KR101285121B1 - Composite membrane supported bimetallic nanoparticles for the degradation of halogenated hydrocabons in water and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자막 및 상기 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 포함하는 복합막; 또는 고분자막, 및 상기 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 포함하는 복합막을 제공한다. 또한, 본 발명은 철 이온 용액을 제공하는 단계, 상기 철 이온 용액과 고분자막의 이온교환반응을 수행하여 고분자막에 철 이온을 포함시키는 단계, 및 철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성하는 단계를 포함하는 복합막의 제조방법; 또는 철 이온 용액을 제공하는 단계, 상기 철 이온 용액과 고분자막의 이온교환반응을 수행하여 고분자막에 철 이온을 포함시키는 단계, 철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성하는 단계, 및 상기 나노크기 영가 철 상에 금속 촉매를 형성하여 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 형성하는 단계를 포함하는 복합막의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 폐수 등에 함유되어 있는 할로겐탄화수소의 분해 속도를 현저하게 향상시키고 탈할로겐화 활성을 최대화할 수 있으며, 나노입자의 응집 문제를 해결하고, 기계적인 안정성을 향상시키며, 공정의 용이성 및 효율성을 확보하여, 수계내의 할로겐탄화수소를 용이하고 효율적으로 제거할 수 있다.The present invention is a composite membrane comprising a nano-size valent iron contained in the polymer membrane and the polymer membrane; Or it provides a composite membrane comprising a polymer membrane, and a bimetal of the nano-size valent iron and metal catalyst contained in the polymer membrane. In addition, the present invention comprises the steps of providing an iron ion solution, performing the ion exchange reaction of the iron ion solution and the polymer membrane to include iron ions in the polymer membrane, and reducing the iron ions nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane A method of manufacturing a composite film comprising the step of forming; Or providing an iron ion solution, performing an ion exchange reaction between the iron ion solution and the polymer membrane to include iron ions in the polymer membrane, reducing iron ions to form nano-sized zero valent iron included in the polymer membrane, and Forming a metal catalyst on the nano-sized zero-valent iron provides a method for producing a composite membrane comprising the step of forming a bi-metal of the nano-sized zero-valent iron and metal catalyst contained in the polymer membrane. According to the present invention, it is possible to remarkably improve the decomposition rate of halogenated hydrocarbons contained in waste water and the like, to maximize the dehalogenation activity, to solve the problem of coagulation of nanoparticles, to improve mechanical stability, and to improve the ease and efficiency of the process. The halogen hydrocarbon in the aqueous system can be removed easily and efficiently.

Description

수계내 할로겐탄화수소 제거용 이중금속이 함침된 복합막 및 그 제조방법{COMPOSITE MEMBRANE SUPPORTED BIMETALLIC NANOPARTICLES FOR THE DEGRADATION OF HALOGENATED HYDROCABONS IN WATER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF} Composite Membrane Impregnated with Double Metals for Halogen Hydrocarbon Removal in Aqueous System and Manufacturing Method Thereof

본 발명은 폐수에 함유된 할로겐탄화수소 제거를 위한 반응성 막에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노크기 영가 철 또는 나노크기 영가 철 함유 이중금속 나노입자가 함침된 양이온성 막으로 이루어진 복합막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a reactive membrane for the removal of halogen hydrocarbons contained in wastewater, and more particularly, to a composite membrane consisting of a cationic membrane impregnated with nanoscale zero-valent iron or nanosize zero-valent iron-containing bimetallic nanoparticles, and a method of manufacturing the same. It is about.

폐수 등에는 각종 오염물질이 포함되어 있으며, 특히 트리클로로에틸렌(TCE)과 같은 할로겐탄화수소(hallogenated hydrocarbon, 이하 "HHCs"라고도 칭함)가 대표적인 예이다.Waste water and the like contain various contaminants. In particular, halogenated hydrocarbons such as trichloroethylene (TCE) (hereinafter referred to as "HHCs") are representative examples.

이와 같은 수계 내에 함유된 할로겐탄화수소와 같은 오염물질의 분해 및 제거를 위하여 나노크기 영가 철(nanoscale zerovalent iron, 이하 "ZVI"라고도 칭함)의 이용에 대하여 최근 많은 연구가 이루어지고 있다.Recently, many studies have been conducted on the use of nanoscale zerovalent iron (hereinafter referred to as "ZVI") for the decomposition and removal of contaminants such as halogenated hydrocarbons in the water system.

나노크기 영가철은 높은 표면적과 작은 크기로 인해 높은 반응성을 나타내어, 오염물질 처리에 이용될 수 있는 것으로 잘 알려진 나노물질 중의 하나이다. 특히, 나노크기 영가철은 TCE와 같은 할로겐탄화수소의 제거에 효과적으로 이용될 수 있는 것으로 알려졌다.Nano-size ferrous iron is one of the nanomaterials well known for its high reactivity due to its high surface area and small size, which can be used for contaminant treatment. In particular, it is known that nano-size ferrous iron can be effectively used for the removal of halogen hydrocarbons such as TCE.

그러나, 나노크기 영가 철은 물에서의 반응성이 매우 높아, 미반응성 철 산화물 층이 형성되어 나노크기 영가 철 표면이 패시베이션(passivation)되고, 결과적으로 오염물질 분해 속도가 느려지고 분해 활성이 저하되게 된다.However, nanosized zero valent iron has a very high reactivity in water, resulting in the formation of an unreacted iron oxide layer which results in passivation of the nanosized zero valent iron surface, resulting in a slower rate of contaminant degradation and a lower degradation activity.

또한, 나노크기 영가 철은 안정한 상태로 존재하려는 열역학적 성질에 기인하여 쉽게 응집하기 때문에 반응효율이 저하되고 거의 이동성을 갖지 않는다는 문제점이 있다.In addition, the nano-sized zero valent iron is easily aggregated due to the thermodynamic properties to be present in a stable state, there is a problem that the reaction efficiency is lowered and has almost no mobility.

따라서, 나노크기 영가 철을 이용하여 수계 내에 함유된 할로겐탄화수소와 같은 오염물질을 빠르고 효과적으로 분해하고, 나아가 나노입자 응집에 의한 문제점을 해소할 수 있는 할로겐탄화수소 제거 기술 개발이 요구되는 실정이다.Therefore, the development of a halogen hydrocarbon removal technology that can quickly and effectively decompose contaminants such as halogen hydrocarbons contained in the water system using nano-sized zero valent iron and further solve the problems caused by nanoparticle aggregation.

본 발명은 나노크기 영가 철 또는 이를 포함하는 이중금속 나노입자를 고분자막에 함침시킴으로써 높은 할로겐화탄화수소 분해 속도, 연장된 탈할로겐화 활성 및 향상된 기계적 안정성을 나타내고, 나노입자의 응집 문제를 해결하여 수계내 할로겐탄화수소를 용이하고 효율적으로 제거할 수 있는 복합막 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
The present invention exhibits high halogenated hydrocarbon decomposition rate, extended dehalogenation activity and improved mechanical stability by impregnating the nano-sized zero valent iron or the bimetallic nanoparticles including the same into the polymer membrane, and solves the coagulation problem of the nanoparticles. It is an object of the present invention to provide a composite membrane and a method for manufacturing the same that can be easily and efficiently removed.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합막은 고분자막; 및 상기 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 포함하는 것을 특징으로 한다.Composite membrane according to an embodiment of the present invention is a polymer membrane; And nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 복합막은 고분자막; 및 상기 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 포함하는 것을 특징으로 한다.Composite membrane according to another embodiment of the present invention is a polymer membrane; And a bimetal of the nano-sized zero valent iron and the metal catalyst included in the polymer membrane.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 복합막의 제조방법은 철 이온 용액을 제공하는 단계; 상기 철 이온 용액과 고분자막의 이온교환반응을 수행하여 고분자막에 철 이온을 포함시키는 단계; 및 철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Method for producing a composite membrane according to another embodiment of the present invention comprises the steps of providing an iron ion solution; Incorporating iron ions into the polymer membrane by performing an ion exchange reaction between the iron ion solution and the polymer membrane; And reducing the iron ions to form the nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 복합막의 제조방법은 철 이온 용액을 제공하는 단계; 상기 철 이온 용액과 고분자막의 이온교환반응을 수행하여 고분자막에 철 이온을 포함시키는 단계; 철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성하는 단계; 및 상기 나노크기 영가 철 상에 금속 촉매를 형성하여 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Method for producing a composite membrane according to another embodiment of the present invention comprises the steps of providing an iron ion solution; Incorporating iron ions into the polymer membrane by performing an ion exchange reaction between the iron ion solution and the polymer membrane; Reducing the iron ions to form nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane; And forming a metal catalyst on the nano-sized zero valent iron to form a bimetal of the nano-sized zero valent iron and the metal catalyst included in the polymer membrane.

본 발명에 따르면 나노크기 영가 철 또는 이를 포함하는 이중금속 나노입자를 고분자막에 함침시킨 복합막을 이용함으로써 폐수 등에 함유되어 있는 할로겐탄화수소의 분해 속도를 현저하게 향상시키고 탈할로겐화 활성을 최대화할 수 있다.According to the present invention, by using the composite membrane impregnated with nano-size zero-valent iron or bimetallic nanoparticles including the same in the polymer membrane, it is possible to remarkably improve the decomposition rate of halogenated hydrocarbons contained in waste water and the like and maximize the dehalogenation activity.

또한, 본 발명에 따른 복합막을 이용하면, 나노입자의 응집 문제를 해결하고, 기계적인 안정성을 향상시키며, 공정의 용이성 및 효율성을 확보하여, 수계내의 할로겐탄화수소를 용이하고 효율적으로 제거할 수 있다.
In addition, by using the composite membrane according to the present invention, it is possible to solve the agglomeration problem of the nanoparticles, improve the mechanical stability, ensure the ease and efficiency of the process, and can easily and efficiently remove halogen hydrocarbons in the water system.

도 1은 할로겐화탄화수소 처리용 ZVI/Pd 이중금속 나노입자의 탈할로겐화 반응을 나타내는 모식도.
도 2는 나피온의 화학적 구조(a) 및 시판되는 Nafion 117 막의 사진(b).
도 3은 나피온 막에서의 ZVI의 고정화를 나타내는 모식도.
도 4는 Nafion 117(a), Nafion 117에 이온교환된 Fe2 +(b) 및 Nafion 117에 형성된 ZVI(c)의 광학 이미지.
도 5는 Fe0/Nafion 117의 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지(하단) 및 에너지 분산 엑스레이 분광분석(EDAX spectral mapping) 프로파일(오른쪽 상단).
도 6은 Nafion 117에서 Fe 나노입자의 imageJ 분석 및 히스토그램.
도 7은 ZVI/Nafion 117에서 Fe 이온 농도에 따른 평균 나노입자 크기를 나타내는 그래프.
도 8은 Fe0/Nafion 117의 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM) 이미지(a, b), 제한 시야 전자 회절(SAED) 프로파일(c) 및 에너지 분산 엑스레이 분광분석 프로파일(spectral EDS profile).
도 9는 Fe0/Nafion 막의 HAADF 이미지의 HR-TEM 분석 및 샘플의 선택된 영역에서 Fe의 EDS mapping 결과를 나타내는 도.
도 10은 Fe0-Pd/Nafion 복합막의 FE-SEM 이미지 및 EDS 스펙트럼 데이터.
도 11은 다양한 첨가량의 Pd를 갖는 Fe0/Nafion과 접촉하는 동안의 TCE 농도 프로파일을 나타내는 그래프.
도 12는 다양한 첨가량의 Pd를 갖는 Fe0/Nafion과 150분 동안 접촉한 후의 TCE 제거 효율을 나타내는 그래프.
도 13은 Fe 함유량에 대하여 Pd 첨가량이 8.72 wt%인 복합막의 FE-SEM 이미지.
도 14는 표 1에 나타낸 TCE Km 값에 대한 선형근사 결과.
도 15는 이중금속 Fe/Pd 나노입자를 갖는 나피온에 의한 가능한 TCE 분해 경로를 나타내는 도.
도 16은 TCE 탈염소화 중에 방출된 염소 이온의 농도 프로파일을 나타내는 그래프.
1 is a schematic diagram showing the dehalogenation reaction of ZVI / Pd double metal nanoparticles for halogenated hydrocarbon treatment.
2 is a chemical structure of Nafion (a) and a photograph of a commercially available Nafion 117 membrane (b).
3 is a schematic diagram showing immobilization of ZVI in a Nafion membrane.
Figure 4 is an optical image of a Nafion 117 (a), ZVI ( c) formed on the ion-exchanged Fe 2 + (b) Nafion 117 and Nafion 117 on.
5 is a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) image (bottom) and an energy dispersive X-ray spectroscopy (EDAX spectral mapping) profile (top right) of Fe 0 / Nafion 117.
6 is imageJ analysis and histogram of Fe nanoparticles in Nafion 117.
7 is a graph showing average nanoparticle size according to Fe ion concentration in ZVI / Nafion 117.
8 is a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM) image (a, b), limited field electron diffraction (SAED) profile (c) and energy dispersive X-ray spectroscopy profile of Fe 0 / Nafion 117.
FIG. 9 shows HR-TEM analysis of HAADF images of Fe 0 / Nafion membranes and EDS mapping results of Fe in selected regions of samples.
10 is FE-SEM image and EDS spectral data of the Fe 0 -Pd / Nafion composite membrane.
FIG. 11 is a graph showing the TCE concentration profile during contact with Fe 0 / Nafion with various amounts of Pd.
12 is a graph showing the TCE removal efficiency after contact with Fe 0 / Nafion having various amounts of Pd for 150 minutes.
Fig. 13 is an FE-SEM image of a composite film having a Pd addition amount of 8.72 wt% with respect to Fe content.
14 is a linear approximation result for the TCE K m values shown in Table 1. FIG.
FIG. 15 shows possible TCE degradation pathways by Nafion with bimetallic Fe / Pd nanoparticles.
FIG. 16 is a graph showing the concentration profile of chlorine ions released during TCE dechlorination.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합막은 고분자막; 및 상기 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 포함하는 것을 특징으로 한다.Composite membrane according to an embodiment of the present invention is a polymer membrane; And nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 복합막은 고분자막; 및 상기 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 포함하는 것을 특징으로 한다.Composite membrane according to another embodiment of the present invention is a polymer membrane; And a bimetal of the nano-sized zero valent iron and the metal catalyst included in the polymer membrane.

이와 같이, 본 발명은 나노크기 영가 철 또는 나노크기 영가 철 함유 이중금속 나노입자를 고분자막에 함침시킴으로써, 나노입자의 응집 문제를 해결하고, 기계적인 안정성을 향상시키며, 나아가 할로겐탄화수소의 분해 속도를 높이고 탈할로겐 활성을 연장시킬 수 있다.As such, the present invention impregnates the nano-sized zero-valent iron or nano-sized zero-valent iron-containing bimetallic nanoparticles into the polymer membrane, thereby solving the aggregation problem of nanoparticles, improving mechanical stability, further increasing the decomposition rate of halogen hydrocarbons Dehalogen activity can be extended.

본 발명의 복합막에 포함되는 고분자막은 나노크기 영가 철 또는 나노크기 영가 철 함유 이중금속 나노입자의 고정하는 지지체로서의 역할을 한다. 이를 통하여 현탁액 중의 나노입자의 응집이 방지되어, 나노입자의 비표면적을 최대화할 수 있으며, 나노입자를 용이하게 핸들링할 수 있다.The polymer membrane included in the composite membrane of the present invention serves as a support for fixing nano-sized valent iron or nano-sized valent iron-containing bimetallic nanoparticles. This prevents agglomeration of the nanoparticles in the suspension, thereby maximizing the specific surface area of the nanoparticles and allowing easy handling of the nanoparticles.

본 발명의 복합막에 이용될 수 있는 고분자막은 다양하며, 그 예는 수성 환경에서 음전하를 갖는 양이온성 이온교환막을 포함한다.Polymeric membranes that can be used in the composite membrane of the present invention are various, and examples thereof include a cationic ion exchange membrane having a negative charge in an aqueous environment.

양이온성 이온교환막은 -SO3 -, -COOH 및 -OPO3 -로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 기를 포함할 수 있다.The cationic ion exchange membrane are -SO 3 - groups may include one or more kinds selected from the group consisting of -, -COOH, and -OPO 3.

또한, 고분자막의 구체적 예는 나피온(Nafion) 또는 기능화된 폴리설폰을 포함할 수 있다.In addition, specific examples of the polymer membrane may include Nafion or functionalized polysulfone.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합막에 있어서, 나노크기 영가 철에 금속 촉매를 포함시킴으로써 할로겐화탄화수소 등의 오염물질 분해 속도를 향상시킬 수 있다. In the composite membrane according to an embodiment of the present invention, by including a metal catalyst in the nano-sized zero valent iron, it is possible to improve the decomposition rate of contaminants such as halogenated hydrocarbons.

금속 촉매는 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 표면에 존재할 수 있다. 일 예에서, 나노크기 영가 철 표면에 금속 촉매가 섬(islet) 형태로 존재할 수 있다.The metal catalyst may be present on the nano-sized zero valent iron surface included in the polymer membrane. In one example, a metal catalyst may be present in the form of an island on the nanoscale zero valent iron surface.

본 발명의 복합막에 포함될 수 있는 금속 촉매는 팔라듐(Pd)을 포함할 수 있다.The metal catalyst that may be included in the composite membrane of the present invention may include palladium (Pd).

나노크기 영가 철 상에 증착된 팔라듐 섬은 단일금속 나노크기 영가 철에 비하여 분해 속도가 더 빨라지고, 탈할로겐화 활성(dehalogenation activity)이 연장될 수 있다.Palladium islands deposited on nanoscale zero valent iron can be faster in decomposition and prolonged dehalogenation activity compared to monometallic nanosize zero valent iron.

ZVI/Pd 이중금속 나노입자의 분해 메커니즘을 도 1에 나타낸다. 도 1에 나타낸 화학양론적 반응을 반응식 1 내지 3에 나타낸다.The decomposition mechanism of ZVI / Pd bimetallic nanoparticles is shown in FIG. 1. The stoichiometric reactions shown in FIG. 1 are shown in Schemes 1-3.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Fe0 + 2H+ → Fe2 + + H2 Fe 0 + 2H + → Fe 2 + + H 2

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

Fe0 + R-X + H+ → Fe2 + + R-H +Cl- RX + H +0 + Fe Fe + 2 + RH + Cl -

[반응식 3]Scheme 3

R-X + 2Pd0 + H2 → H+ + R-H + 2Pd + Cl- RX + 2Pd 0 + H 2 → H + + RH + 2Pd + Cl -

반응식 1에 나타낸 바와 같이, 산성 환경에서, ZVI는 제1철 이온(Fe2 +)으로 쉽게 산화되어 수소(H2)를 생산한다. 또한, 반응식 2에 나타낸 바와 같이, ZVI는 단독으로 할로겐탄화수소(R-X)를 환원시킬 수도 있다. 특히, 반응식 3에 나타낸 Pd-매개 탈할로겐화 반응(Pd-mediated dehalogenation reaction)은 반응식 2에 비하여 반응속도가 더 빠르다. Pd 섬에서, 결과적으로 H2와 R-X와의 전이 복합체(transition complex)에 의하여 할로겐화탄화수소의 탈할로겐화(R-X → R-H)가 일어난다. As shown in Scheme 1, in an acid environment, ZVI is easily oxidized by ferrous ions (Fe + 2) to produce hydrogen (H 2). In addition, as shown in Scheme 2, ZVI can also reduce halogen hydrocarbon (RX) alone. In particular, the Pd-mediated dehalogenation reaction shown in Scheme 3 is faster than Scheme 2. In Pd islands, dehalogenation of halogenated hydrocarbons (RX → RH) occurs as a result of a transition complex between H 2 and RX.

도 1 및 반응식 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 복합막은 폐수 등에 포함된 트리클로로에틸렌(TCE)와 같은 할로겐화탄화수소를 높은 속도로 효율적으로 분해할 수 있다.As shown in FIG. 1 and Schemes 1 to 3, the composite membrane of the present invention can efficiently decompose halogenated hydrocarbons such as trichloroethylene (TCE) contained in waste water and the like at high speed.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합막의 제조방법은 철 이온 용액을 제공하는 단계; 상기 철 이온 용액과 고분자막의 이온교환반응을 수행하여 고분자막에 철 이온을 포함시키는 단계; 및 철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the method of manufacturing a composite membrane according to an embodiment of the present invention comprises the steps of providing an iron ion solution; Incorporating iron ions into the polymer membrane by performing an ion exchange reaction between the iron ion solution and the polymer membrane; And reducing the iron ions to form the nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 복합막의 제조방법은 철 이온 용액을 제공하는 단계; 상기 철 이온 용액과 고분자막의 이온교환반응을 수행하여 고분자막에 철 이온을 포함시키는 단계; 철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성하는 단계; 및 상기 나노크기 영가 철 상에 금속 촉매를 형성하여 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Method for producing a composite membrane according to another embodiment of the present invention comprises the steps of providing an iron ion solution; Incorporating iron ions into the polymer membrane by performing an ion exchange reaction between the iron ion solution and the polymer membrane; Reducing the iron ions to form nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane; And forming a metal catalyst on the nano-sized zero valent iron to form a bimetal of the nano-sized zero valent iron and the metal catalyst included in the polymer membrane.

본 발명의 복합막 제조방법에 이용될 수 있는 철 이온 용액은 탈산소화 탈이온수 중의 Fe2 + 이온 또는 Fe3 + 이온의 금속염 용액을 포함한다.Ferrous ion solution which can be used in the composite film production method of the present invention includes a metal salt solution of a Fe 2 + ions or Fe 3 + ions in deoxygenated deionized water.

철 이온 용액 형성을 위한 전구체로는 FeCl2의 수화 형태 또는 FeCl3의 무수물 형태를 이용할 수 있다.As a precursor for forming the iron ion solution, a hydrated form of FeCl 2 or an anhydride form of FeCl 3 may be used.

철은 7 이상의 pH에서 물에서의 용해도가 감소함에 따라 침전이 형성되기 시작하므로, Fe 침전을 방지하기 위하여 철 이온 용액은 산성인 것이 바람직하다.Since iron starts to form as the solubility in water decreases at a pH of 7 or more, the iron ion solution is preferably acidic to prevent Fe precipitation.

또한, 나노크기 영가 철의 크기는 철 이온의 농도와 관련되므로, 후속되는 환원 단계에서 나노크기 영가 철의 응집을 방지하기 위하여 철 이온 용액의 농도는 고분자막의 이온교환 용량을 과포화시키지 않는 범위인 것이 바람직하다.In addition, since the size of the nano-sized zero-valent iron is related to the concentration of iron ions, the concentration of the iron ion solution should be such that it does not oversaturate the ion exchange capacity of the polymer membrane in order to prevent the aggregation of the nano-sized zero-valent iron in the subsequent reduction step. desirable.

철 이온 용액과 고분자막의 이온교환반응은 무산소 분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다.The ion exchange reaction between the iron ion solution and the polymer membrane is preferably performed in an oxygen free atmosphere.

일 예에서, 이온교환반응은 고분자막을 철 이온 용액에 침지시킴으로써 이루어질 수 있다. 침지시간은 이온교환반응이 완전히 수행될 수 있도록 선택되며, 예를 들어 1시간 이상일 수 있다.In one example, the ion exchange reaction can be accomplished by immersing the polymer membrane in an iron ion solution. Immersion time is selected such that the ion exchange reaction can be carried out completely, for example, may be 1 hour or more.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합막 제조방법은 이온교환반응에 의하여 고분자막에 철 이온을 포함시키는 단계 후에, 철 이온이 포함된 고분자막을 산성인 탈산소화 탈이온수로 1차 세척하는 단계 및 탈산소화 탈이온수로 2차 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 세척에 의하여 고분자막에 포함된 잔류물을 완전히 제거하여 그들의 침전을 방지할 수 있다.In the composite membrane manufacturing method according to an embodiment of the present invention, after the step of including iron ions in the polymer membrane by the ion exchange reaction, the first step of washing the polymer membrane containing iron ions with acidic deoxygenated deionized water and deoxygenation It may further comprise the step of second washing with deionized water. By this washing, residues contained in the polymer membrane can be completely removed to prevent their precipitation.

다음으로, 철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성한다.Next, iron ions are reduced to form nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane.

철 이온의 환원에 이용되는 환원제는 특히 제한되는 것은 아니나, 소듐 보로하이드라이트(NaBH4)를 이용하는 것이 바람직하다.The reducing agent used for the reduction of the iron ions is not particularly limited, but sodium borohydrite (NaBH 4 ) is preferably used.

일 예에서, 철 이온의 환원은 탈산소화 탈이온수 중의 NaBH4 용액에 철 이온이 포함된 고분자막을 침지시킴으로써 이루어질 수 있다. NaBH4 를 이용한 Fe 나노입자의 형성은 하기 반응식 4로 나타내어진다.In one example, the reduction of iron ions may be accomplished by immersing the polymer membrane containing iron ions in a NaBH 4 solution in deoxygenated deionized water. Formation of Fe nanoparticles using NaBH 4 is represented by Scheme 4 below.

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

Fe2 + + 2BH4 - + 6H2O → Fe0 ↓+ 2B(OH)3 + 7H2 Fe 2 + + 2BH 4 - + 6H 2 O → Fe 0 ↓ + 2B (OH) 3 + 7H 2

철 이온의 환원은 무산소 분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다.Reduction of iron ions is preferably performed in an oxygen free atmosphere.

이와 같은 환원 반응은 적어도 8시간 이상, 바람직하게는 하룻밤 동안 이루어질 수 있다.Such a reduction reaction may take place for at least 8 hours or more, preferably overnight.

본 발명의 일 실시예에 따른 복합막 제조방법은 철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성하는 단계 후에, 나노크기 영가 철이 포함된 고분자막을 탈산소화 탈이온수로 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 세척에 의하여 잔류 환원제를 제거할 수 있다.In the composite membrane manufacturing method according to an embodiment of the present invention, after the step of reducing the iron ions to form the nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane, further comprising the step of washing the polymer membrane containing the nano-sized zero valent iron with deoxygenated deionized water It may include. By this washing, residual reducing agents can be removed.

나노크기 영가 철 상에 금속 촉매를 형성하여 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 형성하는 단계는 알코올 및 탈산소화 탈이온수의 혼합 용매 중의 팔라듐의 금속염 용액을 이용하여 이루어질 수 있다.Forming a metal catalyst on the nano-sized zero valent iron to form a bimetal of the nano-sized zero valent iron and the metal catalyst included in the polymer membrane may be performed using a metal salt solution of palladium in a mixed solvent of alcohol and deoxygenated deionized water. .

일 예에서, 알코올 및 탈산소화 탈이온수의 혼합 용매 중의 팔라듐의 금속염 용액에 나노크기 영가 철이 포함된 고분자막을 침지시킴으로써 나노크기 영가 철 상에 팔라듐을 섬 형태로 형성할 수 있다. Pd 섬의 형성은 하기 반응식 5로 나타내어진다.In one example, palladium may be formed in an island form on nanosize zero valent iron by immersing the polymer membrane containing nano size zero valent iron in a metal salt solution of palladium in a mixed solvent of alcohol and deoxygenated deionized water. The formation of Pd islands is represented by Scheme 5 below.

[반응식 5]Scheme 5

Fe0 + Pd2 + → Fe2 + + Pd0 Fe 0 + Pd 2 + → Fe 2 + + Pd 0

본 발명의 일 실시예에 따른 복합막 제조방법은 상기 나노크기 영가 철 상에 금속 촉매를 형성하여 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 형성하는 단계 후에, 이중금속이 포함된 고분자막을 무수 에탄올로 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.In the composite membrane manufacturing method according to an embodiment of the present invention, after forming a metal catalyst on the nano-sized zero valent iron to form a double metal of the nano-sized zero valent iron and the metal catalyst included in the polymer membrane, the double metal is included The method may further include washing the polymer membrane with anhydrous ethanol.

이와 같이 제조된 복합막은 폐수 등에 함유되어 있는 할로겐탄화수소의 분해 속도를 현저하게 향상시키고 탈할로겐화 활성을 최대화할 수 있다. 또한, 나노입자의 응집 문제를 해결하고, 기계적인 안정성을 향상시키며, 공정의 용이성 및 효율성을 확보하여, 수계내의 할로겐탄화수소를 용이하고 효율적으로 제거할 수 있다.
The composite membrane thus prepared can significantly improve the decomposition rate of halogenated hydrocarbons contained in waste water and the like and maximize the dehalogenation activity. In addition, it is possible to solve the problem of aggregation of nanoparticles, to improve mechanical stability, to ensure the ease and efficiency of the process, it is possible to easily and efficiently remove halogen hydrocarbons in the water system.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

[[ 실시예Example ]]

1. 복합막 제조1. Composite Membrane Manufacturing

Nafion 117 막, ZVI 전구체인 FeCl2-4H2O 및 Pd 전구체인 K2Cl4Pd는 Sigma-Aldrich (USA)로부터 구매하였다. 모든 시약 용액의 제조 및 반응 수행은 공기 중에서 ZVI의 산화를 방지하기 위하여 무산소 분위기에서 이루어졌다. 무산소 분위기는 아르곤(Ar) 및 질소(N2)와 같은 고순도의 압축 비활성 기체를 이용함으로써 이루어졌다.A Nafion 117 membrane, ZVI precursor FeCl 2 -4H 2 O and K 2 Pd precursor Cl Pd 4 was purchased from Sigma-Aldrich (USA). Preparation of all reagent solutions and reactions were carried out in an oxygen free atmosphere to prevent oxidation of ZVI in air. An oxygen-free atmosphere was achieved by using high purity compressed inert gases such as argon (Ar) and nitrogen (N 2 ).

양이온성 막으로 Nafion 117 막을 이용하였다. 도 2에 나피온의 화학적 구조 및 시판되는 Nafion 117 막의 사진을 나타낸다. 나피온의 고분자 골격과 측쇄는 플루오로카본으로 이루어지고, 그 측쇄는 SO3 - 기로 기능화되어 있다.Nafion 117 membrane was used as the cationic membrane. Figure 2 shows the chemical structure of Nafion and pictures of commercially available Nafion 117 membranes. The polymer backbone and side chains of Nafion consist of fluorocarbons, and the side chains are functionalized with SO 3 groups.

탈산소화 탈이온수를 이용하여 25 ㎎ 내지 250 ㎎ Fe2 +/ℓ 농도의 FeCl2 용액을 제조하였다. 탈이온수의 탈산소화는 적절한 시간 동안 아르곤(Ar) 및 질소(N2)와 같은 고순도의 압축 비활성 기체를 스테인레스 스틸 또는 스톤 디퓨저를 통하여 살포함으로써 이루어질 수 있다. FeCl2 용액은 Fe 침전을 방지하기 위하여 산성으로 유지하였다.Deoxygenating deionized water using a 25 ㎎ to 250 ㎎ Fe 2 + / ℓ concentration of FeCl 2 The solution was prepared. Deoxygenation of deionized water can be achieved by sparging high purity compressed inert gas such as argon (Ar) and nitrogen (N 2 ) through a stainless steel or stone diffuser for a suitable time. FeCl 2 The solution was kept acidic to prevent Fe precipitation.

제조된 FeCl2 용액에 Nafion 117 막을 1 내지 3시간 동안 담가, 이온교환을 수행하였다. 이온교환은 Ar 또는 N2로 퍼지된 무산소 챔버에서 이루어지는 것이 가장 바람직하고, 이용가능한 가스 살포기를 구비한 흄후드(fumehood)에서 이루어질 수도 있다. 또는 컨테이너를 아르곤(Ar) 및 질소(N2)와 같은 고순도의 압축 비활성 기체로 퍼지한다. 반응기의 상부를 적당히 퍼지하면, 가스 소스가 꺼진 후, 컨테이너가 파라핀으로 밀봉될 수 있다. 이는 무산소 글로브 박스가 이용불가능한 경우에 경제적인 기술이다.Prepared FeCl 2 The Nafion 117 membrane was immersed in the solution for 1 to 3 hours and ion exchange was performed. Ion exchange is most preferably done in an oxygen free chamber purged with Ar or N 2 , and may be done in a fumehood with an available gas sparger. Or purge the container with a high purity compressed inert gas such as argon (Ar) and nitrogen (N 2 ). Properly purging the top of the reactor allows the container to be sealed with paraffin after the gas source is turned off. This is an economical technique where no anaerobic glove boxes are available.

도 3에 나피온 막에서의 ZVI의 고정화를 나타낸다. 나피온에 존재하는 SO3 - 기는 Fe 이온(Fe2 + 또는 Fe3 +)의 포획을 용이하게 한다.3 shows the immobilization of ZVI in the Nafion membrane. SO 3 present in the Nafion-groups to facilitate the capture of Fe ions (Fe + 2 or Fe + 3).

막 표면에 잔류하는 Fe 이온을 제거하고 침전을 방지하기 위하여 이온교환된 막을 산성 탈산소화 탈이온수(pH=4)로 세척하였다. 다음으로, 잔류물의 완전한 제거를 위하여 탈산소화 탈이온수로 세척하였다.The ion exchanged membrane was washed with acidic deoxygenated deionized water (pH = 4) to remove Fe ions remaining on the membrane surface and prevent precipitation. Next, it was washed with deoxygenated deionized water for complete removal of the residue.

이어서, 이온교환된 막을 하룻밤 동안 탈산소화 탈이온수 중의 1 wt%의 NaBH4 용액에 담가, Fe 이온을 나노입자로 환원시켰다. NaBH4는 물에서 반응성으로 수소 기체를 생성하나 낮은 농도에서는 안정하다. 따라서, NaBH4 용액의 농도는 1 wt%보다 높게 하는 것은 바람직하지 않으며, 용액은 환원제로서 최대 효율을 발휘하도록 반응 몇분 전에 제조하는 것이 바람직하다.The ion exchanged membrane was then immersed in a 1 wt% NaBH 4 solution in deoxygenated deionized water overnight to reduce Fe ions to nanoparticles. NaBH 4 generates hydrogen gas reactively in water but is stable at low concentrations. Therefore, it is not preferable to make the concentration of the NaBH 4 solution higher than 1 wt%, and the solution is preferably prepared a few minutes before the reaction so as to exhibit maximum efficiency as a reducing agent.

도 4에 Nafion 117(a), Nafion 117에 이온교환된 Fe2 +(b) 및 Nafion 117에 형성된 ZVI(c)의 광학 이미지를 나타낸다.Nafion 117 in FIG. 4 (a), shows an optical image of a ZVI (c) formed on the ion Fe 2 + (b) Nafion 117 and Nafion 117 exchanged.

환원 반응 후에, Fe 나노입자를 함유하는 복합막을 탈산소화 탈이온수로 완전히 세척하여, 잔류 환원제를 제거하였다.After the reduction reaction, the composite membrane containing Fe nanoparticles was washed thoroughly with deoxygenated deionized water to remove residual reducing agent.

다음으로, K2Cl4Pd를 제조된 복합막을 Pd 용액에 담가, 복합막에 Pd 섬의 후코팅을 수행하였다. 용매는 알코올 및 탈산소화 탈이온수의 조합을 이용하는 것이 바람직하다. Pd 시약을 물에 용해시킨 후, 알코올을 첨가하였다.Next, the composite membrane prepared with K 2 Cl 4 Pd was immersed in a Pd solution, and post-coating of Pd islands was performed on the composite membrane. The solvent is preferably a combination of alcohol and deoxygenated deionized water. After the Pd reagent was dissolved in water, alcohol was added.

제조된 복합막을 무수 에탄올로 완전히 세척한 후, 보관하였다.
The prepared composite membrane was completely washed with anhydrous ethanol and then stored.

2. 나노입자 크기의 최적화2. Optimization of Nanoparticle Size

(1) (One) FeFe 나노입자 형성에 대한  For nanoparticle formation pHpH 의 효과Effect

Pd 증착 전에, Nafion 117에서의 ZVI 형태에 대한 FeCl2 용액 pH의 효과를 알아보기 위하여, pH~7의 거의 중성인 조건 및 산성 조건(pH=4)에서 각각 실험을 수행하였다.To determine the effect of FeCl 2 solution pH on the ZVI form at Nafion 117, prior to Pd deposition, experiments were performed at nearly neutral and acidic conditions (pH = 4) of pH-7.

도 5에 Fe0/Nafion 117 표면의 전계방사 주사전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, "FE-SEM") 이미지(하단) 및 에너지 분산 엑스레이 분광분석(Energy Dispersive X-ray Spectroscpy)(EDAX spectral mapping) 결과(오른쪽 상단)를 나타낸다.Figure 5 Field Emission Scanning Electron Microscope (FE-SEM) image of the Fe 0 / Nafion 117 surface (bottom) and Energy Dispersive X-ray Spectroscpy (EDAX spectral mapping) ) Results (top right).

도 5의 에너지 분산 엑스레이 분광분석 결과에 나타낸 바와 같이, 0.8, 6.5 및 7.1 keV에서의 Fe 신호에 의하여 나피온 막 상의 미립자는 생성된 Fe 나노입자임이 확인되었다.As shown in the results of the energy dispersive X-ray spectroscopy of FIG. 5, it was confirmed that the fine particles on the Nafion membrane were Fe nanoparticles produced by Fe signals at 0.8, 6.5, and 7.1 keV.

또한, pH 조정 없이 pH~7의 Fe 용액에 나피온 막을 담근 경우에는 나노입자가 불균일한 분포로 생성되었으며, 집약적인 응집체가 형성된 것으로 나타났으나(도 5(a), pH=4인 산성 조건의 Fe 용액에 나피온 막을 담근 경우에는 나노입자가 균일하게 분포되었으며, 응집체가 형성되지 않은 것을 확인할 수 있었다(도 5(b)).
In addition, when the Nafion membrane was immersed in the Fe solution of pH ~ 7 without adjusting the pH, the nanoparticles were produced in a non-uniform distribution, it was found that intensive aggregates were formed (Fig. 5 (a), acidic conditions of pH = 4) When the Nafion membrane was immersed in the Fe solution of the nanoparticles were uniformly distributed, it was confirmed that the aggregate was not formed (Fig. 5 (b)).

(2) (2) FeFe 전구체 농도의 효과 Effect of precursor concentration

다양한 Fe2 + 농도의 용액(pH=4)을 이용하여 제조된 ZVI/Nafion 117 막의 ZVI 입자 크기 분포를 imageJ 분석을 통하여 결정하였다. 도 6은 Nafion 117에서 Fe 나노입자의 imageJ 분석 및 히스토그램을 나타내며, 도 7은 Fe 이온 농도에 따른 평균 나노입자 크기를 나타내는 그래프이다.The ZVI / Nafion 117 membrane ZVI particle size distribution produced using a solution (pH = 4) of various Fe 2 + concentration was determined through the analysis imageJ. FIG. 6 shows imageJ analysis and histogram of Fe nanoparticles in Nafion 117. FIG. 7 is a graph showing average nanoparticle size according to Fe ion concentration.

도 6 및 7로부터, ZVI 크기는 Fe2 + 농도와 직접 관련되는 것을 확인하였다. 도 7은 환원 과정 중에 집약적인 ZVI 응집체를 방지하기 위하여, Nafion 117을 막의 이온교환 용량(ion exchange capacity)을 과포화하지 않는 Fe 용액에 담그는 것이 바람직함을 나타낸다.
6 and 7, it was confirmed that ZVI size is directly related to the Fe 2 + concentration. FIG. 7 shows that in order to prevent intensive ZVI aggregates during the reduction process, it is preferable to immerse Nafion 117 in a Fe solution that does not supersaturate the ion exchange capacity of the membrane.

3. 3. HRHR -- TEMTEM 을 이용한 Using FeFe 00 /Of NafionNafion 의 특성화Characterization

낮은 Fe2 + 농도(100 ㎎ Fe/ℓ)에서 제조된 막 중의 나노입자는 입자 크기가 작기 때문에 FE-SEM을 이용하여 선명하게 관찰되지 않았다. 이에, 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM)을 이용하여 나노입자를 관찰하였으며, 그 결과를 도 8에 나타낸다. 도 8은 Fe0/Nafion 117의 고해상도 투과전자현미경(High Resolution transmission electron microscpoy, "HR-TEM") 이미지(a, b), 제한 시야 전자 회절(Selected Area Electron Diffraction, "SAED") 프로파일(c) 및 에너지 분산 엑스레이 분광분석 프로파일(spectral EDS profile)(d)을 나타낸다. 막 샘플은 집중 이온 빔(focus ion beam, "FIB")을 이용하여 제조하였다.Low Fe 2 + nano-particles in the prepared membrane at a concentration (100 ㎎ Fe / ℓ) was not clearly observed by using a FE-SEM because of the small particle size. Thus, the nanoparticles were observed using a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM), the results are shown in FIG. FIG. 8 is a High Resolution Transmission Electron Microscpoy (HR-TEM) image (a, b) of Fe 0 / Nafion 117, a Selected Area Electron Diffraction (“SAED”) profile (c). ) And energy dispersive x-ray spectroscopic profile (d). Membrane samples were prepared using a focused ion beam ("FIB").

도 8(a)의 HR-TEM 분석 결과는 샘플의 명시야상(bright field image)을 나타내며, 도 8(b)의 더 큰 배율에서 나노입자는 약 10 ㎚ 크기인 것을 확인할 수 있다. 도 8(c)의 SAED 프로파일은 Fe 나노입자의 다결정도(polycrystallinity)를 나타낸다. 도 8(d)의 에너지 분산 엑스레이 분광분석 프로파일은 도 5에 나타낸 FE-SEM으로부터 얻어진 결과와 일치한다.The HR-TEM analysis of FIG. 8 (a) shows the bright field image of the sample, and it can be seen that the nanoparticles are about 10 nm in size at a larger magnification of FIG. 8 (b). The SAED profile of FIG. 8 (c) shows the polycrystallinity of Fe nanoparticles. The energy dispersive x-ray spectroscopy profile of FIG. 8 (d) is consistent with the results obtained from the FE-SEM shown in FIG. 5.

나피온 막 내의 Fe 나노입자의 위치를 HR-TEM EDS mapping을 통하여 시각화하여 도 9에 나타낸다. 녹색은 Fe 신호를 나타내는 것으로, 이로부터, 나피온의 고분자 매트릭스 내에 Fe 나노입자가 잘 분포되어 있음을 확인하였다.
The location of Fe nanoparticles in the Nafion membrane is visualized through HR-TEM EDS mapping and shown in FIG. 9. Green indicates a Fe signal, from which it was confirmed that Fe nanoparticles were well distributed in the polymer matrix of Nafion.

4. 4. FEFE -- SEMSEM 을 이용한 Using FeFe 00 -- PdPd /Of NafionNafion 의 특성화Characterization

FE-SEM을 통하여 Pd의 존재를 확인하였으며, 그 결과를 도 10에 나타낸다. 도 10(a) 및 (b)의 Fe0-Pd/Nafion 복합막의 FE-SEM 이미지에서와 같이, 나노입자는 각각 표면에서 및 횡단면에서 보여진다. 또한, 도 10(c) 및 (d)에 나타내어진 바와 같이, EDS 스펙트럼은 2.9 keV에서 나타나는 Pd의 피크 세기를 나타내었고, 이는 나피온 막 중의 Pd의 존재를 나타내는 것이다.
The presence of Pd was confirmed through FE-SEM, and the results are shown in FIG. 10. As shown in the FE-SEM image of the Fe 0 -Pd / Nafion composite membrane of FIGS. 10 (a) and 10 (b), the nanoparticles are seen at the surface and in the cross section, respectively. In addition, as shown in Figs. 10 (c) and 10 (d), the EDS spectrum showed the peak intensity of Pd at 2.9 keV, indicating the presence of Pd in the Nafion film.

5. 5. FeFe 00 -- PdPd /Of NafionNafion 에 의한 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene by TCETCE )의 )of 탈염소화Dechlorination

Fe0/Nafion 막의 후코팅에 이용된 Pd 용액의 농도를 달리하여 TCE 분해를 위한 Fe0-Pd/Nafion 복합막의 반응 속도에 대한 Pd 첨가량의 효과를 알아보았다. 도 11에 다양한 첨가량의 Pd를 갖는 Fe0/Nafion과 접촉하는 동안의 TCE 농도 프로파일을 나타낸다. 초기 농도(C0)는 10 ㎎/ℓ이었으며, 실험은 실온에서 교반하면서 배치 모드(batch mode)로 이루어졌다.The effect of the amount of Pd addition on the reaction rate of Fe 0 -Pd / Nafion composite membrane for TCE decomposition was examined by varying the concentration of Pd solution used for post-coating Fe 0 / Nafion membrane. 11 shows the TCE concentration profiles during contact with Fe 0 / Nafion with various amounts of Pd. The initial concentration (C 0 ) was 10 mg / l and the experiment was in batch mode with stirring at room temperature.

도 11로부터, Pd가 첨가되지 않은 Fe0/Nafion 막은 TCE 분해 속도가 낮은 반면, 1.5~1.75 wt%(Fe에 대한 wt%)의 Pd가 첨가된 Fe0-Pd/Nafion 복합막은 150분의 접촉시간 후에 용액에서 TCE 농도를 현저하게 저하시켰음을 확인할 수 있다.11, the Fe 0 / Nafion membrane without Pd had a low TCE decomposition rate, whereas the Fe 0 -Pd / Nafion composite membrane with Pd added 1.5 to 1.75 wt% (wt% relative to Fe) was 150 minutes in contact. It can be seen that after time, the TCE concentration in the solution was significantly reduced.

도 12는 다양한 첨가량의 Pd를 갖는 Fe0/Nafion과 150분 동안 접촉한 후의 TCE 제거 효율을 나타낸다. 초기 농도(C0)는 10 ㎎/ℓ이었으며, 실험은 실온에서 교반하면서 배치 모드(batch mode)로 이루어졌다.FIG. 12 shows the TCE removal efficiency after contact with Fe 0 / Nafion having various amounts of Pd for 150 minutes. The initial concentration (C 0 ) was 10 mg / l and the experiment was in batch mode with stirring at room temperature.

도 12로부터, 1.74 wt%의 Pd가 첨가된 경우 10 ㎎/ℓ의 TCE가 거의 완전히 제거되었음을 확인할 수 있다. 또한, Pd의 첨가량이 1.74 wt%를 넘는 경우에는 오히려 TCE 제거 효율이 낮아졌으며, 이는 막 손상 및 반응식 5에 언급된 바와 같은 Fe2+로의 분해에 의한 Fe0의 과다 손실에 의한 것으로 생각된다. 따라서, Fe0의 손실에 의한 복합막의 활성 손실을 방지하기 위하여 Pd가 과도하게 첨가되지 않는 것이 바람직하다. 이는 도 13에 나타낸 FE-SEM 분석을 통해서도 확인할 수 있다. 12, it can be seen that 10 mg / L TCE was almost completely removed when 1.74 wt% of Pd was added. Also, when the amount of Pd added exceeded 1.74 wt%, the TCE removal efficiency was lowered, which is thought to be due to excessive loss of Fe 0 by membrane damage and decomposition into Fe 2+ as mentioned in Scheme 5. Therefore, it is preferable that Pd is not excessively added in order to prevent the loss of activity of the composite film due to the loss of Fe 0 . This can also be confirmed through the FE-SEM analysis shown in FIG. 13.

도 13은 Fe 함유량에 대하여 Pd 첨가량이 8.72 wt%인 복합막의 FE-SEM 이미지를 나타낸다. 도 13의 원형으로 표시된 부분과 같이, 막 매트릭스의 물리적 구조 변형에 수반하여 Fe 나노입자가 없어졌음을 확인할 수 있다.FIG. 13 shows an FE-SEM image of a composite film having a Pd addition amount of 8.72 wt% with respect to Fe content. As shown by the circle in FIG. 13, it can be seen that the Fe nanoparticles disappeared with the physical structure modification of the membrane matrix.

이중금속 나노입자를 갖는 나피온 막에서의 TCE 반응 속도는 수학식 1에 나타낸 바와 같이 1차 속도 모델을 통하여 결정되었으며, C는 시간 t에서의 TCE 농도이고, C0는 초기 TCE 농도이며, km은 분해 속도상수(min-1)이다. TCE의 반감기는 수학식 7을 이용하여 산출되었다.The TCE reaction rate in Nafion membranes with bimetallic nanoparticles was determined through a first-order rate model, as shown in Equation 1, where C is the TCE concentration at time t, C 0 is the initial TCE concentration, and k m is a decomposition rate constant (min-1). The half-life of the TCE was calculated using Equation 7.

[수학식 1][Equation 1]

Ln(C/C0) = kmtLn (C / C 0 ) = k m t

[수학식 2]&Quot; (2) "

t1 /2 = Ln2/km t 1/2 = Ln2 / k m

표 1은 Pd 첨가량에 따른 TCE 분해의 속도상수를 나타내며, 도 14는 표 1에 나타낸 Km 값에 대한 최소제곱방법에 의한 선형근사 결과를 나타낸다.Table 1 shows the rate constants of TCE decomposition according to the amount of Pd added, and FIG. 14 shows the linear approximation results by the least square method for the K m values shown in Table 1.

Pd 첨가량(wt%)Pd amount added (wt%) Km (min-1)K m (min -1 ) t1 /2 (min)t 1/2 (min) 00 -0.0015-0.0015 462462 0.340.34 -0.016-0.016 4343 1.741.74 -0.049-0.049 1414 3.53.5 -0.010-0.010 6969 8.728.72 -0.0023-0.0023 301301

표 11 및 도 14로부터, Pd가 첨가된 Fe0/Nafion은 Pd가 첨가되지 않은 Fe0/Nafion에 비하여 TCE 반응속도가 더 빠른 것을 확인하였다. 이는 Pd의 존재에 의하여 TCE의 탈염소화가 촉진되는 것을 나타내는 것이다.
Tables 11 and from Fig. 14, Fe 0 / Nafion The Pd is added, it was confirmed that compared with the Fe 0 / Nafion Pd is not added the faster the reaction rate TCE. This indicates that the dechlorination of TCE is promoted by the presence of Pd.

6. 가능한 6. Available TCETCE 분해 경로 Decomposition Path

도 15는 이중금속 Fe/Pd 나노입자를 갖는 나피온에 의한 가능한 TCE 분해 경로를 나타낸다. TCE 1몰당 3몰의 염소 이온(Cl-)이 존재하는 것으로 알려져 있다. Cl-의 방출은 탈할로겐화의 가장 강한 지표이다. 반응 후에 용액 내의 염소 이온의 존재는 TCE 제거가 분해에 의한 것이며, 휘발에 의한 TCE 손실 때문이 아님을 나타낸다.15 shows possible TCE degradation pathways by Nafion with bimetallic Fe / Pd nanoparticles. It is known that 3 moles of chlorine ions (Cl ) are present per mole of TCE. The release of Cl is the strongest indicator of dehalogenation. The presence of chlorine ions in the solution after the reaction indicates that the TCE removal is due to decomposition and not due to volatilization of TCE.

TCE의 분해는 TCE 분자에서 Cl-의 연속적 분리일 수 있으므로, 하나의 TCE 분자에서 2 또는 3개의 Cl-가 직접적으로 동시에 제거될 수 있다. 도 16은 TCE 탈염소화 중에 방출된 염소 이온의 농도 프로파일을 나타낸다. TCE 탈염소화 반응에 있어서는, Fe에 대하여 1.74 wt%의 Pd가 첨가된 이중금속 Fe/Pd 나노입자를 갖는 나피온 막을 이용하였으며, TCE 초기농도(C0)는 12 ㎎/ℓ이었다. 도 16에는, 1, 2 또는 3개의 염소 이온의 동시 제거에 대한 Cl-/TCE 비의 이론값이 점선으로 표시되어 있다. 도 16에 나타낸 측정 결과는, 반응 중에 염소 이온 농도는 1개의 TCE 분자에서 1개의 Cl- 이온의 제거(점선 1)와 매우 일치하는 것을 나타내었다. 그러나, 반응 후반부에서, Cl- 농도의 점진적인 증가가 관찰되었으며, 이는 디클로로에탄의 비닐 클로라이드(2Cl-)로의, 또한 아마도 에틸렌으로의 최종적인 분해를 나타내는 것이다.
Since degradation of TCE may be a continuous separation of Cl in the TCE molecule, two or three Cl may be directly and simultaneously removed in one TCE molecule. FIG. 16 shows the concentration profile of chlorine ions released during TCE dechlorination. In the TCE dechlorination reaction, a Nafion membrane having double metal Fe / Pd nanoparticles added with 1.74 wt% Pd based on Fe was used, and the initial TCE concentration (C 0 ) was 12 mg / l. Figure 16 shows, Cl for the one, two or three simultaneous removal of chloride ion - the theoretical value of the / TCE ratio is shown by a broken line. The measurement results shown in FIG. 16 showed that the chlorine ion concentration during the reaction was very consistent with the removal of one Cl ion (dotted line 1) in one TCE molecule. However, later in the reaction, a gradual increase in Cl concentration was observed, indicating a final decomposition of dichloroethane to vinyl chloride (2Cl ) and possibly ethylene.

상기 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments or constructions. Various changes, substitutions and alterations can be made hereto without departing from the spirit and scope of the invention. It will be clear to those who have knowledge.

Claims (21)

삭제delete 고분자막; 및
상기 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 포함하되,
상기 금속 촉매는 팔라듐(Pd)을 포함하며,
할로겐탄화수소 분해용인 것을 특징으로 하는
복합막.
Polymer membranes; And
Including the nano-sized zero-valent iron and a metal catalyst of the double metal contained in the polymer membrane,
The metal catalyst includes palladium (Pd),
For halogen hydrocarbon decomposition
Composite membrane.
제2항에 있어서,
상기 고분자막은 양이온성 이온교환막을 포함하는
복합막.
The method of claim 2,
The polymer membrane includes a cationic ion exchange membrane
Composite membrane.
제3항에 있어서,
상기 양이온성 이온교환막은 -SO3 -, -COOH 및 -OPO3 -로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 기를 포함하는 것을 특징으로 하는
복합막.
The method of claim 3,
The cationic ion exchange membranes is -SO 3 -, characterized in that it comprises at least one group selected from the group consisting of -, -COOH, and -OPO 3
Composite membrane.
제3항에 있어서,
상기 고분자막은 나피온(Nafion) 또는 기능화된 폴리설폰을 포함하는
복합막.
The method of claim 3,
The polymer membrane includes Nafion or functionalized polysulfone
Composite membrane.
삭제delete 제2항에 있어서,
상기 금속 촉매는 상기 나노크기 영가 철 표면에 존재하는 것을 특징으로 하는
복합막.
The method of claim 2,
The metal catalyst is characterized in that present on the nano-sized zero valent iron surface
Composite membrane.
삭제delete 삭제delete 할로겐탄화수소 분해용 복합막을 제조하는 방법으로서,
철 이온 용액을 제공하는 단계;
상기 철 이온 용액과 고분자막의 이온교환반응을 수행하여 고분자막에 철 이온을 포함시키는 단계;
철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성하는 단계; 및
상기 나노크기 영가 철 상에 금속 촉매를 형성하여 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 금속 촉매의 형성은 알코올 및 탈산소화 탈이온수의 혼합 용매 중의 팔라듐의 금속염 용액을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는
복합막의 제조방법.
As a method of manufacturing a composite film for halogen hydrocarbon decomposition,
Providing an iron ion solution;
Incorporating iron ions into the polymer membrane by performing an ion exchange reaction between the iron ion solution and the polymer membrane;
Reducing the iron ions to form nano-sized zero valent iron contained in the polymer membrane; And
Forming a metal catalyst on the nano-sized zero valent iron to form a bimetal of the nano-sized zero valent iron and the metal catalyst included in the polymer membrane,
The metal catalyst is formed using a metal salt solution of palladium in a mixed solvent of alcohol and deoxygenated deionized water.
Method for producing a composite membrane.
제10항에 있어서,
상기 철 이온 용액은 탈산소화 탈이온수 중의 Fe2+ 이온 또는 Fe3+ 이온의 금속염 용액을 포함하는
복합막의 제조방법.
The method of claim 10,
The iron ion solution comprises a metal salt solution of Fe 2+ ions or Fe 3+ ions in deoxygenated deionized water.
Method for producing a composite membrane.
제10항에 있어서,
상기 철 이온 용액은 산성인 것을 특징으로 하는
복합막의 제조방법.
The method of claim 10,
The iron ion solution is characterized in that the acid
Method for producing a composite membrane.
제10항에 있어서,
상기 철 이온 용액의 농도는 상기 고분자막의 이온교환 용량을 과포화시키지 않는 범위인 것을 특징으로 하는
복합막의 제조방법.
The method of claim 10,
The concentration of the iron ion solution is characterized in that it does not oversaturate the ion exchange capacity of the polymer membrane
Method for producing a composite membrane.
제10항에 있어서,
상기 이온교환반응은 무산소 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는
복합막의 제조방법.
The method of claim 10,
The ion exchange reaction is characterized in that it is made in an oxygen-free atmosphere
Method for producing a composite membrane.
제10항에 있어서,
상기 철 이온의 환원은 NaBH4를 환원제로 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는
복합막의 제조방법.
The method of claim 10,
Reduction of the iron ion is characterized in that using NaBH 4 as a reducing agent
Method for producing a composite membrane.
제10항에 있어서,
상기 철 이온의 환원은 무산소 분위기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는
복합막의 제조방법.
The method of claim 10,
Reduction of the iron ions is characterized in that in an oxygen-free atmosphere
Method for producing a composite membrane.
삭제delete 제10항에 있어서,
상기 철 이온 용액과 고분자막의 이온교환반응을 수행하여 고분자막에 철 이온을 포함시키는 단계 후에,
철 이온이 포함된 고분자막을 산성인 탈산소화 탈이온수로 1차 세척하는 단계; 및
탈산소화 탈이온수로 2차 세척하는 단계를 더 포함하는
복합막의 제조방법.
The method of claim 10,
After performing the ion exchange reaction of the iron ion solution and the polymer membrane to include iron ions in the polymer membrane,
First washing the polymer membrane containing iron ions with acidic deoxygenated deionized water; And
Further comprising the second step of washing with deoxygenated deionized water
Method for producing a composite membrane.
제10항에 있어서,
상기 철 이온을 환원시켜 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철을 형성하는 단계 후에,
나노크기 영가 철이 포함된 고분자막을 탈산소화 탈이온수로 세척하는 단계를 더 포함하는
복합막의 제조방법.
The method of claim 10,
After the step of reducing the iron ions to form a nano-sized zero valent iron contained in the polymer film,
Further comprising the step of washing the polymer membrane containing nano-sized zero valent iron with deoxygenated deionized water
Method for producing a composite membrane.
제10항에 있어서,
상기 나노크기 영가 철 상에 금속 촉매를 형성하여 고분자막에 포함된 나노크기 영가 철 및 금속 촉매의 이중금속을 형성하는 단계 후에,
이중금속이 포함된 고분자막을 무수 에탄올로 세척하는 단계를 더 포함하는
복합막의 제조방법.
The method of claim 10,
After the step of forming a metal catalyst on the nano-sized zero-valent iron to form a bimetal of the nano-sized zero-valent iron and metal catalyst contained in the polymer film,
Further comprising the step of washing the polymer film containing a double metal with anhydrous ethanol
Method for producing a composite membrane.
삭제delete
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