Hardness of Water 물의 경도

Hardness of Water 물의 경도

이번 포스트는 A Multidisciplinary Introduction to Desalination / Editor : Alireza Bazargan에 설명된 Hardness of Water에 대해서 살펴보겠습니다.

 

 

1. Hardness of Water (물의 경도)

 

마그네슘과 칼슘은 경도의 주성분입니다.

 

다른 원소, 스트론튬, 알루미늄, 바륨, 철, 망간, 아연도 물의 경도를 유발하지만 이들의 농도는 상대적으로 적고 "총 경도"에 대한 기여도는 미미합니다.

 

경도의 원래 정의는 비누를 침전시키는 물의 용량에 의존했습니다.  세탁물의 회색화는 칼슘 및 마그네슘 비누 침전물의 예입니다.

 

경수 (주로 탄산칼슘) 에서 형성된 스케일은 유리 제품, 은식기, 수도꼭지 등에 물 얼룩을 남기는 등 다양한 문제를 일으키며, 파이프에 스케일을 형성하고 가전제품, 펌프, 밸브, 수도계량기의 마모를 가속화시킵니다.

 

온도가 증가하면 스케일 형성이 강화됩니다. 따라서 보일러와 온수기에서 스케일은 열 교환기 위에 절연층을 생성하여 결과적으로 열전달을 방해하고 난방 비용을 증가시킵니다.

 

2. Hardness (경도) 의 유형 

 

경도에는 일시적 경도 (Temporary hardness)와 영구 경도 (Permanent hardness)의 두 가지 유형이 있습니다.

 

 

일시적인 경도는 중탄산칼슘과 마그네슘의 존재로 인해 발생합니다. 이러한 화합물을 함유한 물을 가열하면 분해되어 침전되는 불용성 탄산염이 남습니다. 따라서 가열을 통해 물에서 일시적인 경도를 제거할 수 있습니다.

 

한편, 중탄산염 이외의 칼슘 및 마그네슘염 (황산염, 염화물 등) 에 의한 경도는 가열에 의해 크게 영향을 받지 않으므로 영구경도라 합니다.

 

3. Hardness (경도) 단위 

 

경도는 다양한 단위로 나타낼 수 있습니다.

그러나 탄산칼슘은 물 경도의 대부분을 결정짓는 사실상의 원천이기 때문에 물의 경도 수준은 CaCO3 단위로 나타냅니다. (mg/L as CaCO3)

 

경도를 CaCO3 단위로 계산하려면 "등가" 값을 사용해야 합니다.

정의에 따르면, 등가물은 주어진 화학 반응에서 다른 물질 1몰과 반응하는 한 물질의 양입니다.

 

따라서 물질 A로 인한 경도를 CaCO3와 단위로 계산한다고 가정하면 다음과 같습니다.

 

CaCO3는 2의 원자가를 표시하므로, 

 

몰의 정의에서,

 

 

정리하면

 

예를 들어,

 

Ca2+ 농도가 20 mg/L인 물의 CaCO3 기준 칼슘 경도는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

따라서,

20mg/L as Ca 와 50mg/L as CaCO3는 동일합니다.

 

이는 단순히 주어진 용액의 칼슘 함량을 표현하는 두 가지 다른 방법일 뿐입니다.

둘 사이의 변환 계수는 항상 100.09/40.08 또는 2.5입니다.

 

즉, 칼슘 농도에 2.5를 곱하면 칼슘 농도가 CaCO3로 산출됩니다.

 

 

마찬가지로,

 

마그네슘 이온 농도 (mg/L as Mg)와 마그네슘 경도(mg/L as CaCO3) 사이의 환산 계수는 탄산칼슘의 분자량 대 마그네슘의 분자량의 비율(100.09/24.31, 즉 4.12)입니다.

 

총경도는 칼슘 이온과 마그네슘 이온의 경도를 포함하여 CaCO3로서의 모든 경도의 합입니다.

 

따라서 다른 경도 소스가 상당한 수준으로 존재하지 않는다고 가정하면 위의 샘플에 대한 CaCO3 기준 총경도는 50 + 24.7 = 74.7mg/L as CaCO3가 됩니다.

 

4. Hardness (경도) 구분 

 

흥미롭게도 어떤 물이 "연수" 이고 어떤 물이 "경수" 인지를 지정하는 보편적인 표준은 없으며, 다양하게 자체 지침을 제공하고 있습니다.

 

차이점의 예로서 표 4.1은 미국 지질청과 영국 식수 조사국의 차이점을 보여줍니다.

분명히 CaCO3로서 총경도가 75 mg/L인 물은 영국에서는 "보통 연수"로 분류되지만 미국 지질청에서는 "보통 경수"로 분류됩니다.

 

Reference

16 : The U.S. Geological Survey Water Science School (2015). Water Hardness.

17 : Drinking Water Inspectorate (2011). Water Hardness. UK Department for Environment Food and Rural Affairs.