循環・廃棄物の基礎講座
2013年10月号

広がる光触媒の応用 - 有害物質の分解と課題 -

川本 克也

光触媒とはどのようなものか

光触媒とは、光を照射することによって触媒作用を示す物質の総称です(環環今月号豆知識「光触媒材料とは」参照)。触媒とは、それ自体は反応することはないけれども他の物質が起こす反応が進みやすくするような働きまたはそのような物質を指す用語です。工業的な化学反応には、高い温度や圧力のもとで反応を進める場合が少なくありません。触媒を用いると、例えばより低い温度で同じ反応を行わせることが可能になります。これは、専門的な用語を用いると「反応の活性化エネルギー」を低くすることを意味します。わかりやすい例として、水や空気の中での低濃度の有機化合物に作用させる場合について述べます。

①光触媒への紫外線の照射
イラスト光触媒機能をもつもっとも代表的な材料は、二酸化チタン(TiO2)です。これに紫外線領域(主に波長300nm近辺)の光が当たると、その表面から電子が飛び出し、この電子が抜け出た穴は正孔(ホール)と呼ばれ、正の電荷を帯びています。
②OHラジカルの出現
正孔は強い酸化力をもち、例えば水中では、OH(水酸化物イオン)などから電子を奪います。この結果、OHは非常に不安定な状態のOHラジカル(・OH)になります。
③有機化合物の分解
・OHは強力な酸化力を持つために、近くの有機化合物から電子を奪ってそれ自体が安定になろうとします。このとき電子を奪われた有機化合物は、化学結合の切断などの反応を受け、最終的にCO2やH2Oといった安定で無害な化合物になります。

このように、有機汚染物質などを分解する作用に着目した応用が、現在までにさまざまな化合物に対して適用されています。代表的な例に、水中または空気中の揮発性有機化合物(VOC)や水中の農薬などの処理に対する応用があります。ただし、光触媒は、処理の効率や処理できる量の面では他の処理技術に比較して必ずしも優れているとはいえません。

図1 光触媒のさまざまな応用範囲 図1 光触媒のさまざまな応用範囲

とはいえ、光触媒を用いる技術的手段は、機能発現が光照射だけで可能になるという特長を最大限に生かしているといえます。例えば、病院の手術室の壁や床をTiO2でコーティングし、これにブラックライト(紫外光ランプ)を照らすだけで殺菌処理が容易に可能となります。一方、光触媒は、水と固体の表面との界面張力差を非常に小さくする性質(超親水性といいます)があります。このような表面では水が均等に付着し、水滴の分散が起こりません。この特性は防汚、防曇機能として、外壁材、タイルおよび鏡などの建築用内外装材に応用されています。こうして、光触媒は生活環境の中で空気浄化、脱臭、殺菌のみならず非常に幅広く活用されています(図1)。

廃棄物の適正処理への光触媒の適用と課題

それでは、VOCの光触媒分解について、さらに詳しくみていきましょう。常温の空気中で比較的容易に揮発するVOCとしては、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、アセトアルデヒド、酢酸エチルなどさまざまな化合物があげられます。これらは溶剤またはプラスチック合成の原料や添加物などとして使用されている、種々の産業活動や生活に関連する代表的な環境化学物質です。

図2 プラスチック廃棄物の中間処理施設の排気処理設備構成と化学物質濃度測定例 図2 プラスチック廃棄物の中間処理施設の排気処理設備構成と化学物質濃度測定例(濃度の単位はµg/m3。SA~SCはサンプリングか所)(参考資料1))

私たちの研究室では、プラスチック系廃棄物をリサイクルするための工程(材料に対する圧縮、摩擦、加熱などが起こります)から、低濃度ながらVOCが揮散しそれが排出される課題について調査・研究してきました。このような場面でのVOCの排出は、現時点で安全上の基準がない一方で、施設周辺の住民から健康に対する懸念が寄せられ、問題視されることがあります。このため、従来は活性炭吸着処理が排気の脱臭という目的で適用されてきたのですが、これに加えて、光触媒がVOC処理に適用される例があります。光触媒によるVOCの分解作用が期待され、実際に効果が認められているのです。一方で、このとき特定のVOCについては、光触媒装置の前よりも装置の通過後の方が濃度の高くなる現象が起こる場合があるので、注意が必要です。ある地方自治体が設置した設備での測定値をみてみましょう(図2)。まず、SAの値にみられるように、プラスチック系廃棄物の圧縮梱包という工程から排出されるVOCの濃度はもっとも高いアセトン、トルエンで50~75 µg/m3で、他は数~数十µg/m3という水準です。ここで、ホルムアルデヒドとアセトアルデヒドに注目してください。ホルムアルデヒドはVOCの定義(沸点が100~260℃)からすると、より低沸点(-19.3℃)であるため広義のVOCですが、建築用合板材料などの製造に広く使われており、室内空気の主要汚染物質となっています。これらの濃度は光触媒分解装置の前でそれぞれ33と38 µg/m3であったものが装置の後では130と250 µg/m3と高くなっています。また、後段側の活性炭吸着装置でもほとんど除去されることなく環境大気中へ排出されていました。この場合の排気の基準はありませんが、一般大気中での通常の濃度に比較すると一桁高い値です。

図3 模擬試験装置でのメタノールからのホルムアルデヒドの生成 図3 模擬試験装置でのメタノールからのホルムアルデヒドの生成(温度と空間速度の影響)

この現象の原因は、メタノールなどアルコール類が存在すると、光触媒装置内で酸化反応が進み、反応の中間生成物としてアルデヒド類が生成するためと考えられます。つまり、有機化学の基本的反応として、第1級アルコールの酸化反応では、アルデヒドを経てカルボン酸が生成するのです。そこで、実験室で小規模試験装置を用い、メタノールを含む空気を通してみたところ、ある条件ではホルムアルデヒドが装置出口で検出されました(図3)。

このように、プラスチック系廃棄物処理への光触媒の適用では、排出されるVOCの種類や濃度が変動することが避けられません。光触媒の適用だけに限りませんが、処理適用条件を最適なものにするための工学的な取り扱いの精緻化(例えば、適用する排気の組成や流量に適合する光触媒充てん層の接触時間の設計など)が、今後はさらに重要になると思われます。

参考資料
  1. 小池文人, 金子信博, 松田裕之, 茂岡忠義編著:生態系の暮らし方 アジア視点の環境リスク-マネジメント, トピック2 廃棄物リサイクルの未知の課題:プラスチックを例に, pp.31-33, 東海大学出版会, 秦野市(2012)
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