[논문]Sodium Dodecylbenzene Sulfonate 수용액의 분해반응에서 초음파 효과

임봉빈

doi:10.5012/jkcs.2004.48.6.561

Sodium Dodecylbenzene Sulfonate 수용액의 분해반응에서 초음파 효과
Effect of Ultrasound on the Decomposition of Sodium Dodecylbenzene Sulfonate in Aqueous Solution 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.48 no.6, 2004년, pp.561 - 567

임봉빈 ((주)엔버스 부설기술연구소)

초록
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계면활성제 중 sodium dodecylbenzene sulfonate(DBS) 수용액에 초음파(200 W, 6 $W/cm^2$)를 조사하여 주파수, 용존가스 및 농도에 따른 분해경향을 조사하였다. 주파수에 따른 초음파 분해속도는 50 kHz와 600 kHz보다 200 kHz에서 가장 빠른 것으로 나타났다. 200 kHz의 초음파를 이용한 DBS의 분해반응에서는 산소를 이용하였을 때 가장 빠른 분해속도를 나타내었으며, 질소의 경우가 가장 늦은 분해속도를 나타내 초음파반응에 사용된 용존가스(산소, 공기, 질소, 아르곤, 헬륨)의 물리적성질과 활성라디칼의 생성에 의해 분해속도가 달라졌음을 알 수 있다. DBS의 농도에 따른 초음파분해 경향을 보면, 1 mM 까지 분해속도의 감소가 뚜렷하게 나타났으며, DBS의 critical micelle concentration(3 mM) 부근을 기준으로 분해속도의 변화가 거의 나타나지 않아 계면활성제의 미셀형성이 초음파에 의해 유도되는 라디칼에 의한 산화반응과 버블계면에서의 열분해반응에 영향을 미치는 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The influence of ultrasound frequency, dissolved gases, and initial concentration on the decomposition of sodium dodecylbenzene sulfonate(DBS) aqueous solution was investigated using ultrasound generator with 200 W ultrasound power. The decomposition rates at three frequencies(50, 200, and 600 kHz) examined under argon atmosphere were highest at 200 kHz. The highest observed decomposition rate at 200 kHz occurred in the presence of oxygen followed by air and argon, helium, and nitrogen. The effect of initial concentration of DBS on the ultrasonic decomposition was decreased with increasing initial concentration and would depend upon the formation of micelle in aqueous solution. It appears that the ultrasound frequency, dissolved gases, and initial concentration play an important role on the sonolysis of DBS. Sonolysis of DBS mainly take place at the interfacial region of cavitation bubbles by both OH radical attack and pyrolysis to alkyl chain, aromatic ring, and headgroup.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 캐비테이션 버블의 계면영역에 높은 농도로 존재하는 것으로 알려진 계면활성제 중 원하는 농도로 제조가 가능하여 본 연구의 수행에 쉽게 적용가능한 DBS을 이용하여 주파수, 용존가스 및 농도 등 여러 가지 조건하에서 고출력 초음파조사에 의한 분해경향을 조사하였다.

제안 방법

주파수 50, 200 및 600 kHz의 경우 계산된 λ/2은 각각 약 15 mm, 4 mm 및 1 mm 이다. 또한 실험조건의 표준화를 위하여 아르곤 조건하에서 순수한 물을 초음파 분해하여 생성된 OH라디칼의 생성속도를 측정하여 검토하였다.
본 연구에서는 캐비테이션버블의 계면영역에 높은 농도로 존재하는 것으로 알려진 계면활성제 중 DBS 수용액에 고출력의 초음파를 조사하여 주파수, 용존 가스 및 농도에 따른 분해경향을 조사하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

계면활성제 중 본 실험에 사용된 모델물질로 DBS(Wako)를 사용하였으며, 모든 시약은 Wako사의 특급을 사용하였고 사용전 특별한 정제과정은 거치지 않았다. 실험과정에 사용된 모든 물은 일반 증류수를 Millipore Milli-Q 시스템(R＞18 MΩcm)에서 정제한 초순수를 이용하였다.
실험과정에 사용된 모든 물은 일반 증류수를 Millipore Milli-Q 시스템(R＞18 MΩcm)에서 정제한 초순수를 이용하였다. 반응기 내부의 기체를 치환하기 위한 가스는 헬륨(He, 99.999%), 아르곤(Ar, 99.999%), 공기(N2+O2, 99.95%), 질소(N2, 99.995%) 및 산소(O2, 99.995%)를 이용하였다. 시료조제는 먼저 초순수 60 mL에 위와 같은 대상가스 이용하여 일정한 유속(150 mL/min)으로 약 30분간 버블링하여 반응기 내부의 기체를 완전히 치환하였으며, 반응기를 밀폐시키고 원하는 농도가 되도록 일정한 양의 DBS 용액(10 mM stock solution)을 마이크로 주사기(10 µL micro syringe)로 주입하여 시료를 조제하였다.

성능/효과

(1) 사용된 주파수에 따른 초음파 분해 경향을 보면, 50 kHz 및 600kHz 보다 200 kHz의 주파수를 가진 진동자를 사용하였을 때 가장 빠른 분해속도를 나타내어 산화분해반응에 가장 좋은 반응속도를 나타내는 주파수가 존재하는 것으로 생각된다.
(2) 초음파반응에 사용된 용존가스의 물리적성질에 의해 분해속도가 달라짐을 알 수 있으며, DBS의 초음파 분해반응에서는 산소(0.0424 min−1를 이용하였을 때 가장 빠른 분해속도를 나타내었고 질소(0.0065 min−1)를 이용하였을 때 가장 느린 분해속도를 나타내어 초음파조사시 생성되는 활성라디칼의 기여가 큰 것으로 생각된다.
(3) DBS의 농도에 따른 초음파분해 경향을보면, 1 mM까지 분해속도의 감소가 뚜렷하게 나타났으며, DBS의 CMC(3 mM) 부근을 기준으로 분해속도의 변화가 거의 나타나지 않았다. 계면활성제의 농도가 높아지면서 미셀을 형성하게 되어 상대적으로 캐비테이션 버블의 계면에 흡착되는 비율이 적어지면서 초음파 조사에 의한 분해효율이 떨어지는 것으로 생각된다.
(4) 초음파조사에 의한 계면활성제의 주요한 분해 메카니즘은 벤젠고리에 ˙OH 첨가반응, ˙OH에 의한 alkyl chain 및 headgroup의 절단 그리고 고온상태인 캐비테이션 버블의 계면영역에서의 pyrolysis 등으로 생각할 수 있다.
Fig. 4는 0.1-5 mM의 DBS를 200 kHz의 초음파를 조사하여 분해한 결과로 DBS의 초음파분해는 유사 1차분해반응으로 나타났으며, 전체적으로 보면 0.1 mM(0.0286 min−1)에서 1 mM(0.0041 min−1)의 농도부근까지는 급격히 분해속도가 감소하였으나 그 이상의 농도에서 5 mM(0.0013 min−1)까지의 분해속도는 변화가 완만한 것으로 나타났다. 또한 DBS의 CMC농도인 3 mM 부근에서 분해속도가 거의 일정한 것으로 나타나 계면활성제의 미셀이 형성되면서 초음파조사가 DBS의 분해에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 생각된다.
(3) DBS의 농도에 따른 초음파분해 경향을보면, 1 mM까지 분해속도의 감소가 뚜렷하게 나타났으며, DBS의 CMC(3 mM) 부근을 기준으로 분해속도의 변화가 거의 나타나지 않았다. 계면활성제의 농도가 높아지면서 미셀을 형성하게 되어 상대적으로 캐비테이션 버블의 계면에 흡착되는 비율이 적어지면서 초음파 조사에 의한 분해효율이 떨어지는 것으로 생각된다.
6에 나타냈으며, 메탄의 생성속도는 DBS의 농도가 낮을수록 증가하였으며 2mM 이상에서는 생성속도가 거의 증가하지 않았다. 따라서 이 결과로부터 DBS의 초음파 분해의 일부분은 pyrolysis에 의해서도 이루어짐을 알 수 있다.
한편, 질소를 이용하였을 경우, 캐비테이션 버블 내부에 존재하는 질소분자는 고온상태에서 ˙O, ˙OH 등과 반응하여 NO나 N2O를 생성하며, N2O는 캐비테이션 버블내부와 같이 고온상태에서는 상당히 불안한 물질이기 때문에 NO로 전환되어 최종적으로 HNO2와 같은 산성물질로 전환된다. 따라서 질소분자가 물의 초음파분해에 의해 생성된 활성라디칼과 반응하므로 계면활성제의 산화반응에 참여하는 활성라디칼과 경쟁적으로 반응하기 때문에 분해속도가 감소되는 결과가 나타났다.
0013 min−1)까지의 분해속도는 변화가 완만한 것으로 나타났다. 또한 DBS의 CMC농도인 3 mM 부근에서 분해속도가 거의 일정한 것으로 나타나 계면활성제의 미셀이 형성되면서 초음파조사가 DBS의 분해에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 생각된다. 미셀이 형성되지 않는 농도에서 계면활성제는 캐비테이션 버블의 계면영역에 흡착되어 집중적으로 모여 있으므로 버블 내부로부터 생성되어 이동된 OH라디칼과 고온의 버블주위의 계면영역에 존재하는 고온에 의해 산화반응과 열분해가 빠르게 일어날 수 있다.
한편, 주파수가 너무 높을 경우는 버블을 형성하는데 많은 에너지가 필요하며 생성된 버블은 완전히 성장하기도 전에 붕괴되기 때문에 캐비테이션 버블내 부 온도는 낮은 주파수의 경우 보다 낮아질 수 있다. 본 연구에서 동일한 200 W의 음향파워를 이용한 경우 600 kHz에서의 캐비테이션 버블 붕괴시 생성되는 OH라디칼의 생성속도는 200 kHz보다 느리게 관찰되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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