회분식 결정화기에서 입도분포에 대한 에탄올의 영향

한 현 각, 이 세 일*

순천향대학교 화학공학부, 서남대학교 화학공학과*

Influence of ethanol for CSD in the Batch Crystallizer

Hyun-Kak Han, Se-Ill Lee*

Department of Chemical Engineering, Soonchunhyang University

Department of Chemical Engineering, Seonam University

서론

결정화공정은 산업에서 오랫동안 널리 사용되었지만 비교적 최근에 학문적으로 많은 연구가 되고 있다. 결정화공정과 관련된 중요한 문제의 하나는 결정의 크기를 해석하는 점이고, 계의 물질 수지와 결정화 속도를 관련시킨 개체군 수지식(population balance equation)을 풀어야 입도 분포에 대한 정량적인 접근을 할 수 있다. 결정화기에서 생성된 결정들의 CSD(crystal size distribution)는 고-액 분리나 caking, 고체의 저장특성 및 최종소비자의 선호도와 밀접한 관련이 있다. 이러한 이유로 CSD를 해석하기 위한 개체군 수지 접근방식(population balance approach)는 현재까지 많이 사용되고 있으며 결정화기를 기술하거나 새롭게 모델링 하는데 우수한 방법으로 입증되어 왔다.

본 연구에서는 수산화칼슘용액과 탄산가스와의 기-액 침전 반응계에서 생성되는 탄산칼슘 결정의 입도분포연구와, 순수한 물 대신에 물-에탄올 혼합용매를 이용하여 생성되는 결정의 입도분포에 대하여 연구하였다.

실험방법

실험장치는 Fig. 1과 같으며, 결정화기와 항온조, 가스유입부분으로 나눌 수 있다. 결정화기는 지름이 150□, 높이가 250□인 원통형 아크릴관을 사용하였고, 완전혼합을 위하여 두께가 1□ 폭이 10□, 높이가 230□인 방해판을 900간격으로 4개를 설치하였다. 항온조는 결정화기 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 항온의 물을 결정화기에 순환시켰다. 가스 유입부분은 가스통, 유량계, 혼합기로 구성되어 있으며, 각각의 가스통에서 나온 가스는 로타메터로 유량이 조절되고, 혼합기에서 질소와 이산화탄소를 1:1로 혼합하여 결정화기에 주입하였다.

실험중의 산도 변화를 pH-meter를 이용하여 측정하였다. 실험을 시작한 후 5분마다 50□ 피펫을 이용하여 시료를 채취하였으며, 채취된 시료는 무게를 측정한후 0.45□ whatman membrain 필터로 결정과 모액을 분리하였으며, 분리된 결정은 아세톤으로 충분히 세척한 후 40℃ 오븐에서 2일간 충분히 건조시켰다. 건조된 결정은 초음파분쇄기에서 6시간 이상 뭉친 덩어리를 분쇄한 후 Galai CIS-1 입도분석기로 결정의 입도와 평균직경을 측정하였다. 결정의 뭉침정도는 현미경과 S.E.M.으로 관찰하였다. 또한 분리된 모액은 오븐에서 물을 증발시킨 후 농도를 측정하였다.

Fig . Schematic Diagram of Batch Crystaller.

결과 및 고찰

Fig. 2.에 실험동안의 산도변화를 에탄올 농도에 따라 도식하였다. 실험하는 동안의 산도변화는 매우 적으나 에탄올 농도에 따라 산도변화는 있음을 알 수 있었다. 순수한 물에 에탄올을 첨가함으로서 산도에 영향이 있음을 알 수 있었다. 순수한 물을 이용하여 탄산 칼슘 결정을 침전시켰을 때에는 뭉침 현상이 매우 심함을 관찰할 수 있었으며, 에탄올을 첨가한 혼합용매로 실험하였을 때 표면이 깨끗한 결정이 석출됨도 관찰되었다. 이는 물-에탄올 혼합용매 상에서 침전반응은 용액 상에서 에탄올 분자의 배열에 의한 structure-making이라는 이례적인 현상으로 설명되고 있다. 이 경우 용액의 이온 분위기를 생각하면 혼합이 잘 되었을 때 에탄올 분자들의 주위를 물분자들이 에워싸고 소위 새장구조(cage-like structure)를 만든다고 하였다. 최근에는 에탄올의 분율이 임계점을 지나면 이러한 네트워크 구조가 깨진다는 성질도 밝혀져 있다. 이와 같이 물-에탄올 용매 상에서 용매구조(solution structure)가 결정화 과정에 미치는 영향을 알코올의 첨가로 물분자의 배치구조를 바꾸고 녹아 있는 이온의 수화력을 약화시킨다고 알려져 있다. Buslaeva와 Samilov는 이온주위에 근거리 자유수(short range free water)의 증가로 녹아 있는 이온의 수화(hydration)가 줄어들어 탈수화(dehydration)를 촉진시킨다고 하였다.

한편 Kheitov등은 이온의 전체 쌍극자 에너지(dipole energy)로 전개한 식과 Boltzmann이론에 의해서 일가 이온에 대해 coordiantion number의 감소가 일어난다고 하였다.

Fig. 3.에는 Ca(OH)2의 초기농도가 0.03mol, 에탄올의 농도가 5%, 10%,   20% 일 때 결정의 중량평균크기 변화를 나타낸 것이다. 시간이 지남에 따라 결정의 평균 입경은 증가하였다. 또한 에탄올 농도가 증가함에 따라 결정의 중량평균크기는 작아짐을 알 수 있었다.

Fig . pH Change During Crystallization by Ethanol%

Fig . Weight Mean Size Change during Crystallization by

Ethanol%

Fig. 4에는 Ca(OH)2의 초기농도가 0.03mol, 에탄올의 농도가 10%일 때 실험후 30분일 때 입도분포이다.

Fig . Weight Distribution of Calcium Carbonate after Startup 30min

in 10% Ethanol Mixture

결론

1. 물 - 에탄올 혼합용액에서 생성된 결정이 순수한 용액에서의 결정보다

뭉침 현상이 적게 일어났다.

2. 에탄올의 농도가 증가함에 따라 결정의 평균입경이 작아졌다.

참고문헌

1. W. Buslaeva and O. Ya. Samilov, Zh. Struckt. Khim., 4, 682 (1963).

2. J. L. Green, A. R. Iacey and M. G. Scaets. Chem. Phys. Lettees, 137,

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3. V. Ya. Kheitov, M. S. Ostrikov, H. NM. Shardrin and V. G.

Nikitashi, Zh. Struckt. Khim. 15, 699 (1974).

4. A. G. Jones, Chem. Eng. Sci., 47, 3817 (1992).

5. J. A. Wojcik and A. G. Jones, Chem. Eng. Res. Desig. 75, A2, 113

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