석회-소다 연수화(Lime-soda softening)

연수화 공정(Softening) 

• 소석회 (Lime (Calcium Hydroxide) : Ca(OH)2)와 소다회 (Soda ash (Sodium Carbonate): Na2CO3)를 가하여 침전시키는 공정

• 황산제1철 (Ferrous Sulfate: FeSO4)와 같은 응집제를 생석회 (CaO, Calcium Oxide)와 소다회에 같이 가하여 응집 및 응결과정을 촉진

1) 석회 연수화(Lime Softening)

석회 연수화는 탄산염 형태의 칼슘경도를 제거하는데 이용한다. 비탄산염 존재량에 당량으로 석회를 주입하면 불용성 탄산칼슘이 형성된다. 

CaCO3의 용해도는 표준온도에서 약 20mg/L이며, 보통 플랜트에서는 접촉 가능시간이 제한되어 있기 떄문에 보통 약 40mg/L as Caco3의 잔류물이 남는다. 연수화된 물은 Caco3로 포화되어 급 배수관망 등에 스케일 침적이 일어난다. 이것은 Caco3를 용해성의 Ca(HCO3)2으로서 전환시키는 탄화과정을 통하여 방지할 수도 있고,

칼슘을 배재한 인산염을 첨가하여 스케일을 방지할 수도 있다. 

2) 석회 소다 연수화(Lime -soda softening)

석회소다 연수화는 칼슘경도의 모든 형태를 제거하는 것이다. 이는 Na2CO3을 투입하여 비탄산경도를 Caco3로 전환시켜 침전 제거하는 것이다.

가해진 Na2CO3량 만큼이 칼슘과 결합한 비탄산경도이다.

<경도>

• 탄산경도 (Carbonate Hardness)는 화학적으로 중탄산 및 탄산 알칼리도에 상당하는 총 경도의 일부

• 비탄산경도 (Noncarbonate Hardness) = 총경도 - 탄산경도  

• 연수화에 필요한 석회와 소다회 양은 총 경도, 탄산 경도, 비탄산경도 (Noncarbonate Hardness), 마그네슘이온, 그리고 이산화 탄소의 농도에 기인함

• If 총경도 > 알칼리도

• 탄산경도 (CH) = 알칼리도

• 비탄산경도 (NCH) = 총경도(TH) – 탄산경도 (CH)

• If 총경도 < 알칼리도

• 탄산경도 (CH) = 총경도 (TH)

• 비탄산경도 (NCH) = 0

<화학반응>

• 물에 생석회 주입 :

• Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 ↓+ H2O

• 석회와 탄산경도의 반응

• Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2   → CaCO3 ↓ + H2O

• Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2   → MgCO3 + CaCO3 ↓ + 2H2O

• Ca(OH)2 + MgCO3   → Mg(OH)2 ↓ + CaCO3 ↓

• 비탄산경도(NCH)인 황산마그네슘 (MgSO4) 제거를 위해 석회 추가

• Ca(OH)2 + MgSO4   → CaSO4  + Mg(OH)2 ↓

•  마그네슘이 침전되더라도 용액 중에 남은 칼슘을 제거하기 위하여 소다회 (Na2CO3) 필요

• Na2CO3 + CaSO4   → Na2SO4  + CaCO3 ↓

• CaCO3과  Mg(OH)2 을 침전시키기 위하여 각각 pH 9.5, pH 10.8 정도 유지 필요 : pH 상승을 위하여 석회 1.25 meq/L 추가로 필요

<연수화 이후 이산화탄소로 안정화 필요>

• 필요성

• CaCO3과  Mg(OH)2 는 수로와 저장소에 침전물로 쌓여 문제 야기

• pH 조절 필요

• 따라서 CO2 주입에 의한 안정화로 pH 하강 (by pH 9.5)

• CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 ↓ + H2O

• CO2 + Mg(OH)2 → MgCO3  + H2O

• pH 8.5까지 안정화시키면 탄산칼슘도 안정화됨

• CO2 + CaCO3 + H2O→ Ca(HCO3)2

• 안정화가 되면 미세한 침전물은 다시 용액으로 용해되므로 석회-소다 연수화 공정으로 처리한 물에도 탄산칼슘으로서의 잔류 경도는 약 50~80 mg/L 정도 남게됨