경도 제거

왜 배우는가: 경도는 보일러 스케일, 배관 막힘, 세탁·세정 효율 저하 등 물 이용 전반에 영향을 주므로 정수처리 설계와 운영에서 반드시 다뤄야 할 항목이다. 상수 원수 수질 관리와 연화 공정 선정 문제가 기술사 시험에 반복해서 출제되므로 정의와 pH 연계 설명을 정확히 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제109회 4교시 5번, 제98회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

경도는 물속 Ca²⁺·Mg²⁺ 농도를 CaCO₃ mg/L로 환산한 값으로, 물의 비누 소비·스케일 생성 능력을 나타낸다.

핵심 키워드

• 경도(Hardness)
• 총경도·칼슘경도·마그네슘경도
• 탄산경도(일시경도)와 비탄산경도(영구경도)
• pH(수소이온농도 지수)
• 알칼리도
• 석회소다법(Lime-Soda Softening)
• 이온교환 연화
• 막연화(나노여과)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 경도는 물이 얼마나 '센 물'인지를 나타내는 값이다. 칼슘과 마그네슘이 많으면 비누 거품이 잘 나지 않고 주전자·보일러 바닥에 흰 스케일이 쌓인다.

정식 정의는 다음과 같다. 물의 경도는 다원자가 금속 양이온, 주로 Ca²⁺와 Mg²⁺의 존재에 의한 특성이며, 이 양이온의 양을 이에 대응하는 탄산칼슘(CaCO₃)의 mg/L로 환산해 나타낸다.

전경도(총경도) 는 Ca²⁺와 Mg²⁺에 의한 경도 전체를 말한다. 칼슘경도 는 Ca²⁺만, 마그네슘경도 는 Mg²⁺만에 의한 경도다. 마그네슘경도는 전경도에서 칼슘경도를 뺀 값으로 구한다.

경도는 짝이온의 종류에 따라 두 가지로 나뉜다. 탄산경도(일시경도) 는 중탄산염(HCO₃⁻)과 결합한 경도로 가열하면 탄산칼슘으로 침전되어 제거된다. 비탄산경도(영구경도) 는 황산염·염화물 등과 결합한 경도로 끓여도 제거되지 않는다.

pH 는 수소이온 활동도의 상용로그 역수로 정의된다. pH = -log[H⁺]이며, 25℃ 기준 pH + pOH = 14의 관계가 성립한다. pH는 경도 자체의 값은 아니지만, 탄산염 평형을 결정하여 CaCO₃ 침전 가능성과 연화 약품 투입량을 좌우한다.

알칼리도 는 물이 산을 중화하는 능력이며 주로 HCO₃⁻, CO₃²⁻, OH⁻ 농도로 나타난다. 경도와 알칼리도는 탄산경도 산정 시 함께 고려한다.

pH + pOH = 14 (25℃)

3. 등장 배경과 필요성

경도 성분은 지질에서 용출되어 지하수에 많고 하천수에도 존재한다. 해수, 하수, 공장 폐수가 원인이 되기도 한다. 수도수에서는 콘크리트 구조물이나 석회 처리 과정에서 Ca²⁺가 추가되기도 한다.

경도가 적당하면 음료수 맛을 좋게 하고 수도관 부식을 억제하는 효과가 있다고 알려져 있다. 그러나 경도가 높으면 보일러와 열교환기에 스케일이 생기고 배관 유효 단면이 줄어든다. 세탁과 세정에서는 계면활성제 소비가 늘어난다. 또 위장 장애를 일으킬 수 있다는 보고도 있다.

이런 이유로 경도 제거는 상수 수질 기준과 정수장 공정 설계에서 중요한 항목이 된다. 연화 공정의 선택은 원수의 경도 농도, pH, 알칼리도, 처리 규모, 슬러지 처리 여건에 따라 달라진다.

경도는 Ca²⁺·Mg²⁺ 농도를 CaCO₃ 환산값으로 나타내며, 높으면 스케일과 세정 효율 저하를 일으킨다.

4. 구성요소·원리·절차

경도 제거 공정은 물속의 Ca²⁺와 Mg²⁺를 난용성 침전물이나 이온교환 결합으로 바꿔 물에서 분리하는 과정이다. 정수장에서는 석회소다법(Lime-soda process)이 대표적이고, 소규모 시설이나 연수 처리에서는 이온교환(Ion exchange)이 쓰인다. 두 방식 모두 경도 원인 이온을 물에서 떼어내는 원리는 같지만, 제거 방법과 부산물 처리가 다르다.

경도는 물 중 Ca²⁺와 Mg²⁺의 양을 탄산칼슘(CaCO₃) mg/L로 환산한 값이다. 경도를 줄이려면 이 두 이온의 농도를 낮춰야 한다. 경도는 탄산경도(일시경도)와 비탄산경도(영구경도)로 나뉜다. 탄산경도는 중탄산염(HCO₃⁻)과 짝을 이룬 경도로, 끓이면 탄산염 침전이 생겨 제거된다. 비탄산경도는 황산염·염화물과 짝을 이룬 경도로, 끓여도 제거되지 않는다. 석회소다법은 이 두 경도를 모두 낮출 수 있다는 점이 중요하다.

석회소다법의 반응은 다음과 같다. 수산화칼슘(Ca(OH)₂)은 중탄산 경도를 제거하고, 탄산나트륨(Na₂CO₃)은 비탄산 경도를 제거한다. 수산화칼슘을 넣으면 pH가 올라가고 Mg²⁺가 Mg(OH)₂로 침전한다. 반응 생성물은 CaCO₃와 Mg(OH)₂이며, 침전 후 응집·침전·여과 단계를 거쳐 분리한다.

$\text{Ca}^{2+} + 2\text{HCO}_3^- + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow 2\text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{H}_2\text{O}$

$\text{Mg}^{2+} + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{Mg(OH)}_2\downarrow + \text{Ca}^{2+}$

$\text{Ca}^{2+} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightarrow \text{CaCO}_3\downarrow + 2\text{Na}^{+}$

여기서 Ca²⁺는 칼슘 이온, HCO₃⁻는 중탄산 이온, CaCO₃는 탄산칼슘 침전, Mg(OH)₂는 수산화마그네슘 침전을 뜻한다. 반응으로 생긴 침전은 pH 조정 후 응집과 침전으로 분리한다.

석회소다법 처리 절차는 다음과 같다.

• 원수에 수산화칼슘과 탄산나트륨을 주입한다.
• 급속혼화로 약품을 균일하게 섞는다.
• 응집조에서 플록을 키운다.
• 침전지에서 침전물을 분리한다.
• 여과지에서 잔류 미세 입자를 제거한다.
• 재탄산화(CO₂ 주입)로 pH를 중성 부근으로 낮춘다.

이온교환법은 경도 이온을 나트륨 이온으로 치환하는 방식이다. 레진이 Ca²⁺와 Mg²⁺를 붙잡고 Na⁺를 내놓는다. 레진이 포화되면 NaCl 용액으로 재생한다. 재생 폐액에는 경도 이온과 과량의 NaCl이 함께 나온다.

석회소다법은 탄산경도와 비탄산경도를 모두 낮출 수 있다

5. 관련 법령·기준·표준

경도 제거 공정은 수질기준과 연결해서 판단한다. 먹는물 수질기준 중 경도는 별도 항목으로 정해져 있지 않다. 다만 정수장 운영에서 경도는 스케일 발생, 세탁·설비 부식과 관련된 관리 항목이다. 아래 표는 경도 제거 공정과 관련된 기준 수치를 정리한 것이다.

위 표의 기준은 경도 등급을 나누는 일반적 구분이다. 먹는물 수질기준 자체로 경도를 관리하는 것은 아니다. 공정 설계는 원수 경도, 목표 경도, 부산물 처리 조건을 함께 본다.

석회소다법은 1990년대 이후 대규모 정수장의 연화 방식으로 널리 쓰였다. 최근에는 막분리 공정(나노여과)과 병행하는 사례도 늘고 있다. 나노여과막은 기공 크기가 10nm 이하이며, 다가 이온을 효과적으로 제거한다.

6. 유형과 비교

경도 제거 방법은 침전(화학적 연화), 이온교환, 막분리로 크게 나뉜다. 정수장에서는 처리 규모와 원수의 경도 수준, 부산물 처리 여건에 따라 방법을 고른다. 아래 표는 세 방식의 원리와 적용 특성을 비교한 것이다.