회분식 액막 추출기를 이용한 해수 중의

스트론튬 이온 분리

주 창식, 우 기주, 정 석기

부경대학교 화학공학과

Separation of Strontium Ion from Sea Water

in a Batch Liquid Membrane Permeator

Chang-Sik Ju, Ki-Ju Woo, Suk-Ki Jeong

Dept. of Chem. Eng., Pukyong National University

서  론

수용액 중의 특정 용질을 분리하는 많은 공정들 중에서 액막을 이용하는 분리법은 희박 용액으로부터 금속이온이나 단백질 등의 용질을 분리, 농축하는 매우 유용한 방법으로 알려지고 있다.

지지막을 이용하는 액막 추출기로는 함침 액막 추출기(supported liquid

membrane permeator)[1]와 hollow fiber contained liquid membrane permeator (HFCLMP) [2]가 사용되고 있다. 그러나 함침 액막 추출기는 함침된 막액의 양이 매우 적은 관계로 막의 내구성이 우수하지 못하고, HFCLM은 공중사의 지 름이 매우 작은 관계로 처리액 중에 부유물이 존재하는 경우에는 사용이 매우 불편하다는 단점이 지적되고 있다.

앞선 연구[3]에서 수용액 중의 금속이온을 효과적으로 분리할 수 있는 연속식액막 추출기를 고안하여 지속적으로 아연 이온을 추출하였으며 이를 바탕으로 본 연구에서는 해수 속의 스트론튬 이온을 회분식 액막 추출기를 이용하여 추출하고자한다. 두 장의 친유성 미세 여과지를 지지막으로 사용하는 회분식 액막 추출기에, 막액으로는 케로신으로 30 vol %로 희석시킨 D2EHPA 용액에 상승 효과를 가져오게 하기 위해서 DCH18C6를 첨가하여 사용하였다.

아울러 본 연구에서 사용한 계에 대한 간단한 물질전달 속도 모델을 제시하고, 지지막을 이용하는 액막 추출기 내에서의 분리 속도 실험 결과와 물질전달 속도 모델을 비교 검토하였다.

이   론

1. D2EHPA에 의한 스트론튬 이온의 추출평형.

유기상 내에서 D2EHPA는 이량체와 평형을 이루며 존재하고, 스트론튬을 비롯한 2가 금속의 D2HEPA에 의한 추출반응은 다음과 같이 진행되는 것으로 알려져 있다[1].

Sr2+ + (n+1) (HR)2 □ SrR2·n (HR)2 + 2 H+

이 추출반응의 추출평형 상수 Kex는

[eqn: K_ex = {[SrR_2˛ n(HR)_2 ] [H^+ ]^2}over {[Sr^2+ ][(HR)_2 ]^n+1}]

여기서 조건부 평형상수 K*ex를 [eqn: K_ex ^* = K_ex [H ^+ ]^-2]로 정의하고 추출반응이 매우 빨라 추출상-액막 계면에서 화학평형이 존재한다고 가정하면 추출제 HR의 수지식은 다음과 같이 된다.

[eqn: [HR]_o ~=~ [HR]_e ~+~2(n+1)K_ex ^* [Sr^2+ ][(HR)_2 ]^n+1]

2. 액막 추출기 내에서의 아연 이온 Flux 계산

추출 및 회수반응은 확산에 비하여 매우 빠르게 일어나므로, 추출 및 회수반응에서 기인되는 물질전달 저항을 무시하면 물질전달 속도식을 확산 항만으로 표시할 수 있다. 액막 추출기 내에서의 농도구배가 선형이라 가정하면, 추출상 경막에서의 flux Ja와 액막 내에서의 flux Jm은 각각 다음 식으로 표시된다.

[eqn: J_a ~=~ D_a over d_a ~([Sr^2+ ] - [Sr^2+ ]_f )]                                                  [eqn: J_m~ =~ D_m over d_m ~([SrR_2˛ n(HR)_2 ]_m.f ~-~ [SrR_2˛ n (HR)_2 ] _m.s]

추출반응이 매우 빨라 추출평형이 존재한다고 가정하면 추출 평형식에서 [eqn: [SrR_2˛ n(HR)_2 ]_m.f = K_ex ^* [Sr^2+ ]_f [(HR)_2 ]^n+1]이 된다.

회수상의 산 농도가 충분히 클 경우 액막 - 회수상 계면에서의 스트론튬 이온 분배계수가 추출상 - 액막 계면에서의 분배계수보다 대단히 작으므로 [eqn: [SrR_2˛ n (HR)_2 ] _m.s = 0]이라 가정하면, 정상상태에서의 스트론튬 이온 추출 flux J는

[eqn: J~=~ {{ K_ex ^* [(HR)_2 ]^n+1 } over {R_m + R_a · K_ex ^* [(HR)_2 ] ^n+1 }} [Sr^2+ ]] 가 된다.

먼저 추출상의 스트론튬 농도가 매우 클 경우에는 [eqn: J~ =~{ K_ex ^* [(HR)_2 ]^n+1 [Sr^2+ ]} over R_m]  [eqn: ~=~ [HR]_o over {2R_m (n+1)}]가 되어 flux J는 추출액 중의 스트론튬 농도와 무관하게 된다.

추출상의 스트론튬 농도가 매우 작을 경우에는 [eqn: J ~=~ {[Sr^2+ ]} over {R_a}] 이 되어 flux J가 추출액 중의 스트론튬 농도에 비례하게 된다.

실험

본 연구에서는 수용액 중의 금속이온을 효과적이고 지속적으로 분리, 농축할 수 있는 액막 추출기를 개발할 목적으로 Fig. 1.에 나타낸 것과 같은 회분식 액막 추출기를 제작하여 해수 중에 존재하는 스트론튬 이온의 분리 실험을 행하였다.

액막 추출기의 구조와 크기는 지난 연속식 추출 연구[3]에서 사용한 것과 동일하게 하였으며, 실험에 사용된 수용액은 Na, Mg, Sr의 농도를 해수의 조건과 동일하게 만든 것과 해수 및 해수의 농축 폐액을 사용하였다.

막액으로는 산성 추출제인 D2EHPA(Di-2-ethylhexyl phosphoric acid)를 kerosine에 30 vol.%로 희석시킨 것에 DCH18C6 (cis-Dicyclohexano -18-crown -6)를 3×10-3M로 투여하였다.

조작 변수로 추출 온도, 추출상의 초기 농도 및 pH, 액막의 조성 등을 변화시키면서 분리를 행하였다.

결과 및 고찰

회분식 액막 추출기를 사용하여 수용액 중의 스트론튬 이온 추출 실험을 행하여, 추출제의 첨가물에 따른 추출상과 회수상 중의 스트론튬 이온 농도 변화를 Fig. 2.에 나타내었다. Fig. 2를 보면 추출제로 DCH18C6만을 사용한 경우는 추출상의 평형농도가 73ppm, 평형 추출율이 9.2x10-5 mol/m2hr로 추출이 거의 이루어지지 않았고, D2EHPA만을 사용한 경우는 추출상의 평형농도와 평형 추출율이 각각 56ppm, 1.73x10-4mol/m2hr로 추출이 다소 이루어지는 것으로 나타났다. 그러나 이들 두 추출제를 혼합 사용한 경우의 평형 추출율은 3.4x10-4mol/m2hr로 두 추출제를 각각 사용한 경우의 평형 추출율을 합한 값, 2.65x10-4mol/m2hr 보다 큰 것으로 나타났다. 따라서 본 추출제에서는 DCH18C6와 D2EHPA가 Sr 이온 추출에 상승 효과를 나타내는 것을 알 수 있었다. 추출 온도, 추출액의 pH 등 추출 조건이 추출에 미치는 영향을 조사한 결과는 Fig. 3과 4에 나타내었다. 추출 온도가 추출에 미치는 영향을 나타내고 있는 Fig. 3을 보면 추출온도가 증가할수록 스트론튬 이온의 평형 추출율은 증가하고 있다는 것을 알 수 있으며, 추출액의 pH가 추출에 미치는 영향을 나타내는 Fig. 4를 보면 pH가 4 이하의 낮은 영역에서는 스트론튬 이온의 평형 추출율에 큰 영향을 미치지만 그 이상에서는 영향이 크지 않다는 것을 알 수 있었다.

그리고 해수의 조건으로 만든 용액에서 스트론튬 이온을 선택적으로 분리 할 수 있었으므로 실제 해수에의 적용 가능성도 알 수 있었다.

참고문헌

1. R. Guerriero & L. Meregalli : Hydrometallurgy, 20, 109 (1988).

2. A.K. Guha, C.H. Yun, R. Basu & K.K. Sirkar : AIChE J., 40(7), 1223 (1994).

3. C.S. Ju, S.H. Lee, H.D. Ha, S.K. Jeong : J. of the KESS (1999)