화학공학실험 | 양이온 크로마토그래피

 

 

 

TIP

 

 

양이온 교환 수지를 이용하여 양이온의 농도를 측정한다.

 

 

 

이온교환 크로마토그래피

이온교환이 가능한 작용기를 갖는 정지상(이온교환체)을 사용하여, 이온성물질(무기이온, 유기산, 유기염기, 아미노산 등)을 분리하는 방법이다. 이온교환체는 이온교환기와 그 이온교환기를 고정시키는 지지체로 이루어져 있다. 지지체로는 유기 중합체(스티렌과 디비닐벤젠의 공중합체, 폴리비닐알코올, 폴리히드록시메타아크리놀 등)나 실리카겔 등이 사용되고 있다. 정지상에 있는 양이온 또는 음이온 교환기는 전해질 수용액 중에서 해리되어, 수용액에 이온을 내고 이온화상태로 된다. 이렇게 이온화상태로 되어 있는 정지상에 하전된 성분이 지나가면, 방출된 이온과 같은 부호의 전해질이온이나 시료이온을 흡착하게 된다.

 

이 이온교환작용을 이용하여 분리하는 방법을 이온교환 크로마토그래피라고 한다. 양이온교환용 작용기로는, 강산성 교환기인 술폰산기 또는 약산성 교환기인 카르보닐기 등이 있다. 또한 음이온교환용 작용기로는 강염기성인 4암모늄기 또는 약염기성인 등이 있다. 이온교환체의 강약은 pH가 변함에 따라 크게 변한다. 그래서 강이온교환체는 넓은 pH 쪽에서 사용할 수 있다. 약산성 양이온 교환체는 중성부터 알칼리성 쪽에서, 약염기성 음이온교환체는 중성부터 산성 쪽에서 사용할 수 있다. 이동상으로는 수용액이나 완충용액이 사용된다.

 

일반적으로 이온세기와 pH를 변화시키는 방법을 사용하여 분리한다. 분리는 이온세기를 크게 하면 시료이온과 가해진 이동상 중의 이온이 교환기상에서 경쟁하므로 시료이온은 약하게 머무르기 때문에 빨리 용출된다. 또한 이동상의 pH를 변화시키면 시료의 해리상태와 분자상태의 비율을 변화시킬 수 있는데, 이를 이용하면 시료의 머무름시간을 조절할 수 있다. 양이온교환의 경우는 pH를 높여 빨리 용출되도록 하고, 역으로 음이온의 경우에는 pH를 높여 늦게 용출되도록 한다. 이온교환 크로마토그래피에서는 이온교환기와의 교환 이외에도 지지체에 흡착이나 분배가 일어나기 때문에 용리액에 소량의 유기용매를 첨가하여 사용하는 경우도 있다.

 

최근에는 이온 크로마토그래피라고 부르는 이온의 분리분석법이 사용되고 있다. 이온의 분리 원리는 종래의 이온교환법과 같다. 앞에서 언급한 이온교환크로마토그래피는 이동상 자체의 전기전도도가 크기 때문에 미량의 용질(특히 무기이온)의 전기전도도를 흐름계에서 연속적으로 측정할 수 없었다. 그라나 컬럼의 용출부(뒤)에 시료이온과 반대 전하를 갖는(분리 대상물질이 양이온인 경우 음이온 교환체) 제거컬럼을 연결하여 이동상의 용질을 제거함으로써 용출액의 바탕을 낮게 억제시키는 방법이 개발되었다(억제방식).

 

오늘날에는 억제컬럼 대신 이온교환막(다공성섬유 억제제 또는 막억제제)을 사용하고 있다. 또한 전기회로가 개량되어 전기적으로 바탕신호를 제거하는 장치도 개발되어 있다(비억제제방식). 무기이온뿐만 아니라 유기산의 분리정량에도 사용할 수 있다. 마지막으로, 이온교환 크로마토그래피의 응용으로 이온교환 크로마토그래피법은 물질의 분리에주로 이용되지만 물질의 정제, 농축 등에도 이용된다.

728x90

 

 

실험 방법

1. 수지의 재생

1) 시판되고 있는 많은 양이온 교환 수지는 안정한 RNa 형태이므로 바꾸어야 하며, 또한 그것에는 불순물로 Fe, Ca, 유기물 등이 포함되어 있으므로 사용 전에 미리 그것들을 제거해야 한다. 또한 한 번 사용한 수지는 RH 형태로 재생시켜 사용해야 한다. 그러기 위해서는 수지를 비이커에 넣고 수지를 무게로 계산해서 10～20배의 1.5 M HCl 용액으로 처리한다.

 

2) 이 혼합물을 15-20 분 간격으로 저어주고, 수지가 가라앉도록 놓아둔 다음 산용액을 따루어 낸다. 이런 과정을 몇차례 되풀이하여 이루어 낸 산용액에 NH₄SCN을 가해 붉은 색을 띄지 않으면 Fe³⁺ 이온이 없어진 것이다. 산처리를 마친 수지를 4～5 회 물로 씻어낸다.

 

2. 양이온 교환 수지 분리관 만들기

1) 물에 적신 탈지면을 유리분리관에 넣고 끝이 평평한 유리봉으로 밑부분까지 밀어넣고 5～10 ㎜ 정도의 두께로 한다.

 

2) 그런 다음 사전처리한 양이온교환수지를 유리분리관에 채워 넣는다. 이때 수지층 안에 기포가 생기지 않도록 해야 한다.

 

3) 수지 윗부분에 탈지면을 얹고, 그림과 같이 분별깔대기를 유리분리관의 윗 끝부분에 단다.

 

4) 유리분리관 속의 수면을 수지 윗부분으로부터 1㎝까지 낮추고 3M HCl 50 ㎖로 2～3 ㎖/분 이하의 유속으로 씻어내린다. 이어 물로 5～8 ㎖/분 유속으로 씻어내리되, 씻은 액의 pH가 물의 pH와 같게 될 때까지 씻어내린다.

 

5) 실험 요약

① 증류수 : HCl = 35㎖ : 15㎖ 로 만든다.

② ①의 용액 50㎖를 분리관 내로 흘려보낸다. (15～20㎖/분)

③ 증류수로 분리관을 통해서 나오는 용액이 증류수 pH와 같아질 때까지 흘려보낸다. (8㎖/분)

④ 분리관을 통해 나온 폐수는 버린다.

 

3. 양이온의 농도 결정

1) 미지의 NaCl 용액 25 ㎖를 분별 깔대기에 넣고, 분리관 내의 수면을 수지 위 1 ㎝까지 내려오면 분별깔대기에 약 25 ㎖의 물을 넣고 2～3 ㎖/분의 유속으로 씻어내린다.

 

2) 끝으로 물로 5～8 ㎖/분의 유속으로 씻어내려 씻은 액의 pH가 물의 pH와 같으면 씻는 것을 그만둔다. 씻은 액이 들어있는 용량플라스크의 부피 표시선까지 물로 채운 다음, 일정량씩 취하여 0.1 M NaOH 표준용액으로 적정하여 치환되어 나온 HCl의 양을 정량한다.

 

3) 그 양으로부터 미지의 NaCl 용액의 농도를 구한다.

 

4) 실험 요약

① 증류수 : NaOH = 100㎖ : 0.4g 로 만든다.

② 미지의 NaCl 용액 25㎖를 분리관 내로 흘려보낸다. (8㎖/분)

③ 과정을 반복한다.

④ ②, ③에서 분리관을 통해 나온 용액을 합한다.

⑤ ④의 용액을 250㎖ 용량 플라스크에 넣고 표시선까지 증류수를 붓는다.

⑥ ⑤의 용액 30㎖를 덜어서 1% 페놀프탈레인 용액 1㎖를 넣는다.

⑦ ⑥의 용액을 ①의 용액으로 적정하여 소비된 ①의 용액의 양을 측정한다. → 12.9㎖

 

4. 축소된 실험 과정

1) 유리 분리관에 물에 적신 탈지면을 넣고 유리막대로 밑 부분까지 15㎜ 정도 두께로 밀어 넣는다.

 

2) 양이온 교환 수지를 1)의 분리관에 넣고 증류수를 넣어 유리 막대로 살살 저어 주면서 수지층의 기포가 발생하지 않도록 한다.

 

3) 양이온 교환수지 윗부분에 탈지면을 넣고, HCl 용액으로 천천히 씻어 내린다. (pH페이퍼 사용)

 

4) 증류수로 씻으면서 pH 페이퍼를 사용하여 증류수와 pH가 같아질때 까지 씻어내린다.

 

5) 즉, 윗부분에 넣은 탈지면이 마르지 않도록 증류수를 부어준다. 단, 탈지면이 뜨지 않도록 주의한다.

 

6) 미지농도의 NaCl용액을 20㎖ 넣고 분리관 내의 수면이 수지 위 1㎝가 될 때 까지

 

7) 천천히 흘러내린다.

 

8) 4) 과정을 반복한다.(pH페이퍼 사용)

 

9) pH페이퍼가 빨간색에서 노란색이 변한 지점까지 씻은 용액을 모은 후, 알 수 있는 부피로 만들기 위해 250㎖ 용량플라스크에 넣고 증류수를 250㎖까지 가한다.

 

10) 7)에서의 용액을 20㎖ 취해 페놀프탈레인을 2～3방울 가한 후, NaOH을 뷰렛에 넣은 후 적정한다.

 

11) 8)～9) 과정을 세 번 반복한다.

 

 

 

[Engineering/화학 공학] - 화공기초실험 | 양이온 교환 크로마토그래피

 

 

 

[화학공학실험] 양이온 크로마토그래피 레포트