JP2000325452A

JP2000325452A - 省エネルギー型空気浄化装置

Info

Publication number: JP2000325452A
Application number: JP11143026A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Inoue; 潔井上
Original assignee: Toyo Element Industry Co Ltd
Current assignee: Toyo Element Industry Co Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】これまでは屋内空気中の有害物質を僅かづつ分
解しながら、常に安定的に住宅環境を浄化し続けること
ができなかった。【解決手段】触媒の低エネルギー活性化によって、所要
の電力を最小限とし、連続的な運転を可能とし、屋内空
気中の有害物質を僅かづつ分解しながら、常に安定的に
住宅環境を浄化し得る空気浄化装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として居室や自
動車などの内部の空気または市街地などの空気を浄化す
る装置、特に酸化チタンを主体とし貴金属により賦活し
て成る触媒を光活性化して用い、空気中の有害物を分解
無害化処理する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に交通の激しい市街地の交差点など
の外気や、道路近くの住宅地の空気は、多くの有機およ
び無機の有害物質によって汚染されている。それらの主
なものは例えば、オゾンＯ₃：300ppb〜500ppb 一酸化炭素ＣＯ：5,000ppb〜20ppm オレフイン類Ｃ_nＨ_2n（ｎ＝２〜20）：400ppb〜3000ppb 窒素酸化物ＮＯｘ：500ppb〜10ppm などであり、更に、20ppb〜50ppbのオーダーで、アルデヒドＲ−ＣＨＯエーテルＣＨ₂−Ｏ−ＣＨ₂ ブチレンＣ₄Ｈ₈ ケトンＲＣＯＲメタンＣＨ₄ メチルアルコールＣＨ₃ＯＨエチレン −ＣH₂− などが検出されている。

【０００３】これらの物質は健康上有害であり、各種の
アレルギー症状や、喘息、肺ガンなどを引き起こすの
で、これらを無害化する必要があるが、従来供給されて
いる民生用の空気浄化装置は、単に空気中の浮遊塵を捕
捉するもののみであり、これらの有害ガスを分解し、除
害できるものは、大電力量を必要とするものとか、太陽
光線を利用する装置などはされているが、それ以外の低
エネルギーで処理できるものは提案されていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的とすると
ころは、人の居室や作業場内の空気中の有害物質を分解
し、生活空間の環境を改善するため利用できる、安価で
安全な民生用の空気浄化装置を提供することにある。

【０００５】上記の如き有害ガスを除去する目的で、工
業的に又は車両排ガス用として一般的に利用される触媒
としては、Au、Pa、Pt、Rn、Ru、Ti、Mn、Cu、Ｗ、Al、
Zr、Ce、Tb、Sm、Er、La、Dyなどと、これらの酸化物で
あるCuＯ、TiＯ₂、ＷＯ₃、Mn ₂Ｏ₃、Mn₈Ｏ₁₆、A1₂Ｏ₃、Z
rＯ₂、MnＯ₂、Ce₂Ｏ₃、Tb₂Ｏ₃、Sm₂Ｏ₃、Er₂Ｏ₃、La₂Ｏ
₃、Dy₂Ｏ₃などが知られており、これらは使用目的に合
わせて、単独で、又は組合わせて、更には必要に応じて
電磁波で活性化されて利用されている。

【０００６】特に有用な従来技術としては、TiＯ₂の光
触媒が1972年に、貴金属賦活光触媒が1979年に発表され
ており、これらの応用技術についても、固体炭素類との
共用は1980年、炭水化物の分解は1980年、タンパク質、
脂肪高分子類の分解は1981年にそれぞれ発表されてい
る。特に、1〜10nmサイズの範囲の金属粒子による賦活
や、TiＯ₂の様々な製造方法も公知である。その他Agや
希土類との組み合わせ、更にＷＯ₃系、Fe₂Ｏ₃系、CdＳ
系、MoＳ系等多くの組み合わせも発表されている。これ
らはいずれも1980年代に公知となった技術である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】而して、本発明に係る省
エネルギー型空気浄化装置は、酸化チタンを主体とし貴
金属などにより賦活して成る触媒と、その触媒を光活性
化するための低電力光源と、その光源を発光させるため
の小容量の電源とを具備する。触媒の面積には特に限定
はないが、通常は500cm²以上、10000cｍ²以下、望まし
くは1000cｍ²以上、5000cｍ²以下とする。又、光源の駆
動電力は触媒１cｍ²当たり10μＷ以上、15Ｗ以下、望ま
しくは触媒１cｍ²当たり10μＷ以上、100μＷ以下とす
る。触媒の面積が1000cｍ²以下であると、浄化能力が過
小となり過ぎるが、10000cｍ²以上とすると通常は必要
な強度を得るために要するシートの厚さが過大となるか
らである。尚、大容積の空気を浄化しようとするとき
は、大容量のもの１基よりも、上記のサイズのものを複
数用いることが望ましい。それは装置を大型とすると、
触媒面積に比して装置の内容量の増加が大きくなるた
め、相対的に触媒の接触効率が低下するからである。
又、顆粒状の触媒を用いる場合にも、上記以上に大型と
すると空気抵抗が増大するので、上記の限度に止めるこ
とが望ましい。又、光源の駆動電力を触媒１cｍ²当たり
10μＷ以下とすると処理能力が低下し過ぎ不適切となる
が、これを15ｍＷ以上としても、有害物濃度がさほど低
下せず、所要電力が浪費されるようになる。又、光源と
しては、LED、LSD、LDなどの半導体発光素子を用いるこ
とが推奨される。その理由は、光源をオンオフして使用
すると、他の光源では寿命が短くなるためである。半導
体光源はこのような使用条件で使用しても寿命が極端に
長く、また、波長が適切である上、効率が高く、高周波
の発光制御が容易であるためである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、使用する触媒に就いて述べ
る。例えばTiＯ₂などの光触媒は、半導体のバンドギャ
ップの間に酸化分解される分子の酸化電位と還元電位が
存在するように電磁波を照射することにより、分解反応
が起こるものである。これは触媒の価電子帯にある原子
の電子が励起されて伝導帯に遷移し、価電子帯の部分に
はホールが残る。そして電子、ホールの対が触媒に生成
され、この電子とホールが半導体TiＯ₂中を移動して、
電子は触媒表面に（Ｏ₂ ⁻）（Ｏ₂ ⁻）となって存在し、
オキサイドイオンとなり、同時に水酸ラジカル（O
Ｈ^＋）となり、還元作用と強酸化物として働き、有機物
と直接反応して有機物のＣ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｃｌ、Ｈ
−Ｃｌ等々と反応し、有機物の分解反応を起こす。一連
の作用はこのようであるが、ここで注意を要すること
は、 1．TiＯ₂触媒の格子面欠陥の問題 2．TiＯ₂触媒の多くの格子点欠陥の問題 3．TiＯ₂触媒の結晶サイズの不揃いの問題 4．電子とホールの再結合の問題についてである。

【０００９】ここで電子とホールが再結合すれば、全く
分解作用は起きないことになり、極めて効率が悪い触媒
となる。一つの触媒粒子の中で酸化還元の両反応が同時
に起こることが要求される。これらは一見矛盾している
ように見えるが、上記１〜３の問題は粒度0.1〜10nｍ程
度の微細な触媒TiＯ₂を得ることにより解決でき、欠陥
を防ぐことができる。そして、これは完全結晶化のサイ
ズを形成させることで可能となる。例えば、加水分解で
析出する場合も、分解速度を精密に制御することによ
り、完全結晶化させることができる。

【００１０】先ず始めにTiの塩化物イオンを持った多核
錯イオン液を出発原料として、0.025mol／リットルのTi
Ｃ₄を70℃で24時間加水分解処理し、pH6.5で尿素を添加
し、重縮合してコロイド核を形成する。粒形状は立方粒
子のアナターゼで、且つ粒形は平均10nm（電子顕微鏡像
による）となり、粒子間で強い相互作用を起こすが、塩
素を含んだ一次粒子の凝集が主体となって、粒の表面の
エネルギーを小さくしようとする力と界面張力とバラン
スした状態で粒子が形成される。

【００１１】従って、立方粒アナターゼで塩化チタンの
濃度を低く生成温度を高くした最終濃液のpHは１〜２と
する必要がある。このような条件で単核ヒドロキソ錯体
Ti−Ｏ−Tiを形成し、水洗し、乾燥させて粉砕し、微Ti
Ｏ₂粒子を得る。Ｋ₂PtＣ₆をメタノール水溶液にTiＯ₂と
Ptの比が重量比で１：１となるようにして懸濁し、波長
276nmの光を照射しながら、スターラーとして100kHz、6
0Ｗの超音波（0.1Ｗ／cm²）を照射し、強力に攪拌しな
がら処理して、酸化チタン粒子の表面にPtを析出させ
た。

【００１２】結果として、粒度10nmのTiＯ₂粒子の表面
に、Ptが析出してTiＯ₂Pt触媒となった。PtのサイズはT
iＯ₂の約１／10程度の１nmオーダーとなり、Pt粒子はTi
Ｏ₂粒子表面に10個程度接着させることができた。この
触媒粒子を再び水と練り合わせて口径１mmのノズルから
押し出し、長さ１mmに切断してピレット化し、乾燥させ
てから300℃で３時間焼結して300〜400m²／ｇ程度の表
面積を有する顆粒状酸化チタン触媒を得ることができ
た。なお、上記では被処理体の流通をよくするために顆
粒状としたが、勿論、膜状、板状、燐片状などとするこ
とができる。また、TiＯ₂とSiＯ₂の混晶を用いたり、希
土類の光励起効果を利用することも自由である。

【００１３】最後に結晶中で電子とホールの結合の問題
は触媒として極めて重要な性能となる。勿論、反応の深
さによりその保持時間は変化する。一応この点を考慮す
れば、触媒表面が電磁波に曝されるとき、表面で起こる
反応物が内部より補給されないとし、電子とホールの放
出率をＱとすれば、

【００１４】

【数１】

【００１５】ここでτを一定とすれば、

【数２】となり、電子、ホールの放出率は時定数で低下すること
を示している。

【００１６】実際的には、固体表面が電磁波に曝されて
いる空間は、電子、ホールの放出層が多層である場合は
異なってくる。電子ホールの放出は触媒の活性化エネル
ギーが放出量によって変わってくるので、

【数３】となる。

【００１７】従って、分子の振動を考慮して考察すれ
ば、結晶の生成状態によって大きく異なるが、平均的に
言えば、電子ホールの表面に滞在する時間を10^−２〜10
^−３とすれば、

【数４】

【００１８】従って、温度が20℃から100℃に上昇すれ
ば、電子及びホールの滞在時間は、10⁻¹秒から10⁻³〜
10⁻⁴秒程度となると考えられるので、光励起の繰り返
し周期を温度に対応して電子、ホールの滞在時間に合わ
せて変化させることが推奨される。

【００１９】電磁波照射をパルス的にした理由は、より
低電力で動作させるためである。望ましいパルス照射の
繰返し周波数は温度Ｔに左右されるので、効率的には温
度の関数として制御することが望ましい。

【００２０】また、電磁波照射の繰返し周波数の切り替
え制御にはLED、SLD、LDなどの半導体発光素子が有利で
あり、とりわけ400〜430nm程度の波長を持ったLEDが有
効である。電磁波の出力効率は、高輝度蛍光灯で91cd／
Ｗであるのに対し、LEDは300cd／Ｗと約3倍に向上す
る。更にデユーティファクタ約10％、即ちオンオフ比
１：９のパルスにして、常に電子とホールが存在してい
るようにするとき、LEDは約30倍の3000cd／Ｗとなり、
効率が大幅に向上する。その上、パルス照射によれば、
更に電磁波密度を高めることもできる。

【００２１】このように本発明によるときは、従来技術
に比べて30倍以上の効率が得られることとなる。また、
脱臭について言えば、臭気の強度をＩ、臭い物質の濃度
をＣ ₀とすれば、

【数５】となるので、従って、脱臭には対数的に触媒作用を働か
せることが必要となる。

【００２２】

【実施例】〔実施例１〕壁面が網状となっているアルミ
ニウム管もしくは角型管により両端の開いた筒状の触媒
ケースを製造し、内面にLEDを取り付け、室内の隅の部
分に立て掛けて、触媒の励起と共に、そのドラフト作用
により室内の汚染空気がケース内部を通って対流循環す
るようにする。又、外部が明るいときは、外側で浄化作
用が営まれる。

【００２３】このため、ケースの上端の開口は天井より
約30cm位低い位置とし、下端は床面より約50cm位高い位
置に吸入口が来るように配置する。また場合によって
は、空気を循環させるため0.05Ｗ程度のバイモルフ型フ
ァンをケース内部に挿入する場合もある。

【００２４】内径10cm、長さ1.5ｍの網状壁から成る円
筒型ケースの内面にTiＯ₂PtEr触媒を3000cm²に対して15
ｇの割合で塗着して、その内部に波長430nm、３cdのLED
を８個配置し、パルス状に発光させるようにした。床面
10m×5m天井高さ2.3ｍの部屋に垂直に設置し、オンタイ
ムを0.8ｍsec、オフタイムを10ｍsecとし、3.1Ｖ、ピー
ク値で42ｍＡの電流を流してパルス状に点灯した。ケー
ス内に3.2Ｖ、0.03Ｗのファンを挿入し、容量12.6ＡＨ
のリチウム２次電池で駆動して0.5ｍ³／minの室内の空
気をケース内に流し、循環させた。

【００２５】特に注目して測定したのは、ＮＯxで、こ
れはの反応を起こして分解される。

【化１】

【００２６】測定の結果、11ppmであったケース入り口
のＮＯx濃度が、出口では７ppmに低下し、約41時間連続
運転後は、部屋全体の平均ＮＯx濃度が1.1ppmとなっ
た。更に、他の種々なオレフイン、Ｏ₃類の除去につい
ても、最終到達濃度が当初の約10％以下となることが判
明した。室温は平均26℃で、湿度は60％であった。尚、
部屋は１日の車両等の通過台数が平均14万台の交差点に
面しており、４人の人が普通に生活し、出入りも自由に
させていた。

【００２７】上記のリチウム２次電池で連続10日間再充
電なしで駆動できた。補助電源として太陽電池を併用し
た場合は、１カ月連続使用できた。どちらの場合も、上
記と略同様に、当初の約１／10の濃度まで有害物を除去
できることが立証された。

【００２８】〔実施例２〕上記の微粒状触媒を、多孔フ
ツ素樹脂に重量比で50％となるよう配合し、練り合わせ
て、圧延し、厚さ0.1mmのシートとし、このシート1000c
m^２を成形して外灯の部分より５cmの位置に取り付け、
夜間の外灯点灯中はその光で、昼間は太陽光で触媒を賦
活するようにしたとき、１昼夜の平均で、0.42μmol／c
m²・ｈの硝酸発生を検出した。外灯用の場合は、高速道
路、交通渋滞地域の都市道路、トンネル内部などで無電
源で利用できるが、太陽電池との併用が有利となる。道
路の防音壁に組み込むことも有効である。

【００２９】屋内の電灯、蛍光灯等の反射板に取り付け
るとこれらは無電源利用が可能となる。この場合も勿論
太陽電池との併用が有効である。尚、触媒の形状などは
任意に設計することができる。更にまた、導電度を測定
するメータ、自動点灯スイッチ、ブザー等を付属させ
て、反応状態を検定できるようにすればより有効に利用
できるようになる。

【００３０】この触媒はダイオキシン類についても分解
効果があり、ダイオキシン類は塩化物、硼化物及び酸化
物に分解できる。また、不完全燃焼によるＣＯガスに対
しても有効で、この場合は排気を水洗処理するような組
み合わせが有利となる。更に、防毒マスクとしても利用
でき、病院等においても殺菌作用と脱臭作用を得ること
ができる。これらは小型電池駆動でも１カ月以上連続駆
動できるので、極めて有効である。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、極めて低いエネルギーで有機
物等を高能率に分解することができ、屋内外の空気中の
有害物を少しずつ分解し、連続的に浄化できる装置とし
て効果が大きく、応用の範囲も広い。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化チタンを主体とし貴金属などにより
賦活して成る触媒と、その触媒を光活性化するための低
電力光源と、その光源を発光させるための電源とを具備
する省エネルギー型空気浄化装置。
【請求項２】光源の駆動電力が触媒１cm²当たり10μ
Ｗ以上、15ｍＷ以下である請求項１に記載の空気浄化装
置。
【請求項３】光源が半導体発光素子である請求項１又
は２に記載の空気浄化装置。
【請求項４】電源がパルス電源である請求項１ないし
３の何れか一に記載の空気浄化装置。
【請求項５】電源のパルスの繰り返し周波数が、温度
によって変化せしめられる請求項１ないし４の何れか一
に記載の空気浄化装置。
【請求項６】触媒が、両端が開放された筒状に形成さ
れ、光源がその簡状触媒の内部に配置され、筒状触媒が
その内外に対流を起こすように設置されて用いられる、
請求項１ないし５の何れか一に記載の空気浄化装置。
【請求項７】筒状触媒の内部に、低エネルギーファン
を設けた請求項６に記載の空気浄化装置。
【請求項８】筒状触媒の空気取り入れ口に、フィルタ
ーを設けた請求項６又は７に記載の空気浄化装置。
【請求項９】触媒を表裏両面より光活性化する請求項
１ないし８の何れか一に記載の空気浄化装置。
【請求項１０】酸化チタンを主体とし貴金属により賦
活して成る触媒を、照明灯の反射板の表面に設けて成る
空気浄化装置。