인 시투 자외선-가시광선 분광계를 이용한 초임계 이산화탄소 내 염료의 용해 현상 연구

Abstract

Supercritical Fluid Dyeing is a technology that uses supercritical carbon dioxide as a dyeing solvent. As social issues related to environment-friendliness have emerged in various industries around the world, it is attracting attention as an alternative to the existing dyeing process that mainly uses water. Traditional dyeing processes use water as a dyeing solvent, which generates a large amount of wastewater after the process, which contains various chemical substances such as residual dyes, additives, dispersants, and surfactants, which consumes a lot of time and money to process. When supercritical carbon dioxide is used instead of water as a dyeing solvent, wastewater is not generated and additional additives other than dyes are not required due to the high solubility of supercritical carbon dioxide. In addition, it is economical because dyes and solvents can be recycled and there is no need for an additional drying process, since carbon dioxide can be easily separated by vaporizing after the process. With such advantages, more and more companies and researchers are participating in the development of supercritical dyeing technology, but they have not yet been able to keep up with the existing water-based dyeing in terms of efficiency. The supercritical dyeing mechanism consists of the process of dissolving the dye into supercritical carbon dioxide, the process of transporting the supercritical carbon dioxide to the fiber and adsorbing the dye on the fiber surface, and finally the diffusion of the dye into the fiber. Many researchers have determined that the final process is the speed-determining step of the entire process. However, it was confirmed that the dissolution rate of the dye into carbon dioxide and the concentration of the dye in the supercritical carbon dioxide affected the overall dyeing process speed, and it was judged that accurate understanding and measurement of the dissolution process is necessary to improve the efficiency of the dyeing process. Therefore, this study investigated the dissolution of dyes in supercritical carbon dioxide. First, a solubility measurement method using an in situ UV-Vis spectrometer was newly constructed to compensate for the disadvantages of the previously used solubility measurement method and to measure the solubility more accurately. Through this method, the solubility of dye in supercritical carbon dioxide could be measured without using any special assumptions or calculation methods, and reliability was confirmed through comparison with literature values. In addition, the validity of this method was verified by measuring the solubility of benzoic acid, which has a higher solubility than the dye. In order to quantify the dissolution rate of the dye into the supercritical carbon dioxide in the dyeing process, a dissolution kinetic model was established. In a continuous high-pressure system, a method was found to calculate the amount of dye dissolved from the absorbance measured using an in situ spectrometer, and the mass transfer coefficient was calculated under various conditions. The correlation between the Reynolds number and the Sherwood number was derived using the mass transfer coefficient calculated from variables that influence the flow characteristics of the fluid such as flow rate, pipe shape, and size. Finally, from this correlation equation, the dissolution rate at which the dye dissolves in supercritical carbon dioxide in the scaled-up device was predicted.

초임계 염색 (Supercritical Fluid Dyeing)은 초임계 이산화탄소를 염색 용매로 사용하는 기술이다. 전세계적으로 각종 산업에서 친환경에 대한 사회적 이슈가 부각됨에 따라 초임계 염색 기술은 주로 물을 사용하는 기존의 염색 공정에 대한 대안책으로 주목 받고 있다. 전통적인 염색 공정은 물을 염색 용매로 사용함에 따라 공정 후 대량의 폐수가 발생하게 되는데 여기에는 잔존 염료를 비롯해 첨가물, 분산제, 계면활성제 등의 다양한 화학물질이 포함되어 있어 처리하는데 많은 시간과 비용이 소비된다. 물 대신 초임계 이산화탄소를 염색 용매로 사용하는 경우 폐수의 발생이 없고 초임계 이산화탄소가 가지는 높은 용해력으로 인해 염료 외 추가적인 첨가물이 필요하지 않아 폐기물에 대한 걱정이 없다. 또한 공정 후 이산화탄소를 기화시켜 쉽게 분리해낼 수 있어 추가적인 건조 공정이 필요 없으며, 염료와 용매의 재활용이 가능하여 경제적이다. 이와 같은 장점으로 점점 많은 기업들과 연구자들이 초임계 염색 기술 개발에 참여하고 있지만 아직까지 효율성 측면에서 기존의 수계 염색을 따라가지 못하고 있다. 초임계 염색 메커니즘은 초임계 이산화탄소에 대한 염료의 용해과정, 초임계 이산화탄소가 섬유로 이동하고 염료가 섬유 표면에 흡착되는 과정 그리고 마지막으로 섬유 내부로 염료가 확산되는 과정으로 이루어진다. 많은 연구자들이 마지막 과정을 전체 공정의 속도 결정 단계로 판단하였다. 하지만 염료가 이산화탄소로 용해되는 속도와 초임계 이산화탄소 내 염료의 농도는 전체 염색 공정 속도에 영향을 주는 것이 확인되었고, 용해 과정에 대한 정확한 이해와 측정이 염색 공정의 효율성 향상에 필요하다고 판단하였다. 따라서 본 연구에서는 초임계 이산화탄소 내 염료의 용해 현상에 대해 살펴보았다. 먼저 기존에 사용되었던 용해도 측정 방법의 단점을 보완하고 보다 정확한 용해도를 측정하기 위하여 인 시투 자외선-가시광선 분광계 (In situ UV-Vis spectrometer)를 사용하는 용해도 측정법을 새롭게 구축하였다. 이 방법을 통해 초임계 이산화탄소 내 염료의 용해도를 특별한 가정이나 계산법을 사용하지 않고 측정할 수 있었고 문헌값과의 비교를 통해 신뢰성을 확인하였다. 또한 염료에 비해 큰 용해도를 가지는 벤조산의 용해도를 측정하여 이 방법의 타당성을 검증하였다. 염색 공정에서 염료가 초임계 이산화탄소에 용해되는 속도를 정량화하기 위해 용해 속도식 모델을 구축하였다. 연속식 고압 시스템에서 용해되는 염료의 양을 인 시투 분광계를 이용하여 측정한 흡광도로부터 계산하는 방법을 찾아냈고 다양한 조건에서 물질 전달 계수를 계산해냈다. 유량, 관의 모양, 크기와 같은 유체의 흐름 특성에 영향을 주는 변수로부터 계산된 물질 전달 계수를 이용하여 레이놀즈 수 (Reynolds number)와 셔우드 수 (Sherwood number)사이의 상관 관계식을 도출하였다. 마지막으로 이 상관 관계식으로부터 스케일 업 된 장치를 이용하여 염료가 초임계 이산화탄소에 용해되는 용해 속도를 예측하였다.