JP2011006497A - エマルション燃料 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料中に分散している水滴中に微細気泡が更に分散しているため、水蒸気爆発を起こしやすく、燃料を完全燃焼させ、熱収支の改善が顕著であり、エンジンやボイラーに錆などの悪影響が出にくく、熱効率に優れたエマルション燃料を提供する。
【解決手段】重油、軽油、ガソリンなどの燃料を主体としたエマルション燃料であって、このエマルション燃料は燃料を連続相とし水を分散相とし、更に当該水を連続相とし空気または酸素の微細気泡を分散相とした油中水中気泡型エマルション燃料である。
【選択図】なし

Description

本発明は、重油、軽油などの燃料中に水滴が分散し、その水滴中に空気(酸素)の微細気泡が分散した油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料に関する。

従来から油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料が提案されている。この油中水滴型エマルション燃料は、図３に示すように連続相を油（燃料）、分散相を水としたもので、このエマルション燃料を燃焼室内に噴霧すると、水滴が急激に加熱されて微爆発（水蒸気爆発）を起こし、水滴の周囲にあった重油などの燃料を微細化して拡散させ、微細化することで燃料と空気との接触面積を大きくし、完全燃焼させ、発生熱量を高めつつ燃費を抑制することを目的としている。

このようなエマルション燃料として、特許文献１〜３が知られている。
特許文献１には、体積比で１０％〜３５％の水と９０％〜６５％の燃料の混合物に、ＨＬＢ値が８．９〜８．３の範囲で１％水溶液のＰＨ値が２．８〜２．２となる脂肪酸エステル系の非イオン性界面活性剤を０．１％〜１％混合したＷ／Ｏ型エマルション燃料が開示されている。

特許文献２には、油性燃料と水とを混合し、この混合物が流れる流路の近傍に磁石を設置し、流路内部に円弧状に突出する磁場を複数形成して前記油性燃料と水との混合物を磁場に曝すことで、時間が経っても油性燃料と水とが分離しない燃料の製法が提案され、原料となる水としては特に限定されないが、ｐＨが１０以上のアルカリ電解水を用いることが好ましいことが開示されている。

特許文献３には、水と可燃性油の一次混合液を、加圧して、流速５０ｍ／ｓ以上の流速でポンプ中を流し、それを直径５００μｍ以下の孔が多数存在する壁体の孔の中を加速させて通し、液流同士の乱流によるキャビテーション効果により微細化・混合することで、水又は可燃性油の平均粒径が１０００ｎｍ以下のエマルション燃料とすることが提案され、特に混合する水としてはいかなる種類のものであっても使用できるが、使用する水の還元電位を下げることが好ましく、水の還元方法は特に限定されないが、工業的には電解による方法が好ましいことが開示されている。

特開２００４−０１０７６５号公報 特開２００４−３５９８１４号公報 特開２００８−０８１７４０号公報

上述した特許文献１〜３に開示されるものを含め、油中水滴型エマルション燃料は、理論的には図３に示すような微爆発（水蒸気爆発）を起こして燃料が微細化するはずであるが、実際にはいくら水滴を小さくしても全ての水滴が水蒸気爆発を起こすわけではなく、発生熱量や粘性の問題を解消できていないのが現状である。

上記課題を解決するため、本発明に係るエマルション燃料は、重油、軽油、ガソリンなどの燃料を連続相とし水を分散相とし、更に当該水を連続相とし空気または酸素の微細気泡を分散相とした油中水中気泡型の構造とした。

前記水中に微細気泡が分散していることで、水蒸気爆発(微爆発)が容易に起きる。斯かる観点から分散する微細気泡の粒径としては５０ｎｍ〜１０００ｎｍ、水１ｍｌ中の微細気泡の数は５００以上が好ましい。

また、燃料に対しては分散相となる水については、エンジンの錆発生防止のため、ｐＨが６．５〜７．５の間の中性域のものを使用する。好ましい水の添加割合としては、１％〜３０％（体積比）で、水滴の大きさとしては、１００μｍ以下である。水の添加割合が１％未満では、添加した経済的な効果が得られず、３０％を超えると発生熱量の低下が著しくなる。また水滴の大きさは１００μｍ以下とすることで微爆発しやすくなる。

更に通常の水を使用することも可能であるが、エマルションを形成しやすくエマルション状態を継続するためには電解水などのイオン積が１気圧２５℃で１０^-14より大きい水、好ましくはイオン積が１気圧２５℃で１０^-13.85以上の水を使用する。

ここで、イオン積（Ｋｗ）は水素イオン[Ｈ⁺]と水酸イオン[ＯＨ^-]のモル濃度の積である。
一般に、純水中で１個の水素原子がイオンとして存在する確率は１．８×１０^-9で、解離定数(Ｋ)＝[Ｈ⁺]×[ＯＨ^-]／[Ｈ₂Ｏ]＝１．８×１０^-16ｍｏｌ／Ｌ
となる。
Ｋｗ＝[Ｈ⁺]×[ＯＨ^-]＝(Ｋ)× [Ｈ₂Ｏ]
＝１．８×１０^-16（ｍｏｌ／Ｌ）×[Ｈ₂Ｏ]
＝１．８×１０^-16（ｍｏｌ）×５５．５６（ｍｏｌ）
＝１．０×１０^-14（ｍｏｌ）²
つまり、２５℃、一気圧におけるイオン積は、電解水を除けば、どのような水溶液であっても、１．０×１０^-14（ｍｏｌ）²となる。

デバイ・ヒュッケルの理論で知られているように水に溶解している電解質の濃度が高くなると水のイオン積は大きくなるが一定の濃度のところでイオン積が最大となり該濃度を越すと水のイオン積は逆に小さくなる。この水のイオン積の最大値は電解質の種類により異なるが強電解質の場合は０．５モル付近で最大になる。また希薄電解質溶液である水に外部エネルギーを印加した場合にも水のイオン積が大きくなることが報告されている。水のイオン積が大きくなることは水分子のイオン化が促進されることを意味し、水分子のネットワークを構成している水素結合が切れやすい状態になっていることを意味する。このように水分子間に形成される水素結合が切れやすくなっているので、水の表面張力も小さくなり油と分子レベルで馴染みやすくなってミクロな乳化が促進され、理想的なエマルションが形成され、水の微爆発が起こりやすくなると考えられる。

尚、特許文献２，３には使用する水として電解水が開示されているが、本発明の好ましい電解水として挙げたイオン積が１気圧２５℃で１０^-13.85以上のものは、上記特許文献に開示された方法では得ることができず、本発明者らが医薬品、化粧品及び食品の分野で使用可能な抗酸化力に優れた水の製造方法として提案した（特許第３９１０９１３号）方法によって得ることができる。

具体的には、複数の電解槽を直列に設け、上段の電解槽の陽極電解生成水を下段の電解槽の陰極に送り、また上段の電解槽の陰極電解生成水を下段の電解槽の陽極に送ることを繰り返すことで得られる。

イオン積の測定方法は、グルコース濃度測定法を利用する。このグルコース濃度測定法はイオン積に比例して単分子状Ｄ−グルコースの溶解速度が大きくなることを利用したものである。

グルコース濃度測定法は測定対象の水(水溶液)をｐＨ５．５〜９．５の間に保ち、Ｄ−グルコースを添加する。
グルコース分子には幾つかの異性体が存在するが、そのうちの右旋回のＤ−グルコースは水に添加するとクラスターとして水に溶解する。このクラスターは水中で更に単分子状Ｄ−グルコースに変わるが、単分子状Ｄ−グルコースの水への溶解速度は小さく、この溶解速度が水の解離度に大きく依存することがわかっている。
単分子状Ｄ−グルコースの濃度測定はグルコースオキシターゼを用いる酵素電極法による。
単分子状Ｄ−グルコースのみがグルコースオキシターゼ（分解酵素）と特異的に反応し、グルコン酸と電子を発生する。その結果、以下の式(１)に示すように、フェロシアン化カリウムの一部がフェリシアン化カリウムとなる。この系に一定電圧を加えると、式(２)、(３)に示すように溶解している生成したフェリシアン化カリウムが還元されて再びフェロシアン化カリウムになる。このときの電流値が溶解している単分子状Ｄ−グルコースの濃度と比例するので、この電流値を計測することにより単分子状Ｄ−グルコースの濃度を知ることができる。

(１)Ｈ₁₂Ｏ₆＋Ｋ₃[Ｆｅ（ＣＮ）₆]^3-＋Ｈ₂Ｏ
→Ｃ₁₆Ｈ₁₂Ｏ₇＋Ｋ₄[Ｆｅ（ＣＮ）₆]^4-＋２Ｈ⁺
(２)２Ｋ₄[Ｆｅ（ＣＮ）₆]^4-→２Ｋ₃[Ｆｅ（ＣＮ）₆]^3-＋２ｅ^-
(３)２Ｈ⁺＋1/2Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ

一方、純水にＮａＯＨやＨｃｌを添加し、電解せずにｐＨ値が測定対象の電解水と同じものを用意し、この水溶液に対する単分子状Ｄ−グルコースの溶解速度を測定する。これによって同一ｐＨでの電解生成水と非電解生成水の溶質溶解性が評価できる。
非電解生成水のイオン積が分かっていれば、単分子状Ｄ−グルコースの溶解速度から検査対象の電解生成水のイオン積が分かる。

本発明者に係るエマルション燃料は、燃料中に分散している水滴中に微細気泡が更に分散しているため、水蒸気爆発を起こしやすく、燃料を完全燃焼させ、熱収支の改善が顕著である。

また、本発明によればｐＨ値は略中性であるので、当該燃料を使用するエンジンやボイラーに錆や腐食などの悪影響が出にくく、且つＣＯ₂、ＮＯ_X、ＳＯ_Xなどの発生も抑制できる。

本発明に係るエマルション燃料の製造装置の概略構成図 本発明に係る油中水中気泡型（Ｇ／Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料の模式図 従来の油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）エマルション燃料の燃焼機構を説明した図

以下に本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて説明する。図１に示すように本発明に係るエマルション燃料の製造装置は電解水製造装置１とナノバブル水製造装置２とエマルション作製装置３からなる。

電解水製造装置１は第１電解槽１０、第２電解槽２０及び第３電解槽３０を直列に配置して構成される。

第１電解槽１０、第２電解槽２０及び第３電解槽３０は、それぞれ隔膜１１，２１，３１により陽極を有する電解槽陽極室１２，２２，３２と陰極を有する電解槽陰極室１３，２３，３３に区画され、第１電解槽１０の電解槽陽極室１２と第２電解槽２０の電解槽陰極室３３とが配管４１で接続され、第１電解槽１０の電解槽陰極室１３と第２電解槽２０の電解槽陽極室２３とが配管４２で接続され、第２電解槽２０の電解槽陽極室２２と第３電解槽３０の電解槽陰極室３３とが配管４３で接続され、第２電解槽２０の電解槽陰極室２３と第３電解槽３０の電解槽陽極室３２とが配管４４で接続されている。
即ち、第１電解槽１０、第２電解槽２０及び第３電解槽３０は極性が反転するように連結されている。

前記第３電解槽３０の電解陽極室３２からの処理水排出管４５と電解陰極室３３からの処理水排出管４６は合流して前記エマルション作製装置２に接続される。

ナノバブル水製造装置２は容器５０の底部に超音波発生用の振動板５１を配置し、振動板５１の振動によって水中に５０〜１０００ｎｍ程度の微細気泡を発生せし、ポンプ５２によって加圧してエマルション作製装置３に送り込む。使用する水として、電解水を用いることで微細気泡が発生しやすくなる。

エマルション作製装置３の構造は任意でありスターラーなどを用いてもよいが、本実施例では、ケース６０内を微細な孔を形成した多孔板６１で分散相室６２と連続相室６３に区画し、前記分散相室６２に前記ナノバブル水製造装置２からの微細気泡が含まれる電解処理水を供給し、前記連続相室６３には重油などの燃料を供給するようにしている。

前記分散相室６２に供給される電解処理水を加圧することで電解処理水は多孔板６１の微細な孔を介して連続相である燃料中に微細な粒子となって分散し、エマルションとなる。このようにして調整されたエマルションは配管６４を介して貯留タンク或いはエンジン、ボイラーなどに送られる。

上記において多孔板６１を孔径ごとに複数用意しておくことで、エマルションを構成する水滴の粒径をコントロールすることができ、また前記分散相室６２に供給される電解処理水の圧力を加減することでエマルション中の水滴の割合をコントロールすることができる。

また、電解処理水のｐＨを調整するには前記第３電解槽３０の電解陽極室３２及び電解陰極室３３からの電解処理水の混合割合によってコントロールすることができ、電解処理水のイオン積については電圧の印加時間、直列して配置する電解槽の段数によってコントロールできる。実施例では電解槽を３段としたものを示したが、５段更には７段にすることでイオン積は大幅に大きくなる。

本発明に係るエマルション燃料は、船舶、ボイラー、自動車など燃料を用いる多くの分野で利用できる。

１…電解水製造装置
１０…第１電解槽、２０…第２電解槽、３０…第３電解槽
１１，２１，３１…隔壁
１２，２２，３２…電解槽陽極室、１３，２３，３３…電解槽陰極室
４１，４２，４３，４４，４５，４６，５４…配管
２…ナノバブル水製造装置
５０…ナノバブル水製造装置の容器、５１…振動板、５２…ポンプ
３…エマルション作製装置
６０…ケース、６１…多孔板、６２…分散相室、６３…連続相室、６４…配管。

Claims (2)

1. 重油、軽油、ガソリンなどの燃料を主体としたエマルション燃料であって、このエマルション燃料は燃料を連続相とし水を分散相とし、更に当該水を連続相とし空気または酸素の微細気泡を分散相とした油中水中気泡型エマルション燃料であることを特徴とするエマルション燃料。
2. 請求項１に記載のエマルション燃料において、前記水はｐＨが６．５〜７．５の間の中性域で且つイオン積が１気圧２５℃で１０^-14より大きいことを特徴とするエマルション燃料。
   
   
   
   
   
   
   
   

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