JP2015505583A - 塩性環境における腐食に対する金属壁の陰極保護装置 - Google Patents

Abstract

塩性環境での腐食に対する金属壁の陰極保護装置は、陽極、および、陽極と金属壁との接続手段を有しており、陽極は金属壁よりも高い電気化学ポテンシャルにあり、陽極は、電子、および任意選択的に水が透過可能な壁によって定められる区画内に配置されており、装置は、ポリマー材料、セラミック材料または無機水和物材料から選択される材料からなる多孔外層と、陽極の溶解の間に陽極から放出される陽イオンを捕捉可能な少なくとも１つの多孔層であって、少なくとも１つの層を構成する材料が、浸透膜、活性炭、陽イオン交換樹脂たとえばゼオライト、ナノフィラーを用いた陽イオン捕捉ポリマー、陽イオン捕捉無機化合物たとえばフィロケイ酸塩およびイノケイ酸塩、陽イオン保持型ナノ濾過半透過性有機マイクロポーラス膜から選択される、少なくとも１つの多孔層と、を備えている。

Description

本発明は、塩水または塩性環境中におかれた施設の陰極保護に関する。

船の金属性の船体や金属部分の海水による腐食に対する保護は、慣例的には、多くの場合、保護すべき金属よりもより電気陰性の金属により構成される流電陽極によって確保される。船およびその流電陽極が海水中に浸漬されると、極性化が生じ、船体は電気化学的電池の陰極となり、流電陽極はこの電池の陽極となる。結果的に、海水による腐食の影響を受けるのは流電陽極の金属成分であり、船体のものではない。その成分Ｍは、Ｍ→Ｍⁿ⁺＋ｎｅ^-の反応に従って、陽イオンの形態で海水中に放出される。

船や任意の他の航洋機械や固定施設の、水中に浸漬される鋼部分を保護する流電陽極は、通常、アルミニウム−亜鉛（２〜６％）−インジウム（０．０１％〜０．０５％）、または、アルミニウム−ガリウム（０．０１％）または亜鉛−アルミニウム合金（０．１〜０．５％）から生成される。この保護の欠点は、流電陽極を構成する金属のイオンが海洋環境中に放出されることである。この欠点は、沖を動いている船の場合には比較的軽いものであるが、船が港に停泊しているときにははるかに深刻なものと考えられる。というのも、陽極の金属が停泊地帯の水中および海床に蓄積し、そこで、そこに住む生物によって吸収されるからである。さらに、石油掘削用プラットフォームや「洋上」風車等の固定施設についても問題がある。したがって、外部環境への有害金属の放出をできるだけ避けることができる効率的で経済的な解決手段を見つけ出すことが求められ、特に、環境保護法制の進展によって、特定環境において義務とされる流電陽極の排出制御の解決手段が用いられることがありうる。

上述したような流電陽極を使用する解決手段の代替は、保護すべき材料より必ずしも電気的に陽性でない材料（たとえば、鋼、鋳鉄、グラファイト、金属酸化物など）からのこの陽極を実現し、これに直流または整流電流の発生器手段によって、電気ポテンシャルを常にまたは周期的に加えることである。このポテンシャルによって陽極は保護すべき壁よりもより腐食を受ける。この技術は、施設の特にアクセスの困難な領域に用いることは難しいが、大きな施設に対しては基本的に有効である。この技術は、「外部電源式陰極保護法（impressed current cathodic protection：ＩＣＣＰ）」として知られている。

本発明の課題は、陰極保護装置の陽極の溶解から生じる陽イオンの外部環境への放出を回避可能な解決手段を提供することである。

このために、本発明は、塩性環境での腐食に対する金属壁の陰極保護装置に関し、該装置は、陽極、および、陽極と壁との接続手段を有しており、陽極は壁よりも高い電気化学ポテンシャルにあり、陽極は、電子、および任意選択的に水が透過可能な壁によって定められる区画内に配置されており、
−ポリマー材料、セラミック材料または無機水和物材料から選択される材料からなる多孔外層と、
−陽極の溶解の間に陽極から放出される陽イオンを捕捉可能な少なくとも１つの多孔層であって、少なくとも１つの層を構成する材料が、浸透膜、活性炭、陽イオン交換樹脂たとえばゼオライト、ナノフィラーを用いた陽イオン捕捉ポリマー、陽イオン捕捉無機化合物たとえばフィロケイ酸塩およびイノケイ酸塩、陽イオン保持型ナノ濾過半透過性有機マイクロポーラス膜から選択される、少なくとも１つの多孔層と、
を備えている。

たとえば、壁はさらに、負に帯電した汚染質を捕捉する膜を備えている。

たとえば、陽極は流電陽極であり、その電気化学ポテンシャルは、金属壁の電気化学ポテンシャルよりも当然に高い。

そうでなければ、装置は、たとえば、金属壁の電気化学ポテンシャルよりも高い電気化学ポテンシャルを陽極に付与するための手段を備えている。

たとえば、陽極と金属壁との接続手段は、区画の外側で壁と接触しており、接続手段は、区画の多孔壁を液密に通されている。

たとえば、陽極と金属壁との接続手段は、区画の内側で金属壁と接触しており、区画の多孔壁は液密に金属壁に接続されている。

たとえば、装置は、陽極を金属壁から所定の距離に維持する手段を備えている。

たとえば、装置は、陽極の溶解の間に陽極から放出される陽イオンを捕捉可能な複数の層を備えており、各層は、他の層により優先的に捕捉される陽イオンとは異なる陽イオンを優先的に捕捉する。

理解されるように、本発明は、複数の層に配列された、少なくとも電子が、さらに水が透過可能な一連の多孔膜によって定められる区画内に陽極を配置することから構成されている。外層は陽極近傍の水力流を減少させるための、非金属製多孔膜からなる。当該または他の多孔層は陽イオンのバリヤまたはトラップの役割を果たし、陽極の溶解から生じる陽イオンが区画から外部環境中に逃れることを妨げる。

膜が完全に水透過性であれば、陽極を区画の壁から分離する空間は当然に水で満たされる。少なくとも１つの膜が水透過性でなく、電子のみが透過可能であれば、陽極を電子導電媒体中に浸漬し、内外の圧力を均衡させつつ、区画にその作用形態を与えるため、装置の設置の間に、良好な導電性を得るため、区画を水、好ましくは海水で満たす必要がある。

本発明は、添付図面を参照して、以下の発明の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。

本発明を実施する第１の例の、長手方向の断面を概略的に示す。 本発明を実施する第２の例の、長手方向の断面を概略的に示す。

図１は、海洋環境２中に設置される施設たとえば石油掘削プラットフォームまたは風車に属する金属壁１を示す。しかし、この壁１は船または任意の他の航洋機械の船体であってもよい。既知のやり方では、流電陽極３は壁１の近傍に設けられており、流電電極３は電気コネクタ４、５によって壁１に接続されている。一般的には、従来技術におけるように、流電陽極３は１つの鋼のコネクタの周囲に設けられており、そしてこの場合、図示のコネクタ４、５は実際にはこの１つのコネクタの２つの端部である。流電陽極３を構成する材料は、このために通例のものであり（たとえば、Ａｌ−Ｉｎ、Ａｌ−ＧａまたはＺｎ合金）、その選択は本発明の特徴ではない。

本発明によれば、流電陽極３は区画６内に囲い込まれ、区画６は複数層を形成する１組の膜によって境界づけられており、陽極３を所定の距離、たとえば、１ｃｍのオーダで包囲する。

最外層７は、電子が、好ましくはさらに水が透過可能な多孔層であり、外部環境と区画の内部空間８との間の水力流を低減するためのものである。最外層７を構成する材料は、ポリマー材料、セラミック材料または無機水和物材料から選択される。

このような材料の例としては、ポリエチレンまたは高密度ポリエチレン型の熱可塑性ポリマー、または、工業的アルミナまたはムライト型の磁器が挙げられるが、これらのものに限られない。

この材料が電気絶縁性である場合、多孔である必要がある。実際、陽極の分極化は、電子が流れる場合にのみ機能しうる小さな電気化学的回路の構築に相応する。開孔性によって、層７が絶縁性であっても、電子はこの液体を通ることができる。

この最外層７は、厚さが通常ｍｍオーダであり、陽極および区画６の他の膜を、水力による摩耗から保護する機能を有する。層７は、動く流体の存在下での変形に対する耐摩耗性および耐衝撃性に適した性質を有する必要がある。

層７の透過性は、たとえば、陽極表面１ｃｍ²当たり１０ｍｌ／ｍｉｎのオーダである。

区画６の壁の層（図示の例では２つ（９、１０））は、陽イオンの捕捉材（トラップ）として働く１種以上の材料から構成され、この層は流電陽極３から放出される陽イオンを捕捉してこれらが海洋環境２中に見いだされないようにする。種々の種類の材料がこのために適しており、たとえば、浸透膜、粉体または粒体の活性炭、ゼオライトなどの陽イオン交換樹脂、陽イオンを誘引する負のナノフィラーを用いた陽イオン捕捉ポリマー、フィロケイ酸塩およびイノケイ酸塩などの陽イオン捕捉無機化合物が挙げられる。これらの材料は、陽イオンの捕捉または交換のために水処理および軟水化に通例用いられる材料に見いだせる。陽イオンを捕捉する膜の効率を減少させる負に帯電した汚染質たとえばＡｓやフッ化物を捕捉する、活性アルミナまたは機能的に同等の化合物の膜を加えてもよい。

イオン交換の電解処理で用いられる半透過性膜を用いても良い。

陽イオンを保持するタイプの、有機マイクロポーラスナノ濾過半透過性膜も同様に適している。

陽イオン捕捉材料の層の数は任意であり、ユーザによって選択される。これらの層は、有利には、複数種であり、各種の層は、たとえば、流電陽極３が放出する傾向のある１つ以上の化学種を優先的に吸収可能である。

たとえば、以下のものが考えられる：
−外層９として、径が１．５Å以下の化学元素が透過可能であり、径が１．５Å超の化学元素たとえばＣａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｎａが透過不能なもの；
−内層１０として、径が１．１Å以下の化学元素たとえばＯ、Ｃｌ、Ｎが透過可能であり（したがって、区画６の内部空間８に対して出入可能であり、なんら不都合がない）、径が１．１Å超の化学元素たとえばＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、すなわち、陽イオンの形態で陽極３が放出し、周囲環境への放出が望ましくない主元素が透過不能なもの；各層の厚さ、特に層１０の厚さは、陽極３のサイズ、したがって、捕捉される陽イオンの量に応じて約１ｍｍ〜数ｃｍの間で変わる。

区画６を定める壁全体が水透過性である場合、水は区画６内に浸入し、区画６の内外の間で圧力平衡に達する。したがって、区画６はその通常形状を持続し、その壁が押しつぶされてその破壊につながることはない。

上述のように、区画６を定める壁全体が水透過性である必要はない。壁は電子が透過可能であればよいが、本発明による装置を実施する際は、区画６を予め水、好ましくは海水で満たしておく必要がある。

本発明によれば、流電陽極３の漸次的溶解は、この溶解によって生じる陽イオンが層９、１０によって捕捉されるため、陽イオンによる外部環境の汚染なく起こる。層９、１０は、有利には、種々の陽イオンの全体的な吸収能力、および、流電陽極３の寿命の終わりの前に飽和しないために十分な吸収体積を有していなければならない。

図１に示される例では、導電体４、５は区画６の外側に位置する領域において金属壁１と接触している。したがって、導電体４、５が通されている領域における区画６の壁の液密性を確実にすることが必要である。しかし、変形例として、図２に示されるように、導電体５、６と金属壁１との間の接触は、区画６の内側にあってもよい。このとき、区画６の壁は、保護すべき金属壁１と液密に接触している。

図１に示されるように、好ましくは、流電陽極３は保護すべき壁１と直接接触していない。これにより、陽極３と、少なくともこれに対応する壁１の領域との間の短絡の形成が防がれる。このようにして、壁１の表面の大部分は、１つのこの陽極３によって、最良の状態で保護可能である。したがって、好ましくは、壁１から所定距離に陽極を維持する手段が設けられている（図中示さず）。しかし、実際には、その手段はしばしばコネクタ４、５によって構成され、これらは通常鋼製であり、その材料およびサイズに応じて、壁１から所定距離への陽極３の維持を実現するために十分な剛性を有するものである。

変形例として、本発明は、陽極が保護すべき壁１の電気化学ポテンシャルよりも高い電気化学ポテンシャルを当然有するが、区画６の壁を液密に通されている導電体によって陽極に接続されている直流または整流電流の発生器によってこのポテンシャル（電位）に置かれているという意味において、陽極が流電陽極ではない場合にも適用可能である。

Claims (8)

1. 塩性環境での腐食に対する金属壁（１）の陰極保護装置であって、
   前記装置は、陽極、および、前記陽極と前記金属壁（１）との接続手段（４、５）を有しており、前記陽極は前記金属壁（１）よりも高い電気化学ポテンシャルにある、装置において、
   前記陽極は、電子、および任意選択的に水が透過可能な壁によって定められる区画（６）内に配置されており、
   −ポリマー材料、セラミック材料または無機水和物材料から選択される材料からなる多孔外層（７）と、
   −前記陽極の溶解の間に前記陽極から放出される陽イオンを捕捉可能な少なくとも１つの多孔層（９、１０）であって、前記少なくとも１つの層を構成する材料が、浸透膜、活性炭、陽イオン交換樹脂たとえばゼオライト、ナノフィラーを用いた陽イオン捕捉ポリマー、陽イオン捕捉無機化合物たとえばフィロケイ酸塩およびイノケイ酸塩、陽イオン保持型ナノ濾過半透過性有機マイクロポーラス膜から選択される、少なくとも１つの多孔層（９、１０）と、
   を備えている、ことを特徴とする装置。
2. 前記金属壁（１）はさらに、負に帯電した汚染質を捕捉する膜を備えている、請求項１記載の装置。
3. 前記陽極は流電陽極であり、その電気化学ポテンシャルは、前記金属壁（１）の電気化学ポテンシャルよりも当然に高い、請求項１または２記載の装置。
4. 前記金属壁（１）の電気化学ポテンシャルよりも高い電気化学ポテンシャルを前記陽極に付与するための手段を備えている、請求項１または２記載の装置。
5. 前記陽極と前記金属壁（１）との前記接続手段（４、５）は、前記区画（６）の外側で前記金属壁と接触しており、前記接続手段（４、５）は、前記区画（６）の多孔壁を液密に通されている、請求項１から４のいずれか１項記載の装置。
6. 前記陽極と前記金属壁（１）との前記接続手段（４、５）は、前記区画（６）の内側で前記金属壁（１）と接触しており、前記区画（６）の多孔壁は液密に前記金属壁（１）に接続されている、請求項１から４のいずれか１項記載の装置。
7. 前記陽極を前記金属壁（１）から所定の距離に維持する手段を備えている、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
8. 前記陽極の溶解の間に前記陽極から放出される陽イオンを捕捉可能な複数の層（９、１０）を備えており、各層（９、１０）は、他の層により優先的に捕捉される陽イオンとは異なる陽イオンを優先的に捕捉する、請求項１から７のいずれか１項記載の装置。

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