(57)【要約】【課題】浄化効率を高くすることができる浄化装置を提供する。【解決手段】液体Ｌｑに溶解させたオゾンで不純物を処理する浄化装置に関する。オゾンを含有する気体がナノサイズの気泡Ｂとなって液体Ｌｑに混合された気液混合液を生成する気液混合液生成部Ｓと、気液混合液生成部Ｓによって生成された気液混合液の気泡Ｂを崩壊させてオゾンを液体Ｌｑに溶解するオゾン溶解部Ｍとを具備する。上記気液混合液生成部Ｓは、気液混合液に含有されるオゾンの濃度が液体Ｌｑの飽和溶解濃度以上となるように、オゾンを含有する気体を液体Ｌｑに加圧して供給する加圧部１を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オゾンを含有する気体がナノサイズの気泡となって不純物含有液に混合された気液混合液を生成する気液混合液生成部と、気液混合液生成部によって生成された気液混合液の気泡を崩壊させてオゾンを不純物含有液に溶解するオゾン溶解部とを具備し、上記気液混合液生成部は、気液混合液に含有されている気体の濃度が不純物含有液の液体の飽和溶解濃度以上となるように、オゾンを含有する気体を不純物含有液に加圧して供給する加圧部を備えて成ることを特徴とする浄化装置。
【請求項２】
オゾン溶解部が、少なくとも加温、超音波、マイクロ波、撹拌のいずれか１つ以上の手段を用いて気液混合液の気泡を崩壊させてオゾンを不純物含有液に溶解するものであることを特徴とする請求項１に記載の浄化装置。
【請求項３】
オゾンを含有する気体をナノサイズの気泡となるように不純物含有液に加圧して混合することによって、気体の濃度を不純物含有液の液体の飽和溶解濃度以上にした気液混合液を生成し、気液混合液の気泡を崩壊させてオゾンを不純物含有液に溶解することによって、溶解したオゾンを不純物含有液の不純物に供与することを特徴とする浄化方法。
【請求項４】
気液混合液の気泡を崩壊させてオゾンを不純物含有液に溶解するにあたって、少なくとも加温、超音波、マイクロ波、撹拌のいずれか１つ以上の手段を用いることを特徴とする請求項３に記載の浄化方法。
【請求項５】
不純物含有液の液体が水であることを特徴とする請求項３又は４に記載の浄化方法。
【請求項６】
気液混合液が、水素結合を形成する分子からなる液体中に気泡が存在するものであって、液体の気泡との界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧であるときの水素結合の距離よりも短いことを特徴とする請求項３乃至５のいずれか１項に記載の浄化方法。
【請求項７】
不純物含有液の液体が、Ｏ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合、（ハロゲン）−Ｈ結合、Ｓ−Ｈ結合のいずれか１種類以上を有する分子からなる液体であることを特徴とする請求項３乃至６のいずれか１項に記載の浄化方法。
【請求項８】
気液混合液の気泡を形成している気体の圧力が、以下のヤングラプラスの式で与えられる気泡の内圧より高い圧力であることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載の浄化方法。
ヤングラプラスの式
ΔＰ＝２σ／ｒ
［ΔＰ：気泡内部の上昇圧力、  σ：表面張力、  ｒ：気泡半径］
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機物などの不純物を含有する不純物含有液を浄化するための浄化方法及び浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、オゾンを用いた浄化装置が提案されている。例えば、特許文献１に記載された浄化装置は、ろ過機と、オゾンマイクロナノバブル発生水槽と、オゾンナノバブル発生水槽と、有機物汚泥分解槽とを備えており、オゾンマイクロナノバブル発生水槽には、オゾンマイクロナノバブル発生水槽内の水にオゾンマイクロナノバブルを発生する水中ポンプ型オゾンマイクロナノバブル発生装置と旋回流型オゾンマイクロナノバブル発生装置がそれぞれ設置されており、オゾンナノバブル発生水槽には、オゾンナノバブル発生水槽内の水にオゾンナノバブルを発生するオゾンナノバブル発生装置が設置されている。
【０００３】
そして、ろ過機でろ過された水が、オゾンマイクロナノバブル発生水槽とオゾンナノバブル発生水槽の少なくとも一方に導入されて、オゾンマイクロナノバブルを含有した水とオゾンナノバブルを含有した水とのうちの少なくとも一方が生成された後、有機物汚泥分解槽にオゾンマイクロナノバブルを含有した水と、オゾンナノバブルを含有した水とのうちの少なくとも一方と、ろ過機で捕捉された有機物汚泥とが導入され、これらの水と有機物汚泥とをブロアーにて撹拌することにより、オゾンで有機物汚泥を無機汚泥に変化させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１４９２１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記の従来例では、水に含まれているオゾンマイクロナノバブルとオゾンナノバブルとの量が少なくて浄化効率が低いという問題があった。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、浄化効率を高くすることができる浄化装置及び浄化方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に係る浄化装置Ａは、液体Ｌｑに溶解させたオゾンで不純物を処理する浄化装置であって、オゾンを含有する気体がナノサイズの気泡Ｂとなって液体Ｌｑに混合された気液混合液を生成する気液混合液生成部Ｓと、気液混合液生成部Ｓによって生成された気液混合液の気泡Ｂを崩壊させてオゾンを液体Ｌｑに溶解するオゾン溶解部Ｍとを具備し、上記気液混合液生成部Ｓは、気液混合液に含有されるオゾンの濃度が液体Ｌｑの飽和溶解濃度以上となるように、オゾンを含有する気体を液体Ｌｑに加圧して供給する加圧部１を備えて成ることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の請求項２に係る浄化装置Ａは、請求項１において、オゾン溶解部Ｍが、少なくとも加温、超音波、マイクロ波、撹拌のいずれか１つ以上の手段を用いて気液混合液の気泡Ｂを崩壊させてオゾンを液体Ｌｑに溶解するものであることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の請求項３に係る浄化方法は、オゾンを含有する気体をナノサイズの気泡Ｂとなるように液体Ｌｑに加圧して混合することによって、オゾンの濃度を液体Ｌｑの飽和溶解濃度以上にした気液混合液を生成し、気液混合液の気泡Ｂを崩壊させてオゾンを液体Ｌｑに溶解することによって、溶解したオゾンで不純物を処理することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明の請求項４に係る浄化方法は、請求項３において、気液混合液の気泡Ｂを崩壊させてオゾンを液体Ｌｑに溶解するにあたって、少なくとも加温、超音波、マイクロ波、撹拌のいずれか１つ以上の手段を用いることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の請求項５に係る浄化方法は、請求項３又は４において、液体Ｌｑが水であることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の請求項６に係る浄化方法は、請求項３乃至５のいずれか１項において、気液混合液が、水素結合を形成する分子からなる液体Ｌｑ中に気泡Ｂが存在するものであって、液体Ｌｑの気泡Ｂとの界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体Ｌｑが常温常圧であるときの水素結合の距離よりも短いことを特徴とするものである。
【００１３】
本発明の請求項７に係る浄化方法は、請求項３乃至６のいずれか１項において、液体Ｌｑが、Ｏ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合、（ハロゲン）−Ｈ結合、Ｓ−Ｈ結合のいずれか１種類以上を有する分子からなることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明の請求項８に係る浄化方法は、請求項３乃至７のいずれか１項において、気液混合液の気泡Ｂを形成している気体の圧力が、以下のヤングラプラスの式で与えられる気泡の内圧より高い圧力であることを特徴とするものである。
【００１５】
ヤングラプラスの式
ΔＰ＝２σ／ｒ
［ΔＰ：気泡内部の上昇圧力、  σ：表面張力、  ｒ：気泡半径］
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明では、加圧部１の加圧によりオゾンの濃度が液体Ｌｑの飽和溶解濃度以上の高濃度となった気液混合液で不純物を処理することができ、液体Ｌｑ中に溶解させたオゾンにより不純物の分解や除去などの浄化効率を高くすることができるものである。
【００１７】
請求項２の発明では、オゾン溶解部Ｍにより気泡Ｂを確実に崩壊させてオゾンを液体Ｌｑに溶解させることができ、溶解したオゾンにより液体Ｌｑ中の不純物の浄化効率を高くすることができるものである。
【００１８】
請求項３の発明では、加圧によりオゾンの濃度が液体Ｌｑの飽和溶解濃度以上の高濃度となった気液混合液で不純物を処理することができ、液体Ｌｑ中に溶解させたオゾンにより不純物の分解や除去などの浄化効率を高くすることができるものである。
【００１９】
請求項４の発明では、気泡Ｂを崩壊させてオゾンを液体Ｌｑに確実に溶解させることができ、溶解したオゾンにより液体Ｌｑ中の不純物の浄化効率を高くすることができるものである。
【００２０】
請求項５の発明では、特別な液体を用いることなく簡単に気液混合液を得ることができるものであり、また、水分子は、Ｏ…Ｈの水素結合、つまり、ある水分子の酸素原子と他の水分子の水素原子との間に強固な結合を形成するので、気泡界面における水素結合が強固になって気泡Ｂをより安定化させることができるものである。
【００２１】
請求項６の発明では、気泡界面における水素結合の距離が短くなることにより、気泡Ｂの周囲を強固な水素結合を形成した液体分子で取り囲むことができ、この水素結合を形成した液体分子は強固な殻となって気泡Ｂを包み込むので、気泡Ｂ同士が衝突しても崩壊することがないと共に液体Ｌｑからの圧力に対して気泡内部からの応力で対抗でき、オゾンを含有した気泡Ｂを液体Ｌｑ中で消滅させたり合体させたりすることなく安定に存在させることができるものである。そして、この水素結合は長期間に亘って安定であるので、オゾンを含有した気泡Ｂが安定に存在した気液混合液を得ることが可能となるものである。また、ナノオーダーサイズのオゾンを含有する気泡Ｂを、従来レベルより遙かに超えた密度で生成し液体Ｌｑに安定して存在させることが可能となるものである。
【００２２】
請求項７の発明では、液体Ｌｑが、Ｏ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合、（ハロゲン）−Ｈ結合、Ｓ−Ｈ結合のいずれか１種類以上を有する分子からなる液体であるので、これらの結合が、水素原子に対して電気陰性度が十分に大きい原子と水素原子との結合であり、Ｏ−Ｈ…Ｏ、Ｎ−Ｈ…Ｎ、Ｆ−Ｈ…ＦやＣｌ−Ｈ…Ｃｌなどの（ハロゲン）−Ｈ…（ハロゲン）、Ｓ−Ｈ…Ｓといった強い水素結合を形成し、この水素結合により気泡を取り囲んで気泡Ｂを安定化させることができるものである。
【００２３】
請求項８の発明では、気泡Ｂの内圧がヤングラプラスの式で与えられる圧力になると気泡Ｂが高い内部圧で維持されることになり、より強固な界面構造を形成することができるので、静置状態において安定な気泡Ｂを形成することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の浄化装置の実施の形態の一例を示す概略図である。
【図２】同上のオゾン溶解部の一例を示し、（ａ）（ｂ）は概略図である。
【図３】同上の加圧部の一例を示す概略図である。
【図４】同上の（ａ）〜（ｃ）は一部を示す概略図である。
【図５】同上の（ａ）〜（ｄ）は一部を示す概略図である。
【図６】同上の一部を示す概略図である。
【図７】本発明の浄化方法の一例を示す概略図である。
【図８】同上の概略図である。
【図９】同上の概略図である。
【図１０】本発明の浄化装置の実施の形態の他例を示す概略図である。
【図１１】（ａ）は本発明の浄化装置の実施の形態の他例を示す概略図、（ｂ）は従来例を示す概略図である。
【図１２】オゾン含有窒素と水を用いた気液混合液とオゾン含有窒素飽和水との赤外吸収スペクトルの差分を示すグラフである。
【図１３】気液混合液中に含まれる気体容量を示すグラフである。
【図１４】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による気液混合液の写真である。
【図１５】気液混合液における気泡の気液界面の概念説明図である。
【図１６】気液混合液の安定性を示すグラフである。
【図１７】実施例２において、Ｆｅ２＋の濃度の経時変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。
【００２６】
本発明の浄化装置Ａは、図１に示すように、気液混合液生成部Ｓとオゾン溶解部Ｍを備えて形成されている。気液混合液生成部Ｓは液体Ｌｑを圧送して連続的に気液混合液を製造する装置であり、液体貯留槽１２から大気圧（０．１ＭＰａ）で保持されている液体Ｌｑを取り出し圧送して加圧する加圧部１と、加圧された液体Ｌｑにオゾンを含有する気体を供給する気体供給部２と、供給された気体を微細な気泡にして液体Ｌｑと混合させる気液混合部３と、気液混合部３中の気液混合液に存在する大きな気泡を除去する脱気泡部（気液分離槽）４と、脱気泡部４により大きな気泡が取り除かれた気液混合液の圧力を、大きな気泡を発生させることなく徐々に大気圧まで減圧させる減圧部５と、減圧された気液混合液を吐出する吐出部７とを備え、各部は流路６に接続して設けられている。
【００２７】
加圧部１は気液混合部３に液体Ｌｑを圧送するものであり、例えば、この装置のように、液体貯留槽１２から液体Ｌｑを吸い上げるポンプ１１などで構成できる。
【００２８】
気体供給部２は、流路６に接続されることにより液体Ｌｑにオゾンを含有する気体を供給するものである。例えば、オゾン注入配管２ａにオゾン発生器２ｂと圧力調整弁２ｃを設けて形成されている。オゾン発生器２ｂは圧力調整弁２ｃよりも流路６側に設けられるものであり、オゾン発生器２ｂとしては、例えば、吸引口２ｄから取り入れた空気中の酸素から電気放電によってオゾンを生成するものを用いることができる。また、このようなオゾン発生器２ｂを用いてオゾン注入部２を形成するほかに、オゾンを封入したボンベからオゾンを供給するようにしてオゾン注入部２を形成することもできる。流路６へのオゾン注入部２の接続位置は、気体供給部３より上流側の位置であればよく、図１のように、加圧部１より上流側の流路６に接続するようにしても、あるいは加圧部１よりも下流側の流路６に接続するようにしてもいずれでも良い。
【００２９】
気液混合部３は圧送された液体Ｌｑとこの液体Ｌｑに注入された気体とを混合し、加圧により気体を微細な気泡にして液体Ｌｑ中に分散・混合させるものである。気液混合部３としては、流路の断面積変化などで撹拌力を与えるもので構成することもできるし、また液体Ｌｑが撹拌された状態で流路６を流れているのであれば単に流路６で構成することもできる。この装置のように気体供給部２が加圧部１より上流側の流路６にある場合は、ポンプ１１などで構成された加圧部１を気液混合部３と兼用してもよい。気液の加圧及び混合をポンプ１１により行った場合、液体Ｌｑを急激に加圧・混合することができるので、気泡界面の構造が強固な気液混合液を確実に生成することができる。また、気液混合部３をベンチュリ管で構成することも好ましい。その場合、簡単な構成で液体を急激に加圧・混合することができる。気液混合部３内においては液体と気体が高圧条件で混合される。それにより、気泡Ｂの周囲に強固な界面構造が形成され、この強固な界面構造の殻で気泡Ｂを覆うことができ、気体を微細な気泡として安定化することができるものである。
【００３０】
上記のような加圧部１及び気液混合部３により、気体が注入された液体に急激に強力な圧力が加わって、液体中に存在している気泡は微細なナノサイズの気泡へと細分されて液体に分散される。また、急激な圧力変化により高圧になった気泡の界面には液体分子により強固な界面構造が形成される。その際、加圧速度ΔＰ１／ｔ（ΔＰ１：圧力増加量、ｔ：時間）が０．１７ＭＰａ／ｓｅｃ以上になることにより、気泡を細分化させて微細なナノサイズの気泡を生成することができ、気液混合部３から脱気泡部４に送り出される際の気液混合液の圧力が０．１５ＭＰａ以上になることにより、気泡Ｂの界面が強固な構造となったナノサイズの気泡Ｂを生成することができるものである。実質的な加圧条件を考慮すると、加圧速度ΔＰ１／ｔの上限は１６７ＭＰａ／ｓｅｃであり、加圧された気液混合液の圧力の上限は５０ＭＰａである。
【００３１】
図３は、ポンプ１１の具体的な形態の一例を示す要部の概略図である。このポンプ１１ａは回転体２１の回転により液体を加圧するものであり、回転体２１に取り付けられた回転翼２２が連続的に回転してポンプ入口２６からポンプ流路室２３を介してポンプ出口２７への流れ方向へ液体を送り出し加圧するものである。図において白抜き矢印は液体の流れ方向を示し、実線矢印は回転体２１の回転方向を示している。このポンプ１１ａでは４枚の回転翼２２が備えられている。また回転体２１の回転軸２５は、円筒状に形成されたポンプ壁２４の円筒中心よりもポンプ出口２７側に偏って配置され、偏心軸となって設けられている。そして、回転軸２１の偏心によりポンプ流路室２３の第二流路室２３ｂの容積は、第一流路室２３ａの容積よりも小さく形成されており、液体の流れ方向に沿ってポンプ流路室２３の容積が順次小さくなっている。
【００３２】
そして、ポンプ流路室２３に送り出された液体は、回転翼２２で送り出され加圧され、急激な圧力変化により大きな気泡ＢＢが細分化されて微細なナノサイズの気泡ＢＮが生成される。すなわち、回転体２１の回転と共に第一流路室２３ａから第二流路室２３ｂに送られた液体は、ポンプ流路室２３の容積が小さくなることにより急速に圧縮されて加圧され、この加圧力によりナノサイズの気泡ＢＮが生成される。また、図示のポンプ１１ａでは、ポンプ壁２４の内面と回転翼２２の先端部との間を液体が通過するときに剪断力が与えられて、液体をクリアランスで剪断しながら加圧する。このとき、液体に混合されている気体（大きな気泡ＢＢ）は液体に与えられた剪断力によって剪断されて、より微細なナノサイズの気泡（ＢＮ）になる。ここで、ポンプ壁２４の内面と回転翼２２の先端部との間の最も狭くなる部分の距離、すなわちクリアランス距離ＬＣは、５μｍ〜２ｍｍであることが好ましい。このように、回転体２１を用いたポンプ１１ａによれば、回転体２１で急激に強い力で加圧すると共に液体に注入された気体を剪断してナノサイズの気泡を形成することができるので、気泡界面の構造が強固な気液混合液をより確実に生成することができるものである。
【００３３】
ポンプ１１の回転体２１の回転数は１００ｒｐｍ以上であることが好ましい。このとき、０．３秒に１／２回転以上となる。このような回転数となることにより、飽和溶解濃度以上の気体を液体に注入させて水素結合距離が短縮したナノサイズの気泡を確実に生成することができるものである。
【００３４】
加圧部１及び気液混合部３による加圧は、加圧部１又は気液混合部３を複数設けて、複数回加圧することができる。液体を送りながら複数回加圧することにより、加圧を複数のポンプ１１やベンチュリ管によって行うことができ、液体を強力に加圧して、気泡界面の構造が強固な気液混合液を生成することができるものである。具体的には、加圧部１をポンプ１１で構成すると共に、気液混合部３を一つ又は二つ以上のポンプ１１又はベンチュリ管で構成することができるものである。
【００３５】
脱気泡部４は上記のようにして気体が混合された液体から、ナノサイズを超える気泡、すなわち直径１μｍを超える気泡を取り除くものであり、気泡をそれ自身の浮力で上昇させて取り除くようにした管体などで構成することができる。取り除かれた気泡は気体となって上部に集積するので、この除去された気体を気体除去部８により取り除くことができる。直径１μｍを超えるサイズの気泡（マイクロサイズの気泡）は、浮力により上昇するので、このような比較的大きい気泡が取り除かれて微細な気泡であるナノサイズの気泡が液体中に存在することにより、界面構造が強固で安定な気液混合液を得ることができるものである。
【００３６】
脱気泡部４としては、具体的には、図４のような構成にすることができる。（ａ）は、気液混合部３と連続して地表面に略水平（重力方向に対して略垂直な平面上）になるように形成し、液体Ｌｑ中の気泡Ｂをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Ｂを取り除くようにした管体の例を示している。また、（ｂ）は、気液混合部３と連続すると共に気液混合部３と合わせた形状が正面視逆Ｌ字型になるように形成し、液体Ｌｑの流れ方向を下方向（重力方向と略同方向）にして液体Ｌｑ中の気泡Ｂをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Ｂを取り除くようにした管体の例を示している。また、（ｃ）は、気液混合部３とは別体にし、液体Ｌｑの流れ方向を下方向（重力方向と略同方向）にして液体Ｌｑ中の気泡Ｂをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Ｂを取り除くようにした管体の例を示している。脱気泡部４で取り除かれた気泡の気体は脱気泡部４に接続されたオゾン注入配管２ａにより気体供給部２に返送され、再度、オゾンを含む気体として利用されるものであり、オゾンが系外に排出されることがなく安全であり、また、オゾンを含む気体の損失がなく、経済的である。
【００３７】
減圧部５は気体が混合された液体の圧力を、大きな気泡を発生させることなく徐々に大気圧まで減圧させるものである。上記のようにして加圧により気体と混合された液体は、高圧な状態にありそのまま大気圧下にある外部に排出されると、急激な圧力低下によって、気液混合液中の気泡が合体して気体になって液体から排出されるおそれがあり、またキャビテーションが発生することがある。そこで、減圧部５を設け、加圧された状態の気液混合液を送り出す際に、減圧部５で大気圧まで徐々に減圧をした後に吐出するようにしているものである。減圧部５は、気体が混合された液体を送りながら配管全域での減圧速度ΔＰ２／ｔ（ΔＰ２：減圧量、ｔ：時間）の上限を２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下にして減圧するように構成されている。それにより、強固な気泡界面の構造を維持させたまま、ナノサイズの気泡を消滅させたり合体させたりすることなく気液混合液を取り出すことができるものである。
【００３８】
減圧部５としては、図５のような構成にすることができ、具体的には、（ａ）のように流路断面積が段階的に徐々に小さくなる流路６や、（ｂ）のように流路断面積が連続的に徐々に小さくなる流路６や、（ｃ）のように加圧された液体が流路６内を流れる圧力損失により高圧状態（Ｐ１）の気液混合液の圧力を徐々に低下させて（Ｐ２、Ｐ３、・・・）大気圧（Ｐｎ）まで減圧するように流路長さ（Ｌ）が調整された流路６や、（ｄ）のように流路６に設けられた複数の圧力調整弁９などにより構成することができる。
【００３９】
例えば、図５（ａ）又は（ｂ）のような減圧部５を用いた場合、減圧部５よりも上流側の流路６を内径２０ｍｍにし、減圧部５を、流路長さが約１ｃｍ〜１０ｍで、内径が２０ｍｍから４ｍｍにまで徐々に小さくなることにより流路断面積が小さくなる管体により構成することができる。なお、減圧部５は、入口内径／出口内径＝２〜１０程度に設定したり、１ｃｍあたりの内径減少値を１〜２０ｍｍ程度に設定したりすることができる。このとき、減圧部５に気液混合液を流速４×１０−６ｍ／ｓ以上で送ると、減圧速度２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下で、ナノサイズの気泡を消滅させることなく１．０ＭＰａ減圧することができ、気液混合液を大気圧にまで減圧することができるものである。
【００４０】
吐出部７は、減圧された液体Ｌｑを液体貯留槽１２に吐出するものである。なお、この吐出部７と減圧部５との間に、図６に示すように、加圧部１における液体の押し込み圧を十分に確保するために延長流路１０を設けることもできる。すなわち、減圧部５を含めた全体の圧力損失を算出し、加圧部１からの押し込み圧によって気液混合部３内で液体と気体を加圧するのに必要な圧力と、全体の圧力損失との差を算出し、さらにこの差の圧力損失が生じるように流路長さを調整した延長流路１０を流路６に付加するようにしてもよい。押し込み圧の確保には絞り部などを設けることも考えられるが、絞り部などで押し込み圧を調整すると急激な圧力変化により気泡が崩壊するおそれがある。しかし、このように延長流路１０を設ければ気泡を安定化させたまま気液混合液を吐出することができるものである。
【００４１】
オゾン溶解部Ｍは、気液混合液生成部Ｓによって生成された気液混合液の気泡を崩壊させてオゾンを液体Ｌｑに溶解するためのものであり、例えば、図１に示すように、気液混合液を常温よりも高い温度に加温するためのヒータＭ１などを用いることができる。その他に、図２（ａ）に示すように、気液混合液に超音波やマイクロ波を供給して振動させるための波動発生器Ｍ２や、図２（ｂ）に示すように、気液混合液を回転などで機械的に撹拌して振動させるための撹拌子Ｍ３などをオゾン溶解部Ｍとして用いることができる。オゾン溶解部Ｍは液体貯留槽１２の底部に設けることができる。
【００４２】
そして、上記の浄化装置で液体Ｌｑに含まれている不純物を分解したり除去したりすることによって、液体Ｌｑを浄化するにあたっては、以下のようにして行う。まず、気液混合液生成部Ｓにより気液混合液を生成する。すなわち、加圧部１で液体Ｌｑを圧送し、圧送された液体Ｌｑに気体供給部２によりオゾンを含有する気体を供給して注入する。そして、気体が注入された液体Ｌｑを、加圧部１及び気液混合部３によって０．１７ＭＰａ／ｓｅｃ以上の加圧速度ΔＰ１／ｔ（ΔＰ１：圧力増加量、ｔ：時間）で加圧し、液体の圧力を０．１５ＭＰａ以上にする。すなわち、気液混合部３から脱気泡部４へ送り出される際の液体の圧力は０．１５ＭＰａ以上になっている。その後、脱気泡部４で気液混合液中のナノサイズを超える気泡を取り除いた後、該液体を減圧部５及び下流側の流路６に送りながら最高減圧速度２０００ＭＰａ／ｓｅｃ以下の減圧速度ΔＰ２／ｔ（ΔＰ２：減圧量、ｔ：時間）で徐々に大気圧まで減圧する。そして、減圧された気液混合液を吐出部７から液体貯留槽１２に吐出することにより、ナノサイズの気泡が安定に存在した気液混合液を生成することができるものである。なお、気液混合部３よりも下流側の流路６は内径２〜５０ｍｍ程度の管体などに形成することができる。それにより、比較的太い流路断面積で気液混合液を吐出することができ、細路により流路６を構成する場合のような配管の詰まりを防止して、気液混合液を利用しやすくすることができる。
【００４３】
このようにして気液混合液を調製した後、図７に示すように、オゾン溶解部Ｍにより気液混合液中の気泡Ｂを崩壊させて気泡中のオゾンを液体Ｌｑに溶解させる。これにより、溶解したオゾンによりヒドロキシラジカル（・ＯＨ）等のラジカルを生成し、このラジカルやオゾン自体を液体Ｌｑに含有されている不純物Ｆに作用させて不純物Ｆを分解したり除去したりする処理を行うことができ、液体Ｌｑを浄化することができるものである。そして、本発明ではオゾン溶解部Ｍで瞬時に気泡を崩壊させて多量のオゾンを溶解させることができ、液体Ｌｑのオゾンの溶解濃度を高くして浄化効率を高くすることができるものである。
【００４４】
ここで、不純物Ｆは、気液混合液生成部Ｓで気液混合液を調製するときに用いる当初の液体Ｌｑに含有されている場合と、気液混合液生成部Ｓで気液混合液を調製した後でオゾン溶解部Ｍで気泡を崩壊させる前に気液混合液（液体Ｌｑ）に混入させる場合と、気液混合液中の気泡をオゾン溶解部Ｍで崩壊させた後に気液混合液（液体Ｌｑ）に混入させる場合とのいずれであっても良い。また、本発明は浄化槽や下水道、工業排水などに含まれている有機物の不純物Ｆを分解処理して浄化するのに用いることができる。また、本発明は生物処理や活性汚泥法における汚泥を不純物Ｆとし、この汚泥を分解処理してその減量化を図ることができる。さらに、本発明は水中に含まれている金属イオンをオゾンにより酸化させて沈殿させて回収し、水の浄化を図ることができるものである。また、本発明はベンゼン、トルエン、エチレンベンゼン、キシレン等の有機溶媒等の有害物質を不純物Ｆとして含んだ液体を、この不純物を分解して無害化し、浄化することができる。また、本発明は、図８に示すように、ポリビニールアルコールなどの二重結合を有する高分子を不純物とする高分子溶液を浄化するのに用いることができる。さらに、本発明は、図９に示すように、ベンゼン環を含む芳香族化合物（熱硬化性樹脂等）を不純物として含んだ溶液を、ベンゼン環の二重結合を分解して溶液を浄化することができる。また、本発明は浄水場や雨水浄化装置としても用いることができる。
【００４５】
図１０に示す浄化装置Ａでは、図１のものに加えて、予備混合槽５０を設けて形成されている。予備混合槽５０の底部には撹拌子５１が設けられている。この浄化装置では、土壌を含む水Ｌｓを予備混合槽５０で予め撹拌した後、土壌含有水Ｌｓを液体貯留槽１２に投入して気液混合液と混合し、オゾン溶解部Ｍで気泡を崩壊させてオゾンを液体Ｌｑに溶解させる。これにより、土壌に含まれている金属イオンをオゾンで酸化させることにより金属を析出させて回収すると共に土壌含有水Ｌｓを浄化することができる。
【００４６】
図１１（ａ）に示す浄化装置Ａでは、液体貯留槽１２に紫外線ランプ（ＵＶランプ）５２を設けると共に活性炭浄化部５３を具備して形成されるものであって、その他の構成は図１のものと同等である。尚、この図に示す浄化装置Ａでは図１における液体貯留槽１２以外の構成を装置本体Ｓ’として示し、オゾン溶解部Ｍは図示を省略している。この浄化装置Ａでは上記と同様にして気液混合液と不純物を含む排水とを液体貯留槽１２で混合し、溶解したオゾンで廃水を浄化するものであるが、この処理の際に紫外線ランプ５２を液体貯留槽１２で点灯させることにより、紫外線で発生するＨ２Ｏ２又はこのＨ２Ｏ２とオゾンとの反応で生じるヒドロキシラジカルで廃水の殺菌や不純物の分解等を行うことができ、しかも、その後、廃水を活性炭浄化部５３の活性炭５３ａに通水させることによって、活性炭５３ａの吸着作用等によって廃水中の不純物を取り除いて浄化することができ、浄化効率を高くすることができるものである。
【００４７】
尚、従来より、図１１（ｂ）に示すように、オゾンと紫外線ランプ５２とを設けた浄化装置が提案されている。この浄化装置は、オゾン発生器６０で発生させたオゾンガスを反応槽６１に曝気で供給し、廃水に飽和濃度以下の条件で溶解させるものであり、この後、紫外線ランプ５２でＨ２Ｏ２を発生させると共にこのＨ２Ｏ２と溶解したオゾンとを反応させてヒドロキシラジカル（・ＯＨ）を生成する。そして、ヒドロキシラジカルと不純物である有機物との反応により不純物を水とＣＯ２等に分解するものである。この場合、反応に伴って廃水中のオゾンの溶解度（濃度）が低下するため、オゾンガスを連続的に供給すると共に複数の反応槽６１を設けて順次廃水を流通させることにより反応率の向上を図っている。しかし、本発明では、オゾン溶解部Ｍで瞬時に気泡を崩壊させて多量のオゾンを溶解させることができ、液体Ｌｑのオゾンの溶解濃度を高くして浄化効率を高くすることができるものである。
【００４８】
図１に示す浄化装置Ａでは、オゾン注入配管２ａの吸引口２ｄから空気だけでなく、排気ガス、有毒ガス、一酸化炭素、臭気ガスなどのガス状の不純物も空気と一緒に取り込むことができる。この場合、気液混合液中の気泡にはオゾンとガス状の不純物が充填されているものである。そして、上記と同様にして気液混合液を生成した後、オゾン溶解部Ｍにより気泡を崩壊してオゾンを液体Ｌｑに溶解させるが、これと共に、ガス状の不純物を液体Ｌｑに溶解させる。そして、排気ガスはＮＯ→ＮＯ２の反応により無害化し、一酸化炭素はＣＯ→ＣＯ２の反応により無害化し、臭気ガスはＨ２Ｓ＋Ｏ３→Ｓ＋Ｈ２Ｏ＋Ｏ２の反応により無害化し、浄化装置の周辺の大気の浄化を行うことができるものである。
【００４９】
本発明において液体Ｌｑとしては、水素結合を形成する分子からなる液体を用いることが好ましく、その場合、液体の気泡との界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧（２５℃、１気圧（０．１０１３ＭＰａ））であるときの水素結合の距離よりも短いことが好ましい。水素結合とは、電気陰性度の大きい原子と水素原子とを有している分子において、水素原子が他の分子の電気陰性度の大きい原子に接近し、系が安定化する結合のことである。このように、気液混合液が常温常圧の条件で存在する場合において、オゾンを含む気泡の気泡界面における水素結合の距離が常温常圧での通常の水素結合の距離よりも短くなることにより、気泡の周囲を強固な水素結合を形成した液体分子で取り囲むことになる。そして、この水素結合を形成した液体分子は強固な殻となって気泡を包み込む。それによって、気泡同士が衝突しても崩壊することがなくなり、また、液体からの圧力に対して気泡内部からの応力で対抗できるので、オゾンを含む気泡を液体中で消滅させたり合体させたりすることなく保持することができるものである。つまり、従来の表面張力で安定している気泡とは異なるものである。
【００５０】
気泡との界面における液体分子の水素結合の距離としては、用いる液体により適宜設定され得るものであるが、常温常圧での水素結合の距離を１００％とした場合に、９９％以下であることが好ましい。水素結合の距離がこの範囲になることにより、気泡を水素結合の硬い殻で取り囲んで安定化させることができるものである。水素結合の距離がこれより長いと気泡を安定化させて存在させることができなくなるおそれがある。原子間距離を考慮すると、水素結合の距離の下限は９５％である。気液混合液中の気泡界面における水素結合の距離は、例えば、後述の実施例で示すように、気泡が混合された液体の赤外吸収スペクトル（ＩＲ）を解析することにより算出することができる。
【００５１】
ところで、水素結合の距離が上記の距離にある液体は、通常、氷のように固体やハイドレート結晶構造になるものであるが、上記の液体においては、気泡界面において局所的に距離の短い水素結合を形成し、それ以外の液体中は通常の水素結合を形成している。すなわち、気泡界面では距離の短い水素結合により液体分子の硬い殻を形成して、気泡同士が合体することや消滅することを防止すると共に、気泡界面以外では通常の状態で液体が存在して常温常圧では流動性を確保しており、安定な気泡が存在している液体を利用しやすくするものである。
【００５２】
液体に含まれる気泡はナノサイズの気泡であり、具体的には直径１〜１０００ｎｍの気泡（いわゆるナノバブル）である。気泡がナノサイズとなり微細なものになることで強固な気泡界面の構造を形成することができ、高濃度の気体を液体中に保持することができるものである。また、ナノオーダーサイズの気泡には浮力が働かないため、気泡が上昇して液体から分離することがないので気泡を長期に亘って安定に存在させることができるものである。この範囲より気泡が小さくても大きくても気泡を安定化させることができなくなるおそれがある。なお、気泡の大きさは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定することができ、気泡の平均粒径は、測定によって得た気泡の粒径を平均して求めることができる。ところで、マイクロバブルが混合された液体は白濁するため目視により判別可能であるが、ナノバブルが混合された液体は無色透明（あるいは液体が有色の場合は液体の色）になり目視では判別することができない。よって、ナノサイズの気泡の判別はＳＥＭや密度測定などによって行うこととなる。
【００５３】
液体として好ましく用いられるものの一つは水である。この場合、水分子は、Ｏ…Ｈの水素結合、つまり、ある水分子の酸素原子と他の水分子の水素原子との間に水素結合を形成するものであり、液体として水を用いると、気泡界面において液体中のこの水素結合が強固になって、オゾンを含む気体の気泡をより安定化させることができる。また、水は、供給源が豊富で安定して得ることができるので特別な液体を用いることなく気液混合液を簡単に得ることができるものである。すなわち、気液混合液に用いる水としては純度の高い水に限られることはなく、上下水道、池、海水などをはじめ、あらゆる水を使用することが可能である。つまり、液体として水を含むものであれば良い。
【００５４】
また、液体が、Ｏ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合、Ｆ−Ｈ結合やＣｌ−Ｈ結合などの（ハロゲン）−Ｈ結合、Ｓ−Ｈ結合のいずれか一種以上を有する分子からなる液体であることも好ましい。これらの結合は、水素原子に対して電気陰性度が十分に大きい原子と水素原子との結合であり、Ｏ−Ｈ…Ｏ、Ｎ−Ｈ…Ｎ、Ｆ−Ｈ…ＦやＣｌ−Ｈ…Ｃｌなどの（ハロゲン）−Ｈ…（ハロゲン）、Ｓ−Ｈ…Ｓといった強い水素結合を形成し、この水素結合により気泡を取り囲んで気泡を安定化させることができるものである。Ｏ−Ｈ結合を有する代表的な液体は水であるが、その他、過酸化水素やメタノール、エタノールなどのアルコール、グリセリンなどを例示することができる。また、Ｎ−Ｈ結合を有する液体としては、アンモニアなどを例示することができる。また、（ハロゲン）−Ｈ結合を有するものとしては、Ｆ−Ｈ結合を有するＨＦ（フッ化水素）、Ｃｌ−Ｈ結合を有するＨＣｌ（塩化水素）を挙げることができる。また、Ｓ−Ｈ結合を有するものとしてはＨ２Ｓ（硫化水素）を挙げることができる。
【００５５】
液体がカルボキシル基を有する分子からなる液体であることも好ましい。カルボキシル基には、電気陰性度が大きいカルボニルの酸素原子が存在しており、あるカルボキシル基中のカルボニルの酸素原子と他のカルボキシル基中の水素原子とが強い水素結合を形成して気泡を取り囲むので、安定に気泡が存在した気液混合液を得ることができるものである。カルボキシル基を有する分子からなる液体としては、ギ酸、酢酸などのカルボン酸などを例示することができる。
【００５６】
液体に含有されているオゾンの濃度は、液体に対するオゾンの飽和溶解濃度以上である。飽和溶解量又はそれを超える多量のオゾンを液体中に保持することにより、液体中に含有された高濃度のオゾンを利用することができ、浄化効率を向上することができるものである。さらに好ましくは、液体中には飽和溶解量のオゾンが溶解しており、その飽和溶解液にオゾンを含む気体の気泡が存在しているものである。飽和溶解量でオゾンが溶解していれば、気泡となったオゾンを溶解させることなく安定化して気泡として液体中に保持することがより可能となるものである。すなわち、飽和溶解量以上に気体が存在する液体は、液体中に飽和濃度でオゾンが溶解しており、気泡が崩壊したり溶解したりすることがなく、より安定にオゾンを含む気体の気泡を液体中に存在させることができるものである。また、さらにオゾンの溶解濃度が、飽和溶解濃度であることが好ましい。このようにオゾンの濃度が高くなると、水素結合の距離を短くした状態で気泡を安定化することができ、この安定化された気泡が熱や衝撃が加えられた際にオゾンが液体に溶解されるので、浄化効率をさらに向上することができるものである。液体中の気体量は、後述の実施例で示すように液体から気体を分離し、質量変化量から算出することができる。
【００５７】
気泡を形成している気体の圧力、すなわち気泡の内圧は０．１２ＭＰａ以上であることが好ましく、さらにヤングラプラスの式（次式）で与えられる気泡の内圧より高い圧力であることが好ましい。
【００５８】
ヤングラプラスの式
ΔＰ＝２σ／ｒ
［ΔＰ：気泡内部の大気圧からの上昇圧力、  σ：表面張力、  ｒ：気泡半径］
気泡の内圧がこのような圧力になると気泡が高い内部圧で維持されることになり、より強固な界面構造を形成することができるので、静置状態において安定な気泡を形成することができる。また、ヤングラプラスの式で与えられる表面張力による気泡の内圧より高い内圧であるため、より多くのオゾンを気泡内部に安定して閉じ込めることができる。一方、一旦、液体に衝撃や熱が加えられると、内部圧の力により気泡の界面構造が崩壊して、気泡が合体してオゾンを溶解するため、このオゾンを浄化にすることができるものである。気泡の内圧は、後述の実施例で示すように液体中の気体総量と密度から計算した気体容量とを気体の状態方程式に当てはめることにより算出することができる。なお、ナノサイズの気泡が混合された液体は、液体として水を用いた場合、ゼータ電位がマイナスとなり、体積１ｃｍ３中に存在する気泡界面の面積は０．６ｍ２程度となる。
【実施例】
【００５９】
以下本発明を実施例によって具体的に説明する。
【００６０】
図１の浄化装置により、液体Ｌｑとして純水を用いて気液混合液を生成した。
【００６１】
浄化装置としては、加圧部１と気液混合部３とがポンプ１１で兼用されて構成されたものを用いた。ポンプ１１としては回転体２１により加圧する図３のようなポンプ１１ａを用いた。
【００６２】
気体と液体の比（液体に対する気体の注入量）は、容量比（体積比）で１：１に設定した。また、ポンプ１１の回転体２１の回転数は１７００ｒｐｍに設定した。この条件により大気圧（０．１ＭＰａ）の水に気体が注入された後、加圧速度ΔＰ１／ｔ＝２８．３ＭＰａ／ｓｅｃで加圧されて、気液混合部３から脱気泡部４に送り出される際の液体の圧力が０．６ＭＰａになった。なお、このような条件により、飽和溶解濃度を超えて気体が液体に注入されて水素結合距離が短くなり強固な気泡界面の構造が形成されるものと考えられる。この条件（加圧条件）は現時点における最良の条件であると考えられる。
【００６３】
また、減圧部５よりも上流側の流路６を内径２０ｍｍのものにした。減圧部５としては図５（ａ）のような、３段階で内径が徐々に小さくなるものを用い、具体的には、内径が１４ｍｍ、８ｍｍ、４ｍｍで長さが各約３．３ｍｍ（減圧部５の全長として約１ｃｍ）の三つの流路管部からなるものを用いた。また、減圧部５よりも下流側の流路６及び延長流路１０として、内径４ｍｍ（外径６ｍｍ）のホースを用い、下流側の流路６と延長流路１０とを合わせた長さが２ｍとなるように設定した。この条件により、減圧部５において、最高減圧速度６０ＭＰａ／ｓｅｃ、時間０．００２５秒で気体が混合された液体を減圧し、さらに、下流側の流路６において、１ＭＰａ／ｓｅｃ、時間０．５秒で気体が混合された液体を減圧し、ホース先端部である吐出部７から、大気圧（０．１ＭＰａ）まで減圧された気液混合液が得られた。なお、このような条件により、飽和溶解濃度を超えて気体が液体に注入されると共に水素結合距離が短くなり気泡界面の構造が強固になった気液混合液を安定して生成することができるものと考えられる。この条件（減圧条件）は現時点における最良の条件であると考えられる。
【００６４】
［物性］
次に、実施例１の気液混合液の物性について説明する。
【００６５】
［水素結合の距離］
図１２は、気体として窒素を用い、液体として純水を用いた気液混合液と、窒素が純水に飽和溶解濃度で溶解した気体飽和液との赤外吸収スペクトルとの差分を示すグラフである。水のＯＨ収縮振動による赤外吸収帯としては通常３４００ｃｍ−１付近に吸収極大があることが知られているが、グラフに示されるように気液混合液はＯＨ収縮振動の吸収極大が３２００ｃｍ−１付近にずれている。吸収極大が３４００ｃｍ−１にある場合、水素結合の距離は０．２８５ｎｍである。一方、吸収極大が３２００ｃｍ−１にある場合、水素結合の距離は０．２７７ｎｍであることが知られており、常温常圧下における通常の水素結合の距離よりも短くなり構造化された氷またはハイドレートに近い水と結論づけられた。そこで窒素の代わりにオゾンを混合させれば、気泡中にオゾンが含まれた浄化機能を有する気液混合液が生成できる。
【００６６】
［気体量］
液体として純水を、気体として各種の気体を用いた気液混合液中に気泡として存在する気体量を次の方法により測定した。
（１）２５℃、導電率０．１μＳ／ｃｍの純水に、各種オゾン含有気体を混合させ気液混合液を得た。
（２）直径１μｍ以上の大きな気泡を水から分離するために、気液混合液を２５℃で１日静置した。なお、静置時間について、ストークスの法則から
気泡上昇速度：  Ｖ＝ｄ２×ｇ／（１８×γ）
（ｄ：気泡直径、ｇ：重力加速度、γ：動粘性係数）
の式が成立し、この式より１μｍの気泡の上昇速度は約２．４×１０−４ｍ／ｓであるので、例えば静置時の容器の水深が５０ｍｍの場合、１日静置すれば気泡を除去することができる。
（３）最小測定値１ｍｇの分析天秤で気液混合液の質量を測定した。
（４）ガス透過度及び透湿度の低いＰＥ＋ナイロン樹脂製のビニル袋に気液混合液とスタラーの撹拌子を入れ、空気を追い出して袋に空気が無い状態でシーラーにてビニル袋を密封した。
（５）密封直後に、分析天秤で気液混合液が封入されたビニル袋の質量を測定した。
（６）ホットスタラーにより２５℃の気液混合液が密封されたビニル袋を４５℃に昇温して気液混合液を約５時間撹拌した。この昇温と撹拌により、微細気泡や、４５℃の飽和溶解濃度以上で溶解していた気体が気液混合液から分離されビニル袋の上部に集まった。
（７）室温２５℃の条件でホットスタラーの設定温度を２５℃にし、２５℃の飽和溶解度の液体になるよう数時間撹拌を行った。
（８）分析天秤で、気体と液体が封入されたビニル袋の質量を測定した。
（９）計３回の質量測定から気液混合液の質量と、昇温および撹拌によって気液混合液から分離された気体による浮力によって生じる液体の質量変化量とを得た。質量変化量は、気液混合液から分離された気体容積と同容積の空気の質量と同じであり、この値から分離された気体の容量と質量を算出することができる。
【００６７】
図１３は、このようにして測定された気体容量を示すグラフである。各棒グラフの下部領域は、測定された気泡として存在していた気体の量であり、上部領域はヘンリー則に従う気体の飽和溶解量である。グラフに示すように、飽和溶解量に対して気液混合液に含有する気体量は、窒素では３６倍、アルゴンでは１６倍、二酸化炭素では１．９倍であった。また、各種の気体の代わりにオゾンを用いれば過飽和溶解量以上のオゾンを水に存在させることができる。このように、気液混合液は、飽和溶解濃度以上の高濃度でオゾン含有気体を液体中に保持することが可能であり、この高濃度でオゾンが含有された気液混合液を浄化に利用することができるものである。
【００６８】
［気泡のサイズ］
上記と同様にして製造した気液混合液を瞬間凍結し、真空中においてカッターで割断し、その割断面にメタン・エチレンを流し放電させ、凹凸を転写した炭化水素膜（レプリカ膜）を作製した。このレプリカ膜に導電性オスミウム薄膜を張り、十分乾燥させて、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観測した。
【００６９】
図１４は、上記と同様の窒素と純水の気液混合液について、ＳＥＭにより観測された写真の一例である。同様に写真観察することにより、気体として窒素、アルゴン、二酸化炭素を用いた場合、いずれも気液混合液の気泡サイズは、直径の分布ピークが１００ｎｍであることが確認された。なお、上記の気体と純水の気液混合液の気泡はレーザーを用いた動的散乱法等の粒子径分布測定装置では正確な検知ができなかった。オゾンを上記の気体に混合させた場合も同様の気泡サイズになると推測できる。
【００７０】
［気泡の内圧］
気液混合液中の気体総量から気泡内部の圧力を算出した。表１は、窒素又はアルゴンと２５℃の純水との気液混合液における、気体総量と、気体総量から算出した気泡の内圧を示している。
【００７１】
気泡における気体の内部圧力は次の方法で算出される。
気体の状態方程式は、
ＰＶ／Ｔ＝（ｃｏｎｓｔ）
（Ｐ：内部圧力、Ｖ：容積、Ｔ：内部温度）
で表され、Ｔが一定の場合、特に
ＰＶ＝（ｃｏｎｓｔ）
で表される。
【００７２】
そして、気液混合液の密度から気液混合液中の気泡の容積が計算でき、上式から、
大気圧×気体総体積量＝気泡の内圧×液中の気体総体積量
の関係が成立し、この関係式に上記で測定した気体量を当てはめて気泡における気体の内圧が計算され、表１のような圧力値となる。
【００７３】
例えば気体がオゾン含有窒素の場合、
気液混合液１リットル中における、水体積がw1リットル、水中での気体体積がw2リットルであると仮定すると、
体積については次の関係式が成り立つ。
【００７４】
w1  ＋  w2  ＝１リットル      （式Ａ）
また、質量については次の関係式が成り立つ。
【００７５】
w1  ×  水の密度  ＋  w2÷22.4（リットル）×28（分子量）＝測定質量    （式Ｂ）
水の密度        ：常温常圧の純水では997.1g/L
22.4リットル    ：気体1モルの体積
測定質量        ：表１の値で988.3
上記の２式（式Ａ，Ｂ）の方程式を解くと、
w2=8.84×10^(-3)    が算出されるので、
気体の内圧＝大気圧  ×  気体総体積量  ÷  液中の気体総体積量
＝0.1×（表１の値）÷w2
＝0.1×0.56÷(8.84×10^(-3))
＝６．３ＭＰａ
となる。
【００７６】
なお、上記の計算では、気泡の内部温度が一定（常温）であるとして考えたが、実際の気泡の内部温度は大気の温度（常温）よりも高いことも予想され、その場合、気泡の内部圧は上記算出結果より更に高いことが気体の状態方程式から予測できる。
【００７７】
ところで、一般には、気泡の内圧は次のようにして算出される。気泡は気液相界面間の界面張力により加圧され、この界面張力はヤングラプラスの式（下記式）で導かれる。
【００７８】
ΔＰ＝２σ／ｒ
（ΔＰ：上昇圧力、σ：表面張力、ｒ：気泡半径）
この式によれば、例えば、直径１００ｎｍのサイズの気泡の場合、気泡内部圧力は３ＭＰａになる。
【００７９】
一方、気液混合液中の内部圧力は、表１の通り、例えば窒素の場合６．３ＭＰａであり、この気液混合液はＳＥＭ写真にて示されるように直径１００ｎｍサイズの気泡が分散しているものであることから、気液混合液の気泡は、ヤングラプラスの式から算出される値の約２倍以上の内部圧力を有していることが確認された。したがって、気液混合液においては、より強固な界面構造が気泡界面において形成されていると結論づけられた。この強固な界面構造の気泡の中にオゾンを混合させれば浄化性能を発揮する気液混合液になるものである。
【００８０】
【表１】
2011020097.tif 000003
図１５は、気液混合液中の気泡が安定化されるメカニズムを説明する概念説明図である。図示のように、オゾン含有気体の気泡Ｂと液体Ｌｑの界面には水素結合距離が通常よりも短い氷やハイドレートのような強固な水分子の結合で境膜構造（結晶構造体）の保護膜Ｎが形成されており、気液相互の物質移動が阻止されて気泡が安定な状態になったものと考えられる。そして、オゾン含有窒素やオゾン含有アルゴンの気液混合液内の気泡（ナノバブル）の内圧は、ヤングラプラスの式から求められる圧力よりも約２倍以上である。このように気泡界面の水素結合距離が短く、気泡の内圧が高くなることによって、オゾンを含有する気泡が安定して存在する気液混合液となるものである。
【００８１】
［気泡の分布量］
気液混合液の気泡の分布量（個数）は表１から算出した。
【００８２】
気体が窒素の場合、大気中（0.1MPa)に戻した気泡総量が0.56Lであり、気泡の内圧が6.3MPaであるので、水中での気泡総体積量V１は、等温変化と仮定し、ＰＶ=constより
V１=0.56×0.1÷6.3
となる。
【００８３】
また、気泡は半径ｒ＝50nmの球体であるから、気泡１個当たりの体積V2は
V2=4/3×π×ｒ^3
となる。
【００８４】
以上より、水１Ｌ当たりの気泡の個数n=V1÷V2=1.7×10^16個と算出される。
【００８５】
同じように水１Ｌ当たりの気泡の個数は、気体がアルゴンの場合は1.7×10^16個と算出される。また、オゾンを窒素に混合させた場合もほぼ同様な個数であると考えられる。
【００８６】
［安定性］
図１６は、空気を純水に混合させて生成した気液混合液について、ガラスビンに密封し一定温度で保管した場合の、飽和溶解濃度に対する気液混合液中の気体存在量比を過飽和度として表示するグラフである。グラフから、過飽和度は４００時間経過しても６であり、ほとんど変化していないことが分かる。よって、気液混合液中の気泡が安定に存在することが確認された。また、オゾンを含有する気液混合液も同じように安定であると考えられる。
【００８７】
［実施例２］
次亜塩素酸ナトリウムと水、及びオゾンを含ませた空気と水との気液混合液の２種類の溶液を使って、水中のＦｅ２＋を酸化し水酸化第二鉄として析出させた。次亜塩素酸ナトリウムで塩素処理した水の塩素濃度の初期値は１０ｍｇ／Ｌであった。また、オゾンを含ませた空気と水の気液混合液のオゾン溶解濃度の初期値は０．２ｍｇ／Ｌであった。いずれの溶液も２５℃で生成した。塩素濃度およびオゾン濃度は分光光度計にて測定した。
【００８８】
図１７のグラフのように、次亜塩素酸ナトリウムで塩素処理した水のＦｅ２＋濃度は初期０．７８ｍｇ／Ｌであったものが時間経過に従い徐々に低下し、６５分で０．１ｍｇ／Ｌまで低下した。一方、オゾンを含ませた空気と水の気液混合液のＦｅ２＋濃度は時間経過とともに低下するが、次亜塩素酸ナトリウムで塩素処理した水と比較すると析出させる効果は低かった。溶解したオゾンが酸化反応をおこし鉄を析出させるが、溶解したオゾンでの反応だけでナノ気泡内のオゾンを有効的に活用できなかったものと考えられる。
【００８９】
そこでオゾンを含ませた空気と水の気体混合液を４５℃に加温し、ナノ気泡を崩壊させることにより、即座に酸化処理を最大限に発揮させることを見いだした。図１７のグラフのように経過時間２３分（矢印ａの時点）で２５℃から４５℃に加温すると急激にＦｅ２＋濃度が低下し、鉄が析出することが可能となった。
【符号の説明】
【００９０】
Ａ  浄化装置
Ｓ  気液混合液生成部
Ｍ  オゾン溶解部
Ｌｑ  液体
１  加圧部
【図１】
2011020097.tif 000004
【図２】
2011020097.tif 000005
【図３】
2011020097.tif 000006
【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１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１４】
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