KR102314406B1 - Method for manufacturing magnetic silica particle - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수처리 과정에서 처리 효율이 우수하고, 사용 후의 회수가 용이한 실리카 입자에 관한 것이다.The present invention relates to silica particles having excellent treatment efficiency in a water treatment process and easy recovery after use.

Description

자성을 보유하는 실리카 입자의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING MAGNETIC SILICA PARTICLE}Method for producing silica particles having magnetism TECHNICAL FIELD

본 발명은 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing silica particles having magnetism.

수중에 존재하는 유기 염료와 같은 오염물은 염색 폐수뿐만 아니라 다양한 제조업에서 발생할 수 있다. 또한, 중금속 성분은 인체뿐만 아니라 어패류 등에 축적되어 심각한 질병을 유발할 수 있으므로, 적절한 제거 방법이 요구된다. 이러한 오염물들은 흡착 및 추출 등의 분리 정제 공정으로 제거할 수 있으며, 흡착 공정에는 활성탄이 전통적으로 활용되고 있다. 하지만 활성탄은 비교적 비용이 고가이므로, 보다 경제적인 흡착제의 개발을 위하여 표면적이 넓은 실리카와 같은 재료를 저가의 원료로부터 합성하는 기술이 개발되고 있다. 기존의 실리카 합성용 원료 물질 중, 유기금속 화합물은 단가가 비싸므로, 물유리와 같은 경제적인 원료가 활용되었을 때, 훨씬 산업화에 유리한 장점을 보유하고 있다. 하지만 수처리 공정에서 흡착제는 사용 후 회수가 적절히 이루어지지 않을 경우, 그 자체가 추가적인 오염 물질로 작용할 수 있다는 점이 극복해야 하는 과제이다.Contaminants such as organic dyes present in water can arise from dyeing wastewater as well as from various manufacturing industries. In addition, since heavy metal components accumulate not only in the human body but also in fish and shellfish and cause serious diseases, an appropriate removal method is required. These contaminants can be removed by separation and purification processes such as adsorption and extraction, and activated carbon is traditionally used in the adsorption process. However, since activated carbon is relatively expensive, a technique for synthesizing a material such as silica having a large surface area from an inexpensive raw material is being developed for the development of a more economical adsorbent. Among the existing raw materials for synthesizing silica, organometallic compounds have a high unit price, so when an economical raw material such as water glass is used, it has a much more advantageous advantage for industrialization. However, in the water treatment process, if the adsorbent is not properly recovered after use, it may act as an additional pollutant itself, a problem to be overcome.

다공질 분말은 비표면적이 넓으므로, 유기물이나 중금속의 흡착에 의한 제거가 용이하다. 이에, 다공질 분말을 활용한 촉매 담체, 광촉매, 흡착제 등의 개발이 활발히 진행되어 왔다. 다만, 다공질 분말을 수처리 공정에 사용하는 과정에서, 다공질 분말 자체가 오염물로 작용하여 분리 및 회수에 의한 제거를 위해 원심분리 등 적절한 기술이 요구되고 있다. 하지만 다공질 분말의 크기가 아주 작을 경우, 원심분리에 요구되는 회전 속도가 빨라지고 오랜 시간이 소요되는 등 에너지 소비가 증대하며, 일부 분말은 수 중에 잔류하여 완전한 제거가 어려울 수 있다.Since the porous powder has a large specific surface area, it is easy to remove by adsorption of organic substances and heavy metals. Accordingly, the development of catalyst carriers, photocatalysts, adsorbents, etc. utilizing porous powder has been actively conducted. However, in the process of using the porous powder in the water treatment process, the porous powder itself acts as a contaminant, and an appropriate technique such as centrifugation is required for separation and removal by recovery. However, when the size of the porous powder is very small, the rotation speed required for centrifugation increases and energy consumption increases, such as taking a long time, and some powder may remain in water and thus it may be difficult to completely remove it.

마이크로미터 크기의 분말의 경우 중력에 의한 자연 침강도 가능하지만, 침전을 위한 소요 시간이 길어서 실용성이 떨어진다고 할 수 있다. 또한, 분말이 크기 분포를 갖는 경우, 중위경 또는 평균 입경이 마이크로미터 영역에 해당된다 하더라도, 일부 서브 마이크로미터 영역의 크기를 갖는 분말이 혼재할 수 있으며, 이러한 크기 영역에서는 자연 침강이 어려울 수 있다.In the case of micrometer-sized powder, natural precipitation by gravity is possible, but it can be said that the time required for precipitation is long, which makes it impractical. In addition, when the powder has a size distribution, even if the median diameter or average particle diameter corresponds to a micrometer region, powders having a size of some sub-micrometer regions may coexist, and natural sedimentation may be difficult in such a size region. .

이에, 수처리 과정에서 사용된 다공성 분말을 효과적으로 회수할 수 있는 기술이 필요한 실정이다. 이는 흡착 및 광촉매 공정의 실용화를 위하여 공통적으로 요구된다.Accordingly, there is a need for a technology capable of effectively recovering the porous powder used in the water treatment process. This is commonly required for the practical use of adsorption and photocatalytic processes.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수처리 과정에서 처리 효율이 우수하고, 사용 후의 회수가 용이한 실리카 입자를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide silica particles having excellent treatment efficiency in the water treatment process and easy recovery after use.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시상태는 규산 수용액과 산화철 용액을 혼합하여 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하는 단계; 상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 유화시켜 에멀젼을 형성하는 단계; 상기 에멀젼을 가열하여 겔(gel)을 형성하는 단계; 및 상기 겔을 열처리하여, 산화철을 함유하는 실리카 입자를 형성하는 단계;를 포함하는 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법을 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a solution for forming silica having magnetic properties by mixing an aqueous solution of silicic acid and an iron oxide solution; forming an emulsion by emulsifying the solution for forming silica having the magnetic properties; heating the emulsion to form a gel; and heat-treating the gel to form silica particles containing iron oxide.

본 발명의 일 실시상태에 따른 실리카 입자의 제조 방법은 수처리 과정에서 처리 효율이 우수하고, 사용 후의 회수가 용이한 실리카 입자를 용이하게 제조할 수 있다.The method for producing silica particles according to an exemplary embodiment of the present invention can easily produce silica particles having excellent treatment efficiency in a water treatment process and easy recovery after use.

다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and may be variously expanded without departing from the spirit and scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 2b는 실시예 1에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 3b는 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이고, 도 3c는 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자의 EDS 결과 데이터를 나타낸 것이고, 도 3d는 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자의 FT-IR Spectrum을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 실리카 입자의 XRD 데이터를 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 5b는 실시예 3에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 6b는 실시예 4에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예 1에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이다.
도 8a는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 8b는 실시예 5에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이다.
도 9a는 본 발명의 실시예 6에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 9b는 실시예 6에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이다.
도 10a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리카 입자의 흡착 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자의 흡착 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이고, 도 10c는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 실리카 입자의 흡착 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이고, 도 10d는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 실리카 입자의 흡착 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 실리카 입자의 UV 조사 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 실리카 입자를 광촉매 성능 평가 완료 후에 자석을 이용하여 회수한 것을 촬영한 사진이다.
1 is a view schematically showing a method of manufacturing silica particles having magnetism according to an embodiment of the present invention.
Figure 2a is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 1 of the present invention, Figure 2b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 1.
Figure 3a is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 2 of the present invention, Figure 3b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 2, Figure 3c shows the EDS result data of the silica particles prepared according to Example 2, Figure 3d shows the FT-IR spectrum of the silica particles prepared according to Example 2.
4 shows XRD data of silica particles prepared in Examples 1 and 2 of the present invention.
Figure 5a is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 3 of the present invention, Figure 5b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 3.
Figure 6a is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 4 of the present invention, Figure 6b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 4.
7 is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Comparative Example 1.
Figure 8a is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 5 of the present invention, Figure 8b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 5.
Figure 9a is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 6 of the present invention, Figure 9b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 6.
Figure 10a is a graph showing the concentration of methylene blue according to the adsorption time of the silica particles prepared according to Example 1 of the present invention, Figure 10b is methylene according to the adsorption time of the silica particles prepared according to Example 2 of the present invention It is a graph showing the concentration of blue, Figure 10c is a graph showing the concentration of methylene blue according to the adsorption time of the silica particles prepared according to Example 3 of the present invention, Figure 10d is a graph prepared according to Example 4 of the present invention It is a graph showing the concentration of methylene blue according to the adsorption time of silica particles.
11a and 11b are graphs showing the concentration of methylene blue according to the UV irradiation time of the silica particles prepared according to Example 5 of the present invention.
12 is a photograph taken using a magnet after completion of photocatalytic performance evaluation of silica particles prepared according to Example 5 of the present invention.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.Throughout this specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is said to be “on” another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member is present between the two members.

이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

도 1은 본 발명의 일 실시상태에 따른 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a method of manufacturing silica particles having magnetism according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시상태는 규산 수용액과 산화철 용액을 혼합하여 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하는 단계; 상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 유화시켜 에멀젼을 형성하는 단계; 상기 에멀젼을 가열하여 겔(gel)을 형성하는 단계; 및 상기 겔을 열처리하여, 산화철을 함유하는 실리카 입자를 형성하는 단계;를 포함하는 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법을 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a solution for forming silica having magnetic properties by mixing an aqueous solution of silicic acid and an iron oxide solution; forming an emulsion by emulsifying the solution for forming silica having the magnetic properties; heating the emulsion to form a gel; and heat-treating the gel to form silica particles containing iron oxide.

본 발명의 일 실시상태에 따른 실리카 입자의 제조 방법을 통해 수처리 과정에서 처리 효율이 우수하고, 사용 후의 회수가 용이한 실리카 입자를 용이하게 제조할 수 있다.Through the method for producing silica particles according to an exemplary embodiment of the present invention, silica particles having excellent treatment efficiency in the water treatment process and easy recovery after use can be easily produced.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조 방법은 실리카 전구체 용액으로부터 규산 용액을 제조하고, 상기 규산 용액에 물을 혼합하여 상기 규산 수용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the method for producing silica particles having magnetism may include preparing a silicic acid solution from a silica precursor solution, and mixing the silicic acid solution with water to prepare the silicic acid aqueous solution. .

상기 실리카 전구체 용액을 이온교환수지에 통과시켜, 상기 규산 용액을 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 실리카 전구체는 소듐 실리케이트(sodium silicate)일 수 있으며, 소듐 실리케이트를 이온교환수지에 통과시켜 소듐 이온을 제거하고 규산 용액을 수득할 수 있다.By passing the silica precursor solution through an ion exchange resin, the silicic acid solution may be prepared. Specifically, the silica precursor may be sodium silicate, and the sodium silicate may be passed through an ion exchange resin to remove sodium ions and obtain a silicic acid solution.

상기 규산 수용액을 제조하는 단계에서, 상기 규산 용액과 상기 물의 혼합비(예컨데, 부피비)를 조절하여, 최종 생성물인 실리카 입자의 표면 형태 및 비표면적을 제어할 수 있다.In the step of preparing the aqueous solution of silicic acid, a mixing ratio (eg, volume ratio) of the silicic acid solution and the water may be adjusted to control the surface shape and specific surface area of silica particles, which are final products.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 규산 수용액을 제조하는 단계는, 상기 규산 용액과 상기 물을 1:1 내지 1:10의 부피비로 혼합할 수 있다. 상기 제조된 규산 용액을 물과 혼합하여 상기 규산 수용액을 형성할 수 있다. 이때, 규산 수용액을 제조하기 위하여, 상기 규산 용액과 물을 1:1 내지 1:10, 1:2 내지 1:8, 1:3 내지 1:7, 1:4 내지 1:5, 1:1 내지 1:6, 또는 1:5 내지 1:10의 부피비로 혼합할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, in the step of preparing the aqueous solution of silicic acid, the silicic acid solution and the water may be mixed in a volume ratio of 1:1 to 1:10. The prepared silicic acid solution may be mixed with water to form the silicic acid aqueous solution. At this time, in order to prepare an aqueous silicic acid solution, the silicic acid solution and water are mixed with 1:1 to 1:10, 1:2 to 1:8, 1:3 to 1:7, 1:4 to 1:5, 1:1. to 1:6, or 1:5 to 1:10 by volume.

상기 규산 수용액을 제조하는 단계에서, 상기 규산 용액과 상기 물을 전술한 부피비로 혼합함으로써, 제조되는 실리카 입자의 비표면적을 효과적으로 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 규산 용액과 물의 부피비가 전술한 범위 내인 경우, 제조되는 실리카 입자의 입자 구조가 과도하게 변형되는 것을 억제할 수 있다.In the step of preparing the silicic acid aqueous solution, by mixing the silicic acid solution and the water in the above-described volume ratio, the specific surface area of the produced silica particles can be effectively increased. In addition, when the volume ratio of the silicic acid solution and water is within the aforementioned range, it is possible to suppress excessive deformation of the particle structure of the silica particles to be produced.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제조된 규산 용액과 산화철 용액을 혼합하여 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조할 수 있다. 상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 통해 제조된 실리카 입자는 흡착재로 활용되어, 수처리 과정에서 오염 물질 등을 흡착할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a solution for forming magnetic silica may be prepared by mixing the prepared silicic acid solution and iron oxide solution. The silica particles prepared through the solution for forming silica having the magnetic properties may be used as an adsorbent to adsorb contaminants and the like in the water treatment process.

또한, 상기 규산 용액에 상기 산화철 용액을 혼합함으로써, 제조되는 실리카 입자에 자성을 부여할 수 있다. 자성이 부여된 실리카 입자는 수처리 과정에서 처리된 후, 자석을 이용하여 수처리된 물로부터 용이하게 회수될 수 있다.In addition, by mixing the iron oxide solution with the silicic acid solution, it is possible to impart magnetism to the produced silica particles. After the silica particles imparted with magnetism are treated in the water treatment process, they can be easily recovered from the water treated water using a magnet.

상기 산화철 용액의 산화철 고형분의 함량은 6 % 이상 40 % 이하일 수 있다.The iron oxide solid content of the iron oxide solution may be 6% or more and 40% or less.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하는 단계는, 상기 규산 수용액과 상기 산화철 용액을 1:1 내지 10:1의 부피비로 혼합할 수 있다. 구체적으로, 상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하기 위하여, 상기 규산 수용액과 상기 산화철 용액을 1.5:1 내지 10:1, 2:1 내지 10:1, 3:1 내지 10:1, 또는 5:1 내지 10:1의 부피비로 혼합할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, in the step of preparing the solution for forming the magnetic silica, the aqueous solution of silicic acid and the iron oxide solution may be mixed in a volume ratio of 1:1 to 10:1. Specifically, in order to prepare the solution for forming the magnetic silica, the aqueous solution of silicic acid and the iron oxide solution are mixed with 1.5:1 to 10:1, 2:1 to 10:1, 3:1 to 10:1, or 5 It can be mixed in a volume ratio of :1 to 10:1.

상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하는 단계에서, 상기 규산 수용액과 상기 산화철 용액을 전술한 부피비로 혼합함으로써, 제조되는 실리카 입자에 적절한 자성을 부여하여, 수처리 후에 실리카 입자를 용이하게 회수할 수 있다. 또한, 상기 규산 수용액과 상기 산화철 용액의 부피비가 전술한 범위 내인 경우, 제조되는 실리카 입자의 수처리 성능이 저하되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.In the step of preparing the solution for forming silica having the magnetism, by mixing the aqueous solution of silicic acid and the iron oxide solution in the above-described volume ratio, appropriate magnetism is imparted to the silica particles to be prepared, so that the silica particles can be easily recovered after water treatment have. In addition, when the volume ratio of the aqueous solution of silicic acid and the iron oxide solution is within the above-mentioned range, it is possible to effectively suppress a decrease in the water treatment performance of the silica particles produced.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하는 단계는, 상기 규산 수용액 및 상기 산화철 용액의 혼합물에 추가적으로 이산화티탄 용액을 혼합할 수 있다. 즉, 상기 실리카 형성용 용액은 상기 규산 수용액, 상기 산화철 용액 및 상기 이산화티탄 용액의 혼합물일 수 있다. 이를 통해, 상기 실리카 형성용 용액은 광촉매 활성과 자성을 보유할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, in the step of preparing a solution for forming silica having a magnetic property, a titanium dioxide solution may be additionally mixed with a mixture of the silicic acid aqueous solution and the iron oxide solution. That is, the silica-forming solution may be a mixture of the silicic acid aqueous solution, the iron oxide solution, and the titanium dioxide solution. Through this, the solution for forming silica may have photocatalytic activity and magnetism.

상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액에 상기 이산화티탄 용액이 첨가됨에 따라, 상기 실리카 형성용 용액으로부터 제조된 실리카 입자는 흡착 성능 이외에 광촉매 성능을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 제조되는 실리카 입자에 포함되는 이산화티탄(TiO2)은 빛을 받아도 변하지 않아 반영구적으로 사용 가능하고, 모든 유기물을 산화시켜 이산화탄소와 물로 분해시키는 광촉매일 수 있다.As the titanium dioxide solution is added to the solution for forming silica having magnetic properties, the silica particles prepared from the solution for forming silica may have photocatalytic performance in addition to adsorption performance. Specifically, titanium dioxide (TiO 2 ) contained in the prepared silica particles does not change even when exposed to light and can be used semi-permanently, and may be a photocatalyst that oxidizes all organic materials and decomposes into carbon dioxide and water.

상기 이산화티탄 용액의 이산화티탄 고형분의 함량은 6 % 이상 40 % 이하일 수 있다.The titanium dioxide solid content of the titanium dioxide solution may be 6% or more and 40% or less.

즉, 상기 규산 수용액, 상기 산화철 용액 및 상기 이산화티탄 용액의 혼합물인 상기 광촉매 활성 및 자성을 갖는 실리카 형성용 용액으로부터 제조된 상기 실리카 입자는 수처리 과정에서 흡착제 및 광촉매 역할을 수행할 수 있으며, 자성을 보유하고 있어 수처리 후에 자석을 이용하여 용이하게 회수될 수 있다.That is, the silica particles prepared from the solution for forming silica having photocatalytic activity and magnetism, which is a mixture of the aqueous solution of silicic acid, the iron oxide solution, and the titanium dioxide solution, can serve as an adsorbent and a photocatalyst in the water treatment process, and It can be easily recovered using a magnet after water treatment.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 광촉매 활성 및 자성을 갖는 실리카 형성용 용액은, 상기 규산 수용액과 상기 이산화티탄 용액의 부피비가 1:1 내지 3:1일 수 있다. 구체적으로, 상기 광촉매 활성 및 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하기 위하여, 상기 규산 수용액과 상기 이산화티탄 용액을 1:1 내지 3:1, 1.5:1 내지 3:1, 또는 1:1 내지 2:1의 부피비로 혼합할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, in the solution for forming silica having photocatalytic activity and magnetism, a volume ratio of the aqueous silicic acid solution and the titanium dioxide solution may be 1:1 to 3:1. Specifically, in order to prepare a solution for forming silica having photocatalytic activity and magnetism, the aqueous solution of silicic acid and the titanium dioxide solution are mixed with 1:1 to 3:1, 1.5:1 to 3:1, or 1:1 to 2 It can be mixed in a volume ratio of :1.

상기 광촉매 활성 및 자성을 갖는 실리카 형성용 용액에 포함되는 상기 규산 수용액과 상기 이산화티탄 용액의 부피비를 전술한 범위로 조절함으로써, 제조되는 실리카 입자에 광촉매 성능을 효과적으로 부여할 수 있고, 제조되는 실리카 입자의 비표면적을 효과적으로 증가시킬 수 있다.By adjusting the volume ratio of the aqueous solution of silicic acid and the titanium dioxide solution contained in the solution for forming silica having photocatalytic activity and magnetism to the above-mentioned range, photocatalytic performance can be effectively imparted to the produced silica particles, and the produced silica particles can effectively increase the specific surface area of

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 광촉매 활성 및 자성을 갖는 실리카 형성용 용액은, 상기 산화철 용액과 상기 이산화티탄 용액의 부피비가 1:1 내지 1:5일 수 있다. 구체적으로, 상기 실리카 형성용 용액을 제조하기 위하여, 상기 산화철 용액과 상기 이산화티탄 용액을 1:1 내지 1:5, 1:1 내지 1:4, 1:2 내지 1:5, 또는 1:4 내지 1:5의 부피비로 혼합할 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present invention, in the solution for forming silica having photocatalytic activity and magnetism, a volume ratio of the iron oxide solution and the titanium dioxide solution may be 1:1 to 1:5. Specifically, in order to prepare the solution for forming silica, the iron oxide solution and the titanium dioxide solution are mixed with 1:1 to 1:5, 1:1 to 1:4, 1:2 to 1:5, or 1:4. to 1:5 in a volume ratio.

상기 광촉매 활성 및 자성을 갖는 실리카 형성용 용액에 포함되는 상기 산화철 용액과 상기 이산화티탄 용액의 부피비를 전술한 범위로 조절함으로써, 제조되는 실리카 입자에 광촉매 성능과 자성을 효과적으로 부여할 수 있다.By adjusting the volume ratio of the iron oxide solution and the titanium dioxide solution included in the solution for forming silica having photocatalytic activity and magnetism to the above-described range, photocatalytic performance and magnetism can be effectively imparted to the produced silica particles.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 에멀젼을 형성하는 단계는 유화제를 이용하여 상기 실리카 형성용 용액을 유화시킬 수 있다. 상기 유화제로 당업계에서 사용되는 유화제를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 유화제로 Abil EM 90 유화제를 함유하는 테트라데칸(tetradecane)을 사용할 수 있으나, 상기 유화제의 종류를 한정하는 것은 아니다.According to an exemplary embodiment of the present invention, in the step of forming the emulsion, the solution for forming the silica may be emulsified using an emulsifier. As the emulsifier, an emulsifier used in the art may be used. For example, tetradecane containing Abil EM 90 emulsifier may be used as the emulsifier, but the type of the emulsifier is not limited.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 겔을 형성하는 단계는 85 ℃ 이상 95 ℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 에멀젼을 가열함으로써, 상기 에멀젼을 겔화시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 에멀젼을 가열함으로써, 에멀젼의 외부에 실리카겔(silica gel)로 이루어진 얇은 외막을 형성할 수 있다. 상기 에멀젼을 가열하는 온도를 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 에멀젼을 보다 용이하게 겔화시킬 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the step of forming the gel may be performed at a temperature of 85 ℃ or more and 95 ℃ or less. By heating the emulsion, the emulsion can be gelled. Specifically, by heating the emulsion, it is possible to form a thin outer film made of silica gel on the outside of the emulsion. By adjusting the temperature at which the emulsion is heated to the above-mentioned range, the emulsion can be more easily gelled.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 열처리하는 단계는 450 ℃ 이상 550 ℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 겔을 열처리함으로써, 실리카 입자를 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 열처리 단계는 상기 겔을 하소(calcination)할 수 있으며, 이에 따라 상기 겔로부터 잔류하는 수분이나 유기물이 증발 또는 제거되고 실리카 입자가 제조될 수 있다. 또한, 하소를 통해 산화철 입자는 실리카 겔에 더욱 강하게 결속되어 하소 전에 비하여 두 성분의 물리적 결합 강도는 더욱 견고해질 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed at a temperature of 450° C. or higher and 550° C. or lower. By heat-treating the gel, silica particles can be produced. Specifically, in the heat treatment step, the gel may be calcined, whereby moisture or organic matter remaining from the gel may be evaporated or removed, and silica particles may be manufactured. In addition, the iron oxide particles are more strongly bound to the silica gel through calcination, so that the physical bonding strength of the two components can be stronger than before calcination.

상기 열처리하는 단계는 5 시간 내지 20 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 열처리하는 단계의 공정 시간이 전술한 범위 내인 경우, 상기 겔로부터 상기 실리카 입자를 충분히 형성할 수 있으며, 제조 시간을 단축시킬 수 있다.The heat treatment may be performed for 5 to 20 hours. When the process time of the heat treatment is within the above range, the silica particles may be sufficiently formed from the gel, and the manufacturing time may be shortened.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 겔을 형성하는 단계와 상기 열처리하는 단계는 연속적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 에멀젼을 가열하여 상기 겔을 형성하고, 이후 계속하여 상기 겔을 열처리할 수 있다. 상기 겔을 형성하는 단계와 상기 열처리 단계를 연속적으로 수행함으로써, 상기 실리카 입자의 제조 시간 및 공정 난이도를 줄일 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the forming of the gel and the heat treatment may be performed continuously. For example, the emulsion may be heated to form the gel, and then the gel may be continuously heat treated. By successively performing the step of forming the gel and the heat treatment step, it is possible to reduce the manufacturing time and process difficulty of the silica particles.

본 발명의 일 실시상태에 따르면, 제조된 상기 실리카 입자는 구형의 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 실리카 입자는 다공질일 수 있다. 구체적으로, 상기 실리카 입자는 다공질 표면을 가질 수 있다. 구형의 형태와 다공질 표면을 가지는 실리카 입자는 수처리 시에, 흡착재의 기능 광촉매 기능을 수행하는 것이 용이할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the prepared silica particles may have a spherical shape. In addition, the silica particles may be porous. Specifically, the silica particles may have a porous surface. Silica particles having a spherical shape and a porous surface may easily perform a photocatalytic function of an adsorbent during water treatment.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 기술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be given to describe the present invention in detail. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not to be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art.

실리카 입자의 제조Preparation of silica particles

실시예 1Example 1

실리카 전구체인 소듐 실리케이트(물유리, Na2O(SiO2)xxH2O %)는 삼전화학 社로부터 구입하였다. 탈이온수(18.2MΩcm-1)는 증류수 시스템(Millipore)을 이용하여 제조하였다.Sodium silicate (water glass, Na 2 O(SiO 2 ) x xH2O%) as a silica precursor was purchased from Samchun Chemical. Deionized water (18.2MΩcm -1 ) was prepared using a distilled water system (Millipore).

소듐 실리케이트와 탈이온수를 1:2의 부피비로 혼합하고, 혼합물을 Sigma-Aldrich 社로부터 구입한 이온교환수지(amberlite IR 120, hydrogen form)에 통과시켜 규산 용액을 수득하였다. 이후, 규산 용액과 탈이온수를 3:4의 부피비로 혼합하여 규산 수용액을 제조하였다.Sodium silicate and deionized water were mixed in a volume ratio of 1:2, and the mixture was passed through an ion exchange resin (amberlite IR 120, hydrogen form) purchased from Sigma-Aldrich to obtain a silicic acid solution. Thereafter, an aqueous solution of silicic acid was prepared by mixing the silicic acid solution and deionized water in a volume ratio of 3:4.

이후, 제조된 규산 수용액과 US Research Nanomaterials 社로부터 구입한 산화철 용액(고형분 20%)을 10:1의 부피비로 혼합하여, 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하였다. 기계적 균질기를 사용하여 Abil EM 90 유화제(Cosnet)를 함유하는 테트라데칸(tetradecane, Beyond Industries Limited)으로 실리카 형성용 용액을 유화시켜, 에멀젼 액적을 제조하였다.Thereafter, the prepared aqueous solution of silicic acid and an iron oxide solution (solid content 20%) purchased from US Research Nanomaterials were mixed in a volume ratio of 10:1 to prepare a solution for forming magnetic silica. Emulsion droplets were prepared by emulsifying the solution for silica formation with tetradecane (Beyond Industries Limited) containing Abil EM 90 emulsifier (Cosnet) using a mechanical homogenizer.

이후, 중합체 주형의 사용 없이 복잡 유체(complex fluid) 시스템 내에서, 제조된 에멀젼 액적을 90 ℃의 온도로 1.5 시간 동안 가열하여 겔을 형성하였다. 이후, 500 ℃의 온도로 5 시간 동안 겔을 하소시켜, 실리카 입자를 제조하였다.Thereafter, in a complex fluid system without the use of a polymer mold, the prepared emulsion droplets were heated at a temperature of 90° C. for 1.5 hours to form a gel. Thereafter, the gel was calcined at a temperature of 500° C. for 5 hours to prepare silica particles.

실시예 2Example 2

상기 실시예 1에서, 규산 수용액과 산화철 용액의 부피비를 5:1로 조절한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 입자를 제조하였다.In Example 1, silica particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that the volume ratio of the silicic acid aqueous solution and the iron oxide solution was adjusted to 5:1.

실시예 3Example 3

상기 실시예 1에서, 규산 수용액과 산화철 용액의 부피비를 3:1로 조절한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 입자를 제조하였다.In Example 1, silica particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that the volume ratio of the silicic acid aqueous solution and the iron oxide solution was adjusted to 3:1.

실시예 4Example 4

상기 실시예 1에서, 규산 수용액과 산화철 용액의 부피비를 2:1로 조절한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 입자를 제조하였다.In Example 1, silica particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that the volume ratio of the silicic acid aqueous solution and the iron oxide solution was adjusted to 2:1.

실시예 5Example 5

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 규산 수용액을 제조하였고, 상기 실시예 1에서 사용한 산화철 용액과 동일한 것을 준비하였다. 또한, Nanostructured and Amorphous Materials 社로부터 구입한 이산화티탄 용액(고형분 15%)을 준비하였다.A silicic acid aqueous solution was prepared in the same manner as in Example 1, and the same iron oxide solution used in Example 1 was prepared. In addition, a titanium dioxide solution (15% solid content) purchased from Nanostructured and Amorphous Materials was prepared.

규산 수용액, 이산화티탄 용액 및 산화철 용액을 3:0.5:2의 부피비로 혼합하여 실리카 형성용 용액을 제조하였다. 이후, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 실리카 형성용 용액으로부터 실리카 입자를 제조하였다.A solution for forming silica was prepared by mixing an aqueous silicic acid solution, a titanium dioxide solution, and an iron oxide solution in a volume ratio of 3:0.5:2. Then, in the same manner as in Example 1, silica particles were prepared from the solution for forming silica.

실시예 6Example 6

상기 실시예 5에서, 규산 수용액, 이산화티탄 용액 및 산화철 용액의 부피비를 3:2:2로 조절한 것을 제외하고, 상기 실시예 5와 동일한 방법으로 실리카 입자를 제조하였다.In Example 5, silica particles were prepared in the same manner as in Example 5, except that the volume ratio of the aqueous silicic acid solution, the titanium dioxide solution, and the iron oxide solution was adjusted to 3:2:2.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1에서, 규산 수용액과 산화철 용액의 부피비를 3:4로 조절한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실리카 입자를 제조하였다.In Example 1, silica particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that the volume ratio of the silicic acid aqueous solution and the iron oxide solution was adjusted to 3:4.

실리카 입자의 물성 평가Evaluation of the physical properties of silica particles

실리카 입자의 형태 및 입경 분포 분석Analysis of the shape and particle size distribution of silica particles

주사전자현미경(FE-SEM, Hitachi-S4700)을 이용하여, 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1에서 제조된 실리카 입자를 촬영하였고, 촬영된 주사전자현미경 이미지를 이용하여 실리카 입자의 입경 분포를 계산하였다.The silica particles prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were photographed using a scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi-S4700), and particle size distribution of the silica particles using the photographed scanning electron microscope image. was calculated.

실리카 입자의 성분 분석Component Analysis of Silica Particles

에너지분산형 X선분광기(EDS; Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 및 Nicolet FT-IR 분광계(Thermo Fisher Scientific co. Ltd)를 이용하여, 실시예 2에서 제조된 실리카 입자의 조성을 확인하였다.Using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS; Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) and a Nicolet FT-IR spectrometer (Thermo Fisher Scientific co. Ltd), the composition of the silica particles prepared in Example 2 was confirmed.

또한, X선 회절 장치(XRD Ultima IV, Rigaku 社)를 이용하여, 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 실리카 입자의 XRD 분석을 수행하였다.In addition, XRD analysis of the silica particles prepared in Examples 1 and 2 was performed using an X-ray diffraction apparatus (XRD Ultima IV, Rigaku Co.).

도 2a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 3a는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 5a는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 6a는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 7은 비교예 1에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 8a는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이고, 도 9a는 본 발명의 실시예 6에 따라 제조된 실리카 입자를 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 촬영한 사진이다.Figure 2a is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 1 of the present invention, Figure 3a is a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 2 of the present invention ) is a photograph taken through, Figure 5a is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 3 of the present invention, Figure 6a is a photograph prepared according to Example 4 of the present invention It is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of silica particles, Figure 7 is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Comparative Example 1, Figure 8a is an embodiment of the present invention 5 is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM), FIG. 9a is a photograph taken through a scanning electron microscope (SEM) of the silica particles prepared according to Example 6 of the present invention.

도 2a, 도 3a, 도 5a, 도 6a, 도 8a, 및 도 9a를 참조하면, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 6에서 제조된 실리카 입자는 전체적으로 구형의 형태를 가지며, 다공질의 표면을 가지는 것을 확인하였다.Referring to FIGS. 2A, 3A, 5A, 6A, 8A, and 9A, the silica particles prepared in Examples 1 to 6 of the present invention have an overall spherical shape, and have a porous surface. confirmed that.

반면, 도 7을 참조하면, 규산 수용액과 산화철 용액의 부피비를 3:4로 조절한 비교예 1에서 제조한 실리카 입자는 구형의 형태를 유지하지 못하는 것을 확인하였다. 산화철의 함량이 과도하게 많아지는 경우, 입자의 형상이 구체로부터 많이 벗어남이 확인되었다.On the other hand, referring to FIG. 7 , it was confirmed that the silica particles prepared in Comparative Example 1 in which the volume ratio of the aqueous silicic acid solution and the iron oxide solution were adjusted to 3:4 did not maintain a spherical shape. When the content of iron oxide is excessively increased, it was confirmed that the shape of the particles deviated much from the sphere.

도 2b는 실시예 1에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이고, 도 3b는 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 실시예 3에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이고, 도 6b는 실시예 4에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이고, 도 8b는 실시예 5에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이고, 도 9b는 실시예 6에 따라 제조된 실리카 입자의 입경 분포를 나타낸 그래프이다.Figure 2b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 1, Figure 3b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 2, Figure 5b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 3 It is a graph showing the particle size distribution of silica particles, Figure 6b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 4, Figure 8b is a graph showing the particle size distribution of the silica particles prepared according to Example 5, 9B is a graph showing the particle size distribution of silica particles prepared according to Example 6.

도 2b, 도 3b, 도 5b, 도 6b, 도 8b, 및 도 9b를 참조하면, 실리카 형성용 용액에 포함되는 규산 수용액, 산화철 용액 및 이산화티탄 간의 상대적인 부피비를 조절함으로써, 제조되는 실리카 입자의 입경 분포를 다양하게 제어할 수 있음을 확인하였다.2b, 3b, 5b, 6b, 8b, and 9b, by adjusting the relative volume ratio between the silicic acid aqueous solution, iron oxide solution, and titanium dioxide contained in the silica-forming solution, the particle diameter of the silica particles produced It was confirmed that the distribution can be controlled in various ways.

도 3c는 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자의 EDS 결과 데이터를 나타낸 것이고, 도 3d는 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자의 FT-IR Spectrum을 나타낸 것이다. 또한, 도 4는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 실리카 입자의 XRD 데이터를 나타낸 것이다.Figure 3c shows the EDS result data of the silica particles prepared according to Example 2, Figure 3d shows the FT-IR spectrum of the silica particles prepared according to Example 2. In addition, Figure 4 shows the XRD data of the silica particles prepared in Examples 1 and 2 of the present invention.

도 3c를 참조하면, 실시예 2에서 제조된 실리카 입자는 실리카와 산화철의 성분을 포함하는 것을 확인하였다. 이때, EDS 데이터에서 나타난 탄소 성분은 샘플 고정을 위하여 사용한 carbon tape에서 유래된 것으로 생각된다.Referring to FIG. 3c , it was confirmed that the silica particles prepared in Example 2 contained silica and iron oxide components. At this time, the carbon component shown in the EDS data is thought to be derived from the carbon tape used for fixing the sample.

도 3d를 참조하면, 실시예 2에서 제조된 실리카 입자의 FT-IR 스펙트럼은 순수한 실리카의 FT-IR 스펙트럼 대비하여, 산화철에서 유래된 것으로 보이는 흡수 피크가 관찰되었다.Referring to FIG. 3D , in the FT-IR spectrum of the silica particles prepared in Example 2, an absorption peak that appears to be derived from iron oxide was observed compared to the FT-IR spectrum of pure silica.

한편, 도 4를 참조하면, 규산 수용액과 산화철 용액의 부피비가 10:1인 실시예 1 대비, 규산 수용액과 산화철 용액의 부피비가 5:1인 실시예 2에서 회절 피크가 강해진 것을 확인하였다. 즉, 실리카 입자에 포함되는 산화철의 함량이 늘어날수록 회절 피크가 강해지는 것을 알 수 있으며, 이는 실리카는 비정질 물질이고, 산화철은 결정상 물질인 것에 의한 것으로 보인다.On the other hand, referring to FIG. 4 , it was confirmed that the diffraction peak was strengthened in Example 2, in which the volume ratio of the aqueous silicic acid solution and the iron oxide solution was 5:1, compared to Example 1 in which the volume ratio of the aqueous silicic acid solution and the iron oxide solution was 10:1. That is, it can be seen that as the content of iron oxide contained in the silica particles increases, the diffraction peak becomes stronger, which seems to be due to the fact that silica is an amorphous material and iron oxide is a crystalline material.

실리카 입자의 수처리 성능 평가Water treatment performance evaluation of silica particles

흡착재 성능 평가Adsorbent performance evaluation

실시예 1 내지 실시예 4에서 제조된 실리카 입자의 흡착 성능 평가를 하기와 같이 진행하였다.The adsorption performance evaluation of the silica particles prepared in Examples 1 to 4 was performed as follows.

제거 대상인 메틸렌블루가 포함된 처리 대상 용액에 실리카 입자를 0.001 g/ml의 농도로 투입하고, 초기의 메틸렌블루의 농도 대비하여 흡착 시간 경과에 따른 메틸렌블루의 농도 감소를 비교하였다. 메틸렌블루의 농도는 자외선-가시광선 흡광 스펙트럼 장비(OPTIZEN, POP)를 통해 측정하였으며, 메틸렌블루의 초기 농도(C 0 ) 대비 흡착 시간에 따른 농도(C)의 비율인 C/C 0 의 값으로 그래프에 나타내었다.Silica particles were added at a concentration of 0.001 g/ml to the treatment solution containing methylene blue, which is the target to be removed, and the decrease in the concentration of methylene blue with the lapse of adsorption time was compared with the initial concentration of methylene blue. The concentration of methylene blue was measured through ultraviolet-visible absorption spectrum equipment (OPTIZEN, POP), and the value of C/C 0 , which is the ratio of the concentration ( C ) according to the adsorption time to the initial concentration ( C 0 ) of methylene blue. shown in the graph.

도 10a는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 실리카 입자의 흡착 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이고, 도 10b는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 실리카 입자의 흡착 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이고, 도 10c는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 실리카 입자의 흡착 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이고, 도 10d는 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 실리카 입자의 흡착 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이다.Figure 10a is a graph showing the concentration of methylene blue according to the adsorption time of the silica particles prepared according to Example 1 of the present invention, Figure 10b is methylene according to the adsorption time of the silica particles prepared according to Example 2 of the present invention It is a graph showing the concentration of blue, Figure 10c is a graph showing the concentration of methylene blue according to the adsorption time of the silica particles prepared according to Example 3 of the present invention, Figure 10d is a graph prepared according to Example 4 of the present invention It is a graph showing the concentration of methylene blue according to the adsorption time of silica particles.

구체적으로, 도 10a 및 도 10b에는 각각 메틸렌블루의 초기 농도가 0.00001 g/ml인 경우와 메틸렌블루의 초기 농도가 0.000005 g/ml인 경우에, 실시예 1과 실시예 2에서 제조된 실리카 입자의 흡착 성능을 나타내었다. Specifically, in FIGS. 10a and 10b, respectively, when the initial concentration of methylene blue is 0.00001 g/ml and when the initial concentration of methylene blue is 0.000005 g/ml, the silica particles prepared in Examples 1 and 2 are shown in FIGS. Adsorption performance was shown.

도 10c에는 메틸렌블루의 초기 농도가 0.00001 g/ml인 경우, 메틸렌블루의 초기 농도가 0.000005 g/ml인 경우, 메틸렌블루의 초기 농도가 0.0000025 g/ml인 경우에, 실시예 3에서 제조된 실리카 입자의 흡착 성능을 나타내었다.In FIG. 10c, when the initial concentration of methylene blue is 0.00001 g/ml, when the initial concentration of methylene blue is 0.000005 g/ml, when the initial concentration of methylene blue is 0.0000025 g/ml, the silica prepared in Example 3 The adsorption performance of the particles was shown.

도 10c에는 메틸렌블루의 초기 농도가 0.000005 g/ml인 경우에, 실시예 4에서 제조된 실리카 입자의 흡착 성능을 나타내었다.10c shows the adsorption performance of the silica particles prepared in Example 4 when the initial concentration of methylene blue is 0.000005 g/ml.

도 10a 내지 도 10d를 참고하면, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 4에서 제조된 실리카 입자는 메틸렌블루에 대한 흡착 성능이 우수한 것을 확인하였다. 특히, 규산 수용액과 산화철 용액의 부피비가 10:1인 실시예 1과 규산 수용액과 산화철 용액의 부피비가 5:1인 실시예 2에서 제조된 실리카 입자의 흡착 성능은 탁월한 것을 확인하였다.Referring to FIGS. 10A to 10D , it was confirmed that the silica particles prepared in Examples 1 to 4 of the present invention had excellent adsorption performance for methylene blue. In particular, it was confirmed that the silica particles prepared in Example 1 in which the volume ratio of the aqueous silicic acid solution and the iron oxide solution were 10:1 and the silica particles prepared in Example 2 in which the volume ratio of the aqueous silicic acid solution and the iron oxide solution was 5:1 were excellent.

본 발명에서 제조한 산화철을 포함하는 실리카 분말은 중성 pH 조건에서 표면 전하가 음의 값을 가지므로, 양이온성 염료인 메틸렌블루 분자와 정전기적으로 결합할 수 있다. 이러한 정전기적 인력을 통해 실리카 분말을 흡착제로 활용하여 수중에 용해된 메틸렌블루 염료의 흡착 및 제거가 가능하다.Since the silica powder containing iron oxide prepared in the present invention has a negative surface charge under neutral pH conditions, it can be electrostatically bound to methylene blue molecules, which are cationic dyes. Through this electrostatic attraction, it is possible to adsorb and remove the methylene blue dye dissolved in water by using silica powder as an adsorbent.

광촉매 성능 평가Photocatalyst Performance Evaluation

실시예 5에서 제조된 실리카 입자의 광촉매 성능 평가를 하기와 같이 진행하였다.The photocatalytic performance evaluation of the silica particles prepared in Example 5 was performed as follows.

제거 대상인 메틸렌블루가 포함된 처리 대상 용액에 실리카 입자를 0.0001 g/ml의 농도로 투입하고, 초기의 메틸렌블루의 농도 대비하여 자외선 조사 시간 경과에 따른 메틸렌블루의 농도를 비교하였다. 광촉매 분해를 위하여 30분간 암실에서 시료를 교반한 후, 자외선 램프를 통해 자외선을 조사하면서 자외선 조사 시간에 따른 메틸렌블루의 농도 변화를 측정하였다. Silica particles were added at a concentration of 0.0001 g/ml to a solution to be treated containing methylene blue to be removed, and the concentration of methylene blue over time of UV irradiation was compared with the initial concentration of methylene blue. After stirring the sample in a dark room for 30 minutes for photocatalytic decomposition, the change in the concentration of methylene blue according to the UV irradiation time was measured while irradiating UV light through an UV lamp.

본 발명에서 제조된 이산화티탄이 포함된 실리카 분말에는 광촉매 특성을 갖는 이산화티탄 성분이 혼합되어 있다. 따라서, 자외선을 조사할 경우 이산화티탄으로부터 활성 라디칼이 형성되어 수중에 용해된 메틸렌블루와 같은 유기물을 분해할 수 있다. 이러한 광촉매적 분해 과정은 실리카 표면에 염료의 흡착 과정과 동시에 발생하므로, 염료의 제거가 용이하게 된다. 또한, 흡착제를 활용하는 경우에 비하여 실리카 분말의 투입 농도가 낮아져도 유기 염료의 제거가 가능해진다는 장점을 기대할 수 있다.In the silica powder containing titanium dioxide prepared in the present invention, a titanium dioxide component having photocatalytic properties is mixed. Therefore, when irradiated with ultraviolet rays, active radicals are formed from titanium dioxide, and organic substances such as methylene blue dissolved in water can be decomposed. Since the photocatalytic decomposition process occurs simultaneously with the adsorption process of the dye on the silica surface, the dye removal is facilitated. In addition, it can be expected that the organic dye can be removed even when the concentration of the silica powder is lowered compared to the case of using the adsorbent.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 실리카 입자의 UV 조사 시간에 따른 메틸렌블루의 농도를 나타낸 그래프이다. 도 11b는 도 11a의 데이터를 semi-log plot으로 변환한 것이며, 그 기울기를 통해 메틸렌블루 분해 반응의 속도 상수를 추정할 수 있다. 11a and 11b are graphs showing the concentration of methylene blue according to the UV irradiation time of the silica particles prepared according to Example 5 of the present invention. 11B is a semi-log plot of the data of FIG. 11A, and the rate constant of the methylene blue decomposition reaction can be estimated through the slope.

도 11b의 측정값들이 직선을 통해 회귀됨을 확인하였으므로, 본 발명에서 제조된 이산화티탄과 산화철을 포함하는 실리카 입자의 광촉매 특성은 일차 반응으로 해석될 수 있음을 알 수 있다. Since it was confirmed that the measured values of FIG. 11b are regressed through a straight line, it can be seen that the photocatalytic properties of the silica particles including titanium dioxide and iron oxide prepared in the present invention can be interpreted as a first-order reaction.

하기 표 1은 초기에 수중에 용해된 메틸렌블루의 농도에 따른 도 11b로부터 도출된 메틸렌블루의 분해 반응의 속도 상수를 정리한 것이다. 초기에 메틸렌블루의 농도가 낮을수록 속도 상수가 증가하여 분해 속도가 더 빨라짐을 알 수 있다.Table 1 below summarizes the rate constants of the decomposition reaction of methylene blue derived from FIG. 11b according to the concentration of methylene blue initially dissolved in water. It can be seen that the lower the concentration of methylene blue initially, the faster the rate of decomposition is due to the increase of the rate constant.

메틸렌블루의 초기 농도Initial concentration of methylene blue 0.000005 g/ml0.000005 g/ml 0.00001 g/ml0.00001 g/ml 0.00002 g/ml0.00002 g/ml 메틸렌블루 분해 반응의 속도 상수Rate constant of methylene blue decomposition reaction 0.0157 min-1 0.0157 min -1 0.031 min-1 0.031 min -1 0.0049 min-1 0.0049 min -1

도 11a 및 도 11b를 참고하면, 본 발명의 실시예 5에서 제조된 실리카 입자는 우수한 광촉매 성능을 보유하고 있음을 확인하였다.11A and 11B , it was confirmed that the silica particles prepared in Example 5 of the present invention had excellent photocatalytic performance.

실리카 입자의 회수recovery of silica particles

전술한 광촉매 성능 평가를 완료한 실시예 5의 실리카 입자를 자석을 이용하여 회수하였다.The silica particles of Example 5, which completed the above-described photocatalytic performance evaluation, were recovered using a magnet.

도 12는 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 실리카 입자를 광촉매 성능 평가 완료 후에 자석을 이용하여 회수한 것을 촬영한 사진이다. 도 12를 참고하면, 둥근 형상의 자석을 수처리 용액이 포함된 비커 하단의 외부에 고정하는 경우, 자석의 형상대로 비커 바닥에 실리카 입자들이 포집된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실리카 입자는 자성을 보유하여, 수처리 완료 후에 자석을 통해 용이하게 회수할 수 있음을 확인하였다.12 is a photograph taken after the silica particles prepared according to Example 5 of the present invention were recovered using a magnet after the photocatalytic performance evaluation was completed. Referring to FIG. 12 , when the round magnet is fixed to the outside of the bottom of the beaker containing the water treatment solution, it can be seen that the silica particles are collected at the bottom of the beaker according to the shape of the magnet. Therefore, it was confirmed that the silica particles of the present invention possess magnetism and can be easily recovered through a magnet after water treatment is completed.

이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하고 설명하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 전술한 바와 같이 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있으며, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The above detailed description illustrates and describes the present invention. In addition, the foregoing is merely to indicate and describe preferred embodiments of the present invention, and as described above, the present invention can be used in various other combinations, modifications and environments, the scope of the concepts of the invention disclosed herein, and the writing Changes or modifications are possible within the scope equivalent to one disclosure and/or within the skill or knowledge in the art. Accordingly, the detailed description of the present invention is not intended to limit the present invention to the disclosed embodiments. In addition, the appended claims should be construed to include other embodiments as well.

Claims (9)

규산 수용액과 산화철 용액을 1:1 내지 10:1의 부피비로 혼합하여, 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하는 단계;
상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 유화시켜 에멀젼을 형성하는 단계;
상기 에멀젼을 가열하여 겔(gel)을 형성하는 단계; 및
상기 겔을 열처리하여, 산화철을 함유하는 실리카 입자를 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 실리카 입자는 구형의 형태와 다공질의 표면을 가지고, 상기 산화철의 나노입자가 분산되어 함유되는 것인 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법.
mixing an aqueous silicic acid solution and an iron oxide solution in a volume ratio of 1:1 to 10:1 to prepare a solution for forming magnetic silica;
forming an emulsion by emulsifying the solution for forming silica having the magnetic properties;
heating the emulsion to form a gel; and
Including; by heat-treating the gel to form silica particles containing iron oxide;
The silica particles have a spherical shape and a porous surface, and the method for producing a silica particle having magnetism in which the iron oxide nanoparticles are dispersed.
제1항에 있어서,
실리카 전구체 용액으로부터 규산 용액을 제조하고, 상기 규산 용액에 물을 혼합하여 상기 규산 수용액을 제조하는 단계;를 더 포함하는 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법.
According to claim 1,
Preparing a silicic acid solution from a silica precursor solution, and mixing the silicic acid solution with water to prepare the silicic acid aqueous solution; Method for producing silica particles having magnetism further comprising.
제2항에 있어서,
상기 규산 수용액을 제조하는 단계는,
상기 규산 용액과 상기 물을 1:1 내지 1:10의 부피비로 혼합하는 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법.
3. The method of claim 2,
The step of preparing the aqueous solution of silicic acid,
A method for producing silica particles having magnetism by mixing the silicic acid solution and the water in a volume ratio of 1:1 to 1:10.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액을 제조하는 단계는,
상기 규산 수용액 및 상기 산화철 용액의 혼합물에 추가적으로 이산화티탄 용액을 혼합하는 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The step of preparing a solution for forming silica having the magnetic properties,
A method for producing silica particles having magnetism by additionally mixing a titanium dioxide solution with the mixture of the silicic acid aqueous solution and the iron oxide solution.
제5항에 있어서,
상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액은,
상기 규산 수용액과 상기 이산화티탄 용액의 부피비가 1:1 내지 3:1인 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The solution for forming silica having the magnetic properties,
A method for producing silica particles having magnetism in which the volume ratio of the aqueous solution of silicic acid to the titanium dioxide solution is 1:1 to 3:1.
제5항에 있어서,
상기 자성을 갖는 실리카 형성용 용액은,
상기 산화철 용액과 상기 이산화티탄 용액의 부피비가 1:1 내지 1:5인 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The solution for forming silica having the magnetic properties,
A method for producing silica particles having magnetism in which the volume ratio of the iron oxide solution and the titanium dioxide solution is 1:1 to 1:5.
제1항에 있어서,
상기 겔을 형성하는 단계는 85 ℃ 이상 95 ℃ 이하의 온도에서 수행되는 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The step of forming the gel is a method for producing silica particles having magnetism that is performed at a temperature of 85 ℃ or more and 95 ℃ or less.
제1항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는 450 ℃ 이상 550 ℃ 이하의 온도에서 수행되는 자성을 보유하는 실리카 입자의 제조방법.
According to claim 1,
The heat treatment step is a method for producing silica particles having magnetism is carried out at a temperature of 450 ℃ or more and 550 ℃ or less.
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