JP6264229B2

JP6264229B2 - 気泡径分布測定方法及び気泡径分布測定装置

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Publication number: JP6264229B2
Application number: JP2014172772A
Authority: JP
Inventors: 治夫島岡
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: JP2016048183A

Description

本発明は、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定するための気泡径分布測定方法及び気泡径分布測定装置に関するものである。

近年、マイクロバブルやウルトラファインバブルといったファインバブルの研究及び利用が活発に行われている。ファインバブルは、例えば気泡径が１００μｍ以下の微細気泡であり、気泡径が１μｍ以上のものはマイクロバブル、気泡径が１μｍ未満のものはウルトラファインバブルと呼ばれている。ファインバブルは、液体中での滞留時間が長いという特性を有しており、特にウルトラファインバブルは、数か月にわたって液体中に滞留することが知られている。

ファインバブルには、洗浄効果や殺菌効果といった様々な効果が期待されている。例えば工場やプラント、公衆トイレなどで、ファインバブルを用いて各種設備の洗浄を行えば、洗剤の使用量を削減することができる。そのため、ファインバブルを用いた洗浄方法は、環境に優しい新たな洗浄方法として注目されている。

上記のようなファインバブルの特性と効果の関係は、ファインバブルの気泡径や気泡量（濃度）に依存している。そこで、レーザ回折・散乱式の粒子径分布測定装置などを用いて、ファインバブルの気泡径分布（粒子径分布）を測定する技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００７−２６３８７６号公報

しかしながら、測定対象となる液体には、ファインバブル以外にも、例えば粉塵又は土などの固体粒子や、オイル又はエマルジョンなどの液体粒子が含まれている場合がある。このような場合、粒子径分布測定装置を用いてファインバブルの気泡径分布を測定するような方法では、ファインバブルと、固体粒子及び液体粒子とを識別することができず、ファインバブルの気泡径分布を精度よく測定することができないおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ファインバブルの気泡径分布を精度よく測定することができる気泡径分布測定方法及び気泡径分布測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る気泡径分布測定方法は、遠心分離ステップと、第１データ取得ステップと、第２データ取得ステップと、気泡径分布測定ステップとを含む。前記遠心分離ステップでは、ファインバブルを含む液体試料に対して遠心分離を行う。前記第１データ取得ステップでは、遠心分離前の液体試料の粒子径分布に関するデータを取得する。前記第２データ取得ステップでは、遠心分離後の液体試料の粒子径分布に関するデータを取得する。前記気泡径分布測定ステップでは、前記第１データ取得ステップで取得されたデータ、及び、前記第２データ取得ステップで取得されたデータに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する。

このような構成によれば、遠心分離によって液体試料中のファインバブルが大気中に拡散される。一方、液体試料中の固体粒子や液体粒子は、遠心分離後も液体試料中に滞留する。すなわち、遠心分離前の液体試料には、ファインバブル、固体粒子及び液体粒子が含まれているが、遠心分離後の液体試料には、固体粒子及び液体粒子のみが含まれている。したがって、遠心分離前の液体試料の粒子径分布に関するデータと、遠心分離後の液体試料の粒子径分布に関するデータとに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を精度よく測定することができる。

前記粒子径分布に関するデータは、粒子径分布データ、又は、粒子径分布データを算出するためのデータであってもよい。

このような構成によれば、遠心分離の前後における粒子径分布データ又は粒子径分布データを算出するためのデータに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定することができる。すなわち、最終的に算出される粒子径分布データに基づいてファインバブルの気泡径分布を測定することができるだけでなく、光強度分布データなどの粒子径分布データを算出するまでに用いられるデータに基づいて、ファインバブルの気泡径分布を測定することも可能である。

本発明に係る気泡径分布測定装置は、遠心分離前の液体試料の粒子径分布に関するデータ、及び、遠心分離後の液体試料の粒子径分布に関するデータに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する。

本発明によれば、遠心分離前の液体試料の粒子径分布に関するデータと、遠心分離後の液体試料の粒子径分布に関するデータとに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を精度よく測定することができる。

本発明の一実施形態に係る気泡径分布測定装置の構成例を示した図である。ファインバブルの気泡径分布を測定する際の態様について説明するための図であり、遠心分離の前後及び演算後における液体試料中の粒子の状態を概念的に示している。ファインバブルの気泡径分布を測定する際の態様について説明するための図であり、図２の各状態における粒子径分布及び気泡径分布を概略的に示している。液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する際の流れを示したフローチャートである。

図１は、本発明の一実施形態に係る気泡径分布測定装置の構成例を示した図である。この気泡径分布測定装置は、例えばレーザ回折散乱式の粒子径分布測定装置である。すなわち、本実施形態では、固体粒子及び液体粒子の粒子径分布を測定するための粒子径分布測定装置を用いて、液体試料に含まれる気体粒子の気泡径分布（粒子径分布）が測定される。

液体試料は、例えば水の他、アルコール又は油といった任意の液体を媒体とする試料であり、例えば気泡径が１００μｍ以下の微細気泡からなるファインバブルを含んでいる。具体的には、気泡径が１μｍ未満のウルトラファインバブル、及び、気泡径が１μｍ以上のマイクロバブルの少なくとも一方が、気体粒子として液体試料に含まれている。気体粒子を構成する気体は、空気であってもよいし、例えばオゾンや水素といった空気以外の気体であってもよい。

本実施形態に係る気泡径分布測定装置には、液体試料に対してレーザ光を照射し、液体試料からの回折・散乱光（レーザ回折・散乱光）の強度を測定する光強度測定部１が備えられている。光強度測定部１には、光源１１、集光レンズ１２、空間フィルタ１３、コリメータレンズ１４、試料セル１５、集光レンズ１６、フォトダイオードアレイ１７、側方センサ１８及び複数の後方センサ１９などが備えられている。測定対象となる液体試料は測定の１回ごとに試料セル１５に供給される。すなわち、本実施形態で使用される試料セル１５はいわゆる回分セルである。

光源１１は、例えばレーザ光源からなり、当該光源１１から照射されたレーザ光が、集光レンズ１２、空間フィルタ１３及びコリメータレンズ１４を通過することにより平行光となる。このようにして平行光とされたレーザ光は、液体試料が供給されている試料セル１５に照射され、試料セル１５内の試料に含まれる粒子群（固体粒子、液体粒子及び気体粒子を含む。）で回折及び散乱した後、集光レンズ１６を通ってフォトダイオードアレイ１７により受光されるようになっている。

フォトダイオードアレイ１７は、光源１１側から見て試料セル１５の前方（光源１１側とは反対側）に配置されている。これにより、フォトダイオードアレイ１７に備えられた複数の受光素子は、それぞれ前方センサ１７１を構成している。フォトダイオードアレイ１７は、試料セル１５内の液体試料からの回折散乱光（回折光及び散乱光）を検出するための検出器を構成している。

本実施形態におけるフォトダイオードアレイ１７は、互いに異なる半径を有するリング状又は半リング状の検出面が形成された複数（例えば、６４個）の前方センサ１７１を、集光レンズ１６の光軸を中心として同心円状に配置することにより構成されたリングディテクタであり、各前方センサ１７１には、それぞれの位置に応じた回折散乱角度の光が入射する。したがって、フォトダイオードアレイ１７の各前方センサ１７１の検出信号は、各回折散乱角度の光の強度を表すことになる。

これに対して、側方センサ１８は、光源１１側から見て試料セル１５の側方に配置されている。この例では、試料セル１５が薄い中空状の部材により形成されており、その厚み方向Ｄが光源１１から入射するレーザ光の光軸Ｌと平行になるように配置される。側方センサ１８は、試料セル１５に対して、例えば厚み方向Ｄに直交する方向に並べて配置される。

図１では、側方センサ１８が試料セル１５の上方に配置されているが、これに限らず、試料セル１５の下方、右方、左方など、試料セル１５の厚み方向Ｄに直交する面内の任意の位置に配置されていてもよい。これにより、厚み方向Ｄに対して直交する方向への回折散乱光を側方センサ１８で受光することができる。ただし、側方センサ１８は、厚み方向Ｄに対して９０°の方向への回折散乱光を受光するような構成に限らず、厚み方向Ｄに対して７０°〜１１０°、より好ましくは８０°〜１００°の方向への回折散乱光を受光するような構成であってもよい。

複数の後方センサ１９は、それぞれ光源１１側から見て試料セル１５の後方（光源１１側）に配置されている。これにより、各後方センサ１９は、側方センサ１８よりも後方への回折散乱光を受光することができる。各後方センサ１９は、試料セル１５に対して異なる角度で配置されることにより、それぞれ異なる角度で入射する回折散乱光を受光することができる。この例では、２つの後方センサ１９が設けられているが、これに限らず、例えば１つ又は３つ以上の後方センサ１９が設けられた構成であってもよい。

フォトダイオードアレイ１７の各前方センサ１７１、側方センサ１８及び各後方センサ１９の検出信号は、Ａ／Ｄ変換器３によりアナログ信号からデジタル信号に変換された後、通信部４を介してデータ処理装置５に入力されるようになっている。これにより、各センサ１７１，１８，１９における受光強度が、各センサ１７１，１８，１９の素子番号に対応付けてデータ処理装置５に入力される。

データ処理装置５は、液体試料の粒子径分布を測定する際のデータを処理するためのものであり、例えばパーソナルコンピュータにより構成される。このデータ処理装置５は、制御部５１、操作部５２、表示部５３及び記憶部５４などを備えている。データ処理装置５は、光強度測定部１などと一体的に気泡径分布測定装置を構成していてもよいし、光強度測定部１などとは分離した気泡径分布測定装置として提供されてもよい。

制御部５１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成であり、操作部５２、表示部５３及び記憶部５４などの各部が電気的に接続されている。操作部５２は、例えばキーボード及びマウスを含む構成であり、作業者が操作部５２を操作することにより入力作業などを行うことができるようになっている。

表示部５３は、例えば液晶表示器などにより構成することができ、作業者が表示部５３の表示内容を確認しながら作業を行うことができるようになっている。記憶部５４は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びハードディスクなどにより構成することができる。

液体試料の粒子径分布データは、光強度測定部１における液体試料の測定で得られる光強度分布データに基づいて、制御部５１が演算を行うことにより生成される。粒子径分布データを生成する際には、下記式（１）の関係を用いることができる。

ここで、ｓ、ｑ及びＡは、下記式（２）〜（４）で表される。

上記ｓは、光強度分布データ（ベクトル）である。上記ｓにおける各要素ｓ_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｍ）は、フォトダイオードアレイ１７の各前方センサ１７１、側方センサ１８及び各後方センサ１９における検出強度である。

上記ｑは、頻度分布％として表現される粒子径分布データ（ベクトル）である。測定対象となる粒子径範囲（最大粒子径がｘ_１、最小粒子径がｘ_ｎ＋１）をｎ分割し、それぞれの粒子径区間を［ｘ_ｊ，ｘ_ｊ＋１］とすると、上記ｑにおける各要素ｑ_ｊ（ｊ＝１，２，・・・，ｎ）は、各粒子径区間［ｘ_ｊ，ｘ_ｊ＋１］に対応する粒子量である。

通常は、体積基準が用いられ、下記式（５）を満たすように、すなわち各要素ｑ_ｊの合計が１００％となるように正規化が行われる。

しかし、遠心分離前の第１粒子径分布データと遠心分離後の第２粒子径分布データを比較するために、例えば、体積濃度（単位：μＬ／ｍＬ）などの形で粒子量／気泡量を求める必要がある。ＰＳＬ（ポリスチレンラテックス）粒子などの粒子量が既知な標準試料を用いて校正を行うことによって、比較可能な粒子量に基づく粒子径分布を求めることができる。

上記Ａは、粒子径分布データｑを光強度分布データｓに変換する係数行列である。上記Ａにおける各要素ａ_ｉ，ｊ（ｉ＝１，２，・・・，ｍ、ｊ＝１，２，・・・，ｎ）は、各粒子径区間［ｘ_ｊ，ｘ_ｊ＋１］に属する単位粒子量の粒子群によって回折及び散乱した光のｉ番目の素子における検出強度である。

上記Ａにおける各要素ａ_ｉ，ｊの値は、屈折率をパラメータの一つとして用いて予め理論的に計算することができる。このとき、気体粒子を構成する気体の屈折率を用いて、各要素ａ_ｉ，ｊの値を算出しておけばよい。各要素ａ_ｉ，ｊの値は、フラウンホーファ回折理論又はミー散乱理論を用いて算出される。例えば、粒子径が光源１１からのレーザ光の波長に比べて十分に大きい場合（例えば１０倍以上）には、フラウンホーファ回折理論を用いて各要素ａ_ｉ，ｊの値を計算することができる。一方、粒子径が光源１１からのレーザ光の波長と同程度、又は、それより小さい場合には、ミー散乱理論を用いて各要素ａ_ｉ，ｊの値を計算することができる。

このようにして上記Ａにおける各要素ａ_ｉ，ｊの値を求めれば、上記式（１）に基づいて、下記式（６）により粒子径分布データｑを求めることができる。ただし、Ａ^ＴはＡの転置行列である。

本実施形態では、ファインバブルを含む液体試料に対して遠心分離を行い、遠心分離の前後における液体試料からの回折散乱光の強度を光強度測定部１で測定することにより、得られた光強度分布データに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を演算により測定する。遠心分離を行うための遠心分離装置としては、周知の装置を用いることができる。遠心分離を行う際には、一旦液体試料の入った試料セル１５を光強度測定部１から取り外し、取り外した試料セル１５を遠心分離装置に装着して遠心分離を行う。以下では、ファインバブルの気泡径分布を測定する際の態様について具体的に説明する。

図２及び図３は、ファインバブルの気泡径分布を測定する際の態様について説明するための図である。図２は、遠心分離の前後及び演算後における液体試料中の粒子の状態を概念的に示している。図３は、図２の各状態における粒子径分布及び気泡径分布を概略的に示している。この図３では、液体試料に含まれる固体粒子及び液体粒子の各粒子径と粒子量との関係、及び、液体試料に含まれる気体粒子の各気泡径と気泡量との関係が示されている。

遠心分離前の液体試料には、ファインバブル、固体粒子及び液体粒子が含まれている。ファインバブル以外の気体粒子、すなわち気泡径が１００μｍを超える気体粒子については、液体試料中に長時間滞留することができず、比較的短時間で大気中に拡散する。そのため、通常、液体試料中に含まれる気体粒子は、気泡径が１００μｍ以下のファインバブル（特にウルトラファインバブル）のみと考えてよい。

固体粒子及び液体粒子は、液体より比重が小さい粒子と、液体より比重が大きい粒子とに分類されるが、いずれも液体試料中に滞留したままであって大気中に拡散することはない。したがって、遠心分離前の液体試料は、図２（ａ）に示すように、ファインバブルと、液体より比重が小さい粒子と、液体より比重が大きい粒子とが、混在した状態となっている。

液体試料に対して遠心分離を行った場合、図２（ｂ）に示すように、液体よりも比重が大きい粒子は液体試料中で沈降し、液体よりも比重が小さい粒子は液体試料中で浮上するが、いずれも液体試料中に滞留したままの状態で維持される。一方、ファインバブルは、遠心分離により液体試料中を浮上して大気中に拡散されるため、液体試料中には存在しない状態となる。

すなわち、遠心分離前の液体試料には、ファインバブル、固体粒子及び液体粒子が含まれているが、遠心分離後の液体試料には、固体粒子及び液体粒子のみが含まれている。したがって、図２（ａ）の状態で測定される粒子径分布データから、図２（ｂ）の状態で測定される粒子径分布データを差し引く演算を行えば、図２（ｃ）に概念的に示すように、液体試料中のファインバブルの気泡径分布を算出することができる。

例えば、図２（ａ）の状態で測定される粒子径分布データが図３（ａ）のようなデータであり、図２（ｂ）の状態で測定される粒子径分布データが図３（ｂ）のようなデータである場合には、粒子径分布データ同士を互いに差し引く演算を行うことにより、図３（ｃ）のような気泡径分布データを得ることができる。上記演算は、例えば上述の式（３）で表される粒子径分布データｑにおいて、各要素ｑ_ｊの値を互いに差し引くことにより行うことができる。

このように、本実施形態では、遠心分離前の液体試料の粒子径分布データと、遠心分離後の液体試料の粒子径分布データとに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を精度よく測定することができる。これにより、洗浄、殺菌又は生体活性化などのファインバブルに期待される効果と、ファインバブルの気泡径分布との関係を定量的に評価することができる。また、目的や対象に最もふさわしいファインバブルの気泡径分布を特定し、ファインバブルに関する認証制度の確立などに寄与することも可能となる。

図４は、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する際の流れを示したフローチャートである。気泡径分布を測定する際には、まず、遠心分離前の液体試料の粒子径分布データを取得する（ステップＳ１０１：第１データ取得ステップ）。このとき、図２（ａ）に示すような遠心分離前の液体試料に対し、光強度測定部１において光が照射されることにより光強度分布データが得られ、その光強度分布データに基づいて、図３（ａ）に示すような粒子径分布データが算出される。

その後、液体試料に対して遠心分離を行い（ステップＳ１０２：遠心分離ステップ）、遠心分離後の液体試料の粒子径分布データを取得する（ステップＳ１０３：第２データ取得ステップ）。このとき、図２（ｂ）に示すような遠心分離後の液体試料に対し、光強度測定部１において光が照射されることにより光強度分布データが得られ、その光強度分布データに基づいて、図３（ｂ）に示すような粒子径分布データが算出される。この場合、図２（ｂ）に示すような遠心分離後の液体試料に対して、そのまま光を照射して光強度分布を測定してもよいし、図２（ｂ）の状態から液体試料を攪拌し、攪拌後の液体試料に光を照射して光強度分布を測定してもよい。

そして、ステップＳ１０１で取得した粒子径分布データ（第１粒子径分布データ）と、ステップＳ１０３で取得した粒子径分布データ（第２粒子径分布データ）とに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布が測定される（ステップＳ１０４：気泡径分布測定ステップ）。すなわち、第１粒子径分布データの各要素ｑ_ｊの値から、第２粒子径分布データの各要素ｑ_ｊの値を減算する処理を制御部５１が行うことにより、図３（ｃ）に示すような気泡径分布データが得られる。

ただし、上記実施形態のように、遠心分離の前後における液体試料の粒度分布データに基づいて気泡径分布を測定するような構成に限らず、粒度分布に関する他のデータに基づいて気泡径分布を測定するような構成であってもよい。すなわち、最終的に算出される粒子径分布データに基づいてファインバブルの気泡径分布を測定することができるだけでなく、光強度分布データなどの粒子径分布データを算出するまでに用いられるデータに基づいて、ファインバブルの気泡径分布を測定することも可能である。なお、粒子径分布データを算出するためのデータは、光強度分布データに限らず、光強度分布データから算出される他のデータなどであってもよい。

以上の実施形態では、気泡径分布測定装置がレーザ回折散乱式の粒子径分布測定装置である場合について説明した。しかし、本発明は、レーザ回折散乱法以外の方法で粒子径分布を測定するような構成にも適用可能である。上記レーザ回折散乱法以外の方法としては、例えば動的光散乱法、電気的検知帯法などを例示することができる。これらのいずれの方法においても、屈折率などのパラメータとしては、気体粒子を構成する気体に特有の値を用いることができる。

１光強度測定部
３Ａ／Ｄ変換器
４通信部
５データ処理装置
１１光源
１２集光レンズ
１３空間フィルタ
１４コリメータレンズ
１５試料セル
１６集光レンズ
１７フォトダイオードアレイ
１８側方センサ
１９後方センサ
５１制御部
５２操作部
５３表示部
５４記憶部
１７１前方センサ

Claims

ファインバブルを含む液体試料に対して遠心分離を行う遠心分離ステップと、
遠心分離前の液体試料の粒子径分布に関するデータを取得する第１データ取得ステップと、
遠心分離後の液体試料の粒子径分布に関するデータを取得する第２データ取得ステップと、
前記第１データ取得ステップで取得されたデータ、及び、前記第２データ取得ステップで取得されたデータに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定する気泡径分布測定ステップとを含むことを特徴とする気泡径分布測定方法。
前記粒子径分布に関するデータは、粒子径分布データ、又は、粒子径分布データを算出するためのデータであることを特徴とする請求項１に記載の気泡径分布測定方法。
遠心分離前の液体試料の粒子径分布に関するデータ、及び、遠心分離後の液体試料の粒子径分布に関するデータに基づいて、液体試料に含まれるファインバブルの気泡径分布を測定することを特徴とする気泡径分布測定装置。
前記粒子径分布に関するデータは、粒子径分布データ、又は、粒子径分布データを算出するためのデータであることを特徴とする請求項３に記載の気泡径分布測定装置。