はじめに建築設備において屋外に設置されている冷却塔の循環冷却水系統では冷却能力を発揮させるために水質の維持管理は重要なメンテナンス項目とされています水質管理が十分に行われなければ一般的にスケール障害, 腐食障害, スライム障害を引き起こすことが知られておりエネルギーロスや過剰な水資源の

Size: px

Start display at page:

Download "はじめに建築設備において屋外に設置されている冷却塔の循環冷却水系統では冷却能力を発揮させるために水質の維持管理は重要なメンテナンス項目とされています水質管理が十分に行われなければ一般的にスケール障害, 腐食障害, スライム障害を引き起こすことが知られておりエネルギーロスや過剰な水資源の"

ああすさわい
5 years ago
Views:

1 須賀技術報告 TECHNICAL REPORT NO 循環冷却水の電解処理によるスケール除去性能について [The scale removal by electrolysis for circulating cooling water.]

2 はじめに建築設備において屋外に設置されている冷却塔の循環冷却水系統では冷却能力を発揮させるために水質の維持管理は重要なメンテナンス項目とされています水質管理が十分に行われなければ一般的にスケール障害, 腐食障害, スライム障害を引き起こすことが知られておりエネルギーロスや過剰な水資源の消費などにつながります現状維持管理においては薬品注入による冷却水処理が主流となっていますが 1 投入薬剤の種類と濃度管理 2 排水系に含まれ排出される薬剤 3 薬剤費用の発生などの問題を抱えていますここでは無薬品処理の一手法である Ti 電極を用いた電気分解法に着目し陽極酸化被膜 (TiO 2 ) の絶縁破壊によって得られるスケール成分等の除去性能に関して解説します本資料の内容は循環冷却水にのみ限定されるものではなく他の用途設備 ( 冷温水, 給湯などの補給水など ) にも適用できるものであり広くスケール成分除去対策の参考資料として活用されることを期待します

3 目次 1. Ti 電極を用いた電気分解法について 1 2. フィールドでの実証実験について水処理装置 2.2 実験条件と性能確認項目 2.3 分析計測方法 3. フィールドでの実証実験結果について電気分解による水処理装置の性能 3.2 電気分解による水処理装置の反応機構 3.3 電気分解による水処理装置の性能評価 4. まとめ 9

4 1. Ti 電極を用いた電気分解法について今回採用している水処理技術は無薬品処理の一手法として考案された Ti 電極を用いた電気分解法です本方式は水中に対向して設置された電極 (Ti 電極 ) 間に定電流を印加することにより水中の無機質系物質の析出に伴うスケール成分の濃度を低下させます定電流電解処理による性能確認実験にて計測された電圧, 電気伝導率と水質分析値の変化を図 1, 図 2 に示します電極電圧 [V] A/m 2 1A/m 2 電圧 2A/m 2 電気伝導率 [ms/m] 電気伝導率 1A/ m2 2A/ m2 4A/ m 経過時間 [h] 経過時間 [h] 図 1 電圧と電気伝導率の経時変化電圧に関しては一旦上昇しますがその後低下し 15~17V に収束しています電気伝導率に関しては経過時間と共に値は減少する傾向を示しています次に水質分析結果では全ての項目にて 24 時間処理後の濃度が低下しています濃度 [mg/l] : 原水 :1A/m 2 :2A/m 2 :4A/m 2 本性能確認実験により Ti 電極を用いた電気分解法にてイオン状シリカやカルシウムなどの無機質系物質の濃度を低減させることが可能であり処理効果は 0 イオン状シリカ全硬度カルシウム硬度硫酸イオン塩化物イオン分析項目図 2 24 時間電気分解処理後の水質の変化電気伝導率を計測することによって確認できることが示唆されました 1

5 2. フィールドでの実証実験について実際のシステムに適用した際の性能を確認するためにフィールド実証実験を行いました実証実験は地域によって水質に差が生じることが予想されるので 3 地域 ( 栃木長野静岡 ) を選択し冷却塔を有する既設の循環冷却水システムに電気分解による水処理装置 ( 名称 :DBSS) を設置して実施しました 2.1 水処理装置実験に用いた電気分解による水処理装置には PVC 製の電解槽と制御盤を内蔵し電解槽底部に沈降した Si Ca Ti 等を含む沈殿物を定期的に分離排出する機能とカソード析出した固着成分を剥離するための極性変換機能を有しています電解槽の仕様を表 1 に示します表 1 電解槽の仕様項目仕様電極サイズ電極設置枚数 Ti 電極 :JIS2 種,304mm 609mm 2mm 厚アノード用とカソード用各 18 枚を交互に配列 2.2 実験条件と性能確認項目冷却塔の容量は 80,250,450 冷凍トンの 3 種類とし循環冷却水の電気伝導率は約 40~ 水処理装置 100mS/m に濃縮されていました電気分解による水処理は電極に電流密度 3A/m 2 の定電流を流し循環冷却水の一部を装冷却塔置内に供給し 1 パス処理後に循環系に戻す方法で 24 時間連続処理を約 6 ヶ月メンテナンスフリーで行いました装置の外観と実験フローについては図 3 を参照してください P 定期排出なお冷却塔の大きさに応じ電極面積と処理流量は調整しました図 3 装置の外観と実証実験フロー次に電気分解による水処理後の性能を確認するために下記の7 項目を対象に水質の分析, 電圧計測, 観察調査などを行いました 1 装置入口と出口の水質分析 2 処理水の腐食性 3 アノードカソード間の電圧計測 4 電極板表面状態の観察 5 電気伝導率の測定 6 分離排出した沈殿物の成分分析 7 循環水ドレン水における有害物質の有無 2

6 2.3 分析計測方法性能確認のための分析計測方法を以下に示し測定装置の仕様を表 2 に示します (1) 装置入口と出口の水質分析水質分析は定期サンプリング後に行う分析は ph 他 12 項目について実施したが今回はその中で溶解性蒸発残留物, イオン状シリカ, 全硬度の 3 項目に着目し水処理装置の入口と出口の水質分析値を確認する (2) 処理水の腐食性腐食性などを判定するために安定度指数, 飽和指数を計算より求める (3) アノードカソード間の電圧計測 1 時間毎に小型電圧ロガーを用いて測定を行う (4) 電極板表面状態の観察定期的に電極板表面状況の観察を行う (5) 電気伝導率の測定 4 時間毎に処理水の電気伝導率の測定を行う (6) 分離排出した沈殿物の成分分析採取した沈殿物は蛍光 X 線にて成分分析を行う (7) 循環水ドレン水における有害物質の有無イオンクロマトグラフ及びICP 発光分光法にて有害物質の有無について分析を行う 3

7 3. フィールドでの実証実験結果について 3.1 電気分解による水処理装置の性能 (1) 装置入口と出口の水質分析結果 ( 電気伝導率も含む ) 装置入口と出口の水質分析より得られた各分析項目に対応した濃度の期間平均値を表 3 に示します ( なお装置に供給された循環水は 1パスで処理されているため入口と出口の濃度差が成分除去性能に該当します ) 分析結果より電気伝導率, 溶解性蒸発残留物, イオン状シリカ, 全硬度ともに成分除去性能 ( 濃度の低減効果 ) が確認されました表 3 地域別での水質分析結果 (6 ケ月間 2 週ごとの平均値, 夏季を含む ) 項目栃木長野静岡入口電気伝導率 (ms/m) 出口溶解性蒸発残留物 (mg/l) イオン状シリカ (mg/l) 全硬度 (mg/l) 差入口出口差入口出口差入口出口差 (2) 処理水の腐食性に関する試算結果処理した循環水の腐食性などを確認するため水質分析結果から求めた安定度指数と飽和指数を図 4に示しますいずれの地域においても求めた安定度指数, 飽和指数はスケール性, 腐食性に偏ることなく大きな変動もみられずほぼ安定した数値を示しています 4

8 各域指数飽和指数 SUGA 推移 TECHNICAL REPORT NO 安定度指数飽和指数経過日数 (day) 図 4 地域別安定度指数, 飽和指数の経時変化栃木 / 安定度指数長野 / 安定度指数静岡 / 安定度指数栃木 / 飽和指数長野 / 飽和指数静岡 / 飽和指数 (3) アノードカソード間の電圧計測結果実験期間中の電圧推移を図 5 に示しますいずれも 16~21V 付近で推移しており特徴的な挙動として振れ幅の大きい電圧振動が確認されました計測された電圧振動は電極板金属の Ti 表面にて陽極酸化作用により酸化被膜 (TiO 2 ) の生成と破壊が繰り返されたことを裏付けています栃木長野静岡電圧 [V] 電圧 [V] 経過日数 [ 日 ] 経過日数 [ 日 ] 図 5 地域別アノード vs カソード電圧の経時変化経過日数 [ 日 ] (4) 電極板表面状態の観察結果アノードおよびカソード表面の写真を図 6 に示しますアノード側の電極板には縦横に Ti の溶解による線状の溝や孔が観察されましたカソード側もアノード側と同様の溝や孔がみられますがこれは一定時間で極性変換を行った結果同様の現象が発生したことを示していますカソード側に析出した固着物は極性変換によって陽極酸化被膜(TiO 2 ) の破壊が起こると同時に剥離することが確認されました 5

9 図 6 電極板の表面状態 (180 日経過後 ) (5) 分離排出した沈殿物の成分分析結果排出された白色沈殿物の写真を図 7 に示します沈殿物をろ過, 乾燥させ蛍光 X 線より得られた分析結果を基に Ti 電極由来物を除く成分比率を表 4 に示します求めた成分比率より沈殿物には主に Ca Si Cl 等が含まれておりこの結果は装置入口と出口の水質分析結果と同様の傾向を示しています図 7 排出された沈殿物表 4 排出された沈殿物の主成分 ( 成分比率 %) 化学種地域 Ca Si Cl Mg 栃木長野

10 (6) 循環水ドレン水における有害物質の有無イオンクロマトグラフによる分析結果を表 5 に ICP 発光分光装置による分析結果を表 6 に示しますいずれの分析結果においても有害な物質は検出されておりません表 5 イオンクロマトグラフによる分析結果 (mg/l) ( 分析は長野地域のみ ) 種類循環水ドレン水 Li 未満 0.1 未満陽イオン Na Ca Mg Cl 陰イオン NO 3 - SO 表 6 ICP 発光分光分析装置による分析結果 (mg/l) ( 分析は長野地域循環水のみ ) 10 以上 0.1 以上 ~10 未満 0.1 未満 Ca,Mg,Na Al,Ti Ag,As,B,Ba,Cd,Co,Cr,Cu,Fe,In,Li,Mn,Mo,Ni,Pb, Sb,Se,Sn,Tl,Zn 3.2 電気分解による水処理装置の反応機構本水処理装置におけるアノードとカソードの反応は図 8 に示すような反応機構によって進行していると考えられます陽極酸化によって生成した絶縁被膜 (TiO 2 ) はアノード電流により絶縁破壊剥離が連続して起きるこの際電気泳動した水中のアニオンや Si 等は共沈作用で分離沈殿する H 2 O 1/2O 2 +2H + + 2e - (1) Ti + 2 H 2 O TiO 2 + 4H + + 4e - (2) TiO 2 はアノード電流により絶縁破壊が起き,Si, アニオン等が共沈で分離するカソード側では水の電気分解により水酸基 (OH - ) が発生し ph が高くなるので電気泳動した Ca, Mg,Si 等が溶解度の低下によって析出沈降し一部は電極表面に析出物として固着する H 2 O + e - 1/2H 2 +OH - (4) Ca(OH) 2 + 2CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 (5) Ca(HCO 3 ) 2 + OH - CaCO 3 + HCO H 2 O (6) 図 8 アノード / カソード反応の進行 7

11 3.3 電気分解による水処理装置の性能評価今回の電気分解による水処理装置において反応が進行した状態での装置処理能力に関して下記に示す成分除去量によって評価を試みました式 (1) に示すように水処理装置の入口と出口の処理水に含まれる溶解性蒸発残留物の濃度を基に処理流量から時間当たりの成分除去量を求めました M=(R 1 -R 2 )/1000 Q 60 式 (1) M : 成分除去量 g/hr R 1 : 装置入口の溶解性蒸発残留物 mg/l R 2 : 装置出口の溶解性蒸発残留物 mg/l Q : 装置で処理される流量 L/min 地域別での試算結果を表 7 に示します表 7 成分除去量 ( 式 (1) より算出 ) 地域成分除去量 (g/hr) 栃木 11.8 長野 13.8 静岡 12.4 試算結果では成分除去量はほぼ 12~14g/hr となっており地域による大きな差は認められませんさらに本試算結果を基に年間稼動条件下での除去量を推定したところ 105~123kg/year ほどに相当し大きな除去効果が得られることが示されました 8

12 4. まとめ電気分解による水処理装置を対象とした今回のフィールドでの実証実験より次に示す結果が得られました 1 3 地域の異なる水質において循環冷却水中に含まれるスケール成分等を物理的に分離除去できることを検証しさらに絶縁破壊を継続的に発生させ電流を流し続けることで除去性能が維持できることが確認されました 2 24 時間の連続処理を約 6 ヶ月メンテナンスフリーで行った結果電極板についてはアノードとカソードを定期的に極性交換し交互に使用することで長期間性能を維持できました 3 水質分析値及び安定度指数, 飽和指数とも極端に変化することはなく安定した状態で循環冷却水中の成分除去を連続して実施可能でした 4 性能評価として溶解性蒸発残留物から時間あたりの成分除去量を試算した結果地域による差はほとんど認められず水質分析結果とも整合性がとれていました冷却水を対象とした従来の水質管理方法と問題点を以下に示します (1) 無処理 ( 濃縮過剰運転 ) : エネルギーロス冷凍機高圧カット漏水 (2) ブロー管理のみ ( 補給水量大 ) : 上下水道コスト高 (3) 薬剤注入 +ブロー管理 ( 薬品の使用 ): 薬品代の発生維持管理の手間大排水処理の問題冷却塔の循環水を対象とした水質管理は濃縮倍率を基にした薬剤投入とブローによる方法が主流ですが効果を継続させるには十分な維持管理が必要です H 2 O+ 熱外気充填材蒸発充填材外気冷凍機補給水 (H 2 O+Ca 2+ +Cl - ) 濃縮倍数 (Ca 2+ +Cl - )+H 2 O ブロー水図 9 ブロー管理による冷却水の水質処理 9

13 本水処理装置は電気分解による硬度成分の析出と極性変換による析出物の剥離を自動的に行うものであり人手をかけることなくノンケミカルで環境に優しい装置といえ期待される効果としては下記の事項が挙げられます 1 薬品レス ( 薬品排水の削減 ) 2 水資源 ( ブロー水 ) の省資源化と熱交換効率の up による省エネ化 3 冷却塔冷凍機の保守費用削減 O 2 H 2 電極 2 絶縁破壊共沈一部固着電極 (+) (-) 1 電気泳動析出沈降 4 ドレン自動排出極性変換 H 2 電極 1 電気泳動析出沈降一部固着 3 極性変換による剥離沈降 O 2 電極 (-) (+) 2 絶縁破壊共沈 4 ドレン自動排出 ; 電極由来成分 ; 腐食原因成分 ( 塩化物イオン等 ) ; スケール原因成分 ( 硬度分シリカ等 ) 図 10 電極の反応機構と極性変換参考文献 1) 酒井康行著 : 空調設備の腐食と防食第 3 章冷却水の水管理と配管材,pp64, , 技術書院発行 2) 和氣敏治, 堀池誠 : 冷却水系の腐食抑制剤, 材料と環境,50,pp3,2001 3) 佐々木国興 : 冷却水系の腐食と管理開放式冷却塔, 冷凍, 第 77 巻, 第 897 号,pp48,2002/07 4) 高田秋一川原孝七 : クーリングタワー, 省エネルギーセンター,pp87,2003 年 5) 小倉和美 : 薬品による水質管理技術, 冷凍, 第 79 巻, 第 922 号,pp3,2004/08 6) 仲野崇行, 加藤正人, 水流徹 : 循環冷却水の電解によるスケール除去と電解条件の検討, 第 54 回材料と環境討論会講演集 pp 年 10 月 7) 仲野崇行, 加藤正人, 水流徹 : 循環冷却水の電解によるスケール除去と性能評価, 第 55 回材料と環境討論会講演集 pp 年 5 月 8) 津田崇弘, 永井崇昭, 朝倉祝治 : 流動する水道水中の鋼にエレクトロコーティングを形成ざせるカソード分極条件, 第 54 回材料と環境討論会講演集,pp483,2005 9) 竹田喜一, 中村勉, 小松英寿, 仲野崇行, 水流徹 : 循環冷却水の電解処理によるスケール除去性能について ( 社 ) 空気調和衛生工学会大会 pp

14 循環冷却水の電解処理によるスケール除去性能について冷却塔の循環冷却水系統を対象に無薬品処理の一手法である Ti 電極を用いた電気分解法に着目し陽極酸化被膜 (TiO 2 ) の絶縁破壊によって得られるスケール成分の除去性能に関して解説しますキーワード : 冷却塔 / 循環 / 冷却水 / 水質管理 / 無薬品処理 / 電気分解 / 省資源 / チタン電極 / 絶縁破壊 / ブロー水 / 濃縮倍率 / 電気伝導度 / 硬度成分 / 陽極酸化被膜 /DBSS/ スケール / 除去 / カルシウム / シリカ / 電気泳動 / 省エネルギー / 水処理装置 / 溶解性蒸発残留物 / 飽和指数 / 安定度指数 / 薬品レス / 保守費用削減分類 : 須賀技術報告 SUGA TECHNICAL REPORT No 資料名 : 循環冷却水の電解処理によるスケール除去性能について発行者 : 編集 : 技術研究所

2009年度業績発表会（南陽）

2009年度業績発表会（南陽）高速イオンクロマトグラフィーによるボイラ水中のイオン成分分析のご紹介東ソー株式会社バイオサイエンス事業部 JASIS 217 新技術説明会 (217.9.8) rev.1 1. ボイラ水分析についてボイラ水の水質管理ボイラ : 高圧蒸気の発生装置であり工場, ビル, 病院など幅広い産業分野でユーティリティ源として利用されている安全かつ効率的な運転には日常の水質管理, ブロー管理が必須