JP4907005B2 - 光触媒作用による排ガスの精製方法および前記方法を実施するためのプラント - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光触媒作用による排ガスの精製方法に関する。また、この方法を実施するためのプラントにも関する。
【０００２】
この反応は、光触媒反応と称され、また、光触媒作用としても知られ、光化学反応により、排ガス、特に空気中に存在する種々の有機および／または無機汚染物質を分解することからなり、この反応は、紫外線下での触媒の照射によって実施される。
【０００３】
本質において、光触媒作用は、３８０ナノメートル未満の波長でＵＶ線を用いて半導体固体（例えばＴｉＯ₂のような光触媒）を活性化することによって開始され、半導体内の電子変化を生じ、空気または水の存在下で、半導体の表面において酸素含有ラジカルの生成を導く。これらのラジカルは、半導体に吸着された有機または無機化合物を攻撃して、空気中の酸素を伴う連続した化学反応により、酸化の最終段階に到達するまで化合物を分解する。
【０００４】
本発明は、とりわけ、しかし限定される訳ではないが、空気の精製に関する。これは、空気が、ＮＯ_X、ＮＨ₃、Ｈ₂Ｓ、ＣＯ、Ｏ₃、塩素化または非塩素化Ｃ₂−Ｃ₄アルケン、クロロメタン、イソオクタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、イソプロピルベンゼン、飽和脂肪性Ｃ₁−Ｃ₄アルコール、メチルメルカプタン、クロロフェノール、ニトロフェノール、メチル tert-ブチルエーテル、ジメトキシメタン、Ｃ₁−Ｃ₄アルデヒド、アセトン、蟻酸、酢酸、２-メチルプロピオン酸、ジクロロアセチルクロリド、ジメチルホルムアミド、トリメチルアミン、アセトニトリル、ピリジン、メタンチオールまたはジメチルジスルフィドを含む、多数の汚染物質を含みうるからである。
【０００５】
上述したように、とりわけ、しかし限定される訳ではないが、光触媒反応の引き金を引くことができる光触媒試薬として、アナターゼ二酸化チタンＴｉＯ₂を利用するものであって、これは、ＵＶ光によって活性化され、電子的に修飾されて、ＴｉＯ₂に吸着された有機炭素質鎖を攻撃することができるヒドロキシルＯＨ^・ラジカルおよび酸素Ｏ^・ラジカルを形成し、分解により有機炭素を完全に二酸化炭素へと変換する。しかしながら、金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、アクチニド金属酸化物および希土類金属酸化物からなる群に与えられているもののような別の光触媒試薬を考えることができる。
【０００６】
実際、光触媒試薬は、特にセルロース繊維または合成不織基体またはガラス繊維基体等の基体に結合試薬により結合される。かかる組合せは、用語“フィルター媒体(filter media)”としても表され、広く知られており、例えば出願人のPCT/FR 99/00748の国際特許出願に開示されている。
【０００７】
これらのフィルター媒体は、ＵＳ-Ａ-５７９０９３４号公報に開示されているような、光触媒反応による空気の精製のためのプラントにおいて用いることができる。この公報の主題をなす反応器は、光触媒組成物で被覆された複数の繊維状基体を表し、この基体は、ＵＶ線の下で、精製される排ガスに覆われる。また、光源が実質的に繊維基体に対して垂直であることも明記されている。
【０００８】
この種の反応器は、デザインが比較的シンプルではあるが、排ガスの精製の程度は比較的低いままである。かくして、実施例１から、ホルムアルデヒドの変換の程度が６５％だけであることが観察される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
言い換えると、本発明が解決しようとする課題は、従来技術よりも効率的な排ガスの精製方法を開発することである。
【００１０】
本発明が解決しようとする別の課題は、デザインがシンプルである、前記方法を実施するためのプラントを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、汚染された空気が放出される領域に容易に設置することができるプラントを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明は、光触媒反応による排ガスの精製方法を提供するものであり、この方法によれば、一段階における紫外線照射のもとで、少なくとも一つの第一基体を覆い包み、かつ、第二基体を横切るように、排ガスを移動させる。ここで、前記第一基体と第二基体とは少なくとも一つの光触媒試薬で被覆されている。
【００１３】
言い換えれば、本発明の処理方法は、処理される排ガスによる、光触媒試薬で被覆された基体の、覆い包み(lapping)及び横切り(traversing)移動を組合せることからなる。これは、紫外線照射のもとで、かかる組合せが、光触媒試薬で被覆された基体の排ガスによる覆い包みまたは横断移動のみと比べて、精製効率を顕著に増大させることができることが観察されたからである。
【００１４】
排ガスの向けられかたによっては、前記排ガスが第一および第二基体を覆い包み、次いで前記第二基体を横切る。
【００１５】
別の実施態様によれば、この排ガスは、第一基体のみを覆い包み、第二基体を横切る。
【００１６】
既に述べたように、本発明は、上記方法を実施するためのプラントにも関する。かかるプラントは、光反応器(photoreactor)と称することができる。
【００１７】
第一の特徴によれば、光触媒反応による排ガスを精製するためのプラントは、
−紫外線源；
−以下の、二つの同軸チャンバ：
・外チャンバ［壁の内面が、少なくとも一つの光触媒試薬で被覆された基体を提示する］；
・内チャンバ［壁に穴が設けられており、壁の外面が、少なくとも一つの光触媒試薬で被覆された基体を提示する］；
−精製される排ガスの取り込み手段；
−精製された排ガスの放出手段；
を含み、精製される排ガスは、少なくとも外チャンバの壁の内面を覆い包み、内チャンバの壁を横切るように向けられる。
【００１８】
有利な実施態様では、外側および内チャンバがいずれも、円筒状形態である。
【００１９】
さらに、光触媒反応を開始し、かつ、その速さを増すために、ＵＶ線源が、円筒状の外チャンバの壁と円筒状の内チャンバの壁との間に、前記壁と並行して配置された少なくとも一つの管状ＵＶランプの形態で設けられる。
【００２０】
処理される排ガスをプラントに導入するために、排ガスの取り込み手段が、円筒状の外チャンバの一方の面に挿入された少なくとも一つの開口の形態で設けられる。
【００２１】
前記開口は、有利に、インジェクターを具備する。
【００２２】
好ましい実施態様では、排ガスの取り込み手段が、円筒状の外チャンバの一つの面にわたって一様に配置されたインジェクターを備えた１２の開口の形態で提供され、前記円筒状の外チャンバ内において排ガスの均一な分散を得る。
【００２３】
対照的に、精製された空気を放出させるために、排ガスの放出手段が、円筒状の内チャンバの反対面に挿入された少なくとも一つの開口の形態で設けられる。
【００２４】
処理される排ガスの対流を改善するために、二つの円筒状チャンバの少なくとも一つが、回転運動で動かされる。こうして、処理される排ガスが、乱流の、かくして覆い包み移動に従って円筒状の外チャンバの壁に対して接線方向に移動し、かくして、円筒状の外チャンバの壁および円筒状の内チャンバの壁を同時に覆うことができ、次いで、最後に円筒状の内チャンバの壁を横切ることができる。
【００２５】
第一の実施態様では、二つの円筒状チャンバがそれぞれ同じ方向に回転する。
【００２６】
第二の実施態様では、二つの円筒状チャンバがそれぞれ反対の方向に回転する。
【００２７】
第三の実施態様では、一つの円筒状チャンバが回転する。
【００２８】
処理された排ガスの脱離を促進するために、このプラントは、吸引手段を具備してもよい。あらゆる既知の吸引手段が考えられる。
【００２９】
本発明およびその利点は、添付の図面と併せて、以下の実施例から明らかになるであろう。
【００３０】
【発明の実施の形態】
* 光反応器としても知られる本発明のプラント
本発明の光反応器は、図１に示されており、円筒状の外チャンバ（１）［その壁の内面（２）は光触媒試薬で被覆された基体（３）を提示する］および円筒状の内チャンバ（４）［その穴が設けられた壁（５）は、その外面に、光触媒試薬で被覆された基体（６）を提示する］を含む。
【００３１】
実際に、円筒状チャンバ（４）の穴が設けられた壁（５）に対する被覆された基体（６）の取り付けは、円筒状チャンバ（４）の母線に沿って適切な形状に取り付けバー(fixing bar)を締め付け、そして、円筒状チャンバ（４）の各端において環状伸縮継手を用いてかみ合わせることによって得られる。
【００３２】
円筒状チャンバ（１）の内壁（２）に対する被覆された基体（３）の取り付けは、円筒状チャンバ（１）の適切な形状を、リークタイト(leaktight)シールのリップにおいてかみ合わせることによって得られる。
【００３３】
参照番号（７）として表される管状ＵＶランプは、円筒状の外チャンバ（１）と円筒状の内チャンバ（４）とを分ける空間に、それらの壁と並行して配置される。実際に、ＵＶランプは、円筒状の外チャンバの壁と、円筒状の内チャンバの壁とから、同じ距離に配置される。
【００３４】
処理される汚染された排ガス（８）を取り込むために、参照番号（９）とされた、二つの開口が表されており、二つの同心の円筒状チャンバ（１、４）の上面（１０）に、円筒状の外チャンバの周辺部近傍に挿入されている。円筒状の外チャンバの端部近傍に一様に配置された開口を考えることもできる。インジェクターは図示されていない。
【００３５】
処理された排ガス（１１）を脱離させるために、円筒状の内チャンバの反対の面に、参照番号（１２）とされた開口が示されている。
【００３６】
処理される排ガスの対流を可能にするため、二つの各円筒状チャンバが回転運動で動かされる。図１では、円筒状チャンバは、両方向に回転できるように図示されている。その結果、ガス流が乱流移動し、少なくとも円筒状の外チャンバの壁の内面を覆い包み、排ガスが円筒状の内チャンバの壁を横切る。この通路の簡素化した表記が、プロットされている（１３）。
【００３７】
^*光触媒作用による処理のためのパイロットプラント
光触媒作用による処理のためのパイロットプラントが、図２に図示されている。このパイロットプラントは、本発明の光反応器（１４）を含み、その上部から、空気（１５）と所定の濃度の汚染物質を有する排ガス（１６）との混合物を取り込む。空気は、有利に、加湿器（１７）を用いて加湿することができる。温度計（１８）と湿度計（１９）も、この回路に設けられている。精製前後の排ガスの組成が、ガスクロマトグラフィー（２０）によって調べられる。
【００３８】
【実施例】
^*上記パイロット処理プラントで実施された試験
約２３８ｐｐｍｖのメタノールの比率を有する、メタノールと空気とからなる排ガスから汚染物質を取り除く程度を、このパイロット処理プラントを用いて評価した。この排ガスの組成を以下の表に記載する。
【表１】

Ｖｍ：２０℃におけるモル体積［Ｌ³］
Ｃ_i：光反応器の入り口におけるメタノールの濃度［Ｍ.Ｌ^-3］
Ｍ：メタノールのモル質量［Ｍ］
ｄ：メタノールの密度［Ｍ.Ｌ^-3］
【００３９】
所定の濃度のメタノールを有する排ガス（１６）は、０．７バールという低い圧力下で、チャンバに液状メタノールを導入することによって調製される。次いで、濃縮されたメタノールが空気（１５）に希釈され、得られた混合物の相対湿度が加湿器（１７）によって与えられる。温度計（１８）と湿度計（１９）は、このプラントにおいて排ガスの温度と相対湿度とを測定する。
【００４０】
メタノールの濃度は、水素炎イオン化検出器を用いて測定される。
【００４１】
光触媒試薬で被覆された基体は、Tiona PC 500の商品名で市販されている、ＴｉＯ_２組成物で被覆されたガラス繊維からなる基体である。このガラス繊維は、１０ｇ／ｍ^２のＴｉＯ_２の比率で被覆されている。
【００４２】
操作条件は以下の通りである：
−反応器の入り口における排ガスの相対湿度 ０％
−温度 １９〜２１℃
−ランプの数 ０または１２
−対向回転速度 ±２５回/分
【００４３】
ａ／光触媒作用の証明
１、２、３および４と称する種々の実験を行った。
実験１はＴｉＯ₂またはＵＶを用いずに行った（希釈）。
実験２はＴｉＯ₂を用いず、ＵＶを用いて行った（光分解）。
実験３はＴｉＯ₂を用い、ＵＶを用いずに行った（吸着）。
実験４はＴｉＯ₂およびＵＶを用いて行った（光触媒作用）。
【００４４】
時間に対する処理された排ガス中のメタノール濃度は、図３に示されている。
【００４５】
曲線２１（実験２）および２２（実験１）に示されているように、基体が光触媒試薬で被覆されていない場合に、光触媒作用の現象が起こらないことが見出される。
【００４６】
曲線２３（実験３）は、ＴｉＯ₂の汚染物質吸着力を示す。最後に、曲線２４（実験４）は、ＵＶ下におけるＴｉＯ₂における光触媒作用による汚染物質の分解の有効性を示し、次いで、光触媒作用によるその分解の有効性を示す。光触媒作用の現象が早くかつ完全であることに注意する。
【００４７】
ｂ／光反応器の壁における排ガスの接触様式の影響
この例では、汚染物質を含む排ガスが三つの異なるコースに処される。
−外チャンバの壁の内面を覆う処理；
−内チャンバの壁を横断される処理；
−少なくとも外チャンバの内面を覆う処理および内チャンバの壁が横断される処理。
【００４８】
図４は、排ガスが、横断移動（曲線２５）、覆い包み移動（曲線２６）、またはこれら二つの移動の組合せ（曲線２７）に処される場合の、ＴｉＯ₂の汚染物質吸着力に対する接触様式の影響を示す。
【００４９】
この図に示されているように、ＴｉＯ_２で被覆されている基体は、横断移動のみでは非常に早く飽和され、単なる覆い包み移動によってやや早く飽和される。一方、排ガスが覆い包みと横断の組合せに処される場合には、飽和が非常に遅い。
【００５０】
光触媒試薬で被覆された基体における排ガスの光触媒作用は、図５に示されている。
【００５１】
この図に示されているように、覆い包みと横断の組合せ（曲線２８）は、完全に有効な光触媒効果を得ることを可能にするが、単なる横断処理（曲線２９）または覆い包み処理（曲線３０）は、不十分なままである。
【００５２】
もちろん、かかるプラントは、汚染物質を含んだ排ガスを放出し得るあらゆる領域に設置することができる。
【００５３】
本発明およびその利点は、上記記載から明らかである。特に、覆い包み移動と横断移動の組合せによる排ガスの精製処理効率、並びに、プラントのシンプルなデザインには、注目すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のプラントを図式的に示す図である。
【図２】 光触媒作用により排ガスを処理するためのパイロットプラントを図式的に示す図である。
【図３】 図２にかかるパイロット処理プラントにおける処理後の時間に対するメタノール濃度を図示したものである。
【図４】 光触媒試薬の吸着力に関する、排ガスの、光反応器の壁に対する接触様式の影響を示す。
【図５】 光触媒作用に関する、排ガスの、光反応器の壁に対する接触様式の影響を示す。
【符号の説明】
１ 外チャンバ
３ 基体
４ 内チャンバ
６ 基体
７ ＵＶランプ
８ 排ガス
９ 開口
１２ 開口

Claims (8)

1. - 紫外線源（７）；
   - 以下の、二つの同軸チャンバ：
   ・壁の内面（２）が、少なくとも一つの光触媒試薬で被覆された第一基体（３）で覆われた外チャンバ（１）；
   ・壁（５）に穴が設けられ、当該壁の外面が、少なくとも一つの光触媒試薬で被覆された第二基体（６）で覆われた内チャンバ（４）；
   - 精製される排ガスの取り込み手段（９）；
   - 精製された排ガスの放出手段（１２）；
   を備え、前記精製される排ガスが、外チャンバの壁の内面を覆い包み、かつ内チャンバの壁を横切るように移動する（１３）、光触媒反応による排ガスの精製を実施するためのプラントであって、
   前記外チャンバ（１）と前記内チャンバ（４）とがそれぞれ円筒状の形状であり、
   円筒状のチャンバの少なくとも一つが、回転運動で動かされることを特徴とする、プラント。
2. 紫外線源が、円筒状の外チャンバの壁と円筒状の内チャンバの壁との間に、前記壁と並行して配置された、少なくとも一つの管状ＵＶランプ（７）の形態で設けられることを特徴とする、請求項１に記載のプラント。
3. 排ガスの取り込み手段が、円筒状の外チャンバ（１）の一方の面の周辺部に挿入された少なくとも一つの開口（９）の形態で設けられていることを特徴とする、請求項１または２に記載のプラント。
4. 排ガスの放出手段が、円筒状の内チャンバの反対の面に挿入された開口（１２）の形態で設けられていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のプラント。
5. 二つの円筒状チャンバが同じ方向に回転することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のプラント。
6. 二つの円筒状チャンバが反対方向に回転することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のプラント。
7. 排ガスの吸引手段をさらに具備することを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のプラント。
8. 光触媒反応による排ガスの精製方法であって、
   前記排ガスが、紫外線源による紫外線照射のもとで、第一基体および第二基体を覆い包むように、かつ前記第二基体を横切るように移動し、
   前記第一基体と第二基体とが少なくとも一つの光触媒試薬で被覆される、
   請求項１に記載のプラントを用いることを特徴とする、精製方法。

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