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문제 정의
- 본 연구의 목적은 스케일에 대한 광물학적 특성 및 생성원인에 대한 실험과 금속의 이온화 경 향, 마그네슘에 대한 용액 내에서의 거동 등을 이용하여 마그네슘(Mg) 금속에 대한 배관 내벽 의 스케일 제거 및 억제 가능성을 밝히는 것이다.
제안 방법
- 1주일에 1회씩 유속의 흐름을 50 cm/s 정도로 빠르게 하여 결합력이 약해진 스케일이 제거 될 수 있도록 하였다. 유속으로 인한 물리적 힘에 의해 제거되었을 가능성을 확인하기 위하여, 비교 대상 배관을 설치하였으나 스케일의 양의 변화는 거의 없었다.
- 녹 제거 실험 장치를 설치 후 수돗물의 화학 성분변화를 알아보기 위하여 2002년 8월부터 2002년 11월에 4회 분석을 실시하였으며, 8월과 11월 분석값은 표 1과 같다. 대부분의 양이온과 음이온의 값은 서로 다른 외부금속과 내부금속을 사용했을 때와 외부와 내부 금속을 사용하지 않고 스케일이 형성된 배관만 사용했을 때 모두 비교대상 시료와 큰 차이가 나타나지 않지만 내부 혹은 외부 금속의 종류에 따라 미소한 값의 변화가 나타나기도 한다.
- 녹의 제거정도를 파악하기 위한 비교대상으로 외부금속과 내부금속을 설치하지 않고 녹이 생성된 배관만 설치하여 실험을 실시하였다. 실험이 진행되는 과정 동안 수돗물이 항상 배관 내에 흐르도록 장치하고 이때 유속 20 cm/s 정도로 유량은 8.
- 스케일 제거실험에 사용한 수돗물과 현장 적용 냉각수에 대해 pH, 온도, 전기전도도(EC) 등을 휴대용 Orionl230 pH측정기로 측정하였으며, 양 이온과 음이온 분석은 서울대학교 지구환경공학 부 기기분석실의 Perkin-Elmer Optima 3000XL 유도쌍극자플라즈마분광분석 (ICP-AES)과 DioneX 400i 이온크로마토그래피(IC)를 이용하여 각각 분석하였다.
- 스케일제거 실험에 사용한 강관 내벽과 현장적용 시 냉각수 라인 스테일레스강 배관에 생성된 스케일(scale) 시료에 대하여 구성 광물들의 형 태, 광물들의 배열 상태 등을 관찰하기 위하여 서울대학교 지구물질과학 연구실의 SZ-S7 OLYMPUS 쌍안실체현미경 관찰을 실시하였다.
- 5° 2。/min로 분석을 실시하였다. 시료는 아게이트 모르타르를 이용하여 분말로 만든 후 분말 X-선 회절분석을 실시하였다.
- 녹의 제거정도를 파악하기 위한 비교대상으로 외부금속과 내부금속을 설치하지 않고 녹이 생성된 배관만 설치하여 실험을 실시하였다. 실험이 진행되는 과정 동안 수돗물이 항상 배관 내에 흐르도록 장치하고 이때 유속 20 cm/s 정도로 유량은 8.5 m'/day로 일반 가정용 상수도에 비해 훨씬 적은 양이 흐르도록 하였지만 모든 장치에 거의 같은 양으로 흐를 수 있도록 조정하여 실험하였다(그림 1C, D). 외부 금속과 내부 금속의 영향에 의해 결합력이 약해진 스케일이 존재한다면 유속에 의해 제거될 수 있을 것으로 생각되어 1주일에 1회씩 밸브를 50 cm/s 정도의 유속으로 물이 흐를 수 있도록 조절하였으며, 일정한 시간 간격으로 장치를 분해하여 장치 및 배관에 나타나는 현상들을 관찰하였다.
- 5 m'/day로 일반 가정용 상수도에 비해 훨씬 적은 양이 흐르도록 하였지만 모든 장치에 거의 같은 양으로 흐를 수 있도록 조정하여 실험하였다(그림 1C, D). 외부 금속과 내부 금속의 영향에 의해 결합력이 약해진 스케일이 존재한다면 유속에 의해 제거될 수 있을 것으로 생각되어 1주일에 1회씩 밸브를 50 cm/s 정도의 유속으로 물이 흐를 수 있도록 조절하였으며, 일정한 시간 간격으로 장치를 분해하여 장치 및 배관에 나타나는 현상들을 관찰하였다.
- 전자현미 경(SEM), 쌍안실 체현 미경 (Stereomicro- scope), 금속 조합을 이용한 스케일 제거장치 실험, 물 분석, X-선회절 분석 등을 통하여 배관내 벽에 생성된 스케일에 대한 광물학적 특성과 스케일 제거 및 억제 가능성과 수질의 특성 변화에 대한 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 침전물과 부유물의 미세한 형태에 대한 특성을 연구하기 위하여 한국기초과학지 원연구소의 Leo 1455 V 환경주사전자현미경(ESEM)을 이용하여 가속전압 20 kV로 관찰하였으며, 에너지분산 X- 선분광기(EDS)를 이용하여 대략적이 성분 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 절단한 배관의 무게는 스케일을 포함해서 230~290 g 정도이며 배관 내에 형성된 스케일의 무게는 배관에 따라 차이가 나지만 약 10 g 정도이다. 배관의 스케일 예방 및 제거용 장치로 사용할 외부 금속은 W20 mm의 황동관(Zn+Cu), 구리관(Cu), 알루미늄관 (A1)을 약 20 cm 길이로 절단하여 사용하였으며 내부 금속은 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 알루미늄 (A1), 황동(Cu+Zn), 구리(Cu)를 적당한 크기로 절단하여 사용하고 이들의 조합을 설정하여 실험을 실시하였다(그림 IB).
- 스케일 제거 실험에 사용한 대상 배관은 이미 녹이 생성된 10년 정도 사용한 0 25 mm 수도용 배관을 약 10 cm 정도의 길이로 절단하여 실험에 사용하였다(그림 1A). 절단한 배관의 무게는 스케일을 포함해서 230~290 g 정도이며 배관 내에 형성된 스케일의 무게는 배관에 따라 차이가 나지만 약 10 g 정도이다.
성능/효과
- 1) 배관 내벽에 형성된 스케일은 대부분 Fe와 약간의 Ca, Si 등을 포함하고 있으며 구형이나 포도상 형태로 나타난다. 철광물이 배관내벽에서 성장할 때는 0.
- 2) 배관내벽에 형성된 스케일을 제거하기 위해서 내부 금속을 Mg, Zn 외부 금속을 황동의 조합을 적용할 경우 가장 좋은 효과를 나타내며, 이 금속 조합을 이용할 경우 배관내 벽을 스케일을 제거할 수 있다.
- 3) Mg를 냉각 순환수에 적용할 경우 순환 횟수가 증가할수록 냉각수 자체의 Mg 값이 증가하지만 1회 순환시 증가하는 양은 극미량으로 인체나 환경에 전형 영향을 미치지 않는다.
- 3개월 후 실험장치에 나타난 효과 및 결과를 보면 A1 을 장치에 사용했을 시 다량의 비정질 A1-수산화물을 형성하여 유체의 흐름을 방해하는 현상이 나타나기 때문에 외부금속이나 내부금속 에 A1 를 사용하는 것은 불가능한 것으로 판단되었다.
- 스케일 제거 실험에 사용한 배관은 스케일이 많이 형성된 10년 된 배관이지만 실험 결과에서 외부금속을 황동, 내부 금속을 Mg를 적용했을 때 스케일 제거에 가장 좋은 효과를 나타내었다. 외부금속을 황동, 내부금속을 Mg로 제작하여 현장에 적용한 배관은 약 4년간 냉각수 라인으로 사용하던 배관으로 냉각수에는 스케일의 생성을 방지하기 위하여 연수기를 설치하여 운행하고 있었으나 내부에는 상당히 많은 양의 적갈색의 스케일이 형성되어 있다.
- 실험 시작 후 약 3개월 동안 사용한 배관의 무게 변화에 따른 스케일 변화량을 보면 외부 금속 을 황동, 내부 금속을 Mg를 사용했을 때 제거되는 양이 가장 크며, 외부 금속을 황동이나 구리, 내부금속을 Mg 혹은 Zn을 사용할 경우에도 많이 제거되는 것으로 나타낸다(표 2).
- 한달 후 확인구의 배관을 관찰한 결과 붉은 색깔을 나타내던 스케일이 상당히 많이 제거되고 스케일의 색깔도 약간 노란색을 띠고 있었다. 약 2개월 후 확인구에 대한 육안과 사진 판독에 의하면 설치전과는 비교할 수 없을 정도로 많은 양의 스케일이 제거되었다. 1년 후 배관 의 내부는 거의 배관설치 초기상태와 유사한 결과를 나타내었다(그림 5).
- Mg를 적용한 후 확인구를 만들어 냉각수 라인의 배관내의 스케일의 변화를 관찰해 본 결과 설치하기 전에는 스케일이 배관 내벽에는 스케일이 형성되어 내부가 붉은색 이었다. 한달 후 확인구의 배관을 관찰한 결과 붉은 색깔을 나타내던 스케일이 상당히 많이 제거되고 스케일의 색깔도 약간 노란색을 띠고 있었다. 약 2개월 후 확인구에 대한 육안과 사진 판독에 의하면 설치전과는 비교할 수 없을 정도로 많은 양의 스케일이 제거되었다.
후속연구
- 현재까지 관의 부식을 방지하기 위한 접근방법은 내식성이 강한 배급수관 사용하거나 배급수관 에 부식방지용 물질을 코팅하는 직접적인 방법과 정수 처리 시 pH, 알칼리도의 조절, 칼슘경도의 첨가, 방식제의 첨가 등 물의 특성을 변화시키는 간접적인 방법이 있다. 그러나 금속 마그네슘을 이용하여 배관내벽의 스케일 제거 및 억제가 가 능하다면, 지금까지의 사용해 왔던 화학약품을 이용한 방법을 대체하고 시간적, 경제적 비용을 현저히 절감시킬 수 있는 친환경적 기술이 될 것이다.
- 마그네슘의 물속에서의 거동과 실험에서 나타나는 현상들을 이용하여 녹 제거 기술을 개발한다면 그 효과가 클 것으로 기대된다. 물 속에서 용출되는 마그네슘의 양은 인체에 전혀 해를 미치지 않은 정도로 극미량이지만 철산화물과의 반응 시 결합력을 약화시켜는 결과를 나타낸다.
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