KR100810427B1 - 다공성 실리카와 기능성 고분자로 구성된 새로운 기능성복합체 및 이를 이용한 액티나이드 캡슐 또는 핵분열생성물질 캡슐 - Google Patents

다공성 실리카와 기능성 고분자로 구성된 새로운 기능성복합체 및 이를 이용한 액티나이드 캡슐 또는 핵분열생성물질 캡슐 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다공성 실리카와 기능성 고분자로 구성된 새로운 기능성 복합체 및 이를 이용한 액티나이드 캡슐 또는 핵분열 생성물질 캡슐에 관한 것으로, 구체적으로는 다공성 실리카 모체와, 상기 다공성 실리카 모체에 강하게 흡착되어 있는 카복시기(R-COO-) 또는 질소(N) 중 어느 하나 또는 이들 모두를 도너그룹으로 갖는 기능성 유기 고분자 또는 카복시기와 질소 도너그룹을 동시에 갖는 기능성 유기 단분자를 포함하여 구성되는 기능성 복합체 및 이를 이용한 액티나이드 캡슐 또는 핵분열 생성물질 캡슐에 대한 것이다. 본 발명에 의하면 기능성 복합체는 금속이온과 직접적으로 결합하는 기능성 고분자를 모체 위에 대량으로 위치하게 할 수 있기 때문에 복합체의 분리 특성을 크게 향상시키고, 특히 우라늄과 같은 방사성 물질의 이동차단, 분리 및 회수에 적용할 수 있다. 나아가 이를 이용한 액티나이드 캡슐은 질량분광분석(mass spectroscopy), 레이져유도플라즈마분석(laser induced plasma spectroscopy) 및 핵분열자취분석(fission track analysis)의 액티나이드 담지 표준물질로 유용하게 사용할 수 있다.
다공성 실리카, 폴리에틸렌이민, 액티나이드, 핵분열 생성물질, 우라늄, 복합체, 흡착, 분리, 기능성 고분자

Description

다공성 실리카와 기능성 고분자로 구성된 새로운 기능성 복합체 및 이를 이용한 액티나이드 캡슐 또는 핵분열 생성물질 캡슐{New functional composites comprising porous silica-based material and functional polymer and actinide capsules thereof}
도 1은 본 발명의 메조기공 실리카기반 기능성 복합체 및 활성탄기반 고분자 복합체 위에서의 우라늄 흡착 등온선을 나타낸 그래프이고,
도 2는 본 발명의 우라늄 캡슐의 안정성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다공성 실리카와 기능성 고분자로 구성된 새로운 기능성 복합체 및 이를 이용한 액티나이드 캡슐 또는 핵분열 생성물질 캡슐에 관한 것이다.
종래, 수용액 중의 중금속 또는 액틴족 원소를 포함하는 방사성 물질을 분리하기 위해 실리카, 지르코니아 등과 같은 세라믹 물질 또는 유기고분자나 유기수지 등과 같은 유기물질을 모체(matrix)로 하고, 상기 모체 위에 기능성 고분자를 도입한 다양한 복합체에 관한 연구가 활발하게 진행되어왔다. 이를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, M. Chanda 등은 실리카 위에 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)을 코팅시켜 복합체를 제조함으로써, 1995년 당시의 기술수준에서 볼 때 한층 향상된 우라늄 분리특성을 나타냄을 보고한 바 있다(M. Chanda et. al., Reactive Polymers, vol. 25, pp. 25, 1995)
또한, D. Leroy 등은 폴리에틸렌이민 유도체를 폴리피롤(polypyrrole) 고분자와 결합시켜 복합체를 제조함으로써, 우라닐(uranyl) 이온을 분리하는데 적용한 바 있다(D. Leroy, et. al., J. Applied Polymer Science, vol. 88, pp. 352, 2003).
나아가, D. E. Bryant 등은 폴리아크릴로아미독심(polyacryloamidoxime) 수지를 실리카에 코팅하여 복합체를 제조함으로써, 또 다른 우라닐 이온을 분리하는 방법을 보고한 바 있다(D. E. Bryant, et. al., Environmental Science and Technology, vol. 37, pp. 4011, 2003).
또한, M. Ghoul 등은 가교 실리카(cross-linked silica) 표면을 폴리에틸렌이민으로 개질시켜 복합체를 제조하고, 이를 납, 아연, 카드늄, 니켈 등과 같은 중금속을 제거하는 데 적용한 바 있다(M. Ghoul, et. al., Water Research vol. 37, pp. 729, 2003).
나아가, F. Barbette 등은 폴리아자마크로싸이클릭 리간드 (polyazamacrocyclic ligand)를 공유결합을 통해 실리카에 도입하여 새로운 물질을 제조하고, 이를 우라닐 이온의 추출하는 데 적용한 바 있다(F. Barbette, et. al., Analytica Chimica Acta, vol. 502, pp. 179, 2004).
또한, K. A. Venkatesan 등은 아민, 아마이드, 벤즈아마이드기를 갖는 유기 단분자를 공유결합을 통해 실리카에 도입하여 실리카의 표면을 활성화시킨 후, 우라늄을 추출하는 데 적용한 바 있다(K. A. Venkatesan. et. al., J. Radioanalytical and Nuclear Chemistry, vol. 260, pp. 443, 2004)
그러나, 상술한 무기재료 또는 레진을 모체로 한 종래의 다양한 복합체들은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
첫째, 모체와 착물형성물질 간의 결합이 약해 착물형성물질이 수용액 상에서 용해되어 복합체의 안정성이 떨어진다는 점이다. 이 경우 단순한 여과공정으로는 용해된 기능성 고분자의 분리가 어렵게 되어 결과적으로 수용액에 있는 중금속이나 방사성물질을 완벽하게 제거할 수 없다는 문제가 있다.
둘째, 기존의 세라믹 또는 유기수지 모체는 비표면적이 낮고 기능성 고분자와의 결합이 약해 복합체 내의 기능성 고분자 함량을 증가시키는 것이 용이하지 않다는 문제가 있다. 이는 결과적으로 단위 무게당 금속 제거량이 낮다는 것을 의미한다.
한편, 미국특허출원 제2004-0122250호 및 국제공개특허 제WO 02/076991호에 서는 가스를 분리하는 데 적용할 수 있는 메조 기공 실리카-유기 단분자 혼성물질 제조방법을 개시하고 있다.
그러나, 상기 물질은 메조 기공 실리카를 사용하여 유기 단분자가 접촉할 수 있는 면적을 크게 한 반면 사용된 유기 리간드가 액티나이드계 이온의 분리에는 적합하지 않은 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 수용액 중의 액티나이드 제거용 복합체로서, 실리카와 기능성 고분자의 강한 결합을 통해 수용액에서 안정성이 탁월하고, 실질적으로 고분자가 접근할 수 있는 넓은 비표면적을 갖는 실리카를 사용함으로써 기능성 고분자의 함량을 증가시키고, 다양한 액티나이드 화학종과 강한 착물을 형성하는 킬레이팅 고분자(chelating polymer)를 사용함으로써 높은 흡착량과 단순한 분리공정으로 수용액 중의 액티나이드를 용이하게 제거할 수 있는 새로운 개념의 복합체 및 실리카-도너 그룹을 갖는 유기물-우라늄 복합물을 적절하게 표면처리하여 다양한 화학적 환경의 수용액 내에서 우라늄이 복합체로부터 용출되지 않도록 설계된 실리카 기반 액티나이드 캡슐을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 다양한 물리화학적 환경하의 수용액에서 높은 안정성 및 높은 금속이온 또는 방사성 물질 흡착성을 갖는 새로운 개념의 기능성 복합체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 기능성 복합체를 이용하여 수용액에서 안정성이 개선된 액티나이드 캡슐을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해,
본 발명은 먼저 다공성 실리카 모체와, 상기 다공성 실리카 모체에 강하게 흡착되어 있는 카복시기(R-COO-) 또는 질소(N) 중 어느 하나 또는 이들 모두를 도너그룹(donor group)으로 갖는 기능성 유기 고분자 또는 카복시기와 질소 도너그룹을 동시에 갖는 기능성 유기 단분자를 포함하여 구성되는 기능성 복합체를 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 수용액 중의 중금속 및 방사성 물질을 흡착·분리하기 위한 기능성 복합체를 포함한다.
구체적으로, 본 발명은 다공성 실리카 모체(matrix)와, 상기 다공성 실리카 모체에 강하게 흡착되어 있는 카복시기(R-COO-) 또는 질소(N) 중 어느 하나 또는 이들 모두를 도너그룹(donor group)으로 갖는 기능성 유기 고분자 또는 카복시기와 질소 도너그룹을 동시에 갖는 기능성 유기 단분자를 포함하여 구성되는 기능성 복합체를 포함한다.
상기 다공성 실리카는 수용액 중에서 많은 양의 금속을 분리하기 위해 보다 큰 비표면적을 제공하여 더욱 많은 고분자와 흡착할 수 있어야 하므로 2 내지 50 nm 범위의 크기의 메조기공을 갖는 다공성 실리카인 것이 바람직하다. 상기 기공의 크기가 2 nm 미만이면 고분자가 실리카 내부까지 도달하지 못하게 되고, 50 nm를 초과하면 비표면적이 작아져 고분자 함량을 높이려는 효과가 저하된다. 그러나, 본 발명에 있어서, 상기 다공성 실리카는 반드시 메조기공 실리카에만 국한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 상기 다공성 실리카 모체란 기능성 고분자와의 강한 결합으로 인해 수용액 중에서 안정성이 탁월하고, 실질적으로 고분자가 접근할 수 있는 넓은 비표면적을 가진 다공성 물질로, 기능성 고분자의 담지량을 현저히 높이기 위해, 규칙적인 기공구조의 실리카 및 비규칙적인 기공구조의 실리카, 이들의 유도체, 이들의 혼합물 등을 바람직하게 선택할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 기능성 유기 고분자는 카복시기(R-COO-) 또는 질소(N) 중 어느 하나 또는 이들 모두를 도너그룹(donor group)으로 갖는 물질로서, 예를 들면 이민계 고분자, 음이온계 폴리아민(anionic polyamine), 아크릴계 고분자, 비닐계 고분자, 니트릴계 고분자, 이들의 혼합물, 이들의 유도체 등을 들 수 있다.
구체적으로, 상기 실리카 모체와 강한 결합을 형성할 수 있는 도너그룹을 가진 상기 기능성 유기 고분자로는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine), 카복시메틸 레이티드 폴리에틸렌이민(carboxymethylated polyethyleneimine), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리아크릴산(poly(acrylic acid)), 폴리비닐알콜(poly(vinyl alcohol)), 폴리이미노아세트산(poly(iminoacetic acid)), 폴리에틸렌이민 아세트산(polyethyleneimine acetic acid), 이들의 혼합물, 이들의 유도체 등이 바람직하며, 이들 중에서 카복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민 또는 폴리에틸렌이민 아세트산이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 기능성 유기 단분자에 있어서, 상기 기능성 유기 단분자는 금속이온과 착물을 형성하는 카복실기(R-COO-)와 질소(N) 도너그룹(donor group)을 동시에 갖는 것으로서, 예를 들면 니트릴로트리아세트산(nitrilotriacetic acid), 에틸렌디아민테트라아세트산(ethylenediaminetetraacetic acid), 디에틸렌트리아민펜타아세트산(diethylenetriaminepentaacetic acid), 하이드록시에틸에틸렌디아민트리아세트산(hydroxyethylethylenediaminetriacetic acid) 및 메틸글리신디아세트산(methylglycinediacetic acid), 이들의 혼합물, 이들의 유도체 등을 바람직하게 선택할 수 있다.
상기 기능성 복합체는 다공성 실리카 모체와 기능성 유기 고분자 또는 기능성 유기 단분자 간의 결합을 강화하는 역할을 하는 한 가지 이상의 결합제를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 결합제로는 예를 들면, 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 폴 리비닐리덴 풀루오라이드(polyvinylidene fluoride), 폴리헥사풀루오로프로필렌(polyhexafluoropropylene), 폴리에틸 아크릴레이트(polyethyl acrylate), 폴리테트라풀루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 이들의 혼합물, 이들의 유도체 등을 바람직하게 선택할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 기능성 복합체 및 상기 기능성 복합체의 다공성 실리카 표면에 기능성 유기 고분자 또는 기능성 유기 단분자와 화학적으로 결합하는 액티나이드를 포함하여 구성되는 액티나이드 캡슐을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 액티나이드 캡슐은 액티나이드 이온, 다공성 실리카, 기능성 고분자를 주성분으로 하고 상호 간에 단순 혼합이 아닌 화학적 결합을 바탕으로 하는 새로운 개념의 실리카-고분자-액티나이드 복합물질이다.
상기 액티나이드 캡슐에 있어서, 상기 캡슐을 구성하는 기능성 복합체 및 이를 구성하는 기능성 유기 고분자 또는 기능성 유기 단분자, 결합제 등을 상술한 본 발명에 따른 기능성 복합체 및 그 구성요소를 그대로 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 액티나이드 화학종은 토륨(Th), 우라늄(U), 넵투늄(Np), 플로토늄(Pu), 아메리슘(Am) 및 퀴륨(cm) 등의 액틴족 원소에서 선택할 수 있다.
본 발명에 따른 상기 액티나이드 캡슐은 다공성 실리카-고분자 복합체에 액티나이드 화학종 예를 들면, 우라늄 등을 흡착시킨 후 건조시키고, 상기 복합체 표면을 상술한 결합제로 코팅하여 실리카-고분자-액티나이드 형태로 캡슐화된 것으로서, 흡착된 우라늄이 용출되지 않도록 형성된다.
나아가, 본 발명은 상기 기능성 복합체 및 상기 기능성 복합체에 다공성 실리카 표면의 기능성 유기 고분자 또는 기능성 유기 단분자와 화학적으로 결합하는 핵분열 생성물질을 포함하여 구성되는 핵분열 생성물질의 캡슐을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 핵분열 생성물질은 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra) 및 하프늄(Hf) 등에서 선택할 수 있다.
상기 핵분열 생성물질의 캡슐은 다공성 실리카-고분자 복합체에 핵분열 생성물질을 흡착시킨 후 건조시키고, 상기 복합체 표면을 상술한 결합제로 코팅하여 실리카-고분자-핵분열 생성물질의 형태로 캡슐화된 것으로서, 흡착된 핵분열 생성물질이 용출되지 않도록 형성된다.
또한, 본 발명은 기능성 유기 고분자 수용액을 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 기능성 유기 고분자 수용액에 실리카를 첨가하여 반응시키는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2의 용액을 여과 및 세척하여 기능성 복합체를 얻는 단계(단계 3)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기능성 복합체의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 새로운 개념의 기능성 복합체 및 이를 이용한 액티나이드 캡슐의 제조방법을 상세하게 설명한다.
상기 새로운 개념의 복합체는 기능성 유기 고분자를 먼저 물에 녹인 후 pH를 조절한다. 모든 pH에서 제조될 수 있지만 일반적으로 pH 7 이하의 범위에서 실리카를 천천히 고분자 용액에 넣으면서 혼합용액을 이틀 이상 교반하면서 반응을 시킨다. 반응이 종결되면 혼합용액을 여과한 후 모체에 약하게 결합된 고분자를 제거하기 위해 과량의 물로 씻어내면 생성물인 본 발명의 기능성 복합체를 제조할 수 있다.
이렇게 제조된 상기 기능성 복합체에 액티나이드 화학종 예를 들면, 우라늄 등을 흡착시킨 후 건조시키고 결합제를 코팅하여 캡슐화를 유도함으로써 본 발명의 액티나이드 캡슐을 제조할 수 있다.
나아가, 본 발명은 기능성 유기 고분자 수용액을 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 기능성 유기 고분자 수용액에 실리카를 첨가하여 반응시키는 단계(단계 2); 상기 단계 2의 용액을 여과 및 세척하여 기능성 복합체를 얻는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3의 기능성 복합체를 캡슐화하는 단계(단계 4)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액티나이드 캡슐 또는 핵분열 생성물질 캡슐의 제조방 법을 제공한다.
상기 액티나이드 캡슐 또는 핵분열 생성물질 캡슐의 제조방법의 단계 4에서 상기 기능성 복합체의 캡슐화로는 첫째, 복합물질 자체를 적절한 열처리를 통해 고분자를 변형시키는 방법, 둘째, 결합제 재료로 사용하는 고분자를 사용하여 복합재료 표면을 코팅하는 방법, 셋째, 특정 유기물 또는 무기물과 반응시켜 기공구조를 틀어막는 방법에 의해서 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 액티나이드 캡슐 또는 핵분열 생성물질 캡슐은 상기 캡슐화 방법을 적용하여 제조될 수 있으나, 바람직하게는 상기 두 번째 방법인 결합제 재료로 사용하는 고분자를 사용하여 복합재료 표면을 코팅하는 방법을 이용하여 기능성 복합체를 캡슐화할 수 있다. 이 경우, 상기 고분자로는 폴리비닐피롤리돈, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐알콜, 폴리비닐리덴디플루오라이드 등과 같은 불소계 고분자, 폴리부타디엔, 아크릴계 고분자, 프로필렌계 고분자, 에틸렌계 고분자, 이들의 혼합물, 이들의 유도체 등을 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것인 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1> 메조기공 실리카를 이용한 기능성 복합체의 제조
카르복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민(100 mg)을 포함하고 있는 수용액에 평균기공크기 4 nm의 메조기공 실리카(25 mg)를 pH 3에서 천천히 가하여 48시간 동안 교반하면서 반응시켰다. 이때 혼합 용액의 pH는 1 M 염산으로 조절하였고 이온세기는 0.1 M NaNO3로 조절하였다. 반응종결 후 여과하고 실리카에 약하게 결합된 카르복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민을 제거하기 위해 과량의 물로 씻어내어 기능성 복합체를 얻었다.
여과 후 용액 중에 남아있는 카르복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민의 양을 총유기탄소분석기(total organic carbon(TOC) analyzer)로 분석하여 초기 투입량에서 남아있는 양을 뺌으로써 복합체 내의 폴리에틸렌이민의 양을 결정한 결과 32 mg의 폴리에틸렌이민이 상기 실리카에 흡착되고, 결과적으로 카르복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민의 함량이 56 질량%로 포함된 기능성 복합체를 얻었다.
<실시예 2> 액티나이드 캡슐의 제조
카르복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민(100 mg)을 포함하고 있는 수용액에 평균기공크기 4 nm의 메조기공 실리카(25 mg)를 pH 3에서 천천히 가하여 48시간 동안 교반하면서 반응시켰다. 이때 혼합 용액의 pH는 1 M 염산으로 조절하였고 이온세기는 0.1 M NaNO3로 조절하였다. 반응종결 후 여과하고 실리카에 약하게 결합된 고분자를 제거하기 위해 과량의 물로 씻어내어 기능성 복합체를 얻었다.
상기 기능성 복합체를 증류수에 분산시킨 후 0.5 M 수산화나트륨을 사용하여 pH 5로 조절하고, 우라늄(20 mg)을 천천히 가한 후 48시간 동안 우라늄 흡착반응을 시켜 우라늄 복합체를 얻었다. 이때, 우라늄 용액은 UO2(NO3)2(머크사 제조)를 물에 녹여 제조한 것을 사용하였다.
상기 우라늄 복합체를 폴리비닐피롤리돈으로 코팅하므로써 캡슐화를 유도하여 액티나이드 캡슐을 얻었다.
<실시예 3> 핵분열 생성물질 캡슐의 제조
우라늄 대신 라듐을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 같은 방법으로 핵분열 생성물질 캡슐을 제조하였다.
<비교예 1> 활성탄을 이용한 복합체의 제조
메조기공 실리카를 이용한 기능성 복합체와 비교하기 위하여 활성탄을 이용한 복합체를 제조하였다.
카르복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민(100 mg)을 포함하고 있는 수용액에 활성탄(F400, Calgon Carbon Co., USA - 25 mg)을 pH 5에서 천천히 가하여 48시간 동안 교반하였다. 모체 물질로 메조기공 실리카 대신에 활성탄을 이용하여 실시예 1과 동일한 조건으로 복합체를 제조하였다.
여과 후 용액 중에 남아있는 카르복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민의 양을 총유기탄소분석기(total organic carbon(TOC) analyzer)로 분석하여 초기 투입량에 서 남아있는 양을 뺌으로써 복합체 내의 폴리에틸렌이민의 양을 결정한 결과 6.5 mg의 폴리에틸렌이민이 상기 실리카에 흡착되고, 결과적으로 카르복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민의 함량이 21 질량%로 포함된 복합체를 얻었다.
<실험예 1> 우라늄 흡착량에 미치는 pH 효과 측정 실험
우라늄 흡착량에 미치는 pH 효과를 알아보기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
실험예 1-1
실시예 1의 복합체를 증류수에 분산시킨 후 0.5 M 수산화나트륨을 사용하여 pH를 4로 조절하였다. 우라늄(20 mg)을 천천히 가한 후 48시간 동안 우라늄 흡착반응을 시켰다. 이때, 우라늄 용액은 UO2(NO3)2(머크사 제조)를 물에 녹여 제조한 것을 사용하였다. 흡착반응이 완료된 후 여과하고 상기 기능성 복합체에 약하게 결합된 우라늄을 제거하기 위해 과량의 물로 씻어내어 우라늄 복합체를 얻었다.
여과 후 용액에 남아있는 우라늄의 양을 유도결합 플라즈마분광법(inductively coupled plasma spectroscopy)으로 정량함으로써 흡착된 우라늄의 양을 결정하였다. 상기 제조된 복합체의 우라늄 최대 흡착량을 측정하고 그 결과를 표 1에 정리하였다.
실험예 1-2
우라늄 흡착실험을 pH 5에서 수행한 것을 제외하고 실험예 1-1과 동일한 방 법으로 우라늄 최대 흡착량을 측정하고 그 결과를 표 1에 정리하였다.
실험예 1-3
활성탄기반 기능성 복합체의 우라늄 흡착 정도를 알아보기 위하여 비교예 1의 복합체를 사용하여 pH 4에서 실험예 1-1과 동일한 방법으로 우라늄 최대 흡착량을 측정하고 그 결과를 표 1에 정리하였다.
실험예 1-1 실험예 1-2 실험예 1-3
복합체 내 고분자 함량 56 질량% 56 질량% 21 질량%
우라늄 흡착량 (우라늄mg/실리카g) 205 275 32
표 1에 나타난 바와 같이, 실험예 1-1 및 1-2에 사용된 본 발명의 실시예 1에 따른 기능성 복합체 내의 고분자 함량은 56 질량%인 반면, 실험예 1-3에 사용된 비교예 1에 따른 활성탄기반 복합체 내의 고분자 함량은 21 질량%로 나타났다. 이로부터 본 발명에 의해 고분자 함량이 크게 증가된 기능성 복합체를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 기능성 복합체의 우라늄 흡착량은 실험예 1-1 및 1-2의 결과를 살펴보면 pH가 4에서 5로 증가함에 따라 크게 증가함을 알 수 있다. 나아가, 실험예 1-1 및 1-3의 결과를 살펴보면 본 발명에 따른 메조기공 실리카기반기능성 복합체는 비교예 1에 따른 활성탄기반 복합체에 비하여 동일한 pH 조건에서 약 6 배 이상으로 우라늄을 흡착시킬 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 2> 다양한 농도의 우라늄 흡착 실험
우라늄 흡착량에 미치는 농도 효과를 알아보기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
다양한 우라늄 농도에서 실시예 1의 복합체를 이용하여 pH 5에서 흡착실험을 수행하였다. 이온 세기는 0.1M NaNO3로 조절하였다. 복합체에서 일어나는 우라늄의 흡착 등온선(adsorption isotherm) 데이터를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타난 바와 같이, Ce는 평형에서 용액 중에 있는 우라늄 농도를 의미하고, qe는 평형에서 복합체에 흡착된 우라늄의 흡착량을 의미한다. 편의상 실리카 질량 대비 우라늄 흡착량을 표시하였다. 우라늄의 흡착 등온선은 우라늄의 농도가 증가할 때 포물선적으로 증가함을 확인할 수 있다.
<실험예 3> 액티나이드 캡슐의 안정성 측정 실험
실시예 2에서 얻은 우라늄 캡슐을 증류수에 분산시킨 후 용해된 우라늄의 양을 시간에 따라 측정하였다. 우라늄 캡슐의 안정성을 측정한 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 상당한 시간의 경과에도 불구하고 우라늄이 거의 용출되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 본 발명에 따른 우라늄 캡슐은 안정성 면에서 우수함을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 기능성 복합체는 금속이온과 직접적으로 결합하는 기능성 고분자를 모체 위에 대량으로 위치하게 할 수 있기 때문에 복합체의 분리 특성을 크게 향상시키고, 특히 우라늄과 같은 방사성 물질의 이동차단, 분리 및 회수에 적용할 수 있다. 나아가 이를 이용한 액티나이드 캡슐은 질량분광분석(mass spectroscopy), 레이져유도플라즈마분석(laser induced plasma spectroscopy) 및 핵분열자취분석(fission track analysis)의 액티나이드 담지 표준물질로 유용하게 사용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 다공성 실리카 모체와, 상기 다공성 실리카 모체에 강하게 흡착되어 있는 카복시기(R-COO-) 또는 질소(N) 중 어느 하나 또는 이들 모두를 도너그룹으로 갖는 기능성 유기 고분자 또는 카복시기와 질소 도너그룹을 동시에 갖는 기능성 유기 단분자를 포함하여 구성되는 기능성 복합체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 실리카는 평균기공크기가 2 내지 50 nm 범위인 메조기공 실리카인 것을 특징으로 하는 기능성 복합체.
  3. 제2항에 있어서, 상기 메조기공 실리카는 규칙적인 기공구조의 실리카 및 비규칙적인 기공구조의 실리카, 이들의 유도체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 기능성 복합체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도너그룹을 갖는 기능성 유기 고분자는 이민계 고분자, 음이온계 폴리아민, 아크릴계 고분자, 비닐계 고분자, 니트릴계 고분자, 이들의 혼합물 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것 을 특징으로 하는 기능성 복합체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기능성 유기 고분자는 폴리에틸렌이민, 카복시메틸레이티드 폴리에틸렌이민, 폴리우레탄, 폴리아크릴산, 폴리비닐알콜, 폴리이미노아세트산, 폴리에틸렌이민 아세트산, 이들의 혼합물 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 기능성 복합체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기능성 유기 단분자는 니트릴로트리아세트산, 에틸렌디아민테트라아세트산, 디에틸렌트리아민펜타아세트산, 하이드록시에틸에틸렌디아민트리아세트산, 메틸글리신디아세트산, 이들의 유도체 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 기능성 복합체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기능성 복합체는 다공성 실리카 모체와 기능성 유기 고분자 또는 기능성 유기 단분자 간의 결합을 강화하는 결합제를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 기능성 복합체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 결합제는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐리덴 풀루오라이드, 폴리헥사풀루오로프로필렌, 폴리에틸 아크릴레이트, 폴리테트라풀루오로에틸렌, 폴리비닐 클로라이드, 폴리아크릴로니트릴, 이들의 혼합물 및 이들의 유도체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 기능성 복합체.
  9. 제1항의 기능성 복합체 및 상기 기능성 복합체에 다공성 실리카 표면의 기능성 유기 고분자 또는 기능성 유기 단분자와 화학적으로 결합하는 액티나이드를 포함하여 구성되는 액티나이드 캡슐.
  10. 제9항에 있어서, 상기 액티나이드 화학종은 토륨, 우라늄, 넵투늄, 플로토늄, 아메리슘 및 퀴륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 액티나이드 캡슐.
  11. 제1항의 기능성 복합체 및 상기 기능성 복합체에 다공성 실리카 표면의 기능성 유기 고분자 또는 기능성 유기 단분자와 화학적으로 결합하는 핵분열 생성물질을 포함하여 구성되는 핵분열 생성물질 캡슐.
  12. 제11항에 있어서, 상기 핵분열 생성물질은 세슘, 스트론튬, 바륨, 라듐 및 하프늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 핵분열 생성물질 캡슐.
  13. 기능성 유기 고분자 수용액을 제조하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 기능성 유기 고분자 수용액에 실리카를 첨가하여 반응시키는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2의 용액을 여과 및 세척하여 기능성 복합체를 얻는 단계(단계 3)
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 제1항의 기능성 복합체의 제조방법.
  14. 기능성 유기 고분자 수용액을 제조하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 기능성 유기 고분자 수용액에 다공성 실리카를 첨가하여 반응시키는 단계(단계 2);
    상기 단계 2의 용액을 여과 및 세척하여 기능성 복합체를 얻는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3의 기능성 복합체를 캡슐화하는 단계(단계 4)
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 제9항의 액티나이드 캡슐의 제조방법.
  15. 기능성 유기 고분자 수용액을 제조하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1의 기능성 유기 고분자 수용액에 다공성 실리카를 첨가하여 반응시키는 단계(단계 2);
    상기 단계 2의 용액을 여과 및 세척하여 기능성 복합체를 얻는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3의 기능성 복합체를 캡슐화하는 단계(단계 4)
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 제11항의 핵분열 생성물질 캡슐의 제조방법.
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KR20050022259A (ko) * 2003-08-27 2005-03-07 한국과학기술원 신규한 나노다공성 유기고분자 복합체 물질 및 이의 제조방법과 촉매에의 응용
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