熱交換器の性能低下を引き起こす付着物とは

熱交換器における性能低下を引き起こす付着物は、目に見えにくいコストの原因です。効率を低下させ、エネルギーコストを押し上げ、メンテナンス頻度も増加させます。本記事では、その発生メカニズムや原因を詳しく解説し、さらに重要な「予防策」についてもご紹介します。運用担当者にも、エンジニアにも、性能向上とコスト削減の両立を図るうえで必読の内容です。

更新日 2025-07-28 執筆者 Patrick Horner

A. はじめに

水は地球上で最も豊富に存在する液体であり、生命を維持するうえで重要な役割を果たしています。水には多くの特性がありますが、その中でも「万能の溶媒」として知られているのは、自然界に存在するほぼすべての物質を、程度の差こそあれ溶かす性質を持っているからです。この溶解性は一部の化学プロセスにおいては有利に働くことがありますが、現代社会ではむしろ大きな課題となることも少なくありません。

水に溶け込んだ固形物は「不純物」とみなされ、濃度が高くなるとさまざまな悪影響を引き起こす可能性があります。熱交換器の運転においても、これは例外ではありません。

汚染された水を加熱するあらゆるプロセスにおいて、熱交換器の性能低下を引き起こす付着物は、最も深刻な課題の一つです。熱交換器に付着物が生じることで生じる影響には、以下のようなものがあります：

設備投資の増加：付着物の発生が予測される用途では、熱伝達係数を低く見積もる必要があり、その結果、より大きな熱交換器の設計が求められます。
運転コストの増加：蒸発器の熱交換器が汚れてくると、設計通りの効率を維持するために、より多くのエネルギーが必要になります。また、熱効率の低下や圧力損失により、処理される水量あたりのエネルギー消費も増加します。
保守コストの増加：付着物の進行により、熱交換器の清掃頻度が増加します。機械洗浄・化学洗浄のいずれにおいても、相応の保守費用が発生します。
生産損失：付着物が多くなると運転効率が低下し、熱交換器の洗浄にかかる停止時間も長くなります。
対策費用：スケール抑制剤などによる化学的プログラムの実施費用や、付着物の洗浄に必要な薬品・機器のコストなどが含まれます。

熱交換器における付着現象をより深く理解するために、本稿では主な理論について解説し、特に付着物の制御およびスケーリング抑制剤に焦点を当てて説明します。

B. 一般的な付着メカニズム

付着のメカニズムは、主に以下の5つのプロセスに基づいて分類されます：析出性の塩、懸濁固形物、有機物、腐食、および生物付着。図1では、これらのメカニズムによって生成される代表的な付着物について概観を示しています。

析出性の塩による付着

析出性の塩とは、溶解度が低く、温度・圧力・pH・濃度などのプロセス条件の変化によって溶液中から析出する物質です。これらの塩は、熱交換器表面に結晶層として付着したり、懸濁固形物の量を増加させたりする原因となります。代表的な析出性の塩には、炭酸塩スケール、硫酸塩スケール、金属水酸化物、非晶質シリカ、複合シリカなどがあります。

炭酸塩スケール

カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどの炭酸塩スケールはアルカリ性のスケールであり、温度やpHが上昇するとその溶解度が低下します。炭酸塩スケールは、熱交換器表面への直接沈着またはバルク液中からの析出によって発生します。有機物がカルシウムやストロンチウム、バリウムといった二価イオンをキレート化することで、スケールの析出を抑えることが可能です。これらのスケールは、通常、熱交換器の高温部に白く柔らかいチョーク状の層として蓄積し、機械的洗浄で比較的容易に除去でき、低pHの洗浄液にもよく溶けます。

硫酸塩スケール

硫酸塩スケールは非常に硬く、一般的な化学洗浄では除去できない場合があります。除去には厳格な機械洗浄や、ソーダブラストやドライアイスブラストのような特殊手法が必要になることもあります。硫酸塩の溶解度は温度とともに増加する傾向にあり、炭酸塩と比べると圧力やpHの影響は小さいです。

金属水酸化物

水酸化マグネシウム（Mg(OH)₂）、水酸化鉄（FeOH₂）、水酸化アルミニウム（AlOH₃）などの金属水酸化物は、非常に低濃度でも不溶性であり、温度やpHの変化によって溶解度が大きく影響を受けます。これらは流速の遅い場所に蓄積しやすく、静電気的な引力で表面に付着し、凝集剤のような振る舞いを示します。

シリカ

シリカは熱交換器における一般的な付着物の一つですが、その形成は他のスケールに比べて複雑で、あまり解明されていません。シリカは水中で5つの形態で存在します：イオン化（溶解）シリカ、重合シリカ、コロイド状シリカ、非晶質シリカスケール、および複合シリカです。

懸濁固形物による付着

懸濁固形物は、熱交換器の入口チャネルに蓄積したり、静電気的な引力により沈着したりします。また、これらの粒子は結晶成長の核となることで、析出性の塩による付着を加速させる要因にもなります。

有機物による付着

有機物の付着は、温度・圧力・濃度の変化によって溶解度が低下し、有機成分が析出することで発生します。有機物は一般的に、疎水性と親水性の2種類に分類されます。

生物付着

生物付着とは、微生物から成る有機膜が形成・堆積する現象であり、場合によっては大型の生物が付着・成長することも含まれます。ただし、熱交換器においては高温や高塩濃度環境が多いため、生物付着は主要な付着メカニズムとは一般的にみなされていません。

腐食による付着

腐食による付着は、熱交換器の構成材料が処理中の流体と反応することで発生する現象です。この反応によって腐食生成物が熱交換面に形成され、熱交換器の効率を低下させる原因となります。腐食生成物が蓄積することで熱伝達が阻害され、装置全体の圧力損失も増加します。代表的な腐食生成物には、鉄、銅、亜鉛などの金属酸化物があります。これらの腐食生成物が熱交換面に層として付着することで、熱交換性能が著しく低下します。

C. 表面における付着メカニズム

熱交換器の表面には、主に2種類の付着物蓄積メカニズムが存在します：粒子沈着と鉱物スケーリングです。

粒子沈着

粒子沈着（またはソフトデポジット）は、コロイドや懸濁物、有機物、腐食生成物、生物の成長、金属水酸化物や複合シリカといった析出性の塩を含みます。このメカニズムは、付着物が熱交換器表面上ではなく、溶液中またはその上流で形成される「外因性（ex-situ）」である点が特徴です。粒子沈着の速度は、以下の4つのステップによって決まります：粒子の表面への輸送、付着、再離脱（除去）、および経時変化です。

表面への輸送：重力、乱流拡散、ブラウン運動、電気泳動、熱泳動などのメカニズムにより、付着物が熱交換器表面へ移動します。
付着：ファンデルワールス力、静電気力、壁面での外部力場などが、熱交換面への付着を左右します。
除去：粒子沈着が起こると、初期層の形成と同時に剥離や浸食によって除去が始まります。
経時変化（エイジング）：最初の層の沈着以降、結晶構造や化学構造が変化します。脱水、重合、熱応力の発生が主な変化要因で、これにより付着物の強度が増し、ソフトスケール状の付着物が硬化し、除去が困難になることがあります。

鉱物スケーリング

鉱物スケーリングは硬くて密なタイプの付着物です。一般的な鉱物スケールには、炭酸塩や硫酸塩の結晶沈殿物、カルシウム系スケール、非晶質シリカなどが含まれます。粒子沈着とは異なり、鉱物スケーリングは「その場（in-situ）」で熱交換面に直接形成されるプロセスです。形成プロセスには、過飽和、誘導期、核生成、結晶成長のステップがあります。

過飽和：鉱物スケーリングの鍵となる要素で、これは溶質の濃度がその温度での平衡溶解度を超える状態を指します。溶媒の除去（蒸発や凍結）、加熱・冷却、化学組成の変化によって過飽和状態が生じます。過飽和によるスケーリングは、特に蒸発器で大きな問題となります。
誘導期：過飽和が発生してから最初の結晶が検出されるまでの時間を指し、過飽和の度合い、撹拌状態、不純物の存在などにより影響を受けます。
核生成：鉱物スケーリングが始まるには、結晶化の核（種）となる固体粒子が必要です。核生成には、過剰な化学ポテンシャルによる一次核生成と、既存の結晶上で発生する二次核生成があり、これらは均一（ホモジニアス）または不均一（ヘテロジニアス）に分類されます。
結晶成長：溶液中から結晶表面への溶質の移動、吸着、成長点への拡散、結晶格子への取り込みといった段階で進行します。過飽和の度合い、温度、添加剤、溶媒、流体の動力学条件などが影響します。

D. 付着プロセスに影響する要因

粒子沈着や鉱物スケーリングを含む付着プロセスは、熱交換面の周囲環境によって大きく左右されます。以下の要素が付着現象を支配する主な因子です：

過飽和の度合い：付着速度を決定づける最も重要なパラメータであり、特定成分の濃度が平均値より大きく超えると、付着速度が急激に増加します。
流体速度：これは沈着と除去の両方のプロセスに影響します。流速が高いと、付着成分の熱交換面への質量移動や除去力が強化されますが、表面への付着効率は低下します。プロセスを制御するメカニズムによっては、沈着速度が増加または減少する可能性があります。一般的には、流速が高いほど表面への付着が減少し、全体の付着量も抑制されます。高いレイノルズ数や剪断応力は、付着物と流体の界面での付着・形成反応を抑制し、固体の運搬を促進します。また、流速が速いことで懸濁固形物の蓄積も抑えられます。特に流速が急変する低流速域では、付着が起こりやすくなります。
温度：溶液および熱交換面の温度は、付着速度に影響を与えます。結晶化や重合といった化学反応による付着では、温度が高いほど反応速度が上昇し、付着速度が高くなる傾向があります。また、熱交換面とバルク流体間の粘度差が、壁面境界層を通じた付着物の移動に影響を与える場合もあります。一般に、温度上昇により「焼き付き」効果が強まり、スケーリング傾向、腐食速度、反応速度、結晶形成、重合反応が加速され、一部の付着防止剤の効果も低下します。
不純物および懸濁固形物：これらは付着を引き起こす要因になったり、促進させたりします。懸濁固形物は、直接沈着するだけでなく、析出付着の核として作用することもあります。流速が1m/s（3.3ft/s）以上であれば、粒子沈着の防止に有効です。

E. 付着物の制御

熱交換器の表面における付着物を抑えるためには、表面に蓄積されるメカニズムに応じて、さまざまなアプローチが考えられます。

粒子沈着の制御

熱交換器における粒子状の付着物に対しては、いくつかの対策が可能です。この種の付着物の主な原因は懸濁固形物（TSS）の濃度であるため、原水中のTSSを低減することで、付着率を効果的に抑えることができます。TSSの除去には、沈降、サイドストリームろ過、凝集・フロック形成などによる前処理、またはフィルター処理が用いられます。

機械的な対策としては、流速と基材表面の剪断応力を最大化することが効果的です。これらの要素は、プロセス設計や熱交換器設計の段階で考慮すべきポイントです。同様に、表面温度、バルク温度、熱交換器表面材質の選定も重要です。たとえば、表面が粗いと付着が促進されることが知られています。また、加熱面とバルク液との温度差が小さいほど、付着物の発生は抑えられます。

化学的対策としては、分散剤の使用が挙げられます。これは懸濁物質の凝集や沈降を防ぐために用いられます。分散剤の性能は、水質、温度、沈降時間、粒子サイズなどの要素に左右されます。一般的に、低分子量の陰イオン系ポリマーが有効な分散剤とされています。また、金属水酸化物の沈殿は、キレート剤によって金属イオンの反応部位を遮断することで抑制できます。鉄、マンガン、銅、亜鉛などのイオンは、キレート剤と安定な錯体を形成します。代表的なキレート剤には、EDTA（エチレンジアミン四酢酸）、グルコン酸、クエン酸、ポリアクリル酸、アクリル酸やマレイン酸系の共重合ポリマーなどがあります。

F. スケーリングの制御

粒子沈着の制御で挙げた多くの要素（TSS濃度、水質、温度差、流速、剪断応力、表面材質、表面粗さなど）は、スケーリング制御にも有効です。加えて、スケーリングの抑制には次の4つのアプローチのいずれか、または複数を組み合わせて使用します：回収率の調整、酸注入、軟化処理、添加剤による処理。

回収率の調整：熱交換器を用いた蒸発プロセスでは、濃縮率を下げることで、スケール成分の溶解度を超えない範囲での運転が可能となり、スケーリングを防ぐことができます。ただし、処理水と濃縮水の比率が下がるため、実用的でない場合もあります。
酸注入：熱交換器運転前の前処理として、供給水のアルカリ度を低減させる目的で行います。一般的には、残留アルカリ度が15〜20ppmになるように酸を注入します。低pHではHCO₃⁻がCO₂に変化し、炭酸塩スケールの抑制につながります。ただし、熱交換器表面でガスが発生すると熱伝達が悪化するため、酸処理水は脱炭酸装置や脱気装置によって脱ガスしてから熱交換器に送る必要があります。酸注入はpHの設定値や供給水流量に基づいて制御されますが、投与量が不適切だと熱交換器表面で深刻な腐食を引き起こす可能性があります。
軟化処理：硬度成分（カルシウムおよびマグネシウム）を供給水から除去する前処理です。方法としては、冷温ライム軟化処理やナトリウムサイクル陽イオン交換などが挙げられます。ナトリウム塩は水中での溶解性が高く、硬度イオンに比べて付着の問題を引き起こしにくいです。
添加剤処理：いわゆる「閾値処理（スレッショルド処理）」であり、スケール抑制剤を微量注入してスケールの形成を抑制する手法です。これらの添加剤は、結晶核への吸着（核生成の抑制）や、成長中の結晶表面の修飾（結晶成長の抑制）によってスケーリングを防ぎます。

G. 付着抑制剤

分散剤、キレート剤、防菌剤、スケール抑制剤などの付着抑制剤は、熱交換器表面における粒子沈着やスケーリングを防止するため、水処理プログラムにおいて重要な役割を果たします。特に鉱物スケーリングに対抗するために使用される代表的な薬剤は、ポリリン酸塩、有機リン酸塩、合成ポリマーの3種類に分類されます。これらのグループは複数の抑制メカニズムを持ち、代表的な分子を以下に示します。

ポリリン酸塩：1930年代後半からスケール抑制に使用されており、六リン酸ナトリウム（SHMP）はカルシウム炭酸塩の防止に高い効果を発揮することが知られています。ポリリン酸塩は水溶性が高く、低コスト・低毒性という利点がありますが、温度・pH・濃度・水質により安定性が影響を受けます。60℃（140°F）以上または酸性環境では加水分解されて正リン酸塩となり、カルシウムと反応してリン酸カルシウムスケールを形成することがあります。このため、現在では有機リン酸塩や合成ポリマーの方が好まれる傾向にあります。
有機リン酸塩：1960年代に登場したこの薬剤群は、加水分解に強く、93℃（200°F）以上の高温でも使用可能という利点があります。リン酸塩およびリン酸化合物が最も一般的に使用されますが、カルシウム硬度、pH、温度などの条件によっては、カルシウムと反応してリン酸カルシウムなどのスケールを形成することがあります。
合成ポリマー：有機リン酸塩と同時期に導入され、ポリマー鎖上にさまざまな官能基を持つことができます。200°F（約93℃）を超える高温でも安定して性能を発揮することができ、代表的なものには、ポリアクリル酸（PAA）、ポリメタクリル酸（PMAA）、ポリマレイン酸（PMA）などがあります。また、専用に配合されたブレンド製品も存在します。

PAA：1つの官能基（カルボキシル基）のみを持ち、主にスケール抑制剤として使われますが、分散性能もあります。分子量によって性能が変わり、低分子量タイプが広く使われています。
PMAA：メチル基とカルボキシル基を持ち、主に分散剤として使用されます。
PMA：2つのカルボキシル基を持ち、スケールおよび懸濁物の抑制に使われますが、PAAほどの分散性能はありません。
専用ポリマーブレンド：水中に高濃度のカルシウムが存在する場合、PAA、PMAA、PMAの使用によって不溶性のカルシウムポリマー塩が形成されることがあります。これを防ぐために、ポリエレクトロライト、ポリカルボキシレート、共重合ポリマー、有機リン酸塩などを組み合わせた専用ブレンドが使用されます。