지지액막을 통한 Sodium phenolate의 촉진전달

C. F. 카세게르, 서동수, 김종현*, 박상욱

부산대학교 공과대학 화학공학과

*동서대학교 화학공학과

Facilitated Transport of Phenol and Sodium Phenolate

through Supported Liquid Membrane

C. F. Kaseger, D. S. Suh and S. W. Park

Dept. of Chem. Eng., Pusan National University

*Dept. of Chem. Eng., Dongseo University

서론

대부분의 화학분리공정은 주로 분리하고자하는 물질들의 물리적인 성질을 기준해서 진행된다. 이와 같은 분리공정들은 물질들의 물리적인 성질 차이가 큰 경우와 높은 선택도를 필요로 하지 않는 경우에만 적용이 가능하는 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 본 연구에서는 다공질 친유성 고분자 지지막에 유기상을 함침시켜 형성된 SLM을 사용하여 수상액으로부터 phenol과 sodium phenolate를 분리하고, 용질의 분리기구를 경막설에 의한 물질전달기구로서 해석하고 이로부터 용질의 총괄물질전달계수를 구하였다. 운반체로서 dibenzo-18-Crown-6과 Aliquat 336를 사용하여 용질의 분리능을 측정하여 제시한 모델과 측정치를 비교함으로써 용질의 분리기구를 해석하고 액막내에 함침된 운반체에 의한 용질의 화학반응을 수반한 물질전달촉진현상을 체계적으로 해석하고자 한다.

이 론

공급측, 액막측 및 스트리핑측에서 페놀의 플럭스는 경막설을 이용하여 일반적으로 다음과 같이 나타낸다.

[eqn: rmN^o `=`K^o `(C_Af `-`C_As ) `=`k_f `(C_Af `-` C_Afi )`=`k_m `({barC}_Af `-`{barC}_As )`=`k_s `(C_Asi `-`C_As )]  (1)

여기서 Ko는 총괄물질전달계수,[eqn: rm k_f ,~k_m ,~k_s]는 각 측에서의 물질전달계수이다.

운반체에 의한 용질의 물질전달 기구는 공급측에서 액막내로 전달된 용질이 액막내에 존재하는 운반체와 반응을 하여 착화합물을 형성하고 형성된 착화합물이 해리하면서 용질을 스트리핑측으로 전달한다(Fig. 1). 그러므로 액막내에 운반체가 존재하지 않는 경우보다 존재하는 경우는 화학반응을 수반하기 때문에 용질의 물질전달이 촉친됨을 알 수 있다. 액막측에서 용질과 운반체의 가역반응[1]으로 부터 정상상태에서 각 성분의 물질수지식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[eqn: rmD_A ``{d`^2 `C_A}over{dx`^2} `-` k_1 `C_A `C_B `+`k_-1 `C_AB `=`0]                                       (2)

[eqn: rmD_B ``{d`^2 `C_B}over{dx`^2} `-` k_1 `C_A `C_B `+`k_-1 `C_AB `=`0]                                       (3)

[eqn: rmD_AB ``{d`^2 `C_AB}over{dx`^2} `+ `k_1 `C_A `C_B `-`k_-1 `C_AB `=`0]                                      (4)

확산방정식의 해를 구하기 위해 필요한 경계조건은 다음과 같다.

[eqn: RM INT _{ 0}^{L } (C_B +C_AB )dX ~=~ C_BT L]                                                (5)

x=0 ; CA = CA0 , [eqn: RM { d C_B } over { dX} ~=~ { dC_AB } over {dX } ~=~0]                             (6)

x=L ; CA = CAL,  [eqn: RM { dC_B } over {dX }~=~ { dC_AB } over {dX }~=~0]                             (7)

화학반응에 의해 증가하는 용질 A의 물질전달속도와 확산에 의한 물질전달속도와의 비를 촉진계수(F)라고 정의하면, F는 다음과 같이 나타내어 진다.

[eqn: rm F ~= ~ {-D_A{ dC_A }over{dX} Right vert _x=0} over{rm{D_A}over{L }(C_A0 -C_AL )}]                                                 (8)

실험

실험에 사용된 시약 및 용제는 특급시약이며, 지지막으로서는 2종의 다공질 친유성 형태의 polytetrafluoroethylene 고분자막을 사용하였다.  운반체에 의해 용질 A의 물질전달속도의 촉진현상을 관찰하기 위해 사용된 분리조와 분리실험은 전보[2]에서 행한 것과 동일하였다. 분리조는 직경 10cm, 공급부와 탈거부(stripping section)의 높이가 각각 3cm 크기의 파이렉스로 제작하였다. 공급부와 탈거부 사이에 다공질 고분자막이 삽입되었다. 일정농도의 운반체 벤젠 용액이 함침된 다공질 고분자막이 삽입된 분리조의 공급부에 일정 농도의 페놀 나토리움 수용액을 주입하고, 탈거부에 물 또는 가성소다 수용액을 주입한 후 일정 교반속도로 각 부의 용액을 교반시키면서 일정 시간마다 각 부의 용액을 채취하여 UV 분광광도계를 사용하여 페놀나토리움의 농도를 측정하였다. 운반체로서는 crown ether 형태의 DBC와 4급 암모니움염 형태의 Aliquat 336을 사용하였다. 운반체를 용해시킨 용제로서는 benzene과 Kerosene을 사용하였다. 유기용제에서 용해도와 물에서의 용해도의 비를 분배계수로 정의하고 용질의 분배계수는 재래적인 방법으로 측정하였으며, 용질과 운반체와의 가역 반응에서 반응속도상수와 평형상수는 재래적인 방법으로 측정하였다. 액막내에서 용질의 물질전달계수는 전보[2]에서 사용한 방법에 의해 측정하였다. 화학반응에 의한 용질의 물질전달속도에 대한 촉진계수 측정값은운반체가 있는 경우와 없는 경우에서 측정한 액막의 물질전달계수의 비로서 구하였다.

결과 및 고찰

확산 방정식의 수치해로부터 구한 액막내에서 각 성분의 농도분포를 용질, Sodium phenolate,□, 0.184, □, 136.523, K, 0.178을 대표적으로 하여 Fig. 2에 나타내었다. 이 그림에서 알 수 있는 바와 같이 용질 A의 농도는 액막 상부에서 하부 방향으로 감소하였으며, 운반체는 증가하고, 생성물은 감소하였다. 이와 같은 분포현상은 함침 액막에 의한 촉진 메카니즘의 특성을 잘 표현한다고 할 수 있다. 액막 상부 (x=0) 에서 용질 A의 농도구배를 구하여 식 (8)로부터 촉진계수를 구하였으며, 운반체 DBC와 Aliquat 336의 경우 운반체 농도 변화에 대한 촉진계수를 Fig. 3와 4에 각각 나타내었다. 또한 교반속도 700rpm, 용질의 농도 0.051 mol/l에서 적정한 촉진계수를  대표적으로 나타내었다. 한편, 용질과 운반체의 반응이 느린 반응과 빠른 반응영역에서 구한 촉진계수를 표시하였다. 이 그림에서 알 수 있는 바와 같이 촉진계수 측정값은 이론값에 잘 일치하였으며,  용질과 운반체의 반응은 느린 반응영역에서 일어난다고 할 수 있다. 운반체의 종류에 따라 촉진계수는 다르게 나타났다. 즉, Aliquat 336의 경우 촉진계수가 DBC보다 큰 값을 나타내었다. DBC와 같은 crown ether는 양이온을 포집하는 성질이 있는 반면 Aliquat 336과 같은 4급 암모니움염 음이온을 포집하는 성질이 있다. 실험 결과로부터 Aliquat 336이  phenolate 음이온의 포집능이 DBC의 Na+ 포집능을 능가하기 때문으로 해석하였다.

결론

1. 주어진 실험범위에서 Sodium phenolate는 50 ∼ 60%까지 분리가능하였으며, 액막에서 용질의 물질전달계수는 준1차방정식과 같은 형태에서 구하였다.

2. 운반체는 용질의 물질전달속도를 촉진시켰으며, Aliquat 336이 DBC보다 촉진효과가 증가하였다.

3. 운반체와 용질의 반응은 느린 반응영역에 해당되었으며, 2차 가역 반응이 수반된 물질전달 메카니즘을 사용하여 촉진계수를 예측할 수 있었다.

참고문헌

1) Kemena, L. L., Noble, R. D. and Kemp, N. J., J. of Memb. Sci., 15, 259-274       (1993).

2) Park, S.W., Kaseger, D.F. Moon, J.B. and Kim, J.H., KJChE., 13, 596-605

(1996)