본 실험은 실제 공정에 SILP 흡착제가 적용될 때, 흡착제 내 이온성 액체가 외부로 유실되지 않고 얼마나 오랫동안 안정적으로 활성탄 내에 존재할 수 있는지를 평가하는 단계이다. 이때, 몇 가지를 미리 가정한 뒤 실험을 진행하였다.
(1) 실제 수처리 공정 내 입상활성탄 공정은 칼럼장치를 통해 진행되 나 현재까지 진행한 흡착실험은 batch test를 통해 진행되었기에 SILP 흡착제의 안정성 평가 실험 또한 batch test를 통해 진행하였다. 이때 실 제와 최대한 유사한 환경을 조성하기 위해 EBCT(공상체류시간, Empty Bed Contact Time)가 14 분인 실제 입상활성탄 공정의 설계 값을 참고 했다. 해당 공정에서는 활성탄 0.5 g에 대해서 처리 수량이 약 1.15 L/day였기에, 본 실험에서는 약 2주간 활성탄 0.5 g을 통과하는 유량인 약 17 L를 1 L씩 17번에 나누어 그림과 같이 교체해주면서 batch test를 진행하였다.
(2) 실제 칼럼 공정에서는 물이 지속해서 활성탄을 통과하면서 칼럼 내 압력이 발생하나, batch test에서는 활성탄에 자체적으로 작용하는 압 력은 존재하지 않는다. 이러한 외부 자극을 인공적으로 활성탄에 가하기 위해 180 rpm으로 교반하였다. 또한, 교반시간은 30분으로 설정했는데 그 이유는 EBCT가 14분인 실제 입상활성탄 공정을 표현하기에 충분한
그림 10. 안정성 평가 실험과정
시간이라고 판단했기 때문이다.
(3) 본 연구에서는 총 4 가지 목표 담지율(5, 10, 15, 20%)로 SILP 흡 착제를 개발하였으나, 이 중 이온성 액체가 가장 많이 함유된 SILP 흡착 제(목표 담지율 20%)가 동일한 실험 과정에서 이온성 액체의 유실량도 가장 많을 것으로 생각되므로 해당 SILP 흡착제에 대해서만 실험을 진 행하였다.
즉 1L pp bottle에 0.5g의 흡착제 및 1L의 증류수를 주입한 뒤 30분간 180 rpm으로 교반하고 동일한 양의 물을 교체해주는 과정을 17번
반복한다. 이후 건조를 통해 물을 제거한 SILP 흡착제에 대해서 원소 분석을 진행한 뒤 이전의 원소 분석 결과와 담지율의 차이가 있는지 확인했고, 필요에 따라서는 통계분석(t-test)도 진행하였다.
제 4 장 실험 결과
4.1 COSMO-RS를 통한 이온성 액체 선정
COSMO-RS를 통해 계산한 이온성 액체와 물 사이의 GenX 분배계수 (KIL) 및 이온성 액체의 물에 대한 용해도 결과는 다음과 같이 나타냈다.
그림 11은 이온성 액체의 분배계수 값을 색으로 표현한 그림이다. 해 당 이온성 액체를 표현하는 색이 빨간색에 가까울수록 해당 이온성 액체 의 분배계수가 높으며, 초록색에 가까울수록 분배계수가 낮다. 그림을 보 면 음이온에 따라서 분배계수의 경향이 결정되며 그 순서는 Cl > Br >
Tf2n > I > eFAP > SbF6 ≈ PF6 로 나타났다.
그림 12는 이온성 액체의 물에 대한 용해도를 색으로 표현한 그림이 다. 해당 이온성 액체를 표현하는 색이 빨간색에 가까울수록 해당 이온 성 액체의 물에 대한 용해도가 낮으며, 초록색에 가까울수록 높다. 그림 을 보면 용해도도 대체로 음이온에 따라서 경향이 결정됐으며 그 순서는 eFAP < Tf2n < SbF6 < PF6 < I < Br < Cl 로 나타났다.
COSMO-RS를 통해 계산된 값을 통해서 이온성 액체를 선정하였으 며, 그 결과 준수한 KIL을 가지면서 용해도도 낮은 Tf2n 음이온이 적합 하다 판단하였다. 따라서 이들 중 이미다졸류 양이온을 갖는 이온성 액 체 두 종([EMIM][Tf2n] 및 [HMIM][Tf2n])을 선정하였다. 이때 두 종의 이온성 액체를 선정한 이유는 음이온이 같을 때, 양이온 내 사슬 길이의 차이가 SILP 흡착에 어떤 영향을 미치는지도 알아보기 위함이었다.
그림 11. COSMO-RS를 통해 계산한 분배계수(KIL) 값
그림 12. COSMO-RS를 통해 계산한 이온성 액체의 물에 대한 용해도
4.2 선정된 이온성 액체의 분배계수 측정
COSMO-RS를 통해서 선정된 이온성 액체는 [EMIM][Tf2n] 및 [HMIM][Tf2n]이며, 분배가 평형에 도달하는 시간을 확인한 결과는 다음 과 같다.
그림 13. 이온성 액체의 GenX에 대한 분배 kinetic 실험 결과 그림 13을 확인하면 두 이온성 액체 모두 약 10분 이후로는 분배 과 정이 평형에 도달하였음을 확인할 수 있었다. 따라서 실험시간을 10분으 로 잡고 실험을 진행한 뒤 분배계수를 계산했고 그 결과는 다음과 같다.
이온성 액체 COSMO-RS 모델값 실험값
[EMIM][Tf2n] 5636 76.25±2.16 [HMIM][Tf2n] 16062 22.76±2.35
표 2. COSMO-RS 계산값과 실험값의 비교
COSMO-RS 모델값과 실험값을 비교해보면 큰 폭으로 차이가 나는 것을 알 수 있었다. 약 70배에서 700배까지 값이 차이가 났으며 두 이온 성 액체 모두 실험값이 모델값보다 훨씬 낮았다. 이에 더해 경향성에서 도 탄소가 많아질수록 분배계수가 증가한 COSMO-RS 모델값과는 달리 실험값은 탄소가 적은 [EMIM][Tf2n]가 더 크게 나타났다.
따라서 COSMO-RS의 경우 실험과정 없이 분자구조만으로 성질을 예 측하면서 빠른 계산 속도를 가지고, 수많은 이온성 액체의 정보가 프로 그램 내 라이브러리에 저장되어있어 이온성 액체의 특성을 파악하는 용 도로 널리 사용되고 있지만(Paduszyriski, Kamil., 2017), 그 값이 실제 값과 항상 유사하지는 않으며 실제 실험을 통해 측정하는 과정이 필수적 으로 수행되어야 함을 확인하였다.