(57)【要約】【課題】メンテナンス性と環境性に優れたイオン除去システムを提供すること。【解決手段】本発明に係るイオン除去システムは、硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する脱気装置と、脱気装置により二酸化炭素が脱気された硬水を収容する硬水収容部と、微細気泡を発生させて硬水収容部に供給する微細気泡発生部とを備え、硬水収容部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イオン除去装置とを備える。【選択図】図１
2020032321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する脱気装置と、
前記脱気装置により二酸化炭素が脱気された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と、
を備える、イオン除去システム。
【請求項２】
前記脱気装置は、硬水をミスト状に噴霧することにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する、請求項１に記載のイオン除去システム。
【請求項３】
前記脱気装置は、硬水中に気体を供給してバブリングさせることにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する、請求項１に記載のイオン除去システム。
【請求項４】
前記バブリングさせることにより前記硬水中に発生する気泡は、前記微細気泡発生部が発生させる微細気泡よりも平均外径が大きい、請求項３に記載のイオン除去システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン除去システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１４０８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、
硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する脱気装置と、
前記脱気装置により二酸化炭素が脱気された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と、
を備える。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１のイオン除去システムの概略図
【図２】実施の形態１のイオン除去システムによる二酸化炭素の脱気の仮説原理を説明するための模式図
【図３】実施の形態１のイオン除去システム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
【図４】実施の形態１のイオン除去システム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
【図５】実施の形態１のイオン除去システムによる再生処理の仮説原理を説明するための模式図
【図６】実験例１で用いる装置の概略構成を示す図
【図７】実験例１の結果を示すグラフ
【図８Ａ】実験例２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
【図８Ｂ】実験例２で用いる装置の概略構成を示す図であって、図８Ａに示す状態からさらに所定時間経過後の状態を示す図
【図９】実験例２の結果を示す図
【図１０】実施の形態２のイオン除去システム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
【図１１】実施の形態２のイオン除去システム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
【図１２】バブリングによる二酸化炭素の脱気の仮説原理を説明するための模式図
【図１３】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吸着の仮説原理を説明するための模式図
【図１４】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吸着及び結晶化の仮説原理を説明するための模式図
【図１５】実験例３−５で用いる装置の概略構成を示す図
【図１６】金属成分が硬水中で結晶化している状態を示す図
【図１７Ａ】実験例３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
【図１７Ｂ】実験例３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
【図１８Ａ】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
【図１８Ｂ】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
【図１８Ｃ】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
【図１９Ａ】実験例５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
【図１９Ｂ】実験例５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
【図１９Ｃ】実験例５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
【図１９Ｄ】実験例５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
【図２０】実験例６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
【図２１Ａ】実験例７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
【図２１Ｂ】実験例７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
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
本発明の一態様に係るイオン除去システムは、
硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する脱気装置と、
前記脱気装置により二酸化炭素が脱気された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と、を備える。
【００１３】
この構成によれば、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にすることができる。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。さらに、硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することで、硬水のｐＨを上昇させることができる。その結果、微細気泡の表面に存在する負の電荷を増加させて、微細気泡による金属イオンの吸着力を増加させ、金属イオンの除去効率を向上させることができる。
【００１４】
なお、前記脱気装置は、硬水をミスト状に噴霧することにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されてもよい。この構成によれば、比較的簡易な構成で硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することができる。
【００１５】
また、前記脱気装置は、硬水中に気体を供給してバブリングさせることにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されてもよい。この構成によれば、比較的簡易な構成で硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することができる。
【００１６】
また、前記バブリングさせることにより前記硬水中に発生する気泡は、前記微細気泡発生部が発生させる微細気泡よりも平均外径が大きくてもよい。この構成によれば、硬水中における気泡の割合（気液比）を大きくして、気泡の比表面積を大きくすることができ、硬水に含まれる二酸化炭素の脱気効果を向上させることができる。
【００１７】
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。
【００１８】
（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。
【００１９】
＜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。
【００２０】
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。
【００２１】
一次側流路２には、硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する脱気装置１６が設けられている。脱気装置１６が硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することで、硬水のｐＨを上昇させることができる。実施の形態１において、脱気装置１６は、硬水を空気中でミスト状に噴霧することにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されている。二酸化炭素を脱気することで硬水のｐＨが上昇する原理については、後で詳しく説明する。脱気装置１６の駆動は、制御部６により制御される。
【００２２】
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。実施の形態１において、硬水収容部３Ａは、脱気装置１６により二酸化炭素が脱気された硬水を収容する。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。
【００２３】
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（Ｃａ２＋）又はマグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）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。
【００２４】
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。
【００２５】
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)
【００２６】
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。
【００２７】
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」を微細気泡発生部３Ｂに供給するように構成されている。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、イオン除去用ガス供給源に接続される装置であってもよい。
【００２８】
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（ＣＯ２）」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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
＜脱気によるｐＨの上昇＞
次に、硬水から二酸化炭素を脱気することにより、硬水のｐＨが上昇する原理についてより詳しく説明する。
【００４７】
図２に示すように、硬水には、少なくともＨ＋（水素イオン）とＯＨ−（水酸化物イオン）とＣＯ２（二酸化炭素）とＨ２ＣＯ３（炭酸水素）とＨＣＯ３−（炭酸水素イオン）とＨ２Ｏ（水）が含まれる。硬水をミスト状に噴霧すると、空気に触れる硬水の表面積が拡大することにより、硬水に含まれるＣＯ２が空気中に抜けていく。これにより、硬水中のＣＯ２が減少する。
【００４８】
減少したＣＯ２を補うため、緩衝作用により硬水中のＨ２ＣＯ３がＣＯ２とＨ２Ｏとに変化する。これにより、硬水中のＨ２ＣＯ３が減少する。具体的な化学式で表すと、以下の式１の通りである。
【００４９】
（式１）
Ｈ２ＣＯ３→ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
【００５０】
減少したＨ２ＣＯ３を補うため、緩衝作用により硬水中のＨＣＯ３−がＨ＋と結合して、Ｈ２ＣＯ３に変化する。具体的な化学式で表すと、以下の式２の通りである。
【００５１】
（式２）
ＨＣＯ３−＋Ｈ＋→Ｈ２ＣＯ３
【００５２】
このとき、Ｈ＋が消費されることで、硬水のｐＨが上昇する。このような緩衝作用が平衡状態になるまで繰り返される。なお、この脱気処理より、硬水のｐＨを例えば８．５程度まで上昇させることが可能である。
【００５３】
＜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。
【００５４】
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。
【００５５】
（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、Ｃａ２＋及びＭｇ２＋が存在する。以降の説明では、金属イオンとしてＣａ２＋を例として説明する。
【００５６】
正の電荷を持つＣａ２＋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Ｃａ２＋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Ｃａ２＋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Ｃａ２＋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。
【００５７】
また、実施の形態１においては、脱気により硬水のｐＨが上昇されている。硬水のｐＨが上昇するに従い、微細気泡の表面に存在する負の電荷を持つＯＨ−が増加し、Ｃａ２＋が微細気泡に吸着されやすくなる。その結果、後述するように金属イオンの結晶化を促進することができる。
【００５８】
（２）金属イオンの結晶化
図３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４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４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Ｃａ２＋が吸着されている。より具体的には、可溶性のＣａ（ＨＣＯ３）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Ｃａ２＋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、Ｃａ２＋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３の通りである。
【００５９】
（式３）
Ｃａ（ＨＣＯ３）２→ＣａＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
【００６０】
ＣａＣＯ３（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Ｃａ２＋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Ｃａ２＋を結晶化して析出したＣａＣＯ３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。
【００６１】
なお、同じ水の中で式３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３の向きの反応が優先的に行われるものと推測される。
【００６２】
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。
【００６３】
＜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。
【００６４】
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ＣａＣＯ３の一部は、分離部４Ａの内周面４Ａａに付着する。このＣａＣＯ３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。
【００６５】
図５に示すように、分離部４Ａの内周面４Ａａに付着したＣａＣＯ３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。
【００６６】
（式４）
ＣａＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→Ｃａ（ＨＣＯ３）２
【００６７】
当該反応により、不溶性のＣａＣＯ３から可溶性（水溶性）のＣａ（ＨＣＯ３）２が生成される。Ｃａ（ＨＣＯ３）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（ＨＣＯ３）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ＣａＣＯ３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。
【００６８】
なお、前記では、金属イオンとしてＣａ２＋を例として説明したが、Ｍｇ２＋についても同様の反応が起こると推測される。
【００６９】
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にすることができる。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。さらに、硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することで、硬水のｐＨを上昇させることができる。その結果、微細気泡の表面に存在する負の電荷を増加させて、微細気泡による金属イオンの吸着力を増加させ、金属イオンの除去効率を向上させることができる。
【００７０】
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。
【００７１】
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ＣａＣＯ３から可溶性のＣａ（ＨＣＯ３）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。
【００７２】
（実験例１）
次に、脱気によるｐＨの上昇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６に示す装置を用いて実験を行った。
【００７３】
図６は、実験例１で用いる装置９０の概略構成を示す図である。
【００７４】
図６に示すように、装置９０は、水槽９１と、第１配管９２と、ポンプ９３と、第２配管９４と、ミストノズル９５とを備えている。
【００７５】
水槽９１は、硬水９６を収容する水槽である。水槽９１は、第１配管９２を介してポンプ９３に接続されている。ポンプ９３は、第２配管９４を介してミストノズル９５に接続されている。ミストノズル９５は、サンプル９７から上方にミスト距離Ｈ１だけ離れた位置に設けられている。ポンプ９３は、硬水９６をミストノズル９５へ揚水するポンプである。ミストノズル９５は、第２配管９４を介して供給された硬水をサンプル９７に向けてミスト状に噴射するノズルである。なお、水槽９１に残った残水は、第１配管９２に設けられた開閉弁９８が開放されることにより、外部に排水される。
【００７６】
図７は、実験例１の結果を示すグラフである。ここでは、ミストノズル９５として、噴射するミスト径（ミストの平均外径）が異なる３つのノズル１，２，３を用いた。具体的には、ノズル１は、ミスト径２９０μｍ、瞬間流量１．３Ｌ／ｍｉｎのミストを噴射するノズルである。ノズル２は、ミスト径７６０μｍ、瞬間流量４．２Ｌ／ｍｉｎのミストを噴射するノズルである。ノズル３は、ミスト径２５００μｍ、瞬間流量０．２Ｌ／ｍｉｎのミストを噴射するノズルである。
【００７７】
図７は、横軸にミスト距離Ｈ１（ｍｍ）を表し、縦軸に硬水９６のｐＨを表す。図７に示すように、ミスト径が小さくなるほど、すなわち、比表面積が大きくなるほど、硬水９６のｐＨが上昇することが確認された。また、ミスト距離Ｈ１が長くなるほど、硬水９６が空気に接触する時間が長くなるため、硬水９６のｐＨが概ね上昇することが確認された。
【００７８】
（実験例２）
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２について説明する。ここでは、図８Ａ、８Ｂに示す装置２０を用いて実験を行った。
【００７９】
図８Ａ、８Ｂは、実験例２で用いる装置２０の概略構成を示す図である。図８Ａ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８Ｂは、図８Ａ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８Ａの状態は、図９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８Ｂの状態は、図９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。
【００８０】
図８Ａ、８Ｂ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９に示す結果が得られた。
【００８１】
図９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。
【００８２】
図８Ａ、８Ｂ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。
【００８３】
水槽２２は、硬水２１を収容する水槽である。図８Ａ、８Ｂ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。
【００８４】
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。
【００８５】
図８Ａ、８Ｂ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。
【００８６】
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。
【００８７】
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８Ａの矢印Ａ１）。
【００８８】
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２では１５秒）、微細気泡２３を継続的に発生させる。
【００８９】
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２では４５秒）。
【００９０】
図８Ａ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。
【００９１】
図８Ｂ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。
【００９２】
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。
【００９３】
図９の結果に関する具体的な実験条件を以下に記載する。
【００９４】
（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：                            Ｃａ２＋
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
【００９５】
図９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（Ｃａ２＋）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。
【００９６】
図９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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
図８Ａ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。
【０１００】
図８Ｂ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。
【０１０１】
このような結果によれば、硬水２１中の金属イオンであるＣａ２＋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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
（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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
（３）金属イオンの吸着の促進
図１０（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Ｃａ２＋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５の反応が促進される。
【０１０７】
（式５）
Ｎ２+６Ｈ＋＋６ｅ−→２ＮＨ３
ＮＨ３＋Ｈ２Ｏ→ＮＨ４＋＋ＯＨ−
【０１０８】
式５の反応が促進されることにより、図１０（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Ｃａ２＋が吸着されやすくなる。
【０１０９】
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５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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
（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１１に示すような反応が促進される。
【０１１２】
図１１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１１に示す例では、微細気泡の周囲に存在するＣａ（ＨＣＯ３）２にＣＯ２が含まれており、このＣＯ２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。
【０１１３】
（式６）
Ｃａ（ＨＣＯ３）２→ＣａＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
【０１１４】
このように、可溶性のＣａ（ＨＣＯ３）２から不溶性のＣａＣＯ３が生じる反応が生じる。このとき、ＣＯ２とＨ２Ｏが生じる。ＣａＣＯ３は不溶性であるため、金属成分の結晶として析出する。
【０１１５】
前記反応により、硬水中にＣａ（ＨＣＯ３）２のＣａ２＋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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
なお、前記実施の形態１において、脱気装置１６は、硬水を空気中でミスト状に噴霧することにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、脱気装置１６は、硬水を窒素雰囲気中でミスト状に噴霧することにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されてもよい。この構成によれば、硬水中の二酸化炭素が窒素に置き換わろうと作用することにより、硬水中から二酸化炭素が抜けやすくなる。これにより、二酸化炭素の脱気効率を向上させることができる。
【０１１９】
また、脱気装置１６は、例えば、硬水中に気体を供給してバブリングさせることにより、当該硬水に含まれる二酸化炭素を脱気するように構成されてもよい。この場合、気体として、二酸化炭素の濃度が低い気体、例えば空気を用いることが好ましい。また、気体として、二酸化炭素を含まない気体、例えば窒素を用いることが更に好ましい。この構成によれば、図１２に示すように、硬水中でバブリングさせることにより発生する気泡内の窒素が硬水に含まれる二酸化炭素に置き換わろうと作用することにより、硬水中から二酸化炭素が抜けやすくなる。これにより、二酸化炭素の脱気効率を向上させることができる。
【０１２０】
なお、バブリングさせることにより硬水中に発生する気泡は、微細気泡発生部３Ｂが発生させる微細気泡よりも平均外径が大きくてもよい。例えば、バブリングさせることにより硬水中に発生する気泡は、ミリバブル（直径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下）であってもよい。ミリバブルは、水処理の分野における当業者がミリオーダーの気泡径と認識できる気泡としてもよい。この構成によれば、硬水中における気泡の割合（気液比）を大きく（例えば、数％→５０％）して、気泡の比表面積を大きくすることができ、硬水に含まれる二酸化炭素の脱気効果を向上させることができる。
【０１２１】
なお、硬水に含まれる二酸化炭素を脱気する方法としては、前述したミストを噴霧するストリッピング法、バブリング法以外に、膜脱気法、真空脱気法、加熱脱気法がある。これらの脱気法を利用した装置を用いて硬水に含まれる二酸化炭素を脱気してもよい。但し、前述したストリッピング法、バブリング法を利用した装置の方が、比較的簡易な構成で硬水に含まれる二酸化炭素を脱気することができる。
【０１２２】
（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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
（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７−１の反応を生じさせる。
【０１２７】
（式７−１）
Ｘ＋Ｈ２Ｏ→ＸＨ＋＋ＯＨ−
【０１２８】
式７−１では、第１のガスを化学式Ｘで表している。式７−１の反応が生じることで、図１３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１３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Ｃａ２＋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。
【０１２９】
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７−１は以下の式８に具体化される。
【０１３０】
（式８）
ＮＨ３＋Ｈ２Ｏ→ＮＨ４＋＋ＯＨ−
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
また、式７−１に示す通り、Ｘは塩基性ガスに限らず、水（Ｈ２Ｏ）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（Ｏ３）が挙げられる。オゾンガスを水に供給した場合、前記式７−１に類似する以下の式７−２に示す反応が生じると考えられる。
【０１３４】
（式７−２）
Ｏ３＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｏ２＋２ＯＨ−
【０１３５】
前記式７−２によれば、以下の式７−３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。
【０１３６】
（式７−３）
ＸＯ＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→Ｘ＋２ＯＨ−
【０１３７】
なお、オゾンに関しては実験例７で説明する。
【０１３８】
（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Ｃａ２＋イオンの吸着効果を維持することができる。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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１０、図１１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。
【０１４２】
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、Ｃａ２＋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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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３−５で説明する。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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１４の模式図を用いて説明する。
【０１４８】
図１４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ＮＨ４＋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、Ｃａ２＋イオンの吸着効果が増大している。
【０１４９】
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）。
【０１５０】
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、Ｃａ２＋は微細気泡４０に吸着された状態にある。このとき、Ｃａ２＋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。
【０１５１】
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Ｃａ２＋の結晶化が始まる。具体的には、Ｃａ２＋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）。
【０１５２】
Ｃａ２＋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）。
【０１５３】
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。
【０１５４】
（実験例３−５）
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３−５について説明する。ここでは、図１５に示す装置５０を用いて実験を行った。
【０１５５】
図１５は、実験例３−５で用いる装置５０の概略構成を示す図である。図１５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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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３−５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。
【０１６２】
実験例３−５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１６に示す。図１６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。
【０１６３】
実験例３、４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５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。
【０１６４】
（実験例３）
実験例３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３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３の具体的な実験条件を以下に示す。実験例３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。
【０１６５】
（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）
【０１６６】
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Ｃａ２＋の含有量を炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）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。
【０１６７】
実験例３による実験結果を図１７Ａ、図１７Ｂに示す。
【０１６８】
図１７Ａ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１７Ｂ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。
【０１６９】
「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。
【０１７０】
図１７Ａ、１７Ｂ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。
【０１７１】
図１７Ａ、１７Ｂ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。
【０１７２】
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１４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。
【０１７３】
（実験例４）
実験例４は実験例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４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３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３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４の具体的な実験条件を以下に示す。
【０１７４】
（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）
【０１７５】
実験例４による実験結果を図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃに示す。
【０１７６】
図１８Ａ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１８Ｂ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１８Ｃ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。
【０１７７】
図１８Ａ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１８Ｂ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Ｃａ２＋がＣａＣＯ３として結晶化していることが分かる。
【０１７８】
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、Ｃａ２＋をＣａＣＯ３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。
【０１７９】
図１８Ｃ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１４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。
【０１８０】
（実験例５）
実験例５は実験例３、４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４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４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５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３、４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５の具体的な実験条件を以下に示す。
【０１８１】
（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）
【０１８２】
実験例５による実験結果を図１９Ａ、図１９Ｂ、図１９Ｃ、図１９Ｄに示す。
【０１８３】
図１９Ａ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１９Ｂ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１９Ｃ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１９Ｄは、図１９Ｂ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。
【０１８４】
図１９Ａ、図１９Ｂ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Ｃａ２＋がＣａＣＯ３として結晶化していることが分かる。
【０１８５】
また、図１９Ａ、図１９Ｃ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１９Ｄに示すデータをもとに考察した。
【０１８６】
図１９Ｄ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ＨＣＯ３−及びＣＯ３２―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１９Ａ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ＨＣＯ３−及びＣＯ３２―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１９Ａに示すデータによれば約４０％と見込まれる。
【０１８７】
ＨＣＯ３−及びＣＯ３２―は、実施の形態１−３の原理で説明したようにＣａ２＋をＣａＣＯ３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ＨＣＯ３−及びＣＯ３２―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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
【表１】
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【０１９０】
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、ＣＯ３２―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、ＣＯ３２―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ＣＯ３２―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ＣＯ３２―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ＣＯ３２―の量に対して、実際に含まれるＣＯ３２―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、Ｃａ２＋を結晶化させるためのＣＯ３２―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ＣＯ３２―の量に対して、実際に含まれるＣＯ３２―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、Ｃａ２＋を結晶化させるためのＣＯ３２―が少なく、結晶化が促進されないと考えられる。
【０１９１】
前記結果より、処理される硬水にＨＣＯ３−及びＣＯ３２―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。
【０１９２】
前述したように、実験例３−５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。
【０１９３】
（実験例６）
実験例６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。
【０１９４】
実験例６では、実験例３−５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１５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３−５と同様であるため、説明を省略する。
【０１９５】
実験例６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。
【０１９６】
実験例６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。
【０１９７】
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
【０１９８】
実験例６による実験結果を図２０に示す。図２０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。
【０１９９】
図２０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。
【０２００】
図２０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。
【０２０１】
（実験例７）
実験例７は、実験例３−５と同様の装置５０（図１５）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。
【０２０２】
実験例７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１５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。
【０２０３】
さらに、実験例７では、実験例３−５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１５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。
【０２０４】
実験例７の実験条件は以下の通りである。
【０２０５】
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）
【０２０６】
実験例７による実験結果を図２１Ａ、図２１Ｂに示す。
【０２０７】
図２１Ａ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２１Ｂは、横軸に時間（分）を表し、縦軸に全硬度の結晶化率（％）を表す。
【０２０８】
図２１Ａ、図２１Ｂ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。
【０２０９】
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、軟水化処理においてイオン除去用ガスとして空気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、窒素以外のガスを用いてもよい。
【０２１０】
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（Ｈ２Ｓ→Ｈ＋＋ＨＳ−）や塩化水素（ＨＣＬ→Ｈ＋＋ＣＬ−）を用いてもよい。
【０２１１】
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。
【０２１２】
また、前記では、分離装置４がサイクロン方式の遠心分離装置であるものとしたが、本発明はこれに限定されない。例えば、分離装置４は、中空糸膜などの浄水フィルタであってもよい。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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１５Ｃの開閉動作を手動で行うようにしてもよい。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【産業上の利用可能性】
【０２１８】
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。
【符号の説明】
【０２１９】
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      脱気装置
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
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
９０      装置
９１      水槽
９２      第１配管
９３      ポンプ
９４      第２配管
９５      ミストノズル
９６      硬水
９７      サンプル
９８      開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020032321.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2020032321.tif 000020
【図１７Ａ】
2020032321.tif 000021
【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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