에멀젼형 액막에 의한 수용액 중 Aniline의 제거

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

강윤석, 남상일, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of Aniline from Aqueous Solution

by Liquid Emulsion Membrane

Yoon-suk Kang, Sang-Il Nam, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

최근 산업의 발전과 도시의 발달은 우리들에게 경제적, 문화적 혜택과 편익을 부여해 주었지만, 산업활동으로 각종 난분해성 물질들을 함유한 산업 폐수들이 발생하고 있으며, 특히 석유화학공업의 부산물 중 대부분을 차지하는 방향족 탄화수소 물질들은 화학적으로 매우 안정된 구조를 가지고 있기에 기존의 물리·화학적인 처리 방법으로는 처리비용이 많이 들고 재사용이 불가능하다. 여러 가지 방법들 중에서 액막을 이용한 분리[1,2]는 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. 역삼투압막, 한외여과막 등은 막을 고체로 사용하기 때문에 막의 수명이 한정되어 있고 높은 압력에 견뎌야 하므로 기계적 강도가 높아야 하고 투과면적이 한정되어 있어 미리 용액의 불순물을 걸러내는 전처리가 필요하며 막을 계속 세척해 주어야 하는 등 많은 문제점을 가지고 있다. 그러나 액막은 액체를 막으로 이용하여 분리하기에 막의 두께가 얇아져 침투량이 증가하고 물질전달 표면적을 크게 할 수 있고 또한 막을 자유롭게 형성, 회수할 수 있는 점 등 여러 가지 장점을 가지고 있다.[3].

본 실험에서는 수용액 중에 높은 비점(184.4℃)을 갖고 소량 함유되어 있는 aniline을 에멀젼 액막을 이용하여 제거함에 있어서 내부수용액의 농도, 내부수용액과 계면활성제 용액의 체적비, 에멀젼 투여량 등을 변수로 하여 유화시 탁월한 성능을 시현하고 있는 초음파균질화기에 의한 결과와 유하시 기계적 교반기를 사용하였을 경우의 결과를 비교 검토하여 aniline 제거에 대한 효능을 확인하였다.

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[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[5]. 액막을 이용한 수용액 중 aniline 제거는 외수상에서의 aniline이 액막을 통과한 후 유제 안의 HCl과 반응하여 aniline chloride를 형성한다. 약염기성이 아닐린은 외수상에서 대부분이 C6H5NH2 상태로 존재하고 오일상인 액막에 녹일 수 있으나 내부수용액과 반응에의해 생성된 aniline chloride는 액막에 녹지 못하고 내부수용액 중에 갇히게 된다. 급격한 막파괴가 일어나기 전에는 막파괴로 인해 유제안의 HCl용액이 외부수용액으로 빠져나와 아닐린과 결합하여 aniline chloride를 형성하는 양은 매우 작기 때문에 무시할 수 있다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

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 digital 형인 미국 Glas-Col사의 GT24 stirring system(Model 099D HST220)을 사용하여 조절하였다. 유화기에 내부수용액(HCl용액)과 막상용액(계면활성제+케로신)을 여러 혼합비율로 섰어서 초음파균질화기의 flat tip(1/2 in. diameter)을 사용하여 조사강도 68 watt로 60초간 유화시켜 W/O형 에멀젼을 제조했다. 유화기에서 제조한 W/O 에멀젼을 접촉기에서 외수상인 aniline 1000ppm 수용액에 교반시켜 W/O/W형 복에멀젼을 만들었다. 그리고 내부수용액의 농도를 변하시키고 교반기로 속도와 교반시간을 변화시키면서 교반하고 일정시간 동안 정치시킨 후에 시료를 채취하여 UV spectrometer(Hitachi Co, Japan, Model UV-3210)로 분석하였다.

결과 및 고찰

1. HCl 수용액 농도의 영향

Fig. 1은 초음파 균질화기의 조사시간 60초, 조사강도 66watt, aniline의 초기농도 1000ppm, 계면활성제(Span 80, HLB 4.3) 농도 11.0%, HCl 수용액/계면활성제 용액의 체적비 1.0, 에멀젼/외수상의 체적비 0.25, 교반속도 400rpm으로 하여 내부수용액 HCl농도 변화에 따른 aniline의 제거효율을 나타내고 있다. 내부수용액 HCl의 농도가 증가함에 따라 aniline의 제거효율이 증가함을 알 수 있다. 6M HCl 농도와 접촉시간 6분에서 가장 좋은 제거효율 99.49%(5.10ppm)를 나타내었다.

2. 내부수용액 체적비의 영향

Fig. 2는 HCl 수용액/계면활성제 용액의 체적비에 따른 aniline의 제거효율을 나타내었다. HCl 수용액/계면활성제 용액의 체적비가 1:1 인 경우에 접촉시간 6분에서 가장 좋은 제거효율 99.46%(5.41ppm)를 나타내었다. 내부수용액의 체적비가 1:1 보다 큰 경우는 막을 형성하는 kerosene용액이 막을 두껍게 형성하게 되어 막이 두꺼워지고 그로 인해 물질전달 저항의 증가로 인해 투과속도가 떨어져 외수상의 aniline이 내수상으로 투과하는 것을 어렵게 만들어 제거효율을 떨어뜨린다.

3. 에멀젼 투여량의 영향

Fig. 3은 에멀젼 투여량과 외부수용액의 체적비에 따른 aniline의 제거 효율을 나타내었다. 에멀젼의 양이 증가할수록 제거효율은 증가한다. 에멀젼 양이 증가할 경우 W/O/W의 제조 교반시 외수상에 분산되어 만들어지는 복에멀젼의 양이 증가하고 이는 aniline이 에멀젼의 막과 접촉할 수 있는 면적이 증가되어 aniline의 투과도 증가되어 제거 효율이 증가하게 된다. 에멀젼/외부수용액상의 체적비가 1:3인 경우에 접촉시간 6분에서 99.34%(6.55ppm)로 가장 좋은 제거효율을 나타내었다.

4. 유화시 기계적 교반기의 영향

Fig. 4는 유화시 초음파 균질화기의 기계적 교반기 사용에 대한 aniline의 제거효율을 나타내었다. 유화시 기계적 교반기의 유화시간과 교반속도는 각각 4분, 1000ppm으로 하였다. 접촉시간 초기에는 비슷한 제거효율을 나타냈으나 접촉시간 4분 이후에는 기계적 교반기를 사용한 경우에 막이 상대적으로 불안정하게 형성되어 막의 파괴가 일어나 투과 속도가 떨어짐을 볼 수 있다. 유화시 기계적 교반기를 사용하여 aniline을 제거하였을 경우 가장 좋은 제거효율은 접촉시간 4분에서 99.03%(9.75ppm)를 나타내었고 초음파균질화기를 사용하였을 경우 가장 좋은 제거효율은 접촉시간 6분에서 99.42%(5.84ppm)를 나타내었다. 따라서 유화시 기계적 교반기를 사용하는 것보다 초음파균질화기를 사용하는 것이 보다 안정한 에멀젼을 형성하여 더 높은 제거효율을 나타내었다.

참고문헌

1. Shah N. D. and Owens, T. C. "Separation of Benzene and Hexane with Liquid              Membrane Technique", Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., 11(1), 58-63 (1972).

2. Bart, H. J., Jungling, H., Ramaseder, N. and Marr, R. : "Water and solute Solubilization       and Transport in Emulsion liquid Membranes", J. Membr. sci., 102, 103-112 (1995)

3. Li, N. N. : "Facilitated Transport through Liquid Membranes an Extended Abstract", J.        Membr. Sci., 3, 265-269 (1978).

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

5. Marr, R. and Kopp, A. : "Liquid Membrane Technology - A Survey of Phenomena,          Mechanisms, and Models ", Int. Chem. Eng., 22(1), 44-60 (1982).

Fig. 1. Effect of HCl concentration         Fig. 2. Effect of HCl/surfactant

on removal of aniline.                      ration in (W/O) emulsion

on removal of aniline.

Fig. 3. Effect of the amount of W/O       Fig. 4. Comprision of ultrasonic

emulsion solution on removal              homogenization and mech-

of aniline.                                  nical stirring.