KR20060041246A - 유체 시스템에서의 부식 방지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산업적 유체 시스템에 함유된 유체와 접촉하는 금속 표면의 부식을 방지하는 효과적인 방법으로서, 부식 억제 유효량의 포스포글리세라이드 화합물 또는 대두유를 상기 유체에 첨가하는 것을 포함하는 부식 방지 방법을 제공한다.

Description

유체 시스템에서의 부식 방지{INHIBITION OF CORROSION IN FLUID SYSTEMS}
본 발명은 일반적으로 수성 또는 비수성 유체 시스템의 증기 및 액체 상에서의 부식으로부터 금속 표면을 보호하는 것에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 부식 방지 조성물 및 이의 사용법에 관한 것이다.
공장에서 금속 부분들의 부식은 시스템 고장의 원인이 될 수 있고 때로는 공장 정지의 원인이 될 수도 있다. 또한, 금속 표면에 축적된 부식물은 금속 표면과 물 또는 다른 유체 매질 사이의 열전달율을 감소시킬 것이고, 따라서 시스템 조작의 효율을 감소시킬 것이다. 그러므로, 부식은 유지 및 생산 비용을 증가시킬 수 있다.
부식을 없애는 가장 일반적인 방법은 부식 방지 첨가제를 유체 시스템의 유체에 첨가하는 것이다. 그러나, 현재 구입 가능한 부식 방지 첨가제는 미생물에 의해 분해가 되지 않던지 또는 독성이 있던지, 아니면 둘 다 해당되던지 해서 그러한 첨가제의 적용은 한계가 있다.
보일러 응축 시스템과 관련하여 사용되는 가장 일반적인 부식 방지 첨가제는 중화 아민 또는 지방족 아민이다. 아민 및 아민들의 조합이 일반적으로 강철 및 철 함유 금속의 부식을 효과적으로 방지하기는 하지만, 부식 방지 첨가제로서 아민을 사용하면 몇 가지 문제점이 나타난다.
첫째로, 아민은 흔히 고온에서 열분해되어 암모니아를 형성하는데, 암모니아는 특히 산소 존재하에서 구리 및 구리 합금을 잘 부식시킬 수 있다. 따라서, 아민을 함유하는 부식 방지제는 구리 또는 구리 합금 야금을 함유하는 시스템에서는 사용자에게 종종 불만족스럽다.
게다가, 음식 가공, 음료 생산, 코제너레이션(co-generation) 공장 및 약품 제조를 비롯한 수많은 적용례에 있어서, 맛과 악취 문제에 대한 정부의 규제 또는 관심 때문에 아민의 사용은 제한된다. 그 결과, 이러한 적용례의 대부분에 있어서 부식 방지 처리 프로그램은 전혀 사용되지 않는다. 따라서, 이러한 시스템은 높은 부식률, 현저한 유지 비용 및 높은 장치 고장율의 원인이 될 여지가 있다.
미국특허 제5,368,775호에는 산에 의해 유발되는 부식을 제어하는 방법이 검토되어 있다. 첫 번째 방법에서는, 보호될 금속 표면과 산 용액 사이의 장벽(barrier)으로서 박막이 사용된다. 옥타데실 아민과 같은 장쇄 아민 또는 아졸이 상기 박막을 형성하는데 사용된다. 두 번째 방법은 산을 중화시키고 수용액의 pH를 높이기 위해 중화 아민을 첨가할 필요가 있다. 이 방법을 위한 최선의 아민은 염기도는 높고 분자량은 낮은 것이라고 기재되어 있다. 중화 아민의 예로서는 사이클로헥실아민, 다이메틸아민, 트라이메틸아민, 모폴린 및 메톡시프로필아민이 언급되어 있다.
미국 특허 제4,915,934호에는 알코올성 클로로헥시딘 용액, 급속 소포제(quick breaking foaming agent), 에어로졸 추진제(propellant) 및 알코올성 클로로헥시딘 용액의 부식성을 억제하는 부식 방지제를 포함하는 포말성 살생 조성물이 개시되어 있다. 급속 소포제는 그 성분 중의 하나로서 계면활성제, 바람직하게는 에톡시화 소르비탄 에스터를 함유한다. 계면활성제는 에멀젼화제로서 작용한다. 제시된 바람직한 에멀젼화제의 예로서는 에톡시화 소르비탄 스테아레이트, 팔미테이트 및 올레에이트; 노닐 페놀 에톡실레이트; 및 지방 알코올 에톡실레이트가 있다.
미국 특허 제3,977,994호에는 녹 방지 조성물이 개시되어 있다. 이 조성물은 유기산, N-알킬 또는 사이클로알킬 치환된 에탄올아민 및 물의 혼합물이다. 어떤 경우에는 유기산과 에탄올아민의 에멀젼화를 가능하게 하기 위하여 조성물이 1종 이상의 에멀젼화제를 포함할 수도 있다. 에멀젼화제의 예로서 소르비탄 유도체가 있다.
미국 특허 제4,970,026호에는 철 함유 및 철 비함유 수성 시스템에 대한 부식 방지제가 교시되어 있다. 이 조성물은 트라이에탄올아민 알킬설파미도 카복실산의 나프탈렌 오일계 나트륨염; 트라이에탄올아민 알킬설파미도 카복실산의 파라핀 오일계 나트륨염; 알킬설파미도 카복실산의 나트륨염; 및 이들 중의 2가지로 구성된 혼합물로부터 선택된 성분 뿐만 아니라, 사르코신의 장쇄 지방산 유도체 및 에틸렌 옥사이드와 지방산의 축합 생성물로부터 선택된 계면활성제를 포함한다.
부식 방지 효과는 계면활성제의 첨가가 아니라 상기 성분 또는 성분들의 혼 합물에 기인한다. 실제로 상기 특허의 명세서에는 계면활성제를 부식 방지제로서의 유효성에 대해 알아보기 위해 별도로 시험했다고 기록되어 있다. 계면활성제는 부식 방지제로서 비효과적인 것으로 밝혀졌다.
미국 특허 제5,082,592호에는 비이온 계면활성제, 및 보레이트, 몰리브데이트 및 나이트레이트/나이트라이트의 알칼리 금속염과 같은 산소 함유 음이온 기를 포함하는 수용액에서 철 함유 금속의 부식을 방지하는 방법이 개시되어 있다.
상기 특허의 명세서에서는 비이온 계면활성제가 음이온의 부식 방지 특성을 증가시킨다고 주장하고 있다. 음이온의 부식 방지 특성은 금속 표면과 용액의 계면에서의 음이온의 흡착으로 인해 생긴다. 비이온 계면활성제의 보조 흡수(co-absorption)가 음이온의 정수(hydrostatic) 반발력을 차단함으로써 금속 표면의 음이온 농도를 최대화하는 작용을 하는 것으로 여겨진다.
유럽 특허 출원 제0 108 536 B1호에는 금속 표면을 부식으로부터 보호하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는 증점제(thickening agent)와 함께 부식 방지제로 이루어진 조성물을 사용한다. 부식 방지제는 소르비탄의 카복실산 에스터를 포함할 수도 있다. 부식 방지제는 증점제와 조합되어 의사가소성(pseudoplastic) 및 요변성(thixotropic)이 된다. 상기 조성물은 방치시 겔을 형성하고, 금속 표면을 부식으로부터 보호하는데 종종 사용되는 페인트, 니스, 래커, 플라스틱 및 금속 코팅을 대체할 수 있는 연질의 유연한 코팅을 형성한다.
따라서, 환경적으로 더욱 알맞은 대체물로서 아민이 함유되지 않고 독성이 덜한 부식 방지 첨가제가 강하게 요구되고 있다. 본 발명에서는 포스포글리세라이 드 화합물이 놀랍게도 수용액 또는 비수용액에서의 부식으로부터 금속 표면을 보호한다.
본 발명은 산업적 유체 시스템에 함유된 유체와 접촉하는 금속 표면의 부식, 예를 들어 이산화탄소에 의한 부식을 방지하는 효과적인 방법을 제공하는데, 이는 부식 억제 유효량의 포스포글리세라이드 화합물을 상기 유체에 첨가하는 것을 포함한다.
포스포글리세라이드 화합물은 예를 들면 포스파티딜 콜린(PC; 일반적으로 레시틴으로 알려짐), 포스파티딜 에탄올아민(PE) 또는 포스파티딜 세린(PS)일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시태양에서는 포스포글리세라이드 화합물이 레시틴이다. 레시틴 화합물의 구조는 다음과 같다.
CH2(R)CH(R1)CH2OPO(OH)O(CH2)2N(OH)(CH3)3
[여기서, R 및 R1은 리놀렌산, 스테아르산, 올레산 또는 팔미트산 같은 지방산 기일수 있다]
본 발명의 조성물은 유체 시스템과 접촉하는 금속 부분의 부식 방지를 위한 유효량으로 그러한 부식 방지 활성이 요구되는 유체 시스템에 첨가되어야 한다. 이 양은 부식 방지 처리제가 요구되는 특정한 시스템에 따라 변하고, 부식되는 부위, pH, 온도, 물의 양 및 물에서의 부식성 종의 각각의 농도와 같은 인자들에 의해 영향을 받을 것이다. 대부분의 경우에, 본 발명의 조성물은 시스템에 함유된 유체의 약 0.025 내지 50ppm, 바람직하게는 0.025 내지 10ppm의 수준으로 사용될 때 효과적일 것이다. 본 발명의 조성물은 해당 유체 시스템에 고정된 양으로 그리고 수용액 상태로 연속적 또는 간헐적으로 직접 첨가될 수 있다. 유체 시스템은 예를 들면 냉각수, 보일러 물, 보일러 스팀, 세정 가스 또는 펄프와 종이 제조 시스템일 수 있다. 본 발명의 처리제로 이익을 얻을 수 있는 유체 시스템의 다른 예에는 열전달 시스템, 정제 시스템, 음식 및 음료 시스템, 제약 설비 스팀, 및 기계적 냉각 시스템이 있다.
이하, 본 발명을 많은 구체적인 실시예에 의해 추가로 설명하지만, 실시예는 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니라 단지 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
시험은 실험실의 부식 시험 장치에서 수행하였다. 상기 장치는 산소가 제거된 탈이온수의 공급원, 고압 펌프, 물질을 전달하는 일련의 계량 펌프 및 연계된 센서를 포함하였다.
본 발명을 위한 시험 장치는 부식성 금속으로 사용된 16피트 연강(mild steel) 코일(OD: 0.25", ID: 0.135")을 포함하였다. 세부적인 실험조건은 다음과 같다. 즉 1. 유체로서 탄산가스로 포화시킨 탈이온수를 사용하고; 2. 입구의 산소 농도를 10ppb로 하고; 3. 연강 코일 내부에서 180ml/분으로 유동시키고; 4. 코일과 유동 용액의 온도를 104℃±3℃로 유지하였다.
열적 안정성을 보다 양호하게 하기 위해, 모래로 충전된 가열된 캔 내에 상기 코일을 넣어두었다. 2개의 내부 열전쌍으로 코일의 입구와 출구의 온도를 모니터링하였다. 이산화탄소의 농도를 일정하게 유지하고, 탄소 분석기인 시버스 티오씨 800(Sievers TOC 800)으로 측정하였다. 용액의 pH는 5.15±0.10으로 측정되었다.
장치 출구에서의 유체 중 전체 철 농도는 연강 코일의 부식을 나타내 주었다. 전체 철 농도는 실험실에서 반응물로서 1,10-페난쓰롤린을 사용하여 비색법에 의해 개략적으로 추정하였고, 전체 철의 함유량은 유도 결합 플라즈마(ICP; inductive coupled plasma)로 결정하였다.
부식 방지율은 동일한 실험 조건에서의, 미처리된 코일의 코일 출구에서의 전체 철 농도(Fe ppm UT)와 처리된 코일의 코일 출구에서의 전체 철 농도(Fe ppm T)사이의 차이로 계산하였다. 즉, 부식 방지율(%) = ((Fe ppm UT) - (Fe ppm T)) × 100/(Fe ppm UT)이다.
미처리된 코일과 처리된 몇몇 코일에 대한 철 방출 반응 속도를 추적하였다. 미처리된 철 코일은 4 내지 8시간 내에 빠르게 평형을 이루었다. 이 추적 결과는 각 농도에 대해 20 내지 26시간의 평형화 시간에 대한 것이다. 그 시간 동안 철 방출의 반응 속도를 추적하기 위해서, 출구의 유체 샘플을 취하여 전체 철 함유량을 분석하였다. 설정된 평형화 시간(20 내지 26시간) 종료시 측정된 전체 철의 농도를 이용하여 당해 화학 물질에 의한 부식 방지율을 계산하였다.
각각의 실험 전후에 철 코일을 장치로부터 분리하여 정화시키고 다시 연결하 여 실험 시작 전에 전체 철의 농도가 평형에 도달하도록 하였다. 측정된 전체 철의 농도를 상기 수학식의 (Fe ppm UT)로 나타낸다.
부식 방지제로서 플루카 게엠베하(Fluka GmbH)에서 구입 가능한 대두의 레시틴을 상기 과정을 통해 시험 장치에서 실험하였다. 이 화학약품은 대두로부터의 3-sn-포스파티딜콜린, 포스파티딜 콜린, L-a-레시틴, L-a-포스파티딜콜린으로 알려져 있다. 이 화학약품이 수용성이 아니라 물에 쉽게 에멀젼화된다는 것을 주의한다.
하기 표 1은 레시틴을 시험 장치의 철 코일에 공급했을 때 얻어진 부식 방지율을 나타낸다. 부식 방지율을 계산하는데 ICP로 측정한 전체 철의 농도를 사용하였다. 그 결과에 의해 레시틴이 금속 부식 방지제로 작용했다는 것이 입증되었다.
Figure 112006003655122-PCT00001
정제된 대두유 및 미정제 대두유도 또한 상기한 바와 동일한 과정에 따라 부식 시험 장치에서 부식 방지제로서 실험하였다. 사용된 대두유는 수용성이 아님을 주의한다. 실험용 물에 공급하기 위해서 이들 대두유를 에멀젼화시켰다. 에멀젼화를 위해 대두유의 약 10 중량%의 수크로오스 지방산 에스터(수크로오스 에스터 - 비이온성 수용성 계면활성제)를 사용하였다. 에멀젼을 형성하기 위해서, 60 내지 65℃ 물 중의 에스터 용액에 대두유를 격렬하게 교반하면서 소량 첨가하였다. 하기 표 2와 3에 금속의 부식 방지율로 결과를 나타내었다. 그 결과에 의해 에멀젼이 금속 부식 방지제로 작용했다는 것이 입증되었다.
Figure 112006003655122-PCT00002
Figure 112006003655122-PCT00003
본 발명을 특정한 실시태양에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 수많은 다른 형태와 변형이 당업자에게 자명하다는 것은 분명하다. 첨부된 청구의 범위는 일반적으로 본 발명의 범주와 진정한 사상에 속하는 그러한 자명한 형태 및 변형을 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 산업적 유체 시스템에 함유된 유체와 접촉하는 금속 표면의 부식을 방지하는 방법으로서, 포스포글리세라이드 화합물 및 대두유로부터 선택된 처리제의 부식 억제 유효량을 상기 유체에 첨가하는 것을 포함하는 부식 방지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 포스포글리세라이드 화합물이 포스파티딜 콜린, 포스파티딜 에탄올아민 및 포스파티딜 세린으로 이루어진 군으로부터 선택되는 부식 방지 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 시스템이 열전달 시스템, 정제 시스템, 음식 및 음료 시스템, 제약 설비 스팀, 및 기계적 냉각 시스템으로 이루어진 군으로부터 선택되는 부식 방지 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 화합물을 약 0.025 내지 약 50ppm 범위의 유효 처리량으로 유체 시스템에 첨가하는 부식 방지 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 화합물을 약 0.025 내지 약 10ppm 범위의 유효 처리량으로 유체 시스템에 첨 가하는 부식 방지 방법.
  6. 산업적 유체 시스템에 함유된 유체와 접촉하는 금속 표면의 이산화탄소에 의한 부식을 방지하는 방법으로서, 포스파티딜 콜린 화합물 및 대두유로부터 선택된 처리제의 부식 억제 유효량을 상기 유체에 첨가하는 것을 포함하는 부식 방지 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유체 시스템이 열전달 시스템, 정제 시스템, 음식 및 음료 시스템, 제약 설비 스팀, 및 기계적 냉각 시스템으로 이루어진 군으로부터 선택되는 부식 방지 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 포스파티딜 콜린 화합물이 대두유로부터 유도된 부식 방지 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 화합물을 약 0.025 내지 약 50ppm 범위의 유효 처리량으로 유체 시스템에 첨가하는 부식 방지 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 화합물을 약 0.025 내지 약 10ppm 범위의 유효 처리량으로 유체 시스템에 첨가하는 부식 방지 방법.
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