在水系洗涤中导入微泡洗净

Yoko YAMAGUCHI

（日本共立女子短期大学，日本，999001）

洗涤消耗大量的水和能量，而且需要使用洗涤剂和漂白剂，因而会排出大量含药剂的废水。另一方面，从环境保护的角度来看，洗涤在不断向节水和低温洗净的方向转移，削减洗涤过程药剂使用量的必要性已成为大家的共识。作为应对策略之一，是在洗涤过程中采用微泡/纳米微泡的FB洗涤。随着FB发生技术和处理技术的进步，现在，已经有很多关于FB在洗涤领域的实用性研究。例如，长谷川富一等人开发的交变流洗净装置；Karasawa等人研究了混入气泡与洗涤效果和动态表面张力的关系；牛田晃臣等人、Ushida，A等人研究了交变流中的纳米泡和表面活性剂混合液对提高洗涤效果和静态表面张力的影响；田村尚也等人用文丘里管研究了微泡对污垢剥离的促进效果；西尾直树等人用玻璃管明确了微泡的去污效果；藤本弘明等人用玻璃管考察了微泡洗净中添加表面活性剂的效果，以及以肌肤为作用对象的表面活性剂的去除效果。在以布为基质的FB水洗净力评价中，有利用水晶振动子法（下村久美子）和傅里叶变换红外分光光度计（木村美智子等人）评价油污去除性的报道；有以三磷酸腺苷（ATP）为指标评价蛋白质去除效果的报道（山口庸子等人）；田川由美子等人还报道了FB水的漂洗效果。

另一方面，有研究者还以空气以外的气体做成高机能的FB水，对它的实用化研究也非常盛行。特别是臭氧FB水具有强力的杀菌效果，可以代替氯系漂白剂用于蔬菜的洗净（渡部慎一）和卫生间的清洁（寺坂宏一），以及毛巾的漂白处理（桥本一郎等人）等。但是，在以纤维基质为洗涤对象的水系洗涤领域，FB水的应用才刚刚开始，虽然具有FB机能的洗衣机已在销售，但还需做进一步研究。

本研究选定模型污垢，以ATP为指标，通过清洁度和洗净率的测定，说明了FB水系洗涤的性能与洗涤效果。同时，对臭氧FB水的臭氧浓度和表面活性剂拼用效果及臭氧FB水的去污效果作了介绍，最后，展望了FB水在水系洗涤中应用的可能性。

1 FB水的洗净效果

1.1 FB水

1m m ～100m m的气泡称之为微泡（microbubble），1m m以下的气泡称之为超微细气泡（ultra fine bubble），在ISO标准中，这两种气泡统称为FB，在水中漂浮着FB的水称为FB水，在水中漂浮着1m m以下气泡的超微细气泡水是无色透明的，气泡的表面带有负电荷。近年来，由于对纳米级气泡和密度的测定成为可能，发现了它与普通气泡的举动有很大差别，气泡的纳米精细化使得气体的溶解量增加、气/液界面的面积扩大、表面张力下降。超微细气泡在水中可长期保存，因此，可以认为这是溶剂对溶质的稀释。

图1是气体的发生时间与静态表面张力的关系。图2是添加表面活性剂对FB水表面张力的影响。FB水的初始表面张力是54.5mN/m，添加LAS后，表面张力呈下降的趋势。藤本弘明等人发现：添加表面活性剂能降低FB水的表面张力，缩小气泡直径，提高气泡的稳定性。静态表面张力的测定如图3 所示，采用高速表面张力计（日本Quiberon公司制造 · AquaPi）针状的探针（直径0.5mm）浸入试样溶液进行表面张力的测定。在对FB水和表面活性剂的洗净体系进行动态表面张力的测定时，发现表面张力的下降更为明显。

图1 FB发生时间与静态表面张力的关系

图2 添加表面活性剂对FB水表面张力的影响

图3 静态表面张力的测定

1.2 FB水洗净效果的评价

FB水的洗净力评价有湿式人工污布法和水晶振动子法、FT-IR法和以ATP为指标的方法等等。不论是哪种方法，均有关于洗净效果的报告。本研究以ATP为指标，评价FB水对蛋白质的去除效果。ATP的测定，是按照《ATP擦拭检查法》，以ATP和腺苷一磷酸（AMP）为指标，对固体表面的ATP进行擦拭的方法和对液体中的ATP 测定的方法。表1是主要的ATP污垢。ATP与荧光素酶反应，通过测定发光量RLU值（Relative Light Unit）变化，确定ATP的量。

图4是以明胶作为模型污垢制作的污染试样。图5是在简易装置实施洗净（25℃，10min），通过对洗净后残液中含有的ATP进行测定，评价洗净力的结果。图6是以去离子水洗净和FB水洗净后，残液中RLU值的比较结果。RLU值越高，表明洗净力越高。通过在载玻片上涂布的污染试样，明确了FB剥离产生的洗净效果，而用模型污垢没有固定的污布进行洗净，没有发现FB水有显著的洗净效果。下面将讨论添加表面活性剂对洗净效果的影响。

图4 用明胶作为模型污垢制作的试样（载玻片、棉布）

图5 磁力搅拌器洗净装置

表1 各种污垢的ATP及ATP+AMP

图6 用明胶染制的各种污布评价FB水的洗净力

1.3 FB水中添加表面活性剂的效果

以7%的明胶染制的载玻片作为试验对象，考察表面活性剂对洗净效果的影响（图7）。由于在临界胶束浓度（cmc）以下的低浓度，RLU值出现峰值，因而，在图8所示的FB水中，评价添加0.11mmol/L的AE对洗净效果的影响。结果表明：对于模型污垢固定的载玻片，添加AE提高了FB水的洗净效果。但是，在对具有复杂纤维基质构造、污垢未经固定的明胶污布，没有发现添加AE对洗净效果有影响。在先前的研究中，实验条件与本研究不同，表面活性剂与FB水组合对改善洗净效果是有用的。特别是在交变流装置上用纳米微泡/表面活性剂溶液洗涤时，阴离子表面活性剂+FB水的组合却能够显著提高洗净率（牛田晃臣等人）。藤本弘明等人在对玻璃管内附着的牛脂污垢洗涤时发现：添加低于cmc的阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂，有助于提高微泡洗净的效果。FB水的洗净效果与此相异，需要考虑极性和亲水性适合的表面活性剂，洗净中适宜的FB气泡尺寸和密度，以及表面张力等基本性能。探讨更有效果的洗净条件和适宜的表面活性剂，是今后研究的课题。

图7 表面活性剂浓度与洗净残液RLU值的关系

图8 表面活性剂浓度与洗净残液RLU值的关系

2 臭氧FB水的洗净效果

2.1 臭氧FB水

封入臭氧和氧气等气体的FB水处于过饱和状态，由于溶解了多量的气体，期待能作为机能水发挥更大的用途。在水系洗涤领域，次氯酸钠常被用于洗净的目的，因为具有除菌效果高、成本低的优势，因此，次氯酸钠在食品的洗净杀菌和布草的租赁方面被大量使用。然而，次氯酸钠特有的臭气和误饮等问题常为人诟病。作为次氯酸钠替代品的臭氧具有强力的氧化力，反应后的氧从水中放出，无残留，对消减废弃物具有很大的贡献。在高度净水处理和切割蔬菜的洗净、半导体和卫生间的清洁等洗净领域，臭氧FB水已经实现了实用化。

另一方面，因为FB水是稀释臭氧（溶质）的溶剂，因而，本研究实测了臭氧FB水（REO研究所提供）的稀释倍率和臭氧浓度的关系（图9）。研究使用的臭氧FB水，通过添加电解质（铁、锰、钙和其它的矿物质），把水溶液的电导率调整为3mS/cm，就可以长期使用。由于稀释倍率与臭氧的浓度成正比，因而，可以对溶质臭氧进行稀释。本研究还确认：添加AE不会对臭氧浓度的测定产生大的影响。因为添加电解质能长期利用FB，本研究使用的FB水也添加了微量的电解质，且对臭氧的稀释不会产生影响。但是，榎本一郎报道，电解质的添加量超过某一数值就会导致水中臭氧的分解，因此，在使用臭氧FB水时要格外注意。图9是对水中臭氧浓度的测定结果，紫外线吸收式臭氧浓度计（オキトロテック株式会社制造）用于此项的测定。

图9 臭氧FB水稀释倍率与臭氧浓度（实测值）的关系

2.2 臭氧FB水的去污效果

图10是以血液污布（CFTCS-1）为模型污垢，比较臭氧FB水、FB水和离子交换水洗净污布的RLU值和残液的RLU值。与用离子交换水洗净的污布相比，用臭氧FB水洗净血液污布的RLU值和残液的RLU值非常低。RLU的值越低，表明ATP的量越少，洗净度越高。通过臭氧的氧化作用，对血液污布和残液中的ATP具有很好的去除效果。仅仅使用FB水，就对血液污布的污垢表现出去除效果。图11是臭氧FB水浓度和添加表面活性剂（AE）对血液污布污垢的去除效果的影响。与残液中的RLU值不断降低相比，在臭氧浓度0.45mg/L以上，血液污布的RLU值（ATP去除效果）成为一定值，证实从纤维基质除去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水的浓度，却不能改善从纤维基质除去ATP不良的效果。在先前的研究中，有关于 表面活性剂+臭氧FB水组合改善臭氧FB水性能的报告。渡部慎一等人确认：添加三醋精可促进微细气泡的生成并降低动态表面张力，在臭氧微泡中添加三醋精，气泡直径越小，杀菌效果越高。这是因为：气泡直径越小，气泡在水中的停留时间就越长，而且单位体积的表面积增加，也使臭氧FB水与微生物的接触效率提高。这种添加三醋精的技术（促进臭氧的氧化），即使是低浓度的臭氧（1mg/L），也可以达到与次氯酸钠同等的杀菌效果，作为切割蔬菜的杀菌洗净技术已经实用化。图12是添加三醋精对臭氧FB水杀菌效果的影响。

图10 用臭氧FB水洗净后，血液污布的RLU值和残液的RLU值

图11 臭氧FB水浓度与血液污布RLU值及残液RLU值的关系

3 总结

FB水的应用是同时实现资源和能源削减及赋予高机能的秘密武器，在生活洗净领域引入该技术，有可能诞生一种更加高效的洗衣技术。但是，FB技术在水系洗涤中的应用还只是刚刚开始，进一步说明FB水的机理和机能是新洗净方法提出的基础，也有助于解决实用化面临的许多课题。随着FB在家庭用制品中的利用不断增加，研究者应当针对FB技术的最大利用者（消费者）展开普及活动，以便获取正确的情报，推动FB技术的进一步开发。

图12 臭氧浓度对革兰氏阴性菌的除菌效果