JP2005211831A - スケール防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スケール析出を安定して防止することができると共に、炭素質材料微粒子が処理水中に混入しないスケール防止装置を提供する。
【解決手段】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を介してスケール防止装置２の筒形チャンバ４が設置されている。このチャンバ４内に１対の多孔質膜１３，１４によって電極室１６，１７と、それらの間の通水スペース１８とが形成されている。電極室１６内に電極１１が配置され、電極室１７内に電極１２が配置されている。各電極室１６，１７内にはコークス等の粒状の炭素質材料２０が充填されている。電極１１，１２に対しては、電源７によって通電が行われる。陽極での酸化反応によりメリト酸等のスケール防止成分を生成させる。多孔質膜１３，１４が設けられているので、この生成反応時に発生する微粒子が通水中に混入しない。
【選択図】図１

Description

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装置に関する。

クーリングタワーを組み込んだ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等には、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。

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。

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。

特表２００１−５０２２２９号公報には、円筒形容器内に黒鉛よりなる１対の電極を配置すると共に、該電極間に黒鉛等の炭素質材料よりなる導電性の粒子と、シリカ、ガラス、プラスチック等の非導電性の粒子とを混合充填し、この電極間に通電しつつ円筒形容器に水を通水させてスケール生成を低減する方法が記載されている。同号の記載によると、この通電処理によりアルカリが生成し、このアルカリによって結晶核が生成し（第１２頁第１７〜１８行）、スケール生成傾向が低下する（第７頁第５〜６行）。

カルボキシル基の数が多い芳香族カルボン酸がスケール分散効果を有することは知られており、中でもベンゼンヘキサカルボン酸（メリト酸）がスケール防止用薬剤として有効であることが報告されている（The Inhibition of Dicalcium Phosphate Dihydrate Crystal Growth by Polycarboxylic Acids,Z.AMJAD,Journal of Colloid and Interface Science, Vol.117, No.1, May 1987）。
特許第２９１２８０９号公報 特表２００１−５０２２２９号公報 The Inhibition of Dicalcium Phosphate Dihydrate Crystal Growth by Polycarboxylic Acids,Z.AMJAD,Journal of Colloid and Interface Science, Vol.117, No.1, May 1987

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、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、薬剤費用が過大となり、現実的には難しい。

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。

上記特許第２９１２８０９号公報の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。

特表２００１−５０２２２９号公報の方法によると、通水の継続に伴って、電極間に充填された導電性炭素質材料粒子が次第に減耗し、粒径が小さくなる。そして、このため、充填層の粒子間隙が小さくなり、通水抵抗が増大する。また、水中の汚れ成分やスケール成分が充填材の表面に付着することによっても通水抵抗が増大する。さらに、導電性炭素質材料粒子の減耗に伴って充填層高さが低下してきた場合、これを補うべく新品の充填材を上方から充填層に補給する必要があり、メンテナンスに手間がかかる。加えて、炭素質材料粒子が減耗してくると、電極間の通電抵抗値が変化する。このようなことから、一定の電流を安定して通電すると共に一定水量にて通水することが難しくなり、スケール生成低減効果が不十分になり易い。

また、炭素質材料よりなる電極を陽極酸化させて芳香族カルボン酸を生成させるスケール防止装置の場合、炭素質材料の微粒子が発生し、これが通水される水に混入し、熱交換器等の機器や配管の内面に付着し、各種の障害を生じさせることがある。

本発明は、上記従来の問題点を解決し、長期にわたり安定したスケール防止作用を奏すると共に、炭素質材料微粒子が処理水中に混入することが防止されるスケール防止装置を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）のスケール防止装置は、水中からのスケール析出を防止するスケール防止装置であって、少なくとも陽極が炭素質材料よりなる電極と、該電極間に電圧を印加する手段と、該電極間に通水させる通水手段とを備えてなり、陽極での反応により、電解物質よりなるスケール防止用薬剤を生成させるスケール防止装置において、該電極から生じる炭素質材料の微粒子が電極間に通水される水に混入することを防止する手段を設けたことを特徴とするものである。

請求項２のスケール防止装置は、請求項１において、該手段はフィルター手段であることを特徴とするものである。

請求項３のスケール防止装置は、請求項２において、該フィルター手段は多孔質膜であることを特徴とするものである。

請求項４のスケール防止装置は、請求項３において、該多孔質膜は樹脂膜又はセラミック膜であることを特徴とするものである。

請求項５のスケール防止装置は、請求項２ないし４のいずれか１項において、該フィルター手段が、電極間の水の通水領域と電極とを隔てるように配置されていることを特徴とするものである。

陽極での炭素質材料の電解反応により生成する電解物質には芳香族カルボン酸が含まれている。この芳香族カルボン酸のスケール分散効果によりスケール発生が防止される。この炭素質材料の電解反応に伴って炭素質材料の微粒子が生成するが、本発明では、この炭素質材料の微粒子が通水に混入することが防止されるので、熱交換器等の機器や配管に障害が生じることが防止される。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

第１図は実施の形態に係るスケール防止装置の概略的な縦断面図である。

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を介してスケール防止装置２の筒形チャンバ４が設置されている。このチャンバ４内に１対の多孔質膜１３，１４によって電極室１６，１７と、それらの間の通水スペース１８とが形成されている。電極室１６内に電極１１が配置され、電極室１７内に電極１２が配置されている。各電極室１６，１７内にはコークス等の粒状の炭素質材料２０が充填されている。電極１１，１２に対しては、電源７によって通電が行われるよう構成されている。

例えば、電極１１を陽極とし電極１２を陰極とするように電源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と共に、酸素が発生するところから、炭素質材料２０の酸化が促進される。この炭素質材料２０が部分酸化されることにより、ベンゼンポリカルボン酸等の芳香族カルボン酸が生成する。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。

生成した芳香族カルボン酸は、多孔質膜１３，１４を拡散透過して通水スペース１８中の水に添加される。

陰極１２近傍は高ｐＨ領域となり、この領域でスケール成分の微粒子が生成する。この高ｐＨ領域において水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生成させることにより、循環水中の溶存カルシウムイオン濃度が低くなり、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。

なお、炭素質材料として、六員環構造を有する炭素質材料を用いることにより、安価に且つ効率よく芳香族カルボン酸を生成させることができる。

六員環構造の炭素質材料としては、六員環網状平面が三次元的に積層され、炭素含有率８０％以上の炭素質材料が好ましい。特に、メリト酸等の高次のカルボン酸を生成させるためには、表面層の縮合率が高い方が望ましい。また、炭素含有率が高いものであれば、副生成物が生成しにくいという利点があり、好ましい。このような炭素質材料としては、黒鉛、カルビン、コークス、木炭、活性炭、無煙炭等の石炭類、カーボンブラック等を用いることができる。電極として、表面付近が上記炭素質材料で構成されているものを用いてもよい。

なお、このスケール防止装置では転極を行うことが好ましいので、双方の電極室１６，１７に炭素質材料２０を充填することが好ましい。

電極１１，１２は、上記の通り炭素質材料であってもよいが、耐食性金属材料とした場合には、運転に伴う充填材の減耗がなく、長期にわたって安定してスケール防止作用を得ることができる。

電極１１，１２間の印加電圧は１．３Ｖ以上、特に５〜３０Ｖ程度とすることが好ましい。この電圧は、交流、直流のいずれでも良く、交番電流であっても良いが、１０分以上より好ましくは１時間以上電流が同方向に流れるように電圧を印加することが生成効率の面から好ましい。

また、陰極表面の不純物によるスケール障害を防止する観点からは転極することが好ましい。この場合、転極間隔が短いと生成効率が低下するため、１時間以上、例えば１〜２４時間程度の転極間隔をとることが望ましい。

電流値には特に制限はないが、投入電気量とメリト酸生成量は比例関係にあるため、生成効率を上げるためには電流値を高くした方が良い。生成した芳香族カルボン酸が電気泳動現象によって拡散しにくくなることを防止するように電流値を設定するのが好ましい。

この陽極での電解反応によれば、メリト酸を主生成物として各種のベンゼンカルボン酸等の芳香族カルボン酸を容易に生成させることができる。この生成物中には通常メリト酸が全有機炭素分に対して３０〜５０％含まれるが、その他、ベンゼン環に１又は２以上のカルボキシル基を有するベンゼンカルボン酸類や、ナフタレン、フェナントレン等の縮合環に１又は２以上のカルボキシル基を有する芳香族カルボン酸が含まれる。

炭素質材料２０の分解反応に伴って、炭素質材料の微粒子が生成するが、多孔質膜１３，１４によりこの微粒子が通水スペース１８に入り込むことが防止されている。

この多孔質膜１３，１４としては、孔径１０〜５０μｍ、厚さ１〜４ｍｍの高分子樹脂膜が好適である。セラミック膜も利用可能であるが、高分子樹脂膜の方が曲げ強度が高く好適である。

本発明の装置は、オンサイトで薬品を生成する装置として、開放型循環冷却水ラインに設置されることが望ましい。その設置箇所は何ら限定されるものではなく、補給水ライン、循環ラインのいずれにも適用可能である。

［実施例１］
第１図の装置において、通水スペース１８の水平断面積を５ｃｍ^２、電極室１６，１７の水平断面積をそれぞれ１０ｃｍ^２とした。電極１１，１２として白金−イリジウム被覆チタン電極（寸法１５０×５０×２ｍｍ）を用い、炭素質材料２０として平均粒径５ｍｍのコークス５０ｇを電極室１６，１７に充填した。多孔質膜１３，１４としては孔径２０μｍのポリエチレン膜（厚さ２．０ｍｍ）を用いた。

多孔質膜１３，１４の距離は１０ｍｍである。通水スペース１８に原水としてクーリングタワー冷却水を通水線速度０．１ｍ／ｓｅｃにて通水し、電極１１，１２間に電圧１５Ｖを印加し、１．０Ａ／ｄｍ^２の電流密度にて電流を流した。このようにして２４時間処理したときの処理液中の炭素質材料微粒子の重量分布を第２図（ａ）に示す。

［比較例１］
第１図の装置において、多孔質膜１３，１４の代りに５ｍｍピッチで２ｍｍφの孔径を有するプラスチック板を配置し、微粒子の除去を行わないようにしたこと以外は同様の条件にて通水し、処理液中の微粒子の重量分布を計測した。結果を第２図（ｂ）に示す。

第２図（ｂ）の通り、コークスから生成する微粒子は大部分が１０μｍ以上の粒径を有することが認められる。第２図（ａ）の通り、実施例１によるとこの微粒子のうち９３％のものが多孔質膜により除去される。

なお、多孔質膜１３，１４として孔径の異なるものを用いて上記実施例１、比較例１と同様に通水を行い、そのときの芳香族カルボン酸の生成速度（ｇＴＯＣ／Ｆ）を測定した。その結果を第３図に示す。なお、この単位ｇＴＯＣ／Ｆは投入電気量当たり生成したＴＯＣ量である。多孔質膜を用いない比較例１の場合の芳香族カルボン酸生成速度が０．６ｇＴＯＣ／Ｆであった。この生成速度と同等の拡散速度となるように多孔質膜孔径を決定することが望ましい。第３図より、１０μｍ以上の孔径の多孔質膜は拡散律速を阻害していないことが分る。但し、第２図（ａ）の微粒子粒度分布測定結果の通り、１０μｍ以上の微粒子が非常に多く生成するので、孔径を大きくすれば多くの微粒子が多孔質膜を透過してしまうことになる。従って、孔径は１０〜２０μｍが好適と言える。

膜面への流速が０の場合は拡散よりも電気泳動の影響を受けるが、わずか０．０１３ｍ／ｓｅｃの流速を与えるだけで膜面の拡散促進が起こり、拡散支配となることが分かった。

実施の形態に係るスケール防止装置の概略的な縦断面図である。 炭素質材料から生成する微粒子の粒度分布図である。 芳香族カルボン酸の生成速度と多孔質膜の孔径との関係を示すグラフである。

符号の説明

１，３ 配管
４ チャンバ
７ 電源
１１，１２ 電極
１３，１４ 多孔質膜
１６，１７ 電極室
１８ 通水スペース
２０ 炭素質材料

Claims (5)

1. 水中からのスケール析出を防止するスケール防止装置であって、
   少なくとも陽極が炭素質材料よりなる電極と、該電極間に電圧を印加する手段と、該電極間に通水させる通水手段とを備えてなり、
   陽極での反応により、電解物質よりなるスケール防止用薬剤を生成させるスケール防止装置において、
   該電極から生じる炭素質材料の微粒子が電極間に通水される水に混入することを防止する手段を設けたことを特徴とするスケール防止装置。
2. 請求項１において、該手段はフィルター手段であることを特徴とするスケール防止装置。
3. 請求項２において、該フィルター手段は多孔質膜であることを特徴とするスケール防止装置。
4. 請求項３において、該多孔質膜は樹脂膜又はセラミック膜であることを特徴とするスケール防止装置。
5. 請求項２ないし４のいずれか１項において、該フィルター手段が、電極間の水の通水領域と電極とを隔てるように配置されていることを特徴とするスケール防止装置。

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