In our study characteristics of adsorption and desorption of mixture of methyl ethyl ketone and dimethyl formamide which have considerable difference in their relative affinities to solid adsorbent of activated carbon were investigated.
Two mathematical models for the adsorption of a mixture by Hsieh et al.$^{(16)}$ and Miura et al.$^{(14)}$ were used to analyze characteristics of adsorption system.
According to the experimental results obtained from single component equilibrium state, both MEK and DMF were well fitted to Langmuir type isotherms.
These adsorption equilibrium coefficients were compared with those of binary component adsorption. They agreed well with each other and as a result it seemed that the adsorption equilibrium coefficients of Langmuir isotherms could describe the degree of mutual competition. The adsorption equilibrium coefficients as function of temperature were expressed as follows;
$a_{MEK} = 0.425 T^{-0.5} exp(3389.8/T)$
$a_{DMF} = 0.322 T^{-0.5} exp(2398.1/T)$
$b_{MEK} = 0.383 T^{-0.5} exp(5307.9/T)$
$b_{DMF} = 0.319 T^{-0.5} exp(2398.1/T)$
According to the breakthrough curves in binary system, it was noticed that concentration of MEK at the exit, which had lower affinity, became larger than that at the entrance and reached a maximum value. This maximum concentration obtained analytically using the approximation of constant pattern and linear driving force was compared with the experimental results.
Mass transfer coefficients were estimated from optimization of theoretical solution with experimental results, that is, minimization of square sum of the difference between them. Used optimization technique was conjugate gradient method.
All parameters, adsorption equilibrium coefficients and mass transfer coefficients, were not dependent on concentration but on temperature as expected, which means that the introduced models are suitable.
Chromatographic method was used to investigate the effects of concentration, column temperature and carrier gas flow rate on the desorption of MEK-DMF mixture on the activated carbon. Three quantities such as retention time, variance and resolution factor were used. As concentration or temperature increases, retention time and variance decrease and above 250℃ do not vary considerably. For maximum degree of resolution the column temperature of 150℃ was preferred.
본 연구에서 고체흡착제 활성탄에 대한 상대친화도가 상당히 차이 나는 methyl ethyl ketone 과 dimethyl formamide 혼합물의 흡착 및 탈착특성이 조사되었고 2성분계 흡착특성을 해석하기 위해서 Hsieh et al.$^{16)}$ 와 Miura et al.$^{14)}$ 의 두 수학적 모델이 사용되었다.
단일 성분 평형상태에서 얻어진 실험결과에 의하면 MEK 와 DMF 는 모두 Langmuir 흡착 등온식을 따랐고, 여기에서 흡착평형계수를 구했다. 이 값은 이성분계 실험에서 구한 평형농도와 비교해 보았는데 서로 잘 일치했으며 따라서 Langmiur 의 흡착등온식에서의 흡착평형계수는 서로의 경쟁정도를 잘 나타낸다고 볼수 있다.
구해진 흡착평형계수는 온도의 함수로 다음과 같이 표시되었다.
$a_{MEK} = 0.425 T^{-0.5} exp(3389.8/T)$
$a_{DMF} = 0.322 T^{-0.5} exp(2398.1/T)$
$b_{MEK} = 0.383 T^{-0.5} exp(5307.9/T)$
$b_{DMF} = 0.319 T^{-0.5} exp(2398.1/T)$
이성분계 breakthrough 곡선에 의하면 낮은 친화도의 MEK 농도가 출구에서 입구 보다 높아지고 또 최대값에 도달하게 됨을 알수 있다. 이 값은 constant pattern 과 직선형 추진력을 가정해서 해석적으로 풀수 있어서 실험결과와 비교되었다.
물질전달계수는 이론해를 실험치에 최적화, 즉 그 값들 차이의 제곱치를 더한 것을 최소화 함으로써 구해졌다. 이때 사용된 방법은 Conjugate gradient 법이었다. 이 결과 모든 조변수, 즉 흡착평형계수와 물질전달계수는 모두 예상했던 대로 온도만의 함수였고 농도에는 무관해서 도입된 모델이 적당했었음 을 알수 있었다.
Chromatographic 방법은 농도, column 온도 및 carrier 유량의 MEK 와 DMF 혼합물의 탈착에 대한 영향을 조사하기 위해서 사용되었다. 여기에는 3가지 양이 사용되었는데 retention time, variance 와 resolution factor 이다.
농도와 온도가 증가함에 따라서 retention time 과 variance 는 값이 감소했으며 250℃를 넘어서는 크게 변하지 않았다. Resolution 을 최대로 하기 위해서는 150℃ 주변의 column 온도가 가장 적당했다.
