• 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 9 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
   

                                                                                                                    그림10 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 11 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 12 분무식 흡수탑

(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	-

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

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 13 고정식 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 14 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 15 고정탑식 이온 교환 조작 방식