1. 물에 대한 가스의 용해도

  (1) 헨리의 법칙을 따르는 경우: 비교적 용해하기 힘든 가스에 대해서는 보통 헨리의 법칙이 성립한다. 이 법칙은 보통 다음과 같은 식으로 나타난다.

 p=Ex

x는 액체 상태에서 용질가스이 몰분율, p는 이 액체와 평형한 기체상태의 용질가스의 분압[atm]이다. 그리고 E는 헨리정수[atm/몰분율]로서 용해도가 낮은 가스일수록 값이 크다. 흡수조작의 계산에서는 용질가스의 기체-액체 조성을 나타내는데, 분압과 액체 농도 C[kg mol/m3] 또는 기체상태의 몰분율y와 액체 상태의 몰분율을 사용하는 경우가 많다. 이와 같은 경우에 헨리의 법칙은 각각 다음과 같이 표시한다.

p=HC, y=mx

H[atm m3/kg mol] 및 m[-]가 각각 헨리정수가 된다. 또한 헨리정수 E,H,m 상호간에 다음의 관계가 성립한다.

E=ρMH=πm

단, ρM은 액체상태의 몰밀도[kg mol/m3], π는 기체상태의 전체압력[atm]이다. 일반적으로 E는 온도상승과 함께 등대하는데, 80~1000℃에서 최대값에 도달하고 그 이후에는 감소한다. 비교적 용해도가 낮은 가스라 할지라도 전체 압력이 수기압(약 5atm)이상, 부분 압력이 약 1atm 이상 되면 헨리의 법칙을 따르지 않는다.

(2) 헨리의 법칙을 따르지 않는 경우: 용해도가 큰 가스는 보통 헨리의 법칙을 따르지 않는다. NH3, Cl2, SO2 등의 물에 대한 용해도가 그 예이다. 이와 같은 가스는 물 속에서 해리되어 그 대부분 또는 일부분이 이온이 되는데 액체 상태로 존재하는 미해리가스의 농도와 기체 상태의 가스전체압력 사이에서는 헨리의 법칙이 성립한다고 한다. SO2-물 계에 관해서는 많은 학자의 용해도 데이터를 정리, 검토하여 p > 0.025 atm의 가스압 범위에서는 다음 실험식이 성립한다고 알려져 있다.

A, b는 모두 절대온도 T[K]만의 함수이며다음 식으로 구해진다.

2. 물에 대한 유기 액체 증기의 용해도: 물에 대한 유기 액체 증기의 용해도는 원칙적으로 정온 하에서 측정된 2성분 계의 기체-액체 평형자료를 이용하여 구해진다. 그러나 이와 같은 정온에서의 기체-액체 평형자료는 기체와 액체의 온도가 비교적 높은 조건하에서 얻어지는 경우가 대부분이며, 가스흡수에서 필요한 저농도에서의 실측값은 극히 적다. 아세톤, 메탄올, 에탄올 등의 증기와 물과의 기체-액체 평형에 관한 기존의 실측값을 정리, 검토하여 증기 분압과 액체 상태의 몰분율과의 관계를 온도를 변수로 하여 나타낼 수 있다. 이와 같은 증기의 저농도 범위에서의 평형 관계로는 헨리의 법칙이 성립하고 헨리정수 값은 다음의 실험식에서 계산할 수 있다.

아세톤 증기 (x<0.01, t=15～450℃) : log E = 7.165-(2040/T)

메탄올 증기 (x<0.01, t=10～500℃) : log E = 5.478-[1550/(t+230)]

에탄올 증기 (x<0.01, t=20～800℃) : log E = 7.580-(2390/T)

3. 물 이외의 순수액체에 대한 가스의 용해도: 물 이외의 순수액체에 대한 가스의 용해도에 관해서는 주로 다음 표에서 정리한 용질가스와 용매의 짝지움에 대해 용해도가 실측되고 있다.

y = Kx

여기서 x,y는 각각 액체 상태, 기체 상태의 몰분율이다. 전체 압력이 그다지 높지 않을 때에는 K값은 온도, 압력만으로 정해지고 조성에는 거의 관여하지 않는다. Raoult의 법칙 및 Dalton의 법칙이 성립할 경우, K값은 다음과 같은 식으로 구해진다.

 여기에서 π는 전체압력, pv는 순수상태에서의 증기압을 나타낸다. 전체압이 수 기압까지 비교적 저압력일 때에는 이 식에 의한 K값의 계산값이 실측값과 대략 일치하지만 전체압력이 높아짐에 따라 점차 일치하지 않게 된다.

5. 염류 수용액에 대한 가스의 용해도: 보통 염류 수용액의 가스에 대한 용해도는 순수한 물에 대한 용해도보다 작다. 이 현상은 염류효과로 알려져 있으며 염류가 전해질인 경우에는 염류수용액에 대한 용해도 C, 순수한 물에 대한 용해도 Cw 및 염류수용액의 이온강도I[kg-mol/m3]의 사이에는 다음의 관계가 성립한다.

I에 대한 식 중 Ci,zi는 각각 수용액 속에 있는 이온의 농도와 이온가이다. 또 ks[m3/kg mol]는 염류효과계수이며 전해질이나 용질가스의 종류, 온도에 따라 변화하는 값이다. ks의 값은 van Krevelen들이 부여한 다음 식으로 계산할 수 있다.

여기서 ig,i+,i-는 각각 용질가스, 액체 속의 양이온, 음이온의 종류에 따라 정해지는 값이다. 물에 비전해질이 첨가되는 경우에도 보통 가스의 용해도는 저하된다. 이때의 용해도는 비전해질의 농도 Cs[kg mol/m3]가 2가이면 다음 식으로 구할 수 있다.

ks'[m3/kg mol]의 값은 비전해질의 종류만으로 정해지며 가스의 종류, 온도에는 거의 관계하지 않는다. 그리고 비전해질의 분자량과 함께 증가한다.

6. 화학반응을 수반하는 경우 가스의 용해도: CO2-NaOH수용액계나 NH3-H2SO4 수용액 계와 같이 액체 속에 용해한 용질가스와 액체 속의 반응용질과의 사이에 사실상 비가역 반응으로 간주되는 반응이 일어나는 경우에는 용질 가스의 평형 가스 분압을 0으로 생각해도 무방하다. 그러나 CO2-NaOH 수용액 계나 H2S-NH3 수용액 계와 같이 용해가스와 액체 속의 반응용질과의 반응이 가역반응일 경우에는 기체상 속의 용질가스는 액체의 조성이나 온도 등으로 정해지는 일정한 평형분압을 나타낸다.