JP2007090267A - スケール成分除去装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水中のスケール成分を安定して除去する。
【解決手段】陽極３、陰極４間に電圧を印加し、電解槽２に水を循環通水し、電解処理する。陰極４の近傍では水素が発生してアルカリ性となる。陰極４の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、これらが電極表面に析出することからスケール化傾向が低減される。センサ６、７によって流入水と流出水の水質（例えばｐＨ、電気伝導度、カルシウムイオン濃度）を検出し、その差に基づいて電極への通電を制御し、電流密度を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、循環型冷却水系、逆浸透（ＲＯ）膜分離装置の循環濃縮水系などのスケール障害が問題となる水系などにおけるスケール成分除去装置及び方法に関する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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導電性粒子の陰極側に集まり、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。

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。

特開２０００−１４０８４９号公報には、凹凸の金属電極ユニットを備えた電解装置に被処理水を通してスケール成分を陰極面に析出させ、スケール成分を水中から除去する装置および方法が記載されている。
これらの従来技術は、水質側の組成、成分が変化しても一定の電流で処理するため、能力低下や電流過剰が生じる場合が多い。
特開２００３−１９０９８８号公報 特開２０００−１４０８４９号公報

本発明は、被処理水を電解装置に通水して電解処理することによりスケール成分を電極表面に析出させて水中から除去する方法及び装置において、被処理水の水質の変化によって析出量が変化することなく、析出を安定して行うことができるスケール成分除去装置及び方法を提供することを目的とする。

請求項１のスケール成分除去装置は、被処理水を、電極を有する電解装置に通水して電解することにより被処理水中のスケール成分を該電極表面に析出させて除去するスケール成分除去装置において、該電極へのスケール析出性能に対応した状態値を検出する検出手段と、該検出手段で検出される該状態値が所定範囲となるように該電極への通電電流を制御する電流制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２のスケール成分除去装置は、請求項１において、スケール析出性能に対応した状態値は、該電解装置による電解処理前後の水質の差であることを特徴とするものである。

請求項３のスケール成分除去装置は、該水質は、ｐＨ、電気伝導度及びカルシウムイオン濃度の少なくとも１種であることを特徴とするものである。

請求項４のスケール成分除去方法は、被処理水を、電極を有する電解装置に通水して電解することにより被処理水中のスケール成分を該電極表面に析出させて除去するスケール成分除去方法において、該電極へのスケール析出性能に対応した状態値を検出手段で検出し、該検出手段で検出される該状態値が所定範囲となるように該電極への通電電流を制御することを特徴とするものである。

本発明の電解方法及び装置によって循環型冷却水系におけるスケール析出を防止する場合には、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。

即ち、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：２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
陰極：４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻＋２Ｈ_２

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により、水中から除去される。

このような電解によるスケール成分の除去方法及び装置にあっては、被処理水中に電極へのスケール付着を阻害する物質などが混入した場合、電解によるスケール析出性能が著しく低下する。本発明では、このように析出性能が低下した場合、電流密度を上げることにより必要な析出除去量を安定的に達成することができる。また、被処理水がスケールの析出しやすい傾向に変化した場合、電流密度を低下させ、過剰に通電することを防ぐ。即ち、スケール成分の析出性能に対応した状態値を検出し、この状態値の変化から電解装置のスケール成分の析出性能が低下したことが検出されるときには、この状態値が所定範囲となるように電流制御を行い、電流密度を制御する。

上記のように電解処理することにより、水中のカルシウム成分、マグネシウム成分、Ｍアルカリ度成分が電極表面に析出して除去されるため、ｐＨ、電気伝導度、カルシウム硬度などが低下する。析出能力が大きいほど、電解槽前後のそれらの低下度が大きくなる。したがって、析出能力低下に対応した状態値は、ｐＨ、電気伝導度、Ｃａ^２＋イオン濃度の少なくともいずれか一つの水質差とすることが好ましい。

本発明によれば、被処理水質に対して適正な電流量で処理することにより高効率で省エネルギーの電解処理を行うことができ、さらには被処理水中にスケールの析出を阻害する物質が混入した場合でも安定したスケール成分除去効果を得ることができる。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。図１は実施の形態に係るスケール成分除去装置の系統図であり、図２は冷却水系の概略的な系統図である。

図２の通り、水はクーリングタワー１０で冷却され、貯水槽１１に貯留される。この冷却水が循環ポンプ１２を介して熱交換器１３へ送られ、熱交換後、クーリングタワー１０で冷却され、貯水槽１１に戻される。

この循環途中、例えばクーリングタワー１０への戻り水の一部を配管２ａ、２ｂを介してスケール成分除去装置１に通水し、電解処理した後、循環水系に戻す。なお、貯水槽１１内の水は適宜ブローされ、代わりに補給水が供給される。

次に、図１を参照してスケール成分除去装置１の構成について説明する。

スケール成分除去装置１は、電解槽２内に陽極３と陰極４とを対面させて配置し、配管２ａ、２ｂを介して循環水系からの水を通水して電解処理するよう構成している。この実施の形態では、陽極３及び陰極４へは制御器５から通電が行われる。

前記流入側の配管２ａ及び流出側の配管２ｂにはそれぞれｐＨ、電気伝導度又はカルシウムイオン濃度を検出する水質センサ６、７が設置されており、これらのセンサ６、７の検出信号が制御器５に入力されている。制御器５では、この検出信号の差から電解槽２でのスケール成分除去性能を検出し、このスケール成分除去性能が所定範囲となるように陽極３及び陰極４への通電を制御し、両極間の電流密度を制御する。

この電流密度は０．１〜５Ａ／ｄｍ^２が好ましく、特に０．５〜２Ａ／ｄｍ^２の範囲が好ましい。

本発明では、電極上へのスケール析出速度から算出した値をスケール析出能力に対応した状態値とし、これに基づいて電極への通電を制御してもよい。このスケール析出速度は単位時間当たりに電極に析出したスケールの厚みを検出することにより算出することができる。

電解処理工程にあっては、陰極４の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４の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し、水中のこれらスケール成分が除去される。

これにより、循環冷却水のスケール生成傾向が低下する。循環水の代わりに、補給水をこの電解装置で処理してから貯水槽１１へ供給するようにしてもよい。

なお、スケールが主に炭酸塩として析出することにより、系内の硬度成分だけでなく重炭酸イオンも除去して循環水のｐＨを低下させることができる。

溶液の腐食・スケール傾向を計るインデックスであるランジェリア指数（以下ＬＳＩと記載する。）は、正の値になるほどスケール析出傾向となり、負の値になるほど腐食傾向となり、０のときにどちらの傾向も示さない。スケール成分除去装置１により硬度成分と重炭酸イオンの両方を除去してｐＨを下げることにより、ＬＳＩを０．５〜１．０の若干スケール傾向となるようにコントロールするのが好ましい。ＬＳＩを０．５〜１．０程度の正の値で管理し、スケールが析出しない過飽和に近い濃度でスケール成分を残存させておくことで、系内配管や熱交換器への腐食速度の低減が可能となる。循環水中のカルシウム硬度は冷却水系の熱交換部や配管、冷却塔の充填材などにスケールを析出させない８０〜１２０ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌで運転することが望ましく、さらにはＭアルカリ度を８０〜１２０ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌに制御して、飽和指数ＬＳＩを０．５〜１．０にすることが好ましい。

なお、電解処理時の電解槽２内での水の流速（線速）は０．５ｍ／ｓｅｃ以下、例えば０．０１〜０．２ｍ／ｓｅｃ程度が好適である。このように流速を小さくすると、陰極４の表面に析出するスケールが非常に柔らかく、除去し易いものとなる。

陰極４を構成する材料としては、導電性を有し、酸に不溶な材料が好ましく、具体的にはガラス質炭素、不溶性金属、金属酸化物、ＳＵＳなどの金属複合物が好適である。

なお、陰極４を多孔体とすることにより、水との接触面積を大きくし、スケール成分除去効率を高めることができる。この場合、多孔体電極の空隙率は３０〜９７％の範囲が好ましく、特に７０〜９０％が好適である。

陽極には不溶性の金属電極、酸化耐性のある電極を使うのが好ましく、具体的には、白金、イリジウムを被覆したチタン電極や白金メッキ電極等が好ましい。

陽極３と陰極４との間隔は３〜２０ｍｍ特に５〜１０ｍｍが好適である。

この電解処理を継続すると、陰極４のスケール付着量が増加してくるので、電解処理工程を停止し、スケール除去工程を行う。このスケール除去工程にあっては、例えば炭酸ガス溶解水を通水し、陰極４からスケールを溶解させる。この際、この水に含まれていた気泡がスケールと接触して陰極４から剥離させる作用も奏される。

ただし、スケールを陰極４から除去するには、超音波洗浄など、その他の手法によってもよく、特に限定されるものではない。

実施例１
図２に示す開放型循環冷却水ラインに、図１に示す本発明装置を設置した。循環水質は全硬度１８０ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ、カルシウム硬度１２０ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ、Ｍアルカリ度１２０ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌであり、厚木市水４倍濃縮運転とした。電解を開始してから６時間経過した後、スケールの析出性能が低下するようにリン酸系のスケール防止剤を１．０ｍｇＰＯ_４ ^３−／Ｌになるように添加した。

その結果、スケール防止剤添加の約５分後にスケール析出性能の低下を感知して電流密度が上昇した。また、冷却塔のブローにより薬剤濃度が低下するのに伴い、電流密度が低下した。

電解運転開始後の２４時間における陰極表面の単位面積あたりのスケール析出量を測定したところ５１１ｇＣａＣＯ_３／日／ｍ^２であった。

比較例１
比較例として、センサ６、７及び制御器５を省略した他は図２と同一構成の設備において、２４時間電解運転を実施した。なお、電解槽は実施例１と同様の電解槽を使用した。電流密度は常に一定とし、スケール防止剤を実施例１と同一タイミングにて同一量添加した。

その結果、１日当たりのスケール成分の析出量は３６２ｇＣａＣＯ_３／日／ｍ^２であった。

この実施例及び比較例からも明らかな通り、本発明によるとスケール成分を安定して除去することができる。

実施の形態に係るスケール成分除去装置の断面図である。 循環型冷却水系の系統図である。

符号の説明

１ 電解装置
２ 電解槽
３ 陽極
４ 陰極
５ 制御器
６，７ センサ

Claims (4)

1. 被処理水を、電極を有する電解装置に通水して電解することにより被処理水中のスケール成分を該電極表面に析出させて除去するスケール成分除去装置において、
   該電極へのスケール析出性能に対応した状態値を検出する検出手段と、
   該検出手段で検出される該状態値が所定範囲となるように該電極への通電電流を制御する電流制御手段と
   を備えたことを特徴とするスケール成分除去装置。
2. 請求項１において、スケール析出性能に対応した状態値は、該電解装置による電解処理前後の水質の差であることを特徴とするスケール成分除去装置。
3. 請求項２において、該水質は、ｐＨ、電気伝導度及びカルシウムイオン濃度の少なくとも１種であることを特徴とするスケール成分除去装置。
4. 被処理水を、電極を有する電解装置に通水して電解することにより被処理水中のスケール成分を該電極表面に析出させて除去するスケール成分除去方法において、
   該電極へのスケール析出性能に対応した状態値を検出手段で検出し、
   該検出手段で検出される該状態値が所定範囲となるように該電極への通電電流を制御することを特徴とするスケール成分除去方法。

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