초음파균질화 액막에 의한 수용액중 벤조산의 제거

서장원, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of Benzoic Acid by Liquid Membrane

Employing Ultrasonic Homogenization

Jang-Won Seo, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

수용액상에 녹아 있는 물질을 분리해내기 위한 여러 가지 방법들 중에서 액체막을 이용한 방법[1,2]은 기존의 다른 공정들이 보여주지 못하는 여러 장점들을 가지고 있다. 우선 증류와 같이 상 변화에 따르는 열의 도입, 방출 과정을 필요로 하지 않기 때문에 에너지 절감 효과가 있고, 열에 약한 용질의 구조, 특성 등의 파괴나 손상 없이 물질을 분리, 정제 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 고분자 막과 비교시 동일 체적에 대해서 큰 접촉면적을 가지고 있고 따라서 추출 물질의 이동속도가 빠르기 때문에 분리, 농축하는데 시간 절감 효과가 있다.

본 실험은 초음파균질화 액막을 이용한 수용액중 벤조산의 제거 공정에 있어서 제거 효율에 영향을 미치는 여러 요인들을 실험을 통하여 밝혀내고 막의 안정성이 제거에 미치는 영향을 알아보았다. 계면활성제 농도, NaOH 수용액 농도, 교반속도, 에멀젼과 외수상의 체적비가 수용액 중 벤조산의 제거효율에 어떠한 영향을 미치는지 그리고 이를 통하여 최적의 제거를 위한 조건들을 찾아 보았다.

이론

수용액상에 녹아 있는 벤조산을 제거하기 위해서는 액막이 물에 녹지 않는 기름성분이어야 한다. 따라서 기름과 NaOH 수용액의 혼합물에 친유성 계면활성제를 넣어 초음파 균질화기로 유화시키면 W/O 에멀젼이 형성된다. 형성된 에멀젼을 다시 벤조산 수용액에 교반을 시키면서 넣어주면 이 용액은 W/O/W 복 에멀젼을 형성하게 된다. 이런 상태에서 계속 교반을 하며 접촉을 시키면 수용액상에 녹아 있는 벤조산은 기름에 잘 녹으므로 농도차에 의한 확산작용으로 기름층을 통과하여 내수상에 있던 NaOH와 만나 서로 반응을 해서 다른 물질로 변하게 되고[3,4] 이렇게 생긴 물질은 기름층을 통과하지 못한다. 따라서 외수상과 내수상과의 농도차가 계속 유지되어 기름층에서의 확산이 계속해서 일어나므로 벤조산은 외수상에서 내수상으로 거의 완벽하게 제거가 될 수 있다. 그러나 외수상에서 해리된 일부 벤조산은 기름층을 통과지 못 할 뿐더러, 파괴된 액막에서 흘러나온 내수상의 NaOH가 외수상에 있던 벤조산과 반응을 일으켜 생긴 물질은 기름층을 통과하지 못하고 그대로 외수상에 남아 있게 된다. 따라서 공정상의 여러 변수들의 영향을 밝히고 액막의 파괴를 최소화하는 동시에 물질이 신속하고 완벽하게 내수상으로 제거될 수 있도록 최적의 조건을 찾는 것이 본 실험의 목적이다.

실험

본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 유화기와 접촉기로 나눌 수 있다. 유화기에서는 기름층을 형성하는 케로신과 내부수용액(NaOH 용액), 그리고 친유성 계면활성제(Span 80, HLB 4.3)를 여러 혼합비율로 섞어서 초음파 균질화기(Ultrasonic Generator Model 450, Branson Ultrasonics Co., U.S.A.)로 output control 3, duty cycle 30%에서 tip(flat tip 1/2 in. diameter)은 용액면에 위치시켜 40초간 유화 시켜서 W/O 에멀젼을 만들었다. 접촉기에서는 외수상(1000 ppm 벤조산 수용액)을 교반기로 교반시켜주면서 에멀젼을 넣어주면 외수상에서 액적상태로 분산되어 W/O/W 복 에멀젼을 형성한다. 이러한 상태로 접촉시간을 변화시키면서 접촉을 시킨 후 교반을 중지하고 2분 동안 정치시킨 다음 외수상으로부터 시료를 채취해 UV spectrometer로 벤조산의 농도를 측정하였다.

결과 및 고찰

1.접촉기에서의 교반속도 영향

Fig. 1은 초음파균질화기를 이용하여 벤조산 수용액 초기농도 1000ppm, Span 80 9wt%, NaOH 0.3 wt%, 내부수용액/계면활성제 용액의 체적비 1.0, 외수상/에멀젼 체적비 4로 하여 교반속도에 따른 수용액 중 벤조산의 제거 정도를 나타내고 있다.

교반속도가 커질수록 외수상에 분산된 에멀젼의 크기가 작아져 접촉 표면적이 증가하므로 벤조산의 투과속도는 증가할 것이다. 그러나 시간이 지날수록 막파괴 또한 증가하므로 농도가 계속적으로 감소하지는 않는다. 그림에서 보는 바와 같이 초기 3분까지는 교반속도가 증가할수록 제거효율이 좋아지나 접촉시간이 흐르면서 교반속도가 증가할수록 액막의 파괴 또한 증가하므로 제거효율은 어느 선에서 적정점을 가지게 된다. 그림에서 접촉시간 12분에서는  500rpm이 400rpm 보다 농도가 높은데 이는 막이 더 많이 파괴되었기 때문이라 사료된다. 오히려 시간이 지날수록 250rpm이 막파괴가 적으므로 계속적으로 농도가 서서히 감소하는 경향을 보이고 있다. 최고 제거효율은 외수상 농도가 20ppm까지 떨어졌으므로 98%가 되었다.

2. 계면활성제 농도의 영향

Fig. 2는 계면활성제 농도가 벤조산 제거에 미치는 영향을 나타내고 있다. 유화시 계면활성제의 농도가 높을수록 유화가 잘 되므로 안정한 에멀젼이 형성된다. 그러나 계면활성제의 농도가 높아질수록 액막계면에 모이는 계면활성제 분자들의 양이 증가해 액막이 두꺼워지게 되고 따라서 물질의 전달저항도 증가하게 되어 투과속도는 떨어진다. 반대로 계면활성제 농도가 작아질수록 막은 불안정하게 되어 막 파괴가 잘 일어나게 된다. 그림에서 계면활성제 농도가 7wt%일 때는 막 파괴로 인해 제거효율이 떨어짐을 볼 수 있다. 9wt%와 12wt%에서는 접촉시간 3분까지는 비슷하게 제거가 되었으나 그 이후부터는 확산에 의한 용질의 농도차가 감소하면서 막이 두꺼운 12wt%의 제거가 잘 안되고 있음을 보여주고 있다.

3. NaOH 수용액 농도의 영향

Fig. 3은 내부수용액의 NaOH 농도 변화가 벤조산 제거에 미치는 영향을 보여주고 있다. 외수상으로부터 액막을 투과한 벤조산은 내수상에 있는 NaOH 분자와 만나서 액막에 투과되지 않는 다른 물질로 바뀐다. 따라서 NaOH 분자의 수가 많을수록 벤조산 분자와 만날 확률도 높아지게 되어 빨리 바뀌게되므로 그만큼 외수상으로부터의 제거도 빨라진다. 그러나 용질의 농도가 1000ppm인 외수상과 NaOH 농도가 20000ppm 이상인 내수상과의 농도차는 무려 20배 이상이 되므로 두 상 사이에는 적지 않은 삼투압차가 생기게 되어 낮은 농도의 외수상에서 높은 농도의 내수상으로 물분자가 삼투압에 의해 막을 통과하여 이동한다. 이는 W/O/W 복에멀젼의 팽윤현상을 유발하게 되고 물분자의 증가로 인해 내수상의 부피가 계속적으로 증가하게 되면 결국 복에멀젼의 파괴로 이어지게 된다. 즉 액막이 불안정해지면서 막 파괴가 일어나게 되는 것이다. 이는 내수상의 NaOH 농도가 증가할수록 더 잘 일어난다. 그림에서 보이는 바와 같이 접촉시간 3분까지는 NaOH 농도가 증가할수록 제거가 잘 되나 시간이 지나면서 0.5 wt%는 삼투압차에 의한 팽윤현상으로 인해 막 파괴가 심해져서 제거속도가 급격하게 떨어져 0.3 wt%보다도 제거효율이 안 좋음을 보여주고 있다.

4. 외부수용액과 에멀젼 투여량과의 체적비 영향

Fig. 4는 외부수용액과 에멀젼의 체적비가 벤조산 제거에 미치는 영향을 나타내주고 있다. 에멀젼 양은 고정시킨 채 외수상의 양을 바꿔가면서 실험을 한 결과이다. 에멀젼 양 대비 외수상의 양이 감소할수록 용질이 투과할 수 있는 에멀젼 양은 상대적으로 증가하게 되고 따라서 제거는 더 빠르게 일어나게 된다. 그림에서 볼 수 있듯이 외수상의 양이 많으면 제거속도는 떨어진다. 접촉시간 3분까지는 이러한 경향이 적용되고 있으나 접촉시간 5분이 지나면서 1:4와 1:3간에 반전이 일어나는데 이는 외수상의 양이 줄어들면서 에멀젼이 교반기 날개의 회전에 의한 전단응력의 영향을 상대적으로 많이 받게되어 막 파괴율이 증가했기 때문으로 보인다.

참고문헌

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

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

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

4. Ho, W. S., Hatton, T. A., Lightfoot, E. N. and Li, N. N.: AIChE J., 28(4)     (1982).

Fig. 1. Effect of stirring speed on    Fig. 2. Effect of surfantant concentration

removal of benzoic acid.             on removal of benzoic acid.

Fig. 3. Effect of NaOH concentration      Fig. 4. Effect of volume ratio on          on removal of benzoic acid.               removal of benzoic acid.