실관막관에서 D2EHPA에 의한 Zn(II)추출

최 대 웅, 신 군 섭, 박 준 성

동의대학교 화학공학과

Extraction of Zn(Ⅱ) with D2EHPA in Hollow Fiber Contactors

Dae-Woong Choi, Kun-Sub Shin, Jun-Sung Park

Departments of Chemical Engineering, Dongeui University,

서론

실관막을 이용한 용질분리제거 및 회수는 최근에 연구된 것으로서, 막제조 기술이나 추출공정개발과 관련하여 해결해야 할 과제가 많이 남아있다. 중금속 성분의 분리조작 방법으로는 침전, 이온교환, 흡착, 전기투석, 여과 등 여러 형태의 물리, 화학적 방법을 사용하였으나, 이러한 분리조작의 대부분이 선별분리에는 한계성이 있으며, 장치비 및 운전비 등의 초기투자가 과다하다는 등의 난점을 가지고있어, 이에 대한 개선책의 일환으로 막분리기술이 개발되었다. 막분리기술 중의 액막 분리공정은 고분자막에 의한 분리가 대부분을 차지하고 있으며, 이는  용매를 투과시키고 용질의 투과를 저지하는 막의 특성을 이용하는 반면, 액상 혹은 기상중의 용질을 액막을 통하여 다른 액상 혹은 기상으로 투과시킴으로써 용질을 분리, 농축하는 공정으로 고분자막에 비하여 막의 접촉면적이 크고, 막의 두께가 얇아 투과속도가 빠르며, 용질을 선택적으로 분리하는 장점을 가지고 있어, 종래의 용매 추출법과 비교할 때 추출속도가 매우 빠르며,  장치를 소규모화 할 수 있을 뿐만 아니라 추출제의 양이 작아 훨씬 유리하다. 액-액 추출 공정에 있어 접촉면적이 큰 실관막 모듈에서 액-액추출 조작을 할 경우, 선택추출과 신속한 물질전달속도를 동시에 얻을 수 있으므로 산업적인 응용이 기대되고 있으나, 제막기술이나 추출공정의 개발과 관련하여 해결해야 할 과제가 많이 남아 있는 실정이다. 이와 같은 기초연구와 인식에서, 본 연구에서는 실관막을 이용한 중금속 투과추출에 있어서 분리조작 조건과 투과속도에 대하여, 기존 공정을 代替할 수 있는 분리법으로서의 가능성을 검토할 수 있는 기초자료로 제시하고자, 다음과 같은 연구를 수행하였다.

추출제로서는 역시 산성 추출제로서 산성 유기인산에스테르인 D2EHPA(di-2- ethylhexyl phosphoricacid)를 선택하여 반응계를 구성하였으며, 위의 추출반응계를 이용하여 분리 성능을 Zn(Ⅱ)의 중금속에 대하여 다음과 같이 검토하였다.

첫째 실관막에서 총괄물질전달계수에 영향을 미치는 분배---비가 중금속 수용상 내부의 산농도에 따른 변화, 둘째 실관막 내부 유속에 대한 추출거동, 셋째 중금속의 농도에 따른 추출거동을 검토하였다.

실험

본 실험에 사용한 실관막 모듈은 미국 Hoechst Celances로부터 구입한 Liqui-Cel Extra-Flow 2.5"×8" Membrane module로써 산, 알칼리 및 유기용매에 안정하며 막의 특성치는 Table 1에 나타내었다.. 또한 실험에 사용한 system은 Hoechst Celances사가 제작한 Laboratory Liquid/Liquid Extraction System을 사용하였다. 실험에 사용한 실관막의 특성이 소수성이므로 실험이 진행되는 동안 유기상이 막 기벽을 통하여 수용상으로 침투되는 현상을 막기 위하여, 실관막 내부의 압력(5psi)이 외부의 압력(0psi)보다 5psi 높게 유지하여 두 상간의 접촉계면이 안정되도록 하였다. 실관막의 외측, shell side로는 D2EHPA를 포함한 유기용액을 실관막의 내측, tube side로 중금속을 포함한 수용상과 향류흐름이 되도록 하였다. 장치의 개략적인 공정도는 Fig. 1에 나타내었다.

1.	Hollow Fiber Module	8.	Flow Meter
2.	Aqueous Reservoir	9.	Pressure Gauge
3.	Organic Reservoir	10.	Tube in
4.	Magnetic Stirrer	11.	Tube out
5.	pH Meter	12.	Shell in
6.	Peristaltic Pump	13.	Shell out
7.	Metering Pump

Fig. 1. Schematic diagram for flow loop perstration

Table 1. Specifications of Hollow Fiber

Specification of Fiber
Fiber Potting Material Inside Diameter(□) Effective Pore Size Porosity Wall Thickness	polyethylene 244□ 0.03□ 40% 28□
Specification of Module
Inside Diameter(□) Outside Diameter(□) Number of Fibers	8□ 28□ 10000

결과 및 토의

미세공 실관막을 이용한 투과추출에 영양을 미치는 인자로는 추출제의 종류, 농도, 실관막의 특성, 유기용매의 종류, 모듈내의 유속 등을 열거할 수 있다. 여기서는 수용상 공급액중의 수소이온농도가 Zn(Ⅱ)의 추출에 미치는 영향을 조사하기 위하여 수소이온 농도의 변화에 대한 평형분배 실험을 하여- Fig. 2에 나타내었다.------------------- 수용상 내의 수소이온농도 1.0×10-4.0mol/dm3에서 최대분배비를 나타내므로 최적분배조건임을 알 수 있었다.   Fig. 3는 실관막모듈에서 수소이온 농도가 1.0×10-1.0mol/dm3∼1.0×10-5.0mol/dm3에 이르는 범위에 대한 추출율 실험으로서 평형분배비와 마찬가지로 수소이온 농도 1.0×10-4.0mol/dm3에서 최대 추출율을 나타내었다. 그리고 Fig. 4는 수용상의 농도변화가 추출율에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 보면 추출시간 20여분 이내에 대부분 추출이 이루어진 것을 알 수 있었다. 또,  Fig. 4는 수소이온농도가 1.0×10-4.0mol/dm3에서 최대를 보였으나. 농도에 대한보다 좋은 비교를 위해 수소이온농도를 1.0×10-3.0mol/dm3에서 실험하였다. 이를 보면 낮은 농도에서 추출율은 우수하나, 100ppm에서 가장 효율적인 것으로 보였다.

Fig. 5는 수소이온농도에 따른 물질전달계수를 나타낸 것으로서 1.0×10-4.0mol/dm3이 가장 최적의 수소이온농도임을 나타내었다. 그리고 Fig. 6은 모듈내의 유속이 추출에 미치는 영향을 알아보기 위해 수용상의 속도변화에 따른 물질전달계수를 나타낸 것으로 유속이 빠를수록 추출율이 증가함을 나타내었다. Fig. 7은 최적의 수소이온농도에서 수용상의 농도변화에 따른 물질전달계수를 나타낸 것으로서 유기상의 농도 5.0×10-2□/dm3에서 Zn(II)의 최적농도가 100ppm임을 보였다.

결론

소수성 실관막 모듈을 이용하여 실관막 내부로는 Zn(II)이 포함된 수용상을, 외부로는 추출제인 D2EHPA를 유기용매 Heptane으로 희석한 유기상을 사용하여 액-액 추출실험을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. Zn(II) - D2EHPA 추출계에서는 수소이온농도가 1.0×10-1∼10-5mol/dm3 중   Zn(II)은 1.0×10-40mol/dm3일 때 최대분배비를 나타내었다.

2. Zn(II) - D2EHPA 추출계에서 D2EHPA의 농도가 5.0×10-2mol/dm-3일 때 투과추출의 최적조건으로 Zn(II)의 농도는 100ppm으로 나타났다.

3. 실관막 내부의 수용상 유속이 증가할수록 시간에 따른 추출율은 증가하였        으함을 알 수 있었다.

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Fig. 2. Distribution ratio[m] vs. pH of the aqueous phases

Fig. 3. C/Co vs. time for extraction of Zn(Ⅱ) - D2EHPA system

Fig. 4. C/Co vs. time for Zn(Ⅱ) concentrations

Fig. 6. Kw vs. the aqueous phase flow rate

Fig. 5. Kw vs. pH for extraction of Zn(Ⅱ) - D2EHPA system

Fig. 7. Kw vs. concentration for Zn(Ⅱ) of aqueous phase