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8回 単位表面積当たりのUV強度

光触媒を使って空気を浄化する場合にVOC分解の速度が満足できるほど大きくないことには、光触媒そのものの活性が低いことに加え、二つの因子が関係しています。第7回の寄稿で述べたように、その一つは光触媒近傍に生じる境膜拡散抵抗ですが、今回はもう一つの因子についてお話しします。

前回紹介した大手の会社の空気浄化装置の試作機を思い出してください。それは1辺の長さが50 cm程度の四角形の多孔質平板3枚を上下平行に並べ、生じた2つの隙間にワット数の大きなUVランプを5本ずつ、合計10本を等間隔に挿入したものでした。ランプからのUVは平板の両表面に分厚く塗られた二酸化チタンの膜へ照射されます。この装置には境膜拡散抵抗が取れないことと、もう一つ大きな欠点があります。それは光触媒を塗った平板上にUV強度の分布、すなわちUV強度の大きな箇所と小さな箇所ができることです。これにより、光源に近い箇所では光触媒反応が迅速に起こりますが、光源から離れた箇所ではゆっくりとしか起こりません。あるいはまったく起こらないこともあります。多くの人が、平板全体として反応速度を大きくすることができればよく問題ないと思うかもしれません。この考えは正しいでしょうか。

このような棚段式の光触媒反応装置は、「酸化チタンへUVを照射すれば光触媒反応が起こる」という情報を基本にして作られたものと考えられます。光触媒反応で使われるUV光源の多くは円筒形です。ほかにスパイラル状に成型された冷陰極管などもありますが、一般には円筒形ランプが多いですね。一方、光触媒の方から考えると、空間内の光触媒膜面積をできるだけ大きくした方が有利です。そこで、簡単な構造の装置が作れることを考慮し、平板を光触媒固定化の担体とすることを考えるでしょう。この棚段構造では、光触媒活性が失われたとき簡単に板毎に抜き出して交換できるという利点があります。また、光源の交換を容易ですね。さらには、光源を囲むように平板が設置されているため、UVを有効に利用できるということも利点です。実にいい構造だと、自画自賛するかもしれませんね。

残念ながら、この構造ではUV強度の弱い箇所で問題が発生します。この箇所でも分解反応は起こるかもしれません。でも、最終的に二酸化炭素となるまでのすべての分解は起こりにくいと思います。VOCを完全に分解するには、確実に分解が起こる過激な反応場を作る必要があります。私がトルエンというVOCを使って光触媒反応を行ったとき観察したことを例にして説明します。空気含まれるトルエンを光触媒で処理をすると、最初にベンズアルデヒドが生成します。これはトルエンの構造がわずかに変化したものです。分解実験終了後にUV強度の小さな箇所を洗った溶剤中には、大量のベンズアルデヒドが含まれていました。これは、強度の小さなUV照射では最初の反応が起こるだけで、それ以降の分解反応は進まないからです。結果として、UV強度の小さな箇所にはベンズアルデヒドが蓄積しました。また、この箇所には分解されないトルエンも蓄積されていました。

ある材料に固定化された酸化チタン膜がUVランプで遠くから照らされているとき、反応速度は小さいかもしれないが、膜表面で反応は間違いなく起こっていると考える多くの研究者がいます。この考えは基本的に間違いです。化学反応を円滑に進めようとするには、それなりの強度を持つUVで酸化チタンを照射する必要があります。このときの強度は、化学反応ごとに異なるため、一つの化合物を二酸化炭素まで完全に分解するには、単位表面積当たりのUV強度を高くする必要があります。

市販されている棚段式装置を使った別の例をお話ししましょう。10 m3の密閉された室内の空気に含まれる100 ppmのホルムアルデヒドを分解したときのことです。最初は高速で濃度低下が起こりました。しかし、数ppmの濃度となったとき反応はほぼ停止しました。これは、UV強度が十分に高くない箇所が多いため低濃度のホルムアルデヒドを分解する速度が低下したことと、ホルムアルデヒド濃度が低くなったとき、分解されずに光触媒表面に吸着されたホルムアルデヒドが脱着、吸着を繰り返すようになり、これで濃度が増加し、ホルムアルデヒドの分解が止まったように見えたからです。光触媒を空気浄化に利用する際の利点の一つとして、VOC濃度をゼロまで低下可能であることが挙げることができますが、同じ光触媒機能を使っても使い方を間違えるとこの利点を活かすことができません。

このように光触媒反応では、可能な限りUV強度を高くすることや、UV強度の低い箇所が生じないように工夫することが大切です。この問題を解決する方法の一つは、できるだけ単位面積当たりのUV強度の高いランプを用いることです。6Wよりも20Wのランプの方がUVの放出量が多いことはおわかりだと思います。でも、単位表面積当たりのUV放出量は6Wの方が多くなります。これは、蛍光管の面積が6Wより20Wの方がワット数の増加以上に大きくなっているからです。単位表面積当たりのUV放出量は、簡単にはワット数を面積で割ることで見積もることができます。このようにして求めた単位表面積当たりのUV量は6Wの方が大きくなります。

単位表面積当たりのUV照射量は、単位面積当たりのラジカル量に関わります。ラジカルは反応性が高く、これを多く発生させるほど分解速度が大きくなります。しかし、ラジカルの寿命は非常に短く、生成してはすぐに消失することを繰り返します。よって、その量を常に高くする手立てが必要となります。

単位表面積当たりのラジカル量、すなわちラジカル密度が高くなると、VOCが光触媒表面へ到達したとき反応が確実に起こるようになると考えられます。第4回の寄稿で、1 ppmという濃度は100万個の空気分子に1個のVOC分子が存在する状態であることを述べました。このような低濃度のVOCを処理する場合、光触媒表面にVOC分子がたまにやってくるような状況でしょう。このとき、VOC分子が光触媒表面上のラジカルと衝突しなければ反応は起こりません。よって、単位表面積当たりのUV強度が高いときにはラジカル密度が低いため、衝突が起こりにくく、VOC濃度の低下は停止した状態になります。VOC濃度が低い場合でも確実に反応が起こるようにするには、単位表面積当たりのUV強度を高くする必要があります。

私はこの反応機構を“流れ星モデル”と名付けたモデルでわかりやすく説明することに努めています。砂漠に木が生えています。たまに流れ星が落ちてきます。このとき、木の密度が低いと流れ星は木に衝突しません。この衝突が確実に起こるようにするには、木の密度を高くしてやる必要があります。上で述べたように、ワット数の大きなUVランプよりも小さなものを使用した方が、単位表面積当たりのUV強度を高くすることができます。1 ppm以下のVOC濃度をゼロへ向けて小さくする目的で、私どもが小さなワット数のランプを使う理由はここにあります。

まとめると、光触媒反応の分解速度を高くし、かつVOCを極低濃度まで分解するために考慮するべき重要なもう一つの因子は、“単位表面積当たりのUV強度”です。“境膜拡散抵抗”を含めて、これらの因子が引き起こす問題を同時に解決することが大切です。

(令和2年7月30日)


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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