키토산 겔화공정에서 확산계수에 관한 연구 .

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

김태영,김세영,정성준, 정상귀*,양재호**,최창남***,김승재,조성용

전남대학교 환경공학과,*전남대학교 공업기술연구소

**전남대학교 화학공학과,***전남대학교 섬유공학과

Study on Diffusion Coefficients with Chitosan Gelation Process

T.Y.Kim, S.Y.Kim, S.J.Jeng, S.K.Jeng J.H.Yang**, C.N.Choi**, S.J.Kim, S.Y.Cho

Dept. of Env. Eng., Chonnam Nat'l. Unv. *Eng. Res. Insti., Chonnam Nat'l. Unv.

**Dept. of Chem. Eng., Chonnam Nat'l. Unv.

***Dept. of Textile Eng., Chonnam Nat'l. Unv.

서론

갑각류의 껍질로부터 얻어지는 키틴/키토산은 최근에 자체의 무독성, 무공해성, 생분해성 그리고 생체적합성 등의 특성 때문에 많은 분야에 응용되고 있다. 최근에 키토산 겔을 제조하여 생체 chromatography뿐만 아니라 효소고정화제, 금속이온분리 등의 이용에 관한 많은 연구가 진행되고 있다[1∼5]. 본 연구에서는 키토산의 활성아미노기를 이용해서 폐수중의 중금속이온의 킬레이트에 응용하고자한다. 중금속 흡착제로서는 활성탄, 제올라이트, 이온교환수지 등 많은 흡착제가 있으나, 키토산은 천연고분자로써 자원이 풍부하고 재료의 구입이 용이하며 가공이 비교적 간단해 다른 흡착제와는 달리 환경친화성으로 적당한 응고제로 회수하면 흡착제로서 몇 번이고 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 게껍질로부터 회수한 키틴/키토산은 중금속 제거에 매우 좋은 화학적 특성을 갖고 있지만 활발하게 이용되지 못한 이유가 있다. 키토산 흡착제의 형태가 flake(조각)형태로서, 흡착 공정시 유체의 흐름에 의한 압력강하가 크고 비다공성으로 흡착용량이 작다는 단점을 가지고 있기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 키토산 flake를 희박산에 용해시킨 다음 졸-겔 법에 의해 다공성 키토산 비드를 제조시 겔화제의 농도와 온도 그리고 키토산의 농도에 따른 겔화현상에 관한 연구가 필요하다고 판단된다. 일반적으로 겔화란 졸이 겔로 변화하는 현상을 일컫는데 졸속에 분산되어 있는 콜로이드 입자사이에는 인력이 작용하고 있어 농도가 큰 졸에 적당한 자극을 가하면 입자가 서로 연결되어 3차원 망상 또는 벌집과 같은 구조를 취하게 되며 분산계는 고체상의 겔로 변하게 된다. 겔의 분산매는 고상의 골조 틈 사이에 함유되어 있지만 이것이 밖으로 빠져나와 겔과 분리하는 현상을 시네리시스(synersis)라 하고, 겔에서 수분이 제거되면 고상의 골조가 남는다. 이것을 크세로겔(xerogel)이라 하고 다공질이기 때문에 기체의 흡착이나 건조 등에 이용된다. 졸이 겔로 변할 때 영향을 미치는 인자로는 용매의 형태, 용액 내에서 고분자의 농도, 고분자와 용매 사이의 친화도 및 온도 등이 있다. 겔화에 의해 기계적 성질 특히 점성율 및 강성율이 증가한다. 키토산은 약산용액 내에서 colloid상태로 존재하며, 알칼리용액을 가해 pH를 높여 주면 겔화가 일어난다. 일반적으로 겔화는 키토산 colloid용액의 pH에 의해 좌우되는 것으로 알려져 있다.  그러나 키토산의 겔화공정에서 겔화제(KOH)의 농도, 온도에 따른 겔화속도, 확산계수 등에 관한 연구는 찾아보기 어렵다. 본 연구에서는 키토산 겔화에 영향을 미치는 겔화제(KOH)의 농도와 온도에 따른 확산계수 등을 고찰하여 키토산의 겔화공정에 필요한 기본적인 자료를 얻고자 하였다.

본론

(주) 세화에서 구입한 키토산의 평균분자량은  5.2□105, 탈아세틸화도는 85%이었다. 이 키토산을 80□에서 진공 건조한 다음 jar mill을 이용하여 분쇄한 후 100mesh을 통과한 키토산 powder를 실험 시료로 사용하였다. 이 키토산 powder을 2wt% 초산수용액에 용해시켜 키토산 colloid 용액을 제조하였다. 이와 같이 제조한 키토산 colloid 용액을 주사기를 이용하여 모세관에 넣고, 모세관을 충분히 교반되고 있는 알칼리 수용액(KOH)에 넣어 겔화제의 농도(1mol, 2mol, 4mol)와 온도(10□, 25□, 40□) 그리고 키토산의 농도(2wt%,3wt%,5wt%)에 따라 키토산 겔화현상을 고찰하였다. 모세관은 내경 1.2mm, 외경 1.6mm, 길이 75mm인 것을 사용하였다. 키토산 colloid 용액이 겔화될 때 그 경계면이 확실하게 구별되어 겔화된 길이([eqn: z_{ F }])는 육안으로 쉽게 판별할 수 있었으며, 버어니어켈리퍼스를 이용하여 겔화된 길이를 측정하였다. 측정된 겔화길이 [eqn: z_{ F }]를 식(1)을 이용하여 겔화제(KOH)의 농도와 온도 그리고 키토산의 농도에 따른 확산계수(D)를 구하였다.

[eqn: {c`_1} over c_0 = ``erfc ``left( z_F over {2 root{D`` t}} right)]                                                            (1)

여기서, [eqn: c_{ o }][eqn: ```]는 겔화제의 초기 농도(mol)이며, [eqn: c_{ 1 }]은 겔화점에서 겔화제의 농도(mol), [eqn: z_{ F }]는 키토산의 겔화된 길이(cm), t는 시간(sec)이다. 본 연구에서는 [eqn: c_{ 1 }]를 산-염기 적정법으로 구하였다.

결론

Fig. 1은 겔화제인 KOH을 2mol, 온도를 25□로 유지시키면서 평균분자량이 5.2□105인 키토산 농도를 2wt%, 3wt%, 5wt%로 변화시키면서 성장하는 키토산 겔의 길이를 비교한 그림이다. 키토산 colloid 용액의 농도가 증가함에 따라 겔화가 빨리 진행됨을 알 수 있었으며, 단순한 확산모델에 의해 잘 모사 되고 있음을 알 수 있었다. 겔화제(KOH)의 온도가 25□, 농도가 (1mol, 2mol, 4mol)일 때 키토산의 농도에 따른 확산계수를 구하여 Table 1에 정리하여 나타내었다. Fig. 2는 3wt% 키토산 colloid용액으로 채워진 모세관에서 겔화제 KOH 수용액의 온도를 25□로 유지하면서 KOH 농도를 1mol, 2mol, 4mol로 변화시키면서 겔화제인 KOH가 확산하여 겔화를 일으킨 키토산 겔의 길이를 실험치와 이론치를 비교하여 나타낸 그림으로 시간이 증가함에 따라 확산된 겔의 길이도 증가함을 알 수 있었으며, 같은 시간대에서 KOH의 농도가 증가함에 따라 겔화된 길이가 증가함을 보여주고 있다. 겔화제의 농도에 따른 확산계수를 구하여 Table 2에 정리하여 나타내었다. Fig. 3은 키토산의 농도가 3wt%일 때 겔화제인 KOH 수용액 농도(1mol, 2mol, 4mol)와 온도(10□, 25□, 40□)의 변화에 따른 확산계수의 변화를 보여주고 있다. 겔화제인 KOH 수용액의 농도와 온도가 증가함에 따라 확산계수도 증가함을 보여주고 있으며, 이로부터 확산 flux는 겔화제의 농도와 온도에 의존함을 확인할 수 있었다. Fig. 4는 겔화제(KOH)의 농도가 1mol일 때 키토산의 농도(2wt%, 3wt%, 5wt%)와 온도(10□, 25□, 40□)의 변화에 따른 확산계수의 변화를 보여주고 있다. 겔화제의 농도가 일정할 때 키토산의 농도와 온도가 증가함에 따라 겔화제의 확산계수도 증가함을 알 수 있었다.

감사 : 본 연구는 학술진흥재단지원(KRF-Y00-310)에 의해 연구되었으며, 이에 감사드         립니다.

참고문헌

1. G. A. F. Robert, "Chitin Chemistry", 1, 1, Macmillan Press LTD, Loden (1992).

2. M. S. Yen, J. of Applied Poly. Sci. 80, 2859, (2001)

3. Z. Cao, H. Ge and S. Lai, European poly. J. 37, 2141 (2001)

4. R. A. A. Muzarelli, "Chitin", Pergamon Press, Oxford (1977).

5. G. L. Roberts and T. Y. Hsien, Ind, Eng. Chem, Res., 32, (1993).

Table 1. Variation of diffusion coefficients of gelation agent in chitosan gel with

the concentration of chitosan. ( 2mol KOH, 25□, [eqn: c_{ 0 }] : 112.22kg/m3)

Concentration of chitosan solution (wt%)	[eqn: c_1] (kg/m3)	Diffusion coefficients D x 106, (cm2/s)
2.0	0.20	8.94
3.0	0.18	7.66
5.0	0.16	7.15

Table 2. Variation of diffusion coefficients of gelation agent in chitosan gel with     the concentrations of casting solution. (3wt% Chitosan, 25□, [eqn: c_{ 1 }] : 0.228kg/m3)

Concentration of casting solution (KOH, mol)	[eqn: c_0] (kg/m3)	Diffusion coefficients D x 106 (cm2/s)
1.0	56.11	5.968
2.0	112.22	7.662
4.0	224.44	9.545