물의 경도

왜 배우는가: 물의 경도는 급수·급탕 설비에서 스케일 생성, 배관 부식, 보일러 효율 저하를 좌우하는 기본 수질 지표다. 시험에서는 일시경도와 영구경도의 구분, 측정 원리, 설비 영향을 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제133회 1교시 5번, 제117회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

물의 경도는 물에 녹아 있는 칼슘(Ca²⁺)과 마그네슘(Mg²⁺) 등 2가 금속 이온의 양을 이에 대응하는 탄산칼슘(CaCO₃)의 mg/L(ppm)으로 환산하여 나타낸 값이다.

핵심 키워드

• 경도(Hardness)
• 칼슘 경도, 마그네슘 경도
• 전경도(총경도)
• 일시경도(탄산염 경도)
• 영구경도(비탄산염 경도)
• 연수·경수
• EDTA 적정

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 경도는 물이 얼마나 "딱딱한지"를 나타내는 척도다. 물속에 칼슘과 마그네슘이 많으면 경수(hard water), 적으면 연수(soft water)라 한다. 비누가 잘 풀리지 않고 욕조·배관에 흰 막이 생기는 현상이 바로 경도 이온 때문이다.

정식 정의는 다음과 같다. 경도는 물 중의 2가 양이온 금속(주로 Ca²⁺, Mg²⁺)의 농도를 CaCO₃ 기준 농도로 환산한 값이다. 철(Fe²⁺)·망간(Mn²⁺)·스트론튬(Sr²⁺) 같은 금속도 경도 유발 물질로 보기도 하나, 실무 설계에서는 칼슘과 마그네슘이 대부분을 차지한다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 전경도(총경도): 칼슘 경도와 마그네슘 경도의 합이다. 단순히 "물의 경도"라 하면 전경도를 가리킨다.
• 칼슘 경도: 물속 Ca²⁺에 의한 경도다. CaCO₃ 환산 농도로 나타낸다.
• 마그네슘 경도: 물속 Mg²⁺에 의한 경도다. 같은 방식으로 환산한다.
• 일시경도(탄산염 경도): 중탄산칼슘·중탄산마그네슘 [Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂]에 의한 경도다. 가열하면 탄산염으로 바뀌어 침전되므로 끓여서 제거된다. 침전된 물질이 스케일이다.
• 영구경도(비탄산염 경도): 황산염·염화물·질산염 형태의 칼슘·마그네슘에 의한 경도다. 끓여도 침전되지 않는다. 일시경도와 영구경도는 합하여 전경도가 된다.

일시경도는 가열 시 다음 반응으로 제거된다.

$\mathrm{Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O + CO_2\uparrow}$

영구경도는 황산이온(SO₄²⁻)·염화이온(Cl⁻)과 결합한 상태이므로 가열해도 탄산염 침전이 일어나지 않는다.

3. 등장 배경과 필요성

지하수는 석회암·백운암 등 칼슘·마그네슘을 포함한 지층을 통과하면서 이온을 녹여 경도가 높아진다. 일반적으로 지하수는 표층수보다 경도가 높다. 이 때문에 상수원에 따라 경도 차이가 크고, 급수 설비 설계 단계에서 경도 관리가 필요해졌다.

경도가 문제가 되는 이유는 설비 측면에서 명확하다. 가열 과정에서 생기는 탄산염 스케일이 보일러 전열면과 급탕 배관 내면에 부착되면 열전달 효율이 떨어지고 관경이 좁아진다. 또한 비누와 반응하여 세정 효율을 떨어뜨린다. 영구경도 성분인 황산염·염화물은 스케일을 만들면서 배관 부식을 촉진하기도 한다.

이에 따라 수돗물과 공업용수의 경도 관리 기준이 도입되었다. 경도가 지나치게 높은 경수는 공업용수로 부적당하고, 수돗물도 경도 상한을 두어 관리한다. 경도가 적당하면 맛이 좋은 음료수가 되고 수도관 방식에도 도움이 된다는 점도 함께 알려져 있다.

경도 저감 방법으로는 침전 제거법, 착염법, 이온교환법 등이 있다. 이 중 양이온 교환수지법이 실무에서 널리 쓰인다. 설비 설계자는 경도 값을 기준으로 연수 장치 용량이나 스케일 방지 대책을 정한다.

4. 구성요소·원리·절차

물의 경도는 물속 2가 금속 양이온(주로 칼슘 Ca²⁺·마그네슘 Mg²⁺)의 양을 이에 대응하는 탄산칼슘(CaCO₃) 농도로 환산한 값이다. 경도 성분은 음이온의 종류에 따라 탄산염 경도와 비탄산염 경도로 나뉘고, 이 구분이 가열 거동을 결정한다.

일시경도는 중탄산염이 가열로 분해되어 불용성 탄산염이 되는 반응으로 생긴다. 반응식은 다음과 같다.

• 가열로 중탄산칼슘이 분해된다: Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃↓ + H₂O + CO₂↑
• 생성된 탄산칼슘은 물에 녹지 않아 침전하여 스케일이 된다.
• 침전 후 남은 용액의 경도는 영구경도만 남아 연수에 가까워진다.

경도 계산식은 다음과 같다. 칼슘과 마그네슘의 몰 수를 각각 CaCO₃ 당량으로 환산해 더한다.

$\text{총경도}\,(\text{mg/L as CaCO}_3) = \frac{[\text{Ca}^{2+}]\times 100.09}{40.08} + \frac{[\text{Mg}^{2+}]\times 100.09}{24.31}$

여기서 [Ca²⁺], [Mg²⁺]는 mg/L 단위 농도, 100.09는 CaCO₃ 분자량, 40.08·24.31은 Ca·Mg 원자량이다.

측정 원리는 EDTA(에틸렌디아민사아세트산) 적정이다. EDTA는 Ca²⁺·Mg²⁺와 안정한 킬레이트 착물을 만든다. 지시약 EBT는 금속 이온과 붉은색 착물을 만들고, EDTA가 금속을 빼앗으면 청색으로 변하여 종말점을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

경도 기준은 법정 수질기준보다 설계·운영 지표로 쓰이는 경우가 많다. 아래 표는 확인된 기준값과 개념 기준을 정리한 것이다.

경도 단위는 나라마다 다르다. 독일식 °dH는 CaO 10mg/L를 1도로 하고, 미국은 mg/L as CaCO₃를 쓴다. 영국식과 프랑스식도 각기 다른 환산 계수를 쓴다. 따라서 단위를 쓸 때는 환산 기준을 함께 밝힌다.

먹는 물 수질기준과 설계 기준은 현행 고시와 관리지침으로 정한다. 답안에서는 기준 이름과 단위만 쓰고, 세부 조문 번호는 쓰지 않는다.

6. 유형과 비교

경도는 용해된 칼슘·마그네슘 이온이 어떤 음이온과 결합해 있느냐에 따라 일시경도(탄산경도)와 영구경도(비탄산경도)로 나뉜다. 두 경도는 가열 시 제거 여부가 달라 보일러·급탕설비의 스케일 생성 위치를 판단하는 기준이 된다.