JP2022134607A - PRODUCTION DEVICE OF HIGH pH SOLUTION AND PRODUCTION METHOD OF THE SOLUTION - Google Patents

PRODUCTION DEVICE OF HIGH pH SOLUTION AND PRODUCTION METHOD OF THE SOLUTION Download PDF

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Abstract

To provide a production device of a solution capable of producing a high pH solution by a method that cost and environmental load are low and to provide a production method of the solution.SOLUTION: A device producing a high pH solution from carbonated water having a hydrogen ion exchange membrane selectively permeating hydrogen ions in the carbonated water and electrodes disposed while sandwiching the hydrogen ion exchange membrane and a production method of the solution are provided. Consequently, the desired high pH solution can be produced by the method that cost and environmental load are low as a starting material of the weak carbonated water.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、pHの高い溶液製造装置及びその溶液製造方法に関するものである。特に、水素イオン交換膜を備えるpHの高い溶液製造装置及びその溶液の製造方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a high pH solution manufacturing apparatus and a solution manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to a high-pH solution manufacturing apparatus equipped with a hydrogen ion exchange membrane and a method for manufacturing the solution.

近年、河川や海洋及び土壌の酸性化による環境変化が問題となっている。海洋の酸性化に関しては、大気中の二酸化炭素の増加が大きく寄与していると考えられている。また、工場等から排出される二酸化硫黄や窒素酸化物を含む酸性雨は、河川や土壌の酸性化の主な原因と言われている。これらの河川や海洋の酸性化による生態系への影響が強く懸念されており、酸性雨による森林被害もまた、深刻な問題となっている。さらに、土壌の酸性化については、農業を持続的に行っていく上で、農作物の生育に大きな影響を持つものである。 In recent years, environmental changes due to acidification of rivers, oceans and soil have become a problem. Increased atmospheric carbon dioxide is thought to be a major contributor to ocean acidification. In addition, acid rain containing sulfur dioxide and nitrogen oxides discharged from factories is said to be the main cause of acidification of rivers and soil. There are strong concerns about the impact on ecosystems due to the acidification of these rivers and oceans, and damage to forests due to acid rain is also a serious problem. Furthermore, soil acidification has a great influence on the growth of crops in terms of sustainable agriculture.

二酸化炭素の問題に関しては、地球温暖化の大きな原因とされ、全世界的に二酸化炭素の環境への排出を抑制することが早急に対応すべき課題となっている。一方、現に起こっている河川や海洋、土壌の酸性化に対しての対策も急務である。例えば、河川の酸性化の問題に関しては、酸性化した河川に石灰石粉(炭酸カルシウム)を流すことにより中和する事業が自治体主導で行われている。しかしながら、このような酸性排水等の中和用途に用いられている苛性ソーダ(NaOH)は、劇物であり取り扱いが難しく、その他、上述のCa系の石灰石(炭酸カルシウム)、消石灰(水酸化カルシウム)、生石灰(酸化カルシウム)等は、難溶性のものが多い等の難点がある。また、環境に対する施策として、そのスケールの大きさからコストの問題の解決も大きな課題となっている。 Regarding the problem of carbon dioxide, it is considered to be a major cause of global warming, and it is an urgent issue to suppress the emission of carbon dioxide into the environment worldwide. On the other hand, countermeasures against the acidification of rivers, oceans, and soils that are currently occurring are urgently needed. For example, with regard to the problem of acidification of rivers, local governments are taking the lead in projects to neutralize acidified rivers by flowing limestone powder (calcium carbonate). However, caustic soda (NaOH) used for neutralizing such acidic wastewater is a deleterious substance that is difficult to handle. , quicklime (calcium oxide) and the like have drawbacks such as many of them being insoluble. In addition, as a measure for the environment, solving the problem of cost has become a major issue due to its scale.

このような酸性に傾いた環境の正常化を視野に入れた、pHの適正化のための手段を提供するものとして、例えば、特許文献1には、隔膜を用いた電解槽にて高pHのアルカリ性電解水を生成することが記載されている。 As a means for optimizing the pH with a view to normalizing such an environment that tends to be acidic, for example, Patent Document 1 discloses a high-pH electrolytic cell using a diaphragm. Producing alkaline electrolyzed water is described.

特開2014-171965号公報JP 2014-171965 A

特許文献1に記載されるように、アルカリ電解水を製造する場合、電子の移動を媒介する電解質が必要であり、その由来となる電解質溶液としてKCOやNaHCO等の溶液を用いている。このような場合、薬品購入によるコスト増や電解質溶液に含まれる金属イオンによる環境負荷、生態系への影響が懸念されるという問題がある。
したがって、低コストで環境負荷の少ない、酸性化された河川や海洋、土壌のpHの適正化を実現可能な技術が求められている。
As described in Patent Document 1, when producing alkaline electrolyzed water, an electrolyte that mediates electron transfer is required, and a solution such as K 2 CO 3 or NaHCO 3 is used as an electrolyte solution from which it is derived. there is In such a case, there are concerns about an increase in cost due to the purchase of chemicals, an environmental load due to metal ions contained in the electrolyte solution, and an impact on the ecosystem.
Therefore, there is a demand for a low-cost, low-environmental load technology capable of optimizing the pH of acidified rivers, oceans, and soil.

そこで、本発明の課題は、低コストかつ環境負荷の少ない手法で、pHの高い溶液を製造することができる溶液製造装置、及びその溶液の製造方法を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a solution manufacturing apparatus capable of manufacturing a high-pH solution and a method for manufacturing the solution in a low-cost, environment-friendly manner.

本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、水素イオン交換膜で隔てられた処理槽において、炭酸を溶解させた原水に電圧を印加し、水素イオン交換膜を介して水素イオンをカソード側に移動させることで、アノード側において溶液のpHを短時間に上昇させることができることを見出して本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、以下の溶液製造装置、及びその溶液製造方法である。
As a result of intensive studies on the above problems, the present inventor applied a voltage to raw water in which carbonic acid was dissolved in a treatment tank separated by a hydrogen ion exchange membrane, and hydrogen ions were transferred to the cathode side through the hydrogen ion exchange membrane. The inventors have found that the pH of the solution on the anode side can be raised in a short period of time by the movement, thus completing the present invention.
That is, the present invention is the following solution manufacturing apparatus and solution manufacturing method.

上記課題を解決するための本発明の溶液製造装置は、炭酸水からpHの高い溶液を製造する装置であって、炭酸水中の水素イオンを選択的に透過する水素イオン交換膜と、前記水素イオン交換膜を挟んで配置される電極と、を備えることを特徴とする。
この溶液製造装置によれば、電極に挟まれるように水素イオン交換膜を設け、電圧を印加することで、水素イオン交換膜を介して、炭酸水から電離する水素イオンをカソード側に速やかに移動させることができ、アノード側の炭酸水のpHを短時間に上昇させ、pHの高い溶液を製造することができる。また、環境負荷が懸念される金属イオンを含む薬品等を使用しないため、低コストかつ環境負荷の少ないpHの高い溶液の製造が可能となる。
A solution manufacturing apparatus of the present invention for solving the above problems is an apparatus for manufacturing a high pH solution from carbonated water, comprising a hydrogen ion exchange membrane that selectively permeates hydrogen ions in carbonated water; and electrodes arranged with an exchange membrane interposed therebetween.
According to this solution manufacturing apparatus, a hydrogen ion exchange membrane is provided so as to be sandwiched between electrodes, and a voltage is applied to quickly move hydrogen ions ionized from carbonated water to the cathode side through the hydrogen ion exchange membrane. It is possible to raise the pH of the carbonated water on the anode side in a short period of time to produce a solution with a high pH. In addition, since chemicals containing metal ions, which may cause environmental impact, are not used, it is possible to produce a low-cost, low-environmental-impact, high-pH solution.

また、本発明の溶液製造装置の一実施態様としては、炭酸水は、原水に二酸化炭素を溶解したものであるという特徴を有する。
この特徴によれば、二酸化炭素を溶解した炭酸水を使用することができることにより、水素イオンの移動を介した、pHの高い溶液の製造をより確実に行うことが可能となる。
二酸化炭素が原水に溶解した炭酸水内では、二酸化炭素と炭酸との平衡状態から、炭酸の一部が水素イオンと重炭酸イオンに電離する。さらに、重炭酸イオンが水素イオンと炭酸イオンに電離する。したがって、炭酸水中には、水素がイオン状態で含まれるため、水素イオン源として利用することが可能である。また、炭酸水を水素イオン源として用いることで、水素イオン交換膜を介して水素イオンが移動することにより、アノード側の二酸化炭素の水溶液への溶解に係る化学平衡は、炭酸イオンを生成する方向に反応が進行することになる。なお、本発明における「炭酸水」は、二酸化炭素を溶解した溶液のことをいう。
Further, one embodiment of the solution manufacturing apparatus of the present invention is characterized in that the carbonated water is obtained by dissolving carbon dioxide in raw water.
According to this feature, by using carbonated water in which carbon dioxide is dissolved, it is possible to more reliably produce a solution with a high pH through the movement of hydrogen ions.
In the carbonated water in which carbon dioxide is dissolved in the raw water, part of the carbonic acid is ionized into hydrogen ions and bicarbonate ions due to the state of equilibrium between carbon dioxide and carbonic acid. Furthermore, bicarbonate ions are ionized into hydrogen ions and carbonate ions. Therefore, since carbonated water contains hydrogen in an ionic state, it can be used as a source of hydrogen ions. In addition, by using carbonated water as a hydrogen ion source, the hydrogen ions move through the hydrogen ion exchange membrane, so that the chemical equilibrium related to the dissolution of carbon dioxide in the aqueous solution on the anode side is in the direction of producing carbonate ions. the reaction proceeds to In addition, "carbonated water" in the present invention refers to a solution in which carbon dioxide is dissolved.

また、本発明の溶液製造装置の一実施態様としては、原水は、淡水(河川水、水道水、雨水)、又は純水という特徴を有する。
一般に、自然環境下において海水には、金属イオン等の環境負荷の大きい、また本発明の効果を妨げるような物質を多く含む可能性がある。一方、淡水(河川水、水道水、雨水)、又は純水は、これらの金属イオン等を問題とならない程度に含むか、又は含まない。
この特徴によれば、本発明に使用する炭酸水を多くの金属イオン等を含まないこととすることができ、より環境負荷の小さいpHの高い溶液を効率的に製造することが可能となる。
In one embodiment of the solution manufacturing apparatus of the present invention, the raw water is fresh water (river water, tap water, rain water) or pure water.
In general, seawater in a natural environment may contain a large amount of substances such as metal ions, which have a large environmental load and may hinder the effects of the present invention. On the other hand, fresh water (river water, tap water, rain water) or pure water contains or does not contain these metal ions and the like to an insignificant extent.
According to this feature, the carbonated water used in the present invention can be made free of many metal ions and the like, and it becomes possible to efficiently produce a solution with a low environmental load and a high pH.

上記課題を解決するための本発明の溶液製造方法は、炭酸水からpHの高い溶液を製造する方法であって、水素イオンを選択的に透過する水素イオン交換膜と、電極と、を用い、炭酸水に電圧を印加し、前記炭酸水中の水素イオンを前記水素イオン交換膜に透過させることすることを特徴とする。
この溶液製造方法によれば、電極に挟まれるように水素イオン交換膜を設け、電圧を印加することで、水素イオン交換膜を介して、炭酸水から電離する水素イオンをカソード側に速やかに移動させることができ、アノード側の炭酸水のpHを短時間に上昇させ、pHの高い溶液を製造することができる。また、環境負荷が懸念される金属イオンを含む薬品等を使用しないため、低コストで、環境負荷の少ない溶液の製造が可能となる。
The solution production method of the present invention for solving the above problems is a method for producing a solution with a high pH from carbonated water, using a hydrogen ion exchange membrane that selectively permeates hydrogen ions and an electrode, A voltage is applied to the carbonated water to permeate hydrogen ions in the carbonated water through the hydrogen ion exchange membrane.
According to this solution manufacturing method, a hydrogen ion exchange membrane is provided so as to be sandwiched between electrodes, and a voltage is applied to quickly move hydrogen ions ionized from carbonated water to the cathode side through the hydrogen ion exchange membrane. It is possible to raise the pH of the carbonated water on the anode side in a short period of time to produce a solution with a high pH. In addition, since chemicals containing metal ions, which are of concern for environmental impact, are not used, it is possible to manufacture a solution with low environmental impact at low cost.

本発明によると、低コストかつ環境負荷の少ない手法で、pHの高い溶液を製造することができる溶液製造装置、及びその溶液の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solution manufacturing apparatus which can manufacture the solution with high pH by the low-cost and environment-friendly technique, and the manufacturing method of the solution can be provided.

本発明の第1の実施態様に係る溶液製造装置の概略説明図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic explanatory drawing of the solution manufacturing apparatus which concerns on the 1st embodiment of this invention. 本発明の第1の実施態様に係る溶液製造装置における水素イオンの移動の態様の一例を示す概略説明図である。FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing an example of the mode of hydrogen ion movement in the solution manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第2の実施態様に係る溶液製造装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the solution manufacturing apparatus which concerns on the 2nd embodiment of this invention. 本発明の第3の実施態様に係る溶液製造装置における水素発生の態様の一例を示す溶液製造装置の概略説明図である。FIG. 5 is a schematic explanatory diagram of a solution production apparatus showing an example of hydrogen generation mode in the solution production apparatus according to the third embodiment of the present invention; 本発明の第4の実施態様に係る溶液製造装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the solution manufacturing apparatus which concerns on the 4th embodiment of this invention.

以下、図面を参照しつつ本発明に係る溶液製造装置の実施態様を詳細に説明する。また、本発明に係る溶液製造方法の説明については、本発明に係る溶液製造装置の動作に係る説明に置き換えるものとする。
なお、実施態様に記載する溶液製造装置及び溶液製造方法については、本発明に係る溶液製造装置及び溶液製造方法を説明するために例示したに過ぎず、これに限定されるものではない。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the embodiment of the solution manufacturing apparatus which concerns on this invention is described in detail, referring drawings. Also, the explanation of the solution manufacturing method according to the present invention shall be replaced with the explanation related to the operation of the solution manufacturing apparatus according to the present invention.
It should be noted that the solution manufacturing apparatus and solution manufacturing method described in the embodiments are merely examples for explaining the solution manufacturing apparatus and solution manufacturing method according to the present invention, and are not limited thereto.

(溶液製造方法)
本発明の溶液製造装置は、pHの高い溶液を製造するためのものである。具体的には、炭酸水における電離平衡により生ずる水素イオンを、水素イオン交換膜を介して移動させることで、水素イオン移動後の炭酸水のpHを上昇させ、水素イオン移動前よりもpHの高くなった溶液を得るものである。
(Solution manufacturing method)
A solution manufacturing apparatus of the present invention is for manufacturing a solution having a high pH. Specifically, by moving hydrogen ions generated by ionization equilibrium in carbonated water through a hydrogen ion exchange membrane, the pH of carbonated water after hydrogen ion transfer is increased, and the pH is higher than before hydrogen ion transfer. A smooth solution is obtained.

本発明に利用できる炭酸水としては、二酸化炭素を溶解した水溶液であれば、その由来については特に限定されない。原水に人為的に二酸化炭素を溶解したものであってもよいし、はじめから二酸化炭素を溶存するものであってもよい。原水として利用できるものとしては、例えば、河川水、湖沼水、地下水、雨水、海水のような天然資源のほか、水道水、純水、工場からの排水・廃水、埋立地の浸出水等が挙げられる。 Carbonated water that can be used in the present invention is not particularly limited in its origin, as long as it is an aqueous solution in which carbon dioxide is dissolved. Carbon dioxide may be artificially dissolved in raw water, or carbon dioxide may be dissolved from the beginning. Examples of raw water that can be used include natural resources such as river water, lake water, groundwater, rainwater, and seawater, as well as tap water, pure water, wastewater from factories, and leachate from landfill sites. be done.

本発明は、酸性化した海水、工場からの排水・廃水、埋立地の浸出水等のpHを適正化する目的においても利用可能である。しかしながら、低コストで環境負荷の少ない溶液の製造という課題に鑑みると、金属イオンやハロゲン(フッ素、塩素、ホウ素等)化物、その他の意図しない反応を起こす可能性のある物質を極力含まない、淡水(河川水、水道水、雨水)、又は純水等を出発物質である原水として利用することが好ましい。これら原水から得たpHの高い溶液を別途、pHの適正化のために使用してもよいし、酸性化が問題となっている現地において原水を取水し、pHを適正化した後、環境に循環させることとしてもよい。例えば、本発明の溶液製造装置を酸性化が問題となっている河川に近い陸地に設置することにより、最小限の搬送コストで原水を利用することが可能となる。このため、原水の調達にかかるコスト及びエネルギーを大幅に低減させることが可能になる。 The present invention can also be used for the purpose of optimizing the pH of acidified seawater, waste water from factories, leachate from landfill sites, and the like. However, in view of the problem of producing a low-cost, environmentally-friendly solution, fresh water containing as little as possible metal ions, halogen (fluorine, chlorine, boron, etc.) compounds, and other substances that may cause unintended reactions (River water, tap water, rain water) or pure water is preferably used as raw water as a starting material. A high pH solution obtained from these raw waters may be used separately for optimizing the pH. It may be circulated. For example, by installing the solution manufacturing apparatus of the present invention on land near a river where acidification is a problem, it is possible to use raw water at a minimum transportation cost. Therefore, it is possible to greatly reduce the cost and energy required for procuring raw water.

炭酸水において、二酸化炭素(CO)が水(HO)に溶解している場合には、一般的には式1に示すような化学平衡式が成り立っている。

Figure 2022134607000002
In carbonated water, when carbon dioxide (CO 2 ) is dissolved in water (H 2 O), a chemical equilibrium formula as shown in Formula 1 generally holds.
Figure 2022134607000002

式1に示すように、二酸化炭素は水に溶解すると、炭酸(HCO)との平衡状態に達した後、炭酸の一部が水素イオンと重炭酸イオン(HCO )に電離する。さらに、重炭酸イオンが水素イオンと炭酸イオン(CO 2-)に電離する。したがって、二酸化炭素が溶解した水溶液中には、水素がイオン状態で含まれるため、水素イオン交換膜を介した、水素イオンの移動が可能である。また、水素イオンが移動した後の炭酸水においては、式1で示した化学平衡は、炭酸イオン(CO 2-)を生成する方向に反応が進行することになる。本発明においては、弱酸性である炭酸水を出発物質としているのも関わらず、電圧の印加により即時的な溶液のpHの上昇が観察され、そのpHは10程度にまで達する。 As shown in Equation 1, when carbon dioxide is dissolved in water, after reaching equilibrium with carbonic acid (H 2 CO 3 ), some of the carbonic acid ionizes into hydrogen ions and bicarbonate ions (HCO 3 ). . Furthermore, bicarbonate ions are ionized into hydrogen ions and carbonate ions (CO 3 2− ). Therefore, since hydrogen is contained in an ionic state in an aqueous solution in which carbon dioxide is dissolved, hydrogen ions can be transferred through the hydrogen ion exchange membrane. Further, in the carbonated water after the hydrogen ions have migrated, the reaction proceeds in the direction of producing carbonate ions (CO 3 2− ) in the chemical equilibrium shown by Formula 1. In the present invention, although weakly acidic carbonated water is used as a starting material, an instantaneous increase in the pH of the solution is observed upon application of a voltage, and the pH reaches about 10.

また、本発明の特徴として、消費電力が少ないことが挙げられる。水素イオン透過膜を隔てた水素イオン濃度の濃度勾配によってpHの上昇を完結できる場合には、電圧の印加は必須ではない。しかしながら、アルカリ性の溶液を製造する目的においては、速やかな反応のために電圧の印加が必要になる。この場合であっても、カソード側において水素を発生させるほどの電圧の印加は必要とはされない。例えば、水の電離に必要な電圧が最低限印加されれば、反応は短時間に進行し、溶液のpHはアルカリ性側まで達することができる。したがって、本発明の溶液製造方法及びその製造方法は、低電力、低コストを実現できるという効果を奏する。 Another feature of the present invention is low power consumption. If the concentration gradient of the hydrogen ion concentration across the hydrogen ion permeable membrane can complete the increase in pH, the application of voltage is not essential. However, for the purpose of producing an alkaline solution, application of voltage is required for rapid reaction. Even in this case, it is not necessary to apply enough voltage to generate hydrogen on the cathode side. For example, if the minimum voltage required for ionizing water is applied, the reaction proceeds in a short time, and the pH of the solution can reach the alkaline side. Therefore, the solution manufacturing method and the manufacturing method of the present invention are effective in realizing low power consumption and low cost.

〔第1の実施態様〕
図1は、本発明の第1の実施態様における溶液製造装置1Aの構造を示す概略説明図である。
本実施態様における溶液製造装置1Aは、図1に示すように、処理槽10を有し、処理槽10内には、水素イオン交換膜12を備えている。そして、水素イオン交換膜12には、一対の電極(電極11a、11b)が設けられている。なお、図1に示すように、処理槽10内は、水素イオン交換膜12を介して、二酸化炭素を導入する側(第1室13a)と、電離により生じた水素イオンが透過する側(第2室13b)とに分かれている。
また、処理槽10には、原水Sを導入するラインL1と、第1室13aに二酸化炭素(CO)を導入するラインL2が接続されている。より詳細には、ラインL1は、第1室13aの上部の空間14a及び第2室13bの上部の空間14bと接続するように配置され、ラインL2は、第2室13bの原水Sに二酸化炭素(二酸化炭素含有ガス)を導入可能に配置されている。
[First embodiment]
FIG. 1 is a schematic explanatory diagram showing the structure of a solution manufacturing apparatus 1A according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the solution manufacturing apparatus 1A in this embodiment has a processing tank 10, and a hydrogen ion exchange membrane 12 is provided in the processing tank 10. As shown in FIG. The hydrogen ion exchange membrane 12 is provided with a pair of electrodes (electrodes 11a and 11b). As shown in FIG. 1, the inside of the processing tank 10 has a side (first chamber 13a) where carbon dioxide is introduced and a side (second chamber 13a) through which hydrogen ions generated by ionization permeate through a hydrogen ion exchange membrane 12. It is divided into two chambers 13b).
Further, a line L1 for introducing raw water S0 and a line L2 for introducing carbon dioxide (CO 2 ) into the first chamber 13a are connected to the treatment bath 10 . More specifically, the line L1 is arranged to connect with the upper space 14a of the first chamber 13a and the upper space 14b of the second chamber 13b, and the line L2 is connected to the raw water S0 of the second chamber 13b. It is arranged so that carbon (carbon dioxide-containing gas) can be introduced.

なお、ラインL1、L2の配置はこれには限定されない。例えば、ラインL1による原水Sの導入は、第1室13aのみに接続する構成として、第2室13bには、純水や電解溶液、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、及び塩化ナトリウム水溶液を導入するようにしてもよい。これにより、電気透析の原理に基づくイオン移動が生じ、水素イオン交換膜12を介した水素イオンの移動速度を速め、溶液のpH上昇に係る時間短縮が可能となるという利点も有する。また、二酸化炭素の導入の構成、態様についても限定されない。例えば、空間14aに接続することとしてもよいし、第1室13aを加圧、又は減圧することにより、原水Sへ溶解する二酸化炭素の濃度を目的とする溶液のpHに応じて調整可能な構成としてもよい。また、第1室13aの下部から二酸化炭素の細かい気泡を発生するような構成として、随時二酸化炭素の溶解度を均一に維持できるような構成としてもよい。 Note that the arrangement of the lines L1 and L2 is not limited to this. For example, the introduction of the raw water S0 through the line L1 is configured to connect only to the first chamber 13a. An aqueous solution may be introduced. As a result, ion migration occurs based on the principle of electrodialysis, and there is also the advantage that the migration speed of hydrogen ions through the hydrogen ion exchange membrane 12 can be increased, and the time required for raising the pH of the solution can be shortened. Also, the configuration and mode of introduction of carbon dioxide are not limited. For example, it may be connected to the space 14a, and by pressurizing or depressurizing the first chamber 13a, the concentration of carbon dioxide dissolved in the raw water S0 can be adjusted according to the pH of the target solution. may be configured. Alternatively, a configuration may be adopted in which fine bubbles of carbon dioxide are generated from the lower portion of the first chamber 13a so that the solubility of carbon dioxide can be kept uniform at any time.

ここで、二酸化炭素の供給源(あるいは発生源)については、特に限定されない。具体的な二酸化炭素の供給源の例としては、例えば、生活・産業活動に伴い、各種施設(発電施設・工場・一般家庭等)や運輸手段から排出される二酸化炭素を含むガスのほか、大気や火山ガス等、天然に存在する二酸化炭素を含むガスなどが挙げられる。なお、目的とするpHの溶液が得られる程度に、原水Sが十分な二酸化炭素をはじめから溶解している場合には、二酸化炭素を導入する構成を省略することもできる。 Here, the supply source (or generation source) of carbon dioxide is not particularly limited. Specific examples of carbon dioxide supply sources include gases containing carbon dioxide that are emitted from various facilities (power generation facilities, factories, general households, etc.) and means of transportation in the course of daily life and industrial activities, as well as the atmosphere. gas containing naturally occurring carbon dioxide such as volcanic gas and volcanic gas. In addition, when sufficient carbon dioxide is dissolved in the raw water S0 from the beginning to the extent that a solution with a desired pH is obtained, the configuration for introducing carbon dioxide may be omitted.

処理槽10は、水素イオン交換膜12を備え、原水Sを貯留可能となるように形成されているものであればよく、特に素材や形状は問わない。例えば、電解槽や電気透析槽として知られている構造に用いられる素材や形状を使用すること等が挙げられる。 The treatment tank 10 may be of any material and shape as long as it is provided with a hydrogen ion exchange membrane 12 and is formed so as to be able to store the raw water S0 . Examples include the use of materials and shapes used in structures known as electrolytic cells and electrodialysis cells.

電極11a、11bは、水素イオン交換膜12の表面あるいは近傍に設けられ、導線を用いて電圧印加ユニット50に電気的に接続されている。本実施態様における電極11a、11bは、水素イオンの水素イオン交換膜12を介した移動のための通電、電圧印加ユニット50由来の電圧の印加のために用いられるものである。 The electrodes 11a and 11b are provided on or near the surface of the hydrogen ion exchange membrane 12, and are electrically connected to the voltage application unit 50 using conducting wires. The electrodes 11 a and 11 b in this embodiment are used for applying current from the voltage application unit 50 for the movement of hydrogen ions through the hydrogen ion exchange membrane 12 .

電極11a、11bとしては、アノード又はカソードとして機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。電極11a、11bの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属(金、白金、銀、パラジウム、ガリウム、ステンレス、銅等)が挙げられる。また、電極11a、11bの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状、又は導電性基板に粒子状の金属粒子を塗布した電極基板等が挙げられる。なお、電極11a、11bは水素イオン交換膜12の表面あるいは近傍に設けるため、水素イオン交換膜12に対する物質移動の阻害を抑制できる形状とすることが好ましい。したがって、本実施態様における電極11a、11bの形状としては、例えば、メッシュ状や針金等の細い棒状などが挙げられる。さらに、電極11a、11bの別の例としては、メッキ処理などの手法により、水素イオン交換膜12の表面に直接電極パターンを作成するもの等が挙げられる。このとき、電極パターンの形状は特に限定されないが、水素イオン交換膜12に対する物質移動の阻害を抑制できるものとすることが好ましい。 The electrodes 11a and 11b are not particularly limited in material and shape as long as they function as anodes or cathodes. Examples of materials for the electrodes 11a and 11b include carbon and metals (gold, platinum, silver, palladium, gallium, stainless steel, copper, etc.) that are widely used as electrode materials in the electrochemical field. Examples of the shape of the electrodes 11a and 11b include a plate shape, a rod shape, a mesh shape, and an electrode substrate obtained by coating a conductive substrate with particulate metal particles. Since the electrodes 11a and 11b are provided on or near the surface of the hydrogen ion exchange membrane 12, it is preferable that the electrodes 11a and 11b have a shape capable of suppressing inhibition of mass transfer to the hydrogen ion exchange membrane 12. FIG. Therefore, the shape of the electrodes 11a and 11b in this embodiment includes, for example, a mesh shape and a thin bar shape such as a wire. Further, another example of the electrodes 11a and 11b includes those in which an electrode pattern is formed directly on the surface of the hydrogen ion exchange membrane 12 by a technique such as plating. At this time, the shape of the electrode pattern is not particularly limited, but it is preferable to be able to suppress inhibition of mass transfer to the hydrogen ion exchange membrane 12 .

電圧印加ユニット50の構成、機能については特に限定はされない。また、前述のように水素イオンの濃度勾配による水素イオンの移動により所望のpHの溶液が得られるのであれば電圧印加ユニットを設けなくともよい。電圧印加の態様としては、直流電源として、処理槽10での反応の進行等に合わせて、その出力を調節できることが好ましく、太陽電池、風力、波力などの再生可能エネルギーや他の施設における余剰電力を利用するものとすることが好ましい。これにより、溶液の製造工程において使用するエネルギーを低減させることが可能となる。特に、発電に際して二酸化炭素を排出しない再生可能エネルギーを用いた場合、二酸化炭素の排出抑制を推進することができるという効果も奏する。 The configuration and function of the voltage application unit 50 are not particularly limited. Further, as described above, if a solution having a desired pH can be obtained by the movement of hydrogen ions due to the concentration gradient of hydrogen ions, the voltage applying unit may not be provided. As a form of voltage application, it is preferable that the output can be adjusted according to the progress of the reaction in the treatment tank 10 as a DC power supply, and it is possible to use renewable energy such as solar cells, wind power, wave power, and surplus power in other facilities. It is preferable to use electric power. This makes it possible to reduce the energy used in the manufacturing process of the solution. In particular, in the case of using renewable energy that does not emit carbon dioxide when generating electricity, there is an effect that it is possible to promote the suppression of carbon dioxide emissions.

水素イオン交換膜12は、水素イオンを選択的に透過することができる膜である。
本実施態様においては、例えば、水素イオン交換膜12としては、水素イオンのみを透過させる機能を有するものであればよく、具体的な成分や構造については特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、炭素-フッ素からなる疎水性のテフロン(登録商標)骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料が挙げられる。なお、原水Sに含まれる一価の陽イオンが水素イオンのみであることが明らかである場合など、水素回収工程を行う条件によっては、水素イオン交換膜12として、一価の陽イオンを選択的に透過できるように処理したもの(いわゆる一価イオン選択膜)や、二価の陽イオンを含む陽イオン交換膜を用いるものとしてもよい。このとき、一価イオン選択膜や陽イオン交換膜を構成する具体的な成分や構造については特に限定されず、公知のものを用いることができる。
The hydrogen ion exchange membrane 12 is a membrane that can selectively permeate hydrogen ions.
In this embodiment, for example, the hydrogen ion exchange membrane 12 may have a function of allowing only hydrogen ions to pass therethrough, and specific components and structures are not particularly limited, and known membranes may be used. can be done. For example, there is a perfluorocarbon material composed of a hydrophobic Teflon (registered trademark) skeleton made of carbon-fluorine and a perfluoro side chain having a sulfonic acid group. In addition, depending on the conditions for performing the hydrogen recovery process, such as when it is clear that the monovalent cations contained in the raw water S0 are only hydrogen ions, monovalent cations are selected as the hydrogen ion exchange membrane 12. It is also possible to use a membrane that has been treated so that it can be selectively permeated (so-called monovalent ion selective membrane) or a cation exchange membrane containing divalent cations. At this time, the specific components and structures constituting the monovalent ion selective membrane and the cation exchange membrane are not particularly limited, and known ones can be used.

溶液製造装置1Aは、水素イオン交換膜12を介して、原水Sに二酸化炭素を溶解させた炭酸水から水素イオンを選択的に透過させ、pHの高い溶液の製造を行うものである。より具体的には、溶液製造装置1Aは、原水Sが供給された処理槽10内において、二酸化炭素(二酸化炭素含有ガス)を導入し、水素イオン交換膜12を介して、処理槽10内の空間14aから空間14bへ、生成した水素イオンを選択的に透過させ、炭酸水のpHを上昇させてpHの高い溶液を製造するものである。 The solution manufacturing apparatus 1A selectively permeates hydrogen ions from carbonated water obtained by dissolving carbon dioxide in raw water S0 through a hydrogen ion exchange membrane 12 to manufacture a high pH solution. More specifically, the solution manufacturing apparatus 1A introduces carbon dioxide (carbon dioxide-containing gas) into the processing tank 10 supplied with the raw water S0 , and introduces carbon dioxide (carbon dioxide-containing gas) into the processing tank 10 via the hydrogen ion exchange membrane 12. The produced hydrogen ions are selectively permeated from the space 14a to the space 14b to raise the pH of the carbonated water to produce a solution with a high pH.

本実施態様の溶液製造装置1AにおけるpHの高い溶液の製造工程について、図2に基づき説明する。
図2は、本実施態様の溶液製造装置1Aにおける溶液製造工程を示す概略説明図である。図2における処理槽10内の構成は、図1に示した構成と同じであり、第1室13a及び第2室13b内にはいずれにも原水Sを導入しており、また、第1室13aには、ラインL2を介して二酸化炭素(二酸化炭素含有ガス)が導入されており、二酸化炭素を溶存する状態(炭酸水)となっている。なお、図2には、水素イオンに関わるイオンの移動についてのみ示しており、それ以外のイオンについては図示を省略している。
A manufacturing process of a solution having a high pH in the solution manufacturing apparatus 1A of this embodiment will be described based on FIG.
FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing the solution manufacturing process in the solution manufacturing apparatus 1A of this embodiment. The structure inside the processing tank 10 in FIG. 2 is the same as the structure shown in FIG. Carbon dioxide (carbon dioxide-containing gas) is introduced into the chamber 13a via a line L2, and the chamber 13a is in a state of dissolving carbon dioxide (carbonated water). Note that FIG. 2 shows only the movement of ions related to hydrogen ions, and omits illustration of other ions.

図2に示すように、ラインL1を介して処理槽10内に導入された原水Sは、二酸化炭素が溶解することによって生成する炭酸、重炭酸イオン、炭酸イオン、水素イオンを含んでいる。そして、イオン濃度勾配により、また、電圧印加ユニット50により印加される電圧に起因する電気透析により、第1室13a内の水素イオンは水素イオン交換膜12を透過し、第2室13b側に移動する。そして、水素イオンの移動により、アノード側である第1室13aの溶液のpHが上昇していく。そのpHは、弱酸の炭酸水を出発物質としているにも関わらず、10程度まで速やかに上昇する。この理由は必ずしも明確ではないが、炭酸水をその起源とする水素イオンのカソード側への移動をきっかけとして、アノード側となる第1室13aでの水の電離により供給される水素イオンも、水素イオン交換膜を介して、カソード側となる第2室13bに移動し、アノード側において水酸化イオン(OH)を生成する水の電離反応が随時進行していくことが想定される。 As shown in FIG. 2 , the raw water S0 introduced into the treatment tank 10 via the line L1 contains carbonic acid, bicarbonate ions, carbonate ions, and hydrogen ions produced by dissolving carbon dioxide. Then, due to the ion concentration gradient and electrodialysis due to the voltage applied by the voltage application unit 50, the hydrogen ions in the first chamber 13a permeate the hydrogen ion exchange membrane 12 and move to the second chamber 13b side. do. Then, due to the movement of hydrogen ions, the pH of the solution in the first chamber 13a on the anode side rises. Its pH quickly rises to about 10, even though weakly acidic carbonated water is used as a starting material. Although the reason for this is not necessarily clear, with the movement of hydrogen ions originating from carbonated water to the cathode side, the hydrogen ions supplied by the ionization of water in the first chamber 13a serving as the anode side also become hydrogen. It is assumed that water moves to the second chamber 13b on the cathode side through the ion exchange membrane, and the ionization reaction of water to generate hydroxide ions (OH ) on the anode side progresses at any time.

なお、第2室13bで生成される水素イオンを多く含む溶液についての取り扱いについては、特に限定はされない。後述するように、印加電圧を電気分解電圧以上に設定して、第2室13bの水素イオンに対し、電極11bから電子を供与し、水素(H)の形として回収することもできる。また、第2室13bの溶液を回収して貯留施設に移送して貯留するものとしてもよく、あるいは直接ユースポイントに移送してエネルギー源として利用するものとしてもよい。 There are no particular restrictions on the handling of the solution containing many hydrogen ions generated in the second chamber 13b. As will be described later, by setting the applied voltage to be equal to or higher than the electrolysis voltage, electrons can be donated from the electrode 11b to the hydrogen ions in the second chamber 13b and recovered in the form of hydrogen (H 2 ). Alternatively, the solution in the second chamber 13b may be collected and transferred to a storage facility for storage, or may be transferred directly to a use point for use as an energy source.

なお、溶液製造装置1Aは、図1及び図2で示した構造に限定するものではなく、溶液製造を効率的に行うための各種手段を追加するものとしてもよい。このような手段の一例としては、例えば、電極11a、11bの表面で析出物が生成することを抑制するための手段や、水素イオン交換膜12のイオン透過効率が低減することを抑制するための手段などが挙げられる。 In addition, the solution manufacturing apparatus 1A is not limited to the structure shown in FIGS. 1 and 2, and various means for efficiently manufacturing the solution may be added. Examples of such means include, for example, means for suppressing the formation of precipitates on the surfaces of the electrodes 11a and 11b, and means for suppressing reduction in the ion permeation efficiency of the hydrogen ion exchange membrane 12. means, etc.

以上のように、本実施態様の溶液製造装置1A及び溶液製造装置1Aを用いた溶液製造方法により、二酸化炭素を溶解した原水から水素イオン交換膜を介して水素イオンのみを透過させ、その後、pHが上昇した溶液を回収することで、金属イオン等の環境負荷の大きい物質を極力含まない炭酸水から、大きな電力を使用することなく、原水に含まれる金属イオンの量を増加させることなくpHの高い溶液を得ることが可能となる。したがって、環境負荷が小さくかつ低コストであるpHの高い溶液の製造が可能となる。 As described above, according to the solution manufacturing apparatus 1A of the present embodiment and the solution manufacturing method using the solution manufacturing apparatus 1A, only hydrogen ions are allowed to permeate through the hydrogen ion exchange membrane from raw water in which carbon dioxide is dissolved, and then pH By recovering the solution with increased pH, carbonated water that does not contain substances with a large environmental load such as metal ions as much as possible can be obtained without using a large amount of electricity and without increasing the amount of metal ions contained in the raw water. It becomes possible to obtain a high solution. Therefore, it is possible to produce a high-pH solution with a small environmental burden and at a low cost.

本実施態様では、酸性の原水からアルカリ性の処理水となる場合を例示した。しかしながら、本発明は、原水のpHを高めることをできればよく、酸性の原水から酸性の処理水、アルカリ性の原水からアルカリ性の処理水となる場合であっても適用が可能である。 In this embodiment, the case where acidic raw water becomes alkaline treated water is exemplified. However, the present invention only needs to be able to increase the pH of raw water, and can be applied even when acidic raw water becomes acidic treated water, and alkaline raw water becomes alkaline treated water.

図3は、本発明の第2の実施態様における溶液製造装置を示す概略説明図である。なお、図3は第1の実施態様における原水Sに二酸化炭素を溶解する手段として、溶解槽30を設けたものを示している。 FIG. 3 is a schematic explanatory diagram showing a solution manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a dissolution tank 30 provided as means for dissolving carbon dioxide in the raw water S0 in the first embodiment.

図3に示すように、本実施態様における溶液製造装置1Bは、二酸化炭素(二酸化炭素含有ガス)を導入するラインL2を溶解槽30に接続し、処理槽10での反応の前処理として、二酸化炭素を原水Sにあらかじめ溶解することができるように構成したものである。また、溶解槽30と処理槽10の第1室13aを接続することにより、二酸化炭素を溶解した原水Sを炭酸水として、処理槽10での反応に用いることができる。なお、ラインL2の溶解槽30への接続の態様については、特に限定されず、溶解槽30の上部の空間に接続されるものであってもよく、溶解槽30の下端から二酸化炭素の気泡を発生するように構成してもよい。これにより、二酸化炭素溶解を確実にすることができると同時に、反応に使用する前処理として均一な炭酸水の調製を適宜行うことが可能となる。 As shown in FIG. 3, the solution manufacturing apparatus 1B in this embodiment connects a line L2 for introducing carbon dioxide (carbon dioxide-containing gas) to the dissolution tank 30, and as a pretreatment for the reaction in the treatment tank 10, carbon dioxide It is configured so that carbon can be dissolved in raw water S0 in advance. Further, by connecting the dissolution tank 30 and the first chamber 13a of the treatment tank 10, the raw water S0 in which carbon dioxide is dissolved can be used for the reaction in the treatment tank 10 as carbonated water. The mode of connection of the line L2 to the dissolving tank 30 is not particularly limited, and may be connected to the upper space of the dissolving tank 30. may be configured to occur. As a result, it is possible to ensure the dissolution of carbon dioxide, and at the same time, it is possible to appropriately prepare uniform carbonated water as a pretreatment for use in the reaction.

また、溶解槽30の機能、態様は限定されない。原水Sへの二酸化炭素の溶解度を調整できるよう、溶解槽30を加圧又は減圧可能な構成にしてもよいし、温度を調整できるようにしてもよい。さらに二酸化炭素を溶解する目的以外にも、原水Sに含まれている、処理槽10での反応に好ましくない物質や、得られた溶液をpH適正化のために使用する場合に、環境負荷や障害となる物質を取り除いておくための前処理を行うようにすることもできる。例えば、原水Sに含まれる金属イオンを沈殿させることにより取り除くようにしてもよい。 Moreover, the function and mode of the dissolving tank 30 are not limited. In order to adjust the solubility of carbon dioxide in the raw water S0 , the dissolving tank 30 may be configured to be pressurized or depressurized, or the temperature thereof may be adjusted. Furthermore, in addition to the purpose of dissolving carbon dioxide, substances contained in the raw water S0 that are unfavorable for the reaction in the treatment tank 10, and when using the obtained solution for adjusting the pH, environmental load It is also possible to carry out a pretreatment for removing substances that may become obstacles. For example, the metal ions contained in the raw water S0 may be removed by precipitating.

以上のように、本実施態様における溶液製造装置1Bは、処理槽10での反応の前処理として、使用する炭酸水の二酸化炭素に二酸化炭素を溶解させると同時に、環境負荷の原因となる、又は、望ましくない反応の原因となる物質を取り除くことが可能となるため、得られるpHが高い溶液の品質を格段に向上させることが可能となる。 As described above, the solution manufacturing apparatus 1B in this embodiment dissolves carbon dioxide in the carbon dioxide of the carbonated water used as pretreatment for the reaction in the treatment tank 10, and at the same time causes an environmental load, or , it is possible to remove substances that cause undesired reactions, so that the quality of the obtained high-pH solution can be significantly improved.

図4は、本発明の第3の実施態様における溶液製造装置を示す概略説明図である。なお、図4は、第1の実施態様が一定量の原水Sを一単位とし、一単位ごとに処理を行うバッチ式の構成であったのに対し、一定以上の電圧を印加することで、電解反応により水素を発生させるのと同時に、pHの上昇した溶液を処理後溶液として回収するようにした、連続式の構成の一例を示している。 FIG. 4 is a schematic explanatory diagram showing a solution manufacturing apparatus according to the third embodiment of the present invention. In addition, FIG. 4 shows that the first embodiment has a batch type configuration in which a certain amount of raw water S0 is used as one unit and processing is performed for each unit. , shows an example of a continuous system configuration in which hydrogen is generated by an electrolytic reaction and at the same time, a solution with an increased pH is recovered as a post-treatment solution.

図4に示すように、本実施態様の溶液製造装置1Cは、水素イオン交換膜12を透過した水素イオンに対し、電極11bから電子が供与されることにより、空間14b内で水素イオンが水素(H)の形となる。空間14b内で生成した水素は、水素の発生するカソード側の第2室13bにラインL5を接続することにより、電解反応により発生した水素を系から放出するようにしている。このとき、設けられた電極11a、11bは、少なくとも電極11bから水素イオンに電子を供与することができるように直流電源から電圧を印加するものであればよい。 As shown in FIG. 4, in the solution manufacturing apparatus 1C of the present embodiment, electrons are donated from the electrode 11b to the hydrogen ions that have passed through the hydrogen ion exchange membrane 12, so that the hydrogen ions are converted into hydrogen ( H 2 ). Hydrogen generated in the space 14b is discharged from the system by connecting a line L5 to the second chamber 13b on the cathode side where hydrogen is generated. At this time, the provided electrodes 11a and 11b may apply a voltage from a DC power supply so that at least the electrodes 11b can donate electrons to the hydrogen ions.

また、ラインL4を第1室13aと接続することにより、pHの上昇したアノード側の処理後溶液Sを、系外に流出するようにしている。同時に、処理後溶液Sの放出に伴い、原水Sを適宜、第1室13aに補充できるようにしている。したがって、水素の放出により第2室3b内の陽イオン濃度が低下し、電気透析の原理に基づく水素イオン移動と併せて水素イオンの濃度勾配によるイオン移動が同時に進行するため、第1室13aでの電離平衡も水素イオン、重炭酸イオン、炭酸イオンを生成する方向へと速やかに進行することができる。よって、pHの高い処理後溶液Sを連続して製造することが可能となる。 Further, by connecting the line L4 to the first chamber 13a, the post-treatment solution S on the anode side whose pH has increased is allowed to flow out of the system. At the same time, as the post-treatment solution S is discharged, the raw water S0 can be appropriately replenished into the first chamber 13a. Therefore, the concentration of cations in the second chamber 3b decreases due to the release of hydrogen, and ion migration due to the concentration gradient of hydrogen ions progresses simultaneously with hydrogen ion migration based on the principle of electrodialysis. The ionization equilibrium of can also proceed rapidly toward the formation of hydrogen ions, bicarbonate ions, and carbonate ions. Therefore, it becomes possible to continuously produce the post-treatment solution S having a high pH.

この場合、処理後溶液Sの流出口にpHを測定する検出器や、水素放出口の圧力を測定する検知器等を設けて、処理後溶液Sの放出量や放出タイミング、原水Sの補充タイミングや補充量等を制御できるような制御システムを設けることにしてもよい。 In this case, a detector for measuring the pH at the outflow port of the solution S after treatment, a detector for measuring the pressure at the hydrogen discharge port, etc. are provided to detect the amount and timing of release of the solution S after treatment, and the replenishment of raw water S0 . A control system may be provided to control the timing, amount of replenishment, and the like.

なお、回収した水素の回収及び利用の態様は限定されない。例えば、発生した水素ガスを貯留施設に移送して貯留するものとしてもよく、あるいは直接ユースポイントに移送してエネルギー源として利用してもよい。一方、本実施態様の電圧印加に発生した水素のエネルギーを利用すれば、本発明のさらなる省エネルギー化、省電力化が可能となる。 In addition, the mode of recovery and utilization of the recovered hydrogen is not limited. For example, the generated hydrogen gas may be transferred to a storage facility and stored, or may be transferred directly to a point of use and used as an energy source. On the other hand, if the energy of hydrogen generated by the voltage application of this embodiment is used, further energy saving and power saving of the present invention can be achieved.

他方、水素を発生させることなく、水素イオン溶解液として回収することにしてもよい。例えば、第2室13bの下部に生成した水素イオン溶解液を排出するラインを設けて系外に排出し、貯留施設に移送して貯留することができる。さらに、必要時に水素イオン溶解液に電圧を印加して水素を発生させ、エネルギー源等として利用することにしてもよい。 On the other hand, it may be recovered as a hydrogen ion solution without generating hydrogen. For example, a line for discharging the generated hydrogen ion solution can be provided in the lower part of the second chamber 13b to discharge it out of the system, transfer it to a storage facility, and store it. Further, when necessary, a voltage may be applied to the hydrogen ion solution to generate hydrogen, which may be used as an energy source or the like.

また、電極11a、11bは水素イオン交換膜12の近傍に設けることが好ましい。これにより、水素イオン交換膜12を透過した水素イオンをより効率的に水素とすることができ、水素の回収効率を向上させることが可能となる。 Moreover, the electrodes 11 a and 11 b are preferably provided near the hydrogen ion exchange membrane 12 . As a result, the hydrogen ions that permeate the hydrogen ion exchange membrane 12 can be converted into hydrogen more efficiently, and the efficiency of recovering hydrogen can be improved.

さらに、溶液製造装置1Cを酸性化した河川、湖沼、工場排水等の淡水原の近隣に配置し、原水Sを河川等から採取し、処理後溶液Sを河川に再び流すことで循環させ、環境保全、適正化に利用するシステムとして利用することも可能である。 Furthermore, the solution manufacturing apparatus 1C is placed near fresh water sources such as acidified rivers, lakes, and factory wastewater, and the raw water S0 is collected from the rivers, etc., and the treated solution S is circulated by flowing it back into the rivers. It can also be used as a system for environmental conservation and optimization.

以上のように、本実施態様における溶液製造装置1Cは、カソード側で水素を発生させ、系外に放出すると同時に、処理後溶液も順次排出できるようにすることで、連続的にpHの高い溶液を効率的に製造することが可能となる。 As described above, the solution manufacturing apparatus 1C in this embodiment generates hydrogen on the cathode side and discharges it out of the system, and at the same time, enables the treated solution to be discharged sequentially, thereby continuously producing a solution having a high pH. can be produced efficiently.

図5は、本発明の第4の実施態様における溶液製造装置1Dを示す概略説明図である。
図5に示すように、本実施態様の溶液製造装置1Dは、ラインL1を介して第1室13aのみに原水Sを導入し、第2室13bには気体を導入するものである。
FIG. 5 is a schematic explanatory diagram showing a solution manufacturing apparatus 1D according to the fourth embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5 , the solution manufacturing apparatus 1D of this embodiment introduces raw water S0 only into the first chamber 13a through the line L1, and introduces gas into the second chamber 13b.

第2室13bに導入する気体は、水素と反応せず、かつ水素より比重の重い気体であればよく、特に限定されない。したがって、第2室13bに特定の気体を導入するものとしてもよいが、気体の供給に係るコストなどの観点から、第2室13bには大気圧下の空気が導入されていることが好ましい。これにより、水素イオン交換膜12を透過した水素イオンは、電極11bからの電子供与により水素ガスの形となり、速やかに第2室13b内を上昇することになる。したがって、ラインL5による水素回収を容易に行うことができる。さらに、第2室13b内の他の成分(気体)と水素ガスの分離を容易に行うことが可能となる。これにより、純度の高い水素をより高効率で得ることが可能となる。 The gas introduced into the second chamber 13b is not particularly limited as long as it does not react with hydrogen and has a higher specific gravity than hydrogen. Therefore, although a specific gas may be introduced into the second chamber 13b, it is preferable to introduce air under atmospheric pressure into the second chamber 13b from the viewpoint of the cost of gas supply. As a result, the hydrogen ions that permeate the hydrogen ion exchange membrane 12 are converted into hydrogen gas by electron donation from the electrode 11b, and quickly rise in the second chamber 13b. Therefore, it is possible to easily recover hydrogen through the line L5. Furthermore, it is possible to easily separate other components (gases) in the second chamber 13b from the hydrogen gas. This makes it possible to obtain hydrogen of high purity with higher efficiency.

第2室13b内に気体(空気)が導入される場合、電極11cは、一方の面は気体と接するが、もう一方の面は炭酸水(液体)と接する。このため、電極11cは、いわゆるエアカソードとして適した形態とすることが好ましい。エアカソードとして適した形態としては、例えば、気体透過性と不透水性の両方の性質を備えることが挙げられる。このような電極11cの具体例としては、炭素繊維からなるものや、金属メッシュ表面に対して気体透過性及び不透水性を有する材料の塗布あるいはフィルムの積層等の表面処理を行ったもの等が挙げられる。なお、ここでの不透水性とは、水を通さないことを指し、例えば、電極11cを防水化、撥水化、疎水化、あるいは止水化することについても、不透水性を備えることに含まれるものである。 When gas (air) is introduced into the second chamber 13b, one surface of the electrode 11c is in contact with the gas and the other surface is in contact with carbonated water (liquid). Therefore, it is preferable that the electrode 11c has a form suitable as a so-called air cathode. Forms suitable for air cathodes include, for example, having both gas permeable and water impermeable properties. Specific examples of such an electrode 11c include those made of carbon fiber, and those subjected to surface treatment such as applying a material having gas permeability and water impermeability to the metal mesh surface or laminating a film. mentioned. Note that the term "impermeable" as used herein refers to impermeability to water. It is included.

本実施態様の溶液製造装置1Dを用いた溶液製造工程は、水素の回収を気体中で行うこと以外は、第3の実施態様における溶液製造工程と同様に実施することができる。 The solution manufacturing process using the solution manufacturing apparatus 1D of this embodiment can be carried out in the same manner as the solution manufacturing process of the third embodiment, except that hydrogen is recovered in gas.

以上のように、本実施態様の溶液製造装置1D及び溶液製造装置1Dを用いた溶液製造方法により、水素の回収を容易に行うことができるとともに、純度の高い水素をより高効率で得ることが可能となる。 As described above, with the solution manufacturing apparatus 1D and the solution manufacturing method using the solution manufacturing apparatus 1D of the present embodiment, hydrogen can be easily recovered, and hydrogen with high purity can be obtained more efficiently. It becomes possible.

なお、上述した実施態様は、溶液製造装置及び溶液製造方法の一例を示すものである。本発明に係る溶液製造方法及び溶液製造方法は、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る溶液製造装置及び溶液製造方法の構成を相互に互換、又は変形してもよい。 In addition, the embodiment mentioned above shows an example of a solution manufacturing apparatus and a solution manufacturing method. The solution manufacturing method and the solution manufacturing method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and the solution manufacturing apparatus and the solution manufacturing method according to the above-described embodiments are not limited to the scope of the claims. Configurations may be interchanged or modified.

例えば、本実施態様における溶液製造方法及び溶液製造方法において、水素イオン交換膜を設ける個数は1つに限定されるものではない。例えば、膜の個数を増やし、水素回収部や溶液製造槽に相当する区画を増やすことで、水素回収効率及び溶液の製造効率の向上や、水素回収処理及び溶液製造処理の大規模化を図るものとしてもよい。 For example, in the solution manufacturing method and solution manufacturing method of the present embodiment, the number of hydrogen ion exchange membranes to be provided is not limited to one. For example, by increasing the number of membranes and increasing the number of compartments corresponding to the hydrogen recovery unit and the solution production tank, it is intended to improve the efficiency of hydrogen recovery and solution production, and to increase the scale of hydrogen recovery processing and solution production processing. may be

また、本実施態様における溶液製造装置及び溶液製造方法において、イオン交換膜に代えて、イオン交換樹脂を充填した層を用いるものとしてもよい。これにより、透過対象となる成分等に応じ、イオンが透過する層の厚さを制御することが容易となる。 In addition, in the solution manufacturing apparatus and the solution manufacturing method of this embodiment, a layer filled with an ion exchange resin may be used instead of the ion exchange membrane. This makes it easy to control the thickness of the layer through which ions are transmitted according to the component to be transmitted.

さらに、本実施態様における溶液製造装置及び溶液製造方法により得られる溶液は、アルカリ性のものには限られない。例えば、調整した炭酸水より高いpHの溶液であれば製造することができ、酸性の溶液を得ることもできる。水素イオン交換膜を隔てた溶液の水素イオンの濃度勾配や印加する電圧を調整することにより、所望のpHの溶液を製造することができる。 Furthermore, the solution obtained by the solution manufacturing apparatus and the solution manufacturing method in this embodiment is not limited to an alkaline solution. For example, a solution with a pH higher than that of adjusted carbonated water can be produced, and an acidic solution can also be obtained. A solution having a desired pH can be produced by adjusting the concentration gradient of hydrogen ions in the solution separated by the hydrogen ion exchange membrane and the applied voltage.

また、本実施態様における溶液製造方法及び溶液製造方法において、イオン交換膜により形成される空間(第1室~第2室)のいずれか一つあるいは二つ以上にイオン交換樹脂(陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂、あるいは両方)を充填するものとしてもよい。イオン交換膜とイオン交換樹脂を組み合わせることで、イオンの移動速度を高め、濃縮効率を向上させることが可能となる。また、電気式脱イオン(EDI:Electrodeionization)として知られる技術と同様に、イオン交換膜及びイオン交換樹脂の再生処理を容易(あるいは不要)とすることが可能となる。 In addition, in the solution manufacturing method and the solution manufacturing method of the present embodiment, any one or two or more of the spaces (first chamber to second chamber) formed by the ion exchange membranes may contain an ion exchange resin (cation exchange resin or anion exchange resin, or both). By combining an ion-exchange membrane and an ion-exchange resin, it is possible to increase the ion transfer rate and improve the concentration efficiency. In addition, similar to the technology known as Electrodeionization (EDI), it is possible to facilitate (or eliminate) regeneration of ion exchange membranes and ion exchange resins.

また、本実施態様における溶液製造装置において、電極の配置は、処理槽内の水素イオン透過膜の両端部に限定されるものではない。例えば、水素イオン透過膜から一定の距離をもって配置されてもよい。また、複数の電極を設けることとしてもよいし、それらを処理槽全体で均一に反応が起こるように均等に配置することもできる。 Moreover, in the solution manufacturing apparatus of this embodiment, the arrangement of the electrodes is not limited to both ends of the hydrogen ion permeable membrane in the treatment tank. For example, it may be arranged at a certain distance from the hydrogen ion permeable membrane. Also, a plurality of electrodes may be provided, and they may be evenly arranged so that the reaction occurs uniformly throughout the processing tank.

本発明の溶液製造装置及び溶液製造方法は、環境負荷が小さく、低コストであるという特徴から、酸性化した環境の正常化等を目的とした、pHの高い溶液の大規模な製造に好適に用いることができる。また、酸性化した淡水を原水として用い、淡水に循環、又は得られた溶液を酸性化した河川、湖沼、森林、海洋に散布することで、酸性化の解消に係る装置及び方法としても好適に用いることができる。
同時に、本発明の溶液製造装置及び溶液製造方法は、溶液中に取り込んだ二酸化炭素を炭酸イオンとして、金属イオンと炭酸塩を生成し、二酸化炭素を固定化するシステムの一部として好適に利用することもできる。
The solution production apparatus and solution production method of the present invention are characterized by low environmental load and low cost, and are suitable for large-scale production of high pH solutions for the purpose of normalizing an acidified environment. can be used. In addition, by using acidified freshwater as raw water and circulating it in freshwater, or by spraying the obtained solution over acidified rivers, lakes, forests, and oceans, it is also suitable as a device and method for eliminating acidification. can be used.
At the same time, the solution production apparatus and the solution production method of the present invention convert carbon dioxide taken into the solution into carbonate ions, generate metal ions and carbonates, and are suitably used as part of a system for fixing carbon dioxide. can also

1A,1B,1C,1D 溶液製造装置、10 処理槽、11a,11b,11c 電極、12 水素イオン交換膜、13a 第1室,13b 第2室、14a,14b 空間、30 溶解槽、50 電圧印加ユニット、L1~L5 ライン、S 原水、S 処理後溶液

1A, 1B, 1C, 1D solution manufacturing apparatus 10 treatment tank 11a, 11b, 11c electrode 12 hydrogen ion exchange membrane 13a first chamber 13b second chamber 14a, 14b space 30 dissolution tank 50 voltage application Unit, L1 to L5 line, S 0 raw water, S solution after treatment

Claims (4)

炭酸水からpHの高い溶液を製造する装置であって、
炭酸水中の水素イオンを選択的に透過する水素イオン交換膜と、
前記水素イオン交換膜を挟んで配置される電極と、
を備えることを特徴とする、溶液製造装置。
An apparatus for producing a high pH solution from carbonated water,
a hydrogen ion exchange membrane that selectively permeates hydrogen ions in carbonated water;
electrodes arranged with the hydrogen ion exchange membrane interposed therebetween;
A solution manufacturing apparatus comprising:
前記炭酸水は、原水に二酸化炭素を溶解したものであることを特徴とする、請求項1に記載の溶液製造装置。 2. The solution manufacturing apparatus according to claim 1, wherein said carbonated water is obtained by dissolving carbon dioxide in raw water. 前記原水は、淡水、又は純水であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の溶液製造装置。 3. The solution manufacturing apparatus according to claim 1, wherein said raw water is fresh water or pure water. 炭酸水からpHの高い溶液を製造する方法であって、
水素イオンを選択的に透過する水素イオン交換膜と、電極と、を用い、
炭酸水に電圧を印加し、
前記炭酸水中の水素イオンを前記水素イオン交換膜に透過させることを特徴とする、溶液製造方法。

A method for producing a high pH solution from carbonated water, comprising:
Using a hydrogen ion exchange membrane that selectively permeates hydrogen ions and an electrode,
Apply voltage to carbonated water,
A method for producing a solution, characterized in that the hydrogen ions in the carbonated water are permeated through the hydrogen ion exchange membrane.

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