연속식 액막 추출기를 이용한 수용액 중의

아연 이온 분리

주 창식, 하 홍두, 정 석기

부경대학교 화학공학과

Separation of Zinc Ion from Aqueous Solutions in a Continuous Liquid Membrane Permeator

Chang-Sik Ju, Hong-Doo Ha, and Suk-Ki Jeong

Dept. of Chem. Eng., Pukyong National University

서  론

수용액 중의 특정 용질을 분리하는 많은 공정들 중에서 액막을 이용하는 분리법은 희박 용액으로부터 금속이온이나 단백질 등의 용질을 분리, 농축하는 매우 유용한 방법으로 알려지고 있다.

지지막을 이용하는 액막 추출기로는 함침 액막 추출기(supported liquid membrane permeator)[1]와 hollow fiber contained liquid membrane permeator (HFCLMP)[2]가 사용되고 있다. 그러나 함침 액막 추출기는 함침된 막액의 양이 매우 적은 관계로 막의 내구성이 우수하지 못하고, contained liquid membrane permeator는 공중사의 지름이 매우 작은 관계로 처리액 중에 부유물이 존재하는 경우에는 사용이 매우 불편하다는 단점이 지적되고 있다.

이에 본 연구에서는 수용액 중의 금속이온을 효과적이고 지속적으로 분리할 수 있는 액막 추출기를 개발할 목적으로 두 장의 친유성 미세 여과지를 지지막으로 사용하는 연속식 액막 추출기를 제작하고, 막액으로는 케로신에 30 vol %로 희석시킨 D2EHPA 용액을 사용하여 수용액 중의 아연 이온을 분리하는 실험적 조사를 행하였다.

아울러 본 연구에서 사용한 계에 대한 간단한 물질전달 속도 모델을 제시하고, 지지막을 이용하는 액막 추출기 내에서의 분리 속도 실험 결과와 물질전달 속도 모델을 비교 검토하였다.

이   론

1. D2EHPA에 의한 아연 이온의 추출평형.

유기상 내에서 D2EHPA는 이량체와 평형을 이루며 존재하고, 아연을 비롯한 2가 금속의 D2HEPA에 의한 추출반응은 다음과 같이 진행되는 것으로 알려져 있다[1].

Zn2+ + (n+1) (HR)2 □ MR2·n (HR)2 + 2 H+

이 추출반응의 추출평형 상수 Kex는

[eqn: K_ex = {[MR_2˛ n(HR)_2 ] [H^+ ]^2}over {[Zn^2+ ][(HR)_2 ]^n+1}]

여기서 조건부 평형상수 K*ex를 [eqn: K_ex ^* = K_ex [H ^+ ]^-2]로 정의하고 추출반응이 매우 빨라 추출상-액막 계면에서 화학평형이 존재한다고 가정하면 추출제 HR의 수지식은 다음과 같이 된다.

[eqn: [HR]_o ~=~ [HR]_e ~+~2(n+1)K_ex ^* [Zn^2+ ][(HR)_2 ]^n+1]

2. 액막 추출기 내에서의 아연 이온 Flux 계산

추출 및 회수반응은 확산에 비하여 매우 빠르게 일어나므로, 추출 및 회수반응에서 기인되는 물질전달 저항을 무시하면 물질전달 속도식을 확산 항만으로 표시할 수 있다. 액막 추출기 내에서의 농도구배가 선형이라 가정하면, 추출상 경막에서의 flux Ja와 액막 내에서의 flux Jm은 각각 다음 식으로 표시된다.

[eqn: J_a ~=~ D_a over d_a ~([Zn^2+ ] - [Zn^2+ ]_f )]                                                  [eqn: J_m~ =~ D_m over d_m ~([ZnR_2˛ n(HR)_2 ]_m.f ~-~ [ZnR_2˛ n (HR)_2 ] _m.s]

추출반응이 매우 빨라 추출평형이 존재한다고 가정하면 추출 평형식에서 [eqn: [ZnR_2˛ n(HR)_2 ]_m.f = K_ex ^* [Zn^2+ ]_f [(HR)_2 ]^n+1]이 된다.

회수상의 산 농도가 충분히 클 경우 액막 - 회수상 계면에서의 아연 이온 분배계수가 추출상 - 액막 계면에서의 분배계수보다 대단히 작으므로 [eqn: [ZnR_2˛ n (HR)_2 ] _m.s = 0]이라 가정하면, 정상상태에서의 아연이온 추출 flux J는

[eqn: J~=~ {{ K_ex ^* [(HR)_2 ]^n+1 } over {R_m + R_a · K_ex ^* [(HR)_2 ] ^n+1 }} [Zn^2+ ]] 가 된다.

먼저 추출상의 아연 농도가 매우 클 경우에는 [eqn: J~ =~{ K_ex ^* [(HR)_2 ]^n+1 [Zn^2+ ]} over R_m]  [eqn: ~=~ [HR]_o over {2R_m (n+1)}]가 되어 flux J는 추출액 중의 아연 농도와 무관하게 된다.

추출상의 아연 농도가 매우 작을 경우에는 [eqn: J ~=~ {[Zn^2+ ]} over {R_a}] 이 되어 flux J가 추출액 중의 아연 농도에 비례하게 된다.

실험

본 연구에서는 수용액 중의 금속이온을 효과적이고 지속적으로 분리, 농축할 수 있는 액막 추출기를 개발할 목적으로 Fig. 1에 나타낸 것과 같은 연속식 액막 추출기를 제작하여 수용액 중에 존재하는 아연 이온의 분리 실험을 행하였다.

연속식 액막 추출기의 구조와 크기는 지난 회분식 추출 연구[3]에서 사용한 것과 동일하게 하였으며, 연속식 조작을 할 수 있도록 추출조와 회수조에 각각 출-입구를 설치하고 미량 펌프를 사용하여 추출액 및 회수액 저장조로부터 추출액과 회수액을 일정한 유속으로 공급할 수 있도록 준비하였다.

막액으로는 케로신에 30 vol%로 희석시킨 D2EHPA 용액을 사용하였고, 회수액으로는 1 mol/L의 황산 수용액을 사용하였다.

유입되는 추출액과 회수액의 유속(공간시간), 추출액 중의 아연 이온 초기농도, 추출액의 초기 pH, 추출온도 등의 조작 변수들을 변화시키면서 추출 실험을 행하여 이들 추출 변수들이 추출에 미치는 영향을 실험적으로 조사하였다. 또한 액막 추출기가 정상상태에 도달한 이후에도 상당 시간 동안 분리 조작을 계속하여 액막의 내구성을 조사하였다.

결과 및 고찰

연속식 액막 추출기를 사용하여 수용액 중의 아연 이온 추출 실험을 행하여, 추출기 조작시간에 따른 추출상과 회수상의 농도 변화를 공간시간을 매개변수로 하여 Fig. 2에, 그리고 공간시간에 따른 아연 이온의 평형 추출률 변화는 Fig. 3에 나타내었다. 여기서 본 액막 추출기는 지속적이고 효과적으로 수용액 중의 아연 이온을 분리할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

지지막을 이용하는 연속식 액막 추출기 내에서의 아연 이온 이동 속도를 조사하기 위해서 실험 결과들로부터 아연 이온 추출 flux를 산출하였다. 연속식 액막 추출기를 사용하여 아연 이온을 추출할 경우, 추출기가 정상상태에 도달한 후의 추출상을 기준으로 한 아연 이온 flux J를 [eqn: J ~=~ {([Zn^2+ ]_i -[Zn^2+ ])· Q_F} over A]  로 정의하고 각 조건에서의 flux를 산출하여 아연 이온 초기 농도를 매개변수로 하여 공간시간의 함수로 나타내었다. flux는 일반적으로 아연 이온의 평형 농도에 비례하기 때문에, 이들의 관계를 규명하기 위해서 flux를 공간시간을 매개 변수로 하여 아연 이온 평형 농도의 함수로 Fig. 4에 나타내었다. 여기서 앞의 아연 이온 이동 모델에서 제시된 바와 같이 flux는 아연 이온의 농도가 매우 낮을 경우에는 아연 이온의 농도에 비례하고, 아연 이온의 농도가 클 경우에는 아연 이온 농도의 영향을 받지 않는 것이 확인되었다.

참고문헌

1. R. Guerriero & L. Meregalli : Hydrometallurgy, 20, 109 (1988).

2. A.K. Guha, C.H. Yun, R. Basu & K.K. Sirkar : AIChE J., 40(7), 1223 (1994).

3. C.S. Ju, J.K. Cheon, H.D. Ha : HWAHAK GONGHAK, in press (1999).