고전압 임펄스에 의한 CaCO₃ 생성의 속도론적 고찰 = Kinetics of CaCO₃ production by high voltage impulse

국문 초록 (Abstract)

경수에 의한 배관 내 스케일 형성은 통수능력 저하 및 열전달 효율을 낮추고 불필요한 에너지 손실을 유발하여 경제적 손실을 발생시킨다. 스케일이 형성되기 전에 Ca²⁺, Mg²⁺을 제거하는 연수화 또는 탈염 공정이 사용되고 있으나 막대한 에너지 소비와 2차 오염물질을 발생시키는 등의 문제점 등이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위한 대체 탈염기술로써 본 연구에서는 고전압 임펄스(High Voltage Impulse, HVI) 기술을 활용하였다. HVI 기술은 수 kV의 전압을 μs 이하의 단위로 방전시켜 전기장을 형성시키는 기술로 연구에 사용한 기기 제원은 전력 4.5kW, 최대 인가전압 30kV, 펄스길이 4 - 40μs, 주파수 100 - 300Hz로 조절 가능하다. 본 연구에서는 HVI의 인가전압의 크기와 시료의 온도에 따른 Ca²⁺ 이온의 농도 저감효과를 관찰하였다. CaCl₂ 0.56g과 NaHCO₃ 0.42g을 초순수(18.3MΩ)에 용해시켜 Ca²⁺, HCO₃^- 2.5mM을 제조하였다. 대조군 실험에서의 Ca²⁺의 농도는 25, 40, 60℃에서 21시간 후 초기농도에 비해 각각 29, 38, 46%감소하였으며, HVI를 15kV로 인가하였을 경우 25, 40, 60℃에서 21시간 후 초기농도에 비해 각각 53, 38, 81% 감소하였다. CaCO₃ 침전반응의 반응차수를 알아보기 위해 Ca²⁺과 HCO₃^-의 농도를 달리하여 실험한 결과 각각 소멸반응의 반응차수는 1차 반응이였으며 이를 통해 CaCO₃의 침전반응은 2차 반응임을 알 수 있다. 온도와 인가전압에 따라 CaCO₃의 생성을 반응속도론(kinetics)에 입각하여 해석하고 반응속도상수, k를 구하였다. 전압을 인가하지 않고 온도가 가장 낮은 25℃, 0kV에서의 반응속도상수, k는 2.6×10-3이였으며 60℃, 0kV의 경우 3.2×10-3의 결과가 나왔다. 온도와 인가전압이 가장 높은 조건인 60℃, 15kV에서의 반응속도상수, k는 17.9×10-3으로 25℃, 0kV와 비교하였을 경우 약 6.88배 높은 결과가 나왔으며, 60℃, 0kV와 비교하였을 때 5.59배 높은 결과가 나왔다. CaCO₃ 석출 반응은 자발적 흡열반응이므로 온도가 상승할수록 생성속도가 증가하며 인가전압이 증가할수록 생성속도가 더욱 증가하였다. HVI 인가전압이 CaCO₃ 석출 반응에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.