초음파균질화에 의한 m-Cresol의 액막분리

박철성, 서장원, 송상호, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Separation of m-Cresol by Liquid Membrane

Employing Ultrasonic Homogenization

Chul-Sung Park, Jang-Won Seo, Sang-Ho Song, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

막분리 공정[1,2]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 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, 초음파균질화기 등이 있다[3,4].

본 실험에서는 에멀젼형 액체막을 이용하여 수용액중 m-cresol을 분리함에 있어서 접촉기에서의 교반속도, 유화시 초음파균질화기의 조사시간, 초기 m-cresol 농도 등을 변수로 하여 유화장치로 초음파균질화기를 사용하였을 경우와 기계적 교반기를 사용하였을 경우를 비교 검토하여 m-cresol  분리에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 계면활성제의 농도에 따른 막파괴율 실험을 병행하였다.

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[5].

실험

본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 유화기와 접촉기로 나눌 수 있다. 유화기에 내부수용액(NaOH 5wt% 용액)과 막상용액(계면활성제+kerosene)을 여러 혼합비율로 섞어서 교반기를 사용한 유화기는 1200 rpm으로 10분간, 초음파균질화기를 사용한 유화기는 다양한 유화시간에 따라 교반시켜 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. 막파괴율 실험은 유화시 내부수용액에 수용성 직접염료인 Direct Red 2를 녹인 후 동일한 방법으로 유화시키고 외수상에 접촉시킨 다음 시료를 채취하여 분석하였다.

결과 및 고찰

1. 접촉기에서의 교반속도의 영향

Fig. 2는 초음파균질화기를 이용하여 초기 m-cresol 농도 1000ppm, 계면활성제 Span 80 7.0 wt%, 내부 수용액 5.0 wt% NaOH, 내부 수용액/계면활성제 용액의 체적비 1.0, 에멀젼/외수상의 체적비 0.2로 하여 접촉기에서의 교반속도에 따른m-cresol 분리효과를 관찰하였다. 접촉기에서 교반속도가 400rpm일 때 m-cresol 분리효율이 가장 우수함을 확인할 수 있었다. 접촉시간이 1.5분일 때 접촉기에서 교반속도가 400rpm인 경우 분리효율 98.50% (15.00 ppm)를 얻었다.

2. 유화시 초음파균질화의 영향

Fig. 3은 유화시 초음파균질화기의 조사시간이 m-cresol분리에 미치는 영향을 나타내고 있다. 유화시 초음파균질화기의 조사시간이 30초일 때에는 m-cresol 분리효율이 가장 우수함을 확인할 수 있었다. 접촉시간 3분일 때 초음파균질화기의 조사시간이 30초인 경우 분리효율 99.02% (9.83 ppm)를 얻었다.

3. 초음파균질화의 효과와 초기 m-cresol 농도의 영향

Fig. 4,5,6은 유화시 교반기를 사용했을 경우와 초음파균질화기를 사용했을 경우에 대한 실험결과를 나타내었다. 두 종류의 계면활성제 Span 80과 Arlacel 83을 사용했을 때와 초기m-cresol농도가 2000 ppm, 100 ppm의 경우 모두 유화시  초음파균질화기를 사용했을 경우가 유화시 교반기를 사용했을 경우보다 높은 m-cresol 분리효율과 투과속도를 나타내었다. Arlacel 83의 경우 접촉시간이 3분일 때 초음파균질화기를 사용한 경우 분리효율은 98.93% (10.75 ppm)와 투과속도 7.55 min-1를 얻었고, 교반기를 사용한 경우 분리효율은 98.21% (17.92 ppm)와 투과속도 6.70 min-1를 얻었다. 수용액 중의 m-cresol 분리에서 유화시 초음파균질화기를 사용했을 경우가 유화시 교반기를 사용했을 경우보다 분리효율면에서  효능이 높다는 것을 실험결과로 보였고, 이것은 초음파균질화기에 의해 제조된 에멀젼은 비교적으로 매우 안정한 액적을 형성하여 큰 접촉면적을 가지므로 물질전달과 막안정성 향상에 기여하여 높은 분리효율을 나타내었다고 사료된다.

4. 막파괴율

Fig. 7은 Span 80과 Arlacel 83의 두 계면활성제 농도에 따른 기계적 교반과 초음파균질화를 이용한 경우의 막파괴율을 비교한 결과이다. Span 80과 Arlacel 83은 농도가 증가함에 따라 막파괴율이 감소하였고 초음파 균질화기를 사용한 경우 교반기를 사용한 경우보다 막파괴율이 훨씬 낮았다.

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

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

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

Fig. 1. Schematic    diagram of liquid    membrane for

m-cresol separation.

Fig. 2. Effect of stirring speed    Fig. 3. Effect of time for ultrasonic

on m-cresol separation.          homogenization on

m-cresol separation.

Fig. 4. Comparison of m-cresol       Fig. 5. Comparison of effective          separation between ultrasonic        permeation rate constant

homogenization and             between  ultrasonic

mechanical stirring                  homogenization and

in emulsification.                    mechanical stirring

in emulsification.

Fig. 6. Comparison of m-cresol      Fig. 7. Membrane breakup             separation between ultrasonic            vs.  surfactant

homogenization and mechanical          concentration.

stirring for different initial                                      m-cresol concentrations.