WO2017149654A1 - 気体導入保持装置及び気体導入保持方法並びに気体放出ヘッド - Google Patents

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義博 清宮
吉美 田口
勇仁 藤田
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ヒロセ・ユニエンス株式会社
ヒロセ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a gas introduction and holding device that introduces and holds a gas in a liquid, a gas introduction and holding method, and a gas discharge head used in the gas introduction and holding device.
  • a bubble dissolution method As a method for introducing and holding a gas in a liquid, a bubble dissolution method is generally employed in which a gas is blown into the liquid as a bubble by bubbling using an air diffuser or the like to dissolve the gas in the liquid.
  • a gas is blown into the liquid as a bubble by bubbling using an air diffuser or the like to dissolve the gas in the liquid.
  • microbubbles bubbles that are refined to 50 ⁇ m or less in diameter at the time of generation (hereinafter referred to as microbubbles) have a low ascent rate in the liquid and shrink while efficiently dissolving the gas contained therein, In some cases, it has the property of disappearing before reaching the liquid surface.
  • a method of generating microbubbles a method of generating microbubbles using the property that the amount of gas dissolved in proportion to pressure increases (pressure dissolution method), and generating microbubbles by stirring liquid and gas (Gas-liquid two-phase flow swirl method) and the like.
  • the solubility of a gas in a liquid at a constant temperature and a constant pressure is determined for each combination of the gas and the liquid that dissolves the gas. Therefore, even if the gas can be efficiently dissolved in the liquid, the solubility is reduced. There is a limit to the gas dissolution method using microbubbles.
  • nanobubble ultra fine bubble
  • JP 2014-217813 A Japanese Patent No. 4144669 JP 2013-166143 A
  • an object of the present invention is to provide a gas introduction / holding device, a gas introduction / holding method, and a gas discharge head used in the gas introduction / holding device that can increase the dissolved amount of gas in a liquid.
  • the invention according to claim 1 is a gas introduction holding device for introducing and holding a gas in a liquid, the gas discharge head having micropores immersed in the liquid, A gas supply means for supplying a gas to the gas discharge head; and a vibrator for continuously applying vibration to the gas discharge head discharging the gas into the liquid.
  • the vibration applied to the gas discharge head by the vibrator is 2.5 [ ⁇ m] or less, the frequency is 30000 [Hz] or more and the amplitude is 1 [mm] or less (one micropore Gas discharge amount [ ⁇ m 3 / min]) / (vibration frequency [Hz] of the vibrator) ⁇ 300, the gas supply amount to the gas discharge head is adjusted.
  • a gas introduction holding device characterized by that is there.
  • the gas discharge head has a plate-shaped head main body having at least one surface as a gas discharge surface, and the vibrator has Further, the present invention is characterized in that vibration is applied in a direction in which the smaller angle formed with respect to the gas discharge surface of the head body is within a range of ⁇ 15 degrees to 15 degrees.
  • the invention according to claim 3 is a gas discharge head used in the gas introduction / holding device according to claim 1, wherein the porous body has a large number of micropores having a pore diameter of 2.5 [ ⁇ m] or less.
  • a plurality of gas supply passages extending in different directions along the surface of the head body are formed inside the head body.
  • the invention according to claim 4 is a gas introduction / holding method for introducing and holding a gas in a liquid, wherein the gas has a large number of micropores having a pore diameter of 2.5 [ ⁇ m] or less immersed in the liquid. While continuously applying vibration with a frequency of 30000 [Hz] and an amplitude of 1 [mm] to the discharge head, (amount of gas discharged from one microhole [ ⁇ m 3 / min]) / It is characterized in that gas is discharged from the gas discharge head into the liquid so that (vibration frequency [Hz] of the vibrator) ⁇ 300.
  • the invention according to claim 5 is characterized in that, in the gas introduction and holding method according to claim 1, 0.01% by weight or more of hydrogen peroxide is added to the liquid.
  • the frequency at which the gas discharged from the fine hole having the hole diameter of the gas discharge head of 2.5 [ ⁇ m] or less is applied to the gas discharge head is Nano-sized microbubbles are released into the liquid while being broken into fine bubbles by vibrations of 30000 [Hz] or more and amplitude of 1 [mm] or less, and the microbubbles in the liquid cause Brownian motion while slowly contracting. Can be held in the liquid.
  • nanobubbles can be generated without crushing the microbubbles. Therefore, as in the conventional nanobubble generation method using the crushing of microbubbles, The gas once dissolved in the liquid is spontaneously released from the gas-liquid surface due to the temperature rise generated at the time of crushing, or the nanobubbles once generated by the shock wave generated continuously when the microbubbles are crushed Therefore, the dissolved amount of gas in the liquid can be surely increased.
  • the gas discharge head has a plate-like head main body having at least one side as a gas discharge surface, and the vibrator has a smaller angle with respect to the gas discharge surface of the head main body. Since vibration is applied in the direction within the range of ⁇ 15 degrees to 15 degrees, the gas discharged from the gas discharge surface can be efficiently divided into fine bubbles.
  • a gas discharge head comprising: a surface of a head main body formed inside a head main body formed in a plate shape by a porous body having a large number of micropores having a pore diameter of 2.5 [ ⁇ m] or less. Since a plurality of gas supply passages extending in different directions are formed, the gas supplied to the head body is discharged almost uniformly from both sides of the head body formed into a plate shape, and the plate-like head As compared with the case where the main body has a completely hollow structure, an effect that a sufficient strength can be secured is obtained.
  • the added hydrogen peroxide becomes OH radicals by the charge of the fine bubbles and wraps the fine bubbles.
  • Nano-sized fine bubbles are stabilized, and the existence time in the liquid can be greatly extended.
  • the gas introduction / holding device 1 includes a liquid storage tank 10 for storing a liquid, a gas discharge head 20 immersed in the liquid stored in the liquid storage tank 10, and the gas discharge head.
  • the liquid storage tank 10 is formed of a rectangular tube-shaped body portion 11 formed of a synthetic resin plate and a synthetic resin plate that closes the lower end opening of the body portion 11.
  • the gas discharge head 20 is accommodated and held in the liquid storage tank 10.
  • the gas discharge head 20 includes a hollow rod-like head main body 21 made of, for example, a gas-permeable porous body formed of ceramics and the like, and the head main body. 21 is provided with a connection fitting 22 for connecting the gas supply means 30 attached to the base end portion of the head 21.
  • the head body 21 has a large hole diameter of 2.5 ⁇ m or less for communicating the hollow portion with the outside. Have fine pores. Therefore, when a gas is supplied to the hollow portion of the head body 21, the gas is discharged to the outside through the fine holes. The smaller the pore diameter, the easier it is to generate nanobubbles.
  • the gas release resistance increases, and therefore, preferably 0.01 ⁇ m to 2.5 ⁇ m, more preferably 0.8 ⁇ m. It is desirable to set the pore diameter of the fine pores within the range of 1 ⁇ m to 1.0 ⁇ m.
  • the number of micropores of 2.5 ⁇ m or less is not particularly limited, but the larger the number, the more the amount of gas introduced into the liquid is preferred.
  • the gas supply means 30 includes a gas supply tube 31 connected to the connection fitting 22 of the gas discharge head 20, a flow rate adjusting valve 32 attached to the tube 31, and a tube. And a pump 33 for supplying gas to the gas discharge head 20 via 31 and adjusting the opening of the flow rate adjusting valve 32 and the voltage of the pump 33 to adjust the gas supply amount. ing.
  • the vibration applying means 40 includes a vibrator 41 that is housed in the liquid storage tank 10 and is waterproofed, and a high-frequency conversion circuit (not shown).
  • a vibrator 41 As the vibrator 41, a Langevin type vibrator in which two piezoelectric elements 41a and 41a are sandwiched between two metal blocks 41b and 41c is employed.
  • the other metal block 41c is fixed to the bottom 12 of the liquid storage tank 10 with the vibration radiation side metal block 41b facing upward, and the vibration radiation surface of the metal block 41b has a gas
  • the head main body 21 portion of the discharge head 20 is bonded and fixed.
  • the vibration applied by the vibrator 41 to the head main body 21 of the gas discharge head 20 is set to have a frequency of 30000 Hz or more and an amplitude of 1 mm or less (release of gas discharged from one fine hole of the head main body 21).
  • the amount of gas supplied to the gas discharge head 20 is adjusted so that the amount [ ⁇ m 3 / min]) / (vibration frequency [Hz] of the vibrator) ⁇ 300.
  • a smaller value of (amount of gas released from one fine hole of the head body 21 [ ⁇ m 3 / min]) / (vibration frequency [Hz] of the vibrator) is more likely to generate nanobubbles.
  • the liquid suction port and discharge port of the conventional apparatus After immersing the liquid suction port and discharge port of the conventional apparatus in pure water stored in a separate container and performing a preliminary operation for 10 minutes until it stabilizes while circulating at 1 l / min, the liquid suction port and discharge port was immersed in 2 l of pure water stored in the liquid storage tank, and the pure water in the liquid storage tank was circulated at 1 l / min for 2 minutes.
  • (amount of gas released from one minute hole of the head body 21 ⁇ m 3 / min) / (vibration frequency Hz of the vibrator 41) is 333 (> 300).
  • the dissolved oxygen amount after the lapse of 2 minutes, which is the operation stop time is the dissolved oxygen amount corresponding to the solubility.
  • the hole diameter of the fine hole of the gas discharge head 20 is 2.5 ⁇ m or less
  • the frequency of vibration applied by the vibrator 41 is 30000 Hz or more
  • the amplitude of vibration applied by the vibrator 41 is 1 mm or less.
  • the amount of dissolved oxygen after the lapse of minutes exceeds the amount of dissolved oxygen (44.3 mg / l) corresponding to the solubility, and oxygen can be dissolved in pure water exceeding the solubility.
  • the dissolved oxygen amount after 2 minutes which is the operation stop point, is 45.2 mg / l, which is slightly higher than the dissolved oxygen amount (44.3 mg / l) corresponding to the solubility.
  • the dissolved oxygen amount after 2 minutes passed was 58 mg / l or more.
  • the dissolved oxygen amount was 80 mg / l or more, and the dissolved oxygen amount (44. 3 mg / l) greatly exceeding, and it can be seen that it has excellent oxygen introduction and retention performance.
  • the first and second embodiments differ only in the hole diameter (number of holes) of the fine holes of the gas discharge head 20 among the hole diameter of the fine holes of the gas discharge head 20, the frequency and amplitude of the vibration applied by the vibrator 41.
  • the hole diameter of the fine holes of the gas discharge head 20 is 1 ⁇ m
  • the amount of dissolved oxygen after 2 minutes is larger than in Example 2 in which the hole diameter of the fine holes of the gas discharge head 20 is 2.5 ⁇ m. Since it is higher by 20 mg / l or more, it is desirable to set the diameter of the fine holes of the gas discharge head 20 to 1 ⁇ m or less.
  • Example 1 comparing Example 1 and Example 3 in which only the vibration frequency applied by the vibrator 41 out of the hole diameter of the fine holes of the gas discharge head 20, the vibration frequency applied by the vibrator 41, and the amplitude is compared,
  • the vibration frequency applied by the vibrator 41 is 40000 Hz
  • the dissolved oxygen amount after 20 minutes is higher by 20 mg / l or more than in Example 3 where the vibration frequency applied by the vibrator 41 is 30000 Hz.
  • the frequency of vibration applied by the vibrator 41 is preferably set to 40000 Hz or more.
  • Example 1 comparing Example 1 and Example 4 in which only the amplitude of the vibration applied by the vibrator 41 out of the hole diameter of the gas discharge head 20, the frequency of the vibration applied by the vibrator 41, and the amplitude is compared
  • Example 1 in which the amplitude of vibration applied by the vibrator 41 is 0.5 mm
  • the amount of dissolved oxygen after 20 minutes is 20 mg / l or more compared to Example 4 in which the amplitude of vibration applied by the vibrator 41 is 1 mm. Since it is high, it is desirable to set the amplitude of the vibration applied by the vibrator 41 to 0.5 mm or less.
  • the hole diameter of the fine holes of the gas discharge head 20, the frequency and amplitude of vibration applied by the vibrator 41, (the amount of gas released from one fine hole of the head body 21 ⁇ m 3 / min) / (vibrator) 41 is different from the first embodiment only in (amount of gas released from one minute hole of the head body 21 ⁇ m 3 / min) / (vibration frequency Hz of the vibrator 41).
  • Example 6 in which 0.01% by weight of hydrogen peroxide was added to pure water was excessive. Compared with Example 1 in which hydrogen oxide is not added, the rate of decrease in the amount of dissolved oxygen after the operation of the apparatus is stopped is suppressed. Therefore, when it is desired to maintain the dissolved state of oxygen for a long period of time, hydrogen peroxide It is desirable to add 0.01% by weight or more.
  • oxygen is introduced into pure water, but is not limited to this, and various liquids such as tap water, seawater, hot spring water, contaminated water, oil, air, ozone, Various gases such as hydrogen, carbon dioxide and nitrogen can be introduced and dissolved.
  • the vibrator 41 is accommodated and held in the liquid storage tank 10, but the present invention is not limited to this.
  • the liquid storage tank 10A is constituted by a tank main body 13 for storing a liquid and a square cylindrical base 15 that supports the tank main body 13, and the vibrator 41 is disposed in the base 15 below the tank main body 13. Is possible.
  • the bottom portion of the tank body 13 is constituted by the metal plate 14, and the bolt 42 inserted through the bolt insertion hole formed in the metal plate 14 is screwed into the vibration emission surface of the vibrator 41 and tightened.
  • the child body 41 is fixed to the metal plate 14, and the head body 21 of the gas discharge head 20 is bonded and fixed to the head of the bolt 42 protruding from the upper surface of the metal plate 14, thereby forming the bottom portion of the tank body 13. It is desirable to apply the vibration of the vibrator 41 to the head body 21 via the bolt 42 while resonating the metal plate 14 that is present.
  • the gas discharge head 20 having the hollow rod-like head body 21 with the closed end is used.
  • the present invention is not limited to this.
  • the gas discharge head 20A having the plate-like head main body 21A can be employed.
  • a chamber 22A to which the tube 31 of the gas supply means 30 is connected is connected to the lower end of the head main body 21A, and the head Inside the main body 21A, a plurality of vertical gas supply paths 21Aa that open to the chamber 22A and extend in the vertical direction along the surface of the head main body 21A, and the head main body 21A in communication with the vertical gas supply paths 21Aa.
  • a plurality of horizontal gas supply paths 21Ab extending in the horizontal direction along the surface of the head body 21A are formed, the gas supplied to the head body 21A via the chamber 22A is formed from both sides of the head body 21A formed in a plate shape. In addition, it can be discharged substantially evenly, and sufficient strength can be ensured as compared with the case where the plate-like head main body 21A has a completely hollow structure.
  • the smaller angle ⁇ formed with respect to the gas discharge surface f of the head body 21A is in the range of ⁇ 15 degrees to 15 degrees. If the head body 21A is fixed to the vibration radiation surface of the vibrator 41 (metal block 41b) so that vibration is applied in the inner direction, the gas discharged from the gas discharge surface is efficiently divided into fine bubbles. can do. In particular, when vibration is applied in a direction in which the angle formed with respect to the gas discharge surface of the head main body 21A is 0 degrees, that is, in a direction along the gas discharge surface of the head main body 21A, vibration occurs in a direction orthogonal to the gas discharge direction. Therefore, the gas discharged from the gas discharge surface can be most efficiently divided into fine bubbles.
  • a Langevin type vibrator is used as the vibrator 41 of the vibration applying means 40.
  • the present invention is not limited to this, and various vibrators can be used.
  • the gas introduction / holding device of the present invention can dissolve various gases in various liquids at a high concentration, by appropriately selecting the liquid and the gas to be introduced into the liquid, the factory waste liquid treatment, washing, disinfection, disinfection, fresh It can be used in various fields such as maintaining the freshness of merchandise and aquaculture.

Abstract

【課題】液体中における気体の溶存量を増大させることができる気体導入保持装置及び気体導入保持方法並びに気体導入保持装置に使用される気体放出ヘッドを提供する。 【解決手段】液体を貯留する液体貯留槽１０と、孔径が２．５μｍ以下の多数の微細孔を有する気体放出ヘッド２０と、気体放出ヘッド２０に気体を供給する気体供給手段３０と、気体放出ヘッド２０に振動を印加する振動子４１を有する振動印加手段４０とを備えており、液体に浸漬した気体放出ヘッド２０に振動を連続的に印加しながら気体放出ヘッド２０から気体を放出するようになっている。振動子４１が気体放出ヘッド２０に印加する振動は、周波数が３０ｋＨｚ以上、振幅が１ｍｍ以下に設定されており、（気体放出ヘッド２０の１つの微細孔から放出される気体の放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）≦３００となるように、気体放出ヘッド２０のへの気体の供給量が調整されている。

Description

気体導入保持装置及び気体導入保持方法並びに気体放出ヘッド
　この発明は、液体内に気体を導入して保持する気体導入保持装置及び気体導入保持方法並びに気体導入保持装置に使用される気体放出ヘッドに関する。
　液体内に気体を導入して保持する方法としては、散気管等を用いたバブリングにより気体を液体内に気泡として吹きだすことで、液体に気体を溶解させる気泡溶解法が一般的に採用されているが、液体内に放出された通常の気泡は急速に上昇して液体表面で破裂するので、気泡として液体内に放出された気体の大半が液体に溶解することなく大気中に放散してしまい、液体に気体を効率よく溶解させることができない。
　一方、発生時の直径を５０μｍ以下まで微細化した気泡（以下、マイクロバブルという。）は、液体中での上昇速度が小さく、内部に含まれる気体を効率的に溶解させながら収縮していき、場合によっては、液体表面に届く前に消滅してしまうという特性を有している。
　このため、液体中でマイクロバブルを発生させる種々の方法が提案されており、具体的には、軽石状のガラクトースを水などに溶解したときに結晶の隙間から気泡が析出する現象を利用してマイクロバブルを生成する方法、圧力に比例して溶解する気体量が増加するという特性を利用してマイクロバブルを生成する方法（加圧溶解法）、液体と気体を攪拌することでマイクロバブルを生成する方法（気液２相流旋回法）等が挙げられる。
　しかしながら、一定温度、一定圧力下における液体に対する気体の溶解度は、気体及びその気体を溶解させる液体の組み合わせ毎に定まっているので、液体に気体を効率よく溶解させることができたとしても、溶解度を超えることはできず、マイクロバブルを利用した気体の溶解法には限界がある。
　ところで、液体中に発生させたマイクロバブルの一部は単純に消滅することなく、極微細化した状態で一時的に液体中に残存することが知られており、これらの気泡は、その直径が数百ｎｍよりも小さく、ナノバブル（ウルトラファインバブル）と呼ばれている。従って、液体中に多量のナノバブルを安定した状態で生成することができれば、溶解度を超えて液体中に気体を溶存させることが可能となる。
　近年、液体中に生成したマイクロバブルに物理的刺激を加えることにより、マイクロバブルを急激に収縮させて圧壊を起こさせることによってナノバブルを発生させると共に、発生したナノバブルを保持するために液体中に電解質イオンを添加することでナノバブルを安定化させる方法が提案されている。
特開２０１４－２１７８１３号公報 特許第４１４４６６９号公報 特開２０１３－１６６１４３号公報
　しかしながら、上述したマイクロバブルの圧壊を利用したナノバブルの生成方法では、マイクロバブルの圧壊時に発生する急激な温度上昇と衝撃波とによって、液体中に一旦溶解した気体が気液面から自然放出されるので、液体内における気体の溶存量を増大させることは難しく、しかも、マイクロバブルの圧壊時に発生する衝撃波は連続的に増幅するため、その増幅された衝撃波によってナノバブル自体が圧壊してしまうので、生成されたナノバブルの保持すら難しいという問題がある。
　そこで、この発明の課題は、液体中における気体の溶存量を増大させることができる気体導入保持装置及び気体導入保持方法並びに気体導入保持装置に使用される気体放出ヘッドを提供することにある。
　上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明は、液体内に気体を導入して保持する気体導入保持装置であって、液体に浸漬される、微細孔を有する気体放出ヘッドと、前記気体放出ヘッドに気体を供給する気体供給手段と、液体内に気体を放出している前記気体放出ヘッドに振動を連続的に印加する振動子とを備え、前記気体放出ヘッドの微細孔は、その孔径が２．５[μｍ]以下であり、前記振動子が前記気体放出ヘッドに印加する振動は、周波数が３００００[Ｈｚ]以上、振幅が１[ｍｍ]以下であり、（１つの前記微細孔から放出される気体の放出量[μｍ３／分]）／（前記振動子の振動周波数[Ｈｚ]）≦３００となるように、前記気体放出ヘッドのへの気体の供給量が調整されていることを特徴とする気体導入保持装置を提供するものである。
　また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の気体導入保持装置において、前記気体放出ヘッドは、少なくとも片面が気体放出面となる板状のヘッド本体を有し、前記振動子は、前記ヘッド本体の気体放出面に対してなす小さい方の角度が－１５度～１５度の範囲内の方向に振動を付与することを特徴としている。
　また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の気体導入保持装置に使用される気体放出ヘッドであって、孔径が２．５[μｍ]以下の多数の微細孔を有する多孔質体によって板状に形成されたヘッド本体を有し、前記ヘッド本体の内部には、前記ヘッド本体の表面に沿って異なる方向に延びる複数の気体供給路が形成されていることを特徴としている。
　また、請求項４に係る発明は、液体内に気体を導入して保持する気体導入保持方法であって、液体に浸漬した、孔径が２．５[μｍ]以下の多数の微細孔を有する気体放出ヘッドに、周波数が３００００[Ｈｚ]以上、振幅が１[ｍｍ]以下の振動を連続的に印加しながら、（１つの微細孔から放出される気体の放出量[μｍ３／分]）／（振動子の振動周波数[Ｈｚ]）≦３００となるように、気体放出ヘッドから気体を液体内に放出することを特徴としている。
　また、請求項５に係る発明は、請求項１に記載の気体導入保持方法において、液体に０．０１重量％以上の過酸化水素を添加したことを特徴としている。
　以上のように、請求項１に係る発明の気体導入保持装置及び請求項４に係る発明の気体導入保持方法では、（１つの微細孔から放出される気体の放出量[μｍ３／分]）／（振動子の振動周波数[Ｈｚ]）≦３００となるように、気体放出ヘッドの孔径が２．５[μｍ]以下の微細孔から放出される気体が、気体放出ヘッドに印加された周波数が３００００[Ｈｚ]以上、振幅が１[ｍｍ]以下の振動によって微細気泡に分断されながら液体中に放出され、液体中の微細気泡はゆっくりと収縮しながらブラウン運動を起こすので、ナノサイズの微細気泡として液体中に保持することができる。
　このように、本発明の気体導入保持装置及び気体導入保持方法では、マイクロバブルを圧壊させることなくナノバブルを生成することができるので、マイクロバブルの圧壊を利用した従来のナノバブルの生成方法のように、圧壊時に発生する温度上昇によって液体中に一旦溶解した気体が気液面から自然放出したり、マイクロバブルの圧壊時に発生して連続的に増幅された衝撃波によって一旦生成されたナノバブルが圧壊したりすることもないので、液体中における気体の溶存量を確実に増大させることができる。
　また、請求項２に係る発明は、気体放出ヘッドは、少なくとも片面が気体放出面となる板状のヘッド本体を有し、振動子は、ヘッド本体の気体放出面に対してなす小さい方の角度が－１５度～１５度の範囲内の方向に振動を付与するので、気体放出面から放出される気体を効率よく微細気泡に分断することができる。
　また、請求項３に係る発明の気体放出ヘッドは、孔径が２．５[μｍ]以下の多数の微細孔を有する多孔質体によって板状に形成されたヘッド本体の内部に、ヘッド本体の表面に沿って異なる方向に延びる複数の気体供給路が形成されているので、ヘッド本体に供給される気体が板状に形成されたヘッド本体の両面から略均等に放出され、しかも、板状のヘッド本体を完全な中空構造にする場合に比べて十分な強度を確保することができるという効果が得られる。
　特に、液体に０．０１重量％以上の過酸化水素を添加した請求項５に係る発明の気体導入保持方法では、添加した過酸化水素が微細気泡の電荷によりＯＨラジカル化して微細気泡を包み込むので、ナノサイズの微細気泡が安定化し、液体中の存在時間を大幅に伸ばすことができる。
この発明に係る気体導入保持装置の一実施形態を示す概略断面図である。 同上の気体導入保持装置を示す概略平面図である。 同上の気体導入保持装置を用いて純水に酸素を導入した実施例、比較例及び従来装置を用いて純水に酸素を導入した従来例における溶存酸素量の変化を示すグラフである。 気体導入保持装置の他の実施形態を示す概略断面図である。 同上の気体導入保持装置を示す概略平面図である。 気体導入保持装置に使用される気体放出ヘッドの変形例を示す正面図である。 同上の気体放出ヘッドを示す側面図である。 板状のヘッド本体を有する気体放出ヘッドに付与する振動の方向を説明するための説明図である。
　以下、実施の形態について図面を参照して説明する。図１及び図２は、この発明の気体導入保持装置の概略構成を示している。同図に示すように、この気体導入保持装置１は、液体を貯留する液体貯留槽１０と、この液体貯留槽１０に貯留された液体中に浸漬される気体放出ヘッド２０と、この気体放出ヘッド２０に気体を供給する気体供給手段３０と、気体放出ヘッド２０に振動を印加する振動印加手段４０とを備えており、液体に浸漬した気体放出ヘッド２０に振動を連続的に印加しながら気体放出ヘッド２０から気体を液体内に放出するように構成されている。
　前記液体貯留槽１０は、図１及び図２に示すように、合成樹脂板によって形成された角筒状の胴部１１と、この胴部１１の下端開口部を閉塞する、合成樹脂板によって形成された底部１２とから構成されており、液体貯留槽１０内に気体放出ヘッド２０が収容保持されている。
　前記気体放出ヘッド２０は、図１及び図２に示すように、例えば、セラミックス等によって形成された通気型の多孔質体からなる、先端が閉塞された中空棒状のヘッド本体２１と、このヘッド本体２１の基端部に取り付けられた、気体供給手段３０を接続するための接続金具２２とを備えており、ヘッド本体２１は、その中空部分と外部とを連通する孔径が２．５μｍ以下の多数の微細孔を有している。従って、ヘッド本体２１の中空部分に気体を供給すると、微細孔から外部に気体が放出されるようになっている。微細孔の孔径は小さい方がナノバブルを生成しやすくなるが、微細孔の孔径が小さすぎると気体の放出抵抗が大きくなるので、好ましくは、０．０１μｍ～２．５μｍ、より好ましくは、０．１μｍ～１．０μｍの範囲内で微細孔の孔径を設定しておくことが望ましい。また、２．５μｍ以下の微細孔の数は特に限定されないが、多ければ多いほど液体内への気体の導入量が増えるので好ましい。
　前記気体供給手段３０は、図１及び図２に示すように、気体放出ヘッド２０の接続金具２２に接続される気体供給用のチューブ３１と、このチューブ３１に取り付けた流量調整弁３２と、チューブ３１を介して、気体を気体放出ヘッド２０に供給するポンプ３３とを備えており、流量調整弁３２の開度やポンプ３３の電圧を調整することによって、気体の供給量を調整するようになっている。
　前記振動印加手段４０は、図１及び図２に示すように、液体貯留槽１０の内部に収容される、防水処理が施された振動子４１と、図示しない高周波変換回路とを備えており、振動子４１としては、２つの金属ブロック４１ｂ、４１ｃで２個の圧電素子４１ａ、４１ａを挟持したランジュバン型振動子が採用されている。
　前記振動子４１は、振動放射側の金属ブロック４１ｂを上にした状態で、他方の金属ブロック４１ｃが液体貯留槽１０の底部１２に固着されており、金属ブロック４１ｂの振動放射面には、気体放出ヘッド２０のヘッド本体２１部分が接着固定されている。
　前記振動子４１が気体放出ヘッド２０のヘッド本体２１に印加する振動は、周波数が３００００Ｈｚ以上、振幅が１ｍｍ以下に設定されており、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量[μｍ３／分]）／（振動子の振動周波数[Ｈｚ]）≦３００となるように、気体放出ヘッド２０のへの気体の供給量が調整されている。（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量[μｍ３／分]）／（振動子の振動周波数[Ｈｚ]）は、小さい方がナノバブルを生成しやすいので、好ましくは２００以下、より好ましくは１００以下に設定しておくことが望ましい。
　このように、気体放出ヘッドに周波数が３００００Ｈｚ以上、振幅が１ｍｍ以下の振動を印加しながら、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量μｍ３／分）／（振動子の振動周波数Ｈｚ）≦３００となるように、気体放出ヘッド２０の孔径が２．５μｍ以下の微細孔から気体を放出すると、気体放出ヘッド２０の微細孔から放出される気体が気体放出ヘッド２０に印加された振動によって微細気泡に分断されながら液体中に放出され、液体中に放出された微細気泡はゆっくりと収縮しながらブラウン運動を起こすので、ナノサイズの微細気泡として液体中に保持されることになる。
　以下、上述した気体導入保持装置１を用いて純水に酸素ガスを導入保持する本発明の実施例１～６及び比較例１～４、さらに従来装置を用いて純水に酸素ガスを導入保持する従来例について、表１及び表２を参照しながら説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではないことはいうまでもない。
　（実施例１）
　表１に示すように、２０℃の室内で、液体貯留槽１０内に純水２ｌを導入し、ヘッド本体２１が平均孔径１μｍの微細孔を約３００万個有する気体放出ヘッド２０から濃度が９９．７容量％以上の酸素ガスを４０００ｍｍ３／分で放出しながら、気体放出ヘッド２０に周波数が４００００Ｈｚ、振幅が０．５ｍｍの振動を２分間連続的に印加し続けた。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝３３である。
　（実施例２）
　表１に示すように、孔径が２．５μｍ、平均孔数が約４８万個の微細孔を有するヘッド本体２１を採用した点を除いて、実施例１と同様の方法で、純水に酸素ガスを導入した。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝２０８である。
　（実施例３）
　表１に示すように、周波数が３００００Ｈｚ、振幅が０．５ｍｍの振動を気体放出ヘッド２０に印加した点を除いて、実施例１と同様の方法で、純水に酸素ガスを導入した。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝４４である。
　（実施例４）
　表１に示すように、周波数が４００００Ｈｚ、振幅が１ｍｍの振動を気体放出ヘッド２０に印加した点を除いて、実施例１と同様の方法で、純水に酸素ガスを導入した。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝３３である。
　（実施例５）
　表１に示すように、気体放出ヘッド２０からの酸素ガスの放出量が３６０００ｍｍ３／分である点を除いて、実施例１と同様の方法で、純水に酸素ガスを導入した。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝３００である。
　（実施例６）
　表１に示すように、液体貯留槽１０内に導入した純水２ｌに０．０１重量％の過酸化水素を添加した点を除いて、実施例１と同様の方法で、純水に酸素ガスを導入した。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝３３である。
　（比較例１）
　表１に示すように、孔径が３μｍ、平均孔数が約３０万個の微細孔を有するヘッド本体２１を採用した点を除いて、実施例１と同様の方法で、純水に酸素ガスを導入した。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝３３３である。
　（比較例２）
　表１に示すように、周波数が２５０００Ｈｚ、振幅が０．５ｍｍの振動を気体放出ヘッド２０に印加した点を除いて、実施例１と同様の方法で、純水に酸素ガスを導入した。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝５３である。
　（比較例３）
　表１に示すように、周波数が４００００Ｈｚ、振幅が２ｍｍの振動を気体放出ヘッド２０に印加した点を除いて、実施例１と同様の方法で、純水に酸素ガスを導入した。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝３３である。
　（比較例４）
　表１に示すように、気体放出ヘッド２０からの酸素ガスの放出量が４００００ｍｍ３／分である点を除いて、実施例１と同様の方法で、純水に酸素ガスを導入した。なお、この条件では、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される酸素ガスの放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝３３３である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　（従来例）
　従来装置としては、ポンプの吸引力により気体と液体とを同時に吸引して気液混合槽に供給し、この気液混合槽内の気液混合状態にある溶存液を、２以上の貫通小穴を有するノズルの外部からその貫通小穴を通して大気圧以上の圧力で噴射し、そのノズルの内部で衝突させることによって、マイクロ・ナノバブルを発生させるマイクロ・ナノバブル発生装置（シグマテクノロジー有限会社製　ΣＰＭ－５）を使用した。
　従来装置の液吸込口と吐出口を別容器に貯留されている純水中に浸漬し、１ｌ／分で循環させながら安定するまで１０分間予備運転を行った後、液吸込口と吐出口とを液体貯留槽内に貯留されている２ｌの純水中に浸漬し、液体貯留槽内の純水を１ｌ／分で２分間循環させた。
　上述した実施例１～６、比較例１～４及び従来例について、装置運転中における所定時間経過時点（運転開始時点、３０秒経過時点、６０秒経過時点、９０秒経過時点、１２０秒経過時点）で、溶存酸素計（セントラル科学株式会社製　ＣＧＳ－５型）を用いて酸素溶存量を測定し、その結果を表２及び図３のグラフに示した。なお、図３のグラフに示した、「溶解度（２０℃において１ａｔｍの酸素が水１ｃｍ３中に溶解するときの容積[ｃｍ３]＝０．０３１）に相当する酸素溶存量」は、０．０３１[ｌ／ｌ]／２２．４[ｌ／ｍｏｌ]×３２[ｇ／ｍｏｌ]×１０３＝４４．３[ｍｇ／ｌ]とした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２及び図３から分かるように、気体導入保持装置１において、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径が３μｍ（＞２．５μｍ）である比較例１、振動子４１が印加する振動の周波数が２５０００Ｈｚ（＜３００００Ｈｚ）である比較例２、振動子４１が付与する振動の振幅が２ｍｍ（＞１ｍｍ）である比較例３及び（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）が３３３（＞３００）である比較例４は、運転停止時点である２分経過後における酸素溶存量が、溶解度に相当する酸素溶存量を大きく下回っているが、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径が２．５μｍ以下、振動子４１が付与する振動の周波数が３００００Ｈｚ以上、振動子４１が印加する振動の振幅が１ｍｍ以下及び（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）≦３００である実施例１～５は、運転停止時点である２分経過後における酸素溶存量が、溶解度に相当する酸素溶存量（４４．３ｍｇ／ｌ）を上回っており、溶解度を超えて純水中に酸素を溶存させることができる。
　また、従来例においても、運転停止時点である２分経過後における酸素溶存量が４５．２ｍｇ／ｌであり、溶解度に相当する酸素溶存量（４４．３ｍｇ／ｌ）を若干上回っているが、実施例１～４については、２分経過後における酸素溶存量が５８ｍｇ／ｌ以上、特に、実施例１については、酸素溶存量が８０ｍｇ／ｌ以上で、溶解度に相当する酸素溶存量（４４．３ｍｇ／ｌ）を大きく上回っており、優れた酸素導入保持性能を有していることが分かる。
　また、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径、振動子４１が印加する振動の周波数、振幅のうち、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径（孔数）だけが異なる実施例１と実施例２とを比較すると、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径が１μｍの実施例１は、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径が２．５μｍの実施例２に比べて２分経過後における酸素溶存量が２０ｍｇ／ｌ以上高いので、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径は１μｍ以下に設定しておくことが望ましい。
　また、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径、振動子４１が印加する振動の周波数、振幅のうち、振動子４１が印加する振動の周波数だけが異なる実施例１と実施例３とを比較すると、振動子４１が印加する振動の周波数が４００００Ｈｚの実施例１は、振動子４１が印加する振動の周波数が３００００Ｈｚの実施例３に比べて２分経過後における酸素溶存量が２０ｍｇ／ｌ以上高いので、振動子４１が印加する振動の周波数は４００００Ｈｚ以上に設定しておくことが望ましい。
　また、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径、振動子４１が印加する振動の周波数、振幅のうち、振動子４１が印加する振動の振幅だけが異なる実施例１と実施例４とを比較すると、振動子４１が印加する振動の振幅が０．５ｍｍの実施例１は、振動子４１が印加する振動の振幅が１ｍｍの実施例４に比べて２分経過後における酸素溶存量が２０ｍｇ／ｌ以上高いので、振動子４１が印加する振動の振幅は０．５ｍｍ以下に設定しておくことが望ましい。
　また、気体放出ヘッド２０の微細孔の孔径、振動子４１が印加する振動の周波数、振幅、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）のうち、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）だけが異なる実施例１と実施例５とを比較すると、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）＝３３の実施例１は、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量μｍ３／分）／（振動子の振動周波数Ｈｚ）＝３００の実施例５に比べて２分経過後における酸素溶存量が３０ｍｇ／ｌ以上高いので、（ヘッド本体２１の１つの微細孔から放出される気体の放出量μｍ３／分）／（振動子４１の振動周波数Ｈｚ）は２００以下、より好ましくは１００以下に設定しておくことが望ましい。
　また、純水に過酸化水素を添加した点だけが異なる実施例１と実施例６とを比較すると、純水に過酸化水素を０．０１重量％添加した実施例６は、純水に過酸化水素を添加していない実施例１に比べて、装置の運転を停止した後の酸素溶存量の低下率が抑えられているので、酸素の溶存状態を長期間保持したい場合は、過酸化水素を０．０１重量％以上添加しておくことが望ましい。
　なお、上述した各実施例では純水に酸素を導入しているが、これに限定されるものではなく、水道水、海水、温泉水、汚染水、油等の各種液体に、空気、オゾン、水素、炭酸ガス、窒素等の各種気体を導入して溶存させることができる。
　また、上述した実施形態では、液体貯留槽１０の内部に振動子４１を収容保持しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図４及び図５に示すように、液体貯留槽１０Ａを、液体を貯留する槽本体１３と、この槽本体１３を支持する角筒状の台座１５とによって構成し、槽本体１３の下側の台座１５内に振動子４１を配設することも可能である。
　具体的には、槽本体１３の底部を金属板１４によって構成し、この金属板１４に形成されたボルト挿通孔に挿通したボルト４２を振動子４１の振動放出面にねじ込んで締め込むことによって振動子４１を金属板１４に固定すると共に、金属板１４の上面に突出しているボルト４２の頭部に気体放出ヘッド２０のヘッド本体２１を接着固定することで、槽本体１３の底部を構成している金属板１４を共振させながら、ボルト４２を介して振動子４１の振動をヘッド本体２１に印加するようにしておくことが望ましい。
　また、上述した実施形態では、先端が閉塞された中空棒状のヘッド本体２１を有する気体放出ヘッド２０を使用しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図６及び図７に示すように、板状のヘッド本体２１Ａを有する気体放出ヘッド２０Ａを採用することも可能である。
　このような板状のヘッド本体２１Ａを採用する場合は、同図に示すように、気体供給手段３０のチューブ３１が接続されるチャンバ２２Ａをヘッド本体２１Ａの下端部に連設しておき、ヘッド本体２１Ａの内部には、チャンバ２２Ａに開放される、ヘッド本体２１Ａの表面に沿って上下方向に延びる複数の縦気体供給路２１Ａａと、これらの縦気体供給路２１Ａａに連通した状態でヘッド本体２１Ａの表面に沿って横方向に延びる複数の横気体供給路２１Ａｂとを形成しておくと、チャンバ２２Ａを介してヘッド本体２１Ａに供給される気体が板状に形成されたヘッド本体２１Ａの両面から略均等に放出され、しかも、板状のヘッド本体２１Ａを完全な中空構造にする場合に比べて十分な強度を確保することができる。
　また、こういった板状のヘッド本体２１Ａを採用する場合は、図８に示すように、ヘッド本体２１Ａの気体放出面ｆに対してなす小さい方の角度αが－１５度～１５度の範囲内の方向に振動が付与されるように、ヘッド本体２１Ａを振動子４１（金属ブロック４１ｂ）の振動放射面に固定しておくと、気体放出面から放出される気体を効率よく微細気泡に分断することができる。特に、ヘッド本体２１Ａの気体放出面に対してなす角度が０度の方向、即ち、ヘッド本体２１Ａの気体放出面に沿う方向に振動を付与すると、気体の放出方向に対して直交する方向に振動が付与されるので、気体放出面から放出される気体を最も効率よく微細気泡に分断することができる。
　また、上述した各実施形態では、振動印加手段４０の振動子４１としてランジュバン型振動子を採用しているが、これに限定されるものではなく、種々の振動子を採用することができる。
　本発明の気体導入保持装置は、各種気体を各種液体に高濃度で溶存させることができるので、液体及び液体に導入する気体を適宜選択することによって、工場廃液処理、洗浄、殺菌、消毒、生鮮商品の鮮度保持、魚介類の養殖といった各種分野において利用することができる。
　１　気体導入保持装置
　１０、１０Ａ　液体貯留槽
　１１　胴部
　１２　底部
　１３　槽本体
　１４　金属板
　１５　台座
　２０、２０Ａ　気体放出ヘッド
　２１、２１Ａ　ヘッド本体
　２１Ａａ　縦気体供給路
　２１Ａｂ　横気体供給路
　２２　接続金具
　２２Ａ　チャンバ
　３０　気体供給手段
　３１　チューブ
　３２　流量調整弁
　３３　ポンプ
　４０　振動印加手段
　４１　振動子
　４１ａ　圧電素子
　４１ｂ、４１ｃ　金属ブロック
　４２　ボルト

Claims (5)

  1. 　液体内に気体を導入して保持する気体導入保持装置であって、
    　液体に浸漬される、微細孔を有する気体放出ヘッドと、
    　前記気体放出ヘッドに気体を供給する気体供給手段と、
    　液体内に気体を放出している前記気体放出ヘッドに振動を連続的に印加する振動子と
    を備え、
    　前記気体放出ヘッドの微細孔は、その孔径が２．５[μｍ]以下であり、
    　前記振動子が前記気体放出ヘッドに印加する振動は、周波数が３００００[Ｈｚ]以上、振幅が１[ｍｍ]以下であり、
    　（１つの前記微細孔から放出される気体の放出量[μｍ３／分]）／（前記振動子の振動周波数[Ｈｚ]）≦３００となるように、前記気体放出ヘッドのへの気体の供給量が調整されていることを特徴とする気体導入保持装置。
  2. 　前記気体放出ヘッドは、少なくとも片面が気体放出面となる板状のヘッド本体を有し、
    　前記振動子は、前記ヘッド本体の気体放出面に対してなす小さい方の角度が－１５度～１５度の範囲内の方向に振動を付与する請求項１に記載の気体導入保持装置。
  3. 　請求項１に記載の気体導入保持装置に使用される気体放出ヘッドであって、
    　孔径が２．５[μｍ]以下の多数の微細孔を有する多孔質体によって板状に形成されたヘッド本体を有し、
    　前記ヘッド本体の内部には、前記ヘッド本体の表面に沿って異なる方向に延びる複数の気体供給路が形成されていることを特徴とする気体放出ヘッド。
  4. 　液体内に気体を導入して保持する気体導入保持方法であって、
    　液体に浸漬した、孔径が２．５[μｍ]以下の多数の微細孔を有する気体放出ヘッドに、周波数が３００００[Ｈｚ]以上、振幅が１[ｍｍ]以下の振動を連続的に印加しながら、（１つの微細孔から放出される気体の放出量[μｍ３／分]）／（振動子の振動周波数[Ｈｚ]）≦３００となるように、気体放出ヘッドから気体を液体内に放出することを特徴とする気体導入保持方法。
  5. 　液体に０．０１重量％以上の過酸化水素を添加した請求項４に記載の気体導入保持方法。
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