[go: up one dir, main page]

WO2025182405A1 - バブル発生装置およびバブル発生方法 - Google Patents

バブル発生装置およびバブル発生方法

Info

Publication number
WO2025182405A1
WO2025182405A1 PCT/JP2025/002695 JP2025002695W WO2025182405A1 WO 2025182405 A1 WO2025182405 A1 WO 2025182405A1 JP 2025002695 W JP2025002695 W JP 2025002695W WO 2025182405 A1 WO2025182405 A1 WO 2025182405A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
blade member
water
bubbles
interface
generated
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.)
Pending
Application number
PCT/JP2025/002695
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
英生 菅谷
勝利 福田
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.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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 Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of WO2025182405A1 publication Critical patent/WO2025182405A1/ja
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • 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
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/44—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement
    • B01F31/441—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms with stirrers performing an oscillatory, vibratory or shaking movement performing a rectilinear reciprocating movement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
    • B01F31/85—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations with a vibrating element inside the receptacle

Definitions

  • This disclosure relates to a bubble generating device and a bubble generating method.
  • Patent Document 1 discloses a method for producing nanobubbles by applying physical stimuli to microbubbles contained in a liquid, such as electric discharge, ultrasonic irradiation, compression, expansion, or vortex flow, thereby rapidly shrinking the microbubbles.
  • the above-mentioned conventional nanobubble production method has the following problems. That is, in the nanobubble production method disclosed in the above publication, for example, microbubbles are generated simultaneously with the generation of nanobubbles, and it is particularly difficult to efficiently and stably generate nanobubbles in a small amount of water.
  • An object of the present disclosure is to provide a bubble generator and a bubble generating method that can generate nanobubbles efficiently and stably.
  • the bubble generator according to the present disclosure is a bubble generator that generates nanobubbles in water, and includes a blade member that is used with at least a portion of it immersed in the water interface, a vibration imparting unit that vibrates the blade member in a direction approximately parallel to the water interface, and a control unit that controls the vibration imparting unit to vibrate the blade member at a predetermined frequency.
  • the bubble generator according to the present disclosure can generate nanobubbles efficiently and stably.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams illustrating the configuration of bubbles produced by a bubble generating device according to an embodiment of the present disclosure.
  • 2 is a schematic diagram showing the configuration of a bubble generating device that generates the bubbles shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a state in which a blade member included in the bubble generating device of FIG. 2 is vibrated (reciprocated) in a direction perpendicular to the recess.
  • 3 is a conceptual diagram showing a state in which a blade member included in the bubble generating device of FIG. 2 is vibrated (reciprocated) in a direction parallel to the recess.
  • 3B is a graph showing the relationship between the elapsed time and the phase of bubbles generated by vibrating the blade member in the direction of FIG. 3A.
  • 3B is a graph showing the relationship between the number (percentage) of bubbles generated by vibrating the blade member in the direction of FIG. 3A and the DLS scattering intensity (diameter).
  • 3C is a graph showing the relationship between the elapsed time and the phase of bubbles generated by vibrating the blade member in the direction of FIG. 3B.
  • 3B is a graph showing the relationship between the number (percentage) of bubbles generated by vibrating the blade member in the direction of FIG. 3B and the DLS scattering intensity (diameter).
  • 3B is a graph showing the relationship between the elapsed time and the phase of bubbles generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 240 Hz.
  • 3B is a graph showing the relationship between the elapsed time and the phase of bubbles generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 240 Hz.
  • 8B is a graph showing the relationship between the size (diameter) and the number (percentage) of bubbles corresponding to FIG. 8A generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 240 Hz.
  • FIG. 8B is a graph showing the relationship between the size (diameter) and the number (percentage) of bubbles corresponding to FIG. 8A generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 240 Hz.
  • 3B is a graph showing the distribution of zeta potential of bubbles generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 207 Hz.
  • 3B is a graph showing the distribution of zeta potential of bubbles generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 207 Hz.
  • 8B is a graph showing the relationship between the size (diameter) and the number (percentage) of bubbles corresponding to FIG. 8A generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 207 Hz.
  • 8B is a graph showing the relationship between the size (diameter) and the number (percentage) of bubbles corresponding to FIG. 8A generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 207 Hz.
  • 3 is a conceptual diagram showing the blade member of FIG. 2 being vibrated in the direction of the arrow while being submerged almost entirely below the water interface.
  • 12B is a conceptual diagram showing that the blade member is vibrated in the direction of the arrow in a state where the concave portion of the blade member in FIG. 2 is immersed below the water interface by raising the position of the blade member from that in FIG. 12A.
  • 12C is a conceptual diagram showing that the blade member is vibrated in the direction of the arrow in a state where the position of the blade member is raised higher than in FIG. 12B and part of the concave portion of the blade member in FIG. 2 is exposed above the water interface.
  • 12C is a conceptual diagram showing the blade member being vibrated in the direction of the arrow with a part of the concave portion of the blade member in FIG. 2 immersed below the water interface.
  • 12B is a graph showing the relationship between the number (percentage) of bubbles generated by vibrating the blade member as shown in FIG. 12A and the DLS scattering intensity (diameter).
  • 12C is a graph showing the relationship between the number (percentage) of bubbles generated by vibrating the blade member as shown in FIG. 12B and the DLS scattering intensity (diameter).
  • 12D is a graph showing the relationship between the number (percentage) of bubbles generated by vibrating the blade member as shown in FIG. 12C and the DLS scattering intensity (diameter).
  • 12D is a graph showing the relationship between the number (percentage) of bubbles generated by vibrating the blade member as shown in FIG. 12D and the DLS scattering intensity (diameter).
  • 3B is a graph showing the distribution of zeta potential of bubbles generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 170 Hz.
  • 3B is a graph showing the distribution of zeta potential of bubbles generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 170 Hz.
  • 16A and 16B are graphs showing the relationship between the number (percentage) of bubbles corresponding to FIG. 16A and the DLS scattering intensity (diameter) generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG.
  • 16A and 16B are graphs showing the relationship between the number (percentage) of bubbles corresponding to FIG. 16A and the DLS scattering intensity (diameter) generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 170 Hz.
  • 3B is a graph showing the distribution of zeta potential of bubbles generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 160 Hz.
  • 3B is a graph showing the distribution of zeta potential of bubbles generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 160 Hz.
  • 18A and 18B are graphs showing the relationship between the number (percentage) of bubbles corresponding to FIG. 18A and the DLS scattering intensity (diameter) generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 160 Hz.
  • 18A and 18B are graphs showing the relationship between the number (percentage) of bubbles corresponding to FIG. 18A and the DLS scattering intensity (diameter) generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 160 Hz.
  • 3B is a graph showing the distribution of zeta potential of bubbles generated by vibrating the blade member of FIG. 2 in the direction shown in FIG.
  • 3A at a frequency of 4 Hz or less.
  • 3B is a graph showing the relationship between the number (percentage) of bubbles generated and the DLS scattering intensity (diameter) when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A at a frequency of 4 Hz or less.
  • 3 is a conceptual diagram showing the configuration of a blade member (with two blades) vibrated in a predetermined direction by the bubble generator of FIG. 2 .
  • 3 is a conceptual diagram showing the configuration of a blade member (number of blades: 4) vibrated in a predetermined direction by the bubble generator of FIG. 2 .
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the configuration of a blade member (number of blades: 7) vibrated in a predetermined direction by the bubble generating device of FIG. 2.
  • 21B is a graph showing the bubble generation efficiency when the blade members having different numbers of blades shown in FIGS. 21A, 21B, and 21C are vibrated in directions parallel or perpendicular to the blade direction.
  • 21B is a graph showing the zeta potential of bubbles generated when the blade members having different numbers of blades shown in FIGS. 21A, 21B, and 21C are vibrated in directions parallel or perpendicular to the blade direction.
  • 3 is a graph showing changes in the zeta potential of bubbles generated by changing the amount of water in which the blade member of FIG. 2 is immersed.
  • FIG. 25 is a graph showing the change in bubble generation efficiency in FIG. 24 .
  • 3B is a graph showing that bubbles having a positive zeta potential are generated when the blade member of FIG. 2 is vibrated in the direction shown in FIG. 3A.
  • 27 is a graph showing the relationship between the number (percentage) of bubbles in FIG. 26 and the DLS scattering intensity (diameter).
  • Schematic diagram showing the interface of ultrapure water in a container Schematic diagram showing the interface of nanobubble water placed in a container.
  • 27 is a graph showing the relationship between the number (percentage) of bubbles in FIG. 26 and the DLS scattering intensity (diameter).
  • Bubbles 10 produced by the bubble generator 20 are nanobubbles having a diameter of 1 ⁇ m or less (e.g., 10 to 1000 nm), as shown in Fig. 1.
  • the bubbles 10 go through the processes of "rising,””contracting,” and “collapse” in water, disappearing within a few hours to a few weeks, and producing an effect according to their intended use, such as cleaning, sterilization, or deodorization.
  • Bubbles with a diameter of 1 ⁇ m or less have better cleaning power and longer lifespan than larger diameter microbubbles (eg, 10 ⁇ m or less in diameter).
  • the bubble water (liquid) containing the bubbles 10 can be, for example, distilled water, ultrapure water, etc.
  • the liquid containing the bubbles 10 can also be an aqueous liquid including an aqueous solution that satisfies the ionic product of water.
  • the diameter of the bubble 10 is calculated using the Stokes-Einstein equation below.
  • the diffusion coefficient D is determined by analyzing the autocorrelation function.
  • D H is the hydrodynamic diameter
  • D is the diffusion coefficient
  • k is the Boltzmann constant
  • T is the temperature (K)
  • ⁇ is the viscosity
  • DLS Dynamic light scattering
  • Dynamic light scattering involves irradiating particles undergoing Brownian motion with a laser beam and detecting scattered light signals at a certain angle. The scattered light is analyzed as fluctuations in light intensity or frequency corresponding to the particle diameter, and frequency analysis is performed in the frequency range of 1 Hz to 100 kHz.
  • other methods for measuring bubble behavior include particle trajectory analysis, laser diffraction/scattering, electrical detection zone analysis, resonance mass measurement, and dynamic image analysis.
  • the zeta potential of the bubble 10 can also be measured, for example, by electrophoresis.
  • electrophoresis when an electric field is applied to charged particles suspended in an electrolyte, the charged particles move at a constant speed toward an electrode with a polarity opposite to the surface charge, and the zeta potential of the bubble can be measured by applying the following Henry's equation.
  • the mobility of the charged particles is determined by the Doppler shift.
  • Bubble generator 20 (where U E is electrophoretic mobility, z is zeta potential, ⁇ is dielectric constant, ⁇ is viscosity, and F(ka) is Henry's constant).
  • the bubble generator 20 according to this embodiment is, for example, a device that produces electrically charged bubbles contained in water, and mainly generates nanobubbles having a diameter of 1 ⁇ m or less (for example, 10 to 1000 nm) in water.
  • the bubble generator 20 includes a blade member 21 that vibrates in a predetermined direction while immersed in water W1 (e.g., distilled water, ultrapure water, etc.) contained in a container C1, a vibration imparting unit 22 that vibrates (moves back and forth) the blade member 21 in the predetermined direction, and a control unit 23 that controls the vibration imparting unit 22.
  • the blade member 21 is made of, for example, aluminum, and is a block-shaped member including comb-tooth tip portions, and has a plurality of recesses 21a, as shown in Fig. 2.
  • When vibration is applied to the blade member 21 in the vicinity of the interface WF of the water W1 in the direction of the arrow (the left-right direction in the figure) that is substantially parallel to the interface WF, nanobubbles are generated in the water W1.
  • the recesses 21a are parts of the blade member 21 that are used while immersed in water W1, and a plurality of recesses 21a are provided along the interface WF in the position when in use (see FIG. 2).
  • vibration is mainly applied to the blade member 21 when a portion of the recesses 21a is above the interface WF between the water W1 and the air. That is, when the application of vibration starts, the blade member 21 is vibrated by the vibration applying unit 22 in a state where a part of the recess 21a is above the interface WF.
  • vibration is applied to the blade member 21 in a state where the tops of the multiple recesses 21 a are above the interface WF, and the tops of the recesses 21 a become air intakes while vibrating within the water W1, thereby enabling the desired nanobubbles to be generated efficiently.
  • three recesses 21a are provided in the blade member 21, but the number of recesses 21a may be more than three or may be two or less.
  • the vibration applying unit 22 is, for example, a linear motor connected to the blade member 21, and vibrates the blade member 21 at a predetermined frequency (for example, 100 to 300 Hz). As shown in FIG. 2, the vibration applying unit 22 vibrates the blade member 21 in a direction substantially parallel to the interface WF while a portion of the blade member 21 is immersed in water W1. As shown in FIG. 2, the control unit 23 is connected to the vibration applying unit 22, and controls the vibration applying unit 22 so as to vibrate the blade member 21 at a predetermined frequency (for example, 100 to 300 Hz).
  • the direction in which the blade member 21 is vibrated by the vibration imparting unit 22 can be considered to be a direction that is approximately parallel to the interface WF and approximately perpendicular to the recess 21 a, as shown in Figure 3A, or a direction that is approximately parallel to the interface WF and approximately parallel to the recess 21 a, as shown in Figure 3B.
  • the upper part of the recess 21a acts as an air intake near the interface WF of the water W1, stirring the water W1 and efficiently generating bubbles in the water W1.
  • the generated bubbles 10 have a negative zeta potential of ⁇ 26.97 mV, the average of the results of three experiments, as shown in FIG. 4, the horizontal axis represents the elapsed time (s) after a voltage was applied to the electrode, and the vertical axis represents the mobility (phase (rad)) of the bubbles 10 moving by electrophoresis in the bubble water.
  • the graph in FIG. 4 also shows data from three consecutive measurements of the behavior of the bubbles 10.
  • FIG. 5 shows data on backscattering (bubble diameter and number (%)) immediately after bubbles 10 are generated by vibrating blade member 21 in the direction shown in FIG. 3A. Therefore, it can be seen that the bubbles 10 having a negative zeta potential shown in FIG. 4 have a number concentration of 10 9 per cc and a diameter of about 50 to 200 nm, as shown in FIG.
  • the three lines in the graph of Fig. 5 represent the results of three consecutive measurements, and the horizontal axis of the graph in Fig. 5 represents the diameter of the observed particles (bubbles), and the vertical axis represents the number (%) of the particles.
  • FIG. 7 shows data on backscattering (bubble diameter and number (%)) immediately after bubbles 10 are generated by vibrating blade member 21 in the direction shown in FIG. 3B.
  • the bubbles 10 having a negative zeta potential shown in FIG. 6 have a diameter of about 20 to 100 nm, which is about half the diameter of the results shown in FIG. 5, as shown in FIG. That is, whether the direction in which the blade member 21 was vibrated was approximately perpendicular to the recess 21a shown in Figure 3A or parallel to the recess 21a shown in Figure 3B, the generation of bubbles 10 of approximately 50 to 200 nm and 20 to 100 nm was confirmed in both cases, although there was a difference in the number concentration.
  • the diameter of the generated bubbles 10 is in the range of 30 to 400 nm, as shown in FIGS. 9A and 9B.
  • bubble water containing many bubbles 10 having a diameter of 30 to 40 nm may exhibit high viscosity due to changes in its interface WF, as shown in FIG. 28B, compared to the ultrapure water shown in FIG. 28A.
  • the diameter of the generated bubbles 10 is in the range of 30 to 400 nm, as shown in FIGS. 11A and 11B. From the above, it was found that when a small amount (e.g., 10 ml) of water W1 is placed in container C1 and vibrations at a frequency of approximately 207 to 240 Hz are applied to blade member 21 along a direction approximately perpendicular to recess 21a, bubbles 10 having a diameter of approximately 30 to 400 nm are generated in both cases.
  • a small amount e.g. 10 ml
  • the DLS scattering intensity was approximately 800 on average when the frequency was 240 Hz, and approximately 320 on average when the frequency was 204 Hz. Therefore, it was found that a higher frequency, under the same water volume and generation time conditions, resulted in a higher zeta potential and an advantageous DLS scattering intensity (number concentration).
  • the experimental results when the blade member 21 was vibrated in the direction shown in FIG. 3A for 30 seconds in 3 ml of water at frequencies of 160 Hz and 170 Hz will be described with reference to FIGS. 16A to 19B.
  • the blade member 21 was immersed in the water W1 (20 ml) until the entire recess 21a was below the interface WF (Figure 12A), until the top of the recess 21a was near the interface WF ( Figure 12B), until the top of the recess 21a was above the interface WF ( Figure 12C), and until only a portion of the recess 21a was below the interface WF ( Figure 12D).
  • the blade member 21 was then vibrated in the direction shown in Figure 3A at a predetermined frequency (216 Hz) for 30 seconds.
  • the average results of three experiments were a zeta potential of -14.77 mV and a DLS scattering intensity of 64.03, as shown in Figure 13A, and bubbles 10 having diameters of 35 to 300 nm were generated at a concentration of 25 to 35%.
  • the average results of three experiments were a zeta potential of -17.78 mV and a DLS scattering intensity of 52.20, as shown in Figure 13B, and bubbles 10 having diameters of 50 to 300 nm were generated at a concentration of 25 to 30%.
  • the average results of three experiments were a zeta potential of -14.41 mV and a DLS scattering intensity of 66.70, as shown in Figure 14A, and bubbles 10 having diameters of 60 to 350 nm were generated at a concentration of 20 to 35%.
  • the average results of three experiments were a zeta potential of -16.87 mV and a DLS scattering intensity of 59.07, as shown in Figure 14B, and bubbles 10 having diameters of 50 to 400 nm were generated at a concentration of around 30%.
  • nanobubbles of about 50 to 300 nm were generated in all cases, and it can be seen that the diameter of the generated bubbles can be adjusted to some extent by changing the position of the recess 21a of the blade member 21 relative to the interface WF. Therefore, by changing the immersion position of the interface WF of the blade member 21 in the immersion direction into the water W1, it is possible to control the generation ratio of nanobubbles and microbubbles with different diameters.
  • the average value of the DLS scattering intensity is smaller than 30, which is the lower limit of detection, and therefore it is clear that almost no nanobubbles are generated.
  • the bubble generator 20 of this embodiment it is important not to immerse the entire blade member 21 in the interface of the water W1, and it is preferable that at least a portion of the blade member 21 is positioned above the interface position of the water W1.
  • the bubble generator 20 of this embodiment generates nanobubbles according to the flowchart shown in FIG. That is, in step S11, the blade member 21 is set so that a part of the blade member 21 (the recess 21a) is immersed in the interface WF of the water W1 (setting step).
  • the bubble generator 20 of this embodiment is a device that generates nanobubbles in water, and includes a blade member 21 that is used with at least a portion immersed in the interface WF of the water W1, a vibration imparting unit 22 that vibrates the blade member 21 in a direction approximately parallel to the interface WF of the water W1, and a control unit 23 that controls the vibration imparting unit 22 to vibrate the blade member 21 at a predetermined frequency.
  • nanobubbles having a diameter of approximately 100 nm can be efficiently generated in a small amount of water W1, for example.
  • nanobubbles can be generated efficiently and stably, or the size of the nanobubbles to be generated can be changed.
  • Figures 22 and 23 show experimental data obtained by vibrating blade members 121a, 121b, and 121c perpendicular ( ⁇ ) or parallel ( ⁇ ) to the blade orientation using blade member 121a with two blades as shown in Figure 21A, blade member 121b with four blades as shown in Figure 21B, and blade member 121c with seven blades as shown in Figure 21C.
  • the derived count rate on the vertical axis of the graph shown in Figure 22 is the number of photon pulses per second detected by the light-receiving optical system using the photon correlation method, and is proportional to the detected scattered light intensity, with the unit being cps (counts per second).
  • the bubble generator 20 and bubble generation method of this embodiment can generate nanobubble water containing radicals (O 2 ⁇ , OH, etc.).
  • the number of recesses is not limited to a plurality, and may be one.
  • bubbles may be generated by vibrating a blade member in a direction oblique to the recess.
  • C In the above embodiment, an example in which bubbles having a negative zeta potential are generated has been described, but the present invention is not limited to this.
  • it may be configured to generate bubbles with a positive zeta potential.
  • a blade member 21 having four blades is vibrated in the direction shown in Figure 3A, the generated bubble 10 has a positive zeta potential immediately after the vibration begins, as shown in Figure 26.
  • FIG. 27 it can be seen that the size of the bubbles 10 is concentrated in the range of 100 to 300 nm.
  • bubbles 10 having such a positive zeta potential may be caused, for example, by using an aluminum blade member 21 without cleaning it.
  • D In the above embodiment, an example has been described in which bubbles 10 are generated in the water W1 using one blade member 21 having a plurality of recesses 21a that is used while immersed in the water W1.
  • the present disclosure is not limited to this.
  • the blade member used while immersed in water may be a plurality of blade members instead of one.
  • the blade member used while immersed in water may be a plurality of blade members instead of one.
  • aluminum has been described as an example of the material of the blade member 21.
  • the present disclosure is not limited to this.
  • the blade member may be formed using a resin material.
  • the amount of water W1 in which the blade member 21 is immersed is 3 ml to 30 ml, but the present disclosure is not limited to this.
  • the amount of water in which the blade member is immersed to generate nanobubbles is determined by the positional relationship between the water interface and the blade member, and is not limited to the total amount of water, and may be less or more than the amount described above.
  • the bubble generator according to Technology 1 is A bubble generator that generates nanobubbles in water, a blade member that is used in a state where at least a part of the blade member is immersed in the water interface; a vibration applying unit that vibrates the blade member in a direction substantially parallel to the water interface; a control unit that controls the vibration applying unit so as to vibrate the blade member at a predetermined frequency; It is equipped with:
  • the bubble generator according to Technology 2 is the bubble generator according to Technology 1,
  • the blade member is vibrated by the vibration imparting unit near the water interface.
  • the bubble generator according to Technology 3 is the bubble generator according to Technology 1 or 2,
  • the blade member has a recess formed along a direction intersecting the interface.
  • the bubble generator according to Technology 4 is the bubble generator according to Technology 3,
  • the blade member is vibrated by the vibration applying unit in a state where a part of the recess is above the interface.
  • the bubble generator according to Technology 5 is the bubble generator according to Technology 3,
  • the blade member has a plurality of the recesses along the interface.
  • a bubble generator according to technology 6 is a bubble generator according to any one of technology 1 to 5, The immersion position of the interface of the blade member relative to the immersion direction in the water is changed to control the generation ratio of the nanobubbles and the microbubbles.
  • a bubble generator according to Technology 7 is a bubble generator according to any one of Technology 1 to Technology 6, A plurality of the blade members are provided.
  • a bubble generator according to technology 8 is a bubble generator according to any one of technology 1 to 7,
  • the vibration applying unit is a linear motor.
  • Bubble 20 Bubble generator 21 Blade member 21a Recess 22 Vibration imparting unit 23 Control unit C1 Container W1 Water (nanobubble water) WF interface

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)

Abstract

バブル発生装置（２０）は、水の中にナノバブルを発生させる装置であって、水（Ｗ１）の界面（ＷＦ）に少なくとも一部が浸漬された状態で使用されるブレード部材（２１）と、水（Ｗ１）の界面（ＷＦ）に略平行な方向においてブレード部材（２１）を振動させる振動付与部（２２）と、ブレード部材（２１）を所定の周波数で振動させるように振動付与部（２２）を制御する制御部（２３）と、を備える。

Description

バブル発生装置およびバブル発生方法
　本開示は、バブル発生装置およびバブル発生方法に関する。
　近年、例えば、直径が１μｍ以下のナノバブル等を含む液体が、洗浄や殺菌、脱臭等の様々な用途で使用されている。
　このような微小なナノバブルは、直径が大きいバブルと比較して内圧が高いため、水中ですぐに消滅することなく長時間（数時間～数週間）滞留することができ、「上昇」、「収縮」、「圧壊」という過程を経て消滅する。
　この過程において、ナノバブルは、例えば、直径がナノバブルよりも大きいマイクロバブルとは異なる洗浄力や寿命を有しており、洗浄や殺菌、脱臭等の様々な効果を生じさせる。
　例えば、特許文献１には、液体中に含まれる微小気泡に対して、放電、超音波照射、圧縮・膨張・渦流等による物理的刺激を加えることにより、微小気泡を急激に縮小させることでナノバブルを製造する方法について開示されている。
国際公開第２００５／０８４７１８号
　しかしながら、上記従来のナノバブルの製造方法では、以下に示すような問題点を有している。
　すなわち、上記公報に開示されたナノバブルの製造方法では、例えば、ナノバブルの発生と同時にマイクロバブルが発生してしまい、特に、少量の水中において、ナノバブルを効率よく安定的に発生させることは困難であった。
　本開示の課題は、ナノバブルを効率よく安定的に発生させることが可能なバブル発生装置およびバブル発生方法を提供することにある。
（課題を解決するための手段）
　本開示に係るバブル発生装置は、水の中にナノバブルを発生させるバブル発生装置であって、水の界面に少なくとも一部が浸漬された状態で使用されるブレード部材と、水の界面に略平行な方向においてブレード部材を振動させる振動付与部と、ブレード部材を所定の周波数で振動させるように振動付与部を制御する制御部と、を備えている。
（発明の効果）
　本開示に係るバブル発生装置によれば、ナノバブルを効率よく安定的に発生させることができる。
本開示の一実施形態に係るバブル発生装置によって製造されるバブルの構成を示す図。 図１のバブルを発生させるバブル発生装置の構成を示す概略図。 図２のバブル発生装置に含まれるブレード部材を凹部に垂直な方向に振動（往復移動）させる状態を示す概念図。 図２のバブル発生装置に含まれるブレード部材を凹部に平行な方向に振動（往復移動）させる状態を示す概念図。 図３Ａの方向にブレード部材を振動させて発生したバブルの経過時間と位相との関係を示すグラフ。 図３Ａの方向にブレード部材を振動させて発生したバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図３Ｂの方向にブレード部材を振動させて発生したバブルの経過時間と位相との関係を示すグラフ。 図３Ｂの方向にブレード部材を振動させて発生したバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を２４０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生したバブルの経過時間と位相との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を２４０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生したバブルの経過時間と位相との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を２４０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、図８Ａに対応するバブルのサイズ（直径）と個数（パーセント）との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を２４０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、図８Ａに対応するバブルのサイズ（直径）と個数（パーセント）との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を２０７Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生したバブルのゼータ電位の分布を示すグラフ。 図２のブレード部材を２０７Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生したバブルのゼータ電位の分布を示すグラフ。 図２のブレード部材を２０７Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、図８Ａに対応するバブルのサイズ（直径）と個数（パーセント）との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を２０７Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、図８Ａに対応するバブルのサイズ（直径）と個数（パーセント）との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材のほぼ全体を水の界面よりも下に漬けた状態で矢印方向に振動させることを示す概念図。 図１２Ａよりもブレード部材の位置を上げて、図２のブレード部材の凹部を水の界面よりも下に漬けた状態で矢印方向に振動させることを示す概念図。 図１２Ｂよりもブレード部材の位置を上げて、図２のブレード部材の凹部の一部を水の界面よりも上に出した状態で矢印方向に振動させることを示す概念図。 図１２Ｃよりもブレード部材の位置を上げて、図２のブレード部材の凹部の一部を水の界面よりも下に漬けた状態で矢印方向に振動させることを示す概念図。 図１２Ａに示すようにブレード部材を振動させて発生したバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図１２Ｂに示すようにブレード部材を振動させて発生したバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図１２Ｃに示すようにブレード部材を振動させて発生したバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図１２Ｄに示すようにブレード部材を振動させて発生したバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 本実施形態のバブル発生装置によって実施されるバブル発生方法の処理の流れを示すフローチャート。 図２のブレード部材を１７０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生したバブルのゼータ電位の分布を示すグラフ。 図２のブレード部材を１７０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生したバブルのゼータ電位の分布を示すグラフ。 図２のブレード部材を１７０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、図１６Ａに対応するバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を１７０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、図１６Ａに対応するバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を１６０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生したバブルのゼータ電位の分布を示すグラフ。 図２のブレード部材を１６０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生したバブルのゼータ電位の分布を示すグラフ。 図２のブレード部材を１６０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、図１８Ａに対応するバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を１６０Ｈｚの周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、図１８Ａに対応するバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図２のブレード部材を４Ｈｚ以下の周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、バブルのゼータ電位の分布を示すグラフ。 図２のブレード部材を４Ｈｚ以下の周波数で図３Ａに示す方向に振動させた発生した、バブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 図２のバブル発生装置によって所定の方向へ振動させるブレード部材（刃数２枚）の構成を示す概念図。 図２のバブル発生装置によって所定の方向へ振動させるブレード部材（刃数４枚）の構成を示す概念図。 図２のバブル発生装置によって所定の方向へ振動させるブレード部材（刃数７枚）の構成を示す概念図。 図２１Ａ、図２１Ｂおよび図２１Ｃに示す刃数が異なるブレード部材を、刃の向きに平行あるいは垂直な方向に振動させた際に発生したバブルの発生効率を示すグラフ。 図２１Ａ、図２１Ｂおよび図２１Ｃに示す刃数が異なるブレード部材を、刃の向きに平行あるいは垂直な方向に振動させた際に発生したバブルのゼータ電位を示すグラフ。 図２のブレード部材を浸漬する水の量を変化させて発生させたバブルのゼータ電位の変化を示すグラフ。 図２４のバブルの発生効率の変化を示すグラフ。 図２のブレード部材を図３Ａに示す方向に振動させた際にプラスのゼータ電位を持つバブルが発生していることを示すグラフ。 図２６のバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。 容器に入れた超純水の界面を示す模式図。 容器に入れたナノバブル水の界面を示す模式図。 図２６のバブルの個数（パーセント）とＤＬＳ散乱強度（直径）との関係を示すグラフ。
　以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
　（実施形態１）
　本開示の一実施形態に係るバブル発生装置２０について、図１～図２９を用いて説明すれば以下の通りである。
　（１）バブル発生装置２０によって製造されるバブル１０
　本実施形態に係るバブル発生装置２０によって製造されるバブル１０は、例えば、図１に示すように、主に、１μｍ以下の直径（例えば、１０～１０００ｎｍ）を有するナノバブルである。そして、バブル１０は、水中において、「上昇」、「収縮」、「圧壊」という過程を経て、数時間～数週間で消滅するとともに、洗浄、殺菌、脱臭等のその使用用途に応じた効果を生じさせる。
　直径１μｍ以下のバブルは、より直径が大きいマイクロバブル（例えば、直径１０μｍ以下）と比較して、より優れた洗浄力および長寿命を有している。
　また、バブル１０を含有するバブル水（液体）は、例えば、蒸留水、超純水等を用いることができる。なお、バブル１０を含む液体としては、蒸留水、超純水以外にも、水のイオン積が成立する水溶液を含む水系液体を用いることができる。
　なお、バブル１０の直径は、以下のストークス－アインシュタインの式を用いて算出される。なお、拡散係数Ｄは、自己相関関数の解析によって決定される。
（ただし、ＤＨ：流体力学的直径、Ｄ：拡散係数、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：温度（Ｋ）、η：粘度）
　動的光散乱式（ＤＬＳ（Dynamic Light Scattering））は、懸濁液やエマルションに含まれる微粒子を高精度に測定するための手法であって、ブラウン運動（小さな粒子は早く、大きな粒子は遅く動く）に基づいて、例えば、ナノバブルの粒子径、ゼータ電位、分子量の測定が可能である。
　また、動的光散乱式（ＤＬＳ）は、ブラウン運動している粒子へレーザ光を照射し、一定の角度における散乱光信号を検出する。散乱光は、粒子径に対応した光の強弱（ゆらぎ）、または周波数の変化として分析され、周波数解析は、１Ｈｚから１００ＫＨｚの周波数範囲で行われる。
　バブルの挙動を測定する手法としては、動的光散乱式（ＤＬＳ）以外にも、粒子軌跡解析法、レーザ回折・散乱法、電気的検知帯法、共振式質量測定法、動的画像解析法等を用いることも可能である。
　また、バブル１０のゼータ電位の測定は、例えば、電気泳動法によって測定することができる。電気泳動法では、電解液中に浮遊する荷電粒子に電場をかけると、荷電粒子が表面電荷と逆の極性を持つ電極方向へ一定速度で移動することから、以下のヘンリーの式を適用してバブルのゼータ電位を測定することができる。なお、荷電粒子の移動度は、ドップラーシフトによって決定される。
（ただし、ＵＥ：電気泳動移動度、ｚ：ゼータ電位、ε：誘電率、η：粘度、Ｆ（ｋａ）：ヘンリー定数）
　（２）バブル発生装置２０
　本実施形態に係るバブル発生装置２０は、例えば、水中に含有される帯電性を有するバブルを製造する装置であって、主に、１μｍ以下の直径（例えば、１０～１０００ｎｍ）を有するナノバブルを水中で発生させる。
　具体的には、バブル発生装置２０は、図２に示すように、容器Ｃ１に入れられた水Ｗ１（例えば、蒸留水、超純水等）に浸漬された状態で所定の方向へ振動するブレード部材２１と、ブレード部材２１を所定の方向へ振動（往復移動）させる振動付与部２２と、振動付与部２２を制御する制御部２３と、を備えている。
　ブレード部材２１は、例えば、アルミニウムによって成形されており、図２に示すように、櫛歯状の先端部分を含むブロック状の部材であって、複数の凹部２１ａを有している。ブレード部材２１は、水Ｗ１の界面ＷＦ付近において、界面ＷＦに略平行な矢印方向（図中の左右方向）に振動が付与されることで、水Ｗ１の中にナノバブルが発生する。
　凹部２１ａは、ブレード部材２１における水Ｗ１に浸漬された状態で使用されるブレード部材２１の一部であって、使用される際の姿勢（図２参照）において界面ＷＦに沿って複数設けられている。凹部２１ａは、図２に示すように、主に、その一部が水Ｗ１と空気との界面ＷＦよりも上にある状態で、ブレード部材２１へ振動が付与される。
　すなわち、ブレード部材２１は、振動付与が開始される際に、凹部２１ａの一部が界面ＷＦよりも上にある状態で、振動付与部２２によって振動が付与される。
　これにより、ブレード部材２１は、図２に示すように、複数の凹部２１ａの上部が界面ＷＦよりも上にある状態で振動が付与されることで、凹部２１ａの上部が空気の取込み口となりつつ水Ｗ１内において振動するため、所望のナノバブルを効率よく発生させることができる。
　なお、凹部２１ａは、図２に示す構成では、ブレード部材２１に３つ設けられているが、凹部２１ａの数は、３つよりも多くてもよいし、２つ以下であってもよい。
　振動付与部２２は、図２に示すように、ブレード部材２１と接続された、例えば、リニアモータであって、所定の周波数（例えば、１００～３００Ｈｚ）でブレード部材２１を振動させる。振動付与部２２は、図２に示すように、ブレード部材２１の一部を水Ｗ１に漬けた状態で、ブレード部材２１を界面ＷＦに略平行な方向において振動させる。
　制御部２３は、図２に示すように、振動付与部２２に接続されており、所定の周波数（例えば、１００～３００Ｈｚ）でブレード部材２１を振動させるように、振動付与部２２を制御する。
　ここで、振動付与部２２によってブレード部材２１を振動させる方向としては、図３Ａに示すように、界面ＷＦに略平行であって凹部２１ａに略垂直な方向と、図３Ｂに示すように、界面ＷＦに略平行であって凹部２１ａに略平行な方向とが考えられる。
　例えば、図３Ａに示す方向にブレード部材２１を振動させた場合には、水Ｗ１の界面ＷＦ付近において、凹部２１ａの上部が空気取込み口となって水Ｗ１を攪拌することで、水Ｗ１の中に効率よくバブルが発生する。
　一方、ブレード部材２１をすべて完全に水中に浸漬（図１２Ａ参照）してしまうと、凹部２１ａに空気取込み口ができないため、ナノバブル発生効率が極端に落ちてしまう。
　このため、水Ｗ１の界面ＷＦに対するブレード部材２１の高さ位置を、ブレード部材２１の全体が浸漬された状態にしてしまうと、ナノバブルがほとんど発生しないおそれがある。
　このとき、発生したバブル１０は、図４に示すように、３回の実験結果の平均が－２６．９７ｍＶのマイナスのゼータ電位を有する。
　ここで、図４に示すグラフは、横軸は、電極部に対して電圧が印加されてからの経過時間（ｓ）を、縦軸は、バブル水中を電気泳動によって移動するバブル１０の移動度（位相（ｒａｄ））を、それぞれ示している。また、図４に示すグラフには、連続してバブル１０の挙動を測定した３回分のデータが示されている。
　なお、以下で説明する図６、図８Ａおよび図８Ｂ、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すグラフついても同様である。
　図５は、図３Ａに示す方向にブレード部材２１を振動させてバブル１０を発生させた直後の後方散乱（バブルの直径とその数（％））のデータを示している。
　よって、図４に示すマイナスのゼータ電位を有するバブル１０は、図５に示すように、１ｃｃ当たり１０の９乗の個数濃度であって、５０～２００ｎｍ程度の直径を有することが分かる。
　ここで、図５のグラフにおける３つの線は、連続して測定された３回分のそれぞれの測定結果である。また、図５のグラフにおける横軸は、観測された粒子（バブル）の直径、縦軸はその数（％）を示している。
　なお、以下で説明する図７、図９Ａおよび図９Ｂ、図１１Ａおよび図１１Ｂ、図１３Ａおよび図１３Ｂ、図１４Ａおよび図１４Ｂに示すグラフついても同様である。
　次に、例えば、図３Ｂに示す方向にブレード部材２１を振動させた場合には、水Ｗ１の界面ＷＦ付近において、水Ｗ１の中にバブルが発生する。
　このとき、発生したバブル１０は、図６に示すように、３回の実験結果の平均が－１５．９３ｍＶのマイナスのゼータ電位を有する。
　図７は、図３Ｂに示す方向にブレード部材２１を振動させてバブル１０を発生させた直後の後方散乱（バブルの直径とその数（％））のデータを示している。
　よって、図６に示すマイナスのゼータ電位を有するバブル１０は、図７に示すように、図５に示す結果の約半分程度の２０～１００ｎｍ程度の直径を有することが分かる。
　すなわち、ブレード部材２１を振動させる方向は、図３Ａに示す凹部２１ａに略垂直な方向であっても、図３Ｂに示す凹部２１ａに平行な方向であっても、個数濃度の違いはあるものの、ともに５０～２００ｎｍ程度、２０～１００ｎｍ程度のバブル１０の発生が確認された。
　次に、図２に示す容器Ｃ１に超純水１０ｍｌを入れて、ブレード部材２１を３０秒間、２４０Ｈｚの周波数で、図３Ａに示す方向に振動させた場合の実験結果について、図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａおよび図９Ｂを用いて説明する。
　すなわち、ブレード部材２１を３０秒間、２４０Ｈｚの周波数で、図３Ａに示す方向（凹部２１ａに略垂直な方向）に振動させた場合には、図８Ａおよび図８Ｂに示すように、平均で－２６．６０ｍＶ、－２８．７０ｍＶのマイナスのゼータ電位を有するバブル１０の発生が確認された。
　このとき、発生したバブル１０の直径は、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、３０～４００ｎｍの範囲であることが分かる。
　ここで、発生した直径３０～４０ｎｍのバブル１０を多く含むバブル水は、図２８Ｂに示すように、図２８Ａに示す超純水と比較して、その界面ＷＦの変化から高い粘性を示すことがある。
　続いて、バブル１０の発生について、周波数依存性を確認するために、図２に示す容器Ｃ１に超純水１０ｍｌを入れて、ブレード部材２１を３０秒間、２０７Ｈｚの周波数で、図３Ａに示す方向に振動させた場合の実験結果について、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａおよび図１１Ｂを用いて説明する。
　すなわち、ブレード部材２１を３０秒間、２０７Ｈｚの周波数で、図３Ａに示す方向（凹部２１ａに略垂直な方向）に振動させた場合には、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、平均で－２２．４３ｍＶ、－２０．４３ｍＶのマイナスのゼータ電位を有するバブル１０の発生が確認された。
　このとき、発生したバブル１０の直径は、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、３０～４００ｎｍの範囲であることが分かる。
　以上のことから、容器Ｃ１に少量（例えば、１０ｍｌ）の水Ｗ１を入れた状態で、ブレード部材２１に凹部２１ａに略垂直な方向に沿って、２０７～２４０Ｈｚ程度の周波数の振動を付与した場合には、ともに、３０～４００ｎｍ程度の直径を有するバブル１０が発生することが分かった。
　また、ＤＬＳ散乱強度は、周波数が２４０Ｈｚの条件下では平均約８００、周波数が２０４Ｈｚの条件下では平均約３２０であった。よって、周波数が大きい方が、同じ水量、時間の発生条件では、ゼータ電位も大きく、ＤＬＳ散乱強度（個数濃度）も有利であることが分かった。
　次に、１６０Ｈｚ、１７０Ｈｚの周波数で，３ｍｌの水の中でブレード部材２１を３０秒間、図３Ａに示す方向に振動させた場合の実験結果について、図１６Ａから図１９Ｂを用いて説明する。
　すなわち、ブレード部材２１を３０秒間、１７０Ｈｚの周波数で、図３Ａに示す方向（凹部２１ａに略垂直な方向）に振動させた場合には、図１６Ａおよび図１６Ｂに示すように、平均で－１５．９３ｍＶ、－１５．３３ｍＶのマイナスのゼータ電位を有するバブル１０の発生が確認された。
　このとき、発生したバブル１０の直径は、図１７Ａおよび図１７Ｂに示すように、２５～３００ｎｍの範囲であることが分かる。
　また、ブレード部材２１を３０秒間、１６０Ｈｚの周波数で、図３Ａに示す方向（凹部２１ａに略垂直な方向）に振動させた場合には、図１８Ａおよび図１８Ｂに示すように、平均で－６．４９ｍＶ、－９．３２ｍＶのマイナスのゼータ電位を有するバブル１０の発生が確認された。
　このとき、発生したバブル１０の直径は、図１９Ａおよび図１９Ｂに示すように、４５～３００ｎｍの範囲であることが分かる。
　一方、周波数を下げていった場合の実験結果について、図２０Ａおよび図２０Ｂを用いて説明すれば以下の通りである。
　すなわち、ブレード部材２１を浸漬させる水の量を１２０ｍｌ、約４．１Ｈｚの周波数で１分間、図３Ａに示す方向（凹部２１ａに略垂直な方向）に振動させた場合には、図２０Ａに示すように、３回の実験の平均で－０．４３ｍＶのゼータ電位を有するバブル１０の発生が確認されたものの、図２０Ｂに示すように、発生したバブル１０のサイズを見ると、マイクロバブル、ナノバブルはほとんど発生していなかった。
　以上の結果から、上述した２０７Ｈｚ、２４０Ｈｚでブレード部材２１を振動させた場合とほぼ同等の結果が得られたことから、ナノサイズのバブル１０の発生に関する周波数条件としては、４～３００Ｈｚ、好ましくは、１６０～２４０Ｈｚの範囲であることが分かった。
　続いて、ブレード部材２１に振動を付与する際の、界面ＷＦに対するブレード部材２１の高さ位置とバブル１０の発生との関係について、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃおよび図１２Ｄ、図１３Ａおよび図１３Ｂ、図１４Ａおよび図１４Ｂを用いて説明する。
　実験では、凹部２１ａの全体が水Ｗ１（２０ｍｌ）の界面ＷＦよりも下になるまでブレード部材２１を浸漬させた状態（図１２Ａ）、凹部２１ａの上端が界面ＷＦ付近になるまでブレード部材２１を浸漬させた状態（図１２Ｂ）、凹部２１ａの上部が界面ＷＦよりも上になるまでブレード部材２１を浸漬させた状態（図１２Ｃ）、凹部２１ａの一部のみが界面ＷＦよりも下になるまでブレード部材２１を浸漬させた状態（図１２Ｄ）で、ブレード部材２１を図３Ａに示す方向に沿って所定の周波数（２１６Ｈｚ）で３０秒間、振動させた。
　図１２Ａに示すブレード部材２１の浸漬深さでは、図１３Ａに示すように、３回の実験結果の平均が、ゼータ電位：－１４．７７ｍＶ、ＤＬＳ散乱強度：６４．０３であって、３５～３００ｎｍの直径を有するバブル１０が２５～３５％の濃度で発生した。
　図１２Ｂに示すブレード部材２１の浸漬深さでは、図１３Ｂに示すように、３回の実験結果の平均が、ゼータ電位：－１７．７８ｍＶ、ＤＬＳ散乱強度：５２．２０であって、５０～３００ｎｍの直径を有するバブル１０が２５～３０％の濃度で発生した。
　図１２Ｃに示すブレード部材２１の浸漬深さでは、図１４Ａに示すように、３回の実験結果の平均が、ゼータ電位：－１４．４１ｍＶ、ＤＬＳ散乱強度：６６．７０であって、６０～３５０ｎｍの直径を有するバブル１０が２０～３５％の濃度で発生した。
　図１２Ｄに示すブレード部材２１の浸漬深さでは、図１４Ｂに示すように、３回の実験結果の平均が、ゼータ電位：－１６．８７ｍＶ、ＤＬＳ散乱強度：５９．０７であって、５０～４００ｎｍの直径を有するバブル１０が３０％前後の濃度で発生した。
　以上のように、いずれも５０～３００ｎｍ程度のナノバブルが発生しており、ブレード部材２１の凹部２１ａの界面ＷＦに対する位置を変化させることで、発生させるバブルの直径をある程度調整することができることが分かる。
　よって、ブレード部材２１の界面ＷＦにおける水Ｗ１への浸漬方向に対する浸漬位置を変化させて、直径が異なるナノバブルとマイクロバブルとの発生比率を制御することができる。
　さらに、ブレード部材２１が完全に水Ｗ１に浸漬された状態のままで振動させると、例えば、図２９に示すように、ＤＬＳ散乱強度の平均値が検出下限レベルである３０よりも小さいことから、ナノバブルはほとんど発生しないことが分かる。
　すなわち、本実施形態のバブル発生装置２０では、ブレード部材２１の全体を水Ｗ１の界面に浸漬させないことが重要であって、少なくともブレード部材２１の一部が水Ｗ１の界面位置よりも上に配置されていることが好ましいことが分かる。
　＜バブル発生方法＞
　本実施形態のバブル発生装置２０は、図１５に示すフローチャートに従って、ナノバブルを発生させる。
　すなわち、ステップＳ１１では、水Ｗ１の界面ＷＦに対して、ブレード部材２１の一部（凹部２１ａ）が浸漬させた状態になるように、ブレード部材２１がセットされる（セット工程）。
　次に、ステップＳ１２では、制御部２３が、ステップＳ１１の状態から、水Ｗ１の界面ＷＦに略平行に所定の周波数で、リニアモータ等の振動付与部２２からブレード部材２１に振動を付与する（制御工程）。
　次に、ステップＳ１３では、水Ｗ１の中に、１００ｎｍ程度の直径を有するバブル１０が発生する。
　以上のように、本実施形態のバブル発生方法では、ブレード部材２１の一部を界面ＷＦより下に浸漬させて状態で、界面ＷＦに略平行にブレード部材２１を所定の周波数で振動させることで、効率的かつ安定的に所望のナノバブルを発生させることができる。
　＜主要な特徴＞
　本実施形態のバブル発生装置２０は、水の中にナノバブルを発生させる装置であって、水Ｗ１の界面ＷＦに少なくとも一部が浸漬された状態で使用されるブレード部材２１と、水Ｗ１の界面ＷＦに略平行な方向においてブレード部材２１を振動させる振動付与部２２と、ブレード部材２１を所定の周波数で振動させるように振動付与部２２を制御する制御部２３と、を備えている。
　これにより、ブレード部材２１の少なくとも一部を水Ｗ１の界面より下に浸漬させた状態で所定の周波数で振動させることで、例えば、少量の水Ｗ１の中に１００ｎｍ前後の直径を有するナノバブルを効率よく発生させることができる。
　この結果、ナノバブルを効率よく安定的に発生させる、あるいは発生させるナノバブルのサイズを変化させることができる。
　また、例えば、ナノバブル中に種々のガスを閉じ込めて、ナノバブルのサイズに応じた選別を行うことができる。さらに、ナノバブルの微細化によって、より高い個数密度や粘性を達成できる等、洗浄をはじめとするナノバブルの産業用途をさらに拡大することができる。
　ここで、ブレード部材２１の刃の枚数を変化させた場合のバブルの発生方法について、検証した結果を、図２１Ａから図２３を用いて説明すれば以下の通りである。
　すなわち、図２１Ａに示す刃の数が２枚のブレード部材１２１ａと、図２１Ｂに示す刃の数が４枚のブレード部材１２１ｂと、図２１Ｃに示す刃の数が７枚のブレード部材１２１ｃとを用いて、刃の向きに対して垂直（●）あるいは平行（▲）な方向にブレード部材１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃを振動させた場合の実験データを、図２２および図２３に示す。
　なお、図２２に示すグラフの縦軸のderived count rateとは、光子相関法で受光光学系で検出される１秒間当たりの光子パルス数であって、検出した散乱光強度に比例し、その単位は、cps（count per second）である。
　その結果、刃の向きに対して垂直（●）な方向（図３Ａの方向）にブレード部材１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃを振動させた場合には、図２２に示すように、刃の枚数が２枚、４枚、７枚と増えることで、発生するバブル１０のばらつきが抑制されることが分かる。
　また、発生したバブル１０のゼータ電位については、図２３に示すように、刃の枚数が変化してもほとんど影響がないことが分かる。
　一方、刃の向きに対して平行（▲）な方向（図３Ｂの方向）にブレード部材１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃを振動させた場合には、図２２に示すように、刃の枚数が２枚、４枚、７枚と増えることで、発生するバブル１０の個数濃度が上昇することが分かる。
　また、発生したバブル１０のゼータ電位についても、図２３に示すように、刃の枚数が２枚、４枚、７枚と増えることで、発生するバブル１０のゼータ電位も絶対値が大きくなることが分かる。
　続いて、ブレード部材２１が浸漬される水の量を変化させた場合のバブル１０の発生について検証した結果を、図２４および図２５を用いて説明すれば以下の通りである。
　すなわち、図２４に示すように、水の量を３ｍｌ、１０ｍｌ、２０ｍｌと変化させた場合には、発生したバブル１０のゼータ電位は水の量が最も少ない３ｍｌの場合に最も絶対値が大きく安定することが分かる。
　また、発生したバブル１０の発生濃度については、図２５に示すように、最も少ない３ｍｌの場合に、１０９個／ｃｃという高濃度のバブル１０が発生することが分かる。
　ここで、本実施形態のバブル発生装置２０およびバブル発生方法では、ラジカル（Ｏ２ －、ＯＨ等）を含むナノバブル水を生成することができることも分かった。
　［他の実施形態］
　以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
　（Ａ）
　上記実施形態では、複数の凹部２１ａを有するブレード部材２１を用いて、バブル１０を発生させる例を挙げて説明した。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。
　例えば、凹部を持たない板状のブレード部材を界面に沿って振動させてバブルを発生させる構成であってもよい。
　また、凹部の数は、複数に限らず、１つであってもよい。
　（Ｂ）
　上記実施形態では、凹部２１ａに対して略垂直な方向、略平行な方向において、ブレード部材２１を界面ＷＦに略平行に振動させて、バブルを発生させる例を挙げて説明した。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。
　例えば、凹部に対して斜め方向にブレード部材を振動させてバブルを発生させる構成であってもよい。
　（Ｃ）
　上記実施形態では、マイナスのゼータ電位を有するバブルを発生させる例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
　例えば、プラスのゼータ電位を有するバブルを発生させる構成であってもよい。
　例えば、４枚の刃を持つブレード部材２１を図３Ａに示す方向において振動させた場合に発生したバブル１０は、図２６に示すように、振動開始直後に、プラスのゼータ電位を持つことが分かる。
　そして、そのバブル１０の大きさは、図２７に示すように、１００～３００ｎｍの範囲に集中していることが分かる。
　このようなプラスのゼータ電位を持つバブル１０の発生については、例えば、アルミニウム製のブレード部材２１を洗浄せずに使用したことに起因している可能性がある。
　（Ｄ）
　上記実施形態では、水Ｗ１の中に浸漬された状態で使用される複数の凹部２１ａを有するブレード部材２１を１つ用いて、水Ｗ１の中にバブル１０を発生させる例を挙げて説明した。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。
　例えば、水の中に浸漬された状態で使用されるブレード部材は、１つではなく、複数であってもよい。
　（Ｅ）
　上記実施形態では、ブレード部材２１の材質として、アルミニウムを例として挙げて説明した。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。
　例えば、樹脂系の材料を用いて成形されたブレード部材を備えた構成であってもよい。
　（Ｆ）
　上記実施形態では、ブレード部材２１が浸漬される水Ｗ１の量が３ｍｌ～３０ｍｌである場合の例として挙げて説明した。しかし、本開示はこれに限定されるものではない。
　例えば、ブレード部材が浸漬されてナノバブルを発生させる水の量は、水の界面とブレード部材との位置関係が重要であり、全体の水の量に限定されるものではなく、上記より少ない量であっても、上記より多い量であってもよい。
　ただし、高個数濃度でナノバブル水を得るためには、少ない水の量で発生させることが望ましい（上述した図２４および図２５の結果を参照）。
　＜付記＞
　以上の実施の形態の記載により、下記の技術が開示される。
　（技術１）
　技術１に係るバブル発生装置は、
　水の中にナノバブルを発生させるバブル発生装置であって、
　前記水の界面に少なくとも一部が浸漬された状態で使用されるブレード部材と、
　前記水の界面に略平行な方向において、前記ブレード部材を振動させる振動付与部と、
　前記ブレード部材を所定の周波数で振動させるように、前記振動付与部を制御する制御部と、
を備えている。
　（技術２）
　技術２に係るバブル発生装置は、技術１に係るバブル発生装置であって、
　前記ブレード部材は、前記水の界面付近において前記振動付与部によって振動を付与される。
　（技術３）
　技術３に係るバブル発生装置は、技術１または２に係るバブル発生装置であって、
　前記ブレード部材は、前記界面に交差する方向に沿って形成された凹部を有している。
　（技術４）
　技術４に係るバブル発生装置は、技術３に係るバブル発生装置であって、
　前記ブレード部材は、前記振動付与が開始される際に、前記凹部の一部が前記界面よりも上にある状態で、前記振動付与部によって振動を付与される。
　（技術５）
　技術５に係るバブル発生装置は、技術３に係るバブル発生装置であって、
　前記ブレード部材は、前記界面に沿って複数の前記凹部を有している。
　（技術６）
　技術６に係るバブル発生装置は、技術１から５のいずれか１つに係るバブル発生装置であって、
　前記ブレード部材の前記界面における前記水への浸漬方向に対する浸漬位置を変化させて、前記ナノバブルとマイクロバブルとの発生比率を制御する。
　（技術７）
　技術７に係るバブル発生装置は、技術１から６のいずれか１つに係るバブル発生装置であって、
　前記ブレード部材が複数設けられている。
　（技術８）
　技術８に係るバブル発生装置は、技術１から７のいずれか１つに係るバブル発生装置であって、
　前記振動付与部は、リニアモータである。
　本開示のバブル発生装置は、ナノバブルを効率よく安定的に発生させることができる、あるいは発生させるナノバブルのサイズを変化させるという効果を奏することから、水中でナノバブルを発生させる装置に対して広く適用可能である。
１０　　　バブル
２０　　　バブル発生装置
２１　　　ブレード部材
２１ａ　　凹部
２２　　　振動付与部
２３　　　制御部
Ｃ１　　　容器
Ｗ１　　　水（ナノバブル水）
ＷＦ　　　界面

Claims (12)

  1. 　水の中にナノバブルを発生させるバブル発生装置であって、
    　前記水の界面に少なくとも一部が浸漬された状態で使用されるブレード部材と、
    　前記水の界面に略平行な方向において、前記ブレード部材を振動させる振動付与部と、
    　前記ブレード部材を所定の周波数で振動させるように、前記振動付与部を制御する制御部と、
    を備えているバブル発生装置。
  2. 　前記ブレード部材は、前記水の界面付近において前記振動付与部によって振動を付与される、
    請求項１に記載のバブル発生装置。
  3. 　前記ブレード部材は、前記界面に交差する方向に沿って形成された凹部を有している、
    請求項１または２に記載のバブル発生装置。
  4. 　前記ブレード部材は、前記振動の付与が開始される際に、前記凹部の一部が前記界面よりも上にある状態で、前記振動付与部によって振動を付与される、
    請求項３に記載のバブル発生装置。
  5. 　前記ブレード部材は、前記界面に沿って複数の前記凹部を有している、
    請求項３に記載のバブル発生装置。
  6. 　前記ブレード部材の前記界面における前記水への浸漬方向に対する浸漬位置を変化させて、前記ナノバブルとマイクロバブルとの発生比率を制御する、
    請求項１または２に記載のバブル発生装置。
  7. 　前記ブレード部材が複数設けられている、
    請求項１または２に記載のバブル発生装置。
  8. 　前記振動付与部は、リニアモータである、
    請求項１または２に記載のバブル発生装置。
  9. 　水の中にナノバブルを発生させるバブル発生方法であって、
    　前記水の界面に少なくとも一部が浸漬された状態でブレード部材をセットするセット工程と、
    　前記水の界面に略平行な方向において前記ブレード部材を所定の周波数で振動させるように振動付与部を制御する制御工程と、
    を備えているバブル発生方法。
  10. 　前記ブレード部材は、複数の刃を有しており、
    　前記セット工程において、刃の数が異なる前記ブレード部材をセットするとともに、
    　前記制御工程において、刃の数が異なる前記ブレード部材を所定の周波数で振動させて、前記ナノバブルの発生濃度を変化させる、
    請求項９に記載のバブル発生方法。
  11. 　前記セット工程において前記ブレード部材の少なくとも一部が浸漬される前記水の量を変化させて、前記ナノバブルの発生濃度を変化させる、
    請求項９に記載のバブル発生方法。
  12. 　前記セット工程において、前記ブレード部材を振動させる方向を変化させて、前記ナノバブルの大きさを変化させる、
    請求項９に記載のバブル発生方法。
     
PCT/JP2025/002695 2024-02-29 2025-01-29 バブル発生装置およびバブル発生方法 Pending WO2025182405A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2024030169 2024-02-29
JP2024-030169 2024-02-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2025182405A1 true WO2025182405A1 (ja) 2025-09-04

Family

ID=96920414

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2025/002695 Pending WO2025182405A1 (ja) 2024-02-29 2025-01-29 バブル発生装置およびバブル発生方法

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2025182405A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6179638U (ja) * 1984-10-29 1986-05-27
JPH03232524A (ja) * 1990-02-07 1991-10-16 Toshiba Corp 撹拌装置
JP2007232522A (ja) * 2006-02-28 2007-09-13 Olympus Corp 攪拌装置と分析装置
WO2010150629A1 (ja) * 2009-06-22 2010-12-29 パナソニック電工株式会社 弾性表面波を用いる霧または微細気泡の発生方法および霧または微細気泡発生装置
JP2015199037A (ja) * 2014-04-08 2015-11-12 株式会社東芝 攪拌装置及び自動分析装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6179638U (ja) * 1984-10-29 1986-05-27
JPH03232524A (ja) * 1990-02-07 1991-10-16 Toshiba Corp 撹拌装置
JP2007232522A (ja) * 2006-02-28 2007-09-13 Olympus Corp 攪拌装置と分析装置
WO2010150629A1 (ja) * 2009-06-22 2010-12-29 パナソニック電工株式会社 弾性表面波を用いる霧または微細気泡の発生方法および霧または微細気泡発生装置
JP2015199037A (ja) * 2014-04-08 2015-11-12 株式会社東芝 攪拌装置及び自動分析装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tho et al. Cavitation microstreaming patterns in single and multiple bubble systems
EP0129766B1 (en) A method of, and apparatus for, measuring electro-kinetic properties of charged particles dispersed in a liquid medium
JP3472876B2 (ja) マルチコンポーネンツ・コロイド類の粒子のサイズおよび電荷の測定
JP2668372B2 (ja) 懸濁液中の粒子の電気泳動移動度を決定する方法及び装置
JPH09122480A (ja) 超音波処理方法および装置
CN101076717A (zh) 用于粒子分离和量化的方法和设备
JP3205413B2 (ja) 微粒子計測装置及び微粒子計測方法
Panday et al. Surfing of particles and droplets on the free surface of a liquid: a review
WO2025182405A1 (ja) バブル発生装置およびバブル発生方法
JP6867678B2 (ja) ゼータ電位測定装置
Birkin et al. Generation and in situ electrochemical detection of transient nanobubbles
Fridman The interaction mechanism between cavitation bubbles and particles of the solid and liquid phases
Bryce et al. Extensional instability in electro-osmotic microflows of polymer solutions
JP7334957B2 (ja) 微細気泡分散液の測定方法及び測定システム
Kullappan et al. Thermodynamic and kinetic pathways to agitated and spontaneous emulsification
Sato et al. Study on formation of plasma nanobubbles in water
Harada et al. Emulsion generating microchannel device oscillated by 2.25 MHz ultrasonic vibrator
US20250027903A1 (en) Bubble, bubble aggregate, bubble water, bubble control device, and bubble control method
JP2016109453A (ja) ファインバブルの粒度分布測定方法及び測定装置
JP2024072223A (ja) バブルおよびバブル集合体、バブル水、酸化剤、還元剤、バブル製造方法
WO2024106206A1 (ja) バブルおよびバブル集合体、バブル水、酸化剤、還元剤、バブルの製造方法
Ri et al. Concentration method of nanobubble aqueous solutions at external electric field
Andrews et al. SONIC: A Speed of Sound Measurement for Nanobubble Characterization
Aurenty et al. Water-in-alkyd-resin emulsions: droplet size and interfacial tension
US11774404B2 (en) Corrosion resistant electrodes

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 25761728

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1