KR19980029862A

KR19980029862A - 고밀집 섬유 다발체의 제조방법과 접촉방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR19980029862A
Application number: KR1019960049192A
Authority: KR
Inventors: 김광욱; 이일희; 유재형; 박현수
Original assignee: 김성년; 한국원자력연구소
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 1998-07-25
Also published as: JP3024079B2; JPH10128002A; US5904849A; KR100187898B1

Abstract

본 발명은 부피가 작은 일정한 길이의 탑(Column)내에 섬유체를 고밀도로 밀집시켜 여기에 비 혼합형 두 액상을 동시에 병류 방향으로 주입시, 이 밀집된 섬유체 사이의 압착된 공간에 의해 유도되는 모세관 현상에 의해 두 액체가 각각 섬유체 주위 틈 사이를 극히 얇게 펴지면서 각 상이 하나의 연속체를 유지하며 서로 접촉하게 하여 기계적 구동 부분이 없이 액-액 접촉이 가능케 하는 장치에 관한 것으로, 이 장치 내에는 전혀 액적 현상이 없는 정적(Static) 액-액 접촉장치로 지금까지 발표된 교반기와는 전혀 다른 원리와 구조로, 장치 제작과 그 구조가 간단하며, 기존의 어떠한 장치보다 단위 공간에서 액-액간의 접촉을 극대화시킬 수 있는 장치이다.

이 장치는 정적(Static) 액-액 접촉 장치로 지금까지 발표된 교반기와는 전혀 다른 원리와 구조로, 장치 제작과 그 구조가 간단하며, 기존의 어떠한 장치보다 단위 공간에서 액-액간의 접촉을 극대화시킬 수 있는 장치로서 그 구조적 특성 때문에 꼭 수직 방향이 아닌 어떠한 방향으로도 위치하며 작은 공간 내에서 연속적으로 회분식 교반 과정에서 보이는 액-액 접촉 면적 이상을 발생시킬 수 있어 액-액 용매추출 뿐만 아니라, 장치 내에는 전혀 액적 현상이 없고, 액-액 접촉 계면은 난류 유동이 없이 안정한 상태로 유지되고 있어 본 액-액 접촉장치는 간단한 추출 속도론 해석에도 용이하게 쓰일 수 있을 수 있다. 또한 본 발명은 단위 부피 당 접촉 면적이 매우 넓어 기-액 접촉 장치로 또는 본 발명에서 사용되는 섬유체가 기체 흡착용으로 처리되면 기체 분석 또는 분리용으로도 본 발명의 원리가 사용될 수 있다.

Description

고밀집 섬유 다발체의 제조방법과 접촉방법 및 그 장치

본 발명은 일정한 탑(Column)에 섬유체를 높은 밀도로 밀집시켜 이 섬유체에 의해 유도되는 극세 모세관 현상을 이용하는 고밀집 섬유 다발체의 제조방법과 접촉 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

어떤 물질의 분리나 정제를 위해서는 그 물질이 존재하는 액상으로부터 그 대상 물질에 대한 화학적 또는 물리적 성질이 다른 상으로 옮겨 두 액상에 대한 대상 물질의 분배차를 이용하는 액-액 추출, 즉 용매추출법이 사용된다. 이를 위해 보통은 물리적 교반에 의해 한 액상을 다른 액상에 액적 형태로 분산시키므로서 액-액간의 물질전달 면적을 최대화 하는 과정이 필요하다.

이러한 교반 방법으로는 단순한 임펠러(Impeller)를 갖는 교반기로부터 Mixer-Settler, 회전판 접촉기(Rotating disc contactor), Oldshue-Rushton 교반기, Kuhni 추출기, 원심분리법을 사용하는 AKUFVE 추출기 및 맥동 추출기(Sieve-plate pulsed column) 등과 같이 기계적 구동에 의해 발생된 힘에 의해서 액적을 분산하는 방법이 있다. 이들은 대체로 구조가 복잡하고 크기가 커 작은 규모의 용량 처리에는 부적당 하고, 대체로 장치 제작비가 크다. 기계적 구동 부분을 사용하지 않아 비교적 구조가 단순한 교반 장치로는 액적 분산탑(Spray column)과 충진탑(Packed column)등이 있다. 한 상에 단순히 다른 상을 분산시키는 액적 분산탑은 단위 부피 당 높은 액-액 접촉면적을 갖기가 곤란하고, 액적 분산탑을 보완한 고형 충진물을 내장시킨 충진탑은 물질전달 속도는 증진 시키나 충진물에 의한 흐름 공간이 줄어 처리속도가 크게 떨어지며 쉽게 익류(Flooding) 현상이 발생할 수 있다. 기계적 구동 부분을 갖지 않아 또 다른 교반 장치로는 공간이 비어있는 파이프 형태나, 또는 파이프 내에 90℃ 각도로 번갈아가며 접속된 나선형의 구조물을 갖는 Kenics 교반기가 있다. 이들은 모두 두 액상이 병류로 흘러 향류 접촉기에서 발생하는 익류 현상이 없으며, 구조가 간단하고 제작비가 저렴하다.

위에서 기술된 모든 액-액 교반 과정은 외부에서 가해진 기계적 에너지에 따라 한 액상이 다른 액상에 구형으로 분산되는 것으로 액적의 합체와 깨짐 현상이 반복적으로 일어난다. 이때 액적의 크기등은 액상간의 밀도차와 계면장력의 조건에 따라 영향을 받게 된다. 따라서 이러한 장치 내의 물질전달 특성 연구를 하기 위해서는 액적에 대한 복잡한 유체의 수력학적 연구가 필수적이 된다. 또한 대부분의 교반 자체가 중력장 하의 밀도차에 관련되어 이들 장치들은 수직형으로 세워져야 된다.

본 발명은 부피가 작은 일정한 길이의 탑(Column)내에 섬유체를 고밀도로 밀집시켜 여기에 비 혼합형 두 액상을 동시에 병류 방향으로 주입시, 이 밀집된 섬유체 사이의 압착된 공간에 의해 유도되는 모세관 현상에 의해 두 액체가 각각 섬유체 주위 틈 사이를 극히 얇게 펴지면서 각 상이 하나의 연속체를 유지하며 서로 접촉하게 하여 기계적 구동 부분이 없이 액-액 접촉이 가능케 하는 장치에 관한 것으로, 이 장치 내에는 전혀 액적 현상이 없는 정적(Static) 액-액 접촉 장치로 지금까지 발표된 교반기와는 전혀 다른 원리와 구조로, 장치 제작과 그 구조가 간단하며, 기존의 어떠한 장치보다 단위 공간에서 액-액간의 접촉을 극대화시킬 수 있는 장치이다. 한편 기존 미국 특허(U.S. 3,754,377, 3,758,404, 3,839,487)에 섬유체를 이용한다는 점에서만 본 발명과 유사성을 갖고 있는 섬유체를 이용한 액-액 물질 전달기에 관한 내용이 공고되어 있다. 이 특허에서는 일정한 관에 일련의 굵은 섬유 가닥을 압착되지 않은 상태로 삽입하고 이 섬유체 끝 부분을 한 액체에 담근 상태로 두면 이 섬유체를 통하여 액체가 마치 석유램프의 심지(Wick)처럼 섬유체 개개 내의 작은 기공을 통해 형성되는 모세관 현상에 의해 한 액체가 섬유 다발체를 적시며 다른 끝으로 이동하고, 이때 비혼합성 다른 액체를 그 섬유체 주위로 흐르게 하여 섬유체 표면에서 섬유체 내에 포함되어 있는 액체와 접촉하게 하는 장치이다. 따라서 섬유체 주위를 흐르는 액체의 유량은 펌프에 의해 조절되지만, 섬유체를 적시며 섬유체 내로만 흐르는 액체의 유속은 외부 힘에 의해 물리적으로 조절되는 것이 아니라 오직 섬유체내의 모세관 현상에 의해서만 결정이 된다. 따라서 큰 용량의 액체를 처리하기 위해서는 섬유체 내를 흐르는 액체의 유량을 증가시키기 위해 대단히 큰 관에 섬유체를 삽입하는 것이 필요하게 되어 장치의 크기가 대형화 된다. 그러나 본 발명에서 사용되는 섬유체의 기능은 기존 미국특허에서 사용되는 섬유체의 기능, 즉 섬유램프 심지(Wick)처럼 모세관현상에 의해 액체를 빨아올리는 기능과는 다르게 일정한 관에 섬유체가 높은 밀도로 압착 충진되어 액체가 섬유체 관을 주입될 시 섬유체 사이의 압착된 공간내에 모세관 현상이 일어나도록 섬유 다발체는 압착 공간 형성체로 작용하는 것이다. 그리고 본 발명의 섬유체 관에 흐르는 유체는 압착 공간으로 액체를 주입하는 펌프의 힘과 압착 공간 내에서 발생되는 액체의 모세관 현상에 의해 흐르게 된다. 따라서 단위공간에서 액-액 접촉 면적은 기존 미국 특허에 나타난 섬유체 액-액 접촉 장치보다 훨씬 넓게 되고, 섬유체 액-액 접촉기에서 처리할 수 있는 유량도 크게 증가된다.

도 1은 본 발명의 핵심인 최소 공간에서 액-액 접촉 면적을 극대화하기 위한 고밀집 섬유 집합체에 의해 유도되는 모세관형 정적 액-액 접촉 다발체 개념도

도 2는 고밀집 섬유 집합체에 의해 유도되는 모세관형 연속식 액-액 접촉 다발체 장치 공정도

도 3은 일정한 수용액 유속에서 상비 변화에 따른 회분식 교반에 의한 추출수율과 연속식 밀집 섬유 집합체를 이용한 정적 액-액 접촉 다발체에 의한 추출수율과의 비교 도 4는 일정 탑 길이에서 상비 변화에 따른 회분식 교반에 의한 추출수율과 연속식 밀집 섬유 집합체를 이용한 정적 액-액 접촉 다발체에 의한 추출수율과의 비교

도 5는 회분식 교반의 추출수율을 보이기 위해서 필요한 본 연속식 밀집 섬유 집합체 내에서의 수용액 공탑속도와 체류시간

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 수위 조절기 (2) : 액-액 분리기

(3) : 추잔상 저장조 (4) : 추출상 저장조

(5) : 고밀집 섬유체 다발관 (6) : 튜브

(7) : 항온조 (8) : 펌프

(9) : 수용액 저장조 (10) : 펌프

(11) : 유기상 저장조

본 발명의 기본 개념은 도 1에서 보는 바와 같이 일정한 길이의 탑 내에 대단히 높은 밀도로 밀집된 극세 섬유 모세관 다발체 내에 유기 액상과 수용액상을 동시에 각 액상의 표면장력과 그 액상이 섬유 다발체를 통과 할시 발생하는 견인력(Drag force)을 능가하는 충분한 압력으로 주입하는 경우, 각 액상은 섬유체 내에 형성된 무수히 많은 길이 방향으로 형성된 극세 세공 내에서 압착되며 흘러 모세관 현상이 일어나 섬유 다발체 내에 연속성을 유지하면서 매우 얇은 박막으로 넓게 퍼지게 되고, 유기상과 수액상은 물질전달에 필요한 접촉 면적을 넓게 형성하며 혼합된 상태로 섬유 다발체를 빠져 나오게 된다.

섬유체 모세관 내의 두 액상은 극히 작은 두께로 접촉되고 있어 물질전달 과정시 생성되는 액-액 계면에서의 농도 구배층은 거의 무시할 만큼 작으며, 형성된 계면은 접촉기의 전체에서 길이 방향의 섬유 고형체에서 일정하게 유지되고 섬유체 내에 어떠한 액적 현상이 없으므로, 장치 내의 흐름은 역 혼합 현상(Back mixing)이 거의 없는 완벽한 피스톤 형태의 프러그(Plug) 흐름을 형성할 것으로 생각된다. 이러한 장치는 액-액 계면이 일정하고 안정하므로, 용매 추출용으로 뿐만 아니라 물질전달 속도론 해석에도 유용하게 쓰일 수 있을 것으로 생각된다.

또 이 본 발명의 특징 중의 하나는 장치 내의 액-액 교반이 두 액상간의 중력장하의 밀도차와는 무관한 섬유체 모세관 현상에 의해 유도되므로 이 장치 자체는 꼭 수직 방향 뿐만 아니라 어떠한 방향으로도 위치하며 동작될 수 있다는 것이다.

섬유체 모세관 다발체를 제조하기 위해서 사용되는 섬유는 유기상과 수용액의 화학계에 대해서 안정되고, 일정한 관 내에서 극세 모세관을 잘 형성하도록 충분히 가늘어야 하며 관 내에서 두 수용상이 모세관 형으로 잘 발달하게 하기 위해 관 내의 단위 면적 당 일정한 수 이상의 섬유 가닥 수를 유지하는 것이 필요하다.

상술된 방법에 의해 만들어진 고밀집 섬유 집합체를 액-액 접촉기로 사용하기 위해 구성된 모세관형 연속식 액-액 접촉 다발체 장치 공정도가 나타나 있다.

이하 본 발명의 요지를 실시 예인 첨부 도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 장치 개념도인 바 수위 조절기(1)가 설치된 액-액 분리기(2)는 추잔상(Raffinate) 저장조(3)과 추출상(Extract) 저장조(4)에 연결되고, 이 수위 조절기(1)는 액-액 접촉을 위한 고밀질 섬유체 다발관(5)과 연결되며 이 액-액 접촉기 하단부에 펌프(8)를 경유 수용상 저장조(9)에, 펌프(10) 경유하여 유기상 저장조(11)에 연결 배관한 일결의 장치이다.

도면중 미설명 부호 (6)은 섬유체 다발관을 유지시키기 위한 튜브로 섬유체가 내부에 밀집되어 내압이 걸리므로 일정한 강도를 지녀야 하고 수용상과 유기상의 화학계에 대하여 안정하여야 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에서 접촉기로 사용되는 고밀집 섬유체 다발관(6) 내에서는 주입되는 비혼합성 두 액상이 고밀집 섬유체에 의해 야기되는 모세관 현상에 의해 매우 넓게 퍼져 각각 하나의 연속체로서 액-액 접촉을 이루며, 그 액-액 계면을 통해 어느 한 상에 포함되어 있는 분리 하고자 하는 물질이 각 액상에 대한 화학적 또는 물리적 분배차에 의해 다른 상으로 물질이동이 일어나게 된다. 모세관 섬유다발관을 나오는 혼합된 두 액상은 액-액 분리기(2)를 통해 추출상과 추잔상으로 분리된다. 고밀집 섬유체 다발관에 두 액상을 공급하는 펌프(8, 10)는 두 액상이 섬유 집합체를 통과할 수 있는 충분한 토출압을 갖는 정량 미량 급액 펌프이어야 한다. 이때 두 액상의 유량 비는 추출계의 상비에 해당되므로 물질전달 결과에 큰 영향을 미치므로 정밀한 유량조절기(12, 13)에 의해 조절되어야 한다. 액-액 물질전달 과정은 온도에 영향을 받을 수 있으므로 물질전달 과정이 일어나는 고밀집 섬유 집합체 부분은 항온조(7)에 의해서 일정한 온도를 유지시키도록 한다.

도 3에는 본 고밀집 섬유 집합체에 의해 유도되는 모세관형 정적 액-액 접촉기를 사용하여 희석제인 도데칸(dodecane)에 추출제인 TBP(tri-butyl phosphate)를 30 Vol.%로 혼합한 유기상과 2N 질산에 5 g/l의 우라닐 이온 (uranyl ion)을 함유한 수용상 추출계에 대한 연속식 추출실험을 수행하여 본 발명장치의 성능을 평가한 실험결과가 나타나 있다. 우라닐 이온과 TBP의 추출반응은 이미 잘 알려진 반응으로 다음과 같이 표현된다.

(UO₂ ²⁺)_Aq+ (NO^- ₃)_Aq+ (2TBP)_Org= (UO₂(NO₃)_2.2TBP)_Org

사용된 고밀집 섬유체는 내경 8.8 mm, 길이 12.8cm Pyrex 유리관에 폴리에스터 섬유(40s/2) 약 1,500 가닥을 밀집시켜 제작하였으며, 실험은 25±0.5℃에서 수행되었다. 종축에는 일정한 수용상 유속에서 상비에 따른 본 연구 장치에 의한 추출 수율과 같은 상비 조건에서 회분식 추출 수율의 비가 나타나 있다.

여기서 추출수율은 [(초기 수용상의 우라닐 농도 - 추잔상의 우라닐 농도)/초기수용상의 우라닐 농도 X 100]로 정의된다. 본 연속식 추출계에서는 두 액상이 병류 접촉을 하므로 추출 수율은 최대 회분식 실험 결과를 넘지 못한다. 두 추출 수율의 비가 전체 상비 조건에서 거의 정확히 1 값을 보인다. 이결과는 본 발명의 액-액 접촉기는 회분시 액적 교반에 버금가는 충분한 액-액 접촉 면적을 발생한다는 것과, 길이 12.8cm의 접촉기를 사용할 때 도 3에서 사용한 수용액의 유속 범위에서는 충분히 이상적 추출을 연속적으로 수행할 수 있다는 것을 보이는 것이며, 이는 본 연구에서 사용된 유속범위는 평형 상태에 이를 만큼의 충분한 체류 시간을 제공한다는 것을 보이는 것이다. 회분식 용매추출에서도 추출계가 체류 시간을 제공한다는 것을 보이는 것이다. 회분식 용매추출에서도 추출계가 화학평형에 이르기 위한 최소한의 교반시간이 필요하듯이 연속식 추출계에서도 두 액상이 추출기내에서 서로 화학계가 평형에 도달하기 위한 접촉시간 즉 일정한 체류시간이 필요하다. 도 3에서 사용한 12.8cm 길이의 접촉기에서 유기상의 변화에 따른 추출 수율이 회분식 실험 결과와 동일하다는 것은 본 발명에 의한 접촉기에서 충분한 접촉 면적이 형성되었으며, 12.8cm 길이의 탑에서 현재 사용된 수용상 유속이 아직 충분히 낮아 수용상이 접촉하기를 통과하기 까지 추출 평형에 이를 만큼의 장치 내 체류 시간을 제공하는 것을 의미한다.

도 4 에는 일정한 1.2ml/min 유기상 유속에서 각 접촉기에서 수용상 유속변화에 따른 본 발명장치에 의한 추출 수율과 같은 상비 조건에서 회분식 추출 수율의 비가 나타나 있다. 각 접촉기 길이에서 추출 수율비 1을 보이기 위해서는 일정한 수용상 유속이 유지되어야 함을 볼 수 있고 추출 수율비 1을 보이기 시작하는 수용상 유속은 접촉기 길이가 길어짐에 따라 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 추출기 길이가 긴 경우는 높은 수용상 유속에서도 추출 평형에 도달하기 위한 충분한 체류 시간을 제공한다는 것을 의미하는 것이다.

도 5 의 좌축에는 접촉기 길이에 따른 도 4에서 추출상비가 1을 유지하기 위해 필요로 하는 최대 수용상 유속을 추출기 단면적으로 나눈 공탑속도(Superficial velocity) 변화가 나타나 있고, 우측에는 이때의 수용액의 접촉기 내 체류 시간(Residence time)(접촉기 길이/공탑 속도) 변화가 나타나 있다. 회분식 추출 성능을 보이는 연속식 추출 장치의 수용액 유속은 접촉기 길이에 따라 일정하게 증가함을 볼 수 있고, 그때 각 접촉기 내의 체류 시간은 거의 정확히 약 1.9 분임을 보인다. 이 값은 우라늄-TBP 추출 반응은 약 1.9 분내에 평형에 도달한다는 것을 보이는 것이다.

이러한 일련의 실험 결과로부터 본 발명품인 고 밀집 섬유 집합체에 의해 유도된 모세관을 이용한 정적 액-액 접촉 장치는 그 특성 때문에 수직 방향이 아닌 어떠한 방향으로도 높이면서 작은 공간 내에서 기계적 구동 부분이 없이 연속적으로 회분식 교반 과정에서 보이는 액-액 접촉 면적 이상을 발생시킬 수 있으며, 장치 내의 액-액 계면은 난류 유동이 없이 안정한 상태로 유지되고 있어 본 액-액 접촉 장치는 추출 속도론 해석에도 쓰일 수 있음을 알 수 있다. 대상 추출계가 화학평형에 도달하기 위해 수용액이 장치 내에 일정 시간 체류해야 한다. 이 체류 시간은 일정한 길이의 접촉기에서는 용액의 유속에 의해 또는 일정한 유속에서는 접촉기의 길이에 의해 조절될 수 있다.

Claims

일정한 공간에 대단히 높은 밀도로 밀집된 산/알카리 용액에 대해 안정적인 섬유 다발체에 의해 만들어진 극세 모세관 집합체 내에 충분한 압력으로 한 액상을 주입하여 섬유 다발체 모세관 내에서 그 액상이 모세관 현상에 의해 넓게 퍼지게 하는 고밀집 섬유체 다발체의 제조방법.
고밀집 섬유체에 비혼합성 두 액상을 주입하여 두 액상이 고밀집 섬유체내에서 모세관 현상에 의해 액적 현상이 없이 넓게 퍼지면서 안정적으로 서로 액-액 접촉하여 물질전달 과정을 수행하고, 섬유체 다발관을 빠져 나오는 추출상과 추잔상을 액-액 분리기에 의해 분리할 수 있는 고밀집 섬유체를 사용하는 정적 액-액 접촉 방법.
수위 조절기(1)가 설치된 액-액 분리기(2)는 추잔상 저장조(3)와 추출상 저장조(4)에 연결되고, 이 수위 조절기(1)는 액-액 접촉을 위한 고밀집 섬유체 다발관(5)과 연결되며 이 액-액 접촉기 한단부에 펌프(8)을 경유 수용상 저장조(9)에, 펌프(10)를 경유하여 유기상 저장조(11)에 연결 배관한 것을 특징으로 하는 연속시 고밀집 섬유체 다발관을 사용하는 액-액 접촉장치.