KR101985629B1 - Ion exchange absorbent having high selective adsorption ability for nitrate ion and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an ion exchange adsorbent excellent in selective adsorption performance to nitrate ions and a method for manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to: the ion exchange adsorbent comprising a porous silica support and an alkyl group having four or more carbon atoms, and also comprising quaternary ammonium functionalized by binding to the porous silica support; and the method for manufacturing the same.

Description

질산이온에 대한 선택적인 흡착성능이 우수한 이온교환 흡착제 및 그의 제조방법{Ion exchange absorbent having high selective adsorption ability for nitrate ion and method for preparing the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an ion exchange sorbent having excellent selective adsorption performance against nitrate ions and a method for preparing the same.

본 발명은 이온교환 흡착제 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 질산이온에 대한 선택적인 흡착성능이 우수한 이온교환 흡착제 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ion-exchange adsorbent and a method for producing the same, and more particularly, to an ion-exchange adsorbent having an excellent selective adsorption performance for nitrate ion and a method for producing the same.

최근 일반 하수나 폐수 중 질산이온의 양이 지속적으로 증가하고 있어 이를 효율적으로 제거하는 것이 큰 이슈가 되고 있다.Recently, the amount of nitrate ions in sewage and wastewater has been increasing steadily.

질산이온은 환경에서 낮은 선택성, 즉, 다른 음이온에 비하여 제거되기 어려운 성질을 지니고 있으나 식물의 성장 및 질소비료의 주 원료로서 전 지구상의 경작지에 적용되는 물질이다. 질산 이온은 비료, 정화조, 가축분뇨 등에 의하여 자연상에 노출되는 양이 꾸준히 증가되고 있고, 이는 부영양화의 주요 요인이 되고 있다. 그 외에도 질산 이온은 과다한 양이 인체에 노출되면, 유아에게 청색증(methemoglobinemia)을 유발할 수 있고, 성인에게 위암 등을 유발할 수 있다. 특히, 도금, 화약제조, 석유화학 산업 등에서 배출되는 산업폐수는 질산 이온이 다량 함유되어 있고, 질산 이온으로 오염된 지하수는 자연적 회복이 거의 불가능한 것으로 알려져 있으며, 또한 질산 이온의 배출 규제가 크게 강화되고 있다.Nitrate ion has low selectivity in the environment, that is, it is difficult to remove compared to other anions, but it is a substance applied to cultivated land all over the world as a main raw material of plant growth and nitrogen fertilizer. The amount of nitrate ions exposed to natural materials by fertilizers, septic tanks, livestock manure, etc. is steadily increasing, and this is becoming a major factor of eutrophication. In addition, nitrate ions can cause cyanosis (methemoglobinemia) in infants if they are exposed to the human body, and may cause stomach cancer in adults. In particular, industrial wastewater discharged from plating, powder manufacturing, and petrochemical industries contain nitrate ions in a large amount. It is known that groundwater contaminated with nitrate ions is almost impossible to recover naturally. have.

따라서, 질산 이온의 효율적인 제거를 위해 질산이온에 대한 선택성이 우수한 흡착제 또는 제거 방법이 강력히 요구되고 있는 실정이다.Therefore, in order to efficiently remove nitrate ions, there is a strong demand for an adsorbent or a removal method excellent in selectivity to nitrate ions.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 다공성 실리카 지지체에, 상대적으로 긴 알킬기를 포함하는 4급 암모늄이 결합하여 기능화됨으로써 질산 이온에 대한 선택적인 흡착성능을 향상시킨 이온교환 흡착제 및 그의 제조방법을 제공한다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an ion exchange sorbent which improves selective adsorption performance to nitrate ions by binding and functionalizing quaternary ammonium containing a relatively long alkyl group to a porous silica support, And a manufacturing method thereof.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면 다공성 실리카 지지체; 및 탄소수 4 이상의 알킬기를 포함하고, 상기 다공성 실리카 지지체에 결합하여 기능화된 4급 암모늄을 포함하는 이온교환 흡착제가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a porous silica support comprising: a porous silica support; And an alkyl group having 4 or more carbon atoms, and quaternary ammonium functionalized by binding to the porous silica support.

이때, 상기 다공성 실리카 지지체는, SBA-1, SBA-15, SBA-16, KIT-6, MCM-41, MCM-48, MCF(mesocellular siliceous foam) 및 실리카겔로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있다.At this time, the porous silica support may be any one selected from the group consisting of SBA-1, SBA-15, SBA-16, KIT-6, MCM-41, MCM-48, mesocellular silicaous foam Or a mixture of two or more of them.

그리고, 상기 4급 암모늄은, 탄소수가 4 내지 18인 알킬기를 포함하는 것일 수 있다.The quaternary ammonium may include an alkyl group having 4 to 18 carbon atoms.

그리고, 상기 4급 암모늄은, 디메틸부틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethylbutyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride, DMBAC), 디메틸옥틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethyloctyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride), 디메틸도데실[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethyldodecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride) 또는 디메틸옥타데실[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethyloctadecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride)일 수 있다.The quaternary ammonium is preferably selected from the group consisting of dimethylbutyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride, DMBAC, dimethyloctyl [3- (trimethoxysilyl) Propyl] ammonium chloride), dimethyldodecyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride, or dimethyloctyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] Decyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride).

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, (S1) 다공성 실리카 지지체와 탄소수 4 이상의 알킬기를 포함하는 4급 암모늄을 유기용매 내에서 반응시키는 단계; (S2) 상기 (S1) 단계의 결과물에 탈이온수(deionized water)를 추가한 후 반응시켜, 상기 다공성 실리카 지지체에 상기 4급 암모늄을 결합시키는 단계; 및 (S3) 상기 (S2) 단계의 결과물을 세척하는 단계를 포함하는 전술한 본 발명의 이온교환 흡착제의 제조방법이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for preparing a porous silica support, comprising: (S1) reacting a porous silica support and quaternary ammonium containing an alkyl group having 4 or more carbon atoms in an organic solvent; (S2) adding deionized water to the resultant product of step (S1) and then reacting the resulting product to bind the quaternary ammonium to the porous silica support; And (S3) washing the resultant of the step (S2). The above-described method for producing an ion-exchange adsorbent of the present invention is provided.

이때, 상기 (S1) 단계의 상기 다공성 실리카 지지체는, 산성용액으로 활성화시킨 후, 증류수로 세척한 다음 건조시킨 것일 수 있다.At this time, the porous silica support in step (S1) may be activated with an acidic solution, washed with distilled water, and then dried.

그리고, 상기 (S1) 단계의 상기 4급 암모늄은, 실란계 화합물과 탄소수가 4 이상인 알킬기를 포함하는 아민계 화합물의 반응 결과물인 것일 수 있다.The quaternary ammonium in step (S1) may be a reaction product of a silane compound and an amine compound containing an alkyl group having 4 or more carbon atoms.

그리고, 상기 (S3) 단계는, 상기 (S2) 단계의 결과물을 톨루엔과 증류수로 세척한 후, 염기성 용액으로 세척하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.The step (S3) may include washing the resultant of step (S2) with toluene and distilled water, followed by washing with a basic solution.

본 발명에 따르면, 종래 상업적으로 많이 사용되었던 레진 지지체 대신, 다공성 실리카 지지체를 사용하여 이온교환 흡착제의 물리화학적 내성을 더욱 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the physico-chemical resistance of the ion-exchange adsorbent can be further improved by using a porous silica support instead of the conventionally widely used resin support.

그리고, 다공성 실리카 지지체에 상대적으로 긴 알킬기를 포함하는 4급 암모늄이 결합하여 기능화됨으로써, 수중에 중탄산 이온(HCO3 -), 인산 이온(PO4 3-), 황산 이온(SO4 2-) 및 염소 이온(Cl-) 등과 혼합되어 있는 질산 이온(NO3 -)에 대한 선택적인 흡착성능을 더욱 향상시킬 수 있다.(HCO 3 - ), phosphoric acid ion (PO 4 3- ), sulfate ion (SO 4 2- ) and sulfuric acid ion (SO 4 2- ) are formed in the water by binding and functionalization of quaternary ammonium containing a relatively long alkyl group to the porous silica support. It is possible to further improve selective adsorption performance for nitrate ions (NO 3 - ) mixed with chlorine ions (Cl - ) and the like.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 이온교환 흡착제의 합성을 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 이온교환 흡착제의 FESEM 및 디지털 이미지이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 이온교환 흡착제의 FTIR 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 이온교환 흡착제의 XPS 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 이온교환 흡착제에 의해 질산 이온이 제거되는 배치 실험 결과들을 여러 조건에 따라 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 이온교환 흡착제에 의한 질산 이온 제거에 대한 경쟁 음이온의 효과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 경쟁 음이온의 존재 하에서, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 이온교환 흡착제에 의한 질산 이온 흡착의 상대적인 감소율을 보여주는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and together with the description of the invention serve to further the understanding of the technical idea of the invention, It should not be construed as limited.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram for synthesis of an ion exchange adsorbent according to an embodiment of the present invention and a comparative example. FIG.
2 is a FESEM and digital image of an ion exchange sorbent according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
3 is a graph showing FTIR spectra of the ion-exchange adsorbent according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a graph showing the XPS spectrum of an ion-exchange adsorbent according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of batch experiments in which nitrate ions are removed by an ion exchange sorbent according to Examples and Comparative Examples of the present invention, according to various conditions. FIG.
6 is a graph showing the effect of a competitive anion on the removal of nitrate ions by the ion exchange adsorbent according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the relative reduction rates of nitrate ion adsorption by an ion-exchange adsorbent according to Examples and Comparative Examples of the present invention in the presence of competitive anions.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the constitutions described in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention, and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

본 발명의 일 측면에 따른 이온교환 흡착제는 다공성 실리카 지지체; 및 탄소수 4 이상의 알킬기를 포함하고, 상기 다공성 실리카 지지체에 결합하여 기능화된 4급 암모늄을 포함하는 것을 특징으로 한다.An ion exchange sorbent according to one aspect of the present invention comprises a porous silica support; And quaternary ammonium functionalized by binding to the porous silica support, wherein the quaternary ammonium includes an alkyl group having 4 or more carbon atoms.

상기 용어 "결합"은 물리적, 화학적인 부착, 연결 등을 모두 포함할 수 있으며, 물질 간의 특정 결합력에 의해 서로 떨어지지 않은 상태를 의미할 수 있으며 이에 한정되지 않는다.The term " bond " may include physical, chemical attachment, linkage, and the like.

종래에는 이온교환 흡착제의 지지체로서, 스타이렌 중합체 등의 강염기성 레진이 상업적으로 많이 이용되었다. 하지만 본 발명에서는 종래 상업적으로 많이 사용되었던 레진 지지체 대신, 다공성 실리카 지지체를 사용하여 이온교환 흡착제의 물리화학적 내성을 더욱 향상시킬 수 있다.Conventionally, strongly basic resins such as styrene polymers have been widely used as supports for ion exchange adsorbents. However, in the present invention, the physico-chemical resistance of the ion exchange adsorbent can be further improved by using a porous silica support instead of the resin support which has been conventionally used commercially.

그리고, 다공성 실리카 지지체에 상대적으로 긴 알킬기를 포함하는 4급 암모늄이 부착하여 기능화됨으로써, 수중에 중탄산 이온(HCO3 -), 인산 이온(PO4 3-), 황산 이온(SO4 2-) 및 염소 이온(Cl-) 등과 혼합되어 있는 질산 이온(NO3 -)에 대한 선택적인 흡착성능을 더욱 향상시킬 수 있다.(HCO 3 - ), phosphoric acid ion (PO 4 3- ), sulfate ion (SO 4 2- ) and sulfuric acid ion (SO 4 2- ) are added to the porous silica support by the function of quaternary ammonium containing a relatively long alkyl group. It is possible to further improve selective adsorption performance for nitrate ions (NO 3 - ) mixed with chlorine ions (Cl - ) and the like.

이때, 상기 다공성 실리카 지지체는, 특별히 한정되는 것은 아니며 임의의 목적에 따라 통상적으로 사용되는 다공성 실리카를 포함할 수 있지만, 본 발명의 구체적인 예에 따르면, SBA-1, SBA-15, SBA-16, KIT-6, MCM-41, MCM-48, MCF(mesocellular siliceous foam) 및 실리카겔로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물일 수 있고, 바람직하게는 SBA-15 또는 실리카겔을 사용할 수 있다.SBA-1, SBA-15, SBA-16, SBA-4, SBA-6, and SBA-16 may be used as the support. KIT-6, MCM-41, MCM-48, mesocellular siliceous foam (MCF) and silica gel, or a mixture of two or more thereof, preferably SBA-15 or silica gel have.

그리고, 본 발명의 4급 암모늄은, 질소원자에 4개의 탄화수소기가 결합한 형태인 것으로, 상기 다공성 실리카 지지체에 결합하여 기능화되며, 4개의 탄화수소기 중, 적어도 어느 하나의 탄화수소기는 탄소수 4 이상의 알킬기인 것을 특징으로 한다.The quaternary ammonium of the present invention has a structure in which four hydrocarbon groups are bonded to a nitrogen atom and is functionalized by binding to the porous silica support. At least one of the four hydrocarbon groups is an alkyl group having 4 or more carbon atoms .

이때, 상기 4급 암모늄은, 바람직하게는 탄소수가 4 내지 18인 알킬기를 포함하는 것일 수 있다.At this time, the quaternary ammonium may preferably include an alkyl group having 4 to 18 carbon atoms.

더욱 구체적으로, 탄소수가 4인 알칼기를 포함하는 4급 암모늄은, 디메틸부틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethylbutyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride, DMBAC)일 수 있고, 탄소수가 8인 알킬기를 포함하는 4급 암모늄은, 디메틸옥틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethyloctyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride)일 수 있으며, 탄소수가 12인 알킬기를 포함하는 4급 암모늄은, 디메틸도데실[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethyldodecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride)일 수 있고, 탄소수가 18인 알킬기를 포함하는 4급 암모늄은, 디메틸옥타데실[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethyloctadecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride)일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.More specifically, quaternary ammonium containing an alkenyl group having 4 carbon atoms can be dimethylbutyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride, DMBAC) , Quaternary ammonium containing an alkyl group having 8 carbon atoms may be dimethyloctyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride, and may have a carbon number of 12 The quaternary ammonium containing an alkyl group may be dimethyldodecyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride, and may contain an alkyl group having 18 carbon atoms The quaternary ammonium may be, but is not limited to, dimethyloctadecyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 이온교환 흡착제의 제조방법은 다음과 같다.Meanwhile, a method for producing an ion-exchange adsorbent according to another aspect of the present invention is as follows.

우선, 다공성 실리카 지지체와 탄소수 4 이상의 알킬기를 포함하는 4급 암모늄을 유기용매 내에서 반응시킨다(S1 단계).First, the porous silica support and quaternary ammonium containing an alkyl group having 4 or more carbon atoms are reacted in an organic solvent (Step S1).

이때, 상기 다공성 실리카 지지체는, 산성용액으로 활성화시킨 후, 증류수로 세척한 다음 건조시킨 것일 수 있는데, 바람직하게는 다공성 실리카를 반응 플라스크에 투입한 후, HCl 수용액과 8 시간 동안 환류하여 활성화시킨 다음, 증류수로 세척하여 건조시킨 것일 수 있다.The porous silica support may be activated by an acidic solution, washed with distilled water, and then dried. Preferably, porous silica is added to a reaction flask, and the solution is refluxed for 8 hours with an aqueous solution of HCl to activate , And washed with distilled water and dried.

그리고, 상기 4급 암모늄은, 실란계 화합물과 탄소수가 4 이상인 알킬기를 포함하는 아민계 화합물의 반응 결과물일 수 있다.The quaternary ammonium may be a reaction product of a silane compound and an amine compound containing an alkyl group having 4 or more carbon atoms.

더욱 구체적으로, (3-클로로프로필)트리메톡시실란((3-chloropropyl)trimethoxysilane)과 N,N-디메틸부틸아민(N,N-dimethylbutylamine)을 반응시켜, 탄소수가 4인 알킬기를 포함하는 4급 암모늄인 디메틸부틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(DMBAC)를 제조할 수 있고, (3-클로로프로필)트리메톡시실란과 N,N-디메틸옥틸아민(N,N-dimethyloctylamine)을 반응시켜, 탄소수가 8인 알킬기를 포함하는 4급 암모늄인 디메틸옥틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드를 제조할 수 있으며, (3-클로로프로필)트리메톡시실란과 N,N-디메틸도데실아민(N,N-dimethyldodecylamine)을 반응시켜, 탄소수가 12인 알킬기를 포함하는 4급 암모늄인 디메틸도데실[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드를 제조할 수 있으나, 이러한 제법들로만 한정되는 것은 아니다.More specifically, by reacting (3-chloropropyl) trimethoxysilane with N, N-dimethylbutylamine, 4 (4-methylphenyl) (3-chloropropyl) trimethoxysilane and N, N-dimethyloctylamine (N, N-dimethylaniline) can be produced, (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride, which is a quaternary ammonium containing an alkyl group having 8 carbon atoms, may be prepared by reacting (3-chloropropyl) trimethoxysilane with dimethyloctylamine N, N-dimethyldodecylamine to obtain dimethyldodecyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride, which is quaternary ammonium containing an alkyl group having a carbon number of 12 But is not limited to these preparations.

그리고, 상기 (S1) 단계에서 사용되는 유기용매는 특별히 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적을 훼손하지 않는 범위 내에서 임의의 유기용매를 포함할 수 있지만, 톨루엔을 포함하는 것이 바람직하다.The organic solvent used in the step (S1) is not particularly limited, and may include any organic solvent within the range not impairing the object of the present invention, but preferably includes toluene.

이어서, 상기 (S1) 단계의 결과물에 탈이온수를 추가한 후 반응시켜, 상기 다공성 실리카 지지체에 상기 4급 암모늄을 결합시킨다(S2 단계).Next, deionized water is added to the resultant product of step (S1) and then reacted to bond the quaternary ammonium to the porous silica support (step S2).

이때, 상기 탈이온수는, 상기 다공성 실리카 지지체의 표면에서 상기 4급 암모늄이 가수분해를 통한 부착반응이 개시되도록 하는 역할을 하는 것으로, 상기 다공성 실리카 지지체 및 상기 4급 암모늄에 비해 상대적으로 미량을 추가하는 것이 바람직하다.At this time, the deionized water plays a role to initiate the adhesion reaction by hydrolysis of the quaternary ammonium on the surface of the porous silica support, and a relatively small amount is added to the porous silica support and the quaternary ammonium .

이어서, 상기 (S2) 단계의 결과물을 세척한다(S3 단계).Then, the result of step S2 is washed (step S3).

이때, 상기 (S2) 단계의 결과물을 용액의 pH가 중성이 될 때까지 톨루엔과 증류수로 완전히 세척한 후, NaCl 용액 등으로 세척하는 것일 수 있다.At this time, the result of step (S2) may be washed with toluene and distilled water until the pH of the solution becomes neutral, and then washed with NaCl solution or the like.

이어서, 상기 얻어진 결과물을 오븐에서 분리하여 건조시킨 다음, 막자사발(mortar) 및 막자(pestle)를 사용하여 단편화함으로써 이온교환 흡착제의 제조를 완성할 수 있다.Subsequently, the resultant product is separated from the oven, dried, and then fragmented using a mortar and a pestle to complete the preparation of the ion-exchange adsorbent.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, the embodiments according to the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention.

이온교환 흡착제의 제조Preparation of ion exchange adsorbents

이온교환 흡착제의 합성에 사용된 모든 화학 물질은 별도의 언급이 없는 한 시그마 알드리치 (Sigma Aldrich, 미국 미주리 주 세인트루이스)에서 구입하였다. 도 1은 4급 암모늄이 다공성 실리카 지지체인 SBA-15에 결합하여 기능화되는 합성과정을 개략적으로 보여준다.All chemicals used in the synthesis of ion exchange sorbents were purchased from Sigma Aldrich (St. Louis, Mo.) unless otherwise noted. Figure 1 schematically illustrates the synthesis process in which quaternary ammonium is functionalized by binding to SBA-15, a porous silica support.

(1) 비교예 1: 트리메틸 4급 암모늄으로 기능화된 SBA-15(C1Q-SBA-15)의 제조(1) Comparative Example 1: Preparation of SBA-15 (C1Q-SBA-15) functionalized with trimethyl quaternary ammonium

먼저, SBA-15 1g과 0.03 몰의 트리메틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(trimethyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride, 메탄올 중 50%, Tokyo Chemical Industry, Tokyo, Japan)를 150 mL의 톨루엔(99.5 %, Daejung, Siheung, Republic of Korea)에 넣고 1 시간 동안 교반하였다.First, 1 g of SBA-15 and 0.03 mol of trimethyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride, 50% in methanol, Tokyo Chemical Industry, Tokyo, Was added to 150 mL of toluene (99.5%, Daejung, Siheung, Republic of Korea) and stirred for 1 hour.

이어서, 상기 교반 혼합물에 가수분해 부착반응 개시제로서 0.5 mL의 탈이온수(deionized water)를 첨가하고, 100 ℃에서 48 시간 동안 환류(reflux)시켰다.Then, 0.5 mL of deionized water as a hydrolysis attachment reaction initiator was added to the stirring mixture, and the mixture was refluxed at 100 DEG C for 48 hours.

이어서, 결과물인 슬러리를 여과하고, 용액의 pH가 중성이 될 때까지 톨루엔 및 탈이온수로 완전히 세척하였다.The resulting slurry was then filtered and washed thoroughly with toluene and deionized water until the pH of the solution was neutral.

그 다음, 상기 슬러리를 1L의 0.1M NaCl 용액에 첨가하고, 6 시간 동안 교반하였다.The slurry was then added to 1 L of 0.1 M NaCl solution and stirred for 6 hours.

이어서, 상기 NaCl 처리된 슬러리를 65 ℃에서 밤새 오븐(ThermoStable SOF-W 155, Daihan Scientific, Seoul, Korea)에서 분리하여 건조시켰다.Subsequently, the NaCl-treated slurry was separated from the oven (ThermoStable SOF-W 155, Daihan Scientific, Seoul, Korea) overnight at 65 ° C and dried.

마지막으로, C1Q-SBA-15는 막자사발 및 막자를 사용하여 단편화함으로써 얻을 수 있었다.Finally, C1Q-SBA-15 was obtained by fragmentation using a mortar and pestle.

(2) 실시예 1: 디메틸부틸 4급 암모늄으로 기능화된 SBA-15(C4Q-SBA-15)의 제조(2) Example 1: Preparation of SBA-15 (C4Q-SBA-15) functionalized with dimethylbutyl quaternary ammonium

먼저, (3-클로로프로필)트리메톡시실란((3-chloropropyl)trimethoxysilane, ≥97%) 0.1 몰과 N,N-디메틸부틸아민(N,N-dimethylbutylamine, 99%) 0.1 몰을 85 ℃에서 48 시간 동안 반응시켜 디메틸부틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethylbutyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride, DMBAC)를 합성하였다.First, 0.1 mol of (3-chloropropyl) trimethoxysilane (≥97%) and 0.1 mol of N, N-dimethylbutylamine (99%) were reacted at 85 ° C. Dimethylbutyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride (DMBAC) was synthesized by reacting with dimethylbutyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride for 48 hours.

300 mL의 톨루엔 중에서, 상기 DMBAC를 6 g의 SBA-15와 혼합하고, 이 혼합물을 1 시간 동안 교반하였다.In 300 mL of toluene, the DMBAC was mixed with 6 g of SBA-15 and the mixture was stirred for 1 hour.

이어서, 상기 교반 혼합물에 가수분해 부착반응 개시제로서 1 mL의 탈이온수(deionized water)를 첨가하고, 100 ℃에서 48 시간 동안 환류(reflux)시켰다.Then, 1 mL of deionized water was added to the stirring mixture as a hydrolysis attachment reaction initiator, and the mixture was refluxed at 100 DEG C for 48 hours.

그 다음, 상기 슬러리를 1L의 0.1M NaCl 용액에 첨가하고, 6 시간 동안 교반하였다.The slurry was then added to 1 L of 0.1 M NaCl solution and stirred for 6 hours.

이어서, 상기 NaCl 처리된 슬러리를 분리하고, 65 ℃에서 밤새 오븐(ThermoStable SOF-W 155, Daihan Scientific, Seoul, Korea)에서 건조시켰다.Subsequently, the NaCl-treated slurry was separated and dried in an oven (ThermoStable SOF-W 155, Daihan Scientific, Seoul, Korea) overnight at 65 ° C.

(3) 실시예 2: 디메틸옥틸 4급 암모늄으로 기능화된 SBA-15(C8Q-SBA-15)의 제조(3) Example 2: Preparation of SBA-15 (C8Q-SBA-15) functionalized with dimethyloctyl quaternary ammonium

0.1 몰의 N,N-디메틸부틸아민(N,N-dimethylbutylamine, 99%) 대신, 0.1 몰의 N,N-디메틸옥틸아민(N,N-dimethyloctylamine, 95%)을 사용하여, 디메틸옥틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethyloctyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride)를 제조하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 통해, C8Q-SBA-15를 제조하였다.N-dimethyloctylamine (95%) was used instead of 0.1 mol of N, N-dimethylbutylamine (99%) to obtain dimethyloctyl [3 C8Q-SBA-15 was prepared in the same manner as in Example 1, except that dimethyloctyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride was prepared.

(4) 실시예 3: 디메틸도데실 4급 암모늄으로 기능화된 SBA-15(C12Q-SBA-15)의 제조(4) Example 3: Preparation of SBA-15 (C12Q-SBA-15) functionalized with dimethyldodecyl quaternary ammonium

0.1 몰의 N,N-디메틸부틸아민(N,N-dimethylbutylamine, 99%) 대신, 0.1 몰의 N,N-디메틸도데실아민(N,N-dimethyldodecylamine, 97%)을 사용하여 디메틸도데실[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethyldodecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride)를 제조하는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법을 통해, C12Q-SBA-15를 제조하였다.(N, N-dimethyldodecylamine, 97%) instead of 0.1 mol of N, N-dimethylbutylamine (99% C12Q-SBA-15 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the dimethyldodecyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride was used instead of 3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride .

(5) 실시예 4: 디메틸옥타데실 4급 암모늄으로 기능화된 SBA-15(C18Q-SBA-15)의 제조(5) Example 4: Preparation of SBA-15 (C18Q-SBA-15) functionalized with dimethyloctadecyl quaternary ammonium

트리메틸[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(trimethyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride) 대신 디메틸옥타데실[3-(트리메톡시실릴)프로필]암모늄 클로라이드(dimethyloctadecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium chloride, 메탄올 중 42%)를 사용하는 것을 제외하고는, 비교예 1과 동일한 방법을 통해, C18Q-SBA-15를 제조하였다.Dimethyloctadecyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride instead of trimethyl [3- (trimethoxysilyl) propyl] C18Q-SBA-15 was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that trimethoxysilyl) propyl] ammonium chloride (42% in methanol) was used.

이온교환 흡착제의 표면 형태 및 원소 조성 분석 평가Evaluation of surface morphology and element composition of ion exchange sorbent

상기에서 제조된 이온교환 흡착제(C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15)는 몇 가지 기술을 사용하여 특성화되었다. 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM, Supra 55VP, Carl Zeiss, Oberkochen, Germany)을 사용하여 흡착제의 표면 형태를 분석 하였다.The ion exchange sorbents (C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15) prepared above were characterized using several techniques. The surface morphology of the adsorbent was analyzed by field emission scanning electron microscopy (FESEM, Supra 55VP, Carl Zeiss, Oberkochen, Germany).

도 2는 상기에서 제조된 이온교환 흡착제(C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15)의 FESEM 및 디지털 이미지이다. 도 2를 참조하면, 디지털 이미지 관련하여 C1Q-, C12Q- 및 C18Q-SBA-15는 백색 입자인 것으로 나타난 반면, C4Q- 및 C8Q-SBA-15는 밝은 황색 입자인 것으로 나타났다. 그리고, FESEM 이미지 관련하여, 4급 암모늄이 기능화하는 과정 동안 SBA-15 입자의 표면에 성공적으로 그래프 팅(grafting)되었음을 보여준다.2 is a FESEM and digital image of the ion exchange sorbent (C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15) prepared above. Referring to FIG. 2, C1Q-, C12Q- and C18Q-SBA-15 are shown to be white particles with respect to the digital image, whereas C4Q- and C8Q-SBA-15 are light yellow particles. And, with respect to the FESEM image, it shows that quaternary ammonium was successfully grafted to the surface of SBA-15 particles during the functionalization process.

한편, 흡착제에 대한 4급 암모늄의 영향을 분석하기 위해 푸리에-변환 적외선(FTIR) 분광법(Nicolet 6700, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)을 사용하였다.Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy (Nicolet 6700, Thermo Fisher Scientific, Waltham, Mass., USA) was used to analyze the effect of quaternary ammonium on the adsorbent.

도 3은 상기에서 제조된 이온교환 흡착제(C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15)의 FTIR 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing the FTIR spectra of the ion exchange sorbents (C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15) prepared above.

SBA-15의 스펙트럼에서 805.5와 1049.5 cm-1의 피크는 실록산(Si-O-Si)의 스트레칭에 기인한다. C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q- 및 C18Q-SBA-15의 스펙트럼에서 1041-1055 cm-1 및 797-806 cm-1의 피크 또한 실록산(Si-O-Si)의 스트레칭에 기인한다. 4급 암모늄으로 SBA-15를 기능화한 후에는 성공적인 4급화의 증거로 몇 가지 새로운 피크가 나타났다. C1Q-와 C4Q-SBA-15의 경우 1481.4와 1483.4 cm-1의 피크가 C-H2 비대칭 벤딩에 할당되어 4급 암모늄 기능기의 증거를 제공한다. 알킬기의 길이가 증가함에 따라 1466.5(C8Q-SBA-15), 1466.7(C12Q-SBA-15) 및 1466.6 cm-1(C18Q-SBA-15)에서 새로운 피크가 관찰되었다. 이 피크들은 CH2 또는 CH3 비대칭 벤딩에 할당되었으며, 이는 알킬기에서 메틸렌기의 기여로 간주된다. C1Q-SBA-15의 스펙트럼에서, 알킬기의 C-H 스트레칭 진동은 관찰되지 않았고, CH3 비대칭 스트레칭은 2961.8 cm-1에서 새롭게 관찰되었다. 알킬기의 길이가 증가함에 따라 C8Q-, C12Q- 및 C18Q-SBA-15의 스펙트럼에서 2922-2944 cm-1 및 2852-2856 cm-1의 새로운 피크가 나타났다. 이러한 피크는 CH2 비대칭 스트레칭과 CH2 대칭 스트레칭에 기인한 것으로 알킬기의 길이와 메틸렌기 부분의 증가로 인해 강해졌다.The peak at 805.5 and 1049.5 cm -1 in the SBA-15 spectrum is due to the stretching of the siloxane (Si-O-Si). Peaks at 1041-1055 cm -1 and 797-806 cm -1 in the spectra of C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q- and C18Q-SBA-15 are also due to the stretching of the siloxane (Si-O-Si). After SBA-15 functionalization with quaternary ammonium, several new peaks appeared as evidence of successful quaternization. In the case of C1Q- and C4Q-SBA-15, peaks at 1481.4 and 1483.4 cm -1 are assigned to CH 2 asymmetric bending to provide evidence of quaternary ammonium functionality. As the alkyl length increased, new peaks were observed at 1466.5 (C8Q-SBA-15), 1466.7 (C12Q-SBA-15) and 1466.6 cm- 1 (C18Q-SBA-15). These peaks were assigned to CH 2 or CH 3 asymmetric bending, which is considered to be a contribution of methylene groups in the alkyl group. In the spectrum of C1Q-SBA-15, the CH stretching vibration of the alkyl group was not observed, and the CH 3 asymmetric stretching was newly observed at 2961.8 cm -1 . As the length of the alkyl group increased, new peaks at 2922-2944 cm -1 and 2852-2856 cm -1 appeared in the spectra of C8Q-, C12Q- and C18Q-SBA-15. These peaks are due to the CH 2 asymmetric stretching and the CH 2 symmetric stretching, which is enhanced by the increase of the alkyl group length and the methylene group portion.

그리고, 화학 결합과 흡착제의 성분을 분석하기 위해, Al Kα선(hv = 1253.6 eV)을 사용하는 X-선 광전자 분광기(XPS, Sigma Probe, Kratos Analytical, Shimadzu, Japan)를 사용하였다.X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Sigma Probe, Kratos Analytical, Shimadzu, Japan) using Al Kα line (hv = 1253.6 eV) was used to analyze chemical bonds and components of the adsorbent.

도 4는 상기에서 제조된 이온교환 흡착제(C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15)의 XPS 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.4 is a graph showing XPS spectra of the ion exchange sorbents (C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15) prepared above.

도 4를 참조하면, C1Q- 내지 C18Q-SBA-15의 와이드 스캔에서, 103 및 153 eV의 결합 에너지에서의 광전자 피크는 각각 Si 2p 및 Si 2s 오비탈에 기인한 것이다. 또한, 198, 284, 400 및 532 eV의 피크가 각각 Cl 2p, C 1s, N 1s 및 O 1s 오비탈에 할당되었다. 103 eV(Si 2p)와 532 eV (O 1s)의 피크는 SBA-15의 특성 피크이다. C 1s의 고해상도 스캔에서, 피크는 유사한 결합 에너지 및 반가폭(full width at half maximum)을 가졌다. C 1s 피크는 284.8 eV(C-C 결합)와 286.0 eV(C-N 결합)로 디컨볼루션될 수 있는데, 이는 4급 암모늄의 기능화로부터 기인한다.Referring to FIG. 4, in a wide scan of C1Q- to C18Q-SBA-15, the photoelectron peaks at binding energies of 103 and 153 eV are due to Si 2p and Si 2s orbital, respectively. Also, peaks of 198, 284, 400 and 532 eV were assigned to Cl 2p, C 1s, N 1s and O 1s orbits, respectively. The peaks of 103 eV (Si 2p) and 532 eV (O 1s) are characteristic peaks of SBA-15. In a high resolution scan of C 1s, the peaks had similar binding energy and full width at half maximum. The C 1s peak can be deconvoluted at 284.8 eV (C-C bond) and 286.0 eV (C-N bond), which is due to quaternary ammonium functionalization.

이온교환 흡착제의 질산염 제거 특성 평가Evaluation of nitrate removal characteristics of ion exchange sorbents

상기에서 제조된 이온교환 흡착제(C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15)에 의한 질산염 제거에 대한 초기 용액의 pH가 미치는 영향을 알아보는 실험을 하였고, 그 결과를 도 5a에 도시하였다.Experiments were carried out to investigate the influence of the pH of the initial solution on nitrate removal by the ion exchange sorbents (C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15) 5a.

도 5a를 참조하면, C1Q-SBA-15의 경우 pH 2에서 질산염 제거 용량은 8.53 mg/g이었다. pH가 4로 증가함에 따라 제거 용량은 28.28 mg/g으로 급격히 증가했다. pH가 4에서 10으로 증가하면 제거 용량은 15.38 mg/g으로 감소했다. 그리고, pH 12에서 제거 용량은 매우 낮아졌다(3.73 mg/g). pH 4에서 60.47 mg/g, pH 12에서 2.55 mg/g으로 가장 낮은 제거 용량을 갖는 C4Q-SBA-15에서도 C1Q-SBA-15에서와 비슷한 경향이 나타났다. C8Q-SBA-15의 경우에도, 가장 높은 질산염 제거는 pH 4 (57.59 mg/g)에서 이루어졌고, 가장 낮은 질산염 제거는 pH 12(2.36 mg/g)에서 이루어졌다. C12Q-SBA-15의 경우에는, 가장 높은 제거율은 pH 6(48.30 mg/g)이었고, 가장 낮은 질산염 제거율은 pH 12(3.73 mg/g)에서 나타났다. 마지막으로, C18Q-SBA-15의 경우, 가장 높은 제거 용량은 pH 4(36.84 mg/g)에서 나타났고, 가장 낮은 값은 pH 12(2.55 mg/g)에서 나타났다.Referring to FIG. 5A, in the case of C1Q-SBA-15, the nitrate removal capacity at pH 2 was 8.53 mg / g. As the pH was increased to 4, the removal capacity increased rapidly to 28.28 mg / g. When the pH was increased from 4 to 10, the removal capacity decreased to 15.38 mg / g. And at pH 12, the removal capacity was very low (3.73 mg / g). Samples of C4Q-SBA-15, which had the lowest removal capacity of 60.47 mg / g at pH 4 and 2.55 mg / g at pH 12, were similar to those of C1Q-SBA-15. In the case of C8Q-SBA-15, the highest nitrate removal was at pH 4 (57.59 mg / g) and the lowest nitrate removal was at pH 12 (2.36 mg / g). In the case of C12Q-SBA-15, the highest removal rate was pH 6 (48.30 mg / g) and the lowest nitrate removal rate was at pH 12 (3.73 mg / g). Finally, in the case of C18Q-SBA-15, the highest removal capacity was found at pH 4 (36.84 mg / g) and the lowest value at pH 12 (2.55 mg / g).

상기 실험 결과, pH 2에서 기능화된 SBA-15에 의한 질산염 제거 능력은, pH 4에서 기능화된 SBA-15의 제거 능력보다 훨씬 낮다는 것을 보여준다. 이러한 경향은 흡착 부위로의 질산염의 자유 운동이 높은 산성의 pH에서는 제한될 수 있다는 사실에 의해 설명된다. 그리고, 상기 실험결과, 기능화된 SBA-15에 의한 질산염 제거가 pH 12에서 무시할 수 있게 되었음을 보여준다. 이러한 경향은 흡착 사이트에 대한 경쟁 음이온으로, 많은 수의 OH- 이온의 존재와 관련이 있다. 전반적으로 기능화된 SBA-15는 pH 4 ~ 10의 범위에서 질산염을 효과적으로 제거할 수 있었다. 기능화된 SBA-15에 의해 질산염이 제거되는 동안, 수용액상의 질산 이온은 4급 암모늄기의 흡착 부위에 부착된 염소이온(Cl-)으로 교환되었다.The experimental results show that the ability to remove nitrate by functionalized SBA-15 at pH 2 is much lower than the ability to remove functionalized SBA-15 at pH 4. This tendency is explained by the fact that the free movement of nitrate to the adsorption site can be limited at high acidic pH. And, as a result of the above experiment, it is shown that nitrate removal by functionalized SBA-15 is negligible at pH 12. This tendency is a competitive anion for the adsorption site, which is related to the presence of a large number of OH - ions. Overall, the functionalized SBA-15 was able to effectively remove nitrate in the range of pH 4 to 10. While the nitrate was removed by functionalized SBA-15, the nitrate ion in the aqueous solution was exchanged with the chloride ion (Cl - ) attached to the adsorption site of the quaternary ammonium group.

한편, 동역학 모델 분석과 함께 동역학 흡착 데이터가 도 5b에 도시되어 있다. C1Q-와 C4Q-SBA-15의 경우 흡착제에 대한 질산염의 흡착은 10 분 이내에 매우 빠른 속도로 평형에 도달했다. C8Q-, C12Q- 및 C18Q-SBA-15의 경우 질산염의 흡착은 30 분 이내에 평형에 도달했다. 이러한 실험 결과 기능화된 SBA-15의 알킬기의 길이에 의해 질산염 제거율이 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.On the other hand, kinetic adsorption data along with kinetic model analysis is shown in FIG. 5B. In the case of C1Q- and C4Q-SBA-15, the adsorption of nitrate to the adsorbent reached equilibrium at a very rapid rate within 10 min. In the case of C8Q-, C12Q- and C18Q-SBA-15, the adsorption of nitrate reached equilibrium within 30 min. These results show that the nitrate removal rate is affected by the length of the functionalized SBA-15 alkyl group.

이온교환 흡착제의 질산염 선택도에 대한 알킬기 길이의 영향 평가Evaluation of Effect of Alkyl Length on Nitrate Selectivity of Ion Exchanger

경쟁 음이온의 존재 하에서, 상기에서 제조된 이온교환 흡착제(C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15)에 의해 질산염이 얼마나 선택적으로 제거되는지에 대한 실험을 수행하였고, 그 결과를 도 6에 도시하였다.Experiments were conducted on the selective removal of nitrate by the ion exchange sorbent (C1Q-, C4Q-, C8Q-, C12Q-, C18Q-SBA-15) prepared above in the presence of competitive anion, Is shown in Fig.

C1Q-SBA-15(도 6a)는, 질산염 제거에 Cl-의 효과는 무시할 수 있는 반면에, HCO3 -, HPO4 2- 및 SO4 2-의 효과는 주목할 만 하였다. [Cl-]/[NO3-]의 비율이 0에서 4로 증가함에 따라 질산염 제거 능력은 20.11에서 12.05 mg/g으로 절반 정도로 감소하였지만, HCO3 -, HPO4 2- 또는 SO4 2-가 존재할 때에는 질산염 제거 능력이 급격하게 감소되었다(거의 0에 수렴).In C1Q-SBA-15 (FIG. 6A), the effect of Cl - on nitrate removal was negligible, while the effect of HCO 3 - , HPO 4 2- and SO 4 2- was notable. As the ratio of [Cl -] / [NO3 -] increased from 0 to 4, the nitrate removal capacity decreased from 20.11 to 12.05 mg / g, but HCO 3 - , HPO 4 2- or SO 4 2- The ability to remove nitrate was drastically reduced (almost converging to zero).

C4Q-SBA-15(도 6b) 및 C8Q-SBA-15(도 6c)는 C1Q-SBA-15와 유사한 경향을 보였다. 그러나 SO4 2-가 질산염 제거에 미치는 영향은 HCO3 - 및 HPO4 3-의 영향보다 적었다.C4Q-SBA-15 (FIG. 6B) and C8Q-SBA-15 (FIG. 6C) showed similar trends to C1Q-SBA-15. However, the effect of SO 4 2- on nitrate removal was less than that of HCO 3 - and HPO 4 3- .

C12Q의-SBA-15(도 6d)의 경우, 질산염 제거에 미치는 HCO3 - 및 HPO4 3-의 영향은 C4Q- 및 C8Q-SBA-15의 경우에서보다 훨씬 적었다.In the case of C12Q-SBA-15 (Fig. 6d), the effect of HCO 3 - and HPO 4 3- on nitrate removal was much less than in C4Q- and C8Q-SBA-15 cases.

C18Q-SBA-15(도 6e)는 C12Q-SBA-15와 유사한 경향을 보였다.C18Q-SBA-15 (FIG. 6E) showed a similar tendency to C12Q-SBA-15.

즉, C1Q-SBA-15(비교예 1)만 제외하고, 나머지 실시예들은 HCO3 -, HPO4 2- 또는 SO4 2-가 존재하더라도 질산 이온의 제거 용량이 0에 수렴하도록 감소하지 않는 결과가 나타났다.That is, except for C1Q-SBA-15 (Comparative Example 1), the remaining examples show that even in the presence of HCO 3 - , HPO 4 2- or SO 4 2- , the removal capacity of nitrate ions does not decrease to converge to 0 .

한편, [competing Anion]/[NO3 -] = 1에서 기능화된 SBA-15의 질산염 흡착에 대한 상대적 감소율은 도 7에 도시되어 있다.On the other hand, the relative reduction rates of nitrate adsorption of SBA-15 functionalized at [competing Anion] / [NO 3 - ] = 1 are shown in FIG.

[Cl-]/[NO3 -]의 경우, 모든 기능화된 SBA-15는 0 내지 5.5%의 매우 낮은 상대 감소율을 보여준다.For [Cl - ] / [NO 3 - ], all functionalized SBA-15 exhibits a very low relative reduction of 0 to 5.5%.

알킬기의 길이가 C1Q-에서 C18Q-로 증가함에 따라, [HCO3 -]/[NO3 -]의 상대적인 감소율은 92.5에서 36.6 %로 감소하였고, [HPO4 2-]/[NO3 -]의 상대 감소율도 98.8에서 41.1 %로 감소하였다. 또한, [SO4 2-]/[NO3 -]의 상대 감소율은 C12Q-SBA-15의 경우를 제외하고 73.9에서 9.8 %로 감소하는 경향이 있었다.As the alkyl length increased from C1Q- to C18Q-, the relative reduction rate of [HCO 3 - ] / [NO 3 - ] decreased from 92.5 to 36.6%, and the relative reduction rate of [HPO 4 2- ] / [NO 3 - ] The relative reduction rate decreased from 98.8 to 41.1%. In addition, the relative reduction rate of [SO 4 2- ] / [NO 3 - ] tended to decrease from 73.9 to 9.8% except for C12Q-SBA-15.

이러한 실험 결과, 상대적으로 긴 알킬기 길이를 갖는 경우, 상대적으로 짧은 알킬기 길이를 가질 때 보다 선택적인 질산염 제거에 더욱 효과적이라는 것을 확인할 수 있었다.As a result of these experiments, it was confirmed that, in the case of having a relatively long alkyl group length, it is more effective in selective nitrate removal than in the case of having a relatively short alkyl group length.

또한, 4급 암모늄으로 기능화된 SBA-15의 질산염 제거에 대한 경쟁 음이온의 영향은, HPO4 2- > HCO3 - > SO4 2- > Cl-의 순서대로 감소하였음을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that the effect of competitive anions on nitrate removal of quaternary ammonium-functionalized SBA-15 decreased in the order of HPO 4 2- > HCO 3 - > SO 4 2- > Cl - .

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (8)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 다공성 실리카 지지체 및 탄소수 4 이상의 알킬기를 포함하고, 상기 다공성 실리카 지지체에 결합하여 기능화된 4급 암모늄을 포함하는 이온교환 흡착제의 제조방법으로서,
(S1) 다공성 실리카 지지체와 탄소수 4 이상의 알킬기를 포함하는 4급 암모늄을 유기용매 내에서 반응시키는 단계;
(S2) 상기 (S1) 단계의 결과물에 탈이온수(deionized water)를 추가한 후 반응시켜, 상기 다공성 실리카 지지체에 상기 4급 암모늄을 결합시키는 단계; 및
(S3) 상기 (S2) 단계의 결과물을 세척하는 단계를 포함하는 이온교환 흡착제의 제조방법.
A process for preparing an ion exchange adsorbent comprising a porous silica support and an alkyl group having 4 or more carbon atoms and quaternary ammonium functionalized by binding to the porous silica support,
(S1) reacting a porous silica support and quaternary ammonium containing an alkyl group having 4 or more carbon atoms in an organic solvent;
(S2) adding deionized water to the resultant product of step (S1) and then reacting the resulting product to bind the quaternary ammonium to the porous silica support; And
(S3) washing the resultant of step (S2).
제5항에 있어서,
상기 (S1) 단계의 상기 다공성 실리카 지지체는,
산성용액으로 활성화시킨 후, 증류수로 세척한 다음 건조시킨 것을 특징으로 하는 이온교환 흡착제의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The porous silica support of step (S1)
Activated with an acidic solution, washed with distilled water, and then dried.
제5항에 있어서,
상기 (S1) 단계의 상기 4급 암모늄은,
실란계 화합물과 탄소수가 4 이상인 알킬기를 포함하는 아민계 화합물의 반응 결과물인 것을 특징으로 하는 이온교환 흡착제의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The quaternary ammonium in step (S1)
Wherein the reaction product is a reaction product of a silane-based compound and an amine-based compound containing an alkyl group having 4 or more carbon atoms.
제5항에 있어서,
상기 (S3) 단계는,
상기 (S2) 단계의 결과물을 톨루엔과 증류수로 세척한 후, 염기성 용액으로 세척하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온교환 흡착제의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The step (S3)
Washing the resultant of step (S2) with toluene and distilled water, and then washing the resultant with a basic solution.
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