ランジェリエ指数に関する研究：水の攻撃性に及ぼす各種パラメータの影響

すでにご承知のように、包装材の外部腐食問題は、包装産業に現れる主要な問題の一つであり、缶詰業者からのクレームの多くを引き起こしている。 多くの場合、処理水が腐食の主な原因となっています。 今回は、この問題をコントロールするための水質検査方法の一つをご紹介します。

ランジェリア飽和指数（LSI）は、飽和の理論的概念から導き出された平衡モデルで、炭酸カルシウムに対する水の飽和の度合いを示す指標となるものである。 水の腐食性を評価する際に参考とされる指標の一つです。

LSIは、冷水のポテンシャルスケールの指標として最も広く使われているものだろう。 純粋に平衡指標であり、炭酸カルシウムの生成・成長規模の熱力学的駆動力のみを扱うものである。

LSIを算出するためには、アルカリ度（mg/l as CaCO3）、カルシウム硬度（mg/l Ca2+ as CaCO3）、全溶解固形分（mg/l TDS）、pH、現在の水温^（oC）を知る必要があります。 TDS は不明だが導電率がわかっている場合、  は業界で広く使われている換算係数を用いて TDS を mg/L で推定することができる。

LSIは次のように定義されています。 LSI = pH – pHs

ここで、  pHは水の pH を示す指標です。  pH は方解石または炭酸カルシウムの飽和時の pH で、次のように定義されます。

pHs = (9.3 + A + B) – (C + D)

A = (Log10 [TDS] – 1) / 10   B = -13.12 x Log10(oC＋273）＋34.55   C = Log10[Ca2+as CaCO3] – 0.4  D = Log10 [alkalinity as CaCO3] したがって、水のpHの次にLangelier指数に影響を与える5つの因子があります。

それぞれの変動がランジェリー指数にどのような影響を与えるかを見ていきます。 そのために、まず工業用水として一般的と考えられる水質パラメータを設定し、そのうちの4つを設定することで、他の要素を許容される工業用パラメータの範囲内で変化させています。 したがって、この水の化学的特性を確立し、各パラメータの範囲は、次のようになります。

pH= 7.6とし、6.0から8.5までのpHの変化を推定することにした。

アルカリ度＝90mg/l（CaCO3として）、25～140mg/lの範囲と推定しています。

硬度＝300ppm（CaCO3として）、20～400ppmの範囲と推定しています。

TDS＝800ppmで、50～1200ppmの範囲と推定しています。

Tº：温度変化の評価を除き、25℃と85℃の2つの温度値でLSIを算出し、10℃から120℃までの温度変化で評価します。

pHが6～8.5の間で変化した場合、以下のような結果が得られました。

LSIは、冷水では-1.55～0.95、85℃の水では-0.5～2.0と、約2.5ポイントの範囲で変化することがわかります。

アルカリ度が25～140mg/lの間の変化に対して。

LSIの変化量は、冷水では-0.5〜0.245ポイント、85℃の水では0.55〜1.29ポイントと約0.75ポイントの幅があることがわかる。

50～1200ppmの全溶解固形分（TDS）の変化に対して。

LSIは冷水で0.17〜0.035、85℃の水で1.22〜1.08と、約0.15単位の変動幅がある。

水の硬度が20ppmから400ppmに変化した場合、次のようになります。

LSIは、冷水で-1.12〜0.18、85℃の水で-0.08〜1.22と約1.3ポイントの範囲で変化しています。

最後に、温度がLSIの変化に与える影響について見てみましょう。 プロセス温度であるため、これにはほとんど影響を与えることができませんが、水中のランジェリー指数にどのような影響を与えるかを知ることも有用です。

10℃から120℃までの温度で、ランジェリー指数が-0.24から1.63とほぼ2ポイントの範囲で変化していることがわかる。

これらのことから、ランジェリー指数を変化させることは容易に理解できる。そして何より、pH、硬度、温度といった水中で操作しやすい要素が、定められた変動幅の中で、まさに指数に最も影響を与える要素であることが理解できる。

同様に、アルカリ度とTDSはLSIに重要な影響を及ぼさないことがわかりますが、例えばTDSは他の塩類の沈殿に影響を与え、とりわけ導電率の上昇に影響を与え、別のタイプの腐食（ガルバニック）をもたらすことになります。

LSIが-0.5以下だと水が腐食していることを示し、LSIが低いほど水が腐食していることがわかっています。

一方、Langelier indexがプラス（>0.5）の場合は、水が沈殿している、つまり炭酸塩が沈殿していることを示し、LSIが高いほど容器を汚し、保管中に腐食する可能性があります。