KR102316276B1 - Hierarchical chelate complex and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수중 또는 대기 중에 존재하는 음이온성 오염물질 및 양이온성 오염물질에 대한 흡착성능이 우수한 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a chelate complex having a multi-stage pore structure and a method for preparing the same, and more particularly, to a chelate complex having a multi-stage pore structure having excellent adsorption performance for anionic and cationic contaminants present in water or air. and to a manufacturing method thereof.
섬유, 식품, 제철 및 석유화학, 전자 및 반도체산업 등의 산업의 발달과 더불어 늘어나는 산업폐수, 생활폐수 및 가축폐수 등의 원인으로 수질오염원의 배출량은 증가추세에 있다. 대부분의 수질오염원들은 환경에 부정적인 영향을 주는 다양한 중금속 등 양이온과 인 및 질소화합물 등의 음이온이 함유되어 있기 때문에, 수질 오염원에서 오염물질이 제거되어야 한다. 이를 위해 흡착제 관련 연구가 많이 진행되고 있다. With the development of industries such as textile, food, steel and petrochemical, electronics and semiconductor industries, the emission of water pollutants is on the rise due to the increasing number of industrial wastewater, domestic wastewater and livestock wastewater. Since most water pollutants contain cations such as various heavy metals that negatively affect the environment and anions such as phosphorus and nitrogen compounds, pollutants must be removed from water pollutants. For this purpose, many studies related to adsorbents are being conducted.
현재 광범위하게 사용되는 소재로는 미국등록특허 US 5,403,492호 및 US 제 5,378,802호에 제시되어 있는 바와 같은 고분자수지 흡착제가 있지만, 작은 비표면적과 낮은 흡착성능을 보이는 문제 그리고 대부분 고기능성 수지는 분말이므로 시설비 및 관리비용이 증가하는 문제가 있다. Currently, widely used materials include polymer resin adsorbents as presented in US Patent Nos. 5,403,492 and 5,378,802, but they have a small specific surface area and low adsorption performance, and most high-functional resins are powders, so facility costs And there is a problem that the management cost increases.
다른 흡착제 기술로, 실리카 계열 담체에 균주를 포집하여 중금속 흡착 기술(한국공개특허 제2015-003453호 참조)이 제시된 바 있으나, 이는 안정적으로 살아있는 균주를 운전할 수 있는 기술과 높은 운전비용이 요구된다. 그러므로, 저렴한 운전비용으로 효율적 포집을 도모할 수 있는 다양한 흡착제 기술이 요구되고 있다.As another adsorbent technology, heavy metal adsorption technology (refer to Korean Patent Application Laid-Open No. 2015-003453) by collecting strains on a silica-based carrier has been proposed, but this requires a technology capable of stably operating a living strain and high operating cost. Therefore, various adsorbent technologies that can achieve efficient collection at low operating cost are required.
한편, 흡착제뿐만 아니라, 제약, 센서, 커패시터, 촉매 등 다양한 소재 분야에서는 외부와 접촉면적을 높여 보다 소재의 표면 기능성에 따른 효율 증대 목적으로 소재의 크기를 최대 나노미터 스케일로 줄이거나 다공성 구조체를 만드는 것은 계속 증가하는 관심의 대상이다. 다양한 다공성 나노 소재들은 상기 언급된 분야에서 수많은 과학 간행물 및 특허출원의 주제였다. 일 예로, 금속 나노입자를 이용한 고분자 나노입자(한국공개특허 제2013-0112208호 참조), 오르가노실란 유형 소재를 이용한 다공성 제올라이트 합성 방법 (한국공개특허 제2016-0005054호 참조) 등이 특허출원된 바 있다. On the other hand, in various material fields such as pharmaceuticals, sensors, capacitors, and catalysts, as well as adsorbents, it is possible to reduce the size of the material to the maximum nanometer scale or create a porous structure for the purpose of increasing the efficiency according to the surface functionality of the material by increasing the contact area with the outside. is a subject of ever-increasing interest. Various porous nanomaterials have been the subject of numerous scientific publications and patent applications in the aforementioned fields. For example, polymer nanoparticles using metal nanoparticles (refer to Korean Patent Application Laid-Open No. 2013-0112208), a method for synthesizing porous zeolite using an organosilane type material (refer to Korean Patent Application Laid-Open No. 2016-0005054), etc. have been patented. there is a bar
흡착제 분야에서 활발히 개발되고 있는 나노미터크기의 다양한 소재들은 상대적으로 큰 비표면적을 지녀 외부와 접촉 면적이 넓다. 그러므로 기능성 측면에서 뛰어난 성능을 자랑하지만, 실제 사용 시 낮은 밀도와 작은 크기 때문에 유체 유동으로 인해 쉽게 날려 핸들링이 어렵다는 점과 사용 후 분리 및 회수가 어려워 2차 환경 오염물질로 작용해 다양한 동식물에 해를 줄 수 있는 문제점이 있다.Various nanometer-sized materials, which are being actively developed in the field of adsorbents, have relatively large specific surface areas and thus have a large contact area with the outside. Therefore, it boasts excellent performance in terms of functionality, but in actual use, it is easily blown away due to fluid flow due to its low density and small size, making it difficult to handle, and it is difficult to separate and recover after use, so it acts as a secondary environmental pollutant, causing harm to various animals and plants. There are problems that can be given.
이러한 이유로 흡착 소재 분야에서는 막(membrane)을 이용해 입자를 패킹 (packing)하여 유체를 흘리는 방식을 이용하는데, 적용된 막 뿐만 아니라 작은 흡착제 크기는 공극률을 최소화하여 유체 유입시 압력 강하가 커져 공정효율이 저하되는 요인으로 잘 알려져 있고, 유체 유입이 불필요한 경우에도 낮은 공극률로 인해 입자 표면의 외부 노출이 줄어들기 때문에 벌크 소재 특성과 비슷해져 흡착성능이 저하된다. For this reason, in the field of adsorption materials, a method of packing particles using a membrane to flow a fluid is used. The applied membrane as well as a small adsorbent size minimizes the porosity, which increases the pressure drop when the fluid is introduced, thereby lowering the process efficiency. It is well known as a factor causing
낮은 공극률 문제를 해결하기 위한 방안으로 흡착제를 다공성 구조로 변환시키는 것을 고려할 수 있다. 다공성 구조를 구현할 수 있는 기술로, 포로겐(porogen)을 이용하여 다공성 구조체를 제조방법(한국공개특허 제2003-0082479호 참조)이 있는데 이 기술은 포로겐의 방출에 따른 다공성 구조 형성 메커니즘에 따라 용이하게 기공의 크기를 조절할 수 있는 기술이다. 하지만 포로겐의 방출은 도입된 기능성 입자를 통과하는 방식이 아니기 때문에 분산되어 있는 입자 표면은 구조체에 의해 둘러싸여 있어 외부로 노출 가능성이 낮다. 또 다른 기술로, 다공성 플라스틱 중합 기술(한국공개특허 제2007-0114120호 참조)의 경우 플라스틱 내부에 입자 표면의 대부분이 구조체에 의해 둘러싸인 구조가 예상되며 플라스틱 중합 조건에 따른 적용 가능한 입자 종류가 제한되기 때문에 흡착제로써 적합성이 떨어진다. 또한, 알긴산을 이용한 하이드로겔 입자 고정기술(한국등록특허 제1506094호)은 입자 외부에 알긴산 막(membrane)을 형성하여 코어/쉘 구조의 복합체를 형성하는 방법에 관한 것으로 복합체 안쪽까지 피 흡착물의 이동을 방해하기 때문에 흡착 속도 저하 및 흡착 성능 저하의 단점이 있다.As a way to solve the problem of low porosity, it may be considered to convert the adsorbent into a porous structure. As a technology that can implement a porous structure, there is a method for manufacturing a porous structure using a porogen (refer to Korean Patent Application Laid-Open No. 2003-0082479). It is a technology that can easily control the size of pores. However, since the release of the porogen does not pass through the introduced functional particles, the surface of the dispersed particles is surrounded by the structure, so the possibility of exposure to the outside is low. As another technique, in the case of porous plastic polymerization technology (refer to Korean Patent Application Laid-Open No. 2007-0114120), a structure in which most of the particle surface inside the plastic is surrounded by a structure is expected, and the applicable particle types according to the plastic polymerization conditions are limited. Therefore, it is not suitable as an adsorbent. In addition, the hydrogel particle fixation technology using alginic acid (Korea Patent No. 1506094) relates to a method of forming a core/shell structure complex by forming an alginic acid membrane on the outside of the particle, and the movement of the adsorbate to the inside of the complex There are disadvantages of lowering the adsorption rate and lowering the adsorption performance because it interferes with the adsorption.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 수중 또는 대기 중에 존재하는 음이온성 오염물질 및 양이온성 오염물질에 대한 흡착성능이 우수한 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been devised to solve the above problems, and provides a chelate complex having a multi-stage pore structure having excellent adsorption performance for anionic and cationic contaminants present in water or air, and a method for preparing the same. There is a purpose.
상기의 목적을 달성하기 위한 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체는 킬레이트 나노입자의 집합체이며, 킬레이트 나노입자의 집합체에 다단기공구조가 구비되며, 킬레이트 나노입자는 바인더에 의해 서로 연결됨과 함께 다단기공구조를 통해 외부로 노출되며, 킬레이트 나노입자의 표면에 양이온성 오염물질 또는 음이온성 오염물질에 대한 흡착이 가능한 아민기가 구비되는 것을 특징으로 한다. The chelate complex having a multi-stage pore structure for achieving the above object is an aggregate of chelate nanoparticles, and the aggregate of chelate nanoparticles is provided with a multi-stage pore structure, and the chelate nanoparticles are connected to each other by a binder and form a multi-stage pore structure. It is exposed to the outside through the chelate nanoparticles and characterized in that an amine group capable of adsorption to cationic or anionic contaminants is provided on the surface of the chelate nanoparticles.
또한, 본 발명에 따른 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체의 제조방법은 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 제조하는 단계; 폴리아크릴로니트릴 나노입자와 아민화합물의 반응을 통해 폴리아크릴로니트릴 나노입자의 표면에 아민기가 고정화된 킬레이트 나노입자를 제조하는 단계; 및 복수의 킬레이트 나노입자가 바인더에 의해 연결됨과 함께 다단기공구조를 포함하는 킬레이트 복합체를 제조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. In addition, the method for preparing a chelate complex having a multi-stage pore structure according to the present invention comprises the steps of preparing polyacrylonitrile nanoparticles; preparing chelate nanoparticles in which an amine group is immobilized on the surface of polyacrylonitrile nanoparticles through the reaction of polyacrylonitrile nanoparticles with an amine compound; and preparing a chelate complex in which a plurality of chelate nanoparticles are connected by a binder and include a multi-stage pore structure.
폴리아크릴로니트릴 나노입자를 제조하는 단계는, 아크릴로니트릴 단량체, 중합개시제, 계면활성제 및 증류수를 혼합, 교반하여 아크릴로니트릴 단량체의 중합반응을 통해 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 제조하며, 상기 계면활성제는 폴리아크릴로니트릴의 뭉침 현상을 억제하는 양친성 기능기를 구비한 제 1 계면활성제와, 폴리아크릴로니트릴 콜로이드의 표면에너지를 낮추어 안정화시킴과 함께 미셸(micelle)을 형성하려는 특성을 통해 폴리아크릴로니트릴 콜로이드 입자의 수를 증가시켜 균일한 크기의 폴리아크릴로니트릴 나노입자 생성을 유도하는 제 2 계면활성제를 포함한다. In the step of preparing polyacrylonitrile nanoparticles, an acrylonitrile monomer, a polymerization initiator, a surfactant and distilled water are mixed and stirred to prepare polyacrylonitrile nanoparticles through a polymerization reaction of the acrylonitrile monomer, and the interface The active agent is a first surfactant having an amphiphilic functional group that suppresses the aggregation of polyacrylonitrile, and stabilizes the surface energy of the polyacrylonitrile colloid by lowering the polyacrylonitrile colloid. and a second surfactant that increases the number of ronitrile colloidal particles to induce formation of uniformly sized polyacrylonitrile nanoparticles.
상기 제 1 계면활성제는 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE, 4-nonylphenyl 3-sulfopropylether)이며, 상기 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)는 친수성인 폴리아크릴로니트릴 콜로이드와 혼합되면 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)의 친수성 에터기가 폴리아크릴로니트릴과 결합되고 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)의 소수성 기능기는 바깥으로 향하게 되어 폴리아크릴로니트릴의 뭉침 현상을 억제할 수 있다. The first surfactant is 4-nonylphenyl 3-sulfopropylether (KPE), and the 4-nonylphenyl 3-sulfopropylether (KPE) is a hydrophilic polyacrylonitrile colloid When mixed with 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE), the hydrophilic ether group is combined with polyacrylonitrile, and the hydrophobic functional group of 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) faces outward. It is possible to suppress the aggregation phenomenon of acrylonitrile.
상기 제 2 계면활성제는 소듐도데실설페이트(sodium dodecyl sulfate)를 이용할 수 있다. 소듐도데실설페이트의 친수성 기능기는 폴리아크릴로니트릴 콜로이드와 결합하여 폴리아크릴로니트릴 콜로이드의 표면에너지를 낮추어 안정화시키며, 이와 함께 미셸(micelle)을 형성하려는 특성을 통해 폴리아크릴로니트릴 콜로이드 입자의 수를 증가시켜 균일한 크기의 폴리아크릴로니트릴 나노입자 생성을 유도하는 역할을 한다. The second surfactant may be sodium dodecyl sulfate. The hydrophilic functional group of sodium dodecyl sulfate binds to the polyacrylonitrile colloid to lower the surface energy of the polyacrylonitrile colloid to stabilize it. It serves to induce the production of polyacrylonitrile nanoparticles of uniform size by increasing the
중합개시제 중량부 1에 대하여 아크릴로니트릴 단량체 100∼300 중량부, 증류수 500∼1500 중량부, 계면활성제 0.1∼10 중량부가 혼합되며, 제 1 계면활성제와 제 2 계면활성제는 45 : 55 ∼ 55 : 45의 중량비율로 혼합된다. 100 to 300 parts by weight of acrylonitrile monomer, 500 to 1500 parts by weight of distilled water, and 0.1 to 10 parts by weight of a surfactant are mixed with respect to 1 part by weight of the polymerization initiator, and the first surfactant and the second surfactant are 45: 55 to 55: It is mixed in a weight ratio of 45.
킬레이트 나노입자를 제조하는 단계는, 액상의 아민화합물에 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 분산시킨 후 촉매를 투입한 다음 가열하여, 킬레이트 반응을 통해 폴리아크릴로니트릴 나노입자 표면에 아민기가 고정화시켜 킬레이트 나노입자를 제조한다. In the step of preparing the chelate nanoparticles, polyacrylonitrile nanoparticles are dispersed in a liquid amine compound, a catalyst is added, and then heated, and the amine groups are immobilized on the surface of the polyacrylonitrile nanoparticles through a chelate reaction to immobilize the chelate nanoparticles. make the particles.
상기 아민화합물은 알킬기를 갖는 1차 또는 그 이상의 아민화합물이다. The amine compound is a primary or more amine compound having an alkyl group.
상기 아민화합물은 에틸렌디아민(ethylenediamine), 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine), 트리스(2-아미노에틸아민(tris(2-aminoethyl)amine), -1,3-디아민(propane-1,3-diamine), 메테인트리아민(methane triamine), 3-(2-아미노에틸)펜탄-1,5-디아민(3-(2-aminoethyl)pentane-1,5-diamine), 멜라민(melamine), 디아미노푸라잔(diaminofurazan), 디아미노피리딘 (diaminopyridine) 및 디아미노피리미딘(diaminopyrimidine) 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다. The amine compound is ethylenediamine, diethylenetriamine, tris(2-aminoethylamine), -1,3-diamine (propane-1,3-diamine) , methane triamine, 3- (2-aminoethyl) pentane-1,5-diamine (3- (2-aminoethyl) pentane-1,5-diamine), melamine (melamine), diaminofura It may be any one of zan (diaminofurazan), diaminopyridine (diaminopyridine), and diaminopyrimidine (diaminopyrimidine), or a combination thereof.
킬레이트 나노입자 제조과정에서, 폴리아크릴로니트릴 나노입자는 아민화합물 100 중량부에 대비하여 10∼30 중량부가 혼합되며, 촉매는 폴리아크릴로니트릴 나노입자 100 중량부에 대비하여 1∼10 중량부가 혼합된다. In the manufacturing process of chelate nanoparticles, 10 to 30 parts by weight of polyacrylonitrile nanoparticles are mixed with respect to 100 parts by weight of the amine compound, and 1 to 10 parts by weight of the catalyst is mixed with respect to 100 parts by weight of polyacrylonitrile nanoparticles. do.
킬레이트 복합체를 제조하는 단계는, 킬레이트 나노입자와 바인더를 포함하는 제 1 용액 및 킬레이트 나노입자 액적을 고형화시키는 제 2 용액을 준비하는 과정과, 제 1 용액을 노즐을 이용하여 킬레이트 나노입자 액적으로 제 2 용액에 떨어뜨리는 과정과, 킬레이트 나노입자 액적이 제 2 용액 내에서 고형화되는 과정과, 고형화된 킬레이트 나노입자 액적을 동결시키는 과정과, 동결 상태의 고형화된 킬레이트 나노입자 액적을 동결건조시켜 고형화된 킬레이트 나노입자 액적에 포함되어 있는 수분을 승화시켜 킬레이트 복합체를 제조하는 과정을 포함하여 구성된다. The step of preparing the chelate complex includes a process of preparing a first solution containing chelate nanoparticles and a binder and a second solution for solidifying the chelate nanoparticles droplets, and preparing the first solution as chelate nanoparticles droplets using a nozzle. 2 The process of dropping into the solution, the process of solidifying the chelate nanoparticle droplets in the second solution, the process of freezing the solidified chelate nanoparticle droplets, and freeze-drying the solidified chelate nanoparticle droplets in a frozen state It consists of sublimating the moisture contained in the chelate nanoparticle droplets to prepare a chelate complex.
제 1 용액은 용매에 킬레이트 나노입자 및 바인더가 혼합된 것이다. The first solution is a mixture of chelate nanoparticles and a binder in a solvent.
상기 바인더는 알긴산이거나, 비고분자 바인더 또는 고분자 바인더를 이용할 수 있다. 상기 비고분자 바인더로는 아민, 시아네이트, 알코올, 카복실 중 적어도 두 개 이상의 기능기를 포함하는 분자이며, 상기 고분자 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리설폰(polysulfone) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이다. The binder may be alginic acid, or a non-polymer binder or a polymer binder may be used. The non-polymer binder is a molecule including at least two functional groups selected from amine, cyanate, alcohol, and carboxyl, and the polymer binder is polyvinyl alcohol, polyethylene, polypropylene, poly Vinyl chloride (polyvinyl chloride), polycaprolactone (polycaprolactone), polyethylene glycol (polyethyleneglycol), polystyrene (polystyrene), polyacrylonitrile (polyacrylonitrile), polysulfone (polysulfone) any one or a combination thereof.
제 1 용액에서 킬레이트 나노입자의 함량은 제 1 용액 100 질량부에 대하여 5∼40 질량부이며, 바인더의 함량은 킬레이트 나노입자 100 질량부에 대하여 2∼10 질량부이다. The content of the chelate nanoparticles in the first solution is 5 to 40 parts by mass based on 100 parts by mass of the first solution, and the content of the binder is 2 to 10 parts by mass based on 100 parts by mass of the chelate nanoparticles.
알긴산 바인더의 함량은 제 1 용액 100 중량부에 대하여 0.2∼1 중량부로 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 고분자 바인더의 함량은 제 1 용액 100 중량부에 대하여 5∼20 중량부로 적용할 수 있다. The content of the alginic acid binder is preferably applied in an amount of 0.2 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of the first solution. In addition, the content of the polymer binder may be applied in an amount of 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the first solution.
본 발명에 따른 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다. The chelate complex having a multi-stage pore structure and a method for manufacturing the same according to the present invention have the following effects.
다단기공구조가 형성되어 있음에 따라, 수중 또는 대기로 노출되는 킬레이트 나노입자의 비율이 증가되어 아민기의 흡착성능을 배가시킬 수 있다. 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 균일한 크기로 제조할 수 있음에 따라, 킬레이트 복합체 내에서 킬레이트 나노입자가 서로 뭉치는 현상을 최소화할 수 있으며 이를 통해 아민기에 의한 흡착특성을 최적화할 수 있다. 이와 함께, 여과막 등에 적용되는 경우 압력강하 현상을 최소화할 수 있다. As the multi-stage pore structure is formed, the proportion of chelate nanoparticles exposed to water or air is increased to double the adsorption performance of amine groups. As the polyacrylonitrile nanoparticles can be prepared in a uniform size, the aggregation of the chelate nanoparticles in the chelate complex can be minimized, thereby optimizing the adsorption properties by the amine group. In addition, when applied to a filtration membrane, it is possible to minimize the pressure drop phenomenon.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체의 제조방법을 설명하기 위한 모식도.
도 4는 실험예 1을 통해 제조된 폴리아크릴로니트릴 나노입자(PAN-NP)와 실험예 2를 통해 제조된 킬레이트 나노입자(APAN-NP)의 입경 분포를 나타낸 것.
도 5는 실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체의 실물 사진.
도 6은 실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체의 SEM 사진.
도 7은 실험예 1을 통해 제조된 폴리아크릴로니트릴 나노입자, 실험예 2를 통해 제조된 킬레이트 나노입자, 실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체 각각에 대한 FT-IR 분석결과.
도 8은 폐수의 pH 농도에 따른 킬레이트 복합체의 흡착특성을 나타낸 것.
도 9는 폐수 내의 중금속 농도에 따른 킬레이트 복합체의 흡착특성을 나타낸 것.
도 10은 킬레이트 복합체의 흡착속도 특성을 나타낸 것.
도 11은 폐수 내의 중금속 양이온 농도에 따라 각각 킬레이트 복합체의 흡착실험을 진행하고, 각각의 킬레이트 복합체에 대해 SEM 사진을 촬영한 결과.
도 12는 흡착제를 막(membrane)에 적용한 경우에서 유속에 따른 압력강하 특성을 나타낸 것.
도 13은 투입된 나노입자 대비 사용된 바인더의 최소 함량 이하 조건에서 킬레이트 복합체 형성 시, 바인더가 나노 입자를 충분히 연결시키지 못해 제 2용액 상에 분산되는 경향을 나타낸 실물 사진.1 is a flow chart for explaining a method of manufacturing a chelate complex having a multi-stage pore structure according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are schematic views for explaining a method of manufacturing a chelate complex having a multi-stage pore structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the particle size distribution of the polyacrylonitrile nanoparticles (PAN-NP) prepared in Experimental Example 1 and the chelate nanoparticles (APAN-NP) prepared in Experimental Example 2.
5 is a real photograph of the chelate complex prepared in Experimental Example 5;
6 is a SEM photograph of the chelate complex prepared in Experimental Example 5;
7 is an FT-IR analysis result for each of the polyacrylonitrile nanoparticles prepared in Experimental Example 1, the chelate nanoparticles prepared in Experimental Example 2, and the chelate complex prepared in Experimental Example 5;
Figure 8 shows the adsorption characteristics of the chelate complex according to the pH concentration of wastewater.
Figure 9 shows the adsorption characteristics of the chelate complex according to the concentration of heavy metals in wastewater.
10 shows the adsorption rate characteristics of the chelate complex.
11 is a result of performing an adsorption experiment of each chelate complex according to the concentration of heavy metal cations in wastewater, and taking an SEM picture for each chelate complex.
12 is a graph showing the pressure drop characteristics according to the flow rate when the adsorbent is applied to the membrane.
13 is a real photograph showing a tendency to be dispersed in the second solution because the binder does not sufficiently connect the nanoparticles when the chelate complex is formed under the conditions below the minimum content of the binder used compared to the injected nanoparticles.
본 발명은 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체에 관한 기술을 제시한다. The present invention provides a technique for a chelate complex having a multi-stage pore structure.
본 발명에 따른 킬레이트 복합체는 복수의 킬레이트 나노입자가 바인더를 매개로 연결된 것이며, 킬레이트 나노입자의 표면에는 아민기가 고정화되어 있다. 킬레이트 나노입자의 표면에 고정화된 아민기는 음이온성 오염물질 및 양이온성 오염물질을 흡착하는 역할을 한다. In the chelate complex according to the present invention, a plurality of chelate nanoparticles are linked through a binder, and an amine group is immobilized on the surface of the chelate nanoparticles. The amine group immobilized on the surface of the chelate nanoparticles serves to adsorb anionic and cationic contaminants.
나노입자의 표면에 아민기를 구비시키고, 아민기를 통해 음이온성 오염물질 및 양이온성 오염물질을 흡착함에 있어서, 흡착성능이 배가되기 위해서는 아민기가 외부(즉, 수중 또는 대기)로 노출되는 비율이 높아야 한다. In providing an amine group on the surface of the nanoparticles and adsorbing anionic and cationic contaminants through the amine group, the ratio of amine groups exposed to the outside (ie, water or air) should be high in order to double the adsorption performance. .
'아민기가 고정화된 나노입자'는 그 크기가 매우 작기 때문에 복수의 '아민기가 고정화된 나노입자'는 집합체를 이루는 형태로 흡착제로 적용된다. 나노입자가 집합체를 이룸으로 인해 일부의 나노입자만이 외부로 노출되어 아민기에 의한 흡착성능이 기대치보다 낮아질 수 밖에 없다. 따라서, 나노입자를 다공성 구조체에 고정화할 수 있는 기술이 연구되고 있지만 앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이 사용된 바인더의 함량이 높으면 비흡착성 바인더의 비율이 높기 때문에 흡착능 저하가 예상되며, 흡착제가 코어-쉘 구조를 이루고 나노입자가 내부에 위치하는 경우 나노입자의 흡착성능은 더더욱 저하된다. 이와 함께, 나노입자는 그 크기가 매우 작기 때문에 제조과정에서 친수성, 정전기적 인력 등에 의해 서로 뭉쳐지려는 특성이 있으며, 나노입자가 뭉쳐질수록 외부로 노출되는 나노입자의 비율이 작아지므로 이 또한 아민기에 의한 흡착성능을 저하시키는 요인으로 작용한다. Since 'nanoparticles with immobilized amine groups' are very small in size, a plurality of 'nanoparticles with immobilized amine groups' are applied as adsorbents in the form of aggregates. As the nanoparticles form an aggregate, only some of the nanoparticles are exposed to the outside, and the adsorption performance by the amine group is inevitably lower than expected. Therefore, a technique for immobilizing nanoparticles to a porous structure is being studied, but as mentioned in the previous 'technology behind the invention', if the content of the used binder is high, the ratio of the non-adsorbent binder is high, so the adsorption capacity is expected to decrease. When the adsorbent forms a core-shell structure and the nanoparticles are located therein, the adsorption performance of the nanoparticles is further reduced. At the same time, since nanoparticles are very small in size, they tend to agglomerate with each other due to hydrophilicity and electrostatic attraction during the manufacturing process. It acts as a factor that lowers the adsorption performance by air.
이에, '아민기가 고정화된 나노입자'의 흡착성능을 최대화하기 위해서는 두 가지 요건을 충족해야 한다. 첫째, 나노입자가 뭉쳐지는 것이 최소화되어야 하며 둘째, 집합체에 기공이 확보되어 외부로 노출되는 나노입자의 비율이 높아야 한다. Accordingly, in order to maximize the adsorption performance of 'nanoparticles with immobilized amine groups', two requirements must be satisfied. First, aggregation of nanoparticles should be minimized, and second, pores should be secured in the aggregate and the proportion of nanoparticles exposed to the outside should be high.
본 발명은 이러한 요건을 만족하는 킬레이트 복합체를 제시한다. The present invention provides a chelate complex that satisfies these requirements.
본 발명에 따른 킬레이트 복합체는 복수의 킬레이트 나노입자가 집합체를 이루는 형태이며, 킬레이트 복합체는 다단 형태의 기공을 구비한다. 또한, 본 발명에 있어서 복수의 킬레이트 나노입자는 뭉쳐짐 현상이 최소화된 형태를 이루며, 이는 본 발명에 따른 제조방법에 의해 구현된다. 이와 함께, 복수의 킬레이트 나노입자는 바인더에 의해 연결되어 집합체 형태를 이룬다. The chelate complex according to the present invention has a form in which a plurality of chelate nanoparticles form an aggregate, and the chelate complex has multi-stage pores. In addition, in the present invention, the plurality of chelate nanoparticles form a form in which agglomeration is minimized, which is implemented by the manufacturing method according to the present invention. Together with this, the plurality of chelate nanoparticles are connected by a binder to form an aggregate.
정리하면, 뭉쳐짐 현상이 최소화된 킬레이트 나노입자 군집의 제조, 최적 조성의 바인더를 이용한 킬레이트 나노입자 간의 연결 그리고 수분 제거를 통해 킬레이트 복합체에 다단기공구조를 형성시키는 것을 구현하여 아민기에 의한 흡착성능을 최대화할 수 있다. In summary, the adsorption performance by amine groups was improved by the preparation of a chelate nanoparticle cluster with minimized agglomeration, the connection between the chelate nanoparticles using an optimal binder, and the formation of a multi-stage pore structure in the chelate complex through water removal. can be maximized
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체 및 그 제조방법을 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 킬레이트 복합체 제조방법에 대해 설명하기로 한다. Hereinafter, a chelate complex having a multi-stage pore structure and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, a method for preparing the chelate complex will be described.
본 발명에 따른 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체의 제조방법은 크게 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile) 나노입자 제조과정(S101), 킬레이트 나노입자 제조과정(S102), 킬레이트 복합체 제조과정(S103)으로 구분된다(도 1 참조). The manufacturing method of the chelate complex having a multi-stage pore structure according to the present invention is largely divided into a polyacrylonitrile (PAN, polyacrylonitrile) nanoparticle manufacturing process (S101), a chelate nanoparticle manufacturing process (S102), and a chelate complex manufacturing process (S103). separated (see FIG. 1).
폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile) 나노입자 제조과정을 통해 폴리아크릴로니트릴 나노입자 간의 뭉침 현상을 최소화함과 함께 균일한 크기의 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 제조한다. 폴리아크릴로니트릴 나노입자 제조과정은 구체적으로 다음과 같다. Through the polyacrylonitrile (PAN, polyacrylonitrile) nanoparticle manufacturing process, aggregation between polyacrylonitrile nanoparticles is minimized and polyacrylonitrile nanoparticles of uniform size are manufactured. The polyacrylonitrile nanoparticle manufacturing process is specifically as follows.
아크릴로니트릴 단량체(acrylonitrile monomer), 중합개시제, 계면활성제 및 증류수가 준비된다. 증류수가 구비된 반응기에 아크릴로니트릴 단량체, 중합개시제 및 계면활성제를 투입한 후 일정 온도 하에 교반하면 아크릴로니트릴 단량체가 중합되어 폴리아크릴로니트릴(PAN)이 형성된다(도 2의 (a), (b) 참조). An acrylonitrile monomer, a polymerization initiator, a surfactant and distilled water are prepared. When an acrylonitrile monomer, a polymerization initiator and a surfactant are added to a reactor equipped with distilled water and stirred under a certain temperature, the acrylonitrile monomer is polymerized to form polyacrylonitrile (PAN) (FIG. 2(a), see (b)).
폴리아크릴로니트릴(PAN)은 증류수 내에서 콜로이드 형태를 이루는데, 불안정 상태로 인해 사슬의 끝부분을 향해 자발적인 중합이 일어나며 뭉쳐지는 현상이 발생된다. 이러한 폴리아크릴로니트릴(PAN)의 자발적인 중합 및 뭉침 현상은 폴리아크릴로니트릴(PAN)의 나노입자화를 방해하며, 폴리아크릴로니트릴 나노입자(PAN-NPs)가 생성되더라도 입경 분포가 커지게 된다. Polyacrylonitrile (PAN) forms a colloid in distilled water. Due to the unstable state, spontaneous polymerization occurs toward the end of the chain and agglomeration occurs. The spontaneous polymerization and agglomeration of polyacrylonitrile (PAN) prevents the nanoparticle formation of polyacrylonitrile (PAN), and even if polyacrylonitrile nanoparticles (PAN-NPs) are generated, the particle size distribution becomes large. .
폴리아크릴로니트릴의 뭉침 현상을 최소화하고, 나노입자의 생성효율을 높임과 함께 균일한 크기의 나노입자 생성을 위해, 제 1 계면활성제와 제 2 계면활성제가 함께 투입된다. 제 1 계면활성제는 폴리아크릴로니트릴의 뭉침 현상을 억제하는 역할을 하며, 제 2 계면활성제는 폴리아크릴로니트릴 콜로이드의 표면에너지를 낮추어 안정화시킴과 함께 미셸(micelle)을 형성하려는 특성을 통해 폴리아크릴로니트릴 콜로이드 입자의 수를 증가시켜 균일한 크기의 폴리아크릴로니트릴 나노입자 생성을 유도하는 역할을 한다. In order to minimize the aggregation of polyacrylonitrile and to increase the production efficiency of nanoparticles and to generate nanoparticles of a uniform size, the first surfactant and the second surfactant are added together. The first surfactant serves to suppress the aggregation of polyacrylonitrile, and the second surfactant lowers and stabilizes the surface energy of the polyacrylonitrile colloid and, through the characteristic of forming micelles, polyacryl It serves to induce the production of polyacrylonitrile nanoparticles of uniform size by increasing the number of ronitrile colloidal particles.
일 실시예로, 제 1 계면활성제로 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE, 4-nonylphenyl 3-sulfopropylether)가 적용되고, 제 2 계면활성제로 소듐도데실설페이트(SDS, sodium dodecyl sulfate)가 적용될 수 있다. In one embodiment, 4-nonylphenyl 3-sulfopropylether (KPE) is applied as the first surfactant, and sodium dodecyl sulfate (SDS) is used as the second surfactant. can be applied.
4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)는 친수성 기능기와 소수성 기능기를 모두 갖는 물질로서, 친수성인 폴리아크릴로니트릴 콜로이드와 혼합되면 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)의 친수성 에터기가 폴리아크릴로니트릴과 결합되고 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)의 소수성 기능기는 바깥으로 향하게 되어 폴리아크릴로니트릴의 뭉침 현상을 방지할 수 있다. 달리 표현하여, 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)는 상술한 특성을 통해 폴리아크릴로니트릴을 용매 내에서 균일하게 분산시키는 역할을 한다. 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) is a material having both a hydrophilic functional group and a hydrophobic functional group. When mixed with a hydrophilic polyacrylonitrile colloid, the hydrophilicity of 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) is The ether group is bonded to the polyacrylonitrile and the hydrophobic functional group of 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) is directed outward, thereby preventing aggregation of the polyacrylonitrile. In other words, 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) serves to uniformly disperse polyacrylonitrile in a solvent through the above-described properties.
소듐도데실설페이트(SDS)는 미셀(micelle)을 형성하려는 경향이 큰 특성을 갖고 있어, 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)에 의해 균일하게 분산된 폴리아크릴로니트릴을 입자화시킨다. 이를 통해, 균일한 크기의 폴리아크릴로니트릴의 나노입자화가 가능하게 된다. Sodium dodecyl sulfate (SDS) has a large tendency to form micelles, so polyacrylonitrile uniformly dispersed by 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) is granulated . Through this, it is possible to form nanoparticles of polyacrylonitrile having a uniform size.
이와 같이, 상기 제 1 계면활성제와 제 2 계면활성제의 투입을 통해 폴리아크릴로니트릴의 뭉침 현상을 최소화함과 함께 균일한 크기의 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 생성시킬 수 있게 된다. 여기서, 제 2 계면활성제를 투입하지 않고, 제 1 계면활성제만을 이용하는 경우 고분자 중합반응이 우세하게 되어 폴리아크릴로니트릴의 나노입자화가 이루어지지 않게 된다. In this way, it is possible to minimize the aggregation of polyacrylonitrile through the input of the first surfactant and the second surfactant and to generate polyacrylonitrile nanoparticles of a uniform size. Here, when only the first surfactant is used without adding the second surfactant, the polymer polymerization reaction is dominant, so that the polyacrylonitrile is not made into nanoparticles.
상기 제 1 계면활성제로 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE) 외에 친수성 기능기와 소수성 기능기를 모두 포함하는 양친성 계면활성제가 적용될 수 있으며, 제 2 계면활성제 역시 소듐도데실설페이트(SDS) 외에 표면에너지를 낮춰 콜로이드의 안정화시키고 미셸(micelle)을 형성하려는 경향이 강한 계면활성제가 적용될 수 있다. As the first surfactant, an amphiphilic surfactant including both a hydrophilic functional group and a hydrophobic functional group in addition to 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) may be applied, and the second surfactant is also sodium dodecyl sulfate (SDS) In addition, surfactants with a strong tendency to lower surface energy to stabilize colloids and form micelles can be applied.
아크릴로니트릴 단량체의 중합반응을 유도하는 중합개시제로는 일 실시예로, 과황산칼륨(potassium persulphate)이 적용될 수 있다. As a polymerization initiator for inducing a polymerization reaction of the acrylonitrile monomer, potassium persulfate may be applied as an embodiment.
상술한 바와 같은 폴리아크릴로니트릴 나노입자 제조과정에서, 중합개시제 중량부 1에 대하여 아크릴로니트릴 단량체 100∼300 중량부, 증류수 500∼1500 중량부, 계면활성제 0.1∼10 중량부가 혼합되는 것이 바람직하다. 또한, 폴리아크릴로니트릴의 뭉침 현상을 최소화함과 함께 균일한 크기의 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 생성시키기 위해 제 1 계면활성제와 제 2 계면활성제는 45 : 55 ∼ 55 : 45의 중량비율로 투입되는 것이 바람직하다. In the polyacrylonitrile nanoparticle manufacturing process as described above, it is preferable that 100 to 300 parts by weight of an acrylonitrile monomer, 500 to 1500 parts by weight of distilled water, and 0.1 to 10 parts by weight of a surfactant are mixed with respect to 1 part by weight of the polymerization initiator. . In addition, in order to minimize the aggregation of polyacrylonitrile and to produce polyacrylonitrile nanoparticles of uniform size, the first surfactant and the second surfactant are added in a weight ratio of 45:55 to 55:45. It is preferable to be
폴리아크릴로니트릴 나노입자의 제조가 완료되면, 킬레이트 나노입자 제조과정이 다음과 같이 진행된다. 킬레이트 나노입자 제조과정은 폴리아크릴로니트릴 나노입자와 아민기의 킬레이트 결합을 유도하여 폴리아크릴로니트릴 나노입자 표면에 아민기를 고정화시키는 과정이다(도 1 및 도 2의 (c) 참조).When the preparation of the polyacrylonitrile nanoparticles is completed, the chelate nanoparticles preparation process proceeds as follows. The manufacturing process of chelate nanoparticles is a process of immobilizing amine groups on the surface of polyacrylonitrile nanoparticles by inducing a chelate bond between polyacrylonitrile nanoparticles and amine groups (see FIGS. 1 and 2 (c)).
구체적으로, 액상의 아민화합물에 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 고르게 분산시킨 후 반응촉매를 투입한 다음, 일정 온도로 가열하면 킬레이트 반응이 진행되어 폴리아크릴로니트릴 나노입자 표면에 아민기가 고정화된다. 이를 통해, 아민기가 표면에 구비된 폴리아크릴로니트릴 나노입자 즉, 킬레이트 나노입자가 생성된다. Specifically, after evenly dispersing the polyacrylonitrile nanoparticles in the liquid amine compound, the reaction catalyst is added, and then heated to a certain temperature, the chelate reaction proceeds and the amine group is immobilized on the surface of the polyacrylonitrile nanoparticles. Through this, polyacrylonitrile nanoparticles having an amine group on the surface, that is, chelate nanoparticles are generated.
상기 아민화합물은 폴리아크릴로니트릴 나노입자와 결합하여 리간드 역할을 수행할 수 있는 물질로서, 알킬기를 갖는 1차 또는 그 이상의 아민화합물일 수 있으며, 고리형 구조일 수 있다. 일 실시예로, 상기 아민화합물로 에틸렌디아민(ethylenediamine, EDA), 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine, DETA), 트리스(2-아미노에틸아민(tris(2-aminoethyl)amine), 프로판-1,3-디아민(propane-1,3-diamine), 메테인트리아민(methane triamine), 3-(2-아미노에틸)펜탄-1,5-디아민(3-(2-aminoethyl)pentane-1,5-diamine), 멜라민(melamine), 디아미노푸라잔(diaminofurazan), 디아미노피리딘 (diaminopyridine) 및 디아미노피리미딘(diaminopyrimidine) 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 적용할 수 있다. The amine compound is a material capable of performing a ligand role by binding to the polyacrylonitrile nanoparticles, and may be a primary or more amine compound having an alkyl group, and may have a cyclic structure. In one embodiment, as the amine compound, ethylenediamine (ethylenediamine, EDA), diethylenetriamine (DETA), tris(2-aminoethylamine), propane-1,3- Diamine (propane-1,3-diamine), methane triamine, 3- (2-aminoethyl) pentane-1,5-diamine (3- (2-aminoethyl) pentane-1,5-diamine ), melamine, diaminofurazan, diaminopyridine, and any one of diaminopyrimidine or a combination thereof may be applied.
또한, 킬레이트 반응의 촉매로는 비금속계 루이스산이 이용될 수 있으며, 세부적으로 보론트리플로라이드 2수화물(BF3·2H2O), 아세트산, 염산 중 어느 하나를 이용할 수 있다. In addition, as a catalyst of the chelate reaction, a non-metal-based Lewis acid may be used, and in detail, any one of boron trifluoride dihydrate (BF 3 ·2H 2 O), acetic acid, and hydrochloric acid may be used.
킬레이트 나노입자 제조과정에서, 폴리아크릴로니트릴 나노입자는 아민화합물 100 중량부에 대비하여 10∼30 중량부가 혼합되며, 촉매는 폴리아크릴로니트릴 나노입자 100 중량부에 대비하여 1∼10 중량부가 혼합되는 것이 바람직하다. In the manufacturing process of chelate nanoparticles, 10 to 30 parts by weight of polyacrylonitrile nanoparticles are mixed with respect to 100 parts by weight of the amine compound, and 1 to 10 parts by weight of the catalyst is mixed with respect to 100 parts by weight of polyacrylonitrile nanoparticles. It is preferable to be
킬레이트 나노입자의 제조가 완료되면, 킬레이트 복합체 제조과정이 다음과 같이 진행된다. When the preparation of the chelate nanoparticles is completed, the chelate complex preparation process proceeds as follows.
제 1 용액과 제 2 용액을 각각 준비한다. A first solution and a second solution are prepared, respectively.
제 1 용액은 용매에 킬레이트 나노입자 및 바인더가 혼합된 것이며, 제 2 용액은 제 2 용액에 포함된 바인더를 고형화시키는 용액이다. The first solution is a mixture of chelate nanoparticles and a binder in a solvent, and the second solution is a solution for solidifying the binder included in the second solution.
제 1 용액에 혼합되는 바인더로는 알긴산이 대표적으로 적용될 수 있으며, 알긴산 이외에 비고분자 바인더 또는 고분자 바인더가 사용될 수 있다. 비고분자 바인더로는 아민, 시아네이트, 알코올, 카복실 중 적어도 두 개 이상의 기능기를 포함하는 분자가 해당되며, 상기의 기능기는 칼슘, 철, 니켈 등 다양한 양이온을 킬레이트할 수 있다. 또한, 고분자 바인더로는 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리설폰(polysulfone) 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 이용할 수 있다. 고분자 바인더는 제 1 용액의 용매에 용해되며, 용매 교환 메커니즘을 통해 제 2 용액의 용매에 희석되어 석출될 수 있는 특성을 갖는다. Alginic acid may be typically applied as the binder to be mixed with the first solution, and a non-polymeric binder or a polymeric binder may be used in addition to alginic acid. The non-polymer binder includes molecules including at least two functional groups selected from among amine, cyanate, alcohol, and carboxyl, and the functional group can chelate various cations such as calcium, iron, and nickel. In addition, as a polymer binder, polyvinyl alcohol, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polycaprolactone (PCL), polyethylene glycol, polystyrene ( polystyrene), polyacrylonitrile, polysulfone, or a combination thereof may be used. The polymer binder is dissolved in the solvent of the first solution, and has a property that it can be diluted and precipitated in the solvent of the second solution through a solvent exchange mechanism.
상기 제 2 용액에는 바인더를 고형화하기 위해 칼슘이온(Ca2+)이 용존된다. Calcium ions (Ca 2+ ) are dissolved in the second solution to solidify the binder.
제 2 용액의 용매는 그 밀도가 제 1 용액의 용매에 대비하여 동일하거나 클 수 있다. 제 1 용액의 용매로는 물을 사용할 수 있으며, 제 2 용액의 용매로는 물, DMSO(dimethyl sulfoxide), DMF(dimethyl formamide), NMP(N-methyl-2-pyrrolydone), THF(tetrahydrofuran) 중 어느 하나를 이용할 수 있다. The solvent of the second solution may have the same density or greater density than the solvent of the first solution. Water may be used as the solvent of the first solution, and the solvent of the second solution is water, dimethyl sulfoxide (DMSO), dimethyl formamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolydone (NMP), or tetrahydrofuran (THF). Either one can be used.
제 1 용액과 제 2 용액이 준비된 상태에서, 제 1 용액을 노즐을 이용하여 한방울씩 제 2 용액에 떨어뜨린다. 이 때, 제 1 용액은 0.1∼20ml/min의 유속으로 떨어뜨릴 수 있으며, 노즐의 지름은 제 1 용액의 점도 및 목적하고자 하는 킬레이트 복합체의 크기에 따라 0.001∼10mm로 조절될 수 있다. In a state in which the first solution and the second solution are prepared, the first solution is dropped into the second solution one drop at a time using a nozzle. At this time, the first solution may be dropped at a flow rate of 0.1 to 20 ml/min, and the diameter of the nozzle may be adjusted to 0.001 to 10 mm according to the viscosity of the first solution and the size of the desired chelate complex.
노즐을 통해 제 1 용액 방울 즉, 킬레이트 나노입자 액적(droplet)이 제 2 용액에 떨어지면, 킬레이트 나노입자 액적에 포함되어 있는 바인더는 제 2 용액의 칼슘 성분에 의해 고형화되고, 고형화된 킬레이트 나노입자 액적은 제 2 용액의 바닥에 침전된다(도 3의 (a) 참조). When the first solution droplet, that is, the chelate nanoparticle droplet falls on the second solution through the nozzle, the binder contained in the chelate nanoparticle droplet is solidified by the calcium component of the second solution, and the solidified chelate nanoparticle liquid A small amount is precipitated at the bottom of the second solution (see Fig. 3 (a)).
다음으로, 제 2 용액으로부터 고형화된 킬레이트 나노입자 액적을 빼낸 후, 고형화된 킬레이트 나노입자 액적을 0℃ 이하에서 얼린다. 이어, 동결 상태의 고형화된 킬레이트 나노입자 액적을 동결건조시켜 고형화된 킬레이트 나노입자 액적에 포함되어 있는 수분을 승화시키면 킬레이트 복합체의 제조가 완료된다(도 3의 (b) 참조). Next, after withdrawing the solidified chelate nanoparticle droplets from the second solution, the solidified chelate nanoparticle droplets are frozen at 0° C. or lower. Then, when the solidified chelate nanoparticle droplets in a frozen state are freeze-dried to sublimate moisture contained in the solidified chelate nanoparticle droplets, the preparation of the chelate complex is completed (see FIG. 3 (b)).
상기의 과정을 통해 완성된 킬레이트 복합체는 복수의 킬레이트 나노입자가 바인더에 의해 연결된 구조를 이루며, 수분이 제거된 부위에는 기공이 형성된다. The chelate complex completed through the above process forms a structure in which a plurality of chelate nanoparticles are connected by a binder, and pores are formed in the portion from which moisture is removed.
복수의 킬레이트 나노입자가 뭉침 현상이 최소화된 상태에서 바인더에 의해 연결된 형태를 이루고, 킬레이트 복합체에 형성된 다단기공구조에 의해 외부 환경에 노출되는 킬레이트 나노입자가 증가됨에 따라, 아민기에 의해 양이온성 오염물질 및 음이온성 오염물질에 대한 향상된 흡착성능을 기대할 수 있게 된다. A plurality of chelate nanoparticles form a form connected by a binder in a state where aggregation is minimized, and as the number of chelate nanoparticles exposed to the external environment increases due to the multi-stage pore structure formed in the chelate complex, cationic contaminants by amine groups and improved adsorption performance for anionic contaminants.
킬레이트 복합체 제조과정에서, 킬레이트 나노입자의 함량은 제 1 용액 100 질량부에 대하여 5∼40 질량부이며, 바인더의 함량은 킬레이트 나노입자 100 질량부에 대하여 2∼10 질량부이다. 이 때, 바인더의 함량은 매우 중요하다. 상술한 바와 같이, 본 발명은 킬레이트 나노입자가 바인더에 의해 서로 연결됨과 함께 킬레이트 복합체에 다단기공구조가 구비됨을 구현하는데, 킬레이트 복합체 제조과정에서 바인더의 함량이 필요 이하이면 킬레이트 나노입자 간의 연결이 이루어지지 않아 킬레이트 복합체를 형성할 수 없으며, 바인더의 함량이 필요 이상이면 각각의 킬레이트 나노입자가 코어-쉘 구조를 이루게 되어 아민기에 의한 흡착성능을 기대할 수 없다. In the chelate complex manufacturing process, the content of the chelate nanoparticles is 5 to 40 parts by mass based on 100 parts by mass of the first solution, and the content of the binder is 2 to 10 parts by mass based on 100 parts by mass of the chelate nanoparticles. At this time, the content of the binder is very important. As described above, the present invention implements that the chelate nanoparticles are connected to each other by a binder and that the chelate complex has a multi-stage pore structure. In the process of preparing the chelate complex, if the amount of the binder is less than necessary, the connection between the chelate nanoparticles is made. It is not possible to form a chelate complex because it does not lose strength, and if the amount of the binder is more than necessary, each chelate nanoparticle forms a core-shell structure, so that adsorption performance by amine groups cannot be expected.
알긴산 바인더를 사용하는 경우, 알긴산 바인더의 함량은 제 1 용액 100 중량부에 대하여 0.2∼1 중량부로 설정할 수 있다. 알긴산 바인더의 함량이 0.2 중량부보다 작으면 알긴산 바인더에 의한 킬레이트 나노입자 간의 연결이 이루어지지 않으며, 알긴산 바인더의 함량이 1 중량부보다 크면 코어-쉘 구조를 이루게 된다. 한편, 상술한 바와 같은 고분자 바인더를 사용하는 경우, 고분자 바인더의 함량은 제 1 용액 100 중량부에 대하여 5∼20 중량부로 설정할 수 있다. 도 13은 알긴산 바인더의 함량이 제 1 용액 100 중량부 대비 0.2 중량부보다 작은 경우를 적용한 것으로서, 킬레이트 나노입자가 서로 연결되지 못하고 제 2 용액 내에서 분산되는 현상을 나타내는 것을 확인할 수 있다. When using the alginic acid binder, the content of the alginic acid binder may be set to 0.2 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of the first solution. When the content of the alginic acid binder is less than 0.2 parts by weight, the connection between the chelate nanoparticles by the alginic acid binder is not made, and when the content of the alginic acid binder is greater than 1 part by weight, a core-shell structure is formed. Meanwhile, when using the polymer binder as described above, the content of the polymer binder may be set to 5 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the first solution. 13 shows the case where the content of the alginic acid binder is less than 0.2 parts by weight relative to 100 parts by weight of the first solution, it can be confirmed that the chelate nanoparticles are not connected to each other and are dispersed in the second solution.
이상, 본 발명에 따른 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체 및 그 제조방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, 실험예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. Above, the chelate complex having a multi-stage pore structure according to the present invention and a method for preparing the same have been described. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through experimental examples.
실험예 1 : 폴리아크릴로니트릴 나노입자의 제조Experimental Example 1: Preparation of polyacrylonitrile nanoparticles
아크릴로니트릴 단량체 20g, 중합개시제인 과황산칼륨 0.1g, 제 1 계면활성제인 소듐도데실설페이트(SDS) 0.2g과 제 2 계면활성제인 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE) 0.4g을 증류수 500ml에 혼합한 후 환류 냉각기를 장착하고 반응온도 60℃ 중에서 200 rpm, 상압 조건에서 2시간동안 중합시켜 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 합성하였다. 20 g of acrylonitrile monomer, 0.1 g of potassium persulfate as a polymerization initiator, 0.2 g of sodium dodecyl sulfate (SDS) as the first surfactant, and 0.4 g of 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) as the second surfactant was mixed with 500 ml of distilled water, equipped with a reflux cooler, and polymerized at 200 rpm and atmospheric pressure at a reaction temperature of 60° C. for 2 hours to synthesize polyacrylonitrile nanoparticles.
실험예 2 : 킬레이트 나노입자의 제조Experimental Example 2: Preparation of chelate nanoparticles
실험예 1을 통해 제조된 폴리아크릴로니트릴 나노입자 25g이 포함된 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine) 250ml를 500ml의 둥근바닥 플라스크에 넣은 뒤 상온에서 30분간 고르게 분산시켰다. 보론트리플클로라이드 2수화물 0.25g을 탈이온수에 10 wt%로 희석하여 2 ml를 첨가한 후 다시 상온에서 30분 가량 교반하였다. 촉매가 고르게 분산된 후에 환류 냉각기를 장착하고 반응온도 110 ℃하에서 45분 반응을 진행하고 반응이 끝나고 상온으로 냉각시킨 후, 반응물을 수세한 후 건조시켜 킬레이트 나노입자를 수득하였다. 250 ml of diethylenetriamine containing 25 g of polyacrylonitrile nanoparticles prepared in Experimental Example 1 was placed in a 500 ml round-bottom flask, and then evenly dispersed at room temperature for 30 minutes. 0.25 g of boron triple chloride dihydrate was diluted to 10 wt% in deionized water, 2 ml of which was added, and then stirred again at room temperature for about 30 minutes. After the catalyst was evenly dispersed, a reflux condenser was installed, and the reaction was carried out for 45 minutes at a reaction temperature of 110 ° C. After the reaction was completed and cooled to room temperature, the reactant was washed with water and dried to obtain chelate nanoparticles.
도 4는 실험예 1을 통해 제조된 폴리아크릴로니트릴 나노입자(PAN-NP)와 실험예 2를 통해 제조된 킬레이트 나노입자(APAN-NP)의 입경 분포를 나타낸 것으로서, 폴리아크릴로니트릴 나노입자(PAN-NP)의 입경은 약 130∼160㎛이고, 킬레이트 나노입자(APAN-NP)의 입경은 약 200∼300㎛임을 알 수 있다. Figure 4 shows the particle size distribution of the polyacrylonitrile nanoparticles (PAN-NP) prepared in Experimental Example 1 and the chelate nanoparticles (APAN-NP) prepared in Experimental Example 2, polyacrylonitrile nanoparticles It can be seen that the particle diameter of (PAN-NP) is about 130-160 μm, and the particle diameter of chelate nanoparticles (APAN-NP) is about 200-300 μm.
실험예 3 : 촉매가 적용되지 않은 킬레이트 나노입자의 제조Experimental Example 3: Preparation of chelate nanoparticles to which a catalyst is not applied
킬레이트 나노입자를 제조함에 있어서, 촉매인 보론트리플클로라이드 2수화물을 적용하지 않고 킬레이트 나노입자를 제조하였다. 기타 실험방법은 실험예 2와 동일하게 적용하였으며, 반응시간은 120분으로 적용하였다. In preparing the chelate nanoparticles, chelate nanoparticles were prepared without applying boron triple chloride dihydrate as a catalyst. Other experimental methods were applied in the same manner as in Experimental Example 2, and the reaction time was applied as 120 minutes.
실험예 4 : 에틸렌디아민을 이용한 킬레이트 나노입자의 제조Experimental Example 4: Preparation of chelate nanoparticles using ethylenediamine
실험예 2와 동일한 방법을 적용하여 킬레이트 나노입자를 제조하였으며, 다만 아민화합물로 에틸렌디아민(ethylenediamine)을 적용하였다. 실험예 2의 경우, 아민화합물로 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine)을 적용하였다. Chelate nanoparticles were prepared by applying the same method as in Experimental Example 2, except that ethylenediamine was applied as an amine compound. In the case of Experimental Example 2, diethylenetriamine was applied as an amine compound.
실험예 5 : 알긴산 바인더를 이용한 킬레이트 복합체의 제조Experimental Example 5: Preparation of chelate complex using alginic acid binder
1M 칼슘 양이온이 포함된 증류수인 제 2 용액 500 ml를 반응조에 넣고, 알긴산 0.5wt%, 킬레이트 나노입자 10 wt%를 포함하는 증류수인 제 1 용액을 노즐을 이용하여 제 2 용액에 한방울씩 떨어뜨렸다. 노즐은 제 2 용액 표면으로부터 15cm 이격시켰다. 제 1 용액이 노즐을 통과하여 제 2 용액 표면에 닿는 순간 액적(킬레이트 나노입자 액적)이 형성되고 액적이 밀도 차이에 의해 아래로 이동하며 고형화된다. 약 30분 방치 후 알긴산의 고형화로 인해 고형화된 킬레이트 나노입자 액적을 꺼내고, 0℃ 이하 온도에서 약 2시간 동안 얼리고, 동결 건조를 진행해 '고형화된 킬레이트 나노입자 액적'에 함유된 수분을 완전히 승화시켜 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체를 제조하였다. 500 ml of a second solution, which is distilled water containing 1M calcium cation, was placed in a reactor, and the first solution, which is distilled water containing 0.5 wt% of alginic acid and 10 wt% of chelate nanoparticles, was dropped into the second solution using a nozzle dropwise. . The nozzle was spaced 15 cm from the second solution surface. As soon as the first solution passes through the nozzle and touches the surface of the second solution, a droplet (chelate nanoparticle droplet) is formed, and the droplet moves downward due to the density difference and is solidified. After leaving for about 30 minutes, the solidified chelate nanoparticle droplets are taken out due to the solidification of alginic acid, frozen at a temperature below 0°C for about 2 hours, and freeze-dried to completely sublimate the moisture contained in the ‘solidified chelate nanoparticle droplets’. A chelate complex having a multi-stage pore structure was prepared.
도 5는 실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체의 실물 사진이고, 도 6은 실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체의 SEM 사진이다. 도 5를 참조하면, 킬레이트 복합체를 일정 크기로 제조할 수 있음을 확인할 수 있으며, 도 6을 참조하면 킬레이트 복합체에 다단기공구조가 형성됨과 함께 킬레이트 나노입자가 뭉침 현상이 최소화된 상태에서 서로 연결되어 있음을 확인할 수 있다. 5 is an actual photograph of the chelate complex prepared in Experimental Example 5, and FIG. 6 is an SEM photograph of the chelate complex prepared in Experimental Example 5. Referring to FIG. 5, it can be seen that the chelate complex can be prepared in a certain size, and referring to FIG. 6, the chelate nanoparticles are connected to each other in a state where aggregation phenomenon is minimized along with the formation of a multi-stage pore structure in the chelate complex. It can be confirmed that there is
또한, 실험예 1을 통해 제조된 폴리아크릴로니트릴 나노입자, 실험예 2를 통해 제조된 킬레이트 나노입자, 실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체 각각의 표면특성을 FT-IR 분석을 통해 확인하였다. In addition, the surface properties of the polyacrylonitrile nanoparticles prepared in Experimental Example 1, the chelate nanoparticles prepared in Experimental Example 2, and the chelate complex prepared in Experimental Example 5 were confirmed through FT-IR analysis.
도 7의 'a'를 을 참조하면, 실험예 1을 통해 제조된 폴리아크릴로니트릴 나노입자의 경우 FT-IR 분석을 통해 폴리아크릴로니트릴(PAN)의 주 기능기인 니트릴기에 해당되는 2230 cm-1피크를 확인할 수 있다. 실험예 2를 통해 제조된 킬레이트 나노입자의 경우(도 7의 'b' 참조), 아민화의 진행에 따라 2230 cm-1피크가 사라지고 새로운 아민 화합물에 관련된 피크가 생기는 것을 확인할 수 있다. 실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체의 경우(도 7의 'c' 참조), 알긴산이 도입됨으로써 표면 하이드록실(hydroxyl) 기능기가 늘어남에 따라 약 3800~2000 cm-1범위에서 넓은 피크가 형성됨을 확인할 수 있다. Referring to 'a' of FIG. 7, in the case of polyacrylonitrile nanoparticles prepared in Experimental Example 1, 2230 cm - 1 peak can be confirmed. In the case of the chelate nanoparticles prepared in Experimental Example 2 (see 'b' in FIG. 7 ), it can be confirmed that the 2230 cm -1 peak disappears as the amination proceeds and a peak related to a new amine compound is generated. In the case of the chelate complex prepared in Experimental Example 5 (see 'c' in FIG. 7), as alginic acid was introduced to increase the surface hydroxyl functional groups, a wide peak was formed in the range of about 3800 to 2000 cm -1 can be checked
실험예 6 : 폴리설폰 바인더를 이용한 킬레이트 복합체의 제조Experimental Example 6: Preparation of chelate complex using polysulfone binder
1M 칼슘 양이온이 용존된 디메틸포름알데히드(Dimethyl formaldehyde) 500ml를 제 2 용액으로 반응조에 넣고, 폴리설폰 10wt%와 킬레이트 나노입자 10 wt%를 포함하는 디메틸포름알데히드 용액 즉, 제 1 용액을 노즐을 이용하여 제 2 용액에 한방울씩 떨어뜨렸다. 노즐은 제 2 용액 표면으로부터 15cm 이격시켰다. 제 1 용액이 노즐을 통과하여 제 2 용액 표면에 닿는 순간 액적(킬레이트 나노입자 액적)이 형성되고 액적이 밀도 차이에 의해 아래로 이동하며 고형화된다. 약 30분 방치 후 알긴산의 고형화로 인해 고형화된 킬레이트 나노입자 액적을 꺼내고, 0℃ 이하 온도에서 약 2시간 동안 얼리고, 동결 건조를 진행해 '고형화된 킬레이트 나노입자 액적'에 함유된 수분을 완전히 승화시켜 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체를 제조하였다. 500 ml of dimethyl formaldehyde in which 1M calcium cations are dissolved is put into the reaction tank as the second solution, and the dimethylformaldehyde solution containing 10 wt% of polysulfone and 10 wt% of chelate nanoparticles, that is, the first solution, is used with a nozzle. Thus, it was dropped into the second solution one drop at a time. The nozzle was spaced 15 cm from the second solution surface. As soon as the first solution passes through the nozzle and touches the surface of the second solution, a droplet (chelate nanoparticle droplet) is formed, and the droplet moves downward due to the density difference and is solidified. After leaving for about 30 minutes, the solidified chelate nanoparticle droplets are taken out due to the solidification of alginic acid, frozen at a temperature below 0°C for about 2 hours, and freeze-dried to completely sublimate the moisture contained in the ‘solidified chelate nanoparticle droplets’. A chelate complex having a multi-stage pore structure was prepared.
실험예 7 : 킬레이트 복합체의 흡착특성Experimental Example 7: Adsorption Characteristics of Chelate Complex
실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체를 이용하여 다양한 흡착실험을 진행하였다. Various adsorption experiments were performed using the chelate complex prepared in Experimental Example 5.
도 8은 폐수의 pH 농도에 따른 킬레이트 복합체의 흡착특성을 나타낸 것으로서, 도 8에 나타낸 바와 같이 pH 3∼8의 넓은 범위에서 다양한 중금속 양이온(Cu2+, Cd2+, Pb2+)에 대한 흡착성능이 우수함을 알 수 있다. 8 is a graph showing the adsorption characteristics of the chelate complex according to the pH concentration of wastewater, and as shown in FIG. 8, various heavy metal cations (Cu 2+ , Cd 2+ , Pb 2+ ) in a wide range of
도 9는 폐수 내의 중금속 농도에 따른 킬레이트 복합체의 흡착특성을 나타낸 것으로서, 도 9에 도시된 바와 같이 ∼75,000 mg/L의 높은 중금속 오염농도에도 킬레이트 복합체의 흡착성능이 유지됨을 확인할 수 있다. 이는 킬레이트 복합체에 다단기공구조가 형성되어 외부로 노출되는 킬레이트 나노입자의 비율이 커져 아민기의 흡착특성이 향상됨에 기인한 것으로 추정된다. 9 shows the adsorption characteristics of the chelate complex according to the concentration of heavy metals in the wastewater, and as shown in FIG. 9, it can be confirmed that the adsorption performance of the chelate complex is maintained even at a high concentration of heavy metal contamination of ∼75,000 mg/L. This is presumed to be due to the formation of a multi-stage pore structure in the chelate complex, which increases the proportion of chelate nanoparticles exposed to the outside, thereby improving the adsorption properties of amine groups.
또한, 도 10은 킬레이트 복합체의 흡착속도 특성을 나타낸 것으로서, 중금속 양이온 20,000ppm 농도의 폐수를 대상으로 킬레이트 복합체의 흡착속도를 측정한 결과, 반응초기에 중금속 양이온의 흡착량이 급격히 증가함을 알 수 있으며, 이는 킬레이트 복합체에 의한 오염물질 흡착속도가 매우 빠름을 확인할 수 있는 결과이다. In addition, FIG. 10 shows the adsorption rate characteristics of the chelate complex. As a result of measuring the adsorption rate of the chelate complex in wastewater having a concentration of heavy metal cations of 20,000 ppm, it can be seen that the adsorption amount of heavy metal cations at the beginning of the reaction rapidly increases. , this is a result confirming that the rate of adsorption of contaminants by the chelate complex is very fast.
도 11은 폐수 내의 중금속 양이온 농도에 따라 각각 킬레이트 복합체의 흡착실험을 진행하고, 각각의 킬레이트 복합체에 대해 SEM 사진을 촬영한 결과로서, 도 11을 참조하면 폐수 내의 Pb2+ 농도가 50,000ppm 인 경우에는 다량의 Pb2+ 가 킬레이트 복합체에 흡착되어 킬레이트 복합체의 다단기공구조가 Pb2+ 에 의해 막혀지는 것을 확인할 수 있으나, 30,000ppm 이하에서는 다량의 Pb2+를 흡착했음에도 여전히 킬레이트 복합체의 다단기공구조를 확인할 수 있다. 11 is a result of performing an adsorption experiment of each chelate complex according to the concentration of heavy metal cations in the wastewater, and taking an SEM photograph for each chelate complex. Referring to FIG. 11 , when the Pb 2+ concentration in the wastewater is 50,000 ppm It can be seen that a large amount of Pb 2+ is adsorbed to the chelate complex and the multi-stage pore structure of the chelate complex is blocked by Pb 2+ , but at 30,000 ppm or less, even though a large amount of Pb 2+ is adsorbed, the multi-stage pore structure of the chelate complex is still can be checked.
도 12는 흡착제를 막(membrane)에 적용한 경우에서 유속에 따른 압력강하 특성을 나타낸 것이다. 상용 고분자비드(HCR-S), 유리비드(glass bead), 실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체 각각을 막에 적용한 후 유속에 따른 압력강화 특성을 측정하였다. 그 결과, 도 12에 도시한 바와 같이 상용 고분자비드(HCR-S)는 매우 낮은 유속에서부터 압력강하가 급격히 진행됨을 알 수 있고, 유리비드의 경우 유속이 0.12m/s 이상인 시점부터 압력강하가 급격히 증가됨에 반해, 본 발명의 실험예 5를 통해 제조된 킬레이트 복합체의 경우 유속이 0.17m/s 이상인 시점에서 압력강하가 진행됨을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 킬레이트 복합체를 막에 응용하는 경우에도 기존의 흡착제에 대비하여 우수한 압력강하 특성을 기대할 수 있다. 12 shows the pressure drop characteristics according to the flow rate when the adsorbent is applied to the membrane. Commercial polymer beads (HCR-S), glass beads, and each of the chelate complexes prepared in Experimental Example 5 were applied to the membrane, and then the pressure strengthening characteristics according to the flow rate were measured. As a result, as shown in FIG. 12 , it can be seen that the pressure drop rapidly proceeds from a very low flow rate in the commercial polymer beads (HCR-S), and in the case of the glass beads, the pressure drop rapidly increases from the point in time when the flow speed is 0.12 m/s or more. In contrast to the increase, in the case of the chelate complex prepared in Experimental Example 5 of the present invention, it can be confirmed that the pressure drop proceeds when the flow rate is 0.17 m/s or more. Therefore, even when the chelate complex of the present invention is applied to a membrane, superior pressure drop characteristics can be expected compared to the conventional adsorbent.
Claims (18)
폴리아크릴로니트릴 나노입자와 아민화합물의 반응을 통해 폴리아크릴로니트릴 나노입자의 표면에 아민기가 고정화된 킬레이트 나노입자를 제조하는 단계; 및
복수의 킬레이트 나노입자가 바인더에 의해 연결됨과 함께 다단기공구조를 포함하는 킬레이트 복합체를 제조하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
킬레이트 나노입자를 제조하는 단계는,
액상의 아민화합물에 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 분산시킨 후 촉매를 투입한 다음 가열하여, 킬레이트 반응을 통해 폴리아크릴로니트릴 나노입자 표면에 아민기가 고정화시켜 킬레이트 나노입자를 제조하는 것이며,
상기 촉매는 보론트리플로라이드 2수화물(BF3·2H2O)이며,
킬레이트 복합체를 제조하는 단계는,
킬레이트 나노입자와 바인더를 포함하는 제 1 용액 및 킬레이트 나노입자 액적을 고형화시키는 제 2 용액을 준비하는 과정과,
제 1 용액을 노즐을 이용하여 킬레이트 나노입자 액적으로 제 2 용액에 떨어뜨리는 과정과,
킬레이트 나노입자 액적이 제 2 용액 내에서 고형화되는 과정과,
고형화된 킬레이트 나노입자 액적을 동결시키는 과정과,
동결 상태의 고형화된 킬레이트 나노입자 액적을 동결건조시켜 고형화된 킬레이트 나노입자 액적에 포함되어 있는 수분을 승화시켜 킬레이트 복합체를 제조하는 과정을 포함하여 구성되며,
상기 바인더는 알긴산이거나, 비고분자 바인더 또는 고분자 바인더이며,
제 1 용액에서 킬레이트 나노입자의 함량은 제 1 용액 100 질량부에 대하여 5∼40 질량부이며, 바인더의 함량은 킬레이트 나노입자 100 질량부에 대하여 2∼10 질량부인 것을 특징으로 하는 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체의 제조방법.
preparing polyacrylonitrile nanoparticles;
preparing chelate nanoparticles in which an amine group is immobilized on the surface of polyacrylonitrile nanoparticles through the reaction of polyacrylonitrile nanoparticles with an amine compound; and
Preparing a chelate complex including a multi-stage pore structure with a plurality of chelate nanoparticles connected by a binder;
The step of preparing the chelate nanoparticles,
After dispersing polyacrylonitrile nanoparticles in a liquid amine compound, a catalyst is added and then heated, and amine groups are immobilized on the surface of polyacrylonitrile nanoparticles through a chelate reaction to prepare chelate nanoparticles,
The catalyst is boron trifluoride dihydrate (BF 3 ·2H 2 O),
The step of preparing the chelate complex,
A process of preparing a first solution containing chelate nanoparticles and a binder and a second solution for solidifying the chelate nanoparticles droplet;
The process of dropping the first solution into the second solution as chelate nanoparticles using a nozzle;
a process in which the chelate nanoparticle droplets are solidified in the second solution;
Freezing the solidified chelate nanoparticle droplets;
It comprises the process of preparing a chelate complex by sublimating the moisture contained in the solidified chelate nanoparticle droplet by freeze-drying the solidified chelate nanoparticle droplet in the frozen state,
The binder is alginic acid, a non-polymer binder or a polymer binder,
The content of the chelate nanoparticles in the first solution is 5 to 40 parts by mass based on 100 parts by mass of the first solution, and the content of the binder is 2 to 10 parts by mass based on 100 parts by mass of the chelate nanoparticles. A method for producing a chelate complex having
아크릴로니트릴 단량체, 중합개시제, 계면활성제 및 증류수를 혼합, 교반하여 아크릴로니트릴 단량체의 중합반응을 통해 폴리아크릴로니트릴 나노입자를 제조하며,
상기 계면활성제는 폴리아크릴로니트릴의 뭉침 현상을 억제하는 양친성 기능기를 구비한 제 1 계면활성제와, 폴리아크릴로니트릴 콜로이드의 표면에너지를 낮추어 안정화시킴과 함께 미셸(micelle)을 형성하려는 특성을 통해 폴리아크릴로니트릴 콜로이드 입자의 수를 증가시켜 균일한 크기의 폴리아크릴로니트릴 나노입자 생성을 유도하는 제 2 계면활성제를 포함하는 것을 특징으로 하는 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체의 제조방법.
According to claim 1, wherein the step of preparing the polyacrylonitrile nanoparticles,
Polyacrylonitrile nanoparticles are prepared through polymerization of acrylonitrile monomer by mixing and stirring acrylonitrile monomer, polymerization initiator, surfactant and distilled water,
The surfactant is a first surfactant having an amphiphilic functional group that suppresses aggregation of polyacrylonitrile, and stabilizes by lowering the surface energy of polyacrylonitrile colloid. Through the characteristic of forming micelles A method for producing a chelate complex having a multi-stage pore structure, comprising a second surfactant that increases the number of polyacrylonitrile colloidal particles to induce the production of polyacrylonitrile nanoparticles of uniform size.
상기 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)는 친수성인 폴리아크릴로니트릴 콜로이드와 혼합되면 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)의 친수성 에터기가 폴리아크릴로니트릴과 결합되고 4-노닐페닐 3-설포프로필에터(KPE)의 소수성 기능기는 바깥으로 향하게 되어 폴리아크릴로니트릴의 뭉침 현상을 억제하는 것을 특징으로 하는 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체의 제조방법.
According to claim 2, wherein the first surfactant is 4-nonylphenyl 3-sulfopropylether (KPE, 4-nonylphenyl 3-sulfopropylether),
When 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) is mixed with a hydrophilic polyacrylonitrile colloid, the hydrophilic ether group of 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) is combined with polyacrylonitrile, A method for producing a chelate complex having a multi-stage pore structure, characterized in that the hydrophobic functional group of 4-nonylphenyl 3-sulfopropyl ether (KPE) is directed outward to suppress the aggregation of polyacrylonitrile.
The method of claim 2, wherein the second surfactant is sodium dodecyl sulfate.
제 1 계면활성제와 제 2 계면활성제는 45 : 55 ∼ 55 : 45의 중량비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체의 제조방법.
The method according to claim 2, wherein 100 to 300 parts by weight of acrylonitrile monomer, 500 to 1500 parts by weight of distilled water, and 0.1 to 10 parts by weight of a surfactant are mixed with respect to 1 part by weight of the polymerization initiator,
A method for producing a chelate complex having a multi-stage pore structure, characterized in that the first surfactant and the second surfactant are mixed in a weight ratio of 45: 55 to 55: 45.
The method according to claim 1, wherein the amine compound is a primary or more amine compound having an alkyl group.
According to claim 1, wherein the amine compound is ethylenediamine (ethylenediamine), diethylenetriamine (diethylenetriamine), tris (2-aminoethylamine (tris(2-aminoethyl)amine), propane-1,3-diamine (propane) -1,3-diamine), methane triamine, 3-(2-aminoethyl)pentane-1,5-diamine (3-(2-aminoethyl)pentane-1,5-diamine), melamine (melamine), diaminofurazan (diaminofurazan), diaminopyridine (diaminopyridine) and diaminopyrimidine (diaminopyrimidine), characterized in that any one or a combination thereof, a method for producing a chelate complex having a multi-stage pore structure.
The method of claim 1, wherein in the manufacturing process of the chelate nanoparticles, 10 to 30 parts by weight of the polyacrylonitrile nanoparticles are mixed with respect to 100 parts by weight of the amine compound, and the catalyst is mixed with 100 parts by weight of the polyacrylonitrile nanoparticles. A method for producing a chelate complex having a multi-stage pore structure, characterized in that 1 to 10 parts by weight are mixed.
상기 비고분자 바인더로는 아민, 시아네이트, 알코올, 카복실 중 어느 하나 이상의 기능기를 포함하는 분자이며,
상기 고분자 바인더는 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chloride), 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리설폰(polysulfone) 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 다단기공구조를 갖는 킬레이트 복합체의 제조방법.
According to claim 1, wherein the binder is a non-polymer binder or a polymer binder,
The non-polymer binder is a molecule containing at least one functional group selected from amine, cyanate, alcohol, and carboxyl,
The polymer binder is polyvinyl alcohol, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polycaprolactone, polyethylene glycol, polystyrene, poly Acrylonitrile (polyacrylonitrile), polysulfone (polysulfone) any one or a method for producing a chelate complex having a multi-stage pore structure, characterized in that a combination thereof.
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