(57)【要約】【課題】電解処理を利用して被処理水中のスケール成分を除去するに当たり、電解処理によるスケールの析出効率を高め、これによりスケール防止効果を高める。【解決手段】被処理水を温度調整した後電解処理する。被処理水を、スケールの析出に最適な温度に温度調整した後電解処理することにより、被処理水中のスケール成分を効率的に析出させて除去することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を有する電解槽と、該電解槽内に被処理水を通水する手段とを備え、前記電解槽に被処理水を通水して電解し、前記電極表面にスケールを析出させ、被処理水中からスケール成分を除去することにより、被処理水からのスケール析出を防止するスケール防止装置において、
前記電解槽の前段に被処理水の温度を調整する温度調整手段を備えることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項２】
請求項１において、被処理水が、循環型冷却水系における循環水であることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、被処理水が、逆浸透膜分離装置からの濃縮排水を給水側へ循環させる循環水系における循環水であることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、温度調整手段において被処理水の温度が３０〜４５℃になるように温度調整することを特徴とするスケール防止装置。
【請求項５】
請求項２又は４において、循環型冷却水系から循環水の一部を被処理水として抜き出して前記温度調整手段を介して前記電解槽に送給する被処理水導入手段と、前記電解槽の電解処理水を該循環型冷却水系に送給する処理水返送手段とを備えることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項６】
電極を有する電解槽と、該電解槽内に被処理水を通水する手段とを備え、前記電解槽に被処理水を通水して電解し、前記電極表面にスケールを析出させ、被処理水中からスケール成分を除去することにより、被処理水からのスケール析出を防止するスケール防止装置において、
前記被処理水が、循環型冷却水系における熱交換器からの出口水であることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項７】
請求項６において、循環型冷却水系から循環水の一部を被処理水として抜き出して電解槽に送給する被処理水導入手段と、前記電解槽の電解処理水を該循環型冷却水系に送給する処理水返送手段とを備えることを特徴とするスケール防止装置。
【請求項８】
電極を有する電解槽に被処理水を通水して電解し、前記電極表面にスケールを析出させ、被処理水中からスケール成分を除去することにより、被処理水からのスケール析出を防止するスケール防止方法であって、
被処理水を温度調整した後に電解することを特徴とするスケール防止方法。
【請求項９】
請求項８において、被処理水が、循環型冷却水系における循環水であることを特徴とするスケール防止方法。
【請求項１０】
電極を有する電解槽に被処理水を通水して電解し、前記電極表面にスケールを析出させ、被処理水中からスケール成分を除去することにより、被処理水からのスケール析出を防止するスケール防止方法であって、
前記被処理水が、循環型冷却水系における熱交換器からの出口水であ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、カルシウム、マグネシウム及びケイ素などの硬度成分を多量に含有し、これらの硬度成分が炭酸化合物、水酸化物あるいはケイ酸化合物（以下、これらを「スケール」と称す。）として析出することが障害となる水について、容易かつ効率的にスケール析出を防止するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工場、ビルなどのコンプレッサー、冷凍機で発生した廃熱は、熱交換器を介して冷却水（冷却媒体）で冷却されている。熱交換器において、廃熱との熱交換で温度が上昇した冷却水は開放型冷却塔で空気と接触することで蒸発して放熱、冷却され、再び熱交換器に循環される。従って、このような循環型冷却水系では、冷却塔で蒸発ないし飛散して減少した水量に相当する補給水が補給されて運転が行われている。
【０００３】
しかし、そのままでは補給水中に含有されるスケール成分が冷却水系内で濃縮されて、その溶解度を超え、熱交換器の伝熱面、冷却塔の充填材や底部或いは配管にスケールとして析出して付着し、熱交換効率の低下、通水抵抗の増加といった様々な運転障害を引き起こす。
【０００４】
そこで、系内をスケール析出が起こらない硬度で運転するために、冷却塔の底部から、濃縮された冷却水をブロー水として系外へ排出し、補給水で全体を希釈することにより、循環冷却水を一定の水質で運転管理することが行われている。ここで、ブロー水量を多くして、系内のスケール成分濃度を低くして運転すると、補給水を多く必要として水道料金が過大となる。反対に、ブロー水量を少なくして高濃縮運転を行うと、冷却水中のスケール成分が溶解度を超え難溶塩のスケールが析出することとなる。
【０００５】
従来、このような冷却水系内のスケール析出を防止するために、リン酸系薬剤やカルボン酸系など各種ポリマーよりなるスケール防止剤を添加することが行われているが、薬剤コストが嵩む。また、溶存した薬剤が放流域に住む水生生物へ影響を与える可能性があることから、下水道放流又は水処理が必要となるという問題もあった。また、薬剤は定期的に補充することが必要であり、その人員コストも問題となっている。
【０００６】
このようなスケール防止剤を使用しない方法として物理的スケール防止技術が提案されている。
【０００７】
例えば、特開２００３−１９０９８８号公報には、冷却水系の補給水または循環水を、極性が変わるバイポーラ電極を有する電解装置に通水し、補給水または循環水に含まれるスケール成分を微小な結晶として析出させることにより、冷却水系におけるスケール付着、特に伝熱面におけるスケール付着を防止する方法が記載されている。
【０００８】
この電解装置においては、カルシウムイオン、マグネシウムイオン等の陽イオンは陰極側に集まり、炭酸イオン、シリカなどは陽極側に集まる。陰極付近が高ｐＨのため、陰極付近でスケールが析出する。正負の極性を逆に変換すると陰極は陽極となり、電極表面のｐＨが低下する。そうすることで核とならずに陰極上に析出したスケールを溶解し、電解不良を防ぐことができる。電極近傍で析出したスケールは循環水中へ流れ出て、非常に微細な結晶が冷却水中に分散したものとなる。この微細結晶が核となって、循環水中のスケール成分は系内の熱交換部や冷却塔よりも核を中心に析出する。次第に核は大きくなるが、ブロー水と共に排出され、伝熱面等へのスケール付着が防止される。
【０００９】
即ち、上記特開２００３−１９０９８８号公報の電解装置を備えた冷却水系において、電解装置で生じた微粒子を含んだ冷却水は熱交換器や冷却塔へ送り込まれ、その部位において溶解度が過飽和状態になる。過飽和状態において新たに結晶核を生成するために必要なエネルギーと既に存在する結晶を元に結晶成長するために必要なエネルギーでは既に存在する結晶を元に成長する方がはるかに必要なエネルギーが小さいので、流れてきたスケール成分の微粒子を種晶としてその上にスケール成分が析出する。そして、微細結晶は堆積するまでは成長せずにブローラインより排出される。
【００１０】
ただし、このように電極の極性を転換させる方法では、極性転換によって陽極と陰極が反転するために電極自体の酸化・還元が繰り返され、電極が劣化し易い。即ち、電極の多くは酸化・還元どちらかの用途で用いられるが、両極で用いる場合、極性転換の時間によっては電極としての機能を果たす時間が非常に短くなる。例えば、グラファイト電極の場合、陽極で電極自身が酸化され、グラファイト粉末が流出して劣化する。不溶性電極としてよく使用される白金酸化物やイリジウム酸化物を被覆したチタン電極では、陽極での酸化には耐性を有するが、陰極では酸化物が剥離して劣化が進み易い。電極の交換を頻繁に行うことで上記問題は解決されるが、それに要する電極交換費が過大となる。
【００１１】
そこで、本出願人は先に、循環型冷却水系の水を電解装置に通水して電解処理すると、電極（陰極）にスケールが析出することを利用して、循環型冷却水系の電解装置に通水して電極の極性を転換させることなく電解処理し、電極表面にスケールを析出させることにより、水中のスケール成分を除去し、系内のスケール生成傾向を下げ、一方、電極表面に析出したスケールは洗浄除去して排出する方法を提案した（特願２００４−２８４４８９号（以下「先願１」という。）、特願２００５−１４３３４号（以下「先願２」という。））。
【００１２】
先願１，２の方法であれば、循環型冷却水系の水を電解装置に通水して電解処理すると、この電解装置において冷却水は以下のように電解される。  
陽極：２Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
陰極：４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−＋２Ｈ２
【００１３】
この反応により陰極近傍では水素が発生してアルカリ性となる。このため、陰極近傍で重炭酸イオンが炭酸イオンに解離し、Ｃａイオン及びＭｇイオンより炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムが生成し、これらがスケールとして電極表面に析出することから冷却水系のスケール化傾向が低減される。従って、循環冷却水又は補給水をこの電解装置に通水することにより、循環冷却水のスケール生成傾向が低下する。
【００１４】
先願１，２の方法によると、薬品を使用せずに循環冷却水中スケール成分を析出せず、腐食を起こさない一定濃度で運転することができるため、熱交換部や冷却塔にスケールが析出することが防止ないし抑制及び腐食の低減が可能となる。また、補給水の硬度が高い地方においては高濃縮運転が可能となり、節水に繋がる。また、電極の極性を転換しないため、電極の劣化も防止される。
【００１５】
なお、補給水には塩化物イオンなどの塩素成分が含まれているので、電解処理により次亜塩素酸などの酸化剤が発生する。これにより、循環型冷却水系における水の殺菌を行うことができる。
【００１６】
この電解処理により、スケール除去を継続していると、電極のスケール付着量が増加してくるので、一定時間おきに電解処理装置に二酸化炭素を供給して該スケールを除去する。
【００１７】
なお、スケールは炭酸カルシウム、水酸化カルシウム、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウムを主成分とするものであり、これらは二酸化炭素と次のように反応して溶解除去される。  
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２ＣＯ３＋Ｈ＋＋ＨＣＯ３−      （二酸化炭素の水への溶解）
ＣａＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→Ｃａ２＋＋２ＨＣＯ３−  （炭酸カルシウムの溶解）
Ｃａ（ＯＨ）２＋２Ｈ＋→Ｃａ２＋＋２Ｈ２Ｏ        （水酸化カルシウムの溶解）
ＭｇＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→Ｍｇ２＋＋２ＨＣＯ３−（炭酸マグネシウムの溶解）
Ｍｇ（ＯＨ）２＋２Ｈ＋→Ｍｇ２＋＋２Ｈ２Ｏ      （水酸化マグネシウムの溶解）
【００１８】
この二酸化炭素による溶解方式によると、酸洗浄用薬品の購入や危険な搬入作業が無くなり、薬品コストが削減されると共に、作業の安全性が向上する。また、二酸化炭素を市水に溶解させた場合、水のｐＨは５を下回ることはなく、スケールを溶解させた溶液はｐＨ６以上となるので、下水道放流が可能となる。
【特許文献１】特開２００３−１９０９８８号公報
【特許文献２】特願２００４−２８４４８９号
【特許文献３】特願２００５−１４３３４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
循環型冷却水系では、一般に、夏季は熱交換器における熱交換工程後に２５〜３４℃程度に上昇した循環水を冷却塔に導入して３〜５℃程度に冷却して循環させる。一方、冬季は熱負荷が高くない上に外気温も低いため熱交換器で熱交換した水は、通常、冷却塔に通さずに循環させており（フリークリーニング）、この時の循環水の水温は２０℃程度である。従って、循環水温度の高い夏季は特に系内にスケールが生成しやすいため、より効率的なスケール除去技術が求められている。
【００２０】
従って、電解処理を利用したスケールの除去方法においても、より一層効率的にスケールを析出させて、これを除去することにより循環型冷却水系におけるスケールの析出傾向を低下させることが望まれているが、従来においては、電解処理におけるスケールの析出に有効な条件について十分な検討がなされておらず、十分に満足し得るスケールの析出効率が達成されているとは言えなかった。
【００２１】
本発明は上記従来の実状に鑑みてなされたものであって、電解処理を利用して被処理水中のスケール成分を除去するに当たり、電解処理によるスケールの析出効率を高め、これによりスケール防止効果を高めたスケール防止装置及び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】
【００２２】
請求項１のスケール防止装置は、電極を有する電解槽と、該電解槽内に被処理水を通水する手段とを備え、前記電解槽に被処理水を通水して電解し、前記電極表面にスケールを析出させ、被処理水中からスケール成分を除去することにより、被処理水からのスケール析出を防止するスケール防止装置において、前記電解槽の前段に被処理水の温度を調整する温度調整手段を備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項２のスケール防止装置は、請求項１において、被処理水が、循環型冷却水系における循環水であることを特徴とする。
【００２４】
請求項３のスケール防止装置は、請求項１又は２において、被処理水が、逆浸透膜分離装置からの濃縮排水を給水側へ循環させる循環水系における循環水であることを特徴とする。
【００２５】
請求項４のスケール防止装置は、請求項１ないし３のいずれか１項において、温度調整手段において被処理水の温度が３０〜４５℃になるように温度調整することを特徴とする。
【００２６】
請求項５のスケール防止装置は、請求項２又は４において、循環型冷却水系から循環水の一部を被処理水として抜き出して前記温度調整手段を介して前記電解槽に送給する被処理水導入手段と、前記電解槽の電解処理水を該循環型冷却水系に送給する処理水返送手段とを備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項６のスケール防止装置は、電極を有する電解槽と、該電解槽内に被処理水を通水する手段とを備え、前記電解槽に被処理水を通水して電解し、前記電極表面にスケールを析出させ、被処理水中からスケール成分を除去することにより、被処理水からのスケール析出を防止するスケール防止装置において、前記被処理水が、循環型冷却水系における熱交換器からの出口水であることを特徴とする。
【００２８】
請求項７のスケール防止装置は、請求項６において、循環型冷却水系から循環水の一部を被処理水として抜き出して電解槽に送給する被処理水導入手段と、前記電解槽の電解処理水を該循環型冷却水系に送給する処理水返送手段とを備えることを特徴とする。
【００２９】
請求項８のスケール防止方法は、電極を有する電解槽に被処理水を通水して電解し、前記電極表面にスケールを析出させ、被処理水中からスケール成分を除去することにより、被処理水からのスケール析出を防止するスケール防止方法であって、被処理水を温度調整した後に電解することを特徴とする。
【００３０】
請求項９のスケール防止方法は、請求項８において、被処理水が、循環型冷却水系における循環水であることを特徴とする。
【００３１】
請求項１０のスケール防止方法は、電極を有する電解槽に被処理水を通水して電解し、前記電極表面にスケールを析出させ、被処理水中からスケール成分を除去することにより、被処理水からのスケール析出を防止するスケール防止方法であって、前記被処理水が、循環型冷却水系における熱交換器からの出口水であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、被処理水を、スケールの析出に最適な温度に温度調整した後電解処理することにより、或いは、スケールの析出に最適な温度の被処理水を電解処理することにより、被処理水中のスケール成分を効率的に析出させて除去することができる。
【００３３】
即ち、従来においては、被処理水を電解処理してスケールを析出させるスケール防止方法において、電解処理に際して、被処理水の温度調整は行われておらず、電解処理に当たり、スケールの析出に最適な温度について何ら検討されていなかった。しかし、本発明者らの研究により、電解処理によるスケールの析出効率は被処理水の温度に大きく依存し、温度が高い程スケールの析出効率が高いことが判明した。
【００３４】
従って、本発明においては、被処理水を３０〜４５℃に温度調整することが好ましく（請求項４）、また、熱交換により温度が上昇した循環型冷却水系における熱交換器からの出口水を被処理水とすることが好ましい（請求項６，１０）。
【００３５】
本発明において処理対象とする被処理水は、循環型冷却水系における循環水（請求項２，９）、又は、逆浸透膜分離装置からの濃縮排水を給水側へ循環させる循環水系における循環水（請求項３）が好ましく、特に、熱交換器の出口水であることが好ましい（請求項６，１０）。この場合、循環型冷却水系から循環水の一部抜き出して温度調整し、その後電解処理した後該循環型冷却水系に戻すことが好ましい（請求項５，７）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下に図面を参照して本発明のスケール防止装置及び方法の実施の形態を詳細に説明する。
【００３７】
図１は本発明のスケール防止装置及び方法の実施の形態を示す循環型冷却水系の系統図である。
【００３８】
この循環型冷却水系では、貯水槽１内の水がポンプＰにより配管１１を経て熱交換器２に送給され、熱交換器２での熱交換により温度が上昇した水は、配管１２より冷却塔３に送給されて冷却された後、配管１３より貯水槽１に戻される。
【００３９】
熱交換器２における熱交換後の水を冷却塔３に送給する配管１２には、分岐配管１４が設けられ、この循環水の一部を抜き出し、加温器４で加温した後、配管１５を経て電解処理装置５に送給されて電解処理され、配管１６より配管１２に戻されるように構成されている。
【００４０】
加温器４による加温の程度は、目的とするスケール析出・除去量や、加温器４に導入される水の水温や水質等に応じて適宜決定されるが、一般的には、循環水のスケール析出防止処理であれば、加温により、水温を３〜１０℃程度高め、３０〜４５℃に加温した水を電解処理装置５に送給することが好ましい。
【００４１】
この電解処理装置５に導入される水の水温が低すぎると、スケール析出効率を十分に高めることができず、高過ぎると、加温のコストが高くつくと共に、水系の水温を高め、冷却塔３の負荷を高める結果となり好ましくない。
【００４２】
ただし、図１に示すような循環型冷却水系の循環水の処理の場合、熱交換器２からの循環水の２〜５％程度を分取して電解処理すれば、水系内のスケール析出を十分に防止することができることから、この程度の水量の水を分取して加温し、再び水系に戻しても水系全体の水温には殆ど影響を及ぼすことはない。
【００４３】
加温器４は電解処理装置５の直前に設けることが好ましく、また、加温器４に導入する水は、熱交換器２での熱交換により温度が上昇した熱交換器２出口水であることが好ましい。加温器４としては、一般的な熱交換器や電気ヒーターなどを用いることができる。
【００４４】
図１に示す如く、熱交換器２の出口水の一部を分取して加温した後電解処理することにより、電解処理装置５の陰極に循環水中のスケール成分をスケールとして析出させて除去することができる。そして、このようにしてスケール成分を除去した電解処理水を再び循環水系に戻すことにより、前述の先願の方法と同様に熱交換部や冷却塔におけるスケールの析出を防止ないし抑制し、また腐食の低減を図ることができる。また、補給水の硬度が高い地方においては高濃縮運転が可能となり、節水に繋がる。
【００４５】
なお、電解処理によりスケールが析出した電解処理装置の陰極は、先願の方法と同様にして、炭酸ガス又は炭酸ガス溶解水で洗浄するか、或いは超音波洗浄等により除去することができる。
【００４６】
なお、図１には、本発明を循環型冷却水系の循環水のスケール防止処理に適用した例を示したが、本発明における被処理水は、循環型冷却水系の循環水に何ら限定されるものではなく、他の様々なスケール析出傾向の水が挙げられる。
【００４７】
例えば、前掲の特願２００５−１４３３４号にも記載している通り、本発明は、逆浸透膜分離装置で濃縮排水（ブライン）を給水側へ循環させるようにした循環水系などの水系にも適用可能である。即ち、逆浸透膜分離装置の濃縮水中には、膜分離により硬度成分が濃縮されることによりスケール析出傾向が高くなり、水回収率を高めるために高濃縮運転を行うと、膜面でのスケール障害が問題となるが、本発明に従って、逆浸透膜分離装置の給水や被処理水を処理してスケール防止処理を施すことによって、スケールの析出を防止することができる。このため、高濃縮運転を行って水回収率を高めることができ、また、膜面でのスケール析出による膜の劣化を防止することができる。更に、スケール析出傾向の高い濃縮水の系外排出による環境汚染も防止することができ、環境的にも経済的にも有利である。
【００４８】
図２は、本発明を、逆浸透膜分離装置からの濃縮排水を給水側へ循環させる循環水系における循環水の処理に適用した実施の形態を示す系統図であり、図２において、水槽５０内の被処理水はポンプ５１及びライン５２を介して逆浸透膜ユニット（ＲＯユニット）５３に通水され、透過水はライン５７より取り出される。濃縮水は、ライン５４を介して温度調整手段５５で温度調整された後、ライン５６を経て電解槽５７に通水され、本発明に従ってスケール除去処理された後、ライン５８を介して水槽５０に循環される。
【実施例】
【００４９】
以下に実験例、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００５０】
実験例１
ｐＨ８．７、全硬度濃度１８０ｍｇ−ＣａＣＯ３／Ｌ、カルシウム硬度濃度１２０ｍｇ−ＣａＣＯ３／Ｌ、Ｍアルカリ度濃度１２０ｍｇ−ＣａＣＯ３／Ｌ、シリカ濃度１００ｍｇ−ＳｉＯ２／Ｌの被処理水を小型電解処理装置、電解処理装置に通水して電解処理するに当たり、この電解処理装置の前段に熱交換器を設けて、水温を１０〜４５℃に調整し、電解時間１０時間で析出除去できたスケール量と水温との関係を調べ、結果を図３に示した。図３において、スケール析出除去量は、水温３０℃の場合を１００％とし、相対値で示してある。
【００５１】
図３より、水温が高い程スケール析出量が多くなり、被処理水を加温することにより、スケールを効率的に析出させて除去することができることが分かる。
【００５２】
実施例１
保有水量１ｍ３、循環水量６２ｍ３／ｈ、熱交換器における熱交換温度差５℃の図１に示す循環型冷却水系の系内をすべて厚木市水で満たし、濃縮倍率４倍で運転を行った。循環水の代表的な水質は、ｐＨ８．７、全硬度濃度１８０ｍｇ−ＣａＣＯ３／Ｌ、カルシウム硬度濃度１２０ｍｇ−ＣａＣＯ３／Ｌ、Ｍアルカリ度濃度１２０ｍｇ−ＣａＣＯ３／Ｌ、シリカ濃度１００ｍｇ−ＳｉＯ２／Ｌであった。
【００５３】
熱交換器２を出た３０℃の循環水の３％を配管１４に分岐させて加温器４で３５℃に加温した後、電解処理装置５で電解処理し、電解処理水を配管１６から循環水系に戻した。その結果、冷却塔３に導入される循環水の水温は、このような処理を行う前は３０℃であったが、３０．２℃となり、わずかに上昇した。
【００５４】
この運転を１６時間継続したところ、電解処理装置５の陰極表面のスケール析出量は、３７ｇ−ＣａＣＯ３／ｈであり、一方、循環型冷却水系においては、スケール析出は見られなかった。
【００５５】
比較例１
実施例１において、加温器４における加温を行わず、熱交換器からの循環水の３％をそのまま電解処理装置で電解処理した後循環水系に戻したこと以外は同様にして処理を行ったところ、電解処理装置の陰極表面のスケール析出量は２５ｇ−ＣａＣＯ３／ｈと実施例１の場合よりも少なく、また、循環型冷却水系においてはスケールの析出が見られた。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明のスケール防止装置及び方法の実施の形態を示す系統図である。
【図２】本発明のスケール防止装置及び方法の他の実施の形態を示す系統図である。
【図３】スケール析出量と水温との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１  貯水槽
２  熱交換器
３  冷却塔
４  熱交換器
５  電解処理装置
５０  水槽
５３  ＲＯユニット
５５  温度調整手段
５７  電解槽
【図１】
2007075738.tif 000003
【図２】
2007075738.tif 000004
【図３】
2007075738.tif 000005