계면활성제

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.