전기투석과 전기투석공정의 응용분야

장 용근

한국과학기술원 화학공학과

Electrodialysis and Its Applications

Yong Keun Chang

Dept. of Chemical Engineering, KAIST, Taejon, Korea

서론

전기투석은 전기장 내에서 이온교환막을 통해 이온을 통과시킴으로써 수용액 중의 전해질의 이온 교환이나 정제, 농축을 하는 공정이다. 전기투석장치 내에서 양이온 교환막과 음이온 교환막, 또는 bipolar membrane을 교대로 위치시킴으로써 염 물질의 분리, 정제, 농축 또는 acidification이 가능하다.

전기투석은 비교적 공정이 간단하고 폐기물 등의 부산물을 생산하지 않는 환경친화적 공정이기 때문에 최근 들어 발효 배지중의 염제거나 단백질의 농축, 분리 정제, 유기산의 정제, 산업폐수 처리 공정 등 여러 분야에서 중요성을 더해가고 있다. 더욱이 막 관련 기술의 발전으로 뛰어난 선택성, 낮은 전기 저항, 우수한 내열성 및 내화학성을 갖는 새로운 이온교환막의 개발에 의해 그 응용 범위가 더욱 넓어지고 있다.

여기에서는 이온교환막과 전기투석의 기본 원리와 전기투석 공정의 응용 분야를 살펴보고 전기투석을 이용한 유기산의 분리 정제에 대해 간단히 고찰하고자 한다.

전기투석의 종류

전기투석장치는 크게 탈염 전기투석(Desalting Electrodialysis)과 물분해 전기투석(Water-splitting Electrodialysis)의 두 종류로 나뉘어진다. 수용액 중의 염을 제거하는 공정인 탈염 전기투석장치의 구조는 Fig. 1과 같이 음극과 양극 사이에 음이온 교환막과 양이온 교환막을 교대로 배열시키는 것을 기본으로 한다. Fig. 1에서 이온 수용액이 전기투석장치 내의 격실 내로 들어오면 전기장에 의해 양이온은 음극 쪽으로, 음이온은 양극 쪽으로 이동하게 된다. 양이온은 양이온 교환막을 쉽게 통과하게 되나 표면이 양이온으로 처리된 음이온 교환막에서는 배제되게 된다. 마찬가지로 음이온은 음이온 교환막을 통과하지만 양이온 교환막에서는 배제된다. 이 결과 Fig. 1의 P(permeate) 격실에서는 이온 농도가 계속 증가하는 반면 F(feed) 격실에서는 감소하게 된다.

Bipolar membrane을 사용하여 염 상태의 물질을 산과 알칼리의 형태로 전환(acidification)시키는 물분해 전기투석의 기본 원리는 다음과 같다. Bipolar membrane의 양쪽 표면에서 발생한 수소 이온과 수산 이온은 각각 Fig. 2의 A(feed) 격실과 B(permeate) 격실로 이동되고 양 격실의 이온 농도를 맞추기 위해 한쪽의 전하를 띤 이온이 이온 교환막을 통과하여 다른 격실로 이동한다. 따라서 A 격실에는 생성된 산이 축적된다.

Fig. 1. Schematic Diagram of Desalting Electrodialysis

Fig. 2. Schematic Diagram of Water-splitting Electrodialysis

전기투석의 응용분야

(1) 탈염, 중금속 제거

탈염 전기투석공정은 바닷물을 담수화하는 탈염 분야에 비교적 널리 사용되고 있고 식수로부터 질산염의 제거 등 식품의 탈염이나 제산(deacidification) 분야에서도 중요성을 더해가고 있다. 금속 가공 공정에서 제조되는 rinsing water 내의 중금속 제거에 있어 탈염 전기투석은 새로운 대안으로 제시되고 있다. 최근 연구결과에 의하면 폐수 중 철과 니켈 이온의 99% 이상 제거가 가능하다. 또한 토양 중의 구리나 크롬 등 중금속 이온의 제거에 관한 연구도 활발히 수행되고 있다.

(2) 아미노산의 정제 및 염으로부터 산의 제조

식품첨가제 및 사료첨가제 등으로 사용되는 아미노산은 분자 내에 염기부와 산기부를 모두 포함하고 있어 pH에 따라 양으로도 음으로도 전하를 나타낼 수 있다. 이 특성을 이용하여 전기투석장치 내의 격실에 따라 pH를 다르게 유지시키면서 전기장을 걸어줌으로써 아미노산을 분리 정제할 수 있다. 또한 bipolar membrane을 이용하여 각종 염으로부터 산과 염기를 동시에 제조하는 공정에 대한 연구도 진행 중이다. NaNO3나 NaCl 수용액의 경우 물분해 전기투석장치 내에서 이온교환막에 의해 분리된 용액 내의 이온에 bipolar membrane에서 생산된 수소 이온과 수산 이온이 각각 첨가됨으로써 두 격실에서 산과 염기의 동시 생산이 가능하다.

(3) 유기산의 분리, 정제

최근 발효에 의해 생산된 유기산을 전기투석공정에 의해 분리, 정제하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 시트르산이나 아세트산, 올레산 등 여러 유기산에 대해 활발히 연구가 진행되고 있지만 특히 젖산은 가장 많은 연구가 이루어졌고 상용화공정도 가동 중이다. 또한 숙신산은 의약품, 계면활성제, 화장품, 생분해성 고분자 등 매우 넓은 응용 범위를 갖고 있는 유기산이다.

유기산의 전기투석에 의한 정제는 2단계 공정으로 이루어진다. 발효에 의해 생산된 유기산은 유기산염의 형태를 갖는다. 1단계 탈염 전기투석 공정에서는 유기산염을 발효액 내의 다른 물질들과 분리, 농축시키고 2단계 물분해 전기투석 공정에서는 분리된 유기산염을 유기산으로 전환시킨다. 본 연구실에서 행한 실험연구에 있어서 탈염 전기투석 시의 feed와 permeate 격실에서의 젖산염과 숙신산염의 시간에 따른 농도 변화의 한 예를 각각 Fig. 3과 4에 나타내었다. 그리고 젖산과 숙신산의 탈염 전기투석과 물분해 전기투석시 전류 효율과 회수율, 1kg의 젖산과 숙신산을 각각 분리, 정제할 때의 전력 소비량을 Table 1에 나타내었다.

Fig. 3. Desalting Electrodialysis of Sodium Lactate

□ Feed solution

□ Permeate solution

Fig. 4. Desalting Electrodialysis of Sodium Succinate

□ Feed solution

□ Permeate solution

Table 1. Desalting and Water-splitting Electrodialysis Data

for Organic Acids

		Curent [A]	Init. feed conc. [g/L]	Operating time [min.]	Current efficiency [%]	Recov- ery [%]	Energy consumption [kWh/kg acid]
Lactic acid	Desalting ED	8	100	150	98	96	0.24
	Water- splitting ED	15	200	165	83	90	0.54
Succincic acid	Desalting ED	8	50	110	99	94	0.19
	Water- splitting ED	10	80	150	80	96	0.82

결언

전기투석은 이온에 대해 선택적 투과성을 갖는 막을 이용하여 전기장 내에서 수용액 내의 물질을 분리, 정제하는 공정이다. 전기투석은 공정 도중 부산물이 전혀 없는 환경친화적 공정이며 화학물질의 추가 없이 조업이 가능한 장점을 갖고 있어 환경에 대한 관심이 지대해지고 있는 최근 미래지향적인 공정으로 각광받고 있다. 이에 따라 기존 전기투석공정의 주된 응용 분야인 바닷물의 담수화, 탈염 공정 등 이외에 토양 중의 중금속 제거, 각종 산업 폐기물의 처리 등의 환경 분야와 식품 분야 등에 활발한 연구개발이 진행중이다. 또한 최근 들어 우수한 기계적 성질을 갖는 이온교환막의 개발에 의해 전기투석은 더욱 다양한 응용 분야에 적용될 것으로 기대된다.

참고문헌

1. Jain, S. M., and P. B. Reed, "Electrodialysis", in Compresensive             Biotechnology, Vol. 2(Moo Young, M., ed.), Chap. 37, Pergamon Press,       Oxford, 1985.

2. Baker, R. W. et al., Membrane Separation Systems, Noyes data Co.,         1991.

3. Srivastave, A. et al., Biotechnol. Bioeng., 39, 607-613, 1991.

4. Hansen, H. K. et al., J. Chem. Tech. Biotech., 70, 67-73, 1997.

5. Wisniewski, J. and G. Wisniewska, Desalination, 109(2), 187-193, 1997.

6. Lee, E. G. et al., J. of Membrane Science, 145, 53-66, 1998.