JP2005334734A - Photocatalyst module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、空気浄化装置や水浄化装置に適用される光触媒モジュールに関する。 The present invention relates to a photocatalyst module applied to an air purification device and a water purification device.
空気浄化技術や水処理技術といった環境分野において、光触媒が注目されている。 Photocatalysts are attracting attention in environmental fields such as air purification technology and water treatment technology.
光触媒は、エネルギー源として太陽光や蛍光灯を直接利用することが可能であるため、応用範囲が広く、環境にやさしいという利点を持ち、環境装置に適用するのに有効な技術である。 Since photocatalyst can directly use sunlight or fluorescent lamps as an energy source, it has the advantages of wide application range and environmental friendliness, and is an effective technology for application to environmental devices.
光半導体粒子に対して、そのバンドギャップ以上のエネルギを持つ波長の光を与えると、価電子帯に存在する電子が光励起されて伝導帯に移動し、価電子帯に正孔(ホール)が形成される。励起された電子(e−)は酸素と反応してスーパーオキサイドアニオン(・O2 −)を生成し、また正孔は水と反応してヒドロキシラジカル(・OH)を生成する。 When light of a wavelength with energy greater than the band gap is given to the optical semiconductor particle, electrons existing in the valence band are photoexcited and moved to the conduction band, and holes are formed in the valence band. Is done. The excited electron (e − ) reacts with oxygen to generate a superoxide anion (.O 2 − ), and the hole reacts with water to generate a hydroxy radical (.OH).
このスーパーオキサイドアニオン(・O2 −)は強い還元力を持ち、また、ヒドロキシラジカル(・OH)は強い酸化力を持つ。この強い酸化力と還元力を利用することにより有害物質を無害化するため、環境分野への応用が期待される。
しかしながら、光触媒における反応速度は、一般に迅速ではなく、反応効率の面で改善の余地があった。 However, the reaction rate in the photocatalyst is generally not rapid, and there is room for improvement in terms of reaction efficiency.
この光触媒反応の高効率化を目的とした技術としては、例えば特開平9−262482号公報に記載されたものがあり、同公報には、Cr、V、Cu、Fe、Mg、Ag、Pd、Ni、MnおよびPtのうちから選択される少なくとも一種の金属イオンを1×1015個/g−TiO2以上の割合で酸化チタンの表面あるいは内部に含有する光触媒により触媒の反応効率を向上する技術が開示されている。 As a technique aiming at high efficiency of this photocatalytic reaction, for example, there is one described in JP-A-9-262482, which includes Cr, V, Cu, Fe, Mg, Ag, Pd, Technology for improving the reaction efficiency of a catalyst by a photocatalyst containing at least one metal ion selected from Ni, Mn and Pt at a rate of 1 × 10 15 ions / g-TiO 2 or more on the surface or inside of titanium oxide Is disclosed.
また、特開平2−107339号公報には、反応ガスおよび光が流通可能な3次元構造の基材上に光触媒物質を担持させて、触媒構造体を形成し、触媒効率を向上する技術が開示されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2-107339 discloses a technique for improving the catalyst efficiency by forming a catalyst structure by supporting a photocatalytic substance on a base material having a three-dimensional structure through which a reaction gas and light can flow. Has been.
さらに、特開平8−103631号公報に記載された光触媒技術には、球状の耐熱ガラスを融着して形成されたガラスフィルターに、チタンのアルコキシドとアルコールアミン類等から調整されたチタニアゾルあるいはチタニアゾルにポリエチレングリコールまたはポリエチレンオキサイドを添加したものをコーティングし、室温から徐々に600℃〜700℃程度に温度上昇させて製造した光触媒を用いて触媒反応効率を向上させる技術が開示されている。 Furthermore, in the photocatalytic technique described in JP-A-8-103631, a titania sol or titania sol prepared from titanium alkoxide and alcohol amines is applied to a glass filter formed by fusing a spherical heat-resistant glass. A technique for improving the catalytic reaction efficiency using a photocatalyst produced by coating polyethylene glycol or polyethylene oxide and gradually increasing the temperature from room temperature to about 600 ° C to 700 ° C is disclosed.
しかしながら、光触媒機能を活用し、環境浄化技術として十分な効率を実現する光触媒技術は提案されていなかった。 However, a photocatalytic technology that utilizes the photocatalytic function to achieve sufficient efficiency as an environmental purification technology has not been proposed.
また、触媒の担持体である基材の表面積はできるだけ大きいことが好ましい。そのため、少ない体積で大きな表面積を得るため、比表面積の大きな多孔質体を基材とした光触媒モジュールが使用される。 Further, it is preferable that the surface area of the base material which is a catalyst carrier is as large as possible. Therefore, in order to obtain a large surface area with a small volume, a photocatalyst module based on a porous body having a large specific surface area is used.
しかしながら、光触媒モジュールに光を照射する場合、多孔質基材の孔部には十分な光が供給されず、表面積の大きな基材を使用しても、光触媒反応は主に基材の外表面部のみで起こり、基材孔部の光触媒層が活用されていなかった。 However, when irradiating light to the photocatalyst module, sufficient light is not supplied to the pores of the porous substrate, and even if a substrate having a large surface area is used, the photocatalytic reaction is mainly performed on the outer surface portion of the substrate. The photocatalyst layer in the base material hole was not utilized.
本発明は、上述した事情を考慮してなされたものであり、多孔質基材の孔部の光触媒層の触媒機能を有効に活用し、反応効率を向上させた光触媒モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a photocatalyst module in which the catalytic function of the photocatalyst layer in the pores of the porous substrate is effectively utilized and the reaction efficiency is improved. And
本発明に係る光触媒モジュールは、上述した課題を解決するために、光触媒物質からなる光触媒層を基材の表面に一体に形成した光触媒モジュールにおいて、前記基材を多孔質材で形成し、その孔部に光ファイバを設けたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems, the photocatalyst module according to the present invention is a photocatalyst module in which a photocatalyst layer made of a photocatalyst material is integrally formed on the surface of the base material. An optical fiber is provided in the part.
本発明に係る光触媒モジュールによれば、光ファイバを基材に備えることにより、基材孔部に光が導入され、孔部における光触媒機能が活用される。従って、光触媒の反応効率を向上した光触媒モジュールを提供することが可能である。 According to the photocatalyst module according to the present invention, by providing the base material with the optical fiber, light is introduced into the base material hole, and the photocatalytic function in the hole is utilized. Accordingly, it is possible to provide a photocatalyst module with improved photocatalytic reaction efficiency.
本発明に係る光触媒モジュールおよびその製造方法について、図を参照して以下に説明する。 The photocatalyst module and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の光触媒モジュールの第1の実施形態である光触媒モジュール10の微細な部分を模式的に示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a fine portion of a
光触媒モジュール10は基材1上に光ファイバ2を配置し、この基材1の表面に光触媒層3(酸化チタン膜)を形成して構成される。
The
基材1は、例えば、コージェライト等の多孔質構造を有する材料を3次元スポンジ構造に形成して構成される。
The
このように、多孔質材料をさらに3次元スポンジ構造に形成して基材1を構成することにより、基材1の比表面積が増大し、小さい体積で大きな触媒接触面積を得ることができる。
In this way, by forming the
また、3次元スポンジ構造の基材1とすることにより、基材1を流通するガスや液体の流れに乱れを生じ、光触媒層3と被分解物質との接触機会が増加するため、反応効率が向上する。
Further, by using the
基材1と光ファイバ2との接合点は、熱処理等の接合方法により接合される。
The joining point of the
この光触媒モジュール10においては、外部から照射された光が、光ファイバ2を透過して基材1の孔部1aの内部まで到達するため、基材1の外表面1bだけでなく孔部1aにおいても光触媒による反応が起こる。
In this
そのため、従来の光触媒モジュールにおいて利用されなかった多孔質の基材の孔部における触媒機構が利用可能となるため、光触媒を用いた見かけ上の反応速度を向上させることが可能である。 Therefore, a catalyst mechanism in the pores of the porous substrate that has not been used in the conventional photocatalyst module can be used, so that the apparent reaction rate using the photocatalyst can be improved.
特に、光触媒モジュール10は、孔部1aが有底状の孔部で、開口部が狭く、孔部の内部容積が大きい場合や、孔部1aが分岐した形状の場合等、光ファイバにより光の照射が行われにくい箇所についても光照射が可能であり、触媒効率を大幅に向上する。
In particular, the
本発明者らは、光触媒モジュールにおいて光ファイバを配置することによりもたらされる効果についてさらに検証した。 The present inventors further verified the effect brought about by arranging the optical fiber in the photocatalytic module.
光ファイバ(酸化ケイ素製)と、比較のために用意した光透過性を有さない繊維状物質(炭化ケイ素製ファイバ)を、それぞれ基材に配置して光触媒モジュールを作成し、両者の触媒性能を比較した。 An optical fiber (made of silicon oxide) and a non-light-transmitting fibrous material (silicon carbide fiber) prepared for comparison are placed on the base material to create a photocatalyst module. Compared.
まず、コージェライト(低熱膨張セラミックス)製の多孔質材料を3次元スポンジ構造に形成した基材1に光ファイバ2(酸化ケイ素製、直径0.1mm、長さ3mm)を配置して接合した。この基材1に濃度30%、結晶粒子6nmの酸化チタンゾルを用いてディップコーティングを行い、基材1の表面に光触媒層3を形成して光触媒モジュールを作成した。その後、焼付けのため550℃の温度条件で1時間大気中にて焼成した。
First, an optical fiber 2 (made of silicon oxide, diameter 0.1 mm,
この熱処理の後、走査型電子顕微鏡で光触媒モジュールの断面を観察したところ、基材1の表面に酸化チタンの均質な光触媒層3が形成され、皮膜の膜厚が約1μmであることが確認された。
After this heat treatment, the cross section of the photocatalyst module was observed with a scanning electron microscope. As a result, it was confirmed that a
一方、比較に用いる光触媒モジュールは、光ファイバの材質を炭化ケイ素(例えば、直径0.1mm、長さ3mm)とした他は、全て同様の条件の光触媒モジュールとした。
On the other hand, the photocatalyst modules used for comparison were all photocatalyst modules under the same conditions except that the material of the optical fiber was silicon carbide (for example, diameter 0.1 mm,
この両者の光触媒モジュールを使用して、アンモニアガスの光触媒浄化性能を評価した。評価方法は、それぞれの光触媒モジュールにブラックライト(平均波長370nm、強度3mW/cm2)を照射しつつ、アンモニアガス(初期濃度200ppm)を流量1リットル/分で流通して、光触媒モジュールの出口アンモニアガス濃度を比較した。 The photocatalytic purification performance of ammonia gas was evaluated using both photocatalyst modules. In the evaluation method, each photocatalyst module was irradiated with black light (average wavelength: 370 nm, intensity: 3 mW / cm 2 ), and ammonia gas (initial concentration: 200 ppm) was circulated at a flow rate of 1 liter / min. The gas concentrations were compared.
図2にそれぞれの光触媒モジュールによる出口アンモニアガス濃度を示す。出口アンモニア濃度が低いほど、光触媒によるアンモニアガスの分解が高効率で行われたことを示している。 FIG. 2 shows the outlet ammonia gas concentration by each photocatalyst module. The lower the ammonia concentration at the outlet, the more efficiently the ammonia gas was decomposed by the photocatalyst.
図2に明らかなように、炭化ケイ素ファイバを配置した光触媒モジュールを使用した場合は、アンモニアガス濃度は60ppm程度であったのに対し、酸化ケイ素光ファイバを基材に配置した光触媒モジュールの出口アンモニアガス濃度は、ほぼ0ppmであり、光触媒によりアンモニアガスが効率よく分解されており、光ファイバを配置した光触媒モジュールの優位性が明らかとなった。 As apparent from FIG. 2, when the photocatalyst module having the silicon carbide fiber disposed thereon was used, the ammonia gas concentration was about 60 ppm, whereas the exit ammonia of the photocatalyst module having the silicon oxide optical fiber disposed on the substrate. The gas concentration was almost 0 ppm, and ammonia gas was efficiently decomposed by the photocatalyst, which revealed the superiority of the photocatalyst module in which the optical fiber was arranged.
これは、本実施例の光触媒モジュールにおいては、基材に配置した光ファイバにより、外部から照射された光が、基材孔部まで誘導され、基材の外表面だけでなく、孔部でも光触媒によるアンモニアガスの分解がなされたことによる。 This is because, in the photocatalyst module of this example, the light irradiated from the outside is guided to the hole of the base material by the optical fiber arranged on the base material, and the photocatalyst is not only at the outer surface of the base material but also at the hole. This is because of the decomposition of ammonia gas.
光ファイバは長繊維であるため、基材孔部の有底状形状に追従して導入される。このため、効率的に孔部の光触媒に光が照射され、光触媒層の触媒性能を最大限に活用することが可能である。 Since the optical fiber is a long fiber, it is introduced following the bottomed shape of the base material hole. For this reason, light is efficiently irradiated to the photocatalyst of a hole part, and it is possible to utilize the catalyst performance of a photocatalyst layer to the maximum.
なお、光ファイバを配置した光触媒モジュールにおいて、基材の体積分率は、10%〜50%が好ましい。基材の体積分率が10%より小さいと、光触媒層を設ける面積が少なくなる。また、基材の体積分率が50%より大きいと、光触媒モジュールを流体が通過するときの圧力損失が大きくなり、反応効率が低下する。 In addition, in the photocatalyst module which has arrange | positioned the optical fiber, 10%-50% of the volume fraction of a base material is preferable. When the volume fraction of the substrate is less than 10%, the area for providing the photocatalytic layer is reduced. On the other hand, if the volume fraction of the substrate is greater than 50%, the pressure loss when the fluid passes through the photocatalyst module increases, and the reaction efficiency decreases.
一方、光ファイバを配置した光触媒モジュールにおいて、光ファイバの体積分率は、30%以下が好ましい。光ファイバの体積分率が30%を超えると、光触媒モジュールを流体が通過するときの圧力損失が大きくなり、反応効率が低下する。 On the other hand, in the photocatalyst module in which the optical fiber is disposed, the volume fraction of the optical fiber is preferably 30% or less. When the volume fraction of the optical fiber exceeds 30%, the pressure loss when the fluid passes through the photocatalyst module increases, and the reaction efficiency decreases.
次に、光触媒モジュールの光触媒性能を向上する光ファイバの光透過性について調査した。 Next, the optical transparency of the optical fiber that improves the photocatalytic performance of the photocatalyst module was investigated.
触媒試験の条件は、光透過率の異なる光ファイバを使用した光触媒モジュールにブラックライト(平均波長370nm、強度3mW/cm2)を照射しつつ、アンモニアガス(初期濃度200ppm)を流量1リットル/分で流通して、アンモニアガスの出口濃度を比較した。
The conditions of the catalyst test were as follows: a photocatalyst module using optical fibers having different light transmittances was irradiated with black light (average wavelength 370 nm,
図3に、光触媒反応に与える光ファイバの光透過率の影響についての試験結果を示す。 FIG. 3 shows the test results about the influence of the optical transmittance of the optical fiber on the photocatalytic reaction.
図3のように、光透過率が0%の場合、光は基材の孔部に導入されないため、基材の外表面以外の光触媒層の触媒機能を活用することができない。光透過率が20%の場合、光透過率が0%の場合に比較して出口アンモニアガス濃度が70ppm程度と低減されており、触媒によるアンモニアガスの分解作用が向上する。光透過率30%の場合、40ppm程度まで低減され、さらに光透過率40%、60%とすると、出口アンモニアガス濃度は、それぞれ30ppm、20ppm程度まで低減され、さらに触媒反応が効率化することが明らかとなった。 As shown in FIG. 3, when the light transmittance is 0%, light is not introduced into the hole of the base material, so that the catalytic function of the photocatalyst layer other than the outer surface of the base material cannot be utilized. When the light transmittance is 20%, the outlet ammonia gas concentration is reduced to about 70 ppm as compared with the case where the light transmittance is 0%, and the decomposition action of the ammonia gas by the catalyst is improved. If the light transmittance is 30%, it is reduced to about 40 ppm, and if the light transmittance is 40% and 60%, the concentration of the outlet ammonia gas is reduced to about 30 ppm and 20 ppm, respectively, and the catalytic reaction becomes more efficient. It became clear.
そこで、光触媒モジュールに配置する光ファイバの光透過率は、30%〜100%とした。 Therefore, the light transmittance of the optical fiber arranged in the photocatalyst module is set to 30% to 100%.
次に、この光触媒モジュールにおける光ファイバ2の形状に関する最適条件について検証した。
Next, the optimum condition regarding the shape of the
まず、直径0.3mmの光ファイバについて、それぞれ5mm、10mmおよび15mmの3種類の長さの光ファイバを用意して基材に配置して接合し、この基材に濃度30%、結晶粒子6nmの酸化チタンゾルを用いてディップコーティングを行い、基材の表面に光触媒層3を形成して光触媒モジュールを作成した。
First, for an optical fiber having a diameter of 0.3 mm, optical fibers having three lengths of 5 mm, 10 mm, and 15 mm are prepared, arranged on a base material, and bonded to the base material. Dip coating was performed using the titanium oxide sol, and a
試験条件は、光触媒モジュールにブラックライト(平均波長370nm、強度3mW/cm2)を照射しつつ、アンモニアガス(初期濃度200ppm)を流量1リットル/分で流通して、アンモニアガスの出口濃度を比較した。
The test condition was that ammonia gas (initial concentration 200 ppm) was circulated at a flow rate of 1 liter / min while irradiating the photocatalyst module with black light (average wavelength 370 nm,
各長さの光ファイバによる触媒性能の比較結果を図4に示す。 FIG. 4 shows a comparison result of the catalyst performance with the optical fibers having different lengths.
図4に示す結果に明らかなように、光ファイバ長さを5mmとした場合において、出口アンモニウムガス濃度は10ppm以下となっており、光ファイバを設けることにより、光触媒によるアンモニアガスの分解が効率化される。 As is apparent from the results shown in FIG. 4, when the length of the optical fiber is 5 mm, the outlet ammonium gas concentration is 10 ppm or less, and the provision of the optical fiber improves the efficiency of decomposition of ammonia gas by the photocatalyst. Is done.
光ファイバの長さが5mmより長くなると、光触媒作用による分解効率が低下する傾向を示す。例えば、光ファイバの長さが10mmの場合、出口アンモニアガス濃度が20ppm程度に上昇し、光ファイバ長さを15mmとした場合、出口アンモニアガス濃度が40ppm程度まで上昇する。 When the length of the optical fiber is longer than 5 mm, the decomposition efficiency due to the photocatalytic action tends to decrease. For example, when the length of the optical fiber is 10 mm, the outlet ammonia gas concentration increases to about 20 ppm, and when the length of the optical fiber is 15 mm, the outlet ammonia gas concentration increases to about 40 ppm.
これは、光ファイバの長さが10mmを超えると、光ファイバが長繊維であるため、光ファイバ同士の絡みが生じ、光触媒層内部に光を透過するのに最適な形状とすることができないためである。 This is because, when the length of the optical fiber exceeds 10 mm, the optical fiber is a long fiber, so that the optical fibers are entangled with each other and cannot be made into an optimum shape for transmitting light into the photocatalyst layer. It is.
従って、光触媒モジュールにおいて、基材に配置する光ファイバ長さの上限は10mm以下とした。 Therefore, in the photocatalyst module, the upper limit of the length of the optical fiber disposed on the substrate is set to 10 mm or less.
光ファイバの直径が10mm以下の場合、出口アンモニア濃度の変化は緩やかであり、また、光ファイバと基材孔部の大きさの関係と、光ファイバを基材孔部に配置する目的を考慮して、光ファイバ長さの下限は0.5mmとした。 When the diameter of the optical fiber is 10 mm or less, the change in the outlet ammonia concentration is gradual, and the relationship between the size of the optical fiber and the base material hole and the purpose of arranging the optical fiber in the base material hole are considered. The lower limit of the optical fiber length was 0.5 mm.
一方、光ファイバの直径が光触媒反応に与える影響についても調査した。 On the other hand, the influence of the diameter of the optical fiber on the photocatalytic reaction was also investigated.
すなわち、長さ5mm、直径がそれぞれ0.3mm、0.5mm、0.7mmの光ファイバを用意し、基材に配置して接合した。この基材に濃度30%、結晶粒子6nmの酸化チタンゾルを用いてディップコーティングを行い、基材の表面に光触媒層を形成して光触媒モジュールを作成した。この光触媒モジュールにブラックライト(平均波長370nm、強度3mW/cm2)を照射しつつ、アンモニアガス(初期濃度200ppm)を流量1リットル/分で流通して、アンモニアガスの出口濃度を比較した。
That is, optical fibers having a length of 5 mm and a diameter of 0.3 mm, 0.5 mm, and 0.7 mm were prepared, arranged on the base material, and bonded. Dip coating was performed on this substrate using a titanium oxide sol having a concentration of 30% and crystal particles of 6 nm, and a photocatalyst layer was formed on the surface of the substrate to prepare a photocatalyst module. While irradiating this photocatalyst module with black light (average wavelength 370 nm,
その結果、図5に示すように光ファイバの直径が0.3mmの場合、出口アンモニア濃度は10ppm以下にまで分解された。また、光ファイバの直径0.5mmの場合でも、出口アンモニア濃度は約20ppmとなっており、触媒による反応が促進された。 As a result, as shown in FIG. 5, when the diameter of the optical fiber was 0.3 mm, the outlet ammonia concentration was decomposed to 10 ppm or less. Even when the diameter of the optical fiber was 0.5 mm, the outlet ammonia concentration was about 20 ppm, and the reaction by the catalyst was promoted.
しかし、光ファイバの直径がこれより大きくなると、柔軟性が低下し、光触媒層の気孔に追従する形態が取れなくなり、光ファイバの直径を0.7mmとした場合、光ファイバを基材に配置することが不可能となった。 However, when the diameter of the optical fiber is larger than this, the flexibility is lowered, and it becomes impossible to follow the pores of the photocatalyst layer. When the diameter of the optical fiber is 0.7 mm, the optical fiber is disposed on the base material. It became impossible.
従って、本発明の光触媒モジュールにおいて、光ファイバの直径の上限は0.5mm(500μm)とした。 Therefore, in the photocatalyst module of the present invention, the upper limit of the diameter of the optical fiber is set to 0.5 mm (500 μm).
光ファイバの直径が0.5mm以下の場合、出口アンモニア濃度の変化は緩やかであり、また、光ファイバの製造上の制限および光ファイバの光透過性を考慮して、光ファイバの直径の下限は1μmとした。 When the diameter of the optical fiber is 0.5 mm or less, the change in the outlet ammonia concentration is gradual, and the lower limit of the diameter of the optical fiber is set in consideration of the restrictions on the manufacturing of the optical fiber and the optical transparency of the optical fiber. It was 1 μm.
次に、基材の構造と光触媒モジュールの光触媒性能との相関について検証した。 Next, the correlation between the structure of the substrate and the photocatalytic performance of the photocatalytic module was verified.
まず、基材の気孔率について検討した。 First, the porosity of the substrate was examined.
基材の気孔率は、基材の表面積と密接に関係するため、光触媒モジュールとして最適となる気孔率を設定することにより、より触媒性能を向上することができる。 Since the porosity of the base material is closely related to the surface area of the base material, the catalyst performance can be further improved by setting the optimal porosity for the photocatalyst module.
図6に基材の気孔率と触媒効率との関係を示すグラフを示す。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the porosity of the substrate and the catalyst efficiency.
図6に示す結果に明らかなように、気孔率が10%、20%、40%と増大するのに伴い、出口アンモニアガス濃度が低減されており、触媒性能が向上するが、気孔率を80%の場合、出口アンモニアガス濃度が40ppmとなり上昇傾向を示した。 As is apparent from the results shown in FIG. 6, as the porosity increases to 10%, 20%, and 40%, the outlet ammonia gas concentration is reduced and the catalyst performance is improved, but the porosity is increased to 80%. %, The outlet ammonia gas concentration was 40 ppm, indicating an upward trend.
また、これ以上気孔率を上げると、基材の機械的強度が低下する恐れがある。 Further, if the porosity is further increased, the mechanical strength of the substrate may be lowered.
そこで、本実施例の光触媒モジュールにおいては、基材の気孔率を70%以下とした。 Therefore, in the photocatalyst module of this example, the porosity of the base material was set to 70% or less.
また、基材に多孔質材料を用いるメリットを考慮して、基材の気孔率の下限を10%とした。 In consideration of the merit of using a porous material for the base material, the lower limit of the porosity of the base material was set to 10%.
次に、基材の構造と光触媒モジュールの触媒性能との関係を検証した。 Next, the relationship between the structure of the substrate and the catalytic performance of the photocatalytic module was verified.
光触媒モジュールの基材を多孔質材料から形成された3次元スポンジ構造部材で構成した場合と、基材を金属メッシュで形成した場合とを比較した。 The case where the base material of the photocatalyst module was composed of a three-dimensional sponge structure member formed of a porous material was compared with the case where the base material was formed of a metal mesh.
触媒性能の評価方法は、それぞれの基材に光ファイバを配置して接合し、濃度30%、結晶粒子6nmの酸化チタンゾルを用いてディップコーティングを行い、基材の表面に光触媒層を形成して光触媒モジュールを作成した。この光触媒モジュールにブラックライト(平均波長370nm、強度3mW/cm2)を照射しつつ、アンモニアガス(初期濃度200ppm)を流量1リットル/分で流通して、アンモニアガスの出口濃度を比較した。
The method for evaluating the catalyst performance is to place an optical fiber on each base material and join it, dip coating using a 30% concentration titanium oxide sol with crystal particles of 6 nm, and form a photocatalytic layer on the surface of the base material. A photocatalyst module was created. While irradiating this photocatalyst module with black light (average wavelength 370 nm,
図7に示す結果に明らかなように、基材を多孔質材料で作成した光触媒モジュールは、基材を金属メッシュ材料とした光触媒モジュールの出口アンモニアガス濃度が50ppm程度であるのに比較して、出口アンモニアガス濃度が10ppm以下と低減されており、効率よくアンモニアガスを分解することが明らかとなった。 As is apparent from the results shown in FIG. 7, the photocatalyst module in which the base material is made of a porous material has a concentration of about 50 ppm at the outlet ammonia gas of the photocatalyst module in which the base material is a metal mesh material. The outlet ammonia gas concentration was reduced to 10 ppm or less, and it became clear that the ammonia gas was efficiently decomposed.
すなわち、基材を多孔質材料からなる3次元スポンジ構造部材とすることにより比表面積が増大し、また光ファイバにより孔部の触媒を利用可能とするため、高効率の光触媒反応を行う光触媒モジュールを提供することができる。 That is, by making the base material a three-dimensional sponge structure member made of a porous material, the specific surface area is increased, and the catalyst of the hole portion can be used by an optical fiber. Can be provided.
次に、光触媒モジュールの基材の材質について調査した。 Next, the material of the base material of the photocatalyst module was investigated.
すなわち、基材の材質をコージェライト製とした光触媒モジュールと、基材材質を鉄とした光触媒モジュールを作成し、その耐食性について評価した。 That is, a photocatalyst module having a base material made of cordierite and a photocatalyst module having a base material made of iron were prepared and evaluated for corrosion resistance.
評価方法は、それぞれの基材に濃度30%、結晶粒子6nmの酸化チタンゾルを用いてディップコーティングを行い、基材の表面に光触媒層を形成して作成したそれぞれの光触媒モジュールを0.1mol塩酸水溶液中に浸漬し、腐食量を比較する方法とした。 In the evaluation method, each photocatalyst module prepared by performing dip coating using a titanium oxide sol having a concentration of 30% and a crystal particle size of 6 nm on each base material and forming a photocatalyst layer on the surface of the base material is converted to a 0.1 mol hydrochloric acid aqueous solution. It was dipped in and the amount of corrosion was compared.
図8に、コージェライト製の基材を用いた光触媒モジュールの腐食量を1とした場合の、鉄製の基材を用いた光触媒モジュールとコージェライト製の基材を用いた光触媒モジュールの腐食量の比較結果を示す。 FIG. 8 shows the corrosion amount of the photocatalyst module using the iron substrate and the photocatalyst module using the cordierite substrate when the corrosion amount of the photocatalyst module using the cordierite substrate is 1. A comparison result is shown.
図8に示す結果に明らかなように、コージェライト製の基材を用いた光触媒モジュールの腐食量が1に対して、鉄製の基材を用いた光触媒モジュールの腐食量は50程度である。すなわち、コージェライト製の基材を用いた光触媒モジュールの腐食量は、鉄製の基材を用いた光触媒モジュールに比較して数十分の一に抑制されており、光触媒モジュールの基材としてコージェライトを用いることの優位性が明らかとなった。 As is clear from the results shown in FIG. 8, the corrosion amount of the photocatalyst module using the base material made of cordierite is 1, whereas the corrosion amount of the photocatalyst module using the base material made of iron is about 50. That is, the amount of corrosion of the photocatalyst module using the base material made of cordierite is suppressed to several tenths compared with the photocatalyst module using the base material made of iron, and cordierite is used as the base material of the photocatalyst module. The advantage of using is clear.
また、基材の材質はアルミナを主成分とする材料とすることもできる。 The material of the base material can be a material mainly composed of alumina.
アルミナは安価で耐久性に優れた材料であるため、このアルミナを使用して基材を作成することにより、光触媒モジュールの製作コストを低減することが可能である。 Since alumina is an inexpensive material with excellent durability, the production cost of the photocatalyst module can be reduced by making a substrate using this alumina.
図9は、基材の材質をアルミナを主成分とする材料とした光触媒モジュールと、窒化ケイ素とした光触媒モジュールとの腐食量を比較したグラフである。 FIG. 9 is a graph comparing the amount of corrosion between a photocatalyst module having a base material made of alumina as a main component and a photocatalyst module having silicon nitride.
図9に示す結果に明らかなように、アルミナを主成分とする材料製の基材を用いた光触媒モジュールの腐食量を1とした場合、窒化ケイ素製の基材を用いた光触媒モジュールの腐食量は10程度である。すなわち、アルミナを主成分とする材料製の基材は、窒化ケイ素製の基材に比較して非常に耐食性に優れており、光触媒モジュールの基材として好適である。 As is clear from the results shown in FIG. 9, when the corrosion amount of the photocatalyst module using the base material made of alumina as the main component is 1, the corrosion amount of the photocatalyst module using the silicon nitride base material is assumed. Is about 10. That is, a base material made of a material mainly composed of alumina is very excellent in corrosion resistance as compared with a base material made of silicon nitride, and is suitable as a base material for a photocatalyst module.
次に、光触媒層の膜厚と、光触媒モジュールの光触媒性能との関係について検証した。 Next, the relationship between the film thickness of the photocatalyst layer and the photocatalytic performance of the photocatalyst module was verified.
光触媒モジュールにおいて、光触媒層の膜厚をそれぞれ0.05、0.1、1、8、15μmとし、それぞれの光触媒モジュールの光触媒効率を比較した。 In the photocatalyst module, the film thickness of the photocatalyst layer was set to 0.05, 0.1, 1, 8, and 15 μm, respectively, and the photocatalytic efficiency of each photocatalyst module was compared.
評価方法は、それぞれの膜厚の光触媒層を備えた光触媒モジュールにブラックライト(平均波長370nm、強度3mW/cm2)を照射しつつ、アンモニアガス(初期濃度200ppm)を流量1リットル/分で流通して、アンモニアガスの出口濃度を比較した。
The evaluation method circulates ammonia gas (initial concentration 200 ppm) at a flow rate of 1 liter / min while irradiating a photocatalyst module having a photocatalyst layer of each thickness with black light (average wavelength 370 nm,
図10にそれぞれの膜厚の光触媒層の光触媒モジュールについての出口アンモニア濃度を比較したグラフを示す。 FIG. 10 shows a graph comparing the outlet ammonia concentrations for the photocatalyst modules of the photocatalyst layers of the respective film thicknesses.
図10に示すように、膜厚が0.05μmの場合においては、出口アンモニア濃度が50ppm程度であり、膜厚を厚くするに従い出口アンモニア濃度が低減される傾向を示す。膜厚0.1μmとした場合には20ppmに低減され、膜厚1μmのとき10ppm程度まで低減される。さらに膜厚を8μmとしたときは5ppm程度とほとんどアンモニアが分解されており、良好な結果を示す。 As shown in FIG. 10, when the film thickness is 0.05 μm, the outlet ammonia concentration is about 50 ppm, and the outlet ammonia concentration tends to decrease as the film thickness increases. When the film thickness is 0.1 μm, the thickness is reduced to 20 ppm, and when the film thickness is 1 μm, the thickness is reduced to about 10 ppm. Furthermore, when the film thickness is 8 μm, ammonia is almost decomposed at about 5 ppm, and a good result is shown.
しかし、これより膜厚を厚くすると光触媒性能は低下する傾向を示し、例えば、膜厚が15μmの場合、40ppm程度に上昇する。 However, when the film thickness is increased, the photocatalytic performance tends to decrease. For example, when the film thickness is 15 μm, it increases to about 40 ppm.
このことより、光触媒モジュールに形成する光触媒層の膜厚を0.1μm〜10μmに設定した。 From this, the film thickness of the photocatalyst layer formed in a photocatalyst module was set to 0.1 micrometer-10 micrometers.
次に、基材にディップコーティングにより光触媒層を形成するときの、酸化チタン粒子の粒径と、光触媒モジュールの光触媒性能の相関について調査した。 Next, the correlation between the particle size of the titanium oxide particles and the photocatalytic performance of the photocatalyst module when the photocatalyst layer was formed on the substrate by dip coating was investigated.
図11に酸化チタン粒子の粒径と、出口アンモニアガス濃度との相関を表すグラフを示す。 FIG. 11 is a graph showing the correlation between the particle diameter of the titanium oxide particles and the outlet ammonia gas concentration.
図11に示す結果に明らかなように、酸化チタン粒子の粒径は小さいほど出口アンモニア濃度が低減されており、良好な傾向を示す。 As is apparent from the results shown in FIG. 11, the smaller the particle size of the titanium oxide particles, the lower the outlet ammonia concentration, and the better the tendency.
酸化チタン粒子の粒径が0.1μm以下の場合、出口アンモニア濃度の変化は緩やかであるが、0.1μmを超えると出口アンモニア濃度が上昇する傾向を示す。 When the particle size of the titanium oxide particles is 0.1 μm or less, the change in the outlet ammonia concentration is gradual, but when it exceeds 0.1 μm, the outlet ammonia concentration tends to increase.
これは、酸化チタン粒子の粒径が小さいほど比表面積が増大し、光触媒層の反応性が向上するためである。 This is because the specific surface area increases as the particle size of the titanium oxide particles decreases, and the reactivity of the photocatalyst layer improves.
従って、光触媒モジュールにおいて光触媒層を形成する際の、酸化チタン粒子の粒径の上限は、0.1μm(100nm)とした。 Therefore, the upper limit of the particle diameter of the titanium oxide particles when forming the photocatalyst layer in the photocatalyst module is set to 0.1 μm (100 nm).
また、0.1μm以下の粒径の場合、出口アンモニア濃度の変化が緩やかであり、粒径の差による触媒性能の向上が顕著でなかった。 When the particle size was 0.1 μm or less, the change in the outlet ammonia concentration was gradual, and the improvement in the catalyst performance due to the difference in particle size was not significant.
従って、光触媒モジュールにおいて光触媒層を形成する際の、酸化チタン粒子の粒径の下限は、製造可能な酸化チタン粒子の粒径と製造コストとの兼ね合いから0.01μmとした。 Accordingly, the lower limit of the particle size of the titanium oxide particles when forming the photocatalyst layer in the photocatalyst module is set to 0.01 μm in view of the balance between the particle size of the manufacturable titanium oxide particles and the production cost.
一方、0.01μm(10nm)以下の超微粒子酸化チタンを凝集して光触媒層に使用してもよい。この酸化チタン粒子凝集体の粒径と光触媒層の触媒性能との相関を調査した。 On the other hand, ultrafine titanium oxide of 0.01 μm (10 nm) or less may be aggregated and used in the photocatalyst layer. The correlation between the particle size of the titanium oxide particle aggregate and the catalytic performance of the photocatalyst layer was investigated.
図12に酸化チタン粒子凝集体の粒径と、光触媒モジュールの触媒性能との相関を表すグラフを示す。 FIG. 12 is a graph showing the correlation between the particle size of the titanium oxide particle aggregate and the catalyst performance of the photocatalyst module.
図12に示す結果に明らかなように、酸化チタン粒子凝集体においても、粒径が小さいほど、光触媒モジュールの触媒性能が向上する。 As is apparent from the results shown in FIG. 12, in the titanium oxide particle aggregate, the smaller the particle size, the better the catalytic performance of the photocatalyst module.
すなわち、酸化チタン粒子凝集体とした場合は、同一体積の単独の酸化チタン粒子に比較して大きな比表面積を有するため、単独の酸化チタン粒子よりも大きな粒径で、光触媒層に高効率の触媒性能を備えることができる。 That is, when a titanium oxide particle aggregate is used, it has a larger specific surface area than a single titanium oxide particle of the same volume, and therefore has a larger particle size than a single titanium oxide particle and a highly efficient catalyst in the photocatalyst layer. Performance can be provided.
また、酸化チタン粒子凝集体とすることにより、表面形状が複雑化し、光触媒層を形成するプロセスにおいて、基材との密着性を向上する。 Further, by using titanium oxide particle aggregates, the surface shape becomes complicated, and the adhesion to the substrate is improved in the process of forming the photocatalyst layer.
しかし、二次粒子の粒径が0.2μm以上となると、比表面積が十分でなく、また、光触媒層を形成する際に、均質な光触媒層が得られにくい。 However, when the particle size of the secondary particles is 0.2 μm or more, the specific surface area is not sufficient, and it is difficult to obtain a homogeneous photocatalyst layer when forming the photocatalyst layer.
従って、光触媒モジュールにおいて光触媒層を形成する際の、酸化チタン粒子凝集体の粒径の上限を0.2μm(200nm)とした。 Therefore, the upper limit of the particle diameter of the titanium oxide particle aggregate when forming the photocatalyst layer in the photocatalyst module was set to 0.2 μm (200 nm).
また、0.2μm以下の粒径の場合、出口アンモニア濃度の変化が緩やかであり、粒径の差による触媒性能の向上が顕著でなかった。 In the case of a particle size of 0.2 μm or less, the change in outlet ammonia concentration was gradual, and the improvement in catalyst performance due to the difference in particle size was not significant.
従って、光触媒モジュールにおいて光触媒層を形成する際の、酸化チタン粒子凝集体の粒径の下限は、製造可能な酸化チタン粒子の粒径と製造コストとの兼ね合いから10nmとした。 Therefore, the lower limit of the particle diameter of the titanium oxide particle aggregate when forming the photocatalyst layer in the photocatalyst module is set to 10 nm in consideration of the particle diameter of the manufacturable titanium oxide particles and the production cost.
光ファイバの光透過性は、光ファイバの材質によって変化する。そこで、光ファイバの材質による光触媒モジュールの触媒性能への影響について比較し、最適材料について検討した。 The optical transparency of the optical fiber varies depending on the material of the optical fiber. Therefore, the effect of the optical fiber material on the catalytic performance of the photocatalyst module was compared and the optimum material was examined.
酸化ケイ素(SiO2)製の光ファイバとプラスチック製の光ファイバを用意し、それぞれの光ファイバを使用して作成した光触媒モジュールの触媒性能を比較し、評価した。 An optical fiber made of silicon oxide (SiO 2 ) and an optical fiber made of plastic were prepared, and the catalytic performance of the photocatalyst module prepared using each optical fiber was compared and evaluated.
評価方法は、それぞれの光ファイバを使用して作成した光触媒モジュールにブラックライト(平均波長370nm、強度3mW/cm2)を照射しつつ、アンモニアガス(初期濃度200ppm)を流量1リットル/分で流通して、アンモニアガスの出口濃度を比較する方法とした。
The evaluation method circulates ammonia gas (initial concentration 200 ppm) at a flow rate of 1 liter / min while irradiating a photocatalyst module created using each optical fiber with black light (average wavelength 370 nm,
図13に、それぞれの光ファイバを使用した場合の触媒性能を比較したグラフを示す。 FIG. 13 shows a graph comparing the catalyst performance when each optical fiber is used.
図13に示す結果に明らかなように酸化ケイ素製の光ファイバを使用した光触媒モジュールの出口アンモニア濃度が10ppm程度に低減されたのに対し、プラスチック製の光ファイバを使用した光触媒モジュールの場合、出口アンモニア濃度が50ppm程度であった。 As apparent from the results shown in FIG. 13, the ammonia concentration at the outlet of the photocatalyst module using the silicon oxide optical fiber was reduced to about 10 ppm, whereas in the case of the photocatalyst module using the plastic optical fiber, The ammonia concentration was about 50 ppm.
これは、酸化ケイ素製の光ファイバが、プラスチック製の光ファイバに比較して、光透過性に優れた性質を有するためである。 This is because an optical fiber made of silicon oxide has a property excellent in light transmittance as compared with an optical fiber made of plastic.
また、酸化ケイ素は近紫外光の透過率も良好で、さらに酸化チタン膜との密着性にも優れる。従って、安定した酸化チタン膜を形成することができる。 In addition, silicon oxide has a good transmittance for near-ultraviolet light, and also has excellent adhesion to a titanium oxide film. Therefore, a stable titanium oxide film can be formed.
従って、酸化ケイ素製の光ファイバを用いることにより、多孔質の基材孔部の光触媒をより有効に利用することが可能である。 Therefore, by using an optical fiber made of silicon oxide, the photocatalyst in the porous base material hole can be used more effectively.
一方、酸化チタン粒子に吸着材や金属粒子を添加することにより、光触媒効率を向上することが可能である。 On the other hand, it is possible to improve the photocatalytic efficiency by adding an adsorbent or metal particles to the titanium oxide particles.
図14は酸化チタンに金属元素を添加した場合の触媒効率と、無添加の酸化チタンを使用した場合の光触媒モジュールの触媒性能を比較したグラフである。 FIG. 14 is a graph comparing the catalyst efficiency when a metal element is added to titanium oxide and the catalyst performance of the photocatalyst module when no additive titanium oxide is used.
図14に示す結果に明らかなように、金属元素無添加の光触媒モジュールの場合、出口アンモニア濃度が20ppm程度であるが、金属元素を添加した光触媒モジュールの場合、アンモニアがほとんど検出されず、触媒性能が向上される。 As is apparent from the results shown in FIG. 14, in the case of a photocatalyst module without addition of a metal element, the outlet ammonia concentration is about 20 ppm, but in the case of a photocatalyst module to which a metal element is added, almost no ammonia is detected, and the catalyst performance. Is improved.
本発明の光触媒モジュールは、金属元素として、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Ptのうちから選択される少なくとも一種を含有する。 The photocatalyst module of the present invention contains at least one selected from Au, Ag, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt as a metal element.
これらの金属元素は、1種類あるいはいくつかの金属元素を組み合わせて光触媒層に添加されることにより、光により励起された酸化チタン中の電子と正孔を効率よく分離し、光触媒性能を向上する。 When these metal elements are added to the photocatalyst layer in combination of one or several metal elements, the electrons and holes in titanium oxide excited by light are efficiently separated, and the photocatalytic performance is improved. .
また、酸化チタンに吸着物質を添加することによっても、触媒効率を向上することが可能である。こうした吸着物質としては、ゼオライトや活性炭等の吸着物質を例示することができる。 Further, the catalyst efficiency can be improved by adding an adsorbing substance to titanium oxide. Examples of such adsorbents include adsorbents such as zeolite and activated carbon.
これらの吸着物質は、被分解物質を吸着し、その後効率よく触媒作用により分解することを可能とする。 These adsorbed substances can adsorb the substance to be decomposed and then efficiently decompose by catalytic action.
次に、本発明の光触媒モジュールの第2の実施形態について図15および図16を参照して説明する。 Next, 2nd Embodiment of the photocatalyst module of this invention is described with reference to FIG. 15 and FIG.
図15に示す光触媒モジュール20は、基材21が、多孔質材料から形成されたハニカム構造部材で構成されたことを特徴とする。
The
基材21の微細構造は、第1の実施形態と同様に図1に示す多孔質構造をとり、基材21の孔部には光ファイバが配置される。
The fine structure of the
この光触媒モジュール20は、機械的強度に優れ、基材の比表面積を増大させつつ、単位時間あたりの流体の流量を増大させ、圧力損失を極力低減することが可能である。
The
基材をハニカム構造に構成した光触媒モジュールと、基材を金属メッシュとした光触媒モジュールの圧力損失について調査した。試験条件は、一定流量の空気をそれぞれの光触媒モジュールに流通し、入口圧力と出口圧力とを測定して評価する方法とした。 The pressure loss of the photocatalyst module in which the base material has a honeycomb structure and the photocatalyst module in which the base material is a metal mesh was investigated. The test conditions were such that a constant flow rate of air was passed through each photocatalyst module and the inlet pressure and outlet pressure were measured and evaluated.
図16にそれぞれの光触媒モジュールの圧力損失を、基材をハニカム構造とした光触媒モジュールの圧力損失を1として規格化したグラフを示す。 FIG. 16 shows a graph in which the pressure loss of each photocatalyst module is normalized with the pressure loss of the photocatalyst module having a honeycomb structure as the base material being taken as 1.
図16に示す結果に明らかなように、ハニカム構造の基材とした光触媒モジュールの圧力損失1に対して、金属メッシュ基材の光触媒モジュールの圧力損失1.5以上である。すなわち、ハニカム構造の基材とした光触媒モジュールは、金属メッシュ基材の光触媒モジュールと比較して、圧力損失がほぼ半分に抑制される。 As is apparent from the results shown in FIG. 16, the pressure loss of the photocatalyst module of the metal mesh substrate is 1.5 or more than the pressure loss of the photocatalyst module of the honeycomb structure substrate. That is, the pressure loss of the photocatalyst module using the honeycomb structure base material is suppressed to almost half as compared with the photocatalyst module of the metal mesh base material.
すなわち、基材21をハニカム構造とした光触媒モジュール20によれば、大きな比表面積が得られ、圧力損失を低減した光触媒モジュールを提供することが可能である。
That is, according to the
1 基材
2 光ファイバ
3 光触媒層
10、20 光触媒モジュール
21 基材
DESCRIPTION OF
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004154979A JP2005334734A (en) | 2004-05-25 | 2004-05-25 | Photocatalyst module |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2004154979A JP2005334734A (en) | 2004-05-25 | 2004-05-25 | Photocatalyst module |
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5429947B2 (en) * | 2010-08-03 | 2014-02-26 | 国立大学法人信州大学 | Photoreactor and production method thereof |
JP2016538110A (en) * | 2013-09-26 | 2016-12-08 | エルジー・ハウシス・リミテッドLg Hausys,Ltd. | LED photocatalyst module using photocatalyst material |
-
2004
- 2004-05-25 JP JP2004154979A patent/JP2005334734A/en active Pending
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