空気浄化を科学にする

九州大学大学院農学研究院 
教授(工学博士) 白石文秀

第7回 境膜拡散抵抗を取り除くことの重要性

私どもが開発した空気浄化装置では、紫外線(UV)照射により生じる二酸化チタン(または酸化チタン注))の分解機能を利用します。すなわち、酸化チタンの光触媒機能を利用します。光触媒を空気浄化に用いる際にはいくつかの利点があります。一つ目は、分解反応が室温で起こることです。これは居住する室内で安心して使う際に大変重要なことですね。ただし、UVランプの多くは危険なので細心の注意が必要です。たとえば、UVの波長が320 nm(ナノメーター)よりも短いUV-BやUV-Cを長く目視すると失明する恐れがあります。私どもの空気浄化装置では254 nmのUVランプを使っています。このため、UVの漏れがないように設計されています。二つ目は、本触媒が低い反応選択性を持つことです。これは光触媒が多くの化学物質に作用し、分解することを意味しています。よって、光触媒は空気中に存在する様々な揮発性有機化合物(VOC)を分解することができるため、適用範囲が広くなっています。三つ目は、光触媒反応では害がほとんどない(または少ない)物質が生成することです。適切な条件で反応を行うならば、VOCの炭素原子は最終的に二酸化炭素となります。

2000年頃まで光触媒反応を利用する研究が盛んに行われました。しかし、そのほとんどが実用化されていません。その主な原因は、光触媒の活性(反応性)がすぐに実用化できるほど高くないことにあります。おそらく研究者の多くは、二酸化チタンにUVを照射しさえすれば簡単に触媒反応が起こると聞き、独自のアイディアを形にしようとして応用研究を始めたものと推測します。しかし、二酸化チタン(または酸化チタン)を適当な場所に置き、これにUVを照射しただけでは、反応は実用的速度で起こりません。結果として研究者らは、「光触媒は性能が低い。実用化できない。」という結論を出し、研究から手を引いてしまったようです。しかし、この結論は光触媒の反応性を最高のレベルに引き出した状態で性能評価を行わずに下されたものと思われます。

私は光触媒を環境浄化で利用する場合、光触媒の反応性を抑制する因子が二つあることを見出しました。研究者はこれらを除去し、最大の活性を引き出して実用性の評価を行うべきであり、このようにしても実用化に必要な条件をクリアできなければ、そのとき始めて実用化ができないと判断すべきです。

私は1990年代初めに光触媒反応の研究に着手しました。直径3 cm、長さ20 cmのガラス管の内面を酸化チタンでコーティングし、その中にUVランプを挿入して簡単な反応器を作り、これを衣装ケース程度の大きさの容器に入れ、VOCを含む空気を反応管内に繰り返し通すことによりVOC分解を行い、容器内のVOC濃度の変化を観察しました。残念ながらその分解速度は遅く、とても居住室内の大量の空気へ適用できるものではありませんでした。加えて、初めは好調でもVOC濃度が1 ppm以下に下がると濃度の低下が停止した状態となり、実用化は無理と思い始めました。しかし、大学の研究者はどのような場合でも、得られた結果を最終的に論文としてまとめなければなりません。そこで、とりあえず管内を流れる空気の流速を上げてみることにしました。すると、流速を秒速3 m、4 m、5 mと大きくしても分解速度は増大しました。そして、秒速10 m以上となったときようやく一定となりました。これは一体どういうことでしょうか。

私は化学工学という学問を修めていたため、ガラス管を固定化した光触媒周辺にほとんど動かない空気層が現れているのかもしれないとすぐに推測しました。これは境膜(異なる分野では境界層)と呼ばれています。流体の流れる条件により変わりますが、境膜の厚みは数十μm(ミクロンメーター)と言われています。このような空気層内をVOC分子が移動し、光触媒表面に到達したとき始めて分解反応が起こります。VOC分子は、静止した空気分子に衝突しながら少しずつ前に進みます。よって、光触媒表面に到達するには時間がかかります。たとえば、縁日の人混みの中で遠くに見つけた友人のもとへ行こうとするとき、人とぶつかるためなかなか前へ進めませんね。これと同じです。VOCが移動するにはエネルギーが必要です。VOC分子は濃度差を推進力とします。濃度差をなくそうとして、濃度の高いところから低いところへ向かって移動します。これは高いエネルギーを低くして安定な状態をつくろうとしているのです。コップに入った水にインクを落とすと、インクの塊が次第に広がっていく様子を観察したことがあると思います。これも濃度を均一にして安定化(エネルギーを最小化)しようとしているのです。このような物質の移動を専門的には“拡散”と呼んでいます。拡散するときの速度は、拡散する物質の種類や拡散が起こる場の構成(たとえば、構成物質はなにか、また液体か気体かなど)により異なります。このとき生じる拡散速度の大きさの違いを説明するため、“拡散抵抗”という言葉を用います。拡散速度が小さいとき、これは拡散抵抗が大きいことによるということになります。上述の光触媒の反応性を抑制する因子の一つが、この境膜内の拡散抵抗です。

しかし化学工学では、気体が作る境膜内を物質が拡散する速度(ここでは、静止した空気層内を拡散するVOCの速度)は迅速であり、拡散抵抗は無視できると教えられます。したがって、光触媒反応での拡散抵抗はまったく注目されていませんでした。上述の私が観測した、空気流速がかなり大きくなるまで分解速度は最大にならないという現象は、明らかにこの常識に合致しません。そこで、VOCの境膜拡散を考慮した光触媒反応モデルを作り、理論的解析を行いました。その結果、光触媒が活躍の対象とする環境の場では有害物質の濃度が低いため濃度差がとても小さく、これにより拡散速度が著しく小さくなり、結果として拡散抵抗が大きくなることがわかりました。

この境膜拡散という現象は、他の研究者、とくに化学工学の知識がない者には絵に描いた餅に見えるようで、また理解しようとしても正しく解釈するのが難しいようです。私は2000年頃の数年間、光触媒反応を利用するプロセスを実用化するには、この現象を十分に理解した上で装置製作に当たる必要があることを多くの講演会で話しました。ある日、私の講演を聞き空気浄化装置を製作したという大手の会社の研究者から連絡を受けました。テストを行ったが、どうしても満足できる性能が得られないので来社して相談に乗ってくれと頼まれ、研究所を訪問しました。そこには、1辺の長さが50 cm程度の四角形の多孔質の平板3枚を上下平行に並べ、その2つの隙間にワット数の大きなUVランプを数本ずつ等間隔に挿入した試作装置がありました。平板表面は分厚い二酸化チタンの膜で覆われていました。ファンが回ると空気は多孔質の板を通過し、このとき吸着されるVOCを光触媒反応で分解するという仕組みです。一見したところ無駄がなく理にかなっているようであり、誰もがこのような反応方式を取るだろうと思われる構造です。研究責任者によれば、私の装置の10倍以上の光触媒面積と、ワット数の大きなUV光源を何本も使っているにも関わらず、光触媒の使用量も光源のワット数も少ない私のコンパクトな光触媒反応装置よりもVOCを分解するのに長い時間がかかってしまう、これがなぜなのかがわからないというのです。私は、彼が私の話を正しく理解していないこと、本構造では境膜拡散抵抗が取れず、分解速度がかなり低くなっていることを指摘しました。その後、どうなったかは知りません。本装置の構造には、境膜拡散抵抗とは異なるもう一つの光触媒の反応性を抑制する因子が含まれていますが、これについては次回お話しします。

このように、光触媒反応を利用したプロセスの実用化では、光触媒反応の特性を十分に利用し、使用した光触媒が達成できる最大の活性を引き出す必要があります。もし、このような状態を作ったのに満足できる活性が出ないならば、勇気をもって実用化をあきらめなければなりません。

光触媒を空気浄化に利用しようとする場合、その分解活性が低いことに加え、VOCを低濃度で含む大量の空気をある限られた時間内に処理しなければならないという難題が課されます。光触媒を使って室内空気を浄化するとき最も多く取られてきたのは、酸化チタンを室内の壁などに塗布する方法です。しかし、この場合、UVをどのように確実に酸化チタンへ照射するのかという問題が生じます。太陽光を利用する方法が考えられますが、太陽はいつでもどこでも利用可能ではありません。室内の光源を使うことが考えられますね。残念ながら、一般的な室内蛍光灯はUVをほとんど放出しておらず、また(危険で常識外れですが)天井に据えたUVランプを使って壁の光触媒を活性化させようとしても、十分な光強度を確保することができません。さらに、空気中を浮遊するVOCのすべてはいつになったら壁の光触媒に到達できるのでしょうか。長い時間がかかります。その間にもVOCがどこからか放出され、結局いつまでも濃度を低下させることができません。低い濃度まで持っていけるかもしれませんが、どこかで濃度の低下が止まってしまいます。さらに、これに境膜拡散抵抗が分解速度の低下に拍車をかけます。

空気を浄化する場合、消費者はある限られた時間内に、VOCをある濃度以下にしたい(害にならない程度の濃度まで処理したい)と考えるでしょう。この要求に答えるには、部屋の空気を強制的に集めて装置内に取り込み、空気中のVOCが光触媒と接触する機会を多くして空気を浄化するのが最善策であると考えます。

(令和2年7月28日)

注)私どもは二酸化チタンを過酸化水素水に溶かして光触媒コーティング液を作ります。これを固体材料に塗布して加熱すると、簡単に固定化光触媒を作ることができます。このとき、チタン原子と酸素原子の比率は1:2でなくなります。よって、私どもは使用する光触媒を酸化チタンと呼んでいます。あるいは過酸化チタンという呼ぶこともあります。

寄稿|白石文秀教授(工学博士)
所属
九州大学大学院農学研究院生命機能科学部門
   システム生物工学講座 バイオプロセスデザイン分野
     (兼任)イノベーティブバイオアーキテクチャーセンター
     システムデザイン部門 バイオプロセスデザイン分野
HP
http://www.brs.kyushu-u.ac.jp/~biopro/


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