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문제 정의
- 신뢰도 향상을 위해 매우 중요한 일이다. 본 연구에서는 부식억제제 사용 전후의 수질변화, 금속물 질의 용출, 스케일 구성성분의 변화 등을 실제 사용된 노후관을 이용한 모형실험을 통해 고찰하였다. 이미 관내부에 스케일이 형성되어 있는 상수도관에 부식억제제 적용성에 대해 평가를 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 실제 수돗물 공급시스템에서 녹물발생 문제해결을 위한 방법의 하나로, 부식이 진행된 노후관 전단에 부식억제제를 주입했을 때 녹물발생저감 및 수질에 미치는 영향을 조사하였다. 이를 통해 노후관에서 부식억제제의 효과 및 실공정에서의 적용성을 평가하였다.
- D시는 2007년부터 유 수율 향상과 상습적인 녹물 발생의 원인이 되는 불용 관 폐쇄를 위해 집중적인 관망개선 공사를 실시하고 있으며, 이 과정 중에 상당한 양의 녹물이 발생되고 있다. 이에 대한 개선방안의 하나로 부식억제제 적용성을 검토하였다.
제안 방법
- 28 동안 3 단계로 나누어 실시하였다. 1 단계는 부식억제제를 주입하지 않은 상태로 22일간(2.10〜3.3), 2 단계(부식억제제 주입 1차)은 부식억제제를 평균 3.8 mg/L(as P2O5) 주입하여 23일간(3.7〜3.29), 3 단계(부식억제제 주입 2차)는 부식억제제를 평균 4.6 mg/L(as P2O5) 주입하여 18일간(4.12〜4.29) 유량을 변화시켜가며 실험을 실시하였다.
- Fig. 4-A에서는 Fig. 3-A에서 관찰되지 않았던 구형의 미세 알갱이가 관찰되는데 이러한 구형의 성분들을 확인하고자 EDX, XRD, XRF 분석을 실시하였다. Fig.
- SEM(Model XL 30, Phillips) 및 EDX(Model PV 9900, Phillips) 분석을 위하여 부식억제제 주입 전후의 노후된 상수도관을 105°C에서 건조시킨 후 가로 1.5 cm, 세로 3 cm 크기로 절단하여 분석에 활용하였다. XRD(D/Max, 2200V/PC)를 활용하여 관 내부 결정구조를 확인하였으며 XRF(Rigaku, ZSX)를 이용하여 물질 성분을 파악하였다.
- 5 cm, 세로 3 cm 크기로 절단하여 분석에 활용하였다. XRD(D/Max, 2200V/PC)를 활용하여 관 내부 결정구조를 확인하였으며 XRF(Rigaku, ZSX)를 이용하여 물질 성분을 파악하였다. 즉, SEM을 이용해 배관 표면의 부식생성물 형성정도를 파악하였고, XRD 분석으로 철의 산화상태에 대해 파악하였다.
- 일반 가정집에서 실제 사용하는 유량조건을 모사하기 위해 주간에는 수돗물을 사용하다 야간에는 사용하지 않은 상태로 단속적으로 수돗물이 흐르도록 하였다. 단, 기온저하로 수도관 동파가 우려되는 실험초기에는 야간에 수돗물이 흐르고 주간에 수돗물이 관내에 정체되도록 하였으며, 토, 일, 공휴일 등에는 24시간 수돗물이 흐르도록 하였다. 수돗물의 수질은 야간에 6~18 시간 수도관 내에서 정체된 수돗물을 통수하기 직전에 채수하여 분석하였다.
- 즉, SEM을 이용해 배관 표면의 부식생성물 형성정도를 파악하였고, XRD 분석으로 철의 산화상태에 대해 파악하였다. 또한, XRF 분석을 통해 방식피막에 부식억제제 성분의 유무를 판단하여 최종적으로 부식억제제의 효과를 판단하였다.
- 대해 매주 3〜5회 분석하였다. 또한, 부식억제제 주입 후 2회에 걸쳐 먹는물 수질항목 전체를 검사하여 수질기준 충족 여부를 확인하였다. 수질측정결과와 항목별 통계값을 Table 5, 6에 나타내었다.
- 모형실험 장치에 유입되는 정수의 양은 일반적인 가정에서 월간 25〜30 m3의 수돗물을 사용하는 것을 고려하여 일일 1〜4 m3의 수돗물을 연속적으로 통수시키는 방법으로 실험하였다. 일반 가정집에서 실제 사용하는 유량조건을 모사하기 위해 주간에는 수돗물을 사용하다 야간에는 사용하지 않은 상태로 단속적으로 수돗물이 흐르도록 하였다.
- 모형실험은 2010.2.10〜2010.4.28 동안 3 단계로 나누어 실시하였다. 1 단계는 부식억제제를 주입하지 않은 상태로 22일간(2.
- 부식억제제 주입 전후의 노후관 내부 피막 형성 여부 및 관표면 물질에 대한 성분분석은 SEM(Scanning Electron Microscopy), EDX(Energy-dispersive X-ray Spectroscopy), XRD(X-Ray Diffraction Spectroscopy), XRF(X-Ray Fluorescence Spectroscopy)을 활용하여 실시하였다 또한 부식억제제 주입 전후의 탁도, 색도, 철 등 14항목에 대해 수도꼭지 수질도 분석하였다
- 부식억제제가 관 표면에 미치는 영향을 파악하기 위하여 SEM을 이용하여 조사하였다. Fig.
- 수돗물 수질분석은 수도관 내에서 6〜18시간 동안정체된 수돗물을 통수하기 직전에 채수하여 pH, 수온, 잔류염소, 알칼리도, 경도, TDS, 탁도, 색도, Fe, Zn, Cu, Pb, Mn, 인산염, 전기전도도 등 15항목에 대해 매주 3〜5회 분석하였다. 또한, 부식억제제 주입 후 2회에 걸쳐 먹는물 수질항목 전체를 검사하여 수질기준 충족 여부를 확인하였다.
- 실제 주택에서 사용한 관로를 대상으로 부식억제제의 효과를 평가하기 위하여 Fig. 1과 같이 노후주택에서 채취한 수도관을 이용하여 Fig. 2와 같은 모형실험 장치를 구성하고 부식억제제 주입에 따른 효과를 관찰하였다. 모형실험 장치에 사용된 노후관은 통수관경이 18 mm에서 약 8 mm로 축소된 부식된 강관이었다.
- 이를 통해 노후관에서 부식억제제의 효과 및 실공정에서의 적용성을 평가하였다.
- XRD(D/Max, 2200V/PC)를 활용하여 관 내부 결정구조를 확인하였으며 XRF(Rigaku, ZSX)를 이용하여 물질 성분을 파악하였다. 즉, SEM을 이용해 배관 표면의 부식생성물 형성정도를 파악하였고, XRD 분석으로 철의 산화상태에 대해 파악하였다. 또한, XRF 분석을 통해 방식피막에 부식억제제 성분의 유무를 판단하여 최종적으로 부식억제제의 효과를 판단하였다.
대상 데이터
- 2와 같은 모형실험 장치를 구성하고 부식억제제 주입에 따른 효과를 관찰하였다. 모형실험 장치에 사용된 노후관은 통수관경이 18 mm에서 약 8 mm로 축소된 부식된 강관이었다.
- A 정수장에서 수돗물을 공급받는다. 본 연구 기간 동안에는 A 정수장으로부터 수돗물을 공급받고 있었으며, 실험 당시 주요 항목에 대한 수질검사 결과는 Table 2와 같다. 특히, 부식 및 금속 용출에 많은 영향을 미치는 LI는 평균 -1.
- 본 연구에서는 지속적인 녹물발생이 관찰되어 노후관 개량사업을 실시하고 있는 경기도 북부의 D 시를 실험대상으로 하였다. D시는 2007년부터 유 수율 향상과 상습적인 녹물 발생의 원인이 되는 불용 관 폐쇄를 위해 집중적인 관망개선 공사를 실시하고 있으며, 이 과정 중에 상당한 양의 녹물이 발생되고 있다.
- 단, 기온저하로 수도관 동파가 우려되는 실험초기에는 야간에 수돗물이 흐르고 주간에 수돗물이 관내에 정체되도록 하였으며, 토, 일, 공휴일 등에는 24시간 수돗물이 흐르도록 하였다. 수돗물의 수질은 야간에 6~18 시간 수도관 내에서 정체된 수돗물을 통수하기 직전에 채수하여 분석하였다.
- 실험을 위한 노후관 샘플은 부식억제제 주입 후 40일차에 채취하였다.
- 한편, 연구에 사용된 부식억제제는 정부의 수처리제 규격에 적합한 인산염계 부식억제제 1종 2호 (액상)인 D사 제품이며, 품질기준 및 품질검사 결과는 Table 1과 같다.
성능/효과
- EDX 분석결과 부식억제제 주입 전 스케일성분의 대부분이 철과 산소로 구성된 것으로 보아 주성분이 산화철 형태로 되어있다는 것을 알 수 있다. 그러나 부식억제제 주입 후에는 철의 무게가 감소하고, O가 상대적으로 증가하면서 C, Zr, Si, Al, Ca가 생성되어 O와 결합한 다양한 형태의 화합물이 생성되었을 것으로 판단된다.
- 3, 4는 부식억제제 주입 전후의 사진이며, B는 A보다 24 배 더 확대된 사진이다. 각 이미지에서 스케일로 보이는 큰 물질의 아래쪽 바닥면을 자세히 관찰해보면 부식억제제 주입 후의 노후관 표면이 주입 전보다 매끄럽고 균일하며 특히 Fig. 4-B에서는 표면에 부착된 입자상의 물질들이 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 또한 부식억제제 주입 후의 표면이 주입 전보다는 치밀하게 형성되어 부식억제제로 인해 표면의 산화가 억제된 것으로 추정된다.
- 결론적으로 SEM, XRD, XRF 분석결과를 통해 부식억제제에 의한 방식피막 형성을 확인할 수 있었다.
- 08도(주입 전 대비 15%) 로 부식억제제의 주입 유무차이가 확연히 나타나고있다. 구리 농도는 주입 전 평균 0.08 mg/L에서 1 차 주입 후 0.026 mg/L, 2차 주입 후 0.035 mg/L 로 감소되었는데 주입 1, 2차 측정값은 이미 바탕시험수로 볼 수 있는 정수에 함유된 농도 수준으로 부식억제제의 동 용출 억제효과가 매우 신속하고 안정적임을 알 수 있다. 망간 농도는 주입 전 평균 0.
- 둘째, 부식억제제 주입 전후의 관표면 및 부식생성물을 SEM, EDX, XRD, XRF를 통해 분석한 결과노후관 내부의 표면조도 개선과, Fe의 감소, O, P, Ca 등이 증가됨으로 노후관 내부에 방식피막성분이 존재함을 확인할 수 있었다.
- 부식억제제 주입 전후의 옥내급수관 정체수의 탁도를 분석한 결과는 주입 전 평균 3.24 NTU에서, 주입 1차시 탁도는 주입 전 탁도의 17% 수준인 0.55 NTU, 주입 2차시 탁도는 주입 전 탁도의 11% 수준인 0.36 NTU로 감소되었다. 철 농도는 주입전 최대 1.
- 셋째, 부식억제제의 주입시 관내를 흐르는 유량과 주입율에 따라 그 성능과 효과가 다르며 더 높은 주입율과 많은 유량이 통과할 때 양호한 효과를 발생시키는 것으로 보여진다. 따라서, 부식억제제를 현장에 적용하기 위해서는 관망구성 및 관로 운영상황, 노후관의 스케일 정도 등을 고려한 유량, 유속, 체류시간, 주입율 등 다양한 변수에 대한 운전인 자의 도출을 통해 최적의 효율을 얻을 수 있도록 체계적인 연구가 필요하다.
- 알칼리도, 잔류염소, 경도, TDS, pH는 부식억제제 주입 전후의 옥내급수관 정체수의 수질이 바탕 시험 수인 정수장 유출수와 거의 차이가 없었으며 부식억제제의 주입에 의해 해당 항목의 농도에 유의할만한 영향을 받지 않은 것으로 판단된다.
- 첫째, 이미 부식된 노후관에 대해 부식억제제를 주입하고 배관에 6시간 이상 정체한 정체수의 수질을 분석했을 때 평균 탁도는 3.24 NTU에서 0.45 NTU로, 철은 0.36 mg/L에서 0.05 mg/L로, 색도는 7.36도에서 3.38도로 부식억제제 주입 전의 14~46% 수준으로 감소되었으며 먹는물 수질기준을 만족함으로 부식억제제가 부식된 노후관에서 수질을 개선하는데 효과가 있음을 확인하였다.
- 본 연구 기간 동안에는 A 정수장으로부터 수돗물을 공급받고 있었으며, 실험 당시 주요 항목에 대한 수질검사 결과는 Table 2와 같다. 특히, 부식 및 금속 용출에 많은 영향을 미치는 LI는 평균 -1.96으로 부식성이 높은 것으로 조사되었다. 참고로 LI와 관련한 일본의 국가수질관리 목표는 -1.
후속연구
- 결론적으로 인산염계 부식억제제가 이미 내부가 부식된 노후 상수도관에 주입되었을 때 적수발생량이 상당히 저감되어 먹는물에 대한 신뢰회복에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 것으로 보여진다. 따라서, 부식억제제를 현장에 적용하기 위해서는 관망구성 및 관로 운영상황, 노후관의 스케일 정도 등을 고려한 유량, 유속, 체류시간, 주입율 등 다양한 변수에 대한 운전인 자의 도출을 통해 최적의 효율을 얻을 수 있도록 체계적인 연구가 필요하다.
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