JP3984992B2 - 溶液のｐＨ制御方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶液中に存在するイオン濃度すなわちｐＨを、電気的な制御のみにより溶液に対する直接的な制御を実現することにより、溶液のｐＨを比較的簡単な装置で高精度に制御できる溶液のｐＨ制御方法および装置に関するものである。

従来から、さまざまな産業分野において各種の特性を有する溶液が用いられている。このような溶液は、ｐＨを用途に応じて最も適切な特性となるように調整して使用される。このようなｐＨ制御は、主としてイオン濃度を制御することにより行うことが可能である。

上記のようなイオン濃度の制御方法として、例えば下記の特許文献１に示すように、制御対象の溶液のイオン濃度を検知して、そのイオン濃度が目標のレベルとなるように所定の薬品を補充することにより行うものが開示されている。

また、下記の特許文献２に示すように、溶液を電気分解しながらイオン透過性膜を透過させることにより、酸性水とアルカリ性水に分離してｐＨセンサが設けられた塩水タンクに導入し、上記ｐＨセンサの検出信号に基づいて酸性水とアルカリ性水の導入量を調節することにより塩水のｐＨを所望の値に制御するものが開示されている。

他方、下記の特許文献３および４に示すように、溶液中に存在させた２枚の電極に直流電流を印加して溶液中のイオンを除去・回収するものが開示されている。
特開２００１−１０３８５５号公報 特開平７−２９９４５７号公報 特開平６−３２５９８３号公報 特表平１１−５０５４６３号公報

しかしながら、上記特許文献１のような方法では、制御対象とする溶液のタンク以外に、補充用の薬品タンクおよびその薬品を補充するためのポンプおよび配管が、必要とする薬品の種類の数だけ必要となり、設備が大掛かりなものとなってしまう。また、上記特許文献２の方法でも、導入する酸性水とアルカリ性水をタンクに貯めておくのではなく電気分解で生成するに過ぎず、制御対象とする溶液のタンク（塩水タンク）以外に電気分解装置や配管が必要になり、設備が大掛かりなものとなってしまう。このため、上記いずれの方法でも、設備が複雑かつ大掛かりで、設備コストやメンテナンスコストがかかるという問題がある。しかも、上記特許文献２の方法では、イオン透過性膜を必要とすることから、その交換や再生等のメンテナンスが必要となり、設備維持のために多大なコストがかかっているのが実情である。

また、特許文献１および特許文献２のいずれの方法でも、イオン濃度やｐＨが目標レベルとなるように調整用の液体を補充するものに過ぎず、制御対象の溶液自体を直接制御するのではない。このような調整用液体を補充する場合、調整用液体の特性ばらつきが制御精度に影響したり、補充過剰による調整精度のばらつきが生じやすかったりするという問題もあった。また、イオン濃度やｐＨを微調整しようとすると、少量の調整用液体を投入して制御することになるのであるが、少量の調整用液体の投入がタンク内で十分に混ざり、イオン濃度やｐＨの検出値に反映してから、再度少量の調整用液体を投入することを繰り返す必要があることから、微調整作業には時間と手間がかかるという問題があった。

さらに、上記特許文献３および４に示す方法も、単に溶液中のイオン性物質を除去するだけのものに過ぎず、溶液のｐＨを任意の目標値になるようにコントロールし、制御しうるものではない。

本発明は、上記のような事情に鑑みなされたもので、溶液に対する直接的な電気的制御のみにより、溶液のｐＨを比較的簡単な装置で高精度に制御できる溶液のｐＨ制御方法および装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の溶液のｐＨ制御方法は、ｐＨ制御対象とする溶液中に直流電圧が印加される電極を存在させ、上記両電極間の電位差および／または電流値を連続的に制御し、溶液中に存在する陽イオンおよび陰イオンをそれぞれ電極に吸着して溶液中のイオン数を制御することにより、溶液のｐＨを目標値に向かって制御するｐＨ制御工程を行なうことを要旨とする。

また、上記目的を達成するため、本発明の溶液のｐＨ制御装置は、ｐＨ制御対象とする溶液を貯留する貯留槽と、上記溶液中に存在して直流電圧が印加される電極と、上記両電極間に印加する電位差および／または電流値を連続的に制御する制御手段とを備え、上記制御手段で両電極に印加する電位差および／または電流値を制御することにより、溶液中に存在する陽イオンおよび陰イオンをそれぞれ電極に吸着して溶液中のイオン数を制御することにより、溶液のｐＨを目標値に向かって制御するｐＨ制御工程を実行可能に構成されていることを要旨とする。

すなわち、本発明の溶液のｐＨ制御方法および装置は、ｐＨ制御対象とする溶液中に存在させた電極に印加する電位差および／または電流値を連続的に制御することにより、溶液中の陽イオンおよび陰イオンの電極への吸着を制御することにより溶液中のイオン量を制御する。例えば、溶液中の陽極にプラス電圧を印加すると溶液中のマイナスイオンが吸着され、陰極にマイナス電圧を印加すると、プラスイオンが吸着され、溶液中のマイナスイオンやプラスイオンが減少する。このように、上記溶液中に存在させた電極へのイオンの吸着を制御することにより、溶液中のイオン濃度を制御し、溶液のｐＨを目標値になるように制御することができるのである。

このように、制御対象とする溶液中に電極を存在させ、その電極に印加する電位差および／または電流値を制御することにより、制御対象とする溶液中に存在するイオン濃度を、電気的な制御のみにより、溶液に対する直接的な制御を行うことができる。したがって、従来のように、調整用液を蓄えるタンクや調整用液をつくるための電気分解装置、それにともなう複雑な配管等を必要とせず、装置が大幅に簡素化小型化し、設備コストやメンテナンスコストの大幅な節減が可能となった。また、従来のようなイオン交換膜を必要としないことから、イオン交換膜のメンテナンスも不要となる。しかも、従来のように、調整用液体を補充するのではなく、制御対象の溶液自体を直接制御することから、調整用液体の特性ばらつきが制御精度に影響したり、補充過剰による調整精度のばらつきが生じたりするという問題も完全に解消する。しかも、ｐＨの微調整を行う場合でも、電極に印加する電位のレベルを微調整して電極へのイオンの吸着を微調整することにより、容易にｐＨの微調整を行うことができ、従来の調整溶液を補充する方法に比べて、極めて短時間で高精度のｐＨ制御を実現することができるのである。以上のように、本発明によれば、溶液のｐＨを比較的簡単な装置で高精度に制御することができるようになる。

本発明の溶液のｐＨ制御方法において、上記両電極間の電位差および／または電流値を、両電極間に流れる電流値と通電時間を積算した電流積算値に基づいて制御することにより、上記電極へのイオンの吸着量を制御する場合、および、本発明の溶液のｐＨ制御装置において、両電極間に流れる電流値と通電時間を積算した電流積算値を算出する電流積算手段を備え、上記制御手段は、上記両電極間の電位差および／または電流値を、上記算出された電流積算値に基づいて制御することにより、上記電極へのイオンの吸着量を制御する場合には、
電流積算値という計測が容易な数値に基づいて吸着量を制御できることから、溶液中のイオン濃度の制御が行いやすい。

本発明の溶液のｐＨ制御方法において、上記イオンの吸着を、実質的に溶液の電気分解を生じない電位差で行なうよう制御する場合、および、本発明の溶液のｐＨ制御装置において、上記電極は、溶液と通電する導電体からなり、上記制御手段は、上記イオンの吸着が、実質的に溶液の電気分解を生じない範囲で行なわれるよう、上記電極に印加する電位を制御する場合には、
溶液を電気分解させてしまうと、それだけでイオン濃度が変化するが、イオンの吸着を実質的に溶液の電気分解を生じない範囲で行なうことにより、イオンの吸着によってのみｐＨの制御を行い、電極に印加する電位の制御だけをｐＨに反映させて他の要因を排除し、常に正確なｐＨ制御を実現し、ｐＨ制御の精度を確保できる。

本発明の溶液のｐＨ制御装置において、上記貯留槽には、ｐＨ制御対象とする溶液を導入する導入路と、ｐＨが制御された溶液を排出する排出路とを備え、目標ｐＨの溶液を連続的に生成するように構成されている場合には、
制御対象の溶液を貯留槽に導入しながら、貯留槽において電極へのイオンの吸着を制御してｐＨの制御を行い、ｐＨが制御された溶液は連続的に排出路から排出される。このように、連続的に溶液を流しながら溶液のｐＨ制御を行えることから、極めて良好な処理効率での運転が可能である。

本発明の溶液のｐＨ制御装置において、上記排出路もしくはその近傍において溶液中のｐＨを検知するｐＨ検知手段を備え、上記制御手段は、ｐＨ検知手段による溶液のｐＨの検知結果に応じて電極に印加する電位差および／または電流値を制御する場合には、
ｐＨ検知手段によるｐＨの検知結果に応じて電極に印加する電位差および／または電流値を制御することにより、連続的に流れる溶液を常に目標のｐＨとなるように制御することが可能となる。このように、目標とするｐＨへの制御を連続的に行い、目標ｐＨの溶液を連続的に生成することができるようになる。

本発明の溶液のｐＨ制御装置において、上記導入路または排出路には、導入もしくは排出される溶液の流量を調節する流量調節弁が設けられ、上記制御手段は、ｐＨ検知手段による溶液のｐＨの検知結果に応じて上記流量調節弁を制御する場合には、
連続的に溶液を流しながらイオンの吸着を制御するときに、ｐＨ検知手段によるｐＨの検知結果に応じて流量を適切に制御することにより、流量が制御精度に与える影響をなくし、常に目標ｐＨの溶液を連続的に生成することができるようになる。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の溶液のｐＨ制御装置の第１の実施の形態を示す図である。

上記ｐＨ制御装置は、ｐＨ制御対象とする溶液を貯留する貯留槽１と、上記貯留槽１に貯留された溶液中に存在して直流電圧が印加される電極６，７と、上記電極６，７に印加する電位差および／または電流値を制御する制御回路８とを備えている。

上記電極６，７は、電圧制御および電流制御が可能な直流電源４に接続されて、プラス電位が印加される陽極６と、マイナス電位が印加される陰極７とから構成されている。５は、上記電極６，７と直流電源を接続して各電極６，７に直流電圧を印加する状態と、両電極６，７間を短絡させる状態とを切り換えるスイッチである。

上記貯留槽１には、貯留槽１に溶液を導入する導入路２と、貯留槽１でｐＨが調整された調整済みの溶液を排出する排出路３ａとが設けられている。上記排出路３ａには、貯留槽１から排出される調整済み溶液のイオン濃度を検知するイオン検知手段としてのｐＨ計１０が設けられている。また、上記導入路２には、貯留槽１に導入する溶液の流量を調節する流量調節弁１１と、上記流量調節弁１１で調節された流量で貯留槽１に導入される溶液の流量を検知する流量計９が設けられている。上記ｐＨ計１０で検知されたイオン濃度および流量計９で検知された流量は、制御回路８に送られる。また、上記貯留槽１には、貯留槽１内の溶液を廃液として排出する廃液路３ｂが設けられている。２４ａ，２４ｂは、それぞれ排出路３ａ，廃液路３ｂに設けられた弁である。

上記制御回路８は、上記スイッチ５の切り換え制御を行って、両電極６，７に印加する電位を制御することにより、溶液中のイオンであるイオンの電極６，７への吸着と、電極６，７に吸着されたイオンの溶液中への放出とを制御する。

すなわち、ｐＨ制御対象とする溶液中に存在させた電極６，７に印加する電位を制御することにより、溶液中のイオン等のイオンの電極６，７への吸着および電極６，７に吸着されたイオンの溶液中への放出を制御する。

そして、制御対象とする溶液中のイオンを吸着してｐＨの調整を行うときには、図１（ａ）に示すように、スイッチ５を電極６，７に電圧を印加するよう切り換え制御して溶液中のイオンを電極６，７に吸着させる。

このように、ｐＨ制御対象とする溶液中に存在させた電極６，７に印加する電位差および／または電流値を連続的に制御することにより、溶液中のイオンの電極６，７への吸着を制御することにより溶液中のイオン量を制御する。例えば、溶液中の陽極にプラス電圧を印加すると溶液中のマイナスイオンが吸着され、陰極にマイナス電圧を印加すると、プラスイオンが吸着され、溶液中のマイナスイオンやプラスイオンが減少する。このように、上記溶液中に存在させた電極６，７へのイオンの吸着を制御することにより、溶液中のイオン濃度を制御し、溶液のｐＨを目標値になるように制御することができるのである。そして、ｐＨ制御済みの溶液は排出路３ａから排出される。

一方、電極６，７へのイオンの吸着量が限界に達した場合には、図１（ｂ）に示すように、スイッチ５を電極６，７を短絡させて電圧の印加を解除するよう制御して電極６，７に吸着されたイオンを溶液中に放出させて電極６，７を再生することが行われる。電極６，７に吸着されていたイオンが大量に放出された溶液は、廃液として廃液路３ｂから排出される。

なお、上記両電極６，７に印加する電圧としては、特に限定するものではないが、０．５〜５Ｖ程度に設定するのが好ましい。

ここで、図１では、貯留槽１の中に陽極６と陰極７がそれぞれ１枚ずつの例を模式的に表したいわゆるビーカーモデルを示したが、工業的には、図２に示すように、複数の集電極（両面電極）１８ａ，１８ｂを配設したセルとすることができる。

このセルは、２枚の末端プレート１６の間に、複数（この例では１２）の両面電極１８ａ，１８ｂが積層状態に配置され、各両面電極１８ａ，１８ｂ同士の間および両面電極１８ａ，１８ｂと末端プレート１６の間には枠状スペーサ２３が配置されている。１７は積層状の枠状スペーサ２３、末端プレート１６、両面電極１８ａ，１８ｂを固定するボルトナットである。

一方の両面電極１８ａは、セパレータ１２の両面に陽極６が設けられた陽電極であり、他方の両面電極１８ｂは、セパレータ１２の両面に負極７が設けられた陰電極である。そして、陽電極１８ａと陰電極１８ｂが交互に積層されることにより、隣り合う両面電極１８ａ，１８ｂ間において陽極６と陰極７が対面するように配置されている。そして、上記両面電極１８ａ，１８ｂ、枠状スペーサ２３、末端プレート１６により形成される内部空間が、溶液が貯留される貯留空間であり、セル全体が貯留槽として機能する。上記貯留空間は、両面電極１８ａ，１８ｂによって複数段（この例では１３段）の空間に仕切られている。

また、一方（図では上側）の末端プレート１６に導入路２（図２には示していない）に連通する導入口１４が形成され、他方の末端プレート１６に排出路３ａおよび廃液路３ｂ（図２には示していない）に連通する排出口１５が形成されている。また、この例では、各セパレータ１２には、内部の貯留空間に導入された溶液が格段の空間をジグザグに流れるよう、千鳥状の配置で連通口１３が形成されている。

そして、導入口１４から導入された溶液は、陽極６と陰極７に挟まれる複数の空間を通りながら電極６，７へのイオン等の吸着と放出を受けてｐＨが制御され、調整済みの溶液が排出口１５から排出されるのである。

このように、制御対象とする溶液中に電極６，７を存在させ、その電極６，７に印加する電位差および／または電流値を制御することにより、制御対象とする溶液中に存在するイオン濃度を、電気的な制御のみにより、溶液に対する直接的な制御を行うことができる。したがって、従来のように、調整用液を蓄えるタンクや調整用液をつくるための電気分解装置、それにともなう複雑な配管等を必要とせず、装置が大幅に簡素化小型化し、設備コストやメンテナンスコストの大幅な節減が可能となった。また、従来のようなイオン交換膜を必要としないことから、イオン交換膜のメンテナンスも不要となる。

しかも、従来のように、調整用液体を補充するのではなく、制御対象の溶液自体を直接制御することから、調整用液体の特性ばらつきが制御精度に影響したり、補充過剰による調整精度のばらつきが生じたりするという問題も完全に解消する。しかも、ｐＨの微調整を行う場合でも、電極６，７に印加する電位のレベルを微調整して電極６，７へのイオンの吸着を微調整することにより、容易にｐＨの微調整を行うことができ、従来の調整溶液を補充する方法に比べて、極めて短時間で高精度のｐＨ制御を実現することができるのである。以上のように、本発明によれば、溶液のｐＨを比較的簡単な装置で高精度に制御することができるようになる。

なお、以上の説明では、電極６，７に吸着したイオン等を溶液内に放出させるときに両電極６，７を短絡させるようにしたが、これに限定するものではなく、単にスイッチを切って電極６，７への直流電圧の印加を解除したり、あるいは、陽極６にマイナス電圧を印加するとともに陰極７にプラス電圧を印加して逆極性にする接続を行ったりしてもよい。

また、上述した説明では、陽極６と陰極７に直流電圧を印加させた状態と短絡した状態を切り換え、両電極６、７間の電位差を制御してイオン等の吸着および放出を制御する例を示したが、両電極６、７間の通電のオンオフだけでなく、電位差を増減させるようにコントロールしたり、両電極６，７間に流れる電流値を増減させるようにコントロールしたりしてイオンの吸着を制御することもできる。また、上記電位差と電流値の双方を増減させるようにコントロールしてイオン等の吸着を制御することも可能である。

そして、両電極６，７への直流電圧の印加と短絡を交互に行ったり、交互に極性を逆にしたり、あるいは、電位差や電流値を連続的にコントロールすることにより、プラスイオンおよびマイナスイオンの吸着を制御することができる。このようにすることにより、上記溶液中に存在させた電極６，７へのイオンの吸着を制御し、溶液中のイオン濃度や存在比率を目標値に制御し、溶液のｐＨを目標値に制御することができる。

また、上記制御回路８は、ｐＨ検知手段としてのｐＨ計１０による溶液中のイオンの検知結果に応じて電極６，７に印加する電位差および／または電流値を制御するようになっている。すなわち、例えば、ｐＨ計１０において調整済溶液のｐＨが目標値と異なるときに、スイッチ５を電極６，７に電圧を印加するよう切り換えて溶液中のイオンを電極６，７に吸着させてｐＨが目標値になるように制御する。なお、ｐＨ検知手段としては、イオン濃度に対応する物理量を検出するものであれば、ｐＨ計１０に限らず、各種のものを適用することができる。

そして、制御対象の溶液を導入路２から貯留槽１に導入しながら、貯留槽１において電極６，７へのイオンの吸着を制御してｐＨの制御を行い、ｐＨが制御された調整済溶液は連続的に排出路３ａから排出される。このように、連続的に溶液を流しながら溶液のｐＨ制御を行えることから、極めて良好な処理効率での運転が可能である。また、ｐＨ計１０によるイオン等の検知結果に応じて電極６，７に印加する電位差および／または電流値を制御することにより、連続的に流れる溶液を常に目標のｐＨとなるように制御することが可能となる。このように、目標とするｐＨへの制御を連続的に行い、目標ｐＨの溶液を連続的に生成することができるようになる。

また、上記制御回路８は、ｐＨ計１０による溶液のｐＨの検知結果に応じて上記流量調節弁１１を制御する。すなわち、連続的に溶液を流しながらイオンの吸着を制御するときに、流量が大きすぎると、電極６，７へのイオンの吸着による溶液のｐＨ変化が十分に反映しない状態で溶液が排出路３ａから排出されてしまい、反対に流量が小さすぎると処理効率が低下する。したがって、連続的に溶液を流しながらイオンの吸着を制御するときに、ｐＨ計１０によるイオン濃度の検知結果に応じて流量を適切に制御することにより、流量が制御精度に与える影響をなくし、常に目標ｐＨの溶液を連続的に生成することができるようになる。

また、上記制御回路８は、上記直流電源４の電圧の制御を行って、両電極６，７に印加する電位差を制御することにより、溶液中のイオンであるイオンの電極６，７への吸着量を制御する。すなわち、制御対象とする溶液中のイオンをより減少させたいときには、直流電源４の電圧を上昇させてより多くのイオン等を電極６，７に吸着させることができる。また、直流電源４の電圧を高くすることにより、電極６，７へのイオン等の吸着速度が早くなり、より鋭敏なｐＨ制御を行うことができる。同様に、両電極６，７に印加する電流値を制御することにより、溶液中のイオンであるイオンの電極６，７への吸着量や吸着速度を制御することができる。

さらに、上記制御回路８は、ｐＨ計１０において調整済溶液のｐＨが目標値と異なるときに、スイッチ５を電極６，７に電圧を印加するよう切り換えて溶液中のイオンを電極６，７に吸着させるのであるが、この場合において、あらかじめ設定された所定時間が経過しても目標値に達しないときには、流量調節弁１１を流量が小さくなるように制御することができる。このような場合に流量を小さくすることにより、溶液が貯留槽１内に滞留する時間が長くなり、より多くのイオン等を電極６，７に吸着させてｐＨを目標値まで制御することができるようになる。反対に、目標値に達するまでの時間が、あらかじめ設定された所定時間以下であるときには、流量調節弁１１を流量が大きくなるように制御する。このような場合に流量を大きくすることにより、溶液が貯留槽１内に滞留する時間が短くなり、短時間でｐＨを目標値まで制御することができて処理効率を向上させることができるようになる。

また、上記制御回路８は、ｐＨ計１０において調整済溶液のｐＨが目標値と異なるときに、スイッチ５を電極６，７に電圧を印加するよう切り換えて溶液中のイオンを電極６，７に吸着させるのであるが、この場合において、あらかじめ設定された所定時間が経過しても目標値に達しないときには、直流電源４の電圧を高くするように制御することもできる。このような場合に電圧を高くすることにより、より多くのイオン等を電極６，７に吸着させてｐＨを目標値まで制御することができるようになる。反対に、目標値に達するまでの時間が、あらかじめ設定された所定時間以下であるときには、直流電源４の電圧を低くするように制御する。このような場合に電圧を低くすることにより、電力消費を少なくし、エネルギー効率を向上させることができるようになる。

また、上記制御回路８は、上記イオンの吸着が、実質的に溶液の電気分解を生じない範囲で行なわれるよう、上記電極６，７に印加する電位差を制御する。具体的には、溶液の種類に応じて適宜設定されるが、溶媒が水である場合には、２Ｖ以下が好ましく、より好適なのは１．５Ｖ以下である。溶液を電気分解させてしまうと、それだけでｐＨが変化するが、イオンの吸着を実質的に溶液の電気分解を生じない範囲で行なうことにより、イオンの吸着によってのみｐＨの制御を行い、電極６，７に印加する電位の制御だけをｐＨに反映させて他の要因を排除し、常に正確なｐＨ制御を実現し、ｐＨ制御の精度を確保できる。このような電圧範囲で制御するのは、特に、上記電極６，７が、金属やカーボン等の溶液と通電する導電体からなる場合に有効である。また、溶液の電気分解が生じた場合、電極の消耗が加速されてメンテナンスコストがかかったり、スラッジの除去設備が必要になったりするという不都合も生じるからである。

図１や図２の装置において、両電極６，７間に流れる電流値と通電時間を積算した電流積算値を算出する電流積算手段（図示せず）を備え、上記制御手段８は、上記両電極６，７間の電位差および／または電流値を、上記算出された電流積算値に基づいて制御することにより、上記電極６，７へのイオンの吸着量を制御するようにすることができる。

このようにすることにより、電流積算値という計測が容易な数値に基づいて吸着量および放出量を制御できることから、溶液中のイオンの濃度や存在比率の制御が行いやすい。

また、図３に示すように、図１や図２に示した装置を２槽併設し、一方の吸着能力が低下したら他方の装置による吸着を行うよう、２槽の装置を切り換え制御するようにしてもよい。

すなわち、この装置は、第１貯留槽１ａと第２貯留槽１ｂが並設されている。制御対象の溶液を導入する導入路２は、二股に分岐してそれぞれ第１貯留槽１ａと第２貯留槽１ｂに連結され、図示しない弁の開閉操作により、第１貯留槽１ａと第２貯留槽１ｂのいずれかに処理対象の溶液を導入し得るようになっている。

一方、第１貯留槽１ａと第２貯留槽１ｂには、それぞれ処理済の溶液を排出する排出路３ａと廃液を排出する廃液路３ｂとが連結されていて、図示しない弁の開閉操作により、吸着を行ってｐＨ制御している間は排出路３ａからｐＨ調整済みの溶液を排出し、電極を再生して廃液を排出する間は廃液路３ｂから廃液を排出するようになっている。

上記装置では、まず、図４（ａ）に示すように、第１貯留槽１ａによりイオンの吸着を行って溶液のｐＨを調整し、ｐＨ調整済み溶液を排出路３ａから排出する。その後第１貯留槽１ａの吸着能力が低下すると、図４（ｂ）に示すように、第１貯留槽１ａを吸着から再生に切り換えるとともに（図１（ｂ）の状態にする）、第１貯留槽１ａの溶液を廃液路３ｂから排出するように弁操作する。さらに、制御対象溶液が第２貯留槽１ｂに流入させて第２貯留槽１ｂでの吸着を開始し、ｐＨ調整済み溶液は第２貯留槽１ｂから排出させる。

その後第２貯留槽１ｂの吸着能力が低下すると、図４（ｃ）に示すように、第２貯留槽１ｂを吸着から再生に切り換えるとともに、第２貯留槽１ｂの溶液を廃液路３ｂから排出するように弁操作するとともに、第１貯留槽１ａでの吸着を開始し、ｐＨ調整済み溶液は第１貯留槽１ａから排出させる。

このようにすることにより、電極６，７の再生中でも連続してｐＨ制御を行い、連続的にｐＨ調整済みの溶液を得ることができる。

上記電極６，７としては、ステンレス，チタン，ニッケル，銅，白金，金等各種の金属材料や、カーボン等の導電材料を用いることができる。上記電極６，７は、板状とするのが好ましく、厚みは、特に限定するものではないが、０．１〜５ｍｍ程度が好ましく、より好ましいのは０．５〜２ｍｍ程度である。陽極６と陰極７の間隔は、特に限定するものではないが、０．１〜５ｍｍ程度が好ましく、より好ましいのは０．５〜２ｍｍ程度である。なお、陽極６と陰極７の間隔は、溶液が通過してイオンの吸着や放出を妨げなければ、０．１ｍｍ以下とすることを妨げるものではない。

上記電極６，７として金属を用いる場合、金属板にめっきや表面改質を施したものを用いることができる。例えば、ステンレス板の表層部に、フッ化処理の後低温浸炭処理を施すことにより、クロム炭化物が実質的に析出していない炭素の拡散浸透層を形成したものを用いることができる。また、チタン板に白金をめっきしたものを用いることもできる。これらは極めて耐食性に優れることから、好適に用いられる。

また、上記電極６，７として、金属粉末の焼結体，板状活性炭，活性炭不織布，炭化ケイ素等の導電性セラミックス，カーボンエアロゲル（ＢＥＴ比表面積を５００〜２５００ｍ^２／ｇに調整した孔径２〜５０ｎｍのメソポア主体のカーボンシート）等の多孔質体を用いることができる。このような多孔質体を電極６，７として用いることにより、電極６，７の表面積を大幅に大きくし、イオン等の吸着量を著しく増大させることができる。

上記陽極６と陰極７は、例えば双方を板状活性炭、双方をカーボンエアロゲル、双方を銅板にする等のように、同じ種類のものを使用することもできる。また、例えば、銅板と金板の組み合わせや、白金板とステンレス板の組み合わせ等、ｐＨ制御対象とする溶液の種類や制御しようとする物性に応じて異なる種類のものを組み合わせて使用することもできる。

本発明によれば、例えば、上記図２に示した装置により、溶液としてＫＯＨ水溶液を使用してｐＨの制御を行った。この場合のイオン濃度を変化させて所定の目標値に制御することによって、ＫＯＨ水溶液のｐＨを制御することができる。

つぎに、実施例について説明する。

上記図２に示した装置によりｐＨの制御を行った。最初は電極６，７に１．２Ｖで電圧を印加し、５０ｍｌ／ｍｉｎの流量で溶液を流し、所定時間経過後に電圧の印加を解除し、経過時間に伴う電気伝導率とｐＨを計測した。溶液としてＮａＯＨ水溶液を使用した結果を図５に示し、溶液としてＨＣｌ水溶液を使用した結果を図６に示す。なお、装置出口の電気伝導率を実線で示し、ｐＨを黒丸でプロットした。

図５および図６に示すように、電圧の印加によりｐＨが変動し、所定の目標値に制御することが可能であることがわかる。

化粧品の中間原料であるコラーゲン溶液（コラーゲン１．４％）を対象とし、図１に示す装置において通水を行わない状態で試験を行った。コラーゲン溶液は素肌と同じ弱酸性に調整するのが好ましいが、コラーゲンを溶かすためにクエン酸が添加されるために酸性になっている。これを弱酸性になるよう制御した。

つぎの電極をコラーゲン溶液５０ｍｌに浸漬して１．２Ｖの直流電圧を印加した。
陽極 活性炭シート；比表面積５００ｍ^２／ｇ・みかけ面積２７ｃｍ^２；１枚
陰極 活性炭シート；比表面積５００ｍ^２／ｇ・みかけ面積２７ｃｍ^２；１枚

その結果、下記に示すように、化粧品として好ましい弱酸性のｐＨ範囲（ｐＨ５．５）に調整することができた。
電圧印加時間 ｐＨ
０分 ４．０
１５分 ４．６
４５分 ５．５

細胞を培養する際に用いる医療用培地（培養液）は、培養しようとする細胞の活動に最適なｐＨに調整されているが、細胞の活動によって発生する乳酸等の影響により、ｐＨが酸性側に変動し、最適な細胞の活動ｐＨ範囲から外れてしまう。このため、長期の培養を行う場合には細胞を培地から分離して新たな培地に移し変える必要があるため、その労力と培地の使用量の削減を目的としてｐＨの制御を行った。

図２に示す装置において通水を行わない状態で試験を行った。市販の培地（イントロゲン社；ＲＰＭＩ１６４０）に予め酢酸を添加して酸性に調整した溶液を準備して試験に供した。

つぎの電極を培地５０ｍｌに浸漬して１．２Ｖの直流電圧を印加した。
陽極 活性炭シート；比表面積５００ｍ^２／ｇ・みかけ面積５０ｃｍ^２；１枚
陰極 活性炭シート；比表面積５００ｍ^２／ｇ・みかけ面積５０ｃｍ^２；１枚

その結果、下記に示すように、培地として好ましい中性付近のｐＨ範囲に調整することができた。
電圧印加時間 ｐＨ
０分 ６．５
５分 ６．８
１５分 ６．９

水耕栽培溶液は、栽培環境に適正なｐＨが弱酸性であり、それを目標値としてｐＨの制御を行った。

図２に示す装置において通水した状態で試験を行った。ベース溶液として、水耕栽培用液として、市販の溶液を水に溶解し、ｐＨを６．３に調整した（大塚化学社製大塚ハウス１号を１５００ｐｐｍ、同社大塚ハウス２号を１０００ｐｐｍ）。このベース溶液に塩酸を添加してｐＨ３．６に調整したものを試験に供した。

５００ｍｌ容量のセル内につぎの電極を積層し、溶液を５０ｍｌ／分の流量で通水しながら１．２Ｖの直流電圧を印加した。
陽極 活性炭シート；比表面積５００ｍ^２／ｇ・みかけ面積１３５ｃｍ^２；６枚
陰極 活性炭シート；比表面積５００ｍ^２／ｇ・みかけ面積１３５ｃｍ^２；６枚

その結果、下記に示すように、栽培環境として好ましい中性〜弱酸性のｐＨ範囲（ｐＨ６．３）に調整することができた。
経過時間
入口ｐＨ ０分 ３．６
出口ｐＨ ２分 ５．４
５分 ５．９
１０分 ６．２
３０分 ６．３

また、上記ベース溶液に水酸化ナトリウムを添加してｐＨ１０．３に調整したものを用い、その他の条件は同じにして試験を行った。

その結果、下記に示すように、栽培環境として好ましい中性〜弱酸性のｐＨ範囲（ｐＨ７．１）に調整することができた。
経過時間
入口ｐＨ ０分 １０．３
出口ｐＨ ２分 ８．２
５分 ７．８
１０分 ７．２
３０分 ７．１

電圧をパラメータとしてｐＨの制御を行った。１０００ｐｐｍのＮａＣｌ溶液をＨＣｌまたはＮａＯＨを添加することによりそれぞれｐＨ３、ｐＨ１０に調整した溶液を準備して試験に供した。

図２に示す装置により、５００ｍｌ容量のセル内につぎの電極を積層し、溶液を２５ｍｌ／分の流量で通水しながら０．８〜２Ｖの範囲で電圧を変化させながら直流電圧を印加した。
陽極 活性炭シート；比表面積５００ｍ^２／ｇ・みかけ面積１３５ｃｍ^２；１２枚
陰極 活性炭シート；比表面積５００ｍ^２／ｇ・みかけ面積１３５ｃｍ^２；１２枚

図７に、上記試験の結果、入口ｐＨ３の原水をｐＨ調整したものと、入口ｐＨ１０の原水をｐＨ調整したものと、それぞれの出口ｐＨをプロットした図を示す。図からわかるように印加電圧を変化させることで出口ｐＨが変化し、電圧を調節することによりｐＨを目標値に制御することができることがわかる。

本発明は、例えば、溶液のｐＨを調整することにより、インクの色調や鮮明度の調整、水耕栽培の培養水の調整、食品製造工程における乳酸や酵母の活性度の調整等が行えるほか、各種の技術分野に適用が可能である。

本発明の第１実施形態のｐＨ制御装置の概略構成を示す図である。 上記ｐＨ制御装置の詳細を示す図である。 本発明の第１実施形態のｐＨ制御装置の概略構成を示す図である。 上記ｐＨ制御装置の作用を示す図である。 本発明の実施例１の計測結果を示す図である。 本発明の実施例１の計測結果を示す図である。 本発明の実施例５の計測結果を示す図である。

符号の説明

１ 貯留槽
１ａ 第１貯留槽
１ｂ 第２貯留槽
２ 導入路
３ａ 排出路
３ｂ 廃液路
４ 直流電源
５ スイッチ
６ 電極（陽極）
７ 電極（陰極）
８ 制御回路
９ 流量計
１０ ｐＨ計
１１ 流量調節弁
１２ セパレータ
１３ 連通口
１４ 導入口
１５ 排出口
１６ 末端プレート
１７ ボルトナット
１８ａ 両面電極（陽電極）
１８ｂ 両面電極（陰電極）
２３ 枠状スペーサ
２４ａ 弁
２４ｂ 弁

Claims (13)

1. ｐＨ制御対象とする溶液中に直流電圧が印加される電極を存在させ、上記両電極間の電位差および／または電流値を連続的に制御し、溶液中に存在する陽イオンおよび陰イオンをそれぞれ電極に吸着して溶液中のイオン数を制御することにより、溶液のｐＨを目標値に向かって制御するｐＨ制御工程を行なうことを特徴とする溶液のｐＨ制御方法。
2. 上記両電極間の電位差および／または電流値を、両電極間に流れる電流値と通電時間を積算した電流積算値に基づいて制御することにより、上記電極へのイオンの吸着量を制御する請求項１記載の溶液のｐＨ制御方法。
3. 上記イオンの吸着を、実質的に溶液の電気分解を生じない電位差で行なうよう制御する請求項１または２記載の溶液のｐＨ制御方法。
4. 上記電極として導電性の多孔質体を用いた請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶液のｐＨ制御方法。
5. 上記ｐＨ制御工程と、上記両電極間の電圧の印加を解除または逆極性として上記電極に吸着したイオンを溶液中に放出して電極を再生する電極再生工程との双方を行なう請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶液のｐＨ制御方法。
6. ｐＨ制御対象とする溶液を貯留する貯留槽と、上記溶液中に存在して直流電圧が印加される電極と、上記両電極間に印加する電位差および／または電流値を連続的に制御する制御手段とを備え、上記制御手段で両電極に印加する電位差および／または電流値を制御することにより、溶液中に存在する陽イオンおよび陰イオンをそれぞれ電極に吸着して溶液中のイオン数を制御することにより、溶液のｐＨを目標値に向かって制御するｐＨ制御工程を実行可能に構成されていることを特徴とする溶液のｐＨ制御装置。
7. 両電極間に流れる電流値と通電時間を積算した電流積算値を算出する電流積算手段を備え、上記制御手段は、上記両電極間の電位差および／または電流値を、上記算出された電流積算値に基づいて制御することにより、上記電極へのイオンの吸着量を制御する請求項６記載のｐＨ制御装置。
8. 上記貯留槽には、ｐＨ制御対象とする溶液を導入する導入路と、ｐＨが制御された溶液を排出する排出路とを備え、目標ｐＨの溶液を連続的に生成するように構成されている請求項６または７記載の溶液のｐＨ制御装置。
9. 上記排出路もしくはその近傍において溶液中のｐＨを検知するｐＨ検知手段を備え、上記制御手段は、ｐＨ検知手段による溶液のｐＨの検知結果に応じて電極に印加する電位差および／または電流値を制御する請求項８記載の溶液のｐＨ制御装置。
10. 上記導入路または排出路には、導入もしくは排出される溶液の流量を調節する流量調節弁が設けられ、上記制御手段は、ｐＨ検知手段によるｐＨの検知結果に応じて上記流量調節弁を制御する請求項８または９記載の溶液のｐＨ制御装置。
11. 上記電極は、溶液と通電する導電体からなり、上記制御手段は、上記イオンの吸着が、実質的に溶液の電気分解を生じない範囲で行なわれるよう、上記電極に印加する電位を制御する請求項６〜１０のいずれか一項に記載の溶液のｐＨ制御装置。
12. 上記電極として導電性の多孔質体を用いた請求項６〜１１のいずれか一項に記載の溶液のｐＨ制御装置。
13. 上記ｐＨ制御工程と、上記両電極間の電圧の印加を解除または逆極性として上記電極に吸着したイオンを溶液中に放出して電極を再生する電極再生工程との双方を実行可能に構成されている請求項６〜１２のいずれか一項に記載の溶液のｐＨ制御装置。

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