高度な冷却水処理コンセプト (パート 4)

編集者注: これは、Buecker & Associates, LLC の社長である Brad Buecker による複数部構成のシリーズの 4 回目です。

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数十年にわたり、酸化性殺生物剤は、冷却システムにおける微生物制御の中核処理として機能してきました。 塩素は最もよく知られた殺生物剤ですが、スケール/腐食制御プログラムの進化、およびそれに関連する弱酸性から中塩基性への pH の変化が、多くの場合、その選択に影響を与えています。 (1) 代替または改良された酸化剤の方が効果的である可能性があります。 また、困難な状態の場合は、非酸化性殺生物剤を補助的に使用することも有益である可能性があります。 このシリーズの次の 2 つのパートでは、微生物およびマクロ生物学的制御に関する最も重要な開発の多くを検討します。

多くの文献は、1893 年が飲料水の殺生剤として塩素が初めて使用された年であることを示唆しており、1900 年代初頭までにこの技術は急速に発展しました。 塩素ガスは通常 1 トンのボンベで供給され、多くの施設や飲料水などの保管方法になりました。 塩素を水に加えると、次のような反応が起こります。

Cl2 + H2O ⇌ HOCl + HCl 式 1

HOCl、次亜塩素酸は死滅剤であり、細胞壁を貫通し、細胞内部の成分を酸化することによって機能します。 塩素ガスの安全性の問題のため、多くの産業施設は、一般的な活性塩素濃度が 12.5% の液体次亜塩素酸ナトリウム (NaOCl、別名漂白剤) に切り替えました。 MIOX® の名前が最もよく知られているもう 1 つの一般的な代替方法は、塩水電気分解による現場での次亜塩素酸ナトリウム生成です。 このプロセスにより、漂白剤の保管が不要になります。

冷却水の塩素濃度の一般的な管理範囲は 0.2 ～ 0.5 ppm ですが、塩素要求量に応じて異なりますが、これについては後ほど説明します。 以下に示すように、塩素の有効性と殺傷力は、水中での HOCl の平衡性質により pH に大きく影響されます。

HOCl ⇌ H+ + OCl- 式 2

OCl- は HOCl よりも弱い殺生物剤です。これはおそらく、OCl- イオンの電荷により細胞壁に効果的に浸透できないためと考えられます。 次亜塩素酸の解離は、pH に関連して劇的に増加します。

現在、多くの冷却塔スケール/腐食処理プログラムは 8.0 付近またはわずかに上回るアルカリ性 pH で動作するため、後述するように、塩基性塩素よりも変性酸化化学反応の方が良い選択となる可能性があります。 また、次亜塩素酸は、再循環冷却水やプロセス水に多く存在する他の化合物と反応する可能性があります。 最も顕著なものはアンモニアと有機物です。 これらの非抗菌反応の合計は「塩素要求量」と呼ばれます。 この反応により塩素が消費され、微生物を攻撃するのに利用できる濃度が低下します。 反応によってはハロゲン化有機物が生成される場合があり、その排出濃度を制御することができます。

これらの問題に対するかなり一般的な答えは、臭素化学です。塩素酸化剤 (ここでも漂白剤が一般的な選択です) と臭化ナトリウム (NaBr) が補給水流に混合され、冷却水に注入されます。 この反応により次亜臭素酸 (HOBr) が生成されます。これは HOCl と同様の殺傷力を持ちますが、アルカリ性 pH でより効果的に機能します。

HOCl + NaBr ⇌ HOBr + NaCl 等式 3

図 2 は、HOCl と HOBr の解離を pH の関数として比較しています。

明らかに明らかなように、pH 8.0 では、HOBr の 80% が解離せずに残ります。

次亜塩素酸と同様に、次亜臭素酸もハロゲンを要求する強力な酸化剤です。 しかし、アンモニアと不可逆的に反応する塩素とは異なり、臭素-アンモニア反応は可逆的であるため、臭素は微生物に対して自由に活動できます。 臭素はハロゲン化有機物を形成することもあります。

問題となる可能性のあるもう 1 つの問題は、許容される酸化剤の供給時間 (1 日あたりの時間) です。これは、著者の経験に基づくと、貫流冷却システムの規制の影響を受けています。 国家汚染物質排出排除システム (NPDES) のワンススルー システムの許可に共通するのは、ユニットごとに 1 日あたり最大 2 時間の酸化剤供給です。 この制限は、冷却水出口における残留殺生物剤への水生生物の曝露を最小限に抑えるために実施されました。 この問題を超えて、一部の NPDES では、流出水の総残留オキシダント (TRO) 濃度制限がかつて標準だった 0.2 ppm 値からはるかに低いレベルに引き下げられました。 準拠するには、重亜硫酸ナトリウム (NaHSO3) などの還元剤の供給、あるいは場合によってはガス状二酸化硫黄 (SO2) を供給して、流出液の TRO 濃度を下げる必要があります。 ブローダウンは貫流排出よりもはるかに小さく、処理が容易であるにもかかわらず、冷却塔を備えたシステムの許可にも同様の 2 時間の時間制限が設けられています。 結論としては、殺生物剤の飼料の制限時間を 2 時間にすると、毎日残りの 22 時間で微生物が定着できるということになります。 このため、化学薬品供給システムを適切に保守および運用することがさらに重要になります。 「バグ」が足場を築くと、問題は急速に拡大する可能性があります。

2 つの発電所で何年にもわたって蒸気復水器の性能を追跡していた著者 (2) は、かつて殺生物剤供給システムの故障により汚れた復水器を電撃塩素化するプロジェクトに参加していました。 凝縮器の清浄度係数が非常に低いレベルに低下していました。 衝撃塩素処理により微生物は死滅しましたが、粘着性のスライム層の一部が剥がれただけで、凝縮器の清浄度は約 50% しか回復しませんでした。 次のユニット停止時に、残った材料を除去するために機械的な削り取りが必要でした。

生物分散剤/界面活性剤を併用すると、殺生剤がスライム層に浸透する経路が開かれ、殺生剤の有効性を高めることができます。 アニオン性アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルポリグリコシド、非イオン性エチレンオキシド/プロピレンオキシド (EO/PO) タイプのポリマーなど、数種類の界面活性剤が利用可能です。 (3)

最も一般的なのはアニオン性化合物で、表面に吸着することで小さな粒子の凝集を防ぎ、負の表面電荷を増加させて粒子の反発を引き起こします。 これらの生物分散剤は負の電荷を持っているため、水中に存在するカチオン種 (特に、頻繁に循環する冷却塔内のカルシウム) と相互作用し、有効性を失う可能性があります。 生物洗剤は通常、水処理プログラムで他の化合物と反応しない非イオン性分子です。 硬水でも優れた効率を発揮します。 それらの安定性は、バイオフィルムを除去する際の重要な要素です。

分散剤の役割は微生物を殺すことではなく、酸化剤を助けることであることに注意することが重要です。 殺生剤注入の前に分散剤を供給することは、多くの場合、化学物質がバイオフィルムを「条件付け」し、殺虫剤の効果を高めるため、最も効果的な手順となります。

塩素と臭素を安定化し、最も必要とされる場所で酸化剤を徐々に放出できる化合物がいくつかあります。 安定化されたハロゲンは、通常、親ハロゲンと比較して低い酸化力を示しますが、この酸化力の低下により、保護スライムによる反応などの望ましくない反応が最小限に抑えられるという点で、微生物の制御に関して実際にいくつかの利点が得られます。

スルファメート、ジメチルヒダントイン、イソシアヌレートの 3 種類の安定剤が市場を支配しています。 これらの化合物は、錠剤、顆粒、粉末などの固体の形で入手できます。 各製品には個別の溶解特性があるため、供給システムを設計する際には慎重な評価が必要です。 固形製品の供給用の一般的な設計は、錠剤/パックを装填できる小さな容器で、その後、錠剤/パックは冷却水の後流に徐々に溶解してメイン システムに戻ります。 液体供給システムも可能であり、その一例は安定化ヒダントインであり、次亜塩素酸ナトリウムと同時に後流に供給して安定化生成物を生成することができる。

代替酸化剤

ハロゲンに関して問題となる可能性がある問題は、固着コロニーが形成された場合、化学物質のほとんどが微生物によって生成される保護粘液によって消費されてしまうことです。 下の生物を攻撃するための殺生物剤がほとんど残っていない可能性があります。 次のセクションでは、2 つの代替酸化剤を検討します。

二酸化塩素

二酸化塩素 (ClO2) は室温で安定した気体で、水に溶けます。 化合物は保管できないため、現場で調製する必要があります。 何年も前、著者がこの殺生物剤に取り組んでいたとき、その生成技術は、塩素ガスと亜塩素酸ナトリウム (現場で保管できる NaClO2) を水後流に別々に混合し、主冷却水に再導入することで構成されていました。 NaClO2 または塩素酸ナトリウム (NaClO3) を酸性条件下で酸化剤と反応させる、より近代的で信頼性の高いシステムが現在利用可能です。 すべての化学薬品と同様、反応物を供給システムに投入し、供給システムを操作する際には、適切な安全手順を遵守することが必須です。

二酸化塩素はハロゲンより高価ですが、この化合物は高度な反応選択性を示し、バイオフィルムに浸透して微生物を攻撃することができます。 この選択性は、フェノールの分解や廃水の臭気制御など、他の非冷却用途に有利です。 二酸化塩素は溶液中で気体として存在するため、水が冷却塔を通過するときなど、曝気によって容易に除去されます。 殺生物剤の蒸気の流出を最小限に抑えるために、プロジェクト設計中に注入ポイントを慎重に評価する必要があります。

クロラミン

クロラミンは、1 世紀以上にわたって飲料水システムの微生物制御に役立ってきました。 現在、冷却水処理においてその利点が認識されています。 従来の塩素を水道に供給する際、塩素濃度が増加すると、モノクロラミン (NH2Cl) からジクロラミン (NHCl2)、そして三塩化窒素 (NCl3) へと一連のクロラミンが生成されます。 モノクロラミンは現代の生物付着制御にとって興味深い化合物であり、この目的のために自然な NH2Cl の流れを生成する技術が現在利用可能です。 モノクロラミンはハロゲンよりも反応性が低いですが、これは固着コロニーに対して利点となる可能性があります。 反応性が低下すると、化合物がバイオフィルムに浸透し、その下にある生物を攻撃することが可能になります。 ただし、モノクロラミンは一般に、望ましい微生物の破壊を達成するために次亜塩素酸塩よりも長い接触時間を必要とします。

過酸化水素、過酢酸、オゾン (現場で生成) など、他の酸化性化合物も利用できます。 ただし、これらの化学物質はさまざまな化合物と非常に迅速に反応するため、通常、大規模な冷却水用途には使用されません。 これらは、冷却塔充填物のオフライン洗浄に非常に効果的です。 (4)

紫外線 (UV) は多くの用途で微生物を殺すのに効果的であることが証明されていますが、水の濁りが著しい大流量の場合、光は効果を発揮するほど十分に浸透しない可能性があります。 そしてもちろん、紫外線はいかなる残留影響も与えません。 おそらく、今後の電力工学の記事でこのテクノロジーを調査することになるでしょう。

この記事では、微生物制御のための酸化性殺生物剤の主な特性の多くを検討しました。 重要な点は、供給システムが常に適切に動作する状態にある必要があるということです。 固着コロニーが発生すると、発生したスライム層を除去することが非常に困難になる場合があります。 その後の結果には、凝縮器や他の熱交換器における熱伝達の大幅な損失、コロニーによって直接的または間接的に生成される堆積物下の腐食の可能性、および冷却塔の充填物の汚れが含まれます。 このシリーズの次のパートでは、微生物とマクロの両方の生物学的制御のための補足治療としての非酸化性殺生物剤を検討します。

この議論は、時間をかけて開発された優れたエンジニアリング手法を表しています。 ただし、業界の専門家との協議に基づいて信頼できるプログラムを実装するのは、プラントの所有者、オペレーター、および技術スタッフの責任です。 これらのテクノロジーの設計とその後の使用については、1 つの記事で概要を説明できるほど多くの追加の詳細が説明されています。

参考文献

著者について: Brad Buecker は、コンサルティングおよびテクニカル ライティング/マーケティングを担当する Buecker & Associates, LLC の社長です。 最近では、ChemTreat, Inc. で上級技術広報担当者を務めました。電力および工業用水処理業界で 40 年以上の経験またはサポートの経験があり、その多くは蒸気発生化学、水処理、大気質管理、および結果エンジニアリングの職にあります。 City Water, Light & Power (イリノイ州スプリングフィールド) と Kansas City Power & Light Company (現 Evergy) のカンザス州ラ・シーニュ駅との接続。 Buecker はアイオワ州立大学で化学の学士号を取得しており、流体力学、エネルギーと物質の平衡、高度な無機化学の追加コースも受講しています。 彼はさまざまな専門業界誌で 250 を超える記事を執筆または共著しており、発電所の化学と大気汚染管理に関する本を 3 冊執筆しています。 [email protected] までご連絡ください。