KR101970265B1 - 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이드로젤 조성물에 관한 것으로서, 특히 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘을 형성할 수 있는 조성물이다.
하이드로젤 조성물은 알긴산 나트륨이 칼슘에 의하여 가교결합되어 형태 안정성을 띠며, 염기성 환경을 유지하므로 광물탄산화에 적합한 환경을 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 하이드로젤 조성물은 특히 잠수함 등 밀폐된 공간에서 이산화탄소의 농도를 저감시킬 수 있다.

Description

이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 및 그 제조방법{HYDROGEL COMPOSITION FOR REMOVING CO₂AND METHOD FOR PRODUCTING THE SAME}
본 발명은 이산화탄소를 제거하기 위한 기술로서,특히 잠수함 등 밀폐된 공간에서 이산화탄소를 제거하기 위한 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
사람은 호흡에 의해 산소를 들이 마시고 이산화탄소로 변환시켜 배출한다. 가장 기초적인 생명활동인 호흡은 개방된 대기중에서 이루어지므로, 호흡에 의해서 대기중의 이산화탄소 농도가 문제되는 경우는 없다. 대기중 이산화탄소 증가가 문제되는 것은 산업시설에 의해서 대량으로 발생되는 온실가스로서의 이산화탄소이다.
그러나 사람의 호흡에 의해 배출되는 이산화탄소가 문제가 되는 경우가 있다. 예컨대 잠수함과 같이 완전히 밀폐된 환경에서는 사람의 호흡이 공기중의 이산화탄소 농도를 증가시킨다. 쾌적한 승무환경을 위해서는 잠수함 공기 중의 이산화탄소를 일정 수준으로 저감시켜야 한다. 대기중의 이산화탄소 농도는 대략 400PPM 정도인데, 잠수함과 같이 밀폐된 공간에서는 이산화탄소 농도가 급격하게 증가할 수 있다. 공기중 이산화탄소 농도가 1%로 상승하면 두뇌활동이 둔해진다.
따라서 잠수함인 함정에서는 이산화탄소 제거장치를 필수적으로 탑재시킨다. 종래의 이산화탄소 제거장치는 고체 분말 상태의 수산화리튬 필터를 사용하여, 탄산가스를 흡수하였다.
그러나 종래의 이산화탄소 제거장치에서는 수산화리튬 분진이 발생하는 등 사용상의 문제가 있었다.

선행기술 1: Xinping Li 외 5, Structure-Function Relationship of Calcium Alginate Hydrogels: A Novel Crystal-Forming Engineering, Crystal Growth & Design,Vol.9, No.8, pp3470~3476(2009.05.19.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 잠수함과 같은 밀폐된 환경에서 이산화탄소를 제거할 수 있는 새로운 조성물과 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법은, (a)고분자 하이드로젤을 알카리 용액에 용해시키는 단계; (b)상기 하이드로젤이 녹아 있는 알카리 용액을 칼슘이 녹아 있는 칼슘 용액에 공급하는 단계; 및 (c)상기 칼슘이 하이드로젤과 결합하여, 염기성을 띠며 칼슘이 포함된 젤 상태의 하이드로젤 조성물이 형성되는 단계;를 포함하는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 하이드로젤이 녹아 있는 알카리 용액은 10~50ml/min 범위의 속도로 상기 칼슘 용액에 공급하며 상기 하이드로젤 조성물은 서로 분리되어 있는 비드 형태로 제조되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 하이드로젤은 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 카파-카라기난, 카라야 검, 아미드펙틴, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리에스테르 중 적어도 어느 하나의 합성고분자 물질을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 고분자 하이드로젤은 히알루론산, 헤파린, 덱스트란, 콜라겐, 알부민, 젤라틴 및 키토산 중 어느 하나의 천연고분자 물질 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
그리고 상기 알카리 용액은 알카리금속 또는 알카리 토금속과 결합한 수산화물을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 칼슘 용액은 염화칼슘, 황산칼슘, 탄산칼슘 및 수산화칼슘 중 적어도 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 고분자 하이드로젤 1g에 대하여 칼슘 용액의 농도는 1~10g/L의 범위로 공급하며, 상기 칼슘 용액의 농도에 대하여 상기 알카리 용액의 농도는 0.2~4배 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 알카리 용액에 상기 고분자 하이드로젤을 용해시 상기 알카리 용액 내에 기포 발생이 억제되도록 부압 조건에서 수행하거나 또는 용해 후 장시간 방치하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물은 칼슘과, 상기 칼슘이 고정되는 고분자 하이드로젤 담체와, 상기 하이드로젤을 염기성 환경으로 형성하는 알카리제를 포함하여 이루어지는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 하이드로젤 조성물은 서로 분리되어 있는 비드 형태로 제조되어 비표면적을 넓히는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 하이드로젤 조성물은 다양한 용도에 사용될 수 있지만, 특히 공기 중에서 이산화탄소와 결합하여 탄산칼슘을 형성함으로써 공기 중 이산화탄소를 제거하는데 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 하이드로젤 조성물은 내부에 칼슘을 포함하고 있으며, 염기성 조건을 띠는 바 공기 중의 이산화탄소를 탄산칼슘 형태로 고정하여 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 조성물은 하이드로젤 상태이므로 물을 쉽게 흡수하여 이산화탄소가 칼슘과 쉽게 반응할 수 있는 조건을 제공하며, 이에 따라 이산화탄소 제거 반응도 신속하게 일어날 수 있다.
특히 본 발명에 따른 하이드로젤 조성물은 구형이고 일정 강도가 유지되는바, 형태 안정성이 우수하여 보관, 운반 및 사용이 용이할 뿐만 아니라, 다양한 형태의 제품으로 응용이 가능할 것이다.
본 발명에 따른 제조방법을 통해 매우 간단하고 경제적으로 하이드로젤 조성물을 제조할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법의 개략적 공정도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 하이드로젤 조성물에서 고분자 하이드로젤 사이의 가교 결합을 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 4 및 도 5에는 본 발명에 따른 하이드로젤 조성물 제조방법 실험과정에서 용액 내 칼슘의 농도 변화를 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실험에서 원료로 사용한 알긴산 나트륨에 대하여, 그리고 도 7은 CO2흡수 실험을 마친 구슬형 하이드로젤 조성물에 대하여 FT-IR분석을 시행한 결과이다.
도 8의 이미지는 본 발명에 따른 하이드로젤 조성물이 이산화탄소를 흡수한 후의 SEM 이미지로서 1,000배 확대한 것이다.
도 9는 실험의 원료인 알긴산 나트륨의 XRD 분석한 결과이다.
도 10은 이산화탄소 흡수 후의 하이드로젤 조성물에 대한 XRD 결과이며, 도 11은 XRD 정량분석 결과이다.
도 12는 이산화탄소를 흡수한 하이드로젤 조성물에 대하여 EDS 분석한 결과이며, 도 13은 원소별 정량분석 결과이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법(이하 '하이드로젤 조성물 제조방법'이라 함)에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로젤 조성물 제조방법의 개략적 공정도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로젤 조성물 제조방법에서는 먼저 알카리 용액 및 칼슘 용액을 제조한다.
그리고 고분자 하이드로젤을 알카리 용액에 용해시킨다. 본 실시예에서 고분자 하이드로젤로는 알긴산 나트륨(SA, Sodium Alginate)을 사용한다. 다만, 이 외에도 다양한 종류의 고분자 하이드로젤을 사용할 수 있다. 예컨대, 합성고분자 물질로는 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 카파-카라기난, 카라야 검, 아미드펙틴, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리에스테르 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
그리고 천연고분자 물질로는 히알루론산, 헤파린, 덱스트란, 콜라겐, 알부민, 젤라틴 및 키토산 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 실시예에서는 알긴산 나트륨을 고분자 하이드로젤 물질로 사용한다. 알긴산 나트륨은 천연 고분자물질로서 갈조류를 알카리 추출한 후, 산을 첨가하여 젤 상태로 만들어지며, 음이온성을 띤다. 안정제나 증점제로 많이 사용된다.
알긴산 나트륨은 알카리 용액에서 서서히 용해되며, 용해시에 점성을 띠게 된다. 본 실시예에서 알카리 용액으로는 수산화나트륨 용액을 사용하였다.
본 실시예에서는 0.2M NaOH 0.5L를 제조한 후, 이 중 0.2L를 알긴산 나트륨 1g을 녹이는데 사용하였다. 알긴산 나트륨은 수산화나트륨 용액에 천천히 용해된다. 알긴산 나트륨이 수산화나트륨 용액에 충분히 용해될 수 있도록 용해시에는 교반기를 사용하여 용액을 충분히 교반해주는 것이 바람직하다. 또한 중요한 점은 기포를 억제하는 것이다. 용해 및 교반 과정에서 용액 내에 기포가 발생하고, 기포가 하이드로젤 내부에 포섭되는 경우 하이드로젤의 강도가 저하될 수 있다. 이에 본 실시예에서는 부압 분위기에서 용해반응을 수행함으로써 기포가 용액으로부터 배출될 수 있도록 한다. 부압 조건을 형성하지 않는 경우라면, 용해 반응을 장시간에 걸쳐 진행하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 알카리 용액으로 수산화나트륨 용액을 사용하였지만 이 외에도 다양한 알카리 용액이 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 알카리 용액은 KOH, LiOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2 등과 같은 알카리금속 또는 알카리 토금속과 결합한 수산화물 용액을 사용할 수 있다. 또한 암모늄 계열의 알카리 물질을 사용할 수 있으나, 이들을 사용하는 경우 반응속도가 느리다. 또한 악취를 동반하므로 최종적으로 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물이 만들어진 후에도 악취가 있어 사용상의 제한이 있다.
위에서 언급한 천연 또는 합성 고분자 하이드로젤의 경우에도 수산화나트륨 등 알카리 용액에 녹아서 용해될 수 있다.
고분자 하이드로젤을 알카리 용액에 용해시킨 후에는 이 용액을 칼슘 용액에 공급한다. 본 실시예에서 칼슘 용액은 염화칼슘 용액을 사용한다. 다만, 염화칼슘 이외에도 황산칼슘, 탄산칼슘 및 수산화칼슘 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
알긴산 나트륨이 용해되어 있는 알카리 용액을 염화칼슘 용액에 공급하면 칼슘이 알긴산 나트륨의 나트륨을 치환하면서 하이드로젤 조성물이 비드 형태로 형성된다.
칼슘과 알긴산 나트륨의 반응은 도 2 및 도 3에 나타나 있다. 도 2 및 도 3을 참고하면, 알긴산 나트륨에 결합되어 있는 1가의 나트륨을 2가의 칼슘이 치환하면서 알긴산 나트륨 사슬을 상호 연결하는 가교 역할을 수행한다. 즉, 가교 결합을 통해 알긴산 나트륨이 알긴산 칼슘으로 변환된다. 복수의 사슬들이 칼슘에 의하여 연결되어 고화되면서 젤 상태로 만들어지며, 수분을 흡수하는 성질을 갖는다.
본 실시예에서 칼슘용액으로서 염화칼슘 용액을 사용하였는데, 이 외에도 황산칼슘(CaSO4), 탄산칼슘(CaCO3) 등을 사용할 수 있다. 다만, 칼슘원에 따라 가교결합을 통하여 젤을 형성하는 시간이 다른데, 염화칼슘 용액이 가장 빠르며 황산칼슘과 탄산칼슘은 염화칼슘 보다 반응속도가 느리므로 공정 속도를 향상시키는 차원에서는 염화칼슘을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 알긴산 나트륨 이외의 고분자 물질을 사용하는 경우에도 칼슘은 고분자 사슬을 중합, 결합, 가교 등의 작용을 통해 서로 뭉치게 하여 젤화시킬 수 있다.
본 실시예에서 제조되는 하이드로젤 조성물은 잠수함 등 밀폐된 공간에서 이산화탄소를 제거하기 위한 용도로 사용된다. 이에 비표면적이 넓게 형성되어 칼슘이 공기 중의 이산화탄소와 용이하게 접촉될 수 있어야 한다. 또한 보관, 운반 및 사용이 용이해야 하므로 쉽게 부서지지 않도록 일정한 강도를 유지해야 한다.
위의 2가지 조건을 만족하기 위해서는 하이드로젤 조성물이 구형의 비드 형태로서 서로 분리, 독립되게 형성되어야 한다.
이를 위하여 본 실시예에서는 알긴산 나트륨이 용해되어 있는 알카리 용액을 서서히 염화칼슘 용액에 공급하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 하이드로젤이 녹아 있는 알카리 용액을 정량펌프를 이용하여 10~50ml/min 범위의 속도로 염화칼슘 용액에 공급한다. 위 범위보다 빠르게 알카리 용액을 공급하게 되면 하이드로젤들이 서로 엉겨붙게 되어 비표면적이 작아지므로 바람직하지 않다. 다만, 여기서 10~50ml/min은 하나의 포인트에서의 속도를 의미한다. 예컨대, 반응조를 길게 설치하고, 반응조의 길이방향을 따라 상호 멀리 이격되서 알카리 용액을 10~50ml/min으로 공급하는 경우를 생각할 수 있다. 이 경우 반응조 전체로 보았을 때는 분당 공급량이 포인트의 개수만큼 늘어날 수 있다. 그러나 본 발명에서 위의 속도는 하나의 포인트에서 공급되는 속도를 의미한다.
위 반응에 참여하는 알카리 용액, 칼슘 용액 및 고분자 하이드로젤의 농도는 하이드로젤과 칼슘용액을 기준으로 산정된다. 즉, 하이드로젤 1g에 대하여 칼슘 용액의 농도는 1~10g/L의 범위로 공급할 수 있다. 그리고 알카리 용액의 농도는 칼슘 용액의 농도 대비 0.2~4배 범위인 것이 바람직하다.
위 농도 범위를 초과하는 경우 하이드로젤 조성물의 강도와 형태 안정성이 저하되어 하이드로젤 조성물이 용액 내에서 쉽게 터져버리는 경향이 나타나는 것을 실험을 통해 확인하였다.
상기한 바와 같은 방법에 의하여 형성되는 조성물에서 고분자 하이드로젤 물질은 칼슘을 고정하기 위한 담체로서 기능한다. 칼슘이 고분자 하이드로젤에 고정되는 원리는 위에서 설명한 바와 같다. 또한 알카리 용액은 고분자 하이드로젤 물질을 최초에 용해하는 작용을 수행하며, 칼슘이 이산화탄소와 반응하기 위한 pH 조건을 제공한다. 이산화탄소와 칼슘은 염기성 조건, 특히 pH10 이상에서 활발하게 반응하여 탄산칼슘을 형성하게 되는데, 알카리 용액의 수산화기는 하이드로젤 내부에 포함되어 조성물의 pH를 염기성 환경으로 조성한다. 칼슘은 이산화탄소와 최종적으로 반응하는 한편, 고분자 하이드로젤을 가교결합시켜 비드 형태의 젤로 형성함으로써 조성물이 형태 안정성을 가지도록 한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물은 위에서 언급한 바와 같이 광물탄산화를 통해 이산화탄소를 제거한다.
즉, 공기 중의 이산화탄소는 아래의 반응식으로 표현되는 과정을 거쳐 탄산칼슘으로 형성된다. 즉, 공기 중의 이산화탄소는 반응(A) 및 반응(B)와 같이 탄산을 형성한다.
CO2(g) CO2(aq) (A)
CO2(aq) + H2O H2CO3 (B)
그리고 탄산은 아래의 반응(C), 반응(D)를 통해 수소와 탄산 이온(CO3 2-)으로 분해된다.
H2CO3 H+ + HCO3 - (C)
HCO3 - H+ + CO3 2- (D)
탄산 이온이 형성된 상태에서 조성물 내에 고정된 칼슘 이온과 만나 아래의 반응(E)와 같이 탄산칼슘으로 형성되어 조성물의 내부 및 표면에 고체 상태로 석출된다.
Ca2 + + CO3 2- CaCO3 (E)
위 탄산화 반응에 있어 가장 중요한 변수는 pH이다. 산성 조건하에서는 중탄산이온(HCO3 -)이 반응(D)처럼 탄산 이온(CO3 2-)으로 전환되지 못하고 탄산 (H2CO3) 형태를 유지하기 때문에 탄산칼슘 합성이 일어날 수 없다. 따라서 탄산화 반응을 위하여 염기성 조건, 대략 pH8 이상의 환경을 조성해야 하며, 바람직하게는 pH10 이상의 환경이 조성되어야 한다. 이에 본 발명에서는 알카리 용액을 이용하여 하이드로젤 조성물을 형성하는 것이다.
이하, 본 발명에 따른 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법의 실험예에 대하여 설명하기로 한다.
[실험 1. 알칼리성 SA 조성물 제조]
실험1에서는 0.2 M 농도의 NaOH 0.5 L와, 0.2 M 농도의 CaCl2 0.5 L를 제조하였다. 그리고 알긴산나트륨(SA) 1 g을 0.2 M 농도의 NaOH 용액 0.1 L에 첨가하고 큰 회전력을 이용하여 용해하여 1% 농도의 NaOH-SA 용액을 형성하였다.
이후, NaOH-SA 용액을 CaCl2 용액 0.2 L에 정량펌프 이용하여 20 mL/min의 느린 유속으로 첨가하며 젤화 반응을 시작하였다.
이 때 투명한 색의 비드가 생성되며, 시간이 경과할수록 비드가 하얀색으로 바뀌는 것을 확인하였으며, 10분 간격으로 용액 중 Ca의 농도를 분석하였다. 도 4 및 도 5에는 칼슘의 농도 분석 결과가 나타나 있다. 도 4 및 도 5의 표를 참고하면, 용액 내 칼슘 농도는 반응시작 후 30분까지 계속 하강한 후 더 이상 변화하지 않고 수렴하였다. 대략 50%의 칼슘이 용액에서 제거되었으며, 이는 칼슘이 고분자 하이드로젤에 결합된 결과로 파악할 수 있다.
즉, 알긴산 나트륨은 물에 용해 될 때 카르복시기와 결합한 Na가 물의 벌크상으로 이동하고, 빈자리에 칼슘이 치환된다. 이 때 +2가의 칼슘은 카르복시기 2개를 잡아 당기므로 구조가 단단해지는데, 표면에너지를 낮추게 되어 구형을 갖게 되는 것으로 파악될 수 있다. NaOH-SA의 카르복시기와 결합한 Ca 또는 결합되지 않은 Ca는 NaOH의 영향으로 Ca(OH)2로 입자화 되는 것으로 추정된다.
[실험 2. 알칼리성 SA 캡슐제조]
실험2에서도 마찬가지로 0.2 M 농도의 NaOH 0.5 L, 0.2 M 농도의 CaCl2 0.5 L를 제조하고, 알카리 용액 0.2 L에 SA 1 g첨가하여 0.5% 농도로 NaOH-SA를 제조하였다. 그리고 앞의 실험1과는 달리 CaCl2 용액을 0.5 mL/min의 매우 느린 유속으로 정량펌프를 이용하여 0.5% NaOH-SA에 공급하였다.
CaCl2 용액이 천천히 NaOH-SA 용액에 주입되면서 구형 보다는 일측이 긴 캡술 형태로 조성물이 형성되었다. 칼슘의 흡수량을 높이고자 수시간 방치시키자 캡슐이 모두 터지는 현상이 나타났다. 이에 염화칼슘 용액을 알카리 용액에 공급하는 방식에 비하여, 알카리 용액을 염화칼슘에 공급하는 방식이 형태 안정성에 있어서 더 우수한 것으로 파악된다. 물론 반응을 통해 캡슐이 형성된 후 즉시 용액으로부터 캡슐형 조성물을 제거할 수도 있지만, 이 경우 조성물 내 칼슘의 고정량이 적어지기 때문에 이산화탄소 제거능이 저하될 것으로 판단된다.
[실험 3. 비드형 NaOH-SA의 이산화탄소 흡수]
위 실험 1에서 합성된 비드형 하이드로젤 조성물의 표면을 탈이온수로 세척하여 이산화탄소 흡수실험을 수행하였다.
잠수함 또는 밀폐된 실내공간을 모사하기 위해 10mm 두께의 아크릴 박스에 습도 80-90%, 기온 섭씨 29도를 조성하였다. 구슬형 하이드로젤 조성물을 메쉬 위에 가능한 단층으로 도포하여 CO2와 접촉할 수 있는 면적을 넓게 하였다. 그리고 조성물이 얹어진 메쉬를 아크릴 박스에 넣고 CO2를 0.2 L/min으로 주입하였다.
2일 동안은 구슬형 하이드로젤 조성물 주변에 물이 고여 있으나, 이후 서서히 사라지며 6일간의 실험이 마무리 되었을 때 박스내의 하이드로젤 조성물은 건조되며 수축하였다.
수축된 하이드로젤 조성물을 분석하여 이산화탄소를 흡수율을 조사하였다. 칼슘이 이산화탄소와 반응하면 탄산칼슘이 생성되므로 탄산칼슘 생성을 통해 이산화탄소 흡수율을 파악하였다.
먼저 ICP 분석 실험 후, 입자를 산성 시약을 이용하여 용액화 하여 ICP-OES분석하여 Ca의 농도를 분석하였으며, 그 결과 칼슘농도는 16%인 것으로 나타났다.
또한, 원료로 이용한 알긴산 나트륨과 CO2흡수 실험을 마친 구슬형 하이드로젤 조성물에 대하여 FT-IR분석을 시행하였다. 도 6(알긴산 나트륨) 및 도 7(CO2 흡수 후)에 그 결과를 나타냈다.
도 6 및 도 7의 결과를 참고하면, 알긴산 나트륨은 16171cm- 1와 1421cm-1에서 카르복시기 피크가 나타났다. 그러나 반응 전에 확인되었던 1617 cm-1의 피크는 반응 후 1627cm-1로 약간 이동되어 관찰되며, 1421cm-1에서의 피크는 칼슘과 이산화탄소의 결합 영향으로 다소 아래 쪽으로 이동되어 1420 cm- 1와 1384cm-1가 보강간섭된 형태로 나타났다. 1421-1420 cm-1에서의 피크는 알지네이트의 카르복시기와 결합했던 칼슘이 이산화탄소와 결합하여 탄산칼슘을 형성하고 있음을 나타내는 것이며, 1617-1627 cm-1에서의 피크는 알지네이트가 탄산칼슘을 담지하는 지지체로서의 역할을 하고 있음을 나타낸다.
또한 반응 후 874 cm- 1와 712 cm-1에서의 피크는 탄산칼슘이 칼사이트의 결정상을 이루었음을 나타낸다.
FT-IR 결과로부터 하이드로젤 조성물이 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 칼사이트를 형성하는 것을 확인하였다.
또한 칼슘을 흡수한 하이드로젤 조성물에 대하여 SEM 사진을 촬영하였다. 도 8의 SEM 이미지는 하이드로젤 조성물을 1,000배 확대한 것이다. SEM 이미지에서 입방형의 결정상이 나타났으며, 이는 탄산칼슘인 칼사이트의 전형적 형상이다.
또한 원시료인 알긴산 나트륨의 XRD 분석을 하였고, 이를 도 9에 나타내었다. 그리고 도 10에는 이산화탄소 흡수 후의 하이드로젤 조성물에 대하여 XRD 결과를 나타내었다.
도 9를 참고하면 원시료에는 결정상이 전혀 나타나지 않지만, 도 10에는 칼사이트와 NaCl 피크가 확인되었다. NaCl은 알긴산 나트륨 중 칼슘으로 치환되지 못한 나트륨으로부터 유래한 것으로 생각된다. XRD 정량 분석 결과(도 11)를 참고하면, 결정상에서 탄산칼슘이 87.4%, NaCl은 12.6%로 확인되었다.
위의 결과들을 통해 본 발명에 따른 하이드로젤 조성물에는 칼슘이 풍부하게 포함되어 있으며, 이 칼슘은 이산화탄소와 결합하여 탄산칼슘을 형성하는 것을 확인할 수 있었다.
부가적으로 이산화탄소를 흡수한 하이드로젤 조성물에 대하여 EDS 분석을 수행하였다. 실험결과와 하이드로젤 조성물의 원소 정량 분석 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다. 결과를 참고하면 칼슘의 함량이 31.66%, C와 O가 각각 20.79% 및 43.85%로 나타나 하이드로젤 조성물 내에 칼슘이 많이 포함되어 있으며, 칼슘과 이산화탄소가 반응하여 탄산칼슘(CaCO3)이 형성되었음을 알 수 있다.
이 결과를 바탕으로, 본 발명에 따라 제조된 하이드로젤 조성물은 잠수함 등 밀폐된 공간에 존재하는 이산화탄소를 흡수하여 탄산칼슘 형태로 제거할 수 있다는 것이 확인되었다.
특히, 본 발명에 따른 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물은 구형으로 제조되고, 일정 강도가 보장되어 보관, 운반 및 사용이 용이할 것으로 보이며, 다양한 형태의 제품으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (11)

  1. (a)고분자 하이드로젤을 알카리 용액에 용해시키는 단계; 및
    (b)상기 하이드로젤이 녹아 있는 알카리 용액을 칼슘이 녹아 있는 칼슘 용액에 공급하는 단계; 및
    (c)상기 칼슘이 하이드로젤과 결합하여, 염기성을 띠며 칼슘이 포함된 젤 상태의 하이드로젤 조성물이 형성되는 단계;를 포함하며,
    상기 하이드로젤이 녹아 있는 알카리 용액은 10~50ml/min 범위의 속도로 상기 칼슘 용액에 공급하되, 상기 고분자 하이드로젤 1g에 대하여 칼슘 용액의 농도는 1~10g/L의 범위로 공급하여, 상기 하이드로젤 조성물을 서로 분리되어 있는 비드 형태로 제조하고,
    상기 하이드로젤 조성물은 밀폐된 공간에서 공기 중의 이산화탄소와 직접 반응하여 탄산칼슘을 형성하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 하이드로젤은 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 카파-카라기난, 카라야 검, 아미드펙틴, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌글리콜 및 폴리에스테르 중 적어도 어느 하나의 합성고분자 물질인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 하이드로젤은 히알루론산, 헤파린, 덱스트란, 콜라겐, 알부민, 젤라틴 및 키토산 중 적어도 어느 하나의 천연고분자 물질인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 알카리 용액은 알카리금속 또는 알카리 토금속과 결합한 수산화물인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 칼슘 용액은 염화칼슘, 황산칼슘, 탄산칼슘 및 수산화칼슘 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 칼슘 용액의 농도에 대하여 상기 알카리 용액의 농도는 0.2~4배 범위인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 알카리 용액에 상기 고분자 하이드로젤을 용해시 상기 알카리 용액 내에 기포 발생이 억제되도록 부압 조건에서 수행하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물 제조방법.
  11. 청구항 1, 청구항 4 내지 7 및 청구항 9 내지 10 중 어느 하나에 기재된 방법에 의하여 제조되는 이산화탄소 제거용 하이드로젤 조성물.
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