액체-액체 추출법의 원리 2

액체-액체 추출법의 원리

 

 

시료 전처리 과정 중에서 농축과 정제를 위해서는 분석 물질을 다른 물질로부터 분리시키거나 다른 상으로 옮겨야 하는데, 어떤 물질을 한 상에서 다른 상으로 옮기는 것을 추출이라고 한다.

액체-액체 추출법(liquid-liquid extraction, LLE)은 두 개의 상이 액체(시료 수용액과 추출 유기 용매)인 경우이며, 고체상 추출법(solid phase extraction, SPE)은 한 개의 상은 고체이며 다른 한 개의 상은 액체인 경우이다.

액체-액체 추출법은 용매 추출법(solvent extraction)이라고도 하며, 수용액으로부터 유기 화합물들을 추출하는 데 사용되는 가장 일반적인 방법이면서 전통적인 방법이라고 할 수 있다. LLE는 분석 화학 분야에 국한되지 않고 유기 합성 분야에서 합성 과정이나 최종 생성물을 분리하는 데도 사용되며, 천연물 중에서 유효 성분들을 분리해 내는 데 널리 사용되고 있다.

따라서 효율적인 추출을 위해서는 다음과 같은 물리화학적 성질에 대한 이해가 필요하다. 즉 증기 압력(vapor pressure), 용해도(solubility), 분자량(molecular weight), 소수성(hydrophobicity), 산 해리(acid dissociation)는 추출에 있어서 기본적인 성질에 해당하며, 이들은 인체에서 화학 물질의 이동, 공기-물-토양의 환경에서 화학 물질의 이동, 화학 분석에서 추출하는 동안에 섞이지 않은 상 간의 이동을 결정하기도 한다.

액체-액체 추출법은 두 액체상에 대한 분석 물질의 용해도 차이로 인해 분석 물질이 두 액체상에 다르게 분배되는 현상을 이용하는 것이다. 분석 물질이 유기 용매상과 수용액상에 분배되었을 때 분배 계수 K는 다음과 같이 표현할 수 있다.

A(org) ↔ A(aq)
K=[A]org/[A] aq

여기에서 [A]aq는 수용액 상에 녹아 있는 분석 물질의 농도이고, [A]org는 유기 용매상에 녹아 있는 분석 물질의 농도이다. 따라서 분배 계수가 크다는 것은 분석 물질이 유기 용매에 더 많이 포함되어 있다는 것을 의미한다. 액체-액체 추출법에서 수용액 중에 함유된 분석 물질을 유기 용매로 추출한다는 것은 분배 계수 K를 높여서 유기용매상으로 분석 물질을 옮긴다는 것이다.

분배 계수는 분석 물질이 분배될 때의 평형 상수에 해당며, 두 상 간의 접촉 표면적을 증가시키면 평형에 도달하는 시간은 빨라지기 때문에 교반을 시켜주는 경우가 많이 있다.

한편 수용액 중에 함유된 분석 물질을 유기 용매를 사용하여 추출한다고 하였을 때 수용액의 부피를 Vaq mL, 유기 용매의 부피를 Vorg mL라고 하고, 분석 물질 A의 몰수를 m, 평형 상태에서 추출되지 않고 수용액에 남아 있는 분율을 q라 하면, 유기 용매로 추출된 분율은 (1-q)가 된다.

수용액에 분배된 분석 물질의 몰농도(molarity, M)는 용액 1 L에 들어 있는 용질의 몰수로, M=용질의 몰수(m)/용액 1 L이므로 q*m/Vaq이 되며, 유기 용매에 추출된 분석 물질의 몰농도는 {(1-q)*m/Vorg}/q*m/Vaq가 된다.

액체-액체 추출법에서는 두 상 혹은 세 상으로 물질들을 분배시킴으로써 추출이나 정제를 할 수 있다. 이를 위해서는 사용되는 유기 용매들과 수용액이 섞이지 않아야 한다.

여기서는 두 상을 중심으로 설명하고자 하는데, 수용액이 한 개의 상이고 다른 상은 유기 용매인 경우이다. 유기 용매 층이 아래로 가라앉게 되는 것들도 있다. 물보다 가벼운 용매로는 다이에틸 에터, 헥세인, 톨루엔 등이 있으며, 물보다 무거운 용매로는 다이클로로 메테인, 클로로폼 등이 있다.

따라서 사용되는 추출 용매에 따라 추출 도구가 달라져야 한다. 예를 들어 물보다 가벼운 추출 용매를 사용할 경우에는 일반적인 시험관에서 추출한 후 위층에 있는 유기 용매를 스포이트 등을 사용하여 새로운 시험관으로 옮긴다.

또는 원심분리 후에 -20도 이하의 저온에 시험관을 몇 분 정도 방치하면 어는점의 차이로 인하여 아래층에 있는 수용액은 얼게 되고, 위층에 있는 유기 용매는 얼지 않기 때문에 시험관을 기울여서 다른 시험관으로 추출 용매를 옮기는 방법 등을 사용하기도 한다.

하지만 물보다 무거운 추출 용매를 사용할 경우에는 유기 용매가 아래층으로 가라앉게 되므로 분별 깔때기를 사용하여 아래층에 있는 유기 용매를 따라내는 방법을 택하는 것이 편리하다.