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문제 정의
- 따라서 표 1에서 기존 장치의 문제점을 해결하고 개선하기 위한 기술을 적용한 장치를 당사에서 개발 완료하였다. 이에 대한 아연의 희생 양극원리와 전기석 촉매의 전자기 효과에 의한 음이온 발생 원리를 이용하여 부식 및 스케일 방지와 제거가능한 수처리 장치와 물리적인 장치(예 : Pig)에 의해 주기적으로 청소하고 세척하여 제거할 수 있는 세척 장치를 통합한 다기능 수처리 장치에 대해 소개하고자 한다.
제안 방법
- 부식 방지실험은 수도관로에 많이 사용되는 아연강관과 탄소강관을 샘플로 하여 실험을 진행하였다. 125 L 실험장치의 배관 구간마다 샘플 배관을 장착하여 30일 동안 산성조건과 염기성 조건에서 실험하였으며, 철농도 분석과 육안 식별을 통실험을 진행하였다. 그 결과는 그림 8, 그림 9와 같다.
- pH 4, pH 8 두 가지 조건에서 실험을 진행하였으며, 실험진행시간은 15일로 진행하였다. 15일 후 결과는 그림 7과 같다.
- 실험은 일반 수돗물을 실험용수로 사용하였으며, 황산과 암모니아수로 pH 4, pH 8 각각 산성과 염기성으로 실험하였다. pH 측정은 휴대용 측정기로 사용하였고 수질분석은 인증된 수질분석기를 사용하여 실험하였다. 분석항목으로는 Cl2, Fe, Cu, NH3(N), F, Cl-, Zn, Mn, Al, NO3(N)에 대하여 진행하였으며 녹 방지 및 제거 실험에 대한 판단은 용수 중 철농도 분석을 통해 측정하였다.
- 녹 제거실험은 녹이 일정 이상 발생한 배관을 125 L 실험장치의 배관 구간에 장착하여 30일 동안 실험을 진행하였으며, 철농도 분석과 육안 식별을 통해 실험을 진행하였다.
- pH 측정은 휴대용 측정기로 사용하였고 수질분석은 인증된 수질분석기를 사용하여 실험하였다. 분석항목으로는 Cl2, Fe, Cu, NH3(N), F, Cl-, Zn, Mn, Al, NO3(N)에 대하여 진행하였으며 녹 방지 및 제거 실험에 대한 판단은 용수 중 철농도 분석을 통해 측정하였다.
- 스케일 방지 실험은 배관을 125 L 실험장치의 배관 구간에 장착하여 30일 동안 실험을 진행하였으며, 스케일 발생 원인 물질인 탄산칼슘, 산화마그네슘 등의 시약을 첨가하여 발생하는 스케일량과 육안 식별을 통해 실험을 진행하였다.
- 실험 전 수처리장치 내부의 유동흐름 및 유속, 압력을 검증하기 위해 유동해석 프로그램을 사용하여 그림 6과 같이 해석결과를 도출하여 설계를 수행하였다.
- 실험은 일반 수돗물을 실험용수로 사용하였으며, 황산과 암모니아수로 pH 4, pH 8 각각 산성과 염기성으로 실험하였다. pH 측정은 휴대용 측정기로 사용하였고 수질분석은 인증된 수질분석기를 사용하여 실험하였다.
- 실험조건은 방지실험에서 가장 우수한 성능을 보인 테플론 코팅을 한 장치와 토르말린 양을 1,500 g으로 하여 진행하였다. 그 결과는 그림 10, 그림 11과 같다.
대상 데이터
- 부식 방지실험은 수도관로에 많이 사용되는 아연강관과 탄소강관을 샘플로 하여 실험을 진행하였다. 125 L 실험장치의 배관 구간마다 샘플 배관을 장착하여 30일 동안 산성조건과 염기성 조건에서 실험하였으며, 철농도 분석과 육안 식별을 통실험을 진행하였다.
- 실험장치는 당사 연구소에서 개발한 상수도 관로 환경과 유사한 데모 플랜트를 구성하였으며, 그 구성으로는 그림 5의 설비와 같이 2 “수처리 장치와 4” 수처리 장치를 장착한 “2, 4” 투명 PVC 배관의 장치를 제작하였으며, 수처리 용량 각각 45 L, 125 L의 두 개의 장치를 사용하여 실험하였다.
성능/효과
- 그 결과, 산성과 염기성 조건 모두 일정시간 후에 중성으로 중화되려는 경향을 보였다. 이는 토르말린 촉매의 전기분해 및 이온화 영향에 따라 실험용수 내에서 이온 밸런스를 조절하여 중성에 가깝게 변화한다고 판단된다.
- 이는 토르말린 촉매의 전기분해 및 이온화 영향에 따라 실험용수 내에서 이온 밸런스를 조절하여 중성에 가깝게 변화한다고 판단된다. 따라서 부식이 잘 발생하는 환경인 산성 조건을 중성으로 완화시켜 부식 방지에 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 따라서 실험결과를 종합하여 그 결과를 기존 장치 결과들과 비교하면 표 3에서와같이 개발목표 세계 최고 수준을 상회하는 것으로 나타났으며, 표 4에서 기존 제품들과 비교하여 보면 구입 유지보수에 대한 경제성뿐만 아니라 편리성까지 우수한 것을 알 수 있다.
- 따라서 최대 60% 이상의 부식방지 효과를 얻을 수 있었으며 이는 아연 반응관의 희생 양극법에 의해 철과 산소와의 반응을 차단하여 부식을 방지할 수 있다고 판단된다.
- 또한, 관로 내 1 km 마다 의무적으로 설치해야 하는 점검구와 500 m~1 km 마다 설치되는 밸브를 통합함으로써 구입 비용 절감(개별 구입가격 대비 80%), 설치 비용 절감(개별 설치 비용 대비 60%), 수리 비용 절감(밸브 수리 시 점검구를 통한 신속, 편리한 수리) 유지 비용 절감을 얻을 수 있다. 그리고 밸브와 점검구를 한 번에 설치함으로써 설치 편의성이 확보되며 점검 시 밸브를 잠그고 점검하고, 밸브 이상시 점검구를 통한 점검 및 보수 가능하여“점검구+이온 결정화 촉매장치”를 통한 이득을 얻을 있을 것이라고 판단된다.
- 수치를 보면 미설치 시, 스케일량이 50 mg/L로 증가하였으며 설치했을 경우 15.3 mg/L로 2배 이상 감소하였다. 이는 부식방지율이 초기 대비 60%이상으로 나타났다.
- 실험 결과 배관 상태를 보면 육안으로 확연히 구분될 만큼 차이가 나타났다. 장치를 미설치한 경우에는 불그스름하게 부식이 진행되었고, 수처리장치를 설치했을 경우 부식은 거의 발생하지 않았다.
- 실험 결과, 배관 상태를 육안으로 보면 장치를 설치하지 않을 경우 녹 발생이 더욱 심한 걸로 보였으며 수처리를 장치를 설치했을 경우 녹이 상당 부분 제거되어 색이 검정색으로 변화하였다.
- 실험결과, 육안으로 보면 스케일 발생이 다기능 수처리 장치를 설치했을 때 현저히 준 것을 확인할 수 있었다. 이는 전기석인 토르말린 촉매에 의해 스케일 발생 물질의 구조가 배관 벽에 잘 부착될 수 있는 침상 구조 상태에서 잘 부착되지 않는 구상 구조 상태로 변환하여 방지할 수 있었을 거라고 판단된다.
- 5 mg/L로 농도가 거의 5배 이상 차이가 났다. 특히 내부코팅을 하고 토르말린 양을 늘렸을 때 부식 방지 효과가 더 뛰어난 것으로 나타났다.
후속연구
- 특히, 통합 수처리 밸브가 적용될 수 있는 산업을 알아보면 발전소, 보일러 시설, 반도체 공정, 병원 등이 있다. 개발된 기술 및 제품에 대한 지속적인 개발과 발전을 위해서는 수자원공사를 비롯 전국 14개 지자체 상하수도 본부, 상하수도 협회 및 대학의 환경 및 유체학과들과의 주기적인 교류를 통하여 보다 폭넓은 기술을 개발해야 한다. 그리고 이를 통해 여러 종류의 환경 조건 및 변화에 따라 적용할 수 있는 여러 가지 모델들을 지속해서 개발함으로써 기술 개발의 가치와 국가 친환경기술 발전에 도움이 될 수 있을 것이다.
- 그리고 수처리, 세척 기능을 지닌 다기능 수처리 장치로 인하여 수출 및 수입 대체로 인한 많은 경제적 이득은 물론이고, 삶의 질이 향상됨에 따라 녹색환경 보존과 청정 에너지에 대한 유지관리 기술의 중요성이 국가 간의 경쟁력 차원에서 확보될 것이라 생각된다.
- 개발된 기술 및 제품에 대한 지속적인 개발과 발전을 위해서는 수자원공사를 비롯 전국 14개 지자체 상하수도 본부, 상하수도 협회 및 대학의 환경 및 유체학과들과의 주기적인 교류를 통하여 보다 폭넓은 기술을 개발해야 한다. 그리고 이를 통해 여러 종류의 환경 조건 및 변화에 따라 적용할 수 있는 여러 가지 모델들을 지속해서 개발함으로써 기술 개발의 가치와 국가 친환경기술 발전에 도움이 될 수 있을 것이다. 발전소의 경우, 필수적으로 냉각수가 쓰이며, 대부분 바닷물을 이용한다.
- 둘째, 에너지절감 측면에서 배관막힘을 방지하여 보일러 같은 경우 연료비 절감을 얻을 수 있고 또한 열교환기의 열효율 증대로 스팀 손실을 감소시킬 수 있으며, 고온 및 냉각수에 대한 수질 안정화에 소요되는 약품 및 수질 교체 비용을 절감할 수 있을 것이다.
- 이는 녹제거율이 초기 대비 60% 이상으로 나타났다. 따라서 수처리 장치를 설치하면 기존 노후된 관의 사용연장에 도움이 될 것으로 판단된다.
- 본 개발 제품을 설치하여 부식방지 및 녹, 스케일 제거가 지속해서 유지가 되면 유지관리도 용이 할 뿐만 아니라 발전단가를 낮추어 이익을 도모할 수 있을 것이다.
- 셋째, 비용절감 측면에서 배관 및 유체수송시스템 내부의 노후화를 방지하여 고장감소 및 설비의 수명연장을 기대할 수 있고, 설비 고장 시, 운전 정지로 인한 설비관리 손실비용을 절감할 수 있을 것이다.
- 이는 향후 세계가 공동으로 추구하는 신성장 동력과 신규 일자리를 창출할 수 있는 진정한 국가간 신창조 경제의 중요한 밑거름이 될 것이라고 확신할 수 있다.
- 첫째, 수질관리 측면에서 배관 부식이나 오염 등의 원인을 제거함으로써 상수처리된 수질을 유지할 수 있을 것이라고 기대되며, 특히 잔류이온을 결정 화하고 수소 이온농도를 안정화할 수 있을 것이다.
- 향후 5년이 지난 후에는 전 세계적으로 물 부족 사태가 심각하게 발생할 것을 세계 환경 전문가들이 예측하고 있듯이, 우리나라와 유사한 중국을 비롯하여 동남아시에도 예외는 아니라고 보며 따라서 본 개발 제품인 다기능 수처리 장치를 상수도 시설에 사용함으로 인한 효과가 기대된다.
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