[화공기사] 추출,삼각도법,추출상,추잔상,tie line,상접점,상계점,분배계수,선택도

액액 추출, 삼각도법을 공부하기에 좋은 문제가 있어 예를 들어 설명해 보려고 한다.

https://for-freeedom.tistory.com/38   <<-- 고액 추출, 추제비는 여기! (액액추출부터 이해하고 넘어가길 권장합니다)

 

39. 그림과 같이 50wt%의 추질을 함유한 추료(F)에 추제(S)를 가하여 교반 후 정치하였더니 추출상(E)과 추잔상(R)으로 나뉘어졌다. 다음 중 틀린 것은?

 

    

    ① E의 질량은

    ② 추출률은

    ③ 분배 계수는 3이다.

    ④ 선택도는 2.1이다.

 정답 : 4번

 

(액액)추출이란 무엇이냐?

추제를 사용하여 혼합물로부터 추질을 선택적으로 분리해 내는 것

예를들어,

물에 초산이 섞여있는데 벤젠을 가하여 초산만을 용해시켜 분리해내는 작업이다.

이렇게 보통 3가지 물질이 등장한다.

용어 정리를 하자면,

- 추료(F) : 시료, 추출의 원료 (물+초산)

- 원용매(B) : 추질을 원래 녹이고 있던 물질, 추제에는 녹지 않는. (물)

- 추질(A) : 녹이고자 하는 목표 물질 (초산)

- 추제(S) : 추질을 녹이기 위해 가해주는 용매 (벤젠)

* 각 알파벳은 각 물질의 양(질량)이 되겠다.

 

추료에 추제를 가하면 추출상, 추잔상의 2가지 상으로 상분리가 일어난다.

- 추출상(E) : 추제가 풍부한 상

- 추잔상(R) : 원용매가 풍부한 상

벤젠이 초산"만"을 녹여내어 물로만 이루어진 상과 벤젠+초산의 상, 두가지로 나뉘면 정말 좋겠으나

현실은 그렇지 않다.

비율은 다르지만 두 상 모두 3가지 물질이 섞여있다.

그래도 이 비율을 조절함으로써 분리가 가능한 것이고, 비율에 따라 추출상과 추잔상으로 나누는 것이다.

 

각 상들의 조성은 위 그림과 같이 삼각형에 점을 찍음으로써 나타낼 수 있다.(삼각도법)

읽는 법은 알고있다고 생각하고 생략하겠다...(나중에 포스팅 하겠다..)

 

추제의 양을 변화시켜가면서 추출을 시행하면 그림의 E와 R의 위치가 돔(dome) 형태의 곡선을 따라 변한다.

즉, 추출상과 추잔상의 조성이 추제의 양에 따라 변한다는 얘기다.

 

그 점들을 이은 것이 위 곡선이고 이를 용해도 곡선(solubility curve)라 한다.

- 용해도 곡선(solubility curve) : 평형상태로 2개의 액상으로 나누어지는 조성과 전체가 균일한 액상으로 되는 조성의 경계점을 연결한 것

 

E, R 점은 저렇게 양쪽으로 나뉘어져 있는데 이를 이은 직선을 tie line(대응선)이라 한다.

- Tie line(대응선) : 추출상과 추잔상을 이은 직선 (그림의 검정선, 빨강선, 파랑선)

 

추제의 양을 변화시키다 보면 점E와 점R이 만나는 점이 생기는데 이를 상계점 또는 상접점(plait point)이라 한다.

- 상계점, 상접점(plait point)(P) or 임계점(Critical point) : 추질(A)의 농도가 추출상과 추잔상에서 서로 같아지는 점.

(그림의 주황점)

상접점을 표현해 보자면,

 - tie line의 길이가 0이다.

 - 추출상과 추잔상의 조성이 같아지는 점

 - 추출상과 추잔상이 공존하는 점

 - 이 점에서 2상이 1상이 됨

 

자, 이제 문제를 풀면서 더 보도록 하자.

[1번 보기]

E상의 양은 lever rule(지렛대 원리) 을 통해 알 수 있다.

점M을 기준으로,

E의 질량 : M의 질량(R의 질량) = 선분RM의 길이 : 선분EM의 길이

각 상의 양은 반대편 선분 길이라고 보면 되겠다.

왜 그런지 몰라도, 그냥 받아들여 무방하다.

그래서 MR/ER = 전체 혼합물 중 E의 질량분율 이 되고,

전체 혼합물의 양 = F+S = E+R 을 곱해주면 E의 질량이 나온다.

추료(F)에 추제(S)를 가했더니 추출상(E)과 추잔상(R)으로 나뉘었다~ 라고 생각하면 된다.

 

[2번 보기]

그럼 추출률은 무엇이냐..

- 추출률 : 추출상의 추질의 양 / 처음 추질의 양

의미를 생각해보면,

우리가 분리해내고자 하는 목표인 추질이 처음에 얼마가 있었는데

추출 조작을 통해서 추출상을 분리했더니 거기에 추질이 얼마가 있더라 뭐 그런 얘기다.

말 그대로 추출을 얼마나 해냈느냐~ 하는 얘기다.

- 추출상의 추질의 양 = 추출상의 질량(1번에서 구함) * 추출상에서 추질의 분율(0.3)

- 처음 추질의 양 = 0.5*F

 

[3번,4번 보기]

- 분배계수(k) = y / x

x : 추잔상에서 추질의 농도

y : 추출상에서 추질의 농도

 

- 선택도(β) = 추질(A)에 대한 추제의 분배계수 / 원용매(B)에 대한 추제의 분배계수

외워두는 게 편하다..

팁이 있다면,

분배계수와 선택도는 라울의 법칙 공부할 때 보는 벤젠-톨루엔 2성분계를 생각하면 쉽다.

문자도 비슷하다.

분배계수는 기체의 몰분율/액체의 몰분율 로 대응되고,

선택도(β)는 비휘발도(α)에 대응된다.

알파, 베타 ...외우기도 쉽다!

 

그럼 문제로 돌아와서 분배계수는,

추잔상에서 추질의 농도 = 0.1

(점R에서 A의 조성을 읽어보자)

추출상에서 추질의 농도 = 0.3

(점E에서 A의 조성을 읽어보자)

k = 0.3/0.1 = 3

 

선택도 = (0.3/0.1) / (0.1/0.7) = 21

 

추가로,

녹색점(곡선의 윗부분)은 전부 용해된 균일한 액상이다.

그리고 곡선의 아랫부분은 지금까지 공부했던 대로 추출상과 추잔상으로 층상 분리가 된다.

 

추출을 공부하는 이들에게 조금이나마 도움이 되었으면 좋겠다..