[환경공학실험]알칼리도(Alkalinity)

실험 이론 및 원리

1. 정 의

수중의 알칼리도는 산을 중화(中和)하는 능력이다. 즉 물이 양성자(陽性子)를 수용할 수 있는 능력을 알칼리도로 측정한다. 일반적으로 하천수에서의 총알칼리도는 중탄산염(HCO3-), 탄산염(CO32-)과 수산기(OH-)로 구성되기 때문에 이들 성분의 농도를 지준으로 산으로 적정하여 측정할 수 있다. 이외에도 붕산, 인산염, 규산화물과 다른 염기물질이 존재하면 알칼리도를 유발하게 된다.

알칼리도 측정은 스케일, 부식 그리고 다른 화학평형의 악영향을 조절하기 위하여 화학적 처리의 정도를 설정하는데 도움을 준다. 알칼리도의 정도는 몇몇 금속의 용해도, 독성도와 몇몇 물들의 완충능력을 설정하는데도 중요하다. 따라서 알칼리도는 상수처리와 폐수처리공정의 조절과 해석에 중요하기 때문에 측정되며, 상수 및 관개용수의 적합성을 결정하기 위해서도 사용된다. 산도와 마찬가지로 CaCO3로 나타낸다.

시료는 반드시 폴리에틸렌(PE)병에 보관해야 하며, 시료채취와 분석사이의 시간 간격은 가능한 한 짧아야 한다. 특히 4-5의 산화상태를 보이는 양이온을 포함하는 가수분해될 염이 들어 있는 폐수(廢水)는 즉시 분석하여야 한다.

 

2. 측정 원리

Methyl orange 또는 MR혼합지시약 (변색점 pH 약 4.5)을 써서 0.02N황산용액으로 중화 적정하는 방법 → 수중의 알칼리분 모두가 측정됨

 

2OH- + H2SO4 → SO42- + 2H2O

2CO32- + H2SO4 → SO42- + 2HCO3-

2HCO3- + H2SO4 → SO42- + 2CO2 + 2H2O

 

용질(溶質)이 가수분해되거나 해리되어 발생되는 시료내에 있는 수산기 이온(OH-)은 첨가하는 표준 산용액과 반응한다. 따라서 알칼리도는 사용된 pH 종말점과 관계있다.

낮은 알칼리도(20㎖ CaCO3/ℓ) 시료에서는 외삽법을 사용하여 구한다. pH가 0.3 감소하는데 필요한 표준 산용액의 양은 조심해서 측정하여야 한다. 이러한 pH변화는 수소이온농도의 2배에 대응하므로 간단한 외삽법은 당량점에 이른다. “페놀프탈레인 알칼리도”는 pH8.3까지 적정한 양으로 표현한다.

2. 공중보건에 미치는 영향

지금까지 알려진 바로는 물의 알칼리도는 공중보건에 거의 영향을 미치지 않는다. 고농도의 알칼리성 물은 불쾌한 맛이 나서 소비자는 다른 상수원을 찾게 된다. 화학적으로 처리된 물은 때때로 pH가 높아 이 물을 마시는 일부 소비자들로부터 배척(排斥)을 받기도 한다.

 

3. 환경공학에서 중요한 사항들

환경공학 기술자는 이산화탄소- 알칼리도- pH 관계의 설명을 필요로 하는 여러 거지 실제 상황과 자주 만나게 된다.

 

1) 폭기에 따른 pH변화

수중의 이산화탄소는 보통 폭기를 하여 제가됨.

높은 알칼리도를 가진 물 : 폭기에 따라 도 높은 pH로 된다.

낮은 알칼리도를 가진 물 : 폭기에 따라 낮은 pH로 되는 경향이 있다.

 

2) 조류의 번성에 의한 변화

대부분 지표수에는 조류가 번성.

조류가 빠르게 자라는 지역(특히 수심이 얕은 물) : pH 10까지 올라가는 것이 관찰됨.

조류는 광합성 작용을 통하여 이산화탄소를 이용하며, 이산화탄소가 제거되어 그와 같이 높은 pH 상태를 만든다.

 

3) 보일러 용수의 알칼리도

보일러 용수는 탄산염 알칼리도와 수산화물 알칼리도를 포함한다. 모두 공급수중의 탄산수소염으로부터 유도된다. 이산화탄소는 보일러 용수에 녹지 않으며, 수증기(水蒸氣)와 함께 제거되기 때문에 pH가 증가하게 되고, 알칼리도의 형태가탄산수소염 → 중탄산염 → 탄산염 → 수산화물 형태로 바뀐다. 극심한 상태에서는 pH11.0을 넘는 때도 자주 있다.

 

4. 알칼리도 자료의 용도

용수 및 폐수의응집을 효과적으로 행하려면, 응집제를 완전히 가수분해 시키고, 금속수산화물의 floc을 생성하는데 충분한 알칼리도가 필요하다.

일반적으로 Al3+, Fe2+등 응집제를 첨가하면 알칼리와 반응하여 수산화물이 되고 pH를 저하시키려고 하나, 충분한 알칼리도가 존재하면 완충작용에 의하여 pH저하는 급격히 일어나지 않는다. 수중의 알칼리도가 부족할 때는 인위적으로 첨가할 필요가 있으며, 알칼리도가 과대할 때는 응집제 소비량이 증가하여 비경제적(非經濟的)이다.

실험 기구 및 시약

1. 실험(實驗) 기구

1) pH미터, 자석 교반기, 50㎖ 뷰렛

2) 메스실린더 (100㎖)와 삼각 플라스크 (300㎖)

3) 피펫, 휠라, 스포이드, 비이커, 마그네틱 바,

 

2. 실험 시약(試藥)

1) 탄산나트륨(0.05N): Na2CO3 1.25g ± 0.1g을 재서 500㎖ 플라스크에 넣고 증류수를 눈금까지 채운다.

2) 황산용액 (0.1N) : 농황산 3.0㎖을 중류수로 희석시켜 1ℓ를 만든다.

3) 0.02N 황산용액 : 0.1N 황산(黃酸)용액20㎖를 증류수와 혼합하여 100㎖를 만들고 표정한다.

※ 표정 과정

① 0.05N Na2CO3 용액 10㎖에 증류수 90㎖를 가하여 100㎖를 만든다.→C

② 0.02N 황산용액으로 pH 4.5가 될때까지 적정한다.

③ 증류수 100㎖로 바탕시험을 한다.→B

 

노르말 농도(N) = (M×100)/(25.6×(C-B))

 

4) 메틸오렌지 지시약 : 메틸오렌지 분말 0.05g을 증류수에 녹여 100㎖로 희석한다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 여과하지 않은 시료 100㎖을 측정하여 비이커로 옮긴다.

2) 초기 pH, 시료량 및 시료의 온도를 기록한다.

3) 최 pH가 8.3 이상이면 0.02N 황산용액으로 적정하고 적정량을 기록한다.

4) pH가 4.5가 될 때까지 적정하고 적정량을 기록한다.

 

※ 농도 계산

알칼리도 (㎖/l as CaCO3) = ((A-B)×N×50000)/시료량(㎖)

A : 시료에 사용된 황산용액(㎖)

B : 바탕시험에 사용된 황산용액(㎖)

N : 황산의 N 농도

 

표.1 알칼리도 색 지시약과 pH 종말점 자료

지시약	당량점에서의 pH	색변화	㎖지시약/100㎖
페놀프탈레인	8.3	핑크 → 투명	0.1
혼합지시약	5.0	녹청색 → 엷은회청색	0.15
	4.8	→ 엷은 pink-gray
	4.6	→ 엷은 pink
메틸오렌지	4.6	노랑색 → 오렌지	0.5
	4.0	→ 핑크

 

표.2 알칼리도 농도를 위한 시료량, 적정 노르말과 개략적인 pH

일반적인 종말점		개략적인 지수표
총알칼리도범위(㎖/l)	pH	시료량(㎖)	산 노르말
0-25	5.5	50	0.001
25-50	5.1	100	0.002
50-90	5.0	50	0.002
90-130	4.9	100	0.02
130-210	4.8	50	0.02
210-330	4.7	50	0.02
330-445	4.6	50	0.02
445-	4.5	25	0.02

 

2. 페놀프탈레인 알칼리도

본 실험에서는 행하지 않았으나 중요하다고 판단되어 실험과정을 적었음.

1) 검수 100㎖를 300㎖ 삼각 플라스크에 취하여 페놀프탈레인 시약 0.1㎖을 넣는다.

2) 이때 수층이 붉은색이 나타날 때는 탄산염 혹은 수산화물이 존재하는 것을 의미하므로 글라스봉을 사용하여 가볍게 흔들어 저으면서 0.02N H2SO4으로 수층이 무색이 될 때까지 적정한다.

3) 계 산

페놀프탈레인 알칼리도(㎖/l as CaCO3) = (((D-a)×N×1000)/시료량(㎖))×50

여기서, D = 무색이 나타날 때까지의 소비된 황산 ㎖ 수

④ 적용 시료 : 수산화물 알칼리도를 나타내는 대부분의 산업폐수

 

실험 결과

1. 결과 분석

1) A구역 하수 원수

알칼리도(A) = ((13.7-0.5)×0.02×50000)/100㎖ = 132 ㎖/l as CaCO3

 

2) A구역 방류수

알칼리도(A) = ((11.4-0.5)×0.02×50000)/100㎖ = 109 ㎖/l as CaCO3

 

2. 결과 정리

시료명	Blank(공시험)	소비된 황산 ㎖ 수(㎖)	총 알칼리도 (㎖/l as CaCO3)
A구역 하수 원수	0.5	13.7	132
A구역 방류수	0.5	11.4	109

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서는 0.02N 황산용액을 표정하는 실험에서부터 결점이 발생한 것 같다. 실험 시약을 만드는 과정에서 탄산나트륨(Na2CO3)을 건조가 된 것으로 사용을 하여야 하지만 일반 대기중에 방치된것을 사용해서 표정 실험이 잘 안된것 같다. 또한 pH미터로 pH 4.5로 적정하는 과정에서 1ℓ로 희석된 0.1N 황산용액의 양이 정확하지 못했던 것도 하나의 실패 원인이다. 

그리고 시료를 가지고 실험을 하는 과정에서도 색깔이 분홍색깔의 주황색이 나타나는 지점에서 pH를 측정해보니 pH 4.5 보다 더 낮게 나왔다. 반대로 pH 4.5가 나타날때 색깔을 관찰해보면 분홍색깔의 주황색이 나타나질 않았다. 그래서 pH미터를 신용하지 못해서 직접 메틸오렌지를 넣고 눈으로 색깔 변화를 관찰하였다. 이런 경우는 주관적이기 때문에 다소 오차가 발생할 수도 있다.

그런데 실험 결과는 우리가 예상했던 결과(結果)보다 훨씬 높게 나왔다. 색깔 변화를 정확히 판단하지 못해서 이런 결과가 나왔으리라 생각하고 MR혼합 지시약으로 다시 실험을 해본 결과, 이전과 비슷한 결과 값을 얻게 되었다. 그래서 우리는 시약에 문제가 있는 것 같아서 시약을 다시 만들어서 반복 실험을 해보았지만 결과는 동일했다. 아직까지 어디에서 문제가 발생했는 잘 모르겠다. 위의 실험 결과은 그렇게 해서 얻어진 결과값이다.

알칼리도는 수중에 함유(含有)되어 있는 중탄산염, 탄산염, 수산화물 등의 알칼리분을 CaCO3의 ppm으로 표시한 것이며, 1ppm이 1도이다. 자연수의 알칼리도는 탄산염이 주이며, 생물의 호흡(呼吸)작용, 빗물 중의 CO2 및 부패 등에서 발생한 CO2가 석회암을 통과할 때, 중탄산염으로서 Ca, ㎖을 용출하는 원인이 된다. 자연수에서 알칼리도의 의의는 복잡하나, 하수나 공장폐수의 영향을 받으면 현저하게 증가하므로 수질오염의 한 지표로서 측정할 필요가 있다.

알칼리도는 침전법에 의한 물의 단물화에서 소요되는 석회(石灰) 또는 석회-소오다회의 양을 계산하는데 반드시 고려되어야 하는 중요한 항목(項目)이기도 하다. 수산화물 알칼리도를 나타내는 대부분의 산업폐수는 하천이나 하수관 또는 어떤 종류의 처리장으로든 방류하기에 앞서 반드시 중화시켜야 한다. 약품의 양, 약품입기의 크기, 저장장소 및 비용 등은 알칼리도에 대한 실험 데이터에 의해 결정된다.

참고 문헌

1. 수질조사 및 분석, 동화기술 유성황 외 p.249∼252

2. 환경화학, 동화출판 황재석 외 p.186∼190