컬럼을 이용한 음이온교환 연구

이석중, 이인형

순천향대학교 신소재화학공학부

A Column Study on Anion Exchange

Seog Jung Lee, In Hyoung Rhee

Division of Material and Chemical Engineering, College of Engineering, Soonchunhyang University, Asan 336-745, Korea

서론

이온교환 연구가 시작된 이후 양이온 교환 연구에 비해 음이온 교환 연구는 음이온이 양이온에 비해 유해성이 낮아 연구가 활발하지 못하였다.이온교환 수지를 이용한 이온성 물질 제거는 가장 신뢰성 있는 단위공정일 뿐만 아니라 재생의 측면에서도 경제성이 높은 공정이다.

음이온교환 수지는 일정한 이온교환능력(Anion Exchange Capacity)을 가지나, 이온교환 선택도는 이온전하, 용액 및 수지의 특성에 따라 좌우된다. 이온의 원자가가 높아짐에 따라, 이온의 수화반경이 작을수록, 용액의 농도가 낮을 수록 이온의 선택도는 증가하나, 그 정도는 용액의 성분 및 농도에 영향을 받는다.

본 연구에서는 컬럼을 이용하여 수지에 대한 음이온교환 특성을 조사여 평형흡착에서 얻어진 결과와 비교하였다.

실험

음이온 수지의 이온교환능력을 조사하기 위해 OH- 형태의 수지를 0.1N HCl in 5% NaCl 용액에 첨가하고 밀봉한 상태에서 6시간 동안 약하게 교반 후 수지를 가라앉히고 상등수를 취해 0.1N HCl로 적정(702M Titrino, Metrohm)하였다. 수지의 수분 함량(Moisture Content)은 수지 2g을 100□ 건조기에 12시간 말린 후 무게차로 계산하였다.칼럼실험은 수지를 이온크로마토그래피관에 일정량의 수지를 채운후 NaOH, NaF, NaCl, NaNO3, Na2SO4 등으로 이루어진 혼합용액을 통과시키면서 2, 3, 4 성분간 음이온교환실험을 수행하였다. 칼럼을 통과한 용액에 존재하는 음이온 농도는 이온크로마토그래프(Waters)을 이용하여 분석하였고, 용액에 존재하는 음이온의 총농도는 0.05N로 고정시켜 이온세기가 이온교환에 미치는 영향을 최소하였다. 또한 수지량에 따른 이온교환특성을 조사하기 위해 수지의 양을 변화시켰으며, 분석은 5분석은 5분간격으로 수행하였다.

결과 및 고찰

가. 음이온 수지의 교환용량과 습분함량

건조한 음이온 교환수지의 교환용량은 5.011meq/g으로 측정 되었             으며, 실험에 이용한 Amberlite IRN-78 음이온교환수지 (Rohm &              Haas Co.)의 습분함량은 61.47 %로 측정되었다.

나. 2성분 음이온 교환

그림1은 컬럼을 이용하여 0.05N NaF 용액을 10ml/min 로 30분간 통과시       키면서 5분간격으로 분석한 결과를 보여준다. 그림1은 0.05N에 해당하는 수       지와 용액을 이온교환 시킨 결과 20분에서 30분 사이에서 용액중의 대부분       의 floride가 흡착되었음을 나타낸다.

그림  OH-, F- 간 2성분 음이온 교환

다. 3성분 음이온 교환

그림2는 0.035N NaF와 0.015N NaNO3 용액을 수지칼럼에 통과시키며 분       석한 결과를 보여준다. floride는 15∼25분 경과후 OH-형태의 수지에 더 이       상 흡착되지 않으나, nitrate는 완전히 수지에 흡착됨을 알수 있다. 따라서        nitrate가 hydroxide, floride에 비해 수지에 대한 선택도가 더 높다.

그림  OH-, F-, NO3- 간 3성분 음이온 교환

라. 4성분 음이온 교환

그림3은 0.03N NaF, 0.015N NaNO3, 0.005N Na2SO4 용액의 이온교환을         나타낸다. 2, 3성분 이온교환 결과에 예측대로 hydroxide, floride,                nitrate 순으로 용출되었고, 선택도는 용출되는 시간간격을 흡착량 변화          로 환산하면 얻어진다.

그림  OH-, F-, NO3-, SO42- 간 4성분 음이온 교환

마. 5성분 음이온 교환

그림4는 0.02N NaF, 0.015N NaCl, 0.01N NaNO3, 0.005N Na2SO4 용액         을 수지칼럼에 통과시킨후 5분간격으로 이온크로마토그래프를 이용해 분         석한 결과이다. 용출순서는 4성분 음이온교환에서 얻어진 결과로부터 예         측한 것과 같이 hydroxide, floride, chloride, sulfate 순으로 선택도              가 높았으며, 이 결과는 평형흡착실험에서 얻어진 결과와 같다.

그림  OH-, F-, Cl-, NO3-, SO4- 간 5성분간 음이온 교환

그림 5 OH-, F-, Cl-, NO3-, SO4- 간 5성분간 음이온 교환

결론

컬럼을 이용한 음이온교환에서 선택도는 F-< OH-< Cl-< NO3-< SO42- 이      었으며, 이 순서는 2, 3, 4, 5 성분 평형흡착 음이온교환에서와 동일하였다.       이러한 선택도 순서는 이온 전하수와 수화반경을 이용한 전하밀도에 의한       정전기적 인력의 차이로 해석할수 있다. 평형 흡착실험에서 선택도는 일반적      으로 질량작용, 열역학 법칙등을 이용해 결정하나 칼럼실험에서는 해당이온      의 용출시간을 흡착량으로 환산하여 정량적인 수치값을 얻을 수 있으며, 평      형 및 칼럼실험 결과로부터 얻어진 선택도 값을 상호관련 시킬 수 있다. 그      러나 이러한 방법은 수 많은 실험을 통해 검증할 필요가 있다.

참고문헌

1. I. H. Rhee, J. of KSEE, 4(3), 206, (1999)

2. I. H. Rhee, J. of KSEE, 4(3), 195, (1999)

3. R. Kunin and F. X. Mcgarvey, J. of IEC, 41(6), 1265, (1949)

4. I. H. Rhee and D. A. Dzombak, Langmuir, 14(4), 935(1998)