KR102289633B1 - Method of manufacturing for cellulose nanofibers having functional group for heavy metal adsorption - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법을 제공한다. 셀룰로스 나노섬유에 N,N-다이메틸아세트아마이드(DMAc) 용액, 3,3'-다이티오다이프로피온산(DTDPA) 및 1,1-카보닐다이이미다줄(CDI)의 혼합 용액을 첨가하고 가열하여 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계; 및 상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 암모늄 티오글리콜레이트(AmTG) 용액에 침지시켜 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계; 를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유는 우수한 중금속 흡착 기능이 있어서 멤브레인 또는 필터 등의 흡착 소재에 널리 활용될 수 있다.An embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a cellulose nanofiber introduced with a functional group for adsorption of heavy metals. A mixed solution of N,N-dimethylacetamide (DMAc) solution, 3,3'-dithiodipropionic acid (DTDPA) and 1,1-carbonyldiimidazole (CDI) was added to the cellulose nanofiber and heated to double preparing sulfur cellulose nanofibers; and immersing the double sulfur cellulose nanofiber in an ammonium thioglycolate (AmTG) solution to prepare a sulfur cellulose nanofiber; includes According to an embodiment of the present invention, the cellulose nanofibers introduced with the functional group for adsorption of heavy metals have an excellent function of adsorbing heavy metals, and thus can be widely used in adsorption materials such as membranes or filters.

Description

중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법{Method of manufacturing for cellulose nanofibers having functional group for heavy metal adsorption}Manufacturing method of cellulose nanofibers introduced with a functional group for heavy metal adsorption {Method of manufacturing for cellulose nanofibers having functional group for heavy metal adsorption}

본 발명은 셀룰로스 나노섬유의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing cellulose nanofibers, and more particularly, to a method for manufacturing cellulose nanofibers into which a functional group for adsorbing heavy metals is introduced.

셀룰로스는 대표적인 천연 고분자 재로로서, 생분해성, 친환경성, 높은 열안정성 및 기계적 강도 등 그의 고유한 물성 덕분에 실생활 유용성이 매우 큰 소재이다. 이러한 우수한 성질 때문에 셀룰로스는 많은 친환경 바이오메스 소재들 중에서 가장 많은 시장의 관심을 받고 있으며, 셀룰로스의 세계 시장 규모는 매년 증가하는 추세이다. 현재 셀룰로스는 생명과학 및 의학에서도 각광을 받고 있으며, 특히, 나노 셀룰로스 소재는 증가된 표면적 때문에 물, 유기 및 고분자 물질, 나노 입자 살아있는 세포 등과의 상호 작용이 증가될 수 있는 특성을 제공한다.Cellulose is a representative natural polymer material, and has great practical utility thanks to its unique properties such as biodegradability, eco-friendliness, high thermal stability and mechanical strength. Because of these excellent properties, cellulose is receiving the most market attention among many eco-friendly biomass materials, and the global market size of cellulose is increasing every year. Currently, cellulose is also in the spotlight in life sciences and medicine, and in particular, nano-cellulose materials provide properties that can increase interaction with water, organic and polymeric materials, nanoparticles, and living cells due to the increased surface area.

하지만 셀룰로스는 내부에 많은 하이드록시 그룹을 포함하여 강한 수소 결합이 형성되어 있어 용제에 쉽게 용해되지 않아 활용에 제약이 따른다. 따라서, 셀룰로스의 표면을 개질하여 그의 활용성을 증대하는 연구가 진행되고 있고, 셀룰로스에 기능성을 부여하기 위한 많은 방법론들이 제시되고 있다.However, cellulose contains many hydroxy groups inside and strong hydrogen bonds are formed, so it is not easily soluble in solvents, thus limiting its use. Therefore, research is being conducted to modify the surface of cellulose to increase its utility, and many methodologies for imparting functionality to cellulose have been proposed.

특히, 나노섬유는 무게 대비 넓은 비표면적과 작고 많은 기공을 포함하고 있어 멤브레인 필터 또는 드레싱 등의 소재로 활용 가능하다. 그러나 셀룰로스의 낮은 용해도 때문에 직접적으로 나노섬유화 하기에 어려움이 있어, 현재는 셀룰로스 유도체를 이용하여 나노 섬유화를 하는 방법들이 제시되어 왔다.In particular, nanofibers can be used as materials for membrane filters or dressings because they have a large specific surface area compared to their weight and many small pores. However, due to the low solubility of cellulose, it is difficult to directly form nanofibers, and currently, methods for nanofiberization using cellulose derivatives have been proposed.

또한, 셀룰로스 소재에 원하는 기능성을 부여하여 셀룰로스의 활용도를 넓히기 위해서 직접적인 표면 개질을 통해 셀룰로스의 기능성을 부여하는 것이 요구된다.In addition, in order to extend the utility of cellulose by imparting desired functionality to the cellulose material, it is required to impart the functionality of cellulose through direct surface modification.

일본 공개특허공보 제2018-533660호Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2018-533660

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for manufacturing a cellulose nanofiber into which a functional group for adsorption of heavy metals is introduced.

또한, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유를 제공하는 것이다.In addition, it is to provide a cellulose nanofiber into which a functional group for adsorption of heavy metals is introduced.

또한, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유를 포함하는 흡착제를 제공하는 것이다.In addition, it is to provide an adsorbent comprising cellulose nanofibers introduced with a functional group for adsorbing heavy metals.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical object, an embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a cellulose nanofiber introduced with a functional group for adsorption of heavy metals.

본 발명의 실시예에 있어서, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법은, 셀룰로스 나노섬유에 N,N-다이메틸아세트아마이드(DMAc) 용액, 3,3'-다이티오다이프로피온산(DTDPA) 및 1,1-카보닐다이이미다줄(CDI)의 혼합 용액을 첨가하고 가열하여 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계; 및 상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 암모늄 티오글리콜레이트(AmTG) 용액에 침지시켜 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계; 를 포함한다.In an embodiment of the present invention, the method for producing a cellulose nanofiber into which a functional group for adsorbing heavy metals is introduced is a N,N-dimethylacetamide (DMAc) solution, 3,3'-dithiodipropionic acid ( DTDPA) and adding a mixed solution of 1,1-carbonyldiimidazole (CDI) and heating to prepare a double sulfur cellulose nanofiber; and immersing the double sulfur cellulose nanofiber in an ammonium thioglycolate (AmTG) solution to prepare a sulfur cellulose nanofiber; includes

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계에서, 상기 셀룰로스 나노섬유는 셀룰로스 아세테이트 용액을 전기방사한 후 염기성 수용액에 침지시킴으로써 제조될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the step of preparing the double sulfur cellulose nanofiber, the cellulose nanofiber may be prepared by electrospinning a cellulose acetate solution and then immersing it in a basic aqueous solution.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계에서, 상기 DTDPA 및 CDI는 1:1 내지 5:1의 몰비로 혼합될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the step of preparing the double sulfur cellulose nanofiber, the DTDPA and CDI may be mixed in a molar ratio of 1:1 to 5:1.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계에서, 상기 가열은 60℃ 내지 120℃까지 수행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the step of preparing the double sulfur cellulose nanofiber, the heating may be performed at 60°C to 120°C.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 중금속은 구리, 카드뮴 또는 납을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the heavy metal may include copper, cadmium, or lead.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유를 제공한다.In order to achieve the above technical object, another embodiment of the present invention provides a cellulose nanofiber introduced with a functional group for adsorbing heavy metals.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유를 포함하는 흡착제를 제공한다.In order to achieve the above technical object, another embodiment of the present invention provides an adsorbent comprising cellulose nanofibers into which a functional group for adsorbing heavy metals is introduced.

본 발명의 실시예에 따르면, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유는 우수한 중금속 흡착 기능이 있어서 멤브레인 또는 필터 등의 흡착 소재에 널리 활용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cellulose nanofibers introduced with the functional group for adsorption of heavy metals have an excellent function of adsorbing heavy metals, and thus can be widely used in adsorption materials such as membranes or filters.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유 제조방법의 순서도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유 제조방법의 모식도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, (a) 셀룰로스 아세테이트 나노섬유, (b) 셀룰로스 나노섬유 및 (c) 황 셀룰로스 나노섬유의 SEM 이미지이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a)셀룰로스 아세테이트 나노섬유, 셀룰로스 나노섬유 및 황 셀룰로스 나노섬유의 FT-IR 스펙트럼 및 (b) 내지 (d)황 셀룰로스 나노섬유의 XPS 스펙트럼이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 흡착 그래프이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 Langmuir 선형 회귀 등온선이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 Freundlich 선형 회귀 등온선이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 Langmuir 및 Freundlich 선형 회귀 등온선이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 (a)접촉 시간의 영향 및 (b)2차 반응속도모델을 기반으로 한 중금속 이온의 동역학 모델이다.
1 is a flowchart of a cellulose nanofiber manufacturing method in which a functional group for adsorption of heavy metals is introduced, according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a cellulose nanofiber manufacturing method in which a functional group for adsorption of heavy metals is introduced, according to an embodiment of the present invention.
3 is an SEM image of (a) cellulose acetate nanofibers, (b) cellulose nanofibers, and (c) sulfur cellulose nanofibers according to an embodiment of the present invention.
4 is (a) FT-IR spectra of cellulose acetate nanofibers, cellulose nanofibers and sulfur cellulose nanofibers, and (b) to (d) XPS spectra of sulfur cellulose nanofibers according to an embodiment of the present invention.
5 is an adsorption graph for Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers according to an embodiment of the present invention.
6 is a Langmuir linear regression isotherm for Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers, according to an embodiment of the present invention.
7 is a Freundlich linear regression isotherm for Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers, according to an embodiment of the present invention.
8 is a Langmuir and Freundlich linear regression isotherm for Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers, according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is, according to an embodiment of the present invention, Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers on (a) the effect of the contact time and (b) the secondary reaction rate model It is a kinetic model of heavy metal ions based on

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected (connected, contacted, coupled)” with another part, it is not only “directly connected” but also “indirectly connected” with another member interposed therebetween. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided without excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

또한, 본 발명에서 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유는 황 셀룰로스 나노섬유를 포함한다.In addition, in the present invention, the cellulose nanofiber into which the functional group for adsorption of heavy metal is introduced includes sulfur cellulose nanofiber.

본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법을 설명한다.A method of manufacturing a cellulose nanofiber into which a functional group for adsorption of heavy metals is introduced according to an embodiment of the present invention will be described.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유 제조방법의 순서도이다.1 is a flowchart of a cellulose nanofiber manufacturing method in which a functional group for adsorption of heavy metals is introduced, according to an embodiment of the present invention.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유 제조방법의 모식도이다.2 is a schematic diagram of a cellulose nanofiber manufacturing method in which a functional group for adsorption of heavy metals is introduced, according to an embodiment of the present invention.

도1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유 제조방법은, 셀룰로스 나노섬유에 N,N-다이메틸아세트아마이드(DMAc) 용액, 3,3'-다이티오다이프로피온산(DTDPA) 및 1,1-카보닐다이이미다줄(CDI)의 혼합 용액을 첨가하고 가열하여 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계(S100); 및 상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 암모늄 티오글리콜레이트(AmTG) 용액에 침지시켜 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계(S200); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.1 and 2, the method for manufacturing cellulose nanofibers introduced with a functional group for adsorption of heavy metals according to an embodiment of the present invention, N,N-dimethylacetamide (DMAc) solution, 3,3 in cellulose nanofibers '-A mixed solution of dithiodipropionic acid (DTDPA) and 1,1-carbonyldiimidazole (CDI) is added and heated to prepare a double sulfur cellulose nanofiber (S100); and immersing the double sulfur cellulose nanofiber in an ammonium thioglycolate (AmTG) solution to prepare a sulfur cellulose nanofiber (S200); It is characterized in that it includes.

먼저, 셀룰로스 나노섬유에 N,N-다이메틸아세트아마이드(DMAc) 용액, 3,3'-다이티오다이프로피온산(DTDPA) 및 1,1-카보닐다이이미다줄(CDI)의 혼합 용액을 첨가하고 가열하여 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조한다(S100).First, a mixed solution of N,N-dimethylacetamide (DMAc) solution, 3,3'-dithiodipropionic acid (DTDPA) and 1,1-carbonyldiimidazol (CDI) is added to the cellulose nanofiber and heated to prepare a double sulfur cellulose nanofiber (S100).

상기 셀룰로스 나노섬유는 기성의 나노섬유를 사용하거나 직접 제조하여 사용할 수 있다. 상기 셀룰로스 나노섬유를 직접 제조하는 경우, 예를 들어, 셀룰로스 아세테이트 용액을 전기방산한 후 염기성 수용액, 예를 들어, 수산화나트륨 수용액에 침지시킴으로써 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The cellulose nanofiber may be used by using a ready-made nanofiber or by directly manufacturing it. When the cellulose nanofiber is directly manufactured, for example, it may be carried out by immersing in a basic aqueous solution, for example, sodium hydroxide aqueous solution after electrospinning a cellulose acetate solution, but is not limited thereto.

상기 셀룰로스 나노섬유는 N,N-다이메틸아세트아마이드(DMAc) 용액, 3,3'-다이티오다이프로피온산(DTDPA) 및 1,1-카보닐다이이미다졸(CDI)의 혼합 용액에 침지 될 수 있다. 상기 혼합 용액 중 DTDPA 및 CDI는 1:1 내지 5:1, 예를 들어, 2:1의 몰비로 혼합될 수 있다.The cellulose nanofiber may be immersed in a mixed solution of N,N-dimethylacetamide (DMAc) solution, 3,3'-dithiodipropionic acid (DTDPA) and 1,1-carbonyldiimidazole (CDI). . In the mixed solution, DTDPA and CDI may be mixed in a molar ratio of 1:1 to 5:1, for example, 2:1.

상기 혼합 용액 중 DMAc은 용매로 활용되어 셀룰로스와 DTDPA가 화학 결합을 할 수 있는 환경을 제공하며, 셀룰로스가 충분히 침지될 수 있도록 과량으로, 예를 들어, 셀룰로스 단위 유닛의 몰수의 20배 이상으로 사용될 수 있다.DMAc in the mixed solution is utilized as a solvent to provide an environment in which cellulose and DTDPA can chemically bond, and to be used in excess so that cellulose can be sufficiently immersed, for example, 20 times or more of the moles of cellulose unit units. can

상기 혼합 용액 중 DTDPA는 황 작용기를 가지고 있는 분자로, 셀룰로스의 히드록시기(-OH)와 화학 결합을 형성할 수 있으며, 예를 들어, 셀룰로스 단위 유닛 몰수의 1배 내지 20배, 예를 들어, 10배로 사용될 수 있다.DTDPA in the mixed solution is a molecule having a sulfur functional group, and may form a chemical bond with a hydroxyl group (-OH) of cellulose, for example, 1 to 20 times the number of moles of the cellulose unit unit, for example, 10 Can be used as a boat.

상기 히드록시기는 DTDPA와 반응하여 DTDPA의 디설파이드기를 절단한 후 황 관능기를 셀룰로스 나노섬유에 기능화 시킬 수 있다.The hydroxyl group may react with DTDPA to cut the disulfide group of DTDPA, and then functionalize the sulfur functional group to the cellulose nanofiber.

상기 혼합 용액 중 CDI는 DTDPA의 카복시키(-COOH)를 활성화시켜, 셀룰로스의 히드록시기(-OH)와 쉽게 반응할 수 있도록 환경을 형성하며, 예를 들어, 셀룰로스 단위 유닛 몰수의 1배 내지 10배, 예를 들어, 5배로 사용될 수 있다.CDI in the mixed solution activates the carboxyl (-COOH) of DTDPA to form an environment to easily react with the hydroxy group (-OH) of cellulose, for example, 1 to 10 times the number of moles of the cellulose unit unit , for example, 5 times.

셀룰로스 나노섬유를 상기 혼합 용액에 침지시킨 후 가열은 60℃ 내지 120℃까지, 예를 들어 80℃에서 수행될 수 있다. 상기 가열은 18시간 내지 30시간 동안, 예를 들어 22시간 동안 수행될 수 있다. 이를 통해 이중 황 셀룰로스 나노섬유가 제조된다.After immersing the cellulose nanofibers in the mixed solution, heating may be performed at 60° C. to 120° C., for example at 80° C. The heating may be performed for 18 to 30 hours, for example, 22 hours. Through this, double sulfur cellulose nanofibers are manufactured.

다음으로, 상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 암모늄 티오글리콜레이트(AmTG) 용액에 침지시켜 황 셀룰로스 나노섬유를 제조한다(S200).Next, the double sulfur cellulose nanofiber is immersed in an ammonium thioglycolate (AmTG) solution to prepare a sulfur cellulose nanofiber (S200).

이중 황 셀룰로스 나노섬유는 황-황의 이중 결합을 포함하고 있으므로, AmTG용액을 이용하여 상기 황-황의 이중 결합을 깨트려 티올기(-SH)만이 도입된 황 셀룰로스 나노섬유가 제조된다.Since the double sulfur cellulose nanofiber contains a sulfur-sulfur double bond, the sulfur-sulfur cellulose nanofiber into which only a thiol group (-SH) is introduced is prepared by breaking the sulfur-sulfur double bond using an AmTG solution.

중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유는 표면에 반응성이 큰 티올기의 도입에 의해 셀룰로스 나노섬유의 반응성이 향상될 수 있다.Cellulose nanofibers introduced with a functional group for adsorption of heavy metals may have improved reactivity of the cellulose nanofibers by introduction of highly reactive thiol groups on the surface.

상기 중금속 흡착용 기능기는 티올기를 포함하며, 상기 제조된 황 셀룰로스 나노섬유의 티올기가 중금속을 흡착할 수 있다. The functional group for adsorbing heavy metals may include a thiol group, and the thiol group of the prepared sulfur cellulose nanofiber may adsorb heavy metals.

상기 중금속은 구리, 카드뮴 또는 납을 포함할 수 있다.The heavy metal may include copper, cadmium or lead.

본 발명의 다른 실시예에 따른 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유를 설명한다.A cellulose nanofiber into which a functional group for adsorption of heavy metals is introduced according to another embodiment of the present invention will be described.

상기 중금속 흡착용 기능기는 티올기를 포함할 수 있다. 즉, 황 셀룰로스 나노섬유는 티올기로 표면 개질 되어있다. The functional group for adsorbing heavy metals may include a thiol group. That is, the sulfur cellulose nanofiber is surface-modified with a thiol group.

상기 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유는 높은 반응성 때문에 클릭 반응을 이용하여 다양한 기능기들을 셀룰로스 나노섬유 표면에 용이하게 도입할 수 있다.The cellulose nanofiber into which the functional group for adsorbing heavy metals is introduced can easily introduce various functional groups to the surface of the cellulose nanofiber by using a click reaction because of its high reactivity.

또한, 상기 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 상기 티올기는 높은 반응성을 갖고 있어서 중금속 이온과 상호 작용하여 활성을 일으키기 때문에 우수한 흡착제가 될 수 있다. In addition, the thiol group of the cellulose nanofiber into which the functional group for adsorbing heavy metals is introduced has high reactivity, so it can be an excellent adsorbent because it interacts with heavy metal ions to generate activity.

본 발명의 다른 실시예에 따른 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유를 포함하는 흡착제를 설명한다.An adsorbent comprising cellulose nanofibers into which a functional group for adsorption of heavy metals is introduced according to another embodiment of the present invention will be described.

상기 중금속 흡착용 기능기는 티올기를 포함하고 있는데, 상기 티올기는 중금속, 예를 들어, 구리, 카드뮴 또는 납을 흡착하여 흡착제의 기능을 할 수 있도록 한다.The functional group for adsorbing heavy metals includes a thiol group, and the thiol group adsorbs heavy metals, for example, copper, cadmium, or lead to function as an adsorbent.

상기 흡착제는 중금속을 흡착하는 셀룰로스 나노섬유를 사용할 수 있는 분야라면 한정되지 않고 적용될 수 있다. 예를 들어, 기능성 멤브레인 또는 필터 등에 사용될 수 있다.The adsorbent may be applied without limitation as long as it can use cellulose nanofibers that adsorb heavy metals. For example, it may be used as a functional membrane or filter.

제조예manufacturing example

1. 셀룰로스 아세테이트 나노섬유를 제조1. Preparation of cellulose acetate nanofibers

DMF/아세톤(4/6, v/v)에 방사용 셀룰로스 아세테이트 용액(총중량 대비 19wt%)을 상온에서 24시간 용해하여 준비한다. 충분히 용해시킨 셀룰로스 아세테이트 용액을 전기 방사법을 통해 셀룰로스 아세테이트 나노섬유를 제조하였다.DMF/acetone (4/6, v/v) is prepared by dissolving cellulose acetate solution for spinning (19wt% based on total weight) at room temperature for 24 hours. Cellulose acetate nanofibers were prepared by electrospinning a sufficiently dissolved cellulose acetate solution.

2. 셀룰로스 나노섬유 제조2. Cellulose Nanofiber Manufacturing

상기 셀룰로스 아세테이트 나노섬유를 0.05M 수산화나트륨 용액에 상온에서 침지시킴으로써 디아세틸레이션 반응을 유도하여 셀룰로스 나노섬유를 제조하였다.A deacetylation reaction was induced by immersing the cellulose acetate nanofibers in 0.05M sodium hydroxide solution at room temperature to prepare cellulose nanofibers.

3. 이중 황 셀룰로스 나노섬유 제조3. Manufacturing of double sulfur cellulose nanofibers

N,N-다이메틸아세트아마이드(N,N-dimethylacetamide, DMAc)에 3,3'-다이티오다이프로피온산(3,3'-dithiodipropionic acid, DTDPA)을 셀룰로스 단위 유닛 몰 수의 10배 및 1,1-카보닐다이이미다졸(1,1-carbonyldiimidazole, CDI)을 셀룰로스 단위 유닛 몰 수의 5배를 첨가하여 용액을 제작하고, 이 용액에 상기 셀룰로스 나노섬유를 첨가하여 80℃에서 22시간 동안 방치하였다. 다음으로, 에탄올 및 물을 이용하여 미반응된 물질을 세척하여 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 수득하였다.3,3'-dithiodipropionic acid (DTDPA) in N,N-dimethylacetamide (DMAc) 10 times and 1 times the number of moles of cellulose unit units, 1-carbonyldiimidazole (1,1-carbonyldiimidazole, CDI) was added to 5 times the number of cellulose unit unit moles to prepare a solution, and the cellulose nanofibers were added to the solution and left at 80° C. for 22 hours. . Next, the unreacted material was washed with ethanol and water to obtain double sulfur cellulose nanofibers.

4. 황 셀룰로스 나노섬유 제조4. Sulfur Cellulose Nanofiber Manufacturing

상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 암모늄 티오글리콜레이트(ammonium thioglycolate, AmTG; 60%) 용액에 침지시킴으로써 이중 황 구조를 깨트려 표면에 티올기(-SH)가 남겨진 황 셀룰로스 나노섬유(중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유)를 수득하였다By immersing the double sulfur cellulose nanofiber in an ammonium thioglycolate (AmTG; 60%) solution, the double sulfur structure is broken and a thiol group (-SH) is left on the surface of the sulfur cellulose nanofiber (the functional group for adsorbing heavy metals is introduced cellulose nanofiber) was obtained.

실험예Experimental example

중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유를 구리, 카드뮴, 납 세가지 중금속 이온에 대하여 pH, 중금속 이온 농도, 중금속 이온 접촉 시간의 변수에 대하여 Inductively coupled plasma-optical emission spectrometry ICP-MS (SPS 3100, Hitachi High-Tech Science Corporation, Tokyo, Japan)를 사용하여 평가하였다.Inductively coupled plasma-optical emission spectrometry ICP-MS (SPS 3100, Hitachi) for the variables of pH, heavy metal ion concentration, and heavy metal ion contact time for cellulose nanofibers introduced with heavy metal adsorption functional groups for copper, cadmium, and lead. High-Tech Science Corporation, Tokyo, Japan).

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, (a) 셀룰로스 아세테이트 나노섬유, (b) 셀룰로스 나노섬유 및 (c) 황 셀룰로스 나노섬유의 SEM 이미지이다.3 is an SEM image of (a) cellulose acetate nanofibers, (b) cellulose nanofibers, and (c) sulfur cellulose nanofibers according to an embodiment of the present invention.

도3을 참조하면, 도3(a) 내지 도3(c)는 주사전자현미경 (JSM-6010LA SEM, JEOL, Japan) 을 사용하여 촬영한 것으로 일반적인 나노섬유의 형태를 가지고 있는 것을 알 수 있다. 셀룰로스는 강한 수소 결합으로 인해 전기 방사를 사용하여 제조하기가 매우 어렵다. 따라서 셀룰로스 아세테이트를 먼저 전기방사하고, 디아세틸레이션 공정을 거친 후에 셀룰로스 나노섬유를 제조 할 수 있다. 도3(a)와 같이 셀룰로스 아세테이트 나노 섬유는 매끄러운 표면과 비드가 없는 구조를 갖는다. 제조 된 나노 섬유의 직경은 379±90 nm으로 균일한 나노섬유가 제조된다. 셀룰로스 아세테이트 나노 섬유를 NaOH 수용액으로 침지하는 디아세틸레이션 처리를 거쳐 아세틸기가 제거 된 셀룰로스 나노 섬유를 제조한다. 도3(b)는 셀룰로스 나노 섬유의 표면구조를 나타내며, 388 ± 109 nm의 탈 아세틸 화 공정 후에도 형태변화가 거의 없는 나노섬유가 제조된다. 셀룰로스 나노 섬유는 CDI 에스테르화와 DTDPA로 추가로 변형되어 황 기능기를 셀룰로스 사슬에 부여한다. 이때 DTDPA는 에스테르화에 의해 셀룰로스 사슬에서 OH 기와 반응하고 CDI는 촉매로 작용한다. 황 기능기의 도입 이후 결과는 도3(c)와 같이 황 셀룰로스 나노섬유(중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유)의 형태는 크게 변하지 않고 잘 보존되는 반면, 직경은 셀룰로스 아세테이트 및 셀룰로스 나노섬유에 비해 418±68 nm로 약간 증가 한다.Referring to FIG. 3, FIGS. 3(a) to 3(c) were taken using a scanning electron microscope (JSM-6010LA SEM, JEOL, Japan), and it can be seen that they have a general nanofiber shape. Cellulose is very difficult to make using electrospinning due to strong hydrogen bonding. Therefore, it is possible to manufacture cellulose nanofibers after electrospinning cellulose acetate first and undergoing a deacetylation process. As shown in Fig. 3(a), the cellulose acetate nanofiber has a smooth surface and a bead-free structure. The diameter of the prepared nanofiber is 379±90 nm, and a uniform nanofiber is prepared. Cellulose nanofibers from which acetyl groups have been removed are prepared through deacetylation treatment in which cellulose acetate nanofibers are immersed in NaOH aqueous solution. 3(b) shows the surface structure of cellulose nanofibers, and nanofibers with almost no shape change even after deacetylation of 388±109 nm are prepared. Cellulose nanofibers were further modified with CDI esterification and DTDPA to impart sulfur functional groups to the cellulose chain. In this case, DTDPA reacts with OH groups in the cellulose chain by esterification and CDI acts as a catalyst. The result after the introduction of the sulfur functional group is as shown in Fig. 3 (c), the shape of the sulfur cellulose nanofiber (cellulose nanofiber introduced with a functional group for adsorbing heavy metals) does not change much and is well preserved, whereas the diameter is cellulose acetate and cellulose nanofiber compared to 418±68 nm, which is slightly increased.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른, (a)셀룰로스 아세테이트 나노섬유, 셀룰로스 나노섬유 및 황 셀룰로스 나노섬유의 FT-IR 스펙트럼 및 (b) 내지 (d)황 셀룰로스 나노섬유의 XPS 스펙트럼이다.4 is (a) FT-IR spectra of cellulose acetate nanofibers, cellulose nanofibers and sulfur cellulose nanofibers, and (b) to (d) XPS spectra of sulfur cellulose nanofibers according to an embodiment of the present invention.

도4(a)에서 셀룰로스 아세테이트 나노섬유는 가장 하단, 셀룰로스 나노섬유는 중간, 황 셀룰로스 나노섬유는 가장 상단에 도시되어 있다. 또한, 도4(b)는 C1s와 S2s 피크의 전체 스펙트럼, 도4(c)는 C1s 피크의 코어-레벨 스펙트럼 및 도4(d)는 S2s 피크의 코어-레벨 스펙트럼이다.In Figure 4(a), the cellulose acetate nanofiber is shown at the bottom, the cellulose nanofiber is shown in the middle, and the sulfur cellulose nanofiber is shown at the top. In addition, FIG. 4(b) is the full spectrum of the C 1s and S 2s peaks, FIG. 4(c) is the core-level spectrum of the C 1s peak, and FIG. 4(d) is the core-level spectrum of the S 2s peak.

도4를 참조하면, 먼저, 도4(a)에서 황 셀룰로스 나노섬유는 FT-IR 및 XPS 분광법에 의하여 분석되였다. 셀룰로스 아세테이트 나노 섬유는 1720 cm-1 및 1230 cm-1에서 전형적인 2 개의 피크를 나타내며, 이는 아세테이트 그룹에서 카보닐 및 에스테르 결합 흡수 피크를 나타낸다. 셀룰로스 나노섬유는 탈아세틸화를 통하여 히드록시기의 3100~3600 cm-1의 영역에서 넓은 피크가 나타나고, 아세테이트 피크가 사라지는 것을 확인했다. 셀룰로스 나노섬유의 히드록시기는 DTDPA와 반응하여 DTDPA의 디설파이드기를 절단 한 후 황 관능기를 셀룰로스 나노 섬유에 기능화 시킨다. 이 표면 개질은 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유가 1720 cm-1 및 1230 cm-1에서 카르보닐 및 에스테르 피크를 다시 나타내도록 하며, 셀룰로스 나노 섬유와 비교하여 히드록시기의 피크가 감소함을 확인할 수 있다. 그러나, FT-IR에서 다양한 피크들이 황 피크를 덮기 때문에 2560 cm-1에서 나타나야 할 황 피크가 관찰되지 않는다. 이는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 XPS 분석을 통하여 확인할 수 있다. 도4(b)의 황의 S2에서 227.5 eV에서의 피크의 출현은 셀룰로스 나노섬유에 황 기능기를 확인할 수 있다. 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 C1 및 S2의 다중 스펙트럼을 분석하여 탄소와 황 비를 결정하였다. 도4(c)에 제시된 C1s 피크는 5 개의 다른 피크로 284.5 eV에서 C-C, 286.0 eV에서 C-O, 287.4 eV에서 C=O, 289.0 eV에서 O-C=O 및 285.5 eV에서 C-S의 피크를 확인할 수 있다. 도4(d)에서 황의 경우 S2의 피크는 두 개의 피크로 나뉜다. S-H 결합의 경우 228.0 eV, S-S 결합의 경우 231.5 eV 의 피크를 나타낸다. 탄소 및 황의 정량은 C1 및 S결합의 피크 면적을 사용하여 계산되었다. 이론적으로, 하나의 메르캅토프로피온산 (mercaptopropionic acid)이 하나의 반복되는 셀룰로스 단위와 반응 할 때 [C]/[S]의 값은 15로 계산된다. 실험적으로 계산한 [C]/[S] 값은 16.23으로, 매우 일치함을 알 수 있다. 따라서, 상기 결과는 화학 변형 반응에 의해 황 기능기가 셀룰로스 나노섬유의 표면에 성공적으로 적용되었음을 알 수 있다.Referring to FIG. 4, first, the sulfur cellulose nanofibers in FIG. 4(a) were analyzed by FT-IR and XPS spectroscopy. Cellulose acetate nanofibers show two typical peaks at 1720 cm -1 and 1230 cm -1 , which show carbonyl and ester bond absorption peaks in the acetate group. Cellulose nanofibers showed a wide peak in the region of 3100-3600 cm -1 of the hydroxyl group through deacetylation, and it was confirmed that the acetate peak disappeared. The hydroxyl group of the cellulose nanofiber reacts with DTDPA to cut the disulfide group of DTDPA, and then functionalizes the sulfur functional group on the cellulose nanofiber. This surface modification allows the cellulose nanofibers introduced with the functional group for adsorption of heavy metals to again show carbonyl and ester peaks at 1720 cm -1 and 1230 cm -1 , and it can be confirmed that the peak of the hydroxyl group is reduced compared to the cellulose nanofibers. can However, since various peaks cover the sulfur peak in FT-IR, the sulfur peak that should appear at 2560 cm -1 is not observed. This can be confirmed through XPS analysis of cellulose nanofibers introduced with a functional group for adsorption of heavy metals. The appearance of a peak at 227.5 eV in S 2 of sulfur in Figure 4(b) can confirm the sulfur functional group on the cellulose nanofiber. The carbon to sulfur ratio was determined by analyzing multiple spectra of C 1 and S 2 of cellulose nanofibers introduced with a functional group for adsorption of heavy metals. The C 1s peak shown in Fig. 4(c) is five different peaks: CC at 284.5 eV, CO at 286.0 eV, C=O at 287.4 eV, OC=O at 289.0 eV, and CS at 285.5 eV. . In the case of sulfur in FIG. 4(d), the peak of S 2 is divided into two peaks. It shows a peak of 228.0 eV for the SH bond and 231.5 eV for the SS bond. Quantification of carbon and sulfur was calculated using the peak areas of C 1 and S bonds. Theoretically, the value of [C]/[S] is calculated to be 15 when one mercaptopropionic acid reacts with one repeating cellulose unit. The experimentally calculated [C]/[S] value is 16.23, which is very consistent. Therefore, the above results can be seen that the sulfur functional group was successfully applied to the surface of the cellulose nanofiber by the chemical transformation reaction.

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 흡착 그래프이다.5 is an adsorption graph for Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers according to an embodiment of the present invention.

pH 솔루션은 phosphate buffered saline (PBS) solution (pH 7.4)을 사용하여 pH가 2부터 7 인 상태에서, 접촉 시간은 10분부터 24시간의 범위로 설정하였고, 중금속 이온 농도는 20에서 400ppm의 범위로 설정하여, 중금속 흡착 성능을 평가하였다.The pH solution was a phosphate buffered saline (PBS) solution (pH 7.4) at a pH of 2 to 7, the contact time was set in the range of 10 minutes to 24 hours, and the concentration of heavy metal ions was in the range of 20 to 400 ppm. set to evaluate the heavy metal adsorption performance.

각각의 흡착 시험 후, 중금속 액 내의 금속 이온의 잔류 농도를 ICP-MS에 의해 조사한 후 등온선 및 운동 모델을 평가 하였다. 흡착 평형 상태에서의 흡착 용량 (q e )은 다음 식 1 과 같이 계산하였다.After each adsorption test, the residual concentration of metal ions in the heavy metal solution was investigated by ICP-MS, followed by evaluation of isotherms and kinetic models. The adsorption capacity (q e ) in the adsorption equilibrium state was calculated as in Equation 1 below.

식 1:

Figure 112020006123031-pat00001
Equation 1:
Figure 112020006123031-pat00001

식 1 에서 V는 용액의 부피, C 0 는 중금속 이온의 초기 농도 C f 는 중금속 이온의 평형 농도(mg·L-1), m은 흡착제의 질량(g) 이다.In Equation 1, V is the volume of the solution, C 0 is the initial concentration of heavy metal ions, C f is the equilibrium concentration of heavy metal ions (mg·L -1 ), and m is the mass (g) of the adsorbent.

도5를 참조하면, pH 조건에서의 중급속 흡착능력 실험은 흡착물의 용해도, 흡착제의 반대 이온의 농도 및 흡착제의 이온화 정도에 영향을 줄 수 있다. 즉, 중금속 흡착 이온의 흡착 능력에 큰 영향을 미친다. 따라서 흡착 거동을 조사 할 때 pH 실험은 일반적으로 가장 먼저 실시한다. 흡착 거동에 대한 초기 용액의 pH 는 2 에서 7의 범위에서 조사하였다. 이 범위는 일반적으로 염기 조건에서 형성된 금속 입자의 침전을 방지하기 위해 선택된다. 실험은 각 금속 이온, Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대해 200ppm 금속 용액 50mL에서 0.01g 황 셀룰로스 나노섬유를 침지시킨 후 12 시간동안 측정하였다. 도5는 상이한 pH 조건에서 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II) 이온에 대한 흡착 거동을 나타낸다. 낮은 pH에서 H+이온은 흡착 부위를 선호하므로 금속 이온은 흡착 부위를 점유하기 위해 H+이온과 경쟁한다. 따라서 pH 2에서는 흡착 효율이 가장 낮다가 pH 3에서는 약간 증가하였다. 이 현상은 반대로 금속 이온을 흡착제에서 용액으로 침출시키는 데 활용할 수도 있다. 흡착 거동은 모든 시험 된 금속 이온에 대해 pH4에서 최대 효율을 보였다. pH4에서 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 실험 흡착 량은 각각 38.64, 30.41 및 19.2 mg/g이었다. 이는 이황화 교환에 의해 형성된 분자간 이황화 결합과 황의 산화 반응에 기인하는데, 이황화물 교환 반응은 높은 pH에서 선호되고 낮은 pH에서 억제되기 때문이다. 즉, pH가 5에서 7로 증가함에 따라 이황화 결합의 형성 또는 황의 산화가 황 셀룰로스 나노섬유에서 중금속 흡착 부위의 손실을 초래한다고 예상할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the intermediate rapid adsorption capacity test under pH conditions may affect the solubility of the adsorbent, the concentration of counter ions in the adsorbent, and the degree of ionization of the adsorbent. That is, it has a great influence on the adsorption capacity of heavy metal adsorbing ions. Therefore, when investigating the adsorption behavior, pH experiments are usually conducted first. The pH of the initial solution for adsorption behavior was investigated in the range of 2 to 7. This range is generally chosen to prevent precipitation of metal particles formed in basic conditions. For each metal ion, Cu (II), Cd (II) and Pb (II), 0.01 g sulfur cellulose nanofibers were immersed in 50 mL of 200 ppm metal solution for 12 hours. Figure 5 shows the adsorption behavior for Cu (II), Cd (II) and Pb (II) ions at different pH conditions. At low pH, H + ions prefer adsorption sites, so metal ions compete with H + ions to occupy adsorption sites. Therefore, the adsorption efficiency was the lowest at pH 2, but slightly increased at pH 3. Conversely, this phenomenon can also be used to leach metal ions from the adsorbent into solution. The adsorption behavior showed maximum efficiency at pH 4 for all tested metal ions. The experimental adsorption amounts for Cu(II), Cd(II) and Pb(II) at pH4 were 38.64, 30.41 and 19.2 mg/g, respectively. This is due to the oxidation reaction of sulfur and the intermolecular disulfide bonds formed by disulfide exchange, since the disulfide exchange reaction is favored at high pH and inhibited at low pH. That is, as the pH increases from 5 to 7, it can be expected that the formation of disulfide bonds or oxidation of sulfur results in loss of heavy metal adsorption sites in sulfur cellulose nanofibers.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 Langmuir 선형 회귀 등온선이다.6 is a Langmuir linear regression isotherm for Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers, according to an embodiment of the present invention.

도7은 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 Freundlich 선형 회귀 등온선이다.7 is a Freundlich linear regression isotherm for Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers, according to an embodiment of the present invention.

표1은 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II) 세가지 중금속 이온의 황 셀룰로스 나노섬유에 대한 Langmuir 및Freundlich 등온선 매개 변수이다.Table 1 shows the Langmuir and Freundlich isotherm parameters for sulfur cellulose nanofibers of three heavy metal ions, Cu(II), Cd(II) and Pb(II).

중금속이온heavy metal ions Langmuir 등온선Langmuir isotherm Freundlich 등온선Freundlich isotherm qmax (mg·g-1)q max (mg g -1 ) KL (L·mg-1)K L (L mg -1 ) R2 R 2 KF (mg·g-1)K F (mg g -1 ) n-1 n -1 R2 R 2 Cu (II)Cu (II) 49.049.0 0.0160.016 0.9990.999 7.517.51 0.52840.5284 0.9260.926 Cd (II)Cd(II) 45.945.9 0.0110.011 0.0110.011 2.172.17 0.60230.6023 0.9350.935 Pb (II)Pb (II) 22.022.0 0.0520.052 0.9940.994 2.682.68 0.39370.3937 0.8220.822

가장 널리 사용되는 등온선 모델인 Langmuir 와 Freundlich 등온선 모델을 사용하여 중금속의 흡착 용량을 나타낼 수 있다. Langmuir 모델은 흡착 에너지를 갖는 흡착제 표면에 균일하게 흡착이 발생한다고 가정한다. Langmuir 등온선의 일반적인 형태는 다음과 같이 식 2로 계산할 수 있다. The adsorption capacity of heavy metals can be expressed using the Langmuir and Freundlich isotherm models, which are the most widely used isotherm models. The Langmuir model assumes that adsorption occurs uniformly on the adsorbent surface with adsorption energy. The general form of the Langmuir isotherm can be calculated by Equation 2 as follows.

식 2:

Figure 112020006123031-pat00002
Equation 2:
Figure 112020006123031-pat00002

식 2에서 q e 는 평형 상태까지 흡착된 물질의 양 (mg·g-1)이고, q max 는 최대 흡착 용량 (mg·g-1)이며, C e 는 흡착제의 수용액 상 평형농도 (mg·L-1), K L (L·mg-1)은 흡착의 자유 에너지와 관련된 Langmuir 상수이다. 특히, K L 은 흡착 물과 흡착제 사이의 친화성을 예측하기위한 값이다. 이 값은 분리 계수라고하는 R L 을 계산하는 데 사용한다. R L 은 다음 식 3과 같이 흡착 강도에 대한 중요한 정보를 제공한다.식 3:

Figure 112020006123031-pat00003
In Equation 2, q e is the amount of material adsorbed to the equilibrium state (mg·g -1 ), q max is the maximum adsorption capacity (mg·g -1 ), and C e is the equilibrium concentration of the adsorbent in the aqueous phase (mg·g -1 ). L -1 ) and K L (L·mg -1 ) are Langmuir constants related to the free energy of adsorption. In particular, K L is a value for predicting the affinity between the adsorbate and the adsorbent. This value is used to calculate R L , called the separation factor. R L provides important information about the adsorption strength as shown in Equation 3: Equation 3:
Figure 112020006123031-pat00003

식 3에서 C 0 (mg·L-1)는 흡착 물의 초기 농도이며, R L 은 그 값이 R L =0 일 때는 비가역적인 상태, 0<R L <1 일 때는 흡착이 양호한 상태, R L >1 일 때는 양호하지 않은 상태 마지막으로 R L =1 일 때는 이론적으로 선형적인 상태로서 흡착제와 흡착물 간의 친화도를 나타낸다.In Equation 3, C 0 (mg L -1 ) is the initial concentration of the adsorbate, and R L is an irreversible state when the value is R L =0, a good adsorption state when 0 < R L <1, R L Poor state when >1 Finally , when R L =1, it is theoretically linear, indicating the affinity between the adsorbent and the adsorbent.

도6, 도7 및 표1을 참조하면, 흡착 거동은 2 개의 등온선 모델, 즉 Langmuir 등온선 및 Freundlich 등온선 모델로 분석하였다. 세가지 중금속 이온 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대해 50 mL의 금속 용액에서 0.01 g의 황 셀룰로스 나노섬유에 대해 실험을 수행하였고, pH가 4인 상태에서 접촉 시간을 10 시간으로 고정하여 수행하였다. 도6 및 도7은 Langmuir 등온선에 대한 (C e /q e ) 대 C e 의 선형 회귀, Freundlich 등온선에 대한 log qe 대 log Ce에 의해 계산하였고, 도식화 하였다. 회귀 상관 계수 (R2 값)에 따르면 Langmuir 모델은 Freundlich 모델보다 높은 상관 계수를 나타낸다. 세가지 중금속 이온 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대해 Langmuir 선형 회귀에서 추출 된 R2의 값은 각각 0.999, 0.995 및 0.994 인 반면, Freundlich 모델의 값은 각각 0.926, 0.935 및 0.822이다. 등온선 모델의 매개 변수는 선형 회귀를 계산 한 표 1에 나타내었다. 이 결과는 Langmuir 모델이 Freundlich 모델보다 평형 데이터를 설명하는데 더 적합함을 나타낸다. 즉, 금속 흡착 결과가 특히 Langmuir 등온선 모델에 잘 맞았기 때문에, 황 기능기화 반응은 나노 섬유 표면에서 균일하게 발생하고, 금속 흡착은 주로 나노 섬유 표면에서 발생한다고 설명 할 수 있다.6, 7 and Table 1, the adsorption behavior was analyzed with two isotherm models, namely, the Langmuir isotherm and the Freundlich isotherm model. Experiments were performed on 0.01 g of sulfur cellulose nanofibers in 50 mL of metal solution for three heavy metal ions Cu (II), Cd (II) and Pb (II), and the contact time was 10 hours at a pH of 4 was fixed with . 6 and 7 are calculated and plotted by linear regression of (C e / q e ) versus C e for the Langmuir isotherm, log qe versus log Ce for the Freundlich isotherm. According to the regression correlation coefficient (R 2 values), the Langmuir model shows a higher correlation coefficient than the Freundlich model. The values of R 2 extracted from Langmuir linear regression for the three heavy metal ions Cu(II), Cd(II) and Pb(II) were 0.999, 0.995 and 0.994, respectively, whereas the values of the Freundlich model were 0.926, 0.935 and 0.822, respectively. am. The parameters of the isotherm model are shown in Table 1 for which linear regression was calculated. These results indicate that the Langmuir model is more suitable for explaining equilibrium data than the Freundlich model. In other words, since the metal adsorption results particularly fit the Langmuir isotherm model, it can be explained that the sulfur functionalization reaction occurs uniformly on the nanofiber surface, and the metal adsorption mainly occurs on the nanofiber surface.

도8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 Langmuir 및 Freundlich 선형 회귀 등온선이다.8 is a Langmuir and Freundlich linear regression isotherm for Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers, according to an embodiment of the present invention.

Freundlich 모델은 흡착제의 흡착 부위가 불균일한 에너지를 가진 표면에서 일어나는 흡착 거동에 기초한 경험적 방정식이며, 일반적으로 멀티레이어 구조를 가진 표면의 다층 흡착을 설명하는데 쓰인다. Freundlich 등온선의 일반적인 형태는 다음과 같이 식4와 식 5로 계산할 수 있다.The Freundlich model is an empirical equation based on the adsorption behavior that occurs on a surface with non-uniform energies at the adsorption site of the adsorbent, and is generally used to explain multilayer adsorption on a surface with a multilayer structure. The general form of the Freundlich isotherm can be calculated using Equations 4 and 5 as follows.

식 4:

Figure 112020006123031-pat00004
Equation 4:
Figure 112020006123031-pat00004

식 5:

Figure 112020006123031-pat00005
Equation 5:
Figure 112020006123031-pat00005

여기서 K f 는 Freundlich 용량 상수 (capacity constant)이고, n은 흡착 강도이다. q e C e 는 Langmuir 등온선 모델과 같다.where K f is the Freundlich capacity constant and n is the adsorption strength. q e and C e are the same as the Langmuir isotherm model.

도8을 참조하면, 중금속 이온의 최대 흡착 용량은 Langmuir 등온선 모델로부터 추출된다. Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)의 계산 된 최대 흡착 용량 값은 각각 49.0, 45.9 및 22.0 mg·g-1이다. 셀룰로스의 낮은 흡착 특성 및 표면의 제한된 흡착 부위로 인해 이들 값이 다른 보고 된 흡착제보다 훨씬 높지는 않지만, 금속 흡착을 위한 셀룰로스 이용 측면에서 의미 있는 결과이며, 황 셀룰로스 나노섬유의 금속 흡착 거동이 의미가 있음을 보여준다.Referring to Figure 8, the maximum adsorption capacity of heavy metal ions is extracted from the Langmuir isotherm model. The calculated maximum adsorption capacity values for Cu(II), Cd(II) and Pb(II) are 49.0, 45.9 and 22.0 mg g −1 , respectively. Although these values are not much higher than those of other reported adsorbents due to the low adsorption properties of cellulose and limited adsorption sites on the surface, they are significant results in terms of the utilization of cellulose for metal adsorption, and the metal adsorption behavior of sulfur cellulose nanofibers is meaningful. show that there is

도9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 황 셀룰로스 나노섬유의 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대한 (a)접촉 시간의 영향 및 (b)2차 반응속도모델을 기반으로 한 중금속 이온의 동역학 모델이다.Figure 9 is, according to an embodiment of the present invention, Cu (II), Cd (II) and Pb (II) of sulfur cellulose nanofibers on (a) the effect of the contact time and (b) the secondary reaction rate model It is a kinetic model of heavy metal ions based on

표2는 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II) 세가지 중금속 이온의 황 셀룰로스 나노섬유에 대한 1차 반응속도모델과 2차 반응속도모델의 등온선 매개 변수이다. Table 2 is the isothermal parameters of the primary and secondary kinetic models for sulfur cellulose nanofibers of Cu (II), Cd (II) and Pb (II) three heavy metal ions.

중금속이온heavy metal ions qe, exp (mg·g-1)q e, exp (mg g -1 ) 1차 반응속도모델First-order reaction rate model 2차 반응속도모델Second order reaction rate model k1 (min-1)k 1 (min -1 ) qe, cal (mg·g-1)q e, cal (mg g -1 ) R2 R 2 k2 (min-1)k 2 (min -1 ) qe, cal (mg·g-1)q e, cal (mg g -1 ) R2 R 2 Cu (II)Cu (II) 39.6339.63 0.0030.003 39.3039.30 0.9410.941 1.09 × 10-3 1.09 × 10 -3 39.8439.84 0.9990.999 Cd (II)Cd(II) 30.0030.00 0.0020.002 27.7927.79 0.9150.915 6.16 × 10-4 6.16 × 10 -4 31.6431.64 0.9990.999 Pb (II)Pb (II) 19.6419.64 0.0010.001 24.5124.51 0.9100.910 5.33 × 10-4 5.33 × 10 -4 20.3620.36 0.9990.999

운동 모델 (Kinetic model) 로서, 1차 반응속도모델(pseudo-first-order model)과 2차 반응속도모델(pseudo-second-order model)은 일반적으로 흡착물의 동역학 (Kinetic) 거동을 설명하기 위해 사용한다. Pseudo-first-order 모델은 흡착제와 흡착물 간의 반응속도와 평형상태의 흡착량의 관계를 밝히기 위해 경험적으로 제시되었으며, 수용액상의 용해제로부터 용질의 흡착과정을 알기 위해 가장 널리 사용되는 속도식 중 하나이다. 일반적으로 흡착 부위의 점유율이 비흡착 부위 수에 비례한다고 가정한다. 즉, 흡착제가 흡착할 수 있는 여유 부위와 흡착률 (adsorption rate) 사이의 관계를 기반으로 한다. Pseudo-second-order 모델은 고체상의 흡착평형능력을 바탕으로 한다. 흡착률이 흡착제가 흡착할 수 있는 여유 부위와 흡착한 부위 수의 차이의 제곱의 값과 관련되어 있다는 가정 하에 계산한다. 1차 반응속도모델과 2차 반응속도모델 등온선의 일반적인 형태는 다음과 같이 식6과 식 7로 계산할 수 있다. As a kinetic model, a pseudo-first-order model and a pseudo-second-order model are generally used to explain the kinetic behavior of adsorbents. do. The pseudo-first-order model was presented empirically to reveal the relationship between the reaction rate and the equilibrium adsorption amount between the adsorbent and the adsorbent. It is generally assumed that the occupancy of adsorbed sites is proportional to the number of non-adsorbed sites. That is, it is based on the relationship between the adsorption rate and the free site that the adsorbent can adsorb. The pseudo-second-order model is based on the adsorption equilibrium capacity of the solid phase. It is calculated under the assumption that the adsorption rate is related to the value of the square of the difference between the number of free sites the adsorbent can adsorb and the number of adsorbed sites. The general form of the first-order reaction rate model and the second-order reaction rate model isotherm can be calculated using Equations 6 and 7 as follows.

식 6:

Figure 112020006123031-pat00006
Equation 6:
Figure 112020006123031-pat00006

식 7:

Figure 112020006123031-pat00007
Equation 7:
Figure 112020006123031-pat00007

여기서 q e (mg·g-1)은 평형상태에서의 흡착 용량이고, q t (mg·g-1)는 반응 시간 (t, min)에서 흡착제 표면에서의 흡착량이며, k 1 (1·min-1) 및 k 2 (g·mg-1·min-1)는 각각 1차 반응속도모델과 2차 반응속도모델의 운동 속도 상수이다.where q e (mg g -1 ) is the adsorption capacity at equilibrium, q t (mg g -1 ) is the adsorption amount on the adsorbent surface at the reaction time ( t , min), and k 1 (1· min -1 ) and k 2 (g·mg -1 ·min -1 ) are the kinetic rate constants of the first-order kinetic model and the second-order kinetic model, respectively.

도9 및 표2를 참조하면, 1차 반응속도모델(pseudo-first-order model) 및 2차 반응속도모델(pseudo-second-order model)은 흡착 동역학을 설명하기 위해 가장 널리 사용되는 모델인데, 황 셀룰로스 나노섬유(중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유)의 동역학 흡착 거동을 조사하기 위해 두 모델을 모두 적용했다. 흡착 동역학 실험은 세가지 중금속 이온 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대해 50mL의 금속 용액에서 0.01g의 황 셀룰로스 나노섬유에 대해 실험을 수행하였고, 금속 이온의 초기농도가 200ppm, pH가 4인 상태에서 접촉 시간을 10 시간으로 고정하여 수행하였다. 도9(a)는 접촉 시간의 증가에 따른 중금속 이온의 제거 성능을 보여주며, 두 가지 등온선의 선형 모델의 매개 변수를 계산하여 표2에 나타내었다. 상관 계수를 비교함으로써, 2차 반응속도모델이 1차 반응속도운동모델보다 더 적합하다는 것을 알 수 있다. Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)의 상관 계수 값은 1차 반응속도운동모델의 경우, 0.944, 0.88 및 0.91이었고, 2차 반응속도모델은 모두 0.999로 동일했다. 각 금속 이온의 2차 반응속도모델은 도9(b)에 나타냈다. 위에서 언급 한 바와 같이2차 반응속도모델은 평형 흡착 부위의 수와 점유 된 부위의 수의 차이의 제곱의 값과 관련이 있다. 따라서, 이 결과는 흡착 공정이 주로 화학 흡착에 의해 제어되고, 금속 이온과 황 셀룰로스 나노섬유의 황 기능기 사이에서 전자 공유 및 교환이 일어난다는 것을 알 수 있다. 황 셀룰로스 나노섬유의 중금속 이온의 포화 흡착은 Cu (II), Cd (II) 및 Pb (II)에 대해 대략 39.63, 30.00 및 19.64 mg·g-1 인 것으로 나타났다. 또한 황 셀룰로스 나노섬유는 초기 1 시간 동안 발생한 모든 중금속 이온에 대해 빠른 흡착 속도를 나타낸다. 이는 중금속 이온이 나노 섬유 표면상의 황 기능기에 즉시 반응함을 알 수 있다. 이 특성은 본 발명에서 제시하는 방법에 따라 여과 또는 분리 공정의 실제 적용에 있어 매력적인 특성이 될 수 있다.Referring to Figure 9 and Table 2, the first-order reaction rate model (pseudo-first-order model) and the second-order reaction rate model (pseudo-second-order model) are the most widely used models to explain the adsorption kinetics, Both models were applied to investigate the kinetic adsorption behavior of sulfur cellulose nanofibers (cellulose nanofibers introduced with functional groups for adsorption of heavy metals). The adsorption kinetic experiment was performed on 0.01 g of sulfur cellulose nanofibers in 50 mL of a metal solution for three heavy metal ions Cu (II), Cd (II) and Pb (II), and the initial concentration of metal ions was 200 ppm, It was carried out by fixing the contact time to 10 hours at a pH of 4. Figure 9(a) shows the removal performance of heavy metal ions according to the increase of the contact time, and the parameters of the linear model of two isotherms were calculated and shown in Table 2. By comparing the correlation coefficients, it can be seen that the second-order kinetics model is more suitable than the first-order kinetics model. The correlation coefficient values of Cu (II), Cd (II) and Pb (II) were 0.944, 0.88, and 0.91 for the first-order kinetic model, and 0.999 for all of the second-order kinetic models. The secondary reaction rate model of each metal ion is shown in Fig. 9(b). As mentioned above, the second-order kinetic model is related to the value of the square of the difference between the number of equilibrium adsorption sites and the number of occupied sites. Therefore, these results indicate that the adsorption process is mainly controlled by chemisorption, and electron sharing and exchange occurs between metal ions and sulfur functional groups of sulfur cellulose nanofibers. The saturation adsorption of heavy metal ions of sulfur cellulose nanofibers was found to be approximately 39.63, 30.00 and 19.64 mg·g −1 for Cu (II), Cd (II) and Pb (II). In addition, the sulfur cellulose nanofibers exhibit a fast adsorption rate for all heavy metal ions generated during the initial 1 hour. It can be seen that the heavy metal ion immediately reacts with the sulfur functional group on the surface of the nanofiber. This property can be an attractive property for practical applications of filtration or separation processes according to the method presented in the present invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유는 우수한 중금속 흡착 기능이 있어서 멤브레인 또는 필터 등의 흡착 소재에 널리 활용될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cellulose nanofibers introduced with the functional group for adsorption of heavy metals have an excellent function of adsorbing heavy metals, and thus can be widely used in adsorption materials such as membranes or filters.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a dispersed form, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (8)

셀룰로스 나노섬유에 N,N-다이메틸아세트아마이드(DMAc) 용액, 3,3'-다이티오다이프로피온산(DTDPA) 및 1,1-카보닐다이이미다줄(CDI)의 혼합 용액을 첨가하고 가열하여 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계; 및
상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 암모늄 티오글리콜레이트(AmTG) 용액에 침지시켜 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계; 를 포함하고,
상기 황 셀룰로스 나노섬유의 티올기가 중금속을 흡착하되, 상기 중금속은 구리, 카드뮴 또는 납을 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법.
A mixed solution of N,N-dimethylacetamide (DMAc) solution, 3,3'-dithiodipropionic acid (DTDPA) and 1,1-carbonyldiimidazole (CDI) was added to the cellulose nanofiber and heated to double preparing sulfur cellulose nanofibers; and
Preparing a sulfur cellulose nanofiber by immersing the double sulfur cellulose nanofiber in an ammonium thioglycolate (AmTG) solution; including,
The thiol group of the sulfur cellulose nanofiber adsorbs heavy metals, wherein the heavy metals include copper, cadmium or lead.
제1항에 있어서,
상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계에서,
상기 셀룰로스 나노섬유는 셀룰로스 아세테이트 용액을 전기방사한 후 염기성 수용액에 침지시킴으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of preparing the double sulfur cellulose nanofiber,
The cellulose nanofiber is a method of manufacturing a cellulose nanofiber introduced with a functional group for adsorbing heavy metals, characterized in that it is prepared by immersing in a basic aqueous solution after electrospinning a cellulose acetate solution.
제1항에 있어서,
상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계에서,
상기 DTDPA 및 CDI는 1:1 내지 5:1의 몰비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of preparing the double sulfur cellulose nanofiber,
The DTDPA and CDI are a method of manufacturing a cellulose nanofiber introduced with a functional group for heavy metal adsorption, characterized in that it is mixed in a molar ratio of 1:1 to 5:1.
제1항에 있어서,
상기 이중 황 셀룰로스 나노섬유를 제조하는 단계에서,
상기 가열은 60℃ 내지 120℃까지 수행되는 것을 특징으로 하는 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유의 제조방법.
According to claim 1,
In the step of preparing the double sulfur cellulose nanofiber,
The heating is a method of manufacturing a cellulose nanofiber introduced with a functional group for adsorption of heavy metals, characterized in that carried out to 60 °C to 120 °C.
삭제delete 삭제delete 제1항에 따른 방법으로 제조된 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유.A cellulose nanofiber into which a functional group for adsorbing heavy metals prepared by the method according to claim 1 is introduced. 제7항의 중금속 흡착용 기능기가 도입된 셀룰로스 나노섬유를 포함하는 흡착제.An adsorbent comprising a cellulose nanofiber into which the functional group for adsorbing heavy metals of claim 7 is introduced.
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