JP4438158B2

JP4438158B2 - コンクリート構造物の防汚方法およびコンクリート構造の海水導水管の防汚装置

Info

Publication number: JP4438158B2
Application number: JP2000032033A
Authority: JP
Inventors: 健一赤嶺; 精和中川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2000-02-09
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2020-02-09
Also published as: JP2001226787A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は海洋のコンクリート構造物または火力や原子力発電所のコンクリート製の導水路内に付着するふじつぼ等の海洋付着生物の防汚方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火力または原子力発電所の冷却水の海水取水路や取水口などのコンクリート構造物には、ふじつぼなどの海洋付着物が付着し、水路が狭窄してしまう。その対策として、塩素注入等が一部で行われているが、環境問題から有効性が確認されるほど大量に注入することができない。そのため発電所の定期点検時等に人が入って付着生物の除去を行うか、ロボットを使用して除去を行っているがコストに問題がある。
【０００３】
一方、船舶のバラストタンク内部の防食法としてエレクトロコーティングがある。エレクトロコーティングは、鋼板をカソードとして微弱電流を通電することにより、海水中に存在するカルシウムイオンやマグネシウムイオンが鋼板表面に、図７に示すようにＭｇ（ＯＨ）₂ とＣａＣＯ₃ の２層のエレクトロコーティングとして析出することを利用して防食するものである。すなわち、Ｍｇ（ＯＨ）₂ 層は、アルカリ性で防食効果があるが溶けやすく、ＣａＣＯ₃ は防食効果はないが溶けにくいので、この２層からなるエレクトロコーティングにより、実用的な防食が達成できる。
【０００４】
本願発明者等は、上記エレクトロコーティングについて種々の研究を行っている過程で、エレクトロコーティングが海洋鋼構造物の防汚に有効であることを発見し、特許出願（特開平１０−２３２９５２号（未公開））を行った。
【０００５】
上記発明は海水中に浸漬した鋼板をカソードとし、該鋼板に対峙して配置したアノードとの間で通電することにより、鋼板表面にＣａＣＯ₃ ・Ｍｇ（ＯＨ）₂のエレクトロコーティングを析出させ、該エレクトロコーティングに付着した海洋付着生物を、カソードとアノードの間に電流密度が１〜５Ａ／ｍ² の電流を通電して、エレクトロコーティングと共に剥離して除去するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記発明をコンクリート構造物に適用することができれば、環境への影響がなく、メンテナンスコストを低減することができるが、コンクリートは非導電体であるため適用できなかった。
【０００７】
本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出したもので、コンクリート構造物の海水に浸漬している部分の表面に鋼鈑などの金属板を固定して、導電性を与えて、コンクリート構造物にエレクトロコーティングによる防汚方法を適用することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明のコンクリート構造物の防汚方法はコンクリート構造物の海水に浸漬した部分の表面に金属板を固定し、該金属板をカソードとし、該金属板に対峙して配置したアノードとの間で通電することにより、金属板表面にＣａＣＯ₃ ・Ｍｇ（ＯＨ）₂ のエレクトロコーティングを析出させ、該エレクトロコーティングに付着した海洋付着生物を、カソードとアノードの間に電流密度が１〜５Ａ／ｍ² の電流を通電して、エレクトロコーティングと共に剥離して除去するものである。
【０００９】
上記金属板は鋼鈑であるのが好ましい。
【００１０】
海洋付着生物の剥離のための通電期間は、０．５〜５ヶ月であるのが好ましい。
【００１１】
次に本発明の作用を説明する。コンクリート構造物の表面にアンカーボルト等を用いて鋼鈑などの金属板を固定し、金属板に対峙してアノードを配置する。鋼鈑をカソードとして海水中で通電すると、鋼鈑表面付近で水の電気分解反応により、水素と水酸イオンが生する。水素は空気中に発散し、水酸イオンはＰＨ値を上昇させる。ＰＨ値が８以上に上昇すると海水中のカルシウムイオンと炭酸イオンが結合し、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃ ）を形成する。ＰＨ値が９以上に上昇するとマグネシウムイオンと水酸イオンが結合し、水酸化マグネシウムＭｇ（ＯＨ）₂ を形成する。形成されたＣａＣＯ₃ やＭｇ（ＯＨ）₂ の微粒子はコロイド状に鋼鈑表面近傍を浮遊しているが微粉子表面は＋または−に荷電している。ＣａＣＯ₃ の粒子は、ＰＨが９未満では＋に荷電し、ＰＨが９を越えると−に荷電する。一方、Ｍｇ（ＯＨ）₂ の粒子はＰＨが１１未満では＋に荷電し、ＰＨが１１を越えると−に荷電する。また、カソードである鋼鈑表面の水酸イオン濃度は、表面で最も高く表面から遠ざかるに従って低下するので、鋼鈑表面近傍でＰＨ値の勾配が生じている。この勾配の大きさはカソードの電流密度が大きいほど大きい。今適当な電流密度による通電により、鋼鈑表面のＰＨ値が１０程度であるとすると、Ｍｇ（ＯＨ）₂ は、＋に荷電しているので電気泳動により表面に付着し、ＣａＣＯ₃ はそのＰＨでは−に荷電するので電気的に反発し、表面からわずかに離れる。わずかに離れた位置ではＰＨ値は低下し９未満となっているのでＣａＣＯ₃ は＋に荷電しており、カソードに引き付けられて、そこに停滞する。このような原理により鋼鈑表面直近には、Ｍｇ（ＯＨ）₂ の層が形成され、外側にＣａＣＯ₃ の層が形成されて、ＣａＣＯ₃ ・Ｍｇ（ＯＨ）₂ の２層のエレクトロコーティングが形成される。なお、エレクトロコーティングは１３０〜２５０ｍＡ／ｍ² の微弱な電流密度で形成することができる。
【００１２】
ふじつぼなどの海洋付着生物はこのようにして形成されたエレクトロコーティング表面に付着し、そこで成長し、次第に厚くなる。この状態で１〜５Ａ／ｍ²の電流密度で通電し続けると、次第に鋼鈑表面付近に水酸イオン（ＯＨ^- ）が蓄積されＰＨ値が上昇する。ＰＨ値が１１を越えるとＭｇ（ＯＨ）₂ の粒子は−に荷電するのでカソードの表面と反発し合うことになり、エレクトロコーティングが鋼鈑表面から剥離し、海洋付着生物も一緒に鋼鈑表面から剥離し、鋼鈑表面はもとの状態に戻る。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のコンクリート構造物の防食方法の実施状態を示す断面図である。図において、１は厚さ２〜３ｍｍの鋼鈑であり、図示しない直流電源の負側に接続されて、カソードになる。２０はコンクリート、２１はアンカーボルトである。アンカーボルト２１は種々の形式のものがあるが、図１にはめねじ型のアンカーボルトが示されている。めねじ型のアンカーボルト２１は、内面にめねじが切ってあり、先端に複数のスリットを有する筒体２１ａと、筒体２１ａの先端部に係合する截頭円錐状のこま２１ｂとからなり、筒体２１ａをコンクリート２０に明けたきり穴に打ち込むと、その逆作用でこま２１ｂが筒体２１ａの先端部に進入し、筒体２１ａの先端部を拡げて、筒体２１ａをきり穴に密着させて固着させる。２１ｃは通常のボルトで、筒体２１ａのめねじに螺合して、鋼鈑１をコンクリート２０表面に固定する。２２はエレクトロコーティング、２３はふじつぼなどの海洋付着生物である。
【００１４】
次に図２ないし図７を用いてエレクトロコーティングの生成および海洋付着生物が付着したエレクトロコーティングが剥離する原理を説明する。
【００１５】
図２はエレクトロコーティングの生成反応図である。図において、１は鋼鈑のカソード、２はアノード、３は直流電源である。アノード２はマグネシウム、アルミニウム、亜鉛等の溶解性電極でも、銀／鉛（Ａｇ／Ｐｂ）等の不溶解性電極のどちらでもよい。海水中には、図に示すようにカルシウムイオン（Ｃａ² ⁺ ）、マグネシウムイオン（Ｍｇ²⁺）、炭酸イオン（ＨＣＯ^3-）が存在している。通電するとカソード１の表面付近で水の電気分解が行われ、水素（Ｈ₂ ）と水酸イオン（ＯＨ^- ）が発生する。水素は空気中に発散し、水酸イオン（ＯＨ^- ）はＰＨ値を上昇させる。
【００１６】
図３は海水中におけるＰＨ値と、固体ＣａＣＯ₃ およびＭｇ（ＯＨ）₂ の関係を示すグラフで、横軸はＰＨ値、縦軸は固体の割合である。図のように炭酸カルシウムはＰＨ値が８を越えると個体の方解石（ＣａＣＯ₃ 、calcite）またはあられ石（ＣａＣＯ₃ 、aragonite）の割合が増加し、ＰＨ９ではほぼ１００％固体になる。一方、水酸化マグネシウムはＰＨが９を越えると固体の割合が増加し、ＰＨ１０でほぼ１００％固体になる。なお、このとき海水条件は２０℃、塩分濃度３．４８％である。
【００１７】
図４は海水中の炭酸カルシウム微粉子の表面電荷密度（ζ−potential）とＰＨとの関係を示すグラフである。図に示すように炭酸カルシウムの微粉子は、ＰＨが約９未満では＋に荷電し、約９を超えると−に荷電する。なお、Ｉ．Ｅ．Ｐは等電点（isoelectric point）である。
【００１８】
図５は海水中の水酸化マグネシウム微粉子の表面電荷密度とＰＨとの関係を示すグラフである。図に示すように水酸化マグネシウム微粉子はＰＨが約１１未満では＋に荷電し、約１１を超えると−に荷電する。
【００１９】
図６は鋼鈑表面近傍のＰＨの分布状況を示す図である。図においてＭは鋼鈑、ＯＨＰはouter Helmholtz plane、ＮＤＬはネルンスト拡散層（Nernst diffusion layer）をそれぞれ表している。なお、ＮＤＬの厚さδは海水の流速などに大きく影響される。図に示すようにＮＤＬ内ではＰＨは、鋼鈑Ｍ側で高く外部に向かって低い勾配を有している。したがって、鋼鈑表面近傍のＰＨ値が１０〜１１であるとＭｇ（ＯＨ）₂ の微粒子は＋に荷電しているので、−に荷電している鋼鈑表面に集り、鋼鈑に付着する。一方、ＣａＣＯ₃ の微粒子はこのようなＰＨ値では、−に荷電するので電気的に反発し表面からわずかに離れるが、そこではＰＨ値が低下して９未満となっているのでＣａＣＯ₃ は＋に荷電し、カソード１に電気的に引き付けられてそこに停滞する。
【００２０】
図７はエレクトロコーティングの成長過程を示す図である。エレクトロコーティング４は以上述べた原理により形成されるので、Ｍｇ（ＯＨ）₂ およびＣａＣＯ₃ の微粉子がＮＤＬ内で常に電気泳動を起こしておりＴｙｐｅＡのような多層構造にならずＴｙｐｅＢのような２層構造となり、Ｍｇ（ＯＨ）₂ とＣａＣＯ₃の層がそれぞれ厚くなる。
【００２１】
ふじつぼなどの海洋付着生物２３はこのようにして形成された、エレクトロコーティング２２の表面に付着し、そこで成長し、次第に厚くなる。この状態で１〜５Ａ／ｍ² の電流密度で通電し続けると次第に鋼鈑表面付近に水酸イオン（ＯＨ^- ）が蓄積されＰＨ値が上昇する。ＰＨ値が１１を越えるとＭｇ（ＯＨ）₂ の粒子は−に荷電するのでカソード１の表面と反発し合うことになり、エレクトロコーティング２２が鋼鈑１表面から剥離し、海洋付着生物２３も一緒に鋼鈑１表面から剥離し、鋼鈑１表面は元の状態に戻る。
【００２２】
図８は本発明を海水導水路に適用した場合のシステムの説明図である。図８において、５は海水導水路、６は揚水ポンプ、７はパネル、８は電源システム、９は防食監視システム、１０は電位計測用電極、１１は防汚監視システムである。アノード２は導水路５の中心位置に導水路の長手方向に一定の間隔で設けられている。アノード２の材質は銀／鉛（Ａｇ／Ｐｂ）である。７は運転用パネルで電源システム８、防食システム９、防汚監視システム１１を内蔵している。電源システム８の−側は、海水導水路５に接続されており、＋側は各アノード２に接続されている。防食監視システム９は各電位測定用電極（Ａｇ／ＡｇＣｌ）１０に接続されている。電位計測用電極１０は海水導水路５の内面に貼付されていて鋼鈑１の電位を計測し、その電位が防食電位以上であった場合には、防食電位以下になるようにするため通電を行うべく防食監視システム９から電源システム８に指令を出して防食電流を流す。防汚監視システム１１は揚水ポンプ６の負荷を検出しており、ふじつぼの付着により海水導水路５が狭窄して揚水ポンプ６の負荷が上昇してきたら、電源システム８に指令を出して電流密度が１〜５Ａ／ｍ² になるようにアノード２と海水導水路５との間に通電を行う。この通電により、導水路５内面に付着した海洋付着生物２３をエレクトロコーティング２２とともに剥離して除去する。
【００２３】
【実施例】
以下本発明の効果を立証するために行ったテストについて説明する。テストは鋼鈑の２枚テストピースを海水中に浸漬し、一方のテストピースは電源の負側に接続して、アノードとの間で所要の通電を行い、他方のテストピースは比較対象として通電せずタールエポキシ塗装鋼鈑を使用した。テスト時期は６月から８月の３ヶ月である。図９は本発明の方法を実施したテストのデータを示し、図１０は比較対象のデータを示している。グラフはテストピース表面の海洋付着生物の付着面積比率（縦軸）と浸漬日数（横軸）の関係を示しており、グラフ上の写真は、それぞれの写真から延出した細線の先端が示す浸漬日数経過時のテストピース表面の状態を示している。
【００２４】
通電した電流密度（Ａ／ｍ² ）と通電日数は次の通りである。
【００２５】
初期被膜生成通電：１Ａ／ｍ² ×５日
防食通電：０．５Ａ／ｍ² ×５０日
剥離通電：２Ａ／ｍ² ×２１日
これらの図からわかるように、比較対象のタールエポキシ塗装鋼鈑は、浸漬日数が１５日程度で、生物付着面積率が１００％になるのに対し、本発明では生物付着面積率が１００％になるのに４５日かかり、その後剥離通電により２１日で付着生物は完全に剥離し、元の状態に戻った。
【００２６】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば金属板は鋼鈑に代えてアルミニウム板でもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明のコンクリート構造物の防汚方法は、非電導体であるコンクリート構造物の表面に導電体である金属板を固定し、エレクトロコーティングによる防汚方法をコンクリート構造物に適用できるようにしたので、海水中で電流密度１〜５Ａ／ｍ² の通電を行うだけで、金属板表面に付着した海洋付着生物を剥離することができる。したがって、有毒な防汚塗料の使用の必要がなく、また、人手による除去も必要としないのでメンテナンス費用の削減が可能であるなどの優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施方法を示す断面図である。
【図２】エレクトロコーティングの生成反応図である。
【図３】海水中におけるＰＨ値と固体のＣａＣＯ₃ およびＭｇ（ＯＨ）₂ の生成との関係図である。
【図４】海水中のＣａＣＯ₃ 粒子のＰＨ値と表面荷電密度（ζ−potential）との関係図である。
【図５】海水中のＭｇ（ＯＨ）₂ 粒子のＰＨ値と表面荷電密度との関係図である。
【図６】鋼鈑表面近傍のＰＨの分布状況を示す図である。
【図７】エレクトロコーティングの成長過程を示す図である。
【図８】海水導水路用防汚システムの説明図である。
【図９】本発明を実施したテストデータである。
【図１０】比較対象のデータである。
【符号の説明】
１鋼鈑（金属板）
２アノード
２０コンクリート
２１アンカーボルト
２２エレクトロコーティング
２３海洋付着生物

Claims

コンクリート構造物の海水に浸漬した部分の表面に鋼板を固定し、該鋼板をカソードとし、該鋼板に対峙して配置したアノードとの間で電流密度が１３０〜２５０ｍＡ／ｍ ^２の電気を通電することにより、鋼板表面に下層がＭｇ（ＯＨ） _２で表層がＣａＣＯ _３であるエレクトロコーティングを析出させ、該エレクトロコーティングに付着した海洋付着生物を、カソードとアノードの間に電流密度が１〜５Ａ／ｍ^２の電気を０．５〜５ヶ月間通電して、エレクトロコーティングと共に剥離して除去することを特徴とするコンクリート構造物の防汚方法。
揚水ポンプに接続され、コンクリート構造で内面の海水に浸漬する部分に鋼板を固定した大径の海水導水管のエレクトロコーティングによる防汚装置であって、海水導水管内に長手方向に適宜の間隔で配置されたアノードと、海水導水管がカソードとなるように上記アノードとの間で通電する電源システムと、防食監視システムと、防汚監視システムとからなり、上記防食監視システムは海水導水管の内面に電位計測用電極が貼付されていて鋼板の電位を計測し、その電位が防食電位以上であれば、防食電位以下にするため電流密度が１３０〜２５０ｍＡ／ｍ ^２の防食電流を通電することによって、鋼板表面に下層がＭｇ（ＯＨ） _２で表層がＣａＣＯ _３であるエレクトロコーティングを析出させるように通電すべく上記電源システムに指令を出すものであり、上記防汚監視システムは上記揚水ポンプの負荷を検出し、海洋付着生物によって海水導水管が狭窄して揚水ポンプの負荷が所要の値以上に上昇したら、電源システムに指令を出して電流密度が１〜５Ａ／ｍ ^２になるようにアノードと海水導水管の間に通電させて海洋性付着物を剥離して除去するものであることを特徴とするコンクリート構造の海水導水管の防汚装置。
上記電位計測用電極はＡｇ／ＡｇＣｌ製である請求項２記載のコンクリート構造の海水導水管の防汚装置。