2가 금속염 배합한 방청제 용존염 영향적어
용존 염류(Dissolved Salts)
수도관의 부식율은 수중의 용존 염류의 농도가 높을수록 증가한다. 방청제의 종류에 따른 용존염의 영향은 다소 차이가 있지만 2가 금속염을 배합한 방청제는 용존염의 영향이 적다.
이산화탄소(CO₂)
이산화탄소가 물 속에 용해되면 산도를 증가시키는 탄산이 형성되어 pH가 낮아지며, 수소 방출을 촉진시킨다.
용존산소(O₂)
물 속의 용존산소량은 온도, 압력 그리고 물의 표면적이 증가할수록 많아지는데 물속에서 산소는 음극 분극으로 작용하기 때문에 부식을 촉진시킨다.
산소는 일반적으로 다음 식과 같이 부식되어 나온 금속 이온에 의해 발생되는 전자를 수용하는 물질이 된다.
산소는 음극에서 발생된 수소가스와 반응하며 이 반응은 음극에서 수소가스를 제거시키고 부식이 계속 일어나게 한다. 이 반응은 다음 식과 같다.
또한 산소는 Fe²죘를 Fe³죘로 산화시킨다. Fe²죘는 물에 녹지만 Fe³죘는 난용성 Fe(OH)₃를 형성한다. Fe³죘는 부식이 일어나는 지점에 축적되어 결절물질을 형성하거나 관내의 어떤 지점에 침전되어 흐름을 방해한다. 물의 산소농도가 높으면 결절 또는 공식이 일어나며 이때 유속이 높으면 철 침전물이 유출되어 녹물이 발생한다.
산소가 없는 경우에도 철의 부식은 적수를 일으키는데 이는 용해성 Fe²죘가 물과 함께 운반되어 공기에 노출되어 Fe³죘로 산화되기 때문이다. 특히 강관과 동관에서 산소는 금속수산화물의 보호피막을 형성한다.
잔류염소
염소는 병원성 미생물을 제어하는데 가장 일반적으로 이용되는 소독제이다. 염소가 물에 유입되면 다음 식과 같이 가수분해되어 HOCl과 HCl로 되어 물의 pH를 저하시켜 부식성을 증가시키며, 많은 금속에 대해 부식 방지 피막의 형성을 방해하기도 한다.
이 반응은 물의 부식 잠재성을 보다 높게 한다. 알칼리도가 낮은 물은 pH변화에 대해 저항력이 작기 때문에 pH에 대한 염소의 효과는 더 커진다.
잔류염소 농도는 동관의 부식율에 많은 영향을 미치며, 염소농도에 비례하여 부식율이 증가한다. 따라서 방청제를 사용할 경우라도 1mg/L 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
경 도
탄산칼슘 또는 혼합된 철-탄산칼슘막이 형성되는 pH범위에서 칼슘이온과 알칼리도가 충분히 존재하면 경수는 연수보다 부식성이 낮게 된다.
색도 및 유기물
일부 천연 유기물질은 금속표면과 반응하여 보호막을 형성하여 부식속도를 감소시키기도 하며, 어떤 물질들은 부식을 증가시키는 부식생성물과 반응한다. 또한 유기물질은 칼슘이온과 착화물을 형성하여 탄산칼슘 막의 형성을 방해한다. 어떤 경우에 유기물질들이 급수체계에서 미생물 성장에 기반을 제공하여 미생물에 의한 부식작용을 일으킬 수 있다.
황산이온
황산이온은 금속과 반응하여 금속을 용해시킴으로써 금속보호 산화막의 형성을 막아 금속관의 공식을 일으킨다.
미생물의 활동에 의해 생성된 물질은 활성적 또는 비활성적으로 작용하여 금속 부식을 유발하거나 기존의 부식을 가속화시킨다.
활성 생물부식은 직접 미생물과 수중 물질 간에 화학작용이 일어나서 새로운 부식산물을 형성하거나 또는 기존의 부식과정이 더욱 가속화되는 것을 말한다. 미생물에 영향을 받는 부식은 대부분 이 범주에 속한다.
비활성 부식에서는 생물학적 물질들이 화학적으로 불활성인 물질로 작용한다. 생물막은 침전물로 축적되어 흐름을 방해하고, 부식을 유발한다. 하부침적부식을 포함하는 비활성 부식은 시스템의 넓은 표면적에 작용을 한다.
쪾활성 생물부식
(Active biological corrosion)
수도관에서 부식을 유발하는 미생물은 호기성 또는 혐기성 박테리아이며 박테리아의 대사과정 또는 부수과정에 의해서 부식이 발생한다. 상수도 급배수 시스템에서 부식을 촉진시키는 주요 박테리아는 Sulfate reducers, Acid producers, Metal depositors, Slime formers가 있다. 부식을 일으키는 생물학적 메카니즘은 매우 복잡하며 영향을 미치는 인자들도 온도, 총유기탄소와 질소의 농도, 유속, 산소 또는 암모니아의 농도, 화학적 처리, pH 등 다양하다.
쪾황산염 환원세균(Sulfate reducers)
황산염 환원세균은 국부적인 부식을 일으키며, 주로 혐기성이다. 황산염 환원세균이 부식을 일으키는 메카니즘은 아직 확실히 밝혀지지 않았으나 다수의 황산염 환원세균은 효소를 가지고 있어서 수소를 변화시킬 수 있어 음극에서 수소의 제거에 의한 음극의 감극화를 일으키는 것으로 추정하고 있다. 이 과정에서 수소가 존재하면 무기성의 sulfate가 sulfide로 환원된다. 부식은 금속의 표면에서 쉽게 일어나는데 형성된 수소가 그 표면 위에 흡착되기 때문이다.
쪾산생성균(Acid producer)
많은 박테리아는 무기 또는 유기산을 생성하여 물의 pH가 낮아져서 부식이 촉진된다. 여러 종류의 박테리아가 산을 생산하지만 Thiobacillus thiooxidans와 Clostridium 종들은 강(steel)의 부식과 관계가 높다.
쪾금속 침적균(Metal depositors)
금속을 침적시키는 박테리아는 2가 철을 3가 철로 산화시키며 일부 박테리아는 망간이나 다른 금속을 산화시킨다.
쪾기타 박테리아(Other bacteria)
질산화 박테리아는 암모니아(NH₃)를 질산(NO₃죚)으로 산화시킨다. 잘 알려진 질산화 박테리아에는 Nictrosomonas와 Nitrobacter가 있다. 이 박테리아의 작용으로 pH와 산소농도가 감소한다. pH의 감소는 질산화의 신호라고 생각할 수 있다. 호기성 미생물인 Nitrobacter는 아질산(NO₂죚)을 질산(NO₃죚)으로 산화시켜 pH가 낮아진다. 이 세균은 고농도의 산소를 필요로 하여 산소를 함유하고 있는 시스템에서 문제를 발생시킨다.
쪾비활성 생물 부식
(Passive biological corrosion)
비활성 부식은 생물의 생존여부와 관계가 없다. 농도차 부식, 침식부식 등은 그 대사 과정이 물질적으로 부식과정에 영향을 미치지 않는 생물 덩어리에 의해서 야기된다. 2가 철을 3가 철 이온으로 전환시키는 박테리아와 같은 금속환원 세균은 산소가 존재하는 물에서 부식을 촉진시킨다. 수도관에서의 미생물성장도 부식에 영향을 미친다. Nitrosomonas, Nit-robacter 등의 미생물은 물중의 암모니아를 산화시켜 아질산염, 질산염을 생성시킨다. 미생물이 부식속도를 증가시킬 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 질산화 박테리아의 성장으로 산성상태가 되고 산소를 소모한다. 이는 국부부식과 공식을 일으키는 산소 농도전지를 형성한다.
철세균은 2가 철을 1가 철로 산화시키면서 에너지를 얻어 성장한다. 1가 철이 미생물 침전물의 겔 보호 층 내에서 침전하여 적수문제가 발생될 수 있는 조건을 형성한다.
황산염 환원 박테리아도 중요한 역할을 하며, 황산염은 산소가 존재하는 곳에서 음극에 영향을 미칠 수 있다. 황산염환원세균이 결절내부에서 성장하고 결절상태에서 부식이 지속적으로 유지되는데 기여하였다. 또한 이들은 수돗물의 용존산소량에 관계없이 수돗물에 황산염 환원박테리아가 존재한다.
한편 아황산염(S2-)은 양이온(Fe2+)과 결합하여 침전하는데 이는 혐기성 상태에서 검은 색깔을 나타내므로 쉽게 확인할 수 있다.
수도관의 부식을 억제하기 위하여 사용되고 있는 방법으로는 첫째가 내식성이 높은 재질의 관을 사용하거나 내식성물질로 라이닝하는 방법으로 우리나라에서도 많이 사용되는 방법이나 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
둘째가 pH 등을 조절하여 수질을 개선하는 방법으로서 유럽에서 많이 사용되고 있으나 우리나라의 경우 상수원수를 미생물의 오염도가 높은 지표수를 사용하고 있어 pH를 높이면 소독효과가 낮아지는 문제점이 있다.
셋째가 정수장에서 방청제를 투여하는 방법으로서 미국 등에서 가장 많이 이용되는 방법이다. 그 외에도 전기방식법 등이 있으나 대규모로 이용하기에는 적합하지 않다. 이 방법들은 이미 미국, 일본 등 선진외국에서 방식효과가 입증되어 사용되고 있으며, 일부는 국내에서도 이용되고 있다.
관 재질과 관망의 선택
급수관은 한번 설치하면 장기간 사용되며 관을 교체하거나 갱생하는 데에도 비용이 많이 소요되므로 내식성, 배관의 용이성, 내구성, 가격을 포함한 경제성 등을 종합적으로 검토하여 최적의 배관재료를 선정하여야 한다.
또한 연결되는 관의 종류가 다르면 부식이 촉진되는 경우가 있으므로 가능한 한 한 동일의 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 급수관의 재질별 내식성은 표 1과 같다. 대형 급수관의 경우 내부를 내식성재질로 라이닝하는 방법이다.
라이닝은 이미 설치된 관에도 사용할 수 있다. 가장 일반적인 라이닝재료로는 콜타르-에나멜, 액상 에폭시도료, 시멘트-몰타르, 폴리에틸렌 등이 있다.
과거에는 수도용으로 콜타르 계열의 제품이 가장 많이 사용되어 왔으나 최근에는 콜타르에서 다핵 방향족 탄화수소나 기타 유독성화합물이 존재하여 먹는물에 유출될 가능성이 있어서 급수관의 내면에는 사용을 금지하였다.
그러나 라이닝이 잘못 시공되면 미생물의 증식을 유발하고 맛과 냄새, 용매의 용출과 같은 수질 악화의 원인이 될 수 있으므로 시공 시에 주의해야한다
내식성이 높은 관을 선택했다고 해도 내부 관망의 설계가 부적절하면 부식의 원인이 될 수 있으므로 관망의 설계 시에는 밀폐구역이나 정체구역이 없도록 유속이 적절하게 유지되어야 한다. 또한 관의 만곡부와 곡율 반경이 가능한 한 적어야 하며 배수구도 적절하게 설치되어야 한다. 그리고 관은 주기적으로 검사를 하고, 손상된 부위의 교체 등 유지관리가 손쉬워야 한다.
물의 pH를 조절하여 부식을 억제하는 방법은 가장 저렴하고 손쉬운 방법으로써 유럽에서 가장 많이 이용되는 방법이다. 그러나 모든 종류의 부식을 억제할 수는 없다. 물에 탄산칼슘, 수산화칼슘, 수산화나트륨, 탄산나트륨 또는 이탄산나트륨과 같은 알칼리제를 첨가하여 조절하는 방법이다.
알칼리제의 첨가량은 일반적으로 pH적정곡선과 탄산염의 종류에 따라 다르나 pH를 7.5~8.5범위로 조절하는 것이 좋다. 특정 pH범위에서는 염소이온이나 황산이온 등의 음이온이나 칼슘 등 양이온의 상대적인 농도가 부식에 상당한 영향을 미치므로 pH이외의 수질변수들도 고려하여야 한다. 물중의 칼슘농도가 높은 경우에는 이산화탄소를 주입하여 관 내면에 탄산칼슘의 보호피막을 형성시켜 부식을 방지하는 방법도 있으며 미국에서 많이 이용되는 방법이다.
방청제는 일반적으로 다음 세가지 메카니즘에 의해 작용한다. 첫째, 방청제의 분자가 화학흡착에 의해 금속 표면에 흡착하는 것으로 분자 자체에 의해 또는 금속 이온과 함께 엷은 보호피막을 형성한다.
둘째, 일부 방청제는 금속이 그 자체의 금속 산화물의 보호피막을 스스로 형성하게 하여 저항성을 높여준다. 셋째, 방청제가 물 속의 잠재적인 부식 물질과 직접 반응한다. 방청제는 작용 메카니즘에 따라서 양극방청제와 음극방청제로 분류된다.
양극 방청제
양극 방청제는 전기화학적 부식 반응 중 양극반응을 저지함으로써 부식속도를 감소시킨다. 이러한 양극 방청제는 금속의 전면을 모두 방식시켜야 한다. 양극 방청제가 충분히 투여되지 않을 경우 금속 표면의 일부에서 집중적 양극반응이 진행되어 공식을 유발하게 된다.
양극 방청제는 두가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는 용해되는 금속이온과 결합하여 불용성염을 형성한 뒤 양극부위에 부동태 막을 생성하는 것들이고, 두 번째는 강력한 산화력이 있는 것들로 금속 표면에 얇고 밀착된 산화 피막을 형성하는 물질들이다. 이렇게 양극 방청제에 의하여 부동태 피막이 형성된 양극 부위의 전기화학적 전위는 점차 증가하여 음극 부위의 전위에 접근한다. 이런 결과로 양극 주변과 음극 주변 사이의 전위차가 작아지므로 부식 전류, 즉 금속 부식속도가 감소된다. 양극방청제에는 정인산염과 규산염 등이 있다.
쪾정인산염(Orthophosphates)
정인산염은 Fe²죘와 같은 용해성 금속이온과 반응하여 불용성의 염을 생성하여 양극부위에 피막을 형성한다.
위 반응의 결과 금속의 용해도는 감소하게 된다. 인산제2철{Fe₃(PO₄)₂}은 다른 양극 부식방지제에 비하여 부착력이 강하고, 물의 pH에 영향을 받지 않는 피막을 형성한다. 정인산염은 칼슘과 결합하여 스케일이 형성될 가능성이 높아 단독으로는 거의 사용하지 않는다. 정인산염은 일인산나트륨(NaH₂PO₄), 이인산나트륨(Na₂HPO₄), 삼인산나트륨(Na₃PO₄) 등이 있다.
쪾규산염(Silicates)
규산염은 금속의 양극부위에서 용해된 금속염과 결합한다. 이때 생성된 금속염과 규산염의 결합체는 양극부위에 겔(Gel)상의 석출물 층을 형성한다.
이렇게 형성된 겔 층은 다른 부식방지제에 의하여 형성된 부식방지 피막에 비해 화학적으로 대단히 안정하다. 규산염의 부식방지기능은 수온이 높을수록 향상된다. 규산염은 계면활성 기능이 있으므로 관 내부로 확산되어 부식을 방지하는 기능이 있다. 규산나트륨은 주로 수도용 방청제로 사용되며, 이것은 물에서 가수분해되어 음전하를 띠는 콜로이드성 입자로 변한 후 양극으로 이동하여 막을 형성한다. 이 막의 형성은 배관내부의 부식생성물 위에 이루어져서 최종적으로 이 부식생성물은 겔이 되며, 이러한 과정은 부식 생성물이 더 이상 없으면 멈추어 버리기 때문에 Self-limiting하다.
음극 방청제
음극 방청제는 음극에 피막을 형성하여 산소의 환원을 방지하는 역할을 한다. 음극 부식방지 피막은 전기적으로 부도체이어서 음극부위에서 전자가 산소와 반응하는 음극반응이 일어나기 위하여는 산소가 음극방식 피막을 투과하여 금속표면에 도달하여야 한다. 음극방청제에는 폴리인산염, 아연, 금속성인산염 등이 있다.
쪾폴리인산염(Polyphosphate)
폴리인산염은 전해석출(Electrodepo sition) 메카니즘에 의해 일반 금속의 음극 표면에 튼튼한 분극막(Polarizing film)을 형성한다. 이 분자는 콜로이드성 입자를 형성하기 위해 칼슘이온과 결합하거나 흡착하며, 양으로 하전된 이 입자들은 금속의 음극으로 이동하여 막을 형성한다. 폴리인산염은 중합도에 따라 금속이온에 대한 결합력, 금속염의 용해도, 방식제로서의 효과 등이 다르지만, 일반적으로 칼슘이온 등의 2가 이온과 공존할 때 양호한 부식방지효과를 나타낸다.
폴리인산염은 스케일 방지제의 역할도 수행하며, 관 내부의 철을 안정화시켜서 적수현상이 감소된다. 폴리인산염은 체류시간, pH, 온도 등 여러 가지 요인에 의해 정인산염으로 분해되며 폴리인산염과 정인산염이 공존하는 환경에서는 오히려 부식효과가 개선된다. 그러나 수온이 높으면 인산칼슘의 피막이 두꺼워 스케일화되는 경우가 있으므로 인산칼슘의 석출억제효과가 뛰어난 스케일 방지제를 사용할 필요가 있다.
폴리인산염은 현재 가장 많이 사용되고 있는 방청제로 독성이 없고 침식이 일어나지 않는다는 장점이 있다. 폴리인산염은 인산과 소다회, 가성소다 등과 혼합하여 삼인산나트륨(Na₃P₃O₁0), 육인산나트륨(Na₃PO6), 기타 폴리인산나트륨, 폴리인산칼륨 등의 화합물로 만들어 진다.
물의 pH는 인산염에 의해 형성된 보호피막의 성질에 영향을 미치는데 정인산염을 피로인산염과 비교하면 정인산염은 pH가 중성 부근에서 더욱 높은 방식 효과를 나타내며 높은 pH에서 유리상 폴리인산염 보다 강관에 대한 보호작용이 우수하다.
인산염은 전해질이나 용존고체의 농도에는 비교적 민감하지 않지만 물의 부식성이 증가함에 따라 방식효과를 일정하게 유지하려면 인산염의 주입량도 증가시켜야 한다. 폴리인산염은 이종금속부식을 효과적으로 억제하지만 강관이 구리에 의해 보호받는 금속에 대해서는 음극억제작용으로 보호하지 못한다.
☞ 다음호에 계속
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