JP4431692B2

JP4431692B2 - 水の腐食性改善剤及び水の腐食性改善方法。

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Publication number: JP4431692B2
Application number: JP2004096577A
Authority: JP
Inventors: 則夫槇田
Original assignee: 荏原エンジニアリングサービス株式会社
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2010-03-17
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2005279428A

Description

本発明は、水の腐食性改善剤及び水の腐食性改善方法に関し、特に、溶解塩類の乏しい水に適度なミネラル分を与えるとともに、水のｐＨ緩衝能を高めることによって水の腐食性を緩和する水の腐食性改善剤及び水の腐食性改善方法に関する。

本発明の水の腐食性改善剤及び水の腐食性改善方法は、飲料水、産業用水、再利用水など、およそ水を使用するすべての分野に適用可能である。

水に溶解している塩類は、カルシウム、マグネシウム、カリウム、マンガン、鉄、亜鉛など地球上の生物の生存に必要な微量必須元素を含む。これら溶解塩類は、飲料水の味を決定する要因ともなる。よって、溶解塩類の乏しい水は、飲料水としてはあまり適切ではない。

また、溶解塩類のうち特にアルカリ成分が乏しい水は、金属腐食性であることが知られている。水の金属腐食性を示す指標として、炭酸カルシウムの飽和度に関連するランゲリア指数（飽和指数）が提唱されている。ランゲリア指数は、水の実際のｐＨ値と、水中の炭酸カルシウムが溶解も析出もしない平衡状態にあるときのｐＨ値（ｐＨｓ）と、の差：

で表される。ＬＩ＝０ならば，その水は腐食の傾向も炭酸カルシウム析出の傾向も示さない。ＬＩ＞０ならば、水中炭酸カルシウムが過飽和状態であり、析出しやすく、よって水と接触する配管内表面などに保護皮膜を形成するので、水の腐食傾向が小さいことを意味する。逆に、ＬＩ＜０ならば、水の腐食傾向が大きいことを意味する。

ランゲリア指数は、水のｐＨ値、カルシウムイオン値、総アルカリ度及び溶解塩類量から次式及び下記表１によって、簡易に求められる。

日本国内で採取される水は、欧米で採取される水よりもアルカリ成分が乏しいことがよく知られている。特に、上流に降雪地帯を有する河川水を水源とする上水道などでは、雪解け水が流入する季節に、電気伝導率が１０μＳ／ｃｍ程度の蒸留水に近い非常に溶解塩類に乏しい水が検出されることも珍しくない。このような水のランゲリア指数は、−４〜−６程度であり、非常に腐食性の高い水となっており、上水道配管の腐食が生じやすく、給水先での赤水の発生などの問題を生じやすい。

赤水発生を防止する技術としては、これまで、苛性ソーダ注入法、消石灰注入法などのｐＨ調整法が提案されている。しかし、苛性ソーダ注入法では、ｐＨの増加と若干のアルカリ度の増大がみられるものの、ランゲリア指数の改善は十分ではない。

消石灰注入法などのアルカリ剤添加による腐食性改善方法では、上記表１に示す蒸発残留物の指数であるＡ値、水温の指数であるＢ値はほとんど変化しない。よって、ランゲリア指数を改善するためには、ｐＨ値、カルシウム硬度の指数であるＣ値及び総アルカリ度の指数であるＤ値を増加させることが必要になる。ところが、被処理水中に含まれている遊離炭酸が少ない場合には、アルカリ剤の添加により被処理水中の遊離炭酸が消費され尽くして、被処理水のｐＨ値は８．３にまで上昇してしまう。このｐＨ値（８．３）は、水道水基準（日本）によるｐＨ値の上限８．６と比較して、ほぼ上限に達しているといえる。よって、上水に供する水に過剰のアルカリ剤を添加すると、水のｐＨ値が水道水基準を越えてしまい、過剰のアルカリ剤は添加することができない。つまり、アルカリ剤の添加量の上限は、被処理水中に含まれている遊離炭酸量を中和できる量ということになる。平成１０年度の水道統計（出典：「水道統計水質編第81-2号」社団法人日本水道協会平成１２年１１月１５日発行）によれば、河川水を水源とする浄水場の平均水質データで遊離炭酸５mg/L以下が全体の８４％を占めている。つまり、水道水基準によるｐＨ値上限８．６を越えないことを条件とすると、アルカリ剤添加量は、遊離炭酸５mg/L相当分ということになる。遊離炭酸５mg/Lを消石灰注入により消費した場合のカルシウム硬度及び総アルカリ度の増加は、多くても５．６mg/Lに過ぎない。上記表１より、Ｃ値及びＤ値に換算すると、わずか０．１〜０．２ポイントの上昇となるに過ぎず、ランゲリア指数はほとんど改善されないことがわかる。このように、これまでのアルカリ剤添加法では、遊離炭酸含有量が少ない被処理水に対して、ｐＨ値を上昇させることなく、ランゲリア指数を改善することができない。特に、ランゲリア指数が低く溶解塩類の乏しい被処理水に対しては、十分な腐食性の改善がなされない。

このため、水酸化カルシウムと二酸化炭素ガスとを併用する方法も提案されているが、処理設備が複雑で大型化すること及び大量の二酸化炭素ガスを必要とすることから、大規模浄水処理設備には不向きである。

特開昭６０−３４７９１号公報特開平２−１９４８９３号公報特開昭５５−１１０４６号公報特開昭５０−１１９４４７号公報特開昭４９−８６５１８号公報

本発明の目的は、ランゲリア指数が低く溶解塩類の乏しい水の腐食性を改善することができる水の腐食性改善剤及び水の腐食性改善方法を提供することにある。特に、簡易な設備で、大規模水道などの大規模浄水処理場にも適用可能な水の腐食性改善剤及び水の腐食性改善方法を提供することにある。

上記従来技術の問題点を解決するため、本発明者らは鋭意研究の結果、ランゲリア指数が低く溶解塩類の乏しい被処理水に対して、遊離炭酸を消費する水酸イオンと、遊離炭酸消費後のｐＨ上昇を抑制する水酸イオン以外の塩基イオンと、カルシウム濃度を増加させるカルシウムイオンと、を提供することにより、カルシウム硬度及び総アルカリ度を増加させてランゲリア指数を改善すると共にｐＨ上昇を抑制することができることを知見した。

本発明によれば、水酸化カルシウムと塩化カルシウムとを含む、細粒状又は顆粒状の混合物からなる水の腐食性改善剤が提供される。
水酸基及び塩素基の比率は、含有される塩基１当量あたり水酸基０．０５〜０．９５当量及び塩素基０．０５〜０．９５当量であることが好ましい。しかし、被処理水の腐食性が軽微である場合、すなわちランゲリア指数が−１．５〜−２．０程度の場合には、本発明の水の腐食性改善剤は、含有される塩基１当量あたり水酸基０．１〜０．５当量及び塩素基０．５〜０．９当量であればよい。

また、本発明の水の腐食性改善剤は、さらに、アルカリ金属イオン及び／又はアルカリ土類金属イオンを提供し得る物質を含むものでもよい。アルカリ金属イオンとしては、Na⁺、K⁺を好ましく挙げることができ、アルカリ土類金属イオンとしては、Mg²⁺を好ましく挙げることができる。より好ましくは、Na⁺、K⁺を含む。

水酸化カルシウムは、被処理水中に溶解し、水酸イオン及びカルシウムイオンを提供し、被処理水中の遊離炭酸を消費して、被処理水のカルシウム硬度及び総アルカリ度を増加させる。塩化カルシウムは、被処理水中に溶解して、塩素イオン及びカルシウムイオンを提供し、遊離炭酸消費後の被処理水のｐＨ上昇を抑制する。

水酸化カルシウムとしては、消石灰、石灰石などの水酸化カルシウムを含む天然鉱物などを好ましく用いることができ、消石灰が特に好ましい。塩化カルシウムを含む天然鉱物を好ましく用いることができる。

本発明の水の腐食性改善剤は、細粒状もしくは顆粒状形態の固体であることが好ましい。特に、粒径７５〜８５０μｍの細粒状もしくは粒径３５５〜１７００μｍの顆粒状形態であることが好ましい。このように大きな粒径とすることで、飛散性や容器への付着性を改善することができ、腐食性改善剤を固体形態で適用する場合に腐食性改善剤の損失を防止でき効率的に使用することができる。

本発明の水の腐食性改善剤が固体である場合には、例えば、消石灰粉体と塩化カルシウム粉体を所望の比率となるように混合させて、一緒に粉砕して、篩に掛けるなどして粒度を揃えて、調製することができる。あるいは、水酸基、塩素基、カルシウムを含む天然鉱物を粉砕して調製することもできる。

本発明の水の腐食性改善剤が固体形態である場合には、被処理水に溶解させることで、被処理水の腐食性を改善することができる。被処理水への溶解は、本発明の水の腐食性改善剤を貯留ホッパーに貯蔵しておき、テーブルフィーダーやロータリーフィーダーなどの粉体計量供給装置を介して所定量を被処理水に投入して、溶解させることができる。なお、水の腐食性改善剤が固体（粉体又は顆粒）である場合には、吸湿性が高いので、貯留ホッパーや粉体供給装置には、乾燥空気、好ましくは炭酸ガスを含まない乾燥空気を通気することが好ましい。

次に、例えば、水酸化カルシウムと塩化カルシウムとを含む水の腐食性改善剤を例にして、本発明の水の腐食性改善剤の作用を説明する。
本発明の水の腐食性改善剤（水酸化カルシウム及び塩化カルシウムを含む）を被処理水に溶解させると、次式：

のように、水酸化カルシウムよりカルシウムイオンと水酸イオンとが得られ、被処理水中の遊離炭酸と反応する。水酸イオンは、被処理水中の遊離炭酸を消費して、カルシウムイオンと炭酸イオンとの結合による難溶性の炭酸カルシウムの発生を防止し、被処理水中にカルシウムイオンを提供するので、総アルカリ度及びカルシウム硬度を増加させる。塩化カルシウムは、次式：

のように溶解して、被処理水中に、カルシウムイオン及び塩素イオン（塩基）を提供するので、カルシウム硬度をさらに増加させるが、水酸イオンは残らないのでｐＨの上昇は抑えられる。

本発明の水の腐食性改善剤において、水酸基は含有塩基１当量あたり０．１〜０．９当量の範囲で、水酸基以外の塩基は０．９〜０．１当量の範囲で、被処理水中の遊離炭酸含量に応じて種々変えることができる。例えば、遊離炭酸含量が５mg/Lである被処理水に、含有塩基１当量あたり０．１当量の水酸基を含む水酸化カルシウム及び含有塩基１当量あたり０．９当量の塩素基を含む塩化カルシウムからなる水の腐食性改善剤を添加すると、次式：

によりカルシウム硬度及び総アルカリ度の増加は５．６mg/L、次式：

により、カルシウム硬度の増加は、５０．４mg/Lとなる。
したがって、全体のカルシウム硬度の増加は、５．６＋５０．４＝５６mg/L、総アルカリ度の増加は、５．６mg/Lとなる。このとき、ｐＨは８．３程度である。これらの値を表１に示したランゲリア指数の換算表にあてはめて、ランゲリア指数の変化を求めると、Ｃ値として１．４及びＤ値として０．１８の増加となるから、ランゲリア指数は１．５８も改善されることになる。

以下、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
水の腐食性改善剤の調製
（１）含有塩基１当量あたり水酸基０．１当量、塩素基０．９当量を含むカルシウム化合物からなる粉体状の腐食性改善剤Ａ
水酸化カルシウム（水道用水酸化カルシウム（JWWAK107規格品））７．４ｋｇと塩化カルシウム（和光純薬試薬特級）９９．９ｋｇとを混合して、ローラーミルで粉砕して、篩い分けにより粒径７５〜８５０μｍの範囲の粉体混合物を得た。
このときの、水酸基と水酸基以外の塩基（Cl^-）との比率は、下記式：

より、OH^-：Cl^-＝２００当量：１８００当量＝０．１当量：０．９当量となる。

（２）含有塩基１当量あたり水酸基０．５当量、塩素基０．５当量を含むカルシウム化合物からなる粉体状の腐食性改善剤Ｂ
水酸化カルシウム（水道用水酸化カルシウム（JWWAK107規格品））３７．０ｋｇと塩化カルシウム（和光純薬試薬特級）５５．５ｋｇとを混合して、ローラーミルで粉砕して、篩い分けにより粒径３５５〜１７００μｍの範囲の粉体混合物を得た。
このときの、水酸基と水酸基以外の塩基（Cl^-）との比率は、下記式：

より、OH^-：Cl^-＝１０００当量：１０００当量＝０．５当量：０．５当量となる。

（３）含有塩基１当量あたり水酸基０．１当量、水酸基以外の塩基０．９当量を含む液体状腐食性改善剤Ｃ
水酸化ナトリウム（和光純薬試薬特級）８．０ｋｇ及び塩化カルシウム（和光純薬試薬特級）９９．９ｋｇを純水１９２．１ｋｇに溶解させて調製した。
このときの、水酸基と水酸基以外の塩基（Cl^-）との比率は、下記式：

（４）含有塩基１当量あたり水酸基０．０５当量、水酸基以外の塩基０．９５当量を含む液体状腐食性改善剤Ｄ
水酸化ナトリウム（和光純薬試薬特級）４．０ｋｇ及び塩化カルシウム（和光純薬試薬特級）１０５．５ｋｇを純水１９０．５ｋｇに溶解させて調製した。
このときの、水酸基と水酸基以外の塩基（Cl^-）との比率は、下記式：

より、OH^-：Cl^-＝１００当量：１９００当量＝０．０５当量：０．９５当量となる。

［実施例２］
実施例１で調製した水の腐食性改善剤Ａ〜Ｄを用いて、下記表２に示す水質の原水を処理した。
原水及び処理水の総アルカリ度は、上水試験方法２００１年度版（日本水道協会）14.2.1に準拠して測定した。
原水及び処理水のカルシウム硬度は、上水試験方法２００１年度版（日本水道協会）15.3.1に準拠して測定した。
原水及び処理水の蒸発残留物は、上水試験方法２００１年度版（日本水道協会）11.2に準拠して測定した。
原水及び処理水の遊離炭酸は、上水試験方法２００１年度版（日本水道協会）14.4に準拠して測定した。

（１）実施例１で調製した腐食性改善剤Ａを注入率６２mg/Lとなるように原水に添加して処理したところ、下記表３に示す水質を有する処理水を得た。

（２）実施例１で調製した腐食性改善剤Ｂを注入率１１mg/Lとなるように原水に添加して処理したところ、下記表４に示す水質を有する処理水を得た。

（３）実施例１で調製した腐食性改善剤Ｃを注入率１７５ｍｇ／Ｌとなるように原水に添加して処理したところ、下記表５に示す水質を有する処理水を得た。

（４）実施例１で調製した腐食性改善剤Ｄを注入率３６０mg/Lとなるように原水に添加して処理したところ、下記表６に示す水質を有する処理水を得た。

［比較例１］
（１）表２に示す水質の原水に、水酸化カルシウムを注入率５mg/Lとなるように添加して処理したところ、下記表７に示す水質を有する処理水を得た。

（２）表２に示す水質の原水に、水酸化ナトリウムを注入率５mg/Lとなるように添加して処理したところ、下記表８に示す水質を有する処理水を得た。

以上の結果より、本発明の水の腐食性改善剤Ａ〜Ｄを用いて処理すると、ｐＨを上昇させることなく、カルシウム硬度、総アルカリ度を増加させ、ランゲリア指数を改善できることがわかる。対照として水酸化カルシウムだけを添加した場合には、ランゲリア指数の改善が−１．２に留まり、水酸化ナトリウムだけを添加した場合には、カルシウム硬度が変化せずランゲリア指数の改善が−１．３に留まり、腐食性があまり改善されないといえる。

実施例の結果からわかるように、本発明の水の腐食性改善剤によれば、従来のアルカリ剤と比較して、容易にカルシウム硬度を増加させることができ、被処理水中の遊離炭酸消費後にも被処理水のｐＨ上昇を抑制することができるので、少量の添加によってランゲリア指数を大幅に改善することができる。

さらに、本発明の水の腐食性改善剤は、固体及び液体の何れの形態でも使用し得るので、既設のアルカリ剤添加処理設備をそのまま利用でき、大規模浄水場などでの使用に適している。

Claims

含有塩基１当量あたり水酸基０．１〜０．５当量及び塩素基０．９〜０．５当量の比率で水酸化カルシウムと塩化カルシウムとを含む、細粒状若しくは顆粒状の混合物からなる水の腐食性改善剤を被処理水に溶解させて、被処理水中の遊離炭酸を消費し、難溶性の炭酸カルシウムの発生を防止し、被処理水中にカルシウムイオンを提供する、水の腐食性改善方法。
請求項１に記載の水の腐食性改善剤を被処理水に溶解させて、遊離炭酸を消費し、ｐＨを８．６以下、ランゲリア指数を−１．０以上０以下にすることを特徴とする、水の腐食性改善方法。