JP2014231046A - マイクロナノバブルの生成方法、マイクロナノバブル生成器及びマイクロナノバブル生成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程と、前記マイクロナノバブル生成器の放出孔より前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程と、放出された前記気液二相旋回流中のマイクロバブルを前記マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる工程とを含むマイクロナノバブルの生成方法。
[2]前記気液二相旋回流を発生させる工程は、前記マイクロナノバブル生成器に外部から供給された液体の進行方向を前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体流路に沿って変更させることで旋回流を生じさせる工程を含むことを特徴とする前記[1]に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[3]前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、2本以上の前記液体流路に沿って変更させる工程であることを特徴とする前記[2]に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[4]外部から供給された前記液体は、前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体貯留槽に貯留された後に、前記液体流路に流されることを特徴とする前記[2]又は前記[3]に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[5]前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を0°として、0°〜5°の方向に前記液体が供給され、10°〜90°の方向へ進行方向が変更される工程であることを特徴とする前記[2]〜[4]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[6]前記マイクロナノバブル生成器内で発生させた前記気液二相旋回流の速度を前記放出孔に近づくほど高める工程を含むことを特徴とする前記[1]〜[5]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[7]液中パーティクルカウンターを利用した計測において粒径10〜18μmの範囲に気泡個数の大きな低下が認められる非ガウス分布を示すマイクロバブルを生成することを特徴とする前記[1]〜[6]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[8]粒径500nm未満のナノバブルを生成することを特徴とする前記[1]〜[7]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[9]マイクロナノバブルを生成する二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器であって、液体を供給する液体供給口及び気体を供給する気体供給口と、供給された前記液体の進行方向を変更させる液体流路と、供給された前記液体及び前記気体を衝突させて気液二相旋回流を発生させる旋回流発生部と、外壁に設けられ、前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる放出孔とを備えたマイクロナノバブル生成器。
[10]供給された前記液体が前記液体流路に流される前に貯留される液体貯留槽を備えることを特徴とする前記[9]に記載のマイクロナノバブル生成器。
[11]前記旋回流発生部は、円錐形状の前記外壁で形成されており、内部に円錐形状の空洞を有することを特徴とする前記[9]又は前記[10]に記載のマイクロナノバブル生成器。
[12]前記放出孔は、円錐形状の前記外壁の頂上部に設けられていることを特徴とする前記[11]に記載のマイクロナノバブル生成器。
[13]前記放出孔を形成する前記外壁の端部が面取りされていることを特徴とする前記[9]〜[12]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[14]前記液体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする前記[9]〜[13]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[15]前記液体流路は、曲線状に形成され、流出口に近づくほど細くなり、流出口が尖った形状となっていることを特徴とする前記[9]〜[14]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[16]前記液体供給口は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を0°として、0°〜5°の方向に前記液体を供給できる位置に形成され、前記液体流路は、前記液体を10°〜90°の方向へ進行方向を変更できるように形成されていることを特徴とする前記[9]〜[15]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[17]前記液体流路は、マイクロナノバブル生成器本体の外壁内面に沿って設けられていることを特徴とする前記[9]〜[16]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[18]前記液体流路は、2本以上設けられていることを特徴とする前記[9]〜[17]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[19]前記気体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする前記[9]〜[18]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[20]前記液体流路の流出口は、前記気体流路の流出口よりも前記放出孔から遠い位置に設けられていることを特徴とする前記[9]〜[19]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[21]前記液体貯留槽は、円環状に形成されていることを特徴とする前記[9]〜[20]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[22]前記放出孔と対向する位置に端部が円錐形状の流路形成部が設けられており、その頂上部に前記気体流路の流出口が設けられていることを特徴とする前記[9]〜[21]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[23]前記流路形成部は、前記円錐形状の底面に円柱形状の部位を有し、当該円柱形状の部位の側面にスリットが形成され、当該スリットは前記外壁の内面と共に前記液体流路を形成していることを特徴とする前記[22]に記載のマイクロナノバブル生成器。
[24]前記液体流路は、前記流路形成部の前記円錐形状の部位にまで延びていることを特徴とする前記[23]に記載のマイクロナノバブル生成器。
[25]前記[9]〜[24]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器を1つ以上、備えたことを特徴とするマイクロナノバブル生成装置。
本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブルの生成方法は、二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程と、前記マイクロナノバブル生成器の放出孔より前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程と、放出された前記気液二相旋回流中のマイクロバブルを前記マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる工程とを含む。以下、各工程を詳細に説明する。
通常、マイクロバブルは電荷を帯びていることが知られているが、この電荷はマイクロバブルの気液界面における水の構造的な要因で形成されたものであり、気泡発生直後においては気液界面付近における水の構造形成が間に合わないため、気泡は電荷を帯びてはいない。このためマイクロバブルは内部の気体を急速に周囲の水に溶解させながら縮小していき、ついには消滅してしまう。特に粒径10から18μmのマイクロバブルの場合には内部の気体が0.1気圧以上に加圧されているため、縮小から消滅に向かう傾向が強い。ところが、本発明のごとく、固体壁面をなぞるように発生直後のマイクロバブルを含む水が移動すると、壁面が抵抗体となるため水自体が強い乱流条件下に置かれることになる。そして内部に含まれる球形をした気泡は高速で回転する状況になり、乱流条件であるにも係わらず球形を維持しながら内部の気体を周囲の水に溶解させる。この時、気液界面には常に新しい水が供給されるため、気泡の縮小速度は他の条件よりも著しく加速される。さらに、水の動きが著しいために周囲の水から気液界面近傍へのイオン類の供給も著しく、気泡縮小に伴うゼータ電位の立ち上がりは著しく促進される。その結果、粒径が500nm未満の状態になった時に、気泡は高濃度のイオンに取り囲まれた状況になる。この様な状況になると、気泡の縮小が大きく制限されてしまう。すなわち高濃度のイオンの殻に取り囲まれた状態となり、内部の気体の溶解が著しく制限されてしまうので、気泡は安定化する。その結果、マイクロバブルとしての発生後にさほどの時間を要していないにも係わらず、また気泡の縮小を促すような特別な操作を別途に施していないにも係わらず、大量のナノバブルとして残存させることが可能となるものと考えられる。従来のマイクロバブル発生装置は、マイクロバブルは発生するものの発生したマイクロバブルはそのまま水の中で消滅するため、この一部をナノバブルとして残存させるためには他の工夫を施す必要があった。これに対して、本発明によれば、そのような操作を必要とすること無く、特に粒径10から18μmのマイクロバブルが直径500nm未満の持続性を持ったナノバブルとして残存する割合が非常に高くなる。
図1は、本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器の断面図である。
本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブルの生成装置は、上述の本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器10を1つ以上、備える。マイクロナノバブル生成器10を複数個備えることで、大量のマイクロナノバブル生成にも対応可能である。
図1〜5に記載の本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器10(生成器本体11の最大直径:45mm)を使用してマイクロナノバブルを生成した。
まず、マイクロナノバブル生成器10を入れた角形容器に茨城県つくば市内の水道水を約10L入れた後、130Wの井戸用ポンプ(圧力0.16MPa、吐出量14L/分)を利用してマイクロナノバブル生成器10の液体供給口11aから水道水を供給(角形容器中の水を循環させて供給)した。放出孔14からの放出水量は約10L/分であった。運転開始後、チューブを介して気体供給口11bから空気が供給される(生成器内部に旋回流が発生し気体流路12aの流出口付近の圧力が下がるため、空気は自然吸引され自給される)。
図6は、実施例1における、放出孔から気液二相旋回流を放出した状態のマイクロナノバブル生成器を側面から撮影した写真である。放出された気液二相旋回流中のマイクロバブルの殆ど(90%以上)が前方ではなく、後方へ向かい、マイクロナノバブル生成器10の外壁11cの壁面に沿って移動している様子が分かる。
空気の供給量を約5mL/分としたときの角形容器内のマイクロバブルの粒径分布を液中パーティクルカウンターにより測定した。利用した液中パーティクルカウンターはPMS社製LiQuilaz-E20である。
図7は、実施例1において液中パーティクルカウンターにより測定したマイクロバブルの粒径分布であり、マイクロナノバブル生成装置を作動させて5分経過した時の角形容器内におけるマイクロバブルの粒径分布を示す。
水道水を1昼夜の放置をして残留塩素を95%以上抜けさせた水を使用した以外は実施例1と同様にしてマイクロナノバブルを生成した。
マイクロナノバブル生成装置を10分間作動させ、停止30分後の角形容器内の水をサンプリングした。サンプリングした水にスピントラップ剤である5,5−ジメチル−N−ピロリン−オキシド(DMPO)と塩酸を添加した後に、電子スピン共鳴装置(株式会社キーコム社製、商品名:esr33)により測定を行った。
図8は、実施例2における電子スピン共鳴装置による測定結果であり、DMPO−OHのスペクトルを示す。
[1]二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程と、前記マイクロナノバブル生成器の放出孔より前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程と、放出された前記気液二相旋回流中のマイクロバブルを前記放出孔の前方向に対し横方向ないし後ろ方向に移動させ、前記マイクロバブルを含む水を前記マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って回転と共になぞりつつ流動させる工程とを含むマイクロナノバブルの生成方法。
[2]前記気液二相旋回流を発生させる工程は、前記マイクロナノバブル生成器に外部から供給された液体の進行方向を前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体流路に沿って変更させることで旋回流を生じさせる工程を含むことを特徴とする前記[1]に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[3]前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、2本以上の前記液体流路に沿って変更させる工程であることを特徴とする前記[2]に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[4]外部から供給された前記液体は、前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体貯留槽に貯留された後に、前記液体流路に流されることを特徴とする前記[2]又は前記[3]に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[5]前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を0°として、0°〜5°の方向に前記液体が供給され、10°〜90°の方向へ進行方向が変更される工程であることを特徴とする前記[2]〜[4]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[6]前記マイクロナノバブル生成器内で発生させた前記気液二相旋回流の速度を前記放出孔に近づくほど高める工程を含むことを特徴とする前記[1]〜[5]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[7]液中パーティクルカウンターを利用した計測において粒径10〜18μmの範囲に気泡個数の大きな低下が認められる非ガウス分布を示すマイクロバブルを生成することを特徴とする前記[1]〜[6]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[8]粒径500nm未満のナノバブルを生成することを特徴とする前記[1]〜[7]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
[9]前記[1]〜[8]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブルの生成方法に使用するための、マイクロナノバブルを生成する二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器であって、液体を供給する液体供給口及び気体を供給する気体供給口と、供給された前記液体の進行方向を変更させる液体流路と、供給された前記気体の流路となる気体流路と、供給された前記液体及び前記気体を衝突させて気液二相旋回流を発生させる旋回流発生部と、外壁に設けられ、前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる放出孔とを備え、前記旋回流発生部は、円錐形状の前記外壁で形成されており、内部に円錐形状の空洞を有し、前記放出孔は、円錐形状の前記外壁の頂上部に設けられているマイクロナノバブル生成器。
[10]供給された前記液体が前記液体流路に流される前に貯留される液体貯留槽を備えることを特徴とする前記[9]に記載のマイクロナノバブル生成器。
[11]前記放出孔を形成する前記外壁の端部が面取りされていることを特徴とする前記[9]又は前記[10]に記載のマイクロナノバブル生成器。
[12]前記液体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする前記[9]〜[11]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[13]前記液体流路は、曲線状に形成され、流出口に近づくほど細くなり、流出口が尖った形状となっていることを特徴とする前記[9]〜[12]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[14]前記液体供給口は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を0°として、0°〜5°の方向に前記液体を供給できる位置に形成され、前記液体流路は、前記液体を10°〜90°の方向へ進行方向を変更できるように形成されていることを特徴とする前記[9]〜[13]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[15]前記液体流路は、マイクロナノバブル生成器本体の外壁内面に沿って設けられていることを特徴とする前記[9]〜[14]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[16]前記液体流路は、2本以上設けられていることを特徴とする前記[9]〜[15]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[17]前記気体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする前記[9]〜[16]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[18]前記液体流路の流出口は、前記気体流路の流出口よりも前記放出孔から遠い位置に設けられていることを特徴とする前記[9]〜[17]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[19]前記液体貯留槽は、円環状に形成されていることを特徴とする前記[9]〜[18]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[20]前記放出孔と対向する位置に端部が円錐形状の気液流路形成部が設けられており、その頂上部に前記気体流路の流出口が設けられていることを特徴とする前記[9]〜[19]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器。
[21]前記気液流路形成部は、前記円錐形状の底面に円柱形状の部位を有し、当該円柱形状の部位の側面にスリットが形成され、当該スリットは前記外壁の内面と共に前記液体流路を形成していることを特徴とする前記[20]に記載のマイクロナノバブル生成器。
[22]前記液体流路は、前記気液流路形成部の前記円錐形状の部位にまで延びていることを特徴とする前記[21]に記載のマイクロナノバブル生成器。
[23]前記[9]〜[22]のいずれか1つに記載のマイクロナノバブル生成器を1つ以上、備えたことを特徴とするマイクロナノバブル生成装置。
Claims (25)
- 二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程と、
前記マイクロナノバブル生成器の放出孔より前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程と、
放出された前記気液二相旋回流中のマイクロバブルを前記マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる工程とを含むマイクロナノバブルの生成方法。 - 前記気液二相旋回流を発生させる工程は、前記マイクロナノバブル生成器に外部から供給された液体の進行方向を前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体流路に沿って変更させることで旋回流を生じさせる工程を含むことを特徴とする請求項1に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
- 前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、2本以上の前記液体流路に沿って変更させる工程であることを特徴とする請求項2に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
- 外部から供給された前記液体は、前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体貯留槽に貯留された後に、前記液体流路に流されることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
- 前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を0°として、0°〜5°の方向に前記液体が供給され、10°〜90°の方向へ進行方向が変更される工程であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
- 前記マイクロナノバブル生成器内で発生させた前記気液二相旋回流の速度を前記放出孔に近づくほど高める工程を含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
- 液中パーティクルカウンターを利用した計測において粒径10〜18μmの範囲に気泡個数の大きな低下が認められる非ガウス分布を示すマイクロバブルを生成することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
- 粒径500nm未満のナノバブルを生成することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
- マイクロナノバブルを生成する二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器であって、
液体を供給する液体供給口及び気体を供給する気体供給口と、
供給された前記液体の進行方向を変更させる液体流路と、
供給された前記液体及び前記気体を衝突させて気液二相旋回流を発生させる旋回流発生部と、
外壁に設けられ、前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる放出孔とを備えたマイクロナノバブル生成器。 - 供給された前記液体が前記液体流路に流される前に貯留される液体貯留槽を備えることを特徴とする請求項9に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記旋回流発生部は、円錐形状の前記外壁で形成されており、内部に円錐形状の空洞を有することを特徴とする請求項9又は請求項10に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記放出孔は、円錐形状の前記外壁の頂上部に設けられていることを特徴とする請求項11に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記放出孔を形成する前記外壁の端部が面取りされていることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記液体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする請求項9〜13のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記液体流路は、曲線状に形成され、流出口に近づくほど細くなり、流出口が尖った形状となっていることを特徴とする請求項9〜14のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記液体供給口は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を0°として、0°〜5°の方向に前記液体を供給できる位置に形成され、前記液体流路は、前記液体を10°〜90°の方向へ進行方向を変更できるように形成されていることを特徴とする請求項9〜15のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記液体流路は、マイクロナノバブル生成器本体の外壁内面に沿って設けられていることを特徴とする請求項9〜16のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記液体流路は、2本以上設けられていることを特徴とする請求項9〜17のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記気体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする請求項9〜18のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記液体流路の流出口は、前記気体流路の流出口よりも前記放出孔から遠い位置に設けられていることを特徴とする請求項9〜19のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記液体貯留槽は、円環状に形成されていることを特徴とする請求項9〜20のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記放出孔と対向する位置に端部が円錐形状の流路形成部が設けられており、その頂上部に前記気体流路の流出口が設けられていることを特徴とする請求項9〜21のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記流路形成部は、前記円錐形状の底面に円柱形状の部位を有し、当該円柱形状の部位の側面にスリットが形成され、当該スリットは前記外壁の内面と共に前記液体流路を形成していることを特徴とする請求項22に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 前記液体流路は、前記流路形成部の前記円錐形状の部位にまで延びていることを特徴とする請求項23に記載のマイクロナノバブル生成器。
- 請求項9〜24のいずれか1項に記載のマイクロナノバブル生成器を1つ以上、備えたことを特徴とするマイクロナノバブル生成装置。
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