초임계 이산화탄소에 의한 염료의 용해도측정

이재욱, 민정명, 배효광

영남대학교 화학공학 및 공업화학부

Solubility Measurement of Dyestuffs in Supercritical Carbon Dioxide

Jae Woock Lee, Jung Myung Min, Hyo Kwang Bae

Dept. of Chemical Engineering and Technology, Yeungnam Univ.

서론

Polyester와 같은 합성섬유의 염색에 초임계유체를 용매로 사용되는 연구결과[2-8]가 다수 보고 되고 있다. 종래의 염색방법으로 유발되는 다량의 염색폐수처리, 염료의 낮은 이용율 및 에너지의 과다소모등과 같은 문제를 해결할 수 있는 것으로 판단되기 때문에 위와 같은 연구가 더욱 관심을 끌게 되었다. 그러나 이들 연구의 대부분은 초임계유체속에서 염료의 염착량과 염착속도에 관한 것이며 염료의 초임계유체중에 평형농도와 염착량에 관한 보고는 거의 없다.

본 연구에서는 몇 가지의 염료를 선택하여 초임계 이산화탄소중에 염료의 용해도를 넓은 온도와 압력범위에서 측정하고 동일한 조건에서 섬유를 염색할 때 평형염착량과의 관계를 검토한다.

실험방법

이미 보고[1]된  반유통식 실험장치(Fig. 1)의 평형조내에 유리솜과 번갈아 가면서 염료를 채운다. 50℃, 80℃, 110℃, 140℃의 일정한 온도와 10MPa - 35MPa의 압력범위에 있는 초임계상태의 이산화탄소를 거의 일정한 유속으로 평형조의 밑에서 위로 흘려 보내면서 초임계 이산화탄소중에 평형으로 용해된 염료를 포집하였다. 포집된 염료를 Chlorobenzene에 용해하고 UV-Spectrometer에 의하여 그 농도를 측정하였다. 즉, 800-400nm 범위에서 scanning하여 확인된 염료의 특성피크인 516nm를 구하고 이미 작성되어 있는 검량선에 의하여 염료의 무게를 얻는다. 또한 rotameter와 wet gas meter를 통하여 흘러간 이산화탄소의 양을 측정하여 무게로 환산하고 측정시간동안에 추출된 염료와 이산화탄소의 무게로부터 용해도를 구하였다. 추출평형조에서 배출되는 혼합유체중에 염료가 포화되었는 지를 확인하기 위하여 이산화탄소의 유량에 따른 용해도의 변활르 조사한 결과 약 300ml(STP)/min이내의 유량에서는 유량이 변하여도 용해도는 거의 일정함이 이미 밝혀져 있으므로 이산화탄소의 유량이 약 150ml(STP)/min근방에서 실험을 실시하였다.

실험결과

Fig. 2에는 일정한 온도에서 압력이 10MPa에서 35MPa로 증가할 때의 분산염료인 C.I. Disperse red 60의 용해도를 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 온도에따라 염료의 용해도의 영향은 거의 구별할 수 없으나 용해도에 대한 압력의 영향은 매우 크며 압력이 이산화탄소의 임계압력근방에서부터 급격히 증가하다가 약 20MPa 이상에서는 증가가 둔화된다.

Fig. 3은 증강인자의 밀도에 대한 영향을 프롯트한 것이다. 밀도는 실험온도와 압력에서 순수한 이산화탄소의 밀도를 말하며 Huang et al.[8]이 제안한 상태방정식으로 계산한 값이다. 증강인자(E)는 [eqn: E=y_2 P/P_2^s]의 식에서 계산된다. 여기서 y2는 염료의 몰분율, P와 P2s는 각각 전압과 염료의 승화압을 의미한다. 분자량이 큰 염료에 대하여 승화압을 그룹기여방법등으로 추정하는 것은 의미가 없으므로P2s를 1Pa로 가정하였고, 따라서 증강인자는 P2s=1Pa일 때의 값이다.

일정온도에서 밀도가 증가함에 따라 증강인자도 민감하게 증가하며 비교적 저온인 50℃에서는 거의 직선적으로 증가하지만 80℃와 110℃에서는 그러하지 못하였다.

A : Gas cylinder         B : Liquid pump       C : Cooling unit

D : Pressure regulator    E : Dyeing vessel     F : Expansion valve

G : Cold trap            H : Rotameter          I : Wet gas meter

TC : Temperature controller         TI : Temperature indicator

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus

Fig. 2 Solubility of C.I. disperse red 60 in supercritical carbon dioxide

Fig. 3 Enhancement factor vs. density of carbon dioxide

종합

반유통식 초임계추출장치를 사용하여 염료의 용해도를 측정하였다. 용해도는 10-9-10-6의 극히 적은 몰분율값을 나타낸다. 용해도에 대한 온도의 압력, 또는 밀도의 영향과 증강인자에 대한 밀도의 영향을 검토하였다.

참고문헌

1. 배효광, 허병기 : 화학공학, 34(3), 379-382(1996)

2. Saus,W., Knittel, D. and Schollmeyer, E. : Textile Res. J., 63(3), 135(1993)

3. Haarhaus, U., Swidersky, P. and Schneider, G. M. : The Journal of           Supercritical Fluids, 8, 100-106(1995)

4. Swidersky, P., Tuma, D. and Schneider, G. M. : The Journal of               Supercritical Fluids, 9, 12-18(1996)

5. □zcan, A. S., Clifford, A. A. and Bartle, K. D. : J. Chem. Eng. Data, 42,      590-592(1997)

6. Ma, X. and Tomasko, D. L. : Ind. Eng. Chem. Res., 36, 1586-1597(1997)

7. Gebert, B., Saus, W., Knittel, D., Bushmann, H.-J. and Schollmeyer, E. :       Textil Res. J., 63(7), 371-374(1994)

8. Huang,F.-H., Li, M.-H., Lee, L. L. and Starling, K. E. : J. Chem. Eng.        Japan, 18(6), 490(1985)