JP2012224830A - 超微粒子エマルジョン燃料 - Google Patents

Abstract

【課題】 石油系液体燃料と活性水素含有磁気処理水による、油水分離を起こすことなく、乳化エマルジョン状態を長期間安定保持する低コストで製造可能な超微粒子エマルジョン燃料を提供すること。
【解決手段】 本発明は、水自体の界面活性能を高め、その性能を持続させる手段として多種のミネラルイオンを加えた水に磁気処理を施すことによって得た活性水素ないし溶存水素を含有する磁気処理水を非イオン界面活性剤とともに石油系液体燃料を超微粒化ノズルを用い、同時に圧入、吸い込み、噴出する手段により、長期間安定した超微粒子エマルジョン燃料を低コストで製造することを可能にした。

Description

本発明は、石油系液体燃料と活性水素含有磁気処理水を超微粒化ノズルを用いて、同時に圧入、吸い込み、噴出して、液体微粒子を得る超微粒子エマルジョン燃料に関する。

従来、石油系液体燃料による排ガス中の窒素酸化物と不完全燃焼物の炭素を含む煤煙や一酸化炭素の減少を図る手段として石油系液体燃料に水を混入したエマルジョン燃料が用いられている。例えば、合成アニオン系界面活性剤と蒸留水とを攪拌してムース状乳化剤を生成した後、石油系液体燃料に加えてエマルジョン燃料とする技術が特許第３５３０２８６号公報に開示されている。
また、燃料油と機能水の電子水、高調波還元水からなるエマルジョン燃料が特開２００８−４５０２２号公報に提案されている。

これらのうち、［特許第３５３０２８６号公報］は、合成アニオン系界面活性剤に蒸留水を投入、攪拌してムース状乳化剤をつくり、これを石油系液体燃料に混入攪拌したエマルジョン燃料の油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）で、粒径が粗大であり、油水分離しやすく、かつＷ／Ｏ型エマルジョン燃料は、油滴の表面が水に覆われているため、着火難と継続燃焼が困難となる課題がある。
更に、特開２００８−４５０２２号公報は、燃料油に界面活性剤を用いることなく機能水の電子水や高調波還元水を混合攪拌してエマルジョン燃料の油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）を提案している。しかし、該提案の機能水の欠点は、水自体の界面活性能が短時間のうちに消滅し、一時的に界面活性作用を有するものの、界面活性能が持続されないという物理的特性があり、このような機能水のみによって、一時的にできる界面活性作用を使ってのエマルジョン燃料は、エマルジョンの油水分離が起き、安定性を欠き、長期保存に課題がある。

特許第３５３０２８６号公報 特開２００８−４５０２２号公報

発明が解決しようとする課題

本発明は、石油系液体燃料と活性水素含有磁気処理水による新規なエマルジョン燃料に関し、長期間、油水分離を起こすことなく長時間の燃焼性に優れ、高燃焼効率と併せ、低コストで製造可能な超微粒子エマルジョン燃料を提供することである。

課題を解決するための手段

本発明者らは、水自体の界面活性能を高め、長期間界面活性能を持続せしめるための手段として、多種のミネラルイオンを含有する活性培養液を加えた水に磁気処理を施すことにより得られる活性水素ないし溶存水素を含有する磁気処理水を非イオン界面活性剤とともに石油系液体燃料を超微粒化ノズル（特開２００７−２４４９９７号公報および特開２００７−９０２５３号公報）を用い同時に圧入、吸い込み、噴出する手段により、長期間、油水分離が起きることなく、安定した超微粒子エマルジョン燃料を得ることを目的としている。

水自体の界面活性能と、水に磁気処理を施すことによる活性水素ないし溶存水素含有磁気処理水について以下説明する。

まず、水自体の界面活性について説明する。
非特許文献「固体物理」Ｖｏｌ．２４、Ｎｏ１２（１９８９）Ｐ４７〜５２には、水は、電気石の持つ永久電極の外的エネルギーによって、基底状態での平衡が保持されな

と結合し、ヒドロキシルイオン（Ｈ_３Ｏ_２ ⁻）を生成し、これが界面活性物質となり乳化作用を持つ機能水となること、およびＨ^＋は周辺の水（Ｈ_２Ｏ）と結合しヒドロニウムイオン（Ｈ_３Ｏ^＋）を生成することが報告されている。
しかし、この種の界面活性は、およそ３日間で急速に減少することが乳化実験で確認され、機能水のみの界面活性には弱点があり、課題を残していることを報告している。

つぎに、磁気処理を施すことによる活性水素ないし溶存水素含有磁気処理水について説明する。
本発明者らは、水に磁気処理を施すことによって、活性水素ないし溶存水素が生成含有する一因には、非特許文献「ＣＯＲＲＡＫ」Ｖｏｌ．４２、Ｎｏ４（１９８６）Ｐ２１５〜２１７に、磁束密度１２５０〜１５００ガウスの磁場に水を通過することにより、５０〜３５０μＡの電流が発生し、水が改質されると記述され、このことはフレミングの右手の法則に基づいて極めて微弱な電流が発生する一種の電子授受反応（類似電解反応）が起きたことによるものと考えている。

ＯＨ⁻）が、外的エネルギー即ち強力な磁場発生に伴う電磁気波作用を受けることにより水中の各種成分が励起され、励起によって活性化された水（磁気処理水）となり、この中に解離した水素イオン（Ｈ^＋）と活性水素（Ｈ・）および溶存水素（分子水素Ｈ_２）並びに励起した水酸イオン（ＯＨ⁻）、ヒドロキシラジカル（ＯＨ・）、ヒドロシキルイオン（Ｈ_３Ｏ_２ ⁻）、ヒドロニウムイオン（Ｈ_３Ｏ^＋）などが生成されると考えている。

活性水素は、化学大辞典編纂委員会編［化学大辞典］共立出版社によれば、発生期状態の水素は、原子状またはそれに近い状態にあり、物理化学反応を起こしやすい状態になった水素をいうと記述されている。

本発明においては、水に磁気処理を施す場合、磁気処理の際、微弱電流が発生する電子授受反応（類似電解反応）を強化するため、多種のミネラルイオンＦｅ^３＋、Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｋ^＋、Ｍｇ^２＋を含有する活性培養液を添加した水に対し、磁束密度１００〜１５，０００ガウスの磁場に、流速０．３ｍ／秒以上で通水し、磁気処理を施すことにより、電子授受反応が高まり、併せて生成する活性水素ないし溶存水素が励起されたミネラルイオンに捉えられ、長期間磁気処理水中に含有、維持することが分かり、かくして得た活性水素ないし溶存水素含有磁気処理水を活用することにより、長期間安定した超微粒子エマルジョン燃料を見出し本発明を完成した。

かくして得た本発明の超微粒子エマルジョン燃料は、燃焼の際、該燃料成分の組成炭素（Ｃ）は、超微粒子エマルシシジョン燃料中の水分により、一旦水性ガス化し、一酸化炭素（ＣＯ）と水素ガス（Ｈ_２）を生成した後、更に、生成した一酸化炭素（ＣＯ）は再び水と反応し、水素ガス（Ｈ_２）を生成し、炭酸ガス（ＣＯ_２）となり、磁気処理水中のヒドロニウムイオン（Ｈ_３Ｏ^＋）とともに、重油成分中の炭素（Ｃ）を全て完全燃焼することが出来る。
燃焼反応を式（１）、（２）、（３）、（４）に示す。

本発明の超微粒子エマルジョン燃料の燃焼は、炭素（Ｃ）１ｍｏｌから水素ガス（Ｈ_２）２ｍｏｌを生成し続けること、およびヒドロニウムイオン（Ｈ_３Ｏ^＋）の新生水素（Ｈ）生成による燃焼が、全く新規なエマルジョン燃料の特徴である。
一方、原料Ａ重油の燃焼は、成分の炭素（Ｃ）が直接空気中の酸素（Ｏ_２）と反応し、一酸化炭素（ＣＯ）を生成したのち炭酸ガス（ＣＯ_２）化するが、直接燃焼して炭酸ガス（ＣＯ_２）を生成するが、完全燃焼するまでは至らない。

然るに、本発明の超微粒子エマルジョン燃料の燃焼は、成分中の炭素（Ｃ）が直接燃焼するのではなく、瞬時に水素ガス（Ｈ_２）を生成し、生成した新生水素ガスが燃焼発熱することにより、原料Ａ重油の含有炭素（Ｃ）が燃焼して発生する炭酸ガス量は同量であるが、発生する燃焼エネルギーは、２倍値を超す発熱量を達成できることを可能にし、油成分は２分の１以下であっても、燃焼エネルギーは同量以上発生することが分かり、本発明を完成した。

発明の効果

本発明は、石油系液体燃料と活性水素ないし溶存水素含有磁気処理水および非イオン界面活性剤を超微粒化ノズルを用いて、同時に圧入、吸い込み、噴出する手段により、攪拌、混合することなく長期間の保存と安定かつ油水分離することのない超微粒子エマルジョン燃料が得られ、長時間燃焼持続に優れ、かつ高い燃焼効率と併せ、低コストの製造を可能にした。

福島原発事故を契機に、原子力エネルギーから火力発電へのエネルギー転換が喫緊の課題となっている現在、本発明の超微粒子エマルジョン燃料を全ての燃焼機関に利用することにより、石油系液体燃料のほぼ５０％を低減する効果が期待される。

本発明の実施の形態に係わる活性水素ないし溶存水素含有磁気処理水中の活性成分には、Ｈ・、Ｈ^＋、Ｈ_２、ＯＨ・、ＯＨ⁻、Ｈ_２Ｏなどの励起状の水素原子（Ｈ・、Ｈ^＋）と水素分子（Ｈ_２）、あるいは励起状の水酸分子（ＯＨ・、ＯＨ⁻）などの水酸化合物の全てが含まれ、特定する場合を除き、本発明はこれらを総称して、活性水素ないし溶存水素もしくは単に活性水素または溶存水素という。

本発明の実施の形態に係わる磁気処理は、［図１］に示す磁気処理通水装置を用い、多種類のミネラルイオンを含有する活性培養液を添加した水を流速０．３ｍ／秒以上、磁束密度１００〜１５，０００ガウスの磁場を１回ないし繰り返し通水磁気処理することにより得られた磁気処理水中に、活性水素（Ｈ・）および溶存水素（分子状水素ＤＨ＝Ｄｉｓｏｌｖｅｄ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ）が生成含有することをＥＳＲ（電子スピン共鳴）スペクトロメーター法により、城西大学薬学部においてＤＰＰＨ（１−１ Ｄｉｐｈｅｎｙｌ−２−ｐｉｃｒｙｌｈｙｄｒａｚｙｌ、ｍａｘ＝５１７ｎｍ）ラジカルに活性水素（Ｈ・）が捕捉され、ＤＰＰＨ−Ｈの生成反応から磁気処理水中１ｌ当たり励起状水素原子（Ｈ・）を１５〜３０μｇを含有することを検出確認している。

また、磁気処理水中に発生し含有する励起状水素原子（Ｈ・）からなる励起状水素

した。その結果、溶存水素（ＤＨ）が２０〜８０μｇ／ｌ含有することを確認した。
溶存水素測定装置は、（有）共栄電子研究所製溶存水素測定機ＫＭ−２１００を用いた。

一方、活性培養液無添加の水に磁気処理を施した磁気処理水中の活性水素（Ｈ・）および溶存水素（ＤＨ）それぞれの含有値は、上記に準じて磁気処理を実施した磁気処理水を測定した結果、活性水素（Ｈ・）２〜８μｇ、溶存水素（ＤＨ）５〜１５μｇ／ｌを確認した。

水（Ｈ_２Ｏ）に磁気処理を施すことにより、活性水素（Ｈ・）となり、さらに溶存水素（Ｈ_２）となる過程は単純なメカニズムではないが、以下に示す反応式（５）（６）により推移するものと推測している。

その際、反応性に富む発生期状の活性水素（Ｈ・）同士が共有結合して水素分子（Ｈ_２）となる。

また、一部のＨ・は、周辺の水（Ｈ_２Ｏ）と結合しビドロニウムイオン（Ｈ_３Ｏ^＋）を生成し、磁気処理水中に溜まり燃焼剤となる。［化３］式（７）に示す。

よって、本発明に示す活性水素含有磁気処理水には、ヒドロニウムイオン（Ｈ_３Ｏ^＋）および活性水素と溶存水素が含有され、溶存水素は活性水素より生成したものを指す。

また式（１）によって生成されたヒドロキシラジカル（ＯＨ・）は、周辺の水（Ｈ_２Ｏ）と結合して界面活性物質のヒドロキシルイオン（Ｈ_３Ｏ_２ ⁻）を生成する。式（８）に示す。

界面活性物質のヒドロキシルイオンの親水基、疎水基のモデルを非特許文献「固体物理」より引用し、［図９］に示す。

ここで水自体の界面活性について触れてみる。界面活性を示すためには、その物質は分子内に疎水基の部分と親水基の部分が共存していることが必要である。
ビドロキシルイオン（Ｈ_３Ｏ_２ ⁻）の構造は単純で、水の分子Ｈ_２ＯとＯＨ⁻の結合したものである。親水基の部分に相当するものは、［図９］のＨ−Ｏ−Ｈの部分であり、残りのＨ−Ｏの部分、特にＨ−の部分が疎水基の役割を持ち、全体としてはマイナス電荷を有する。

然して、これらの基は、一定のバランスが保持されていなければならないが、ミネラルイオンが近傍に存在することにより、長時間バランスが保持されることが実証されている。

本発明の活性水素ないし溶存水素含有磁気処理水について、磁気処理を施した後、１０日経過の溶存水素（ＤＨ）含有量は、１５〜６０μｇ／ｌがほぼ安定して含有していることを確認した。一方、活性培養液無添加磁気処理水中の溶存水素（ＤＨ）は、２日間経過後でＤＨ含有量は確認できなかった。

本発明は、以下の構成より成り立っている。
（１）石油系液体燃料と溶存水素含有磁気処理水および界面活性剤を、超微粒化ノズルにより、同時に圧入、吸い込み、噴出して得る超微粒子エマルジョン燃料。
（２）活性水素含有磁気処理水が、活性培養液を添加した水を磁束密度１００〜１５，０００ガウスの磁場に触れ、活性水素もしくは溶存水素を含有することを特徴とする前記（１）に記載する超微粒子エマルジョン燃料。
（３）活性培養液がミネラルイオンのＦｅ^３＋、Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｋ^＋、Ｍｇ^２＋、イオン状シリカ、塩化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、リン酸イオンを磁気処理水中に含有する前記（１）、（２）に記載する超微粒子エマルジョン燃料。
（４）石油系液体燃料１００重量部、活性水素含有磁気処理水５０〜１２０重量部、界面活性剤のポリオキシアルキレンノニフェニルエーテル１．０〜２．０重量部を超微粒化ノズルにより同時に圧入、吸い込み、噴出して得る超微粒子エマルジョン燃料。

本発明に用いる活性培養液は、特開２００１−１２０２５７号公報に示す腐植物質を含む腐葉土、医王石（石英閃緑▲分▼岩）、磁鉄鉱およびリン酸石灰を水に浸漬して、曝気攪拌により、鉄分１．６ｍｇ／ｌ、マンガン０．２ｍｇ／ｌ、ナトリウム３０ｍｇ／ｌ、マグネシウム５９ｍｇ／ｌ、カリウム３５０ｍｇ／ｌ、カルシウム４５ｍｇ／ｌ、ケイ素６５ｍｇ／ｌ等の総合陽イオン１６．２８ｍ．ｍｏｌ／ｌおよびＣｌ⁻１３５ｍｇ／ｌ、ＳＯ_４ ^２−１６５ｍｇ／ｌ、ＮＯ_３ ⁻１８９ｍｇ／ｌ、ＰＯ_４ ^３−１６３ｍｇ／ｌ等の総合陰イオン１５，４６ｍ．ｍｏｌ／ｌの他フミン酸を含有し、電気伝導度１９００（μｓ／ｃｍ・２５℃）、酸化還元電位−２００ｍＶのこげ茶色の液体である。水に磁気処理を施す際、電気分解と同様に、水中に各種のイオンを含ませることにより、電気伝導度が高まり、電解効率が向上することは公知であり、磁気処理水中の活性水素含有量を増加させるため、活性培養液を微量添加することは必須である。

さらに、活性培養液添加磁気処理水中のミネラルイオンは、磁気処理を施す際発生する活性水素、溶存水素ともに、界面活性物質のヒドロキシルイオン（Ｈ_３Ｏ_２ ⁻）の近傍に存在することにより、親水基と疎水基とのバランス維持に必須となる。

界面活性剤のポリオキシアルキレンノニフェニルエーテルは、商品名ニューコール５６６−ＦＨ（日本乳化剤（株））と称し、油・水エマルジョン中に１％程度混入することによりエマルジョンの安定性を保持する効果を発揮する。
以下、実施例によりさらに詳しく説明する。

活性水素含有磁気処理水は、［図１］に示す水槽２に水５０ｌと活性培養液１００ｍｌを投入、貯水し、当該水をポンプ６によって毎分２０ｌの流量で、ポンプ６およびバルブ８によって５０ｃｍ／秒の流速に設定した。そして磁気処理装置４によって当該水に対し、磁束密度１５，０００ガウス、５，０００ガウス、３００ガウスの磁場を与えた。
上述した条件で、６０分間通水循環した後に、溶存水素（ＤＨ、水素分子）の生成量を計測した。結果を［表１］に示す。なお本発明の実施例は、本実施例の実験Ｎｏ．２の６０分循環後の磁化処理液を供試料とした。

比較例

活性培養液無添加水を［図１］の水槽に投入し、実施例１に準じ比較テストを実施した結果、通水循環６０分後の溶存水素（ＤＨ）生成量は、１５，０００ガウスで２３μｇ／ｌ、５，０００ガウスで１０．８μｇ／ｌ、３００ガウスで８．８μｇ／ｌとなった。

溶存水素（ＤＨ）の濃度測定は、（有）共栄電子研究所の隔膜型ポーラグラフ式電極を採用した溶存水素測定装置「溶存水素計２１００ＤＨ」を用いた。

実施例１で得た磁気処理水（実験Ｎｏ．２、５，０００ガウス、６０分循環後）の溶存水素含有磁気処理水を供試料とし、３日間経過までの溶存水素（ＤＨ）の含有量を測定した。その結果、３日経過後の溶存水素（ＤＨ）含有量は、３３．８μｇ／ｌの高濃度値を得た。測定結果を［表２］に示す。

石油系液体燃料（特Ａ重油）１００重量部、溶存水素含有磁気処理水（Ｎｏ．２供試料）５０重量部、界面活性剤のポリオキシアルキレンノニフェニルエーテルを４％添加した溶存水素含有磁気処理水５０重量部を、［図５］に示す油槽（１）、磁気処理水槽（２）、界面活性剤添加磁気処理水槽（３）に夫々投入し、（１）：（２）：（３）＝１００：５０：５０となるようバルブを調整した上で、これを［図３］［図４］の超微粒化ノズルにより、圧縮空気０．５ＭＰａで圧入し、油、水を同時に吸い込み噴出して超微粒子エマルジョンＢを得た。

［実施例３］で得た超微粒子エマルジョンの粒径を測定した結果を［図６］に示す。これによると、平均粒径は１．８μｍ（９８％）を示す値を得た。更に３日経過後の平均粒径は、３．９μｍを示す値を得た。１ケ月経過後の超微粒子エマルジョンの平均粒径は、［図８］に示す如く４〜１２μｍにバラツキを示したが、長期間油水分離することなくＯ／Ｗ／Ｏ型多相エマルジョンを形成し続けることを確認した。
超微粒子エマルジョンの粒径測定は、光透過法粒径測定装置により計測を実施した。

［図１０］に示す電気炉を用い、低部に耐火レンガを置き、８００℃に加熱し、この上に［実施例３］で得た超微粒子エマルジョン燃料を滴下し、燃焼による燃料消費量と燃焼温度を測定した。
［図１１］の理論燃焼温度は、本発明に用いた特Ａ重油の概算成分値、炭素（Ｃ）８７％、水素（Ｈ）１３％のとき、低発熱量（Ｈ_Ｌ）は４０．１７ＭＪ／Ｋｇ、最高理論燃焼温度は２３００Ｋとなる。

燃料の燃焼温度は、燃料の主成分のＣ、Ｈ、Ｏ等の複雑な結合組織からなる結合エネルギーを分解するエネルギー消費を差し引いた値を入れ算出しなければならないが、本発明は、Ｃ、Ｈの概算成分値を基に、Ａ重油１ｇ（ｍｌ）当り２．０３℃の燃焼温度を理論燃焼温度とした。

本発明の超微粒子エマルジョン燃料は、重油含有量が５０％にも拘わらず、燃焼温度は、重油１００％の燃焼温度を超えて燃焼を続けた。
本発明の超微粒子エマルジョン燃料の燃焼は、燃焼の際、水性ガスを発生し、生成した新生水素ガス（Ｈ_２）が燃焼発熱する燃焼反応および磁気処理水中に含有するヒドロニウムイオンの燃焼反応により、Ａ重油の燃焼温度を超えた発熱量を得た。

産業上の利用の可能性

本発明は、石油系液体燃料と活性水素含有磁気処理水および界面活性剤を攪拌装置を用いることなく超微粒化ノズルを用いて、同時に圧入、吸い込み、噴出することにより、超微粒子エマルジョン燃料を得ることを可能にした。本発明の超微粒子エマルジョン燃料は、油水分離が長期間起こることなく安定保存することが出来、燃焼持続性に優れ、かつ高い燃焼効率と併せ低コストの製造を可能にし、全ての燃焼機関に本発明の超微粒子エマルジョン燃料を用いることにより、石油系燃料のほぼ５０％を低減することが期待される。

本発明の活性水素含有磁化処理水を得るための磁気処理水回路を示す図である。 磁気処理装置に内蔵される磁石体を示す図であって、（ａ）は磁石体の本体わ示す図、（ｂ）は、外周部に水を螺旋状に旋回させるための旋回手段を配置した、磁石体をハウジング収容した状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係わる石油系液体燃料、活性水素含有磁気処理水、界面活性剤希釈液を同時に圧入、吸い込み、噴出する超微粒化ノズルの略図である。 本発明の実施の形態に係わる石油系液体燃料、活性水素含有磁気処理水、界面活性剤希釈液を同時に圧入、吸い込み、噴出する超微粒化ノズルの略図である。 本発明の実施の形態に係わる超微粒化ノズル圧入、吸い込み、噴出処理実施図である。 本発明の実施の形態に係わる超微粒子エマルジョン燃料の超微粒子の粒径および粒子径毎の存在割合の測定結果を示す図である。 本発明の実施の形態に係わる超微粒子エマルジョン燃料の超微粒子の粒径および粒子径毎の存在割合の測定結果を示す図である。 本発明の実施の形態に係わる超微粒子エマルジョン燃料の超微粒子の粒径および粒子径毎の存在割合の測定結果を示す図である。 界面活性物質としてのヒドロキシルイオンのモデル図である。 燃焼実験に用いた電気炉の概略図 燃焼試験の温度上昇変化のグラフ

Claims (4)

1. 石油系液体燃料と活性水素含有磁気処理水および界面活性剤を超微粒子ノズルにより同時に圧入、吸い込み、分出して得る超微粒子エマルジョン燃料
2. 活性水素含有磁気処理水が、活性培養液を添加した水を磁束密度１００〜１５，０００ガウスの磁場に触れ、活性水素もしくは溶存水素を含有することを特徴とする請求項１に記載する超微粒子エマルジョン燃料
3. 活性培養液がミネラルイオンのＦｅ^３＋、Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｋ^＋、Ｍｇ^２＋、イオン状シリカ、塩化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、リン酸イオンを磁気処理水中に含有する請求項１ないし２に記載する超微粒子エマルジョン燃料
4. 石油系液体燃料１００重量部、活性水素含有磁気処理水５０〜１２０重量部界面活性際のポリオキシアルキレンノニフェニルエーテル１．０〜２．０重量部を超微粒化ノズルにより同時に圧入、吸い込み、噴出して得る超微粒子エマルジョン燃料

Images