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ボイラー用水に含まれるカルシウム・マグネシウム等の硬度成分はスケール（水垢）の原因になります。一級ボイラー技士試験では硬度の種類・スケール障害・軟化処理の方法が頻出です。
硬度とは
水の硬度とは、主にカルシウムイオン（Ca²⁺）とマグネシウムイオン（Mg²⁺）の含有量を炭酸カルシウム（CaCO₃）に換算して表した値です。単位はmg/L（ppm）またはmol/Lを使います。
硬度の種類
| 種類 | 原因成分 | 特徴 |
|---|---|---|
| 炭酸塩硬度（一時硬度） | Ca(HCO₃)₂・Mg(HCO₃)₂ | 加熱で沈殿・除去できる |
| 非炭酸塩硬度（永久硬度） | CaSO₄・MgSO₄・CaCl₂等 | 加熱では除去できない |
| 全硬度 | 炭酸塩硬度＋非炭酸塩硬度 | 水質の総合硬度指標 |
スケール（水垢）とその害
硬度成分はボイラー内で加熱・蒸発によって濃縮し、管壁・胴内面にスケール（水垢）として析出します。主なスケール成分は炭酸カルシウム（CaCO₃）・硫酸カルシウム（CaSO₄）・シリカ（SiO₂）などです。
スケールの熱的害
スケールは熱伝導率が鉄鋼（約45 W/m·K）の数十〜数百分の1と非常に低いため、伝熱を著しく阻害します。
- スケール1mm程度の堆積で熱効率が数%低下する（組成によって異なる）
- 管壁温度が過剰に上昇して過熱損傷・バーストの原因になる
- スケール付着は蒸気の発生効率を下げ、燃料消費量を増加させる
シリカスケール
シリカ（SiO₂）は高圧ボイラーでは高温高圧蒸気に溶解（気化搬出）し、蒸気タービンの翼に付着して出力を低下させる特殊な問題を起こします。シリカは軟化装置では除去できず、逆浸透膜・脱塩装置で除去する必要があります。
軟化処理（硬度除去）の方法
1. イオン交換軟化（ゼオライト軟化）
陽イオン交換樹脂（ゼオライト）を充填した軟化装置に給水を通すと、樹脂のナトリウムイオン（Na⁺）とカルシウム・マグネシウムイオンが交換され、硬度成分が除去されます。
- 処理後の水は硬度ゼロ（軟水）になる
- 樹脂が飽和したら食塩（NaCl）水で再生（Na型に戻す）する
- 全硬度を除去できるが、シリカや溶解固形物（TDS）は除去できない
2. 石灰・ソーダ法（石灰軟化法）
消石灰（Ca(OH)₂）と炭酸ナトリウム（Na₂CO₃）を添加して、炭酸カルシウムや水酸化マグネシウムを沈殿させて除去します。大量処理に向きますが完全除去は難しく、後処理でイオン交換処理が必要な場合があります。
3. 逆浸透膜（RO膜）処理
半透膜に高圧をかけてイオン・分子を除去します。シリカ・硬度成分・溶解固形物を同時に低減できます。高圧ボイラー用の純水製造に使用されます。
4. 薬品処理（スケール防止剤）
スケール防止剤（りん酸塩・重合りん酸塩・有機剤）を缶水に添加し、スケール成分を分散させて管壁への付着を防止します。脱缶洗浄前の補助的な処置として使われることもあります。
ボイラー水質管理（JIS B 8223）
JIS B 8223「ボイラーの給水及びボイラー水の水質」では、最高使用圧力に応じた給水・缶水の水質管理基準（硬度・pH・電気伝導率・溶存酸素等）が定められています。水質管理は定期的な試験（滴定・比色法）で確認します。
スケール除去（酸洗浄）
付着したスケールを除去するには塩酸・クエン酸・硫酸等の希薄酸を缶内に循環させる酸洗浄（化学洗浄）を行います。酸洗浄後は十分な中和・水洗が必要です。
試験対策ポイント
- 炭酸塩硬度（一時硬度）は加熱で除去できるが、非炭酸塩硬度（永久硬度）は加熱では除去できない
- イオン交換軟化はゼオライト使用・全硬度を除去・食塩水で再生
- シリカスケールは高圧ボイラーのタービン翼に付着する特殊な問題
- スケール付着は熱伝導を阻害し、管の過熱・バーストの原因になる
まとめ
- 硬度成分（Ca²⁺・Mg²⁺）がスケールの原因
- 一時硬度は加熱で除去可・永久硬度は化学処理が必要
- イオン交換軟化が最も一般的な軟化処理方法
- JIS B 8223で圧力区分ごとの水質管理基準が定められている
出典：ボイラー及び圧力容器安全規則・ボイラー構造規格・JIS B 8223・安全衛生技術試験協会 公表試験問題
作成：fufumumu_design｜更新：2026年11月
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