실관막모듈을 이용한 중금속의 제거성능

최 대 웅, 박 준 성

동의대학교 화학공학과

dwchoi@dongeui.ac.kr

Removal efficiency of Heavy Metal Ion using

a Hollow Fiber Contactor.

Dae-Woong Choi, Jun-Sung Park

Department of Chemical Engineering, Dongeui University

dwchoi@dongeui.ac.kr

1. 서론

현대 산업 사회에서 산업폐수 중에 존재하는 유용성분의 분리제거와 회수는 환경오염방지 및 폐자원 재활용 면에서 중요한 산업적 의미를 갖는다. 기존의 물리·화학적 방법 등이 분리 한계성 때문에 최근에는 실관막모듈을 이용한 새로운 분리방법이 연구되고 있다. 이는 두 상이 막에 의해 분리되므로 기존 장치가 갖는 범람(flooding)과 편류(channeling) 현상이 없고, 추출후 두 상의 분리조작이 필요 없으며 기존 장치가 갖는 유속제한 및 밀도차 제한이 없다. 그리고 공정이 간단하고 장치부피가 적어 설치면적이 적게 소요되고 단위부피당 두 상간의 접촉면적이 크므로 물질전달효과가 크며, 에너지 소모량이 적어 경제적이다. 막 분리 공정은 막 제조 기술의 발달에 따른 막 재질의 향상으로 각종 막 모듈의 개발, 막 투과이론에 대한 해석방법 등의 연구 등으로 최근에는 초순수제조, 폐수처리, 중금속제거, 기체 혼합물 분리 및 농축, 의약품 정제, 의료용 인공신장기 및 생체의약, 제련공업 이용등 다양한 분야에서 막 공정의 실용화을 위한 연구들이 진행되고 있다.

본 연구에서는 기존연구를 바탕으로 하여 추출제는 TOPO(tri-n-octyl phosphineoxide), D2EHPA[di-(2-ethylhexyl)phosphoricacid], Lix84(anti-2 -hydroxy-5-nonyacetophenoneoxime), 을, 그리고 유기용매는 n-haptane을 사용하였다. 그리하여 실관막 모듈의 추출효율을 혼합성분용액, 혼합추출제, 연속추출 그리고 재래식 용매추출을 하여 막 추출 공정의 대하여 기초자료로 제시하고자 한다.

2. 실험

본 실험에 사용한 실관막 모듈은 미국 Hoechst Celances로부터 구입한 Liqui-Cel Extra-Flow 2.5"×8" Membrane module이며, 장치 또한 동일 회사제작 Liquid/Liquid Extraction System을 사용하였다. 조절된 유량으로 실관막 내부(tube side)로는 중금속 수용상을 공급시키고, 막 외부(shell side)로 TOPO, D2EHPA, Lix84을 각각 n-heptane에 희석한 유기상을 공급하여 두 액은 향류 흐름으로 작동시켰다. 수용상인 중금속염 용액은 농도별로 실험실에서 만들어 사용하였으며 일정시간 간격으로 수용상 용액을 채취하여 목적성분의 농도를 원자흡광분광광도계(SPECTR AA-200 HT, Varian Co.)로 분석하였다. Fig.1에 장치의 공정도를 나타내었다.

1. Hollow Fiber Module   7. Pressure Gauge

2. Organic Reservoir      8. Flow Meter

3. Aqueous Reservoir     9. Tube in

4. Magnetic Stirrer       10. Tube out

5. pH Meter             11. Shell in

6. Peristaltic Pump           12. Shell out

Fig. 1. Schematic diagram for

flow loop perstration

3. 결과 및 고찰

3-1) 혼합물 추출

Fig. 2는 3성분염 혼합용액계 3종류[Ni(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)-Cu(Ⅱ), Ni(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)-Cd(Ⅱ), Ni(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)-Cd(Ⅱ)]에 대하여 Ni(Ⅱ) 잔류농도비를 나타내었다. Ni(Ⅱ) 단일성분계와 Ni(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)-Cu(Ⅱ), Ni(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)-Cd(Ⅱ) 3성분염 혼합계에서 추출반응은 60분 동안 진행되었으나, Ni(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)-Cd(Ⅱ)은 90분까지 반응이 진행되었다.  Fig. 3에는 3성분염 혼합계의 추출율을 나타내었다. Ni(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)-Cu(Ⅱ) 혼합계와 Ni(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)-Cd(Ⅱ) 혼합계는 단일성분과 비슷한 34.41, 35.43%의 추출율을 보였고, Ni(Ⅱ)-Cu(Ⅱ)-Cd(Ⅱ) 혼합계는 3성분염 혼합계중 가장 높은 48.97%의 나타내었으며 2성분계 보다는 낮은 추출율을 나타내었다.

3-2) 혼합 추출제

Fig. 4 TOPO와 Lix84의 혼합추출제의 잔류농도비를 시간에 따라 나타내었다. TOPO+Lix84(0.025□/d□), TOPO+Lix84(0.075□/d□)의 60분까지 급격한 변화를 나타내었고, 나타났고, TOPO(0.05□/d□)+Lix84(0.05□/d□)의 혼합추출제는 40분까지 급격한 반응을 나타내었으며 그 후에는 반응이 일어나지 않았다.

Fig. 5에서는 TOPO 혼합추출제의 농도에 따른 추출율을 나타내었다. TOPO 단일추출제와 TOPO+Lix84(0.025□/d□)는 비슷한 값인 33.86%로 나타났고, TOPO+Lix84(0.05□/d□)와 TOPO+Lix84(0.075□/d□)는 각각 41.26, 53%로 나타났다. 그러므로 Lix84을 혼합한 추출제는 일정한 양(0.05□/d□) 이상일 때는 추출에 영향을 미침을 알 수 있다.

3-3) 연속추출

Fig. 6은 3회 연속추출 잔류농도비를 나타내었다. 1회 추출에서는 60분까지 반응이 일어났고 그 후에는 반응이 미미하게 진행되면서 120분 이후에서는 반응이 일어나지 않았다. 2회 추출에서는 20분까지 반응이 급격히 일어났고 그 후에는 반응이 일어나지 않았다. 3회 추출에서는 반응 시작 후 20분 동안 반응이 급격히 일어났고 20∼60분에서 미미한 반응을 나타내다가 60분 이후에는 반응이 일어나지 않았다.

Fig. 7은 각각의 반응회수에 대한 추출율을 나타내었다. 1회는 추출율이 60.92%이지만, 2회, 3회는 보다 우수한 83.40%, 93%의 추출율이 나타났다. 추출제의 연속적인 추가로 인해 추출율도 향상되었으며 또한 유기용매도 절약됨을 알 수 있다.

4. 결과

1. 타중금속이 혼합된 혼합용액에서 중금속 분리에 중공사막모듈 사용이 가능함     을 알 수 있었다.

2. Ni(Ⅱ) 수용액을 혼합추출제TOPO+Lix84)를 사용시 추출율이 향상하였다.

3. 중공사막 모듈은 세척없이 장시간(3회 연속추출, 9시간 이상) 사용이 가능        함을 알 수 있다.

4. 재래식 용매추출보다 막 추출이 작업 공정상 편리하고 추출율도 향상시킬 수 있었

다.

5. 참고자료

1. Dahuron L. and E. l. Cussler., AIChE  J., 34, 1(1988), 130.

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4. Fontas, C. Salvado, V. and Hidalgo, M., Ind. Eng. Chem. Res., 41(6), 1616-1620 (2002).

5. Koopman, C. and Witkamp, G. J., Sep. Sci. Tech., 37(6), 1273-1290 (2002).

Fig. 3 Removal efficiency in various mixed solution

Fig. 2 Effect of coexisting metal ions on the Ni (Ⅱ)

extreaction.

Fig. 4 Effect of mixed extractants on the Ni(Ⅱ)               exreaction.

Fig. 5 Removal efficiency in mixed extractants.

Fig. 6 Effect of continuous process extraction on

the Ni(Ⅱ) extraction.

Fig. 7 Removal efficiency continuous process

extraction.