초음파균질화 液膜에 의한 水溶液中 Aniline의 제거

남상일, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of Aniline from Aqueous Solutions by Ultrasonically Homogenized Liquid Membrane

Sang-Il Nam, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

화학 공업의 첨단화와 다변화로 인하여 다종 다량의 난분해성 물질들을 함유한 산업 폐수들이 발생하고 있으며, 특히 석유화학공업의 부산물 중 대부분을 차지하는 방향족 탄화수소 물질들은 화학적으로 매우 안정된 구조를 가지고 있기에 기존의 물리·화학적인 처리 방법으로는 처리비용이 많이 들고 재사용이 불가능하다. 여러 가지 방법들 중에서 액막을 이용한 탄화수소의 분리[1,2]는 증류와 같이 상 변화에 따르는 열의 도입, 방출 과정을 필요로 하지 않기 때문에 에너지 절감 효과가 있고, 열에 약한 용질의 구조, 특성 등의 파괴나 손상 없이 물질을 분리, 정제 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 고분자 막과 비교시 동일 체적에 대해서 큰 접촉면적을 가지고 있고 따라서 추출 물질의 이동속도가 빠르기 때문에 분리, 농축하는데 시간 절감 효과가 있고 액체를 막으로 이용하여 분리하기에 막의 두께가 얇아져 침투량이 증가하고 물질전달 표면적을 크게 할 수 있고 또한 막을 자유롭게 형성, 회수함으로써 막의 수명이 반영구적이라는 등 여러 가지 장점을 가지고 있다[3].

본 실험에서는 수용액 중에 높은 비점(184.4℃)을 갖고 소량 함유되어 있는 aniline을 에멀젼 액막을 이용하여 제거함에 있어서 접촉기에서의 접촉시간에 따른 계면활성제의 종류와 농도, 내부수용액의 농도와 체적비, 에멀젼 투여량, aniline 농도, 용매의 종류 등을 변수로 하여 유화시 탁월한 성능을 시현하고 있는 초음파균질화기에 의한 결과와 유화시 기계적 교반기를 사용하였을 경우의 결과를 비교 검토하여 aniline 제거에 대한 효능을 확인하고자 한다.

이론

일반적으로 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[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[5]. 액막을 이용한 수용액중 aniline 제거는 외수상에서의 aniline이 액막을 통과한 후 유제 안의 HCl과 반응하여 aniline chloride를 형성한다. 약염기성인 아닐린은 외수상에서 대부분이 C6H5NH2상태로 존재하고 오일상인 액막에 녹을 수 있으나 내부수용액과 반응에 의해 생성된 아닐린염은 액막에 녹지 못하고 내부수용액 중에 갇히게 된다. 급격한 막파괴가 일어나기 전에는 막파괴로 인해 유제안의 HCl용액이 외부수용액으로 빠져나와 아닐린과 결합하여 아닐린염을 형성하는 양이 매우 작기 때문에 이를 무시할 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 paddle이고 교반속도는 digital형인 미국 Glas-Col사의 GT24 stirring system(Model 099D HST220)을 사용하여 조절하였다. 유화기에 내부수용액(HCl 용액)과 막상용액(계면활성제+케로신)을 여러 혼합비율로 섞어서 초음파균질화기의 flat tip(1/2 in. diameter)을 사용하여 조사강도 68 watt로 60초간 유화시켜 W/O형 에멀젼을 제조했다. 유화기에서 제조한 W/O 에멀젼을 접촉기에서 외수상인 aniline 1000 ppm 수용액에 교반시켜 W/O/W형 복에멀젼을 만들었다. 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

Fig. 1은 접촉기에서의 교반속도를 달리 하면서 aniline의 제거효과를 관찰한 결과이다. 교반속도는 액막의 안정성과 성질에 큰 영향을 미치는 인자로 본 실험에서는 초음파균질화기를 이용하여 만든 에멀젼을 접촉기에서 에멀젼/외수상의 체적비 1/4로 하여 실험을 하였으며 교반속도가 400 rpm, 접촉시간 6분에서 가장 좋은 제거효율인 99.3%(6.3ppm)을 나타내었다. 교반속도가 작을 때는 에멀젼 입자가 크게 형성되고 접촉 표면적이 작아지게 되어 aniline이 액막을 통한 내수상으로의 투과를 줄이는 효과를 가져온다. 반대로 교반속도가 증가함에 따라 에멀젼 입자가 작게 형성되어 접촉 표면적이 커져 제거효율이 좋아지나 교반속도가 너무 빠르면 막이 불안정하게 형성되어 막파괴가 쉽게 일어난다.

2. 계면활성제 농도의 영향

Fig. 2는 계면활성제(span 80, HLB 4.3) 농도에 따른 aniline의 제거효율을 나타내고 있다. 실험결과에서 Span 80의 농도가 11.0 %인 경우에 접촉시간 6분에서 가장 좋은 제거효율인 99.4%(5.8ppm)를 나타냈었다. 낮은 계면활성제 농도에서 초기에 투과속도는 좋았지만 막이 얇아 막의 접촉시간이 길어지면서 막의 파괴가 쉽게 일어났다. 상대적으로 높은 계면활성제 농도에서는 투과속도는 떨어지지만 액막의 점성과 두께증가로 막이 상대적으로 안정하게 형성되었다.

3. 초음파 균질화기의 조사강도의 영향

Fig. 3은 초음파 균질화기의 조사강도에 따른 실험결과를 나타내었다. 조사 강도가 커질수록 유화가 잘 되어 안정한 에멀젼을 형성하였다.. Fig. 3에서 보면 조사강도 32 watt일때는 W/O 에멀젼이 제대로 형성되지 않아 제거효율도 떨어지고  막의 파괴가 쉽게 일어남을 볼 수 있다. 그러나 조사강도 50 watt 이상부터는 안정한 에멀젼을 형성하여 막의 파괴가 아주 적게 일어나기 때문에 제거효율이 좋게 나타나고 있다. 조사강도가 68 watt에서 가장 좋은 제거효율인 99.3%(6.2ppm)를 나타냈었다.

4. 초음파 균질화기의 조사시간의 영향

Fig. 4는 초음파 균질화기의 조사사간 변화에 따른 aniline 제거량 변화를 나타내고 있다. 충분한 유화를 하기 위해서는 어느 정도 이상의 조사시간을 필요로 한다. 시간이 부족할 경우 충분한 유화가 되지 않아 안정한 에멀젼을 형성하지 못한다. 조사시간이 30초인 경우를 보면 충분한 유화가 일어나지 않아 전체적으로 제거효율이 떨어짐을 볼 수 있다. 조사시간이 60초, 접촉 시간 6분에서 가장 좋은 제거효율인 99.4%(5.6ppm)를 나타내었다.

참고문헌

1. Shah N. D.and Owens, T. C. "Separation of Benzene                         and Hexane with Liquid Membrane Technique", Ind. Eng. Chem.              Prod. Res. Dev., 11(1), 58-63 (1972).

2. Bart, H. J., Jungling, H., Ramaseder, N. and Marr, R. : "Water and            Solute Solubilization and Transport in Emulsion Liquid                       Membranes", J. Membr. Sci., 102, 103-112 (1995).

3. Li, N. N. : "Facilitated Transport through Liquid Membranes

-an Extended Abstract", J. Membr. Sci., 3, 265-269 (1978).

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

5. Marr, R. and Kopp, A. : "Liquid Membrane Technology-

A Survey of Phenomena, Mechanisms, and Models", Int.    Chem. Eng., 22(1), 44-60 (1982).

Fig. 1. Effect of stirring speed   Fig. 2. Effect of surfactant             on removal of aniline.            concentration on                                                    removal of aniline.

Fig. 3. Effect of ultrasonic     Fig. 4. Effect of time for

intensity on removal           ultrasonic homogenization

of aniline.                      on removal of aniline.