トルエンが利用される工場は、たくさんあります。
トルエンを利用する工場では、作業場の臭気対策が求められます。
トルエンの臭気対策には、大がかりな装置を使って対策する方法もありますが、簡単な方法として工場内に光触媒をコーティング塗装しておく方法もあります。
光触媒コーティングは、小さな工場では有効なのではないかと考えます。
この記事では、トルエンの分解が可能な光触媒成分「銅担持酸化チタン（銅ドープ酸化チタン）」をご紹介しつつ、光触媒を使ってトルエンの臭気対策をする方法をご説明いたします。
光触媒とは？
光触媒という言葉に聞きなれていない方に向けて、光触媒とはどういったものなのかをご説明いたします。
光触媒とは、光が当たるとそれに触れているものを酸化分解する効果を持つ成分のことです。
光触媒は触媒ですから、何かを酸化分解させたとしても、光触媒に変化がありませんから、半永久的に分解し続けられるという特長があります。
光触媒による消臭のメカニズム
光触媒が酸化分解できる性質について、もう少し詳しくご説明いたします。次の図をご覧ください。
光触媒は、光触媒成分が持つバンドギャップを超えるエネルギーを持つ光が当たると、励起電子が放出されます。励起電子は空気中の酸素分子と結合して、スーパーオキシドアニオン（O2-）と言われる活性酸素になります。スーパーオキシドアニオンは、それ自体が触れるものを酸化分解する性質を持ちます。
スーパーオキシドアニオンは、空気中の水分子に酸素原子と結合することで、過酸化水素（H2O2）になります。過酸化水素は、空気中ではすぐに2つに分解して、OHラジカル（・OH）に変化します。
このOHラジカルは、強い酸化力を持つ成分で、これによって臭いの原因物質が酸化分解され、二酸化炭素や水分子といった臭いの無い成分に変化します。
酸化チタンではトルエンの分解ができない
このような性質のある光触媒ですが、トルエンの臭気対策となると少し問題があります。それは、「ベンゼン環を持つ物質は、光触媒では分解でいない」という定説があります。
光触媒でもっとも利用されている成分は酸化チタンです。酸化チタンは、紫外線が当たると強く活性化することが知られています。つまり、OHラジカルが他の光触媒成分と比較してもたくさん生じることを意味します。
しかし、OHラジカルだけではトルエンの分解が難しいようです。実際に酸化チタンに紫外線を照射し、トルエンが分解できるかどうかを日本食品分析センター様に依頼し、試験していただきました。その結果が次の図です。
酸化チタンに紫外線を照射しただけでは、ほとんど分解できないことが判りました。
銅担持酸化チタンとは？
光触媒には、たくさんの種類が存在します。数ある光触媒ですが、光触媒コーティング剤として実用化されている成分の中に、銅担持酸化チタン（銅ドープ酸化チタン）という成分があります。
この銅担持酸化チタンとは、酸化チタンのアナターゼ型結晶の表面に、ナノサイズの酸化銅を結合させたものです。すると、ナノサイズの酸化銅が補触媒として作用し、酸化チタンだけでは分解できなかったトルエンが、分解できるようになります。
つまり、銅担持酸化チタンは、トルエンの臭気対策として利用可能です。
銅担持酸化チタンのトルエン分解性能
銅担持酸化チタンのトルエン分解性能を試験いたしました。試験の方法は、先ほど酸化チタンのトルエン分解試験と同じ方法です。
試験方法
試験方法を具体的にご説明いたします。トルエンの分解試験は、次の3種類の条件で試験しました。
- 光触媒なし（無塗装）
- 酸化チタン光触媒あり
- 銅担持酸化チタン光触媒あり
試験方法は次の手順にて行いました。
- タイルを3枚用意
- 2枚のタイルに、酸化チタンを塗布、銅担持酸化チタンをそれぞれ塗布
- 3枚のタイルを、それぞれ別の袋に入れ、ヒートシールを施す
- 袋に3Lの空気を入れ、濃度が100ppmとなるようにトルエンを添加
- 袋の中央部の紫外線強度が1mW/cm2になるようにブラックライトを照射し、試験を開始
- 定時にガス検知管により、トルエンの濃度を測定
試験結果
次の図は、上述した酸化チタンでの試験結果に、銅担持酸化チタンの試験結果を追記したものです。
酸化チタンではほとんど消臭できなかったトルエンが、銅担持酸化チタンであれば100ppmが24時間ほどで検出限界にまで下がっていることがわかります。光触媒コーティングの塗布面積を増やしたり、照射する光を強めたりすることで、トルエンをもっと素早く脱臭することが可能です。
光触媒コーティングによる工場のトルエン臭気対策
銅担持酸化チタンで工場内の空気中に漂うトルエンを脱臭する方法としては、いくつかの方法が考えられます。その方法の一つとして、工場の壁や天井などを、光触媒コーティング塗装する方法です。
光触媒コーティング塗装とは、光触媒成分が含まれる液剤を、スプレーガンを使って塗装する方法です。銅担持酸化チタンが添加された室内用の光触媒コーティング剤は、屋内用光触媒コーティング剤（BX01-AB1）です。
工場内全体を光触媒コーティング塗装しておけば、トルエンが工場内のどこに触れても分解されるので、トルエンを工場内全体で臭気対策ができるわけです。
ところで、工場内の光には紫外線がほとんど含まれていないと思います。しかし、銅担持酸化チタンは担持された銅の効果によって、可視光でも強く活性化することが知られています。また、光が当たっていない場所であったとしても、ナノサイズの酸化銅が触媒の効果を発揮するので、トルエンが分解できることと思います。（暗所でのトルエン分解については、追試を行う予定です）
光触媒フィルターを使った空気清浄機への応用
光触媒フィルターを使った空気清浄機への応用をご説明します。ここでご紹介する装置を、トルエン専門として開発したことがありませんから、研究資金をご提供くださる企業様を募集しております。
光触媒フィルター
光触媒フィルターとは、光触媒コーティング塗装されたフィルターのことです。トルエンを強力に分解したい場合には、銅担持酸化チタンをコーティング塗装したステンレスメッシュのフィルターに、高出力の紫外線ランプを組み合わせると良いでしょう。
ステンレスメッシュフィルターを光触媒コーティング塗装しますが、利用する液剤は工場内の塗装と同じ、屋内用光触媒コーティング剤（BX01-AB1）を利用します。
工場内の塗装と違うところは、次の2点です。
- ステンレスメッシュに屋内用光触媒コーティング剤（BX01-AB1）を多く塗布する
- 300℃程度で焼結させ、耐久性を高める
工場内に塗装する場合は、見栄えが大事ですから、クリア塗装ができるように薄く塗装します。光触媒フィルターに塗装する場合は、見栄えが気になりませんから、たくさんの量を塗装します。
また、塗装後に300℃程度の温度で焼結させることによって、酸化チタンがステンレスの表面に強固に付着するので、耐久性が高まります。すると、ステンレスメッシュフィルターは、定期的に清掃しますが、高圧洗浄や樹脂製のブラシで洗った程度では、ほとんど落ちることはありません。
トルエン脱臭装置
排気ガスのトルエン濃度が問題となる場合には、排気ダクトに接続されたスクラバーやチャンバーに、光触媒フィルターを設置する方法があります。
光触媒フィルターを利用できれば、トルエンを脱臭するための液剤などの量を減らすことができるので、経費削減が可能です。
光触媒フィルターはカートリッジ式にしておき、メンテナンスや取り換えができるようにしておくと便利だと思います。
トルエンの脱臭装置を開発したことはありませんが、ホルムアルデヒドやアルコール類を分解する装置の開発は実績がございます。
工場用空気清浄機
工場の中の作業員付近のトルエン濃度を下げたい場合には、光触媒フィルターを設置した空気清浄機を置いておくことも考えられます。
この写真の試作機は、手のひらサイズの光触媒空気清浄機です。内部に紫外線LEDを内蔵した装置で、銅担持酸化チタンを塗装したフィルターを設置しています。製造から10年が経過していますが、未だにメンテナンス無しで稼働します。
工場用空気清浄機として、実用機を製造する場合には、塵や粉塵を除去できるフィルターの搭載が必要ですから、そのフィルターの掃除や交換は必要となります。それに対して光触媒フィルターは、メンテナンスフリーで稼働します。
弊社では、空気清浄機などの開発をされている企業様向けに、この手のひらサイズの光触媒空気清浄機（試作機）の貸し出しを行っています。トルエンの分解を試験したい企業様はお気軽にご相談ください。
光触媒コーティングされた活性炭による臭気対策
活性炭はトルエンなどのガスを吸着する性質がありますから、活性炭に光触媒コーティング塗装をしておくことで、効率的にトルエンの臭気対策が可能となります。
活性炭でトルエンを除去する場合には、トルエンの吸着が限界量に達したら、活性炭を交換しなければいけません。ところが、活性炭に銅担持酸化チタンをコーティング塗装しておくことで、活性炭に吸着したトルエンを分解し続けてくれます。
つまり、半永久的にトルエンを吸着し続けてくれる、禁断の活性炭ができてしまうのです。
住宅のシックハウス対策で、床下に活性炭を入れる場合は、交換が難しいと思います。そういった活性炭にも、銅担持酸化チタンをコーティングした活性炭が活躍します。
ただし、活性炭に光触媒コーティング塗装をする場合は、活性炭の孔を塞いでしまわないように光触媒コーティング塗装する必要があります。弊社は、その施工技術を持っているので、禁断の活性炭の製造が可能です。
活性炭の表面に銅担持酸化チタンをコーティング塗装したいとお考えの企業様は、有償になりますがテスト加工いたします。貴社の工場にて活性炭を利用されている企業様は、ぜひお試しください。
この記事の著者／責任者
株式会社イリス 代表取締役
島田 幸一 (Shimada Koichi)
私はもともと、地元農業のソリューション提供を事業としていたが、野菜や果物の劣化を促進させるエチレンガスの分解を研究したことで、光触媒の可能性を感じ起業いたしました。運よく可視光でも効果のある酸化チタン光触媒を世界で初めて開発して脚光を浴び、さまざまな業種のお客様から注文をいただける企業にまで成長できました。現在弊社は、可視光応答型光触媒を使ったコーティング剤を始め、外壁やガラス、石材、自動車の車内にクリア塗装ができる光触媒コーティング剤や、酸化チタンから下地を守るプライマーの開発。その後も、さまざまな材質に光触媒を定着するための研究を続け、多くの企業で採用されています。