KR101072435B1 - 역삼투식 해수담수화 공정의 생산수로 인한 부식을 방지하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 역삼투 해수담수화 공정으로 생산된 물에 의해 급수관이 부식하는 것을 방지하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상기 물에 인산염계 부식억제제를 주입하는 단계, 상기 물에 액상의 수산화칼슘을 주입하는 단계 및 상기 물에 탄산가스를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 탄산가스는 물의 pH가 6.5 내지 7.5이고, 물의 LSI(Langelier Saturation Index) 값이 0 또는 양의 값을 갖도록 주입되는 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 해수담수화 플랜트의 배관 및 설비 부식으로 인한 설비의 수명단축 및 배관의 교체비용을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 수질을 향상시켜 안정적인 산업용수 및 담수를 공급할 수 있다.

역삼투 해수담수화, 인산염계 부식방지제, 수산화칼슘, 탄산가스, LSI

Description

역삼투식 해수담수화 공정의 생산수로 인한 부식을 방지하는 방법{METHOD FOR PREVENTING CORROSION CAUSED BY WATER OF SEAWATER REVERSE OSMOSIS}

본 발명은 역삼투 해수담수화 공정으로 생산된 물에 의해 급수관이 부식하는 것을 방지하는 방법에 관한 것이다.

해수담수화란 생활용수나 공업용수로 직접 사용하기 힘든 바닷물로부터 염분을 포함한 용해 물질을 제거하여 순도 높은 음용수 및 생활용수, 공업용수 등을 얻어내는 일련의 수처리 과정을 말한다. 해수탈염이라고도 하며, 해수를 담수로 생산하는데 사용되는 설비를 해수담수화 설비 또는 해수담수화 플랜트라고 한다.

상기 해수담수화 플랜트는 보통 담수화 과정에서 발생한 에너지를 이용한 발전 플랜트와 함께 설치되는 경우가 많다. 적용되는 기술에 따라 MSF(Multi-Stage Flash : 초대형 고효율 다단증발방식), MED(Multi-Effect Distillation : 중대형 단효율방식), RO(Reserve Osmosis : 역삼투압방식) 설비 등으로 구분되는데, 최근 전세계적으로 역삼투압방식의 플랜트 건설이 늘어나고 있는 상황이다.

그러나, 상기 방식으로 생산한 생산수는 pH가 낮고, 칼슘, 마그네슘 등의 2가 이온으로 이루어진 성분이 상대적으로 적어 부식성이 매우 강한 특성이 있다. 이를 공업용수로 사용시 설비 및 배관계통에 심각한 부식문제를 유발할 수 있다. 상기 부식문제를 해결하고자 부식억제제('방청제'라고 불리우기도 함)에 대한 연구가 시작되었다.

부식억제제는 금속이 부식하기 쉬운 상태일 때 첨가함으로써 녹을 방지하기 위해 사용하는 물질이다. 수용액에서 사용되는 것에는 예로부터 알려져 있는 크롬산염, 인산염, 규산염 등이 있다. 또한, 산세정(酸洗淨) 등의 강한 산성을 필요로 할 때는 알킬알릴술폰산염 등의 계면활성제가 효과가 있다. 공업용 냉각수, 보일러 용수, 열교환기 용수 등에는 유기질소화합물, 황화합물 등이 효과가 있으나, 지방족 고급아민 등도 미량이 사용되고 있다. 한편, 유용성(油溶性)인 것도 있다.

수도배관에서의 부식방지를 위한 인산염계 관련 특허는 ‘배급수관 부식 방지를 위한 액체형 인산염계 방청제 조성물(특허출원 제 10-2003-0033274호)',‘배급수관 부식 방지를 위한 음용수용 액체 방청제 조성물(특허출원 제 10-2003-0033274호)’를 비롯하여 다수가 있다. 이들은 수도배관인 배급수관에서의 부식을 방지하기 위한 인산염계의 방청제 조성물로서 인산, 피로인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 구연산 등의 조성물의 비율을 정한 것이다.

하지만, 역삼투 해수담수화 공정으로 생산된 물에 의해 급수관이 부식하는 것을 방지하기 위한 보다 효과적인 방법에 대한 필요성은 아직도 남아있다.

본 발명은 역삼투 해수담수화 공정으로 생산된 물에 의해 급수관이 부식하는 것을 방지하기 위해 상기 물에 인산염계 부식억제제를 주입하하고, 상기 물에 액상의 수산화칼슘과 탄산가스를 분리하여 주입함으로써, 급수관의 부식을 효과적인 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면은, 역삼투 해수담수화 공정으로 생산된 물에 의해 급수관이 부식하는 것을 방지하는 방법에 있어서, 상기 물에 인산염계 부식억제제를 주입하는 단계, 상기 물에 액상의 수산화칼슘을 주입하는 단계 및 상기 물에 탄산가스를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 탄산가스는 물의 pH가 6.5 내지 7.5이고, 물의 LSI(Langelier Saturation Index) 값이 0 또는 양의 값을 갖도록 주입되는 방법을 제공한다.

삭제

바람직하게는, 상기 인산염계 부식억제제는 H₃PO₄, NaH₂PO₄, Na₂HPO₄ 및 Na₃PO₄로 이루어진 그룹에서 적어도 하나가 선택될 수 있다.

바람직하게는, 상기 인산염계 부식억제제는 물 100중량부에 0.004 내지 0.033중량부로 주입될 수 있다.

바람직하게는, 상기 수산화칼슘은 물 100중량부에 0.01 내지 0.06중량부로 주입될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 역삼투 해수담수화 플랜트의 배관 및 설비 부식으로 인한 설비의 수명단축 및 배관의 교체비용을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 수질을 향상시켜 안정적인 산업용수 및 담수를 공급할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소강관에서의 부식도(MDD)를 나타낸 그래프이다. 그리고, 도 2는 본 발명에 따라 탄소강판의 부식도를 알아보기 위해 탄소강관의 관내부를 도시한 사진이다. 또한, 도 3는 탄소강관을 절단하여 관의 내부를 촬영한 사진이다.

본 발명은 역삼투 해수담수화 공정으로 생산된 물에 의한 급수관의 부식을 방지하는 방법에 관한 것으로 (ⅰ) 인산염계 부식억제제를 물에 주입하는 단계, ( ⅱ) 액상의 수산화칼슘을 주입하는 단계 및 (ⅲ) 탄산가스를 주입하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 물에 주입되는 인산염계 부식억제제는 정인산염(Orthophosphates) 및 다중인산염(Polyphosphates)으로 분류된다. 상기 정인산염으로는 예를 들어, H₃PO₄, NaH₂PO₄, Na₂HPO₄ 및 Na₃PO₄ 등을 들 수 있다. 다중인산염은 Na₅P₃O₁₀, (NaPO₃)₆의 형태로 이용될 수 있는데, 상기 다중인산염도 물에서 정인산염으로 전환시켜서 사용될 수 있다.

상기 인산염계 부식억제제는 한 가지 또는 두 가지 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 두 가지 이상을 선택하는 경우 각각의 성분비를 다르게 하여 본 발명에서 사용될 수 있다.

상기 인산염계 부식억제제는 금속표면 위에서 철, 아연, 구리, 알루미늄 또는 이들의 염과 반응하여 침전하며 비교적 불용성인 막을 형성한다. 상기 인산염계 부식억제제는 이 중에서도 특히 철과 잘 반응하여 침전된다.

즉, 인산염계 부식 억제제는 하기 화학식 1과 같이 Fe²⁺와 같은 금속이온과 반응하여 급수관 표면에 불용성의 염을 생성하여 피막을 형성한다.

3Fe²⁺ + 2PO₄ ^3- → Fe₃(PO₄)₂ (고체)

위 반응의 결과 금속의 용해도는 감소하게 된다. 상기 인산염계 부식억제제 가 철과 반응하여 피막을 형성하는 경우 다른 부식방지제에 비하여 부착력이 강하고, 수질의 pH에 영향을 받지 않는 피막을 형성할 수 있다. 그래서, 상기 인산염계 부식억제제는 철성분으로 이루어진 통상적인 급수관 표면에 피막을 형성하여 부식을 방지할 수 있다.

상기 인산염계 부식억제제는 역삼투 해수담수화 공정으로 생산된 물에 통상적인 방법으로 주입되어 혼합된다. 상기 인산염계 부식억제제는 물의 양을 기준으로 물 100중량부에 0.004 내지 0.033중량부로 주입되는 것이 바람직하다. 상기 부식억제제가 0.004중량부 미만인 경우에는 부식을 방지하는 피막이 급수관에 제대로 형성되지 못해 방식효과가 떨어지며, 0.033중량부를 초과하는 경우 급수관 내벽에 피막이 과도하게 형성되어 오히려 급수관의 부식방지 효과가 저해되므로 상기 범위내가 바람직하다.

상술한 인산염계 부식억제제와 함께 탄산칼슘은 급수관에 피막을 형성하여 해수담수화 공정으로 생산된 물에 의해 급수관이 부식하는 것을 방지한다. 본 발명에서는 상기 탄산칼슘을 형성하기 위해 수산화칼슘과 탄산가스를 사용한다.

상기 수산화칼슘은 소석회라고도 불리우는데, 이는 생석회에 물을 작용시켜 얻은 백색의 가루이며, 소석회의 수용액을 석회수라 한다.

수산화칼슘은 pH값이 큰 알카리성 물질이며, 물에 녹아서 이온화된다. 상기 이온화된 수산화칼슘은 물의 칼슘이온 농도, 총 알카리도 및 pH값을 증가시킬 수 있다. 이로 인하여 물의 산성도를 낮추어 주어 물에 의한 부식성을 감소시킨다. 또한, 상기 수산화칼슘은 물에서 이온 상태로 존재되어 생활용수로 공급되는 경우 칼 슘을 섭취하는 것과 유사한 효과가 발생하므로 바람직하다.

본 발명에서 상기 수산화칼슘은 액상으로 사용된다. 상기 수산화칼슘이 분말로 사용되는 경우, 작업자가 급수관에 수산화칼슘을 주입하는데 불편함이 있고, 급수관에 수산화칼슘을 정량으로 주입하는 것이 어렵다. 그런데 이에 반해 상기 수산화칼슘이 액상인 경우 자동으로 급수관에 주입이 가능하며 사용상 편리하여 현장 적용에 유리하므로, 상기 수산화칼슘을 액상으로 사용하는 것이 바람직하다.

상기 액상의 수산화칼슘은 물 100중량부에 0.01 내지 0.06중량부로 주입되는 것이 바람직하다. 상기 수산화칼슘이 0.01중량부 미만의 농도인 경우 산성화된 물의 pH를 높이는데 적절하지 않으며, 0.06중량부를 초과하는 농도인 경우 물에 과량의 칼슘이온이 존재하고, 이를 섭취하면 칼슘섭취 과잉으로 인한 질병, 예를 들어, 변비, 결석, 연조직의 칼슘 침착 등이 생길 수 있으므로 상기 범위내가 바람직하다.

물의 pH 조절 및 물에 용해된 수산화칼슘과 반응시켜 탄산칼슘을 생성하기 위해 탄산가스를 주입한다. 그리고, 상기 수산화칼슘은 물에 용해되어 급수관 내에서 수산화이온과 칼슘이온으로 존재하고, 상기 탄산가스는 물에 녹아 급수관 내에서 탄산이온으로 존재한다. 상기 칼슘이온과 상기 탄산이온이 반응하여 급수관으로 이송 도중에 탄산칼슘으로 석출되고, 상기 탄산칼슘은 급수관의 내벽에 부착되어 방식피막을 형성한다.

상기 수산화칼슘과 탄산을 상기 급수관에서 반응시키지 않고, 탄산칼슘을 급수관에 직접적으로 공급하면, 공급지점에서 바로 침전되어 상기 탄산칼슘이 상기 급수관에 효과적으로 부착되지 않아 방식피막을 형성할 수 없으며, 급수관 내에 유리된 탄산칼슘이 다량으로 존재하게 된다. 아울러, 상기와 같이 물에 유리되어 있는 탄산칼슘은 제거 또한 쉽지 않으므로 처리된 수질이 떨어지는 문제점이 생긴다.

좀 더 상세히 살펴보면, 수산화칼슘과 탄산이 반응하면, 하기의 화학식 2로 표시되는 중화반응에 의해 물에 대한 용해도가 좋은 탄산수소칼슘이 형성된다.

Ca(OH)₂ + 2H₂CO₃ → Ca(HCO₃)₂ + 2H₂O

그 후, 상기 탄산수소칼슘은 물에서 이온화되어 수소이온과 탄산칼슘 침전물이 생성된다. 이를 화학식으로 나타내면 하기 화학식 3과 같다. 수소이온에 의해 물의 pH가 일시적으로 감소할 수도 있지만, 전체적인 pH는 수산화칼슘의 OH^-에 의해 증가되어 조절된다. 상기 생성된 탄산칼슘 침전물은 급수관의 내벽에 부착되어 피막을 형성하여 급수관의 부식을 억제한다. 그리고, 상기 생성된 탄산칼슘은 상기 인산염계 부식억제제와도 반응하여 부식을 억제하는 피막을 형성할 수 있다.

Ca⁺² + HCO^3- ↔ H⁺ + CaCO₃

또한, 상기 탄산가스는 물의 pH가 6.5 내지 7.5이고, 물의 LSI(Langelier Saturation Index)가 0 이상으로 유지되도록 주입된다. 상기 탄산가스가 과량으로 주입되어 pH가 6.5보다 낮아지면 물의 산성도를 증가시켜 상기 급수관을 부식시킬 수 있다. 또한, 상기 탄산가스가 소량으로 주입되어 pH가 7.5보다 커지면 피막이 과도하게 형성되어 급수관을 노후하게 할 수 있으므로 상기 범위내가 바람직하다.

본 명세서에서의 LSI란, 물의 부식성을 결정하는데 이용되는 지수이다. 좀 더 상세히 설명하면, 대부분의 지표수와 지하수에는 CaCO₃가 포함되어 있으며 그 용해도는 pH와 밀접한 관련이 있다. 상기 화학식 3을 살펴보면, 물에 수소이온이 다량으로 있으면 탄산칼슘이 침전물을 형성하지 않고 용존된 형태로 존재하고, 수소이온이 소량으로 있으면 탄산칼슘이 침전물을 형성한다. 즉 LSI는 수질이 부식성인가 혹은 비부식성인가 하는 것을 판단하기 위하여 사용되는 방법이다.

삭제

상기 LSI가 양일 경우는 물로부터 탄산칼슘이 석출되는 상태를 나타내고, LSI가 음일 경우는 탄산 칼슘이 물에 용해되어 있는 상태를 나타내며, LSI가 0일 경우는 석출과 용해가 동시에 일어나는, 즉 탄산염이 석출되지도 않고 용해되지도 않는 평형 상태를 나타낸다.

상기에서 설명한 바와 같이, LSI는 물의 부식성을 결정하는 지수로서 이용되며, 물의 pH가 평형점 이상으로 증가하면 CaCO₃로 침전하여 스케일을 형성할 수 있 으므로, LSI가 0 이상이 되도록 공급하여 급수관의 부식을 줄일 수 있다.

이하, 본 발명을 좀 더 잘 이해하고자 실시예를 들어 설명한다. 하기 실시예들은 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

실시예

역삼투식 해수담수화 플랜트 생산수에 대한 부식방지 방법에 대한 실시 예는 도 1과 같은 실험실 내 모의 배관실험을 통하여 그 효과를 확인하였다. 실험장치는 대조군으로서 SWRO 생산수와 실험군으로서 인산염 부식억제제 + SWRO 생산수 + 액상소석회(Ca(OH)₂)를 사용하였다.

부식특성을 평가하기 위해서 가로 40cm, 세로 40cm, 높이 50cm 및 두께 1.5cm인 2개의 아크릴 수조안에 40ℓ의 대조군과 실험군을 주입하여 0.5m/s의 유속으로 순환시키며 운전하였다. 모의배관의 총길이는 10m이고 배관이 꺾기는 부분에 가로 1.27cm, 세로 7.6cm, 두께 0.17cm 및 표면적이 22.00㎠인 탄소강관 시편 6개가 꽂힐 수 있도록 시편 꽂이를 제작하여 설치하였다.

도 1은 대조군과 실험군을 주입한 탄소강관에서의 부식도(MDD)를 나타낸 그래프이다. 상기 부식도를 나타내는 MDD는 ㎎/10×10㎠/일수(day)를 말한다. 이를 참고하면, 대조군과 실험군을 15일간 반연속식으로 모의배관을 운전한 결과 대조군의 부식도(MDD)는 -1,038 ~ - 606 MDD까지 매우 부식성이 높은 것으로 나왔다. 반 면, 실험군의 부식도(MDD)는 -122.4 ~ - 42.75 MDD로 나타났다. 탄소강관에서 대조군에 대한 실험군의 부식억제능력은 88.2~93.4%로 높은 부식억제 정도를 나타냄을 알 수 있었다.

그리고, 도 2는 대조군과 실험군에서 탄소강관의 관내부를 도시한 것으로, 대조군은 (A)로, 실험군은 (B)로 나타내었다. 상기 도면을 참고하면, 실험군에서 인산칼슘 및 탄산칼슘 피막이 형성된 것을 볼 수 있으며, 대조군은 관벽이 산화되어 붉은 녹이 생겨 설비가 노후된 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 3은 탄소강관을 절단하여 관의 내부를 도시한 것으로, 대조군의관을 절단한 것을 (A)로, 실험군의 관을 절단한 것을 (B)로 하여 나타내었다. 이를 참고하면, 대조군의 관 내부에 철이 산화되어 붉은 녹이 생긴 것을 알 수 있었으며, 그 녹의 두께가 상당하였다. 반면에 실험군의 관 내부는 대조군의 관 내부에 비해 비교적 깨끗한 것을 알 수 있으며, 인산철, 인산칼슘 및 탄산칼슘의 피막이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

도 1는 본 발명에 따른 탄소강관에서의 부식도(MDD)를 나타낸 그래프이다.

도 2은 본 발명에 따라 탄소강판의 부식도를 알아보기 위해 탄소강관의 관내부를 도시한 것이다.

도 3는 탄소강관을 절단하여 관의 내부를 도시한 것이다.

Claims (4)

1. 역삼투 해수담수화 공정으로 생산된 물에 의해 급수관이 부식하는 것을 방지하는 방법에 있어서,

   상기 물에 인산염계 부식억제제를 주입하는 단계;

   상기 물에 액상의 수산화칼슘을 주입하는 단계; 및

   상기 물에 탄산가스를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 탄산가스는 물의 pH가 6.5 내지 7.5이고, 물의 LSI(Langelier Saturation Index) 값이 0 또는 양의 값을 갖도록 주입되는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인산염계 부식억제제는 H₃PO₄, NaH₂PO₄, Na₂HPO₄ 및 Na₃PO₄로 이루어진 그룹에서 적어도 하나가 선택되는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 인산염계 부식억제제는 물 100중량부에 0.004 내지 0.033중량부로 주입되는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 수산화칼슘은 물 100중량부에 0.01 내지 0.06중량부 로 주입되는 방법.

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