洗涤带来的环境负荷已经成为社会广泛关注的话题，这些问题贯穿了日本合成洗涤剂普及的全过程，其中有代表性的事件是1960s的河流发泡公害，1970s的湖泊沼泽富营养化问题，这些问题与合成洗涤剂的使用有密切关系。针对这些问题，合成洗涤剂的制造商和研究机关通力合作，努力开发新的表面活性剂和新的洗涤助剂，并把酶引入洗涤剂配方，在不降低洗净力的前提下，成功实现了减轻洗涤剂环境负荷的目的。现在，为了提高洗净力，研究者仍然在对洗涤剂进行改良，大力开发新表面活性剂和新洗涤助剂。

另一方面，从提高洗净力和降低环境负荷的层面考虑，洗衣机的变迁不容忽视。1950s登场的电动洗衣机因为大大减轻了做家务的负担，很快就在日本的家庭普及开来。最早的电动洗衣机是喷流式的，后逐渐演变为旋涡式。1980s以提高洗净力和减轻衣物损伤为目的的变革，导致洗衣机制造商推出新水流的洗衣机，而且洗衣机也从原来的一槽式（单缸）向二槽式（双缸）转变，经过自动二槽式进化为全自动式。电脑控制技术的普及再加上节水型的要求，使得在欧洲占主导地位的滚筒洗衣机和后来发展起来的纵型洗衣机成为洗衣机市场的主流。

迄今为止，提高洗净力和减轻环境负荷都是从洗涤剂和洗衣机改良的角度所做的努力，近年来，研究者从另一个视角——洗涤水的改良展开了研究。对洗涤水的关注始于2000年，当时的热门话题是电解碱性离子水，随后就有利用碱性离子水洗净力的洗衣机上市销售了。现在，研究者对电解碱性离子水的研究依然非常活跃。

在这些流行的研究方法中，本文以洗涤中活用液体的流体力为目的，展开了深入研究。在衣物洗涤的场合，洗涤剂溶液是第一要素，天木桂子等人、Amaki，K等人通过比较水和表面活性剂溶液的流动举动，明确了表面活性剂溶液的特征，即：在剪切流和垂直流的情况下，表面活性剂溶液具有比水流动时的抵抗低的抵抗减少效果，使得表面活性剂溶液更容易聚集在污垢周围，比水更容易通过纤维间隙，这也可以用来解释表面活性剂溶液的界面化学作用，以及由此产生的流动上的优势。

另一方面，表面活性剂水溶液从家庭排水系统和工厂流入河流和湖泊时，不可避免地对自然环境产生影响。因此，为了降低洗涤时的表面活性剂用量，必须考虑不依赖表面活性剂水溶液的洗净方法，这就意味着有必要提出取代原有表面活性剂水溶液的新型洗涤液体提案。

本文的研究重点是探讨小气泡水用于洗涤的可能性。牛田晃臣等人、Ushida，A等人已经对小气泡水的洗净效果做了研究，本研究是进行小气泡水流动性的测定、验证，并对表面活性剂水溶液和小气泡水的性能作比较。

1 通过布间隙的小气泡水水流

如前所述，表面活性剂溶液具有比水更易流动的性质，本研究对小气泡水中这种抵抗减少效果的有无做了验证。试验时，把试验布的四边夹住，形成一个矩形回路，让小气泡水水流从试验布的垂直方向通过，然后测量小气泡水通过试验布前后的压力损失。试验方法及结果如下。

2 试验方法

图1是实验装置的示意图，图2是溶液流路的详细图解。图1中，实验装置由高位贮槽、流路、数字压力表三部分组成，高位槽中的溶液通过阀门1流出，经过流经管路，最终排出。流路上有两个压力检出孔，分别连接数字压力表（日本司测研株式会社的Disital Manometer PZ-77），用来测定流动时的压力损失（h mm）。

图2所示的流路是全长312mm、高40mm、宽25mm的矩形，内部断面是高30mm、宽15mm，流路整体由5mm的透明丙烯酸树脂板围成。中央的凸起部分与水流的方向垂直，夹成线密度和空隙率不同的各种网眼。它的前后用丙烯酸树脂板和橡胶衬垫夹住，固定网眼，中央部分切成10×10mm、15×15mm的正方形，以及f5mm的圆形，这个是决定溶液通过流路的断面形状。

试验布使用的网眼是由聚酯制成的8种（单纤维，线密度230～355根/英寸）、不锈钢制的网眼3种（线密度200～300根/英寸）。两者在水中均不会受到膨润的影响，试验前后的形状不会改变。

图1 实验装置示意图

图2 溶液流路的详细图解

阻力根据压力表指示的压力损失h(mm)算出，通过网眼间隙所需要的阻力D(N)由运动量法则导出的式(1)算出，而且D也可以通过式(2)的CD无次元化。

A：流路的断面积(m2)， r：溶液的密度(kg/m3)，g：重力加速度(m/sec2)

Va：流路内的平均速度(m3/sec)，S：网眼的单纤维所占的面积(m2)

在平均流速Va代表流速，构成网眼的单纤维的线径L(m)代表长度的场合，流体通过网眼时的平均雷诺数(Re)由式(3)算出。

n：溶液的运动黏度（= m（溶液的黏度）/ r）

图3 水和表面活性剂溶液的D值与Re的关系（流路尺寸10×10mm，网眼为200根/英寸）

本试验使用的流体，是离子交换水和气泡尺寸不同的2种小气泡水，它们分别是用含有mm尺寸气泡的O-MaxTypel C200（Techcorporation株式会社制造）调制的微泡水，用含有nm尺寸气泡的Fine Aqua MN-20（Techcorporation株式会社制造）调制的小气泡水。表面活性剂溶液4种，分别用直链烷基苯磺酸钠（LAS）、烷基硫酸钠（SDS）、月桂醇聚氧乙烯醚（AE(23)）、苯扎氯铵调制成0.5w%的溶液。

3 表面活性剂水溶液的流动特性

首先，展示用水和表面活性剂溶液所做的试验结果。图3是溶液通过流路尺寸10×10mm，网眼为250根/英寸不锈钢的阻力D与Re的关系。与离子交换水相比，表面活性剂溶液在所有Re范围内的D更低，显示出抵抗减少效果。图4的阻力系数CD是从图3计算出来的，4种表面活性剂的曲线几乎全部是直线。但是，离子交换水的CD远比表面活性剂溶液高，并且随着Re的上升，差距变大，这是因为表面活性剂溶液具有比水更容易通过网眼间隙的性质。即：表面活性剂溶液更容易流过织物纤维之间的狭小空间，使表面活性剂溶液具有更大的流速，增加了流体通过的机械力。

图4 水和表面活性剂溶液的CD值与Re的关系（流路尺寸15×15mm，网眼为250根/英寸）

4 小气泡水的流动特性

图中展示了小气泡水的代表性试验结果。是由200根/英寸不锈钢网眼得到的3种水（离子交换水、微泡水、纳米水）的阻力D和Re的关系。从图5中看到：同一Re的情况下，D最高的是离子交换水，纳米水和微泡水具有同样低水平的D值，确认了后两者具有明显的抵抗减少效果。

图6用300根/英寸不锈钢网眼、在15×15mm流路中得到的Re和CD的关系。图6显示：不论线密度和流路尺寸怎样变化，小气泡水的CD明显更低，具有抵抗减少效果。这种倾向在其他的网眼和流路尺寸中也观察到。由此断定：小气泡水的流动举动类似于表面活性剂水溶液。

另一方面，从3种水的排序来看，纳米水处于水和微泡水的中间位置，没有达到微泡水那样的减少程度，说明3种水存在明显的差别。

图5 3种水的阻力D和Re的关系（流路尺寸10×10mm，网眼为200根/英寸）

本实验使用的网眼丝间距是40～70mm，同线径和厚度一样都属于mm级。考虑到该数值与微泡水中的气泡直径（粒度分布峰值为20mm）处于同一水平，预计在气泡通过网眼间隙之际，反映流体流动性的D值会增加，实际情况却正好相反。另一方面，纳米泡水中的气泡直径的粒度分布峰值为80mm，比网眼间隙要小得多，因而，比微泡水更接近于水的D值。由此看来，气泡的存在，使得狭小空间通道的阻碍不成为流体通过的问题，反而变得使流体更容易通过，而且气泡粒径更大的微泡的这种效果更加显著。

例如，表面张力就是一例。表面活性剂水溶液的表面张力就比离子交换水的低，小气泡水的表面张力（DuNouy吊环法）也比离子交换水的低。天木桂子等人在用Wilhelmy盘法和悬滴法测定时，纳米泡水的表面张力是40～60mN/m，显然比离子交换水的表面张力低。表面张力低意味着对浸透性有利，这也是纳米泡水具抵抗减少效果的原因之一。

图6 3种水的CD和Re的关系（流路尺寸15×15mm，网眼为300根/英寸）

另外一个是液体的弹性力。我们知道，普通水是没有弹性的，但很多高分子的水溶液是有弹性的。另一方面，Hasegawa，T等人发现，通过微米尺寸小孔的水是有弹性的。本研究通过一系列的试验考察了表面活性剂溶液是否具有弹性，结果发现表面活性剂溶液有可能是具有弹性的。如前所述，小气泡水在流动行为上与表面活性剂溶液具有类似之处，如果小气泡水具有弹性，这有可能就是造成小气泡水流动特性的原因之一。牛田晃臣等人在对微泡水的研究中，得到的结果是在层流领域的微泡水没有弹性。关于这一点，包括纳米水在内，今后必须做进一步的研究。

5 结论

本文研究了小气泡水的物理特征，特别是对小气泡水在流动性方面的特征作了详细的探讨。微泡水和纳米泡水在流动时，具有与普通水相异的特征，它与表面活性剂的水溶液有很多相似之处。由于小气泡水在纤维间隙等狭小空间流动顺畅，加快了周边流体的速度，从而增大了流体的机械力，小气泡水的这个特征，可在许多工业中加以应用。

今后，随着对小气泡水化学特征的解明，期待能在减轻环境负荷方面，进一步展开小气泡水的应用。