액막에 의한 수용액중 Phenylacetic Acid의 제거

곽경록, 박철성, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of Phenylacetic Acid from Aqueous Solution

by Liquid Membrane

Kyoung-Roc Kwak, Chul-Sung Park, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

수용액중의 phenylacetic acid와 같은 인체에 유해한 벤젠계통의 유기물질은 난분해성 물질로서 처리가 용이하지 않을 뿐만 아니라 제거도 어렵다. 이와 같은 경우에 이용될 수 있는 기술로서 액막에 의한 분리기술[1,2]은 기존의 분리공정과 같이 상변화에 따르는 열 도입 및 방출 과정을 필요로 하지 않고 막의 선택적 투과 및 고농축성 원리를 이용하여 물질을 분리, 농축 혹은 제거할 수 있어서 에너지 절약형 고도분리기술로서 새롭게 주목받는 분리기술 중의 하나이다. 액막 분리공정은 물질 전달 표면적이 매우 크기 때문에 용질의 투과량과 분리 속도가 크지만 막의 안정성이 시간이 지남에 따라 저하되어 제거효율이 떨어진다. 따라서 막안정성이 중요한 변수가 된다.

본 실험에서는 에멀젼 제조에 있어서 유화장치로 기계적 교반기와 초음파균질화기[3,4]를 사용하여 수용액중 phenylacetic acid를 제거함에 있어서 주요 인자들이 제거효율과 막안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 접촉기에서의 교반속도, 계면활성제의 농도가 phenylacetic acid의 제거효율에 미치는 영향을 밝히고 이를 통해 최적의 제거효율을 주는 조건을 찾았다. 또한 계면활성제의 농도에 따른 막파괴율 실험을 병행하였다.

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. 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 phenylacetic acid 제거는 외수상에서의 phenylacetic acid가 액막을 통과한 후 유제안의 NaOH와 반응하여 sodium phenylacetate를 형성한다. 약산성인 phenylacetic acid는 수용액 중에서 오일상인 액막에 녹일 수 있으나 내부수용액의 NaOH와 반응에 의해 생성된 sodium phenylacetate는 강전해질로 액막에 녹지 못하고 내부수용액 중에 갇히게 된다. 이를 이용하여서 외수상의 오염물인 phenylacetic acid를 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 사용하였고 접촉기에 사용된 교반기의 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 103.6 □로 1분간 유화시켜 W/O형 에멀젼을 제조했다. 유화기에서 제조한 W/O 에멀젼을 접촉기에서 외수상인 phenylacetic acid 2000 ppm 수용액에 서서히 가하면 액적 상태로 분산되어 W/O/W형 복에멀젼이 제조된다. 그리고 내부수용액의 농도를 변화시키고 교반기로 속도와 교반시간을 변화시키면서 교반하고 일정시간 동안 정치시킨 후에 시료를 채취하여 UV spectrometer로 분석하였다.

결과 및 고찰

1. 접촉기에서 교반속도의 영향

접촉기에서의 교반속도는 액막의 안정성과 성질에 큰 영향을 미치는 인자로 본 실험에서는 초음파균질화기를 이용하여 초기 phenylacetic acid 농도 2000 ppm, 계면활성제 Span 80 9.0 wt %, 내부 수용액 2.0 wt % NaOH, 내부 수용액/계면활성제 용액의 체적비 0.5, 에멀젼/외수상의 체적비 0.25로 하여 접촉기에서의 교반속도에 따른 phenylacetic acid 제거효율을 Fig. 1에서 나타내었다. 접촉기에서 교반속도가 400 rpm일 때 phenylacetic acid 제거효율이 가장 우수함을 확인할 수 있었다. 이는 교반속도가 증가함에 따라 접촉 표면적이 커지는데 비해 시간이 지날수록 막파괴율이 증대됨을 보여준다. 접촉시간이 5분일 때 접촉기에서 교반속도가 400 rpm인 경우 제거효율 98.27 %(32.97 ppm)를 얻었다.

2. 유화시 기계적 교반기 교반속도의 영향

유화시 기계적 교반기의 유화시간은 예비실험으로 통해 가장 좋은 3분으로 고정하고 교반속도를 변수로 하여 실험하였다. Fig. 2에서 보면 유화시 기계적 교반기의 교반속도가 1600 rpm인 경우에 접촉시간 5분에서 가장 좋은 제거효율 95.97 ）(80.05 ppm)를 나타내었다. 유화시 기계적 교반기의 교반속도가 상대적으로 낮은 800 rpm, 1200 rpm일 때에는 에멀젼 형성이 완전하지 못하여 접촉시간이 짧은 경우에는 제거효율이 낮았다. 그러나 접촉시간이 경과할수록 점차적으로 좋은 제거효율을 나타내고 있으며 유화시 기계적 교반기의 교반속도가 상대적으로 높은 2000 rpm일 때에는 에멀젼의 안정성이 떨어지게 되어 접촉시간의 경과에 따라 페닐아세틱산의 농도가 계속적으로 증가하면서 접촉시간 11분에서 급격히 막의 안정성을 잃고 막파괴가 일어나게 되어 제거효율이 떨어지게 되었다. Fig. 1에서 유화시 초음파균질화기를 사용하였을 때의 제거효율 98.27 ）(34.65 ppm)보다 낮은 값을 나타내었다. 따라서 유화시 기계적 교반기를 사용하는 것보다 초음파 균질화기를 사용하는 것이 보다 안정한 에멀젼을 형성하여 더 좋은 제거효율을 나타내고 있다는 사실을 알수 있다.

3. 계면활성제 농도의 영향

Fig. 3은 계면활성제(span 80, HLB 4.3) 농도에 따른 페닐아세틱산의 제거효율을 나타내었다. 이 그림에서 보면 계면활성제 Span 80의 농도가 9.0 wt ）인 경우에 접촉시간 5분에서 가장 좋은 제거효율 98.27 ）(34.65 ppm)를 나타내었다. 계면활성제 Span 80의 농도가 9.0 wt ）보다 낮은 5.0 wt ）와 7.0 wt ）일 때는 Span 80의 농도가 안정한 액막을 형성하기에는 충분하지 못하기 때문에 접촉면적이 감소되고 액막이 불안정하게 되어 페닐아세틱산의 제거효율이 감소되었다고 사료된다. 계면활성제 Span 80의 농도가 9.0 wt ）보다 높은 11.0 wt ）일 때는 투과속도가 낮고 액막의 점성과 두께증가로 인한 물질전달저항의 증가로 페닐아세틱산의 제거효율이 96.59 ）(68.21 ppm)로 떨어졌다고 사료된다.

4. 막파괴율

Fig. 4는 계면활성제 Span 80 농도에 따른 초음파균질화기와 기계적 교반기를 이용하여 유화시킨 경우의 막파괴율을 비교한 결과이다. 계면활성제 Span 80의 농도가 증가할수록 막파괴율은 점차적으로 줄어들고 있다. 이는 계면활성제의 농도가 낮을 때에는 안정한 막을 형성하지 못하여 더 많은 막파괴가 이루어졌고 농도가 증가함에 따라 막파괴가 보다 더 감소하여 막이 안정화됨을 확인할 수 있었다. 유화시 기계적 교반기를 사용하여 실험하였을 때의 막파괴율은 1.32 ）이고 초음파균질화기를 사용하였을 때의 막파괴율은 0.94 ）로서 초음파균질화기를 사용하면 막파괴가 상대적으로 적어 안정한 액막을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

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. Becher, P.(editor): " Encyclopedia of Emulsion Technology ", Marcell             Dekker, Inc., New York, N.Y., Vol. 1, pp. 65-67, 129-285 (1983).

4. Fogler, H. S.: Chem. Eng. Prog. Symp. Ser., 67, 1 (1971).

Fig. 1. Effect of stirring speed on   Fig. 2. Effect of mechanical stirring speed          removal of phenylacetic acid          on removal of phenyacetic acid.

Fig. 3. Effect of surfactant concentration Fig. 4. Membrane breakeup vs.                 on removal of phenylacetic acid.             surfactant concentration.