(57)【要約】【課題】所望のタイミングで自由に帯電物質を除去回収でき比較的安価に廃水を処理できる帯電物質吸着脱離制御装置及び廃水処理装置並びに電極を提供する。【解決手段】帯電物質を含む溶液３から当該帯電物質を吸着・脱離することを制御する帯電物質吸着脱離制御装置１０であって、  互いに離間して配置され、帯電物質を含む溶液３に接する電極１及び電極２と、電極１及び電極２の電位を制御する制御部４と、少なくとも溶液３に接するように配置された表面電荷可変材料１３と、を備え、  表面電荷可変材料１３は、溶液３中において周囲のｐＨに応じて表面電荷が変化する性質を有し、  制御部４は電極１と電極２の電位を変化させることで、電極１又は電極２での水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応を制御して電極１又は電極２の近傍におけるｐＨを変化させ、溶液３に含まれる帯電物質を表面電荷可変材料１３に吸着又は脱離させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電物質を含む溶液から当該帯電物質を吸着・脱離することを制御する帯電物質吸着脱離制御装置であって、
互いに離間して配置され、帯電物質を含む溶液に接する第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の電位を制御する制御部と、少なくとも前記溶液に接するように配置された表面電荷可変材料と、を備え、
前記表面電荷可変材料は、前記溶液中において周囲のｐＨに応じて表面電荷が変化する性質を有し、
前記制御部は、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を変化させることで、前記第１の電極又は前記第２の電極での水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応を制御して前記第１の電極又は前記第２の電極の近傍におけるｐＨを変化させ、前記溶液に含まれる帯電物質を前記表面電荷可変材料に吸着又は脱離させることを特徴とする帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項２】
前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方が、前記表面電荷可変材料を含んでなる、又は前記表面電荷可変材料からなることを特徴とする請求項１記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項３】
前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方の表面の少なくとも一部に、前記表面電荷可変材料が担持されていることを特徴とする請求項１記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項４】
前記表面電荷可変材料を含む部材又は前記表面電荷可変材料からなる部材を有し、当該部材が、前記第１の電極及び／又は前記第２の電極の近傍に配置されたことを特徴とする請求項１記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項５】
前記溶液を上流から下流へ流通させる流通路をさらに備え、前記表面電荷可変材料を含む部材又は前記表面電荷可変材料からなる部材が、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたことを特徴とする請求項４記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項６】
マイナスに帯電した帯電物質の吸着時又はプラスに帯電した帯電物質の脱離時、前記制御部により、前記第１の電極及び前記第２の電極の電位が、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位より高くなるように制御され、プラスに帯電した帯電物質の吸着時又はマイナスに帯電した帯電物質の脱離時、前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位より低くなるように制御されることを特徴とする請求項５記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項７】
前記流通路の下流端が少なくとも２つに分岐されて分岐路が形成され、前記流通路と前記分岐路との間に形成された分岐部に分別手段を備え、
前記マイナスに帯電した帯電物質の吸着時又は前記プラスに帯電した帯電物質の吸着時、前記分別手段により、前記帯電物質が除去された溶液を一の分岐路に流通させ、
前記マイナスに帯電した帯電物質の脱離時又は前記プラスに帯電した帯電物質の脱離時、前記分別手段により、帯電物質が脱離され帯電物質濃度が増加した溶液を別の分別路に流通させることを特徴とする請求項６記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項８】
カソードとして機能する前記第１の電極及び／又は前記第２の電極はガス拡散電極であり、酸素を含む大気に接するとともに前記溶液に接することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項９】
前記表面電荷可変材料が等電点を有し、当該等電点が、前記帯電物質が存在しうるｐＨの領域内に存在することを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項１０】
前記表面電荷可変材料が、金属酸化物である請求項１乃至９の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項１１】
前記表面電荷可変材料が、官能基修飾材料又は該官能基修飾材料を含む物質である請求項１乃至９の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項１２】
前記表面電荷可変材料が多孔質であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項１３】
前記帯電物質が、炭素、リン、窒素、及び硫黄からなる群から選択される少なくとも１種を含むアニオン若しくはカチオンである請求項１乃至１２の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項１４】
前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方が、多孔質導電体を備える請求項１乃至１３の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項１５】
前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方が、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒機能を有するか、若しくは、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方の表面の少なくとも一部に、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒が担持されている請求項１乃至１４の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置を有してなり、
炭素、リン、窒素、及び硫黄からなる群から選択される少なくとも１種を含むアニオン又はカチオンを含有する廃水を処理して、当該アニオン又はカチオンを廃水から除去する廃水処理装置。
【請求項１７】
請求項１乃至１５の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置に用いる電極であって、
周囲のｐＨに応じて表面電荷が変化する表面電荷可変材料が表面に担持された電極。
【請求項１８】
請求項１乃至１５の何れかに記載の帯電物質吸着脱離制御装置に用いる電極であって、
周囲のｐＨに応じて表面電荷が変化する表面電荷可変材料を含んでなる又は表面電荷可変材料からなる電極。
【請求項１９】
水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒機能を有するか、若しくは、表面に、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒が担持されている請求項１７又は１８に記載の電極。
【請求項２０】
前記表面電荷可変材料は、金属酸化物であることを特徴とする請求項１７乃至１９の何れかに記載の電極。
【請求項２１】
前記表面電荷可変材料が、官能基修飾材料又は該官能基修飾材料を含む物質である請求項１７乃至１９の何れかに記載の電極。
【請求項２２】
さらに多孔質導電体を備える請求項１７乃至２１の何れかに記載の電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帯電物質の吸着・脱離を制御する帯電物質吸着脱離制御装置及び帯電物質を含む廃水から当該帯電物質を吸着・脱離させて廃水を浄化処理するとともに帯電物質を除去・回収する廃水処理装置並びにそれらに用いる電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
水は生命維持、社会生活、環境の保全に欠かすことのできない必須の物資であり、また産業活動において重要な物資である。
【０００３】
現在、世界には約７億人もの人が水ストレスを感じる生活を送っており、２０５０年には１０億人規模に達すると推定されている。水資源の絶対量は不足しており、今後益々悪化するものと考えられ、水環境の改善が急務である。
【０００４】
従来より、廃水処理装置として、廃水中の例えばリンをヒドロキシアパタイト（ＨＡＰ）やストラバイト（ＭＡＰ）として晶析させて廃水を処理する装置が用いられてきた。
【０００５】
例えばＨＡＰ法では、下記反応式に示すように液中のＰＯ４３−とＣａ２＋及びＯＨ−の反応によって生成されるヒドロキシアパタイト（Ｃａ１０（ＯＨ）２（ＰＯ４）６；ＨＡＰ）の晶析現象が利用されている：
１０Ｃａ２＋＋６ＰＯ４３−＋２ＯＨ−→Ｃａ１０（ＯＨ）２（ＰＯ４）６
【０００６】
ＨＡＰ法では、カルシウムイオン源及び水酸化物イオン源となる薬剤を投入する必要があり、リン１ｋｇを除去回収するのに２７００円以上もの費用が掛かってしまう。また、リンは、ヒドロキシアパタイトとして回収されリン酸イオン等の形態で回収することができない。そのため、リンを取り出すためにはヒドロキシアパタイトを分解・処理する必要がありコストがさらに嵩む。また、ＨＡＰ法では、例えばリン酸イオンを除去回収するのに相当の時間を要し、また所望のタイミングで除去回収を行うのは困難である。
【０００７】
また、別の方策として、吸着剤が充填された移動床式吸着装置が知られている。例えば、特許文献１では、当該移動床式吸着装置が、ループ状に連結された吸着部、洗浄部、脱着部及び活性化部から構成され、吸着剤が当該ループの中に充填されて一方向に流動し、原水、洗浄水、脱着液、活性化液などが吸着剤と対向して流動するよう構成されている。
【０００８】
しかしながら、当該装置では、リン酸イオン等は吸着剤に吸着されてしまうため、これを回収するためには特別の処理が必要となり費用が嵩む。また、上記同様、所望のタイミングでリン酸イオンの除去回収を行うのは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２３８１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、所望のタイミングでリン酸イオン等の帯電物質を除去回収でき比較的安価に廃水を処理できる帯電物質吸着脱離制御装置及び廃水処理装置並びにそれらに用いることができる電極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、等電点を有し周囲のｐＨに応じて表面状態が変化する表面電荷可変材料を電極（アノード又はカソード）又はその付近に配置すれば、当該電極への電圧印加によってアノードにおいて水素イオン生成反応が起こり電極近傍のｐＨが減少して当該表面電荷可変材料の表面がプラスに帯電し当該表面電荷可変材料がマイナスの帯電物質を吸着しうること（又はプラスの帯電物質を離脱させること）、一方、当該電極への電圧印加によってカソードにおいて水素イオン消費反応が起こり電極近傍のｐＨが増加して当該表面電荷可変材料の表面がマイナスに帯電しマイナスの帯電物質を離脱させること（又はプラスの帯電物質を吸着しうること）を知見し、電極に電圧を印加すれば表面電荷可変材料の表面状態に応じてアニオン又はカチオン等の帯電物質を吸引離脱することができることを見出した。
【００１２】
本発明は、上記知見に基づいて成されたものであり、帯電物質を含む溶液から当該帯電物質を吸着・脱離することを制御する帯電物質吸着脱離制御装置であって、
互いに離間して配置され、帯電物質を含む溶液に接する第１の電極及び第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極の電位を制御する制御部と、少なくとも前記溶液に接するように配置された表面電荷可変材料と、を備え、
前記表面電荷可変材料は、前記溶液中において周囲のｐＨに応じて表面電荷が変化する性質を有し、
前記制御部は、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧を変化させることで、前記第１の電極又は前記第２の電極での水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応を制御して前記第１の電極又は前記第２の電極の近傍におけるｐＨを変化させ、前記溶液に含まれる帯電物質を前記表面電荷可変材料に吸着又は脱離させることを特徴とする帯電物質吸着脱離制御装置にある。
【００１３】
本発明において、「帯電物質」とは、表面がプラス又はマイナスに帯電している物質（例えば分子（高分子を含む）、イオン）を意味する。
また、本発明において、「表面電荷可変材料」とは、等電点を有し、当該材料の周囲のｐＨが変動することで、当該材料の表面電荷が変動する材料を意味し、当該材料の表面電荷が変化することで帯電物質を吸着・脱離することができる。
【００１４】
本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置の一の態様では、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方が、前記表面電荷可変材料を含んでなる、又は前記表面電荷可変材料からなる。この場合、前記表面電荷可変材料は、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方の表面のうち少なくとも前記溶液に接触する部分に存在することが肝要である。
【００１５】
また、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置の別の態様では、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方の表面の少なくとも一部に、前記表面電荷可変材料が担持されている。
【００１６】
また、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置のさらに別の態様では、当該帯電物質吸着脱離制御装置が、前記表面電荷可変材料を含む部材又は前記表面電荷可変材料からなる部材を有し、当該部材が、前記第１の電極及び／又は前記第２の電極の近傍に配置されている。ここで、本発明において第１の電極（電極１）又は第２の電極（電極２）の「近傍」とは、第１の電極（電極１）又は第２の電極（電極２）への電圧印加によりｐＨ変化が検出されるような距離範囲であればよい。距離範囲はその幾何学的な構造に大きく依存し、系に応じて適宜設定される。
【００１７】
上述の態様において、当該帯電物質吸着脱離制御装置は、前記溶液を上流から下流へ流通させる流通路をさらに備え、前記表面電荷可変材料を含む部材又は前記表面電荷可変材料からなる部材が、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されていることが好ましい。
【００１８】
本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、マイナスに帯電した帯電物質の吸着時又はプラスに帯電した帯電物質の脱離時、前記表面電荷可変材料を含む部材又は前記表面電荷可変材料からなる部材の上流側に配置された前記第１の電極がアノードとして機能し、前記表面電荷可変材料を含む部材又は前記表面電荷可変材料からなる部材の下流側に配置された前記第２の電極がカソードとして機能するように（前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位より高くなるように）、前記制御部により前記第１の電極及び前記第２の電極の電位が制御され、
プラスに帯電した帯電物質の吸着時又はマイナスに帯電した帯電物質の脱離時、前記表面電荷可変材料を含む部材又は前記表面電荷可変材料からなる部材の上流側に配置された前記第１の電極がカソードとして機能し、前記表面電荷可変材料を含む部材又は前記表面電荷可変材料からなる部材の下流側に配置された前記第２の電極がアノードとして機能するように（前記第１の電極の電位が前記第２の電極の電位より低くなるように）、前記制御部により前記第１の電極及び前記第２の電極の電位が制御される。
【００１９】
また、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、前記流通路の下流端が少なくとも２つに分岐されて分岐路が形成され、前記流通路と前記分岐路との間に形成された分岐部に分別手段を備え、
前記マイナスに帯電した帯電物質の吸着時又は前記プラスに帯電した帯電物質の吸着時、前記分別手段により、前記帯電物質が除去された溶液を一の分岐路に流通させ、
前記マイナスに帯電した帯電物質の脱離時又は前記プラスに帯電した帯電物質の脱離時、前記分別手段により、帯電物質が脱離され帯電物質濃度が増加した溶液を別の分別路に流通させることが好ましい。
【００２０】
また、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、カソードとして機能する前記第１の電極及び／又は前記第２の電極はガス拡散電極であり、酸素を含む大気に接するとともに前記溶液に接することを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、前記表面電荷可変材料は等電点を有し、当該等電点が、前記帯電物質が存在しうるｐＨの領域内に存在することが肝要である。
【００２２】
本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、一の態様では、前記表面電荷可変材料は、金属酸化物である。好適には、前記金属酸化物は、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、二酸化ケイ素、酸化スズ、酸化インジウム、ＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化クロム、酸化ニオブ、酸化ニッケル、酸化ハフニウム、酸化ベリリウム、酸化カドミウム、酸化銅、酸化銀、酸化クロム、酸化鉄、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化プルトニウム及び酸化トリウムからなる群から選択される少なくとも１種である。
【００２３】
また、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、別の態様では、前記表面電荷可変材料は、官能基修飾材料又は官能基修飾材料を含む物質である。ここで、官能基修飾材料とは、等電点を有し等電点の前後でｐＨを変化させたときにプラス又はマイナスに帯電する官能基からなる材料を意味する。前記官能基（又は帯電する構造）は、カルボキシル基、ヒドロキシル基、アミノ基、アミド基、置換アミノ基、置換アミド基、イミノ基、イミド基、イミダゾイル基、ニトロ基、スルホニル基、スルホ基、ホスファニル基、ホスファンジイル基、ホスファニリデン基、チオール基及びピロール構造からなる群から選択された少なくとも１種からなる。例えば、カルボキシル基を持つ官能基修飾材料を用いた場合、当該カルボキシル基は、ｐＨが等電点より大きい状態では、−ＣＯＯ−の形態をとり、プラスの帯電物質を吸着し又はマイナスの帯電物質を離散させる。ｐＨが等電点以下の状態では、−ＣＯＯＨの形態をとり、すでにプラスの帯電物質を吸着している場合には前記プラスの帯電物質を脱離する。
また、官能基修飾材料を含む物質とは、少なくとも末端に上述のような官能基修飾材料が結合した物質を意味し、具体的には、例えば、官能基を有するモノマー、ポリマー等が挙げられる。より具体的には、主鎖骨格としてビニル基、スチレン基、エポキシ基を有し、側鎖として前記官能基を有するポリマー及びビニル基、スチレン基、エポキシ基を有するモノマーが挙げられる。主鎖骨格と側鎖との間にメチレン、エチレン、プロパン−１，３−ジエニル、エチリデン、プロパン−２,２−ジイル、アルカンジイル、ベンジリデン、プロピレン、ビニリデン、プロペン−１，３−ジイル、ブト−１−エン−１，４‐ジイルなどの飽和・不飽和炭化水素類、シクロヘキサンジイル、シクロヘキセンジイル、シクロヘキサジエンジイル、フェニレン、ナフタレン、ビフェニレンなど環状炭化水素類を含んでいてもよい。また、主鎖骨格内に上記官能基（又は構造）を有するポリマーであるポリピロール、ポリアニリン及びそれらの誘導体が挙げられる。前記誘導体として上記飽和・不飽和炭化水素類又は環状炭化水素又は上記帯電する官能基を側鎖に有するポリマーが挙げられる。
【００２４】
本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、前記帯電物質は、炭素、リン、窒素、及び硫黄からなる群から選択される少なくとも１種を含むアニオン若しくはカチオンであることが好ましい。
【００２５】
また、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方が、多孔質導電体を備えていてもよい。
【００２６】
また、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方が、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒機能を有するか、若しくは、前記第１の電極及び前記第２の電極の一方又は両方の表面の少なくとも一部に、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒が担持されていることが好ましい。
【００２７】
また、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置において、前記溶液は、酸化還元反応に伴い水素イオンを放出又は消費する物質を含む。より具体的には、前記物質は、水、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、２−メチル−１−プロパノール、２−メチル−２−プロパノール、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、クエン酸、シュウ酸、乳酸、酒石酸、マレイン酸、マロン酸、コハク酸、リンゴ酸、硝酸、亜硝酸、硫酸、亜硫酸、酸素及び二酸化炭素からなる群から選択された少なくとも１種である。
【００２８】
また、本発明は、上述の帯電物質吸着脱離制御装置を有してなり、
炭素、リン、窒素、及び硫黄からなる群から選択される少なくとも１種を含むアニオン又はカチオンを含有する廃水を処理して、当該アニオン又はカチオンを廃水から除去する廃水処理装置にある。
【００２９】
また、本発明は、上述の帯電物質吸着脱離制御装置に用いる電極であって、帯電物質を含む溶液中において、周囲のｐＨに応じて表面電荷が変化する表面電荷可変材料が表面に担持された電極にある。
【００３０】
別の態様では、上述の帯電物質吸着脱離制御装置に用いる電極であって、帯電物質を含む溶液中において、周囲のｐＨに応じて表面電荷が変化する表面電荷可変材料を含んでなる又は表面電荷可変材料からなる電極であってもよい。
【００３１】
本発明に係る電極は、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒機能を有するか、若しくは、その表面に、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒を担持していることが好ましい。
【００３２】
本発明に係る電極において、一の態様では、前記表面電荷可変材料は、金属酸化物である。好適には、前記金属酸化物は、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、二酸化ケイ素、酸化スズ、酸化インジウム、ＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化クロム、酸化ニオブ、酸化ニッケル、酸化ハフニウム、酸化ベリリウム、酸化カドミウム、酸化銅、酸化銀、酸化クロム、酸化鉄、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化プルトニウム及び酸化トリウムからなる群から選択される少なくとも１種である。
【００３３】
また、本発明に係る電極において、別の態様では、前記表面電荷可変材料は、官能基修飾材料又は該官能基修飾材料を含む物質である。
【００３４】
本発明に係る電極の一方又は両方がさらに多孔質導電体を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００３５】
本発明によれば、帯電物質を回収するに際し、帯電物質（例えばリン酸イオン）を沈殿させるための薬剤等を必要としないため安価に廃水を処理することができる。また、電極に電圧を印加すれば所望のタイミングでリン酸イオン等の帯電物質を吸着若しくは離脱することができる。
したがって、本発明によれば、所望のタイミングでリン酸イオン等の帯電物質を除去回収でき比較的安価に廃水を処理できる帯電物質吸着脱離制御装置及び廃水処理装置並びにそれらに用いることができる電極を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施の形態１に係る帯電物質吸着脱離制御装置の概略図である。
【図２】電極において水素イオンが生成される場合の帯電物質の挙動を示した概略図である。
【図３】電極において水素イオンが消費される場合の帯電物質の挙動を示した概略図である。
【図４】ｐＨとリン酸に由来するイオンの存在比率との関係を示した概略図である。
【図５】一の態様に係る電極の概略図である。
【図６】実施の形態２に係る帯電物質吸着脱離制御装置の概略図である。
【図７】別の態様に係る帯電物質留着脱離制御装置の概略図である。
【図８】実施の形態３に係る帯電物質吸着脱離制御装置の概略図である。
【図９】実施例１の試験の概要を示した概略図である。
【図１０】試行の回数とＣＯ３２−の濃度変化量との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明を実施するための形態を、以下に図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術的思想を具体化するための帯電物質吸着脱離制御装置及びそれを用いた廃水処理装置並びにこれらに用いられる電極を例示するものであって、本発明を限定するものではない。また、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。
【００３８】
（実施の形態１）
実施の形態１に係る帯電物質吸着脱離制御装置の概略図を図１に示す。図１に示すように、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置１０は、電極１（第１の電極）と、電極１と離間して配置された電極２（第２の電極）と、電極１と電極２とに接続され電極１及び電極２の電位を制御する制御部４と、を備える。容器５は、帯電物質を含む溶液３で満たされ、電極１及び電極２は溶液３に浸漬され接触している。
【００３９】
表面電荷可変材料１３は電極１の表面又は電極２の表面であって少なくとも溶液３に触れる部分に担持されている。ここで、表面電荷可変材料１３は、溶液３中において周囲のｐＨに応じて表面電荷が変化する性質を有する。また、別の態様では、電極１又は電極２の一方又は両方が、表面電荷可変材料１３により構成されていてもよい（又は表面電荷可変材料１３を含んでいてもよい）。
【００４０】
制御部４は、電極１と電極２との間の電圧を変化させることで、電極１又は電極２での水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応を制御して電極１又は電極２の近傍におけるｐＨを変化させ、溶液３に含まれる帯電物質を電極１及び／又は電極２に対して吸着又は脱離させる。
【００４１】
以下、溶液３としてリン酸溶液を、表面電荷可変材料１３として酸化チタンを用いる場合について本発明に係る帯電物質吸着脱離のメカニズムを詳細に説明する。
【００４２】
酸化チタンは、等電点（アナターゼ型の場合ｐＨ＝約６）を有し、ｐＨが当該等電点より小さい場合、酸化チタン表面のＯＨ基にＨ＋が結合して酸化チタンの表面に−ＯＨ２＋が形成されその表面状態はプラスとなる。ここで、本発明において、等電点とは、表面電荷可変材料１３（例えば酸化チタン）と溶液３との間に形成される電気二重層の電位が最小になるような溶液３の水素イオン濃度（ｐＨ）を意味する。上記の場合、リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）又はリン酸水素イオン（ＨＰＯ４２−）は当該リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）又はリン酸水素イオン（ＨＰＯ４２−）とＯＨ２＋との間の静電吸引作用により酸化チタン表面に近づく（吸着又は接近）。一方、ｐＨが当該等電点より大きい場合、酸化チタン表面のＯＨ基からＨ＋が遊離して酸化チタンの表面に−Ｏ−が形成され酸化チタンの表面状態はマイナスとなる。この場合、リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）又はリン酸水素イオン（ＨＰＯ４２−）は当該リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）又はリン酸水素イオン（ＨＰＯ４２−）とＯ−との間の静電反発作用により酸化チタン表面から遠ざかる（脱離又は離散）。
【００４３】
したがって、図２に示すように、電極１において水素イオン生成反応が促進されるよう電極１に制御部４の陽極を接続し電極２にその陰極を接続し電極１と電極２との間に電圧を印加すれば（すなわち、電極１はアノードとして機能し、電極２はカソードとして機能する）、
２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−            （１）
上記反応式（１）に示されるように電極１において水素イオンが生成され、電極１付近でｐＨの値が減少する。これにより、上記したように、ｐＨが等電点より小さくなり、酸化チタンの表面がプラスに帯電し、リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）又はリン酸水素イオン（ＨＰＯ４２−）は酸化チタン表面に近づく。
【００４４】
一方、図３に示すように、電極１において水素イオン消費反応が促進されるよう電極１に制御部４の陰極を接続し電極２にその陽極を接続し電極１と電極２との間に電圧を印加すれば（すなわち、電極１はカソードとして機能し、電極２はアノードとして機能する）、
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ            （２）
上記反応式（２）に示されるように電極１において水素イオンが消費され、電極１付近でｐＨの値が上昇する。これにより、上記したように、ｐＨが等電点より大きくなり、酸化チタンの表面がマイナスに帯電し、リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）又はリン酸水素イオン（ＨＰＯ４２−）は酸化チタン表面から遠ざかる。
【００４５】
上記において、帯電物質がアニオンの場合について説明したが、帯電物質がカチオンである場合は、上記と反対の挙動を示す。すなわち、電極１において水素イオンが生成される反応が促進されるよう電圧を印加した場合（すなわち、電極１はアノードとして機能し、電極２はカソードとして機能する）、電極１において生成される水素イオンが増加することによりｐＨが酸化チタンの等電点より小さくなり酸化チタンの表面はプラスに帯電し、当該帯電物質（カチオン）は酸化チタン表面から遠ざかる。一方、電極１において水素イオンが消費される反応が促進されるよう電圧を印加した場合（すなわち、電極１はカソードとして機能し、電極２はアノードとして機能する）、電極１において消費される水素イオンが増加することにより、ｐＨが酸化チタンの等電点より大きくなり酸化チタン表面はマイナスに帯電し、当該帯電物質は酸化チタン表面に近づく。
【００４６】
このように、電極１及び電極２の電位を制御することにより、溶液３に溶解している帯電物質を吸着・脱離することができる（又は帯電物質を接近・離散させることができる）。
【００４７】
溶液３にアニオン及びカチオンの両方が溶け込んでいる場合は、電極１及び電極２の両方に酸化チタン等の表面電荷可変材料１３を含ませ、これにより、電極１と電極２との間に電圧を印加することでこれらの電極１、２の一方にアニオンを、他方の電極にカチオンを吸着することができ、アニオン及びカチオンを一回の操作で分離することができる。
【００４８】
ここで、印加電圧によりｐＨが制御できる原理について水素イオン消費反応を一例として説明する。下式は、水素イオン消費反応を示す反応式である。
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
この電極反応の活性化エネルギーは過電圧の増加と共に減少する。すなわち、電圧をかけると反応速度は速くなる（Ｂｕｔｌｅｒ-Ｖｏｌｍｅｒの式）。電極表面の局所ｐＨは反応による消費とバルクからの拡散による供給のバランスで決まる。反応による消費速度が過電圧により制御可能であり、拡散による供給は過電圧に依存しないので、結果として、過電圧により電極表面の局所ｐＨは制御できる。
【００４９】
図５は、本実施の形態１に係る帯電物質吸着脱離制御装置における電極１又は電極２の構成を示す概略図である。本実施の形態１において、電極１及び／又は電極２は、基材１１を有し、基材１１の表面のうち少なくとも溶液３との接触部分に、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒（以下単に触媒と称する）１２及び周囲のｐＨに応じてその表面電荷が変化する表面電荷可変材料（以下単に表面電荷可変材料と称する）１３及びバインダー１４からなる組成物が塗布され、触媒１２及び表面電荷可変材料１３並びにバインダー１４を含む層１５が形成されている。触媒１２は必ずしも当該層１５に含まれていなければならないものではなく層１５に含まれていることが好ましい。
【００５０】
図５に示すように、触媒及び表面電荷可変材料含有層１５が基材１１の少なくとも溶液３との接触部分に形成されている。層１５は、触媒１２、表面電荷可変材料１３及びバインダー１４を含み、これらを混練し乾燥させて得られる。層１５は、必ずしもバインダー１４を含んでいる必要はなく、触媒１２及び表面電荷可変材料１３を基材１１に付着させることが可能であればバインダー１４を含んでいなくてもよい。
【００５１】
また、溶液３と接触している触媒１２は、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応を触媒するために基材１１と電子の授受を行うことが望ましい。溶液３に接触している触媒１２は基材１１に接触して電子の授受を行ってもよいし、導電性物質に担持して用いることにより導電性物質を通じて電子の授受を行ってもよい。
【００５２】
本実施の形態において、表面電荷可変材料１３は、等電点を有し、当該等電点が、前記帯電物質が存在しうるｐＨの領域内に存在することが肝要である。表面電荷可変材料１３が等電点を有しない場合、表面電荷がプラスに帯電したりマイナスに帯電したりすることがないため帯電物質を当該表面電荷可変材料に吸着させたり離脱させたりすることができない。また、当該等電点を有しているが、当該等電点が、帯電物質が存在しうるｐＨの領域外に存在し、等電点付近において非帯電物質として存在する場合（リン酸の場合であれば、Ｈ３ＰＯ４として存在している場合）においては、ｐＨを変動させ表面状態をプラスやマイナスに帯電させたとしても帯電物質が存在していないため非帯電物質を表面電荷可変材料１３に吸着させたり離脱させたりすることができない。したがって、表面電荷可変材料１３が等電点を有し、かつ、当該等電点が、帯電物質が存在しうるｐＨの領域内に存在することにより、帯電物質を表面電荷可変材料に吸着させたり離脱させたりすることができる。
【００５３】
このような表面電荷可変材料１３としては、帯電物質を含む溶液３中において、周囲のｐＨに応じて表面電荷が変化する金属酸化物が好適に用いられる。
【００５４】
表面電荷可変材料１３としては、表面状態をプラスやマイナスに変化させることができるものであれば、如何なる材料であってもよいが、好適には、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、二酸化ケイ素、酸化スズ、酸化インジウム、ＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化クロム、酸化ニオブ、酸化ニッケル、酸化ハフニウム、酸化ベリリウム、酸化カドミウム、酸化銅、酸化銀、酸化クロム、酸化鉄、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化プルトニウム及び酸化トリウム等の無機酸化物を用いることができる。
【００５５】
また、別の態様では、表面電荷可変材料１３は、プラスに帯電する官能基及び／又はマイナスに帯電する官能基からなる官能基修飾材料、又は該官能基修飾材料を含むモノマー、ポリマーを例示することができる。帯電する官能基（又は構造）としては、アミノ基（−ＮＨ２）、アミド基（−ＣＯＮＨ２）、置換アミノ基（−ＮＨＲ、置換アミド基（−ＣＯＮＨＲ）、第四アンモニウム基、イミノ基（−Ｃ(＝Ｎ−Ｒ)−）、イミド基（−Ｃ(＝Ｏ)−ＮＨ−Ｃ(＝Ｏ)−）、イミダゾイル基（−Ｃ３Ｎ２Ｈ２）、ニトロ基（−ＮＯ２）、スルホニル基（−Ｓ(＝Ｏ)２−）、ホスファニル基（−ＰＨ２）、ホスファンジイル基（−ＰＨＲ）、ホスファニリデン基（＝ＰＨ）、カルボキシル基(−ＣＯＯＨ)、ヒドロキシル基(−ＯＨ)、チオール（−ＳＨ）基、スルホ基（−ＳＯ３Ｈ）及びピロール構造等が挙げられる。ここでＲ、Ｒ’は、アルキル基若しくは置換アルキル基を示す。
より具体的には、表面電荷可変材料１３として機能するポリマーとして、主鎖骨格としてビニル基、スチレン基、エポキシ基を有し、側鎖として上記官能基を有するポリマーが挙げられる。主鎖骨格と側鎖との間にメチレン、エチレン、プロパン−１，３−ジエニル、エチリデン、プロパン−２,２−ジイル、アルカンジイル、ベンジリデン、プロピレン、ビニリデン、プロペン−１，３−ジイル、ブト−１−エン−１，４‐ジイルなどの飽和・不飽和炭化水素類、シクロヘキサンジイル、シクロヘキセンジイル、シウロヘキサジエンジイル、フェニレン、ナフタレン、ビフェニレンなど環状炭化水素類を含んでいてもよい。また、主鎖骨格内に上記官能基（又は構造）を有するポリマーであるポリピロール、ポリアニリン及びそれらの誘導体が挙げられる。前記誘導体として上記飽和・不飽和炭化水素類又は環状炭化水素又は上記帯電する官能基を側鎖に有するポリマーが挙げられる。
【００５６】
本実施の形態において、触媒１２は、水素イオン又は水酸化物イオンの生成又は消費を伴う電気化学反応に対する触媒機能を有するものであれば如何なるものであってもよい。触媒１２としては、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも一種類の金属を含む合金、錯体またはこれらの金属をドーパントとした化合物、カーボンアロイ、タンタルオキシナイトライド等を用いることができ、酸素還元の場合には、好適には、触媒１２はＰｔである。電極１又は電極２は、触媒１２を含んでなるか（若しくは触媒１２からなるか）、又は、電極１又は電極２の表面の少なくとも一部に、触媒１２が担持されている。
【００５７】
本実施の形態において、基材１１は、導電性を有し、ある程度の強度を有するものであれば如何なるものであってもよい。例示すれば、基材１１としては、金属、合金、カーボン等が挙げられる。
【００５８】
本実施の形態において、バインダー１４は、触媒１２及び／又は表面電荷可変材料１３を基材１１に付着させることが可能であれば如何なるものであってもよいが、イオン交換性を有することが望ましい。バインダー１４としては、ナフィオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）、プレミオン（登録商標）に代表されるパーフルオロ酸系イオノマーを水若しくは有機溶媒に分散させたもの等を用いることができる。好適には、バインダー１４はナフィオン（登録商標）分散溶液である。
【００５９】
本実施の形態において、帯電物質は、リン、炭素、窒素、及び硫黄からなる群から選択される少なくとも１種を含むアニオン若しくはカチオンである。より具体的には、燐を含むものとしては、リン酸二水素イオン（Ｈ２ＰＯ４−）、リン酸水素イオン（ＨＰＯ４２−）、又はリン酸イオン（ＰＯ４３−）、炭素を含むものとしては、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３−）、又は炭酸イオン（ＣＯ３２−）、窒素を含むものとしては、亜硝酸イオン（ＨＮＯ３−）、硝酸イオン（ＮＯ３２−）、アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）、硫黄を含むものとしては亜硫酸イオン（ＨＳＯ４−）、硫酸イオン（ＳＯ４２−）が挙げられる。
【００６０】
本実施の形態において、電極１及び／又は電極２は多孔質導電体を備えていてもよい。電極１及び／又は電極２が多孔質導電体を備えることにより電流密度が増加し、より小さい過電圧でｐＨを変化させることが可能である。
多孔質導電体としては、比表面積が大きく、表面抵抗が低いほどよく、好ましくは表面抵抗が１ ｋΩ/□以下である材料が好ましい。好適には、カーボンシート、カーボンクロスや表面にカーボンブラックを担持した導電体等が挙げられる。
【００６１】
本実施の形態において、溶液３は、酸化還元反応に伴い水素イオンを放出又は消費するものであることが肝要である。例示すれば、溶液３としては、水、メタノール、エタノール、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、２-メチル-１-プロパノール、２-メチル-２-プロパノール、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、及び酪酸を含む。
【００６２】
本実施の形態１に係る帯電物質吸着脱離制御装置によれば、帯電物質を回収するに際し、帯電物質（例えばリン酸二水素イオン）を沈殿させるための薬剤等を必要としないため安価に廃水を処理することができ、また、電極に電圧を印加すれば所望のタイミングでリン酸二水素イオン等の帯電物質を吸着若しくは離脱することができる。
【００６３】
（実施の形態２）
図６は、実施の形態２に係る帯電物質吸着脱離制御装置の概略図である。図６に示すように、本実施の形態２に係る帯電物質吸着脱離制御装置２０は、帯電物質を含む溶液３を上流から下流へ流通させるパイプ状の流通路６と、流通路６にその内面から外面に至るまで互いに離間して配置された電極１（第１の電極）及び電極２（第２の電極）と、電極１及び電極２の電位を制御する制御部４と、を備える。
例えば、電極１に制御部４の陽極を接続し電極２にその陰極を接続した場合、電極１はアノードとして機能し、電極２はカソードとして機能する。この場合、電極２において、水素イオン消費反応が起こる。水素イオン消費反応の一例として、以下の反応が挙げられる。
１）Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ
２）Ｈ２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→２Ｈ２Ｏ
３）２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２
ここで、（１）の反応において用いられる触媒の例としては、白金（Ｐｔ）、ＵＴ−触媒（ＵＴ−ｃａｔａｌｙｓｉｓ）等が挙げられる。
また、電極１においては、水素イオン生成反応が起こる。水素イオン生成反応の一例として、以下の反応が挙げられる。
４）２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
５）ＣＨ３ＯＨ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
ここで、４）の反応において用いられる触媒の例としては、白金（Ｐｔ）、二酸化ルテニウム（ＲｕＯ２）、二酸化イリジウム（ＩｒＯ２）、二酸化マンガン（ＭｎＯ２）、ＵＴ−触媒（ＵＴ−ｃａｔａｌｙｓｉｓ）が挙げられる。また、５）の反応において用いられる触媒の例としては、白金（Ｐｔ）が挙げられる。
本実施の形態２において、好ましい反応の組み合わせは、１）と４）との組み合わせである。当該組み合わせでは、大気中に含まれる酸素及び溶液中に含まれる水が消費されるため装置構成が最も簡易となるからである。以下、１）と４）とを組み合わせた場合について説明する。
【００６４】
電極２がカソードとして機能する場合、電極２はガス拡散電極であることが好ましい。電極２をガス拡散電極で構成することにより、電極２の外側の大気に含まれる酸素を効率的に消費することができる。
【００６５】
ガス拡散電極は多孔質導電体の一方の面に撥水加工を施し、他方の面に酸素還元触媒が担持若しくは塗布により固定された構造からなる。撥水加工は、多孔質導電体表面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）をコートするなどして形成することができる。この撥水処理加工を施すことにより、ガス拡散電極は、気体は通過することができるが、水は通過することができないという性状を持つ特徴がある。ガス拡散電極は、触媒が電解液と接するように設置し、また撥水加工を施した側が、外部気体と触れるように設置する。
【００６６】
ここでは、大気中の酸素を原料とする場合について説明したが、酸素の供給源は大気中の酸素に限定されず、溶液３中に溶存する酸素を原料としてもよい。この場合、必ずしも電極２をガス拡散電極とする必要はない。
【００６７】
触媒としては、酸素の吸着サイトとして作用することが可能な遷移金属であるＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる少なくとも一種類の金属を含む合金、錯体またはこれらの金属をドーパントとした化合物、カーボンアロイ、タンタルオキシナイトライドが挙げられる。好適には、Ｐｔである。
【００６８】
また、アノードとして機能する電極１は表面電荷可変材料１３を含んでいてもよいし（若しくは電極１が表面電荷可変材料１３から構成されていてもよいし）、その表面の少なくとも一部に、表面電荷可変材料１３が担持されてもよい。本実施の形態２においては、電極１の表面の少なくとも一部に、表面電荷可変材料１３が担持されている。電極２が表面電荷可変材料１３を含む（又は電極１が表面電荷可変材料１３からなる）場合、表面電荷可変材料１３は、電極１の表面のうち少なくとも溶液３に接触する部分（すなわち、パイプ状の電極１の内面付近）に存在することが肝要である。また、電極１の表面の少なくとも一部に表面電荷可変材料１３が担持されている場合も、電極１の表面のうち少なくとも溶液３に接触する部分（すなわち、パイプ状の電極１の内面付近）に担持されていることが肝要である。表面電荷可変材料１３が、電極１の表面のうち少なくとも溶液３に接触する部分に存在するため、電極１、２の電位を制御することにより、表面電荷可変材料１３の表面状態が変化し帯電物質を吸着脱離することができる。
【００６９】
電極２は表面電荷可変材料以外の物質から構成され、少なくとも表面に表面電荷可変材料を含まず、また担持されていないことが望ましい。表面に表面電荷可変材料が存在する場合、電極１からリン酸二水素イオンを脱離した際に、溶液３のｐＨと表面電荷可変材料の等電点によっては下流の電極２の表面電荷可変材料にリン酸二水素イオンが吸着し所望の吸着脱離が妨げられる。
【００７０】
図７は、本発明に係る帯電物質吸着脱離制御装置２０の別の態様を示している。図７に示すように、流通路６の下流端２１が少なくとも２つに分岐されて分岐路２２、２３が形成され、流通路６と分岐路２２、２３との間に形成された分岐部２４に分別手段２５を備えていてもよい。分別手段２５は、一端２６を支点として他端２７が分岐路２２の開口部から分岐路２３の開口部まで移動可能である。分別手段２５は、図７に示すように、２つの分岐路２２、２３のうち一の分岐路２２を物理的・機械的に閉じ、帯電物質吸着脱離制御装置２０を通過する溶液を別の分岐路２３へ案内する。また、別の分岐路２３を閉じた場合は、当該溶液は一の分岐路２２に案内される。これにより、マイナスに帯電した帯電物質の吸着時又はプラスに帯電した帯電物質の吸着時、分別手段２５により、帯電物質が除去された溶液を一の分岐路２２に流通させ、また、マイナスに帯電した帯電物質の脱離時又はプラスに帯電した帯電物質の脱離時、分別手段２５により、帯電物質が脱離され帯電物質濃度が増加した溶液を別の分別路２３に流通させることができ、帯電物質を除去した処理済みの溶液と帯電物質を多く含む溶液とに分けることができる。
【００７１】
また、本実施の形態２に係る帯電物質吸着脱離制御装置２０を一のユニットとして複数のユニットを束状に配列させてもよい。これにより、溶液３に含まれる帯電物質を溶液３から効果的に除去できるため、帯電物質の除去率を向上させることができる。帯電物質吸着脱離制御装置２０の内径は系の幾何学的構造に大きく依存し、系に応じて適宜設定される。
【００７２】
また、電極１に制御部４の陰極を接続し電極２にその陽極を接続し、これらの電極に電圧を印加すれば、電極１では、１）式に示すような水素イオン消費反応が進行する。これにより、電極１付近ではｐＨが増加し表面電荷可変材料がマイナスに帯電し、上述の吸着操作により電極２に吸着されていた、マイナスに帯電した帯電物質が電極１から離脱する。
【００７３】
本実施の形態２に係る帯電物質吸着脱離制御装置２０によれば、電極１に吸着されたイオンをイオンの状態で回収することができ、特別の処理を要しないため、安価に廃水処理を行うことができる。
【００７４】
また、電極１及び電極２で起こる水素イオン又は水酸化物イオンの生成量と消失量はほぼ等しいため、前記帯電物質を除去した処理済みの溶液のｐＨは帯電物質吸着による寄与を除き、処理前の溶液からｐＨをほぼ変えずに処理を行うことができる。
【００７５】
（実施の形態３）
図８は、実施の形態３に係る帯電物質吸着脱離制御装置の概略図である。図８に示すように、本実施の形態３に係る帯電物質吸着脱離制御装置４０は、帯電物質を含む溶液３を上流から下流へ流通させるパイプ状の流通路６と、流通路６にその内面から外面に至るまで互いに離間して配置された電極１（第１の電極）及び電極２（第２の電極）と、電極１及び電極２の電位を制御する制御部４と、表面電荷可変材料１３を含む部材７と、を備える。部材７は、電極１と電極２との間に配置され、流通路６の一部を構成する。
【００７６】
例えば、電極１に制御部４の陽極を接続し電極２にその陰極を接続した場合、電極１はアノードとして機能し、電極２はカソードとして機能する。この場合、電極１において、水素イオン生成反応が起こる。したがって、電圧印加により、アノードの下流においてｐＨが減少する。ここで、帯電物質を含む溶液３は、流通路６内を電極１側から電極２側へ流れる。表面電荷可変材料１３を含む部材７が、アノードとして機能する電極１の下流に配置されているため、上述のような電圧印加により部材７付近においてｐＨが減少し、部材７に含まれる表面電荷可変材料１３の表面状態がプラスとなる。これにより、マイナスに帯電した帯電物質が部材７に吸着される。
【００７７】
また、電極１に制御部４の陰極を接続し電極２にその陽極を接続すれば、電極１では、４）式に示すような水素イオン消費反応が進行する。これにより、電極１の下流ではｐＨが増加し表面電荷可変材料１３の表面状態がマイナスとなる。マイナスに帯電した帯電物質が部材７から離脱する。
【００７８】
すなわち、マイナスに帯電した帯電物質の吸着時又はプラスに帯電した帯電物質の脱離時、表面電荷可変材料１３を含む部材７又は表面電荷可変材料１３からなる部材７の上流側に配置された電極１がアノードとして機能し、表面電荷可変材料１３を含む部材７又は表面電荷可変材料１３からなる部材７の下流側に配置された電極２がカソードとして機能するように、制御部４により電極１及び電極２の電位が制御され、プラスに帯電した帯電物質の吸着時又はマイナスに帯電した帯電物質の脱離時、表面電荷可変材料１３を含む部材７又は表面電荷可変材料１３からなる部材７の上流側に配置された電極１がカソードとして機能し、表面電荷可変材料１３を含む部材７又は表面電荷可変材料１３からなる部材７の下流側に配置された電極２がアノードとして機能するように、制御部４により電極１及び電極２の電位が制御される。
【００７９】
本実施の形態３に係る帯電物質吸着脱離制御装置４０は、上記と同様、流通路６の下流端２１が少なくとも２つに分岐されて形成された分岐路２２、２３、流通路６と分岐路２２、２３との間に設けられた分別手段２５を備えてもよい。
【００８０】
本実施の形態３に係る帯電物質吸着脱離制御装置４０によれば、上記同様、部材７に吸着されたイオンをイオンの状態で回収することができ、特別の処理を要しないため、安価に廃水処理を行うことができる。
【００８１】
表面電荷可変材料１３を含む部材７又は表面電荷可変材料１３からなる部材７として特許文献（特許４６４６３０１号）で示されるような無機イオン吸着体を含む成形体等を用いてもよい。表面電荷可変材料と電極とを切り離したことにより、表面電荷可変材料として従来のリン吸着剤（吸着後アルカリ性溶液を流して脱離）を用いることができる。薬剤（アルカリ性溶液）の代わりに電気化学的にｐＨを増加させて脱離させることが可能となる。
【００８２】
（実施の形態４）
本実施の形態に係る帯電物質吸着脱離制御装置は廃水に含まれる帯電物質を吸着脱離して廃水を処理することが可能である。したがって、本実施の形態に係る帯電物質吸着脱離制御装置を廃水処理装置に適用することができる。
本発明に係る廃水処理装置は、上述の帯電物質吸着脱離制御装置を有してなり、炭素、リン、窒素、及び硫黄を含む帯電物質含有廃水を処理して、帯電物質を廃水から除去することができる。廃水としては、下水、下水処理水、工場用水及び工場廃（排）水が挙げられる。
【実施例】
【００８３】
実施例１
カーボンペーパーからなる基材１１上に、Ｐｔ７０％担持カーボンブラック１０ｍｇ、ＴｉＯ２１０ｍｇ及びナフィオン（登録商標）を混練したものを塗布し乾燥させて電極１及び電極２を作製した。図９に示すように、容器にｐＨ１０の炭酸緩衝液（溶液３）１０ｍｌを投入し当該炭酸緩衝液に電極１及び電極２を浸漬した。電極１及び電極２が炭酸緩衝液に接触する面積が２．５ｃｍ２となるよう電極１及び電極２を配置した。その後、電極１に１．１５Ｖの直流電源の陽極を、電極２にその陰極を接続し、５分間通電した。
【００８４】
その後、電極１を取り出し、別の容器に注入された水酸化ナトリウム水溶液（１０ｍＭ、ｐＨ１２、１０ｍｌ）に浸漬し、電極１に吸着された炭酸水素イオン及び/又は炭酸イオンを水酸化ナトリウム水溶液に溶解させた。水酸化ナトリウム水溶液中の炭酸水素イオン及び/又は炭酸イオンをイオンクロマトグラフィーにて検出した。電圧印加を行わずに同様の操作を行ったものをコントロールと称する。
【００８５】
図１０に、上記試行の回数と炭酸水素イオン及び/又は炭酸イオンの濃度変化量との関係を示す。電極１及び電極２を炭酸緩衝液に浸漬して電極１及び電極２間に電圧を印加し電極１を水酸化ナトリウムに浸漬する試行を１回とし、このような試行を５回繰り返したものを５回としている。濃度変化量はコントロール実験の測定値を減算した値を示す。
【００８６】
図１０に示すように、炭酸水素イオン及び/又は炭酸イオンの濃度変化が確認され、炭酸水素イオン及び/又は炭酸イオンが電極１の表面電荷可変材料であるＴｉＯ２に、電圧印加によるｐＨ減少により吸着し、ｐＨ増加により脱離していることが確認された。
【００８７】
また、図１０に示すように、当該試行を１回行った場合、炭酸水素イオン及び/又は炭酸イオンの濃度変化量は約１８ｍｇ／Ｌであり、当該試行を５回行った場合、炭酸水素イオン及び/又は炭酸イオンの濃度変化量は約６１ｍｇ／Ｌであった。当該試行を繰り返し行うことにより炭酸水素イオン及び/又は炭酸イオンの濃度変化量は増加することが分かった。
【００８８】
実施例２
実施例１と同様、カーボンペーパーからなる基材１１上に、Ｐｔ７０％担持カーボンブラック１０ｍｇ、ＴｉＯ２１０ｍｇ及びナフィオン（登録商標）を混練したものを塗布し乾燥させて電極１及び電極２を作製した。０．１５ｍＭリン酸及び炭酸の緩衝液（溶液３）（ｐＨ９．８１、１０ｍｌ）を容器に投入し当該緩衝液に電極１及び電極２を浸漬した。その後、電極１に１．１５Ｖの直流電源の陽極を、電極２にその陰極を接続し、５分間通電した。
【００８９】
その後、電極１を取り出し、５分後、別の容器に注入された炭酸緩衝液（ｐＨ１０．０１、１０ｍｌ）に浸漬し、電極１に吸着されたリン酸水素イオン及び/又はリン酸二水素イオンを炭酸緩衝液に溶解させた。炭酸緩衝液中のリン酸水素イオン及び/又はリン酸二水素イオン及び/又はリン酸イオンを呈色試薬を用いた吸光光度測定（米国環境保護局の測定法３６５.２及び標準測定法４５００-Ｐ-Ｅに相当）にて検出した。実験は３回行った。電圧印加を行わずに同様の操作を行ったものをコントロールと称する。
【００９０】
実験結果を表１に示す。濃度変化量はコントロール実験の測定値を減算した値を示す。
【００９１】
【表１】
2015037763.tif 000003
【００９２】
表１に示すように、リン酸水素イオン及び/又はリン酸二水素イオン及び/又はリン酸イオンの濃度変化が確認され、リン酸水素イオン、及び/又はリン酸二水素イオン及び/又はリン酸イオンが電極１の表面電荷可変材料であるＴｉＯ２に電圧印加によるｐＨ減少により吸着し、ｐＨ増加により脱離していることが確認された。
【符号の説明】
【００９３】
１  電極（第１の電極）
２  電極（第２の電極）
３  溶液（帯電物質を含む溶液）
４  制御部
５  容器
６  流通路
７  表面電荷可変材料を含む部材
１０、２０、４０  帯電物質吸着脱離制御装置
１１  基材
１２  触媒
１３  表面電荷可変材料
１４  バインダー
１５  触媒及び表面電荷可変材料含有層
２１  流通路の下流端
２２、２３  分岐路
２４  分岐部
２５  分別手段
２６  分別手段の一端
２７  分別手段の他端
【図１】
2015037763.tif 000004
【図２】
2015037763.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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