(57)【要約】【課題】液体に気体が注入された気液混合流体中に発生させた気泡の融合、合一を抑制し、気液混合流体の全体量に対して、マイクロバブルおよびナノバブルといった微細気泡の気泡数をできるだけ多く、効率的に発生させることのできる気液混合方法、気液混合装置および微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法を得る。【解決手段】液体に気体が注入された、大気圧以上に加圧された気液混合流体を大気圧未満に減圧した後、大気圧に昇圧することにより、微細気泡を生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に気体が注入された気液混合流体にかかる圧力を大気圧以上に調整し、前記大気圧以上に調整した前記気液混合流体を大気圧未満に減圧し、前記大気圧未満に減圧した前記気液混合流体を大気圧に昇圧することにより、微細気泡を生成する微細気泡生成ステップ
を有することを特徴とする気液混合方法。
【請求項２】
請求項１に記載の気液混合方法において、
前記微細気泡生成ステップにて生成した前記微細気泡に含まれる前記気体と、前記気液混合流体中に含まれる所望の第１処理物とを反応させる反応ステップ
をさらに有することを特徴とする気液混合方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の気液混合方法において、
前記気体には、オゾンが含有される
ことを特徴とする気液混合方法。
【請求項４】
請求項１に記載の気液混合方法によって生成された微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法であって、
前記気液混合流体に第２処理物を浸すことにより、前記微細気泡生成ステップにて生成された前記微細気泡に含まれる前記気体と、前記第２処理物とを反応させ、前記第２処理物を洗浄するステップを有する
ことを特徴とする微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法。
【請求項５】
請求項４に記載の微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法において、
前記第２処理物は、シリコン基板である
ことを特徴とする微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法において、
前記気体には、オゾンが含有される
ことを特徴とする微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法。
【請求項７】
液体に気体が注入された気液混合流体にかかる圧力を大気圧以上に調整する気体注入部と、
前記気体注入部が前記大気圧以上に調整した前記気液混合流体を大気圧未満に減圧する強制減圧部と、
前記強制減圧部が前記大気圧未満に減圧した前記気液混合流体を大気圧に昇圧する反応部と
を備えることを特徴とする気液混合装置。
【請求項８】
請求項７に記載の気液混合装置において、
前記強制減圧部は、前記気液混合流体が流れる流路方向に対する垂直の断面積が、前記流路方向に進むに従って小さくなるように構成され、前記強制減圧部の上流端において大気圧以上の圧力を有していた前記気液混合流体を、前記強制減圧部の下流端に到達させることで大気圧未満まで減圧し、
前記反応部は、前記流路方向に対する垂直の断面積が、前記流路方向に進むに従って大きくなるように構成され、前記反応部の上流端において大気圧未満まで減圧した前記気液混合流体を、前記反応部の下流端に到達させるまでの間に大気圧に昇圧する
ことを特徴とする気液混合装置。
【請求項９】
請求項８に記載の気液混合装置において、
前記強制減圧部は、前記強制減圧部の下流端における流路の断面積を小さくするための障害物を有する
ことを特徴とする気液混合装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の気液混合装置において、
前記強制減圧部は、前記強制減圧部の上流端から、前記流路方向に対する一定の第１角度を維持した状態で、前記断面積が前記流路方向に進むに従って小さくなるように構成される
ことを特徴とする気液混合装置。
【請求項１１】
請求項８ないし１０のいずれか１項に記載の気液混合装置において、
前記反応部は、前記反応部の上流端から、前記流路方向に対する一定の第２角度を維持した状態で、前記断面積が前記流路方向に進むに従って大きくなるように構成される
ことを特徴とする気液混合装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の気液混合装置において、
前記一定の第２角度は、４５°以上である
ことを特徴とする気液混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体と気体との混合物中にマイクロバブルおよびナノバブルといった微細化した気泡を発生させる気液混合方法、気液混合装置および微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロバブルおよびナノバブルといった微細化した気泡（以降では、微細気泡と称す）を利用した水処理技術および洗浄技術などが知られている。
【０００３】
しかしながら、一般的には、液体に注入された気体を微細気泡にする場合において、気泡を微細化すればするほど、それぞれの気泡が融合、合一しやすいので、気泡径が大きくなりやすい。したがって、できるだけ気泡径が大きくなることなく、多くの微細気泡を効率的に発生させることが求められていた。
【０００４】
このような要求を満たすために、液体と気体との混合物（以降では、気液混合流体と称す）を加圧した後に減圧することによって、気液混合流体中に微細気泡を発生させる技術が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２６９２１８号公報
【特許文献２】特開２００６−１６７６１２号公報
【特許文献３】特開２０１０−０７５８３８号公報
【特許文献４】特開２００６−３１４９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来技術には以下のような課題がある。
特許文献１に記載の従来技術では、加圧した気液混合流体を徐々に大気圧に減圧しているので、減圧中において、気泡が融合、合一してしまい、気泡径が大きくなるという問題があった。
【０００７】
また、特許文献２、３に記載の従来技術では、微細気泡を発生させるためのノズルの流路が狭いので、気泡が融合、合一してしまい、気泡径が大きくなるという問題があった。
【０００８】
また、特許文献４に記載の従来技術では、発生させた微細気泡を層流状態で維持するので、気泡が融合、合一してしまい、気泡径が大きくなるという問題があった。
【０００９】
このように、いずれの従来技術においても、加圧された気液混合流体を減圧することで、気泡径が数十ｎｍから数十μｍの微細気泡を発生させることはできる。しかしながら、微細気泡が融合、合一してしまうことで、気泡径が大きくなってしまう。したがって、気液混合流体の全体量に対して、得られる微細気泡の気泡数が少なくなってしまい、微細気泡を効率的に発生させることが困難であった。
【００１０】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、発生させた微細気泡の融合、合一を抑制し、気液混合流体の全体量に対して、微細気泡の気泡数をできるだけ多く、効率的に発生させることのできる気液混合方法、気液混合装置および微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明における気液混合方法は、液体に気体が注入された気液混合流体にかかる圧力を大気圧以上に調整し、大気圧以上に調整した気液混合流体を大気圧未満に減圧し、大気圧未満に減圧した気液混合流体を大気圧に昇圧することにより、微細気泡を生成する微細気泡生成ステップを有することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明における気液混合装置は、液体に気体が注入された気液混合流体にかかる圧力を大気圧以上に調整する気体注入部と、気体注入部が大気圧以上に調整した気液混合流体を大気圧未満に減圧する強制減圧部と、強制減圧部が大気圧未満に減圧した気液混合流体を大気圧に昇圧する反応部とを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明における微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法は、気液混合方法によって生成された微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法であって、気液混合流体に第２処理物を浸すことにより、微細気泡生成ステップにて生成された微細気泡に含まれる気体と、第２処理物とを反応させ、第２処理物を洗浄するステップを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明における気液混合方法、気液混合装置および微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法によれば、大気圧以上に加圧された気液混合流体を大気圧未満に減圧した後、大気圧に昇圧する。これにより、発生させた微細気泡の融合、合一を抑制し、気液混合流体の全体量に対して、微細気泡の気泡数をできるだけ多く、効率的に発生させることのできる気液混合方法、気液混合装置および微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１における気液混合装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１における気体注入部の構成例（１）を示した説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１における気体注入部の構成例（２）を示した説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１における気体注入部の構成例（３）を示した説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１における反応部の構成例を示した説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１における気体注入部、強制減圧部および反応部内を流入する気液混合流体の圧力変化を示した説明図である。
【図７】本発明の実施の形態１において、強制減圧部に流入する気液混合流体中における気泡の変化を示した説明図である。
【図８】本発明の実施の形態１において、反応部に流入する気液混合流体中における気泡の変化を示した説明図である。
【図９】本発明の実施の形態１において、気体注入部を最下部として、強制減圧部、反応部の順に、縦方向（垂直方向）に接続した場合の説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態２において、強制減圧部内に障害物を設置した場合の説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態２において、強制減圧部内にハニカム状の障害物を設置した場合の説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態３における気体注入部、強制減圧部および反応部内を流入するオゾン‐水混合流体の圧力変化および溶存オゾン濃度変化を示した説明図である。
【図１３】本発明の実施の形態３において、強制減圧部に流入するオゾン‐水混合流体中における気泡の変化を示した説明図である。
【図１４】本発明の実施の形態３において、反応部に流入するオゾン‐水混合流体中における気泡の変化を示した説明図である。
【図１５】本発明の実施の形態３において、気泡中のオゾンの溶解過程、および気泡中のオゾンと、気泡に吸着した処理物との反応過程を示した説明図である。
【図１６】本発明の実施の形態３において、実施例１および比較例１におけるオゾン注入率に対するフェノール濃度比の変化を示した説明図である。
【図１７】本発明の実施の形態３において、実施例２および比較例２におけるオゾン注入率に対するＭＬＳＳ濃度比の変化を示した説明図である。
【図１８】本発明の実施の形態４において、微細オゾン気泡中のオゾンと、シリコン基板に付着した処理物との反応過程を示した説明図である。
【図１９】本発明の実施の形態４において、微細孔を形成したシリコン基板を洗浄した場合の説明図である。
【図２０】本発明の実施の形態４において、テクスチャ（微細凹凸）を形成した太陽電池シリコン基板を洗浄する場合の説明図である。
【図２１】本発明の実施の形態４において、洗浄前、比較例３および実施例３に関して、シリコン基板表面に付着する銅原子量を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の気液混合方法、気液混合装置および微細気泡を含む気液混合流体を用いた洗浄方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における気液混合装置のブロック図である。この図１における気液混合装置は、気体注入部１、強制減圧部２、反応部３、気体供給路４、気体排出路５および流路６（流路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）を備える。なお、流路６の具体例としては、例えば、配管などが挙げられる。
【００１８】
また、各部の接続関係について、図示するように、流路６を介して、気体注入部１、強制減圧部２、反応部３が上流から順に接続される。さらに、気体注入部１には、気体を供給するための気体供給部（図示せず）が気体供給路４を介して接続されており、反応部３には、気体を排出するための気体排出路５が接続される。
【００１９】
気体注入部１は、流路６ａを流れる液体と、気体供給部から供給される気体とを混合し、混合した気液（気液混合流体）にかかる圧力を調整し、流路６ｂを介して、強制減圧部２に供給する。
【００２０】
なお、流路６ａを流れる液体は、例えば、ポンプ等といった液体にエネルギーを与えることのできる装置（図示せず）によって、加圧された状態で気体注入部１に流入する。また、気体供給部から供給される気体に関しては、例えば、空気の場合には、エアポンプ（図示せず）によって気体注入部１に供給され、オゾンガスの場合には、オゾンガス発生装置（図示せず）によって気体注入部１に供給される。また、気体注入部１自体が、気液混合流体を加圧することにより、気液混合流体にかかる圧力を調整するようにしてもよい。
【００２１】
強制減圧部２は、加圧された気液混合流体を大気圧未満に減圧し、流路６ｃを介して、反応部３に供給する。反応部３は、強制減圧部２が大気圧未満に減圧した気液混合流体を大気圧に昇圧し（戻し）、さらに、気体を、気体排出路５から排出する。また、反応部３では、大気圧に戻った気液混合流体によって、水・汚泥処理または洗浄等が行われ、これらの処理を行った後の気液混合流体は、流路６ｄを介して、反応部３の外部に排出される。
【００２２】
なお、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３を直接、接続することにより、流路６ｂ、６ｃの両方を省略してもよいし、いずれか一方を省略してもよい。
【００２３】
次に、気体注入部１の構成および動作の詳細について、本発明の実施の形態１における気体注入部１の構成例（１）を示した説明図である図２を参照して説明する。
【００２４】
気体注入部１は、流出弁１１、ドレーン弁１２、ドレーン配管１３および圧力計１４を有する。また、各部の接続関係について、図示するように、気体注入部１には、ドレーン配管１３および圧力計１４が接続されている。さらに、気体注入部１の出口側の流路６ｂには、流出弁１１が取り付けられ、ドレーン配管１３には、ドレーン弁１２が取り付けられている。
【００２５】
前述したように、気体注入部１は、流路６ａから流入した液体（液体がポンプ等により加圧された状態）と、気体供給部から供給された気体とを混合する。さらに、気体注入部１は、流路６ｂを介して、下流の強制減圧部２に、加圧された気液混合流体を供給する。この場合には、制御部（図示せず）が、流出弁１１の開閉状態（開度）を調整することにより、気液混合流体にかかる圧力量を設定できる。また、圧力計１４によって、設定した圧力をモニタリングすることができる。
【００２６】
このように、制御部が、流出弁１１の開閉状態を調整することにより、所望の圧力を設定することができるので、結果として、液体中に溶解させる気体の量を調整することができる。具体的には、液体中における気体の溶解量を大きくしたい場合には、圧力を高く設定し、気体の溶解量を小さくしたい場合には、圧力を低く設定すればよい。また、気液混合流体を加圧する圧力を大きくすることにより、気泡径をより小さくすることができる。
【００２７】
ここで、設定できる圧力範囲としては、ゲージ圧において、０．０１〜１０ＭＰａの間で、任意に設定できるようにすることが好ましい。なお、以下全ての圧力は、ゲージ圧にて表記する。この圧力範囲であれば、気体と液体との流量比（Ｇ／Ｌ）を０．５以上に大きくすることも可能であるため、気体の注入量等の制御が容易となる。
【００２８】
次に、先の図２における構成とは異なる構成を有する気体注入部１について、本発明の実施の形態１における気体注入部１の構成例（２）を示した説明図である図３を参照して説明する。
【００２９】
この図３における気体注入部１には、図示するように、先の図２における気体注入部１に対して、さらに、気体排出配管１５が接続されている。また、気体排出配管１５には、気体を排出する量を調整するための気体排出弁１６が取り付けられている。
【００３０】
このように、気体注入部１に対して、気体排出弁１６を介して気体排出配管１５を接続することにより、気体注入部１において、液体に溶解しなかった気体を、予め取り除くことができる。
【００３１】
これにより、気液混合流体に加圧する圧力の調整が、さらに容易になるとともに、気泡径が大きい気泡を取り除くことができる。そのため、気体注入部１における工程以降の後段の工程において、より微細な気泡を効率よく生成することが可能となる。
【００３２】
次に、先の図２および図３における構成とは異なる構成を有する気体注入部１について、本発明の実施の形態１における気体注入部１の構成例（３）を示した説明図である図４を参照して説明する。
【００３３】
この図４における気体注入部１は、いわゆるエジェクタ型の気体注入部であり、配管が最も細くなる箇所がエジェクタの絞り径に相当する。また、図４に示すように、気体注入部１には、気体供給部（図示せず）が気体供給路４を介して接続されている。気体注入部１は、流路６ａから流入した液体（液体がポンプ等により加圧された状態）と、気体供給部から供給された気体とを混合し、流路６ｂを介して、気液混合流体を下流の強制減圧部２に供給する。
【００３４】
また、気体注入部１においては、エジェクタの絞り径および気体供給部から供給される気体供給量を変更することにより、加圧する圧力および気体の溶解量を制御することができる。このように、気体注入部１として、いわゆるエジェクタ型の気体注入部を用いてもよい。
【００３５】
次に、反応部３の構成および動作の詳細について、本発明の実施の形態１における反応部３の構成例を示した説明図である図５を参照して説明する。
【００３６】
反応部３は、処理水配管３１、ドレーン弁３２、ドレーン配管３３および気体排出配管３４を有する。また、各部の接続関係について、図示するように、反応部３には、強制減圧部２、処理水配管３１（先の図１における流路６ｄに対応）、ドレーン配管３３および気体排出配管３４（先の図１における気体排出路５に対応）が接続されている。さらに、ドレーン配管３３には、ドレーン弁３２が取り付けられている。
【００３７】
前述したように、反応部３は、強制減圧部２が大気圧未満に減圧した気液混合流体を大気圧に昇圧し、さらに、気体を気体排出配管３４から排出する。また、反応部３では、大気圧に戻った気液混合流体によって、水・汚泥処理または洗浄等が行われ、これらの処理を行った後の気液混合流体は、処理水配管３１から排出される。
【００３８】
次に、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３内を順次、流入する気液混合流体の圧力変化について、本発明の実施の形態１における気体注入部１、強制減圧部２および反応部３内を流入する気液混合流体の圧力変化を示した説明図である図６を参照して説明する。
【００３９】
図６（ａ）は、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３を接続させた構造を有する気液混合装置の断面図を示す。なお、図６（ａ）において、気体注入部１と、強制減圧部２とは、流路６ｂを介して、接続されている（気体注入部１の記載を省略する）。また、強制減圧部２と、反応部３とは、先の図５に示すように、直接接続されている（反応部３の一部の記載を省略する）。
【００４０】
図６（ｂ）は、各部に流入する気液混合流体にかかる圧力の変化図（横軸を流路方向、縦軸を圧力とする）を示す。
【００４１】
この図６（ａ）において、気体注入部１が、気液混合流体にかかる圧力をＰ１に調整した後に、強制減圧部２に向かって流路６ｂを流れる気液混合流体にかかる圧力は、同様にＰ１である。この場合には、図６（ｂ）に示すように、流路方向に対して、流路６ｂと、強制減圧部２との接続部（Ｉ‐Ｉ’）である上流端に達するまでは、圧力がＰ１となり、一定である。なお、この圧力Ｐ１がとりうる値の範囲は、前述したように、ゲージ圧において、０．０１〜１０ＭＰａの間で、任意に設定できるようにすることが好ましい。
【００４２】
強制減圧部２の断面構造は、図６（ａ）に示すように、接続部（Ｉ‐Ｉ’）の断面積を基準として、流路方向に進むに従って、流路方向に対する垂直の断面積が徐々に小さくなるようになっている。また、拡大部Ａに示すように、流路方向に対して、一定の角度ａを維持した状態で、径が小さくなっていく。なお、流路方向に対する垂直の断面積の変化は、連続的に変化することが好ましい。
【００４３】
この場合には、図６（ｂ）に示すように、強制減圧部２に流入する気液混合流体にかかる圧力が、接続部（Ｉ‐Ｉ’）におけるＰ１から、流路方向に向かうに従って、減少していく。最終的には、気液混合流体にかかる圧力が、強制減圧部２と、反応部３との接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）である下流端においては、大気圧Ｐ０未満であるＰ−１となる。
【００４４】
このように、強制減圧部２は、気液混合流体が流れる流路方向に対する垂直の断面積が、流路方向に進むに従って小さくなるように構成されている。したがって、強制減圧部２は、上流端において大気圧以上の圧力を有していた気液混合流体を、下流端に到達させることで、気液混合流体にかかる圧力を大気圧未満に急激に減圧することができる。
【００４５】
なお、気液混合流体にかかる圧力を大気圧未満に急激に下げることが可能となる理由としては、下式（１）で示されるベルヌーイの法則を用いて、説明することができる。
ｖ２／２＋Ｐ／ρ＝一定                                                （１）
ｖ：流体の流速、Ｐ：圧力、ρ：流体密度
【００４６】
すなわち、強制減圧部２の断面構造について、流路方向に進むに従って、断面積が小さくなっていくことにより、流体の流速ｖを速くすることができる。流体の流速ｖを速くすると、上式（１）から明らかなように、圧力Ｐを下げることができる。
【００４７】
したがって、図６（ｂ）に示すように、大気圧Ｐ０未満である所望の圧力Ｐ−１を得るには、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）の断面積を所望の値に設定すればよい。なお、この圧力Ｐ−１がとりうる値の範囲は、−９．９×１０４Ｐａ〜−１．０×１００Ｐａであることが好ましい。
【００４８】
一方、反応部３の断面構造は、図６（ａ）に示すように、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）である上流端（反応部３にとっては、上流端となる）の断面積を基準として、流路方向に進むに従って、流路方向に対する垂直の断面積が徐々に大きくなるようになっている。
【００４９】
また、反応部３は、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）を基準に、流路方向に対して、一定の角度ｂを維持した状態で拡がるように構成されている。すなわち、拡大部Ｂに示すように、流路方向に対して、一定の角度ｂを維持した状態で径が大きくなっていく。なお、発生した微細気泡が融合、合一しないようにするためには、角度ｂは、できるだけ大きく設定されることが好ましく、特に、４５°以上に設定されることがより好ましい。
【００５０】
この場合には、図６（ｂ）に示すように、反応部３に流入する気液混合流体にかかる圧力が、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）におけるＰ−１から、流路方向に向かうに従って、増加していく。最終的には、反応部３に流入する気液混合流体が先の図１における流路６ｄが位置する下流端に達するまでの間に、気液混合流体にかかる圧力が、大気圧であるＰ０となる。
【００５１】
ここで、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）には、従来のエジェクタ構造とは異なり、外部からの気体の供給路が設けられていない。さらに、従来のエジェクタ構造における内径を絞った後の角度ｂに相当する拡がり角度は、５°〜１０°程度であったのに対し、本実施の形態１において、角度ｂは、好ましくは４５°以上として設定される。
【００５２】
このように、従来のエジェクタ構造では、発生した気泡を剪断するため、拡がり角度を狭くし、急激な圧力の上昇を抑制していた。しかしながら、５°〜１０°程度の小さい拡がり角度では、気泡の接触機会が大幅に増加してしまい、結果として、気泡の融合、合一が促進されてしまっていた。
【００５３】
これに対して、本願発明では、微細気泡の核を大量に生成し、微細気泡を大量に発生させるという微細気泡発生メカニズムが構築されているので、従来に必要としていたエジェクタおよび旋回流により気泡を微細化するための気泡の剪断、渦崩壊等の工程を必要としない。
【００５４】
したがって、反応部３において、急激な圧力上昇を抑制する必要がないので、気液混合流体にかかる圧力をＰ−１から急激に上げることにより、気液混合流体にかかる圧力を大気圧に昇圧することが可能となる。また、反応部３において、角度ｂを４５°以上に設定することができる。これにより、微細気泡の核が、反応部３内を拡がるので、気泡の融合、合一を抑制することができる。なお、反応部３では、先の図１における気体排出路５から気体が排出される。
【００５５】
このように、反応部３は、気液混合流体が流れる流路方向に対する垂直の断面積が、流路方向に進むに従って大きくなるように構成されている。したがって、反応部３は、上流端において大気圧未満まで減圧した気液混合流体を、下流端に到達させるまでの間に、気液混合流体にかかる圧力を大気圧に急激に昇圧することができる。
【００５６】
なお、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）の断面積は、接続部（Ｉ‐Ｉ’）の断面積と比較して、小さく、具体的には、接続部（Ｉ‐Ｉ’）の断面積の１／２以下となるように設定するのが好ましく、特に、１／５以下となるように設定するのがより好ましい。
【００５７】
また、強制減圧部２の流路方向における全長は、接続部（Ｉ‐Ｉ’）の断面の径の長さの３倍以下に設定するのが好ましく、特に、２倍以下に設定するのがより好ましい。また、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３の断面の形状は、円形が好ましいが、これに限定されない。すなわち、断面の形状は、特に、限定されず、楕円形、長方形、正方形および多角形などといった種々の形状にすることができる。
【００５８】
また、強制減圧部２および反応部３は、流路方向に対する断面の形状が相似形であることが好ましい。また、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３について、これらの各部に対応する配管形状を一体型としてもよい。例えば、気体注入部１を、図４で示すようなエジェクタ型とすることで、配管形状を一体型にすることができる。また、強制減圧部２と、反応部３とを直接接続できず、これらの間に先の図１に示すような流路６ｃを設ける場合には、微細気泡の融合、合一を抑制するためにこの流路６ｃの長さを極力短くするほうが好ましい。
【００５９】
次に、前述した微細気泡発生メカニズムの詳細ついて、図７および図８を参照して説明する。図７は、本発明の実施の形態１において、強制減圧部２に流入する気液混合流体中における気泡の変化を示した説明図である。図８は、本発明の実施の形態１において、反応部３に流入する気液混合流体中における気泡の変化を示した説明図である。
【００６０】
この図７（ａ）は、流路６ｂと、強制減圧部２との接続部における気液混合流体中の微細気泡の核の集合２１（気液混合流体にかかる圧力がＰ１）を示し、図７（ｂ）は、強制減圧部２と、反応部３との接続部における微細気泡の核の集合２２を示す。
【００６１】
ここで、前述したように、強制減圧部２の断面構造について、流路方向に進むに従って、断面積が小さくなるので、微細気泡の核を含む気液混合流体が流路方向に対して流れると、流体の流速が増加し、圧力が減少していく。したがって、図７（ｂ）に示すように、気液混合流体中には、圧力が大気圧未満であるＰ−１にまで減少することにより、溶解しきれなくなった微細気泡の核の発生量が増加していき、大量の微細気泡の核が発生する。
【００６２】
一方、図８（ａ）は、強制減圧部２と、反応部３との接続部における気液混合流体中の微細気泡の核の集合２２（気液混合流体にかかる圧力がＰ−１の場合）を示し、図８（ｂ）は、反応部３内の微細気泡の核の集合２３を示す。
【００６３】
ここで、前述したように、反応部３の断面構造について、流路方向に進むに従って、断面積が大きくなるので、微細気泡の核を含む気液混合流体が流路方向に対して流れると、流体の流速が減少し、圧力が増加していく。したがって、図８（ｂ）に示すように、気液混合流体中にかかる圧力が大気圧であるＰ０（水深圧も考慮すると、Ｐ０＋水深圧）にまで増加することにより、大量の微細気泡の核が、昇圧化により収縮する。
【００６４】
さらに、これらの収縮した微細気泡の核が、反応部３内を拡がることにより、気泡の融合、合一が抑制され、反応部３内は、大量の微細気泡で満たされることになる。なお、微細気泡の気泡径は、数μｍ〜数百μｍ程度であり、微細気泡で満たされた反応部３内における気液混合流体は、白色を呈する。
【００６５】
このように、本実施の形態１における微細気泡の発生方法は、大気圧以上に加圧→大気圧未満に減圧→大気圧に昇圧という一連のプロセスを経ることを技術的特徴としており、従来のエジェクタによる気泡の剪断または旋回流による気泡の渦崩壊による微細気泡の発生方法とは、明らかに異なることが分かる。
【００６６】
以上のように、本発明の実施の形態１によれば、大気圧以上に加圧された気液混合流体を大気圧未満にまで減圧した後に、大気圧にまで昇圧する。これにより、発生させた微細気泡の融合、合一を抑制して、大量の微細気泡が得ることができる。また、大量の微細気泡が得られるので、種々の気体を効率的に液体に溶解させることができるとともに、さらには、気体の液体への溶解量を制御することもできる。
【００６７】
なお、本実施の形態１において、使用を可能とする気体としては、例えば、空気、酸素、窒素、オゾン、二酸化炭素またはこれらの混合物等が挙げられる。また、使用を可能とする液体としては、例えば、常温常圧で液体である水、エタノールまたは各種有機溶媒等が挙げられる。
【００６８】
また、本実施の形態１における気液混合装置では、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３のそれぞれを横方向に接続したが、各部の配置については、これに限定されない。図９は、本発明の実施の形態１において、気体注入部１を最下部として、強制減圧部２、反応部３の順に、縦方向（垂直方向）に接続した場合の説明図である。すなわち、図９に示すように、気体注入部１を最下部として、強制減圧部２、反応部３の順に、縦方向（垂直方向）に接続してもよい。このような配置にすることにより、反応部３における微細気泡に発生した浮力を利用して、微細気泡の融合、合一をより抑制することが可能となり、結果として、大量の微細気泡を得ることができる。
【００６９】
実施の形態２．
先の実施の形態１では、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３を備える気液混合装置について説明した。これに対して、本発明の実施の形態２では、先の実施の形態１における気液混合装置の強制減圧部２内に、さらに、障害物３０、４０を設置した場合について説明する。
【００７０】
ここで、強制減圧部２内に障害物３０、４０が設置されることにより、設置されない場合と比較して、以下のような効果が新たに得られる。
（１）気液混合流体にかかる圧力が、より急激に大気圧未満に減圧されるので、より大量の微細気泡の核を発生させることができる。
（２）微細気泡の核が、より拡散されやすくなるので、気泡の融合、合一がさらに抑制され、より大量の微細気泡を得ることができる。
【００７１】
そこで、強制減圧部２内に、障害物３０を設置した場合、障害物４０を設置した場合のそれぞれについて、図１０および図１１を参照して説明する。はじめに、図１０は、本発明の実施の形態２において、強制減圧部２内に障害物３０を設置した場合の説明図である。
【００７２】
なお、ここでは、具体的に例示して説明するために、障害物３０の形状は、円錐状である場合を想定して説明する。この図１０において、障害物３０は、強制減圧部２と反応部３との接続部に、一端である底部が位置し、流路６ｂ側に他端である上部が位置し、少なくとも２箇所以上の支え（図示せず）によって、強制減圧部２内に設置されている。
【００７３】
また、障害物３０を設置しているので、気液混合流体が、障害物３０の上部から底部に向かって強制減圧部２内を流れる場合において、気液混合流体の流路は、段々狭くなっていく。さらに、図１０に示した接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）の流体方向断面図から分かるように、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）では、障害物３０の底部によって、流路の中心部が塞がれ、流路が最も狭くなっている。したがって、気液混合流体は、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）では、障害物３０の底部によって塞がれていない周辺を通過して、反応部３に向かって流入する。
【００７４】
このように、障害物３０を設置し、流路を極短時間、制限することにより、流路方向に対して、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）における流路の断面積を小さくすることができる。なお、ここでいう接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）における流路の断面積とは、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）において、気液混合流体が通過する部分の断面積（すなわち、塞がれていない部分の断面積）を意味する。
【００７５】
したがって、障害物３０を設置しない場合と比較して、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）における流路の断面積を小さくすることができるので、より急激に、気液混合流体にかかる圧力を大気圧未満に減圧することができる。この結果、より大量の微細気泡の核を発生させることができる。
【００７６】
また、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）における流路の断面積が小さくなることにより、反応部３内の接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）近傍の断面積の変化が、より急激に大きくなるので、反応部３内において、微細気泡の核がより拡散されやすくなる。したがって、気泡の融合、合一が抑制されるので、より大量の微細気泡を得ることができる。
【００７７】
なお、強制減圧部２内に位置する障害物３０の断面の形状は、強制減圧部２と、反応部３との接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）の断面の形状と相似形であることが好ましい。また、強制減圧部２と障害物３０の断面の中心線は、一致することが好ましい。
【００７８】
また、障害物３０の最も断面積が大きい箇所（障害物３０が前述した円錐形状の場合には、底部の断面積）は、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）の断面積の１０％以上９０％以下であることが好ましい。
【００７９】
また、障害物３０の形状が前述した円錐状であれば、気液混合流体の抵抗を最小限に抑制することができるという効果を有するが、障害物３０の形状は、特に限定されず、どのような形状であってもよい。
【００８０】
次に、図１１は、本発明の実施の形態２において、強制減圧部２内にハニカム状の障害物４０を設置した場合の説明図である。この図１１において、障害物４０は、強制減圧部２と、反応部３との接続部に位置するように設置されている。
【００８１】
また、図１１に示した接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）の流体方向断面図から分かるように、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）では、障害物４０によって、流路部分がハニカム形状となっている。したがって、気液混合流体は、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）では、障害物４０の隙間を通過して、反応部３に向かって流入する。
【００８２】
このように、障害物４０を設置し、流路を極短時間、制限することにより、障害物３０を設置した場合と同様に、流路方向に対して、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）における流路の断面積を小さくすることができる。
【００８３】
したがって、障害物４０を設置しない場合と比較して、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）における流路の断面積を小さくすることができるので、より急激に、気液混合流体にかかる圧力を大気圧未満に減圧することができる。この結果、より大量の微細気泡の核を発生させることができる。
【００８４】
また、接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）における流路の断面積が小さくなることにより、反応部３内の接続部（ＩＩ‐ＩＩ’）近傍の断面積の変化が、より急激に大きくなるので、反応部３内において、微細気泡の核がより拡散されやすくなる。したがって、気泡の融合、合一が抑制されるので、より大量の微細気泡を得ることができる。
【００８５】
なお、障害物４０の断面における径の長さは、できるだけ短いほうがよく、最長でも５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００８６】
以上のように、本発明の実施の形態２によれば、強制減圧部内に種々の障害物を設置することにより、加圧状態から大気圧未満に減圧する工程において、流路の断面積をより急激に小さくすることができるので、気液混合流体にかかる圧力を大気圧未満により急激に減圧することができる。さらには、大気圧未満に減圧された状態から大気圧に昇圧する工程において、流路の断面積をより急激に大きくすることができるので、微細気泡の核が、より拡散されやすくなる。これにより、反応部内において、大量の微細気泡の核を発生させることができ、さらには、気泡の融合、合一がさらに抑制され、より大量の微細気泡を得ることができる。
【００８７】
実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、気液混合流体中に大量の微細気泡を得るための気液混合方法および気液混合装置について説明した。これに対して、本発明の実施の形態３では、気体がオゾンを含有するガスであり、液体が水である気液混合流体（以降では、オゾン‐水混合流体と称す）を、水・汚泥処理工程で利用する具体的な応用例について説明する。
【００８８】
ここでは、先の実施の形態１における気液混合装置（先の図６に対応）を用いて、水・汚泥処理工程を行う場合を想定して説明する。
【００８９】
まず、オゾン‐水混合流体の圧力変化および水中に溶解するオゾン（以降では、溶存オゾンと称す）濃度変化について、本発明の実施の形態３における気体注入部１、強制減圧部２および反応部３内を流入するオゾン‐水混合流体の圧力変化および溶存オゾン濃度変化を示した説明図である図１２を参照して説明する。
【００９０】
ここで、図１２（ａ）は、先の図６（ａ）と同様に、気体注入部１（図示せず）と、強制減圧部２とを流路６ｂを介して接続し、さらに、強制減圧部２と、反応部３とを直接接続させた構造を有する気液混合装置の断面図を示し、図１２（ｂ）は、各部に流入するオゾン‐水混合流体にかかる圧力の変化図（横軸を流路方向、縦軸を圧力とする）を示す。さらに、図１２（ｃ）は、各部に流入するオゾン‐水混合流体中の溶存オゾン濃度の変化図（横軸を流路方向、縦軸を溶存オゾン濃度とする）を示す。
【００９１】
この図１２（ｃ）において、気体注入部１（流路６ｂ）に流入する気液混合流体にかかる圧力がＰ１の場合の溶存オゾン濃度をＣ１とする。この場合には、溶存オゾン濃度は、強制減圧部２内のオゾン‐水混合流体にかかる圧力の減少に伴い、Ｃ１から減少していく。
【００９２】
ここで、圧力最小時（すなわち、図１２において、圧力がＰ−１である時）の溶存オゾン濃度は、気体注入部１にて、水１Ｌ当たりに注入したオゾン量（以降、オゾン注入率［ｍｇ／Ｌ］と称す）の１／１０００〜１／１０倍となる。したがって、例えば、オゾン注入率が１００ｍｇ／Ｌであれば、圧力最小時の溶存オゾン濃度は０．１〜１０ｍｇ／Ｌとなる。
【００９３】
また、溶存オゾン濃度は、反応部３内においては、流路方向に進むに従って、徐々に増加していく。この溶存オゾン濃度の増加変化量（図１２の傾き［１］、［２］、［３］に対応）は、水中に溶解している物質との反応によって異なる。
【００９４】
すなわち、純水のように不純物の非常に少ない場合には、溶存オゾン濃度の増加変化量が大きい（傾き［１］に対応）。一方、下水または工場廃水のように大量の有機物またはオゾンと反応する物質等が含まれている場合には、溶存オゾン濃度の増加変化量が小さい（傾き［３］に対応）。また、オゾンを消費する物質量が、純水よりも大きく、下水または工場排水よりも小さい水の場合には、溶存オゾンの濃度変化量は、純水と、下水または工場排水との間となる（傾き［２］に対応）。
【００９５】
次に、強制減圧部２および反応部３内のオゾンの挙動について、図１３、図１４および図１５を参照して説明する。図１３は、本発明の実施の形態３において、強制減圧部２に流入するオゾン‐水混合流体中における気泡の変化を示した説明図である。図１４は、本発明の実施の形態３において、反応部３に流入するオゾン‐水混合流体中における気泡の変化を示した説明図である。図１５は、本発明の実施の形態３において、気泡中のオゾンの溶解過程、および気泡中のオゾンと、気泡に吸着した処理物との反応過程を示した説明図である。
【００９６】
この図１３（ａ）は、流路６ｂと、強制減圧部２との接続部における微細オゾン気泡の核の集合５１を示し、図１３（ｂ）は、強制減圧部２と、反応部３との接続部における微細オゾン気泡の核の集合５２を示す。また、図１４（ａ）は、強制減圧部２と、反応部３との接続部における微細オゾン気泡の核の集合５２を示し、図１４（ｂ）は、反応部３内の微細オゾン気泡の核の集合５３を示す。なお、微細オゾン気泡とは、微細気泡中にオゾンが存在することを意味する。
【００９７】
ここで、図１３（ａ）、（ｂ）から明らかなように、先の実施の形態１と同様、オゾン‐水混合流体にかかる圧力の減少とともに、微細オゾン気泡の核の発生量が急激に増加する。したがって、先の図１２（ｃ）に示すように、溶存オゾン濃度が急激に減少し、微細気泡中にオゾンが存在することとなる。
【００９８】
また、図１４（ａ）、（ｂ）から明らかなように、先の実施の形態１と同様、オゾン‐水混合流体にかかる圧力の急激な昇圧により、微細オゾン気泡の核が収縮、拡散し、大量の微細オゾン気泡が発生する。
【００９９】
さらに、反応部３内において、微細オゾン気泡内のオゾンの水に対する溶解が徐々に、進行する。すなわち、図１５に示すように、微細オゾン気泡６１中のオゾン６２が気泡を介して、徐々に、水中へ溶解することになる。このように、微細オゾン気泡６１を介して、オゾン６２が水中へ溶解することにより、オゾン６２の自己分解反応をできるだけ抑制することができる。
【０１００】
したがって、水中に注入したオゾンを無駄にすることなく、オゾン６２と、水中の有機物等、本来、オゾンと反応させるべき物質との反応を促進させることができる。すなわち、気泡中に存在するオゾンよりも、水中に存在するオゾンの方が、自己分解反応が大きいので、最初から水中にオゾンを溶解させてから物質と反応させるよりも、効率的にオゾンを使用できることとなる。
【０１０１】
さらに、反応部３内においては、気泡の融合、合一が抑制されているので、従来のマイクロバブル発生装置等にてマイクロバブルを発生させた場合と比べて、微細オゾン気泡の個数が多く、気液の接触面積も大きい。したがって、従来技術と比べて、より効率的にオゾンを使用することができる
【０１０２】
また、図１５に示すように、微細オゾン気泡６１の表面に処理物６３（例えば、疎水性の物質または汚泥のような粘性の高い物質等）が吸着した場合には、処理物６３と、オゾンとが直接反応する。このように、処理物６３と、オゾンとが直接反応することにより、オゾンは、水中の異物とは異なる物質との反応が抑制され、より効率的に、処理物６３との反応が促進される。すなわち、汚泥の可溶化などといった処理物の処理に対して、より効率的にオゾンを使用できることとなる。
【０１０３】
次に、本実施の形態３における微細気泡を利用した水・汚泥処理工程について、従来の水・汚泥処理工程と比較しながら説明する。
【０１０４】
まず、工場排水の処理工程について、本実施の形態３における微細気泡を利用した場合（実施例１）および従来の場合（比較例１）について、表１を参照して説明する。表１は、従来例１および比較例１における共通のオゾン処理条件を示す。
【０１０５】
【表１】
2014069160.tif 000003
【０１０６】
この表１に示すように、処理工程で用いる対象水は、工場排水であり、気液混合装置内を流れる対象水の流量は、１．５Ｌ／分である。また、処理物（処理対象物質）は、フェノールであり、処理対象物質濃度は、３５〜５０ｍｇ／Ｌである（対象水１Ｌあたり、３５〜５０ｍｇ含まれる）。さらに、使用するオゾンガスについて、オゾンガス濃度は、１２０ｇ／ｍ３であり、オゾンガス流量は、１．５Ｌ／分である。
【０１０７】
従来のオゾン処理を行う場合の比較例１では、オゾン注入方法として曝気法を採用しており、注入されるオゾンガスの気泡径は、１〜５ｍｍであった。また、流体の圧力制御を行わず、大気圧の状態でオゾンガスを工場排水に注入した。
【０１０８】
これに対して、実施例１では、先の実施の形態１における気液混合装置を使用し、気液混合流体に加圧する圧力は、０．２５ＭＰａ（圧力計１４の値）であった。また、気液混合流体に未溶解のオゾンガスは、脱気された。さらに、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３の順に、工場廃水を通水した。
【０１０９】
次に、このような条件下で得られた比較結果について、本発明の実施の形態３において、実施例１および比較例１におけるオゾン注入率に対するフェノール濃度比の変化を示した説明図である図１６を参照して説明する。
【０１１０】
実施例１および比較例１の比較結果として、この図１６では、オゾン注入率を変化させた場合の各オゾン注入率におけるフェノール濃度比をプロットしている。なお、オゾン注入率に対するフェノール濃度比とは、オゾン注入率が０の場合における反応部３内の工場排水中のフェノール濃度（Ｃ０）と、各オゾン注入率における反応部３内の工場排水中のフェノール濃度（Ｃ）との相対比率（Ｃ／Ｃ０）のことである。
【０１１１】
ここで、オゾンと、フェノールとの反応が効率的に行われるほど、フェノールの分解率が大きくなるので、工場排水中のフェノール濃度が小さくなる。また、各オゾン注入率が増えるほど、フェノールの分解率が大きくなるので、フェノール濃度比が小さくなる。
【０１１２】
また、図１６に示した実施例１および比較例１の結果を比較すると、各オゾン注入率において、実施例１の方が、フェノール濃度比が小さいことが分かる。したがって、実施例１の方が、溶解したオゾンと、フェノールとの反応が効率的に行われていることがいえる。さらに、オゾン注入率５０ｍｇ／Ｌの場合には、比較例１では、分解率が、約５０％であったのに対して、実施例１では、９０％近い分解率が得られた。したがって、実施例１の方が、より効率的にフェノールを分解できる。
【０１１３】
次に、活性汚泥の処理工程について、本実施の形態３における微細気泡を利用した場合（実施例２）および従来の場合（比較例２）について、表２を参照して説明する。表２は、従来例２および比較例２における共通のオゾン処理条件を示す。
【０１１４】
【表２】
2014069160.tif 000004
【０１１５】
この表２に示すように、処理工程で用いる対象水は、活性汚泥水であり、気液混合装置内を流れる対象水の流量は、１．５Ｌ／分である。また、処理物（処理対象物質）は、ＭＬＳＳ（Ｍｉｘｅｄ  Ｌｉｑｕｏｒ  Ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  Ｓｏｌｉｄｓ；活性汚泥浮遊物質）であり、処理対象物質濃度は、２５００〜４０００ｍｇ／Ｌである（対象水１Ｌあたり、２５００〜４０００ｍｇ含まれる）。さらに、使用するオゾンガスについて、オゾンガス濃度は、２５０ｇ／ｍ３であり、オゾンガス流量は、１．５Ｌ／分である。
【０１１６】
従来のオゾン処理を行う場合の比較例２では、オゾン注入方法として曝気法を採用しており、注入されるオゾンガスの気泡径は１〜５ｍｍであった。また、流体の圧力制御を行わず、大気圧の状態でオゾンガスを活性汚泥水に注入した。
【０１１７】
これに対して、実施例２では、先の実施の形態１における気液混合装置を使用し、気液混合流体に加圧する圧力は、０．２５ＭＰａ（圧力計１４の値）であった。また、気液混合流体に未溶解のオゾンガスは、脱気された。さらに、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３の順に、活性汚泥水を通水した。
【０１１８】
また、実施例２および比較例２のいずれにおいても、活性汚泥水にオゾンガスを供給することによって、発泡が確認された。しかしながら、発泡の高さが、装置内高さで収まったので、消泡は、実施されなかった。
【０１１９】
次に、このような条件下で得られた比較結果について、本発明の実施の形態３において、実施例２および比較例２におけるオゾン注入率に対するＭＬＳＳ濃度比の変化を示した説明図である図１７を参照して説明する。
【０１２０】
実施例２および比較例２の比較結果として、この図１７では、オゾン注入率を変化させた場合の各オゾン注入率におけるＭＬＳＳ濃度比をプロットしている。なお、オゾン注入率に対するＭＬＳＳ濃度比とは、オゾン注入率が０の場合における反応部３内の活性汚泥水中のＭＬＳＳ濃度（Ｃ０）と、各オゾン注入率における反応部３内の活性汚泥水中のＭＬＳＳ濃度（Ｃ）との相対比率（Ｃ／Ｃ０）のことである。
【０１２１】
ここで、オゾンと、ＭＬＳＳとの反応が効率的に行われるほど、ＭＬＳＳの溶解率が大きくなるので、活性汚泥水中のＭＬＳＳ濃度が小さくなる。また、各オゾン注入率が増えるほど、ＭＬＳＳの溶解率が大きくなるので、ＭＬＳＳ濃度比が小さくなる。
【０１２２】
また、図１７に示した実施例２および比較例２の結果を比較すると、各オゾン注入率において、実施例２の方が、ＭＬＳＳ濃度比が小さいことが分かる。したがって、実施例２の方が、溶解したオゾンと、ＭＬＳＳとの反応が効率的に行われていることがいえる。さらに、オゾン注入率１５０ｍｇ／ｇＭＬＳＳの場合には、比較例２では、溶解率が、約３０％であったのに対して、実施例２では、７０％近い溶解率が得られた。したがって、実施例２の方が、より効率的にＭＬＳＳを可溶化できる。
【０１２３】
以上のように、本発明の実施の形態３によれば、気体がオゾンガスであり、液体が水である気液混合流体を、水・汚泥処理工程で利用した場合には、反応部内で発生させた微細オゾン気泡内のオゾンが、気泡を介して、溶解し、さらに、気泡内のオゾンと、処理物とを直接反応させることができる。これにより、オゾンの水中における自己分解反応等を抑制できるので、水中に注入したオゾンを無駄にすることなく、より効率的にオゾンを使用し、処理物を処理することができる。
【０１２４】
実施の形態４．
先の実施の形態３では、オゾン‐水混合流体を、水・汚泥処理工程で利用する場合について説明した。これに対して、本発明の実施の形態４では、オゾン‐水混合流体を半導体基板の洗浄工程で利用した場合について説明する。
【０１２５】
ここでは、先の実施の形態３と同様に、先の実施の形態１における気液混合装置（先の図６に対応）を用いて、半導体基板の一例であるシリコン基板の洗浄工程を行う場合を想定して説明する。なお、シリコン基板に限定されず、どのような半導体基板を用いてもよい。
【０１２６】
まず、微細オゾン気泡によって、シリコン基板を洗浄する場合のオゾンの挙動について、本発明の実施の形態４において、微細オゾン気泡７１中のオゾンと、シリコン基板７２に付着した処理物７３との反応過程を示した説明図である図１８を参照して説明する。
【０１２７】
この図１８に示すように、微細オゾン気泡７１が、反応部３内でシリコン基板７２と接触することにより、シリコン基板７２の表面に対する微細オゾン気泡７１の衝撃力によって、処理物７３が除去される。また、先の実施の形態３と同様に、処理物７３と、オゾンとが、直接反応する。これにより、シリコン基板７２上から処理物７３が剥離し、さらに、酸化する。したがって、処理物７３の再付着を抑制すれば、効率的にシリコン基板７２を洗浄することができる。
【０１２８】
また、反応部３内においては、気泡の融合、合一が抑制されているので、従来のマイクロバブル発生装置等にてマイクロバブルを発生させた場合と比べて、微細オゾン気泡の個数が多く、気液の接触面積も大きい。したがって、従来技術と比べて、より効率的にオゾンを使用することができる
【０１２９】
なお、図１８に示すような表面が平坦なシリコン基板ではなく、表面を加工したシリコン基板を効果的に洗浄することもできる。図１９は、本発明の実施の形態４において、微細孔８２を形成したシリコン基板を洗浄した場合の説明図である。すなわち、例えば、図１９に示すように、微細孔８２を形成したシリコン基板を洗浄した場合には、微細オゾン気泡８１は、微細孔８２の内部に入りこみ、さらに、微細オゾン気泡８１の衝撃力による異物の除去効果が高い。したがって、微細オゾン気泡８１により、微細孔８２の内部を効果的に洗浄することができる。
【０１３０】
また、図２０は、本発明の実施の形態４において、テクスチャ９２（微細凹凸）を形成した太陽電池シリコン基板を洗浄する場合の説明図である。例えば、図２０に示すように、テクスチャ９２（微細凹凸）を形成した太陽電池シリコン基板を洗浄する場合についても、微細オゾン気泡９１は、テクスチャ９２の内部に入り込むので、テクスチャ９２の内部を効果的に洗浄することができる。なお、シリコン基板といった半導体基板だけでなく、複雑形状部品または精密部品等を洗浄しても、同様の効果を得ることができる。
【０１３１】
次に、本実施の形態４における微細気泡を利用したシリコン基板の洗浄工程について、従来の洗浄工程と比較しながら説明する。なお、ここでは、テクスチャを形成した太陽電池用シリコン基板（ｎ型半導体であり、波長７５０ｎｍにおける面内反射率が１０．２％の特性を有する）を用いた。
【０１３２】
従来の洗浄工程を行う場合の比較例３では、市販の加圧溶解式オゾン水製造装置で生成したオゾン水Ａ（濃度２１ｍｇ／Ｌ）を使用した。また、このオゾン水Ａおよびフッ化水素酸溶液中に、交互にシリコン基板を浸漬する工程を２回繰り返した。
【０１３３】
これに対して、本実施の形態４における微細気泡を利用した洗浄工程を行う場合の実施例３では、微細気泡を大量に含有したオゾン水Ｂ（濃度２０ｍｇ／Ｌ）を使用した。このオゾン水Ｂは、先の実施の形態１における気液混合装置を使用し、気体注入部１、強制減圧部２および反応部３の順に、純水を通水することにより生成された。なお、気液混合流体に加圧する圧力は、０．２５ＭＰａ（圧力計１４の値）であった。また、気液混合流体に未溶解のオゾンガスは、脱気された。
【０１３４】
また、比較例３と同様に、このオゾン水Ｂおよびフッ化水素酸溶液中に、交互にシリコン基板を浸漬する工程を２回繰り返した。なお、比較例３および実施例３では、純水と、ＥＬグレード品のフッ化水素酸とを２５：１の比率で希釈したフッ化水素酸溶液を使用した。
【０１３５】
次に、このような条件下で得られた比較結果について、本発明の実施の形態４において、洗浄前、比較例３および実施例３に関して、シリコン基板表面に付着する銅原子量を示した説明図である図２１を参照して説明する。この図２１では、比較例３および実施例３における洗浄工程の比較結果として、洗浄前後のシリコン基板表面に付着する銅原子量［ａｔｏｍ／ｃｍ２］を図示している。
【０１３６】
ここで、図２１に示した比較例３および実施例３の結果を比較すると、シリコン基板表面に付着する銅原子量が、比較例３では、３．２×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であったのに対して、実施例３では、８．７×１０９ａｔｏｍｓ／ｃｍ２であった。なお、洗浄前にシリコン基板表面に付着する銅原子量は、６．８×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である。したがって、実施例３の方が、シリコン基板表面に付着したＣｕ原子量を大幅に低減でき、より高い清浄度を実現できることがわかる。
【０１３７】
以上のように、本発明の実施の形態４によれば、気体がオゾンガスであり、液体が水である気液混合流体を、洗浄工程で利用した場合には、反応部内で発生させた微細オゾン気泡内のオゾンが、気泡を介して、溶解し、さらに、気泡内のオゾンと、処理物とを直接反応させることができる。
【０１３８】
これにより、水中に注入したオゾンを無駄にすることなく、より効率的にオゾンを使用し、高い清浄度を実現できる洗浄を行うことができる。また、微細気泡の衝撃力による異物の除去効果が高いので、複雑形状部品や精密部品に対する洗浄も可能となり、効率的に洗浄を実施することができる。さらに、シリコン基板、特に、光吸収量を高くするための複数の凹凸部が表面に形成されている太陽電池等に対しても、平坦部だけでなく凹凸部に対しても効率的に洗浄を実施することができる。
【符号の説明】
【０１３９】
１  気体注入部、２  強制減圧部、３  反応部、４  気体供給路、５  気体排出路、６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ  流路、１１  流出弁、１２、３２  ドレーン弁、１３、３３  ドレーン配管、１４  圧力計、１５、３４  気体排出配管、１６  気体排出弁、２１、２２、２３  微細気泡の核の集合、３１  処理水配管、３０、４０  障害物、５１、５２、５３  微細オゾン気泡の核の集合、６１、７１、８１、９１  微細オゾン気泡、６２  オゾン、６３、７３  処理物、７２  シリコン基板、８２  微細孔、９２  テクスチャ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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