화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

중금속염  혼합용액으로부터  Pb(Ⅱ) 추출 및 물질전달

최 대 웅, 박 준 성, 박 동 원*

동의대학교 화학공학과, 동아대학교 화학공학과*

A Study on Mass Transfer and Extraction of Pb(Ⅱ) from Other Heavy Metal Salts Mixed Solution by using a Hollow Fiber Contactor

Dae-Woong Choi, Jun-Sung Park, Dong-Won Park*

Department of Chemical Engineering, Dongeui University

Department of Chemical Engineering, Dong-A University*

서론

근대산업사회의 급격한 발전에 따른 환경오염 중 특히 수질오염의 주원인인 공장폐수 중에 존재하는 크롬, 카드늄, 구리, 아연, 니켈등 중금속류에 의한 환경오염은 인체에 큰 영향을 미치며 이에 대한 대응책으로 환경오염 방지 기술이 더욱 활발해지고 있다. 중금속 성분의 분리조작 방법으로는 침전, 이온교환, 흡착, 전기투석, 여과 등 여러 형태의 물리, 화학적 방법을 사용하였으나, 이러한 분리조작의 대부분이 선별분리에는 한계성이 있으며, 장치비 및 운전비 등의 초기투자가 과다한 난점을 가지고 있다, 그리하여 이러한 문제점에 대한 개선책의 일환으로 최근 막 분리공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.(1-3) 그러나, 막공정은 처리액의 농도에 따라 고형분의 완전분리가 불가능하고 막오염의 문제, 오염물질의 제거에 따른 분리 효율의 저하등 중요한 난점이 해결되지 않았다.  그렇지만 구조적인 특성에 따라 실관 내·외부 유체의 흐름이 완전히 독립적이므로 기존장치들의 난점인 편류, 부하현상이 발생하지 않는다. 그리고 막의 물리, 화학적 안정성이 우수하고 막액처리가 간편할 뿐아니라 단위 부피당 표면적의 증가로 물질전달이 대단히 신속히 진행되므로 기존 분리장치에 비해 수십배 이상 물질전달 속도가 크고, 열변성 물질에 대한 상온조작, 선택분리 능력이 양호하고 설비가 단순하여 조작이 간편하며 투자비용과 운전비용이 저렴하다는 장점이 있다.(4-5) 그러므로 최근에는 초순수 제조(6), 폐수처리(7), 중금속제거(8), 기체 혼합물 분리,농축(9) 의약품 정제(10)와 생체의약(11) 등 다양한 분야에서 막공정의 실용화를 위한 연구들이 진행되고 있다.

본 연구에서는 실제적으로 중금속이온이 단독상태로 존재하는 것보다 여러 중금속염이 혼합용액 상태로 존재함으로서 이들이 서로 분리하는데 어떤 영향을 미칠것인가를 기존에 보고된봐 있는 추출연구(12-19)를 바탕으로 하여 연구하였다. 그리하여 실관막모듈을 이용한 중금속 투과추출에 있어서 추출제로는 di-(2-ethyl hexyl) phosphoric acid (D2EHPA), 유기용매는 n-heptane을 사용하였으며, 수용상과 유기상유량, 수소이온농도, 용액의 농도들을 변화시켜 추출하여 얻은 자료로부터 최적분리조작 조건을 찾아내고, 그 조건하에서 다성분혼합용액에서 타중금속이 Pb(Ⅱ)추출에 어떤 영향을 미치는지를 검토하고, 아울러 중공사막 모듈이 혼합용액에서 중금속을 분리하는데 사용가능한지를 검토하고자 한다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

실험

본 실험에 사용한 실관막 모듈은 미국 Hoechst Celances로부터 구입한 Liqui-

Cel Extra-Flow 2.5"×8" Membrane module이며, 또한 실험에 사용한 system은 Hoechst Celances사가 제작한 Laboratory Liquid/Liquid Extraction System을 사용하였다. 실험에 사용한 실관막의 특성이 소수성이므로 실험이 진행되는 동안 유기상이 막 기벽을 통하여 수용상으로 침투되는 현상을 막기 위하여, 실관막 내부의 압력(5psig)이 외부의 압력(0psig)보다 5psig 높게 유지하여 두 상간의 접촉계면이 안정되도록 하였다. 실관막의 외측인 shell side로는 D2EHPA를 포함한 유기상용액을 실관막의 내측인 tube side로는 중금속을 포함한 수용상용액을 서로 향류흐름이 되도록 하였다. 장치의 개략적인 공정도는 Fig. 1에 나타내었다.

1.	Hollow Fiber Module	8.	Flow Meter
2.	Aqueous Reservoir	9.	Pressure Gauge
3.	Organic Reservoir	10.	Tube in
4.	Magnetic Stirrer	11.	Tube out
5.	pH Meter	12.	Shell in
6.	Peristaltic Pump	13.	Shell out
7.	Metering Pump

Fig. 1. Schematic diagram for flow loop perstration

결과 및 고찰

미세공 실관막을 이용한 투과추출에 영향을 미치는 인자로는 추출제의 종류, 농도, 실관막의 특성, 유기용매의 종류, 모듈내의 유속 등을 열거할 수 있다. 여기서는 수용상 공급액중의 수소이온농도가 Pb(Ⅱ)의 추출에 미치는 영향을 조사하기 위하여 수소이온 농도의 변화에 대한 평형분배 실험을 하여- 평형분배계수를Fig. 2에 나타내었다.------------------- 수소이온농도 1.0×10-4.0mol/dm3일 때 6.9365로써 최대분배계수를 나타내므로 최적분배조건임을 알 수 있었다. Fig. 3에는 추출시간에 따른 Pb(Ⅱ) 잔류농도비를 수소이온농도 별로 나타내었고. Fig. 4는 수소이온농도에 따른 Pb(Ⅱ) 추출율을 나타내었다. 수소이온농도 1.0×10-4.0mol/dm3일 때 Pb(Ⅱ) 잔류농도비가 가장 낮으므로 이때 제일 우수한 추출조건임을 알 수 있었으며, 추출율은 90%이상을 나타내었다. 그리고 반응시작 20∼30분 경과후 Pb(Ⅱ) 잔류농도비가 거의 일정하므로 추출이 완료되었음을 알 수 있었다.

Fig. 5에서는 공급유량(수용상, 유기상)에 따른 총괄물질전달계수(20)(Kw)를 나타내었다. 유기상유량(Qs)변화에 따른 총괄물질전달계수는 별다른 변화가 없었으며, 수용상유량(Qt)이 증가할수록 총괄물질전달계수는 증가하였다. 그러므로 수용상유량이 총괄물질전달계수에 크게 영향을 나타냄을 알 수 있었다.

fig. 2 Influence of [H+] in aqueous solution on

distribution coeffient of the Zn(Ⅱ) extraction.

Fig. 3 Influence of [H+] on the Pb(Ⅱ) extraction.

Fig. 5 Influence of Kw on the aqueous phase flow              rate(Qt) and organic phase flow rate(Qs)

Fig. 4 Influence of [H+] in aqueous solution on the

extraction yield of the Pb(Ⅱ) extraction.

Fig. 6과 Fig. 7에서는 2, 3성분염 혼합용액에서 Pb(Ⅱ) 잔류농도비를 나타내었다. Pb(Ⅱ)단독성분일 때 잔류농도비는 0.364로써 추출율은 약 96%이였으며, 2성분염 Pb(Ⅱ)-Cd(Ⅱ)와 Pb(Ⅱ)-Cr(Ⅵ) 혼합용액계에서 잔류농도비는 각각 0.46과 0.51로써 매우 낮으며, 이때 Pb(Ⅱ) 추출율은 약 48∼54%이었으며, Pb(Ⅱ)-Ni(Ⅱ)와 Pb(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)혼합계는 잔류농도비가 0.12와 0.15로써 85∼86%의 Pb(Ⅱ) 추출율을 나타내었다. 또한 3성분 혼합계에서 Pb(Ⅱ)-Ni(Ⅱ)-Cr(Ⅵ), Pb(Ⅱ)-Cd(Ⅱ)-Cr(Ⅵ), Pb(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)-Cd(Ⅱ)계와 Pb(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)-Cr(Ⅵ)계는 잔류농도비가 0.21∼0.25정도로써 72∼78% 추출율을 나타내었으며, Pb(Ⅱ)-Ni(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)계와 Pb(Ⅱ)-Ni(Ⅱ)-Cd(Ⅱ)계는 잔류농도비가 0.068∼0.078로써 92∼93% 추출율을 나타내었다. 그러므로 2, 3성분염 혼합용액에서 구성된 계에 따라서 다른 금속염이 Pb(Ⅱ) 추출에 크게 또는 적게 영향을 나타내었다.

Fig. 6 Influence of 2-component salts mixed                      solution on the Pb(Ⅱ) extraction.

Fig. 7 Influence of 3-component salts mixed                      solution on the Pb(Ⅱ) extraction.

결론

소수성 실관막 모듈을 이용하여 실관막 내부로는 Pb(II)이 포함된 수용상을, 외부로는 추출제인 D2EHPA를 유기용매 Heptane으로 희석한 유기상을 사용하여 액-액 투과추출실험을 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. Pb(II) - D2EHPA 추출계에서는 수소이온농도가 1.0×10-4.0mol/dm3일 때 최대분배비를 나타내었으며, 그리고 반응시간 20-30분이었다.

2. 실관막 내부의 수용상유속이 증가할수록 총괄물질전달계수는 증가하였으나, 유기상유속이 증가    할 때는 별다른 변화가 없었다.

3. Pb(II)혼합계에서는 타성분 중금속이 Pb(II) 추출에 크게 또는 적게 영향을 나타내었다.

4. 타중금속이 혼합된 혼합용액에서 중금속 분리에 중공사막모듈 사용의 가능성을 나타내    었다.

참고문헌

1. Meares,P. : "Membrane Separation Process", Elsevier, NY(1976).

2. J. G. Bitter, : "Transport Mechanisms in Membrane Separation Process",

Plenum Press, NY(1971).

3. R. D. Noble, and S. A. Stern, : "Membrane Separations

Technology", Elsevier, Amsterdam(1995).

4. R. Basu and K. K. Sirkar, Solv. Extr. Ion Exch, 10, 119(1992).

5. D. Takigawa, Sep. Sci. Technol, 27, 325 (1992)

6. T. Hori, M. Hashino, A. Omori, T. Matsuda, K. Takasa. J. Memb. Sci., 135, 2, 263(1997).

7. Y. H. Wan, X. D. Wang and X. J. Zhang, J. Memb. Sci., 135, 2, 263(1997).

8. E. Klein, D. Yeager, R. Seshadri and U. Baurmeistet, J. Memb. Sci., 129, 1, 31(1997).

9. S. Q. Xiao and K. Li, Chem Eng. Research & Design, 75, A4, 438(1997).

10. V. N. Golubev and S. Benamara, Ind. Aliment. Agric, 108, 1075(1991).

11. M. R. Pillarella and A. L Zydney, J. Biomech Eng., 112, 220(1990).

12. D. W. Choi, Y. I. Kim and D. W. Park, J. of the Korean Ind. and Eng.            Chem.,7(5), 977,     (1996).

13. D. W. Choi, Y. I. Kim and D. W. Park, J. of the Korean Institute of Chem Eng.,     34(6), 806,(1996).

14. D. W. Choi and S. H. Park, J. of the Ind. Tech. Res. Dongeui University, 25,        279,(1997).

15. D. W. Choi J. of the Ind. Tech. Res., Dongeui university, 11, 291(1997).

16. D. W. Choi and K. S. Shin Kor. J. Env. Hlth. Soc., 25(1), 66, (1999).

17. K. S. Shin and D. W. Choi J. of the Ind. Tech. Res. Dongeui university, 32, 597,     (2000).

18. D. W. Choi J. of the Ind. Tech. Res. Dongeui university, 35, 543, (2001).

19. D. W. Choi Kor. J. Env. Hlth. Soc., 27(3), 66, (2001).

20. L. Dahuron and E. L. Cusslur, AIChE., 34, 130(1988).