(57)【要約】【課題】水又は水溶液を取り扱う配管、装置類において発生する鉄錆を圧力損失を生じさせることなく、効率的に捕集し除去する錆捕集装置及び捕集方法を提供する。【解決手段】本発明に係る錆捕集装置１は、鉄錆を含む水又は水溶液の流路３に電磁石２１を配設し、流路３を流れる水又は水溶液中の鉄錆を電磁石２１によって吸着して捕集する錆捕集装置１であって、電磁石２１の上流側に鉄錆を含む水又は水溶液に接触するように陽極部１１及び陰極部１３を配設し、陰極部１３に鉄錆を含む水又は水溶液を接触させることにより鉄錆をマグネタイトに変換するようにしたことを特徴とするものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄錆を含む水又は水溶液の流路に電磁石を配設し、前記流路を流れる水又は水溶液中の前記鉄錆を前記電磁石によって吸着して捕集する錆捕集装置であって、
前記電磁石の上流側に前記鉄錆を含む水又は水溶液に接触するように陽極部及び陰極部を配設し、該陰極部に前記鉄錆を含む水又は水溶液を接触させることにより前記鉄錆をマグネタイトに変換するようにしたことを特徴とする錆捕集装置。
【請求項２】
前記陽極部及び前記陰極部は外部電源に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の錆捕集装置。
【請求項３】
前記外部電源は前記陰極部の電位を−０．６〜−１．２Ｖ（ｖｓＡｇ/ＡｇＣｌ）に保持できる定電位電源であることを特徴とする請求項２に記載の錆捕集装置。
【請求項４】
前記陽極部と前記陰極部は、イオン化傾向の異なる材料で形成すると共に前記陽極部と前記陰極部を電気的に導通させて両者間に電位差を生じさせることにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の錆捕集装置。
【請求項５】
前記陰極部が前記流路に配設された網状の部材からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の錆捕集装置。
【請求項６】
鉄錆を含む水又は水溶液の流路に陽極部及び陰極部を配設し、前記鉄錆を陰極部に接触させることにより前記鉄錆をマグネタイトに変換する工程と、変換されたマグネタイトを電磁吸着することにより捕集する工程を備えていることを特徴とする錆捕集方法。
【請求項７】
前記陰極部の電位を−０．６〜−１．２Ｖ（ｖｓＡｇ/ＡｇＣｌ）に保持することを特徴とする請求項６に記載の錆捕集方法。
【請求項８】
前記水溶液が臭化テトラｎブチルアンモニウム、臭化トリｎブチルｎペンチルアンモニウム、臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウムのうち少なくとも一つを含む水溶液であり、前記陽極部がアルミニウム合金からなり、前記陰極部が炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル基合金、低合金鋼、炭素棒、白金、タングステンのうち少なくとも一つ材料からなることを特徴とする請求項６又は７に記載の錆捕集方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水又は水溶液中から、錆を効率的に捕集し除去する錆捕集装置及び捕集方法に関する。
＜用語の定義＞
本明細書において使用する主な用語について、以下にその定義を示す。
・貴な金属、卑な金属
水又は水溶液中の金属のイオンになりやすさの相対尺度であるイオン化傾向が相対的に小さい金属を貴な金属という。他方、イオン化傾向が相対的に大きい金属を卑な金属という。イオン化傾向が相対的に大きい金属（卑な金属）ほど酸化されやすく金属イオンとして溶解しやすい。
・電位が貴である、電位が卑である
酸化反応が大きいことを電位が貴であるといい、還元反応が大きいことを電位が卑であるという。
・陽極
電子が回路へ流れ出し陰極に電子を供給し、水又は水溶液中に電流を流出させる電極をいう。犠牲陽極方式では、電気化学的な酸化反応、すなわち金属原子が電子を失い金属イオン化する反応がおこる。外部電源方式では、水の電気分解反応により酸素の発生が起こる。
・陰極
陽極から回路を通じて電子が流れ込み、水又は水溶液中から電流を流入させる電極をいう。電気化学的な還元反応、すなわち金属酸化物の金属の酸化数が小さくなる反応や、水溶液中の溶存酸素の還元反応、水の電気分解による水素の発生がおこる。
【背景技術】
【０００２】
水又は水溶液を取り扱う配管、装置類において発生した錆は、水質を低下させ、熱交換器を有する装置類の場合は熱交換器の内部に入り込み熱交換器の性能を低下させたり、配管途中で錆が堆積して流送に支障を生じさせたりする問題を生じさせるため、錆を除去する対策が行われている。管路に発生した錆を除去する機器として、従来から網状のフィルタを設けたストレーナが用いられている。
しかし、ストレーナではフィルタの網目より小さい錆は通過するので捕集することができず、かといって網目の細かいフィルタでは管路の圧力損失を生じさせるという問題がある。また、フィルタに目詰まりが生じると、交換しなければならずメンテナンスが煩雑であるという問題がある。
【０００３】
一方、ストレーナ以外のもので管路内の錆を除去するものとして、筒型の電磁石を管路の途中に設けて鉄錆を電磁吸着して捕集する装置が特許文献１に開示されている。（特許文献１参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−３１５９９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
常温で水又は水溶液を取り扱う配管、装置類において発生する鉄錆は、水和酸化鉄（FeOOH）が主に発生し、鉄錆中に存在する主な成分は、結晶質成分としてはα−FeOOH、β−FeOOH、γ−FeOOH、マグネタイトであり、残りは非晶質錆（水和酸化鉄が主成分）である。また、水溶液中には塩化物イオンが存在する場合が多く、この場合は上記の錆に加えてβ−FeOOHも生成する。このような鉄錆の成分のうち磁性を有するものはマグネタイトであり、鉄錆の主な成分である水和酸化鉄は磁性を有していない。
特許文献１に記載の鉄錆を電磁吸着して捕集する装置では、マグネタイト以外の鉄錆の主な成分である水和酸化鉄を電磁吸着することができず鉄錆の大部分を捕集できず通過させてしまうという問題がある。
【０００６】
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、水又は水溶液を取り扱う配管、装置類において発生する鉄錆を圧力損失を生じさせることなく、効率的に捕集して除去できる錆捕集装置及び捕集方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明に係る錆捕集装置は、鉄錆を含む水又は水溶液の流路に電磁石を配設し、前記流路を流れる水又は水溶液中の前記鉄錆を前記電磁石によって吸着して捕集する錆捕集装置であって、前記電磁石の上流側に前記鉄錆を含む水又は水溶液に接触するように陽極部及び陰極部を配設し、該陰極部に前記鉄錆を含む水又は水溶液を接触させることにより前記鉄錆をマグネタイトに変換するようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記陽極部及び前記陰極部は外部電源に接続されていることを特徴とするものである。
【０００９】
（３）また、上記（２）に記載のものにおいて、前記外部電源は前記陰極部の電位を−０．６〜−１．２Ｖ（ｖｓＡｇ/ＡｇＣｌ）に保持できる定電位電源であることを特徴とするものである。
ここで、Ａｇ/ＡｇＣｌは銀／塩化銀電極を示す。通常、電位の表し方は、環境によらず比較的固定した電位を持つ電極を照合電極として、これに対する電位を表す。ｖｓＡｇ/ＡｇＣｌとは、銀／塩化銀電極を照合電極として表す電位である。
【００１０】
（４）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記陽極部と前記陰極部は、イオン化傾向の異なる材料で形成すると共に前記陽極部と前記陰極部を電気的に導通させて両者間に電位差を生じさせることにより構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
（５）また、上記（１）〜（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記陰極部が前記流路に配設された網状の部材からなることを特徴とするものである。
【００１２】
（６）本発明に係る錆捕集方法は、鉄錆を含む水又は水溶液の流路に陽極部及び陰極部を配設し、前記鉄錆を陰極部に接触させることにより前記鉄錆をマグネタイトに変換する工程と、変換されたマグネタイトを電磁吸着することにより捕集する工程を備えていることを特徴とするものである。
【００１３】
（７）また、上記（６）に記載のものにおいて、前記陰極部の電位を−０．６〜−１．２Ｖ（ｖｓＡｇ/ＡｇＣｌ）に保持することを特徴とするものである。
【００１４】
（８）また、上記（６）又は（７）に記載のものにおいて、前記水溶液が臭化テトラｎブチルアンモニウム、臭化トリｎブチルｎペンチルアンモニウム、臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウムのうち少なくとも一つを含む水溶液であり、前記陽極部がアルミニウム合金からなり、前記陰極部が炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル基合金、低合金鋼、炭素棒、白金、タングステンのうち少なくとも一つの材料からなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水又は水溶液を取り扱う配管、装置類において発生する鉄錆を、圧力損失を生じさせることなく、効率的に捕集して除去できる錆捕集装置及び捕集方法を提供でき、錆を捕集除去することにより錆が原因となって水質を低下させ、熱交換器を有する装置類の場合は熱交換器の内部に入り込み熱交換器の性能を低下させたり、配管途中で錆が堆積して流送に支障が生じたりするのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る錆捕集装置の説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係る鉄錆変換部の説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る電磁吸着部の説明図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２に係る鉄錆変換部の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
［実施形態１］
図１は本発明の一実施の形態に係る錆捕集装置の基本構成を説明する説明図、図２は図１の一部の詳細説明図である。本実施の形態に係る錆捕集装置１は、流路３を流れる水又は水溶液中の鉄錆４をマグネタイト６に変換する鉄錆変換部５と、該鉄錆変換部５の下流側にあってマグネタイト６を電磁吸着する電磁吸着部７と、電磁吸着部７の下流側に設けられて流路３を切り替える流路切替弁９とを備えている。
以下、各構成を詳細に説明する。
【００１８】
＜鉄錆変換部＞
鉄錆変換部５は、図２に示すように、流路３内に設置された陽極部１１と、同じく流路３内に配置された陰極部１３と、陽極部１１及び陰極部１３に接続された外部電源１５とを備えている。
陽極部１１は、流路３を形成する管１７の内周面に沿う環状に形成されており、材質としては炭素が好ましい。また、陰極部１３は、管内面流れ方向に直交するように配設された網状体からなる。陰極部１３の材質としては、オーステナイト系ステンレス鋼が好ましい。チタンやマルテンサイト系ステンレス鋼、二相系ステンレス鋼、高強度鋼などを陰極部１３として使用すると発生する水素により水素脆化を起こし破損する恐れがあるので、これらの金属は避けた方が良い。
なお、陰極部１３は生成したマグネタイト６が沈殿しても水又は水溶液の流送に影響が無い部分に取り付けるようにする。
【００１９】
＜電磁吸着部＞
図３は電磁吸着部７の説明図である。電磁吸着部７は、非磁性体１９により被覆され、流路３に配設された筒型の電磁石２１と、該電磁石２１に電流を供給する電源２３と、通電を入り切りするスイッチ２５とを備えている。
【００２０】
＜流路切替弁＞
流路切替弁９は、水又は水溶液が通流する主流路３ａと、電磁吸着部７によって吸着されたマグネタイト６を排出するための排出流路３ｂを切り替えるものである。
【００２１】
上記のように構成された本実施の形態の動作を説明する。
＜変換メカニズム＞
まず、鉄錆変換部５において鉄錆がマグネタイトに変換されるメカニズムについて説明する。
鉄鋼材料を用いた配管、装置類に水又は水溶液を通流させる系において、発生する鉄錆の成分は以下のとおりである。
１）鉄錆の成分
水又は水溶液中で鉄の腐食は、局部で分極して形成される陰極と陽極の次の反応で進むことが知られている．
Fe→Fe2+＋２e-                    (1)
1/2O2＋H2O＋2e- →2OH−            (2)  
そして、水和酸化鉄（FeOOH）が (3)式のように生成される。
4Fe2+＋O2＋８OH−→4FeOOH＋2H2O    (3)
【００２２】
常温では鉄錆として、水和酸化鉄（FeOOH）が主に発生し、鉄錆中に存在する主な成分は、結晶質成分としてはα−FeOOH、β−FeOOH、γ−FeOOH、マグネタイトであり、残りは非晶質錆（水和酸化鉄が主成分）である。
【００２３】
２）鉄錆のマグネタイトへの変換
鉄錆を陰極部に接触させ鉄錆中の水和酸化鉄に電流を流し電子（e-）を供給することにより、３価鉄から２価鉄へ還元され、下記の反応によりマグネタイトが生成し、鉄錆中の結晶質水和酸化鉄と非晶質錆の水和酸化鉄が還元されマグネタイトに変換される。
Fe2+＋8FeOOH＋2e-→3Fe3O4＋4H20      (4)
マグネタイト（黒錆）は四三酸化鉄Fe3O4が主成分であり、磁性を有する。
【００２４】
＜動作説明＞
外部電源１５により、陰極部１３の電位を−０．６〜−１．２Ｖ（ｖｓ
Ａｇ/ＡｇＣｌ）に保持するように電流を流す。なお、陰極部１３の電位を上記の電位に保持する理由は以下の通りである。
陰極部１３の電位は卑であるほど（電位がマイナス側に大きいほど）電流が多く流れ、鉄錆４をマグネタイト６に変換する反応を増大できる。しかし、電位が−１．２Ｖよりも卑になると、鉄錆４をマグネタイト６に変換する反応よりも水素の発生反応が多くなり、水素の泡の生成により陰極と陽極の間の電気抵抗が大きくなり反応の効率が低下する。他方、陰極部１３の電位が−０．６Ｖより貴であると、陰極と陽極の間に流れる電流が少なく鉄錆４をマグネタイト６に変換する反応が生じない。
【００２５】
流路３を流れる錆（粉末状、粒状）が陰極部１３を通過する際に陰極部１３と接触し、通電され鉄錆４が還元されてマグネタイト６に変換される（図２参照）。
【００２６】
電磁吸着部７におけるスイッチ２５を入れることで電磁石２１に通電され、電磁石２１が励磁されることにより、流路３を流れるマグネタイト６が電磁石２１の筒体内面に電磁吸着されて捕集される。
所定時間経過後に、流路切替弁９を排出流路３ｂ側に切替え、電磁石２１を消磁して、電磁石筒体内面に電磁吸着したマグネタイト６を払い出し、水又は水溶液と共に排出流路３ｂに排出する。
なお、筒体状の電磁石２１は非磁性体１９により被覆されて絶縁されているので、電磁的、電気的は影響が流路３に及ぶことはない。
【００２７】
本実施の形態によれば、水又は水溶液を取り扱う配管、装置類において発生する鉄錆を、圧力損失を生じさせることなく、効率的に捕集し除去することができる。
なお、錆捕集装置１は、水又は水溶液を取り扱う配管又は装置類の流路の途中に設けてもよいし、配管又は装置類の一部をバイパスする流路を設け、このバイパス流路に設けもよい。また、配管又は装置類から水又は水溶液を抜き出し、専用の錆除去装置で錆を除去処理し、処理後の水又は水溶液を戻すようにしてもよく、この場合には専用の錆除去装置に錆捕集装置１を設けるようにすればよい。
【００２８】
陰極部１３は上記の実施の形態で示したような網状体や、パンチングメタルなどのように表面積が大きく、かつ水又は水溶液の通流を妨げないものを用いることにより、鉄錆との接触面積を大きくするのが好ましい。また、陰極部１３は流速の遅い部分に設置することにより鉄錆との接触時間を長く確保することができるので好ましい。
【００２９】
また、陰極部１３として金属製のフィルタを用いることにより、鉄錆のマグネタイトへの変換とともに鉄錆以外の比較的大きな固形物を捕集することができる。
さらに、マグネタイトは磁性があると共に電気伝導性があり、水和酸化鉄がマグネタイトに変換され水又は水溶液中のマグネタイトの存在比率が高くなると、水又は水溶液の電気伝導率が高くなり、水又は水溶液中を流れる電流量が多くなり、その結果、陰極部１３での鉄錆への電子の供給が多くなり水和酸化鉄からマグネタイトへの変換反応を促進する効果がある。また、鉄錆が陰極と接触し、鉄錆の一部がマグネタイトに変化すると、マグネタイトは電気伝導性があるため、マグネタイトの周囲の鉄錆も続いて還元される。
【００３０】
［実施の形態２］
図４は本発明の実施の形態２の説明図である。本実施の形態においては、鉄錆変換部２７を構成する陽極部２９と陰極部３１を、イオン化傾向の異なる材料で形成すると共に陽極部２９と陰極部３１を導通部３３によって電気的に導通させて両者間に電位差を生じさせるようにした、いわゆる流電陽極方式によるものである。
陽極部２９としては、イオン化傾向の大きい金属、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、亜鉛、亜鉛合金等をもちいる。また、陰極部３１としてはイオン化傾向の小さい金属、例えば炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル基合金、低合金鋼、炭素棒、白金、タングステン等を用いる。
【００３１】
陽極部２９として、アルミニウムを用いた場合には、陽極部２９では以下のような反応が起こる。
Al→Al3+＋3e-                    (5)
陽極部２９でAl原子から流れ出た電子が導通部３３を介して陰極部３１に移動し、この電子が陰極部３１に接触する鉄錆４に供給され、陰極部３１では、鉄錆４が通過するときに実施の形態１で説明した(6)式の反応が起こり、マグネタイト６への変換反応が起こる。
【００３２】
本実施の形態によれば、電源設備が不要であることから設置が容易である。
なお、流路を流れる水溶液として、臭化テトラｎブチルアンモニウム（TBAB）、臭化トリｎブチルｎペンチルアンモニウム（TBPAB）、臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウム（TiPAB）のうち少なくとも一つを含む水溶液を用いる場合には、外部電源方式で電流を流すと、これらの溶質物質が分解され陽極部に分解生成物が付着して通電に支障が生じる。このため、上記水溶液を用いる場合には流電陽極方式を用い、特にアルミニウム合金を陽極部として用いることが好ましい。アルミニウム合金としては、Al-Zn-In合金、Al-Zn-In−Mg合金を用いることが好ましい。上記の水溶液は蓄熱性物質であり、蓄熱剤、熱輸送媒体として用いることができる。
【実施例】
【００３３】
上記実施の形態１（外部電源方式）、実施の形態２（流電陽極方式）によって鉄錆をマグネタイトに変換できることを確認するために以下に示すような実験を行った。
［実験方法］
＜供試鉄錆＞
大気環境下と脱気環境下の水中で炭素鋼材表面に生成した鉄錆を採取して乳鉢で粉砕し、大気環境下錆、脱気環境下錆として実験サンプルとした。
＜水溶液＞
水溶液として、NaCl溶液（３重量％）、臭化テトラｎブチルアンモニウム（ＴＢＡＢ）（２５重量％）、臭化トリｎブチルｎペンチルアンモニウム（ＴＢＰＡＢ）（２５重量％）、臭化テトラｉｓｏペンチルアンモニウム（ＴｉＰＡＢ）（２５重量％）を用いた。
なお、水溶液は、窒素脱気を行うと共に温度を30℃とした。
【００３４】
＜電極＞
〔外部電源方式〕
外部電源方式の電極は以下のものを用いた。
・陽極部：炭素
・陰極部：（１）ステンレス鋼製の直径50mmの円形の電極
（２）ステンレス鋼製の網状の電極
なお、陰極部を-1.0V（ｖｓ Ａｇ/ＡｇＣｌ）に保持した。
〔流電陽極方式〕
流電陽極方式の電極は以下のものを用いた。
・陽極部：Al-Zn-In-Mg合金（Zn2.0％、In0.02％、Mg2％）で25×50×3tmm
・陰極部：ステンレス鋼で直径50mmの円形の電極
【００３５】
＜実験要領＞
実験要領は、容器に水溶液を500ml入れ、外部電源方式又は流電陽極方式の陽極部と陰極部を配置し通電し、この水溶液に供試鉄錆を1ｇ投入して1日保持した。1日後、溶液から鉄錆を捕集し、高温槽内で乾燥させた後、磁石で吸着したマグネタイトの重量を計測し、投入した鉄錆中のマグネタイトの重量比率を算出した。
【００３６】
［評価方法］
比較例として容器に上記の水溶液をそれぞれ500ml入れ、陽極部と陰極部を設けず、水溶液に供試鉄錆を1ｇ投入して1日保持し、投入した鉄錆中のマグネタイトの重量比率を算出した。
比較例よりも鉄錆中のマグネタイトの重量比率が多い場合、鉄錆をマグネタイトに変換することが認められたと評価して、以下の実験結果を示す表１、２において○印で示す。
［実験結果］
【００３７】
表１は供試鉄錆として大気環境下で生成した鉄錆を用いたものであり、表２は供試鉄錆として脱気環境下で生成した鉄錆を用いたものである。
【００３８】
【表１】
2010169196.tif 000003
【００３９】
【表２】
2010169196.tif 000004
【００４０】
表１、表２に示すように、陽極部と陰極部を設け鉄錆に通電することにより鉄錆をマグネタイトに変換することができることを確認した。
【符号の説明】
【００４１】
１  錆捕集装置
３  流路
３ａ  主流路
３ｂ  排出流路
４  鉄錆
５  鉄錆変換部
６  マグネタイト
７  電磁吸着部
９  流路切替弁
１１  陽極部
１３  陰極部
１５  外部電源
１７  管
１９  非磁性体
２１  電磁石
２３  電源
２５  スイッチ
２７  鉄錆変換部
２９  陽極部
３１  陰極部
３３  導通部
【図１】
2010169196.tif 000005
【図２】
2010169196.tif 000006
【図３】
2010169196.tif 000007
【図４】
2010169196.tif 000008