マイクロバブルを用いた付着生物の防止技術

マイクロバブルを用いた付着生物の防止技術（Prevention Technology of Attached Marine Organism using a Microbubble）

杉本

正昭＊1・小村（M.Sugimoto）

佳成＊2・塩田（Y.Komura）

浩太＊3（K.Shioda）

マイクロバブルの特性に着目し，海水設備に付着して被害を起こす付着生物の防止効果を調べた結果，付着量を低減する効果が確認できた。また，用いるガスの種類によって効果に違いが認められ，CO2を用いると完全に付着防止ができた。さらに，CO2マイクロバブルは，熱交換器の伝熱性能に影響しないことを確認し，実機大のプレート型熱交換器に適用した実証試験において，実用可能な効果を得た。
Adhesion of the marine organism was able to be prevented by the microbubble. The eﬀectchanged with kinds of gas to be used and CO2 gas of the eﬀect was the highest.. CO2 microbubble
did not inﬂuence the heat transfer performance of the heat exchanger. It is applied to the plate
form heat exchanger, and the usable eﬀect was acquired.

筆者らは，平成18年度より，防汚技術の実用化を目指１．はじめにして研究を行った。初年度は空気のマイクロバブルの生発電プラントにおいて熱交換器の性能向上は，燃料と成条件について検討し，平成19年はこれに窒素と CO2を二酸化炭素ガス（以下，CO2）排出量の削減を可能にす加え，生物付着防止効果を調べた。平成20年度は，発電る効果的な手段である。冷却水として海水を使用する場

所の実証プラントにおいて実用可能な付着防止効果を得

合には，海洋生物の付着により性能が損なわれるので，るに至ったので報告する。

熱交換器の生物汚れと付着防止対策が不可欠である。塗２．マイクロバブルの特性装に次いで歴史のある塩素処理は，地域との取決めにより，適用できない発電所がある。塩素処理を行っている

2.1

発電所でも，残留塩素濃度に制限があることから，所内マイクロバブルの生成方法は，エジェクタ型，加圧溶冷却水クーラーで付着生物による被害が起こっている。

解型，旋回流型，キャビテーション型の４つに大別される。

そのため，塩素処理に替わる防汚対策を確立することが実際の試験には，写真１に示し，配管途中に設置できる望まれている。

オーラテック社製のエジェクタ型の発生器を使用した（１）。

生成方法

マイクロバブルは，溶液中に気体を注入して得られる直径が数μm から数十μm の微細な気泡をいう。直径が50μm 以下になると，通常の気泡と異なった性質を持つことが知られている。効率的に気体を溶解させるほか，医療分野では毛細血管の造影剤や，運輸分野では船舶航行時の抵抗抑制，衛生分野では食中毒の原因となるノロウイルスの不活化など，近年幅広い分野に適用が試みら

海水 30L/min 用

れている。

写真１ エジェクタ型マイクロバブルの発生器＊1

海水 400L/min 用＊3

関西電力㈱（The Kansai Electric Power CO.,INC.）＊2
関電プラント㈱（Kanden Plant Corporation）

姫路エコテック㈱（Himeji Eco Tech Corporation）
原稿受付年月日

42

平成20年９月12日

平成20年度火力原子力発電大会論文集〔『火力原子力発電』別冊（CD-ROM）（2009年２月発刊）〕

マイクロバブルを用いた付着生物の防止技術

�
淡水・空気

海水・空気

写真３ バブル径の計測状況

いが明らかである。さらに，気体の種類によっても気泡の生成状況が異なった。CO2マイクロバブルは，液体に対する気体の比率（気液率）５％以内で，空気や窒素と比べてよく溶解した。

海水・窒素

海水・ＣＯ２気泡の密度とサイズ組成は，スライドガラスに付着

写真２ マイクロバブルの生成状況

した気泡を顕微鏡下で観察し，計測した。これでは，ガラス上に捕集できる気泡サイズが限られるなどの理由

2.2で誤差が生じた。そこで，写真３に示すレーザー回折式

海水中のマイクロバブル

海水に空気のマイクロバブルを生成させると，淡水の粒度分布測定装置（シスメックス社，マスターサイザー

場合に比べて気泡密度が高く，寿命が長いことが確認で2000，関西電力㈱技術研究所設備）を用いて粒子径の測きた。水槽で両者を比較すると，写真２に示すように違定を行った。その結果，気泡の直径が十数μm 以上のも流量計

１・������
流量試験区(N2ﾏｲｸﾛﾊﾞﾌﾞﾙ系統)
��・�������
流量調整弁

海水ﾞﾀﾝｸ
送水ポンプ

調整弁

�付着確認箱ストレーナー

流量計

圧力計

ﾏｲｸﾛﾊﾞﾌﾞﾙ発生装置

試験区(Airﾏｲｸﾛﾊﾞﾌﾞﾙ系統)
流量調整弁
��・�������
送水ポンプ

�付着確認箱流量計

ストレーナー

流量計

圧力計

１・������

対照区
流量調整弁
送水ポンプ

排水流量調整弁

��・�������

�

付着確認箱

図２ ベンチスケール試験装置系統
表１ 試験条件
海水取水

����

��

�����

���

揚水ポンプ

��������������

������ �����������

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平成20年度火力原子力発電大会論文集〔『火力原子力発電』別冊（CD-ROM）（2009年２月発刊）〕

マイクロバブルを用いた付着生物の防止技術

スキャン画像

第２期

バブルなし

第２期

第２期

窒素(5.7％)

第４期 ＣＯ２ (5.0％)

空気(5.7％)

検出結果

図３ フジツボ計測実施例のは，十数分の寿命であったが，数μm のものは室温で数時間は残ることを確認した。

写真４ 付着状況

３．ベンチスケール試験

96.4

100

方法

付着防止率（％）（付着物湿重量比）

3.1

平成19年５月から10月の５ヵ月間，関西電力㈱姫路第二発電所の取水口付近に装置を設けて，通水実験を行った。装置を図２に，実験条件を表１に示す。
ガスの種類は，空気，窒素，CO2の３種類とし，そのガス量を変えて，１ヵ月間の実験を４回行った。生物82.1
806061.3

40200の付着防止効果は，マイクロバブル発生器の直後に設空気バブル置した付着量測定水槽（透明塩ビ・アクリル製，外寸

窒素バブル
CO2バブル
マイクロバブルの種類

図４ ガスの種類と付着防止効果

300mm ×210mm ×40mm）への付着量を調べて把握した。付着量は，湿重量と種類別個体数を測定した。フジツボは，他の付着生物によって覆われると計数が困難な

気と窒素は効果が認められたが，完全な防止はできなため，Ａ４サイズの汎用カラースキャナーを用い，付着かった。

量測定水槽の底面と蓋面のスキャン画像を得て，画像解3.2.2

析により計測した。この手法は，杉本が開発した海洋生CO2量と付着防止効果を写真５および図５に示す。付物付着検出装置（特願2005-227027）を適用したもので，着防止率は，気液率が6.7％のとき99.5％と最も高く，（６）実例を図３に示す

CO2量と付着防止効果。評価は，対照区の付着物湿重量5.0％では90％，2.5.％では88％であった。写真５に示すを100％とした試験区の湿重量比を100％から差し引いた

ように気液率2.5％では，付着防止率が88％であり，期付着防止率によって行った。

待した効果が認められ，CO2量をさらに減らすことも可

3.2
3.2.1

結能性が示された。そこで，気体を CO2に絞って適用のた果めの検討を行った。

ガスの種類による付着防止効果

ガスの種類別付着防止効果を写真４および図４に示

４．CO2マイクロバブルの検討す。写真４は，１ヵ月間通水後の水槽底面の付着状況である。無処理の対照区に対し，CO2バブル区で生物の付4.1着がないことがわかる。

CO2量と pH の関係を図６に示す。十分なデータとは対照区の付着物湿重量に基づいた付着防止率は，空気pH 低減効果言えないが，海水の pH と CO2注入率に応じて pH が低下

バブル区は61.3％，窒素バブル区は82.1％， CO2バブルした。

区は96.4％の生物付着を防止できることがわかった。空44

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8.5
2007年8月6日
2008年8月1日
2008年9月8日

8.0

pH

7.5
7.0
6.5
6.0
5.5

バブルなし

ＣＯ２2.5%ＣＯ２5.05.0%012

写真５ 付着状況

付着防止率（ ％）（付着物湿重量比）

8890

2.55.04567

CO2注入率（％）

図６ CO2量と pH の関係

99.5

1 00

3806040200
CO 2 注入 率（％）

6.7

写真６ 汚れ係数測定装置（CO2 ／海水）図５ CO2注入量と付着防止効果

熱交換率

5,000
100
熱貫流率（kcal/m2h℃）

熱交換器の上流に CO2マイクロバブルを注入することによる伝熱性能への影響を，復水器細管の汚れ係数測定装置（姫路エコテック㈱）を用いて，熱貫流率への影響として測定した。装置を写真６に，結果を図７に示す。
実施した気液率７％以下では，影響は測定誤差の範囲内となり，CO2マイクロバブル注入の影響は認められな

4,500
4,000

60

熱貫流率

3,500

403,000

202,500

かった。
4.380

海水比

海水比（％）

4.2

000.9

1.82.73.6

4.5

5.4

6.3

7.2

8.1

二酸化炭素注入量(L/min）

pH の回復海水比：二酸化炭素無注入の熱貫流率を100%とする

海水に溶解した CO2が大気にどの程度戻るか把握する

図７ CO2注入率と熱貫流率ために，飽和させた CO2マイクロバブル海水をビーカーに準備した。最初の15分間は，超音波洗浄装置でガスを40℃まで加温し，経過を観察した。結果は，図８に示すように CO2が溶解して低下した pH 値は，超音波や昇温pHによって微減したに過ぎなかった。また，注入点からの距離が0.5〜12m の範囲において大きな変化がなかった。

５．実機大プレート型熱交換器への適用
5.1

方法

6. 5
6. 0
5. 5
5. 0
4. 5
4. 0
3. 5
3. 0
2. 5
2. 0
1. 5
1. 0

5040

5.31ｐＨ

35302520151050

温度
22超音波
脱気

ﾋ ｰﾀ加 温8 .3 20

平成20年５月16日〜７月22日，発電所の取水口にて，

5.98
45 45

5 .6 35

1 0 15 20 25

30 35

40 4 5 50 55 60

水温（℃）

強制脱気したが，pH に回復が見られなかったことから

65

時間(min)

実機サイズのチタンプレート型熱交換器（アルファ・ラ

図８ 脱気試験結果
45

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マイクロバブルを用いた付着生物の防止技術

給水���
送水ポンプ２ （試験区用）
揚水ポンプ

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����
���
���

���

���

�
ストレーナー������ｵｰﾊﾞｰﾌﾛｰ��������

送水ポンプ１（対照区用）
����������������

対照区

塵芥槽へ排水�����������
試験区
熱交換器

防油堤
高さ約����

凡例
流量調節バルブ

圧力計開閉バルブ

逆止弁

ボールフートバルブ

電磁流量計

カナフレックス

ﾏｲｸﾛﾊﾞﾌﾞﾙ発生装置＋ストレー
ナ設置候補場所

塩ビ配管
配管サイズ

７５�
５６�

図９ 実験装置系統図バル社，Ｍ -30）を設置し，１次側に無処理の海水，２100

次側に CO2マイクロバブルを気液率５％で注入した海水80

付着防止率（％）（付着物湿重量比）

約400L/min を連続通水し，実験終了時に熱交換器を開放して，生物付着防止効果を調べた（図９）。また，熱交換器の生物汚れ状況を開放せずにモニタリングするため，熱交換器に給水する海水の一部を付着量測定水槽に導入し，通水１ヵ月ごとに水槽を回収し，付着量を測定

6040200
第１期（5/23～6/22)

した。
5.2
5.2.1

第２期(6/23～7/22）

調査時期（期）

結果

図10 水槽で把握した付着防止効果

付着量測定水槽への生物付着

水槽の付着物湿重量に基づいた付着防止率は，図10にたが，生物の付着は全くなく，100％の付着防止効果が示すとおりで，第１期は85.1％，第２期が90.3％であり，得られた。

平均で87.7％であった。試験区に貝やフジツボなどの付

６．考察および評価

着は全く認められず，泥状の付着物のみが僅かに堆積した。
5.2.2

90.3

85.1

6.1

防汚のメカニズム

マイクロバブルにより付着を防止するメカニズムは，チタンプレートへの生物付着

通水２ヵ月後に開放したプレートへの付着状況を写真

気体の種類によって異なると考えられる。空気では，水７に示す。対照区には，ヨコエビの棲管，ムラサキイガ

槽の蓋に汚れが集積することから，気泡が海水中に含まイ，サンカクフジツボ，カンザシゴカイが主に付着したれるプランクトンや付着生物の幼生を集め，浮上分離さが，試験区にこれら生物の付着は認められなかった。

せると推察された。窒素の場合は，空気の効果に加え，5.2.3

溶存酸素が７から２ mg/L まで低下したことで，貧酸素付着防止効果対照区と試験区のチタンプレートに付着した生物の分の影響が反映されたと考えられた。CO2では，空気の効析結果を図11に示す。試験区には，泥状の汚れが見られ果に加え，海水の pH が本来の８から６〜７に低下した
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マイクロバブルを用いた付着生物の防止技術

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プレート一面当たりの付着物湿重量（g)

写真７ 通水２ヵ月後の生物汚損状況るようになる。

80706050403020100

塩素処理を行う発電所で併用すれば，pH が低いほどカンザシゴカイ
コケムシ
二枚貝＆巻貝フジツボ
ヨコエビ＋泥棲管酸化力の強い次亜塩素酸 ClO−の割合が高くなることから効果が見込まれる。
CO2の利用が排出量の増加となっては，低炭素社会への努力に逆行するが，幸いなことに工業用 CO2は，水素対照区

図11や酸素を製造する過程の副産ガスを精製して製造される試験区

ため，排出量に加算されない。なお，本研究の成果は，付着物の湿重量特許出願を行った（特願2008-186327

海生生物付着防ことにより効果があったと考えられた。一般に pH の変止法）。

化は，イオンの細胞膜透過性に影響を及ぼすことが知ら6.3

れている。CO2および炭酸水の付着生物に対する防汚効

これまでの成果として，付着生物を100％防止できる

（３）
（４）
（５）

果は，中村らによって既に報告されている

今後の課題。こCO2の注入率は５％であるが，現在2.5％で同様の試験をのなかで，フジツボの付着期幼生に対する付着阻害効果実施しており，少量の付着を許容できれば，注入率2.5％も確認されている。さらに，CO2は動物に対して麻酔効以下で実用化が期待できる。塩素処理の併用による注入果を持つことが知られており，サケの麻酔方法として使率の低減について検討する。

われていることから，付着生物の幼生を殺さず pH を低防汚対策として，杉本が開発した付着期幼生検出装く制えている間のみ，一時的に付着活性を失わせる可能（６）置性が考えられる。

行うことにより，環境影響が可能な限り少ない生物汚損

6.2を用い，付着生物幼生の出現状況に応じた運用をの解決策を目指す考えであり，水産関係者をはじめ，産適用方法

塩素処理では，海水が残留塩素を消費し，濃度が減衰

学官の理解と協力を得て実用化を目指したい。

するが，CO2マイクロバブルを用いた海水の pH ６〜７７．おわりには，大きく変化せず制御しやすい。低下した pH は，放水するまでに30〜40倍に希釈されて回復し，排水の pH

CO2による防汚対策のアイデアと効果を最初に発表さにはほとんど影響はないものと考えられる。このため，れた東京海洋大学中村宏准教授と三菱重工業㈱高砂研究

プレート熱交換器を塩素無注入のプラントにも適用でき所の方々に敬意を表する。本研究にご協力いただいたア
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マイクロバブルを用いた付着生物の防止技術

ルファ・ラバル㈱，㈱オーラテック，高浜酸素㈱の方々物防止技術の検討（その１）基礎試験報告，電気化に感謝申し上げる。

学秋季大会講演要旨集 , 1995
（4）中村宏・塩地則夫・浜崎彰弘・三木ゆう子・後藤英司：参考文献

CO2を用いた付着生物防止技術の検討（その２）実（1）芹沢・八尋：マイクロバブル・ノズルとその評価，海水試験速報，電気化学秋季大会講演要旨集，1995

日本混相流学会年会講演会，2001（5）中村宏・浜崎彰弘・後藤英司：炭酸水による無公害（2） 木島明博・ほか：海洋生物に対するマイクロ・ナ

生物付着防止技術の開発，三菱重工技報，37（3）：ノバブルの効果，日本付着生物学会，講演要旨集，

166-169，2000

2006（6）杉本正昭：フジツボ検出装置の開発，平成19年度（3）中村宏・木山嘉明・後藤英司：CO2を用いた付着生

火力原子力発電大会論文集48

平成20年度火力原子力発電大会論文集〔『火力原子力発電』別冊（CD-ROM）（2009年２月発刊）〕