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特集

ファインバブル最前線

特気泡は，化学工学，機械工学，原子力工学といった幅広い分野で研究されてきた。近年，環境（洗浄，浄化，摩擦抵抗低減），医療（診断，治療）と多岐に渡る分野で小さな気泡を応用した技術が盛んに開発集されている。特に，気泡径が 1 mm 以下のマイクロバブル（Microbubble），さらには可視化できない程の微細気泡（サイズが 1 μ m 以下，Nanobubble）に関連する基礎研究ならびに応業技術が注目を集めている。日本では，これらの微細気泡を「ファインバブル（Fine bubble）」と総称して国際標準（ISO）規格成立に向けた動きが活発である。本特集では，ファインバブル技術の最前線を，「国際標準化」，「環境」，「医療」をキーワードとして紹介する。
（編集担当：安藤景太）†

ファインバブル技術のトレンドと課題
寺坂 宏一
1．はじめに日本における気泡に関する工学的研究は日本機械学会や化学工学会で古くから討論されており，最近は粒子・流体プロセス部会気泡・液滴・微粒子分散工学分科会がその中心を担っている。とくにマイクロバブルは本特集でも取り上げた超音波造影剤，曝気廃水処理，大型船舶航行時の摩擦軽減，キャビテーション洗浄，機能性材料テンプレート

図1

ファインバブルの範囲の他にも湖水浄化，水産養殖，古紙再生，食品工業や農業

こうした微細気泡に関する技術の信頼を高め広く産業へ分野への応用も進んでいる。より微細な気泡であるナノバ

普及させ市場の健全な発展を促すために一般社団法人ファブルは生成・存在状態の理論的解明が完了していないもの

インバブル産業会が設立され，2013 年に日本発の国際標の，本特集で取り上げたトイレ洗浄や橋桁洗浄の他にも多準化が提案された。ファインバブルのうちとくにナノバブ種多様な利用が進んでおり，新しい用途の開拓が精力的にルの直径は可視光の回折限界を超えるため肉眼では確認でおこなわれている。これらの技術は日本発祥で多くの研究きない。そのため液中のナノバブル含有量が不明または 0者や技術者が開発に取り組んでおり，日本混相流学会マイの製品が出回るなど市場の信頼を落としかねない。また「ナクロ・ナノバブルの科学と技術的展開分科会や食品応用をノバブル」は欧米で懸念されている「ナノリスク」と混同さ目的とした食品産業マイクロ・ナノバブル協議会も設立されるため，「ウルトラファインバブル」と読み替えられ，マれた。

イクロバブルと合わせてこれらの微細気泡を「ファインバブル」と総称して国際標準（ISO）規格制定が進んでいる。便
Trends and Challenges of Fine Bubble
Technology
Koichi TERASAKA（正会員）
1991 年 慶應義塾大学大学院理工学研究科応用化学専攻博士課程修了（工学博士）
現 在 慶應義塾大学理工学部応用化学科教授
連絡先 〒 223-8522 神奈川県横浜市港北区
日吉 3-14-1
E-mailterasaka@applc.keio.ac.jp

2014 年 6 月 9 日受理580

宜的に，図 1 のようにサイズ毎に気泡の呼称が与えられている。ISO 規格をもとにファインバブルの認証がおこなわれると市場での信頼性が確立し，応用分野に適したファインバブルを選定することが可能になる。

† 平成 25，26 年度化工誌編集委員（9 号特集主査）
慶應義塾大学理工学部機械工学科（2）

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化学工学公益社団法人 化学工学会 http://www.scej.orgる 5）。

2．ファインバブルの基礎

スタティックミキサー式：機械的破砕操作を用いずに流ファインバブルはマイクロバブルとウルトラファインバ

ん断力によって気体を破砕する 5-8）。
加圧溶解式：気液混合物をポンプで加圧し，ガス成分をルを多数懸濁させた水は白濁し，「マイクロバブル水」と呼液中に過飽和まで溶解させる。未溶解気泡を分離し，過飽ばれることもある。一方，ウルトラファインバブルはかつ和液のみを減圧弁を経て常圧液中にフラッシュさせ，マイて「ナノバブル」と呼ばれていた概ね直径 1 μm より小さなクロバブルを析出させる 9）。

気泡で，水中にウルトラファインバブルを浮遊させた水を加温析出法：低温液に予めガスを過飽和溶解させておき，「ウルトラファインバブル水」と呼ぶが肉眼では無色透明で加温しつつ適切な刺激を与えてマイクロバブルを液中からある。

析出させる。

図 2 に日常よく目にする気泡とファインバブルとの挙動

混合蒸気直接接触凝縮式：非凝縮性ガス（例えば窒素）を含の相違を示した。マイクロバブルは日常見かけるミリバブ

んだ加圧水蒸気をノズルから冷却水中に噴射させる。生成ルに比べて，水中で非常に遅い上昇速度と大きな比表面積した蒸気泡は分散直後から急速冷却され凝縮するが，非凝を持つため高速溶解し，水面に達するまでに消滅すること

縮ガス成分のみ液化せずマイクロバブルとなる 10）。

がある。ウルトラファインバブルはマイクロバブルを原料

超音波キャビテーション式：液体に超音波を照射することするが，その生成過程において特定な刺激の付与を必要とにより蒸気または溶存ガスからなるマイクロバブルを発とする。一旦生成したウルトラファインバブルは，水中で生させる。

数ヶ月にわたる滞在が確認されている 。

電気分解式：水の電気分解により水素気泡と酸素気泡を1）

2.1

マイクロバブル電極から同時に発生させる。最適操作条件に調整すると水マイクロバブル製造装置として多種多様な製品がすでに素気泡はマイクロバブル化しやすい。

国内で販売されているが発生原理は数種類に分類でき，生上記のマイクロバブル発生法は装置および操作法につい成するマイクロバブルのサイズやその分布，また寿命は発てそれぞれ長所と短所があり，用途に応じて使い分ける必生原理や操作条件によって異なる。代表的なマイクロバブ

要がある 2）。

ル発生方式 2）を紹介する。

2.2

ウルトラファインバブル

旋回液流式：円筒状の発生器本体側面から接線方向にポウルトラファインバブルとはマイクロバブルより小さなンプを用いて液を高速で圧入し，内部に高速旋回流を発生

気泡で，おおむね 100 〜 200 nm に最大ピークを持っている。

させる 。この液回転運動に起因した圧力降下を利用し，サイズが可視光の回折限界を超えているため光学式顕微鏡

下端面の小孔より自吸されたガスは，上端面中央の小孔ででは観測できない。また気泡は液中でしか存在できないたのせん断力により粉砕されマイクロバブルとなる。

め，真空環境を必要とする電子顕微鏡などの分析装置によ3）

ベンチュリー式：管路断面積の縮小と拡大をもつ流路にる観測も困難である。

高速で気泡を含んだ液を通過させ，急激な圧力変化によっウルトラファインバブルはマイクロバブルを原料としてて気泡を激しく崩壊させてマイクロバブルを生成させる 。

製造される技術が現在主流である。図 3 に示したように，

微細孔式：微細孔膜面に沿った高速液流により膜を通しまず旋回液流式あるいは加圧溶解式マイクロバブル製造法て液中に注入されたガスをせん断してマイクロバブル化す

で液体中にガスをマイクロバブル化して白濁させる。マイ4）

クロバブルを製造装置毎の経験的なノウハウに基づいた条件のもとで急速収縮させつつ過剰なマイクロバブルを浮上分離させることにより，ウルトラファインバブルが懸濁し

図2

ミリバブル・マイクロバブル・ウルトラファインバブルの挙動

第 78 巻

第 9 号（2014）

図3

ウルトラファインバブルの製造過程（3）

著作権法により無断での転載等は禁止されています581

集

1 〜 100 μm 程度の直径を持つ気泡である。マイクロバブ

特ブルの総称として定義されている。マイクロバブルは概ね路内の構造を複雑化し，主として渦流由来の大きな粘性せ公益社団法人 化学工学会 http://www.scej.org

表1

主なウルトラファインバブル計測法

原理

製造企業

範囲測定

特1

ブラウン運動解析法

NanoSight

30nm 〜

2

レーザ回折・散乱法

島津製作所

10nm 〜 300µm

3ミー散乱計測法

4集

5リオン

100nm 〜

1µm

日本電色工業

500nm 〜

3µm

ブラウン運動解析法 マイクロテック・ニチオン

6

動的光散乱法

7

電気抵抗法

1µm

日機装

20nm 〜 100µm
0.8nm 〜 6.5µm

ベックマン・コールター 400nm 〜 1600µm

図4

マイクロバブル浮上分離機構

た透明液が製造される。

積あたりでは，マイクロバブルの比表面積が大きい（直径が2.3小さい）ほど効果が増大する。

ウルトラファインバブルの計測

表 1 にウルトラファインバブルの個数計測に使用されて（3）吸着した回収物質がマイクロバブルの上昇運動に伴ういる主な方法と代表的な測定機器を紹介した。気泡を維持周囲の液体とのせん断によって剥離しないように，また回するためには液相と気相を排除しないで測定できる原理が収物質により完全に被覆されたマイクロバブルが沈降しな必要である。主にレーザーを利用した動的光散乱法やブラいように浮力（体積）を調整し上昇速度を最適化する。

ウン運動追跡法などが適用されるが，不透明な系には適11）さない。また気泡の存在によるアパチャー内の電気抵抗変以上より，ウルトラファインバブルより，マイクロバブルが浮上分離には適している。

化を計測するコールター法等も広く使われている。これら

図 4 にマイクロバブル浮上分離の原理を示した。水相中の方法では液中に存在する非常に微細な固体粒子とウルトに懸濁するカーボン微粒子，酸化鉄微粒子 13）および食用油ラファインバブルとを厳密には判別できないため，超純水滴 14），ならびに水相中に溶解した疎水性ポリフェノール 15）など固体粒子が完全に不在な系での計測が必要である。最についてファインバブル浮上分離が成功している。

近液中に浮遊する固体微粒子と気体微粒子とを比重差に酸化鉄（α -Fe2O3）微粒子（平均粒径 4.54 μm）を，泡沫層が形よって判別できる計測器も登場し，今後の測定精度の向上成される程度（臨界ミセル濃度の 0.05 倍）の界面活性剤（SDS）をが期待されている。

添加した水道水中に懸濁させ，原液とした。旋回液流式マイクロバブル発生器を用いて製造したマイクロバブルを原

3．ファインバブルの応用

液に 60 分間通気した。
図 5 にマイクロバブル通気前後の液バルクの様子を比較

マイクロバブルの工業応用は非常に広く多岐にわたってした。上段は通気前の写真で赤褐色な懸濁液である。下段

おり本特集で代表例が紹介されている。著者らも，固液浮右の写真のように，pH ＝ 7.0 ではマイクロバブルを通気し，好気性活性汚泥による廃水処理 ，W/O エマても微粒子の分離は進まなかった。一方，pH を 5.1 に調製

上分離11, 13）16），食品材料した懸濁液に通気すると，容器背面が透視できるほど微粒製造，カプセル化材料製造など，工業プロセスへのマイク子を浮上分離することができた。この現象は，マイクロバ

ルション製造，無機および有機物結晶製造

10）

17）

ロバブルの利用のほか，超音波を利用した制御技術の実18）用化を目指して研究を進めており，ここではその一部を紹

ブルと酸化鉄微粒子表面の電気的特性に起因している。
図 6 に pH によるマイクロバブルと酸化鉄微粒子のゼー介する。
3.1

マイクロバブルによる水相中有用資源回収

工場排水中には環境に放出できない成分だけでなく希少金属や有用物質なども混入している場合も多く，マイクロバブルを用いた浮上分離技術が注目されている。マイクロバブルを用い，水中に懸濁している粒子または溶質を濃縮して水面で回収するには，少なくとも次の条件を考慮する必要がある。
（1）回収物質とマイクロバブルとの間に，電気的引力あるいは疎水性親和力が働くように調製し，吸着を促進する。
（2）吸着は気泡表面で生じるため，同一の水中滞在ガス体582

図5

マイクロバブルによる酸化鉄浮上分離（4）

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特集

図6

酸化鉄微粒子とマイクロバブルのゼータ電位

図 8 ウルトラファインバブル水による壁面に付着した食塩の洗浄

タ電位の変化を示した 16, 20）。マイクロバブル表面電位 20）もへの付着塩分除去，樹脂加工品の洗浄のほか，さまざまなも pH に依存して変化するが，洗浄への応用が試験段階に入っている。ウルトラファイン

pH が約 4.4 〜 7.8 のとき，酸化鉄微粒子は正に，マイクロバブルを含む水は固体壁面と付着物への接触面への浸透がバブル表面は負に帯電し，両者間に電気的引力が働き，電よく，ウルトラファインバブルを含まない水にくらべて剥位が釣り合う pH が約 5 付近で最も顕著な吸着が観察され離の促進が観察された 22）。

酸化鉄微粒子表面の電位19）

図 8 に示した連続一様液流下装置を用いて，ウルトラた。
3.2

マイクロバブルによる結晶製造ファインバブル超純水（UFB 水），またはウルトラファイン

マイクロバブルが液中に急激に溶解収縮する性質を利用して，液相中の固相として析出させる技術の開発をおこ

バブルを含まない超純水によるガラス板に付着した塩化ナトリウム洗浄の比較実験の結果を示した 22）。
UFB 水は超純水に比べて高い洗浄率 R が高く，とくに流なった。
図 7 に希薄食塩水中に置かれた単一のマイクロバブルの

下 水 に 接 触 後 0.75 〜 1.5 秒 で 急 速 な 洗 浄 が 観 察 さ れ た。

収縮過程のスナップショットを示した。マイクロバブルのUFB 水は超純水に比べて，より多量の付着固体がより速収縮とともに表面に固相が徐々に析出し，全てが固体結晶く剥離した。これより UFB 水は超純水に比べガラス表面になった後も観察時間内は安定に存在した。液相中の NaClに付着した結晶の剥離を促進する効果があると考えられ濃度は飽和濃度より極めて小さく通常なら析出しないが，た。比較的緩やかな R の変化段階は主として付着結晶表面

マイクロバブルを利用した晶析法では析出が生じた 21）。

および剥離後の残存結晶の溶解によると考えられる。

静止液中におかれたマイクロバブル表面には電気的引力

3.4

ウルトラファインバブルによるシリコン基板の洗浄あるいは疎水性をもつ溶質分子やイオンが吸着する。一方，

矢部 23）は超純水中で超音波キャビテーションによりウル

マイクロバブル内ガスの急速溶解によってマイクロバブル

トラファインバブルを発生させ，シリコン基板上に付着さ表面付近の溶液にガス成分濃度が過剰に溶解する。このとせたアルミナ粉末の除去に適用した。

き，局所的に溶質の溶解度が低下して固体結晶として析出

図 9 にシリコン基板上の洗浄状態の SEM 画像を示した。

したと考えられる。

超純水のみをジェット状でシリコン基板に衝突させてもア

3.3

ルミナ粉末は除去できていないが，同じ条件下で衝突水にウルトラファインバブルによる付着塩洗浄

ウルトラファインバブルは，本特集でも紹介されているウルトラファインバブルが含まれている場合にはアルミナように，高速道路サービスエリアのトイレ洗浄，橋梁など粉末はほぼ除去されたことが観察できる。これはウルトラファインバブルが基板平面に衝突した際に生じた圧力波により基板をいためずにアルミナ粒子を排除していると報告されている。

4．ファインバブル技術の課題
ファインバブルの有用性が注目されるとともに，ファイ
図7

第 78 巻

ンバブルの持つ諸物性，個数，数密度，形状および表面電マイクロバブル溶解収縮による微粒子の析出

第 9 号（2014）（5）

著作権法により無断での転載等は禁止されています583

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5．おわりに

特ファインバブルにかかわるサイエンスは以上で述べた多様なアプリケーションから類推されるように複数の学術分野にわたるうえ，その現象を説明していくには，物理，数集学，数値計算力学，農学，医学など様々なアプローチが必要になっている。そこで現在，化学工学会のいくつかの部会や分科会，あるいは国内外の他学会の一部で議論されて
図9いるファインバブル関連の会議を横断した新しい議論の ルトラファインバブル水によるシリコン基板上に付着したアウ
ルミナ粉末の洗浄場の創設を検討している。これにより産業界を担う一般社
団法人ファインバブル産業会と学術界を担う科学の両輪に位など計測技術の精度向上や技術革新が求められている。

よるファインバブルの発展を支えて加速させたいと考えてまたファインバブルを含む媒体についても化学工業への応いる。

用を進めるためには，水以外の液，不透明な液などへの対応が必須である。とくに視認が困難なウルトラファインバ
ブルについては，安定性およびその原理解明，消滅時のエネルギー放出と洗浄効果との関係，生理活性，農業や臨床医療など生物に対する影響，化学反応促進効果の解明や定量的な評価が必要である。農業分野では植物工場，水耕栽培や農作物栽培用の農業用水，食品産業では食品添加物や飲料としてのファインバブルの適用性と効果，洗浄分野では物理的汚れの除去や配管洗浄などへの応用が期待できる。
ファインバブル技術は経済産業省や内閣府からの支援を受けて急速に発展しており，国際標準化も著しく進展している。これにより世界市場をけん引する日本企業も増加してくる一方で，信頼のおけない製品や技術は市場から淘汰される。さらに今後は，用途，性能およびコストなどの面からファインバブル技術が細分化されていくと予想される。

584

引用文献
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, 209-215（2005）
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講演要旨集 , J107
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22）川原垣昌利 , 寺坂宏一 , 藤岡沙都子 , 遠田安沙子：日本混相流学会年会講演会
2012 要旨集 , C223（2012）23）矢部彰：第4回ナノバブル・ナノバブル技術講習会講演要旨集, pp. 50-57（2012）（6）

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