Oil-Water 에멀젼 분리를 위한 마이크로파의 이용

홍주희·김덕찬

서울시립대학교 공과대학 화학공학과

Use of Microwaves for Separation of Oil-Water Emulsions

Joo-Hee Hong·Dok-Chan Kim

Department of Chemical Engineering, The University of Seoul

1. 서론

산업 현장과 가정 생활 폐수 등에서 유출되는 안정한 에멀젼들은 수중으로의 공기 이동을 차단시켜 수중 생태계에 악영향을 미칠 수 있다.

가열, 화학 약품 첨가, 용제 추출, 희석, 한외여과 및 원심 분리 등 기존의 에멀젼 분리 방법들은 대체로 처리 시간이 길고 장치비와 운전 비용이 고가이며 또한 에너지 손실과 2차적 오염이라는 문제점들을 가지고 있다. 이러한 문제점들을 제거하거나 감소시킬 수 있는 새로운 방법 중 하나로 마이크로파를 이용한 분리 방법이 제안되고 있다.

에멀젼이 마이크로파의 전기장에 놓이게 되면, 에멀젼 내부의 극성 물분자들은 그 주파수에 따라 회전하게 된다. 이렇게 회전하는 분자들의 마찰에 의해 열이 발생하여 에멀젼 온도가 상승하며 이로 인한 에멀젼의 점도 감소로 합체 현상이 촉진될 수 있다. 또한, 마이크로파 전기장의 방향에 따라 극성의 물분자들이 정렬하게 되면서 에멀젼 입자 주위의 전기적 전하들의 재배열이 일어나 제타 전위가 감소되어 입자들이 합체가 되기 용이해져 에멀젼의 분리가 촉진되는 것으로 알려져 있다.

본 연구에서는 에멀젼에 마이크로파가 조사될때 에멀젼 본체의 에멀젼의 승온 특성, 마이크로파 효과 - 조사시간, 전계 강도, 조사 방법 -와 에멀젼 분산 입자의 변화에 대하여 실험적으로 검토하고자 하였다.

2. 실험

에멀젼은 모터 오일, 계면활성제(Polyoxyehtylen nonylphenyl ether)와 증류수를 배합기(blender)로 혼합하여 20, 30, 50%(v/v%)의 O/W형 에멀젼을 제조하였으며, W/O형 에멀젼은 모터 오일과 5%-NaOH용액만을 이용하여 제조하였다.

제조된 에멀젼의 형태와 안정성은 수용성 잉크와 Image Analyzer(Nikon Co.)를 이용하여 확인하였다.

에멀젼은 직경 44mm, 높이 210mm의 실린더형 석영 반응기에서 가열했으며, 가열 장치는 주파수 2,450□에서 작동하며 microprocessor controller를 장착하여 연속조사와 주기적 조사가 가능한 마이크로파 오븐(마그네트론 출력 720W)과 출력 강도가 0∼100%의 level로 조절이 가능한 pulse-mode(time base 1000ms)의 마이크로파 오븐(CEM Co., LabWave 9000, 마그네트론 출력 630W)를 사용하였다. 에멀젼의 승온 특성은 마이크로파가 조사될때 전계의 영향을 거의 받지 않는 fiber optic sensor(Fiso Technologies Inc.)를 이용하여 조사하였으며, 마이크로파 조사시간에 따른 에멀젼 입자의 크기 변화는 Image Analyzer를 사용하여 관찰하였다. 에멀젼의 분리 효율은 분리가 이루어진 에멀젼의 오일층에 포함된 물의 함량과 수층의 오일 함량을 분석하여 얻었다.

3. 결과 및 고찰

마이크로파 전계의 영향을 거의 받지 않는 fiber optic sensor를 이용하여 마이크로파로 에멀젼이 가열될때 에멀젼 본체의 온도를 직접 측정하였다(Fig. 1). 반경 방향에서는 에멀젼 본체 외부로부터 주위로 열손실이 발생하여 중심보다 낮은 온도 분포를 나타내었고 축 방향에서의 온도 차이는 에멀젼이 균일하게 가열되지 않음을 알았다. 에멀젼의 농도가 높아질수록 초기에는 온도 차이가 크게 나타나지만 일정 시간 이후에는 연속상과 분산상이 열적평형 상태가 되어 등온에 도달하였다. 가열 시간에 따른 온도 상승 속도의 감소는 온도가 상승함에 따라 연속상인 물의 유전율이 감소하여 단위 시간에 대하여 흡수하는 에너지의 양이 적기 때문으로 알려져 있다.

Lai는 에멀젼 본체의 승온 특성 연구시 thermometer가 마이크로파의 전계에 영향을 받기 때문에 마이크로파 본체에서 직접적인 온도 측정이 불가능하여 마이크로파 가열 후 오븐으로부터 에멀젼을 꺼내어 에멀젼 본체의 온도를 측정하였다. 일정 시간 마이크로파에 의하여  에멀젼이 가열된 후에도 등온 부분이 나타나지 않고 에멀젼 본체의 외부 온도가 중심 부분보다 더 높은 온도 분포의 승온 특성을 나타냈다[1].

Lai는 가열된 에멀젼을 오븐으로부터 꺼내어 에멀젼의 온도 측정을 하였기 때문에 정확한 승온 특성을 연구하는되는 오차가 있었다고 생각된다. 본 연구에는 이 결점을 제거하기 위하여 에멀젼 본체에서 직접 온도를 측정하였기 때문에 보다 정확한 승온 특성을 알 수 있었다.

마이크로파 조사시간에 대한 분산 입자들 크기와 함량의 변화는 Image Analyzer를 이용하여 관찰하였다(Fig. 2). 가열 시간에 대한 에멀젼 분산 입자들의 변화를 관찰하기 위하여 마이크로파 조사 시간을 다르게 하였다. 30초 가열시에는 분산 입자들의 합체 현상으로 분산 입자의 직경이 원액의 분산 입자들 보다 커졌으며, 90초 가열시에는 합체가 이루어진 분산 입자들이 상부로 부상하여 연속상에서 분산 입자들이 거의 관찰되지 않았다. Pal등은 에멀젼 직경 2∼30□ 크기의 분산 입자들이 마이크로파 조사후 직경 30□이상의 큰 입자들로 변화되는 것을 관찰하였다[2]. 이와 같은 현상들은 본 연구에서와 같은 결과를 나타내었다.

20, 30, 50% O/W형 에멀젼들은 마이크로파를 연속적으로 90∼120초 단시간 조사 가열하여 70∼100□의 온도 범위에서 75, 85, 95%의 분리 효율을 얻었다.(Fig. 3). 분산상인 오일의 양이 증가할수록 연속상인 물의 양이 감소하기 때문에 동일 시간에 물 단위 부피에 대하여 흡수되는 마이크로파의 에너지 양이 증가하여 에멀젼의 온도 상승이 보다 빠르게 이루어졌으며, 온도 상승에 의한 점도의 감소로 합체도 더욱 빠르게 진행되어 농도가 높은 O/W형 에멀젼의 분리 효율이 높게 나타난 것으로 생각된다.

마이크로파에 의한 에멀젼 분리시 전계 강도에 대한 영향을 검토하기 위하여 마이크로파를 연속 조사하는 방법과 마이크로파의 전계 강도를 on/off duty cycle에 의해 조절할 수는 pulse mode의 마이크로파 오븐을 사용하여 에멀젼을 가열하였다. 에멀젼이 연속 조사와 on/off(200ms/800ms) 조사에 의하여 동일한 에너지가 흡수될 때(100□에서)에는  on/off조사에 의한 방법에서 20%의 더 높은 분리 효율이 얻어졌다.(Fig. 4). 또한, 100□의 등온 상태에서 on/off조사 방법에 의하여 지속적으로 360초 가열하여 20% 향상된 에멀젼의 분리 효율을 얻을 수 있었다. 이와 같은 현상은 on/off에 조사에 의한 에멀젼의 조사가 연속 조사때와 동일한 에너지를 흡수하는데 걸리는 조사시간이 길어 연속상에서 분산 입자들간 충돌 빈도가 증가와 이에 의한 분산 입자들의 합체로 입자 직경들이 증가로 인한 침강 속도의 가속화와 에멀젼 입자 주위의 전기적 전하들의 재배열에 의한 제타 전위 감소로 에멀젼 분리 효율이 향상된다고 판단된다. 이와 같이 마이크로파의 전기적 특성이 에멀젼 분리에 영향을 미친다 사실은 Fang등의 hot plate와 마이크로파 가열에 의한 에멀젼 분리의 비교 연구에서도 제안되었다[3,4].

4. 참고문헌

1. Minchung Peter Lai, Demulsification and activated carbon regeneration         using microwave radiation, Louisiana Tech University, (1990).

2. Rajinder Pal, Jacob Masliyah., ASOTRA J. Research., 7, 155(1991).

3. C. S Fang, Peter M. C. Lai, Bruce K. L. Chang, Chem. Eng. Comm., 73,      227(1988).

4. C.S. Fang, Peter M. C. Lai, J. Microwave Power & Electromagntic Energy,    30(1), 46(1995).

Fig. 1. Temperature distribution and histogram of emulsions(30,50% O/W)

heated in domestic microwave oven.

Fig. 2. Oil droplets(□800) in water phase of 30%O/W emulsion heated in

domestic microwave oven, after 1hr settlement.

Fig. 3. Separation of microwaved emulsions(20, 30, 50%O/W) heated in

domestic microwave oven, after 1hr settlement.

Fig. 4. Separation of 30%W/O emulsion heated in LabWave 9000,

after 1hr settlement.