고압의 HFC-134a에 대한 분산염료의 용해도 측정과 평형염착량

박민우, 전정호, 배효광

영남대학교 응용화학공학부

경산시 대동 214-1

Solubility Mesurement and Equilibrium Uptake of Disperse Dyes in HFC-134a at High Pressure

Min-Woo Park, Jeong-Ho Jeon and Hyo-Kwang Bae

School of Chemical Engineering and Technology, Yeungnam Univ.

214-1 Dae-Dong, Kyongsan 714-719, KOREA

서론

기존의 염색산업에 있어서 다량의 염색폐수 처리 문제, 염료의 낮은 이용률 및 에너지의 과다소모등과 같은 어려운 문제들을 해결하기 위하여 초임계유체를 사용하는 염색공정이 개발되고 있다. 1990년대 초부터 독일 DTNW의 Schollmeyer 교수팀[1-4]은 여러종류의 합성섬유 및 천연섬유에 까지 초임계 이산화탄소에 의한 염색을 시도하였고, 지금도 Pilot plant규모의 실험을 계속하고 있다. 이와 같은 공정이 상업화 되기 위해서는 초임계 유체중의 염료의 용해도, 섬유의 팽윤현상 및 내부확산속도, 고밀도 기체중의 염료농도와 평형염착량간의 관계, 염착속도등의 기초데이터가 필요하다. 본 연구에서는 냉매로 사용되는 CFC의 대체물질 중 하나인 HFC-134a를 사용하여, 중요한 기초물성중의 하나인 용해도를 측정하고 용해도의 모델화를 시도하였다. 또한 섬유에의 평형염착량을 측정하고 용해도와 평형염착량의 관계를 검토하였다.

실험방법

이미 보고[5]된 Fig.1과 같은 반유통식 초임계유체평형실험장치를 사용하여 초임계 HFC-134a에 대한 분산염료인 C. I Disperse Red 60과 C. I. Disperse blue 79의 용해도를 측정하였다. 초임계유체평형실험장치는 크게 압축부, 평형부 그리고 팽창부로 이루어져있다. 평형조는 길이 300□, 직경 17□의 원통형으로 이루어져 있고, 염료와 유리솜으로 교대로 채워 염료의 비산을 막았으며, 그 총길이는 약 150□정도이고, 충전된 염료의 양은 약 5∼6g 이다. 실린더 속의 HFC-134a를 액체상태로 액체펌프에 공급하기 위하여 냉각장치를 사용하여 HFC-134a를 액화하였다. 액체펌프는 고압용 액체정량펌프(Milton Roy, NSI-33R)이며 실험압력은 정밀도가 ±6psia인 Bourdon형 압력계(3D Instrument, 25517-36621)를 사용해서 압력을 측정하였고 압력을 조절하기 위해 배압조절기로써 ±1bar 이내로 압력을 조절하였다. 평형조 외부에 ±0.5℃ 이내로 조절되는 가열기를 부착하여 실험온도를 조절하였다. 팽창부엔 팽창으로 인한 냉각을 방지하게 위해 열선으로 가열한 미량조절밸브에서 유체를 감압 팽창시키고 HFC-134a에 용해되어 나온 염료는 트랩에 포집되고 HFC-134a는 습식가스미터에서 그 양이 측정된 후 대기중으로 방출되었다. 사용된 염료는 분산제나 다른 기타 화학첨가제가 전혀 포함되어 있지 않은 순수한 C.I disperse red 60과 C.I disperse blue79이다. HFC-134a는 순도가 99.9% 이상의 것을 사용하였으며, 포집된 염료의 양을 측정하기 위해 사용된 Chlorobenzene은 특급시약을 그대로 사용하였다.

장치의 온도를 원하는 온도로 일정하게 한 후 약 500-600□의 HFC-134a를 천천히 흘려보내 장치내부의 공기를 완전히 제거한 다음 액체펌프를 사용하여 원하는 압력으로 가압을 한다. 압력이 유지가 되면 HFC-134a의 평균유량을 150- 200ml(STP)/min로 하여 팽창밸브를 통해 배출되도록 하였다.이 유량에서는 염료와 초임계유체중에 완전히 포화 된다는 것은 배와 허[5] 의 보고에서 알 수 있다. HFC-134a와 분리된 염료는 트랩에서 포집되어지고, HFC-134a는 로터미터와 습식가스미터를 통해서 그 양이 측정된 후 대기중으로 방출된다. 이러한 방법으로 383.15K과 413.15K의 온도에서, 압력은 50bar에서 160bar까지 변화시켜 가면서 용해도 측정을 하였다.

A : Gas cylinder     B : Liquid pump     C : Cooling unit    D : Pressure regulator

E : Equilibrium cell  F : Expansion valve   G : Cold trap   H : Rotameter    I : Wet gas meter

V : Chlorobenzene reservoir    TC : Temperature controller    TI : Temperature indicator

FIg. 1 Schematic diagram of experimental apparatus

Chlorobenzene중의 염료의 용해도 분석방법은 미리 검량선을 작성하여 둠으로써 해결하였다. 용매인 Chlorobenzene에 일정량의 염료를 녹이고 UV-Spectrometer를 사용하여 흡광도를 측정하였다. Chlorobenzene중의 C.I disperse red 60와 C.I disperse blue79의 특성 peak의 파장은 각각 516.9nm와 602.3nm이며, 이를 바탕으로 Fig. 2와 같이 검량선을 작성하였다.

Fig. 2 Calibration Curve of C.I disperse red 60 & C.I disperse blue 79

for Chlorobenzene

평형염착량의 측정방법도 용해도 측정실험과 동일한 온도와 압력의 조건에서 수행하였다. 평형조의 염료층위에 다공성 금속망에 감아둔 PET 섬유를 얹어두고 초임계상태의 HFC-134a를 150ml (STP)/min의 유속으로 흘려보낸다. 실험방법은 용해도 측정때와 동일하다. 평형염착이 되었다고 확신할 수 있는 4시간 이상 경과한 후에 평형조를 해체하고 섬유시료를 꺼낸다. 비누물로 세척·건조한 후 무게를 달고 이것을 끓는 Chlorobenzene에 넣어 염료를 모두 추출한 후 UV-Spect-

rometer에 의하여 추출액의 흡광도를 측정하면 염착량을 알 수 있다.

결과 및 검토

각각의 염료에 대하여 온도와 압력을 변화시켜 가며 용해도를 측정하였다. 그 결과를 다음의 Table 1, 2에 나타내었다. 이것을 도시하면 Fig. 3, 4와 같다. 110℃에서는 용해도가 압력에 따라 크게 증가하지 않으나 140℃에서는 압력이 60bar에서 100bar로 증가함에 따라 염료의 용해도는 크게 증가하고 있음을 알 수 있다. 동일한 실험조건에서 초임계 이산화탄소를 사용한 경우의 용해도를 Fig. 3, 4에 함께 표시하였다. HFC-134a중의 용해도는 용매가 이산화탄소의 경우보다 훨씬 큰 용해도를 나타내고 있다.

Table 1. Solubility of C.I disperse red 60 in Supercritical HFC-134a

Pressure [ bar ]	Solubility [y2 × 106]	Pressure [ bar ]	Solubility [y2 × 106]
T = 383.15 K		T = 413.15 K
50	2.187	50	3.677
70	2.840	70	30.71
100	3.287	100	42.00
130	3.428	130	43.10
160	3.634	160	44.02

Table 2. Solubility of C.I disperse blue 79 in Supercritical HFC-134a

Pressure [ bar ]	Solubility [y2 × 106]	Pressure [ bar ]	Solubility [y2 × 106]
T = 383.15 K		T = 413.15 K
50	8.596	50	0.336
70	41.28	70	2.237
100	48.49	100	89.14
130	52.42	130	106.6
160	54.12	160	110.4

Fig. 3 Solubility of C.I disperse red 60

Fig. 4 Solubility of C.I disperse blue 79

참고문헌

1. Saus, W., Knittel, D. and Schollmeyer, E. : Textile Res. J., 63, 135-142(1993).

2. Gebert, B., Saus, W., Knittel, D., Bushmann, H.-J. and Schollmeyer, K. :

Textile Res. J., 64(7), 371-374(1994).

3. Bach, E., Cleve, E. and Schollmeyer, E. : Part 1, Melliand, 3, 192-194(1998).

4. Bach, E., Cleve, E. and Schollmeyer, E. : Part 2, Melliand International, 2,

165-168(1999).

5. Bae, H. K. and Hur, B. K. : J. KIChE, 34(3), 379-382(1996).

6. Lee, J. W., Min, J. M. and Bae, H. K. : J. Ind. Eng. Chem. Data, 44,

684-687(1999)

7. Lee, J. W., Park, M. W. and Bae, H. K. : Fluid Phase Equilibria, in print

(2000).