C18 packing을 이용한 phenol과 o-cresol의 흡착평형식의 측정

최 용 석, 최 대 기*, 노 경 호

인하대학교, 화학공학과

Measurement of Adsorption Isotherm of Phenol and O-Cresol

on C18 Packings

Yong Seok Choi, Dai Ki Choi*, Kyung Ho Row

Dept. of Chem. Eng., Inha University

Environment Remediation Research Center, KIST*

서 론

흡착평형식은 크로마토그래피에서 고정상과 이동상간의 농도를 나타내는 관계식으로 sample loading양이 많아지고 물질의 분리도, 생산량에 따라서 design을 하는데 필요하다[1,2]. 흡착평형식을 얻기위한 방법으로 HPLC를 이용한 Frontal analysis[3], frontal analysis by characteristic point(FACP)[4], elution by characteristic point(ECP)[5], pulsed-input method(PIM)[3] 등의 여러 dynamic method가 개발되고 이용되어왔다. 본 연구에서는 위의 여러 방법 외에 오래전부터 이용되어 왔던 static method[6]를 사용하여 phenol과 o-cresol의 C18에 대한 흡착평형관계를 고찰하였다. Static method[4]는 알고 있는 농도의 용액을 미리 측정된 양의 흡착제에 담고 용액속의 시료와 흡착제간에 흡착평형을 이룰 때까지 충분한 시간이 경과한 후에 액상의 농도를 측정하여 평형관계식을 구하는 방법이다.

많은 시간과 시료 및 흡착제가 많이 소모되는 실험이기는 하지만  dynamic method보다 직접적인 방법으로 흡착평형식을 측정하는 점에 있어서 좀 더 신뢰성있는 평형데이터를 구할 수 있다.

Static method를 이용하여 phenol, o-cresol의 순수한 단일물질과 혼합물에서 흡착평형식을 구하여 서로 비교하는 것이 본 연구의 목적이다.

실험방법

본 실험에 사용한 시료는 phenol과 o-cresol은 Hayashi Pure Chemical(Japan)에서 구입하였다. 8개의 삼각 플라스크에 C18(LiChrosper 100RP-18, 15□, Merck)을 2g 씩 채워넣고 각 플라스크에 농도가 10, 50, 100, 200□/□인 phenol과 o-cresol 용액을 부어넣고 평형을 유지할 때까지 기다린다. 일반적으로 C18은 물에 뜨는 성질 때문에 이동상으로 물이 적합하지 않지만 이 실험에서는 메탄올의 함량을 50%(vol.)으로 하여 이 문제를 해결하였다. 흡착평형이 되고 남은 용액의 농도는 HPLC로 분석하였다.

HPLC는 Waters사의 600E pump (multisolvent delivery system), 486 detector (UV-visible tunable wavelength absorbance), U6K injector (2□ sample loop)를 사용하였고, data acquisition system은 CHROMATE (v.2.1, Interface Eng.)를 PC에 설치하여 사용하였다. UV detector의 파장은 295nm로 고정하였고 이동상은 static method에 사용된 이동상의 조성과 같은 water/methanol(50/50 vol. %)였다. Flow rate는 1□/min이고 용액의 주입농도는 20□였다.

결과 및 고찰

플라스크에 남아있는 흡착된 용액의 농도를 구하기 위해서 순수한 농도의 용액과 흡착된 용액의 용출곡선을 비교하였다. 먼저 용출곡선의 intensity 항을 농도항으로 고쳐야 하는데 이는 각각의 데이터에 그 peak에 들어간 시료의 양을 곱하고 peak의 면적으로 나누어서 쉽게 구할 수 있다. 이 실험에서 flow rate는 1□/min 이므로 시간축에 곱하면 시간축이 부피(□)항으로 변환된다.

[eqn: rm 각각의 데이타 point(V) TIMES {주입된 시료량(mg)} over {peak의 면적(V CDOT ml)} = 농도 (mg/ml)]

Peak의 intensity축을 농도항으로 바꾼 후 순수농도의 peak와 흡착된 용액의 peak의 면적의 차를 구하고 이를 흡착제의 부피로 나누어주면 흡착된 양의 농도가 나온다. 여기서는 각각의 물질, phenol과 o-cresol에 대해 4개의 Cs vs. Cm의 농도 point를 구할 수가 있다. 여기서 Cs는 고정상에 흡착된 시료의 농도이며 Cm은 이동상에 존재하는 시료의 농도를 나타낸다. 이 점들을 부드러운 곡선으로 연결을 하여 얻은 위로 볼록한 곡선을 Fig. 1(phenol)과 Fig. 2(o-cresol)에 나타내었다.  이 곡선을 Langmuir와 Freundlich 흡착평형식에 fitting을 하여 parameter값 a, b를 얻을 수가 있다. Fitting에 사용된 소프트웨어는 Microcal Origin5.0이다. 이 결과를 Table 1에 나타내었다.

Table. 1  Adsorption isotherm of phenol and o-cresol

	phenol	R	o-cresol	R
Langmuir isotherm	[eqn: rm Cs={1.843Cm} over {1+0.0037Cm}]	0.999	[eqn: rm Cs={3.450Cm} over {1+0.0061Cm}]	0.998
Freundlich	[eqn: rm Cs=4.523Cm^(1/1.374)]	0.999	[eqn: rm Cs=12.521Cm^(1/1.660)]	0.997

참고문헌

1. Igor Quinones, Georges Guiochon, J. Chromatogr., 734, pp.83-96 (1996)

2. Jan Ake Jonsson, Per Lovkvist, J. Chromatogr., 408, pp.1-7 (1987)

3. Choi, Y. S., Lee, J. H., and Row K. H., "Measurement of Langmuir Equilibrium by Elution-Curve Method and Frontal Analysis", J. of The Kor. Ind. & Eng. Chemistry, in press.3.

4. Guiochon, G., Golshan-Shirazi, S., and Katti, A. M., Fundamentals of Preparative and Nonlinear Chromatography, Academic Press, Inc., 1994

5. Guan, H., Stanley, B. J., and Guiochon, G., Theoretical Study of the Accuracy and Precision of the Measurement of Single-Component Isotherms by the Elution by Charateristic Point Method, J. Chromatogr., 659, 24(1994)

Fig. 1 Langmuir adsorption of phenol

Fig. 2 Langmuir adsorption of o-cresol