JP5467283B2

JP5467283B2 - 光触媒エレメント及びこれを用いた紫外線空気清浄機

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Publication number: JP5467283B2
Application number: JP2010014624A
Authority: JP
Inventors: 戸祐幸森; 嶋昭藤; 合剛落; 田一弥中; 上武利村; 江拓尓堀
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; U Vix Corp
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; U Vix Corp
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: JP2011152497A

Description

本発明は、光触媒となるアナターゼ型酸化チタン粒子が担持された光触媒エレメントと、これを用いた紫外線空気清浄機に関する。

アナターゼ型の酸化チタンは光触媒として知られており、紫外線照射によりヒドロキシラジカル（・ＯＨ）などの活性種や正孔が生成し、これによって有機物が分解されるため、脱臭効果や殺菌効果が得られ、空気清浄機などに応用されている。

図９は光触媒を利用した従来の流体浄化装置である（特許文献１参照）。
流体浄化装置３１は、ケース３２内部に備えた励起光源３３の周囲を囲うように光触媒構造体３４が配されている。
その光触媒構造体３４は、直径の異なる円筒触媒３５がスペーサ（図示せず）を介して所定の間隔で同心的に配され、各円筒触媒３５は、金属メッシュの全表面に光触媒を担持させて形成されている。
これによれば、円筒触媒３５を同心状に配した三重構造の光触媒構造体３４を用いることによって、光触媒構造体３４の有効表面積が増加し、かつ、通過する流体に乱流が生じるため、流体中の臭気物質との接触割合が大きくなって、臭気物質を短時間で効率よく酸化分解できることが記載されている。

しかしながら、円筒触媒３５を単に同心状に配するだけでは、有害臭気成分を効率的に分解することができないことが判明した。
その原因の一つとして、従来、周期的な幾何学パターンの微細な網目構造体に光触媒を形成しているため、これを重ねた場合にパターン同士が干渉して粗密のモアレ模様が形成されることが考えられる。
すなわち、モアレ模様が形成されると、密の部分は紫外線光量が低下するために処理効率が低下するため、十分な処理効果を得ることができない。
粗の部分は紫外線光量は確保できるものの、金属メッシュで構成される円筒触媒はその空隙率が大きく、図１０（ａ）に示すように、金属メッシュを形成するワイヤ３６の網目の中心部を通過する空気は光触媒に接触しないため、光触媒による処理効果を得ることができない。
光触媒構造体３４の最も内側の円筒触媒３５内を通る空気は、流入時に３層、流出時に３層の合計６層の金属メッシュを通過することになるが、それでも、網目の中心部を通ることにより光触媒に接触しない空気の割合がかなり高いと考えられる。

また、円筒触媒３５を同心状に配しているので、各円筒触媒３５間には円筒面に沿って二次元的に広がる円筒空間が形成される。この場合、図１０（ｂ）に示すように、空気がその円筒空間に沿って流れている間は光触媒に接触しない確率の方が高い。

さらに、光触媒となるアナターゼ型の酸化チタンを一般の金属メッシュや金属網目体にコーティングさせようとしても、酸化チタンは結合強度が弱いため、担体となる金属表面に形成した酸化チタン膜が剥がれやすく、製品寿命が短いという問題がある。
特に、円筒触媒３５は、表面積を増やすために細いワイヤを細かく編んだ金属メッシュが用いられるが、そのような金属メッシュで形成された円筒触媒３５は手で軽く握るだけで簡単に凹んでしまう程度に機械的強度が低いため、組み立てが困難なだけでなく、光触媒構造体３４に組み立てた後も取り扱い難い。そして、その外周面を握ることにより表面が撓んでしまうと、広範囲にわたって酸化チタン膜が簡単に剥がれ落ちてしまう。
さらにまた、円筒触媒３５を所定間隔で同心状に配する場合、両端にスペーサが必要となるため部品点数が増え、製造コストが嵩むという問題も生じる。

特開平１１−２７６５５８号公報

そこで、本発明は、光触媒となるアナターゼ型酸化チタンを強固に担持させると共に剥がれを防止し、さらに、光触媒に接する機会を増大させて、光触媒による浄化処理効率を格段に向上させることのできる光触媒エレメントと、これを利用した紫外線空気清浄機を提供することを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明に係る光触媒エレメントは、起伏のない平板状光触媒シートと、一方向に沿って連続する起伏を折曲形成した波板状光触媒シートが少なくとも１枚ずつ交互に積層されて成り、前記各光触媒シートは、アナターゼ型酸化チタン粒子を担持させる非周期性海綿構造を有するフレキシブルな多孔性チタン箔で形成されたことを特徴としている。
また、本発明に係る紫外線空気清浄機は、アナターゼ型酸化チタン粒子を担持した光触媒エレメントが、浄化処理チャンバの処理空気流入口から処理済空気排出口に向かって流れる空気に曝されるように配されると共に、前記光触媒構造体内に紫外線光源が配されてなり、前記光触媒エレメントは、起伏のない平板状光触媒シートと、一方向に沿って連続する起伏を折曲形成した波板状光触媒シートが少なくとも１枚ずつ交互に積層されて成り、前記各光触媒シートは、アナターゼ型酸化チタン粒子を担持させる非周期性海綿構造を有するフレキシブルな多孔性チタン箔で形成されたことを特徴としている。
この光触媒シートは、例えば、チタン箔の片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理が施されて非周期性海綿構造に形成されている。
そして、光触媒エレメントとして、平板状光触媒シート及び波板状光触媒シートを積層した状態で、波板状光触媒シートの波形が円周方向に連続するように筒状に巻回してもよく、その場合、最外層に波板状光触媒シートを巻回したほうが効果的である。

本発明によれば、光触媒エレメントは、起伏のない平板状光触媒シートと、一方向に沿って連続する起伏を折曲形成した波板状光触媒シートが少なくとも１枚ずつ交互に積層されているので、波板状光触媒シートがスペーサを兼用し、各光触媒シート間には必然的に空間が形成される。
また、波板状光触媒シートと平板状光触媒シートを重ねたときに、波板状光触媒シートは波形の頂点部分で平板状光触媒シートに接すると共に、波板状光触媒シートの波形による凸条及び凹溝が波形が連続する方向と直交する方向に延設されるので、その断面は平板状光触媒シートと波板状光触媒シートによりハニカム構造が形成される。
このハニカム構造によって、触媒エレメントが補強され、フラットに形成した場合も、筒状に形成した場合も、外力に対して変形し難くなって酸化チタン膜の剥がれが防止されるだけでなく、触媒エレメントの有効表面積も飛躍的に増大する。

各光触媒シートは、非周期性海綿構造の多孔質チタン箔からなるので、その網目構造には縦横斜めいずれの方向にも周期性がなく、これを重ねたときにモアレ模様が形成されないので、光触媒エレメントの片面側から紫外線ランプを照射した場合に、どの部分に対しても同程度の強さで紫外線が照射され、モアレ模様が形成されるときのように紫外線照射量の低下に起因して光触媒の処理効率が低下することはない。
また、その材質はチタン箔であるから酸化チタンとの結合性が強く、その表面に酸化チタン膜を形成したときに剥がれ難い。
特に、チタン箔の両面からエッチング処理を施すことにより非周期性海綿構造を形成すれば、そのパターンに周期性がないことから、チタン箔の表側と裏側から異なるパターンの孔が形成される。その結果、チタン箔の厚さ方向に複雑な形状のラビリンス流路が形成され、単純なメッシュ構造よりも比表面積が著しく大きくなる。
さらに、材料がチタン箔であることからフレキシブルであり、紫外線空気清浄機の仕様に応じて任意の形状に折り曲げたり巻回したりすることができる。

そして、このように形成した光触媒シートを重ねることによりハニカム構造の光触媒エレメントが形成されているので、光触媒シート間に二次元的に広がる空間が形成されることがなく、フラットな状態で使用するときも、筒状に巻回して使用するときも、各光触媒シート間に多数のセルが形成され、光触媒エレメントを横切る空気は、ハニカム構造の多数のセルを横切って流れることになるので、空気が光触媒に接する機会が格段に多くなり、光触媒による処理効率が向上する。
また、平板状光触媒シート及び波板状光触媒シートを交互に積層する簡単な構成なので、部品点数が少なく、製造コストも軽減される。

本発明に係る紫外線空気清浄機の一例を示す説明図。光触媒ユニットの一例を示す説明図。本発明に係る光触媒エレメントを示す説明図。筒状に形成した光触媒エレメントを示す説明図。多孔質チタン箔の概念図。筒状の光触媒エレメント内に流入する空気流を示す概念図。実験結果を示すグラフ。本発明に係る他の実施例を示す説明図。従来装置を示す説明図。従来装置の光触媒構造体を通る空気流を示す概念図。

本発明は、触媒シートに光触媒となるアナターゼ型酸化チタンを強固に担持させると共に剥がれを防止し、さらに、光触媒に接する機会を増大させて、光触媒による浄化処理効率を向上させるという目的を達成するために、起伏のない平板状光触媒シートと、一方向に沿って連続する起伏を折曲形成した波板状光触媒シートが少なくとも１枚ずつ交互に積層されて成り、前記各光触媒シートとして、アナターゼ型酸化チタン粒子を担持させる非周期性海綿構造を有するフレキシブルな多孔性チタン箔を用いた。

図１は本発明に係る紫外線空気清浄機１を示し、浄化処理チャンバ２内に光触媒ユニット１０が配されてなる。
浄化処理チャンバ２は、その一端側に処理空気を流入する処理空気流入口２inが形成されると共に、他端側に処理済空気を排出する処理済空気排出口２outが形成されており、排出口２outに配された排気ファン３により、流入口２inから排出口２outに向かって流れる空気流が形成される。

光触媒ユニット１０は、排出口２outに配された排気ファン３により、流入口２inから排出口２outに向かって流れる空気流に曝されるように配されると共に、アナターゼ型酸化チタン粒子が担持された筒状の光触媒構造体１２内に、紫外線光源１３を配した。

光触媒構造体１２は、図２に示すように、起伏のない平板状光触媒シートＳ１、Ｓ３…と、円周方向に沿って連続する起伏を折曲形成した波板状光触媒シートＳ２、Ｓ４…が交互に積層されて筒状に巻回されて成る。
本例では、図３に示すように、長方形の平板状光触媒シートＳ１と、その長辺方向に沿って連続する起伏をプレス加工により折曲形成すると共にプレス加工後の形状が前記平板状光触媒シートＳ１と同大になるように形成した波板状光触媒シートＳ２を重ねた光触媒エレメント１１を巻回して、図４に示すように筒状に形成したものを用いている。
次いで、この外側に、平板状光触媒シートＳ３と波板状光触媒シートＳ４を重ねた光触媒エレメント１１を巻回し、さらに、平板状光触媒シートＳ５と波板状光触媒シートＳ６を重ねた光触媒エレメント１１を巻回して、２枚一組の光触媒エレメント１１…が三重に巻回され、最外層に波板状光触媒シートＳ６が露出されるように巻回されている。
この場合、平板状光触媒シートＳ３は、その内層の波板状光触媒シートＳ２に外接する大きさに設計され、平板状光触媒シートＳ５は、その内層の波板状光触媒シートＳ４に外接する大きさに設計されている。

そして、これら各光触媒シートＳ１〜Ｓ６は、アナターゼ型酸化チタン粒子を担持させる非周期性海綿構造を有する多孔性チタン箔Ｔで形成されている。
本例では、チタン箔の片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理が施されて非周期性海綿構造を形成した。
特に、チタン箔の両面からエッチング処理を施せば、そのパターンに周期性がないことから、図５に示すように、チタン箔の表側と裏側から異なるパターンの孔が形成される。その結果、チタン箔の厚さ方向に複雑な形状のラビリンス流路Ｌが形成され、単純なメッシュ構造よりも比表面積が著しく大きくなる。
なお、各光触媒シートＳ１〜Ｓ６の空隙率（エッチング処理後の重量／エッチング処理前の重量）は２０％程度であり、各光触媒シートの積層枚数は、光触媒構造体１２の内部から外部へ紫外線が漏れ出る程度に選定されている。

そして、光触媒構造体１２は、このように形成された光触媒エレメント１１の両端に、リング状の管端部材１４及び１５が取り付けられて形成されている。
この光触媒構造体１２を、アナターゼ型酸化チタン粒子を分散したスラリー中にディッピングして、各光触媒シートＳ１〜Ｓ６の全表面に酸化チタン粒子を付着させ、これを焼き付けることにより、多孔性チタン箔Ｔの表裏両面及びラビリンス流路の内壁面に酸化チタン膜が形成される。

また、紫外線光源１３は、ベース１６に、中心波長が２５４±１０ｎｍの紫外線殺菌ランプ１７と、中心波長が１８５±１０ｎｍの紫外線オゾン発生ランプ１８の双方が装着され、各ランプ１７及び１８が光触媒構造体１２の一端側から挿入されている。
これにより、光触媒ユニット１０は、管端部材１４が取り付けられた一方の筒状端面がベース１６により塞がれ、管端部材１５が取り付けられた他方の筒状端面が通気孔１９として形成されている。

そして、光触媒ユニット１０は、光触媒構造体１２の軸方向を浄化処理チャンバ２の長手方向に向けて、ベース１６が処理空気流入口２in側に装着されると共に、浄化処理チャンバ２の内壁面４には、当該内壁面４と先端側管端部材１５との隙間を塞ぐベンチュリ状のガイド部材５が形成されており、これにより、処理空気流入口２inから流入した空気の全ては、光触媒エレメント１１−通気孔１９を順次通って、処理済空気排出口２outから排出されるようになっている。

以上が本発明の構成であって、次にその作用について説明する。
紫外線光源１３を点灯させて、排気ファン３を起動させると、処理空気流入口２inから処理済空気排出口２outに向う空気流が形成され、その空気流は、ガイド部材に案内されて、光触媒構造体１２の各光触媒シートＳ６〜Ｓ１を順次通り、通気孔１９を抜けて、排出口２outから排出される。

各光触媒シートＳ１〜Ｓ６に担持された光触媒は紫外線光源１３からの紫外線で活性化されるので、光触媒に接触した空気は浄化処理される。
また、中心波長が１８５±１０ｎｍの紫外線オゾン発生ランプ１８も装着されているので浄化処理チャンバ内にオゾンが生成され、光触媒に接触しなくてもオゾンの作用によって浄化処理される。

このとき、光触媒エレメント１１は、平板状光触媒シートＳ１、Ｓ３、Ｓ５と波板状光触媒シートＳ２、Ｓ４、Ｓ６が交互に積層され、光触媒エレメント１１の断面を見たときに、光触媒シートＳ１〜Ｓ６により多数のセルＣ…を有するハニカム構造に形成されており、その壁面となる多孔質チタン箔Ｔは非周期性海綿構造を有しているので、微視的には、空気の通りやすいところと通り難いところが形成される。
したがって、図６に示すように、光触媒構造体１２の外部から内部に流入する空気が、セルＣに流入すると、セルＣ内の空気の通り難いところから空気の通りやすいところへ向う乱れが生じ、場合によってはセル内で渦流が発生すると考えられ、このような乱れや渦流により、空気が光触媒に接する機会が上昇する。
さらに、このセルＣをいくつか通過する間に光触媒に接触することなく筒状エレメントを透過する空気は皆無に等しくなり、これにより、光触媒による処理能力が格段に向上する。

さらに、チタン箔Ｔからなる光触媒エレメント１１がハニカム構造に形成されているので、外周面を握っても表面が撓みにくくなっており、変形による酸化チタン膜の剥がれが防止される。
また、チタン箔Ｔは光触媒となる酸化チタンとの結合性が強く、その表面に酸化チタン膜を形成したときに剥がれ難い。

図７は、本例の光触媒構造体１２の空気浄化性能を確認実験の結果を示す。
実験は、容積１ｍ^３の密閉空間内に光触媒ユニット１０を置き、光触媒ユニット１０に対し風速１.５ｍ／ｓで送風しながら、その密閉空間内の所定濃度のアセトアルデヒドの濃度変化を経時的に測定し、その結果より、アセトアルデヒドの分解速度定数ｋ_１を算出した。

Ｕ１は２枚の光触媒シート（平板状光触媒シートＳ１及び波板状光触媒シートＳ２）を巻回したタイプ、Ｕ２は４枚の光触媒シート（平板状光触媒シートＳ１、Ｓ３及び波板状光触媒シートＳ２、Ｓ４）を交互に巻回したタイプ、Ｕ３は６枚の光触媒シート（平板状光触媒シートＳ１、Ｓ３、Ｓ５及び波板状光触媒シートＳ２、Ｓ４、Ｓ６）を交互に巻回したタイプである。
比較例として、光触媒シートに替え、筒状のパンチングメタルにアナターゼ型酸化チタンを塗布したタイプＣについても同様の実験を行った。
なお、夫々の紫外線透過率は、Ｕ１：４％、Ｕ２：０.５％、Ｕ３：０.０５％、Ｃ：２８％であった。

実験結果より算出された分解速度定数ｋ_１は、タイプＵ１（ｋ_１＝１.２４）、タイプＵ２（ｋ_１＝１.８０）、タイプＵ３（ｋ_１＝１.８６）と、いずれも比較例Ｃ（ｋ_１＝０.５）よりも高く、特に、タイプＵ２及びＵ３は分解速度定数ｋ_１＝１.８０〜１.８６と、今までに例を見ない抜群の処理能力を有することが確認された。
また、８枚の光触媒シート（平板状光触媒シート４枚及び波板状光触媒シート４枚）を交互に巻回した紫外線透過率０.０１％のタイプについて、図示は省略するが、分解速度定数ｋ_１＝１.２８となり、タイプＵ１と同程度であった。
これよりタイプＵ３が最も良好な結果が得られた。

図８は本発明の他の実施例を示す説明図である。
本例の紫外線空気清浄機２１は、浄化処理チャンバ２２内に光触媒ユニット２３が配されている。
浄化処理チャンバ２２は、その一端側に処理空気を流入する処理空気流入口２２inが形成されると共に、他端側に処理済空気を排出する処理済空気排出口２２outが形成されており、排出口２２outに配された排気ファン２４により、流入口２２inから排出口２２outに向かって流れる空気流が形成される。

光触媒ユニット２３は、流入口２inから排出口２outに向かう空気流に曝されるように配されると共に、アナターゼ型酸化チタン粒子が担持された光触媒エレメント１１を備えた光触媒構造体２５内に、中心波長が２５４±１０ｎｍの紫外線殺菌ランプ１７及び中心波長が１８５±１０ｎｍの紫外線オゾン発生ランプ１８を備えた紫外線光源１３が配されている。
なお、光触媒構造体２５は、リング状の管端部材１５に替えて円板状の管端部材２６が装着されて、その先端部側が塞がれている点を除き、実施例１の光触媒構造体１２と共通である。

本例によれば、紫外線光源１３を点灯させて、排気ファン２４を起動させると、処理空気流入口２２inから処理済空気排出口２２outに向う空気流が形成され、その空気流の一部は光触媒構造体２５内に流入し、一部は光触媒構造体２５の外周面に沿って流れ、残部は光触媒構造体２５と浄化処理チャンバ２２の隙間をとおり排出される。

このとき、光触媒構造体２５内に侵入する空気は、セルＣ内で、その流れが乱れ又は渦流となり、これによって、空気が光触媒に接する機会が増えるため、処理効率が向上する。
また、光触媒構造体２５の最外層に波板状光触媒シートＳ６が配されているので、その外周面に沿って流れる空気も、波板状光触媒シートＳ６の起伏の影響を受け、その起伏内で回転する渦流が形成されるので、やはり、空気が光触媒に接する機会が増えて処理効率が向上する。
さらに、光触媒構造体２５を透過して漏れる紫外線オゾン発生ランプ１８の紫外線により、浄化処理チャンバ２２内にオゾンが発生するので、光触媒構造体２５と浄化処理チャンバ２２の隙間を通り光触媒に接することなく排出される空気は、そのオゾンにより浄化処理される。

なお上述の説明では、光触媒エレメント１１が、平板状光触媒シート（Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５）及び波板状光触媒シート（Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６）を交互に積層した状態で筒状に巻回されている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、各光触媒シートＳ１〜Ｓ６を積層したままフラットのまま空気流路と交差するように設置してもよい。
また、各触媒シートは、フレキシブル性を有しているので、設置箇所に応じて任意の形状に折り曲げて使用することもできる。

本発明は、医療施設、工場、住宅、オフィスの空気を浄化する空気清浄機の用途に適用し得る。

１紫外線空気清浄機
２浄化処理チャンバ
２in 処理空気流入口
２out 処理済空気排出口
３排気ファン
１０光触媒ユニット
１１光触媒エレメント
１２光触媒構造体
１３紫外線光源
Ｓ１、Ｓ３、Ｓ５平板状光触媒シート
Ｓ２、Ｓ４、Ｓ６波板状光触媒シート
Ｔ多孔性チタン箔

Claims

アナターゼ型酸化チタン粒子を担持した光触媒エレメントであって、
起伏のない平板状光触媒シートと、一方向に沿って連続する起伏を折曲形成した波板状光触媒シートが少なくとも１枚ずつ交互に積層されて成り、
前記各光触媒シートは、アナターゼ型酸化チタン粒子を担持させる非周期性海綿構造を有するフレキシブルな多孔性チタン箔で形成されたことを特徴とする光触媒エレメント。
前記光触媒シートは、チタン箔の片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理が施されて非周期性海綿構造に形成された請求項１又は２記載の光触媒エレメント。
前記平板状光触媒シート及び波板状光触媒シートを積層した状態で、波板状光触媒シートの波形が円周方向に連続するように筒状に巻回されてなる請求項１又は２記載の光触媒エレメント。
筒状に巻回された前記光触媒シートの最外層に波板状光触媒シートが巻回されてなる請求項３記載の光触媒エレメント。
アナターゼ型酸化チタン粒子を担持した光触媒エレメントが、浄化処理チャンバの処理空気流入口から処理済空気排出口に向かって流れる空気に曝されるように配されると共に、前記光触媒構造体内に紫外線光源が配された紫外線空気清浄機において、
前記光触媒エレメントは、起伏のない平板状光触媒シートと、一方向に沿って連続する起伏を折曲形成した波板状光触媒シートが少なくとも１枚ずつ交互に積層されて成り、
前記各光触媒シートは、アナターゼ型酸化チタン粒子を担持させる非周期性海綿構造を有するフレキシブルな多孔性チタン箔で形成されたことを特徴とする紫外線空気清浄機。
前記光触媒シートは、チタン箔の片面又は両面から非周期的パターンによるエッチング処理が施されて非周期性海綿構造に形成された請求項５記載の紫外線空気清浄機。
前記光触媒エレメントは、前記平板状光触媒シート及び波板状光触媒シートを積層した状態で、波板状光触媒シートの波形が円周方向に連続するように筒状に巻回されてなる請求項５又は６記載の紫外線空気清浄機。
前記光触媒エレメントは、その最外層に波板状光触媒シートが巻回されてなる請求項７記載の紫外線空気清浄機。
筒状に形成された前記光触媒エレメントの一方の筒状端面が塞がれて紫外線光源が取り付けられると共に、他方の筒状端面が開口されて通気孔に形成され、前記浄化処理チャンバには、処理空気流入口から処理済空気排出口に流れる空気の全てが前記光触媒構造体の筒状エレメント及び通気孔を通るように案内するガイド部材が設けられた請求項７又は８いずれか記載の紫外線空気清浄機。
前記紫外線光源として、中心波長が２５４±１０ｎｍ及び１８５±１０ｎｍのいずれか一方又は双方の発光体を用いた請求項５乃至９いずれか記載の紫外線空気清浄機。