용매함침수지에 의한 이성분 금속혼합물의 흡착 분리

이경화, 박성은, 전성균, 이성식

동아대학교 화학공학과

Adsorption and Seperation of Binary Metals Mixture

using Solvent Impregnated Resin

Kyung-hwa Lee, Seong-Eun Park, Sung-Kyun Jeon, Sung-Sik Lee

Dept. of Chem. Eng., College of Eng., Dong-A Univ.

서론

수용액으로부터 금속이온의 선택적 분리 및 농축은 자원회수, 폐기물처리, 폐수중의 중금속처리, 희소금속의 리싸이클 및 고농도의 불순물로부터 희소금속의 회수등에 대단히 중요한 공정이다.

수용액 중 희소금속의 공업적 분리는 용해도 차이를 이용한 분별결정법, 침전법등이 있으나 효과 및 선택성이 작다. 최근에는 용매추출법과 흡착법이 널리 이용되고 있으나, 용매추출법은 금속이온의 농도가 한정된 범위내에서 공업적 가치가 있다. 묽은 용액으로부터 금속이온의 분리 및 농축을 위한 이온교환 및 킬레이트 수지를 이용한 흡착법은 장치 및 그 조작법이 간단하지만, 목적금속이온의 선택성이 낮으며, 목적성분과의 착물화를 위한 수지합성이 어렵고, 가격이 고가이다.

이런 단점을 개선하기 위하여 용매추출제나 킬레이트 시약을 함침시킨 함침흡착제를 이용한 금속 이온의 선택흡착에 관한 연구가 진행중이다. 함침흡착제는 함침된 시약이 고분자 수지와 화학적으로 결합하지 않는다는 가정하에 수지내에서의 이온교환 거동과 같은 비슷한 용매추출이 예상되어 금속이온의 크로마토그래피 분리 및 그 응용이 크게 기대되나 많은 연구가 필요하다.

본 연구는 붕소의 추출에 효과적인 2-Ethyl-1,3-Hexandiol 추출제를 킬레이트수지에 함침시킨 흡착제를 이용하여, 붕소가 함유된 이성분계 혼합물 중의 붕소이온의 선택흡착 분리특성에 대하여 실험조사하였다.

실험

1) 함침수지의 제조

용매추출제인 2-Ethyl-1,3-Hexandiol(EHD) 일정농도를 용매인 케로신에 녹인 후, 고분자 수지와 충분히 접촉시켜 용매추출제를 수지에 함침시킨다. 이 함침수지를 감압하에서 50℃에서 10시간이상 건조하여 용매를 완전히 제거시킨 후, 수지에 함침된 추출제 양을 함침 전후의 중량변화로 측정한다.

2) 흡착실험

킬레이트 수지에 의한 금속이온의 흡착특성은 회분식과 칼럼법으로 실험조사하였다. 회분식에 의한 흡착평형실험은 증류수에 보존된 습윤수지를 원심분리한 후, 항온조(35∼40℃, 3hr)에서 건조한 수지 0.2g과, HCl과 NaOH용액으로 pH를 조절한 수용액 50ml를 삼각플라스크에 취하여 25±0.1℃의 항온수조에서 20시간 진탕한 후, 고-액을 분리하고 수용액중의 금속이온농도를 분석하였다.

칼럼에 의한 연속흡착실험은 이성분계 금속화합물을 pH 조절한 후, 24시간 정치하여 여과한 여액을 공급액으로 하여 내경 1.0cm, 높이 100cm의 유리필터가 부착된 유리칼럼을 이용하였다. 이성분계 금속혼합용액을 상부로부터 공간속도(S.V.) 4.5hr-1로서 공급하고, 칼럼하부로부터 유출액을 채취하여 금속농도를 분석하였다. 수지칼럼에 흡착된 금속은 물로 세척한 후, 1.0mol/□-H2SO4를 용리제로 하여 위와같은 조건으로 칼럼에 통액하고, 흡착한 금속이온을 수지칼럼으로부터 탈착용리하였다. 각종 수용액 중의 금속이온 농도는 원자흡광분광광도계(Shimadzu AA-6501)로 분석하였다.

결과 및 고찰

붕소이온의 선택적 흡착능이 큰 글루카민 킬레이트수지에 붕소이온의 추출능이 큰 용매추출제를 함침시킨 흡착제를 이용하여 붕소/2가금속 혼합수용액의 pH 변화에 따라 흡착등온실험하여 그 결과를 붕소/니켈 계를 Fig.1, 붕소/납 계를 Fig. 2, 붕소/아연 계를 Fig.3, 그리고 붕소/코발트 계를 Fig. 4에 각각 나타내었다.

공존중인 2가 금속의 침전영역 이하 pH 범위에서도 순도가 높은 붕소의 선택흡착이 가능하였다. 특히 용매추출제인 EHD가 함침된 흡착제는 전 pH 범위에서 흡착능이 증가하여 이성분계 금속혼합물 중 붕소의 선택흡착분리능이 개량됨을 알수 있다. 이들 흡착평형데이타를 기초로 하여 2성분계 금속혼합물 중의 붕소의 선택흡착 분리 및 농축을 칼럼법으로 실험하였다. 대표적으로 붕소/아연 계의 칼럼내 흡착실험 결과를 Fig. 5에, 흡착된 금속이온의 탈착실험 결과를 Fig. 6에 각각 나타내었다.

Fig. 1. Adsorption equilibrium of boron/

nickel binary system onto chelate

resin with/without 0.1M EHD

Fig. 2. Adsorption equilibrium of boron/

lead binary system onto chelate

resin with/without 0.1M EHD

*

opened system : impregnated resin

closed system : chelate resin

*

opened system : impregnated resin

closed system : chelate resin

Fig. 3. Adsorption equilibrium of boron/

zinc binary system onto chelate

resin with/without 0.1M EHD

Fig. 4. Adsorption equilibrium of boron/

cobalt binary system onto chelate

resin with/without 0.1M EHD

*

opened system : impregnated resin

closed system : chelate resin

*

opened system : impregnated resin

closed system : chelate resin

글루카민형 킬레이트 수지흡착제는 이성분계 금속 혼합물중 붕소의 선택분리 및 농축효과가 컸으며, 특히 용매추출제인 EHD가 함침된 경우에는 붕소의 선택분리 흡착 및 분리농축효과가 향상되었다.

Fig. 5. Adsorption of boron/zinc binary

system passed through the colu-

mn packed glucamine resin with/

without 0.1M EHD

(S.V. 4.5hr-1, Feed pH3.5)

Fig. 6. Eluent of boron/zinc binary sys-

tem from column packed glucam-

ine resin with/without 0.1M EHD

(S.V. 4.5hr-1, Eluent 2N-H2SO4)

*

opened system : impregnated resin

closed system : chelate resin

*

opened system : impregnated resin

closed system : chelate resin

참고문헌

1. 이경화, 박성은, 전성균, 양종규, 이성식 : 화학공학의 이론과 응용, 3, 1,          397(1997)

2.  I. Yoshida, H. Nagai, F. Sagara, K. Nobuhara, D. Ishii : Chem. Soc. Jpn,      7, 522(1995)

3. S. Akita, H. Takeuchi : J. Chem. Eng. Jpn., 23, 439(1990).

4. S. Akita, H. Takeuchi : J. Chem. Eng. Data., 37, 303(1992).

5. J. Shibata, T. Nagasaka, M. Mashimo : Shizen-to-Sozai, 110, 191(1994).

6. J. Shibata, T. Nagasaka, M. Mashimo : Shizen-to-Sozai, 110, 613(1994).