Predispersed Solvent Extraction 공정을 이용한 유기 염료의 제거

이 동 우, 홍 원 희

한국과학기술원 화학공학과

Removal of Organic Dye Using Predispersed Solvent Extraction Process

Dong Woo Lee, Won Hi Hong

Department of Chemical Engineering

Korea Advanced Institute of Science and Technology

서론

Predispersed Solvent Extraction(PDSE)은 Colloidal Liquid Aphron (CLA)을 용매로 사용하여 수용액 중에 매우 낮은 농도로 존재하는 용질을 CLA의 유기상으로 제거하는 공정이다[1]. CLA는 유기상이 얇은 수용성 비누 박막으로 둘러 쌓인 것으로 각각의 상에 지용성 계면활성제와 수용성 계면활성제가 포함되어 있으며 대개 수 마이크론에서 수십 마이크론의 크기를 가진다. CLA는 수용상이 연속상이므로 수용액 중에 안정적으로 분산될 수 있고, 크기가 작으므로 표면적이 매우 넓은 특징이 있다. Colloidal Gas Aphron(CGA)은 유기상 대신 기상이 수용성 비누 박막으로 안정화된 것으로 25-100 □ 정도의 크기를 가진다[2]. 일반적인 거품(Foam)은 액체 체적에 비해 큰 표면적을 가지므로 합착 현상이 발생되나 수용액중의 CGA는 이중 층을 가져 안정화되어 합착 현상이 거의 없다. 또한, 서로 충돌하여도 깨지지 않으며 크기가 작아서 콜로이드적 성질을 가지므로 PDSE 공정에 사용된 CLA를 회수하는데 유리하게 사용될 수 있다.

PDSE 공정은 기존의 추출 공정에 비해서 혼합기/침강기 공정에 필요한 에너지 사용을 줄일 수 있으며, 물질 전달 면적이 매우 넓어서 용매의 사용량을 줄일 수 있다. 본 연구에서는 10 PPM이하의 p-Phenylazoaniline(Solvent Yellow 1) 수용액을 처리 대상으로 하여 추출 공정과 PDSE 공정을 비교하였다.

실험

1. Aphron의 제조

CLA는 수용성 계면활성제가 녹아있는 수용액이 안정한 거품을 형성하도록 저어준 다음 지용성 계면활성제를 포함한 유기상을 천천히 첨가하여 만든다. 이때 사용한 수용상의 부피에 대한 유기상의 부피 비를 상용적 비(Phase Volume Ratio :PVR)로 정의하는데 이 값이 19일 경우가 가장 안정적인 것으로 알려져 있다[3]. CGA는 Venturi Throat Generator[4]나 Spinning Disc Generator를 이용하여 만들 수 있는데, 본 실험에서는 디스크형 대신 프로펠러형을 사용하여 표면 폭기가 유리하도록 하였다.

CLA의 제조에는 유기상으로 Kerosene을 사용하였고 지용성 계면활성제와 수용성 계면활성제로는 각각 Tergitol 15-S-3(0.01% v/v)와 음이온성인 Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate(SDBS : 4 g/□)를 사용하였다. CGA는 양이온성 계면활성제인 Hexadecyl Trimethyl Ammonium Bromide(HTAB : 500 PPM) 수용액을 6000 rpm으로 고속 교반하여 만들었다.

(a) CLA (1 □ = 15 □)      (b) CGA (1 □ = 100 □)

Fig. 1 Photomicrograph of Aphrons.

2. 실험 장치 및 방법

PDSE 컬럼은 지름이 10 □인 아크릴 관으로 제작하였고 아래부분에는 다섯 개의 주입구를 만들어서 Aphron이 고르게 공급될 수 있도록 하였다. CGA generator는 고속 교반기와 방해판이 있는 아크릴 용기로 구성되어있다.

2500 □의 Solvent Yellow 1 수용액을 처리 대상으로 하였으며 CLA는 부피 비로 1:1로 물과 혼합한 후 연동 펌프를 이용하여 주입하였다. CLA를 공급한 후,  부유제로 CGA를 주입하고 20분의 침강 시간을 가졌다. 이후 수면에 떠오른 유기상을 회수하여 UV(HP 8542A)로 농도를 측정하였다.

Fig. 2. Schematic Diagram of Experimental Apparatus.

결과 및 토론

1. 용매 회수율

용매의 회수율은 침강 시간이 지난 후 수용액의 위 부분 50 □를 샘플링하여 원심분리를 통해 얻은 용매의 양을 측정하였다. 부유제를 사용하지 않았을 경우에는 55-60% 정도를 회수할 수 있었으나 CGA 100□를 1 분간 공급했을 때에는 70-80% 정도를 회수할 수 있었다. 회수되지 않은 용매는 컬럼의 벽면에 붙어있거나 수용액 중에 분산되어 존재한다.

2. 용질의 제거효율

추출 공정과 비교하기 위하여 Kerosene/water에서의 Solvent Yellow 1의 추출 평형 값(K)을 측정했다. 여기서 얻을 수 있는 평형 상태에서의 제거율과 PDSE 공정에 사용된 용매가 모두 회수될 경우의 제거율[2]을 비교하기 위해서 다음과 같이 E0 을 정의하였다.

[eqn: E_0 ={ %~removal~based~on~extraction~removal } over {%~removal~based~on~extraction~equilibrium~const.}]

Fig. 3은 CLA의 사용량에 따른 유기 염료의 제거율을 나타낸다. 수용액의 초기 농도는 0.5 PPM이었고 PVR 값이 19인 CLA를 사용하였다. CLA의 사용량이 증가할수록 제거되는 용질의 양은 증가하였다. 회수된 용매를 기준으로 했을 경우 PDSE 공정을 이용하여 얻은 용질의 제거율은 추출 평형 공정으로 얻을 수 있는 제거율의 55-62% 였고 E0 값은 0.8-0.86 이었다. 초기 수용액의 농도를 0.25-10 PPM으로 변화 시키고 일정한 양의 CLA를 공급한 경우에도 추출 평형 공정의 제거율에 대한 PDSE 공정의 제거율은 50-60% 였고 E0 값은 0.8-0.88 로 앞서와 비슷한 값을 가졌다.

Fig. 4에는 PVR의 변화에 따른 E0 값의 변화를 나타내었는데, 그림에서 PVR 값이 0 일 때의 E0 값은 Kerosene(Straight solvent)을 CLA 대신 사용했을 경우이다. PVR 값이 증가하면 수용성 비누 박막이 얇아지므로 유기상으로의 물질 전달이 쉬워져 E0 값이 증가하게 되나, PVR 값이 24일 경우에는 19일 경우에 비해 안정성이 떨어져 CLA가 깨지는 경우가 생겨 물질 전달에 필요한 면적이 줄어들면서 효율이 감소하였다.

참고문헌

1. J. F. Scamehorn and J. H. Harwell, "Surfactant-Based Separation Processes", Marcel Dekker(1989)

2. D.L. Michelsen, K.W. Ruettimann, K.R. Hunter and F. Sebba, "Feasibility study on use of predispersed solvent extraction/flotation techniques for removal of organics from wastewater", Chem. Eng. Commun., 48, 155(1986)

3. F. Sebba, "Foams and Biliquid Foams-Aphrons", John Wiley & Sons(1987)

4. F. Sebba, "Microfoams - An Unexploited Colloid System", J. Coll. &  Interface Sci., 35(4), 643(1971)

Fig. 3. The Efficiency of Solute Removal According to

The Amount of CLA Used.

Fig. 4. The Effect of PVR changes on E0.