JP6372793B2 - 水溶液のｐＨを変化させる方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、水溶液のｐＨを変化させる方法および装置に関する。

従来から、電気分解によってアルカリ性の水を調製する方法が提案されている。たとえば、特許文献１には、陽イオン交換膜を挟むように配置された陽極と陰極との間に電圧を印加することによってアルカリ性電解水を製造する方法が開示されている。

また、特許文献２には、水の電気分解によって酸性水とアルカリ性水とを調製する方法が開示されている。

特開２０１３−２３０４２５号公報 特開２００９−１６０５０３号公報

特許文献１の方法はイオン交換膜を用いているため、イオン交換膜の再生や交換が必要になり、装置の維持・管理が複雑になる。また、特許文献２の方法ではアルカリ性水とともに多量の酸性水が生成するため、酸性水を利用しない場合には多量の酸性水を廃棄することが必要になる。

このような状況において、本発明は、水溶液のｐＨを簡単に変化させることができる新規な方法および装置を提供することを目的の１つとする。

上記目的を達成するために、本発明は、水溶液のｐＨを変化させる１つの方法を提供する。この方法は、（ｉ）前記水溶液を電解槽で電気分解する工程を含み、前記水溶液には、酸またはアルカリと反応することによって前記酸または前記アルカリを消費してガスを生成するイオンが溶存しており、前記電解槽は、陽イオンおよび陰イオンを透過させるセパレータと、前記セパレータによって仕切られた第１および第２の槽と、前記第１の槽に配置された第１の電極と、前記第２の槽に配置された第２の電極とを含み、前記（ｉ）の工程において、前記酸または前記アルカリを前記第１の電極で発生させて前記イオンと反応させ、それによって生成したガスを前記第１の槽の外部に放出する。

また、本発明は、水溶液のｐＨを変化させる１つの装置を提供する。この装置は、本発明の方法を実施することによって水溶液のｐＨを変化させる装置であって、電解槽を含み、前記電解槽は、陽イオンおよび陰イオンを透過させるセパレータと、前記セパレータによって仕切られた第１および第２の槽と、前記第１の槽に配置された第１の電極と、前記第２の槽に配置された第２の電極とを含み、ガスを放出するための機構が前記第１の槽に設けられている。

本発明によれば、水溶液のｐＨを簡単に変化させることができる。本発明によれば、多量の酸性水を生成することなくアルカリ性の水溶液を調製することが可能である。また、本発明によれば、多量のアルカリ性水を生成することなく酸性の水溶液を調製することが可能である。

本発明の装置の一例を模式的に示す図である。 図１に示した装置の動作を模式的に示す図である。 第１の電極の一例を模式的に示す図である。 本発明の装置の他の一例の一部を模式的に示す図である。 本発明の装置の他の一例の一部を模式的に示す図である。 本発明の装置の他の一例の一部を模式的に示す図である。 実施例１で用いた電解槽の一部を模式的に示す図である。 実施例で用いた電極の（ａ）一例および（ｂ）他の一例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。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実施形態に限定されない。以下の説明において特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。

（水溶液のｐＨを変化させる方法）
水溶液のｐＨを変化させる本発明の方法は、水溶液を電解槽で電気分解する工程（ｉ）を含む。以下では、工程（ｉ）で用いられる水溶液を「水溶液（Ｓ）」という場合がある。水溶液（Ｓ）には、酸（典型的には水素イオン）またはアルカリ（典型的には水酸化物イオン）と反応することによって当該酸または当該アルカリを消費してガスを生成するイオンが溶存している。以下では、このイオンを「イオン（Ｌ）」という場合がある。

工程（ｉ）においては、酸またはアルカリを第１の電極で発生させてイオン（Ｌ）と反応させ、それによって生成したガスを第１の槽の外部（水溶液（Ｓ）の外部、電解槽の外部）に放出する。以下では、イオン（Ｌ）と反応させる酸またはアルカリを生成する側の槽（第１の槽）を「ガス発生槽」といい、第２の槽を「ｐＨ変化槽」という場合がある。なお、第１の槽と同様に、工程（ｉ）において第２の電極で発生したガスを第２の槽の外部（水溶液（Ｓ）の外部、電解槽の外部）に放出してもよい。すなわち、本発明の方法では、工程（ｉ）において第１および第２の槽で発生したガスを、電解槽の外部（水溶液（Ｓ）の外部、大気中）に放出してもよい。

電解槽は、セパレータと、セパレータによって仕切られた第１および第２の槽と、第１の槽に配置された第１の電極と、第２の槽に配置された第２の電極とを含む。セパレータは、水溶液（Ｓ）、陽イオン、および陰イオンを透過させる。

イオン（Ｌ）は、酸またはアルカリと反応することによって当該酸または当該アルカリを消費してガスを生成する化合物を水溶液に溶解することによって生成することが可能である。以下では、そのような化合物を「化合物（Ｃ）」という場合がある。化合物（Ｃ）の例には、酸と反応することによってガスを生成する塩基性化合物や、アルカリと反応することによってガスを生成する酸性化合物が含まれる。水溶液（Ｓ）の一例は、化合物（Ｃ）が溶解している水溶液である。本発明の方法は、工程（ｉ）の前に、化合物（Ｃ）を水に溶解させることによって水溶液（Ｓ）を調製する工程を含んでもよい。

本発明では、第２の槽の水溶液（Ｓ）のｐＨを大きく変化させることが可能である。一方、第１の槽の水溶液（Ｓ）のｐＨの変化は、イオン（Ｌ）の反応によって抑制される。そのため、本発明によれば、酸性水およびアルカリ性水のうちの一方のみを多量に調製することが可能である。

酸と反応してガスを生成するイオン（Ｌ）の例には、炭酸イオン（ＣＯ₃ ^2-）および炭酸水素イオン（ＨＣＯ₃ ^-）が含まれる。それらのイオンを生成する化合物（Ｃ）の例には、炭酸塩や炭酸水素塩が含まれる。炭酸塩の例には、炭酸ナトリウム（Ｎａ₂ＣＯ₃）や炭酸カリウム（Ｋ₂ＣＯ₃）などの炭酸アルカリが含まれる。炭酸水素塩の例には、炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ₃）や炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ₃）などの炭酸水素アルカリ（炭酸水素アルカリ金属塩）が含まれる。なお、炭酸塩および炭酸水素塩を構成する陽イオンは、アルカリ金属イオンに限定されず、他のイオン（たとえばアルカリ土類金属イオン）であってもよい。ただし、スケールが発生することを防止する観点では、アルカリ金属イオンの塩を用いることが好ましい。なお、この明細書において、「ガスを生成する」とは工程（ｉ）が行われるときの水溶液（Ｓ）の温度（たとえば室温（２５℃））においてガスとして存在する分子を生成することを意味する。

アルカリと反応してガスを生成するイオン（Ｌ）の例には、アンモニウムイオン（ＮＨ₄ ⁺）などが含まれる。それらのイオンを生成する化合物（Ｃ）の例には、アンモニウム塩（第１級アンモニウム塩やその他のアンモニウム塩）が含まれる。アンモニウム塩の例には、塩化アンモニウム（ＮＨ₄Ｃｌ）が含まれる。

イオン（Ｌ）の濃度に特に限定はなく、装置の構成（バッチ式、通液式など）や、電極とセパレータとの距離に応じて設定すればよい。ただし、イオン（Ｌ）の濃度が低すぎると、ｐＨを大きく変化させることが難しくなるとともに、印加すべき電圧が高くなる。そのため、イオン（Ｌ）の濃度はある程度高い方が好ましい。イオン（Ｌ）の濃度は０．０１モル／Ｌ〜４モル／Ｌの範囲（たとえば０．０５モル／Ｌ〜１モル／Ｌの範囲）にあってもよい。

水溶液（Ｓ）に用いられる水は水道水や井戸水でもよいが、それらを用いた場合にはカソードで水酸化カルシウムや炭酸カルシウム等が析出して効率が低下することがある。それらの析出物は、塩酸やクエン酸で洗浄することによって除去できる。それらの析出物を抑制するために、軟水器やＲＯ膜を用いてカルシウムイオンやマグネシウムイオンを除去した水を使用してもよい。

セパレータは、第１の槽と第２の槽とを仕切る仕切りであり、水溶液（Ｓ）、陽イオン、および陰イオンを透過させる。すなわち、セパレータは、実質的にイオン交換機能を有さない。セパレータの形態に特に限定はなく、多孔質膜、不織布、織布、ネットなどであってもよい。本発明の一例において、セパレータは、第１の電極と第２の電極との短絡を防止すること、第１の槽内の水溶液（Ｓ）と第２の槽内の水溶液（Ｓ）との混合を抑制すること、および一方の槽で発生したガスが他方の槽に拡散することを抑制すること、の少なくとも１つを目的として設置される。

発生したガスがセパレータの表面で滞留することを抑制するために、セパレータは親水性であることが好ましい。親水性のセパレータは、その表面に液体が吸着されやすく気体は吸着されにくいため、ガスが滞留しにくい。親水性のセパレータの例には、表面が親水性である繊維を用いて形成されたセパレータが含まれる。また、親水性のセパレータの例には、綿、麻、レーヨン、毛、絹などで形成された布や膜が含まれる。また、親水性の合成樹脂からなるセパレータや、親水化処理をされた合成樹脂からなるセパレータを用いてもよい。なお、材料が親水性であるか否かは、水の接触角で評価することも可能である。セパレータの材料の好ましい一例は、水の接触角が２０°以下である材料である。

第１および第２の槽は、セパレータを介して接続されている。すなわち、水溶液（Ｓ）およびそれに含まれるイオンは、セパレータを通って第１の槽と第２の槽との間を行き来できる。

第１および第２の電極には、水の電気分解反応を生じさせることができる電極が用いられる。第１および第２の電極の例には、金属部分を含む電極が含まれる。たとえば、第１および第２の電極は金属電極であってもよい。第１および第２の電極の表面には、水の電気分解反応が生じやすい金属が存在することが好ましい。水の電気分解反応が生じやすい金属の例には、白金が含まれる。第１および第２の電極の好ましい一例は、表面に白金が存在する金属電極である。具体的には、白金電極や、液体と接触する部分の表面が白金でコートされた金属電極が好ましく用いられる。白金でコートされる金属の例には、ニオブ、チタン、およびタンタル、およびその他の金属が挙げられる。カソードは、たとえば、ニッケルやステンレスなどの、一般的に腐食が少ない金属からなる電極であってもよい。なお、金属以外の導電性材料（たとえば導電性の炭素材料）を含む電極を用いてもよい。また、それら導電性材料の表面を金属（白金その他の金属）でコートすることによって得られる電極を用いてもよい。

第１および第２の電極の形状に特に限定はないが、水溶液（Ｓ）やイオンの動きを電極が妨げることを抑制するために、メッシュ状やストライプ状の電極を用いてもよい。第１および第２の電極は、平板状の電極であってもよく、たとえば、平板状のメッシュ電極や、線状の電極が２次元状に配置された電極であってもよい。なお、第１の電極（ガス発生槽の電極）は、発生したガスを速やかに上昇させるため、線状の電極で構成することが好ましい。第１の電極の好ましい一例は、鉛直方向と平行となるようにストライプ状に配置された複数の線状電極を含む電極である。なお、線状の電極を細くすることによって、電流密度を高めてもよい。たとえば、線状の電極の直径を０．３ｍｍ〜３ｍｍの範囲としてもよい。

第１の電極と第２の電極との間には、水の電気分解が生じるように直流電圧が印加される。電圧の大きさに特に限定はなく、５〜５０ボルトの範囲にあってもよい。

水溶液（Ｓ）のｐＨを上昇させる場合、イオン（Ｌ）として、酸と反応してガスを生成するイオンを用いる。そして、第１の電極がアノードとなり第２の電極がカソードとなるように直流電圧を印加する。この構成では、第１の電極で生成した酸（水素イオン）は、イオン（Ｌ）と反応して消費される。一方、水溶液（Ｓ）のｐＨを低下させる場合、イオン（Ｌ）として、アルカリと反応してガスを生成するイオンを用いる。そして、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直流電圧を印加する。この構成では、第１の電極で生成したアルカリ（水酸化物イオン）は、イオン（Ｌ）と反応して消費される。

本発明の一例では、イオン（Ｌ）が、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンからなる群より選ばれる少なくとも１種である。この一例では、工程（ｉ）において、第１の電極がアノードとなり第２の電極がカソ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、第１の槽で炭酸ガスを発生させるとともに第２の槽内の水溶液（Ｓ）のｐＨを上昇させる。発生した炭酸ガスは、第１の槽の外部に放出される。この一例によれば、第２の槽の水溶液（Ｓ）のｐＨを上昇させることができる。すなわち、この一例によればアルカリ性の水溶液を製造できる。

本発明の他の一例では、イオン（Ｌ）がアンモニウムイオンである。この一例では、工程（ｉ）において、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電圧を印加することによって、第１の槽でアンモニア（ガス）を発生させるとともに第２の槽内の水溶液（Ｓ）のｐＨを低下させる。発生したアンモニアは第１の槽の外部に放出される。この一例によれば、第２の槽の水溶液（Ｓ）のｐＨを低下させることができる。すなわち、この一例によれば酸性の水溶液を製造できる。

第１の槽（ガス発生槽）における第１の電極の配置密度は、第１の槽の下方よりも上方で大きくなっていてもよい。この構成によれば、後述するように効率よくｐＨを変化させることができる。

本発明では、バッチ式で水溶液（Ｓ）を処理してもよい。また、本発明では、通液式で水溶液（Ｓ）を処理してもよい。通液式で水溶液（Ｓ）を処理する場合、ガス発生槽ではない側の槽のみを通液型としてもよい。そのような一例については、実施形態２で説明する。

イオン（Ｌ）が酸と反応するイオンである場合、第１の槽（ガス発生槽）内の水溶液（Ｓ）のｐＨが低い方が、酸とイオン（Ｌ）との反応が生じやすくなる。また、第１の槽内の水溶液（Ｓ）がアルカリ性であると、発生したガスが、第１の槽の外部に放出される前に水溶液（Ｓ）に溶解してしまう。そのため、第１の槽内の水溶液（Ｓ）のｐＨは低いことが好ましい。一方、イオン（Ｌ）がアルカリと反応するイオンである場合には、第１の槽内の水溶液（Ｓ）のｐＨは高い方が好ましい。本発明では、第２の槽（ｐＨ変化槽）の水溶液（Ｓ）のｐＨを効率よく変化させるために、以下の方法の少なくとも１つを採用することが好ましい。

（１ａ）バッチ式で水溶液（Ｓ）を処理する場合において、第２の槽の容積（第２の槽に配置される水溶液（Ｓ）の量）を第１の槽の容積（第１の槽に配置される水溶液（Ｓ）の量）よりも大きくする。これによって、第１の槽内の酸またはアルカリの濃度を高めることができる。（第２の槽の容積）／（第１の槽の容積）の値（別の観点では、（第２の槽に配置される水溶液（Ｓ））／（第１の槽に配置される水溶液（Ｓ））の値）は、１．１〜５の範囲にあってもよい。

（１ｂ）通液式で水溶液（Ｓ）を処理する場合において、第２の槽で処理される水溶液（Ｓ）のトータルの量を、第１の槽に配置される水溶液（Ｓ）の量よりも多くする。たとえば、前者を後者の５倍以上とする。

（２）第１の槽と第２の槽との間にセパレータ１２を配置する。これによって、第２の槽内の水溶液（Ｓ）と第１の槽内の水溶液（Ｓ）との混合を抑制することができる。

（３）第１の電極とセパレータとの間の距離、および、第２の電極とセパレータとの間の距離を長くする。これによって、電気分解によって生成した水素イオンおよび水酸化物イオンがセパレータを通って他方の槽に拡散することを抑制できる。電極とセパレータとの距離は、１ｍｍ以上（たとえば３ｍｍ以上）としてもよい。一方、第１の電極と第２の電極とが離れすぎると、水溶液（Ｓ）による電圧降下が大きくなる。この観点から、第１の電極と第２の電極との間の距離は、１００ｍｍ以下（たとえば５０ｍｍ以下）としてもよい。

（４）第１の電極の配置密度を、第１の槽の上方で大きくする。これによって、イオン（Ｌ）の反応によるガスを上方（より液面に近い方）で発生しやすくすることができる。第１の槽の下方（液面から遠い方）で発生した炭酸ガスは、大気に放出される前に水溶液（Ｓ）に溶解しやすい。そのため、ガスが液面近傍で発生するように、第１の電極の配置密度を上方で大きくすることが好ましい。

（水溶液のｐＨを変化させる装置）
以下に、水溶液のｐＨを変化させるための本発明の装置について説明する。なお、本発明の方法について説明した事項については本発明の装置に適用できるため、重複する説明を省略する場合がある。また、本発明の装置について説明した事項は、本発明の方法に適用できる。

本発明の装置は、本発明の方法（水溶液のｐＨを変化させる方法）を実施することによって水溶液のｐＨを変化させる装置である。この装置は、電解槽を含む。電解槽は、陽イオンおよび陰イオンを透過させるセパレータと、セパレータによって仕切られた第１および第２の槽と、第１の槽に配置された第１の電極と、前記第２の槽に配置された第２の電極とを含む。ガス発生槽である第１の槽には、ガスを放出するための機構（たとえばガス放出口）が設けられている。なお、第１の槽と同様に、第２の槽にもガスを放出するための機構（たとえばガス放出口）を設けてもよい。すなわち、第１および第２の槽の両方に、ガスを放出するための機構が設けられていてもよい。

本発明の装置は、工程（ｉ）（および必要に応じてその他の工程）を実行するためのコントローラを備えてもよい。コントローラは、演算処理装置と記憶手段とを含む。なお、記憶手段は、演算処理装置と一体化されていてもよい。記憶手段の例には、演算処理装置の内部メモリ、外部メモリ、磁気ディスク（たとえばハードディスクドライブ）などが含まれる。記憶手段には、各工程を実行するためのプログラムが記録される。コントローラの一例には大規模集積回路（ＬＳＩ）が含まれる。本発明の装置は、各種機器（電源、ポンプ、バルブなど）に加えて、各種の計測器（電流計、電圧計、ｐＨ計、電気伝導度計など）を含んでもよい。そして、コントローラは、これらの機器および計測器に接続されていてもよい。コントローラは、各処理部における処理（たとえば電圧印加）を、計測器の出力に基づいて制御してもよい。

本発明の装置は、電極に直流電圧を印加するための直流電源を備えてもよい。電源に特に限定はなく、コンセントなどから得られる交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣコンバータであってもよい。

なお、本発明では、第２の槽に水溶液（Ｓ）の流入口および流出口を設け、第２の槽を通る水溶液（Ｓ）を連続的に処理してもよい。すなわち、通液式で水溶液（Ｓ）のｐＨを変化させてもよい。また、上記流入口および流出口を含む循環路を設け、循環路を流れる水溶液（Ｓ）を処理してもよい。

本発明の実施形態の例について、図面を参照しながら以下に説明する。以下の説明では、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。なお、以下の実施形態では、水溶液（Ｓ）として炭酸水素ナトリウム水溶液を用いた一例について主に説明するが、本発明はこれに限定されない。

（実施形態１）
実施形態１では、バッチ式で水溶液（Ｓ）を処理する装置および方法の例について以下に説明する。実施形態１の装置を図１に模式的に示す。

図１の装置１００は、電解槽１０と直流電源１１とを含む。電解槽１０は、セパレータ１２、第１の槽２１、第２の槽２２、第１の電極３１、および第２の電極３２を含む。セパレータ１２は、槽２０を仕切ることによって第１の槽２１と第２の槽２２とに分けている。第１の電極３１は第１の槽２１に配置され、第２の電極３２は第２の槽２２に配置されている。槽２０（第１の槽２１および第２の槽２２）には、水溶液１０１（水溶液（Ｓ））が配置される。第１の電極３１および第２の電極３２は、直流電源１１に接続されている。

実施形態１では、第１の電極３１において酸（水素イオン）が発生するように水の電気分解を行う。これによって発生した水素イオンが第１の槽２１においてイオン（Ｌ）（炭酸水素イオン）と反応し、第１の槽２１において炭酸ガスが発生する。第１の槽２１の上部には、ガスを第１の槽２１の外部（電解槽１０の外部：大気）に放出するための開口部２１ａが設けられている。また、第２の槽２２の上部には、ガスを第２の槽２２の外部（電解槽１０の外部：大気）に放出するための開口部２２ａが設けられている。

装置１００の動作について、図２を参照しながら説明する。まず、槽２０に水溶液１０１を配置する。次に、直流電源１１によって、第１の電極３１がアノードとなり第２の電極３２がカソードとなるように電極間に直流電圧を印加する。このとき、水の電気分解が生じるように電圧を印加する。この電圧印加によって、第１の電極３１では水素イオン（Ｈ⁺）および酸素分子が生成し、第２の電極３２では水酸化物イオン（ＯＨ^-）および水素分子が生成する。

第１の電極３１で生成した水素イオン（酸）は、炭酸水素ナトリウムが溶解することによって生成する炭酸水素イオン（ＨＣＯ₃ ^-）または炭酸イオン（ＣＯ₃ ^2-）と反応し、炭酸ガス（ＣＯ₂）と水とを生成する。

発生した炭酸ガスは、開口部２１ａから槽の外部に放出される。炭酸ガスを槽の外部に放出することによって、第１の電極３１で生成した酸が消費される。一方、第２の槽２２では水酸化物イオン濃度が上昇するため、第２の槽２２中の水溶液１０１のｐＨが上昇する。この構成によれば、第２の槽２２内の水溶液１０１と第１の槽２１内の水溶液１０１とを合わせた水溶液のｐＨを９〜１３程度にすることが可能である。なお、水溶液１０１中の陰イオン（炭酸イオン、炭酸水素イオン、水酸化物イオンなど）の一部はセパレータ１２を通って第２の槽２２から第１の槽２１に移動する。また、水溶液１０１中の陽イオン（ナトリウムイオンや水素イオンなど）の一部は、セパレータ１２を通って第１の槽２１から第２の槽２２に移動する。

第１の電極３１は、第１の槽３１の下方よりも上方（鉛直方向の上方）で配置密度が大きくてもよい。そのような第１の電極３１の一例を図３に模式的に示す。図３の第１の電極３１は、線状の電極によって形成された平板状の電極である。図３の第１の電極３１は、枠状の電極と、枠状の電極に固定された複数の線状の電極とによって構成されており、線状の電極の配置密度が下方よりも上方で高くなっている。なお、線状の電極は、できるだけ鉛直方向と平行となるように配置してもよい。そのような配置によって、発生したガスを速やかに上昇させることができる。このガスは炭酸ガスと酸素ガスで構成されている。炭酸ガスは、液体中を上昇して液体外に放出されるが、液体が充分に酸性となっていない場合には再度その液体に溶け込んでしまう。そのため、ガスが液体からできるだけ速やかに抜ける構造とすることが好ましい。

なお、イオン（Ｌ）として、アルカリと反応するイオン（たとえばアンモニウムイオン）を用いる場合、ガスを発生させる第１の槽２１に配置される第１の電極３１がカソ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第１の電極３１で水酸化物イオンおよび水素分子が生成し、第２の電極３２で水素イオンおよび酸素分子が生成する。第１の電極３１で生成した水酸化物イオン（アルカリ）は、アンモニウムイオンと反応し、水およびアンモニア（ガス）を発生させる。第１の槽２１からアンモニアを排出することによって、第１の槽２１中の水酸化物イオンが消費される。一方、第２の槽２２では水素イオンの濃度が上昇し、第２の槽２２中の水溶液１０１のｐＨが低下する。この構成によれば、水溶液１０１のｐＨを２〜５程度とすることが可能である。

図１には、電解槽が１つである装置を示したが、本発明の装置は複数の電解槽を含んでもよい。そのような電解槽の一例を図４に示す。図４の電解槽は、４つの電解槽１０を備える。図４の一例では、隣接する電解槽１０が、第１の槽２１（および第１の電極３１）または第２の槽２２（および第２の電極３２）を共有している。第１の電極３１および第２の電極３２は、図１の装置１００と同様に電源に接続される。図４の電解槽を用いた場合でも、装置１００と同様に水溶液（Ｓ）を処理できる。

（実施形態２）
実施形態２では、通液式で水溶液（Ｓ）を処理する装置および方法の例について以下に説明する。実施形態２の装置で用いられる電解槽２１０を図５に模式的に示す。電解槽２１０は、槽２２０を備える。槽２２０は、セパレータ１２によって第１の槽２２１と第２の槽２２２とに分けられている。第１の槽２２１には第１の電極３１が配置され、第２の槽２２２には、第２の電極３２が配置されている。第１の電極３１および第２の電極３２は、図１の装置１００と同様に電源に接続される。第１の槽２２１の上部には、第１の槽２２１で発生したガスを放出するための開口部２２１ａが設けられている。第２の槽２２２の上部には、第２の槽２２２で発生したガスを放出するための開口部２２２ａが設けられている。

第２の槽２２２には、水溶液１０１が流入する流入口２２２ｂと、水溶液１０１が流出する流出口２２２ｃとが設けられている。流入口２２２ｂおよび流出口２２２ｃを介して水溶液１０１が流れる。この点で、実施形態２の装置は実施形態１の装置とは異なる。図５に示す一例では、流入口２２２ｂが第２の電極３２とセパレータ１２との間に設けられ、流出口２２２ｃが第２の電極３２に対してセパレータ１２とは反対側に配置されている。流入口２２２ｂおよび流出口２２２ｃをこのように設けることによって、ｐＨの変化が大きい部分の水溶液１０１を取り出しやすくなる。なお、流入口２２２ｂおよび流出口２２２ｃが設けられる位置は、図５に示す位置に限定されない。また、図５に示すように、流出口２２２ｃを設ける位置によって水溶液１０１の液面を制御してもよい。たとえば、第２の槽２２２からオーバーフローする水溶液１０１が流出口２２２ｃから流出するようにしてもよい。

実施形態２の装置では、第２の槽２２２を連続的に水溶液１０１が流れる通液状態で工程（ｉ）を行うことができる。これによって、アルカリ性または酸性の水溶液を連続的に製造することが可能である。また、第２の槽２２２に配置される水溶液１０１の量（第２の槽２２２を流れる水溶液１０１の量）を、第２の槽２２２の容積に関わらず大きくすることができる。

なお、第２の槽２２２は、循環路の一部であってもよい。そのような装置の一例を図６に模式的に示す。なお、図６において、電源および配線の図示は省略する。図６の装置２００ａは、流入口２２２ｂと流出口２２２ｃとを結ぶ流路２４１と、流路２４１に配置されたポンプ２４２とを含む。流路２４１には、ｐＨが変化した水溶液１０１を取り出すための取り出し口２４３が接続される。図６の装置では、第２の槽２２２、流入口２２２ｂ、流出口２２２ｃ、および流路２４１を含む循環路が形成されている。この循環路を循環する水溶液１０１が本発明の方法によって処理される。

弱アルカリ性の水溶液（たとえば炭酸ナトリウム水溶液や炭酸水素ナトリウム水溶液）を実施形態１で説明したバッチ法で処理することによって、第１の槽では酸性水が生じ、第２の槽では強いアルカリ性水が生じる。このとき、第１の槽内の水素イオンの量よりも、第２の槽の水酸化物イオンの量が多くなる。そのため、第１の槽内の水溶液（Ｓ）と第２の槽内の水溶液（Ｓ）とを混合すると、アルカリ性の水溶液が得られる。工程（ｉ）の電圧印加の終了直後において、第２の槽の水溶液（Ｓ）のｐＨは、第１の槽内の水溶液（Ｓ）と混合される前よりも高い。ここで、実施形態２で説明したように、第２の槽だけを通液式とし、第１の槽がバッチ式の状態を維持する場合を考える。このとき、第２の槽を流れる水溶液（Ｓ）の単位体積当たりに流れる電気量が、実施形態１のバッチ法において水溶液（Ｓ）の単位体積あたりに流れる電気量と同じになるように電流を流すと仮定する。この場合、バッチ法によって達成される第２の槽の水溶液（Ｓ）のｐＨと同等のｐＨの水溶液（Ｓ）が流出口から得られると考えられる。すなわち、実施形態２の構成によれば、ｐＨの変化をより大きくすることが可能であると考えられる。このことは実験によって確かめられた。

本発明の装置では、電解槽または水溶液１０１の流路に、各種のセンサや、イオン（Ｌ）（または化合物（Ｃ））を水溶液１０１に供給するための供給装置が配置されていてもよい。センサの例には、水溶液１０１の電気伝導度やｐＨを測定するためのセンサが含まれる。

以下では、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。

（実施例１）
実施例１では、本発明によって水溶液のｐＨを上昇させた。実施例１で用いた電解槽を図７に模式的に示す。図７の電解槽は、２つの電解槽１０を含み、それら２つの電解槽１０が第１の槽２１および第１の電極３１を共有している。

図７の電解槽において、第１の電解槽２１の幅Ｗ１は約１０ｍｍ、第２の電解槽２２の幅Ｗ２は約２２ｍｍとした。第１の電極３１とセパレータ１２との距離は約５ｍｍとした。第２の電極３２とセパレータ１２との距離は約１１ｍｍとした。電解槽の奥行きは１４５ｍｍ、電解槽の高さは約１４０ｍｍとした。

実施例１では、第１の電極３１として、図８（ａ）に示す形状の電極８１ａを用いた。電極８１ａは、電極を構成する電極線の配置密度がほぼ均一である。電極８１ａを構成する電極線には、白金コートしたチタンワイヤ（直径０．５ｍｍ）を用いた。また、第２の電極３２には、デンボー工業株式会社のエクスパンドメタル電極を用いた。

実施例１では、１Ｌの炭酸ナトリウム水溶液（濃度：２ｇ／Ｌ）を電解槽に配置した。そして、第１の電極３１がアノードとなり第２の電極３２がカソードとなるように両者の間に直流電圧を印加した。具体的には、両者の間に５Ａの電流が流れるように直流電圧を印加した。この電圧印加を１０分間行うことによって、電解槽全体の水溶液のｐＨ（第１の槽２１の水溶液と第２の槽２２の水溶液とを混合した後の水溶液のｐＨ）が１１．７となった。また、上記電圧印加を２０分間行った場合には、電解槽全体の水溶液のｐＨが１２．４となった。

なお、図４に示す電解槽（４つの電解槽を含む電解槽）を用いて２Ｌの炭酸ナトリウム水溶液を処理した場合も、同様にｐＨを上昇させることができた。また、電流密度を高くすると、ｐＨをより高くすることができた。

（実施例２）
実施例２では、第１の電極３１の形状を変えたことを除いて実施例１と類似の実験を行った。実施例２では、第１の電極３１として、図８（ｂ）に示す形状を有する電極８１ｂを用いた。電極８１ｂは、電極を構成する電極線の配置密度が上方で大きくなっている。電極８１ｂを正極に用いた場合、電極８１ａを正極に用いた場合よりも水溶液のｐＨが上昇した。

本発明は、水溶液のｐＨを簡単に変化させる方法および装置に利用できる。また、本発明は、酸性水またはアルカリ性水の調製方法および調製装置として利用できる。

１０、２１０ 電解槽
１１ 直流電源
１２ セパレータ
２０、２２０ 槽
２１、２２１ 第１の槽
２２、２２２ 第２の槽
３１、２３１ 第１の電極
３２、２３２ 第２の電極
１００、２００ａ 装置

Claims (6)

1. 水溶液のｐＨを変化させる方法であって、
   （ｉ）前記水溶液を電解槽で電気分解する工程を含み、
   前記水溶液には、酸またはアルカリと反応することによって前記酸または前記アルカリを消費してガスを生成するイオンが溶存しており、
   前記電解槽は、陽イオンおよび陰イオンを透過させるセパレータと、前記セパレータによって仕切られた第１および第２の槽と、前記第１の槽に配置された第１の電極と、前記第２の槽に配置された第２の電極とを含み、
   前記（ｉ）の工程において、前記酸または前記アルカリを前記第１の電極で発生させて前記イオンと反応させ、それによって生成したガスを前記第１の槽の外部に放出し、
   前記（ｉ）の工程における電気分解は、前記第１の槽および前記第２の槽の両方に前記水溶液を配置した状態でバッチ式で行われ、
   前記第２の槽の容積は前記第１の槽の容積よりも大きく、且つ、
   前記（ｉ）の工程における電気分解において、前記第２の槽に配置される前記水溶液の量を前記第１の槽に配置される前記水溶液の量よりも大きくする、方法。
2. 前記イオンが、炭酸イオンおよび炭酸水素イオンからなる群より選ばれる少なくとも１種であり、
   前記（ｉ）の工程において、前記第１の電極がアノードとなり前記第２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、前記第１の槽で炭酸ガスを発生させるとともに前記第２の槽内の前記水溶液のｐＨを上昇させる、請求項１に記載の方法。
3. 前記イオンがアンモニウムイオンであり、
   前記（ｉ）の工程において、前記第１の電極がカソードとなり前記第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、前記第１の槽でアンモニアを発生させるとともに前記第２の槽内の前記水溶液のｐＨを低下させる、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の電極の配置密度が前記第１の槽の下方よりも上方で大きくなっている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法を実施することによって水溶液のｐＨを変化させる装置であって、
   電解槽を含み、
   前記電解槽は、陽イオンおよび陰イオンを透過させるセパレータと、前記セパレータによって仕切られた第１および第２の槽と、前記第１の槽に配置された第１の電極と、前記第２の槽に配置された第２の電極とを含み、
   ガスを放出するための機構が前記第１の槽に設けられており、
   前記第２の槽の容積は前記第１の槽の容積よりも大きい、装置。
6. 前記セパレータが親水性のセパレータである、請求項５に記載の装置。

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