다공성 합성수지흡착제에 의한 유기물의 크로마토그래픽 분리

김형준·김기훈·유명호·이성식

동아대학교 화학공학과

Chromatographic Separation of Organics in Aqueous Solution by

A Porous Synthetic Adsorbents

Hyung-Jun Kim·Ki-Hoon Kim·Myung-Ho Yu·Sung-Sik Lee

Dept. of Chem. Eng., Dong-A Univ.

서 론

다공성 합성 수지 흡착제는 물질의 확산을 위하여 Fig. 1과 같이 균일하고 미세한 많은 입자들로 구성되어 있으며, 또한 소수적 상호작용을 이용하여 물에 용해하고 있는 대상물질을 선택적으로 흡착시켜 분리 또는 회수하기 위하여 사용되어지는 합성고분자로, 용제등에 용해를 방지하기 위하여 가교구조를 가지고 있다. 아울러 잘 정돈된 구조와 세공의 크기를 조절할 수 있으므로 공업적 용도 및 응용이 다양하며 많은 연구가 진행중이다. 이러한 특징 때문에 그 용도는 확대되고 있으며, 특히 농약의 분리, 의약품의 정제, 술의 농도 조절, 용액중의 특정성분의 선택적 분리 및 회수 등 여러 분야에 응용되고 있다.[1] 크로마토그래픽 칼럼내에 충진된 다공성 흡착제는 유효확산계수 및 흡착능이 클수록 크로마토그래픽 피크가 날카로우며 분리성능이 우수하다. 흡착피크는 흡착속도 및 흡착평형 인자 등에 크게 영향을 받는다. 그러므로 흡착제의 성질과 입자내 확산계수의 상관관계는 속도분리형 흡착제 개발에 대단히 중요하며, 공업적 이용을 위하여 입자내 확산메카니즘 및 흡착제의 종류가 확산계수에 미치는 영향을 꼭 알아야 한다.[2]

본 연구는 유기물의 종류 및 관능기의 위치에 따라서 다공성 합성 수지내의 입자내 확산속도 및 흡착메카니즘의 관계를 연구하고자 실험 조사하였다.

실 험

흡착속도 실험은 다음과 같은 방법으로 실행하였다.

(1) 흡착제입자를 유리로된 미분충진관에 충진시키고 얇은 수지층의 양끝은 테프론 그물로 고정시켰다. 이 수지층의 내경은 8×10-3m이고 높이는 1×10-2m이다.

(2) 소정의 농도의 용질을 칼럼의 아래에서 위로 통과시켜 흡착질을 흡착시켰고, 이때 용질의 유속은 0.14m/s로 일정하게 유지시켰다.

(3) 흡착된수지는 공극에 남아 있는 용질을 소량의 증류수를 이용하여 완전히 제거하였다.

Fig. 1. Structure of porous resin particles

(4) 흡착량을 결정하기위하여 수지에 흡착된 용질을 완전히 탈착시켰으며, 이때 용제는 0.1N의 NaOH 0.5□(V:액체의 부피)를 사용했다.

(5) 흡착전의 초기농도와 용질을 탈착한 후 그 용질의 잔류농도는 자외선 분광 광도계(UV/VIS-Spectrophotometer, HP8452A)에 의해 분석했다. 또한 실험에 사용된 수지의 무게는 393K에서 24시간 동안 건조한 다음 데시케이터속에서 냉각한 후 측정하였으며, 흡착량은 물질수지식에 의해서 계산되었다.

(6) 이러한 실험과정을 여러가지 접촉시간변화에 따라 반복 실험하여 포화도와 접촉시간사이의 관계를 구하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 다공성 수지흡착제에 의한 수용액중 유기물의 등온흡착 실험 결과이다. 모두 Freundlich 흡착등온식에 잘 일치함을 알 수가 있다. 이들 결과로 부터 Freundlich 상수 k와 n값을 각각 구하였다.

Freundlich형 흡착등온식(q=k·C1/n)에서 지수 1/n은 흡착제에 대한 흡착질 분자의 친화력 의존성을 나타낸다. Fig. 3은 흡착질의 용매인 물에 대한 해리상수 pKa와 Freundlich 지수 1/n을 플로트한 결과로 본 실험의 조건에서는 해리상수가 클수록 Freundlich 지수 1/n이 감소하였다. 한편 o-Cresol, p-

Cresol 및 m-Cresol은 메틸기의 위치가 변화하여도 pKa값은 비슷하며 또한 Freundlich

Fig. 2. Adsorption isotherms for Organics/Porous            지수 1/n값도 거의 비슷한 값

resin system                             을 나타내었다.

Fig. 3. Dependency of Freundlich exponent, 1/n on Dissociation

constants, pKa of organics.

실험으로 구한 uptake 곡선과 Freundlich 지수 1/n값과 일치하는 값의 이론곡선과 곡선맞추기하여 무차원시간 De'Cet/qe□srp2=1에 대응하는 접촉시간으로부터 액상에서 농도변화에 기준한 입자내의 유효확산 계수 De'를 각각 구하였으며, 또한 분자확산계수 DAB는 Wilke등이 제시한 식으로 추산하여, 유효확산계수 De'와분자확산계수 DAB의 비,  De/DAB에 대한 평형흡착량 qe와의 관계를 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4. Relationship of D'e/DAB with qe for Porous resin system

확산계수는 평형흡착량과는 무관하였으나, 각 유기물의 동일위치의 관능기의 종류가 다르면 확산계수가 크게 다름을 알 수 있다. 이는 용매인 물, 흡착질인 유기물 그리고 고체인 수지흡착제간의 서로 상호간에 미치는 물리화학적 성질 등이 유기물 확산에 영향을 주기 때문이다.

참고문헌

1. H.J. Kim, S.S. Lee, J.E. Sohn, E. Furuya : "Adsorption of phenols onto    macroreticular resin  particles.", Korean J. of Chem. Eng., 13, 4, 399-403(1996)

2. E. Furuya : Adsorption News vol. 5, no. 4, PP. 6, 1991.