JP5344461B2

JP5344461B2 - 光触媒浄化装置

Info

Publication number: JP5344461B2
Application number: JP2008286884A
Authority: JP
Inventors: 英治谷
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: JP2010110715A

Description

本発明は、光触媒フィルターに紫外線を照射することで光触媒反応を起こし、接触する流体を浄化する光触媒浄化装置に関するものである。

従来、低濃度の汚染物質を含む流体を浄化するために、酸化チタンなどの光触媒を用いた浄化装置が広く使われている。このような浄化装置では、酸化チタンなどの光触媒に光が照射することで酸化チタンの表面で電子および正孔が発生し、電子による還元反応および正孔による酸化反応が起こるという特性を用いて、有機物を分解している。

一般的に光触媒は、太陽や紫外線ランプなどの光、特に約３８０ｎｍ以下の波長の紫外線（ＵＶ）の照射によって発生する強力な酸化作用を利用することで、有機物の除去に用いられている。しかしながら、酸化チタンのような光触媒は、通常粉末状であるために浄化装置内でどのように固定化するか問題になる。

上記の問題を解決するために、特許文献１では、表面に酸化チタン皮膜が形成されたスポンジ状多孔質構造体の光触媒フィルターを容器内に配置し、容器内の流路を変更することで流体滞留経路を長くする流体浄化装置について開示されている。

また、特許文献２では、光触媒体を加熱することで光触媒体の表面に蓄積されたデポジットを除去し、光触媒体と再生（再活性）する空気浄化装置が開示されている。特許文献２の空気浄化装置では、内管および外管からなる２重管構造の装置において、外管および内管の間に光触媒多孔質体を充填して空気浄化部を構成している。

また、特許文献３では、使用時間の経過と共に活性低下が起こりにくい光触媒、浄化装置などについて開示されている。特許文献３の流体浄化装置では、ブラックライトのランプ軸に沿って、小さな充填室に光触媒および吸着剤の複合体を充填している。

また、特許文献４では、光触媒剤を用いた気体の光触媒浄化装置において、浄化気体を循環させてよりクリーンな浄化気体とする循環式光触媒光触媒浄化装置について開示されている。特許文献４の循環式光触媒光触媒浄化装置では、光触媒フィルターおよび発光管を交互に並べて、発光管の長手方向に対して垂直方向に気体が流れる構成となっている。

また、特許文献５では、水洗等で触媒被毒成分を除去できる再生可能な光触媒フィルターを搭載した大風量処理かつメンテナンス性を向上させた空気浄化システムについて開示されている。特許文献５の空気浄化システムでは、光触媒フィルターとして三次元セラミックス多孔質材が用いられ、光源ランプの上下方向の位置に光触媒フィルターが多層で配置されている。

また、特許文献６では、スポンジ状の多孔質構造体の形状を保った炭化ケイ素系耐熱性超軽量多孔質材について開示されている。
特開２００６−１５９０２９号公報（２００６年０６月２２日公開）特開２００２−３２０６６４号公報（２００２年１１月０５日公開）特開２００２−０２８４９８号公報（２００２年０１月２９日公開）特開２００４−３３０１４９号公報（２００４年１１月２５日公開）特開２００５−２０５０９４号公報（２００５年０８月０４日公開）特開２００３−１１９０８５号公報（２００５年０８月０４日公開）

しかしながら、上記従来の構成では、光源となるランプと光触媒フィルターとの位置関係から光源となるランプから発する紫外線などの光を有効に利用できず、光触媒反応による浄化効率が低いという問題を生じる。上記従来の構成であれば、光源体ランプの左右または上下のいずれかに板状の光触媒フィルターを配置する構成となっているので、光触媒フィルターが配置されていない上下または左右に対して照射される光が無駄になっていた。具体的な例について、以下に説明する。

図３は、従来の光触媒浄化装置の構成を示す概略図である。図３の光触媒浄化装置は、光触媒フィルター１１０、紫外線ランプ１２０、プレフィルター１６、殺菌フィルター１８、およびファン６０を備えている。これらの各部材は、ガラスや金属製のケースに収められて、気体や液体などの流体が通過するための通風口内に各フィルターやランプが配置されている。

浄化の対象となる流体は、図３の左側に設けられた図に示されていない取込口から吸入され、プレフィルター１６、複数の光触媒フィルター１１０、そして殺菌フィルター１８の順に通過して、浄化された状態で浄化装置の排出口から排出される。

ところが、図３に示したような浄化装置では、光触媒フィルター１１０の左右の方向から紫外線が照射されるものの、光源となるランプと光触媒フィルターとの位置関係から紫外線ランプ１２０から照射される紫外線の多くが有効に光触媒の反応に利用されていない。

具体的には、図３の上側に配置された紫外線ランプ１２０と、図３の下側に配置された紫外線ランプ１２０との間のスペースには、上側の紫外線ランプ１２０からの照射光と、下側の紫外線ランプ１２０からの照射光とが重なることにより、紫外線の照射量が増大するが、この部分の紫外線はフィルターを照射していないので有効利用されていない。これに対して、光触媒フィルター１１０の上端部側及び下端部側では、一本の紫外線ランプ１２０からの紫外線照射になるので、照射される紫外線の照射量は、上記の光触媒フィルタ−１１０の中央部に比べて減少する。また、光の強度は距離の二乗に反比例するので、できるだけ光源近くにフィルターを設置することが望ましい。

一般的に、光触媒反応による有機物の分解効率はそれほど高くない為、有効に浄化作用を機能させるためには、紫外線を有効に光触媒フィルター１１０に照射する必要がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光触媒反応による浄化効率が高い光触媒浄化装置を実現することにある。

本発明に係る光触媒浄化装置は、上記課題を解決するために、光を照射する棒状の光源体ランプと、浄化対象となる流体を透過させると共に、前記光源体ランプからの光の照射を受けることによる光触媒反応によって該流体の浄化を行う光触媒フィルターとを備えた光触媒浄化装置であって、前記光源体ランプは、長手方向が上記流体の流れる方向と直交するように配置され、前記光触媒フィルターは、前記光源体ランプの長手方向に沿って、該光源体ランプの周囲を取り囲むように形成されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、流体が通過する方向に対して長手方向が直交するように配置された光源体ランプの発光面の周囲を長手方向に沿って取り囲むように光触媒フィルターが配置されているため、光源体ランプの発光面から照射される光を無駄なく光触媒フィルターに照射できる。これにより、光源体ランプから照射される光をより効率的に光触媒フィルターにおいて利用することができるので、当該光触媒フィルターに対する光の照射量が増加し、この結果、光触媒フィルターの光触媒反応による流体の浄化効率を高めることができる。

本発明に係る光触媒浄化装置は、上記課題を解決するために、光を照射する棒状の光源体ランプと、浄化対象となる流体を透過させると共に、前記光源体ランプからの光の照射を受けることによる光触媒反応によって流体の浄化を行う光触媒フィルターとを備えた光触媒浄化装置であって、前記光触媒フィルターは、上記流体の流れる方向と直交する方向に延設され、前記光源体ランプが長手方向に挿入されるランプ用開口部が形成され、上記ランプ用開口部に前記光源体ランプが挿入されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、光源体ランプから照射される光はランプ用開口部内で無駄なく光触媒フィルターに照射されることなる。これにより、光触媒フィルターに対する光の照射量が多くなるので、光触媒フィルターの光触媒反応による浄化効率を高めることができる。

上記光触媒浄化装置では、前記光源体ランプの発光面から光触媒フィルターへの照射光量が略同量になる位置に複数の前記光源体ランプが配置されていることが好ましい。

上記光触媒フィルターの被照射面が、光源体ランプの発光面からの照射光線量が略同量になる位置に配置されていることにより、光触媒反応による浄化能力が光触媒フィルター上で略均等となり、光触媒フィルター上で浄化対象の流体が接触する位置に関わらず平均的に流体を浄化することができる。これによって、全体として効率が高い流体の浄化を行うことができるというさらなる効果を奏する。

前記ランプ用開口部は、縦および横方向に複数設けられ、横方向を行方向とし、縦方向を列方向としたとき、これらランプ用開口部は、隣接する行間で列方向に重ならないように配置されていることが好ましい。

これにより、各ランプ用開口部が縦方向に重ならない、言い換えれば、互い違いに配置されていることにより、隣接する光源体ランプの間に存在する光触媒フィルターに対して、照射光の重なる領域を低減し、照射光の量を略均等にすることが可能なる。これにより、１つの光源体ランプが上下左右の全方向に存在する光触媒フィルターに対して光をほぼ均等に照射できるので、少ない本数の光源体ランプにより光触媒フィルターに光触媒反応を起こさせるのに十分な光を照射することができる。

上記光触媒浄化装置では、前記光触媒フィルターは、Ｓｉおよび／またはＳｉＣからなるスポンジ状多孔質構造体からなることが好ましい。

上記の構成によれば、光触媒フィルターは、Ｓｉおよび／またはＳｉＣからなるスポンジ状多孔質構造体からなることで、一般的に用いられる、スポンジの骨格にセラミックススラリーを付着させて焼成する焼結フィルターと同等以上の強度を有し、上記焼結フィルターよりも軽量であり、加工が容易で、かつ、骨格が細く光の透過性も良く、目詰まりが発生しにくいという効果を奏する。

上記光源体ランプは、光触媒フィルターと接触などにより損傷する虞があるので、光源体ランプの発光面の周囲を長手方向に沿って取り囲み、当該光源体ランプおよび前記光触媒フィルターの接触を防ぐ接触防止部材が形成されていることが好ましい。

なお、上記接触防止部材としては、金属網、透明シート、透明板、透明チューブを挙げることができ、また透明性は良いが有機溶剤に弱いポリカーボネート等を用いる場合は、透明な有機溶剤に犯されない透明な保護フィルム等で覆えばよい。

本発明に係る光触媒浄化装置は、光源体ランプは、長手方向が上記流体の流れる方向と直交するように配置され、光触媒フィルターは、前記光源体ランプの長手方向に沿って、該光源体ランプの周囲を取り囲むように形成されている。

上記の構成によれば、光触媒フィルターの光触媒反応による流体の浄化効率を高めることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る光触媒浄化装置は、光触媒フィルターは、上記流体の流れる方向と直交する方向に延設され、光源体ランプが長手方向に挿入されるランプ用開口部が形成され、上記ランプ用開口部に前記光源体ランプが挿入されている。

上記の構成によれば、光触媒フィルターの光触媒反応による浄化効率を高めることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１および図２に基づいて説明すると以下の通りである。

図１は、本実施形態で説明する浄化装置（光触媒浄化装置）１の断面図である。図２は、図１で示した浄化装置１の斜視図である。

浄化装置１では、筐体５０の内部に浄化する流体を通過させる流体通過用開口部が設けられ、図１の左側から流体を取り込んで、右側から流体を噴出する構成となっている。

筐体５０の左側には、流体取込口として通風口５４が形成され、金属製のネット５６が嵌め込まれている。また、筐体５０の右側には、流体取込口から流体を吸入するため通風口５４のファン６０が配置されている。筐体５０は、金属、または、耐熱および耐紫外線の特性を持つ樹脂などで構成する。

筐体５０内には、通風口５４内にプレフィルター１６、光触媒フィルター１０、金属網２２、ＵＶランプ２０が設置されており、更に殺菌フィルター１８が配置されていてもよい。

金属網２２は、軽量なフィルター２０が風力によって接触して破損することを防止するために、フィルター２０同士の間に縦方向に挟みこむように設置されている。金属網２２には、光を透過しやすく腐食に強い、目の粗い金属製の網を使用する。また、金属網の代わりに光触媒反応に耐える柔軟な樹脂或いは繊維製の網状のものでもよい。

プレフィルター１６および殺菌フィルター１８は、ＨＥＰＡ（High Efficiency Particulate Air）フィルターなどで構成されている。また、光触媒フィルター１０には、ＵＶランプ２０を配置するためのランプ用開口部１２が設けられている。この開口部は四角でも円形でもよい。

光触媒フィルター１０は、Ｓｉ／ＳｉＣ多孔質体に光触媒をコーティングしたフィルターであり、ポリウレタンスポンジの骨格部分にフェノール樹脂溶液およびシリコン粉末、あるいは、更に炭化ケイ素粉末を含浸させた後に、炭素化、反応焼結、さらにＳｉ溶融含浸処理を行ったＳｉ／ＳｉＣフィルターで構成している。これは、従来の、スポンジの骨格にセラミックススラリーを付着させて焼結する方法で作製した焼結フィルターと比較して、同じ太さで同等の強度を保ちつつ、密度も約０．１ｇ／ｃｍ^３程度と軽量であり、加工も容易であるという特徴を持っている。
工も容易であるという特徴を持っている。

光触媒フィルター１０では、前記光源体ランプの発光面からの照射光量が略同量になる位置に光触媒フィルター１０被照射面が配置されている。具体的には、光触媒フィルター１０の平面または曲面が、光源体ランプ２０の発光面からの照射光量が略同量になる位置に配置されていることにより、光触媒反応に浄化能力が光触媒フィルター上で略均等に行われるため、光触媒フィルター上の位置に関わらず平均的に流体の浄化作用を行うことができるので、全体として効率が高い流体の浄化を行うことができる。

また、光触媒フィルター１０に形成されたＵＶランプ２０を配置するためのランプ用開口部１２は、図１および図２の例では、上から１行目には５箇所、上から２行目には６箇所、上から３行目には５箇所、形成されており、奇数行および偶数行で縦方向に重ならないように、言い換えれば、ランプ用開口部１２が奇数行および偶数行で互い違いになるように配置されている。これは、光触媒フィルター１０を透過するＵＶ光線の距離を均等にするための配置である。

図１および図２の例ではランプ用開口部１２は３行しかないが、適宜行の数を増やしてもよい。また、図１および図２で横方向に隣接する光触媒フィルター１０が直接接しないように、縦方向に光りを遮りにくい編み目の粗い金属等の網を設置するのが望ましい。この金属網は縦方向のランプ用開口部１２で固定化できるので、光触媒フィルター１０の固定にも用いることができる。

具体的には、＃８のフィルターでは（１インチあたり８セル）のスポンジで作製した光触媒フィルターでは、２５〜３５ｍｍ程度のＵＶ光線距離となるように、＃１３のフィルターでは、２０〜２５ｍｍ程度の距離になるように、＃２０（１インチあたり２０セル）のスポンジで作製した光触媒フィルターでは、１０〜１５ｍｍ程度の距離になるように構成する。

本実施形態では、ポリカーボネートの薄板で四角い筒状の容器を作り、この容器が浄化装置１の筐体５０の側面に固定され、その中のランプ用開口部１２にＵＶランプ２０を入れる構成となっている。より詳細には、ポリカーボネートの容器の間に長方体の光触媒フィルター１０を順に配置し、ポリカーボネード容器の間の縦方向に金属網を設置していく。

なお、ポリカーボネートは、耐熱性および透光性を備えているものの、有機溶剤に弱いという欠点があるため、ポリカーボネートの外側には有機溶剤に強いプラスチック透明フィルムを巻くことが好ましい。上記透明フィルムの材質としては、デュラシール、テフロン（登録商標）（ＰＦＡ）、アクリル、ポリエチレン等の各種プラスチックフィルムを用いることができる。

ＵＶランプ２０は、蛍光灯タイプのブラックライト（波長：約３５０ｎｍ）、ケミカルランプ（波長：約３５０ｎｍ）、および、殺菌灯（波長：約２５４ｎｍ）などで構成され、光触媒フィルター１０に設けられたランプ用開口部１２内に配置される。なお、殺菌灯の短い波長を透過する素材は少ないため、ブラックライトまたはケミカルランプを用いることが好ましい。

ネット５６は、剛性の高いステンレスなどの金属製の金網であり、浄化対象の流体を図１および図２の左側から取り込みながら、プレフィルター１６などを筐体５０内に固定する役割を果たす。筐体５０は、金属板等で構成され、光触媒フィルター１０やＵＶランプ２０を浄化装置１内に固定すると共に、浄化対象の流体を通す通風口５４を確保している。

浄化対象の流体は、ファン６０によって吸入されることで図１および図２の左側から取り込まれ、ネット５６およびプレフィルター１６を通過し、光触媒フィルター１０と接触しながら、殺菌フィルター１８を通過し、図１および図２の右側から噴出される。浄化対象の流体は、光触媒フィルター１０と接触する際に、ＵＶランプ２０から照射されたＵＶ光線と、光触媒フィルター１０とが反応して発生する光触媒反応の有機物分解作用によって浄化される。

基本的に光触媒による有機物の分解は、紫外線（ＵＶ）が光触媒に当たり、その光触媒に有機物が接触する必要があるので、この接触回数に分解効率は依存する。光の強度も距離の二乗に反比例するため、光源近くの光（ＵＶ）を利用するのが一番効率がよい。このため、光が最も集まるＵＶランプ間の空間にはフィルターが配置されていない従来の方式と比較した場合、光が照射されているフィルターの面積（体積）から、少なくとも２〜３倍以上の効率が期待できる。

以上のように、本実施形態の浄化装置１は、光を照射する棒状のＵＶランプ２０と、浄化対象となる流体を透過させると共に、ＵＶランプ２０からの光の照射を受けることによる光触媒反応によって該流体の浄化を行う光触媒フィルター１０とを備えた浄化装置１であって、ＵＶランプ２０は、長手方向が上記流体の流れる方向と直交するように配置され、光触媒フィルター１０は、ＵＶランプ２０の長手方向に沿って、Ｖランプ２０の周囲を取り囲むように形成されている。

上記の構成によれば、流体が通過する方向に対して長手方向が直交するように配置されたＵＶランプ２０の発光面の周囲を長手方向に沿って取り囲むように光触媒フィルター１０が配置されているため、ＵＶランプ２０の発光面から照射される光を無駄なく光触媒フィルター１０に照射できる。これにより、ＵＶランプ２０から照射される光をより効率的に光触媒フィルター１０において利用することができるので、当該光触媒フィルター１０に対する光の照射量が増加し、この結果、光触媒フィルター１０の光触媒反応による流体の浄化効率を高めることができる。また、ランプ用開口部が形成されているので、ランプが切れた場合での交換が容易に行える。

本実施形態の浄化装置１は、光を照射する棒状のＵＶランプ２０と、浄化対象となる流体を透過させると共に、ＵＶランプ２０からの光の照射を受けることによる光触媒反応によって流体の浄化を行う光触媒フィルター１０とを備えた浄化装置１であって、光触媒フィルター１０は、上記流体の流れる方向と直交する方向に延設され、ＵＶランプ２０が長手方向に挿入されるランプ用開口部１２が形成され、上記ランプ用開口部にＵＶランプ２０が挿入されていることを特徴としている。

上記の構成によれば、ＵＶランプ２０から照射される光はランプ用開口部１２内で無駄なく光触媒フィルター１０に照射されることなる。これにより、光触媒フィルター１０に対する光の照射量が多くなるので、光触媒フィルター１０の光触媒反応による浄化効率を高めることができる。

本実施形態の浄化装置１では、ＵＶランプ２０の発光面からの照射光量が略同量になる位置に光触媒フィルター１０の被照射面が配置されている。

光触媒フィルター１０の被照射面が、ＵＶランプ２０の発光面からの照射光線量が略同量になる位置に配置されていることにより、光触媒反応による浄化能力が光触媒フィルター１０上で略均等となり、光触媒フィルター１０上で浄化対象の流体が接触する位置に関わらず平均的に流体を浄化することができる。これによって、全体として効率が高い流体の浄化を行うことができる。

本実施形態の浄化装置１では、ランプ用開口部１２は、縦および横方向に複数設けられ、横方向を行方向とし、縦方向を列方向としたとき、これらランプ用開口部１２は、隣接する行間で列方向に重ならないように配置されている。

これにより、各ランプ用開口部１２が縦方向に重ならない、言い換えれば、互い違いに配置されていることにより、隣接するＵＶランプ２０の間に存在する光触媒フィルター１０に対して、照射光の重なる領域を低減し、照射光の量を略均等にすることが可能なる。これにより、１つのＵＶランプ２０が上下左右の全方向に存在する光触媒フィルター１０に対して光をほぼ均等に照射できるので、少ない本数のＵＶランプ２０により光触媒フィルター１０に光触媒反応を起こさせるのに十分な光を照射することができる。また、流体の流れも攪拌されて均一になりやすい。

上記浄化装置１では、光触媒フィルター１０は、Ｓｉおよび／またはＳｉＣからなるスポンジ状多孔質構造体からなる。

上記の構成によれば、光触媒フィルター１０は、Ｓｉおよび／またはＳｉＣからなるスポンジ状多孔質構造体からなことで、一般的に用いられる、スポンジの骨格にセラミックススラリーを付着させて焼成する焼結フィルターと同等の強度を有し、上記焼結フィルターよりも軽量であり、加工が容易で、かつ、目詰まりが発生しにくいという効果を奏する。

上記浄化装置１では、上記ＵＶランプ２０は、光触媒フィルター１０と接触などにより損傷する虞があるので、ＵＶランプ２０の発光面の周囲を長手方向に沿って取り囲み、当該ＵＶランプ２０および前記光触媒フィルター１０の接触を防ぐ接触防止部材が形成されている。

なお、上記接触防止部材としては、金属網、透明シート、透明板、透明チューブなどを用いることができる。または、透明なポリカーボネート製の接触防止部材を用いた場合は、その表面に有機溶剤保護フィルムを付けたものであってもよい。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明によれば、光触媒反応による浄化効率が高い光触媒浄化装置、および浄化装置を実現することができる。

本発明の実施形態を示すものであり、浄化装置の要部構成を示す断面図である。上記浄化装置の斜視図である。従来技術を示すものであり、浄化装置の要部構成を示す概略図である。

符号の説明

１浄化装置（光触媒浄化装置）
１０光触媒フィルター（光触媒フィルター）
１２ランプ用開口部
１６プレフィルター
１８殺菌フィルター
２０ＵＶランプ（光源体ランプ）
５０筐体
５４通風口
５６ネット
６０ファン

Claims

光を照射する棒状の光源体ランプと、
浄化対象となる流体を透過させると共に、前記光源体ランプからの光の照射を受けることによる光触媒反応によって該流体の浄化を行う光触媒フィルターとを備えた光触媒浄化装置であって、
前記光源体ランプは、長手方向が上記流体の流れる方向と直交するように配置され、
前記光触媒フィルターは、前記光源体ランプの長手方向に沿って、該光源体ランプの周囲を取り囲むように形成され、
前記光源体ランプの発光面の周囲を長手方向に沿って取り囲み、当該光源体ランプおよび前記光触媒フィルターの接触を防ぐ接触防止部材が形成されていることを特徴とする光触媒浄化装置。
前記光源体ランプの発光面から光触媒フィルターへの照射光量が略同量になる位置に複数の前記光源体ランプが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光触媒浄化装置。
前記光触媒フィルターは、Ｓｉおよび／またはＳｉＣからなるスポンジ状多孔質構造体からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光触媒浄化装置。