에멀젼형 액막에 의한 수용액 중 p-cresol의 제거

곽경록, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of p-Cresol from Aqueous Solution

by Liquid Membrane

Kyoung-Roc Kwak, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

최근 수질환경오염에 따른 음용수 및 공업용수를 비롯한 수자원의 부족을 해결하고자 폐수처리에 막분리 기술을 적용시키려는 연구가 시도되고 있다. 특히 액체막을 이용한 분리기술[1,2]은 기존의 분리공정과 같이 상변화에 따르는 열 도입 및 방출 과정을 필요로 하지 않고 물질을 분리, 농축 혹은 정제할 수 있어서 에너지 절약형 고도분리기술로서 새롭게 주목받는 분리기술 중의 하나이다. 또한 고분자 막을 이용한 방법보다 막의 접촉면적이 크고 막의 두께가 얇아 투과속도가 빠르며 용질을 선택적으로 분리할 수 있다. 그러나 시간이 지남에 따라 막의 안정성이 저하되어 제거효율이 떨어진다. 따라서 막안정성이 중요한 변수가 된다.

본 실험은 초음파균질화기에 의한 액막을 수용액중 p-cresol의 제거함에 있어서 제거 효율에 영향을 미치는 여러 요인들을 실험을 통하여 밝혀내고 막의 안정성이 제거에 미치는 영향을 알아보았다. 계면활성제 농도, 접촉기에서의 교반속도, 외수상과 에멀젼의 체적비, 초음파균질화기의 조사강도가 수용액 중 p-cresol의 제거효율에 미치는 영향을 분석하고 이를 통하여 최적의 제거를 위한 조건들을 찾아 보았다.

이론

액막은 유기용액 또는 수용액으로 구성된 두 상 사이에 위치하여 그 속에 추출용매를 함유하고 있거나 혹은 막 자체가 여러 가지 용질에 대한 용해도를 가지고 있어 서로의 직접적인 접촉은 차단하면서 특정 성분만을 선택적으로 투과시키는 역할을 한다[3,4]. 에멀젼형 액막은 서로 혼합되지 않는 유기용액과 수용액을 계면활성제로 균일하게 혼합하여 에멀젼 상태로 안정화될 수 있는 성질을  이용한 것으로 액막을 구성하고 있는 상이 유기용매인가 수용액인가에 따라 W/O/W(water in oil in water) 형태와 O/W/O(oil in water in oil) 형태가 있다. 본 실험에서는 친유성 계면활성제를 사용하는 W/O/W형 액막 형태이다. 액막을 이용한 수용액중 p-cresol 제거는 외수상에서의 p-cresol가 액막을 통과한 후 유제안의 NaOH와 반응하여 sodium p-cresolate를 형성한다. 약산성인 p-cresol은 수용액 중에서 오일상인 액막에 녹일 수 있으나 내부수용액의 NaOH와 반응에 의해 생성된 sodium p-cresolate는 강전해질로 액막에 녹지 못하고 내부수용액 중에 갇히게 된다. 이를 이용하여서 외수상의 오염물인 p-cresol를 제거할 수 있다.

실험

본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 유화기와 접촉기로 나눌 수 있다. 유화기로는 초음파균질화기(Ultrasonic Generator Model 450, Branson Ultrasonics Co., U.S.A.)와 기계적 교반기를 사용하였다. 접촉기에 사용된 교반기는 직경 45□의 four-blade paddled을 사용하였고 교반속도는 digital형인 미국 Glas-Col사의 GT24 stirring system(Model 099D HST220)을 사용하여 조절하였다. 유화기에 내부수용액(NaOH 용액)과 막상용액(계면활성제+케로신)을 여러 혼합비율로 섞어서 초음파균질화기의 flat tip(1/2 in. diameter)을 사용하여 조사강도 7로 45초간 유화시켜 W/O형 에멀젼을 제조했다. 유화기에서 제조한 W/O 에멀젼을 접촉기에서 외수상인 p-cresol 1000 ppm 수용액에 교반시켜 W/O/W형 복에멀젼이 만들었다. 그리고 내부수용액의 농도를 변화시키고 교반기의 속도와 교반시간을 변화시키면서 교반하고 일정시간 동안 정치시킨 후에 시료를 채취하여 UV spectrometer로 분석하였다.

결과 및 고찰

1. 계면활성제 농도의 영향

Fig. 1은 계면활성제 농도(span 80, HSB 4.3) 농도에 따른 p-cresol의 제거효율을 나타내었다. 유화시 계면활성제의 농도가 높을수록 유화가 잘 되므로 안정한 에멀젼이 형성된다. 그러나 계면활성제의 농도가 높아질수록 액막계면에 모이는 계면활성제 분자들의 양이 증가해 액막이 두꺼워지게 되고 따라서 물질의 전달저항도 증가하게 되어 투과속도는 떨어진다. 반대로 계면활성제 농도가 작아질수록 막은 불안정하게 되어 막 파괴가 잘 일어나게 된다. 그림에서 계면활성제 농도가 7wt%, 접촉시간 5분에서 가장 좋은 제거효율 97.97%(20.20ppm)를 나타내었다. 계면활성제 농도가 5wt%일 때는 안정한 액막을 형성하기에는 충분하지 못하기 때문에 접촉면적이 감소되고 액막이 불안정하게 되어 제거효율이 떨어짐을 볼 수 있다. 그리고 11wt%에서는 액막의 점성과 두께증가로 인한 물질전달저항의 증가로 p-cresol의 제거효율이 떨어짐을 알수 있다.

2.  접촉기에서 교반속도의 영향

접촉기에서의 교반속도는 액막의 안정성과 성질에 큰 영향을 미치는 인자로 본 실험에서는 초음파균질화기를 이용하여 만든 에멀젼을 접촉기에서 에멀젼/외수상의 체적비 3:1로 하여 교반속도에 따른 p-cresol제거효율을 Fig. 2에서 나타내었다. 접촉기에서 교반속도가 400 rpm, 접촉시간 5분에서 가장 좋은 제거효율인 97.28%(20.20ppm)을 나타내었다. 교반속도가 작을 때는 에멀젼 입자가 크게 형성되고 접촉 표면적이 작아지게 되어 p-cresol이 액막을 통한 내수상으로의 투과를 줄이는 효과를 가져온다. 반대로 교반속도가 증가함에 따라 에멀젼 입자가 작게 형성되고 접촉 표면적이 커져 제거효율이 좋으나 시간이 지날수록 막파괴율이 증대되어 제거효율이 감소함을 보여준다.

3. 외부수용액과 에멀젼 투여량의 체적비 영향

Fig. 3는 외부수용액과 에멀젼의 체적비가 p-cresol 제거에 미치는 영향을 나타내었다. 그림에서 알수 있듯이 외수상 대비 에멀젼의 양이 증가할수록 용질이 투과할 수 있는 에멀젼 양은 상대적으로 증가하게 되어 제거효율은 증가한다. 반대로 외수상의 양이 많으면 접촉면적의 감소 뿐만 아니라 p-cresol이 외수상에서 내수상으로 들어갈 경우 p-cresol을 수용할 수 있는 충분한 NaOH수용액이 존재해야 하는데 그 양이 적으므로 단시간에 포화가 되어 제거효율은 떨어진다. 외수상 대비 에멀젼의 양이 3:1에서 가장 좋은 제거효율을 보였다.

4. 초음파 균질화기의 조사강도 영향

초응파 균질화기의 조사강도는 에멀젼의 성질에 큰 영향을 미치는 요소중의 하나이다. 조사강도가 커질수록 유화가 잘 되어 안정한 에멀젼을 형성하게 된다. Fig. 4에서 보면 조사강도 1일때는 유화가 잘 되지 않아 에멀젼이 불안정하게 형성되어 막의 파괴의 증가로 p-cresol의 제거효율이 떨어짐을 알 수가 있다. 그러나 조사강도 3 이상부터는 안정한 에멀젼을 형성하여 막의 파괴가 아주 적게 일어나기 때문에 제거효율이 좋게 나타나고 있다. 어느 정도 유화가 된 이후에는 조사강도를 증가시켜도 제거효율에는 큰 차이가 나지 않음을 알 수 있다. 실험에서 조사강도 7일 때 가장 좋은 제거효율을 나타내었다.

참고문헌

1. Marr, R. and Kopp, A.: Int. Chem. Eng., 22, 1, 44-60 (1982).

2. Maugh, II, T. H.: Science, 193, 134-137 (1976).

3. Li, N. N., Cahn, R. P. and Shrier, A. L.: U.S.Patent 3, 779, 907 Dec. 18       (1973).

4. Ho, W. S., Hatton, T. A., Lightfoot, E. N. and Li, N. N.: AIChE J., 28(4)     (1982).

Fig. 1. Effect of surfantant concentration    Fig. 2. Effect of stirring speed on

on removal of p-cresol.                       removal of p-cresol.

Fig. 3. Effect of volume ratio on         Fig. 4. Effect of ultrasonic intensity

removal of p-cresol.                         removal of p-cresol.