JP2013123701A - 気体溶解液の生成システム及び生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非常に簡易な構成やプロセスによって、様々な液体−気体系において気体を所望の溶解度で溶液に溶解させる気体溶解液の生成システム及び生成方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る生成システムは、微細な貫通孔を介して、加圧された気体を液体に供給することにより、直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブルを生成するバブル生成装置と、前記微細バブルを縮径しながら液体中に溶解させることにより、気体溶解液を生成する気体溶解液生成部と、生成された気体溶解液を貯留するチャンバと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、気体溶解液の生成システム及び生成方法に関する。

酸素、オゾン、二酸化炭素、アルゴン等の気体を水等の液体に溶解させた気体溶解液は、各種の分野に利用されている。気体溶解液は、例えば、環境分野では排水浄化や下水処理等に、農林水産分野では溶液栽培等に、食品分野では食品加工水や食品洗浄水等に、製造産業分野では部品洗浄等に、家庭用では美容用等にそれぞれ利用されている。このような気体溶解液を生成するための技術としては、以下のようなものが提案されている。

特許文献１は、気体と液体とを加圧下において混合し、液体中に気体を溶解させて気体を液体中に溶解させた気体溶解液を生成することを開示している。

特許文献２は、加圧溶解部としての密閉タンクに気体と液体とを供給し、密閉タンク内に設けた邪魔板に液体を衝突させて、液体の飛沫を多量に発生させることによって、液体の飛沫に気体を溶解させることを開示している。

特許文献３は、液体が接する側の面が親水性であり且つ細孔の内表面が疎水性である気液接触用隔膜を用いて、液体に気体を溶解させることを開示している。

特開２００６−３０４７１４号公報 特開２００２−３４６３５１号公報 特開平０５−２３５５３号広報

特許文献１の発明は、加圧状態を必要とするために装置の構成が大掛かりになるとともに、気体溶解液を生成するための生成時間が長くなるという問題がある。特許文献２の発明は、固形分を含む液体に適用した場合には、含まれる固形分が微細な飛沫形成の妨げになるために、使用可能な範囲が限定されるという問題がある。

特許文献３の発明は、隔膜の濡れ性を制御して、液体中に気泡を発生させることなく、多孔質の隔膜を介して気体が液体に接触することにより気体を液体に溶解させるものである。気液界面での部分的な溶解を利用したものであり、過飽和液体のように気体が高い溶解度で溶解した気体溶解液を生成することが困難であるという問題がある。

したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、非常に簡易な構成やプロセスによって、様々な液体−気体系において気体を所望の溶解度で溶液に溶解させる気体溶解液の生成システム及び生成方法を提供することである。

上記技術的課題を解決するために、本発明によれば、以下の気体溶解液の生成システム及び生成方法が提供される。

すなわち、本発明に係る気体溶解液の生成システムは、微細な貫通孔を介して、加圧された気体を液体に供給することにより、直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブルを生成するバブル生成装置と、前記微細バブルを縮径しながら液体中に溶解させることにより、気体溶解液を生成する気体溶解液生成部と、生成された気体溶解液を貯留するチャンバと、を備えることを特徴とする。

本発明の気体溶解液の生成システムでは、前記気体溶解液生成部において、前記微細バブルが液体中で消滅して溶解するように構成されていることが好ましい。

本発明の気体溶解液の生成システムでは、前記気体溶解液は、気体が過飽和で液体に溶解している過飽和液体であることが好ましい。

本発明の気体溶解液の生成システムでは、前記気体溶解液生成部は、前記チャンバであってバッチ式であることが好ましい。

本発明の気体溶解液の生成システムでは、前記気体溶解液生成部は、前記バブル生成装置と前記チャンバとの間にあって、気体溶解液が生成システム内を循環する連続式であることが好ましい。

同様に、本発明に係る気体溶解液の生成方法は、微細な貫通孔を介して、加圧された気体を液体に供給することにより、直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブルを生成することと、前記前記微細バブルを縮径しながら液体中に溶解させることにより、気体溶解液を生成することと、生成された気体溶解液をチャンバに貯留することと、を備えることを特徴とする。

直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブルが縮径しながら液体中に溶解するという微細バブルの収縮現象を利用することで、気体が液体中に所望の溶解度で溶解した気体溶解液を非常に簡易な構成やプロセスによって生成することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る気体溶解液の生成システム及び生成方法を模式的に説明する図である。 本発明の第２実施形態に係る気体溶解液の生成システム及び生成方法を模式的に説明する図である。

以下に、本発明の第１実施形態に係る気体溶解液４の生成システム１及び生成方法について、図１を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、本発明に係る気体溶解液４の生成システム１は、液体７や気体溶解液４（以下、液体７等という。）を開放状態で貯留するチャンバ１０と、高圧に加圧された気体６を細孔ユニット２０に供給するガスボンベ（微細バブル生成用気体供給装置）１３と、加圧された気体６が供給されて微細バブル５を液体７の中に発生させる細孔ユニット（微細バブル生成装置）２０と、を備えている。チャンバ１０は、微細バブル５を縮径しながら液体７等の中に溶解させて気体溶解液４を生成する気体溶解液生成部としての機能を有する。気体溶解液４がチャンバ１０の中に生成されるとともに貯留されるので、図１に示した気体溶解液４の生成システム１は、いわゆるバッチ式である。ガスボンベ１３は、圧力調整弁１８及び圧力計１９を介して、チャンバ１０の底壁に取り付けられた細孔ユニット２０に接続されている。

チャンバ１０に貯留された液体７等の上部においては、好適には、攪拌装置１６が配設されている。すなわち、液体７等に対する気体６の溶解度ができるだけ均一になるように、チャンバ１０内の液体７等を攪拌するための攪拌装置１６が設けられている。

ヘンリーの法則によれば、液体７への気体６の溶解度が気体６の圧力に比例する。したがって、細孔ユニット２０によって生成された微細バブル５に含まれる気体６は、微細バブル５の周囲にある液体７の中に溶解して、微細バブル５内での気体６の圧力が高くなればなるほど、液体７への気体６の溶解度が大きくなる。すなわち、微細バブル５の中に含まれる気体６の内圧Ｐ１に比例して、微細バブル５に含まれる気体６が微細バブル５の周囲にある液体７に溶解する。そして、最終的に、チャンバ１０内の液体７の全体の溶解度が、微細バブル５の周囲にある液体７での溶解度と大略等しくなる。

次に、微細バブル５を発生させる細孔ユニット（微細バブル生成装置）２０について説明する。

板状の多孔体２２を有する細孔ユニット２０は、チャンバ１０の底壁面の略中央部分に設置されている。多孔体２２は、ナノサイズからミクロンサイズの微小な貫通孔２４を多数個有する。チャンバ１０内の液体７等と細孔ユニット２０内の気体６とが、多孔体２２を介して、隔てられている。多孔体２２は、貫通孔２４を通じて細孔ユニット２０内の気体６を通過させるものの、貫通孔２４が有する表面張力により液体７等の通過を妨げるように、各貫通孔２４の開口径が寸法構成されている。したがって、チャンバ１０内の液体７等が、多孔体２２の貫通孔２４を通じて、細孔ユニット２０内の気体６に逆流することはない。

直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブル５の生成のために必要とされる貫通孔２４の開口径（直径）を例示すると、数ｎｍ乃至数十μｍであり、好ましくは約１０ｎｍ乃至約１０μｍである。貫通孔２４の開口径がおおよそ１０ｎｍ未満である場合には、微細バブル５を発生する際に非常に大きな加圧力が必要となるために、細孔ユニット２０の取扱が困難になるからである。また、貫通孔２４の開口径がおおよそ１０μｍよりも大きくなると、１００μｍよりも大きなサイズのマイクロバブルが生成される恐れがあるからである。

多孔体２２は、陽極酸化などで得られる多孔質体が好ましく、例えば、陽極酸化アルミニウム（ポーラスアルミナ）や陽極酸化シリコン（ポーラスシリカ）の皮膜である。ナノサイズの貫通孔２４の作成のし易さから、陽極酸化アルミニウム皮膜が特に好適である。陽極酸化アルミニウム皮膜は、アルミニウム板又は他の基板上に形成されたアルミニウム膜を酸性電解質中で陽極酸化することにより得られる。

陽極酸化アルミニウム皮膜は、例えば、半径数ｎｍ乃至数百ｎｍの柱状形状をした貫通孔２４が数十ｎｍ乃至数百ｎｍの間隔で並列した幾何学的構造を有する。貫通孔２４から出てくるバブルは、一般的に、貫通孔２４の開口径よりも大きなサイズで拡張した態様で生成される。隣り合った貫通孔２４が接近していると、各貫通孔２４を通じて微細バブル５が生成されたとしても、隣接したバブル同士が合体して、大きなサイズのバブル（例えばマイクロバブル）を形成することがある。多孔体２２が接する液体７等の表面張力によって異なるが、例えば、貫通孔２４の開口径の４倍くらい大きなサイズのバブルが形成される恐れがある。したがって、図１において多孔体２２を部分的に拡大した部分を参照すると、隣接したバブル同士の干渉を避けるために、多孔体２２における隣り合った貫通孔２４同士のピッチ（離間距離）ｃは、例えば貫通孔２４の開口径ａの３倍よりも大きな距離で離間していることが好ましい。すなわち、隣接する開口同士が開口径ａの３倍よりも大きなピッチ（離間距離）ｃで離間していることが好ましい。

なお、多孔体２２として、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタラート等の高分子フィルムに多数の貫通孔２４を設けたモノトランフィルム等も用いることもできる。また、ミクロンサイズのバブルを生成するためには、１μｍ乃至１０μｍ程度の微小な貫通孔２４を機械加工によって形成したノズルを用いることもできる。なお、多孔体２２に対する液体７等の濡れ性が影響して、微小な開口径の貫通孔２４から気体６が出にくくなっているために、細孔ユニット２０内での気体６の圧力を高くする必要があり、ガスボンベ１３から供給される気体６の圧力も高くする必要がある。

ところで、気体溶解液４では、微細バブル５の中に含まれる気体６の内圧Ｐ１と環境圧（大気圧）Ｐ２との差圧ΔＰは、気体６に対する液体７の界面張力γと、微細バブル５の直径Ｄとの関係を規定する以下のヤング・ラプラスの式を満たしている。
ΔＰ＝Ｐ１−Ｐ２＝４γ／Ｄ （１）

上記（１）に示したヤング・ラプラスの式から、微細バブル５の直径Ｄが小さければ差圧ΔＰが大きくなり、逆に、微細バブル５での差圧ΔＰが大きければ大きいほど、微細バブル５の直径Ｄが小さくなる。

微細バブル５での差圧ΔＰが大きければ、ヤング・ラプラスの式に基づいて微細バブル５の直径Ｄが小さくなるとともに、ヘンリーの法則に基づいて微細バブル５の周辺にある液体７への気体６の溶解度が大きくなり、最終的に液体７の全体における気体６の溶解度が大きくなる。したがって、直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブル５を含む液体７では、微細バブル５の縮径が進行しやすいので、気体６が溶存気体８として液体７等の中に溶け込む。その結果、微細バブル５が液体７の中に溶け込んだ気体溶解液４が生成される。

図１に示した第１実施形態では、気体溶解液４は、気体溶解液生成部としてのチャンバ１０において生成される。図１においてチャンバ１０内部を部分的に拡大した部分を参照すると、チャンバ１０の底壁部から導入されて直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブル５は、チャンバ１０の下部から中央部を経て上部に向けて、バブル自身の浮力によってゆっくりと浮上する。微細バブル５がゆっくりと浮上する過程で、微細バブル５が縮径しながら、気体６が溶存気体８として液体７等の中に溶け込み、気体溶解液４がチャンバ１０の中で生成される。なお、図１の部分拡大図は、あくまでも理解しやすくするために模式的に示したものであり、気体溶解液生成部は、チャンバ１０の液体７等においてある特定の部分に局所的に存在するものではなく、チャンバ１０の液体７等の全般にわたって存在する。

細孔ユニット２０によって生成される微細バブル５のサイズをナノサイズに揃えること、微細バブル５をチャンバ１０の液体７等に導入してから気体溶解液４が生成されるまでの生成時間が長くなるようにチャンバ１０に貯留される液体７等の高さを高くすること等により、微細バブル５が液体７等の中で確実に消滅して溶解するように構成することが好適である。

大気圧（１気圧）下では、基本的には、大気圧に対応した飽和溶解度以上に気体６が液体７等に溶け込むことがない。しかしながら、直径が１０ｎｍ乃至１００μｍのような微細バブル５は、微細バブル５の収縮現象により、大気圧下での飽和溶解度以上の気体６が液体７等に溶け込むことができる。当該過飽和状態は大気圧環境下であっても比較的安定である。

気体溶解液４は、液体７等への気体６の溶解度合いを調整することにより、未飽和液体、飽和液体、あるいは過飽和液体にすることができる。本発明では、微細バブル５の収縮現象を利用して気体６を液体７等の中に溶け込ませているので、加圧状態を作り出さなくても過飽和液体を生成することができる。気体溶解液４が過飽和液体である場合、ナノサイズの小さな直径を有する微細バブル５が液体７等の中で安定して存在することを可能にし、洗浄や殺菌や脱臭の効果が優れている。

次に、本発明の第２実施形態に係る気体溶解液４の生成システム１及び生成方法について、図２を参照しながら詳細に説明する。上述した第１実施形態と重複する部分については説明を省略し、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

図２に示すように、本発明に係る気体溶解液４の生成システム１は、液体７等を開放状態で貯留するチャンバ１０と、気体６を細孔ユニット４０に供給するガスボンベ（微細バブル生成用気体供給装置）１３と、供給された気体６により微細バブル５を液体７等の中に発生させる細孔ユニット（微細バブル生成装置）４０と、微細バブル５を縮径しながら液体７等の中に溶解させて気体溶解液４を生成する気体溶解部（気体溶解液生成部）５２と、ポンプ５０と、チャンバ１０に貯留された液体７等を細孔ユニット４０に供給する液体供給部５１と、を備えている。チャンバ１０と、液体供給部５１と、ポンプ５０と、細孔ユニット４０と、気体溶解部５２とからなる流路に従って、液体７等が連続して循環する。したがって、図２に示した気体溶解液４の生成システム１は、いわゆる連続式のものである。ガスボンベ１３は、圧力調整弁１８及び圧力計１９を介して、細孔ユニット４０の気体供給部４５に接続されている。

細孔ユニット４０は、大略円筒状のハウジング４１と、円筒状の多孔体４２と、流入側接続部４３と、流出側接続部４４と、ハウジング４１に設けられた気体供給部４５と、Ｏリング４６と、を備えている。円筒状の多孔体４２は、流入側及び流出側のそれぞれに配置されたＯリング４６を介して、ハウジング４１の中に装填されている。流入側接続部４３は液体供給部５１に接続され、流出側接続部４４は気体溶解部５２に接続されている。また、気体供給部４５は、圧力調整弁１８及び圧力計１９を介して、ガスボンベ１３から供給される加圧された気体６を細孔ユニット４０に供給するためのものである。細孔ユニット４０においては、多孔体４２の外側には加圧された気体６が供給される気相空間と、多孔体４２の内側には液体７等が流れる液相空間とが、多孔体４２によって隔ててられている。

液体供給部５１及び気体溶解部５２は、液体７等が流れる配管によって構成されている。液体供給部５１は、チャンバ１０に貯留された液体７等を細孔ユニット４０に供給するためのものであるから、必要最低限の長さを有していれば十分である。これに対して、気体溶解部５２は、微細バブル５を縮径しながら液体７等の中に溶解させて気体溶解液４を生成するためのものであるから、気体６を含む微細バブル５が液体７等の中で溶解できるくらいに十分な長さを有する必要がある。

細孔ユニット４０における多孔体４２は、第１実施形態における細孔ユニット２０の多孔体２２を同じ材質のものを使用している。多孔体４２は、陽極酸化などで得られる多孔質体が好ましく、例えば、陽極酸化アルミニウム（ポーラスアルミナ）や陽極酸化シリコン（ポーラスシリカ）の皮膜である。当該皮膜を単体で用いる代わりに、円筒形状をした支持体の少なくとも一部分に支持体の壁面を貫通する取付穴を形成し、当該多孔質の皮膜あるいは当該多孔質の皮膜の形成された基板を、支持体の外側面に対して当該取付穴を覆うように固設した態様であってもよい。

多孔体４２は、ナノサイズからミクロンサイズの微小な貫通孔２４を多数個有する。直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブル５の生成のために、貫通孔２４の開口径（直径）は、例えば、数ｎｍ乃至数十μｍであり、好ましくは約１０ｎｍ乃至約１０μｍである。また、ミクロンサイズのバブルを生成するために、１μｍ乃至１０μｍ程度の微小な貫通孔を機械加工によって形成したノズルを細孔ユニット４０に設置することもできる。

チャンバ１０の中にある液体７等は、ポンプ５０によって吸い上げられて、液体供給部５１を介して細孔ユニット４０に供給される。細孔ユニット４０においては、流入側接続部４３から供給された液体７等が多孔体４２の内部空間の中を流れて、気体供給部４５から供給された気体６が液体７等に混入することにより、直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブル５が液体７等の中に生成される。

細孔ユニット４０によって生成された微細バブル５を含む液体７等は、多孔体４２の内部空間の中を流れたあと、気体溶解部５２の中を流れる。気体溶解部５２の中では、液体７等に含まれて直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブル５が縮径しながら、微細バブル５に含まれる気体６が溶存気体８として液体７等の中に溶け込み、気体溶解液４が生成される。気体溶解部５２で生成された気体溶解液４は、チャンバ１０の中に導かれて、チャンバ１０の中に既に存在する液体７等と混合する。チャンバ１０の中にある液体７等は、細孔ユニット４０での微細バブル５の生成や気体溶解部５２での気体溶解液４の生成等に供せられる。液体７等の細孔ユニット４０への供給、微細バブル５の生成と、気体溶解液４の生成と、気体溶解液４のチャンバへ１０の貯留というプロセスを連続的に繰り返すことにより、液体７等における気体６の溶解度が徐々に上昇する。そして、気体６が所望の溶解度で液体７等の中に溶け込んだ気体溶解液４が、チャンバへ１０の中に貯留される。

液体７等が生成システム１において循環する循環時間を制御して液体７等への気体６の溶解度合いを調整することにより、生成される気体溶解液４を未飽和液体、飽和液体、あるいは過飽和液体にすることができる。また、気体溶解部５２での配管長を長くすること等により、微細バブル５が液体７の中で確実に消滅して溶解するように構成することが好適である。

上記説明から、本発明に係る生成システム１及び生成方法によれば、直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブル５が縮径しながら液体７等中に溶解するという微細バブル５の収縮現象を利用することで、気体６が液体７等中に所望の溶解度で溶解した気体溶解液が非常に簡易な構成やプロセスによって生成することができる。

本発明に係る生成システム１及び生成方法によって生成された気体溶解液４は、例えば、環境分野では排水浄化や下水処理等に、農林水産分野では溶液栽培等に、食品分野では食品加工水や食品洗浄水等に、製造産業分野では部品洗浄等に、家庭用では美容用等にそれぞれ利用することができる。

本発明に係る生成システム１及び生成方法によって生成された気体溶解液４で用いられる液体７として、純水や水道水やイオン交換水や軟水等の水を始め、塩化ナトリウムや界面活性剤を含む溶液、有機溶媒、又はガソリン等の油類等を例示することができる。また、気体溶解液４で用いられる気体６として、酸素ガスや窒素ガスや水素ガスや炭酸ガスやアルゴンガスやオゾンガスやヘリウムガス、又はメタンガス等の炭化水素ガス等を例示することができる。

なお、本発明を理解しやすくするために、具体的な構成や数値を用いて説明したが、これらはあくまでも例示であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。本発明の技術的範囲内において、種々の実施形態や変形例を構成することができることは、当業者には明らかである。

１：気体溶解液の生成システム
４：気体溶解液
５：微細バブル
６：気体
７：液体
８：溶存気体
１０：チャンバ
１３：ガスボンベ（微細バブル生成用気体供給装置）
１６：攪拌装置
２０：細孔ユニット（微細バブル生成装置）
２２：多孔体
２４：貫通孔
３０：気体溶解部
４０：細孔ユニット（微細バブル生成装置）
４２：多孔体
５０：ポンプ
５１：液体供給部
５２：気体溶解部

Claims (10)

1. 微細な貫通孔を介して、加圧された気体を液体に供給することにより、直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブルを生成するバブル生成装置と、
   前記微細バブルを縮径しながら液体中に溶解させることにより、気体溶解液を生成する気体溶解液生成部と、
   生成された気体溶解液を貯留するチャンバと、を備えることを特徴とする気体溶解液の生成システム。
2. 前記気体溶解液生成部において、前記微細バブルが液体中で消滅して溶解するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の気体溶解液の生成システム。
3. 前記気体溶解液は、気体が過飽和で液体に溶解している過飽和液体であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の気体溶解液の生成システム。
4. 前記気体溶解液生成部は、前記チャンバであってバッチ式であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の気体溶解液の生成システム。
5. 前記気体溶解液生成部は、前記バブル生成装置と前記チャンバとの間にあって、気体溶解液が生成システム内を循環する連続式であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の気体溶解液の生成システム。
6. 微細な貫通孔を介して、加圧された気体を液体に供給することにより、直径が１０ｎｍ乃至１００μｍである微細バブルを生成することと、
   前記前記微細バブルを縮径しながら液体中に溶解させることにより、気体溶解液を生成することと、
   生成された気体溶解液をチャンバに貯留することと、を備えることを特徴とする気体溶解液の生成方法。
7. 前記気体溶解液の生成過程において、前記微細バブルが、液体中で消滅して溶解することを特徴とする、請求項６に記載の気体溶解液の生成方法。
8. 前記気体溶解液は、気体が過飽和で液体に溶解している過飽和液体であることを特徴とする、請求項６又は７に記載の気体溶解液の生成方法。
9. 前記気体溶解液の生成は、前記チャンバ内で行われるバッチ式であることを特徴とする、請求項６乃至８のいずれか一つに記載の気体溶解液の生成方法。
10. 前記微細バブルの生成と、前記気体溶解液の生成と、前記気体溶解液のチャンバへの貯留とが、繰り返し行われる連続式であることを特徴とする、請求項６乃至８のいずれか一つに記載の気体溶解液の生成方法。

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