JP7126118B2 - イオン除去システム - Google Patents

Description

本発明は、イオン除去システムに関する。

従来より、硬水中の金属イオンを除去するイオン除去システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１のイオン除去システムは、硬水中の金属イオン（カルシウムイオン及びマグネシウムイオン）をイオン交換樹脂により除去するものである。具体的には、ナトリウムイオンを表面に付着させたイオン交換樹脂を含む処理槽に硬水を流すことにより、硬水中の金属イオンをナトリウムイオンと置換し、硬水中から金属イオンを除去する。これにより、硬水の硬度を低下させて軟水を生成する。硬水中に存在していた金属イオンは、イオン交換樹脂の表面に捕捉される。

特開２０００－１４０８４０号公報

しかしながら、特許文献１のイオン除去システムでは、金属イオンを捕捉したイオン交換樹脂を再生するには大量の塩水が必要であり、メンテナンスに手間が掛かるという課題がある。また、再生処理を行うと、大量の塩水を含む再生排水が生じ、土壌汚染や下水処理の負荷が増大するという課題もある。さらに、イオン除去装置によって軟水化された処理水はナトリウムイオンの濃度が高く、地域によっては飲用水として推奨されない場合がある。

このように、イオン交換樹脂を用いたイオン除去システムでは、メンテナンス性及び環境性という観点で改善の余地がある。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、メンテナンス性及び環境性に優れたイオン除去システムを提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明に係るイオン除去システムは、硬水を収容する硬水収容部と、微細気泡を発生させて前記硬水収容部に供給する微細気泡発生部とを備え、前記硬水収容部において硬水中の金属イオンを前記微細気泡に吸着させて、硬水中から金属イオンを除去するイオン除去装置を備え、前記微細気泡発生装置は、オゾンガスの微細気泡を発生させる。

本発明によれば、メンテナンス性及び環境性に優れたイオン除去システムを提供することができる。

実施の形態１のイオン除去装置の概略図 図１ＡのＡ－Ａ断面図 実施の形態１のイオン除去装置による金属イオンの吸着の仮説原理を説明するための模式図 実施の形態１のイオン除去装置による金属イオンの結晶化の仮説原理を説明するための模式図 実施の形態１のイオン除去装置による再生処理の仮説原理を説明するための模式図 実験例１で用いる装置の概略構成を示す図であって、微細気泡を発生させてから所定時間経過後の状態を示す図 実験例１で用いる装置の概略構成を示す図であって、図５Ａに示す状態からさらに所定時間経過後の状態を示す図 実験例１の結果を示す図 実施の形態２のイオン除去装置による金属イオンの吸着の仮説原理を説明するための模式図 実施の形態２のイオン除去装置による金属イオンの結晶化の仮説原理を説明するための模式図 実施の形態３のイオン除去装置による金属イオンの吸着の仮説原理を説明するための模式図 実施の形態３のイオン除去装置による金属イオンの吸着及び結晶化の仮説原理を説明するための模式図 実験例２－４で用いる装置の概略構成を示す図 金属成分が硬水中で結晶化している状態を示す図 実験例２の結果を示すグラフであって、アンモニアの混合比率とサンプル水の結晶化率との関係を示すグラフ 実験例２の結果を示すグラフであって、サンプル水のｐＨとサンプル水の結晶化率との関係を示すグラフ 実験例３の結果を示すグラフであって、ポンプの運転時間とサンプル水の結晶化率との関係を示すグラフ 実験例３の結果を示すグラフであって、ポンプの運転時間とサンプル水のＣａ硬度との関係を示すグラフ 実験例３の結果を示すグラフであって、ポンプの運転時間とサンプル水のｐＨとの関係を示すグラフ 実験例４の結果を示すグラフであって、ポンプの運転時間とサンプル水の結晶化率との関係を示すグラフ 実験例４の結果を示すグラフであって、ポンプの運転時間とサンプル水のＣａ硬度との関係を示すグラフ 実験例４の結果を示すグラフであって、ポンプの運転時間とサンプル水のｐＨとの関係を示すグラフ 実験例４の結果を示すグラフであって、ポンプの運転時間とサンプル水のＣａ硬度及び全炭酸濃度との関係を示すグラフ 実験例５の結果を示すグラフであって、水の種類と評価水の水面から延びる泡の高さとの関係を示すグラフ 実験例６の結果を示すグラフであって、時間とＣａ硬度の結晶化率との関係を示すグラフ 実験例６の結果を示す図であって、時間と全硬度の結晶化率との関係を示すグラフ 実施の形態４のイオン除去装置の概略図 実験例７に用いる装置の概略構成を示す図 実験例７の結果を示すグラフ

本発明者らは、鋭意検討した結果、硬水中から金属イオンを除去するイオン除去技術（軟水化技術）において、従来使用されていなかった「微細気泡」を用いることで金属イオンの除去を促進できるという新規な知見を見出し、以下の発明に至った。

以下に、本発明に係る実施の形態１－３を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるイオン除去システム１の概略構成を示す図である。

＜全体構成＞
実施形態１におけるイオン除去システム１は、一次側流路２と、イオン除去装置３と、分離装置４と、二次側流路５とを備えている。

一次側流路２は、イオン除去装置３に接続されている。一次側流路２は、イオン除去装置３に硬水を供給する流路である。実施の形態１において、一次側流路２とイオン除去装置３との接続部分には、ポンプＰが設けられている。ポンプＰは、一次側流路２を流れる硬水を、イオン除去装置３を通じて分離装置４へ流すように機能する。ポンプＰの駆動は、制御部６により制御される。

イオン除去装置３は、硬水を収容する硬水収容部３Ａと、微細気泡を発生させて硬水収容部３Ａに供給する微細気泡発生部３Ｂとを備えている。イオン除去装置３は、硬水収容部３Ａにおいて硬水中の金属イオンを微細気泡に吸着させて、硬水中から金属イオンを除去する装置である。微細気泡発生部３Ｂは、ポンプＰにガスが入らないように、ポンプＰよりも硬水の流れ方向の下流側に配置されている。

実施の形態１において、金属イオンとは、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）又はマグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）である。また、実施の形態１において、微細気泡とは、直径１００μｍ以下の気泡である。微細気泡には、マイクロバブル（直径が例えば１μｍ以上１００μｍ以下）と、ナノバブル（直径が例えば１μｍ未満）が含まれる。マイクロバブルは、水処理の分野における当業者がマイクロオーダーの気泡径と認識できる気泡としてもよい。また、ナノバブルは、水処理の分野における当業者がナノオーダーの気泡径と認識できる気泡としてもよい。微細気泡は、水中での滞留時間が長いこと、気泡単体として直径が大きくなりにくく他の気泡と合体しにくいこと、接触面積が大きく化学反応が生じやすいこと等、通常の気泡とは異なった性質を有する。

なお、微細気泡としては、直径１００μｍ以上の気泡（ミリバブルなど）を少しの割合で含むものでもよい。例えば、直径１００μｍ以下の割合が９０％以上のものを微細気泡と定義してもよい。これに加えて、直径６０μｍ以下の割合が５０％以上、直径２０μｍ以下の割合が５％以上などの条件を加えてもよい。また、気泡の直径（気泡径）を測定する際には、例えば、高速度カメラで微細気泡を含む硬水を直接撮影して、画像処理により３点法で気泡径を算出してもよく、あるいは、それ以外の任意の方法で測定してもよい。気泡径を測定するタイミングは、微細気泡が滞留している時間であれば任意のタイミングであってもよい。なお、前述した高速度カメラを用いた測定方法の条件の一例は、以下の通りである。

高速度カメラ ：ＦＡＳＴＣＡＭ １０２４ ＰＣＩ (株式会社フォトロン)
レンズシステム ：Ｚ１６ ＡＰＯ (Ｌｅｉｃａ社)
対物レンズ ：Ｐｌａｎａｐｏ ２．０ｘ(Ｌｅｉｃａ社)
撮影速度 ：１０００ｆｐｓ
シャッター速度 ：１／５０５０００ｓｅｃ
画像領域 ：１０２４×１０２４ ｐｉｘｅｌ（マイクロバブル撮影領域 １．４２ｍｍ×１．４２ｍｍ、ミリバブル撮影領域 ５．６９ｍｍ×５．６９ｍｍ）
画像処理ソフト ：Ｉｍａｇｅ－Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ (Ｍｅｄｉａ Ｃｙｂｅｒｍｅｔｉｃｓ社)

実施の形態１において、微細気泡発生部３Ｂには、イオン除去用ガス供給部７と溶解剤供給部８とがガス切替機構９を介して接続されている。

イオン除去用ガス供給部７は、硬水中の金属イオンを除去するイオン除去用ガスを微細気泡発生部３Ｂに供給するように構成されている。実施の形態１において、イオン除去用ガス供給部７は、イオン除去用ガスとして「空気」あるいは「オゾンガス」を微細気泡発生部３Ｂに供給可能に構成されている。特にイオン除去用ガスとして「オゾンガス」を用いた場合の原理については、実施の形態４でより詳細に説明する。なお、イオン除去用ガス供給部７は、例えば、イオン除去用ガスが充填されたタンクを備えてもよい。また、イオン除去用ガス供給部７は、イオン除去用ガスを生成する装置であってもよい。さらに、イオン除去用ガス供給部７は、イオン除去用供給源に接続される装置であってもよい。

溶解剤供給部８は、硬水中から除去された金属イオンを結晶化して析出した金属成分の結晶を溶解させる溶解剤の一例である溶解用ガスを微細気泡発生部３Ｂに供給するように構成されている。実施の形態１において、溶解剤供給部８は、溶解用ガスとして「二酸化炭素（ＣＯ_２）」を微細気泡発生部３Ｂに供給するように構成されている。溶解剤供給部８は、分離装置４に溶解剤を供給できるように、分離装置４よりも硬水の流れ方向の上流側に配置されている。なお、溶解剤供給部８は、例えば、溶解剤が充填されたタンクを備えてもよい。また、溶解剤供給部８は、溶解剤を生成する装置であってもよい。さらに、溶解剤供給部８は、溶解剤供給源に接続される装置であってもよい。

ガス切替機構９は、イオン除去用ガス又は溶解用ガスのいずれか一方が微細気泡発生部３Ｂに供給されるように切り替える機構である。ガス切替機構９を切り替えることにより、イオン除去用ガスによる軟水化処理と溶解用ガスによる再生処理とを選択的に行うことができる。ガス切替機構９は、例えば、１以上の弁によって構成されている。ガス切替機構９の切替動作は、制御部６により制御される。

微細気泡発生部３Ｂは、イオン除去用ガスが供給されるようにガス切替機構９が切り替えられたとき、イオン除去用ガスを含む微細気泡を発生させる。この微細気泡が硬水中から金属イオンを除去して金属成分の結晶を分離することにより、硬水が軟水化処理される。軟水化処理の原理については、後で詳しく説明する。

一方、微細気泡発生部３Ｂは、溶解用ガスが供給されるようにガス切替機構９が切り替えられたとき、溶解用ガスを含む微細気泡を発生させる。この微細気泡により、後述するように分離装置４に付着した金属成分の結晶を溶解させて再生処理することができる。再生処理の原理については、後で詳しく説明する。

分離装置４は、硬水収容部３Ａの上方外周部に設けられた接続流路３Ｃを介してイオン除去装置３に接続されている。分離装置４は、イオン除去装置３によって硬水中から除去された金属イオンを結晶化して析出した金属成分の結晶を分離する装置である。イオン除去装置３及び分離装置４により、硬水中における金属イオンの濃度（硬度）を所定濃度以下まで低下させて、軟水を製造することが可能になる。なお、硬水及び軟水の定義としては、例えば、ＷＨＯの定義を用いてもよい。すなわち、硬度１２０ｍｇ／Ｌ未満を軟水と定義し、硬度１２０ｍｇ／Ｌ以上を硬水と定義してもよい。

実施の形態１において、分離装置４は、下方に向けて直径が小さくなるテーパ状の内周面４Ａａを有し、硬水が内周面４Ａａに沿って下方に向けて螺旋状に流れることによって金属成分の結晶を分離するサイクロン方式の遠心分離装置である。実施の形態１において、分離装置４は、内周面４Ａａを有する分離部４Ａと、金属成分の結晶を貯留する結晶貯留部４Ｂとを備えている。

分離部４Ａには、分離部４Ａの中心軸から偏心した方向にイオン除去装置３を通過した水を吐出するように接続流路３Ｃが接続されている。このような偏心配置により、分離部４Ａ内に吐出される水は、内周面４Ａａに沿って下方に向けて螺旋状に流れる。硬水中から除去された比重の大きな金属イオンは、遠心分離によって内周面４Ａａ側に移動し、内周面４Ａａの近傍で金属成分の結晶として析出する。当該結晶の一部は内周面４Ａａに付着する。

結晶貯留部４Ｂは、分離部４Ａの下方に配置されている。結晶貯留部４Ｂは、金属成分の結晶を含む水を排出する排出流路４Ｂａを備えている。排出流路４Ｂａには、排出流路４Ｂａを開閉可能な開閉弁１０が設けられている。開閉弁１０の開閉動作は、制御部６により制御される。また、排出流路４Ｂａの開閉弁１０よりも排出方向の下流側には、排出側逆流防止機構１１が設けられている。

排出側逆流防止機構１１は、金属成分の結晶が分離装置４内に逆流するのを防止する機構である。この排出側逆流防止機構１１により、硬水から金属成分の結晶が分離された処理水（軟水）に、再び金属成分の結晶が混入することを抑えることができる。排出側逆流防止機構１１は、例えば、１以上の逆止弁で構成されている。また、排出側逆流防止機構１１は、例えば、バキュームブレーカで構成されてもよい。さらに、排出側逆流防止機構１１は、排出流路４Ｂａの出口に吐水口空間を設けて逆流を防止するように構成されてもよい。

二次側流路５は、分離装置４に接続されている。二次側流路５は、金属成分の結晶が分離された処理水を分離装置４から取り出す流路である。実施の形態１において、分離装置４はサイクロン方式の遠心分離装置であるので、金属成分の結晶を内周面４Ａａの近傍に集めることができる。二次側流路５内に金属成分の結晶が侵入するのを抑えるため、二次側流路５は、内周面４Ａａから離れた位置である分離部４Ａの上方中央部に接続されている。

二次側流路５を流れる処理水は、例えば、キッチン、浴室、トイレ、洗面などに供給される。処理水の使用により、一次側流路２から二次側流路５まで流れる液体の流量が急激に減少した場合、硬水中から金属イオンを遠心分離する速度が低下し、金属イオンの除去効率が低下することが起こり得る。また、金属成分の結晶が処理水中に混入することが起こり得る。

このため、実施の形態１において、分離装置４と一次側流路２とには、分離装置４により硬水から金属成分の結晶が分離された処理水の一部を一次側流路２に戻す戻し流路１２が接続されている。すなわち、一次側流路２とイオン除去装置３と分離装置４と戻し流路１２とで循環流路が構成されている。この循環流路により、一次側流路２から二次側流路５まで流れる液体の流量の変動をより安定化させて、金属イオンの除去効率の低下を抑えることができる。また、ポンプＰを駆動することにより、強制的に循環流路内で液体を循環させることで、当該液体の流量の変動をより安定化させて、金属イオンの除去効率の低下を抑えることができる。また、金属成分の結晶が処理水中に混入することを抑えることができる。

なお、循環流路を流れる液体の流量は、軟水の使用流量以上（例えば、２リットル／分）であることが好ましい。循環流路を流れる液体の流量が軟水の使用流量よりも大きければ大きいほど、液体の流量の変動をより安定化させて、安定して軟水を製造することができる。また、循環流路は、密閉系であることが好ましい。これにより、循環流路内に空気が取り込まれることを抑えて、液体の流量の変動をより安定化させることができる。

実施の形態１において、戻し流路１２の一端部１２ａは、分離部４Ａの中心軸側で開口している。これにより、内周面４Ａａの近傍に析出する金属成分の結晶が戻し流路１２内に侵入するのを抑えている。また、イオン除去装置３の接続流路３Ｃは、戻し流路１２の一端部１２ａよりも下方で分離部４Ａに接続されている。すなわち、戻し流路１２の一端部１２ａは、金属イオンが除去された硬水が下方に向けて螺旋状に吐出される接続流路３Ｃの出口よりも上方に位置する。これにより、内周面４Ａａの近傍に析出する金属成分の結晶が戻し流路１２内に侵入するのをさらに抑えている。

また、一次側流路２には、供給側逆流防止機構１３が設けられている。供給側逆流防止機構１３は、微細気泡や処理水が硬水の供給側に逆流するのを防止する機構である。供給側逆流防止機構１３は、例えば、１以上の逆止弁で構成されている。実施の形態１において、供給側逆流防止機構１３は、戻し流路１２よりも一次側流路２の硬水の流れ方向の上流側に設けられている。これにより、微細気泡や処理水などが硬水の供給側に逆流するのをより確実に防止することができる。

また、例えば、イオン除去装置３が故障するなどしてメンテナンスが必要な場合、当該メンテナンス中は水の使用ができなくなる。このため、実施の形態１において、一次側流路２と二次側流路５とは、バイパス流路１４により接続されている。また、イオン除去システム１は、一次側流路２を流れる硬水の流れ方向を、イオン除去装置３又はバイパス流路１４のいずれか一方へ向けるように切り替える流れ切替機構を備えている。当該流れ切替機構を切り替えることにより、一次側流路２を流れる硬水をバイパス流路１４を通じて二次側流路５に流すことができるので、メンテナンス中でも硬水の使用を可能にすることができる。また、メンテナンス中でなくても、流れ切替機構を切り替えることにより、硬水と処理水（軟水）とを選択的に使用することが可能になる。

実施の形態１において、流れ切替機構は、一次側流路２を開閉可能な第１弁１５Ａと、二次側流路５を開閉可能な第２弁１５Ｂと、バイパス流路１４を開閉可能な第３弁１５Ｃとを備えている。第１弁１５Ａ、第２弁１５Ｂ、及び第３弁１５Ｃの開閉動作は、制御部６により制御される。

制御部６は、第１弁１５Ａ及び第２弁１５Ｂを開放するとともに第３弁１５Ｃを閉塞する第１制御と、第１弁１５Ａ及び第２弁１５Ｂを閉塞するとともに第３弁１５Ｃを開放する第２制御とを選択的に実行するように構成されている。制御部６が第１制御を実行することで、一次側流路２を流れる硬水がイオン除去装置３へ流れて軟水化処理され、二次側流路５に流入する。これにより、二次側流路５の出口には処理水（軟水）が吐水されることになる。また、制御部６が第２制御を実行することで、一次側流路２を流れる硬水が、バイパス流路１４を通じて二次側流路５に流入する。これにより、二次側流路５の出口には硬水が吐水されることになる。すなわち、制御部６が第１制御又は第２制御を実行することで、二次側流路５の出口から硬水又は処理水（軟水）を選択的に吐水させることができる。

実施の形態１ではさらに、紫外線照射器１６が設けられている。紫外線照射器１６は、硬水収容部３Ａの硬水に紫外線を照射する部材である。実施の形態１の紫外線照射器１６は、硬水収容部３Ａ内において鉛直方向に延びる略円柱状の部材として設けられている。

図１ＡのＡ－Ａ断面図を図１Ｂに示す。図１Ｂに示すように、紫外線照射器１６は硬水収容部３Ａの中央部に設けられており、矢印Ｐで示すように、硬水収容部３Ａの外周部４９に向かって紫外線を照射するように構成されている。これにより、硬水中の微細気泡Ｘに対して紫外線を照射することが可能である。

＜軟水化処理＞
次に、微細気泡による軟水化処理の原理についてより詳しく説明する。

空気を含む微細気泡が硬水中に供給されることで、硬水中の金属イオンに対して以下の（１）、（２）の欄に記載するような作用が生じると推測される。具体的には、硬水中の金属イオンを微細気泡に吸着させるとともに、吸着した金属イオンを結晶化させて、硬水中から金属成分の結晶を除去することができると推測される。より具体的には、以下の通りである。なお、以下の（１）、（２）の欄に記載する特定の原理に拘束される訳ではない。

（１）金属イオンの吸着
図２に示すように、空気を含む微細気泡が硬水中に供給されると、微細気泡の表面にはＨ^＋（水素イオン）とＯＨ^－（水酸化物イオン）が混在し、Ｈ^＋は正の電荷に帯電し、ＯＨ^－は負の電荷に帯電する（図２ではＯＨ^－のみを図示）。一方で、硬水中には、正の電荷に帯電した金属イオンとして、Ｃａ^２＋及びＭｇ^２＋が存在する。以降の説明では、金属イオンとしてＣａ^２＋を例として説明する。

正の電荷を持つＣａ^２＋は、分子間力の作用（イオン間相互作用）によって、微細気泡の表面に存在するＯＨ^－に吸着される。このようにしてＣａ^２＋を微細気泡に吸着させることができる。なお、微細気泡の表面にはＣａ^２＋に反発するＨ^＋が存在するが、Ｈ^＋よりもＯＨ^－が優先的に作用してＣａ^２＋を吸着すると考えられる。この「金属イオンの吸着」は、主としてイオン除去装置３内で行われる。

（２）金属イオンの結晶化
図２で示した反応に加えて、空気を含む微細気泡を硬水中に供給することにより、図３で示す反応が促進される。具体的には、硬水中に供給された微細気泡は通常の気泡とは異なり浮上しにくく、硬水中に溶け出していくため、表面張力が増加して、図３に示すように徐々に収縮していく。前述したように、微細気泡の表面にはＣａ^２＋が吸着されている。より具体的には、可溶性のＣａ（ＨＣＯ_３）_２（炭酸水素カルシウム）のカルシウムイオンとして存在している。ここで、微細気泡が徐々に収縮していくと、微細気泡の表面におけるＣａ^２＋の溶解濃度が上昇する。溶解濃度の上昇により、ある時点で過飽和の状態となり、Ｃａ^２＋が結晶化して析出する。具体的な化学式で表すと、以下の式１の通りである。

（式１）
Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２→ＣａＣＯ_３＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ

ＣａＣＯ_３（炭酸カルシウム）は不溶性（非水溶性）であるため、金属成分の結晶として析出する。これにより、Ｃａ（ＨＣＯ３）_２のＣａ^２＋として溶解していたものが、金属成分の結晶として析出される。このような反応が促進されることにより、硬水中から金属イオンのＣａ^２＋を結晶化して析出したＣａＣＯ_３を分離することができる。この「金属イオンの結晶化」は、主として分離装置４の分離部４Ａ内で行われる。

なお、同じ水の中で式１とは逆向きの反応も生じうるが、微細気泡を継続的に供給することにより、当該平衡関係において式１の向きの反応が優先的に行われるものと推測される。

実施の形態１において、分離装置４はサイクロン方式の遠心分離装置であるので、金属成分の結晶は、分離部４Ａの内周面４Ａａの近傍に析出し、結晶貯留部４Ｂに貯留される。結晶貯留部４Ｂに貯留された金属成分の結晶は、開閉弁１０が開放されることにより、排出流路４Ｂａを通じて排出される。このようにして、硬水中から金属成分の結晶を分離することで、硬水を軟水化することができる。

さらに実施の形態１では、紫外線照射器１６により硬水収容部３Ａ内の硬水に紫外線を照射している。これにより、以下の式Ａに示す反応が促進されるものと考えられる。

（式Ａ）
Ｏ（^１Ｄ）＋Ｈ_２Ｏ→２ＯＨ^－

式Ａにおいて、Ｏ（^１Ｄ）は、励起状態の酸素原子である。Ｏ（^１Ｄ）は、紫外線が硬水中の酸素成分（オゾン等）と反応することにより生じる。式Ａに示すように、Ｏ（^１Ｄ）が水と反応することにより、硬水中におけるＯＨ^－の量が増加する。これにより、図２を用いて説明したようなＯＨ^－によるＣａ^２＋の吸着効果を増大させることができ、金属イオンの除去を促進することができる。

＜再生処理＞
次に、微細気泡による再生処理の原理についてより詳しく説明する。

軟水化処理を行うことで、金属イオンを結晶化して析出したＣａＣＯ_３の一部は、分離部４Ａの内周面４Ａａに付着する。このＣａＣＯ_３をＣａ（ＨＣＯ３）_２に戻すための処理として、再生処理を行う。具体的には、微細気泡発生部３Ｂが、軟水化処理時とは異なる気体である二酸化炭素を含む微細気泡を発生させる。

図４に示すように、分離部４Ａの内周面４Ａａに付着したＣａＣＯ_３に対して二酸化炭素の微細気泡を供給することで、以下の反応が促進される。

（式２）
ＣａＣＯ_３＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２

当該反応により、不溶性のＣａＣＯ_３から可溶性（水溶性）のＣａ（ＨＣＯ_３）_２が生成される。Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２は水の中に溶け出していき、結晶貯留部４Ｂに移動する。結晶貯留部４Ｂに移動したＣａ（ＨＣＯ_３）_２は、開閉弁１０が開放されることにより、排出流路４Ｂａを通じて排出される。これにより、分離部４Ａの内周面４Ａａに付着していた不溶性のＣａＣＯ_３を外部に排出し、元の状態に戻すことができる。その後、前述した軟水化処理を改めて実施することができる。

なお、前記では、金属イオンとしてＣａ^２＋を例として説明したが、Ｍｇ^２＋についても同様の反応が起こると推測される。

前述したように、イオン交換樹脂を用いて硬水中から金属イオンを除去するようにした場合には、イオン交換樹脂を再生するのに大量の塩水を必要とする。これに対して、実施の形態１のイオン除去システム１によれば、微細気泡を用いて硬水中から金属イオンを除去するので、イオン交換樹脂を再生するのに必要な大量の塩水を不要することができる。これにより、再生処理を簡単にして、メンテナンスを容易にすることができる。また、塩水を含む再生排水も生じないため、土壌汚染や下水処理の負荷を抑えることができ、環境性を向上させることができる。さらに、処理水におけるナトリウムイオンの濃度も高くならないため、生成した処理水を飲用水として使用することができる。

また、実施の形態１のイオン除去システム１によれば、イオン除去用ガスとして空気を用いるので、微細気泡の発生にかかるコストを極めて低く抑えることができる。

さらに、実施の形態１のイオン除去システム１によれば、硬水中から金属イオンを除去した後に、溶解用ガスとして二酸化炭素の微細気泡を供給することで、再生処理を行う。これにより、不溶性のＣａＣＯ_３から可溶性のＣａ（ＨＣＯ_３）_２を生成する反応を促進することができ、再生処理を促進することができる。

（実験例１）
次に、微細気泡による軟水化処理の原理を確認するために行った実験例１について説明する。ここでは、図５Ａ、５Ｂに示す装置２０を用いて実験を行った。

図５Ａ、５Ｂは、実験例１で用いる装置２０の概略構成を示す図である。図５Ａは、微細気泡を発生させてから所定時間経過後（具体的には１５秒経過後）の状態を示し、図５Ｂは、図５Ａに示す状態からさらに所定時間経過後（具体的には４５秒経過後）の状態を示す。図５Ａの状態は、図６における微細気泡発生からの経過時間が１５秒の状態に対応し、図５Ｂの状態は、図６における微細気泡発生からの経過時間が６０秒の状態に対応する。

図５Ａ、５Ｂに示す装置２０は、硬水２１を収容する水槽２２（硬水収容部）において底面側から微細気泡２３を供給可能とする実験装置である。装置２０では、硬水２１中における金属イオンの濃度を底面側と水面側の２箇所で測定することができる。このような装置２０を用いて水槽２２内に微細気泡２３を供給し、底面側と水面側の金属イオンの濃度推移を検出したところ、図６に示す結果が得られた。

図６に示す結果により、前述した「微細気泡による金属イオンの吸着」の効果を実証することができた。具体的な結果については後述する。

図５Ａ、５Ｂに示すように、装置２０は、水槽２２と、ガス供給部２４と、第１配管２５と、微細気泡発生部２６と、第２配管２７と、ポンプ２８と、第１取水部３０と、第２取水部３２と、金属イオン濃度検出器３４とを備えている。

水槽２２は、硬水２１を収容する水槽である。図５Ａ、５Ｂに示す例では、水槽２２は上下方向に長い槽として構成されている。ガス供給部２４は、第１配管２５を介して微細気泡発生部２６にガスを供給する部材である。微細気泡発生部２６は、ガス供給部２４から供給されるガスをもとに微細気泡２３を発生させる装置である。微細気泡発生部２６は、前述した微細気泡発生部３Ｂに対応する。ガス供給部２４から微細気泡発生部２６へのガスの供給は、ポンプ２８による第２配管２７を介した負圧作用により行われる。

第１取水部３０は、水槽２２の底面２２ａ付近から硬水２１のサンプル水を取水する部材である。第２取水部３２は、水槽２２の水面２２ｂ付近からサンプル水を取水する部材である。第１取水部３０及び第２取水部３２の高さ位置は任意の位置に設定してもよく、第１取水部３０から第２取水部３２までの距離Ｄ１を所望の値に調整することができる。

図５Ａ、５Ｂに示す例では、第１取水部３０の高さ位置は、微細気泡発生部２６が微細気泡２３を発生させる高さ位置と略同じ位置に設定されている。

金属イオン濃度検出器３４は、第１取水部３０及び第２取水部３２から取水されたサンプル水における金属イオンの濃度を検出する部材である。

前記構成において微細気泡発生部２６及びポンプ２８を運転すると、ポンプ２８による第２配管２７を介した負圧作用により、ガス供給部２４から第１配管２５を介して微細気泡発生部２６へガスが送られる。このガスを原料として微細気泡発生部２６は微細気泡２３を発生させ、水槽２２へ供給する（図５Ａの矢印Ａ１）。

微細気泡発生部２６及びポンプ２８を所定期間運転させて（実験例１では１５秒）、微細気泡２３を継続的に発生させる。

その後、微細気泡発生部２６及びポンプ２８の運転を停止する。運転停止後、所定の休止期間を設ける（実験例１では４５秒）。

図５Ａに示すように、運転期間の終了時（微細気泡発生から１５秒後）には、水槽２２内に供給された微細気泡２３が硬水２１内を上昇して（矢印Ａ２）、水槽２２の下方部分に滞留していることが目視により確認された。

図５Ｂに示すように、休止期間の終了時（微細気泡発生から６０秒後）には、硬水２１中に供給された微細気泡２３がさらに上昇して水面２２ｂまで到達し（矢印Ａ３）、水槽２２の上方部分に滞留していることが目視により確認された。

前記運転中における所定のタイミングで第１取水部３０及び第２取水部３２からサンプル水を取り出し、金属イオン濃度検出器３４により金属イオンの濃度を測定した結果を図６に示す。

図６の結果に関する具体的な実験条件を以下に記載する。

（実験条件）
ガス供給部２４が供給するガスの種類： 空気
硬水２１の硬度： 約３００ｍｇ／Ｌ
硬水２１の温度： ２５℃
第１取水部３０から第２取水部３２までの距離Ｄ１： 約１ｍ
微細気泡発生部２６及びポンプ２８の運転期間： １５秒
微細気泡発生部２６及びポンプ２８の休止期間： ４５秒
金属イオン濃度検出器３４： 堀場製作所製・LAQUA F-70
測定対象の金属イオン： Ｃａ^２＋
サンプル水の取出タイミング：運転開始から０秒後、１５秒後、３０秒後、６０秒後

図６は、横軸に微細気泡発生からの経過時間（秒）を表し、縦軸に金属イオン濃度検出器３４で検出した金属イオン（Ｃａ^２＋）の濃度推移（％）を表す。金属イオンの濃度推移は、運転開始時に測定した金属イオン濃度を１００％としたときの金属イオン濃度の推移を表すものである。

図６に示すように、水槽２２の底面２２ａ付近で第１取水部３０から抽出されたサンプル水の濃度は、１５秒経過時には約１０８％まで上昇している。その後の休止期間では徐々に減少し、最終的には約９７％まで漸減している。

一方、水槽２２の水面２２ｂ付近で第２取水部３２から抽出されたサンプル水の濃度は、１５秒経過時までほぼ１００％を維持した後、その後の休止期間では徐々に増加し、最終的には約１１５％まで漸増している。

前記金属イオンの濃度推移の結果と、微細気泡２３の挙動とを関連付けると、以下の通りである。

図５Ａに示す１５秒経過時においては、微細気泡２３が滞留している第１取水部３０のサンプル水では金属イオン濃度が上昇している。一方で、微細気泡２３が滞留していない第２取水部３２のサンプル水では金属イオン濃度がほとんど変化していない。

図５Ｂに示す６０秒経過時においては、微細気泡２３が滞留していない第１取水部３０のサンプル水では金属イオン濃度が１００％弱まで減少している。一方で、微細気泡２３が滞留している第２取水部３２のサンプル水では金属イオン濃度が大幅に上昇している。

このような結果によれば、硬水２１中の金属イオンであるＣａ^２＋は微細気泡２３によって吸着され、微細気泡２３の上昇に伴ってともに上昇していると推測される。

前記推測に基づき、前述した「微細気泡による金属イオンの吸着」の効果を実証することができた。

（実施の形態２）
本発明に係る実施の形態２のイオン除去システムについて説明する。なお、実施の形態２では、主に実施の形態１と異なる点について説明する。実施の形態２においては、実施の形態１と同一又は同等の構成については同じ符号を付して説明する。また、実施の形態２では、実施の形態１と重複する記載は省略する。

実施の形態２では、軟水化処理における微細気泡の気体として、空気ではなく窒素を用いる点が、実施の形態１と異なる。

微細気泡発生部３Ｂから窒素の微細気泡を発生させて硬水中に供給することで、前述した「（１）金属イオンの吸着」、「（２）金属イオンの結晶化」の作用に加えて、以下の（３）、（４）の欄に記載するような作用が促進されると推測される。なお、以下の（３）、（４）の欄に記載する特定の原理に拘束される訳ではない。

（３）金属イオンの吸着の促進
図７（ａ）に示すように、微細気泡の周囲には、Ｈ^＋とＯＨ^－が帯電している。前述したように、負の電荷に帯電したＯＨ^－には、正の電荷に帯電したＣａ^２＋が吸着される。このような状況下で、微細気泡として窒素を用いた場合、以下の式３の反応が促進される。

（式３）
Ｎ_２+６Ｈ^＋＋６e^-→２ＮＨ_３
ＮＨ_３＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_４ ^＋＋ＯＨ^－

式３の反応が促進されることにより、図７（ｂ）に示すように、ＯＨ^－イオンの数に対してＨ^＋イオンの数が減少する。これにより、微細気泡としては負の電荷が強くなり、正の電荷をもつＣａ^２＋が吸着されやすくなる。

実施の形態２のように窒素を用いた場合では、実施の形態１のように空気を用いた場合と比較して、前記式３の反応を促進できるため、金属イオンの吸着がより促進される。これにより、硬水中からより多くの金属イオンを分離して除去することができる。

なお、前記原理は窒素に限らず、Ｈ^＋イオンと反応し、ＯＨ^－イオンの数に対してＨ^＋イオンの数を減少させることができる気体であれば、同様に当てはまると推測される。

（４）金属イオンの結晶化の促進
窒素は、空気とは異なる不活性ガスであるため、硬水中に供給されたときに、硬水中に含まれる気体の分圧のバランスが崩れた状態となる。これにより、図８に示すような反応が促進される。

図８に示すように、窒素で構成される微細気泡に対して、硬水中に溶けた他の気体成分が置き換わろうと作用する。図８に示す例では、微細気泡の周囲に存在するＣａ（ＨＣＯ_３）_２にＣＯ_２が含まれており、このＣＯ_２が抽出されて窒素に置き換わろうと作用する。すなわち、以下の反応が促進される。

（式４）
Ｃａ（ＨＣＯ_３）_２→ＣａＣＯ_３＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ

このように、可溶性のＣａ（ＨＣＯ_３）_２から不溶性のＣａＣＯ_３が生じる反応が生じる。このとき、ＣＯ_２とＨ_２Ｏが生じる。ＣａＣＯ_３は不溶性であるため、金属成分の結晶として析出する。

前記反応により、硬水中にＣａ（ＨＣＯ_３）_２のＣａ^２＋として含まれていた金属イオンを結晶化して析出させることができる。これにより、硬水中から金属成分の結晶を除去することができる。

なお、前記原理は窒素に限らず、硬水中に溶けている気体の分圧のバランスを崩れさせる空気以外の気体であれば、同様に当てはまると推測される。

前述したように、実施の形態２では、窒素を取り込んで微細気泡を発生させて硬水中に供給することで、空気を用いた場合に比べて、「（３）金属イオンの吸着の促進」、「（４）金属イオンの結晶化の促進」の欄で説明した反応を促進することができる。これにより、硬水中から金属イオンを除去する精度を向上させることができる。

（実施の形態３）
本発明に係る実施の形態３のイオン除去システムによる金属イオンの除去方法について説明する。なお、実施の形態３では、主に実施の形態１、２と異なる点について説明し、実施の形態１、２と重複する記載は省略する。

実施の形態１、２では、微細気泡発生部３Ｂが空気を含む微細気泡を発生させるのに対して、実施の形態３では、複数種類の気体を混合した混合ガスを含む微細気泡を発生させる点が、実施の形態１、２と異なる。

実施の形態３では、微細気泡を発生させるための混合ガスとして、塩基性ガスである第１のガスと、第１のガスに比べて溶解速度が遅い性質のガスである第２のガスの２種類のガスを混合したものを用いる。すなわち、図１に示すイオン除去用ガス供給部７は、イオン除去用ガスとして、第１のガスと第２のガスを混合した混合ガスを微細気泡発生部３Ｂに供給する。

第１のガスと第２のガスとを含む混合ガスにより微細気泡を発生させることで、前述した「（１）金属イオンの吸着」、「（２）金属イオンの結晶化」の作用に加えて、以下の（５）、（６）の欄に記載するような作用が促進されると推測される。なお、以下の（５）、（６）の欄に記載する特定の原理に拘束される訳ではない。

（５）第１のガスによる微細気泡表面の電位変化
混合ガスに含まれる第１のガスは、酸塩基反応でＨ^＋を受け取る塩基性ガスである。第１のガスは水に溶けることで、ＯＨ^－を生じさせる。具体的には、以下の式５－１の反応を生じさせる。

（式５－１）
Ｘ＋Ｈ_２Ｏ→ＸＨ^＋＋ＯＨ^－

式５－１では、第１のガスを化学式Ｘで表している。式５－１の反応が生じることで、図９に示すように、微細気泡４０の周囲に存在するＯＨ^－の割合が、Ｈ^＋の割合に比べて増加する（図９ではＨ^＋の図示を省略している）。固体－液体の界面の電位は水中のＨ＋／ＯＨ^－が電位決定イオンであるため水質のｐＨの依存が強く、Ｈ^＋が多くなると正の電荷が強くなり、ＯＨ^－が多くなると負の電荷が強くなる。これにより、微細気泡４０としては負の電荷が強くなり、正の電荷をもつＣａ^２＋が吸着されやすくなる。このようにして、微細気泡４０による金属イオンの吸着効果を向上させることができる。

さらに実施の形態３では、第１のガスとして塩基性ガスのアンモニアを用いている。アンモニアを用いた場合、前述した式５は以下の式６に具体化される。

（式６）
ＮＨ_３＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_４ ^＋＋ＯＨ^－

水への溶解度が高く汎用的な気体であるアンモニアを用いて微細気泡４０を発生させることで、前述した金属イオンの吸着効果を向上させながら微細気泡４０の発生コストを低減することができる。

なお、前記原理はアンモニアに限らず、塩基性ガスであれば、同様に当てはまると推測される。このような塩基性ガスとしては例えば、メチルアミン、エチルアミン、プロピルアミン、イソプロピルアミン、ブチルアミン、ヘキシルアミン、シクロヘキシルアミン、ジメチルアミン、ジエチルアミン、ジイソプロピルアミン、ジプロピルアミン、ジ－ｎ―ブチルアミン、エタノールアミン、ジエチルエタノールアミン、ジメチルエタノールアミン、エチレンジアミン、ジメチルアミノプロピルアミン、Ｎ．Ｎ―ジメチルエチルアミン、トリメチルアミン、トリエチルアミン、テトラメチレンジアミン、ジエチレントリアミン、プロピレンイミン、ペンタメチレンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、モルホリン、Ｎ―メチルモルホリン、Ｎ―エチルモルホリンが挙げられる。

また、式５－１に示す通り、Ｘは塩基性ガスに限らず、水（Ｈ_２Ｏ）と反応して水酸基イオン（ＯＨ^－）を供与する「水酸基イオン供与ガス」であれば、同様の効果を奏すると考えられる。水酸基イオン供与ガスとしては、例えば、可溶性のオゾンガス（Ｏ_３）が挙げられる。オゾンガスを水に供給した場合、前記式５－１に類似する以下の式５－２に示す反応が生じると考えられる。

（式５－２）
Ｏ_３＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－→Ｏ_２＋２ＯＨ^－

前記式５－２によれば、以下の式５－３に示す反応を生じさせる水酸基イオン供与ガス「Ｘ」も同様の効果を奏すると考えられる。

（式５－３）
ＸＯ＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－→Ｘ＋２ＯＨ^－

なお、オゾンに関しては実験例６で説明する。

（６）第２のガスによる微細気泡の維持
「（５）第１のガスによる微細気泡表面の電位変化」の欄で説明したように、混合ガスに含まれる塩基性ガスである第１のガスは水に溶解して、微細気泡４０の表面におけるＯＨ^－の割合を増加させる。このような第１のガスに対して、第１のガスに比べて溶解速度が遅い性質のガスである第２のガスを混合している。このような第２のガスを混合することで、第１のガスが水に溶けた状態でも微細気泡４０の全体が水に溶けることが防止され、微細気泡４０の状態を維持することができる。微細気泡４０の状態を維持することで、実施の形態１、２で説明した微細気泡に由来するＣａ^２＋イオンの吸着効果を維持することができる。

実施の形態３では、第２のガスとして窒素を用いている。人体に無害で汎用的な気体である窒素を用いて微細気泡４０を発生させることで、安全性を担保しながら微細気泡４０の発生コストを低減することができる。また、窒素は非水溶性ガス（非可溶性ガス）であるため、微細気泡４０の状態を維持する効果をより効果的に発揮することができる。

前記原理は窒素に限らず、塩基性ガスである第１のガスに比べて溶解速度が遅い性質のガスであれば、同様に当てはまると推測される。なお、第２のガスを選択する際には、温度及び圧力を含む条件が同一条件下で水への溶解速度（溶解度）が第１のガスよりも遅い（低い）ものを選択してもよい。このような第２のガスとしては、例えば、溶解度が低い順に、窒素、水素、一酸化炭素、ブタン、酸素、メタン、プロパン、エタン、一酸化窒素、エチレン、プロペン、アセチレン、二酸化炭素が挙げられる。この中でも特に、一酸化窒素、酸素、水素などの非水溶性ガスを用いた場合、微細気泡４０の状態を維持する効果をより効果的に発揮することができる。

なお、「（３）金属イオンの吸着の促進」、「（４）金属イオンの結晶化の促進」の欄では、図７、図８を用いて、窒素が硬水中に溶けていくことについて説明したが、この反応も同時に起こっているものと考えられる。窒素は非水溶性であるために水に溶けにくく、微細気泡４０の状態を維持する作用を強く発揮するが、水に溶ける分も少なからず存在する。よって、「（３）金属イオンの吸着の促進」、「（４）金属イオンの結晶化の促進」の欄で説明した窒素が水に溶ける現象も少なからず、「（６）第２のガスによる微細気泡の維持」の欄で説明した窒素が微細気泡を維持する現象と同時に起こるものと考えられる。

前述したように、本実施の形態３の微細気泡発生部は、水と反応して水酸基イオンを供与する第１のガスと、第１のガスに比べて溶解速度が遅い性質の第２のガスとを混合した混合ガスによる微細気泡４０を発生させる。水酸基イオン供与ガスである第１のガスは水と反応して、微細気泡４０の表面におけるＯＨ^－の割合を増加させる。これにより、Ｃａ^２＋などの金属イオンを微細気泡４０に吸着させる効果を増加させることができる。さらに、第１のガスに比べて溶解速度が遅い性質の第２のガスを混合することで、微細気泡４０が完全に水に溶けてしまうことを防止し、微細気泡４０の状態を維持することができる。

また、本実施の形態３では、第１のガスは可溶性の塩基性ガス（アンモニア）である。このように塩基性ガスである第１のガスを先に水に溶かし、塩基性ガスに比べて溶解速度が遅い性質の第２のガスをマイナスに帯電させており、２つのガスの溶解速度の差を利用して前記効果を奏することができる。

微細気泡４０におけるアンモニアと窒素の混合割合は任意の値に設定してもよいが、例えば、アンモニアに対する窒素の混合割合が大きくなるように設定してもよい（例えば、アンモニア：窒素の物質量（体積比）が１：９９）。このような設定によれば、アンモニアの溶解によってＯＨ^－が増加する領域が微細気泡４０の表面近傍のみに留まり、微細気泡４０から離れた位置ではＯＨ^－の割合が変化しにくくなる。このようにして、微細気泡４０の表面近傍のみを変化させながら、水全体の水質を変えないようにすることができる。一方で、窒素の割合を多くすることで、微細気泡４０の状態をより長く維持することができる。このように、混合ガスにおいて、塩基性ガスである第１のガスの物質量よりも、塩基性ガスよりも溶解速度が遅い第２のガスの物質量を多く設定することで、前記効果を奏することができる。なお、同温、同圧の条件下では、物質量と体積は比例するものであるため、物質量と体積のいずれを用いて第１のガスと第２のガスとの混合割合を設定してもよい。

あるいは、窒素に対するアンモニアの混合割合が大きくなるように設定してもよい。このような設定によれば、硬水中に含まれる金属イオンをより結晶化して除去することができる。このような結晶化促進の原理については、実験例２－４で説明する。

また、実施の形態３では、アンモニアと窒素とを別々に微細気泡化してそれらを混合せずに別々に硬水に供給する供給形態とは異なり、アンモニアと窒素とを混合した混合ガスによる微細気泡４０を硬水に供給する。このような供給形態によれば、アンモニアが微細気泡４０から離れた位置で単体で溶解することが防止されるため、微細気泡４０の表面近傍のみでＯＨ^－を増加させるという機能を十分に発揮することができる。

次に、前述した第１のガスであるアンモニアと第２のガスである窒素とを混合した混合ガスによる微細気泡４０の金属イオンの吸着効果、特に、金属イオンを最終的に結晶化させるまでの仮説原理について、図１０の模式図を用いて説明する。

図１０に示すように、微細気泡４０を硬水中に供給すると、微細気泡４０を構成するアンモニアと窒素のうち、水溶性のアンモニアが周囲の水に溶解していく（アンモニアガス溶解）。これにより、「（５）第１のガスによる微細気泡表面の電位変化」の欄で説明したように、微細気泡４０の表面にＮＨ_４ ^＋が生じるとともに、ＯＨ^―の割合が増加する（表面濃縮）。このとき、Ｃａ^２＋イオンの吸着効果が増大している。

表面濃縮がさらに進むと、微細気泡４０の表面におけるＯＨ^－の濃度が最大になる。すなわち、微細気泡４０の表面におけるｐＨが最大となり、微細気泡４０のゼータ電位が最大となる（局所ｐＨ大、ゼータ電位大）。

前述した「アンモニアガス溶解」、「表面濃縮」、「局所ｐＨ大、ゼータ電位大」の状態では、Ｃａ^２＋は微細気泡４０に吸着された状態にある。このとき、Ｃａ^２＋を吸着した微細気泡４０を硬水から分離すれば、硬水中から金属イオンを除去することができる。

前記分離を行わなかった場合あるいは分離を行ったものの微細気泡４０として残ったものについて、微細気泡４０の表面で吸着されていたＣａ^２＋の結晶化が始まる。具体的には、Ｃａ^２＋が結晶化して結晶４２として析出される。さらに結晶４２の析出に伴って、微細気泡４０の消滅が始まる（消滅）。

Ｃａ^２＋の結晶化及び微細気泡４０の消滅が進むと、微細気泡４０の状態を維持していた非水溶性の窒素が溶存ガスとして水の中に拡散していく（溶存ガス拡散）。

前述した「消滅」、「溶存ガス拡散」の状態では、硬水中に金属イオンとして含まれていたものが結晶４２として析出している。このように析出した結晶４２を硬水から分離することで、硬水中の金属イオンを結晶化して除去することができる。

（実験例２－４）
次に、微細気泡４０におけるアンモニアと窒素の混合割合による金属成分の結晶化への影響を確認するために行った実験例２－４について説明する。ここでは、図１１に示す装置５０を用いて実験を行った。

図１１は、実験例２－４で用いる装置５０の概略構成を示す図である。図１１に示す装置５０は、混合ガス供給部５２と、処理槽５４と、第１の配管５６と、第２の配管５８と、採水バルブ６０と、採水器６２と、貯水タンク６４と、ポンプ６６と、流量調整バルブ６８と、流量計７０とを備えている。

混合ガス供給部５２は、処理槽５４に混合ガスを供給する部材である。混合ガス供給部５２は、アンモニア供給源７２と、窒素供給源７４と、混合比調整バルブ７６と、供給用配管７８と、微細気泡発生部８０とを備える。

混合ガス供給部５２は、アンモニア供給源７２と窒素供給源７４を用いて、アンモニア（第１のガス）と窒素（第２のガス）を混合した混合ガスを生成する。アンモニアと窒素の混合割合は、混合比調整バルブ７６によって任意の比率に設定可能である。混合ガスは供給用配管７８を通じて、処理槽５４の底部に設けられた微細気泡発生部８０に供給される。微細気泡発生部８０は混合ガスを微細気泡化する部材である。

処理槽５４は、処理対象の処理水として硬水を収容する槽（硬水収容部）である。処理槽５４の硬水中に混合ガスによる微細気泡を供給することにより、実施の形態３で説明した原理によって、硬水中から金属成分の除去、特に結晶化が行われる。処理後の処理水は第１の配管５６に送られる。第１の配管５６の途中には採水バルブ６０が設けられている。採水バルブ６０の開閉によって、第１の配管５６内を通る処理水の採水が行われる。採水された処理水は採水器６２に入れられる。

第１の配管５６は貯水タンク６４に接続されている。貯水タンク６４は処理水を貯留するタンクである。貯水タンク６４に貯留される処理水は、第２の配管５８を通じて処理槽５４に戻される。これにより処理水が循環する。

第２の配管５８には、ポンプ６６、流量調整バルブ６８、及び流量計７０が取り付けられている。ポンプ６６は、貯水タンク６４内の処理水を第２の配管５８に流す推進力を発生させる部材である。流量調整バルブ６８は、第２の配管５８を通る処理水の流量を調整するバルブである。流量計７０は、第２の配管５８に流れる処理水の流量を測定する機器である。

このような装置５０を用いて、ポンプ６６を連続運転しながら処理槽５４において硬水中の金属成分の除去処理を行うとともに、処理後の処理水を採水器６２から採取して、各種パラメータを測定した。実験例２－４では、処理水に含まれていた金属成分が結晶化する割合（結晶化率）について調査した。なお、本明細書における結晶化率とは、原子、分子が規則正しく周期的な配列で構成されたものに限らず、単に固体として析出した物質の割合を意味する。結晶化率は「析出率」と称してもよい。

実験例２－４で実際に処理した処理水を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した結果の例を図１２に示す。図１２に示すように、処理水８２の中に多数の結晶８４が析出している。

実験例２、３では、処理対象の処理水として硬水１を用いた。硬水１はエビアン（登録商標）・硬度約３００ｍｇ／Ｌである。実験例４では、硬水１、硬水２の２種類を用いた。硬水２はコントレックス（登録商標）・硬度約１４００ｍｇ／Ｌである。

（実験例２）
実験例２は前述した装置５０を用いて、ポンプ６６を動作させて硬水を処理槽５４に流入させながら、所定時間経過後の処理水を採水器６２にてサンプル水として採取したものである。実験例２では、混合ガスにおけるアンモニアと窒素の混合割合を変化させて、それぞれの混合割合における結晶化率の違いについて調査した。実験例２の具体的な実験条件を以下に示す。実験例２では、処理槽５４から第１の配管５６に供給される処理水は、採水器６２で採取されるもの以外は全て廃棄し、貯水タンク６４には供給しないようにした。

（実験条件）
処理水の種類： 硬水１
混合ガスにおけるアンモニアの混合比率： ０％（窒素のみ）、３０％、４０％ 、５０％、６０％、７０％、８０％ 、９０％、１００％（アンモニアの み）
処理水の流量： ２．６Ｌ／分
混合ガスの流量： ０．０３Ｌ／分
ポンプを動作させてから採取するまでの時間： ３分
サンプル水の測定項目： ｐＨ、Ｃａ硬度（ｍｇ／Ｌ）、全炭 酸濃度（ｍｇ／Ｌ）

サンプル水の測定項目については、採取したサンプル水をろ過することにより、サンプル水中に析出した金属成分の結晶を取り除いたもので測定を行った。Ｃａ硬度は、単位体積当たりの処理水に含まれるＣａ^２＋の含有量を炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）に換算した値である。ｐＨ、Ｃａ硬度、全炭酸濃度の測定には、それぞれ市販の計測器を用いた。

実験例２による実験結果を図１３Ａ、図１３Ｂに示す。

図１３Ａは、横軸に混合ガスにおけるアンモニアの混合比率（％）を表し、縦軸にサンプル水の結晶化率（％）を表す。図１３Ｂは、横軸にサンプル水のｐＨを表し、縦軸にサンプル水の結晶化率（％）を表す。

「結晶化率」は、（運転前のサンプル水のＣａ硬度―運転後のサンプル水のＣａ硬度）／運転前のサンプル水のＣａ硬度、により計算した。このように計算される結晶化率は、単位体積当たりのサンプル水においてどれだけの金属イオンが結晶化したかを表す。結晶化率が高いほど、サンプル水からより多くの金属イオンが結晶化したことを示す。

図１３Ａ、１３Ｂに示すように、アンモニアの混合比率が高くなるほど、結晶化率が上昇している。特にアンモニアの混合比率が７０％以上になると、結晶化率が飛躍的に上昇している。

図１３Ａ、１３Ｂに示すように、アンモニアの混合比率が高くなるほど、ｐＨも上昇していることがわかる。ただしｐＨは上昇しているが、最大でも８．５～９の間の値である。厚生労働省が定めている上水のｐＨ基準は５．８～８．６の範囲であり、アンモニアの混合比率が高い場合でもその範囲に近い値で推移していることがわかる。また薬機等法で規定されているアルカリイオン水の望ましい飲用範囲はｐＨ９～１０である。この範囲よりもｐＨの値を低く抑えることができているため、飲用水としても適していることがわかる。

アンモニアの混合比率が高い場合でもｐＨの上昇が過度に大きくならない要因としては、前述の図１０を用いて説明したように、処理水全体のｐＨを上昇させるのではなく、微細気泡４０周辺の局所ｐＨを主に上昇させている点にあると考えられる。

（実験例３）
実験例３は実験例２と同様に、前述した装置５０を用いて、ポンプ６６を動作させて硬水を処理槽５４に流入させながら、所定時間経過後の処理水を採水器６２にてサンプル水として採取したものである。実験例３では、混合ガスにおけるアンモニアの混合比率を７０％と１００％の２パターンのみ用いた。また、実験例２とは異なり、ポンプ６６の運転から所定間隔ごとにサンプル水を採取して各種パラメータを測定した。さらに、実験例２とは異なり、処理槽５４から第１の配管５６に供給される処理水は、採水器６２で採取されるもの以外は全て貯水タンク６４に戻して処理水を循環させた。実験例３の具体的な実験条件を以下に示す。

（実験条件）
処理水の種類： 硬水１
混合ガスにおけるアンモニアの混合比率： ７０％、１００％（アンモニアのみ ）
処理水の流量： ２．６Ｌ／分
混合ガスの流量： ０．０３Ｌ／分
サンプル水の測定項目： ｐＨ、Ｃａ硬度（ｍｇ／Ｌ）、全炭 酸濃度（ｍｇ／Ｌ）

実験例３による実験結果を図１４Ａ、図１４Ｂ、図１４Ｃに示す。

図１４Ａは、横軸にポンプ６６の運転時間（分）を表し、縦軸にサンプル水の結晶化率（％）を表す。図１４Ｂは、横軸にポンプ６６の運転時間（分）を表し、縦軸にサンプル水のＣａ硬度（ｍｇ／Ｌ）を表す。図１４Ｃは、横軸にポンプ６６の運転時間（分）を表し、縦軸にサンプル水のｐＨを表す。

図１４Ａに示すように、アンモニアの混合比率が７０％、１００％のいずれの場合でも、運転時間が経過するにつれて結晶化率が上昇している。また、図１４Ｂに示すように、運転時間が経過するにつれてＣａ硬度は低下している。これより、混合ガスによる微細気泡の投入によって、硬水中に溶けていた金属成分のＣａ^２＋がＣａＣＯ_３として結晶化していることが分かる。

一方で、アンモニアの混合比率が７０％の場合よりも１００％の場合の方が、結晶化率の上昇速度及びＣａ硬度の低下速度は早くなっている。これより、Ｃａ^２＋をＣａＣＯ^３に結晶化させることに関してアンモニアが大きく寄与していることが分かる。

図１４Ｃに示すように、運転時間が経過するにつれて、アンモニアの混合比率が７０％、１００％のいずれの場合でもｐＨがゆるやかに上昇している。アンモニアの混合比率が７０％の場合と１００％の場合とではｐＨの値にそれほど大きな違いは見られない。また運転時間が５０分を経過したときでも、ｐＨは９～１０の間であり、過度には上昇していない。このようにｐＨの上昇速度がそれほど早くならない要因としては、図１０を用いて説明したように、処理水全体のｐＨを上昇させるのではなく、微細気泡４０周辺の局所ｐＨを主に上昇させている点にあると考えられる。

（実験例４）
実験例４は実験例２、３と同様に、前述した装置５０を用いて、ポンプ６６を動作させて硬水を処理槽５４に流入させながら、所定時間経過後の処理水を採水器６２にてサンプル水として採取したものである。実験例３と同様に、ポンプ６６の運転から所定間隔ごとにサンプル水を採取して各種パラメータを測定した。また、実験例３と同様に、処理槽５４から第１の配管５６に供給される処理水は、採水器６２で採取されるもの以外は全て貯水タンク６４に戻して処理水を循環させるようにした。一方で、実験例４では、混合ガスにおけるアンモニアの混合比率を７０％の１パターンのみ用いた。また、実験例２、３とは異なり、処理水として、硬水１（硬度約３００ｍｇ／Ｌ）、硬水２（硬度約１４００ｍｇ／Ｌ）の２種類の硬水を用いた。実験例４の具体的な実験条件を以下に示す。

（実験条件）
処理水の種類： 硬水１、硬水２
混合ガスにおけるアンモニアの混合比率： ７０％
処理水の流量： ２．６Ｌ／分
混合ガスの流量： ０．０３Ｌ／分
サンプル水の測定項目： ｐＨ、Ｃａ硬度（ｍｇ／Ｌ）、全炭
酸濃度（ｍｇ／Ｌ）

実験例４による実験結果を図１５Ａ、図１５Ｂ、図１５Ｃ、図１５Ｄに示す。

図１５Ａは、横軸にポンプ６６の運転時間（分）を表し、縦軸にサンプル水の結晶化率（％）を表す。図１５Ｂは、横軸にポンプ６６の運転時間（分）を表し、縦軸にサンプル水のＣａ硬度（ｍｇ／Ｌ）を表す。図１５Ｃは、横軸にポンプ６６の運転時間（分）を表し、縦軸にサンプル水のｐＨを表す。図１５Ｄは、図１５Ｂのグラフで、縦軸に全炭酸濃度（ｍｇ／Ｌ）を追加したものである。

図１５Ａ、図１５Ｂに示すように、硬水１、硬水２ともに、運転時間が経過するにつれて結晶化率が上昇するとともに、Ｃａ硬度が低下している。これより、混合ガスによる微細気泡の投入によって、硬水中に溶けていた金属成分のＣａ^２＋がＣａＣＯ_３として結晶化していることが分かる。

また、図１５Ａ、図１５Ｃに示すように、硬水１と硬水２では、結晶化率の上昇速度及びｐＨの上昇速度が大きく異なっていることがわかる。具体的には、硬水１の方が硬水２よりも、結晶化率の上昇速度及びｐＨの上昇速度が速いことがわかる。この点に関して本発明者らは「全炭酸濃度」に着目し、図１５Ｄに示すデータをもとに考察した。

図１５Ｄに示すように、硬水１の全炭酸濃度に関して、運転時間が５０分のときの値は１５０～２００ｍｇ／Ｌである。すなわち、硬水１にはＨＣＯ_３ ^－及びＣＯ_３ ^２―が多く含まれている。なお、運転時間が５０分のときの硬水１の結晶化率は、図１５Ａに示すように７０～８０％に到達している。これに対して、硬水２の全炭酸濃度については、運転時間が７０分のときの値は約２０ｍｇ／Ｌとなっている。硬水１と比較すると、硬水２ではＨＣＯ_３ ^－及びＣＯ_３ ^２―の含有量が大幅に少ないことがわかる。なお、運転時間が７０分のときの硬水２の結晶化率は、図１５Ａに示すデータによれば約４０％と見込まれる。

ＨＣＯ_３ ^－及びＣＯ_３ ^２―は、実施の形態１－３の原理で説明したようにＣａ^２＋をＣａＣＯ_３として結晶化するための成分として機能する。このようなＨＣＯ_３ ^－及びＣＯ_３ ^２―を多く含むため、硬水１の方が硬水２よりも結晶化率の上昇速度が早いものと考えられる。

硬水１、２に含まれる金属成分の含有量及び全炭酸濃度に関して次の表１に示す。

表１に示すように、硬水１であるエビアン（登録商標）に含まれる単位体積当たりのＣａ、Ｍｇ、ＣＯ_３ ^２―の含有量はそれぞれ８０、２６、３５７ｍｇ／Ｌである。硬水２であるコントレックス（登録商標）に含まれる単位体積当たりのＣａ、Ｍｇ、ＣＯ_３ ^２―の含有量は４６８、７４．８、３７２ｍｇ／Ｌである。このように硬水１、硬水２に含まれる単位体積当たりのＣＯ_３ ^２―の含有量は３５７ｍｇ／Ｌと３７２ｍｇ／Ｌでほぼ同じである。これに対して、硬水中に含まれるＣａ及びＭｇの含有量に対するＣａ及びＭｇの溶解に必要なＣＯ_３ ^２―の量は、硬水１で約１８４ｍｇ／Ｌ、硬水２で約８８７ｍｇ／Ｌである。すなわち、硬水１では、Ｃａ及びＭｇの溶解に必要なＣＯ_３ ^２―の量に対して、実際に含まれるＣＯ_３ ^２―の量が約１７３ｍｇ／Ｌ余っている。これは、微細気泡による混合ガスを投入したときに、Ｃａ^２＋を結晶化させるためのＣＯ_３ ^２―が豊富に存在していることを意味する。これに対して、硬水２では、Ｃａ及びＭｇの溶解に必要なＣＯ_３ ^２―の量に対して、実際に含まれるＣＯ_３ ^２―の量が約５１５ｍｇ／Ｌ不足している。これは、微細気泡による混合ガスを投入したときに、Ｃａ^２＋を結晶化させるためのＣＯ_３ ^２―が少なく、結晶化が促進されないと考えられる。

前記結果より、処理される硬水にＨＣＯ_３ ^－及びＣＯ_３ ^２―などの炭酸が豊富に含まれていれば、結晶化の上昇速度を向上できると考えられる。これに基づいて硬水の全炭酸量を増加させるために、微細気泡を投入する前に硬水中に炭酸ガスを投入するようにしてもよい。具体的には、炭酸ガスを発生させる炭酸ガス発生部をさらに備えてもよい。そして、微細気泡発生部が発生させた微細気泡を硬水に供給する前に、炭酸ガス発生部により炭酸ガスを発生させて硬水中に供給してもよい。これにより、硬水中の金属成分の結晶化を促進することができると考えられる。

前述したように、実験例２－４によれば、混合ガスにおける窒素の物質量よりもアンモニアの物質量が多くなるように設定することで、金属成分の結晶化を促進することができる。さらに、混合ガスにおけるアンモニアの混合比率を７０％以上に設定することで、金属成分の結晶化を大幅に促進することができる。

（実験例５）
実験例５は、前述した装置５０を用いて処理したサンプル水（軟水）に関して、「泡立ち」を評価する官能性評価の実験である。泡立ちは、水面から生じる泡の高さ・大きさによる起泡力に関連する。一般的には、硬度成分が少ないほど泡立ちが大きいとされ、例えば洗浄用途で使用した際に洗浄効果が高いなどの利点を有する。

実験例５では、実験例２－４と異なり、混合ガスではなく単独のガスとしてのアンモニアをもとに微細気泡を発生させた。すなわち、図１１に示す装置５０において、窒素供給源７４を使用せずにアンモニア供給源７２のみを使用して微細気泡を発生させた。なお、装置５０の使用方法については実験例２－４と同様であるため、説明を省略する。

実験例５の実験方法は、空気調和・衛生工学会の「泡立ち」に関する規格：ＳＨＡＳＥ－Ｓ ２１８に基づく。具体的には、純石鹸１．５ｇを２００ｍｌの水で希釈した希釈水を準備し、希釈水を１ｍＬ、対象となる処理水９ｍＬを混合して、１０ｍＬの評価水としてメスシリンダーに入れた。なお、純石鹸は、化粧石鹸カウブランド赤箱ａ１(牛乳石鹸共進社株式会社)を使用し、２００ｍｌの水は、オートスチル、ＷＧ２２１（ヤマト科学株式会社）の蒸留水を使用した。メスシリンダーを５０回振った後、１分後における水面から立つ泡の高さを測定した。

実験例５では、装置５０で処理したサンプル水に加えて、硬水、水道水、純水の３種類を使用して同様の実験を行った。これらの水およびサンプル水の硬度は、以下の通りである。

硬水の硬度 ：全硬度３００ｍｇ／Ｌ、Ｃａ硬度２００ｍｇ／Ｌ、Ｍｇ硬度１００ｍｇ／Ｌ
水道水の硬度 ：全硬度７２ｍｇ／Ｌ、Ｃａ硬度４９ｍｇ／Ｌ、Ｍｇ硬度２３ｍｇ／Ｌ
純水の硬度 ：全硬度０ｍｇ／Ｌ、Ｃａ硬度０ｍｇ／Ｌ、Ｍｇ硬度０ｍｇ／Ｌ
サンプル水の硬度 ：全硬度１１８ｍｇ／Ｌ、Ｃａ硬度２１ｍｇ／Ｌ、Ｍｇ硬度９７ｍｇ／Ｌ

実験例５による実験結果を図１６に示す。図１６は、横軸に水の種類を表し、縦軸に、評価水の水面から延びる泡の高さ（ｍｍ）を表す。縦軸は泡立ち・起泡力を表す。

図１６に示すように、Ｃａ硬度、Ｍｇ硬度のいずれも最も高い「硬水」は泡立ちがほとんどなく０に近いのに対して、「水道水」、「サンプル水」および「純水」は同じぐらいの高い泡立ちを示した。すなわち、装置５０を用いて処理した「サンプル水」は、処理前の硬水に対して泡立ちが改善されており、「水道水」、「純水」に近い泡立ちを実現している。これより、実施の形態の方法により硬水から金属イオンを除去することで泡立ちを改善できるとともに、軟水である水道水、純水と同じレベルの泡立ちを実現できることが示された。

図１６に示す結果と前記硬度の具体値を比較すると、Ｃａ硬度が小さいほど、泡立ちが大きくなっている。これより、Ｍｇ硬度よりもＣａ硬度の値の方が、泡立ちに対して直接的に影響する支配的なパラメータであることがわかる。

（実験例６）
実験例６は、実験例２－４と同様の装置５０（図１１）を用いて処理水（硬水）を処理し、処理したサンプル水の結晶化率を比較するものである。

実験例６では、微細気泡であるマイクロバブルを用いた場合と、微細気泡でないミリバブルを用いた場合の結晶化率の違いを比較した。すなわち、図１１に示す装置５０において、微細気泡発生部８０をそのまま使用してマイクロバブルを発生させた場合と、微細気泡発生部８０の代わりに別の気泡発生部（図示せず）を使用してミリバブルを発生させた場合の２パターンで実験を行った。

さらに、実験例６では、実験例２－４と異なり、混合ガスではなく単独のガスであるオゾンをもとに気泡を発生させた。すなわち、図１１に示す装置５０において、アンモニア供給源７２と窒素供給源７４の代わりにオゾン供給源（図示せず）を使用した。なお、実施の形態３で説明したように、オゾンガスは水酸基イオン供与ガスである。

実験例６の実験条件は以下の通りである。

処理水の種類（共通） ：硬水１
処理水の流量（共通） ：１２Ｌ／ｍｉｎ
処理槽５４の貯留水量（共通） ：９Ｌ
オゾンガスの流量（共通） ：０．１２Ｌ／ｍｉｎ
マイクロバブルの平均気泡径 ：５６μｍ
ミリバブルの平均気泡径 ：１０２１μｍ
サンプル水の測定項目（共通） ：Ｃａ硬度（ｍｇ／Ｌ）、全硬度（ｍｇ／Ｌ）

実験例６による実験結果を図１７Ａ、図１７Ｂに示す。

図１７Ａは、横軸に時間（分）を表し、縦軸にＣａ硬度の結晶化率（％）を表す。図１７Ｂは、横軸に時間（分）を表し、縦軸に全硬度の結晶化率（％）を表す。

図１７Ａ、図１７Ｂに示すように、Ｃａ硬度と全硬度のいずれに関しても、ミリバブルよりもマイクロバブルの方が高い結晶化率を実現していることがわかる。すなわち、微細気泡でないミリバブルを用いた場合よりも、微細気泡であるマイクロバブルを用いた場合の方が結晶化率は高く、微細気泡による金属イオンの結晶化の効果が実証されたといえる。

（実施の形態４）
本発明に係る実施の形態４のイオン除去システム２００による金属イオンの除去方法について、図１８を用いて説明する。なお、実施の形態４では、主に実施の形態１と異なる点について説明し、実施の形態１と重複する記載は省略する。

実施の形態４のイオン除去システム２００では、溶解剤供給部８に代えて、オゾン生成器１７およびバルブ１８を備える点が、実施の形態１と異なる。特に実施の形態１では、イオン除去用ガス供給部７からオゾンガスを直接的に供給するようにしていたが、実施の形態４では、イオン除去用ガス供給部７から供給されるイオン除去用ガスをもとにオゾン生成器１７がオゾンガスを発生させる点が異なる。

オゾン生成器１７は、オゾン（Ｏ_３）を生成して微細気泡発生部３Ｂに供給する部材である。オゾン生成器１７は、イオン除去用ガス供給部７から供給されるイオン除去用ガス（例えば空気）をもとにオゾンを生成する。オゾン生成器１７は、無声放電方式、コロナ放電方式、沿面放電方式、電気分解方式、ＵＶランプ方式、プラズマ放電方式など、任意の方式によりオゾンを生成してもよい。

バルブ１８は、イオン除去用ガス供給部７とオゾン生成器１７の間に設けられたバルブである。バルブ１８は、イオン除去用ガス供給部７からオゾン生成器１７へのイオン除去用ガスの供給を制御する。

微細気泡発生部３Ｂは、オゾン生成器１７から送られてくるオゾンガスをもとに、オゾンガスの微細気泡を発生させる。オゾンガスの微細気泡は硬水収容部３Ａに供給されて、硬水収容部３Ａ内を上昇する。オゾンガスの微細気泡が上昇する過程で、紫外線照射器１６により紫外線が照射される。オゾンガスの微細気泡に対する紫外線の照射により、以下の式Ｂ－１、Ｂ－２に示す反応が促進されるものと考えられる。

（式Ｂ－１）
Ｏ_３＋ｈｖ（λ＜３１０ｎｍ）→Ｏ（^１Ｄ）＋Ｏ_２
（式Ｂ－２）
Ｏ（^１Ｄ）＋Ｈ_２Ｏ→２ＯＨ^－

上記式において、ｈはプランク定数であり、ｖは振動数であり（ｈｖ＝Ｅ：光エネルギー）、λは波長であり、Ｏ（^１Ｄ）は、励起状態の酸素原子である。

式Ｂ－１の通り、オゾンガスの微細気泡に紫外線を照射することにより、励起状態の酸素原子と、非励起状態の通常の酸素原子とが発生する。このうち、励起状態の酸素原子が式Ｂ－２で示すように水と反応することにより、ＯＨ^－の量が増加する。これにより、図２を用いて説明したようなＯＨ^－によるＣａ^２＋の吸着効果を増大させることができ、金属イオンの除去を促進することができる。

硬水収容部３Ａ内においては、気体である微細気泡と、固体である結晶とが混在しているが、例えば螺旋状の旋回流を生じさせることで、気体、固体、液体をそれぞれ分離させることができる。これにより、比重の重い結晶を外側に分離することができ、中央部に配置した紫外線照射器１６から外側に向かって紫外線を照射すれば、紫外線が結晶で遮られることを抑制することができ、オゾンガスの微細気泡に紫外線を効率的に当てることができる。

なお、硬水収容部３Ａ内に紫外線が発生するため、硬水収容部３Ａの外周部４９など紫外線の照射を受ける部分には、特定の材質を用いてもよい。例えばゴムの場合には、ＥＰＤＭ、シリコンゴム、フッ素ゴムなどを用いてもよく、樹脂の場合には、フッ素樹脂、塩化ビニルなどを用いてもよく、金属の場合には、ステンレス、チタンなどを用いてもよい。これにより、紫外線の照射による悪影響を低減することができる。

上述したように、実施の形態４のイオン除去システム２００によれば、微細気泡発生装置３Ｂは、オゾンガスの微細気泡を発生させるとともに、微細気泡に対して紫外線照射器１７により紫外線を照射している。これにより、式Ｂ－１、Ｂ－２に示す反応を促進することができ、金属イオンの除去効果を増大させることができる。

（実験例７）
次に、実施の形態４に関する実験例７について説明する。ここでは、図１９に示す装置１００を用いて実験を行った。

図１９は、実験例７で用いる装置１００の概略構成を示す図である。図１９に示す装置１００は、硬水収容部１０２Ａと、微細気泡発生部１０２Ｂと、イオン除去用ガス供給部１０４と、オゾン生成器１０６と、バルブ１０８と、紫外線照射器１１０と、電源１１２と、スターラー１１４と、ｐＨ測定器１１６とを備えている。実施の形態４で既に説明した部材については適宜説明を省略する。

実験例７で用いる硬水収容部１０２Ａは、容量２リットルのメスシリンダーである。硬水収容部１０２Ａに収容する硬水は、温度２５℃、容量１．５リットルの「エビアン（登録商標）」である。

実験例７で用いる微細気泡発生部１０２Ｂは、直径４００μｍ～２０００μｍのマイクロバブル、ミリバブルを発生させる散気管である。

実験例７で用いるオゾン生成器１０６は、無声放電式の「レイシー オゾナイザー ＹＧＲ－２０」であり、オゾン濃度を３００ｐｐｍに調整して使用した。

実験例７で用いる紫外線照射器１１０は、波長２５４ｎｍの紫外線を照射するヘレウス社製のＵＶランプである。

電源１１２は、紫外線照射器１１０をＯＮ／ＯＦＦする部材である。スターラー１１４は、硬水収容部１０２Ａ内の硬水を撹拌する部材である。ｐＨ測定器１１６は、硬水収容部１０２Ａ内の硬水のｐＨを測定する部材である。ｐＨ測定器１１６は、ｐＨ電極１１６Ａと、本体部１１６Ｂとを備える。

実験例７で用いるｐＨ電極１１６Ａは、堀場製作所製のＴｏｕｐＨ電極９６１５Ｓ－１０Ｄである。本体部１１６Ｂは、堀場製作所製のＦ７４ＢＷである。

上記構成を用いて、イオン除去用ガス供給部１０４からオゾン生成器１０６へ０．５Ｌ／分で空気を供給した。オゾン生成器１０６は、３００ｐｐｍのオゾンを発生させて微細気泡発生部１０２Ｂへ供給した。微細気泡発生部１０２Ｂによりオゾンガスのマイクロバブルおよびミリバブルを発生させて硬水収容部１０２Ａ内の硬水に供給し、スターラー１１４で硬水を撹拌した。実験開始から６０分間の硬水のｐＨをｐＨ測定器１１６により測定した。

実験例７では電源１１２を操作することにより、紫外線照射器１１０を運転した場合と、運転しない場合の両方で実験を行った。さらに紫外線照射器１１０を運転しない場合に、オゾン生成器１０６によりオゾンガスを発生させる場合と、オゾンガスを発生させずに空気をそのまま用いる場合の両方で実験を行った。これらの実験結果を図２０に示す。

図２０において、横軸は経過時間（単位：分）を表し、縦軸はＯＨ^－の変動率（初期値に対する変動割合）（単位：ｍｏｌ））を表す。図２０では、空気の微細気泡を供給して紫外線を照射しないパターンをパターン１、オゾンガスの微細気泡を供給して紫外線を照射しないパターンをパターン２、オゾンガスの微細気泡を供給して紫外線を照射するパターンをパターン３とした。

図２０に示すように、３つのパターンにおけるＯＨ^－の増加率に差が生じている。具体的には、パターン３、パターン２、パターン１の順に、ＯＨ^－の増加率が高くなっている。オゾンガスの微細気泡を供給して紫外線を照射するパターン３の増加率が最も高いことから、オゾンガスと紫外線を組み合わせた場合にＯＨ^－を最も効率的に増加させることができ、金属イオンの除去率を増大できることがわかる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、前記では、紫外線照射器１６を設ける場合について説明したが、このような場合に限らず、紫外線照射器１６を設けない場合であってもよい。

また、前記では、軟水化処理においてイオン除去用ガスとして空気、オゾンガス又は窒素を用いたが、本発明はこれに限定されない。イオン除去用ガスとして空気、オゾンガス、窒素以外のガスを用いてもよい。

また、前記では、再生処理を行う溶解用ガスとして二酸化炭素を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、溶解用ガスとして、水に溶けた際に水素イオンを出すガスである硫化水素（Ｈ_２Ｓ→Ｈ^＋＋ＨＳ^－）や塩化水素（ＨＣＬ→Ｈ^＋＋ＣＬ^－）を用いてもよい。

また、前記では、再生処理を行う溶解剤の一例として溶解用ガスを用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、溶解剤として、金属成分の結晶を溶解させる液体（溶解用液）を用いてもよい。このような液体としては、例えば、塩酸、硫酸、クエン酸、アスコルビン酸などが挙げられる。このような液体を用いることで、溶解剤供給部８の大きさを小さくすることができる。また、溶解剤を交換する頻度を少なくすることができる。また溶解剤として液体を用いる場合には、ポンプＰに気体が入ることを抑えることができるので、ポンプＰの硬水の流れ方向の下流側に溶解剤供給部８を配置する必要性を無くすことができる。すなわち、溶解剤供給部８は、一次側流路２とイオン除去装置３と分離装置４と戻し流路１２とで構成される循環流路内に配置すればよい。この構成によっても、分離装置４に溶解剤を供給して分離装置４に付着した結晶を溶解させて再生処理することができる。

また、前記では、硬水中にイオン除去用ガスを含む微細気泡のみを供給するようにしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、硬水中にイオン除去用ガスを含む微細気泡に加えて、別のガスを供給してもよい。この場合、別のガスは、微細気泡として硬水に供給してもよいし、通常の気泡として硬水に供給してもよい。

また、前記では、第１弁１５Ａ、第２弁１５Ｂ、及び第３弁１５Ｃの開閉動作を制御部６により自動的に制御するようにしたが、本発明はこれに限定されない。第１弁１５Ａ、第２弁１５Ｂ、及び第３弁の開閉動作を手動で行うようにしてもよい。

また、前記では、塩基性ガスである第１のガスと、第１のガスに比べて溶解速度が遅い性質の第２のガスの２種類のガスを混合した微細気泡を用いる場合について説明したが、これら２種類のガスに加えて別のガスを混合してもよい。すなわち、第１のガスと第２のガスを含む２種類以上のガスを混合した混合ガスによる微細気泡を用いてもよい。

なお、前記様々な実施の形態及び変形例のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本開示は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した特許請求の範囲による本開示の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。また、各実施の形態における要素の組合せや順序の変化は、本開示の範囲及び思想を逸脱することなく実現し得るものである。

本発明に係るイオン除去システムは、メンテナンス性及び環境性に優れているので、家庭用のイオン除去システムにも、業務用のイオン除去システムにも有用である。

１ イオン除去システム
２ 一次側流路
３ イオン除去装置
３Ａ 硬水収容部
３Ｂ 微細気泡発生部
３Ｃ 接続流路
４ 分離装置
４Ａ 分離部
４Ａａ 内周面
４Ｂ 結晶貯留部
４Ｂａ 排出流路
５ 二次側流路
６ 制御部
７ イオン除去用ガス供給部
８ 溶解剤供給部
９ ガス切替機構
１０ 開閉弁
１１ 排出側逆流防止機構
１２ 戻し流路
１３ 供給側逆流防止機構
１４ バイパス流路
１５Ａ 第１弁
１５Ｂ 第２弁
１５Ｃ 第３弁
１６ 紫外線照射器
１７ オゾン生成器
１８ バルブ
２０ 装置
２１ 硬水
２２ 水槽
２２ａ 底面
２２ｂ 水面
２４ ガス供給部
２５ 第１配管
２６ 微細気泡発生部
２７ 第２配管
２８ ポンプ
３０ 第１取水部
３２ 第２取水部
３４ 金属イオン濃度検出器
４０ 微細気泡
４２ 結晶
４９ 外周部
Ｄ１ 第１取水部から第２取水部までの距離
５０ 装置
５２ 混合ガス供給部
５４ 処理槽
５６ 第１の配管
５８ 第２の配管
６０ 採水バルブ
６２ 採水器
６４ 貯水タンク
６６ ポンプ
６８ 流量調整バルブ
７０ 流量計
７２ アンモニア供給源
７４ 窒素供給源
７６ 混合比調整バルブ
７８ 供給用配管
８０ 微細気泡発生部
８２ 処理水
８４ 結晶
１００ 装置
１０２Ａ 硬水収容部
１０２Ｂ 微細気泡発生部
１０４ イオン除去用ガス供給部
１０６ オゾン生成器
１０８ バルブ
１１０ 紫外線照射器
１１２ 電源
１１４ スターラー
１１６ ｐＨ測定器
１１６Ａ ｐＨ電極
１１６Ｂ 本体部
２００ イオン除去システム

Claims (2)

1. 硬水を収容する硬水収容部と、微細気泡を発生させて前記硬水収容部に供給する微細気泡発生部とを備え、前記硬水収容部において硬水中の金属イオンを前記微細気泡に吸着させて、硬水中から金属イオンを除去するイオン除去装置を備え、
   前記微細気泡発生装置は、オゾンガスの微細気泡を発生させ、
   前記硬水収容部の硬水に紫外線を照射する紫外線照射器をさらに備え、
   前記硬水収容部内において、螺旋状の旋回流を生じさせる、イオン除去システム。
2. 前記微細気泡発生装置は、微細気泡を前記硬水収容部内で上向きに上昇するように発生させ、
   前記紫外線照射器は、前記硬水収容部内において、前記硬水収容部の外周部に向かって紫外線を照射するように配置される、請求項１に記載のイオン除去システム。

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