小氣泡水的流動特性及用于洗滌的可能性

洗滌帶來的環(huán)境負(fù)荷已經(jīng)成為社會廣泛關(guān)注的話題，這些問題貫穿了日本合成洗滌劑普及的全過程，其中有代表性的事件是1960s的河流發(fā)泡公害，1970s的湖泊沼澤富營養(yǎng)化問題，這些問題與合成洗滌劑的使用有密切關(guān)系。針對這些問題，合成洗滌劑的制造商和研究機(jī)關(guān)通力合作，努力開發(fā)新的表面活性劑和新的洗滌助劑，并把酶引入洗滌劑配方，在不降低洗凈力的前提下，成功實現(xiàn)了減輕洗滌劑環(huán)境負(fù)荷的目的?，F(xiàn)在，為了提高洗凈力，研究者仍然在對洗滌劑進(jìn)行改良，大力開發(fā)新表面活性劑和新洗滌助劑。

另一方面，從提高洗凈力和降低環(huán)境負(fù)荷的層面考慮，洗衣機(jī)的變遷不容忽視。1950s登場的電動洗衣機(jī)因為大大減輕了做家務(wù)的負(fù)擔(dān)，很快就在日本的家庭普及開來。最早的電動洗衣機(jī)是噴流式的，后逐漸演變?yōu)樾郎u式。1980s以提高洗凈力和減輕衣物損傷為目的的變革，導(dǎo)致洗衣機(jī)制造商推出新水流的洗衣機(jī)，而且洗衣機(jī)也從原來的一槽式（單缸）向二槽式（雙缸）轉(zhuǎn)變，經(jīng)過自動二槽式進(jìn)化為全自動式。電腦控制技術(shù)的普及再加上節(jié)水型的要求，使得在歐洲占主導(dǎo)地位的滾筒洗衣機(jī)和后來發(fā)展起來的縱型洗衣機(jī)成為洗衣機(jī)市場的主流。

迄今為止，提高洗凈力和減輕環(huán)境負(fù)荷都是從洗滌劑和洗衣機(jī)改良的角度所做的努力，近年來，研究者從另一個視角——洗滌水的改良展開了研究。對洗滌水的關(guān)注始于2000年，當(dāng)時的熱門話題是電解堿性離子水，隨后就有利用堿性離子水洗凈力的洗衣機(jī)上市銷售了?，F(xiàn)在，研究者對電解堿性離子水的研究依然非?；钴S。

在這些流行的研究方法中，本文以洗滌中活用液體的流體力為目的，展開了深入研究。在衣物洗滌的場合，洗滌劑溶液是第一要素，天木桂子等人、Amaki，K等人通過比較水和表面活性劑溶液的流動舉動，明確了表面活性劑溶液的特征，即：在剪切流和垂直流的情況下，表面活性劑溶液具有比水流動時的抵抗低的抵抗減少效果，使得表面活性劑溶液更容易聚集在污垢周圍，比水更容易通過纖維間隙，這也可以用來解釋表面活性劑溶液的界面化學(xué)作用，以及由此產(chǎn)生的流動上的優(yōu)勢。

另一方面，表面活性劑水溶液從家庭排水系統(tǒng)和工廠流入河流和湖泊時，不可避免地對自然環(huán)境產(chǎn)生影響。因此，為了降低洗滌時的表面活性劑用量，必須考慮不依賴表面活性劑水溶液的洗凈方法，這就意味著有必要提出取代原有表面活性劑水溶液的新型洗滌液體提案。

本文的研究重點是探討小氣泡水用于洗滌的可能性。牛田晃臣等人、Ushida，A等人已經(jīng)對小氣泡水的洗凈效果做了研究，本研究是進(jìn)行小氣泡水流動性的測定、驗證，并對表面活性劑水溶液和小氣泡水的性能作比較。

1 通過布間隙的小氣泡水水流

如前所述，表面活性劑溶液具有比水更易流動的性質(zhì)，本研究對小氣泡水中這種抵抗減少效果的有無做了驗證。試驗時，把試驗布的四邊夾住，形成一個矩形回路，讓小氣泡水水流從試驗布的垂直方向通過，然后測量小氣泡水通過試驗布前后的壓力損失。試驗方法及結(jié)果如下。

2 試驗方法

圖1是實驗裝置的示意圖，圖2是溶液流路的詳細(xì)圖解。圖1中，實驗裝置由高位貯槽、流路、數(shù)字壓力表三部分組成，高位槽中的溶液通過閥門1流出，經(jīng)過流經(jīng)管路，最終排出。流路上有兩個壓力檢出孔，分別連接數(shù)字壓力表（日本司測研株式會社的Disital Manometer PZ-77），用來測定流動時的壓力損失（h mm）。

圖2所示的流路是全長312mm、高40mm、寬25mm的矩形，內(nèi)部斷面是高30mm、寬15mm，流路整體由5mm的透明丙烯酸樹脂板圍成。中央的凸起部分與水流的方向垂直，夾成線密度和空隙率不同的各種網(wǎng)眼。它的前后用丙烯酸樹脂板和橡膠襯墊夾住，固定網(wǎng)眼，中央部分切成10×10mm、15×15mm的正方形，以及f5mm的圓形，這個是決定溶液通過流路的斷面形狀。

試驗布使用的網(wǎng)眼是由聚酯制成的8種（單纖維，線密度230～355根/英寸）、不銹鋼制的網(wǎng)眼3種（線密度200～300根/英寸）。兩者在水中均不會受到膨潤的影響，試驗前后的形狀不會改變。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 溶液流路的詳細(xì)圖解

阻力根據(jù)壓力表指示的壓力損失h(mm)算出，通過網(wǎng)眼間隙所需要的阻力D(N)由運動量法則導(dǎo)出的式(1)算出，而且D也可以通過式(2)的CD無次元化。

A：流路的斷面積(m2)， r：溶液的密度(kg/m3)，g：重力加速度(m/sec2)

Va：流路內(nèi)的平均速度(m3/sec)，S：網(wǎng)眼的單纖維所占的面積(m2)

在平均流速Va代表流速，構(gòu)成網(wǎng)眼的單纖維的線徑L(m)代表長度的場合，流體通過網(wǎng)眼時的平均雷諾數(shù)(Re)由式(3)算出。

n：溶液的運動黏度（= m（溶液的黏度）/ r）

圖3 水和表面活性劑溶液的D值與Re的關(guān)系（流路尺寸10×10mm，網(wǎng)眼為200根/英寸）

本試驗使用的流體，是離子交換水和氣泡尺寸不同的2種小氣泡水，它們分別是用含有mm尺寸氣泡的O-MaxTypel C200（Techcorporation株式會社制造）調(diào)制的微泡水，用含有nm尺寸氣泡的Fine Aqua MN-20（Techcorporation株式會社制造）調(diào)制的小氣泡水。表面活性劑溶液4種，分別用直鏈烷基苯磺酸鈉（LAS）、烷基硫酸鈉（SDS）、月桂醇聚氧乙烯醚（AE(23)）、苯扎氯銨調(diào)制成0.5w%的溶液。

3 表面活性劑水溶液的流動特性

首先，展示用水和表面活性劑溶液所做的試驗結(jié)果。圖3是溶液通過流路尺寸10×10mm，網(wǎng)眼為250根/英寸不銹鋼的阻力D與Re的關(guān)系。與離子交換水相比，表面活性劑溶液在所有Re范圍內(nèi)的D更低，顯示出抵抗減少效果。圖4的阻力系數(shù)CD是從圖3計算出來的，4種表面活性劑的曲線幾乎全部是直線。但是，離子交換水的CD遠(yuǎn)比表面活性劑溶液高，并且隨著Re的上升，差距變大，這是因為表面活性劑溶液具有比水更容易通過網(wǎng)眼間隙的性質(zhì)。即：表面活性劑溶液更容易流過織物纖維之間的狹小空間，使表面活性劑溶液具有更大的流速，增加了流體通過的機(jī)械力。

圖4 水和表面活性劑溶液的CD值與Re的關(guān)系（流路尺寸15×15mm，網(wǎng)眼為250根/英寸）

4 小氣泡水的流動特性

圖中展示了小氣泡水的代表性試驗結(jié)果。是由200根/英寸不銹鋼網(wǎng)眼得到的3種水（離子交換水、微泡水、納米水）的阻力D和Re的關(guān)系。從圖5中看到：同一Re的情況下，D最高的是離子交換水，納米水和微泡水具有同樣低水平的D值，確認(rèn)了后兩者具有明顯的抵抗減少效果。

圖6用300根/英寸不銹鋼網(wǎng)眼、在15×15mm流路中得到的Re和CD的關(guān)系。圖6顯示：不論線密度和流路尺寸怎樣變化，小氣泡水的CD明顯更低，具有抵抗減少效果。這種傾向在其他的網(wǎng)眼和流路尺寸中也觀察到。由此斷定：小氣泡水的流動舉動類似于表面活性劑水溶液。

另一方面，從3種水的排序來看，納米水處于水和微泡水的中間位置，沒有達(dá)到微泡水那樣的減少程度，說明3種水存在明顯的差別。

圖5 3種水的阻力D和Re的關(guān)系（流路尺寸10×10mm，網(wǎng)眼為200根/英寸）

本實驗使用的網(wǎng)眼絲間距是40～70mm，同線徑和厚度一樣都屬于mm級。考慮到該數(shù)值與微泡水中的氣泡直徑（粒度分布峰值為20mm）處于同一水平，預(yù)計在氣泡通過網(wǎng)眼間隙之際，反映流體流動性的D值會增加，實際情況卻正好相反。另一方面，納米泡水中的氣泡直徑的粒度分布峰值為80mm，比網(wǎng)眼間隙要小得多，因而，比微泡水更接近于水的D值。由此看來，氣泡的存在，使得狹小空間通道的阻礙不成為流體通過的問題，反而變得使流體更容易通過，而且氣泡粒徑更大的微泡的這種效果更加顯著。

例如，表面張力就是一例。表面活性劑水溶液的表面張力就比離子交換水的低，小氣泡水的表面張力（DuNouy吊環(huán)法）也比離子交換水的低。天木桂子等人在用Wilhelmy盤法和懸滴法測定時，納米泡水的表面張力是40～60mN/m，顯然比離子交換水的表面張力低。表面張力低意味著對浸透性有利，這也是納米泡水具抵抗減少效果的原因之一。

圖6 3種水的CD和Re的關(guān)系（流路尺寸15×15mm，網(wǎng)眼為300根/英寸）

另外一個是液體的彈性力。我們知道，普通水是沒有彈性的，但很多高分子的水溶液是有彈性的。另一方面，Hasegawa，T等人發(fā)現(xiàn)，通過微米尺寸小孔的水是有彈性的。本研究通過一系列的試驗考察了表面活性劑溶液是否具有彈性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)表面活性劑溶液有可能是具有彈性的。如前所述，小氣泡水在流動行為上與表面活性劑溶液具有類似之處，如果小氣泡水具有彈性，這有可能就是造成小氣泡水流動特性的原因之一。牛田晃臣等人在對微泡水的研究中，得到的結(jié)果是在層流領(lǐng)域的微泡水沒有彈性。關(guān)于這一點，包括納米水在內(nèi)，今后必須做進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論

本文研究了小氣泡水的物理特征，特別是對小氣泡水在流動性方面的特征作了詳細(xì)的探討。微泡水和納米泡水在流動時，具有與普通水相異的特征，它與表面活性劑的水溶液有很多相似之處。由于小氣泡水在纖維間隙等狹小空間流動順暢，加快了周邊流體的速度，從而增大了流體的機(jī)械力，小氣泡水的這個特征，可在許多工業(yè)中加以應(yīng)用。

今后，隨著對小氣泡水化學(xué)特征的解明，期待能在減輕環(huán)境負(fù)荷方面，進(jìn)一步展開小氣泡水的應(yīng)用。