JPWO2020004653A1 - ファインバブル発生装置及びファインバブル発生方法 - Google Patents

ファインバブル発生装置及びファインバブル発生方法 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2020004653A1
JPWO2020004653A1 JP2019563644A JP2019563644A JPWO2020004653A1 JP WO2020004653 A1 JPWO2020004653 A1 JP WO2020004653A1 JP 2019563644 A JP2019563644 A JP 2019563644A JP 2019563644 A JP2019563644 A JP 2019563644A JP WO2020004653 A1 JPWO2020004653 A1 JP WO2020004653A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
liquid
fine bubble
fine
tank
bubble generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2019563644A
Other languages
English (en)
Other versions
JP7464390B2 (ja
Inventor
一輝 堀内
一輝 堀内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Publication of JPWO2020004653A1 publication Critical patent/JPWO2020004653A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7464390B2 publication Critical patent/JP7464390B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/232—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles
    • B01F23/2323—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles by circulating the flow in guiding constructions or conduits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/234—Surface aerating
    • B01F23/2341—Surface aerating by cascading, spraying or projecting a liquid into a gaseous atmosphere
    • B01F23/23412—Surface aerating by cascading, spraying or projecting a liquid into a gaseous atmosphere using liquid falling from orifices in a gaseous atmosphere, the orifices being exits from perforations, tubes or chimneys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/234—Surface aerating
    • B01F23/2341—Surface aerating by cascading, spraying or projecting a liquid into a gaseous atmosphere
    • B01F23/23413—Surface aerating by cascading, spraying or projecting a liquid into a gaseous atmosphere using nozzles for projecting the liquid into the gas atmosphere
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
    • B01F23/2373—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
    • B01F23/2376—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media characterised by the gas being introduced
    • B01F23/23765—Nitrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/20—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams
    • B01F25/28—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams characterised by the specific design of the jet injector
    • B01F25/281—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams characterised by the specific design of the jet injector the jet injector being of the explosive rapid expansion of supercritical solutions [RESS] or fluid injection of molecular spray [FIMS] type, i.e. the liquid is jetted in an environment (gas or liquid) by nozzles, in conditions of significant pressure drop, with the possible generation of shock waves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/45—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads
    • B01F25/452—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces
    • B01F25/4522—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces the components being pressed through porous bodies, e.g. flat plates, blocks or cylinders, which obstruct the whole diameter of the tube
    • B01F25/45221—Mixers in which the materials to be mixed are pressed together through orifices or interstitial spaces, e.g. between beads characterised by elements provided with orifices or interstitial spaces the components being pressed through porous bodies, e.g. flat plates, blocks or cylinders, which obstruct the whole diameter of the tube the porous bodies being cylinders or cones which obstruct the whole diameter of the tube, the flow changing from axial in radial and again in axial
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0413—Numerical information
    • B01F2215/0418—Geometrical information
    • B01F2215/0422—Numerical values of angles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0413—Numerical information
    • B01F2215/0418—Geometrical information
    • B01F2215/0431—Numerical size values, e.g. diameter of a hole or conduit, area, volume, length, width, or ratios thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0413—Numerical information
    • B01F2215/0436—Operational information
    • B01F2215/045—Numerical flow-rate values
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F2215/00—Auxiliary or complementary information in relation with mixing
    • B01F2215/04—Technical information in relation with mixing
    • B01F2215/0413—Numerical information
    • B01F2215/0436—Operational information
    • B01F2215/0481—Numerical speed values

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)

Abstract

本開示の一つの局面におけるファインバブル発生装置は、多数の細孔を有する多孔質のエレメントに、液体を通過させて、液体中にファインバブルを発生させる装置である。このファインバブル発生装置では、エレメントの一方の側と他方の側との間に差圧を付与し、この付与された差圧によって、エレメントの一方の側に配置した液体を、他方の側に通過させるとともに噴射させて、ファインバブルを発生させる。そして、このファインバブル発生装置では、液体がエレメントを通過する際の流速は、０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上である。これによって、ファインバブルを効率良く発生させることができる。

Description

関連出願の相互参照
本国際出願は、２０１８年６月２８日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１８−１２３２４１号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１８−１２３２４１号の全内容を参照により本国際出願に援用する。
本開示は、液体中にファインバブルを発生させるファインバブル発生装置及びファインバブル発生方法に関する。
近年、ファインバブルと呼ばれる微小気泡を含む液体の有用性が注目されている。つまり、水などの液体に、各種の気体によって構成された微小気泡を含ませた液体（即ちファインバブル液）に関する技術が注目されている。
例えば、この微小気泡を含む液体を用いた技術は、部品等の洗浄、水の除菌や脱臭、オゾンガスによる殺菌、健康や医療分野、湖沼や養殖場の水質浄化、工場や畜産等の各種の排水処理、農水産業における成長促進、水素水などの機能性水製造などへの利用が検討されている。
このような微小気泡を発生させる装置として、例えば、加圧溶解方式、微細孔方式、スタティックミキサー方式、旋回流方式等の各種の装置が知られている。このうち、近年では、構造がシンプル等の利点があることから、多孔質材料を用いて微小気泡を発生させる微細孔方式の装置が提案されている（特許文献１、２参照）。
例えば特許文献１には、多孔質パイプの内側（即ち貫通孔）に液体を流すとともに、多孔質パイプの外側に高圧に気体を供給して、多孔質パイプ中の液体に微小気泡を発生させる技術が開示されている。
また、特許文献２には、多孔質パイプを液体中に沈め、多孔質パイプ中に高圧に気体を供給することによって、多孔質パイプの外側の液体に微小気泡を発生させる技術が開示されている。
さらに、上記以外に、微小気泡に関する各種の技術が提案されている（特許文献３、４参照）。例えば特許文献３、４には、樹脂や金属からなる多孔質部を用いて、前段タンクの水に含まれる気泡を微細化する技術が開示されている。この技術は、前段タンクの水に含有されている大きい気泡をせん断し（即ち気泡を細かく切って小径化し）、微細気泡とする技術である。
特開２０１７−１７０２７８号公報 特開２０１７−４７３７４号公報 特開２００２−３０１３４５号公報 特開２０１７−２１７５８５号公報
しかしながら、上述した特許文献１、２に記載の技術では、多孔質パイプの内側に液体を配置し、多孔質パイプの外側から高圧の気体を供給することによって、或いは、多孔質パイプの外側に液体を配置し、多孔質パイプは内側から高圧の気体を供給することによって、液体中に微小気泡を発生させるが、効率よく微小気泡を発生させることができないという問題があった。
例えば、従来では、微小気泡を発生させるために、液体中に高い圧力で混入させる気体の量（ガス量）に対して、発生させることができる微小気泡が少ないという問題があった。
なお、特許文献３、４に記載の技術では、前段タンクにおいて気泡をせん断する必要があり、装置構成や作業工程が複雑になり好ましくない。
本開示の一つの局面においては、液体中に効率良く微小気泡を発生させることができるファインバブル発生装置及びファインバブル発生方法を提供することが望ましい。
（１）本開示の一つの局面におけるファインバブル発生装置は、多数の細孔を有する多孔質のエレメントに、液体を通過させて、液体中にファインバブルを発生させるファインバブル発生装置に関するものである。このファインバブル発生装置は、差圧付与部とバブル発生部とを備えている。
このファインバブル発生装置では、差圧付与部によって、エレメントの一方の側と他方の側との間に差圧を付与する。バブル発生部では、差圧付与部により付与された差圧によって、エレメントの一方の側に配置した液体を、他方の側に通過させるとともに噴射させて、ファインバブルを発生させる。そして、ファインバブルを発生させる際には、液体がエレメントを通過する際の流速は、０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上である。
なお、流速の上限値としては、１５００［ｍ／ｓ］を採用できる。
まず、このファインバブル発生装置で、０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上の流速を規定した理由を説明する。
近年、「純水（ブランク水）の段階から、ファインバブル発生処理によって、気泡濃度を１桁以上上げられた水をファインバブル水とする」ということを、標準化する動向がある（ＦＢＩＡ（ファインバブル産業会）にて検討中の内容）。
また、後述する実験に使用している純水（ブランク水）の気泡濃度（即ちファインバブルを発生させる前の純水の気泡濃度）は、後述する表８からも分かるように、Ｍａｘ（最大値）が２．９８Ｅ＋０６、Ａｖｅ（平均値）が１．２２Ｅ＋０６［個／ｍｌ］である。なお、例えばＥ+０６は１０６を示すように、周知のように１０の乗数を示す指数表記である。
そのため、このファインバブル発生装置では、気泡濃度を少なくとも１桁以上上げる数値として、６．８２Ｅ＋０７［個／ｍｌ］を基準と決め、その基準を超えるために必要な流速を規定している。この流速であれば、ファインバブルを効率よく発生させることができる。
このように、本第１局面では、例えば気体によって付与された差圧によって、液体が多孔質のエレメントを通過する際の流速が、０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上となっているので、後述する実験例から明らかなように、ファインバブルを効率良く発生させることができる。
つまり、従来のように、高い圧力で気体を液体に混入させなくとも、高い気泡濃度を有する液体（即ちファインバブル液）を、容易に製造することができる。例えば純水の場合でも、容易に気泡濃度を上げることができる。
また、このファインバブル発生装置では、エレメントの一方の側に配置した液体を、他方の側に通過させるとともに噴射させることにより、即ち少なくとも１パスにて、効率よくファインバブルを発生させることができる。
さらに、このファインバブル発生装置では、上述のように、多孔質のエレメントの細孔を液体が通過する際の流速は、前記所定以上である。これにより、効率良くファインバブルが発生するので、例えば従来の大型のポンプ等を備えた設備を使用しなくとも、即ち小型の装置でも、容易にファインバブルを発生させることができる。例えばガスボンベから供給される気体を用いて差圧を発生させる場合には、ポンプや電源等を省略することも可能である。
このように流速を規定することによって、効率良くファインバブルを発生させることができる理由としては、下記のような理由が推定される。
多孔質のエレメントの細孔内（従って極小領域内）を、早い流速の液体が通過することにより、細孔内で局所的にキャビテーションが発生し、キャビテーションの圧力変化や熱量変化等の急速なエネルギー変化により、多くの気泡核（即ちファインバブルの元とのなるもの）が生成し、その気泡核から多くのファインバブルが発生すると推定される。
（２）上述のファインバブル発生装置では、エレメントの平均細孔径は、１．５μｍ〜５００μｍであってもよい。
このような平均細孔径を有するエレメントを用いることにより、後述する実験例から明らかなように、効率よくファインバブルを発生させることができる。また、高い気泡濃度を実現できる。
（３）上述のファインバブル発生装置では、エレメントの表面気孔率は、２４％〜４７．７％であってもよい。
このような表面気孔率を有するエレメントを用いることにより、後述する実験例から明らかなように、効率よくファインバブルを発生させることができる。また、高い気泡濃度を実現できる。
（４）上述のファインバブル発生装置では、エレメントの表面における液体の接触角は、３８．８°〜１５１．３２°であってもよい。
このような液体の接触角のエレメントを用いることにより、後述する実験例から明らかなように、効率よくファインバブルを発生させることができる。また、高い気泡濃度を実現できる。
（５）上述のファインバブル発生装置では、エレメントは、セラミックからなっていてもよい。
このように、エレメントがセラミックからなる場合には、ファインバブルが発生する液体中に含まれる不純物（いわゆるコンタミネーション）が少ないので、好適である。例えば医療分野や食品分野等に適用する場合には、不純物が少ないことが好ましいので、このような分野には、セラミックからなるエレメントを用いることが好ましい。
また、エレメントがセラミックからなる場合には、エロージョン（浸食）による劣化が少ないという利点もある。
（６）上述のファインバブル発生装置では、エレメントと一体に構成された第１タンクと、エレメントから噴射された液体を受ける第２タンクと、を備えていてもよい。
このような装置を用いることにより、容易にファインバブルを含む液体を製造することができる。この装置では、第１タンクに液体を入れ、第１タンクからエレメントの一方の側に液体を供給する。そして、エレメントの他方の側から液体を噴射する際にファインバブルを発生させ、このファインバブルを含む液体を第２タンクに受けることができる。
（７）上述のファインバブル発生装置では、第１タンクに、差圧付与部として第１タンク内に差圧を付与するガスを供給するガス供給部と、第１タンク内に液体を供給する液体供給部と、を備えていてもよい。なお、ガス供給部は差圧付与部の一例である。
このファインバブル発生装置では、第１タンクにおいて、ガス供給部によって、第１タンク内に差圧を付与するガスを供給することができ、液体供給部によって、第１タンク内に液体を供給することができる。
（８）上述のファインバブル発生装置では、第２タンクに、噴射後の液体を外部に取り出す液体取出部を備えていてもよい。
このファインバブル発生装置では、第２タンクにおいて、液体取出部によって、噴射後の液体を外部に取り出すことができる。
（９）本開示の一つの局面におけるファインバブル発生方法は、多数の細孔を有する多孔質のエレメントに、液体を通過させて、液体中にファインバブルを発生させるファインバブル発生方法に関するものである。
このファインバブル発生方法では、エレメントの一方の側と他方の側との間に差圧を付与することにより、エレメントの一方の側に配置された液体を、他方の側に通過させるとともに噴射させて、ファインバブルを発生させる。そして、ファインバブルを発生させる際には、液体がエレメントを通過する際の流速を、０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上とする。
このファインバブル発生方法では、上述したファインバブル発生装置と同様な効果を奏する。
＜以下、本開示の構成について説明する＞
・多孔質のエレメントとは、多数の細孔（即ち液体が通過可能な連通孔）が形成された多孔質の部材を示している。このエレメントとしては、例えば内側から外側、或いは、外側から内側に液体が通過可能な筒状の部材、例えば先端が閉塞された筒状の部材や両端が開放された筒状の部材が挙げられる。また、一方の側から他方の側に液体の通過が可能な膜状（例えば板状）の部材などが挙げられる。
・エレメントの材料としては、セラミック（例えば、アルミナ、ムライト、ジルコニア、チタニア、シリカ、マグネシア、カルシアのうち、少なくとも１種以上）からなる材料や、各種の樹脂（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン）や、金属（例えば、アルミニウム、チタン、鉄、金、銀、銅、ステンレス）等が挙げられる。エレメントとしては、例えばアルミナ９７重量％の焼結体を採用できる。特に、エレメントの材料としては、上述したセラミックからなる材料が好ましい。
・液体としては、水（例えば、純水、水道水、脱イオン水）、アルコール、海水、水溶液、洗浄液、有機溶剤等を採用できる。なお、液体中には、通常、周囲の気体等の各種の気体が若干溶解している。
・ファインバブルは、国際標準化機構（ＩＳＯ）による定義である直径１００μｍ（１０−４ｍ）以下の気泡であり、直径が１μｍ以上１００μｍ未満のマイクロバブルや直径が１μｍ未満のウルトラファインバブルが含まれる。なお、ファインバブルに含まれる気体としては、水素、酸素、二酸化炭素、空気等の、各種の気体が挙げられる。
・流速を上述した範囲に設定する方法としては、ファインバブルを発生させる液体に付与する差圧を調節する方法が挙げられる。例えばエレメントを通過する前の液体に加える圧力を増加させることによって差圧を増加させることにより、流速を増加させることができる。
この差圧を付与する方法としては、例えばエレメントの一方の側（液体側）に加わる圧力を、例えば高圧の気体を供給することによって増加させる方法（つまり、気圧を増加させる方法）が挙げられる。例えばガスボンベから供給される気体を用いて差圧を付与することができる。また、エレメントの他方の側（ファインバブル発生側）に加わる圧力（気圧等）を、真空引き等によって減少させる方法等が挙げられる。
・流速［ｍ／ｓ］は、例えば、エレメントの一方の側（液体側）から他方の側（ファインバブル発生側）に流れる液体の流量（Ｑ［ｍ３／ｓ］）と、エレメントの他方の側の表面の開口部分（即ち気孔部分）の面積の合計（Ｓ［ｍ２］）とから、Ｑ／Ｓの演算により求めることができる。なお、流速の最大値としては、水中で超音波を発生させた際に伝わる最大速さである１５００ｍ／ｓが挙げられる。
・エレメントの表面気孔率とは、エレメントの他方の側（ファインバブル発生側）の全表面積に対する、エレメントの他方の側の表面の開口部分（気孔部分）の面積の合計の割合である。
第１実施形態のファインバブル発生装置を示す説明図である。 第１実施形態のファインバブル発生装置と従来の微細孔方式の装置について、ガス消費量と気泡濃度との関係を示すグラフである。 第２実施形態のファインバブル発生装置を示す説明図である。 第３実施形態のファインバブル発生装置を示す説明図である。 第４実施形態のファインバブル発生装置を示す説明図である。 実験例１に用いるエレメントと各部の名称を示す説明図である。 図７Ａは実験例４での各試料の液体の特性のｐＨを示すグラフ、図７Ｂは実験例４での各試料の液体の特性の電気導電率を示すグラフ、図７Ｃは実験例４での各試料の液体の特性のＡＴＰを示すグラフである。 図８Ａは実験例４での各試料の液体の特性のＴＯＣを示すグラフ、図８Ｂは実験例４での各試料の液体の特性のＩＣＰ−ＭＳを示すグラフである。 図９Ａは実験例５での各試料の液体の特性である凍結の前後の粒子濃度を示すグラフ、図９Ｂは実験例５での各試料の液体の特性である消泡前を１００とした場合の粒子濃度を示すグラフである。
１、７１、９１、１０１…ファインバブル発生装置
３、１０３…第１タンク
５、１０５…第２タンク
９…ガス供給部
１０…差圧付与部
１１…液体供給部
１３…液体取出部
３１…バブル発生部
３３、７５、９７、１０７…エレメント
以下、本開示が適用されたファインバブル発生装置及びファインバブル発生方法の実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．全体構成］
まず、第１実施形態のファインバブル発生装置の構成について説明する。
図１に示すように、第１実施形態のファインバブル発生装置１は、液体（例えば純水等の水）中にファインバブルを発生させる装置であり、第１タンク３及び第２タンク５を備えた箱状の装置本体７と、第１タンク３にガス（例えば窒素ガス）を供給するガス供給部９と、第１タンク３に液体を供給する液体供給部１１と、第２タンクから液体（即ちファインバブルが発生した液体：ファインバブル液）を取り出す液体取出部１３と、を備えている。以下、詳細に説明する。
＜第１タンク＞
第１タンク３は、液体を収容することができる容器であり、内部を加圧できるように構成されている。つまり、後述する、液体の供給や流出、気体の流入部分以外は、液体や気体が流出しないような気密構造となっている。
この第１タンク３には、その側壁１５に、ガス供給部９から供給されるガスを内部に取り入れるためのガス導入口１７が設けられ、その上部１９に、液体供給部１１から供給される液体を内部に取り入れるため液体導入口２１が設けられている。なお、ガス導入口１７は、第１タンク３に液体が入れられた場合に、その液面よりも上方の位置に配置されている。
また、第１タンク３には、その底部２３に、液体を第２タンク５側に供給するための液体供給口２５が設けられ、この液体供給口２５には、第１タンク３側と第２タンク５側とを連通するように、下方に向かって垂直に伸びるステンレス製の円筒形の連通パイプ２７が取り付けられている。なお、第１タンク３内の液体は、連通パイプ２７を通って、第２タンク５側に供給される。
さらに、第１タンク３内には、内部の圧力（気圧）を検出するために、第１圧力センサ２９が配置されている。
なお、気密構造の第１タンク３とガス供給部９によって、差圧を付与する構成（即ち差圧付与部１０）が構成される。
＜第２タンク＞
第２タンク５は、液体（即ちファインバブル液）を収容することができる容器であり、その内部には、ファインバブルを発生させるバブル発生部３１を備えている。
バブル発生部３１は、連通パイプ２７と、連通パイプ２７の下端側に接続された多孔質のエレメント３３と、から構成されている。従って、エレメント３３は、連通パイプ２７を介して、第１タンク３と一体に構成されている。
前記エレメント３３は、下端側（即ち先端側）が閉塞されたパイプ状（詳しくは円筒形状）の部材であり、その上端は、連通パイプ２７に外嵌し、接着剤と継手金具（図示せず）により接合されて、連通パイプ２７に隙間なく密着している。一方、エレメント３３の下端側は、エレメント３３の一部である底部３５により閉塞されている。
このエレメント３３は、セラミックである例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を主成分（例えばアルミナ９７重量％）とし、残りの３重量％が、シリカ（ＳｉＯ２）、カルシア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）等のセラミックからなる多孔質の焼結体であって、焼結体全体には多数の細孔（即ち液体の通過が可能な連通孔）が形成されている。つまり、このエレメント３３はセラミックからなる多孔質の焼結体である。なお、焼結体は、多数の細孔が同様な状態（例えば同様な平均細孔径）で存在する一層構造（即ち対称構造）である。
詳しくは、エレメント３３の平均細孔径は、１．５μｍ〜５００μｍの範囲であり、エレメント３３の表面気孔率は、２４％〜４７．７％の範囲である。また、エレメント３３の表面における液体（例えば水）の接触角は、３８．８°〜１５１．３２°の範囲である。
また、第２タンク５には、その側壁３７の下部に、液体を第２タンク５から外部に取り出すための液体取出口３９が設けられ、この液体取出口３９に液体取出部１３が接続されている。
さらに、第２タンク５内には、内部の圧力（気圧）を検出するために、第２圧力センサ４１が配置されている。
＜周囲の構成＞
ガス供給部９は、ガスが充填されたガスボンベ４３と、ガスボンベ４３とガス導入口１７とを接続する第１パイプ４５と、第１パイプ４５の流路を開閉する第１開閉弁４７と、ガスボンベ４３内の圧力を検出する第３圧力センサ４９と、を備えている。
液体供給部１１は、液体導入口２１に接続して液体を第１タンク３側に供給する第２パイプ５１と、第２パイプ５１の流路を開閉する第２開閉弁５３とを備えている。なお、図示しないが、第２パイプ５１の上流側には、例えば液体を蓄えるタンク等が配置されている。
液体取出部１３は、液体取出口３９に接続して液体を外部に取り出すための第３パイプ５５と、第３パイプ５５の流路を開閉する第３開閉弁５７とを備えている。
［１−２．ファインバブル発生装置の動作］
次に、ファインバブル発生装置１の動作について説明する。
まず、第１開閉弁４７及び第３開閉弁５７を閉じた状態で、第２開閉弁５３を開いて、第２パイプ５１から第１タンク３内に所定量（例えばＶＯ［ｍｌ］）の液体を供給する。その後、第２開閉弁５３を閉じる。このとき、第１タンク３内の液体は、連通パイプ２７を介して、エレメント３３の内部（即ち内側空間５９に流入する）。
次に、第１開閉弁４７を開いて、高圧の気体をガスボンベ４３から第１タンク３内に供給する。これにより、例えば第１タンク３内の圧力が大気よりも高い圧力（例えば、０．４ＭＰａ）となる。
このように、第１タンク３内の圧力が高くなると、その圧力によって第１タンク３内の液体が押圧されるとともに、エレメント３３内の液体も押圧される。
そして、このエレメント３３内の液体が押圧されることによって、エレメント３３内の液体は、エレメント３３の壁面６１の細孔を通過して、エレメント３外（即ち第２タンク内における外側空間６３）に高速で噴射される。
このとき、液体がエレメント３３を通過する際の流速は、０．００９７６９ｍ／ｓ以上であり、液体がこのような高速でエレメント３３を通過する際に多くのファインバブルが発生する。即ちファインバブルを含むファインバブル液が得られる。
［１−３．エレメントの製造方法］
ここで、エレメント３３の製造方法について説明する。なお、このエレメント３３については、定法により製造できるので、簡単に説明する。
例えば、エレメント３３の固体材料として、平均粒径５μｍのアルミナ粉末を９７重量％、ＳｉＯ２、ＭｇＯ粉末等の焼結助剤粉末を３重量％準備した。
そして、これらの固体粉末に、メチルセルロースと水と離型剤とを加えて坏土を作製し、この坏土を用いて、有底の円筒形状の成形体を作製した。
その後、この成形体を乾燥させた後に、大気雰囲気下で、１５００℃にて３時間焼成の条件で焼成して、上述した構成のエレメント３３を得た。
なお、平均細孔径については、周知のように、原料粉粒径を制御することによって調整できる。また、表面気孔率については、周知のように、固体粉末量や有機物量や水量を制御することによって調整できる。
［１−４．効果］
（１）本第１実施形態では、気体によって付与された差圧によって、液体が多孔質のエレメント３３を通過する際の流速を、０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上とすることにより、ファインバブルを効率良く発生させることができる。
例えば図２に示すように、従来の微細孔方式の装置（後述するＣ社の装置）では、ガス消費量が増加すると気泡濃度が増加するが、本第１実施形態のファインバブル発生装置１（即ち本方式）では、微細孔方式の装置に比べて、少ないガス消費量で高い気泡濃度を得ることができる。なお、図２の本方式のガス消費量とは加圧に用いる気体の消費量である。
つまり、従来のように、高い圧力で気体を液体に混入させなくとも、高い気泡濃度を有する液体（即ちファインバブル液）を、容易に製造することができる。例えば純水の場合でも、容易に気泡濃度を上げることができる。
（２）本第１実施形態では、エレメント３３の一方の側に配置した液体を、他方の側に通過させるとともに噴射させることにより、即ち少なくとも１パスにて、効率よくファインバブルを発生させることができる。
（３）本第１実施形態では、上述のように、多孔質のエレメント３３の細孔を液体が通過する際の流速を所定以上とすれば、効率良くファインバブルが発生するので、従来の大型のポンプ等を備えた設備を使用しなくとも、即ち小型の装置でも、容易にファインバブルを発生させることができる。つまり、ガスボンベ４３から供給される気体を用いて差圧を発生させることにより、ポンプや電源等を省略することができる。
（４）本第１実施形態では、エレメント３３の平均細孔径は、１．５μｍ〜５００μｍの範囲である。従って、効率よくファインバブルを発生させることができる。また、高い気泡濃度を実現できる。
（５）本第１実施形態では、エレメントの表面気孔率は、２４％〜４７．７％の範囲である。従って、効率よくファインバブルを発生させることができる。また、高い気泡濃度を実現できる。
（６）本第１実施形態では、エレメント３３の表面における液体の接触角は、３８．８°〜１５１．３２°の範囲である。従って、効率よくファインバブルを発生させることができる。また、高い気泡濃度を実現できる。
（７）本第１実施形態では、エレメント３３は、セラミックを主成分とする材料からなっている。従って、ファインバブルが発生する液体中に含まれる不純物（いわゆるコンタミネーション）が少ないので、例えば医療分野など、不純物が少ない方が良い分野には好適である。
また、エレメント３３がセラミックを主成分とする場合には、エロージョン（浸食）による劣化が少ないという利点もある。
［１−５．文言の対応関係］
第１実施形態の、ファインバブル発生装置１、第１タンク３、第２タンク５、ガス供給部９、差圧付与部１０、液体供給部１１、液体取出部１３、バブル発生部３１、エレメント３３は、それぞれ、本開示の、ファインバブル発生装置、第１タンク、第２タンク、ガス供給部、差圧付与部、液体供給部、液体取出部、バブル発生部、エレメントの一例に相当する。
［２．第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明するが、第１実施形態と同様な内容については、その説明は省略又は簡略化する。
図３に示すように、本第２実施形態のファインバブル発生装置７１は、単一のタンク７３内に、第１実施形態と同様なエレメント７５が配置されており、そのエレメント７５の上端に、連通パイプ７７が接続されている。
この連通パイプ７７は、タンク７３外に延びており、タンク７３外にて、連通パイプ７７に開閉バブル７９が配置されている。
本第２実施形態では、開閉バブル７９を開いて、連通パイプ７７からエレメント７５の内部（即ち内側空間８１）に、所定の圧力を加えた液体（例えば水）を供給することにより、第１実施形態と同様に、液体中にファインバブルを発生させることができる。つまり、エレメント７５の周囲の外側空間８３にファインバブル液を供給することができる。
なお、タンク７３内からファインバブル液を取り出す構成は、第１実施形態と同様である。
本第２実施形態は、第１実施形態と同様な効果を奏する。また、第１実施形態よりも構成を簡易化できるという利点がある。
［３．第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明するが、第１実施形態と同様な内容については、その説明は省略又は簡略化する。
本第３実施形態は、第１実施形態とは、バブル発生部の構成のみが異なるので、バブル発生部について説明する。
図４に示すように、本第３実施形態のファインバブル発生装置９１のバブル発生部９３は、連通パイプ９５の下端に、円筒形状のエレメント９７が接続されたものである。
このエレメント９７は、自身の軸方向（図４の上下方向）の両端が開放されており、上端が連通パイプ９５に接続されるとともに、下端はキャップ９９により閉塞されている。なお、キャップ９９は、円柱形状であり、例えばアルミナからなる緻密な焼結体である。
本第３実施形態は、第１実施形態と同様な効果を奏する。
［４．第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明するが、第１実施形態と同様な内容については、その説明は省略又は簡略化する。
本第４実施形態は、エレメントとして板状の部材を用いたものである。
図５に示すように、本第４実施形態のファインバブル発生装置１０１は、第１実施形態と同様に、第１タンク１０３の下に第２タンク１０５が配置された構成を有している。
そして、第１タンク１０３と第２タンク１０５との間には、第１タンク１０３と第２タンク１０５とを区分するように、平板状のエレメント１０７が水平に配置されている。なお、エレメント１０７は、側壁１０９に設けられた支持部材１１１によって位置決めされて固定されている。
なお、図５では、その他の構成（例えば第１タンク１０３にガスや液体を供給する構成等）は省略されている。
本第４実施形態においても、第１タンク１０３に液体を供給し、ガスを供給して加圧することによって、液体をエレメント１０７を通過させて、液体中にファインバブルを発生させることができる。つまり、エレメント１０７の下方の第２タンク１０５内にファインバブル液を供給することができる。
なお、第２タンク１０５内からファインバブル液を取り出す構成は、第１実施形態と同様である。
本第４実施形態は、第１実施形態と同様な効果を奏する。
［５．実験例］
次に、本開示の効果を確認するために行った実験例について説明する。なお、液体としては、純水を用いた。
［５−１．実験例１］
＜実験内容＞
この実験例１では、ファインバブルを発生させる装置として、前記第３実施形態と同様なエレメントを採用し、第１実施形態と同様な構造のファインバブル発生装置を用いた。
実験に使用するエレメントとして、表１〜表６に示すような６１個の試料（試料Ｎｏ.１〜５９）を作製した。この表１〜表６において、実施例（実施例１〜３２）の試料が本開示の範囲内の試料であり、比較例（比較例１〜２７）の試料が本開示の範囲外の試料である。
なお、表１、表２では、実施例と比較例とを、試料Ｎｏ.順にまとめて示し、表３、表４では、実施例のみを示し、表５、表６では、比較例のみを示している。
この実験例１では、下記表１〜表６に示す条件にて、ファインバブルを発生させ、その際に、下記表２、表４、表６に示すように、エレメントを通過する流速などを求めた。
なお、表７では、前記表１〜表６に記載の試料から、複数の比較例と複数の実施例を例に挙げて、気泡濃度が６．８２Ｅ＋０．７以上が好ましいとして、好ましいものを「適」、好ましくないものを「不適」として表示している。
ここで、表１〜表７の実験条件や実験結果の表示内容について説明する。
Figure 2020004653
Figure 2020004653
Figure 2020004653
Figure 2020004653
Figure 2020004653
Figure 2020004653
Figure 2020004653
（１）エレメント構造
エレメント構造の対称構造とは、エレメントの構造が単一の構造であることを示している。非対称構造とは、エレメントの内側と外側とが異なる構造であることを示している。詳しくは、非対称構造は、２層構造であり、エレメントの外側（即ち外側の層）の方が内側（即ち内側の層）よりも平均細孔径が小さくなっている。
（２）エレメント材質
エレメント材質は、エレメントを構成する材質（材料）を示す。従って、エレメントは、この材料から構成された多孔質の部材である。
（３）接触角
接触角とは、周知のように、静止液体の自由表面が壁に接する点において、液面と壁とのなす角である。
本実験例１では、ＤｒｏｐＭａｓｔｅｒシリーズ（ＤＭｏ-５０１）を用い、液滴法によって、接触角を測定した。液体としては純水（４μｌ）を用い、液体を滴下してから１００ｍｓ後の接触角を取得した。
なお、細孔の最大孔径ＤＢＰ［ｍ］、液体の表面張力γ［Ｎ/ｍ］、接触角θ［ｒａｄ ］、バブルポイント圧Ｐ［Ｐａ］には、下記式（１）に示す関係がある。なお、細孔の最大孔径ＤＢＰ［ｍ］とは、細孔を円孔とした場合の直径である。
ＤＢＰ＝４γｃｏｓθ／Ｐ ・・・（１）
（４）バブルポイント圧
例えば板状のエレメントをイソプロピルアルコールなどの液体に浸して水平とし、下側から空気を供給するとともに空気の圧力を上げてゆくと、ある値に達したときに最初に最大孔径の孔から気泡が発生する。このときの圧力をバブルポイント圧と呼ぶ。なお、前記式（１）を用い、バブルポイント圧から最大孔径を求めることができる。
（５）純水
この実験例１では、液体として純水を用いた。この純水は、通常、イオン交換樹脂などによって、脱塩・脱イオン処理を行った液を示し、所定の範囲の電気伝導率、ＴＯＣ（全有機炭素）を有している。
この実験例１では、下記表８に示すように、実験に使用する純水（５個の試料：Ｎ１〜Ｎ５）に対して、導電率（即ち電気導電率）［μＳ/ｍ］、ＴＯＣ（全有機炭素）［μｇ/Ｌ］、ＩＣＰ-ＭＳ（イオン濃度）、ｐＨ、ＤＯ（溶存酸素）［ｍｇ/Ｌ］、ＡＴＰ（生菌数）［ＲＬＵ ］を調べた。
なお、ｐＨと電気導電率は、ＨＯＲＩＢＡ製 ｐＨ水質計Ｄ-７４を用いて測定した。
ＴＯＣは、島津製作所製 ＴＯＣ-ＶＷＰを用いて測定した。ＩＣＰーＭＳは、ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒ製 ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ ｉＣＡＰ Ｑを用いて測定した。ＤＯは、堀場製作所製 ＯＭ−７１を用いて測定した。ＡＴＰは、ルミテスターＰＤ−３０を用いて測定した。
また、ＮａｎｏＳｉｇｈｔ ＮＳ-３００（以下単にナノサイトと記す）を用いて、気泡径［ｎｍ］、気泡濃度［個/ｍｌ］、気泡濃度［個/frame］を調べた。なお、［個/frame］とは、ナノサイトの測定における、１画面あたりに映った粒子数を示し、１測定に１５００frameを取得している。つまり、１５００frameに映った粒子数の平均値を［個/frame］と表している。
それらの結果を、下記表８に記す。
なお、今回の実験に使用した純水は、電気伝導率が４７．９〜８３．２［μＳ/ｍ］の範囲であり、且つ、ＴＯＣが５〜４０．１［μｇ/Ｌ］の範囲である。この範囲における水は、純水ということができる。
Figure 2020004653
（６）エレメント有効面積
この実験例１では、図６に示すように、円筒形状のエレメントを用いるので、液体の通過が可能なエレメントの側面（即ち円筒の外周面）の面積を、エレメント有効面積としている。
また、エレメント長は、エレメントの軸方向の長さであり、エレメント外径は、軸方向から見たエレメントの外周の直径である。従って、このエレメント長とエレメント外径からエレメント有効面積を求めることができる。なお、膜厚は、円筒形状のエレメントの厚み（径方向の寸法）である。
（７）表面気孔率
表面気孔率は、エレメント有効面積に占める細孔の表面比率である。この表面気孔率は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等により、エレメント表面の画像を取得し、その画像を二値化（白黒）し、白黒の面積比率（詳しくエレメント有効面積における細孔を示す黒の割合）により求めることができる。
（８）細孔径（即ち平均細孔径）
細孔径とは、細孔を円孔とした場合の直径（詳しくは多数の細孔の平均値：平均細孔径）である。ここでは、水銀ポロシメトリを用いて、細孔径を測定した。なお、水銀ポロシメトリとして、オートポアIV９５１０（島津製作所製）を用いた。
（９）溶媒種
溶媒種とは、ファインバブルを発生させる液体を示しており、ここでは純水を用いている。
（１０）溶媒量
溶媒量とは、第１タンクに供給する液体の量（ＶＯ［ｍｌ］）を示している。
（１１）印加圧力
印加圧力とは、ガスボンベから第１タンクに供給される気体の圧力（従って第１タンク内の圧力）を示している。
（１２）溶媒全量が通過するまでに要した時間
溶媒全量が通過するまでに要した時間とは、第１タンク内の液体（従ってエレメントの内側空間の液体）が、全て、第２タンク内（従ってエレメントの外側空間）に移動するまでの時間［ｓｅｃ］である。
（１３）流量Ｑ
流量Ｑ［ｍ３／ｓ］とは、単位時間［ｓｅｃ］当たりに、エレメントの内側から外側に移動した液体の量［ｍ３］である。この流量Ｑは、前記「溶媒量」を前記「溶媒全量が通過するまでに要した時間」で除すことにより求めることができる。
（１４）細孔面積Ａ
細孔面積Ａ［ｍ２］とは、エレメントの外側表面における全細孔面積を示している。つまり、細孔面積Ａは、エレメント有効面積における細孔の面積の合計である。この全細孔面積は、ＳＥＭ等により、エレメント表面の画像を取得し、その画像を二値化（白黒）し、細孔を示す黒の面積の合計により求めることができる。
（１５）流速Ｖ
流速Ｖ［ｍ／ｓ］とは、エレメントの細孔を通過する液体の流速であり、流量Ｑ［ｍ３／ｓ］／細孔面積Ａ［ｍ２］の演算により求めることができる。
（１６）気泡径、気泡濃度
気泡径、気泡濃度は、ナノサイトによって測定したものである。
＜評価＞
本実施例の各試料は、流速が０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上であり、これらの試料は、いずれも気泡濃度が高く好適である。例えば最も流速が小さな試料No.５４でも、気泡濃度が７．３０×１０７［個/ｍｌ］であり、好適である。
また、表１〜表４から明らかなように、本実施例の各試料は、エレメントの細孔径（即ち平均細孔径）は、１．５μｍ〜５００μｍであり、この範囲であれば、高い気泡濃度が得られることが分かる。
なお、平均細孔径の下限値の１．５μｍについては、試料No.１〜３等に記載があり、上限値の５００μｍについては、試料No.５０、５１、５２等に記載がある。
さらに、表１〜表４から明らかなように、本実施例の各試料は、エレメントの表面気孔率は、２４％〜４７．７％であり、この範囲であれば、上述のように、高い気泡濃度が得られることが分かる。
なお、表面気孔率の下限値の２４％については、試料No.６〜１１に記載があり、上限 値の４７．７％については、試料No.５４、５５に記載がある。
その上、表１〜表４から明らかなように、本実施例の各試料は、エレメントの表面における液体（純水）の接触角は、３８．８°〜１５１．３２°であり、この範囲であれば、上述のように、高い気泡濃度が得られることが分かる。
なお、接触角の下限値の３８．８°については、試料No.３０等に根拠となる記載があり、上限値の１５１．３２°についは、試料No.２９に根拠となる記載がある。
［５−２．実験例２］
前記特許文献３、４の先行技術は、上述したように、本開示とは全く異なる技術である。つまり、前段タンクの水に含有されている大きい気泡をせん断して微細気泡とする技術であり、気泡のせん断が必要な技術である。
これに対して、本開示では、例えば第１実施形態に示すように、第１タンクに含まれる気泡と第２タンクに含まれる気泡とにおいて、気泡径は殆ど変らない。つまり、本開示では、例えば第１タンク内の液体が多孔質のエレメントの細孔内を通過する際に、急激な圧力の変化を生じさせることによって、ファインバブルを発生させる技術であり、エレメントの通過前後で、気泡径は殆ど変らない。そして、この現象を発生させるためには、上述したように、０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上の流速が必要である。
本実験例２は、上述した知見に基づき、液体（純水）がエレメントを通過する前と通 過した後において、気泡径の変化を調べたものである。
前記実験例１に際して、ナノサイトを用いて、第１タンク内の液体中のファインバブルの気泡径を調べた。なお、通常では、わずかではあるが、液体中にファインバブルが存在している。
その結果、各実施例の試料において、エレメントを通過する前の液体では、ファインバブルの気泡径の平均値は１００．２６ｎｍであった。
また、各実施例の試料において、エレメントを通過する後の液体では、ファインバブルの気泡径の平均値は１００．８０ｎｍ（表４：実施例のＡｖｅ値参照）であった。
このことから、エレメントを通過した液体では、ファインバブルの気泡濃度は高くなるものの、エレメントの通過前と通過後とでは、気泡径の平均値はそれほど変化がないことが分かる。
［５−３．実験例３］
本実験例３は、市販の２社のノズル方式のファインバブル発生装置を用いて、ファインバブルの発生状態を調べたものである。
なお、ノズル方式とは、ポンプにて壁面に細孔が形成された管内に液体（純水）を流すとともに、管の途中にて外部から細孔を介して空気を供給する方式である。
本実験例３は、下記表９の条件にて、１パス（液体を循環させない場合）と、６０分間ポンプにより液体を循環させた場合とにおいて、発生したファインバブルの気泡濃度を、ナノサイトを用いて測定した。
Figure 2020004653
その結果、２社のファインバブル発生装置とも、ナノサイトの信頼性区間（即ち、２×１０８［個／ｍｌ］以上）よりも小さな気泡濃度しか測定できなかった。その実験データを、下記表１０に示す。
Figure 2020004653
なお、ナノサイトの信頼性区間より小さな濃度範囲では、誤差が大きく、信頼性が十分ではない。
［５−４．実験例４］
本実験例４は、図７及び図８に示すように、液体として純水を採用し、前記実験例１における実施例のファインバブル発生装置や、本開示以外の各種のファインバブル発生装置を用いて、ファインバブルを発生させ、そのファインバブル液（詳しくはファインバブル水）の各種の特性を調べたものである。なお、特性を調べる際には、ファインバブル液を入れる容器としては同種のガラス製のものを用い、できる限り測定環境を揃えた。
以下、詳細に説明する。
＜試料や装置等＞
図７及び図８において、「Ｔ２６：セラミックス」とは、試料No.２６の実施例を示し、「Ｔ５５：金属」とは、試料No.５５の実施例を示し、「Ｔ５９：樹脂」とは、試料No.５９の実施例を示す。
また、微細孔方式の装置とは、Ｃ社のセラミック製のエレメントを用いた微細孔方式のファインバブル発生装置（即ち比較例）を示す。このファインバブル発生装置は、液体中に先端が閉塞された多孔質のエレメント（即ちパイプ）を沈め、そのパイプ内にガスを供給して、パイプ外にファインバブルを発生させる装置である。
なお、１回目とは、下記の条件で最初にファインバブルを発生させた後のファインバブル液の特性を示し、５回目とは、同じ条件で５回ファインバブルを発生させた後のファインバブル液の特性を示している。
（実験条件）
設定圧力：０．１１ＭＰａ
処理時間：１時間
溶媒 ：純水 ５００ｍｌ
ガス種 ：窒素ガス
ガス流量：６００ｍｌ／ｍｉｎ
さらに、他の比較例として、周知の循環型加圧溶解装置及び循環型気液せん断装置を用いて、ファインバブルを発生させて、ファインバブル液の特性を調べた。
＜評価＞
図７Ａに、ファインバブル液のｐＨを調べた結果を示す。この図７Ａから、実施例の各試料は、純水のｐＨに近いことが分かる。それに対して、微細孔方式の１回目では、ｐＨの値が７以上と大きくなっている。
図７Ｂに、ファインバブル液の電気導電率を調べた結果を示す。この図７Ｂから、実施例の各試料は、純水の電気導電率に近いことが分かる。それに対して、微細孔方式の１回目では、電気導電率の値が７３８［μＳ／ｍ］と非常に大きくなっている。その他の発生方式も、電気導電率の増加が見られる。
図７Ｃに、ファインバブル液のＡＴＰを調べた結果を示す。この図７Ｃから、実施例の各試料は、純水のＡＴＰに近いことが分かる。それに対して、微細孔方式の１回目では、ＡＴＰの値が５５と非常に大きくなっている。
図８Ａに、ファインバブル液のＴＯＣを調べた結果を示す。この図８Ａから、実施例の各試料（Ｔ２６、Ｔ５５）は、純水のＴＯＣに近いことが分かる。また、実施例の試料（Ｔ５９）、循環型加圧溶解装置及び循環型気液せん断装置では、ＴＯＣは大きな値となっている。また、微細孔方式では、ＴＯＣは測定できなかった。
図８Ｂに、ファインバブル液のＩＣＰーＭＳを調べた結果を示す。この図８Ｂから、実施例の各試料は、純水のＩＣＰーＭＳに近いことが分かる。それに対して、微細孔方式の１回目では、ＩＣＰーＭＳの値が５４８［ｐｐｂ］と非常に大きくなっている。
［５−５．実験例５］
本実験例５は、ファインバブル発生装置にて発生したファインバブルが、実際にファインバブルであるのか、或いは、微細な塵等の粒子（即ち固体粒子）であるか否かを確認したものである。つまり、ナノサイトは、微細な粒子をファインバブルとしてカウントすることがあるので、実際に測定された粒子濃度（即ち、気泡の場合は気泡濃度）が、どの程度ファインバブルの濃度を示しているかを確認したものである。
＜試料及び装置等＞
粒子濃度を測定する対象の液体は、前記実験例４とほぼ同様である。具体的には、純水、Ｔ２６のファインバブル液、微細孔方式の装置で得られたファインバブル液（但し１回目）、循環型加圧溶解装置及び循環型気液せん断装置で得られた各ファインバブル液、Ｔ５５及びＴ５９の各ファインバブル液である。なお、それ以外に、Ｌａｔｅｘ粒子を溶媒（純水）に分散させた液体も用いた。
＜実験内容＞
本実験例５では、各試料の液体を、一旦凍結させた後に融解し、その凍結前後の液体における粒子濃度を、ナノサイトを用いて調べた。
この凍結による方法によれば、気泡や固体粒子を含む液体を冷却して凍結させると、気泡の多くが消失するので、凍結前後の液体の粒子濃度を測定することにより、実際に凍結前の液体にどの程度気泡が存在するのかが分かる。
具体的には、第８回ファインバブル国際シンポジウムで開示された緩慢凍結融解法による気泡と固体粒子の識別方法を用いた。詳しくは、各試料を所定の冷却速度（例えば０．５７×１０−２［Ｋ／ｓ］）で冷却して凍結させた後に、所定の昇温速度（例えば０．７６×１０−２［Ｋ／ｓ］）で昇温させて融解させ、その凍結の前後における液体の粒子濃度を測定した。
＜評価＞
図９Ａは、本実験例５によって得られた各試料の凍結前後の粒子濃度を示している。このグラフでは、一対の棒グラフで、各試料の粒子濃度を示しており、左側が凍結前の粒子濃度、右側が凍結後の粒子濃度である。なお、図９Ｂは、図９Ａのグラフを、凍結前（即ち消泡前）の粒子濃度を１００とした場合の各試料の凍結後の粒子濃度を示している。なお、図９Ａ及び図９Ｂにおいて、各一対の棒グラフの左側に棒フラグが消泡前を示し、右側の棒グラフが消泡後を示している。
図９Ａ及び図９Ｂから明らかなように、実施例のＴ２６の試料では、凍結後には粒子濃度が大きく低下している。詳しくは、下記表１１に示すように、実施例のＴ２６の試料の消泡率は８８．３６％であり、殆どが気泡であることが分かる。なお、消泡率とは、検出された粒子のうちどの程度が気泡であるかを示す指標で有り、「（凍結後の液体の粒子濃度／凍結前の液体の粒子濃度）×１００」で定義される。
Figure 2020004653
また、表１１等から明らかなように、実施例のＴ５６の試料の消泡率は８２．３５％であり、殆どが気泡であることが分かる。また、実施例のＴ５９の試料の消泡率は７．３７％であり、殆どが気泡であることが分かる。
それに対して、比較例である微細孔方式の装置の１回目試験では、消泡率は１５．２０％であり、殆どが固体粒子であることが分かる。また、同装置の５回目試験では、消泡率は７２．７４％ではあるが、消泡前の粒子濃度が２．５９Ｅ＋０７［個／ｍｌ］と少ないことが分かる（図９Ａ参照）。
また、比較例の循環型加圧溶解装置では、消泡率は６５．９８％であり、実施例に比べて固体粒子が多いことが分かる。
同様に、比較例の循環型気液せん断装置では、消泡率は７８．９５％であり、実施例に比べて固体粒子が多いことが分かる。
なお、Ｌａｔｅｘ粒子を添加した試料では、消泡率は１１．１５％であった。
［６．その他の実施形態］
尚、本開示は、前記実施形態等に何ら限定されるものではなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
（１）例えば、エレメントの形状としては、有底の筒状、軸方向の両端が開放された筒状、板状等、各種の形状を採用できる。
（２）エレメントの材質に関しても、セラミック以外に、金属、樹脂等、各種の材料を採用できる。
（３）また、液体や気体を供給する流路や液体を取り出す流路に開閉弁を設ける場合には、その開閉弁の動作をコンピュータ等によって制御してもよい。
例えば第１タンク内に供給される液体の供給量や流量をセンサにより計測し、第１タンク内の圧力をセンサにより計測し、そのセンサにより計測した値に基づいて、液体の流量等や第１タンク内の圧力が目的となる値となるように、前記開閉弁の開閉動作を制御してもよい。従って、ファインバブルを発生するための構成を、インライン化することもできる。
（４）なお、上記各実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を、省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

Claims (9)

  1. 多数の細孔を有する多孔質のエレメントに、液体を通過させて、前記液体中にファインバブルを発生させるファインバブル発生装置であって、
    前記エレメントの一方の側と他方の側との間に差圧を付与する差圧付与部と、
    前記差圧付与部によって付与された差圧によって、前記エレメントの一方の側に配置した前記液体を、前記他方の側に通過させるとともに噴射させて、前記ファインバブルを発生させるバブル発生部と、
    を備え、
    前記液体が前記エレメントを通過する際の流速が、０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上である、
    ファインバブル発生装置。
  2. 前記エレメントの平均細孔径は、１．５μｍ〜５００μｍである、
    請求項１に記載のファインバブル発生装置。
  3. 前記エレメントの表面気孔率は、２４％〜４７．７％である、
    請求項１又は２に記載のファインバブル発生装置。
  4. 前記エレメントの表面における前記液体の接触角は、３８．８°〜１５１．３２°である、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載のファインバブル発生装置。
  5. 前記エレメントは、セラミックからなる、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載のファインバブル発生装置。
  6. 前記エレメントと一体に構成された第１タンクと、前記エレメントから噴射された前記液体を受ける第２タンクと、を備えた、
    請求項１〜５のいずれか１項に記載のファインバブル発生装置。
  7. 前記第１タンクに、前記差圧付与部として前記第１タンク内に前記差圧を付与するガスを供給するガス供給部と、前記第１タンク内に前記液体を供給する液体供給部と、を備えた、
    請求項６に記載のファインバブル発生装置。
  8. 前記第２タンクに、前記噴射後の液体を外部に取り出す液体取出部を備えた、
    請求項６又は７に記載のファインバブル発生装置。
  9. 多数の細孔を有する多孔質のエレメントに、液体を通過させて、前記液体中にファインバブルを発生させるファインバブル発生方法であって、
    前記エレメントの一方の側と他方の側との間に差圧を付与することにより、前記エレメントの一方の側に配置された前記液体を、前記他方の側に通過させるとともに噴射させて、前記ファインバブルを発生させる工程を有し、
    前記液体が前記エレメントを通過する際の流速を、０．００９７６９［ｍ／ｓ］以上とする、
    ファインバブル発生方法。
JP2019563644A 2018-06-28 2019-06-28 ファインバブル発生装置及びファインバブル発生方法 Active JP7464390B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018123241 2018-06-28
JP2018123241 2018-06-28
PCT/JP2019/025955 WO2020004653A1 (ja) 2018-06-28 2019-06-28 ファインバブル発生装置及びファインバブル発生方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2020004653A1 true JPWO2020004653A1 (ja) 2021-05-13
JP7464390B2 JP7464390B2 (ja) 2024-04-09

Family

ID=68985735

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019563644A Active JP7464390B2 (ja) 2018-06-28 2019-06-28 ファインバブル発生装置及びファインバブル発生方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20210146318A1 (ja)
EP (1) EP3815774A4 (ja)
JP (1) JP7464390B2 (ja)
CN (1) CN112313000A (ja)
IL (1) IL279742A (ja)
WO (1) WO2020004653A1 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11179684B2 (en) * 2017-09-20 2021-11-23 New Jersey Institute Of Technology System, device, and method to manufacture nanobubbles
JP7243972B2 (ja) * 2018-09-11 2023-03-22 株式会社キャタラー ファインバブルの製造装置及びファインバブルの製造方法
JP2021154262A (ja) * 2020-03-30 2021-10-07 日本特殊陶業株式会社 ファインバブル液生成装置
JP2023068937A (ja) * 2021-11-04 2023-05-18 キヤノン株式会社 ウルトラファインバブル含有液の製造方法およびウルトラファインバブルの製造装置
TWI813188B (zh) * 2022-03-03 2023-08-21 謝志欽 外氣式微細氣泡產生裝置
TWI813189B (zh) * 2022-03-03 2023-08-21 謝志欽 內氣式微細氣泡生成裝置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6382426U (ja) * 1986-11-18 1988-05-30
WO2001045830A1 (en) * 1999-12-22 2001-06-28 University Of Leeds Rotating membrane
JP2002301345A (ja) * 2001-02-05 2002-10-15 Teruji Sasaki 気泡水製造装置
JP2007237161A (ja) * 2006-02-09 2007-09-20 Hiroshima Kasei Ltd 加水素水の製造方法及び製造装置
JP2009531168A (ja) * 2006-03-29 2009-09-03 カーボテック ホールディング ゲーエムベーハー 充填器
US20170259218A1 (en) * 2015-06-30 2017-09-14 Kechuang Lin Bubble-generation apparatus and system

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1840433U (de) * 1961-08-08 1961-11-02 Friedrich Hueber Geraet zum zufuehren von gas, insbesondere luft in stroemende fluessigkeiten, insbesondere in bier.
US7255332B2 (en) * 2004-05-25 2007-08-14 The Board Of Trustees Of The University Of Arkansas System and method for dissolving gases in liquids
JP4151681B2 (ja) * 2005-07-19 2008-09-17 株式会社日立製作所 微細気泡生成装置及びその方法
JP4910322B2 (ja) * 2005-07-19 2012-04-04 株式会社日立製作所 微細気泡を利用した水処理設備
US20090124945A1 (en) * 2007-11-08 2009-05-14 Reich Bonnie E High Efficiency Water Pick Cleaning Apparatus and Showerhead
JP4914399B2 (ja) * 2008-04-17 2012-04-11 株式会社オ−ラテック ナノバブル発生方法およびナノバブル発生装置
JP5885376B2 (ja) * 2008-07-30 2016-03-15 株式会社西研デバイズ 超微細気泡発生装置
JP6093928B2 (ja) * 2011-04-22 2017-03-15 国立大学法人東北大学 口腔洗浄装置
US20140191425A1 (en) * 2011-12-16 2014-07-10 Panasonic Corporation System and method for generating nanobubbles
JP2016123925A (ja) * 2014-12-26 2016-07-11 ライオン株式会社 ナノバブル生成促進剤及びナノバブル生成方法
JP5947436B1 (ja) 2015-09-02 2016-07-06 Ｓ．Ｐ．エンジニアリング株式会社 多孔質体アッセンブリおよびその製造方法
KR102587718B1 (ko) * 2016-01-25 2023-10-12 가부시키가이샤 노리타께 캄파니 리미티드 미소 기포 함유 액체의 생성 장치
JP6411399B2 (ja) 2016-03-18 2018-10-24 株式会社ノリタケカンパニーリミテド 微小気泡発生装置
JP6157688B1 (ja) * 2016-06-03 2017-07-05 株式会社テクノアート ファインバブル液製造装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6382426U (ja) * 1986-11-18 1988-05-30
WO2001045830A1 (en) * 1999-12-22 2001-06-28 University Of Leeds Rotating membrane
JP2002301345A (ja) * 2001-02-05 2002-10-15 Teruji Sasaki 気泡水製造装置
JP2007237161A (ja) * 2006-02-09 2007-09-20 Hiroshima Kasei Ltd 加水素水の製造方法及び製造装置
JP2009531168A (ja) * 2006-03-29 2009-09-03 カーボテック ホールディング ゲーエムベーハー 充填器
US20170259218A1 (en) * 2015-06-30 2017-09-14 Kechuang Lin Bubble-generation apparatus and system

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
表面技術, vol. 68, no. 6, JPN6023043477, 2017, pages 335 - 337, ISSN: 0005185630 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020004653A1 (ja) 2020-01-02
JP7464390B2 (ja) 2024-04-09
EP3815774A4 (en) 2022-03-23
IL279742A (en) 2021-03-01
EP3815774A1 (en) 2021-05-05
US20210146318A1 (en) 2021-05-20
CN112313000A (zh) 2021-02-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7464390B2 (ja) ファインバブル発生装置及びファインバブル発生方法
KR102442879B1 (ko) 액체 캐리어에 나노-버블을 함유하는 조성물
Ahmed et al. Generation of nanobubbles by ceramic membrane filters: The dependence of bubble size and zeta potential on surface coating, pore size and injected gas pressure
Rehman et al. Fluidic oscillator-mediated microbubble generation to provide cost effective mass transfer and mixing efficiency to the wastewater treatment plants
CN208260569U (zh) 超微气泡液发生装置
Zhao et al. Underwater superoleophobic membrane with enhanced oil–water separation, antimicrobial, and antifouling activities
Levitsky et al. Micro and nanobubbles in water and wastewater treatment: A state-of-the-art review
WO2015064159A1 (ja) マイクロバブル形成方法及びマイクロバブル形成装置
JP2016140801A (ja) 微小気泡発生具及び微小気泡含有液体の生成装置
JP2008161734A (ja) 機能水生成装置及びそれを用いた機能水生成方法
WO2012056514A1 (ja) 飲料用水素含有水の製造方法及び製造装置
CN111615424A (zh) 微小气泡生成方法和微小气泡生成装置
US20200156018A1 (en) Fine bubble generating method and fine bubble generating apparatus
JP7257755B2 (ja) 微細気泡発生装置、微細気泡の発生方法、微細気泡発生システム
JP2021154262A (ja) ファインバブル液生成装置
Chaurasia Nanobubbles: an emerging science in nanotechnology
Sharma et al. Nanobubbles produced by nanopores to probe gas-liquid mass transfer characteristics
JP2019072707A (ja) 超微細気泡ノズルを用いた急速気体充填装置により生成する超微細気泡含有液体
JP7249110B2 (ja) 微細気泡発生具、微細気泡の発生方法
Janknecht et al. Membrane ozonation in wastewater treatment
JP2015166057A (ja) 担体添加活性汚泥混合液のサンプリング装置及びサンプリング方法
WO2018003557A1 (ja) ミスト生成装置、ミスト生成方法および殺菌・脱臭方法
Shi et al. Treatment of waste seawater from shrimp farm using a photocatalytic membrane reactor
CN109420435A (zh) 生成含有纳米级气泡的液体的方法和系统
JP2024040762A (ja) 液質改良装置、ウルトラファインバブル含有液体の製造方法、及びウルトラファインバブル含有液体

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220428

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230110

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230613

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20231031

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240119

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20240126

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240319

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240328

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7464390

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150