수용액에서 이산화티탄늄 표면에 대한 올소인산의 흡착특성에 관한 연구

김문선, 정재관

성균관대학교 화학공학과

A Study on Adsorption Characteristics of Orthophosphates

on Titanium Dioxide Surfaces

in Aqueous Solutions

Moon-Sun Kim , Jaygwan G. Chung

Dept. of Chem. Eng., Sungkyunkwan Univ.

서론

산업적으로 고분자수지에 첨가제로 사용되고 있는 무기분체로는 탄산칼슘, 실리카, 고령토, 활석, 이산화티탄늄(TiO2) 등이 있으며 이산화티탄늄은 백색 분말형상으로 가시광선을 산란시켜 높은 백색도 및 은폐력을 부여하는 특성 때문에＿4ａ 다양한 기능을 요구하는 필름, 쉬트, 성형품과 같은 플라스틱 제품에 많이 사용되고 있다. 최근에는 사회구조가 점차 산업화 정보화되어 감에 따라 신용카드, 선불카드, 전자카드, 전화카드 등과 같은 카드의 사용이 증가하고 있으며  은폐성, 내열성 등이 요구되는 카드소재의 특성으로 이산화티탄늄을 첨가제로도  사용하고 있다＿8ａ. 이러한 이산화티탄늄은 고온고압의 혼련공정(compounding)을 통하여 고농도 마스터 칩의 형태로 사용되며 칩의 물성은 이산화티탄늄의 내열성과 분산성에 의해 결정된다＿1ａ.

자연상태에서 무기분체의 표면은 대기중의 수분에 의해 미세한 수막층이 형성되며 이로 인해 분체간의 응집이 발생하는데 이산화티탄늄은 산성과 염기성의 특성을 갖는 양쪽성 화합물로＿5ａ작은 외부환경의 변화에도 쉽게 응집이 일어난다＿3ａ. 따라서 이산화티탄늄의 분산성과 내열성을 개선하기 위하여 수용액의 pH, 온도, 수용액에 첨가된 유기용매에 따른 이산화티탄늄 표면에 대한 올소인산(PO4-3)의 흡착능력(adsorbability)을 비교함으로써 최적의 흡착공정조건을 제안하고자 한다.

이론

수용액에서 올소인산은 주로 H2PO4- 형태로 존재하며＿7ａ 이산화티탄늄 표면에 대한 올소인산의 흡착반응은 (1)식과 같이 이온교환반응 형태로 나타낼 수 있다＿6ａ.

OH-(surf.) + H2PO4-(aq.) = H2PO4-(surf.) + OH-(aq.)         (1)

이 식의 평형상수, Kc 는 (2)식과 같이 정의된다＿5ａ.

Kc =＿H2PO4-(surf.)ａ＿OH-(aq.)ａ/＿OH-(surf.)ａ＿H2PO4-(aq.)ａ          (2)

Kc 값을 농도별, 온도별, pH별로 그래프를 그리면

log＿Kcａ =  log＿Kdａ + 상수                                          (3)

와 같은 관계식이 성립한다＿6ａ.  이 식을 이용하여 이산화티탄늄표면의  올소인산 흡착효과는 분배계수(distribution coefficient), Kd로 나타낼 수 있으며 그 정의는 (4)식과 같다＿6ａ.

Kd = C1 /C2                                                         (4)

여기서 C1은 이산화티탄늄 단위 g당 흡착된 올소인산 양을, C2는 수용액 단위  □당 존재하고 있는 올소인산 양을 의미한다.

실험

본 실험에서 사용한 이산화티탄늄은 루타일형(rutile type)으로 상품명이 R101(美國. Dupont Co.)인 제품을 사용했다.  이산화티탄늄은 증류수와 염산이 1: 2의 중량비로 제조된 수용액에 4∼6 시간 정치시킨 후 다시 0.1 N의 암모니아로 2차 세척하여＿10ａ 중화시키고 마지막으로 순수한 100 ℃의 증류수에 3∼4 일 담가두었다가＿2ａ 110 ℃의 오븐에서 서서히 건조시킨＿9ａ후 분쇄하여 평균입경(D50)이 0.5∼0.6 □입자범위에서 시료로 사용했다. 또 올소인산 수용액을 제조하는데 사용하는 anhydrous monobasic potassium phosphate(KH2PO4)는 일본 Shinyo Pure Chemicals사 제품(시약 특급)을 사용했다.

Fig. 1과 같은 반응기를 이용하여 pH별, 온도별, 수용액의 유기용매별로 흡착실험을 실시했으며 분석은 이산화티탄늄 분체와 일정시간 접촉시킨 용액을 UV-spectrophotometer(model: U-3210, Maker: 日本 Hitach社)를 이용하여  용액의 흡착 전후의 흡광도를 측정하여 이산화티탄늄표면의 흡착량을 간접측정하는 방법을 사용했다.

결과 및 토론

1. 루타일형 이산화티탄늄표면에 대한 올소인산의 흡착효과는 Fig. 2와 같이 pH     5∼8범위에서 가장 높았으며 Fig. 3, Fig. 5와 같이 산성 영역과 염기성 영역     에서는 Freundlich흡착등온식이 적합했으나 Fig. 4와 같이 흡착효과가 최대      범위(pH 5∼8)에서는 Langmuir흡착등온식이 더 적합했다.

pH  3.4 :  qe = 0.2810Ce1/4.1085

pH  5.8 :  qe = 0.1764Ce/(1-0.4647Ce)

pH 10.9 :  qe = 0.1568Ce1/5.1361

2. 루타일형 이산화티탄늄의 경우에 15∼30℃의 범위에서는 Fig. 6과 같이          온도가 높을수록 흡착효과가 떨어지는 경향을 나타냈다.

3. 유기용매를 농도별로 혼합한 수용액을 용매로 사용하는 경우 루타일형 이산화     티탄늄 표면에 대한 흡착효과는 Fig. 7과 같은 경향을 보였으며 유기용매를      1 wt% 혼합한 경우의 흡착효과는 Fig. 8과 같이 톨루엔의 효과가 가장 높았     고 알코올의 효과가 가장 떨어졌다. 또 동일한 알코올에서도 Fig. 9과 같이      분자량이 클수록 흡착효과가 높았다.

참고문헌

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(1) stainless steel screen         with 1000 mesh

(2) agitator with controller

(3) holding frame with clamp

(4) titanium dioxide

(5) supplying tank with          pump

Fig. 1. Schematic diagram of reactor.

Fig. 2. Relationship between      Fig. 3. Freundlich adsorption

Kd and pH.                      isotherm of orthophosphates

on titanium dioxide(pH 3.4).

Fig. 4. Langmuir adsorption        Fig. 5. Freundlich adsorption             isotherm of orthophosphates        isotherm of orthophosphates

on titanium dioxide(pH 5.8).        on titanium dioxide(pH 10.9).

Fig. 6. Relationship between       Fig. 7. Relationship between

Kd and temperature.            Kd and ethanol concentration.

Fig. 8. Relationship between Kd       Fig. 9. Relationship between Kd         and effluent time for organic        and effluent time for alcohol

solvent blends.                       blends.