JP4010416B2

JP4010416B2 - 流体の浄化装置

Info

Publication number: JP4010416B2
Application number: JP2003391705A
Authority: JP
Inventors: 一朗阿部
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: JP2005152708A

Description

この発明は、光触媒を用いた流体の浄化装置に関し、空調用の送風ダクトを通る空気、各種プラントの排気ガス、風呂やプールの供給用、循環用の水、冷暖房用水または食品、薬品の製造加工用水等に含まれる有害物質を分解するのに使用し、上記流体の効率的な浄化、活性化を可能にする。

光触媒を用いた流体の浄化装置として、紫外線透過性の給水管内面に酸化チタンをコーティングし、外部から紫外線をあてるようにしたものが知られている。しかし、この装置は、光触媒の裏面に紫外線を照射するので、光触媒が十分に機能せず、また流れが層流となって、攪拌されないため、光触媒に接触する水の量が少なくなり、効率的でなかった。また、光触媒ペレットを充填したガラス管に水を流し、外部から紫外線を照射することも知られているが、この場合は、水の通過抵抗が大きく、流量が制限され、かつ外部からの紫外線が内部のペレットまで達しないため、効率的でなかった。
実用新案登録第3090000号公報特公平4−28794号公報

また、水と光触媒との接触時間を長くし、接触回数を多くするための光触媒ユニットとして、円筒状の光透過性ケーシング内に中心線方向の回転軸を設置し、この回転軸に多数の回転羽根を取付け、この回転羽根の表面に光触媒層を付着し、中心線方向に水を供給し、回転羽根を水流またはモーター駆動で回転して水を攪拌し、この回転羽根にケーシングの外側または回転軸の内側から光を照射するようにしたものが知られているが、照射方向に対して回転羽根の裏側には光が届かず、また回転羽根が回転するため、光触媒層に対する照射が不十分かつ不均一になって、光触媒層の機能が十分に発揮されず、かつ回転羽根の存在により、装置が大型化するという問題があった。
特開2002−307057号公報

この発明は、流体を攪拌混合しながら光触媒を用いて流体を浄化する装置において、流体の攪拌混合に回転翼のような可動物体を用いないことにより、装置を大型化せずに流体の通過断面積を大きくとって流量を確保すると共に、光触媒層の全面に光を照射しながら流体を接触させて流体を効率的に浄化することを可能し、もって小型で効率的な流体の浄化装置を提供するものである。

この発明に係る流体の浄化装置は、回転翼のような可動部を有しない静止型の混合装置中、スタティックミキサーと呼ばれる管型の流体混合装置に光触媒層および紫外線照射装置を付加して構成される。すなわち、流体の通過が可能な円筒形の外管内に外管内を直径方向に横切る板状の混合エレメント多数枚を直列に配列し、かつ隣接する混合エレメントが互いに交差するように連結してなるスタティックミキサーにおける上記混合エレメントの表裏両面に金属酸化物からなる光触媒層を形成し、この表裏両面の光触媒層に対して外管の外側または内側から紫外線を照射するようにした流体の浄化装置において、上記の混合エレメントが平板を右捻子方向または左捻子方向に１８０度捻った形状に形成され、右捻子方向に１８０度捻った形状の混合エレメントと左捻子方向に１８０度捻った形状の混合エレメントとが９０度の交差角度で交互に配設されており、上記の光触媒層に対する紫外線の照射が光透過性の外管の外側に配置された紫外光源と、該紫外光源を囲むように配置され、該紫外光源の光を受けて上記の外管に向けて反射する反射板とにより、または外管内面における各混合エレメントの表面および裏面と対向する部分に配置された紫外光源と、光反射性の外管内面とにより行なわれることを特徴とする。

上記のスタティックミキサーを任意の配管系に連結し、その一端から流体を供給し、他端から排出させると、上記の流体は、スタティックミキサー内の混合エレメントを通過するたびに２層に分割されるので、交差して並ぶｎ個の混合エレメントを通過することにより２^ｎ個に分割される。したがって、流体がスタティックミキサーを通過することで流体の混合が急速に進行する。そして、外管の内面と混合エレメントの表面および裏面との間は空間になっていて物体が存在しないので、各混合エレメントの表裏両面に設けられている光触媒層に対して紫外線を照射するのが容易であると共に、この照射によって上記混合エレメントの表裏両面に接触する流体が全て光触媒層の作用を受け、流体中の残留塩素、トリハロメタン、レジオネラ菌、ＰＣＢ、ダイオキシンその他の有害物が分解され、かつ上記の急速混合が行なわれる。したがって、上記の流体が効率的に浄化され、活性化され、特に流体が水の場合は水の酸化還元電位が低下し、ＰＨ値が上昇して配管の腐食が防止される。

この発明で用いるスタティックミキサーは、円筒形の外管内に外管内を直径方向に横切る板状の混合エレメント多数枚を直列に配列し、かつ隣接する混合エレメントが互いに交差するように連結したものである。そして、上記の混合エレメントは、平板を右捻子方向または左捻子方向に捻ったものであるため、同じ長さの平板に比べて混合エレメントとしての表面積すなわち光触媒層の面積が増大する。そして、捻り角度を１８０度に設定し、右捻子方向に１８０度捻った形状のものと左捻子方向に１８０度捻った形状のものとを交互に配列し、かつ隣接する混合エレメントの交差角度を９０度に設定しているので、流体の分割と同時に反転が行なわれ、混合がいっそう均一に行なわれる点で好ましい。

また、上記の混合エレメントは、多孔板または網板で構成することができ、この場合は流体が混合エレメントの片側から反対側へ移動することが可能になるので、流体の混合が一層良好に行なわれ、かつ孔壁にも光触媒を担持させることにより、流体の光触媒に対する接触回数が増加し、浄化をさらに効率的に行なうことができる。

この発明で用いる光触媒は、酸化チタン、酸化亜鉛等の金属酸化物であり、金属製またはプラスティック製の混合エレメント表面に金属酸化物を含む塗料を塗工して担持させ、薄膜状の光触媒層とすることができる。また、チタン等の金属からなる混合エレメントの表面を酸化して光触媒層を形成することもできる。また、混合エレメントが金属製の場合は、溶射や蒸着により金属酸化物の光触媒層を形成することができる。

また、アパタイト（リン灰石）等の多孔質セラミックスは、タンパク質を構成するアミノ酸の吸着能を有しており、脂質や過酸化脂質を吸着し、またインフルエンザウイルス、大腸菌などの細菌類、アンモニア、窒素酸化物、アルデヒド類も吸着するので、これらの多孔質セラミックスを上記の光触媒、特に酸化チタンに被覆することにより、流体中の上記脂質その他の有機物、化学物質を分解し、無害化する機能が向上する。また、二酸化ケイ素（シリカ）などのセラミックスに光触媒を被覆させたものも有効である。また、酸化チタンの多孔質膜を光触媒として前記混合エレメントに担持させることができる。

上記混合エレメントの表裏両面に担持された光触媒層に対する紫外線の照射は、外管の外側から紫外線を照射するのが一般的である。すなわち、上記の外管を光透過性の材料、例えば紫外線の透過効率に優れた石英ガラスで作り、この外管の外側に紫外光源を配置し、さらにこれらの紫外光源を囲むように反射板を設置し、この反射板で上記紫外光源の光を受けて外管に向けて反射させるようにする。この場合は、紫外光源から直接外管経由で混合エレメントに向かう紫外線と、反射板で反射してから外管経由で混合エレメントに向かう紫外線とがあり、紫外光源が発する紫外線のほとんどが光触媒層で利用される。なお、紫外光源としては、紫外線ランプ（ブラックライト等）、高圧水銀灯、短波長発光ダイオード（ＬＥＤ）等が使用可能である。

また、この発明で用いる混合エレメントは、外管内を直径方向に横切る板状のものであり、混合エレメントの厚さ方向両側は空間になっており、この空間には流体が流れるのみであるから、この空間に紫外光源を設置することにより、外管の内側から混合エレメントの表裏両面の光触媒層に紫外線を照射することができる。すなわち、外管内面における各混合エレメントの表面および裏面と対向する部分に紫外光源を配置して紫外線照射手段とすることができ、この場合に外管内面を光反射性とすることにより、紫外線の利用効率が向上する。また、紫外光源は、上記の混合エレメントまたは外管内に任意の支持部材を介して固定することができる。

なお、上記光触媒層を備えたスタティックミキサーは、その多数本を直列または並列に接続して用いることにより、流体の浄化機能を増大させることができ、その多数本を横向きにして上下左右に並行に配列し、これらを直列または並列に接続したものは、一本の紫外光源を複数本のスタティックミキサーに共有させることができ、紫外光源の節約が可能になる。そして、並列に接続し、外管を細くしたものは流体が濁っている場合にも光触媒層を紫外線で支障なく照射することができる。また、外管を耐熱ガラス製とし、かつ混合エレメントを金属製とし、その表面に金属酸化物の光触媒層を溶射や蒸着で担持させたもの、または混合エレメント自体を金属酸化物等の光触媒で作ったものは、高温の流体にも適用することができる。

この発明に係る流体の浄化装置は、上記のとおりスタティックミキサーを用いるものであって、その混合エレメントの表裏両面に光触媒層を形成し、この表裏両面の光触媒層に対して紫外線を照射するようにしたものであるから、流体の流れる外管内には板状の混合エレメントが静止状態で設置されるのみであって、回転翼その他の運動体が存在せず、そのため装置を大型化せずに流体の通過断面積を大きくとり、流量を確保しながら流体を十分に混合することができる。そして、光触媒層を備えた混合エレメントが静止しているため、外管の内外いずれにも紫外光源を容易に設置し、光触媒層の全面に紫外線を容易に照射することができ、そのためスタティックミキサーを流れる流体の効率的浄化が可能になり、小型で効率的な流体の浄化装置が得られる。

特に請求項１に係る発明は、紫外光源を外管の外側に設置するので、紫外光源の配置が容易であり、かつ外管を通過する流体の通過断面積に影響がない。また、請求項２に係る発明は、紫外光源を外管の内側に設置するので、浄化装置を更に小型化することができ、かつ外管内面を光反射性にするので、紫外線の利用効率が向上する。また、請求項３に係る発明は、流体の混合攪拌が更に効率的に行なわれ、かつ光触媒層の面積が広がるため、流体の浄化効率が更に向上する。

図１および図２に示す実施形態１において、１０はスタティックミキサーであり、１１は紫外線透過性の石英ガラスからなる外管、１２および１３は金属または合成樹脂からなる混合エレメントである。ただし、一方の混合エレメント１２は長方形の平板を中心線の回りに右捻子方向に１８０度捻った形に成形され、他方の混合エレメント１３は同じ長方形の平板を反対の左捻子方向に１８０度捻った形に成形されており、その幅は外管１１の内径とほぼ等しく設定されている。そして、これら２種の混合エレメント１２、１３の表裏両面は、酸化チタンからなる光触媒層で被覆されており、この２種の混合エレメント１２、１３が交互に、かつ９０度の角度で交差するように直列に連結されて外管１１内に設置されている。

１４は紫外線ランプであり、その多数本が上記外管１１の長さ方向と平行に、かつ上下左右の４列に配列され、さらにこれらの紫外線ランプ１４を囲んで円筒状の反射板１５が反射面を内側に向けて設けられる。そして、これらの紫外線ランプ１４は、それぞれ上記反射板１５の外側に位置する電源に接続される。

上記の構造において、上記スタティックミキサー１０の外管１１に風呂やプールの供給用水その他の水を供給し、紫外線ランプ１４を点灯して混合エレメント１２、１３の表裏両面に紫外線を照射すると、上記の水は外管１１の内側を一端から他端に向かって流れ、その間に多数枚の混合エレメント１２、１３の作用で分断、反転を繰返して混合攪拌され、同時に紫外線を照射された混合エレメント１２、１３上の光触媒層の作用で上記の水が浄化される。この場合、水が混合エレメント１２、１３の作用で十分に混合され、かつ混合エレメント１２、１３上の光触媒層が上下左右の紫外線ランプ１４および反射板１５の作用で全面を照射されるので、上記の浄化が極めて効率的に行なわれる。

図３に示す実施形態２では、スタティックミキサー１６の外管１７の内面に反射面が形成され、この内面における各混合エレメント１２、１３の表面および裏面と対向する部分に混合エレメント１２、１３よりも長さの短い紫外線ランプ１８が配置される。したがって、混合エレメント１２、１３の表面および裏面は、紫外線ランプ１８を出た紫外線で直接照射されると共に、紫外線ランプ１８を出て外管１７の内面に向かい、この内面から反射される紫外線でも照射される。したがって、混合エレメント１２、１３の光触媒層全体が水の浄化に作用する。

図４に示す実施形態３は、３本のスタティックミキサー１０を並列に接続した例である。すなわち、左右の給水本管２０、２０間に３本の枝管２１を介して３本のスタティックミキサー１０が並列に接続され、上下に隣接する２本のスタティックミキサー１０の間に紫外線ランプ１４が設置され、これら３本のスタティックミキサー１０および２本の紫外線ランプ１４が反射板２２で囲まれ、上記３本のスタティックミキサー１０内の混合エレメント１２，１３上の光触媒層に対し、上記の紫外線ランプ１４および反射板２２から紫外線が照射され、３本のスタティックミキサー１０を通過する水が浄化される。

図５に示す実施形態４では、４本の並行なスタティックミキサー１０が正方形に配列され、その中心および互いに隣接する２本のスタティックミキサー１０の間の合計５箇所にそれぞれ紫外線ランプ１４が配置され、上記４本のスタティックミキサー１０が前記図４の実施形態３と同様に給水本管の間に枝管を介して並列に接続され、これら全体が円筒状の反射板２４で囲まれる。そして、上記４本のスタティックミキサー１０内の光触媒層に対し、上記の紫外線ランプ１４および反射板２４から紫外線が照射され、４本のスタティックミキサー１０を通過する水がスタティックミキサー１０内の光触媒層で浄化される。

図６および図７に示す実施形態５は、２１本のスタティックミキサー１０を直列に接続した例を示している。すなわち、水平方向に向けた２１本のスタティックミキサー１０を３列７段に配列し、図６において紙背側最上段のスタティックミキサー１０から手前側最下段のスタティックミキサー１０までをＵ字管２６を介して直列に接続し、紙背側最上段のスタティックミキサー１０および手前側最下段のスタティックミキサー１０にそれぞれ上流側給水管２７および下流側給水管２８を接続し、上記のスタティックミキサー１０と並行に３２本の紫外線ランプ１４を４列８段に、かつ図７においてスタティックミキサー１０の上下左右に位置するように配列する。なお、２９はチャンバで、上記のスタティックミキサー１０および紫外線ランプ１４を囲む箱形に形成され、このチャンバ２９の内面には反射板が張られている。

上記図６、７の装置において、上流側給水管２７から風呂その他の供給用水を供給し、紫外線ランプ１４を点灯すると、上記の水が多数のスタティックミキサー１０を順に通過し、その間に混合エレメントで混合攪拌を繰返されて下流側給水管２８から次工程に送られる。一方、紫外線ランプ１４から出た紫外線は、チャンバ２９内面の反射板と共同してスタティックミキサー１０内の光触媒層を照射し、光触媒層に接する水を浄化する。したがって、水の浄化が極めて高度に行なわれる。

実施形態１の縦断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。実施形態２の縦断面図である。実施形態３の縦断面図である。実施形態４の横断面図である。実施形態５の正面図である。図６の左側面図である。

符号の説明

１０、１６：スタティックミキサー
１１、１７：外管
１２、１３：混合エレメント
１４、１８：紫外線ランプ（紫外光源）
１５、２２、２４：反射板
２０：給水本管
２１：枝管
２６：Ｕ字管
２７，２８：給水管
２９：チャンバ

Claims

流体の通過が可能な円筒形の外管内に外管内を直径方向に横切る板状の混合エレメント多数枚を直列に配列し、かつ隣接する混合エレメントが互いに交差するように連結してなるスタティックミキサーにおける上記混合エレメントの表裏両面に金属酸化物からなる光触媒層を形成し、この表裏両面の光触媒層に対して外管の外側または内側から紫外線を照射するようにした流体の浄化装置において、上記の混合エレメントが平板を右捻子方向または左捻子方向に１８０度捻った形状に形成され、右捻子方向に１８０度捻った形状の混合エレメントと左捻子方向に１８０度捻った形状の混合エレメントとが９０度の交差角度で交互に配設されており、上記の光触媒層に対する紫外線の照射が光透過性の外管の外側に配置された紫外光源と、該紫外光源を囲むように配置され、該紫外光源の光を受けて上記の外管に向けて反射する反射板とで行なわれることを特徴とする流体の浄化装置。
流体の通過が可能な円筒形の外管内に外管内を直径方向に横切る板状の混合エレメント多数枚を直列に配列し、かつ隣接する混合エレメントが互いに交差するように連結してなるスタティックミキサーにおける上記混合エレメントの表裏両面に金属酸化物からなる光触媒層を形成し、この表裏両面の光触媒層に対して外管の外側または内側から紫外線を照射するようにした流体の浄化装置において、上記の混合エレメントが平板を右捻子方向または左捻子方向に１８０度捻った形状に形成され、右捻子方向に１８０度捻った形状の混合エレメントと左捻子方向に１８０度捻った形状の混合エレメントとが９０度の交差角度で交互に配設されており、上記の光触媒層に対する紫外線の照射が外管内面における各混合エレメントの表面および裏面と対向する部分に配置された紫外光源と、光反射性の外管内面とにより行なわれることを特徴とする流体の浄化装置。
混合エレメントが多孔板または網板からなる請求項１または２のいずれかに記載の流体の浄化装置。