미세공 실관막을 이용한 중금속의 투과추출

최대웅, 박승현, 박동원*

동의대학교 공과대학 화학공학과

*동아대학교 공과대학 화학공학과

Perstration of Heavy Metals by Hydrophobic

Hollow Fiber Membrane

D. W. Choi, S. H. Park, D. W. Park*

Department of Chem. Eng. of Dongeui University

*Department of Chem. Eng. of Dong-A University

서론

미세공 실관막(Hydrophobic Hollow Fiber Membrane)을 이용한 중금속 투과추출(peratration)은 기존의 장치들에 비하여 분리계수, 선택도가 높고 적은 자본과 운용비로 농축, 분리조작을 수행할수 있으며 고가의 추출제를 재활용할 수 있는 장점을 가지고 있고 유화액막법에 비하여 물리 화학적으로 안정하며 막의 내구성, 분리효율이 우수하다는 평가를 받고 있다. 또한 유체의 흐름이 막에 대하여 독립적이므로 안정한 emulsion 의 형성과 channeling, loading, flooding 등의 부작용을 억제하고 기존의 장치들에 비하여 단위부피당의 표면적의 증가로 물질전달이 신속하게 이루어지며 물질전달속도 또한 기체흡수, 액-액 추출에서 보다 10∼100배 가량 크다고 보고되고 있다.

본 연구는 미량의 금속(Me=Cd, Cr, Ni) / di(2-ethylhexyl) phosphoric acid (D2EHPA)의 hollow fiber extraction system으로 각 조건에서의 hollow fiber module에서의 금속(Me=Cd, Cr, Ni)/D2EHPA 계의 최적분리조건을 조사 검토하였다.

이론

1. 물질전달(modeling of mass transfer)

·금속의 이온 교환에 의한 투과추출 메카니즘

[eqn: rm Me_aq ^n+ ~+~m rm(HX)_org ~~□~~ bar{MeX_n (m-n) (HX)_org}~+~nH_aq ^+]  (1)

·평형상수

[eqn: rm K_{rmMe} ~=rm~{bar{[MeX_n (m-n)(HX) ]}[H^+ ]^n } over{[Me^n+ ] [HX ]^m}]   (2)

2. 총괄물질전달계수

총괄물질전달계수 Kw 는 시간에 따른 농도의 변화로써 계산하고

[eqn: rm j~=~K_w``(`C_t``-``C_s /m`)]  으로 정의된다.

여기서 j는 용질의 flux이고, Ct는 수용상의 용질농도, Cs는 유기상의 용질농도    이다.

m은 평형상태에 있어서의 분배계수로

[eqn: m~=~{상계면에서의~유기상의~ 용질농도} over{상계면에서의~수용상의~용질농도}] 로 정의 된다.

병류흐름에 있어서의 기본식으로

[eqn: ln □c over □c_o~ =~-``t ``left[``left ({1 over V_w + 1 over {mV_o}}over{1 over Q_t + 1 over {mQ_s}}right)``[1~-~e^{-4`K_w `L``/``d`v_t`(1``+``Q_t`/`m`Q_s )}}]``right]]   (3)

여기서

[eqn: ln □c over □c_o~ =~ln`` left[``{C_t` left(1+ V_w over mV_o right)``-``{C_t °V_w} over mV_o`` -`` {C_s °} over m} over {C_t °``-``{C_s °} over m}``right]]          (4)

실험

1. 시약 및 장치

ⅰ) CdCl2·H2O, K2CrO4, Ni(NO3)2·6H2O ( Junsei Chem. Co., Japan )

ⅱ) D2EHPA ( di(2-ethylhexyl) phosphoric acid, 東京化成工業株式會社,  Japan )

ⅲ) o-xylene, benzene, toluene ( Junsei Chem. Co., Japan )

ⅳ) peristaltic pump MP-3  ( EYELA Tokyo Rikakikai Co., Japan )

metering  pump QG-20 ( FMI LAB, U.S.A. )

ⅴ) 원자흡광광도계 AA-6501F ( SHIMADZU, Japan )

2. 실험방법

Hollow fiber module은 미세공 실관막 150가닥을 경질 유리용기에 넣어 epoxy 828로 포팅하고 이송관으로 실리콘 튜브를 사용하여 tube side(실관측)로는 초기 수소이온 농도을 10-1∼10-6 까지 조절하고 금속 이온농도가 50 □/□인 수용액과 shell side로는 o-xylene으로 희석시킨 0.02 ≤ [(D2EHPA)2] ≤ 0.1 mol/□를 1:1의 부피비로 하여 수용액은 MP-3, 유기상은 QG-20을 사용하여 병류흐름으로 이송, 회분식으로 순환시켜 수용상 저장조의 잔류금속농도를 매시간 간격으로 저장조 전체부피의 1%를 채취 희석하여 원자흡광광도계로 분석하였다.

결과 및 토의

Fig. 1은 초기 수소이온 농도에 따른 분배비의 변화를 보인 것으로, [Cd2+]는 10-6 mol/□, [Cr6+]와 [Ni2+]은 10-4 mol/□에서 분배비가 높게 나타났다.   또한 금속이온들 간의 분배성향은 [Cr6+], [Ni2+]보다 [Cd2+]이 높게 나타났다.   Fig. 2는 Fig. 1의 결과를 바탕으로하여 시간에 따른 수용상 저장조의 농도 감쇄비(C/Co)를 나타내었다.   Fig. 1의 결과와 같이 [Cr6+], [Ni2+]보다 [Cd2+]이 본 hollow fiber extraction system에서 C/Co의 성향이 우수함을 알 수 있었다.

Fig. 3은 초기 수소이온 농도에 대한 물질전달계수(Kw)를 나타낸 것으로,  Fig. 1의 결과와 부합됨을 알 수 있었다.

Fig. 1, 2, 3으로부터 각 금속에 대하여 최적 초기 수소이온 농도 범위는  [Cd2+] ; ≤ 10-6 mol/□ ≤ , [Cr6+]과 [Ni2+] ; ≤ 10-4 mol/□ ≤임을 추정할수 있으며,  [Cr6+], [Ni2+]보다 [Cd2+]이 본 hollow fiber extraction system에서 물질전달이 신속히 이루어짐을 확인하였다.  다음의 실험은 이상의 결과로부터 최적 수소이온 농도 범위에서 실험을 행하였다.  Fig. 4는 물질전달에 대한 수용상 유속의 영향을 보였다. 그 결과 수용상 유속이 증가함에 물질전달계수가 상승, 즉 물질전달이 신속히 이루어짐을 알 수 있었다.  그러나 본 hollow fiber extraction system에서 수용상 유속 0.833 □/min이상에서 물질전달이 차츰 저하됨을 확인하였다.  Fig. 5는 D2EHPA/o-xylene에서의 0.02 ≤ [(D2EHPA)2] ≤ 0.1 mol/□에 따른 Kw를 보였다. 그 결과 [(D2EHPA)2]가 증가할수록 물질전달이 신속히 이루어졌다.

또한 0.07 mol/□ ≤ [(D2EHPA)2]에서 물질전달속도가 차츰 저하됨을 보였다. 그러므로 본 hollow fiber extraction system에서 0.07 ≤ [(D2EHPA)2] ≤ 0.08 mol/□가 최적농도범위임을 추정할수 있다.

참고문헌

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