막의 가교도가 휘발성 유기 화합물의 투과증발특성에 미치는 영향

김 용 운, 홍 원 희

한국과학기술원 화학공학과

Influence of Crosslinking on Pervaporation Characteristics of

Volatile Organic Compounds

Yong Woon Kim, Won Hi Hong

Department of Chemical Engineering

Korea Advanced Institute of Science and Technology

서론

세정, 도장공정이나 자동차 배출가스 등에서 배출되는 휘발성 유기 화합물의 대부분은 발암물질로서 지하수 및 지표수의 오염, 오존층 파괴 등 환경오염의 주범으로 알려져 있다. 그 중에서 염소계 유기 화합물의 경우 산업 공정에서 많이 사용되고 있으며 맹독성이고 상온, 상압에서 휘발도가 매우 높다.

일반적으로 염소계 유기 화합물을 제거하기 위한 방법으로는 폭기법, 오존화 공정, 탄소 흡착법, 증기 탈거법 등의 방법이 사용되고 있다. 탄소 흡착법은 수용액으로부터 낮은 농도의 염소계 유기 화합물의 분리에 적합한 것으로 알려져 있으며 높은 효율을 보이지만 탄소의 재생과 교환에 많은 비용이 소요된다는 단점이 있다 [1].

최근에는 막 분리법 중의 하나인 투과증발을 이용하여 수용액으로부터 휘발성 유기 화합물을 분리하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이 방법은 비교적 높은 농도의 휘발성 유기 화합물의 분리에 효과가 있으며 선택적으로 분리해 낼 수 있다는 장점이 있다 [2, 3].

수용액으로부터 미량의 휘발성 유기물 분리시 폴리에틸렌, 테프론, 스티렌-부타디엔 고무 등 소수성의 고무상 고분자막이 사용되며 그 중에서도 실리콘 고무(PDMS)가 효과가 있는 것으로 알려져 있다 [4].

고분자 막의 경우 막의 특성상 유리전이온도나 가교도 등이 막의 특성을 좌우하게 된다. 특히 가교도의 경우, 사슬의 움직임을 제한하여 팽윤과 자유 부피를 감소시켜 투과증발특성에 영향을 미치게 되므로 이에 대해 고찰하고자 하였다.

실험

(1) 실험 재료 및 시약

본 실험에서 사용한 막은 Dow Corning사로부터 구입한 Silastic E RTV이며 별도의 가교제를 포함하고 있다. 이 막은 상온에서 가교가 되므로 제조가 매우 간편하다. 또한 실험에 사용한 염소계 화합물은 Aldrich사의 트리클로로에틸렌, 테트라클로로에틸렌으로 99.5% 이상의 순도를 가지며 실험시 정제하지 않고 그대로 사용하였다.

(2) 실험 방법 및 분석

가. 막의 제조

3g의 고분자 용액과 7g의 헥산을 충분히 섞은 뒤 3, 4, 5wt%의 가교제를 넣어 서로 다른 가교도를 갖는 고분자 용액을 만든다. 만들어진 고분자 용액을 샤알레에 3g을 부은 후 가교시간을 줄이기 위해 40℃에서 6시간 정도를 경화시킨다. 완전히 경화된 고분자 막을 샤알레로부터 떼어내어 80□의 두께를 갖는 고분자 막을 얻는다.

나. 실험 방법

실험에 사용된 장치는 그림 1에 나타냈다. 30℃로 유지되는 항온조 내에 14.96□의 유효면적을 가지는 투과증발 셀과 공급액을 담은 용기를 담근 후 공급액은 펌프로 계속 순환시킨다. 막의 하부는 5mbar의 진공을 걸어 분리된 기상 물질을 액체 질소로 포집한다.

다. 분석

휘발성 유기 화합물의 농도는 기체 크로마토그래프법을 이용하여 분석하였으며 모세관과 불꽃 이온화 검출기를 사용하였다.

그림 . 투과증발장치의 개략도

결과 및 토론

(1) 공급액의 농도에 따른 투과도와 선택도의 변화

그림 2는 5wt%의 가교제를 첨가한 실리콘 고무막에 대해 트리클로로에틸렌 수용액을 공급액으로 하여 얻은 결과이다. 공급액의 농도가 증가함에 따라 물의 투과도는 일정하지만 유기물의 투과도는 증가함을 보인다. 미량의 용질이 포함된 공급액에서는 물의 농도는 거의 1로 일정하게 된다. 즉 공급액에서 용질의 농도가 증가해도 물의 투과 구동력은 항상 일정하므로 일정한 투과도를 보이게 된다. 반면 공급액의 농도가 증가하면 막의 팽윤으로 인한 자유 부피가 증가하게 되므로 유기물의 투과도는 증가하게 된다.

공급액의 농도에 따라 유기물의 투과는 선형적으로 증가하며 물의 투과는 거의 일정하므로 선택도는 선형적으로 증가하게 된다.

그림 2. 공급액의 농도에 따른 투과도의 변화

(2) 가교도의 변화에 따른 투과도와 선택도의 변화

3wt%의 가교제를 첨가한 실리콘 고무와 5wt%의 가교제를 첨가한 실리콘 고무에 대한 투과도는 그림 3에 나타내었다. 20℃에서 사이클로 헥산의 수착 실험을 통한 고분자의 가교 밀도를 계산한 결과 [5], 5wt%의 가교제를 첨가한 실리콘 고무의 가교 밀도가 3wt%의 가교제를 첨가한 실리콘 고무보다 가교 밀도가 훨씬 높은 것으로 나타났다.

가교는 막으로의 수착에 영향을 줄뿐만 아니라 투과물의 전도에 큰 영향을 미친다. 막의 가교는 사슬의 움직임을 제한함으로써 팽윤과 전도를 막는 장애물로 작용한다. 이로 인해 전도에 있어서 크기와 모양에 더욱 의존하게 되어 트리클로로에틸렌과 같은 크기가 큰 분자의 전도를 제한하게 된다.

5wt%의 가교제를 첨가한 실리콘 고무의 투과도는 3wt%의 가교제를 첨가한 실리콘 고무의 경우보다 낮은 투과도를 보이지만 선택도는 차이가 거의 없다. 앞에서 말한 바와 같이 가교 밀도가 높아짐에 따라 고분자 사슬의 움직임을 제한하여 팽윤과 자유 부피가 감소하므로 투과도는 감소하는 경향을 보인다. 가교 밀도가 높은 경우 투과도는 감소되지만 전도를 막는 장애물로 작용하여 트리클로로에틸렌의 전도를 방해하게 되므로 가교 밀도가 낮은 경우와 비슷한 선택도를 보이게 된다.

그림 . 첨가한 가교제의 양에 따른 투과도의 변화

참고문헌

1. S. Goethaert et al., J. Membrane Sci., 78 (1993) 135-145

2. H.H. Nijhuis, Mulder  and Smolders, J. Membrane Sci., 61 (1991) 99-111

3. Wenchang Ji, Subhas K. Sirkar and Sun-Tak Hwang, J. Membrane Sci., 93  (1994) 1-19

4. I. Blume, Schwering, Mulder and Smolders, J. Membrane Sci., 61 (1991) 85-97

5. N. Kuwahara et al., J. Polymer Sci.: Part C, 23 (1968) 543-553