초임계유체를 이용한 soot에서 Fullerene의 추출Ⅱ

박 상훈, 유 연우, 김   철

아주 대학교 화학생물공학부

Extraction of Fullerene from soot by using Supercritical FluidsⅡ

Sang Hoon Park, Yeon Woo Ryu and  Chul Kim

Division of Chemical Engineering and Biotechnology, Ajou University.

서 론

Fullerene은 분자간의 낮은 표면장력과 높은 부피압축률 때문에 우수한 윤활유가 될 수있고, 또한 2.5×106 Psi 의 압력 하에서 안정하며, 흑연처럼 많은 유기용매에서도 안정하기 때문에 초전도체, 반도체, sensors, 대규모 공정의 산업용 촉매, 고분자 건축자재, Hydrogen 저장 매개체, 항바이러스성 약품 등에  그 활용가치가 매우 높이 평가되면서 추출뿐만이 아니라 고순도 정제의 필요성이 크게 대두되고 있다.[1,2]

Fullerene은 일반적인 추출방법인 Soxhlet Extraction Method -유기용매를 이용하여 추출후 Column chromatography에 의해서 분리·정제-, 또는 Sublimation Method -Fullerene의 승화온도에서 유지되는 기상 안으로 불활성환경 또는 진공 하에 있는 휘발성물질을 증발-을 사용하나 단조롭고 장시간이 소요되며 Submiligram 공정으로 새롭게 대두되는 공정이 SFE (Supercritical Fluid Extraction) 공정으로 초임계 이산화탄소만으로는 수율이 다소 낮으므로 다양한 종류의 Modifier를 사용함으로써 수율을 높일 수 있다.[3,4,5]

본 연구에서 사용되는 초임계 이산화탄소는 비극성용매로 극성이나 높은 용해점을 가지고 있는 화합물의 용해에는 어려움 점이 있으므로 극성을 가지는 용매(Modifier)를 첨가하여 추출효과를 높여야 하겠다.

실 험

1. 시약 및 장치

Standard Curve를 위해 TOKYO KASEI KOGYO사의 99.9%의 C-60 와  98%의 순도를 가진 C-70을 사용하였으며, soot는 TERRASIMCO INC.에서 구입하였다. 실험 장치는 Figure 1에 나타낸 바와 같이 이산화탄소 주입부, 교반 반응기 및 시료 채취부로 구성되어 있다. 온도 조절기가 달린 교반 항온 수조를 이용하여 반응기의 온도를 조절하였으며, 반응기 내부에 삽입된 thermocouple로 온도를 측정, ±0.5℃ 이내의 오차범위에서 온도를 일정하게 유지시켜 주었다.

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Fig. 1 Schematic diagram of experimental apparatus.

1. CO2 bomb	7. Pressure indicator

2. Liquid pump	8. Thermocouple

3. CO2 input line	9. Temperature indicator

4. Back pressure regulator	10. Digital stirring bath

5. Reactor	11. Sampling valve

6. Magnetic bar	12. Purge valve

2. 분석방법

Water 510 HPLC pump, UV Detector를 이용하여 분석하였다. Column은 Waters Spherisorb S5W(5□) -4.6□×20.0□-를 사용하였으며, 이동상의 조성은  Hexane과 Toluene을 98 : 2, 용매의 유속은 0.8□/min으로 하였고, 368nm에서 UV흡광도를 측정하였다.

3. 실험방법

Batch system 에서 55℃ ∼ 80 ℃ , 80 atm ∼ 280 atm 의 범위에서 Fullerene의 추출량을 알아보았으며, 반응시간과 Agitation에 에 따른 Fullerene의 추출량을 알아보았으며, 이를 상온에서 유기용매추출법과 비교하였다.

결과 및 고찰

온도는 아임계상태인 55℃에서, 압력은 초임계상태인 210 atm에서 높은 추출량을 보이는 것을 알수 있다. 또한 반응시간은 3시간 경과 후부터, 교반은 1500rpm에서 높은 추출량을 보이는 것을 알수 있다. 이에 반하여 유기용매추출은 12시간의 장시간이 소요되며, 추출량도 초임계 추출법에 비해서 낮은 양을 나타내는 것을 알수 있다.

결론 및 향후 연구방향

Batch system을 이용하여 온도와 압력에 대한 Fullerene의 용해도를 측정하여 초임계유체상에서 Fullerene의  평형 용해도에 미치는 온도와 압력에 대한 영향을 알아보고, 평형 용해도 예측을 위한 열역학적 모델을 설정한다.

이러한 결과를 토대로 초임계유체 용매 재순환 추출장치를 설계하며, Fullerene에 대한 Continuous system에서의 정확한 평형용해도를 측정하며, 최적의 추출 공정 및 운전 최적화에 의한 추출효율을 높임으로써 기존의 유기용매 추출방법과 경제성을 비교·검토한다.

참고 문헌

1. H. Selig, C. Lifshitz, T. Perez, J. E. Fisher, A. R. McGhie, W. L.          Romanow, J. P. McCauley and A. B. Smith, J. Am. Chem. Soc,113, 5475, 1991

2. A. F. Hebard, M. j. Rosseinsk, R. C. Haddon, D. W. Murphy, S. H.        Glauram, T. T. Palstra, A. D. Ramirez  and A. R. Kortran,  Nature, 351, 253,

3. Shinohara, H. W.;H.; Saito, Y.; Tohji, K.; Udagawa, Y.; Matsuoka, I. Chem. Phys. Lett. A30, L848, 1990

4. D. H. Parker, P. Wurz, K. Chatterjee, K. R. Lykke, J. E. Hunt, M. J. Pellin , J. C. Hemminger, D. M. Gruen,  and  L. M. Stock,  J. Am. Chem. Soc, Chem, Commun, 1991, 113, 7499

5. S. Saim, K. C. Kuo and D. L. Stalling, Sep. Sci. Technol. 28(8), 1509,     1993

Fig2. Pressure Effect                     Fig3. Temperature Effect

Soot/Toluene : 200mg/50ml               Soot/Toluene : 200mg/50ml

Temperature :  65 ℃                    Pressure      :  160 atm

Fig4. Effect of Reaction time

Soot/Toluene : 200mg/50ml

Condition    : 140 atm , 65 ℃