反応より小さい活性化障壁となるため反応を進行させやすいとともに、反応の効率が高く、省エネルギーである。
【0055】
【実施例】
次に実施例及び比較例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらによってなんら制約されるものではない。
【0056】
反応分子として波長630nm付近の光で励起される青色色素一号(東京化成工業株式会社製;型番F−0147)、波長400nm付近の光で励起されるアントラセン(和光純薬工業株式会社製;型番011−09855)、波長350nm付近の光で励起される2,4,5−トリクロロフェノール(和光純薬工業株式会社製;型番500−34441)を用い、触媒としておよそ波長200nm以下の光で励起される酸化ケイ素(富士シリシア化学株式会社製;型番CARiACT−Q30)、およそ波長250nm以下の光で励起される酸化ジルコニウム(第一稀元素化学工業株式会社製;型番RC100)を用い、光源には発光波長300〜400nm、出力15Wのブラックライト(ニッポ電気株式会社製;型番FL15BLB)を用いた。なお、光源に用いたブラックライトからの光は、反応分子を励起させるには充分なエネルギーであるが、触媒を励起させるには不十分なエネルギーを有するものである。
【0057】
実施例1
青色色素一号0.5gを蒸留水1000mlに溶解させて青色色素水溶液を調整した。この青色色素水溶液を酸化ケイ素10gにホールピペットを用いて一定量滴下して充分に撹拌した後乾燥させて、青色色素一号を触媒に吸着させた試料を調整し、この試料を暗室中に用意したブラックライトの真下1cmに、充分に光が照射されるように静置した。そして、湿潤環境下24時間光を照射した後、GC−MSを用いて定量分析することにより青色色素一号の分解率を評価した。結果を表1に示した。
【0058】
比較例1
光照射を実施しなかったこと以外は、実施例1と同様に行った。
【0059】
実施例2
触媒として酸化ケイ素の換わりに酸化ジルコニウムを用いたこと以外は、実施例1と同様に行った。
【0060】
比較例2
光照射を実施しなかったこと以外は、実施例2と同様に行った。
【0061】
比較例3
酸化ケイ素を用いなかったこと以外は、実施例1と同様に行った。
【0062】
比較例4
光照射を実施しなかったこと、及び酸化ケイ素を用いなかったこと以外は、実施例1と同様に行った。
【0063】
実施例3
アセトン水混合溶液に濃度100ppmとなるようにアントラセンを溶解させてアントラセン・アセトン水混合溶液を調整した。このアントラセン・アセトン水混合溶液を酸化ジルコニウム10gにホールピペットを用いて一定量滴下して充分に撹拌した後乾燥させて、アントラセンを触媒に吸着させた試料を調整し、この試料を暗室中に用意したブラックライトの真下1cmに、充分に光が照射されるように静置した。そして、湿潤環境下24時間光を照射した後、GC−MSを用いて定量分析することによりアントラセンの分解率を評価した。結果を表1に示した。
【0064】
比較例5
光照射を実施しなかったこと以外は、実施例3と同様に行った。
【0065】
比較例6
酸化ジルコニウムを用いなかったこと以外は、実施例3と同様に行った。
【0066】
比較例7
光照射を実施しなかったこと、及び酸化ジルコニウムを用いなかったこと以外は、実施例3と同様に行った。
【0067】
実施例4
アセトン水混合溶液に濃度100ppmとなるように2,4,5−トリクロロフェノールを溶解させて2,4,5−トリクロロフェノール・アセトン水混合溶液を調整した。この2,4,5−トリクロロフェノール・アセトン水混合溶液を酸化ジルコニウム10gにホールピペットを用いて一定量滴下して充分に撹拌した後乾燥させて、2,4,5−トリクロロフェノールを触媒に吸着させた試料を調整し、この試料を暗室中に用意したブラックライトの真下1cmに、充分に光が照射されるように静置した。そして、湿潤環境下24時間光を照射した後、GC−MSを用いて定量分析することにより2,4,5−トリクロロフェノールの分解率を評価した。結果を表1に示した。
【0068】
比較例8
光照射を実施しなかったこと以外は、実施例4と同様に行った。
【0069】
比較例9
酸化ジルコニウムを用いなかったこと以外は、実施例4と同様に行った。
【0070】
比較例10
光照射を実施しなかったこと、及び酸化ジルコニウムを用いなかったこと以外は、実施例4と同様に行った。
【0071】
【表1】
【0072】
実施例1、実施例2、実施例3及び実施例4より、光照射を行い、かつ、触媒を存在させることにより、分解反応が進行していることが判る。
比較例1、比較例2、比較例5及び比較例8より、触媒が存在しても光照射を行わない場合には、反応が進行していないことが判る。
比較例3、比較例6及び比較例9より、光照射を行っても触媒が存在しない場合には、反応が進行していないことが判る。
比較例4、比較例7及び比較例10より、触媒が存在せず、かつ、光照射も行わない場合には、反応が進行していないことが判る。
【0073】
以上の結果から、触媒に吸着させた反応分子に、この吸着反応分子を励起させるエネルギーを有する光を照射して反応性を高めると同時に触媒を作用させることによって反応を高効率で進行させることができることが判った。すなわち、反応分子を直接光分解する程のエネルギーを有する光を用いずとも、反応分子の吸収波長領域程度の比較的低いエネルギーを有する光を照射することで反応を進行させることができる。また、光触媒のように触媒を光励起させなくとも触媒に吸着した反応分子の励起により反応を進行させることができる。従って、低コストで高効率な化学反応が実現可能である。
【0074】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、反応分子を触媒に吸着させるとともに、吸着反応分子に光を照射して励起させることにより反応分子の反応性を高めると同時に触媒作用により反応の活性化障壁を下げることで、光化学反応による化合物の合成・分解反応を進行させることができる。よって、低エネルギー、高効率で反応を進行させることが可能であり、例えば、ダイオキシン類などの有害物質を含む排水を低コスト、かつ効率的に処理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 光化学反応装置の説明に供する概略構成図。
【図2】 光化学反応の説明に供する図面。
【符号の説明】
10 水処理装置
11 有害物質吸着装置
12 触媒供給装置
13 反応容器
14 光源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a photochemical reaction using a catalyst. More specifically, the present invention relates to a reaction of an organic compound using a photochemical reaction, and further relates to a liquid processing method and a processing apparatus for processing harmful substances such as dioxins contained in industrial wastewater or groundwater using a photochemical reaction method.
[0002]
[Prior art]
Until now, many literatures are disclosed about the chemical reaction process using light energy. In particular, for example, the following has been reported as a document relating to the treatment of harmful substances, and each has the following problems.
[0003]
(1) In Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-5562 (Patent Document 1), an organic chlorine compound contained in soil or water (for example, A method for decomposing trichloroethylene, tetrachloroethylene, etc.) is disclosed.
[0004]
In the treatment method according to Patent Document 1, an organic chlorine compound is decomposed by an oxidizing agent and / or a catalyst, and further treated by irradiation with ultraviolet rays. As described above, the organic chlorine compound is processed by the individual effects of the oxidizing agent, the catalyst, or the ultraviolet rays, and no technical idea about the correlation between the oxidizing agent, the catalyst, and the ultraviolet rays is described. Further, paying attention to the effect of ultraviolet rays, it is directly used for photodecomposition (ultraviolet oxidative decomposition) of an organic chlorine compound, so that high energy and large energy ultraviolet rays are required, and energy loss is large.
[0005]
(2) Japanese Patent Laid-Open No. 2002-18240 (Patent Document 2) discloses a photolysis reaction step of decomposing harmful organic substances by irradiating exhaust gas with ultraviolet rays including a vacuum ultraviolet region, and photocatalyst with ultraviolet rays not including a vacuum ultraviolet region. A treatment method for detoxifying harmful organic compounds (for example, trichloroethane) contained in exhaust gas by performing a photocatalytic reaction step in which the exhaust gas that has been subjected to the previous step by contacting the photocatalyst with a photocatalyst is decomposed It is disclosed.
[0006]
According to this Patent Document 2, in the photolysis reaction step, since vacuum ultraviolet light having low luminous efficiency and extremely low transmittance in air is used, it is not used for decomposing harmful organic substances among the input energy. The rate of consumption as thermal energy is high and the efficiency is poor, and sufficient decomposition efficiency cannot be obtained with only one processing step. In the photocatalytic reaction step, decomposition treatment is performed by contact reaction of harmful organic substances on the surface of the catalyst photoexcited with the photocatalyst, but only examples using titanium dioxide are specifically described as the photocatalyst. In addition, the reaction is limited to those in which the characteristics of titanium dioxide can be used, and cannot be applied to various types of harmful substances.
[0007]
(3) In Japanese Patent Laid-Open No. 11-335204 (Patent Document 3), a transparent rod-shaped body is placed on the soil, and light rays are collected from the exposed portion and guided into the soil along the rod-shaped body. A soil purification method is disclosed in which a photocatalyst carried on the surface of the rod-shaped body is irradiated to sterilize and sterilize nearby soil by a photocatalytic reaction.
[0008]
According to Patent Document 3, since sunlight can be used as a light source, the cost is low. However, it is difficult to secure sunlight depending on the change in weather conditions, and the reliability is low. In addition, titanium oxide as a photocatalyst is excited. Since the arrival of light (ultraviolet rays) having sufficient energy to the ground surface is limited, the reaction efficiency is low. Another problem is that only the vicinity of the rod-shaped body carrying the photocatalyst can be sterilized.
[0009]
As described above, many documents have been disclosed regarding the decomposition process of harmful substances using light energy as it is or the decomposition process of harmful substances using photoexcitation of a catalyst such as titanium dioxide.
[0010]
[Patent Document 1]
JP 2000-5562 A
[Patent Document 2]
JP 2002-18240 A
[Patent Document 3]
JP 11-335204 A
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In other words, practical techniques for chemical reactions using light energy can be broadly classified into the following two types, and each has the following problems.
[0012]
(1) A method of directly photolyzing reactive molecules with light energy. In this method, light energy is used to break chemical bonds in the molecule (that is, electrons existing in binding orbitals are excited to antibonding orbitals), so it is necessary to use high-energy light such as vacuum ultraviolet light. There is. In other words, when considering bond breaking only by light energy, in general, a plurality of bonds that are bonded at a larger energy (deep energy level) than electrons that are bonded at a smaller energy (shallow energy level). Since it is effective to excite electrons into antibonding orbitals, it is necessary to irradiate light with high energy and large energy that frees multiple electrons bound to the deep energy level. As a result, energy consumption is large and economically inferior.
[0013]
(2) A method of reacting reactive molecules using a photocatalyst. In this method, since light energy is used for excitation of the photocatalyst, light having a constant energy enough to excite the photocatalyst is always necessary regardless of chemical reaction, and energy efficiency is low. In this case, the excited photocatalyst is often a multistage reaction in which the reaction proceeds through a hydroxyl radical generated by reacting with water or the like, a superoxide ion, and the energy required for photoexcitation of the catalyst is It is greater than the energy required for the reaction and is less energy efficient.
[0014]
Moreover, the reaction which can be utilized will be limited. In other words, at present, photocatalysts that can be used with practical efficiency are almost limited to those mainly composed of titanium dioxide, and irradiation with light (ultraviolet rays) corresponding to the energy gap of titanium dioxide is indispensable. Since the use of is generally difficult, the efficiency is low. In addition, since it is practically limited to those utilizing the characteristics of titanium dioxide, it cannot be used for reactions that require an energy equivalent to or greater than the energy gap of titanium dioxide, and the reaction proceeds with less energy. The difference is wasted.
[0015]
Therefore, a chemical reaction that can be used for various chemical reactions and that is low in cost and highly efficient is desired, and it is an object of the present invention to provide a reaction method thereof.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of the photochemical reaction method according to the first aspect of the present invention is a photochemical reaction method in which a reaction molecule is caused to undergo a photochemical reaction and the reaction molecule is changed into a desired product molecule, Energy that enhances the reactivity of the reactive molecule after adsorbing the reactive molecule to the catalyst without causing the reaction to change the reactive molecule to the product molecule The energy of the catalyst is within a range not allowing the reaction to proceed with the catalyst alone. The adsorbed reaction molecule in the state adsorbed on the catalyst is photoexcited by irradiating with light having a photocatalytic property, and the photoexcited reaction molecule has an electron state in the excited state between the reaction molecule and the desired product molecule. It is characterized in that a reaction for obtaining the product molecule is caused by the action of a catalyst for reducing the activation barrier.
[0017]
According to this feature, the reaction activation barrier can be lowered by adsorbing the reaction molecules to the catalyst, and the reactivity can be increased by photoexcitation of the adsorbed reaction molecules, thereby improving the reaction rate. The reaction can proceed smoothly.
[0018]
The invention of the photochemical reaction method according to the second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the reaction molecule is an organic halogen compound.
[0019]
Further, the invention of the photochemical reaction method according to the third aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect or the second aspect, the reactive molecule is present in a liquid phase.
[0020]
According to this feature, for example, when the reactive molecule is a harmful substance such as an organic halogen compound contained in the wastewater or the like, the harmful substance can be removed from the wastewater by being adsorbed by the catalyst. The hazardous substance can be reliably treated by reacting while obtaining the effect in the embodiment.
[0021]
The invention of the photochemical reaction method according to the fourth aspect of the present invention is characterized in that in any one of the first aspect to the third aspect, the catalyst is a metal oxide. .
[0022]
The invention of the liquid processing method according to the fifth aspect of the present invention is to treat a liquid using the photochemical reaction method according to any one of the first to fourth aspects. It is characterized by.
[0023]
Further, the invention of the liquid processing apparatus according to the sixth aspect of the present invention is a liquid processing apparatus that causes a reaction molecule that is a harmful substance present in a liquid to undergo a photochemical reaction and converts the reaction molecule into a desired product molecule. A reaction having a harmful substance adsorbing means for adsorbing the reaction molecule, which is a harmful substance existing in a liquid, to the catalyst, and a light source for irradiating light to the adsorption reaction molecule, which is a harmful substance adsorbed to the catalyst, and photoexciting. An energy for enhancing the reactivity of the reactive molecule within a range in which the reaction for converting the reactive molecule into the generated molecule does not proceed. The energy of the catalyst is within a range not allowing the reaction to proceed with the catalyst alone. And the catalyst reacts with the photo-excited adsorption reaction molecule to act on the electronic state of the adsorption reaction molecule in the excited state and the desired generated molecule. It is comprised by what raise | generates the reaction which obtains the said production | generation molecule | numerator by reducing the activation barrier between these.
[0024]
According to this feature, the harmful substance present in the liquid can be surely removed by the harmful substance adsorbing means, and the harmful substance adsorbed on the catalyst is irradiated with light, so that the harmful substance adsorbed by the catalytic action can be reliably ensured. Can be processed.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The photochemical reaction method of the present invention is a method in which a reactive molecule is photochemically reacted. After the reactive molecule is adsorbed on a catalyst, light having an energy for exciting the reactive molecule is irradiated to photoexcite the adsorbed reactive molecule to excite it. This is carried out by reacting the reacted molecules by catalysis.
[0026]
In the present invention, light energy is used to excite reactive molecules.
By irradiating the reaction molecule with light having sufficient energy to excite the reaction molecule, the reaction molecule becomes free of some electrons from the ground state in which the binding orbitals are filled with electrons and a strong bond is formed. The excited state is excited in the antibonding orbital. That is, some of the electrons in the binding orbital gain energy and move to a more reactive antibonding orbital. Since this excitation is generally one-electron excitation, the reaction can proceed with less energy than the energy for photolyzing the reaction molecules. In addition, since the irradiation light only needs to have sufficient energy necessary for excitation of the individual reaction molecules, it is possible to reduce energy consumed in vain in principle compared to the case of the photocatalyst.
[0027]
The reaction molecule in the excited state is generally more reactive than the reaction molecule in the ground state, so that the reaction can proceed with less energy than the molecule in the ground state. In addition, since the reactive molecules are adsorbed on an appropriate catalyst, the activation barrier of the reaction can be lowered by the catalytic action, and the reaction can be advanced more smoothly.
[0028]
In other words, by increasing the reactivity by irradiating light to the reaction molecules adsorbed on the catalyst, and at the same time lowering the activation barrier of the reaction by catalysis, the reaction can proceed smoothly and low-cost and highly efficient chemical reaction Can be realized.
[0029]
Note that the photochemical reaction in the present invention has a different reaction mechanism (for example, electrons move from an excited reaction molecule to a catalyst) different from a normal catalytic reaction in which a reaction molecule in a ground state is reacted via a catalyst. Therefore, the desired reaction can be realized by appropriately selecting the reaction conditions such as the light source, catalyst, reaction temperature, pressure, and coexisting substances. That is, the photochemical reaction in the present invention can be applied to reactions such as bond cleavage, isomerization (rearrangement), cycloaddition, ring closure, ring opening, addition, substitution, oxidation, reduction, synthesis, and decomposition. It is effective for dehalogenation reaction, oxidation reaction, and decomposition reaction when the reaction molecule is an aromatic organic halogen compound. This is because, in the ground state, electrons in bonding orbitals are excited to antibonding orbitals by light energy, so that the bonding force of carbon-chlorine bonds and specific carbon-carbon bonds in the aromatic ring is weakened, causing a decomposition reaction. This is thought to be due to a significant improvement in performance.
[0030]
The photochemical reaction according to the present invention can be used for the treatment of harmful substances such as dioxins present in a liquid phase, particularly in an aqueous phase. That is, it can be effectively used as a liquid treatment method for detoxifying treated water such as industrial wastewater, domestic wastewater, groundwater, rivers, and lake water containing harmful substances by using a photochemical reaction.
[0031]
It can also be used to treat harmful substances contained in soil and incinerated ash. That is, harmful substances contained in soil and incinerated ash can be taken into the liquid phase by extraction treatment, and the liquid phase in which these harmful substances are taken in can be treated. It is also possible to take in harmful substances once into the gas phase by extraction processing, and then bring the gas phases into contact with the liquid phase to take in harmful substances into the liquid phase and make this liquid phase the object of treatment.
[0032]
The reactive molecule is not particularly limited as long as it is a substance that is excited by irradiated light. For example, organic compounds, aromatic ring organic compounds, halogen-containing compounds contained in industrial wastewater, groundwater, rivers, lake water, etc. And harmful substances such as Here, as the organic compound, for example, carbonyl compound, alkane, alkene, aromatic hydrocarbon, conjugated unsaturated carbonyl compound, carboxylic acid, halogen compound, carbonitrile, alcohol, ether, nitrogen-containing organic substance, sulfur-containing organic substance, phosphorus-containing Examples thereof include organic substances, silicon-containing organic substances, heteroaromatic compounds, and organometallic complexes.
[0033]
Furthermore, organic coloring substances such as Blue Pigment No. 1, aromatic ring organic compounds such as anthracene, organochlorine compounds such as dioxins, dioxin precursors such as benzenes or phenols, endocrine disrupting chemicals (so-called environmental hormones) And monocyclic or polycyclic aromatic halogen compounds represented by In particular, an aromatic ring organic compound is often excited by visible light by a functional group and can be excited relatively easily.
[0034]
Moreover, these reactive molecules may be contained in industrial wastewater or groundwater. That is, the photochemical reaction method of the present invention can be used as a liquid processing method for detoxifying harmful substances such as dioxins contained in an aqueous phase such as industrial wastewater or groundwater by decomposing them.
[0035]
Any catalyst can be used without particular limitation as long as it is capable of adsorbing reactive molecules and has an effect of reducing the activation barrier between the excited reaction molecule's electronic state and the desired product molecule. . Note that the catalyst need not be a photocatalyst.
[0036]
Specific examples of preferable catalysts include, for example, Mg, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Ru, Rh, Pd, Ag, Ta, W, Re , Os, Ir, Pt, Au, or a metal oxide thereof or a composite metal oxide thereof can be used. Here, as the metal oxide, for example, magnesium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, titanium oxide, vanadium oxide, chromium oxide, manganese oxide, iron oxide, cobalt oxide, nickel oxide, copper oxide, zinc oxide, zirconia oxide, Niobium oxide, silver oxide, thallium oxide, tungsten oxide, etc., and examples of composite metal oxides include titanium, silicon, aluminum, platinum, ruthenium, niobium, tantalum, strontium, barium, sodium, potassium, tungsten, bismuth. , Cerium, antimony, iridium, yttrium, gallium, and other multicomponent composite systems.
[0037]
Since these catalysts usually have an adsorption function per se, the reaction molecules can be adsorbed on the catalyst by increasing the chance of contact with the reaction molecules.
[0038]
The catalyst is preferably in the form of a powder, particles or the like having a large surface area and easily adsorbing reactive molecules. Moreover, what improved adsorption ability by surface-treating a catalyst can also be used. Moreover, what has a strong adsorption function, such as a zeolite, a silica gel, activated alumina, can also be used. Moreover, what carried | supported the catalyst on substrates, such as a zeolite, a silica gel, an alumina, activated carbon (what is called a supported catalyst) can also be used. In this case, the adsorptive capacity is improved, so that the reactive molecules can be adsorbed reliably, and zeolite, silica gel, alumina and the like function as a catalyst as they are.
[0039]
Further, the catalyst is added so as to have a predetermined addition amount with respect to a target such as water to be treated so that the reaction molecules can be reliably adsorbed. The addition amount can be appropriately set according to reaction conditions such as reaction molecules, reaction temperature, and reaction time.
[0040]
Moreover, what contains metal oxides or composite metal oxides, such as soil and incineration ash, can be used as a catalyst. That is, a metal oxide or a composite metal oxide contained in soil or incinerated ash can be used as it is as a catalyst. Here, examples of the metal oxide or composite metal oxide contained in the soil include magnesia, silica, alumina, titanium oxide, vanadium oxide, chromium oxide, manganese oxide, iron oxide, cobalt oxide, nickel oxide, and copper oxide. And zinc oxide. In order to promote the reaction, the above metal, metal oxide or composite metal oxide can be further added to the soil or the like.
[0041]
The light with which the reaction molecules are irradiated needs to have at least sufficient energy to excite the reaction molecules, and can be appropriately set according to the reaction molecules. Note that it is preferable to use light having energy that excites the reactive molecules but does not excite the catalyst.
[0042]
Although it does not specifically limit as a light source, Natural light or a desired artificial light source can be utilized. Natural light can be used when long-time exposure processing is possible or when processing is performed at low cost without using an artificial light source.
[0043]
Artificial light sources can be used when efficient processing in a relatively short period of time is required, such as incoherent light sources (eg xenon lamps, halogen lamps, mercury lamps, deuterium lamps, metal halide lamps) and wavelength selection A highly coherent light source (for example, an excimer laser, an argon ion laser, a ruby laser, a semiconductor laser, or the like) can be appropriately used depending on the reactive molecule. When a light source with high wavelength selectivity is used, the reactive molecule can be selectively excited to selectively react with the reactive molecule.
[0044]
For example, when the reactive molecule is a dioxin, since the dioxin has an absorption band in the ultraviolet region (that is, a wavelength region that is photoexcited), an ultraviolet light source such as a mercury lamp can be selected. Conditions such as light irradiation time and luminous intensity can be appropriately set according to reaction conditions such as reaction molecules, reaction time, and reaction temperature.
[0045]
The energy (wavelength) capable of photoexciting the reactive molecule is specific to the state of the reactive molecule. For example, when the reactive molecule is dioxin without chlorine, 350 nm, when the reactive molecule is a 4-chlorine dioxin, 300 nm, 8 chlorine value 400 nm for dioxins, 170 nm for chloroform / carbon tetrachloride, 180 nm for lower alcohols, around 300 nm for aldehydes, a condensed polycyclic aromatic of naphthalene / pyrene / phenanthrene. 300 to 400 nm in some cases, 620 nm in the case of indigo, 520 nm in the case of eosin, 480 nm in the case of β-carotene, 660 nm in the case of chlorophyll α, 7 in the case of zinc phthalocyanine / copper phthalocyanine / phthalocyanine. 00 nm, 620 nm for malachite green, 660 nm for methylene blue, 630 nm for blue dye No. 1, 400 nm for anthracene, 350 nm for 2,4,5-trichlorophenol , Etc.
[0046]
Next, the liquid processing apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings.
Here, FIG. 1 is a drawing showing a schematic configuration of a
[0047]
The harmful substance contained in the water to be treated introduced into the harmful
[0048]
The harmful substance adsorbed on the catalyst is transferred to the
[0049]
It is also possible to collect and reuse the catalyst from which harmful substances have been removed. In this case, it is preferable to increase the activity of the recovered catalyst by heat treatment or the like.
[0050]
The
[0051]
Further, the
[0052]
The
[0053]
[Action]
Here, the mechanism considered as a reaction mechanism of this invention is demonstrated along FIG.
In a normal chemical reaction (indicated by a dotted line in FIG. 2), the activation energy of E1 is required for the reactive molecule to cross the barrier and become a generated molecule. That is, since the reaction does not proceed unless energy corresponding to E1 is supplied, the reaction rate is slow and high energy is required to promote the reaction.
[0054]
On the other hand, in the photochemical reaction in the present invention (shown by a solid line in FIG. 2), the adsorbed reaction molecule is brought into an excited state by irradiating light having energy sufficient to photoexcite the reaction molecule adsorbed on the catalyst. The internal energy of itself can be increased to increase the reactivity, and at the same time, the activation barrier of the reaction can be lowered by catalysis. That is, a new reaction path having an activation energy of E2 smaller than E1 can be formed. Thus, since it becomes an activation barrier smaller than a normal chemical reaction, it is easy to advance the reaction, the efficiency of the reaction is high, and energy is saved.
[0055]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further in detail, this invention is not restrict | limited at all by these.
[0056]
Blue dye No. 1 (produced by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd .; model number F-0147) excited by light having a wavelength of around 630 nm as a reactive molecule, Anthracene (produced by Wako Pure Chemical Industries, Ltd .; model number) excited by light having a wavelength of around 400 nm 011-009855), 2,4,5-trichlorophenol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd .; model number 500-34441) excited by light having a wavelength of around 350 nm, and excited by light having a wavelength of about 200 nm or less as a catalyst. Silicon oxide (Fuji Silysia Chemical Co., Ltd .; model CARiACT-Q30), zirconium oxide excited by light with a wavelength of about 250 nm or less (Daiichi Rare Element Chemical Co., Ltd .; model RC100) is used, and the light source emits light. Black light with a wavelength of 300 to 400 nm and an output of 15 W (manufactured by Nippon Electric Co., Ltd .; model number FL15BLB) It was used. The light from the black light used as the light source has sufficient energy to excite the reactive molecules, but has insufficient energy to excite the catalyst.
[0057]
Example 1
A blue dye aqueous solution was prepared by dissolving 0.5 g of Blue Dye No. 1 in 1000 ml of distilled water. A predetermined amount of this blue dye aqueous solution is dropped onto 10 g of silicon oxide using a whole pipette, and after sufficient stirring, it is dried to prepare a sample in which blue dye No. 1 is adsorbed to the catalyst, and this sample is prepared in a dark room The sample was left at 1 cm directly under the black light so that light was sufficiently irradiated. And after irradiating light for 24 hours in a humid environment, the decomposition rate of blue pigment No. 1 was evaluated by quantitative analysis using GC-MS. The results are shown in Table 1.
[0058]
Comparative Example 1
It carried out like Example 1 except not having implemented light irradiation.
[0059]
Example 2
The same procedure as in Example 1 was performed except that zirconium oxide was used in place of silicon oxide as a catalyst.
[0060]
Comparative Example 2
It carried out similarly to Example 2 except not having implemented light irradiation.
[0061]
Comparative Example 3
The same procedure as in Example 1 was performed except that silicon oxide was not used.
[0062]
Comparative Example 4
The same procedure as in Example 1 was performed except that light irradiation was not performed and silicon oxide was not used.
[0063]
Example 3
Anthracene / acetone water mixed solution was prepared by dissolving anthracene in the acetone water mixed solution to a concentration of 100 ppm. A predetermined amount of this mixed anthracene / acetone solution was dropped onto 10 g of zirconium oxide using a whole pipette and stirred sufficiently, and then dried to prepare a sample in which anthracene was adsorbed on a catalyst, and this sample was prepared in a dark room. The sample was left at 1 cm directly under the black light so that light was sufficiently irradiated. And after irradiating light for 24 hours in a humid environment, the decomposition rate of anthracene was evaluated by quantitative analysis using GC-MS. The results are shown in Table 1.
[0064]
Comparative Example 5
It carried out like Example 3 except not having implemented light irradiation.
[0065]
Comparative Example 6
The same operation as in Example 3 was performed except that zirconium oxide was not used.
[0066]
Comparative Example 7
The same procedure as in Example 3 was performed except that light irradiation was not performed and zirconium oxide was not used.
[0067]
Example 4
2,4,5-Trichlorophenol was dissolved in the acetone water mixed solution to a concentration of 100 ppm to prepare a 2,4,5-trichlorophenol / acetone water mixed solution. A fixed amount of this 2,4,5-trichlorophenol / acetone water mixed solution was dropped into 10 g of zirconium oxide using a whole pipette and stirred well, and then dried to adsorb 2,4,5-trichlorophenol to the catalyst. The prepared sample was prepared, and this sample was allowed to stand so that light was sufficiently irradiated to 1 cm directly under the black light prepared in the dark room. And after irradiating light for 24 hours in a humid environment, the decomposition rate of 2,4,5-trichlorophenol was evaluated by quantitative analysis using GC-MS. The results are shown in Table 1.
[0068]
Comparative Example 8
It carried out like Example 4 except not having implemented light irradiation.
[0069]
Comparative Example 9
The same operation as in Example 4 was performed except that zirconium oxide was not used.
[0070]
Comparative Example 10
It carried out like Example 4 except not having implemented light irradiation and not using a zirconium oxide.
[0071]
[Table 1]
[0072]
From Example 1, Example 2, Example 3 and Example 4, it can be seen that the decomposition reaction proceeds by light irradiation and the presence of a catalyst.
From Comparative Example 1, Comparative Example 2, Comparative Example 5, and Comparative Example 8, it can be seen that the reaction does not proceed when light irradiation is not performed even if a catalyst is present.
From Comparative Example 3, Comparative Example 6 and Comparative Example 9, it can be seen that the reaction is not progressing if no catalyst is present even after light irradiation.
From Comparative Example 4, Comparative Example 7 and Comparative Example 10, it can be seen that the reaction does not proceed when no catalyst is present and no light irradiation is performed.
[0073]
From the above results, it is possible to increase the reactivity by irradiating the reaction molecule adsorbed on the catalyst with light having energy for exciting the adsorption reaction molecule, and at the same time, the reaction can proceed with high efficiency. I found that I can do it. That is, the reaction can proceed by irradiating light having a relatively low energy in the absorption wavelength region of the reactive molecule without using light having an energy sufficient to directly photolyze the reactive molecule. In addition, the reaction can proceed by exciting reaction molecules adsorbed on the catalyst without photoexciting the catalyst as in the case of a photocatalyst. Therefore, a highly efficient chemical reaction can be realized at a low cost.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the reactive molecules are adsorbed on the catalyst, and the reactivity of the reactive molecules is enhanced by irradiating the adsorbed reactive molecules with light to excite them. The compound synthesis / decomposition reaction by the photochemical reaction can be advanced by lowering. Therefore, it is possible to advance the reaction with low energy and high efficiency, and for example, wastewater containing harmful substances such as dioxins can be efficiently processed at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram for explaining a photochemical reaction device.
FIG. 2 is a drawing for explaining a photochemical reaction.
[Explanation of symbols]
10 Water treatment equipment
11 Toxic substance adsorption device
12 Catalyst supply device
13 reaction vessel
14 Light source
Claims (6)
前記反応分子を触媒に吸着させた後、前記反応分子を前記生成分子に変える反応を進行させない範囲で該反応分子の反応性を高めるエネルギーであって、前記触媒に対しては該触媒だけで前記反応を進行させない範囲のエネルギーを有する光を照射して前記触媒に吸着された状態の当該吸着反応分子を光励起させ、
該光励起した反応分子に、該反応分子の当該励起状態における電子状態と前記所望の生成分子との間の活性化障壁を低減する触媒を作用させて前記生成分子を得る反応を起こさせることを特徴とする、光化学反応方法。A photochemical reaction method in which a reactive molecule is caused to undergo a photochemical reaction to convert the reactive molecule into a desired generated molecule,
After the adsorption of the reactant molecules into the catalyst, an energy to enhance the reactivity of the reactant molecules in a range not to proceed the reaction for changing the reactant molecules to the product molecule, the only the catalyst for the catalytic Irradiating light having energy in a range that does not allow the reaction to proceed , photoexcited the adsorbed reaction molecules adsorbed on the catalyst,
A reaction for obtaining the product molecule by causing a catalyst that reduces an activation barrier between an electronic state in the excited state of the reaction molecule and the desired product molecule is caused to act on the photoexcited reaction molecule. And photochemical reaction method.
液体中に存在する有害物質である前記反応分子を触媒に吸着させる有害物質吸着手段と、
前記触媒に吸着した有害物質である吸着反応分子に光を照射して光励起させる光源を有する反応容器とを備え、
前記光源は、前記反応分子を前記生成分子に変える反応を進行させない範囲で該反応分子の反応性を高めるエネルギーであって、前記触媒に対しては該触媒だけで前記反応を進行させない範囲のエネルギーを有する光を照射して該吸着反応分子を光励起させるもので構成され、
前記触媒は、前記光励起した吸着反応分子に作用して当該吸着反応分子の当該励起状態における電子状態と前記所望の生成分子との間の活性化障壁を低減することにより前記生成分子を得る反応を起こさせるもので構成されていることを特徴とする、液体処理装置。A liquid processing apparatus for causing a photochemical reaction to a reactive molecule that is a harmful substance present in a liquid to convert the reactive molecule into a desired generated molecule,
A harmful substance adsorbing means for adsorbing the reaction molecule, which is a harmful substance present in the liquid, to the catalyst;
A reaction vessel having a light source that irradiates light to the adsorption reaction molecules, which are harmful substances adsorbed on the catalyst, and is photoexcited;
The light source is energy that enhances the reactivity of the reactive molecule within a range in which the reaction for changing the reactive molecule to the product molecule does not proceed, and energy in a range that does not allow the catalyst to proceed with the catalyst alone. It is configured to irradiate light having a photoexcitation of the adsorption reaction molecule,
The catalyst acts on the photo-excited adsorption reaction molecule to reduce the activation barrier between the electronic state of the adsorption reaction molecule in the excited state and the desired product molecule, thereby causing the reaction to obtain the product molecule. A liquid processing apparatus, characterized in that the liquid processing apparatus is configured to be awakened.
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