新 し い 可 視 光応 答 型 光触媒 ス パ ッ タ 薄膜 の 開 発 と 水 処 理 技 術

新 ^{し い} 可 視 光応 答 型 光触媒 ^{ス パ} ッ タ 薄膜 ^の 開 発 と 水 処 理 技 術

の 応 用

研 究 代 表 者 ^工 学 部 高橋 隆

( ¹ ) ^{プ ロ ジ}

^{ク ト の} 背 景

^目 的

近 年 ^{, し} 尿 中 ^の 環 境 ^{ホ ル モ ン の 生 活} 環 境 中 ^{で の 残} 存 ^が 社 会 問 題 と な り , 水 環 境 ^の 汚 染 ^に よ る 生 殖 異 常 や 癌 化 ^が 報 告 ^{さ れ , 人} 類 ^{の 生} 存 基 盤 ^の 確 保 ^が 難 ^し く な

て き た ｡ ま た , 畜産

し 尿 放 流 に よ る 河 川 ^の 着 色 も 大 き な 問 ^{題 と な}

^{て き て い る ｡ 人} 間 ^の 排 ^{せ つ} 物 ^は 管 ^{理 さ れ て}

い る が

畜 産 ^の 排 ^{せ つ} 物 ^の 管 ^{理 は あ い ま い で あ}

^{た が ,} 平 成 ^{1 1} 年 ⁷ 月 に ^｢ 家 畜 排 ^{せ つ} 物 ^の 管 ^{理 の} 適 ^正 化 及 び 利 用 ^の 促 進 ^に 関す ^る 法律 ｣ が 公 布 さ れ , 同 年 ^{1 1} 月 か ら 施 行 さ れ た ｡ 牛

1 0 頭 ^以 上 ^{豚 1 0 0} 頭 以 上 ^の 農 家 ^{で は ,} 家 畜排 ^{せ つ} 物 ^の 処 理 高 度 化 施 設 ^の 整 備 が 必 要 ^に な り ,

畜 ^{ふ ん の ｢ 野} 積 み ｣ や 汚 水 ^{の ｢} た め 池 ( 素 堀 貯 蔵) ｣ が 禁 止 に な

た ｡ 猶 予 期 間 も 終 ^{わ り ,} 昨 年 ^{1 1 月 よ り 構} 造 施 設 な ど ^の 管 理 基 準 ^が 適 用 さ れ て ^い る ｡ 特 に , 畜産 ^し 尿 ^の 処 理 は ^, 曝 気 処 理 や 生 物 活 性 汚 泥 で 行

^て も 最 終 的 ^に 色 が 消 え ず ^, 養 ^豚 数 が 多 ^い 場 合 ^, 本 格 的 な 処 理 施 設 を 設 け る と 数 億 ^{円 か か り ,} 養 豚 業 ^{と し て は} 成 ^{り 立 た な い ｣ な ど ,} 脱 色 が 緊 急 課 題 に な

て ^い る ｡

本 研 究 ^{で は , 太} 陽 光 ^{に よ る} 光 触 媒 反 応 を 利 用 し て そ ^の 原 因 物 質 ^の 除 去

低 減 を 行 ^{い ,} 環境

ホ ル モ ン お よ び 着 ^{色 の 生 態 系 ‑ の} 影 響 を 詳 細 ^に 調 ^べ , 人 類 ^{の 生} 存 ^{基 盤 の} 確 保 に 寄 与 す る ^こ と を 目 的 ^と す ^{る ｡} 具体 的 ^{に は , T i O}

光触 媒 に 注 目 し , そ ^の 反 応 を 向 上 さ せ る た め に , T i O

/ W o

お よ び Ti O

/ F

0

二 層 膜 を 反 応 性 ス パ _ッ タ 法 ^で 形成 ^{し ,} 環境 ^{ホ ル モ ン の} 分 解 実 験 ^{お よ び} 脱 色 実 験 を 行 ^{い , T i O}

単層 ^{と 比 べ , 可} 視 光 反 応 に 関 す る ^二 層 化 ^の 効 果 ^{に つ い て} 調 ^{べ る ｡} 我 ^々

の メ チ ^ル ア ル

ル の 分解 実 験 ^{か ら , そ れ ら の} 光 触 媒 特 性 ^は 下 地 層( ^{w o}

^{, F}

⁰

) 膜 ^の 結 晶 化 度

光 学 特 性 と ^T i O

薄 膜 ^の 結 晶化 度

表 面 微 細 構 造 ^{に 大 き く} 依 存 ^{し , 二} 層 化 ^{に よ り そ の} 分解 時 間 ^が 単 層 膜 ^{に 比 べ ,} 約 ^{1 / 3 に} 短 縮 さ れ る と 予 想 ^で き る ^｡

( ² ) ^研 究 成 果

対 向 タ

ゲ ッ ト式 ^{ス パ} ッ タ 装 置 を 用 ^い て , T i タ

ゲ ッ ト を ^A

+ 0

混 合 ^{ガ ス} 中 ^で 反 応 ^{ス パ} ッ タ す ^{る こ と で T i O}

膜 を ガ ラ ^ス 基 板 ^{上 に} 形 成 ^{さ せ} た ｡ ガ ^ス 混 合 ^比 ( ^A

⁰

^{‑ 8}

^{2 , 6}

^{4 , 5}

⁵ ) ^{, ス パ}

ッ タ ガ ^ス 圧 ( ⁰

²

⁰

^{8 P}

) ^を 変 化 ^{さ せ な が ら ,} 膜 形 成 速 度 ^{, 基} 板 ^温 度 , 形 成 膜 ^の 結 晶 構 造

光 学 特 性

等 ^の 変 化 ^を 調 ^{べ た ｡} 表 ¹ に 膜 形 成 条件 ^{を 示} す ^｡

以 下 ^の 結 果 ^が 得 ^{ら れ た ｡}

膜 形 成 速 度 ^{は ス パ ッ タ ガ ス 圧 の 上} 昇 と と も

3 8

表 ¹ 膜 形 成 条 件

タ

ゲ ッ ト 一 基 板 間 距離

6 5

ス パ _ツ タ 時 間 ^{1 2 0}

i

ス パ _ツ タ ガ ス 圧 ⁰

^{2 P}

, 0

4 P

, 0

8 P

ガ ス 混 合 比 ⁸

² , 6

4

, 5

5

に 著 ^{し く} 減 ^{少 し ,} 膜 厚 は A

量 が 多 く な る と 厚 く な る ｡ 基 板 ^温 度 ^{は ス パ} ッ タ ガ ス 圧 , ガ ス 混 合 比 に よ り 顕 著 ^に 変 化 す ^{る こ と な く , ス パ} ッ タ 開 始 ¹ 時 間 後 ^{で , ほ ぼ} 等 ^{し い} 値( ^{8 0}

^{l o o ℃} ) と な

た o 結 晶構 造 ^{で は ア ナ タ}

^{ゼ 型 の A} ( ^{1 0 1} ) ^{面 が} 優 先 配 向 ^{し ,} 回 折 強 度 は ⁰

^{2 P}

と 0

4 P

の と き 最 ^も 高 ^{く , ガ ス 圧 が} 高 く な る に ^つ れ 減 ^{少 し ,} 膜 厚 ^の 厚 さ と 関 係 し た ｡ 紫 外 可 視 分 光 特 性 で は , ど の 混 合 ^{比 の} 場 合 ^で も 顕 著 ^な 違 ^{い を 示 さ} ず

約 ^{3 8 0}

付 近 に 光 吸 収 端 が 観 測 ^さ れ た o A

0

^‑ 9

1

6

4

5

5 の 場 合 ^{は ス パ} ッ タ ガ ^ス 圧 に よ る 違 ^い は み ら れ ず ^, 吸収 端 は ほ ぼ 等 ^{し か}

^{た ｡ A}

⁰

^{‑ 8}

^{2 , 7}

^{3 の} 場 合 ^{は ス パ} ッ タ ガ ス 圧 が 低 く な る に ^つ れ 吸 収 端 が よ り 長 波 長 側 に シ フ ト し た ｡

今 回 , 形 成 さ れ た ^{Ti O}

ス パ _ッ タ 膜 に 光 触 媒 効 果 が あ る か 否 か を 調 ^べ る た め に , 有 機 化 合 物( ^{メ チ レ ン ブ ル}

^C

H

N

S

C l ) ^を 含 む 水 ^の 脱 色 実 験 を 試 み た ｡ メ チ レ ン ブ ル

水 溶液 中 ^に 配 置 さ れ た ^T i O

ス パ _ッ タ 膜 に 紫 外 線 を 照射 ^し

定 時 間 ご と に メ チ ^{レ ン} ブ ル

水 溶 液

の 透 過 度 を 測 定 ^し た ｡ 透 過 度 ^の 測 定 は メ チ ^{レ ン} ブ ル

水 溶 液 を 通 し て 透 過 し て 来 る ^レ

ザ

ー

光 ^の 強度 ^を フ ォ ト ダ イ ^オ

ド で 検 出 し , そ ^の 電 圧 変 化 に よ

て 透 過 度 ^の 変 化 を 測 定 し た ｡

図 ¹ に 脱 色 実 験 装 置 を 示 す ^｡ 表 ¹ に 透 過 度 測 定 条 件 を 示 す ｡

図 ² に ^{ス パ} ッ タ ガ ス 圧 を ^パ ラ メ

タ に し た と き ^の 脱 色 化 ^の 時 間依 存 性 を 示 す ｡ 図 で 透 過 度 を 透 明 な 水 ^の 透 過 度 を ¹ と し た 任 意 単位 ^で 示 し た ｡

j' ラ

ク ラ イ ト メ チL

1

ブ . ¹

^L

‑

水主審癌

図 ¹ 脱 色 実 験装 置

表 ² 透 過 度 測 定 条 件

T i O

薄 膜 枚 数 ³ 枚

紫 外 光 ^‑ 薄 膜 間 距 離 ^{1 0 0}

紫 外 線 強 度 ^{2 6}

^{W /}

メ チ ^{レ ン} ブ ^ル

水 溶 液

0

0 4 %

濃 度

メ チ レ ン ブ ル

水 溶 液

3 1 ℃ 温 度

図 ³ に ガ ^ス 混 合 比 を ^パ ラ メ

タ に し た と き ^の 脱 色 化 ^の 時 間 依 存 ^{性 を示 す ｡ 図 で} 透 過 度 を 透 明 な 水 ^の 透 過 度 を 1 と し た 任 意 単位 ^{で 示 し た ｡}

ガ ス 混 合 比 が ^A

⁰

8

2 の 時 , 最 も 脱 色 効 果 が 大 き く , 光 活 性 が 高 ^{い ｡ ス パ} ッ タ ガ ス 圧 が 低 真 空 ^{の 0}

^{8 P}

の 時 に 最 も 光 触 媒 効 ^{果 が} 高 く , ガ ^ス 圧 が 高真 空 に な る に ^つ れ 光 ^{活 性 が 弱} く な り , 0

4 P

と ⁰

^{2 P}

^の 時 で は ほ ぼ 同 じ で あ

た ｡ 透 過 度 変 化 で も , 光 ^触 媒 効 ^{果 が} 高 ^い

の は 0

8 P

, 8

2 の ス パ _ッ タ 薄膜 で あ る ^こ と が 分 ^か

^{た ｡} 効 ^{果 が} 高 ^い 順 は ガ ^ス 圧 が o

s p

0

4 P

,

0

2 P

で あ り , 混 合 ガ ス 比 は ⁸

² , 5

5 , 6

4 の 順 ^に 効 果 ^{が 下 が}

^た

^{1 0 時} 間 後 ^に

は 目 視 ^{で で} も 明 ら か に メ チ ^{レ ン} ブ ル

の 色 素 が 薄 く な

て ^い て , 透 明 な 水 に 限 り な く 近 く な

た ｡

メ チ ^{レ ン} ブ ル

水 溶 液 ^の 透 過 度 が 良 く な り 色 素 が 薄 く な

て ^い く ^の は

T i O

薄 膜 ^の 光 触

3 9

媒 効 果 ^{に よ る O H ラ ジ カ ル が ,}

メ チ ^{レ ン} ブ ^ル

^の 色 素 を示 す

c

H 結 合 を 切 断 ^{し ,} 青 色 ^を 薄 ^め

て ^い る と 考 え ら れ る ｡

そ し て

切 断 さ れ た ^C

^H は O ^出 ラ ジ カ ^ル や o

と 結 合 し C O

Ⅲ

0

に 変 化 す ^{る と み ら れ る ｡}

ま た , 光 ^触 媒 効 果 ^{は ス パ ッ タ} 薄 膜 ^の 表 ^面 積 ^に 依 存 す ^{る の で ,} 結 果 ガ ^ス 圧 で は 0

s p

, 混 合 ^{ガ ス}

比 で は 8

2 の 光 触 媒 膜 ^が 他 ^の も

の よ り 表 面 積 ^{が 大 き く} 光 ^触 媒 効 果 ^が 高 ^か

^{た こ と が 証 明 さ れ た ｡}

( ³ ) ^{プ ロ ジ}

^{ク ト} 成 果 ( 特 許 ,

起 業 ^, 技 術 移 転 等)

該 ^{当 な し}

( ⁴ ) ^{プ ロ ジ}

^{ク ト} 成 果 ^{の 応 用}

効 果

構 想 ( ^起 業 計 画 , 市 場 ^で

の 応 用

効 果 ^, 特 許 化 構 想)

養 ^{豚 の し 尿 の} 脱 色 を 目 的 に ,

経 費 ^{が で き る だ け か か ら な い 方} 法 と し て , 自 然 ^の 太 陽 光 だ け ^で

, 日 本 ^バ イ リ

^ン ( 樵) ^の 光 触

媒 担 ^{持 プ リ}

^ツ フ ィ ル タ を 用 ^い 養 ^{豚 し 尿 の 脱 色 に つ い て の 基} 礎 実験 を 行 な

て お り

ほ ぼ , 脱 色 は 可 能 に な

た が , 現在 ^{, し} 尿 ^の

4 0

図 ^{2 ス パ} ッ タ ガ ス 圧 を ^パ ラ メ

タ に し た と き ^の 脱 色 化 ^の 時 間依存 ^性 ( ガ ^ス 混 合 比 ⁸

² )

図 ³ ガ ^ス 混 合 比 を ^パ ラ メ

タ に し た と き ^の 脱 ^色 化

の 時 間 依 存 性 ( ^{ス パ} ッ タ ガ ^ス 圧 ⁰

^{s p}

)

環 境 ^{ホ ル モ ン の} 分解 ^に 関 す ^る 研 究 ^を 行

^{て お り そ の} 結 論 ^が 出 ^{れ ば ,} 起 業 ^{の 可} 能 性 は 高 く ¹ 年後

の 実 用 化 ^{を 目} 途 ^{に し て お り ま} す ^｡ 起業 ^{す る 予} 定者 は 現 在

数 社 あ り , 富 山 県 ^{の 企} 業 も加 わ

て お り ま す ^が

^か な り 大 掛 ^か り な 製 品 開 発 で あ り , 中 央 ^{の 企} 業 ^{が 主} 体 ^に な る と 考 ^{え て お り ま} す ^｡

本 研 究 ^の 成 果 は 水 処 理 技 術 全 般 に わ た り 大 き な 貢 献 を す る ｡ さ ら に , 将 来 農 業 ^, 製 造 業

か ら サ

ビ ス 業 ま で の あ ら ゆ る 産 業

医 学 ^の 発 展 に 寄 与 す る ^こ と は 自 明 ^の 理 で あ る ｡ 大 面 積 高 分 子 ^フ イ ^{ル ム} 上 ^{‑ の} 薄 膜 技 術 化 が 確 ^{立 で} き れ ば 河 川 等 ^の 汚 水 処 理 も 可 能 ^{に な り} 社 会

‑ の 波 及 効 ^{果 は 大 き い ｡} 約 ^{1 0 0} 万 円 程 度 ^の 小 型 処 理 装 置 ^が 完成 す れ ば , 下 水 ^{処 理} 場 ^, 家

畜 し 尿 処 理 場 な ど で は

必 ず 使 用 さ れ る ^｡ さ ら に 日 本 ^で も , 輸 入 食 糧 ^の 危 険 性 ^が 指 摘 ^{さ れ}

て お り , 国 内 で の 自 給 自 足 を 促 進 し よ う と す る ^ム

ドが 高 ^ま

^て き て お り , 農 業 や 家 産 業 が 見 直 ^{さ れ ,} 今 後 市 場 が 大 き く 伸 び る と 考 え ら れ る ｡ さ ら に , 安 価 ^で 高 効 率 な 装 置 ^が 開 発 で き れ ば , イ ^{ン フ} ラ が 完備 し て ^い な ^い ア ジ ア ^の 諸 国 も 大 き な 市 場 ^と 成 り 得 る ^｡

( ⁵ ) 利 ^用 施 設

該 当 な し

4 1