在水系洗滌中導(dǎo)入微泡洗凈

Yoko YAMAGUCHI

（日本共立女子短期大學(xué)，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(huì)排出大量含藥劑的廢水。另一方面，從環(huán)境保護(hù)的角度來看，洗滌在不斷向節(jié)水和低溫洗凈的方向轉(zhuǎn)移，削減洗滌過程藥劑使用量的必要性已成為大家的共識(shí)。作為應(yīng)對(duì)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(fā)生技術(shù)和處理技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在，已經(jīng)有很多關(guān)于FB在洗滌領(lǐng)域的實(shí)用性研究。例如，長(zhǎng)谷川富一等人開發(fā)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(dòng)態(tài)表面張力的關(guān)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(duì)提高洗滌效果和靜態(tài)表面張力的影響；田村尚也等人用文丘里管研究了微泡對(duì)污垢剝離的促進(jìn)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(duì)象的表面活性劑的去除效果。在以布為基質(zhì)的FB水洗凈力評(píng)價(jià)中，有利用水晶振動(dòng)子法（下村久美子）和傅里葉變換紅外分光光度計(jì)（木村美智子等人）評(píng)價(jià)油污去除性的報(bào)道；有以三磷酸腺苷（ATP）為指標(biāo)評(píng)價(jià)蛋白質(zhì)去除效果的報(bào)道（山口庸子等人）；田川由美子等人還報(bào)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(jī)能的FB水，對(duì)它的實(shí)用化研究也非常盛行。特別是臭氧FB水具有強(qiáng)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(wèi)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(zhì)為洗滌對(duì)象的水系洗滌領(lǐng)域，F(xiàn)B水的應(yīng)用才剛剛開始，雖然具有FB機(jī)能的洗衣機(jī)已在銷售，但還需做進(jìn)一步研究。

本研究選定模型污垢，以ATP為指標(biāo)，通過清潔度和洗凈率的測(cè)定，說明了FB水系洗滌的性能與洗滌效果。同時(shí)，對(duì)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(yīng)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(xì)氣泡（ultra fine bubble），在ISO標(biāo)準(zhǔn)中，這兩種氣泡統(tǒng)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(xì)氣泡水是無色透明的，氣泡的表面帶有負(fù)電荷。近年來，由于對(duì)納米級(jí)氣泡和密度的測(cè)定成為可能，發(fā)現(xiàn)了它與普通氣泡的舉動(dòng)有很大差別，氣泡的納米精細(xì)化使得氣體的溶解量增加、氣/液界面的面積擴(kuò)大、表面張力下降。超微細(xì)氣泡在水中可長(zhǎng)期保存，因此，可以認(rèn)為這是溶劑對(duì)溶質(zhì)的稀釋。

圖1是氣體的發(fā)生時(shí)間與靜態(tài)表面張力的關(guān)系。圖2是添加表面活性劑對(duì)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(shì)。藤本弘明等人發(fā)現(xiàn)：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(wěn)定性。靜態(tài)表面張力的測(cè)定如圖3 所示，采用高速表面張力計(jì)（日本Quiberon公司制造 · AquaPi）針狀的探針（直徑0.5mm）浸入試樣溶液進(jìn)行表面張力的測(cè)定。在對(duì)FB水和表面活性劑的洗凈體系進(jìn)行動(dòng)態(tài)表面張力的測(cè)定時(shí)，發(fā)現(xiàn)表面張力的下降更為明顯。

圖1 FB發(fā)生時(shí)間與靜態(tài)表面張力的關(guān)系

圖2 添加表面活性劑對(duì)FB水表面張力的影響

圖3 靜態(tài)表面張力的測(cè)定

1.2 FB水洗凈效果的評(píng)價(jià)

FB水的洗凈力評(píng)價(jià)有濕式人工污布法和水晶振動(dòng)子法、FT-IR法和以ATP為指標(biāo)的方法等等。不論是哪種方法，均有關(guān)于洗凈效果的報(bào)告。本研究以ATP為指標(biāo)，評(píng)價(jià)FB水對(duì)蛋白質(zhì)的去除效果。ATP的測(cè)定，是按照《ATP擦拭檢查法》，以ATP和腺苷一磷酸（AMP）為指標(biāo)，對(duì)固體表面的ATP進(jìn)行擦拭的方法和對(duì)液體中的ATP 測(cè)定的方法。表1是主要的ATP污垢。ATP與熒光素酶反應(yīng)，通過測(cè)定發(fā)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(jiǎn)易裝置實(shí)施洗凈（25℃，10min），通過對(duì)洗凈后殘液中含有的ATP進(jìn)行測(cè)定，評(píng)價(jià)洗凈力的結(jié)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(jié)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(chǎn)生的洗凈效果，而用模型污垢沒有固定的污布進(jìn)行洗凈，沒有發(fā)現(xiàn)FB水有顯著的洗凈效果。下面將討論添加表面活性劑對(duì)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(píng)價(jià)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(yàn)對(duì)象，考察表面活性劑對(duì)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(xiàn)峰值，因而，在圖8所示的FB水中，評(píng)價(jià)添加0.11mmol/L的AE對(duì)洗凈效果的影響。結(jié)果表明：對(duì)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(duì)具有復(fù)雜纖維基質(zhì)構(gòu)造、污垢未經(jīng)固定的明膠污布，沒有發(fā)現(xiàn)添加AE對(duì)洗凈效果有影響。在先前的研究中，實(shí)驗(yàn)條件與本研究不同，表面活性劑與FB水組合對(duì)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(shí)，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(duì)玻璃管內(nèi)附著的牛脂污垢洗滌時(shí)發(fā)現(xiàn)：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(guān)系

圖8 表面活性劑濃度與洗凈殘液RLU值的關(guān)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(tài)，由于溶解了多量的氣體，期待能作為機(jī)能水發(fā)揮更大的用途。在水系洗滌領(lǐng)域，次氯酸鈉常被用于洗凈的目的，因?yàn)榫哂谐Ч?、成本低的?yōu)勢(shì)，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(qiáng)力的氧化力，反應(yīng)后的氧從水中放出，無殘留，對(duì)消減廢棄物具有很大的貢獻(xiàn)。在高度凈水處理和切割蔬菜的洗凈、半導(dǎo)體和衛(wèi)生間的清潔等洗凈領(lǐng)域，臭氧FB水已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。

另一方面，因?yàn)镕B水是稀釋臭氧（溶質(zhì)）的溶劑，因而，本研究實(shí)測(cè)了臭氧FB水（REO研究所提供）的稀釋倍率和臭氧濃度的關(guān)系（圖9）。研究使用的臭氧FB水，通過添加電解質(zhì)（鐵、錳、鈣和其它的礦物質(zhì)），把水溶液的電導(dǎo)率調(diào)整為3mS/cm，就可以長(zhǎng)期使用。由于稀釋倍率與臭氧的濃度成正比，因而，可以對(duì)溶質(zhì)臭氧進(jìn)行稀釋。本研究還確認(rèn)：添加AE不會(huì)對(duì)臭氧濃度的測(cè)定產(chǎn)生大的影響。因?yàn)樘砑与娊赓|(zhì)能長(zhǎng)期利用FB，本研究使用的FB水也添加了微量的電解質(zhì)，且對(duì)臭氧的稀釋不會(huì)產(chǎn)生影響。但是，榎本一郎報(bào)道，電解質(zhì)的添加量超過某一數(shù)值就會(huì)導(dǎo)致水中臭氧的分解，因此，在使用臭氧FB水時(shí)要格外注意。圖9是對(duì)水中臭氧濃度的測(cè)定結(jié)果，紫外線吸收式臭氧濃度計(jì)（オキトロテック株式會(huì)社制造）用于此項(xiàng)的測(cè)定。

圖9 臭氧FB水稀釋倍率與臭氧濃度（實(shí)測(cè)值）的關(guān)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(duì)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(duì)血液污布的污垢表現(xiàn)出去除效果。圖11是臭氧FB水濃度和添加表面活性劑（AE）對(duì)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(shí)從纖維基質(zhì)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(zhì)除去ATP不良的效果。在先前的研究中，有關(guān)于 表面活性劑+臭氧FB水組合改善臭氧FB水性能的報(bào)告。渡部慎一等人確認(rèn)：添加三醋精可促進(jìn)微細(xì)氣泡的生成并降低動(dòng)態(tài)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?yàn)椋簹馀葜睆皆叫。瑲馀菰谒械耐Ａ魰r(shí)間就越長(zhǎng)，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(shù)（促進(jìn)臭氧的氧化），即使是低濃度的臭氧（1mg/L），也可以達(dá)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(shù)已經(jīng)實(shí)用化。圖12是添加三醋精對(duì)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(guān)系

3 總結(jié)

FB水的應(yīng)用是同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源和能源削減及賦予高機(jī)能的秘密武器，在生活洗凈領(lǐng)域引入該技術(shù)，有可能誕生一種更加高效的洗衣技術(shù)。但是，F(xiàn)B技術(shù)在水系洗滌中的應(yīng)用還只是剛剛開始，進(jìn)一步說明FB水的機(jī)理和機(jī)能是新洗凈方法提出的基礎(chǔ)，也有助于解決實(shí)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(yīng)當(dāng)針對(duì)FB技術(shù)的最大利用者（消費(fèi)者）展開普及活動(dòng)，以便獲取正確的情報(bào)，推動(dòng)FB技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)。

圖12 臭氧濃度對(duì)革蘭氏陰性菌的除菌效果