JP4779107B2

JP4779107B2 - 触媒フィルタ、および空気浄化装置

Info

Publication number: JP4779107B2
Application number: JP2001225578A
Authority: JP
Inventors: 恵一郎吉田; 数馬松井; 一雄 ▲徳▼島; 哲彦小林; 厚上田; 裕介山田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-07-26
Filing date: 2001-07-26
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2021-07-26
Also published as: JP2003033426A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒フィルタおよび空気浄化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気浄化（臭いや有害ガスの分解）を行う空気浄化装置においては、常温酸化熱触媒、オゾン脱臭触媒、或いは放電プラズマによって活性化する触媒が従来から用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの触媒は、一般に、水蒸気の存在によって、著しく性能が低下する性質を有する。
それは、対象ガスよりも先に水分が触媒に補足されて活性サイトが塞がれてしまうためである。
通常、空気清浄を必要とする空間には、多量の水蒸気が存在するため、対策が求められている。
【０００４】
本発明の第１の目的は、高湿下でも高い空気浄化能力が得られる触媒フィルタの提供にある。
【０００５】
本発明の第２の目的は、高湿下でも高い空気浄化能力が得られる空気浄化装置の提供にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１について〕
二酸化チタンは、放電下で活性化し、およそ、つぎの反応によって水分子から解離酸素（Ｏ）やオゾンＯ_３を生成する。なお、ＯＨ⁻イオンは、二酸化チタンや酸化触媒上に吸着した水分が、高電界によって電離して多量に供給される。
２ＯＨ⁻＋ｈ^＋→２Ｈ_２Ｏ＋（Ｏ）
（Ｏ）＋Ｏ_２→Ｏ_３
ｈ^＋は正孔
（Ｏ）は解離酸素
なお、酸化触媒に供給する解離酸素（Ｏ）を生成するため、二酸化チタンの担持位置は、触媒フィルタの内部または表面を通過する気流に対して、酸化触媒の担持位置よりも上流側であるのが好ましい。
【０００７】
酸化触媒は、放電下で、対象ガスＸを、つぎの様に酸化する。
Ｘ＋（Ｏ）→ＸＯ
ＸＯは二酸化炭素やその他の酸化生成物
【０００８】
乾燥空気中では、解離酸素（Ｏ）は、空気中の酸素分子から放電によって供給されるが、湿度の上昇に伴って発生量が減少する性質がある。
しかし、放電下で活性化した二酸化チタンが、水分子から解離酸素（Ｏ）を生成して供給するので、高い湿度下でも対象ガスＸを効果的に酸化することができる。
【０００９】
〔請求項２について〕
（二酸化チタンを添加した場合）
触媒前駆物質であるところの金属石鹸液中に二酸化チタンを添加し、このチタン添加の金属石鹸液中に担体を入れて、担体にチタン添加の金属石鹸液を付着させる。そして、このチタン添加の金属石鹸液が付着した担体を引き上げ、焼成する。これにより、金属が酸化して放電により活性化する酸化触媒になるとともに、金属石鹸液中の有機分が除去され、二酸化チタンと酸化触媒とが担体表面に担持される。
【００１０】
（チタンを添加した場合）
触媒前駆物質であるところの金属石鹸液中にチタンを添加すると、チタンは金属石鹸液中の有機分と結合して有機化チタンとなる。このチタン添加の金属石鹸液中に担体を入れて、担体にチタン添加の金属石鹸液を付着させる。
そして、このチタン添加の金属石鹸液が付着した担体を引き上げ、焼成する。
これにより、金属石鹸液中の有機分が除去され、酸化触媒および二酸化チタンが担体表面に担持される。
【００１１】
石鹸液は、オクチル酸やナフテン酸を有機溶媒に溶かしたものが好適である。
酸化触媒は、放電により活性化する物質であり、▲１▼鉄、マンガン、またはアルミニウムの酸化物、または▲２▼鉄、マンガンに対して、銀、コバルト、銅、アルミニウム、またはニッケルを組み合わせた複合酸化物が好適である。
担体は、ガラス繊維、セラミック繊維、または金属繊維等の無機繊維体が好適であり、形状は、織布、編布、不織布、フェルト状、または綿状が好適である。
【００１２】
〔請求項３について〕
チタンを添加した溶液と、酸化触媒となる金属を含む金属石鹸液とを個別に用意する。担体の第１の所定位置にチタンを含む溶液を付着させ、担体の第２の所定位置に金属石鹸液を付着させる。この溶液および金属石鹸液が付着した担体を焼成して、酸化触媒と二酸化チタンとを担体に担持させる。
【００１３】
請求項３の構成の触媒フィルタは、酸化触媒と二酸化チタンとを担体の別の位置に分離して担持させることができる。なお、二酸化チタンの担持位置を、触媒フィルタの内部または表面を通過する気流に対して、酸化触媒の担持位置よりも上流側にすれば、酸化触媒に供給する解離酸素（Ｏ）を効率良く生成することができる。
【００１４】
〔請求項４について〕
空気浄化装置は、請求項１〜請求項３に記載の触媒フィルタを、放電用電極間に、単体とするか、折り畳むか、或いは複数枚積層し、空気流発生手段により発生する空気流が触媒フィルタの内部または表面を通過する様にしている。このため、空気浄化装置は、高湿下でも、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトアルデヒド等の臭い成分、およびシックハウスを引き起こす有害成分を効率良く分解することができる。
【００１５】
〔参考例〕
空気浄化装置は、脈流、交流、またはパルス状の波形の高電圧を印加して放電を行う電極間に、二酸化チタンを担体に担持させた触媒フィルタを配置したオゾン発生部と、触媒フィルタの内部または表面を通過する様に空気流を発生させる空気流発生手段と、オゾン発生部の下流側に位置し、オゾンと対象ガスとを結合させるオゾン脱臭触媒を配置したガス除去部とを備える。
【００１６】
オゾン発生部の触媒フィルタに担持された二酸化チタンは、電極間で行われる放電により活性化し、およそ、つぎの反応によって水分子から解離酸素（Ｏ）やオゾンＯ₃を生成する。なお、ＯＨ^-イオンは、二酸化チタンや酸化触媒上に吸着した水分が、高電界によって電離して多量に供給される。

ｈ⁺は正孔
（Ｏ）は解離酸素
【００１７】
オゾン発生部が解離酸素（Ｏ）やオゾンＯ₃を高い湿度下でも効率良く生成し、オゾン発生部の下流側に位置するガス除去部に供給する。
オゾン脱臭触媒は、オゾンと対象ガスとを結合させて除去する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の第１実施例（請求項２、４に対応）を、図１に基づいて説明する。
空気浄化装置Ａは、図１に示す様に、浄化装置本体１と、高電圧印加手段２と、空気流発生手段３とを備える。
【００１９】
浄化装置本体１は、放電用電極４、５間に、二酸化チタン１１と酸化触媒１２の混合体を担体に担持させた触媒フィルタ１０を配置してなる。なお、本実施例では、担体は、直径数μｍのガラス繊維を厚さ１ｍｍの不織布に加工したガラス織布である。
また、担体は、ガラス繊維以外に、セラミック繊維、または金属繊維等の無機繊維体であっても良く、形状は、平板状以外に、織布、編布、不織布、フェルト状、または綿状等であっても良い。
【００２０】
本実施例では、酸化触媒１２は、放電により活性化する、マンガン- コバルト系の放電活性化触媒である。
なお、酸化触媒１２には、その他、▲１▼鉄、マンガン、またはアルミニウムの酸化物、または▲２▼鉄、マンガンに対して、銀、コバルト、銅、アルミニウム、またはニッケルを組み合わせた複合酸化物を使用しても良い。
【００２１】
触媒フィルタ１０は、以下の様にして製造したものである。
（１）触媒前駆物質であるところの金属石鹸液にチタンを添加して、チタンを金属石鹸液中の有機分と結合させて有機化チタンにしたチタン添加の金属石鹸液を作成する。
【００２２】
本実施例では、石鹸液は、オクチル酸をトルエンに溶かしたものである。
なお、石鹸液は、その他、ナフテン酸をトルエンに溶かしたもの、オクチル酸とナフテン酸とをトルエンに溶かしたものでも良い。
【００２３】
（２）このチタン添加の金属石鹸液に担体を入れて、担体にチタン添加の金属石鹸液を付着させ、引き上げる。
【００２４】
（３）このチタン添加の金属石鹸液が付着した担体をガラス繊維の融点未満の温度で焼成する。これにより、金属石鹸液中の有機分が除去され、二酸化チタン１１および酸化触媒１２が担体表面に担持される。
【００２５】
空気流発生手段３は、触媒フィルタ１０の内部を通過する様な空気流を発生させるための送風機である。
【００２６】
放電用電極４、５は、長方形状を呈するメッシュ状であり、触媒フィルタ１０を両側から挟む様に配されている。
この放電用電極４、５間には、高電圧印加手段２により交流の高電圧が印加される。なお、高電圧印加手段２は、脈流やパルス状の波形の高電圧を放電用電極４、５間に印加する構成であっても良い。
【００２７】
ここで、二酸化チタンＴｉＯ₂担持によるオゾン生成量の増大効果について述べる。
後述する各ガラス織布を、図２に示す反応器６内に下記の様に装着して、反応器６下方からガラス織布中を通過する様に、原料空気３１を流し、電極間に交流の高電圧を印加し、湿度（ＲＨ）と流出空気３２のオゾン濃度（ｐｐｍ）との関係を測定したところ、図３に示す結果が得られた。
カーブ１３……ガラス織布に二酸化チタンを担持させたもの
カーブ１４……ガラス織布だけのもの
【００２８】
反応器６は、図２に示す様に、中央部が円筒状接地電極６１となったガラス円筒６２に、ガラス織布を挟んで、螺旋状放電電極６３と円筒状接地電極６１とを配置している。
【００２９】
二酸化チタンＴｉＯ₂を担持させたガラス織布を装着したものは、図３のカーブ１３に示す様に、湿度が高い程、流出空気３２のオゾン濃度が高くなることが確認できた。これは、湿度が高い程、後述する（α）、（β）の反応が顕著になるためである。
しかし、ガラス織布だけのものは、図３のカーブ１４に示す様に、湿度が高い程、流出空気３２のオゾン濃度が低くなることが判明した。
【００３０】
ガラス織布に担持させた二酸化チタンＴｉＯ₂は、放電下で活性化し、およそ、つぎの反応によって水分子から解離酸素（Ｏ）やオゾンＯ₃を生成する。なお、ＯＨ^-イオンは、二酸化チタンや酸化触媒上に吸着した水分が、高電界によって電離して多量に供給される。

ｈ⁺は正孔
（Ｏ）は解離酸素
【００３１】
酸化触媒は、放電下で、対象ガスＸをつぎの様に酸化させることができる。
Ｘ＋（Ｏ）→ＸＯ
ＸＯは二酸化炭素やその他の酸化生成物
【００３２】
つぎに、下記に示す、ＴｉＯ₂添加品ａ、および比較品ｂ、ｃに対する、湿度（ＲＨ）とアセトアルデヒド除去率（％）との関係を図４に基づいて述べる。
・ＴｉＯ₂添加品ａは、二酸化チタン１１と酸化触媒１２の混合体をガラス織布に担持させた触媒フィルタ１０と同じものである。
・比較品ｂは、酸化触媒のみをガラス織布に担持させたものである。
・比較品ｃは、二酸化チタンのみをガラス織布に担持させたものである。
【００３３】
ＴｉＯ₂添加品ａ、比較品ｂ、ｃを、図２と同様の反応器６内に装着して、反応器６下方から触媒フィルタ１０中を通過する様に、１００ｐｐｍのアセトアルデヒドが混合した空気を流し、電極間に交流の高電圧を印加し、湿度（ＲＨ）とアセトアルデヒド除去率（％）との関係を測定したところ、図４に示す結果が得られた。
【００３４】
カーブ○……二酸化チタン１１と酸化触媒１２（Ｍｎ- Ｃｏ系）の混合体をガラス織布に担持させた触媒フィルタ１０と同じもの
カーブ△……ガラス織布に酸化触媒（Ｍｎ- Ｃｏ系）を担持させたもの
カーブ×……ガラス織布に二酸化チタンを担持させたもの
【００３５】
比較品ｂ（カーブ△）は、湿度の上昇とともにアセトアルデヒド除去率が急激に低下していくのに対し、ＴｉＯ₂添加品ａ（カーブ○）は、実使用域において高いアセトアルデヒド除去率が維持できることが判明した。
なお、比較品ｃ（カーブ×）は、酸化触媒が無いので、発生した解離酸素（Ｏ）の利用がなされず、低いアセトアルデヒド除去率しか得られない。
【００３６】
上記実験結果から、空気浄化装置Ａは、以下の利点を有する。
乾燥空気中では、解離酸素（Ｏ）は、空気中の酸素分子から放電によって供給されるが、湿度の上昇に伴って発生量が減少する性質がある。
しかし、空気浄化装置Ａでは、放電下で活性化した二酸化チタン１１が、水分子から解離酸素（Ｏ）を生成して酸化触媒１２に供給するので、高い湿度下でも高いガス除去率が得られ、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトアルデヒド等の対象ガスＸを効果的に酸化することができる。
【００３７】
つぎに、本発明の第２実施例（請求項１、３、４に対応）を、図５に基づいて説明する。空気浄化装置Ｂは、以下の点が空気浄化装置Ａと異なる。
【００３８】
浄化装置本体１は、放電用電極４、５間に、上流側から、二酸化チタン１１と酸化触媒１２とを担体に担持させた触媒フィルタ１０を配置してなる。なお、本実施例では、担体は、直径数μｍのガラス繊維を厚さ１ｍｍの不織布に加工したガラス織布である。
また、担体は、空気浄化装置Ａと同様に、ガラス繊維以外に、セラミック繊維、または金属繊維等の無機繊維体であっても良く、形状は、平板状以外に、織布、編布、不織布、フェルト状、または綿状等であっても良い。
【００３９】
本実施例でも、酸化触媒１２は、放電により活性化する、マンガン- コバルト系の放電活性化触媒である。
なお、酸化触媒１２には、その他、▲１▼鉄、マンガン、またはアルミニウムの酸化物、または▲２▼鉄、マンガンに対して、銀、コバルト、銅、アルミニウム、またはニッケルを組み合わせた複合酸化物を使用しても良い。
【００４０】
触媒フィルタ１０は、以下の様にして製造したものである。
（１）石鹸液等の溶液にチタンを添加して、溶液中の有機分と結合させて有機化チタンにした溶液を作成する。
石鹸液中に、酸化触媒となる金属を含む金属石鹸液を作成する。
【００４１】
本実施例では、石鹸液は、オクチル酸をトルエンに溶かしたものである。
なお、石鹸液は、その他、ナフテン酸をトルエンに溶かしたもの、オクチル酸とナフテン酸とをトルエンに溶かしたものでも良い。
【００４２】
（２）チタンを含む溶液に担体の半分（第１の所定位置）を入れて溶液を付着させ、引き上げた後、乾かす。
金属石鹸液に担体の残り半分（第２の所定位置）を入れて金属石鹸液を付着させ、引き上げた後、乾かす。
【００４３】
（３）この溶液および金属石鹸液が付着した担体をガラス繊維の融点未満の温度で焼成する。これにより、溶液および金属石鹸液中の有機分が除去され、二酸化チタン１１および酸化触媒１２が担体表面に担持される。
【００４４】
つぎに、空気浄化装置Ｂの作用および利点について述べる。
触媒フィルタ１０の二酸化チタン１１は、放電下で活性化し、およそ、つぎの反応によって水分子から解離酸素（Ｏ）やオゾンＯ₃を生成する。なお、ＯＨ^-イオンは、二酸化チタンや酸化触媒上に吸着した水分が、高電界によって電離して多量に供給される。

ｈ⁺は正孔
（Ｏ）は解離酸素
なお、本実施例では、二酸化チタン１１の担持位置は、触媒フィルタ１０の表面を通過する気流に対して、酸化触媒１２よりも上流側であるので、生成した解離酸素（Ｏ）が下流側に位置する酸化触媒１２に効率良く供給される。
【００４５】
酸化触媒１２は、放電下で、対象ガスＸをつぎの様に酸化する。
Ｘ＋（Ｏ）→ＸＯ
ＸＯは二酸化炭素やその他の酸化生成物
【００４６】
乾燥空気中では、解離酸素（Ｏ）は、空気中の酸素分子から放電によって供給されるが、湿度の上昇に伴って発生量が減少する性質がある。
しかし、空気浄化装置Ｂでは、放電下で活性化した二酸化チタン１１が、水分子から解離酸素（Ｏ）を生成して下流側に位置する酸化触媒１２に供給するので、高い湿度下でも更に高いガス除去率が得られ、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトアルデヒド等の対象ガスＸを、更に効果的に酸化して分解することができる。
【００４７】
つぎに、参考例を図６に基づいて説明する。本実施例の空気浄化装置Ｃは、高電圧印加手段２と、空気流発生手段３と、オゾン発生部７と、ガス除去部８とを備える。
【００４８】
高電圧印加手段２は、放電用電極４、５間に、交流の高電圧を印加する高電圧回路である。なお、高電圧印加手段２は、脈流やパルス状の波形の高電圧を発生する高電圧回路であっても良い。
【００４９】
空気流発生手段３は、空気浄化装置Ａ、Ｂと同様に、触媒フィルタ１０の内部を通過する様な空気流を発生させるための送風機である。
【００５０】
オゾン発生部７は、放電用電極４、５間に、二酸化チタン７１を担体に担持させた触媒フィルタ７０を配置してなる。なお、本実施例では、担体は、直径数μｍのガラス繊維を厚さ１ｍｍの不織布に加工したガラス織布である。
また、担体は、ガラス繊維以外に、セラミック繊維、または金属繊維等の無機繊維体であっても良く、形状は、平板状以外に、織布、編布、不織布、フェルト状、または綿状等であっても良い。
【００５１】
ガス除去部８は、オゾン発生部７の下流側に位置し、オゾンＯ₃と対象ガスＸとを結合させるオゾン脱臭触媒８１を配置している。
【００５２】
つぎに、空気浄化装置Ｃの作用および利点について述べる。
オゾン発生部７の触媒フィルタ７０に担持された二酸化チタン７１は、放電用電極４、５間で行われる放電により活性化し、およそ、つぎの反応によって水分子から解離酸素（Ｏ）やオゾンＯ₃を生成する。なお、ＯＨ^-イオンは、二酸化チタンや酸化触媒上に吸着した水分が、高電界によって電離して多量に供給される。
【００５３】

ｈ⁺は正孔
（Ｏ）は解離酸素
【００５４】
オゾン発生部７が解離酸素（Ｏ）やオゾンＯ₃を高い湿度下でも効率良く生成し、オゾン発生部７の下流側に位置するガス除去部８に供給する。
オゾン脱臭触媒８１は、オゾンと対象ガスとを結合させて除去する。
【００５５】
空気浄化装置Ｃでは、放電下で活性化した二酸化チタン７１が、水分子から解離酸素（Ｏ）を生成してガス除去部８のオゾン脱臭触媒８１に供給するので、高い湿度下でも高いガス除去率が得られ、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトアルデヒド等の対象ガスを効果的に酸化して分解することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る空気浄化装置の説明図である。
【図２】反応器の説明図である。
【図３】湿度と発生するオゾンの濃度との関係を示すグラフである。
【図４】湿度とアセトアルデヒド除去率との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施例に係る空気浄化装置の説明図である。
【図６】参考例に係る空気浄化装置の説明図である。

Claims

脈流、交流、またはパルス状の波形の高電圧を印加して放電を行う電極間に配置される、放電により活性化する二酸化チタンと、該二酸化チタンにより生成された解離酸素およびオゾンによって対象ガスを酸化するための放電により活性化する酸化触媒とを担体に担持させたものからなる触媒フィルタであって、前記放電により活性化する酸化触媒が、鉄、マンガンもしくはアルミニウムの酸化物、または鉄もしくはマンガンに対して、銀、コバルト、銅、アルミニウムもしくはニッケルを組み合わせた複合酸化物からなり、前記二酸化チタンの担持位置は、前記触媒フィルタの内部または表面を通過する気流に対して、前記酸化触媒の担持位置よりも上流側であることを特徴とする触媒フィルタ。
脈流、交流、またはパルス状の波形の高電圧を印加して放電を行う電極間に配置される触媒フィルタであって、触媒前駆物質であるところの鉄、マンガンもしくはアルミニウムの金属成分、または鉄もしくはマンガンに対して、銀、コバルト、銅、アルミニウムもしくはニッケルを組み合わせた複合金属成分を含む金属石鹸液に、チタンまたは二酸化チタンを添加し、このチタン添加の金属石鹸液中に担体を入れて引き上げ、このチタン添加の金属石鹸液が付着した担体を焼成して、放電により活性化する二酸化チタンと、該二酸化チタンにより生成された解離酸素およびオゾンによって対象ガスを酸化するための放電により活性化する、鉄、マンガンもしくはアルミニウムの酸化物、または鉄もしくはマンガンに対して、銀、コバルト、銅、アルミニウムもしくはニッケルを組み合わせた複合酸化物からなる酸化触媒とを前記担体に担持させたことを特徴とする触媒フィルタ。
脈流、交流、またはパルス状の波形の高電圧を印加して放電を行う電極間に配置される触媒フィルタであって、チタンのみを金属成分として含む溶液と、酸化して酸化触媒となる鉄、マンガンもしくはアルミニウムの金属成分、または鉄もしくはマンガンに対して、銀、コバルト、銅、アルミニウムもしくはニッケルを組み合わせた複合金属成分を含む金属石鹸液とを個別に用意し、担体の第１の所定位置に上記チタンを含む溶液を付着させ、前記担体の第２の所定の位置に前記金属石鹸液を付着させ、この溶液および金属石鹸液が付着した担体を焼成して、放電により活性化する二酸化チタンと、該二酸化チタンにより生成された解離酸素およびオゾンによって対象ガスを酸化するための放電により活性化する、鉄、マンガンもしくはアルミニウムの酸化物、または鉄もしくはマンガンに対して、銀、コバルト、銅、アルミニウムもしくはニッケルを組み合わせた複合酸化物からなる酸化触媒とを前記担体に担持させたことを特徴とする触媒フィルタ。
請求項１、請求項２、または請求項３に記載の前記触媒フィルタを、放電用電極間に、単体とするか、折り畳むか、或いは複数枚積層し、空気流発生手段により発生する空気流が触媒フィルタの内部または表面を通過する様にして配設したことを特徴とする空気浄化装置。