상수원수의 부식평가 지수 산정 프로그램 개발 및 탄산칼슘 포화지수에 의한 수돗물의 부식성 평가 Development of Corrosion Evaluation Index Calculation Program of Raw Water and Evaluation on Corrosivity of Tap Water using the Calcium Carbonate Saturation Index원문보기
본 연구에서는 상수원수의 부식성을 평가하기 위한 부식평가 지수 산정 프로그램을 개발하였다. 이를 한강 및 낙동강 수계에 적용하였을 때, 부식촉진 인자인 황산이온은 한강 수계에서 보다 낙동강 수계에서 더 높았으며, 부식제한 인자인 칼슘과 경도 또한 낙동강 수계가 높은 것으로 나타났다. LI와 CCPP를 산정한 결과를 요약하면 한강 수계의 수질이 부식성이 강한 즉, 부식을 촉진시키는 경향이 강한 것으로 나타났다. 이와 더불어 본 연구에서는 수돗물에 알칼리제를 주입하여 탄산칼슘 포화지수의 부식성을 평가한 결과, LI와 RI의 경우 $Ca(OH)_2$ > NaOH > ${Na_2}{CO_3}$ > $CaCO_3$의 순으로 포화상태를 유지하였다.
본 연구에서는 상수원수의 부식성을 평가하기 위한 부식평가 지수 산정 프로그램을 개발하였다. 이를 한강 및 낙동강 수계에 적용하였을 때, 부식촉진 인자인 황산이온은 한강 수계에서 보다 낙동강 수계에서 더 높았으며, 부식제한 인자인 칼슘과 경도 또한 낙동강 수계가 높은 것으로 나타났다. LI와 CCPP를 산정한 결과를 요약하면 한강 수계의 수질이 부식성이 강한 즉, 부식을 촉진시키는 경향이 강한 것으로 나타났다. 이와 더불어 본 연구에서는 수돗물에 알칼리제를 주입하여 탄산칼슘 포화지수의 부식성을 평가한 결과, LI와 RI의 경우 $Ca(OH)_2$ > NaOH > ${Na_2}{CO_3}$ > $CaCO_3$의 순으로 포화상태를 유지하였다.
In this study, we developed the program to calculate the corrosion evaluation index for examining the corrosivity of raw water. When it was applied to the Han river and Nakdong river system, sulfuric acid ion, which accelerated corrosion, was higher in Nakdong river system than Han river system whil...
In this study, we developed the program to calculate the corrosion evaluation index for examining the corrosivity of raw water. When it was applied to the Han river and Nakdong river system, sulfuric acid ion, which accelerated corrosion, was higher in Nakdong river system than Han river system while calcium and hardness, which restrained corrosion, was the same way. Summarization of the LI and CCPP calculation result by the developed corrosion evaluation model showed that water quality of Han river system had strong tendency to corrode (is strongly corrosive). Moreover, this study evaluated the corrosivity of calcium carbonate saturation index by adding the chemicals to tap water. Saturation status was maintained in the order of $Ca(OH)_2$ > NaOH > ${Na_2}{CO_3}$ > $CaCO_3$ in the case of LI and RI.
In this study, we developed the program to calculate the corrosion evaluation index for examining the corrosivity of raw water. When it was applied to the Han river and Nakdong river system, sulfuric acid ion, which accelerated corrosion, was higher in Nakdong river system than Han river system while calcium and hardness, which restrained corrosion, was the same way. Summarization of the LI and CCPP calculation result by the developed corrosion evaluation model showed that water quality of Han river system had strong tendency to corrode (is strongly corrosive). Moreover, this study evaluated the corrosivity of calcium carbonate saturation index by adding the chemicals to tap water. Saturation status was maintained in the order of $Ca(OH)_2$ > NaOH > ${Na_2}{CO_3}$ > $CaCO_3$ in the case of LI and RI.
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문제 정의
본 연구에서는 개발된 프로그램을 적용하여 국내 상수원수의 부식성을 평가하기 위하여 표 2와 같이 한강 및낙동강 수계의 선행연구 자료[18]를 입력하였다. 입력 결과, 부식을 촉진하는 인자로 알려진 황산이온이 낙동강수계가 한강 수계보다 30%이상 높은 것으로 나타났으며, 탄산칼슘(CaCOD의 피막을 형성하여 부식을 억제시키는인자(칼슘 및 경도)는 낙동강 수계가 한강 수계보다 사계절 모두 높은 것으로 나타나, 관로의 내면부식의 측면에서 보면 이 두 가지 인자가 서로 다른 작용을 해서 그 영향력이 상쇄될 것으로 판단된다.
본 연구에서는 국내 상수원수의 부식성을 평가하기 위하여 부식평가 지수를 산정하는 프로그램을 개발하여 한강 및 낙동강 수계에 적용하여 그 유용성을 평가하였다. 이와 더불어 상수도관의 부식제어를 위해 알칼리제 주입에 따른 탄산칼슘 포화지수에 의한 수돗물의 부식성을 평가하였다.
본 연구에서는 부식성이 매우 큰 국내 상수원수의 수질 특성에 비추어 볼 때 우선적으로 상수원수의 부식성을 평가할 수 있는 기존에 범용적으로 사용되고 있는 부식평가지수에 대해서 고찰하고, 이를 기반으로 상수원수의 부식지수 산정 프로그램을 개발하였으며, 한강과 낙동강수계의 기존 원수특성 자료에 개발된 프로그램을 적용시켜 그 유용성을 평가하였다.
이 지수는 처음 아스베스토스로 코팅된 시멘트 파이프에서 수온이 4℃~27℃ (40-F~9(TF)의 범위에 대하여 부식성을 평가하기 위해 개발되었다.
이와 더불어 본 연구에서는 상수도관 부식문제를 제어하는 방안으로 국내 수질에 적합한 부식방지용 수질 안정화약품으로 개발된 고순도 석회제품[Ca(OH)2, CaCO3] 을 이용하여 탄산칼슘포화지수에 의한 수돗물의 부식성을 평가하였다.
제안 방법
본 연구는 알칼리제 첨가 후 수질 및 탄산칼슘 포화지수의 변화를 살펴보기 위해 수돗물에 알칼리제인 슬러리상태의 석회제품(Ca(OH)2, CaCO"과 정수처리약품 (NaOH, NazCCh)의 농도를 1 ~20mg/L 범위로 주입하여 일정시간 교반한 후 pH, 칼슘, 알칼리도, 전기전도도, 탁도를 측정하였으며, 그 결과를 그림 4에 나타내었다.
포화상태의 pH를 구하기 위하여 LI=1 인 경우 Langelier[14]의 정의에 의한 지수를 구하며, LI=2인 경우 Snoeyink and Jenkins] 13]의 정의에 의한 지수를 구하게 되는 데 이 값은 일반적인 pH 범위 (pH 6~10)에는 지수에 차이가 없으나, pH가 10을 초과할 경우 LI=2인 후자의 방법이 보다 정확한 값을 주는 것으로 알려져 있다.[15] 흐름도에 따라 FORTRAN 언어를 사용하여 코딩하여 LI를 산정할 수 있는 프로그램을 개발하였다.
또한 LI의 단점인 pH 증가에 따라 직선적으로 증가하여 pH가 10이상의 구간에서 신뢰할 수 없는 값을 주는 것[13] 을 보완하여 폭 넓은 pH 범위에서 신뢰할 수 있는 결과를 주는산정 절차가 비교적 복잡한 Lin을 산정하도록 설계하였다.
본 연구에서는 상수도관의 부식제어를 위해 슬러리 상태의 석회제품(알칼리제)인 97.62% Ca(OH)2, 99.9% CaCCh를 l, 000mg/L의 stock solution으로 제조한 후 30 분 동안 IL/mim의 유속으로 탄산가스(99.9% C6)를 주입하여 용해시켰으며, 기존에 상용화된 pH 조절제(알칼리제)인 NaOH, NazCOs를 선정하여 그림 3과 같은 회분식 실험장치를 이용하여 수돗물에 0~40mg/L로 주입하고 주입 전, 후의 pH, 온도 알칼리도 칼슘, 전기전도도를 측정하여 각 제품에 대해 탄산칼슘 포화지수(LI, RI, CCPP)를 계산하여 수돗물의 침식성을 비교 . 평가하였다.
본 프로그램은 LI, RI, Al, LR, DFI 등의 지수의 산정뿐만 아니라 기존 모델에서 구할 수 없었던 CCPP를 산정할 수 있으며, 이를 Caldwell-Lawrence Diagram을 이용하여 산정한 결과와 비교할 수 있도록 구성하였다. 또한 LI의 단점인 pH 증가에 따라 직선적으로 증가하여 pH가 10이상의 구간에서 신뢰할 수 없는 값을 주는 것[13] 을 보완하여 폭 넓은 pH 범위에서 신뢰할 수 있는 결과를 주는산정 절차가 비교적 복잡한 Lin을 산정하도록 설계하였다.
입력자료를 이용하여 pl」, pK2, plj, pKs와 같은 평형상수를 구한다. 이온강도와 온도, 부전도성 상수를 이용하여 활동도계수의 대수치를 구한다. 포화상태의 pH를 구하기 위하여 LI=1 인 경우 Langelier[14]의 정의에 의한 지수를 구하며, LI=2인 경우 Snoeyink and Jenkins] 13]의 정의에 의한 지수를 구하게 되는 데 이 값은 일반적인 pH 범위 (pH 6~10)에는 지수에 차이가 없으나, pH가 10을 초과할 경우 LI=2인 후자의 방법이 보다 정확한 값을 주는 것으로 알려져 있다.
평가하였다. 이와 더불어 상수도관의 부식제어를 위해 알칼리제 주입에 따른 탄산칼슘 포화지수에 의한 수돗물의 부식성을 평가하였다. 본 연구에서 도출된 결과는 다음과 같다.
입력 자료는 수온, 칼슘농도, 알칼리도, 측정된 pH, 총용존고형물농도, 전기전도도 등이다. 입력자료를 이용하여 수소이온농도, 평형상수, 매개변수, 초기 알칼리도를 순차적으로 구한다. 평형상태의 pH를 가정하고, 좌변의 계산값 LHS와 우변의 계산값 RHS가 거의 일치하도록 반복 계산을 수행하며, 반복 계산 도중에 조건을 만족시키는 경우가 발생하면 DO loop을 빠져 나와 다음 단계을 수행하여 CCPP를 구한다.
입력자료를 이용하여 수소이온농도, 평형상수, 매개변수, 초기 알칼리도를 순차적으로 구한다. 평형상태의 pH를 가정하고, 좌변의 계산값 LHS와 우변의 계산값 RHS가 거의 일치하도록 반복 계산을 수행하며, 반복 계산 도중에 조건을 만족시키는 경우가 발생하면 DO loop을 빠져 나와 다음 단계을 수행하여 CCPP를 구한다. 흐름도에 따라 FORTRAN 언어를 사용하여 코딩하여 CCPP를 산정할 수 있는 프로그램을 개발하였다.
평형상태의 pH를 가정하고, 좌변의 계산값 LHS와 우변의 계산값 RHS가 거의 일치하도록 반복 계산을 수행하며, 반복 계산 도중에 조건을 만족시키는 경우가 발생하면 DO loop을 빠져 나와 다음 단계을 수행하여 CCPP를 구한다. 흐름도에 따라 FORTRAN 언어를 사용하여 코딩하여 CCPP를 산정할 수 있는 프로그램을 개발하였다.[17]
대상 데이터
실험에 이용한 수돗물은 LI의 값이 -1.57을 나타내었고, RI가 7이상인 10.19를 나타내기 때문에 부식성의 불포화 상태이었다. 따라서 알칼리제의 첨가에 의해 pH, 알칼리도, 칼슘의 값이 증가하면서 그 물은 탄산칼슘이 포화된 상태가 된다.
성능/효과
경향이 뚜렷하게 나타났다. 그림 5(b)의 LI를 살펴보면, 탄산칼슘의 포화상태를 유지하기 위한 Ca(OH)2, NaOH, NMO3의 적정 주입량은 각각 4, 6, 12mg/L로 LI>0값을 나타내었으나, CaCCh는 그래프상에서는 확인할 수 없었으나 외삽법으로 판단해 볼 때 약 20mg/L이상을 주입해야 탄산칼슘의 포화상태를 유지할 수 있을 것으로 사료된다. 그림 5(c)의 RI를 살펴보면, 탄산칼슘의 포화상태를 유지하기 위한 Ca(아玦의 적정 주입량은 14mg/L 이상으로 RI<7값을 나타내었으나, NaOH, Na2CO3 그리고 CaCCh의 경우에는 위의 그래프상에서 모두 RI가 7 이상을 나타내어 부식성의 불포화상태를 나타내었다.
1. 부식을 촉진하는 인자인 황산이온이 낙동강 수계가 한강수계보다 높게 나타났으나, 부식억제인자인 칼슘이나 경도 또한 낙동강 수계가 높은 것으로 나타나, 이두 가지 인자가 서로 다른 작용을 하여 상쇄될 것으로 판단되었다. 계절별로는 경도 및 칼슘과 같은 부식억제인자가 겨울, 봄/가을, 여름 순으로 높아, 겨울철의 수질이 여름철에 비하여 내부식성이 강한 것으로 조사되었다.
2. LI 산정결과, 겨울, 봄/가을, 여름철에 대하여 한강 수계가 -2.1 -0.9, -2.0 —— 1.5, -2.1——1.6로낙동강 수계의 -L6~_1.2, -1.7~-1.1, -2.0 ~ - L2보다 높은 것으로 나타나, 한강 수계의 수질이 낙동강 수계의 수질에 비하여 부식성이 높은 것으로 나타났다.
3. CCPP 산정결과, 겨울, 봄/가을, 여름철에 대하여 한강수 계 가 -18.9~-3.6, -16.3~-14.6 -13.2~-12.9로 낙동강 수계의 -1* 3.- — 7.7, -12.8 ~-6.9, -10.3 ~-6.3보다 높게 나타나 한강 수계가 불포화 상태가 심하여 포화 싱태로 되기 위하여 보다 많은 양의 탄산칼슘 주입이 필요한 것으로 나타났다.
4. LI 및 CCPP 산정 결과를 종합하면, 한강 수계의 수질이 부식성이 강한 즉, 부식을 촉진시키는 경향이 강한 것으로 조사되었다.
5. 알칼리제 주입에 따른 탄산칼슘 포화지수의 부식성을 평가한 결과, LSI와 RI의 경우 모두 Ca(OH)2 > NaOH > Na2CO3 > CaCOs 순으로 포화상태를 유지하였다.
CCPP 산정 결과에 의하면 한강 수계의 값이 낙동강수계의 값보다 전 계절에 대하여 높게 나타나 즉, 불포화상태가 심하여 포화되는 데 더 많은 탄산칼슘의 양이 필요한 것으로 평가되었다. LI 산정 결과에 의하면 전반적으로 한강 수계의 값이 낙동강 수계의 값보다 높은 것으로 나타나 한강 수계의 수질이 부식성이 심한 수질로 평가되었다.
것으로 평가되었다. LI 산정 결과에 의하면 전반적으로 한강 수계의 값이 낙동강 수계의 값보다 높은 것으로 나타나 한강 수계의 수질이 부식성이 심한 수질로 평가되었다.
결론적으로 알칼리제에 대한 탄산칼슘 포화지수의 부식성을 평가해 본 결과, LI와 RI의 경우 모두 Ca(OH)2 > NaOH > Na2CO3 > CaCO3 순으로 포화상태를 유지하였다.
부식을 촉진하는 인자인 황산이온이 낙동강 수계가 한강수계보다 높게 나타났으나, 부식억제인자인 칼슘이나 경도 또한 낙동강 수계가 높은 것으로 나타나, 이두 가지 인자가 서로 다른 작용을 하여 상쇄될 것으로 판단되었다. 계절별로는 경도 및 칼슘과 같은 부식억제인자가 겨울, 봄/가을, 여름 순으로 높아, 겨울철의 수질이 여름철에 비하여 내부식성이 강한 것으로 조사되었다.
입력 결과, 부식을 촉진하는 인자로 알려진 황산이온이 낙동강수계가 한강 수계보다 30%이상 높은 것으로 나타났으며, 탄산칼슘(CaCOD의 피막을 형성하여 부식을 억제시키는인자(칼슘 및 경도)는 낙동강 수계가 한강 수계보다 사계절 모두 높은 것으로 나타나, 관로의 내면부식의 측면에서 보면 이 두 가지 인자가 서로 다른 작용을 해서 그 영향력이 상쇄될 것으로 판단된다. 계절별로는 경도 및 칼슘과 같은 부식억제인자는 겨울, 봄/가을, 여름 순으로 높아, 겨울철의 수질이 여름에 비하여 내부식성이 강한 것으로 조사되었다.
그림 4에 나타난 바와 같이 Ca(OH»를 주입한 경우 다른 알칼리제인 CaCO3, NaOH, NazCO, 에 비해 pH, 칼슘경도, 알칼리도, 전기전도도 등이 모두 증가하여 탄산칼슘 포화지수인 LI가 더 커지고 RI는 작아져 탄산칼슘 포화상태를 만드는데 더 효과적임을 알 수 있었다. 그러나 Ca(OH)2를 주입한 경우에는 주입량이 증가함에 따라 탁도가 증가하였으나, NaOH와 NaKChe 용해도가 커서 주입량이 증가함에 따라 탁도에 큰 변화가 없었다 NaOH와 NazCChe 쉽게 용해되어 적량주입이 용이하지만 칼슘을 보충할 수 없기 때문에 pH를 조절한다.
수계의 선행연구 자료[18]를 입력하였다. 입력 결과, 부식을 촉진하는 인자로 알려진 황산이온이 낙동강수계가 한강 수계보다 30%이상 높은 것으로 나타났으며, 탄산칼슘(CaCOD의 피막을 형성하여 부식을 억제시키는인자(칼슘 및 경도)는 낙동강 수계가 한강 수계보다 사계절 모두 높은 것으로 나타나, 관로의 내면부식의 측면에서 보면 이 두 가지 인자가 서로 다른 작용을 해서 그 영향력이 상쇄될 것으로 판단된다. 계절별로는 경도 및 칼슘과 같은 부식억제인자는 겨울, 봄/가을, 여름 순으로 높아, 겨울철의 수질이 여름에 비하여 내부식성이 강한 것으로 조사되었다.
AWWA Research Foundation and DVGW-Technologie zentrum Wasser, "Internal Corrosion of Water Distribution Systems", AWWA ResearchFoundation and DV GW-Technologiezentrum Wasser, Denver, 1996.
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