JP2005270728A

JP2005270728A - 用水の磁気防食方法

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Publication number: JP2005270728A
Application number: JP2004084884A
Authority: JP
Inventors: Masanori Hirose; 正徳広瀬
Original assignee: Heisei Riken KK
Current assignee: Heisei Riken KK
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP3936942B2

Abstract

【課題】
飲料用水、工業用水などを用いる装置において、水に流速がある場合に実用範囲内での磁力を用いて、腐食しやすい金属の腐食を防止する防食方法を提供する。【解決手段】
用水に用いる装置の経路の一部に、流速のある通過水流を使用するとともに、該通過水流に磁束密度が０.８Ｔ以上２Ｔまでとした磁場を作用させて、清缶剤、防食剤、分散剤、防スライム剤や、これらの組み合わせを併用し、腐食しやすい金属の腐食を防止する用水の磁気防食方法である。
【選択図】図１

Description

飲料用水、工業用水などの用水を用いる装置の経路の一部に強磁場発生器を設置して、装置の一部または全体の腐食しやすい金属を防食する水処理技術に属する。

近年化学薬品処理による安全性などの問題から、物理処理による水処理技術が注目され、多くの水処理方法が市販されているが、効果や管理の問題でまだ十分な成果が出ているとは考えられない。
しかし、物理処理による水処理技術であっても、特許文献１によれば、科学的な根拠があって、実用上の再現性もある磁気利用による防食方法は確立されていない実情に対し、改めて磁気の作用について検討を進め、防食への磁気利用についての技術の確立を研究の課題とした技術が開示されいる。
特開平１０−２０４６６３号

上記特許文献によれば、腐食しやすい固体物質と腐食を生じさせやすい液体とが接触する物質系について、これを強磁場中におくことを特徴とする腐食しやすい固体物質の強磁場防食方法を提供するとして、実施例では銅板と硝酸とを用いて実験系を開示している。
この特許文献１では、銅の腐食溶解は、銅表面に硝酸イオンが特異的に吸着されることによって開始されると考えられる。
すなわち、段落[００１３]以下に記載されているように、次式のように反応し、
Ｃu + ２ＮＯ₃ ^- → Ｃu(ＮＯ₃)₂＋２e （化１）
Ｃu(ＮＯ₃)₂ → Ｃu²⁺＋２ＮＯ₃ ^-
そして全体では
Ｃu → Ｃu²⁺＋２e
という反応で腐食溶解が進行する。
つまり、局部電池が形成されて腐食が進行し、この際に、特許文献１の図２に示されるように、溶液側に腐食電流(i)が一部もれることになる。そこで、このもれ電流(i)に磁場が作用することでローレンツカ(Ｆ)が生じ、局所的な溶液の流動が生じ、この「マイクロＭＨＤ効果」により腐食開始剤である硝酸イオンが銅板の表面から離脱されて防食効果が生じると推定されるとしている。

しかし、実験条件３molｄｍ^-3を希硝酸と仮定すれば銅が希硝酸に溶けるときの反応は、化学便覧（改訂３版２ｐ473）によれば水溶液系の標準電極電位E°(25°C)は次のように記されている
Ｃu²⁺ + ２e ＝Ｃu 0.337（E°/V）（１）
ＮＯ₃ ^- + ４Ｈ⁺ + ３e ＝ＮＯ(g) + ２Ｈ₂Ｏ 0.957（E°/V）（２）
式（１）×３＋（２）×２とすると化学反応式は次の式となる
３Ｃu + ２ＮＯ₃ ^- + ８Ｈ⁺ ＝３Ｃu²⁺ + ２ＮＯ(g) + ４Ｈ₂Ｏ (３)
この式では、腐食電流の２e他に上記（化1）に書かれていない水に溶けにくいＮＯが、気体となって発生することを意味しており、一般に気体発生が生ずれば、溶液の流動が生ずる。
このことは、磁場がない場合でも腐食発生と同時に溶液の流動は、生じていることを示してしいる。また、実験例からは、溶液の流動があるので硝酸イオンも移動するはずであるが、実験では激しい腐食が発生している。

この特許文献１の記載からは、ローレンツ力の大きさなどが不明であるため、漏れ腐食電流からの「マイクロＭＨＤ効果」による局所的な溶液の流動がどの程度の大きさになるかが不明である。しかし「マイクロＭＨＤ効果」が更に硝酸イオンの移動を加速し、防食効果を発揮が可能なほどの速さに達しているとするには疑問がある。
水溶液の場合は、貯蔵状態のような静止状態の他に配管の中を流れるような場合があるので、この特許文献１での状況が全て当てはまるとは限らない。
また、この文献では、０〜１０Ｔ(テスラ)(１テスラ＝10000ガウス)まで出力できる強磁場を超伝導マグネットにより実験しているが、現在の技術では工業的規模で３Ｔ以上を出すことは困難で、経済的な面からすると実用には向かないとうい問題点がある。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたもので、その課題は、飲料用水、工業用水などを用いる装置において、水に流速がある場合に実用範囲内での磁力を用いて、腐食しやすい金属の腐食を防止する防食方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、用水に用いる装置の経路の一部に、流速のある通過水流を使用するとともに、該通過水流に磁束密度０.８Ｔ乃至２Ｔとした磁場を作用させて、腐食しやすい金属の腐食を防止することを特徴とする用水の磁気防食方法である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の磁気防食方法において、磁束密度１.３５Ｔ乃至１.５Ｔとした磁場を作用させたことを特徴とする用水の磁気防食方法である。
請求項３の発明は、ボイラ用水に用いる請求項１又は請求項２に記載の磁気防食方法において、清缶剤、又は防食剤を併用したことを特徴とする用水の磁気防食方法である。
請求項４の発明は、冷却用水に用いる請求項１又は請求項２に記載の磁気防食方法において、分散剤、又は防食剤、又は防スライム剤を併用したことを特徴とする用水の磁気防食方法である。

本発明によれば、最適な磁場強度を設計して、効果ある防食効果が得られる物理的処理であるので、長い間使用されてきた薬品による防食効果との比較でも安心して使用できる。

そこで、本発明者は、水に流速がある場合を中心に改めて研究したところ、実用上再現性があり、経済的効果も十分出せる磁気利用技術を発明に想到した。本発明の根拠を説明すると、前述した上記化学便覧によれば、一般に半電池反応では
Ｏx + ze ＝Ｒed (4)
なる電極電位Eは、次のＮernst式で与えられる。
Ｅ＝Ｅ°＋（ＲＴ/zＦ)ln(a_ox/a_red)
ここで鉄の場合の化学反応のE°は次のようになる
Ｆe²⁺ + ２e ＝Ｆe −0.440（E°/V） (5)
Ｆe³⁺ + e ＝Ｆe²⁺ 0.771（E°/V） (6)
鉄が腐食するのは式(5)によって表される。このとき腐食電流が流れるが、磁力に防食効果があれば、この腐食電流を阻害して腐食を防止する。
純粋な水と鉄のみであれば、上記反応で単純であるが、一般的な地下水や工業水では、微量ながら不純物を含んでいる。この不純物の中には、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、マグネシウムイオン、塩化物イオン、硫酸イオンなどのイオン性物質が数ｐｐｍ以上含まれているため、電気伝導率も数１０mS/mを示す。
イオン性物質の流れに直角に磁場をかけると磁場や流速に比例して電位が発生し、電流が流れる。電流が微少な場合は、腐食促進効果は、少ないが、ある値を過ぎると腐食促進電流となることが予想される。
このことは、流速がある場合は、磁力による腐食防止効果と腐食電流による腐食促進効果の競争反応が、存在すると考えられる。すなわち、磁力による防食効果は磁力に比例して向上する防食効果でなく、腐食も促進されるので、腐食防止効果には磁場依存性と共に極小値が存在することが予測できる。
これは、前述した特許文献１での図２が直線的に腐食量が減少するのではなく、双曲線的な減少傾向を示し、５Ｔ（テスラ）から１０Ｔの磁場では防食効果率が少なくなっていることからも予測できる。
このように腐食防止の最適磁場が見つかれば、効率的な防止効果が可能となるとの知見を得、この最適磁場の値を精力的に調査して本発明に想到した。

まず、本発明を冷却塔循環水であるの冷却用水に適用した好適な実施例１を説明する。
この冷却塔での使用する給水（用水）は地下水を使用した。この地下水の水質は、ｐＨ6.2、酸消費量（ｐＨ4.8）20 (mgCaCO₃ /L)、塩化物イオン10(mgCl^- /L)、全硬度 68(mgCaCO₃/L)、硫酸イオン 23(mgSO₄ ^2- /L)、シリカ 29(mg SiO₂ /L)、全鉄 0.03(mg Fe /L)以下、電気伝導率 24.6(mS/m)であった。
試験機は、冷却能力7,800kcal/h、循環水量26L/minの冷却塔を用い入口水３７℃出口水温３２℃になるよう熱交換器を入れてコントロールし約7日実施した。濃縮倍数(通常、地下水は純水ではなく若干の不純物がある。)は、塩化物イオン換算で約８倍で運転した。磁気処理装置を通過する水は冷却塔のピットから取り入れ磁気処理後再びピットに戻すよう組み立てた。磁気処理装置を通過する処理水の流速は12L/minで行った。
腐食速度を求めるテストピースは、市販の鉄のテストピースを使用した。テスト後直ちに腐食減量を求め腐食速度ｍｄｄ（ｍｇ／dm²／ｄａｙ）を算出し
図１及び図２での実施例１の値から判るように、腐食速度にも明らかに磁束密度依存性があることが確認できた。すなわち、磁場が無いときの腐食速度は６５mddであったものが、腐食速度は０.８Ｔ（テスラ）(１テスラ＝10000ガウス)以上になると急激に低下し、１.５Ｔ付近で極小となり、その後増加の傾向を示す。
このことから、腐食防止効果が認められるのは０.８Ｔ〜２.５Ｔまでは鉄の腐食速度は磁場がない場合の６５mddの半分以下、すなわち、３０mdd以下になっている。また、高い腐食防止効果を求める場合は、１.３５Ｔ〜１.７Ｔの範囲で１０mdd以下となりこの範囲で磁気処理するのが望ましく、更に好ましくは１.３５Ｔ〜１.７Ｔの範囲が最適である。また、鉄以外の金属でも同じ傾向であり、分散剤、防食剤、防スライム剤やこれらの組み合わせを併用してもほぼ同様の傾向であったので、必要に応じて使用すればよいことが判る。
このような磁場２Ｔ（テスラ）以下の範囲であれば、十分市販の磁気処理器で対応が可能であり、経済的効果も発揮できる。

実施例２は、実施例１において実験条件を流速を20L/min に変えて行ったが、実施例１と同様にテスト後直ちに腐食減量を求め鉄の腐食速度mdd（ｍｇ／dm²／ｄａｙ）を算出し結果が表１（実施例２）の図１であり、これをグラフにしたのがグラフ１(実施例２)の図２である。
図１及び図２での実施例２の値から判るように、腐食速度にも明らかに磁束密度依存性と共に極小値が存在することが確認でき、実施例１と同様に流速を変えて行った実験でもほぼ同じ腐食速度は磁場依存性を示した。すなわち、磁場が無いときの腐食速度は７４mddであったものが、腐食速度は磁場を付加すると急激に低下し、１.４Ｔ付近で極小となり、その後増加の傾向を示す。
このことから、腐食防止効果が認められるのは１Ｔ〜２Ｔまでは腐食速度は磁場がない場合の６５mddの半分以下、すなわち３０mdd以下になっている。また、高い腐食防止効果を求める場合は、１.３５Ｔ〜１.５Ｔの範囲で１２mdd以下となりこの範囲で磁気処理するの範囲が最適である。しかも、このような磁場２Ｔ（テスラ）以下の範囲であれば、十分市販の磁気処理器で対応が可能であり、経済的効果も発揮できる。
ここで、実施例１及び実施例２で共通して言えることは、少なくとも、０.８Ｔ〜２Ｔまでは腐食速度は磁場がない場合の半分以下、すなわち３０mdd以下では防食効果がみとめられ、高い防食効果を求める場合は、１.３５Ｔ〜１.５Ｔの範囲で１２mdd以下となりこの範囲で磁気処理するのが最適であり、鉄以外の金属でもほぼ同じ傾向であった。
［用水の流速］

ここで、実施例１及び実施例２のと同じ用水を使用して、流速と鉄の腐食速度の関係をテーブル実験で調べた。使用した水は濃縮はしないで室温で３日間経過後実施例１と同じように実験し、磁束密度は０.８Ｔ〜２Ｔの範囲での１Ｔとして実験した。この実験結果が、結果が表２の図３であり、これをグラフにしたのがグラフ２の図２である。
この実験結果から判ることは、流速が０.５m/secを超えると腐食量が急激に減少しほぼ一定値になるがその後再び上昇し、１０m/sec 付近から急速に腐食量が増加し、その傾きは磁場なしよりも大きな値となる。これは流速による腐食電流が大きくなり、その影響で腐食速度が、大きくなったと推定される。
このグラフ２から知見できることは、鉄に関して流速が0.5m/sec〜10m/secでは腐食速度がほぼ２０mdd以下となり適しており、さらに4m/sec〜6m/secの流速が最適であり、逆に、流速が10m/sec以上となると腐食速度も上昇して磁束による効果も得られない。
なお、流速による防食効果は、金属の種類によって変化することがあるが同じ傾向である。しかし、ステンレスなどでは流速が30m/sec以上でも、比較的腐食しないので、使用する配管の材質によって所定の流速範囲に設定すればよく、その場合に最適流速範囲であれば、磁束の無い場合に比較して確実に防食効果が得られる。
したがって、本発明は所定の磁束密度の磁場を作用させ、かつ、微少であっても流速が無くてはならないが、配管の材質等によってそれに適した流速範囲が存在するので、この流速範囲で防食効果が大きい最適な流速で使用すことが望ましい。

本発明を冷却塔の循環水である冷却用水に適用した実施例３を説明するが、使用する給水（用水）は地下水を使用し、この地下水の水質は、ｐＨ7.7、酸消費量（ｐＨ4.8）60 (mgCaCO₃ /L)、塩化物イオン18(mgCl^- /L)、全硬度 90(mgCaCO₃/L)、硫酸イオン 33(mgSO₄ ^2- /L)、シリカ23(mg SiO₂ /L)、全鉄 0.03 (mg Fe /L)以下、電気伝導率 22.2(mS/m)であり、テストピースは実施例１と同じである。
試験機は、冷却能力208ＲＴ、循環水量2,700L/minのもので、これに、磁束密度は１.４Ｔで処理し、このクーリングタワーではスライム防止用として次亜塩素酸塩を使用し残留塩素濃度として0.2〜1.0ppmの範囲でコントロールした。
更に、この実施例３では、使用する用水の水を蒸発させて濃縮倍数約６倍(通常、地下水は純水ではなく若干の不純物がある。)に凝縮させ、２４時間運転で７３日、１５８日運転時のテストピースの腐食速度を計測したが、それぞれ鉄（SS-400）は6.6mdd,5.5md、銅(CP1100)は0.09mddあって、磁場が無いときの腐食速度の鉄91mdd、銅0.96mddと比べ非常によい結果を示した。
なお、本実施例では次亜塩素酸塩を使用したが、次亜塩素酸塩は非常に腐食性が高いため高濃度の使用は一般に使用できないが、横浜市水を使用し残留塩素濃度を１.１ppmとし７日間実験したところ腐食速度は約100〜130 mddと大きく、本実施例では、同じような条件にもかかわらず前記のような優れた防食効果を示した。この値は、薬品の防食剤を使用した場合と同等の値が得られた。

本発明を冷却塔の冷却用水に適用した実施例４を説明するが、使用する給水（用水）は地下水を使用し、地下水の水質は、ｐＨ7.7、酸消費量（ｐＨ4.8）60 (mgCaCO₃ /L)、塩化物イオン18(mgCl^- /L)、全硬度 90(mgCaCO₃/L)、硫酸イオン 33(mgSO₄ ^2- /L)、シリカ23(mg SiO₂ /L)、全鉄 0.03 (mg Fe /L)以下、電気伝導率 22.2(mS/m)であり、テストピースは実施例１と同じである。
試験機は、冷却能力272,500kcal 循環水量525L/minで、これに、磁束密度は１.４Ｔで処理し、このクーリングタワーではスライム防止用として次亜塩素酸塩を使用し残留塩素濃度として0.2〜1.0ppmの範囲でコントロールし、１６０時間連続運転し、その他の条件は実施例３と同じである。
このときの腐食速度は、次のようになった。
鉄（SS400）９.４ｍｄｄ、ステンレス（SUS304）０.０８ｍｄｄ、
銅（C1100p）０.３ｍｄｄ、アルミニウム（A2024P）０.００ｍｄｄ
以上のように鉄の他に銅、ステンレス、アルミニウムでも、実施例３と同様に優れた防食効果が得られた。

本発明をボイラに適用した実施例５を説明する。
試験器のボイラは、使用圧力１９kg／cm²，軟水使用、磁束密度を１.４Ｔで処理し、濃縮倍数２０倍で、１０１時間運転で、ボイラ缶内での腐食速度は、鉄SB42では２.０mdd、鉄SS400では3.1ｍｄｄと、磁場が無いときの腐食速度の鉄STBでは65mdd、SS400では104mddと比べ優れた防食効果が得られ、薬品並みの防食効果が得られた。この実施例5においては、清缶剤、防食剤、これらの組み合わせを併用しても同じ傾向があったので、必要に応じて使用すればよいことが判る。
このような磁場２Ｔ（テスラ）以下の１.４の範囲であれば、十分市販の磁気処理器で対応が可能であり、経済的効果も発揮できる。

以上のことより流速を伴うような工業系での腐食防止には、最適磁束密度が存在することが判った。その最適値は、強磁場でも比較的低い０．８Ｔ(テスラ)〜２Ｔの範囲でも磁場のない場合に比べ半分以下の腐食速度になり、更に好ましくは１.３５Ｔ〜１.５Ｔの範囲では、磁場のない場合に比べ少なくとの１／５以下の腐食速度になり、この値の磁場であるならば、超伝導電源を使用しなくても実現できる値であるため、経済的負担が少なない。

なお、本発明の特徴を損なうものでなければ、上記の実施例に限定されないことは勿論であり、例えば、この発明の効果を阻害しない限りにおいて、リン酸
塩、重合リン酸塩、ホスホン酸塩、ピロリン酸塩、リン酸エステル、アミン類(
例えば、ヒドラジン、モルホリン・オクタデシルアミン、ジエチルアミノエタノ
ール、シクロヘキシルアミン、プロパノールアミン、アミノエタノール、ジエチ
ルヒドロキシアミン、アミノプロパノールアミン)、亜硫酸塩、モリブデン酸塩、塩素系殺菌剤、有機窒素系殺菌剤、亜硝酸塩、無機アルカリ剤、高分子分散剤
などの物質を適宜併用してもよい。

本発明の磁気防食方法は、流速のある系での腐食防止に産業界で幅広く、応用できる。

本発明での磁気密度と鉄の腐食速度の関係を表にした実施例１及び実施例２の表１の図である。本発明での実施例１及び２の磁気密度と鉄の腐食速度の関係をグラフにしたグラフ１の図である。本発明での実施例１及び２の用水での流速と鉄の腐食速度の関係を表にした表２の図である。本発明での実施例１及び２の用水での流速と鉄の腐食速度の関係をグラフにしたグラフ２の図である。

Claims

用水に用いる装置の経路の一部に、流速のある通過水流を使用するとともに、該通過水流に磁束密度０.８Ｔ乃至２Ｔとした磁場を作用させて、腐食しやすい金属の腐食を防止することを特徴とする用水の磁気防食方法。
請求項１に記載の磁気防食方法において、磁束密度１.３５Ｔ乃至１.５Ｔとした磁場を作用させたことを特徴とする用水の磁気防食方法。
ボイラ用水に用いる請求項１又は請求項２に記載の磁気防食方法において、清缶剤、又は防食剤を併用したことを特徴とする用水の磁気防食方法。
冷却用水に用いる請求項１又は請求項２に記載の磁気防食方法において、分散剤、又は防食剤、又は防スライム剤を併用したことを特徴とする用水の磁気防食方法。