JP5232939B1 - 水素プラズマ発生方法および発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 常温、常圧の液体において水素プラズマを発生させる方法を提供する。
【解決手段】 本発明の水素プラズマ発生方法は、イオン結合性水素化水素またはオルト型の水素分子が溶けた溶液を用意する工程と、前記溶液に超音波またはマイクロ波を照射する工程とを含む。好ましくは、太陽のエネルギーとしての超音波またはマイクロ波を照射することで、マイクロバルブを攪拌し、マイクロバルブが弾けたときに水素プラズマを発生させる。本発明の水素プラズマの発生方法は、油のエマルジョン化の工程に適用することで、エマルジョン化された油をより微細化することができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、液中で水素プラズマを発生させる方法および発生装置に関する。

気相プラズマの発生は、半導体層の成膜技術に応用されているが、液中におけるプラズマの発生についての研究は未だ十分に行われていない。液体中でアーク放電を行うことでプラズマを発生させることも検討されているが、電力の大部分が電子の流れに消費されてしまうためにエネルギー効率が低いことが指摘されている。また、液中に電磁波を照射することでプラズマを発生させた場合には、水やアルコール等の導電性の液中において渦電流が発生し、電磁波のエネルギーが消耗されたり、水酸基などが特定の周波数を吸収するために電磁波が減衰することが指摘されている（特許文献１）。そこで、特許文献１の液中プラズマ発生装置は、液体を保持するための容器と、液体中に電磁波を照射するための電磁波照射手段と、液体中で気泡を発生させるための気泡発生手段と、気泡を電磁波照射手段の近くに保持するための気泡保持手段を有し、気泡保持手段が気泡を挟んで上下に配置された超音波照射手段と超音波反射板の対であり、気泡に電磁波を照射して気泡中にプラズマを発生させるものである。また、特許文献２は、液体中の気泡に電磁波を照射してプラズマを発生させる装置において、液体中に気体の還元剤を供給するマイクロバブル発生器を備えるものである。

特許第４４４６０３０号公報 特許第４５６０６０６号公報

本発明は、常温、常圧の液体中において水素プラズマを発生させる方法および装置を提供することを目的とする。
さらに本発明は、水素プラズマにより油をエマルジョン化する方法および装置を提供することを目的とする。

本発明に係る水素プラズマ発生方法は、オルト型水素分子が溶けた溶液を用意する工程と、前記溶液に超音波またはマイクロ波を照射する工程とを含む。

本発明に係る水素プラズマ発生方法は、イオン結合性水素化水素が溶けた溶液を用意する工程と、前記溶液に超音波またはマイクロ波を照射する工程とを含む。

好ましくは前記溶液内には、水素分子がＨ_２ ^０⇔Ｈ^＋＋Ｈ⁻に電離することによりマイクロバブルが形成され、前記超音波またはマイクロ波を照射することで前記マイクロバルブを破裂させ、水素プラズマを発生させる。好ましくは前記超音波またはマイクロ波の照射は、太陽のエネルギーとしての超音波またはマイクロ波である、請求項１ないし３いずれか１つに記載の水素プラズマ発生方法。

本発明の油をエマルジョン化する方法は、上記の水素プラズマ発生方法により発生された水素プラズマにより油をエマルジョン化するものである。好ましくはエマルジョン化する方法は、前記溶液に油を注入する工程を含む。

本発明に係る水素プラズマ発生装置は、オルト型水素分子が溶けた溶液を保持する保持手段と、前記保持された溶液に超音波またはマイクロ波を照射する照射手段とを含む。

本発明に係る水素プラズマ発生装置は、イオン結合性水素化水素が溶けた溶液を保持する保持手段と、前記保持された溶液に超音波またはマイクロ波を照射する照射手段とを含む。
好ましくは前記溶液内には、水素分子がＨ_２ ^０⇔Ｈ^＋＋Ｈ⁻に電離することによりマイクロバブルが形成され、前記超音波またはマイクロ波を照射することで前記マイクロバルブを破裂させ、水素プラズマを発生させる、請求項７または８に記載の水素プラズマ発生装置。好ましくは前記照射手段は、太陽のエネルギーとしての超音波またはマイクロ波を照射する。

本発明に係るエマルジョン化装置は、上記の水素プラズマ発生装置と、前記保持手段に保持された溶液に油を注入する注入手段とを有する。

本発明によれば、オルト型の水素分子またはイオン結合性水素化水素が溶存された溶液に超音波またはマイクロ波を照射することで、常温、常圧の液体中において水素プラズマを発生させることができる。さらに、このような水素プラズマの発生を利用してエマルジョンオイルの粒子をより微細にすることができる。

水素分子の分類を示すテーブルである。 図２（Ａ）は、オルト型水素分子の構造を示す図、図２（Ｂ）はパラ型水素分子の構造を示す図である。 水に溶ける水素分子と水に溶けない水素分子の模式図である。 水にパラ型の水素分子の水素ガスを添加したときの酸化還元電位（ＯＲＰ）とｐＨとの時間経過の関係を示すグラフである。 図４Ａの水の溶存水素とｐＨとの時間経過の関係を示しグラフである。 水にオルト型の水素分子の水素ガスを添加したときの酸化還元電位（ＯＲＰ）とｐＨとの時間経過の関係を示すグラフである。 図５Ａの水の溶存水素とｐＨとの時間経過の関係を示している。 図５Ａの水に酸素ガスを添加したときの溶存水素とｐＨとの時間経過の関係を示すグラフである。 図５Ａの水に酸化物を添加したときの溶存水素とｐＨとの時間経過の関係を示すグラフである。 本発明の実施例による水素プラズマ発生方法の工程を説明するフローである。 電離水素水によりエマルジョン化されたエマルジョンオイルの状態を示す写真である。 図８のエマルジョンオイルに太陽エネルギーを照射したときのエマルジョンオイルの状態を示す写真である。 図１０（Ａ）は、本発明の実施例による水素プラズマ発生装置の構成例を示す図、図１０（Ｂ）は、本発明の実施例によるエマルジョン化装置の構成例を示す図である。

図１は、水素分子を温度との関係において分類するものである。同図に示すように、水素分子の結合様式は、高温（２５０℃以上）では、イオン結合性であり、低温（−２７３℃以下）では、共有結合性であり、常温（２３±１．５℃）では、イオン結合性と共有結合性との比は、７５％：２５％となる。

水素結合がイオン結合性の場合には、水素分子タイプは、１００％のオルト型となり、他方、共有結合性の場合には、１００％のパラ型となる。そして、常温では、オルト型とパラ型との比は、３：１となる。

水素結合がイオン結合性の場合には、水素は、水に対して溶ける溶性であり、他方、共有結合性の場合には、水素は、水に対して溶けない不溶性である。そして、常温では、溶性と不溶性の比は、３：１となる。これらの水素分子と温度との関係は、J.D.Lee 浜口博・菅野等訳「リー無機化学」東京化学同人 １９８２年）を参考にしたものである。

図２（Ａ）は、水に溶けるオルト型水素分子の構造を示し、図２（Ｂ）は、水に溶けないパラ型水素分子の構造を示す。オルト型水素分子は、図２（Ａ）に示すように、２つの水素原子核１０の核スピン軸１８は同方向であり、一方の水素原子核１０の周りを２つの電子１２が自由に移動する。その結果、図のような分子極性１４が生じる。他方、パラ型水素分子は、図２（Ｂ）に示すように、核スピン軸１８の向きは逆方向であり、２つの電子１２は、２つの水素原子核１０によって共有される。このため、分子極性は生じない。

図３は、水に溶けないパラ型のＨ_２と、水に溶けるオルト型のＨ_２の模式図を表している。上記したように、−２７３℃の低温では、１００％が水に溶けないパラ型の水素分子、つまり、共有結合性水素化水素の状態にあり、この共有結合性水素化水素を水に入れても、Ｈ_２＝Ｈ・Ｈであり、電離しない。

一方、２５０℃以上の高温、無酸素還元状態では、１００％が水に溶けるオルト型の水素分子、つまりイオン結合性水素化水素の状態になる。パラ型の水素分子に太陽エネルギーｈｖを照射すると、水素分子は、パラ型からオルト型に変換され、太陽エネルギーｈｖの照射が止めれば、水素分子は、オルト型からパラ型に変換される。このことは、Michael Frunzi et al.: “A Photochemical On-Off Switch for Tuning the Equilibrium Mixture of H2 Nuclear Spin Isomers as a Function of Temperature”, Journal of the American Chemical Society (JACS),No.133,pp.14232-14235,2011によって実験されている。また、図２（Ａ）、図３に示すように、ＭＨまたはＭＨ_２（Ｍは金属の意味であり、ＭＨまたはＭＨ_２は水素化金属）の添加は、後述するように水素プラズマ形成可能な場を誘導する。

次に、パラ型およびオルト型の水素分子の実験結果について説明する。なお、実験には、ＯＲＰ／ｐＨメーターには、東亜ＤＫＫ ＭＭ−６０Ｒを使用、溶存水素計には、東亜ＤＫＫ ＤＨ−３５Ａを使用。

実験用の水として、水に、パラ型の水素分子の水素ガスを添加したものを用いる。図４Ａは、パラ型の水素分子の水素ガスを水に添加したときの酸化還元電位（ＯＲＰ）とｐＨとの時間経過の関係を示し、図４Ｂは、図４Ａの水溶液における溶存水素とｐＨと時間経過の関係を示している。水素ガスを添加した時点でＯＲＰは一時的に小さくなるが、ＯＲＰはすぐに元の電位に戻っている。また、ｐＨの変化はほとんどない。水素ガスを添加したときに一時的に水素ガスが発生するが、その後は、水素ガスはほとんど発生しない。共有結合性水素分子は、水に入れても水素が電離することはなく、水素が水に溶けないことがわかる。

図５Ａは、水にオルト型の水素分子の水素ガスを添加したときの酸化還元電位（ＯＲＰ）とｐＨとの時間経過の関係を示し、図５Ｂは、図５Ａの水の溶存水素とｐＨとの時間経過の関係を示している。水素ガスを添加した時点でＯＲＰが小さくなり、その後、ＯＲＰは徐々に大きくなる。また、ｐＨは、水素ガスを添加したときｐＨ９程度になり、その後、徐々にｐＨ８程度に収束する。また、図５Ｂに示すように、８４時間を経過後、水素が徐々に発生し、その後２５０時間を経過しても水素は発生し続けた。すなわち、オルト型の水素分子は、水に入れると、水素が電離し、水に溶けることがわかる。

図６Ａは、図５Ａのようにオルト型の水素分子を水に添加し、かつその後に酸素ガスを添加したときのＯＲＰと溶存水素の時間経過を示している。酸素ガスを添加すると、その後、水に溶け込んだ水素が強制的に発生されることがわかる。水素の発生は、その後４０時間以上も継続された。

図６Ｂは、図５Ａのようにオルト型の水素分子を水に添加し、かつその後に酸化物（酸を含む物質）を添加すると、水に溶けていた水素が急激に大量に発生し、ピーク時には、８０ｐｐｂに達した。水素の発生は、その後、９０時間以上も継続された。

このように、イオン結合性の水素分子（オルト型）を水に入れると電離し、Ｈ_２⇔Ｈ^＋＋Ｈ⁻として安定し、電離水素水（プラズマウォーター）を形成する。一方、共有結合性の水素分子（パラ型）は、水に入れても水素が電離することはない。Ｈ_２＝Ｈ・Ｈであり、非電離水素水である。電離水素水は、常温、常圧で保存可能である。そして、この水の抗酸化能力は１年半以上維持していることが確認されている。

次に、本発明の実施例による水素プラズマの発生方法について説明する。先ず、オルト型の水素分子が溶けた溶液（例えば、水）として、電離水素水を用意する（Ｓ１０１）。電離水素水は、オルト型の水素分子またはイオン結合性の水素分子を含むものであり、液中において水素分子がＨ_２ ^０⇔Ｈ^＋＋Ｈ⁻に電離している。このような電離水素水は、例えば、ＣａＨ_２、ＭｇＨ_２などの水素化金属を水に添加することにより得ることができる。添加する水素化金属は、上記外にも、元素周期律表上に示されているアルカリ金属、アルカリ土金属、第１３族または第１４族の金属によるものであってもよい。

次に、電離水素水に太陽のエネルギーとしての超音波またはマイクロ波を照射する（Ｓ１０２）。太陽光を照射すること以外にも、人工的に生成された選択された波長の超音波またはマイクロ波を電離水素水に照射するようにしてもよい。電離水素水では、水素分子がＨ_２ ^０⇔Ｈ^＋＋Ｈ⁻に電離することでマイクロバブルが形成される。電離水素水に超音波またはマイクロ波が照射されると、マイクロバブルは攪拌され（Ｓ１０３）、マイクロキャビテーションが起き（Ｓ１０４）、さらに細かなマイクロバブルが形成され（Ｓ１０５）、水素プラズマ形成可能な場（水素プラズマ分解と合成可能場）が誘導される（Ｓ１０６）。細かくなったマイクロバブルは再び結合して大きなマイクロバブルに成長し、一定大きさになると耐えられなくなると、マイクロバブルが破裂し、水素プラズマが発生する（Ｓ１０７）。これらのマイクロバブルの成長、破裂は、連鎖的に水中で生じる。このように電離水素水の液中で水素プラズマが形成可能な場が誘導され、霧化粒子化したマイクロバブルが弾けるとき、水素プラズマが発生される。

次に、本発明の水素プラズマ発生方法をエマルジョンオイルの製造方法に適用した例について説明する。液体中に水素プラズマを発生させることで、安定的に高品位のエマルジョンオイルを精製することができる。図８に示す写真は、ＣａＯとＭｇＯの重量比１:１で混合されたものを無酸素還元状態の雰囲気中で還元焼成して生成した０．２５％のＣａＨ_２とＭｇＨ_２を、超純水に浸して出来た電離水素水の中に生じた大小様々な粒径をもつエマルジョンオイルを示している。ある粒子の径は、２０μｍであり、ある粒子の径は５０μｍである。なお、ここに示されるオイルエマルジョンは、界面活性剤または乳化剤等を添加することなく、電離水素水によってエマルジョン化されたものであることに留意すべきである。

図８に示すエマルジョンオイルに、太陽エネルギーとしての超音波またはマイクロ波を照射する。電離水素水は、上記したように水素プラズマ形成可能な場を誘導し、太陽エネルギーによって振動されたマイクロバブルが弾けたとき水素プラズマを発生させる。図９は、図８のエマルジョンオイルに太陽光を照射した後のエマルジョンオイルを示している。この写真からも明らかなように、水素プラズマの発生により粒子がより細かくなっていることがわかる。図の例では。１つの粒子の径は、約５μｍ程度である。

エマルジョンオイルは、太陽光を照射することで粒子径が細かくなるが、太陽エネルギーの照射を停止すると、エマルジョンオイルの粒子径は、元の状態に戻り、つまり図８に示すような比較的大きな粒径になる。従って、エマルジョンオイルへの太陽光の照射、あるいは人工的に生成されたマイクロ波や超音波の照射を制御することで、エマルジョンオイルの粒径を変化させることができる。

図１０（Ａ）は、本発明の実施例による水素プラズマ発生装置の構成例を示すブロック図である。本実施例の水素プラズマ発生装置は、少なくともオルト型の水素分子が溶けた電離水素水を保持する保持容器１００と、保持容器１００の電離水素水に超音波またはマイクロ波を照射する照射手段１１０と、照射手段１１０の照射を制御するコントローラ１２０とを含んで構成される。仮に、照射手段１１０が太陽エネルギーを利用した照射を行うのであれば、照射手段１１０は、太陽光を透過したりまたは遮光するシャッターを含むように構成される。コントローラ１３０は、シャッターの開閉や、シャッターの開閉時間を制御する。

図１０（Ｂ）は、本発明の実施例によるエマルジョン化装置の構成例を示すブロック図である。本実施例のエマルジョン化装置は、図１０（Ａ）の構成に加えて、油を注入する注入手段１３０を備える。油が常温で固形化している場合には、加熱することで液状化し、これを保持容器１００内の電離水素水と混ぜ合わせる。コントローラ１２０は、注入する油のタイミングおよび量などをバルブを介して制御する。

本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０：水素原子核
１２：電子
１４：分子極性
１６：電子スピン軸
１８：核スピン軸

Claims (6)

1. オルト型水素分子が溶けた溶液を用意する工程と、
   前記溶液に超音波またはマイクロ波を照射する工程とを含む、水素プラズマ発生方法。
2. イオン結合性水素化水素が溶けた溶液を用意する工程と、
   前記溶液に超音波またはマイクロ波を照射する工程とを含む、水素プラズマ発生方法。
3. 水素プラズマは、常温、常圧の液中で発生される、請求項１または２に記載の水素プラズマ発生方法。
4. オルト型水素分子が溶けた溶液を保持する保持手段と、
   前記保持された溶液に超音波またはマイクロ波を照射する照射手段とを含む、水素プラズマ発生装置。
5. イオン結合性水素化水素が溶けた溶液を保持する保持手段と、
   前記保持された溶液に超音波またはマイクロ波を照射する照射手段とを含む、水素プラズマ発生装置。
6. 水素プラズマ発生装置はさらに、前記照射手段の照射を制御するコントローラを含む、請求項４または５に記載の水素プラズマ発生装置。