온도에 따른 반응성 염료의 흡착특성에 관한 연구

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

김세영, 김태영, 김숙진, 김도환, 정성준, 김승재, 조성용

전남대학교 환경공학과

A Study on Adsorption of Reactive dye on Chitosan Bead with Temperature.

S. Y. Kim, T. Y. Kim, S. J. Kim, D. H. Kim, S. J. Jung, S. J. Kim, S. Y. Cho

Departmentof of Environmental Engineering, Chonnam National University

1. 서  론

반응성 염료란 염료중의 반응기와 섬유가 공유결합을 하여 염착되는 염료를 말하며, 대부분 셀룰로오스 섬유(면, 레이온, 마)에 사용되는데 일부는 양모나 견 등에도 사용되고 있다. 지금까지 많은 반응기가 개발되었지만 현재 사용되고 있는 반응기는 적은 편인데, 그 중에서 비닐술폰계와 트리아진계가 가장 많이 사용되고 있다.

비닐술폰계 반응성염료는 1949년에 발명된 이래 반응성염료 중 가장 많이 사용되고 있다. 이것은 비닐술폰기(-SO2CH=CH2) 또는 술파토에칠술폰기(-SO2CH2CH2OSO3H)를 가지는 염료로 후자는 알칼리 조건에서 비닐술폰기로 되어 수산기나 아민기를 가지는 섬유와 반응하여 고착하는데 염착성과 세정성이 우수하고, cold batch 염색법을 비롯하여 침염, 날염 및 연속염색에 사용할 수 있는 품목이 많기 때문이다.

키틴/키토산은 새우나 게껍질에서 추출되어지는 물질로써 N-acetylglucosamine과 glucosamine이라는 당이 3000 ∼ 5000 개가 연결되어 만들어진 고분자 다당이다. 키틴/키토산은 현재 인류가 당면한 자원 고갈과 환경오염의 문제를 해결하는데 있어서, 그 활용범위가 넓은 무한한 잠재력을 지닌 천연자원이다. 셀룰로오스와 화학구조면에서 매우 흡사하면서도 우수한 양이온 기능기인 아민기를 지니고 있는 키틴/키토산은 생분해성 항균력을 지닌 천연 고분자 화합물로서 식품분야, 섬유분야, 의료분야 등에 이용될 수 있어 각 분야마다 활용을 위한 연구와 개발이 한창이다.

본 연구에서는 반응성 염료 중 비닐술폰기계 염료인 『Polazol Black B』를 키토산 비드를 이용하여 염색폐수가 가지고 있는 가장 큰 문제점인 색도를 제거하는데 이용 가능성을 검토하였고 흡착질의 온도에 따른 반응성 염료의 흡착특성을 고찰하였다.

2. 이  론

2.1 흡착평형 등온식

흡착평형은 용액 중에 녹아 있는 물질의 이온, 분자들과 고체표면과의 정전기적 인력을 바탕으로 한 결합력의 결과로 고체표면에서 흡착질의 농도가 높아지는 현상을 말한다. 흡착 메카니즘을 수학적으로 표현하기 위한 많은 연구가 진행되었으며 그 중 대표적인 흡착 등온식 3개를 살펴보면 다음과 같다.

Table 1. Various isotherm models for single component.

Isotherm	Equation	Parameters
Langmuir	[eqn: q~=~{q_m bC} over {1~+~bC}]	[eqn: q_{ m }], b
Freundlich	[eqn: q~=~kC^{1/n}]	k, n
Sips	[eqn: q~=~{q_m bC^1/n} over {1~+~bC^1/n}]	[eqn: q_{ m }], b, n

화학공학의 이론과 응용 제8권 1호 2002

Langmuir 등온식은 흡착표면의 에너지 분포가 비교적 균일한, 비기능성 고분자 흡착제에 의한 흡착이 가장 적절하다고 보고되고 있으며, 반면에 활성탄과 같이 흡착표면의 에너지가 불균일하게 분포되어 있을 경우 Freundlich 등온식이 적합한 것으로 알려져 있다. Sips는 Langmuir와 Freundlich식을 조합한 흡착등온식을 제안하였는데 비교적 넓은 농도범위에 걸쳐 흡착평형을 잘 예측할 수 있다.

2.2 흡착제에서의 물질전달공정

다공성 흡착제에서 용매로부터 용질의 흡착은 다음과 같은 연속적인 물질전달공정으로 일어난다.

(1) 흡착제 외부표면의 유체경막에서의 물질이동

(2) 흡착제 내부확산 (세공확산, 표면확산)

(3) 흡착제 내부표면에서의 흡착

일반적으로 물리흡착에서는 (3)의 속도가 빠르고 세공내의 표면의 각 흡착점에서 평형

이 설립함으로 전체 흡착속도는 주로 (1)과 (2)의 과정에 의해 결정된다.

3. 실험 및 방법

3.1 흡착제 및 흡착질

실험에서 사용된 흡착제로는 세화㏇에서 제공받은 키토산 flake를 졸-겔법에 의해 구형의 비드로 성형하여 3%[wt%]의 키토산 비드를 제조하여 사용하였으며, 흡착제의 물성은 Table 2.에 나타내었다. 흡착질로서는 대표적인 난분해성 염료로 알려져 있는 diazo계 반응성 염료 Polazol Black B를 대상으로 그 처리가능성을 키토산 비드를 이용해 흡착능에 대해 연구하였다. Polazol Black B 는 C.I. reactive black 5 로서 전남 영암 소재 F회사에서 제공받았으며, 본 실험에서 사용된 흡착질의 특성을 Table 2에 나타내었다.

Structure	BET area (m2/g)	Particle Diameter (cm)	Particle Porosity ( - )	Particle Density (kg/m3)
	350	0.2	0.94	105

Table 2. Physical properties of adsorbent used in this study.

Table 3. Properties of adsorbate used in this study.

C.I. Number	Structure	MW	Water Solubility (g/□)
Reactive Black 5		947.9	200 (323.15K)

3.2 흡착 평형 실험

흡착평형실험은 염료용액 100ppm을 300□ 삼각플라스크에 200□씩 넣고 흡착제의 양

(0 ~ 0.7 g)을 임의적으로 조정하여 shaking incubator(298.15, 313.15, 328.15K)에 넣어 5일 경과 후 UV-1601(Shimazu, Japan)를 사용하여 염료의 흡착량의 변화를 고찰하였다. 이때, 평형흡착량은 식(1)로부터 구하였다.

[eqn: q_{ e } `=` { V(C_{ 0 } -C_{ e } ) } over { W }]                                                                                     (1)

여기서, [eqn: q_{ e }]는 평형흡착량[mg/g], V는 액량[L], [eqn: C_{ 0 }]는 초기농도[mg/L], [eqn: C_{ e }]는 평형농도, W는 흡착제의 양[g]이다.

3.3 회분식 실험

회분식 실험은 pH 5.6인 염료용액 100ppm을 1L 제조하여 항온조에서 298□1□로 항온시키고 반응기에 넣어 stirrer를 이용하여 용액을 교반시키면서 일정한 시간간격으로 시료를 채취하여 UV로 분석하였다. 이때 교반속도와 흡착제의 양 그리고 온도에 따른 염료에 대한 키토산 비드의 흡착능을 고찰하였다.

4. 결과 및 고찰

Fig. 1은 온도변화(298.15, 313.15, 328.15K)에 따른 피흡착제의 흡착평형실험 결과를 나타낸 그림이다. Fig. 1에서 사용된 흡착제는 3wt%의 키토산 비드로서 온도가 증가함에 따라 염료에 대한 키토산 비드의 흡착량이 증가함을 보여주고 있다. 키토산에 의한 염료의 흡착특성은 Langmuire, Freundlich, Sips 흡착등온식 중에서 Freundlich 흡착등온식으로 가장 잘 모사할 수 있었다.

Fig. 2는 회분식 반응기에서 시간에 따른 rpm 변화에 대한 흡착속도을 비교한 그림이다. 그림에서 보는 바와 같이 300rpm 이상에서는 키토산 비드에 대한 염료 흡착속도가 거의 비슷한 양상을 보여주었고, 이를 표면확산모델(Surface diffusion model; SDM)로 잘 설명할 수 있었다. Fig. 3은 시간에 따른 흡착제의 양에 대한 흡착속도를 비교하여 나타내었다. 흡착제의 양을 0.3, 0.5, 1.0 g으로 변화를 주었을 때 시간에 대한 흡착속도는  0.5 g이 적당하다고 판단하여 흡착제의 양을 0.5 g으로 결정하였다. Fig. 4에서는 온도변화에 따라 피흡착제의 흡착특성을 보여주었다. 앞의 Fig. 1의 흡착평형실험에서와 같이

염료의 온도가 증가함에 따라 그 흡착속도가 빨라짐을 알 수 있었다.

5.참고문헌

1) Schluter, Dyeing & Printing Economy, 5, 70 (1995).

2) Wuhrmann, K., K. Mechsner and T. Kappeler, European J. Appl. Microbiol.           Biotechnol., 9, 325 (1980).

3) M.S. Masri, F.W. Recuter and M. Friedman, J. Appl. Polym. Sci., 18, 675 (1974).

4) Juang, R. S., Tseng, R. L., Wu, F. C. and Lee, S. H., J. Chem. Tech. Biotechnol,         70, 391(1997)