황동에서 침출되는 납의 야금학적 경로

npj Materials Degradation 7권, 기사 번호: 69(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

수도 배관에 사용되는 납 함유(Pb) 황동 부품은 설치 중 납땜이나 브레이징 후에 납 침출이 발생하기 쉽습니다. 싱크로트론 방사선 X선 영상을 통해 음용수 등급 황동 샘플의 초기 상태에서 Pb는 주로 서브 마이크론에서 수 마이크론 크기까지 고립되거나 서로 연결된 입자로 존재한다는 것을 알 수 있습니다. ~200 °C의 일반적인 납땜 온도로 가열하면 Pb 함량은 방향 관계 (11\(\bar{1}\))α-brass//(220)를 갖는 상호 침투 Pb-황동 구조를 포함하는 확산 경로를 통해 빠르게 표면화됩니다. )납; α-황동//[\(\bar{1}\)13]Pb. 일반적인 브레이징 온도인 700°C로 가열하면 Pb 입자가 녹아 부피가 팽창하며, Pb 함량은 우선적으로 α-황동 평면을 따라 황동 격자로 강제 유입되어 구형도가 낮은 Pb 상이나 큰 시트를 형성합니다. . 물에 담그면 표면의 Pb 입자가 산화되어 {\(\bar{2}\bar{2}2\)}PbO 평면의 법선 방향을 따라 PbO 바늘을 형성하고, 이후 쉽게 씻겨 나가서 Pb 침출이 발생합니다. .

납(Pb)은 환경을 오염시키고1,2,3,4 섭취할 경우 신경학적 손상 및 임신 부작용과 같은 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있기 때문에 환경 보호 기관의 규제를 받는 널리 퍼진 중금속입니다5,6. 1993년에 마지막으로 개정된 현행 납 가이드라인은 세계보건기구(WHO)의 임시 허용 주간 섭취량을 기준으로 최대 허용 농도를 10μg/L로 규정하고 있으며, 이 수준 이하에서는 혈중 납 농도가 증가하지 않으므로 건강 위험이 증가하지 않습니다. . 식수에 함유된 과도한 납으로 인한 중독은 오늘날에도 여전히 발생하고 있는데, 그 이유는 주로 배전 및 배관 시스템에 사용되는 부품에서 납이 용출되기 때문입니다. 그 결과, 식수 배관 시스템에 사용되는 부품의 납에 대한 규정 및 엔지니어링 표준이 관할권에서 개발되었습니다. 예를 들어, 영국 표준에서는 식수용 구리 합금 피팅에 밸브의 경우 4~6wt% Pb, 수도꼭지의 경우 0.5~2.5wt% 이하의 Pb를 함유해야 한다고 명시하고 있습니다7. 한편, 미국 표준에 따르면 식수 사용을 위한 명목상 무연 구리 합금의 젖은 표면에는 최대 0.25wt%8까지 Pb를 함유하는 것이 허용됩니다.

소위 음용수용 무연 등급 황동(이하 pw-brass라고 함)에는 Pb9가 함유되어 있습니다. 때때로 식수로의 Pb 침출이 전 세계적으로 보고되고 있으며10,11,12,13,14,15,16,17,18 가능한 이유 중 하나는 경질 황동 파이프라인 및 구성 요소, 특히 다음과 같은 Pb 함량 때문입니다. 새로 설치된 조건19. 전통적으로 Pw-brass에는 기계 가공을 용이하게 하기 위해 Pb가 첨가되며, 식수 구성 요소를 만들기 위해 황동을 사용해 온 오랜 역사와 이미 설치된 엄청난 양의 황동 파이프라인 및 구성 요소를 고려할 때 어떤 관할권에서도 Pw-brass를 금지할 계획이나 시간표를 발표하지 않았습니다. 배관에 PW-황동 사용. 흥미롭게도 문제의 중요성에도 불구하고 Pb 표면화로 인한 황동의 Pb 강화 기계 가공성은 1970년대에 간략하게 연구되었으며 PW 황동에서 Pb 침출 공정의 야금학적 경로에 대한 이해는 아직 존재하지 않습니다. 특히, 황동과 Pb는 상태도에서 상호 용해도 한계가 없다는 점을 감안할 때, pw-brass 내부에 Pb가 어떤 형태로 존재하는지, Pb가 어떻게 시편 표면으로 이동하여 물과 접촉하는 침출을 일으키는지는 알 수 없습니다.

최근 실험19에 따르면 PW-황동의 예열 처리로 인해 Pb 침출이 가속화될 수 있는 것으로 나타났습니다. 이 실험에서는 배관 설치를 위한 납땜(200°C) 또는 브레이징(700°C) 접합 공정을 시뮬레이션하기 위해 Pb 침출 테스트 전에 200°C 또는 700°C의 예열 처리를 수행했습니다. 200°C에서 pw-brass의 Pb 함량은 여전히 ​​고체 상태인 반면, 700°C에서는 Pb가 용융되어야 하지만 침지 테스트의 최종 Pb 침출 조건에서는 Pb가 고체 상태여야 합니다. 예열 처리가 Pb 침출을 가속화하는 이유에 대한 자세한 설명을 위해서는 초기 황동의 Pb 분포와 전처리 후의 Pb 분포에 대한 자세한 지식이 필요합니다. 예를 들어, 본 연구의 그림 1(자세한 내용은 나중에 설명)에서 700°C 전처리 상태는 약 20분보다 짧은 가열 시간에 대해 200°C 상태와 거의 동일한 속도로 침출되지만 침출 속도는 20분 후에 상당히 가속되는데, 이는 황동 내부의 Pb 함량 분포가 불균일함을 의미할 수 있습니다. 따라서 전처리 기간이 납 침출 속도에 어떻게 정량적으로 영향을 미치는지 논의하는 것은 본 논문의 범위가 아닙니다. 이러한 연구에는 황동 샘플의 초기 Pb 분포를 체계적으로 제어해야 하며 이는 주어진 엄청난 작업이 될 것입니다. 두 상의 상호 비혼화성으로 인해 황동 내부의 Pb 분리의 높은 준안정성 또는 불안정성.