활성탄에 의한 아세트산의 흡착
황정현, 박기훈, 전국진, 유상일금오공과대학교 고분자공학과 물리화학실험 야간2조
목적
1. 흡착에 대한 과정을 이해한다.
2. 아세트산이 활성탄에 흡착될 때 흡착 등온선(adsorption isotherm)을 그려본다.
3. 흡착 등온식에 대하여 알아본다.
-Langmuir, BET, Freundlich, 흡착 등온식을 알아본다.
이론적 배경
1. 흡착(Adsorption)
흡착(Adsorption) : 경계면에서 어느 물질의 농도가 증가되는 현상
흡착제 : 고체 or 액체
흡착질 : 액체 or 기체
대부분의 흡착은 발열과정
ΔG = ΔH – TΔS
Association adsorption : 항상 발열
Dissociative adsorption : 흡열도 가능 (ΔS > 0인 경우)
물리흡착은 Van der Waals force이며 흡착된 분자의 구조 변화가 없으며 8~20kj/mol (액화열과 비슷)에너지를 가지며 빠른 흡착 속도 (lower activation E)를 가지며 다분자 층 흡착 가능하며 표면적을 측정한다.
화학흡착은 Chemical bonding이며 흡착제와 흡착질 사이의 전자의 이동을 말하며 40 ~800kj/mol의 에너지를 가지며 느린 흡착 속도 (higher activation E) 를 가지며 단분자 층을 흡착 시킨다 특정 물질의 분산도를 측정한다.
2. 흡착 등온선
I 형 Langmuir type 흡착 층이 단분자 층에서 끝나는 흡착 계 흡착세기가 크고 특정한 흡착 점에서만 흡착이 일어나는 화학흡착에서 주로 나타남
II형 세공이 없는 흡착제
III형 흡착된 분자가 고체표면에 젖지 않는 경우
IV형, V형 II형, III형에서 흡착제에 미세한 세공이 있어 모세관 응축이 일어나는 경우
3. 흡착 등온식
흡착 등온식은 자유로운 기체 분자는 흡수된 기체분자와 평형을 이루며 이 때 기체분자가 표면을 덮는 비율(θ)은 온도와 바깥에 있는 기체의 압력에 의존한다.
Langmuir Isotherm 흡착 등온식
이론
1. 표면 흡착점에는 한 분자만 흡착되며, 흡착된 분자는 고정되어 있다.
2. 모든 흡착점의 에너지 상태는 동일, 흡착된 분자 사이에는 상호작용이 없다
BET (Brunauer, Emmett & Teller) 흡착 등온식
이론
1. 흡착된 분자가 다음 흡착될 분자의 흡착점이 될 수 있다.
2. 흡착된 분자 위에 다시 흡착되는 분자의 흡착열은 기체의 액화열과 같다.
식
P0 : 포화 증기압 , c : 상수 (흡착열과 액화열의 차이 정도)
Freundlich 흡착등온식
주어진 온도에서 용액내의 농도와 단위 질량의 흡착제에 흡착되는 용질의 양 사이의 평형관계
가정
1. 흡착분자가 고체표면에서 단분자층 형성.
2. 흡착분자간의 상호작용 없음.
이론적 유도
- 용질 분자가 이미 흡착하고 있는 부분 : θ
- 용질분자가 아직 흡착하고 있지 않은 부분 : 1-θ
- 용질분자의 흡착속도 : aC(1-θ)
- 용질분자의 탈착속도 : a'θ
a, a' : 상수
단위 질량 m(g)의 고체에 대해서 흡착된 양은 θ에 비례하므로,
4. 참고자료
아세트산 흡착의 필요성
아세트산은 폴리에스테르수지의 주원료로 사용되는 테레프탈산(terephthalic acid) 제조 공정에서 용매로 사용되며, 제조 공정의 아세트산의 대부분은 반응 후 생성되는 산업 폐수에서 분리 회수되어 진다. 아세트산을 폐수로부터 분리하는 공정은 통상적 증류(conventional distillation), 공비 증류(azeotropic distillation), 추출(extraction), 화학 처리 및 흡착(adsorption) 등이 있으나, 경제적인 이유로 공비증류나 통상적 증류가 가장 보편적으로 이용되고 있는 분리 방법이다. 하지만, 증류에 의한 분리는 증류탑 상부로 나가는 스트림에 소량의 초산이 남아 있으며, 이 소량의 초산은 폐수처리장치로 유입되어 최종 처리된다. 증류공정에서 증류탑 상부 스트림의 초산의 농도를 좀 더 낮추고자 할 경우에는, 많은 양의 물을 증발시켜야 하므로 분리하는데 소요되는 에너지가 매우 높아진다는 점과 증류탑의 단 수가 많아져서 막대한 투자비가 소요된다는 점이 문제점으로 제기되고 있다. 따라서 증류탑 상부의 저농도 아세트산의 대기 방출을 억제하면서 소량의 아세트산을 분리 회수하는 경제적이고 효율적인 분리기술이 필요하다.
저농도 아세트산 폐수 처리기술
이 처리기술은 기존의 증류 방법과 연계하여 증류탑 상부 스트림의 저농도 아세트산을 분리, 회수하는 효과적인 공정이다. 이 공정은 아세트산의 폐수처리로 인한 폐수처리 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 소량의 아세트산이라도 다시 회수하여 재사용할 수 있다. 이 처리기술은 크게 두 공정-활성탄 흡착제를 사용하여 폐수로부터 아세트산을 분리하는 공정과 양이온 교환수지 촉매를 이용한 메틸 아세테이트(methyl acetate) 가수분해 공정으로 이루어져 있다. 활성탄에 의한 아세트산 흡착공정의 경우, 증류탑에서 나오는 상부 스트림이 90oC 이상의 온도이므로 고온에서 흡착이 이루어진다.
활성탄
활성탄은 유기물에 대하여 효율적인 흡착제로 알려져 있으나, 고온의 흡착조건에서는 흡착 효율이 떨어진다[3]. 흡착제의 흡착 효율 감소는 활성탄의 빠른 유기물 포화와 연이은 활성탄의 흡착 능력 상실을 일으키므로 활성탄의 교체와 재생주기가 빨라지게 되는 단점을 유발시킨다. 그러므로 오히려 열 교환기를 설치하여 활성탄의 흡착 온도를 낮춤으로써 활성탄의 흡착성능을 높이는 것이 공정상으로는 복잡하나 경제적인 면에서 더 효율적일 수도 있다. 따라서 활성탄상에서 흡착온도에 따른 아세트산의 흡착거동을 살펴, 흡착성능에 대한 온도 영향을 알아보는 것이 중요하다.
기구 및 시약
|
기구 |
시약 |
|
마그네틱 바 뷰렛 뷰흐너 깔때기 비커(250ml) 삼각 플라스크(100ml) 플라스크 마개 water bath |
활성탄 NaOH 0.25N oxalic acid 0.45N CH3COOH
|
실험방법
① 6개의 플라스크에 활성탄 1g을 넣는다.
② 0.45N CH3COOH와 물을 다음과 같이 넣는다.
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 | |
|
아세트산(ml) |
40 |
20 |
12 |
8 |
5 |
3 |
|
물(ml) |
10 |
30 |
38 |
42 |
45 |
47 |
|
총 부피(ml) |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
③ 마개를 닫고 평형이 될 때까지 방치(약 2시간) : 35℃ water bath
④ 뷰흐너 깔때기로 거르고 20ml를 취하여 0.1N NaOH로 적정.
(NaOH 용액은 0.25N oxalic acid로 보정.)
Reperence
① 구글, 흡착, 090406, mbel.kaist.ac.kr/lab/lecture/che201/2002-3.ppt
② 구글, 활성탄에 의한 아세트산 흠착, 090406, www.cheric.org/PDF/HHKH/HK46/HK46-6-1130.pdf
③ 네이버, 흡착, 090401, http://terms.naver.com/item.nhn?dirId=1114&docId=76517
④ 네이버, 흡착 등온선, 090406, http://terms.naver.com/item.nhn?dirId=1114&docId=76364
⑤ 네이버, 흡착 등온식, 090406, http://terms.naver.com/item.nhn?dirId=1113&docId=71519
⑥ 네이버, 흡착 등온식, 090406, http://terms.naver.com/item.nhn?dirId=1104&docId=17934
⑦ 해피 캠퍼스, 활성탄에 의한 아세트산 흡착, http://mybox.happycampus.com/goreport/56046/?agent_type=daum
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