JP2014138925A - 機能性水製造装置及び機能性水製造方法 - Google Patents
機能性水製造装置及び機能性水製造方法 Download PDFInfo
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- Treatment Of Water By Oxidation Or Reduction (AREA)
Abstract
【課題】被処理水が潜在的に有していたミネラル成分を失うことなく、化学的風化及び物理的風化の両方を利用し、効率よくミネラル成分を水に溶解させることを所期課題とする。
【解決手段】オゾンガスをナノバブル化して水に溶解させて気液混合水を生成する加圧溶解手段１と、加圧溶解手段１により生成された気液混合水を天然鉱物２Ａに接触させ、当該天然鉱物２Ａのミネラル成分を溶出させるミネラル溶出手段２とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】オゾンガスをナノバブル化して水に溶解させて気液混合水を生成する加圧溶解手段１と、加圧溶解手段１により生成された気液混合水を天然鉱物２Ａに接触させ、当該天然鉱物２Ａのミネラル成分を溶出させるミネラル溶出手段２とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１
Description
本発明は、オゾンガスをナノバブル化して水に溶解させるとともに、ミネラル成分を水に溶出させて機能性水を製造する機能性水製造装置及び機能性水製造方法に関するものである。
従来、飲料水の殺菌方法としてオゾンをバブル化（気泡化）して被処理水に溶解させ、オゾン殺菌処理をするものがある。また、飲料水の製造時に、被処理水にミネラル成分を溶出させることにより、ミネラル成分を付加した飲料水を製造するものがある。
このような飲料水を製造する装置として、特許文献１に示すように、オゾンガスを被処理水に溶解するオゾン処理手段と、当該オゾン処理手段で溶解処理された被処理水を通過させる逆浸透膜手段と、当該逆浸透膜手段を通過した被処理水を無機物質に接触させてミネラル成分を溶出させるミネラル水生成槽とを有する飲料水製造装置が考えられている。
しかしながら、特許文献１のような飲料水製造装置では、被処理水に含まれるミネラル成分の大部分が逆浸透膜手段によって除去されてしまい、ミネラル水生成槽でミネラル成分を溶出させたところで、前記逆浸透膜手段で失われたミネラル成分を補うことはできず、被処理水が潜在的に有していたミネラル成分の大部分を失った状態になってしまうという問題がある。
そこで本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、被処理水が潜在的に有するミネラル成分を失うことなく、化学的風化及び物理的風化の両方を利用して効率良くミネラル成分を水に溶出させることを主たる所期課題とするものである。
すなわち本発明に係る機能性水製造装置は、オゾンガスをナノバブル化して水に溶解させて気液混合水を生成する加圧溶解手段と、前記加圧溶解手段により生成された気液混合水を天然鉱物に接触させ、当該天然鉱物のミネラル成分を溶出させるミネラル溶出手段とを備えることを特徴とする。
このようなものであれば、前記ミネラル溶出手段において、気液混合水に、オゾンの酸化反応による化学的風化、及びナノバブルの挙動による物理的風化の両方を使用して天然鉱物からミネラル成分を溶出させることができる。また、前記オゾンガスをナノバブルにすることで、水中におけるオゾンガスを、ガス状態で長期に渡って維持することができ、オゾンガスによる殺菌効果を長期に渡って維持することができる。さらに、ナノバブル化したオゾンガスを含む気液混合水を、逆浸透膜手段等を介さずに加圧溶解手段からミネラル溶出手段に直接導入しているので、被処理水が潜在的に有するミネラル成分を失うことなく、天然鉱物からのミネラル成分を加えることができる。
前記加圧溶解手段が、加圧された水を導入する加圧水導入ポートと、前記オゾンガスを導入するオゾンガス導入ポートと、生成された気液混合水を導出する気液混合水導出ポートとを有する加圧せん断溶解槽であることが望ましい。このように加圧せん断溶解方式を用いることによって、ナノバブルを発生しやすくするとともに、オゾンガスをナノバブル化して水に無駄なく効率良く溶解させることができる。なお、気液混合水導出ポートは、逆浸透膜手段等を介することなく、接続配管によりミネラル溶出手段に直接接続されている。
前記天然鉱物の具体的な例として、前記天然鉱物が、ケイ酸塩を主溶出成分とするものが考えられる。
前記ケイ酸塩を主溶出成分とする前記天然鉱物からミネラル成分を溶出させる具体的な構成として、前記反応手段内における前記天然鉱物と前記気液混合水との接触が、１．０ＭＰａ以下の圧力下で行われ、前記気液混合水に、前記天然鉱物からケイ酸塩を含む多元素ミネラルを溶出させることが望ましい。また、前記ミネラル溶出手段における前記気液混合水の滞留時間を、ミネラルと共存する金属イオンの溶出が水道水基準に定められた数値を超えることがない時間で管理することが望ましい。
気液混合水を天然鉱物に接触させると、天然鉱物の種類によっては、天然鉱物のミネラル成分だけでなく、当該天然鉱物内に存在する古細菌や芽胞菌等も溶出してしまう。そうすると、生成された機能性水が人体に悪影響を与えてしまうという問題がある。この問題を好適に解決するためには、前記気液混合水におけるオゾンガスの溶解率が９８％以上であり、前記オゾンガスの注入量を制御することにより前記気液混合水の酸化還元電位を６５０ｍＶ以上とすることが望ましい。これならば、気液混合水の酸化還元電位が６５０ｍＶ以上となり、気液混合水に溶出した場合の古細菌や芽胞菌等を殺菌排除することができる。なお、例えば、３２度の気液混合水の酸化還元電位を６５０ｍＶ以上とするためには、オゾンガスの注入量を、２８度以下での酸化還元電位が６５０ｍＶである気液混合水に比べて、１．２倍に増やす。このように気液混合水の温度に応じてオゾンガスの注入量を制御することが望ましい。
このように構成した本発明によれば、被処理水が潜在的に有するミネラル成分を失うことなく、化学的風化及び物理的風化の両方を利用して、天然鉱物から効率良くミネラル成分を水に溶解させることができる。
以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る機能性水製造装置１００は、例えば飲料水製造プラントの浄水・殺菌設備に組み込まれて用いられ、被処理水に処理を施して機能性水（機能性ミネラルウォータ）を製造するものである。
具体的にこの機能性水製造装置は、図１に示すように、例えば天然水等の被処理水を導入する被処理水導入ポートＰ１と、当該被処理水導入ポートＰ１から導入された被処理水の異物を除去する第１ろ過フィルタ３と、この第１ろ過フィルタを通過した被処理水にオゾンガスをナノバブル化して溶解させて気液混合水を生成する加圧溶解手段１と、この加圧溶解手段１により生成された気液混合水を天然鉱物２Ａに接触させて天然鉱物２Ａのミネラル成分を溶出させるミネラル溶出手段２と、このミネラル溶出手段２から導出された気液混合水の異物を除去する第２ろ過フィルタ４と、この第２ろ過フィルタ４を通過した気液混合水（機能性水）を導出する機能性水導出ポートＰ２と、これらの構成要素をこの順で直列に接続する接続配管とで構成されている。
第１ろ過フィルタ３は、水道水基準値に合致した被処理水を通過させるための前処理５μｍフィルタである。ここで、機能性水製造装置１００において飲料水を製造する場合は、この第１ろ過フィルタ３を通過する被処理水が水道水基準値に適合している必要があり、当該被処理水が水道水基準値に適合しない場合は、第１ろ過フィルタ３よりも上流側において被処理水を水道水基準値に適合させるための浄水機構が必要になる。なお、浄水機構としては、例えば沈殿ろ過や活性炭吸着等の高度処理技術等を用いたものである。
第２ろ過フィルタ４は、ミネラル溶出手段２から導出された被処理水（機能性水）をろ過して異物を除去するものであり、具体的には、０．５μｍフィルタ等のマイクロフィルタである。この第２ろ過フィルタ４には、機能性水に含まれるミネラル成分を除去しないフィルタを用いる。
加圧溶解手段１は、オゾンガスをナノバブル化して被処理水に溶解して気液混合水を生成するものであり、オゾンガスを発生させるオゾン発生手段１１と、被処理水を加圧する加圧ポンプ１２と、前記オゾンガス及び加圧された被処理水が導入され、前記オゾンガスをナノバブル化して被処理水に溶解させる加圧せん断溶解槽１３とを有する。
オゾン発生手段１１は、酸素を濃縮する酸素濃縮部１１ａと、コロナ放電電極を有し、コロナ放電法により酸素濃縮部１１ａで生成された濃縮酸素からオゾンガスを生成するオゾンガス発生部１１ｂとを有する。このオゾンガス発生部１１ｂは、生成したオゾンガスを加圧せん断溶解槽１３に送るためのガス配管１１ｃにより加圧せん断溶解槽１３のオゾンガス導入ポートに接続されている。また、このオゾン発生手段１１において生成されるガスはオゾンガスに限られず、オゾン以外の酸素同位体ガスを生成するものでも良い。
加圧ポンプ１２は、被処理水を加圧して加圧せん断溶解槽１３に送るものであり、この加圧ポンプ１２は、加圧した被処理水を加圧せん断溶解槽１３に送るための加圧水配管１２ｃにより加圧せん断溶解槽１３の加圧水導入ポートに接続されている。
加圧せん断溶解槽１３は、オゾンガスを加圧せん断溶解法によりナノバブル化（微細気泡化）して被処理水に溶解させるものであり、オゾン発生手段１１により生成されたオゾンガスを導入するオゾンガス導入ポートと、加圧ポンプ１２により加圧された被処理水を導入する加圧水導入ポートと、当該加圧せん断溶解槽１３により生成された気液混合水を導出する気液混合水導出ポートとを有する。この加圧せん断溶解層１３により生成されるナノバブルは、直径２００ｎｍ以下である。そして、加圧せん断溶解槽１３において生成された気液混合水は、気液混合水導出ポートからミネラル溶出手段２に導入される。
加圧せん断溶解槽１３とミネラル溶出手段２（具体的には後述するミネラル溶出槽２１）とは、第１接続配管５によって直接接続されており、気液混合水に含まれるミネラル成分が失われないように、気液混合水を、逆浸透膜手段等を介さずに、加圧溶解手段１からミネラル溶出手段２に直接導入するように構成されている。
ミネラル溶出手段２は、加圧溶解手段１により生成された気液混合水にミネラル成分を溶出させるものであり、内部に天然鉱物２Ａが充填されたミネラル溶出槽２１を有する。
ミネラル溶出槽２１は、加圧せん断溶解槽１３の気液混合水導出ポートに連通する気液混合水導入ポートと、気液混合水にミネラル成分が溶出することにより生成される機能性水を導出する導出ポートとを有する。また、ミネラル溶出槽２１の内容積は、前記水（気液混合水）の送水量の２〜５分の滞留時間となるように設定されている。なお、加圧せん断溶解槽１３の気液混合水導出ポートと、ミネラル溶出槽２１の気液混合水導入ポートとは前記第１接続配管５により直接接続されている。
天然鉱物２Ａは、ケイ酸塩を含んだ天然鉱石である。この天然鉱物２Ａのミネラル溶出槽２１への充填量は、水の潜在的なミネラル成分に基づいて、予め定められた目的の基準値に応じて、天然鉱物２Ａの粒度（表面積）及び／又は体積により調整している。また、天然鉱物２Ａは、可能な限り有機物を含まないものであることが望ましい。このような天然鉱物２Ａとしては、鉱物及び希土類元素を含む原石、例えば、斜長石及びカリ長石を組み合わせたものや、麦飯石等を用いることが考えられる。本実施形態では、Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏが７％以上あり、ＣａＯが５％以上、ＳｉＯが７０〜８０％であるものを用いている。珪素（Ｓｉ）は、地球の地殻（土壌）内で酸素に次いで多い成分で一般に薬石と称されている麦飯石、黒曜石、シリカ石、トルマリン石、アメジスト、医王石、北投石等の成分の80％以上が珪素で、特に石英（水晶）には99％以上含まれている物質である。動・植物にも必要な元素であり、骨や細胞壁を構成・補強する元素として働いていると言われている。
天然鉱物２Ａに含まれる主要ミネラル成分としては、例えばカルシウム、リン、カリウム、硫黄、ナトリウム、塩素又はマグネシウム等であり、微量ミネラル成分としては、鉄、亜鉛、銅、ヨウ素、セレン、マンガン、モリブデン、クロム又はコバルト等である。本実施形態の天然鉱物２Ａ（斑状類似構造を呈する斜長石とカリ長石とを組み合わせた構成物）の組成分析結果を下記の表に示す。なお、この組成分析は、ＩＣＰによる定性分析結果（ｗｔ％）である。以下の表から分かるように、本実施形態の天然鉱物２Ａの組成は、珪素（Ｓｉ）：７８．２％、アルミニウム（Ａｌ）：２０．２５％、カルシウム（Ｃａ）：５．７％、ナトリウム（Ｎａ）：５．２２％、鉄（Ｆｅ）：４．５４％、マンガン（Ｍｎ）：２．２７％などである。
また、天然鉱物２Ａに含まれる元素のイオン化傾向は、水溶液中のおける元素（主に金属）のイオンへのなりやすさの相対尺度を表し、電気化学列又はイオン化列とも呼ばれる。このイオン化傾向の大きい順に並べると、Ｌｉ＞Ｋ＞Ｂａ＞Ｓｒ＞Ｃａ＞Ｎａ＞Ｍｇ＞Ａｌ＞Ｍｎ＞Ｚｎ＞Ｆｅ＞Ｃｕである。
さらに、一般にケイ酸塩鉱物は、ＳｉＯの正四面体が三次元的に配列した立体構造であり、構成の末端はＳｉＯ基となり、その基に金属元素が結合していることが知られている。例えば、麦飯石に含まれる物質は水と作用することによりイオン化し易くなっている。従来では、麦飯石を水に所定時間浸漬させて、その水を飲用等に活用していた。以下の表は、水道水と、麦飯石３００ｇに水道水を１リットル加えて６時間浸漬した水とのミネラル成分を比較したものである。
以上から、麦飯石はｐＨ緩衝（微アルカリ性）作用が認められる。試料は１０ｍｍサイズを用い、溶出イオンの分析結果は、シリカが１０ｍｇ／Ｌ→１６ｍｇ／Ｌ（６０％）、カルシウムが５．８ｍｇ／Ｌ→６．３ｍｇ／Ｌ（８．６％）、マグネシウムが０．６８ｍｇ／Ｌ→０．７５ｍｇ／Ｌ（１０．２％）、カリウムが１．５ｍｇ／Ｌ→１．９ｍｇ／Ｌ(２６％)の増加がみられた。
次に、本実施形態の機能性水製造装置１００を用いた機能性水製造方法について説明する。
まず、浄水施設等で予め処理された水又は地下水等であって水道水基準値に適合する被処理水を、第１ろ過フィルタ３を通過させる。
第１ろ過フィルタ３を通過した被処理水が、加圧ポンプ１２によって加圧され、加圧水配管１２ｃを通って加圧せん断溶解槽１３に導入される。また、オゾン発生手段１１によって生成されたオゾンガスが、ガス配管１１ｃを通って加圧せん断溶解槽１３に導入される。ここで、加圧ポンプ１２のポンプ圧力は、０．５ＭＰａ以上１．２ＭＰａ以下であり、加圧ポンプ１２の加圧容積は、加圧ポンプ１２の送水量の２〜５分滞留であり、加圧ポンプ１２の吐出圧力は、０．５ＭＰａ〜１．０ＭＰａ程度に保たれる。また、オゾンガスの吸引量は、加圧ポンプ送水量の５％（容積比）以下に保たれる。
前記加圧せん断溶解槽１３に導入された被処理水及びオゾンガスが、加圧せん断溶解法により混合され、オゾンガスが被処理水中にナノバブル化して存在する状態の気液混合水となる。ここで、加圧せん断溶解槽１３での循環滞留時間に応じて、直径１００ｎｍ〜６００ｎｍにナノバブル化されたオゾンガスを被処理水に溶解させることができる。
そして、加圧せん断溶解槽１３で生成された気液混合水は、ミネラル溶出槽２１に直接導入される。ここで、加圧せん断溶解槽１３及びミネラル溶出槽２１が直接接続されているので、気液混合水が潜在的に有するミネラル成分を失うことなく、ミネラル溶出槽２１に導入されて天然鉱物２Ａと接触する。気液混合水が天然鉱物２Ａに接触することにより、気液混合水に天然鉱物２Ａのミネラル成分（電解質ミネラル）が溶出する。
本実施形態では気液混合水に天然鉱物２Ａのミネラル成分を溶出させる方法として、化学的風化及び物理的風化の両方を利用している。
ここで、化学的風化とは、気液混合水に含まれるナノバブル化したオゾンガスによるオゾン酸化反応を利用して天然鉱物２Ａに含まれるミネラル成分を気液混合水に溶出させることである。
この化学的風化をもたらすオゾン酸化反応は、酸性領域（ｐＨ＜７）では、オゾン自体の強い酸化力による酸化分解であり、アルカリ性領域（ｐＨ＞７）では、水酸化物イオン濃度が高いため、酸化力の強いヒドロキシラジカルが生成され、このヒドロキシラジカルの酸化力による酸化分解である。ここで、酸化剤が酸化しやすいか還元しやすいかは酸化還元電位（ＯＲＰ）として表され、プラスの値が大きいほど酸化力が大きく、マイナスの値が大きいほど還元力が大きい。下記の表に酸化剤の一覧とそれぞれの酸化還元電位との関係を示す。
一方、物理的風化とは、気液混合水に含まれるナノバブル化したオゾンガスの物理的な挙動によって天然鉱物２Ａの粒子を物理的に削り、当該天然鉱物２Ａに含まれるミネラル成分を溶出させることである。
この物理的風化をもたらすナノバブル化したオゾンガスの物理的な挙動は、ブラウン運動であり、当該ブラウン運動の速度は、液体の温度、粘度及びナノバブルの粒子径に依存する。したがって、液体の温度及び粘度が同一であれば、ブラウン運動速度はナノバブルの粒子径によって変化する。具体的には、ナノバブル径が小さいほどブラウン運動速度が大きくなり、ナノバブル径が大きいほどブラウン運動速度が小さくなる。このブラウン運動速度と粒子径との関係は、次式で表わすことができる。なお、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ｔは時間、ｄはナノバブル直径、ηは粘度である。
本発明に基づいて、（１）大気をナノバブル化した気液混合水に、麦飯石４０ｋｇを充填した接触塔を設け大気ナノバブル水１０００リットル（１：水道水）を循環（非加圧）させ、物理的風化確認目的の分析結果と、（２）オゾンガスを同様な手段で循環（非加圧）させてオゾンナノバブルによる物理的・化学的風化確認目的の実験の分析結果との比較を行った。以下の表４に滞留時間毎の分析結果を示す。また、物理的風化確認目的（表４中の２〜３）の実験の酸化還元電位の変化を図２に示す。さらに、物理的・化学的風化確認目的（表４中の４〜６）の実験の酸化還元電位の変化を図３に示す。
上記の表４及び図２に示すように、物理的風化確認目的の実験の酸化還元電位（表４中の２〜３）としては、初期値（水道水）が４１９ｍｖであるのに対し、循環（非加圧）１５分後が６０３ｍＶ、３０分後が６０６ｍＶという結果になった。
また、上記の表４及び図３に示すように、物理的・化学的風化確認目的の実験の酸化還元電位（表４中の４〜６）としては、初期値（水道水）が４１９ｍＶであるのに対し、循環（非加圧）７分後が５４３ｍＶ、１５分後が８９３ｍＶ、３０分後が８９６ｍＶ、４５分後が９００ｍＶ、６０分後が９０３ｍＶという結果になった。
また、上記の表４及び図３に示すように、物理的・化学的風化確認目的の実験の酸化還元電位（表４中の４〜６）としては、初期値（水道水）が４１９ｍＶであるのに対し、循環（非加圧）７分後が５４３ｍＶ、１５分後が８９３ｍＶ、３０分後が８９６ｍＶ、４５分後が９００ｍＶ、６０分後が９０３ｍＶという結果になった。
以上の表４、図２及び図３から、麦飯石の粒径の細化、充填量の増加によって交換性陽イオン濃度の変化は大きくなると考えられる。上記の分析結果では、大気反応１５分（物理的風化確認目的の２）でシリカの物理的溶解が見られた。また、物理的・化学的風化確認目的の４〜６のオゾンナノバブルでは、物質によって一度溶け出したものが析出すると考えられる。さらに、金属イオンの亜鉛については、オゾンナノバブル無加圧浸漬でも物理的・化学的風化が確認できる。
また、本発明に基づいて、オゾンをナノバブル化して被処理水に溶解させた気液混合水について、加圧状態の分析を行った。具体的には、反応塔には麦飯石４０ｋｇを充填し、オゾンナノバブル水１０００リットル（１：水道水）を加圧（０．２Ｍｐａ）循環させ、オゾンナノバブルによる物理的・化学的風化効果目的の実験を行った。以下の表５に分析結果を示す。また、この実験の酸化還元電位の変化（表５中の７〜９）を図４に示す。
上記の表５及び図４に示すように、物理的・化学的風化効果目的の実験の酸化還元電位（表５中の７〜９）としては、初期値（水道水）が４１９ｍＶであるのに対し、循環（加圧）５分後が７１２ｍＶ、１０分後が８２９ｍＶ、１５分後が８５７ｍＶという結果になった。
ケイ酸塩鉱物はＳｉＯの正四面体が三次元的に配列した立体構造であり、構成の末端はＳｉＯ基となり、その基に金属元素が結合している。これは、シリカの溶出により、金属イオンも溶出するからである。但し、金属イオンの溶出量は実験値からシリカの溶出量に比べ１／３５程度であった。溶出イオンの分析結果は、シリカが２．１ｍｇ／Ｌ→２．６〜２．９ｍｇ／Ｌ（２４〜２８％）、カルシウムが１２．０ｍｇ／Ｌ→１２．０ｍｇ／Ｌ（平衡）、マグネシウムが２．０ｍｇ／Ｌ→１．９ｍｇ／Ｌ（平衡又は析出）、カリウムがｍｇ／Ｌ１．７→１．６ｍｇ／Ｌ（平衡又は析出）、他方、金属イオンのマンガン、亜鉛、アルミニウムについては微量な溶出が認められた。
麦飯石活用でも特に、アルミニウムについての飲料水基準値０．２ｐｐｍ以下であることから、アルミニウムの溶出限界で、ミネラルの物理的・化学的風化の滞留時間が決まる(水道水は、上水施設で硫酸バンド又はポリ塩化アルミニウムによる凝集剤活用あり)。また、電気伝導率も、水道水の１２．３ｍＳ／ｍに比べて、オゾンナノバブル水は僅かに上昇（１２．４ｍＳ／ｍ）した。これは循環滞留時間により麦飯石の各成分が微妙に溶出したことと関連する。このことから、荷電した物質（コロイド）が水中に分散していることは、水の物性変化をはじめ生体反応への影響を大きくすると考えられる。
以上のように、ミネラル溶出槽２１において天然鉱物２Ａに接触した気液混合水は、潜在的に有するミネラル成分と、天然鉱物２Ａから溶出した電解質ミネラル成分との両方を含み、調整されたミネラル成分を含む気液混合水となる。
そして、この調整されたミネラル成分を含んだ気液混合水は、最終的に第２ろ過フィルタ４によってろ過され、機能性水として機能性水製造装置１００から排出される。この第２ろ過フィルタ４は、ミネラル成分を除去しないようなフィルタを用いているので、調整されたミネラル成分を含んだまま機能性水として機能性水製造装置１００から導出される。
本実施形態の機能性水に含まれるナノバブルは、直径２００ｎｍ以下の肉眼で目視できない大きさの微細気泡であり、図５に示すように、オゾンガスがナノバブル化して主軸となって、溶出した電解質ミネラル（イオン）と結合したものである。また、機能性水（気液混合水）におけるオゾンガスの溶解率は９８％以上であり、機能性水における２８度以下での酸化還元電位が６５０ｍＶ以上である。このようなナノバブルであれば、優れた浸透能力を有するので、オゾンガスによる殺菌効果及びウイルス不活性効果を、菌体の表面のみでなく内部にも及ぼすことが可能になる。特に、天然鉱物２Ａから溶出された場合の古細菌や芽胞菌等を好適に殺菌することができる。このナノバブル化したオゾンガスによる殺菌効果及びウイルス不活性効果と、次亜塩素酸塩による殺菌効果とを比較した表を下記に示す。この表から分かるように、本実施形態のナノバブル化したオゾンガスは、幅広い種類の微生物に対して優れた殺菌能力を有する。
また、図６に示すように、本実施形態のオゾンガスは、製造された機能性水内において、ナノバブル状態で少なくとも９０日以上存在することができる。さらに、図６に示す９０日以降においても常温で６ヶ月以上ナノバブル状態を持続することができ、機能性水内においてこれを製造したときから１年以上ナノバブル状態を保つことができる。したがって、機能性水を容器に封入した状態で密閉しておけば、オゾンガスによる殺菌された機能性水を、殺菌された状態で長期に亘って持続することができる。また、図７に示すように、反応時間が１５分であれば、平均して１ｍｇ／Ｌあたり１億個以上のナノバブルを得ることができる。
また、本実施形態の機能性水製造装置１００により製造された機能性水に含まれるナノバブルは、このナノバブルのブラウン運動をレーザーポインター等を用いて容易に視認することができる。
＜本実施形態の効果＞
このように構成した機能性水製造装置１００によれば、前記ミネラル溶出手段２において、気液混合水に、オゾンの酸化反応による化学的風化、及びナノバブルの挙動による物理的風化の両方を使用して天然鉱物からミネラル成分を溶出させることができる。また、前記オゾンガスをナノバブルにすることで、水中におけるオゾンガスを、ガス状態で長期に渡って維持することができ、オゾンガスによる殺菌効果を長期に渡って維持することができる。さらに、ナノバブル化したオゾンガスを含む気液混合水を、逆浸透膜手段等を介さずに加圧溶解手段１からミネラル溶出手段２に直接導入しているので、被処理水が潜在的に有するミネラル成分を失うことなく、天然鉱物からのミネラル成分を加えることができる。
このように構成した機能性水製造装置１００によれば、前記ミネラル溶出手段２において、気液混合水に、オゾンの酸化反応による化学的風化、及びナノバブルの挙動による物理的風化の両方を使用して天然鉱物からミネラル成分を溶出させることができる。また、前記オゾンガスをナノバブルにすることで、水中におけるオゾンガスを、ガス状態で長期に渡って維持することができ、オゾンガスによる殺菌効果を長期に渡って維持することができる。さらに、ナノバブル化したオゾンガスを含む気液混合水を、逆浸透膜手段等を介さずに加圧溶解手段１からミネラル溶出手段２に直接導入しているので、被処理水が潜在的に有するミネラル成分を失うことなく、天然鉱物からのミネラル成分を加えることができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、加圧せん断溶解槽１３は、加圧溶解槽であっても良い。また、製造された機能性水の用途としては、飲料水用途に限られず、例えば、発酵酒の原料水や加水率の多い加工食品に活用することを目的とする機能水であっても良いし、化粧水用途であっても良いし、洗浄水用途であっても良い。
また、被処理水の硬度に応じてミネラル溶出手段２を通過させるか否かを切り替えるように構成しても良い。具体的には、図８に示すように、ミネラル溶出手段２の上流側に一端が接続され、ミネラル溶出手段２の下流側に他端が接続されたバイパス管６と、当該バイパス管６又はミネラル溶出手段２の一方に気液混合水を流通させるべく流路を切り替える開閉弁７１、７２からなる切り替え弁機構７と、当該切り替え弁機構７を制御する制御装置８とを備えている。そして、制御装置８は、ミネラル溶出手段２に導入される前の被処理水に含まれるミネラルが所定の基準値以上、具体的にはＣａＣＯ３が１２０ｍｇ／Ｌ（中程度の軟水）以上であれば、切り替え弁機構７を制御して、気液混合水をバイパス管６に流す。一方、制御装置８は、前記被処理水に含まれるミネラルが前記基準値未満であれば、切り替え弁機構７を制御して、気液混合水をミネラル溶出手段２に流す。このようにバイパス管６を設けて、ミネラル量に応じてミネラル溶出手段２又はバイパス管６に選択的に流すように構成しているので、機能性水のミネラル量を好適な量に制御することができる。前記所定の基準値は、機能性水の用途に応じてユーザにより任意の値に容易に変更可能としている。また、切り替え弁機構７の弁開度を制御することによって、ミネラル溶出手段２に流れる流量とバイパス管６に流れる流量との比を制御するように構成しても良い。
また、本発明の目的の一つとして、荷電したシリカ（コロイド）等を中心にオゾンナノバブル流体での加圧、滞留時間内でミネラルバランスを調整することにあり、健康を重視したミネラルウォータ、清涼飲料水の原料水、アルコール飲料の原料水等の飲料水用途に用いることが望ましい。また、飲料水用途の他に、食品の原料水等の食品用途に用いることが望ましい。そして、飲料水の種類や食品の種類に応じて、機能性水製造時において、例えば麦飯石量、粒径の細化（表面積）、オゾン酸化電位などを系統化することが考えられる。
さらに、目的に応じて１価のイオン（Ｋ＋）や２価のイオン（Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋）を補充するミネラル鉱石の併用など、任意的に加工することが可能である。ミネラルを含む微量金属元素が、ヒトや動植物の健康に寄与するのか古くから研究がなされているが、植物であれ、動物であれ、人間であれ、生きている細胞内にあって活性物質、すなわち触媒の役割を果たしていることが評価されつつある。これは、体質改善に微量元素が深く関わっていると考えられる。併用するミネラル鉱石の具体例としては、ヒマラヤ岩塩（ホワイト、ピンク、レッド、ブラック等）が挙げられる。以下、ホワイト岩塩（表７）、ピンク岩塩（表８）、レッド岩塩（表９）、ブラック岩塩（表１０）の成分を示す。
以上から、ヒマラヤ岩塩と称してもナトリウムよりカルシウム含有量が大であり、又カリウムが多く含まれる種類など、太古の地質ミネラルを併用するとともに、オゾンナノバブルによる物理的・化学的風化の滞留時間を適宜設定することにより、所望の水質を得ることができる。ここで、ミネラル溶出手段２のミネラル溶出槽２１における気液混合水の滞留時間を、ミネラルと共存する金属イオンの溶出が水道水基準に定められた数値を超えることがない時間で管理することが考えられる。また、本発明は、オゾンナノバブル加圧滞留時間１５分程度で機能性水が得られ、造水量の増大が可能であり、酸化還元電位計（ＯＲＰ）、ｐＨ計、電気伝導度計、ブラウン運動軌跡の確認ポインター、水質硬度計、オゾン水濃度計など従来の理化学計測機器類で製造水管理を容易にできる。
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
１００・・・機能性水製造装置
１ ・・・加圧溶解手段
１１ ・・・オゾン発生手段
１１ａ・・・酸素濃縮部
１１ｂ・・・オゾン発生部
１１ｃ・・・ガス配管
１２ ・・・加圧ポンプ
１３ ・・・加圧せん断溶解槽
２ ・・・ミネラル溶出手段
２１ ・・・ミネラル溶出槽
２Ａ ・・・天然鉱物
１ ・・・加圧溶解手段
１１ ・・・オゾン発生手段
１１ａ・・・酸素濃縮部
１１ｂ・・・オゾン発生部
１１ｃ・・・ガス配管
１２ ・・・加圧ポンプ
１３ ・・・加圧せん断溶解槽
２ ・・・ミネラル溶出手段
２１ ・・・ミネラル溶出槽
２Ａ ・・・天然鉱物
Claims (9)
- オゾンガスをナノバブル化して水に溶解させて気液混合水を生成する加圧溶解手段と、前記加圧溶解手段により生成された気液混合水を天然鉱物に接触させ、当該天然鉱物のミネラル成分を溶出させるミネラル溶出手段とを備える機能性水製造装置。
- 前記加圧溶解手段が、前記水を導入する加圧水導入ポートと、前記オゾンガスを導入するオゾンガス導入ポートと、生成された気液混合水を導出する気液混合水導出ポートとを有する加圧せん断溶解槽である請求項１記載の機能性水製造装置。
- 前記加圧溶解手段により生成された気液混合水を前記ミネラル溶出手段に直接導入する請求項１又は２記載の機能性水製造装置。
- 前記天然鉱物が、ケイ酸塩を主溶出成分とするものである請求項１乃至３の何れかに記載の機能性水製造装置。
- 前記反応手段内における前記天然鉱物と前記気液混合水との接触が、１．０ＭＰａ以下の圧力下で行われ、前記気液混合水に、前記天然鉱物からケイ酸塩を主成分とする多元素ミネラルを溶出させる請求項４記載の機能性水製造装置。
- 前記気液混合水におけるオゾンガスの溶解率が９８％以上であり、前記オゾンガスの注入量を制御することにより前記気液混合水の酸化還元電位を６５０ｍＶ以上とする請求項１乃至５の何れかに記載の機能性水製造装置。
- 水にオゾンガスをナノバブル化して溶解させ、気液混合水を生成する加圧溶解手段と、前記加圧溶解手段により生成された気液混合水を天然鉱物に接触させ、当該天然鉱物のミネラル成分を溶出させるミネラル溶出手段とを備えた機能性水製造方法。
- 前記ミネラル溶出手段の容積を、前記水の送水量の２〜５分の滞留時間により設定し、
前記天然鉱物の充填量を、前記水の潜在的なミネラル成分に基づいて、目的の基準値に応じて、前記天然鉱物の粒度又は体積により調整する請求項７記載の機能性水製造方法。 - 前記ミネラル溶出手段における前記気液混合水の滞留時間を、ミネラルと共存する金属イオンの溶出が水道水基準に定められた数値を超えることがない時間で管理する請求項７又は８記載の機能水製造方法。
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