KR20080110208A - 수처리제 조성물 및 이를 이용한 수처리 방법 - Google Patents

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Abstract

관류형 스크럼 보일러 시스템의 부식 방지 및 스케일 형성 억제에 특히 유용한 수처리제 조성물 및 이를 이용한 수처리 방법이 개시된다. 상기 수처리제 조성물은 중합인산염, 소디움 글루코네이트, 소디움 설파이트, 아크릴레이트계 중합체 및 물을 포함한다. 여기서, 상기 중합인산염의 사용량은, 수처리제 조성물 중, 포스페이트 이온의 농도가 0.1 내지 15 중량%가 되도록 사용하며, 상기 소디움 글루코네이트의 사용량은 0.1 내지 15중량%이고, 상기 소디움 설파이트의 사용량은 1 내지 25 중량%이며, 상기 아크릴레이트계 중합체의 사용량은 0.1 내지 20 중량%인 것이 바람직하다.
관류형 스크럼 보일러, 수처리제, 부식, 스케일

Description

수처리제 조성물 및 이를 이용한 수처리 방법{Water-treating composition and water-treating method using the same}
본 발명은 수처리제 조성물 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 관류형 스크럼 보일러 시스템의 부식 방지 및 스케일 형성 억제에 특히 유용한 수처리제 조성물 및 이를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.
관류형 스크럼 보일러는, 다수의 관류형 보일러를 스크럼(scrum)의 형태로 연결하여, 하나의 시스템을 형성한 것을 말하며, 다수의 보일러가 서로 묶여 있는 복잡한 구조를 가지므로, 다수의 장치에 대하여 균일한 부식 방지 기능이 확보되어야 한다. 특히, 일반 보일러 시스템과 달리, 관류형 스크럼 보일러에 있어서는, 급수관의 교체 작업이 매우 번거로우므로, 급수관의 부식을 최대한 억제할 필요가 있다. 부식 현상은 쉽게 설명하면 금속 재질에 녹이 발생하는 것이다. 일반적으로, 금속은 산화물 상태의 금속 화합물을 제련하여 제조되므로, 열역학적으로 안정한 산화물 상태로 되돌아 가려는 성질이 매우 강한 특성이 있다. 따라서, 보일러 시스 템에서 부식이 발생하는 것은 자연스러운 현상의 하나이다. 스케일 현상은, 주로 경도성 성분이 음이온과 함께 보일러 급수로 유입되기 때문에 발생하며, 여기서, 경도성 성분은 주로 칼슘과 마그네슘 이온을 의미한다. 경도성 성분의 유입은, 연수장치 없이, 원수를 그대로 보일러 급수로 사용하는 경우와, 연수장치가 있음에도 불구하고, 양이온이 완전히 제거되지 않고 보일러로 유입되는 경우에 발생한다. 경도성 성분에 의하여 생성되는 스케일 성분으로는 칼슘카보네이트가 가장 많으며, 칼슘카보네이트는 온도가 올라갈수록 용해도가 저하되므로, 상대적으로 고온의 전열면에 집중적으로 발생하여, 여러 가지 문제를 일으킨다.
종래에는, 스팀 압력 20Kg/cm2 이하의 저압 보일러, 예를 들면, 관류형 스크럼 보일러에서의 스케일을 억제하기 위한 수처리제 프로그램으로서, 킬레이트 프로그램이 일반적으로 사용되었다(Chemical Engineering/August 15, 1988). 킬레이트 프로그램은, 급수의 칼슘 경도가 1.5ppm 이하인 1,300 psig까지의 압력에서는 효과적이나, 킬레이트 화합물의 부식성이 큰 단점이 있다. 예를 들어, 상기 킬레이트의 농도가 너무 낮으면, 역치(threshold) 기능이 없기 때문에 스케일 조절 능력이 상실되고, 킬레이트의 농도가 너무 높으면 킬레이트에 의한 부식이 발생하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 수처리제 프로그램이 가지는 단점을 해소할 수 있는 수처리제 조성물 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 저압의 관류형 스크럼 보일러 시스템의 부식 방지 및 스케일 형성 억제에 특히 유용한, 수처리제 조성물 및 이를 이용한 수처리 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 중합인산염, 소디움 글루코네이트, 소디움 설파이트, 아크릴레이트계 중합체 및 물을 포함하는 수처리제 조성물을 제공한다. 여기서, 상기 중합인산염의 사용량은, 수처리제 조성물 중, 포스페이트 이온의 농도가 0.1 내지 15 중량%가 되도록 사용하며, 상기 소디움 글루코네이트의 사용량은 0.1 내지 15중량%이고, 상기 소디움 설파이트의 사용량은 1 내지 25 중량%이며, 상기 아크릴레이트계 중합체의 사용량은 0.1 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. 또한 본 발명은, 중합인산염, 소디움 글루코네이트, 소디움 설파이트, 아크릴레이트계 중합체 및 물을 포함하는 수처리제 조성물을 제조하고, 상기 수처리제 조성물의 농도가 1 내지 500,000ppm이 되도록 보일러 시스템의 수계에 투입하는 단계를 포함하는 수처리 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 수처리제 조성물은, 저압 관류형 스크럼 보일러 시스템의 부 식 방지 및 스케일 형성 억제에 특히 유용한 조성물로서, 중합인산염, 소디움 글루코네이트(sodium gluconate), 소디움 설파이트(sodium sulfite: Na2SO3), 아크릴레이트계 중합체 및 잔부로서 물을 포함한다.
본 발명에 사용되는 상기 중합인산염은, 포스페이트기가 2개 이상 중합된 무기인산염을 의미하는 것으로서, 상기 중합인산염으로는, 테트라포타슘 파이로포스페이트(tetrapotassium pyrophosphate: K4P2O7), 테트라소디움 파이로포스페이트(tetrasodium pyrophosphate: Na4P2O7), 소디움 헥사메타포스페이트(Sodium hexametaphosphate), 소디움 트리폴리 포스페이트(Sodium tripolyphosphate: Na5P3O10), 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 상기 중합인산염의 사용량은, 수처리제 조성물 중, 포스페이트 이온의 농도가 0.1 내지 15 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 12 중량%가 되도록 사용하며, 상기 중합인산염의 사용량이 너무 적으면 수처리제의 부식 방지 및 스케일 형성 억제 효과가 미미하며, 너무 많으면 수처리제 조성물의 저장안정성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에 따른 수처리제 조성물에 있어서, 상기 소디움 글루코네이트의 사용량은 0.1 내지 15중량%, 바람직하게는 0.5 내지 12 중량%이고, 상기 소디움 설파이트의 사용량은 1 내지 25 중량%, 바람직하게는 2 내지 20 중량%이다. 상기 소디움 글루코네이트의 사용량이 너무 적으면 수처리제의 부식 방지 및 스케일 형성 억 제 효과가 미미하며, 너무 많으면 경제적으로 불리할 뿐, 특별한 이익이 없다. 또한, 상기 소디움 설파이트의 사용량이 너무 적으면 산소 제거 효과가 미미하고, 너무 많으면 제품 안정성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에 사용되는 아크릴레이트계 중합체로는, 아크릴레이트 단량체의 호모폴리머(homopolymer), 코폴리머(copolymer), 터폴리머(terpolymer) 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 하기 화학식 1로 표시되는 중합체를 사용할 수 있다.
Figure 112007043306681-PAT00001
상기 화학식 1에서, l은 1 내지 1000의 정수이고; m 및 n은 동일하거나 다를 수 있으며, 0 내지 1000의 정수, 바람직하게는 1 내지 1000의 정수이고; R은 수소, 메틸 또는 카르복실기이며, R이 카르복실기일 때 인접한 카르복실기와 결합하여 무수 고리(anhydrous ring)를 형성할 수 있으며; R1과 R8은 동일하거나 다를 수 있으며, 수소, C1-C8의 알킬기, 히드록시기 또는 포스포노기를 나타내며; R2와 R3는 동일하거나 다를 수 있으며, 수소 또는 C1-C2의 알킬기를 나타내며; R4는 수소 또는 C1- C5의 알킬기를 나타내며; R5는 C1-C8의 알킬기 또는 C8-C10의 아랄킬기이며; X 및 Y는 동일하거나 다를 수 있으며, 수소, C1-C5의 알킬기 또는 C1-C5의 히드록시 알킬기를 나타내고; R0는 하기 화학식 2, 3 및 4로 부터 선택되는 하나 이상의 단위를 포함한다.
Figure 112007043306681-PAT00002
Figure 112007043306681-PAT00003
Figure 112007043306681-PAT00004
상기 화학식 2 내지 4에서, R6 및 R12는 동일하거나 다를 수 있으며, 수소 또는 C1-C2의 알킬기이며; R13 및 R14는 동일하거나 다를 수 있으며, 수소, C1-C8의 알 킬기, C6-C8의 사이클로 알킬기, 벤질기 또는 하기 화학식 5의 화합물이며; R7은 C1-C6의 알킬기, C6-C10의 알릴기, C6-C10의 아랄킬기 또는 하기 화학식 5의 화합물이다.
Figure 112007043306681-PAT00005
상기 화학식 5에서, i는 1, 2 또는 3이고, R9는 수소 또는 C1-C2의 알킬기이고, R10은 수소 또는 C1-C6의 알킬기이다.
상기 아크릴레이트계 중합체의 중량평균 분자량은 1,000 내지 10,000인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 수처리제 조성물에 있어서, 상기 아크릴레이트계 중합체의 사용량은 0.1 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 15 중량%이다. 상기 아크릴레이트계 중합체의 사용량이 너무 적으면 수처리제의 부식 방지 및 스케일 형성 억제 효과가 미미하며, 너무 많으면, 경제적으로 불리할 뿐, 특별한 이익이 없다. 또한, 상기 아크릴레이트계 중합체의 분자량이 너무 적으면 수처리 효능이 저하될 우려가 있고, 너무 크면, 제품의 저장안정성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에 따른 수처리제 조성물의 나머지 성분(잔부)은 물이며, 상기 물로는 보일러의 공급수, 관수 등으로 통상 사용되는 물을 특별한 제한 또는 처리 없이 그대로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 수처리제 조성물을 이용하여, 수처리 프로그램을 수행하기 위해서는, 보일러의 공급수에 본 발명에 따른 수처리제 조성물을 첨가하되, 상기 수처리제 조성물의 농도가 1 내지 500,000ppm이 되도록 보일러 시스템의 수계에 투입하는 것이 바람직하다. 이때, 보일러 관수 중, 상기 소디움 설파이트의 함량이 50ppb 내지 50ppm이거나, 상기 아크릴레이트계 중합체의 함량이 1 내지 500ppm이 되도록 첨가하면 더욱 바람직하다. 여기서, 상기 수처리제 조성물의 첨가량이 너무 적으면, 충분한 수처리 효과를 얻을 수 없고, 너무 많으면, 상술한 바와 같이, 각 성분이 과량 사용된 경우의 단점이 발생한다. 본 발명에 따른 수처리제 조성물 및 수처리 방법은, 보일러의 급수관 뿐 만 아니라, 보일러 본체의 부식을 효과적으로 방지할 수 있으며, 보일러 수중에서 스케일이 형성되는 것을 억제할 수 있으며, 특히, 보일러의 스팀 압력이 20Kg/cm2 이하인 관류형 스크럼 보일러 시스템의 스케일 형성 방지에 유용하다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1-3 및 비교예 1-3]
하기 표 1에 기재된 바와 같이, 중합인산염, 소디움 글루코네이트, 소디움 설파이트, 아크릴레이트계 중합체 및 잔부로서 물을 혼합하여, 보일러용 수처리제 조성물 (실시예 1 내지 3)을 제조하였으며, 또한 하기 표 2에 기재된 바와 같이, 각 성분들을 혼합하여, 보일러용 수처리제 조성물(비교예 1 내지 3)을 제조하였다.
Figure 112007043306681-PAT00006
Figure 112007043306681-PAT00007
상기 표 1 및 2에서, 중합인산염은 테트라포타슘 파이로포스페이트이며, 그 함량은 포스페이트 이온의 농도를 나타낸 것이고, 소디움 글루코네이트 및 소디움 설파이트는 각각 소디움글루코네이트염 및 소디움 설파이트염의 농도를 나타낸 것이며, 아크릴레이트계 중합체로는 굳리치사의 굳라이트 k776를 사용하였으며, 그 함량은 아크릴레이트 폴리머의 농도를 나타낸 것이다.
가. 부식 실험
표 3에 기재된 다양한 시험 수질에, 실시예 및 비교예의 수처리제 조성물을 각각 1,000ppm의 농도로 투입한 후, 무게 감량에 의한 부식 실험을 수행하였다. 부식 실험을 위하여, 실험 온도 121℃ 및 압력 1.5 Kg/cm2 의 오토 클레이브에서, 30분 동안 탄소강(카본 함량 0.18중량%의 저탄소강)을 시험 수질에 침지시킨 후, 탄소강의 무게 감량을 측정하였으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
수질 #1 수질 #2 수질 #3
M-알카리도(ppm) 200
칼슘경도(ppm) 50 100 200
총경도(ppm) 60 120 240
염소이온(ppm) 35.5 71 142
상기 표 3에 있어서, 수질의 M-알카리도는 중탄산나트륨으로 조절하였고, 칼슘 경도는 염화 칼슘으로 조절하였으며, 총경도는 칼슘 경도에 추가되는 마그네슘 경도를 계산하여, 황산마그네슘으로 조절하였다. 그리고 M-알카리도, 칼슘경도, 총경도의 농도는 탄산칼슘의 농도를 기준으로 하였다. 즉, 상기 M-알카리도는 메틸오렌지-알카리도이고, 단위는 탄산칼슘으로 환산한 농도를 기준으로 한 것이며, 칼슘경도의 단위도 탄산칼슘이다. 예를 들면, 칼슘경도가 100 ppm 일 때, 칼슘이온으로는 40 ppm이며, 탄산칼슘의 농도는 100 ppm 이다.
무게감량 (mg)
수질 #1 수질 #2 수질 #3
실시예 1 1.0 0.8 0.5
실시예 2 0.4 0.3 0.2
실시예 3 0.3 0.2 0.1
비교예 1 7.1 6.9 6.8
비교예 2 5.3 4.6 4.2
비교예 3 5.1 4.6 3.9
상기 표 4로부터, 비교예의 조성물과 비교하여, 실시예 조성물의 부식 방지 효과가 월등히 우수함을 알 수 있고, 따라서 본 발명의 보일러용 수처리제 조성물은 부식 방지에 유용함을 확인할 수 있다.
나. 스케일 형성 억제 실험
스케일 형성 억제 능력의 평가를 위하여 사용한 실험실 표준방법은 다음과 같으며, 이는 NACE STANDARD TM 0374-95 실험방법을 변형한 것이다. 먼저, 보일러 관수의 가혹 농축상황을 가정하여, 하기 표 5에 나타낸 바와 같은 시험 수질을 200ml 뚜껑 달린 병에 투입한 후, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 수처리제 조성물을 각각 1,000ppm의 농도로 투입하고, 오븐을 이용하여 온도를 70℃로 유지시킨 후, 20시간 동안 스케일 억제 실험을 실시하였다. 20시간이 경과되면, 시험 용액을 상온으로 냉각하고, 0.45㎛ 필터를 이용하여 여과한 후, 칼슘 경도를 측정하였으며, 이로부터 칼슘 트랜스포테이션 밸류(transportation value)를 계산하여 하기 표 6에 나타내었다. 칼슘 트랜스포테이션 밸류는, 관수의 경도 성분들이 보일러 관수 내에서 농축되었을 때, 블로우다운으로 몇 %가 제거되었는지에 대한 척도로서, 트랜스포테이션 밸류가 100이면 농축된 경도 성분들이 스케일로 부착되지 않고, 계외로 전부 제거되었음을 의미하며, 80%이면 20%는 스케일로 보일러 표면에 부착되었을 의미한다.
Figure 112007043306681-PAT00008
수질농도(ppm)
칼슘경도 500
M-알카리도 500
염소이온 355
상기 표 5에 나타낸 시험 수질에서, 칼슘경도는 염화칼슘으로 조절하였고, M-알카리도는 중탄산나트륨과 탄산나트륨으로 조절하였다.
구 분 칼슘 트랜스포테이션밸류 (%)
실시예 1 92
실시예 2 95
실시예 3 99
비교예 1 33
비교예 2 70
비교예 3 82
상기 표 6 으로부터, 본 발명에 따른 수처리제 조성물의 스케일 형성 억제 능력이, 비교예의 수처리제 조성물보다 월등히 우수함을 알 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수처리제 조성물 및 이를 이용한 수처리 방법은, 소디움 설파이트의 탈산소 기능과 중합인산염 및 소디움 글루코네이트의 부식 방지 기능으로 인하여, 종래의 보일러용 수처리제와 비교하여, 방식 효과가 우수하며, 특히 아크릴레이트계 중합체와 중합인산염의 시너지 효과로 2가 금속염의 스케일 형성 억제에 유용하다. 본 발명에 따른 수처리제 조성물 및 이를 이 용한 수처리 방법은, 종래의 수처리제 프로그램이 가지는 단점을 해소하여, 저압의 관류형 스크럼 보일러 시스템의 부식 방지 및 스케일 형성 억제에 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 중합인산염, 소디움 글루코네이트, 소디움 설파이트, 아크릴레이트계 중합체 및 물을 포함하는 수처리제 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중합인산염은 테트라포타슘 파이로포스페이트, 테트라소디움 파이로포스페이트, 소디움 헥사메타포스페이트, 소디움 트리폴리 포스페이트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 수처리제 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 아크릴레이트계 중합체의 중량평균 분자량은 1,000 내지 10,000인 것인 수처리제 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 중합인산염의 사용량은, 수처리제 조성물 중, 포스페이트 이온의 농도가 0.1 내지 15 중량%가 되도록 사용하며, 상기 소디움 글루코네이트의 사용량은 0.1 내지 15중량%이고, 상기 소디움 설파이트의 사용량은 1 내지 25 중량%이며, 상기 아크릴레이트계 중합체의 사용량은 0.1 내지 20 중량%인 것인 수처리제 조성물.
  5. 중합인산염, 소디움 글루코네이트, 소디움 설파이트, 아크릴레이트계 중합체 및 물을 포함하는 수처리제 조성물을 제조하고, 상기 수처리제 조성물의 농도가 1 내지 500,000ppm이 되도록 보일러 시스템의 수계에 투입하는 단계를 포함하는 수처리 방법.
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