JP2006181449A

JP2006181449A - 水処理方法および水処理装置

Info

Publication number: JP2006181449A
Application number: JP2004376602A
Authority: JP
Inventors: Akira Yano; 明矢野; Masaru Uchida; 勝内田
Original assignee: GREEN PRECIOUS KK; UCHIDA REINETSU KK
Current assignee: GREEN PRECIOUS KK; UCHIDA REINETSU KK
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP3805350B2

Abstract

【課題】長期間安定して存在し得る、平均的にクラスターの小さい水を低コストで大量に生成可能な方法と装置を提供すること。
【解決手段】水路の上流側から順番に、高圧水ジェットの注入によるキャビテーションによって真空マイクロバブルを発生させるキャビテーション発生手段と、水路内に磁場を形成する磁場形成手段とを設ける。必要に応じて、キャビテーション発生手段の上流側に、水路内の水に対して空気（またはオゾン）の気泡を混入させる気泡混入手段を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャビテーションで発生したマイクロバブルの崩壊破裂と磁場によるフレミング力を利用して水分子クラスターを微細化する水処理方法および水処理装置に関する。

水は単一分子では存在できず、水素結合により多数の分子からなるクラスター（分子集団）を形成する。この水のクラスターは存在場所の諸条件によってその大きさが異なる。例えば、天然湧水は水素分子同士の大きな集団が壊れ、水の分子がカルシウムイオンを取り囲んで、水だけの場合と比較してより小さなクラスターを形成していると考えられている。クラスターが平均的に小さい水は人間に対して生理学的および医学的に有用であるほか、余分な酸素を含まないため自然界にあっては微生物の繁殖を抑制して良好な環境を保全する。
従来、このように平均的にクラスターの小さい有用な水は、例えば、（１）超音波を照射して水を振動させることにより水素結合を切断する、（２）セラミックプレートを水に浸漬し、あるいはセラミックフィルターで水を濾過することにより、セラミックスが放射する遠赤外線を水に作用させる、あるいは、（３）電気分解型の浄水器のように水に電場ないし磁場を与える（特許文献１参照）、などの方法で生成されていた。
特開平９−３０８８８８号公報

しかしながら、前述のような手段で生成された小クラスターの水は、小クラスターを形成する水分子相互の結合力が弱く不安定であり、数時間ないし数日でもとの大きいクラスターに復元してしまうという問題と、低コストで大量に生成することが困難であるという問題があった。

本発明の目的は、長期間安定して存在し得る、平均的にクラスターの小さい水を低コストで大量に生成可能な方法と装置を提供することにある。

前記課題を解決するため本発明の水処理方法は、水路内を流速１５ｍ／ｓｅｃ以上で流れる水に空気またはオゾンの気泡を混入させる工程と、前記空気またはオゾンの気泡に高圧水ジェットの注入によるキャビテーションによって発生させたマイクロバブルを衝突させる工程と、前記空気またはオゾンの気泡にマイクロバブルが衝突してナノバブルに破壊される領域に磁場を作用させる工程とを有することを特徴とする。キャビテーションで非常に短時間で発生するマイクロバブルは電気的には絶縁体であるが、個々のバブルの界面にイオンと自由電子が分布するため（電解分離現象）、これらイオンと電子がキャビテーションの乱流の中で衝突して電離現象（衝突電離）が発生する結果、導電性を帯びるようになる。この導電性を帯びたマイクロバブルが下流側の磁場内を通過することにより、マイクロバブルを包む水分子クラスターにフレミングの左手の法則により磁界と直角な方向の力が作用し、この力によって水分子クラスターが微細化される（マイクロクラスター化）。磁場を通過するか通過しないうちに、マイクロバブルは、周囲の水圧と大気圧によって非常に短時間で崩壊破裂し、この際、周囲に強い衝撃波を連鎖的に及ぼす。この衝撃波はキャビテーションの騒音やエロージョンの原因として知られているが、この衝撃波によって水分子クラスターのさらなる微細化が図られる。

本発明の水処理方法は、高圧水ジェットの上流側の水路内に空気またはオゾンの気泡を混入させる工程により、水分子クラスターの微細化と、水中溶存酸素による水の活性化が同時に実現できる。

また本発明の水処理装置は、水路の上流側から順番に、水路内の流速１５ｍ／ｓｅｃ以上で流れる水に対して空気またはオゾンの気泡を混入させる気泡混入手段と、高圧水ジェットの注入によるキャビテーションによってマイクロバブルを発生させるキャビテーション発生手段と、水路内の前記空気またはオゾンの気泡にマイクロバブルが衝突してナノバブルに破壊される領域に磁場を形成する磁場形成手段とを設けたことを特徴とする。キャビテーション発生手段の上流側に、水路内の水に対して空気またはオゾンの気泡を混入させる気泡混入手段を設けることにより、水中溶存酸素による水の活性化が図られる。前記磁場形成手段は、前記気泡が前記マイクロバブルと衝突してナノバブルに破壊される領域に配置することにより、ナノバブル周囲で電離した水分子クラスターの微細化が促進される。

本発明は、水路内への高圧水噴射によるキャビテーションで水路内にマイクロバブルを発生させ、このマイクロバブルに下流側で磁場を作用させるようにしたから、マイクロバブル界面に分布するイオンと電子の衝突電離によって導電性を帯びるようになったマイクロバブルが、下流側の磁場内を通過する際に磁界作用を受けることにより、フレミングの左手の法則により磁界と直角な方向の力を受け、この力によってバブルを包囲する水分子クラスターが微細化される。そして、マイクロバブルが磁場を通過するか通過しないうちに周囲の水圧と大気圧によって非常に短時間で崩壊破裂し、この崩壊破裂により発生する強い衝撃波によって水分子クラスターのさらなる微細化が促進される。このように微細化された水分子クラスターでは結合状態が水素結合より強いため容易に破壊されず、小クラスターのままで長時間安定して存在することができる。

このため、処理前は大きな水分子クラスター間に不安定な状態で大きな塊状に比較的豊富に溶け込んでいた酸素が、処理後は微小クラスター間に安定的かつ小さな粒状に少量で残留することになる。また、処理前は不安定溶存酸素により好気性バクテリアなどの微生物の増殖で腐敗が進行し、溜め池などではアオコの発生原因となっていたのが、処理後は有機物が含まれていても溶存酸素が少ないために細菌の活動が大きく制約されて水がいつまでも腐敗せず、透明度も変わらず、アオコも発生しなくなる。

また、高圧水ジェットの上流側から空気（またはオゾン）の気泡を混入させる場合は、この気泡から発生するオゾンの殺菌効果により、例えばコイヘルペスなどのウイルスを完全に死滅させることができる。空気の気泡からオゾンが発生する機構については後述する（［００１８］段参照）。

以下に本発明に係る水処理方法とそれに使用する水処理装置の一実施形態を図に基づき説明する。図１は本発明の水処理装置を溜め池の浄化用に適用した場合の概略構成図である。１はほぼ水平に配設したステンレス製のパイプである。このパイプ１の中が溜め池２の水を流すための水路となる。パイプ１は図示例では水平であるが、傾斜状あるいは蛇行状して配設しても特に問題はない。また、パイプ１の材質も特に限定されるものでなく、ステンレスに限らず、他の金属製あるいは樹脂製のパイプも使用可能である。パイプ１の中間部分の外周に電磁コイル３が取付けられる。この電磁コイル３は三相２００ボルトを電源とするもので、変換器を組み込むことで最大４テスラを実現する。因みに永久磁石のネオジではせいぜい１〜２テスラまでである。なお、電磁コイル３単体に加えて、必要に応じて、電磁コイル３の下流側にネオジを追加配置してもよい。これは比較的小型の電磁コイル３を使用する場合に、その磁場による作用を補うためである。

電磁コイル３の上流側（図示例では電磁コイルの右側）のパイプ１に、上流側から順番に、高圧エア用口金４と、高圧水用口金５が取付けられる。これら口金４，５は図２，３に示すようにほぼ同一構造であって、パイプ１の雄ねじ部１ａが螺合される左右一対の雌ねじ部４ａ，５ａと、パイプ１の突き合わせ部１ｂを円周方向に取り囲むように形成された環状空間４ｂ，５ｂと、この環状空間４ｂ，５ｂから半径方向外方に外部へと連通したジョイント孔４ｃ，５ｃとを有する。高圧エア用口金４の中のパイプ１には、円周方向等間隔に５ヶ所に小孔６が形成される。小孔６の数は５つに限られることはなく、適数で構わない。これら小孔６は例えば直径０．５ｍｍであり、小孔６の軸線は、加工上の便宜からパイプ１の軸線に対して直角とされるが、小孔６の軸線を下流側または上流側に向けて傾斜させても格別問題はない。高圧水用口金５の中のパイプ１には、円周方向等間隔に５ヶ所に小孔７が形成される。小孔７の数は５つに限られることはなく、適数で構わない。これら小孔７は例えば直径０．５ｍｍであり、小孔７の軸線は、パイプ１の軸線に対して下流側に向けて４５°傾斜される。傾斜角度は必ずしも４５°である必要はない。例えば３０°〜６０°の範囲内で下流側に傾斜させてもよい。なお、小孔７の軸線の傾斜方向は下流側が望ましい。

高圧エア用口金４と高圧水用口金５との相互間隔は特に制約されない。高圧水用口金５と電磁コイル３との相互間隔も特に制約されない。しかし、望ましくは、後述するように、高圧水用口金５から噴射した高圧水ジェットにより空気の気泡がナノバブルに破壊される範囲内に電磁コイル３を配置するとよい。

パイプ１の上流端は、連結ホース１０を介して送水ポンプ１１の吐出口１１ａと接続される。送水ポンプ１１の吸入口１１ｂは、吸水ホース１２を介して溜め池２内に連通される。パイプ１の下流端は、排水ホース１３を介して溜め池２内に連通される。高圧エア用口金４のジョイント孔４ｃは、連結ホース１４を介してエアポンプ１５の吐出口１５ａと接続される。高圧水用口金５のジョイント孔５ｃは、連結ホース１６を介して高圧水ポンプ１７の吐出口１７ａと接続される。高圧水ポンプ１７の吸入口１７ｂは、吸水ホース１８を介して溜め池２内に連通される。

本発明に係る水処理装置は、概略以上のように構成される。この水処理装置は２通りの使用法が可能である。第１の使用法は、エアポンプ１５だけを停止し他の機器はすべて作動させる使用法である。第２の使用法は、エアポンプ１５を含めすべての機器を作動させる使用法である。まず第１の使用法について説明し、次に第２の使用法を説明する。

まず送水ポンプ１１で溜め池２の水を汲み上げ、望ましくは流速１５ｍ／ｓｅｃ以上で
パイプ１に流す。流速１５ｍ／ｓｅｃ以上とするのは、電磁コイル３の磁場によって水分子クラスターが微細化に必要な力を十分に受けるためである。パイプ１から出た水は再び溜め池２に戻す。水がパイプ１中を通過する間に以下の水処理がなされる。

パイプ１内に導入された水に対して、高圧水用口金５の小孔７から、例えば圧力５．０ＭＰの高圧水ジェットが斜め４５°で下流側に向かって噴射される。このジェットによる局所的な高速水流によるキャビテーション作用によって水中に微細気泡すなわちマイクロバブルが発生する。このマイクロバブルの実体は、飽和蒸気と、低圧で水から分離した溶存気体（溶存酸素等）の混合体である。マイクロバブルは非常に短時間で発生し、かつ、非常に短時間で潰れて消滅する。マイクロバブルはいわば「気孔」であり絶縁体であるから、そのままでは下流側の電磁コイル３による磁場の作用を受けない。しかし、次の現象によりマイクロバブルが絶縁体から導電体に変化し、同時に磁場の作用を受けることにより水分子クラスターが微細化される。

すなわち、個々のバブルの界面にはイオンと自由電子が分布するため（電解分離現象）、これらイオンと電子がキャビテーションの乱流の中で衝突して電離現象（衝突電離）が発生する結果、導電性を帯びるようになる。この導電性を帯びたマイクロバブルが下流側の磁場内を通過することにより、マイクロバブルを包む水分子クラスターにフレミングの左手の法則により磁界と直角な方向の力が作用し、この力によって水分子クラスターが微細化されるのである（マイクロクラスター化）。そしてマイクロバブルが磁場を通過するか通過しないうちに、周囲の水圧と大気圧によって非常に短時間で崩壊破裂し、この際、周囲に強い衝撃波を連鎖的に及ぼす。この衝撃波によって水分子クラスターのさらなる微細化が図られる。こうして、処理前は大きな水分子クラスター間に不安定な状態で大きな塊状に比較的豊富に溶け込んでいた酸素が、処理後は微小クラスター間に安定的かつ小さな粒状に少量で残留するか、まったく残留しないことになる。

次に、本発明の水処理装置の第２の使用法について説明する。この第２の使用法では、高圧エア用口金４の小孔６から例えば圧力９ｋｇ／ｃｍ^２で空気（または必要に応じてオゾン）が吹き込まれる。この空気が例えば直径０．５〜２ｍｍ程度の気泡２１となって水中に混入する（図４（Ａ）参照）。この気泡はパイプ１の中を水流と共に下流側に向かって流れる。一方、前述したように、高圧水用口金５の小孔７から、例えば圧力５．０ＭＰの高圧水ジェットが斜め４５°で下流側に向かって噴射される。このジェットによる局所的な高速水流により、水中に微細気泡すなわちマイクロバブルが発生する。

マイクロバブルはごく短時間のうちに破壊消滅するのであるが、その破壊消滅の前
に、上流から流れてきた比較的大きな気泡に、このマイクロバブルが高速で衝突して気泡を一気にナノバブルのサイズ（粒径分布のピークが例えば100〜200nm）に破壊する（図４（Ｂ）参照）。気泡２１がナノバブル２２に破壊される際に急激な断熱圧縮現象が起こり、これによりナノバブル２２の中で超高圧・超高温の極限反応場が形成される。超高圧・超高温の極限反応場によって、ナノバブル２２の周囲の水分子は分解されて・OHなどのフリーラジカル（ヒドロキシラジカル）を形成する。また、空気の吹き込みによる気泡中の酸素の一部が極限反応場の作用でＯ³（オゾン）を形成する。

フリーラジカルやオゾンは極めて強い酸化能力があり、この強い酸化能力により強力な殺菌・消臭・制菌作用が発揮される。なお、高圧水ジェット中に少量の食塩水を添加すると、殺菌・消臭・制菌作用が大幅に増強されることが確認された。これは、食塩水から何らかのメカニズムで発生した殺菌力の強いHClO（次亜塩素酸）やClO^-（次亜塩素酸イオン）が関係しているものと考えられる。食塩水を添加した後の水中食塩水濃度は、例えば、０．５％程度でよい。

加えて、気泡２１がナノバブル２２に破壊される範囲には、電磁コイル３による磁界が作用する。マイクロバブルとナノバブル２２はごく短時間のうちに破壊消滅するが、第１の使用法で説明したフレミングの左手の法則による力と、前述の超高圧・超高温の極限反応場との相乗作用によって、水分子クラスターがいっそう微細化される。こうして、処理前は大きな水分子クラスター間に不安定な状態で大きな塊状に比較的豊富に溶け込んでいた酸素が、処理後は微小クラスター間に安定的かつ小さな粒状に少量で残留することになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば前記実施形態では本発明を溜め池の浄化用に適用したが、本発明は工業用、医療用または家庭用の水質改善用としても使用することができるし、工場排水の浄化用としても使用可能である。また、水分子クラスターの微細化の程度が用途によって異なる場合、本発明は高圧水ジェットの噴射水量ないし噴射圧力を加減することにより、あるいは電磁コイル３の磁界を（例えば最大４テスラまで）増減調整することにより、クラスターサイズを適宜変更することも可能である。これにより水中溶存酸素量の範囲を自在に調節でき、ウイルスや細菌の活動をまったく不可能にする低酸素量から、淡水魚と海水魚の同一水槽内生育をも可能にする高酸素量まで、目的と用途に応じた多様な水処理が可能となる。

本発明に係る水処理装置の概略構成図。（Ａ）は高圧エア用口金の縦断面図、（Ｂ）は同口金の横断面図。（Ａ）は高圧水用口金の縦断面図、（Ｂ）は同口金の横断面図。水処理の工程を段階的かつ概念的に図示したもので、（Ａ）はエアレーション時、（Ｂ）はキャビテーション時、（Ｃ）は電磁場通過時の水の状態を示す拡大図。

符号の説明

１パイプ
２溜め池
３電磁コイル
４高圧エア用口金
４ａ雌ねじ部
４ｂ環状空間
４ｃジョイント孔
５高圧水用口金
５ａ雌ねじ部
５ｂ環状空間
５ｃジョイント孔
６，７小孔
１０連結ホース
１１送水ポンプ
１１ａ吐出口
１１ｂ吸入口
１２吸水ホース
１３排水ホース
１４連結ホース
１５エアポンプ
１５ａ吐出口
１６連結ホース
１７高圧水ポンプ
１７ａ吐出口
１７ｂ吸入口
１８吸水ホース
２１気泡
２２ナノバブル

Claims

水路内を流れる水に、高圧水ジェットの注入によるキャビテーションによって真空マイクロバブルを発生させる工程と、水路内を流れる前記真空マイクロバブルに磁場を作用させる工程とを有することを特徴とする水処理方法。
前記高圧水ジェットの上流側の水路内に空気またはオゾンの気泡を混入させる工程を有することを特徴とする請求項１記載の水処理方法。
水路の上流側から順番に、高圧水ジェットの注入によるキャビテーションによって真空マイクロバブルを発生させるキャビテーション発生手段と、水路内に磁場を形成する磁場形成手段とを設けたことを特徴とする水処理装置。
前記キャビテーション発生手段の上流側に、水路内の水に対して空気またはオゾンの気泡を混入させる気泡混入手段を設けたことを特徴とする請求項３記載の水処理装置。
前記気泡が前記真空マイクロバブルと衝突してナノバブルに破壊される領域に前記磁場形成手段を配置したことを特徴とする請求項４記載の水処理装置。