초음파균질화 액막에 의한 수용액 중 P-cresol의 제거

강윤석, 곽경록, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of P-cresol from Aqueous Solution by Liquid Membrane Employing Ultrasonic Homogenization

Yoon-Suk Kang, Kyoung-Roc Kwak, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

수자원의 부족, 오염은 오늘날 인류가 극복해야 할 최대 관심사 중의 하나로 부각되었다. 최근 수질환경오염에 따른 폐수처리에 막분리 기술을 적용시키려는 연구가 시도되고 있다. 특히 액체막을 이용한 분리기술[1,2]은 기존의 분리공정과 같이 상변화에 따르는 열 도입 및 방출 과정을 필요로 하지 않고 물질을 분리, 농축 혹은 정제할 수 있어서 에너지 절약형 고도분리기술로서 새롭게 주목 받는 분리기술 중의 하나이다. 또한 고분자 막을 이용한 방법보다 막의 접촉면적이 크고 막의 두께가 얇아 투과속도가 빠르며 용질을 선택적으로 분리할 수 있다.

본 연구는 막 안정화를 위한 최적의 조건을 찾아내고 가장 효율적인 분리를 위한 조건을 찾아내려는 시도이다. 계면활성제의 농도, 내수상 농도, 체적비, 접촉시간, 초음파 균질화기의 조사시간 등이 수용액중 p-cresol의 제거효율에 미치는 영향을 밝혀 보았다.

이론

액막은 유기용액 또는 수용액으로 구성된 두 상 사이에 위치하여 그 속에 추출용매를 함유하고 있거나 혹은 막 자체가 여러 가지 용질에 대한 용해도를 가지고 있어 서로의 직접적인 접촉은 차단하면서 특정 성분만을 선택적으로 투과시키는 역할을 한다[3,4]. 에멀젼형 액막은 서로 혼합되지 않는 유기용액과 수용액을 계면활성제로 균일하게 혼합하여 에멀젼 상태로 안정화될 수 있는 성질을  이용한 것으로 액막을 구성하고 있는 상이 유기용매인가 수용액인가에 따라 W/O/W(water in oil in water) 형태와 O/W/O(oil in water in oil) 형태가 있다. 본 실험에서는 친유성 계면활성제를 사용하는 W/O/W형 액막 형태이다. 액막을 이용한 수용액중 p-cresol 제거는 외수상에서의 p-cresol이 액막을 통과한 후 유제안의 NaOH와 반응하여 sodium p-cresolate를 형성한다. 약산성인 p-cresol은 수용액 중에서 오일상인 액막에 녹을 수 있으나 내부수용액의 NaOH와 반응에 의해 생성된 sodium p-cresolate는 강전해질로 액막에 녹지 못하고 내부수용액 중에 갇히게 된다. 이를 이용하여 외수상의 오염물인 p-cresol를 제거할 수 있다.

실험

본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 유화기와 접촉기로 나눌 수 있다. 유화기로는 초음파균질화기(Ultrasonic Generator Model 450, Branson Ultrasonics Co., U.S.A.)와 기계적 교반기를 사용하였다. 접촉기에 사용된 교반기는 직경 45□의 four-blade paddle이고 교반속도는 digital형인 미국 Glas-Col사의 GT24 stirring system(Model 099D HST220)을 사용하여 조절하였다. 유화기에 내부수용액(NaOH 용액)과 막상용액(계면활성제+케로신)을 여러 혼합비율로 섞어서 초음파균질화기의 flat tip(1/2 in. diameter)을 사용하여 조사강도 7로 45초간 유화시켜 W/O형 에멀젼을 제조했다. 유화기에서 제조한 W/O 에멀젼을 접촉기에서 외수상인 p-cresol 1000 ppm 수용액에 교반시켜 W/O/W형 복에멀젼을 만들었다. 그리고 내부수용액의 농도를 변화시키고 교반기로 속도와 교반시간을 변화시키면서 교반하고 일정시간 동안 정치시킨 후에 시료를 채취하여 UV spectrometer로 분석하였다.

결과 및 고찰

1. NaOH 농도의 변화에 따른 영향

Fig. 1은 내부수용액으로 사용된 NaOH 농도의 변화에 따른 외수상에서의 p-cresol 제거 효율을 나타내었다. 초음파균질화기의 유화세기 68 watt, 유화시간 45초, duty cycle 30의 조건으로 p-cresol 초기농도 1000 ppm, 계면활성제 농도 7.0 wt%, NaOH 수용액/계면활성제 용액의 체적비 1.0, 외수상/에멀젼의 체적비 3.0, 교반세기 400 rpm의 조건으로 실험을 한 결과이다. NaOH 농도가 5.0 wt%, 접촉시간 5분일 때 가장 좋은 제거효율 97.98%(20.20ppm)을 나타내었다. NaOH 농도가 3.0 wt%일 때에는 p-cresol 수용액이 유제안의 NaOH 용액과 중화되기 때문에 NaOH 농도가 낮아져 p-cresol의 제거효율이 감소되었고 NaOH 농도가 7.0 wt%와 9.0 wt%일 때에는 계면활성제의 친수성을 감소시켜 유제를 파괴하여 불안정한 액막을 형성하게 되어 제거 효율이 떨어지는 것으로 사료된다.

2. 내부수용액과 막 성분간 체적비의 영향

내부수용액이 증가하면 에멀젼 점도의 감소로 막 파괴율이 증가하게 되고 막성분이 증가하면 막이 두꺼워져 p-cresol의 투과속도를 감소시킨다. 내부수용액인 NaOH 수용액과 kerosene 용액의 체적비가 2:1인 경우에는 액막을 형성하는 kerosene 용액이 부족하여 액막이 얇아져 안정성이 떨어지므로 액막이 쉽게 파괴되어 내수상이 외수상으로 유출이 일어남을 뜻한다. 반대로 NaOH 수용액과 kerosene 용액의 체적비가 1:2인 경우에는 막을 형성하는 kerosene 용액이 많아져 막이 두껍게 형성된다. 따라서 물질전달저항의 증가로 인해 외수상에 있던 p-cresol이 내수상으로 투과하는 것을 어렵게 만들어 제거 효율을 떨어뜨리는 효과를 나타낸다. NaOH 수용액과 kerosene 용액의 체적비가 1:1인 경우에는 막이 너무 얇아 금방 파괴되지도 않고 너무 두꺼워 투과 속도가 떨어지지도 않는 최적의 조건이 형성되어 가장 효율적으로 p-cresol을 제거할 수가 있다. Fig. 2에서 내부수용액과 막 성분간의 체적비가 p-cresol의 제거에 미치는 영향을 나타내고 있다.

3. 초음파 균질화기의 조사시간의 영향

초음파균질화기의 유화세기 68 watt, duty cycle 30의 조건으로 p-cresol 초기농도 1000 ppm, 계면활성제 농도 7.0 wt%, NaOH 수용액/계면활성제 용액의 체적비 1.0, 외수상/에멀젼의 체적비 3.0, 교반세기 400 rpm, NaOH 수용액 농도 5 wt%의 조건으로 실험을 한 결과이다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이 조사시간이 15초, 30초인 경우에는 불안정한 에멀션 형성으로 인해 막 파괴율이 증가하여 제거 효율이 떨어짐을 볼 수 있다. 조사시간이 45초일 때에 충분히 유화가 되어 안정한 에멀젼을 형성하여 좋은 제거효율을 보이고 있다. 60초일 경우에는 에멀젼의 안전성이 떨어지게 되어 낮은 제거 효율을 나타냄을 알 수 있다.

4. 막파괴율

Fig. 4는 조사강도에 따른 막의 파괴정도를 나타내고 있다. 조사강도가 32watt일 때는 충분한 유화가 되지 않아 불안정한 에멀젼을 형성하여 높은 막파괴율을 보이고 있음을 알 수 있다. 조사강도가 68 watt일 때는 충분히 유화가 되어 안정한 에멀젼을 형성하여 가장 낮은 막 파괴율을 보이고 있다. 또한 액막이 안정하므로 교반시간 변화의 영향을 크게 받지 않을 뿐만 아니라 유화강도가 어느 정도 이상부터는 유화가 충분히 되었으므로 세기가 더 강해져도 막 파괴율에 큰 변화는 없는 것을 알 수가 있다. 조사강도가 68 watt일 때 접촉시간 5분에서 p-cresol의 가장 좋은 제거효율을 나타낸 것은 가장 낮은 막파괴율 때문이라는 것을 확인할 수 있다.

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 NaOH concentration  Fig. 2. Effect of NaOH/sulfactant               on removal of p-cresol                    ratio on p-cresol removal

Fig. 3. Effect of ultrasonic homogenization   Fig. 4. Membrane breakup vs.

time on removal of p-cresol                 ultrasonic intensity.