先日の記事の中に出てきたお風呂の汚れの種類
先日の記事でお風呂の汚れの種類について簡単に触れました。（記事はコチラ）
お掃除屋さんの多くが悩まれる水垢についてとってもざっくり書いたんですが、もう少し詳しく知りたいというメールを頂いたので解説してみようと思います。
水垢の種類（大きく3つに分類されます）
金属石鹸・カルシウムスケール・シリカスケール
| 主成分 | 生成原因 | 特徴 | 主な発生場所 | 対策 | |
| 金属石鹸 | 脂肪酸カルシウム、脂肪酸マグネシウムなど | 石鹸の脂肪酸と水中の金属イオンの反応 | ヌメリがあり、汚れを吸着しやすい | 浴室、洗面所、排水口など | こまめな清掃、中性洗剤の使用、使用後の水切り、軟水器、酸性洗剤 |
| カルシウムスケール | 炭酸カルシウム、炭酸マグネシウムなど | 水中のカルシウム・マグネシウムイオンが加熱や蒸発により炭酸イオンなどと結合 | 白っぽく硬い、酸性洗剤に反応しやすい | 給湯器、電気ポット、蛇口、シャワーヘッドなど | 定期的な清掃（酸性洗剤）、スケール防止剤、軟水器、使用後の水抜き |
| シリカスケール | 二酸化ケイ素（シリカ） | 水中のシリカが濃縮・析出 | 非常に硬く、酸やアルカリに強い、除去が困難 | 温泉施設、工業プラント、地熱発電設備など | スケール防止剤（特殊）、物理的な除去、シリカ除去装置、定期的なメンテナンス |
といった感じで大きく三つに分類されるのではと思います。
これを更に詳しく見ていきます。
金属石鹸とは？
金属石鹸（せっけんカス）
定義と生成メカニズム:
金属石鹸は、主に石鹸に含まれる脂肪酸と、水道水や地下水に含まれる金属イオン（カルシウムイオン、マグネシウムイオンなど）が反応して生成される物質です。石鹸が水に溶けると脂肪酸ナトリウムなどの形で存在しますが、これが金属イオンと結合することで水に溶けにくい金属石鹸として析出します。
よくお風呂場で見かけるツメやヘラで擦るとパラパラ剥がれてくるような柔らかい汚れがこれかな？と思います。
金属石鹸は、一般的に長鎖脂肪酸の金属塩の総称です。石鹸の主成分である脂肪酸（例：ステアリン酸、オレイン酸、パルミチン酸など）のカルボン酸基（-COOH）が、金属イオン（主にカルシウムイオンCa²⁺、マグネシウムイオンMg²⁺）と結合して生成されます。
一般的な生成反応の例（ステアリン酸ナトリウムとカルシウムイオンの場合）:
2 CH₃(CH₂)₁₆COO⁻Na⁺ + Ca²⁺ → (CH₃(CH₂)₁₆COO)₂Ca + 2 Na⁺
- CH₃(CH₂)₁₆COO⁻Na⁺: ステアリン酸ナトリウム（一般的な石鹸成分）
- Ca²⁺: カルシウムイオン（水道水などに含まれる）
- (CH₃(CH₂)₁₆COO)₂Ca: ステアリン酸カルシウム（金属石鹸の一種）
- Na⁺: ナトリウムイオン
金属の種類による違い
生成される金属石鹸は、結合する金属イオンの種類によって性質が異なります。
- カルシウム石鹸: 最も一般的な金属石鹸で、水道水中のカルシウムイオンと石鹸が反応して生成されます。硬く、水に非常に溶けにくい性質を持ち、浴室の壁や浴槽に付着する白い汚れの主成分です。お掃除屋さんが現場で出会うのはこの汚れではないでしょうか？
- マグネシウム石鹸: 水道水中のマグネシウムイオンと石鹸が反応して生成されます。カルシウム石鹸よりも柔らかく、ヌメリ感が強いのが特徴です。排水口近辺に出来やすいヌメヌメした汚れはこれなのかな？と思います。
- 鉄石鹸: 鉄イオンと脂肪酸が反応して生成されます。赤茶色っぽい色をしていることがあり、井戸水など鉄分を多く含む水を使用する場合に発生することがあります。地下水が水源の住宅のお風呂やトイレ、キッチンで見かけるような汚れでしょうか？
- アルミニウム石鹸: アルミニウムイオンと脂肪酸が反応して生成されます。特定の条件下で生成され、工業用途で利用されることがあります。これは僕たちが普段行う清掃の現場ではほぼ見かけないと思います。
発生メカニズムの詳細
金属石鹸の生成は、石鹸の種類や水質、pHなどの要因によって影響を受けます。
- 石鹸の種類:
- 純石鹸: 天然の油脂を原料とした石鹸で、脂肪酸ナトリウムや脂肪酸カリウムが主成分です。金属イオンと反応しやすく、金属石鹸を生成しやすい傾向があります。
- 合成洗剤: 石油などを原料とした合成界面活性剤を主成分とする洗剤です。金属イオンと反応しにくい成分を含むものが多く、純石鹸に比べて金属石鹸の生成は少ない傾向があります。ただし、一部の合成界面活性剤も金属イオンと反応する場合があります。
- 水質（硬度）: 水道水や地下水に含まれるカルシウムイオンやマグネシウムイオンの濃度が高いほど（硬度が高いほど）、金属石鹸は生成されやすくなります。
- pH: アルカリ性の環境下では石鹸は溶解しやすい状態ですが、中性から弱酸性の環境になると脂肪酸が遊離しやすくなり、金属イオンと結合して金属石鹸が析出しやすくなります。
よく「使ってるボディソープやシャンプーでも汚れのつき方が違うと思う」って言うお掃除屋さんが多いです。これはまさにその通りで石鹸類の種類で発生メカニズムが違うので汚れのつき方も変わるんですね。
日常生活での影響
金属石鹸は、日常生活の様々な場面で問題を引き起こします。
- 浴室・洗面所:
- 見た目の悪さ（白い汚れの付着）
- 排水口の詰まりの原因
- カビの栄養源となり、カビの繁殖を促進
- 床や浴槽が滑りやすくなる
- 衣類: 硬度の高い水で洗濯した場合、金属石鹸が衣類の繊維に付着し、以下のような影響を与えることがあります。
- 衣類のくすみや黄ばみ
- 洗濯物のゴワつき
- 洗剤の洗浄力低下
- 肌: 敏感肌の方の場合、金属石鹸が肌に残ることで刺激となり、かゆみやかぶれの原因となることがあります。
この辺はあくまでも一般論と言いますか、当たり前のことですけどそれっぽくまとめてみました。
カルシウムスケール
カルシウムスケール
定義と生成メカニズム:
カルシウムスケールは、水道水や地下水に含まれるカルシウムイオンやマグネシウムイオンが、加熱されたり、水分が蒸発したりする過程で、炭酸イオンや水酸化物イオンなどと結合して析出する硬い物質です。主に炭酸カルシウム（CaCO₃）が主成分です。一般的に「水垢」と呼ばれるものの代表的なものです。
カルシウムスケールの主成分は**炭酸カルシウム（CaCO₃）**です。これは、水中に溶け込んでいるカルシウムイオン（Ca²⁺）と炭酸イオン（CO₃²⁻）が結合して生成されます。
お風呂のドアの下の方とか浴槽のヘリなんかに着きやすい白くてカサカサして汚れです。ヘラなんかでガリガリ削ると粉のようになって崩れていきます。
生成反応:
Ca²⁺(aq) + CO₃²⁻(aq) → CaCO₃(s)
この反応は、水の温度上昇やpHの上昇によって促進されます。特に、重炭酸イオン（HCO₃⁻）が多く含まれる硬水では、加熱によって炭酸イオンが生成されやすいため、スケールが析出しやすくなります。
重炭酸イオンからの炭酸イオン生成:
2 HCO₃⁻(aq) → CO₃²⁻(aq) + H₂O(l) + CO₂(g)
生成メカニズムの詳細
カルシウムスケールの生成は、以下の要因によって影響を受けます。
- 温度: 水温が上昇すると、炭酸カルシウムの溶解度が低下し、析出しやすくなります。特に、給湯器やボイラーなど、水を高温に加熱する機器でスケールが生成されやすいのはこのためです。
- pH: pHが高いほど炭酸イオンの濃度が増加し、炭酸カルシウムが析出しやすくなります。
- 水流: 水流が緩やかな場所や滞留する場所では、析出した炭酸カルシウムが沈殿・付着しやすくなります。
- 核生成: 配管の内壁の微細な凹凸や、水中に存在する微細な異物などが、炭酸カルシウムの結晶が成長するための核となります。
種類と形態
炭酸カルシウムには、主に以下の3つの結晶形が存在します。
- 方解石（カルサイト、Calcite）: 最も安定した結晶形で、硬く、除去が困難なスケールを形成します。
- 霰石（アラゴナイト、Aragonite）: 針状や繊維状の結晶で、方解石よりも比較的柔らかく、除去しやすい場合があります。
- バテライト（Vaterite）: 最も不安定な結晶形で、生成されることは稀で、すぐに方解石や霰石に変化します。
カルシウムスケールは、付着する場所や生成条件によって、以下のような様々な形態で見られます。
- 薄膜状: 比較的初期に生成される薄い膜状のスケール。
- 塊状: 長期間にわたって蓄積した、硬い塊状のスケール。
- 粉末状: 析出した炭酸カルシウムが沈殿した、粉末状のスケール。
発生場所の詳細
カルシウムスケールは、家庭内だけでなく、様々な工業設備でも問題となります。
家庭内:
- 給湯器: 熱交換器にスケールが付着し、熱効率を低下させ、湯温が安定しなくなる原因となります。最悪の場合、過熱による故障を引き起こします。
- 電気ポット・コーヒーメーカー: 内部にスケールが付着し、加熱効率を低下させたり、異臭の原因になったりします。
- 蛇口・シャワーヘッド: スケールが内部に詰まり、水流が悪くなったり、水の出方が不均一になったりします。
- トイレタンク: 内部部品にスケールが付着し、動作不良の原因となることがあります。
- 洗濯機: 給水バルブやヒーターにスケールが付着し、給水不良や加熱効率の低下を引き起こすことがあります。
- 食洗機: ノズルやヒーターにスケールが付着し、洗浄力低下や故障の原因となることがあります。
工業設備:
- ボイラー: 水管や伝熱面にスケールが付着し、熱効率を大幅に低下させ、燃料コストの増加につながります。また、過熱による破裂事故の原因となることもあります。
- 冷却塔: 熱交換器にスケールが付着し、冷却効率を低下させます。
- 熱交換器: 様々な産業で使用される熱交換器において、スケール付着は効率低下の大きな原因となります。
- 配管: 配管の内壁にスケールが付着し、流路を狭め、圧力損失を増加させます。
悪影響の詳細
カルシウムスケールは、以下のような様々な悪影響を引き起こします。
- 熱効率の低下: スケールは熱伝導率が低いため、熱交換器やヒーターに付着すると、熱の伝わりが悪くなり、エネルギー効率が低下します。これにより、光熱費が増加します。
- 機器の故障: ヒーターへの過剰な負荷や、ポンプなどの可動部の動作不良を引き起こし、機器の寿命を縮める原因となります。
- 配管の閉塞: 長期間にわたってスケールが蓄積すると、配管の内径が狭くなり、水流が低下したり、完全に詰まってしまうことがあります。
- 衛生上の問題: スケールの表面は凹凸が多く、細菌や微生物の繁殖場所となる可能性があります。
- 見た目の悪さ: 蛇口やシンクなどに付着した白いスケールは、見た目を損ないます。
シリカスケール
シリカスケール
定義と生成メカニズム:
シリカスケールは、水道水や温泉水などに含まれる**シリカ（二酸化ケイ素、SiO₂）**が、濃縮されたり、特定の条件下で析出する非常に硬いスケールです。特に温泉地帯や工業用水など、シリカ濃度が高い水を使用する環境で発生しやすいです。
シリカスケールの主成分は二酸化ケイ素（SiO₂）です。自然界には様々な結晶形（同質異像）が存在し、代表的なものに石英（クォーツ）、クリストバライト、トリディマイトなどがあります。水中に溶解している状態では、ケイ酸（H₂SiO₃）やコロイド状シリカとして存在します。
二酸化ケイ素は、非常に安定な共有結合性のネットワーク構造を持つため、水への溶解度は極めて低いです。しかし、pHが高くなると、ケイ酸イオンが生成しやすくなり、溶解度がわずかに上昇する性質があります。
生成メカニズムの詳細
シリカスケールの生成は、以下の要因によって複雑に影響を受けます。
- 温度: 一般的に、高温になるほどシリカの溶解度は増加しますが、冷却される過程で過飽和状態となり、析出しやすくなります。特に、温度変化の大きい場所でスケールが生成されやすいです。
- pH: pHが低い領域ではシリカの溶解度は低いですが、pHが9以上になると溶解度が急激に増加します。しかし、中性付近でも特定の条件下で析出することがあります。
- 共存イオン: 水中に存在する金属イオン（カルシウム、マグネシウム、鉄、アルミニウムなど）や他のイオン（塩化物イオン、硫酸イオンなど）が、シリカの溶解度や析出速度に影響を与えることがあります。例えば、カルシウムイオンとシリカが共存すると、ケイ酸カルシウムのような複合スケールを形成することがあります。
- 過飽和度: 水中のシリカ濃度が溶解度を超えた過飽和状態になると、核生成が起こり、結晶成長が始まります。
- 表面状態: 配管や機器の表面の粗さや材質が、シリカスケールの付着しやすさに影響を与えることがあります。
種類と形態
シリカスケールは、その構造や結晶性によっていくつかの種類に分類されます。
- 非晶質シリカ（アモルファスシリカ）: ケイ酸が重合してできたゲル状の物質で、結晶構造を持ちません。多孔質で比較的柔らかい場合もありますが、脱水が進むと硬化します。温泉水由来のスケールなどに見られます。
- 結晶質シリカ: 石英、クリストバライト、トリディマイトなどの結晶構造を持つシリカです。非常に硬く、緻密で、酸やアルカリにも溶解しにくいのが特徴です。高温高圧の環境下で生成されやすいです。
付着する形態も様々で、以下のようなものがあります。
- 緻密な膜状: 配管内壁などに薄く均一に付着する形態。熱伝導を大きく阻害します。
- 多孔質状: スポンジのような多孔質な構造を持つ形態。
- コロイド状: 微細なシリカ粒子が凝集した形態。
- 硬い塊状: 長期間にわたって蓄積した、非常に硬い塊状のスケール。
発生場所の詳細
シリカスケールは、以下のような場所で特に問題となります。
家庭内:
- 温泉水を利用した給湯設備: 温泉水にはシリカ濃度が高いものが多く、加熱や冷却の過程でスケールが析出しやすいです。
- 加湿器: 水道水中の微量のシリカが濃縮され、白い粉状のスケールとして付着することがあります。
工業分野:
- 地熱発電プラント: 地下から汲み上げられる高温の地熱流体には、高濃度のシリカが含まれています。発電プロセスにおける温度低下や圧力変化によって、タービン、熱交換器、配管などにスケールが析出し、発電効率の低下や設備の故障を引き起こします。
- 半導体製造装置: 半導体の製造プロセスでは、超純水が使用されますが、微量のシリカがウェハー表面に付着すると、製品の不良につながるため、厳密な管理が必要です。
- 製紙工場: パルプの製造工程で使用される水に含まれるシリカが、配管や機器にスケールとして付着し、生産効率を低下させる原因となります。
- 食品工場: 特定の食品加工工程で使用される水に含まれるシリカが、機器にスケールとして付着することがあります。
- ボイラー: 特にシリカを多く含む水源を使用する場合、ボイラーチューブなどにシリカスケールが付着し、熱効率を著しく低下させます。
悪影響の詳細
シリカスケールは、他のスケールと比較して除去が困難なため、様々な悪影響が深刻化しやすいです。
- 熱伝導率の著しい低下: シリカスケールは熱伝導率が非常に低いため、熱交換器やボイラーチューブに付着すると、熱の伝わりを大幅に阻害し、エネルギー効率を著しく低下させます。
- 配管の閉塞: 硬く緻密なシリカスケールが配管内壁に付着・成長すると、流路が徐々に狭くなり、最終的には完全に閉塞してしまうことがあります。
- ポンプやバルブなどの可動部の固着、故障: スケールが可動部に付着すると、動作不良や固着を引き起こし、機器の故障につながります。
- 精密機器への影響: 半導体製造装置など、非常に精密な機器においては、微量のシリカスケールでも製品の不良や装置の誤動作の原因となります。
- 製品品質への影響: 製紙工場などでは、剥がれたシリカスケールが製品に混入し、品質を低下させる可能性があります。
汚れの落とし方
落とし方はみなさん知りたいと思いますが、こればかりは「サンポールを使えばバッチリ」とか断言できません。ですのでみなさんそれぞれインターネットで調べるとか、お掃除の研修会に参加するとかで学ばれるのが良いと思います。
RSAというアメリカ式のお掃除技術を教えてくれるスクールがあるのですが、このRSAで学ぶと基礎から実技まで満遍なく学べるのではないでしょうか？（RSAのホームページはコチラ）
僕は受講したことがなく「いつかは受講したい」と思っているのですが、毎回毎回開催日に出張が重なっているとか会議があるとか、、、縁が無いんですかね（涙）
講師陣は清掃業界でもレジェンド級の先生ばかりなので内容は間違いないと思います。
それにしてもこのまま終わるのもまとまりがないのでざっくりまとめると
金属石鹸：
まずは傷が付かないスポンジなどで擦る。キレート剤が多めの洗剤を使う。洗剤漬け置きだけでは反応しにくいので、時々ブラシなどで擦る。洗剤を足す。みたいなことをしてみる。酸性でキレート剤が多めで界面活性剤も入っている洗剤。みたいなものを見つけられれば比較的楽に落とせると思います。
カルシウムスケール：
酸性洗剤で落とす。これに関しては一般的な酸性洗剤であればだいたい効果があるのかな？と思います。みなさん悩まれるのが「シュワシュワ溶けたのに乾くと浮いてくる」「洗剤かけて擦ってを何度繰り返しても落ちない」とかではないでしょうか？
酸ってあまり漬け置きに向いていないと僕は考えています。アジテーションが大切という事ですね。それと一般的な酸は汚れに対してそれほど浸透していかないので浸透しやすい条件にしてあげる。というのも大事ですかね？
削って塗って擦って、削って塗って擦って。みたいな作業フローが一番近道じゃないでしょうか？塗るだけで汚れが溶けちゃうというような洗剤もありますが、危ないですから僕は使いません。
シリカスケール：
これは難しくて酸ではほとんど落ちないのではないでしょうか？そもそも一般的なお風呂や鏡にシリカスケールが付着するってそうそうないと思います。温泉施設とかではよく見られますが。
ですので、シリカスケールに関しては洗剤メーカーさんに相談するのがいいのではないでしょうか？フッカ系を使えば落ちたりしますが、デメリットも沢山あります。
物理的に研磨して落とすのが一番事故が少ない施工方法であると思いますが、研磨の前の下処理に時間を多く割くのをお勧めします。けっこう多くの方が下処理をせずにいきなり研磨ってケースが多い気がします。
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