KR102307823B1 - Benzalkonium chloride adsorbent using bernessite nanoparticles, and water treatment apparatus using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제에 관한 것으로, 염화벤잘코늄 흡착효율이 높고 분해산물에 의한 이차적 독성을 발현시키지 않는바, 염화벤잘코늄 흡착제 및 염화벤잘코늄의 수처리 방법 등으로 유용하게 활용될 수 있다.The present invention relates to a benzalkonium chloride adsorbent containing birnesite nanoparticles, which has high adsorption efficiency of benzalkonium chloride and does not express secondary toxicity due to decomposition products. It can be useful.

Description

버네사이트 나노입자를 이용한 염화벤잘코늄 흡착제, 및 이를 이용한 수처리 장치{BENZALKONIUM CHLORIDE ADSORBENT USING BERNESSITE NANOPARTICLES, AND WATER TREATMENT APPARATUS USING THE SAME}Benzalkonium chloride adsorbent using bernesite nanoparticles, and water treatment device using the same

본 발명은 버네사이트 나노입자를 이용한 염화벤잘코늄 흡착제와 그의 제조방법, 그를 이용한 수처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a benzalkonium chloride adsorbent using birnesite nanoparticles, a preparation method thereof, and a water treatment method using the same.

염화 벤잘코늄(Benzalkonium chloride, BKC)은 다양한 탄소개수를 가진 4가 암모늄 물질 혼합물로, 가습기살균제, 의약외품, 세제 등 다양한 용도로 사용되고 있다.Benzalkonium chloride (BKC) is a mixture of quaternary ammonium substances with various carbon numbers, and is used for various purposes such as humidifier disinfectants, quasi-drugs, and detergents.

염화벤잘코늄은 이의 생산 및 사용시설의 하ㆍ폐수처리장에 모인 후 주변 수계로 방류되는데, 미량으로도 수생태독성을 유발할 수 있다. 예를 들어, 염화벤잘코늄 혼합물의 일종인 벤질도데실디메틸암모늄 클로라이드 (BKC C12)는 제약단지 주변 하천에서 최고 35.78 μg/L까지 검출된 바가 있었으며, 이 농도는 BKC C12의 물벼룩에 대한 반수치사농도인 16 μg/L를 2배 이상 상회하는 수치였다. 따라서 하ㆍ폐수처리장에서 방류되기 전, 염화벤잘코늄의 농도를 독성유발농도 미만으로 저감하는 기술이 필요한 실정이다.Benzalkonium chloride collects in the sewage and wastewater treatment plants of its production and use facilities and is discharged into the surrounding water system. Even a trace amount can cause aquatic toxicity. For example, benzyldodecyldimethylammonium chloride (BKC C12), a kind of benzalkonium chloride mixture, has been detected up to 35.78 μg/L in the river around the pharmaceutical complex, and this concentration is a hemi-lethal concentration of BKC C12 against daphnia. It was a value more than double the phosphorus 16 μg/L. Therefore, there is a need for a technology to reduce the concentration of benzalkonium chloride to less than the toxicity-inducing concentration before it is discharged from the sewage and wastewater treatment plant.

유기물질 처리는 화학적 산화, 생물학적 분해방법 등이 보편적으로 사용되어왔다. 그러나 이러한 기존의 방법으로 유기물질을 처리하는 경우, 분해산물이 형성되어 이차 독성이 우려되는 문제점이 존재해 왔다.Chemical oxidation and biological decomposition methods have been commonly used for organic material treatment. However, there has been a problem in that when an organic material is treated by such an existing method, a decomposition product is formed and secondary toxicity is concerned.

최근에 수중오염물 제거를 위해 금속산화물 나노입자가 주목을 받고 있다. 금속산화물 나노입자는 나노단위의 입자로, 일반적으로 철산화물, 철산화물 및 철수산화물, 티타늄산화물, 망간산화물 입자 등이 주로 연구되고 있다. 금속산화물 나노입자는 수중오염물 제거에 있어, 촉매, 흡착제, 이온교환 소재 등, 다양한 방법으로 적용이 시도되고 있다.Recently, metal oxide nanoparticles have been attracting attention for the removal of water contaminants. Metal oxide nanoparticles are nano-scale particles, and in general, iron oxide, iron oxide and iron hydroxide, titanium oxide, manganese oxide, and the like are mainly studied. Metal oxide nanoparticles have been attempted to be applied in various ways, such as catalysts, adsorbents, and ion exchange materials, in removing water contaminants.

금속산화물 나노입자의 장점은 다음과 같다. 첫째, 비표면적이 크고, 표면에 반응활성점(reactive site)과 흡착점(adsorption site)이 풍부하여, 유기물 산화제거 성능과 중금속 흡착제거 성능이 매우 높다. 예를 들어, 철산화물 나노입자는, 기존에 난분해성 유기물 제거에 이용되던 펜톤 (Fenton)산화 공정에 비해, 페놀(phenol) 제거 속도는 약 35배, 에틸렌클리콜(ethylene glycol) 제거속도는 2 내지 4배 높다는 연구가 보고되었다(Zelmanov and Semiat, 2008). 또한, 마이크로 크기의 산화아연은 비소(As)를 흡착, 제거할 수 없으나, 나노 크기의 산화아연은 비소 흡착, 제거능이 우수한 것으로 보고되었다(Tiwari et al., 2008). 둘째, 비표면적이 커서 단위 중량당 오염물 제거효율이 높으므로 동일한 양의 오염물을 제거할 때, 크기가 큰 입자에 비해 주입량이 감소하여 경제적으로 적용할 수 있다.The advantages of metal oxide nanoparticles are as follows. First, the specific surface area is large and the surface is rich in reactive sites and adsorption sites, so the organic matter oxidation and removal performance and heavy metal absorption and removal performance are very high. For example, iron oxide nanoparticles have a phenol removal rate of about 35 times and an ethylene glycol removal rate of 2 compared to the Fenton oxidation process, which has been used to remove difficult-to-decompose organic matter. to 4 times higher (Zelmanov and Semiat, 2008). In addition, it has been reported that micro-sized zinc oxide cannot adsorb or remove arsenic (As), but nano-sized zinc oxide has excellent arsenic adsorption and removal ability (Tiwari et al., 2008). Second, since the specific surface area is large and the contaminant removal efficiency per unit weight is high, when the same amount of contaminants are removed, the injection amount is reduced compared to the large-sized particles, so that it can be applied economically.

이에 본 발명자는 버네사이트 나노입자가 염화벤잘코늄을 이온교환반응을 통해 흡착함을 확인하여, 분해산물 등에 의한 이차적 독성이 발현되지 않는 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventor confirmed that the birnesite nanoparticles adsorbed benzalkonium chloride through an ion exchange reaction, and completed the present invention in which secondary toxicity caused by decomposition products and the like are not expressed.

대한민국 등록특허공보 10-1473924 B1Republic of Korea Patent Publication No. 10-1473924 B1

본 발명의 하나의 목적은, 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a benzalkonium chloride adsorbent comprising birnesite nanoparticles.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은, 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing a benzalkonium chloride adsorbent.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은, 상기 제조방법에 따른 염화벤잘코늄 흡착제를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a benzalkonium chloride adsorbent according to the manufacturing method.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은, 염화벤잘코늄 흡착제를 폐수에 투입하여 염화벤잘코늄을 흡착시켜 제거하는 수처리 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a water treatment method for adsorbing and removing benzalkonium chloride by adding a benzalkonium chloride adsorbent to wastewater.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양태는, 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제를 제공한다.One aspect of the present invention for achieving the above object provides a benzalkonium chloride adsorbent comprising birnesite nanoparticles.

본 발명에 따른 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제는 유기성 양이온 물질인 염화벤잘코늄과의 흡착반응을 통해 별도의 분해산물을 발생시키지 않아 이로 인한 이차적 독성이 발현되지 않으면서 쉽게 염화벤잘코늄을 제거할 수 있다는 점에서 우수한 장점을 가진다.The benzalkonium chloride adsorbent comprising the birnesite nanoparticles according to the present invention does not generate a separate decomposition product through an adsorption reaction with benzalkonium chloride, an organic cationic material, so that secondary toxicity is not expressed and easily benzalkonium chloride It has an excellent advantage in that it can be removed.

본 발명에서 “버네사이트”는 망간산화물의 일종으로 층상구조를 보이며 화학식 (Na0.3Ca0.1K0.1)(Mn4+,Mn3+)2O4·1.5H2O로 표현할 수 있다. 버네사이트는 양이온교환능력(CEC, cation exchange capability)이 200~350 cmolc/kg으로 매우 높으며 영전하점이 pH 2로 알려져 있다. pH 2 이상에서 버네사이트 표면은 음전하를 가지며 높은 양이온교환능력으로 인해 염화벤잘코늄을 흡착하는 능력이 매우 높다.In the present invention, “bernesite” is a type of manganese oxide and has a layered structure and can be expressed by the chemical formula (Na 0.3 Ca 0.1 K 0.1 )(Mn 4+ ,Mn 3+ ) 2 O 4 ·1.5H 2 O. Vernesite has a very high cation exchange capability (CEC, cation exchange capability) of 200-350 cmol c / kg, and is known to have a point of zero charge of pH 2. At pH 2 or higher, the birnesite surface has a negative charge and has a very high ability to adsorb benzalkonium chloride due to its high cation exchange capacity.

본 발명에서 상기 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제는 유기 양이온 오염 물질인 염화벤잘코늄을 흡착하기 위한 것이다.In the present invention, the benzalkonium chloride adsorbent containing the birnesite nanoparticles is for adsorbing benzalkonium chloride, an organic cationic contaminant.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 버네사이트 나노입자의 크기는 100 nm 내지 600 nm일 수 있으며, 예컨대 블랙 버네사이트의 경우 400 nm 내지 600 nm일 수 있으며 브라운 버네사이트의 경우 100 nm 내지 200 nm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the size of the birnesite nanoparticles may be 100 nm to 600 nm, for example, 400 nm to 600 nm for black birnesite and 100 nm to 200 nm for brown birnesite. can

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 버네사이트 나노입자는 각각의 층상 사이의 거리가 약 7 Å일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the birnesite nanoparticles may have a distance between each layer of about 7 Å.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 버네사이트 나노입자는 블랙 버네사이트 또는 브라운 버네사이트일 수 있다. 상기 블랙 버네사이트는 나노플라워 형태이고, 400 nm 내지 600 nm의 입자 크기를 가지는 것이 바람직하다. 상기 브라운 버네사이트는 나노시트 형태이고, 100 nm 내지 200 nm의 입자 크기를 가지는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, 상기 버네사이트 나노입자는 바람직하게 브라운 버네사이트이며, 높은 염화벤잘코늄 처리효율을 가진다.In one embodiment of the present invention, the birnesite nanoparticles may be black birnesite or brown birnesite. The black birnesite is in the form of a nanoflower, and preferably has a particle size of 400 nm to 600 nm. The brown birnesite is in the form of a nanosheet, and preferably has a particle size of 100 nm to 200 nm. According to the present invention, the birnesite nanoparticles are preferably brown birnesite, and have high benzalkonium chloride treatment efficiency.

본 발명에서 상기 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제는 수생태독성을 유발하는 환경, 예컨대 하수, 폐수 처리장에서 낮은 농도의 염화벤잘코늄을 매우 높은 효율로 흡착할 수 있다.In the present invention, the benzalkonium chloride adsorbent containing the birnesite nanoparticles can adsorb benzalkonium chloride at a low concentration in an environment causing aquatic toxicity, such as sewage and wastewater treatment plants, with very high efficiency.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 버네사이트 나노입자는 K-버네사이트, Na-버네사이트일 수 있으며, 바람직하게는 K-버네사이트이다.In one embodiment of the present invention, the birnesite nanoparticles may be K-bernesite or Na-bernesite, preferably K-bernesite.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 염화벤잘코늄 흡착제는 표면에 음전하를 띄는 버네사이트가 이온교환반응으로 표면에 양이온 전하를 띄는 염화벤잘코늄을 흡착하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the benzalkonium chloride adsorbent may be one that adsorbs benzalkonium chloride having a cationic charge on the surface through an ion exchange reaction in which birnesite having a negative charge on the surface thereof.

본 발명에서 상기 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제는 이온교환반응을 통해 염화벤잘코늄을 흡착하므로 분해산물이 발생하지 않아 기타의 화합물 처리와 대비하여 독성 발생의 위험이 없으며, 흡착된 염화벤잘코늄과 함께 버네사이트를 함께 폐기할 수 있어 이의 사용이 매우 용이하다.In the present invention, the benzalkonium chloride adsorbent containing the birnesite nanoparticles adsorbs benzalkonium chloride through an ion exchange reaction, so no decomposition products are generated, so there is no risk of toxicity compared to treatment with other compounds, and the adsorbed chloride It is very easy to use because it can be disposed of together with benzalkonium.

본 발명의 일 양태는,One aspect of the present invention is

a) 과망간산염을 가열하는 단계;a) heating the permanganate;

b) a) 단계의 가열한 과망간산염에 산성 용액을 첨가하여 교반하는 단계; 및b) adding an acidic solution to the heated permanganate of step a) and stirring; and

c) b) 단계에서 교반한 과망간산염을 식힌 후 버네사이트 나노입자를 수득하는 단계;를 포함하는, 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법을 제공한다.c) after cooling the permanganate stirred in step b) to obtain birnesite nanoparticles; provides a method for producing a benzalkonium chloride adsorbent, including.

본 발명에 따른 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법은 블랙 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법일 수 있다. 구체적으로, 위 블랙 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법은 a) 과망간산염을 가열하는 단계를 포함한다.The method for producing a benzalkonium chloride adsorbent according to the present invention may be a method for producing a benzalkonium chloride adsorbent containing black birnesite nanoparticles. Specifically, the method for preparing the benzalkonium chloride adsorbent containing the black birnesite nanoparticles includes a) heating the permanganate.

상기 a) 과망간산염을 가열하는 단계는, 약 5 내지 10배 중량의 증류수에 과망간산염을 첨가한 후 가열하는 것일 수 있다. 바람직하게는 약 8배 중량의 증류수에 과망간산염을 첨가한 후 가열하는 것일 수 있다. 여기서 가열은 약 80 내지 100℃, 바람직하게 약 90℃의 온도로 가열하는 것일 수 있다. 상기 과망간산염은 바람직하게는 KMnO4일 수 있다.In the step a) of heating the permanganate, heating may be performed after adding the permanganate to about 5 to 10 times the weight of distilled water. Preferably, permanganate is added to distilled water of about 8 times the weight and then heated. Here, the heating may be to a temperature of about 80 to 100 ℃, preferably about 90 ℃. The permanganate may be preferably KMnO 4 .

본 발명의 일 실시형태에서 블랙 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법은 a) 과망간산염을 가열하는 단계 후, 폴리비닐피롤리돈 (PVP)이 용해된 증류수를 첨가하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 과망간산염과 폴리비닐피롤리돈을 5 내지 7의 중량비, 바람직하게는 6의 중량비로 첨가할 수 있다. 폴리비닐피롤리돈 첨가 후 80 내지 100℃, 바람직하게 약 90℃의 온도로 가열 교반할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method for producing a benzalkonium chloride adsorbent containing black birnesite nanoparticles comprises: a) heating the permanganate, and then adding distilled water in which polyvinylpyrrolidone (PVP) is dissolved. may additionally include. Preferably, the permanganate and polyvinylpyrrolidone may be added in a weight ratio of 5 to 7, preferably 6 in a weight ratio. After addition of polyvinylpyrrolidone, it may be heated and stirred at a temperature of 80 to 100°C, preferably about 90°C.

본 발명의 일 실시형태에서 블랙 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법은 b) 상기 가열한 과망간산염에 산성 용액을 첨가하여 교반하는 단계를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the method for producing a benzalkonium chloride adsorbent containing black birnesite nanoparticles includes b) adding and stirring an acidic solution to the heated permanganate.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 b) 상기 가열한 과망간산염에 산성 용액을 첨가하여 교반하는 단계는 상기 과망간산염의 1 내지 3 몰비의 희석된 염산용액을 첨가하는 것일 수 있다. 바람직하게는 약 2 몰비의 희석된 염산용액을 첨가하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, b) adding an acidic solution to the heated permanganate and stirring may be adding a diluted hydrochloric acid solution in a molar ratio of 1 to 3 of the permanganate. Preferably, about 2 molar ratio of diluted hydrochloric acid solution may be added.

본 발명의 일 실시형태에서 블랙 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법은 c) 상기 교반한 과망간산염을 식힌 후 버네사이트 나노입자를 수득하는 단계를 포함한다.In one embodiment of the present invention, the method for producing a benzalkonium chloride adsorbent containing black birnesite nanoparticles includes c) obtaining the birnesite nanoparticles after cooling the stirred permanganate.

본 발명의 일 실시형태에서 c) 상기 교반한 과망간산염을 식힌 후 버네사이트 나노입자를 수득하는 단계는 약 20℃ 내지 30℃로 식히는 것일 수 있다. 상온, 바람직하게는 약 25℃로 식히는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, c) obtaining the birnesite nanoparticles after cooling the stirred permanganate may be cooling to about 20 °C to 30 °C. It may be cooled to room temperature, preferably about 25°C.

본 발명의 일 실시형태에서 c) 상기 교반한 과망간산염을 식힌 후 버네사이트 나노입자를 수득하는 단계는 원심분리하여 침전물을 수집하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, c) obtaining the birnesite nanoparticles after cooling the stirred permanganate may be to collect the precipitate by centrifugation.

본 발명에 따른 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법은 브라운 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법일 수 있다.The method for producing a benzalkonium chloride adsorbent according to the present invention may be a method for producing a benzalkonium chloride adsorbent containing Brown birnesite nanoparticles.

구체적으로, 위 브라운 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법은 a) 과망간산염을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 과망간산염을 가열하는 단계는 증류수에 과망간산염을 넣어 가열하는 것일 수 있다. 구체적으로, 10 내지 20배 중량의 증류수에 과망간산염을 첨가한 후 가열하는 것일 수 있다. 바람직하게는 16배 중량의 증류수에 과망간산염을 첨가한 후 가열하는 것일 수 있다. 여기서 가열은 약 80 내지 110℃, 바람직하게 약 100℃의 온도로 가열하는 것일 수 있다.Specifically, the method for preparing the benzalkonium chloride adsorbent containing the above Brown birnesite nanoparticles may include a) heating the permanganate. The step of heating the permanganate may be heating by putting the permanganate in distilled water. Specifically, it may be heating after adding permanganate to 10 to 20 times the weight of distilled water. Preferably, it may be heated after adding permanganate to 16 times the weight of distilled water. Here, the heating may be to a temperature of about 80 to 110 ℃, preferably about 100 ℃.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 과망간산염은 바람직하게는 KMnO4일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the permanganate may be preferably KMnO 4 .

본 발명에 따른 브라운 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법은 b) 상기 가열한 과망간산염에 산성 용액을 첨가하여 교반하는 단계를 포함한다.The method for producing a benzalkonium chloride adsorbent containing brown birnesite nanoparticles according to the present invention includes b) adding an acidic solution to the heated permanganate and stirring.

본 발명의 일 실시형태에서 상기 b) 상기 가열한 과망간산염에 산성 용액을 첨가하여 교반하는 단계는 상기 과망간산염의 1 내지 3 몰비의 진한 염산용액을 첨가하는 것일 수 있다. 바람직하게는 약 2 몰비의 진한 염산용액을 첨가하는 것일 수 있다. 이러한 염산의 첨가는 교반 조건하에 적가하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, b) adding and stirring an acidic solution to the heated permanganate may include adding a concentrated hydrochloric acid solution in a molar ratio of 1 to 3 of the permanganate. Preferably, a concentrated hydrochloric acid solution of about 2 molar ratio may be added. The hydrochloric acid may be added dropwise under stirring conditions.

본 발명의 일 실시형태에서 브라운 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법은 c) b) 단계에서 교반한 과망간산염을 식힌 후 버네사이트 나노입자를 수득하는 단계를 포함한다. c) 상기 교반한 과망간산염을 식힌 후 버네사이트 나노입자를 수득하는 단계는 약 20℃ 내지 30℃로 식히는 것일 수 있다. 상온, 바람직하게는 약 25℃로 식히는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method for producing a benzalkonium chloride adsorbent containing brown birnesite nanoparticles includes the step of obtaining birnesite nanoparticles after cooling the permanganate stirred in step c) b). c) After cooling the stirred permanganate, the step of obtaining birnesite nanoparticles may be cooling at about 20°C to 30°C. It may be cooled to room temperature, preferably about 25°C.

본 발명의 일 실시형태에서 c) 상기 교반한 과망간산염을 식힌 후 버네사이트 나노입자를 수득하는 단계는 진공여과 방식을 이용해 고형물을 걸러내는 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, c) obtaining the birnesite nanoparticles after cooling the stirred permanganate may be to filter the solids using a vacuum filtration method.

본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 염화벤잘코늄 흡착제를 제공한다. 본 발명에 따른 흡착제는 유기성 양이온 물질인 염화벤잘코늄을 고효율로 흡착함으로써 분해산물 등에 의한 이차적 독성이 발현되지 않으면서 쉽게 염화벤잘코늄을 제거할 수 있다는 점에서 우수한 장점을 가진다.The present invention provides a benzalkonium chloride adsorbent prepared by the above method. The adsorbent according to the present invention has an excellent advantage in that it can easily remove benzalkonium chloride without exhibiting secondary toxicity due to decomposition products by absorbing benzalkonium chloride, which is an organic cationic material, with high efficiency.

본 발명은 염화벤잘코늄 흡착제를 폐수에 투입하여 염화벤잘코늄을 흡착시켜 제거하는 수처리 방법을 제공한다.The present invention provides a water treatment method for adsorbing and removing benzalkonium chloride by adding a benzalkonium chloride adsorbent to wastewater.

본 발명의 일 실시형태에서, 염화벤잘코늄 흡착제를 폐수에 투입하여 염화벤잘코늄을 흡착시켜 제거하는 수처리 방법은 하수 또는 폐수처리장에 버네사이트 나노입자를 포함하는 흡착제를 살포하고 일정 시간동안 염화벤잘코늄과 반응시킨 후 침전시킴으로써 하수 또는 폐수처리장 방류수 내의 염화벤잘코늄의 농도를 저감시키는 것일 수 있다. 본 발명에 따른 상기 수처리 방법은 염화벤잘코늄 흡착제를 폐수에 투입하여 염화벤잘코늄을 흡착시킨 후 흡착된 염화벤잘코늄과 함께 버네사이트 나노입자를 포함하는 흡착제를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the water treatment method for adsorbing and removing benzalkonium chloride by adding a benzalkonium chloride adsorbent to wastewater, an adsorbent containing birnesite nanoparticles is sprayed into sewage or wastewater treatment plants and benzalkonium chloride for a certain period of time. It may be to reduce the concentration of benzalkonium chloride in sewage or wastewater treatment plant effluent by precipitating it after reacting with it. The water treatment method according to the present invention may further include the step of adding a benzalkonium chloride adsorbent to wastewater to adsorb benzalkonium chloride, and then removing the adsorbent containing bernsite nanoparticles together with the adsorbed benzalkonium chloride.

본 발명에 따른 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제는 염화벤잘코늄 흡착효율이 높고 별도의 분해산물을 발생시키지 않아 이로 인한 이차적 독성을 발현시키지 않는바, 염화벤잘코늄 흡착제 및 염화벤잘코늄의 수처리 방법 등으로 유용하게 활용될 수 있다.The benzalkonium chloride adsorbent containing the bernesite nanoparticles according to the present invention has a high adsorption efficiency of benzalkonium chloride and does not generate a separate decomposition product, thereby not expressing secondary toxicity. It can be usefully used as a water treatment method, etc.

도 1은, 블랙 버네사이트와 브라운 버네사이트의 SEM 이미지를 나타낸 도이다.
도 2는, 실시예 1에서 제조한 버네사이트 나노입자의 염화벤잘코늄의 흡착평형 도달시간을 나타낸 도이다.
도 3은, 실시예 1에서 제조한 버네사이트 나노입자로의 BKC 12의 Langmuir 등온흡착모델을 나타낸 도이다.
도 4는, 실시예 1에서 제조한 블랙 버네사이트와 브라운 버네사이트의 BKC 12의 처리효율을 나타낸 도이다.
도 5는, 실시예 1에서 제조한 블랙 버네사이트와 브라운 버네사이트에 의한 BKC C12의 독성감소 효과를 나타낸 도이다.
1 is a view showing SEM images of black birnesite and brown birnesite.
FIG. 2 is a diagram showing the time to reach the adsorption equilibrium of benzalkonium chloride in the birnesite nanoparticles prepared in Example 1. FIG.
3 is a diagram showing the Langmuir isothermal adsorption model of BKC 12 to the birnesite nanoparticles prepared in Example 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram showing the processing efficiency of BKC 12 of black birnesite and brown birnesite prepared in Example 1. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing the toxicity reduction effect of BKC C12 by black birnesite and brown birnesite prepared in Example 1. FIG.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

실시예Example 1. One. 버네사이트vernesite 나노입자의 제조 Preparation of nanoparticles

실시예Example 1-1. 블랙 1-1. black 버네사이트vernesite 나노입자의 제조 Preparation of nanoparticles

Hao가 제안한 방법에 따라 블랙 버네사이트 나노입자를 제조하였다. 250 mL 둥근바닥 플라스크에 100 mL 증류수와 12.45 g의 KMnO4를 넣었다. 여기에 0.2 g의 폴리비닐 피롤리돈 (PVP)이 용해된 10 mL 증류수를 첨가하였다. 플라스크를 히팅 맨틀 (heating mantle)에 넣고 교반하며 온도를 90℃까지 올렸다. 여기에 1.5 M 염산용액 100 mL를 첨가한 후, 90℃에서 1시간 동안 교반하였다. 교반 후 상온까지 식힌 후 10분간 4℃에서 10000 g의 속도로 원심분리하여 침전물인 블랙 버네사이트 (black-birnessite)를 수집하였다. 수집된 침전물을 증류수로 5회 세척하였다.Black birnesite nanoparticles were prepared according to the method proposed by Hao. 100 mL distilled water and 12.45 g of KMnO 4 were placed in a 250 mL round-bottom flask. 10 mL distilled water in which 0.2 g of polyvinyl pyrrolidone (PVP) was dissolved was added thereto. The flask was placed in a heating mantle and the temperature was raised to 90°C with stirring. After adding 100 mL of 1.5 M hydrochloric acid solution, the mixture was stirred at 90° C. for 1 hour. After stirring, the mixture was cooled to room temperature and centrifuged at 4°C for 10 minutes at a speed of 10000 g to collect black-birnessite as a precipitate. The collected precipitate was washed 5 times with distilled water.

실시예Example 1-2. 브라운 1-2. Brown 버네사이트vernesite 나노입자의 제조 Preparation of nanoparticles

McKenzie가 제안한 방법에 따라 브라운 버네사이트 나노입자를 제조하였다. 2 L 비커에 1.5 L 증류수와 KMnO4 0.6 mol을 넣고 가열교반기에서 가열하였다. 물이 끓기 시작한 후 뷰렛을 이용해 진한염산 1.2 mol을 한방울씩 떨어뜨렸다. 염산주입 완료 후 20여분 간 더 가열하였다. 교반 후 상온까지 식힌 후 진공여과 방식을 이용해 고형물인 브라운 버네사이트 (brown-birnessite)를 걸러내어 증류수로 충분히 세척하였다.Brown birnesite nanoparticles were prepared according to the method proposed by McKenzie. 1.5 L distilled water and 0.6 mol of KMnO 4 were placed in a 2 L beaker and heated with a heating stirrer. After the water started to boil, 1.2 mol of concentrated hydrochloric acid was added dropwise using a burette. After the hydrochloric acid injection was completed, it was further heated for about 20 minutes. After stirring and cooling to room temperature, the solid brown-birnessite was filtered out using vacuum filtration and washed sufficiently with distilled water.

실시예Example 2. 2. 버네사이트vernesite 나노입자의 구조 확인 Confirmation of the structure of nanoparticles

실시예 1에서 제조한 버네사이트 나노입자의 구조를 주사 전자 현미경 (JEOL (JSM-7610F)) 으로 20 kV 전압에서 20000배 배율로 검사하여 도 1에 나타내었다.The structure of the birnesite nanoparticles prepared in Example 1 was examined with a scanning electron microscope (JEOL (JSM-7610F)) at a voltage of 20 kV at a magnification of 20000, and is shown in FIG. 1 .

도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1-1에서 제조한 블랙 버네사이트를 나노플라워 형태를 가짐을 확인하였다. 실시예 1-2에서 제조한 브라운 버네사이트는 나노시트 형태를 가짐을 확인하였다.As can be seen in FIG. 1 , it was confirmed that the black birnesite prepared in Example 1-1 had a nanoflower shape. It was confirmed that the brown birnesite prepared in Example 1-2 had a nanosheet shape.

실시예Example 3. 3. 버네사이트vernesite 나노입자의 of nanoparticles 염화벤잘코늄benzalkonium chloride 흡착평형 도달시간 측정 Measurement of the time to reach the adsorption equilibrium

버네사이트를 2.5 g/L의 농도로 벤질도데실디메틸암모늄 클로라이드 (BKC C12) 오염수에 투여하여 반응시킨 후의 흡착평형 도달시간을 측정하였다.After reacting by administering benzyldodecyldimethylammonium chloride (BKC C12) to contaminated water at a concentration of 2.5 g/L, the time to reach the adsorption equilibrium was measured.

이를 도 2에 나타내었다.This is shown in FIG. 2 .

도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 반응 후 60분만에 흡착평형에 도달하였으며, 이는 반응 1시간 이후 BKC C12의 용존상 농도가 일정 수준으로 유지된다는 것을 의미한다.As can be seen in FIG. 2 , the adsorption equilibrium was reached 60 minutes after the reaction, which means that the dissolved phase concentration of BKC C12 was maintained at a constant level after 1 hour of the reaction.

실시예Example 4. 4. 버네사이트vernesite 나노입자의 of nanoparticles 염화벤잘코늄benzalkonium chloride 처리능processing power 확인 Confirm

50 mL 테플론 튜브에 75 mg의 버네사이트와 30 mL 벤질도데실디메틸암모늄 클로라이드 (BKC C12) 용액을 각각 10, 2, 0.4 mM 넣고 24시간 동안 수평교반기에서 교반시켰다. 교반 완료 후 10분간 4℃에서 10000 g의 속도로 원심분리하여 상징액을 포집하였다. 상징액 내 염화 벤잘코늄 농도를 고성능 액체 크로마토그래피 (HPLC)를 이용해 분석하였다. 반응 후 상징액 내 염화벤잘코늄 농도와 버네사이트에 흡착된 농도를 이용해 Langmuir 등온흡착모델을 도 3에 도출하였다. 이 때, 버네사이트에 흡착된 농도는 하기 식과 같이 초기 농도에서 반응완료 후 상징액 내 농도를 뺀 값으로 산정하였다. 여기서 q는 흡착평형상태에서의 버네사이트로의 흡착량을 의미하며, Cw는 흡착평형상태에서의 용존량을 의미한다.In a 50 mL Teflon tube, 75 mg of birnesite and 30 mL of benzyldodecyldimethylammonium chloride (BKC C12) solution were added to 10, 2, and 0.4 mM, respectively, and stirred on a horizontal stirrer for 24 hours. After completion of stirring, the supernatant was collected by centrifugation at a speed of 10000 g at 4° C. for 10 minutes. The concentration of benzalkonium chloride in the supernatant was analyzed using high performance liquid chromatography (HPLC). After the reaction, the Langmuir isothermal adsorption model was derived in FIG. 3 using the concentration of benzalkonium chloride in the supernatant and the concentration adsorbed to the birnesite. At this time, the concentration adsorbed to the birnesite was calculated as the value obtained by subtracting the concentration in the supernatant after the completion of the reaction from the initial concentration as shown in the following equation. Here, q denotes the amount of adsorption to birnesite in the equilibrium state of adsorption, and C w denotes the amount of dissolved matter in the equilibrium state of adsorption.

Figure 112019099732981-pat00001
Figure 112019099732981-pat00001

도 3에서의 Langmuir 모델식을 이용해 저농도 염화벤잘코늄(1, 0.1 μM)을 처리하였을 때 반응완료 후 상징액 내 염화벤잘코늄 농도 및 그에 따른 처리효율을 예측하여 도 4에 나타내었다. 도 4를 바탕으로 독성감소 효과를 예측하여 도 5에 나타내었다.When the low concentration benzalkonium chloride (1, 0.1 μM) was treated using the Langmuir model equation in FIG. 3, the concentration of benzalkonium chloride in the supernatant and the treatment efficiency thereof were predicted after the completion of the reaction, and the results are shown in FIG. The toxicity reduction effect was predicted based on FIG. 4 and shown in FIG. 5 .

처리효율은 하기 식으로 계산하였다.The treatment efficiency was calculated by the following formula.

Figure 112019099732981-pat00002
Figure 112019099732981-pat00002

염화벤잘코늄의 독성지수(toxicity unit, TU)는 하기 식으로 산정하였다. 여기서 독성지수(toxicity unit)는 반응 후 용존상 BKC C12 농도와 BKC C12의 반수치사농도(0.047 μM)의 비율을 의미한다.The toxicity index (toxicity unit, TU) of benzalkonium chloride was calculated by the following formula. Here, the toxicity index (toxicity unit) means the ratio of the BKC C12 concentration in the dissolved phase to the half-lethal concentration of BKC C12 (0.047 μM) after the reaction.

Figure 112019099732981-pat00003
Figure 112019099732981-pat00003

도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 농도가 낮을수록 처리효율이 높아지며, 특히 BKC C12가 환경 중에서 검출되는 농도를 고려하였을 때(0.1 μM), 블랙 버네사이트와 브라운 버네사이트의 처리효율은 각각 83.3%와 89.3%로 예측되었다.As can be seen in FIG. 4 , the lower the concentration, the higher the treatment efficiency. In particular, considering the concentration at which BKC C12 is detected in the environment (0.1 μM), the treatment efficiencies of black and brown birnesite were 83.3%, respectively. and 89.3%.

도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, BKC C12 초기농도가 환경 중 최대 검출수준인 0.1 μM이고, 도 4의 BKC C12 처리효율에 따라 BKC C12 농도가 감소한다고 가정하면 블랙 버네사이트와 브라운 버네사이트의 처리기법 모두 허용 가능한 수준(TU = 1) 이내로 BKC C12의 독성을 감소시키는 것으로 예측되었다.As can be seen in FIG. 5 , assuming that the initial concentration of BKC C12 is 0.1 μM, which is the maximum detection level in the environment, and that the concentration of BKC C12 decreases according to the BKC C12 treatment efficiency of FIG. Both techniques were predicted to reduce the toxicity of BKC C12 to within acceptable levels (TU = 1).

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential characteristics thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention should be construed as being included in the scope of the present invention, rather than the above detailed description, all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims described below and their equivalents.

Claims (8)

K-버네사이트인 블랙 버네사이트 또는 브라운 버네사이트 나노입자를 포함하는 염화벤잘코늄 흡착제.A benzalkonium chloride adsorbent comprising K-bernesite, black or brown birnesite nanoparticles. 제1항에 있어서, 상기 버네사이트 나노입자의 크기는 100 nm 내지 600 nm이고, 각각의 층상 사이의 거리가 7 Å인, 흡착제.The adsorbent according to claim 1, wherein the size of the birnesite nanoparticles is 100 nm to 600 nm, and the distance between each layer is 7 Å. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 흡착제는 이온교환반응으로 염화벤잘코늄을 흡착하는 것인, 흡착제.The adsorbent according to claim 1, wherein the adsorbent adsorbs benzalkonium chloride through an ion exchange reaction. a) 과망간산염을 가열하는 단계;
b) a) 단계의 가열한 과망간산염에 산성 용액을 첨가하여 교반하는 단계; 및
c) b) 단계에서 교반한 과망간산염을 식힌 후 K-버네사이트인 블랙 버네사이트 또는 브라운 버네사이트 나노입자를 수득하는 단계;를 포함하는, 염화벤잘코늄 흡착제의 제조방법.
a) heating the permanganate;
b) adding an acidic solution to the heated permanganate of step a) and stirring; and
c) after cooling the permanganate stirred in step b), obtaining black birnesite or brown birnesite nanoparticles, which are K-bernesite;
제6항에 따른 염화벤잘코늄 흡착제.The benzalkonium chloride adsorbent according to claim 6 . 제1항 내지 제2항 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 염화벤잘코늄 흡착제를 폐수에 투입하여 염화벤잘코늄을 흡착시켜 제거하는 수처리 방법.
A water treatment method in which the benzalkonium chloride adsorbent according to any one of claims 1 to 2 and 7 is added to wastewater to adsorb and remove benzalkonium chloride.
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