[기고] 상수관 마그네타이트 피막공법 원리

글. 유미선 울산대학교 건설환경공학부 교수
김한결 기자 | eco@ecomedia.co.kr | 입력 2021-07-12 14:48:32
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▲ 유미선 울산대학교 건설환경공학부 교수

 

물에 인한 건강상의 영향이 있음을 충분히 인지하고 있으므로 깨끗한 물을 만드는 정수장과 정수된 물을 공급하는 수도배관은 우리의 관심사 중 하나이다. 특히, 각 가정에 공급되는 수돗물은 모두가 일상적으로 접하고 있어 물에서 이상한 냄새가 난다던지, 색을 띤다던지 하는 경우 언론에 실시간으로 다루어질 뿐만 아니라 수돗물에 대한 불신도 생기게 된다. 수돗물에서 관찰되는 붉은 색은 누구나 알고 있듯이 수도배관이 오래되어 배관 내부에 생긴 녹에 의한 것이다. 녹 발생이 심각해져 수도관에 구멍이 생기면 수도관 외부의 흙이나 벌레 등도 함께 수돗물에 섞이게 된다.

수도관에 녹이 생기지 않게 하거나 수도관을 오래 사용할 수 있도록 하면, 마시는 물을 제조하는데 사용되는 비용을 줄일 수 있기 때문에 여러 나라에서 이에 대한 연구가 진행되어져 왔다. 수도관 내부의 녹은 수도관을 이루는 철 금속과 물, 그리고 물속에 녹아 있는 산소가 반응하여 생긴 붉은 색의 산화철(Fe2O3)을 말한다. 따라서 수도관에 생긴 산화철을 제거하거나 산화철이 생기지 않도록 하는 방법이 바로 수도관의 녹물 대책이라 할 수 있다. 이러한 방법으로는 처음부터 녹이 생기지 않은 플라스틱 배관이나 스테인리스 배관을 사용하는 방법, 녹이 생겼다면 녹이 생긴 배관을 새로 교체하거나, 녹을 제거한 후 에폭시와 같은 플라스틱 막으로 피복하여 다시 사용하는 방법이 있지만, 땅속에 묻힌 배관의 경우 배관 중 어디에서 녹이 발생하였는지를 확인하고 그 부분만 교체 혹은 수리하는 것은 쉬운 일이 아닐 것이다.

새 배관의 경우 녹이 생기지 않게 하거나, 이미 녹슨 배관의 경우에는 배관을 꺼내지 않고 붉은 녹을 제거하여 녹이 더 이상 생기지 않도록 할 수 있다면 녹물 방지기술로는 매우 우수한 기술이라 볼 수 있다. 이러한 녹물 방지기술로는 수도 배관에 생긴 녹을 제거한 후 배관 내벽에 녹이 생기지 않도록 약품으로 처리하는 방법이 알려져 있지만, 배관에 흐르는 물이 사람이 마시는 물이라면 인체에 대한 유해성이 항상 검토되어야 하므로, 이로 인해 약품을 사용하지 않고 배관의 녹 문제를 해결하려는 시도는 수없이 많이 이루어졌다.


녹 문제를 해결하려는 여러 방법 중 몇 가지를 소개한다면 녹의 원인이 되는 물 속의 산소를 없애는 방법일 것이다. 물속에 산소를 없애기 위해 진공펌프로 물에 녹아 있는 미량의 산소를 없애면 가능하겠지만 배관의 길이가 긴 경우 쉽지 않을 뿐만 아니라 장비의 운영경비도 만만치 않을 것이다. 이외 물속에 특정 금속을 넣어 물속의 산소를 소비하게 하고 금속이온이 녹아 나오도록 하는 방법, 광물이나 제올라이트를 이용하여 배관 내 녹 생성을 억제하는 방법, 그리고 자력선을 이용한 방법 등 다양한 방법이 개발 소개되어 있다.

 

방청제를 사용하지 않고 수도관에 녹이 생기지 않도록 하는 여러 방법이 소개되었지만 그 대부분은 배관 내부 표면에 마그네타이트(Fe3O4) 피막이 만들어 지도록 하는 내용이며, 배관 내부 표면의 피막은 배관 내 표면의 철(Fe)이 물과 산소와 결합하여 수산화 제1철(FeO, Fe(OH)2)을 만든 후 물속의 산소와 다시 결합하여 수산화 제2철(Fe(OH)3)를 만들고, 이것이 FeOOH(옥시수산화 철)를 거쳐 붉은 색을 띠는 산화 제2철(Fe2O3)로 변화하는 과정에서 FeO가 산소와 반응을 억제시켜 붉은 녹인 Fe2O3와 반응하여 검은색 녹인 Fe3O4가 생성되기 때문이라 설명하고 있다.

 

▲ 제공=유미선 교수


다음 [그림 1]은 수도관 내 마그네슘, 알루미늄, 아연과 같은 비교적 이온화 경향이 큰 금속을 넣어 미량의 금속이 물에 녹으면서 금속 양이온과 전자가 방출되어 산소와 반응함으로써 배관의 원인이 되는 산소를 없애는 효과를 주어 배관의 부식을 억제할 수 있다는 것을 설명하는 내용이다. 이 그림 중 step 1부터 4는 부식억제장치가 없을 때의 철 배관 내 부식이 일어나는 현상을 화학물질로 나타낸 것이다. stage 2는 다음 화학반응식 1에 해당하는 것으로, 물속의 산소가 철 배관 표면에 붙어서 수산화 제1철이 만들어지는 것을 나타내고 있다. 이 수산화 제1철은 (식 2)처럼 물속에서 다시 산소와 반응하여 stage 3의 그림에 있는 수산화 제2철을 만들며, 이 Fe(OH)3는 물 분자를 배출하여 적갈색 녹 성분인 Fe2O3(hematite)로 된다. 수돗물에서 관찰되는 붉은 색 침전물의 주성분은 산화철(Fe2O3)이다. 이러한 산화철은 아래 그림의 stage 3이나 4와 같이 철 배관 위에 만들어지며, 점차 부풀어 오르게 되고 녹 내부에 물이 스며들어가 배관 표면까지 산소를 공급하게 되어 산화철인 녹이 계속 생겨나, 시간이 흐르면 배관 내의 공간에 산화철이 가득 차 관 속의 물 흐름을 나빠지거나 심하면 배관에 구멍이 생겨 누수가 발생된다.

 

[그림 1]의 stage 5에서 7까지는 수도배관에 부식억제장치를 설치하였을 때 일어나는 배관 내부의 변화를 묘사한 것으로, 상수관에 연결하여 사용하는 부식억제기는 다양하지만 대부분 배관 내부 표면에 magnetite (Fe3O4)를 만들어지도록 하는 것이다. 이 마그네타이트는 자철광이라 하며, 앞서 hematite (Fe2O3)와는 달리 철 표면에 달라붙어 얇은 막을 형성하여 철 표면이 물과 접촉하는 것을 막는 역할을 하게 된다. 이 흑색 피막의 magnetite는 칼, 총, 후라이팬, 철 등 우리 생활 주변에 철로 된 물건이 부식되는 것을 막기 위해 흔히 있는 사용되는 녹 방지용 피막이다.  

 

▲ 제공=유미선 교수

▲ 제공=유미선 교수

 

Stage 5에서 7에 나타난 금속이 물에 녹으면서 생기는 금속 양이온과 이와 함께 배출되는 전자(e-)는 물속의 산소(O2)와 반응하여 OH- 이온을 만들게 되어 물속 산소를 소비함과 동시에 pH가 높아진다. 수돗물 속의 산소농도가 낮아짐으로써 FeO는 더 이상 산화되지 않고 이미 만들어진 Fe2O3와 반응하여 Fe3O4 즉, magnetite를 만들게 되며, 이 검은색 녹은 수도배관의 안쪽 표면에 달라붙어 얇은 막을 만들어 부피가 큰 Fe2O3는 얇은 막인 Fe3O4로 되면서 붉은 녹이 바닥에 붙은 검은 녹으로 변하게 된다. 이로 인해 부풀어 올랐던 갈색의 녹 덩어리는 점차 부피가 줄어들어 최종적으로 배관 내 공간이 다시 늘어나게 되어 수돗물이 잘 흐르게 된다. 이것이 수도 배관에 설치하여 녹을 개선하는 장치의 이론적인 녹 억제효과이다.

 

그러나 이러한 수도관의 부식억제 효과는 배관을 흐르는 물의 유속, 온도, DO, pH, 물에 녹아 있는 이온성분 등 여러 인자와 관계되어 있어 이 중 어느 것이라도 달라지면 부식억제 효과 성능도 달라질 수 있다는 점과 이러한 장비의 효과는 장시간에 걸쳐 서서히 생기므로 짧은 시간에 그 성능을 입증하기가 쉽지 않다는 어려움도 있다.

 

지난 2020년 말 우리나라의 물 기술 인증원에서는 앞서 그림에 나타낸 금속을 아연으로 제작한 부식억제기를 상수도용 이음관으로 사용할 수 있음을 인증하였다. 사실 이와 같이 배관에 설치하는 형태의 부식억제장치는 외국에서 매우 다양(출처:https://jsp-world.com/us/)하게 알려져 있을 뿐 아니라, 일본의 경우 이러한 장비를 정수기 혹은 활성수기 항목으로 분류하여 상수관에서의 사용할 수 있도록 인증(출처:(사)일본수도협회 인증센터 http://nc.jwwa.or.jp:8080/jwwa_hp/HL0101/HL0101N010Action. do)하고 있다. 또한, 이러한 원리의 상수관 부식억제기법을 산화피막 공법(출처:http://www.yanagisawa-sk.co.jp/p1.pdf)이라 부르고 있는 사업장(출처:Performing water antirust effect determination device and reforming water antirust effect determination method, Patent WO 2015/181859 A1, γ선 배관진단장치 https://www.fujielectric.co.jp/products/service/pdfs/52a9-j-0035. pdf)도 있으며, 아래 7가지 항목과 같이 부식억제 효능을 입증할 수 있는 다양한 방법(출처:3D 카메라 표면형상 검사장치 https://www.mitsuwa.co.jp/products/detail/sp3d/)이 알려져 있다.

 

▪ XRD 분석에 의한 배관내 표면의 녹 성분 정성분석
▪ γ선 배관진단장치에 의한 배수관 폐쇄율 측정
▪ 초음파 두께 측정기에 의한 배관 내 부식층 측정
▪ 수질 검사(철 성분농도 측정)
▪ 녹 방지장치 전후의 탈착가능 배관(예로 이음관 등) 내부 검사
▪ 배관 내 표면의 칼슘침전물 밀도를 전기저항 값으로 측정하여 부식억제 효과 판정
▪ 배관 내 표면의 굴곡도 측정

 

최근에 와서 이전에 인증을 받지 못하였던 전자기장을 수도관에 조사하여 부식을 억제할 수 있다는 논문(출처:P. Roonasi, A. Holmgren, A study on the mechanism of magnetite formation based on iron isotope fractionation, EPD Congress 2009: proceedings of sessions and symposia sponsored by the Extraction and Processing Division (EPD) of The Minerals, Metals & Materials Society (TMS))도 여러 곳에 발표되고 있어 우리나라도 이러한 장치에 대한 기술검토가 있어야 할 것으로 사료된다. 

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