에멀젼형 액막에 의한 싸이클로헥산과 노말헥산 혼합물의 분리

신현삼, 허기봉, 정태수

성균관 대학교 화학공학과

Separation of Cyclohexane - n-Hexane Mixture by Liquid Emulsion Membrane

Hyun-Sam Shin, Gi-Bong Heo, Tai-Soo Chung

Department of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University

서론

분리 공정은 화학공업에서 매우 중요한 공정으로서 여러 혼합물에 존재하는 화학종들의 분리, 농축, 정제에 있어서 반드시 필요한 공정이다. 따라서 많은 분리 공정이 개발되어 있는데 그 중에서 막분리 공정[1,2]은 막의 물리, 화학적 특성을 이용해서 분자 상태의 물질을 분리시키는 것으로서 증류와 같은 기존의 분리 공정에서와 같이 상변화에 따르는 열 도입 및 방출과정이 없어 에너지 사용면에서 경제적이고, 열에 약한 물질이나 용질의 성질 변화 없이 물질을 분리, 정제할 수 있는 장점 때문에 널리 이용되고 있다. 이와 같은 액막에 의한 분리법은 1968년 Li[3]가 유화형 액막으로 탄화수소 혼합물의 분리에 처음으로 적용하였는데, 그는 서로 섞이지 않는 유기용액과 수용액에 친수성인 계면활성제를 첨가하여 안정한 O/W형(oil in water)에멀젼을 만들고 이를 유기 용매에 분산시켜 O/W/O형(oil in water in oil)의 액막을 만들어 투과 속도의 차이를 이용하여 분리하였다. 에멀젼형 액막은 다른 액막에 비해 물질전달 표면적이 매우 크기 때문에 용질의 투과량과 분리속도가 크지만, 막의 안정성이 시간이 지남에 따라 저하되어 분리효율이 저하된다. 여기서 막의 안정성에 유화장치와 계면활성제가 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

유화시 초음파균질화기에 의한 유화[4]는 다른 유화방법과 비교할 때 여러 가지 장점을 가지고 있다. 0.2∼2 □정도의 평균입자크기와 0.1∼10 □의 입자크기분포를 갖는 단분산계의 에멀젼을 제조 할 수 있으며, 유화제를 사용하지 않고 안정된 에멀젼을 제조할 수 있고, 또한 물질에 따라 동일한 계에 있어서 음파를 조절하여 O/W형 에멀젼과 W/O(water in oil)형 에멀젼을 동시에 조제할 수 있으며, 동일한 입자 크기를 제조하는 데 고압균질화기보다 훨씬 적은 동력을 필요로 하며 진동날개 이외에는 동작부분이 없으므로 장치를 단순하고 견고한 형태로 다양하게 설계할 수 있다[5].

본 실험에서는 탄화수소 혼합물중 비점차가 12℃로서 비교적 차이가 작은 싸이클로헥산과 노말헥산을 분리하는데 있어서 에멀젼형 액막을 이용하여 초음파균질화기와 기계적 교반기를 사용하여 O/W에멀젼을 제조하고, 초음파균질화에 의한 유화시간(조사시간)에 따른 계면활성제의 영향과 초음파 균질화기의 진폭이 분리계수에 미치는 영향 및 기계적 교반기의 교반 속도가 분리계수에 미치는 영향을 분석했다.

이론

에멀젼형 액막 분리법은 서로 혼합되지 않는 유기용액과 수용액을 계면활성제를 이용, 균일하게 혼합하여 에멀젼 상태로 안정화하고 다시 연속상과 복 에멀젼 형태를 유지하여 투과 면적을 증대시킴으로써 투과 속도를 크게 한 것이다. 따라서 초음파균질화기, 기계적 교반기 등의 혼합기를 이용하여 유기용액과 계면활성제 용액면에서 균질화 된 안정한 에멀젼을 만들고 이를 연속상인 용매와 접촉시켜 용질의 액막에 대한 투과도의 차이로 분리할 수 있다. 이때 액막은 용액과 용매에 불용성이어야 하며 유화조건에 따라 O/W/O형이나 W/O/W형 에멀젼이 된다. 이때 각각의 액적 내부로부터 투과 속도가 큰 물질이 용매 쪽으로 잘 투과되어 에멀젼 내에는 투과 속도가 낮은 물질이 남게 되므로 혼합된 물질의 분리가 가능하다[6]. 이러한 투과모델을 Fig. 1에 나타내었다. 용매층은 증류로써 투과물과 용매로 분리할 수 있고 에멀젼층은 주로 물리적 방법인 원심 분리, 여과, 가열, 정전기적인 침전법 등의 탈유화 공정에 의해 미투과물과 계면활성제 용액으로 분리할 수 있다[7].

실험

본 실험에서 사용한 실험장치는 크게 유화기와 접촉기로 나눌 수 있다. 유화기는 100 ml 비이커, 접촉기는 300 ml 비이커를 사용했다. 유화에 사용한 초음파균질화기(Ultrasonic Generator Model 450, Branson Ultrasonics Co., U. S. A.)의 tip은 flat tip 1/2 in. 직경이고 용액면에 위치하도록 하여 실험하였으며 기계적 교반기는 직경 40 mm의 propeller형을 사용했다. 또한 용매와의 접촉에 사용한 교반기는 직경 45 mm의 four-blade paddle로서 용기 바닥으로부터 1 cm 높이의 위치에서 실험했다.

유화기에서 싸이클로헥산과 노말헥산을 각각 50 wt%의 일정성분으로 섞은 탄화수소혼합물과 계면활성제용액( surfactant + H2O + 첨가제 )을  섞어서 유화장치로 일정시간 유화시켜 O/W형 에멀전을 제조한다. 그리고 용매인 kerosene을 250 rpm으로 교반하면서 이에 따로 제조한 에멀젼을 서서히 가하면 액적상태로 분산되어  O/W/O형 액막이 제조되며, 이 액막을 통하여  싸이클로헥산과 노말헥산의 선택적 투과가 일어나게 되며, 이때 시료와 용매와의 비율은 1:3이 적절하다고 알려져 있다. 그리고 일정시간 후에 교반을 멈추고 정치하면 용매층과 에멀젼층으로 분리되며, 10 ml 주사기를 사용하여 용매층으로부터 시료를 채취하여 gas-chromatography로 분석하였다. 실험에 사용한 계면활성제는 음이온 계면활성제로 sodium lauryl sulfate(SLS, Nikkol Chemical Co., Japan), sodium polyoxy-ethylene(2) lauryl ether sulfate(SBL-2N -27,  Nikkol Chemical Co., Japan), triethanolamine lauryl sulfate (TEALS, Nikkol Chemical Co., Japan)이다.

결과 및 고찰

1. 계면활성제 종류에 따른 영향

Fig. 2는 alkly ether sulfate계인 SBL-2N-27과 alkyl sulfate계인 SLS, TELAS를 각각의 농도 0.3 wt%, 접촉시간 10분, 정치시간 10분, 초음파균질화기의 진폭 76 □에서 유화시간에 따른 분리계수를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 alkly ether sulfate계인 SBL-2N-27이 유화시간 7분에서 분리계수 3.81로 가장 좋은 결과를 나타내었다. 또한 alkly sulfate계인 SLS와 TELAS는 유화시간 7분에서 각각 분리계수가 2.79와 2.87로 높은 결과가 나왔다.

2.. 초음파균질화기의 진폭의 영향

Fig. 3에서는 계면활성제 SBL-2N-27을 사용하여 농도 0.3 wt%, 접촉시간과 정치시간을 각각 10분, 지속시간은 40 %로 고정하고 초음파균질화기의 tip은 직경이 1/2 in.인 flat tip를 사용하여 유화시간에 따른 초음파의 진폭이 분리계수에 미치는 영향을 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 유화시간 7분과 진폭이 90 □일 때 분리계수 3.83으로 가장 높은 분리계수를 나타내었다.

3. 기계적 교반기의 속도의 영향

Fig. 4는 Fig. 3과 같은 실험조건에서 교반기를 사용하여 유화시간에 따라 유화시 교반기의 교반속도가 분리계수에 미치는 영향을 나타내었다. 교반기를 이용했을 때에는 유화시간 5분 이전에는 액적이 잘 형성되지 않았으며 유화시간 15분과 교반속도 1200 rpm에서 분리계수 3.38로 가장 높은 분리계수 값을 나타내었다.

참고문헌

1. Marr, R. and Kopp, A. : " Liquid Membranes Technology - a

Survey, Mechanisms, and Models" Int. Chem. Eng., 22, 1, pp.

44-60 (1982).

2. 한국 막학회 : □막분리 응용□, 자유아카데미, pp. 423-458 (1995)

3. Li, N. N. : "Separating Hydrocarbons with Liquid Membranes"

U. S. Patent 3, 410, 794 Nov. 12 (1968).

4. Hanna, G. J. and Larson, K. M. : "Influence of Preparation

Parameters on Internal Droplet Size Distribution of Emulsion Liquid

Membranes" Ind. Eng. Prod. Res. Dev., 24 p. 269 (1985)

5. 이용현 : □초음파 균질화에 의한 O/W형 에멀젼의 안정성에 관한 연구□ 박사

학위논문, 성균관대학교 화학공학과, pp. 8-9 (1996).

6. Shah, N. D. and Owens, T. C. : "Separation of Benzene and Hexane

with  Liquid Membrane Technique" Ind. Eng. Chem. Prod. Res.

Dev., 11, p. 58 (1972).

7. Flyles, T. M. : "On the Rate-Limiting Steps in the Membrane

Transport of Cations Across Liquid Membranes by Dibenzo-18-

Crown-6 Lipophilic Crown Ether Carboxylic Acids" J. Memb. Sci.,

24, p. 229 (1985)

Fig. 1. Simplified liquid membrane model.      Fig. 2. Separation factor vs. emulsification

time

Fig. . Effect of ultrasonic homogenization

amplitude on separation factor

Fig. 4. Effect of mechanical stirring on

separation factor