[논문]FASs로 코팅한 무기막에 대한 부탄올/물, 이소프로판올/물 용액의 수착 특성

이광래

doi:10.14579/membrane_journal.2018.28.5.320

초록
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FASs (fluoroalkylsilanes)로 표면 개질한 소수성 막에 대한 부탄올/물, 이소프로판올/물 용액의 수착(sorption)량을 측정하였으며 이들 수착 특성을 Hansen 용해도 파라미터를 이용하여 해석하였다. 부탄올의 수착량이 이소프토판올보다 많았으며, 이는 부탄올의 용해도 파라미터(${\delta}_t=20.4$)와 FASs 소수성 막의 용해도 파라미터(${\delta}_t=16.9$)와의 차이가 이소프로판올 (${\delta}_t=24.6$)과의 차이보다 작기 때문인 것으로 설명할 수 있다. 극성력(${\delta}_p$) 측면에서 살펴보면, FASs 극성력(${\delta}_p=4.6$)과 부탄올의 극성력(${\delta}_p=6.3$)과의 차이가 FASs 극성력(${\delta}_p=4.6$)과 이소프로판올의 극성력(${\delta}_p=9.0$)과의 차이보다 작다. 이는 부탄올-FASs 간의 극성력 차이가 이소프로판올-FASs 간의 극성력 차이보다 작아서 부탄올-FASs 간의 상호인력이 크다는 것을 의미하며, 수착량이 크게 나타나는 결과를 설명할 수 있다. 본 실험결과로부터 막에 대한 알코올의 수착특성, 용매에 대한 용질의 용해도 등을 분석하는데 용해도 파라미터를 이용할 수 있음을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The sorption amounts of butanol/water and isopropanol/water solution on the surface modified with FASs (fluoroalkylsilanes) hydrophobic membrane were measured and analyzed using Hansen's solubility parameters. The difference of the solubility parameter of butanol (${\delta}_t=20.4$) and t...

The sorption amounts of butanol/water and isopropanol/water solution on the surface modified with FASs (fluoroalkylsilanes) hydrophobic membrane were measured and analyzed using Hansen's solubility parameters. The difference of the solubility parameter of butanol (${\delta}_t=20.4$) and that of the surface modified with FASs hydrophobic membrane (${\delta}_t=16.9$) was greater than the case of isopropanol (${\delta}_t=24.6$), which might explain the result that the sorption amount of butanol was much higher than that of isopropanol. We might also explain the effect of the polar force (${\delta}_p$) on the sorption amount. The difference (${\Delta}$) between FASs polar force (${\delta}_p=4.6$) and butanol polar force (${\delta}_p=6.3$) was much smaller than that between FASs polar force (${\delta}_p=4.6$) and isopropanol polar force (${\delta}_p=9.0$), which meant that the interaction of butanol-FASs was much greater than that of isopropanol-FASs, and resulted in greater sorption amount of butanol on the FASs. This study showed Hansen's solubility parameters might be used for analysis of sorption characteristics of alcohol on membrane and solubility of solute in solvent.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

퍼멘테이션 브로스에 함유되어 있는 부산물인 이소프로판올, 아세톤, 에탄올 등으로부터의 부탄올 분리에 대한 기초연구로서 소수성으로 표면개질한 무기막에 대한 부탄올 수용액과 이소프로필렌 수용액의 수착 실험을 수행하였으며, Hansen의 용해도 파라미터법을 이용하여 수착특성을 해석하였다.

제안 방법

본 연구실에서 FASs로 표면 개질한 소수성 막에 대한 부탄올/물, 이소프로판올/물 용액의 수착량을 측정하였으며 이들 수착 특성을 Hansen 용해도 파라미터를 이용하여 해석하였다. 부탄올과 이소프토판올의 수착량애 대하여 부탄올의 용해도 파라미터(δ_t)와 FASs 소수성 막의 용해도 파라미터(δ_t), 이소프로판올(δ_t)을 이용하여 해석하였다. 극성력(δ_p) 측면에서 부탄올의 용해도 파라미터(δ_p = 6.
알코올-물 혼합물과 같은 극성-극성 혼합물의 경우,알코올 분자-물 분자간의 상호 인력은 극성과 수소결합의 영향이 크므로, 이소프로판올의 용해도 파라미터는 극성력(δ_p)과 수소결합(δ_h), 부탄올의 δ_p와 δ_h, 물의 δ_p, δ_h를 이용하여 설명하였다. 본 실험 데이터에 대하여 용질-용매 간의 용해도, 알코올 분자 및 물 분자의 수착 특성 등을 분석하는데 용해도 파라미터를 이용할 수 있음을 알 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에서는 열적 특성이 우수하고 화학적⋅기계적안정성을 높이기 위하여 튜브타입의 알루미나 막을 기저 재로 사용하였다. 기저재인 알루미나 막 표면에 소수성을 부여하기 위하여 플루오르화 실란(FAS, C₆F₁₃C₂H₄SiCl₃)을 실란 결합제(silane coupling agent)로 사용하였다.
표면개질을 위한 다공성 지지막은 튜브형(tube-type) 알루미나(α-Al₂O₃) 막((주)동서)을 지지체(substrate)로 사용하였으며, 알루미나 막의 표면을 소수성으로 개질하기 위하여 실란 결합제(FASs, Fluoroalkylsilanes, 시그마알드리치)를 사용하였다. 지지체로 사용한 튜브형 알루미나(α-Al₂O₃) 막의 사양, 표면개질 과정 및 표면을 개질한 소수성 막의 표면특성 분석을 위하여 수행한 FT-IR, ESCA, SEM, 접촉각 등에 대한 상세는 본지의 이전에 발표한 논문에 기술하였다[9].

성능/효과

부탄올과 이소프토판올의 수착량애 대하여 부탄올의 용해도 파라미터(δ_t)와 FASs 소수성 막의 용해도 파라미터(δ_t), 이소프로판올(δ_t)을 이용하여 해석하였다. 극성력(δ_p) 측면에서 부탄올의 용해도 파라미터(δ_p = 6.3), FASs 막의 용해도 파라미터(δ_p = 4.6), 이소프로판올(δ_p = 9.0)을 이용하여 극성력(δ_p)이 수착량의 차이에 미치는 영향이 크다는 것을 알 수 있었다.
를 이용하여 설명하였다. 본 실험 데이터에 대하여 용질-용매 간의 용해도, 알코올 분자 및 물 분자의 수착 특성 등을 분석하는데 용해도 파라미터를 이용할 수 있음을 알 수 있었다.
부탄올 수용액의 경우, 부탄올 분자의 수착량이 물분자의 수착량 보다 많았으나, 이소프로판올 수용액의 경우에는 이소프로판올 분자의 수착량이 물 분자의 수착량이 보다 작았다. 이러한 현상도 부탄올 수용액 내에서의 수소결합에 의한 상호작용으로 나타나는 분자 쌍의 영향에 관련되는 용해도 파라미터(δ_h), FASs 막(δ_h), 이소프로판올(δ_h)을 이용하여 분석할 수 있었다.

후속연구

막에 의한 물질분리 메카니즘은 수착-확산-탈착 과정으로 이루어지며, 막의 성능을 나타내는 인자인 투과계수(permeability, P)는 수착(sorption, S)과 확산계수(diffusivity, D)의 곱(DS)으로 표현된다. 이러한 수착실험 데이타와 용해도 파라미터를 이용한 해석을 통하여, 향후 발효액으로부터 바이오부탄올을 회수[5]하는 ‘소수성 막을 이용한 투과증발 공정’에서의 막 성능을 예측할 수 있는 기초적인 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부탄올이란?	부탄올은 화학산업에서 여러 가지의 화학제품과 용매의 원료로서 널리 사용되고 있으며, 기존의 석유로부터 만들어진 내연기관의 연료/수송연료인 가솔린을 대체할 미생물에 의한 바이오연료 생산에 대한 관심이 증대되고 있다. 이러한 바이오 연료로서 바이오에탄올이 기존의 가솔린 사용을 일부 대체하고 있다.
	바이오부탄올 분리는 에너지 소모가 매우 큰 이유는?	미생물에 의한 바이오부탄올 생산공정에서의 퍼멘테이션 브로스(fermentation broth)에는 이소프로판올, 아세톤, 에탄올 등의 부산물이 함유되어 있으므로, 이들로부터 바이오부탄올을 효율적으로 분리해 내는 기술이 요구되고 있다. 부탄올의 비등점이 물보다 높기 때문에 기존의 분리공정 중의 하나인 증류에 의한 바이오부탄올 분리는 에너지 소모가 매우 크다. 흡착, 용매 추출, 증류, 기체에 의한 스트리핑 기법 등과 같은 다양한 분리공정이 제안되고 있으나, 선택성이 높고 에너지 소모가 적은 막분리(membrane separation) 공정이 적절한 것으로 알려지고 있다.
	바이오부탄올을 우선적으로 투과시키는 막들의 문제점은?	그러나, 이들 분리막의 소재가 유기물인 고분자 물질이기 때문에 알코올 성분에 의한 팽윤현상(swelling) 등으로 인하여 막의 안정성에 대한 문제가 제기되고 있다. 따라서 소수성이 매우 클 뿐 아니라 열적 특성이 우수하고 화학적⋅기계적 안정성을 매우 높은 세라믹 분리막에 대한 연구가 수행되고 있다[7,8].

참고문헌 (15)

P. Durre, "Biobutanol: An attractive biofuel", Biotechnology J., 2, 1525 (2007).

상세보기
M. Matsumura, S. Takehara, and H. Kataoka, "Continuous butanol/isopropanol fermentation in down-flow column reactor coupled with pervaporation using supported liquid membrane", Biotechnol. Bioeng., 39, 148 (1992).

상세보기
P. Izak, K. Friess, V. Hynek, W. Ruth, Z. Fei, J.P. Dyson, and U. Kragl, "Separation properties of supported ionic liquid-polydimethylsiloxane membrane in pervaporation process", Desalination, 241, 182 (2009).

상세보기
E. A. Fouad and X. Feng, "Pervaporative separation of n-butanol from dilute aqueous solutions using silicalite-filled poly(dimethylsiloxane) membranes", J. Membr. Sci., 339, 120 (2009).

상세보기
E. J. Jeon, A. S. Kim, and Y. T. Lee, "Pervaporation of butanol/water mixtures using siloxane polymer/ceramic composite membranes", Desalination Water Treat., 48, 17 (2012).

상세보기
J. Niemisto, W. Kujawski, and R. L. Keiski, "Pervaporation performance of composite poly (dimethylsiloxane) membrane for butanol recovery from model solutions", J. Membr. Sci., 434, 55 (2013).

상세보기
R. A. Peterson, C. G. Hill, and M. A. Anderson, "Permselectivity characteristics of supported ceramic alumina membranes", Sep. Sci. Technol., 25, 1281 (1990).

상세보기
Y. Zhu, S. Xia, G. Liu, and W. Jin, "Preparation of ceramic-supported poly(vinyl alcohol)-chitosan composite membranes and their applications in pervaporation dehydration of organic/water mixtures", J. Membr. Sci., 349, 341 (2010).

상세보기
K. H. Song and K. R. Lee, "Permeation flux of ester compounds through hydrophobic membrane by pervaporation", Membr. J., 26, 197 (2016).

원문보기 상세보기
C. M. Hansen, "Chap. 35, Solubility Parameters", Paint and Coating Testing Manual, 383 (1995).
R. F. Fedors, "A method for estimating both the solubility parameters and molar volumes of liquids", Polym. Eng. Sci., 14, 147 (1974).

상세보기
C. M. Hansen, "Hansen Solubility Parameters; A User's Handbook", CRC Press, 2nd ed. (2012).
K. H. Song and K. R. Lee, "Prediction of affinity between membrane and esters using solubility parameter", Membr. J., 24, 484 (2014).

원문보기 상세보기
BASF-Industrial Petrochemicals Europe, "n-Butanol, Technical Information, M 2084 e August 2016", http://www.solvents.basf.com/portal/streamer?fid278912.
A. F. M Barton, "CRC handbook of solubility parameters and other cohesion parameters", CRC Press, 2nd ed. (1991).

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