회분식 침전계에서 입도분포에 대한 유기용매의 영향

한 현 각, 이 세 일*

순천향대학교 화학공학부, 서남대학교 화학공학과*

Influence of Organic Solvent for CSD in the Batch Precipitation

Hyun Kak Han, Sae-Ill Lee*

Department of Chemical Engineering, Soonchunhyang University

Department of Chemical Engineering, Seonam University*

서론

결정화 공정은 많은 응용분야에서 사용되어 왔으며, 특히 최근에는 Nanotechnology의 한 분야로서 각광 받고 있는 분야중의 하나이다. 그러나 결정화에서 가장 중요한 문제는 입도가 일정한 결정을 생산하는 것이다. 침전법으로 미세 결정을 생산하는 공정에서는 미세 입자들의 뭉침 현상에 의하여 결정의 입도가 즉 CSD가 변하고 있다. 탄산법 결정화 공정에서 뭉침과 깨짐 현상을 고려하여 결정의 입도분포를 연구한 보고서는 있으나, 뭉침에 대한 연구는 이제 시작 단계이다.

본 연구에서는 수산화칼슘용액과 탄산가스의 개-액 침전 결정화계에서 순수한 물 대신에 물-유기용매 혼합용액을 이용하여 결정의 입도분포와 뭉침 현상에 대하여 연구하였다.

실험장치

실험장치는 Fig. 1.과 같으며, 결정화기 항온조, 가스유입부분으로 나눌 수 있다. 결정화기는 지름이 150□, 높이 250□인 원통형 아크릴관을 사용하였으며, 완전혼합을 위하여 두께가 1□, 폭 10□, 높이 230□인 방해판을 900 간격으로 4개를 설치하였으며, 혼합을 위하여 RPM이 조절되는 혼합기를 결정화기 상부에 설치하였다. 항온조는 결정화기 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 항온의 물을 결정화기에 순화시켰으며, 가스유입 부분은 가스통, 유량계, 혼합기로 구성되어 있으며, 각각의 가스통에서 나온 가스는 유량계에서 유량이 조절되고, 혼합기에서 1:1로 혼합하여 결정화기에 주입하였다.

Fig. 1. Schematic Diagram of Precipitate Calcium Carbonate system.

실험방법

일정 농도의 수산화칼슘 1L 용액에 성분비에 따라 유기용매를 혼합하여 항온이 되도록 하였다. 탄산가스와 질소가스가 혼합된 혼합가스를 100□/min의 유속으로 주입하였으며, 용액의 산도변화를 pH-meter로 측정하였다. 실험을 시작한 후 5분마다 50□ 피펫을 이용하여 시료를 채취하였으며, 채취된 시료는 무게를 측정한 후 0.45□ whatmann membrain 필터로 결정과 모액을 분리하였다. 분리된 결정은 시약용 에탄올로 충분히 세척한 후 40℃ 오븐에서 결정의 무게 변화가 없을 때까지 충분히 건조하였다. 건조된 결정은 초음파 세척기에서 6시간 이상 뭉친 덩어리를 분리한 후 Galai CIS-1 입도분석기로 결정의 입도와 평균직경을 측정하였으며, SEM을 이용하여 결정의 뭉침 현상을 관찰하였다. 또한 분리된 모액은 오븐에서 물을 증발시킨 후 무게를 측정하여 농도를 측정하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2.는 유기용매 농도에 따른 산도변화를 나타낸 것이다. 실험하는 동안 산도 변화는 매우 적으며, 유기용매 농도에 따라 산도 변화가 있음을 알 수 있었다. 즉 수산화칼슘 용액에 유기용매를 첨가하면 약간의 산도 변화가 있음을 알 수 있었다. 유기 용매가 에탄올인 경우에는 에탄올 분자의 structure-making이라는 이례적인 현상으로 설명하고 있다. 즉 유기 용매를 첨가함으로서 용매구조가 변하여 물분자의 배치 구조를 바꾸고 녹아 있는 이온의 수화력을 약화시키는 것으로 알려져 있다. 애탄올 대신 다른 유기용매를 용액에 첨가하였을 때에도 이와 같은 현상이 일어나는 것으로 생각된다.

Fig. 3은 수산화칼슘의 초기농도가 0.03mol, 헥산의 농도가 3%일 때 실험 후 30분일 때 입도분포이다.

Fig. 4는 수산화칼슘의 초기농도가 0.03mol, 헥산의 농도가 3%, 5%일 때 실험 후 30분일 때 SEM 사진이다. 유기용매를 주입함으로서 결정의 계면의 경계면이 깨끗하며, 뭉침 현상이 적게 일어남을 알 수 있었다.

Fig. 2. PH Change During Crystallization by Hexane %.

Fig. 3. Weight Distribution of Calcium Carbonate after Startup

30min in 3% Hexane Mixture.

Fig. 4. Scanning  Electron  Micrographs  of  Precipitated Particles.

(a) 3% Hexane (b) 5% Hexane.

결론

1. 물 - 유기용매 혼합용액에서 생성된 결정이 순수한 용액에서 생성된 결정보다          뭉침 현상이 적게 일어났다.

2. 유기용매의 농도가 증가함에 따라 결정의 평균크기는 증가하였다.

참고문헌

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