용매추출 - 분배계수/분리계수 및 등온추출곡선

용매추출공정의 주목적은 목적성분과 불순물을 분리하는 것입니다. 목적에 따라 목적성분을 추출하거나, 반대로 불순물의 제거를 위하여 사용될 수도 있습니다.

 

아래에서 다루는 분리/분배계수 그리고 등온추출곡선(Isotherm)은 이러한 용매추출의 목적을 달성할 수 있는지에 대한 지표가 될 수 있습니다.

 

분리계수와 분배계수: Distribution & Separation coefficient

 

용매추출의 목적인, 성분의 분리에 대한 지표에는 아래의 (1) 분배계수와 (2) 분리계수가 있습니다.

 

(1) 분배계수(Distribution coefficient)

 

두 액상 내, 물질 A의 농도가 평형상태를 이루고 있을 때, 수상과 유기상 내 특정 성분에 대한 농도의 비율입니다.

 

 

D_A: 분배계수

[A]: 특정 용매 내에 존재하는 물질 A의 농도

 

·수치가 1인 경우(unity) 특정 성분은 서로 다른 두 액상에 대한 친화력(affinity)이 같다는 것을 의미

·수치가 클수록 특정 성분에 대한 추출력이 크다는 것을 의미

 

(2) 분리계수(Separation coefficient) 또는 선택성(Selectivity)

 

용액 속에 포함되어 있는 두 가지 용질에 대한 선택성을 나타내는 척도로, 각 용질의 분배계수(D)의 비입니다.

 

 

a: 분리계수

D_X: 물질 X에 대한 분배계수

 

·수치가 1인 경우(unity) 두 물질은 분리될 수 없음

·수치가 클수록 물질 A가 물질 B보다 추출이 잘 되는 것을 의미하며, 비로소 두 물질이 분리될 수 있음

 

예를 들어, 구리 추출제의 경우에는 철에 대한 구리의 분리계수(Cu/Fe Selectivity)가 용매의 중요한 성능이 될 수 있습니다. (이는, 구리 추출제 대부분이 낮은 pH에서 진행되며, 따라서 별도로 철이 처리되지 않은 채로 다량으로 포함되어 있을 수 있음. 또한, 철은 용매추출과 이어지는 전해채쥐 공정에서 전류효율에 악영향을 미치는 주요 요소임) 

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등온추출곡선: Extraction isotherm

 

분배계수와 분리계수는 다양한 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 그 중 용매의 추출능력을 파악하기 위하여 가장 많이 사용되는 것은 pH에 따른 추출 능력을 나타낸 그래프이며, 흔히 이러한 종류의 그래프를 등온추출곡선(Extraction Isotherm)이라 합니다.

 

아래의 예시는 구리 용매추출에 많이 사용되는 Ketoxime계 추출제의 pH-등온추출곡선입니다.

Ketoxime's pH-Isotherm

 

이를 통해, 다양한 pH조건에서 금속이온에 대해 어떤 추출특성을 가질지에 대한 예측/파악할 수 있습니다.

 

(1) pH가 2일 때

 

·Cu²⁺(Cupric) 이온은 거의 모두 추출

·약간의 Fe³⁺(Ferric) 이온이 추출

·Co²⁺와 Ni²⁺는 추출되지 않음

 

(2) pH가 5일 때

 

·4가지 성분이 모두 추출

·Fe³⁺(Ferric) 이온은 pH 5에서 용해도가 낮기 때문에 고려대상에서 제외될 수 있음

 

이 예시를 통해, 추출은 이들이 안정한 화합물을 형성하여 존재할 수 있는 pH로 맞춰주는 것이고, 역추출은 이들이 불안정한 pH로 다시 되돌리는 것입니다. 따라서, 일반적으로 산성 환경에서 추출되는 금속이온들은 역추출 시에 더 강한 산성용액(더 낮은 pH)에서 이루어질 수 있습니다.