GAC, MR-resin 및 HSZ에 의한 수용액중의 아민류의 흡착평형

이 성 식, 김 형 준, 유 명 호, 손 진 언

동아대학교 화학공학과

Adsorption Equilibrium of Amines in Aqueous Solution

on GAC, MR-resin, and HSZ

Sung-Sik Lee, Hyung-Jun Kim, Myung-Ho Yu, Jin-Eon Sohn

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

서  론

아민류는 고무, 플라스틱, 페인트, 석유화학, 농약 및 유기공업화학등의 폐수중에 함유되어, 물의 부영양화를 야기시키므로 이들의 분리제거는 대단히        중요하다. 흡착공정은 물중의 불순물의 제거와 또는 유기물의 분리제거에 널리 이용되는 공정이다. 입상활성탄(Granular Activated Carbon)은 흡착능이 우수하므로 폭넓게 유기물 및 무기물의 제거가 가능하며 냄새, 색, 독성을 야기시키는 분자들의 제거에 널리 이용되고 있다. 거대망상수지(Macroreticular resin) 입자는 스틸렌-디비닐벤젠 공중합체로 만든것으로 이온교환, 다공성흡착제, 크로마토그라피의 충진물등에 널리 이용되고 있다. 또한 시리카와 알루미늄이온의 비를 400배 이상 대체한 고시리카제오라이트(High Silica Zeolite)는 중성 또는 소수성 표면거동을 가지므로 수용액 또는 기체중의 유기물의 흡착에 효과적인 것으로 알려져 있어 많은 연구가 진행 중이다.[1]

수용액중의 유기혼합물의 흡착제거 또는 회수시에 어느 정도 흡착되는 지를 예측하면 수용액중의 유기물의 농도와 흡착제의 량에 따라 처리량 및 잔류농도가 예측되어 처리시의 응용 및 적용에 대단히 유효하다.

수용액중에 존재하는 유기화합물의 농도가 증가할수록 흡착량은 증가하는데 그 정도가 흡착제 및 흡착질의 종류에 따라 크게 달라진다.

본 연구는 입상활성탄(GAC), 거대망상수지(MR) 및 고시리카제오라이트(HSZ)를 이용하여 수용액중의 아민류에 대한 흡착평형을  실험하여 Freundlich, Langmuir, Redlich-Peterson[2] 및 Toth[3] 흡착등온식의 파라메타를 구하고, 이들 파라메타에 미치는 흡착제와 흡착질과의 관계를 조사연구하였다.

실  험

실험에 사용한 흡착제로는, GAC는 미국 CALGON사제, MR-resin은 일본 東京有機化學(株)제, HSZ는 일본 東□제로 그 물성은 Table 1과 같다. 흡착질은 일본純晶사제의 일급시약인 관능기가 다른 여러가지 아민류를 사용하였다.

흡착평형실험은 일정농도의 용액과 일정량의 흡착제를 250ml 삼각플라스크에 넣어 항온 수조에서 48시간 이상 흔들어 여과시킨 후, 수용액중의 흡착질의 잔류농도를 측정하여, 흡착량을 각각 구하였다. 흡착전의 초기농도와 흡착 후의 잔류농도는 자외선 분광광도계(UV/VIS-Spectrophotometer, Model HP8452A)로 각각 측정하였다.

결과 및 고찰

흡착제에 의한 수용액중의 아민류의 평형등온 흡착실험하여, 단위질량당 흡착된 량과 수용액중의 잔존된 평형농도와의 관계를 흡착제가 입상활성탄인 경우의 결과를 Fig. 1에, MR 수지흡착제는 Fig. 2에, 고시리카제오라이트의 결과는 Fig. 3

Table 1. Physical properties of adsorbent used

Adsorbent	Total surface area [m2/g]	Pore volume [cm3/g]	Specific surface area [m2/g]	Bulk density [g/cm3]
GAC	1200	0.36	1053.13	0.45
MR resin	630	0.74	600.23	0.60
HSZ	Lattice constant [Å]	Pore volume [cm3/g]	SiO2/Al2O3 [mole ratio]	Bulk density [g/cm3]
	24.25	0.54	460	0.43

에 각각 나타내었다.

흡착질이 방향족 아민류인 경우는 모든 흡착제에 메틸기 2개인 3,5-lutidine이 가장 흡착이 우수하였으며, 메틸기가 없는 피리딘이 가장 작게 흡착되었다. 방향족 아민의 흡착에 미치는 흡착제의 영향은 GAC 〉MR-resin 〉HSZ 순으로 흡착능이 우수하였으며, GAC의 경우는 흡착등온이 Favorable형에, MR-resin은 Linear형에 그리고 HSZ는 Unfavorable형에 각각 따름을 알수 있다.

또한, 평형흡착은 잘 알려진바와 같이 흡착질-흡착제표면, 흡착질-용매분자, 흡착제-용매분자간의 물리화학적 친화력이 영향을 받는다.[4] 흡착평형 실험데이타로 부터 최소자승법으로 다음의 평형식들의[5] 파라메타를 구하여 Table 2에 나타내었다.

Freundlich : [eqn: q_e ~=~k·C_e ^1/n]              Langmuir : [eqn: q_e~=~{q_mon K_L C_e} over {1~+~K_L C_e}]

Redlich-Peterson : [eqn: q_e ~=~{a_R C_e} over {1~+~b_R C_e ^□}]   Toth : [eqn: q_e ~=~{q^∞ C_e}over {(b_T ~+~C_e ^M )^1/M}]

Table 2. Parameters of adsorption isotherm equations of aromatic amines on GAC,            MR-resin, and HSZ

Equation Constant Adsorbate		Freundlich		Langmuir		Redlich-Peterson			Toth
		k [mol/kg]	n [-]	qmon [mol/kg]	KL [m3/mol]	aR [m3/kg]	bR [m3/mol]	□ [-]	q∞ [mol/kg]	bT [m3/mol]	M [-]
GAC	pyridine	0.96	3.04	1.44	2.83	6.30	5.16	0.86	1.88	0.41	0.56
	2-picoline	1.59	4.46	2.35	3.90	32.47	18.02	0.83	92.48	0.29	0.06
	4-picoline	1.51	4.07	2.31	3.59	51.48	32.03	0.79	14.93	0.33	0.12
	3,5-lutidine	2.04	4.52	2.84	6.05	28.44	11.72	0.89	3.76	0.25	0.43
MR- resin	pyridine	2.33	1.12	2.57	1.34	3.84	0.97	0.56	2.29	0.65	1.05
	2-picoline	2.19	1.24	2.56	1.54	2.97	50.41	5.27	0.90	0.01	3.53
	4-picoline	2.82	1.06	13.54	0.24	3.11	719.07	9.55	3.21	1.03	2.07
	3,5-lutidine	2.99	1.01	14.12	0.23	3.03	3.91	5.68	1.80	0.06	5.51
HSZ	pyridine	13.62	0.37	46.32	0.03	0.02	-1.02	0.02	1.18	0.34	14.08
	2-picoline	34.23	0.34	29.23	0.05	0.02	-1.04	0.03	1.09	0.14	8.21
	4-picoline	25.51	0.29	14.72	0.06	1.55	0.0003	-5.51	0.79	0.22	9.64
	3,5-lutidine	133.93	0.31	19.78	0.08	0.04	-1.07	0.05	1.32	0.19	7.70

Fig. 4는 앞에서 구한 흡착등온식과 실험데이타를 비교하기 위하여 대표적으로 GAC-4-picoline계를 프롯트 결과이다.

같은 방법으로 프롯한결과 Favorable형인 GAC-Amine계는 Langmuir를 제외하고 3식이 잘 일치하였으며, Linear형인 MR-resin-Amine계는 4식이 서로 잘 일치하였다. 그러나 Unfavorable형인 HSZ-Amine계는 파라메타가 2개인 Freundlich식과 파라메타가 3개인 Redlich-Peterson식에 잘 일치하였다.

결  론

입상활성탄(GAC), 거대망상구조수지입자(MR-resin) 및 고시리카제오라이트(HSZ)를 이용하여 수용액중의 아민류의 흡착평형실험하여, Freundlich, Langmuir, Redlich-Peterson식 및 Toth식의 파라메타를 구하였다. 아민은 GAC 〉MR-resin 〉HSZ 순으로, 또한 흡착질은 메틸기가 많을 수록 흡착능이 증가하였다.

참고문헌

1. Furuya, E. et al. : The Third Korea-Japan Symp. on Sep. Tech., 75(1993).

2. Redlich, O. and Peterson, D. L. : J. Phys. Chem., 63, 1024(1959).

3. Toth, J. : Acta. Chim. Acad. Sci. Hung., 69, 311(1971).

4. Furuya, E. et al. : Fundamentals of adsorption, 185(1992).

5. Juang, R. S., Wu, F. C. and Tseng, R. L. : J. Chem. Eng. Data, 41, 487(1996).