In this study, predispersed solvent extraction (PDSE) of succinic acid using colloidal liquid aphrons (CLAs) in a column was investigated. Tertiary amine, trioctylamine (TOA) was used as an extractant. TOA acts as complexing agents with the succinic acid that facilitates the distribution of succinic acid into organic phase.
Size distribution and stability of CLAs were measured for application to column. According to the increase of concentration of TOA in octanol, the stability of CLAs decreased and the CLAs represented high stability after the reaction with succinic acid. It is because the basicity of amine is neutralized by reaction with succinic acid and does not repel with anionic surfactant, SDBS, anymore.
The stability of CLAs displays a strong dependence on ionic strength because the energy gap between continuous phase and bilayer of surfactant at outer soapy shell decreases with the contained ions. Ammonium sulfate which gives the lowest stability to CLAs was selected as breaking solution.
The effect of operating parameters on batch PDSE was investigated. The extraction efficiency of PDSE is similar to that of mixer/settler type in spite of extremely short contact time. It is due to the enormous surface area of CLAs.
Solvent recovery, the most important problem in PDSE, was investigated on the basis of the stability and extractability data in batch operation.
The conventional separation method of predispersed solvent, colloidal gas aphron (CGA) flotation was examined first. The effect of surfactant concentration, flotation time and flow rate of CGAs and phase volume ratio (PVR) of CLAs were studied. Although enough flotation time was given, solvent recovery was limited to 70 %. It is because the smaller CLAs have less electrostatic forces, thus their ability to attach on surface of CGAs is limited. Total recovery of succinic acid used 0.5 mol/kg TOA/1-octanol was about 39 % in this method.
Based on the stability in solution containing ions, breaking solution method for solvent recovery was investigated. $(NH_4)_2SO_4$ solution was selected as a breaking solution for CLAs. The effect of concentration and pH of breaking solution and concentration of amine in 1-octanol were studied. As the concentration of breaking solution increased, the recovery of predispersed solvent increased, but the extractability decreased. Though total succinic acid recovery of this method has lower value, 25 %, than that of CGA flotation process in same condition, but similar recovery, 35 %, with flotation method was obtained using diluted solvent, 0.25 mol/kg TOA/1-ocatnol.
Filtration method for solvent recovery using the size distribution of CLAs was investigated. Various types and pore sizes of membranes were studied. The CLAs bigger than membrane pore size are easily destroyed by the pressure passing through the filter, and rise up to the surface of the pregnant solution. Nearly 100 % solvent recovery was obtained from membranes having pore size smaller than 1㎛ with similar total recovery of succinic acid in batch operation. And the total recovery of succinic acid was about to 50 % in the same condition with CGA flotation method.
콜로이드 액상 에이프런을 이용한 컬럼에서 선분산용매추출법에 의한 숙신산 회수에 대한 연구를 하였다. 추출제로는 삼차아민인 트리옥틸아민이 사용되었다. 트리옥틸아민은 숙신산에 대한 복합체 형성 물질로 작용하여 유기상으로의 숙신산 추출을 촉진한다.
콜로이드 액상 에이프런을 컬럼에 적용하기 위해 에이프런의 구조와 크기 분포, 안정성에 대하여 연구하였다. 음이온성 계면활성제로 구성된 에이프런에 트리옥틸아민이 많이 포함될수록 안정성이 떨어지는 것을 보였고 숙신산과 반응이 일어난 후에는 증류수에 분산시켰을 때보다 더 안정적인 것을 볼 수 있었다. 이것은 염기성을 띈 아민분자가 반응전에는 전자를 밀어내므로 불안정한 상태로 만들어졌다가 반응이 일어나고 나면 아민분자의 염기성이 중화되기 때문이다. 연속상에 포함된 염은 안정성을 떨어뜨리는 것을 볼 수 있었다. 이는 염의 첨가에 따라서 연속상과 콜로이드 액상 에이프런의 계면활성제 이중층 사이의 계면 에너지 차이가 작아져서 불안정해지기 때문인 것으로 생각된다. 특히 $(NH_4)_2SO_4$ 용액 속에서 안정성이 제일 불안정한 것을 알 수 있었고, 이 용액을 선분산된 용매의 회수방법 중 하나인 Breaking solution 법에 사용하였다.
안정성 데이터에 근거하여 조업 변수들이 회분식 선분산용매추출에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 선분산용매추출에 의한 추출 효율은 짧은 접촉 시간에도 불구하고 교반을 이용한 기존의 반응추출과 같았다. 이는 콜로이드 액상 에이프런의 넓은 계면면적에 의하여 숙신산의 물질전달이 매우 빨리 일어나기 때문이다.
안정성 데이터와 회분식 추출효율 분석을 통하여 선분산용매추출에서 가장 문제가 되고 있는 용매 회수에 대해 컬럼에서 연구를 진행하였다.
먼저, 선분산용매추출법에서 이전부터 제시된 콜로이드 기상 에이프런을 이용한 부상분리법에 대하여 콜로이드 기상 에이프런 제조시 사용되는 계면활성제 농도, 콜로이드 기상 에이프런의 부상속도와 시간, 콜로이드 액상 에이프런의 PVR 등에 대한 연구가 진행되었다. 특히, 이 방법에서는 충분한 부유시간에도 불구하고 용매회수율이 70% 정도로 제한되었다. 이것은 입자 크기가 작을수록 작은 정전기적 인력을 나타내기 때문에 10㎛ 이하 크기의 작은 콜로이드 액상 에이프런들이 콜로이드 기상 에이프런의 표면에 잘 붙지 않아 일어나는 현상인 것으로 밝혀졌다. 추출효율과 용매회수율을 이용하여 측정한 이 방법에서의 전체 숙신산 회수율은 0.5 mol/kg 트리옥틸아민/옥탄올 용매 사용시 39% 정도였다.
콜로이드 액상 에이프런의 염 용액 안에서의 안정성 데이터를 이용한 Breaking solution 법에 대하여 연구하였다. Breaking solution 으로 $(NH_4)_2SO_4$ 용액이 선택되었고 용액의 pH, 농도와 용매의 농도등이 용매의 회수와 추출능에 미치는 영향을 살펴보았다. Breaking solution의 농도가 증가함에 따라서 선분산된 용매의 회수율은 증가하지만, 추출능이 감소하는 것을 볼 수 있었다. 부상분리법과 같은 조건에서 전체 숙신산 회수율은 25%에 불과하였지만, 0.25 mol/kg 트리옥틸아민/옥탄올 용매를 사용한 경우에는 더 적은 용매양에도 불구하고 부상분리법과 비슷한 35 % 정도의 회수율을 보이는 것을 알 수 있었다. 또한 이 경우에 용매회수율이 89% 정도로 부상분리법과 비교하여 용매의 재사용에 더 뛰어난 효율을 보이는 것을 볼 수 있었다.
콜로이드 액상 에이프런의 크기분포를 이용한 여과를 통한 용매 회수법에 대하여 연구를 진행하였다. 여과막의 종류와 기공크기에 따른 추출능의 변화와 용매 회수율에 대하여 연구하였다. 여과막의 기공크기보다 작은 콜로이드 액상 에이프런들은 자신보다 작은 기공을 통과하면서 쉽게 깨져서 용매 회수가 되는 것을 크기 분석을 통하여 알 수 있었다. 1㎛ 이하의 기공을 가진 여과막을 사용하였을 때 100 % 에 가까운 용매 회수율을 보였고, 부상분리법과 같은 조건에서 전체 숙신산 회수율이 50 % 정도인 것을 볼 수 있었다. 또한, 이 방법에서 회분식 조업과 같은 뛰어난 숙신산 회수율을 보임을 확인할 수 있었다.
