혼합계면활성제용액의 시너지 효과를 이용한 이온부상과 흡착콜로이드부상법의 분리효율향상

김경화, 서은진, 최상준

경북대학교 환경공학과

The Improvement of the Separation Efficiency of Ion Flotation and Adsorbing Colloid Flotation by the Synergistic Effect of Mixed Surfactant Solutions

Kyunghwa Kim, Eunjin Seo, Sangjun Choi

Department of Environmental Engineering, Kyungpook National University

서론

혼합계면활성제 용액의 표면활성은 단일계면활성제에서 기대되는 것보다 훨씬 크다. 이러한 특성을 혼합계면활성제의 시너지 효과라고 하며 기-액, 액-액 등의 계면의 활성을 이용하는 분리기술에는 매우 중요하다. 혼합계면활성제 용액의 표면장력은 단일성분의 표면장력보다 낮게 나타나 기-액 계면을 안정화시킨다. 그리고 혼합계면활성제의 기-액 계면에서의 흡착은 단일성분에서 보다 훨씬 크게 일어나는 것으로 알려져 있다. 혼합계면활성제 용액의 시너지효과는 오일회수를 위한 microemulsion과 foam flooding 등에 적용하여 좋은 연구결과를 얻었다.

거품분리기술은 부상제로 가격이 저렴한 sodium lauryl sulfate( SLS )와 같은 음이온 계면활성제를 많이 사용하고 특히 중금속폐수처리에 매우 유용하다. 지금까지 거품부상법은 폐수처리에 관한 연구가 많이 진행되었으나 아직 상업화된 공정이 극소수다. 이것은 실제 폐수의 경우 일반적으로 제거시키고자 하는 물질외에 다른 이온들이 존재하여 거품분리기술의 분리효율을 크게 감소기키기 때문이다.

따라서 본 연구에서는 거품부상기술의 분리효율을 향상시키기 위하여 혼합계면활성제 용액의 시너지 효과를 이용하고자 한다. 혼합계면활성제용액을 거품부상법에 적용하기 위하여 음이온 계면활성제인 sodium lauryl sulfate ( SLS ) , sodium laurate 및 비이온성 계면활성제인 알킬 알콜 ( C8H17OH, C12H25OH, C14H29OH ) 의 혼합계면활성제를 이용하여 시너지 효과를 알아보았다.

이론

거품분리기술은 기체-액체 계면에 계면활성물질이 흡착하는 성질을 이용하여 용액중으로 기포를 상승시켜 계면활성물질을 상승하는 기포에 흡착시켜 용액으로부터 분리시킨다. 제거하고자 하는 물질이 계면불활성인 경우는 용액중에 계면활성물질을 가하여 계면활성물질과의 결합 또는 흡착에 의해 계면활성을 띠게 한 다음 여기에 기포를 부상시킴으로써 수용액중에서 분리시킨다.

거품부상법에는 용액중의 제거물질 또는 농축대상 물질에 따라 이온부상법, 침전부상법, 흡착콜로이드부상법 등으로 구분된다. 이온부상법은 용액중의 이온을 포말의 계면, 즉 기체-액체의 계면을 계면활성제로 활성화시켜 이온이 포말 계면에 흡착되도록 하거나. 이온이 계면활성제와 결합하여 소수성을 띄게 하여 포말에 흡착되도록 한 다음 포말을 회수하는 기술이며, 침전부상법은 용액중의 이온을 침전물의 형태로 만들어 그 침전물의 표면을 계면활성제로 소수성이 되게 한 다음 포말에 흡착시켜 그 포말을 회수하는 방법이다. 또한 흡착콜로이드 부상법은 용액내에 Fe(III)나 Alum등을 첨가하여 흡착콜로이드를 만들어 이 표면위에 용액중의 이온이나 부유물을 흡착 또는 공침시킨 다음 계면활성제를 사용하여 소수성으로 만들어 상승하는 기포에 흡착시켜 제거하는 방법이다.

실험

2×10-4 mole/L의 Cd(II)이온을 stock solution( 1000ppm )을 이용하여 만들어 이온부상법과 흡착콜로이드부상법에 사용하였다. 먼저 이온부상법의 경우 200mL 용기에 Cd(II) 4.496 mL와 음이온성 계면활성제( SLS, Sodium Laurate )를 화학양론적으로 4×10-4 mole/L 만큼 주입하였다. 시너지 효과를 위한 비이온성 계면활성제( C8H17OH, C12H25OH, C14H29OH )는 음이온성 계면활성제 주입 몰의 1/10 만큼 주입하였다. NaOH로 pH를 6.4로 고정시킨 후 용액의 부피가 200mL가 되도록 증류수를 주입했다. 원하는 공기 유속으로 고정한 다음 준비된 실험 용액을 칼럼상부로 주입하여 이온부상실험을 행하였다. 10분후에 샘플을 채취하여 불용성착물을 해리시키기 위하여 질산 1mL를 혼합하여 착물이 완전히 해리되면 Atomic-Absorption Spectrophotometer ( Varian spectrAA 250 plus )를 사용하여 시료중에 잔존하는 Cd(II)의 농도를 분석하였다.

흡착콜로이드 부상법의 경우에는 먼저 200mL 용기에 Cd(II)와 응집제인 Fe(III) 이온을 넣고 NaOH를 주입하여 원하는 pH로 조정하여 공침물을 형성시켰다. 이어서 음이온 계면활성제인 SLS와 시너지 효과를 위한 비이온성 계면활성제를 첨가하고 전체 용액의 부피가 200 mL가 되도록 조정하였다. 원하는 공기유속으로 고정한 다음 준비된 실험용액을 컬럼상부로 주입하고 실험용액의 주입과 동시에 시간을 측정하여 10분후에 시료를 채취하였다. 잔존 Cd(II)의 농도는 이온부상법과 같은 방법으로 분석하였다.

결과 및 토론

이온부상법의 경우 외부이온의 증가에 따른 비이온성 계면활성제의 영향에 대해 알아보았다. 외부이온으로는 Na2SO4를 사용하였는데 Sodium Laurate, SLS 단독 사용시 Cd(II) 제거효율은 외부이온의 농도가 증가할수록 급격하게 감소하였다. 여기에 중성의 알킬알콜, Dodecanol, Octanol, Tetradecanol을 주입하여 시너지효과를 관찰하였다. Fig 1에서 볼수 있듯이 Sodium Laurate + 알킬알콜을 사용했을 때 외부이온의 농도가 증가할수록 음이온성계면활성제 단독으로 사용된 경우보다 혼합계면활성제를 사용했을 때 더 좋은 제거효율을 얻을수 있었고 그중에서도 Tetradecanol이 가장 좋은 효율을 나타내었다. SLS + 알킬알콜의 경우 ( Fig 2)에도 약간의 시너지 효과를 얻을수 있었다.

흡착콜로이드 부상법의 경우 pH 10-11가 최적 pH였고 pH 10-11에서 이온부상법보다 제거효율이 우수하였고 초기 Fe(III) 이온농도는 80ppm 이상에서 제거가 효율적으로 이루어졌다. 흡착콜로이드 부상에서 외부이온이 존재하는 경우 Cd(II) 제거효율이 심각하게 영향을 받으므로 Cd(II) 제거효율을 증가시키기 위해 Activator로 Al(III) 이온과 비이온성 계면활성제를 첨가했다. 외부이온의 농도가 증가할수록 잔류 Cd(II)농도는 증가하지만 Activator로 쓰인 Al(III)만 주입한 것보다는 비이온성 계면활성제를 소량 주입함으로써 잔류 Cd(II) 농도가 낮아졌다. 비이온성 계면활성제로 쓰인 Octanol, Dodecanol, Tetradecanol. 각각 제거효율이 거의 비슷하나 그중에서는 Tetradecanol이 전반적으로 효율이 우수하게 나타났다.(Fig 3)

사사

본 연구는 1997년도 한국과학재단 핵심전문연구 ( KOSEF 971-1107-045-2 )에 의해 연구되었으며 지원에 감사드립니다.

참고문헌

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5. Alan J. Rubin, J. Donald Jonson, and James C. Lamb., "Comparison of variables in ion and precipitate flotation", I&EC. Pro, Vol 5(4), p368(1966)

Fig 1. Effect of Alkyl Alcohol on Cd(II) Removal Effciency by Foam Flotation with Sodium Laurate

Fig 2. Effect of Alkyl Alcohol on Cd(II) Removal Efficiency by Foam Flotation with SLS

Fig 3. Effect of Alkyl Alcohol on Cd(II) Removal Efficiency by Adsorbing Colloid Flotation with SLS