JP2009195889A - ナノバブル液体製造装置及びナノバブル液体 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波のエネルギも必要でなく、水素を含む微小気泡等が安定して分散する水等を製造するナノバブル液体製造装置及び製造された水を提供する。
【解決手段】水若しくは水溶液に超微細気泡（以下「ナノバブル」という）を発生させる装置であって、水から分解された水素及び／又は酸素を供給する気体発生手段（水素発生手段ともいう）と、高圧水を噴射可能なナノバブル発生手段と、を備え、少なくとも前記水素を含むナノバブルを前記水若しくは水溶液に分散させることを特徴とするナノバブル発生装置を提供する。前記水素発生手段とナノバブル発生手段の間には、発生ガスの湿潤手段を含んでよく、また、発生するガスの種類や量を調整する気体分配手段を含んでよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、水若しくは水溶液中に超微細気泡（以下「ナノバブル」という）を発生させる装置及び該ナノバブルを含む水若しくは水溶液に関する。

水中の気泡としては、一般に泡と呼ばれるマクロなバブルや、バブル（気泡）の直径が１０乃至数十マイクロメートル（μｍ)の範囲にあるマイクロバブル、そして、直径が１マイクロメートル（μｍ)未満のナノバブルがあげられ、このナノバブルの特性を利用した装置の研究も進められている（例えば、特許文献１、２）。

ところで、水素を多量に含む水が種々の病気の原因とされる活性酸素の消去に有効であるという学説が近年医学界において発表されており、その特性を利用でき得る水素豊富水が開示されている（特許文献３）。
特開２００３−３３４５４８号公報 特開２００７−９８２１７号公報 特開２００４−４１９４９号公報 岩波「理化学辞典」第５版 ２００３年１１月１０日発行（「水素」の項目）

しかしながら、気体の水素は０℃１気圧の１ｍＬの水に約０．０２１ｍＬ溶解することができるが、その溶解速度は必ずしも速くなく、溶解する水素の効果は限られたものになる。また、このような水素を気泡の状態で水中に分散させようとも、０℃近傍で水の密度は約１ｇ／ｍＬで、水素の密度は約０．０９ｇ／ｄｍ^３とはるかに小さい（例えば、非特許文献１）。従って、大気圧下に置かれた水中の気泡は、容易に分離するおそれがある。また、従来のナノバブル発生装置では、最大で約５００万個／ｍｌのナノバブルが報告されているに過ぎず、その量に限界があった。また、その状態を長期に安定的に保持することが、できないという問題点があった。一方、このような水素は、その水の酸化還元電位を低下させると考えられており、マイナスの酸化還元電位を得るためにも重要である。

そこで、水素を溶解若しくは分散させた水が大気圧開放状態におかれても、この水素を安定的に含み得る水を製造する装置及びその水素リッチな水を提供する。詳細は、後述するが、気泡のサイズを小さくすれば、気泡内圧が極めて高くなり、例えば、その粒径が４５ｎｍであれば、その気泡の内圧が４０気圧にもなる（図８参照）。従って、気体の状態方程式を適用すれば、その気泡内の密度（ｎ／Ｖ）も４０倍の０．００３６ｇ／ｍＬになる。更に、１ｎｍであれば密度は２０００倍の約０．２ｇ／ｍＬと気泡の密度が高くなり、水の密度と比較できる程度になる。このようにすれば、水素を溶解若しくは分散させた水を大気圧開放状態においても水素を含む気泡は水中に安定的に漂うため分離しない。

一般に、ナノバブルを発生させる装置として、超音波及び電気分解によりナノバブルを発生させるものがあるが（特許文献１）、超音波発生装置が必要であり、ナノバブルの大量発生には向かない。また、大量にナノバブルを発生させる装置を使った場合、溶存酸素が増加するような酸化性処理を行うこととなり、酸化性の水を結果的に生成する（特許文献２）。

本発明では、超音波のエネルギも必要でなく、大量のナノバブルを発生可能で、処理された水若しくは水溶液（以下総称して「水」という）をより非酸化性にするナノバブル液体製造装置及びそれにより処理された水を提供する。この製造装置は、貯留された水等を加圧する高圧手段と、この高圧化された水等を噴射する超微細粒子化手段（以下「超微細粒子」を「ナノバブル」と、「超微細粒子化」を「ナノバブル化」と、「超微細粒子化手段」を「ナノバブル化手段」という）と、を備える。また、液体製造方法では、水等を貯留手段に貯留し、加圧して所定の圧力の高圧水等とし、ノズルより水等中に噴射して、壁に衝突させ、水のマトリックス中に、発生期の水素を含むナノバブルを分散させることを特徴とする。このようにして超微細化を実現し、非常に多くの数のナノバブルを長期安定化することが可能なナノバブル水を提供することができる。

具体的には、以下のようなものを提供することができる。
（１）水にナノバブルを発生させる装置において、水を分解し水素を発生させる水素発生手段と、高圧水を噴射可能なナノバブル発生手段と、を備え、少なくとも前記水素を含むナノバブルを前記水に分散させることを特徴とするナノバブル液体製造装置を提供することができる。

（２）前記水素発生手段は、前記水素発生手段により発生する発生期の水素ガスに水蒸気を含ませる湿潤手段を含むことを特徴とする上記（１）に記載のナノバブル液体製造装置を提供することができる。

（３）前記水素発生手段は、発生する気体の種類に応じた供給比率を変更可能な気体分配手段を含むことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のナノバブル液体製造装置を提供することができる。

ここで、水素発生手段は、水の電気分解を利用する装置を含んでよい。水の電気分解は、電解質を含む水溶液で行うため、電解質を構成するイオンが不必要に発生する水素や酸素等の気体に含まれないことが好ましい。例えば、このように発生させた気体を純水中にくぐらせることができる。このようにすれば、好ましい水蒸気がかかる発生した気体中に含まれ易くなる。また、気体分配手段は、可変バルブの組合せで各種気体の比率を変えてもよく、それぞれの気体の流量を調整する装置（例えば、マスフローコントローラ）を用いて行ってもよい。

（４）前記ナノバブル発生手段に供給される水をイオン化するイオン化手段を更に含むことを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載のナノバブル液体製造装置を提供することができる。

（５）上記（１）から（４）のいずれかに記載のナノバブル液体製造装置により製造された活性酸素低減ナノバブル水を提供することができる。

以上のように、本発明のナノバブル液体製造装置は、水素を含むナノバブルを安定的に水中に維持することが可能である。この水素は、溶解していなくても、分散することで、水中に存在可能である。このように水素を大量に含む機能水を速く生成することができる。更に、分散するナノバブル水素は、そのサイズが小さいことから、細胞内に取り込まれやすく、水素による活性酸素低減作用が期待される。

以下に本発明の実施例について、図面に基づいてより詳しく説明するが、実施例は説明のための例示であり、本発明はこれらの実施例に限定されない。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。

図１は、本発明によるナノバブル液体製造装置１０の機能模式図を示す。このナノバブル液体製造装置１０は、主に、ナノバブル化を促進する噴射手段１４と、噴射手段に水素等のガスを供給する水素発生手段１６と、発生する気体の種類に応じた供給比率を変更可能な気体分配手段１６ａと、ナノバブルを生成するための高圧水を作る高圧手段である高圧ポンプ１２と、から構成される。また、高圧水をイオン化するイオン化手段１８を噴射手段１４及び高圧ポンプ１２の間に含むことができる。これらの各手段及び装置は、パイプ２２、２８、３２、３６、３８及びバルブ２４、２６、３０、３４、３９により接続される。また、制御手段２０により、高圧ポンプ１２、噴射手段１４と、水素発生手段１６、気体分配手段１６ａ、及びイオン化手段１８は、各バルブと共に、それぞれ信号線４０、４２、４４、４６、４８、５０、５０ａ、５２により制御される。

図２にナノバブル液体製造装置６０の模式概略図を示す。水槽６３中に水６１が貯留され、その中に噴射手段１４を含むナノバブル発生部６４が沈められ、ナノバブル９０を生成している。この水槽６３中の水６１をパイプ７８から吸水し、高圧ポンプ６２で高圧化する。オーバーフローはパイプ７２から水槽６３に戻される。高圧ポンプ６２により高圧化された水はパイプ８２を経由してイオン化手段６８に供給され、パイプ８６で更にナノバブル発生部６４のノズルに供給される。ナノバブル発生部６４には、パイプ８９が接続される。水素発生手段６６内の電気分解槽６５から発生したガスは、気体分配手段６５ａにより気体比率を好ましいもの（十分な量の水素を含むガス）に変えられ、湿潤手段６７を通されて湿潤化される。この湿潤化された水素を含むガスは、パイプ８９によりナノバブル発生部６４へ供給される。

図３は、水素発生手段６６内部を模式的に図解するものである。電気分解槽６５はアノード側タンク１００のあるアノード室及びカソード側タンク１０２のあるカソード室に分離され、これらの２つのタンクをつなぐ塩橋１０８を除いて、それぞれ密閉されている。アノードタンク１００には約４重量％の水酸化カリウム水溶液が入れられ、アノード１０４が浸漬される。カソードタンク１０２には、同様に約４重量％の水酸化カリウム水溶液が入れられ、カソード１０６が浸漬される。アノード１０４及びカソード１０６は、それぞれリード１１０及び１１２で電源１１４に接続されている。電気分解槽６５は上述するように２つの室に密閉されているので、アノード１０４で発生する酸素ガス及びカソード１０６で発生する水素は、それぞれ、それぞれストップバルブ１１６ｄ及び１１６ｃを有するパイプ１１６ｂ及び１１６ａを通りマスフローコントローラ１１６ｅに送られ、そこで両ガスの配合が所定の割合に調整されて、パイプ１１６へと送られる。このとき、オーバーフローするガスは、図示しない排気パイプにより系外に排気される。所定の割合に配合された混合ガスは、パイプ１１６により、水槽６７内の多孔質体６９に供給され、水槽６７内の水（例えば純水）にバブリングされる。このようにして、混合ガスは水蒸気等により湿潤化される。水槽６７は、密封されているので、パイプ１１８によりパイプ８９へと供給される。

図４は、図２のナノバブル発生部６４の模式断面図に相当するものであり、この図ではナノバブル発生部は３０２で示される。ナノバブル発生部３０２は、水６１が流れるメイン管３１０と、メイン管３１０に水６１を流入させる導入管３４０と、メイン管３１０から水を流出させる排出管３４２と、水をメイン管３１０の内側に噴射するためメイン管３１０の周囲に貫設された複数のノズル３５０、３５２と、メイン管３１０の内部に設けられて噴射された水を衝突させる壁となり又はエアー（空気又は水の電気分解で生成するガス（混合ガスも含む）等）を噴出させるロッドＡＳＳＹ３２０と、ロッドＡＳＳＹ３２０にエアーを送るエアーノズル３２８と、メイン管３１０を覆い保持する容器ＡＳＳＹ３６０と、から主に構成される。

メイン管３１０は、比較的太く肉厚な丸パイプである。メイン管３１０は、長手方向の中央部分に、全周に渡って凹部が設けられ、メイン管３１０の外周を覆う後述の外筒３６２との間に、空間３１２を形成している。メイン管３１０の軸方向に沿って、６箇所の位置にそれぞれ一組であって、各組では１２０度隔てた回転位置に３つのノズル３５０、３５２が軸中心に向かって空間３１２からねじ込まれている。このうち、導入管３４０側にある１組であって、３個のノズル３５２はメイン管３１０の軸に対して水の進行方向に沿って斜めにねじ込まれている。ノズル３５０、３５２は、細長い管からなる。

ロッドＡＳＳＹ３２０は、メイン管３１０の内部に、軸中心線に沿って貫通するように収納されている丸棒状の部材である。ロッドＡＳＳＹ３２０は、メイン管３１０よりも長い寸法をしていて、その両端がメイン管３１０の両端面より突出するように挿入されている。また、ロッドＡＳＳＹ３２０は、メイン管３１０の内径よりも細い外径をしていて、止めネジ３４８により、メイン管３１０の内部空間に、軸線に沿った中央に配置される。従ってメイン管３１０とロッドＡＳＳＹ３２０との間には、図４においてロッドＡＳＳＹ３２０の上下に、噴出孔３３２（ロッドＡＳＳＹ３２０から排気されるノズルの噴射径）の２０倍以下の範囲である２〜６ｍｍ程度の水が流れる流通空間３１４が形成される。また、ロッドＡＳＳＹ３２０は、同径で同一寸法の細長い中空ロッド３２２及び中実ロッド３３４から構成されている。中空ロッド３２２と中実ロッド３３４は、中空ロッド３２２の先端の雌ネジ部３２４と中実ロッド３３４の先端の雄ネジ部３３６により突き合わせで結合している。この結合した状態で、中空ロッド３２２がメイン管３１０内部の水６１の流れの上流側（図４の右側）に配置され、中実ロッド３３４がメイン管３１０内部の水６１の流れの下流側（図４の左側）に配置される。中空ロッド３２２は、軸線に沿って中空部３２６を備える有底筒状の丸棒であって、有底側が上流側（図４の右側）に向けられて使用される。開放端側は前記雌ネジ部３２４が設けられ、中実ロッド３３４と結合している。中空ロッド３２２は、有底側に、軸方向にほぼ垂直となるように穴が開けられ、管用雌ネジが設けられている。これに先端が管用雄ネジを設けたエアーノズル３２８がシールされてねじ込まれて中空部３２６に上述する湿潤化された混合ガスをパイプ８９からパイプ３３０を通して供給している。また、中空ロッド３２２は、開放端側の雌ネジ部３２４にかからない筒状部分に、小径の噴出孔３３２が複数設けられていて、中空部３２６の湿潤化された混合ガスを流通空間３１４の水６１に噴出させ、バブリングできるように構成されている。中実ロッド３３４は丸棒であって、雄ネジ部３３６側が上流側（図４の右側）に向けられて、中空ロッド３２２と結合している。雄ネジ部３３６は、中実ロッド３３４の先端に突設された円柱に設けられ、雌ネジ部３２４と結合するようになっている。

エアーノズル３２８は、エアーホース３３０を介して水素発生手段６６に接続されていて、中空ロッド３２２の中空部３２６に混合ガスを送ることができるように構成さている。

導入管３４０は、メイン管３１０と同一の内径を有するが、メイン管３１０より細い外径の短い管であって、両端の外周には管用雄ネジがそれぞれ設けられている。この管用雄ネジを、後述する側壁３６４に設けられた穴にシールしながらねじ込むことにより、導入管３４０の一端は、メイン管３１０に連結されている。また、導入管３４０の長手方向の中央部分には、導入管３４０の外周面から中心軸線に向って垂直にエアーノズル３２８を通す貫通孔が設けられている。この貫通孔３４４には管用雌ネジが設けられており、エアーノズル３２８が導入管３４０を貫通して中空ロッド３２２に接続するように構成されている。また、導入管３４０には、貫通孔３４４より上流側の外周面に、導入管３４０の中心軸線に向って垂直でほぼ対向するように小径の止め穴（不図示）が開けられ、その止め穴（不図示）には管用雌ネジが設けられている。この管用雌ネジに勘合する止めネジ３４８を入れシールしながらネジを締めることにより、中空ロッド３２２が両側から当接されてロッドＡＳＳＹ３２０が支持されている。

排出管３４２は、導入管３４０とほぼ同一の形状で同様な構造をしている。すなわち、メイン管３１０及び導入管３４０と同一の内径を有しているが、メイン管３１０より細い外径の短い管であって、両端の外周には管用雄ネジがそれぞれ設けられている。この管用雄ネジを、後述する側壁３６４に設けられた穴にシールしながらねじ込むことにより、排出管３４２の一端は、メイン管３１０に連結されている。他端は、排出接続管（不図示）を介して、下流側の水６１を貯留した粒度分布部（不図示）に接続されている。また、排出管３４２には、外周面から排出管３４２の中心軸線に向って垂直でほぼ対向するように小径の止め穴（不図示）が開けられ、その止め穴（不図示）には管用雌ネジが設けられている。この管用雌ネジに勘合する止めネジ３４８を入れシールしながらネジを締めることにより、中実ロッド３３４が両側から当接されてロッドＡＳＳＹ３２０が支持されている。

容器ＡＳＳＹ３６０は、メイン管３１０の外周を密着して覆うパイプ状の外筒３６２と、メイン管３１０を収納した外筒３６２の両端を塞ぐ側壁３６４とで主に構成される。外筒３６２は、メイン管３１０とほぼ同じ長さをし、メイン管３１０の外径より僅かに大きな内径をしている。外筒３６２がメイン管３１０を収納するときに、シールして結合させるために、前記メイン管３１０の外周部の両端には、空間３１２を挟み込むように溝が設けられていて、そこにＯリング３６８が介装されている。また、外筒の外周部には直径方向に穴が開けられていて、前記メイン管３１０との間に形成される空間３１２へ水を供給するパイプ３７６がシールされて接続されている。パイプ３７６から空間３１２に送られた水は、前記の介装されたＯリング３６８等により外部に漏れ出さないように構成されている。次に、パイプ３７６から供給された水は、密閉されている空間３１２で分流して、各ノズル３５０、３５２へ流れる構造になっている。従って、パイプ３７６は、各ノズル３５０、３５２と個別に配管することなく連結されているので、簡単な構造で複数のノズル３５０、３５２と連結させることができる。

また、外筒３６２には、その両端面にネジ穴が設けられていている。メイン管３１０を収納した外筒３６２は、その両端面が側壁３６４で塞がれ、前記ネジ穴にボルト３６６でネジ止めされている。側壁３６４は、外筒３６２の側面を全て覆う円盤部材である。側壁３６４の円の中心部分には、導入管３４０又は排出管３４２と同径の穴が開けられている。その穴に管用雌ネジが設けられ、導入管３４０又は排出管３４２がねじ込めるようになっている。また、側壁３６４は、外周部に座ぐり穴を周囲に設けた貫通孔が開けられていて、この貫通孔に通したボルト３６６で外筒３６２に結合している。また、側壁３６４が、外筒３６２の側面を密閉して覆うように、前記メイン管３１０の孔部より外方に溝が設けられていて、そこにＯリング３７０が入れられる。従って、メイン管３１０の流通空間３１４を流れる水６１が外部に漏れ出さないように構成される。

次に、当該ナノバブル発生部３０２によるナノバブルの発生方法について説明する。導入管３４０から空間３１２中に７Ｍｐに加圧された水を送り込み、ノズル３５０、３５２の空間３１２側の開口より流通空間３１４に突出されたノズル３５０、３５２の先端開口より水は噴射される。噴射された水の多くは、中実ロッド３３４若しくは中空ロッド３２２の外表面に衝突する。尚、このときエアーノズル３２８から中空ロッド３２２の中空部３２６に、０．５ＭＰａ以下の圧力の混合ガスを供給してもよい。注入された混合ガスは、噴出孔３３２から、流通空間３１４を流れる水６１の中に噴射される。ノズル３５２は斜めに水を噴射するため、流通空間３１４に図中右から左へと水６１の流れが生じる。これにより、ナノバブルを含んだ水６１は、右から左へと送り出される。

図５は、イオン化手段６８の一例であるイオン化処理装置１３０を模式的に示す断面図である。図５（ａ）は、同装置に用いられるセラミックス１３２がボール形状をしており、保持器１３４中に保持されている状態を示している。イオン化処理装置１３０には、図中左側の開口１３６ａから高圧流体（例えば水）が導入され、扇状に広がる拡大空間１３８ａに流れ込むので、流速が低下し、セラミックス・ボール１３２の表面と接触する時間が増大する。さらに、流体が出て行く開口１３６ｂ近傍では、逆扇状の縮小空間１３８ｂが狭くなるので、セラミックス・ボール１３２の表面と接触する時間が増大する。このセラミックス・ボール１３２は、特開平８ー２１７４２１号公報等に記載されているような、炭酸バリウム、酸化チタン及び酸化アルミニウムからなる混合物を、粘土をバインダーとして、約１０００℃から約１５００℃の範囲で焼成されるセラミックス成形体である。

図５（ｂ）は、別の実施形態であるイオン化処理装置１４０を模式的に同様に断面において示している。セラミックス・リング１４２を収納する内部空間構造は、開口１４６ａ、拡大空間１４８ａ、縮小空間１４８ｂ、及び開口１４６ｂにおいて、略上述と同様であるのでここでは説明を省略する。イオン化処理装置１４０の内部収納空間に収納されたセラミックス・リング１４２は、中央の開口部を通過する軸１５０に対して、図中左右にずれないように固定されている。この軸１５０は、イオン化処理装置１４０の内面に固定されているので、高圧流体が流れてもセラミックス・リング１４２が流れ方向にずれることはないようになっている。

次に、図１及び２の装置を用いたナノバブル液体の製造について説明する。水槽６３内の水６１が、駆動されるポンプ６２により、加圧され、所定の圧力となるようにされる。この圧力は、１ＭＰａ以上が望ましく、さらに望ましくは、５ＭＰａ以上である。さらに望ましくは、１０ＭＰａ以上である。一方、圧力が高すぎると、特殊な装置を組まなければならないため、余り好ましくはない。さらに、後述するように、大きな圧力では、より小さなナノバブルが発生すると考えられる。従って、実際の装置の設計を考えると、途中の配管などを特別仕様にする必要がない４０ＭＰａ以下の圧力が望ましい。このようなポンプは一般に市販されているが、７Ｌ／ｍｉｎの流量であれば、最大圧力４０ＭＰａで、５．５ｋＷのモータを用いることにより、容易に製作できる。加圧された水は、イオン化手段６８を介してナノバブル発生部６４へと送られ、各ノズル３５０、３５２（図４参照）から噴射される。

一方、例えば、水素発生手段６６内で水素等のガスの発生が、次のような条件で行われてよい。まず、アノード１０４とカソード１０６間の電圧は、３Ｖ以上が好ましい。また、２０Ｖ以下が好ましい。このとき流す電流密度は、０．３ｍＡ／ｃｍ^２以上が好ましく、１．５ｍＡ／ｃｍ^２以下が好ましい。雰囲気圧力は大気圧が好ましく。通常の室温（例えば、２５℃）で行われ、ガス発生に伴い室温から１０℃上昇することもある。

以下に述べる実施例においては、電圧を１２Ｖ、電流を２００ｍＡとして、電気分解を行い、水素及び酸素を発生させた。マスフローコントローラにより、水素／酸素の体積比率を２対１に調整して（調整しなくてもほぼこの比率）、混合ガスを１．０Ｌ／分の流量で水槽６７中の純水にバブリングした。この湿潤混合ガスをパイプ８９から図示しないポンプにより約０．１ＭＰａの圧力で、ナノバブル発生部６４に送った。

一方、ポンプ６２からは、８ＭＰａの圧力で、吐出量が３Ｌ／ｍｉｎにより水をノズル３５０、３５２（図４参照）へ送り、２０分間噴射した。このときの水温は、室温プラス５℃から室温プラス１０℃であった。水素イオン濃度（ｐＨ）は、７から８であった。

以上のようにして、ナノバブル水を製造し、製造直後、製造から５日後、製造から６ヶ月後において、それぞれのナノバブル水中のナノバブルの数をコールター及びレーザー粒度計で測定した。発生させた水素を含む湿潤混合ガスで処理したナノバブル水、及び、湿潤混合ガスの供給を伴わないナノバブル噴射によって処理したナノバブル水について、その結果を表１にまとめる。

また、湿潤混合ガスによる処理を行い、６ヶ月間静置したナノバブル液体について、ベックマン・コールター社の精密粒度分布測定装置 コールター Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ ３で計測したデータを測定条件と共に図６に示す。

図６（ａ）は、個数による頻度分布であり、図６（ｂ）は、体積による頻度分布を示す。個数統計値からは、粒径が０．５μｍから１２．０μｍにおいて、個数は、４６．３３×１０^６／ｍＬ（バックグランドを引いた）であり、平均径は、０．５９８μｍ、Ｓ．Ｄ．は、０．０９６μｍ、中位径は、０．５７７μｍで、Ｃ．Ｖ．が１６％で、平均径／中位径比が１．０３７で、最頻径が０．５０９μｍであった。体積統計値からは、粒径が０．５μｍから１２．０μｍにおいて、体積が１００％（バックグランドを引いた）であり、平均径は、０．７３５μｍ、Ｓ．Ｄ．は、０．４８０μｍ、中位径は、０．６２３μｍで、Ｃ．Ｖ．が６５．４％で、平均径／中位径比が１．１７９で、最頻径が０．５６３μｍであった。これらの図からわかるように、より小さなサイズ（測定限界以下のものを含む）において、バブルの数若しくは体積が増えており、より小さなナノバブルがより多く存在することが推測される。表１では、このナノバブル水を生成してから５日後に測定した結果が載っていないが、同様に測定すると、同様な径のナノバブルが、４６．３３×１０^６／ｍＬ（バックグランドを引いた）よりももっと少ない数存在したと推定される。

ここで、粒度分布は、体積基準若しくは個数基準で表わすことができる。一般に粒度分布測定装置と呼ばれる装置の場合、体積基準で粒度分布を測定している装置が多い。一方、微粒子カウンタなどのように「カウンタ」という名称が使われている装置では、ほとんどの場合、個数基準が用いられている。例えば、１μｍの粒子と１０μｍの粒子を考えた場合、個数基準で１：１の割合であっても、体積基準では１：１０００になる。逆に体積基準で１：１でも個数基準では１０００：１の割合で存在することになる。従って、体積基準と個数基準のどちらを用いるかで、同じ測定対象の粒度分布でも、かなり異なった印象を与えてしまうことがある。

図７は、同じ試料をベックマン・コールター社のレーザー回折散乱法粒度分布測定装置ＬＳ １３ ３２０（エルエス １３ ３２０）で計測した結果を測定条件と共に示すものである。図７（ａ）は、個数による頻度分布であり、図７（ｂ）は、体積による頻度分布である。これらの図からも上述と同様なことがわかる。

また、体積統計値からは、粒径が０．０４μｍから２０００μｍにおいて、体積が１００％（バックグランドを引いた）であり、平均径は、１３．７７μｍ、Ｓ．Ｄ．は、１０．３８μｍ、中位径は、１１．３０μｍで、分散が１０７．８μｍ^２で、Ｃ．Ｖ．が７５．４％で、平均径／中位径比が１．１７９で、最頻径が１６．４０μｍであった。

一方、ナノバブル噴射のみを行い、５日後にナノバブルをレーザー粒度計で計測したものは、表１に示すように、１５×１０^６個の数のナノバブルが観測され、上述するのと同様に、より小さなナノバブルの数が多くなっていた。従って、同ナノバブル水を６ヶ月後測定すれば、より多くのナノバブルが観測されることが推定される。

更に、混合ガス及びナノバブル噴射の両方を行ったときの結果は、表１にはないが、良好な大きさのナノバブルが安定的に多数存在し、５日後から６ヶ月後にかけてその数が増えるものと考えられる。即ち、混合ガス及び／又はナノバブル噴射で処理したナノバブル水では、発生直後は数が少なく見えるものの、実際には測定できないより小さなナノバブルが存在するものと考えられ、６ヶ月静置することにより、ナノバブルの再結合が生じ、測定下限より大きくなったナノバブルが多く生成したために、見かけ上、ナノバブルの個数が増大したためと考えられる。尚、以上の測定において、ナノバブルの平均径は、何れも約０．５μｍから０．６μｍであった。

次に、上記結果をふまえ、ナノバブルの効果について試算する。図８は、水の表面張力Ｔｓを用いて表わしたナノバブル内の圧力Ｐと粒径ｄ（＝２Ｒ）の関係を示すグラフであるが、これらの間にはＰ＝２πＲ×Ｔｓ／πＲ^２という関係が成り立つ。このグラフから、粒径が小さくなると極めて内圧が高くなり、ナノバブル内の気体（特に水素）の密度が上昇し、ナノバブルが安定的に流体（例えば、水）内に分散することが期待される。即ち、気泡がナノバブルになり、内圧が高まれば水中に溶解する水素（及び酸素）の溶解量が増加することになる。ここで、ナノバブルにより分散される気体の体積及びナノバブルの水との界面の面積を試算する。径がｄのナノバブル１個の界面面積はπｄ^２で、体積はπｄ^３／６であり、この球が個数ｎ集まれば、４ｎ・πｄ^２の総界面面積、及び、ｎ・πｄ^３／６の総体積となる。図８を利用して、径ｄに対応する内圧Ｐを求め、大気圧下（Ｐ（大気圧）＝１）での総体積を求めればボイルの法則により、Ｐ・ｎ・πｄ^３／６が大気圧での総体積になる。この表１のデータから、平均径ｄのナノバブルがナノバブルの全数だけあると仮定すれば、表２のようなナノバブル水１ｃｍ^３あたりのナノバブルの総体積の結果が得られる。

この表から、ナノバブル噴射したナノバブル水では、界面の総面積が、０．１２２ｃｍ^２／ｃｍ^３であり、総体積が、１．０４×１０^−５であることがわかり、湿潤したガスで処理したナノバブル水では、界面の総面積が、０．５２ｃｍ^２／ｃｍ^３であり、総体積が、５．１９×１０^−５であることがわかる。このように、ナノバブルによる表面積の大幅な増加により、溶解速度は速まることになる。また、水素が飽和するまで溶解した水であっても、溶解ではなく分散した状態で水素がナノバブルにとりこまれてかかる水の中に分散できることがわかる。

また、上述と同様に図１及び２の装置を用いて、上述と同じ条件で発生させた水素を含む湿潤混合ガスを供給しながらナノバブル噴射を行った。このとき、用いた水は水道水であり、ナノバブル噴射の圧力は７ＭＰａであった。このときの処理水の酸化還元電位（ＯＲＰ）及びｐＨの測定結果を図９及び表３に示す。

黒菱形のプロットはｐＨの測定値であり、黒丸のプロットは湿潤混合ガスを供給しながらナノバブル噴射を行うナノバブル処理中のＯＲＰの測定値を示し、黒三角のプロットはこのようにナノバブル水を生成させた後の保管ナノバブル水のＯＲＰ測定値であって、保管時間に対してプロットされている。ナノバブル化処理を開始するとＯＲＰ（酸化還元電位）は、直ちに低下し−３８０ｍＶを示すが、ｐＨはほぼ７．５のままである。処理をそのまま５分程度続けてもＯＲＰ及びｐＨの値は変わらなかった。このナノバブル水を密閉容器に保管し、ＯＲＰ及びｐＨを評価したところ、保管後３時間までは、わずかにＯＲＰが上昇し、ｐＨが若干減少したが、両測定値はあまり変わらなかった。処理後１日で、ＯＲＰが−３２０ｍＶになり、その後直線的に増加し、６日目にはプラスになった。しかしながら、その増加傾向は次第に小さくなり、７日後であってもＯＲＰは、４８ｍＶ程度であり、原料とした水道水の５８６ｍＶよりもずっと小さい値を示した。また、ｐＨは、７．３から７．５の範囲で安定していた。以上より、湿潤混合ガスを供給しながらナノバブル噴射を行うこのナノバブル化処理では、ＯＲＰを低下させることができ、更にそれをある程度長期間保持することができる。また、ｐＨは長期間殆ど変化しないことがわかる。従って、含まれる水素を含むナノバブルも長期間維持されることが予想され、ごく微少なナノバブルが再結合しても分離することなく、ナノバブル水中に保持されると考えられる。そして、ナノバブル噴射することなく、約４６００万個／ｍＬのナノバブルが観測されているので、湿潤混合ガスを供給しながらナノバブル噴射を行うこのナノバブル化処理では、より多くのナノバブルがナノバブル水中に存在していると考えられる。

ここで、ナノバブルの水との界面の状態を考察する。図１０は、主に酸素を含むナノバブル９０の模式図を、図１１は、主に水素を含むナノバブル９１の模式図を示す。主に酸素を含むナノバブルは、電気分解等による水素発生手段の陽極（アノード）側において生じると考えられ、主に水素を含むナノバブルは、電気分解等による水素発生手段の陰極（カソード）側において生じると考えられる。具体的には、次のような反応式が考えられる。

［陽極側］

［陰極側］

そして、陽極側では、酸素が水中に溶解する際にヒドロキシラジカルが生じると考えられる（図１０の第２の式）。一方、陰極側では、水素が水中に溶解する際に、ヒドロキシラジカルが消費されると考えられる（図１１の第２の式）。尚、水素を含むナノバブルの表面は、オキソニウムイオンを水との界面に並べた状態になっていると推測される（図１１）。このように、水に既に所定の量（例えば、飽和する量）の水素が溶解していたとしても、ナノバブルの中に取り込み、界面で所定の平衡を取っているならば、見かけ上、通常の溶解度を超えた水素溶解水を生成することが可能である。

以上のように、電気分解により発生した発生時の酸素及び水素を更に水に潜らせることにより、湿潤化することができ、そのためより細かいナノバブルが数多く発生する。また、気体分配手段により、気体種の比率を自在に変更できるので、好ましい性質のナノバブル水を生成することができる。例えば、図３において、バルブ１１６ｃを閉じれば、水素が全くナノバブル発生部６４に行くことはなく、一方、バルブ１１６ｄを閉じれば、酸素が全くナノバブル発生部６４に行くことはない。また、セラミックスによるイオン化は、ナノバブルの発生をより容易にし、ナノバブル数を増加することができる。

また、このようなナノバブル水の中には、電気分解で生成した多くの水素が分散及び／又は溶解していると考えられるので、活性酸素の酸化低減効果が期待できる。例えば、老化防止、生鮮野菜や生鮮食料の鮮度保持、飲料に混ぜての摂取やミストにして浴びること（微細な霧の状態にしての利用）による体内の活性酸素の低減等である。具体的には、水素ガスが細胞内のＯＨラジカルを消去することであり、即ち、水素を加えると活性酸素の中でも、ヒドロオキシラジカルがほぼ半減することが報告されている。本発明において、水素をナノバブルを利用して大量に効率よく溶存させることにより、これらの効果を最大に発揮させることができる。また、このような処理水及び製造する装置を提供することができる。

以上のようにして処理した水は、肌に効果があると考えられるので、化粧水やクリーム等の原料に適すると考えられる。また、ナノバブル噴射により、水素を含むナノバブルを安定化することが容易にでき、水素を多く含む、飲料への適用も可能である。

ナノバブル液体製造装置の模式図である。 ナノバブル液体製造装置の模式概略図である。 水素発生手段の内部を模式的に図解する図である。 噴射手段を具現化したナノバブル発生部をを示す断面図である。 イオン化処理装置の概略断面図である。 精密粒度分布測定装置 コールター Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ ３による測定結果の例を示す。 高精度型レーザー回折散乱法 粒度分布測定装置 ＬＳ １３ ３２０による測定結果の例を示す。 内圧と粒径の関係を示すグラフである。 ナノバブル処理中及び処理後のＯＲＰの変化を示すグラフである。 酸素を含むナノバブルの模式図である。 水素を含むナノバブルの模式図である。

符号の説明

１０、６０ ナノバブル液体製造装置
１２、６２ 高圧ポンプ
１４ 噴射手段
１６、６６ 水素発生手段
１６ａ 気体分配手段
１８、６８ イオン化手段
２０ 制御手段
６３ 水槽
６４ ナノバブル発生部
６５ 電気分解槽

Claims (5)

1. 水若しくは水溶液（以下総称して「水」という）に超微細気泡（以下「ナノバブル」という）を発生させる装置において、
   水を分解し水素を発生させる水素発生手段と、
   高圧水を噴射可能なナノバブル発生手段と、を備え、
   少なくとも前記水素を含むナノバブルを前記水に分散させることを特徴とするナノバブル液体製造装置。
2. 前記水素発生手段は、前記水素発生手段により発生する発生期の水素ガスに水蒸気を含ませる湿潤手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のナノバブル液体製造装置。
3. 前記水素発生手段は、発生する気体の種類に応じた供給比率を変更可能な気体分配手段を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のナノバブル液体製造装置。
4. 前記ナノバブル発生手段に供給される水をイオン化するイオン化手段を更に含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のナノバブル液体製造装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のナノバブル液体製造装置により製造された活性酸素低減ナノバブル水。

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