WO2017187646A1 - 気泡の粒径分布を任意に調整できるナノサイズ気泡発生装置 - Google Patents

気泡の粒径分布を任意に調整できるナノサイズ気泡発生装置 Download PDF

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憲司 久木野
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憲司 久木野
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for generating nano-sized fine bubbles.
  • Micro-sized fine bubbles (hereinafter referred to as “microbubbles”) having a diameter of about 1 to 100 ⁇ m are generated by a swirling liquid flow method, a static mixer method, an ejector method, a cavitation method, a venturi method, a pressure dissolution method, and a rotation method.
  • Typical methods include ultrasonic vibration type, mixed vapor direct contact condensation type, electrolysis type, and fine hole type.
  • ultrafine bubbles (hereinafter referred to as nanobubbles) having a diameter of 1 ⁇ m or less are produced by improving the microbubble generation method or by post-processing the generated microbubbles.
  • nanobubbles having a diameter of 1 ⁇ m or less are produced by improving the microbubble generation method or by post-processing the generated microbubbles.
  • expectations for industrial use of nanobubbles with unique physical properties due to ultrafine structure are increasing.
  • a major problem to be solved in order to spread the use of micro / nano bubbles is that the particle sizes of micro / nano bubbles discharged from the bubble generating device are not uniform and cannot be made uniform. Regardless of the conventional bubble generation method, it is difficult to control the diameter of the generated nanobubbles, and bubbles of nano size to micro / milli size are generated to some extent.
  • an apparatus for generating only nanobubbles has not been developed, and the bubbles generated by any of the nanobubble generators become mixed bubbles that should be called irregularly arranged fine bubbles having a wide particle size distribution.
  • no technology has been found to generate nanobubbles with a specific particle size. Energy efficiency is also an important issue in promoting industrial use of micro / nano bubbles.
  • the current micro-bubble generator cannot produce micro-bubbles unless high-pressure, high-speed water flow is used, so it must inevitably drive a large and powerful pump or compressor. This is a factor that increases costs (manufacturing costs) and running costs (electricity charges), and is a major hurdle for introducing fine bubbles in the industry.
  • a microporous bubble generator that generates bubbles by extruding gas from micropores into water is a method that can reduce the initial cost (manufacturing cost) and running cost (electricity charge) the most because of its simple mechanism.
  • Nano-sized microporous materials that have been used as parts of nanobubble generators so far include inorganic oxide materials such as zeolite and silica gel, and polymer films such as monotran film (registered trademark).
  • polymer resin films, fired ceramics, shirasu porous glass, and the like using such nanoporous materials have been developed and incorporated as parts in nanobubble generators and are generally provided as products.
  • the diameters of the micropores of these nanoporous materials are not uniform without exception, the particle diameters of the generated nanobubbles cannot be made uniform.
  • the micropore size of the film is not uniform in shape and size, and when the gas passes through the micropore, the micropore expands and deforms due to gas pressure.
  • the size becomes larger and uneven the particle size of the generated bubbles shows a very wide distribution.
  • large and small pores coexist, most of the gas that passes through the material escapes from the large pores and becomes large bubbles, and almost no small bubbles escape from the smaller pores. The appearance rate is overwhelmingly high.
  • Nanoporous materials such as fired ceramics and shirasu porous glass have high pressure resistance, but the pore diameters are still uneven and non-uniform, so the particle size of bubbles generated through the micropores is uneven and the particle size distribution is large. The point that the appearance rate of bubbles becomes overwhelmingly high is the same as in the case of the polymer resin film.
  • the present invention has been made to solve at least some of the problems described above, and provides a fine bubble generating apparatus having the following configuration.
  • a first aspect of the present invention includes a nanoporous metal layer composed of a nanoporous metal, A single-layer or multiple-layer reinforcing layer composed of a micro-nanoporous material having pores having a pore size larger than the pores of the nanoporous metal, The microbubble generator, wherein the reinforcing layer receives pressure by the compressed gas acting on the nanoporous metal layer.
  • Nanoporous materials that have been conventionally used as nanobubble generating parts have limitations in reducing the pore size and have a wide pore size distribution (uneven pore size). Bubbles up to size and millimeter size are ejected together, and the content of nanobubbles is low. That is, it was not possible to effectively generate nanobubbles of any size having a uniform particle size. So far, nanoporous materials used as nanobubble generating parts include inorganic oxide materials such as zeolite and silica gel, and polymer films such as monotran film. Zeolite and silica gel are widely used as adsorbents, ion exchange materials, catalysts, etc., and it is generally known that it is difficult to arbitrarily control the micropore size.
  • the size of generated bubbles is large and uneven.
  • the micropore size of the polymer film is more irregular than that of the inorganic oxide material, the size of the bubbles generated from the nanobubble generator using these becomes even larger and irregular. Therefore, porous materials such as inorganic oxide materials and polymer films have been used in devices that generate microbubbles having a wide particle size distribution and a large size.
  • Nanoporous metal crystalline metal oxidation
  • Nanoporous metal with nanoscale micropores has the property that the micropore size can be arbitrarily adjusted according to the conditions of the corrosion process in the manufacturing process (only a specific metal is eluted from the alloy in the electrolyte). A technique for arbitrarily producing pores of 2 nm to 10 ⁇ m has been established.
  • Nanoporous metals are porous, have a large specific surface area, have a variety of structures and manufacturing techniques, and have a wide variety of expected properties. Therefore, in recent years, there are high expectations for their applicability in a wide range of fields.
  • the porous structure is promising as a functional material with high energy absorption capacity, heat exchange capacity, heat insulation characteristics, sound absorption characteristics, etc., including research on the use of lotus-type porous metals in machine tools, shock absorbers, soundproofing Development of practical applications such as materials and biomedical materials is expected, but until now it has not been considered to be used as a part of a nanobubble generator.
  • a nanoporous metal having a wide surface area such as a plate shape or a cylindrical shape is used as a nanobubble generating component.
  • nanoporous material As a nanobubble generating component in various solutions such as seawater, it is necessary to improve the corrosion resistance against various solutions.
  • coating of the metal surface with various corrosion resistant materials is effective.
  • the material to be coated is a substance that has corrosion resistance, has a high affinity with a nanoporous metal, and enables a nano-sized thin layer coating.
  • a metal exhibiting high spreadability is coated with a nanoporous metal.
  • Gold is considered as an example of a coating material having the highest corrosion resistance.
  • Gold which is the metal having the highest spreadability, can be easily applied by coating with a thickness of 10 nm or less by vacuum deposition or chemical vapor deposition. Even if gold is deposited on a nanoporous metal having a diameter of several tens of nanometers, the shape of these ultrafine holes does not change significantly. It is also possible to use a vapor-depositable metal material having corrosion resistance similar to gold as the surface coating agent.
  • the thickness of the nanoporous metal is sufficiently thin.
  • the pressure resistance strength of a sufficiently thin nano-sized metal thin plate is not so high, if a high-pressure gas is passed through ultrafine holes to generate nanobubbles, the metal is distorted and may break. Therefore, it is necessary to increase the pressure strength of the nanoporous metal thin plate.
  • a sandwich structure is adopted in which the nanoporous metal thin plate is sandwiched between single-layer or multi-layer micro-nanoporous materials.
  • a micro / nanoporous material such as a conventional inorganic oxide material having a pore size several times larger than the pore size of the nanoporous metal thin plate is used as a reinforcing material, and the nanoporous metal thin plate is closely attached as a reinforcing material to the outside and inside.
  • the micro / nanoporous material used as the reinforcing material may be a single layer or multiple layers, and the number of layers inside and outside the nanoporous metal layer may be different. Since the hole diameter distribution of the reinforcing material is irrelevant to bubble generation, it may be uneven.
  • the nanoporous metal layer has a spiral groove facing the outer peripheral surface side of the nanoporous metal layer, and water is fed from one end of the groove toward the other end.
  • a fine bubble generating device comprising means for forming a spiral water flow on the outer peripheral surface side of a layer.
  • Spiral water flow is generated from the characteristics of the spiral flow that increases the contact area between the aqueous solution extruded from the pump and the nanoporous metal cylindrical thin plate, and the portion near the cylindrical thin plate has a relatively slow flow rate but the portion far from the cylindrical thin plate flows at a high flow rate.
  • the pore diameters of the micropores can be made within a certain range, and the bubble diameter distribution of the generated nanobubbles can be reduced. become.
  • the second aspect of the present invention by forming a spiral water flow on the outer peripheral surface side of the nanoporous metal layer, coalescence due to collision of fine bubbles generated in the nanoporous metal layer can be prevented, It becomes possible to diffuse into the liquid while keeping the diameter small.
  • Exploded view of microbubble generator Exploded view of bubble generating parts Expanded cross-sectional view of the bubble generating component External view and cross-sectional view of water flow generating parts
  • FIG. 1 shows an exploded view of the fine bubble generator.
  • the fine bubble generating device 10 includes a bubble generating component 12 and a water flow generating component 14.
  • the bubble generating component 12 is mounted in the cavity of the water flow generating component 14, and both sides of the cavity are sealed with lids 16 and 18, respectively.
  • the lid 18 is provided with a pipe 20 for supplying compressed gas from the outside to the bubble generating component 12.
  • FIG. 2 shows the appearance of the bubble generating component
  • FIG. 3 shows a cross section of the bubble generating component.
  • the fine bubble generating device is provided with a bubble generating component 12 composed of four cylindrical members.
  • the bubble generating component 12 has a configuration in which one reinforcing layer is arranged on the inner peripheral surface side of the nanoporous metal layer and two reinforcing layers are arranged on the outer peripheral surface side with the nanoporous metal layer 22 made of nanoporous metal as the center.
  • fine holes 22a having a hole diameter of about several tens of nanometers are formed at a high density on the entire surface of the metal layer.
  • the size of the nanoporous metal layer 22 varies depending on various conditions, but is approximately several ⁇ m to several hundred ⁇ m in thickness and several cm in diameter.
  • An inner reinforcing layer 24 and a first outer reinforcing layer 26 are disposed on both the inner peripheral surface side and the outer peripheral surface side of the nanoporous metal layer 22, respectively.
  • the inner reinforcing layer 24 and the first outer reinforcing layer 26 serve to reinforce the thin and fragile nanoporous metal layer 22 from deformation and breakage.
  • holes 24a and 26a having a diameter larger than the fine holes 22a of the nanoporous metal layer 22 are formed on the entire surface of the layers.
  • a second outer reinforcing layer 28 is disposed on the outer peripheral surface side of the first outer reinforcing layer 26.
  • the second outer reinforcing layer 28 serves to reinforce the nanoporous metal layer 22 and also serves to maintain the shape of the three-layer structure of the nanoporous metal layer 22, the inner reinforcing layer 24, and the first outer reinforcing layer 26.
  • fine holes 22a of the nanoporous metal layer 22, holes 24a of the inner reinforcing layer 24, and holes 28a having a larger diameter than the holes 26a of the first outer reinforcing layer 26 are formed on the entire surface of the layer.
  • the boundary portions between the nanoporous metal layer 22 and the inner reinforcing layer 24, and the first outer reinforcing layer 26 and the second outer reinforcing layer 28 are bonded or pressure-bonded so as to be in surface contact with no gap.
  • FIG. 3 shows the correlation among the fine holes 22a of the nanoporous metal layer 22, the holes 24a of the inner reinforcing layer 24, the holes 26a of the first outer reinforcing layer 26, and the holes 28a of the second outer reinforcing layer 28.
  • the inner reinforcing layer 24 is disposed on the innermost side of the four-layer bubble generating component 12, and the nanoporous metal layer 22, the first outer reinforcing layer 26, and the second outer reinforcing layer 28 are disposed in this order on the outer side.
  • the diameters of the fine holes 22a of the nanoporous metal layer 12, the holes 24a of the inner reinforcing layer 24, the holes 26a of the first outer reinforcing layer 26, and the holes 28a of the second outer reinforcing layer 28 are: hole 28a> hole 24a, 26a> microhole. 22a, a plurality of fine holes 22a are continuous with respect to one hole 24a, 26a, and a plurality of holes 26a are continuous with respect to one hole 28a.
  • the compressed gas supplied to the inside of the inner reinforcing layer 24 through the pipe 20 passes through the holes 24a, the fine holes 22a, the holes 26a, and the holes 28a in this order, and is discharged as fine bubbles to the outside of the second outer reinforcing layer 28.
  • FIGS. 4A and 4B show the appearance of the water flow generating component
  • FIGS. 4C and 4D show cross sections of the water flow generating component
  • FIG. 4D shows a state in which a bubble generating component is mounted on the water flow generating component.
  • the microbubble generator is provided with a water flow generating component 14 composed of a cylindrical member.
  • the water flow generating component 14 is configured so that the bubble generating component 12 can be inserted into the hollow portion.
  • a spiral groove 30 is formed densely on the inner peripheral surface of the water flow generating component 14 from the upper end to the lower end.
  • One end of the groove 30 is continuous with the water passage hole 32 communicating with the outside of the water flow generating component 14, and the other end is continuous with the water passage hole 34 communicating with the outside of the water flow generating component 14.
  • the water flowing in from the water passage hole 32 forms a spiral water flow on the inner peripheral surface of the water flow generating component 14 while passing through the groove 30 and is discharged from the water passage hole 34 to the outside.
  • the generation principle of the fine bubbles in the fine bubble generator is as follows.
  • a gas is pumped to the bubble generating component using a gas cylinder or a gas compressor, the gas passes through nanoporous metal micropores and is released as ultrafine bubbles.
  • nanoporous metal has an industrially established manufacturing technique, it is possible to control the ultrafine bubbles generated by changing the pore diameter of the fine pores to an arbitrary size.
  • the nanoporous metal increases the structural strength by laminating a single layer or multiple layers of a porous material having a pore diameter larger than that of the nanoporous metal so as to withstand the gas pressure.
  • Ultrafine bubbles generated on the surface of the nanoporous metal are separated from the surface of the nanoporous metal using a spiral water flow generated by the water flow generating component, and diffused into the liquid while maintaining the bubble diameter at the time of generation.
  • the nanoporous metal is coated with gold having excellent corrosion resistance by a method such as vapor deposition, and can be used in a corrosive liquid such as seawater.

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Abstract

【課題】微細孔式気泡発生装置において発生する微細気泡の粒径の均一化を図る。 【解決手段】ガスを微細孔から水中に押し出して泡を発生させる微細孔式気泡発生装置において、ナノポーラス金属２２を用いて微細孔を形成し、微細孔の孔径を変えることで微細気泡を任意のサイズに制御する。ナノポーラス金属２２はガス圧に耐えられるようにナノポーラス金属の微細孔より大きな孔径を有するポーラス材料２４、２６、２８を単層もしくは複層で積層することにより構造強度を高める。

Description

気泡の粒径分布を任意に調整できるナノサイズ気泡発生装置
本発明は、ナノサイズの微細気泡の発生装置に関する。
魚の水槽中に吹き込まれる気泡、ビールやサイダーの泡など日常的に目にする泡は多く、工業的にも、気液系の反応装置、バイオリアクター、排水処理装置など泡を利用している装置も多い。また、１９９０年代からは微細な気泡を産業利用しようとの動きも出てきた。直径１～１００μｍ程度のマイクロサイズの微細気泡（以下、マイクロバブルという。）の発生方法としては、旋回液流式、スタティックミキサー式、エジェクター式、キャビテーション式、ベンチュリー式、加圧溶解式、回転式、超音波振動式、混合蒸気直接接触凝縮式、電気分解式、微細孔式が代表的な手法として挙げられる。さらに直径１μｍ以下の超微細気泡（以下、ナノバブルという。）は、マイクロバブル発生方法を改良することや、発生したマイクロバブルを後加工することで作られるのが従来の方法である。近年は超微細構造の故に特異な物理的性質を持つナノバブルの産業利用への期待が高まっている。
マイクロ・ナノバブルの利用を広めるために解決すべき大きな課題として、バブル発生装置から吐出されるマイクロ・ナノバブルの粒径が不揃いで一定の径に揃えられないことが挙げられる。従来の何れのバブル発生方法を用いても、生じるナノバブルの径を制御することは困難であり、程度の差はあれ、ナノサイズからマイクロ・ミリサイズまでの気泡が同時に発生する。現在、ナノバブルだけを発生させる装置は未開発であり、いずれのナノバブル発生装置でも生じたバブルは広い粒径分布を持った不揃いの微細気泡群とも呼ぶべき混成気泡になる。現在、特定の粒径に揃ったナノバブルを発生させる技術は見出されていない。また、マイクロ・ナノバブルの産業利用を進めるにはエネルギー効率も重要な課題である。微細孔式を除いた現在の微細気泡発生装置は、高圧、高速の水流を利用しなければ微細気泡を作り出すことができないため必然的に大型で強力なポンプやコンプレッサを駆動することになってイニシャルコスト（製造原価）とランニングコスト（電力料金）を増加させる要因となっており、産業界における微細気泡導入の大きなハードルとなっている。
ガスを微細孔から水中に押し出して泡を発生させる微細孔式気泡発生装置は、その単純な仕組みから、イニシャルコスト（製造原価）とランニングコスト（電力料金）を最も低減可能な方法である。これまでナノバブル発生装置の部品として利用されたナノサイズ微細孔（ナノポーラス）材料としては、ゼオライトやシリカゲルをはじめとする無機酸化物系材料やモノトランフィルム（登録商標）などの高分子フィルムがあり、一部では、このようなナノポーラス材料を用いた高分子樹脂フィルム、焼成セラミック、シラス多孔質ガラスなどが開発されてナノバブル発生装置に部品として組み込まれ、製品として一般に提供されている。しかし、これらナノポーラス材料の微細孔の径は例外なく不揃いであるため、発生するナノバブルの粒径を揃えることができない。とくに、ナノポーラス材料として高分子樹脂フィルムを用いた場合、フィルムの微細孔サイズは形状・大きさともに不揃いである上に、微細孔をガスが通過する際にはガス圧によって微細孔が拡大変形し、さらに大きく不揃いとなるため発生する泡の粒径は極めて広範な分布を示すことになる。大小の孔が併存している場合、材料を通過するガスのほとんどは大きな孔から抜けて大きな気泡となり、より小さな孔から抜ける小さな気泡はほとんど発生しないことになり、粒径分布においては大きな泡の出現率が圧倒的に高頻度となる。また、高分子樹脂フィルムの強度はそれほど大きくないために高圧ガスに耐えられずに破断するため、より高圧を必要とする孔サイズの縮小化、すなわちより小さなナノバブルを発生させるように改良することが原理的に困難である。焼成セラミックやシラス多孔質ガラスなどのナノポーラス材料では、耐圧強度は高いもののやはり孔径は不揃いで不均一なため、微細孔を通過して発生する泡の粒径は不揃いとなり、粒径分布においては大きな泡の出現率が圧倒的に高頻度となる点は高分子樹脂フィルムの場合と同様である。また、微細孔式における問題点として、微細孔を通過して発生した直後の泡がナノポーラス材料から自然に分離するか水流で分離される過程で、泡同士が衝突して結合することで粒径が大きく、不揃いに変化する現象も挙げられる。発生直後の泡を、相互に衝突することなくナノポーラス材料から分離する技術が求められる。
特許第５６６５３９２号公報
久木崎雅人・鳥越清、「ナノバブルの生成に及ぼすガスの透過圧力および水相の流速の影響」、宮崎県工業技術センター・宮崎県食品開発センター研究報告、平成１７年度、Ｎｏ．５０
現在、ナノポーラス材料を用いてナノバブルを作成するには、孔径を一定範囲に揃えて発生する気泡径分布を小さくすること、また、ナノポーラス材料には通過する高圧ガスに耐える程度の強度が必要であること、あるいは、発生直後の泡がナノポーラス材料から分離する際に気泡同士が衝突して合体した大きな泡になることを防ぐこと、などの多くの課題が残されている。
本発明は、前述した課題の少なくとも何かを解決するためになされたものであり、以下に示す構成を備える微細気泡発生装置を提供する。
本発明の第１の態様は、ナノポーラス金属により構成されるナノポーラス金属層と、
前記ナノポーラス金属の孔より孔径の大きな孔を有するマイクロ・ナノポーラス材料より構成される単層もしくは複層の補強層とを備え、
前記ナノポーラス金属層に作用する圧縮気体による加圧を前記補強層によって受圧することを特徴とする、微細気泡発生装置である。
ナノバブル発生部品として従来用いられていたナノポーラス材料は、孔径の縮小化に限界があり、また孔径分布が広い（孔径が不揃いである）ために、これを用いたバブル発生装置からはナノサイズからマイクロサイズ、ミリサイズまでのバブルが混在して吐出され、ナノバブルの含有率は低い。すなわち、粒径が揃った任意のサイズのナノバブルを効果的に発生させることができなかった。これまでナノバブル発生部品として利用されたナノポーラス材料には、ゼオライトやシリカゲルをはじめとする無機酸化物系材料やモノトランフィルムなどの高分子フィルムがあった。ゼオライトやシリカゲルは吸着材、イオン交換材、触媒などとしても広く一般に利用されている材料であり、その微細孔サイズを任意に制御することが困難であることは一般に知られていることで、これら無機酸化物系材料を利用したナノバブル発生装置では、発生気泡のサイズは大きくて不揃いとなる。また、高分子フィルムの微細孔サイズは無機酸化物系材料よりもさらに不揃いであることから、これらを利用したナノバブル発生装置から発生する気泡のサイズはさらに大きく不揃いとなる。そのため、無機酸化物系材料や高分子フィルムといったポーラス材料は、粒径分布が広く、サイズも大きなマイクロバブルを発生する装置に利用されてきた。
ナノバブル発生部品としてナノポーラス材料を利用するためには、サイズが揃ったナノサイズ微細孔を持った材料を選択する必要があるが、そのような要件を満たすナノポーラス材料としていわゆるナノポーラス金属（結晶性金属酸化物複合多孔質材料）を挙げることができる。ナノスケールの微細孔を持つナノポーラス金属は、その製造工程における腐食プロセス（合金から特定の金属のみを電解液中で溶出させる）の条件によって微細孔サイズを任意に調整できるという性質も持ち、現在では２ｎｍから１０μｍの細孔を任意に製作する技術が確立している。ナノポーラス金属は、多孔質で比表面積が大きく、その構造と製造技術は多様であり、期待される特性も多岐に亘るため、近年、広範な分野への応用可能性に期待が集まっている。多孔質構造は、高いエネルギー吸収能、熱交換容量、断熱特性、吸音特性等を有する機能性材料として有望であり、ロータス型ポーラス金属を工作機械等に使用する研究をはじめ、衝撃吸収材、防音材、生体医療材などの実用化開発が期待されているが、これまでナノバブル発生装置の部品として利用することは考えられていなかった。本発明ではナノバブル発生部品として板状あるいは円筒状など表面積を広げたナノポーラス金属を利用する。
多くの金属は腐食に弱く、ナノポーラス金属の原材料物質となる合金の成分にも各種溶液に対して腐食性が高い金属が少なくない。海水など各種溶液中においてナノポーラス材料をナノバブル発生部品として使用するためには各種溶液に対する耐腐食性能を高める必要がある。ナノポーラス金属の耐腐食性を高めるためには各種耐腐食性材料による金属表面のコーティングが有効である。コーティングする材料は、耐腐食性を有し、ナノポーラス金属との親和性が高く、ナノサイズの薄層コーティングが可能となる物質である。本発明では高い展延性を示す金属をナノポーラス金属によりコーティングする。耐腐食性能が最も高いコーティング材料の例として金が考えられる。展延性が最も高い金属である金は、真空蒸着や化学気相蒸着により１０ｎｍ以下のコーティングを行うことが容易に実施できる。数十ｎｍ孔のナノポーラス金属に対して金の蒸着を施してもこれら超微細孔の形状に大きな変化を生じることはない。また、金に準じる耐腐食性を持った蒸着可能な金属材料を表面コーティング剤として使用することも可能である。
ナノポーラス金属の表面積を広げ、孔径を任意の小孔に揃え、孔内の金属表面をむらなく平滑にコーティングするためには、ナノポーラス金属の厚さは十分に薄いことが望ましい。しかし、十分に薄いナノサイズ厚の金属薄版の耐圧強度はそれほど高くないため、ナノバブルを発生させるために超微細孔に高圧ガスを通過させると金属に歪みが生じ、破断する可能性も生じる。そのため、ナノポーラス金属薄板の耐圧強度を高める必要がある。ナノポーラス金属薄板の耐圧強度を高めるために、ナノポーラス金属薄板を単層あるいは複層のマイクロ・ナノポーラス材料で挟むサンドウィッチ構造にする。ナノポーラス金属薄板の孔サイズより数倍程度大きい孔サイズを持った従来の無機酸化物系材料などのマイクロ・ナノポーラス材料を補強材としてナノポーラス金属薄板の、外側および内側に補強材として密着させる。補強材として使用するマイクロ・ナノポーラス材料は単層でも複層でもよく、またナノポーラス金属層の内側と外側の層数が違っていてもよい。補強材の孔径分布はバブル発生には無関係であるため、不揃いでも構わない。
本発明の第２の態様は、前記ナノポーラス金属層の外周面側に相対する螺旋状の溝を有し、前記溝の一方の端部から他方の端部に向けて送水することにより前記ナノポーラス金属層の外周面側に螺旋状の水流を形成する手段を備えることを特徴とする、微細気泡発生装置である。
ナノポーラス金属薄版の孔を通過したガスが水中に出てナノバブルとなったとき、発生直後の泡がナノポーラス金属薄板から分離する工程で気泡同士が衝突して合体した大きな泡になる現象が生じ、結果として粒径の揃ったナノバブルの発生を妨げることになる。発生直後の泡がナノポーラス金属薄板から分離する工程で気泡同士が衝突することを防ぐために、それぞれのナノバブルを金属薄板表面から効率的にかつ速やかに剥離する方法として、ナノポーラス金属の円筒薄板と水流との接触面積を最大化する螺旋水流を用いることが効果的である。螺旋水流はポンプから押し出される水溶液とナノポーラス金属円筒薄板との接触面積を高めるとともに、円筒薄板から近い部分は比較的遅い流速だが円筒薄板から遠い部分は早い流速で流れるという螺旋流の特性から、発生直後のバブルをゆっくり慎重に金属薄板表面から剥離するとともに順次加速して気泡同士が衝突して合体する可能性が低くなったバブルを速やかに持ち去る効果を持つ。
本発明の第１の態様によれば、ナノポーラス材料としてナノポーラス金属を用いることにより、微細孔の孔径を一定範囲に揃えることが可能になり、発生するナノバブルの気泡径分布を小さくすることができるようになる。
本発明の第２の態様によれば、ナノポーラス金属層の外周面側に螺旋状の水流を形成することにより、ナノポーラス金属層で発生した微細気泡同士の衝突による合体化を防ぐことができ、粒径を小さく保った状態で液体中に拡散させることができるようになる。
微細気泡発生装置の分解図 気泡発生部品の分解図 気泡発生部品の拡大断面図 水流発生部品の外観図および断面図
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
最初に、微細気泡発生装置の構成について説明する。図１に微細気泡発生装置の分解図を示す。微細気泡発生装置１０は気泡発生部品１２と水流発生部品１４とにより構成される。気泡発生部品１２は水流発生部品１４の空洞部に装着し、空洞部の両側をそれぞれ蓋１６、１８で密閉する。蓋１８には気泡発生部品１２に外部から圧縮ガスを供給する管２０が設けられている。
次に、気泡発生部品について説明する。図２に気泡発生部品の外観を示し、図３に気泡発生部品の断面を示す。微細気泡発生装置には４つの円筒形の部材で構成される気泡発生部品１２が備わる。気泡発生部品１２はナノポーラス金属で構成されたナノポーラス金属層２２を中心としてナノポーラス金属層の内周面側に１層、外周面側に２層の補強層を配置した構成である。ナノポーラス金属層２２には孔径数十ｎｍ程度の微細孔２２ａが金属層全面に高密度で形成されている。ナノポーラス金属層２２の大きさは諸条件により異なるが、概ね厚さ数μｍ～数百μｍ、直径数ｃｍ程度である。ナノポーラス金属層２２の内周面側および外周面側の両面にはそれぞれ内補強層２４、第１外補強層２６が配置されている。内補強層２４、第１外補強層２６は薄く脆弱なナノポーラス金属層２２を変形や破損から防止するための補強の役割を担う。内補強層２４、第１外補強層２６にはナノポーラス金属層２２の微細孔２２ａより孔径の大きな孔２４ａ、２６ａがそれぞれ層全面に形成されている。第１外補強層２６の外周面側には第２外補強層２８が配置される。第２外補強層２８はナノポーラス金属層２２の補強の役割を担うとともにナノポーラス金属層２２および内補強層２４、第１外補強層２６の３層構造の形態保持の役割を担う。第２外補強層２８にはナノポーラス金属層２２の微細孔２２ａおよび内補強層２４の孔２４ａ、第１外補強層２６の孔２６ａより孔径の大きな孔２８ａが層全面に形成されている。ナノポーラス金属層２２と内補強層２４、第１外補強層２６と第２外補強層２８との境界部分は隙間なく面接触するように接着もしくは圧着される。
ナノポーラス金属層２２の微細孔２２ａと内補強層２４の孔２４ａと第１外補強層２６の孔２６ａと第２外補強層２８の孔２８ａとの間における相関関係を図３に示す。４層からなる気泡発生部品１２の最も内側には内補強層２４が配置され、その外側にナノポーラス金属層２２、第１外補強層２６、第２外補強層２８の順で配置されている。ナノポーラス金属層１２の微細孔２２ａと内補強層２４の孔２４ａと第１外補強層２６の孔２６ａと第２外補強層２８の孔２８ａの直径は、孔２８ａ＞孔２４ａ、２６ａ＞微細孔２２ａの関係にあり、孔２４ａ、２６ａ一個に対して複数個の微細孔２２ａが連続し、孔２８ａ一個に対して複数個の孔２６ａが連続する関係にある。管２０を通して内補強層２４の内側に供給される圧縮ガスは孔２４ａ、微細孔２２ａ、孔２６ａ、孔２８ａの順に通過し、第２外補強層２８の外側に微細気泡として放出される。
次に、水流発生部品について説明する。図４（ａ）（ｂ）に水流発生部品の外観を示し、図４（ｃ）（ｄ）に水流発生部品の断面を示す。図４（ｄ）は水流発生部品に気泡発生部品を装着した状態を示す。微細気泡発生装置には円筒形の部材で構成される水流発生部品１４が備わる。水流発生部品１４は中空部に気泡発生部品１２を挿入して装着できるように構成される。水流発生部品１４の内周面には上端部から下端部に向かう螺旋状の溝３０が密に形成されている。溝３０は一方の端部が水流発生部品１４の外部に通じる通水孔３２と連続し、他方の端部が水流発生部品１４の外部に通じる通水孔３４と連続している。通水孔３２から流入した水は溝３０を通過しながら水流発生部品１４の内周面に螺旋状の水流を形成し、通水孔３４から外部に排出される。
微細気泡発生装置における微細気泡の発生原理は次の通りである。ガスボンベあるいはガス圧縮機を用いて気泡発生部品に気体を圧送すると、気体はナノポーラス金属の微細孔を通過し、超微細気泡として放出される。ナノポーラス金属は工業的に製造技術が確立しているため、微細孔の孔径を変えることで発生する超微細気泡を任意のサイズに制御することが可能である。ナノポーラス金属はガス圧に耐えられるようにナノポーラス金属の微細孔より大きな孔径を有するポーラス材料を単層もしくは複層で積層することにより構造強度を高める。ナノポーラス金属表面において発生する超微細気泡は水流発生部品によって発生させた螺旋水流を用いてナノポーラス金属表面から分離し、発生時の気泡径を維持したまま液体中に拡散される。ナノポーラス金属には耐食性に優れる金などを蒸着等の方法により被膜し、海水等腐食性の液体中での使用を可能にする。
１０　　微細気泡発生装置
１２　　気泡発生部品
１４　　水流発生部品
２２　　ナノポーラス金属層
２４　　内補強層
２６　　第１外補強層
２８　　第２外補強層

Claims (4)

  1. ナノポーラス金属により構成されるナノポーラス金属層と、
    前記ナノポーラス金属の孔より孔径の大きな孔を有するマイクロ・ナノポーラス材料より構成される単層もしくは複層の補強層とを備え、
    前記ナノポーラス金属層に作用する圧縮気体による加圧を前記補強層によって受圧することを特徴とする、
    微細気泡発生装置。
  2. 前記ナノポーラス金属層が円筒形に形成され、
    前記補強層が前記ナノポーラス金属層の外周面側に装着される円筒形に形成されていることを特徴とする、
    請求項１に記載の微細気泡発生装置。
  3. 前記補強層が前記ナノポーラス金属層の内周面側にも装着されていることを特徴とする、
    請求項２に記載の微細気泡発生装置。
  4. 前記ナノポーラス金属層の外周面側に相対する螺旋状の溝を有し、前記溝の一方の端部から他方の端部に向けて送水することにより前記ナノポーラス金属層の外周面側に螺旋状の水流を形成する手段を備えることを特徴とする、
    請求項１乃至３の何れかに記載の微細気泡発生装置。
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