JP4144669B2 - ナノバブルの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、あらゆる技術分野にその有用性が潜在し、特に水に対して特別な機能を生じさせ、その有用性が顕在化したナノバブルの製造方法に関するものである。
直径が５０μｍ以下の気泡（微小気泡）は、通常の気泡とは異なった性質を持つことが知られており、様々な分野で使用されている。
例えば特許文献１では、微小気泡の存在によって、生物の生理活性が促進、かつ新陳代謝機能が高められ、その結果として生物の成長が促進されるといった微小気泡の性質を利用した発明を提案している。
近年、微小気泡よりもさらに直径が小さい気泡（直径が１μm以下、以下、ナノバブルという。）が、工学的にも優れた効果を有すると言われており、注目されている。
しかし、ナノバブルを発生させる方法はなく、ナノバブルは微小気泡が自然消滅時、もしくは圧壊時に瞬間的にしか存在しないのが現状である。また、界面活性剤や有機物を利用して直径が１μｍ程度、もしくはそれ以下で安定して存在できるナノバブルもあるが、これらは界面活性剤や有機物の強い殻に包まれたものであるため周囲の水とは隔絶された存在であり、ナノバブルとしての生物に対する活性効果や殺菌効果などの機能を有するものではない。
特開２００２−１４３８８５号公報
本発明は、上述したような実情に鑑みてなされたものであり、ナノバブルの製造方法であって、長期間溶液中に存在し、生物に対する活性効果や殺菌効果等の機能を溶液中に与え続けるナノバブルを提供することを目的とする。
本発明の上記目的は、鉄、マンガン、カルシウム、ナトリウム、マグネシウムイオン、及びミネラル類の電解質イオンが混入した電気伝導度が３００μＳ／ｃｍ以上の水溶液中において、直径が１０〜５０μｍの微小気泡に物理的刺激を加えることにより、前記微小気泡を急激に縮小させることによって達成される。
また、本発明の上記目的は、前記微小気泡を急激に縮小させる過程において、気泡直径が５００ｎｍより小さくなったときの単位面積当たりの電荷量が気泡径の二乗に逆比例して増加することで、気液界面に吸着した水素イオンや水酸化物イオンによる静電気的な反発力により、並びに水素イオンや水酸化物イオン及び電解質イオンが、気液界面の縮小に伴って微小な体積の中に高濃度に濃縮して、前記微小気泡周囲を取り囲む殻として働くことによって効果的に達成される。
さらに、本発明の上記目的は、前記物理的刺激は、放電発生装置を用いて前記水溶液中の前記微小気泡に電圧２０００〜３０００Ｖで放電することによって、或いは前記物理的刺激は、超音波発信装置を用いて前記水溶液中の前記微小気泡に発信周波数が２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚで超音波照射することによって、或いは前記物理的刺激は、前記水溶液が入った容器内に取り付けた回転体を５００〜１００００ｒｐｍで作動させることにより前記水溶液を流動させ、前記流動時に生じる圧縮、膨張及び渦流を利用することであることによって、或いは前記物理的刺激は、前記水溶液が入った容器内に取り付けたポンプ作動などにより水溶液を流動させ、前記水溶液内に存在する単一若しくは多数の孔を持つオリフィス若しくは多孔板を通過させることで圧縮、膨張及び渦流を生じさせることであることによって、より効果的に達成される。
本発明のナノバブルの製造方法によれば、溶液中において気泡径が５０〜５００ｎｍの大きさのナノバブルを製造し、１月以上に渡って安定して存在させることが可能となった。また、ナノバブルを含む溶液は、ナノバブル中に含まれる気体の性質に依存して、生物に対しての生理的な活性効果、細菌やウイルスなどの微生物の殺傷効果や増殖抑制効果、有機物もしくは無機物との化学的な反応作用を持つことが可能となった。
以下、ナノバブルの性質及び製造方法について詳細に説明する。なお、説明の便宜上、水溶液の場合について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明に係るナノバブルの製造方法により製造されたナノバブルは、図１の粒径分布が示すように気泡径が５０〜５００ｎｍの大きさの粒子径を持っている。本発明に係るナノバブルの製造方法により製造されたナノバブルは、１月以上の長期に渡って水溶液中に存在し続ける。ナノバブルを含む水溶液の保存方法は、特に限定されるものではなく、通常の容器に入れて保存しても、１月以上ナノバブルが消滅することはない。
微小気泡の物理的性質として、図２に示すように、水溶液中での微小気泡は水溶液のｐＨに依存して表面電位を持っている。これは気液界面における水の水素結合ネットワークが、その構成因子として水素イオンや水酸化物イオンをより多く必要とするためである。この電荷は周囲の水に対して平衡条件を保っているため、気泡径に関係なく一定の値である。また、表面での帯電により静電気力が作用するため、反対符号の電荷を持つイオンを気液界面近傍に引き寄せている。
微小気泡の電荷は平衡を保っているが、この微小気泡を短時間のうちに縮小させた場合には、電荷の濃縮が起こる。図３は、１０秒間に気泡径を２５μｍから５μｍ程度まで縮小させたときの表面電荷の変化であるが、本来の平衡条件からズレを生じて電荷の濃縮を示している。この縮小速度をさらに速めて、なおかつ気泡径をさらに小さくした場合には単位面積当たりの電荷量は気泡径の二乗に逆比例して増加する。
微小気泡は気液界面に取り囲まれた存在であるため、表面張力の影響を受けて微小気泡の内部は自己加圧されている。環境圧に対する微小気泡内部の圧力上昇は理論的にＹｏｕｎｇ−Ｌａｐｌａｃｅの式により推測される。
（数１）
ΔＰ＝４σ／Ｄ
ここでΔＰは圧力上昇の程度であり、σは表面張力、Ｄは気泡直径である。室温での蒸留水の場合、直径１０μmの微小気泡では約０．３気圧、直径１μｍでは、約３気圧の圧力上昇となる。自己加圧された微小気泡内部の気体はヘンリーの法則に従って水に溶解する。そのため気泡径が徐々に縮小していき、また気泡径の縮小に伴って内部の圧力が増加するため、気泡径の縮小速度は加速される。この結果、直径が１μｍ以下の気泡はほぼ瞬時に完全溶解される。すなわちナノバブルは極めて瞬間的しか存在しないこととなる。
（数１）
ΔＰ＝４σ／Ｄ
ここでΔＰは圧力上昇の程度であり、σは表面張力、Ｄは気泡直径である。室温での蒸留水の場合、直径１０μmの微小気泡では約０．３気圧、直径１μｍでは、約３気圧の圧力上昇となる。自己加圧された微小気泡内部の気体はヘンリーの法則に従って水に溶解する。そのため気泡径が徐々に縮小していき、また気泡径の縮小に伴って内部の圧力が増加するため、気泡径の縮小速度は加速される。この結果、直径が１μｍ以下の気泡はほぼ瞬時に完全溶解される。すなわちナノバブルは極めて瞬間的しか存在しないこととなる。
これに対して、本発明に係るナノバブルの製造方法においては、直径が１０〜５０μｍの微小気泡を物理的な刺激によって急速に縮小させる。微小気泡が含まれる水溶液中の電気伝導度が３００μＳ／ｃｍ以上となるように鉄、マンガン、カルシウム、ナトリウム、マグネシウムイオン、その他ミネラル類のイオン等の電解質を混入させると、これらの静電気的な反発力により気泡の縮小を阻害する。この静電気的な反発力とは、球形をした微小気泡において縮小に伴い球の曲率が増加することにより、球の反対面に存在する同符号のイオン同士に作用する静電気力のことである。縮小した微小気泡は加圧されているため、微小気泡が縮小するほど、より縮小しようとする傾向が強まるが、気泡径が５００ｎｍよりも小さくなるとこの静電気的な反発力が顕在化してきて、気泡の縮小が停止する。
水溶液中に電気伝導度が３００μＳ／ｃｍ以上になるように鉄、マンガン、カルシウム、ナトリウム、マグネシウムイオン及びその他ミネラル類のイオン等の電解質を混入させると、この静電気的な反発力が十分に強く働き、気泡は縮小する力と反発力のバランスを取って安定化する。この安定化したときの気泡径（ナノバブルの気泡径）は電解質イオンの濃度や種類により異なるが、図１に示すように、５０〜５００ｎｍの大きさである。
ナノバブルの特徴は、気体を内部に加圧された状態で維持しているのみでなく、濃縮した表面電荷により極めて強い電場を形成していることである。この強い電場は、気泡内部の気体や周囲の水溶液に強力な影響を与える力を持っており、生理的な活性効果や殺菌効果、化学的な反応性等を有するようになる。
ナノバブルが安定して存在しているメカニズムを図４に示す。ナノバブルの場合、気液界面に極めて高濃度の電荷が濃縮しているため、球の反対側同士の電荷間に働く静電気的な反発力により球（気泡）が収縮することを妨げている。また、濃縮した高電場の作用により鉄等の電解質イオンを主体とした無機質の殻を気泡周囲に形成し、これが内部の気体の散逸を防止している。この殻は界面活性剤や有機物の殻とは異なるため、細菌等の他の物質とナノバブルが接触した時に生じる気泡周囲の電荷の逸脱により、殻自体が簡単に崩壊する。殻が崩壊したときには、内部に含まれる気体は簡単に水溶液中に放出される。
図５は放電装置を用いてナノバブルを製造する装置の側面図である。
微小気泡発生装置３は取水口３１によって容器１内の水溶液を取り込み、微小気泡発生装置３内に微小気泡を製造するための気体を注入する注入口（図示せず）から気体が注入され、取水口３１によって取り込んだ水溶液と混合させて、微小気泡含有水溶液排出口３２から微小気泡発生装置３で製造した微小気泡を容器１内へ送る。これにより容器１内に微小気泡が存在するようになる。容器１内には、陽極２１と陰極２２があり、陽極２１と陰極２２は放電発生装置２に接続されている。
まず、水溶液の入った容器１内に微小気泡発生装置３を用いて微小気泡を発生させる。
次に鉄、マンガン、カルシウム、ナトリウム、マグネシウムイオン及びその他ミネラル類の電解質を加えて水溶液の電気伝導度が３００μＳ／ｃｍ以上になるように電解質を加える。
放電発生装置２を用いて、容器１内の微小気泡が含まれる水溶液に水中放電を行う。より効率的にナノバブルを製造させるため、容器１内の微小気泡の濃度が飽和濃度の５０％以上に達している場合が好ましい。また、水中放電の電圧は２０００〜３０００Ｖが好ましい。
水中放電に伴う衝撃波の刺激（物理的刺激）により、水中の微小気泡は急速に縮小され、ナノレベルの気泡となる。この時に気泡周囲に存在しているイオン類は、縮小速度が急速なため、周囲の水中に逸脱する時間が無く、気泡の縮小に伴って急速に濃縮する。濃縮されたイオン類は気泡周囲に極めて強い高電場を形成する。この高電場の存在のもとで気液界面に存在する水素イオンや水酸化物イオンは気泡周囲に存在する反対符号を持つ電解質イオンと結合関係を持ち、気泡周囲に無機質の殻を形成する。この殻は気泡内の気体の水溶液中への自然溶解を阻止するため、ナノバブルは溶解することなく安定的に水溶液中に浮遊できる。なお、ナノバブルは５０〜５００ｎｍ程度の極めて微小な気泡であるため、水中における浮力をほとんど受けることが無く、通常の気泡で認められる水表面での破裂は皆無に近い。
超音波を微小気泡に照射することにより、ナノバブルを製造する方法を説明する。なお、放電によるナノバブルの製造方法と重複する個所については説明を省略する。
図６は超音波発生装置を用いてナノバブルを製造する装置の側面図である。
放電によるナノバブルの製造方法と同様に、微小気泡発生装置３、取水口３１および微小気泡含有水溶液排出口３２で微小気泡を製造し、微小気泡を容器１内へ送る。容器１内には超音波発生装置４が設置されている。超音波発生装置４の設置場所は特に限定されていないが、効率よくナノバブルを製造するには取水口３１と微小気泡含有水溶液排出口３２の間に超音波発生装置４を設置することが好ましい。
まず、電解質イオンを含んだ水の入った容器１内に微小気泡発生装置３を用いて微小気泡を発生させる。
次に、超音波発生装置４を用いて、超音波を容器１内の微小気泡が含まれる水溶液に照射する。より効率的にナノバブルを製造させるため、容器１内の微小気泡の濃度が飽和濃度の５０％以上に達している場合が好ましい。超音波の発信周波数は２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚが好ましく、超音波の照射は３０秒間隔で発振と停止を繰り返すことが好ましいが、連続に照射してもよい。
次に、渦流を起こすことにより、ナノバブルを製造する方法について説明する。なお、放電によるナノバブルを製造する方法及び超音波照射によるナノバブルを製造する方法と重複する個所については説明を省略する。
図７はナノバブルを製造するために圧縮、膨張および渦流を用いた場合の装置の側面図である。放電によるナノバブルの製造方法および超音波照射によるナノバブルの製造方法と同様に、微小気泡発生装置３、取水口３１および微小気泡含有水溶液排出口３２で微小気泡を製造し、微小気泡を容器１内へ送る。容器１には容器１内の微小気泡が含まれる水溶液を部分循環させるための循環ポンプ５が接続されており、循環ポンプ５が設置されている配管（循環配管）内には多数の孔を持つオリフィス（多孔板）６が接続され、容器１と連結している。容器１内の微小気泡が含まれる水溶液は循環ポンプ５により循環配管内を流動させられ、オリフィス（多孔板）６を通過することで圧縮、膨張および渦流を生じさせる。
まず、電解質イオンを含んだ水の入った容器１内に微小気泡発生装置３を用いて微小気泡を発生させる。
次に、この微小気泡が含まれる水溶液を部分循環させるため、循環ポンプ５を作動させる。この循環ポンプ５により微小気泡が含まれる水溶液が押し出され、オリフィス（多孔板）６を通過前及び通過後の配管内で圧縮、膨張及び渦流が発生する。通過時の微小気泡の圧縮や膨張により、および配管内で発生した渦流により電荷を持った微小気泡が渦電流を発生させることにより微小気泡は急激に縮小されナノバブルとして安定化する。なお、循環ポンプ５とオリフィス（多孔板）６の流路における順序は逆でもよい。
オリフィス（多孔板）６は図６では単一であるが、複数設置してもよく、循環ポンプ５は必要に応じて省略してもよい。その場合、微小気泡発生装置２の水溶液に対する駆動力や高低差による水溶液の流動などを利用することも可能である。
また、図８に示すように、容器１内に渦流を発生させるための回転体７を取り付けることによってもナノバブルを製造することができる。回転体７を５００〜１００００ｒｐｍで回転させることにより、効率よく渦流を容器１内で発生させることができる。
以上、本発明に係るナノバブルの製造方法について、水溶液の場合について説明したが、アルコール等の溶液を用いてもよい。
また、微小気泡を製造するための気体を酸素、オゾン等にすることにより、より効果的に生物に対しての生理的な活性効果、細菌やウイルス等の微生物の殺傷効果や増殖抑制効果等を向上させることができる。
図７に示されているように容器１内に電解質イオンを含む水を１０Ｌ入れ、微小気泡発生装置３により微小気泡を製造し、容器１内の水を微小気泡が含まれる水溶液とした。容器１内の微小気泡の濃度が飽和値の５０％以上になるように、微小気泡を連続的に発生させた。
次に容器１内の微小気泡が含まれる水溶液を部分循環させ、微小気泡が含まれる水溶液の一部を循環ポンプ３がある循環配管内へと導入させた。微小気泡が含まれる水溶液は循環ポンプ５に導入され、０．３ＭＰａの圧力でオリフィス（多孔板）６へと送り、渦流を発生させ微小気泡をナノバブル化させた。
作動を１時間実行し、十分な量のナノバブルを発生させた後、全体の装置を停止した。停止後１週間経過した時点で容器１内に浮遊しているナノバブルを動的光散乱光度計により測定したところ、中心粒径が約１４０ｎｍ（標準偏差約３０ｎｍ）のナノバブルを安定的に存在させていることを確認した。
１ 容器
２ 放電発生装置
２１ 陽極
２２ 陰極
３ 微小気泡発生装置
３１ 取水口
３２ 微小気泡含有水溶液排出口
４ 超音波発生装置
５ 循環ポンプ
６ オリフィス（多孔板）
７ 回転体
２ 放電発生装置
２１ 陽極
２２ 陰極
３ 微小気泡発生装置
３１ 取水口
３２ 微小気泡含有水溶液排出口
４ 超音波発生装置
５ 循環ポンプ
６ オリフィス（多孔板）
７ 回転体
Claims (3)
- 鉄、マンガン、カルシウム、ナトリウム、マグネシウムイオン及びその他ミネラル類の電解質イオンが混入した電気伝導度が３００μＳ／ｃｍ以上の水溶液中において、直径が１０〜５０μｍの微小気泡に対して、電圧が２０００〜３０００Ｖの水中放電に伴う衝撃波又は発信周波数が２０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの超音波を物理的刺激として加えることにより、前記微小気泡が急激に縮小され、気泡直径が５００ｎｍより小さくなったときの単位面積当たりの電荷量が気泡径の二乗に逆比例して増加することで、気液界面に吸着した水素イオンや水酸化物イオンによる静電気的な反発力により、並びに水素イオンや水酸化物イオン及び電解質イオンが、気液界面の縮小に伴って微小な体積の中に高濃度に濃縮して、前記微小気泡周囲を取り囲む殻として働くことにより、直径が５０〜５００ｎｍの大きさのナノバブルを製造する方法であって、前記ナノバブルは、前記ナノバブルを含む水溶液として製造後容器内で保存し、前記ナノバブルの製造から１週間後における動的光散乱光度計での測定において、前記ナノバブルは直径が５０〜５００ｎｍの大きさのナノバブルとして安定化していることを特徴とするナノバブルの製造方法。
- 鉄、マンガン、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム及びその他ミネラル類の電解質イオンが混入した電気伝導度が３００μＳ／ｃｍ以上の水溶液中において、直径が１０〜５０μｍの微小気泡に対して、前記水溶液が入った容器内に取り付けた回転体を５００〜１００００ｒｐｍで回転させることにより前記水溶液を流動させ、前記流動時に生じる圧縮、膨張及び渦流を物理的刺激として加えることにより、前記微小気泡が急激に縮小され、気泡直径が５００ｎｍより小さくなったときの単位面積当たりの電荷量が気泡径の二乗に逆比例して増加することで、気液界面に吸着した水素イオンや水酸化物イオンによる静電気的な反発力により、並びに水素イオンや水酸化物イオン及び電解質イオンが、気液界面の縮小に伴って微小な体積の中に高濃度に濃縮して、前記微小気泡周囲を取り囲む殻として働くことにより、直径が５０〜５００ｎｍの大きさのナノバブルを製造する方法であって、前記ナノバブルは、前記ナノバブルを含む水溶液として製造後容器内で保存し、前記ナノバブルの製造から１週間後における動的光散乱光度計での測定において、前記ナノバブルは直径が５０〜５００ｎｍの大きさのナノバブルとして安定化していることを特徴とするナノバブルの製造方法。
- 鉄、マンガン、カルシウム、ナトリウム、マグネシウム及びその他ミネラル類の電解質イオンが混入した電気伝導度が３００μＳ／ｃｍ以上の水溶液中において、直径が１０〜５０μｍの微小気泡に対して、前記水溶液が入った容器内に取り付けたポンプ作動などにより水溶液を流動させ、前記水溶液内に存在する単一若しくは多数の孔を持つオリフィス又は多孔板を通過させることで圧縮、膨張及び渦流を物理的刺激として加えることにより、前記微小気泡が急激に縮小され、気泡直径が５００ｎｍより小さくなったときの単位面積当たりの電荷量が気泡径の二乗に逆比例して増加することで、気液界面に吸着した水素イオンや水酸化物イオンによる静電気的な反発力により、並びに水素イオンや水酸化物イオン及び電解質イオンが、気液界面の縮小に伴って微小な体積の中に高濃度に濃縮して、前記微小気泡周囲を取り囲む殻として働くことにより、直径が５０〜５００ｎｍの大きさのナノバブルを製造する方法であって、前記ナノバブルは、前記ナノバブルを含む水溶液として製造後容器内で保存し、前記ナノバブルの製造から１週間後における動的光散乱光度計での測定において、前記ナノバブルは直径が５０〜５００ｎｍの大きさのナノバブルとして安定化していることを特徴とするナノバブルの製造方法。
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