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계면활성제

관련기술2016. 10. 11. 14:38

계면활성제_계면공학_5장. 액체-액체 계면 환경공학전공수업

   

오늘은 계면공학의 5장. 액체-액체 계면에 대해 떠들어 볼 계획이다. 아무래도 요즘 취업이다 논문이다. 정신이 없어서 포스팅을 할 시간도 여유도 없었는데 교수님이 업무를 하달하셨다.

   

계면활성제!! 다 배웠던 내용이지만 한번 복습하며 새로 준비해보자^ㅁ^

   

일단 계면 활성제란  묽은 용액 속에서 계면에 흡착하여 그 표면장력을 감소시키는 물질로 표면활성제라고도 한다.

계면활성제라고 하면 비누나 세제등과 관련된 예가 가장 많은데 보통 비누등의 세제를 물에 풀면 가라앉거나 하지않고 물위에, 즉 액체의 표면에 위치하는 걸 볼 수 있다. 이는 계면활성제가 친유성과 친수성의 성질을 모두 가지고 있기 때문이다.

   

계면활성제의 친유성은 긴사슬 모양의 알킬기, 친수성은 카르복시기가 띄는 성질로 다음 그림을 보면 쉽게 그 성질을 알 수있다.

   

   

여기서, 다시한번 생각해보면 세제의 원리를 알 수있다. 세탁기 안에 때묻은 옷과 물이 들어있었는데 그위로 계면활성제가 쏟아져 들어왔다. 계면활성제는 위의 그림과 같이 불안정한 상태로 떠다니다가 본능적으로 안정화되기 위해 알킬기란 녀석이 필사적으로 옷에 묻은 때에게 달려가 붙을 것이다. 그렇게 되면 당연히 카르복시기는 세탁기의 물을 향할테고 여기서 계면활성제란 불안정한 녀석들은 물과 기름때와 결합하여 안정적인 상태로 옷에서 분리되어져 나올 것이다. 굳이 표면에 붙어있을 뿐인 기름때 계면활성제란 녀석이 합체를 해서말이다. 화학적로 말하면 강한 결합.

   

아마 세제 만드는 사람들이 연구하는 분야는 내가 어떻게 하면 전자의 이동을 활성화시켜 광촉매 반응이 많이 일어나게 하여 고효율의 분해능을 보여주느냐를 고민하는 것처럼 저 계면활성제들의 알킬기들이 빨리, 제대로, 완벽하게 기름때와 결합하여 어떤 소재의 옷에서든 그 소재의 상태를 망가트리지않고 떨어져 나올 수 있는가 일 것이다.

   

환경공학적으로 적용시키면 옷에 묻은 때가 아니라 물에 섞인 유기물질들을 다공성 볼이나 다른 기타 소재들을 이용해 폐수내 들을 결합시켜 가라앉게하여 슬러지화시키는 방법을 연구하는데 아마 이런 지식이 필요할 것이다. 물론, 공학은 응용학문으로 어디든 대입할 수 있으니 넓게 생각해보자.

   

계면활성제가 무엇인지는 대충 살펴보았고 다음은 특징에 대해 살펴보자.

계면활성제는 앞에서 설명한것과 같이 옷의 기름때를 제거하는 기능을 보이지만 정화히 이는 계면활성제가 옷이라는 기름때가 묻어있는 옷의 표면의 물성을 기름때가 없는 옷의 표면으로 물성을 변화시킨 것으로 이것이 계면활성제의 첫번째 특징. 표면물성 변화이다.

   

두번째 용액내에서 집합체를 형성하는 것인데 이는 미셀(micelle)이라고 하며 다음 그림에 나타내었다.

미셀(micelle)은 계면활성제 농도가 높아지면 계면은 계면활성제 분자로 완전히 덮이며 농도가 더 높아지면 액체 내부에서도 계면활성제의 친유기끼리 뭉쳐서 아래 그림과 같이 집합체를 이루게 된다. 여기서 다시 세제얘 길하자면 옷에서 떨어져나온 기름때는 이런식으로 물속에 떠다니게 되므로 다시 옷에 붙지 않는거다.

   

   

미셀의 모양은 농도가 비교적 낮은 때는 구상 또는 구상에 가까우며, 농도가 더욱 높아지면 층상이나 원통형의 미셀을 이루는 것으로 알려져 있다.

   

그래서 계면활성제의 농도를 Micelle 한계 농도, critical micelle concentration 약자로 c.m.c라고 한다. Micelle은 계면활성제의 수십~수백 개의 집합체로서 구상, 층상, 봉상의 여러가지 형태를 이루는 것으로 생각된다. c.m.c.를 전후로 계면활성제 수용액의 계면장력, 표면장력, 전기전도도, 세정력, 점도 등이 급격히 변화한다. 따라서 계면활성제의 사용시는 이 특성을 이용하여 c.m.c 이상에서 사용하면 효과적이다. c.m.c가 계면활성제 수용액의 특성을 급변시키므로 어떤 계면활성제 수용액의 c.m.c를 측정하는데, 특성이 급변하는 농도를 측정함으로써 c.m.c를 구할 수 있다.

   

c.m.c는 이온성 계면활성제가 비이온성 계면활성제보다 높다.

   

또한, 계면활성제의 c.m.c는 carbon chain 및 이온성 친수기에 따라서 달라지는데 carbon chain 이 길어지면 줄어들고 ethylene oxide chain이 길어지면 커지는 경향이 있다. 또 소수기 중에 2중 결합이 있을때 증가한다. 여기서 한포인트 집자면, 아마 앞에 얘기한 세제연구자들이 이점을 연구할 것이라고 짐작된다. 그리고 우리도 이걸  후처리에 적용하려면 이와같은 분야를 연구할 수 있어야 한다.

   

다음은 계면활성제의 분류법에 따른 종류에 대해 알아보자. 계면 활성제는 표면활성부분의 이온종류에 따라 나뉘는데 이는 계면활성제 중 수용액에서 이온화하여 활성제의 주체가 음이온이나 양이온이냐에 따라 나뉘어진다는 얘기이다.

   

활성부분의 이온이 음이온이 되는 것을 음이온 계면활성제라고 하는데, 비누,알킬벤젠술폰산염 등이 이에 속한다. 또, 이온화하여 양이온이 되는 것을 양이온 계면활성제라 하는데, 고급아민할로겐화물,제사암모늄염,알킬피리디늄염 등이 이에 속한다.

또한 양쪽이 다 되는 것을 양쪽성 계면활성제라고 하는데, 여기에는 아미노산 등이 속한다. 한편, 전리하지 않는 것을 비이온 계면활성제라 하여 구별하기도 하는데, 여기에는 폴리에틸렌글리콜류 등이 속한다.

   

   

   

①음이온 계면활성제 ---

물 용해되었을 때 해리되어 음이온이 계면활성을 나타내는 것을 음이온 계면활성제라 한다.

-.비누(고급지방산염) : 수중에서 지방산 이온과 금속이온으로 해리되며 지방산 이온이 계면활성을 나타낸다.

RCOOM RCOO-  + M+

-.알콜황산 에스테르염 :     ROSO3Na ROSO3- + Na+

--.알킬/알킬아릴술폰산염 : R-C6H4-SO3Na R-C6H4-SO3- + Na+

   

②양이온 계면활성제 ---

물에서 해리되어 양이온이 계면활성을 나타내는 것을 양이온 계면활성제라 한다. 사용되는 대부분은 음이온 계면활성제이며, 양이온 계면활성제의 경우는 섬유유연제 등으로 주로 사용된다.

-.아민염 :           R3NHX R3NH+ + X-     (X: Br 또는 Cl)

-.4차 암모늄염(가장많이 사용됨)

[NR4]X [NR4]+ + X-

   

③비이온 계면활성제 ---

수산기(-OH), 에테르(-O-)와 같은 해리되지 않는 약한 친수기를 여러개 가지고 있다.

-.알콜/알킬페놀 폴리옥시에틸렌 에테르 : 고급알콜 또는 알킬페놀에 옥시에틸렌을 부가시킨 것으로, 부가된 옥시에틸렌의 몰(mole)수에 따라 계면활성제의 친수성을 조절할 수 있다. 세제의 원료로 중요하며 세척력과 생분해성이 뛰어나 점차 사용이 증가하고 있다.

RO(CH2CH2O)nH

   

④양성 계면활성제 ---

친수기가 양이온과 음이온으로 해리되는 부분을 가지고 있어서 알칼리성 용액에서는 음이온으로, 산성용액에서는 양이온으로 작용한다. 값이 비싸서 세제로서는 사용되지 않는다.

   

*이미지와 표는 지도교수님이신 하진욱 교수님의 강의자료에서 발췌하였고 내용은 교수님의 강의 및 네이버 카페 "아템"에서 참고하였다.

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계면활성제2_표면장력측정&콜로이드의 연결 환경공학전공수업

   

다음은 계면활성제라는 녀석을 존재케하는 원인!! "표면 장력"과 그 결과인 "계면장력"에 대해서 살펴보자.

   

일단, 표면장력이란 무엇이냐..표면장력은 액체의 분자사이에 작용하는 인력때문에 발생하는것으로 이 녀석이 존재하기때문에 물과같은 것들이 구형등의 방울모양등이 유한한 모양을 가질 수 있는 것이다. 쉽게 말하면 기체 혹은 액체와 고체 등 서로 다른 상태의 물질이 접해 있을 때 그 경계면에 생기는 면적을 최소화하기 위해 작용하는 힘이다. 그런 본능적인 이유로 물방울의 모양이 나뭇잎등에 걸쳐있을때 일자로 쭈욱-ㅇ 퍼지는게 아니라 동글 동글하게 존재할 수 있는 것이다.

   

주변에서 보면 나뭇잎에 맺힌 이슬이라든가, 여러개로 만들어 살펴본 비누방울들 사이의 막, 소금쟁이 발 밑의 막..그리고 우리가 자주 보는 실험실 메스실린더 벽면과 용액의 곡선형의 모양등이 있다. 아래 그림과 같은 모양이 바로 이 표면장력이란 녀석때문에 액체가 본능적으로 취하게 되는 모양새이다. 이런 이유로 존재하는 액체의 모양들과 서로다른 상태나 같은 상태의 물질들 사이에 생기면 계면의 장력을  계면 장력이라고 하며 이를 측정하는 방법에 대해 소개하겠다.

   

   

계면장력을 측정하는 방법에는 여러가지가 있는데 위 그림은 모세관오름법에 대해 설명하기위해 준비했다. 모세관 오름법에 의한 계면 장력을 측정하려면 아래와같이 중력과 표면장력을 같다고 가정하고 아래와 같이 계산한다.

   

   

두개의 모세관을 가지고 측정하는 방법은 아래와 같다.

   

   

단, 이경우 완전 젖음상태이면(complete wetting), cosθ는 무시해야하며 재질과 액체가 같은경우에는 cosθ도 같다고 가정해야한다. 

또한 wetting agent인 계면활성제가 들어가면 θ=0이 되며, cosθ=1로 무시해야한다.

이외에는 다음과 같은 두 방법이 있다. 

   

-Wilhelmy Plate method

   Wtotal=Wplate+2(x+y)γ

   

 

                                      

-Ring Method

F=2(2πr)γ

   

   

다음은 계면활성제의 연결, 콜로이드의 연결상태에 대해 다루어 보자.

   

다음 그림은 좌측의 통계학적인 모델과 우측은 모노머타입이다. 모노머랑 단위체로 회합체 구성하는 작은 분자단위상태라고 보면된다.

그림의 아랫부분에서 모노머 연결의 증가에 따라 각기 다르게 불리게 되는데 콜로이드는 연결 결합 모양 및 크기에 따라 콜로이드의 용도 및 특성이 조금씩 달라진다. (연결이 증가 되어 하나의 화합물화되는것을 중합반응이라고 한다.)이런 게 있다는 정도까지만 하도록 하자..^^

   

   

마지막으로 5장에서는 Micelle의 농도에 영향을 주는 인자와 분산, 표면압력, 전위, 유동력, 점도등에 대해 다루고 있지만 미셀의 농도에 영행을 주는 인자까지만 언급하고 나머지에 대해선 설명을 생략하겠다.

   

Micelle의 농도에 영향을 주는 인자는 다음과 같다.

 

- 탄화수소(hydro carbon)의 길이: CMC as HC

CMC=128mM CMC=32mM CMC=8mM

ion성: 각 탄소길이마다 1/2씩 CMC

non-ion성:  각 탄소길이마다 1/3씩 CMC

- 온도: CMC as T

- 유기분자(organic molecules)

  urea(water structure breaker): CMC

   fructose, maltose(water structure promotor): CMC 

   

   

특히 온도가 micelle 형성에 미치는 영향에 대해서는 다음 그림통해 살펴볼 수 있다.

   

Kraft point(ionic surf)                                   Clouding point(non-ionic surf)

   

 

 

   

: TK이하에선 micelle 형성 안됨                           : TC이상에서 micelle 형성 안됨             

                                                       

- 비이온 계면활성제는 T, 용해도

: T, chain이 압축되어 있어 O가 물과 접촉해서 용해

T, chain이 펴져서 용해도        

   

-Solublization

:물에 녹지 않는 물질(water-insoluble)이 수용액 내에 존재하는 micelle내부로

녹아 들어 가는 현상

     (비고) soluble, solubility, solution        

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역삼투

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R.O(Reverse Osmotic)에 대한 고찰 ......환경공학개론

   

Reverse   (정반대로) 뒤바꾸다, 반전시키다 / (결정 등을) 뒤집다 / (앞뒤?순서 등을) 뒤집다

Osmotic    삼투현상

System     제도, 체제 / 체계, 시스템, 장치

물을 반투과막(R.O membrane)을 통하여 일정한 압력을 가하여 통과시키는 체거름 작용과 확산 작용. 즉, 삼투현상을 응용한 여과시스템을 R.O.S라고 하며 이온상태의 물질까지도 분리할 수 있어 해수담수화 부터 정수, 하수, 폐수처리등에 다양하게적용되는 기술입니다(도금폐수까지 처리가능).

   

R.O membrane은 역삼투막의 지지층(두께 약50㎛)과 분리기능을 가지는 활성층(두께 약 0.2~0.6㎛)으로 구성되어 있으며 역삼투 현상을 이용하여 용매와 용질을 분리하는 특성을 가지고 있고   한마디로 얘기하면 물은 통과되고 이온은 통과가 되지않는다는 원리를 이용한 막이라고 보면 된다고 생각함.

   

특히, 물부족과 그에 따른 수질악화에 대응해 산업체에서 안정된 수질의 공업용수를 확보하기 위하여 폐수재활용, 지하수 및 공업용수 처리등에 적극적으로 활용되고 있으며, 특정 이온이나 용매의 분리, 정제, 농축 등의 응용 분야에까지 활발하게 적용되거나 검토되는 상황으로..원리자체만 두고봐도 이래저래 여러가지로 응용가능한 기술이고 국내에도 수많은 업체들이 R.O를 이용한 다양한 설비들을 설계하여 판매중이고 학계에서도 열심히 연구중이고요. 출장가느라 미리 공부 좀 하려고 자료를 찾았더니 어마어마하군요. 다 읽을 수 가 없어요...+ㅁ+.

   

다시 본론으로 돌아와서 위와같이 R.O membrane은 균질막, 비대칭막. 복합막으로 불리우며 막의 일종으로 구분하기 때문에 구멍크기는 수Angstrom정도로 알려져있으나  일설에는 구멍이 없다고 설명하기도 하며 대상물질의 크기가 2Angstrom(물)일 경우 R.O.M은 4Angstrom정도가 적용된다고 보면 된답니다.

   

(아래는 지식인에서 찾은 이미지자료_b3kwon님의 답변중에)

   

위표에서 보시다시피 대상이 0.001마이크로미터이하로 이온정도 되면 나노사이즈를  벗어나 구멍이 없다고 여겨질정도로 작을 Ro를 사용해서 처리를 해야합니다.

   

보통 R.O membrane은 담수화시 사용되될때 염분제거율Nacl을 일정압력(다양한 psi)과 온도(상온 /섭씨25도씨), pH(중성)에서 어느정도 투과하는지를  두고 용도별로 적합성이나 기타 등등 성능을 평가합니다. 평가기준은 용도에 따라  다양합니다(이 실험시 압력을 정하는 기준은 대상염류(이온)를 두고 수용액의 일부 순수한 물성분이 반대편 순수한 물로 이동하기위한 수두차가 있는데 이 수두차를 삼투압이라고 하고 이를 이용합니다.).

   

시험방법 뿐만아니라 실제로 사용시에도 고압(수두차를 발생시키기위해선!!) 펌프를 사용하기때문 막은 특수하게 제작된 케이스로 제작어야 한답니다. 이외에는 pore size가 매우 미세(없다고 할정도로!!!)하므로 막힐 우려가 높다는 데에 주의하셔야합니다.

   

보통 R.O membrane을 이용한 시스템은 전기투석보다 소요되는 에너지량이 적고 설비조작이 간단한  편으로 알려져 있고  실용적인 R.O membrane의 종류로는 cellulose acetate, 방향족 polyamide, nylon등이 있습니다.

   

일반적인 특장점은 아래와 같습니다.

   

[장점]

반투막을 이용한 용존성 무기염류(TDS) 및 기타물질을 95% 제거 가능한 최첨단 장치임.

유기물 및 미생물질이 95% 제거 가능하며 입자상 물징은 99.9%제거가 가능하다.

연속운전이 가능하다.

재생 등 중간 공정 및 별도 관리 인력이 필요없다.

소요면적이 작다.

배출수의 별도 폐수처리공정이 필요하지 않다.

   

[단점]

RO필터 성능에 따라 최소 유입용수의 30%이상의 배출수가 발생한다.

부대설비가 많으며 설비가 복잡하다.

고압설비로 필터뿐만아니라 구성 설비의 요구성능수준이 높아 초기투자비와 유지관리비가 높다.

   

기존에 순수처리라든가 이온교환등을 업으로 하던 업체들이 대거 현재는 RO설비로 전환되었으며 태양영이나 차세대 전지 분야에 이어 대기업들이 눈을 돌리고 있는 분야로서 삼성과 GS가 각각 해외 유수 RO업체와 계약을해서 요즘 신문등지에 실리고 있습니다.

   

대략보기에는 해수담수화쪽에 강화된 시스템을 가진 업체들이더군요^ㅁ^

   

아래 그림은  일반적인 초순수제조설비업체입니다.

업무를 진행하며 조사했던 업체들로 가격이 비싸긴 했지만

Back DATA가 나름 튼실한 업체도 있었습니다.

(가장 낮은 업체와 가장 높은가격의 업체의 차이가

동일용량임에도 배이상 차이가 난답니다. 물론, 구성에도 차이가 분명 있지요,^ㅁ^) 

   

금회 설계제안시에 많은 도움을 받았지만 특정업체 이름은 언급할 수 는 없네요.

즐겨찾기바로가기는 압축해서 함께 올립니다. 

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Membrane seperation

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Introduction

   

유기적인 증기/공기 분리 기술은 비기공 분리막(왁스 종이 위헤 뜨거운 오일을 놓는 것과 유사한 확산 과정) 통하여 유기 증기의 우선적인 수송을 포함한다.

   

Description

   

높은 압력 분리 시스템은 묽은 VOC 농도를 포함하는 공급흐름을 처리하기 위해 DOE 의해 디자인된다. 유기물 증기/공기 분리 기술은 비기공 가스 분리막(역삼투막을 통한 소금 물을 펌핑하는 것과 유사한 확산 과정) 통하여 유기물 증기상의 우선적인 수송을 포함한다. 시스템에서 공급흐름은 액체 용매가 회수되는 응축기에 압축되고 보내진다. VOC 5000ppm 포함한 응축기 공급 흐름은 모듈에 보내진다. 모듈은 플라스틱 메시 스페이서로 분리되는 박막 나선형으로 모듈로 구성된다. 막과 스페이서는 중간의 수집 파이프 주위에 나선형으로 꼬아져 있다. 모듈에서 흐름은 훨씬 3% VOC 농축된다. 농축 흐름은 응축기에서 나은 회수를 위해 압축기로 되돌려보내진다.

   

Applicability

   

타겟으로 오염물은 기체 흐름에서 VOC, 사염화탄소, 그리고 클로로폼이다.

   

Limitations

   

기술의 제한 다음과 같다.

  • 토양에서 파울링 구성요소들을 다루는 비능률
  • VOC 농도에서 변동을 다루는 비능률
  • 막은 습기에 민감하다

   

Performance Data

   

기술은 VOC 진공 추출에 의해 얻어질 있는 Hanford 사이트에서 테스트되고 있다. 사염화탄소와 클로로폼은 우선적으로 기체 흐름으로부터 제거될 것이다. 1000ppm VOC 유출수 농도에 근거하여 95% 제거 효율을 보이고 있다. 남겨진 5% 탄소 흡착을 사용하여 광택처리 된다. 미래의 일은 VOC 농도에서 변동을 다루는 파일럿 공장을 크기를 정하는 것과 다른 구성성분을 가진 막의 파울링을 포함한다.

   

Costs

   

자본 장비(7000 scfm) 2 50 달러이다; O&M 6000달러이다.( 3년마차 교체됨). 수명 사이클의 정보는 테스터의 마감에 의존하여 이용가능할 것이다. 방출 처리는 회수된 VOC 파운드당 2000달러에서 5000달러이다.

   

원본 위치 <http://erel.kaist.ac.kr/nrl/02.php?type=B&page=28>

   

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