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WO2014192896A1 - マイクロナノバブルの生成方法、マイクロナノバブル生成器及びマイクロナノバブル生成装置 - Google Patents

マイクロナノバブルの生成方法、マイクロナノバブル生成器及びマイクロナノバブル生成装置 Download PDF

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WO2014192896A1
WO2014192896A1 PCT/JP2014/064344 JP2014064344W WO2014192896A1 WO 2014192896 A1 WO2014192896 A1 WO 2014192896A1 JP 2014064344 W JP2014064344 W JP 2014064344W WO 2014192896 A1 WO2014192896 A1 WO 2014192896A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid
micro
nano bubble
bubble generator
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2014/064344
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
隆廣 久米
真朋 大松
研一 花牟礼
正好 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EARTHLINK Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
EARTHLINK Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EARTHLINK Co Ltd, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical EARTHLINK Co Ltd
Publication of WO2014192896A1 publication Critical patent/WO2014192896A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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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
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
    • B01F23/2373—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm
    • B01F23/2375—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm for obtaining bubbles with a size below 1 µm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/232—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles
    • B01F23/2323—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using flow-mixing means for introducing the gases, e.g. baffles by circulating the flow in guiding constructions or conduits
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/237—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media
    • B01F23/2373—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids characterised by the physical or chemical properties of gases or vapours introduced in the liquid media for obtaining fine bubbles, i.e. bubbles with a size below 100 µm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/10—Mixing by creating a vortex flow, e.g. by tangential introduction of flow components

Definitions

  • the present invention relates to a micro-nano bubble generation method, a micro-nano bubble generator, and a micro-nano bubble generation device.
  • microbubbles and nanobubbles have been revealed one after another, and many micronanobubble generating devices and methods have been developed accordingly.
  • the two-phase flow swirl method is the mainstream for wastewater treatment and water environment improvement, and in tap water, microbubbles with a shape close to a Gaussian distribution with a diameter of about 30 ⁇ m are generated.
  • the number of bubbles is several tens to several hundreds as microbubbles having a diameter of 50 ⁇ m or less.
  • the bubble particle size distribution is significantly different from that of the two-phase flow swirl method, and there is a sharp and high peak in the vicinity of 10 ⁇ m in diameter, and a broad second peak centered around 40 ⁇ m in diameter is formed through a region not containing bubbles. To do.
  • the number of bubbles reaches a level of several thousand as microbubbles having a diameter of 50 ⁇ m or less.
  • ⁇ Microbubbles are bubbles that shrink in water and eventually disappear as a basic property.
  • bubbles having a diameter of 50 ⁇ m or less in a normal aqueous solution such as tap water are targeted.
  • nanobubbles In contrast, nanobubbles often target residual microbubbles. It is considered that the size of the bubbles is smaller than 1 ⁇ m and may be several tens to several hundreds of nanometers.
  • nanobubbles there are devices that have been applied for patents under the name of nanobubble generators and commercially available devices, but basically these are microbubble generators, and in order to remain as nanobubbles, they are A method of manufacturing by giving a stimulus such as crushing to microbubbles is common.
  • the use of nanobubbles includes medical care, food, sanitation, agriculture and fisheries industry, and the application purpose varies depending on the gas species contained therein.
  • microbubble generators that can be stably generated with a small-power pump, and there is a case where a considerably large amount of gas supply is required compared to the volume of microbubbles generated.
  • nanobubbles there are few devices that can easily convert microbubbles generated by one device into nanobubbles, and there is a big problem at least in terms of efficiency.
  • the present invention stably generates microbubbles with a small pump and a small amount of gas supply, and at the same time efficiently converts some of the generated microbubbles into nanobubbles in the same operation. It aims at providing the production method of a micro nano bubble, a micro nano bubble generator, and a micro nano bubble production
  • the present invention provides the following [1] to [25].
  • [1] A step of generating a gas-liquid two-phase swirl flow in a micro-nano bubble generator of a two-phase flow swirl method, and discharging the gas-liquid two-phase swirl flow into an external liquid from the discharge hole of the micro-nano bubble generator And a step of moving the released microbubbles in the gas-liquid two-phase swirl flow along the outer wall surface of the micro / nano bubble generator.
  • the step of generating the gas-liquid two-phase swirl flow changes the traveling direction of the liquid supplied from the outside to the micro / nano bubble generator along a liquid flow path formed in the micro / nano bubble generator.
  • the step of generating a swirl flow by changing the traveling direction of the liquid is a step of generating the liquid in a direction of 0 ° to 5 °, with the direction of the discharge hole being 0 ° with respect to the central axis of the discharge hole.
  • the production method of the micro nano bubble as described in one.
  • a two-phase flow swirl micronanobubble generator for generating micronanobubbles, wherein a liquid supply port for supplying a liquid, a gas supply port for supplying a gas, and a traveling direction of the supplied liquid are changed.
  • a liquid flow path, a swirl flow generating unit that generates a gas-liquid two-phase swirl flow by colliding the supplied liquid and the gas, and an outer wall, and the gas-liquid two-phase swirl flow is placed in an external liquid.
  • the micro / nano bubble generator according to [9] further including a liquid storage tank in which the supplied liquid is stored before flowing into the liquid channel.
  • Micro-nano bubble generator as described in one.
  • the liquid supply port is formed at a position where the liquid can be supplied in a direction of 0 ° to 5 °, where the direction of the discharge hole is 0 ° with respect to the central axis of the discharge hole.
  • the micro-nano bubble generator according to any one of [9] to [15], wherein the liquid is formed so that a traveling direction of the liquid can be changed in a direction of 10 ° to 90 °.
  • micro-nano bubble generator according to any one of [9] to [16], wherein the liquid channel is provided along the inner surface of the outer wall of the micro-nano bubble generator main body.
  • the outlet of the liquid channel is provided at a position farther from the discharge hole than the outlet of the gas channel.
  • the flow path forming portion having a conical end is provided at a position facing the discharge hole, and an outlet of the gas flow channel is provided at the top of the flow path forming portion.
  • the flow path forming portion has a cylindrical part on the bottom surface of the conical shape, and a slit is formed on a side surface of the cylindrical part, and the slit forms the liquid flow path together with the inner surface of the outer wall.
  • the micro-nano bubble generator according to [22] wherein the micro-nano bubble generator is formed.
  • micro-nano bubble generating apparatus comprising one or more micro-nano bubble generators according to any one of [9] to [24].
  • micro-bubbles are stably generated with a small pump and a small amount of gas supply, and at the same time, a micro-bubble that efficiently converts a part of the generated micro-bubbles into nano-bubbles in the same operation.
  • a nanobubble generating method, a micro-nano bubble generator, and a micro-nano bubble generating apparatus can be provided.
  • FIG. 2 It is a measurement result by the electron spin resonance apparatus in Example 2, and shows a spectrum of DMPO-OH.
  • the method for generating micro-nano bubbles includes a step of generating a gas-liquid two-phase swirl flow in a two-phase flow swirl micro-nano bubble generator, and the gas from a discharge hole of the micro-nano bubble generator. A step of discharging the liquid two-phase swirl flow into an external liquid; and a step of moving the discharged microbubbles in the gas-liquid two-phase swirl flow along the outer wall surface of the micro-nano bubble generator.
  • a swirl flow generated by the liquid supplied from the outside into the generator is generated in the generator.
  • the gas supplied from the outside to the swirling flow is mixed with the swirling flow to generate a gas-liquid two-phase swirling flow. It is preferable to use a micro-nano bubble generator of a two-phase flow swirl method according to an embodiment of the present invention described later.
  • the liquid supplied from the outside tap water, distilled water, ground water, river or lake water, rain water, etc. can be used, but it is not particularly limited, but it is preferable to use tap water or ground water. . Moreover, what added additives, such as a mineral, to these may be used.
  • the liquid discharged from the micro / nano bubble generator may be circulated and supplied, or a new liquid may be supplied without being circulated. Moreover, the supply amount of the liquid can be appropriately adjusted to an appropriate amount according to the performance of the pump used for each application.
  • air oxygen, nitrogen or the like
  • the amount of gas supplied may be small, preferably 1 to 30 mL / min, more preferably 3 to 20 mL / min.
  • the step of generating the gas-liquid two-phase swirl flow in the embodiment of the present invention changes the traveling direction of the liquid supplied from the outside to the micro / nano bubble generator along the liquid flow path formed in the micro / nano bubble generator. It is preferable to include a step of generating a swirling flow.
  • the step of generating the swirl flow is more preferably a step of changing along two or more liquid flow paths.
  • the two or more liquid channels are preferably formed at equal intervals in the micro / nano bubble generator, and a preferable shape thereof will be described later.
  • the above-described step of generating a swirling flow by changing the traveling direction of the liquid is not particularly limited as long as the traveling direction is changed so that the swirling flow can be generated.
  • the direction of the discharge hole is 0 °, and from the liquid supply port provided at a position parallel to the central axis, 180 ° to 180 ° It is preferable that the liquid is supplied from the ⁇ 5 ° direction to the direction of the discharge hole (0 °) or a slightly angled direction ( ⁇ 5 °), and the traveling direction is further changed to the angled direction.
  • the angle which shows the course of the liquid in this Embodiment represents the value at the time of seeing from the side surface of a micro nano bubble generator like FIG. 5B. More details will be described later with reference to the drawings.
  • the liquid supplied from the outside includes a step of flowing in the liquid flow path after being stored in the liquid storage tank formed in the micro / nano bubble generator.
  • the liquid can flow through the two or more liquid flow paths with substantially equal pressure, so that a stable swirling flow can be generated.
  • the step of generating the gas-liquid two-phase swirl flow preferably includes a step of increasing the speed of the gas-liquid two-phase swirl flow generated in the micro / nano bubble generator as it approaches the discharge hole.
  • the gas-liquid two-phase swirl flow is discharged from the discharge hole, the higher the swirl flow, the more preferable.
  • it is preferably 3000 rpm / min or more, more preferably 4000 rpm / min or more, More preferably, it is 5000 rpm / min or more.
  • discharge amount about 10 to 20 L / min, pressure: about 0.1 to 0.2 MPa
  • discharge amount about 10 to 20 L / min, pressure: about 0.1 to 0.2 MPa
  • it is preferably 4500 to 6500 rpm / min, and is preferably 5000 to 6000 rpm / min. More preferably, it is minutes.
  • the gas-liquid two-phase swirl flow is discharged from the discharge hole into the external liquid.
  • a micro-nano bubble generator of a two-phase flow swirl method according to an embodiment of the present invention described later.
  • the diameter of the discharge hole is, for example, 3 to 10 mm when a small general pump (discharge amount: about 10 to 20 L / min, pressure: about 0.1 to 0.2 MPa) is used. Preferably, it is 5 to 8 mm. The diameter is adjusted to an appropriate size according to the size of the micro / nano bubble generator.
  • the discharge hole is preferably rounded by chamfering the end of the outer wall of the micro / nano bubble generator forming the hole.
  • the external liquid it is preferable to use the same liquid as the liquid supplied from the outside.
  • the micro-bubbles in the discharged gas-liquid two-phase swirl flow The bubble is moved along the outer wall surface of the micro / nano bubble generator.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the movement of gas, liquid, and swirling flow in a micro / nano bubble generator according to an embodiment of the present invention to be described later.
  • the microbubbles in the gas-liquid two-phase swirling flow discharged from the discharge hole do not spread in the front and move in the forward direction, unlike the conventional gas-liquid two-phase swirling flow device, but in the lateral or backward direction. And move along the outer wall of the micro / nano bubble generator.
  • the characteristics of the generated bubbles also have a particle size distribution different from that of the conventional method.
  • the particle size distribution is close to a Gaussian distribution with a particle size of about 30 ⁇ m in an aqueous solution such as tap water or groundwater.
  • the present embodiment is characterized in that microbubbles exhibiting a “non-Gaussian distribution” in which a large decrease in the number of bubbles is recognized in a particle size range of 10 to 18 ⁇ m in measurement using a liquid particle counter.
  • nanobubbles having a particle size of less than 500 nm can be generated.
  • the nanobubble generation mechanism in this embodiment is considered as follows.
  • the water discharged from the discharge hole 14 includes micro bubbles having a diameter of 50 ⁇ m or less, that is, so-called micro bubbles, but within 0.1 seconds after the generation of the micro bubbles, the water containing the micro bubbles generates micro / nano bubbles. It is considered that microbubbles having a particle size of 10 to 18 ⁇ m can be stabilized as nanobubbles having a particle size of 500 nm or less because the fluid flows while tracing the wall surface of the outer wall 11c of the vessel 10 as it rotates.
  • the moving speed with respect to the wall surface is 20 cm / second or more as an average speed in a moving region within 5 mm in the vertical axis direction from the wall surface, but a different flow velocity distribution is generated in the vertical axis direction from the wall surface contact portion. This is an effect that occurs because the wall surface becomes resistance to flow, and this causes the microbubbles contained in the flow region to be rotated and rounded. Due to the different flow velocity distribution in the vertical axis direction, among the generated microbubbles, microbubbles having a small particle diameter of 20 ⁇ m or less move closer to the wall surface.
  • microbubbles with an extremely small particle size at the time of generation of 10 ⁇ m or less have difficulty because the initial interface area is too small, but microbubbles in the region of particle size 10 to 18 ⁇ m are charged at the gas-liquid interface. Accelerated concentration is realized and stabilized as nanobubbles having a particle size of 500 nm or less.
  • a rapid rounding effect is exerted particularly on microbubbles having a particle diameter in the range of 10 to 18 ⁇ m.
  • the number of these regions is reduced, resulting in a distribution different from the Gaussian particle size distribution as found in other generators.
  • microbubbles are charged, but this charge is formed due to structural factors of water at the gas-liquid interface of microbubbles. Bubbles are not charged because the structure of water in the vicinity is not in time. For this reason, microbubbles shrink while rapidly dissolving the internal gas in the surrounding water, and eventually disappear.
  • the conventional microbubble generator generates microbubbles, but the generated microbubbles disappear in the water as they are. Therefore, in order to leave a part of these as nanobubbles, it is necessary to make other measures.
  • the proportion of microbubbles having a particle size of 10 to 18 ⁇ m remaining as nanobubbles having a sustainability of less than 500 nm in diameter is extremely high without requiring such an operation. Become.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a micro / nano bubble generator according to an embodiment of the present invention.
  • a micro-nano bubble generator 10 is a micro-nano bubble generator of a two-phase flow swirl type that generates micro-nano bubbles, and a liquid supply port for supplying a liquid provided in the generator body 11 11a and a gas supply port 11b for supplying gas, a liquid channel 12c for changing the traveling direction of the supplied liquid, and a swirl flow generation for generating a gas-liquid two-phase swirl flow by colliding the supplied liquid and gas And a discharge hole 14 that is provided on the outer wall 11c of the generator body 11 and discharges the gas-liquid two-phase swirl flow into the external liquid.
  • a liquid storage tank 12b that stores the supplied liquid before flowing into the liquid flow path 12c is provided.
  • the liquid flow path 12c and the liquid storage tank 12b are formed together with the gas flow path 12a in the gas-liquid flow path forming portion 12 provided at a position facing the discharge hole 14.
  • the liquid channel 12c is preferably provided along the inner surface of the outer wall 11c of the micro / nano bubble generator main body 11.
  • the generator body 11 is formed of an outer wall 11c, and has a conical part and a cylindrical part connected to the bottom surface of the conical part.
  • the inside of each part is a cavity, and the gas-liquid flow path forming part 12 is accommodated in the cavity of the cylindrical part so as not to move, and the cavity of the conical part constitutes the swirl flow generating part 13.
  • the angle of the top of the cone is preferably 20 ° to 45 °, more preferably 25 ° to 40 °, and even more preferably 25 ° to 35 ° with respect to the central axis.
  • the shape of the generator body 11 is not limited to this, and a combination of a pyramid shape and a prism shape, a conical shape, a cylindrical shape, or the like can be employed.
  • the size of the generator body 11 can be reduced to a size of about 1 to 10 cm in length, 1 to 10 cm in width, and 1 to 10 cm in length. It can be manufactured in various sizes according to the application.
  • the liquid supply port 11a is formed in the outer wall 11c (outer wall facing the discharge hole 14) located on the bottom surface of the cylindrical portion of the generator body 11, and is formed at a position where the liquid can be supplied to the liquid storage tank 12b. Has been. When the liquid storage tank 12b is not provided, the liquid storage tank 12b is formed so that the liquid can be supplied to the liquid flow path 12c. A tube or the like is connected to the liquid supply port 11a.
  • the gas supply port 11b is formed in the outer wall 11c (outer wall facing the discharge hole 14) located on the bottom surface of the cylindrical portion of the generator body 11, and is formed at a position where gas can be supplied to the gas flow path 12a.
  • a gas supply port 11 b and a gas flow path 12 a are formed on the central axis of the discharge hole 14.
  • a tube or the like is connected to the gas supply port 11b.
  • the material of the generator main body 11 and the gas-liquid flow path forming portion 12 is preferably a metal such as stainless steel, hard plastic, hard glass, or the like, but is not particularly limited.
  • the gas-liquid flow path forming unit 12 has a cylindrical portion on a conical bottom surface, and a slit is formed on a side surface of the cylindrical portion. The slit flows along with the inner surface of the outer wall 11 c of the generator body 11. A path 12c is formed.
  • the liquid channel 12c preferably extends to a conical portion of the channel forming portion 12 (the length is preferably about 3 to 20 mm, more preferably about 5 to 15 mm).
  • the angle of the top of the cone is preferably 35 ° to 70 °, more preferably 40 ° to 65 °, and still more preferably 45 ° to 65 ° with respect to the central axis.
  • the gas-liquid flow path forming part 12 is arranged so that the top of the conical portion faces the discharge hole 14, and the outlet of the gas flow path 12 a is provided at the top.
  • the outlet of the liquid channel 12c is preferably provided at a position farther from the discharge hole 14 than the outlet of the gas channel 12a.
  • the gas channel 12 a preferably has a narrower outlet than the inlet.
  • the area of the inlet of the gas flow path 12a is preferably 8 to 16 mm 2 , and more preferably 10 to 14 mm 2 .
  • the area of the outlet of the gas flow path 12a is preferably 1 to 7 mm 2 , for example, and more preferably 3 to 5 mm 2 .
  • the diameter is adjusted to an appropriate size according to the size of the micro / nano bubble generator.
  • the cavity of the swirl flow generating portion 13 becomes narrower as it approaches the discharge hole 14 (the radius of the circumference is reduced). Thus, the swirling flow increases the swirling speed as it approaches the discharge hole 14.
  • the discharge hole 14 is provided at the top of the conical portion formed by the outer wall 11c. Moreover, the edge part of the outer wall 11c which forms the discharge hole 14 is chamfered.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the movement of gas, liquid, and swirling flow in the micro / nano bubble generator according to an embodiment of the present invention to be described later.
  • the liquid supplied from the liquid supply port 11a passes through the liquid storage tank 12b, and then flows through the liquid flow path 12c.
  • the liquid flows out from the outlet of the liquid flow path 12c into the cavity of the swirl flow generating unit 13, and the swirl flow is generated.
  • Arise On the other hand, the gas supplied from the gas supply port 11b flows through the gas flow path 12a, is discharged from the outlet of the gas flow path 12a into the cavity of the swirl flow generation unit 13, collides with the liquid swirl flow, A phase swirl flow is generated.
  • the gas-liquid two-phase swirl flow increases as it approaches the discharge hole 14 and is discharged from the discharge hole 14.
  • the microbubbles in the gas-liquid two-phase swirling flow discharged from the discharge holes move while spreading in the lateral direction or the backward direction as described above, and move along the wall surface of the outer wall 11c of the micro / nano bubble generator 10. .
  • FIG. 3 is an upper perspective view of a gas-liquid flow path forming part constituting the micro / nano bubble generator according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a lower perspective view
  • 5A is a top view
  • FIG. 5B is a side view.
  • the liquid storage tank 12b is formed in an annular shape in the gas-liquid flow path forming part 12.
  • the liquid supplied from the liquid supply port 11a is stored in the liquid storage tank 12b and then flows into the liquid channel.
  • the liquid can flow through each liquid flow path with substantially equal pressure, so that a stable swirling flow can be generated.
  • the optimal number of liquid channels depends on the size of the micro / nano bubble generator. For example, when the diameter of the micro / nano bubble generator (maximum part of the generator body) is 20 to 40 mm, it is preferable to provide 2 to 5 liquid channels 12c, more preferably 2 to 4 liquid channels 12c. More preferably.
  • the diameter of the micro / nano bubble generator is 40 to 60 mm, it is preferable to provide 2 to 6 liquid flow paths 12c, more preferably 3 to 5, more preferably 4 liquid channels 12c.
  • the diameter of the generator is 60 to 80 mm, it is preferable to provide 2 to 7 liquid flow paths 12c, more preferably 3 to 6, more preferably 4 to 5.
  • the diameter of the generator is 80 to 100 mm, it is preferable to provide 2 to 8 liquid flow paths 12c, more preferably 3 to 7, more preferably 4 to 6.
  • the plurality of liquid flow paths 12c are preferably provided at equal intervals outside the ring of the liquid storage tank 12b.
  • the liquid channel 12c preferably has a narrower outlet than the inlet, and is formed in a curved shape as shown in FIGS. 3 to 5, and becomes thinner toward the outlet, and the outlet has a sharp shape. More preferably.
  • the liquid supply port 11a is provided at a position parallel to the central axis, with the direction of the discharge hole 14 being 0 ° with respect to the central axis of the discharge hole 14, and from the direction of approximately 180 ° to the direction of the discharge hole ( 0 °) or at a position where the liquid can be supplied in a slightly angled direction ( ⁇ 5 °), and the liquid channel 12c is formed so that the traveling direction of the liquid can be changed to a more angled direction. It is preferable. Specifically, a direction of 10 ° to 90 ° is preferable, 30 ° to 90 ° is more preferable, 40 ° to 85 ° is more preferable in consideration of ease of processing and the like, and 50 ° to 80 ° is most preferable.
  • the central axis of the discharge hole 14 coincides with the central axis of the outlet (outflow hole) of the gas flow path 12a, and the liquid supplied in the direction of 0 ° is changed in course. It flows out in the direction of about 70 to 80 ° at the outlet of the channel 12c.
  • the outlet of the liquid channel 12c should not be on the line connecting the inlet of the liquid channel 12c and the outlet of the gas channel 12a.
  • the outlet is displaced by about half the diameter of the outlet.
  • the direction of shifting is unified in either the clockwise direction or the counterclockwise direction in all the plurality of liquid flow paths 12c.
  • the micro-nano bubble generating apparatus includes one or more micro-nano bubble generators 10 according to the above-described embodiments of the present invention. By providing a plurality of micro / nano bubble generators 10, it is possible to deal with the generation of a large number of micro / nano bubbles.
  • the micro / nano bubble generating apparatus includes a liquid supply pump for supplying a liquid from the liquid supply port 11a of the micro / nano bubble generator 10.
  • a pump smaller than the pump used in the ordinary two-phase flow swirling micro-nano bubble generating apparatus can be used. Since the micro / nano bubble generator 10 can also be reduced in size, the entire apparatus can be reduced in size.
  • Micro-nano bubbles were generated using the micro-nano bubble generator 10 (maximum diameter of the generator body 11: 45 mm) according to the embodiment of the present invention described in FIGS.
  • a micro pump is used using a 130 W well pump (pressure 0.16 MPa, discharge rate 14 L / min).
  • Tap water was supplied from the liquid supply port 11a of the nanobubble generator 10 (supplied by circulating water in the rectangular container). The amount of water discharged from the discharge hole 14 was about 10 L / min.
  • FIG. 6 is a photograph taken from the side of the micro / nano bubble generator in the state where the gas-liquid two-phase swirl flow is discharged from the discharge hole in the first embodiment. It can be seen that most (90% or more) of the microbubbles in the discharged gas-liquid two-phase swirl flow are moving forward and not along the wall of the outer wall 11c of the micro / nano bubble generator 10.
  • FIG. 7 shows the particle size distribution of microbubbles measured by the particle counter in liquid in Example 1, and shows the particle size distribution of microbubbles in the rectangular container when 5 minutes have passed after the micro / nano bubble generating device is operated. .
  • the amount of microbubbles generated is extremely large in spite of a very small amount of gas supply in the case of the normal two-phase flow swirl method (gas supply amount is several hundred mL / min). I understand that there are many.
  • the particle size distribution is non-Gaussian, and a large drop in the number of bubbles is observed per 10 to 18 ⁇ m.
  • Example 2 Micro-nano bubbles were produced in the same manner as in Example 1 except that tap water was left for one day and night and water from which residual chlorine was removed by 95% or more was used.
  • the micro / nano bubble generating apparatus was operated for 10 minutes, and water in the rectangular container 30 minutes after the stop was sampled.
  • DMPO 5,5-dimethyl-N-pyrroline-oxide
  • FIG. 8 shows the measurement results obtained by the electron spin resonance apparatus in Example 2, and shows the spectrum of DMPO-OH.
  • a characteristic DMPO-OH spectrum could be recognized. That is, four peaks are recognized at regular intervals between the large left and right peaks in the figure showing the manganese index. Its size is a ratio of 1: 2: 2: 1, indicating a characteristic spectrum of DMPO-OH. From this, it can be recognized that a hydroxyl radical (.OH) was generated in the system. In addition, such a spectrum is not recognized from the water before generating a micro nano bubble.
  • SYMBOLS 10 Micro nano bubble generator
  • 11 Micro nano bubble generator main body
  • 11a Liquid supply port
  • 11b Gas supply port
  • 11c Outer wall
  • 12 Gas-liquid flow path formation part
  • 12a Gas flow path
  • 12b Liquid storage Tank
  • 12c liquid flow path
  • 13 swirl flow generating section
  • 14 discharge hole

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Abstract

　小型のポンプで、かつ少量の気体供給量でありながら、安定してマイクロバブルを発生すると同時に、発生したマイクロバブルの一部を同一動作の中で効率的にナノバブル化するマイクロナノバブルの生成方法、マイクロナノバブル生成器及びマイクロナノバブル生成装置を提供する。　本発明のマイクロナノバブルの生成方法は、二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程と、前記マイクロナノバブル生成器の放出孔より前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程と、放出された前記気液二相旋回流中のマイクロバブルを前記マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる工程とを含む。

Description

マイクロナノバブルの生成方法、マイクロナノバブル生成器及びマイクロナノバブル生成装置
　本発明は、マイクロナノバブルの生成方法、マイクロナノバブル生成器及びマイクロナノバブル生成装置に関するものである。
　マイクロバブルやナノバブルは近年、その応用の可能性が次々と明らかになっており、それに応じて多くのマイクロナノバブル発生装置や方法も開発されている。
　排水処理や水環境改善用としては二相流旋回方式が主流であり、水道水中では直径が３０μｍ程度を中心としたガウス分布に近い形のマイクロバブルを発生させる。気泡の個数は直径５０μｍ以下のマイクロバブルとして数十から数百個レベルである。
　一方、半導体などの洗浄用としても開発が進められており、非常に高濃度のマイクロバブルを発生できる加圧溶解方式がその中心である。気泡粒径分布は二相流旋回方式とは大きく異なっており、直径１０μｍ近傍に鋭くて高いピークがあり、気泡を含まない領域を経て、直径４０μｍ付近を中心とするブロードな第２ピークを形成する。気泡の個数は直径５０μｍ以下のマイクロバブルとして数千個レベルに達する。
　マイクロバブルは、基本的な性質として、水中で縮小していき、ついには消滅してしまう気泡である。雑ぱくな目安としては水道水などの通常の水溶液中において直径が５０μｍ以下の気泡が対象となる。
　これに対してナノバブルは残存性の微小気泡を対象とすることが多い。気泡の大きさは１μｍよりも小さく、数十ｎｍ～数百ｎｍの大きさであろうと考えられている。このナノバブルに関しては、ナノバブル発生装置の名称で特許出願されている装置や市販されている装置があるが、基本的にはこれらはマイクロバブル発生装置であり、ナノバブルとして残存させるためには発生後のマイクロバブルに圧壊などの刺激を与えて製造する方法が一般的である。ナノバブルの利用としては、医療や食品、衛生、農水産業などであり、内部に含まれる気体種などによって応用目的も異なってくる。
　ナノバブル発生装置としては、例えば、特許文献１記載の装置がある。
特開２０１２－２５０１３８号公報
　この様な状況であるが、マイクロバブル発生装置に関しては小動力のポンプで安定して発生が望める装置が少なく、また発生するマイクロバブルの容積量に比べて著しく多量の気体供給が必要な場合が大部分である。また、ナノバブルに関しては一つの装置で発生したマイクロバブルを簡単にナノバブル化できる装置は少なく、少なくとも効率の面で大きな問題がある。
　そこで、本発明は、小型のポンプで、かつ少量の気体供給量でありながら、安定してマイクロバブルを発生すると同時に、発生したマイクロバブルの一部を同一動作の中で効率的にナノバブル化するマイクロナノバブルの生成方法、マイクロナノバブル生成器及びマイクロナノバブル生成装置を提供することを目的とする。
　本発明は、上記目的を達成するために、下記の［１］～［２５］を提供する。
［１］二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程と、前記マイクロナノバブル生成器の放出孔より前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程と、放出された前記気液二相旋回流中のマイクロバブルを前記マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる工程とを含むマイクロナノバブルの生成方法。
［２］前記気液二相旋回流を発生させる工程は、前記マイクロナノバブル生成器に外部から供給された液体の進行方向を前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体流路に沿って変更させることで旋回流を生じさせる工程を含むことを特徴とする前記［１］に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
［３］前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、２本以上の前記液体流路に沿って変更させる工程であることを特徴とする前記［２］に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
［４］外部から供給された前記液体は、前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体貯留槽に貯留された後に、前記液体流路に流されることを特徴とする前記［２］又は前記［３］に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
［５］前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を０°として、０°～５°の方向に前記液体が供給され、１０°～９０°の方向へ進行方向が変更される工程であることを特徴とする前記［２］～［４］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
［６］前記マイクロナノバブル生成器内で発生させた前記気液二相旋回流の速度を前記放出孔に近づくほど高める工程を含むことを特徴とする前記［１］～［５］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
［７］液中パーティクルカウンターを利用した計測において粒径１０～１８μｍの範囲に気泡個数の大きな低下が認められる非ガウス分布を示すマイクロバブルを生成することを特徴とする前記［１］～［６］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
［８］粒径５００ｎｍ未満のナノバブルを生成することを特徴とする前記［１］～［７］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブルの生成方法。
［９］マイクロナノバブルを生成する二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器であって、液体を供給する液体供給口及び気体を供給する気体供給口と、供給された前記液体の進行方向を変更させる液体流路と、供給された前記液体及び前記気体を衝突させて気液二相旋回流を発生させる旋回流発生部と、外壁に設けられ、前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる放出孔とを備えたマイクロナノバブル生成器。
［１０］供給された前記液体が前記液体流路に流される前に貯留される液体貯留槽を備えることを特徴とする前記［９］に記載のマイクロナノバブル生成器。
［１１］前記旋回流発生部は、円錐形状の前記外壁で形成されており、内部に円錐形状の空洞を有することを特徴とする前記［９］又は前記［１０］に記載のマイクロナノバブル生成器。
［１２］前記放出孔は、円錐形状の前記外壁の頂上部に設けられていることを特徴とする前記［１１］に記載のマイクロナノバブル生成器。
［１３］前記放出孔を形成する前記外壁の端部が面取りされていることを特徴とする前記［９］～［１２］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［１４］前記液体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする前記［９］～［１３］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［１５］前記液体流路は、曲線状に形成され、流出口に近づくほど細くなり、流出口が尖った形状となっていることを特徴とする前記［９］～［１４］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［１６］前記液体供給口は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を０°として、０°～５°の方向に前記液体を供給できる位置に形成され、前記液体流路は、前記液体を１０°～９０°の方向へ進行方向を変更できるように形成されていることを特徴とする前記［９］～［１５］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［１７］前記液体流路は、マイクロナノバブル生成器本体の外壁内面に沿って設けられていることを特徴とする前記［９］～［１６］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［１８］前記液体流路は、２本以上設けられていることを特徴とする前記［９］～［１７］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［１９］前記気体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする前記［９］～［１８］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［２０］前記液体流路の流出口は、前記気体流路の流出口よりも前記放出孔から遠い位置に設けられていることを特徴とする前記［９］～［１９］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［２１］前記液体貯留槽は、円環状に形成されていることを特徴とする前記［９］～［２０］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［２２］前記放出孔と対向する位置に端部が円錐形状の流路形成部が設けられており、その頂上部に前記気体流路の流出口が設けられていることを特徴とする前記［９］～［２１］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器。
［２３］前記流路形成部は、前記円錐形状の底面に円柱形状の部位を有し、当該円柱形状の部位の側面にスリットが形成され、当該スリットは前記外壁の内面と共に前記液体流路を形成していることを特徴とする前記［２２］に記載のマイクロナノバブル生成器。
［２４］前記液体流路は、前記流路形成部の前記円錐形状の部位にまで延びていることを特徴とする前記［２３］に記載のマイクロナノバブル生成器。
［２５］前記［９］～［２４］のいずれか１つに記載のマイクロナノバブル生成器を１つ以上、備えたことを特徴とするマイクロナノバブル生成装置。
　本発明によると、小型のポンプで、かつ少量の気体供給量でありながら、安定してマイクロバブルを発生すると同時に、発生したマイクロバブルの一部を同一動作の中で効率的にナノバブル化するマイクロナノバブルの生成方法、マイクロナノバブル生成器及びマイクロナノバブル生成装置を提供することができる。
本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器の断面図である。 本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器における気体、液体、及び旋回流の動きを示した断面図である。 本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器を構成する気液流路形成部の上方斜視図である。 本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器を構成する気液流路形成部の下方斜視図である。 本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器を構成する気液流路形成部を示す上面図である。 図５Ａの実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器を構成する気液流路形成部を示す側面図である。 実施例１における、放出孔から気液二相旋回流を放出した状態のマイクロナノバブル生成器を側面から撮影した写真である。 実施例１において液中パーティクルカウンターにより測定したマイクロバブルの粒径分布である。 実施例２における電子スピン共鳴装置による測定結果であり、ＤＭＰＯ－ＯＨのスペクトルを示す。
〔マイクロナノバブルの生成方法〕
　本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブルの生成方法は、二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程と、前記マイクロナノバブル生成器の放出孔より前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程と、放出された前記気液二相旋回流中のマイクロバブルを前記マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる工程とを含む。以下、各工程を詳細に説明する。
　本発明の実施の形態における「二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程」では、外部から生成器内に供給された液体による旋回流を生成器内で発生させ、この旋回流に外部から生成器に供給された気体を混合し、気液二相旋回流を発生させる。後述する本発明の実施の形態に係る二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器を使用することが好ましい。
　外部から供給する液体としては、水道水、蒸留水、地下水、川や湖の水、雨水等を使用することができ、特に限定されるものではないが、水道水又は地下水を使用することが好ましい。また、これらにミネラルなどの添加物を加えたものでも良い。マイクロナノバブル生成器から放出された液体を循環させて供給しても良いし、循環させずに新たな液体を供給しても良い。また、液体の供給量は、各用途に適した使用ポンプの性能に応じて適宜、適当量に調整できる。
　外部から供給する気体としては、空気、酸素、窒素等を用いることができ、特に限定されるものではないが、空気を用いることが好ましい。気体の供給量は、少量で良く、１～３０ｍＬ／分であることが好ましく、３～２０ｍＬ／分であることがより好ましい。
　本発明の実施の形態における気液二相旋回流を発生させる工程は、マイクロナノバブル生成器に外部から供給された液体の進行方向をマイクロナノバブル生成器に形成された液体流路に沿って変更させることで旋回流を生じさせる工程を含むことが好ましい。また、当該旋回流を生じさせる工程は、２本以上の液体流路に沿って変更させる工程であることがより好ましい。２本以上の液体流路は、マイクロナノバブル生成器に均等間隔で形成されたものであることが好ましく、その好ましい形状については後述する。
　液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる上記の工程は、旋回流を生じさせることができるように進行方向が変更されれば、特に限定されるものではないが、マイクロナノバブル生成器に設けられた気液二相旋回流の放出孔の中心軸に対し、放出孔の方向を０°として、当該中心軸と平行線上の位置に設けられた液体供給口より、１８０°ないし１８０°±５°の方向から放出孔の方向（０°）ないし少し角度を持たせた方向（～５°）に液体が供給され、さらに角度をつけた方向へ進行方向が変更されることが好ましい。具体的には１０°～９０°の方向が好ましく、３０°～９０°がより好ましく、加工のし易さ等も考慮すると４０°～８５°がさらに好ましく、５０°～８０°が最も好ましい。なお、本実施の形態における液体の進路を示す角度は、図５Ｂのようにマイクロナノバブル生成器の側面から見た場合の値を表す。より詳細には図を参照して後述する。
　上記工程において、外部から供給された液体は、マイクロナノバブル生成器に形成された液体貯留槽に貯留された後に、液体流路に流される工程を含むことが好ましい。これにより、２本以上の液体流路にほぼ均等圧で液体を流すことができるため、安定した旋回流を生じさせることができる。
　また、気液二相旋回流を発生させる工程は、マイクロナノバブル生成器内で発生させた気液二相旋回流の速度を放出孔に近づくほど高める工程を含むことが好ましい。気液二相旋回流が放出孔より放出されるときに旋回流が高速であるほど好ましく、具体的には、３０００ｒｐｍ／分以上であることが好ましく、４０００ｒｐｍ／分以上であることがより好ましく、５０００ｒｐｍ／分以上であることがさらに好ましい。小型の一般的なポンプ（吐出量：１０～２０Ｌ／分程度、圧力：０．１～０．２ＭＰａ程度）を使用した場合には、４５００～６５００ｒｐｍ／分であることが好ましく、５０００～６０００ｒｐｍ／分であることがより好ましい。
　本発明の実施の形態における「マイクロナノバブル生成器の放出孔より気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程」では、放出孔より気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる。後述する本発明の実施の形態に係る二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器を使用することが好ましい。
　放出孔の直径は、例えば、小型の一般的なポンプ（吐出量：１０～２０Ｌ／分程度、圧力：０．１～０．２ＭＰａ程度）を使用した場合には、３～１０ｍｍであることが好ましく、５～８ｍｍであることがより好ましい。マイクロナノバブル生成器の大きさにしたがい適当な径に調整する。放出孔は、孔を形成するマイクロナノバブル生成器の外壁の端部が面取りされ、丸められていることが好ましい。
　外部の液体としては、前述の外部から供給する液体と同様の液体を使用することが好ましい。
　本発明の実施の形態における「放出された気液二相旋回流中のマイクロバブルをマイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる工程」では、放出された気液二相旋回流中のマイクロバブルをマイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる。従来、このような工程を経る生成方法は存在しなかった。放出された気液二相旋回流中のマイクロバブルの７０％以上をマイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させることが好ましく、８０％以上がより好ましく、９０％以上がさらに好ましく、９５％以上が最も好ましい。後述する本発明の実施の形態に係る二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器を使用することが好ましい。
　本工程は、特別に何か別の操作をすることなく、前述の「二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程」及び「マイクロナノバブル生成器の放出孔より気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程」を経た結果として生じる工程である。
　図２は、後述する本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器における気体、液体、及び旋回流の動きを示した断面図である。放出孔より放出された気液二相旋回流中のマイクロバブルは、従来の気液二相旋回流方式の装置のように前面に広がって前方向に移動するのではなく、横方向ないし後ろ方向に広がりを見せながら移動し、マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動する。
　本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブルの生成方法は、従来の方法とは異なるため、発生する気泡の特徴も従来とは異なった粒径分布となる。通常、この様な二相流旋回方式と言われる型式のマイクロバブル発生装置の場合、水道水や地下水などの水溶液中であれば粒径が３０μｍ程度を中心としたほぼガウス分布に近い粒径分布を示すが、本実施の形態は、液中パーティクルカウンターを利用した計測において粒径１０～１８μｍの範囲に気泡個数の大きな低下が認められる「非ガウス分布」を示すマイクロバブルを生成する点に特徴がある。また、粒径５００ｎｍ未満のナノバブルを生成することができる。本実施の形態におけるナノバブルの生成機構は、以下の通りと考えられる。
　放出孔１４から放出された水の中には直径が５０μｍ以下の微小な気泡、所謂マイクロバブルを含んでいるが、マイクロバブルの生成後０．１秒以内においてマイクロバブルを含む水がマイクロナノバブル生成器１０の外壁１１ｃの壁面を回転と共になぞりつつ流動するため、粒径１０から１８μｍのマイクロバブルを粒径５００ｎｍ以下のナノバブルとして安定化させることができると考えられる。壁面に対する移動速度は、壁面から垂直軸方向に５ｍｍ以内での移動領域においては平均速度として２０ｃｍ／秒以上であるが、壁面接触部から垂直軸方向に異なる流速分布を生じさせる。これは壁面が流動の抵抗になるために生じる効果であるが、これにより流動域の内部に含まれるマイクロバブルは回転させられて丸め込まれる様な作用をうける。垂直軸方向に異なる流速分布のために、発生したマイクロバブルの中でも特に粒径の小さな粒径２０μｍ以下のマイクロバブルはより壁面に近い側に移動する。これにより気液界面には新鮮な水溶液が周囲より急速に供給されるため、気泡内部の気体は溶解が促進されると共に電荷の形成が不十分な段階であったマイクロバブルの気液界面には急速に電荷の供給が進む。これにより、極端に発生時の粒径が小さい粒径１０μｍ以下のマイクロバブルでは初発の界面面積が小さ過ぎるため困難が生じるが、粒径１０から１８μｍの領域のマイクロバブルは気液界面における電荷の促進的な濃縮が実現して粒径５００ｎｍ以下のナノバブルとして安定化する。この様に、本発明の実施形態においては、特に粒径１０から１８μｍの範囲のマイクロバブルに対して急速な丸め込み効果を発揮するため、結果的に発生装置から外部に放出された段階では、マイクロバブル自体の粒径分布において、この領域の個数が低下して、他の発生装置に見られるようなガウス分布的な粒径分布とは異なる分布となる。
　通常、マイクロバブルは電荷を帯びていることが知られているが、この電荷はマイクロバブルの気液界面における水の構造的な要因で形成されたものであり、気泡発生直後においては気液界面付近における水の構造形成が間に合わないため、気泡は電荷を帯びてはいない。このためマイクロバブルは内部の気体を急速に周囲の水に溶解させながら縮小していき、ついには消滅してしまう。特に粒径１０から１８μｍのマイクロバブルの場合には内部の気体が０．１気圧以上に加圧されているため、縮小から消滅に向かう傾向が強い。ところが、本発明のごとく、固体壁面をなぞるように発生直後のマイクロバブルを含む水が移動すると、壁面が抵抗体となるため水自体が強い乱流条件下に置かれることになる。そして内部に含まれる球形をした気泡は高速で回転する状況になり、乱流条件であるにも係わらず球形を維持しながら内部の気体を周囲の水に溶解させる。この時、気液界面には常に新しい水が供給されるため、気泡の縮小速度は他の条件よりも著しく加速される。さらに、水の動きが著しいために周囲の水から気液界面近傍へのイオン類の供給も著しく、気泡縮小に伴うゼータ電位の立ち上がりは著しく促進される。その結果、粒径が５００ｎｍ未満の状態になった時に、気泡は高濃度のイオンに取り囲まれた状況になる。この様な状況になると、気泡の縮小が大きく制限されてしまう。すなわち高濃度のイオンの殻に取り囲まれた状態となり、内部の気体の溶解が著しく制限されてしまうので、気泡は安定化する。その結果、マイクロバブルとしての発生後にさほどの時間を要していないにも係わらず、また気泡の縮小を促すような特別な操作を別途に施していないにも係わらず、大量のナノバブルとして残存させることが可能となるものと考えられる。従来のマイクロバブル発生装置は、マイクロバブルは発生するものの発生したマイクロバブルはそのまま水の中で消滅するため、この一部をナノバブルとして残存させるためには他の工夫を施す必要があった。これに対して、本発明によれば、そのような操作を必要とすること無く、特に粒径１０から１８μｍのマイクロバブルが直径５００ｎｍ未満の持続性を持ったナノバブルとして残存する割合が非常に高くなる。
〔マイクロナノバブルの生成器〕
　図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器の断面図である。
　本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブルの生成器１０は、マイクロナノバブルを生成する二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器であって、生成器本体１１に設けられた液体を供給する液体供給口１１ａ及び気体を供給する気体供給口１１ｂと、供給された液体の進行方向を変更させる液体流路１２ｃと、供給された液体及び気体を衝突させて気液二相旋回流を発生させる旋回流発生部１３と、生成器本体１１の外壁１１ｃに設けられ、気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる放出孔１４とを備える。本実施の形態においては、好ましい形態として、供給された液体が液体流路１２ｃに流される前に貯留される液体貯留槽１２ｂを備える。液体流路１２ｃ及び液体貯留槽１２ｂは、放出孔１４と対向する位置に設けられた気液流路形成部１２に気体流路１２ａとともに形成されている。液体流路１２ｃは、マイクロナノバブル生成器本体１１の外壁１１ｃの内面に沿って設けられていることが好ましい。
　生成器本体１１は、外壁１１ｃで形成されており、円錐形状の部位と円錐形状部位の底面に連なる円柱形状の部位を有する。いずれの部位も内部が空洞となっており、円柱形状部位の空洞には気液流路形成部１２が動かないように収容され、円錐形状部位の空洞は、旋回流発生部１３を構成する。円錐の頂部の角度は、中心軸に対して２０°～４５°が好ましく、２５°～４０°がより好ましく、２５°～３５°がさらに好ましい。なお、生成器本体１１の形状はこれに限定されるものではなく、角錐形状と角柱形状の組み合せや、円錐形状のみ、円柱形状のみ等の形状を採用できる。生成器本体１１の大きさは、縦１～１０ｃｍ×横１～１０ｃｍ×長さ１～１０ｃｍ程度の小型にすることができる。用途に合わせて種々の大きさに製造できる。
　液体供給口１１ａは、生成器本体１１の円柱形状部位の底面に位置する外壁１１ｃ（放出孔１４と対向する外壁）に形成されており、かつ、液体貯留槽１２ｂに液体を供給できる位置に形成されている。液体貯留槽１２ｂを設けない場合には、液体流路１２ｃに液体を供給できるように形成される。液体供給口１１ａには、チューブ等が連結される。
　気体供給口１１ｂは、生成器本体１１の円柱形状部位の底面に位置する外壁１１ｃ（放出孔１４と対向する外壁）に形成されており、かつ、気体流路１２ａに気体を供給できる位置に形成されている。本実施の形態においては、放出孔１４の中心軸上に気体供給口１１ｂ及び気体流路１２ａが形成されている。気体供給口１１ｂには、チューブ等が連結される。
　生成器本体１１や気液流路形成部１２の材質としては、ステンレス等の金属、硬質プラスチック、硬質ガラス等が好適であるが、特に限定されるものではない。
　気液流路形成部１２は、円錐形状の底面に円柱形状の部位を有し、当該円柱形状の部位の側面にスリットが形成され、当該スリットは生成器本体１１の外壁１１ｃの内面と共に液体流路１２ｃを形成している。液体流路１２ｃは、流路形成部１２の円錐形状の部位にまで延びていることが好ましい（その長さは３～２０ｍｍ程度が好ましく、５～１５ｍｍ程度がより好ましい）。円錐の頂部の角度は、中心軸に対して３５°～７０°が好ましく、４０°～６５°がより好ましく、４５°～６５°がさらに好ましい。
　気液流路形成部１２は、円錐形状部位の頂上部が放出孔１４と対向するように配置され、その頂上部に気体流路１２ａの流出口が設けられている。液体流路１２ｃの流出口は、図１に示すように、気体流路１２ａの流出口よりも放出孔１４から遠い位置に設けられていることが好ましい。これにより、気体の供給直後から旋回流の中心に気体が存在しているため、非常に安定したマイクロナノバブルの発生が可能となる。
　気体流路１２ａは、図１に示すように、流入口よりも流出口を狭くすることが好ましい。気体流路１２ａの流入口の面積は、例えば、８～１６ｍｍ２であることが好ましく、１０～１４ｍｍ２であることがより好ましい。また、気体流路１２ａの流出口の面積は、例えば、１～７ｍｍ２であることが好ましく、３～５ｍｍ２であることがより好ましい。マイクロナノバブル生成器の大きさにしたがい適当な径に調整する。
　旋回流発生部１３の空洞は、放出孔１４に近づくほど狭くなっている（円周の半径が縮小している）。これにより、旋回流は放出孔１４に近づくほど旋回速度を上昇させる。
　放出孔１４は、外壁１１ｃで形成された円錐形状部位の頂上部に設けられている。また、放出孔１４を形成する外壁１１ｃの端部が面取りされている。
　次に、本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブルの生成器１０における気体、液体、及び旋回流の動きを説明する。図２は、後述する本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器における気体、液体、及び旋回流の動きを示した断面図である。
　液体供給口１１ａから供給された液体は、液体貯留槽１２ｂを通過した後、液体流路１２ｃを流れ、液体流路１２ｃの流出口から旋回流発生部１３の空洞内に流出され、旋回流を生じる。一方、気体供給口１１ｂから供給された気体は、気体流路１２ａを流れ、気体流路１２ａの流出口から旋回流発生部１３の空洞内に放出され、液体旋回流と衝突し、気液二相旋回流を発生する。気液二相旋回流は、放出孔１４に近づくほど速度を上げ、放出孔１４から放出される。放出孔より放出された気液二相旋回流中のマイクロバブルは、前述の通り、横方向ないし後ろ方向に広がりを見せながら移動し、マイクロナノバブル生成器１０の外壁１１ｃの壁面に沿って移動する。
　図３は、本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器を構成する気液流路形成部の上方斜視図であり、図４は、下方斜視図である。また、図５Ａは上面図、図５Ｂは側面図である。
　液体貯留槽１２ｂは、図３及び図５Ａに示すように、気液流路形成部１２に円環状に形成されている。液体供給口１１ａから供給された液体は、液体貯留槽１２ｂに貯留された後に、液体流路に流される。これにより、液体流路１２ｃを２本以上設けた場合に各液体流路にほぼ均等圧で液体を流すことができるため、安定した旋回流を生じさせることができる。最適な液体流路の本数は、マイクロナノバブル生成器のサイズにより異なる。例えば、マイクロナノバブル生成器の直径（生成器本体の最大部）が２０～４０ｍｍの場合、液体流路１２ｃを２～５本設けることが好ましく、２～４本設けることがより好ましく、３本設けることがさらに好ましい。マイクロナノバブル生成器の直径が４０～６０ｍｍの場合、液体流路１２ｃを２～６本設けることが好ましく、３～５本設けることがより好ましく、４本設けることがさらに好ましい。生成器の直径が６０～８０ｍｍであれば、液体流路１２ｃを２～７本設けることが好ましく、３～６本設けることがより好ましく、４～５本設けることがさらに好ましい。生成器の直径が８０～１００ｍｍであれば、液体流路１２ｃを２～８本設けることが好ましく、３～７本設けることがより好ましく、４～６本設けることがさらに好ましい。複数本の液体流路１２ｃは、液体貯留槽１２ｂの円環の外側に等間隔に設けられることが好ましい。
　液体流路１２ｃは、流入口よりも流出口が狭くすることが好ましく、図３～５に示すように、曲線状に形成され、流出口に近づくほど細くなり、流出口が尖った形状となっていることがより好ましい。
　液体供給口１１ａは、放出孔１４の中心軸に対し、放出孔１４の方向を０°として、当該中心軸と平行線上の位置に設けられ、かつ、略１８０°の方向から放出孔の方向（０°）ないし少し角度を持たせた方向（～５°）に液体を供給できる位置に形成され、液体流路１２ｃは、液体をさらに角度をつけた方向へ進行方向を変更できるように形成されていることが好ましい。具体的には１０°～９０°の方向が好ましく、３０°～９０°がより好ましく、加工のし易さ等も考慮すると４０°～８５°がさらに好ましく、５０°～８０°が最も好ましい。例えば、図５Ｂにおいては、放出孔１４の中心軸と気体流路１２ａの流出口（流出孔）の中心軸とが一致しており、０°の方向に供給された液体は進路変更されて液体流路１２ｃの流出口では約７０～８０°の方向へ流出している。また、図５Ａ、図５Ｂに示されるように、液体流路１２ｃの流出口が、液体流路１２ｃの流入口と気体流路１２ａの流出口とを結ぶライン上に来ないようにすることが好ましく、液体流路１２ｃの流入口の端部から当該流出口の直径の３／４～１／４の長さ程度分、時計回り方向、ないし反時計回り方向にずれていることがより好ましく、当該流出口の直径の１／２の長さ程度分ずれていることがさらに好ましい。ずらす方向は複数の液体流路１２ｃすべてにおいて、時計回り方向、ないし反時計回り方向のどちらかに統一する。
〔マイクロナノバブルの生成装置〕
　本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブルの生成装置は、上述の本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器１０を１つ以上、備える。マイクロナノバブル生成器１０を複数個備えることで、大量のマイクロナノバブル生成にも対応可能である。
　マイクロナノバブルの生成装置は、マイクロナノバブル生成器１０の液体供給口１１ａから液体を供給するための液体供給用ポンプを備える。本実施の形態においては、通常の二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成装置に使用されるポンプよりも小型のポンプを使用できる。マイクロナノバブル生成器１０も小型にできるため、装置全体を小型化することが可能である。
　以下、本発明を実施例によって説明するが、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＞
　図１～５に記載の本発明の実施の形態に係るマイクロナノバブル生成器１０（生成器本体１１の最大直径：４５ｍｍ）を使用してマイクロナノバブルを生成した。
　まず、マイクロナノバブル生成器１０を入れた角形容器に茨城県つくば市内の水道水を約１０Ｌ入れた後、１３０Ｗの井戸用ポンプ（圧力０．１６ＭＰａ、吐出量１４Ｌ／分）を利用してマイクロナノバブル生成器１０の液体供給口１１ａから水道水を供給（角形容器中の水を循環させて供給）した。放出孔１４からの放出水量は約１０Ｌ／分であった。運転開始後、チューブを介して気体供給口１１ｂから空気が供給される（生成器内部に旋回流が発生し気体流路１２ａの流出口付近の圧力が下がるため、空気は自然吸引され自給される）。
　図６は、実施例１における、放出孔から気液二相旋回流を放出した状態のマイクロナノバブル生成器を側面から撮影した写真である。放出された気液二相旋回流中のマイクロバブルの殆ど（９０％以上）が前方ではなく、後方へ向かい、マイクロナノバブル生成器１０の外壁１１ｃの壁面に沿って移動している様子が分かる。
　空気の供給量を約５ｍＬ／分としたときの角形容器内のマイクロバブルの粒径分布を液中パーティクルカウンターにより測定した。利用した液中パーティクルカウンターはＰＭＳ社製LiQuilaz-E20である。
　図７は、実施例１において液中パーティクルカウンターにより測定したマイクロバブルの粒径分布であり、マイクロナノバブル生成装置を作動させて５分経過した時の角形容器内におけるマイクロバブルの粒径分布を示す。
　図７より、通常の二相流旋回方式の場合（気体の供給量は数百ｍＬ／分）に対して、極めて少量の気体の供給量であるにもかかわらず、マイクロバブル発生量が大変に多いことが分かる。また、粒径分布が非ガウス分布となり、１０～１８μｍ当たりに気泡数の大きな落ち込みが認められる。
＜実施例２＞
　水道水を１昼夜の放置をして残留塩素を９５％以上抜けさせた水を使用した以外は実施例１と同様にしてマイクロナノバブルを生成した。
　マイクロナノバブル生成装置を１０分間作動させ、停止３０分後の角形容器内の水をサンプリングした。サンプリングした水にスピントラップ剤である５，５－ジメチル－Ｎ－ピロリン－オキシド（ＤＭＰＯ）と塩酸を添加した後に、電子スピン共鳴装置（株式会社キーコム社製、商品名：esr33）により測定を行った。
　図８は、実施例２における電子スピン共鳴装置による測定結果であり、ＤＭＰＯ－ＯＨのスペクトルを示す。
　図８において、特徴的なＤＭＰＯ－ＯＨのスペクトルを認めることが出来た。すなわち、マンガンの指標を示す図の左右外側の大きなピークの間に４つのピークが等間隔で認められる。その大きさは１：２：２：１の比率であり、ＤＭＰＯ－ＯＨの特徴的なスペクトルを示している。このことから系内において水酸基ラジカル（・OH）が発生したことを認めることが出来る。なお、マイクロナノバブルを発生させる前の水からはこの様なスペクトルは認められない。
　また、上記サンプル水を穴径５００ｎｍのメンブレンフィルターに通過させた後に同様の測定を行った場合、フィルター処理を行っていないサンプル水とほぼ同じ大きさのＤＭＰＯ－ＯＨのスペクトルを確認できた。これらのことからサンプル水中には５００ｎｍ未満のナノバブルが残存していることが分かった。
１０：マイクロナノバブル生成器、１１：マイクロナノバブル生成器本体、１１ａ：液体供給口、１１ｂ：気体供給口、１１ｃ：外壁、１２：気液流路形成部、１２ａ：気体流路、１２ｂ：液体貯留槽、１２ｃ：液体流路、１３：旋回流発生部、１４：放出孔

Claims (25)

  1. 　二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器内で気液二相旋回流を発生させる工程と、
    　前記マイクロナノバブル生成器の放出孔より前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる工程と、
    　放出された前記気液二相旋回流中のマイクロバブルを前記マイクロナノバブル生成器の外壁面に沿って移動させる工程とを含むマイクロナノバブルの生成方法。
  2. 　前記気液二相旋回流を発生させる工程は、前記マイクロナノバブル生成器に外部から供給された液体の進行方向を前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体流路に沿って変更させることで旋回流を生じさせる工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
  3. 　前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、２本以上の前記液体流路に沿って変更させる工程であることを特徴とする請求項２に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
  4. 　外部から供給された前記液体は、前記マイクロナノバブル生成器に形成された液体貯留槽に貯留された後に、前記液体流路に流されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
  5. 　前記液体の進行方向を変更させることで旋回流を生じさせる工程は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を０°として、０°～５°の方向に前記液体が供給され、１０°～９０°の方向へ進行方向が変更される工程であることを特徴とする請求項２～４のいずれか１項に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
  6. 　前記マイクロナノバブル生成器内で発生させた前記気液二相旋回流の速度を前記放出孔に近づくほど高める工程を含むことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
  7. 　液中パーティクルカウンターを利用した計測において粒径１０～１８μｍの範囲に気泡個数の大きな低下が認められる非ガウス分布を示すマイクロバブルを生成することを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
  8. 　粒径５００ｎｍ未満のナノバブルを生成することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載のマイクロナノバブルの生成方法。
  9. 　マイクロナノバブルを生成する二相流旋回方式のマイクロナノバブル生成器であって、
    　液体を供給する液体供給口及び気体を供給する気体供給口と、
    　供給された前記液体の進行方向を変更させる液体流路と、
    　供給された前記液体及び前記気体を衝突させて気液二相旋回流を発生させる旋回流発生部と、
    　外壁に設けられ、前記気液二相旋回流を外部の液体中に放出させる放出孔とを備えたマイクロナノバブル生成器。
  10. 　供給された前記液体が前記液体流路に流される前に貯留される液体貯留槽を備えることを特徴とする請求項９に記載のマイクロナノバブル生成器。
  11. 　前記旋回流発生部は、円錐形状の前記外壁で形成されており、内部に円錐形状の空洞を有することを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のマイクロナノバブル生成器。
  12. 　前記放出孔は、円錐形状の前記外壁の頂上部に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロナノバブル生成器。
  13. 　前記放出孔を形成する前記外壁の端部が面取りされていることを特徴とする請求項９～１２のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  14. 　前記液体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする請求項９～１３のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  15. 　前記液体流路は、曲線状に形成され、流出口に近づくほど細くなり、流出口が尖った形状となっていることを特徴とする請求項９～１４のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  16. 　前記液体供給口は、前記放出孔の中心軸に対し、前記放出孔の方向を０°として、０°～５°の方向に前記液体を供給できる位置に形成され、前記液体流路は、前記液体を１０°～９０°の方向へ進行方向を変更できるように形成されていることを特徴とする請求項９～１５のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  17. 　前記液体流路は、マイクロナノバブル生成器本体の外壁内面に沿って設けられていることを特徴とする請求項９～１６のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  18. 　前記液体流路は、２本以上設けられていることを特徴とする請求項９～１７のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  19. 　前記気体流路は、流入口よりも流出口が狭いことを特徴とする請求項９～１８のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  20. 　前記液体流路の流出口は、前記気体流路の流出口よりも前記放出孔から遠い位置に設けられていることを特徴とする請求項９～１９のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  21. 　前記液体貯留槽は、円環状に形成されていることを特徴とする請求項９～２０のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  22. 　前記放出孔と対向する位置に端部が円錐形状の流路形成部が設けられており、その頂上部に前記気体流路の流出口が設けられていることを特徴とする請求項９～２１のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器。
  23. 　前記流路形成部は、前記円錐形状の底面に円柱形状の部位を有し、当該円柱形状の部位の側面にスリットが形成され、当該スリットは前記外壁の内面と共に前記液体流路を形成していることを特徴とする請求項２２に記載のマイクロナノバブル生成器。
  24. 　前記液体流路は、前記流路形成部の前記円錐形状の部位にまで延びていることを特徴とする請求項２３に記載のマイクロナノバブル生成器。
  25. 　請求項９～２４のいずれか１項に記載のマイクロナノバブル生成器を１つ以上、備えたことを特徴とするマイクロナノバブル生成装置。
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