개념 한 쪽
침출은 고체 혼합물에 포함된 유효 성분을 용매에 녹여 회수하는 고체-액체 추출 조작이다. 공정 설계에서는 용매의 선택도와 회수성, 고정상 침출의 유동 방식 등을 고려해야 한다.
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출제기준 단원 「침출」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 단위조작 구분 | 1 | 고체-액체 추출을 침출로 식별하기 |
| 상평형 용어 이해 | 1 | 평형도 상에서 특수한 점(plait point)의 의미와 성질을 묻기 |
| 선택도 계산 | 1 | 추출상·추잔상 농도에서 선택도 수치 계산하기 |
침출(Leaching)은 고체 속에 들어있는 유용한 성분을 적정한 액체 용매에 용해시켜 액상으로 이동시켜 분리하는 조작을 말한다. 일상적 예로는 커피 원두에서 물로 커피 성분을 뽑아내는 경우나 약재를 물에 우려내는 과정이 침출의 개념과 대응된다.
침출은 상(phase)의 이동 방향이 '고체→액체'인 추출 공정으로 구분된다. 이와 달리 용매 추출(solvent extraction)은 액체-액체 사이의 분배를 이용하는 반면, 증류는 끓는점 차이를 이용한 액체-기체 분리이고, 건조는 고체의 수분 제거이며, 흡착은 기체나 액체 성분이 고체 표면에 부착되는 계면 현상이다.
고정상 침출(percolation)은 고체를 탱크나 컬럼에 고정시키고 용매를 통과시켜 성분을 추출하는 방식이다. 이 방식은 고체가 추출 동안 고정되는 점, 필요에 따라 향류(counter-current) 운전을 적용하는 점, 가압·밀폐하여 용매 증발을 억제하는 설계가 사용될 수 있다는 점이 특징이다. 용매의 휘발성 여부는 공정 조건에 따라 달라지므로 비휘발성만을 사용해야 한다는 규정은 성립하지 않는다.
추제(solvent) 선택 시에는 목표 물질에 대한 높은 선택도, 용매의 회수 용이성, 안전성 및 경제성 등을 종합적으로 고려해야 한다. 선택도가 크고 회수가 쉬우며 값이 적당한 용매를 선택해야 공정 효율과 경제성이 확보된다.
선택도(selectivity, β)는 추출상과 추잔상에서 대상 성분과 희석제(또는 다른 상)의 농도비를 비교하여 정의한다. 주어진 농도 데이터를 바탕으로 추출상과 추잔상의 성분비를 정확히 대입하면 수치적 선택도를 계산할 수 있다.
대표 계산 예시로 다음 데이터를 사용하여 초산에 대한 벤젠의 선택도 β를 계산한다. 추출상 조성은 초산 3wt%, 물 0.5wt%, 벤젠 96.5wt%이고 추잔상 조성은 초산 27wt%, 물 70wt%, 벤젠 3wt%이다. 여기서 목적 성분을 B=초산, 희석제를 C=물로 보고 선택도 공식을 β = (B/C)_추출상 ÷ (B/C)_추잔상에 따라 계산한다.
1) 추출상에서의 B/C = 3 / 0.5 = 6 2) 추잔상에서의 B/C = 27 / 70 ≈ 0.3857 3) β = 6 / 0.3857 ≈ 15.55
다른 예로 주어진 데이터에서 추출상에는 초산이 약 3.27 wt%이고 물이 약 0.11 wt%이며 벤젠이 나머지로 존재하고, 추잔상에는 초산이 약 29.0 wt%이고 물이 약 70.6 wt%이며 벤젠이 소량 존재하는 경우를 같은 방식으로 계산하면 문제 지문에서 제시된 값인 약 72.4가 도출된다는 해석이 주어진다. 계산 시에는 어떤 성분을 목적물질과 희석제로 삼는지 공식을 일관되게 적용해야 오차를 피할 수 있다.
고체 혼합물 중 유효성분을 액체 용매에 용해시켜 분리회수하는 조작은?
정답 ③ · 문제는 고체 혼합물에서 유효성분을 액체 용매에 용해시켜 분리·회수하는 조작의 명칭을 묻고 있다. 고체에서 용해성 성분을 용매로 녹여 추출하는 조작은 침출(또는 용출·leaching)이라 부르며, 증류는 액체 혼합물의 분리, 건조는 수분 제거, 흡착은 표면에서의 흡착 현상으로 각각 다른 단위 조작이다.
고체 혼합물에서 용해성 성분을 액체 용매에 녹여 분리하는 조작은 침출(용출)이며, 증류나 건조는 액체-기체 또는 고체-액체 제거 공정에 해당한다.
상계점(plait point)에 대한 설명 중 틀린 것은?
정답 ② · 상계점(plait point)은 액액 추출에서 추출상과 추잔상의 조성이 완전히 동일해져 두 상의 구분이 없어지는 임계 혼합점을 말합니다. 이 점에서는 대응선(tie-line)의 길이가 0이 되며, 임계점이라고도 불립니다.
상계점은 추출상과 추잔상의 구분이 사라지는 임계점으로, 대응선 길이가 0이 된다.
초산과 물의 혼합액에 벤젠을 추제로 가하여 초산을 추출한다. 추출상의 wt%가 초산 3, 물 0.5, 벤젠 96.5이고 추잔상은 wt%가 초산 27, 물 70, 벤젠 3일 때 초산에 대한 벤젠의 선택도는 약 얼마인가?
정답 ② · 문제는 추출상과 추잔상의 성분 조성으로부터 추출물에 대한 선택도(β)를 계산하라고 요구하고 있다. 선택도는 추출상에서의 목표성분 대비 희석제 비율을 추잔상에서의 비율로 나눈 값이므로 β = (3/0.5) / (27/70) = 6 / (27/70) = 6 × 70/27 ≈ 15.55가 된다.
선택도(β)는 추출상과 추잔상에서 추출물과 희석제의 질량비 비율이다.
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