微細気泡、マイクロバブルの発生装置のビーエルダイナミクス

 

タイトル/超微細気泡について

液体中に空気を送り込むという行為は、排水処理はじめ様々な分野で長年行われてきましが、そこで供給される気泡は、直径数センチ・数十センチというサイズのものが主流でした。

大きな泡でも処理自体は進むので特に問題はありません。しかし、最近の環境・省エネ志向の流れもあり、より効率的・機能的な処理手段を探る中で小さな泡の存在が注目されはじめています。

 

微細な気泡は、マイクロバブル、マイクロナノバブル、ファインバブルなどと気泡サイズの単位などを冠として呼ばれていますが、それぞれの呼称の定義については、研究者や企業によって異なっており統一されていないのが現状です。

微細気泡について多くの研究結果が発表されており、気泡の直径が50μmより小さくなるとそれよりも 大きな気泡とは異なる性質を持つという見解では概ね一致しています。

上記よりも小さな(区切りとして1μm又は0.1μmなど)気泡は、更なる特異性を持つことが研究結果として発表され始めていますが、その特殊性に関してはまだまだ未解明な部分が残されています。

ナノバブル(数十~数百ナノmレベルの気泡径としましょう)については、当社としては直接的に泡として測定し確認する手段が確立できていない為、「ナノバブル」という呼称は使用しておりません。あくまで光学的に泡として確認できるものを集めた気泡分布に基き、ある程度の割合で測定限界以下(1μm以下)の気泡の存在も推測できる、ということで「マイクロバブル」や「マイクロナノバブル」という幅を持たせた名称を使用しています。

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最近は、様々な学術機関や企業で研究が行われていますが、まだまだ未解明の部分も残されていて今後が期待されています。ここでは、微細な泡が持つ一般的な特徴とその優位性をご紹介します。

 

1. 長く持続し広範囲にわたる効果

 

気泡の浮力は、気泡内の空気体積に比例します。気泡サイズが小さくなれば、その気泡の浮力も小さくなります。超微細気泡は浮力の影響をほとんど受けなくなる為、大きなサイズの気泡と比べて長時間水中に滞留します。

浮力 F = Vg ( :流体の密度 , V:物体の体積 , g:重力加速度)

 

 

 

 

2. 反応性の向上(気体と液体の接触面積が大きい)

 

1立方mmの水を直径1mmの 通常の気泡 と直径1μmの 微細気泡 で満たした場合、 微細気泡の水と気泡の接触面積は 通常の気泡 の接触面積の1000倍となります。接触面積の増加により、液中の好気性微生物の活動や供給ガスと液成分との化学反応効率が飛躍的に改善します。

 

 

 

 

3. 浮上分離の促進

 

気泡は浮力が働き、その浮上の過程で液中に浮遊している懸濁物質(汚れ成分)に付着してそれらを液面に浮上させることが出来ます。懸濁物質は、大きさや形状が均一ではないため、大きな泡では付着しにくく、浮上させることが困難なケースが多くみられます。微細な気泡を供給してあげることで、汚れ成分の凹み部分まで微細な気泡が入り込み、全体的に微細気泡で覆われることで浮上力を向上することが可能です。

 

 

 

4. 洗浄力向上(表面張力の低下)

 

液体の表面張力は、液体の密度に比例します。液中に微細な気泡を供給することで、液体のみせかけ密度が低下し、浸透力・洗浄力の向上につながります。

 

 

 

 

 

その他の特徴

■内部圧力(内圧と外圧の差⊿p)が高い
(例:直径の⊿pは約気圧、1μ では3気圧 )
  ※ヤングプラスの式(⊿pは半径に反比例する)と水の表面張力より算出
■気体の溶解能力が優れている
50μ 以下の微細気泡は、気体の溶解→縮小→内圧上昇→溶解の繰り返しにより、最後には消 
滅(圧壊)するといわれています。
■流体として層流化する
均質な球状では乱流の発生が少なく層流となります
■摩擦抵抗の低下
層流化し気体と液体との層を形成することで固液間の摩擦抵抗が低下するといわれています
(応 用例:船舶など)
■電荷する微細気泡
微細気泡の外側はマイナスの電位を持ち、その傾向はphの増加に比例して増加すると言われています。汚染物質や金属イオン等を静電気的に表面にひきつける効果があります。


方式の呼称
原理及び特徴
a. 圧壊 (衝撃波) 超音波、衝撃波等により急激な圧力変化を利用する。但し合体防止剤が無いと気泡発生直後に合体又は消滅する。
スクリュー回転や超音波等による急激な圧力低下により、蒸気圧以下に下が沸騰が起こり溶存空気等が析出。その後圧壊が起こる場合も有る。
b. 剪断(乱流) 気体と液体が混合した状態で乱流により気体を千切る様にして気泡化する方式であり、ベンチュリー管及び旋回流により乱流を作る方法が有る。単に気液混合のビンを振る事もこの方法の一つである。
c. 加圧溶解(過飽和析出) コンプレッサー等によって液中へ強制的に気体を溶解させ過飽和状態の液体を急激に減圧、又は、常圧の液体に抽出し過飽和の気体を析出させる
d. 微細孔(焼結体) ガラス、金属、セラミック等を微細孔の開いた状態に焼結又は弱く結合させた物、及びガラス管などを細く伸ばした物を用い、液中にて加圧ガスを通過させて気泡を発生させる。
e. 固体包埋 氷や半固体中に封入された微細気泡が液体に溶けることによって放出される。
f. 電解 電気分解の電極にて発生するガスの一部が微細な気泡となる。
g. 化学反応 化学反応によって発生するガス。例:炭酸塩に酸を混合し二酸化炭素などの難溶性のガスを発生させる。
h. 縮小 大きな泡を、何らかの物理的・化学的手段で小さくする方法。(例:加圧、冷却)

ビジネスベースとして展開されている微細気泡発生装置の主たる方式としては、
a. 圧壊(衝撃波)方式
b. 剪断(乱流)方式
c. 加圧溶解(過飽和析出)方式
e. 固体包埋方式
の4方式がみられます。

d.微細孔(焼結体)方式は、マイクロナノバブルの発生は困難であり、一般には熱帯魚水槽用等でミリ・センチオーダーの気泡の供給等や排水処理工程のエアレーション等に利用されています。

当社では、a及びbの各方式に基いた装置を主力製品として展開しています。