끓여도 제거되지 않는 황산칼슘 등의 영구 경수 성분을 제거하는 원리가 무엇인가요?

Question

끓여도 제거되지 않는 황산칼슘 등의 영구 경수 성분을 제거하는 원리를, 탄산나트륨을 투입하여 물속의 칼슘 이온을 용해도가 매우 낮은 탄산칼슘 앙금으로 강제 침전시켜 물리적으로 걸러내는 무기 침전 평형 원리로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

영구 경수에 포함된 황산칼슘과 같은 성분은 가열해도 탄산수소칼슘처럼 분해되어 침전되지 않기에 일반적인 방식으로는 제거하기 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 탄산나트륨을 투입하는데, 그 핵심 원리는 용해도 차이를 이용한 무기 침전 평형에 있습니다.

물속에 탄산나트륨이 들어가면 탄산 이온이 해리되면서 기존에 녹아 있던 칼슘 이온과 즉각적으로 반응합니다. 이때 용해도가 비교적 높은 황산칼슘 상태일 때는 이온화되어 물에 잘 섞여 있지만, 탄산 이온과 결합하여 형성된 탄산칼슘은 용해도 곱 상수가 매우 낮아 물에 거의 녹지 않는 성질을 가집니다. 화학 평형의 관점에서 보면, 탄산 이온의 농도가 높아짐에 따라 이온 농도의 곱이 용해도 곱 상수를 초과하게 되고, 계는 평형을 유지하기 위해 과잉된 칼슘 이온을 고체 상태인 탄산칼슘 앙금으로 강제 배출하게 됩니다.

이 과정을 거치면 물속에서 비누의 세척력을 떨어뜨리거나 관석을 유발하던 칼슘 이온이 눈에 보이는 흰색 가루 형태로 바뀌며, 이를 물리적인 여과 장치로 걸러내면 최종적으로 경수 성분이 제거된 연수를 얻을 수 있습니다. 결과적으로 수용액 내의 평형 상태를 조절하여 용해된 금속 이온을 불용성 염으로 변환시키는 것이 영구 경수 연화의 핵심적인 화학적 기제라고 할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

물속에 칼슘이나 마그네슘 이온이 많이 녹아 있으면 물이 경수의 성질을 띠며, 영구 경수는 황산칼슘, 황산마그네슘, 염화칼슘처럼 열을 가해도 쉽게 분해되지 않는 염들이 원인이 되므로, 일시적 경수처럼 끓이는 것만으로는 제거되지 않습니다. 이는 이들 이온성 화합물이 물속에서 안정하게 해리된 상태로 존재하며, 가열해도 이산화탄소가 빠져나가거나 탄산수소염이 분해되는 과정이 일어나지 않기 때문입니다. 이러한 영구 경수를 제거할 때 대표적으로 사용하는 물질이 탄산나트륨인데요, 탄산나트륨을 물에 넣으면 Na₂CO₃ → 2Na⁺ + CO₃²⁻ 형태로 해리되면서 탄산 이온을 공급하며, 물속에 녹아 있던 칼슘 이온과 탄산 이온이 만나서 침전됩니다. 이때 생성되는 탄산칼슘은 물에 거의 녹지 않는 난용성 물질이며, 용해도곱이 매우 작기 때문에 평형 상태에서도 대부분 고체 상태로 존재하려고 합니다. 따라서 물속에 자유롭게 떠다니던 칼슘 이온이 탄산칼슘 고체 입자로 강제 전환되어 침전하게 되는데요, 이를 르샤틀리에 원리 관점에서 보면, 탄산 이온 농도를 외부에서 높여주면 평형은 고체 생성 방향으로 이동하게 되고, 결과적으로 물속 칼슘 이온 농도가 급격히 감소합니다. 이렇게 생성된 탄산칼슘 앙금은 시간이 지나면서 바닥에 가라앉거나 여과 장치를 통해 물리적으로 제거할 수 있습니다. 즉 영구 경수 제거는 가열로 이온을 없애는 것이 아니라, 탄산나트륨을 이용해 물속의 Ca²⁺를 용해도가 극히 낮은 고체로 바꾸어 침전시키고, 그 침전을 분리해 경도 성분 자체를 제거하는 방식으로 진행됩니다. 마그네슘 이온 역시 비슷한 방식으로 탄산염이나 수산화물 형태로 침전시켜 제거할 수 있으며, 실제 산업용 연수 처리에서도 활용됩니다. 감사합니다.