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포기 김치

흡수와 흡착의 원리를 이해하고 설명할 수 있다.
습도 조절과 결정화의 원리를 이해하고 설명할 수 있다.

(1) 흡수(absorption)

흡수: 혼합 기체 중에서 가용성인 한 성분을 액체에 용해시켜 분리하는 조작
흡수의 목적 : 혼합 기체 속에 들어 있는 유용한 성분을 분리하던지, 필요 없는 성분 또는 유해한 성분을 분리하는 데 목적
흡수의 산업 현장에서의 응용

석탄 가스 속의 암모니아 가스를 물에 흡수 제거
천연 가스 속의 황화수소를 알칼리 액에 의한 제거
염화수소를 물에 흡수시켜서 염산의 제조
정수장에서 염소 가스에 의한 소독
공장 폐가스를 세정수에 흡수시켜 정화 처리

일정한 양의 액체에 용해되는 기체의 양은 한계가 있으며 일반적으로 기체의 용해도는 압력이 높고 온도가 낮을수록 높이진다.
헨리의 법칙(Henry's law): 온도가 일정할 때, 액체에 용해되는 기체의 양은 압력에 비례한다는 법칙

여기서 : 액상 중의 기체의 몰분율

: 기체의 분압(atm)

: 헨리 상수(atm/몰분율)

헨리의 법칙은 산소, 수소, 탄산가스와 같이 용해도가 낮은 기체에는 잘 적용되나 암모니아, 염화수소와 같이 용해도가 크거나 이산화황과 같이 용해도가 중간인 기체들은 가 농도에 따라 변함
헨리의 법칙이 성립될 때 액체와 평형상태에 있는 기체의 몰분율을 라고 하면 돌턴의 분압 법칙에서

∴ 그림 Ⅳ-22 헨리 상수

40℃, 전압 1atm의 액상에서 이산화탄소의 몰분율이 2.5 × 10^-4이라면 기상에서 이산화탄소의 분압과 몰분율은 얼마인가? 단 H의 값은 4 × 10^-3으로 한다.

헨리의 법칙에 대입하여 계산한다.

에서 분압은 atm이고

몰분율은 에서 가 된다.

흡수 장치에는 다공판식, 충전식, 분무식 흡수탑

① 다공판식 흡수탑

탑 안에 여러 개의 다공판을 설치한 흡수탑
기체는 아래에서 유입되어 다공판을 통과하면서 기포로 분산되어 올라 가고, 액체는 위로 유입되어 하강판을 통하여 내려오면서 다공판에 형성된 기포와 액체 사이에 물질 전달이 이루어지면서 흡수
기포의 크기에 따라 기-액 접촉 면적이 달라지므로 다공판의 구멍 크기는 흡수량에 영향을 줌
그림 Ⅳ-23 다공판식 흡수탑

② 충전식 흡수탑

충전물을 충전하여 접촉 면적을 크게 한 방식으로 기-액을 난류 상태로 접촉시켜 흡수속도를 크게 하여 준다.
충전물의 재질은 목재, 도자기, 카본, 강철 등이 이용되면 대형(2" ~ 8")인 (g), (h)는 규칙적으로, 소형(1/4 "~2")인 (a)~(f)는 불규칙하게 충전하는 것이 보통

그림 Ⅳ-24 충전 흡수탑

그림 Ⅳ-23 충전물의 여러가기 모양

탑의 충전물은 기-액 접촉의 중요한 매개물이며 구비해야 할 주요 조건은 다음과 같다.

탑내의 유체와 화학 작용이 없는 비활성물질이여야 한다(즉 내식성이 있을 것)
가볍고 견고해야 한다.
단위 용적당의 표면적이 커야 한다.
액과 기체의 접촉이 원활해야 한다.
공극률이 커야 한다.
가격이 저렴하며 제조가 간단해야 한다.

편류 현상(channeling) : 충전물 표면 전체에 액체와 기체가 골고루 흐르지 않고 어떤 한곳으로 흐를 현상

편류 현상은 규칙적으로 충전되어 있는 탑에서는 아주 심하고 분쇄된 입자를 불규칙적으로 충전하였을 때에는 덜 심하며, 특히 링과 같이 가지런한 충전물을 불규칙적으로 충전하였을 때가 편류 현상은 가장 적다.

일류 현상(flooding) : 한 쪽의 기체 유속이 너무 커서 반대쪽 흐름이 역류(overflow)하는 현상

일류 현상은 충전물의 종류, 크기 및 충전 상태에 등에 따라 달라질 수 있나 일반적으로 일류 유속의 50~80% 정도에서 조작한다.

③ 분무식 흡수탑

상승하는 기류 속의 액이 분산하며 하강하여 흡수가 일어나는 방식
탑의 압력 손실은 다른 형식에 비해 가장 적으나 비말 동반 때문에 액적을 너무 작게 할 수는 없다.
액체의 흡수 속도는 처음엔 크지만 차차 작아지므로 기-액의 접촉시간을 늘리기 위해서는 탑돌이를 크게 해야 하는 단점
액적의 집진 효과가 커서 사이클론(cyclone)이나 벤튜리 스크러버(venturi scrubber)등 집진 장치에도 많이 사용

그림 Ⅳ-25 분무식 흡수탑

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(2) 흡착(adsorption)

고체와 액체, 고체와 기체, 액체와 액체 및 기체와 액체계면에서 기체 또는 액체 혼합물 중의 목적 성분을 제3의 물질을 사용하여 분리하는 조작
기상 흡착은 탈습, 악취 제거, 가스 중의 유용 성분의 회수 등에 이용
액상 흡착은 탄화수소의 분리, 용액의 탈색, 물의 정화 등에 이용
탄소 흡착은 환기 장치에 순환하는 공기로부터 H2S, CS2 및 냄새나는 화합물들을 제거하는 데 이용

흡착에서 제3인 물질인 고체
공업적으로 사용되는 흡착제는 다공성으로서 내부 표면적이 대단히 크고, 흡착성이 좋은 고체를 사용
일반적으로 사용되는 흡착제는 활성 백토, 활성 알루미나, 활성탄, 실리카겔, 골탄, 합성 수지
활성 백토(activated clay)

점토를 산처리하여 얻은 흡착제
분말상과 입자상으로 시판
윤활유와 유지류의 탈색, 정제, 석유류분의 탈색 혹은 탈수, 용제의 정제 등에 사용

활성알루미나(Activated alumina)

알루미나 수화물을 가열 탈수하여 얻은 중간 알루미나
수분에 대한 흡착력이 강하기 때문에 주로 기체와 액체의 건조용으로 많이 사용

활성탄(active carbon)

형상에 따라 분말과 입상탄으로 나누며 입상탄에도 성형탄과 파쇄탄으로 분류
미세공 구조가 고도로 발달하고 있기 때문에 우수한 흡착능을 가지고 있어 상하수도 처리, 정제, 기체의 흡착 등에 사용

실리카겔(silica gel)

구상, 파쇄상, 성형품, 분말상 등의 4종류로 시판
탈수, 석유유분의 분리 등에 사용

제올라이트(zeolite)

분자 진동 작용을 가지는 특징으로 3, 4, 5, 9, 10°A의 균일한 세공을 가지고 있다.
화학 공업에서 각 종 원료 가스, 액체의 탈수, n-파라핀의 분리 등에 사용

합성수지(synthetic resin)

거대 망상구조를 가지는 수지로서 비극성에서 고극성을 가지는 여러 종류가 있다.
폐수처리, 단백질 분리, 과산화수소의 정제 등에 사용

	활성백토	활성알루미나	골탄	활성탄	실리카겔	제올라이트	합성수지
진밀도 (g/cm3)	2.4~2.6	3.0~3.3	2.8	1.9~2.2	2.1~2.3	2.0~2.5	1.0~1.4
겉보기밀도 (g/cm3)	0.8~1.2	0.8~1.9	1.5	0.7~1.0	0.7~1.3	0.9~1.3	0.6~0.7
충전밀도 (g/cm3)	0.45~0.56	0.49~1.00	0.64~0.80	0.35~0.55	0.45~0.85	0.60~0.75	-
공간율	0.40~0.55	0.40~0.50	0.45~0.55	0.33~0.55	0.40~0.50	0.30~0.40	-
비표면적 (m2/g)	100~350	95~350	90~120	500~1,300	300~830	400~750	20~800
세공용적 (cm2/g)	0.6~0.8	0.3~0.8	0.3	0.5~1.4	0.3~1.2	0.4~0.6	0.6~1.0
평균세공경 (oA)	80~200	40~120	100~200	20~50	10~140	-	40~450
비열 (cal/g℃)	0.20	0.21~0.24	0.24	0.20~0.25	0.22	0.19	-
열전도도 (kcal/mh℃)	0.085	0.12	0.012	0.12~0.17	0.12	0.042	-

흡착 방식에는 흡착제와 유체 사이의 접촉시키는 방법에 따라 회분 조작과 연속 조작으로 분류
흡착 장치는 고정식과 교반식이 일반적으로 많이 사용.

① 고정식 흡착 장치(fixed-bed adsorber)

입상의 흡착제를 충전한 층에 기체나 액체를 통과시켜 흡착시는 방법
흡착제가 포화되면 충전되어 있는대로 탈착 재생하여 다시 사용
재생은 뜨거운 불활성기체로 행하지만 용매가 물과 섞이지 않는 경우에는 수증기가 일반적으로 더 좋다.

그림 Ⅳ-26고정식 기상 흡착 장치

② 교반식 흡착 장치

교반 탱크에 원료와 흡착제를 넣고 교반하면서 흡착하는 방식
흡착이 끝나면 흡착제와 용액을 필터 프레스(filter press) 또는 진공 여과기로 분리

그림 Ⅳ-27 교반식 흡착 장치

(3) 이온 교환

혼합물 속에 들어 있는 양이온, 음이온, 비이온 성분 등을 이온 교환체의 이온과 선택적으로 교환하는 화학 반응
이온 교환체는 합성수지로 만들어진 산, 염기, 염으로 되어 있으며 고체로 된 것은 원형, 파쇄상으로 다공성 물질로 되어 있으며, 재생이 가능하여 반영구적으로 사용

유기나 무기 물질의 양이온과 교환한다.

예) R-SO3- H+

수지 자체의 음이온과 유기 물질이나 무기 물질의 음이온과 교환한다.

예) R-NH3+ OH-

양이온, 음이온 교환액
특정 이온만을 교환하는 킬레이트(chelaate)수지
이온 교환법은 유용한 물질의 회수, 물의 정화, 폐수 처리, 용액 중의 특정 이온 분리 등에 활용
이온 교환 조작은 고정탑식이 주로 쓰이며, 이 외에 유동식 혼합식이 있다.

그림 Ⅳ-28 고정탑식 이온 교환 조작 방식

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