1. 서 론

인돌은 마취제나 고혈압 치료제, 살균제 및 혈관확장제 등의 의약 품과 향수, 농약, pH 지시약, 염료 등 정밀화학제품등의 제조 원료로 유용하게 활용되고 있다. 인돌은 자스민과 오렌지 꽃과 같은 일부 꽃 속에 들어있는 성분이며, 썩은 단백질이나 포유류의 배설물 속에서도 존재하는 성분이다. 이처럼 자연 재료로부터 성분을 추출하여 인돌을 얻을 수도 있지만 그 양이 극히 소량이라 원재료 확보의 경제성이 불 투명하여 합성 원료로 많이 사용되고 있어 콜타르 내 천연 성분으로 존재하는 인돌 성분을 분리, 정제하여 확보하는 방법을 연구하였다. 콜타르는 석탄이나 원유를 증류 혹은 건류 방식으로 가공, 정제하는 과정에서 얻어지며, 공업적으로 중요한 화학물질을 많이 함유하고 있 다. 그 중 흡수유로부터 인돌을 분리하는 방법으로는 분리막을 통한 분리법[1-3], 용매를 통해 분리하는 추출법[4-10], 결정법[11,12] 등이 있다. 콜타르 흡수유 중에는 약 500여종의 성분이 함유되어 있으며, 그룹별로는 방향족화합물(benzene, xylene, indene, pyrene, 2-methylnaphthalene, 1-methylnaphthalene, biphenyl 등), 함 질소 화합물(pyridine, quinoline, isoquinoline, indole, carbazole, acridine 등), 함 산소 화합물 (phenol, o-cresol, m-cresol, p-cresol, xylenols, benzofuran 등), 그리고 함 유황 화합물(benzothiophene, dibenzothiophene 등) 등의 성분들이 함유되어 있다[13]. 콜타르 흡수유 중에 포함된 많은 성분들 중 실제 로 공업적으로 분리, 정제되어 실생활에 사용되는 성분들은 20~30종 정도에 불과하며, 그 중 인돌은 부가가치가 높은 성분이다. Table 1과 같이 인돌과 비점이 비슷한 많은 성분들이 혼합되어 있어 증류조작만 으로 인돌 성분을 효율적으로 분리하기에는 어려움이 있다. 현재 인 돌을 분리하는 데 쓰이는 방법으로는 분리막을 통한 분리법, 추출법, 결정법 그리고 증류법 등이 있으며, 주로 단일 방법으로만 쓰이고 있 는 실정이다. 단일 방법으로 인돌을 분리, 정제할 경우 낮은 순도 및 회수율, 그리고 사용한 용매의 회수 비용 등의 문제점을 갖는다. 따라 서 콜타르 흡수유 중에 포함된 인돌의 고순도 정제를 하기 위해서는 용매 추출법과 결정법, 그리고 추출용매를 회수하기 위한 증류를 적 절하게 혼합한 단계별 조작이 필요하다. 본 연구에서는 국내 정유사 OCI 광양 공장에서 콜타르 흡수유를 원료로 제공 받아 사용 하였고 이 중 인돌 성분을 효율적으로 분리, 정제하는 방법을 실험적으로 확 인하고자 하였다. 또한 각각의 단계별 조작으로 인한 인돌의 고순도 정제 결과를 토대로 콜타르 흡수유 중 인돌의 고순도 정제공정을 개 략적으로 제안하고자 하였다.

2. 실험장치 및 방법

콜타르 흡수유 중 함유된 인돌을 고순도로 분리하기 위하여 (1) 원 료인 콜타르 흡수유와 용매인 메탄올(99%)을 혼합, 교반하고 이를 24 시간 침강시키는 용매 추출조작을 통해 인돌 추출을 위한 선택도를 높인 후 추출상을 회수하고, (2) 회수된 추출상을 원료로 회분 증류 과정을 조작하여 메탄올 용매를 회수, 증류 조작 후 남은 증류탑 잔류 액을 별도로 회수하여 실험 원료로 사용 하였다. (3) 계속해서 원료인 증류잔류액과 결정화 용매 노말헥산을 혼합하여 각기 조건별 결정화 기기에 투입하여 고상의 고순도 인돌 결정체를 회수하는 단계별 실험 으로 진행 하였으며, 각 과정별 원료 및 최종 결과물 인돌 결정체의 순도를 분석하였고, 동시에 각 과정별 인돌 수율을 분석하였다.

2.1. 원료유(콜타르 흡수유)

콜타르 흡수유 중 함유되어 있는 성분 분석은 불꽃 이온화 검출기 (FID)가 장치되어 있는 GC (휴렛팩커드사, 50 m × 0.32 mm × 0.25 mm 캐필러리 컬럼 HP-ULTRA 2)를 사용하여 분석했다. 각 샘플의 GC분석은 주입부 온도 250 °C, 캐리어 가스 Ar (유속 1 mL/min), 샘 플량 1 L, 분할비 100 : 1, 초기온도 140 °C (유지시간 10 min), 최종 온도 200 °C, 승온속도 10 °C/min의 조건으로 조작하여 수행했다. 콜 타르 흡수유를 이상의 방법으로 분석한 GC 결과는 Figure 1과 같다. 콜타르 흡수유의 주요 성분은 Table 2에 나타난 바와 같으며, 나프탈 렌 1.2%, 퀴놀린 0.1%, 이소퀴놀린 0.4%, 인돌 6.4%, 2-메틸나프탈렌 21.0%, 1-메틸나프탈렌 48.8%, 비페닐 11.7%로 분석되었다.

2.2.1. 추출

콜타르 흡수유 중에 포함된 여러 성분 중 인돌의 선택도를 높여 함 량을 증가시키기 위하여 추출법을 사용하였으며, 추출 용매로는 실험 조작의 간편성 및 경제성을 고려하여 메탄올 수용액을 사용하였다 [10]. 콜타르 흡수유와 용매의 접촉 장치로서는 내경 11 cm, 높이 20 cm의 유리제 회분 교반조를 사용했다. 임펠러는 PTFE 2날 원심형으 로서, 그 위치를 중심 축상에서 액체 깊이의 중간높이에 설치하였다. 교반조는 이중 재킷으로 구성되어 외부 재킷에 항온수를 공급하여 교 반조 내의 액체 온도를 일정하게 유지했다. 먼저 증류수와 메탄올의 혼합에 의해 특정 농도의 용매를 준비하고 일정량의 용매와 콜타르 흡수유를 혼합해서 교반조에 넣은 뒤, 항온수를 이용해 용액을 일정 온도에 도달시켰다. 교반조 내의 혼합액이 일정온도에 도달했을 때 교반을 개시하였고, 일정한 시간이 경과한 후에 교반을 중지하고 상 을 분리시켜 추잔상과 추출상을 분취하여 두 상의 질량을 각각 측정 했다. 분취한 추잔상과 추출상을 GC 분석하였다. 추출을 위한 운전변 수는 초기 용매 내 물의 함량(y_w,0), 추출용매/원료의 초기 부피비 [(S/F)₀], 평형추출 운전온도(T)이며, 추출에 대한 자세한 실험 조건은 Table 3에 나타낸 바와 같다.

2.2.2. 증류

추출액 중에 추출용매인 메탄올을 회수하고, 인돌을 농축시키기 위 하여 증류를 실시하였다. 증류탑 장치는 직경 7 cm, 높이 110 cm로, silver로 코팅되어 단열 가능한 충전탑을 사용하였다. 직경 8 mm, 높 이 7 mm인 유리 재질의 raschig ring을 충전하였다. 2000 mL의 원형 플라스크는 맨틀히터(Ms-MHT405C, Mtops)로 가열하였으며, 원료의 온도 확인을 위해 온도지시계를 원형 플라스크에 연결하였다. 맨틀히 터와 온도조절계(TC200P, Mtops)를 사용하여 온도 조절하였다. 또한 원형 플라스크의 보온을 위해 단열 커버(A205JM, Mtops)를 이용하였 다. 탑 상부에는 응축기를 설치하여 탑을 거친 기체를 응축시켰으며, 항온순환기(LT-CWB13L, ㈜한양사이언스랩)를 이용하여 응축기의 온도를 10 °C로 유지시켰다. 메탄올 추출액 3600 mL를 원료로 하여 3회에 걸쳐 회분식으로 증류하였으며, 온도 조건을 100 °C 미만으로 유지한 상태에서 추출용매 중의 메탄올을 회수했다. 메탄올 회수 후, 증류잔류액을 상분리시켜 분리된 추잔상을 결정화의 원료로 사용하 였다.

2.2.3. 결정화

추출용매인 메탄올을 제거한 증류잔류액 중 인돌을 선택 분리하기 위하여 결정화 실험을 수행하였다. 결정화 장치로는 내경 9 cm, 높이 20 cm의 이중 재킷 유리 교반조를 제작하여 사용했다. 결정화 장치 본체의 이중 재킷 외부에 냉온순환기(LC-LT408, LK Labkorea)를 이 용하여 물과 메탄올을 50 : 50 부피비로 혼합한 냉매를 순환시켜 재킷 내부를 일정 온도로 유지시켰다. 온도계를 사용하여 장치 본체 내부 온도를 측정했으며, 이중 재킷 외부는 유리솜을 이용하여 보온했다. 고-액 분리에는 여과효율의 향상을 위해 아스피레이터 (VE-11, 제이 오텍)를 사용하여 흡인 여과했다. 원료에 일정양의 용매를 넣어 용해 시킨 300 mL의 용액을 장치 내에 투입하고 용액을 실험온도까지 냉 각시켰다. 실험온도에 도달한 용액을 결정화 조작을 위해 일정한 시 간 동안 교반기를 운전한 뒤, 아스피레이터를 이용하여 흡인 여과함 으로써 고-액 분리하였다. 석출된 결정은 건조시켜 결정화 용매인 노 말헥산을 제거한 뒤, GC로 분석하였다. 결정화 원료로서는 추출용매 를 회수한 증류잔류액을 혼합하여 사용했다. 결정화 용매와 석출된 결정의 세척액으로는 융점 및 비점을 고려하여 노말헥산을 사용하였 다[12]. 순환냉매로는 물과 메탄올을 50 : 50 부피비로 혼합한 메탄올 수용액을 사용하였다. 결정화 운전변수로는 운전 시간(t), 용매/원료의 초기 부피비((S/F)₀), 운전 온도(T), 그리고 교반기의 임펠러 속도(N)를 설정하였으며, 자세한 실험 조건은 Table 4에 나타낸 바와 같다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 추출

추출의 원료인 콜타르 흡수유로부터 추출상으로의 인돌 수율 Y_In는 식 (1)과 같이 정의하여 산출했다.

여기서 x_In와 y_In는 추잔상과 추출상 중에 함유된 인돌의 질량분율 을, E와 R₀는 분배평형 조작을 통해 회수한 추출상의 질량과 분배평 형을 위한 원료인 추잔상(콜타르 흡수유)의 질량을 각각 나타낸다.

3.1.1. 초기 메탄올/물 함량(y_w,0)

추출의 운전 변수인 y_w,0를 0에서 0.3까지 증가시키면서, 추출상 및 추잔상 중의 인돌 농도, 그리고 추출상의 인돌 수율을 Figure 2에 나 타내었다. 초기 수분 함량인 y_w,0가 0에서 0.3까지 증가함에 따라서 y_In 는 6.3%에서 44.2%까지 급격히 증가하였으며, x_In는 y_w,0가 0.1일 때 최소 4.2%로 감소하였다가 y_w,0가 0.3일 때 5.7%까지 서서히 증가하였 다. 또한 Y_In는 y_w,0가 0.1일 때 최대 72.5%까지 증가하였다가 y_w,0가 0.3일 때 57.3%까지 감소하였다. 따라서 추출상의 인돌 농도와 수율 을 고려하여 yw.0가 0.3일 때를 최적조건으로 설정하였다.

3.1.2. 추출용매/원료의 초기 부피비[(S/F)₀]

추출의 운전 변수인 (S/F)₀를 0에서 4까지 증가시키면서, 추출상 및 추잔상 중의 인돌 농도, 그리고 추출상의 인돌 수율을 Figure 3에 나 타내었다. 추출용매/원료의 초기 부피비인 (S/F)₀가 증가함에 따라 y_In 는 45.4%에서 35.0%로 서서히 감소하고, x_In는 5.6%에서 3.7%까지 서 서히 감소하였다. 또한 Y_In는 (S/F)₀가 1에서 2로 증가할 때 43.8%에서 66.6%로 급격히 증가하였다가, (S/F)₀가 2에서 4까지 증가할 때 74.4% 까지 서서히 증가하였다. 따라서, 인돌 농도와 수율을 고려하여 (S/F)₀ 가 2일 때를 최적조건으로 설정하였다.

3.1.3. 추출 운전온도(T)

추출의 운전 변수인 T를 10 °C에서 40 °C까지 증가시키면서, 추출 상 및 추잔상 중의 인돌 농도, 그리고 추출상의 인돌 수율을 Figure 4에 나타내었다. 추출 운전온도인 T가 증가함에 따라 y_In는 44.6%에 서 40.0%까지 서서히 감소하고, x_In는 T가 30 °C일 때 최소 5.5%까지 감소하였다가 T가 40 °C일 때 5.6%까지 증가하였다. 또한 Y_In는 T가 20 °C일 때 최대 42.3%까지 증가하였다가 T가 40 °C일 때 39.8%까지 서서히 감소하였다. 따라서, 인돌 농도와 수율을 고려하여 T가 20 °C 일 때를 최적조건으로 설정하였다.

3.1.4. 추출 최적조건

이상에서와 같이 추출의 최적 운전조건은 y_w,0 = 0.3, (S/F)₀ = 2 그 리고 T = 20 °C로 설정하였다. 이상의 최적조건에서 콜타르 흡수유 중 인돌의 회수량을 증가시키기 위하여 추잔상을 연속해서 총 3회 추 출하였다. 각 단계에서 추출된 추출상을 혼합하여 증류의 원료액으로 사용하였으며 그 조성은 Table 5에 나타낸 바와 같다.

3.2. 증류

추출액 중에 함유된 메탄올 용매를 회수하기 위하여 증류탑 리보일 러를 100 °C 미만으로 운전하였으며, 상부에서 연속적으로 메탄올을 제거하였다. 리보일러에는 메탄올이 미량 함유된 증류잔류액이 존재 하였으며 그 성분은 Table 6에 나타난 바와 같다. 증류잔류액 중 인돌 함량은 32.3%로 콜타르 흡수유 중 인돌 함량보다 5.0배 가량 농축되 었음을 확인하였다.

3.3. 결정화

결정화의 원료인 증류잔류액으로부터 결정상으로의 인돌 수율 Y_In 는 식 (2)와 같이 정의하여 산출했다.

여기서 y_In와 x_In는 결정화 조작으로 얻어진 결정이 함유하고 있는 인돌의 순도와 결정화의 원료인 증류잔류액이 함유하고 있는 인돌의 농도를 나타내었으며, C와 F0는 결정상의 질량과 결정화의 원료인 증 류잔류액의 질량을 각각 나타낸다.

3.3.1. 용매/원료의 초기 부피비[(S/F)₀]

결정화의 운전 변수인 용매/원료의 초기 부피비 (S/F)₀를 9에서 39 까지 증가시키면서, 결정상 중의 인돌 순도 및 인돌 수율을 Figure 5 에 나타내었다. 용매/원료의 초기 부피비인 (S/F)₀가 증가함에 따라 y_In 가 80.0%에서 99.3%까지 증가하고, Y_In는 (S/F)₀가 29일 때 최소 16.0%까지 감소하였다가 (S/F)₀가 39일 때 22.8%까지 증가하였다. 인 돌의 순도 및 수율을 적절히 고려하여 (S/F)₀가 39일 때를 최적조건으 로 설정하였다.

3.3.2. 결정화 온도(T)

결정화의 운전 변수인 결정화 온도 T를 –20 °C에서 0 °C까지 증가 시키면서, 결정상 중의 인돌 순도 및 인돌 수율을 Figure 6에 나타내 었다. 결정화 운전온도인 T가 증가함에 따라 y_In가 95.3%에서 98.6% 까지 서서히 증가하였고, Y_In는 74.8%에서 45.6%까지 급격히 감소하 였다. 인돌의 순도 및 수율을 적절히 고려하여 T가 –10 °C일 때를 최 적조건으로 설정하였다.

3.3.3. 결정화 시간(t)

결정화의 운전 변수인 결정화 시간 t를 30 min에서 120 min까지 증 가시키면서, 결정상 중의 인돌의 순도 및 인돌 수율 그래프를 Figure 7에 나타내었다. 결정화 운전시간인 t가 증가함에 따라 y_In는 96.4%에 서 97.8%로 증가하고, Y_In 또한 45.6%에서 60.8%로 급격히 증가하였 다. 최적 운전 시간은 저온 상태의 결정화 조건 등을 고려하여 t가 60 min일 때를 최적조건으로 설정하였다.

3.3.4. 임펠러 속도(N)

결정화의 운전 변수인 임펠러 속도 N을 100 rpm에서 400 rpm까지 증가시키면서, 결정상 중의 인돌의 순도 및 인돌 수율 그래프를 Figure 8에 나타내었다. 임펠러 속도인 N이 증가함에 따라 y_In는 98.0%에서 94.8%까지 서서히 감소하였고, Y_In는 N이 300rpm일 때 최 소 65.5%까지 감소하였다가 N이 400 rpm일 때 최대 68.5%까지 증가 하였다. 인돌의 순도 및 수율을 적절히 고려하여 N이 100 rpm일 때를 최적조건으로 설정하였다.

3.3.5. 결정화 최적조건

결정화 공정의 최적운전조건은 (S/F)₀ = 39, T = -10 °C, t = 60 min, N = 100 rpm이며, 최적조건으로 얻은 결정의 조성은 Table 7에 나타 낸 바와 같다. 최적 조건에 맞게 원료인 증류잔류액 15 ml와 결정화 용매인 노말헥산 285 ml를 혼합하여 결정화 작업을 진행하였으며, 정 의식 (2)에 쓰일 결정화 mass data를 Table 8에 나타내었다. 이 때의 y_In와 Y_In는 각각 99.3%와 22.8%에 해당된다.

3.4. 콜타르 흡수유 중에 함유된 인돌의 정제 공정

본 연구의 실험을 기반으로 개략적인 콜타르 흡수유 중 인돌의 고 순도 정제공정은 Figure 9과 같다. 추출탑 1을 통해 콜타르 흡수유를 메탄올로 추출하여 인돌의 농도를 향상시키고 세정탑 2를 이용하여 추출 후 남은 잔류액을 세정하여 배출한다. 추출탑 1을 거쳐 나온 추 출상은 증류탑 3에서 메탄올 수용액으로 분리하여 추출탑 1로 회수한 다. 증류탑 하부의 잔류액은 결정화탑 4에서 노말헥산과 혼합되어 인 돌을 결정화한다. 결정화탑에 배출 용액은 증류탑 5로 공급되어 노말 헥산을 분리한 후 결정화탑 4로 회수한다. 결정화탑 4에서 결정화를 거쳐 만들어진 결정상은 건조기 6에서 건조되어 고순도의 인돌로 정 제된다.

4. 결 론

콜타르 흡수유를 메탄올 추출, 증류 그리고 결정화 공정으로 인돌 결정을 분리 정제하였다.