都市給水システムにおける電気化学的水処理プロセスが炭素鋼腐食に与える影響

なぜ家庭の水道管が重要なのか

電気化学的水処理システムは、汚染物質の除去、軟水化、殺菌を効率的に行えるため都市部で普及が進んでいます。しかし、水を浄化するための電気反応は、私たちの家庭に水を運ぶ金属配管を静かに侵食することもあります。本研究は、一般的な配管材料である炭素鋼がこうした処理でどのような影響を受けるかを調べ、電気と日常の水化学が相互作用すると腐食が急速に進行し得る理由を説明します。

電気で水を浄化する仕組み

電気化学的水処理は電極と呼ばれる金属板を用いて水に電流を流します。これにより不要なイオンの除去、有機汚染物質の分解、消毒剤の生成が可能となり、都市や工業向けの処理として魅力的です。ただし従来の処理と異なり、配管自体が電気系に直接接続されているわけではなく、ユニットを通過した後の処理水が配管に流れる点が特徴です。つまり、配管への追加腐食は電流が直接配管に流れることによるものではなく、水化学の変化、すなわち消毒用の酸化剤の出現、酸性度の変化、通常は配管内に保護層を形成する鉱物イオンの移動によって引き起こされます。

金属の損失が速まり、深い隠れた損傷が進行する

研究者らは実際の市水を用いた90日間の実験を行い、炭素鋼試料を0〜9ボルトのさまざまな電圧にさらして重量損失、表面損傷、電気化学的挙動を追跡しました。その結果、電解をオンにしただけで最初の3日以内に腐食が悪化し、高い電圧ほど損傷が大きくなることが分かりました。9ボルトでは、電気処理を受けていない水に比べて一般腐食速度が25倍以上に跳ね上がりました。3D表面スキャンにより、電圧が上がるにつれて金属表面の微小なピットがより深く成長することも示されました。最高電圧下では、最深のピットは未処理水のほぼ5倍の深さに達し、平均的な金属損失が極端に見えなくても鋼材の想定耐用年数を急速に短くしました。

保護層が機能しなくなる理由

多くの給水管内では、水中の鉱物が薄く緻密な被膜を自然に形成し、金属を保護しています。未処理の水では炭酸カルシウムがこの保護役割を果たします。しかし電気化学的に処理された水では、その鉱物による保護がほとんど失われます。処理ユニットの陰極側がカルシウムイオンや炭酸イオンを引き寄せてそちらで沈着を促すため、配管壁に堅固な保護層を築くためのこれらのイオンが不足するのです。顕微鏡観察や回折試験により、処理水中の鋼表面では緻密で鉱物を多く含むバリアの代わりに、緩く多孔質なさび層が形成され、小さく不安定な結晶が見られました。この弱い被膜は腐食性種や電子の移動を容易にし、時間の経過とともに腐食速度が鈍化することを防ぎ続けました。

水中で強まる化学的攻撃

追加の攻撃要因を特定するために、研究チームは因子を分離して検討しました。塩化物を含まない硫酸塩溶液で電気分解を行った場合、水の分解による副生成物（酸素、水素、短寿命ラジカルなど）は鋼の腐食挙動をほとんど変えませんでした。しかし、通常の塩に含まれるイオンである塩化物が存在すると状況は変わります。電気分解により一部の塩化物がより反応性の高い消毒剤である次亜塩素酸塩に変換されました。電気化学試験は、電流が増すほど塩化物溶液中で鋼が腐食しやすくなることを示しました。計算機シミュレーションもこれを支持し、次亜塩素酸塩は鉄原子が金属表面を離れるためのエネルギー障壁を下げ、塩化物だけの場合より腐食が進みやすくしていました。同時に、さび生成物の急速な形成が水酸化物イオンを消費し、水のpHを低下（酸性化）させて腐食をさらに助長しました。

水道システムにとっての意味

非専門家に伝えたい要点は、電気で水を洗浄・消毒することが必ずしも配管にやさしいわけではない、ということです。水中に塩化物が含まれるシステムでは、電気化学的処理によりその一部がより強力で腐食性の高い消毒剤に変わり、同時に天然の保護を形成するために必要な鉱物成分が奪われます。その結果、金属の薄化と深いピットの形成が進み、配管寿命を短縮し、漏水や汚染のリスクを高めます。著者らは、設計者や運用者が腐食を中心的な設計課題として扱うことを提案しています。具体的には、電圧を制限する、処理前に塩化物を低減する、攻撃的な副生成物を少なくする電極を選ぶ、ピッティングや水化学を長期にわたり監視する、といった対策により、より安全に水を浄化してもインフラの損耗を招かないようにするべきだと結論づけています。

引用: Zhao, S., Jing, Y., He, X. et al. Effect of electrochemical water treatment processes on carbon steel corrosion in urban water supply system. npj Mater Degrad 10, 23 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00736-5

キーワード: 電気化学的水処理, 炭素鋼の腐食, 都市給水配管, 塩化物と次亜塩素酸塩, 水インフラの耐久性