초음파균질화 액막에 의한 수용액중 o-cresol의 제거

박선영, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of o-Cresol from Aqueous Solution by Ultrasonically Homogenized Liquid Membrane

Sun-Young Park, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

수자원의 부족, 오염은 오늘날 인류가 극복해야 할 최대 관심사 중의 하나로 부각되었다. 이러한 수질 환경오염에 따른 음용수 및 공업용수를 비롯한 수자원의 부족을 해결하고자 최근에는 폐수처리에 막분리 기술을 적용시키려는 연구가 시도되고 있다. 이 중 액막에 의한 분리법[1]은 기존의 분리공정과 같이 상 변화에 따르는 열 도입 및 방출 과정을 필요로 하지 않고 물질을 분리, 농축 혹은 제거할 수 있는 에너지 절약형 고도분리기술이다. 액막이란 서로 섞이지 않는 2종의 액 사이에 형성된 엷은 용액상의 격막이며, 이 액막상에서는 용질의 선택적 투과가 일어남으로, 용질을 분리할 수 있으며 추출과 역 추출과정이 각각 다른 기존의 용매 추출법 및 이온 교환법을 대체할 수 있는 새로운 분리법으로 기대된다.

o-cresol(C6H4(CH3)OH)은 소량의 페놀, 크실레놀 등을 함유하며, 페놀 냄새가 나고 유독한 물질로서 무색의 액체 또는 백색결정으로 용도로는 쿠마린, 윤활유정제용으로 사용되고, 이 물질이 피부나 눈에 닿으면 심한 화상을 입게 된다[2]. 본 실험에서는 수용액 중에 함유되어 있는 o-cresol을 유화시 탁월한 성능을 나타내고 있는 초음파균질화에 의한 에멀젼 액막을 이용하여 제거함에 있어서 접촉기에서의 접촉시간에 따른 초음파 조사강도, 초음파 조사시간, 계면활성제(Span 80, HLB 4.3)의 농도, 접촉기에서의 교반속도가 수용액중 o-cresol의 제거효율에 미치는 영향을 밝히고 이를 통해 최적의 제거효율을 주는 조건을 찾았다[3,4].

이론

에멀젼형 액체막법은 계면활성제에 의하여 서로 섞이지 않는 유기용액과 수용액이 균일하게 혼합되어 에멀젼 상태로 안정화하고 다시 연속상과 복 에멀젼 형태를 유지하여 투과면적을 증대시킴으로써 투과속도를 크게 한 것이다.  에멀젼형 액체막의 형성법은, 먼저 회수액과 막용액의 같은 용적을 고속회전 균질화기 또는 초음파 균질화기를 사용하여 혼합 교반함에 따라 W/O형 에멀젼을 만들고 이를 연속상인 용매와 접촉시켜 용질의 액막에 대한 투과도의 차이로 분리하는 것으로 액막을 구성하고 있는 상이 유기용매인가 수용액인가에 따라 W/O/W형이나 O/W/O형 에멀젼으로 구분된다. 전자는 비이온성 계면활성제와 담체나 희석제 등을 첨가하여 사용하고 금속 성분의 분리와 농축, 폐수처리 등에 사용되고 후자는 주로 이온성 계면활성제를 사용하여 탄화수소 분리에 사용된다. 본 실험에서는 친유성 계면활성제를 사용하는 W/O/W형 액막 형태이다. 액막을 이용한 수용액중 o-cresol제거는 외수상에서의 o-cresol이 액막을 통과한 후 유제안의 NaOH용액과 반응하여  C6H4(CH3)ONa을 형성한다. 약산성인 o-cresol은 수용액 중에서 오일상인 액막에 녹으나 내부수용액의 NaOH와 반응에 의해 생성된 C6H4(CH3)ONa는 액막에 녹지 못하고 내부수용액 중에 갇히게 된다. 이를 이용하여서 외수상의 오염물인 o-cresol을 제거할 수 있다.

실험

본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 유화기와 접촉기로 나눌 수 있다. 초음파균질화기(Ultrasonic Generator Model 450, Branson Ultrasonics Co., U.S.A.)를 사용한 유화기에 내부수용액(NaOH용액)과 막상용액(Span 80+Kerosene)을 여러 비율로 혼합하여 초음파균질화기의 flat tip(1/2 in. diameter)을 사용하여 조사강도 115watt로 30초간 유화시켜 W/O형 에멀젼을 제조했다. 유화기에서 제조한 W/O 에멀젼을 접촉기에서 외수상인 o-cresol 1000ppm 수용액에 접촉시켜 W/O/W형 복에멀젼을 만들었다. 이때접촉기에 사용된 교반기는 직경 45 mm의 four-blade paddle을 사용하였다. 그리고 내부수용액의 농도를 변화시키고 교반기로 속도와 교반시간을 변화시키면서 교반하고 일정시간 동안 정치시킨 후에 시료를 채취하여 UV spectrophotometer(Hitachi Co, Japan, Model UV-3210)로 분석하였다. 유화와 접촉시 항온을 유지하기 위해 water bath로부터 유화기와 접촉기의 외부자켓으로 물을 순환시켜 25±1℃의 항온을 유지하였다.

결과 및 고찰

1. 초음파 조사강도의 영향

초음파 균질화기의 조사강도는 에멀젼의 성질에 큰 영향을 미치는 요소 중의 하나이다. 조사강도가 커질수록 유화가 잘 되어 안정한 에멀젼을 형성하게 된다. Fig. 1은 초음파 조사강도에 따른 o-cresol의 제거효율을 나타내었다. 본 실험은 초음파균질화기의 조사시간 30sec, 내부수용액 NaOH 농도 3wt%, 계면활성제(Span 80, HLB 4.3)농도 5v%, NaOH 수용액/계면활성제 용액의 체적비 1.0, 에멀젼/외수상의 체적비 1/3, 접촉기에서의 교반속도 400rpm의 조건으로 실험을 하였다. 조사강도가 101watt일 경우 강도의 세기가 약하여 에멀젼이 불안정하게 형성되어 분리효율이 낮아짐을 볼 수 있다. 초음파 조사강도 115watt, 접촉시간 7분에서 99.11%(8.90ppm)의 가장 좋은 제거효율을 나타내었다.

2. 초음파 조사시간의 영향

Fig. 2는 초음파 조사시간에 따른 제거효율을 나타내었다. W/O의 충분한 유화를 위해서는 어느 정도 이상의 조사시간을 필요로 하며 유화 시간이 부족할 경우에는 불안정한 에멀젼을 형성하게 된다. Fig 2에서 조사시간이 15sec인 경우는 접촉시간 4분까지는 좋은 투과율을 보이지만 불안정한 에멀젼 형성으로 인해 곧 막의 파괴가 일어남을 알 수 있다. 조사시간이 30sec, 접촉시간 7분에서 가장 좋은 제거효율인 98.92%(10.80ppm)을 나타내었고 조사시간이 45sec일 때는 오히려 제거효율이 떨어짐을 알 수 있는데 이는 조사시간이 길어짐으로써 유화기에서 온도 상승을 야기하고 이로 인해 에멀젼을 불안정하게 만들어 o-cresol의 제거효율이 떨어짐을 알 수 있다.

3. 접촉기에서 교반속도의 영향

접촉기에서의 교반속도는 액막의 안정성과 성질에 큰 영향을 미치는 인자이다. Fig.3은 접촉기에서의 교반속도에 따른 o-cresol 제거효율을 나타내었다. 접촉기에서 교반속도가 400rpm, 접촉시간 7분일 때 o-cresol 제거효율이 98.86%(11.41ppm)로 가장 우수함을 확인할 수 있었다.

4. 계면활성제 농도의 영향

유화시 계면활성제의 농도가 높을수록 유화가 잘 되므로 안정한 에멀젼이 형성되지만 계면활성제의 농도가 높아질수록 액막 계면에 모이는 계면활성제 분자들의 양이 증가해 액막이 두꺼워지게 되고 따라서 물질의 전달저항도 증가하게 되어 투과속도는 떨어진다. 반대로 계면활성제 농도가 작아질수록 막은 불안정하게 되어 막파괴가 잘 일어나게 된다. Fig.4는 계면활성제(span 80, HLB 4.3)농도에 따른 o-cresol의 제거효율을 나타내었다. 계면활성제 농도가 5v%, 접촉시간 7분에서 가장 좋은 제거효율 98.90%(11.03ppm)를 나타내었다. 계면활성제 농도가 3v%일 때는 안정한 액막을 형성하기에는 충분하지 못하기 때문에 접촉면적이 감소되고 액막이 불안정하게 되어 제거효율이 떨어짐을 볼 수 있다. 그리고 7v%에서는 액막의 점성과 두께증가로 인한 물질전달저항의 증가로 o-cresol의 제거효율이 떨어짐을 알 수 있다.

참고문헌

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

2. 문성명 : □화학약품대사전□, 교육서관, 735(1991).

3. M. Teramoto, H. Takihana, M.Shibutani, T.Yuasa, and N. Hara. : "Extraction     of     Phenol and Cresol by Liquid Surfactant Membrane", Sep. Sci. & Tech., 18(5),          397(1983).

4. A. N. Goswami and B. S. Rawat : "Studies on the Permeation of Aromatic            Hydrocarbons through Liquid Surfactant Membranes", J. Memb. Sci., 24,               145(1985).

Fig. 1. Effect of ultrasonic intensity             Fig. 2. Effect of ultrasonic               on removal.                                        duration on removal.

Fig. 3. Effect of stirring speed on              Fig. 4. Effect of surfactant                 removal.                                         concentration on removal.