KR101623405B1 - Method for preparing metal ion coordinated chelate adsorbents and the adsorbents - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제의 제조방법은 폴리아크릴로니트릴계 지지체에 아민 화합물을 결합시켜서 킬레이트 지지체를 제조하는 단계(1); 그리고 상기 킬레이트 지지체에 금속 양이온을 결합시켜 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제를 제조하는 단계(2);를 포함한다. 다공성 섬유 또는 필름 형태의 지지체를 이용하고 이의 표면에 금속이 배위 결합된 킬레이트 형태로 흡착제를 제조하여 인의 제거 효율이 우수하고, 사용된 흡착제의 제거도 용이하다.A method of preparing a chelate adsorbent having a metal coordination bond according to an embodiment of the present invention includes: (1) preparing an amine compound on a polyacrylonitrile-based support to prepare a chelate support; And (2) preparing a chelate adsorbent having a metal coordination bond by bonding a metal cation to the chelate support. The adsorbent is prepared in the form of a chelate in which a porous fiber or a film-like support is used and a metal is coordinated to the surface of the adsorbent, whereby the removal efficiency of phosphorus is excellent and the adsorbent used can be easily removed.

Description

금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제의 제조방법 및 그 흡착제{METHOD FOR PREPARING METAL ION COORDINATED CHELATE ADSORBENTS AND THE ADSORBENTS}Technical Field [0001] The present invention relates to a chelate adsorbent having a metal coordination bond,

본 발명은 폴리아크릴로니트릴(PAN)섬유에 아민기를 도입하여 킬레이트 섬유를 합성하rh, 금속 양이온을 배위 결합시킨 후, 포스페이트 이온이 금속 양이온과 결합되도록 함으로써 수용액 상에서 인을 제거하는 기술과 흡착제에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for removing phosphorus in an aqueous solution by introducing an amine group into a polyacrylonitrile (PAN) fiber to synthesize a chelate fiber, coordinating metal cations and then bonding phosphate ions with metal cations, .

인구 증가와 산업 발달로 인해 산업폐수, 생활폐수, 가축폐수 등의 배출량이 증가함에 따라 수질오염이 심각해지고 있다. 그 중에서도 인은 부영양화를 일으킴으로써 조류의 증식을 가속화시켜 수질오염을 시키는 주요 원인이다. 따라서, 오폐수를 방류하기 전에 인을 제거하는 수처리의 중요성이 점점 부각되고 있다.Water pollution is becoming serious due to the increase of industrial wastewater, domestic wastewater, livestock wastewater, etc. due to population growth and industrial development. Phosphorus is the main cause of water pollution by accelerating the growth of algae by causing eutrophication. Therefore, the importance of water treatment for removing phosphorus before discharging wastewater is increasingly emphasized.

현재 이러한 인을 처리하는 방법으로, 미생물을 이용한 처리방법, 황토, 제올라이트, 실리카 등의 흡착제를 이용한 방법 등이 있으나, 미생물을 이용한 방법은 처리공정의 운전인자의 조절이 어려우며, 시설비와 유지비가 많이 드는 문제점이 있다. 또한 흡착제의 경우, 상기의 문제점은 없으나, 흡착제의 분리 회수가 어렵고, 흡착 성능 저하의 문제점이 있다. Currently, there are methods for treating such phosphorus, such as a method using a microorganism, a method using an adsorbent such as yellow loam, zeolite, silica, etc. However, it is difficult to control the driving factors of a processing step using microorganisms. There is a problem. Further, in the case of the adsorbent, there is no such problem, but it is difficult to separate and recover the adsorbent, and there is a problem of deterioration of the adsorption performance.

1. 한국특허공개번호 제10-2012-0042099호, 무기응집제를 이용한 인 제거제 및 제조방법, 2012년 05월 03일1. Korean Patent Laid-Open No. 10-2012-0042099, Phosphorus Removal Agent Using an Inorganic Coagulant and Manufacturing Method, May 03, 2012 2. 한극특허공개번호 제10-1998-0008306호, 유기인 화합물 제거용 흡착/분해형 분말 조성물, 1998년 04월 30일2. PATENT PATENT OPEN NO. 10-1998-0008306, adsorption / decomposition type powder composition for removing organophosphorus compounds, April 30, 1998 3. 미국특허공개번호 제2013/0039984호, Manufacture process for the preparation of an iron containing phosphate adsorbent, 2013년 02월 14일3. U.S. Patent Publication No. 2013/0039984, Manufacture process for the preparation of an iron-containing phosphate adsorbent, Feb. 14, 2013

본 발명의 목적은 폴리아크릴로니트릴(PAN) 섬유에 리간드로 아민기(amine group)를 도입 후, 금속 양이온을 배위 결합시킨 흡착제를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 상기 흡착제를 이용하여 다양한 pH 범위에서 포스페이트(phosphate) 이온을 안정적으로 제거할 수 있는 수처리용 흡착제를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an adsorbent in which an amine group is introduced into a polyacrylonitrile (PAN) fiber as a ligand, followed by coordination of metal cations. It is another object of the present invention to provide an adsorbent for water treatment capable of stably removing phosphate ions in various pH ranges using the adsorbent.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제의 제조방법은, 폴리아크릴로니트릴계 지지체에 아민 화합물을 결합시켜서 킬레이트 지지체를 제조하는 단계(1); 그리고 상기 킬레이트 지지체에 금속 양이온을 결합시켜 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제를 제조하는 단계(2);를 포함한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of preparing a chelate adsorbent comprising a metal coordination bond according to an embodiment of the present invention, comprising: (1) preparing a chelate support by bonding an amine compound to a polyacrylonitrile-based support; And (2) preparing a chelate adsorbent having a metal coordination bond by bonding a metal cation to the chelate support.

상기 폴리아크릴로니트릴계 지지체는 폴리아크릴로니트릴 섬유, 폴리아크릴로니트릴 필름, 폴리아크릴로니트릴 공중합체 섬유, 폴리아크릴로니트릴 공중합체 필름, 기공구조를 갖는 폴리아크릴로니트릴 구조체, 기공구조를 갖는 폴리아크릴로니트릴 공중합 구조체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.The polyacrylonitrile-based support may be a polyacrylonitrile fiber, a polyacrylonitrile film, a polyacrylonitrile copolymer fiber, a polyacrylonitrile copolymer film, a polyacrylonitrile structure having a pore structure, A polyacrylonitrile copolymer structure, and a combination thereof.

상기 폴리아크릴로니트릴계 지지체는 아크릴로니트릴을 포함하는 방사용액을 전기방사하여 얻어지는 폴리아크릴로니트릴계 나노섬유일 수 있다.The polyacrylonitrile-based support may be a polyacrylonitrile-based nanofiber obtained by electrospinning a spinning solution containing acrylonitrile.

상기 단계(1)의 결합은 촉매 하에서 이루어지며, 상기 촉매는 염화금속의 수화물일 수 있다.The coupling of step (1) is carried out under a catalyst, and the catalyst may be a hydrate of a metal chloride.

상기 금속 양이온은, 세륨 이온, 철 이온, 칼슘 이온, 구리 이온, 코발트 이온, 니켈 이온, 티타늄 이온, 마그네슘 이온, 납 이온, 알루미늄 이온, 아연 이온, 크롬 이온, 망간 이온, 리튬 이온, 나트륨 이온, 및 칼륨 이온으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.The metal cation is at least one selected from the group consisting of cerium ion, iron ion, calcium ion, copper ion, cobalt ion, nickel ion, titanium ion, magnesium ion, lead ion, aluminum ion, zinc ion, chromium ion, And a potassium ion.

상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제의 제조방법은 상기 단계(1)과 상기 단계(2) 사이에 킬레이트 지지체를 동결건조하는 제1건조단계를 더 포함할 수 있다.The metal chelate adsorbent may further comprise a first drying step of lyophilizing the chelate support between the step (1) and the step (2).

상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제의 제조방법은 상기 단계(2) 이후에 상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제를 동결건조하는 제2건조단계를 더 포함할 수 있다.The metal chelate adsorbent may further include a second drying step of lyophilizing the metal chelate adsorbent after the step (2).

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제는, 섬유, 필름, 또는 기공구조를 갖는 스폰지형 구조체 형태의 폴리아크릴로니트릴계 지지체의 표면에 아민 화합물에 의하여 배위 결합된 금속 양이온을 포함한다.The chelate adsorbent having a metal coordination bond according to another embodiment of the present invention is a chelate adsorbent in which a metal cation coordinated to an amine compound on the surface of a polyacrylonitrile based support in the form of a sponge- .

상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제는 나노섬유의 형태로, 나노섬유의 직경이 10 내지 1,000 nm일 수 있다.The metal chelate adsorbent may be in the form of nanofibers, and the diameter of the nanofibers may be between 10 and 1,000 nm.

상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제는 나노섬유의 형태로, 나노섬유의 비표면적이 5 내지 300 m2/g일 수 있다.The metal chelate adsorbent may be in the form of nanofibers, and the nanofibers may have a specific surface area of 5 to 300 m 2 / g.

상기 금속 양이온은, 세륨 이온, 철 이온, 칼슘 이온, 구리 이온, 코발트 이온, 니켈 이온, 티타늄 이온, 마그네슘 이온, 납 이온, 알루미늄 이온, 아연 이온, 크롬 이온, 망간 이온, 리튬 이온, 나트륨 이온, 및 칼륨 이온으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.The metal cation is at least one selected from the group consisting of cerium ion, iron ion, calcium ion, copper ion, cobalt ion, nickel ion, titanium ion, magnesium ion, lead ion, aluminum ion, zinc ion, chromium ion, And a potassium ion.

상기 금속 양이온은, 상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제 단위 면적(mm2)당 0.001 내지 10 μmol로 결합된 것일 수 잇다.
The metal cation may be bonded at 0.001 to 10 μmol per unit area (mm 2 ) of the metal chelate adsorbent.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명자들은, 수계(water system)에서 인을 제거하기 위하여 기존에 사용하던 방법들의 문제점을 해결하기 위하여, 흡착제의 인 제거 효율이 우수하면서도, 흡착제의 분리 및 회수가 용이하고, 수계 환경의 pH 변화에도 흡착 성능이 유지되는 흡착제를 제공하고자, 섬유상과 같은 고분자 지지체에 리간드로서 아민 그룹을 도입한 후, 양이온을 띄는 금속이온을 배위시켜, 포스페이트 이온 등 음이온의 흡착 성능이 매우 우수한 흡착제를 개발하였다.DISCLOSURE OF THE INVENTION The present inventors have conducted intensive studies to solve the problems of the conventional methods for removing phosphorus from a water system, and have found that it is easy to separate and recover the adsorbent, The present inventors have developed an adsorbent having an excellent adsorption performance of anions such as phosphate ions by introducing an amine group as a ligand into a polymeric support such as a fibrous structure and then coordinating cationic metal ions.

본 발명의 일 실시예에 따른 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제의 제조방법은, 폴리아크릴로니트릴계 지지체에 아민 화합물을 결합시켜서 킬레이트 지지체를 제조하는 단계(1); 그리고 상기 킬레이트 지지체에 금속 양이온을 결합시켜 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제를 제조하는 단계(2);를 포함한다.A method of preparing a chelate adsorbent having a metal coordination bond according to an embodiment of the present invention comprises: (1) preparing an amine compound on a polyacrylonitrile-based support to prepare a chelate support; And (2) preparing a chelate adsorbent having a metal coordination bond by bonding a metal cation to the chelate support.

상기 단계(1)은 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 지지체에 아민기를 갖는 화합물을 결합시켜 킬레이트 지지체를 제조하는 단계이다.The above step (1) is a step of preparing a chelate support by bonding a compound having an amine group to a polyacrylonitrile (PAN) support.

본 발명에서 폴리아크릴로니트릴계 지지체라고 함은, 폴리아크릴로니크릴로 이루어진 지지체뿐만 아니라, 단량체로 아크릴로니트릴을 포함하여 중합된 고분자를 포함하는 의미이며, 폴리아크릴로니트릴 공중합체를 포함한다. 상기 폴리아크릴로니트릴계 지지체는 폴리아크릴로니트릴 섬유, 폴리아크릴로니트릴 필름, 폴리아크릴로니트릴 공중합체 섬유, 폴리아크릴로니트릴 공중합체 필름, 기공구조를 갖는 폴리아크릴로니트릴 구조체 (스폰지형 구조체), 기공구조를 갖는 폴리아크릴로니트릴 공중합 구조체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.In the present invention, the term "polyacrylonitrile-based support" means not only a support made of polyacrylonitrile but also a polymer polymerized by including acrylonitrile as a monomer, and includes a polyacrylonitrile copolymer. The polyacrylonitrile-based support may be a polyacrylonitrile fiber, a polyacrylonitrile film, a polyacrylonitrile copolymer fiber, a polyacrylonitrile copolymer film, a polyacrylonitrile structure (sponge-like structure) having a pore structure, , A polyacrylonitrile copolymer structure having a pore structure, and a combination thereof.

상기 폴리아크릴로니트릴계 지지체는 킬레이트 흡착제의 지지체 역할을 하는 것으로 섬유상, 필름상, 기공구조를 갖는 구조체 (스폰지형 구조체) 등의 형태를 가진 것일 수 있고, 섬유상이나 필름상을 적용하는 경우에 분말 입자 형태와 비교해 물과 접할 수 있는 면적이 넓고 흡착제의 사용 후 회수가 용이하다는 장점을 가진다.The polyacrylonitrile-based support serves as a support for the chelate adsorbent and may have a form such as a fibrous, film, or pore structure (sponge-like structure), and when a fibrous or film- Compared with the particle form, it has an advantage that the area contactable with water is wide and the adsorbent can be easily recovered after use.

여기에서 폴리아크릴로니트릴 공중합체라 함은, 단량체로 아크릴로니트릴과 함께 비닐알콜, 비닐아세테이트, 비닐클로라이드, 비닐아세틱에시드 등을 사용하여 중합한 공중합체를 의미하며, 아크릴로니트릴과 함께 공중합체를 구성할 수 있는 단량체라면 적용할 수 있으며, 본 발명의 폴리아크로니트릴 공중합체가 위에서 예시한 것에 한정되지 않는다.Here, the polyacrylonitrile copolymer refers to a copolymer obtained by polymerizing vinyl monomers such as vinyl alcohol, vinyl acetate, vinyl chloride, and vinyl acetic acid together with acrylonitrile as a monomer, , And the polyacronitrile copolymer of the present invention is not limited to those exemplified above.

상기 폴리아크릴로니트릴계 지지체는 아크릴로니트릴을 포함하는 방사용액을 전기방사하여 얻어지는 폴리아크릴로니트릴계 나노섬유일 수 있다. 상기 폴리아크릴로니트릴계 지지체가, 전기방사법에 의하여 제조된 폴리아크릴로니트릴계 나노섬유인 경우에는, 비교적 일정한 직경을 가진 나노섬유들이 서로 엉겨서 이루어진 섬유의 형태로 상기 폴리아크릴로니크릴계 지지체를 얻을 수 있고, 넓은 비표면적을 가진 지지체를 얻을 수 있다.The polyacrylonitrile-based support may be a polyacrylonitrile-based nanofiber obtained by electrospinning a spinning solution containing acrylonitrile. When the polyacrylonitrile-based support is a polyacrylonitrile-based nanofiber produced by an electrospinning method, the polyacrylonitrile-based support may be prepared in the form of fibers in which nanofibers having a relatively uniform diameter are entangled with each other And a support having a large specific surface area can be obtained.

상기 아민 화합물은 상기 폴리아크릴로니트릴계 지지체와 결합하여 리간드의 역할을 하는 것으로, 1차, 2차 또는 3차 아민기를 포함하는 유기화합물이 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 아민 화합물은 알킬기, 사이클로알킬기, 또는 아릴기와 아민이 결합한 형태의 화합물을 의미하며, 화합물의 적어도 일 말단에 1차 아민기가 1개 이상 포함된 화합물이 이에 해당한다. 예를 들어, 트리스(2-아미노에틸)아민{tris(2-aminoethyl)amine}, 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine), 에틸렌디아민(diethylenediamine) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.The amine compound acts as a ligand by bonding with the polyacrylonitrile-based support, and an organic compound containing a primary, secondary or tertiary amine group may be applied. Specifically, the amine compound means a compound in which an alkyl group, a cycloalkyl group, or an aryl group is bonded to an amine, and includes a compound having at least one primary amine group at one end of the compound. For example, one selected from the group consisting of tris (2-aminoethyl) amine, diethylenetriamine, diethylenediamine, and combinations thereof .

상기 단계(1)에서 폴리아크릴로니트릴계 지지체와 아민 화합물의 결합 반응은, 촉매 하에서 진행될 수 있고, 80 내지 150 ℃의 결합 반응 온도에서 10 내지 36 시간의 결합 반응 시간 동안 진행될 수 있다. 상기 결합 반응 온도와 결합 반응 시간 내에서 상기 단계(1)의 결합이 진행되는 경우 효율적으로 킬레이트 지지체를 제조할 수 있으며, 상기 결합 반응 온도가 80 ℃ 미만일 경우에는 반응이 일어나지 않거나, 반응 수율이 낮을 수 있고, 상기 결합 반응 온도가 150 ℃ 초과인 경우에는 용매로 쓰인 탈이온수가 증발하여 반응이 진행되지 않을 수 있다.The bonding reaction between the polyacrylonitrile-based substrate and the amine compound in the step (1) may be conducted under a catalyst, and may be carried out at a bonding reaction temperature of 80 to 150 ° C for 10 to 36 hours. The chelating support can be efficiently prepared when the binding of the step (1) proceeds within the binding reaction temperature and the binding reaction time. When the binding reaction temperature is lower than 80 ° C, the reaction does not occur or the reaction yield is low If the coupling reaction temperature is higher than 150 ° C, the deionized water used as a solvent may evaporate and the reaction may not proceed.

상기 촉매는, 염화금속의 수화물일 수 있고, 구체적으로 염화알루미늄 수화물, 염화주석 수화물, 염화티타늄 수화물, 염화철 수화물, 염화구리 수화물, 염화코발트 수화물, 염화니켈 수화물, 염화아연 수화물, 염화인듐 수화물, 염화붕소 수화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The catalyst may be a hydrate of a metal chloride and specifically includes at least one selected from the group consisting of aluminum chloride hydrate, tin chloride hydrate, titanium chloride hydrate, ferric chloride hydrate, cupric chloride hydrate, cobalt chloride hydrate, nickel chloride hydrate, zinc chloride hydrate, Boron hydrate, and a combination thereof.

상기 단계(1)의 폴리아크릴로니트릴계 지지체와 아민 화합물의 결합은 용매 하에서 이루어질 수 있으며, 상기 용매는 상기 결합 반응을 진행할 수 있는 용매라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 탈이온수가 사용될 수 있다.The bonding between the polyacrylonitrile-based support and the amine compound in the step (1) may be carried out in a solvent, and the solvent may be any solvent capable of performing the coupling reaction. For example, deionized water may be used have.

상기 단계(1)에서 제조된 킬레이트 지지체는 세척 및 건조의 과정을 더 거칠 수 있다. 상기 킬레이트 지지체에는 표면에 아민기들이 존재하기 때문에, 건조 과정에서 이들 사이의 수소결합이 형성되고 이에 의하여 지지체가 전체적으로 뭉쳐지고 딱딱해지는 현상이 나타날 수 있으므로, 건조 과정에 주의해야 한다. 바람직하게, 상기 건조는 동결건조의 과정으로 진행될 수 있다. 감압여과와 동결건조의 과정을 거치면 킬레이트 지지체의 원래 형태를 유지하면서 지지체에 결합된 아민기에 의하여 지지체가 딱딱해지거나 뭉치는 현상이 나타나지 않거나 최대한 이러한 현상을 억제하며 킬레이트 지지체를 건조할 수 있다. 구체적으로, 상기 동결 건조는 영하 40 ℃ 이하의 저온에서 상기 킬레이트 지지체를 유지하며 건조하는 과정으로 이루어질 수 있다.The chelate support prepared in step (1) may be further washed and dried. Since the amine groups are present on the surface of the chelate support, a hydrogen bond is formed between the chelate support and the support during the drying process, so that the support may be aggregated and hardened as a whole. Preferably, the drying may proceed by a lyophilization process. Through the filtration under reduced pressure and lyophilization, the amine group attached to the support maintains the original shape of the chelate support, so that the support does not harden or aggregate, or the chelate support can be dried at the maximum. Specifically, the freeze-drying may be performed by keeping the chelate support at a temperature of minus 40 ° C or lower and drying the chelate support.

상기 단계(2)는 상기 킬레이트 지지체에 금속 양이온을 결합시켜 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제를 제조하는 단계이다. 구체적으로, 상기 단계(2)는 금속염화물과 같은 금속염을 이용하여 용액 내에서 금속 양이온을 형성하고, 상기 킬레이트 지지체와 상기 금속 양이온이 용액 내에서 배위 결합을 하도록 유도하는 과정이 포함된다.The step (2) is a step of preparing a chelate adsorbent having a metal coordination bond by bonding a metal cation to the chelate support. Specifically, the step (2) includes the step of forming metal cations in a solution by using a metal salt such as a metal chloride, and inducing the chelate support and the metal cations to coordinate bond in solution.

상기 단계(2)에서 사용되는 상기 금속염은 용매 하에서 금속 양이온을 형성할 수 있는 것이라면 적용할 수 있고, 예를 들어 수용액 상에서 금속염화물을 이용하여 금속 양이온을 제공할 수 있다.The metal salt used in step (2) can be applied if it is capable of forming a metal cation under a solvent, for example, metal chloride can be used in an aqueous solution to provide a metal cation.

상기 금속 양이온은 세륨 이온(Ce3 +), 철 이온(Fe2 +), 칼슘 이온(Ca2 +), 구리 이온(Cu2 +), 코발트 이온(Co2 +), 니켈 이온(Ni2 +), 티타늄 이온(Ti4 +), 마그네슘 이온(Mg2 +), 납 이온(Pb2 +), 알루미늄 이온(Al3 +), 아연 이온(Zn2 +), 크롬 이온(Cr6 +), 망간 이온(Mn2 +), 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 및 칼륨 이온(K+)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 상기 금속 양이온은 배위 결합된 킬레이트 흡착제 단위 면적(mm2)당 0.001 내지 10 μmol의 밀도로 결합되는 것이 바람직하다.The metal cations cerium ion (Ce 3 +), iron ions (Fe 2 +), calcium ions (Ca 2 +), a copper ion (Cu 2 +), cobalt ion (Co 2 +), nickel ion (Ni 2 + ), titanium ions (Ti 4 +), magnesium ions (Mg 2 +), Pb (Pb 2 +), aluminum ion (Al 3 +), zinc ion (Zn 2 +), chrome ion (Cr 6 +), manganese ion may be one containing any one selected from the group consisting of (Mn + 2), lithium ion (Li +), sodium ion (Na +), and the potassium ion (K +). The metal cations are preferably bound at a density of 0.001 to 10 μmol per unit area (mm 2 ) of the coordinated chelate adsorbent unit.

상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제는 용매와 반응잔여물을 제거하고 건조하는 세척 및 건조의 과정을 더 거칠 수 있다. 상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 지지체에는 표면에 아민기들에 의하여 건조 과정에서 전체적으로 뭉쳐지고 딱딱해지는 현상이 나타날 수 있으므로, 건조 과정에 주의해야 하며, 동결건조의 과정으로 건조되는 것이 바람직하다. 구체적인 동결건조에 대한 내용은 위에서 설명한 것과 중복되므로 그 기재를 생략한다.The metal-coordinated chelate adsorbent may be further subjected to washing and drying processes to remove and dry the solvent and reaction residues. Since the chelate support having the metal coordination bond may be aggregated and hardened as a whole during drying by amine groups on the surface, care must be taken in the drying process, and it is preferable that the chelate support is dried in the lyophilization process. The details of the specific lyophilization are the same as those described above, so the description thereof will be omitted.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제는, 섬유, 필름, 또는 기공구조를 갖는 스폰지형 구조체 형태의 폴리아크릴로니트릴계 지지체의 표면에 아민 화합물에 의하여 배위 결합된 금속 양이온을 포함한다.The chelate adsorbent having a metal coordination bond according to another embodiment of the present invention is a chelate adsorbent in which a metal cation coordinated to an amine compound on the surface of a polyacrylonitrile based support in the form of a sponge- .

상기 폴리아크릴로니트릴계 지지체에 대한 설명, 아민 화합물에 대한 설명, 그리고 배위 결합된 금속 양이온에 대한 설명은 위에서 설명한 것과 중복되므로 그 기재를 생략한다.The description of the polyacrylonitrile-based support, the description of the amine compound, and the description of the coordinated metal cation are the same as those described above, so that the description thereof will be omitted.

상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제는 나노섬유의 형태로, 나노섬유의 직경이 10 내지 1,000 nm이고, 비표면적이 5 내지 300 m2/g인 것일 수 있다. 상기 직경의 범위와 비표면적의 범위를 갖는 경우에는 상당히 넓은 비표면적으로 수계 환경에서 인과 접촉할 수 있는 면적이 늘어나며, 인 제거의 효율성을 향상시킬 수 있다.The metal chelate adsorbent may be in the form of nanofibers, nanofibers having a diameter of 10 to 1,000 nm and a specific surface area of 5 to 300 m 2 / g. In the case of the range of the diameter and the specific surface area, the area which can be contacted with phosphorus in the aqueous environment is increased with a considerably wide specific surface area, and the phosphorus removal efficiency can be improved.

상기 금속양이온은 상기 킬레이트 흡착제의 단위 면적(mm2)당 0.001 내지 10 μmol로 상기 흡착제에 함유될 수 있고, 이때 인의 제거 효율이 향상될 수 있다.The metal cation may be contained in the adsorbent in an amount of 0.001 to 10 μmol per unit area (mm 2 ) of the chelate adsorbent, and the removal efficiency of phosphorus may be improved.

상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제는, 다공성 섬유나 다공성 필름의 표면을 킬레이트화하고, 금속 양이온을 배위 결합시켜, 인과 같은 수계 환경에서 음이온의 특성을 가진 오염원들을 효율적으로 제거할 수 있다.The metal chelate adsorbent can chelate the surface of the porous fiber or the porous film and coordinate bonds of the metal cations to efficiently remove contaminants having an anion characteristic in an aqueous environment such as phosphorus.

상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제는 수계 시스템에 노출되면, 인과 같은 음이온성 물질들을 표면에 흡착하고, 인 등을 흡착한 흡착제를 제거하는 간단한 방식으로 수계 환경에서 효율적으로 인 등을 제거할 수 있다. 상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제는 산성 내지 중성의 범위 내에서 변화하는 수계 시스템에서도 우수한 인 흡착 성능을 유지하며, pH 8 미만의 수계 환경에서 그 효과가 특히 우수하다. 이는 음이온 교환 방식을 적용한 흡착제의 특성과 대비되는 것으로, 본 발명의 금속 양이온이 결합된 킬레이트 섬유를 이용하면 부영양화의 원인이 되는 포스페이트 이온(phosphate ion) 등 음이온들의 흡착 제거가 용이하며, 강산성 환경에서도 우수한 흡착 효율을 유지한다.When the metal chelate adsorbent is exposed to an aqueous system, it can efficiently remove phosphorus in an aqueous environment by adsorbing an anionic substance such as phosphorus on the surface and removing an adsorbent adsorbing phosphorus . The metal-coordinated chelate adsorbent maintains excellent adsorption performance even in a water-based system that varies within the range of acidic to neutral, and its effect is particularly excellent in an aqueous environment of pH 8 or less. This is in contrast to the characteristics of an adsorbent to which anion exchange system is applied. When the metal cation-coupled chelate fiber of the present invention is used, it is easy to adsorb and remove anions such as phosphate ions, which cause eutrophication, Good adsorption efficiency is maintained.

본 발명의 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제의 제조방법, 및 그 흡착제는 금속 양이온이 배위된 킬레이트섬유를 포함하여, 수용액 상에서 음이온 또는 포스페이트(phospahte) 이온을 흡착 성능이 매우 우수하며, 섬유상이기 때문에 사용된 흡착제의 수거가 용이한 흡착제를 제공한다. 이를 이용하는 수처리 방법을 이용하면, 하천 또는 강 등의 수용액상에서 부영양화를 막아 조류번식을 억제할 수 있다.The method for producing a chelate adsorbent having a metal coordination bond according to the present invention and the adsorbent thereof include chelate fibers coordinated with metal cations and have excellent adsorption ability of anion or phospahte ion in an aqueous solution. Thereby providing an adsorbent which can easily collect the adsorbent. By using the water treatment method using this, eutrophication can be prevented in an aqueous solution such as a river or a river, thereby suppressing bird propagation.

도 1은 PAN 나노섬유에 트리스(2-아미노에틸)아민(TAEA)을 결합하기 전의 PAN 나노섬유와 결합한 후의 나노섬유(킬레이트 섬유)의 FT-IR 스펙트럼을 측정한 결과이다.
도 2는 전기 방사하여 제조된 PAN 나노섬유(좌측)와 실시예 1. 1)의 나노 킬레이트 섬유(우측)의 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 제조예 1에서 합성한 실시예 1의 섬유를 이용하여 pH를 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10으로 조절하였을 때 섬유에 의하여 흡착된 인의 양을 평가한 pH에 따른 인 흡착량 곡선이다.
FIG. 1 shows the results of FT-IR spectroscopy of nanofibers (chelate fibers) bonded to PAN nanofibers before tris (2-aminoethyl) amine (TAEA) was bonded to PAN nanofibers.
2 is an electron micrograph of the PAN nanofiber prepared by electrospinning (left) and the nanocylate fiber of Example 1. 1) (right).
3 is a graph showing the relationship between the amount of phosphorus adsorbed by fibers when the pH of the fiber of Example 1 synthesized in Production Example 1 of the present invention was adjusted to 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, Of the adsorbed amount.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

제조예Manufacturing example 1:  One: 세륨이온과Cerium ion and 트리스(2-아미노에틸)아Tris (2-aminoethyl) 민{Min { tristris (2-(2- aminoethylaminoethyl )) amineamine }이 }this 결합된Combined PANPAN 나노섬유의 제조 Manufacture of nanofibers

1) 아민 화합물과 1) an amine compound and 결합된Combined 나노  Nano 킬레이트Chelate 섬유의 제조 Manufacture of fibers

전기 방사하여 제조된 PAN 나노섬유 0.5 g을 트리스(2-아미노에틸)아민{tris(2-aminoethyl)amine, TAEA} 15 ml와 함께 300 ml 부피 크기의 둥근 바닥 플라스크에 넣은 뒤, 탈이온수 (deionized water) 150 ml를 용매로 하여, 상온에서 30분간 고르게 분산 시켰다. 촉매로 사용하는 AlCl3·6H2O 5g을 첨가한 후, 다시 상온에서 1시간 가량 교반시켰다.0.5 g of PAN nanofibers prepared by electrospinning was placed in a 300 ml volumetric round bottom flask with 15 ml of tris (2-aminoethyl) amine (TAEA), and deionized water) as a solvent and dispersed evenly at room temperature for 30 minutes. After 5 g of AlCl 3 .6H 2 O used as a catalyst was added, the mixture was further stirred at room temperature for about 1 hour.

촉매가 모두 녹은 후에 환류 냉각기를 장착하고 80 내지 150 ℃의 반응 온도 하에서 10 내지 36시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후 상온으로 냉각시킨 후, 이차 증류수로 여러 번 씻어주었다.After the catalysts were all melted, a reflux condenser was installed and the reaction was carried out at a reaction temperature of 80 to 150 ° C for 10 to 36 hours. After the reaction was completed, the reaction mixture was cooled to room temperature and washed several times with secondary distilled water.

촉매로 인한 수산화 알루미늄을 제거하기 위해 0.1 N 염산 수용액을 사용하여 씻어준 후, 다시 0.1 N 농도의 수산화 나트륨 수용액과 탈이온수로 반복 씻어주었다. 감압 여과를 통해 개질된 PAN 나노섬유를 분리하고, 동결건조를 통해 최종적으로 킬레이트 섬유를 제조하였다.In order to remove the aluminum hydroxide due to the catalyst, it was washed with 0.1 N hydrochloric acid aqueous solution and then repeatedly washed with 0.1 N aqueous sodium hydroxide solution and deionized water. The modified PAN nanofibers were separated by vacuum filtration, and finally, the chelate fibers were prepared through lyophilization.

도 1은 PAN 나노섬유에 트리스(2-아미노에틸)아민(TAEA)을 결합하기 전의 PAN 나노섬유와 결합한 후의 나노섬유(킬레이트 섬유)의 FT-IR 스펙트럼을 측정한 결과이다. 상기 도 1을 참조하면, 결합 전의 FT-IR 스펙트럼과 비교하여 결합 후의 킬레이트 섬유의 FT-IR 스펙트럼에서 니트릴기가 사라지고, 아민그룹이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 나노 킬레이트 섬유가 잘 합성되었음을 확인 할 수 있었다.FIG. 1 shows the results of FT-IR spectroscopy of nanofibers (chelate fibers) bonded to PAN nanofibers before tris (2-aminoethyl) amine (TAEA) was bonded to PAN nanofibers. Referring to FIG. 1, it can be seen that the nitrile group is disappeared and the amine group is increased in the FT-IR spectrum of the chelate fiber after bonding as compared with the FT-IR spectrum before binding. From this, it is confirmed that the nanocylate fiber is well synthesized Could.

도 2는 전기 방사하여 제조된 PAN 나노섬유(좌측)와 실시예 1의 1)에서 제조한 나노 킬레이트 섬유(우측)의 전자현미경 사진이다. 상기 도 2를 참조하면, 아민화합물을 이용한 킬레이트화를 거쳐서 제조된 실시예 1. 1)의 나노 킬레이트 섬유도 나노섬유 형태를 잘 유지하고 있다는 점을 확인할 수 있었다.
2 is an electron micrograph of the PAN nanofiber prepared by electrospinning (left) and the nanocilaate fiber prepared in 1) of Example 1 (right). Referring to FIG. 2, it was confirmed that the nanoclase fibers of Example 1. 1) prepared through chelation using an amine compound also maintained nanofiber morphology.

2) 금속 양이온과 배위 결합한 킬레이트 섬유의 제조2) Preparation of chelate fibers coordinated with metal cations

제조된 킬레이트 섬유에 세륨 양이온을 배위시키기 위해 섬유 0.1 g을 0.1 M의 염화세륨 수용액 1 L에 30분간 침지시킨 후, 탈이온수로 씻어준 후 동결건조 시켜서, 세륨이온과 트리스(2-아미노에틸)아민{tris(2-aminoethyl)amine}이 결합된 PAN 나노섬유인 실시예 1의 섬유를 합성하였다.
0.1 g of the fiber was immersed in 1 L of a 0.1 M aqueous solution of cerium chloride for 30 minutes, followed by washing with deionized water and lyophilization to cerium ions and tris (2-aminoethyl) The fibers of Example 1, which is a PAN nanofiber bonded with an amine {tris (2-aminoethyl) amine}, were synthesized.

제조예Manufacturing example 2:  2: 세륨이온과Cerium ion and 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine)이Diethylenetriamine is a 결합된Combined PANPAN 나노섬유의 제조 Manufacture of nanofibers

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 1)에서 트리스(2-아미노에틸)아민 15 ml를 대신하여 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine) 15 ml를 사용하여, 세륨이온과 디에틸렌트리아민이 결합된 PAN 나노섬유인 실시예 2의 섬유를 합성하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 15 ml of diethylenetriamine was used instead of 15 ml of tris (2-aminoethyl) amine in 1) to prepare a mixture of cerium ion and diethylene triamine-conjugated PAN The fibers of Example 2, a nanofiber, were synthesized.

제조예Manufacturing example 3:  3: 세륨이온과Cerium ion and 에틸렌디아민(diethylenediamine)이Ethylenediamine (diethylenediamine) 결합된Combined PANPAN 나노섬유의 제조 Manufacture of nanofibers

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 1) 에서 트리스(2-아미노에틸)아민 15 ml를 대신하여 에틸렌디아민(diethylenediamine) 15 ml를 사용하여, 세륨이온과 에틸렌디아민이 결합된 PAN 나노섬유인 실시예 3의 섬유를 합성하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 15 ml of diethylenediamine was used instead of 15 ml of tris (2-aminoethyl) amine in 1) to prepare PAN nanofibers having cerium ion and ethylenediamine bonded thereto The fibers of Example 3 were synthesized.

제조예Manufacturing example 4: 철 이온과  4: Iron ion and 트리스(2-아미노에틸)아Tris (2-aminoethyl) 민{Min { tristris (2-(2- aminoethylaminoethyl )) amineamine }이 결합된 } Combined PANPAN 나노섬유의 제조 Manufacture of nanofibers

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 2)에서 을 0.1 M의 염화세륨 수용액 1 L를 적용하는 대신 0.1 M의 염화철 1 L를 사용하여, 철 이온과 트리스(2-아미노에틸)아민이 결합된 PAN 나노섬유인 실시예 4의 섬유를 합성하였다.
In the same manner as in Example 1, except that 1 L of 0.1 M aqueous solution of cerium chloride was used instead of 0.1 M of iron chloride in 0.1 M of iron chloride, the iron ion and tris (2-aminoethyl) amine were bonded The PAN nanofibers of Example 4 were synthesized.

제조예Manufacturing example 5: 구리 이온과  5: Copper ion and 트리스(2-아미노에틸)아Tris (2-aminoethyl) 민{Min { tristris (2-(2- aminoethylaminoethyl )) amineamine }이 }this 결합된Combined PANPAN 나노섬유의 제조 Manufacture of nanofibers

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하되, 2)에서 을 0.1 M의 염화세륨 수용액 1 L를 적용하는 대신 0.1 M의 염화구리 1 L를 사용하여, 구리 이온과 트리스(2-아미노에틸)아민이 결합된 PAN 나노섬유인 실시예 5의 섬유를 합성하였다.
The procedure of Example 1 was repeated except that 1 L of 0.1 M cerium chloride aqueous solution was used instead of 0.1 M copper chloride in Example 2, and copper ion and tris (2-aminoethyl) amine The fibers of Example 5, the bonded PAN nanofibers, were synthesized.

실험예Experimental Example : : pHpH 변화에 따른 인 흡착량 평가 Evaluation of phosphorus adsorption according to change

위의 제조예 1에서 합성한 실시예 1의 섬유를 이용하여 pH에 따른 흡착량 평가를 진행하였다. 인을 10 mmol로 함유하고 있는 인 수용액 샘플을 여러 개 제조하고, 상기 인 수용액의 pH를 각각 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10으로 조절한 후에 상기 실시예 2에서 제조한 섬유 0.1 g을 각각 pH가 조절된 인 수용액 샘플 100 mL들에 넣고 24시간 동안 방치하여 수용액 중의 인이 상기 섬유에 흡착되도록 하였다.Evaluation of adsorption amount according to pH was carried out using the fiber of Example 1 synthesized in Production Example 1 above. Several pH aqueous solutions containing 10 mmol of phosphorus were prepared and the pH of the aqueous phosphorus solution was adjusted to 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 10, 0.1 g of each of the prepared fibers was placed in 100 mL of a pH-adjusted phosphorus aqueous solution sample, and allowed to stand for 24 hours to adsorb phosphorus in the aqueous solution to the fibers.

상기 인이 흡착된 섬유를 회수하고, 섬유가 제거된 용액을 역적정하여 각각의 pH 환경에서 섬유의 흡착된 인의 흡착량을 계산하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.The adsorbed phosphorus was recovered and the adsorbed amount of phosphorus adsorbed in each pH environment was determined by reversing the solution in which the fibers were removed. The results are shown in FIG.

상기 도 3의 결과를 참조하면, 상기 실시예 1의 섬유는 강한 산성 환경인 pH 2에서도 우수한 흡착 효율을 보이며, 중성 환경인 pH 7에서도 상당히 우수한 인 흡착성능을 가진다는 점을 확인할 수 있었다. 또한, 약염기성 환경인 pH 8 내지 10에서는 산성이나 중성의 환경보다는 떨어지지만 인의 흡착이 가능하다는 점을 확인할 수 있었다.Referring to the results of FIG. 3, it can be seen that the fiber of Example 1 exhibits excellent adsorption efficiency even at a pH of 2, which is a strong acidic environment, and has a very excellent adsorption performance even at pH 7, which is a neutral environment. In addition, it was confirmed that the adsorption of phosphorus is possible even though the pH is lower than the acidic or neutral environment at pH 8 to 10, which is a weak basic environment.

상기 결과로부터, 본 발명의 흡착제를 사용하면 일반적인 수계 내에서 안정적으로 인 등을 효율적으로 흡착하여 제거할 수 있다는 점을 확인했으며, 흡착 전 후에 모두 섬유의 형태를 유지하기 때문에 회수가 용이하다는 장점도 가진다는 점을 확인할 수 있었다.From the above results, it was confirmed that the use of the adsorbent of the present invention can stably remove phosphorus and the like in a general aqueous system, and it is easy to recover the adsorbed phosphorus I can confirm that I have.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 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, Of the right.

Claims (10)

폴리아크릴로니트릴계 지지체에 아민 화합물이 결합된 킬레이트 지지체와,
상기 킬레이트 지지체에 배위 결합된 금속 양이온을 포함하는 인 흡착 제거용 킬레이트 흡착제로서, 상기 킬레이트 흡착제는 나노섬유의 형태로, 나노섬유의 직경이 10 내지 1,000 nm이고, 비표면적이 5 내지 300 m2/g인, 인 흡착 제거용 킬레이트 흡착제.
A chelate support in which an amine compound is bonded to a polyacrylonitrile-based support,
Wherein the chelate adsorbent is in the form of a nanofiber, wherein the nanofiber has a diameter of 10 to 1,000 nm and a specific surface area of 5 to 300 m 2 / gt; adsorbent. < / RTI >
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 나노 섬유는 아크릴로니트릴을 포함하는 방사용액을 전기방사하여 얻어지는 폴리아크릴로니트릴계 나노섬유인, 인 흡착 제거용 킬레이트 흡착제.
The method according to claim 1,
Wherein the nanofiber is a polyacrylonitrile nanofiber obtained by electrospinning a spinning solution containing acrylonitrile.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 금속 양이온은, 철 이온, 구리 이온, 코발트 이온, 니켈 이온, 티타늄 이온, 알루미늄 이온 및 아연 이온으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는, 인 흡착 제거용 킬레이트 흡착제.
The method according to claim 1,
Wherein the metal cation comprises any one selected from the group consisting of iron ion, copper ion, cobalt ion, nickel ion, titanium ion, aluminum ion and zinc ion.
삭제delete 제5항에 있어서,
상기 금속 양이온은, 상기 금속이 배위 결합된 킬레이트 흡착제 단위 면적(mm2)당 0.001 내지 10 μmol로 결합된 것인 인 흡착 제거용 킬레이트 흡착제.
6. The method of claim 5,
Wherein the metal cation is bound in an amount of 0.001 to 10 μmol per unit area (mm 2 ) of the metal chelate adsorbent.
삭제delete 삭제delete 삭제delete
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