JP5082034B2

JP5082034B2 - 複合機能光触媒分散液及び多孔質複合機能光触媒

Info

Publication number: JP5082034B2
Application number: JP2005309340A
Authority: JP
Inventors: 正竹本; 政史竹本; 一彦平
Original assignee: L-PLAN CO., LTD.
Current assignee: L-PLAN CO., LTD.
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP2007117789A

Description

この発明は、洗浄、浄化、殺菌、消臭、植物育成、水棲動物育成等に有効な複合機能光触媒に関する。

酸化チタンが光触媒として働き、４００ｎｍ以下の光の照射下において、強い酸化力を示し、汚れの分解、消臭・脱臭、抗菌・殺菌、有害物質の除去などに利用し得ることは良く知られている。このような酸化チタンの機能を応用した発明として、例えば、（１）二酸化チタンを人工の葉や天然の葉の内部又はその表面に導入した観葉植物が、そのもの自体に付着した臭いや汚れを分解する自己洗浄機能を有すること（特許文献１参照）、（２）アナターゼ型酸化チタンゾルと酸化チタン等の光触媒微粒子をフィルター基材に付着させた空気浄化フィルターが、フィルターに吸着させた有機汚染物質を除去でき、脱臭性能が高いこと（特許文献２参照）、（３）水分散性樹脂等、酸化チタンゾル、界面活性剤、水等からなる防汚処理剤が、これを塗布した基材に優れた耐汚染性を付与できること（特許文献３参照）、（４）基材表面に設けられ、ペルオキソチタン酸及びアナターゼ型酸化チタンを含有する光触媒層と、その上に設けられた特定のポリシロキサン化合物を含有する被覆層を有する光触媒体が、これを屋外の建造物の外壁や水中の構造物等に適用すると、防汚、脱臭、水中や空気中に含まれる汚染物質の分解、雑菌や黴の繁殖の防止、藻の生育抑制などを行うことができること（特許文献４参照）等が既に開示されている。

しかし、これらは、特定の基材に、酸化チタン等の光触媒を塗布等によって付着若しくは含浸させ、該基材に、空気や水を媒介して付着した比較的少ない有機汚染物質を除去するものである。一方、有機汚染物の付着速度が光触媒による分解速度を上回ったり、有機汚染物が空気や水を媒介とせず直接基材に付着すると、光が汚染物に阻まれ光触媒に届く割合が減少し若しくは届かなくなり、その分解効率は大きく低下するか又は分解そのものが不能になると考えられる。

一方、光触媒作用は繰り返し利用できるので、僅かな量の光触媒と太陽光等の光の利用により、金属部品、プラスチック部品、レンズなどのガラス製品、パチンコ玉、スロット用コイン等の汚染の程度の大きい対象物の洗浄や、多量の汚染物を含む工場廃水の浄化などに有効であったり、さらに、植物育成や水棲動物の育成促進をもできるような多機能触媒が開発されれば、環境汚染が無く、コストも安価で社会にとって大きなメリットとなる。
特開平１０−２８７２３公報特開２００１−２５９００３公報特開２００２−１６７５７１公報特開２００５−１３８０５９公報

そこで、この発明は、以上のような事情に鑑みなされたもので、汚染物の汚れの多少に拘わらず、洗浄、浄化、殺菌、消臭等ができ、さらに、植物育成や水棲動物の育成促進ができるような複合機能光触媒及びこれを用いる効率的な汚染処理、生物育成方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明者は、上記目的を達成すべく、一連の研究を重ねた結果、酸化チタン及び酸化チタンゾルに、酸化触媒、セラミック粉末、水性バインダーを加えた触媒を水に分散させた分散液又はこの分散液を無機多孔質体に含浸させた多孔質触媒を用いて、光照射により対象物を処理したり、このような多孔質触媒をカラム等に装填し、光の照射下、循環水と組み合わせて汚染物の洗浄等をする若しくは植物等の育成をする方法を用いると、前記分散液や多孔質触媒が複合機能を発揮し、上記目的を達成できることを見出し、ついに本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、
１．水に、複合機能光触媒としての、酸化チタン、酸化チタンゾル、酸化触媒、セラミック粉末及び水性バインダーを配合して分散させたことを特徴とする複合機能光触媒分散液であり、
２．該複合機能光触媒分散液を無機多孔質体に含浸させ、前記複合機能光触媒を該無機多孔質体に坦持させたことを特徴とする多孔質複合機能光触媒であり、
３．循環水の経路中に前記多孔質複合機能光触媒を設置し、該多孔質複合機能光触媒に太陽光若しくはＵＶを照射しながら多孔質複合機能光触媒と循環水とを接触させ、更に該循環水に処理対象物を接触させることを特徴とする、汚染物の洗浄、浄化、殺菌若しくは消臭方法又は植物若しくは水棲動物の育成方法である。

酸化チタンや酸化チタンゾルとして本発明に用いる酸化チタンは、無定形でもよいが結晶形を用いるのが好ましく、特にアナタース形を用いるのが好ましい。そして、ゾルではなく酸化チタンとして用いる酸化チタンの形態としては、粉末のものを用いるのが好ましく、特に微粉末のものを用いるのが更に好ましい。また、酸化触媒としては特に限定されないが、酸化第二鉄を用いるのが好ましく、この酸化第二鉄の形態としても、粉末のものを用いるのが好ましく、特に微粉末のものを用いるのが更に好ましい。セラミック粉末としては、特に限定されないが、ジルコニア（酸化ジルコニウム）を用いるのが好ましく、特にイットリアを均一に分散固溶させたジルコニア粉末を用いるのが好ましい。水性バインダーとしては、特に限定されないが、例えば、アクリル樹脂エマルジョン系接着剤が好適に用いられる。無機多孔質体としては、連続気泡を有するものが好ましく、このようなものとしては、例えば、ガラス粉末を融着させたガラス粉末発泡体、天然ゼオライト又は人口ゼオライトが例示されるが、人工ゼオライトは天然ゼオライトに比べて比表面積が大きく、好適である。

前記「複合機能光触媒分散液を無機多孔質体に含浸させ、複合機能光触媒を該無機多孔質体に坦持させる」手段としては、無機多孔質体を前記複合機能光触媒分散液に浸漬するか、または、無機多孔質体に前記複合機能光触媒分散液を噴霧若しくは塗布後、乾燥させる手段が例示される。また、前記「循環水に処理対象物を接触させる」手段としては、循環水を導入した処理槽を設け、そこに処理対象物を浸漬する手段や、循環水を処理対象物に噴霧する手段等が例示される。また、「循環水の経路中に前記多孔質複合機能光触媒を設置し、該多孔質複合機能光触媒に太陽光若しくはＵＶを照射しながら多孔質複合機能光触媒と循環水とを接触させる」手段としては、「循環水と、多孔質複合機能光触媒が充填された透明カラムとを用い、透明カラムに循環水を通過させつつ、該多孔質複合機能光触媒に太陽光若しくはＵＶを照射する」手段が例示される。

複合機能光触媒分散液において、また、この分散液の無機多孔質体への坦持において、酸化チタン粉末の好ましい配合量は３〜１５重量％であり、酸化チタンゾル（固形分）の好ましい配合量は０．３〜５重量％であり、酸化触媒の好ましい配合量は１〜８重量％であり、セラミック粉末の好ましい配合量は１〜８重量％であり、水性バインダー（固形分）の好ましい配合量は０．３〜５重量％であり、残りは水とするのが好ましい。但し、本発明において、必要に応じ、本発明の効果を著しく妨げない範囲で、その他の成分を配合できるのはもちろんである。

上記３つの発明において、それぞれに用いる水は特に限定されないが、純水、イオン交換水、蒸留水、湧水、井戸水などが好適に用いられる。しかし、いずれの発明においても、光触媒としての、酸化チタン、酸化チタンゾル及び水性バインダーを坦持する無機多孔質体の存在下、太陽光又はＵＶ照射により活性化された活性化処理水を用いるのが、好ましい。

この場合において、光触媒としての、酸化チタン、酸化チタンゾル及び水性バインダーを無機多孔質体に坦持させる方法としては、水に酸化チタン、酸化チタンゾル及び水性バインダーを配合して分散させた光触媒分散液に無機多孔質体を浸漬後、又は該分散液を無機多孔質体に噴霧若しくは塗布後、乾燥する方法等が例示される。但し、この場合においても、必要に応じ、本発明の効果を著しく妨げない範囲で、その他の成分を配合できるのはもちろんである。

この活性化処理水の製造に用いられる酸化チタン、酸化チタンゾル、水性バインダー又は無機多孔質体としては、前記複合機能光触媒分散液に用いるものと同様なものを用いることができる。このように、水をあらかじめ活性化しておくと、この水を用いて製造された複合機能光触媒分散液や多孔質複合機能光触媒の機能が向上すると考えられ、これらを用いて処理すると、水を予め活性化していない場合に比べ、洗浄、浄化、殺菌、消臭等の汚染除去効果や植物等の育成効果を高めることができる。

なお、前記光触媒分散液において、酸化チタン粉末の好ましい配合量は３〜１５重量％であり、酸化チタンゾル（固形分）の好ましい配合量は０．３〜５重量％であり、水性バインダー（固形分）の好ましい配合量は０．３〜５重量％であり、残りは水とするのが好ましい。但し、該光触媒分散液の製造において、必要に応じ、本発明の効果を著しく妨げない範囲で、その他の成分を配合できるのはもちろんである。

本発明の複合機能光触媒分散液、多孔質複合機能光触媒及び本発明の方法によれば、処理対象物に空気や水を媒介して付着した比較的少ない有機汚染物質を除去できるばかりでなく、有機汚染物の付着量が多い場合でも、洗浄、浄化、殺菌、消臭等を有効に行うことができ、かつ植物若しくは水棲動物の育成を促進することができる。

特に、本発明の方法によれば、カラム中等の多孔質複合機能光触媒は、処理対象物とは分離され、循環水を光によって活性化させつつ、また循環水中の汚れを分解除去しつつ、処理対象物を洗浄等することになる。したがって、多孔質複合機能光触媒は、従来のように汚染される基材と一体になっていないので、汚染物によって、ほとんど汚染されず、常に光に晒される状態で使用できることから、その分解機能は低下しないことになり、処理対象物への有機汚染物付着量の多少に拘わらず、有機汚染物の洗浄等が可能となる。例えば、油等で汚れた金属部品、プラスチック部品、レンズなどのガラス製品、パチンコ玉、スロットマシン用コイン等の洗浄等に有効であり、該触媒を用いて工場廃水などの排水浄化も可能である。また、この方法によれば、常に活性化処理水が供給されるので、植物や水棲動物の育成にも良好となる（生育速度を速める効果がある）。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を挙げ、本発明をより詳細に説明するが、これらは本発明を実施するための一例とその結果（効果）を示すに過ぎず、本発明はこれらの実施の形態に何ら制約されるものではない。

（参考の形態１；活性化処理水の製造）
まず、純水１００重量部に、酸化チタン微粉末（テイカ（株）製光触媒用酸化チタンＴＫＰ-101（アナタース形結晶、結晶子径６ｎｍ））２．５重量部と、酸化チタンゾル（テイカ（株）製光触媒用酸化チタンＴＫＳ-203（アナタース形結晶の水系ゾル、結晶子径６ｎｍ）２．５重量部と、水性のバインダーとして（アクリル樹脂エマルジョン系接着剤：（株）日本触媒製ユータブルＥ−１１）３．０重量部とを投入し、室温下、微粉末が均一分散状態になるまで、充分攪拌して光触媒分散液を調製する。この場合、投入の順序は問わず、調整可能である。

次に、このように調製した光触媒分散液に、連続気泡を有する無機多孔質体（人工ゼオライト：粒径が３〜１０ｍｍ程度の顆粒状に造粒したもの）を浸漬、分散液中の微粉末が沈降してきたら適宜攪拌する。浸漬時間は３〜２４時間ぐらいが適当、その後液中より無機多孔質体をとりだし、付着した水滴を乾燥除去して、光触媒担持無機多孔質体を得る。この場合において、無機多孔質体としては、例えば、ガラス粉末を融着させたガラス粉末発泡体（市販品としては例えばアトマ（株）製）、天然ゼオライト又は人工ゼオライト（中部電力（株）や九州電力（株）等が火力発電所の燃焼炉から出る廃棄物から製造しているもの）が好適に使用できる。

さらに、この光触媒担持多孔質体を、常温の水（純水）に浸漬し、水銀ランプ、紫外線ランプ、ブラックライト等で紫外線を、好ましくは約３時間以上照射すると、活性化処理水が得られる。なお、太陽光照射の場合は、このような活性化処理水を得るためには、約３時間以上の光照射を行うのが好ましい。

（参考の形態２；複合機能光触媒分散液の製造）
参考の形態１で調整した活性化処理水１００重量部に、酸化チタン微粉末（テイカ（株）製光触媒用酸化チタンＴＫＰ-101（アナタース形結晶、結晶子径６ｎｍ））２．５重量部、酸化チタンゾル（テイカ（株）製光触媒用酸化チタンＴＫＳ-203（アナタース形結晶の水系ゾル、結晶子径６ｎｍ）２．５重量部、酸化第二鉄微粉末（（株）高純度化学研究所製ＦＥＯ10ＰＢ（α-Ｆｅ₂Ｏ₃微粉末、粒径約１μm））２．５重量部、セラミック微粉末（東ソー（株）製のジルコニア微粉末ＴＺ-6ＹＳ（粒径９０ｎｍ））３．０重量部、及び水性バインダーとして（アクリル樹脂エマルジョン系接着剤：（株）日本触媒製ユータブルＥ−１１）３．０重量部を投入し、室温下、各微粉末が均一分散状態になるまで、充分攪拌して複合機能光触媒分散液を調製する。この場合、投入の順序は問わず、調整可能である。なお、各配合剤の割合は、複合機能光触媒の使用目的により最適なものを選択すればよい。

（参考の形態３；多孔質複合機能光触媒の製造）
まず、参考の形態１に記載の天然ゼオライト又は人工ゼオライト（以下総称して「ゼオライト」という）を浅いトレー上に並べ参考の形態２で製造した複合機能光触媒分散液を噴霧し、分散液がゼオライトに吸収されなくなるまで繰返し噴霧する。或いはゼオライトを複合機能光触媒分散液中に浸漬して吸収させても良い。

次に、複合機能光触媒分散液を吸収したゼオライトの水分を乾燥する。例えば、８０〜１００℃に設定した熱風乾燥機中に３０分程度放置すれば、多孔質複合機能光触媒が製造できる。使用するゼオライトには、Ｎａ型、Ｃａ型、Ｆｅ型などがあるが、使用目的により最適なものを選択すれば良い。例えば、洗浄の目的にはＮａ型が好ましく、浄化・育成にはＣａ型やＦｅ型が好ましい。また、人工ゼオライトは天然ゼオライトに比し、比表面積がはるかに大きく、単位重量あたりの触媒吸着量が多くなるので、効率の良い触媒が得られる。いずれのゼオライトの場合も、ゼオライト１０００重量部に対し、５０〜２００重量部の複合機能光触媒分散液が吸収される

（実施の形態１；多孔質複合機能光触媒を用いる洗浄方法）
１−１．洗浄槽５０リットルの中に参考の形態３で製造した多孔質複合機能光触媒（ゼオライトはＮａ型人工ゼオライト）２ｋｇを入れ、参考の形態１で製造した活性化処理水２０リットルを満たす。その中へ被洗浄物（金属部品、電子部品、レンズ、パチンコ玉などの金属、ガラス又はプラスチック品の１種又は２種以上）１ｋｇを入れ、洗浄槽中央部にブラックライト蛍光ランプ（東芝ライテック（株）製ＦＬ２０ＳＢＬＢ）３本を挿入し、処理水を攪拌しながら約５分、紫外線を当てつつ洗浄する。この場合、太陽光にあてても良いし、紫外線ランプ照射と太陽光照射を併用するのも良い。但し、このような洗浄は洗浄が進むにつれ活性化処理水の洗浄能力は低下する傾向がある。

１−２．しかし、容量が５０リットルの洗浄槽に参考の形態１で製造した活性化処理水２０リットルを満たし、その中へ被洗浄物（金属部品、電子部品、レンズ、パチンコ玉などの金属、ガラス又はプラスチック品の１種又は２種以上）１ｋｇを入れて洗浄し、この洗浄水を、洗浄槽に連結され、多孔質複合機能光触媒（ゼオライトはＮａ型人工ゼオライト）２ｋｇを充填した透明カラム（紫外線が透過するカラム）中に導くと共に、ブラックライト蛍光ランプ（東芝ライテック（株）製ＦＬ２０ＳＢＬＢ）３本を用いて紫外線を該複合機能光触媒に照射しつつこの洗浄水を処理（水の活性化処理と水中の汚れ分解処理）し、更にこの処理水を洗浄槽に戻す循環を、ポンプ用いて繰り返し行い、所定時間（この場合、約５分間）、前記被洗浄物を洗浄すると（以下、循環式処理方法という。）、常に高い洗浄能力を維持できる。この場合も、日光にあてても良いし、紫外線ランプ照射と日光照射を併用するのも良い。

例えば、電子部品のメッキ工程において、表面を洗浄するのにトリクロロエチレンが優れた洗浄剤として使用されており、一方、地球環境や労働環境などの環境問題で近年代替洗浄剤が必要とされているが、未だトリクロロエチレンと同等の洗浄力を持った薬剤は出来ていない。すなわち、メッキの不良率はトリクロロエチレン洗浄では０％であるが、従来の代替品による洗浄では約３０％程度といわれている。しかし、前記循環式処理方法により、メッキされるプラスチック部品を洗浄槽に浸漬して洗浄したところ、トリクロロエチレンと同様に、メッキの不良率０％を達成した。したがって、この循環式洗浄方法は、トリクロロエチレン洗浄に充分代替できる洗浄方法であることが判明した。また、前記循環式処理方法により、パチンコ玉、スロットマシンのコインを洗浄すると、新品同様の輝きを持ち、臭気も認められない。

（実施の形態２；多孔質複合機能光触媒を用いる浄化方法）
工場廃水２０リットルを浄化槽（前記洗浄槽に該当）に投入し、前記循環式処理方法（多孔質複合機能光触媒のゼオライトとしてはＣａ型人工ゼオライトを用いた。）を用いて浄化したところＢＯＤ，ＣＯＤ値が低下した。

（実施の形態３；多孔質複合機能光触媒を用いる植物育成方法）
水耕栽培用として５０リットルの栽培槽（前記洗浄槽に該当）に約２０リットルの砂を敷き、これに苗を植え、多孔質複合機能光触媒（多孔質複合機能光触媒のゼオライトとしてはＣａ型人工ゼオライトを用いた。）の２ｋｇ、育成用の養分を含む活性化処理水の１０リットルを用いた以外は、前記循環式処理方法と同様にして小松菜又はしし唐を栽培すると、次の結果が得られた。小松菜を通常に水耕栽培すると４５日で２０ｃｍぐらいに生育するが、前記循環式処理方法で栽培すると３０ｃｍにまで生育した。しし唐の場合、通常の水耕栽培では、６０日で６０ｃｍのものが、前記循環式処理方法では８７ｃｍにまで生育した。なお、この循環式処理方法と通常の水耕栽培とにおいて、用いた育成養分の種類や量は、比較のため同一とした。この方法をほうれん草、なす等の他の野菜に適用した場合においても、それらの成長は通常の水耕栽培の場合より３０％以上速くなる。

（実施の形態４；多孔質複合機能光触媒を用いる水棲動物育成方法）
飼育用として３０リットルの飼育槽（前記洗浄槽に該当）を用い、多孔質複合機能光触媒（多孔質複合機能光触媒のゼオライトとしてはＣａ型人工ゼオライトを用いた。）の２ｋｇ、育成用の養分を含む活性化処理水の２０リットルを用いた以外は、前記循環式処理方法と同様にして金魚（りゅう金）を育成すると、体長７ｃｍのりゅう金が、通常の育成条件で１５ｃｍに成長する間に２１ｃｍにまで成長した。なお、この循環式処理方法と通常の育成条件とにおいて、用いた育成養分の種類や量は、比較のため同一とした。この方法を他の金魚に適用した場合においても、金魚の成長速度は通常の育成条件の場合より速くなる。

（実施の形態５；複合機能光触媒分散液を用いる制菌、消毒）
大きさが１ｍ^２の白綿布を参考の形態２の複合機能光触媒分散液３０ｍｌを攪拌しながらスプレー塗布し、８０℃で熱風強制乾燥して、綿布に複合機能光触媒を付着させ、制菌加工布を作成した。この加工布に対し、次に示す試験方法を用いる抗菌性試験を、（財）日本繊維製品品質技術センター西部事務所に依頼して行った。菌１（黄色ブドウ球菌）、菌２（肺炎桿菌）、菌３（メチシリン耐性黄色ブドウ球菌）の植え付けによる抗菌試験結果を表１に示す。

抗菌性試験方法；JIS L 1902 繊維製品の抗菌性試験方法・抗菌効果、定量試験（菌液吸収法混釈平板培養法）。なお、混釈平板培養法の測定限界は、規定されていた生菌数<20をJIS L 1902 8.2.1項に基づいて<600に改めている。
また、殺菌活性値の計算式は次の通りである。
殺菌活性値＝ｌｏｇ（Ａ／Ｃ）
（Ａは接種直後の標準白布綿の生菌数、Ｃは18時間培養後の制菌加工布の生菌数）。

表１に示すように、制菌加工布による抗菌効果は、何れの菌に対しても生菌数が６００未満、殺菌活性値が１．３〜１．４以上となり、強い抗菌性を示した。

（実施の形態６；多孔質複合機能光触媒を用いる制菌、消毒）
実施の形態５と同様にして参考の形態２の複合機能光触媒分散液を用い処理した布、或いは糸で靴下、下着などを作り、パネラー５０人に２０日間使用してもらった結果、各種雑菌や水虫菌の制菌、殺菌で常に清潔に保て、臭いもしないことが確認できた。又この処理布でフェイスマスクを作り、パネラー５０人に２０日間使用してもらった結果、各種病原菌による感染症の予防、伝染抑制に役立つことも確認できた。

Claims

循環水の経路中に、酸化チタン、酸化チタンゾル、酸化触媒、セラミック粉末及び水性バインダーからなる複合機能光触媒を無機多孔質体に担持させた多孔質複合機能光触媒と、処理対象物とをそれぞれ離れた位置に配置し、前記多孔質複合機能光触媒に太陽光若しくはＵＶを照射しながら多孔質複合機能光触媒と循環水とを接触させて循環水を活性化させ、更に活性化させた循環水を前記処理対象物に接触させることを特徴とする、汚染物の洗浄、浄化、殺菌又は消臭方法。
前記循環水が、光触媒としての、酸化チタン、酸化チタンゾル及び水性バインダーを坦持する無機多孔質体の存在下、太陽光又はＵＶ照射により予め活性化された活性化処理水であることを特徴とする請求項１記載の汚染物の洗浄、浄化、殺菌又は消臭方法。
循環水の経路中に、酸化チタン、酸化チタンゾル、酸化触媒、セラミック粉末及び水性バインダーからなる複合機能光触媒を無機多孔質体に担持させた多孔質複合機能光触媒と、植物又は水棲動物とをそれぞれ離れた位置に配置し、前記多孔質複合機能光触媒に太陽光若しくはＵＶを照射しながら多孔質複合機能光触媒と循環水とを接触させて循環水を活性化させ、更に活性化させた循環水を前記植物又は水棲動物に接触させることを特徴とする、植物又は水棲動物の育成方法。
前記循環水が、光触媒としての、酸化チタン、酸化チタンゾル及び水性バインダーを坦持する無機多孔質体の存在下、太陽光又はＵＶ照射により予め活性化された活性化処理水であることを特徴とする請求項３記載の植物又は水棲動物の育成方法。