전문가 기고
“황동·특수아연 이용한 수도이음관용 부식억제기 ‘주목’”
물속 용존산소 농도 저감 통해 마그네타이트 생성 유도…배관 녹 억제
2020년 말 국내 처음으로 한국물기술인증원으로부터 제품 인증 획득
진행워터웨이 연구소장
마그네타이트(자철석)란 화학식으로 Fe₃O₄이며, 화학식에 나타나 있듯이 철 산화물의 한 형태다. 수도관처럼 산소가 녹아 있는 물 속에서는 철 금속의 표면이 산소와 반응해 일산화철(FeO)이 생기며, 이는 다시 산소와 반응해 산화제이철(Fe₂O₃)을 만든다. 그러나 물 속에 산소가 충분하지 않을 경우 FeO가 철 표면에 있는 Fe₂O₃과 반응해 검은색 녹인 ４산화３철(Fe₃O₄)을 만들게 된다.
일반적으로 물 속 산소는 철 표면에 반응해 붉은색의 산화제이철(Fe₂O₃)을 만들며 회색의 철 표면 위에 부풀어오른다. 이 때 부풀어 오른 공간 내부에 다시 물이 들어가 철 금속표면에 계속해서 산화철이 만들어지는 것이다. 이처럼 수도 배관 내 철이 녹스는 과정을 간단히 화학식으로 나타내면 아래와 같다.
이들 ３가지 화학식 중 (식 1) 과정은 천천히 일어나며, (식 2)는 신속히 일어난다. (식 3)의 과정은 물 속 산소 농도가 적어지면 (식 2) 과정이 늦어져 일어나는 현상이다.
Fe₃O₄, 즉 마그네타이트는 철 금속 표면에 견고하게 붙는 성질이 있으며, 검은색을 띠고 있어 흔히 흑청이라 한다. 또한, 철 표면에 얇은 막을 형성해 더 이상 철에 녹이 생기지 않도록 하는 성질이 있다. 따라서 마그네타이트는 녹슬지 말아야 할 철 제품, 가령 총, 주전자, 철도 레일 등 다양한 곳에서 사용된다. 뿐만 아니라 마그네타이트를 분말로 해 방청제나 필름에 섞어 사용되기도 한다. 이러한 마그네타이트는 철을 높은 온도로 가열하는 것만으로 철 표면에 마그네타이트 피막을 만들 수 있다.
주철 등 철로 된 수도관은 시간이 흐르면 배관 내에 점차 녹이 생기며, 그 녹은 주로 Fe₂O₃로 되어 있다. 이 외에도 FeO나 Fe₃O₄로 구성돼 있음을 XRD라는 측정기로 확인할 수 있다. 배관 내 이러한 녹 성분의 상대 비는 배관의 사용시간, 온도, 경도, pH(수소이온농도), DO(용존산소) 등 물의 다양한 인자에 따라 달라지지만, 동일 조건에서는 용존산소 농도가 낮은 물일 수록 마그네타이트, 즉 Fe₃O₄ 함량이 높아지는 것으로 확인되고 있다. 따라서 반응성이 큰 물 속의 산소량을 줄여 배관 내부에 마그네타이트 피막이 많아지도록 하면 배관 내 녹을 점차 줄일 수 있다.
녹슨 수도관을 갱생하는 방법은 △녹슨 배관을 새것으로 교체하는 방법 △녹슨 배관 내부의 녹을 제거한 다음 내부에 에폭시와 같은 수지(resin)를 코팅하는 방법 △배관 주위에 자석을 감아 자력선을 이용해 녹을 제거하는 방법 △배관 내에 세라믹 등 수질을 개선해 녹이 슬지 않도록 하는 방법 등 다양한 방법이 알려져 있다.
이들 중 배관 내에 세라믹 등 수질을 개선하는 방법의 대부분은 배관 내에 산소를 제거하거나 산소를 수산기(OH-) 등으로 환원시켜, 마그네타이트 생성을 유도하는 장치가 대부분이다. 이러한 장치는 수도배관 내에 간단히 설치·가동함으로써 녹 방지 효과를 도모하며, 배관의 교체나 전기 사용이 없어 상대적으로 설치 및 유지비용이 저렴한 것이 특징이다. 또한 배관 내부에 들어가는 물질에 따라 반영구적으로 사용할 수 있는 것도 있다.
물 속의 용존산소를 저감해 마그네타이트 생성을 유도해 배관 녹을 억제하는 장치는 국내에도 여러 가지가 판매되고 있다. [그림 1]은 국내에서 시판되고 있는 수도 배관용 이온화 장치의 예를 나타낸 것이다. 장치의 충진물로는 아연, 마그네슘, 알루미늄, 탄소 등 다양한 소재가 사용되며, 모두 물에 전자를 풀어 반응성이 큰 산소를 OH-로 만듦으로써 마그네타이트 형성을 유도하는 것이 특징이다.
배관 내 붉은 녹인 Fe₂O₃은 부풀어올라 시간이 흐르면 결국 배관을 가득 메워 수류를 방해하지만, Fe₃O₄은 상대적으로 큰 밀도를 가지며 철 표면과의 높은 밀착도로 인해 부피가 줄어든다. 시간이 갈수록 상수관 내벽의 검은 마그네타이트 피막의 면적은 커져가며, 부풀어 오른 붉은 Fe₂O₃은 점점 줄어 관 내부 공간이 넓어짐을 확인할 수 있다.
이러한 제품의 특징은 부식억제효과가 서서히 나타난다. 다양한 수질조건에 영향을 받아 단시간의 관찰로는 입증이 어렵다는 약점이 있지만, 장기간에 걸친 효과는 분명하며 해당 효과는 수십 년 지속된다는 것이 큰 장점이라 할 수 있다. 많은 제조사들은 자기 나름의 효과 입증 자료를 제시하고 있지만, 각 제품의 성능 평가는 실제 이를 설치한 곳에서 효과를 평가하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
■ 참고문헌
1) P. Sarin, et. al., 2004, Iron release from corroded iron pipes in drinking water distribution systems: effect of dissolved oxygen, Water Research 38, 1259-1269.
2) http://www.biowater.co.jp/rust/pdf/NETIS2.pdf
3) 일본특허 제3835761호, 제5780539호, PCT/JP2015/67952, PCT/JP2016/60352.
[문의 = 02-3488-8000 / www.waterway.kr]
[『워터저널』 2021년 7월호에 게재]