JP2007260493A - 電解装置 - Google Patents

Abstract

【課題】剥離し易いスケールが析出するよう構成された電解装置を提供する。
【解決手段】電解装置１は、ケーシング２内に第１の陽極１１、陰極１３及び第２の陽極１２を配置したものである。陽極１１、１２と陰極１３とは平行である。陽極１２と陰極１３との極間距離Ｄ_２は陽極１１と陰極１３との極間距離Ｄ_１の２倍以上である。好ましくは、Ｄ_１は２〜１０ｍｍ、Ｄ_２は４〜２０ｍｍである。陰極１３の第２の面１３ｂは、剥離し易いスケールが析出する。
【選択図】図１

Description

本発明は循環型冷却水系、ＲＯ（逆浸透膜分離装置）のブライン水など、炭酸カルシウム系スケール障害が問題になる水系におけるスケール析出を防止するための装置に関する。

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、系内にスケール付着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付着することとなる。

水系におけるこのようなスケール付着を防止する方法として、循環冷却水などを電解装置に通水してスケール成分を陰極上に付着させる電解処理方法が提案されている。

このスケール析出除去用の電解装置としては、単極式のものと、複極式のものとがある。単極式のものでは、各電極に接点を繋げており、表裏両面が同じ極性を持つ。複極式の電解装置では、表裏が違う極性を有し、複層構造にしたときに最外層のみ接点をつなげておけば、中に挟まれた電極は極性が分かれて、陽陰極どちらの役目も果たす。電解槽の構造などそれぞれに一長一短があり、状況に応じて使い分けられている。

電解槽は、反応面積を多くするために単極式では陽極と陰極を複層に重ね、複極式では両極の性能を有する導電板を複数配置するが、その大半は陽極と陰極を交互に配置した構造となっている。他には３次元電極、円筒電極等が考案されているが、複雑な構造となったり、詰まりやすくなったりと構造上問題がある。

特許第２９７１５１１号公報には、三次元電極式電解槽にカルシウム、マグネシウム、およびケイ素などの金属イオンを三次元電極上に析出して除去するものが記載されている。この電解槽では、三次元構造の電極に通水するところから、析出したスケールが三次元電極内部を閉塞させやすい。
特許第２９７１５１１号公報

本発明は、陰極に除去し易いスケールを析出させることができる電解装置を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の電解装置は、槽内部に陽極及び陰極を設置してなる電解装置であって、該槽内に被処理水を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陰極表面に付着させて被処理水中からスケール成分を除去する電解装置において、第１及び第２の陽極間に多孔質材よりなる陰極を配置してなる電極配列を１箇所以上有しており、該第１の陽極と陰極との極間距離をＤ_１とし、該第２の陽極と陰極との極間距離をＤ_２とした場合、Ｄ_１よりもＤ_２が大きいことを特徴とするものである。

請求項２の電解装置は、請求項１において、Ｄ_２はＤ_１の２〜１０倍であることを特徴とするものである。

請求項３の電解装置は、請求項１又は２において、Ｄ_１が２〜１０ｍｍであり、Ｄ_２が４〜２０ｍｍであることを特徴とするものである。

請求項４の電解装置は、請求項１ないし３のいずれか１項において、前記多孔質材は、空隙率３０〜９７％の金属材であることを特徴とするものである。

請求項５の電解装置は、請求項１ないし４のいずれか１項において、前記第２の陽極と陰極との間の被処理水の流速を０．０２〜０．５ｍ／ｓｅｃとすること特徴とするものである。

請求項６の電解装置は、請求項１ないし５のいずれか１項において、前記陰極の少なくとも第２の陽極との対向面に付着したスケールを除去する洗浄手段を有することを特徴とするものである。

本発明の電解装置によって循環型冷却水系等において配管や熱交換器へのスケール付着を防止する場合には、循環型冷却水系等の水を電解装置に通水して電解処理する。

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と水酸化物イオンが発生し、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付着することから冷却水系等のスケール化傾向が低減される。従って、循環冷却水又は補給水等をこの電解装置に通水することにより、循環冷却水等のスケール生成傾向が低下する。

本発明の電解装置によると、薬品を使用せずに配管等へのスケール付着の防止ないし抑制及び腐食の低減が可能となる。また、補給水の硬度が高い地方においては高濃縮運転が可能となり、節水に繋がる。

なお、補給水には塩化物イオンが含まれているので、本発明の電解装置の陽極に塩素発生可能な電極を用いていれば電解処理により次亜塩素酸などの酸化剤が発生する。これにより、循環型冷却水系における水の殺菌を行うことができる。

本発明の電解装置では、第１及び第２の陽極間に多孔質材よりなる陰極を配置してなる合計３枚の電極よりなる電極セットを１セット以上、該槽内に設置している。この電解装置では、各電極セットの陽極と陰極との間に通水された被処理水中のスケール成分が陰極上に付着してスケール除去が行われる。

本発明では、第２の陽極と陰極との極間距離Ｄ_２が第１の陽極と陰極との極間距離Ｄ_１よりも大きい。本発明者らの研究の結果、この陰極の電極板面のうち、第２の陽極に対向する面（以下、第２の面ということがある。）に剥離させ易いスケールが生成することが認められた。

このように第２の面に剥離しやすいスケールが生成するメカニズムは、必ずしも明確ではないが、次の通りであると推察される。

本発明の電解装置において、電極に電圧を印加して通電すると第１及び第２の陽極の間に配置された陰極の両面がアルカリ性となることで、被処理水中のスケール成分の一部が陰極両面に付着する。このとき、陰極板面のうち、極間距離が小さい第１の陽極との対向面（以下、第１の面ということがある。）に先にスケールが付着してそれがＯＨ⁻イオンの拡散を阻害する。第１の面において生成したＯＨ⁻イオンは、その後は多孔質材よりなる陰極内を第２の面に向かって拡散していく。この結果、陰極の第２の面ではＯＨ⁻イオンが高濃度となり、易剥離スケールが生成する。なお、被処理水の通水速度を０．５ｍ／ｓｅｃ以下としたときに生成するスケールは、それよりも高通水速度で生成するスケールに比べて柔らかいものとなる。また、この通水速度を０．０１ｍ／ｓｅｃ以上とすることにより、スケールの生成量を多くすることができる。

上記のようにＯＨ⁻イオンを陰極内で拡散させるために、本発明では、陰極は３０〜９０％の空隙率の多孔質材よりなることが好ましく、特に多孔質の耐食性を有する金属材よりなることが好ましい。

第２の面に生成したスケールは、剥離させ易いので、水の噴射等の機械的洗浄といった比較的簡易な手法によって除去することができる。

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除去装置の断面図であり、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５０で冷却され、貯水槽５１に貯留される。この冷却水が循環ポンプ５２を介して熱交換器５３へ送られ、熱交換後、クーリングタワー５０で冷却され、貯水槽５１に戻される。

この貯水槽５１内の水をポンプ５５を介して電解装置１に通水し、電解処理した後、貯水槽５１に戻す。貯水槽５１内の水の蒸発により水位が下がると補給水が供給される。これにより循環水の過濃縮を防いでいる。また水位が一定以上になるとブロー配管５６からオーバーフローされる。

次に、図１を参照して電解装置１の構成について説明する。

電解装置１は、ケーシング２内に複数（この実施の形態では１個）の電極セット１０を配置したものである。電極セット１０は、第１の陽極１１と第２の陽極１２との間に多孔質材よりなる陰極１３を配置したものである。陽極１１、１２と陰極１３とは平行である。第１の陽極１１と陰極１３との極間距離をＤ_１とし、第２の陽極１２と陰極１３との極間距離をＤ_２とした場合、Ｄ_２はＤ_１の２〜１０倍特に２〜４倍であることが好ましい。また、Ｄ_１は２〜１０ｍｍ特に３〜６ｍｍであり、Ｄ_２は４〜２０ｍｍ特に８〜１５ｍｍであることが好ましい。

陰極１３を構成する多孔質材は、空隙率が３０〜９７％、特に６０〜９５％、さらに好適には８０〜９０％程度の金網状、金属繊維焼結体など、陰極自体が広く表面積を有するものが望ましい。陰極１３の素材は導電性のものならば種類を問わないが、耐食性のものが好ましく、好適にはオーステナイト系のステンレスや銅、チタン、ニッケルである。

陽極１１、１２と陰極１３との間に電圧を印加して電解装置１に通水すると、各陰極１３の板面のうち第２の陽極１２に対峙する面（第２の面１３ｂ）に、剥離し易いスケールＳ_２が付着する。なお、陰極１３の反対側の面（第１の面１３ａ）には、比較的硬くて緻密なスケールが付着する。

即ち、陽極１１、１２と陰極１３との間の通水スペース内の陰極１３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１３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付着することから冷却水系のスケール化傾向が低減される。

従って、貯水槽５１内の水をこの電解装置に通水することにより、循環冷却水のスケール生成傾向が低下する。貯水槽５１の水の代わりに、補給水をこの電解装置で処理してから貯水槽５１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。電解装置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、電解処理時の通水スペース内での流速は電解により発生するＯＨ⁻イオンの拡散領域を決定するものである。流速が遅すぎるとＯＨ⁻イオンの拡散層が広くなり、電極面より沖合いの方でスケールの核が析出し、電極に付着するまでに流れてしまったり、アモルファス状になって付着しにくい。一方、流速が速すぎると、拡散層はきわめて薄くなり、析出付着領域が小さくなるので密な硬いスケールができる。スケールが硬くなると機械的洗浄でも化学洗浄でも除去しにくくなる。このようなことから、本発明では、陽極１１、１２と陰極１３との間の水の流速（線速度）は０．５ｍ／ｓｅｃ以下、例えば０．０２〜０．５ｍ／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１３の第２の面１３ｂに付着するスケールが非常に柔らかく、除去し易いものとなる。陽極１１、１２と陰極１３同士の間の通水線速は特に０．０５〜０．１５ｍ／ｓｅｃ程度が好適である。

上記のようにして第２の面１３ｂに剥離性の高いスケールが付着した陰極１３については、これを機械的に洗浄することにより、定電流方式の場合、電圧上昇が発生することなく長時間安定した電解処理が可能となる。

機械的洗浄としては、水噴流による洗浄、振動による洗浄、超音波による洗浄、ブラシによる洗浄等が挙げられる。特に水噴流による洗浄が、小型機器による短時間洗浄でスケール除去が可能であり、好ましい。なお、機械洗浄に限らず化学的洗浄を用いてもスケールを溶解除去することができる。このような機械的あるいは化学的な洗浄として自動洗浄をかけることで連続的に電解装置を運転することが可能となる。

機械的洗浄のみではスケール除去が不十分になった場合は、電極を取り外して化学的洗浄を行う。このため、電極特に陰極は、取り外しができるカートリッジ式とするのが好ましい。

陽極には不溶性の金属電極、耐食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。なお、陽極として、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の塩素発生可能な電極を用いることにより、電解によって塩素殺菌水を製造することができる。

上記実施の形態では２枚の陽極１１、１２間に１枚の陰極１３を配置してなる電極配列を１個だけケーシング２内に設けているが、図３のように、複数の電極配列をケーシング内に配置してもよい。図３では、左側から順に陽極４１、陰極５１、陽極４２、陰極５２、陽極４３、陰極５３、陽極４４を配列している。陽極４１と陰極５１間、陽極４２と陰極５２間、陽極４４と陰極５３間の極間距離がＤ_１であり、陰極５１と陽極４２間、陰極５２と陽極４３間、陽極４３と陰極５３間の極間距離がＤ_２であり、Ｄ_１＜Ｄ_２好ましくは１．５Ｄ_１≦Ｄ_２≦１０Ｄ_１とされている。図３では７枚の電極（陽極及び陰極）が設置されているが、陰極５３及び陽極４４を除いた５枚の電極にて構成してもよく、また９枚以上の電極にて構成してもよい。

本発明における電極は平板状だけでなく同心円状の電極を用いることもできる。この場合、中心に近い方から陽極−極間距離Ｄ_１−陰極−極間距離Ｄ_２−陽極の順番に配置すると、スケール付着面を広く確保できる。

本発明においては、同じ電解槽の中で、極間距離を変えることで異なる電流密度を与えることが可能となる。単極式電解槽では電極の対を並列が回路となっているので、それぞれの対にかかる電圧は総電圧と同じになる。そこで、それぞれの極間が異なれば、その分の抵抗が変化することになるので、複雑な制御を用いず、電流密度を変えることが可能になる。従来は、このように同じ電解槽内で電流密度を変えても、そのメリットは見出せなかったが、陽極からの塩素発生を考えると、電流密度によって発生量が異なり、０．３Ａ／ｄｍ^２以下の低電流密度では電極種にもよるがほとんど塩素発生しないので、塩素発生量のコントロールには有効である。

本発明は、循環冷却水系に適用するのに好適であるが、逆浸透膜分離装置で濃縮排水（ブライン）を給水側へ循環させるようにした循環水系などの水系にも適用可能である。

実施例１
図２に示す開放系循環冷却水ラインに図１の本発明の電解装置を設置した。電極配置は図示の通り「陰極−陽極−陰極」であり、極間距離Ｄ_１を５ｍｍとし、Ｄ_２を６ｍｍとした。陰極の構成材料は空隙率７０％のステンレス多孔体であり、陽極の構成材料はチタンに白金メッキを施したものである。陰極及び陽極の大きさは１０×５０ｃｍである。通水スペース内における通水線速を０．１ｍ／ｓｅｃとし、電流密度を０．５Ａ／ｍ^２とした。被処理水質は全硬度３００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ、カルシウム硬度２００ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ、Ｍアルカリ度１５０ｍｇＣａＣＯ_３／Ｌ、シリカ９０ｍｇＳｉＯ_２／Ｌ、水温３０℃である。

２４ｈｒ電解運転後における陰極１３の第２面の単位面積当たりのスケール付着量洗浄効率及び電圧上昇率を表１に示した。なお、表１〜３における電圧上昇率とは、上記２４時間の電解運転後高圧水を陰極に１分間吹き付けるサイクルを８回繰り返したとき（合計約２００時間運転）の電圧を初期電圧と対比した百分比である。また、スケールの洗浄効率は、高圧水を１分間吹き付けたときに剥離したスケール量を電極の重量測定結果より求めたものである。

実施例２〜９、比較例１〜５
電極間距離Ｄ_１、Ｄ_２を表１、２又は３の通りとしたこと以外は実施例１と同一にして試験を行った。その結果を表１〜３に示す。

表１〜３より次の事項が認められる。
（１）表１の通り、Ｄ_１＜Ｄ_２とすることにより、第２の面へのスケールの付着量が多くなり、しかも第２の面からスケールが剥離し易くなる。また、２Ｄ_１≦Ｄ_２とすることにより、よりスケール付着及び剥離の効率が良好になる。
（２）表２の通り、Ｄ_１を２〜１０ｍｍとすることにより、第２の面へのスケールの析出量が多くなり、しかも第２の面からスケールが剥離し易くなる。
（３）表３の通り、Ｄ_２を４〜２０ｍｍとすることにより、第２の面へのスケールの析出量が多くなり、しかも第２の面からスケールが剥離し易くなる。

Ｄ_１は３〜６ｍｍであることがより好ましい。電極間距離が余りにも狭いと（Ｄ_１＜３ｍｍ，Ｄ_２＜４ｍｍ）極間の洗浄効率が低下する。これは、水噴流が届きにくくなるためである。なお、２ｍｍより小さいと長時間運転によりスケールによる閉塞の恐れがある。しかしＤ_１が３ｍｍ以上であれば陰極のＤ_１側（第１の面）を定期的にジェット洗浄していれば閉塞を防止することができる。Ｄ_１を６ｍｍ以下にしておくことがより好ましい。Ｄ_１を小さくするとその分Ｄ_２も小さくすることができるので、省電力や装置の小型化を図ることができる。

電極間距離が広いほど電圧が高くなるので２０ｍｍ以上ではエネルギー効率が悪くなる。

実際の実験では水系からの硬度成分除去量が陰極全体のスケール付着量として算出されるので、Ｄ_２側（第２面）のスケール付着量のみ測定するということはできない。しかし運転初期から一定時間運転すると、陰極のＤ_１側には硬質及びアモルファス状スケールが付着し、付着量はそれ以降殆ど増加しない。また、Ｄ_１側（第１の面）にも水噴流洗浄を行うが、付着スケールは閉塞を防止する程度しか洗浄除去できない。一方Ｄ_２側（第２の面）のスケール付着量と洗浄除去量はＤ_１側のそれと比べてはるかに大きいので、事実上陰極全体の析出量がＤ_２側の析出量とほぼ等しくなり、陰極全体の洗浄効率がＤ_２側の洗浄効率とほぼ等しくなる。

実施の形態に用いられる電解装置の断面図である。 循環型冷却水系の系統図である。 別の実施の形態を示す電極配列図である。

符号の説明

１ 電解装置
１０ 電極セット
１１ 第１の陽極
１２ 第２の陽極
１３ 陰極
１３ａ 第１の面
１３ｂ 第２の面
３０ 水槽
３３ ＲＯユニット
３５ 電解槽
４１、４２、４３、４４ 陽極
５１、５２、５３ 陰極

Claims (6)

1. 槽内部に陽極及び陰極を設置してなる電解装置であって、
   該槽内に被処理水を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陰極表面に付着させて被処理水中からスケール成分を除去する電解装置において、
   第１及び第２の陽極間に多孔質材よりなる陰極を配置してなる電極配列を１箇所以上有しており、
   該第１の陽極と陰極との極間距離をＤ_１とし、該第２の陽極と陰極との極間距離をＤ_２とした場合、Ｄ_１よりもＤ_２が大きいことを特徴とする電解装置。
2. 請求項１において、Ｄ_２はＤ_１の２〜１０倍であることを特徴とする電解装置。
3. 請求項１又は２において、Ｄ_１が２〜１０ｍｍであり、Ｄ_２が４〜２０ｍｍであることを特徴とする電解装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、前記多孔質材は、空隙率３０〜９７％の金属材であることを特徴とする電解装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、前記第２の陽極と陰極との間の被処理水の流速を０．０２〜０．５ｍ／ｓｅｃとすること特徴とする電解装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、前記陰極の少なくとも第２の陽極との対向面に付着したスケールを除去する洗浄手段を有することを特徴とする電解装置。

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