액막에 의한 수용액중 m-Cresol의 제거

송상호, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of m-Cresol from Aqueous Solution by

Liquid Emulsion Membrane

Sang-Ho Song, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

막분리 공정[1-3]은 기존의 분리 공정과 같이 상 변화에 따르는 열 도입 및 방출 과정을 필요로 하지 않아 에너지 사용면에서 경제적이고, 열에 약한 물질이나 용질의 구조, 특성 및 향기 등의 파괴나 손상 없이 물질을 분리, 정제할 수 있는 장점을 가지고 있다. 액막 분리 공정은 막의 선택적 투과 원리를 응용한 것으로 추출 용매의 소모량이 적고 고온에서 파괴되는 유기용질의 분리에 효과적이며,   고분자 막에 의한 분리 기술과 비교하여 추출 물질의 이동 속도가 빠르고 동일 체적에 대해서 큰 접촉 면적을 얻을 수 있다.

특히 에멀젼형 액체막은 다른 액막에 비해 물질 전달 표면적이 매우 크기 때문에 용질의 투과량과 분리 속도가 크지만, 막의 안정성이 시간이 지남에 따라 저하되어 분리효율이 저하된다. 따라서 막안정성이 분리효율에 상당히 중요한 역할을 한다. 이러한 막안정성을 지배하는 인자는 계면활성제, 용매 및 내수상의 성질과 농도, 체적비 등과 같은 막제조시의 변수들 그리고 에멀젼의 제조 방법과 에멀젼이 공급용액과 접촉시 조건 등을 들 수 있다.유화장치는 에멀젼 제조에 있어 막의 안정성에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있고, 이런 장치들에는 교반기, 콜로이드 밀, 초음파 균질화기 등이 있다[4-5].

본 실험에서는 에멀젼형 액체막을 이용하여 수용액중 m-cresol 제거에 있어서 계면활성제의 종류와 농도, 초기 m-cresol 농도, 내부 수용액의 농도와 체적비, 에멀젼의 조성과 투여량, 접촉기에서의 접촉시간 등을 변수로 하고 초음파 균질화기를 사용하여 이런 변수들이 m-cresol 제거에 어떤 영향을 미치는지 분석하고 결과를 토대로 m-cresol 제거의 최적 조건을 구하려 하였다.

이론

액막을 이용한 수용액중 m-cresol 분리의 schematic diagram을 Fig. 1에 나타냈다. Fig. 1에서 외수상에서의 m-cresol은 액막을 통과한 후 유제안의 NaOH용액과 반응하여 sodium metacresolate를 형성한다.

CH3C6H4OH + NaOH   →  CH3C6H4ONa + H2O

약산성인 m-cresol은 수용액 중의 해리상수가 25℃에서 9.77×10-11으로 대부분이 CH3C6H4OH상태로 존재하므로 오일상인 액막에 녹일 수 있으나 내부수용액과 반응에 의해 생성된 sodium metacresolate는 강전해질로 액막에 녹지 못하고 내부수용액 중에 갇히게 된다[6].

실험

본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 유화기와 접촉기로 나눌 수 있다. 유화기에 내부수용액(NaOH 7wt% 용액)과 막상용액(계면활성제+kerosene)을 여러 혼합비율로 섞어서 초음파균질화기를 사용하여 W/O형 에멀젼을 제조했다. 유화기에서 제조한 W/O 에멀젼을 접촉기에서 외수상인 m-cresol 수용액에 가하면 액적 상태로 분산되어 W/O/W형 액막이 제조되며, m-cresol 수용액층으로부터 시료를 채취하여 U.V.Spectrometer로 분석하였다.

결과 및 고찰

1. 내부수용액 농도의 영향

Fig.2는 초음파 균질화기를 이용하여 초기 m-cresol 농도 1000ppm, 접촉교반속도 400rpm, 계면활성제 Span 80 7wt%, 내부 수용액/계면활성제 용액의 체적비 1.0, 에멀젼/외수상의 체적비 1/5, 초음파 진폭이 48.5□m,유화시간은 30초로 하여 내부수용액의 농도에 따른 m-cresol 제거 효과를 관찰하였다. 내부수용액 농도가 5wt% NaOH일 경우 다른 농도에 비해 같은 접촉시간당 높은 제거율을 나타내는 것을 알 수 있다. 5wt% NaOH의 경우 접촉시간이 2분일 때 m-cresol 15.46ppm으로 98.45%의 가장 우수한 제거율을 가진다.

2. 계면활성제 농도의 영향

계면활성제의 농도 및 성질은 액막의 안정성과 성질에 큰 영향을 미치는 인자로 본 실험에서는 Span 80과 Arlacel 83을 사용하여 그 결과를 Fig. 3,4에 나타내었다. Span 80의 경우 7wt%일 때, Arlacel 83의 경우는 9wt%일 때 가장 효과적인 분리가 나타났었다.

3. 내부수용액 체적비의 영향

Fig. 5는 계면활성제 용액에 대한 내부수용액의 체적비가 1.0일 때 가장 높은 제거율을 나타내었다. 이조건에서 가장 안정한 액막을 형성시켜 제거가 효과적으로 일어나기 때문이다. 내부수용액의 체적비가 0.5와 0.25인 경우 내부수용액의 부피 감소로 에멀젼내에서 m-cresol과 반응을 일으키는 것을 감소시켜 제거율이 낮아졌다. 그리고 계면활성제의 용액의 체적비 증가로 제거율이 낮아졌다. 반면에 내부수용액 체적비가 1.5일 때는 막두께를 감소시켜 막파괴로 인해 제거율을 저하시켰다.

4. 에멀젼 투여량의 영향

Fig. 6는 에멀젼 투여량, 즉 에멀젼/외수상의 체적비 값이 커짐에 따라 대체적으로 m-cresol의 제거효율이 증가함을 볼 수 있고 에멀젼/외수상의 체적비가 1/5일 때 제거효율이 98.84%(11.56ppm)로 가장 효과적인 분리능을 나타내고 있다.

5.유화시 초음파균질화기의 영향

Fig. 7는 유화시 초음파균질화기의 조사강도가 m-cresol제거에 어떤 영향을 미쳤는지의 결과이다. 초음파 진폭이 48.5□m일 때 제거효율이 98.79%로 가장 높은 제거율을 보였다. 반면 48.5□m 이상이 되면 제거효율이 떨어지는데 이는 에멀젼 시료의 온도 상승으로 인해 안정한 W/O형 에멀젼이 만들어지지 않은채 외수상과 접촉하므로 막이 파괴되는 결과임을 알 수 있다.

참고문헌

1. Marr, R. and Kopp, A. : Int. Chem. Eng., 22, 1, 44-60 (1982).

2. 고석문, 박창길, 김오식 :“ 막분리 기술 ”, 동화기술, 145-168 (1985).

3. Maugh, II, T. H. : Science, 193, 134-137 (1976).

4. Becher, P. (editor) : " Encyclopedia of Emulsion Technology ", Marcell        Dekker, Inc., New York, N.Y., Vol. 1, pp. 65-67, 129-285 (1983).

5. Fogler, H. S. : Chem. Eng. Prog. Symp. Ser., 67, 1 (1971).

6. Li, N. N., Cahn, R. P. and Shrier, A. L. : U. S. Patent 3, 779, 907 Dec. 18     (1973).

Fig. 2. Schematic    diagram of liquid    membrane for

m-cresol removal.

Fig. 2. Effect of NaOH concentration   Fig. 3. Effect of surfactactant (Span 80,

on m-cresol removal.                 HLB 4.3) concentration.

Fig. 4. Effect of surfactant (Arlacel    Fig. 5. Effect of NaOH/surfactant ratio         83, HLB 3.7) concentration.            in (W/O) emulsion on m-cresol                                               removal.

Fig. 6. Effect of the amount               Fig. 7. Effect of ultrasonic

of W/O emulsion solution                intensity in emulsification

on m-cresol removal                      on m-cresol removal