이온교환수지 미분층 반응기에 의한 3-5 디메틸페놀의 흡착

안민엽, 정재관

성균관대학교 화학공학과

Adsorption of 3-5 Dimethylphenol by Ion Exchane Resin

in Differential Reactor

Min Youp An, Jaygwan G. Chung

Dept. of Chem. Eng., Sung Kyun Kwan Univ.

서론

수질오염은 수질과 오염물질 사이의 생물학적, 물리학적, 화학적 작용의 복합작용에 의해 일어난다. 자연계의 물은 오염물질을 여과, 침전, 산화에 의하여 자정하는 능력을 가지고 있으나 과도한 오염물질이 혼입되면 그 자정능력을 잃게된다[박완히,1987]. 이러한 경우 인위적인 처리를 하게되는데 각종 폐수의 처리방법에는 1차처리인 침강, 부상, 2차처리인 활성오니법과 살수여상법 그리고 3차처리인 미세여과, 흡착, 이온교환등이 있는데 [도갑수와 김영운, 1984] 흡착에 의한 폐수처리는 저농도의 물질을 최종적으로 고도처리하는데 사용되고 있다.

흡착질로 사용될 물질인 3-5 디메틸페놀{3-5 dimethylphenol, xylenol, (CH3)2C6H3OH}은 제약, 살충제, 가소제, 윤활유 첨가제, 고무화학제품 공장 등에서 발생할 수 있으며, 신체 접촉시 눈이 멀거나 화상을 일으키며 구토, 두통, 현기증도 동반한다. 호흡이나 피부흡수로 인체에 침투되면 신장에 해를 주며 건강을 해치고 사망까지 이른다[Sittig,1991]. 3-5 디메틸페놀의 흡착에 관한 연구를 보면 Shglrgaonkar 등이 1992년에 활성탄에 의한 3-5 디메틸페놀의 흡착에 관하여 연구하였으며, 그밖의 페놀계 유기화합물에 관한 연구가 계속되고 있다[Shlrgaonkar 등, 1992].

흡착제로 가장 많이 알려진 물질로는 활성탄이 있으나 이온교환수지가 활성탄에 비교될 수 있는 장점으로는 활성탄은 재생과정에서 흡착능 저하가 일어나지만 이온교환수지는 재생과정에서 흡착능이 유지된다는 점이다[Goto., 1986]. 흡착제는 삼양사에서 제조되는 DIAION gel-type SA-10AP, SA-20AP, porous-type의 PA412, 다공성 고분자 수지인 HP20을 사용하였다. 유해물질인 3-5 디메틸페놀을 이온교환수지와 이온교환기가 없는 다공성 고분자수지를 이용하여 회분식 실험을 통해 흡착질의 초기농도, 흡착제의 양 그리고 흡착에 있어서 중요한 변수인 용액의 pH와 온도를 변화시키면서 흡착거동에 알맞은 흡착등온식을 찾아내고 이것을 연속공정에서의 미분층반응기를 통하여 얻어진 값과 비교하여 흡착속도와 최적조건을 구하였다.

이론

1. 흡착평형

일반적으로 흡착제의 흡착능을 정량적으로 평가하는데 흡착등온식을 사용하며 이중 가장 많이 알려진 다음 두가지 흡착등온식을 사용하였다.

1.1 Freundlich 흡착등온식

Freundlich가 1926년에 고안한 이 등온식은 실험적인 식으로서 표면이 매우  불균일한 흡착제에 주로 적용된다.

[eqn: q sub e = X OVER M = K SUB F C SUB e sup 1/n]

1.2 Langmuir 흡착등온식

이 모델은 원래는 고체에의한 기체의 흡착을 위해 Langmuir가 1918년에 개발하였는데 표면에서의 흡착 에너지가 표면 점유율에 관계없이 일정한 값을 갖는다고 가정한다. 즉 흡착제 표면에서 흡착질사이에 상호작용이 없으므로 최대흡착량은 단일층으로 채워졌을때의 값이다. 이 모델은 이론적으로 발전된 식으로서 표면이 균일한 경우에만 적용되며  다음과 같이 표시된다.

[eqn: q sub e = X OVER M ={Q SUB m K SUB L C SUB e } OVER {1+K SUB L C SUB e}]

여기서 qe는 흡착제 단위질량당 흡착된 흡착질의 양이고 Ce는 용액에 남아있는 흡칙질의 농도이며 Qm는 최대가능 흡착량이다.

2. 흡착속도

흡착속도는 흡착속도와 탈착속도의 항으로 되어있으며 다음과 같다.

[eqn: r sub A = (정흡착속도-역흡착속도)= (흡착속도 - 탈착속도)]

[eqn: = k sub 1 C SUB A SUP a1 -k sub 2 q sub A SUP a2]

실험 및 결과

각각의 흡착제별로 3-5 디메틸페놀의 흡착등온식을 산출하였다. 이온교환기가 없는 고다공성 고분자 수지인 HP20과 이온교환수지인 WA30의 Freundlich흡착등온식은 다음과 같다.

[eqn: q sub e(HP20) =2.451 C SUB e sup 0.6166]

[eqn: q sub e(WA30) =1.492 C SUB e sup 0.7938]

이때 흡착평형시간은 예비실험을 통하여 10일로 정하였으며 pH의 영향을 알아보기 위하여 pH가 3, 5, 7, 9, 11, 12 가 되는 용액을 제조하여 흡착성능을 비교하였다.

흡착속도식을 구하기 위하여 내경이 1.5cm, 길이가 10cm인 미분층반응기의 중앙에 수지를 채우고 이를 glass bead를 채워서 고정하였다. 일정한 유속을 유지시키기 위하여 일류출구를 가진 일정수위조를 통하여 반응기로 용액이 보내어진다. 흡착속도식은 격막저항이 최소가 되는 유량을 선택하여 정흡착 속도와 역흡착 속도를 구해 총괄흡착속도를 구하였다.

[eqn: r=AC_fc^B - LEFT [DC_i -E RIGHT ] q_e^FC_i^G]

참고문헌

1. Goto,M., "Adsorption and desorption of phenol on anion-exchange               resin and activated carbon", Environ. Sci. Technol., 20, pp.463-467 (1986).

2.  Shlrgaonkar, I.Z., H.S. Joglekar, V.D. Mundale, and J.B. Joshi, "Adsorption      equilibrium data for substituted  phenols on activated carbon", J. Chem.       Eng. Data, 37, 175 (1992).

3. Sittig, Marshall, "Handbook of toxic and hazardous chemicals and              carcinogens", 3rd ed., Noyes Publication, pp. 1662-1663 (1991).

4.  도갑수,김영운 공역, □폐수처리공정과 응용□, 동화기술, pp. 3-10, 370 (1984).

5.  박완희, □환경과학개론□, 경기공업개방대학, pp. 9, 11-12, 123 (1987).

1. reactor                          5. pump

2. flow meter                      6,7. overflow reservoir

3. holding tank                     8. drain

4. constant head tank               9. effluent

Fig. 1. Schemamtic diagram of experimental unit.