(57)【要約】  本発明では、イオン吸収／脱着装置、および対応する方法が提供される。イオン吸収装置は、電極組（12、14）を有しても良く、該電極組（12、14）の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲル（16a）で被覆され、前記ゲル（16a）は、前記電極組（12、14）に電圧が印加された際に、液体（26a）中のイオンを吸収する。官能基を有するイオン透過性ゲルで電極を被覆することにより、ゲル内の官能基による、液体中のカチオンおよび／またはアニオンのキレート化が容易となり、これにより、これらのイオンがゲル内に固定化され、吸収効率が向上する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン吸収装置であって、
電極組を有し、
該電極組の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、
前記ゲルは、前記電極組に電圧が印加された際に、液体中のイオンを吸収する、イオン吸収装置。
【請求項２】
前記ゲルは、天然の高分子または合成高分子を有する、請求項1に記載のイオン吸収装置。
【請求項３】
前記天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナンを含み、
前記合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマを含む、請求項2に記載のイオン吸収装置。
【請求項４】
さらに、
前記電極組の少なくとも一つの電極と前記ゲルとの間に導電性材料を有し、
該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む、請求項1に記載のイオン吸収装置。
【請求項５】
請求項1乃至4のいずれか一つに記載のイオン吸収装置を有するpH調節器であって、
前記電極組の一つの電極は、前記ゲルで被覆され、
前記ゲルは、前記電極組に電圧が印加された際に、液体中のH＋またはOH−イオンを吸収する、pH調節器。
【請求項６】
イオン脱着装置であって、
電極組を有し、
該電極組の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、
前記ゲルは、前記電極組に逆電圧が印加された際に、前記ゲルに吸収されたイオンを液体中に脱着する、イオン脱着装置。
【請求項７】
前記ゲルは、天然の高分子または合成高分子を有する、請求項6に記載のイオン脱着装置。
【請求項８】
前記天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナンを含み、
前記合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマを含む、請求項7に記載のイオン脱着装置。
【請求項９】
さらに、
前記電極組の少なくとも一つの電極と前記ゲルとの間に導電性材料を有し、
該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む、請求項6に記載のイオン脱着装置。
【請求項１０】
イオン吸収方法であって、
電極組に電圧を印加するステップであって、前記電極組の少なくとも一つは、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、前記ゲルは、前記液体中のイオンを吸収する、ステップを有する、イオン吸収方法。
【請求項１１】
前記ゲルは、天然の高分子または合成高分子を有する、請求項10に記載のイオン吸収方法。
【請求項１２】
前記電極組の少なくとも一つの電極と前記ゲルとの間に導電性材料が使用され、
該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む、請求項10に記載のイオン吸収方法。
【請求項１３】
イオン脱着方法であって、
電極組に逆電圧を印加するステップであって、前記電極組の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、前記ゲルに吸収されたイオンを液体中に脱着する、ステップを有する、イオン脱着方法。
【請求項１４】
前記ゲルは、天然の高分子または合成高分子を有する、請求項13に記載のイオン脱着方法。
【請求項１５】
前記電極組の少なくとも一つの電極と前記ゲルとの間に導電性材料が使用され、
該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む、請求項13に記載のイオン脱着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、イオン吸収／脱着装置およびその方法、ならびにpH調節器に関し、特に、ゲルを用いて液体中のイオンの吸収／脱着を行うことに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナトリウム、カルシウム、鉄、銅のイオンのようなカチオン、ならびに塩化物、臭化物、硫酸および炭酸のイオンのようなアニオンを含む、ミネラルイオンは、水に溶解する主要な溶質と考えられている。人々の日々の生活および作業において、例えば水溶液中における意図しないイオンは、通常、除去する必要がある。当業者には、かん水（brine）チャンバ中に無機酸化物ゲルを導入して、米国特許第3847788号に記載されているような電気透析機器を再現することが想定される。ゲルが濃縮かん水溶液に接触すると、離しょう（シネレシス）が生じ、これによりゲルからのオーバーフローとして、電解質が染み出し、これによりかん水流が除去され、貯蔵が低下して、要求物質が注入され引き込まれる。しかしながら、そのような装置は、複雑な構成、スケール化の問題、脱イオン処理中の意図しないかん水の同時発生など、家庭での使用の際に問題を引き起こす欠点により、未だに苦慮している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第3847788号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述の問題の観点から、技術的にイオン吸収速度および吸収効率が改善されたイオン吸収装置が緊急に必要となっている。
【０００５】
従って本発明の目的は、前記問題の少なくとも一つを解決することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第1の態様では、イオン吸収装置が提供され、当該イオン吸収装置は、電極組を有しても良く、該電極組の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、前記ゲルは、前記電極組に電圧が印加された際に、液体中のイオンを吸収する。官能基を有するイオン透過性ゲルで電極を被覆することにより、液体中のナトリウム、カルシウム、鉄、銅のイオンのようなカチオン、および塩化物、臭化物、硫酸、および炭酸のイオンのようなアニオンを、ゲル内の官能基によりキレート化することが容易となり、これによりこれらのイオンがゲルに固定化され、吸収効率が改善される。また、本発明のそれぞれの実施例で使用され得るものは、溶液中で膨脹できるようなイオン透過性ゲルであり、これは、一方では、溶液中の水を吸収し、他方では、溶液中の好ましくないイオンを強固に吸収する。
【０００７】
例えば、米国特許第3847788号で使用されている無機酸化物ゲルとは異なり、本願で使用されるゲルは、高濃度の塩が吸収された際にも、電解質の染み出しが生じない。これは、意図しないかん水溶液の同時発生を抑制する。
【０００８】
本発明のある実施例では、使用されるゲルは、天然の高分子または合成高分子を有しても良い。
【０００９】
本発明の別の実施例では、天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナンを含み、合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマを含む。
【００１０】
本発明のさらに別の実施例では、イオン吸収装置は、さらに、電極組の少なくとも一つの電極とゲルとの間に導電性材料を有し、該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含んでも良い。少なくとも一つの電極とゲルとの間の導電性材料により、ゲルは、電極をより良く被覆するようになり、両者の間の結合力が高められる。
【００１１】
本発明の第2の態様では、前記イオン吸収装置を有するpH調節器が提供される。電極組の一つの電極は、ゲルによって被覆され、該ゲルは、電極組に電圧が印加された際に、液体中のH＋またはOH−イオンを吸収する。本発明のpH調節器を用いることにより、ユーザの要求に基づいて、異なるpH値を有する酸性水またはアルカリ水を生成することができる。
【００１２】
本発明の第3の態様では、イオン脱着装置が提供される。当該イオン脱着装置は、電極組を有しても良く、該電極組の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、ゲルは、電極組に逆電圧が印加された際に、前記ゲルに吸収されたイオンを液体中に脱着する。逆電圧が印加された場合、電気的な力の下、官能基とともにキレート化されたイオンにより生じる反発力は、官能基による結合力を超え、従って官能基とともに結合されたこれらのイオンは、継続的にゲルから離れ、溶液に入る。従って、これは、一方では、ゲルのリサイクル使用に有益であり、他方では、所望のイオン量の溶液の収集に有益である。
【００１３】
本発明の一実施例では、本願で使用されるゲルは、天然の高分子または合成高分子を有しても良い。
【００１４】
本発明の別の実施例では、天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナンを含み、合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマを含んでも良い。
【００１５】
本発明のさらに別の実施例では、イオン脱着装置は、さらに、電極組の少なくとも一つの電極とゲルとの間に導電性材料を有し、該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含んでも良い。なくとも一つの電極とゲルとの間の導電性材料により、ゲルは、電極をより良く被覆することができ、これらの間の結合力が向上する。
【００１６】
本発明の第4の態様では、イオン吸収方法が提供され、この方法は、電極組に電圧を印加するステップであって、電極組の少なくとも一つは、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、前記ゲルは、液体中のイオンを吸収する、ステップを有しても良い。
【００１７】
本発明のある実施例では、使用されるゲルは、天然の高分子または合成高分子を有しても良い。
【００１８】
本発明の別の実施例では、これは、さらに、電極組の少なくとも一つの電極とゲルとの間に導電性材料を有し、該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含んでも良い。
【００１９】
本発明の第5の態様では、イオン脱着方法が提供され、この方法は、電極組に逆電圧を印加するステップであって、電極組の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、前記ゲルに吸収されたイオンを液体中に脱着する、ステップを有する。
【００２０】
本発明のある実施例では、使用されるゲルは、天然の高分子または合成高分子を有しても良い。
【００２１】
本発明のさらに別の実施例では、これは、さらに、電極組の少なくとも一つの電極とゲルとの間に導電性材料を有し、該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含んでも良い。
【００２２】
本発明の前述のおよび他の特徴は、図面に示された実施形態の詳細な説明を通じて、より明らかとなる。図において、同じまたは同様の参照符号は、同じまたは同様の部材を表す。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】本発明の一態様によるイオン吸収装置を概略的に示した図である。
【図１Ｂ】本発明の代替態様によるイオン吸収装置を概略的に示した図である。
【図１Ｃ】本発明の別の代替態様によるイオン吸収装置を概略的に示した図である。
【図２】本発明の代替実施例のイオン吸収装置において、導電性材料が電極とゲルの間に配置されていることを概略的に示した図である。
【図３Ａ】本発明の別の態様によるpH調節器を概略的に示した図である。
【図３Ｂ】本発明の代替実施例におけるpH調節器を概略的に示した図である。
【図４Ａ】本発明のある態様によるイオン吸収装置を概略的に示した図である。
【図４Ｂ】本発明の代替態様におけるイオン吸収装置を概略的に示した図である。
【図４Ｃ】本発明の別の代替態様におけるイオン吸収装置を概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明およびその概略的な実施例の図面を参照して、本発明について詳細に説明する。
【００２５】
まず、図1A乃至1Cを参照すると、図1Aには、本発明の一態様によるイオン吸収装置10aが示されている。イオン吸収装置10aは、一つの電極組12、14を有し、該電極組12、14の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲル16aに覆われ、該ゲル16aは、電極組12、14に電圧が印加された際に、液体26a中のイオンを吸収する。本発明のそれぞれの実施例では、本発明の電極組12、14の材料として、各種材料が使用され、例えば、Ti、Pt、Au、Rh、およびRuのような金属、またはTi-Ruのような合金、またはグラファイトおよび活性炭素のような炭素系材料が使用され得る。
【００２６】
図1Aには、電極組12、14の第1の電極12が官能基を有するイオン透過性ゲル16aで被覆されることが概略的に示されている。本発明の変更実施例、例えば図1Bでは、電極組12、14の第2の電極14が、官能基を有するイオン透過性ゲル16aで被覆されることが示されている。本発明の別の変更実施例、例えば図1Cでは、電極組12、14の第1の電極12と第2の電極14の両方が、官能基を有するイオン透過性ゲル16aで被覆されることが示されている。液体26a中の異なるイオンが吸収される必要があるため、そのような変更が存在する。これについては後述する。
【００２７】
本発明のそれぞれの実施例に使用される、官能基を有するイオン透過性ゲル16aまたは16b（後述する）は、実質的にクロスリンクされた系であり、定常状態では流動性を示さない。これらのゲルは、ほとんどが液体であるが、液体内の3次元のクロスリンクされたネットワークにより、これらは固体のように振る舞う。
【００２８】
そのような官能基を有するイオン透過性ゲル16aは、以下の理由により、イオン吸収に使用できる：
1）ゲルの全重量の90%を超える部分は水であり、これは高い浸透性につながるとともに、イオンは、自由拡散により、または電気的力の下、ゲルに入り込む、
2）3次元クロスリンクネットワークは、吸収されたイオンの移動度を低下させ、これらがリーク流出することを防止する、
3）ヒドロキシル基、アミノ基、およびカルボキシル基のような、ゲルの構成成分に依存するゲルに含まれる活性基が、水素結合相互作用または静電的な相互作用により、イオンと結合する。従って、ゲルにより吸収されたイオンは、さらに安定化され得る。
【００２９】
本発明のそれぞれの実施例に使用されるゲル16aは、天然の高分子または合成高分子を有しても良い。天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナンを含む。合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマを含む。
【００３０】
図2に概略的に示すように、イオン吸収装置は、電極組12、14の少なくとも一つの電極とゲル16aとの間に、導電性材料24を有することが好ましく、導電性材料24は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布、の少なくとも一つを含む。
【００３１】
本発明の吸収装置をより良く理解するため、以下、いくつかの実施例を通じて、概略的な記載を示す。
【００３２】
（実施例1）
図1Aにおける電極組12、14の第1の電極12は、カソードとして機能し、第2の電極14は、アノードとして機能する。使用される液体26aは、例えば、Ca2+を含有する水とすることができる。第1の電極12の表面は、アガロースゲルで被覆される。アガロースゲルの化学式は、
【００３３】
【化１】
2016505370.tif 000003
である。
【００３４】
すなわち、アガロースゲルの化学式には、ヒドロキシル基が含まれる。第1の電極12と第2の電極14に電圧を印加した場合、水中のCa2+は、第1の電極12に向かって移動し、ゲルに入る。この電極は、吸収の間、カソードとして機能する。アガロースゲル内のヒドロキシル基は、Ca2+をキレート化するため、Ca2+は、ゲル内で固定化される。一方、水は、カソード表面で脱酸素化され、すなわち以下の反応が生じる：
2H2O＋2e＝H2＋2OH−
これにより、カソード表面でH2およびOH−が生じる。アガロースゲル内に入ったCa2+の一部は、ヒドロキシル基でキレート化される一方、Ca2+の他の部分は、アガロースゲル内でカソードに向かって連続的に移動し、Ca2+と反対の極性を有するイオンとして、OH−イオンは、電気的中性を維持することにより、密接に結合したCa(OH)2を発生する。すなわち、OH−イオンはCa2+と反応し、Caイオンをゲル内でさらに安定化させる。水中のCa2+イオンは、前記Ca2+イオンの吸収を介して除去される。
【００３５】
異なるイオンの吸収の場合、対応する官能基を有するイオン透過性ゲル16aが使用できることは、当業者には理解される。例えば、メチルセルロース、メチルメタクリレート、メタクリル酸塩、ポリアクリルアミド、およびメチルアリルスルホン酸ゲル、アクリル酸高分子、コポリマは、カルボキシル官能基を有し、ヒアルロナンおよびポリビニルアルコールは、ヒドロキシル官能基を有し、ポリウレタンは、アミノ官能基を有する等である。本願に挙げられた各種天然の高分子ゲルまたは合成高分子ゲルは、単なる一例であって、これは、本発明のそれぞれの実施例において使用されるゲルがこれらに限定されることを意図するものではないことは、当業者には理解される。重金属イオンを吸収するヒドロゲルは、通常、カルボキシル（-COOH）、アミド（-NH2）、ヒドロキシル（-OH）、スルホン酸基（-SO3）等のような、各種キレート化官能基を有し、従って、通常、ヒドロゲルが重金属をキレート化する官能基を有さない場合、そのような官能基を導入するため、それ自体で化学反応が生じる必要があり、またはそのような官能基を得るため、他の物質を導入して、コポリマを形成する必要がある。これは、当業者は、実際の必要性に応じて、ゲルに対する変更を行うことを意味し、例えば電極を被覆するゲルは、アミドのような一つの官能基、アミドとカルボキシル基のような2つの官能基、あるいはアミド、カルボキシル、およびヒドロキシル基のような3つの官能基を同時に有し、またはそれより多くの他の官能基を有する。これを実施することは、当業者には難しいことではないため、ここではこれ以上説明しない。
【００３６】
前述の実施例1では、水中のCa2+イオンを吸収するプロセスを単に概略的に説明した。本発明を実施するプロセスの間、他のイオン、例えばナトリウムイオン、鉄イオン、銅イオンのようなカチオン、または、例えば塩化物イオン、臭化物イオン、硫酸イオン、および炭酸イオンのようなアニオンを吸収することが必要となる場合もある。例えば、水中のナトリウムイオン、鉄イオン、銅イオンのようなカチオンを吸収する場合、カソードとしての第1の電極12の表面は、ゲル16aで被覆される必要がある。例えば、水中の塩化物イオン、臭化物イオン、硫酸イオン、および炭酸イオンのようなアニオンを吸収する場合、アノードとしての第2の電極14の表面は、ゲル16aで被覆する必要がある。すなわち、図1Bに示すようなイオン吸収装置を用いる必要がある。例えば、水中のナトリウムイオン、鉄イオン、銅イオンのようなカチオンと、塩化物イオン、臭化物イオン、硫酸イオン、および炭酸イオンのようなアニオンとを同時に吸収する場合、カソードとしての第1の電極12の表面と、アノードとしての第2の電極14の表面の両方を、ゲル16aで被覆する必要がある。すなわち、図1Cに示したようなイオン吸収装置を使用する必要がある。当然のことながら、第1の電極12および第2の電極14を被覆するゲルは、必要に応じて、相互に異なっていても良い。これは、当業者には容易に理解することができる。
【００３７】
あるいは、図1A乃至1Cおよび図2に示したイオン吸収装置は、例えばCa2+イオン含有水などの液体26aを導入する入力18を有しても良い。あるいは、図1A乃至1Cに示したイオン吸収装置は、さらに、Ca2+イオン等を除去した後の水を排出する出力22を有しても良い。例えば、水を軟水化することが必要な場合、入力18から導入される液体26aは、Ca2+イオン、Mg2+イオン等を含む硬水である。イオン吸収装置10a、20a、30aにより液体26aが処理された後、出力22から、Ca2+イオン、Mg2+イオン等が除去された軟水が排出される。例えば、液体26aから重金属イオンを除去する場合、入力18から導入され、出力22から排出されるものは、それぞれ、重金属イオンを含む水、および対応する脱イオン水である。これは、容易に理解できる。
【００３８】
（実施例2）
この概略的な実施例では、アガロースゲルの加工プロセスが概略的に説明される。
【００３９】
通常、90゜の温度で、2gのアガロースが100mlの脱イオン水に溶解される。アガロースが完全に溶解した後、アガロース溶液は、電極を含む電極モジュール、例えば第1の電極12を有する電極モジュール、および／または第2の電極14を有する電極モジュール、に注入される。炭素布のような導電性材料24が、電極モジュールとアガロース溶液の間に設置されることが好ましい。炭素布を設置する目的は、炭素布の表面の凹凸により、アガロース溶液により形成されるアガロースゲルと、電極との間の結合力を高めることにある。室温で2時間冷却後、第1の電極12の表面または第2の電極14の表面、あるいは両方の表面に、アガロースゲルが形成される。その後、イオン吸収のため、ゲル16aにより被覆された電極が使用される。
【００４０】
実施例2は、例えば、電極の表面に形成されたアガロースゲルを採用する。本発明の示唆により、当業者は、液体26a中の異なるイオンの吸収のため、異なるゲル材料を選択する必要がある。対応するゲル材料が選定されると、対応するゲルを対応する電極表面に加工することは容易である。本発明において、これは詳しく説明しない。
【００４１】
（実施例3）
本発明の吸収速度および吸収効率を説明するため、実施例2で加工したアガロースゲルを用いて、第1の電極12および第2の電極14の表面を被覆し、以下の実験を行った。実施例3に使用される液体26aは、Ca2+、CO32−、K+、およびCl−イオンを含む水である。液体26aは、入力18から、第1の電極12および第2の電極14と、第1の電極12および第2の電極14を被覆するアガロースゲルとで構成された反応チャンバに導入される。第1の電極12と第2の電極14には、30Vの直流電圧が印加され、標準的な滴定が行われ、液体26a中のイオンの中身が検出される。検出されたデータを、以下の表1に示す。
【００４２】
【表１】
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表1には、Ca2+、CO32−、K+、およびCl−のイオンの初期濃度は、それぞれ、4.8mM、5.0mM、5mM、5mMであることが示されている。10分間の電圧印加の後、Ca2+、CO32−、K+、およびCl−のイオンの検出された濃度は、それぞれ、3.2mM、3.6mM、2.67mM、3.28mMである。30分間の電圧印加の後、Ca2+、CO32−、K+、およびCl−のイオンの検出された濃度は、それぞれ、1.8mM、3.0mM、0.71mM、1.09mMである。60分間の電圧印加の後、Ca2+、CO32−、K+、およびCl−のイオンの検出された濃度は、それぞれ、0.54mM、1.2mM、0.36mM、0.55mMである。前述の実験データから、電圧の印加時間が長くなるほど、液体26a中の残留イオンの濃度がより低下することがわかる。これは、アガロースゲルにイオンが徐々に吸収されていることを示している。例えば、Ca2+を例に取ると、30Vの直流電圧を60分間印加した場合、0.54mMのCa2+しか残留せず、これは、キレート反応により、Ca2+がヒドロキシル基で実質的にキレート化され、Ca2+の一部が、アガロースゲル内を連続的にカソードに向かって移動し、Ca2+のカウンターイオンとして、カソード表面で生じたOH−イオンが、電気的中性の維持により、密接に結合されたCa(OH)2を生成すること、すなわちOH−イオンは、Ca2+と反応し、水中のCa2+イオンをさらに安定化させることを意味する。これらのCa(OH)2およびキレート化されたCa2+は全て、アガロースゲルの表面または内面に局在化され、あるいは、一般用語的にアガロースゲルに局在化される。
【００４３】
前述の本発明の実施例1乃至3では、単に一例のためにアガロースゲルを採用した。本発明を実施するプロセスにおいて、天然の高分子または合成高分子を使用しても良いことを理解することは、当業者には容易である。天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナン等を有しても良い。合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマ等を有しても良い。前述のゲルは全て、官能基を有するイオン透過性ゲルである。電圧を印加した場合、例えば、液体中のナトリウムイオン、鉄イオン、銅イオンのようなカチオン、または例えば、塩化物イオン、臭化物イオン、硫酸イオン、および炭酸イオンのようなアニオンなどのイオンは、ゲルで電極表面を被覆することにより、ゲル内の官能基とともにキレート化することができる。これにより、これらのイオンは、ゲル内に速やかに固定化され、吸収効率が向上する。
【００４４】
次に、本発明の図3A乃至3Bについて説明する。図3Aには、pH調節器40を概略的に示す。図3Bには、本発明の別の実施例におけるpH調節器50を概略的に示す。電極組12、14の一つの電極は、ゲル16aで被覆され、該ゲル16aは、電極組12、14に電圧が印加された際に、液体26a中のH＋またはOH−イオンを吸収する。人々の日々の生活および仕事において、異なるpH値のアルカリ水または酸性水が必要となる場合がある。図3Bに示すような第2の電極14は、例えば、ヒアルロン酸ゲルにより被覆され、このゲルは、ヒドロキシル官能基を有する。あるいは、ゲル16a、例えばヒアルロン酸ゲルと、第2の電極14の間に、導電性材料24、例えば炭素布が使用される。入力18で、液体26a、例えば水道水を導入する場合、カソードとしての第1の電極12で以下の反応が生じる：
4H2O＋4e＝2H2＋4OH−
すなわち、第1の電極12の近傍で水素とOH−イオンが生じ、該OH−イオンは、液体26aに直接導入される。アノード表面、例えば第2の電極14の表面では、以下の反応が生じる：
2H2O−4e＝O2＋4H＋
生成したH＋は、ヒアルロン酸ゲルによりキレート化され、すなわち、ゲル内に固定化される。ゲルの電気的中性を維持するため、液体26a中のアニオンの一部は、ゲルに吸収される。第2の電極14の近傍で生じたH＋イオンは、実質的にゲルに捕獲され、水道水中のOH−イオンの量は、H＋イオンの量よりも多くなり、従って、アルカリ水が得られ、これにより水道水のpH調節が実現される。また、発明者らは、印加電圧の大きさおよび時間を制御することにより、異なるpH値を有するアルカリ水が得られることを見出している。
【００４５】
また、当然のことながら、本発明の図3Aに示すようなpH調節器により、酸性水を得ることもできる。ここで、第2の電極14の近傍では、多量のH＋イオンが生じ、これらのH＋イオンは、直接液体26aに入る。第1の電極12の近傍で生じるOH−イオンは、カルボキシル官能基を有するメチルセルロースゲルによりキレート化される。ここで、水道水中のH＋イオンの量は、OH−イオンの量よりも多く、従って、酸性水が得られ、これにより水道水のpH調節が実現される。同様に、印加電圧の大きさおよび時間を制御することにより、異なるpH値のアルカリ水を得ることもできる。
【００４６】
以下、本発明の図4A乃至4Cについて説明する。図4Aには、本発明の一態様によるイオン脱着装置を概略的に示す。図4Bには、本発明の代替実施例におけるイオン脱着装置を概略的に示す。図4Cには、本発明の別の代替実施例におけるイオン脱着装置を概略的に示す。図4A乃至4Cに概略的に示したイオン脱着装置10b、20b、30bの全ては、電極組12、14を有し、電極組12、14の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲル16bで被覆され、電極組12、14に逆電圧が印加されると、ゲル16bに吸収されたイオンは、液体26bに脱着される。図4A乃至4Cの間の差異は、異なる位置にゲル16bが設置されていることである。図4Aでは、第1の電極12のみがゲル16bで被覆されており、図4Bでは、第2の電極14のみがゲル16bで被覆されており、図4Cでは、第1の電極12と第2の電極14の両方がゲル16bで被覆されている。
【００４７】
図4A乃至4Cに関連するイオン脱着プロセスは、図1A乃至1Cに示したようなイオン吸収プロセスの反対作動と等価であることが指摘される。例えば、図1A乃至1Cに使用されるゲルは、ほぼ飽和に至ると、すなわちゲルが吸収平衡（バランス）に近づくと、ゲルに捕獲されたイオンは、放出する必要がある。従って、これは、一方では、ゲルのリサイクル使用に有意であり、他方では、所望のイオン含有量を有する溶液の収集に有意である。
【００４８】
例えば、ゲル16bに吸収されたイオンを液体26bに脱着するため、電極組12、14に逆電圧が印加される。電極組12、14の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲル16bで被覆される。例えば、電気的な力により駆動され、吸収されたカチオンは、ゲル16bから放出され、液体26bに入る。この方法では、例えば、吸収されたナトリウムイオン、鉄イオン、銅イオンのようなカチオンを、ゲルから脱着できるようにするため、ゲルで被覆された電極に正の電圧が印加される。電極の極性と、ゲルに吸収されたカチオンの極性は、同じであるため、反発効果が生じ、これによりゲル内に吸収されたカチオンが、液体26bに脱着される。吸収されたアニオンに対して、同様の動作が行われ、すなわちゲルで被覆された電極に負の電圧が印加され、ゲルに吸収されたアニオンが、液体26bに脱着される。これは、当業者には容易に理解できる。
【００４９】
例えば、図4Cに示すような状況では、第1の電極12と第2の電極14の両方が、アガロースゲルで被覆される。第1の電極12が、カルシウムイオンが吸収されたアガロースゲルで被覆されるのに対して、第2の電極14は、塩化物イオンが吸収されたアガロースゲルで被覆される。電極組12、14に逆電圧を印加する場合、アガロースゲルに吸収されたカルシウムイオンおよび塩化物イオンは、それぞれ、対応するゲルから放出され、液体26bに入る。一方、アノードとしての第1の電極12の近傍では、水が酸化され、水素イオンが生成し、この水素イオンは、ゲル内のヒドロキシル（水酸化物）イオンを中性化する。同様に、カソードとしての第2の電極14の近傍では、水が脱酸素化され、水酸化物イオンが生成し、この水酸化物イオンは、ゲル内の水素イオンを中性化する。
【００５０】
図4Aおよび図4Bの状況の場合のように、前述のことは、図4Cの概略的な説明に過ぎない。また、当業者は、本願に詳しく示されていない本発明の示唆により、これらを容易に具体化することができる。
【００５１】
同様に、本発明のそれぞれの実施例におけるイオン脱着装置に使用されるゲル16bは、天然の高分子または合成高分子を有しても良く、天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナンを有しても良く、合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマを有しても良い。
【００５２】
あるいは、本発明のそれぞれの実施例におけるイオン脱着装置は、電極組12、14の少なくとも一つの電極とゲル16bとの間に、導電性材料24を有しても良い。導電性材料24は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む。
【００５３】
前述のイオン吸収装置に対応して、本発明では、さらに、イオン吸収方法が提供されても良い。この方法は、電極組12、14に電圧を印加するステップを有しても良く、電極組12、14の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲル16aで被覆され、ゲル16aは、液体26a中のイオンを吸収する。
【００５４】
前述のイオン脱着装置に対応して、本発明では、さらに、イオン脱着方法が提供されても良い。この方法は、電極組12、14に逆電圧を印加するステップを有しても良く、電極組12、14の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲル16bに被覆され、ゲル16bに吸収されたイオンは、液体26b中に脱着される。
【００５５】
同様に、本発明の各種イオン吸収／脱着方法では、使用されるゲルは、天然の高分子または合成高分子を有しても良い。天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナンを有しても良い。合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマを有しても良い。
【００５６】
あるいは、本発明の各種イオン吸収／脱着方法において、これは、電極組12、14の少なくとも一つの電極とゲル16aとの間に、導電性材料24を有しても良い。導電性材料24は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む。
【００５７】
現在考えられる実施例を参照して本発明について説明したが、本発明は、示された実施例に限定されないことを理解する必要がある。一方、本発明は、添付の特許請求の範囲の思想および範囲に属する各種変更および等価な配置を網羅することを意図するものである。以下の請求項の範囲は、最も広く解釈され、全てのそのような変更ならびに等価な構造および機能を含む。
【００５８】
請求項において、「有する」と言う用語は、他の素子およびステップを排斥するものではなく、不定冠詞の「一つの」と言う用語は、複数の存在を否定するものではない。単一のユニットが、請求項に記載のいくつかの部品の機能を満たしても良い。単にある手段が相互に異なる従属請求項に記載されていることは、これらの手段の組み合わせが有意に使用できないことを意図するものではない。請求項内のいかなる参照符号も、その範囲を限定するものと解してはならない。
【図１Ａ】
2016505370.tif 000005
【図１Ｂ】
2016505370.tif 000006
【図１Ｃ】
2016505370.tif 000007
【図２】
2016505370.tif 000008
【図３Ａ】
2016505370.tif 000009
【図３Ｂ】
2016505370.tif 000010
【図４Ａ】
2016505370.tif 000011
【図４Ｂ】
2016505370.tif 000012
【図４Ｃ】
2016505370.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成27年6月25日(2015.6.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン吸収装置を有するpH調節器であって、
前記イオン吸収装置は、電極組を有し、
該電極組の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、
前記ゲルは、前記電極組に電圧が印加された際に、液体中のイオンを吸収し、
前記ゲルは、前記電極組に電圧が印加された際に、液体中のH＋またはOH−イオンを吸収する、pH調節器。
【請求項２】
前記ゲルは、天然の高分子または合成高分子を有する、請求項1に記載のpH調節器。
【請求項３】
前記天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナンを含み、
前記合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマを含む、請求項2に記載のpH調節器。
【請求項４】
さらに、
前記電極組の少なくとも一つの電極と前記ゲルとの間に導電性材料を有し、
該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む、請求項1に記載のpH調節器。
【請求項５】
イオン脱着装置であって、
電極組を有し、
該電極組の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、
前記ゲルは、前記電極組に逆電圧が印加された際に、前記ゲルに吸収されたイオンを液体中に脱着する、イオン脱着装置。
【請求項６】
前記ゲルは、天然の高分子または合成高分子を有する、請求項5に記載のイオン脱着装置。
【請求項７】
前記天然の高分子は、アガロース、メチルセルロース、およびヒアルロナンを含み、
前記合成高分子は、ポリアクリルアミド、ポリビニルアルコール、アクリル酸高分子、およびコポリマを含む、請求項6に記載のイオン脱着装置。
【請求項８】
さらに、
前記電極組の少なくとも一つの電極と前記ゲルとの間に導電性材料を有し、
該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む、請求項5に記載のイオン脱着装置。
【請求項９】
pHの調節方法であって、
電極組に電圧を印加するステップであって、前記電極組の少なくとも一つは、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、前記ゲルは、前記液体中のイオンを吸収する、ステップを有する、pHの調節方法。
【請求項１０】
前記ゲルは、天然の高分子または合成高分子を有する、請求項9に記載のpHの調節方法方法。
【請求項１１】
前記電極組の少なくとも一つの電極と前記ゲルとの間に導電性材料が使用され、
該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む、請求項9に記載のpHの調節方法。
【請求項１２】
イオン脱着方法であって、
電極組に逆電圧を印加するステップであって、前記電極組の少なくとも一つの電極は、官能基を有するイオン透過性ゲルで被覆され、前記ゲルに吸収されたイオンを液体中に脱着する、ステップを有する、イオン脱着方法。
【請求項１３】
前記ゲルは、天然の高分子または合成高分子を有する、請求項12に記載のイオン脱着方法。
【請求項１４】
前記電極組の少なくとも一つの電極と前記ゲルとの間に導電性材料が使用され、
該導電性材料は、チタン、白金、金、ロジウム、ルテニウム、Ti-Ru合金、グラファイト、活性炭素、ポーラス炭素紙もしくは布の少なくとも一つを含む、請求項12に記載のイオン脱着方法。
【国際調査報告】
2016505370.tif 000014
2016505370.tif 000015