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酸化チタン光触媒の応用
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白色顔料として用いられていた酸化チタンにも実は光による活性作 用はあったのだという。ペンキを塗布して時間が経つとペンキと接 触している土台がぼろぼろに傷んでペンキがまくれ上がってくるこ とがあったが、これが酸化チタンの光活性によるチョーキング現象 と呼ばれるものだという。これまで酸化チタンを用いた顔料におい ては、この光活性作用をいかに抑えるかが課題であった。これに対 し光触媒反応に用いる酸化チタンは、その光活性作用をさらに強く 引き出す構造へと導いて作り出したものである。 酸化チタンに光を与えると、酸化チタンの表面に付着しているもの は強力な分解作用を受ける。これは酸化チタンが触媒となり、光エ ネルギーを利用して分解反応を起こしているからである。だから分 解されるものが酸化チタンの表面に接触していなければならない。 と同時に、光触媒反応であるから光が必ずそこに照射されている必 要もある。このことが光触媒反応の基本である。 これから述べようとする光触媒反応を応用したさまざまな環境浄化 の技術も、現時点ではこの制約を離れることはできない。そのこと を基本として押さえながら、酸化チタンの光触媒反応が生活や産業 の場面でどのように利用されようとしているかを見ていきたい。 ●殺菌効果 光触媒機能をタイルに持たせて高い殺菌効果を生み出すことができ る。これはタイル表面に釉薬を塗った後、酸化チタンを吹き付けて 焼きこむことで作られる。このわずか１μｍ以下の厚さの酸化チタ ン層は、スポンジたわしを用いてこすっても、少なくとも10年以上 は特性を維持できるほど硬い。 ホンダ・フジシマ効果によって見出された酸化チタンの光触媒機能 による酸化力は、有機物の分解に高い効果を示すが、その力の発揮 の仕方は、酸化チタンを粒子状にして汚泥の中に入れ、これを一気 に分解するといったかたちの機能ではなかった。むしろ徐々に付着 してくる有機物質をそこに定着させないといったかたちでの効果が 顕著である。そういう性質のものなのだ。 そこで抗菌タイルは病院の手術室などでその効果を現す。というの は、細菌やウィルスは当初から特定の場所に大量にいるわけではな く、移ってきた場所が増殖に適しているとねずみ算式に増殖する。 だから手術室で光触媒タイルを使えば、よそから進入してくる細菌 やウィルスを増殖前に退治することができるはずだ。 手術室では、これまでさまざまなかたちで持ち込まれてしまう細菌 に対しては毎回殺菌剤をま撒いて対応してきた。ところが床や壁に 光触媒タイルを用いると、壁面に付着する細菌をゼロに保つことが 出来るようになり、空中を浮遊している菌の数も光触媒タイル施工 後から激減し３ヶ月後にはほぼゼロに近い数になるという。 ただ、光触媒タイルは光が当っていなければその殺菌効果を発揮で きない。そこで消灯時の菌増殖を抑えるために酸化チタンの層の上 に、従来用いられてきた銀や銅の金属イオンによる抗菌作用も併用 して対応している。金属イオンによる抗菌で菌の増殖を抑えておけ ば、再び点灯したときの光で殺菌を十分に行うことができるのだ。 また金属イオンだけによる抗菌効果では、殺菌はできても死んだ菌 の死骸が残る。ところが酸化チタンの光触媒反応ではこの死骸まで も分解することができるのだ。このことは重要である。なぜなら菌 の中には死んだ後に強い毒素を出すものがあるからだ。 大腸菌からはエンドトキシンという毒素がでる。近年猛威を振るっ た０-157はベロ毒素という猛毒を生成する。金属イオンを用いた抗 菌剤ではこの毒素を分解することはできないが、光触媒タイルはこ の毒素をも分解することができる。こうした効果により、これまで 毎回消毒剤を撒かなければならなかった手術室の殺菌が、水洗いを 続けるだけですむようになったという。 また近年病院では、健康者にはほとんど影響がなく体力の落ちた病 人に感染症をもたらすMRSA(メチシリン耐性黄色ブドウ球菌)による 院内感染症が問題になっている。この感染症は抗生物質もきかず最 悪の場合は死にいたるという。こうした院内感染の問題に対しても 光触媒は大きな効果を上げることができると期待されているのだ。 ●汚れ防止効果 東京大学工学部５号館の屋上には、同じ文京区内にある後楽園東京 ドーム、通称ビッグエッグの外装と同じ素材の布地が２枚、それぞ れ１メートル四方のフレームに張って置かれている。ビッグエッグ ならぬリトルエッグというところか。その一方には酸化チタンが特 殊加工されている。設置後１年半を経て、特殊加工された布地は新 品同様の白さを保っているのに対して、一方の加工を施していない ものは大気汚染にまみれて灰色にすすけている。 この汚れのもとは油分である。布に付着した油分には、さらにさま ざまな塵芥が付着してくる。酸化チタン処理された布の方では、光 触媒が油分を分解してしまうことで汚れが雨程度の水分でも流れ去 ってしまうのだ。この実験を続けているホンダ・フジシマ効果の発 見者である東京大学工学部応用化学科の藤嶋昭教授は､これを｢セル フクリーニング効果｣と名づけている。 セルフクリーニング効果はすでに実用の段階に入っている。長野冬 季オリンピックに際して開通した関越自動車道と長野自動車道を結 ぶ上信越自動車道の小諸・更埴間では、この自動車道のトンネル内 に高圧ナトリウム灯のガラスカバーに酸化チタン処理が施されたも のを利用している。排気ガス成分の有機物を分解するための光源は ナトリウム灯。このカバーにすることにより、セルフクリーニング 効果で掃除のための工事が大幅に減る。その結果、清掃コストの削 減、作業の簡素化に伴う安全の増加、さらには清掃工事に伴う渋滞 の解消にもつながったという。 ガラスに酸化チタンの薄膜をつける場合、高級グラスに用いる石英 ガラスだと、基板に不純物がないため直接酸化チタンをつけること ができる。ところが一般に用いられるソーダライムガラスでは、酸 化チタンをつけるための熱処理過程でガラス内のナトリウムと酸化 チタンが反応してチタン酸ナトリウムができてしまい、光触媒効果 がなくなってしまうのだとう。そのため酸化チタンをコートする前 にブロック層として二酸化珪素をガラスにコートして酸化チタンを 安定したかたちでつける。 このガラスを家庭の台所換気扇脇に置いた実験では、８時間ほどブ ラックライトを当てておくことで付着した油分が完全に分解された という。換気扇の掃除は大変手のかかるものだが、換気扇本体や回 転羽根のプラスチック素材に酸化チタンを表面処理することができ れば実用化が可能になるという。 このプラスチック素材に対する酸化チタンの表面処理も、酸化チタ ン処理をした薄膜シートの製造技術が確立されつつあることからす れば、そう難しいことではないのかもしれない。水で時折洗うだけ で細菌も汚れもない換気扇はすでに出回っているかも。 もうひとつ、家庭で掃除の大変なものに浴室がある。主婦の嫌いな 家事ベスト３に入る。体力のいる家事のつわものである。浴室にあ る垢や石鹸の残り滓は脂肪酸や蛋白質などの有機化合物で、これに 雑菌が繁殖して独得のぬめりとなる。光触媒タイルはこうした汚れ に対して殺菌効果と同時にぬめりを防止する効果がある。 さらに、実用化に向けて期待が集まっているものひとつにシャンデ リアがある。複雑なかたちをしたガラスが数千個も集まっているシ ャンデリアは、見る分には美しいがその清掃にはきわめて手間がか かる。酸化チタンの光触媒効果でセルフクリーニングが図られれば 清掃の手間からも解放され、高価なシャンデリアを掃除で壊す危険 も少なくなるというものである。 ●脱臭効果 光触媒タイルはトイレの殺菌にも効果があるが、それと同時に脱臭 効果ももたらす。トイレの悪臭の原因は雑菌が尿素を分解して発す るアンモニアにある。雑菌が死滅することによりアンモニアの発生 が大幅に抑えられるのだ。と同時に酸化チタンには、悪臭のもとと なるアンモニアなどの有機物を直接分解する力もある。 アンモニア、硫化水素、アセトアルデヒド等は環境中の規制値があ るが、人はこの規制値よりずっと低い濃度で悪臭としてこれを感知 する。壁紙やカーテン、障子などのインテリア素材に酸化チタンを 加工処理すれば、室内の明かり程度でこれら悪臭のもとは十分に分 解することが可能だという。事実、障子紙に酸化チタンを漉き込ん だ実験も行われているが、煙草の臭いや付着するニコチンまでもこ の障子紙は分解してしまうという。 脱臭については、これまで活性炭が用いられてきた。活性炭は悪臭 物質を吸着していくが、この吸着力が飽和状態になると脱臭効果は 薄れてしまう。こうしたテーマに対して、酸化チタンの粉末と活性 炭の粉末をマイクロカプセルに入れてシート状にすることが考えら れた。これはコルゲート加工という技術の応用である。 その結果活性炭に吸着された悪臭物質は、光を当てると酸化チタン の表面に拡散し分解されるという結果が得られた。しかも活性炭の 吸着能力が保持できることになる。この脱臭シートは病院の汚物処 理室をはじめ、自動車の中、ペットのいる室内等でも高い脱臭効果 が確認されている。さらにこのシートを活かしたシーツやカーテン を病院や老人ホーム等に利用しようとする開発もはじまっている。 ●医療への応用 酸化チタンの光触媒効果には、光触媒ガラス上で培養したガン細胞 に光を当てることでこれを死滅させたという実験結果がある。こう した効果を医療に生かせないかという研究も始まっている。酸化チ タン粉末をガン細胞にだけ集まる色素で表面処理して、ここに光フ ァイバーで光触媒が活性しやすい波長の光を送るといったアイディ アも出されており、レーザー光を用いたガンの光治療とともに注目 を集めているのだという。 ●植物光合成の代理として また光触媒による大気汚染浄化についての模索もはじまっている。 酸化チタンの光触媒効果が持つ多様性は、さらに広範囲にわたる研 究を生み出していくだろう。先にホンダ・フジシマ効果の見出した 光触媒の機能は植物の光合成に似ていると書いた。光合成が二酸化 炭素の増加を防いで地球環境のバランスに資しているように、この 酸化チタンによる光触媒効果が、環境浄化の技術とさらに結合して 新たな快適空間を人々にもたらすかもしれない。 |
[データ] ｢光クリーン革命｣ 藤嶋昭/橋本和仁/渡部俊也著･CMC刊 |
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