에멀젼형 액막에 의한 수용액 중 벤조산의 제거

곽경록, 서장원, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of Benzoic Acid from Aqueous Solution

by Liquid Emulaion Membrane

Kyoung-Roc Kwak, 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, 초음파 균질화기 조사강도, 에멀젼 성분비, 에멀젼과 외수상의 체적비가 수용액 중 벤조산의 제거효율에 미치는 영향을 밝히고 최적 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. 계면활성제 농도의 영향

Fig. 1은 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 7 wt %일 때는 막 파괴로 인해 제거효율이 떨어짐을 볼 수 있다. 9 wt %와 12 wt %에서는 접촉시간 3분까지는 비슷하게 제거가 되었으나 그 이후부터는 확산에 의한 용질의 농도차가 감소하면서 막이 두꺼운 12 wt %의 제거가 잘 안되고 있음을 보여주고 있다.

2. 초음파 균질화기 조사강도의 영향

초음파 균질화기의 조사강도는 에멀젼의 성질에 큰 영향을 미치는 요소중의 하나이다. 조사강도가 커질수록 유화가 잘 되어 안정한 에멀젼을 형성하게 된다. Fig. 2에서 보면 조사강도 1의 경우에는 제대로 유화가 되지 않아 에멀젼이 불안정하게 형성되어 막의 파괴가 심해 벤조산의 제거효율이 떨어짐을 알 수가 있다.그러나 조사강도 3 이상부터는 제거 효율이 아주 좋게 나타나고 있다. 이는 안정한 에멀젼을 형성하여 막의 파괴가 아주 적게 일어나기 때문이라 사료된다. 그러나 어느 정도 유화가 다 된 이후부터는 조사강도를 증가시켜도 제거효율에 큰 차이가 나지 않았다.

3. 에멀젼 성분비의 영향

Fig. 3은 내부수용액과 막성분간의 체적비가 벤조산의 제거에 미치는 영향을 나타내고 있다. 먼저 케로신 용액과 NaOH 수용액의 체적비가 2:3인 경우에는 그림에서도 볼 수 있듯이 상당히 불안정함을 알 수 있다. 이는 막을 형성하는 케로신 용액이 부족하여 막이 얇아져 안정성이 떨어지므로 막이 쉽게 파괴되어 내수상이 외수상으로 유출이 일어남을 뜻한다. 반대로 케로신 용액과 NaOH수용액의 체적비가 3:2인 경우에는 막을 형성하는 케로신 용액이 많아져 막이 두껍게 형성된다. 따라서 물질전달 저항의 증가로 인해 외수상에 있던 벤조산이 내수상으로 투과하는 것을 어렵게 만들어 제거효율을 떨어뜨리는 효과를 나타낸다. 반면에 액막의 안정성은 증가하므로 막 파괴율의 증가로 인한 외수상에서의 벤조산 농도가 증가하는 현상은 상대적으로 덜 일어나게 된다. 그림에서 보듯이 교반시간 4분 이후부터는 거의 일정한 농도를 유지하고 있음을 볼 수가 있다. 체적비가 1:1인 경우에는 두 경우에 비하여 액막이 안정되고 막 두께도 너무 두껍지 않아 가장 효율적으로 벤조산을 제거할 수가 있다고 사료된다.

4. 외부수용액과 에멀젼 투여량의 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. 이는 접촉면적의 감소 때문만 아니라 벤조산이 외수상에서 내수상으로 들어갈 경우 벤조산을 수용할 수 있는 충분한 NaOH수용액이 존재해야 하는데 그 양이 적으므로 단시간에 벤조산으로 포화가 되어 더 이상 수용할 수가 없어 제거가 잘 안 되고 교반시간이 지나면서 막 파괴로 인한 내수상의 유출이 일어나기 때문이라 사료된다. 에멀젼 양이 많아지면 제거가 잘 되나 1:4의 경우와 1:3의 경우는 그리 큰 차이를 보이지는 않았다.

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 surfactant concentration  Fig. 2. Effect of ultrasonic intensity         on removal of benzoic acid.               on removal of benzoic acid.

Fig. 3. Effect of NaOH/surfactant ratio in    Fig. 4. Effect of volume ratio on         emulsion on benzoic acid removal.            removal of benzoic acid.