JP3994418B2 - イオン濃度調整方法およびイオン濃度調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオン濃度調整方法およびイオン濃度調整装置に関する。

従来から、水溶液中のイオンを除去する方法として、イオン交換樹脂を用いた方法や、通液型コンデンサを用いた方法が提案されてきた。

通液型コンデンサ（Flow-Through Capacitor）を用いる場合、イオンを電極に吸着させることによってイオンが除去される。通液型コンデンサを用いた装置は、たとえば、米国特許第５１９２４３２号明細書、米国特許第５１９６１１５号明細書、特開平５−２５８９９２号公報、米国特許第５４１５７６８号明細書、米国特許第５６２０５９７号明細書、米国特許第５７４８４３７号明細書、特開平６−３２５９８３号公報、特開２０００−９１１６９号公報に記載されている。

上記通液型コンデンサでは、電極が配置されたコンデンサ内に、処理される液体が導入口から連続的に供給され、処理後の液体が排出口から連続的に排出される。そのため、処理される液体のイオン濃度は、導入口に近いほど高く、排出口に近いほど低い。また、電極へのイオン吸着は、導入口側から生じるため、電極のイオン吸着能力は、導入口側から徐々に低下していく。そのため、通液型コンデンサでイオンを除去する場合、電極の能力を充分に発揮させることが難しい場合があった。

このような状況において、本発明は、溶液（液体）のイオン濃度を効率よく調整できるイオン濃度調整方法およびイオン濃度調整装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、イオン濃度を調整するための本発明の方法は、（ｉ）容器内において、水素イオンおよび水酸化物イオン以外の少なくとも１種のイオン（Ｌ）を含む溶液に、イオンを吸着できる第１の導電性物質を含む第１のイオン吸着電極と、イオンを吸着できる第２の導電性物質を含む第２のイオン吸着電極とを浸漬させた状態で、前記第１のイオン吸着電極がアノードとなるように、前記第１のイオン吸着電極と前記第２のイオン吸着電極との間に電圧を印加することによって、前記溶液中の陰イオンを前記第１のイオン吸着電極に吸着させ、前記溶液中の陽イオンを前記第２のイオン吸着電極に吸着させる工程を含む。前記（ｉ）の工程において、前記溶液はバッチ方式で処理される。前記電圧は、前記溶液による電圧降下がないと仮定した場合に前記溶液の溶媒が電気分解する電圧よりも高い電圧である。

また、本発明のイオン濃度調整装置は、電圧を印加するための電源と、液体を導入および排出できる容器と、前記容器内に配置可能な第１および第２のイオン吸着電極とを含む。前記第１のイオン吸着電極は、イオンを吸着できる第１の導電性物質を含み、前記第２のイオン吸着電極は、イオンを吸着できる第２の導電性物質を含む。この装置では、（ｉ）前記容器内において、水素イオンおよび水酸化物イオン以外の少なくとも１種のイオン（Ｌ）を含む溶液に、前記第１および第２のイオン吸着電極を浸漬させた状態で、前記第１のイオン吸着電極がアノードとなるように、前記第１のイオン吸着電極と前記第２のイオン吸着電極との間に電圧を印加することによって、前記溶液中の陰イオンを前記第１のイオン吸着電極に吸着させ、前記溶液中の陽イオンを前記第２のイオン吸着電極に吸着させる工程が行われる。前記（ｉ）の工程において、前記溶液はバッチ方式で処理される。前記電圧は、前記溶液による電圧降下がないと仮定した場合に前記溶液の溶媒が電気分解する電圧よりも高い電圧である。

また、本発明では、対極を用いることによって、処理される溶液および液体のｐＨを調整することが可能である。また、本発明では、対極を用いることによって、電極におけるイオンの吸着量を調整でき、イオン除去率の低下を防止できる。

本発明によれば、液体のイオン濃度やｐＨを、小型の装置で効率よく調整できる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態について例を挙げて説明するが、本発明は以下で説明する例に限定されない。また、図面を用いた説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。また、以下の説明で用いる図面は、模式的な図である。

［イオン濃度調整方法（液質調整方法）］
以下、イオン濃度を調整するための本発明の方法について説明する。この方法では、容器内に、水素イオン（Ｈ⁺）および水酸化物イオン（ＯＨ^-）以外の少なくとも１種のイオン（Ｌ）を含む溶液が配置される。以下、この溶液を、「溶液（Ａ）」という場合がある。溶液（Ａ）の溶媒は、水および／または有機溶媒である。すなわち、溶液（Ａ）は、水溶液または非水溶液（イオンを含む非水溶媒）である。水溶液の溶媒は、水であるか、または、水と有機溶媒との混合溶媒である。非水溶液の溶媒は有機溶媒である。有機溶媒としては、たとえば、エタノールなどのアルコールや、アセトンなどのケトンや、電解液に用いられる、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネートおよびジメチルカーボネートが挙げられる。エタノールなどのアルコールは、工業や医療など、多分野に用いられる。アセトンなどのケトンは、研究器具の洗浄や除光液などに用いられる。

容器内に配置された溶液（Ａ）に、イオンを吸着できる第１の導電性物質を含む第１のイオン吸着電極と、イオンを吸着できる第２の導電性物質を含む第２のイオン吸着電極とを浸漬させる。この状態で、第１のイオン吸着電極がアノードとなるように（すなわち、第２のイオン吸着電極がカソードとなるように）、第１のイオン吸着電極と第２のイオン吸着電極との間に電圧を印加する。この電圧印加によって、溶液（Ａ）中の陰イオンを第１のイオン吸着電極に吸着させ、溶液（Ａ）中の陽イオンを第２のイオン吸着電極に吸着させる。

印加する電圧は、溶液（Ａ）による電圧降下がないと仮定した場合に溶液（Ａ）の溶媒が電気分解する電圧よりも高い電圧である。以下、溶液（Ａ）による電圧降下がないと仮定した場合に溶液（Ａ）の溶媒が電気分解する電圧を、「溶媒の分解電圧」という場合がある。たとえば、溶液（Ａ）が水溶液である場合には、印加する電圧は、２ボルトよりも高い電圧である。上記の「溶媒の分解電圧」よりも高い電圧を印加した場合でも、溶液（Ａ）の抵抗による電圧降下が充分に大きければ、溶媒が電気分解されることはない。

水溶液による電圧降下が少ない場合、２ボルトの電圧を印加すれば水の電気分解が生じる。本発明の方法では、２ボルトよりも高い電圧を印加することによって、水溶液中の陰イオンを第１のイオン吸着電極の第１の導電性物質に吸着させ、水溶液中の陽イオンを第２のイオン吸着電極の第２の導電性物質に吸着させることができる。なお、水の電気分解による影響が問題とならない限り、印加される電圧は３ボルトより高くてもよいし、５ボルトより高くてもよいし、１０ボルトより高くてもよい。水の電気分解を発生させない限りは、印加電圧が高いほど、イオン除去速度が速くなる。印加する電圧は、たとえば５００ボルト以下であり、通常は２００ボルト以下である。

溶液（Ａ）が非水溶液である場合、印加する電圧は、溶液（Ａ）による電圧降下がないと仮定した場合に、溶液（Ａ）の有機溶媒が電気分解する電圧よりも高い電圧である。ただし、印加される電圧は、溶媒の電気分解の実際の発生が少ない電圧以下であり、たとえば、実際に溶媒が分解することがない電圧以下であることが好ましい。溶液（Ａ）の抵抗が大きい場合には、溶液（Ａ）の抵抗による電圧降下が大きくなるため、溶液（Ａ）の抵抗がないと仮定した場合の溶媒の分解電圧よりもずっと高い電圧が印加される。

本発明の方法は、イオン濃度が低い溶液（たとえば伝導度が１０ｍＳ／ｃｍ未満の溶液）からイオンを除去する方法として適している。本発明の方法では、電極間の間隔を広くし、その間に多くの溶液を入れ、２ボルトよりも高い電圧を印加することによって、すみやかに溶液中のイオンを除去することが可能である。

上記のイオン吸着工程（工程（ｉ））において、溶液（Ａ）はバッチ方式で処理される。なお、工程（ｉ）以外の工程における処理では、液体がバッチ方式で処理されてもよいし、通液方式で連続的に処理されてもよい。

通液型コンデンサを用いた従来の処理方法では、溶液が連続的に処理される。これに対し、本発明の方法では、イオン吸着工程（工程（ｉ））において、溶液（Ａ）がバッチ方式で処理される。なお、バッチ方式とは、容器内の液体の入れ替えを実質的に行うことなく、容器内の液体の処理を行うことを意味する。溶液（Ａ）の処理が完了すると、通常、容器内の溶液（Ａ）は排出され、容器内には他の液体が導入される。通常、処理が完了するまで容器内の溶液の追加や排出が行われないが、処理が完了するまで容器内の液体の入れ替えが実質的に行われなければバッチ方式の処理に該当する。すなわち、処理に影響しないほどの微量の溶液の追加や排出があったとしてもバッチ方式に該当する。たとえば、処理の間に、容器内の溶液の２０体積％以下（たとえば１０体積％以下や５体積％以下や１体積％以下）の溶液が追加および／または排出されたとしても、バッチ方式に該当するとみなせる。

溶液（Ａ）は、水素イオン（Ｈ⁺）および水酸化物イオン（ＯＨ^-）以外の少なくとも１種のイオン（Ｌ）を含む。溶液（Ａ）が水溶液である場合、溶液（Ａ）は、水素イオンおよび水酸化物イオンに加えて、少なくとも１種のイオン（Ｌ）を含む。溶液（Ａ）は、たとえば、水素イオン以外の少なくとも１種の陽イオン（Ｌ⁺）と、水酸化物イオン以外の少なくとも１種の陰イオン（Ｌ^-）の両方を含む水溶液である。水素イオン以外の陽イオンに限定はなく、たとえば、ナトリウムイオンやカリウムイオンなどのアルカリ金属イオンや、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどのアルカリ土類金属イオンや、鉄イオンなどの遷移金属イオンや、アンモニウムイオンであってもよい。また、水酸化物イオン以外の陰イオンに限定はなく、たとえば、酢酸イオンなどの有機イオンや、塩素イオン、硫酸イオン、硝酸イオンであってもよい。

工程（ｉ）によって、溶液（Ａ）中のイオン（Ｌ）の濃度を減少させることが可能である。ただし、イオン除去の初期の段階では、上述した「溶媒の分解電圧」よりも低い電圧を印加してもよい。たとえば、溶液（Ａ）が水溶液である場合には、初期の段階において、２ボルト以下の電圧を印加してもよい。

以下、第１のイオン吸着電極を「第１の電極」と記載し、第２のイオン吸着電極を「第２の電極」と記載する場合がある。第１の電極がアノードとなるように（すなわち、第２の電極がカソードとなるように）、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加すると、第１の電極の第１の導電性物質の表面に正電荷が蓄積され、第２の電極の第２の導電性物質の表面に負電荷が蓄積される。その結果、第１の電極の第１の導電性物質に陰イオン（Ｌ^-）が吸着され、第２の電極の第２の導電性物質に陽イオン（Ｌ⁺）が吸着される。

第１の電極と第２の電極との間に印加する電圧は、溶液（Ａ）中のイオン（Ｌ）の濃度によって変えることが好ましい。溶液（Ａ）の溶媒（水および／または有機溶媒）が電気分解されない範囲で電圧を印加することによって、効率よくイオンを除去できる。溶液（Ａ）中のイオン（Ｌ）の濃度が小さいほど、溶液（Ａ）による電圧降下が大きくなるため、高い電圧を印加しても溶媒の電気分解が生じない。そのため、イオンが除去されるにつれて、第１の電極と第２の電極との間に印加する電圧を高くしてもよい。第１の電極と第２の電極との間に流れる電流値が一定となるように両電極の間に電圧を印加する場合、溶液（Ａ）中のイオン（Ｌ）の濃度が低下するに従って、第１の電極と第２の電極との間に印加される電圧が高くなる。このとき、第１および第２の電極で溶媒の電気分解が生じない範囲で電流値を設定することが好ましい。ただし、第１の電極および／または第２の電極でガスが発生するまで電圧印加を行い、ガス発生を電圧印加の停止または終了の基準としてもよい。

第１および第２の電極の形状に限定はなく、平板状の電極であってもよい。第１の電極と第２の電極との間の領域以外の領域に配置された溶液（Ａ）のイオンは処理されにくい。そのため、溶液（Ａ）のほとんどが第１の電極と第２の電極との間に配置されることが好ましい。たとえば、シート状の第１の電極を含む面と、シート状の第２の電極を含む面との間に、溶液（Ａ）の７０体積％以上が配置されることが好ましく、９０体積％以上が配置されることがより好ましい。

１回のバッチ処理において第１の電極と第２の電極との間に配置される溶液（Ａ）の量は、溶液（Ａ）に含まれるイオン（Ｌ）の量と、電極のイオン吸着可能量との関係に基づいて決めることが好ましい。具体的には、第１の電極のイオン吸着可能量と第２の電極のイオン吸着可能量との合計が、溶液（Ａ）に含まれるイオン（Ｌ）の量の０．３倍以上となるように、電極間に配置される溶液（Ａ）の量を調整することが好ましい。上記合計がイオン（Ｌ）の０．３倍以上である場合、５回の処理によって、溶液（Ａ）のイオン（Ｌ）の濃度を５分の１以下とすることができる。また、上記合計がイオン（Ｌ）の１倍以上である場合、理論的には、１回の処理でほとんどのイオンを除去できる。電極間に配置される溶液（Ａ）の量は、電極間の距離を変えることによって変更できる。

第１および第２の導電性物質は、可逆的にイオンを吸着できる物質である。第１および第２の導電性物質には、比表面積が大きい物質を用いることができる。たとえば、第１および第２の導電性物質として、多孔性の物質を用いてもよい。より具体的には、第１および第２の導電性物質として、通液型コンデンサの電極に用いられる物質を適用してもよい。第１および第２の導電性物質の典型的な例としては、多孔性の炭素材料が挙げられる。炭素材料の中でも、活性炭は比表面積が大きいため好ましく用いられる。たとえば、第１および第２の導電性物質は、粒状活性炭を凝集させることによって形成された導電性シートであってもよい。また、第１および第２の導電性物質は、粒状活性炭と導電性カーボンとを凝集させることによって形成された導電性シートであってもよい。また、第１および第２の導電性物質は、活性炭粒子を固めて形成された活性炭ブロックであってもよい。また、第１および第２の導電性物質は、活性炭繊維クロス、すなわち、活性炭繊維を用いて形成されたクロス（ｃｌｏｔｈ）であってもよい。活性炭繊維クロスとしては、たとえば、日本カイノール株式会社製のＡＣＣ５０９２−１０、ＡＣＣ５０９２−１５、ＡＣＣ５０９２−２０、ＡＣＣ５０９２−２５を用いてもよい。

第１および第２の電極（イオン吸着電極）は、電極内をイオンが通過しやすい構造であることが好ましい。そのような電極を用いることによって、溶液内におけるイオン濃度の偏りを抑制できる。たとえば、導電性物質として粒状活性炭を用いる場合、多孔性の集電体や、パンチングメタルのような貫通孔が形成された集電体に、粒状活性炭を塗布することによって電極を形成することが好ましい。また、活性炭繊維クロスを電極に用いることは特に好ましい。

溶液（Ａ）が水溶液である場合、工程（ｉ）ののちに、溶液（Ａ）に浸漬された対極と、第１および第２の電極から選ばれるいずれか一方の電極との間に電圧を印加することによって、溶液（Ａ）のｐＨを調整する工程（ａ）を含んでもよい。イオン除去の処理をした場合、溶液（Ａ）のｐＨが変化する場合があるが、工程（ａ）によってｐＨを調整することが可能である。

対極（Counter Electrode）は、たとえば、第１の電極と第２の電極との間に配置される。本発明の方法では、第１の電極と第２の電極との間の距離を、通液型コンデンサに比べて大きくできるため、両者の間に対極を配置することが可能である。対極は、第１の電極と第２の電極との間のイオンの通過をできるだけ抑制しない形状であることが好ましい。対極は、多孔質の電極であってもよいし、ネット状の電極であってもよいし、複数の貫通孔が形成された平板状の電極であってもよい。これらの対極は、対極内をイオンが通過できるため好ましい。対極は、不溶性の電極であることが好ましい。対極の一例は、水の電気分解が生じやすい金属（たとえばＰｔ）で表面が覆われた電極であり、たとえば、Ｐｔ電極や、ＰｔでコートされたＴｉからなる電極である。

対極は、その実際の表面積（ＢＥＴ法等で測定した表面積）が、その見かけ上の表面積（外形の表面積）の１０倍以下（たとえば５倍以下）であってもよい。そのような対極としては、一般的な金属電極が挙げられる。

工程（ａ）は、溶液（Ａ）に対極を浸漬し、第１の電極または第２の電極と、対極との間に電圧を印加することによって行われる。溶液のｐＨを低くする場合、第１の電極がカソードとなり対極がアノードとなるように、第１の電極と対極との間に電圧を印加する。これによって、第１の電極では、第１の電極に吸着された陰イオンが放出されるか、第１の電極に陽イオンが吸着される。一方、対極では、水の電気分解によって水素イオンおよび酸素ガスが発生する。その結果、溶液のｐＨが低下する。

水溶液のｐＨを高くする場合、第２の電極がアノードとなり対極がカソードとなるように、第２の電極と対極との間に電圧を印加する。これによって、第２の電極では、第２の電極に吸着された陽イオンが放出されるか、第２の導電性物質に陰イオンが吸着される。一方、対極では、水の電気分解によって、水酸化物イオンおよび水素ガスが発生する。その結果、溶液のｐＨが上昇する。

本発明の方法では、工程（ｉ）ののちに、以下のイオン放出工程（ii）を行ってもよい。工程（ii）では、まず、容器内の溶液（Ａ）を、他の液体（以下、液体（Ｂ）という場合がある）に変える。次に、第１の電極がカソードとなるように（すなわち、第２の電極がアノードとなるように）第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加する。この電圧印加によって、第１の電極に吸着された陰イオンと第２の電極に吸着された陽イオンとを、液体（Ｂ）中に放出させる。工程（ii）で印加される電圧に限定はなく、たとえば、液体（Ｂ）の溶媒の電気分解が実際に起こらない電圧である。

液体（Ｂ）は、水性液体（Aqueous Liquid）であってもよいし、非水液体（Nonaqueous Liquid）であってもよい。水性液体は、水または水溶液である。非水液体は、有機溶媒または非水溶液（イオンを含む非水溶媒）である。溶液（Ａ）が水溶液である場合には、通常、液体（Ｂ）には水性液体が用いられる。また、溶液（Ａ）が非水溶液である場合には、通常、液体（Ｂ）には非水液体が用いられる。

液体（Ｂ）は、溶液（Ａ）とは異なる液体であるが、溶液（Ａ）の一部を含んでもよい。通常、工程（ｉ）を経た溶液（Ａ）を容器内から排出したのち、他の液体（Ｂ）を容器内に導入することによって、容器内の溶液が入れ替えられる。工程（ii）によれば、液体（Ｂ）のイオン（Ｌ）の濃度を高めることができる。

なお、工程（ii）以外の方法でも、吸着されたイオンを液体（Ｂ）中に放出させることが可能である。たとえば、電圧を印加することなく、第１の電極と第２の電極とを短絡させることによって、電極に吸着されている陰イオンおよび陽イオンを放出させてもよい。また、液体（Ｂ）が水性液体である場合には、液体（Ｂ）に対極を入れ、第１の電極と対極との間に、第１の電極がカソードとなるように電圧を印加することによって、第１の電極に吸着されている陰イオンを液体（Ｂ）中に放出させてもよい。また、液体（Ｂ）に対極を入れ、第２の電極と対極との間に、第２の電極がアノードとなるように電圧を印加することによって、第２の電極に吸着されている陽イオンを液体（Ｂ）中に放出させてもよい。

液体（Ｂ）が水性液体である場合、工程（ii）ののちに、液体（Ｂ）に浸漬された対極と、第１および第２の電極から選ばれるいずれか一方の電極との間に電圧を印加することによって、液体（Ｂ）のｐＨを調整する工程（ａ’）を含んでもよい。この工程（ａ’）は、上述した工程（ａ）と同様である。

液体（Ｂ）が水性液体である場合、工程（ii）ののちに、液体（Ｂ）に浸漬された対極と、第１および第２の電極から選ばれる少なくとも１つの電極との間に電圧を印加することによって、第１の電極に吸着されている陰イオンの電荷量と、第２の電極に吸着されている陽イオンの電荷量との比を制御する工程（ｂ）を含んでもよい。第１および第２の電極と対極との間に電圧を印加する場合には、第１の電極と第２の電極とを短絡させた状態で電圧を印加すればよい。

本発明の方法では、初期の状態において、第１の電極と第２の電極との間の電圧と、第１および／または第２の電極と基準電極との間の電圧との関係を、測定によって予め求めておいてもよい。処理を繰り返すうちに上記関係が、予め求めておいた関係からずれた場合には、第１の電極に吸着されている陰イオンの電荷量と、第２の電極に吸着されている陽イオンの電荷量とのバランスが崩れていると判断できる。

この場合、第１および第２の電極間の電圧、および、第１および第２の電極から選ばれる少なくとも１つの電極と基準電極との電位差に基づいて、第１の電極に吸着されている陰イオンの電荷量と、第２の電極に吸着されている陽イオンの電荷量との比を算出する。そして、その算出結果に基づいて上記電荷量のバランスを制御する。基準電極には、一般的な基準電極、たとえば、水素電極を用いることができる。

本発明の方法では、イオン放出工程（工程（ii））を経た液体（Ｂ）を他の溶液に替え、再びイオン吸着工程（工程（ｉ））を行ってもよい。このように、本発明の方法では、工程（ｉ）と工程（ii）とを複数回繰り返してもよい。容器内の溶液を入れ替えながらイオン吸着工程とイオン放出工程とを繰り返すことによって、イオン（Ｌ）の濃度が高い溶液と、イオン（Ｌ）の濃度が低い溶液とを得ることができる。すなわち、本発明の方法は、液体のイオン濃度を高める方法、および／または、液体のイオン濃度を減少させる方法として利用できる。

イオン吸着工程とイオン放出工程とを行った場合、特に、イオン吸着工程とイオン放出工程とを交互に繰り返した場合、第１の電極に吸着されている陰イオンの電荷量と、第２の電極に吸着されている陽イオンの電荷量とのバランスが崩れることがある。このような場合には、第１および第２の電極のいずれか一方の電極と、対極との間に電圧を印加することによって、一方の電極に吸着されているイオンを放出させ、電荷量のバランスを制御できる。

溶液（Ａ）が水溶液である場合、本発明の方法は、複数回のうちの少なくとも１回の工程（ｉ）において、第１の電極から酸素ガスが発生し、且つ第２の電極から水素ガスが発生するまで、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加する工程を含んでもよい。この構成によれば、処理を繰り返すことによって生じる、電荷量のバランスの崩れを修正できる。

本発明の方法は、複数回のうちの少なくとも１回の工程（ii）ののちに、第１の電極と第２の電極とを短絡した状態で、第１の電極に吸着されている陰イオンと第２の電極に吸着されている陽イオンとが放出されるように、それらの電極と対極との間に電圧を印加する工程を含んでもよい。この方法によれば、処理を繰り返すことによって生じる吸着イオン量のバランスの崩れを修正できる。

本発明の方法では、初期の状態において、すなわち、１回目の処理を行う段階において、第１の電極において酸素ガスが発生するまでに第１の電極に吸着される陰イオンの電荷量が、第２の電極において水素ガスが発生するまでに第２の電極に吸着される陽イオンの電荷量とほぼ同じであることが好ましい。具体的には、酸素ガスが発生するまでに第１の電極に吸着される陰イオンの電荷量が、水素ガスが発生するまでに第２の電極に吸着される陽イオンの電荷量の０．９倍〜１．１倍の範囲にあることが好ましい。

本発明の方法では、第１の導電性物質に吸着可能な陰イオンの電荷量を、第２の導電性物質に吸着可能な陽イオンの電荷量の１．１倍〜２倍の範囲としてもよい。この構成によれば、バランスよく第１の電極と第２の電極とにイオンを吸着させることができる。たとえば、第１の導電性物質と第２の導電性物質とが同じ比表面積の物質である場合（両者のイオン吸着容量が同じである場合）には、第１の電極に含まれる第１の導電性物質の重量を、第２の電極に含まれる第２の導電性物質の重量の１．１倍〜２倍の範囲（好ましくは、１．２倍〜１．５倍の範囲）にすればよい。なお、導電性物質に吸着可能なイオンの電荷量は、実施例７で示すように、高濃度のイオン溶液中において、水の分解電圧内の電位域で、飽和状態になるまでイオンを吸着させたときに吸着されるイオン量を測定することによって求めることができる。具体的には、サイクリックボルタンメトリーにおいて、電極内の高抵抗の部分でも充分にイオンの吸着が生じるように電圧上昇速度を遅くして、吸着イオン量を測定する方法を適用できる。

第１および第２の導電性物質の比表面積は、９００ｍ²／ｇ以上であってもよい。比表面積の上限に特に限定はないが、たとえば２５００ｍ²／ｇ以下であってもよい。比表面積がより小さい導電性物質を用いることも可能であり、たとえば、比表面積が３００ｍ²／ｇ以上の導電性物質を用いることも可能である。なお、この明細書において、「比表面積」とは、窒素ガスを用いたＢＥＴ法で測定された値である。

上述したように、第１および第２の導電性物質は、活性炭を含んでもよい。また、第１の電極は、第１の導電性物質に接する第１の配線を含んでもよく、第２の電極は、第２の導電性物質に接する第２の配線を含んでもよい。

第１および第２の導電性物質が活性炭を含む場合、導電性物質の抵抗が比較的大きいため、導電性物質の抵抗によって溶液に印加される電圧が不均一となる場合がある。そのような場合には、配線を用いて導電性物質による電圧降下の影響を抑制することが好ましい。配線は、導電性物質による電圧降下が、溶液による電圧降下よりも低くなるように形成することが好ましい。

第１および第２の導電性物質が活性炭を含み、第１および第２の電極が配線を含む場合、第１の配線の表面には、活性炭よりも酸素過電圧が小さい金属が存在することが好ましく、第２の配線の表面には、活性炭よりも水素過電圧が小さい金属が存在することが好ましい。本発明の方法では、水を電気分解して電極の初期化を行うなどする場合があるが、その場合でも、上記配線を用いることによって配線の表面でガス発生が生じるため、活性炭の表面で水素ガスや酸素ガスが発生することを抑制できる。また、配線は、液体の処理の際に溶解しにくいものであることが好ましい。活性炭よりも水素過電圧および酸素過電圧が小さい金属、すなわち、活性炭よりもガス発生が生じやすい金属としては、たとえば白金（Ｐｔ）が挙げられる。

本発明の方法では、第１および第２の配線の表面に白金が存在してもよい。配線の一例は、白金でコートされた配線であり、たとえば、チタンや、電解コンデンサで用いられる弁金属（バルブメタル：たとえば、アルミニウム、タンタル、ニオブなど）を白金でコートすることによって得られる配線を用いることができる。特に好ましい一例は、白金でコートされたチタン配線である。

本発明の方法では、工程（ｉ）において、第１の電極と第２の電極との間の抵抗値に基づいて、第１の電極と第２の電極との間に印加する電圧を制御してもよい。溶液の抵抗（または溶液による電圧降下）は、溶液中のイオン濃度によって変化する。このため、溶液の抵抗（または溶液による電圧降下）に基づいて印加する電圧を変化させたり、電圧の印加を停止したりすることによって、効率よく処理を行える。

本発明の方法では、工程（ｉ）において、第１の電極と第２の電極との間を流れた電流値に基づいて、第１の電極と第２の電極との間に印加する電圧を制御してもよい。電極間を流れた電流値に基づいて、イオン吸着電極に吸着されたイオンの電荷量を推定することが可能である。このため、電極間を流れた電気量から電極に吸着されたイオンの電荷量を推測し、その推測値に基づいて印加する電圧を変化させたり、電圧の印加を停止したりすることによって、効率よく処理を行える。

本発明の方法では、工程（ｉ）において、複数の第１の電極と複数の第２の電極とが用いられてもよい。複数の電極を用いることによって、イオン濃度調整能力を高めることができる。なお、第１の電極と第２の電極のいずれか一方が単数であり、他方が複数であってもよい。また、対極を用いる工程では、複数の対極を用いてもよい。

本発明の方法では、工程（ｉ）において、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流値が徐々に減少するように電圧を印加してもよい。ここで、「徐々に減少する」とは、連続的に減少すること、および段階的に減少することの両方を含む。

さらに別の観点では、本発明は、上記方法を用いて水溶液の滅菌を行う方法に関する。すなわち、上記工程（ｉ）によって、水溶液の電位を、酸素発生電位またはそれ以上の電位とする。この時に電極上に生じる活性基の酸素は、充分に菌を酸化する能力があり、水溶液の滅菌を行うことが可能である。

［イオン濃度調整装置（液質調整装置）］
本発明のイオン濃度調整装置は、上記本発明のイオン濃度調整方法を実施するための装置である。そのため、上記イオン濃度調整方法の説明において述べた事項については、重複する説明を省略する場合がある。

本発明のイオン濃度調整装置は、電圧を印加するための電源と、液体を導入および排出できる容器と、その容器内に配置可能な第１および第２の電極（イオン吸着電極）とを含む。第１の電極は、イオンを吸着できる第１の導電性物質を含み、第２の電極は、イオンを吸着できる第２の導電性物質を含む。この装置では、上記のイオン吸着工程（工程（ｉ））が行われる。工程（ｉ）において、溶液（Ａ）はバッチ方式で処理される。工程（ｉ）において印加される電圧は、溶液（Ａ）による電圧降下がないと仮定した場合に溶液（Ａ）の溶媒が電気分解する電圧よりも高い電圧である。

本発明のイオン濃度調整装置は、上記本発明のイオン濃度調整方法を実行する。具体的には、この装置では、上記工程（ｉ）が行われる。また、この装置では、工程（ｉ）に加えて、他の工程、たとえば上述した他の工程が行われてもよい。

本発明の装置は、容器内に配置可能な対極をさらに含んでもよい。この対極は、酸素ガスおよび／または水素ガスを発生させるための電極であるため、不溶性電極であることが好ましい。対極を含む装置では、上述した、第１および／または第２の電極と対極との間で電圧を印加する工程が行われてもよい。たとえば、工程（ii）や、工程（ａ）や、工程（ａ’）が行われてもよい。

電源は、第１の電極と第２の電極との間、および、第１および第２の電極から選ばれる少なくとも１つの電極と対極との間に電圧を印加するための電源である。電源は、通常、直流電源であるが、本発明の効果が得られる限り、パルス電源や交流電源であってもよい。電源は、イオン濃度の調整を行うために、タイマーや、クーロンメーターや、ｐＨメーターと組み合わせて用いてもよい。たとえば、定電流電源とタイマーとを組み合わせて用いてもよいし、定電流電源または定電圧電源とクーロンメーターおよび／またはｐＨメーターとを組み合わせて用いてもよい。

本発明のイオン濃度調整装置によれば、本発明のイオン濃度調整方法を容易に実施できる。イオン吸着電極、導電性物質、および対極などについては、上述したため、重複する説明を省略する。

容器に特に限定はなく、処理される液体を保持できる容器であればよい。たとえば、処理される液体が水溶液である場合、塩の水溶液、酸性水溶液およびアルカリ性水溶液を保持できる容器であればよい。この容器は、容器内の液体の入れ替えを容易にするための機構を備えることが好ましい。たとえば、この容器は、容器内に液体を流入させるための流入口と、容器内の液体を排出するための排出口とを備えることが好ましい。流入口と排出口とを備える容器を用いることによって、液体の連続的な処理が可能である。また、流入口および排出口のそれぞれにバルブを設けることによって、液体のバッチ処理が容易になる。

また、本発明の装置は、液体の導入や排出を行うためのポンプを備えてもよい。

また、公知のｐＨ調整装置やイオン濃度調整装置と同様に、本発明の装置は、各工程を実施するための制御装置を備えることが好ましい。そのような制御装置には、演算処理部とメモリ部とを含む公知の制御装置と実質的に同様の制御装置を適用できる。メモリ部には、各工程を実行するためのプログラムや、イオン濃度（または液体の伝導度）の目標値などが記録される。この制御装置は、イオン濃度の目標値（および、必要に応じて各センサからの入力値）等に基づき、電極に印加する電圧を制御してもよい。

本発明の方法および装置では、バッチ処理される液体の量に特に限定はない。その量は、一例では、第１または第２の導電性物質のみかけの表面積（輪郭のサイズから求められる表面積）１ｃｍ²あたり、０．１ミリリットル〜１０ミリリットルの範囲であってもよい。

［実施形態１］
以下、本発明のイオン濃度調整方法および装置の一例について、図面を参照しながら説明する。以下では、溶液（Ａ）が水溶液であり、液体（Ｂ）が水である例について説明するが、溶液（Ａ）および／または液体（Ｂ）が非水液体である場合でも、同様の方法および装置を適用できる。

実施形態１のイオン濃度調整方法で用いられるイオン濃度調整装置１００の主要部を、図１Ａに模式的に示す。イオン濃度調整装置１００は、容器１０と、容器１０内に配置された第１の電極（第１のイオン吸着電極）１１と第２の電極（第２のイオン吸着電極）１２とを備える。容器１０には、液体を導入するための導入口１０ａと、液体を排出するための排出口１０ｂとが接続されている。導入口１０ａおよび排出口１０ｂには、それぞれ、弁１０ｃが設けられている。

本発明のイオン濃度調整方法では、図１Ａに示すように、容器１０内において、第１の電極１１と第２の電極１２とを水溶液１３に浸漬し、両電極間に電圧を印加する。このとき、第１の電極１１がアノードとなり第２の電極１２がカソードとなるように、両電極間に電圧を印加する。印加する電圧は、２ボルトよりも高い電圧である。

以下では、水溶液１３が塩化ナトリウム水溶液であり、イオンを吸着する導電性物質が、活性炭繊維クロスである場合について説明する。しかし、他の塩が溶解された水溶液を用いた場合や、他のイオン吸着物質を用いた場合でも、同様に処理が行われる。

第１の電極１１と第２の電極１２との間に印加される電圧は、一定であってもよいし、処理の進行に応じて変化させてもよい。たとえば、第１の電極１１と第２の電極１２との間に流れる電流が一定となるように電圧を印加してもよい。この場合、電圧の上昇は電極間のＩＲドロップの変化と相関を有するため、電圧の上昇から、電極に吸着されたイオンの電荷量を推測できる。電圧の上昇は、通電する電流を変化させながら電圧を計測し、電極間の電位差からＩＲドロップによる電圧を差し引くことによって、より正確に求めることができる。

電圧の印加によって、第１の電極１１の活性炭繊維クロス（図示は省略する）に塩素イオンが吸着され、第２の電極１２の活性炭繊維クロス（図示は省略する）にナトリウムイオンが吸着される。その結果、水溶液１３の塩化ナトリウム濃度が減少する。

容器１０内の水溶液１３はバッチ方式で処理される。すなわち、処理が終わるまで、水溶液１３は容器１０内から移動されない。この方法によれば、通液型コンデンサを用いた従来の処理に比べて、効率よくイオンを除去することが可能である。その理由を以下に説明する。

通液型コンデンサを用いた従来の処理の様子を図２に示す。通液型コンデンサ２０内には、イオンを吸着するための第１および第２の電極２１および２２が配置されている。コンデンサ２０内には導入口２３から水溶液２４が連続的に導入され、処理される。処理された水溶液２４は、排出口２５から連続的に排出される。イオン除去処理が行われているコンデンサ２０内を通過することによって水溶液２４内のイオンが除去されるため、導入口２３付近におけるイオン濃度は、排出口２５付近におけるイオン濃度よりも高い。

第１の電極２１と第２の電極２２との間に電圧を印加すると、水溶液２４の抵抗によって電圧降下が生じる。この電圧降下は、水溶液２４のイオン濃度が低いほど大きくなるため、排出口２５に近いほど水溶液２４による電圧降下は大きくなる。そのため、水溶液２４の水が電気分解されない電圧（たとえば２Ｖ以下）を印加しても、排出口２５付近ではその一部しかイオン除去に利用されず、その付近でのイオンの除去能力が低下する。一方、排出口２５付近の水溶液２４はイオンが除去されて伝導度が低下しているため、その部分の水溶液２４に充分な電圧を印加するためには、水溶液２４による電圧降下を考慮して、電圧を印加する必要がある。そのような電圧を印加した場合、導入口２３近辺の水溶液２４には、高い電圧が印加されてしまう。その結果、導入口２３付近では水の電気分解が生じる。このため、通液型コンデンサを用いた従来の方法では、電極間に印加される電圧は、実質的に水の電気分解が生じない電圧（２Ｖ以下：過電圧を考慮）であった。その結果、従来の方法では、電極全体を一様に活用したイオン除去ができなかった。

これに対して、本発明の方法では、容器１０内の水溶液１３による電圧降下は、電極のどの部分でもほぼ一定である。そのため、水溶液１３による電圧降下を考慮して電圧を印加することによって、イオンの除去に適した電圧を水溶液１３全体に印加することが可能となる。その結果、電極の導電性物質の全体を活用してイオンを効率よく除去することが可能となる。図１Ａの装置１００において、水溶液１３に印加される電圧の状態を、図３に模式的に示す。第１の電極１１と第２の電極１２との間に印加される電圧Ｖが２ボルトを超えても、電圧Ｖから電圧降下ＩＲを差し引いた［ΔＥ⁺＋ΔＥ^-］が水の分解電圧以下であれば、水溶液１３の電気分解を抑制できる。

水溶液１３中の塩化ナトリウムの濃度を減少させる処理が終了したのち、水溶液１３を容器１０から排出し、その代わりに、水を容器１０に入れる。詳細は不明であるが、図１Ｂに示すように、第１の電極１１の活性炭繊維クロス１１ａに吸着されている陰イオンは、活性炭繊維クロス１１ａの表面に存在する正電荷にクーロン力で引きつけられていると推測される。同様に、第２の電極１２の活性炭繊維クロスに吸着されている陽イオンは、活性炭繊維クロスの表面に存在する負電荷にクーロン力で引きつけられていると推測される。そのため、吸着されたイオンは、活性炭繊維クロスの表面電荷が存在する限り、比較的安定に、そのクロスに吸着されていると考えられる。

次に、第１の電極１１がカソードとなり第２の電極１２がアノードとなるように、第１の電極１１と第２の電極１２との間に電圧を印加する。この電圧印加によって、第１の電極１１の導電性物質に吸着されている陰イオン、および、第２の電極１２の導電性物質に吸着されている陽イオンが、水中に放出される。その結果、図４に示すように、容器１０内の水が塩化ナトリウム水溶液４１となる。

イオン放出工程が終了すると、容器１０内の塩化ナトリウム水溶液を排出して、イオンが除去されていない新たな水溶液１３を容器１０に導入する。そして、図１Ａで説明した処理を行って水溶液１３の塩化ナトリウムを除去する。次に、塩化ナトリウム水溶液４１を再度、容器１０内に導入し、電極に吸着されたナトリウムイオンと塩素イオンとを放出する。このような処理を繰り返すことによって、塩化ナトリウムが除去された多量の水溶液と、塩化ナトリウム濃度が高い塩化ナトリウム水溶液とが得られる。なお、イオン濃度が高い水溶液とイオン濃度が低い水溶液のいずれか一方の水溶液が不要である場合には、処理が終了するごとにその水溶液を廃棄してもよい。また、イオン除去処理が行われた水溶液に対して、繰り返しイオン除去処理を行ってもよい。

同じ水溶液（Ａ）または同じ水性液体（Ｂ）に対して同じ処理を繰り返す場合、本発明の装置は、それらの液体を一時的に容器１０から移しておくための他の容器を１つ以上備えてもよい。また、その場合、本発明の装置は、一方の容器から他方の容器へ液体を移すためのポンプを備えてもよい。

上記本発明の方法によれば、通液型コンデンサを用いる場合と比較して、イオン濃度を効率よく調整できる。特開２０００−９１１６９号公報には、比表面積が２２００ｍ²／ｇの活性炭４００ｇを用いた通液型コンデンサによって、濃度が０．０１モル／リットルのＮａＣｌ水溶液を流速０．１リットル／分で約５分間（約０．５リットル）処理し、ＮａＣｌ濃度を０．００２モル／リットル未満にできたことが開示されている。これに対して、本発明の方法では、比表面積が約２０００ｍ²／ｇの活性炭０．３４ｇを用い、濃度が０．０１モル／リットルのＮａＣｌ水溶液３０ミリリットルを１５分間処理することによって、濃度を０．００１８モル／リットルに低減できた（実施例参照）。このことから、通液型コンデンサを用いる従来の方法と比較して、本発明の方法によれば、活性炭の単位重量あたりのイオン除去量が７０倍以上（４００／(０．３４×０．５／０．０３)≧７０）となった。

また、水溶液の処理に要する時間を特開２０００−９１１６９号公報の装置と同一にするには、活性炭繊維クロスの量を３倍とすればよい。この場合、使用される活性炭の量は１７ｇ（０．３４×（０．５／０．０３）×１５／５）であり、特開２０００−９１１６９号公報の装置の２３分の１程度の量である。

また、本発明の方法は、簡単な装置で実施することができ、硬水の軟水化や、純水の作製、塩素ガスの除去（液体中に溶解している塩素ガスをイオン化して除去）などといった処理を簡単かつ安価に行うことができる。そのため、本発明の方法を実施するための装置は、家庭用の装置として好適である。本発明の方法および装置によれば、イオン濃度を減少させながら、アルカリイオン水や酸性水を作製することも可能である。なお、カソードの電位は、水が電気分解される電位に近い電位であるため、塩素ガスを塩素イオンに分解することが可能である。

水溶液中のイオンを吸着する原理は、電気２重層コンデンサと同じである。ここで、第１の電極と第２の電極とが同じである場合、すなわち、第１の導電性物質と第２の導電性物質とが、同じ材質で同じ量である場合を仮定する。この場合、アノードである第１の電極において酸素ガスが発生するまでに第１の電極に吸着される陰イオンの電荷量は、カソードである第２の電極において水素ガスが発生するまでに第２の電極に吸着される陽イオンの電荷量よりも少ない（実施例７参照）。そのため、第１の電極の第１の導電性物質と、第２の電極の第２の導電性物質とが、同じ材質で同じ量である場合には、第１の電極（アノード）の電位が、先に水の分解電位に達する。一方の電極のみにおけるガス発生を抑制するために、第１の電極側で酸素ガスが発生するまでに第１の電極に蓄積される電荷量と、第２の電極側で水素ガスが発生するまでに第２の電極に蓄積される電荷量とを同じにしておくことが好ましい。

発明者らが実験した結果、活性炭のみの電極で測定した場合、［第１の電極の活性炭の重量］：［第２の電極の活性炭の重量］＝１．１：１〜２：１の範囲であることが好ましいことが分かった。

水溶液中のイオンを除去する場合において、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流が一定となるように電圧を印加することによって、処理速度を高めることが可能である。このような定電流法で電圧を印加する場合、設定する電流密度が高すぎると、電極間に印加される電圧が高くなりすぎて水が電気分解され、ガスが発生する場合がある。ガスが発生した場合には、電圧印加を、一定時間停止してから再開してもよい。電圧印加の停止によって活性炭に吸着されているイオンが移動してイオンの偏りが解消され、電圧印加の再開時に電極間に印加される電圧が低下する。

第１の電極と第２の電極との間に、２Ｖより高く５Ｖ以下の電圧を印加した場合、水溶液中のイオンを除去する速度はそれほど速くないが、ガス発生を抑制して電流の利用効率を高めることができる。

導電性物質に吸着されたイオンを放出させる場合、第１の電極と第２の電極とを短絡させてもよいし、第１の電極がカソードとなり第２の電極がアノードとなるように、第１の電極と第２の電極との間に電圧を印加してもよい。また、液体（Ｂ）が水性液体である場合、液体（Ｂ）中において、第１または第２の電極と対極との間に電圧を印加することによって、イオンを放出させてもよい。

イオン吸着工程やイオン放出工程を行った場合、不純物の電解や、水溶液のｐＨ調整によって、第１の電極に吸着された陰イオンの電荷量と第２の電極に吸着された陽イオンの電荷量との間に差が生じる場合がある。そのような場合には、対極を用いてその差を解消することが好ましい。

たとえば、水溶液中の溶存酸素がカソード（第２の電極）の電子を消費して水酸化物イオンになった場合、アノード（第１の電極）では、消費された電子の電荷量だけ余分に陰イオンが吸着される。その結果、第１の電極に吸着されている陰イオンの電荷量は、第２の電極に吸着されている陽イオンの電荷量よりも多くなる。

このような状態でイオン放出工程を行うと、第２の電極の陽イオンがすべて放出されても、第１の電極には陰イオンが吸着されている。イオン放出のための電圧印加をさらに続け、第１の電極に吸着されている陰イオンを放出させた場合、第２の電極の表面にはプラス電荷が蓄積されて陰イオンが吸着する。そのため、第１の電極と第２の電極の両方に、陰イオンが吸着された状態が生じる。このような状態でイオン吸着工程を開始した場合、第２の電極の陰イオンがすべて放出されるまでは、第２の電極から陰イオンが放出されるとともに第１の電極に陰イオンが吸着される状態が続き、イオン濃度の変化はない。このように、第１の電極に吸着されている陰イオンの電荷量と、第２の電極に吸着されている陽イオンの電荷量との均衡がくずれると、効率が低下する。

そのため、そのようなイオンの不均衡が生じた場合には、電極に吸着されているイオンをすべて放出する操作（以下、「電極の初期化」という場合がある）を行うことが好ましい。

たとえば、第１の電極に吸着されている陰イオンが過剰である場合、第１の電極と第２の電極とを短絡させた状態で、これら２つの電極がカソードとなり対極がアノードとなるように、電圧を印加する。この電圧印加によって、電極に吸着されている過剰な陰イオンを放出でき、どちらの電極にもイオンが吸着されていない状態とすることができる。また、第２の電極に吸着されている陽イオンが過剰である場合、第１の電極と第２の電極とを短絡させた状態で、これら２つの電極がアノードとなり対極がカソードとなるように、電圧を印加すればよい。このように、電極の初期化を行うことによって、効率の低下を抑制できる。

対極を備えるイオン濃度調整装置の一例を図５に示す。図５のイオン濃度調整装置２００は、容器５０、第１の電極５１、第２の電極５２、対極５３および電源５４を備える。容器５０には、液体を導入するための導入口５０ａと、液体を排出するための排出口５０ｂとが接続されている。第１の電極５１および第２の電極５２は、イオン吸着電極である。図５に示すように、これらの電極は、通常、処理する液体５５に浸漬される。しかし、処理に必要のない電極は、容器５０から取り出してもよい。

図５では、電源５４が、第１の電極５１および第２の電極５２に接続されている場合を示しているが、装置２００は、電源５４をいずれの電極にも接続できるように構成される。そのため、装置２００は、スイッチ５６および５７を備える。電源およびスイッチは、制御装置（図示せず）によって制御される。なお、本発明の装置は、第１の電極と第２の電極とを短絡させるための配線およびスイッチをさらに備えてもよい。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、特に説明がない限り、以下の実施例で用いた活性炭繊維クロスは、日本カイノール株式会社製の活性炭繊維クロス（品番：ＡＣＣ５０９２−２５、目付け１００〜１３０ｇ／ｍ²、厚さ約０．５ｍｍ、ヨード吸着量１８５０〜２１００ｍｇ／ｇ）である。この活性炭繊維クロスの比表面積は、約２０００ｍ²／ｇ以上である。

［実施例１］
実施例１では、本発明に基づき、水道水のイオンを除去した一例について説明する。

図６Ａに示すように、約３ｃｍ×５ｃｍの活性炭繊維クロス６１に、集電体６２を取り付けて電極（イオン吸着電極）６０を作製した。集電体６２は、チタンに白金をコートすることによって作製した。また、図６Ｂに示す形状を有する、アクリル樹脂からなるスペーサ６３を用意した。

次に、２つの電極６０を、内容積が６０ｍｌの容器内の両サイドに配置した。このとき、図６Ｃに示すように、２つの電極６０の間にスペーサ６３を配置した。２つの電極間の距離は、約１７ｍｍであった。次に、容器内に、伝導度が１５０μＳ／ｃｍの水道水４０ｍｌを入れた。

次に、２つの電極６０の間に、６０ｍＡの電流を１分、３分、および５分間流し、伝導度およびｐＨの変化を測定した。電流を１〜５分間流すことによって、水道水中のイオンが電極に吸着され、水道水の伝導度は、１４０μＳ／ｃｍ（１分）、１２０μＳ／ｃｍ（３分）、１０５μＳ／ｃｍ（５分）と低下した。一方、電流を１〜５分間流してもｐＨはほとんど変化しなかった。

次に、内容積が４５ｍｌの容器に、２つの電極６０と１つのセパレータとを、上記と同様に配置した。そして、伝導度が１５０μＳ／ｃｍの水道水２８ｍｌを容器内に入れ、電極間に１０ｍＡの電流を流し、水道水の伝導度の変化を測定した。このとき、２つの電極間の距離は、約１３ｍｍであった。伝導度の低下は、水道水中のイオン濃度の減少によるものである。また、処理後の水道水のｐＨも測定した。測定結果を表１に示す。

表１に示すように、電流を流すと、初期の段階ではｐＨは変化しないでイオンが除去されていった。しかし、イオンの除去量が多くなるにつれて、ｐＨが大きく低下して水が酸性になった。そして、さらに電流を流し続けると、伝導度が大きく低下し、ｐＨは約７に戻った。

この実施例では、アノードのイオン吸着容量（イオン吸着可能量）と、カソードのイオン吸着容量とが同じである。そのため、電流を流し続けるとアノードの電位が、先に、酸素ガスが発生する電位に到達する。その結果、アノードで酸素ガスが発生して水中の水素イオン濃度が上昇し、水のｐＨが低下する。さらに電流を流し続けるとｐＨが上昇するのは、アノードでの酸素ガス発生に加えてカソードでの水素ガス発生が生じるためであると考えられる。

［実施例２］
実施例１と同様のイオン吸着電極を３枚用意し、内容積が４５ｍｌの容器内の両サイドと中央とに平行に配置した。また、電極と電極との間には、実施例１と同様のスペーサを配置した。２つの電極間の距離は、約６ｍｍであった。この容器に、水道水２９ｍｌを入れた。次に、以下の実験を行った。

実験１では、両サイドの２枚の電極がアノードとなるように且つ中央の１枚の電極がカソードとなるように電圧を５分間印加して水道水中のイオンを除去した。電圧は、アノード−カソード間に流れる電流が２０ｍＡとなるように印加した。

次に、実験２では、実験１でイオンを吸着した電極からイオンを放出させた。このとき、両サイドの２枚の電極がカソードとなるように且つ中央の１枚の電極がアノードとなるように、電圧を５分間印加した。電圧は、アノード−カソード間に流れる電流が２０ｍＡとなるように印加した。

実験３では、電流を流す時間を変えたことを除き、実験１と同じ実験を行った。また、実験４〜６では、電極間に流す電流および通電時間を変えたことを除き、実験１と同じ実験を行った。

実験１〜６の処理における水道水の伝導度の変化、および処理後の水道水のｐＨを表２に示す。また、実験１および４における印加電圧の変化も表２に示す。

実施例２では、実施例１とは異なり、アノードのイオン吸着容量を、カソードのイオン吸着容量の２倍としている。その結果、処理によるｐＨの変動がほとんど見られなかった。

実験１では、イオンの除去によって水道水の伝導度が低下し、実験２ではイオンの放出によって水道水の伝導度が初期とほぼ同じ値となった。

電流値が高い実験４では、印加電圧が最終的に６０ボルトという高い電圧になったが、ガスの発生は少なかった。同様に、実験５および６でも、ガスの発生は少なかった。

電流値が高い実験４〜６では、イオン除去の効率、すなわち、電気量に対するイオン除去量が低下した。これは、活性炭繊維クロスの抵抗の影響が大きくなり、イオン吸着量が電極内で不均一になるためであると考えられる。このような効率の低下を抑制するために、電極間に流す電流を徐々に低下させたり、電圧の印加を一定時間停止したりすることが有効である。

［実施例３］
実施例３では、図７に示すように、活性炭繊維クロス６１（サイズ：３ｃｍ×５ｃｍ）の表面に接するように配線７１を配置して電極７０を作製した。配線には、チタンのワイヤの表面を白金でコートしたものを用いた。また、ポリエチレンからなるセパレータを用意した。

図６の電極６０の代わりに図７の電極７０を用いること、および、スペーサの代わりにセパレータを用いることを除き、実施例２の装置と同様の装置を構成した。そして、その装置の容器（内容積：４５ｍｌ）に３０ｍｌの水道水、または３０ｍｌのＮａＣｌ水溶液（伝導度：５８８μＳ／ｃｍ）を入れ、イオン除去の実験を行った。

アノード−カソード間の電流値および通電時間を変えて実験７〜１１を行った。また、アノード／セパレータ／カソード／セパレータ／アノードという電極群を２つ容器内に配置し、イオン除去の実験１２を行った。イオン除去工程による液体の伝導度変化と、最終のｐＨ値とを表３に示す。

電極に配線を形成したことによって、イオン除去の効率が高くなった。また、実施例３では、アノードのイオン吸着容量がカソードのイオン吸着容量の２倍であるため、電流を流し続けると、アノードでの酸素ガス発生の前にカソードでの水素ガス発生が生じる。カソードでの水素ガス発生に伴って水酸化物イオンが液体中に放出されるため、処理に伴って液体のｐＨが上昇した。しかし、電流を流し続けると、ｐＨは低下して液体はほぼ中性となった。ｐＨが中性となるのは、電流を流し続けると、カソードでの水素ガス発生に加えてアノードでの酸素ガス発生が生じるためであると考えられる。

実施例３の処理によるｐＨの変化は、実施例１の処理によるｐＨの変化とは逆の方向に生じている。したがって、アノードのイオン吸着容量とカソードのイオン吸着容量との最適な比は、実施例１の比と実施例３の比との間に存在していると考えられる。また、実施例１および実施例３の結果は、水の分解反応を利用して電極の電位を制御できることを示している。そのため、アノードのイオン吸着容量とカソードのイオン吸着容量との比を最適に近い値にしておくと、陽イオンおよび陰イオンの吸着量のバランスがずれた場合でも、アノードおよび／またはカソードで水を分解することによって、バランスのずれを解消できる。

また、活性炭繊維クロスの量を２倍にした実験１２では、同じ電気量を流しても水の電気分解が生じず、ｐＨは変化しなかった。

なお、配線を備える実施例３の電極を用いてアノードで酸素ガスを発生させた場合、まず、配線の表面から酸素ガスが発生した。アノードの電位をさらに上昇させると、活性炭繊維クロスの表面からも酸素ガスが発生した。このことから、白金は、活性炭よりも酸素過電圧が小さいと考えられる。同様に、白金は、活性炭よりも水素過電圧が小さいと考えられる。

［比較例］
まず、実施例３で説明した、配線を備える電極を６個用意した。また、実施例１で説明したスペーサと実施例３で用いたセパレータとをそれぞれ３枚用意した。これらの電極、スペーサおよびセパレータを、アノード／セパレータ／スペーサ／カソード／カソード／スペーサ／セパレータ／アノード／アノード／セパレータ／スペーサ／カソードという配置となるように容器（内容積４５ｍｌ）に配置した。隣接するアノード−カソード間の距離は、約４ｍｍであった。

次に、この容器に、濃度が約０．００８４モル／リットルのＮａＣｌ水溶液を約３０ｍｌ入れ、イオン除去の実験を行った。電極間に印加する電圧は１Ｖに固定した。

実験では、電極間を流れる電流値が１オーダー下がるごとに電圧印加をやめて、アノード−カソード間の電圧（レストポテンシャル）と、水溶液の伝導度およびｐＨとを測定した。また、最後に１３０分間の処理を行って、レストポテンシャル、伝導度およびｐＨを測定した。測定結果を表４に示す。

表４に示すように、処理の開始と共に水溶液のｐＨが上昇した。また、処理に伴って伝導度が減少しており、印加電圧が１ボルトであってもイオンが除去されることが分かる。しかし、レストポテンシャルは、電極にイオンが吸着されるに従って高くなる。すなわち、電極間に印加される電圧が１ボルトであっても、電極間の水溶液に印加される電圧（電界）は、１ボルトからレストポテンシャルを引いた値となる。たとえば、処理を１６分間行ったときのレストポテンシャルは０．８ボルトであり、水溶液に印加される電圧は０．２ボルトである。そのため、電極がイオンを吸引する能力が低下し、イオン除去の効率が低下する。このように、水の分解電圧以下の電圧を電極間に印加しても、効率よく処理を行うことができない。

［実施例４］
上記比較例と同じ装置を用い、電極間に定電流法で電圧を印加してイオン除去の実験を行った。具体的には、アノード−カソード間に流れる電流が２００ｍＡとなるように電圧を印加した。実施例４では、伝導度が８００μＳ／ｃｍのＮａＣｌ水溶液を処理した。

実験１３では、水溶液の伝導度が約１００μＳ／ｃｍになるまで電圧を印加し続けた。実験１４では、電圧の上昇速度をモニタし、電圧の上昇速度が少し遅くなった時点で電圧の印加を停止した。実験１５では、実験１４の電圧印加停止後、水溶液の伝導度が約１００μＳ／ｃｍになるまで再び電圧を印加した。実験１３〜１５において、電圧の変化、水溶液の伝導度の変化、水溶液のｐＨを測定した。測定結果を表５に示す。

実験１３の印加電圧の推移を図８に示す。電圧は、２．５Ｖ（初期）から６７ボルトまで上昇したのち、６０ボルト（最終）となった。図８の横軸は、１目盛りが３２秒である。電圧印加開始から、約２００秒で電圧の上昇が小さくなり始めた。これは、水の分解反応が生じだしためであると考えられる。

そこで、実験１４では、電圧印加開始から２１０秒（３．５分）で電圧印加を停止した。伝導度から概算すると、この時点で、ナトリウムイオンおよび塩素イオンの約６５％が除去されていた。

電圧印加を停止して測定を行うのに要した約１０分間の間に、活性炭繊維クロスに吸着されているイオンが移動し、イオンの分布が均一化する。その結果、電極の電位が低くなって、低い印加電圧でも２００ｍＡの電流が流れるようになる。実験１４の測定終了後、実験１５の電圧印加を開始すると、印加電圧は４．４Ｖに低下していた。実験１５では、電圧印加開始から約１．７分で印加電圧が８３Ｖに上昇して電圧上昇が小さくなり始めた。１．７分間の電圧印加によって、伝導度は約１００μＳ／ｃｍに低下した。実験１４および１５のトータルの電圧印加時間は５．２分間であり、実験１３の電圧印加時間（９．５分間）よりも短いが、同じ程度までイオンを除去することができた。このように、水の電気分解が起こらない条件で処理を行うことによって、高い電流でも効率よくイオンを除去できる。

［実施例５］
実施例５の実験では、実施例３で説明した電極７０およびセパレータを用いた。１つの電極７０に含まれる活性炭は、約０．１７ｇであった。

２つの電極を内容積４５ｍｌの容器の両サイドに配置し、２つの電極の間にセパレータを配置した。この容器に、濃度が０．０１モル／リットルのＮａＣｌ水溶液（伝導度：１１１７μＳ／ｃｍ、ｐＨ：６．３２）を３０ｍｌ入れ、イオン除去の実験を行った。

実験１６では、電流値が２００ｍＡになるように電圧を印加した。５分間の電圧印加後、測定を行い、測定後の水溶液を実験１７でさらに処理した。実験１７では、電流値が１００ｍＡとなるように電圧を印加した。

実験１８では、電流値が６５ｍＡになるように電圧を印加した。１５分間の電圧印加後、測定を行い、測定後の水溶液を実験１９でさらに処理した。実験１９では、電流値が３５ｍＡとなるように電圧を印加した。測定結果を表６に示す。

実施例５では、イオン濃度が高く伝導度が水道水の５倍以上である水溶液を処理した。実験１６では、実験１８の約３倍の電流値で処理を行ったが、イオン吸着能力に余力がある状態での処理であるため、実験１６による伝導度の変化は、実験１８による伝導度の変化と比べて、大きな遜色はなかった。また、実験１６に引き続いて低い電流値で実験１７を行うことによって、実験１９と同様に、水道水のレベルになるまでイオンを除去することができた。実験１６〜１９に示されるように、初期の電流値を高くし、イオンが除去されるに従って電流値を下げることによって、同じ電気量で、短時間にイオンを除去できた。

［実施例６］
まず、比較例と同じ装置を２つ用意した。この装置の容器（内容積４５ｍｌ）に、伝導度が１７０μＳ／ｃｍの水道水を約３０ｍｌ入れ、イオン除去の実験を行った。まず、電流および通電時間を３段階に変化させて処理を行い、伝導度を、約１５μＳ／ｃｍまで低減させた。処理の際の印加電圧の変化、処理による伝導度の変化、および処理後のｐＨを表７に示す。

次に、処理後の水を新たな装置に移し、再度イオン除去の処理を行った。この処理による伝導度の変化と、処理後のｐＨとを表８に示す。

実施例６では、水道水の伝導度を純水の伝導度にまで低下させることができた。

［実施例７］
実施例７では、活性炭繊維クロスとして、日本カイノール株式会社製の活性炭繊維クロスＡＣＣ５０９２−２５（上述）と、ＡＣＣ５０９２−１０（目付け２００ｇ／ｍ²、厚さ約０．６ｍｍ、比表面積２０００ｍ²／ｇ）の２種類を用いて電極を作製した。活性炭繊維クロスの表面には、集電体として、白金ワイヤ（配線）を配置した。

上記２種類の電極を用い、サイクリックボルタンメトリーを行った。その結果から、アノードおよびカソードのそれぞれについて、レストポテンシャル（ＲＰ）から水の電気分解が生じる電位に到達するまでの電気量を求めた。また、その電気量から、電極に吸着されるイオンの量を見積もった。評価結果を表９に示す。なお、表９の電気量および吸着イオン量は、活性炭繊維クロス１ｃｍ²あたりの数値である。なお、この水溶液の電位窓（potential window：水が電気分解しない領域）は、Ｐｔ電極−Ｐｔ電極の場合には１．４９ボルトであり、活性炭電極−活性炭電極の場合には１．９５ボルトであった。

表９に示すように、イオンが吸着されていない状態から水の電気分解が起こるまでの電気量は、アノードとカソードとで異なっていた。活性炭繊維クロスがＡＣＣ５０９２−２５である場合、その電気量は、［アノード］：［カソード］＝１：１．３５であった。活性炭繊維クロスがＡＣＣ５０９２−１０である場合、その電気量は、［アノード］：［カソード］＝１：１．３０であった。

表９の結果から、イオン吸着物質に活性炭繊維クロスを用い且つ集電体の表面にＰｔが存在する場合、アノードの活性炭の量を、カソードの活性炭の量の１．３５倍程度にすることが好ましいことが分かった。このような構成とすることによって、アノードとカソードとがほぼ同じ量のイオンを吸着したときに両方の電極がガス発生電位に到達する。

なお、アノードのイオン吸着容量とカソードのイオン吸着容量との比は、イオン吸着物質および集電体の材料によって変化するが、通常、アノードの容量を大きくすることが好ましい。

［実施例８］
まず、比較例と同じ装置を用意した。この装置の容器に、伝導度が１６７μＳ／ｃｍの水道水を入れ、５分間電圧を印加して水道水中のイオンを電極に吸着させた。電圧は、電極間に２０ｍＡの電流が流れるように印加した。５分間の電圧印加ののち、容器内の水道水を入れ替え、再度同じ操作をして水道水中のイオンを電極に吸着させた。このようなイオン吸着工程を、同じ電極で続けて５回行い、電極にイオンを蓄積させた。

次に、容器内に新しい水道水３１ｍｌを入れた。そして、２つの電極をショートさせることによって、電極に吸着されているイオンを水道水中に放出させた。このイオン放出工程によって、水道水中のイオン濃度を上昇させた。

各工程における印加電圧の変化、ならびに、処理後の水溶液の伝導度およびｐＨを表１０に示す。

表１０に示すように、イオン放出工程によって、水溶液中の塩濃度を高めることができた。

［実施例９］
実施例９では、非水電解液中のイオンを除去した一例について説明する。

まず、塩化ビニル樹脂製の容器（内容積：２７．６ｍｌ）に、１８．５ｍｌの非水電解液を入れた。非水電解液の溶媒には、プロピレンカーボネートを用いた。溶質には、四フッ化ホウ酸トリエチルメチルアンモニウム（ＴＥＭＡ・ＢＦ₄）を用いた。溶液の初期濃度は、０．０２９４モル／リットルであった。

次に、非水電解液中に、１枚のアノード電極と、１枚のカソード電極とを浸漬した。２つの電極は同じ電極であり、図７に示した電極を用いた。２つの電極の間隔は、４ｍｍとした。

次に、非水電解液の伝導度を測定しながら、２つの電極間に２．４ボルトの定電圧を２８０分間印加した。その結果、非水電解液の伝導度は、７５０μＳ／ｃｍ（初期）から１６４μＳ／ｃｍ（最終）に変化した。この変化は、非水電解液中の陽イオン（ＴＥＭＡ）および陰イオン（ＢＦ₄ ^-）が除去されたためであると考えられる。

電極間を流れる電流値と通電時間との関係を図９に示す。図９に示すように、通電時間の経過につれてイオンが除去されて液抵抗が上がっていくため、電流値が下がっていく。

［実施例１０］
実施例１０では、非水電解液中のイオンを除去した他の一例について説明する。実施例１０は、非水電解液の初期濃度と、通電方法とを変えたことを除き、実施例９と同様の実験を行った。

実施例１０では、非水電解液の初期濃度を、０．００３６モル／リットルとした。そして、２０ｍＡの定電流を７分間流した。その結果、溶液の伝導度は、１３７．５μＳ／ｃｍ（初期）から４２．９μＳ／ｃｍ（最終）に変化した。

［実施例１１］
実施例１１では、非水電解液中のイオンを除去した他の一例について説明する。実施例１１は、非水電解液の初期濃度と、通電方法とを変えたことを除き、実施例９と同様の実験を行った。

実施例１１では、非水電解液の初期濃度を、０．００４４モル／リットルとした。そして、１０ｍＡの定電流を２７分間流した。その結果、溶液の伝導度は、１４０．３μＳ／ｃｍ（初期）から８．０μＳ／ｃｍ（最終）に変化した。

なお、実施例９〜１１において、通電時間の途中で伝導度が飽和している可能性もある。そのため、最終の伝導度に到達するまでに要する通電時間は、実施例の通電時間よりも短い可能性がある。

本発明は、液体のイオン濃度調整方法およびイオン濃度調整装置に適用できる。また、本発明は、液体のイオン濃度およびｐＨの調整方法および調整装置に適用できる。

図１Ａは、本発明のイオン濃度調整方法の工程の一例を模式的に示す図である。図１Ｂは、予想されるイオンの吸着状態を模式的に示す図である。 図２は、通液型コンデンサを用いた従来のイオン除去方法を模式的に示す図である。 図３は、本発明のイオン濃度調整方法における電圧降下の一例を模式的に示す図である。 図４は、本発明のイオン濃度調整方法の工程の他の一例を模式的に示す図である。 図５は、本発明のイオン濃度調整装置の一例を模式的に示す図である。 図６Ａ〜図６Ｃは、実施例で用いた電極群の構成を模式的に示す図である。 図７は、実施例で用いた電極の構成を模式的に示す図である。 図８は、実施例のイオン吸着工程における印加電圧の変化を示すグラフである。 図９は、実施例のイオン吸着工程における、通電時間と電流との関係を示すグラフである。

Claims (19)

1. イオン濃度を調整する方法であって、
   （ｉ）容器内において、水素イオンおよび水酸化物イオン以外の少なくとも１種のイオン（Ｌ）を含む溶液に、イオンを吸着できる第１の導電性物質を含む第１のイオン吸着電極と、イオンを吸着できる第２の導電性物質を含む第２のイオン吸着電極とを浸漬させた状態で、前記第１のイオン吸着電極がアノードとなるように、前記第１のイオン吸着電極と前記第２のイオン吸着電極との間に電圧を印加することによって、前記溶液中の陰イオンを前記第１のイオン吸着電極に吸着させ、前記溶液中の陽イオンを前記第２のイオン吸着電極に吸着させる工程を含み、
   前記（ｉ）の工程において前記溶液がバッチ方式で処理され、
   前記電圧が、前記溶液による電圧降下がないと仮定した場合に前記溶液の溶媒が電気分解する電圧よりも高い電圧であるイオン濃度調整方法。
2. 前記（ｉ）の工程ののちに、
   （ii）前記容器内の前記溶液を他の液体に変え、前記第１のイオン吸着電極がカソードとなるように前記第１のイオン吸着電極と前記第２のイオン吸着電極との間に電圧を印加することによって、前記第１のイオン吸着電極に吸着された前記陰イオンと前記第２のイオン吸着電極に吸着された前記陽イオンとを、前記液体中に放出させる工程を含む請求項１に記載のイオン濃度調整方法。
3. 前記溶液が水溶液であり、
   前記電圧が２ボルトよりも高い請求項１に記載のイオン濃度調整方法。
4. 前記溶液が非水溶液である請求項１に記載のイオン濃度調整方法。
5. 前記（ｉ）の工程と前記（ii）の工程とを複数回繰り返す請求項２に記載のイオン濃度調整方法。
6. 前記第１および第２の導電性物質の比表面積が、９００ｍ²／ｇ以上である請求項１に記載のイオン濃度調整方法。
7. 前記第１および第２の導電性物質が、活性炭を含む請求項１に記載のイオン濃度調整方法。
8. 前記第１のイオン吸着電極は、前記第１の導電性物質に接する第１の配線を含み、
   前記第２のイオン吸着電極は、前記第２の導電性物質に接する第２の配線を含む請求項１に記載のイオン濃度調整方法。
9. 前記第１の配線の表面には、活性炭よりも酸素過電圧が小さい金属が存在し、
   前記第２の配線の表面には、活性炭よりも水素過電圧が小さい金属が存在する請求項８に記載のイオン濃度調整方法。
10. 電圧を印加するための電源と、液体を導入および排出できる容器と、前記容器内に配置可能な第１および第２のイオン吸着電極とを含むイオン濃度調整装置であって、
    前記第１のイオン吸着電極は、イオンを吸着できる第１の導電性物質を含み、
    前記第２のイオン吸着電極は、イオンを吸着できる第２の導電性物質を含み、
    （ｉ）前記容器内において、水素イオンおよび水酸化物イオン以外の少なくとも１種のイオン（Ｌ）を含む溶液に、前記第１および第２のイオン吸着電極を浸漬させた状態で、前記第１のイオン吸着電極がアノードとなるように、前記第１のイオン吸着電極と前記第２のイオン吸着電極との間に電圧を印加することによって、前記溶液中の陰イオンを前記第１のイオン吸着電極に吸着させ、前記溶液中の陽イオンを前記第２のイオン吸着電極に吸着させる工程が行われ、
    前記（ｉ）の工程において前記溶液がバッチ方式で処理され、
    前記電圧が、前記溶液による電圧降下がないと仮定した場合に前記溶液の溶媒が電気分解する電圧よりも高い電圧であるイオン濃度調整装置。
11. 前記容器内に配置可能な対極をさらに含む請求項１０に記載のイオン濃度調整装置。
12. 前記（ｉ）の工程ののちに、
    （ii）前記容器内の前記溶液を他の液体に変え、前記第１のイオン吸着電極がカソードとなるように前記第１のイオン吸着電極と前記第２のイオン吸着電極との間に電圧を印加することによって、前記第１のイオン吸着電極に吸着された前記陰イオンと前記第２のイオン吸着電極に吸着された前記陽イオンとを前記液体中に放出させる工程が行われる請求項１０に記載のイオン濃度調整装置。
13. 前記溶液が水溶液であり、
    前記電圧が２ボルトよりも高い請求項１０に記載のイオン濃度調整装置。
14. 前記溶液が非水溶液である請求項１０に記載のイオン濃度調整装置。
15. 前記第１および第２の導電性物質の比表面積が、９００ｍ²／ｇ以上である請求項１０に記載のイオン濃度調整装置。
16. 前記第１および第２の導電性物質が、活性炭を含む請求項１０に記載のイオン濃度調整装置。
17. 前記第１のイオン吸着電極は、前記第１の導電性物質に接する第１の配線を含み、
    前記第２のイオン吸着電極は、前記第２の導電性物質に接する第２の配線を含む請求項１０に記載のイオン濃度調整装置。
18. 前記第１の配線の表面には、活性炭よりも酸素過電圧が小さい金属が存在し、
    前記第２の配線の表面には、活性炭よりも水素過電圧が小さい金属が存在する請求項１７に記載のイオン濃度調整装置。
19. 前記第１および第２の配線の表面に白金が存在する請求項１７に記載のイオン濃度調整装置。

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