JP4461271B2 - 飲料水の硬度を調整するための携帯用硬度調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、飲料水の硬度を調整するための携帯用硬度調整装置に関する。

現在、海外への旅行が一般的になっている。旅行先での飲料水の確保は、旅行者にとって重要である。市販されているミネラルウォーターは、旅行者にとって便利な飲料水である。しかし、たとえばヨーロッパで市販されているミネラルウォーターには、硬度が高いものが多く、硬水に慣れていない旅行者が飲むと体調を崩す場合がある。そのため、飲料水の硬度を調整できる携帯用の装置があると便利である。

従来から、水の硬度を下げるための軟水化装置が提案されてきた（たとえば特開２００３−１１７５５０号公報および特開２００３−３３４５４９号公報）。従来提案されてきた軟水化装置は、イオン交換樹脂を用いて水を軟水化している。イオン交換樹脂を用いる軟水化装置では、イオン交換樹脂中の交換基に結合したナトリウムイオンが、水中のカルシウムイオンやマグネシウムイオンと交換される。その結果、カルシウムイオンやマグネシウムイオンがイオン交換樹脂に吸着され、水が軟水化される。イオン交換樹脂のイオン交換能には限界がある。そのため、一定量のカルシウムイオンおよびマグネシウムイオンを吸着したイオン交換樹脂は、塩化ナトリウム水を用いて再生する必要がある。

イオン交換樹脂を用いる従来の軟水化装置は、小型化が難しく携帯用には向かないという課題を有する。また、イオン交換樹脂を用いる従来の軟水化装置は、イオン交換樹脂の再生に比較的長い時間を要するという課題を有する。また、イオン交換樹脂を用いる従来の軟水化装置は、イオン交換樹脂の再生に塩化ナトリウム水が必要であるという課題を有する。

このような状況において、本発明は、携帯が可能な新規な硬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、本発明の装置は、飲料水の硬度を調整するための携帯用硬度調整装置であって、第１および第２のイオン吸着電極を含み畳むことが可能な電極群と、電源とを含み、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、前記電極群を前記飲料水に浸漬した状態で前記電極群に含まれる電極に電圧を印加することによって、前記第１および第２の導電性物質に吸着されているイオンの量を調節し、これによって前記飲料水の硬度を調整する。

本発明の硬度調整装置では、イオンを吸着可能な導電性物質を用いて飲料水の硬度を調整する。そのため、本発明の装置は構造が簡単であり、小型化が容易で携帯しやすい。また、本発明の装置では、電極の再生を短時間で行うことができる。また、本発明の装置では、電極の再生に塩化ナトリウム水が不要である。そのため、本発明の装置は、旅先での利用が容易である。

図１は、本発明の装置の一例について、構成を模式的に示す図である。 図２は、本発明の装置で用いられる容器の一例を示す斜視図である。 図３Ａは、本発明の装置で用いられる容器およびそれに配置される電極群の一例について、容器を広げたときの状態を示す断面図である。図３Ｂは、図３Ａに示した容器および電極群を畳んだときの状態を示す断面図である。 図４Ａは、本発明の装置で用いられる容器およびそれに配置される電極群の他の一例について、容器を広げたときの状態を示す断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示した容器および電極群を畳んだときの状態を示す断面図である。 図５Ａは、本発明の装置で用いられるイオン吸着電極について一例を示す図である。図５Ｂは、本発明の装置で用いられるイオン吸着電極について他の一例を示す図である。 図６Ａは、本発明の装置で用いられるイオン吸着電極の他の一例を示す正面図である。図６Ｂは、図６Ａに示したイオン吸着電極の断面図である。 図７は、本発明の装置の他の一例について、構成を模式的に示す図である。 図８は、図７に示した装置の電極群の断面図である。 図９Ａは、本発明の装置に用いられる容器の一例を示す斜視図である。図９Ｂは、図９Ａに示した容器の使用時の状態を示す斜視図である。 図１０は、本発明の装置の一例について、電極の配置を示す断面図である。 図１１は、金属電極の一例を示す図である。

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。

［硬度調整装置］
本発明の携帯用硬度調整装置は、飲料水の硬度を調整するための装置である。この装置は、第１および第２のイオン吸着電極を含み畳むことが可能な電極群と、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ための電源とを含む。第１のイオン吸着電極は、イオンを吸着できる第１の導電性物質を含む。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、電極群を飲料水に浸漬した状態で電極群に含まれる電極に電圧を印加することによって、第１および第２の導電性物質に吸着されているイオンの量を調節し、これによって飲料水の硬度が調整される。

ここで、「畳むことが可能な電極群」には、隣接する電極間の距離を縮めることによって電極群が占める空間を小さくすることができる電極群が含まれる。また、「畳むことが可能な電極群」には、折り畳むことによって電極群が占める空間を小さくすることができる電極群が含まれる。換言すれば、本発明で用いられる電極群は、使用していないときには使用時に比べてそれが占める空間を小さくできる電極群である。

一例では、第１および第２のイオン吸着電極を飲料水に浸漬した状態で第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とによって第１および第２の導電性物質に吸着されているイオンの量を調節し、飲料水の硬度が調整される。

本発明の装置は、畳むことが可能な容器をさらに含んでもよい。この場合、容器が畳まれる際に、電極群が畳まれて容器内に配置されてもよい。また、容器が畳まれる際には、電極群を容器から取り出してもよい。

なお、本発明の装置では、電極群が畳むことが可能であるかどうかを必須の要件としないことも可能である。すなわち、本発明の装置では、畳むことができない電極群を用いることも可能である。ただし、その場合には、使用していないときに装置をコンパクトにできないという短所がある。また、本発明の装置では、畳むことができない容器を用いてもよい。

容器は、飲料水を保持でき且つ畳むことが可能な材料で形成される。たとえば、容器は、合成樹脂や、ゴムが塗布された布で形成されてもよい。容器の一例は、蛇腹状に折り畳み可能な容器である。容器に収納可能な飲料水の量に限定はないが、携帯性を考慮すると、たとえば０．３リットル〜１０リットルの範囲（一例では０．５リットル〜３リットルの範囲）であってもよい。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てもよい。たとえば、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てもよい。

第１および第２のイオン吸着電極のそれぞれは、平板状の電極であってもよい。その場合、電極群を広げたときに、第１のイオン吸着電極と第２のイオン吸着電極とが互いに平行になるように配置されることが好ましい。この構成によれば、電極の全体を効率よく利用できる。同様に、電極群が後述する平板状の金属電極を含む場合には、電極群を広げたときに、第１のイオン吸着電極と第２のイオン吸着電極と金属電極とが互いに平行になるように配置されることが好ましい。

第１および第２の導電性物質は、可逆的にイオンを吸着・放出できる物質である。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。第１および第２の導電性物質の好ましい一例は、活性炭である。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。

複数の第１のイオン吸着電極と複数の第２のイオン吸着電極とを容器内に配置する場合、第１および第２のイオン吸着電極は、イオンが通過しやすい構造であってもよい。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。

第１および第２の導電性物質の比表面積は、たとえば３００ｍ²／ｇ以上であり、好ましくは９００ｍ²／ｇ以上である。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。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。

電源（電圧供給器）は、通常、直流電源である。電源は、乾電池や充電池や太陽電池といった電池であってもよい。また、電源は、電源コンセントから得られる交流を直流に変換するＡＣ−ＤＣアダプタであってもよい。また、電源は、発電装置（たとえば手動発電装置）であってもよい。

本発明の装置では、以下の工程（ｉ）によって飲料水の硬度を下げることができる。工程（ｉ）では、飲料水に第１および第２のイオン吸着電極を浸漬させた状態で、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が印加される。このとき、第１のイオン吸着電極がアノード（陽極）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（陰極）となるように）、両電極間に電圧（直流電圧）が印加される。この電圧印加によって、飲料水中の陰イオンを第１の導電性物質に吸着させ、飲料水中の陽イオンを第２の導電性物質に吸着させる。飲料水中のマグネシウムイオンおよびカルシウムイオンは、電圧印加によって第２の導電性物質に吸着される。その結果、容器内の飲料水の硬度が下がる。なお、飲料水中の代表的な陰イオンとしては、たとえば、硫酸イオン、炭酸イオン、塩素イオン、硝酸イオンなどが挙げられる。

工程（ｉ）では、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印加される電圧が、２ボルトよりも高い電圧であってもよい。電極の酸素過電圧および水素過電圧がなく、且つ飲料水の抵抗による電圧降下がないと仮定すると、飲料水は２ボルト以下の電圧で電気分解される。しかし、実際には、電極の酸素過電圧および水素過電圧、ならびに飲料水の抵抗による電圧降下があるため、２ボルトよりも高い電圧を印加しても、飲料水の電気分解は生じない。飲料水の電気分解が生じない範囲でできるだけ高い電圧を印加することによって、イオンの吸着速度を高めることができる。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。印加される電圧は、通常は５０ボルト以下である。

工程（ｉ）では、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、定電圧を印加してもよい。また、それらの電極間に一定の電流が流れるように電圧を印加してもよい。

飲料水の硬度を上げる場合には、以下の工程（ａ）が行われる。まず、カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンから選ばれる少なくとも１つの陽イオンが第２の導電性物質に吸着されている第２のイオン吸着電極と第１のイオン吸着電極とを飲料水に浸漬する。この第２のイオン吸着電極は、上記工程（ｉ）によって得ることが可能である。その場合には、工程（ｉ）を行った飲料水と工程（ａ）で用いられる飲料水とは異なる飲料水である。すなわち、工程（ｉ）を行ったのち、飲料水を新しい飲料水に入れ替えて工程（ａ）が行われる。工程（ｉ）を経た第１のイオン吸着電極の第１の導電性物質には陰イオンが吸着されている。次に、第２のイオン吸着電極と第１のイオン吸着電極とを飲料水に浸漬させた状態で、第１のイオン吸着電極がカソード（陰極）となるように（すなわち、第２のイオン吸着電極がアノード（陽極）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（直流電圧）を印加する。この電圧印加によって、上記少なくとも１つの陽イオンを飲料水中に放出させ、これによって飲料水の硬度が上げられる。このとき、第１の導電性物質に吸着された陰イオンも飲料水中に放出される。なお、工程（ａ）において電極間に電圧を印加する代わりに、第１のイオン吸着電極と第２のイオン吸着電極とを短絡することによっても、導電性物質に吸着されたイオンを放出させることが可能である。

工程（ａ）で印加される電圧は、水の電気分解による影響が問題とならない限り、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。工程（ａ）で印加される電圧は、通常は５０ボルト以下である。

本発明の装置では、通常、飲料水はバッチ方式で処理される。たとえば、まず、処理される飲料水（硬水）が容器内に配置される。そして、上記工程（ｉ）を行うことによって、飲料水が軟水化される。軟水化された飲料水は容器から取り出されて飲用される。

第１のイオン吸着電極は、第１の導電性物質に接する第１の配線を含んでもよい。また、第２のイオン吸着電極は、第２の導電性物質に接する第２の配線を含んでもよい。導電性物質（たとえば活性炭）の抵抗が高い場合には、導電性物質における電位にバラツキが生じて効率よくイオンを吸着することができなくなる。そのような場合には、導電性物質に接する配線を形成し、電位のバラツキを低減することが好ましい。

第１のおよび第２の配線は、チタン、アルミニウム、タンタルおよびニオブといった金属からなる金属配線であってもよいし、炭素線であってもよい。それらの配線の表面は、白金でコートされていてもよい。

また、第１の配線および第２の配線は、導電性物質と配線との接触部を除く部分が合成樹脂またはゴムで被覆されていてもよい。合成樹脂およびゴムは、撥水性であることが好ましい。合成樹脂としては、たとえば、シリコーン樹脂を用いることができる。アルミニウム、タンタル、ニオブおよびチタンなどの特定の金属からなる金属配線は、アノード側で用いると表面に酸化膜が形成されて接触抵抗が高くなることがある。そのため、それらの金属配線を用いる場合には、金属配線と導電性物質とを接触させた状態で金属配線の表面を合成樹脂またはゴムで被覆することが好ましい。合成樹脂およびゴムは、カーボンブラックなどの導電性粒子を含んでもよい。導電性粒子を含む場合には、それらの導電性粒子によって、配線と導電性物質との間の導電性を高めることができる。

工程（ｉ）によって第１および第２の導電性物質にイオンが吸着される。一定量以上のイオンが吸着されると、それ以上のイオンを吸着することが困難になる。そのような場合には、吸着されたイオンを放出させればよい。たとえば、本発明の装置では、工程（ｉ）ののちに、以下のイオン放出工程（ii）が行われてもよい。工程（ii）では、まず、容器内にイオン放出用の水を入れる。次に、第１のイオン吸着電極がカソードとなるように（すなわち、第２のイオン吸着電極がアノードとなるように）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。工程（ii）で印加される電圧に限定はなく、たとえば、水の電気分解が実際に起こらない電圧である。この電圧印加によって、第１のイオン吸着電極に吸着された陰イオンと第２のイオン吸着電極に吸着された陽イオンとを、水中に放出させる。イオンが放出された水の硬度は上昇する。イオンが放出された水は、硬度が高い水として利用してもよいし、廃棄してもよい。

同じ水に対して工程（ｉ）および工程（ii）を行うことによって、その水の硬度を上昇または低下させることができる。また、第１の水に対して工程（ｉ）を行い、第１の水とは異なる第２の水に対して工程（ii）を行うことによって、第１の水の硬度を下げるとともに、第２の水の硬度を上げることができる。硬度をどの程度変化させるかは、電圧の印加時間や印加電圧の大きさによって調整できる。

イオンの放出は、工程（ｉ）の後で、第１のイオン吸着電極と第２のイオン吸着電極とを短絡させることによって行うことも可能である。第１の導電性物質に吸着されている陰イオンは、第１の導電性物質の表面近傍に存在する正電荷とクーロン力によって結合していると考えられる。また、第２の導電性物質に吸着されている陽イオンは、第２の導電性物質の表面近傍に存在する負電荷とクーロン力によって結合していると考えられる。そのため、２つの電極を短絡させて第１および第２の導電性物質に蓄積されている正電荷と負電荷とを打ち消し合わせると、イオンは導電性物質から遊離する。

電極の短絡によるイオンの放出は、たとえば、以下の手順によって行うことができる。まず、工程（ｉ）によって、飲料水を軟水化する。次に、軟水化された飲料水を容器から取り出す。次に、第１のイオン吸着電極と第２のイオン吸着電極とを短絡させる。両電極の短絡は、折り畳んだときに両者を直接接触させることによって行ってもよいし、配線によって短絡してもよい。この場合、配線の途中に短絡用のスイッチが設けられてもよい。容器内にはわずかな量の飲料水が残存しており、その飲料水にイオンが放出される。その結果、第１および第２の導電性物質が再生される。イオンの放出工程を行ったのち工程（ｉ）を行う前に、洗浄用の水を用いて容器内および電極を洗浄することが好ましい。

本発明の装置では、イオン交換樹脂を用いる従来の軟水器とは異なり、装置の再生に塩化ナトリウム水を必要としない。そのため、旅先などでの使用が容易である。また、本発明の装置では、イオン交換樹脂を用いる従来の装置とは異なり、電極の再生を短時間で行うことができる。

飲料水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のイオン吸着電極において酸素ガスが発生するまでに第１の導電性物質に吸着される陰イオンの電荷量は、カソードである第２のイオン吸着電極において水素ガスが発生するまでに第２の導電性物質に吸着される陽イオンの電荷量よりも少ない。そのため、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には、第１のイオン吸着電極（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のイオン吸着電極で酸素ガスが発生するまでに第１のイオン吸着電極に蓄積される電荷量と、第２のイオン吸着電極で水素ガスが発生するまでに第２のイオン吸着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。第１の導電性物質と第２の導電性物質とが全く同じ物質である場合、第１の導電性物質の総重量を第２の導電性物質の総重量の１〜２倍（たとえば、１．１〜２倍や１．２〜１．５倍）とすることが好ましい。

導電性物質を用いてイオンの吸着・放出を繰り返すと、第１の導電性物質に吸着されている陰イオンの電荷量と、第２の導電性物質に吸着されている陽イオンの電荷量との間に差が生じることがある。そのような場合には、いずれか一方の電極で水の電気分解が生じるまで電圧を印加すればよい。

本発明の装置で用いられる電極群は、金属電極を含んでもよい。金属電極は、イオン吸着電極の対極として用いることができる。金属電極の一例は、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。金属電極は、液体が通過可能な経路が形成されている電極であってもよい。たとえば、金属電極は、貫通孔が形成された平板状の電極であってもよい。そのような電極を用いることによって、金属電極によってイオンの移動が抑制されることを防止できる。貫通孔が形成された平板状の電極には、貫通孔が形成された板状の電極や、メッシュ状の電極が含まれる。

金属電極は、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配置されてもよいし、そうでなくてもよい。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金属電極が配置される場合、金属電極は、貫通孔が形成された平板状の電極であることが好ましい。

工程（ｉ）ののちに、容器内の水に浸漬された金属電極と、第１および第２のイオン吸着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、第１および第２の導電性物質に吸着されているイオンの量のアンバランスを修正することが可能である。このとき、金属電極の表面において水の電気分解が生じるように電圧が印加される。

［ｐＨ調整および殺菌］
本発明の装置では、第１および第２のイオン吸着電極から選ばれる少なくとも一方の電極と金属電極との間に電圧を印加することによって、金属電極の表面で水を電気分解させて飲料水のｐＨを調整してもよい。また、本発明の装置では、第１および第２のイオン吸着電極から選ばれる少なくとも一方の電極と金属電極との間に電圧を印加することによって飲料水の殺菌を行ってもよい。ｐＨ調整および／または殺菌を行う場合には、本発明の装置は飲料水のｐＨを測定するためのｐＨメータを備えてもよい。

イオン吸着電極がアノードとなるように（すなわち、金属電極がカソードとなるように）、イオン吸着電極と金属電極との間に直流電圧を印加すると、飲料水中の陰イオンがイオン吸着電極の導電性物質に吸着される。一方、金属電極の表面では、水酸化物イオン（ＯＨ^-）と水素ガスとが発生する。その結果、飲料水がアルカリ性となる。また、イオン吸着電極がカソードとなるように（すなわち、金属電極がアノードとなるように）、イオン吸着電極と金属電極との間に直流電圧を印加すると、飲料水中の陽イオンがイオン吸着電極の導電性物質に吸着される。一方、金属電極の表面では、水素イオン（Ｈ⁺）と酸素ガスとが発生する。その結果、飲料水が酸性となる。これらの方法によって、飲料水のｐＨを飲料に適した範囲内とすることができる。たとえば、飲料水のｐＨを４.５〜９.５の範囲（たとえば６〜８の範囲）とすることが可能である。

また、上記の方法によって、飲料水のｐＨを４以下または１０以上とすることも可能である。飲料水のｐＨを酸性および／またはアルカリ性に変化させることによって、飲料水を殺菌することが可能である。殺菌の後、再度飲料水のｐＨを調整して、飲料水のｐＨを飲料に適した範囲とすればよい。以下に、本発明の装置で行われる殺菌方法の例を説明する。その殺菌方法は、以下の工程（Ｉ）および（II）を含む。

工程（Ｉ）では、飲料水中において、イオン吸着電極と金属電極との間に直流電圧を印加することによって飲料水のｐＨを４以下または１０以上に変化させる。次に、工程（II）では、工程（Ｉ）を経た飲料水中において、イオン吸着電極と金属電極との間に直流電圧を印加することによって飲料水のｐＨを４.５〜９.５の範囲（たとえば６〜８の範囲）とする。

工程（Ｉ）で用いられるイオン吸着電極には、第１のイオン吸着電極および／または第２のイオン吸着電極を用いることができる。また、工程（II）で用いられるイオン吸着電極には、第１のイオン吸着電極および／または第２のイオン吸着電極を用いることができる。

一例では、工程（Ｉ）と工程（II）で異なるイオン吸着電極が用いられる。工程（Ｉ）と工程（II）とで異なるイオン吸着電極を用いることによって、殺菌と同時に飲料水の硬度を下げることが可能である。たとえば、工程（Ｉ）では第１のイオン吸着電極がアノードとなるように第１のイオン吸着電極と金属電極との間に電圧を印加する。これによって、飲料水中の陰イオンを減少させると共に飲料水をアルカリ性にする。次に、工程（II）では、第２のイオン吸着電極がカソードとなるように第２のイオン吸着電極と金属電極との間に電圧を印加する。これによって、飲料水中の陽イオンを減少させると共に飲料水を中性にする。このようにして、殺菌と同時に飲料水の硬度を下げることが可能である。工程（Ｉ）において飲料水を酸性とし、工程（II）において飲料水を中性とする場合も同様である。一方、工程（Ｉ）と工程（II）で同じイオン吸着電極を用いる場合には、殺菌を行う前後で飲料水中のイオンの濃度には大きな変化はない。

工程（Ｉ）の工程と工程（II）の工程との間に、イオン吸着電極と金属電極との間に直流電圧を印加することによって飲料水のｐＨを６以上変化させて４以下または１０以上とする工程（ｘ）をさらに行ってもよい。一例では、工程（Ｉ）で飲料水のｐＨを４以下とし、工程（ｘ）で飲料水のｐＨを１０以上とし、工程（II）で飲料水のｐＨを４．５〜９．５の範囲（たとえば６〜８の範囲）とする。他の例では、工程（Ｉ）で飲料水のｐＨを１０以上とし、工程（ｘ）で飲料水のｐＨを４以下とし、工程（II）で飲料水のｐＨを４．５〜９．５の範囲（たとえば６〜８の範囲）とする。

一例では、工程（Ｉ）および工程（II）で用いられるイオン吸着電極と、工程（ｘ）で用いられるイオン吸着電極とは異なる。たとえば、工程（Ｉ）および工程（II）では、第１のイオン吸着電極がアノードとなるように、第１のイオン吸着電極と金属電極との間に直流電圧が印加される。これによって、飲料水の陰イオンを減少させると共に、飲料水のｐＨを上昇させる。一方、工程（ｘ）では、第２のイオン吸着電極がカソードとなるように、第２のイオン吸着電極と金属電極との間に直流電圧が印加される。これによって、飲料水の陽イオンを減少させると共に、飲料水のｐＨを低下させる。このようにして、殺菌と同時に飲料水の硬度を下げることが可能である。工程（Ｉ）および工程（II）において飲料水のｐＨを低下させ、工程（ｘ）において飲料水のｐＨを上昇させる場合も同様である。

工程（Ｉ）および工程（II）で用いられるイオン吸着電極と、工程（ｘ）で用いられるイオン吸着電極とが同じ場合には、殺菌工程を行う前後で飲料水中のイオンの濃度には大きな変化はない。

工程（ｘ）を行うことによって、飲料水を酸性とアルカリ性の両方に変化させることになる。そのため、酸性に弱い菌とアルカリ性に弱い菌の両方を減少させることができる。工程（ｘ）で用いられるイオン吸着電極には、第１のイオン吸着電極および／または第２のイオン吸着電極を用いることができる。

工程（Ｉ）、工程（II）および工程（ｘ）では、金属電極の表面で飲料水の電気分解が生じる電圧が電極間に印加される。飲料水の電気分解が生じる電圧は、飲料水中のイオン濃度や金属電極の種類によって変化する。一例では、５ボルト〜３０ボルトの範囲にある電圧が印加される。

工程（Ｉ）および工程（ｘ）における殺菌は、ｐＨを酸性またはアルカリ性にすることによる殺菌と、金属電極の電位が変化することによる金属電極表面での殺菌との両方の効果によるものであると考えられる。

菌を意図的に混入した塩化ナトリウム水溶液を用いて、上記殺菌方法の有効性を確認した。イオン吸着電極の導電性物質には、活性炭繊維クロス（日本カイノール株式会社製、ＡＣＣ−５０９２−１０、目付：２００ｇ／ｍ²、厚さ０．５３ｍｍ、比表面積１１００ｍ²／ｇ）を用いた。金属電極には、白金コートされたチタンワイヤがストライプ状に配置された平板状の電極を用いた。

まず、容器内に試験液１２０ｍｌを入れた。試験液には、菌を含む中性の塩化ナトリウム水溶液（塩化ナトリウム濃度：０．７８ｇ／リットル）を用いた。次に、イオン吸着電極がアノードとなるように、イオン吸着電極と金属電極との間に電圧を印加した。この電圧印加は、電極間に２００ｍＡの電流が流れる状態で１５分間行った。この電圧印加によって、試験液のｐＨは１２になった。電圧印加の中止から１５分間、試験液を静置した。電圧印加の中止から１５分経過後に、イオン吸着電極がカソードとなるようにイオン吸着電極と金属電極との間に電圧を印加することを開始した。この電圧印加は、電極間に２００ｍＡの電流が流れる状態で３０分間行った。この電圧印加によって、試験液のｐＨが３になった。電圧印加の中止から１５分間、試験液を静置した。

実験開始から所定の時間経過後に、試験液の一部を抜き取ってその中に存在する生菌数を測定した。生菌数の測定は、試験液をＳＣＤＬＰ培地に添加して培養することによって測定した。なお、対照として、殺菌処理をしなかった試験液について、試験開始時および試験開始から７５分後に生菌数を測定した。試験開始からの経過時間と、試験液のｐＨおよび生菌数との関係を、表１に示す。

表１に示すように、枯草菌の数は、アルカリ処理後にはほとんど変化しなかったが、酸性処理後には１００分の１以下になった。大腸菌の数は、アルカリ処理後に１０分の１以下になり、酸性処理後には１万分の１以下になった。黄色ブドウ球菌の数は、アルカリ処理後にはほとんど変化しなかったが、酸性処理後には１万分の１以下になった。カンジダ菌の数は、アルカリ処理後に千分の１以下になり、酸性処理後に１万分の１以下になった。黒こうじカビの数は、アルカリ処理後に５０分の１以下になったが、酸性処理ではほとんど変化がなかった。クロカワカビの数は、アルカリ処理後に千分の１以下になり、酸性処理後に１万分の１以下になった。以上のように、イオン吸着電極と金属電極とを用いて殺菌できることが確認された。

本発明の装置では、第１および第２の導電性物質のそれぞれが、保護布で覆われていてもよい。

本発明の装置は、容器内の飲料水の抵抗値、またはそれに基づいて推測される飲料水の硬度を表示する表示部を備えてもよい。工程（ｉ）によって飲料水中のイオンが吸着されると、それに応じて飲料水の抵抗値が上昇する。したがって、飲料水の抵抗値をモニタすることによって、飲料水中のイオン濃度の変化を知ることが可能である。飲料水中の抵抗値は、電極群に含まれる電極間（たとえば第１のイオン吸着電極と第２のイオン吸着電極との間）に印加している電圧と、それらの電極間を流れる電流値とから概算することが可能である。この場合、本発明の装置は、電極群に含まれる電極間（たとえば第１のイオン吸着電極と第２のイオン吸着電極との間）に流れる電流を測定するための電流計をさらに備える。

表示部には、液晶パネルなどの表示装置を用いることができる。表示部は、飲料水の抵抗値または推測された硬度を表示する。それらの値は、電源および電流計に接続されたコントローラによって計算される。硬度は、たとえば、飲料水の種類ごとに抵抗値と硬度との関係を予め測定しておき、その関係をコントローラ内の記憶装置に記憶しておくことによって、測定された抵抗値から推測することが可能である。

本発明の装置の最も簡単な一例では、電極間に電圧を印加する時間は、使用者によって決定される。たとえば、旅行先の水の硬度に応じて推奨される電圧印加時間に従い、使用者が電圧印加時間を決定してもよい。本発明の装置の他の一例は、電極間への電圧印加を制御するためのコントローラを備えてもよい。そのようなコントローラは、上述した少なくとも１つの工程（たとえば工程（ｉ）、（ii）、（ａ）、（Ｉ）、（II）および（ｘ））を実行するためのプログラムが記録されたメモリ部（記憶装置）と、そのプログラムを実行する演算処理部とを備える。演算処理部の例には、ＣＰＵが含まれる。コントローラの例にはＬＳＩが含まれる。コントローラによって、電圧の大きさや電圧の印加時間が制御されてもよい。

コントローラは電源に接続される。また、飲料水の状態を測定するための計器を装置が備える場合には、それらの計器もコントローラに接続される。それらの計器の例には、イオン濃度を測定するための電流計や電圧計、ｐＨメータなどが含まれる。また、本発明の装置は、電圧印加時間を制御するためのタイマーを備えてもよい。

なお、本発明の装置は、必要に応じて、従来の飲料水精製装置に用いられているフィルタと組み合わせてもよい。たとえば、公知の活性炭フィルターを本発明の装置に組み込んでもよい。

［実施形態１］
以下、本発明の装置の一例について、図面を参照しながら説明する。実施形態１の装置の硬度調整装置の構成を図１に模式的に示す。

図１の装置１００は、容器１０、電源１３、直流電流計１４、コントローラ１５、表示部１６および電極群２０を備える。電極群２０は、複数の第１のイオン吸着電極２１と、複数の第２のイオン吸着電極２２とを含む。イオン吸着電極２１および２２は、容器１０内に配置されている。容器１０内には、飲料水２５が配置されている。イオン吸着電極２１および２２は、飲料水２５に浸漬されている。

電源１３は、電源コンセントから得られる交流を直流に変換するＡＣ−ＤＣアダプタである。直流電流計１４は、イオン吸着電極２１とイオン吸着電極２２との間に流れる電流を測定する。コントローラ１５は、装置のオン／オフの切り替えなどを行うための入力部を備える。入力された情報に基づき、コントローラ１５は、電源１３を制御して電極群２０に電圧を印加する。また、コントローラ１５は、直流電流計１４からの出力に基づき、硬度の予想値を算出して表示部１６に出力する。表示部１６は、硬度の予想値を表示する。

容器１０は、蛇腹状に折り畳み可能な容器である。容器１０の一例の斜視図を図２に示す。また、容器１０およびその内部に配置される電極の一例について、水平方向の断面図を図３Ａおよび図３Ｂに示す。図３Ａは容器１０を広げたときの状態を示し、図３Ｂは容器１０を折り畳んだときの状態を示す。

図３Ａおよび図３Ｂに示す容器１０を広げたときの内側のサイズは、たとえば縦１０ｃｍ、横１０ｃｍ、高さ１５ｃｍである。そのような容器１０を用いることによって、１リットルの液体を処理することが可能である。容器１０内には、イオン吸着電極２１ａ〜２１ｃとイオン吸着電極２２ａ〜２２ｃとが配置されている。各イオン吸着電極のサイズは、約１０ｃｍ×１０ｃｍである。容器１０を広げたときの電極間隔は、約２ｃｍである。容器１０を畳んだときの電極間隔に限定はなく、電極同士が接触してもよい。なお、畳まれた容器１０は、図３Ｂに示す固定具３１で固定されたり、袋に収納されたりする。

また、容器１０およびその内部に配置される電極の他の一例について、水平方向の断面図を図４Ａおよび図４Ｂに示す。図４Ａは容器１０を広げたときの状態を示し、図４Ｂは容器１０を折り畳んだときの状態を示す。図４に示す容器１０を広げたときの内側のサイズは、たとえば縦８ｃｍ、横１０ｃｍ、高さ１５ｃｍである。そのような容器１０を用いることによって、０．８リットルの液体を処理することが可能である。容器１０内には、イオン吸着電極２１ａおよび２１ｂと、イオン吸着電極２２とが配置されている。各イオン吸着電極のサイズは、約１０ｃｍ×１０ｃｍである。容器１０を広げたときの電極間隔は、約４ｃｍである。容器１０を畳んだときの電極間隔に限定はなく、電極同士が接触してもよい。容器１０が畳まれることによって、電極群２０が畳まれる。

イオン吸着電極２１および２２の一例を図５Ａに示す。図５Ａのイオン吸着電極５０は、活性炭繊維クロス５１と、活性炭繊維クロス５１の表面に配置された配線５２とを備える。配線５２の一部または全部は、図５Ｂに示すように、撥水性の導電性樹脂５３で覆われていてもよい。

また、イオン吸着電極２１および２２の他の一例を図６Ａに示す。また、図６Ａの線VIＢ−VIＢにおける断面図を図６Ｂに示す。

図６に示すイオン吸着電極６０は、活性炭繊維クロス６１、配線６２、保護布６３、固定シート６４、および留め具６５を含む。活性炭繊維クロス６１と配線６２とは接触している。配線６２は、カーボンブラックを含むシリコーン樹脂（図示せず）で被覆されている。保護布６３は、活性炭繊維クロス６１が摩耗したり、活性炭繊維クロス６１の摩耗によって生じた繊維くずが飲料水に混入してしまったりすることを防止するための布である。保護布６３は、液体を通すが微細な繊維くずを通さない布である。保護布６３には、たとえば、ポリエステルなどの合成繊維、綿、麻などからなる布を用いることができる。

固定シート６４は、網目状のシートであり、液体が自由に通過可能である。固定シート６４の材料に特に限定はなく、たとえば、プラスチックや、表面が樹脂コートされた金属で形成してもよい。留め具６５は、固定シート６４を固定する。固定シート６４および留め具６５によって、活性炭繊維クロス６１および保護布６３が固定される。

イオン吸着電極２１および２２は、活性炭繊維クロスで形成される。イオン吸着電極２１および２２に同じ種類の活性炭繊維クロスを用いる場合、アノード（陽極）となるイオン吸着電極２１に使用される活性炭繊維クロスの総重量は、カソード（陰極）となるイオン吸着電極２２に使用される活性炭繊維クロスの総重量の１〜２倍（たとえば、１．１〜２倍や１．２〜１．５倍）であることが好ましい。

イオン吸着電極２１および２２に同じ種類の活性炭繊維クロスを用いる場合について、レストポテンシャル（ＲＰ）から電気分解までに必要な電気量、およびレストポテンシャルから電気分解までに吸着されるイオンの量を実験で求めた。このとき、活性炭繊維クロスには、日本カイノール株式会社製のＡＣＣ５０９２−１０およびＡＣＣ５０９２−２５を用いた。実験結果を表２に示す。なお、表２に示すイオンの量は、液体中のイオンがすべて一価のイオンであると仮定したときの量である。

上記表２より、アノードでガスが発生するまでにアノードに吸着されるイオン量と、カソードでガスが発生するまでにカソードに吸着されるイオン量とをほぼ同じにするには、アノードの活性炭繊維クロスの総重量をカソードの活性炭繊維クロスの総重量の１．３〜１．３５倍程度にすればよいことが分かる。実際上は、アノードの活性炭繊維クロスの総重量をカソードの活性炭繊維クロスの総重量の１．２〜１．５倍程度にすればよい。

アノードとカソードとのバランスを考慮した好ましい構成として、たとえば以下の構成が挙げられる。第１の構成では、イオン吸着電極２１（アノード）の数を、イオン吸着電極２２（カソード）の数よりも多くする。第２の構成では、イオン吸着電極２１を構成する活性炭繊維クロスの量を、イオン吸着電極２２を構成する活性炭繊維クロスの量よりも多くする。たとえば、図４Ａに示した構成において、イオン吸着電極２１ａおよび２１ｂをそれぞれ２枚の活性炭繊維クロスで形成し、イオン吸着電極２２を３枚の活性炭繊維クロスで構成してもよい（この構成では、アノード：カソード＝４：３となる）。第３の構成では、アノードの活性炭繊維クロスに、カソードの活性炭繊維クロスよりもイオン吸着能力が高い活性炭繊維クロスをアノードに使用する。これらの構成は、任意に組み合わせることが可能である。

［実施形態２］
実施形態２では、容器を含まない硬度調整装置の一例について説明する。実施形態２の硬度調整装置を図７に示す。図７の装置２００は、電源１３、直流電流計１４、コントローラ１５、表示部１６、および電極群７０を備える。電極群７０は、イオン吸着電極２１および２２と支持部材７３とを含む。

イオン吸着電極２１および２２は、支持部材７３によって支持されている。支持部材７３は、液体が通過可能なシートからなる。電極群７０の断面図を図８に示す。図８は、電極群７０を広げた状態を示す。

支持部材７３は、容器１０と同様に、蛇腹状に折り畳むことが可能である。支持部材７３には、たとえば、網目状のプラスチックシートを用いることができる。支持部材７３を図８の矢印の方向に畳むことによって電極群７０が畳まれる。

装置２００を用いることによって、任意の容器内に配置された飲料水の硬度を調整することが可能である。具体的には、容器内に配置された飲料水に電極群７０を浸漬し、イオン吸着電極２１とイオン吸着電極２２との間に電圧を印加する。その結果、装置１００と同様に飲料水の硬度を調整できる。

なお、装置２００は、畳むことが可能な容器をさらに備えてもよい。そのような容器の一例の斜視図を図９Ａに示す。図９Ａの容器９０は、容器９１と、固定用の板９２ａ〜９２ｃと、容器９１と板９２ａ〜９２ｃとを連結する連結部材９３とを含む。容器９１は、耐水シートで形成されており、上方が開口している。板９２ａおよび９２ｂは、容器９１の側面を固定するための板である。板９２ｃは容器９１の底面を固定するための板である。板９２ａ〜９２ｃは、それぞれの一辺が、連結部材９３によって容器９１の辺に固定されており、その辺を中心として図９Ａの矢印の方向に回転できるようになっている。

図９Ａの状態では、板９２ａおよび９２ｂと板９２ｃとを近づける方向に容器９１を畳むことが可能である。図９Ｂの状態では、板９２ａおよび９２ｂが容器９１の側面に固定され、板９２ｃが容器９１の底面に固定されている。板９２ａ〜９２ｃは、面ファスナやフックなどの固定部材（図示せず）によって容器９１に固定される。図９Ｂの状態では、容器９１は広げられた状態で保持される。

［実施形態３］
実施形態３では、金属電極を含む装置の一例について説明する。実施形態３の装置は、金属電極を含むことを除いて実施形態１の装置と同様であるため、重複する説明を省略する。

実施形態３の装置の電極の配置を図１０に示す。図１０の装置は、複数の第１のイオン吸着電極２１、複数の第２のイオン吸着電極２２、および金属電極２３を含む。これらの電極は、電源（装置１００の電源１３）に接続されている。金属電極２３は、第１のイオン吸着電極２１と第２のイオン吸着電極２２との間に配置されている。第１のイオン吸着電極２１、第２のイオン吸着電極２２、および金属電極２３は平板状の電極であり、互いに平行になるように配置されている。これらの電極群も、図３Ｂに示すように畳むことが可能である。

金属電極２３の正面図を、図１１に示す。金属電極２３は、貫通孔２３ｈが形成された平板状の電極である。

なお、以上の説明では、飲料水の硬度を調整する場合について説明したが、本発明は、飲料水以外の水の硬度の調整にも適用できる。すなわち、本発明は、水の硬度を調整する方法および装置にも適用できる。この場合、上記説明中の「飲料水」という単語を「水」に置き換えることが可能である。

本発明は、その意図および本質的な特徴から逸脱しない限り、他の実施形態に適用しうる。この明細書に開示されている実施形態は、あらゆる点で説明的なものであってこれに限定されない。本発明の範囲は、クレームによって示されており、クレームと均等な意味および範囲にあるすべての変更はそれに含まれる。

本発明は、水の硬度を調整する装置に利用でき、たとえば、飲料水の軟水化装置に利用できる。本発明の装置によれば、市販されているミネラルウォーター、水道水、湧水などを軟水化することができる。

Claims (15)

1. 飲料水の硬度を調整するための携帯用硬度調整装置であって、
   第１および第２のイオン吸着電極を含み畳むことが可能な電極群と、電源とを含み、
   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、
   前記電極群を前記飲料水に浸漬した状態で前記電極群に含まれる電極に電圧を印加することによって、前記第１および第２の導電性物質に吸着されているイオンの量を調節し、これによって前記飲料水の硬度を調整する、携帯用硬度調整装置。
2. 前記電極群が金属電極をさらに含み、
   前記第１および第２のイオン吸着電極から選ばれる少なくとも一方の電極と前記金属電極との間に電圧を印加することによって前記飲料水の殺菌を行う、請求項１に記載の携帯用硬度調整装置。
3. 前記金属電極は、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配置されており、
   前記金属電極は、貫通孔が形成された平板状の電極である、請求項２に記載の携帯用硬度調整装置。
4. 前記第１および第２のイオン吸着電極を前記飲料水に浸漬した状態で前記第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および第２の導電性物質に吸着されているイオンの量を調節し、これによって前記飲料水の硬度を調整する、請求項１に記載の携帯用硬度調整装置。
5. 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流れる電流を測定するための電流計をさらに備える、請求項４に記載の携帯用硬度調整装置。
6. 前記飲料水に前記第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前記電圧を印加することによって、前記飲料水中の陰イオンを前記第１の導電性物質に吸着させるとともに前記飲料水中の陽イオンを前記第２の導電性物質に吸着させ、これによって前記飲料水の硬度が下げられる、請求項４に記載の携帯用硬度調整装置。
7. 前記電圧が２ボルトよりも高い電圧である、請求項６に記載の携帯用硬度調整装置。
8. カルシウムイオンおよびマグネシウムイオンから選ばれる少なくとも１つの陽イオンが前記第２の導電性物質に吸着されている前記第２のイオン吸着電極と前記第１のイオン吸着電極とを前記飲料水に浸漬させた状態で、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、前記少なくとも１つの陽イオンを前記飲料水中に放出させ、これによって前記飲料水の硬度が上げられる、請求項４に記載の携帯用硬度調整装置。
9. 前記第１および第２の導電性物質が活性炭である、請求項１に記載の携帯用硬度調整装置。
10. 前記第１のイオン吸着電極および前記第２のイオン吸着電極のそれぞれは平板状の電極であり、
    前記電極群を広げたときに、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が互いに平行になるように配置される、請求項１に記載の携帯用硬度調整装置。
11. 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に記載の携帯用硬度調整装置。
12. 前記第１の配線および前記第２の配線は、前記第１および第２の導電性物質との接触部を除く部分が樹脂またはゴムで被覆されている、請求項１１に記載の携帯用硬度調整装置。
13. 前記第１および第２の導電性物質のそれぞれが、保護布で覆われている請求項１に記載の携帯用硬度調整装置。
14. 畳むことが可能な容器をさらに含む、請求項１に記載の携帯用硬度調整装置。
15. 前記電極群が金属電極をさらに含み、
    前記第１および第２のイオン吸着電極から選ばれる少なくとも一方の電極と前記金属電極との間に電圧を印加することによって、前記金属電極の表面で水を電気分解させて前記飲料水のｐＨを調整する、請求項１に記載の携帯用硬度調整装置。

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