在水系洗滌中導入微泡洗凈

Yoko YAMAGUCHI

（日本共立女子短期大學，日本，999001）

洗滌消耗大量的水和能量，而且需要使用洗滌劑和漂白劑，因而會排出大量含藥劑的廢水。另一方面，從環境保護的角度來看，洗滌在不斷向節水和低溫洗凈的方向轉移，削減洗滌過程藥劑使用量的必要性已成為大家的共識。作為應對策略之一，是在洗滌過程中采用微泡/納米微泡的FB洗滌。隨著FB發生技術和處理技術的進步，現在，已經有很多關于FB在洗滌領域的實用性研究。例如，長谷川富一等人開發的交變流洗凈裝置；Karasawa等人研究了混入氣泡與洗滌效果和動態表面張力的關系；牛田晃臣等人、Ushida，A等人研究了交變流中的納米泡和表面活性劑混合液對提高洗滌效果和靜態表面張力的影響；田村尚也等人用文丘里管研究了微泡對污垢剝離的促進效果；西尾直樹等人用玻璃管明確了微泡的去污效果；藤本弘明等人用玻璃管考察了微泡洗凈中添加表面活性劑的效果，以及以肌膚為作用對象的表面活性劑的去除效果。在以布為基質的FB水洗凈力評價中，有利用水晶振動子法（下村久美子）和傅里葉變換紅外分光光度計（木村美智子等人）評價油污去除性的報道；有以三磷酸腺苷（ATP）為指標評價蛋白質去除效果的報道（山口庸子等人）；田川由美子等人還報道了FB水的漂洗效果。

另一方面，有研究者還以空氣以外的氣體做成高機能的FB水，對它的實用化研究也非常盛行。特別是臭氧FB水具有強力的殺菌效果，可以代替氯系漂白劑用于蔬菜的洗凈（渡部慎一）和衛生間的清潔（寺坂宏一），以及毛巾的漂白處理（橋本一郎等人）等。但是，在以纖維基質為洗滌對象的水系洗滌領域，FB水的應用才剛剛開始，雖然具有FB機能的洗衣機已在銷售，但還需做進一步研究。

本研究選定模型污垢，以ATP為指標，通過清潔度和洗凈率的測定，說明了FB水系洗滌的性能與洗滌效果。同時，對臭氧FB水的臭氧濃度和表面活性劑拼用效果及臭氧FB水的去污效果作了介紹，最后，展望了FB水在水系洗滌中應用的可能性。

1 FB水的洗凈效果

1.1 FB水

1m m ～100m m的氣泡稱之為微泡（microbubble），1m m以下的氣泡稱之為超微細氣泡（ultra fine bubble），在ISO標準中，這兩種氣泡統稱為FB，在水中漂浮著FB的水稱為FB水，在水中漂浮著1m m以下氣泡的超微細氣泡水是無色透明的，氣泡的表面帶有負電荷。近年來，由于對納米級氣泡和密度的測定成為可能，發現了它與普通氣泡的舉動有很大差別，氣泡的納米精細化使得氣體的溶解量增加、氣/液界面的面積擴大、表面張力下降。超微細氣泡在水中可長期保存，因此，可以認為這是溶劑對溶質的稀釋。

圖1是氣體的發生時間與靜態表面張力的關系。圖2是添加表面活性劑對FB水表面張力的影響。FB水的初始表面張力是54.5mN/m，添加LAS后，表面張力呈下降的趨勢。藤本弘明等人發現：添加表面活性劑能降低FB水的表面張力，縮小氣泡直徑，提高氣泡的穩定性。靜態表面張力的測定如圖3 所示，采用高速表面張力計（日本Quiberon公司制造 · AquaPi）針狀的探針（直徑0.5mm）浸入試樣溶液進行表面張力的測定。在對FB水和表面活性劑的洗凈體系進行動態表面張力的測定時，發現表面張力的下降更為明顯。

圖1 FB發生時間與靜態表面張力的關系

圖2 添加表面活性劑對FB水表面張力的影響

圖3 靜態表面張力的測定

1.2 FB水洗凈效果的評價

FB水的洗凈力評價有濕式人工污布法和水晶振動子法、FT-IR法和以ATP為指標的方法等等。不論是哪種方法，均有關于洗凈效果的報告。本研究以ATP為指標，評價FB水對蛋白質的去除效果。ATP的測定，是按照《ATP擦拭檢查法》，以ATP和腺苷一磷酸（AMP）為指標，對固體表面的ATP進行擦拭的方法和對液體中的ATP 測定的方法。表1是主要的ATP污垢。ATP與熒光素酶反應，通過測定發光量RLU值（Relative Light Unit）變化，確定ATP的量。

圖4是以明膠作為模型污垢制作的污染試樣。圖5是在簡易裝置實施洗凈（25℃，10min），通過對洗凈后殘液中含有的ATP進行測定，評價洗凈力的結果。圖6是以去離子水洗凈和FB水洗凈后，殘液中RLU值的比較結果。RLU值越高，表明洗凈力越高。通過在載玻片上涂布的污染試樣，明確了FB剝離產生的洗凈效果，而用模型污垢沒有固定的污布進行洗凈，沒有發現FB水有顯著的洗凈效果。下面將討論添加表面活性劑對洗凈效果的影響。

圖4 用明膠作為模型污垢制作的試樣（載玻片、棉布）

圖5 磁力攪拌器洗凈裝置

表1 各種污垢的ATP及ATP+AMP

圖6 用明膠染制的各種污布評價FB水的洗凈力

1.3 FB水中添加表面活性劑的效果

以7%的明膠染制的載玻片作為試驗對象，考察表面活性劑對洗凈效果的影響（圖7）。由于在臨界膠束濃度（cmc）以下的低濃度，RLU值出現峰值，因而，在圖8所示的FB水中，評價添加0.11mmol/L的AE對洗凈效果的影響。結果表明：對于模型污垢固定的載玻片，添加AE提高了FB水的洗凈效果。但是，在對具有復雜纖維基質構造、污垢未經固定的明膠污布，沒有發現添加AE對洗凈效果有影響。在先前的研究中，實驗條件與本研究不同，表面活性劑與FB水組合對改善洗凈效果是有用的。特別是在交變流裝置上用納米微泡/表面活性劑溶液洗滌時，陰離子表面活性劑+FB水的組合卻能夠顯著提高洗凈率（牛田晃臣等人）。藤本弘明等人在對玻璃管內附著的牛脂污垢洗滌時發現：添加低于cmc的陰離子表面活性劑或非離子表面活性劑，有助于提高微泡洗凈的效果。FB水的洗凈效果與此相異，需要考慮極性和親水性適合的表面活性劑，洗凈中適宜的FB氣泡尺寸和密度，以及表面張力等基本性能。探討更有效果的洗凈條件和適宜的表面活性劑，是今后研究的課題。

圖7 表面活性劑濃度與洗凈殘液RLU值的關系

圖8 表面活性劑濃度與洗凈殘液RLU值的關系

2 臭氧FB水的洗凈效果

2.1 臭氧FB水

封入臭氧和氧氣等氣體的FB水處于過飽和狀態，由于溶解了多量的氣體，期待能作為機能水發揮更大的用途。在水系洗滌領域，次氯酸鈉常被用于洗凈的目的，因為具有除菌效果高、成本低的優勢，因此，次氯酸鈉在食品的洗凈殺菌和布草的租賃方面被大量使用。然而，次氯酸鈉特有的臭氣和誤飲等問題常為人詬病。作為次氯酸鈉替代品的臭氧具有強力的氧化力，反應后的氧從水中放出，無殘留，對消減廢棄物具有很大的貢獻。在高度凈水處理和切割蔬菜的洗凈、半導體和衛生間的清潔等洗凈領域，臭氧FB水已經實現了實用化。

另一方面，因為FB水是稀釋臭氧（溶質）的溶劑，因而，本研究實測了臭氧FB水（REO研究所提供）的稀釋倍率和臭氧濃度的關系（圖9）。研究使用的臭氧FB水，通過添加電解質（鐵、錳、鈣和其它的礦物質），把水溶液的電導率調整為3mS/cm，就可以長期使用。由于稀釋倍率與臭氧的濃度成正比，因而，可以對溶質臭氧進行稀釋。本研究還確認：添加AE不會對臭氧濃度的測定產生大的影響。因為添加電解質能長期利用FB，本研究使用的FB水也添加了微量的電解質，且對臭氧的稀釋不會產生影響。但是，榎本一郎報道，電解質的添加量超過某一數值就會導致水中臭氧的分解，因此，在使用臭氧FB水時要格外注意。圖9是對水中臭氧濃度的測定結果，紫外線吸收式臭氧濃度計（オキトロテック株式會社制造）用于此項的測定。

圖9 臭氧FB水稀釋倍率與臭氧濃度（實測值）的關系

2.2 臭氧FB水的去污效果

圖10是以血液污布（CFTCS-1）為模型污垢，比較臭氧FB水、FB水和離子交換水洗凈污布的RLU值和殘液的RLU值。與用離子交換水洗凈的污布相比，用臭氧FB水洗凈血液污布的RLU值和殘液的RLU值非常低。RLU的值越低，表明ATP的量越少，洗凈度越高。通過臭氧的氧化作用，對血液污布和殘液中的ATP具有很好的去除效果。僅僅使用FB水，就對血液污布的污垢表現出去除效果。圖11是臭氧FB水濃度和添加表面活性劑（AE）對血液污布污垢的去除效果的影響。與殘液中的RLU值不斷降低相比，在臭氧濃度0.45mg/L以上，血液污布的RLU值（ATP去除效果）成為一定值，證實從纖維基質除去ATP是有界限的。添加AE能使RLU值大幅下降，提高ATP的去除效果，但增加臭氧FB水的濃度，卻不能改善從纖維基質除去ATP不良的效果。在先前的研究中，有關于 表面活性劑+臭氧FB水組合改善臭氧FB水性能的報告。渡部慎一等人確認：添加三醋精可促進微細氣泡的生成并降低動態表面張力，在臭氧微泡中添加三醋精，氣泡直徑越小，殺菌效果越高。這是因為：氣泡直徑越小，氣泡在水中的停留時間就越長，而且單位體積的表面積增加，也使臭氧FB水與微生物的接觸效率提高。這種添加三醋精的技術（促進臭氧的氧化），即使是低濃度的臭氧（1mg/L），也可以達到與次氯酸鈉同等的殺菌效果，作為切割蔬菜的殺菌洗凈技術已經實用化。圖12是添加三醋精對臭氧FB水殺菌效果的影響。

圖10 用臭氧FB水洗凈后，血液污布的RLU值和殘液的RLU值

圖11 臭氧FB水濃度與血液污布RLU值及殘液RLU值的關系

3 總結

FB水的應用是同時實現資源和能源削減及賦予高機能的秘密武器，在生活洗凈領域引入該技術，有可能誕生一種更加高效的洗衣技術。但是，FB技術在水系洗滌中的應用還只是剛剛開始，進一步說明FB水的機理和機能是新洗凈方法提出的基礎，也有助于解決實用化面臨的許多課題。隨著FB在家庭用制品中的利用不斷增加，研究者應當針對FB技術的最大利用者（消費者）展開普及活動，以便獲取正確的情報，推動FB技術的進一步開發。

圖12 臭氧濃度對革蘭氏陰性菌的除菌效果