Evaluation of Adsorption Characteristics of 2-Picoline onto Sylopute

실로퓨트에 대한 2-피콜린의 흡착 특성 평가

Abstract

Batch experiment studies were carried out on the adsorption of the major tar compound, 2-picoline, derived from the plant cell cultures of Taxus chinensis, using Sylopute while varying parameters such as initial 2-picoline concentration, contact time and adsorption temperature. The experimental data were fitted to the Langmuir, Freundlich, Temkin and Dubinin-Radushkevich isotherm models. Comparison of results revealed that the Langmuir isotherm model could account for the adsorption isotherm data with the highest accuracy among the four isotherm models considered. From the analysis of adsorption isotherms, it was found that adsorption capacity decreased with increasing temperature and the adsorption of 2-picoline onto Sylopute was favorable. The kinetic data were well described by the pseudo-second-order kinetic model, while intraparticle diffusion and boundary layer diffusion did not play a dominated role in 2-picoline adsorption according to the intraparticle diffusion model. Thermodynamic parameters revealed the exothermic, irreversible and non-spontaneous nature of adsorption. The isosteric heat of adsorption decreased as surface loading ($q_e$) increased, indicating a heterogeneous surface.

실로퓨트를 이용한 식물세포 Taxus chinensis 유래 주요 타르성분인 2-피콜린 흡착 실험을 수행하였다. 2-피콜린 초기농도, 흡착 온도 및 시간을 달리한 회분식 흡착 평형 데이터를 Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich 등온흡착식에 적용하였다. 실로퓨트를 이용한 2-피콜린의 흡착은 Langmuir 흡착등온식에 가장 적합함을 알 수 있었다. 흡착온도가 증가함에 따라 흡착용량이 감소하는 경향을 보였으며 실로퓨트를 이용한 2-피콜린 흡착 공정이 적합함을 알 수 있었다. 동역학적 해석을 통하여 본 흡착 공정은 유사 이차 반응속도식에 잘 따름을 알 수 있었으며, 입자 내 확산과 경계층 확산이 율속 단계에 거의 영향을 미치지 않았다. 열역학적 해석을 통해 흡착 과정이 발열이며, 비가역적 비자발적으로 수행되었다. 흡착량이 증가함에 따라 등량흡착열은 감소하는 경향을 보여 흡착제의 표면 에너지가 불균일함을 알 수 있었다.

1. 서론

주목나무(yew tree)의 표피에서 유래한 파클리탁셀(paclitaxel)은 기존 항암제에 비해 낮은 독성과 강력한 항암 활성을 가진 매우 효과적인 항암제이다[1]. 파클리탁셀은 디테르페노이드(diterpenoid)계의 항암물질로 미국 식품의약국(food and drug administration, FDA)으로부터 난소암, 유방암, 카포시 육종(Kaposi’s sarcoma) 및 비소세포성 폐암(non-small cell lung cancer) 등 다양한 암 치료에 대해 허가를받았다[2]. 또한 여러 다른 치료 방법들과의 복합처방에 관한 임상시험이 진행 중에 있고, 적응증 (류마티스성 관절염 및 알츠하이머 치료 등)이 확대되고 있어 향후 파클리탁셀 수요는 계속 늘어날 전망이다[3]. 파클리탁셀의주요생산방법으로는 주목나무의 표피에서 직접 추출하는 방법, 반합성 방법, 식물세포배양 방법이 있으며, 이중 식물세포배양법은 기후, 환경, 원료공급 등 여러 외부 인자의 영향을 받지 않고 생물반응기에서 안정적으로 제품을 생산할 수 있기 때문에 일정한 품질의 파클리탁셀을 대량생산하는데 적합하다[4].

식물세포배양으로부터 고순도(>98%)의 파클리탁셀을 얻기 위해서는 많은 분리 및 정제 과정을 거쳐야 한다. 일반적으로 바이오매스(식물세포)로부터 파클리탁셀을 먼저 유기용매로 추출하고 전 처리와 최종 정제를 거쳐 고순도의 파클리탁셀을 얻게 된다. 특히 전 처리 공정은 최종 정제 비용에 많은 영향을 미친다[5]. 일반적으로 식물세포배양으로부터 파클리탁셀 정제를 위한 전 처리 과정에서 식물세포 유래 타르 및 왁스 성분을 제거하기 위한 흡착 공정을 도입하고 있다[6]. 파클리탁셀 생산을 위한 식물세포 Taxus chinensis 유래 주요 타르 성분으로는 1-메틸나프탈렌(1-methylnaphthalene), o-자일렌(o-xylene), 아세나프텐(acenaphthene), 2-피콜린(2-picoline), 2,5-자일레놀(2,5-xylenol) 등이 있는데[7], 이 중 2-피콜린이 가장 많은 함량으로 존재하며 파클리탁셀 분리 및 정제과정에서도 많은 악영향을 미친다[7,8]. 타르성분은 파클리탁셀의 분리 및 정제과정에서 공정 효율성 저하(수율 감소)뿐만 아니라 공정 편의성 및 실행가능 성에도 많은 영향을 미치기 때문에 반드시 제거되어야 한다[9].

바이오매스 유래 타르및 왁스 성분 제거를 위한 흡착 공정에 여러 가지 상용 흡착제(Sylopute, Diaion HP-20, active clay, activated carbon 등)이 고려될 수 있으나, 실로퓨트가 다른 흡착제들보다 불순물 제거뿐만 아니라 흡착 후 여과속도 측면에서 가장 효과적이다[9]. 또한 파클리탁셀 전구체(10-deacetylpaclitaxel, 13-dehydroxybaccatin III)의 흡착량이 상대적으로 많고 파클리탁셀 분리/정제 과정에서 파클리탁셀의 수율 향상 효과도 우수하다[10,11]. 하지만 이러한 선행연구들은 파클리탁셀 전구체들의 분리 및 회수 조건 최적화에 집중되어 있으며 실로퓨트를 이용한 Taxus chinensis 유래 주요 타르 성분인 2-피콜린의 분리양상, 흡착등온식, 동역학 및 열역학적 해석 에 대한 정량적 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실로퓨트를 이용한 2-피콜린 흡착 공정에 대한 흡착등온식, 동역학 및 열역학적 분석을 통해 흡착 특성과 메커니즘을 정량적으로 파악하고자 하였다. 흡착 평형 데이터를 Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich 등온흡착식에 적용하여 각 모델의 매개변수를 조사하고, 결정계수(coefficient of determination, r²)와 평균제곱근 편차(root mean squared deviation, RMSD)를 통하여 최적의 모델을 선정하였다. 또한 일차 반응속도식, 이차 반응속도식, 입자 내 확산 모델식을 이용하여 동역학적 해석을 수행하였다. 더 나아가 열역학적 파라미터인 표준 엔탈피 변화(ΔH^o ), 표준 엔트로피 변화(ΔS^o ), 표준 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG^o )를 비롯한 활성화 에너지(E_a)와 등량 흡착열(isosteric heat of adsorption, ΔH_X)을 조사하여 흡착 과정에서 반응의 진행 양상을 정량적으로 해석하였다.

2. 재료 및 방법

2-1. 2-피콜린 시료 및 분석

본 연구에서 사용된 2-피콜린(순도: 99.8%, 분자량: 93.13 g/mol, 밀도: 0.943 g/mL at 25 ^oC)은 Sigma-Aldrich 사에서 구입하였다. 2-피콜린 함량 분석을 위하여 gas chromatography (YL6500 GC, YL Instrument Co., Ltd., Korea), HP-5 컬럼(25 m, 0.33 um film, 0.20 mm ID) 및 FID (flame ionization detector)를 사용하였다. 컬 럼 내에서의 분리 온도는 50 ^oC~180 ^oC까지 5 ^oC/min의 속도로 programming하였다[7,8]. 캐리어 가스로 헬륨(helium)을 사용하였 으며 유속은 1 mL/min이었다.

2-2. 흡착등온실험

메틸렌클로라이드를 이용하여 2-피콜린의 농도를 500~7,000 mg/L로 제조하고, 상용 흡착제인 실로퓨트(Fuji Silysia Chemical Ltd, Japan) 4 g/L을 첨가하여 항온조(EYELA, Ps-1000)에서 298 K, 30 분 동안 등온 흡착시켰다. 실로퓨트의 주요 성분, 표면적, 기공 부피는 각각 SiO₂ (purity: 99.8%), 331 m² /g, 1.81 cm³ /g이다. 흡착 후 여과하여 얻은 여과액을 313 K, 감압 상태에서 건조한 뒤에 남아있는 2-피콜린 양을 GC로 정량 분석하였다. 동일한 방법으로 흡착온도 303, 308, 313, 318 K에서 각각 반복 실험을 수행하였다.

흡착이 평형에 도달한 후 여과액에 남아있는 2-피콜린 농도를 측정하기 위하여 흡착 후 여과액의 시료를 메틸렌클로라이드에 녹여 여과한 뒤 GC로 분석하였다. 2-피콜린의 농도는 표준정량곡선을 이용하여 구하였으며 흡착량은 식 (1)로 계산하였다.

\(\mathrm{q}_{e}=\left(\mathrm{C}_{o}-\mathrm{C}_{e}\right) \frac{\mathrm{V}}{\mathrm{W}}\)              (1)

여기서 q_e 는 평형에서 흡착제 단위 질량당 흡착된 2-피콜린 양(mg/ g), C_o 와 C_e는 각각 초기와 평형 상태에서의 2-피콜린 농도(mg/L)를 나타낸다. V는 용액의 부피(L), W는 건조된 흡착제의 질량(g)이다.

C_e 에 따른 q_e의 변화에 대한 실험 데이터를 이용하여 네 종류의 등온흡착식 Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich 에 각각 적용하여 흡착공정의 특성 및 적합성을 조사하였다. 흡착등온 해석에 이용된 모델식들을 Table 1에 정리하였다[10-13].

Table 1. Isotherm, kinetic, thermodynamic and other equations used in this study

실험값과 계산값의 일치도를 확인하기 위한 통계 방법으로 결정계수 r² 와 평균제곱근편차 RMSD를 이용하였다[13]. 평균제곱근편차는 식 (2)을 이용하여 구하였다.

\(\mathrm{RMSD}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{N}_{i} \sum_{1}}(\text { experimental }-\text { calculated })^{2}}\)              (2)

여기서 N은 데이터 수를 나타낸다.

2-3. 흡착속도실험

메틸렌클로라이드에 2-피콜린(6,000 mg/L)과 실로퓨트(4 g/L)을 첨가하여 항온조(EYELA, PS-1000)에서 298 K하에 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30 분 동안 회분식으로 등온 흡착시켰다. 흡착 후 여과하여 얻은 여과액을 313 K, 감압상태에서 건조하여 남아있는 2-피콜린 양을 GC로 분석하였다. 동일한 방법으로 흡착온도 303, 308, 313, 318 K에서 각각 반복 실험을 수행하였다. 각 시간 별 흡착량은 식 (3)을 이용하여 계산하였다[13].

\(\mathrm{q}_{t}=\left(\mathrm{C}_{o}-\mathrm{C}_{t}\right) \frac{\mathrm{V}}{\mathrm{W}}\)              (3)

여기서 C_t 는 시간 t에서의 2-피콜린 농도(mg/L)이다. 각 온도 별 데이터를 유사 일차 반응 속도식(pseudo-first-order model), 유사 이차 반응 속도식(pseudo-second-order model), 입자 내 확산 모델식 (intraparticle diffusion model)에 각각 적용하였다. 동역학적 해석에 이용된 모델식들을 Table 1에 정리하였다[10-13]. 동역학 모델의 유 효성은 정규화된 표준 편차인 Δq(%)를 통해 확인할 수 있으며 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다[13].

\(\Delta q(\%)=100 \times \sqrt{\frac{\sum\left[\left(q_{e x p}-q_{c a l}\right) / q_{e x p}\right]^{2}}{N-1}}\)              (4)

여기서 N은 데이터 포인트의 수이며, q_exp와 q_cal은 각각 실험 흡착량과 계산 흡착량(mg/g)이다.

2-4. 열역학적 해석

열역학적 해석을 통해 얻어지는 파라미터는 흡착공정에서의 성능을 평가하고, 흡착 메커니즘을 이해하는데 중요한 설계 변수이며 공정 특성을 최적화하기 위한 기본적인 사항이다. 열역학적 파라미터는 흡착 공정의 흡열성, 가역성, 자발성 및 타당성을 평가하는데 사용되며 실제 공정 설계에서 중요한 지표로 활용된다. 실험 데이터를 van’t Hoff 식에 적용하여 열역학적 파라미터인 표준 엔탈피 변화(ΔH^o , kJ/mol), 표준 엔트로피 변화(ΔS^o , kJ/mol·K), 표준 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG^o , kJ/mol)를 계산하고, Arrhenius 식과 Clausius-Clapeyron 식을 이용하여 활성화 에너지(E_a)와 등량 흡착열(ΔH_X)을 계산하였다.

전이상태는 생성물과 반응물의 중간 단계에서 활성화물이 생성되는 상태이며 열역학적으로 안정한 상태와 구분된다. 전이 상태 이론을 따르는 흡착 공정에 대해 고찰하기 위하여 Eyring 식에 적용하여 활성화 파라미터(activation parameters)인 활성화 엔탈피 변화(ΔH* ), 활성화 엔트로피 변화(ΔS* ), 활성화 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG* )를 계산하였다. 열역학적 해석에 이용되는 모델식들을 Table 1에 정리하였다[10-13].

3. 결과 및 고찰

3-1. 흡착등온평형 해석

흡착제에 대한 흡착질의 흡착 양상은 등온흡착식을 이용하여 확인할 수 있기 때문에 평형 흡착 데이터가 중요하다. 본 실험에서는 흡착 온도를 298, 303, 308, 313, 318 K으로 나누어 각각 30 분 동안 등온흡착평형 실험을 수행하였다(Fig. 1). 흡착질의 평형 농도 (C_e)가 증가할수록 평형 흡착량(q_e)도 증가하다 평형에 도달하였다. 흡착질의 양이 증가하여도 흡착량이 비례해서 증가되지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 흡착제의 포화범위가 한정적임을 의미한다 [14]. 또한 주어진 농도에서 흡착온도가 증가함에 따라 평형 흡착량(q_e)이 감소하는 경향을 보였다. 흡착공정에 대한 메커니즘을 자세히 알아보기 위하여 흡착 평형 데이터를 각각 Langmuir, Freundlich, Temkin, Dubinin-Radushkevich 등온흡착식에 적용하여 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 1. Adsorption isotherm for 2-picoline onto Sylopute at different temperatures.

Fig. 2. Adsorption isotherms using linear form for 2-picoline onto Sylopute at different temperatures: (A); Langmuir isotherm, (B); Freundlich isotherm, (C); Temkin isotherm, and (D); Dubinin-Radushkevich isotherm

Langmuir 흡착등온식에 적용하여 \(\frac{1}{\mathrm{q}_{e}}\)과 \(\frac{1}{\mathrm{C}_{e}}\)를 온도 별로 도식화 하여 Fig. 2(A)에 나타내었다. 식의 기울기와 절편으로부터 얻은 파라미터인 q_max와 K_L 그리고 r² 와 RMSD를 각각 Table 2에 정리하였다. 흡착온도가 증가함에 따라 최대흡착용량 q_max는 감소하였다. 이는 흡착 공정이 발열적으로 수행되어, 흡착 온도가 증가할수록 흡착질의 흡착이 원활하지 않게 진행됨을 의미한다. 흡착 온도가 증가함에 따라 흡착질의 용해도가 증가하며, 이로 인하여 흡착질과 흡착제 사이의 상호작용력 보다 흡착질과 용매 사이의 상호작용력이 더 강하게 된다. 결국 흡착질의 흡착이 더 어려워지게 된다[15]. 이러한 결과는 활성탄을 이용한 Taxus chinensis 유래 타르 성분인 2,5-자일레놀의 흡착(500.00~416.67 mg/g at 298~318 K)에서의 q_max보다 작은 값을 보였다[12]. 흡착온도가 증가함에 따라 흡착속도상수 K_L은 감소하였다. 무차원 평형계수 혹은 분리계수 R_L은 값이 R_L=0의 경우 비가역적 흡착임을, 0L<1의 경우 흡착제 처리 공정이 적합함을, R_L=1의 경우 흡착공정이 선형적으로 일어남을, R_L>1이면 흡착 처리 공정이 부적합함을 의미한다[14]. 본 실험에서는 모든 온도에서 0.230~0.898 (0L<1)로 흡착공정이 적합함을 알 수 있었다.

Table 2. Langmuir, Freundlich, Temkin, and Dubinin-Radushkevich isotherm constants for the adsorption of 2-picoline onto Sylopute

Freundlich 흡착등온식에 적용하여 log q_e 와 log C_e 를 온도 별 도식화하여 Fig. 2(B)에 나타내었으며, 계산된 파라미터는 Table 2에 정리하였다. 흡착온도가 증가함에 따라 흡착용량 K^F는 감소하였다. 무차원 분리계수 \(\frac{1}{n}\)은 흡착강도 혹은 표면균질성(surface heterogeneity)과 관련이 있으며, \(\frac{1}{n}\)<1의 경우 일반적인 흡착(normal adsorption)을, \(\frac{1}{n}\)>1의 경우 협력적 흡착(cooperative adsorption)을 의미하며, 분리계수가 0<\(\frac{1}{n}\)<1의 경우 흡착공정이 적합함을 의미한다[10,14]. 본 실험으로부터 얻어진 \(\frac{1}{n}\)값은 0.709~0.766 (0<\(\frac{1}{n}\)<1)으로 흡착공정이 적합함을 알 수 있었다.

Temkin 흡착등온식에 적용하여 q_e와 ln C_e 를 온도 별로 도식화하여 Fig. 2(C)에 나타내었으며, 계산된 파라미터는 Table 2에 정리하였다. 흡착온도가 증가할수록 흡착열에 대응하는 상수 B는 감소하였다. 흡착온도 증가에 따라 최대결합에너지에 대응하는 평형결합 상수 K^T 값이 작아져 흡착질과 흡착제 사이의 결합세기가 점차 약해짐을 알 수 있었다.

Dubinin-Radushkevich 흡착등온식에서는 평형농도 C_e 를 이용하여 ε를 계산한 후 ln q_e와 ε² 를 온도 별로 도식화하여 Fig. 2(D)에 나타내었으며, 계산된 파라미터는 Table 2에 정리하였다. 흡착온도가 증가할수록 이론포화흡착용량(q_D) 값이 작아졌는데, 이는 Langmuir 흡착등온식의 q_max와 마찬가지로 흡착온도 증가에 따라 흡착질이 흡착제 표면 내에서 흡착될 수 있는 포화 정도가 감소함을 의미한다. 흡착질 1 mol당 평균 흡착자유에너지(K_DR×10⁷)는 0.065~0.059 (mol/J)²으로 나타났으며, 평균 흡착 에너지(E)는 2.771~2.89 kJ/mol로 계산되었다. 이는 모든 온도에서 E<8 kJ/mol 범위 내에 존재하므로 실로퓨트에 의한 2-피콜린의 흡착이 물리적 흡착임을 알 수 있었다[16,17].

Table 2에 정리한 네 종류 흡착등온식에 대한 r² 와 RMSD에 따르면 Langmuir 흡착 등온식의 경우 r² 가 >0.958로 가장 높고, RMSD가 <0.0344로 가장 낮아 실로퓨트를 이용한 2-피콜린의 흡착은 Langmuir 흡착등온식에 가장 적합함을 알 수 있었다. 즉, 단 분자층을 형성하며 균일한 흡착에너지로 흡착이 이루어짐을 알 수 있었다.

3-2. 동역학적 해석

2-피콜린 농도를 6,000 mg/L로 고정하여 흡착 시간(1, 5, 10, 15, 20, 25, 30 분)에 따른 흡착량을 조사한 결과, 시간 변화에 따라 흡착량의 변화가 거의 없었으며, 1 분 이내에 흡착이 평형에 도달하였다(data not shown). 이러한 결과는 2-피콜린 (순도 ≥ 99.8%, 분자량: 93.13 g/mol)이 실로퓨트의 세공(반경: 20~30 nm)으로 빠르게 흡착이 완료(1분 이내)된 것으로 판단된다[18]. 실험 데이터를 유사 일차 반응속도식에 따라 ln(q_e-q_t )와 t로 도식화한 결과, 평형 흡착량 q_e와 특정 시간에서의 흡착량 q_t의 차이가 발생하지 않아 유사 일차 반응속도식에 적용이 불가하였다. 즉, 실로퓨트에 대한 2-피콜린의 흡착이 유사 일차 반응 속도식을 따르지 않음을 알 수 있었다[19]. 실험 데이터를 유사 이차 반응속도식에 따라 t/q_t 와 t로 도식화하여 Fig. 3에 나타내었다. 기울기와 y절편을 통해 얻어진 파라미터들을 Table 3에 정리하였다. 흡착온도(298~318 K)가 증가함 에 따라 속도상수 k₂ (0.207-0.132 g/mg·min)는 감소하였다. 속도식 에 대한 r² 는 모든 온도에서 0.999이상으로 높고, 계산 흡착량 q_e,cal 과 실험 흡착량 q_e,exp의 차이 Δq(%)는 0.379~5.562으로 매우 작았다. 따라서 본 흡착공정은 유사 이차 반응속도식에 잘 부합됨을 알 수 있었다.

Fig. 3. Pseudo-second-order plot for the adsorption of 2-picoline onto Sylopute at 2-picoline concentration 6,000 mg/L, Sylopute 4 g/L.

Table 3. Parameters of pseudo-second-order kinetic model for the adsorption of 2-picoline onto Sylopute at different temperatures

일반적으로 흡착 공정에서 율속 단계(rate-limiting step)를 조사 하기 위한 입자 내 확산 모델식에 의해 q_t 와 t^1/2를 도식화하면 세 영역의 다중 선형(가파른 부분, 완만한 부분, 평형한 부분)으로 구분 된다. 첫째 가파른 부분은 순간적 흡착(instantaneous adsorption) 또는 외부 표면 흡착(external surface adsorption)으로 용질이 용액 을 통해 흡착제의 외부 경계층으로 이동하는 단계이다[14]. 이때 직선이 원점(origin)을 통과하는 경우 경계층 제어(boundary layer control)가 무시되어 전적으로 입자 내의 확산(pore diffusion)이 율 속 단계임을 나타낸다. 둘째 완만한 부분은 점진적 흡착(gradual adsorption)으로 용질이 흡착제 내로 확산되는 단계이다. 셋째 평형 한 부분은 흡착이 거의 평형에 도달하여 용액 내 남은 용질의 양이 적어 입자 내 확산속도가 느려지기 시작하는 단계이다[20]. 실험 데 이터를 입자 내 확산 모델식에 적용한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 주어진 흡착 시간(1-30 분)에서 “평형한 부분”만 확인되어 실로퓨 트에 대한 2-피콜린의 흡착이 매우 빠르게 평형에 도달하여 율속 단계는 확인되지 않았다[14,21]. Fig. 4의 직선 기울기로부터 얻어진 입자 내 확산 속도 상수(k_p)는 모든 흡착온도에서 매우 작은 k_p 값(<0.342 mg/g·min1/2)을 얻었다(Table 4). 문헌에 의하면 평형한 부분은 율속 단계보다 44~780배 정도 작은 k_p값을 나타내어 반응 속도에 미치는 영향이 미미하다[22]. Δq(%)는 0.131~0.982로 실험값과 계산값의 차이가 적어 입자 내 확산 모델식에 잘 따르는 것을 알 수 있었다. 2-피콜린 (분자량: 93.13 g/mol)은 파클리탁셀(분자 량: 853.9 g/mol)에 비해 그 분자량이 훨씬 더 작으며, space-filling model에 근거한 파클리탁셀의 분자 크기(1.0×1.5×2.0 nm)를 고려하면 실로퓨트의 세공(반경: 20~30 nm) 내로 2-피콜린이 충분히 확산이 가능함을 알 수 있다[23].

Fig. 4. Intraparticle diffusion plot for adsorption of 2-picoline onto Sylopute at 2-picoline concentration 6,000 mg/L, Sylopute 4 g/L.

Table 4. Parameters of intraparticle diffusion model for the adsorption of 2-picoline Sylopute at different temperatures

3-3. 열역학적 해석

활성화 에너지(E_a)를 계산하기 위하여 Arrhenius equation에 따라 ln k₂와 1/T를 도식화하여 Fig. 5에 나타내었다. 기울기를 통해 E_a는 -30.137 kJ/mol임을 알 수 있었다. E_a가 40 kJ/mol 이하인 경우 물리적 흡착을, 40~800 kJ/mol인 경우 화학적 흡착을 각각 나타내는데[24], 실로퓨트에 대한 2-피콜린의 흡착은 물리적 흡착임을 알 수 있었다.

Fig. 5. Arrhenius equation plot of ln k₂ versus 1/T at different temperatures.

표준 엔탈피 변화(ΔH^o ), 표준 엔트로피 변화(ΔS^o ), 표준 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG^o )를 통해 공정의 흡열성, 가역성, 자발성을 판단하였다. van’t Hoff equation에 의해 ln K_e 대 1/T를 도식화하고 (Fig. 6), 기울기와 절편으로부터 열역학적 파라미터인 ΔH^o 와 ΔS^o 를 구하고 이로부터 ΔG^o 를 계산하였다. 계산한 K_e, E_a, ΔH^o , ΔS^o 및 ΔG^o 값을 Table 5에 정리하였다. ΔH^o 는 음의 값(-6.635 kJ/mol) 을 나타내어 발열반응(exothermic reaction)으로 흡착 시 에너지를 외부로 방출함을 알 수 있었다. ΔS^o 는 음의 값(-0.037 kJ/mol)으로 흡착공정이 비가역적으로 일어남을 알 수 있었다. ΔG^o는 흡착온도 (298~318 K)에서 모두 양의 값(4.492~4.949 kJ/mol)을 보여 흡착 공정이 비자발적(nonspontaneous)으로 수행됨을 알 수 있었다. 또한 흡착 온도가 증가함에 따라 그 값이 증가하여 흡착 온도가 높을 수록 흡착 공정이 더 비자발적으로 수행됨을 알 수 있었다[25]. 즉, 온도가 증가할 수록 흡착이 더욱 어렵게 진행됨을 의미한다. 또한 모든 온도에서 ΔG^o >-20 kJ/mol 이므로 물리적 흡착을 재확인할 수 있었다[14].

Fig. 6. van’t Hoff equation plot of ln K_e versus 1/T at different temperatures.

Table 5. Thermodynamic parameters for the adsorption of 2-picoline onto Sylopute at different temperatures

흡착의 전이상태(transition state)에서 활성화 파라미터를 조사하기 위하여, Eyring equation에 의해 ln (k₂/T)와 1/T를 도식화하였다 (Fig. 7). 기울기로부터 ΔH* , y절편으로부터 ΔS* 를 계산하고 이로부터 ΔG* 를 계산하여 Table 6에 정리하였다. 활성화 엔탈피 변화 (ΔH* )는 음의 값(-32.307 kJ/mol)으로 발열반응임을 알 수 있었다. 활성화 엔트로피 변화(ΔS* )는 양수 값과 음수 값에 따라 해리 메커니즘 (dissociative mechanism)과 결합 메커니즘(associative mechanism)으로 구분할 수 있는 척도인데[26], 본 실험에서는 음의 값(-0.364 kJ/mol)을 나타내 결합 메커니즘을 포함하는 공정임을 알 수 있었다[15]. 활성화 Gibbs 자유에너지 변화(ΔG*)는 반응물이 생성물로 전환될 때 에너지를 필요로 하는 대부분의 흡착공정에서 양의 값을 가져야 하는데, ΔG* 는 모든 온도(298~318 K)에서 양의 값(73.284- 78.227 kJ/mol)을 보여 잘 부합함을 확인하였다[15].

Fig. 7. Eyring equation plot of ln (k₂/T) versus 1/T at different temperatures.

Table 6. Activation parameters for the adsorption of 2-picoline onto Sylopute at different temperatures

등량 흡착열(ΔH_X)은 흡착질이 흡착제에 일정량 흡착되었을 때 결정되는 값이다. 공정의 최적화를 위해 파악해야 하는 기본 특성 중 하나이다. 또 공정 설계에 매우 중요한 정보를 제공하기 때문에 흡착열을 파악하는 것은 매우 중요하다[27]. Clasius-Clapeyron equation에 의해 ln C_e와 1/T를 도식화하여 ΔH_X를 계산하였으며 (Fig. 8), 이를흡착량 q_e (40~180 mg/g)에 대해 도식화하여 Fig. 9에 나타내었다. 본 흡착공정에서는 q_e가 증가할수록 ΔH_X는 감소하는 경향을 보였는데, 흡착이 진행됨에 따라 흡착제의 표면에너지가 불균일하고 흡착제의 표면 활성점에 덮임 정도가 증가할 때 흡착제-흡착질 사이에 상호작용이 일어나는 것을 알 수 있었다[15]. 또한 ΔH_X < 80 kJ/mol 범위에서는 물리적 흡착, 80 < ΔH_X < 400 kJ/mol 범위에서 는 화학적 흡착으로 분류되는데[27], 실로퓨트을 이용하여 2-피콜린 흡착시킨 본 공정은 -10 < ΔH_X < -30 kJ/mol로 물리적 흡착영역에 속함을 재확인하였다.

Fig. 8. Clausius-Clapeyron plot of ln C_e against 1/T for adsorption of 2-picoline onto 20 mg/g of Sylopute.

Fig. 9. Plot of isosteric heat of adsorption against surface loading (q_e) for adsorption of 2-picoline onto Sylopute.

4. 결론

본 연구에서는 상용흡착제 실로퓨트를 이용하여 2-피콜린의 흡착에 대한 흡착등온선, 동역학 및 열역학적 해석을 수행하였다. 등온 흡착 평형 데이터들을 Langmuir, Freundlich, Temkin, 그리고 Dubinin-Radushkevich 흡착등온식에 적용하여 각 모델의매개변수를 파악하고 최적의 모델을 선정하였다. 또한 동역학 및 열역학적 해석을 통하여 흡착 양상 및 반응 기구를 정량적으로 해석하였다. Langmuir와 Freundlich 흡착등온식을 통해 온도 증가에 따라 흡착용량이 감소하였으며, 분리계수인 R_L과 \(\frac{1}{n}\)을 통해 흡착공정이 적합함을 알 수 있었다. Temkin과 Dubinin-Radushkevich 흡착등온식을 통해 본 흡착은 물리적 흡착임을 확인하였다. 실로퓨트를 이용한 2-피콜린의 흡착은 Langmuir 흡착등온식에 가장 적합함을 알 수 있었다(r² >0.958, RMSD<0.0344). 동역학적 해석으로부터 유사 일차 반응속도식보다 유사 이차 반응속도식에 더 적합하였으며, 입자 내 확산과 경계층 확산이 율속 단계에 거의 영향을 미치지 않았다. 열 역학적 파라미터인 ΔH^o 는 -6.635 kJ/mol, ΔS^o 는 -0.037 kJ/mol·K, ΔG^o는 흡착 온도(298, 303, 308, 313, 318 K)가 증가할수록 4.492 < 4.651 < 4.705 < 4.782 < 4.949 kJ/mol로 증가하여 본 흡착공정은 발열이며 비가역적이고 흡착온도가 증가함에 따라 반응이 더 비자발적으로 이뤄짐을 알 수 있었다. 또한 E_a (-30.137 kJ/mol)를 통해 물 리적 흡착임을 재확인하였다. 활성화 파라미터인 ΔH* 는 음의 값(- 32.307 kJ/mol)으로 발열이며, ΔS* (-0.364 kJ/mol·K)는 음의 값으로 결합 메커니즘을 포함하는 공정임을 알 수 있었다. ΔG* (73.284, 74.520, 75.756, 76.991, 78.227 kJ/mol at 298, 303, 308, 313, 318 K)는 온도가 증가할수록 그 값이 증가하였으며, 모두 양의 값으로 반응물에서 전이상태로의 전환을 위한 에너지가 요구됨을 알 수 있었다. ΔH_X는 q_e가 증가함에 따라 값이 작아져 흡착제의 표면에너지가 불균일하며, 흡착질-흡착제 사이에서 상호작용 일어나는 것을 확인하였고, -10 < ΔH_X < -30 kJ/mol로 물리적 흡착영역에 속함을 알 수 있었다.

감사

이 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업의 결과물입니다(과제번호: 2018R1D1A3A03000683).