JP4931201B2 - 極微小気泡を含む水の製造方法および極微小気泡を含む水 - Google Patents

Description

本発明は、あらゆる技術分野にその有用性が潜在する、極微小気泡を含む水の製造方法および当該方法により製造されてなる極微小気泡を含む水に関する。

粒径が３μｍ以下の極微小気泡には、超音波に対する非線形応答があり、また、動植物に対して優れた活性化効果があることなどが知られており、近年、その利用価値が注目されている。しかしながら、このような極微細気泡は、通常の条件で水中に発生させても極めて不安定であり、数秒のオーダーで完全溶解して消滅してしまう。本発明者らは、極微小気泡を水中で安定に存在させる方法を長年に亘って研究しており、その研究成果として、特許文献１において、水中に発生させた粒径が数十μｍの微小気泡に対し、放電や超音波照射や多孔板通過などの物理的刺激を与えることで、これを急激に縮小させる方法を提案している。しかしながら、この方法は、物理的刺激を与えるため装置設備を必要とする。従って、より簡易な方法の開発が望まれている。
特開２００５−２４５８１７号公報

そこで本発明は、物理的刺激を利用することなく、粒径が３μｍ以下の極微小気泡を安定に存在させてなる水の製造方法を提供することを目的とする。

上記の点に鑑みてなされた本発明の光遮断方式の液中パーティクルカウンターで計測が可能な粒径が３μｍ以下の極微小気泡を含む水の製造方法は、請求項１記載の通り、電気伝導度が１０μＳ／ｃｍ以上でノルマルヘキサン抽出物濃度が１００ｍｇ／Ｌ以下の水中に、粒径が５０μｍ以下の微小気泡を微小気泡発生装置で発生させた後、微小気泡発生装置の作動を止め、水中の微小気泡に物理的刺激を与えることなくこれを１分間以上自然浮遊させてその粒径を縮小させることを特徴とする。
また、請求項２記載の製造方法は、請求項１記載の製造方法において、微小気泡を発生させる水の電気伝導度を、電解質を加えることで調整することを特徴とする。
また、請求項３記載の製造方法は、請求項１記載の製造方法において、微小気泡を発生させる水のノルマルヘキサン抽出物濃度を、酸化剤を加えることで調整することを特徴とする。
また、本発明の光遮断方式の液中パーティクルカウンターで計測が可能な粒径が３μｍ以下で半減期が３０分〜１５日の極微小気泡を含む水は、請求項４記載の通り、電気伝導度が１０μＳ／ｃｍ以上でノルマルヘキサン抽出物濃度が１００ｍｇ／Ｌ以下の水中に、粒径が５０μｍ以下の微小気泡を微小気泡発生装置で発生させた後、微小気泡発生装置の作動を止め、水中の微小気泡に物理的刺激を与えることなくこれを１分間以上自然浮遊させてその粒径を縮小させることにより製造されてなることを特徴とする。

本発明によれば、物理的刺激を利用することなく、粒径が３μｍ以下の極微小気泡を安定に存在させてなる水の製造方法を提供することができる。

本発明の粒径が３μｍ以下の極微小気泡を含む水の製造方法は、電気伝導度が１０μＳ／ｃｍ以上でノルマルヘキサン抽出物濃度が１００ｍｇ／Ｌ以下の水中に、粒径が５０μｍ以下の微小気泡を発生させた後、水中で自然浮遊させてその粒径を縮小させることを特徴とするものである。ある程度の水深（例えば２０ｃｍ以上）を有する水槽内や天然水域において、水の電気伝導度を１０μＳ／ｃｍ以上とし、かつ、ノルマルヘキサン抽出物濃度を１００ｍｇ／Ｌ以下とした上で、粒径が５０μｍ以下の微小気泡を発生させた後、水中で自然浮遊させると、微小気泡は、その気液界面に水中のイオン、例えば、水酸基イオン、プロトン（水素イオン）、電気伝導度の調整のために電解質を加えた場合やもともと水中に電解質が存在する場合には電解質イオンなどを濃縮させながら縮小し、ついには濃縮されたイオンが気泡を覆うことによって気泡内部の気体の溶解を抑制することで、粒径が３μｍ以下にまで縮小した気泡であっても水中で安定に存在せしめることができる。本発明の方法によって製造される粒径が３μｍ以下の極微小気泡を含む水は、動植物に対する活性化などに利用できる。

本発明において、水中に粒径が５０μｍ以下の微小気泡を発生させる方法は特段限定されるものではなく、自体公知の方法を採用することができる。例えば、気液混合物を流動下において攪拌することにより行うことができる。この場合、回転子などを利用して半径が１０ｃｍ以下の渦流を強制的に生じせしめ、壁面などの障害物や相対速度の異なる流体に気液混合物を打ち当てることにより、渦流中に獲得した気体成分を渦の消失とともに分散させることで、所望の微小気泡を大量に発生させることができる。また、２気圧以上の高圧下で気体を水中に溶解させた後、これを大気圧に開放することにより生じた溶解気体の過飽和条件から気泡を発生させることができる。この場合、圧力の開放部位において、水流と障害物を利用して半径が１ｍｍ以下の渦を多数発生させ、渦流の中心域における水の分子揺動を起因として多量の気相の核（気泡核）を形成させるとともに、過飽和条件に伴ってこれらの気泡核に向かって水中の気体成分を拡散させ、気泡核を成長させることにより、所望の微小気泡を大量に発生させることができる。なお、これらの方法によって発生した気泡群の濃度は１００個／ｍＬ以上であり、１０００個／ｍＬよりも多い値となることも稀ではない（必要であれば特開２０００−５１１０７号公報や特開２００３−２６５９３８号公報などを参照のこと）。

微小気泡を発生させる水の電気伝導度は、必要に応じて電解質を加えることで調整することが望ましい。電解質としては塩化ナトリウムや塩酸や硫酸や硝酸などを使用することができる。

微小気泡を発生させる水のノルマルヘキサン抽出物濃度は、必要に応じて酸化剤を加えることで調整することが望ましい。酸化剤としてはオゾンや、過マンガン酸カリウムなどの各種化合物を使用することができる。

本発明者らは、様々な条件下における微小気泡の特性を長年に亘って研究することにより、本発明に関して下記の知見を得た。即ち、水中に粒径が５０μｍ以下の微小気泡を発生させると、気泡の気液界面に水酸基イオンやプロトンが集積する。これは水が有している構造的な要因に関連したものであり、特に水酸基イオンが集積しやすい傾向にある。このため、ｐＨが４以上では界面自体はマイナスに帯電している（この現象についての詳細は本発明者によって公表された文献、例えば、Journal of Physical Chemistry B 109-46, pp21858-21864, ζ Potential of Microbubbles in Aqueous Solutions: Electrical Properties of the Gas-Water Interface, M. Takahashi,などを参照のこと）。ただし、電気伝導度の調整のために電解質を加えた場合やもともと水中に電解質が存在する場合、電解質の陽イオンやプロトンが静電気的な作用により界面周辺に引き寄せられて、所謂電気二重層を形成するため、帯電性は気泡周囲の極めて局所的な現象となる。このように微小気泡は水酸基イオンやプロトンおよびその周囲の電解質イオンに取り囲まれているが、これらのイオンは気泡からの気体の溶解を著しく制限するものではないため、気泡はその内部の気体を溶解させることにより表面積を急速に減少させる。これに伴う気泡粒径の減少は、ヤング・ラプラスの法則に基づいて内部の気体を強く加圧する。加圧された気体はヘンリーの法則に従って気泡周囲の水中に溶け込むため、気泡は縮小速度を上昇させながらついには水中で消滅する（この現象についての詳細は本発明者らによって公表された文献、例えば、Journal of Physical Chemistry B 107-10, pp2171-2173, Effect of Shrinking Microbubble on Gas Hydrate Formation, M. Takahashi, et.al.,などを参照のこと）。

今般、本発明者らは、上記の条件において気泡粒径の縮小速度が０．５μｍ／秒を超えると、気液界面の移動速度が水中における電解質イオンの拡散速度よりも有意に速くなり、逃げ切れなくなった電解質イオンが気液界面に濃縮し始めることを世界に先駆けて発見した。この気液界面におけるイオン濃度の上昇割合は気泡粒径の減少に伴って増加する傾向にあり、最終的にはイオン濃度として１００Ｍを超える極めて特異なイオン場が形成される。この場合に水中に脂質分が多いと、気液界面に有効なイオン場の形成がなされないことになる。従って、微小気泡を発生させる水のノルマルヘキサン抽出物濃度は１００ｍｇ／Ｌ以下とする。また、水中の微小気泡に対して物理的刺激が存在すると、縮小過程にある気泡の界面における圧バランスに乱れが生じて気泡が分裂し、高濃度のイオン場の形成が阻害される。そこで、水中に発生させた微小気泡は、物理的刺激を与えることなく自然浮遊させる。水中で微小気泡を自然浮遊させる時間は、少なくとも１分間であることが望ましい。こうすることで、水中の微小気泡は、気液界面に存在するイオンの熱分子運動の微妙なバランスの乱れからその一部はそのまま水中に完全溶解するものの、残りは気液界面全体に調和の取れた高濃度のイオンの殻を形成することが可能となる。高濃度のイオンの殻は、Ｓａｌｔｉｎｇ−ｏｕｔ現象により水中への気体の溶解を抑制し、その結果として、粒径が３μｍ以下の極微小気泡を水中である程度の長期に亘って安定に存在せしめることができる。この極微小気泡は、最終的には水中に完全溶解するものの、水の電解質濃度などに応じて、半減期が３０分〜１５日間程度の存在となる。

以下、本発明を実施例によって詳細に説明するが、本発明は以下の記載に限定して解釈されるものではない。

実施例１：
自体公知の微小気泡発生装置（必要であれば特開２００３−２６５９３８号公報を参照のこと）を使用して、２０Ｌの容器に水道水（電気伝導度が１０μＳ／ｃｍ以上でノルマルヘキサン抽出物濃度が１００ｍｇ／Ｌ以下）を満たし、そこに４気圧の空気加圧から大気圧開放により過飽和条件を作り出して微小気泡を発生させた。微小気泡発生装置を作動中の微小気泡の粒径分布を図１に示す（計測は市販の液中パーティクルカウンターによる）。図１から明らかなように、微小気泡の粒度分布には２つのピークが認められた。なお、微小気泡を含む水は牛乳のような乳白色であった。
次に、微小気泡発生装置の作動を止め、水中の微小気泡に物理的刺激を与えることなくこれを１分間以上自然浮遊させたところ、水は透明な状況に至った。微小気泡発生装置の作動を止めてから３０分間経過後の微小気泡の粒度分布を図２に示す（計測は市販の光遮断方式の液中パーティクルカウンターによる）。図２から明らかなように、微小気泡の粒度分布には粒径が３μｍ以下の極微小気泡のピークが認められた。このピークはその後に微小気泡発生装置を再作動させることで消滅したこと、また、微小気泡発生装置の作動を止めてから３０分間経過後の水を加熱すると、過加熱状態の形成が強く抑制されたことから、水中には粒径が３μｍ以下の極微小気泡が存在することは明らかであり、本発明によれば、このような極微小気泡を安定に存在せしめた水を製造できることがわかった。

本発明は、物理的刺激を利用することなく、粒径が３μｍ以下の極微小気泡を安定に存在させてなる水の製造方法を提供することができる点において産業上の利用可能性を有する。

実施例１における微小気泡発生装置を作動中の微小気泡の粒径分布を示すグラフである。 同、微小気泡発生装置の作動を止めてから３０分間経過後の微小気泡の粒度分布を示すグラフである。

Claims (4)

1. 光遮断方式の液中パーティクルカウンターで計測が可能な粒径が３μｍ以下の極微小気泡を含む水の製造方法であって、電気伝導度が１０μＳ／ｃｍ以上でノルマルヘキサン抽出物濃度が１００ｍｇ／Ｌ以下の水中に、粒径が５０μｍ以下の微小気泡を微小気泡発生装置で発生させた後、微小気泡発生装置の作動を止め、水中の微小気泡に物理的刺激を与えることなくこれを１分間以上自然浮遊させてその粒径を縮小させることを特徴とする製造方法。
2. 微小気泡を発生させる水の電気伝導度を、電解質を加えることで調整することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
3. 微小気泡を発生させる水のノルマルヘキサン抽出物濃度を、酸化剤を加えることで調整することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
4. 電気伝導度が１０μＳ／ｃｍ以上でノルマルヘキサン抽出物濃度が１００ｍｇ／Ｌ以下の水中に、粒径が５０μｍ以下の微小気泡を微小気泡発生装置で発生させた後、微小気泡発生装置の作動を止め、水中の微小気泡に物理的刺激を与えることなくこれを１分間以上自然浮遊させてその粒径を縮小させることにより製造されてなることを特徴とする光遮断方式の液中パーティクルカウンターで計測が可能な粒径が３μｍ以下で半減期が３０分〜１５日の極微小気泡を含む水。