KR101465841B1 - Synthesis of poly-N-phenylglycine nanofibers and application thereof - Google Patents
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Abstract
폴리-N-페닐글리신 나노섬유의 합성과 이의 금속 흡착제로의 응용, 및 폴리-N-페닐글리신 나노섬유/산화 금속 나노입자의 복합체의 합성과 이의 금속 흡착제로의 응용을 제공한다.The present invention relates to the synthesis of poly-N-phenylglycine nanofibers, their application as metal adsorbents, and the synthesis of poly-N-phenylglycine nanofibers / metal oxide nanoparticles complexes and their application as metal adsorbents.
Description
본 발명은 폴리-N-페닐글리신 나노섬유의 합성 및 이의 응용에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리-N-페닐글리신 나노섬유의 합성과 이의 금속 흡착제로의 응용, 및 폴리-N-페닐글리신 나노섬유/산화 금속 나노입자의 복합체의 합성과 이의 금속 흡착제로의 응용에 관한 것이다.The present invention relates to the synthesis of poly-N-phenylglycine nanofibers and their applications, and more particularly to the synthesis of poly-N-phenylglycine nanofibers, their application as metal adsorbents, Fiber / metal oxide nanoparticles and their application as metal adsorbents.
현 세대에서 가장 중요한 과제 중 하나는 산업과정에서 발생하는 폐기물의 처리이다. 특히 물은 모든 생명체에 있어 필수적인 액체이다. 오염된 물에 포함된 중금속은 매우 희석된 농도에도 불구하고 인간과 환경에 치명적인 독성이 있기 때문에 특별한 주의가 필요하다.One of the most important challenges in the current generation is the disposal of waste from industrial processes. In particular, water is an essential liquid for all life forms. Special attention should be paid to the heavy metals contained in the contaminated water, because they are highly toxic to humans and the environment despite very dilute concentrations.
수중 오염물질을 제거하는 기술로는 주로 흡착, 석출, 막분리, 이온교환 등의 방법이 사용된다. 그 중 흡착에 의한 제거는 다른 방법에 비하여 경제적이고 효과적으로 수중 오염물질을 제거하는 것으로 알려져 있으며, 이때 제거효율은 대상 오염물질과 흡착제의 친화력에 의존한다.As a technique for removing water pollutants, adsorption, precipitation, membrane separation, and ion exchange are mainly used. Among them, removal by adsorption is known to economically and effectively remove pollutants in water as compared with other methods, wherein the removal efficiency depends on the affinity of the target contaminant and the adsorbent.
탄소는 수중 중금속 등 각종 오염 물질을 제거하는데 많이 사용되는 흡착제 중 하나이다. 다양한 형태의 탄소 및 탄소복합소재가 흡착 효과를 갖는다는 것이 많은 선행연구에서 조사되었다. 그래핀은 가장 최근 알려진 탄소 동소체로 큰 표면적을 가지며, 특히 그래핀 산화물은 표면에 존재하는 에폭시기, 하이드록시기, 카복실기 등의 작용기들로 인해 수질 정화에 있어서 매력적인 흡착제 후보로 고려되고 있다. 하지만 그래핀 산화물은 그 합성이 어렵고 합성 과정에서 사용되는 황산 등 용액의 처리가 문제되어 그 실질적인 응용에는 한계가 있다.Carbon is one of the adsorbents widely used to remove various pollutants such as heavy metals in water. Many previous studies have investigated that various types of carbon and carbon composites have adsorption effects. Graphene is the most recently known carbon isotope and has a large surface area. Particularly graphene oxide is considered as an attractive adsorbent candidate for water purification due to functional groups such as epoxy groups, hydroxyl groups and carboxyl groups present on the surface. However, it is difficult to synthesize graphene oxide, and there is a problem in the practical application of the solution such as sulfuric acid used in the synthesis process.
한편, 산화 철과 같은 물질도 수중 중금속 흡착에 이용될 수 있으나, 표면적을 넓히기 위해 작은 입자 크기로 제조하는 경우 유수에서 쉽게 소실되므로 그 사용 대상이 제한적인 문제가 있다.On the other hand, materials such as iron oxide can be used for adsorption of heavy metals in water, however, when they are manufactured with a small particle size in order to widen the surface area, they easily disappear from the water.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 간단한 방법으로 폴리-N-페닐글리신 나노섬유, 및 폴리-N-페닐글리신 나노섬유와 산화 금속 나노입자의 복합체를 합성하고, 이들을 금속 흡착제와 같은 유용한 수질 정화 물질로 응용함에 있다.Disclosure of the Invention The present invention has been conceived to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method of synthesizing a poly-N-phenylglycine nanofiber and a composite of poly- N-phenylglycine nanofiber and metal oxide nanoparticles by a simple method, And as a useful water purification material.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면은 금속 흡착제를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a metal adsorbent.
상기 흡착제는 폴리-N-페닐글리신 나노섬유를 포함한다. 또한, 상기 흡착제는 상기 나노섬유가 망상으로 얽힌 나노 웹 구조를 가질 수 있다.The adsorbent comprises poly-N-phenylglycine nanofibers. In addition, the adsorbent may have a nano-web structure in which the nanofibers are entangled with each other.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 유무기 복합체를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an organic-inorganic hybrid material.
상기 복합체는 폴리-N-페닐글리신 나노섬유; 및 상기 나노섬유에 결합된 산화 금속 나노입자를 포함한다.Wherein said complex comprises poly-N-phenylglycine nanofibers; And metal oxide nanoparticles bonded to the nanofibers.
상기 산화 금속 나노입자의 금속은 철, 알루미늄, 망간 및 이들의 2 이상의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The metal of the metal oxide nanoparticles may be at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, manganese, and two or more alloys thereof.
또한, 상기 복합체는 상기 나노섬유가 망상으로 얽힌 나노 웹 구조를 가질 수 있다.In addition, the composite may have a nano-web structure in which the nanofibers are entangled with each other.
상술한 유무기 복합체는 금속 흡착제로서 사용될 수 있다.The above-mentioned organic-inorganic hybrid substance can be used as a metal adsorbent.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면은 유무기 복합체 제조방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a nonaqueous-based composite material.
상기 방법은 N-페닐글리신 단량체, 아민계 반응 촉진제 및 산화 금속 나노입자가 혼합된 혼합물을 준비하는 단계; 상기 혼합물을 산화제를 함유한 산 용액에 첨가하여 중합 반응물을 형성하는 단계; 및 상기 중합 반응물의 N-페닐글리신 단량체를 중합시켜 폴리-N-페닐글리신 나노섬유 및 상기 나노섬유에 결합된 산화 금속 나노입자를 형성하는 단계를 포함한다.The method comprises: preparing a mixture of an N-phenylglycine monomer, an amine-based reaction promoter and metal oxide nanoparticles; Adding the mixture to an acid solution containing an oxidizing agent to form a polymerization reaction product; And polymerizing the N-phenylglycine monomer of the polymerization reaction to form poly-N-phenylglycine nanofiber and metal oxide nanoparticles bound to the nanofiber.
상기 산화 금속 나노입자의 금속은 철, 알루미늄, 망간 및 이들의 2 이상의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.The metal of the metal oxide nanoparticles may be at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, manganese, and two or more alloys thereof.
또한, 상기 유무기 복합체 제조방법은 수득된 복합체를 염기성 용액으로 처리하여 상기 폴리-N-페닐글리신 나노섬유를 디도핑하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method for preparing the organic-inorganic hybrid material may further include a step of treating the obtained composite with a basic solution to dedoping the poly-N-phenylglycine nanofiber.
본 발명에 따르면, 간단하고 경제적인 방법으로 폴리-N-페닐글리신 나노섬유 및 폴리-N-페닐글리신 나노섬유/산화 금속 나노입자의 복합체를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에서 제조된 물질은 높은 비표면적과 많은 카복실기를 포함하므로 폐수 등 오염수 중의 금속 흡착제로 유용하게 활용할 수 있다. 특히, 폴리-N-페닐글리신 나노섬유와 산화 금속 나노입자의 복합체는 수중 금속 흡착 후 자석을 이용하여 용이하게 회수할 수 있으므로 회수 효율 또한 뛰어나다.According to the present invention, it is possible to produce a composite of poly-N-phenylglycine nanofiber and poly-N-phenylglycine nanofibers / metal oxide nanoparticles by a simple and economical method. In addition, since the material produced in the present invention contains a high specific surface area and a large number of carboxyl groups, it can be usefully used as a metal adsorbent in contaminated water such as wastewater. Particularly, the composite of poly-N-phenylglycine nanofibers and metal oxide nanoparticles can be easily recovered by using a magnet after adsorption of metal in water, and thus the recovery efficiency is also excellent.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 제조예 1에 따른 생성물의 SEM 이미지이다.
도 2는 제조예 1에 따른 생성물의 UV-Vis 스펙트럼이다.
도 3은 제조예 1에 따른 생성물의 적외선 스펙트럼(IR)이다.
도 4는 제조예 2에 따른 생성물의 TEM 이미지(a) 및 SEM 이미지(b)이다.
도 5는 제조예 2에 따른 생성물을 물에 넣고 자석을 가져갔을 때의 모습을 촬영한 사진이다.
도 6은 폴리-N-페닐글리신 나노섬유에 흡착된 구리 입자의 SEM 이미지(a) 및 TEM 이미지(b)이다.
도 7a 및 7b는 실험예 1 및 2에 따라 구리를 제거한 후 측정한 UV-Vis 스펙트럼이다.1 is an SEM image of a product according to Preparation Example 1. Fig.
2 is the UV-Vis spectrum of the product according to Preparation Example 1.
3 is an infrared spectrum (IR) of the product according to Preparation Example 1. Fig.
4 is a TEM image (a) and a SEM image (b) of a product according to Production Example 2. Fig.
Fig. 5 is a photograph of the state of the product obtained in Production Example 2, taken in water and taken with a magnet. Fig.
6 is an SEM image (a) and a TEM image (b) of copper particles adsorbed on poly-N-phenylglycine nanofibers.
7A and 7B are UV-Vis spectra measured after removal of copper according to Experimental Examples 1 and 2. FIG.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms and includes all equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expressions herein include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms such as " comprises "or" having "are intended to specify the presence of stated features, integers, Or < / RTI > combinations thereof.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
실시예Example 1 One
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리-N-페닐글리신(poly-N-phenylglycine) 나노섬유를 포함하는 금속 흡착제를 제공한다.According to one embodiment of the present invention, there is provided a metal adsorbent comprising poly-N-phenylglycine nanofibers.
상기 폴리-N-페닐글리신은 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 갖는 고분자로서, N-페닐글리신 단량체의 중합에 의해 형성할 수 있다.The poly-N-phenylglycine is a polymer having a structure represented by the following formula (1), and can be formed by polymerization of an N-phenylglycine monomer.
<화학식 1>≪ Formula 1 >
구체적으로, 상기 폴리-N-페닐글리신 나노섬유는 N-페닐글리신 단량체와 산화제를 산 용액에서 반응시켜 제조할 수 있다. 또한, 상기 반응 시에 산화 전위를 낮추고 반응을 촉진하기 위하여 아민계 반응 촉진제를 첨가할 수 있다. 상기 반응 촉진제는 예를 들어 N-페닐-1,4-페닐렌다이아민(N-phenyl-1,4-phenylenediamine), p-페닐렌다이아민(p-phenylenediamine)과 같은 다이아민류일 수 있다.Specifically, the poly-N-phenylglycine nanofiber may be prepared by reacting an N-phenylglycine monomer with an oxidizing agent in an acid solution. In order to lower the oxidation potential and accelerate the reaction during the reaction, an amine-based reaction promoter may be added. The reaction promoter may be, for example, a diamine such as N-phenyl-1,4-phenylenediamine or p-phenylenediamine.
상기 산화제는 암모늄퍼설페이트(ammonium persulfate, (NH4)2S2O8), 포타슘다이크로메이트(potassium dichromate, K2Cr2O7), 클로로오릭산(chloroauric acid, HAuCl4), 염화 철(Ⅲ)(iron(Ⅲ) chloride, FeCl3), 과염소산 구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) perchlorate, Cu(ClO4)2) 및 과염소산 철(Ⅲ)(ferric perchlorate, Fe(ClO4)3) 중에서 선택할 수 있으며, 바람직하게는 암모늄퍼설페이트를 사용할 수 있다. 상기 산화제는 N-페닐글리신 1몰을 기준으로 0.1 내지 0.5 몰로 사용할 수 있다.The oxidizing agent is selected from the group consisting of ammonium persulfate (NH 4 ) 2 S 2 O 8 , potassium dichromate (K 2 Cr 2 O 7 ), chloroauric acid (HAuCl 4 ), iron chloride (III) chloride (FeCl 3 ), copper (Ⅱ) perchlorate, Cu (ClO 4 ) 2 ) and ferric perchlorate (Fe (ClO 4 ) 3 ) And preferably ammonium persulfate can be used. The oxidizing agent may be used in an amount of 0.1 to 0.5 mol based on 1 mol of N-phenylglycine.
상기 산은 다양한 무기산 또는 유기산을 사용할 수 있으며, 예를 들어 염산(HCl), 황산(H2SO4), 질산(HNO3), 과염소산(HClO4), 인산(H3PO4), 포스폰산(H3PO3), CSA(camphosulfonic acid), p-톨루엔술폰산(p-toluenesulfonic acid), 트라이클로로아세트산(trichloroacetic acid) 및 트라이플루오로아세트산(trifluoroacetic acid) 중에서 선택할 수 있다.The acid can be used various inorganic or organic acid, such as hydrochloric acid (HCl), sulfuric acid (H 2 SO 4), nitric acid (HNO 3), perchloric acid (HClO 4), phosphoric acid (H 3 PO 4), phosphonic acids ( H 3 PO 3 , CSA (camphosulfonic acid), p-toluenesulfonic acid, trichloroacetic acid and trifluoroacetic acid.
상기 폴리-N-페닐글리신은 상기 화학식 1에 나타낸 바와 같이, N-페닐글리신 단량체의 단위마다 카복실기를 포함하고 있다. 카복실기의 산소는 비공유 전자쌍에 의해 금속 이온과 정전기적 접근으로 결합할 수 있으며, 이를 통해 폐수 속 중금속을 비롯한 다양한 금속 이온을 흡착하여 제거할 수 있다. 또한, 상기 폴리-N-페닐글리신은 1차원 구조의 나노섬유 형상으로 제조될 수 있으며 높은 비표면적을 가지므로 금속과의 접촉이 매우 유리하다. 따라서, 폴리-N-페닐글리신 나노섬유는 금속 흡착제로의 사용에 매우 적합한 특성을 갖는다.As shown in
한편, 폴리-N-페닐글리신 나노섬유를 포함하는 금속 흡착제는 상기 나노섬유가 망상으로 얽힌 나노 웹 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조는 중합된 폴리-N-페닐글리신 나노섬유를 분리, 건조하는 과정에서 나노섬유가 서로 응집되어 형성될 수 있다. 나노섬유의 웹 구조는 많은 기공 및 높은 비표적을 가지므로 특히 유수 속 중금속 흡착에 유용하게 활용될 수 있다.
On the other hand, the metal adsorbent containing poly-N-phenylglycine nanofibers may have a nano-web structure in which the nanofibers are entangled with each other. Such a structure can be formed by aggregating nanofibers in a process of separating and drying polymerized poly-N-phenylglycine nanofibers. Since the web structure of nanofibers has many pores and high non - target, it can be useful for adsorption of heavy metals in heavy water.
실시예Example 2 2
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 폴리-N-페닐글리신 나노섬유 및 상기 나노섬유에 결합된 산화 금속 나노입자를 포함하는 유무기 복합체를 제공한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided an organic-inorganic hybrid material comprising poly-N-phenylglycine nanofiber and metal oxide nanoparticles bonded to the nanofiber.
상기 유무기 복합체는 N-페닐글리신 단량체, 아민계 반응 촉진제 및 산화 금속 나노입자가 혼합된 혼합물을 준비하는 단계; 상기 혼합물을 산화제를 함유한 산 용액에 첨가하여 중합 반응물을 형성하는 단계; 및 상기 중합 반응물의 N-페닐글리신 단량체를 중합시켜 폴리-N-페닐글리신 나노섬유 및 상기 나노섬유에 결합된 산화 금속 나노입자를 형성하는 단계를 포함하는 방법을 통해 제조할 수 있다.Wherein the organic / inorganic hybrid material is prepared by preparing a mixture of an N-phenylglycine monomer, an amine-based reaction promoter and metal oxide nanoparticles; Adding the mixture to an acid solution containing an oxidizing agent to form a polymerization reaction product; And polymerizing the N-phenylglycine monomer of the polymerization reaction to form poly-N-phenylglycine nanofibers and metal oxide nanoparticles bound to the nanofibers.
상기 아민계 반응 촉진제, 산화제 및 산은 실시예 1에서 설명한 바와 같다.The amine-based reaction accelerator, the oxidizing agent and the acid are as described in Example 1. [
상기 산화 금속 나노입자의 금속은 철, 알루미늄, 망간 및 이들의 2 이상의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.The metal of the metal oxide nanoparticles may include at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, manganese, and two or more alloys thereof.
상기 중합 반응물 내에 존재하는 산화 금속 나노입자는 N-페닐글리신 단량체의 중합 과정에서 생성되는 폴리-N-페닐글리신 나노섬유에 인입되거나 부착되는 양상으로 상기 나노섬유에 결합될 수 있다. 이러한 산화 금속 나노입자는 자체의 금속 흡착 능력을 가지며, 또한 폴리-N-페닐글리신의 카복실기에 포함된 산소 작용기의 전기음성적 성질을 강화시키는 역할도 할 수 있다. 따라서, 폴리-N-페닐글리신 나노섬유와 이에 결합된 산화 금속 나노입자를 포함하는 유무기 복합체는 보다 향상된 금속 흡착능을 보유할 수 있다.The metal oxide nanoparticles present in the polymerization reaction may be bound to the nanofibers in the form of being introduced or adhered to the poly-N-phenylglycine nanofibers produced in the polymerization of the N-phenylglycine monomer. These metal oxide nanoparticles have their own metal adsorption ability and can also enhance the electronegative property of the oxygen functional group contained in the carboxyl group of poly-N-phenylglycine. Accordingly, the organic-inorganic hybrid material including the poly-N-phenylglycine nanofiber and the metal oxide nanoparticles bonded thereto can have a further improved metal adsorption ability.
특히, 상기 산화 금속으로 산화 철을 사용하는 경우, 상기 유무기 복합체에 자성을 부여할 수 있다. 자성이 부여된 유무기 복합체를 금속 흡착제로 사용하는 경우, 수중 금속의 흡착 후에 자석을 이용하여 흡착제를 용이하게 회수할 수 있다. 또한, 회수된 흡착제를 적절한 후처리를 통해 흡착된 금속을 제거하고 재사용한다면 경제성을 제고할 수 있을 것이다.Particularly, when iron oxide is used as the metal oxide, the organic / inorganic hybrid material can be magnetized. When the organic-inorganic hybrid material to which magnetism is imparted is used as a metal adsorbent, the adsorbent can be easily recovered using a magnet after adsorption of the metal in the water. Also, if the adsorbed metal is removed and reused through proper aftertreatment of the recovered adsorbent, economical efficiency can be improved.
한편, 상기 유무기 복합체 제조방법은 수득된 복합체를 염기성 용액으로 처리하여 상기 폴리-N-페닐글리신 나노섬유를 디도핑(dedoping)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 폴리-N-페닐글리신 내 카복실기의 수소를 제거하여 카복실 음이온을 형성할 수 있으므로 금속에 대한 흡착력을 향상시킬 수 있다.
Meanwhile, the method for preparing the organic-inorganic hybrid material may further include a step of treating the obtained composite with a basic solution to dedoping the poly-N-phenylglycine nanofiber. In this case, hydrogen of the carboxyl group in the poly-N-phenylglycine can be removed to form the carboxyl anion, so that the adsorption ability to the metal can be improved.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred examples for the understanding of the present invention will be described. It should be understood, however, that the following examples are intended to aid in the understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.
<제조예 1: 폴리-N-페닐글리신(PPG) 나노섬유의 제조> <Production Example 1: poly - N - phenylglycine (PPG) producing a nanofiber>
N-폴리글리신(N-PG) 1mmol과 이의 5% mol에 해당하는 N-페닐-1,4-페닐렌-다이아민을 10ml 2-프로판올에 녹였다. 0.25mmol의 암모늄퍼설페이트(APS)를 10ml의 1M HCl에 녹인 후 두 용액을 혼합하였다. 2일 동안 실온에서 반응시킨 후 3000rpm으로 30분간 원심분리하여 폴리-N-페닐글리신(PPG) 나노섬유를 얻었다. 생성물을 분리한 후, 1M KOH로 디도핑(dedoping) 하고, 60℃ 오븐에서 건조하여 분말 형태로 만들었다.
1 mmol of N - polyglycine ( N - PG) and N - phenyl - 1, 4 - phenylene - diamine corresponding to 5 mol% thereof were dissolved in 10 ml of 2 - propanol. 0.25 mmol ammonium persulfate (APS) was dissolved in 10 ml of 1 M HCl and the two solutions were mixed. The reaction was carried out at room temperature for 2 days and then centrifuged at 3000 rpm for 30 minutes to obtain poly- N -phenylglycine (PPG) nanofiber. The product was separated, dedoped with 1M KOH and dried in an oven at 60 ° C to form a powder.
<제조예 2: 폴리-N-페닐글리신(PPG) 나노섬유/산화철(iron oxide, IO) 나노입자 복합체의 제조>Preparation Example 2: Preparation of poly- N -phenylglycine (PPG) nanofiber / iron oxide (IO)
우선 산화철(Fe3O4)은 다음 과정을 통해 합성하였다. 0.99g FeCl2·H2O(5mmol)와 1.63g FeCl3·H2O(6mmol)를 각각 5ml H2O에 녹인 후 두 용액을 혼합하였다. 이 혼합물에 0.6M 암모늄 용액 200ml를 20분 동안 천천히 떨어뜨리면서 교반하였다. 여기에 수산화암모늄 용액을 첨가하여 pH가 11~12가 되도록 맞춰주었다. 생성물을 2800rpm으로 10분간 원심분리하여 분리한 후, H2O와 테트라하이드로퓨란(THF)으로 각각 3번씩 세척한 후 공기 중에서 건조하였다.First, iron oxide (Fe 3 O 4 ) was synthesized by the following procedure. 0.99 g of FeCl 2 .H 2 O (5 mmol) and 1.63 g of FeCl 3 .H 2 O (6 mmol) were dissolved in 5 ml of H 2 O, respectively, and the two solutions were mixed. 200 ml of a 0.6M ammonium solution was slowly added dropwise to the mixture for 20 minutes while stirring. Ammonium hydroxide solution was added thereto to adjust the pH to 11-12. The product was separated by centrifugation at 2800 rpm for 10 minutes, washed three times each with H 2 O and tetrahydrofuran (THF), and dried in air.
N-PG 1mmol과 이의 5% mol에 해당하는 N-페닐-1,4-페닐-다이아민, 그리고 N-PG 1mmol에 해당하는 중량과 동일 중량의 산화철을 함께 갈아준 후 이것을 10ml 0.1M HCl에 녹였다. 0.25mmol의 APS를 0.1M HCl에 녹인 후 두 용액을 섞어 2일 동안 실온에서 반응시켰다. 생성물을 3000rpm으로 30분간 원심분리하여 분리한 후 0.1M HCl과 H2O로 세척하여 PPG/IO 복합체를 얻었다. 이 복합체를 60℃ 오븐에서 건조하여 분말 형태로 만들었다.
A diamine, and N -PG weight and 10ml 0.1M HCl gave after this change with the iron oxide of the same weight for the 1mmol - N -PG 1mmol and N corresponding to its 5% mol - phenyl-1,4-phenylene Melted. 0.25 mmol of APS was dissolved in 0.1 M HCl, and the two solutions were mixed and reacted at room temperature for 2 days. The product was separated by centrifugation at 3000 rpm for 30 minutes and then washed with 0.1 M HCl and H 2 O to obtain a PPG / IO complex. The complex was dried in an oven at 60 ° C to form a powder.
<분석예 1: PPG 나노섬유의 모폴로지 확인> & Lt; Analysis Example 1: Confirmation of morphology of PPG nanofibers >
제조예 1에서 반응이 진행되어 PPG 나노섬유가 생성됨에 따라 용액은 초록색으로 변하는 것을 관찰할 수 있었다.As the reaction proceeds in Production Example 1 to produce PPG nanofibers, the solution turned green.
또한, 제조예 1에 따른 생성물의 모폴로지를 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 확인하였다. 도 1의 SEM 이미지에서 나타난 바와 같이, 지름 약 50~100nm의 PPG 나노섬유가 그물형태로 얽힌 나노섬유 웹 구조가 형성됨을 확인할 수 있었다.
Further, the morphology of the product according to Production Example 1 was confirmed using a scanning electron microscope (SEM). As shown in the SEM image of FIG. 1, it was confirmed that a nanofiber web structure in which PPG nanofibers having a diameter of about 50 to 100 nm was intertwined in a net shape was formed.
<분석예 2: PPG 나노섬유의 분광 분석><Analysis Example 2: Spectroscopic Analysis of PPG Nanofibers>
도 2는 제조예 1에서 제조된 PPG 나노섬유의 UV-Vis 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도핑(doping) 상태의 PPG 나노섬유의 흡수 밴드는 310nm, 380nm 및 750nm에서 나타났다. 310nm의 피크는 π-π* 전자 전이에 해당하며, 380nm 및 750nm의 피크는 폴라론(polaron) 밴드로 예상된다. 디도핑(dedoping) 상태의 PPG 나노섬유의 흡수 밴드는 325nm와 620nm에서 나타났다.2 shows the UV-Vis spectrum of the PPG nanofibers prepared in Production Example 1. FIG. The absorption bands of the doped PPG nanofibers appeared at 310 nm, 380 nm and 750 nm. The peak at 310 nm corresponds to? -Π * electron transition, and the peak at 380 nm and 750 nm is expected to be a polaron band. The absorption bands of dedoping PPG nanofibers appeared at 325 nm and 620 nm.
도 3은 제조예 1에서 제조된 PPG 나노섬유의 적외선 스펙트럼(IR)을 나타낸 것이다. 주된 피크로 1558cm- 1와 1492cm-1에서 퀴노이드(quinoid)와 벤제노이드(benzenoid)에서 기인된 신축진동이 관찰되며, 1248cm-1에서는 이차 방향족 아민(secondary aromatic amine)의 신축 진동이 관찰된다. 813cm-1 피크는 파라-벤젠 고리(para-benzene ring)에서의 흡수 밴드와 일치한다. 한편, PPG는 카보닐기(carbonyl group)에서 기인된 1674cm-1에서 약한 피크가 관찰되며, 3000cm-1 부근에 넓게 분포되어 있는 피크는 수산기(hydroxyl group)에서 기인된 것이다. 1674cm-1 및 3000cm-1에서 나타난 두 개의 피크는 카복실기(carboxyl group)의 존재를 의미한다.
Fig. 3 shows an infrared spectrum (IR) of the PPG nanofiber prepared in Production Example 1. Fig. A main peak 1558cm - the stretching vibration caused by the quinoid (quinoid) and benje cannabinoid (benzenoid) observed at 1 and 1492cm -1 is, the stretching vibration of secondary aromatic amine (secondary aromatic amine) 1248cm -1 are observed in the. The 813 cm -1 peak corresponds to the absorption band in the para-benzene ring. On the other hand, PPG has a weak peak at 1674 cm -1 derived from a carbonyl group, and a peak widely distributed around 3000 cm -1 is derived from a hydroxyl group. Two peaks at 1674 cm -1 and 3000 cm -1 indicate the presence of a carboxyl group.
<분석예 3: PPG/IO 복합체의 모폴로지 분석 및 자성 확인>≪ Analysis Example 3: Morphology Analysis and Magnetic Characterization of PPG / IO Complex >
제조예 2에서 제조된 PPG 나노섬유/IO 나노입자 복합체의 모폴로지를 투과전자현미경(TEM)과 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 확인하였다.The morphology of the PPG nanofiber / IO nanoparticle composite prepared in Preparation Example 2 was confirmed by using a transmission electron microscope (TEM) and a scanning electron microscope (SEM).
도 4는 제조예 2에 따른 생성물의 TEM 이미지(a) 및 SEM 이미지(b)이다.4 is a TEM image (a) and a SEM image (b) of a product according to Production Example 2. Fig.
도 4에 나타난 바와 같이, PPG 나노섬유에 산화철 나노입자가 결합되어 합성됨을 알 수 있다. 산화철 나노입자의 크기는 약 12nm로 이는 금속을 흡착하는데 가장 뛰어난 효율을 나타낼 수 있다.As shown in FIG. 4, iron oxide nanoparticles are bonded to PPG nanofibers and synthesized. The size of the iron oxide nanoparticles is about 12 nm, which is the most efficient for adsorbing metals.
또한, 도 5는 물에 담긴 PPG/IO 복합체에 자석을 가져갔을 때의 모습을 촬영한 사진이다. PPG/IO 복합체가 자석 방향으로 끌려간 것을 확인할 수 있으며, 이는 PPG/IO 복합체가 자성을 가짐을 의미한다. 따라서, PPG/IO 복합체가 사용되는 환경이 액상인 경우라도, 그 사용 종료 후에 도 5과 같이 자석만을 이용하여 PPG/IO 복합체를 간편하게 분리·회수할 수 있다.
5 is a photograph of a state when a magnet is taken in a PPG / IO complex contained in water. You can see that the PPG / IO complex is pulled towards the magnet, which means that the PPG / IO complex is magnetic. Therefore, even when the environment in which the PPG / IO composite is used is a liquid phase, the PPG / IO complex can be easily separated and recovered using only the magnet as shown in Fig.
<실험예 1: PPG를 이용한 구리의 제거>EXPERIMENTAL EXAMPLE 1: Removal of Copper Using PPG >
염화 구리(Ⅱ) 수용액을 2.5×10-2, 5.0×10-2, 1.0×10-1, 3.0×10-1 및 5.0×10-1 mM 농도로 준비하였다. 여기에 전체 용액 무게의 0.02wt%의 PPG를 넣고 12시간 동안 교반하며 실온에서 반응시켰다. 각 샘플을 원심분리를 하고 상층액을 취하여 0.45㎛ 시린지 필터를 이용하여 여과하였다. 이 용액을 UV-Vis 스펙트럼을 통해 흡광도를 측정하여 구리 제거 후 남아있는 구리의 농도를 계산하였다. 구리의 UV-Vis 스펙트럼 상에서의 흡광도를 측정하기 위하여 아세트알데히드-비스(사이클로헥사논) 옥살디하이드라존(acetaldehyde-bis(cyclohexanone) oxaldihydrazone, BCO)법을 사용하였다.Chloride, copper (Ⅱ) aqueous solution of 2.5 × 10 -2, 5.0 × 10 -2, 1.0 × 10 -1, 3.0 × 10 -1, and was placed in a 5.0 × 10 -1 mM concentration. PPG of 0.02 wt% of the total solution weight was added thereto, and the mixture was stirred at room temperature for 12 hours. Each sample was centrifuged and the supernatant was collected and filtered using a 0.45 μm syringe filter. The absorbance of the solution was measured by UV-Vis spectroscopy to calculate the residual copper concentration after copper removal. Acetaldehyde-bis (cyclohexanone) oxaldihydrazone (BCO) method was used to measure the absorbance of copper on the UV-Vis spectrum.
BCO법은 0.7ml 트라이암모늄 시트레이트(triammonium citrate) 용액(10g 트라이암모늄 시트레이트를 50ml H2O에 녹인 용액), 0.5ml NH3-NH4Cl 완충용액(2ml NH3와 2g NH4Cl를 50ml H2O에 녹인 용액), 0.1ml의 40% 아세트알데히드 용액, 1.1ml BCO 용액(0.1g BCO를 25ml H2O와 25ml 메탄올에 녹인 용액) 및 2.1ml H2O를 혼합한 후, 0.5ml의 구리 수용액을 첨가하고 10분 후에 542nm에서의 흡광도를 측정한 것이다.
The BCO method involves the addition of 0.7 ml triammonium citrate solution (solution in which 10 g triammonium citrate is dissolved in 50 ml H 2 O), 0.5 ml NH 3 -NH 4 Cl buffer (2 ml NH 3 and 2 g NH 4 Cl, dissolved in 50ml H 2 O), 40% acetaldehyde solution of 0.1ml, 1.1ml BCO solution (after mixing a solution prepared by dissolving a 0.1g BCO in 25ml H 2 O and 25ml of methanol) and 2.1ml H 2 O, 0.5 ml of a copper aqueous solution was added, and the absorbance at 542 nm was measured after 10 minutes.
<실험예 2: PPG/IO 복합체를 이용한 구리의 제거>Experimental Example 2: Removal of copper using PPG / IO complex [
염화 구리(Ⅱ) 수용액을 2.5×10-2, 5.0×10-2, 1.0×10-1, 5.0×10-1 및 1.0 mM 농도로 준비하고, 구리 제거 물질로 PPG/IO 복합체를 사용한 것을 제외하고는, 실험예 1과 동일한 과정을 수행하였다.
Except that PPG / IO complex was used as a copper removal material when copper (II) chloride aqueous solution was prepared at concentrations of 2.5 × 10 -2 , 5.0 × 10 -2 , 1.0 × 10 -1 , 5.0 × 10 -1 and 1.0 mM The same procedure as in Experimental Example 1 was carried out.
<분석예 4: PPG/Cu 모폴로지 분석><Analysis Example 4: PPG / Cu morphology analysis>
산소 작용기는 다양한 금속과의 정전기적 인력을 통해 금속을 흡착할 수 있다. PPG는 산소를 포함하는 카복실기를 단량체 당 하나씩 가지고 있으므로 뛰어난 금속의 흡착을 예상할 수 있다.The oxygen functional groups can adsorb metals through electrostatic attraction with various metals. PPG can predict the adsorption of excellent metals because it has one carboxyl group containing oxygen per monomer.
도 6은 PPG 나노섬유에 흡착된 구리 입자(PPG/Cu)의 SEM 이미지(a) 및 TEM 이미지(b)이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 구리 입자가 PPG 나노섬유에 흡착되어 있음을 확인할 수 있다.
6 is an SEM image (a) and a TEM image (b) of copper particles (PPG / Cu) adsorbed on PPG nanofibers. As shown in Fig. 6, it can be confirmed that the copper particles are adsorbed on the PPG nanofibers.
<분석예 5: 구리 제거 후 분광 분석 및 제거율 분석>≪ Analysis Example 5: Spectroscopic analysis and removal rate analysis after copper removal >
실험예 1 및 2에 따라 구리를 제거한 후 측정한 UV-Vis 스펙트럼을 도 7a 및 7b에 나타내었다. 용액에 남아있는 구리의 농도는 UV-Vis 스펙트럼에서의 흡광도를 통해 비어-람버트(Beer-Lambert) 법칙(식 1)에 입각하여 계산하였다.The UV-Vis spectra after removal of copper according to Experimental Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 7a and 7b. The concentration of copper remaining in the solution was calculated on the basis of the Beer-Lambert law (Equation 1) through the absorbance in the UV-Vis spectrum.
A = εcℓ (식 1)A = epsilon < RTI ID = 0.0 >
(ε: 몰 흡광 계수, c: 시료의 농도, ℓ: 광 경로 길이)(ε: molar extinction coefficient, c: concentration of sample, ℓ: optical path length)
계산 결과는 하기 표 1 및 2에 나타내었다. 표 1은 PPG에 의한 구리의 초기 농도에 대한 제거 후 농도 및 제거율을, 표 2는 PPG/IO에 의한 구리 초기 농도에 대한 제거 후 농도 및 제거율을 보여준다.The calculation results are shown in Tables 1 and 2 below. Table 1 shows the post-removal concentration and removal rate for the initial concentration of copper by PPG, and Table 2 shows the post-removal concentration and removal rate for the initial copper concentration by PPG / IO.
초기 농도(mM)Copper
Initial concentration (mM)
제거 후 농도(mM)Copper
Concentration after removal (mM)
초기 농도(mM)Copper
Initial concentration (mM)
제거 후 농도(mM)Copper
Concentration after removal (mM)
표 1 및 2를 참조하면, 저농도에서 PPG와 PPG/IO를 흡착제로 이용하여 구리를 제거하는 경우 약 99%의 높은 제거율을 보임을 알 수 있다. 또한 흡착제의 g 당 흡착 정도를 나타내는 Kd(distribution coefficient) 값을 계산(식 2, 3)한 결과, PPG를 사용한 경우 최대 422.71, PPG/IO를 사용한 경우 최대 746.97의 높은 결과를 얻을 수 있었다.Referring to Tables 1 and 2, it can be seen that when copper is removed using PPG and PPG / IO as an adsorbent at a low concentration, the removal rate is about 99%. As a result of the calculation of the K d (distribution coefficient) indicating the degree of adsorption per g of the adsorbent (
(C0: 제거 전 초기 구리의 농도, Ce: 제거 후 남은 구리의 농도, V: 수용액의 부피, m: 흡착제(PPG, PPG/IO)의 무게)(C 0 : concentration of initial copper before removal, C e : concentration of copper remaining after removal, V: volume of aqueous solution, m: weight of adsorbent (PPG, PPG / IO)
PPG/IO에서의 구리의 제거율이 PPG의 제거율보다 높은 수치를 나타내는데, 이는 산화철(IO)이 PPG에 결합됨으로써 카복실기에 포함된 산소 작용기의 전기음성적 성질이 강해지기 때문에 금속과의 흡착이 더욱 효과적으로 일어난 결과인 것으로 예상된다.
The removal rate of copper in PPG / IO is higher than the removal rate of PPG because the iron oxide (IO) binds to PPG, resulting in stronger electronegative property of the oxygen group contained in the carboxyl group, It is expected to be the result.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다.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, but, on the contrary, Change is possible.
Claims (10)
상기 폴리-N-페닐글리신은 카복실 음이온을 구비하며,
상기 카복실 음이온은 금속 양이온을 정전기적으로 흡착하는 금속 흡착제.Poly-N-phenylglycine nanofiber,
Wherein the poly-N-phenylglycine has a carboxyl anion,
Wherein the carboxyl anion electrostatically adsorbs metal cations.
상기 흡착제는 상기 나노섬유가 망상으로 얽힌 나노 웹 구조를 갖는 금속 흡착제.The method according to claim 1,
Wherein the adsorbent has a nano-web structure in which the nanofibers are entangled with each other.
상기 나노섬유에 결합된 산화 금속 나노입자를 포함하되,
상기 폴리-N-페닐글리신은 카복실 음이온을 구비하며,
상기 카복실 음이온은 금속 양이온을 정전기적으로 흡착하는 유무기 복합체.Poly-N-phenylglycine nanofibers; And
And metal oxide nanoparticles bonded to the nanofibers,
Wherein the poly-N-phenylglycine has a carboxyl anion,
Wherein the carboxyl anion electrostatically adsorbs metal cations.
상기 산화 금속 나노입자의 금속은 철, 알루미늄, 망간 및 이들의 2 이상의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 유무기 복합체.The method of claim 3,
Wherein the metal of the metal oxide nanoparticles comprises at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, manganese, and two or more of these alloys.
상기 복합체는 상기 나노섬유가 망상으로 얽힌 나노 웹 구조를 갖는 유무기 복합체.The method of claim 3,
Wherein the composite has a nano-web structure in which the nanofibers are entangled with each other.
상기 혼합물을 산화제를 함유한 산 용액에 첨가하여 중합 반응물을 형성하는 단계;
상기 중합 반응물의 N-페닐글리신 단량체를 중합시켜 폴리-N-페닐글리신 나노섬유 및 상기 나노섬유에 결합된 산화 금속 나노입자를 형성하는 단계; 및
상기 산화 금속 나노 입자가 결합된 폴리-N-페닐글리신 나노섬유 복합체를 염기성 용액으로 처리하여 상기 폴리-N-페닐글리신 나노섬유를 디도핑하여 폴리-N-페닐글리신 나노섬유 내에 카복실 음이온을 형성하는 단계를 포함하는 유무기 복합체 제조방법.Preparing a mixture of N-phenylglycine monomer, amine-based reaction accelerator and metal oxide nanoparticles;
Adding the mixture to an acid solution containing an oxidizing agent to form a polymerization reaction product;
Polymerizing the N-phenylglycine monomer of the polymerization reaction product to form poly-N-phenylglycine nanofibers and metal nanoparticles bound to the nanofibers; And
The poly-N-phenylglycine nanofiber composite having the metal oxide nanoparticles bound thereto is treated with a basic solution to dedoped the poly-N-phenylglycine nanofiber to form a carboxyl anion in the poly-N-phenylglycine nanofiber ≪ / RTI >
상기 산화 금속 나노입자의 금속은 철, 알루미늄, 망간 및 이들의 2 이상의 합금 중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 유무기 복합체 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the metal of the metal oxide nanoparticles comprises at least one selected from the group consisting of iron, aluminum, manganese, and two or more alloys thereof.
상기 산화 금속 나노입자 중 일부는 상기 나노섬유에 인입되는 유무기 복합체.The method of claim 3,
Wherein some of the metal oxide nanoparticles are drawn into the nanofiber.
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