KR101169523B1 - Method for preparing metal nanoparticles using biomass - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오매스 표면에 흡착된 금속이온을 바이오매스로 환원시켜 금속나노입자를 생성시키는 금속 나노입자의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 바이오매스를 통한 금속이온의 흡착과 바이오매스 표면 또는 내부에 존재하는 환원물질에 의해 금속이온을 환원시키므로 별도의 환원제 등 화학물질을 사용하지 않아 친환경적, 경제적 및 인체에 무해한 방법으로 금속나노 입자를 제조할 수 있다.The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles that produce metal nanoparticles by reducing metal ions adsorbed on a surface of biomass to biomass. In the present invention, since metal ions are reduced by adsorption of metal ions through biomass and reducing substances present on the surface or inside of biomass, metal nanoparticles are not eco-friendly, economical and harmless to humans without using chemicals such as reducing agents. Particles can be prepared.
Description
본 발명은 바이오매스를 이용한 금속 나노입자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오매스 표면에 흡착된 금속이온을 바이오매스로 환원시켜 금속나노입자를 생성시키는 금속 나노입자의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles using biomass, and more particularly to a method for producing metal nanoparticles by reducing metal ions adsorbed on the surface of biomass to biomass to produce metal nanoparticles. .
금속 나노입자는 물리적 방법 또는 화학적 방법으로 제조되어 왔으나 물리적 방법은 고가의 장비를 필요로 하고, 화학적 방법에서는 전자공여체 및 유기용매의 유독성으로 인한 후처리 공정이 필요하다. Metal nanoparticles have been manufactured by physical or chemical methods, but physical methods require expensive equipment, and chemical methods require post-treatment processes due to the toxicity of electron donors and organic solvents.
한편, 각국에서는 유가(有價) 자원으로서의 금속의 가치가 증가할 뿐만 아니라 자연환경에 방출되는 유독성 금속들의 생태학적 영향에 대한 우려가 커짐에 따라 폐수, 지하수, 토양 또는 폐기물에서 금속을 제거, 회수하는 연구가 활발히 수행되고 있다. 기존 중금속 폐수의 처리방법으로는 산화/환원법, 응집침전법, 흡착, 이온교환법, 전기분해법, 중화법, 추출법 등이 있는데 응집침전법과 이온교환수지법이 가장 많이 쓰여지고 있으나, 이들 공정들은 특히 용액 내에 1~100㎎/L 정도의 금속들이 함유되어 있을 때에는 비효율적이거나 비용이 아주 비싼 단점이 있다(Water Treatment Principles and Design, John Wiley and Sons, 1985).On the other hand, countries not only increase the value of metals as oil resources but also raise the concern about the ecological effects of toxic metals released into the natural environment, which removes and recovers metals from wastewater, groundwater, soil or waste. Research is being actively conducted. Conventional methods of treating heavy metal wastewater include oxidation / reduction method, flocculation sedimentation method, adsorption, ion exchange method, electrolysis method, neutralization method, extraction method, etc. The flocculation sedimentation method and ion exchange resin method are most commonly used, but these processes are particularly used in solution. When metals in the range of 1 to 100 mg / L are contained, they are inefficient or very expensive (Water Treatment Principles and Design, John Wiley and Sons, 1985).
활성탄소를 이용한 흡착기술이 유가금속 회수에 전망이 있어 보이지만, 필요한 탄소를 준비하는데 많은 비용이 든다. 한편, 미생물을 이용한 흡착방법은 미생물이 금속 접합부(metal-binding)를 가지고 있어 환경친화적이어서 다양한 연구가 진행되고 있다. 예를 들면, Thiobacillus sp.과 Cladosporium sp.을 이용한 은 이온의 바이오흡착에 대해 제시되었다(Pethkar et al.,2001). 또한, 많은 종류의 박테리아들이 유가금속의 이온형태를 0가의 나노입자로 환원시킨다는 사실이 알려져 있다. 하지만, 이러한 미생물들이 금속이온을 환원시켜 나노입자를 생성하는 메카니즘에 대한 정확한 규명은 아직까지 되어 있지 않다.
Adsorption technology using activated carbon looks promising in recovering valuable metals, but it is expensive to prepare the necessary carbon. Meanwhile, in the adsorption method using microorganisms, microorganisms have a metal-binding portion, which is environmentally friendly, and various studies are being conducted. For example, biosorption of silver ions using Thiobacillus sp. And Cladosporium sp. Has been suggested (Pethkar et al., 2001). It is also known that many kinds of bacteria reduce the ionic form of valuable metals to zero-valent nanoparticles. However, the exact mechanism by which these microorganisms reduce metal ions to produce nanoparticles is not known.
본 발명이 해결하고자 하는 하나의 기술적 과제는 바이오매스를 이용하여 폐수중의 금속이온을 흡착하고 이를 환원시켜 금속나노입자를 생성하는 방법을 제공하는 것에 있다.
One technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for generating metal nanoparticles by adsorbing and reducing the metal ions in the waste water using biomass.
본 발명의 하나의 양상은, 수용성 금속화합물과 세균 바이오매스의 혼합물을 교반하여 금속이온을 흡착시키는 단계, 상기 세균 바이오매스 표면에 흡착된 금속이온을 상기 세균 바이오매스로 환원시켜 금속나노입자를 생성시키는 단계를 포함하는 금속 나노입자 제조방법에 관계한다. One aspect of the invention, the step of adsorbing metal ions by stirring a mixture of a water-soluble metal compound and bacterial biomass, reducing the metal ions adsorbed on the surface of the bacterial biomass to the bacterial biomass to produce metal nanoparticles It relates to a method for producing metal nanoparticles comprising the step of.
본 발명의 다른 양상은 상기 방법에 의해 제조된 금속나노입자에 관계한다.
Another aspect of the invention relates to metal nanoparticles produced by the method.
본 발명은 바이오매스를 통한 금속이온의 흡착과 바이오매스 표면 또는 내부에 존재하는 환원물질에 의해 금속이온을 환원시키므로 별도의 환원제 등 화학물질을 사용하지 않아 친환경적, 경제적 및 인체에 무해한 방법으로 금속나노 입자를 제조할 수 있다.
In the present invention, since metal ions are reduced by adsorption of metal ions through biomass and reducing substances present on the surface or inside of biomass, metal nanoparticles are not eco-friendly, economical and harmless to humans without using chemicals such as reducing agents. Particles can be prepared.
도 1은 세균 바이오매스가 수용액 중에 존재할 때의 주요 작용기의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 금속나노입자 생성단계를 거친 활성화된 세균 바이오매스(a)와 비활성화된 바이오매스(b) 표면에서의 TEM이미지이다.
도 3은 실시예 1에서 흡착시간에 따른 은 이온 흡착량을 나타낸다.
도 4는 실시예 1에 의해 생성된 은 나노입자를 확인하기 위한 UV-vis 스펙트럼이다.
도 5은 실시예 1에 의해 생성된 은 나노입자의 XRD(X-ray diffraction) 패턴을 분석한 것이다.
도 6은 RB(a) 및 PEIB(b)의 금속이온 농도별 최대 흡착량을 분석하여 그래프로 나타내었다.
도 7은 실험예 1에서 생성된 금속나노입자를 24시간 후 TEM으로 분석하여 나타내었다.
도 8은 PEIB 및 RB의 시간별 금속이온 흡착량을 분석하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 환원된 금속나노입자의 이미지를 시간별로 분석한 TEM 이미지이다.1 is a schematic diagram showing the structure of a main functional group when bacterial biomass is present in an aqueous solution.
2 is a TEM image of the activated bacterial biomass (a) and the inactivated biomass (b) surface after the metal nanoparticle generation step.
Figure 3 shows the amount of silver ions adsorption according to the adsorption time in Example 1.
4 is a UV-vis spectrum for identifying silver nanoparticles produced by Example 1. FIG.
Figure 5 is an analysis of the X-ray diffraction (XRD) pattern of the silver nanoparticles produced by Example 1.
6 is a graph showing the analysis of the maximum adsorption amount for each metal ion concentration of RB (a) and PEIB (b).
Figure 7 shows the metal nanoparticles produced in Experimental Example 1 by TEM after 24 hours.
8 is a graph showing the analysis of metal ion adsorption amount of PEIB and RB over time.
9 is a TEM image of an image of reduced metal nanoparticles analyzed over time.
본 발명에 의한 금속 나노입자 제조방법은 세균 바이오매스에 금속이온을 흡착하고, 상기 세균 바이오매스 표면에 흡착된 금속이온을 상기 세균 바이오매스로 환원시켜 금속나노입자를 생성시키는 단계를 포함한다.
The method for preparing metal nanoparticles according to the present invention includes the steps of adsorbing metal ions onto bacterial biomass and reducing metal ions adsorbed on the bacterial biomass to the bacterial biomass to produce metal nanoparticles.
이하에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
먼저 본 발명의 나노입자 제조방법에 사용가능한 표면개질된 바이오매스에 대해 상술한다.First, the surface-modified biomass that can be used in the nanoparticle manufacturing method of the present invention will be described in detail.
본 발명에서 “바이오매스(biomass)"라 함은 산업 생산에 사용될 수 있는 살아있거나 죽은 생물학적 재료(biological material)를 의미하는 것으로, 특히 본 발명의 세균 바이오매스는 대장균 또는 코리네박테리움 등의 세균 균체로 이루어진 바이오매스를 의미한다.In the present invention, "biomass" refers to a living or dead biological material (biomass) that can be used for industrial production, in particular the bacterial biomass of the present invention bacteria such as E. coli or Corynebacterium It means biomass consisting of cells.
대장균이나 코리네박테리움과 같은 세균은 항생제, 항암제, 아미노산, 핵산 등의 물질을 생산하는 균주로 많이 이용되고 있는데, 사용된 후 사멸되어 고형의 발효폐기물로 폐기된다. Bacteria such as Escherichia coli and Corynebacterium are widely used as strains producing substances such as antibiotics, anticancer agents, amino acids and nucleic acids. They are killed after being used and discarded as solid fermentation waste.
도 1은 고형폐기물인 세균 바이오매스가 수용액 중에 존재할 때의 주요 작용기의 구조를 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 세균 바이오매스에는 음이온성 작용기(카르복실기 또는 인산기)와 양이온성 작용기(아민기)가 풍부하다. Figure 1 is a schematic diagram showing the structure of the main functional group when the solid waste bacterial biomass is present in the aqueous solution. Referring to FIG. 1, the bacterial biomass is rich in anionic functional groups (carboxyl or phosphate groups) and cationic functional groups (amine groups).
본 발명에서는 용액에서 음이온성을 나타내는 금속이온을 흡착하기 위해 양이온성 작용기인 아민기, 아미노기를 다량 포함하는 양이온성 화합물이나 폴리머를 세균 바이오매스 표면에 추가로 도입하여 양이온성 작용기의 함량을 증대시키거나, 또는 음이온성 작용기가 봉쇄되거나 제거된 것을 사용할 수 있다. In the present invention, a cationic compound or polymer containing a large amount of cationic functional groups, such as amine groups and amino groups, is introduced to the surface of the bacterial biomass to increase the content of the cationic functional groups in order to adsorb metal ions exhibiting anionicity in solution. Or anionic functional groups are blocked or removed.
본 발명에서는 용액에서 양이온성을 나타내는 금속이온을 흡착하기 위해 음이온성 작용기인 카르복실기, 인산기, 술폰산기 및 히드록실기를 다량 포함하는 화합물이나 폴리머를 세균 바이오매스 표면에 추가로 도입하여 음이온성 작용기의 함량을 증대시키거나, 또는 양이온성 작용기가 봉쇄되거나 제거된 것을 사용할 수 있다. In the present invention, a compound or polymer containing a large amount of anionic functional groups such as carboxyl group, phosphoric acid group, sulfonic acid group and hydroxyl group in order to adsorb metal ions exhibiting cationicity in solution is further introduced on the surface of the bacterial biomass to obtain anionic functional group. Increasing the content, or those in which the cationic functional groups are blocked or removed can be used.
상기 세균 바이오매스는 그 표면에 가교된 아민기-함유 양이온성 폴리머를 포함하는 것이 바람직하다. The bacterial biomass preferably comprises an amine group-containing cationic polymer crosslinked on its surface.
본 발명에서 “아민기-함유 양이온성 폴리머(cationic polymer")라는 용어는 주쇄 또는 측쇄에 아민기를 포함하고 전체적으로 양전하를 띄는 폴리머를 의미한다. 본 발명의 아민기-함유 양이온성 폴리머는 하나 이상의 양이온성 모노머를 중합하거나, 하나 이상의 비이온성 모노머와 하나 이상의 양이온성 모노머를 중합하여 제조될 수 있다. As used herein, the term “amine group-containing cationic polymer” refers to a polymer having an amine group in the main chain or side chain and having a totally positive charge. The amine group-containing cationic polymer of the present invention is one or more cations. It can be prepared by polymerizing a monomer, or by polymerizing one or more nonionic monomers and one or more cationic monomers.
상기 세균 바이오매스에 아민기-함유 양이온성 폴리머를 가교시키는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 상기 아민기-함유 양이온성 폴리머가 아민 그룹 또는 히드록시 그룹에 의해 세균 바이오매스 표면에 가교되어 있는 것이 바람직하다.The method for crosslinking the amine group-containing cationic polymer to the bacterial biomass is not particularly limited, but preferably the amine group-containing cationic polymer is crosslinked to the bacterial biomass surface by an amine group or a hydroxy group. It is preferable.
본 발명에서 세균 바이오매스는 코리네박테리움(Corynebacterium sp.), 에스케리치아 (Escherichia sp .), 바실러스 (Bacillus sp .) 및 세라샤 (Serratia sp .)로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상의 세균 균체로 구성될 수 있다. In the present invention, bacterial biomass is Corynebacterium sp .), Escherichia sp . , Bacillus sp . ) And Serratia sp . It may be composed of one or more bacterial cells selected from the group consisting of).
이러한 세균 바이오매스를 구성하는 세균의 비제한적인 예들은 코리네박Non-limiting examples of the bacteria that make up these bacterial biomass are Corynebac
테리움 암모니아게네스(Corynebacterium ammoniagenes), 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum), 에스케리치아 콜라이(Escherichia coli), 바실러스 메가테리움 (Bacillus megatherium) 및 세라샤 마르세센스(Serratia marcescens) 및 브레비박테리움 암모니아게네스(Brevibacterium ammoniagenes) 등의 세균을 포함할 수 있다. Coriumbacterium ammoniagenes, Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Bacillus megatherium and Serratia marcescens and Brea Bacteria, such as non-bacterium ammonia genes.
상술한 세균 이외에도 코리네박테리움 베타이(Corynebacterium betae), 코리네박테리움 베티콜라(Corynebacterium beticola), 코리네박테리움 보비스(Corynebacterium bovis), 코리네박테리움 칼루나이(Corynebacterium callunae), 코리네박테리움 키스티티디스(Corynebacterium cystitidis), 코리네박테리움 디프테리아이(Corynebacterium diphtheriae), 코리네박테리움 에쿠이 (Corynebacterium equi), 코리네박테리움 파스키안스 (Corynebacterium fascians), 코리네박테리움 플라쿰파케엔스(Corynebacterium flaccumfaci), 코리네박테리움 플라베스켄스(Corynebacterium flavescens), 코리네박테리움 호아기(Corynebacterium hoagii), 코리네박테리움 일리키스(Corynebacterium ilicis), 코리네박테리움 인시디오숨(Corynebacterium insidiosum), 코리네박테리움 쿠트스케리(Corynebacterium kutscheri), 코리네박테리움 릴리움(Corynebacterium lilium) 등의 세균들도 포함할 수 있다. In addition to the above-mentioned bacteria, Corynebacterium betae, Corynebacterium beticola, Corynebacterium bovis, Corynebacterium callunae, Corynebacterium Corybacterium fascians, Corynebacterium flak, Corynebacterium diphtheriae, Corynebacterium equi, Corynebacterium fascians flaccumfaci, Corynebacterium flavescens, Corynebacterium hoagii, Corynebacterium ilicis, Corynebacterium insidiosum, Corynebacterio insidium bacterio Bacteria, such as Neybacterium kutscheri and Corynebacterium lilium, It may include.
본 발명에서 사용가능한 상기 아민기-함유 양이온성 폴리머의 예들은 폴리에틸렌이민, 아민-터미네이티드 폴리에틸렌옥사이드, 아민-터미네이티드 폴리에틸렌/프로필렌 옥사이드, 디메틸 아미노 에틸 메타크릴레이트의 폴리머 및 디메틸 아미노에틸 메타크릴레이트와 비닐피롤리돈의 코폴리머, 에피클로로히드린과 디메틸아민의 선형 폴리머, 폴리디알릴디메틸암모니움 클로라이드, 폴리에탄올아민/메틸클로라이드 및 개질된 폴리에틸렌이민으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.Examples of the amine group-containing cationic polymer usable in the present invention include polyethyleneimine, amine-terminated polyethylene oxide, amine-terminated polyethylene / propylene oxide, polymer of dimethyl amino ethyl methacrylate and dimethyl aminoethyl meta It can be selected from the group consisting of copolymers of acrylate and vinylpyrrolidone, linear polymers of epichlorohydrin and dimethylamine, polydiallyldimethylammonium chloride, polyethanolamine / methylchloride and modified polyethyleneimines. .
상기 아민기-함유 양이온성 폴리머는 하기 화학식 1의 폴리에틸렌이민 호모폴리머 또는 개질된 폴리에틸렌이민일 수 있다.The amine group-containing cationic polymer may be a polyethyleneimine homopolymer of
[화학식 1][Formula 1]
상기 식에서, n은 10 내지 500이다.Wherein n is from 10 to 500.
상기 아민기-함유 양이온성 폴리머는 70몰% 이상의 양전하(cationic charge)를 가질 수 있고, 상기 아민기-함유 양이온성 폴리머의 분자량은 특별히 제한되지 않으나, 일례로 1000 내지 200,000의 범위 내일 수 있다.The amine group-containing cationic polymer may have a cationic charge of 70 mol% or more, and the molecular weight of the amine group-containing cationic polymer is not particularly limited, but may be, for example, in the range of 1000 to 200,000.
상기 아민기-함유 양이온성 폴리머는 폴리에틸렌이민 호모 리머이고 상기 바이오매스는 코리네박테리움 글루타미쿰(Corynebacterium glutamicum)의 바이오매스일 수 있다.The amine group-containing cationic polymer is a polyethyleneimine homolimer and the biomass may be a biomass of Corynebacterium glutamicum.
본 발명의 방법에 의해서 표면 개질된 세균 바이오매스를 제조하는 경우에는 먼저 건조된 세균 바이오매스를 아민기-함유 양이온성 폴리머 용액에 가하여 반응시킨다. 이어서 상기 세균 바이오매스와 아민기-함유 양이온성 폴리머 용액에 가교제를 가하여 반응시키고, 끝으로 바이오매스를 세정한 후 건조시켜 표면 개질된 세균 바이오매스를 제조할 수 있다. When producing a surface modified bacterial biomass by the method of the present invention, first, the dried bacterial biomass is added to the amine group-containing cationic polymer solution and reacted. Subsequently, a crosslinking agent is added to the bacterial biomass and the amine group-containing cationic polymer solution to react, and finally, the biomass is washed and dried to prepare a surface modified bacterial biomass.
상기 아민기-함유 양이온성 폴리머 용액은 용매로서 물, 알코올, 클로로포름, 피리딘로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 이 단계에서 상기 바이오매스를 충분한 양의 아민기-함유 양이온성 폴리머에 분산시키는 것이 바람직하고, 예를 들면, 바이오매스와 아민기-함유 양이온성 폴리머의 비율을 1 : 0.5~2(w:w), 바람직하게는 1 : 1~2(w:w)로 혼합하는 것이 바람직하다. The amine group-containing cationic polymer solution may include one or more selected from the group consisting of water, alcohol, chloroform and pyridine as a solvent. In this step, it is preferable to disperse the biomass in a sufficient amount of the amine group-containing cationic polymer. For example, the ratio of the biomass and the amine group-containing cationic polymer is 1: 0.5-2 (w: w). ), Preferably it is mixed in 1: 1 or (w: w).
세균 바이오매스와 아민기-함유 양이온성 폴리머를 반응시키기 위한 온도는 특별히 제한되는 것은 아니나, 일례로 반응효율을 높이기 위해서 약 20도 내지 150℃의 온도에서 반응시킬 수 있다. The temperature for reacting the bacterial biomass with the amine group-containing cationic polymer is not particularly limited, but may be, for example, reacted at a temperature of about 20 ° C. to 150 ° C. to increase the reaction efficiency.
세균 바이오매스의 표면에 아민기-함유 양이온성 폴리머가 가교되면, 세균 바이오매스와 아민기-함유 양이온성 폴리머 사이의 화학적 결합을 공고하게 하기 위하여 가교제를 처리한다. 이때 가교제로는 글루타르알데하이드 (glutaraldehyde), 이소시아나이드 유도체(isocyanide derivatives) 및 비스디아조벤지딘으로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있다.When the amine group-containing cationic polymer is crosslinked on the surface of the bacterial biomass, the crosslinking agent is treated to secure the chemical bond between the bacterial biomass and the amine group-containing cationic polymer. In this case, at least one selected from the group consisting of glutaraldehyde, isocyanide derivatives, and bisdiazobibenzidine may be used as the crosslinking agent.
도 2에 도시된 바와 같이, 가교제를 처리하는 경우에는 가교제를 용액상태로 바이오매스와 아민기-함유 양이온성 폴리머의 혼합액에 대하여 약 1 : 1 내지 10 : 1의 부피비로 혼합할 수 있고, 바람직하게는 약 5 : 1의 부피비로 혼합하는 것이 좋다. As shown in FIG. 2, when treating the crosslinking agent, the crosslinking agent may be mixed in a volume ratio of about 1: 1 to 10: 1 with respect to the mixed solution of the biomass and the amine group-containing cationic polymer in a solution state. Preferably it is mixed at a volume ratio of about 5: 1.
본 발명에서 사용가능한 표면개질된 세균 바이오매스는 음이온성 착화물의 흡착능력 증대를 위해 표면상의 음이온성 작용기가 봉쇄되거나 제거된 것일 수 있다.The surface-modified bacterial biomass usable in the present invention may be one in which an anionic functional group on the surface is blocked or removed to increase the adsorption capacity of the anionic complex.
도 1에 도시된 바와 같이, 세균 바이오매스의 표면에 존재하는 카르복실기 및 인산기 등의 음이온성 작용기는 수중에서 음전하를 띤 상태로 존재하기 때문에 음이온성 유가금속 착화물 또는 금속이온과는 반발력이 작용하게 된다. 이런 반발력은 바이오매스와 음이온성 착화물 또는 금속이온과의 결합을 방해하는 역할을 한다. As shown in FIG. 1, since anionic functional groups such as carboxyl groups and phosphate groups present on the surface of the bacterial biomass exist in the state of being negatively charged in water, the repulsive force acts on the anionic valuable metal complex or metal ion. do. This repulsive force interferes with the binding of biomass with anionic complexes or metal ions.
상기 세균 바이오매스는 방해기 역할을 하는 음이온성 작용기인 카르복실기, 인산기, 술폰산기를 아민기 또는 아미노기 등의 양이온성 작용기를 갖는 화합물로 치환된 표면개질된 바이오매스를 사용할 수 있다.The bacterial biomass may use a surface-modified biomass substituted with a compound having a cationic functional group, such as an amine group, a phosphate group, a sulfonic acid group, and an anionic functional group serving as a hinder.
상기 세균 바이오매스는 그 표면의 카르복실기, 인산기, 술폰산기가 알킬화, 사이클로알킬화, 또는 아릴화된 표면개질된 바이오매스를 사용할 수 있다.The bacterial biomass may use a surface-modified biomass in which a carboxyl group, phosphoric acid group, or sulfonic acid group on its surface is alkylated, cycloalkylated, or arylated.
상기의 표면개질된 바이오매스의 하나의 예로서 하기 화학식 1로 표시될 수 있는데, 상기 화학식 1은 상기 세균 바이오매스의 카르복실기 또는 인산기의 수소가 알킬기, 사이클로알킬기, 아릴기 또는 아민기로 치환된 구조이다. An example of the surface-modified biomass may be represented by the following
[화학식 2][Formula 2]
Biomass - COOR Biomass - COO R
상기 식에서, R 은 탄소수 1 내지 10개의 알킬기, 탄소수 3 내지 10개의 사이클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 15개의 아릴기이거나 NR1R2이다. 여기서 R1 및 R2가 각각 수소, 탄소수 1 내지 10개의 알킬기, 탄소수 3 내지 10개의 사이클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 15개의 아릴기이다.
In the above formula, R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 15 carbon atoms or NR 1 R 2 . Wherein
상기 식에서 탄소수가 너무 많으면 상용화에 다소 어려움이 있을 수 있으므로 탄소수 1 내지 6개인 알킬기로 알킬화하는 것이 더욱 바람직하고, 메틸화하는 것이 가장 바람직하다. In the above formula, if the carbon number is too high, there may be some difficulties in commercialization, and therefore, it is more preferable to alkylate with an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and most preferably methylation.
상기 바이오매스의 아미노기를 알킬화, 사이클로알킬화, 아릴화시키는 방법은 상기 바이오매스를 알데히드와 카르복실산의 혼합 용액에 넣은 후 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. The method of alkylating, cycloalkylating and arylating the amino group of the biomass may include reacting the biomass in a mixed solution of aldehyde and carboxylic acid.
상기 알데히드, 카르복실산, 바이오매스의 함량비에 제한이 반드시 있는 것은 아니지만, 바이오매스 1g 기준으로 알데히드 1ml~40ml, 카르복실산 1ml ~ 160ml의 혼합 용액에 반응시키는 것이 바람직하다. Although the content ratio of the aldehyde, carboxylic acid, and biomass is not necessarily limited, it is preferable to react the mixed solution of 1 ml to 40 ml of aldehyde and 1 ml to 160 ml of carboxylic acid based on 1 g of biomass.
상기 함량에 있어서, 알데히드와 카르복실산의 부피비가 1 ~ 1/4인 것이 보다 바람직하다. In the above content, the volume ratio of aldehyde and carboxylic acid is more preferably 1 to 1/4.
상기 알데히드와 카르복실산, 바이오매스의 함량비가 20ml:40ml:1g인 것이 가장 바람직하다. It is most preferable that the content ratio of the aldehyde, the carboxylic acid and the biomass is 20ml: 40ml: 1g.
상기 알데히드가 포름알데히드이고, 카르복실산이 포름산인 것이 환원성의 면에서 바람직하고, 이를 사용하여 바이오매스의 아미노기를 알킬화하는 방법을 하기 반응식 1로 나타낼 수 있다. It is preferable that the aldehyde is formaldehyde and the carboxylic acid is formic acid in terms of reducibility, and a method of alkylating the amino group of the biomass using the same may be represented by the following
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
상기 반응은 10 내지 100℃에서 1 내지 48시간 동안 반응시키는 것이 바람직하다. 상기 반응을 혼합반응기에서 10 내지 1000rpm으로 반응시킬 수 있다.The reaction is preferably reacted for 1 to 48 hours at 10 to 100 ℃. The reaction may be reacted at 10 to 1000 rpm in a mixed reactor.
한편, 유가금속 착화물이나 금속이온이 양이온성을 띄는 경우에는 음이온성이 증대된 표면개질된 바이오매스를 사용할 수 있다. 상기 원료 바이오매스에 카르복실기, 술폰산기 및 인산기 중 하나 이상을 구비하는 화합물을 추가로 결합시켜 음이온성이 증대된 세균 바이오매스를 제조할 수 있다.On the other hand, when the valuable metal complex or the metal ion is cationic, it is possible to use a surface modified biomass with increased anionicity. By further combining a compound having at least one of a carboxyl group, a sulfonic acid group and a phosphoric acid group to the raw material biomass, a bacterial biomass with increased anionicity can be prepared.
상기 원료 바이오매스에 추가로 결합된 카르복실기를 가지는 화합물이 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. Compound having a carboxyl group further bonded to the raw material biomass may be represented by the formula (1).
[화학식 3](3)
R1-CH2-OOCH2-BiomassR 1 -CH 2 -OOCH 2 -Biomass
상기 식에서, R1은 카르복실기, 하나 이상의 카르복실기를 포함하는 탄소수 1 내지 10의 선형 또는 분지형의 알킬기, 알케닐기 또는 알콕시기이고, 또는 하기 화학식 4로 표시된다.In the above formula, R 1 is a carboxyl group, a linear or branched alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, at least one carboxyl group, an alkenyl group or an alkoxy group, or represented by the following general formula (4).
[화학식 4][Formula 4]
여기서, R2 및 R3이 각각 H, -OH, -COOH, -CH2-OOH이다.Wherein R 2 and R 3 are each H, —OH, —COOH, —CH 2 —OOH.
상기 카르복실기를 가지는 화합물이 하기 화학식 4로 표시될 수 있다. 상기 화학식 4는 원료바이오매스의 아민기 또는 아미노기를 카르복실기를 가지는 화합물로 치환한 구조이다. The compound having the carboxyl group may be represented by the following formula (4). Formula 4 is a structure in which the amine group or amino group of the raw material biomass is substituted with a compound having a carboxyl group.
[화학식 5][Chemical Formula 5]
-NH2R4COOR5 -NH 2 R 4 COOR 5
상기 식에서, R4는 탄소수 1-10인 선형 또는 분지형 알킬렌기, 탄소수 2-10인 선형 또는 분지형 알케닐렌기이고 R5는 H, Na 또는 K이다. Wherein R 4 is a linear or branched alkylene group having 1-10 carbon atoms, a linear or branched alkenylene group having 2-10 carbon atoms and R 5 is H, Na or K.
또한, 상기 세균 바이오매스는 양이온성 작용기인 아민기 또는 아미노기를 카르복실기, 인산기, 술폰산기 등의 음이온성 작용기를 갖는 화합물로 치환시킨 표면개질된 바이오매스를 사용할 수 있다. In addition, the bacterial biomass may use a surface-modified biomass in which the amine group or amino group, which is a cationic functional group, is substituted with a compound having an anionic functional group such as a carboxyl group, a phosphoric acid group, or a sulfonic acid group.
상기 화합물은 탄소수 1 내지 10개의 알킬기, 탄소수 3 내지 10개의 사이클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 15개의 아릴기인 것이 바람직하다. 탄소수 1 내지 6개인 알킬기로 알킬화하는 것이 더욱 바람직하고, 상기 바이오매스에 존재하는 아미노기를 메틸화하는 것이 가장 바람직하다. It is preferable that the said compound is a C1-C10 alkyl group, a C3-C10 cycloalkyl group, or a C6-C15 aryl group. It is more preferable to alkylate with an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, and most preferably methylate the amino group present in the biomass.
상기 바이오매스의 아민그룹 또는 아미노기가 알킬화, 사이클로알킬화, 아릴화된 구조는 하기 화학식 1로 표시될 수 있다. 아미노기를 알킬기로, 사이클로알킬기로, 아릴기로 치환된 것을 알킬화, 사이클로알킬화, 아릴화로 표현하기로 한다. The structure in which the amine group or amino group of the biomass is alkylated, cycloalkylated, or arylated may be represented by the following
[화학식 6][Formula 6]
Biomass - N(R)2 Biomass - N (R) 2
상기 식에서, R 은 탄소수 1 내지 10개의 알킬기, 탄소수 3 내지 10개의 사이클로알킬기 또는 탄소수 6 내지 15개의 아릴기이다.
Wherein R is an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 10 carbon atoms, or an aryl group having 6 to 15 carbon atoms.
이하에서 상기 세균 바이오매스를 이용하여 금속나노입자를 제조하는 방법에 대해 상술한다. Hereinafter, a method of preparing metal nanoparticles using the bacterial biomass will be described in detail.
금속이온 흡착단계Metal ion adsorption step
상기 단계는 수용성 금속화합물과 세균 바이오매스의 혼합물을 교반하여 금속이온을 흡착시키는 단계이다.The step is a step of adsorbing metal ions by stirring a mixture of a water-soluble metal compound and bacterial biomass.
상기 바이오매스는 앞에서 상술한 바이오매스, 이를 표면개질한 바이오매스를 사용할 수 있으며, 활성화(active, live) 또는 비활성화(inactive, dead)된 바이오매스를 사용할 수 있다. The biomass may use the above-described biomass, the surface-modified biomass, and may use an active (live) or inactive (dead) biomass.
상기 세균 바이오매스는 배양된 후 배양액과 분리하고 바이오매스 표면의 배지성분을 제거하기 증류수로 세척할 수 있다. The bacterial biomass may be washed with distilled water after culturing to separate the culture medium and to remove the media component from the surface of the biomass.
상기 비활성화된 세균 바이오매스는 멸균 처리하여 사용할 수 있는데, 바람직하게는 열 살균처리 할 수 있다. 상기 멸균기는 100도 이상의 고온에서 10분~2시간 정도에서 열 살균처리할 수 있다.The inactivated bacterial biomass may be used by sterilization treatment, preferably, heat sterilization treatment. The sterilizer may be heat sterilized at about 10 minutes to 2 hours at a high temperature of 100 degrees or more.
상기 비활성화된 바이오매스는 열 살균처리 동안 내부의 환원 물질이 세균 바이오매스 표면으로 방출될 수 있다. 상기 비활성화된 세균 바이오매스는 그 표면에서 상기 환원물질에 의해 금속이온을 환원시킬 수 있다. The deactivated biomass may release the reducing material therein to the bacterial biomass surface during thermal sterilization. The inactivated bacterial biomass may reduce metal ions by the reducing material on its surface.
상기 수용성 금속화합물로서는 수용성 금속염, 수용성 금속산화물염, 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다. 더욱 구체적인 예를 들면, 상기 수용성 금속화합물은, Ag2CO3, Ag(NH3)2, AgNO2, AgNO3, AgCl, AgClO4, AgClO3, AgCOOCCH3, H3AsO4, AuCl, AuCl3, AuCl4H4N, HAuCl4, KAuCl4, KAuBr4, CdSO4, Co(NH3)6, Cu(NH3)4, CuSO4, Ni(NH3)6, Pb(NO3)2, PbSO4, Pd(NO3)2, PdCl2 2H2O, (CH4)2PdCl6, PdCl2, Pd(NH3)4Cl2, Pd(NH3)2(NO2)2, PtCl2, PtCl4, Pt(CN)2, Pt(NH3)2Cl4, H2PtCl6ㆍ6H2O, SnCl2, SnCl4, SnBr2, Zn(NH3)4, ZrO(NO3)2, (NH3)2Pt(NO2)2, PtCl2(C6H5CN)2, PtCl2(C5H5N)2, Sn(CH3COCHCOCH3)2, Sn(CH3)4, (CH3)2SnCl2, RhX3 , RhX3? nH2O, Rh2(CO)4X2 (여기서 X는 Cl- , Br- 또는 I- 와 같은 할라이드), RuCl3? nH2O, Ru(NO)(NO3)3 또는 이들의 조합이 사용될 수 있다.As the water-soluble metal compound, a water-soluble metal salt, a water-soluble metal oxide salt, or a combination thereof can be used. More specifically, the water-soluble metal compound is
상기 수용성 금속화합물의 또 다른 예로는 유가금속을 함유한 용액인 폐촉매, 폐스크랩, 폐건전지, 산업폐액, 전로 더스트, 폐캔 등의 비철금속을 함유한 폐기물을 예로 들 수 있다. Another example of the water-soluble metal compound may be a waste containing non-ferrous metals such as waste catalyst, waste scrap, waste batteries, industrial waste liquid, converter dust, and waste cans containing valuable metals.
유가금속이 함유되어 있는 산업폐액은 주로 화학공정에서 유가금속을 촉매로 사용하는 산업과 전기전자 산업에서 발생한다. 특히, 화학공장에서 발생되는 초산폐액에는 류테늄(Ru)과 이리듐(Ir)이 포함된 상태로 폐수가 발생하며, ICP 분석 폐수에는 다양한 유가금속 종(특히, 백금, 로듐 등)이 포함되어 있다. Industrial wastes containing valuable metals occur mainly in industries that use valuable metals as catalysts in the chemical process and in the electrical and electronics industry. In particular, the wastewater generated in the wastewater generated in the chemical plant contains ruthenium (Ru) and iridium (Ir), and the ICP analysis wastewater contains various valuable metal species (especially platinum and rhodium). .
상기 반응에 있어서, 바이오매스와 수용성 금속화합물의 혼합비에 대해서 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 그 일예로서, 상기 바이오매스 1g/L~100g/L을 수용성 금속화합물 100mg/L ~1000mg/L에 넣어 혼합할 수 있다. In the above reaction, there is no particular limitation on the mixing ratio of the biomass and the water-soluble metal compound. As an example, the biomass 1g / L ~ 100g / L can be mixed in 100mg / L ~ 1000mg / L of a water-soluble metal compound.
상기 바이오매스를 잘게 부순 입상형태로 사용할 수 있다.The biomass can be used in the form of finely divided granules.
상기 바이오매스를 물 등의 용매에 넣고 가열 또는 비가열 상태에서 얻은 바이오매스 추출물을 사용할 수 있다.The biomass extract may be used by putting the biomass in a solvent such as water or the like while being heated or unheated.
상기 방법은 혼합물 내의 pH, 반응온도, 초기 금속이온 함량을 변화시켜 상기 흡착속도를 제어할 수 있다.The method can control the adsorption rate by changing the pH, reaction temperature, initial metal ion content in the mixture.
예를 들면, 상기 흡착단계에서 상기 금속이온이 양이온인 경우, 혼합물 내의 pH 범위를 5 ~ 10으로 조절할 수 있다.
For example, when the metal ion is a cation in the adsorption step, the pH range in the mixture can be adjusted to 5 to 10.
금속나노입자Metal nanoparticles 생성단계 Creation stage
상기 단계는 세균 바이오매스 표면에 흡착된 금속이온을 상기 세균 바이오매스로 환원시켜 금속나노입자를 생성시키는 단계이다.The step is to reduce the metal ions adsorbed on the surface of the bacterial biomass to the bacterial biomass to generate metal nanoparticles.
상기 단계는 세균 바이오매스 표면에 흡착된 금속이온을 상기 세균 바이오매스로 환원시킬 수 있다. 즉, 상기 혼합물에 환원제나 보조제 등의 화학물질을 추가로 넣어주지 않아도 바이오매스 내부 또는 표면에 존재하는 환원물질에 의해 금속이온이 나노입자로 환원된다.The step may reduce the metal ions adsorbed on the bacterial biomass surface to the bacterial biomass. That is, the metal ions are reduced to nanoparticles by the reducing substances present in or on the surface of the biomass even without additional chemicals such as reducing agents or auxiliary agents added to the mixture.
본 발명에서 사용되는 용어인 환원물질은 바이오매스 표면이나 내부에 존재하는 물질로서 금속 이온를 환원시켜 0가의 금속입자를 생성시킬 수 있다. 환원물질은 금속이온이 세포막을 통과하여 전파되도록 하는 활동성의 기능성 그룹을 나타낼 수 있고, 좀 더 넓게는 이러한 기능성 그룹에 의한 금속이온을 환원시키는 물리화학적 메카니즘을 포괄하는 용어로 사용할 수 있다. 이러한 기능성 그룹으로 효소, 유기물, 무기물, 기타 대사물질 등을 예로 들 수 있다. 좀 더 구체적으로, 환원물질의 예로는 상기 세균 바이오매스의 표면이나 내부에 존재하는 아민기, 아미노기, 카르복실기, 인산기, 술폰산기, 히드록실기가 될 수 있고, 또는 이러한 바이오매스 표면에 도입된 카르복실기, 인산기, 술폰산기, 히드록실기, 아민기를 다량 포함하는 화합물이나 폴리머가 될 수 있고, 바람직하게는 세균 바이오매스 표면에 가교된 아민기-함유 양이온성 폴리머가 될 수 있다. Reducing material, which is a term used in the present invention, is a material existing on or inside a biomass, and may reduce metal ions to generate zero-valent metal particles. The reducing material may represent an active functional group that allows metal ions to propagate through the cell membrane, and more broadly, may be used as a term encompassing a physicochemical mechanism for reducing metal ions by such functional groups. Examples of such functional groups include enzymes, organics, inorganics, and other metabolites. More specifically, examples of the reducing material may be an amine group, amino group, carboxyl group, phosphoric acid group, sulfonic acid group or hydroxyl group present on the surface or inside of the bacterial biomass, or a carboxyl group introduced to such biomass surface. It may be a compound or a polymer containing a large amount of phosphoric acid group, sulfonic acid group, hydroxyl group, amine group, preferably an amine group-containing cationic polymer crosslinked on the surface of bacterial biomass.
상기 금속나노 입자 생성단계는 상기 혼합물이 흡착과 동시에 환원반응이 진행되어 금속나노입자가 생성되기 시작하고, 흡착평형에 도달 후 48시간 정도, 바람직하게는 24시간 정도의 유지시간을 거쳐 환원반응이 주요하게 일어나게 된다.In the metal nanoparticle generation step, the reduction reaction proceeds at the same time as the mixture is adsorbed, and the metal nanoparticles begin to be produced, and after the reduction reaction is reached for about 48 hours, preferably 24 hours after the adsorption equilibrium is reached. It happens mainly.
상기 혼합물의 흡착반응이 평형에 도달하기 전이라도 소량의 금속 나노 입자가 생성될 수 있으며, 대부분의 금속나노 입자는 고농도의 금속이온이 바이오매스에 흡착되어 흡착평형에 도달한 이후에 생성된다. 본 발명에 의하면, 흡착평형 후 혼합물 상태로 48시간 정도 유지하면 금속나노 입자를 수득할 수 있다. Even before the adsorption reaction of the mixture reaches an equilibrium, a small amount of metal nanoparticles may be produced, and most metal nanoparticles are produced after a high concentration of metal ions are adsorbed on the biomass to reach an adsorption equilibrium. According to the present invention, metal nanoparticles can be obtained by maintaining the mixture for about 48 hours after equilibrium of adsorption.
본 발명에서는 활성화된 세균 바이오매스와 멸균처리되어 비활성화된 바이오매스를 사용할 수 있는데, 환원 메카니즘이 다소 상이하다. 도 2는 금속나노입자 생성단계를 거친 활성화된 세균 바이오매스와 비활성화된 바이오매스 표면에서의 TEM이미지이다. 도 2를 참조하면, 활성화된 세균 바이오매스 표면에서는 나노입자가 거의 생성되지 않지만, 비활성화된 세균 바이오매스 표면에서는 다량의 금속 나노 입자가 생성되었음을 확인할 수 있다. 비활성화된 세균 바이오매스는 고온의 열처리(autoclave) 동안 활동성 세포들의 터짐(rupture)에 의해 세포 내부에 존재하는 기능성 그룹(예를 들면 유기그룹)들이 세포표면이나 용액으로 분출되고, 따라서 비활성화된 세균 바이오매스는 세포 표면에 더욱 많은 환원 물질이 존재하게 되어 활성화된 바이오매스보다 세포 표면에서 더욱 활발히 금속나노입자를 생성시켰다고 판단된다.In the present invention, the activated bacterial biomass and the sterilized inactivated biomass can be used, but the reduction mechanism is somewhat different. 2 is a TEM image of the activated bacterial biomass and the inactivated biomass surface after the metal nanoparticle generation step. Referring to FIG. 2, nanoparticles are hardly generated on the activated bacterial biomass surface, but a large amount of metal nanoparticles are generated on the inactivated bacterial biomass surface. Inactivated bacterial biomass causes functional groups (eg, organic groups) present inside the cell to be released into the cell surface or solution by rupture of active cells during high temperature autoclave, thus inactivating bacterial biomass. The mass is believed to have more reducing material on the cell surface, and more actively produce metal nanoparticles on the cell surface than on the activated biomass.
본 발명은 바이오매스를 통한 금속이온의 흡착과 바이오매스 표면 또는 내부에 존재하는 환원물질에 의해 금속이온을 환원시키므로 별도의 환원제 등 화학물질을 사용하지 않아 친환경적, 경제적 및 인체에 무해한 방법으로 금속나노 입자를 제조할 수 있다.In the present invention, since metal ions are reduced by adsorption of metal ions through biomass and reducing substances present on the surface or inside of biomass, metal nanoparticles are not eco-friendly, economical and harmless to humans without using chemicals such as reducing agents. Particles can be prepared.
상기 금속나노 입자 생성단계는 상기 혼합물에 보조제를 첨가하여 금속나노 입자의 생성속도나 크기를 제어할 수 있다. 상기 보조제는 금속나노입자 형성을 촉진하는 화합물이거나, 상기 반응이 일정정도 진행되어 금속 나노입자가 원하는 크기와 형상으로 생성되면 이들 금속나노입자 주위를 둘러쌓아 반응을 종결시키는 역할을 하는 반대이온(counter ion)을 제공할 수 있는 화합물이 바람직하다.The metal nanoparticle generation step may control the production rate or size of the metal nanoparticles by adding an auxiliary agent to the mixture. The adjuvant is a compound that promotes the formation of metal nanoparticles, or when the reaction proceeds to a certain extent and the metal nanoparticles are produced in a desired size and shape, the counter ions that surround the metal nanoparticles to terminate the reaction (counter) Preference is given to compounds which can provide ions).
상기 보조제로는 할라이드 물질, 질산염, 황산염, 인산염을 사용할 수 있다.As the adjuvant, halide material, nitrate, sulfate, phosphate may be used.
상기 보조제가 KCl, NaCl, NaBr, KF, KI, KBr, NaNO3, KNO3, Na2SO4, NaH2PO4, KH2PO4의 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.The adjuvant may be at least one selected from the group of KCl, NaCl, NaBr, KF, KI, KBr, NaNO3, KNO3, Na2SO4, NaH2PO4, KH2PO4.
금속나노입자의 크기를 제어하기 위해 금속나노입자의 환원속도를 반응온도, 반응 pH, 반응시간의 농도에 의해 제어가능하다. 금속이온의 환원속도가 느리면 환원된 금속에 금속이온이 붙으면서 환원이 이루어지므로 금속나노입자의 크기가 커지게 된다. 반면에 금속이온의 환원속도가 빠르면 금속이온 자체가 빠르게 환원되어 금속나노입자의 크기가 작고 주로 구형을 이루게 된다. 따라서, 금속이온의 환원속도를 증가시키기 위해 반응조건 즉, 반응온도를 증가시키거나, 흡착평형 농도를 증가시키면 금속나노입자의 크기를 제어할 수 있다.In order to control the size of the metal nanoparticles, the reduction rate of the metal nanoparticles can be controlled by the reaction temperature, the reaction pH, and the concentration of the reaction time. When the reduction rate of the metal ions is slow, the metal ions adhere to the reduced metal and thus the reduction is made, thereby increasing the size of the metal nanoparticles. On the other hand, if the reduction rate of the metal ions is fast, the metal ions themselves are rapidly reduced, so that the size of the metal nanoparticles is small and mainly spherical. Therefore, the size of the metal nanoparticles can be controlled by increasing the reaction conditions, that is, increasing the reaction temperature, or increasing the adsorption equilibrium concentration in order to increase the reduction rate of the metal ions.
다른 양상에서, 본 발명은 상기 방법으로 제조한 금속나노입자에 관계한다. 상기 금속 나노입자는 크기가 5~100nm 범위일 수 있다.
In another aspect, the present invention relates to metal nanoparticles prepared by the above method. The metal nanoparticles may range in size from 5 to 100 nm.
이하에서, 실시예를 들어 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이들은 단지 본 발명의 바람직한 구현예를 예시하기 위한 것으로, 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but these are merely to illustrate preferred embodiments of the present invention, and the examples do not limit the scope of the present invention.
실시예Example 1 One
미생물(Corynebacterium glutamicum)을 배양 후 미생물 배양액을 원심분리 하여 균체(cell)를 분리하였다. 이어서, 분리된 균체표면의 배지 성분을 제거하기 위하여 증류수(D.W)를 이용하여 3번 세척을 한 후 원심 분리하여 활성화된 바이오매스 균체를 수득하였다. 이어서 활성화된 균체 중 일부를 멸균기(autoclave)를 이용하여 120℃, 15min 조건에서 멸균 처리하여 비활성화된 바이오매스 균체를 수득하였다. Microorganisms ( Corynebacterium After culturing glutamicum ), the microbial culture was centrifuged to separate cells. Subsequently, three times washing with distilled water (DW) was carried out to remove the media components of the separated cell surface, followed by centrifugation to obtain activated biomass cells. Subsequently, some of the activated cells were sterilized at 120 ° C. and 15 min using an autoclave to obtain inactivated biomass cells.
이어서 활성화된 바이오매스 균체와 비활성화된 바이오매스 균체 각각 0.2g(medium free cell pellet)을 100mg/L 수용성 금속화합물(질산은, AgNO3) 20ml에 넣어 160 rpm, 30℃, 24시간 조건에서 교반하여 은 이온을 흡착시켰다(이에 대한 흡착속도 실험 결과를 도 3에 나타내었다). 이어서, 160 rpm, 30℃, 72시간 조건에서 상기 혼합물을 교반하여 은 나노입자를 생성하였다. 은 이온 흡착 후 72시간 후 TEM, UV-vis, XRD를 분석하여 이를 각각 도 2, 4, 5에 나타내었다.
Subsequently, 0.2 g (medium free cell pellet) of activated biomass cells and inactivated biomass cells were added to 20 ml of 100 mg / L water-soluble metal compound (silver nitrate, AgNO3) and stirred at 160 rpm, 30 ° C. and 24 hours for silver ions. Was adsorbed (adsorption rate experiment results are shown in FIG. 3). Subsequently, the mixture was stirred at 160 rpm, 30 ° C., and 72 hours to produce silver nanoparticles. After 72 hours of silver ion adsorption, TEM, UV-vis, and XRD were analyzed and shown in FIGS. 2, 4, and 5, respectively.
실시예Example 2 2
발효 공정으로부터 건조된 분말 형태로 수득한 발효폐기물인 코리네박테리움 글루타미쿰 바이오매스(C. glutamicum biomass)(대상(주) 군산공장, 전북 군산) 50g을 10% (W/V) 폴리에틸렌이미드가(PEI)가 첨가된 500 mL 물에 넣고 상온에서 약 24시간 동안 교반하였다. 반응이 끝난 후에 고액분리하여 바이오매스만을 따로 모으고 1%(V/V) 글루타 알데하이드(glutaraldehyde) 500ml 용액에 다시 넣어 준 후 상온에서 교반시켰다. 반응이 완료된 후 탈이온수로 여러 차례 세척한 후 동결건조하여 표면개질된 바이오매스(PEIB)를 수득하였다.Corynebacterium glutamicum biomass, a fermentation waste obtained in the form of a dried powder from the fermentation process (C. glutamicum 50 g of biomass) (subjective Gunsan Plant, Gunsan, Jeonbuk) was added to 500 mL of water containing 10% (W / V) polyethyleneimide (PEI) and stirred at room temperature for about 24 hours. After the reaction was completed, solid-liquid separation was performed to collect only the biomass and put it back in a 500 ml solution of 1% (V / V) glutaraldehyde and stirred at room temperature. After the reaction was completed, washed several times with deionized water and then lyophilized to obtain a surface-modified biomass (PEIB).
한편, 실시예 1과 같이 (주) 대상으로부터 발효폐기물인 Corynebacterium glutamicum을 얻어서 증류수(D.W)를 이용하여 3번 세척을 한 후 원심 분리하여 건조시켜 바이오매스(Raw Biomass, 이하 RB)를 수득하였다. Meanwhile, as in Example 1, Corynebacterium glutamicum, which is a fermentation waste from the subject, was washed three times using distilled water (D.W), and then centrifuged and dried to obtain biomass (RB).
실험 1 금속농도에 따른 실험
158 ppm~520 ppm HAuCl4금속농도별 90 mL에 0.09 g의 바이오매스(PEIB, RB)를 넣어주어 금속이온농도별 최대흡착량을 분석하여 도 6에 나타내고, 생성된 금속나노입자를 24시간 후 TEM으로 분석하여 도 7에 나타내었다.
158 ppm ~ 520 ppm HAuCl 4 0.09 g of biomass (PEIB, RB) was added to 90 mL of each metal concentration, and the maximum adsorption amount of each metal ion concentration was analyzed and shown in FIG. 6. The produced metal nanoparticles were obtained after 24 hours. Analysis by TEM is shown in FIG. 7.
실험 2 환원속도 실험
270 ppm HAuCl4 30ml에 0.03 g 바이오매스(PEIB, RB)를 넣어주어 시간별로 금속이온의 흡착량을 분석하여 도 8에 나타내고, 또한 환원된 금속나노입자의 이미지를 시간별로 분석한 TEM을 도 9에 나타내었다.
270 ppm HAuCl 4 0.03 g biomass (PEIB, RB) was added to 30 ml, and the adsorption amount of metal ions was analyzed by time, and is shown in FIG.
도 3은 실시예 1에서 흡착시간에 따른 은 이온 흡착량을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 활성화된 바이오매스(3a)와 비활성화된 바이오매스(3b) 모두 빠른 시간 안에 흡착이 되었으며, 각 미생물의 최대 흡착량이 43.27mg/g, 47.13 mg/g임을 알 수 있다. 도 3을 참고하면, 거의 30분 이내에 금속이온이 바이오매스에 빠르게 흡착이 이루어짐을 알 수 있다. Figure 3 shows the amount of silver ions adsorption according to the adsorption time in Example 1. Referring to FIG. 3, both the activated biomass 3a and the inactivated biomass 3b were quickly adsorbed, and the maximum adsorption amount of each microorganism was 43.27 mg / g and 47.13 mg / g. Referring to Figure 3, it can be seen that within 30 minutes the metal ion is rapidly adsorbed to the biomass.
도 4는 실시예 1에 의해 생성된 은 나노입자를 확인하기 위한 UV-vis 스펙트럼이다. 도 4를 참조하면, 420-440nm영역에서 peak가 증가하므로 은 나노입자가 생성되었음을 알 수 있다. 비활성화된 바이오매스(b)의 경우 바이오매스 자체를 물에 혼탁을 시켰을 때 색이 더욱 진하므로, UV peak에서 활성화된 바이오매스(a)보다 더 높은 값을 보인다. 4 is a UV-vis spectrum for identifying silver nanoparticles produced by Example 1. FIG. Referring to FIG. 4, it can be seen that the silver nanoparticles are generated because the peak increases in the 420-440 nm region. Inactivated biomass (b) shows a higher value than biomass (a) activated at UV peak because the color is more intense when the biomass itself is turbid in water.
도 2는 실시예 1에 의해 생성된 은 나노입자 이미지를 TEM(Transmission electron microscopy)으로 촬영한 사진이다. 도 2를 참조하면, 활성화된 바이오매스(a), 비활성화된 바이오매스(b) 모두 은 나노입자가 생성되었으나 비활성화된 바이오매스 표면에 더 많은 금속 나노입자가 생성되었음을 확인 할 수 있다. FIG. 2 is a photograph taken by transmission electron microscopy (TEM) of the silver nanoparticle image generated by Example 1. FIG. Referring to FIG. 2, both activated biomass (a) and inactivated biomass (b) generated silver nanoparticles, but more metal nanoparticles were generated on the inactivated biomass surface.
도 5는 실시예 1에 의해 생성된 은 나노입자의 XRD(X-ray diffraction) 패턴을 분석한 것이다. 도 5을 참조하면, 비활성화된 바이오매스(5b)는 cubic phases (38.7 (111), 44.5 (200) and 64.1 (220)), 활성화된 바이오매스(5a)는 silver chloride 나노입자로 cubic phases(27.8 (111), 32 (200), 46 (220) and 54.5 (222)) 패턴을 보여주고 있다. Figure 5 is an analysis of the X-ray diffraction (XRD) pattern of the silver nanoparticles produced by Example 1. Referring to FIG. 5, the deactivated biomass (5b) is cubic phases (38.7 (111), 44.5 (200) and 64.1 (220)), and the activated biomass (5a) is silver chloride nanoparticles with cubic phases (27.8). (111), 32 (200), 46 (220) and 54.5 (222)) patterns.
도 6은 PEIB 및 RB의 금속이온 농도별 최대 흡착량을 분석하여 그래프로 나타내었으며, 도 7은 실험예 1에서 생성된 금속나노입자를 24시간 후 TEM으로 분석하여 나타낸 것이다. 도 6을 참고하면, 금속이온의 농도가 158 ppm의 경우, RB가 PEIB에 비하여 더 많이 흡착하지만, 금속이온의 농도가 높아질수록 RB에 비하여 PEIB가 더 많이 흡착과 환원을 하는 것을 확인할 수 있다. 도 7을 참고하면, 낮은 농도의 금속나노입자 사이즈는 작은 편이며, 점점 금속이온 농도가 높아질수록 크기가 커짐을 알 수 있다. 특히 PEIB를 이용하여 만든 금속나노입자의 경우, 크기 변화가 확연히 나타남을 알 수 있다. FIG. 6 is a graph illustrating the maximum adsorption amount of each metal ion concentration of PEIB and RB, and FIG. 7 is a graph illustrating analysis of the metal nanoparticles generated in Experimental Example 1 by TEM after 24 hours. Referring to FIG. 6, when the concentration of metal ions is 158 ppm, RB adsorbs more than PEIB, but as the concentration of metal ions increases, PEIB adsorbs and reduces more than RB. Referring to FIG. 7, the metal nanoparticle size of the low concentration is small, and as the metal ion concentration increases, the size increases. In particular, in the case of metal nanoparticles made using PEIB, it can be seen that the size change is obvious.
도 8은 PEIB 및 RB의 시간별 금속이온 흡착량을 분석하여 나타낸 그래프이고, 도 9는 환원된 금속나노입자의 이미지를 시간별로 분석한 TEM 이미지이다. 도 8을 참조하면, RB의 경우 금속이온 흡착 후 약 5분이 경과하면 금속 나노입자가 생성되고, PEIB의 경우 금속이온의 흡착과 동시에 바로 환원이 이루어짐을 확인할 수 있다. PEIB를 금속 이온용액에 넣고 1분 후에는 1~2nm의 금속 나노입자들이 보이고, 1시간 이후에는 금속나노입자의 크기가 커짐을 알 수 있다. FIG. 8 is a graph illustrating analysis of metal ion adsorption amount of PEIB and RB over time, and FIG. 9 is a TEM image of an image of reduced metal nanoparticles analyzed over time. Referring to FIG. 8, in the case of RB, about 5 minutes after the adsorption of metal ions, metal nanoparticles are generated, and in the case of PEIB, the reduction is performed at the same time as the adsorption of metal ions. After 1 minute of adding the PEIB to the metal ion solution, metal nanoparticles of 1 to 2 nm were seen, and after 1 hour, the size of the metal nanoparticles was increased.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 이러한 설명은 단순히 본 발명의 예시적인 실시예를 설명 및 개시하는 것이다. 당업자는 본 발명의 범위 및 정신으로부터 벗어남이 없이 상기 설명 및 첨부 도면으로부터 다양한 변경, 수정 및 변형예가 가능함을 용이하게 인식할 것이다.
Although the above has been described in detail with reference to a preferred embodiment of the present invention, this description is merely to describe and disclose an exemplary embodiment of the present invention. Those skilled in the art will readily recognize that various changes, modifications and variations can be made from the above description and the accompanying drawings without departing from the scope and spirit of the invention.
Claims (15)
상기 금속이온의 흡착 평형 도달 후에 상기 세균 바이오매스를 상기 수용성 금속화합물에 유지시켜 금속나노입자를 생성시키는 단계를 포함하는 금속나노입자 제조 방법. Agitating a mixture of the water-soluble metal compound and the sterilized inactivated bacterial biomass to adsorb metal ions onto the bacterial biomass surface; And
And maintaining the bacterial biomass in the water-soluble metal compound after the adsorption equilibrium of the metal ions is reached to generate metal nanoparticles.
The nanoparticles prepared according to any one of claims 1 to 4, 7, 8 and 10 to 14, wherein the size of the nanoparticles is a metal, characterized in that 5 ~ 100nm Nanoparticles.
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