아민용액이 포함된 에멀션에서의 이산화탄소의 기체흡수

류정한, 황경선*, 서동수, 박상욱

부산대학교 공과대학 화학공학과

* 국방과학연구소

Gas Absorption of CO2 into emulsion with Amine Aqueous Solutions

J. H. Ryu, K. S. Hwang, D. S. Suh and S. W. Park

Department of Chem Eng., College of Eng., Pusan National University

* Agency for Defence Development

서론

용해도증가와 화학반응을 동시에 수반하여 용질의 물질전달속도를 증가시키기 위한 방법으로서 불균일 액상으로 구성된 액상계면활성막(liquid surfactant membrane) 추출공정이 있다[1]. 이 방법은 Ni, Co, Cu, Pb 등의 금속이온 분리[2], 식초산[3], amino acid 등의 유기산분리[4], 폐수중 페놀류의 분리[5,6]등 산업적으로 널리 이용되고 있다. 분리하고자 하는 용질의 종류에 따라 유기상과 수용액상의 접촉방법, 계면활성제의 선정, 에멀션의 제조방법에 관한 연구와 불균일 액상간 화학반응을 수반한 물질전달기구의 해석에 대한 연구가 폭 넓게 진행되어 오고 있다.

화학흡수에서 확산액막두께보다 작은 크기의 고체입자를 첨가하거나 수용액보다 용해도가 큰 유기용제를 첨가하면 확산액막두께내에 존재하는 고체입자나 유기용제가 기체를 흡착 또는 흡수하여 기체의 농도를 증가시킴으로서 흡수속도가 촉진되는 연구가 보고되어있다. 그러나 이들 연구에서는 연속상인 수용액에서 화학반응이 일어나기 때문에 기-액 계면의 면적이 한정되어 흡수속도의 증가범위가 제한된다. 한편 분산상에서 화학반응이 일어날 경우 분산상의 표면적을 증가시킴으로서 흡수속도를 증가시킬 수 있으나 이에 대한 연구는 되어있지않다.

Park 등[7]은 NaOH 수용액과 벤젠으로 구성된 W/O형태의 에멀션에 CO2기체를 흡수시켜 흡수속도를 측정하고, 화학반응이 수반된 물질전달기구의 해석으로부터 구한 이론값과 비교하였다.

본 연구에서는 평판교반조에서 아민과 CO2의 화학반응이 분산상에서 일어나는 W/O형태의 에멀션에 기체를 흡수시켜 아민농도, 에멀션크기, 교반속도등의 실험변수 변화에 따라 CO2의 흡수속도를 측정하고, 화학반응이 수반된 물질전달속도와 비교함으로서 기체-액체-액체의 불균일상에서 물질전달기구를 해석하였다.

이론

에멀션의 연속상으로 흡수된 기체(A)가 두께가 zL인 액체경막내에 존재하는 분산상내로 이동되어 분산상내에 존재하는 반응물(B)과 반응할 경우 에멀션내에서의 경막설을 가정한 화학흡수과정을 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.  Chemical Absorption path of gas(A) into W/O emulsion phase.

액체는 유기용제의 연속상과 수용액의 에멀션 분산상으로 구성되며, 분산상은 구형이며, 기-액 접촉계면 (z=0)에서 경막 두께, zL지점까지 A가 이동되는 동안  경막내에 존재하는 분산상내로 A가 이동하여 반응으로 소멸됨으로서 zL지점에서 A의 농도 (CA)는 0이며, 기체-연속상 및 연속상-분산상 계면에서 A의 농도는 평형으로 가정하였다.

Fig. 1에서 PA는 기체내 A성분의 분압, CAi는 기-액 접촉계면에서의 A성분의 농도, CA는 액막내 연속상에 존재하는 A성분의 농도, cA와 cB는 분산상내에 존재하는 A, B성분의 농도, cA*는 연속상과 분산상의 접촉계면에서 연속상의 농도와 평형인 분산상에서 성분 A의 농도를 나타낸다.

액체에 흡수된 기체 A가 액체경막내에 분산된 구형 분산상내로 이동하여 분산상내에 존재하는 반응물 B와 화학반응이 다음과 같이 일어날 경우

[eqn: rm A(g)~+~□`B(l) ~buildrel rarrow k_2~~ P]

정상상태에서 분산상내에서 화학반응이 수반된 확산방정식과 경계조건은 다음과 같이 무차원형으로 변형된다.

[eqn: rm{d^2 `□_A}over{dy^2}~+~{2}over{y}`{d`□_A}over{dy}~={~m_A}^2 `□_A `□_B]

[eqn: rm{d^2 `□_B}over{dy^2}~+~{2}over{y}`{d`□_B}over{dy} ~=~{m-_A}^2over{r_B ` q_B} `□_A `□_B]

[eqn: rm {y=1`~~;`~~□_A`=1,~`{d□_B}over{dy}=0}]

[eqn: rm {y=0`~~;`~~{d□_A}over{dy}`={d□_B}over{dy}=0}]

여기서,

[eqn: rm□_A ~=~{c_A}over{c_A^*}~,~□_B ~=~{c_B}over{c_Bo}~,~y~=~{r}over{R}~,~m_A ~=~R`sqrt{k_2`{c_Bo}over{D_EA}}~,]

[eqn: rmr_B ~=~{D_EB}over{D_EA}~],[eqn: rm~q_B ~=~{c_Bo}over{□`c_A^*}~=~{c_Bo}over{□`H_A `C_A}][eqn: rm=~{left({c_Bo}over{□`H_A `C_Ai}right)}over{Y_A}~=~{q_B^o}over{Y_A}~]

경막설에서 경막내에 용해된 기체의물질수지식과 경계조건을 무차원형으로 나타내면 다음과 같다.

[eqn: rm{d^2 `Y_A}over{dx^2}~=~M`E_f ``Y_A]

[eqn: rmx~=~0~~;~~Y_A ~=~1]

[eqn: rmx~=~1~~;~~Y_A ~=~0]

여기서, [eqn: rmx`=`{z}over{z_L},~```Y_A`=`{C_A}over{C_Ai},~```M`=`{(1~-~□)`k_2```c_Bo``H_A`D_A}over{k_L`^2} , ~```k_L``=``{D_A}over{z_L}]

연속상과 분산상내에서 기체의 물질수지식으로부터 기체의 흡수속도를 구한다.

결과

평면교반조를 사용하여 대기압, 25℃에서 벤젠을 연속상, 아민수용액을 분산상으로한 W/O 형태의 에멀션에 CO2 기체 흡수속도는 유기상에서의 CO2 용해도가 물에서보다 훨씬 크며, 또한 수용액상에서 CO2와 아민은 화학반응을 일으키기 때문에 연속상내 존재하는 수용액 분산상에 의해 촉진될 수 있음을 알 수 있었다.

불균일 반응계에서 화학반응을 수반한 경막설로서 구한 이론값과 실험으로부터 측정한 촉진계수값은 상당히 근접함을 알 수 있었다. 또한 위 모델을 각각 준1차법과 근사법을 사용하여 검토하였다.

참고문헌

1. Noble, R. D., Wag, J. D. and Bunge, A. L. : Ion Exch. Solvent Extr.,

10, 63 (1988).

2. Marr, R. and Kopp, A. : Int. Chem. Eng., 22, 44 (1982).

3. Yan, N., Huang, S. and Shi, Y. : Sep. Sci. Tech., 22, 801 (1987).

4. Thien, M. P. and Hatton, T. A. : Sep. Sci. Tech., 23, 819 (1988).

5. Crook, E. H., McDonnel, R. P. and McNully, J. T. : Ind. Eng. Chem.

Prod. Res. Dev., 14, 113 (1975).

6. Kim, K. S., Choi, S. J. and Ihm, S. K. : Ind. Eng. Chem. Fundam., 22,

801 (1987).

7. Park, S. W., Ryu, J. H., Lee, S. S., Hwang, K. S. and Kumazawa, H.:

Hwahak Konghak, 35(4), (1997) (To be accepted).