(57)【要約】【課題】被処理水中に溶解しているカルシウム、マグネシウム等金属イオンを主成分とするスケール析出を防止することができるスケール防止方法を提供する。【解決手段】水中からのスケール析出を防止するスケール防止方法において、該水を電解して該水中に溶解している金属イオンの炭酸塩の微粒子を生成させる。微粒子生成装置２の陽極５と陰極６との間を被処理水が通過する。この陰極６近傍の高ｐＨ領域でスケール成分の微粒子が生成する。チャンバ４内でスケール成分の微粒子を生成させた後、薬注ポンプ９によりタンク８内のスケール防止用薬剤を連続的に注入することが好ましい。電極５，６間への通水のレイノルズ数を１００〜２０００とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中からのスケール析出を防止するスケール防止方法において、
該水を電極間に通水して電解することにより該水中に溶解している金属イオンの炭酸塩の微粒子を生成させる方法であって、
水を該電極間に層流で通水することを特徴とするスケール防止方法。
【請求項２】
請求項１において、電極間にレイノルズ数１００〜２０００で通水することを特徴とするスケール防止方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、該水中に溶解している金属イオンの炭酸塩の微粒子を生成させると共に、該水中にスケール防止用薬剤を含有させることを特徴とするスケール防止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工場やビルにおける冷却水循環ラインやボイラーライン等で発生するスケールを防止する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
クーリングタワーのような開放系循環冷却水ラインにおける熱交換器、クーリングタワーや配管、又は貫流ボイラーのようなボイラーラインにおけるボイラー本体には、水中に含まれるカルシウム、マグネシウム等金属イオン又はシリカを主成分とするスケールが付着し、伝熱効率の低下、配管の閉塞等がもたらされることがある。
【０００３】
このスケール付着を防止するために、従来より多くの種類のスケール防止用薬剤が使用されている。また最近では電場や磁場を印加してスケールを防止する装置が開発され販売されている。
【０００４】
特許第２９１２８０９号公報には、ボイラー用水を電場及び磁場処理することによりスケール生成を防止する方法が記載されている。
【特許文献１】特許第２９１２８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
開放系循環冷却水ラインやボイラーラインに適切な薬剤を適切な量添加すれば、スケールを防止することができるが、循環水やボイラー缶水の濃縮度合いを誤って規定以上で運転したり、逆に規定より大幅に濃縮度合いを低く運転したり、また熱交換側の負荷が規定以上に大きかったりした場合、高温となる熱交換部や水が蒸発するクーリングタワーにスケールが付着することがある。これは、前記規定を超える条件で運転が継続されることにより、添加している薬剤が有するスケール防止能力の範囲を逸脱するようになるためである。このような状況を回避するためには、高負荷等の運転条件に対処できる薬剤を常に投入しておけばよいが、薬剤費用が莫大となり、現実的には難しい。
【０００６】
さらには、カルシウム硬度やシリカ、全鉄濃度等が非常に高い原水性状が悪い場合や、樹脂の重合反応塔等熱負荷の高い場合では、現在市販されているスケール防止用薬剤を適用できないこともある。
【０００７】
また、電場や磁場を印加する装置にあっては、スケール防止機構がほとんど明らかにされていないために、スケール防止が不十分になるおそれがある。
【０００８】
本発明は、被処理水中に溶解しているカルシウム、マグネシウム等金属イオンを主成分とするスケール析出を低コストにて十分に防止することができるスケール防止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】
【０００９】
本発明のスケール防止方法は、水中からのスケール析出を防止するスケール防止方法において、該水を電極間に通水して電解することにより該水中に溶解している金属イオンの炭酸塩の微粒子を生成させる方法であって、水を該電極間に層流で通水することを特徴とするものである。なお、本発明において、「防止」は「抑制」を含むものである。
【００１０】
本発明では、この電極処理後にスケール防止用薬剤を添加等により含有させてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明方法に従って、水を電解し該水中に溶解しているカルシウム、マグネシウム等金属イオンの炭酸塩の微粒子を生成させることにより、水中からのスケール析出が十分に防止される。この理由については、次の通りであると考えられる。
【００１２】
即ち、本発明の電解工程では、陰極近傍に高ｐＨ領域が形成される。この領域を該水が通過する際、その中に含まれるカルシウム、マグネシウム等金属イオンの主として炭酸塩が析出する。このスケール成分の微粒子を予め該水中に大量に生成させることにより、循環水中の実質のカルシウム硬度が低くなり、熱交換部やクーリングタワーにおいても溶解度未満で通過でき、熱交換部やクーリングタワーにスケールが析出しない。生成したスケール成分の微粒子は、該水の流れに乗ってラインを循環し、ブローと共にライン外に排出される。
【００１３】
＜微粒子析出によるスケール防止の作用機構＞
本発明における微粒子析出によるスケール防止作用機構について、水中からのスケール析出理論に基づいて次に詳述する。
【００１４】
（ｉ）  一般に、水中からのスケール析出機構（メカニズム）は次の通りである。
水温が高くなると炭酸カルシウム等炭酸塩の溶解度が低下する。冷却水系やボイラー水系の熱交換部においては、その表面温度が高くその部分での溶解度が循環水や缶水中の炭酸カルシウム等炭酸塩濃度より小さくなる場合、すなわち過飽和状態となる場合、この高温の熱交換部にスケールが析出する。スケール防止用薬剤を使用しても、その薬剤の単位質量当たりのスケール防止能力は決まっており、何らかの原因で異常なライン管理がなされこの能力限界を超える循環水中炭酸カルシウム等炭酸塩濃度となった場合、同様のメカニズムにより高温の熱交換部にスケールが析出する。
【００１５】
循環冷却水系のクーリングタワーの充填材部は、循環水の温度を低下させるため水を蒸発させる構造となっている。水が蒸発すると循環水中の炭酸カルシウム等炭酸塩濃度が上昇し、その濃度が溶解度以上の過飽和状態となった場合、充填材部にスケールが析出する。また、充填材部では、水を効率よく蒸発させるため、循環水の流下速度を遅くしており、充填材上にスケールが析出し易い。
【００１６】
（ii）  本発明のスケール防止方法は、水（以下、被処理水ということがある。）を電解して金属炭酸塩の微粒子を生成させることにより、実質の水中の溶解カルシウム硬度を低下させ、スケール析出を防止する。
【００１７】
一般に、炭酸カルシウムや炭酸マグネシウム等炭酸塩の溶解度は、ｐＨに影響を受け、ｐＨが高くなるとこれらの溶解度が低下する。
【００１８】
本発明方法において、被処理水を電解すると、陰極近傍が高ｐＨとなり、被処理水中のカルシウム、マグネシウム等金属イオンの主として炭酸塩が陰極近傍で析出する。この析出した微粒子は、冷却水やボイラー用水の流れに乗ってラインを循環し、ブローと共にライン外に排出されるので、冷却水やボイラーシステムでのカルシウムやマグネシウム等の硬度成分濃度が低下し、熱交換部やクーリングタワー等でのスケール析出が防止される。
【００１９】
例えば、炭酸カルシウム成分の場合、十分な数のスケール成分の微粒子が生成することにより、循環水中の実質のカルシウム硬度が低くなり、熱交換部やクーリングタワーにおいてもカルシウム硬度成分濃度が溶解度未満となり、熱交換部やクーリングタワーでのスケール析出が防止される。
【００２０】
＜電極間への通水を層流とすることの作用効果＞
上記の通り、本発明では、水を電極間に通水して電解すると、電極（陰極）表面近傍にアルカリ領域が形成され、この電極表面のアルカリ領域において、カルシウムやマグネシウムの炭酸塩微粒子が生成する。従って、電極表面上のアルカリ領域が広ければ広いほど、微粒子生成の領域も広がり、電極への通過１回当たりに生成する微粒子数を増加させることができる。
【００２１】
アルカリ領域の増加方法としては、電流密度を強くする方法もあるが、電極表面付近の流れが乱流の場合は強制対流によって境界層は発達しないので、電流密度を強くしてもＯＨイオンがすぐに流れ全体に混合してしまう。これを層流にすることで、管内流による混合が軽減され、ＯＨイオンは拡散により移動するので、拡散境界層が発達し電極表面がよりアルカリに保たれて微粒子が生成しやすい状況が生じる。
【００２２】
また、このように電極付近の流れが層流であると、アルカリ領域が電極からある程度離隔した箇所にまで形成されるので、硬度成分の炭酸塩が電極に付着する前に微粒子として流出していくことになり、電極表面へのスケール付着も生じにくい。
【００２３】
なお、電極付近を層流とするためには、電極間にレイノルズ数１００〜２０００で通水するのが好ましく、印加電圧は１〜２４Ｖ、電流密度は０．０１〜５Ａ／ｄｍ２とするのが好ましい。
【００２４】
＜スケール防止用薬剤の併用による作用効果＞
本発明では、仮に水中の硬度成分が過飽和域となった場合でも、元来のスケール防止効果に加え、生成微粒子が過大に成長して機器内面に堆積ないし付着することを防止することを目的として被処理水にスケール防止用薬剤を添加するのが好ましい。被処理水に添加されたスケール防止用薬剤は、上記の微粒子に吸着される。スケール防止用薬剤を吸着したスケール成分微粒子は、熱交換部やクーリングタワー等において過飽和状態にさらされても殆ど粒成長しないので、微粒子のまま循環水中に存在し、ブローと共にライン外に排出される。
【００２５】
スケール成分の微粒子を生成させるタイミングとスケール防止用薬剤を添加するタイミングについては、ほぼ同時であれば本発明の目的を達することができるので、いずれを先にしても、また、同時としてもよい。ただし、スケール成分の微粒子の生成効率が高いことから、微粒子生成を先に行う方が望ましい。また、電解を行った後にスケール防止用薬剤を添加した場合には、微粒子の活性点（吸着点）にスケール防止用薬剤が吸着され、少量のスケール防止用薬剤添加により十分な効果を得ることができる。
【００２６】
＜スケール防止用薬剤について＞
スケール防止用薬剤は何ら限定されるものではなく、例えば一般的に市販されている各種のもの、具体的にはマレイン酸、アクリル酸、メタクリル酸などカルボキシル基を有するモノマーを重合あるいは他のモノマーと共重合させた低分子量ポリマーや、ホスホン酸、ポリリン酸を用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。
【００２８】
図１は実施の形態に係るスケール防止方法を実施するための装置の概略的な縦断面図である。
【００２９】
冷却水やボイラー用水等を通水するための配管１，３の間にフランジ１ａ，３ａ及び４ａを介して筒形チャンバ４が設置されている。このチャンバ４内に陽極５と陰極６とが配置され、電源７によって通電が行われるよう構成されている。このチャンバ４、陽極５、陰極６及び電源７により微粒子生成装置２が構成されている。
【００３０】
配管３にはスケール防止用薬剤タンク８から薬注ポンプ９を介してスケール防止用薬剤が添加可能とされている。なお、スケール防止用薬剤タンク８にはスケール防止用薬剤の溶液が収容されている。
【００３１】
陽極５と陰極６は板状であり、ステンレスなど非カーボン製導電材料、あるいは貴金属を被覆した金属、グラファイト等の導電材料よりなる。該陽極５と陰極６とは相対して配置されている。この陽極５と陰極６との間を被処理水が通過する。この陰極６近傍の高ｐＨ領域でスケール成分の微粒子が生成する。
【００３２】
チャンバ４内でスケール成分の微粒子を生成させた直後、薬注ポンプ９によりタンク８内のスケール防止用薬剤を連続的に注入する。
【００３３】
図２は別の実施の形態に係るスケール防止方法を実施するためのスケール防止装置１８の概略的な縦断面図である。
【００３４】
この実施の形態では、陽極１１及び陰極１２を炭素材料とし被処理水を電解することにより、スケール成分の微粒子の生成とスケール防止用薬剤の生成を同時に行う。
【００３５】
チャンバ４内の該陽極１１及び陰極１２は六員環網状平面が規則的に積層されている黒鉛よりなる。電源７により通電して電解すると、陽極１１の近傍が酸性、陰極１２の近傍がアルカリ性となる。酸性側では電極付近が酸性であることと同時に酸素が発生し黒鉛電極の酸化が促進される。黒鉛電極は分解されベンゼンポリカルボン酸を生成する。ベンゼンポリカルボン酸類は、代表的なスケール防止剤であるポリマレイン酸やポリアクリル酸等と同じくカルボキシル基を有するため、スケール防止効果がある。陰極近傍の高ｐＨ領域でスケール成分の微粒子が生成される。
【００３６】
なお、図１に示す装置において、スケール防止用薬剤タンク８の代わりに図２に示す装置を用いることにより、ここで生成されたベンゼンポリカルボン酸をスケール防止薬剤として用いるように構成してもよい。
【００３７】
スケール成分の微粒子は陰極近傍の高ｐＨで生成される。電極間への通水をレイノルズ数で２０００以下の層流領域にすることで、より微粒子が生成しやすくなる。乱流では境界層が薄く、境界層表面から流路の中央までの流速が一定となるので、陰極表面のアルカリ領域は小さくなってしまう。それに対して層流では乱流に比べて、境界層が厚くなるため、アルカリ領域が電極表面から沖合い（電極表面から離隔した箇所）まで届くことになる。
【００３８】
レイノルズ数ＲｅはＤ：水力相当直径、ｕ：平均流速、ρ：流体の密度、μ：流体の粘度により下式で表される。レイノルズ数２０００〜３０００が層流と乱流の遷移域であり、それ以下ならば一般的に層流となる。
Ｒｅ＝Ｄ・ｕ・ρ／μ
【００３９】
従って、レイノルズ数が２０００以下、例えば１００〜２０００より好ましくは１００〜１０００となるように通水することにより、電極近傍において大量に微粒子を生成させることができる。
【００４０】
また、アルカリ領域が電極から沖合いまで広がるため、電極から比較的離隔した沖合いで生成する微粒子の割合いが増えるようになり、この結果、電極へのスケール成分も減少する。
【実施例】
【００４１】
以下、実験例、実施例及び比較例について説明する。
【００４２】
［実験例］
図１のスケール防止装置にカルシウム硬度（ＣａＨ）及び酸素消費量（ｐＨ４．８）がいずれも２００ｍｇＣａＣＯ３／Ｌの溶液１０Ｌを、流速を種々に変えて２０分間通水し、電流密度０．５Ａ／ｄｍ２におけるレイノルズ数と２００ｎｍ以下の微粒子生成数の関係を調べた。２００ｎｍ以下とした理由は、計算上、系内で沈降しない粒子径が２００ｎｍとなったためである。微粒子生成数は光散乱粒度分布計を用いて測定した微粒子径から計算により求めた。
【００４３】
２００ｎｍ以下の微粒子の生成数（個／ｍ３）は次の通りであった。
レイノルズ数１０００の場合：１０１８個／ｍ３
レイノルズ数２０００の場合：１０１７個／ｍ３
レイノルズ数３０００の場合：１０１３個／ｍ３
レイノルズ数５０００の場合：１０１０個／ｍ３
【００４４】
この実験より、レイノルズ数を２０００以下特に１０００以下とすることにより、微粒子生成数が増大することが認められる。
【００４５】
［実施例１］
図３に示す開放系循環冷却水ラインに本発明のスケール防止装置を組み込んだ。
【００４６】
クーリングタワー１４下に設置されている貯水槽１６に図１のスケール防止装置１８を組み込み、循環水を連続で処理した。ただし、タンク８からのスケール防止用薬剤の添加は行わなかった。
【００４７】
貯水槽１６の水は二重管式熱交換器２０へ送り込まれ、二重管外側を流れる熱水により熱交換され、クーリングタワー１４で冷やされ、循環される。この循環水が貯水槽１６に戻った際、スケール防止装置１８により処理される。
【００４８】
なお、該装置１８の電極１１，１２は平板よりなり、各々の面積は５０ｃｍ２、電極間距離は１ｃｍ、印加電圧は約１０Ｖ、電流密度０．５Ａ／ｄｍ２、転極頻度１回／Ｈｒ、通水速度（線速度）２．０ｍ／ｓｅｃであり、レイノルズ数は５００である。
【００４９】
循環水のカルシウム硬度（ＣａＨ）及び酸消費量（ｐＨ４．８／ＭＡ）はそれぞれＣａＣＯ３として３００ｍｇ／ｌ、熱交換部表面温度は８０℃であり、無処理である対照ラインでは確実に熱交換面に析出する条件である。この装置を滞留時間２４時間で１６８時間運転した。
【００５０】
［比較例１］
比較のため、スケール防止装置１８を作動させないこと以外は同一条件として同様の運転を行った。
【００５１】
１６８時間運転後の水質分析結果を表１に示す。濃縮運転で水質が維持されると、ＣａＨ、ＭＡは３００ｍｇ／Ｌ前後となり、系内で析出すれば、ＣａＣＯ３飽和濃度近くまで低下する。表１の通り、本発明では水質が維持されており、系内のスケール析出が抑制されている。
【００５２】
【表１】
2005279550.tif 000003
【００５３】
次に熱交換部に析出したスケール付着量を測定した結果を表２に示す。
【００５４】
表２の通り、本発明のスケール防止装置によると、高温となる熱交換部へのスケール析出が防止される。
【００５５】
【表２】
2005279550.tif 000004
【００５６】
［実施例２］
図４に示すボイラーラインに図１のスケール防止装置１８を組み込んだ。ただし、タンク８からのスケール防止用薬剤の添加は行わなかった。
【００５７】
水道水を軟水処理し得た軟水を貯めた軟水槽２２にスケール防止装置１８を組み込み、軟水を連続で処理する。スケール防止装置１８で処理された軟水が小型貫流ボイラー２４へ送り込まれる。小型貫流ボイラー２４は蒸気を製造する装置であり、常用圧力０．７ＭＰａで運転している。
【００５８】
なお、該装置１８の電極１１，１２は平板よりなり、各々の面積は５０ｃｍ２、電極間距離は１ｃｍ、印加電圧は２０Ｖ、電流密度０．３Ａ／ｄｍ２、転極頻度１回／ｈｒ、通水速度（線速度）２．０ｍ／ｓｅｃであり、レイノルズ数は５００である。
【００５９】
スケール防止装置１８設置後、小型貫流ボイラー２４を１年間運転し、ファイバースコープで加熱管を観察したところ、スケール付着は観察されなかった。また、ボイラー効率も約９０％と低下することなく１年間推移した。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施の形態に係るスケール防止方法を実施するための装置の概略的な縦断面図である。
【図２】別の実施の形態に係るスケール防止方法を実施するための装置の概略的な縦断面図である。
【図３】本発明を適用した開放系循環冷却水ラインのシステムフロー図である。
【図４】本発明を適用したボイラーラインのシステムフロー図である。
【符号の説明】
【００６１】
１，３  配管
２  スケール成分微粒子生成装置
５  陽極
６  陰極
７  電源
８  スケール防止用薬剤タンク
９  薬注ポンプ
１１  炭素材料陽極
１２  炭素材料陽極
１４  クーリングタワー
１６  貯水槽
１８  スケール防止装置
２０  二重管式熱交換器
２１  軟水装置
２２  軟水槽
２４  小型貫流ボイラー
【図１】
2005279550.tif 000005
【図２】
2005279550.tif 000006
【図３】
2005279550.tif 000007
【図４】
2005279550.tif 000008