2-2. 배관용 탄소강관의 부식과 관련하여 다음을 각각 설명하시오.1) 철(Fe)의 pH-전위 포베 도표(Pourbaix Diagram) 작도 2) 부식역 3) 부동태역 4) 불활성역 5) 부식억제제(양극억제제, 음극억제제)

1) 철(Fe)의 pH-전위 포베 도표(Pourbaix Diagram) 작도

철의 pH-전위 포베 도표는 수용액 환경에서 철의 전기화학적 평형 상태를 나타내는 그래프입니다. 가로축은 용액의 pH, 세로축은 전극 전위(일반적으로 표준 수소 전극(SHE) 기준)를 나타냅니다. 이 도표는 특정 pH와 전위 조건에서 철이 어떤 형태로 존재하는지 (고체 금속, 이온, 산화물 등) 예측하는 데 유용합니다.

포베 도표는 다음과 같은 원리를 바탕으로 작성됩니다.

• 열역학적 평형: 각 영역은 특정 철 화합물의 열역학적으로 가장 안정적인 상태를 나타냅니다.
• 전기화학 반응: 철의 부식 및 부동태화는 전기화학적 반응을 통해 일어나므로, 전위가 중요한 변수가 됩니다.
• Nernst 식: 이온 농도와 전위 간의 관계를 설명하는 Nernst 식을 이용하여 평형 전위를 계산합니다.

 

포베 도표에는 다양한 평형선이 존재하며, 이 선들은 서로 다른 철 종들의 경계를 나타냅니다. 주요 철 종 및 관련 반응은 다음과 같습니다.

• Fe (고체 철): 낮은 전위 영역에서 안정적입니다.
• Fe²⁺ (철 이온): 산성 pH 영역 및 적절한 전위에서 안정적입니다.
• Fe³⁺ (철 이온): 산성 pH 영역 및 높은 전위에서 안정적입니다.
• Fe(OH)₂ (수산화철(II)): 중성 및 약알칼리성 pH 영역에서 안정적일 수 있습니다.
• Fe(OH)₃ (수산화철(III)), Fe₂O₃ (산화철(III)), Fe₃O₄ (사산화삼철): 부동태 피막을 형성하는 산화물 또는 수산화물로, 특정 pH 및 전위 영역에서 안정적입니다.
• FeO₄²⁻ (페레이트 이온): 매우 높은 pH 및 높은 전위 영역에서 안정적입니다.

포베 도표를 작성하기 위해서는 각 화학종 간의 평형 반응식과 해당 반응의 표준 자유 에너지 변화를 알아야 합니다. 이를 통해 Nernst 식을 이용하여 pH에 따른 평형 전위를 계산하고, 이를 그래프에 나타냅니다. 또한 물의 전기분해 반응(수소 발생 및 산소 발생)에 대한 평형선도 함께 표시하여 철의 안정성 영역과 비교합니다.

2) 부식역

부식역은 포베 도표에서 철이 이온 상태(주로 Fe²⁺ 또는 Fe³⁺)로 용해되어 부식이 일어나는 pH 및 전위 영역을 의미합니다. 이 영역에서는 철이 열역학적으로 불안정하여 주변 환경과 반응하여 산화됩니다.

• 특징:
  • 낮은 pH (산성 환경) 및 적절한 전위 조건에서 주로 나타납니다.
  • 전위가 높을수록 Fe²⁺에서 Fe³⁺으로 산화될 가능성이 높아집니다.
  • 부식 반응 속도는 pH, 전위, 온도, 용존 산소 농도 등에 영향을 받습니다.
  • 배관 내부의 유속이나 이물질 부착 등도 부식에 영향을 줄 수 있습니다.

3) 부동태역

부동태역은 포베 도표에서 철 표면에 안정하고 치밀한 산화물 또는 수산화물 피막(주로 Fe₃O₄ 또는 Fe₂O₃)이 형성되어 더 이상의 부식을 억제하는 pH 및 전위 영역을 의미합니다. 이 피막은 철 금속과 부식 환경 사이를 차단하는 역할을 합니다.

• 특징:
  • 특정 pH 범위(대개 중성 또는 약알칼리성) 및 적절한 전위 조건에서 나타납니다.
  • 부동태 피막이 형성되면 부식 속도가 현저히 감소합니다.
  • 부동태 피막의 안정성은 pH, 전위, 온도, 용액의 조성 등에 영향을 받습니다.
  • 염화이온(Cl⁻)과 같은 특정 이온은 부동태 피막을 파괴하여 공식(Pitting) 부식을 유발할 수 있습니다.

4) 불활성역

불활성역은 포베 도표에서 철이 열역학적으로 매우 안정하여 부식 반응이 거의 일어나지 않는 pH 및 전위 영역을 의미합니다. 이 영역은 일반적으로 매우 낮은 전위 값을 가집니다.

• 특징:
  • 매우 낮은 전위 조건에서 나타납니다.
  • 이러한 낮은 전위는 일반적으로 외부에서 음극 방식을 적용하여 인위적으로 만들어낼 수 있습니다.
  • 불활성역에서는 철이 주변 환경과 반응할 에너지가 부족하여 부식이 일어나지 않습니다.

5) 부식억제제(양극억제제, 음극억제제)

부식억제제는 금속 표면에 흡착되거나 반응하여 부식 속도를 감소시키는 화학 물질입니다. 배관용 탄소강관의 부식 방지를 위해 다양한 부식억제제가 사용되며, 작용 메커니즘에 따라 양극억제제와 음극억제제로 분류할 수 있습니다.

• 양극억제제 (Anodic Inhibitor):
  • 금속 표면의 양극 반응(금속의 용해 반응: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻)을 억제합니다.
  • 주로 금속 표면에 산화물 또는 수산화물 피막을 형성하여 부동태화를 촉진시키는 방식으로 작용합니다.
  • 예시: 크로뮴산염(CrO₄²⁻), 몰리브덴산염(MoO₄²⁻), 아질산염(NO₂⁻), 인산염(PO₄³⁻) 등 (주의: 일부 양극억제제는 농도가 부족할 경우 오히려 국부적인 부식을 유발할 수 있으므로 주의하여 사용해야 합니다.)
• 음극억제제 (Cathodic Inhibitor):
  • 금속 표면의 음극 반응(산소 환원 반응: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ 또는 수소 이온 환원 반응: 2H⁺ + 2e⁻ → H₂)을 억제합니다.
  • 산소 환원 억제제: 용존 산소와 반응하여 산소를 제거하거나, 금속 표면에 보호 피막을 형성하여 산소의 접근을 막습니다. 예시: 아황산나트륨(Na₂SO₃), 하이드라진(N₂H₄) 등
  • 수소 발생 억제제: 수소 이온의 환원 반응을 방해하거나, 금속 표면에 흡착되어 수소 발생 반응의 활성화 에너지를 높입니다. 예시: 비소 화합물(As), 안티몬 화합물(Sb) 등 (주의: 일부 음극억제제는 독성이 있을 수 있으므로 사용에 주의해야 합니다.)
  • 석출형 억제제: 금속 표면에 불용성 화합물을 석출시켜 보호 피막을 형성합니다. 예시: 칼슘 이온(Ca²⁺), 아연 이온(Zn²⁺) 등 (알칼리성 환경에서 탄산칼슘(CaCO₃)이나 수산화아연(Zn(OH)₂) 등을 형성하여 보호 피막을 만듭니다.)

부식억제제를 선택하고 적용할 때는 배관 시스템의 재질, 운전 조건(pH, 온도, 유속 등), 용액의 조성 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 또한, 환경 및 안전 규정을 준수하는 것도 중요합니다.