[논문]염화물 수용액에서 자작나무 수액을 이용한 철강의 부식 억제

박태준; 김기애; 이지이; 장희진

doi:10.14773/cst.2018.17.5.225

염화물 수용액에서 자작나무 수액을 이용한 철강의 부식 억제
Corrosion Inhibition of Steel by Addition of Birch Sap in Chloride Solution 원문보기

Corrosion science and technology, v.17 no.5, 2018년, pp.225 - 230

박태준 (조선대학교 첨단소재공학과) , 김기애 (이화여자대학교 환경공학과) , 이지이 (이화여자대학교 환경공학과) , 장희진 (조선대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of birch sap, a possible natural corrosion inhibitor, on the corrosion behavior of steel in chloride solution were investigated. The corrosion rate was significantly reduced by the addition of 1~5 mL of birch sap to 500 mL of 3wt% NaCl or 3wt% $CaCl_2$ solution. A remarkable increase in the pitting potential in NaCl solution was observed by the addition of birch sap although it was almost constant in $CaCl_2$ solution. The corrosion rate of steel in both NaCl and $CaCl_2$ birch sap solution without addition of water was higher compared to that of aqueous solution without birch sap as the pH of the birch sap was 4.0. The presence of organic compounds like, fructose, galactose, glucose, and palmitic acid in the birch sap are thought to be adsorbed effectively on the metal surface, which provided corrosion protection. However, the inorganic elements including Na, Ca, K, Mg, Mn, S, etc. present in the birch sap exhibited no role in corrosion inhibition.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Potentiodynamic polarization curves of SPCC/C/B steel in 3wt% NaCl aquesous or birch sap solutions.
표 Table 1 Chemical composition of SPCC steel
그림 Fig. 2 Corrosion rate of steel in 3wt% NaCl solutions as a function of birch sap content.
그림 Fig. 3 Corrosion Potential of steel in 3wt% NaCl solutions as a function of birch sap content.
그림 Fig. 4 Pitting potential of steel in 3wt% NaCl solutions as function of birch sap content.
그림 Fig. 5 Potentiodynamic polarization curves of SPCC/C/B steel in 3wt% CaCl₂ aqueous or birch sap solution.
그림 Fig. 6 Corrosion rate of steel in 3wt% CaCl₂ solutions as afunction of birch sap content.
그림 Fig. 7 Corrosion potential of steel in 3wt% CaCl₂ solutionsas a function of birch sap content.
그림 Fig. 8 Pitting potential of steel in 3wt% CaCl₂ solutsions as a function of birch sap content.
그림 Fig. 9 Abundance of organic compounds before and after corrosion test.
그림 Fig. 10 Concntration of inorganic contents before and after corrosion test.
표 Table 2 pH of test solutions

AI 본문요약
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문제 정의

그 예로 염화물 용액에 꿀을 첨가하거나 [12], 애플민트의 추출물을 첨가한 염산 용액에서 연강의 부식 실험을 진행한 결과 부식속도를 감소시키는 효과가 있다는 연구 결과가 있다 [13]. 본 연구에서는 천연 물질이며 당류와 유기산을 함유하고 있어 부식 억제 효과가 있을 것으로 기대되는 자작나무 수액을 염화물계 제설제에 첨가하여 부식성 저감 효과를 조사하였다.
자작나무 수액이 염화나트륨 및 염화칼슘 수용액의 부식성에 미치는 영향을 조사하였다. 전기화학 동전위분극시험과 용액의 성분 분석을 통해 조사한 결과, 자작나무 수액에 포함된 유기 화합물(과당, 갈락토스, 포도당, 팔미트산)이 철강 표면에 흡착하여 부동태 피막을 안정화시키고 부식을 억제하는 효과가 있는 것으로 판단된다.

가설 설정

7 에 불과하다. 따라서 pH 감소에 의한 부식전위 상승은 크지 않을 것이다. 그런데 실험 결과에서는 수액이 첨가된 염화칼슘 용액의 부식전위가 수액을 첨가하지 않은 용액보다 낮다(Fig.

제안 방법

수액 내에 포함된 성분들의 농도를 쉽게 검출하기 위하여 성분 조사를 위한 시료는 순수한 수액 및 수액 500 mL에 15 g의 NaCl을 첨가하여 제조한 3wt% NaCl 수액용액으로 하였다. ICPOES(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer)을 이용하여 무기물의 농도를 조사하고 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography)를 이용하여 유기물의 농도를 분석하였다.
분극 시험을 위해 강판을 작동전극으로 하고 포화칼로멜 기준전극(Saturated Calomel Electrode, SCE)과 Pt 대전 극을 장착한 3 전극 전기화학 셀을 사용하였다. 개방회로전위(Open Circuit Potential, OCP) 모니터링 시간은 1800s 로 하였고, OCP 로부터 0.3 V 낮은 전위에서 시작하여 5mV/s 속도로 전위를 상승시키면서 전류를 측정했다. 실험 결과로 얻어진 분극 곡선(polarization curve)로부터 부식 전위(corrosion potential, E_corr)와 부식속도(corrosion rate, i_corr)를 조사했다.
부식속도 측정을 위해 동전위 분극 실험을 수행하였다. 실험 용액은 3wt% 염화나트륨(NaCl) 또는 염화칼슘을(CaCl₂) 용액 500 mL 에 자작나무 수액을 0.
자작나무 수액의 성분 중 부식에 관여하는 성분을 알아보기 위해 실험 전과 후 용액의 성분을 분석하였다. 수액 내에 포함된 성분들의 농도를 쉽게 검출하기 위하여 성분 조사를 위한 시료는 순수한 수액 및 수액 500 mL에 15 g의 NaCl을 첨가하여 제조한 3wt% NaCl 수액용액으로 하였다. ICPOES(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer)을 이용하여 무기물의 농도를 조사하고 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography)를 이용하여 유기물의 농도를 분석하였다.
3 V 낮은 전위에서 시작하여 5mV/s 속도로 전위를 상승시키면서 전류를 측정했다. 실험 결과로 얻어진 분극 곡선(polarization curve)로부터 부식 전위(corrosion potential, E_corr)와 부식속도(corrosion rate, i_corr)를 조사했다.
부식속도 측정을 위해 동전위 분극 실험을 수행하였다. 실험 용액은 3wt% 염화나트륨(NaCl) 또는 염화칼슘을(CaCl₂) 용액 500 mL 에 자작나무 수액을 0.5 mL, 1 mL, 3 mL, 5 mL 첨가하거나 자작나무 수액 500 mL 에 NaCl 15 g 을 첨가하여 제조하였으며, 탈기하지 않은 상태로 실험하였다. 부식 시편은 EL610 환경인증 기준에서 제설제 부식성 시험용 시료로 지정한 압연강판(SPCC/S/B, KS D3512 표준을 따름)으로 하였으며, 그 표면을 SiC 연마지로 2000 grit 까지 연마하였다.
자작나무 수액의 성분 중 부식에 관여하는 성분을 알아보기 위해 실험 전과 후 용액의 성분을 분석하였다. 수액 내에 포함된 성분들의 농도를 쉽게 검출하기 위하여 성분 조사를 위한 시료는 순수한 수액 및 수액 500 mL에 15 g의 NaCl을 첨가하여 제조한 3wt% NaCl 수액용액으로 하였다.

대상 데이터

5 mL, 1 mL, 3 mL, 5 mL 첨가하거나 자작나무 수액 500 mL 에 NaCl 15 g 을 첨가하여 제조하였으며, 탈기하지 않은 상태로 실험하였다. 부식 시편은 EL610 환경인증 기준에서 제설제 부식성 시험용 시료로 지정한 압연강판(SPCC/S/B, KS D3512 표준을 따름)으로 하였으며, 그 표면을 SiC 연마지로 2000 grit 까지 연마하였다. SPCC 강판의 조성은 Table 1 과 같으며, 조질은 표준 조질(기호 S 로 표기)이고 표면 마무리는 광택 마무리(기호 B 로 표기)이다.
분극 시험을 위해 강판을 작동전극으로 하고 포화칼로멜 기준전극(Saturated Calomel Electrode, SCE)과 Pt 대전 극을 장착한 3 전극 전기화학 셀을 사용하였다. 개방회로전위(Open Circuit Potential, OCP) 모니터링 시간은 1800s 로 하였고, OCP 로부터 0.

성능/효과

3 wt% 염화칼슘 수용액에 자작나무 수액을 1 ~ 5 mL 첨가했을 때(Fig. 5)에는 수액을 첨가하지 않은 경우에 비하여 부식전위와 부식속도가 모두 감소하였다. 염화칼슘 수용액에서도 염화나트륨 수용액과 마찬가지로 음극 농도 분극이 나타났다.
500 mL 수용액에 자작나무 수액의 첨가량을 1, 3, 5 mL로 조절함에 따른 부식 거동을 비교 고찰한 결과, 수액 첨가량이 증가함에 따라 부식 억제 효과가 크게 높아지지 않았다. 또한 수액이 pH 4 정도의 산성을 띠므로 다량 첨가시에는 pH 감소의 영향으로 부동태화가 이루어지지 않아 활성화 부식이 촉진된다.
10에 나타내었다. GC 분석 결과, C₆H₁₂O₆의 분자식을 갖는 당류인 과당(fructose), 갈락토스(galactose), 포도당(glucose)과 지방산의 일종인 팔미트산(palmitic acid)이 검출되었다. 분극 실험 후의 용액에서는 이 화합물들의 양이 모두 크게 감소하였는데, 당류의 함량은 대개 실험 전 함량의 2 ~ 3 % 수준으로 낮아졌다.
공식 전위는 -0.33 ~ -0.31 V_SCE로 부식전위보다 0.01 ~ 0.1 V 정도 높았으며, 부식전위와 공식전위 사이의 차이가 작아 공식에 대한 저항성이 좋지 않은 것으로 판단된다.
수액 500 mL 에 염화나트륨을 첨가한 용액에서는 부동태 구간 없이 활성화 부식이 발생하였다. 부식전위는 -0.3 ~ -0.7 V_SCE 가량으로 수액의 함량에 따라 차이가 있었는데, 수액을 기반으로 한 용액의 부식전위는 수액을 첨가하지 않은 수용액보다 낮았으나 수액을 1 ~ 5 mL 첨가한 용액의 부식전위는 수액을 첨가하지 않은 경우보다 높았다. 수액을 1 mL 첨가한 용액에서의 부식속도가 가장 느리며 부식전위보다 약 0.
부식전위는 수액이 첨가됨에 따라 0.2 ~ 0.25 V 가량 증가하였는데(Fig. 3), 수액의 첨가량을 증가시킴에 따라 따라 일정하게 증가하거나 감소하는 경향은 나타나지 않았다. 반면 수액을 용매로 한 용액에서의 부식전위는 수액을 첨가하지 않거나 소량 첨가한 경우에 비하여 훨씬 낮았다.
GC 분석 결과, C₆H₁₂O₆의 분자식을 갖는 당류인 과당(fructose), 갈락토스(galactose), 포도당(glucose)과 지방산의 일종인 팔미트산(palmitic acid)이 검출되었다. 분극 실험 후의 용액에서는 이 화합물들의 양이 모두 크게 감소하였는데, 당류의 함량은 대개 실험 전 함량의 2 ~ 3 % 수준으로 낮아졌다. 팔미트산은 특별히 감소 폭이 커서 실험 후의 함량이 실험 전의 0.
7 V_SCE 가량으로 수액의 함량에 따라 차이가 있었는데, 수액을 기반으로 한 용액의 부식전위는 수액을 첨가하지 않은 수용액보다 낮았으나 수액을 1 ~ 5 mL 첨가한 용액의 부식전위는 수액을 첨가하지 않은 경우보다 높았다. 수액을 1 mL 첨가한 용액에서의 부식속도가 가장 느리며 부식전위보다 약 0.1 V 높은 전위에서 공식에 의한 전류밀도 증가가 나타나므로 부식 억제 효과가 가장 큰 것으로 판단된다.
수액을 3 mL 또는 5 mL 첨가하였을 때는 부식속도가 다시 증가하여 수액을 첨가하지 않은 경우보다 약간 낮은 수준이었다. 수액을 기반으로 한 용액의 부식 속도는 수액을 첨가하지 않은 수용액보다도 5 배 이상 높았다.
자작나무 수액에서는 Ca, K, Mg, Mn, Na, S, Zn, P, Rb 이 검출되었다. 여기에 NaCl 을 첨가하여 제조한 용액에서는 다른 원소들의 함량에는 측정 오차의 범위를 벗어나는 큰 변화가 없으나 NaCl 의 용해에 의하여 Na 의 함량이 크게 증가한 것이 관찰되었다. 부식 실험 후의 용액에서는 실험 전의 용액에 없었던 Fe 가 검출되었다.
수액 첨가량에 따라 부식 거동이 달라지는 원인을 조사하기 위하여, 수액 첨가에 따른 용액의 pH 를 측정하여 그 결과를 Table 2 에 나타내었다. 자작나무 수액의 pH 가 4 정도로 산성이므로 수액 첨가량이 증가할수록 수용액의 pH가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 염화나트륨 수용액의 경우에는 수액 첨가 전의 pH 가 6.
자작나무 수액이 염화나트륨 및 염화칼슘 수용액의 부식성에 미치는 영향을 조사하였다. 전기화학 동전위분극시험과 용액의 성분 분석을 통해 조사한 결과, 자작나무 수액에 포함된 유기 화합물(과당, 갈락토스, 포도당, 팔미트산)이 철강 표면에 흡착하여 부동태 피막을 안정화시키고 부식을 억제하는 효과가 있는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제설제를 사용하는 이유는?	겨울철 폭설이나 결빙으로 인한 교통 및 안전문제를 원활하게 해결하기 위해 제설제를 사용한다. 제설제는 염화물계와 비염화물계로 구분된다.
	제설제를 사용함에 있어서 국내에서는 어떤걸 주로 사용하는가?	염화물계로 염화칼슘, 염화나트륨, 염화마그네슘 등이 있으며 비염화물계로는 초산칼슘, 초산마그네슘, 초산나트륨, 초산칼륨 등이 있다. 국내에서는 값이 싸고 융빙 효과가 좋은 염화물계 제설제로 염화칼슘(CaCl2)과 염화나트륨(NaCl)을 흔히 사용하고 있는데, 연간 8∼12만톤 정도의 많은 양을 소비하고 있다. 그런데 염화칼슘이나 염화나트륨은 부식성이 강하고 식물에 유해한것으로 알려져 있어 [1] 국내 시장에서도 부식성과 식물 유해성이 낮은 친환경 제설제의 사용을 확대하는 추세이다.
	염화칼슘이나 염화나트륨의 단점은?	국내에서는 값이 싸고 융빙 효과가 좋은 염화물계 제설제로 염화칼슘(CaCl2)과 염화나트륨(NaCl)을 흔히 사용하고 있는데, 연간 8∼12만톤 정도의 많은 양을 소비하고 있다. 그런데 염화칼슘이나 염화나트륨은 부식성이 강하고 식물에 유해한것으로 알려져 있어 [1] 국내 시장에서도 부식성과 식물 유해성이 낮은 친환경 제설제의 사용을 확대하는 추세이다. 국내에서 친환경 제설제는 환경부에서 제정한 환경표지 인증기준 EL610 규격을 만족해야 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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