Ammonium EDTA 용액에서 Magnetite의 용해거동에 관한 연구

이창봉, 최미화, 임한귀, 김기주*

전력연구원

전북대학교 화학공학과*

A Study on the Dissolution Behavior of Magnetite

in Ammonium-EDTA Solution

C.B.Lee, M.H.Choi, H.K.Lim, K.J.Kim*

Korea Electric Power Research Institute

Dept. of Chem. Eng., Chonbuk National Univ.*

서론

산업용 보일러에서 발생되는 대부분의 문제들은 scale에 기인하는데, 이로 인해 열효율이 저하되고 국부과열로 인해 튜브가 파손된다.  그러므로 열효율 향상, 과열 또는 부식 방지 및 scale을 제거하기 위해서 화학세정이 수행되어지고 있다.

최근 우리나라에서 주로 건설되고 있는 초임계압 관류형 보일러(super critical once through type boiler) 튜브 내면의 scale을 제거하기 위한  화학세정 약품으로 SCC(Stress Corrosion Cracking)가 발생하지 않고 스케일 용해력이 우수하고 모재 부식이 적으며 세정 공정이 간단한 저온형 chelate 화학세정 약품 개발 및 공정에 관한 기술이 필요하다.

여러 가지 화학세정제중 chelate 반응으로 보일러 튜브 내면의 scale을 용해하는 chelate 화학세정제가 많이 사용되고 있으며 그 중 ammonium ethylenediaminetetra- acetic acid(EDTA) 화학세정제를 사용하고 있다.

따라서 본 연구에서는 관류형 보일러 세정에 사용할 저온형 chelate 화학세정제를 합성하고 특히 첨가제의 농도변화가 scale의 용해 성능 및 보일러 튜브의 부식에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.

실험

본 실험에 사용된 실험용액은 demineralized water와 동서석유화학 제품인 EDTA와 공업용 암모니아를 사용하여 제조하였으며 용해거동 실험에 사용된 magnetite(Fe3O4)는 일본 Junsei Chemical Co.의 제품을 사용하였다.

용해 및 부식실험은 실험온도 80℃에서 자체 제작한 500ml beaker에서 수행하였다.

실험용액중의 부식속도를 측정하기 위해 아래 Table 1과 같은 화학조성을 갖는  13CrMo44 Low Alloy Steel 재료를 사용하였다.

Table 1 Composition of Corrosion Test Specimen(wt.%)

재질	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Fe
13CrMo44	0.12 ∼ 0.18	1.10 ∼ 0.35	0.40 ∼ 0.70	≤0.035	≤0.035	0.70 ∼ 1.10	0.43 ∼ 0.65

부식시편은 판상형으로 위의 carbon steel을 가로 30mm, 세로 15mm, 두께 3mm로 가공하였으며, 직경 3mm의 hole을 만들어 Teflon 시편지지대에 부착시킬 수 있도록 제작하였다.  이렇게 제작된 시편표면은 SiC paper #1200까지 polishing 한 후 아세톤으로 탈지하고 증류수로 세척한 뒤 건조하여 사용하였으며, 용액에 침지되는 부식시편의 총면적은 11.56 cm2이다.

결과 및 고찰

Ammonium-EDTA 용액에서 magnetite의 용해 및 부식에 미치는 hydrazine의 영향을 고찰하고자 부식억제제 존재 하에서 hydrazine의 농도를 0, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2%로 하여 80℃에서 부식실험을 수행하였다.

Fig. 1에서 보는 바와 같이 hydrazine의 농도가 증가할수록 magnetite의 용해력이 증가하고 있음을 알 수 있었으며, hydrazine의 농도가 0.5%일 때 magnetite의 용해력이 가장 좋았으며 그 이상의 농도에서는 오히려 용해력이 감소하는 것을 알 수 가 있었다.

Fig. 2는 hydrazine의 농도에 따른 13CrMo44 Low Alloy Steel의 부식속도를 나타내고 있으며, 그림에서 보는 바와 같이 hydrazine의 농도가 증가할수록 부식속도가 감소하고 있음을 알 수 있었다.

EDTA는 식(1)과 같이 magnetite와 반응하여 착물을 형성함으로써 boiler tube의 scale을 제거한다.

Fe + Fe3O4 + 8NH+ + 4EDTA →

4Fe(Ⅱ)EDTA + 4H2O + 8NH3 ……… (1)

Pourbaix diagram으로 예측하여 볼 때 철 성분은 Fe2+ 이온의 형태로 용해되기가 쉽기 때문에 hydrazine이 첨가되어 hydrazine의 농도가 증가할수록 Fe3+ 이온을 Fe2+ 이온으로 환원시키는 환원력이 증가되어 magnetite의 용해력이 증가되는 것으로 판단된다.

또한 아래의 식(2)와 같이 hydrazine이 산소와 반응을 하여 용액중의 용존산소를 감소시켜 부식시편의 산소에 의한 부식을 감소하기 때문이라고 생각된다.

N2H4 + O2→N2 + 2H2O ……… (2)

참고문헌

1.W.W.FRENIER, W.C.KENNEDY : J. CORR., 42(10), 613(1986)

2.W.W.FRENIER : J. CORR., 40(4), 176(1984)

3.R.ROBERT, R.GILBERT : J. CORR., 39(12), 496(1983)