액막에 의한 수용액중 페놀의 제거

박효증, 정태수

성균관대학교 화학공학과

Removal of Phenol from Aqueous Solution by Liquid Membrane

Hyo-Jeung Park, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서 론

액막분리공정은 막을 통한 분자의 확산과 막에서의 분자의 용해도 차이를 이용한 막의 선택적 투과원리를 응용한 것으로 막이 두껍고(10-4cm) 접촉면적이 적어서 투과속도가 느린 고체막보다 추출용매의 소모량이 적고 막의 두께가 매우 얇아(10-7cm) 추출물질의 이동속도가 빠르고 동일체적에 대해서 큰 접촉면적을 얻을 수 있어 효과적이다[1,2].

특히 에멀젼형 액체막은 다른 액막에 비해 물질전달 표면적이 매우 크기 때문에 용질의 투과량과 분리속도가 크지만 막의 안정성이 시간이 지남에 따라 저하되어 분리효율이 떨어진다. 따라서 막 안정성이 분리효율에 상당히 중요한 역할을 한다. 이러한 막 안정성을 지배하는 인자는 계면활성제, 용매 및 내수상의 성질과 농도, 체적비 등과 같은 막제조시의 변수들, 그리고 에멀젼의 제조 방법과 에멀젼이 공급용액과 접촉시 조건 등을 들 수 있다. 에멀젼 제조에 있어서 유화장치가 안정한 막을 형성하는데 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 이 중 초음파균질화기에 의해 제조된 에멀젼은 매우 작은 액적을 형성하게 된다. 따라서 큰 접촉면적을 가지게 되어 물질전달 속도와 막 안정성을 향상시킬 수 있다[3,4].

본 실험에서는 액막을 이용하여 수용액중의 페놀을 제거함에 있어서 유화기에서 계면활성제의 종류와 농도, 에멀젼 조성과 초기 페놀 농도 등을 변수로 하고, 유화시 탁월한 성능을 시현하고 있는 초음파균질화기에 의한 결과와 유화시 교반기를 사용하였을 경우의 결과와 비교 검토하여 페놀 제거에 대한 효능을 확인하였다.

이 론

에멀젼형 액체막법은 서로 혼합되지 않는 유기용액과 수용액이 계면활성제에 의해 균일하게 혼합되어 에멀젼상태로 안정화하고 다시 연속상과 복에멀젼 형태를 유지하여 투과면적을 증대시킴으로써 투과속도를 크게 한 것이다. 이 방법은 용액과 계면활성제를 고속으로 교반하여 에멀젼을 만들고 이를 연속상인 용매와 접촉시켜 용질의 액막에 대한 투과도의 차이로 분리하는 것이다.

액막을 이용한 수용액중의 페놀 분리에 관한 schematic diagram을 Fig. 1에 나타냈다. Fig. 1에서 외수상에서의 페놀은 액막을 통과한 후 유제안의 NaOH용액과 반응하여 sodium phenolate를 형성한다.

C6H5OH + NaOH   →  C6H5ONa + H2O

약산성인 페놀은 수용액 중의 해리상수가 25℃에서 1.28×10-10으로 대부분이 C6H5OH상태로 존재하므로 오일상인 액막에 녹일 수 있으나 내부수용액과 반응에 의해 생성된 sodium phenolate는 강전해질로 액막에 녹지 못하고 내부수용액 중에 갇히게 된다[5].

실 험

본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 유화기와 접촉기로 나눌 수 있다. 유화기에 내부수용액(NaOH 3wt% 용액)과 막상용액(계면활성제+kerosene)을 여러 혼합비율로 섞어서 교반기와 초음파균질화기를 각각 사용하여 W/O형 에멀젼(30ml)을 제조하였다. 유화기에서 제조한 W/O 에멀젼을 접촉기에서 외수상인 페놀 수용액(150ml)에 가하면 액적 상태로 분산되어 W/O/W형 액막이 제조되며, 페놀 수용액층으로부터 시료를 채취하여 U. V. spectrometer로 분석하였다.

결과 및 고찰

1. 에멀젼 조성(내부 수용액 체적비)의 영향

초기페놀농도 1000ppm, 접촉교반속도 400rpm, 계면활성제 SO-10 5.0wt%, NaOH 3.0wt%, 외수상/에멀젼의 체적비를 5로하여 에멀젼 조성이 페놀의 제거에 미치는 영향에 대한 실험결과를 Fig. 2에 나타내었다. 실험결과에서 볼 수 있듯이 NaOH 용액에 대한 계면활성제 용액의 체적비가 1.0일 때 가장 효과적인 분리를 얻을 수 있었다. 즉 내부수용액(NaOH 용액)의 증가는 막 두께를 감소시켜 막파괴로 인하여 제거효율을 저하시키고, 반면에 계면활성제 용액이 최적 체적비보다 증가하는 경우에는 막의 점성 및 두께 증가에 따른 물질전달저항의 증가로 인해 제거효율은 떨어지게 된다.

2. 계면활성제 농도의 영향

계면활성제의 성질 및 농도는 액막의 안정성과 성질에 큰 영향을 미치는 인자로 본 실험에서는 SO-10 (sorbitan monooleate, HLB 4.3)과 Arlacel 83 (sorbitan sesquioleate, HLB 3.7)을 사용하여 그 결과를 Fig. 3,4에 나타내었다. 먼저 SO-10의 경우는 농도 5.0wt% 일 때, Arlacel 83의 경우는 7.0wt%일 때 가장 효과적인 분리를 나타내었다. 계면활성제 농도가 낮을 경우(1.0wt%, 3.0wt%) 액막이 불안정하게 되어 접촉시간 8분후에는 막의 파괴로 내수상의 유출이 일어나 페놀의 제거가 감소하였으며, 최적 농도 이상에서는 액막은 안정화되는 반면 막의 두께 증가로 인한 물질전달저항의 증가로 페놀의 투과속도가 떨어짐을 알 수 있었다.

3. 초기페놀농도의 영향

Fig. 5의 실험결과에서 볼 수 있듯이 초기페놀농도에 따른 최종 제거 효과를 살펴 본다면 초기페놀농도가 클 수록 제거효율은 100ppm의 경우 98.5%, 2000 ppm의 경우 99.4%로 더 커짐을 알 수 있다.

4. 유화시 초음파균질화의 영향

Fig. 6은 유화시 교반기를 사용했을 경우와 초음파균질화기를 사용했을 경우에 대한 실험결과를 나타내었다. 실험결과에서 알 수 있듯이 초음파균질화기에 의해 제조된 에멀젼을 이용한 페놀의 제거에 있어서 초기 제거 효과는 덜 하였지만 접촉시간의 경과에 따라 최종 제거 효과가 증가하여 더 좋은 제거가 이루어짐을 알 수 있었다. 이것은 초음파균질화기에 의해 제조된 에멀젼은 매우 작고 안정한 액적을 형성하여 큰 접촉면적을 가지므로 물질전달 속도와 막 안정성의 향상에 기여하였다고 생각된다.

참고문헌

1. Lee, K. H., Evance, D. F. and Cussler, E. L. : AIChE J., 24(5), 860 (1978).

2. Plucinski, P. : J. Membrane Sci., 23, 105 (1985).

3. Shere, A. J. and Cheng, H. M. : Sep. Sci. Technol., 23(6&7), 687 (1988).

4. Hanna, G. J. and Larson, K. M. : Ind. Eng. Prod. Res. Dev., 24, 269           (1985).

5. Li, N. N., Cahn, R. P. and Shrier, A. L. : U. S. Patent 3, 779, 907 Dec. 18     (1973).

6. Kataoka, T., Nishiki, T. and Kimura, S. : J. Membr. Sci., 41, 197 (1989).

Fig. 1. Schematic

diagram of liquid

membrane system

for phenol removal.

Fig. 2. Effect of volume fraction of

internal water phase in (W/O)

emulsion.

Fig 3. Effect of surfactant (SO-10,     Fig. 4. Effect of surfactant (Arlacel

HLB 4.3) concentration.                83, HLB 3.7) concentration.

Fig. 5. Effect of initial phenol        Fig. 6. Comparison between

concentration in the                 ultrasonic homogenization

external water phase.                and mechanical stirring

in emulsification.