JP4476348B1 - エマルション燃料 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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
→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。
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、NOX、SOXなどの発生も抑制できる。
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。
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。
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 (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。
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