JP2005262197A - 冷却水処理装置及び冷却水処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水ライン中の流速が遅い箇所でもスケール成長が確実に防止される冷却水処理装置と冷却水処理方法を提供する。
【解決手段】電解装置１は、内部が隔膜６によって陽極室２と陰極室３とに区画されており、陽極室２内に陽極４が設置され、陰極室３内に陰極５が設置されている。冷却水又は補給水が配管１ａから配管１ｂを介して陽極室２に導入され、配管１ａから配管１ｃを介して陰極室３に導入され、配管１ｄを介して陽極室２から流出する。陰極室３で生成したアルカリ水の一部は配管１ｅを介して系外へ排出される。陽極４及び陰極５には、電源１０から電流制御装置１１を介して電圧が付加される。陽極室２を通過した水は、ｐＨが低下すると共に、Ｃａイオン、Ｍｇイオン等の金属イオン濃度が低減されているので循環水系でのスケール発生が防止される。
【選択図】図１

Description

本発明は冷却水系におけるスケール付着を防止するための冷却水処理装置及び冷却水処理方法に関する。

冷却水系では、熱交換器で冷却を行って昇温した冷却水（循環水）を冷却塔に送って、一部を蒸発させることにより冷却し、冷却した冷却水を熱交換器に循環させて冷却を繰り返している。このような冷却水系では、循環水は冷却塔における蒸発により濃縮される。冷却水系の補給水または濃縮された循環水中に含まれるカルシウム、マグネシウム等の硬度成分その他のスケール成分は、熱交換器の伝熱面で析出してスケール化し、熱伝導率の低下などを引き起こすことが知られている。

スケールを防止するための方法として、リン酸等の薬剤を添加する方法が知られているが、薬剤コストがかかる。薬剤を用いることが不要な冷却水の水処理方法として、特開２００３−１９０９８８号公報には、冷却水系の補給水または循環水を、極性が変わるバイポーラ電極を有する電解装置に通水し、補給水または循環水に含まれるスケール成分を微小な結晶として析出させることにより、冷却水系におけるスケール付着、特に伝熱面におけるスケール付着を防止する方法が記載されている。

この電解装置においては、カルシウムイオン、マグネシウムイオン等の陽イオンは導電性粒子の陰極側に集まり、炭酸イオン、シリカなどは陽極側に集まる。陰極付近が高ｐＨのため、陰極付近でスケールが析出する。正負の極性を逆に変換すると陰極は陽極となり、電極表面のｐＨが低下する。このため、析出したスケールは電極近傍で溶解して溶液中へ流れ出る。この結果、非常に微細な結晶を得ることができる。その後はこの微細結晶が核となって結晶が析出する。極性を変換しながら電解を継続することにより、被処理水中のスケール成分は結晶となって循環水中に析出し、循環水のスケール傾向が低減され、伝熱面等へのスケール付着が防止される。
特開２００３−１９０９８８号公報

上記特開２００３−１９０９８８号公報の電解装置を備えた冷却水系において、電解装置で生じた微粒子を含んだ冷却水は熱交換部やクーリングタワーへ送り込まれ、その部位において溶解度が過飽和状態になる。過飽和状態において新たに結晶核を生成するために必要なエネルギーと既に存在する結晶を元に結晶成長するために必要なエネルギーでは既に存在する結晶を元に成長する方がはるかに必要なエネルギーが小さいので、流れてきたスケール成分の微粒子が大きく成長する。

この循環水は、スケール成分が過飽和状態となる程に多量に溶解しているので、上記のスケール成分の微粒子は循環冷却水ラインを流れる間に成長し粗大化する。粗大化したスケール成分の粒子は循環冷却水ライン中の流速が遅い箇所、例えばクーリングタワーの充填材上や熱交換部にスラッジ状に堆積し、これがスケールへと成長する。

本発明は、冷却水ライン中の流速が遅い箇所でもスケール成長が確実に防止される冷却水処理装置と冷却水処理方法を提供することを目的とする。

本発明（請求項１）の冷却水処理装置は、陽極と陰極との間に冷却水系の補給水又は冷却水が通水される電解装置を備えてなる冷却水処理装置において、該電解装置は、該陰極で生成するアルカリ水の少なくとも一部を系外に排出するためのアルカリ水排出手段を有することを特徴とするものである。

本発明（請求項４）の冷却水処理方法は、陽極と陰極との間に冷却水系の補給水又は冷却水を通水して電解処理する冷却水処理方法において、該陰極で生成するアルカリ水の少なくとも一部を系外に排出することを特徴とするものである。

本発明の冷却水系としては、開放式又は密閉式循環冷却水系や、一過式冷却水系、密閉式冷却水系等が挙げられる。以下の説明では循環式冷却水系を例にとって説明するが何ら、これに限定されるものではない。

かかる本発明の冷却水処理装置及び冷却水処理方法によると、冷却水（循環冷却水系の補給水又は冷却水（この場合は循環水））は、陽極及び陰極において、各々、以下のように電解される。
陽極：２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻
陰極：４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻＋２Ｈ_２
この反応により陽極近傍の水は酸性になり、陰極近傍の水はアルカリ性となる。

本発明では陰極で生成したアルカリ水の少なくとも一部を系外へ排出することにより、陽極で生成したＨ^＋は中和されずに循環冷却水系に供給される。このため、循環冷却水系に供給されたこのＨ^＋により、循環冷却水系内の冷却水のｐＨは低下し、循環冷却水系のスケール生成傾向が低減される。

また、前述した通り、陰極近傍の水はアルカリ性となるため、陰極近傍で炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムが生成し、これらがスケール微粒子となって析出することからもスケール化傾向が低減される。

本発明において、陰極で生成するアルカリ水を系外へ排出する手段は特に限定されるものではないが、陽極と陰極とを多孔質膜又はイオン交換膜等からなる隔膜で陽極室と陰極室とに隔てて、陰極室からアルカリ水を抜き取るようにしても良いし（請求項２及び請求項５）、透水性を有する多孔体で陰極を構成し、この多孔質陰極を透過した透過水をアルカリ水として排出するようにしても良い（請求項３及び請求項７）。

特に、陰極を多孔体とした場合、陰極と水との接触面積が大きく、この陰極表面及び陰極中に水中の溶存スケール成分が、陽極・陰極間を詰まらせることなく、効率的に析出し、前述した水のスケール生成傾向低減効果がより一層顕著となる。更に、陰極の多孔体を透過した透過水をアルカリ水として排出することにより、陰極近傍１ｍｍ程度の距離範囲内で形成される高アルカリ水のみを抜き取ることが可能であり、効率的である。

本発明の冷却水処理方法においては、隔膜によって隔てられた陽極室と陰極室を有する電解装置を用い、陽極室からの流出流量ａと陰極室からの流出流量ｂとの比ａ／ｂを７０／３０〜９８／２とすることが好ましい（請求項６）。

また、冷却水のランジェリア指数が正、好ましくは０．２〜１．５特に０．５〜１．２となるように電解処理条件及び／又はアルカリ水の系外への排出量を制御することにより、防食性を保持したまま、循環冷却水系におけるスケール防止を図ることが可能となる（請求項８）。

この電解装置において、陰極室からの水をブロー水の一部として排出することにより、冷却水系でのスケール発生を十分に防止することができる。また、この電解装置において、間欠的に転極を行って陽極室及び陰極室内の電極を洗浄するようにしても良い。

本発明の冷却水処理装置及び冷却水処理方法によると、循環冷却水等の冷却水中のｐＨを低下させることができ、その結果冷却循環水のスケール化傾向を下げることができるため、熱交換部や冷却塔等にスケールが析出しなくなる。なお、この循環冷却水中のｐＨは極端には低下しないので、腐食が生じることはない。

本発明によれば、薬品を使用せずに循環冷却水等の冷却水中のスケール成分を一定濃度で運転することができるため、ランジェリア指数を任意に設定・管理することにより、高濃縮運転時においても、スケールの析出防止と共に腐食の低減が可能となる。特に、硬度が高い地方においても高濃縮運転が可能となり、より一層の節水に繋がる。

以下、図面を参照して本発明の冷却水処理装置及び冷却水処理方法について説明する。図１は実施の形態に係る循環冷却水処理装置の電解装置の概略的な縦断面図、図２は図１のII-II線断面図である。

この電解装置１は、内部が隔膜６によって陽極室２と陰極室３とに区画されており、陽極室２内に陽極４が設置され、陰極室３内に陰極５が設置されている。

循環冷却水又は補給水が配管１ａから配管１ｂを介して陽極室２に導入され、配管１ａから配管１ｃを介して陰極室３に導入され、配管１ｄを介して陽極室２から流出する。このように、循環冷却水又は補給水は上向流通水することが好ましい。これは電気分解により気泡が発生するためである。

陰極室３にはアルカリ水の少なくとも一部を系外に排出するためのブロー用配管１ｅが設けられている。配管１ｂ及び１ｃにはそれぞれ陽極室用バルブ７と陰極室用バルブ８とが設けられており、配管１ｅにはブローバルブ９が設けられている。これらのバルブ７，８，９は制御装置１２によって制御される。なお、循環冷却水系配管（図示せず）にｐＨ測定器１３が設けられ、その検出値がバルブ制御装置１２に入力されている。

陽極４及び陰極５には、電源１０から電流制御装置１１を介して電圧が付加される。

このように構成された電解装置１の該陽極室２に循環冷却水又は補給水が通水される。バルブ７，８，９の開度を制御することにより、陽極室２及び陰極室３の通水量及びブローアウト水量を制御する。

陽極室２を通過した水は、ｐＨが低下すると共に、電気泳動によりＣａイオン、Ｍｇイオン等の金属イオン濃度が低減されているので、循環水系でのスケール発生が防止される。

この配管１ｄを流れる陽極室からの流出流量ａと、配管１ｅを流れる陰極室３からの流出流量ｂとの比ａ／ｂは７０／３０〜９８／２とすることが好ましい。

また、配管１ｅからのブローアウト水量は、冷却水系全体のブロー量の１００％以下、特に５０％以下とすることが好ましい。

上記の通り、冷却水又は補給水が陽極室２を通過することにより、ｐＨが酸性となり、また、Ｃａイオン、Ｍｇイオン等の金属イオン濃度が低下するが、ｐＨ測定装置１３で検出される水のｐＨが７〜９特に７．８〜８．２となり、冷却水系の冷却水のランジェリア指数が正、好ましくは０．２〜１．５とりわけ０．５〜１．２となるように、電解処理条件及び／又はブローアウト水量を制御することが好ましい。

電解装置２の通水量は０．００１〜２ｍ／ｓｅｃ程度が好ましい。

電解の電流密度は０．０２〜２Ａ／ｄｍ^２程度が好ましく、電極への印加電圧は４０Ｖ以下が好ましい。

隔膜６としては、耐酸性及び耐アルカリ性に優れた材料よりなるものが好ましい。隔膜６の孔径は、１０μｍ以下では浸透圧が生じるところから、０．１〜２ｍｍ程度が好ましい。陽極室２は陰極室３よりも容積が大きいことが好ましい。

本発明においては、特に電解装置の陰極として、透水性の多孔体を用いることにより、前述の如く、陽極・陰極間を詰まらせずに効率的にスケール析出が可能であるという効果の他、この多孔体を透過した透過水を取り出すことにより効率的に高アルカリ水を排出できるという効果が奏され、好ましい。

この場合、陰極として用いる多孔体の好ましい態様としては、空隙率：５０〜９７％で、孔径：１００〜２，０００μｍであり、その材質としては炭素、金属、金属酸化物等の導電性材料の１種又は２種以上よりなるものが挙げられる。

電解装置の陰極としてこのような多孔質電極を用いた場合、電解装置の運転条件としては、電極間距離：１０ｍｍ、電流密度：０．１〜２Ａ／ｄｍ^２で、電極への印加電圧は２〜３０Ｖとすることが好ましい。

このような多孔質電極は導電性で、かつ好ましくは空隙率５０〜９７％の多孔質であるため、この多孔質電極を用いて析出表面を増大させることで、電極表面だけでなく電極内部にまで積極的にスケールを析出することができる。さらに、多孔質電極を通してアルカリ水を引き抜くことにより、陰極内部での析出をより一層促進させることができると共に、これを系外に排出することにより本発明の効果をより顕著に達成することができる。

電解装置の陽極と陰極とは図１，２に示す如く、隔膜で隔てることにより、電解効率を高めることができるが、一方で、隔膜にスケールが析出しやすいという問題がある。従って、本発明で用いる電解装置は、必ずしも隔膜を設けたものに限らず、隔膜のないものであっても良い。

以下に、本発明に好適な、陰極として多孔質電極を用いた電解装置について図３，４を参照して説明する。図３，４は、実施の形態に係る冷却水処理装置の電解装置の概略的な断面図であり、図３は無隔膜型電解装置を示し、図４は隔膜型電解装置を示す。図３，４において、同一機能を奏する部材には同一符号を付してある。

図３の無隔膜電解装置２０は、ケース内に陽極（不溶性金属電極）２１Ａ，２１Ｂと陰極（多孔質電極）２２Ａ，２２Ｂとが間隔をあけて交互に２対配置され、各々、陽極２１Ａ、陰極２２Ａとの間に電解室２３Ａが形成され、陽極２１Ｂ、陰極２２Ｂとの間に電解室２３Ｂが形成され、陰極２２Ａと２２Ｂとの間にアルカリ水室２４が形成されている。陽極２１Ａ，２１Ｂと陰極２２Ａ，２２Ｂとの間には直流電圧が印加される。

冷却水系の補給水又は冷却水は、電解室２３Ａ，２３Ｂに連続的に導入され、この電解室２３Ａ，２３Ｂの流出水は循環冷却水系等の冷却水系へ送給される。前述の反応式に従って、陽極２１Ａ，２１Ｂ近傍では酸性水が生成し、陰極２２Ａ，２２Ｂ近傍では水酸化物イオンが発生してアルカリ性になるため、重炭酸イオンが炭酸イオンに解離して、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムのスケールとなって析出が促進される。

この陰極２２Ａ，２２Ｂでは、その多孔質による広い接触面積で上記反応が効率的に進行する。そして、この陰極２２Ａ，２２Ｂ近傍で生成し、電解室２３Ａ，２３Ｂから陰極２２Ａ，２２Ｂの多孔体を透過したアルカリ水をアルカリ水室２４を介して引き抜くことにより、陰極表面近傍の水を更新して、より一層この析出を促進することができる。そして、このアルカリ水室２４のアルカリ水をブローアウトすることにより、電解装置２０から循環冷却水系へ送給する水のｐＨを低下させ、良好なスケール防止効果を得ることができる。このブロー水量は前述の如く、陽極室からの流出水量／陰極室からの流出水量を７０／３０〜９８／２とする。

また、電解装置から循環冷却水系に送給される電解処理水は、冷却水系の冷却水のｐＨが７〜９特に７．８〜８．２となり、ランジェリア指数が正、好ましくは０．２〜１．５とりわけ０．５〜１．２となるように、電解処理条件及び／又はアルカリ水の系外への排出量を制御することが好ましい。

図４の隔膜型電解装置２０Ａは、陽極２１Ａと陰極２２Ａとの間の電解室２３Ａと、陽極２１Ｂと陰極２２Ｂとの間の電解室２３Ｂ内に、各々、隔膜２５Ａ，２５Ｂが設けられている点が図３の無隔膜型電解装置２０と異なり、その他の構成は同様とされている。なお、この隔膜型電解装置２０Ａにおいて、被処理水（冷却水系の補給水又は冷却水）は、電解室２３Ａ，２３Ｂのうち、隔膜２５Ａ，２５Ｂで仕切られた陽極２１Ａ，２１Ｂ側の室側へ導入し、また、循環冷却水系へ戻す電解処理水も、この陽極２１Ａ，２１Ｂ側の室から抜き出すことが好ましい。

この電解装置２０Ａであっても、図３の電解装置２０と同様に電解が進行し、冷却水のｐＨ低下等により良好なスケール防止効果を得ることができる。この電解に当たり、陽極２１Ａ，２１Ｂと陰極２２Ａ，２２Ｂとの間に各々隔膜２５Ａ，２５Ｂが設けられているため、電解効率が高い。

この隔膜２５Ａ，２５Ｂとしても、前述の図１の電解装置１の隔膜６と同様、耐酸性及び耐アルカリ性に優れた材料よりなるものが好ましく、その孔径が１０μｍ以下では浸透圧が生じるところから、０．１〜２ｍｍ程度が好ましい。

陰極として、図３，４に示す如く、多孔質電極を用いた場合、転極を行うことも可能であるが、電解を継続することにより、規定量のスケールがこの多孔質電極に析出して効率が低下した際には、酸洗浄を施してスケールを溶解除去することにより繰り返し使用することが好ましい。

なお、図１〜４には、本発明に好適な電解装置の一例を示すものであって、本発明で用いる電解装置は何ら図示のものに限定されるものではなく、例えば、隔膜によって陽極室と陰極室とが隔てられている図１、図２及び図４の装置にあっては、補給水又は冷却水は陽極室のみに導入されてもよいし、陰極室に流出用配管を、ブロー用配管とは別に設け、陰極室からの流出水と陽極室からの流出水とを合流させてから循環冷却水系へ返送するようにしてもよい。

また、このような電解装置を循環冷却水系の冷却水の循環ラインに設置する場合、その設置箇所には特に制限はないが、後述の図６に示すように、冷却塔の貯水槽内の水をポンプで抜き出して貯水槽に戻す循環ラインを設け、この循環ラインに電解装置を設置することが好ましい。

実施例１
３００ＲＴ（冷凍トン）の冷却水系の循環冷却水ラインに図１，２に示す電解装置を図６の通りに組み込んだ。冷却水系の条件は表１の通りである。

電解装置１の運転条件は表２の通りとした。

循環冷却水のカルシウム硬度、Ｍアルカリ度、ｐＨ及びＬＴＤ（Ｌｅａｖｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ：熱交換器の被冷却媒体出口温度と冷却水出口温度との差）の経時変化を図５に示す。なお、全実験期間を通じて循環水のランジェリア指数は０．５〜０．７の範囲で推移した。

比較例１
実施例１の循環冷却水系において、電解装置への通電を停止した他は同様にして運転を行った。このときの循環冷却水の水質の経時変化を図５に併せて示す。なお、全実験期間を通じて循環水のランジェリア指数は１．３〜１．７の範囲で推移した。

図５より明らかな通り、実施例１ではｐＨおよびＭアルカリ度の低下した電解酸性水を冷却水として用いることにより、冷却水系へのスケール析出が抑制され、長時間にわたる運転が可能となった。それに対して比較例１では、熱交換器においてスケールが生成したためＬＴＤは徐々に上昇した。なお、実施例１では従来の電解装置で必要だったスラッジ処理が不要となった。

実施例２
図３に示す電解装置２０を、図６に示す開放循環冷却水系に設置して処理を行った。図６において、３０は冷却塔であり、下部の貯水槽３１の冷却水がポンプＰ_１を有する循環配管３２より熱交換器３３に送給され、戻り水が配管３４より戻される。貯水槽３１には、槽内の水をポンプＰ_２を備える配管３５より抜き出して、電解装置２０で電解処理し、処理水を配管３６より貯水槽３１に戻す循環ラインが設けられている。なお、貯水槽３１には、図示しない補給水配管より補給水が補給され、また、図示しないブロー配管より、ブロー水が系外へ排出される。

この冷却水系では、厚木市水５倍濃縮で３００冷凍トンの運転を行った場合、補給水カルシウム硬度が４０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌであるから５倍濃縮理論カルシウム硬度は２００ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌとなるが、電解装置２０において、循環水の炭酸カルシウムスケール析出速度が１５ｇ−ＣａＣＯ_３／ｍ^３／ｈｒとなるように、かつ多孔質陰極背面のアルカリ水室から排出する水量を電解室流出水の１／５０となるよう運転条件を設定したところ、循環水中のＭアルカリ度は１００ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ前後で安定運転が可能となり、開放点検時の熱交換器３３へのスケール付着は見られなかった。

このような電解処理を施していない系では、スケールの析出しない限界の循環水中カルシウム硬度は１２０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ程度であることから、循環水のカルシウム硬度が１００ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌを超えないように電解処理２０を運転させることが望ましい。

この運転条件で運転を継続し、熱交換器３３へのスケール析出速度を調べたところ、表３に示す結果が得られた。

なお、電解装置として、図３に示す電解装置２０の代りに、図４に示す電解装置２０Ａを設け、多孔質陰極背面のアルカリ水室から排出する水量を電解室流出水量の１／２０とした以外は同じ条件で処理した場合も、同様の結果が得られた。

比較例２
実施例２において、ポンプＰ_２を停止して、循環水の電解処理を行わないこと以外は同様にして運転を行った。その結果、濃縮倍数による理論カルシウム硬度は２００ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌであるが、循環水中のカルシウム硬度は１２０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌまで低下して安定し、残りの８０ｍｇ−ＣａＣＯ_３／Ｌ分は熱交換器及び冷却塔へ析出していた。

この運転条件で運転を継続し、熱交換器３３へのスケール析出速度を調べたところ、表３に示す結果が得られた。

本発明に用いられる電解装置の一例を示す模式的な断面図である。 図１のII-II線断面図である。 本発明に用いられる電解装置の他の例を示す模式的な断面図である。 本発明に用いられる電解装置の別の例を示す模式的な断面図である。 実施例１及び比較例１の水質の経時変化図である。 実施例で電解処理を適用した開放循環冷却水系を示す系統図である。

符号の説明

１ 電解装置
２ 陽極室
３ 陰極室
４ 陽極
５ 陰極
６ 隔膜
２０，２０Ａ 電解装置
２１Ａ，２２Ｂ 陽極
２２Ａ，２２Ｂ 陰極
２３Ａ，２３Ｂ 電解室
２４ アルカリ水室
２５Ａ，２５Ｂ 隔膜
３０ 冷却塔
３１ 貯水槽
３３ 熱交換器

Claims (8)

1. 陽極と陰極との間に冷却水系の補給水又は冷却水が通水される電解装置を備えてなる冷却水処理装置において、
   該電解装置は、該陰極で生成するアルカリ水の少なくとも一部を系外に排出するためのアルカリ水排出手段を有することを特徴とする冷却水処理装置。
2. 請求項１に記載の冷却水処理装置において、該電解装置は、該陽極を有する陽極室と、該陰極を有する陰極室と、該陽極室と該陰極室とを隔てる隔膜とを備え、該陰極室に該アルカリ水排出手段を有することを特徴とする冷却水処理装置。
3. 請求項１又は２に記載の冷却水処理装置において、該陰極は透水性を有する多孔体からなり、該アルカリ水排出手段は該多孔体を透過した透過水の少なくとも一部を排出するものであることを特徴とする冷却水処理装置。
4. 陽極と陰極との間に冷却水系の補給水又は冷却水を通水して電解処理する冷却水処理方法において、
   該陰極で生成するアルカリ水の少なくとも一部を系外に排出することを特徴とする冷却水処理方法。
5. 請求項４に記載の冷却水処理方法において、該陽極を有する陽極室と該陰極を有する陰極室とが隔膜によって隔てられており、該陰極室からアルカリ水の少なくとも一部を系外に排出することを特徴とする冷却水処理方法。
6. 請求項５に記載の冷却水処理方法において、該陽極室からの流出流量ａと該陰極室からの流出流量ｂとの比ａ／ｂを７０／３０〜９８／２とすることを特徴とする冷却水処理方法。
7. 請求項４ないし６のいずれか１項に記載の冷却水処理方法において、該陰極は透水性を有する多孔体からなり、該多孔体を透過した透過水の少なくとも一部をアルカリ水として系外へ排出することを特徴とする冷却水処理方法。
8. 請求項４ないし７のいずれか１項に記載の冷却水処理方法において、冷却水のランジェリア指数が正となるように電解処理条件及び／又はアルカリ水の系外への排出量を制御することを特徴とする冷却水処理方法。

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