WO2016136656A1 - 機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、レアメタルを剥離する方法、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置、及び、重水素の核融合反応を発生させる方法 - Google Patents

機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、レアメタルを剥離する方法、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置、及び、重水素の核融合反応を発生させる方法 Download PDF

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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • the present invention relates to a method for generating mechanical and electrochemical cavitation, a method for changing the surface geometry and electrochemical properties of a material, a method for exfoliating a rare metal, and an apparatus for generating mechanical and electrochemical cavitation. And a method for generating a deuterium fusion reaction.
  • Hydrogen can be converted into clean energy that does not emit carbon dioxide. Hydrogen reacts with oxygen to generate electricity, heat and water. Hydrogen is highly efficient in generating energy and has a wide range of uses, from automobiles to fuel for power generation facilities. Solar hydrogen production technology that produces hydrogen and oxygen by directly decomposing water with a photocatalyst or photoelectrode using an oxide semiconductor is low-cost, and research is actively promoted toward the realization of a future hydrogen society. Yes.
  • Titanium oxide is low-cost and attracts attention as a material for photoelectrodes and photocatalysts for solar energy conversion materials.
  • the TiO 2 photocatalytic reaction has a feature that light (ultraviolet light) having a wavelength of 350 nm is effective.
  • sunlight contains only a small amount of ultraviolet rays, and in order to efficiently convert energy, it is essential to use visible light that accounts for half of the solar energy.
  • Research to decorate titanium oxide to give visible light responsiveness has been actively conducted, and research to modify the metal surface has also been conducted (see Patent Document 1).
  • the present invention relates to a method for generating mechanical and electrochemical cavitation, a method for changing the surface geometry and electrochemical properties of a material, and stripping rare metals using the generated mechanical and electrochemical cavitation. It is an object of the present invention to provide a method for generating a deuterium fusion reaction and a method for generating a mechanical and electrochemical cavitation and a deuterium fusion reaction.
  • the flow cavitation is capable of inflating the flow cavitation with respect to the flow cavitation caused by the injection of the water jet, while jetting a water jet from an injection nozzle immersed in water.
  • a method of generating mechanical and electrochemical cavitation that is distributed at positions spaced from the nozzle.
  • the invention described in claim 2 is characterized in that, in claim 1, the moving speed of the flow cavitation is 5 m / s or less.
  • the invention described in claim 3 is characterized in that, in claim 1, the frequency of the ultrasonic wave is 20 kHz or more and 33 kHz or less.
  • a fourth aspect of the present invention is the method according to the first or second aspect, wherein the distance from the ultrasonic irradiation element that irradiates the ultrasonic wave to the water jet is 5 wavelengths or less of the ultrasonic wave. To do.
  • the secondary generated around the collision object by causing the water jet injected from the injection nozzle to collide with the collision object.
  • the high temperature reaction field of the flow cavitation including the high temperature reaction field is generated around the collision object by irradiating the ultrasonic wave to the flow cavitation of the jet.
  • the invention according to claim 6 is a method in which mechanical and electrochemical cavitation generated by the method for generating mechanical and electrochemical cavitation according to any one of claims 1 to 5 is caused to collide with a substance, A method of changing the surface geometry and electrochemical properties of a material.
  • the invention according to claim 7 is the invention according to claim 6, wherein the substance is composed of at least one selected from titanium oxide, platinum, and nickel oxide having a rutile-type or anatase-type crystal structure,
  • the titanium oxide particles have a particle size of 100 nm to 400 nm, and the platinum or nickel oxide particles have a particle size of 0.1 ⁇ m to 85 ⁇ m.
  • the invention described in claim 8 is characterized in that, in claim 6, an inert surface with less gas adsorption and high oxidation resistance and corrosion resistance is generated on the surface of the substance.
  • the invention according to claim 9 is a coating in which the rare metal is deposited on the mechanical and electrochemical cavitation generated by the method for generating mechanical and electrochemical cavitation according to any one of claims 1 to 5.
  • the rare metal is peeled off from the surface of the coating by colliding with the surface of the object.
  • the invention according to claim 10 is characterized in that a flow velocity of the flow cavitation that allows the flow cavitation to expand relative to an injection nozzle that is immersed in water and jets a water jet, and the flow cavitation that occurs as the water jet is jetted.
  • the high-temperature reaction field of the flow cavitation including the high-temperature reaction field, which is generated by irradiating ultrasonic waves to a position that is lower than a predetermined moving speed and repeating expansion and contraction by the ultrasonic waves, is emitted from the injection nozzle.
  • An apparatus for generating mechanical and electrochemical cavitation, comprising ultrasonic irradiation elements distributed at spaced positions.
  • fluid cavitation is generated by ejecting a liquid containing heavy water or deuterium from a spray nozzle immersed in a liquid containing heavy water or deuterium and ejecting the liquid containing heavy water or deuterium.
  • the flow cavitation can be expanded, the ultrasonic wave is irradiated to a position where the flow velocity of the flow cavitation is equal to or lower than a predetermined movement speed, and the expansion and contraction are repeated by the irradiation of the ultrasonic wave.
  • the high temperature reaction field of the flow cavitation including the reaction field is distributed at a position away from the injection nozzle, and deuterium fusion reaction is generated by the collapse of the cavitation.
  • a method for generating mechanical and electrochemical cavitation a method for changing the surface geometry and electrochemical properties of a material, and the generated mechanical and electrochemical cavitation are utilized.
  • a method for peeling a rare metal can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention.
  • FIG. It is a graph which shows the relationship between the break threshold value and the equilibrium radius in the method to generate the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. It is a graph which shows the relationship between the break threshold value and the flow rate in the method of generating the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. It is a graph which shows the relationship between the resonant frequency and the bubble radius in the method to generate
  • FE-SEM Field Emission Scanning Electron Microscope showing the surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by mechanical and electrochemical cavitation according to Embodiment 1 of the present invention
  • Photo Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-) showing the surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention.
  • SEM Field Emission Scanning Electron Microscope
  • FE- showing the surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. SEM).
  • FE- Field Emission Scanning Electron Microscope showing the surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention.
  • SEM Field Emission Scanning Electron Microscope showing the surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention.
  • SEM It is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph showing the surface of titanium oxide in which platinum is attached by flow cavitation.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 2 according to the present invention. It is an electron micrograph which shows a mode that the ITO film
  • a field emission scanning electron microscope (FE) showing a test result when the flow velocity of flow cavitation is 21 m / s. -SEM) Photo.
  • a field emission scanning electron microscope (FE) showing a test result when the flow velocity of flow cavitation is 80 m / s. -SEM) Photo.
  • FE field emission scanning electron microscope
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a mechanical and electrochemical cavitation generator 1 for carrying out a method for generating mechanical and electrochemical cavitation includes a reactor 10, an injection nozzle 20, and an ultrasonic irradiation element 30. And have.
  • the reactor 10 stores tap water W1.
  • the injection nozzle 20 is connected to a high pressure water supply source (not shown).
  • the discharge port of the injection nozzle 20 is immersed in tap water W1 stored in the reactor 10.
  • High-pressure water W2 supplied from a high-pressure water supply source (not shown) is injected as a high-pressure water jet from the discharge port to tap water W1 stored in the reactor 10.
  • the pressure of the high-pressure water W2 is 1 MPa or more and 70 MPa or less.
  • the pressure of the high-pressure water W2 is less than 1 MPa, a moderately high-pressure water jet cannot be obtained, and nuclei of mechanical and electrochemical cavitation (hereinafter referred to as “functional cavitation MFC”) are generated. This is because functional cavitation MFC cannot be obtained appropriately. Further, when the pressure of the high-pressure water W2 exceeds 70 MPa, the pressure of the water jet is too high, and the core of the functional cavitation MFC is difficult to expand, so that the functional cavitation MFC cannot be obtained appropriately. In particular, when the pressure is 3 MPa or more, it is possible to inject a water jet for easily generating functional cavitation MFC.
  • “mechanical and electrochemical cavitation (functional cavitation MFC)” is a machine that changes the geometric shape of the surface of the material, such as making the surface of the material such as titanium oxide porous. This means cavitation that can exert an electrochemical surface modification effect, such as reducing the band gap when water is decomposed into hydrogen and oxygen, as well as having a surface modification effect. .
  • the injection nozzle 20 has an orifice portion 21, a mixing chamber 22, and a horn portion 23.
  • the orifice portion 21 has a cylindrical shape.
  • the upstream end of the orifice portion 21 communicates with a high-pressure water supply source (not shown).
  • High pressure water W2 supplied from a high pressure water supply source (not shown) flows into the orifice portion 21.
  • the upstream end portion of the mixing chamber 22 is connected to the downstream end portion of the orifice portion 21.
  • the mixing chamber 22 is slightly larger in diameter than the orifice portion 21, and a substance inflow channel 24 having an inner diameter of about 1 mm to 4 mm communicates with the mixing chamber 22.
  • High-pressure water W2 flows into the mixing chamber 22 from the orifice portion 21 and, by a side flow through the substance inflow channel 24, titanium oxide powder (TiO 2 ), platinum (Pt), nickel oxide (II) ( NiO) powder M1 flows in.
  • Titanium oxide that flows in by a side flow through the substance inflow channel 24 has a rutile-type or anatase-type crystal structure.
  • the titanium oxide particles have a particle size of 10 ⁇ m or less, preferably 100 nm or more and 400 nm or less. When the particle diameter exceeds 10 ⁇ m, the particle diameter is too large, and it becomes difficult to perform surface modification to make the surface of the titanium oxide particles finer to have a porous structure.
  • the particle size of titanium oxide is preferably small, and in order to perform surface modification more efficiently, the particle size is preferably 400 nm or less.
  • the particle size of the titanium oxide particles is less than 100 nm, the particles are too small to make it difficult to perform surface modification efficiently.
  • platinum and nickel (II) oxide particles have a particle size of 0.1 ⁇ m or more and 85 ⁇ m or less.
  • the particles of platinum and nickel oxide (II) it is preferable that the particle diameter is small in order to perform surface modification efficiently, as in the case of titanium oxide.
  • the particle size of platinum and nickel (II) oxide exceeds 85 ⁇ m, it is difficult to efficiently perform surface modification of platinum and nickel (II) oxide.
  • the particle diameters of platinum and nickel oxide (II) are less than 0.1 ⁇ m, the particles are too small, and it is difficult to efficiently carry out the surface modification by refining the surface to have a porous structure.
  • the upstream end of the horn 23 is connected to the downstream end of the mixing chamber 22.
  • the horn portion 23 increases in diameter in a tapered shape toward the tip of the horn portion 23 (the discharge port of the injection nozzle 20 constituted by the end portion on the downstream side of the horn portion 23). Therefore, the injection nozzle 20 is constituted by a horn nozzle.
  • the maximum diameter of the tip of the horn part 23 is about 0.8 mm to 2 mm.
  • the injection nozzle 20 having the above-described configuration injects a water jet in the tap water W1 stored in the reactor 10, and accordingly generates a flow cavitation in the tap water W1.
  • the ultrasonic irradiation element 30 is electrically connected to a drive control device (not shown), and irradiates the water jet from the horizontal direction with respect to the water jet sprayed vertically downward. To do.
  • the ultrasonic irradiation element 30 irradiates the ultrasonic wave U1 in the tap water W1 stored in the reactor 10 by the output from the drive control device.
  • the frequency of the irradiated ultrasonic wave U1 is 20 kHz or more and 33 kHz or less.
  • the frequency of the ultrasonic wave U1 to be irradiated is less than 20 kHz, the frequency is too low to obtain the effect of the ultrasonic wave U1.
  • the frequency of the irradiated ultrasonic wave U1 exceeds 100 kHz, the frequency is too high to obtain the effect of the ultrasonic wave U1.
  • the frequency exceeds 33 kHz the bubble radius is easily resonated and adiabatically compressed. This is because the bubble radius is separated and the bubble radius becomes difficult to be subjected to isothermal expansion and adiabatic compression. More preferably, it is around 28 kHz. The relationship between the bubble radius and the frequency of the ultrasonic wave U1 will be described later.
  • the ultrasonic output rating value of the irradiated ultrasonic wave U1 is 100 W or more and 300 W or less. This is because if the ultrasonic output rated value of the irradiated ultrasonic wave U1 is less than 100 W, the output of the ultrasonic wave U1 is too weak to sufficiently perform crushing due to expansion / contraction of the core of cavitation. When the ultrasonic output rated value of the irradiated ultrasonic wave U1 exceeds 300 W, effective cavitation core expansion and crushing due to contraction cannot be performed, although the output of the ultrasonic wave U1 is strong. This is because there is no point in increasing the output.
  • the resonance radius the radius that gives the resonance frequency of bubble vibration (vibration to the core of cavitation) is called the resonance radius, but if the sound pressure (ultrasonic output) is large, the core of cavitation does not expand much above the resonance radius. , Does not cause Rayleigh shrinkage (adiabatic compression).
  • the sound pressure is equal to or less than the bubble radius (the sound pressure required for isothermal expansion)
  • the expansion of the bubbles is small. This is because the equilibrium radius of an active bubble that generally causes Rayleigh contraction is between the Blake threshold and the resonance radius.
  • the ultrasonic irradiation element 30 is a distance equal to or less than the distance corresponding to five wavelengths of the ultrasonic wave U1 irradiated from the ultrasonic irradiation element 30 from the water jet sprayed by the spray nozzle 20. It is arranged at a distant position. Specifically, when the frequency of the irradiated ultrasonic wave U1 is 28 kHz, the ultrasonic wave U1 is disposed at a position separated by about 54 mm or less from the water jet ejected by the ejection nozzle 20.
  • the intensity of the ultrasonic wave U1 is reduced, and the core of the functional cavitation MFC does not move from the expanded state to the contracted state.
  • the effect of surface modification of the substance by the functional cavitation MFC cannot be sufficiently obtained.
  • the ultrasonic irradiation element 30 is ultrasonically applied to the flow cavitation at a position away from the injection nozzle 20 and in a position where the flow cavitation can expand and the flow velocity of the flow cavitation becomes a predetermined moving speed or less. Irradiate U1. Thereby, the high-temperature reaction field of the flow cavitation including the high-temperature reaction field is distributed at positions separated from the injection nozzle 20.
  • the predetermined moving speed is 5 m / s.
  • the predetermined moving speed is obtained as follows.
  • the water vapor pressure is p v
  • the atmospheric pressure is p o
  • the surface tension is ⁇
  • the equilibrium radius is R 0
  • the minimum pressure required for the cavitation nucleus to expand is obtained by the following equation: .
  • the conditions for the bubbles to overcome the surface tension ⁇ and expand greatly are as follows.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the break threshold and the equilibrium radius in the method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. From the graph shown in FIG. 2, when the equilibrium radius is larger than 1 ⁇ m, the break threshold is equal to 1 bar (atmospheric pressure) and can be easily expanded.
  • the liquid density is ⁇
  • the liquid flow velocity is ⁇
  • the vibration speed is ⁇ 0
  • Bernoulli's theorem Bernoulli's theorem
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the break threshold and the flow rate in the method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. From the graph shown in FIG. 3, when the flow velocity ⁇ is 4.52m / s, in a position spaced from the nozzle, the break threshold A Blake is equal to 1 bar.
  • the break threshold A Blake suddenly increases from the position where the flow velocity of the flow cavitation exceeds a predetermined moving speed of 5 m / s, and the flow velocity of the flow cavitation increases as it approaches the injection nozzle 20. becomes enough, break threshold a Blake increases, in order to inflate the cavitation nuclei, it can be seen that a large sound pressure is required.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the resonance frequency and the bubble radius in the method for generating the mechanical and electrochemical cavitation MFC according to the first embodiment of the present invention.
  • the resonance frequency is 33 kHz or less.
  • a method for generating mechanical and electrochemical cavitation using the apparatus 1 having the above configuration is performed as follows.
  • the injection nozzle 20 injects the water jet by injecting the high-pressure water W2 into the tap water W1 while being immersed in the tap water W1 stored in the reactor 10. Thereby, a circulating vortex is generated in the water jet. Nuclei (cavitation nuclei) are generated in the circulating vortex. Flow cavitation occurs when the core pressure reaches the saturated vapor pressure at the water jet temperature.
  • the ultrasonic irradiation element 30 irradiates the ultrasonic wave U1 with respect to the flow cavitation caused by the jet of the water jet.
  • high and low pressures repeatedly occur in flow cavitation.
  • the generation of nuclei, the diffusion and expansion of nuclei, the crushing of nuclei, and the generation of nuclei are repeated.
  • the diffusion and expansion of nuclei and the generation of nuclei coincide with each other, so that flow cavitation including a high temperature reaction field (hot spot), that is, functional action and electrochemical action. Cavitation with both (mechanical and electrochemical cavitation MFC) occurs.
  • the high-temperature reaction field of the flow cavitation including the high-temperature reaction field generated by expanding and contracting the flow cavitation by the ultrasonic wave U1 is as described above.
  • the ultrasonic wave U1 since the ultrasonic wave U1 is irradiated, it is distributed ahead of the jet nozzle 20 in the jet direction of the water jet.
  • FIG. 5 is a field emission scanning electron microscope showing the surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by mechanical and electrochemical cavitation according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FE-SEM field emission scanning electron microscope
  • FIG. 6 is a field emission type scanning electron showing a surface of titanium oxide that is made porous and held so as to enclose platinum by the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. It is a microscope (FE-SEM) photograph.
  • FIG. 5 is a field emission scanning electron microscope showing the surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by mechanical and electrochemical cavitation according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FE-SEM field emission type scanning electron showing a surface of titanium oxide that is made porous and held so as to enclose platinum by the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. It is a microscope (FE-SEM) photograph.
  • FIG. 7 is a field emission scanning electron showing a surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. It is a microscope (FE-SEM) photograph.
  • FIG. 8 shows field emission scanning electrons showing the surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. It is a microscope (FE-SEM) photograph.
  • FIG. 9 is a field emission scanning electron showing a surface of titanium oxide made porous and held so as to enclose platinum by the mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. It is a microscope (FE-SEM) photograph.
  • Conditions for generating the functional cavitation MFC are as follows. (Conditions for functional cavitation MFC) Pressure of high-pressure water supplied from the high-pressure water supply source to the injection nozzle 20: 35 MPa Ultrasound U1 irradiation and water jet spraying time: 2 minutes Ultrasound U1 frequency: 28 kHz Ultrasonic output rating: 225W Distance from water jet to ultrasonic irradiation element 30: 54 mm
  • the surface of titanium oxide subjected to mechanical and electrochemical surface modification is porous, and a large number of nm (nanometer) deep pores are formed. It can be seen that it is formed.
  • platinum particles white portions
  • titanium oxide in a state of being encased in titanium oxide (dark gray portions). 6 to 9 show that the same state occurs.
  • FIG. 10 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photograph showing the surface of titanium oxide in which platinum is attached by flow cavitation.
  • FE-SEM field emission scanning electron microscope
  • the surface-modified titanium oxide powder or the like (the present invention product 1 to the present invention product 4, the comparison product 1 to the comparison product 4, the conventional product) is immersed in tap water.
  • the Q mass apparatus quadrature mass spectrometer (QMS) apparatus
  • FIG. 11 shows a Q mass apparatus (quadrupole mass spectrometer (QMS) apparatus) 100 for titanium oxide powder and the like surface-treated by the method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC according to Embodiment 1 of the present invention. It is the schematic which shows a mode that the effect is tested using.
  • These powders were each irradiated for 1 hour with visible light L1 or ultraviolet light L1, and the amounts of hydrogen and oxygen generated were measured.
  • the Q mass apparatus 100 includes a main vacuum chamber 111, a quadrupole mass spectrometer 121, an ionization vacuum gauge 122, valves 123 and 124, a turbo molecular pump 125, and a rotary pump 126.
  • a quartz glass 112 disposed in the main vacuum chamber 111 titanium oxide powder or the like immersed in tap water (present product 1 to present product 4, comparative product 1 to comparative product 4, conventional product) is disposed. .
  • the quadrupole mass spectrometer 121 and the ionization vacuum gauge 122 communicate with the main vacuum chamber 111, and a valve 123 is provided between the quadrupole mass spectrometer 121, the ionization vacuum gauge 122, and the main vacuum chamber 111. It is connected. Further, a turbo molecular pump 125 and a rotary pump 126 are communicated with the quadrupole mass spectrometer 121, the ionization vacuum gauge 122, and the main vacuum chamber 111 in this order via a valve 124.
  • a predetermined amount of helium or argon is previously injected into the main vacuum chamber 111 as an internal standard substance. Then, the valves 123 and 124 are opened in appropriate amounts, and a certain amount of exhaust is performed by the turbo molecular pump 125. Then, the surface-modified titanium oxide powder or the like (the invention product 1 to the invention product 4, the comparison product 1 to the comparison product 4, the conventional product) is irradiated with visible light or ultraviolet light for 1 hour. During this time, the current values of hydrogen and oxygen ionized in the main vacuum chamber 111 were measured by the quadrupole mass spectrometer 121.
  • the present invention product 1 to the present invention product 4 the comparison product 1 to the comparison product 4, and the conventional product used for the production of hydrogen and oxygen by the decomposition of water are as follows.
  • the product 1 of the present invention is a powder of titanium oxide (TiO 2 ) having a rutile crystal structure of 90.9 wt% by a side flow through the substance inflow channel 24 using the apparatus of the first embodiment. And 9.1 wt% platinum powder was introduced into a water jet and surface modification of these materials was performed. The surface modification was performed by the method for generating mechanical and electrochemical cavitation in the first embodiment.
  • the product 2 of the present invention is a powder of titanium oxide (TiO 2 ) having a rutile type crystal structure of 100 wt% by a side flow through the substance inflow channel 24 using the apparatus of the first embodiment.
  • TiO 2 titanium oxide
  • the surface modification was performed by the method for generating mechanical and electrochemical cavitation in the first embodiment.
  • the product 3 of the present invention is a titanium oxide (TiO 2 ) having a rutile type crystal structure of 90.9 wt% by a side flow through the substance inflow channel 24 using the apparatus of the first embodiment.
  • 9.1 wt% nickel (II) oxide (NiO) powder were introduced into a water jet and surface modification of these materials was performed. The surface modification was performed by the method for generating mechanical and electrochemical cavitation in the first embodiment.
  • the product 4 of the present invention is a titanium oxide (TiO 2 ) having a 90.9 wt% anatase type crystal structure by the side flow through the substance inflow channel 24 using the apparatus of the first embodiment.
  • 9.1 wt% platinum powder were introduced into a water jet and surface modification of these materials was performed. The surface modification was performed by the method for generating mechanical and electrochemical cavitation in the first embodiment.
  • the comparative product 1 was obtained by using the apparatus of the first embodiment described above to obtain 90.9 wt% of a titanium oxide (TiO 2 ) powder having a rutile crystal structure and 9.1 wt% of a platinum powder. These materials were obtained by performing surface modification of these substances by flowing into the tap water W1 and irradiating them with ultrasonic waves U1 for 2 minutes and then exposing them to flow cavitation by a water jet for 2 minutes. .
  • TiO 2 titanium oxide
  • the comparative product 2 is made of titanium oxide (TiO 2 ) having a 90.9% by weight rutile crystal structure by the side flow through the substance inflow channel 24 using the apparatus of the first embodiment.
  • TiO 2 titanium oxide
  • These powders and 9.1 wt% platinum powder were introduced into a water jet and surface modification of these materials was performed.
  • the titanium oxide powder and the platinum powder are caused to flow into the water jet by the side flow through the substance inflow channel 24 using the apparatus of the first embodiment, and flow cavitation by the water jet is performed.
  • the ultrasonic wave U1 used in the mechanical and electrochemical cavitation in the first embodiment was performed by irradiating the titanium oxide powder and the platinum powder for 2 minutes.
  • the comparative product 3 is made of titanium oxide (TiO 2 ) having a 90.9 wt% rutile crystal structure by the side flow through the material inflow channel 24 using the apparatus of the first embodiment. These powders and 9.1 wt% platinum powder were introduced into a water jet and surface modification of these materials was performed. In the surface modification, the titanium oxide powder and the platinum powder are caused to flow into the water jet by the side flow through the substance inflow channel 24 using the apparatus of Embodiment 1, and only flow cavitation by the water jet is performed. For 2 minutes.
  • Comparative Product 4 using the apparatus of the above-described first embodiment, a powder and 9.1% by weight of platinum powders of titanium oxide (TiO 2) having a rutile crystal structure of 90.9 wt% It mixed with the tap water W1, and performed by irradiating the ultrasonic wave U1. The surface modification was performed by irradiating the titanium oxide powder and the platinum powder for 2 minutes only with the ultrasonic wave U1 used in the mechanical and electrochemical cavitation in the first embodiment.
  • TiO 2 titanium oxide having a rutile crystal structure of 90.9 wt% It mixed with the tap water W1
  • the surface modification was performed by irradiating the titanium oxide powder and the platinum powder for 2 minutes only with the ultrasonic wave U1 used in the mechanical and electrochemical cavitation in the first embodiment.
  • present invention product 1 to present invention product 4 comparison product 1 to comparison product 4, and conventional product all have a mass of 1.0 g.
  • the results are as shown in Table 1 for visible light irradiation and as shown in Table 2 for ultraviolet irradiation.
  • the present invention product 1 and the present invention product 4 have titanium oxide having a rutile type crystal structure than the present product 4 having titanium oxide having an anatase type crystal structure. It can be seen that the product 1 of the present invention can obtain more hydrogen and oxygen by water decomposition.
  • the present invention product 1 composed of 90.9% by weight of titanium oxide (TiO 2 ) powder having a rutile crystal structure and 9.1% by weight of platinum powder
  • the product 1 of the present invention in which the surface modification is performed by the functional cavitation MFC is different from the comparison products 1 to 4 in which the surface modification by the functional cavitation MFC is not performed. It can be seen that hydrogen and oxygen can be obtained by decomposition of water more than 3 times.
  • the amount of hydrogen and oxygen obtained by the decomposition of water obtained by irradiation with ultraviolet rays is small.
  • the amount of hydrogen and oxygen resulting from the decomposition of water obtained by irradiation with ultraviolet light is much larger than that of the conventional product.
  • the product 1 of the present invention can obtain 25 times more hydrogen than the conventional product.
  • the present invention product 1 composed of 90.9 wt% titanium oxide (TiO 2 ) powder having a rutile crystal structure and 9.1 wt% platinum powder, comparison In the products 1 to 4, the product 1 of the present invention in which the surface modification is performed by the functional cavitation MFC is different from the comparison products 1 to 4 in which the surface modification by the functional cavitation MFC is not performed. It can be seen that hydrogen and oxygen can be obtained by decomposition of water more than 3 times.
  • a water jet is jetted from the jet nozzle 20 immersed in water, and the flow cavitation is different from the flow cavitation caused by the jet of the water jet.
  • a flow cavitation including a high-temperature reaction field is generated by irradiating an ultrasonic wave U1 to a position where the flow velocity of the flow cavitation is lower than a predetermined moving speed, and repeating expansion and contraction by the irradiation of the ultrasonic wave U1.
  • the high temperature reaction field is distributed at a position away from the injection nozzle 20.
  • a high-speed jet that pierces the solid surface of a substance such as titanium oxide when the core contracts and collapses after diffusion and expansion of the core of flow cavitation due to the irradiation of the ultrasonic wave U1.
  • the surface modification of a substance such as titanium oxide can be promoted.
  • the surface of titanium oxide can be made porous, and platinum can be oxidized in a state where platinum particles are encased in titanium oxide on the surface of the porous titanium oxide. It can be set as the state currently carried by titanium.
  • a photocatalyst capable of effectively decomposing water into hydrogen and oxygen can be obtained not only by ultraviolet rays but also by visible light.
  • the moving speed of fluid cavitation is 5 m / s or less.
  • the frequency of the ultrasonic wave U1 is 20 kHz or more and 33 kHz or less. With this configuration, it is possible to irradiate the flow cavitation with the ultrasonic wave U1 having the same frequency as the resonance frequency of bubbles of 100 ⁇ m or more, which is the size of water jet cavitation. As a result, the cavitation nucleus can be easily expanded. Thereby, the method of generating mechanical and electrochemical cavitation MFC can be implemented using any frequency in the frequency band of the ultrasonic wave U1.
  • the distance from the ultrasonic irradiation element 30 that irradiates the ultrasonic wave U1 to the water jet is 5 wavelengths or less of the ultrasonic wave U1.
  • the mechanical and electrochemical cavitation MFC generated by the method of generating mechanical and electrochemical cavitation is converted into titanium oxide as a material. And collide with platinum.
  • the substance is composed of at least one selected from titanium oxide, platinum, and nickel (II) oxide having a rutile-type or anatase-type crystal structure.
  • the titanium oxide particles have a particle size of 100 nm to 400 nm.
  • the particles of platinum or nickel (II) oxide have a particle size of 0.1 ⁇ m or more and 85 ⁇ m or less.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 2 according to the present invention.
  • the colliding object 41A is made of, for example, a flat plate-shaped or curved plate-shaped stainless steel.
  • Functional cavitation MFC generation conditions are the same as those in the first embodiment.
  • the water jet is ejected and collides with the upper surface of the colliding object 41A shown in FIG.
  • a secondary jet is generated around the upper side of the colliding object 41A, the flow rate of water by the water jet is weakened, and the pressure is reduced.
  • the ultrasonic wave U1 similar to that of the first embodiment is irradiated to the water jet whose flow velocity is reduced and the pressure is reduced, and as a result, functional cavitation MFC occurs.
  • the following effects are obtained.
  • the ultrasonic wave U1 By irradiating the ultrasonic wave U1 to the flow cavitation of the secondary jet generated around the collision object 41A by colliding the water jet injected from the injection nozzle 20 with the collision object 41A as described above.
  • a high temperature reaction field of flow cavitation including a high temperature reaction field is generated around the collision object 41A.
  • the pressure of the water jet can be moderately suppressed, and as a result, the functional cavitation MFC can be generated with high efficiency.
  • Embodiment 3 Next, a method for changing the surface geometry and electrochemical properties of a substance according to Embodiment 3 of the present invention will be described.
  • the third embodiment is different from the first embodiment in that, instead of titanium oxide and platinum, a material that requires less gas adsorption and requires high oxidation resistance and corrosion resistance is used as the surface-modified material. Since the other points are the same as those of the second embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • a plate material made of carbon steel SS400 is used as the material whose surface is modified.
  • the water jet jet is made to collide with the board
  • Functional cavitation MFC generation conditions are the same as those in the first embodiment. Thereby, the mechanical and electrochemical surface modification
  • an inert surface with less gas adsorption and high oxidation resistance and corrosion resistance is produced, similar to stainless steel.
  • the surface of the carbon steel SS400 as the material has an inert surface with low gas adsorption and high oxidation resistance and corrosion resistance. Generate. For this reason, conventionally, a substance that could not be used due to a large amount of gas adsorption and low oxidation resistance and corrosion resistance is effectively used as a substance with low gas adsorption and high oxidation resistance and corrosion resistance. be able to.
  • the inexpensive carbon steel SS400 can be used in place of expensive stainless steel that is a substance with low gas adsorption and high oxidation resistance and corrosion resistance.
  • Embodiment 4 Next, a method for peeling a rare metal according to Embodiment 4 of the present invention will be described.
  • the fourth embodiment is different from the third embodiment in that functional cavitation MFC acts on the ITO film used for the transparent electrode of the liquid crystal display. Since the other points are the same as those of the third embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
  • the ITO film is formed by fusing indium (III) oxide (In 2 O 3 ) and tin (IV) oxide (SnO 2 ), and the melting point of the ITO film is about 1800K to 2200K.
  • the ITO film is formed by vapor deposition on a glass substrate as a coating, and the thickness of the ITO film is about 90 nm, thereby forming a transparent electrode.
  • the ITO film together with the glass substrate is immersed in tap water W1 stored in the reactor 10 of the apparatus of the first embodiment. Then, the ITO film together with the glass substrate is exposed to the functional cavitation MFC generated by the water jet and the ultrasonic wave U1.
  • FIG. 13 is an electron micrograph showing the ITO film partially peeled off by the rare metal peeling method of Embodiment 4 according to the present invention.
  • the generation conditions of the functional cavitation MFC are the same as those in the first embodiment.
  • the white portion of the upper third of FIG. 13 is not exposed to the functional cavitation MFC. For this reason, the ITO film remains on the glass substrate as it is.
  • the lower part of about 2/3 is exposed to the functional cavitation MFC.
  • fine particles containing components of the ITO film and lime soda glass (SO 2 , NaCO 3 , CaCO 3 ) constituting the glass substrate are formed.
  • the melting point of lime soda glass is about 1270 K
  • the functional cavitation MFC has reached a high temperature exceeding the melting point of lime soda glass, and is composed of rare metals In 2 O 3 and SnO 2. It can be seen that the ITO film can be easily peeled off. For this reason, it turns out that functional cavitation MFC can be effectively utilized for rare metal recovery.
  • the ITO film when the ITO film is exposed together with the glass substrate only to the flow cavitation that does not irradiate the ultrasonic wave U1, the ITO film is not peeled off from the glass substrate, and as a whole, the upper side of FIG. It remained in the same state as about one third.
  • an ITO film composed of a rare metal is deposited on the mechanical and electrochemical cavitation MFC generated by the method of generating mechanical and electrochemical cavitation in the first embodiment.
  • the ITO film is peeled off from the glass surface by colliding with the surface of the glass as the coated material.
  • the ITO film was peeled off by changing the flow rate of the flow cavitation by changing the distance from the spray nozzle 20 to the ITO film.
  • the flow cavitation flow rates are (A) 5 m / s, (B) 21 m / s, (C) 80 m / s, and (D) 120 m / s, respectively.
  • the ultrasonic wave U1 was irradiated and the state in which the ITO film was peeled was observed.
  • the generation conditions of the functional cavitation MFC are the same as those in the first embodiment.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the break threshold and the flow rate in a test for testing the effect of the method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 15 is a field emission showing the test result when the flow velocity of flow cavitation is 4.5 m / s in a test for testing the effect of the method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention.
  • 3 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph.
  • FIG. 16 is a field emission scan showing a test result when the flow velocity of flow cavitation is 21 m / s in a test for testing the effect of the method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention. It is an electron microscope (FE-SEM) photograph.
  • FIG. 15 is a field emission showing the test result when the flow velocity of flow cavitation is 4.5 m / s in a test for testing the effect of the method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC of Embodiment 1 according to the present invention.
  • 3 is a scanning electron microscope (FE-SEM) photograph.
  • FIG. 16 is
  • FIG. 17 is a field emission scan showing test results when the flow velocity of flow cavitation is 80 m / s in a test for testing the effect of the method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC according to Embodiment 1 of the present invention. It is an electron microscope (FE-SEM) photograph.
  • FIG. 18 is a field emission scan showing a test result when the flow velocity of flow cavitation is 120 m / s in a test for testing the effect of the method for generating mechanical and electrochemical cavitation MFC according to Embodiment 1 of the present invention. It is an electron microscope (FE-SEM) photograph.
  • the surface of the glass as the coating on which the ITO film is deposited is modified to be porous, As in the case where the flow velocity of flow cavitation is 5 m / s, the ITO film and the fine particles containing the components of lime soda glass (SO 2 , NaCO 3 , CaCO 3 ) constituting the glass substrate are uniformly formed. It can be seen that the ITO film cannot be sufficiently peeled off.
  • the ITO film is partially damaged, but the flow cavitation flow rate is uniform as in the case of 5 m / s.
  • the ITO film and fine particles containing components of lime soda glass (SO 2 , NaCO 3 , CaCO 3 ) constituting the glass substrate have not yet been formed, and the ITO film can be sufficiently peeled off. I understand that I can't.
  • Embodiment 5 Next, a method for generating a deuterium fusion reaction according to Embodiment 5 of the present invention will be described.
  • the fifth embodiment is different from the first embodiment in that heavy water or a liquid containing deuterium is used instead of the tap water W1 and the high-pressure water W2. Since the other points are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
  • the liquid flows against the flow cavitation caused by the jet of the liquid containing heavy water or deuterium.
  • the ultrasonic wave U1 is irradiated from the ultrasonic irradiation element 30 to a position where the flow rate of cavitation becomes 5 m / s or less.
  • the high-temperature reaction field of the flow cavitation including the high-temperature reaction field which is caused by repeated expansion and contraction by ultrasonic irradiation, is distributed at a position away from the injection nozzle, and at the distributed position, the cavitation collapses. Generates a deuterium fusion reaction.
  • Method for generating mechanical and electrochemical cavitation according to the present invention, method for changing the geometrical shape and electrochemical properties of the surface of a material, method for stripping rare metals, apparatus for generating mechanical and electrochemical cavitation
  • the method for generating the deuterium fusion reaction is not limited to the contents of Embodiments 1 to 4 described above, and various modifications and changes as described below are possible.
  • the configuration of the apparatus used in the method for generating mechanical and electrochemical cavitation is not limited to the configuration of the apparatus of the above-described embodiment.
  • the injection nozzle is composed of a horn nozzle, it is not limited to this.
  • the ultrasonic irradiation element 30 irradiated the ultrasonic wave U1 with respect to the water jet from the horizontal direction with respect to the water jet injected vertically downward, it is not limited to this structure.
  • the ultrasonic wave U1 may be irradiated from a direction nearly parallel to the water jet.
  • tap water W1 was used in this embodiment, it is not limited to this.
  • ultrapure water or pure water may be used instead of tap water.
  • an organic solvent such as acetone may be used instead of tap water.
  • the colliding object 41A is made of, for example, a flat plate-like or curved plate-like stainless steel, but is not limited thereto.
  • the carbon steel SS400 plate material is used as the surface-modified substance, but is not limited thereto.
  • the ITO film is peeled from the glass substrate, but the present invention is not limited to this. That is, the rare metal is not limited to the ITO film, and the coating is not limited to the glass substrate.
  • the present invention can be used in a field that utilizes a high-temperature reaction field of flow cavitation, for example, a field that modifies the surface of a substance by polishing the surface of the substance or making the surface of the substance porous. It can be widely applied in the field of fusion reactions in high temperature reaction fields.

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Abstract

機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを利用してレアメタルを剥離する方法、及び、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置を発生させる方法を提供する。機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法では、水（Ｗ１）中に浸漬させた噴射ノズル（２０）からウォータージェットを噴射させると共に、ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波（Ｕ１）を照射して、機能的作用と電気化学的作用との両方を有するキャビテーション（ＭＦＣ）を発生させる。

Description

機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、レアメタルを剥離する方法、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置、及び、重水素の核融合反応を発生させる方法
　本発明は、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、レアメタルを剥離する方法、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置、及び、重水素の核融合反応を発生させる方法に関する。
　震災後、特に原子力発電の有用性や安全性、放射能汚染等の問題が注目されている。また火力発電における二酸化炭素の排出を抑えて、化石資源に依存しない持続可能な社会を構築するためには、再生可能エネルギーの有効利用が必須である。特に再生可能エネルギーの中でも最も膨大である太陽エネルギーの利用は非常に重要であるが、その利用技術は限定されている。太陽エネルギーの利用としては、例えば、太陽光発電、太陽熱、バイオマス、人口光合成等がある。
　水素は、二酸化炭素を排出しないクリーンなエネルギーに転換することができる。水素は酸素と反応して、電力と熱と水を発生する。水素は、エネルギーを生み出す効率が高く、用途は自動車から発電設備の燃料まで幅広い。酸化物半導体を用いた光触媒や光電極で水を直接分解して、水素と酸素を製造する太陽光水素製造技術は低コストであり、将来の水素社会実現に向けて活発に研究が推進されている。
　光触媒分野では、様々な光触媒材料（酸化物半導体）が研究されている。酸化チタンは低コストで、光電極や光触媒の材料として太陽エネルギー変換材料への応用が注目されている。ＴｉＯ２光触媒反応は、３５０ｎｍの波長の光（紫外線）が有効であるという特徴をもっている。しかしながら、太陽光には紫外線は僅かしか含まれておらず、効率的なエネルギー変換のためには、太陽エネルギーの半分を占める可視光を利用することが不可欠である。酸化チタンを装飾して可視光応答性を持たせる研究は盛んに行われており、また、金属の表面を改質する研究も行われている（特許文献１参照）。
特開２００６－２５５８６５号公報
　しかし、従来の触媒では水素を発生させる能力が低かった。即ち、従来の光触媒材料や光電極材料を用いて太陽エネルギーを水素エネルギーに変換する効率は低く、高性能システムの開発が熱望されている。
　本発明は、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを利用してレアメタルを剥離する方法、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置、及び、重水素の核融合反応を発生させる方法を提供することを目的とする。
　請求項１に記載の発明は、水中に浸漬させた噴射ノズルからウォータージェットを噴射させると共に、前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
　請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記流動キャビテーションの移動速度は、５ｍ／ｓ以下であることを特徴とする。
　請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記超音波の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
　請求項４に記載の発明は、請求項１又は請求項２において、前記超音波を照射する超音波照射素子から前記ウォータージェットまでの距離は、前記超音波の５波長以下であることを特徴とする。
　請求項５に記載の発明は、請求項１～請求項４のいずれかにおいて、前記噴射ノズルから噴射される前記ウォータージェットを被衝突物に衝突させることによって前記被衝突物の周辺に生じる２次噴流の流動キャビテーションに対して、前記超音波を照射することにより、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を、前記被衝突物の周辺に発生させることを特徴とする。
　請求項６に記載の発明は、請求項１～請求項５のいずれかにおける、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、物質に衝突させて、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法である。
　請求項７に記載の発明は、請求項６において、前記物質は、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン、白金、及び、酸化ニッケルのうちから選択された少なくとも１つにより構成され、前記酸化チタンの粒子は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有し、前記白金、又は、前記酸化ニッケルの粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有することを特徴とする。
　請求項８に記載の発明は、請求項６において、前記物質の表面において、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面を生成することを特徴とする。
　請求項９に記載の発明は、請求項１～請求項５のいずれかにおける、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、レアメタルが蒸着された被覆物の表面に衝突させて、前記被覆物の表面から前記レアメタルを剥離する方法である。
　請求項１０に記載の発明は、水中に浸漬されウォータージェットを噴射する噴射ノズルと、前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる超音波照射素子と、を備える、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置である。
　請求項１１に記載の発明は、重水もしくは重水素を含む液体に浸漬させた噴射ノズルから重水もしくは重水素を含む液体を噴射させると共に、前記重水もしくは重水素を含む液体の噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させ、キャビテーションの崩壊により重水素の核融合反応を発生させる方法である。
　本発明によれば、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、及び、発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを利用してレアメタルを剥離する方法を提供することができる。
本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を示す概略図である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法におけるブレーク閾値と平衡半径との関係を示すグラフである。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法におけるブレーク閾値と流速との関係を示すグラフである。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法における共鳴周波数と気泡半径との関係を示すグラフである。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。 流動キャビテーションにより、白金が付着した状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法により表面処理された酸化チタン粉末等について、Ｑマス装置（四重極質量分析計（ＱＭＳ）装置）１００を用いて効果の試験をする様子を示す概略図である。 本発明による実施形態２の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を示す概略図である。 本発明による実施形態４のレアメタルの剥離方法により、ＩＴＯ膜が部分的に剥離された様子を示す電子顕微鏡写真である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験におけるブレーク閾値と流速との関係を示すグラフである。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が４．５ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が２１ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が８０ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。 本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が１２０ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。
　以下、本発明に係る、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法の実施形態について説明する。まず、実施形態１について説明する。
（実施形態１）
　図１は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を示す概略図である。
　図１に示すように、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法を実施するための機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置１は、リアクター１０と、噴射ノズル２０と、超音波照射素子３０とを有している。リアクター１０には、水道水Ｗ１が貯留されている。
　噴射ノズル２０は、高圧水供給源（図示せず）に接続されている。噴射ノズル２０の吐出口は、リアクター１０に貯留されている水道水Ｗ１に浸漬されている。高圧水供給源（図示せず）から供給される高圧水Ｗ２は、吐出口からリアクター１０に貯留されている水道水Ｗ１へ、高圧のウォータージェットとして噴射される。高圧水Ｗ２の圧力は、１ＭＰａ以上７０ＭＰａ以下である。
　高圧水Ｗ２の圧力が１ＭＰａ未満では、適度に高圧のウォータージェットを得ることができず、機械的及び電気化学的キャビテーション（以下、「機能性キャビテーションＭＦＣ（Ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ）」と言う）の核が発生しにくく、機能性キャビテーションＭＦＣを適度に得ることができないからである。また高圧水Ｗ２の圧力が７０ＭＰａを超えると、ウォータージェットの圧力が高すぎて、機能性キャビテーションＭＦＣの核が膨張しにくいため、機能性キャビテーションＭＦＣを適度に得ることができないからである。特に、３ＭＰａ以上であれば、機能性キャビテーションＭＦＣを容易に発生させるためのウォータージェットを噴射可能である。ここで、「機械的及び電気化学的キャビテーション（機能性キャビテーションＭＦＣ）」とは、酸化チタン等の物質の表面を多孔質状とする等の、物質の表面の幾何学的形状を変化させる、機械的な表面改質の作用を及ぼすのみならず、水を水素と酸素とに分解するときのバンドギャップを低減する等の、電気化学的な表面改質作用を及ぼすことが可能なキャビテーションを意味する。
　噴射ノズル２０は、オリフィス部２１と、混合室２２と、ホーン部２３とを有している。オリフィス部２１は、円筒形状を有している。オリフィス部２１の上流側の端部は、高圧水供給源（図示せず）に連通している。オリフィス部２１には、高圧水供給源（図示せず）から供給される高圧水Ｗ２が流入する。
　混合室２２の上流側の端部は、オリフィス部２１の下流側の端部に接続されている。混合室２２は、オリフィス部２１よりも僅かに拡径しており、混合室２２には、内径が１ｍｍ～４ｍｍ程度の物質流入流路２４が連通している。混合室２２には、オリフィス部２１から高圧水Ｗ２が流入すると共に、物質流入流路２４を通した副流により、酸化チタンの粉末（ＴｉＯ２）、白金（Ｐｔ）、酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）の粉末Ｍ１が流入する。
　物質流入流路２４を通した副流により流入する酸化チタンは、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する。また、酸化チタンの粒子は、１０μｍ以下の粒径を有しており、好ましくは、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有している。粒径が１０μｍを超えると、粒径が大きすぎて、酸化チタンの粒子の表面を微細化して多孔質構造とする表面改質をすることが困難になる。表面改質を効率的に行うためには、酸化チタンの粒径が小さいことが好ましく、より効率的に表面改質を行うためには、粒径が４００ｎｍ以下であることが好ましい。また、酸化チタンの粒子の粒径が１００ｎｍ未満の場合には、粒子が小さすぎて効率的に表面改質を行うことが困難となる。
　また、白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有している。白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒子についても、酸化チタンの場合と同様に、表面改質を効率的に行うためには、粒径が小さいことが好ましい。白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒径が８５μｍを超える場合には、白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の表面改質を効率的に行うことが困難となる。白金、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒径が０．１μｍ未満の場合には、粒子が小さすぎて、表面を微細化して多孔質構造とする表面改質を効率的に行うことが困難となる。
　ホーン部２３の上流側の端部は、混合室２２の下流側の端部に接続されている。ホーン部２３は、ホーン部２３の先端（ホーン部２３の下流側の端部により構成される噴射ノズル２０の吐出口）に向かって、テーパー状に拡径する。従って、噴射ノズル２０は、ホーンノズルにより構成されている。ホーン部２３の先端の最大直径は０．８ｍｍ～２ｍｍ程度である。以上のような構成を有する噴射ノズル２０は、リアクター１０に貯留された水道水Ｗ１の中で、ウォータージェットを噴射し、これに伴い、水道水Ｗ１の中で流動キャビテーションを発生させる。
　超音波照射素子３０は、駆動制御装置（図示せず）に電気的に接続されており、鉛直下方へ噴射されるウォータージェットに対して、水平の方向からウォータージェットに対して超音波Ｕ１を照射する。超音波照射素子３０は、駆動制御装置からの出力により、リアクター１０に貯留された水道水Ｗ１の中で、超音波Ｕ１を照射する。照射される超音波Ｕ１の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下である。
　照射される超音波Ｕ１の周波数が２０ｋＨｚ未満では、周波数が低すぎて、超音波Ｕ１の効果を得ることができないからである。照射される超音波Ｕ１の周波数が１００ｋＨｚを超えると、周波数が高すぎて、超音波Ｕ１の効果を得ることができず、また、３３ｋＨｚを超えると、気泡半径を等温膨張・断熱圧縮させやすい共鳴半径から離れてしまい、気泡半径を等温膨張・断熱圧縮させにくくなるからである。より好ましくは、２８ｋＨｚ近辺である。気泡半径と、超音波Ｕ１の周波数との関係については後述する。
　また、照射される超音波Ｕ１の超音波出力定格値は、１００Ｗ以上３００Ｗ以下である。照射される超音波Ｕ１の超音波出力定格値が１００Ｗ未満では、超音波Ｕ１の出力が弱すぎて、キャビテーションの核の膨張・収縮による圧壊を十分に行うことができないからである。照射される超音波Ｕ１の超音波出力定格値が３００Ｗを超えると、超音波Ｕ１の出力が強い割には、効果的なキャビテーションの核の膨張と、収縮による圧壊とを行うことができず、出力を大きくする意味がないためである。
　即ち、気泡振動（キャビテーションの核への振動）の共振周波数を与える半径を、共鳴半径と呼ぶが、音圧（超音波出力）が大きいと、共鳴半径以上では、キャビテーションの核はあまり膨張せず、レイリー収縮（断熱圧縮）を生じさせない。一方、音圧をＢｌａｋｅ閾値とする（等温膨張に必要な音圧とする）気泡半径以下でも、気泡の膨張は小さくなる。これらのことから、一般にレイリー収縮を起こすような活性な気泡の平衡半径は、Ｂｌａｋｅ閾値と共鳴半径の間にあるためである。
　超音波照射素子３０は、リアクター１０に貯留された水道水Ｗ１において、噴射ノズル２０が噴射するウォータージェットから、超音波照射素子３０から照射される超音波Ｕ１の５波長分の距離以下の距離で離れた位置に配置される。具体的には、照射される超音波Ｕ１の周波数が２８ｋＨｚの場合には、噴射ノズル２０が噴射するウォータージェットから約５４ｍｍ以下で離れた位置に配置される。超音波照射素子３０から照射される超音波Ｕ１の５波長分の距離を超えると、超音波Ｕ１の強度が低下し、機能性キャビテーションＭＦＣの核が膨張している状態から収縮する状態に移らずに、機能性キャビテーションＭＦＣによる物質の表面改質の効果を十分に得ることができないからである。
　また、超音波照射素子３０は、噴射ノズル２０から離間した位置であって、流動キャビテーションが膨張可能な、流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置にある流動キャビテーションに対して、超音波Ｕ１を照射する。これにより、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場を噴射ノズル２０から離間した位置に分布させる。ここで所定の移動速度とは、５ｍ／ｓである。
　所定の移動速度は、以下のようにして求められる。
　水蒸気圧をｐｖとし、雰囲気圧をｐｏとし、表面張力をσとし、平衡半径をＲ０としたときに、キャビテーションの核が膨張するために必要な最小圧力は、以下の式により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 気泡が表面張力σに打ち勝って大きく膨張するための条件は、以下のとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　超音波Ｕ１の周波数が低い（２０ｋＨｚ程度の）場合、ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅと平衡半径Ｒｏとの関係は、図２のグラフに示すとおりである。図２は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法におけるブレーク閾値と平衡半径との関係を示すグラフである。
　図２に示すグラフより、平衡半径が１μｍより大きい場合には、ブレーク閾値は１ｂａｒ（大気圧）に等しくなり、容易に膨張させることが可能になる。ここで、液体密度をρとし、液体の流速をνとし、振動速度をν０として、ベルヌーイの定理を用いると、気泡膨張に必要な音圧は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 で表される。
　気泡半径が１００μｍの場合の，ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅと流速νとの関係は、図３のグラフに示すとおりである。図３は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法におけるブレーク閾値と流速との関係を示すグラフである。
　図３に示すグラフより、流速νが４．５２ｍ／ｓのときに、ノズルから離間した位置において、ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅは１ｂａｒに等しくなる。このように、液体の流速、即ち、流動キャビテーションの流速が、所定の移動速度である５ｍ／ｓ以下になる位置においては、音圧が低くてもキャビテーションの核は膨張することができることが分かる。図３に示すように、流動キャビテーションの流速が、所定の移動速度である５ｍ／ｓを超える位置の辺りからブレーク閾値ＡＢｌａｋｅは急に大きくなり、噴射ノズル２０に近づいて流動キャビテーションの流速が高くなる程、ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅは大きくなり、キャビテーションの核を膨張させるためには、大きな音圧が必要になることが分かる。
　水中で超音波の波長より十分に小さい半径Ｒの気泡球が振動速度で振動している場合を考える。複数の気泡が相互に作用せずに振動する場合に、ρを水の密度とし、Ｐ０を雰囲気圧とし、γを比熱比とし、Ｒ０を気泡半径とすると、気泡振動の共振周波数（共鳴周波数）を与える以下のミンナルトの式が知られている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　上記式において、Ｐ０＝１０５Ｐａとし、γ＝１．４として、共振周波数を計算した結果は、図４のグラフに示すとおりである。図４は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法における共鳴周波数と気泡半径との関係を示すグラフである。
　ウォータージェットキャビテーションのサイズである１００μｍ以上の気泡では、共振周波数は３３ｋＨｚ以下となり、例えば、超音波照射素子３０から照射される超音波Ｕ１の周波数を２８ｋＨｚとすることより，気泡を膨張させ活性化するのに有効であると考えられる。
　以上の構成を有する装置１が用いられて、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法は、以下のとおり実施される。
　噴射ノズル２０は、リアクター１０に貯留されている水道水Ｗ１に浸漬された状態で、高圧水Ｗ２を水道水Ｗ１に対して噴射することによるウォータージェットを噴射する。これにより、ウォータージェットにおいて循環渦が発生する。循環渦においては核（キャビテーション核）が発生する。核の中心の圧力が、ウォータージェットの温度における飽和蒸気圧に達すると、流動キャビテーションが発生する。
　このとき、超音波照射素子３０は、ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して超音波Ｕ１を照射している。これにより、流動キャビテーションにおいて圧力の高低が繰り返し生ずる。このため、核の発生と、核の拡散及び膨張と、核の圧壊と、核の発生と、が繰り返し行われる。そして、この繰り返しの中で、核の拡散及び膨張と、核の発生と、が一致することにより、高温反応場（ホットスポット）を含んだ流動キャビテーション、即ち、機能的作用と電気化学的作用との両方を有するキャビテーション（機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣ）が発生する。
　機能性キャビテーションＭＦＣは、圧壊し始めると、物質としての酸化チタンや白金等に近づく。そして、体積減少を起こし、物質の表面に突き刺さるような高速ジェット（マイクロジェット）を生成する。この機能性キャビテーションＭＦＣによる高速ジェット（マイクロジェット）は、物質流入流路２４を通した副流によりウォータージェットに流入した酸化チタンの粉末や白金の粉末等に衝突する。これにより、酸化チタン及び白金等の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる、マイクロジェットによる機械的及び電気化学的な表面改質が施される。
　このように、流動キャビテーションを超音波Ｕ１により膨張・収縮させることにより生ずる、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場は、前述のように、超音波照射素子３０は、ウォータージェットの噴射に対して超音波Ｕ１を照射しているため、ウォータージェットの噴出方向における噴射ノズル２０の先方に分布する。
　次に、本実施形態により機能性キャビテーションＭＦＣを発生させて、酸化チタン粉末の表面改質を行った。酸化チタンの表面に対して機械的及び電気化学的な表面改質を施して得られた結果は、図５～図９に示すとおりである。
　図５は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。図６は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。図７は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。図８は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。図９は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣにより、多孔質状とされ白金を包み込むように保持している状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。
　機能性キャビテーションＭＦＣを発生させる際の条件は、以下のとおりである。
 
（機能性キャビテーションＭＦＣ発生条件）
高圧水供給源から噴射ノズル２０へ供給される高圧水の圧力　：　３５ＭＰａ
超音波Ｕ１の照射及びウォータージェットの噴射時間　：　２分
超音波Ｕ１の周波数　：　２８ｋＨｚ
超音波出力定格値　：　２２５Ｗ
ウォータージェットから超音波照射素子３０までの距離　：　５４ｍｍ
 
　図５～図９に示すように、機械的及び電気化学的な表面改質が施された酸化チタンの表面は、多孔質状とされており、ｎｍ（ナノメートル）サイズの多数の深い孔が形成されていることが分かる。また、図５において矢印で示すように、白金の粒子（白い部分）は、酸化チタン（濃いグレーの部分）に包み込まれるような状態で、酸化チタンに坦持されていることが分かる。図６～図９においても、同様の状態が生じていることが分かる。
　これに対して、超音波Ｕ１を照射しないことを除いて、同一の条件下で、ウォータージェットによる流動キャビテーションによる酸化チタンの表面改質により得られた結果は、図１０に示すとおりである。図１０は、流動キャビテーションにより、白金が付着した状態とされた酸化チタンの表面を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。
　図１０に示すように、流動キャビテーションによる表面改質が行われた酸化チタンの表面は、図５～図９に示す程の多孔質状を有していないことが分かる。また、白金の粒子は、酸化チタンの表面に付着しているような状態であり、白金の粒子が酸化チタンに包み込まれるようにして酸化チタンに坦持されている状態とは大きく異なることが分かる。
　次に、本実施形態により機能性キャビテーションＭＦＣにより、上述のように表面改質された酸化チタン粉末等を用いて、水を分解して水素及び酸素の生成を行った。具体的には、水の分解においては、表面改質された酸化チタン粉末等（本発明品１～本発明品４、比較品１～比較品４、従来品）を水道水に浸漬させ、これを図１１に示すＱマス装置（四重極質量分析計（ＱＭＳ）装置）１００における低真空中に配置した。図１１は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法により表面処理された酸化チタン粉末等について、Ｑマス装置（四重極質量分析計（ＱＭＳ）装置）１００を用いて効果の試験をする様子を示す概略図である。そして、可視光Ｌ１、又は、紫外線Ｌ１をこれらの粉末にそれぞれ１時間照射し、発生する水素、酸素の量を測定した。
　Ｑマス装置１００は、メイン真空室１１１と、四重極質量分析計１２１と、電離真空計１２２と、弁１２３、１２４と、ターボ分子ポンプ１２５と、ロータリーポンプ１２６とを有している。メイン真空室１１１に配置された石英ガラス１１２上に、水道水に浸漬された酸化チタン粉末等（本発明品１～本発明品４、比較品１～比較品４、従来品）が配置される。
　四重極質量分析計１２１及び電離真空計１２２は、メイン真空室１１１に連通しており、四重極質量分析計１２１及び電離真空計１２２とメイン真空室１１１との間には、弁１２３が接続されている。また、四重極質量分析計１２１、電離真空計１２２、及び、メイン真空室１１１には、弁１２４を介して、ターボ分子ポンプ１２５と、ロータリーポンプ１２６とがこの順で連通している。
　メイン真空室１１１には、予め内部標準物質としてヘリウム又はアルゴンを一定量注入しておく。そして、弁１２３、１２４を適量開いて、ターボ分子ポンプ１２５により、一定の量の排気を行う。そして、表面改質された酸化チタン粉末等（本発明品１～本発明品４、比較品１～比較品４、従来品）に対して可視光又は紫外線を１時間照射する。この間、メイン真空室１１１においてイオン化された水素、酸素それぞれについての電流値を、四重極質量分析計１２１において測定した。そして、水分子（Ｈ２Ｏ）からの水素（Ｈ）のパターン係数に基づき、水分子の水素（Ｈ）の奇与分を差し引くことにより、水の分解により発生した水素（Ｈ２）の生成速度及び、酸素（Ｏ２）の、単位時間当たりの生成速度を測定した。水の分解による水素及び酸素の生成に用いられた本発明品１～本発明品４、比較品１～比較品４、従来品は、以下のとおりである。
　本発明品１は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により行った。
　また、本発明品２は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、１００重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末をウォータージェットに流入させて、この物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により行った。
　また、本発明品３は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により行った。
　また、本発明品４は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により行った。
　また、比較品１は、前述の実施形態１の装置を用いて、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末を水道水Ｗ１に流入させて、これらに対して超音波Ｕ１を２分間照射した後、ウォータージェットによる流動キャビテーションに２分間晒すことにより、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。
　また、比較品２は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、この酸化チタンの粉末及び白金の粉末を、実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、ウォータージェットに流入させて、ウォータージェットによる流動キャビテーションに２分間晒した後に、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションで用いられた超音波Ｕ１を、酸化チタンの粉末及び白金の粉末に対して２分間照射することにより行った。
　また、比較品３は、前述の実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末をウォータージェットに流入させて、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。表面改質は、この酸化チタンの粉末及び白金の粉末を、実施形態１の装置を用いて、物質流入流路２４を通した副流により、ウォータージェットに流入させて、ウォータージェットによる流動キャビテーションのみに２分間晒すことにより行った。
　また、比較品４は、前述の実施形態１の装置を用いて、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末を水道水Ｗ１に混入させて、超音波Ｕ１を照射することにより行った。表面改質は、本実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションで用いられた超音波Ｕ１のみを、酸化チタンの粉末及び白金の粉末に対して２分間照射することにより行った。
　また、従来品は、９９．９重量％のアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び０．１重量％の白金の粉末に対して、高圧水銀灯を用いて紫外線を照射しながら、回転子（攪拌子）を用いてスターラー攪拌を行うことにより、これらの物質の表面改質を行って得られたものである。攪拌時間は、８時間である。
　また、上述の本発明品１～本発明品４、比較品１～比較品４、従来品については、いずれも質量は１．０ｇである。結果は、可視光照射については、表１に示すとおりであり、紫外線照射については、表２に示すとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表１に示すように、従来品では、可視光を照射しただけでは、水の分解による水素及び酸素を得ることはできなかった。これに対して、本発明品１～本発明品４のいずれにおいても、可視光の照射により、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
　また、表１に示すように、本発明品１～本発明品３においては、酸化チタン（ＴｉＯ２）のみにより構成される本発明品２や、酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）の粉末により構成される本発明品３よりも、酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末により構成されている本発明品１の方が、遙かに大量の、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
　また、表１に示すように、本発明品１、本発明品４においては、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンを有する本発明品４よりも、ルチル型の結晶構造を有する酸化チタンを有する本発明品１の方が、より多くの、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
　また、表１に示すように、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末により構成される本発明品１、比較品１～比較品４においては、機能性キャビテーションＭＦＣにより表面改質が行われた本発明品１は、機能性キャビテーションＭＦＣによる表面改質が行われていない比較品１～比較品４に対して、３倍以上の、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
　また、表２に示すように、従来品では、紫外線の照射により得られる、水の分解による水素及び酸素の量は僅かである。これに対して、本発明品１～本発明品４のいずれにおいても、紫外線光の照射により得られる、水の分解による水素及び酸素の量は、従来品よりも遙かに多いことが分かる。特に、本発明品１では、従来品と比較して、２５倍以上の水素を得られることが分かる。
　また、表２に示すように、本発明品１～本発明品３においては、酸化チタン（ＴｉＯ２）のみにより構成される本発明品２や、酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）の粉末により構成される本発明品３よりも、酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末により構成されている本発明品１の方が、遙かに大量に、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
　また、表２に示すように、本発明品１、本発明品４においては、紫外線を照射した場合には、水素については可視光を照射した場合とは逆の結果が得られることが分かる。具体的には、アナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタンを有する本発明品４の方が、ルチル型の結晶構造を有する酸化チタンを有する本発明品１よりも、より多くの、水の分解による水素を得ることができることが分かる。酸素については、可視光を照射した場合と同様の結果が得られることが分かる。
　また、表２に示すように、９０．９重量％のルチル型の結晶構造を有する酸化チタン（ＴｉＯ２）の粉末及び９．１重量％の白金の粉末により構成される本発明品１、比較品１～比較品４においては、機能性キャビテーションＭＦＣにより表面改質が行われた本発明品１は、機能性キャビテーションＭＦＣによる表面改質が行われていない比較品１～比較品４に対して、３倍以上の、水の分解による水素及び酸素を得ることができることが分かる。
　上述した実施形態１の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法は、水中に浸漬させた噴射ノズル２０からウォータージェットを噴射させると共に、ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、流動キャビテーションが膨張可能な、流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波Ｕ１を照射して、超音波Ｕ１の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場を噴射ノズル２０から離間した位置に分布させる。
　上記構成により、超音波Ｕ１の照射により、流動キャビテーションの核の拡散・膨張の後に核が収縮し圧壊する際に、体積減少を起こして、酸化チタン等の物質の固体表面に突き刺さるような高速ジェットを発生させて、酸化チタン等の物質の表面改質を促進させることができる。これにより、例えば、酸化チタンの表面を多孔質状にすることができ、また、多孔質状とされた酸化チタンの表面に、白金の粒子が酸化チタンに包み込まれるような状態で、白金を酸化チタンに坦持されている状態とすることができる。また、紫外線のみならず、可視光によっても、効果的に水を水素と酸素とに分解することができる光触媒を得ることができる。
　また、流動キャビテーションの移動速度は、５ｍ／ｓ以下である。この構成により、ブレーク閾値ＡＢｌａｋｅを１ｂａｒ（大気圧）に等しくすることができ、キャビテーションの核を容易に膨張させることが可能になる。
　また、超音波Ｕ１の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下である。この構成により、ウォータージェットキャビテーションのサイズである１００μｍ以上の気泡の共振周波数と同様の周波数の超音波Ｕ１を、流動キャビテーションに対して照射することができる。この結果、キャビテーションの核を容易に膨張させることが可能になる。これにより、超音波Ｕ１の周波数帯域のうちのいずれかの周波数を用いて、機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を実施することができる。
　また、超音波Ｕ１を照射する超音波照射素子３０からウォータージェットまでの距離は、超音波Ｕ１の５波長以下である。この構成により、超音波Ｕ１を十分な強度でウォータージェットに対して照射することができる。この結果、機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを効果的に発生させることができる。
　また、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法では、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを、物質としての酸化チタン及び白金に衝突させる。
　上記構成により、機能性キャビテーションＭＦＣにより酸化チタン及び白金の表面を多孔質として、機械的に（幾何学的に）変化させることが可能であることのみならず、バンドギャップを低減してバンド構造を変化させ、エネルギー変換効率を向上させることができる。
　即ち、半導体電極として酸化チタン（ＴｉＯ２）、金属電極として白金（Ｐｔ）を用い、半導体電極に紫外線を照射すると、本多－藤嶋効果により、半導体電極から酸素（Ｏ２）が発生し、金属電極から水素（Ｈ２）が発生する。このとき金属電極には、－０．５Ｖ程度の外部バイアス電圧をかける必要があったが、水の理論電解電圧１．２３Ｖよりも遥かに低い電圧で、水が水素と酸素とに分解される。
　機能性キャビテーションＭＦＣによる表面処理を酸化チタンにより構成される半導体電極や白金により構成される金属電極に施すと、バイアス電圧なしで水の光分解を起こすことが可能となる。また紫外線の照射のみならず、可視光（太陽光）の照射によっても、高いエネルギー変換効率で水素を発生させることが可能となる。また、機能性キャビテーションＭＦＣによる物質の表面改質による高機能化を、酸化チタンや白金のみならず、他分野の物質にも適用可能である。
　また、物質は、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン、白金、及び、酸化ニッケル（ＩＩ）のうちから選択された少なくとも１つにより構成される。酸化チタンの粒子は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有する。白金、又は、酸化ニッケル（ＩＩ）の粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有する。この構成により、光触媒による水の水素と酸素とへの分解を行う際の半導体電極及び金属電極として、エネルギー変換効率の高い半導体電極及び金属電極を構成することができる。
（実施形態２）
　次に、本発明に係る機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法について説明する。実施形態２では、ウォータージェットが被衝突物に対して噴出され衝突される点において、実施形態１とは異なる。これ以外の点については、実施形態１と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。図１２は、本発明による実施形態２の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法を示す概略図である。
　図１２に示すように、被衝突物４１Ａは、例えば、平坦な板状又は湾曲した板状のステンレス鋼により構成される。機能性キャビテーションＭＦＣ発生条件については、実施形態１と同一である。ウォータージェットは、図１２に示す被衝突物４１Ａの上面に対して噴出され衝突する。これより、被衝突物４１Ａの上側の周辺に２次噴流が発生し、ウォータージェットによる水の流動速度が弱められ、圧力が低下させられる。このように、流動速度が弱められ、圧力が低下させられたウォータージェットに対して、実施形態１と同様の超音波Ｕ１の照射が行われ、この結果、機能性キャビテーションＭＦＣが発生する。
　上述した実施形態２の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、噴射ノズル２０から噴射されるウォータージェットを被衝突物４１Ａに衝突させることによって被衝突物４１Ａの周辺に生じる２次噴流の流動キャビテーションに対して、超音波Ｕ１を照射することにより、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場を、被衝突物４１Ａの周辺に発生させる。この構成により、ウォータージェットの圧力を適度に抑えることができ、この結果、機能性キャビテーションＭＦＣを高効率で発生させることができる。
（実施形態３）
　次に、本発明の実施形態３に係る、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法について説明する。実施形態３では、表面改質される物質として、酸化チタン及び白金に代えて、ガス吸着が少なく、高い耐酸化性及び耐食性が要求される物質が用いられる点において、実施形態１とは異なる。これ以外の点については、実施形態２と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。
　表面改質される物質としては、例えば、炭素鋼ＳＳ４００により構成される板材が用いられる。炭素鋼ＳＳ４００により構成される物質である板材は、実施形態２における被衝突物４１Ａが配置された位置に、被衝突物４１Ａに代えて配置される。そして、物質流入流路２４が閉じられて副流が発生しない状態で、炭素鋼ＳＳ４００により構成される板材には、ウォータージェット噴流が衝突させられる。機能性キャビテーションＭＦＣ発生条件については、実施形態１と同一である。これにより、炭素鋼ＳＳ４００により構成される物質の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる、機能性キャビテーションＭＦＣによる機械的及び電気化学的な表面改質が施される。炭素鋼ＳＳ４００の板材においては、ステンレス並みに、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面が生成される。
　上述した実施形態３の、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法では、物質としての炭素鋼ＳＳ４００の表面において、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面を生成する。このため、従来では、ガス吸着が多く、また、耐酸化性及び耐食性が低いために用いることができなかった物質を、ガス吸着が少なく、また、耐酸化性及び耐食性の高い物質として有効利用することができる。例えば、上述のように、安価な炭素鋼ＳＳ４００を、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性の高い物質である高価なステンレス鋼に代えて用いることができる。
（実施形態４）
　次に、本発明の実施形態４に係る、レアメタルを剥離する方法について説明する。実施形態４では、液晶ディスプレイの透明電極に用いられるＩＴＯ膜に対して、機能性キャビテーションＭＦＣが作用する点において、実施形態３とは異なる。これ以外の点については、実施形態３と同一であるため、同一の部材については、同一の符号を付すこととし、説明を省略する。
　ＩＴＯ膜は、酸化インジウム（ＩＩＩ）（Ｉｎ２Ｏ３）と酸化スズ（ＩＶ）（ＳｎＯ２）とが融合されて構成されており、ＩＴＯ膜の融点は、１８００Ｋ～２２００Ｋ程度である。ＩＴＯ膜は、被覆物としてのガラス基板に蒸着させられて形成され、ＩＴＯ膜の厚さは９０ｎｍ程度であり、これにより、透明電極が構成されている。ガラス基板とともにＩＴＯ膜は、実施形態１の装置のリアクター１０に貯留されている水道水Ｗ１に浸漬させられる。そして、ガラス基板とともにＩＴＯ膜は、ウォータージェット及び超音波Ｕ１により発生する機能性キャビテーションＭＦＣに晒される。
　機能性キャビテーションＭＦＣにＩＴＯ膜を晒すことにより得られた結果は、図１３に示す通りである。図１３は、本発明による実施形態４のレアメタルの剥離方法により、ＩＴＯ膜が部分的に剥離された様子を示す電子顕微鏡写真である。機能性キャビテーションＭＦＣの発生条件は、実施形態１と同一である。図１３に示すように、図１３の上側約３分の１の白い部分は、機能性キャビテーションＭＦＣに晒されていない。このため、ＩＴＯ膜がそのままガラス基板上に残留している。
　これに対して下側約３分の２の部分は、機能性キャビテーションＭＦＣに晒されている。このため、この部分については、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されている。ライムソーダガラスの融点は、約１２７０Ｋであることから、機能性キャビテーションＭＦＣにおいては、ライムソーダガラスの融点を超える高温に達しており、また、レアメタルであるＩｎ２Ｏ３とＳｎＯ２により構成されるＩＴＯ膜を、容易に剥離することができることが分かる。このため、機能性キャビテーションＭＦＣをレアメタル回収に有効的に活用することができることが分かる。
　一方、実施形態１において超音波Ｕ１を照射しない流動キャビテーションのみに、ガラス基板とともにＩＴＯ膜を晒した場合には、ＩＴＯ膜は、ガラス基板から剥離されることはなく、全体において、図１３の上側約３分の１の部分と同様の状態のままであった。
　上述した実施形態４の、レアメタルを剥離する方法によれば、以下のような効果を奏する。前述のように、レアメタルを剥離する方法では、実施形態１における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを、レアメタルにより構成されるＩＴＯ膜が蒸着された被覆物としてのガラスの表面に衝突させて、ガラスの表面からＩＴＯ膜を剥離する。この構成により、高価であり、融点が高くガラス基板等の下地からの剥離が容易でないレアメタルにより構成されるＩＴＯ膜を、容易に下地から剥離して、回収することができる。
　次に、上述した実施形態４において、噴射ノズル２０からＩＴＯ膜までの距離を変えることにより、流動キャビテーションの流速を変えて、ＩＴＯ膜の剥離を行った。具体的には、流動キャビテーションの流速が、図１４に示すように、それぞれ、（Ａ）５ｍ／ｓ、（Ｂ）２１ｍ／ｓ、（Ｃ）８０ｍ／ｓ、（Ｄ）１２０ｍ／ｓである位置に対して、超音波Ｕ１を照射し、ＩＴＯ膜が剥離される様子を観察した。機能性キャビテーションＭＦＣの発生条件は、実施形態１と同一である。図１４は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験におけるブレーク閾値と流速との関係を示すグラフである。
　得られた結果は、図１５～図１８に示すとおりである。図１５は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が４．５ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。図１６は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が２１ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。図１７は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が８０ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。図１８は、本発明による実施形態１の機械的及び電気化学的キャビテーションＭＦＣを発生させる方法による効果を試す試験において、流動キャビテーションの流速速度が１２０ｍ／ｓの場合の試験結果を示す電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ－ＳＥＭ）写真である。
　図１５に示すように、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓの場合には、図１５の左側約３分の１の白い部分は、機能性キャビテーションＭＦＣに晒されていない。このため、ＩＴＯ膜がそのままガラス基板上に残留している。これに対して図１５の右側約３分の２の部分は、機能性キャビテーションＭＦＣに晒されている。このため、この部分については、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されている。このため、レアメタルであるＩｎ２Ｏ３とＳｎＯ２により構成されるＩＴＯ膜を、容易に剥離することができることが分かる。
　これに対して図１６に示すように、流動キャビテーションの流速が２１ｍ／ｓの場合には、ＩＴＯ膜が蒸着された被覆物としてのガラスの表面が、多孔質状に改質されているものの、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓの場合のように、一様に、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されるには至っておらず、ＩＴＯ膜を十分に剥離することができないことが分かる。
　また、図１７に示すように、流動キャビテーションの流速が８０ｍ／ｓの場合には、ＩＴＯ膜が帯状に損傷しているものの、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓの場合のように、一様に、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されるには至っておらず、ＩＴＯ膜を十分に剥離することができないことが分かる。
　また、図１８に示すように、流動キャビテーションの流速が１２０ｍ／ｓの場合には、部分的にＩＴＯ膜が損傷しているものの、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓの場合のように、一様に、ＩＴＯ膜、及び、ガラス基板を構成するライムソーダガラス（ＳＯ２、ＮａＣＯ３、ＣａＣＯ３）の成分を含んだ微粒子が形成されるには至っておらず、ＩＴＯ膜を十分に剥離することができないことが分かる。
（実施形態５）
　次に、本発明の実施形態５に係る、重水素の核融合反応を発生させる方法について説明する。実施形態５では、水道水Ｗ１及び高圧水Ｗ２に代えて、重水、もしくは、重水素を含む液体が用いられる点において、実施形態１とは異なる。これ以外の点については、実施形態１と同一であるため説明を省略する。
　重水、もしくは、重水素を含む液体に浸漬された噴射ノズル２０から重水、もしくは、重水素を含む液体を噴射させると共に、重水もしくは重水素を含む液体の噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、流動キャビテーションの流速が５ｍ／ｓ以下になる位置に超音波照射素子３０から超音波Ｕ１を照射する。これにより、超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ流動キャビテーションの高温反応場を噴射ノズルから離間した位置に分布させ、当該分布した位置において、キャビテーションの崩壊により重水素の核融合反応を発生させる。
　本発明に係る機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法、レアメタルを剥離する方法、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置、及び、重水素の核融合反応を発生させる方法は、上述した実施形態１～４の内容に限定されることなく、以下に示すような種々の変形や変更が可能である。
　例えば、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法に用いられる装置の構成は、上述の実施形態の装置の構成に限定されない。例えば、噴射ノズルは、ホーンノズルにより構成されていたが、これに限定されない。例えば、他の形状を有するノズルにより構成されてもよい。また、例えば、超音波照射素子３０は、鉛直下方へ噴射されるウォータージェットに対して、水平の方向からウォータージェットに対して超音波Ｕ１を照射したが、この構成に限定されない。例えば、超音波Ｕ１は、ウォータージェットに対して平行に近い方向から照射してもよい。また、本実施形態では、水道水Ｗ１が用いられたが、これに限定されない。例えば、水中の次亜塩素酸ナトリウム等の不純物元素との反応を防止する必要がある場合には、水道水に代えて、超純水や純水を用いてもよい。例えば重水素の核融合反応を発生させる場合は、水道水に代えてアセトン等の有機溶剤を用いてもよい。
　また、実施形態２における機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法では、被衝突物４１Ａは、例えば、平坦な板状又は湾曲した板状のステンレス鋼により構成されたが、これに限定されない。また、実施形態３における物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法では、表面改質される物質としては、炭素鋼ＳＳ４００の板材が用いられたが、これに限定されない。また、実施形態４におけるレアメタルを剥離する方法では、ＩＴＯ膜がガラス基板から剥離されたが、これに限定されない。即ち、レアメタルは、ＩＴＯ膜に限定されず、また、被覆物は、ガラス基板に限定されない。
　本発明は、流動キャビテーションの高温反応場を利用する分野において利用可能であり、例えば、物質の表面を研磨したり、物質の表面を多孔化したりすることによって、物質の表面を改質する分野や、高温反応場における核融合反応の分野等において、広く応用可能である。
　１　機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置
　２０　噴射ノズル
　３０　超音波照射素子
　４１Ａ　被衝突物
　ＭＦＣ　機能性キャビテーション（機械的及び電気化学的キャビテーション）
　Ｕ１　超音波
　Ｗ１　水道水
　Ｗ２　高圧水

Claims (11)

  1. 　水中に浸漬させた噴射ノズルからウォータージェットを噴射させると共に、前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
  2. 　前記流動キャビテーションの移動速度は、５ｍ／ｓ以下である請求項１に記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
  3. 　前記超音波の周波数は、２０ｋＨｚ以上３３ｋＨｚ以下である請求項１に記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
  4. 　前記超音波を照射する超音波照射素子から前記ウォータージェットまでの距離は、前記超音波の５波長以下である請求項１又は請求項２に記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
  5. 　前記噴射ノズルから噴射される前記ウォータージェットを被衝突物に衝突させることによって前記被衝突物の周辺に生じる２次噴流の流動キャビテーションに対して、前記超音波を照射することにより、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を、前記被衝突物の周辺に発生させる請求項１～請求項４のいずれかに記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法。
  6. 　請求項１～請求項５のいずれかに記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、物質に衝突させて、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法。
  7. 　前記物質は、ルチル型又はアナターゼ型の結晶構造を有する酸化チタン、白金、及び、酸化ニッケルのうちから選択された少なくとも１つにより構成され、
    　前記酸化チタンの粒子は、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下の粒径を有し、
    　前記白金、又は、前記酸化ニッケルの粒子は、０．１μｍ以上８５μｍ以下の粒径を有する、請求項６に記載の、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法。
  8. 　前記物質の表面において、ガス吸着が少なく、耐酸化性及び耐食性が高い不活性表面を生成する、請求項６に記載の、物質の表面の幾何学的形状および電気化学的性質を変化させる方法。
  9. 　請求項１～請求項５のいずれかに記載の、機械的及び電気化学的キャビテーションを発生させる方法により発生した機械的及び電気化学的キャビテーションを、レアメタルが蒸着された被覆物の表面に衝突させて、前記被覆物の表面から前記レアメタルを剥離する方法。
  10. 　水中に浸漬されウォータージェットを噴射する噴射ノズルと、
    　前記ウォータージェットの噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させる超音波照射素子と、を備える、機械的及び電気化学的キャビテーションの発生装置。
  11. 　重水もしくは重水素を含む液体に浸漬させた噴射ノズルから重水もしくは重水素を含む液体を噴射させると共に、前記重水もしくは重水素を含む液体の噴射に伴い生じる流動キャビテーションに対して、前記流動キャビテーションが膨張可能な、前記流動キャビテーションの流速が所定の移動速度以下になる位置に超音波を照射して、前記超音波の照射で膨張・収縮を繰り返すことにより生ずる、高温反応場を含んだ前記流動キャビテーションの前記高温反応場を前記噴射ノズルから離間した位置に分布させ、キャビテーションの崩壊により重水素の核融合反応を発生させる方法。
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