JP2019027961A - スケール付着の定量評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流体における、スケール付着を、短期間で定量評価できるスケール付着の定量評価方法を得る。【解決手段】炭酸カルシウムスケールを主成分とする、スケール付着を短期間で定量評価できるスケール定量評価方法であって、局所的に加熱できる装置１０を対象水に浸し、前記局所的に加熱できる装置１０上に析出、付着した炭酸カルシウムスケールを定量評価するために、前記局所的に加熱できる装置１０を、一定時間加熱の後に、対象水から取り出し、乾燥し、電子天秤等を用いて、前記局所的に加熱できる装置を秤量し、加熱前後の質量比較からスケール質量を測定することを特徴とするスケール定量評価方法とする。【選択図】図１

Description

本発明は、流体におけるスケール対策に関し、流体のスケール性を短時間で定量評価し、スケール障害の程度を事前に予測し、スケール付着を抑制するための有効な対策を施すことを可能とするスケール付着の定量評価方法に関する。

ボイラー、熱交換器、クーリングタワー、温泉設備等々、水を使用する多くの設備において、水中の無機成分が析出して、スケールが、配管の内側の壁、熱交換機の表面、その他の場所に付着、堆積するスケール障害は大きな問題であった。多種のイオンや微粒子が介在する実際のスケール析出、付着、及び堆積機構は、複合的で複雑な過程であり、未解明の点が少なくない。また、これを研究するに際しては、実際のスケール堆積には長期間を要すること、また、スケール堆積を定量的に評価する手法が確立していないこと等から、現実のスケール問題と基礎研究の段階に、大きな隔たりがあるのが実情であった。

特許文献１には、机上試験用の変調電場処理装置に関して図３に、開示されている。更に、図４には、処理効果を確認するためのガラス基板の図が開示されている。

特開２００１−２５９６９１号公報

特許文献１では、スケール付着の評価は、定性観察であって、定量性がなく、また、スケール付着の評価には、手間と、時間を要するという問題点があった。

本発明の課題は、流体における、スケール付着を、短期間で定量評価できるスケール付着の定量評価方法を提供することである。

本発明の請求項１に係るスケール定量評価方法は、炭酸カルシウムスケールを主成分とする、スケール付着を短期間で定量評価できるスケール定量評価方法であって、局所的に加熱できる装置を対象水に浸し、前記局所的に加熱できる装置上に析出、付着した炭酸カルシウムスケールを定量評価するために、
前記局所的に加熱できる装置を、一定時間加熱した後に、対象水から取り出し、乾燥し、電子天秤等を用いて、前記局所的に加熱できる装置を秤量し、
加熱前後の質量比較からスケール質量を測定することを特徴とするスケール定量評価方法である。

本発明の請求項２に係るスケール定量評価方法は、前記局所的に加熱できる装置は、防水処置を施した小型セラミックヒーターや小型シートヒーターであり、必要に応じて金属板等を両面テープで貼り付けた構成とし、表面温度は、４０℃以上から、７５℃以下の範囲に設定されたことを特徴とする請求項１記載のスケール定量評価方法である。

本発明の請求項３に係るスケール定量評価方法は、前記スケール定量評価方法において、対象水の導電率変化を同時測定することで、蒸発による濃縮度変化を確認し、対象水の濃縮度を選定することを特徴とする請求項１または２記載のスケール定量評価方法である。

本発明の請求項４に係るスケール定量評価方法は、カルシウム系スケール系に限らず、例えばシリカ系スケールや鉄さび等によるスケール付着であってもスケール付着を短期間で定量評価できるスケール定量評価方法であって、水晶の薄片上の両面に、電極が形成された質量変化検出デバイスを対象水に浸し、質量変化検出デバイスの電極表面へのスケール付着による共振周波数の変化を測定し、共振周波数の変化からスケール付着量を秤量することを特徴とするスケール定量評価方法である。

本発明の請求項５に係るスケール定量評価方法は、請求項４記載のスケール定量評価方法において、質量変化検出デバイス自体の質量変化を電子天秤等により同時測定することで、蒸発による濃縮度変化を確認し、対象水の濃縮度を選定することを特徴とするスケール定量評価方法である。

本発明の請求項１に係るスケール定量評価方法によれば、局所的に加熱できる装置を用いて、スケール質量を測定することができるスケール定量評価方法を提供することができる。

本発明の請求項２に係るスケール定量評価方法によれば、局所的に加熱できる装置の温度を最適とするスケール定量評価方法を提供することができる。

本発明の請求項３に係るスケール定量評価方法によれば、対象水の導電率変化を同時測定することで、蒸発による濃縮度変化を確認することができるスケール定量評価方法を提供することができる。

本発明の請求項４に係るスケール定量評価方法によれば、質量変化検出デバイスを用いてスケール質量を測定することができるスケール定量評価方法を提供することができる。

本発明の請求項５に係るスケール定量評価方法によれば、蒸発による濃縮度変化を確認し、対象水の濃縮度を選定することができるスケール定量評価方法を提供することができる。

本発明によれば、流体における、スケール付着を、短期間で定量評価できるスケール付着の定量評価方法を提供することができる。

実施例１の局所的に加熱できる装置の図。 実施例１の局所的に加熱できる装置によって取得されたスケール量と経過時間との関係の特性。 実施例２の質量変化検出デバイスの図。 実施例２の質量変化検出デバイスによって取得されたスケール量と経過時間との関係の特性。

本発明のスケール定量評価方法において、局所的に加熱できる装置は、防水処置を施した小型セラミックヒーターや小型シートヒーターであり、必要に応じて金属板等を両面テープで貼り付けた構成としても良い。
温度は、４０℃以上から、７５℃以下の範囲に設定される。温度が７５℃を超えると、局所的に加熱できる装置の表面上に気泡が発生してスケール付着が阻害され、測定値のバラつきが大きくなり、温度が４０℃未満であると、スケール付着のスピードが低下する欠点がある。

（実施例１）
図１は、実施例１の局所的に加熱できる装置１０の図である。
加熱できる装置１０は、セラミックヒータ１の片面に銅版３が両面テープ２で貼り付けられた構造である。

まず、主に炭酸カルシウムスケールに対して適用可能な局所加熱法を説明する。溶液中に浸漬させて加熱することができるヒーターを用い、加熱部を一定時間局所的に加熱することで加熱面にスケールを析出させ、これを乾燥させてから電子天秤で秤量し、加熱前後の質量比較からスケール質量を測定する。
以下に、発明者が実施した試験例を説明する。
市販の小型セラミックヒーターの片面の加熱面に、銅板を両面テープで貼り付けた、局所加熱装置を準備する。ここで用いた小型セラミックヒーターの寸法は、幅:10mm、長さ:20mm、厚み:1.75mm、であり、定格ワット数、50Ｗである。

カルシウムスケール性を有する水の模擬水として、10mM KCl水溶液1,000mLに対しCaCl₂・2H₂O:1.47g、Na₂CO₃:1.68g（CaCO₃で1,000mg/L）の試薬を添加した水溶液を用意する。この模擬水200mLをビーカーに入れ、これを20℃の恒温水槽に浸し、模擬水中に前記局所加熱試料を挿入する。小型セラミックヒーターに30Vrmsの交流電圧を印加すると、銅板表面は模擬水中にて約70℃で安定化する。因みに、銅板表面温度を上げ過ぎると、表面上に気泡が発生してスケール付着が阻害され、測定値のバラつきが大きくなる。ここでは、銅板表面上に気泡が発生しないよう、70℃程度に温度を制御した。このように模擬水を局所的に加熱すると、以下の反応式に従って銅板表面にCaCO₃が析出する。

CaCl₂ + 2NaHCO₃
→ 2NaCl + Ca(OH₃)₂
→ （加熱）CO₂ + H₂O + 2NaCl + CaCO₃

本試料を、所定時間通電、加熱を行った後、局所加熱試料を真空デシケータ内にて完全に乾燥させ、これを電子天秤で秤量する。異なる局所加熱試料を用い、それぞれ3時間、7時間、21時間、及び24時間の通電、加熱を行って、同様にCaCO₃付着量を秤量したところ、図２に示すように、経過時間に比例してCaCO₃付着量が増加することが定量的に確認された。

さて、ボイラーやクーリングタワー等においては、水の濃縮管理を行うことが重要である。即ち、蒸発によって水の濃縮度が高くなれば、スケール析出が生じ易くなるが、濃縮度を高くしないように多量に水を補給すれば、水使用量が増大して、設備のランニングコスト上昇を招くことになる。従って、スケール析出を抑制しつつ、適切な濃縮度を選定することは非常に重要になるが、スケールの定量評価方法が確立していない現状では、経験値から濃縮度の選定を行っているのが実情である。

濃縮度は、通常水の導電率によって判断するが、本発明においては、対象水の導電率を同時に測定することで、濃縮度に対するスケール付着量を、短時間で定量的に判定することが可能である。

（実施例２）
図３は、実施例２の質量変化検出デバイス２０の図である。
質量変化検出デバイス２０は、圧電素子５の両面に電極６，７が形成された構造である。

＜QCM法＞
前記局所加熱法は、数時間から数日間の試験でカルシウム系スケールの付着状況を定量的に評価することができ、これは実装業下で発生するスケール障害を加速化して定量化できる方法であるが、以下に述べるQCM法は、極少量の試料で数分間から数時間程度で、カルシウム系だけでなく、シリカスケールや鉄分の堆積についても定量的に評価できる方法である。

水晶振動子マイクロバランス（Quartz Crystal Microbalance）は、水晶の薄片上に形成された電極表面上で起こるｎｇ〜μｇオーダーの微量な質量変化を、逆圧電効果によって生じる共振周波数の変化に置き換えて検出する高感度な質量変化検出デバイスであり、現在気相中及び液相中において広く活用されている。
この測定には水晶結晶から特定の角度（ATカットと呼ばれるものが主流）で板状に切り出された水晶片の両面を、電極となる2枚の金属薄片で挟んだ構造の「水晶振動子」を使用する。この水晶振動子の2枚の金属電極間に電圧を印加すると、水晶板はこれに平行な方向に歪む。この歪みには水晶板の厚みに応じて決まる応答時間があるため、印加する交流電圧を一定の周波数（共振周波数）に設定すると、水晶板の歪みが繰り返され共振周波数で振動するずり振動となる。

このように共振周波数で振動している水晶振動子表面に物質が吸着すると、その質量分だけ周波数が低下し、脱離すると周波数が上昇する。この共振周波数の変化量と付着物質の質量との関係は1959年にSauerbreyによって報告され、以下のSauerbreyの式で表すことができる。

この原理による水系のスケール付着量の短時間定量評価を確認するため、以下の実験を行った。

QCMアナライザー、水晶振動子（Au電極, 中心周波数:7.995MHz）、恒温槽を装置として用いた。本実験で使用した水晶振動子の中心周波数f₀は7.995MHz、有効表面積Aは0.196cm²であるから、

となり、1Hzの周波数変化は1.37ngの質量変化に相当することが判る。即ち、原理的には、電極表面上に付着したわずか数ng程度のスケールを、周波数変化によって測定できることになる。

さて、前記模擬水（CaCO₃で1,000mg/L）、及び同模擬水を2倍希釈した試料（CaCO₃で500mg/L）をQCMセルに封入し、電子冷却恒温槽にて70℃に加熱して、水晶振動子電極表面へ付着するCaCO₃スケールの秤量を行った結果を図４に示す。この結果わずか15分程度で、微量なスケール付着を定量化でき、かつ模擬水のスケール性の違いを定量的に評価できることが確認された。
さて、前述の通り、実際の設備において水の濃縮度を管理することは非常に重要である。ここに示したQCM法では、測定中のQCMセルを電子天秤によって質量変化を経時的に同時測定することで、濃縮度に対するスケール付着量挙動を確認することが可能である。

表１に、従来技術(特開２００１−２５９６９１号公報)と本発明の技術との比較表を示す。従来技術は、定性観察であるが、本発明は、局所加熱法、およびQCM法共に、定量評価であり、明らかに、本発明の方が、優れた方法である。

本発明によれば、流体における、スケール付着を、短期間で定量評価できるスケール付着の定量評価方法を提供することができ、水処理関連の産業の発展に寄与する。

１ セラミックヒータ
２ 両面テープ
３ 銅版
４ リード線
１０ 局所的に加熱できる装置
５ 圧電素子
６，７ 電極
８１，８２ 振動方向
２０ 質量変化検出デバイス

Claims (5)

1. 炭酸カルシウムスケールを主成分とする、スケール付着を短期間で定量評価できるスケール定量評価方法であって、
   局所的に加熱できる装置を対象水に浸し、
   前記局所的に加熱できる装置上に析出、付着した炭酸カルシウムスケールを定量評価するために、
   前記局所的に加熱できる装置を、一定時間加熱した後に、対象水から取り出し、乾燥し、
   電子天秤等を用いて、前記局所的に加熱できる装置を秤量し、
   加熱前後の質量比較からスケール質量を測定することを特徴とするスケール定量評価方法。
2. 前記局所的に加熱できる装置は、
   防水処置を施した小型セラミックヒーターや小型シートヒーターであり、必要に応じて金属板等を両面テープで貼り付けた構成とし、表面温度は、４０℃以上から、７５℃以下の範囲に設定されたことを特徴とする請求項１記載のスケール定量評価方法。
3. 前記スケール定量評価方法において、対象水の導電率変化を同時測定することで、蒸発による濃縮度変化を確認し、対象水の濃縮度を選定する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のスケール定量評価方法。
4. カルシウム系スケール系に限らず、例えばシリカ系スケールや鉄さび等によるスケール付着であってもスケール付着を短期間で定量評価できるスケール定量評価方法であって、
   水晶の薄片上の両面に、電極が形成された質量変化検出デバイスを対象水に浸し、
   質量変化検出デバイスの電極表面へのスケール付着による共振周波数の変化を測定し、共振周波数の変化からスケール付着量を秤量することを特徴とするスケール定量評価方法。
5. 請求項４記載のスケール定量評価方法において、質量変化検出デバイス自体の質量変化を電子天秤等により同時測定することで、蒸発による濃縮度変化を確認し、対象水の濃縮度を選定することを特徴とするスケール定量評価方法。

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