(57)【要約】【課題】超音波を利用した濃縮をより効率よく行うことができる超音波濃縮分離方法を提供すること。【解決手段】本発明は、疎水基２２及び親水基２３を１分子中に有する物質２４の溶液２１に含まれる物質２４を濃縮して分離する方法である。液槽１２中の溶液２１に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡Ｂ１を混入させた状態で超音波を照射する。これにより、気泡Ｂ１の表面に物質２４を集めかつ気泡Ｂ１を溶液２１の表層部２６に集めて物質２４を濃縮する。その後、さらにその濃縮された物質２４を分離する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
疎水基及び親水基を１分子中に有する物質の溶液に含まれる前記物質を濃縮して分離する方法であって、
液槽中の前記溶液に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡を混入させた状態で超音波を照射することにより、前記気泡の表面に前記物質を集めかつ前記気泡を前記溶液の表層部に集めて前記物質を濃縮した後、
さらにその濃縮された前記物質を分離する
ことを特徴とする超音波濃縮分離方法。
【請求項２】
濃縮された前記物質を、超音波により霧化して分離することを特徴とする請求項１に記載の超音波濃縮分離方法。
【請求項３】
１．０ＭＨｚ以上２．５ＭＨｚ以下の超音波を照射することを特徴とする請求項２に記載の超音波濃縮分離方法。
【請求項４】
濃縮された前記物質を、オーバーフローさせて分離することを特徴とする請求項１に記載の超音波濃縮分離方法。
【請求項５】
疎水基及び親水基を１分子中に有する物質の溶液に含まれる前記物質を濃縮して分離する装置であって、
前記溶液が供給される液槽と、
前記溶液に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡を混入させるバブリング装置と、
前記液槽中において前記気泡を混入させた状態の前記溶液に超音波を照射する超音波振動子と、
前記液槽中において前記溶液の表層部に集められた前記物質を分離する分離装置と
を備えることを特徴とする超音波濃縮分離装置。
【請求項６】
疎水基及び親水基を１分子中に有する物質の溶液に含まれる前記物質を濃縮する方法であって、
液槽中の前記溶液に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡を混入させた状態で超音波を照射することにより、前記気泡の表面に前記物質を集めかつ前記気泡を前記溶液の表層部に集めて前記物質を濃縮する
ことを特徴とする超音波濃縮方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波濃縮分離方法及び装置、超音波濃縮方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の枯渇が問題となっている。そのため、再生可能エネルギーの活用が注目されている。再生可能エネルギーの一種であるバイオエタノールは、光合成により生成されるエタノールであって植物資源を原料とするため、化石資源のように枯渇を心配する必要がない。それゆえ、バイオエタノールは持続的に利用可能なものとして注目を集めており、近年では自動車燃料などの代替品として利用されつつある。
【０００３】
しかし、得られるエタノールは低濃度であり、蒸留により濃縮される過程で多くのエネルギーを必要とするため効率的ではない。そこで、蒸留に代わる新たな手段として、超音波を用いて霧化することによりエタノールを濃縮する技術が従来提案されている（例えば特許文献１を参照）。即ち、超音波霧化によれば、超音波の作用により溶液の表層部を振動させ、エタノールを霧状（微細な液滴）にして飛散させることができる。そのため、少量のエネルギーで溶液を霧化することが可能だからである。ここで、疎水基及び親水基を１分子中に有するエタノール分子は、溶液表層部の気液界面に多く集まると考えられる。即ち、エタノール溶液に対して超音波霧化を行った場合、霧中には高濃度のエタノール分子が含まれているため、エタノールを濃縮することが可能と考えられる。また、より多くのエタノール分子を溶液表層部に集めることができれば、エタノール濃縮の効率化を図ることが可能とも考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３６７０３８号公報
【特許文献２】特許第４３７７２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術の場合、エタノールを濃縮する効率が今一つ良くなかったため、さらなる改善が望まれていた。また、このような場合においても、できれば安価かつ簡単に、しかもできるだけ余分なエネルギーを使わずに効率化を図りたいという要望もあった。
【０００６】
また、本願発明者らは、エタノール濃縮において溶液中に気泡を混入させることで、気泡の浮力により溶液表層部により多くのエタノール分子を集めることができるであろうとの予測のもと、超音波霧化を行う際に併せてバブリングするという方法も検討した。ところが、この方法を試してみたものの、必ずしも濃縮効率の改善には至っていなかった。なお、超音波処理の際にオゾンのような反応性ガスをバブリングする従来技術が知られているが（例えば特許文献２を参照）、これは溶液中に含まれている物質の分解の効率化を目的としたものであって、濃縮の効率化を目的としたものではない。
【０００７】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、超音波を利用した濃縮をより効率よく行うことができる超音波濃縮分離方法及び装置、超音波濃縮方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑みて本願発明者らが鋭意研究を行ったところ、気泡の大きさの違いが濃縮効率に影響を与えるのではないかとの予想のもと、試行錯誤の末、気泡の直径を所定範囲内とすることで効率よく濃縮できることを新規に知見した。そして、この知見に基づいてさらにこれを発展させることにより、下記の発明を想到することができたのである。
【０００９】
即ち、上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、疎水基及び親水基を１分子中に有する物質の溶液に含まれる前記物質を濃縮して分離する方法であって、液槽中の前記溶液に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡を混入させた状態で超音波を照射することにより、前記気泡の表面に前記物質を集めかつ前記気泡を前記溶液の表層部に集めて前記物質を濃縮した後、さらにその濃縮された前記物質を分離することを特徴とする超音波濃縮分離方法をその要旨とする。
【００１０】
従って、請求項１に記載の発明によると、前記物質の溶液に超音波を照射するときに混入させる気泡の径が好適範囲となるため、気泡の表面に前記物質を確実に集めるとともに、気泡を前記溶液の表層部に確実に集めることが可能となる。その結果、前記物質を効率よく濃縮することができ、その濃縮された物質を分離して取り出すことができる。具体的には、上記好適径の気泡に超音波を印加すると、気泡を壊さずにその表面を揺らぎ変形させることができる結果、気泡の表面積が大きくなり、前記物質の分子が気泡の表面に集まりやすくなるものと推察される。この場合、直径０．３ｍｍ未満の気泡であると、超音波印加による揺らぎ変形が起こりにくくなり、気泡の表面に前記物質を効率よく集めることが難しくなる。また、浮力が小さくなるため、気泡が水中に留まりやすくなり、気泡を溶液の表層部に効率よく集めることが難しくなる。逆に直径３．０ｍｍ超の気泡であると、個々の気泡の表面積が大きくなる一方で、浮上する際に超音波印加によって気泡が壊れやすくなる。その結果、気泡の表面に前記物質を効率よく集めることや、気泡を前記溶液の表層部に効率よく集めることが難しくなる。なお、気泡の直径は０．４ｍｍ以上２．５ｍｍ以下が好ましく、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下がより好ましい。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、濃縮された前記物質を、超音波により霧化して分離することをその要旨とする。
【００１２】
従って、請求項２に記載の発明によると、超音波の作用により溶液の表層部が振動することで、濃縮された前記物質を霧状（微細な液滴）にして飛散させることができる。よって、濃縮された前記物質を比較的少ないエネルギーで分離することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２において、１．０ＭＨｚ以上２．５ＭＨｚ以下の超音波を照射することをその要旨とする。
【００１４】
従って、請求項３に記載の発明によると、上記好適周波数の超音波を印加することにより、上記好適径の気泡を壊さないでその表面を揺らぎ変形させることができるとともに、前記物質の分子を表面に集めた気泡を壊さないで確実に浮上させて溶液の表層部に集めることができる。さらに、濃縮された前記物質を確実に霧化して飛散させることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項において、濃縮された前記物質を、オーバーフローさせて分離することをその要旨とする。
【００１６】
従って、請求項４に記載の発明によると、超音波を用いて霧化を行う場合に比べて、簡単な装置で前記物質を分離することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、疎水基及び親水基を１分子中に有する物質の溶液に含まれる前記物質を濃縮して分離する装置であって、前記溶液が供給される液槽と、前記溶液に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡を混入させるバブリング装置と、前記液槽中において前記気泡を混入させた状態の前記溶液に超音波を照射する超音波振動子と、前記液槽中において前記溶液の表層部に集められた前記物質を分離する分離装置とを備えることを特徴とする超音波濃縮分離装置をその要旨とする。
【００１８】
従って、請求項５に記載の発明によると、超音波振動子が前記物質の溶液に超音波を照射するときに、バブリング装置が好適径の気泡を溶液に混入させることにより、気泡の表面に前記物質を確実に集めるとともに、気泡を前記溶液の表層部に確実に集めることが可能となる。その結果、前記物質を効率よく濃縮することができ、分離装置がその濃縮された物質を分離して取り出すことができる。具体的には、上記好適径の気泡に超音波を印加すると、気泡を壊さずにその表面を揺らぎ変形させることができる結果、気泡の表面積が大きくなり、前記物質の分子が気泡の表面に集まりやすくなるものと推察される。なお、直径０．３ｍｍ未満あるいは直径３．０ｍｍ超の気泡を混入させたときの不具合については、上述したとおりである。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、疎水基及び親水基を１分子中に有する物質の溶液に含まれる前記物質を濃縮する方法であって、液槽中の前記溶液に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡を混入させた状態で超音波を照射することにより、前記気泡の表面に前記物質を集めかつ前記気泡を前記溶液の表層部に集めて前記物質を濃縮することを特徴とする超音波濃縮方法をその要旨とする。
【００２０】
従って、請求項６に記載の発明によると、前記物質の溶液に超音波を照射するときに混入させる気泡の径が好適範囲となるため、気泡の表面に前記物質を確実に集めるとともに、気泡を前記溶液の表層部に確実に集めることが可能となる。その結果、前記物質を効率よく濃縮することができる。具体的には、上記好適径の気泡に超音波を印加すると、気泡を壊さずにその表面を揺らぎ変形させることができる結果、気泡の表面積が大きくなり、前記物質の分子が気泡の表面に集まりやすくなるものと推察される。なお、直径０．３ｍｍ未満あるいは直径３．０ｍｍ超の気泡を混入させたときの不具合については、上述したとおりである。
【発明の効果】
【００２１】
以上詳述したように、請求項１〜６に記載の発明によると、超音波を利用した濃縮をより効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を具体化した一実施形態の超音波アルコール濃縮分離装置を示す概略図。
【図２】実施形態において気泡の挙動を説明するための概念図。
【図３】（ａ）は直径０．３ｍｍ未満であるため好適径よりも小さい気泡の挙動を説明するための概念図、（ｂ）は直径０．３ｍｍ〜３．０ｍｍ（好適径）の気泡の挙動を説明するための概念図、（ｃ）は直径３．０ｍｍ超であるため好適径よりも大きい気泡の挙動を説明するための概念図。
【図４】（ａ）は比較試験１−１の結果を示すグラフ、（ｂ）は比較試験１−２の結果を示すグラフ。
【図５】比較試験１−２の結果を示す表。
【図６】比較試験２の結果を示す表。
【図７】別の実施形態の超音波アルコール濃縮分離装置を示す概略図。
【図８】別の実施形態の超音波アルコール濃縮分離装置を示す概略図。
【図９】別の実施形態の超音波アルコール濃縮分離装置を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を具体化した実施形態の超音波アルコール濃縮分離装置を図１〜図６に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態の超音波アルコール濃縮分離装置１１（超音波濃縮分離装置）を示す概略図である。
【００２４】
図１に示されるように、この超音波アルコール濃縮分離装置１１は、濃縮対象物であるエタノール溶液２１を入れるためのガラス製の液槽１２、液槽１２内のエタノール溶液２１に超音波を照射するための超音波振動子１３、超音波振動子１３を駆動するための発振器１４、バブリング装置１５、分離装置１６等を備えている。ここで、エタノール溶液２１は、疎水基２２及び親水基２３を１分子中に有する物質（エタノール分子２４；溶質）を、極性溶媒である水に溶解させたものである。
【００２５】
本実施形態において使用した超音波振動子１３は、超音波振動面１３ａを有する投げ込み型の超音波振動子１３である。液槽１２の外部には、超音波振動子１３を高さ位置調整可能な状態で支持するスタンド３１（支持手段）が設けられている。このスタンド３１は、支持面に設置される本体３２と、本体３２の上端から水平方向に延設された第１アーム３３と、第１アーム３３の先端から下方に延設された第２アーム３４とを有している。第２アーム３４の下端には上記投げ込み型の超音波振動子１３が固定されている。その結果、超音波振動子１３が、振動子底面１３ｂを液槽１２の底面１２ａから離間させた状態で配置される。このとき、超音波振動子１３は、超音波振動面１３ａを水面２５側に向けた状態で配置されるとともに、超音波振動面１３ａを基準としたときの水面２５からの深さが３ｃｍ以上となる位置に配置される。
【００２６】
超音波振動子１３には発振器１４が電気的に接続されている。発振器１４は、１．０ＭＨｚ〜２．５ＭＨｚ程度の高周波数の超音波発振信号を生成して、この信号を超音波振動子１３に出力する。これによって超音波振動子１３が駆動され、上記周波数の超音波が液槽１２内のエタノール溶液２１に照射されるようになっている。本実施形態において、超音波の出力は特に限定されないが、例えば１Ｗ〜１００Ｗ程度に設定され、好ましくは１０Ｗ〜１５Ｗ程度に設定される。即ち、超音波の出力が小さすぎると、霧化の効率が低下することに加え、好適径の気泡Ｂ１に好適周波数の超音波を印加したとしても、気泡Ｂ１の表面に十分な揺らぎ変形を生じさせることができない可能性があるからである。逆に超音波の出力が大きすぎると、気泡Ｂ１の表面の揺らぎ変形が大きくなる結果、気泡Ｂ１が壊れやすくなる可能性があるからである。
【００２７】
本実施形態において使用したバブリング装置１５は、エタノール溶液２１中に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡Ｂ１を混入させるためのものであって、空気を圧送するエアポンプ４１と、多孔質体からなるバブリングストーン４２（気泡放出部）と、それらをつなぐエアチューブ４３とを有している。従って、液槽１２の外部に設置されたエアポンプ４１から、液槽１２の内部に配置されたバブリングストーン４２に対し、エアチューブ４３を介して空気が送り込まれるようになっている。そして、空気がバブリングストーン４２を通過する際に気泡Ｂ１が発生し、その気泡Ｂ１がエタノール溶液２１中に放出されるようになっている。
【００２８】
気泡放出部であるバブリングストーン４２は、エタノール溶液２１中に気泡Ｂ１を放出することができるのであれば液槽１２中の任意の位置に配置されることができる。ただし、バブリングストーン４２は、超音波振動子１３の直下領域Ｒ１及び直上領域Ｒ２を避けて配置されることが好ましく、さらに超音波振動子１３の振動子底面１３ｂよりも下方に配置されることがより好ましい。その理由については不明であるが、以下のように推察される。即ち、超音波振動子１３の直下領域Ｒ１または直上領域Ｒ２にてバブリングを行うと、超音波が最も強く作用している上記直上領域Ｒ２に気泡Ｂ１が必要以上に偏在してしまう結果、気泡Ｂ１が超音波印加による霧化を阻害してしまうと考えられるからである。
【００２９】
本実施形態の分離装置１６は、液槽１２中においてエタノール溶液２１の表層部２６に集められたエタノール分子２４を分離して回収するためのものであって、ファン５１と回収器５２とを有している。ファン５１及び回収器５２は、液槽１２の上方において互いに離間した状態で対向配置されている。そして、超音波の印加により霧化が起きている状態でファン５１を駆動させると、濃縮されたエタノールのミスト２７が吹き飛ばされるとともに、下流にある回収器５２によって回収されるようになっている。
【００３０】
次に、本実施形態の超音波アルコール濃縮分離装置１１の動作例について説明する。
【００３１】
まず、スタンド３１の第２アーム３４に固定された超音波振動子１３を液槽１２内にセットするとともに、この状態で所定量のエタノール溶液２１を液槽１２内に供給する。このとき、超音波振動面１３ａを基準としたときの水面２５からの深さが３ｃｍ以上（本実施形態では例えば５ｃｍ〜１０ｃｍ）となるように、超音波振動子１３の高さ位置を調整する。なお、バブリング装置１５のバブリングストーン４２については、液槽１２内の所定の箇所にあらかじめ配置しておく。
【００３２】
次いで、バブリング装置１５を駆動し、バブリングストーン４２からエタノール溶液２１中に直径０．３ｍｍ〜３．０ｍｍの気泡Ｂ１を放出する。この状態で発振器１４を駆動し、エタノール溶液２１に対して超音波振動子１３から１．０ＭＨｚ〜２．５ＭＨｚ程度の超音波を照射する。ここで、疎水基２２及び親水基２３を１分子中に有するエタノール分子２４は、気液界面において、疎水基２２であるエチル基を気相側に向け、親水基２３である水酸基を液相側に向けた状態となりやすいものと考えられる。ゆえに、エタノール分子２４は、このような気液界面が存在する気泡Ｂ１の表面に集まりやすいと考えられている（図２参照）。なお図２には、エタノール分子２４が気泡Ｂ１の表面に多数集積してクラスターとなった状態が概念的に示されている。このようなもののことを、便宜上「エタノールクラスター」と呼ぶものとする。
【００３３】
上記のようにエタノールクラスターとなった気泡Ｂ１は、自身の浮力及び超音波の作用によってエタノール溶液２１の表層部２６まで浮上し、そこで破裂して（脱気・消泡されて）エタノール分子２４を解放する。その結果、エタノール溶液２１の表層部２６におけるエタノール分子２４の濃度が深層部に比べて相対的に高くなり、エタノールが濃縮される。解放されたエタノール分子２４は、図２にて概念的に示すように、水面２５（気液界面）において、疎水基２２であるエチル基を気相側に向け、親水基２３である水酸基を液相側に向けた状態で存在するようになると考えられる。
【００３４】
また、超音波の作用によりエタノール溶液２１の表層部２６が振動することで、水面２５上に濃縮されたエタノールのミスト２７が生じる。この状態でファン５１を駆動させることにより、濃縮されたエタノールのミスト２７を下流に吹き飛ばし、回収器５２で回収する。以上の結果、エタノールを濃縮、分離することができる。
【００３５】
ここで、図３（ａ）は直径０．３ｍｍ未満であるため好適径よりも小さい気泡Ｂ１（マイクロバブル）の挙動を説明するための概念図、（ｂ）は直径０．３ｍｍ〜３．０ｍｍであって好適径の気泡の挙動を説明するための概念図、（ｃ）は直径３．０ｍｍ超であるため好適径よりも大きい気泡の挙動を説明するための概念図である。図３（ｂ）に示されるように、好適径の気泡Ｂ１に超音波を印加した場合には、気泡Ｂ１を壊さずにその表面を揺らぎ変形させつつ、エタノール溶液２１の表層部２６まで浮上させることができる。このため、気泡Ｂ１の表面積が大きくなり、図２にて示したようにエタノール分子２４が気泡Ｂ１の表面に集まりやすくなるものと推察される。
【００３６】
これに対して、図３（ａ）に示されるように、好適径よりも小さい気泡Ｂ１、即ちマイクロバブルに超音波を印加した場合には、気泡Ｂ１に揺らぎ変形が起こりにくくなり、気泡Ｂ１の表面にエタノール分子２４を効率よく集めることが難しくなる。また、浮力が小さくなるため、気泡Ｂ１が水中に留まりやすくなり、気泡Ｂ１をエタノール溶液２１の表層部２６に効率よく集めることが難しくなる。図３（ｃ）に示されるように、好適径よりも大きい気泡Ｂ１に超音波を印加した場合には、個々の気泡Ｂ１の表面積が大きくなる一方で、浮上する際に超音波印加によって気泡Ｂ１が壊れやすくなる。その結果、気泡Ｂ１の表面にエタノール分子２４を効率よく集めることや、気泡Ｂ１をエタノール溶液２１の表層部２６に効率よく集めることが難しくなる。
【００３７】
以下、本実施形態をより具体化した実施例（比較試験）を紹介する。
【実施例１】
【００３８】
（比較試験１−１）
本実施例では比較試験として以下のような試験を行った。ここでは、９９．５％の無水エタノール９００ｍＬと浄水２１００ｍＬとを混合して、エタノール濃度が約３０％のエタノール溶液２１を３Ｌ作製し、このエタノール溶液２１を液槽１２に供給した。そして、水面２５から約５ｃｍの位置に投げ込み型の超音波振動子１３（市販品、１．７ＭＨｚ±５０ｋＨｚ）を設置し、エタノール溶液２１に対して超音波を照射した。バブリング装置１５については、マイクロバブル発生装置（株式会社大日工業社製「Ｄ−３ＮＦ」）を用いてマイクロバブル（メジアン径；３．３μｍ）を供給するようにした。なお、マイクロバブル装置の気泡放出部は、超音波振動子１３の直下領域Ｒ１及び直上領域Ｒ２を避けて配置した。そして、バブリングを行いながら超音波を印加し、経時的にエタノール濃度を測定した。具体的にいうとエタノール濃度については、エタノール溶液２１の中層から採取した約１２ｍＬのサンプルを密度比重計（京都電子工業社製、ＤＡ−５１０）を用いて測定した。なお、コントロールとして、バブリングを行わないで超音波のみを印加したものについても同じく経時的にエタノール濃度の測定を行った。これらの結果を図４（ａ）のグラフに示す。
【００３９】
これによると、２時間処理を行った時点で両者を比較した場合、超音波のみの印加を行った試験区１Ｂのほうが、マイクロバブルのバブリングを行いながら超音波を印加した試験区１Ａよりもエタノール濃度の低下量が多くなるという結果が得られた。従って、マイクロバブルのバブリングは、超音波の印加による濃縮分離の効率向上にはつながらず、むしろ阻害的に作用することが示唆された。
【００４０】
（比較試験１−２）
比較試験１−２では、市販の魚類飼育用エアポンプ４１（水作社製、「Ｊ１−０１２」）と魚類水槽用バブリングストーン４２とをエアチューブ４３でつないだ構造のバブリング装置１５を用いてバブリングを行い、０．３ｍｍ〜３．０ｍｍという好適径の気泡Ｂ１を供給するようにした。ちなみに、この魚類水槽用バブリングストーン４２はメジアン径が約０．７ｍｍの気泡Ｂ１を発生、放出するものであって、これについては超音波振動子１３の直下領域Ｒ１及び直上領域Ｒ２を避けて配置した。そして、上記比較試験１−１の手法に準じてバブリングを行いながら超音波を印加し、経時的にエタノール濃度を測定した。バブリングを行わないで超音波のみを印加したコントロールとの比較結果を図４（ｂ）のグラフに示す。
【００４１】
これによると、２時間処理を行った時点で両者を比較した場合、超音波のみの印加を行った試験区１Ｄよりも、魚類水槽用バブリングストーン４２によるバブリングを行いながら超音波を印加した試験区１Ｃのほうがエタノール濃度の低下量が多くなるという結果が得られた。従って、魚類水槽用バブリングストーン４２によるバブリングには、超音波による濃縮分離の効率を向上させる効果があることが示唆された。
【００４２】
なお、両者について霧化量、霧化エタノール量、ミスト中におけるエタノールの濃度を算出した結果を、図５の表１に示す。これによると、魚類水槽用バブリングストーン４２によるバブリングを行った試験区１Ｃでは、霧化量がコントロールの試験区１Ｄの約９％増、霧化エタノール量が約８２％増、ミスト中におけるエタノールの濃度が約７５％増となった。以上のことから、魚類水槽用バブリングストーン４２によるバブリングには、超音波による濃縮分離の効率を向上させる効果があることが実証された。
【００４３】
（比較試験２）
比較試験２では、基本的には、上記比較試験１−２の手法に準じてバブリングを行いながら超音波を印加し、１時間後のエタノール濃度を測定した。具体的にいうと、試験例２Ａでは、超音波振動子１３の直下領域Ｒ１及び直上領域Ｒ２を避けて配置した魚類水槽用バブリングストーン４２によりバブリングを行った。試験例２Ｂでは、エアチューブ４３から魚類水槽用バブリングストーン４２を外し、それを超音波振動子１３の直下領域Ｒ１及び直上領域Ｒ２を避けて配置して、エアチューブ４３から直接バブリングを行った。なお、この試験区２Ｂでの気泡Ｂ１の大きさは、３．０ｍｍを超える（メジアン径が約７．０ｍｍ）ものであった。試験例２Ｃでは、超音波振動子１３の直下領域Ｒ１に配置した魚類水槽用バブリングストーン４２によりバブリングを行った。試験例２Ｄでは、バブリングを行わないで超音波のみを印加した（コントロール）。これらについての比較結果を図６の表２に示す。
【００４４】
これによると、処理を１時間行った後のエタノール濃度は、試験例２Ｄを基準とすると、明らかに試験例２Ａの減少量が多く、試験例２Ｂの減少量はそれよりも少なかった。従って、径が３．０ｍｍ超の気泡Ｂ１によるバブリングは、超音波の印加による濃縮分離効率の向上にはつながるものの、その効果は弱いということが示唆された。また、魚類水槽用バブリングストーン４２によりバブリングを行った試験例２Ａ、２Ｃどうしを比較したところ、試験例２Ｃでは、好適径の気泡Ｂ１でバブリングを行いながら超音波の印加を行っているにも関わらず、エタノール濃度が少なかった。ゆえに、気泡放出部である魚類水槽用バブリングストーン４２の配置位置如何によっては、濃縮分離効率の向上を図ることができなくなることが併せてわかった。
【００４５】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００４６】
（１）本実施形態の超音波アルコール濃縮分離装置１１によると、上述したように、エタノール溶液２１に超音波を照射するときに混入させる気泡Ｂ１の径が好適範囲（０．３ｍｍ〜３．０ｍｍ）となる。そのため、気泡Ｂ１の表面にエタノール分子２４を確実に集めるとともに、気泡Ｂ１をエタノール溶液２１の表層部２６に確実に集めることが可能となる。その結果、エタノール分子２４を効率よく濃縮することができ、その濃縮されたエタノール分子２４を分離して取り出すことができる。特に、上記好適径の気泡Ｂ１に超音波を印加すると、気泡Ｂ１を壊さずにその表面を揺らぎ変形させることができる。その結果、気泡Ｂ１の表面積が大きくなり、エタノール分子２４が気泡Ｂ１の表面に集まりやすくなるものと推察される。
【００４７】
（２）また、この超音波アルコール濃縮分離装置１１は、超音波霧化用である市販の超音波振動子１３を用いるとともに、市販の魚類飼育用エアポンプ４１、魚類水槽用バブリングストーン４２及びエアチューブ４３からなるバブリング装置１５とを用いて構成されている。従って、比較的安価かつ簡単な構成であるにもかかわらず、超音波を利用した濃縮をより効率よく行うことができる。
【００４８】
（３）また、この超音波アルコール濃縮分離装置１１では、超音波振動子１３が液槽１２の底面から離間した状態かつ超音波振動面１３ａを水面２５側に向けた状態で配置されている。そして、バブリング装置１５における気泡放出部である魚類水槽用バブリングストーン４２が、超音波振動子１３の直下領域Ｒ１及び直上領域Ｒ２を避けて配置されるとともに、超音波振動子１３の底面１３ｂよりも下方に配置されている。さらに、超音波振動面１３ａは、水面２５からの深さが３ｃｍ以上となる位置に配置されている。これらの好適な条件が揃っている結果、エタノール分子２４の効率的な濃縮分離を確実に行うことができる。
【００４９】
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００５０】
・上記実施形態では、疎水基２２及び親水基２３を１分子中に有する物質の溶液としてエタノール溶液２１を用い、そこからエタノールの濃縮分離を行ったが、これに限定されない。例えば、前記物質はエタノール以外のアルコール（例えばメタノール、ブタノール等）であってもよいほか、アルコール以外の極性物質（アルデヒド類、カルボン酸類等）であってもよい。
【００５１】
・上記実施形態では、バブリング装置１５に使用する気体、即ち気泡Ｂ１内の気体は空気であったが、これに限定されず空気以外の気体を使用することが可能である。ただし、物質の化学変化等を未然に防ぐため、酸素やオゾン等のような反応性の高いガスを用いるのではなく、それらよりも反応性の低いガス（例えば、窒素、二酸化炭素、アルゴンなど）を用いることが好ましい。
【００５２】
・上記実施形態では、超音波の作用によりミスト２７を生じさせるとともに、ファン５１及び回収器５２にて構成される分離装置１６を用いてエタノールを分離回収したが、これに限定されない。例えば、図７に示す別の実施形態のように、液槽１２の側壁部における水面２５の高さにオーバーフロー管５５（分離装置）を延設し、このオーバーフロー管５５を介して、濃縮されたエタノールを分離回収するようにしてもよい。この構成によると、ファン５１及び回収器５２を省略することができるため、超音波を用いて霧化を行う上記実施形態の場合に比べて、安価かつ簡単な装置構成でエタノールを分離することができる。また、ミスト２７を生じさせる必要がないため、超音波のパワーを抑えることが可能となり、省力的に濃縮分離作業を行うことができる。
【００５３】
・上記実施形態では、エアポンプ４１とバブリングストーン４２とエアチューブ４３とで構成され、液槽１２中に気体のみを供給する方式のバブリング装置１５を用いたが、これに限定されない。例えば、図８に示す別の実施形態のように、液体循環式のバブリング装置６１を用いてもよい。具体的にこのバブリング装置６１は、液槽１２のエタノール溶液２１を取り込む第１チューブ６４と、取り込んだエタノール溶液２１に好適径の気泡Ｂ１を混入させる装置本体６２と、気泡Ｂ１を含んだエタノール溶液２１を液槽１２に戻す第２チューブ６３を含んで構成されている。
【００５４】
・上記実施形態では、投げ込み型の超音波振動子１３を、液槽１２の底面から離間した状態かつ超音波振動面１３ａを水面２５側に向けた状態で配置したが、これに限定されず、例えば液槽１２の底面に接するようにして配置してもよい。また、超音波振動子１３の超音波振動面１３ａを水面２５側に向けつつも、水平な状態ではなく傾けた状態で配置してもよい。さらに、投げ込み型の超音波振動子１３の使用に限定されるわけではなく、例えば図８に示す別の実施形態のように、投げ込み型ではない超音波振動子６５を底部の外側に設置するようにしてもよい。
【００５５】
・例えば、図９に示す別の実施形態の超音波アルコール濃縮分離装置１１のように、発振器１４等を駆動制御するための制御装置７１を含んで構成してもよい。制御装置７１にはエタノール溶液２１の水深を検出するセンサ７２が電気的に接続されており、このセンサ７２の検出結果に基づいて、超音波振動面１３ａの水面２５からの深さがわかるようになっている。また、スタンド３１は第１アーム３３を昇降させて超音波振動子１３の高さ位置を調節するモータ７３を備えており、制御手段７１にはこのモータ７３が電気的に接続されている。このように構成した装置１１であれば、水深のセンシング結果に基づいて、超音波振動子１３の高さ位置が常に３ｃｍ以上となるように、自動調整することが可能となる。従って、手動で高さ調整を行う必要がなくなり、装置の利便性が向上する。なお、制御装置７１にはファン５１やエアポンプ４１も電気的に接続されており、例えば水深のセンシング結果に基づいてこれらの機器を駆動制御することで、より適したバブリングや分離を行わせるようにしてもよい。
【００５６】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
【００５７】
（１）疎水基及び親水基を１分子中に有する物質の溶液に含まれる前記物質を濃縮して分離する装置であって、前記溶液が供給される液槽と、前記溶液に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡を混入させるバブリング装置と、前記液槽中において前記気泡を混入させた状態の前記溶液に超音波を照射する超音波振動子と、前記液槽中において前記溶液の表層部に集められた前記物質を分離する分離装置とを備え、前記超音波振動子は、超音波振動面を有する投げ込み型の超音波振動子であり、前記超音波振動子は、前記溶液中において、前記液槽の底面から離間した状態かつ前記超音波振動面を水面側に向けた状態で配置され、前記バブリング装置は、気泡放出部を有するとともに、前記気泡放出部は、前記超音波振動子の直下領域及び直上領域を避けて配置されていることを特徴とする超音波濃縮分離装置。
（２）上記思想１において、前記気泡放出部は、前記超音波振動子の底面よりも下方に配置されていること。
（３）上記思想１において、前記超音波振動子の前記超音波振動面は、前記水面からの深さが３ｃｍ以上となる位置に配置されていること。
（４）上記思想１において、前記超音波振動子は、前記超音波振動子の高さ位置を調整可能な支持手段によって支持されていること。
（５）上記思想４において、前記支持手段は、前記溶液の水深の検出結果に基づいて、前記超音波振動子の高さ位置を自動的に調整可能であること。
（６）疎水基及び親水基を１分子中に有する物質の溶液に含まれる前記物質を濃縮して分離する方法であって、超音波振動面を有する投げ込み型の超音波振動子を用いるとともに、前記超音波振動子を、液槽内の前記溶液中において、前記液槽の底面から離間した状態かつ前記超音波振動面を水面側に向けた状態で配置し、気泡放出部を有するバブリング装置を用いるとともに、前記気泡放出部を、前記超音波振動子の直下領域及び直上領域を避けて配置し、前記バブリング装置によって前記液槽中の前記溶液に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡を混入させ、この状態で前記超音波振動子によって超音波を照射することにより、前記気泡の表面に前記物質を集めかつ前記気泡を前記溶液の表層部に集めて前記物質を濃縮した後、さらにその濃縮された前記物質を分離することを特徴とする超音波濃縮分離方法。
（７）疎水基及び親水基を１分子中に有する物質の溶液に含まれる前記物質を濃縮する方法であって、超音波振動面を有する投げ込み型の超音波振動子を用いるとともに、前記超音波振動子を、液槽内の前記溶液中において、前記液槽の底面から離間した状態かつ前記超音波振動面を水面側に向けた状態で配置し、気泡放出部を有するバブリング装置を用いるとともに、前記気泡放出部を、前記超音波振動子の直下領域及び直上領域を避けて配置し、前記バブリング装置によって前記液槽中の前記溶液に直径が０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の気泡を混入させ、この状態で前記超音波振動子によって超音波を照射することにより、前記気泡の表面に前記物質を集めかつ前記気泡を前記溶液の表層部に集めて前記物質を濃縮することを特徴とする超音波濃縮方法。
【符号の説明】
【００５８】
１１…超音波濃縮分離装置としての超音波アルコール濃縮分離装置
１２…液槽
１３，６５…超音波振動子
１５，６１…バブリング装置
１６…分離装置
２１…溶液としてのエタノール溶液
２２…疎水基
２３…親水基
２４…物質としてのエタノール分子
２６…（溶液の）表層部
５５…分離装置としてのオーバーフロー管
Ｂ１…気泡
【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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