KR100502599B1

KR100502599B1 - 배급수관 부식 방지를 위한 음용수용 액체 방청제 조성물

Info

Publication number: KR100502599B1
Application number: KR10-2002-0029170A
Authority: KR
Inventors: 문광순
Original assignee: 재단법인 한국계면공학연구소
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2005-07-22
Also published as: KR20030091790A; KR100496364B1; KR20050029729A

Abstract

본 발명은 조성물의 총 중량을 기준으로 인산 16∼23 wt%, 피로인산나트륨 3∼5 wt%, 헥사메타인산나트륨 3∼5 wt%, 구연산 1.5∼3 wt%, 염화아연 10∼16 wt%를 포함하는 배급수관 부식 방지를 위한 음용수용 액체 방청제 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 액체 방청제 조성물은 값이 저렴하고 건강상의 유해성을 고려한 상수도 배급수관의 부식 방지 기능을 기대할 수 있으며, 녹을 제거하고 적수 문제를 해결할 수 있다.

Description

배급수관 부식 방지를 위한 음용수용 액체 방청제 조성물 {Composition of Liquid Corrosion Inhibitor for Corrosion Control in Drinking Water Distribution System}

본 발명은 배급수관 부식 방지를 위한 음용수용 액체 방청제의 조성물에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명의 액체 방청제 조성물은 조성물의 총 중량을 기준으로 인산 16∼23 wt%, 피로인산나트륨 3∼5 wt%, 헥사메타인산나트륨 3∼5 wt%, 구연산 1.5∼3 wt% 및 염화아연 10∼16 wt%를 포함하고, 상기 액체 방청제 조성물은 상기 성분을 총 100 wt%가 되도록 상온에서 물과 균일하게 혼합하여 제조할 수 있다.

상수도 배급수관망의 부식 문제는 가정 급수전에 적수 및 맛·냄새 등을 유발하고 납, 구리 등의 중금속이 용출될 수 있으며, 상수도 시설물을 막대하게 손상시킬 수 있다. 일부 소규모 정수장의 경우 부식된 시설물과 금속관종의 노후로 인해 처리수 중에 오염물질이 유입되고, 누수 및 단수 등의 문제를 발생시키기도 한다.

상수도 관로의 부식 방지 기법으로는 도복장강관의 부식을 방지하기 위한 전자기식 방법(음극법 및 희생양극법), 노후관로의 관 갱생 및 교체 방법, 관이나 수질특성 등을 고려한 pH 및 알칼리도 조절 방법, 배급수 시설에 방청제의 주입방법 등이 있다. 이들 여러 부식제어 기법 중 선진외국에서 가장 효과적으로 광범위하게 적용되고 있는 방법은 수도용 방청제를 사용하는 것이다.

그러나, 국내에서는 음용수용이 아닌 냉각수나 보일러용수 등의 산업용 목적으로 방청제가 광범위하게 사용되어 왔기 때문에 상수도 배급수 계통에 적용할 때는 상당한 제약이 따른다. 배급수관의 부식억제 대책은 정수장의 수질 관리 차원에서 다루어지고 있는 것이 아니라 아파트, 연립주택 등의 공동주택에서 부분적이고 무분별하게 방청제를 투여하고 있는 실정인데, 방청제를 음용수용으로 적용할 경우 건강상의 유해성을 고려하여 조성의 선정에 있어서 주의가 요구된다.

음용수용 방청제는 크게 인산염계 방청제와 규산염계 방청제로 분류할 수 있다. 본 발명과 유사한 기존의 인산염계 방청제는 음용수용으로 적합하지 않은 물질들이 함유되어 있어서 음용수를 취급하는 상수도 배급수 계통에 적용하기는 어렵다.

한국 특허 제297807호에 의하면, 금속의 부식방지용 수처리제로서 그 조성물은 아연염, 유기인산염, 오르토인산염, 다중인산염 및 아크릴레이트 삼중합체로 구성되어 있다. 이 수처리제는 인체에 유해한 유기인산염 및 아크릴레이트 삼중합체를 함유하고 있어 음용수용으로는 이용하기 어렵다.

또한, 한국 특허 제22374호는 아크릴 단량체에 4-비닐피리딘을 공중합하고 인산으로 중화하여 수용화시킨 양이온성수지에 다중인산 중 피로인산을 가하고 아연화합물과 헥사메타인산금속염을 첨가하여 수용성 녹면용 제청 및 방청제 조성물을 얻는다. 그러나, 이러한 조성물도 상기 한국 특허 제297807호와 유사하게 아크릴 단량체와 4-비닐피리딘과 같은 공업용 재료를 조성물에 포함하고 있어 음용수용으로의 이용은 불가능하다.

또한, 일본 특허 출원 제2000-282500호에 의하면, 방청제의 조성물은 정인산염, 다중인산염, 아질산염, 벤조산염 및 규산염으로 구성되어 있다. 상기 한국 특허의 경우와 유사하게 음용수용으로 이용될 수 없는 아질산염과 벤조산염를 함유하고 있어 배급수관에 적용하기 어렵다.

이와 같이 기존의 방청제들은 대부분 음용수에 부적합한 조성물이 포함되어 있으므로, 음용수용 방청제의 조성물에 적합한 물질로 구성되어 있으면서 부식 방지 효과가 뛰어난 방청제의 개발이 요구된다.

국내에서 음용수용으로 사용되고 있는 대부분의 인산염계 방청제는 고체상으로서 저수조 전후에 용해 탱크를 설치한 후, 물을 통과시켜 관내로 유입시키는 방법을 이용하고 있다. 따라서, 계절적인 온도변화에 의해 방청제가 사용 직전의 수도수에 균일하게 용해되지 않아 잔류농도가 지나치게 높거나 낮게 유지되는 등 이용상의 문제점이 지적되고 있으며, 용융과정을 포함하여 에너지 소모가 크고 제조 시간이 많이 소요되며, 불필요한 작업이 추가적으로 요구되어 경제성이 낮은 문제점이 있다.

또한, 국내에서 시판되고 있는 음용수용 방청제는 극히 종류가 적고 그 적용이나 효과면에서 미흡하므로, 경도가 낮아 부식성이 높은 국내 수질에 적합한 음용수용 방청제의 개발이 시급하다. 음용수용 방청제의 적용을 위해 국내의 음용수 수질을 외국의 경우와 비교하여 표 1에 제시하였다.

	pH	알칼리도(mg/L)	총경도(mg/L)	칼슘이온(mg/L)	마그네슘이온(mg/L)	황산이온(mg/L)	염소이온(mg/L)
한강	6.9∼7.1	26∼39	47∼59	19∼21	2.9∼3.1	14.8∼17.2	15.2∼17.5
낙동강	7.0∼7.4	26∼39	62∼74	24.4∼30	-	22∼28	11∼20
영산강	6.5∼7.0	-	19∼31	-	-	12∼17	9∼14
금강	6.3∼7.3	-	30∼130	-	-	11∼51	12∼40
미국캘리포니아	7.8∼8.0	106∼115	221∼240	53∼59	21∼23	160∼176	68∼80
미국일리노이	7.3∼7.6	116∼183	169∼218	-	-	1∼2	14
미국오하이오	7.1∼7.7	79∼375	-	28∼110	8∼40	26∼116	19∼120
노르웨이	7.5∼8.5	60∼100	-	15∼25	-	∼100	∼100
데마크	8.0	∼160	-	20∼200	-	∼50	∼50

표 1에 나타난 바와 같이, 외국의 수질에 비해 국내 수질은 경도나 알칼리도가 매우 낮아서 부식성이 높은 수질인 것으로 파악되며, 이에 알맞은 방청제가 필요하다. 국내에서 시판되고 있는 기존의 인산염계 고체 방청제는 1000∼1200℃ 이상의 온도로 용융시키는 제조과정을 포함하고 있어 용융과정에서 정인산염이 다중인산염으로 변하게 되는데, 다중인산염은 수중의 이온들과 착염형성에 의한 부식방지 기능을 수행한다. 따라서, 경도나 알칼리도가 낮은 물에서는 효과가 저감되므로, 수중에서 정인산염으로 작용할 수 있는 방청제가 필요하고 이로 인해 고체상태가 아닌 액체상태로 직접 사용가능한 방청제의 개발이 요구된다.

한편, 정인산염을 조성물로 이용하지 않은 규산염계 방청제도 음용수용으로 사용되고 있다. 한국 특허 출원 제2000-31185호는 규석 분말, 무수 탄산나트륨, 피로인산나트륨, 삼중복합인산나트륨, 소듐헥사메타포스페이트를 혼합하여 고형화시킨 결정상태의 물질에 물을 가하여 얻어진 액체를 냉각시켜 제조한 규산염계 액상 방청제의 발명에 관한 것이다.

또한, 한국 특허 출원 제2000-39194호에 의하면, 천연규사, 무수탄산나트륨, 무수인산, 헥사메타인산나트륨, 탄산카리, 피로인산나트륨, 탄산칼슘을 혼합하여 용융시킨 조성물에 관한 것을 특징으로 한다.

또한, 한국 특허 출원 제1998-32929호도 규산염을 주성분으로 한 방청제의 제조 방법에 관한 것으로 규산염, 피로인산나트륨, 삼중복합인산나트륨, 탄산칼슘을 배합하여 복합염 방청제를 제조한 것이다.

상기 특허 출원 중인 규산염계 음용수용 방청제는 무해성을 기반으로 현재 음용수용으로 일부 이용되고 있으나, 인산염계 방청제와 동일한 효과를 거두기 위해서는 보다 많은 양을 적용해야 한다.

본 발명은 배급수관의 청관 효과가 우수할 뿐 아니라 부식 방지를 위한 다양한 기능을 기대할 수 있으며, 녹을 제거하고 적수 문제를 해결할 수 있는 경제적인 음용수용 액체 방청제 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 액체 방청제 조성물은 조성물의 총 중량을 기준으로 인산 16∼23 wt%, 피로인산나트륨 3∼5 wt%, 헥사메타인산나트륨 3∼5 wt%, 구연산 1.5∼3 wt% 및 염화아연 10∼16 wt%을 포함하고, 이들을 총 100 wt%가 되도록 상온에서 물과 균일하게 용해시켜 제조할 수 있다.

조성물에 사용되는 인산(H₃PO₄)은 녹을 제거하는 기능을 가지고 있다. 인산은 철산화물을 빠르게 용해시키는 반면, 금속자체의 부식속도를 매우 느리게 하는 기능을 가진다. 따라서, 금속은 손상시키지 않고 그 위에 형성된 스케일을 제거하는데 효과적이다. 또한, 철과 반응하여 양극 부위에 인산철과 같은 부식 방지 피막을 형성하여 녹이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

상기 조성물 중 피로인산나트륨(Na₄P₂O₇)은 물에 녹아 약 알칼리성을 나타내며, 구리, 철, 마그네슘, 칼슘 등의 수중 이온과 착염을 형성하여 금속 이온의 활성화를 억제시키는 능력이 강하여 부식을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.

상기 조성물 중 헥사메타인산나트륨((NaPO₃)₆)의 부식 방지 기능은, 헥사메타인산나트륨에 의해서 형성된 부식 방지 피막이 양극 전위를 줄이거나 지연시켜서 산소가 표면에 공급되는 것을 차단시키는 작용에 의한 것이다.

상기 조성물 중 구연산(C₆H₈O₇)은 킬레이팅제로 작용을 하며, 완전히 생분해되기 때문에 환경적으로 안전하다. 구연산은 관 내부의 녹 또는 스케일을 제거하는 청관제의 기능을 가지고 있다. 또한, 식용으로 가능하기 때문에 음용수용 방청제에 적용가능하고 용해도가 높아 액체용 방청제로 제조시 이점을 가지며, 착염 형성에도 효과적이다.

위에서 언급한 인산에 의해 형성되는 인산철 부식 방지 피막은 pH에 영향을 받지 않는 장점을 가지고 있으나, 매우 두껍고 견고하지 못하여 다음의 염화아연(ZnCl₂)과 같은 조성물의 첨가로 그 기능이 보완될 수 있다. 염화아연의 아연은 음극 부식방지제로 작용한다. 아연은 단일 성분으로 사용하여도 OH^- 이온과 침전반응에 의해 막을 형성할 수 있지만, 정인산염이나 다중인산염과 함께 사용할 때 최적의 효과를 가질 수 있다. 수중에 용해된 상태로 존재하는 Zn²⁺는 금속의 음극 부위에서 생성되는 OH^-이온과 결합하여 불용성인 Zn(OH)₂를 만들어 음극 부위에서 전기적 부도체인 피막을 형성하고, 산소의 투과를 저해하여 음극 반응 속도를 저하시킨다. 아연을 인산염 등의 다른 조성물과 혼합하여 사용하게 되면 극소량의 낮은 아연 농도에서도 우수한 금속 부식방지 효과를 달성할 수 있다. 아연은 많은 금속 부식방지제 중 가장 경제적인 물질 중 하나이다.

본 발명의 음용수용 액체 방청제는 상기의 조성물들을 물과 상온에서 기계식 교반기에 의해 균일하게 혼합ㆍ용해시켜 제조한다.

이하, 본 발명은 다음의 실시예에 의해 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이것이 본 발명의 범주를 어떠한 방식으로도 한정하는 것은 아니다.

<실시예>

본 발명에서는 방청제 조성물인 인산, 피로인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 구연산, 염화아연을 물과 전체 100 kg이 되도록 실시예 1∼11의 경우와 같이 조절하여 이를 혼합한 후, 표 2와 같은 함량(단위: kg)으로 하여 기계식 교반기로 균일하게 용해시켜 음용수용 액체 방청제를 제조하였다.

구분	인산	피로인산나트륨	헥사메타인산나트륨	구연산	염화아연
실시예 1	19.1	3.0	3.0	1.5	15.4
실시예 2	18.0	5.0	3.0	1.5	14.5
실시예 3	18.0	3.0	5.0	1.5	14.5
실시예 4	16.9	5.0	5.0	1.5	13.6
실시예 5	20.6	3.0	3.0	1.5	13.9
실시예 6	19.6	4.0	3.0	1.5	13.9
실시예 7	19.5	4.0	4.0	1.5	13.0
실시예 8	19.5	5.0	3.0	1.5	13.0
실시예 9	22.9	3.0	3.0	1.5	11.6
실시예 10	20.3	5.0	5.0	1.5	10.2
실시예 11	20.8	3.0	5.0	3.0	10.2

표 2의 실시예 1∼11의 배합비로 제조된 음용수용 방청제는 무색, 무취의 액체 방청제인 것을 특징으로 한다.

표 3은 방청제의 종류에 따른 부식도를 나타낸 것으로, 실시예 1∼11에서 제조된 방청제의 효능을 기존의 시판되는 인산염계 제품과 비교하기 위해서 이들을 각각 10mg/L의 동일한 농도로 수돗물에 혼합한 후, 탄소강 시편을 설치하고 1주 후의 부식도를 측정하여 그 결과를 제시한 것이다.

구분	부식도(MDD)	구분	부식도(MDD)	구분	부식도(MDD)
실시예 1의 방청제	0.3	실시예 6의 방청제	0.7	실시예 11의 방청제	0.8
실시예 2의 방청제	0.7	실시예 7의 방청제	0.3	시판 방청제 1	16.5
실시예 3의 방청제	0.7	실시예 8의 방청제	1.0	시판 방청제 2	17.8
실시예 4의 방청제	1.0	실시예 9의 방청제	1.0	시판 방청제 3	10.8
실시예 5의 방청제	0.7	실시예 10의 방청제	1.0	방청제 무첨가	35.0

표 3∼5의 시판 방청제 1은 (주)호원의 VESTA 3호(P₂O₅ 함량 : 30%), 시판 방청제 2는 (주)크린솔의 GW-20(P₂O₅함량 : 20%), 시판방청제 3은 동해식품화학공업(주)의 하이포스(HI-PHOS)-250(P₂O₅ 함량 : 25%)를 사용하였다.

표 3에 제시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1∼11의 방청제는 방청제를 첨가하지 않은 경우에 비해 부식도를 35∼116배 정도 낮추는 효과가 있으며, 시판 인산염계 방청제에 비해 11∼60배 정도의 부식제어 효과를 나타냈다. 따라서, 본 발명의 액체 방청제 조성물은 동일한 효과를 얻기 위해 종래의 규산염계 음용수용 방청제보다 소량 사용할 수 있고, 이에 따라 비용을 절감할 수 있다.

표 4는 방청제의 종류에 따른 수질변화를 나타낸 것으로, 실시예 1∼11의 조성으로 제조된 방청제의 효능을 기존 시판되는 인산염계 제품과 비교하기 위해서 이들을 각각 10mg/L의 동일한 농도로 수돗물에 혼합한 후, 탄소강 시편을 설치하고 1주 후의 수질변화를 측정하여 그 결과를 제시한 것이다.

	pH	전기전도도(μS/cm)	알칼리도(mg/L)	칼슘경도(mg/L)	탁도(NTU)
방청제 무첨가	7.29	216	37	43	20.4
실시예 1의 방청제	7.32	197	37	44	0.77
실시예 2의 방청제	7.34	196	38	43	1.11
실시예 3의 방청제	7.41	196	38	45	1.17
실시예 4의 방청제	7.36	198	39	43	0.93
실시예 5의 방청제	7.30	187	36	42	0.75
실시예 6의 방청제	7.23	190	37	42	0.59
실시예 7의 방청제	7.33	187	39	45	0.61
실시예 8의 방청제	7.32	188	36	42	1.16
실시예 9의 방청제	7.40	197	36	45	0.86
실시예 10의 방청제	7.26	197	36	43	0.88
실시예 11의 방청제	7.35	194	37	44	1.05
시판 방청제 1	7.60	215	37	44	10.1
시판 방청제 2	7.54	215	36	43	4.53
시판 방청제 3	7.54	216	36	40	3.31

표 4에 제시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1∼11의 방청제는 기존의 시판 인산염계 방청제에 비해 pH 증가가 크지 않아 스케일의 석출 가능성이 적으며, 부식촉진 인자인 전기전도도 및 탁도가 다른 방청제나 방청제를 첨가하지 않은 경우에 비해서 낮은 것을 확인할 수 있었다.

표 5는 방청제의 종류에 따른 금속의 용출 농도를 나타낸 것으로서, 실시예 1∼11에서 제조된 방청제의 효능을 기존 시판되는 인산염계 제품과 비교하기 위해서 이들을 각각 10mg/L의 동일한 농도로 수돗물에 혼합한 후, 탄소강 시편을 설치하고 1주 후 금속의 용출 농도를 측정하여 그 결과를 나타낸 것이다.

	Fe (mg/L)	Cu (mg/L)	Mn (mg/L)
방청제 무첨가	3.980	0.019	0.025
실시예 1의 방청제	0.631	0.015	0.008
실시예 2의 방청제	0.457	0.016	0.007
실시예 3의 방청제	0.553	0.017	0.010
실시예 4의 방청제	0.413	0.016	0.009
실시예 5의 방청제	0.212	0.012	0.006
실시예 6의 방청제	0.143	0.018	0.004
실시예 7의 방청제	0.133	0.013	0.005
실시예 8의 방청제	0.275	0.018	0.006
실시예 9의 방청제	0.244	0.011	0.007
실시예 10의 방청제	0.258	0.016	0.005
실시예 11의 방청제	0.389	0.015	0.005
시판 방청제 1	1.010	0.014	0.022
시판 방청제 2	1.650	0.019	0.014
시판 방청제 3	1.410	0.015	0.013

표 5에 제시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1∼11의 방청제는 기존의 시판되는 인산염계 방청제나 방청제를 첨가하지 않은 경우에 비해 철, 구리, 망간의 용출이 적었으며, 특히 철이온의 경우 용출 농도가 매우 적게 검출되었다는 것은 부식 및 적수 방지 효과가 우수함을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예 1∼11의 방청제 중 부식도, 수질특성, 금속의 용출정도를 종합적으로 고려하여 최적이라 판단되는 실시예 7의 방청제인 인산염계 방청제와 기존의 시판되고 있는 규산염계 방청제(상품명: POT 6183, 제조회사: BetzDearborn, 성분: Si 13.2%)의 효능을 비교하기 위하여 동일한 농도로 수돗물에 혼합한 후, 탄소강, 구리, 아연도강의 시편을 설치하여 1주일 경과 후의 부식도를 측정하여 이를 도시한 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실시예 7의 방청제는 시판 규산염계 방청제보다 탄소강의 경우 부식도가 약 11배, 아연도강의 경우 약 3배, 구리의 경우 약 1.5배로 낮아지는 효과를 보여 규산염계 방청제에 비해 부식제어 효과가 매우 우수함을 확인하였다.

본 발명의 액체 방청제 조성물은 염화아연 이외에 구연산을 함유하여 그 효과를 증가시킬 수 있다. 상기 실시예 7에서 제조된 방청제의 조성에서 구연산을 제외한 나머지 성분의 함량을 균일하게 하고, 구연산의 함량을 0, 1.5, 3.0kg으로 조절하여 탄소강, 구리, 아연도강 시편이 설치된 수돗물에 각각 투입한 후 1주일 경과 후의 부식도를 측정하고, 이를 도 2에 제시하였다.

도 2에 제시된 바와 같이, 인산염계 방청제의 조성물로 구연산을 포함하는 경우 구연산이 첨가되지 않은 경우에 비해 탄소강, 구리, 아연 시편에서 모두 부식 방지 효과가 더욱 증가하는 것으로 나타났다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 상수도의 배급수관에 우수한 부식 방지효과를 기대할 수 있으며, 환경오염 및 건강상 유해성을 고려함과 동시에 녹을 제거하고 적수 문제를 해결할 수 있는 음용수용 액체 방청제를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 7의 인산염계 방청제와 기존의 시판되고 있는 규산염계 방청제의 부식도를 비교한 그래프.

도 2는 구연산의 함량을 달리하여 제조한 본 발명의 인산염계 방청제 적용시의 관종에 따른 부식도를 비교한 그래프.

Claims

조성물의 총 중량을 기준으로 인산 16∼23 wt%, 피로인산나트륨 3∼5 wt%, 헥사메타인산나트륨 3∼5 wt%, 구연산 1.5∼3 wt% 및 염화아연 10∼16 wt%를 포함하고, 이들 성분을 총 100 wt%가 되도록 상온에서 물과 균일하게 혼합하여 제조한 배급수관 부식 방지를 위한 음용수용 액체 방청제 조성물.