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WO2018123789A1 - 機能水の製造装置及び製造方法 - Google Patents

機能水の製造装置及び製造方法 Download PDF

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WO2018123789A1
WO2018123789A1 PCT/JP2017/045862 JP2017045862W WO2018123789A1 WO 2018123789 A1 WO2018123789 A1 WO 2018123789A1 JP 2017045862 W JP2017045862 W JP 2017045862W WO 2018123789 A1 WO2018123789 A1 WO 2018123789A1
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microbubbles
oxide
metal
microbubble
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哲雄 野村
美恵 千葉
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Sohbi Environmental Technology Research LLC
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    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/68Treatment of water, waste water, or sewage by addition of specified substances, e.g. trace elements, for ameliorating potable water

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for producing functional water containing nanobubbles.
  • Nanobubbles with a diameter of 500 nm or less can stay in water for more than a month, and exhibit characteristics different from normal size bubbles such as bactericidal effect and reaction with organic or inorganic substances. Is expected to be used.
  • Patent Document 1 is disclosing the basic content regarding manufacture of a nano bubble.
  • 10-50 ⁇ m microbubbles are formed in an aqueous solution having high electrical conductivity mixed with electrolyte ions such as iron ions and sodium ions.
  • electrolyte ions such as iron ions and sodium ions.
  • the microbubbles are rapidly reduced (nanoized) to a diameter of 50 to 500 nm. Since these nano-sized bubbles have shrunk rapidly, the amount of charge per unit area is greatly increased, and electrostatic repulsion of hydrogen ions and hydroxide ions adsorbed on the gas-liquid interface works. It is interpreted that the oxide ion and the electrolyte ion function as a shell surrounding the microbubbles which are concentrated into a minute volume and nanonized as the gas-liquid interface shrinks, and thus exhibit a unique function.
  • the physical stimulation for further reducing the microbubbles mentioned in Patent Document 1 to nano size is by passing ultrasonic waves having a frequency of 20 kHz to 1 MHz, rotational force of 500 to 10000 rpm, an orifice or a perforated plate. Compression, expansion and vortex are mentioned.
  • the object to be refined is not oil bubbles but cutting oil, but as a refinement procedure, the cutting oil is brought into contact with the anti-fluorite and stirred, and further collided to refine the particles of the cutting oil. It is disclosed.
  • Patent Document 3 discloses an emulsion fuel production apparatus in which a metal mesh block is arranged on the upstream side in a cylindrical case having openings at both ends, ceramic particles are arranged on the downstream side, and water molecules and oil flow particles are made nano-sized. The content to make small is proposed.
  • Patent Document 4 proposes a structure in which a turbulent flow generating means and ceramics are filled in a cylindrical case having openings at both ends as an apparatus for refining processing oil.
  • electrolyte ions are mixed in water before producing microbubbles of 10 to 50 ⁇ m in water. Electrolyte ions act as a shell that surrounds the bubble that is concentrated and nanonized as the gas-liquid interface shrinks when the bubble becomes nano-sized below 500 nm. The period during which the nano-size can be maintained is shortened.
  • Patent Documents 2 to 4 disclose a technique for making a liquid nano-sized, but do not suggest any increase in the concentration of electrolyte ions at the gas-liquid interface.
  • the functional water production apparatus includes a microbubble generating unit that generates microbubbles having a diameter of 500 nm or more in water, and metal ion addition disposed downstream of the microbubble generating unit. And a microbubble reduction part disposed downstream of the metal ion addition part.
  • the metal ion addition part includes an alkali metal oxide, an alkaline earth metal oxide, Group 8 to Group 10 A ceramic made of at least one of elemental oxides was filled, and a flow path for applying a force for reducing the bubbles was formed in the microbubble reduction portion.
  • the method for producing functional water according to the present invention generates microbubbles having a diameter of 500 nm or more in water by passing water through a microbubble generator filled with mesh or fiber, and the water containing the microbubbles is converted to an alkali metal.
  • Metal ions are dissolved by contacting with a ceramic comprising at least one of oxides of the following: oxides of alkaline earth metals, oxides of group 8 to 10 elements, and water containing these metal ions and microbubbles is dissolved.
  • a force for reducing the microbubbles in the water while being ejected from the nozzle was applied to form nanosized bubbles having a diameter of less than 500 nm.
  • the water containing the microbubbles is brought into contact with a ceramic such as a metal oxide.
  • a ceramic such as a metal oxide.
  • microbubble generation part metal ion addition part, and microbubble reduction part which comprise a manufacturing apparatus are arrange
  • one end of the cylindrical case 1 is used as the raw material water inlet 2 and the other end is used as the functional water outlet 3.
  • the diameter of the inlet 2 is set larger than the diameter of the outlet 3.
  • raw water pressurized by a pump or the like is fed into the inlet 2.
  • a microbubble generator 4 is provided, and the microbubble generator 4 is filled with stainless steel net, stainless wool 5, or the like.
  • stainless steel net or stainless wool 5 a metal net or a perforated plate may be used.
  • a metal ion addition unit 6 is continuously provided downstream of the microbubble generation unit 4.
  • the metal ion adding portion 6 is filled with ceramic particles 7 having a particle diameter of 1 to 10 mm.
  • the ceramic particles 7 include Si oxide and Al oxide as main components, and other components such as alkali metal oxides such as Na and K, alkaline earth metal oxides such as Mg and Ca, Fe, Co, and the like. And oxides of Group 8 to 10 elements such as Ni.
  • the total of Si oxide and Al oxide is preferably 90 to 95 wt%. If it is 90 wt% or less, the ceramic becomes brittle and breaks easily.
  • the ceramic particles 7 may contain a transition metal oxide such as Ti or Cr or a non-metal oxide such as P.
  • a transition metal oxide such as Ti or Cr
  • a non-metal oxide such as P.
  • the content of the alkaline earth metal oxide in the ceramic particles is 25% or more (weight ratio) of the content of the alkali metal oxide. It is desirable to contain 0.1 to 3% by weight of an oxide of at least one element selected from elements belonging to Group 8 to Group 10 elements.
  • the downstream part of the metal ion addition part 6 is squeezed and connected to the microbubble reduction part 8.
  • the microbubble reduction part 8 is formed with a plurality of nozzle holes 10 in the partition wall 9, and a linear reduction force acting part 11 that guides the merged jet flow downstream in parallel is provided downstream of the nozzle hole 10. ing.
  • the reducing force acting part 11 by creating an unstable environment such as Kelvin Helmholtz instability, microbubbles are further reduced to a nano size of 500 nm or less.
  • the means for applying a reducing force to the microbubbles may be ultrasonic waves, high-speed rotation, compression / expansion as disclosed in Patent Document 1, but as in this embodiment, the downstream portion of the metal ion addition unit 6 By providing the microbubble reduction part 8 continuously, nanobubbles can be created without requiring special power.
  • the raw material water introduced from the inlet 2 to the microbubble generator 4 passes between the stainless steel net and the stainless wool 5, so that micron-sized microbubbles (microbubbles) are formed in the water.
  • Microbubbles are automatically generated by a cavitation phenomenon without sending air separately to the raw water.
  • Water mixed with micron-sized microbubbles generated in the microbubble generating unit 4 is introduced into the metal ion adding unit 6 and comes into contact with the ceramic particles to form metal ions from the metal oxide constituting the ceramic in the water. Melts. The concentration of this metal ion is estimated to be high at the gas-liquid interface of the microbubbles.
  • Water containing metal ions and micron-sized microbubbles is sent to the microforce acting part 10 of the microbubble reducing part 8 through the nozzle 9 and is further ejected from the outlet 3 as small nanobubbles (50 to 500 nm). .
  • the microbubble generation unit 4 and the metal ion addition unit 6 are continuously arranged in one container, but each may be separated into another container and connected by piping or the like. Further, although the reducing force acting part 11 of the microbubble reducing part 8 is a simple linear flow path, a stirring member or the like that promotes nano-ization may be arranged.
  • the water used as a raw material in the present invention may be tap water or distilled water, and it is not necessary to adjust the electrical conductivity and pH required for the water used as the raw material for nanobubble water described in Patent Document 1.
  • water as a raw material is preferably introduced at a flow rate of 1 to 300 cm / second and a water pressure of 0.1 to 5 MPa, and a flow rate of 10 to 100 cm / second and 0. It is more desirable to introduce at a water pressure of 5 to 3 MPa.
  • the introduction of water as a raw material into the functional water production apparatus may be a one-pass type or a circulation type.
  • the water used as a raw material may be a hardly decomposable organic waste water.
  • the functional water generated from the persistent organic wastewater is converted into the persistent organic system contained in the wastewater.
  • the waste water can be purified by decomposing the waste water.
  • the functional water produced by the present invention is nanobubble water (for example, water containing nanobubbles having a particle size of 50 to 500 nm), as in Patent Document 1.
  • ESR electron spin resonance apparatus
  • the method of the present invention does not require a step of adjusting the electrical conductivity of water as a raw material, and nanobubble water is produced even when water having an electrical conductivity of, for example, 1.5 ⁇ S / cm or less is used as a raw material. be able to.
  • water containing microbubbles generated by cavitation or the like is led to a metal ion addition section filled with a granular ceramic containing an oxide of an alkali metal oxide, an alkaline earth metal oxide, or a group 8-10 element, Metal ions are dissolved in water containing microbubbles in contact with the granular ceramic.
  • the concentration of dissolved metal ions at the gas-liquid interface of the microbubbles is increased, and it is assumed that the formation of nanobubbles from the microbubbles and the stabilization due to the salting-out effect of the generated nanobubbles proceed.
  • the functional water according to the present invention maintains nano-sized bubbles for a long period of time, it is diluted with coolant oil for sterilization, aquaculture, and cutting of metal materials, purified water for persistent organic wastewater, cosmetics and beverages It can be applied in many fields, not limited to water.
  • SYMBOLS 1 Cylindrical case, 2 ... Raw material water inlet, 3 ... Functional water outlet, 4 ... Micro bubble generation part, 5 ... Stainless steel net and stainless wool, 6 ... Metal ion addition part, 7 ... Ceramic particle, 8 ... Micro Bubble reduction part, 9 ... partition, 10 ... nozzle hole, 11 ... reduction force action part.

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Abstract

【課題】 簡単な操作でナノサイズの気泡を含んだ機能水を製造することができる装置を提供する。 【解決手段】 入口2から微小気泡発生部4に導入された原料水はステンレスネットやステンレスウール間を通過することによって、ミクロンサイズの微小気泡が混入する。 微小気泡発生部4おいて生成されたミクロンサイズの微小気泡が混入した水は金属イオン付加部6に導入され、セラミック粒子7と接触することで水中にセラミックを構成している金属酸化物から金属イオンが溶け込む。

Description

機能水の製造装置及び製造方法
 本発明は、ナノバブルを含んだ機能水の製造装置及び製造方法に関する
 直径が500nm以下のナノバブル(気泡)は水中に1カ月以上留まることができ、また殺菌効果や有機物あるいは無機物との反応など通常の大きさの気泡とは異なる特性を発揮するため、多くの分野での利用が期待されている。
 上記のナノバブルに関する先行技術として、特許文献1~4に開示されるものが挙げられる。
 特許文献1は、ナノバブルの製造に関する基本的な内容を開示している。先ず、鉄イオンやナトリウムイオンなどの電解質イオンが混入した高い電気伝導度の水溶液中に10~50μmの微小気泡を作成する。
 次いで、上記の微小気泡に対し物理的刺激を加えることで、急激に微小気泡を直径50~500nmに縮小(ナノ化)する。このナノ化した気泡は急激に縮小したため、単位面積当たりの電荷量が大幅に増加して気液界面に吸着した水素イオンや水酸化物イオンの静電気的な反発力が働き、また水素イオン、水酸化物イオン及び電解質イオンが気液界面の縮小に伴って微小な体積中に高濃度に濃縮してナノ化した微小気泡周囲を囲む殻として働くため、特有の機能を発揮すると解釈されている。
 特許文献1において挙げられている微小気泡を更にナノサイズまで縮小させるための物理的刺激としては、周波数が20kHz~1MHzの超音波、500~10000rpmの回転力、オリフィスまたは多孔板を通過させることによる圧縮、膨張及び渦流が挙げられている。
 特許文献2では、微細化する対象は気泡ではなく切削油であるが、微細化の手順として抗火石に切削油を接触させて撹拌し更に衝突撹拌することで、切削油の粒子を微細化することが開示されている。
 特許文献3にはエマルション燃料の製造装置として、両端に開口部を有する筒状のケース内の上流側に金網ブロックを、下流側にセラミック粒子を配置し、水分子と油流粒子をナノサイズまで小さくする内容が提案されている。
 特許文献4には、加工油を微細化する装置として、両端に開口部を有する筒状ケース内に乱流発生手段とセラミックスを充填した構造が提案されている。
特許第4144669号公報 特開2011-174064号公報 特開2010-64009号公報 特開2005-232218号公報
 特許文献1では、水中に10~50μmの微小気泡を作成する前に、当該水に電解質イオンを混入させている。電解質イオンは気泡が500nm以下のナノサイズになった際に、気液界面の縮小に伴って濃縮されナノ化した気泡周囲を取り囲む殻として働くのであるが、電解質イオンの溶け込み量が少ないと殻も強固にはならず、ナノサイズを維持できる期間も短くなる。
 また、特許文献2~4は液体をナノサイズにする技術は開示してはいるが、気液界面における電解質イオンの濃度を高めることについては何ら示唆していない。
上記の課題を解決するため本発明に係る機能水の製造装置は、水中に直径500nm以上の微小気泡を発生させる微小気泡発生部と、この微小気泡発生部の下流側に配置される金属イオン付加部と、この金属イオン付加部の下流側に配置される微小気泡縮小部とからなり、前記金属イオン付加部には、アルカリ金属の酸化物、アルカリ土類金属の酸化物、第8~10属元素の酸化物の少なくとも1つからなるセラミックが充填され、前記微小気泡縮小部には気泡を縮小させる力を作用させる流路が形成された構成とした。
 また本発明に係る機能水の製造方法は、メッシュや繊維などを充填した微小気泡発生部に水を通すことで水中に直径500nm以上の微小気泡を発生させ、この微小気泡を含む水をアルカリ金属の酸化物、アルカリ土類金属の酸化物、第8~10属元素の酸化物の少なくとも1つからなるセラミックに接触させることで金属イオンを溶解させ、この金属イオンと微小気泡が含まれる水をノズルから噴出するとともに水中の微小気泡に縮小する力を作用させて直径500nm未満のナノサイズの気泡とするようにした。
本発明に係る機能水の製造装置及び製造方法によれば、直径500nm以上の微小気泡を水中に発生させた後に、微小気泡を含む水を金属酸化物などのセラミックに接触させるようにしたので、水中に溶解した金属イオンの濃度が微小気泡の気液界面近くで高くなり、この後更に微小気泡を縮小してナノサイズにした際に、気泡周囲に形成される殻が強固になり、長期間に亘って水中にナノサイズの気泡が維持される。
また、製造装置を構成する微小気泡発生部、金属イオン付加部及び微小気泡縮小部を1つの筒状ケース内に直列に配置すれば、原料の水を一方の開口から入れ、他方の開口から取り出すだけの簡単な操作で機能水を製造することができる。
本発明に係る機能水の製造装置の一部を破断して示した図 本発明に係る機能水の製造装置の微小気泡縮小部の構造を説明した断面図
 本発明に係る製造装置の一例は、筒状ケース1の一端を原料水の入口2とし、他端を機能水の出口3としている。この実施例では入口2の径が出口3の径よりも大きく設定されている。また、入口2にはポンプなどで加圧した原料水が送り込まれる。
 入口2に続く筒状ケース1内には微小気泡発生部4が設けられ、この微小気泡発生部4内にはステンレスネットやステンレスウール5などが充填されている。ステンレスネットやステンレスウール5の代わりに金属網や多孔板などでもよい。
 上記微小気泡発生部4の下流側には金属イオン付加部6が連続して設けられている。この金属イオン付加部6内には粒径1~10mmのセラミック粒子7が充填されている。
 セラミック粒子7としては、例えば、Si酸化物とAl酸化物を主成分とし、その他の成分として、NaやKなどのアルカリ金属酸化物、MgやCaなどのアルカリ土類金属酸化物、Fe、Co、Niなどの第8~10族元素の酸化物が挙げられる。尚、Si酸化物とAl酸化物の合計は、90~95wt%が好ましい。90wt%以下だとセラミックが脆くなって壊れやすくなる。
 セラミック粒子7には、TiやCrなどの遷移金属の酸化物やPなどの非金属の酸化物を含んでもよい。機能水を効果的に製造するには、セラミック粒子中のアルカリ土類金属の酸化物の含量は、アルカリ金属の酸化物の含量の25%以上(重量比)であることが望ましく、またセラミック粒子が第8~10族元素に属する元素から少なくとも1種の元素の酸化物を0.1~3重量%含むことが望ましい。
 前記金属イオン付加部6の下流部は絞られて微小気泡縮小部8につながっている。微小気泡縮小部8は図2に示すように、隔壁9に複数のノズル孔10が形成され、その下流には合流した噴出流を平行に下流に導く直線状の縮小力作用部11が連続している。この縮小力作用部11ではケルビンヘルムホルツ不安定などの不安定環境を作り出すことで、微小気泡(マイクロバブル)が500nm以下のナノサイズまでに更に縮小される。
 微小気泡に縮小力を作用する手段としては、特許文献1に開示されたような超音波、高速回転、圧縮・膨張などでもよいが、本実施例のように、金属イオン付加部6の下流部に微小気泡縮小部8を連続して設けることで、特別の動力を必要としないでナノバブルを作り出すことができる。
 以上において、入口2から微小気泡発生部4に導入された原料水はステンレスネットやステンレスウール5間を通過することによって、ミクロンサイズの微小気泡(マイクロバブル)が水中に形成される。尚、微小気泡(マイクロバブル)は原料水に別途空気を送り込まなくともキャビテーション現象によって自動的に発生する。
 微小気泡発生部4おいて生成されたミクロンサイズの微小気泡が混入した水は金属イオン付加部6に導入され、セラミック粒子と接触することで水中にセラミックを構成している金属酸化物から金属イオンが溶け込む。この金属イオンの濃度は微小気泡の気液界面において高くなっていると推定される。
 金属イオンとミクロンサイズの微小気泡を含んだ水はノズル9を介して微小気泡縮小部8の微小力作用部10に送りだされ、更に小さなナノバブル(50~500nm)となって出口3から噴出する。
 図示例では、微小気泡発生部4と金属イオン付加部6とを1つの容器内に連続的に配置したが、それぞれを別の容器に分離して配管などでつなげてもよい。また、微小気泡縮小部8の縮小力作用部11は単純な直線状流路としたが、ナノ化を促進する撹拌部材等を配置してもよい。
 本発明で原料とする水は、水道水や蒸留水などであってもよく、特許文献1に記載のナノバブル水の原料となる水に必要な電気伝導度やpHの調整は不要である。機能水を効果的に製造するには、原料となる水は1~300cm/秒の流速、且つ0.1~5MPaの水圧で導入することが望ましく、10~100cm/秒の流速、且つ0.5~3MPaの水圧で導入することがより望ましい。
 原料となる水の機能水製造装置への導入は、ワンパス式でもよいし、循環式でもよい。また原料となる水は、難分解性有機系排水などであってもよい。例えば難分解性有機系排水を原料とする水として機能水製造装置への導入を循環式とした場合、難分解性有機系排水から生成される機能水が、排水に含まれる難分解性有機系排水を分解することで排水の浄化を行うことができる。
 本発明者の検討によれば、本発明によって製造される機能水は、特許文献1と同様、ナノバブル水(例えば粒径が50~500nmのナノバブルを含む水)である。このことは得られた機能水に、スピントラップ剤であるDMPO(5,5-ジメチル-1-ピロリンN-オキサイド)を添加して調整した溶液を、電子スピン共鳴装置(ESR)を用いて測定すると、ナノバブルの存在に起因するスピンアダクトであるDMPO-OHのスペクトルが観察されることから裏付けられている。
 前述したように特許文献1に記載の方法によってナノバブルを製造するためには、マイクロバブルを形成する前の工程で、原料とする水に電解質を添加するなどして電気伝導度を調整する必要や、ナノバブルとなるマイクロバブルに対して超音波などの物理的刺激を与える必要がある。しかしながら、本発明の方法においては、原料とする水の電気伝導度を調整する工程を必要とせず、電気伝導度が例えば1.5μS/cm以下の水を原料として用いてもナノバブル水を製造することができる。
 本発明ではキャビテーションなどによって発生したマイクロ気泡を含む水を、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、第8~10族元素の酸化物を含む粒状セラミックを充填した金属イオン付加部に導き、粒状セラミックに接触させて金属イオンをマイクロ気泡を含む水中に溶解させている。その結果、溶解した金属イオンのマイクロ気泡の気液界面での濃度が高くなり、マイクロ気泡からのナノバブルの生成と、生成したナノバブルのsalting-out(塩析)効果による安定化が進行すると推察される。
 上記と順番を入れ替えて、先に物理的刺激として超音波を照射した水を、金属イオン付加部に導いても本発明の機能水(ナノバブル水)は得られないことから、金属イオン付加部に導く前処理として、予めマイクロ気泡を作成しておくことは重要である。
 本発明に係る機能水はナノサイズの気泡が長期間維持されるため、殺菌、養殖、金属材料の切削加工の際のクーラント油の希釈水、難分解性有機物系排水に対する浄化水、化粧品や飲料水などの用途に限らず多くの分野で応用することができる。
 1…筒状ケース、2…原料水の入口、3…機能水の出口、4…微小気泡発生部、5…ステンレスネットやステンレスウール、6…金属イオン付加部、7…セラミック粒子、8…微小気泡縮小部、9…隔壁、10…ノズル孔、11…縮小力作用部。

Claims (2)

  1.  水中に直径500nm以上の微小気泡を発生させる微小気泡発生部と、この微小気泡発生部の下流側に配置される金属イオン付加部と、この金属イオン付加部の下流側に配置される微小気泡縮小部とからなり、前記金属イオン付加部には、アルカリ金属の酸化物、アルカリ土類金属の酸化物、第8~10属元素の酸化物の少なくとも1つからなるセラミックが充填され、前記微小気泡縮小部には気泡を縮小させる力を作用させる流路が形成されていることを特徴とする機能水の製造装置。
  2.  メッシュや繊維などを充填した微小気泡発生部に水を通すことで水中に直径500nm以上の微小気泡を発生させ、この微小気泡を含む水をアルカリ金属の酸化物、アルカリ土類金属の酸化物、第8~10属元素の酸化物の少なくとも1つからなるセラミックに接触させることで金属イオンを溶解させ、この金属イオンと微小気泡が含まれる水をノズルから噴出するとともに水中の微小気泡に縮小する力を作用させて直径500nm未満のナノサイズの気泡とすることを特徴とする機能水の製造方法。
     
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