P.S. Mitsubishi Construction Co., Ltd.

技報

第 2 号 (2004 年)

海洋生物付着防止システム実用化の研究
九州支店

PC 事業部藤田知高

概要：Green Antifouling(GAF)システムは，フィンランドにて開発された海洋生物付着防止技術である．このシステムは，海水中の構造物表面にコンピュータ制御された電流を供給することにより，その構造物への生物付着防止(防汚)と鋼材腐食防止(防食)を同時に行うことを特徴とした，電気化学的防汚技術である．本研究は，日本サブコール社の協力のもと，九州大学と共同で，長崎港にて実物大構造物を対象とした実証実験を行い，GAF システムの汎用性，および，より大規模な設備に適用した場合の効果(スケールエフェクト)を確認し，GAF システムの実用化に対する技術評価を行うことを目的としたものである．

Key Words：防汚技術，GAF システム，電位制御

１． はじめに
海水中に設置された土木建築構造物や，海水を冷却水として利用する臨海発電施設は，さまざまな海域に建設されており，重要な社会資本を形成している．海水中では，海洋微生物を含む様々な海生動植物が生息しているが，これらのうちの付着性生物または付着期の生物(以下，汚損生物)が付着すると，その構造物の有する機能が低下したり，施設の正常な運転に影響を与えるなど，維持管理上の大きな問題が生ずることになる．汚損生物の付着防止対策としては，(1)塩素または次亜塩素酸塩の投入，(2)防汚塗料の塗布，(3)防汚金属による被覆，(4)海水電解による塩素または次亜塩素酸塩の生成，(5)防汚金属のアノード溶解による生成，など様々な工法が提案・実用化されているが，無公害で耐久性の高い技術は，いまだ確立されていないのが現状である．
本研究は，耐久性および環境問題を同時に解決する新技術「海洋生物付着防止(Green Antifouling)技術システ
ム(以下，GAF システム)」の我が国への導入について検討を行ったものである．

２． GAF システム
(1) 特徴GAF システムは，フィンランドの SAVCOR 社で開発された電気化学的防汚技術であり，Green(環境に優しい)Anti(防止) Fouling(汚損)の頭文字で表現したものである．以下に特徴を示す．
i) 保護する基盤(鋼板)の防汚と防食を同時に行う．
保護基盤極近傍における海水 pH の頻繁な変化に伴い，汚損生物の付着・成長が抑制される．また，基盤の電極電位を鋼材の防食電位に保持させており，鋼材腐食は生じない．
ii) 環境に優しい工法である．
有害な塩素ガスや水素ガスを発生させないように電位制御しているため，環境に負荷を与えず，環境に優しい工法である．
iii) 防汚面となる基盤は鋼板で十分である．
GAF システムは防食も兼ねているために，基盤としては安価な炭素鋼板で十分である．

藤田知高
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第 2 号 (2004 年)(2) 原理GAF システムは，図-1 に示すように海水中に設置したコントロールユニット

陽極および GAF 電極から，基盤に「防汚パルス電流」を遠隔操作・管理

パワーユニット

与え，基盤を Anode/Cathode とすることにより以下の電− ＋気化学反応を生じさせる．

＋ −[ 陽極(Anode)反応 ]4OH- → 2H2O + O2 + 4e-(1)式[ 陰極(Cathode)反応 ]海水中(2)式ス
電流

2H2O + O2 + 4e- → 4OH-

照合電極
（Zn）

パル

陽極反応である(1)式が生じると，以下に示す(3)式の防汚関係から，基盤表面極近傍の海水 pH が低下する．一方，陰極反応である(2)式が生じると，同様に(3)式より，基盤表面極近傍の海水 pH が増加する．
pH = -log10[H+] ,[H+][OH-] = 10-14

ＧＡＦ電極

(3)式

[H+]

保護基盤

陽 極（Ti）

ここで， [OH-] : 海水中の水酸化イオン濃度: 海水中の水素イオン濃度（鋼板）

図-1 GAF システム模式図

この海水 pH の変化は，汚損生物の付着および成長を抑制する 1) 2) (忌避および成長抑制効果)．さらに，図-2に示すように，海水 pH が増加した場合には，基盤表面には保護層(電解皮膜)が析出する．また海水 pH が低下した場合には，溶解する．海水 pH の変化に伴い，基盤表面上では，保護層の析出と溶解が繰り返される．たとえ基盤表面上に汚損生物が付着したとしても，保護層の析出と溶解作用により，付着生物は脱落する(剥落効果)．
以下，これらの効果を総合して「GAF 効果」と称する．

図-2 海水 pH 変化と保護層の析出と溶解作用(剥落効果)(3) システムのパラメータ
GAF システムでは，有毒なガスの発生防止および鋼材腐食からの保護が可能となるよう，外部からの通電により保護基盤の電位を最適電気防食電位に保つと同時に，汚損生物の付着が最小となるように防汚パルス電流を制御する
ことで，基盤電位の振幅，周波数を頻繁に変化させる．図-3 に GAF 原理概念図を示す．防汚パルス電流を構成する
GAF システムパラメータ(以下，パラメータ)の機能を以下に記す．
・電位変化の振幅
陽極パルス

防汚パルス電流をかけることで，が，その際，電位の逸脱がどの程度の規模で起こっているかを
示 す ． Anode 方 向 あ る い はCathode 方向のパルスが大きす
ぎたり長すぎたりすると，鋼材が電 位 (mV vs SCE)

基盤の電位を急激に変化させる

Anode方向

−540

pHの減少

振幅の変化
−810

基本電位
（最適防食電位）−990
周波数の変化Cathode方向

−1190

pHの増加

腐食あるいは水素脆性を起こす

陰極パルス

水素発生電位危険あるので，正確なコントロールが必要である．

鋼材腐食電位時 間図-3 GAF 原理概念図

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・電位変化の周波数
基盤電位が急激な変化を起こす頻度を示す．
・基本電位レベル
基盤電位がほとんどの時間留まっている範囲で，外部電源方式陰極防食における最適な防食電位範囲である．
・A/C 率
今回の実証実験で新たに導入されたパラメータであり，陽極パルスおよび陰極パルス両方の，振幅と持続時間により算出される積算電位の比率である．これは，振幅，周波数，電位レベルという他のパラメータ変化に依存している．

３． 実験方法(1) 実験目的
GAF システムを我が国に導入するにあたり，1998 年から 1 年半程度の期間，横浜港にて予備実験が行われた．予備実験では，炭素鋼をはじめとする 7 種類の材質について，GAF システムの適用性が比較され，その結果，炭素鋼への適用が最も効果的であるという結論が導かれている．また，その際の有効なパラメータがある程度明らかにされている．本研究では，横浜港における予備実験の結果を踏まえ，長崎港にて実物大構造物を対象とした実証実験を行うことで，GAF システムの汎用性，および，より大規模な設備に適用した場合の効果(スケールエフェクト)を確認し，GAF システムの実用化に対する技術評価を行うことを目的とした．

(2) 実験環境表-1 実験基盤概要

長崎港に位置する長崎造船株式会社本社工場内にある，現在供用中の鋼製ポンツーンに実略 名

験装置を設置した．新設の鋼製構造物を想定し，実験対象基盤は無塗装鋼板とした．GAF 効果

実験基盤①GAFを確認するため，GAF を適用した基盤(「GAF」

実験基盤②control

GAFシステム

面積

適用(m2)

非適用摘要

10.0○○

1.0 電気防食と略記)と，比較参照用として GAF を適用しない基盤(「control」と略記)を用意した．「control」は，鋼材腐食による付着抑制の影響を排除するために，基盤表面に流電陽極(Zn)方式による電気防食を施したことに注意を要する．鋼製ポンツーンを介して電流が流入しないよう，「control」はポンツーンと絶縁状態で設置した．表-1 に実験基盤概要を，図-4 に実験設備配置図を示す．

コントロール／ パワーユニット（ ポンツーン内に設置）

１０００

１０００

鋼製ポンツーン

１０００

１００００

陽極およびＧ Ａ Ｆ 電極

実験基盤①(「GAF」)

実験基盤②(「control」)

図-4 実験設備配置図
なお，実験設備を配置した鋼製ポンツーン周辺の水域は，流速はほとんど無く，また海洋生物が多岐に亘り生息している環境であり，防汚技術の効果を確認する水域としては望ましい水域であることが確認されている．

(1) 実験項目
生物付着状況を比較するうえでの評価は，以下の 2 通りの方法によることとした．

表-2 付着生物採取要領
採取エリアi) 目視観察
付着状況の定性的な評価方法として，日中太陽光の下で，水中写真撮影による目視観察を行った．
3/8

採取面積

採取頻度

GAF

250×250mm

3ヶ月に1回

control

100×100mm

3ヶ月に1回P.S. Mitsubishi Construction Co., Ltd.

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技報ii) 付着生物採取調査
付着状況の定量的な評価方法として，実験基盤表面の一定範囲から採取された付着生物の生存種のみについて，個体数および湿重量の比較を行うこととした．表-2 に，付着生物採取要領を示す．

(3) 実験期間
本研究の実験期間は，2002 年 3 月〜2003 年 5 月までとした．本実験の実施工程表を表-3 に示す．
表-3 実施工程表
200222003
3456789101112123454/12

5/20

6/197/178/20

9/17 10/23 11/19 12/17 1/15

2/21

3/17

4/25

5/19

実験計画準備
設備機器準備
3/12

設備設置工事システムテスト3/13

実 験

システム稼働
目視観察
付着生物採取調査

４． 実験結果および考察(1) 目視観察による定性的評価
定期的な目視観察結果を基に，GAF システム適用部への生物付着傾向を判断し，パラメータの設定を変更した．
パラメータの設定内容は，最良の GAF 効果を引き出すことを目的として変更を行ったが，金属の分極程度の変化により GAF システムの出力が低下し，意図する効果が得られなくなった場合にも，設定変更を行う必要があった．
[GAF][Control]2002.7/17

2002.7/17

写真-1 「GAF」の基盤状況

写真-2 「control」の基盤状況(2002.7/17 撮影)(2002.7/17 撮影)

写真-1 および写真-2 は，実験開始約 3 ヶ月後の 2002.7/17 における「GAF」および「control」の表面状況写真である．「GAF」の保護基盤表面には，全面的に白色の電解皮膜の析出が観察された．部分的に，汚れに伴う変色が見られたものの，大部分は表面が剥がれ落ちたような真新しい白色面が見て取れた．これは電気化学的反応に伴う剥落効果(電解皮膜の析出と溶解の繰り返し作用)であると判断でき，良好な GAF 効果が得られていたものと判断できる．一方，「control」には電気防食を施していたにも関わらず，部分的に予期せぬ腐食が確認された．腐食はその後 2 ヶ月程度で安定し，錆を覆うような形で多岐に亘る生物の付着が確認された．全体的に管棲多毛類の付着が目
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立ち，水面付近には小型のフジツボ類の付着も若干確認されたが，腐食の発生により生物付着が抑制されたことが懸念され，実験結果への影響は否めない．通常の流電陽極方式による電気防食に見られる電解皮膜も確認できず，犠牲陽極の量が不足していた恐れがある．

[Control][GAF]

2003.4/25

2003.4/25

写真-3 「GAF」の基盤状況

写真-4 「control」の基盤状況(2003.4/25 撮影)(2003.4/25 撮影)

写真-3 および写真-4 は，実験開始約 1 年後の 2003.4/25 における「GAF」および「control」の表面状況写真である．「GAF」の保護基盤表面には，引き続き GAF 効果の 1 つである剥落効果が確認できるものの，微小な管棲多毛類および小型のアカフジツボの付着も確認された．一方，「control」には，全面的に苔虫類，管棲多毛類，タテジマフジツボの付着が目立ち，それらの付着生物を覆うような状態で，ホヤ網の繁茂が確認された．このように，GAF システ
ムを適用することで，付着する生物の種類や形態に相違が見られた．この原因として，基盤に既に付着している既存生物種の違いが次に付着する生物に何らかの影響を及ぼしたこと，および，GAF 効果そのものにより付着生物が選択されたこと等が考えられるが，原因を明確にすることは出来なかった．

(2) 付着生物採取による定量的評価

表-4 着目した生物種(門・網・目)

実験基盤表面より採取した付着生物の生存種のみにつ着目種

いて，種類を同定後，それぞれの個体数および湿重量を定量した．採取・分類された付着生物のうち，特に湿重量が多く，また汚損生物として問題となる 3 網に着目し，その（含まれる目）

軟体動物門

ニマイガイ網

環形動物門

ゴカイ網

節足動物門

甲殻網

イガイ目
ウグイスガイ目
オオノガイ目
スピオ目
サシバゴカイ目
ケヤリムシ目
フジツボ目

網に含まれる目(甲殻網についてはフジツボ目のみ)について合計した総個体数，総湿重量の比較を行った．比較を行った 3 網を表-4 に，総個体数および総湿重量の比較結果を，それぞれ図-5 および図-6 に示す．
20000

3000
GAF

総個体数

GAF
control

総湿重量

2236

15000

9500

10000

6976

7000

7800
7376

5000

湿重量（g / m 2 )個体数（ 個体/ m2 )control

20001242

1000
583574387185

115202002.
10/23

2003.
1/1502003.
4/25

2002.
10/23

2003.
1/15

採取日

採取日

図-5 総個体数の比較

図-6 総湿重量の比較
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2003.
4/25

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図-5 に示す総個体数に着目した場合，実験開始から約 6 ヶ月後にあたる 2002.10/23 の採取では，「GAF」：1152個体/m2 に対し，「control」：9500 個体/m2 と，GAF を適用したことにより，適用しなかった場合の 12.1%程度まで減少していたことが分かった．しかしながら実験開始から約 9 ヶ月後および約 12 ヶ月後にあたる 2003.1/15 および2003.4/25 の採取では，「GAF」と「control」それぞれにおける付着生物の総個体数には，ほとんど差が見られなくなっていた．一方，図-6 に示す総湿重量に着目した場合，いずれの採取日においても，GAF を適用したことにより，適用しなかった場合の 25〜30%程度まで抑制されていた結果を示した．このように 2003.1/15 および 2003.4/25 の採取において，総個体数が同程度であったにもかかわらず総湿重量に差が現れた理由の一端は，主にゴカイ網の付着によるところが大きかったようである．本実験水域において付着したゴカイ網は 1 個体あたりの湿重量が小さく，また付着生物としては非常に小型であったため，総湿重量にはそれ程影響を及ぼさなかったと考えられる．しかし，ゴカイ網の中には，群体で急激に増加・付着するケースもある 3)ことから，実際にそのような環境に GAF システムを実施する際には，GAF システム原理の 1 つである剥落効果が，より頻繁に発生するよう，パラメータの設定を調整する必要があると思われる．

(3) パラメータの設定と GAF 効果
GAF システムの防汚メカニズムは，(1)保護基盤の電位を一定範囲内で頻繁に変化させることによる付着生物の忌避および成長抑制効果，(2)海水 pH の変化に伴う電解皮膜の析出と溶解の繰り返し作用による付着生物の剥落効
果，が主なメカニズムである．これら GAF 効果とパラメータとの関係を明らかにし，防汚効果を検証する．

xf (×U)
最貴電位

最小 (×U)
最卑電位( ×f )A/C
最大A/C率率( 無次元) 周波数
1.0f
1.00

1U

0.5U
0.25U

周期x f
周波数電位 x U

電 位 の 変 化 と A/ C 率0.75U

0‑0.25U‑0.5U‑0.75U

良好な GAF 効果

0.0f
0.102003

2003yyMaMa13,15,0320205,,April10hrc
Maaryrnumb
eJa

ce

03

20032002
7,16,02220,11ermb

DeNoveOc
tober30st20022,20002,2002ne
JuAu
gu

ne
Ju

1820,,202002

200230,yMa20,yMaMarch

14.2002‑1U

調整の日付

図-7 パラメータ調整履歴
本研究におけるパラメータ調整履歴を図-7 に示す．縦軸の電位および周波数の具体的な数値は，諸事情により明記することは出来ない．この図は，主要パラメータである電位変化の振幅，周波数および A/C 率の時系列変化を示しており，電位の振幅については最貴電位と最卑電位を示している． A/C 率の変化は，振幅，周波数，電位レベルという他のパラメータ変化に依存しており，例えば，全く等しい振幅と継続時間を持つ陽極パルスおよび陰極パルスは，お互いに打ち消し合うことで，A/C 率=0 という結果となる．図中に示した「良好な GAF 効果」と，後述の図-8 に示す「GAF 効果の評価(5 段階評価)」は，水中写真の目視観察結果に基づき，剥落効果，電解皮膜の析出量，生物付着程度および前回の観察結果からの相対的な変化等を考慮に入れた上で評価したものである．図-7 より，A/C 率がGAF 効果と密接に関連していることが見て取れる．つまり，A/C 率が明らかに Anode 寄りの場合は，周波数の大きさに関係なく，GAF 効果を確認することはできなかったが，A/C 率が neutral に近いか，または僅かに Cathode 寄りであり，特に周波数が小さい(周期が長い)場合には，望ましい GAF 効果を確認することができた． この図からさらにA/C 率に着目することで，次の図-8 を導くことができる．
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A/C率
A/C率

剥落効果
剥落効果

第 2 号 (2004 年)

周期周波数
1.0f

50.30U0.30
0.25U0.25

20.05U0.05
0U 0.00

周期 x f

0.10U0.10

周波数 × f

3A /C 率電位 x U

0.15U0.15

G AF効果の評価,
5= 優良
G A F の成果, 5 = 優良

4

0.20U0.20

1-0.05‑0.05U-0.10‑0.10U
2020030303,

,

14yri
ApMa

l

1414hrc

Maryuabr2003,

200314,,2020yar

0.0f

Fenu
Ja

mb
ce

1414erermb
Deve

0202,

,

2014,
14rbe
Noto2002022002
beOcempt

SeAugustr

1414,,2020,14lyJuneJu

02022002,2014,14yMalri
ApMarch1414,,20200202

0

図-8 A/C 率と周波数の変化による剥落への影響
図-8 は，時系列で追った主要パラメータの変化および目視観察に基づく GAF 効果の評価を示している．2002 年4 月〜2002 年 6 月の実験初期段階では，A/C 率は Anode 寄りであり，剥落効果を得ることはできなかった．剥落効
果が最も良く得られたのは，2002 年 6 月〜2003 年 1 月までの間であった．なおこの間にも，剥落効果は 2002 年の秋季から徐々に減少していく傾向を示したが，これはおそらく分極の影響によるもの，つまり，分極程度の変化によりGAF システムの出力が徐々に低下していき，実験基盤表面を流れる電流密度が減少したことが原因の 1 つと考えられた．この影響がパラメータの設定のみの調整では解決できないと判断された場合，新たな制御プログラムに設定しなおすことで解決された．また A/C 率が 2003 年 1 月中旬に増大されると，剥落効果は停止した．
より大規模な構造物を対象とした今回の実証実験は，GAF システムの制御において，横浜における予備実験とは明らかに異なっていた．小規模の場合とは異なり，利用できる電流容量が限られたため，パラメータの設定をより繊細に行う必要があった．更に 2002 年中は，分極の影響により出力が継続的に低下し続けていた．

コントロール/パワーユニット

今回の実証試験の成果として，制御プログラムの設配線/配管定についての多くの情報を得ることができた．その結遠隔操作/管理

果，ソフトウェアの新バージョンが考案・開発され，新し鋼板

い主要パラメータ要因である A/C 率が導入された．な
お A/C 率は，別の幾つかのパラメータを総合して計算し直すことで得られるもので，独立したパラメータではないものの，GAF 効果において最も重要な防汚効果要因であるようである．実際，目視により確認された
GAF 効果は，算出された A/C 率と密接に連動している よ う で あ り ， A/C 率 が ほ ぼ neutral か ， 僅 か に

陽極/GAF 電極

Cathode 寄りの時に，GAF 効果に対し重要な意味を照合電極持つ剥落効果が最も効果的に得られていた．これまで
図-9 GAF システムの適用概念図

GAF 効果は，付着生物の忌避および成長抑制効果(ボックスカルバートへの適用例)に注目されており，剥落効果に関しては特に注目されてはいなかったが，今回の実証実験では，剥落効果

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第 2 号 (2004 年)が卓越する結果を示しており，これも本実証実験における大きな特徴の一つであったと言えよう．
今回の実証実験中に各主要パラメータの稼動限界がすべて確認されたわけではないが，効果的なパラメータの範囲を明らかにすることができた．また，2002 年夏季後期の過酷な汚損生物付着の時期において，GAF システムの有効な防汚効果を実証することができたことは，特筆すべきことである．
GAF システムを一般構造物に適用する場合の一例として，ボックスカルバートへの適用概念図を，図-9 に示す．

５． まとめ2002 年 3 月〜2003 年 5 月において，長崎港に位置する鋼製ポンツ−ンを利用して GAF システムの汎用性，および，より大規模な設備に適用した場合の効果の確認を目的とした実証実験を実施した．本研究の範囲内で以下の事が明確となった．
i) GAF システムの防汚効果を確認するために，定期的な目視観察および付着生物採取調査を行った．防汚塗装を施していない炭素鋼板(無塗装鋼板)に GAF システムを適用した場合，本システムの防汚原理の 1 つである剥落効果(基盤表面上の電解皮膜の析出と溶解の繰り返し作用)が，定期的な目視観察から確認された．付着した汚損生物の付着量を，GAF を適用しなかった基盤(control)と比較した結果，付着生物の総湿重量は後者の 25〜30％程度にまで減少しており，防汚効果が明確となった．
ii) GAF 効果を左右するパラメータの設定について，制御プログラムの設定に関する多くの情報を得ることができた．
特に，新しく導入された主要パラメータ要因である A/C 率が，GAF 効果において最も重要な防汚効果要因であるようであり，A/C 率がほぼ neutral か僅かに Cathode 寄りの時に，GAF 効果が最も効果的に得られていた．また，各主要パラメータの稼働限界が全て確認された訳ではないものの，効果的なパラメータの範囲を明らかにすることができた．
参考文献
1) 尾形英二：アサクサノリの生理と病理，植物生理，vol.4,pp.171-182,1964
2) P.H.Benson,R.W.Moncreiff：The Effect of Zn and pH on Larval Attachment of the Common Fouling
Organism, Bugula Nerritina, Proc.4th Int. Cong. Marine Corrosion and Fouling, pp.75-77, 1975
3) 付着生物研究会：付着生物研究法，恒星社厚生閣，p.58,1986

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