還元水生成装置および還元水生成方法
【課題】長時間安定して還元状態を保持する微細気泡入り還元水を簡単に発生させる還元水生成装置および還元水生成方法を提供する。
【解決手段】水８０中には第１の電極２０と第２の電極３０とが設置されている。第２の電極３０を接地し、第１の電極２０を電源４０に接続して交流電圧またはパルス電圧を印加すると、第１の電極２０から微細な気泡が発生して水８０中に拡がっていき、水８０は還元された還元水となる。
【解決手段】水８０中には第１の電極２０と第２の電極３０とが設置されている。第２の電極３０を接地し、第１の電極２０を電源４０に接続して交流電圧またはパルス電圧を印加すると、第１の電極２０から微細な気泡が発生して水８０中に拡がっていき、水８０は還元された還元水となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元水生成装置及び還元水生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機能水の一つである還元水は、たとえば半導体装置の製造ラインにおいて、Ｃｕ配線のＣＭＰ、ＣＭＰ洗浄、剥離リンス等に用いられている。また、半導体以外の分野においても、たとえば、液晶や工業部品の洗浄、植物生育環境の制御、食品への適用、化粧品などに広く用いられている。
【０００３】
還元水の製造方法としては、水に水素ガスを吹き込む方法や水を電気分解する方法などが知られている（例えば特許文献８）。
【０００４】
一方、液体中に分散させた微細な気泡は、直径が数百μｍ以上である通常目視されるの気泡に比べて、体積に対して比表面積が大きく液中の滞在時間が長いなどの特徴を有している。このような特徴を生かして、浄化・殺菌・消毒、液相化学反応器、溶液中の有害物質除去、ドラッグデリバリー、血液の造影剤、摩擦抵抗の低減など様々な分野において微細気泡は利用されている。例えば、気泡の直径が５０μｍ以下の微細気泡はマイクロバブルと呼ばれ、気泡内の気体が周囲の液相に溶け込むことによって直径が減少するため、表面張力の効果により内部が高圧・高温になり、気泡の消滅時にＯＨラジカル等酸化力の高いフリーラジカルと圧力波を生じることが知られている（例えば非特許文献１参照）。さらに気泡直径が１μｍよりも小さく数十〜数百ｎｍのサイズの微細気泡は、ナノバブルと呼ばれている。
【０００５】
このような微細気泡を作製する方法として、例えば特許文献１には、被処理水の導入管の加圧ポンプの吸い込み側にエゼクタを設けオゾンガスを吸引して混合する手段と、オゾン混合水を加圧ポンプで圧入してオリフィスアトマイザから溶解槽に噴射してオゾンガスを微細気泡とする手段と、噴射されたオゾン混合水が滞留する内槽を具備した溶解槽とからなる加圧式オゾン処理装置を用いる方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、気体供給口を液体中に設けた微細管の該気体供給口から液中に供給される気体が完全な気泡を生成する前に、該気体と該液体の気液界面に超音波を付与することで、気液界面から連続的に複数の微小気泡を生成させる方法が開示されている。
【０００７】
さらに特許文献３には、微小気泡発生装置により生成させたマイクロバブルに物理的刺激を加えることにより、このマイクロバブルを急激に縮小させてナノバブルを生成させる方法が開示されている。
【０００８】
特許文献４には常圧下において発生時に略３０μｍ以下の気泡径を有し、発生後は所定の寿命を持って徐々に微細化し、消滅・溶解する微細気泡の生成方法およびメカニズムや物理化学的性質・機能等が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−２２５６９６号公報
【特許文献２】特開２００２−１１３３４０号公報
【特許文献３】特開２００５−２４５８１７号公報
【特許文献４】特開２００３−１４３８８５号公報
【特許文献５】特開２００５−７４３６９号公報
【特許文献６】特開２００５−１０８６００号公報
【特許文献７】再公表２００４／０９４３０６号公報
【特許文献８】特開２００７−１８５６１３号公報
【非特許文献１】「水の特性と新しい利用技術」、株式会社エヌ・ティー・エス、２００４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の方法で生成させた還元水は放置しておくと数十分以内に元の通常の水の状態に戻ってしまい、長時間安定して存在する還元水を生成させることは非常に困難であった。
【００１０】
また、上述の特許文献１〜４に開示された方法により作製された微細気泡は気泡径にばらつきが生じ、径の大きさに分布が生じてしまうという問題があった（例えば特許文献４参照）。そして、微細気泡を生成させる装置が大型であったり生成に手間がかかったりするという問題もあった。
【００１１】
特許文献５に開示された方法では、微細気泡の径を均一にするために水の粘度の１０倍以上の粘度を有する液体を用いているが、このような液体はある種のシリコンオイル等特殊な液体であり、微細気泡を分散させたい液体として特に需要の高い水にはこの方法は使えない。
【００１２】
さらに、微細気泡を含有している還元水についてはこれまでに知られておらず、その特徴はわかっていない。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、長時間安定して還元状態を保持する微細気泡入り還元水を簡単に発生させる還元水生成装置および還元水生成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、本発明の還元水生成装置は、微細な気泡を含有する還元水を生成させる還元水生成装置であって、水に接触する第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源とを備えた構成とした。ここで微細な気泡とは、気泡径が１μｍ以上１００μｍ以下のマイクロバブルおよび気泡径が１μｍ未満のナノバブルのことをいう。また還元水とは、一定温度で十分空気に曝して平衡となった純水の平衡酸化還元電位ＯＲＰeq（非特許文献１、３１９頁参照）よりも０．２Ｖ以上低い酸化還元電位を示す水のことである。この純水の平衡酸化還元電位ＯＲＰeqは、ＯＲＰeq＝０．８４−０．０４７ａ（Ｖ）で表され、ａは純水のｐＨの値である。また、交流電圧には電圧波形が三角波や鋸波、複合波である電圧も含まれる。
【００１５】
上記構成によって、水に接触する２つの電極間に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより電極から液体中に気泡が発生するとともに水が還元状態となり、気泡径は交流電圧の周波数またはパルス電圧のパルス幅に応じたものとなる。
【００１６】
前記電源は５００Ｖ以上の前記交流電圧またはパルス電圧を印加するものであることが好ましい。
【００１７】
前記第１の電極は、絶縁被覆されている部分と導電体が露出している部分とを有しており、少なくとも前記導電体が露出している部分は、前記水に接触している構成とすることができる。
【００１８】
前記第１の電極は線状であって、先端以外は絶縁被覆されており、先端は導電体が露出している構成とすることができる。
【００１９】
前記第２の電極は接地電極である構成とすることができる。
【００２０】
前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、イオン化傾向がＣｕ以下の金属からなる構成とすることができ、さらに前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、イオン化傾向がＡｇ以下の金属からなる構成とすることができる。
【００２１】
前記第２の電極の少なくとも前記水と接触している部分は絶縁被覆されていてもよいし、前記第２の電極の前記水と接触している部分の少なくとも一部は導電体が露出していてもよい。
【００２２】
前記交流電圧の周波数は１０Ｈｚ以上５００ｋＨｚ以下または前記パルス電圧のパルス幅は５ｎｓｅｃ以上５０ｍｓｅｃ以下である構成とすることができる。
【００２３】
前記気泡の径は、５０ｎｍ以上１００μｍ以下である構成とすることができる。
【００２４】
本発明の還元水生成方法は、微細な気泡を含有する還元水を生成させる還元水生成方法であって、水に第２つの電極を接触させる工程と、前記２つの電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電圧印加工程とを含む構成とした。
【００２５】
前記電圧印加工程では５００Ｖ以上の前記交流電圧またはパルス電圧を印加する川迫とすることができる。
【００２６】
前記交流電圧の周波数は１０Ｈｚ以上５００ｋＨｚ以下または前記パルス電圧のパルス幅は５ｎｓｅｃ以上５０ｍｓｅｃ以下である構成とすることができる。
【００２７】
前記２つの電極のうち少なくとも一方から微細気泡が水中に噴出し水に流れを生成させる構成とすることができる。
【００２８】
前記気泡の径は、５０ｎｍ以上１００μｍ以下である構成とすることができる。
【００２９】
水素ガスを含む気泡が分散している還元水を生成させる構成とすることができる。
【００３０】
酸素ガスを含む気泡が分散している還元水を生成させる構成とすることができる。
【００３１】
前記電圧印加工程では、少なくとも１つの前記電極からプラズマが発生している構成とすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
水に接触する２つの電極間に交流電圧またはパルス電圧を印加させるという簡単な装置構成により、長時間に亘って還元状態を保持する還元水を生成させることができるともに微細であって径の均一な気泡を還元水中に発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
【００３４】
（実施形態１）
実施形態１に係る還元水生成装置は、図１に示すように、水８０の中に第１の電極２０と第２の電極３０とを挿入したものである。水８０は容器１０の中に入れられている。
【００３５】
本実施形態の還元水生成装置１はさらに電源４０を備えており、この電源４０は第１の電極２０に接続されているとともに接地線５０により接地されている。また、第２の電極３０も接地線５０により接地されている。電源４０から第１の電極２０および第２の電極３０の間に交流電圧あるいはパルス電圧を印加すると、第１の電極２０から微細な気泡が発生するのが目視により観察される。そして交流電圧あるいはパルス電圧を数秒以上印加すると、水８０の酸化還元電位が純水の平衡酸化還元電位ＯＲＰeqよりも０．２Ｖ以上低くなる。そして、この酸化還元電位が低い還元された状態は電圧印加を停止した数時間後であっても電圧印加停止直後とほとんど変わらない。酸化還元電位は、酸化還元電位計によって測定する。
【００３６】
第１の電極２０および第２の電極３０は、図２に示すように線状の導電性部材２１の表面に絶縁体または誘電体からなる被覆２２が施されている構成を有している。導電性部材２１は金属やカーボン、有機導電性材料など導電性を有していればどのようなものであっても構わない。本実施形態ではＰｔ線としている。また、第１の電極２０の水８０中に浸漬されている部分の先端は被覆２２により覆われておらず、導電性部材２１が露出している。このような構成により、電界が集中する第１の電極２０の先端から気泡が発生する。なお、このように導電性部材２１が水８０中に露出している場合は露出部分から導電性部材２１が溶け出さないように、導電性部材２１として水素よりもイオン化傾向が低い物質を用いることが好ましく、金属であればイオン化傾向がＣｕ以下のものが好ましい。イオン化傾向がＡｇ以下の金属を導電性部材２１に用いるとより好ましい。
【００３７】
被覆２２を構成する絶縁体は、ＰＦＡやＰＴＦＥ、ＦＥＰなどのフッ素樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、シリコーン類などの電気絶縁性のポリマー、あるいはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のような電気絶縁性の無機物などを挙げることができる。また、被覆２２を構成する誘電体としては、チタン酸バリウムなどの誘電率が高い物質を挙げることができる。被覆２２を構成する絶縁体・誘電体は、電気絶縁性、耐熱性、耐衝撃性が大きい物質のほうが好ましい。本実施形態ではフッ素樹脂により被覆２２を形成した。
【００３８】
電源４０は交流電圧あるいはパルス電圧を印加するものであるが、第１の電極２０の形状や材質、長さなど、第１の電極２０と第２の電極３０との距離、水８０の状態等々で気泡が発生するかしないか還元水が生成するかしないかということ及び気泡発生の速度が影響されるため、交流電圧あるいはパルス電圧の周波数や電圧の大きさは特に限定されないが５００Ｖ以上であることが好ましい。パルス電圧は図３に示すように、極性の変わる（＋から−、または−から＋）パルス、あるいは０Ｖから＋側あるいは−側のいずれかへ立ち上がるパルスが好ましく、パルス電圧が時間的に連続して供給されると気泡が連続して発生するので、好ましい。なお、このように極性が変わり連続して供給されるパルス電圧は、方形波の交流電圧とも言える。
【００３９】
なお、電源４０の周波数や電圧は特に限定されないと上で述べたが、発生する気泡径は周波数あるいはパルス幅に依存して変化する。即ち、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径が小さくなり、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径が大きくなる。従って、いわゆるマイクロバブルやナノバブルを発生させるには、周波数は１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚであることが好ましい。電圧は、気泡の発生量の観点から５００Ｖ〜５００ｋＶであることが好ましく、装置の扱いやすさの点で５００Ｖ〜２０ｋＶが好ましい。また、電源４０により交流電圧またはパルス電圧が第１の電極２０に印加された際の第１の電極２０近辺の電界強度は、１０４Ｖ／ｍ以上１０１０Ｖ／ｍ以下が好ましい。
【００４０】
本実施形態の還元水生成装置１では、２つの電極２０，３０間に交流電圧またはパルス電圧を印加することによって水の電気分解が行われて酸化還元電位が低くなり、電気分解により生じた気体（水素や酸素など）が微細な気泡として水８０中に分散していく。本実施形態では交流電圧あるいはパルス電圧を印加して電気分解が行われているので、気体は交流の半周期またはパルス幅の時間に発生しこれが微細な気泡となる（交流の次の半周期では別種の気体が発生する）。そして微細な気泡が帯電しているので、第１の電極２０周りの電界によって第１の電極２０から離脱していく。あるいは電界により駆動された水の流れにより第１の電極２０から離脱していく。このようなメカニズムにより微細な気泡を発生させることができると共に、その気泡径も周波数あるいはパルス幅によってコントロールすることができる。
【００４１】
また、本実施形態では高電圧の交流電圧あるいはパルス電圧を印加すると、第１の電極２０の周囲に誘電体バリア放電などによってプラズマが発生するようになり、水８０がそのプラズマによって物理的化学的変化を起こして酸化還元電位が低くなるとともに、水素や酸素以外のガス種による気泡も発生する可能性がある。また、水８０中に電気分解される物質が含まれていてもプラズマによる気泡の発生は生じる可能性がある。プラズマによって気泡が発生するときも、交流電圧の周波数あるいはパルス電圧のパルス幅によって気泡の径が決まる。即ち、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径が小さくなり、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径が大きくなる。また、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径のばらつきは小さく、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径のばらつきが大きくなる。ここ発生するで気泡の径が均一であるかどうかの目安であるが、平均の気泡径をＴとしたときに、個数にして８０％以上の気泡の径が０．１Ｔ〜１０Ｔの範囲内にあればほぼ均一であるとみなすことができる。９０％以上が上記範囲内にあれば均一性が高く、好ましい。
【００４２】
水８０を入れる容器１０は電気絶縁性の物質により構成されていることが好ましい。
【００４３】
次に本実施形態の還元水生成装置１を用いた気泡を含む還元水を生成させる方法を説明する。
【００４４】
まず絶縁性の容器１０を用意する。その容器１０の底に第２の電極３０を円形状にして設置する。それから容器１０の中に蒸留水である水８０を入れる。第２の電極３０は接地しておく。
【００４５】
次に水８０の中に第１の電極２０を入れる。この時第２の電極３０に第１の電極２０が接触しないように第１の電極２０の位置を調整する。
【００４６】
それから第１の電極２０に電源４０を接続し、交流電圧またはパルス電圧を印加する。交流電圧またはパルス電圧が印加されることによって第１の電極２０の先端から水８０中に気泡が発生する。また、水８０の酸化還元電位が下がって還元された状態になる。気泡は電界の力を受けて第１の電極２０から高速で離れていき、水８０中に流れを生成させる。交流電圧の周波数またはパルス電圧のパルス幅は所望する気泡径に応じて調節する。また、電圧条件を調節することにより第１の電極２０から同時にプラズマを発生させることもできる。プラズマが発生するとパルス状の電流が流れ、また発光するため、プラズマの発生は容易に確認できる。なお、以上説明した現象は目視によるものであるので、微視的には第１の電極２０の被覆２２によって覆われている部分や第２の電極３０から微細な気泡が発生している可能性もある。
【００４７】
電圧印加を止めると気泡の発生も止まる。なお、電圧印加によって水８０に熱が加わるので、水８０を冷却することが好ましい。
【００４８】
上記還元水生成方法において、容器１０の中に第２の電極３０，水８０，第１の電極２０を入れる順番は上記記載の順番に限定されない。また、第１の電極２０を水８０中に入れる前に電源４０と接続しておいても構わない。
【００４９】
本実施形態の還元水生成装置１および還元水生成方法は、容器１０に入った水８０中に２つの電極２０，３０を入れて交流電圧またはパルス電圧を印加するという簡単な装置および方法であるので、還元水生成装置１を低コストで作製できるとともに気泡を含んだ還元水を生成させたい場所や広さなどによって装置構成を比較的自由に設計できる。また、気泡径を電源の周波数あるいはパルス幅によってコントロールでき、しかも径のばらつきは小さくできるので、種々の用途に応用できる。特に還元された状態の水の中に気泡径が小さいナノバブルを簡単な方法で均一径で発生させること、および水の電気分解による長時間の安定した還元状態の保持は従来は知られていなかったが、本実施形態の還元水生成装置および還元水生成方法を用いれば容易に均一径のナノバブルを低コストで発生させることができるとともに還元水の還元状態を長時間保持することができる。これにより、ウイルス・細菌の吸着分離など医療分野への応用や工場での洗浄・除菌などを広く行うことができる。また、発生した気泡は第１の電極２０から水８０中に噴出して水８０に流れを生成させるので、気泡が速やかに水８０中に拡がっていき、攪拌装置を用いることなしに還元状態および気泡の存在状態を水８０全体で均一にすることができる。
【００５０】
還元水の還元状態が長時間保持される機構はよくわかっていないが、微細な気泡が水中に発生し、それが長時間水中に残存するためという仮説が考えられる。本実施形態において水中の過酸化水素の濃度を測定すると、電圧印加を開始すると濃度が増加していき、１分ほどで２ｍｇ／ｌ程度に増加する。この状態で電圧印加を停止して放置しておくと、それ以後は２時間経っても過酸化水素濃度の変化は見られない。過酸化水素が生成しているのは、ＯＨラジカルが発生しているためと考えられ、過酸化水素以外にもオゾンや水素なども生成していると考えられる。なおオゾンが生成されていることは確認している。さらに電圧印加停止後も長時間濃度変化が見られないことから、目に見えない微細な気泡が長時間水中に存在し、その気泡が圧壊するときに大きなエネルギーが発生するためにＯＨラジカルが生成する、という仮説を考えている。これにより還元状態が長時間保持されると考えている。
【００５１】
さらに電源電圧、電流の調整を行うことで、プラズマで生成した化学種を気泡中に閉じ込めることが可能と考えられる。即ち、第１の電極２０にプラズマを発生させて、気泡も同時に発生させれば、気泡中にプラズマを閉じ込められると考えられる。特許文献６、７には液体中の気泡にプラズマを発生させる装置が開示されているが、これらは超音波などを利用した従来の気泡発生装置を用いて気泡を発生させ、そこへマイクロ波を照射してプラズマを発生させるものであり、気泡径を任意の大きさにして均一に揃えることは現状では実現されていない。なお、気泡中にプラズマが発生すると、ラジカルなどが気泡の中に閉じ込められ、より高いエネルギー状態を保つ可能性がある。さらに気泡が圧壊する際に大きなエネルギーが発生し、さらに高エネルギーのプラズマが発生すれば、この高エネルギープラズマを種々の用途に利用できる。
【００５２】
−実施例−
図１に示す装置と同様の装置を用い、水に微細な気泡を発生させた。具体的には、ポリスチレン製の円筒形の容器（内径３．５ｃｍ、高さ６ｃｍ）に高さ４ｃｍほど蒸留水を入れ、第１の電極としてフッ素樹脂により被覆した銅線を用い、第２の電極としてフッ素樹脂により被覆したＰｔ線を用いて容器の中に入れた。銅線は直径０．６ｍｍ、Ｐｔ線は直径０．３ｍｍのものである。第１の電極は直線状で、先端のみ被覆を除去しており、第２の電極は容器の底の内側の円外周と同じ円形にして底に設置した。なお、第２の電極の容器内に入っている部分は全て絶縁被覆されている。第１の電極と第２の電極とは接触しないように設置した。
【００５３】
第２の電極を接地し、第１の電極はアースされている電源に接続した。この電源からパルス電圧（１０ｋＨｚ、２０ｋＶｐｐ、矩形波、Ｄｕｔｙ比５０％）を第１の電極に印加した。なお、第２の電極と電源とは共に接地されているので、電源は第１の電極及び第２の電極の間に電圧を印加したことになる。
【００５４】
電圧を印加した直後から第１の電極先端から微細な気泡が吹き出し液体中に流れていった。１〜２秒後には微細気泡の混ざった流れが渦巻いて、容器中が濁ったような状態となった。このとき第１の電極の先端は発光しており、プラズマが発生していることが確認された。以上の状況は目視により観察したものである。
【００５５】
次に、容器の中の蒸留水を入れ替えて、１０ｋＨｚ、電圧１０ｋＶ、offset −５ｋＶ、矩形波、Ｄｕｔｙ比８０％のパルス電圧を第１の電極に一定時間印加した後、水の酸化還元電位を測定した。図６に電圧印加時間と酸化還元電位との関係を示す。この水のｐＨは５．３〜５．９であり、ＯＰＲeqは計算上５６０〜５９０ｍＶであるが、実際に計測された酸化還元電位は７５〜１００ｍＶであり平衡状態から約５００ｍＶ（０．５Ｖ）還元された状態であった。また、電圧印加時間を１０〜４０秒の間で変更しているが、この時間の範囲内では酸化還元電位はほとんど変わらず、長くても１０秒間の電圧印加を行えば還元の度合いは飽和状態になるものと考えられる。なお、これらの還元水を２時間放置しておいても酸化還元電位には有意な変化が見られず、還元状態が長時間保たれることを確認した。
【００５６】
次に、パルス電圧の電圧条件を、１０ｋＨｚ、０Ｖから−１０ｋＶまで、矩形波、Ｄｕｔｙ比９９％に変更し（パルス幅１μｓｅｃ）、第１の電極に印加したところ、容器中の濁りは薄く気泡の径がより微小であると思われた。そこで、電圧の印加を停止してから１１分１７秒後に、Sympatec GmbH製レーザ回折式粒子径分布測定装置HELOSシステムという装置を用いてレーザ回折方式により、水中の気泡径を測定した。測定結果を図５に示す。約９０％の気泡が、０．３８μｍ（３８０ｎｍ）から１．３μｍの径を有しており、７８０ｎｍにピークを有する気泡径分布となった。なお、図５は同じサンプルを１０に分けて、それらを測定した結果である。このように気泡径がほぼ均一なナノバブルが得られた。
【００５７】
なお、本実施例では、ファンクションジェネレータで発生させたパルスを増幅器を用いて電圧を１０００倍にしているが、増幅器は１μｓｅｃで０Ｖ→５００Ｖの立ち上がり性能しか有していないため、上述の電圧は実際には数百Ｖ程度である可能性が大きい。
【００５８】
ここでは、水の中には水素ガスが含まれた微細気泡が分散していると考えられる。一方、電圧を０Ｖからプラスのピーク電圧となるように設定すると、酸素ガスが含まれた微細気泡が水中に分散し、プラス側とマイナス側の双方にピーク電圧を設定すると、水素ガスが含まれた微細気泡と酸素ガスが含まれた微細気泡とが混在した水が得られる。
【００５９】
また、条件を変えて気泡を発生させたところ、約４００ｎｍ、あるいは約６００ｎｍのところにピークを備えた気泡径分布を有する微細気泡が発生した。
【００６０】
本実施形態において、第２の電極３０は第１の電極２０と異なる構造の電極であっても構わない。被覆の種類や厚み、導電性部材の構成物質が第１の電極２０と異なっていてもよいし、全体の形状が例えば板状であっても構わない。また、第２の電極３０において被覆２２は無くても気泡は発生するが、被覆２２が無いと第２の電極３０の導電性部材２１の材料によっては電気分解により生成した反応生成物によって導電性部材２１が冒される場合がある。
【００６１】
（実施形態２）
実施形態２に係る還元水生成装置は、図４に示すように、水８０の中に第１の電極２０を入れて、その第１の電極２０に電源４０を接続している点は実施形態１と同じであるが、第２の電極３５が実施形態１とは異なっているので、実施形態１と異なっている点を以下に説明する。
【００６２】
本実施形態では容器１１内壁の一部と第２の電極３５とが一体化している。即ち、容器１１の側壁面および底面が第２の電極３５によって構成されており、水８０と接触する容器１１内面においては第２の電極３５は絶縁被覆されている。なお、第２の電極３５の導電性部材および絶縁被覆については実施形態１と同じである。この第２の電極３５は電源４０に接続されており、これら両者を接続する線は接地されている。なお、第２の電極３５の絶縁被覆は無くても構わない。
【００６３】
本実施形態の還元水生成装置２によっても実施形態１と同様に、容器１１中の水８０の酸化還元電位が下がって還元水となるとともに、水８０中に微細な気泡が発生する。本実施形態では、第２の電極３５と一体となった容器１１を準備しておきさえすれば実施形態１よりも第１の電極２０の位置調節が容易である。それ以外の効果は実施形態１と同じである。
【００６４】
（実施形態３）
実施形態３に係る還元水生成装置は、第２の電極が実施形態１とは異なっており、それ以外は実施形態１と同じであるので、実施形態１とは異なっているところを説明する。
【００６５】
本実施形態では、第２の電極も第１の電極と同じ形状としている。即ち、第２の電極は直線状で液体に浸漬されており、その先端では導電性部材が露出している。なお、実施形態１と同じく本実施形態では第２の電極は接地されている。
【００６６】
本実施形態において実施形態１と同じように第１の電極に交流電圧あるいはパルス電圧を印加すると、実施形態１とは異なり、第２の電極の先端からも気泡が発生する。容器中の水は実施形態１と同様に還元水となる。なお、第２の電極の導電性部材の露出部分は先端に限られず、また、露出部分の数は複数であっても構わない。
【００６７】
（その他の実施形態）
上記の実施形態および実施例は本発明の例であり、本発明はこれらの例に限定されない。第１の電極の形状は線状以外の板状や球形等の立体形状であっても構わない。また、水には、塩などのイオン性の物質や有機物などが溶解していてもよい。
【００６８】
第１の電極の水に浸漬している部分には、複数箇所の導電体露出部が存していても構わないし、全体が露出していても構わない。それらの導電体露出部に電流集中が生じ、それらの部分から気泡が発生する。あるいは第１の電極の水に浸漬している部分全体が被覆されていても構わないし、第１の電極の水に浸漬している部分といない部分との両方に導体露出部が存在していても構わない。また、第１の電極を剣山のような形状とし、複数の針形状の先端を導電体露出部としてもよい。
【００６９】
第２の電極は液体を入れる容器の壁部全体ではなく一部としてもよい。例えば、容器の底面に絶縁被覆電極を敷いたり、容器の側壁に電極を埋め込み、液体とは絶縁被膜と隔てるような構成としたりしてもよいし、絶縁被覆を施さなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上説明したように、本発明に係る還元水生成装置は、還元状態が長時間保持される還元水を簡単な装置で簡便に生成させることができるとともに、径の揃った微細な気泡を簡単に還元水中に発生させることができ、浄化・洗浄・殺菌・消毒、液相化学反応器、溶液中の有害物質除去、ドラッグデリバリー、血液の造影剤等に利用できる微細気泡入りの還元水を生成させることができ有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施形態１に係る還元水生成装置の模式図
【図２】実施形態１に係る電極の断面図
【図３】パルス電圧を示す図
【図４】実施形態２に係る還元水生成装置の模式図
【図５】実施例に係る発生した気泡の径の分布図
【図６】実施例に係る電圧印加時間と酸化還元電位との関係を示す図
【符号の説明】
【００７２】
１，２ 還元水生成装置
１０，１１ 容器
２０ 第１の電極
２１ 導電性部材
２２ 被覆
３０，３５ 第２の電極
４０ 電源
５０ 接地線
８０ 水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、還元水生成装置及び還元水生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機能水の一つである還元水は、たとえば半導体装置の製造ラインにおいて、Ｃｕ配線のＣＭＰ、ＣＭＰ洗浄、剥離リンス等に用いられている。また、半導体以外の分野においても、たとえば、液晶や工業部品の洗浄、植物生育環境の制御、食品への適用、化粧品などに広く用いられている。
【０００３】
還元水の製造方法としては、水に水素ガスを吹き込む方法や水を電気分解する方法などが知られている（例えば特許文献８）。
【０００４】
一方、液体中に分散させた微細な気泡は、直径が数百μｍ以上である通常目視されるの気泡に比べて、体積に対して比表面積が大きく液中の滞在時間が長いなどの特徴を有している。このような特徴を生かして、浄化・殺菌・消毒、液相化学反応器、溶液中の有害物質除去、ドラッグデリバリー、血液の造影剤、摩擦抵抗の低減など様々な分野において微細気泡は利用されている。例えば、気泡の直径が５０μｍ以下の微細気泡はマイクロバブルと呼ばれ、気泡内の気体が周囲の液相に溶け込むことによって直径が減少するため、表面張力の効果により内部が高圧・高温になり、気泡の消滅時にＯＨラジカル等酸化力の高いフリーラジカルと圧力波を生じることが知られている（例えば非特許文献１参照）。さらに気泡直径が１μｍよりも小さく数十〜数百ｎｍのサイズの微細気泡は、ナノバブルと呼ばれている。
【０００５】
このような微細気泡を作製する方法として、例えば特許文献１には、被処理水の導入管の加圧ポンプの吸い込み側にエゼクタを設けオゾンガスを吸引して混合する手段と、オゾン混合水を加圧ポンプで圧入してオリフィスアトマイザから溶解槽に噴射してオゾンガスを微細気泡とする手段と、噴射されたオゾン混合水が滞留する内槽を具備した溶解槽とからなる加圧式オゾン処理装置を用いる方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、気体供給口を液体中に設けた微細管の該気体供給口から液中に供給される気体が完全な気泡を生成する前に、該気体と該液体の気液界面に超音波を付与することで、気液界面から連続的に複数の微小気泡を生成させる方法が開示されている。
【０００７】
さらに特許文献３には、微小気泡発生装置により生成させたマイクロバブルに物理的刺激を加えることにより、このマイクロバブルを急激に縮小させてナノバブルを生成させる方法が開示されている。
【０００８】
特許文献４には常圧下において発生時に略３０μｍ以下の気泡径を有し、発生後は所定の寿命を持って徐々に微細化し、消滅・溶解する微細気泡の生成方法およびメカニズムや物理化学的性質・機能等が開示されている。
【特許文献１】特開平１０−２２５６９６号公報
【特許文献２】特開２００２−１１３３４０号公報
【特許文献３】特開２００５−２４５８１７号公報
【特許文献４】特開２００３−１４３８８５号公報
【特許文献５】特開２００５−７４３６９号公報
【特許文献６】特開２００５−１０８６００号公報
【特許文献７】再公表２００４／０９４３０６号公報
【特許文献８】特開２００７−１８５６１３号公報
【非特許文献１】「水の特性と新しい利用技術」、株式会社エヌ・ティー・エス、２００４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の方法で生成させた還元水は放置しておくと数十分以内に元の通常の水の状態に戻ってしまい、長時間安定して存在する還元水を生成させることは非常に困難であった。
【００１０】
また、上述の特許文献１〜４に開示された方法により作製された微細気泡は気泡径にばらつきが生じ、径の大きさに分布が生じてしまうという問題があった（例えば特許文献４参照）。そして、微細気泡を生成させる装置が大型であったり生成に手間がかかったりするという問題もあった。
【００１１】
特許文献５に開示された方法では、微細気泡の径を均一にするために水の粘度の１０倍以上の粘度を有する液体を用いているが、このような液体はある種のシリコンオイル等特殊な液体であり、微細気泡を分散させたい液体として特に需要の高い水にはこの方法は使えない。
【００１２】
さらに、微細気泡を含有している還元水についてはこれまでに知られておらず、その特徴はわかっていない。
【００１３】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、長時間安定して還元状態を保持する微細気泡入り還元水を簡単に発生させる還元水生成装置および還元水生成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するため、本発明の還元水生成装置は、微細な気泡を含有する還元水を生成させる還元水生成装置であって、水に接触する第１及び第２の電極と、前記第１及び第２の電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源とを備えた構成とした。ここで微細な気泡とは、気泡径が１μｍ以上１００μｍ以下のマイクロバブルおよび気泡径が１μｍ未満のナノバブルのことをいう。また還元水とは、一定温度で十分空気に曝して平衡となった純水の平衡酸化還元電位ＯＲＰeq（非特許文献１、３１９頁参照）よりも０．２Ｖ以上低い酸化還元電位を示す水のことである。この純水の平衡酸化還元電位ＯＲＰeqは、ＯＲＰeq＝０．８４−０．０４７ａ（Ｖ）で表され、ａは純水のｐＨの値である。また、交流電圧には電圧波形が三角波や鋸波、複合波である電圧も含まれる。
【００１５】
上記構成によって、水に接触する２つの電極間に交流電圧またはパルス電圧を印加することにより電極から液体中に気泡が発生するとともに水が還元状態となり、気泡径は交流電圧の周波数またはパルス電圧のパルス幅に応じたものとなる。
【００１６】
前記電源は５００Ｖ以上の前記交流電圧またはパルス電圧を印加するものであることが好ましい。
【００１７】
前記第１の電極は、絶縁被覆されている部分と導電体が露出している部分とを有しており、少なくとも前記導電体が露出している部分は、前記水に接触している構成とすることができる。
【００１８】
前記第１の電極は線状であって、先端以外は絶縁被覆されており、先端は導電体が露出している構成とすることができる。
【００１９】
前記第２の電極は接地電極である構成とすることができる。
【００２０】
前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、イオン化傾向がＣｕ以下の金属からなる構成とすることができ、さらに前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、イオン化傾向がＡｇ以下の金属からなる構成とすることができる。
【００２１】
前記第２の電極の少なくとも前記水と接触している部分は絶縁被覆されていてもよいし、前記第２の電極の前記水と接触している部分の少なくとも一部は導電体が露出していてもよい。
【００２２】
前記交流電圧の周波数は１０Ｈｚ以上５００ｋＨｚ以下または前記パルス電圧のパルス幅は５ｎｓｅｃ以上５０ｍｓｅｃ以下である構成とすることができる。
【００２３】
前記気泡の径は、５０ｎｍ以上１００μｍ以下である構成とすることができる。
【００２４】
本発明の還元水生成方法は、微細な気泡を含有する還元水を生成させる還元水生成方法であって、水に第２つの電極を接触させる工程と、前記２つの電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電圧印加工程とを含む構成とした。
【００２５】
前記電圧印加工程では５００Ｖ以上の前記交流電圧またはパルス電圧を印加する川迫とすることができる。
【００２６】
前記交流電圧の周波数は１０Ｈｚ以上５００ｋＨｚ以下または前記パルス電圧のパルス幅は５ｎｓｅｃ以上５０ｍｓｅｃ以下である構成とすることができる。
【００２７】
前記２つの電極のうち少なくとも一方から微細気泡が水中に噴出し水に流れを生成させる構成とすることができる。
【００２８】
前記気泡の径は、５０ｎｍ以上１００μｍ以下である構成とすることができる。
【００２９】
水素ガスを含む気泡が分散している還元水を生成させる構成とすることができる。
【００３０】
酸素ガスを含む気泡が分散している還元水を生成させる構成とすることができる。
【００３１】
前記電圧印加工程では、少なくとも１つの前記電極からプラズマが発生している構成とすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
水に接触する２つの電極間に交流電圧またはパルス電圧を印加させるという簡単な装置構成により、長時間に亘って還元状態を保持する還元水を生成させることができるともに微細であって径の均一な気泡を還元水中に発生させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。
【００３４】
（実施形態１）
実施形態１に係る還元水生成装置は、図１に示すように、水８０の中に第１の電極２０と第２の電極３０とを挿入したものである。水８０は容器１０の中に入れられている。
【００３５】
本実施形態の還元水生成装置１はさらに電源４０を備えており、この電源４０は第１の電極２０に接続されているとともに接地線５０により接地されている。また、第２の電極３０も接地線５０により接地されている。電源４０から第１の電極２０および第２の電極３０の間に交流電圧あるいはパルス電圧を印加すると、第１の電極２０から微細な気泡が発生するのが目視により観察される。そして交流電圧あるいはパルス電圧を数秒以上印加すると、水８０の酸化還元電位が純水の平衡酸化還元電位ＯＲＰeqよりも０．２Ｖ以上低くなる。そして、この酸化還元電位が低い還元された状態は電圧印加を停止した数時間後であっても電圧印加停止直後とほとんど変わらない。酸化還元電位は、酸化還元電位計によって測定する。
【００３６】
第１の電極２０および第２の電極３０は、図２に示すように線状の導電性部材２１の表面に絶縁体または誘電体からなる被覆２２が施されている構成を有している。導電性部材２１は金属やカーボン、有機導電性材料など導電性を有していればどのようなものであっても構わない。本実施形態ではＰｔ線としている。また、第１の電極２０の水８０中に浸漬されている部分の先端は被覆２２により覆われておらず、導電性部材２１が露出している。このような構成により、電界が集中する第１の電極２０の先端から気泡が発生する。なお、このように導電性部材２１が水８０中に露出している場合は露出部分から導電性部材２１が溶け出さないように、導電性部材２１として水素よりもイオン化傾向が低い物質を用いることが好ましく、金属であればイオン化傾向がＣｕ以下のものが好ましい。イオン化傾向がＡｇ以下の金属を導電性部材２１に用いるとより好ましい。
【００３７】
被覆２２を構成する絶縁体は、ＰＦＡやＰＴＦＥ、ＦＥＰなどのフッ素樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、シリコーン類などの電気絶縁性のポリマー、あるいはダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）のような電気絶縁性の無機物などを挙げることができる。また、被覆２２を構成する誘電体としては、チタン酸バリウムなどの誘電率が高い物質を挙げることができる。被覆２２を構成する絶縁体・誘電体は、電気絶縁性、耐熱性、耐衝撃性が大きい物質のほうが好ましい。本実施形態ではフッ素樹脂により被覆２２を形成した。
【００３８】
電源４０は交流電圧あるいはパルス電圧を印加するものであるが、第１の電極２０の形状や材質、長さなど、第１の電極２０と第２の電極３０との距離、水８０の状態等々で気泡が発生するかしないか還元水が生成するかしないかということ及び気泡発生の速度が影響されるため、交流電圧あるいはパルス電圧の周波数や電圧の大きさは特に限定されないが５００Ｖ以上であることが好ましい。パルス電圧は図３に示すように、極性の変わる（＋から−、または−から＋）パルス、あるいは０Ｖから＋側あるいは−側のいずれかへ立ち上がるパルスが好ましく、パルス電圧が時間的に連続して供給されると気泡が連続して発生するので、好ましい。なお、このように極性が変わり連続して供給されるパルス電圧は、方形波の交流電圧とも言える。
【００３９】
なお、電源４０の周波数や電圧は特に限定されないと上で述べたが、発生する気泡径は周波数あるいはパルス幅に依存して変化する。即ち、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径が小さくなり、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径が大きくなる。従って、いわゆるマイクロバブルやナノバブルを発生させるには、周波数は１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚであることが好ましい。電圧は、気泡の発生量の観点から５００Ｖ〜５００ｋＶであることが好ましく、装置の扱いやすさの点で５００Ｖ〜２０ｋＶが好ましい。また、電源４０により交流電圧またはパルス電圧が第１の電極２０に印加された際の第１の電極２０近辺の電界強度は、１０４Ｖ／ｍ以上１０１０Ｖ／ｍ以下が好ましい。
【００４０】
本実施形態の還元水生成装置１では、２つの電極２０，３０間に交流電圧またはパルス電圧を印加することによって水の電気分解が行われて酸化還元電位が低くなり、電気分解により生じた気体（水素や酸素など）が微細な気泡として水８０中に分散していく。本実施形態では交流電圧あるいはパルス電圧を印加して電気分解が行われているので、気体は交流の半周期またはパルス幅の時間に発生しこれが微細な気泡となる（交流の次の半周期では別種の気体が発生する）。そして微細な気泡が帯電しているので、第１の電極２０周りの電界によって第１の電極２０から離脱していく。あるいは電界により駆動された水の流れにより第１の電極２０から離脱していく。このようなメカニズムにより微細な気泡を発生させることができると共に、その気泡径も周波数あるいはパルス幅によってコントロールすることができる。
【００４１】
また、本実施形態では高電圧の交流電圧あるいはパルス電圧を印加すると、第１の電極２０の周囲に誘電体バリア放電などによってプラズマが発生するようになり、水８０がそのプラズマによって物理的化学的変化を起こして酸化還元電位が低くなるとともに、水素や酸素以外のガス種による気泡も発生する可能性がある。また、水８０中に電気分解される物質が含まれていてもプラズマによる気泡の発生は生じる可能性がある。プラズマによって気泡が発生するときも、交流電圧の周波数あるいはパルス電圧のパルス幅によって気泡の径が決まる。即ち、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径が小さくなり、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径が大きくなる。また、周波数が高いあるいはパルス幅が小さいと気泡径のばらつきは小さく、周波数が低いあるいはパルス幅が大きいと気泡径のばらつきが大きくなる。ここ発生するで気泡の径が均一であるかどうかの目安であるが、平均の気泡径をＴとしたときに、個数にして８０％以上の気泡の径が０．１Ｔ〜１０Ｔの範囲内にあればほぼ均一であるとみなすことができる。９０％以上が上記範囲内にあれば均一性が高く、好ましい。
【００４２】
水８０を入れる容器１０は電気絶縁性の物質により構成されていることが好ましい。
【００４３】
次に本実施形態の還元水生成装置１を用いた気泡を含む還元水を生成させる方法を説明する。
【００４４】
まず絶縁性の容器１０を用意する。その容器１０の底に第２の電極３０を円形状にして設置する。それから容器１０の中に蒸留水である水８０を入れる。第２の電極３０は接地しておく。
【００４５】
次に水８０の中に第１の電極２０を入れる。この時第２の電極３０に第１の電極２０が接触しないように第１の電極２０の位置を調整する。
【００４６】
それから第１の電極２０に電源４０を接続し、交流電圧またはパルス電圧を印加する。交流電圧またはパルス電圧が印加されることによって第１の電極２０の先端から水８０中に気泡が発生する。また、水８０の酸化還元電位が下がって還元された状態になる。気泡は電界の力を受けて第１の電極２０から高速で離れていき、水８０中に流れを生成させる。交流電圧の周波数またはパルス電圧のパルス幅は所望する気泡径に応じて調節する。また、電圧条件を調節することにより第１の電極２０から同時にプラズマを発生させることもできる。プラズマが発生するとパルス状の電流が流れ、また発光するため、プラズマの発生は容易に確認できる。なお、以上説明した現象は目視によるものであるので、微視的には第１の電極２０の被覆２２によって覆われている部分や第２の電極３０から微細な気泡が発生している可能性もある。
【００４７】
電圧印加を止めると気泡の発生も止まる。なお、電圧印加によって水８０に熱が加わるので、水８０を冷却することが好ましい。
【００４８】
上記還元水生成方法において、容器１０の中に第２の電極３０，水８０，第１の電極２０を入れる順番は上記記載の順番に限定されない。また、第１の電極２０を水８０中に入れる前に電源４０と接続しておいても構わない。
【００４９】
本実施形態の還元水生成装置１および還元水生成方法は、容器１０に入った水８０中に２つの電極２０，３０を入れて交流電圧またはパルス電圧を印加するという簡単な装置および方法であるので、還元水生成装置１を低コストで作製できるとともに気泡を含んだ還元水を生成させたい場所や広さなどによって装置構成を比較的自由に設計できる。また、気泡径を電源の周波数あるいはパルス幅によってコントロールでき、しかも径のばらつきは小さくできるので、種々の用途に応用できる。特に還元された状態の水の中に気泡径が小さいナノバブルを簡単な方法で均一径で発生させること、および水の電気分解による長時間の安定した還元状態の保持は従来は知られていなかったが、本実施形態の還元水生成装置および還元水生成方法を用いれば容易に均一径のナノバブルを低コストで発生させることができるとともに還元水の還元状態を長時間保持することができる。これにより、ウイルス・細菌の吸着分離など医療分野への応用や工場での洗浄・除菌などを広く行うことができる。また、発生した気泡は第１の電極２０から水８０中に噴出して水８０に流れを生成させるので、気泡が速やかに水８０中に拡がっていき、攪拌装置を用いることなしに還元状態および気泡の存在状態を水８０全体で均一にすることができる。
【００５０】
還元水の還元状態が長時間保持される機構はよくわかっていないが、微細な気泡が水中に発生し、それが長時間水中に残存するためという仮説が考えられる。本実施形態において水中の過酸化水素の濃度を測定すると、電圧印加を開始すると濃度が増加していき、１分ほどで２ｍｇ／ｌ程度に増加する。この状態で電圧印加を停止して放置しておくと、それ以後は２時間経っても過酸化水素濃度の変化は見られない。過酸化水素が生成しているのは、ＯＨラジカルが発生しているためと考えられ、過酸化水素以外にもオゾンや水素なども生成していると考えられる。なおオゾンが生成されていることは確認している。さらに電圧印加停止後も長時間濃度変化が見られないことから、目に見えない微細な気泡が長時間水中に存在し、その気泡が圧壊するときに大きなエネルギーが発生するためにＯＨラジカルが生成する、という仮説を考えている。これにより還元状態が長時間保持されると考えている。
【００５１】
さらに電源電圧、電流の調整を行うことで、プラズマで生成した化学種を気泡中に閉じ込めることが可能と考えられる。即ち、第１の電極２０にプラズマを発生させて、気泡も同時に発生させれば、気泡中にプラズマを閉じ込められると考えられる。特許文献６、７には液体中の気泡にプラズマを発生させる装置が開示されているが、これらは超音波などを利用した従来の気泡発生装置を用いて気泡を発生させ、そこへマイクロ波を照射してプラズマを発生させるものであり、気泡径を任意の大きさにして均一に揃えることは現状では実現されていない。なお、気泡中にプラズマが発生すると、ラジカルなどが気泡の中に閉じ込められ、より高いエネルギー状態を保つ可能性がある。さらに気泡が圧壊する際に大きなエネルギーが発生し、さらに高エネルギーのプラズマが発生すれば、この高エネルギープラズマを種々の用途に利用できる。
【００５２】
−実施例−
図１に示す装置と同様の装置を用い、水に微細な気泡を発生させた。具体的には、ポリスチレン製の円筒形の容器（内径３．５ｃｍ、高さ６ｃｍ）に高さ４ｃｍほど蒸留水を入れ、第１の電極としてフッ素樹脂により被覆した銅線を用い、第２の電極としてフッ素樹脂により被覆したＰｔ線を用いて容器の中に入れた。銅線は直径０．６ｍｍ、Ｐｔ線は直径０．３ｍｍのものである。第１の電極は直線状で、先端のみ被覆を除去しており、第２の電極は容器の底の内側の円外周と同じ円形にして底に設置した。なお、第２の電極の容器内に入っている部分は全て絶縁被覆されている。第１の電極と第２の電極とは接触しないように設置した。
【００５３】
第２の電極を接地し、第１の電極はアースされている電源に接続した。この電源からパルス電圧（１０ｋＨｚ、２０ｋＶｐｐ、矩形波、Ｄｕｔｙ比５０％）を第１の電極に印加した。なお、第２の電極と電源とは共に接地されているので、電源は第１の電極及び第２の電極の間に電圧を印加したことになる。
【００５４】
電圧を印加した直後から第１の電極先端から微細な気泡が吹き出し液体中に流れていった。１〜２秒後には微細気泡の混ざった流れが渦巻いて、容器中が濁ったような状態となった。このとき第１の電極の先端は発光しており、プラズマが発生していることが確認された。以上の状況は目視により観察したものである。
【００５５】
次に、容器の中の蒸留水を入れ替えて、１０ｋＨｚ、電圧１０ｋＶ、offset −５ｋＶ、矩形波、Ｄｕｔｙ比８０％のパルス電圧を第１の電極に一定時間印加した後、水の酸化還元電位を測定した。図６に電圧印加時間と酸化還元電位との関係を示す。この水のｐＨは５．３〜５．９であり、ＯＰＲeqは計算上５６０〜５９０ｍＶであるが、実際に計測された酸化還元電位は７５〜１００ｍＶであり平衡状態から約５００ｍＶ（０．５Ｖ）還元された状態であった。また、電圧印加時間を１０〜４０秒の間で変更しているが、この時間の範囲内では酸化還元電位はほとんど変わらず、長くても１０秒間の電圧印加を行えば還元の度合いは飽和状態になるものと考えられる。なお、これらの還元水を２時間放置しておいても酸化還元電位には有意な変化が見られず、還元状態が長時間保たれることを確認した。
【００５６】
次に、パルス電圧の電圧条件を、１０ｋＨｚ、０Ｖから−１０ｋＶまで、矩形波、Ｄｕｔｙ比９９％に変更し（パルス幅１μｓｅｃ）、第１の電極に印加したところ、容器中の濁りは薄く気泡の径がより微小であると思われた。そこで、電圧の印加を停止してから１１分１７秒後に、Sympatec GmbH製レーザ回折式粒子径分布測定装置HELOSシステムという装置を用いてレーザ回折方式により、水中の気泡径を測定した。測定結果を図５に示す。約９０％の気泡が、０．３８μｍ（３８０ｎｍ）から１．３μｍの径を有しており、７８０ｎｍにピークを有する気泡径分布となった。なお、図５は同じサンプルを１０に分けて、それらを測定した結果である。このように気泡径がほぼ均一なナノバブルが得られた。
【００５７】
なお、本実施例では、ファンクションジェネレータで発生させたパルスを増幅器を用いて電圧を１０００倍にしているが、増幅器は１μｓｅｃで０Ｖ→５００Ｖの立ち上がり性能しか有していないため、上述の電圧は実際には数百Ｖ程度である可能性が大きい。
【００５８】
ここでは、水の中には水素ガスが含まれた微細気泡が分散していると考えられる。一方、電圧を０Ｖからプラスのピーク電圧となるように設定すると、酸素ガスが含まれた微細気泡が水中に分散し、プラス側とマイナス側の双方にピーク電圧を設定すると、水素ガスが含まれた微細気泡と酸素ガスが含まれた微細気泡とが混在した水が得られる。
【００５９】
また、条件を変えて気泡を発生させたところ、約４００ｎｍ、あるいは約６００ｎｍのところにピークを備えた気泡径分布を有する微細気泡が発生した。
【００６０】
本実施形態において、第２の電極３０は第１の電極２０と異なる構造の電極であっても構わない。被覆の種類や厚み、導電性部材の構成物質が第１の電極２０と異なっていてもよいし、全体の形状が例えば板状であっても構わない。また、第２の電極３０において被覆２２は無くても気泡は発生するが、被覆２２が無いと第２の電極３０の導電性部材２１の材料によっては電気分解により生成した反応生成物によって導電性部材２１が冒される場合がある。
【００６１】
（実施形態２）
実施形態２に係る還元水生成装置は、図４に示すように、水８０の中に第１の電極２０を入れて、その第１の電極２０に電源４０を接続している点は実施形態１と同じであるが、第２の電極３５が実施形態１とは異なっているので、実施形態１と異なっている点を以下に説明する。
【００６２】
本実施形態では容器１１内壁の一部と第２の電極３５とが一体化している。即ち、容器１１の側壁面および底面が第２の電極３５によって構成されており、水８０と接触する容器１１内面においては第２の電極３５は絶縁被覆されている。なお、第２の電極３５の導電性部材および絶縁被覆については実施形態１と同じである。この第２の電極３５は電源４０に接続されており、これら両者を接続する線は接地されている。なお、第２の電極３５の絶縁被覆は無くても構わない。
【００６３】
本実施形態の還元水生成装置２によっても実施形態１と同様に、容器１１中の水８０の酸化還元電位が下がって還元水となるとともに、水８０中に微細な気泡が発生する。本実施形態では、第２の電極３５と一体となった容器１１を準備しておきさえすれば実施形態１よりも第１の電極２０の位置調節が容易である。それ以外の効果は実施形態１と同じである。
【００６４】
（実施形態３）
実施形態３に係る還元水生成装置は、第２の電極が実施形態１とは異なっており、それ以外は実施形態１と同じであるので、実施形態１とは異なっているところを説明する。
【００６５】
本実施形態では、第２の電極も第１の電極と同じ形状としている。即ち、第２の電極は直線状で液体に浸漬されており、その先端では導電性部材が露出している。なお、実施形態１と同じく本実施形態では第２の電極は接地されている。
【００６６】
本実施形態において実施形態１と同じように第１の電極に交流電圧あるいはパルス電圧を印加すると、実施形態１とは異なり、第２の電極の先端からも気泡が発生する。容器中の水は実施形態１と同様に還元水となる。なお、第２の電極の導電性部材の露出部分は先端に限られず、また、露出部分の数は複数であっても構わない。
【００６７】
（その他の実施形態）
上記の実施形態および実施例は本発明の例であり、本発明はこれらの例に限定されない。第１の電極の形状は線状以外の板状や球形等の立体形状であっても構わない。また、水には、塩などのイオン性の物質や有機物などが溶解していてもよい。
【００６８】
第１の電極の水に浸漬している部分には、複数箇所の導電体露出部が存していても構わないし、全体が露出していても構わない。それらの導電体露出部に電流集中が生じ、それらの部分から気泡が発生する。あるいは第１の電極の水に浸漬している部分全体が被覆されていても構わないし、第１の電極の水に浸漬している部分といない部分との両方に導体露出部が存在していても構わない。また、第１の電極を剣山のような形状とし、複数の針形状の先端を導電体露出部としてもよい。
【００６９】
第２の電極は液体を入れる容器の壁部全体ではなく一部としてもよい。例えば、容器の底面に絶縁被覆電極を敷いたり、容器の側壁に電極を埋め込み、液体とは絶縁被膜と隔てるような構成としたりしてもよいし、絶縁被覆を施さなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上説明したように、本発明に係る還元水生成装置は、還元状態が長時間保持される還元水を簡単な装置で簡便に生成させることができるとともに、径の揃った微細な気泡を簡単に還元水中に発生させることができ、浄化・洗浄・殺菌・消毒、液相化学反応器、溶液中の有害物質除去、ドラッグデリバリー、血液の造影剤等に利用できる微細気泡入りの還元水を生成させることができ有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】実施形態１に係る還元水生成装置の模式図
【図２】実施形態１に係る電極の断面図
【図３】パルス電圧を示す図
【図４】実施形態２に係る還元水生成装置の模式図
【図５】実施例に係る発生した気泡の径の分布図
【図６】実施例に係る電圧印加時間と酸化還元電位との関係を示す図
【符号の説明】
【００７２】
１，２ 還元水生成装置
１０，１１ 容器
２０ 第１の電極
２１ 導電性部材
２２ 被覆
３０，３５ 第２の電極
４０ 電源
５０ 接地線
８０ 水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微細な気泡を含有する還元水を生成させる還元水生成装置であって、
水に接触する第１及び第２の電極と、
前記第１及び第２の電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源と
を備えた、還元水生成装置。
【請求項２】
前記電源は５００Ｖ以上の前記交流電圧またはパルス電圧を印加する、請求項１に記載されている還元水生成装置。
【請求項３】
前記第１の電極は、絶縁被覆されている部分と導電体が露出している部分とを有しており、
少なくとも前記導電体が露出している部分は、前記水に接触している、請求項１または２に記載されている還元水生成装置。
【請求項４】
前記第１の電極は線状であって、先端以外は絶縁被覆されており、先端は導電体が露出している、請求項３に記載されている還元水生成装置。
【請求項５】
前記第２の電極は接地電極である、請求項１から４のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、イオン化傾向がＣｕ以下の金属からなる、請求項１から５のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、イオン化傾向がＡｇ以下の金属からなる、請求項６に記載されている還元水生成装置。
【請求項８】
前記第２の電極の少なくとも前記水と接触している部分は絶縁被覆されている、請求項１から７のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項９】
前記第２の電極の前記水と接触している部分の少なくとも一部は導電体が露出している、請求項７に記載されている還元水生成装置。
【請求項１０】
前記交流電圧の周波数は１０Ｈｚ以上５００ｋＨｚ以下または前記パルス電圧のパルス幅は５ｎｓｅｃ以上５０ｍｓｅｃ以下である、請求項１から９のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項１１】
前記気泡の径は、５０ｎｍ以上１００μｍ以下である、請求項１から１０のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項１２】
微細な気泡を含有する還元水を生成させる還元水生成方法であって、
水に第２つの電極を接触させる工程と、
前記２つの電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電圧印加工程と
を含む、還元水生成方法。
【請求項１３】
前記電圧印加工程では５００Ｖ以上の前記交流電圧またはパルス電圧を印加する、請求項９に記載されている還元水生成方法。
【請求項１４】
前記交流電圧の周波数は１０Ｈｚ以上５００ｋＨｚ以下または前記パルス電圧のパルス幅は５ｎｓｅｃ以上５０ｍｓｅｃ以下である、請求項１２または１３に記載されている還元水生成方法。
【請求項１５】
前記２つの電極のうち少なくとも一方から微細気泡が水中に噴出し水に流れを生成させる、請求項１２から１４のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【請求項１６】
前記気泡の径は、５０ｎｍ以上１００μｍ以下である、請求項１２から１５のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【請求項１７】
水素ガスを含む気泡が分散している還元水を生成させる、請求項１２から１６のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【請求項１８】
酸素ガスを含む気泡が分散している還元水を生成させる、請求項１２から１６のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【請求項１９】
前記電圧印加工程では、少なくとも１つの前記電極からプラズマが発生している、請求項１２から１８のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【請求項１】
微細な気泡を含有する還元水を生成させる還元水生成装置であって、
水に接触する第１及び第２の電極と、
前記第１及び第２の電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電源と
を備えた、還元水生成装置。
【請求項２】
前記電源は５００Ｖ以上の前記交流電圧またはパルス電圧を印加する、請求項１に記載されている還元水生成装置。
【請求項３】
前記第１の電極は、絶縁被覆されている部分と導電体が露出している部分とを有しており、
少なくとも前記導電体が露出している部分は、前記水に接触している、請求項１または２に記載されている還元水生成装置。
【請求項４】
前記第１の電極は線状であって、先端以外は絶縁被覆されており、先端は導電体が露出している、請求項３に記載されている還元水生成装置。
【請求項５】
前記第２の電極は接地電極である、請求項１から４のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、イオン化傾向がＣｕ以下の金属からなる、請求項１から５のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の電極の少なくとも一方は、イオン化傾向がＡｇ以下の金属からなる、請求項６に記載されている還元水生成装置。
【請求項８】
前記第２の電極の少なくとも前記水と接触している部分は絶縁被覆されている、請求項１から７のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項９】
前記第２の電極の前記水と接触している部分の少なくとも一部は導電体が露出している、請求項７に記載されている還元水生成装置。
【請求項１０】
前記交流電圧の周波数は１０Ｈｚ以上５００ｋＨｚ以下または前記パルス電圧のパルス幅は５ｎｓｅｃ以上５０ｍｓｅｃ以下である、請求項１から９のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項１１】
前記気泡の径は、５０ｎｍ以上１００μｍ以下である、請求項１から１０のいずれか一つに記載されている還元水生成装置。
【請求項１２】
微細な気泡を含有する還元水を生成させる還元水生成方法であって、
水に第２つの電極を接触させる工程と、
前記２つの電極の間に交流電圧またはパルス電圧を印加する電圧印加工程と
を含む、還元水生成方法。
【請求項１３】
前記電圧印加工程では５００Ｖ以上の前記交流電圧またはパルス電圧を印加する、請求項９に記載されている還元水生成方法。
【請求項１４】
前記交流電圧の周波数は１０Ｈｚ以上５００ｋＨｚ以下または前記パルス電圧のパルス幅は５ｎｓｅｃ以上５０ｍｓｅｃ以下である、請求項１２または１３に記載されている還元水生成方法。
【請求項１５】
前記２つの電極のうち少なくとも一方から微細気泡が水中に噴出し水に流れを生成させる、請求項１２から１４のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【請求項１６】
前記気泡の径は、５０ｎｍ以上１００μｍ以下である、請求項１２から１５のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【請求項１７】
水素ガスを含む気泡が分散している還元水を生成させる、請求項１２から１６のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【請求項１８】
酸素ガスを含む気泡が分散している還元水を生成させる、請求項１２から１６のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【請求項１９】
前記電圧印加工程では、少なくとも１つの前記電極からプラズマが発生している、請求項１２から１８のいずれか一つに記載されている還元水生成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図５】
【公開番号】特開２００９−１６０４９４（Ｐ２００９−１６０４９４Ａ）
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３４０２７１（Ｐ２００７−３４０２７１）
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（３９１００３６６８）トーヨーエイテック株式会社 (145)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２３日（２００９．７．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【出願人】（３９１００３６６８）トーヨーエイテック株式会社 (145)
【Ｆターム（参考）】
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