칼럼을 이용한 양이온 교환연구

이강원, 이인형

순천향대학교 신소재화학공학부

A Column Study on Cation Exchange

Kang Won Lee, In Hyoung Rhee

Division of Material and Chemical Engineering, College of Engineering, Soonchunhyang University, Asan 336-745, Korea

서  론

이온교환 수지는 수중의 이온성 물질을 제거하기 하는 가장 신뢰성 있는 단위공정일 뿐만 아니라 재 사용할 수 있으므로 경제성 면에서도 우수하다. 이온교환은 연수 및 탈염공정, 특정 물질의 제거 및 회수, 토양을 통한 이온성 물질의 이동에서 널리 이용되어오고 있으며, 특히 토양화학 분야에서는 지난 한세기 동안 수많은 연구가 진행되어 왔다.

이온교환 물질은 흡착 능력이 상실되면 소금물, 염산 및 황산, 가성소다를 이용해 재생하여 다시 사용하는데, 그 원리는 이온세기에 높아지면 선택도가 감소한다는 것이다. 일반적으로 수지에 대한 선택도는 이온, 용액 및 수지의 특성에 좌우된다. 이온의 원자가가 높아짐에 따라, 이온의 수화반경이 작을수록, 용액의 농도가 낮을수록 이온의 선택도는 증가하며, 그 정도는 수지 표면의 종류 및 밀도 등에 영향을 받는다.

따라서 본 연구에서는 원자력 발전소의 이온교환 수지탑을 축소시킨 칼럼실험을 이용하여 실제 공정에서의 이온교환 특성을 조사하였다.

실  험

이온교환은 액체상의 조성과 이온세기에 영향을 받으므로 염소이온을 바탕 음이온으로 고정하고, 액체상에 존재하는 양이온 총농도를 2, 3, 4, 5성분에서 0.01N, 0.05N로 일정하게 유지하여 두 가지 실험을 하였다.

이온교환은 이온 전하 및 크기에 영향을 받으므로 1, 2가 양이온을 각각 두 가지 및 세 가지 종류로 채택하고자 H+, Na+, Li+, NH4+, Mg2+을 선정하였다.

이온교환수지의 물리화학적 특성으로 양이온교환능력, 수분 함량, 표면적, 열적 안정도 등을 조사하였다. 양이온교환능력은 먼저 H형태 수지를 0.01N NaOH에 첨가한 후 잔류하는 OH-를 0.1N HCl로 역적정하여 결정하였으며, 수분함량은 100□에서 12시간 건조시킨 후 무게 차이로부터 결정하였다.

먼저 저장용액 NaCl, LiCl, NH4Cl, MgCl2을 2, 3, 4, 5성분에 맞게 미리 정해둔 비율로 섞어 그 총농도가 0.05N과 0.01N이 되게 하였다. 제조된 저장용액을 양이온교환수지가 들어있는 컬럼 상부로부터 50ml/min의 유량으로 흘려주어 매5분마다 30분동안 시료을 채취하여 분석하였다. 수지양은 0.05N의 경우 30g 0.01N의 경우 6.3g으로 하였다.

결과 및 고찰

선택도를 결정하기 위해서는 용액상에 존재하는 이온세기에 의한 이온들의 활동도를 결정하여야 하나 여기서는 농도를 기준으로 해당 이온의 흡착 정도를 표시하기 위해 당량을 기준으로 도표화하였다.

가. 양이온 교환수지의 물리화학적 성질

실험에 이용한 양이온 교환수지(Amberlite IRN-77)의 습분함량은 45.29%, 양이온교환용량은 4.88 meq/g으로 측정되었으며, BET 표면적은 1.15m2/g이였으며, 수지는 100℃까지 열적으로 안정하였다.

나. 2성분 양이온교환

그림1은 양이온교환 칼럼을 이용하여 NaCl 0.05N과 0.01N을 유량 50ml/min으로 30분간 흘려 5분마다 칼럼 하부로 나오는 유출수를 채취하여 분석한 그림이다. 0.05N에서 Na+ 용출이 먼저 시작되나 고농도에서 흡착능력이 감소하는 성질로 인하여 0.01N에서 예측한 결과보다 빨리 용출되었다.

그림1. 0.05N, 0.01N에서 H+, Na+ 간 2성분 양이온교환

다. 3성분 양이온교환

그림2는 0.05N과 0.01N에서의 H+, Na+, Li+간 3성분 양이온교환을 나타낸 그림이다. 주어진 총양이온 농도에서 Na+이 Li+보다 빨리 용출되므로 Li+이 Na+보다 선택도가 낮음을 나탸내며 2성분 양이온교환과 같이 고농도에서 흡착능력이 저하 되었다.

그림2. 0.05N, 0.01N에서 H+, Na+, Li+ 간 3성분 양이온교환

라. 4성분 양이온교환

그림3는 0.05N과 0.01N에서의 H+, Na+, Li+, Mg2+간 4성분 양이온교환을 나타낸 그림이다. 주어진 농도에서 용출순서는 Na+, Li+, Mg2+ 순이므로 선택도를 동일한 순서가 되며, 선택도 값은 시간을 흡착량으로 환산하여 얻어질 수 있다.

그림3. 0.05N, 0.01N에서 H+, Na+, Li+, Mg2+간 4성분 양이온교환

마. 5성분 양이온교환

그림 4는 0.05N, 0.01N에서 H+, Na+, Li+, Mg2+, NH4+간 5성분 양이온교환을 나타낸 그림이다. 양이온 수지가 충진된 칼럼으로부터 용출되는 순서는 H+, Na+, Li+, NH4+, Mg2+ 순이며, 선택도 차이는 용출시간의 값으로부터 정량화 할 수 있다.

그림3. 0.05N, 0.01N에서 H+, Na+, Li+, Mg2+, NH4+간 5성분 양이온교환

`결  론

본 연구에서 이온세기가 다를 경우 칼럼에서의 이온교환 특성을 알아보았다. 양이온교환 칼럼을 흐르는 용액의 이온세기가 낮으면 선택도가 높음을 알 수 있었고, 원자가가 2가인 이온의 경우 1가 이온보다 선택도가 높음을 알 수 있었다.

선택도 순서는 Na+ > Li+ > NH4+ > Mg2+의 순서로 나타났다. 이것은 원자가가 높고, 이온의 수화반경이 작으며, 용액의 농도가 낮을수록 선택도가 높다는 일반적으로 알고 있는 사실과 같음을 보여주고 있다. 따라서 이온교환을 이용하여 특정 이온을 제거할 때, 이온세기가 낮으며 원자가가 낮은 조건을 선택해야 높은 제거율을 얻을 수 있다.

참고문헌

1.	V. S. Soldatov and V. A. Bichkova,   Reactive Polymers, 3, 199(1985).

2.	V. S. Soldatov and V. A. Bichkova, Separation Science & Technology,	15(2), 89(1980).

3.	R. K. Bajpai, A. K, Gupta, and M. G. Rao, J. Phys. Chem, 77(10),	1288(1973).

4.	M. S. Sengupta and T. B. Paul, Reactive Polymers, 3, 217(1985).

5.	I. H. Rhee, J. of KSEE, 4(3), 195(1999).

6.	V. S. Soldatov and V. A. Bichkova, Reactive Polymers, 3, 207(1985).

7.	A. D. Lucas, J. Z. Zarca, and P. Canizares, Separation Science &	Technology, 27(6), 823(1992).

8.	I. H. Rhee, J. of KSEE, 4(3), 206(1999).

9.	I. H. Rhee and D. A. Dzombak, Langmuir, 14(4), 935(1998).