JPH11207149A

JPH11207149A - 金属担持光触媒型の空気清浄器

Info

Publication number: JPH11207149A
Application number: JP10048496A
Authority: JP
Inventors: Akio Komatsu; 晃雄小松
Original assignee: Daiken Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Daiken Kagaku Kogyo KK
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 1999-08-03

Abstract

(57)【要約】【課題】光触媒を用いて汚染物質粒子を分解する空気
清浄器に関して、その分解効率を激増させて光触媒型の
空気清浄器の家庭的・産業的実用化を達成する。【解決手段】粒径が１０ｎｍ以下の金属超微粒子を光
触媒微粒子１個当りに１００個以上担持させた金属担持
光触媒微粒子を用い、この金属担持光触媒微粒子を表面
に多数分散固定させた吸着材を励起光源やファンと組み
合わせることにより、従来実用化にまで至らなかった光
触媒型の空気清浄器の浄化効率を飛躍的に激増させるこ
とに成功した。この金属超微粒子の量子サイズ効果と高
密度担持効果の発現により、光触媒型の空気清浄器の家
庭的および産業的な実用化への突破口を切り開いた。分
解できる汚染物質粒子はタバコ等の毒性のある有機物質
だけでなく、環境にとって不要な有機物質、硫化水素・
カビ・大腸菌等の細菌等が含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は光触媒により汚染
空気中の汚染物質粒子を分解する空気清浄器に関し、更
に詳細には、光触媒活性を高めるために光触媒微粒子に
金属超微粒子を担持させ、この金属担持光触媒微粒子を
固形吸着材や吸着性繊維体等の吸着材表面に固定し、ま
ず汚染物質粒子を吸着材表面に吸着し、その後、金属担
持光触媒により分解する金属担持光触媒型の空気清浄器
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光触媒を用いた空気清浄器の典型
例は、特許第２５７４８４０号公報の脱臭装置に開示さ
れているように、活性炭やゼオライト等のハニカム状固
形体からなる吸着材を用い、ハニカム状固形体の表面に
二酸化チタン等の光触媒微粒子を分散状に固定し、ハニ
カム孔に汚染空気を通風しながら励起光源により光触媒
を励起する構造のものである。また、ハニカム状固形体
に代えて繊維状活性炭を吸着材として使用し、その表面
に光触媒微粒子を分散固定して、表面に励起光を照射す
る例も開示している。

【０００３】その作用を説明すると、汚染空気が通過す
る際に汚染物質粒子がそのハニカム孔表面および繊維状
活性炭に吸着される。ハニカム固形体や繊維状活性炭等
の吸着材は微小な孔（ミクロポア）を無数に保有した材
料で、これらの微小孔に汚染物質粒子がはまり込むこと
で吸着されるのである。ハニカム固形体や繊維状活性炭
の表面に励起光を照射すると、汚染物質粒子の近傍にあ
る光触媒微粒子に電子・正孔対が生成され、この電子と
正孔の光触媒作用により汚染物質粒子を分解する。ハニ
カム構造にするのは、汚染空気に対する接触面積を増大
させて、吸着性能を増加させるためである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この従来の空気清浄器
（脱臭装置）には次のような重大な欠点があった。最大
の欠点は光触媒物質の分解効率が相対的に低いことであ
る。活性炭や繊維状活性炭が大量の汚染物質を吸着して
も、吸着した汚染物質を分解する力が小さければ、分解
できない汚染物質が吸着材の表面に蓄積されてゆき、い
ずれ吸着材の吸着力が消尽してしまう。吸着材の交換は
価格の高騰を招き、空気清浄器の普及を阻害する原因と
なっていた。

【０００５】使用されている光触媒物質は二酸化チタ
ン、酸化タングステン、酸化亜鉛などの金属酸化物の単
体またはその複合体である。この中でも、二酸化チタン
の分解効率が比較的高く、しかも安全性が高いために広
範囲に使用されてきた。本田−藤島効果として知られる
ように、２０年以上前に発見されてから現在に至るま
で、二酸化チタンの有機物分解力等の光触媒特性は酸化
物半導体の中でも群を抜いている。発見当初は水を分解
して水素を作り、その水素をクリーン燃料としてガソリ
ンの代わりに使用する研究が活発に行われた。しかし、
研究はなかなか進展しなかった。その理由は二酸化チタ
ン自体の光触媒効率に限界があったからである。この事
は酸化タングステン等の他の光触媒物質でも同様であ
る。

【０００６】この理由は次のように考えられる。光触媒
反応を簡単に述べると、二酸化チタンに紫外線などの励
起光を照射すると内部に電子・正孔対が生成される。正
孔は表面でＯＨ⁻に作用して水酸ラジカルを生成する。
他方、電子は表面でＯ_２に作用してＯ_２ ⁻（スーパーオ
キサイドアニオン）を生成する。この水酸ラジカルとＯ
_２ ⁻が近傍にある吸着汚染物質を直接攻撃して分解す
る。ところが、この様な分解反応が生起する前に二酸化
チタン内部または表面で電子と正孔が再結合して消滅す
ることが分かってきた。電子と正孔がＯ_２ ⁻や水酸ラジ
カルを生成する前に消滅すれば、光触媒効果を発揮でき
ない事は云うまでもない。

【０００７】そこで、電子と正孔の再結合を阻害するた
めに、二酸化チタン表面に金属電極を形成する金属担持
光触媒が開発された。この金属電極はミクロンサイズの
大きさで、励起電子を金属電極に集中的に集めて二酸化
チタン側の正孔と分離しようとするものである。この金
属担持光触媒の光触媒効率を測定してみると、従来の光
触媒より２〜４倍程度に増加しただけで、光触媒効率が
格段に増加したとはとても云える状態ではなかった。

【０００８】光触媒効率が激増しなかった理由は、金属
電極の大きさがミクロンサイズに留まっていることであ
る。このような金属微粒子では通常のバルクの金属と同
様の物性を示すから、最初は金属に電子が集まっても、
ある程度集中すると逆に静電斥力によって電子を反発す
る作用を生じる。又、金属と二酸化チタンの界面を電子
が通過する際にも、そのバリアーを突破するために一定
以上のエネルギーを要する。つまり、小量の電子を集め
ることはできても大量の電子を集中させることは困難で
ある。更に、金属微粒子がミクロンサイズと大きいため
に、二酸化チタン微粒子１個当りに担持できる金属微粒
子の個数も数十個の範囲を越えることができなかった。
即ち、金属微粒子がミクロンサイズであることと、その
担持密度が小さいことが光触媒効率の頭打ちの原因であ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記欠点を解消
するためになされたもので、本発明に係る金属担持光触
媒型の空気清浄器は、粒径が１０ｎｍ以下の金属超微粒
子を光触媒微粒子に担持させた金属担持光触媒微粒子を
用い、この金属担持光触媒微粒子を多数分散固定させた
吸着材を配置し、この吸着材に励起光を照射する励起光
源を設けることにより、前記吸着材に汚染空気中の汚染
物質粒子を吸着させ、励起光を照射して金属担持光触媒
微粒子により吸着汚染物質を分解することを特徴として
いる。また、上記構成において、粒径が１０ｎｍ以下の
金属超微粒子を光触媒微粒子１個当りに１００個以上担
持させた金属担持光触媒微粒子を用いることを特徴とし
ている。更に、前記吸着材に汚染空気を強制送風するフ
ァンを付設し、また汚染空気を取り入れる吸入口や空気
を排出させる放出口を付設する空気清浄器を提案する。
但し、本発明で云う汚染物質粒子とは、空気清浄器が浄
化の対象とする物質粒子を総称し、タバコやホルムアル
デヒド等の毒性有機物質だけでなく、制御環境には不要
な非毒性有機物質や、硫化水素、かび、細菌等の広範囲
の物質群を包含する。

【００１０】又、汚染空気中の汚染物質を検出するセン
サーと、このセンサーからの信号でファンおよび励起光
源を駆動制御する駆動制御回路を付設した空気清浄器を
提案する。このセンサーと励起光源を各々複数段設け、
各センサーの汚染物質検出濃度を段階的に設定し、汚染
濃度の高低に従って励起光源の点灯時間又は点灯本数を
制御するようにした空気清浄器を提案する。

【００１１】更に、吸着材として吸着性繊維体が用いら
れる空気清浄器と吸着性ハニカム固形体が用いられる空
気清浄器を提案する。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明者は金属担持光触媒の光触
媒機能を増強するために鋭意研究した結果、ナノスケー
ルの金属超微粒子を光触媒微粒子表面に担持させること
により、光触媒微粒子単体よりも光触媒機能を約１００
〜１０００倍以上にまで増強できることを発見した。従
って、ミクロンスケールの金属微粒子を担持した従来の
金属担持光触媒と比較した場合でも、触媒効率を約２５
〜２５０倍位にまで増強することができる。これは金属
を微粒子から超微粒子へと極小化すること、即ち粒径を
ミクロンスケールからナノスケールに、換言すれば粒径
をミクロンスケール（約０．１μｍ以上）の１／１０〜
１／１０００程度にまで極小化することによって達成で
きるのである。本発明で用いられる金属超微粒子の平均
粒径は１０ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下であ
る。これより大きくすると後述する量子サイズ効果の発
現が小さくなって光触媒効率の増強が顕著でなくなる。
他方、下限は原子サイズに近接する程度であり、ただ原
子サイズに近接するほど金属超微粒子の作製が技術的に
困難になる。

【００１３】光触媒物質として二酸化チタン等の光触媒
微粒子を利用する場合には、光触媒微粒子１個に担持で
きる金属超微粒子の個数、つまり金属超微粒子の担持密
度がその粒径とともに重要な要素となる。本発明ではナ
ノスケールにまで極少化された金属超微粒子を用いるこ
とにより、光触媒微粒子１個に多数の金属超微粒子を担
持させることを可能にした。本発明者の研究によれば、
光触媒微粒子１個当りに担持される金属超微粒子の平均
個数は１００個以上、好ましくは２００個以上に設定す
ることが望まれる。担持密度が１００個以上であれば量
子サイズ効果との相乗効果により光触媒効率を従来より
顕著に増大化できる。２００個以上であれば光触媒効率
の格段の増加を達成できる。

【００１４】担持密度を１００個以上にするには、その
担持方法に工夫が必要である。発明者が開発した方法
は、コロイド焼成法と呼ばれている。即ち、所望の金属
を含有した有機金属錯体等の有機金属化合物と二酸化チ
タン等の光触媒物質の粉末を適当な公知の親水溶媒中に
分散させる。有機金属化合物は疎水コロイドを形成し、
この金属化合物コロイド粒子が光触媒粉末粒子の表面に
多数付着する。この混合液中の固体残留物を焼成する
と、有機金属化合物のうちの有機物は逃散し、金属だけ
がナノスケールの超微粒子となって光触媒微粒子の表面
に担持されるのである。有機金属錯体などの有機金属化
合物と光触媒粉末の濃度を調整することにより前述した
担持密度の金属担持光触媒を得ることができる。

【００１５】担持される金属超微粒子は遷移金属であれ
ばよい。遷移金属元素とは不完全なｄ殻を有する元素で
原子番号２１（Ｓｃ）〜２９（Ｃｕ）、３９（Ｙ）〜４
７（Ａｇ）、５７（Ｌａ）〜７９（Ａｕ）および８９
（Ａｃ）〜理論的には１１１までの４グループからなる
金属元素である。ｄ殻が不完全であるために最外殻がｄ
電子により方向性を有し、その結果光触媒物質からやっ
てくる励起電子を金属超微粒子表面で捕まえ易く、スー
パーオキサイドアニオンを生成し易い。長寿命性の観点
から貴金属が適切で、また金属単体でも触媒として利用
できる金属が望ましい。例えばＡｕ、Ｐｔ、Ａｇ、ｐ
ｄ、Ｒｈが好ましく、金属としての安定性の観点からＡ
ｕ、Ｐｔ、Ｐｄがより好ましい。

【００１６】金属超微粒子により発現する量子サイズ効
果について以下に検討する。例えば直径１ｎｍの超微粒
子を考えると、その中に金属原子は原子のサイズに依存
するが約１０〜１００個程度しか存在しない。又直径１
０ｎｍの金属超微粒子になると約１００００〜１０００
００個の原子を含有すると考えられる。このように原子
数の少ない金属超微粒子では、金属の電子エネルギー状
態はバンド構造から次第に離散化し、エネルギー準位が
広範囲に分布する。この準位の離散化は電子の緩和時
間、即ちその準位からフェルミ準位に落ちるまでの時間
を長くする効果を奏する。つまり、電子が準位に滞在す
る時間が長くなるのである。同時に、エネルギー準位に
対応した波動関数が左右に裾を延ばしながら金属外部に
もはみ出し、同時にピークが低くなる効果も有する。つ
まりこの波動関数に乗った電子は量子トンネル効果によ
り容易に外部に移動できることになる。本発明において
量子サイズ効果という場合には、上記したようにエネル
ギー準位の離散化と波動関数の非局在化による量子トン
ネル効果の発現を意味する。従って、金属超微粒子の粒
径が小さくなるほど量子トンネル効果の発現は大きくな
るから、できるだけ小さな金属超微粒子の担持が望まれ
る。

【００１７】金属超微粒子を担持した光触媒物質が如何
に有機物に対し効率的に酸化還元を行うかを考えてみよ
う。光触媒物質に紫外線等の励起光を照射すると電子−
正孔対が形成され、価電子帯に正孔を残して伝導帯に電
子が励起される。電子は伝導帯の高い位置に遷移する
が、次第にエネルギーを失いながら伝導帯の底に落ちて
くる。金属のエネルギー準位はある程度密に離散化して
いるから、光触媒物質の伝導帯の底に対応したエネルギ
ー準位が必ず存在する。しかもその準位の波動関数は左
右に長く裾を引いており、二酸化チタン内部から金属外
部にまで延びている。つまり、光触媒物質と金属のエネ
ルギー準位は金属の波動関数を介して共鳴的に連続して
いることになる。従って、伝導帯の底にある励起電子は
その金属の波動関数に乗って一気に金属を介して外部に
量子トンネル効果により放出される。光触媒物質と金属
が共鳴状態にあるため、この量子トンネル効果を共鳴ト
ンネリングと称する。金属中の準位は離散化しているの
で緩和時間は長く、電子は金属のフェルミ準位の上に落
ちる前に容易に金属外に放出されるのである。

【００１８】光触媒物質の価電子帯にある正孔は表面に
移動し、表面に付着した水を酸化して水酸ラジカルとい
う強酸化物を生成し、この水酸ラジカルが外部物質を酸
化分解していると考えられている。一方、金属外に共鳴
トンネリングで放出された電子は空気中の酸素を還元し
てＯ_２ ⁻というスーパーオキサイドアニオンを生成し、
このアニオンが外部物質の分解に関与していると考えら
れている。特に、本発明では金属に移動した励起電子は
金属中に蓄積されずに直ちに外部に放出されるから外部
に反発電場が形成されず、励起電子を次々と吸引するこ
とができる点で優れた還元力を有している。

【００１９】常識的観点からすれば、光触媒物質として
は、還元電位としてのＯ_２電位と酸化電位としてのＯＨ
電位がエネルギーギャップ内に位置する物質が選択され
る。言い換えると、還元電位はギャップ内の上側に位置
し、酸化電位はギャップ内の下側に位置するような光触
媒物質を選択することが望まれる。この場合に、励起電
子は伝導帯の底から還元電位に落ちて対象物質を還元
し、正孔は価電子帯の上端から酸化電位に登って対象物
質を酸化する。しかし、本発明では金属超微粒子の共鳴
トンネリングが効力を発揮するため、還元電位は伝導帯
の底の位置またはその上側にあってもよい。即ち、伝導
帯に励起された電子はその底に落ちる前に、直ちに金属
の波動関数に乗って水平的にＯ_２電位に移行することが
可能だからである。その意味で、本発明は光触媒物質の
選択幅を大幅に拡大した。

【００２０】例えば、ルチル型二酸化チタンは、Ｏ_２電
位が伝導帯の底より０．０８ｅＶ上に位置しているた
め、光触媒物質として従来全く利用できず、高価なアナ
ターゼ型二酸化チタンを利用する以外なかった。しか
し、本発明では、共鳴トンネリングにより安価なルチル
型二酸化チタンも光触媒として利用できるようになり、
その意義は画期的である。

【００２１】上記の性質を満足する光触媒物質としては
金属酸化物半導体が適切である。金属酸化物は金属単体
と比較して極めて安定な物質であるため、他物質との反
応性が低くて安全でもあり、しかも電子の授受を十分に
行うことができる。例えば、ＷＯ_３、ＣｄＯ_３、Ｉｎ_２
Ｏ_３、Ａｇ_２Ｏ、ＭｎＯ_２、Ｃｕ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、
Ｖ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＲｕＯ_２，Ｃｒ
_２Ｏ_３、Ｃ_ＯＯ_３、ＮｉＯ、ＳｎＯ_２、ＣｅＯ_２、Ｎｂ
_２Ｏ_３、ＫＴａＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、Ｋ_４ＮｂＯ_１７等
が挙げられる。特に、この中でも生成される電子−正孔
密度やスーパーオキサイドアニオン・水酸ラジカル密度
および材質としての耐腐食性・安全性等の観点からＴｉ
Ｏ_２、ＳｒＴｉＯ_３、Ｋ_４ＮｂＯ_１７が好ましく、特に
二酸化チタンであるＴｉＯ_２が最も望ましい。ＴｉＯ_２
としてはアナターゼ型に限らずルチル型も利用できるこ
とは前述の通りである。

【００２２】本発明に利用できる光触媒物質は微粒子で
ある。微粒子はその表面積が極めて大きいから環境汚染
物質と接触する確率が大きくなると同時に、多数の金属
超微粒子を表面に担持することができる。また、微粒子
の方が紫外線等の有効受光面積が大きくなり、光触媒効
率がバルク物質より格段に高くなる。通常、金属酸化物
は粉体であるから、二酸化チタンのような金属酸化物半
導体が本発明には適する。粒径としては３０ｎｍ〜１０
００ｎｍ、より好ましくは５０ｎｍ〜５００ｎｍであ
る。これより小さいと超微粒子に近づいて行くため製造
に特殊な技術とコストがかかり、これより大きいと比表
面積が小さくなって環境汚染物質・人体毒性物質・悪臭
物質等との反応性が悪くなる。

【００２３】例えば二酸化チタンを１０ｎｍ程度に超微
粒子化することは可能であるが、独立した粒子として存
在せず、二酸化チタン超微粒子が集合して団子状に固ま
り、結局前述のような大きな二酸化チタンの塊となる。
この場合にはゴツゴツしているため表面積は単一固体よ
りは大きくなるから、反応性はより高くなる。本発明は
このように団子状になった光触媒微粒子も包含する。光
触媒微粒子の形態は金属超微粒子を担持できる限り特に
制限されず、例えば球状・ペレット状・粒状などの形態
で使用できる。

【００２４】本発明は、上述した金属担持光触媒微粒子
を吸着材の表面に分散状に固定している点に特徴を有す
る。吸着材の表面には無数の微小孔（ミクロポア）が開
いており、この微小孔の孔径は数ｎｍの大きさである。
本発明は、この微小孔に汚染物質粒子を吸着し、その後
金属担持光触媒微粒子により吸着された汚染物質粒子を
分解するものである。

【００２５】吸着材には活性炭、ゼオライト、多孔質の
セラミックス、アルミナ、シリカゲルの単体や複合体等
があり、汚染物質粒子を表面に吸着できる物質を総称す
る。この吸着材を実際に使用する形態には、粉体で使用
する場合、粒体で使用する場合、繊維状・平面状・固形
体で使用する場合等があり、使用目的に応じて随時選択
すればよい。固形体の場合には、汚染空気との接触面積
をできるだけ大きくするためにハニカム形状にすること
が望まれ、本発明では吸着性ハニカム固形体と呼ぶ。汚
染空気を流通するために多数のハニカム孔を形成すれば
よい。また平板状の固形体では表面に無数の凹凸を形成
すれば表面積を大きくできる。

【００２６】繊維状の吸着材を本発明では吸着性繊維体
と呼ぶが、具体的には活性炭素繊維が挙げられる。繊維
状にすれば個々の繊維の表面積が加算されるから総表面
積は極めて大きくでき、固定する金属担持光触媒微粒子
の重量も大きくできる。金属超微粒子担持光触媒の重量
は繊維重量の０．１〜３０％、望ましくは１〜２０％で
ある。繊維の形態には、織物・編物・不織布などの布、
微小な布や短繊維等の繊維片、その他の各種形態が挙げ
られる。

【００２７】金属担持光触媒微粒子を吸着材上に固定化
するためには各種の方法がある。例えば、金属超微粒子
担持光触媒からなる粉末を適当な溶媒中に分散させ、こ
の溶媒中に吸着材を浸漬して金属担持光触媒微粒子を固
定する浸漬法。また金属超微粒子担持光触媒を分散させ
た溶媒を素材に噴霧するスプレー法、ローラーや刷毛で
の塗着法もある。また、金属超微粒子担持光触媒を吸着
材上に静電吸着させる方法がある。金属超微粒子担持光
触媒微粒子も吸着材も自然状態で静電気を帯びており、
この静電吸着力により金属超微粒子担持光触媒微粒子の
粉末を吸着材に噴霧固定する方法や粉末中に素材を押し
付けて固定させる方法等がある。又、電気集塵の原理に
よりまず金属超微粒子担持光触媒微粒子をコロナ放電に
より強制帯電させておき、極板間の電界力で極板間又は
極板上にある吸着材表面に固定することもできる。これ
らの方法により金属超微粒子担持光触媒微粒子を固定し
た素材を適当温度に加熱して素材に更に強固に固定させ
ることもできる。

【００２８】吸着性繊維体の表面に金属超微粒子担持光
触媒を固定するには、吸着性繊維体の表面に上記の方法
で金属超微粒子担持光触媒微粒子を固定し、その後これ
らの繊維を所定温度で焼成すれば金属超微粒子担持光触
媒を強固に固定できる。また、原料繊維を炭化処理して
炭素繊維にし、さらに賦活化処理により活性炭素繊維に
した後、金属超微粒子担持光触媒を前述の方法で活性炭
素繊維上に固定することもできる。

【００２９】炭素繊維の原料にはレーヨン繊維や石油ピ
ッチ・石炭ピッチを溶融紡糸したピッチ繊維、アクリル
繊維、その他多くの繊維があり、これらの繊維を炭素繊
維や活性炭素繊維に変成するのもほぼ同じ焼成法を適用
できる。中でも炭素繊維の原料の主力はＰＡＮ（ポリア
クリロニトリル）で、これを紡糸したものがアクリル繊
維である。このアクリル繊維について以下説明すると、
このアクリル繊維を不活性雰囲気中で１０００〜１８０
０℃の温度で加熱すると、アクリル繊維が炭素繊維にな
る。この炭素繊維を水蒸気と二酸化炭素と窒素等の混合
ガス中で賦活化処理すると無数のミクロポア（微小孔）
が形成された活性炭素繊維を形成でき、この活性炭素繊
維に金属超微粒子担持光触媒を保持させるのである。活
性炭素繊維の吸着力と金属超微粒子担持光触媒の分解力
により、自浄分解能力を格段に向上させることができ
る。

【００３０】本発明において利用できる励起光源は、光
触媒物質のギャップ・エネルギー以上のエネルギーを有
する光源であればよく、通常は紫外線灯が用いられる。
特に二酸化チタンを用いる場合には、ルチル型とアナタ
ーゼ型があり、各々のギャップ・エネルギーを波長に換
算すると、ルチル型は４０７ｎｍ、アナターゼ型は３８
８ｎｍである。従って、二酸化チタンに対する光源の波
長分布は４００ｎｍをピーク付近に有すれば両者に対応
できる。紫外線灯の中でも誘蛾灯は４００ｎｍがピーク
近傍にあるため、ルチル型およびアナターゼ型両方に有
効である。

【００３１】自然太陽光線は可視光線が中心であるが、
４００ｎｍのエネルギー領域を含んでいるために十分に
利用できる。特に自然太陽光線では３８８ｎｍより４０
７ｎｍの方が光強度が高いのでルチル型の方がアナター
ゼ型よりも有効である。この場合の励起光源とは、太陽
光自体であり、また太陽光が照射しない場所では外界か
ら光ファイバー等により太陽光線を導入する装置や吸着
材を照射する装置等が励起光源となる。本発明によりル
チル型二酸化チタンを光触媒として利用できることは自
然太陽光線を活用できる大きな道を開いたものである。
従来の光触媒では、屋外での太陽光線の利用は光強度が
強いために可能であったが、屋内利用では光強度が弱い
ため弱点となっていた。しかし、本発明では光触媒効率
が格段に増強されているため、太陽光線を光源として屋
内における光触媒の利用の拡大を図ることが可能となっ
た。

【００３２】本発明に係る空気清浄器の最も単純な構成
は、金属担持光触媒を分散固定した吸着材と励起光源の
組み合せである。例えば、平面状の吸着材（吸着板）に
金属担持光触媒を分散固定して壁・床・天井等に配置
し、自然太陽光や紫外線灯を励起光源とする場合であ
る。この場合には室内空気の自然対流により汚染空気が
吸着板の表面に接触したときに吸着板が空気中の汚染物
質粒子を吸着し、吸着板の表面に照射される励起光によ
り金属担持光触媒が作用して汚染物質を分解する作用を
行う。自然太陽光を励起光源とする場合には自然太陽光
がよく入射する適切な場所に吸着板を配置する必要があ
る。紫外線灯を励起光源とする場合には、紫外線の反射
光が人体に当たらないように工夫することが望まれる。
上記の構成にファンを追加し、室内空気を強制循環させ
て汚染物質を吸着分解する空気清浄器が提案される。強
制循環によって吸着分解効率を高めることができる。ま
た、従来の空気調和器と同様に、吸着材と励起光源とフ
ァンとをケーシング内に配設し、吸入口と放出口を設け
て一体型の空気清浄器とすることもできる。励起光がケ
ーシングにより外部に漏洩しないから安全である。更
に、従来の空気調和器の内部に本発明に係る空気清浄器
の機能を付設すれば、室内空気を冷暖調節しながら空気
を浄化することができる。

【００３３】

【実施例】図１は本発明に係る空気清浄器の第１実施例
の一部破断正面図である。この空気清浄器２は中央清浄
器４と左右の側部清浄器６、６から構成されている。中
央清浄器４は生活臭などの空気より重い汚染物質を分解
する装置であり、従って下方に吸入口８および上方に放
出口１０を設けている。ファンＦにより吸入口８から汚
染空気を吸入し、吸着性繊維体の一種である吸着性布１
４で汚染物質粒子を吸着分解した後、放出口１０から清
浄化された空気を排出する。ファンＦはシロッコファン
を利用している。汚染物質を検出する中央センサーＳＳ
は、空気より重い汚染物質を早期に検出するために装置
の下方に配置され、弱センサーＳＡと強センサーＳＢか
ら構成される。また、点線で表わされた駆動制御回路Ｃ
Ｃはセンサー、ファンおよび下記の励起光源を電子的に
制御する回路である。

【００３４】図２は図１のＩ−Ｉ線断面図であり、吸着
性布１４の配置状況を示している。汚染空気との接触面
積を大きくするために、吸着性布１４は３本の支持桿１
６により前後方向にジグザグ状に配置され、その中間部
に励起光源ＬＡ、ＬＢを水平配置してそのジグザグ配置
を補強している。ファンＦにより吸引された汚染空気の
流れは実線矢印により示される通りである。励起光源Ｌ
Ａ、ＬＢからの励起光は直接的にまたは正面板３の内面
に反射されて吸着性布１４に照射される。反射率を高め
るために、正面板３をアルミ等の金属で形成してもよい
し、反射膜をその内面に形成してもよい。励起光の直接
経路および反射経路の道筋は点線矢印により示されてい
る。

【００３５】また図１に示すように、側部清浄器６、６
はタバコの煙のような空気より軽い汚染物質を分解する
装置であり、従って上方に吸入口８および下方に放出口
１０を配置している。吸入口８の内部にはプロペラ状の
ファンＦが配設され、吸着性布１４は多数の支持桿１６
により左右にジグザグ状に配置されている。この吸着性
布１４に対向して３本の励起光源ＬＣ、ＬＤ、ＬＥが設
けられている。汚染空気はファンＦにより実線矢印方向
に流れ、ジグザグ配置された吸着性布１４と接触しなが
ら放出口１０から排出される。吸着性布１４に吸着され
た汚染物質粒子は励起光源ＬＣ、ＬＤ、ＬＥの励起光に
より分解される。励起光は点線矢印で示されている。汚
染物質を検出する側部センサーＳは、空気より軽い汚染
物質を早期に検出するために装置の上方に配置され、弱
センサーＳＣ、中センサーＳＤ、強センサーＳＥから構
成される。これらのセンサー、ファンおよび励起光源も
前記の駆動制御回路ＣＣで制御されている。

【００３６】図３は吸着性布１４の要部拡大図であり、
活性炭素繊維を織成して得られる織物である。本実施例
の吸着性布は、この様な織物以外に編物、フェルトなど
布状を構成するものなら何でもよい。

【００３７】図４は金属担持光触媒微粒子を固定した吸
着性繊維の要部断面図である。吸着性繊維１８は吸着性
布１４などの吸着性繊維体を構成する繊維であり、この
表面には孔径が数ｎｍの無数のミクロポア（微小孔）２
０が存在する。前述したように、汚染物質粒子２２はこ
れらのミクロポア２０にはまり込んで吸着されるてい
る。一方、吸着性繊維１８には多数の金属超微粒子２６
を担持した光触媒微粒子２４が固定されている。本発明
では、金属超微粒子２６を担持した光触媒微粒子２４を
金属担持光触媒微粒子２８と呼ぶ。光触媒微粒子２４に
は二酸化チタン微粒子が用いられることが多く、金属超
微粒子２６にはＡｕやｐｔ等の貴金属が用いられる場合
が多い。

【００３８】量子サイズ効果を発揮できる金属超微粒子
２６の粒径は１０ｎｍ以下である。コロイド焼成法によ
り金属超微粒子担持光触媒微粒子を作成すればこの粒径
条件を満足することができる。また、担持密度は光触媒
微粒子１個当り金属超微粒子１００個以上である必要が
ある。この担持密度条件もコロイド焼成法により実現す
ることができる。

【００３９】図５には無数の金属担持光触媒微粒子２８
を固定した吸着性繊維１８が示されている。この固定状
態は吸着性繊維体に限らず、固形の吸着材においても表
面に分散状に固定されている点で同様である。

【００４０】次に、センサー、ファンおよび励起光源を
制御する駆動制御回路ＣＣの動作をタイムチャートに基
づいて説明する。まず中央清浄器４の作動から説明する
と、弱センサーＳＡは低濃度の汚染物質を検出し、強セ
ンサーＳＢは高濃度の汚染物質を検出するように調整さ
れている。図６は低濃度汚染空気に対する中央清浄器４
の作動タイムチャートで、汚染空気の汚染濃度Ｒを弱セ
ンサーＳＡが検出すると、ファンＦが作動し励起光源Ｌ
Ａが点灯する。汚染濃度Ｒが一定値以下になると、弱セ
ンサーＳＡがオフになり、ファンＦは停止する。しか
し、汚染物質を分解するため、励起光源ＬＡはその後所
定時間だけ点灯を続け、同時に励起光源ＬＢもそれと同
じ時間だけ点灯する。

【００４１】以上のように調整しているのは、吸着性布
１４のファン近傍は汚染空気の吸着の始点となるため汚
れ易く、ファンＦの作動と同時に、即ち吸着開始と同時
に励起光源ＬＡの点灯によって分解を開始するのであ
る。吸着によって汚染濃度が一定値以下になった段階
で、吸着性布１４の全面の分解を始めるために励起光源
ＬＢを点灯する。点灯時間Ｔは汚染物質の分解が完了す
るために必要な時間が設定される。

【００４２】図７は高濃度汚染空気に対する中央清浄器
４の作動タイムチャートで、汚染空気の汚染濃度Ｒを強
センサーＳＢが検出すると、ファンＦが作動し励起光源
ＬＡ、ＬＢの両方が点灯する。汚染濃度が高いために吸
着開始と同時に吸着性布１４の全面の分解を始めるので
ある。空気循環にともなう吸着によって汚染濃度Ｒが低
下し強センサーＳＢがオフになると、励起光源ＬＢが消
灯する。しかし、この段階で低汚染濃度に反応する弱セ
ンサーＳＡがオンになる。弱センサーＳＡがオンになっ
た後は図６と全く同じ動作となる。但し、汚染濃度が高
いために大量の汚染物質を吸着しており、励起光源Ｌ
Ａ、ＬＢの分解用の点灯時間Ｔは図６の場合より長く設
定されている。

【００４３】次に側部清浄器６の作動を説明する。中央
清浄器４との相違点は、中濃度の汚染物質を検出する中
センサーＳＤを設けている点で、弱センサーＳＣと強セ
ンサーＥはそれぞれ低濃度汚染と高濃度汚染に対応して
いる。図８は低濃度汚染空気に対する側部清浄器６の作
動タイムチャートで、タバコの煙等で汚染された空気の
汚染濃度Ｒを弱センサーＳＣが検出すると、ファンＦが
作動し励起光源ＬＣが点灯する。ファンＦの回転により
吸着が進行して汚染濃度Ｒが一定値以下になると、弱セ
ンサーＳＣがオフになり、ファンＦを停止して吸着動作
を終了する。同時に励起光源ＬＤ、ＬＥを励起光源ＬＡ
と同様に点灯して吸着された汚染物質を分解する。その
点灯時間Ｔは分解に必要な時間が設定される。吸入口８
が上方にあるから、吸着性布１４の吸入口付近は汚れ易
く、そのため励起光源ＬＣは吸着動作の間も点灯するよ
うに調整されている。

【００４４】図９は中濃度汚染空気に対する側部清浄器
６の作動タイムチャートで、汚染空気の汚染濃度Ｒを中
センサーＳＤが検出すると、ファンＦが作動し励起光源
ＬＣ、ＬＤの両方が点灯する。汚染濃度Ｒが低下して中
センサーＳＤがオフになると、励起光源ＬＤが消灯し、
ほぼ同時に弱センサーＳＣがオンになる。弱センサーＳ
Ｃがオンになった後は図７と全く同じ動作となるため、
その説明を省略する。但し、励起光源の点灯時間Ｔは図
８の場合より長く設定される。

【００４５】図１０は高濃度汚染空気に対する側部清浄
器６の作動タイムチャートで、汚染空気の汚染濃度Ｒを
強センサーＳＥが検出すると、ファンＦが作動し励起光
源ＬＣ、ＬＤ、ＬＥの全部が点灯する。汚染濃度Ｒがや
や低下して強センサーＳＥがオフになると、励起光源Ｌ
Ｅが消灯しほぼ同時に中センサーＳＤがオンになる。中
センサーＳＤがオンになった後は図９と全く同じ動作と
なるため、以後の説明を省略する。但し、点灯時間Ｔは
図９よりも長く設定される。

【００４６】以上のように、中央清浄器４が強弱の２段
切替になっているのに対し、側部清浄器６、６は強中弱
の３段切替になっている。これは励起光源の数に対応し
て設計されているだけである。実際には各種の設計が可
能で、汚染濃度の検出、点灯時間、点灯本数および点灯
強度の調整は駆動制御回路ＣＣにより自在に変更するこ
とができる。

【００４７】図１１は本発明に係る空気清浄器の第２実
施例の一部破断正面図であり、図１と異なる部分だけを
説明して、他の部分には同一符号を付してその説明を省
略する。第１実施例が吸着性繊維体として吸着性布１４
を利用していたのに対し、この第２実施例では吸着性ガ
ーゼ状布１５を利用している。この吸着性ガーゼ状布１
５は吸着性布１４よりも目を荒くした繊維体で、汚染空
気や励起光を透過できる程度にガーゼ状またはカヤ状に
形成したものである。従って、側部清浄器６、６におい
て実線矢印で表されるように、汚染空気は吸着性ガーゼ
状布１５を透過しながら放出口１０から排出されてゆ
く。つまり汚染物質粒子は吸着性ガーゼ状の両面に吸着
されるから、吸着効率が格段に向上できる。また、点線
矢印で示すように、励起光もこの吸着性ガーゼ状布を透
過するから直接光と透過後の反射光の両方が励起光線と
して利用でき、分解効率も格段に向上する。

【００４８】図１２は図１１のＩ−Ｉ線断面図で、中央
清浄器４の汚染空気の流動と励起光の経路を示してい
る。図１１と全く同様に、汚染空気と励起光は吸着性ガ
ーゼ状布１５を透過できるから、吸着と分解を両面で行
うことができ、吸着効率と分解効率を同時的に向上でき
る。

【００４９】図１３は本発明に係る空気清浄器２の第３
実施例である。ファンＦにより吸入口８から吸入された
汚染空気は吸着性布１４の両側に分流してゆく。ジグザ
グ配置された吸着性布１４の目が細かいために、汚染空
気および励起光ともに吸着性布１４を透過することがで
きない。汚染空気を分流させることによって、吸着性布
１４の両面を活用する方式である。従って、ファンＦの
駆動により汚染空気が流動している間に、吸着性布１４
の両面に汚染物質粒子が吸着され、吸着完了後励起光源
Ｌ、Ｌ・・によりその両面が励起されて吸着汚染物質が
分解されることになる。

【００５０】図１４は本発明に係る空気清浄器２の第４
実施例を示す斜視図である。汚染空気はシロッコファン
からなるファンＦにより吸引口８から吸引され、放出口
１０から排出される。吸着性布１４は汚染空気の流れ方
向に隙間を有して複数段に積層配置され、この隙間に励
起光源が複数本配置されている。従って、汚染空気が前
記の隙間を流動する際に吸着性布１４の両面に汚染物質
粒子が吸着されてゆき、吸着後、励起光源Ｌ、Ｌ・・に
より分解される。この実施例では、吸着性布を複数段積
層することによって汚染空気との接触面積を増大し、し
かもその両面を活用して吸着分解効率の増大化を図って
いる。

【００５１】図１５は本発明に係る空気清浄器２の第５
実施例を示す斜視図である。汚染空気はファンＦの回転
により吸引口８から吸引され、放出口１０から排出され
る。吸着性布１４は隙間を有して螺旋状に巻回され、こ
の隙間に励起光源Ｌ、Ｌ・・を配置し、この螺旋状布の
軸方向に汚染空気を流動させる方式を採っている。従っ
て、汚染空気が前記の隙間を流動する際に吸着性布１４
の両面に汚染物質粒子が吸着されてゆき、吸着後、励起
光源Ｌ、Ｌ・・により分解される。この実施例では、吸
着性布を螺旋状に巻回することによって汚染空気との接
触面積を増大し、しかもその両面を活用して吸着分解効
率の増大化を図っているのである。

【００５２】図１６は本発明に係る空気清浄器２の第６
実施例を示す斜視図である。汚染空気はファンＦの回転
により吸引口８から吸引され、放出口１０から排出され
る。吸着性繊維体は汚染空気を透過しやすい吸着性ガー
ゼ状布１５で構成され、この吸着性ガーゼ状布１５を間
隔を有して複数段積層配置し、この吸着性ガーゼ状布１
５、１５・・に汚染空気を透過させながら汚染物質粒子
を吸着させてゆく。吸着が完了すると、励起光源Ｌ、Ｌ
を点灯して汚染物質粒子を分解する。この実施例では、
吸着性ガーゼ状布１５を汚染空気の流動方向に直交して
複数段積層配置することによって汚染空気との接触面積
を増大し、しかもその両面を活用して吸着分解効率の増
大化を図っている。

【００５３】図１７は本発明に係る空気清浄器２の第７
実施例を示す斜視図である。汚染空気はファンＦの回転
により吸引口８から吸引され、放出口１０から排出され
る。その間に吸着用匡体ＢＸが配置され、その上下面は
メッシュ等からなる空気口となっている。この吸着用匡
体ＢＸの中には吸着性繊維片１３が充填されている。本
実施例では、この吸着性繊維片１３は多数の吸着性短繊
維の集合体である。しかし、１本の長繊維を巻回したも
のでもよいし、複数本の長繊維の集合体でもよい。また
小さな吸着性布の集合体でもよい。少なくとも、汚染空
気が圧送できる程度の立体疎構造になっておればよい。
つまり、汚染空気はファンＦにより吸着性繊維片１３の
間を圧送されながら流動し、汚染物質粒子の吸着が行わ
れる。その後励起光源Ｌの点灯で分解がなされる。この
実施例では、立体疎構造の吸着性繊維片と汚染空気を接
触させるから、接触面積が平面構造よりも増大し、吸着
分解効率の増大化を実現できる。

【００５４】図１８は本発明に係る空気清浄器２の第８
実施例を示す断面図である。特に、この空気清浄器２は
暖房や冷房が可能な空気調和型に設計されている。汚染
空気はファンＦの回転により吸引口８から吸引され、放
出口１０から排出される。吸引口８から吸引された汚染
空気は熱交換器３０を通過した後、吸着材である吸着性
ハニカム固形体１７に送られる。前記実施例群では吸着
性繊維体が用いられてきたが、本実施例では吸着性の固
形体が利用される。汚染空気を通過させるためにその流
れ方向に多数のハニカム孔１９が形成されており、この
ハニカム孔１９の内面に金属担持光触媒微粒子が分散固
定されている。近傍には励起光源Ｌが配置されており、
汚染物質粒子を吸着した後励起光により分解が行われ
る。固形体の吸着材を利用する場合には、ハニカム固形
体だけでなく、表面積を増大させるために多数の連通孔
を有した吸着性固形体を形成し、汚染空気を圧送する方
式でもよい。

【００５５】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における各
種の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含す
るものである。

【００５６】

【発明の効果】本発明は以上詳述したように、粒径が１
０ｎｍ以下の金属超微粒子を担持させた金属担持光触媒
を使用しているから、量子サイズ効果の発現により光触
媒効率を格段に増加でき、空気浄化機能の向上を達成で
きる。また、この金属超微粒子を光触媒微粒子１個当り
に１００個以上担持させた金属担持光触媒微粒子を使用
すれば、その金属超微粒子の量子サイズ効果と高密度担
持効果により光触媒を用いた空気清浄器の浄化機能を激
増させる効果を有する。また、この金属担持光触媒微粒
子を吸着材表面に多数分散固定させているから、まず吸
着材に汚染物質粒子を吸着させ、その後高効率に分解す
ることができ、環境を高衛生状態に保持できる効果を有
する。同時に、高効率の金属担持光触媒が吸着材に吸着
された汚染物質粒子をほぼ完全に分解するので、吸着材
の永年使用を可能とする効果を有する。更に、吸着材と
して吸着性繊維体を用いた場合には、固形体と比較して
繊維の表面積が極めて大きいので、吸着効果と分解効果
を増大化でき、空気清浄器の更なる高効率化を達成でき
る効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る空気清浄器の第１実施例の
一部破断正面図である。

【図２】図２は図１のＩ−Ｉ線断面図である。

【図３】図３は吸着性布の要部拡大図である。

【図４】図４は金属担持光触媒微粒子を固定した吸着性
繊維の要部断面図である。

【図５】図５は無数の金属担持光触媒微粒子を固定した
吸着性繊維の外観図である。

【図６】図６は低濃度汚染空気に対する中央清浄器の作
動タイムチャートである。

【図７】図７は高濃度汚染空気に対する中央清浄器の作
動タイムチャートである。

【図８】図８は低濃度汚染空気に対する側部清浄器の作
動タイムチャートである。

【図９】図９は中濃度汚染空気に対する側部清浄器の作
動タイムチャートである。

【図１０】図１０は高濃度汚染空気に対する側部清浄器
６の作動タイムチャートである。

【図１１】図１１は本発明に係る空気清浄器の第２実施
例の一部破断正面図である。

【図１２】図１２は図１１のＩ−Ｉ線断面図である。

【図１３】図１３は本発明に係る空気清浄器の第３実施
例である。

【図１４】図１４は本発明に係る空気清浄器の第４実施
例を示す斜視図である。

【図１５】図１５は本発明に係る空気清浄器の第５実施
例を示す斜視図である。

【図１６】図１６は本発明に係る空気清浄器の第６実施
例を示す斜視図である。

【図１７】図１７は本発明に係る空気清浄器の第７実施
例を示す斜視図である。

【図１８】図１８は本発明に係る空気清浄器の第８実施
例を示す断面図である。

【符号の説明】

２・・空気清浄器３・・正面板４・・中央清浄器６・・側部清浄器８・・吸入口１０・・放出口１３・・吸着性繊維片１４・・吸着性布１５・・吸着性ガーゼ状布１６・・支持桿１７・・吸着性ハニカム固形体１８・・吸着性繊維１９・・ハニカム孔２０・・ミクロポア（微小孔）２２・・汚染物質粒子２４・・光触媒微粒子２６・・金属超微粒子２８・・金属担持光触媒微粒子３０・・熱交換器ＢＸ・・吸着用匡体ＣＣ・・駆動制御回路Ｆ・・ファンＬ、ＬＡ、ＬＢ、ＬＣ、ＬＤ、ＬＥ・・励起光源Ｒ・・汚染濃度Ｓ・・側部センサーＳＡ、ＳＣ・・弱センサーＳＤ・・中センサーＳＢ、ＳＥ・・強センサーＳＳ・・中央センサーＴ・・点灯時間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒径が１０ｎｍ以下の金属超微粒子を光
触媒微粒子に担持させた金属担持光触媒微粒子を用い、
この金属担持光触媒微粒子を多数分散固定させた吸着材
を配置し、この吸着材に励起光を照射する励起光源を設
けることにより、前記吸着材に汚染空気中の汚染物質粒
子を吸着させ、励起光を照射して金属担持光触媒微粒子
により吸着汚染物質を分解することを特徴とする金属担
持光触媒型の空気清浄器。
【請求項２】粒径が１０ｎｍ以下の金属超微粒子を光
触媒微粒子１個当りに１００個以上担持させた金属担持
光触媒微粒子を用いる請求項１記載の空気清浄器。
【請求項３】前記吸着材に汚染空気を強制送風するフ
ァンを付設した請求項１又は２記載の空気清浄器。
【請求項４】汚染空気を取り入れる吸入口と、吸着材
に汚染物質粒子を吸着させた後空気を排出させる放出口
を付設した請求項３記載の空気清浄器。
【請求項５】汚染空気中の汚染物質を検出するセンサ
ーと、このセンサーからの信号でファンおよび励起光源
を駆動制御する駆動制御回路を付設した請求項３又は４
記載の空気清浄器。
【請求項６】前記センサーと励起光源を各々複数段設
け、各センサーの汚染物質検出濃度を段階的に設定し、
汚染濃度の高低に従って励起光源の点灯時間又は点灯本
数を制御するようにした請求項５記載の空気清浄器。
【請求項７】前記吸着材は吸着性繊維体からなる請求
項１ないし６記載の空気清浄器。
【請求項８】前記吸着性繊維体を吸着性布で構成し、
この吸着性布をジグザグに配置して汚染空気との接触面
積を増大させた請求項７記載の空気清浄器。
【請求項９】前記吸着性布を汚染空気が透過しやすい
吸着性ガーゼ状布で構成し、汚染空気を吸着性ガーゼ状
布に透過させながら汚染物質粒子を吸着させる請求項８
記載の空気清浄器。
【請求項１０】前記吸着性繊維体を吸着性布で構成
し、この吸着性布を汚染空気の流れ方向に隙間を有する
ように複数段積層配置し、この隙間に励起光源を配置し
て、汚染空気を前記の隙間に通過させる請求項７記載の
空気清浄器。
【請求項１１】前記吸着性繊維体を吸着性布で構成
し、この吸着性布を隙間を有するように螺旋状に巻回
し、この隙間に励起光源を配置し、螺旋状布の軸方向に
汚染空気を通過させる請求項７記載の空気清浄器。
【請求項１２】前記吸着性繊維体を汚染空気が透過し
やすい吸着性ガーゼ状布で構成し、この吸着性ガーゼ状
布を間隔を有して複数段積層配置し、この吸着性ガーゼ
状布に汚染空気を透過させながら汚染物質粒子を吸着さ
せる請求項７記載の空気清浄器。
【請求項１３】前記吸着性繊維体を吸着性繊維片で構
成し、この吸着性繊維片を吸着用匡体の中に充填し、こ
の吸着用匡体を透過するように汚染空気を圧送し、汚染
物質粒子を吸着性繊維片に吸着させる請求項７記載の空
気清浄器。
【請求項１４】前記吸着材は汚染空気が通過するハニ
カム孔を形成した吸着性ハニカム固形体である請求項１
ないし６記載の空気清浄器。