KR102556035B1 - A method of chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis and the application for ammonium ions adsorption and quantitative detection - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고농도일 경우 수계생물의 질병 및 폐사를 유발하는 암모늄이온 농도 측정기술과 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 암모늄이온을 흡착할 뿐만 아니라 흡착된 암모늄이온을 형광분석함으로써 액체 내 암모늄이온 농도를 신속하고 간단하게 측정할 수 있는 신규한 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤, 상기 하이드로젤 합성방법 및 상기 하이드로젤을 이용한 암모늄이온 농도 측정방법{에 관한 것이다.The present invention is related to a technology for measuring the concentration of ammonium ions, which cause disease and death of aquatic organisms at high concentrations. It relates to a novel chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel that can be easily measured, a method for synthesizing the hydrogel, and a method for measuring the ammonium ion concentration using the hydrogel.

Description

키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤, 상기 하이드로젤 합성방법 및 상기 하이드로젤을 이용한 암모늄이온 농도 측정 방법{A method of chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis and the application for ammonium ions adsorption and quantitative detection}A method of chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis and the application for ammonium ions adsorption and quantitative detection}

본 발명은 고농도일 경우 수계생물의 질병 및 폐사를 유발하는 암모늄이온 농도 측정 기술과 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 암모늄이온을 흡착할 뿐만 아니라 흡착된 암모늄이온을 형광 분석함으로써 액체 내 암모늄이온 농도를 신속하고 간단하게 측정할 수 있는 신규한 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤, 상기 하이드로젤 합성 방법 및 상기 하이드로젤을 이용한 암모늄이온 농도 측정 방법에 관한 것이다.The present invention is related to a technology for measuring the concentration of ammonium ions, which cause disease and death of aquatic organisms at high concentrations. It relates to a novel chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel that can be easily measured, a method for synthesizing the hydrogel, and a method for measuring the ammonium ion concentration using the hydrogel.

고밀도양식과 대규모 농작물 재배, 가축의 분뇨나 과도한 비료의 사용으로 인해서 많은 양의 영양염이 수계생태계로 유출되며 이에 따라 부영양화가 발생하고 수산업의 경우 양식어류의 폐사가 발생하기도 한다. 특히 오염된 폐수에서 가장 많이 발견되는 물질인 암모니아는 저농도인 0.10mg/L에도 양식어류의 지느러미, 아가미에 출혈을 일으킬 수 있고 고농도인 2.00mg/L에는 폐사를 일으키기도 한다.Due to high-density aquaculture, large-scale crop cultivation, and the use of livestock manure or excessive fertilizer, a large amount of nutrients are leaked into the aquatic ecosystem, resulting in eutrophication and mortality of farmed fish in the aquaculture industry. In particular, ammonia, the most frequently found substance in polluted wastewater, can cause bleeding in the fins and gills of farmed fish even at a low concentration of 0.10 mg/L, and may cause death at a high concentration of 2.00 mg/L.

암모니아의 이온화 형태인 암모늄이온은 대부분 양식어류가 배출한 배설물과 섭이되지 않은 유실된 사료가 호기성 미생물에 의해 분해되며 발생한다. 암모늄이온은 양식어류의 점막에 닿으면 비누화 반응으로 세포막을 녹이고 체액으로 들어가면 체액을 염기성으로 만들어 장기 내 효소활성을 저해하고 특히, 높은 암모늄이온의 농도일 경우 생물 내 에너지대사인 Tricarboxylic Acid (TCA) 사이클의 반응을 저해하므로 체내 에너지 생산에 차질이 생기게 된다.Ammonium ion, which is an ionized form of ammonia, is generated when most of the excrement discharged from farmed fish and lost feed that has not been fed are decomposed by aerobic microorganisms. When ammonium ion touches the mucous membrane of farmed fish, it dissolves the cell membrane through a saponification reaction, and when it enters the body fluid, it makes the body fluid basic and inhibits enzyme activity in organs. In particular, when the concentration of ammonium ion is high, tricarboxylic acid (TCA) Because it inhibits the reaction of the cycle, there is a setback in energy production in the body.

암모늄이온의 측정법은 주로 흡광광도법이 이용되며 인도페놀법(Indophenol Blue Method)과 네슬러법(Nessler's method)이 있다. 인도페놀법은 시료 용액의 암모늄이온에 phenol과 sodium nitroprusside를 반응시켜 생성되는 인도페놀의 청색을 흡광광도계로 측정하여 사용한다. 네슬러법은 아이오딘화수은(∥)과 아이오딘화칼륨을 수산화칼륨수용액에 용해 시킨 네슬러시약을 암모니아와 반응시켜 나타나는 황갈색의 용액을 비색법으로 측정하는 방법이다.As a method for measuring ammonium ion, an absorbance photometry method is mainly used, and there are Indophenol Blue Method and Nessler's method. The indophenol method is used by measuring the blue color of indophenol produced by reacting phenol and sodium nitroprusside with ammonium ion in the sample solution with an absorbance photometer. The Nessler method is a colorimetric method for measuring the yellowish-brown solution obtained by reacting Nessler reagent, which is a solution of mercury iodide (?) and potassium iodide in an aqueous solution of potassium hydroxide, with ammonia.

암모니아 제거를 위해 생물학적 처리, 화학적 응집, 산화반응, 증기 스트리핑, 마이크로웨이브 복사, 이온교환법, 흡착처리법 등이 연구되고 있다. 그중에서도 흡착처리법은 처리시간 면에서 효율적이고 많은 약품을 사용하지 않으며 저에너지가 든다는 점에서 경제적인 방법이다. 하이드로젤은 대표적인 흡착처리법에 쓰이는 재료 중 하나로, 빠른 흡착력, 높은 오염물수용력, 넓은 pH 범위에서의 사용 등의 장점이 있으며 하이드로젤의 뼈대를 잡아주는 키토산 역시 중금속 오염, 유기 오염물 등의 흡착에 하이드로젤과 함께 사용되고 있다.Biological treatment, chemical coagulation, oxidation reaction, steam stripping, microwave radiation, ion exchange method, adsorption treatment method, etc. are being studied for ammonia removal. Among them, the adsorption treatment method is an economical method in that it is efficient in terms of treatment time, does not use many chemicals, and requires low energy. Hydrogel is one of the materials used in representative adsorption treatment methods, and has advantages such as fast adsorption, high contaminant capacity, and use in a wide pH range. is used with

하지만 아직 하이드로젤에 의해 암모니아가 흡착된 농도를 측정하는 방법은 유입수와 배출수의 암모니아 농도 차를 측정하여 조사하는 방식에만 머무르고 있으므로 시간이 오래 걸리고 비효율적이라는 단점이 있으며 오염원 흡착을 위한 하이드로젤의 뼈대구조를 만드는 재료에서도 다른 하이드로젤을 응용한 분야인 생체재료 분야, 의공학 분야와는 다르게 많은 폴리머의 응용이 연구되지 않았다. However, the method of measuring the concentration of ammonia adsorbed by the hydrogel remains only in the method of measuring and investigating the difference in ammonia concentration in the influent and outlet water, so it takes a long time and is inefficient. Unlike the fields of biomaterials and biomedical engineering, which are other areas where hydrogels are applied, many applications of polymers have not been studied.

국내특허등록번호 제10-2351290호Domestic Patent Registration No. 10-2351290

따라서, 본 발명의 목적은 우수한 암모늄이온 흡착능을 갖고, 암모늄이온의 흡착여부는 물론 흡착된 암모늄이온의 함량이 형광분석으로 측정되므로, 암모늄이온 흡착과 센싱이 가능한 특성을 갖는 새로운 구조의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 및 상기 하이드로젤 합성 방법을 제공하는 것이다.Therefore, the object of the present invention is to develop a chitosan-based 4 with a new structure that has excellent ammonium ion adsorption capacity and has the ability to adsorb and sense ammonium ions because the content of ammonium ions adsorbed as well as whether or not ammonium ions are adsorbed is measured by fluorescence analysis. - To provide a hydroxybenzoic acid hydrogel and a method for synthesizing the hydrogel.

본 발명의 다른 목적은 흡착된 암모늄이온의 함량이 형광분석으로 측정되는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤의 특성을 이용하여 수계를 포함하여 각종 액체에 존재하는 암모늄이온의 농도를 유해 화학물질이나 중금속을 사용하지 않아 친환경적이며 저렴한 비용으로 신속하고 간단하게 측정할 수 있는 하이드로젤을 이용한 암모늄이온 농도 측정방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to measure the concentration of ammonium ions present in various liquids, including water systems, by using the characteristics of chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, in which the content of adsorbed ammonium ions is measured by fluorescence analysis. It is to provide a method for measuring ammonium ion concentration using a hydrogel that is environmentally friendly because it does not use heavy metals and can be measured quickly and simply at low cost.

본 발명의 또 다른 목적은 기존 공지된 키토산 하이드로젤에 비해, 보다 더 우수한 암모늄이온 흡착능을 갖는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 포함하는 암모늄이온 흡착제를 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an ammonium ion adsorbent comprising a chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel having a better ammonium ion adsorption capacity than the previously known chitosan hydrogel.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 먼저 본 발명은 하기 화학식 1을 갖는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 제공한다.In order to achieve the above object of the present invention, first, the present invention provides a chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel having the following Chemical Formula 1.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112023016402675-pat00001
Figure 112023016402675-pat00001

여기서, n은 200 내지 50000 사이의 실수이고, m은 50 내지 1000사이의 실수이다. Here, n is a real number between 200 and 50000, and m is a real number between 50 and 1000.

바람직한 실시예에 있어서, 키토산 하이드로젤의 암모늄이온 흡착능 보다 1.5배 이상 향상된다.In a preferred embodiment, the ammonium ion adsorption capacity of chitosan hydrogel is improved by 1.5 times or more.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 암모늄이온 흡착능은 상기 4-하이드록시벤조산에 의해 향상된다. In a preferred embodiment, the ammonium ion adsorption capacity is enhanced by the 4-hydroxybenzoic acid.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 암모늄이온이 흡착되면, 상기 4-하이드록시벤조산에 의해 녹색형광이 방출된다. In a preferred embodiment, when the ammonium ion is adsorbed, green fluorescence is emitted by the 4-hydroxybenzoic acid.

바람직한 실시예에 있어서, 방출되는 녹색형광의 강도로 상기 암모늄이온의 흡착량이 측정된다. In a preferred embodiment, the adsorbed amount of the ammonium ion is measured by the intensity of the emitted green fluorescence.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 화학식1에서 m이 150 내지 500 사이의 실수인 하이드로젤에서 상기 암모늄이온의 흡착량과 상기 녹색형광의 강도가 반비례한다. In a preferred embodiment, in a hydrogel in which m is a real number between 150 and 500 in Chemical Formula 1, the amount of adsorption of ammonium ions and the intensity of the green fluorescence are inversely proportional.

또한, 본 발명은 키토산을 일정온도에서 산용액에 용해시켜 반응용액1을 준비하는 단계; 상기 반응용액1에 키토산의 화학적 라디칼 생성반응을 일으키는 개시제를 첨가하여 키토산에 다수의 라디칼 형성이 유도된 반응용액2를 준비하는 단계; 상기 반응용액2에 4-하이드록시벤조산을 첨가하여 발생되는 아마이드 반응을 통해 키토산과 4-하이드록시벤조산이 결합된 반응용액3을 준비하는 단계; 상기 반응용액3에 하이드로젤유도제를 첨가한 후 일정 온도에서 교반시켜 하이드로젤을 형성하는 단계;를 포함하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of preparing a reaction solution 1 by dissolving chitosan in an acid solution at a constant temperature; preparing a reaction solution 2 in which a plurality of radicals are formed in chitosan by adding an initiator to the reaction solution 1 to generate a chemical radical of chitosan; preparing a reaction solution 3 in which chitosan and 4-hydroxybenzoic acid are combined through an amide reaction generated by adding 4-hydroxybenzoic acid to the reaction solution 2; It provides a chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis method comprising adding a hydrogel inducing agent to the reaction solution 3 and then stirring it at a constant temperature to form a hydrogel.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 하이드로젤로부터 잔여 화학물질을 제거하는 세척 단계; 및 형성된 하이드로젤 또는 세척된 하이드로젤을 건조하는 건조단계; 중 하나 이상을 더 포함한다.In a preferred embodiment, a washing step of removing residual chemicals from the hydrogel; and a drying step of drying the formed hydrogel or the washed hydrogel; further includes one or more of

바람직한 실시예에 있어서, 상기 산용액은 염산용액, 질산용액 및 황산용액으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the acid solution is at least one selected from the group consisting of a hydrochloric acid solution, a nitric acid solution, and a sulfuric acid solution.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 개시제는 황산암모늄, 2,2-아조비스(2-메틸프로피오니트릴), 2,2-아조비스(4-메톡시-2,4-디메틸발레로니트릴), 2-브로모프로판니트릴, 염화톨루엔설포닐으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다.In a preferred embodiment, the initiator is ammonium sulfate, 2,2-azobis (2-methylpropionitrile), 2,2-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), 2 - At least one selected from the group consisting of bromopropanenitrile and toluenesulfonyl chloride.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 4-하이드록시벤조산은 상기 반응용액2에 0.1 내지 1mM 농도로 첨가된다.In a preferred embodiment, the 4-hydroxybenzoic acid is added to the reaction solution 2 at a concentration of 0.1 to 1 mM.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 하이드로젤유도제는 폴리에틸렌글리콜, 아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알콜, 콜라겐, 젤라틴으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이다. In a preferred embodiment, the hydrogel inducer is at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol, acrylic acid, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, collagen, and gelatin.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 일정온도는 60℃ 내지 80℃이다. In a preferred embodiment, the constant temperature is 60 ℃ to 80 ℃.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 또는 상술된 어느 하나의 합성방법으로 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 포함하는 암모늄 흡착제를 제공한다.In addition, the present invention provides an ammonium adsorbent comprising any one of the above-described chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogels or the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesized by any one of the above-described synthesis methods.

바람직한 실시예에 있어서, 암모늄이온 흡착량이 pH 5 내지 pH 8 범위를 벗어나면 감소된다. In a preferred embodiment, the amount of ammonium ion adsorption is reduced when it is out of the range of pH 5 to pH 8.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤이 n은 18000이고, m은 150 내지 500사이의 실수이면, pH 6에서 상기 암모늄이온 흡착량이 19.2mg/g이다. In a preferred embodiment, when n is 18000 and m is a real number between 150 and 500 in the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, the adsorbed amount of ammonium ion at pH 6 is 19.2 mg/g.

또한, 본 발명은 암모니아수를 3차 증류수에 희석하여 9.00-900μM 농도 범위에서 다수의 표준용액을 준비하는 단계; 상기 각각의 농도에 따른 표준용액에 제 1 항의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 침지시키는 단계; 상기 하이드로젤이 침지된 상태에서 150 내지 300rpm 조건으로 흔들면서 60분 내지 120분 동안 유지하는 단계; 상기 각각의 표준용액에 침지된 하이드로젤을 분리하여 상기 하이드로젤의 형광강도를 각각 측정하는 단계; 및 상기 하이드로젤 당 측정된 형광강도와 하이드로젤이 침지된 표준용액의 농도를 매칭시켜 상기 하이드로젤에 흡착된 암모늄이온의 농도가 특정되도록 라이브러리화하는 단계;를 포함하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리 형성방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of diluting ammonia water in tertiary distilled water to prepare a plurality of standard solutions in the concentration range of 9.00-900μM; immersing the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of claim 1 in a standard solution according to each concentration; Maintaining for 60 minutes to 120 minutes while shaking at 150 to 300 rpm conditions in a state in which the hydrogel is immersed; Separating the hydrogels immersed in each of the standard solutions and measuring the fluorescence intensity of the hydrogels; Ammonium in a liquid using a hydrogel comprising; and matching the fluorescence intensity measured per hydrogel with the concentration of the standard solution in which the hydrogel is immersed, thereby creating a library so that the concentration of ammonium ions adsorbed to the hydrogel is specified. A method for forming a reference library for measuring ion concentration is provided.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤은 n은 18000이고, m은 150 내지 500사이의 실수이다.In a preferred embodiment, in the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, n is 18000 and m is a real number between 150 and 500.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 형광광도를 측정하는 단계는 상기 하이드로젤의 흡광 광도를 390nm 내지 420nm 파장에서 측정하여 수행된다.In a preferred embodiment, the step of measuring the fluorescence intensity is performed by measuring the absorbance intensity of the hydrogel at a wavelength of 390 nm to 420 nm.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 라이브러리화하는 단계는 하기 수학식1을 이용하여 하이드로젤의 흡광 광도 또는 암모늄이온 농도를 일정 간격으로 변화시키 계산된 값을 매칭시켜 수행된다. In a preferred embodiment, the step of creating a library is performed by matching the calculated value by changing the absorbance or ammonium ion concentration of the hydrogel at regular intervals using Equation 1 below.

[수학식1][Equation 1]

y=-147x + 4601 y=-147x + 4601

여기서, y는 측정된 형광강도이고, x는 암모늄이온 농도이며, R2은 0.9 이상임.Here, y is the measured fluorescence intensity, x is the ammonium ion concentration, and R 2 is greater than or equal to 0.9.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 방법으로 형성된 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리를 제공한다.In addition, the present invention provides a reference library for measuring the ammonium ion concentration in a liquid using a hydrogel formed by any one of the methods described above.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 또는 상술된 어느 하나의 합성방법으로 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 대상 액체에 침지시키는 단계; 상기 액체에 침지된 하이드로젤을 150 내 300rpm 조건으로 흔들면서 60분 내지 120분 동안 유지하는 단계; 상기 하이드로젤을 대상 액체로부터 분리하여 형광강도를 측정하는 단계; 및 제 21 항의 기준 라이브러리 또는 하기 수학식1에 따라 상기 측정된 형광강도에 대응하는 암모늄이온의 농도를 결정하는 단계;를 포함하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of immersing the above-described chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel or the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesized by any one of the above-described synthesis methods in a target liquid; Maintaining the hydrogel immersed in the liquid for 60 to 120 minutes while shaking at 150 to 300 rpm; Separating the hydrogel from the target liquid and measuring fluorescence intensity; and determining the concentration of ammonium ions corresponding to the measured fluorescence intensity according to the reference library of claim 21 or Equation 1 below.

[수학식1][Equation 1]

y=-147x + 4601 y=-147x + 4601

여기서, y는 측정된 형광강도이고, x는 암모늄이온 농도이며, R2은 0.9 이상임. Here, y is the measured fluorescence intensity, x is the ammonium ion concentration, and R 2 is greater than or equal to 0.9.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 형광강도를 측정하는 단계가 수행된 상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤로부터 흡착된 암모늄이온을 제거하는 단계;가 더 수행된다. In a preferred embodiment, a step of removing adsorbed ammonium ions from the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel in which the step of measuring the fluorescence intensity is performed is further performed.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 암모늄이온을 제거하는 단계는 상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 강염기성용액에 침지시켜 수행된다. In a preferred embodiment, the step of removing the ammonium ion is performed by immersing the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel in a strong basic solution.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 암모늄이온이 제거된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 5회까지 재사용한다.In a preferred embodiment, the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel from which ammonium ions are removed is reused up to 5 times.

상술된 본 발명의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 및 그 합성방법에 의하면 우수한 암모늄이온 흡착능을 갖고, 암모늄이온의 흡착여부는 물론 흡착된 암모늄이온의 함량이 형광분석으로 측정되므로, 암모늄이온 흡착과 센싱이 가능한 특성을 갖는 새로운 구조의 하이드로젤을 제공할 수 있다. According to the above-described chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel and its synthesis method of the present invention, it has excellent ammonium ion adsorption capacity, and since the content of adsorbed ammonium ions as well as whether or not ammonium ions are adsorbed is measured by fluorescence analysis, ammonium ion adsorption It is possible to provide a hydrogel with a new structure that has characteristics capable of sensing and sensing.

또한, 본 발명의 하이드로젤을 이용한 암모늄이온 농도 측정방법에 의하면, 흡착된 암모늄이온의 함량이 형광분석으로 측정되는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤의 특성을 이용하여 수계를 포함하여 각종 액체에 존재하는 암모늄이온의 농도를 유해 화학물질이나 중금속을 사용하지 않아 친환경적이며 저렴한 비용으로 신속하고 간단하게 측정할 수 있다. In addition, according to the ammonium ion concentration measurement method using the hydrogel of the present invention, the content of adsorbed ammonium ions is measured by fluorescence analysis, using the characteristics of chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel to various liquids, including aqueous systems. The concentration of ammonium ion present can be measured quickly and simply at low cost and environmentally friendly without using harmful chemicals or heavy metals.

또한, 본 발명의 암모늄이온 흡착제에 의하면 기존 공지된 키토산 하이드로젤에 비해 우수한 암모늄이온 흡착능을 갖는다. In addition, according to the ammonium ion adsorbent of the present invention, it has an excellent ammonium ion adsorption capacity compared to the conventionally known chitosan hydrogel.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤의 화학식에서 키토산과 4-하이드록시벤조산의 결합관계 및 4-하이드록시벤조산의 기능을 나타낸 것이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 구조의 하이드로젤에서 4-하이드록시벤조산에 의해 형광이 발생하는데, 암모늄이온이 흡착되면 형광강도가 감소하는 것을 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 키토산기반의 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법과 암모늄의 흡착, 그리고 암모늄흡착에 따른 하이드로젤 내 화학적 변화에 따른 형광강도의 변화를 나타낸 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 합성방법에 따라 다양한 농도의 4-하이드록시벤조산을 투입하여 제조된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 이용하여 다양한 농도의 암모늄이온이 포함된 용액에서 랭뮤어 등온 흡착모델을 사용하여 최대 흡착량과 흡착제-흡착물질 간 결합 친화성을 수치화한 결과그래프이고, 도 3b는 시간에 따른 암모늄흡착량을 평가하여 흡착속도를 도출한 결과그래프이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 합성방법에 따라 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤에 각각 0, 0.1, 0.2, 1.0, 5.0mM 암모늄이온의 농도를 흡착시킨 후 365nm의 자외선을 조사하여 각각 방출되는 형광강도를 보여주는 결과 사진들이다.
도 5a는 암모늄이온 농도를 x축으로 하고 형광강도를 y축으로 하여 표준용액의 암모늄이온 농도를 당 측정된 형광강도를 표시하여 얻어진 표준검량선을 도시한 그래프이고, 도 5b는 도 4에서 사용된 다양한 암모늄이온 농도(0.1-5.0mM)로 흡착된 하이드로젤을 형광분광광도계로 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 키토산기반의 4-하이드록시벤조산 하이드로젤과 키토산하이드로젤이 암모늄이온 흡착 후, 흡착된 암모늄이온 제거하여 재사용될 수 있는지 여부를 실험한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 키토산기반의 4-하이드록시벤조산 하이드로젤과 키토산하이드로젤의 암모늄이온 제거효율을 도시한 그래프이다.
1A shows the bonding relationship between chitosan and 4-hydroxybenzoic acid and the function of 4-hydroxybenzoic acid in the chemical formula of chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel according to various embodiments of the present invention, and FIG. Fluorescence is generated by 4-hydroxybenzoic acid in the hydrogel having the structure shown in , and it is a schematic diagram showing that fluorescence intensity decreases when ammonium ions are adsorbed.
Figure 2 is a schematic diagram showing the change in fluorescence intensity according to the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis method according to various embodiments of the present invention, the adsorption of ammonium, and the chemical change in the hydrogel according to the ammonium adsorption.
3a is a chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel prepared by adding 4-hydroxybenzoic acid at various concentrations according to the synthesis method according to various embodiments of the present invention in a solution containing various concentrations of ammonium ions. It is a result graph obtained by numerically quantifying the maximum adsorption amount and the binding affinity between the adsorbent and the adsorbent using the Langmuir isothermal adsorption model, and FIG. 3B is a graph showing the result of deriving the adsorption rate by evaluating the ammonium adsorption amount over time.
FIG. 4 shows 365 nm ultraviolet rays after adsorbing concentrations of 0, 0.1, 0.2, 1.0, and 5.0 mM ammonium ions to chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogels synthesized according to the synthesis method according to various embodiments of the present invention, respectively. These are the resulting photographs showing the fluorescence intensity emitted by each irradiation.
Figure 5a is a graph showing a standard calibration curve obtained by displaying the fluorescence intensity measured per ammonium ion concentration of a standard solution with the ammonium ion concentration as the x-axis and the fluorescence intensity as the y-axis, and Figure 5b is a graph showing the standard calibration curve used in FIG. It is a graph showing the results of measuring the hydrogel adsorbed at various ammonium ion concentrations (0.1-5.0 mM) with a fluorescence spectrophotometer.
Figure 6a is a graph showing the results of experiments on whether chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel and chitosan hydrogel according to various embodiments of the present invention can be reused by removing adsorbed ammonium ions after adsorbing ammonium ions; , Figure 6b is a graph showing the ammonium ion removal efficiency of chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel and chitosan hydrogel according to various embodiments of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. The terms used in the present invention have been selected from general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention of a person skilled in the art or precedent, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in a specific case, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the invention.

본 발명에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.When 'includes,' 'has,' or 'consists of' mentioned in the present invention is used, other parts may be added unless 'only' is used. In the case where a component is expressed in the singular, the case including the plural is included unless otherwise explicitly stated.

구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.In interpreting the components, even if there is no separate explicit description, it is interpreted as including the error range.

본 발명의 여러 구현예들 각각의 특징적인 부분들은 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 구현예들은 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.Characteristic parts of each of the various embodiments of the present invention can be partially or entirely combined or combined with each other, technically various interlocking and driving are possible, and each embodiment can be implemented independently of each other or in an association relationship. may be performed together.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numbers used to describe the invention throughout the specification indicate like elements.

본 발명의 기술적 특징은 종래 공지된 키토산 하이드로젤에 비해 우수한 암모늄이온 흡착능을 갖고, 키토산 하이드로젤과는 달리 형광분석을 통해 암모늄이온의 흡착여부는 물론 흡착된 암모늄이온의 함량이 형광분석을 통해 측정되므로 암모늄이온 흡착과 센싱이 가능한 특성을 갖는 새로운 구조의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 및 상기 하이드로젤 합성방법과 상기 하이드로젤을 포함하는 암모늄이온 흡착제 및 상기 하이드로젤을 이용한 각종 액체에 존재하는 암모늄이온 농도 측정방법에 있다.The technical feature of the present invention is that it has an excellent ammonium ion adsorption capacity compared to conventionally known chitosan hydrogels, and unlike chitosan hydrogels, the adsorption of ammonium ions as well as the content of adsorbed ammonium ions is measured through fluorescence analysis through fluorescence analysis Therefore, a new structure of chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel having the characteristics of enabling ammonium ion adsorption and sensing and the method for synthesizing the hydrogel, the ammonium ion adsorbent including the hydrogel, and the hydrogel present in various liquids It is in the method of measuring the ammonium ion concentration.

즉, 공지된 액체에 존재하는 암모늄이온의 농도를 측정하는 인도페놀법(Indophenol Blue Method)과 네슬러법(Nessler's method) 등과 같은 흡광광도법을 사용하는 경우, 인도페놀법은 페놀이, 네슬러법은 수은이 필수적 사용되어 환경에 유해하며 그 과정 또한 극히 복잡하여 시간이 오래 걸리고 비효율적이라는 문제가 있었기 때문이다. 또한, 종래 공지된 키토산 하이드로젤은 암모늄이온 흡착능을 갖고 있어 액체에 존재하는 암모늄이온을 제거하기 위한 흡착제로 사용할 수는 있지만, 형광분석시 특정 형광을 발생시키지 않으므로, 측정 대상 액체의 암모늄이온 농도를 측정하기 위해서는 키토산 하이드로젤 투입 전 유입수와 투입 후 배출수의 암모니아 농도 차를 흡광광도법으로 측정하여 조사하는 방식에만 머무르고 있었기 때문이다. That is, when using absorbance spectrophotometric methods such as the Indophenol Blue method and the Nessler's method, which measure the concentration of ammonium ions present in known liquids, the Indophenol method is phenol, and the Nessler method is mercury. This is because this essential use is harmful to the environment, and the process is also extremely complex, so it takes a long time and is inefficient. In addition, the conventionally known chitosan hydrogel has an ability to adsorb ammonium ions and can be used as an adsorbent to remove ammonium ions present in liquid, but does not generate specific fluorescence during fluorescence analysis, so the concentration of ammonium ions in the liquid to be measured can be measured. This is because, in order to measure, the difference in ammonia concentration between the inflow water before and after the introduction of chitosan hydrogel and the ammonia concentration in the discharge water was measured by absorbance photometric method and was limited to the method of investigation.

따라서, 본 발명은 하기 화학식 1을 갖는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel having Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

Figure 112023016402675-pat00002
Figure 112023016402675-pat00002

여기서, n은 200 내지 50000 사이의 실수이고, m은 50 내지 1000사이의 실수이다. Here, n is a real number between 200 and 50000, and m is a real number between 50 and 1000.

본 발명의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤은 암모늄이온 흡착능을 갖는데, 키토산 하이드로젤의 암모늄이온 흡착능 보다 1.5배 이상 향상되는 특성을 나타내며, 4-하이드록시벤조산에 의해 상기 암모늄이온 흡착능이 향상된다. The chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of the present invention has an ammonium ion adsorption capacity, which is 1.5 times higher than the ammonium ion adsorption capacity of chitosan hydrogel, and the ammonium ion adsorption capacity is improved by 4-hydroxybenzoic acid. .

본 발명의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤에 암모늄이온이 흡착되면, 4-하이드록시벤조산에 의해 녹색형광이 방출될 수 있다. 즉 4-하이드록시벤조산은 광자 에너지(hv)를 받음으로써 하이드록시그룹의 수소 원자를 제거하여 4-하이드록시벤조에이트로 분해될 수 있는데, 후술하는 바와 같이 형광 현미경 분석을 통해 하이드로겔의 전체 표면에서 녹색 형광 방출의 발생을 입증하였다.When ammonium ions are adsorbed on the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of the present invention, green fluorescence can be emitted by 4-hydroxybenzoic acid. That is, 4-hydroxybenzoic acid can be decomposed into 4-hydroxybenzoate by removing the hydrogen atom of the hydroxy group by receiving photon energy (hv). demonstrated the occurrence of green fluorescence emission.

그 결과, 본 발명의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤에서 방출되는 녹색형광의 강도로 암모늄이온의 흡착량이 측정되므로, 암모늄이온 흡착과 센싱이 동시에 가능한 특성을 갖는 것을 알 수 있다.As a result, since the amount of adsorption of ammonium ion is measured by the intensity of green fluorescence emitted from the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of the present invention, it can be seen that it has characteristics capable of simultaneously adsorbing and sensing ammonium ion.

일 구현예로서, 화학식 1에서 m이 150 내지 500 사이의 실수인 하이드로젤은 암모늄이온의 흡착량과 녹색형광의 강도가 반비례하는 특성을 나타내었다. As an embodiment, a hydrogel in which m is a real number between 150 and 500 in Chemical Formula 1 exhibits characteristics in which the adsorbed amount of ammonium ions and the intensity of green fluorescence are inversely proportional.

도 1a에 도시된 바와 같이, 키토산과 4-하이드록시벤조산은 아마이드 결합에 의해 서로 결합되고, 4-하이드록시벤조산에 의해 암모늄이온의 흡착능이 형상될 뿐만 아니라 도 1b에 모식적으로 표시된 바와 같이 암모늄이온에 대한 센싱능력을 갖는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 1A, chitosan and 4-hydroxybenzoic acid are bonded to each other by an amide bond, and ammonium ion adsorption capacity is formed by 4-hydroxybenzoic acid, as well as ammonium as schematically shown in FIG. 1B. It can be seen that it has the ability to sense ions.

다음으로, 본 발명의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법은 키토산을 일정온도에서 산용액에 용해시켜 반응용액1을 준비하는 단계; 상기 반응용액1에 키토산의 화학적 라디칼 생성반응을 일으키는 개시제를 첨가하여 키토산에 다수의 라디칼 형성이 유도된 반응용액2를 준비하는 단계; 상기 반응용액2에 4-하이드록시벤조산을 첨가하여 발생되는 아마이드 반응을 통해 키토산과 4-하이드록시벤조산이 결합된 반응용액3을 준비하는 단계; 상기 반응용액3에 하이드로젤유도제를 첨가한 후 일정 온도에서 교반시켜 하이드로젤을 형성하는 단계;를 포함한다. Next, the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis method of the present invention comprises the steps of preparing a reaction solution 1 by dissolving chitosan in an acid solution at a certain temperature; preparing a reaction solution 2 in which a plurality of radicals are formed in chitosan by adding an initiator to the reaction solution 1 to generate a chemical radical of chitosan; preparing a reaction solution 3 in which chitosan and 4-hydroxybenzoic acid are combined through an amide reaction generated by adding 4-hydroxybenzoic acid to the reaction solution 2; and forming a hydrogel by adding a hydrogel inducing agent to the reaction solution 3 and stirring at a constant temperature.

필요한 경우, 상기 하이드로젤로부터 잔여 화학물질을 제거하는 세척단계; 및 형성된 하이드로젤 또는 세척된 하이드로젤을 건조하는 건조단계; 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 특히 세척단계는 개시제 및/또는 하이드로젤유도제 등으로 암모늄이온이 포함된 물질이 사용되면 필수적으로 수행될 필요가 있다. If necessary, a washing step of removing residual chemicals from the hydrogel; and a drying step of drying the formed hydrogel or the washed hydrogel; One or more of them may be further included. In particular, the washing step needs to be performed when a material containing ammonium ions is used as an initiator and/or a hydrogel inducer.

여기서, 반응용액1에 포함되는 산용액은 pH 5 미만이기만 하면 제한되지 않지만, 일 구현예로서 염산용액, 질산용액 및 황산용액으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. Here, the acid solution included in the reaction solution 1 is not limited as long as the pH is less than 5, but as an embodiment, it may be any one or more selected from the group consisting of a hydrochloric acid solution, a nitric acid solution, and a sulfuric acid solution.

개시제는 반응성이 낮은 키토산에 다수의 라디칼을 형성할 수 있기만 하면 공지된 모든 물질이 사용 가능한데, 일 구현예로서 황산암모늄, 2,2-아조비스(2-메틸프로피오니트릴), 2,2-아조비스(4-메톡시-2,4-디메틸발레로니트릴), 2-브로모프로판니트릴, 염화톨루엔설포닐로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. As an initiator, any known material can be used as long as it can form a large number of radicals in chitosan with low reactivity. As an embodiment, ammonium sulfate, 2,2-azobis(2-methylpropionitrile), 2,2- It may be at least one selected from the group consisting of azobis(4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), 2-bromopropanenitrile, and toluenesulfonyl chloride.

4-하이드록시벤조산은 반응용액2에 0.1 내지 1mM 농도로 첨가될 수 있는데, 0.1mM 미만이면 암모늄이온 흡착량이 줄어드는 문제가 있고, 1mM을 초과하면 합성이 되지 않는 문제가 있기 때문이다. 4-hydroxybenzoic acid may be added to the reaction solution 2 at a concentration of 0.1 to 1 mM. If the concentration is less than 0.1 mM, there is a problem in that the amount of ammonium ions adsorbed is reduced, and if the concentration exceeds 1 mM, there is a problem in that synthesis is not possible.

하이드로젤유도제는 키토산과 4-하이드록시벤조산이 결합된 반응용액3에서 하이드로젤화를 유도할 수 있기만 하면 공지된 모든 물질이 사용 가능한데, 일 구현예로서 폴리에틸렌글리콜, 아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알콜, 콜라겐, 젤라틴으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.Any known hydrogel inducing agent can be used as long as it can induce hydrogelation in reaction solution 3 in which chitosan and 4-hydroxybenzoic acid are combined. As an embodiment, polyethylene glycol, acrylic acid, polyacrylamide, and polyvinyl alcohol can be used. At least one selected from the group consisting of , collagen, and gelatin may be used.

반응용액1을 준비하는 단계 또는 하이드로젤을 형성하는 단계에서 일정온도는 60℃ 내지 80℃일 수 있는데, 80℃를 초과하면 반응용액1을 준비하는 단계에서는 용액이 끓는 문제가 있고, 하이드로젤을 형성하는 단계에서는 하이드로젤이 타면서 형성되어 품질이 저하되는 문제가 있고, 60℃ 미만이면 반응용액1을 준비하는 단계에서는 키토산이 녹지 않는 문제가 있고, 하이드로젤을 형성하는 단계에서는 합성시간이 오래 걸리는 문제가 있었다. In the step of preparing the reaction solution 1 or the step of forming the hydrogel, the constant temperature may be 60 ° C to 80 ° C. If the temperature exceeds 80 ° C, there is a problem of boiling the solution in the step of preparing the reaction solution 1, and the hydrogel In the forming step, there is a problem in that the hydrogel is formed while burning and the quality deteriorates. If the temperature is less than 60 ° C, there is a problem in that chitosan does not dissolve in the step of preparing reaction solution 1, and in the step of forming the hydrogel, the synthesis time is long. There was a problem with taking

다음으로, 본 발명의 암모늄 흡착제는 상술된 어느 하나의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 또는 상술된 어느 하나의 방법으로 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 포함한다. Next, the ammonium adsorbent of the present invention includes any one of the above-described chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogels or the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesized by any one of the above-described methods.

키토산 하이드로젤을 포함하는 암모늄 흡착제와 비교하면 pH 2-8인 상당히 넓은 pH 범위에서 더 안정적이었으나, 암모늄이온 흡착량이 pH 5 내지 pH 8 범위를 벗어나면 감소되는 특성을 나타내었다.Compared to the ammonium adsorbent containing chitosan hydrogel, it was more stable in a fairly wide pH range of pH 2-8, but exhibited a characteristic that the adsorption amount of ammonium ions decreased when it was out of the range of pH 5 to pH 8.

특히 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤이 n은 18000이고, m은 150 내지 500사이의 실수이면, pH 6에서 상기 암모늄이온 흡착량이 19.2mg/g이었다. In particular, when n is 18000 and m is a real number between 150 and 500 in the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, the adsorbed amount of ammonium ion at pH 6 was 19.2 mg/g.

다음으로, 본 발명의 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리 형성방법은 암모니아수를 3차 증류수에 희석하여 9.00-900μM 농도 범위에서 다수의 표준용액을 준비하는 단계; 상기 각각의 농도에 따른 표준용액에 제 1 항의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 침지시키는 단계; 상기 하이드로젤이 침지된 상태에서 150 내지 300rpm 조건으로 흔들면서 60분 내지 120분 동안 유지하는 단계; 상기 각각의 표준용액에 침지된 하이드로젤을 분리하여 상기 하이드로젤의 형광강도를 각각 측정하는 단계; 및 상기 하이드로젤 당 측정된 형광강도와 하이드로젤이 침지된 표준용액의 농도를 매칭시켜 상기 하이드로젤에 흡착된 암모늄이온의 농도가 특정되도록 라이브러리화하는 단계;를 포함한다. Next, the method for forming a standard library for measuring the concentration of ammonium ions in a liquid using the hydrogel of the present invention includes preparing a plurality of standard solutions in the concentration range of 9.00-900 μM by diluting ammonia water in tertiary distilled water; immersing the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of claim 1 in a standard solution according to each concentration; Maintaining for 60 minutes to 120 minutes while shaking at 150 to 300 rpm conditions in a state in which the hydrogel is immersed; Separating the hydrogels immersed in each of the standard solutions and measuring the fluorescence intensity of the hydrogels; And matching the fluorescence intensity measured per hydrogel with the concentration of the standard solution in which the hydrogel is immersed to create a library so that the concentration of ammonium ions adsorbed to the hydrogel is specified.

여기서, 다수의 표준용액을 구성하는 단계는 암모늄클로라이드와 3차 증류수를 이용하여 필요한 농도를 갖는 다수의 표준용액을 만든다. 일 구현예로서 1000mg/L의 암모늄 스톡 용액을 만든다. 그 후 농도를 계산하여 3차 증류수를 희석하여 필요한 농도 범위, 일 구현예로서, 0.1, 0.2, 0.5, 0.8, 1, 2, 3. 4 및 5 mM의 농도를 갖는 각각의 표준용액을 준비할 수 있다. Here, in the step of constructing a plurality of standard solutions, a plurality of standard solutions having a required concentration are prepared using ammonium chloride and tertiary distilled water. As an embodiment, an ammonium stock solution of 1000 mg/L is prepared. Then, the concentration is calculated and diluted with tertiary distilled water to prepare each standard solution having a concentration of the required concentration range, in one embodiment, 0.1, 0.2, 0.5, 0.8, 1, 2, 3. 4 and 5 mM. can

제1항의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤은 상술된 화학식 1에 대응되기만 하면 제한되지 않지만, 일 구현예로서 n은 18000이고, m은 150 내지 500사이의 실수인 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤이 사용될 수 있다.The chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of claim 1 is not limited as long as it corresponds to the above-mentioned Chemical Formula 1, but as an embodiment, n is 18000 and m is a real number between 150 and 500, and chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid Hydrogels may be used.

상기 형광광도를 측정하는 단계는 상기 하이드로젤의 형광 광도를 390~420nm파장 범위에서 측정하여 수행될 수 있는데, 사용하는 형광측정기에 적합한 파장이 사용될 수 있다. 일 구현예로서, 형광분광광도계이면 390~400nm파장에서 측정될 수 있고, 자외선분광광도계이면 420nm 파장에서 측정될 수 있을 것이다. The step of measuring the fluorescence intensity may be performed by measuring the fluorescence intensity of the hydrogel in a wavelength range of 390 to 420 nm, and a wavelength suitable for the fluorescence meter used may be used. As one embodiment, it can be measured at a wavelength of 390 to 400 nm if it is a fluorescence spectrophotometer, and it will be able to be measured at a wavelength of 420 nm if it is an ultraviolet spectrophotometer.

상기 유지하는 단계에서 흔드는 세기 및 시간은 실험적으로 결정된 것으로 150rpm미만이면 흡착이 약해지는 문제가 있고, 300rpm 초과하면 용액이 급격하게 흔들리는 문제가 있었으며, 60분 미만이면 모든 하이드로젤의 흡착사이트에 암모늄이온이 붙지 않는 문제가 있고, 120분을 초과하면 흡착된 암모늄이온이 떨어지는 문제가 있었다.The shaking intensity and time in the holding step are experimentally determined, and if the adsorption is less than 150 rpm, there is a problem of weakening the adsorption, if it exceeds 300 rpm, there is a problem of rapid shaking of the solution, and if it is less than 60 minutes, ammonium ions on the adsorption sites of all hydrogels There is a problem of not sticking, and there is a problem that adsorbed ammonium ions fall off after 120 minutes.

라이브러리화 하는 단계는 일 구현예로서 하기 표 1과 같이 표준용액의 암모늄이온 농도당 측정된 형광강도를 매칭하여 수행될 수 있다.As an embodiment, the step of libraryizing may be performed by matching the fluorescence intensity measured per ammonium ion concentration of the standard solution as shown in Table 1 below.

Dissolved Ammonium-ions(mM)Dissolved Ammonium-ions (mM) Fluorescence Intensities at 396.5nmFluorescence Intensities at 396.5nm 0.10.1 46824682 0.20.2 46134613 0.50.5 45164516 0.80.8 44234423 1One 43644364 22 43394339 33 40934093 44 40674067 55 38763876

표 1의 기준 라이브러리를 형성하기 위한 형광강도 측정조건은 다음과 같다. Fluorescence intensity measurement conditions for forming the reference library of Table 1 are as follows.

-이용된 표준용액의 용량: 50mg-Amount of standard solution used: 50mg

-하이드로젤 종류: Cht-0.3PHBA-HG 100mg 사용-Hydrogel type: Cht-0.3PHBA-HG 100mg used

-200rpm으로 흔들면서 60분 동안 유지Shake at -200 rpm and hold for 60 minutes

-흡광광도 측정은 형광분광광도계 사용-Use a fluorescence spectrophotometer for absorbance measurement

한편, 암모늄이온 농도를 0.01uM당 세분화하여 형광강도를 각각 측정한 후 매칭시켜 라이브러리화 할 수도 있지만, 너무 많은 실험이 필요하므로 표 1에 표시된 암모늄이온 농도와 매칭된 형광강도를 이용하여 도 5a에 도시된 바와 같이 암모늄이온 농도를 x축으로 하고 형광강도를 y축으로 하여 표준용액의 암모늄이온 농도를 당 측정된 형광강도를 표시하여 표준검량선을 작성하고, 이를 이용 하여 최소제곱법을 이용하여 하기 수학식 1을 완성하였다.On the other hand, it is also possible to subdivide the ammonium ion concentration per 0.01uM, measure the fluorescence intensity, and then match and make the library. As shown, a standard calibration curve is prepared by displaying the fluorescence intensity measured per ammonium ion concentration of the standard solution with the ammonium ion concentration as the x-axis and the fluorescence intensity as the y-axis, and using this, the following Equation 1 was completed.

[수학식 1][Equation 1]

y=-147x + 4601 y=-147x + 4601

여기서, y는 측정된 형광강도이고, x는 암모늄이온 농도이며, R2은 0.9 이상임. 이 때, R2는 결정계수로서, 1에 가까울수록 높은 정확도를 나타냄 Here, y is the measured fluorescence intensity, x is the ammonium ion concentration, and R 2 is greater than or equal to 0.9. At this time, R 2 is a coefficient of determination, and the closer to 1, the higher the accuracy.

수학식 1을 사용하여 원하는 암모늄이온 간격 당 또는 형광강도 간격당 기준 라이브러리를 형성할 수 있을 것이다.Equation 1 may be used to form a reference library per desired ammonium ion interval or fluorescence intensity interval.

다음으로, 본 발명의 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리는 상술된 기준 라이브러리 형성방법으로 얻어질 수 있다. Next, the reference library for measuring the ammonium ion concentration in liquid using the hydrogel of the present invention can be obtained by the above-described reference library formation method.

일 구현예로서 라이브러리는 표 1과 같은 방식으로, 수학식 1을 이용하여 일정 간격의 암모늄이온 농도당 계산된 형광강도를 매칭하여 작성될 수 있을 것이다. As an embodiment, the library may be created by matching the fluorescence intensity calculated per ammonium ion concentration at a certain interval using Equation 1 in the manner shown in Table 1.

다음으로, 본 발명의 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정방법은 상술된 어느 하나의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 또는 상술된 어느 하나의 합성방법으로 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 대상 액체에 침지시키는 단계; 상기 액체에 침지된 하이드로젤을 150 내 300rpm 조건으로 흔들면서 60분 내지 120분 동안 유지하는 단계; 상기 하이드로젤을 대상 액체로부터 분리하여 형광강도를 측정하는 단계; 및 상술된 기준 라이브러리를 기준으로 상기 측정된 형광강도에 대응하는 암모늄이온의 농도를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다. Next, the method for measuring the ammonium ion concentration in the liquid using the hydrogel of the present invention is any one of the above-described chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel or chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid synthesized by any of the above-described synthesis methods immersing the hydrogel in a target liquid; Maintaining the hydrogel immersed in the liquid for 60 to 120 minutes while shaking at 150 to 300 rpm; Separating the hydrogel from the target liquid and measuring fluorescence intensity; and determining the concentration of ammonium ions corresponding to the measured fluorescence intensity based on the aforementioned reference library.

필요한 경우, 상기 형광강도를 측정하는 단계가 수행된 상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤로부터 흡착된 암모늄이온을 제거하는 단계;가 더 수행될 수 있는데, 암모늄이온을 제거하는 단계는 상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 강염기성용액에 침지시켜 수행될 수 있다. 이와같이 암모늄이온이 제거된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤은 액체 내 암모늄이온 농도 측정을 위해 5회까지 재사용할 수 있다. If necessary, removing ammonium ions adsorbed from the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel in which the measuring the fluorescence intensity was performed may be further performed. This can be done by immersing the 4-hydroxybenzoic acid hydrogel in a strong basic solution. Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel from which ammonium ions have been removed can be reused up to 5 times to measure the concentration of ammonium ions in the liquid.

상기 유지하는 단계에서 흔드는 세기 및 시간은 실험적으로 결정된 것으로 150rpm미만이면 흡착이 약해지는 문제가 있고, 300rpm 초과하면 용액이 급격하게 흔들리는 문제가 있었으며, 60분 미만이면 모든 하이드로젤의 흡착사이트에 암모늄이온이 붙지 않는 문제가 있고, 120분을 초과하면 흡착된 암모늄이온이 떨어지는 문제가 있었다. The shaking intensity and time in the holding step are experimentally determined, and if the adsorption is less than 150 rpm, there is a problem of weakening the adsorption, if it exceeds 300 rpm, there is a problem of rapid shaking of the solution, and if it is less than 60 minutes, ammonium ions are attached to the adsorption sites of all hydrogels. There is a problem of not sticking, and there is a problem that adsorbed ammonium ions fall off after 120 minutes.

필요한 경우, 암모늄이온농도를 결정하는 단계가 상기 수학식 1에 측정된 형광강도 값을 넣어 계산되어 수행될 수도 있을 것이다. If necessary, the step of determining the ammonium ion concentration may be calculated and performed by inserting the measured fluorescence intensity value into Equation 1 above.

실시예 1Example 1

도 2에 도시된 바에 따라, 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 다음과 같이 합성하였다.As shown in FIG. 2, a chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel was synthesized as follows.

1. 반응용액1을 준비하는 단계1. Preparing reaction solution 1

1.0g의 키토산을 1M의 염산 용액 50mL에 녹여 65℃에서 30분 동안 마그네틱바로 회전시키며 녹여 반응용액1을 준비하였다.Reaction solution 1 was prepared by dissolving 1.0 g of chitosan in 50 mL of a 1 M hydrochloric acid solution and dissolving the mixture while rotating it with a magnetic bar at 65° C. for 30 minutes.

2. 반응용액2를 준비하는 단계2. Preparing reaction solution 2

반응용액1에 키토산의 화학적 라디칼 생성반응인 개시(initiation)를 위해 766mg의 황산암모늄을 넣고 키토산에 다수의 라디칼 형성이 유도된 반응용액2를 준비하였다. 766 mg of ammonium sulfate was added to reaction solution 1 for initiation, which is a chemical radical generation reaction of chitosan, and reaction solution 2 in which formation of a large number of radicals was induced in chitosan was prepared.

3. 반응용액3을 준비하는 단계3. Preparing Reaction Solution 3

반응용액2에 4-하이드록시벤조산을 0.1mM로 투입하여 4-하이드록시벤조산과 키토산의 결합반응인 아마이드(amide) 반응을 1시간 동안 진행하여 반응용액3을 얻었다. 0.1 mM of 4-hydroxybenzoic acid was added to reaction solution 2, and an amide reaction, which is a bonding reaction between 4-hydroxybenzoic acid and chitosan, proceeded for 1 hour to obtain reaction solution 3.

4. 하이드로젤을 형성하는 단계4. Formation of hydrogel

반응용액3에 하이드로젤유도제로 0.1g의 N,N'-메틸렌-비스아크릴아미드와 아크릴산 14g을 투입한 후 65℃에서 가열하고 회전을 주는 반응을 약 30분 수행하여 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤1(Cht-0.1PHBA-HG)을 합성하였다. After adding 0.1 g of N,N'-methylene-bisacrylamide and 14 g of acrylic acid as a hydrogel inducing agent to reaction solution 3, the reaction was performed by heating and rotating at 65 ° C for about 30 minutes to obtain chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid. Hydrogel 1 (Cht-0.1PHBA-HG) was synthesized.

5. 세척단계5. Washing step

합성된 하이드로젤은 차례로 메탄올, 에탄올, 1M의 수산화나트륨수용액에 세척되어 잔여 화학물질을 제거하였다. The synthesized hydrogel was sequentially washed with methanol, ethanol, and 1M aqueous sodium hydroxide solution to remove residual chemicals.

6. 건조단계 6. Drying step

세척된 하이드로젤을 60℃에서 3시간 동안 건조하였다. The washed hydrogel was dried at 60 °C for 3 hours.

실시예 2Example 2

반응용액2에 4-하이드록시벤조산을 0.3mM로 투입한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤2(Cht-0.3PHBA-HG)을 합성하였다. Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel 2 (Cht-0.3PHBA-HG) was synthesized in the same manner as in Example 1, except that 0.3 mM 4-hydroxybenzoic acid was added to reaction solution 2.

실시예 3Example 3

반응용액2에 4-하이드록시벤조산을 0.5M로 투입한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤3Cht-0.5HBA-HG)을 합성하였다. Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel 3Cht-0.5HBA-HG) was synthesized in the same manner as in Example 1, except that 0.5 M of 4-hydroxybenzoic acid was added to reaction solution 2.

실시예 4Example 4

반응용액2에 4-하이드록시벤조산을 0.7M로 투입한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤4Cht-0.7HBA-HG)을 합성하였다. Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel 4Cht-0.7HBA-HG) was synthesized in the same manner as in Example 1, except that 0.7 M of 4-hydroxybenzoic acid was added to reaction solution 2.

실시예 5Example 5

반응용액2에 4-하이드록시벤조산을 1mM로 투입한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤5Cht-1.0HBA-HG)을 합성하였다. Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel 5Cht-1.0HBA-HG) was synthesized in the same manner as in Example 1, except that 1 mM 4-hydroxybenzoic acid was added to reaction solution 2.

실시예 6Example 6

다음과 같이 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리를 형성하였다.As follows, a reference library for measuring the concentration of ammonium ions in a liquid using a hydrogel was formed.

1. 다수의 표준용액을 준비하는 단계1. Preparing multiple standard solutions

암모니아수를 3차 증류수에 희석하여 0.1, 0.2, 0.5, 0.8, 1, 2, 3. 4 및 5 mM의 농도의 표준용액을 각각 50ml용량으로 제작하였다.Ammonia water was diluted in tertiary distilled water to prepare standard solutions of 0.1, 0.2, 0.5, 0.8, 1, 2, 3. 4, and 5 mM each in a volume of 50 ml.

2. Cht-0.3PHBA-HG를 침지시키는 단계2. Step of soaking Cht-0.3PHBA-HG

준비된 다수의 표준용액에 각각 Cht-0.3PHBA-HG 100mg을 침지시켰다.100 mg of Cht-0.3PHBA-HG was immersed in each of the prepared standard solutions.

3. 유지하는 단계3. The stage of maintaining

200rpm으로 흔들면서 60분 동안 유지하였다. It was maintained for 60 minutes while shaking at 200 rpm.

4. 형광강도를 측정하는 단계4. Measuring fluorescence intensity

암모늄이온이 흡착된 Cht-0.3PHBA-HG를 각각의 표준용액으로부터 분리하여 형광강도를 측정하였다.Ammonium ion-adsorbed Cht-0.3PHBA-HG was separated from each standard solution and fluorescence intensity was measured.

5. 라이브러리화하는 단계5. Libraries step

측정된 형광강도를 표준용액의 암모늄이온 농도 및 흡착된 암모늄이온 함량과 매칭시켜 라이브러리화하여 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리를 상기 표 1과 같이 형성하였다. 필요한 경우, 일 구현예로서 수학식 1을 이용하여 형광강도 간격을 3000 a.u.을 시작 값으로 하여 1 a.u. 간격으로 암모늄이온 농도를 계산한 후 매칭시켜 기준 라이브러리를 형성할 수도 있을 것이다. The measured fluorescence intensity was matched with the ammonium ion concentration and adsorbed ammonium ion content of the standard solution to form a library, and a standard library for measuring the ammonium ion concentration in liquid was formed as shown in Table 1 above. If necessary, using Equation 1 as an embodiment, the fluorescence intensity interval is set to 3000 a.u. as a starting value and 1 a.u. After calculating the ammonium ion concentration at intervals, it may be possible to form a reference library by matching.

실시예 7Example 7

다음과 같이 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리를 이용하여 액체 내 암모늄이온 농도를 측정하였다.Ammonium ion concentration in liquid was measured using a standard library for measuring ammonium ion concentration in liquid using hydrogel as follows.

1. 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 대상 액체에 침지시키는 단계1. Step of immersing chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel in target liquid

양어장의 방류수 50ml에 Cht-0.3PHBA-HG 100mg을 침지시켰다.100 mg of Cht-0.3PHBA-HG was immersed in 50 ml of effluent from the fish farm.

2. 유지하는 단계2. The stage of maintaining

200rpm으로 흔들면서 60분 동안 유지하였다. It was maintained for 60 minutes while shaking at 200 rpm.

3. 형광강도를 측정하는 단계3. Measuring fluorescence intensity

암모늄이온이 흡착된 Cht-0.3PHBA-HG를 양어장 방류수로부터 분리하여 형광분광광도계로 측정한 결과 4272a.u.였다.Ammonium ion-adsorbed Cht-0.3PHBA-HG was separated from fish farm effluent and measured with a fluorescence spectrophotometer, and the result was 4272a.u.

4. 측정된 형광강도에 대응하는 암모늄이온의 농도를 결정하는 단계4. Determining the concentration of ammonium ion corresponding to the measured fluorescence intensity

1a.u. 간격으로 암모늄이온 농도가 매칭된 기준 라이브러리가 구축된 경우, 기준 라이브러리로부터 측정된 형광강도가 4272a.u.일 때 이에 대응하는 암모늄이온 농도를 결정하여 확인하고, 구축되지 않은 경우 수학식 1에서 y에 4272를 넣어 x값을 계산하면 2.238이므로, 양어장 방류수의 암모늄이온 농도가 2.24 mg/L임을 확인하였다. 1a.u. When a reference library matching the ammonium ion concentration at intervals is constructed, when the fluorescence intensity measured from the reference library is 4272a.u., the corresponding ammonium ion concentration is determined and confirmed, and if not constructed, y in Equation 1 When the value of x is calculated by putting 4272 in , it is 2.238, so it was confirmed that the ammonium ion concentration of the effluent of the fish farm is 2.24 mg/L.

비교예comparative example

반응용액2에 4-하이드록시벤조산을 투입하지 않은 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예키토산 하이드로젤(Cht-HG)을 합성하였다. Comparative example chitosan hydrogel (Cht-HG) was synthesized in the same manner as in Example 1, except that 4-hydroxybenzoic acid was not added to reaction solution 2.

실험예 1Experimental Example 1

실시예1 내지 실시예5에서 합성된 키토산기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤1 내지 5( Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG, Cht-1.0PHBA-HG) 및 비교예에서 합성된 비교예키토산 하이드로젤(Cht-HG)에 대한 미세다공성 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 조사하였다. Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogels 1 to 5 synthesized in Examples 1 to 5 (Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG , Cht-1.0PHBA-HG) and the comparative chitosan hydrogel (Cht-HG) synthesized in Comparative Example were examined by scanning electron microscopy (SEM).

다양한 크기의 상대적으로 작은 벌집 모양의 기공이 Cht-HG의 표면에서 관찰되었으며, 더 크고 통합된 기공은 Cht-PHBA-HG의 표면에서 관찰되었다. 구체적으로, Cht-0.3PHBA-HG 및 Cht-0.5PHBA-HG는 각 표면에 3~5개의 기공이 모여있는 반면, Cht-0.1PHBA-HG 표면에서는 그보다 낮은 수인 1~2개의 기공이 관찰되었다. 또한, Cht-0.7PHBA-HG와 Cht-1.0PHBA-HG의 표면에는 암모늄 흡착에 효과적이지 못한 몇 개의 산포된 기공이 관찰되었으며, 이는 후술하는 흡착 결과와 동일한 수치를 보여주었다. Cht-HG 및 Cht-0.3PHBA-HG의 기공의 직경은 각각 260-370 및 600-800nm이었으며, 이러한 기공 크기의 차이는 PHBA의 첨가에 의한 아마이드결합과 벤젠-벤젠 정전기적 상호작용에 기인하며 이는 최종적으로 기공 크기를 2.2배 증가시켰다.Relatively small honeycomb pores of various sizes were observed on the surface of Cht-HG, while larger, integrated pores were observed on the surface of Cht-PHBA-HG. Specifically, Cht-0.3PHBA-HG and Cht-0.5PHBA-HG had 3 to 5 pores on each surface, whereas a lower number of 1 to 2 pores was observed on the surface of Cht-0.1PHBA-HG. In addition, several scattered pores were observed on the surfaces of Cht-0.7PHBA-HG and Cht-1.0PHBA-HG that were not effective for ammonium adsorption, which showed the same values as the adsorption results described later. The pore diameters of Cht-HG and Cht-0.3PHBA-HG were 260-370 and 600-800 nm, respectively, and these differences in pore size were attributed to the amide bond and benzene-benzene electrostatic interaction caused by the addition of PHBA. Finally, the pore size was increased by a factor of 2.2.

실험예 2Experimental Example 2

Cht-HG 및 Cht-0.3PHBA-HG의 암모늄이온 흡착력에 대한 pH의 영향을 1M 염산 및 수산화나트륨 용액으로 조절된 pH2에서 12까지의 조건에서 조사하였다. The effect of pH on the ammonium ion adsorption capacity of Cht-HG and Cht-0.3PHBA-HG was investigated under the conditions of pH 2 to 12 adjusted with 1M hydrochloric acid and sodium hydroxide solution.

산성 조건(pH2-4)에서 Cht-HG와 Cht-PHBA-HG는 모두 중성 pH에 비해 암모늄이온 흡착력이 낮았지만 pH가 높을수록 흡착력은 점차 증가하여 각각 pH6과 8에서 최적치에 도달하였다. 암모늄이온이 용해된 용액에서 Cht-0.3PHBA-HG는 pH6 조건에서 19.2mg/g의 흡착량에 도달하는 반면, pH8에서 Cht-HG는 최적 조건으로 12.3mg/g 흡착량에 도달했다. 또한, Cht-0.3PHBA-HG와 Cht-HG를 비교한 결과 본 발명의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤2(Cht-0.3PHBA-HG)이 최적의 조건에서 Cht-HG보다 1.56배 더 높은 암모늄이온 흡착 용량을 보인다는 것을 확인하였다. 한편, pH9-12 범위의 강알칼리성 조건에서 Cht-0.3PHBA-HG 및 Cht-HG 모두 암모늄이온 흡착력이 급격하게 감소하였다.Under acidic conditions (pH2-4), both Cht-HG and Cht-PHBA-HG had lower ammonium ion adsorption capacity than neutral pH, but the adsorption capacity gradually increased as the pH increased, reaching the optimum values at pH 6 and 8, respectively. In the solution containing ammonium ions, Cht-0.3PHBA-HG reached an adsorption amount of 19.2 mg/g at pH 6, while Cht-HG at pH 8 reached an adsorption amount of 12.3 mg/g under optimal conditions. In addition, as a result of comparing Cht-0.3PHBA-HG and Cht-HG, the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel 2 (Cht-0.3PHBA-HG) of the present invention is 1.56 times higher than Cht-HG under optimal conditions. It was confirmed that the ammonium ion adsorption capacity was shown. On the other hand, both Cht-0.3PHBA-HG and Cht-HG showed a sharp decrease in ammonium ion adsorption capacity under strong alkaline conditions in the pH range of 9-12.

Na+, K+, Ca2+ 및 Mg2+와 같은 해수에 있는 암모늄이온 및 수많은 양이온은 흡착제의 음전하 표면에서 흡착되기 위한 경쟁이 발생한다.Ammonium ions and numerous cations in seawater, such as Na+, K+, Ca2+ and Mg2+, compete for adsorption on the negatively charged surface of the adsorbent.

Na+(0.1-0.5mM)는 Cht-HG-NH4+ 및 Cht-PHBA-HG-NH4+에서 암모늄이온 흡착 용량을 각각 89.5%에서 78.9%로, 94.7%에서 81.9%로 감소시켰다. 또한 이러한 암모늄이온 흡착률은 Na+ 농도가 높아질수록(1.0-10.0mM) 감소하였다. 또한 Ca2+는 Cht-HG 및 Cht-PHBA-HG 모두에서 암모늄이온 흡착에 대한 강력한 억제제였으며, 1.0mM Ca2+은 약 40%까지 암모늄이온 흡착 용량을 감소시키고 10.0mM Ca2+에서는 본래 암모늄이온 흡착 용량의 11.0%만 유지되었다. Mg2+와 K+는 암모늄이온 흡착에 가장 상반되는 결과를 보였다. 특히, Cht-HG는 1 mM의 Mg2+에서 99.0%의 암모늄흡착 효율을 유지하였지만, K+는 0.5-10mM에서 각각 약 20%-54.4%까지 암모늄이온 흡착율을 감소시켰다. 반대로, Cht-0.3PHBA-HG는 K+의 영향을 크게 받지 않았지만, 1mM의 Mg2+에서 암모늄 흡착률은 83.2%로 감소했다.Na + (0.1–0.5 mM) reduced the ammonium ion adsorption capacities of Cht-HG-NH 4+ and Cht-PHBA-HG-NH 4+ from 89.5% to 78.9% and from 94.7% to 81.9%, respectively. In addition, the ammonium ion adsorption rate decreased as the Na + concentration increased (1.0-10.0 mM). In addition, Ca 2+ was a strong inhibitor for ammonium ion adsorption in both Cht-HG and Cht-PHBA-HG, and 1.0 mM Ca 2+ reduced the ammonium ion adsorption capacity by about 40%, while 10.0 mM Ca 2+ reduced the original ammonium ion adsorption capacity. Only 11.0% of the ion adsorption capacity was retained. Mg 2+ and K + showed the most contradictory results for ammonium ion adsorption. In particular, Cht-HG maintained 99.0% of ammonium adsorption efficiency at 1 mM of Mg 2+ , but K + decreased the ammonium ion adsorption rate by about 20% to 54.4% at 0.5 to 10 mM, respectively. Conversely, Cht-0.3PHBA-HG was not significantly affected by K + , but the ammonium adsorption rate at 1 mM Mg 2+ decreased to 83.2%.

실험예 3Experimental Example 3

암모늄 흡착 등온곡선이 실시예1 내지 실시예5에서 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤1 내지 5( Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG, Cht-1.0PHBA-HG) 및 비교예에서 합성된 비교예키토산 하이드로젤(Cht-HG)을 사용하여 0.15-25.0mM의 암모늄 농도에서 조사되었고, 그 결과를 도 3a 및 표 2에 나타내었다. 흡착된 암모늄 농도는 균질한 성분으로 이루어지고 단층으로 이루어지는 흡착제에 대한 흡착 곡선인 랭뮤어 모델이 사용되었다. Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogels 1 to 5 (Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht -0.7PHBA-HG, Cht-1.0PHBA-HG) and Comparative Chitosan Hydrogel (Cht-HG) synthesized in Comparative Example were investigated at ammonium concentrations of 0.15-25.0mM, and the results are shown in Figure 3a and Table 2. For the adsorbed ammonium concentration, the Langmuir model, which is an adsorption curve for an adsorbent composed of homogeneous components and composed of a single layer, was used.

도 3a에 도시된 바와 같이, 저농도의 암모늄 농도인 0.15 ~ 2.00mM을 투입할 시 흡착제 표면에서 빠른 암모늄 흡착이 관찰되었다. 하지만 등온선 곡선은 암모늄 농도가 증가함에 따라 점진적으로 기울기가 낮아졌고 5mM에서는 최대 흡착량(maximum quantity, qm)을 보였다. 측정된 암모늄 용량은 랭뮤어 모델에 대해 매개변수들이 계산되었고 KL(L/mg), q m(mg/g) 및 R2는 표 1에 나타내었다. 랭뮤어모델의 상관 계수(R2)는 Cht-HG 및 Cht-0.3PHBA-HG 모두에 대해 0.920을 초과했으며, 이는 이러한 물질의 흡착 메커니즘이 이 모델과 강력하게 일치한다는 것을 의미한다.As shown in FIG. 3a, rapid ammonium adsorption was observed on the surface of the adsorbent when a low ammonium concentration of 0.15 to 2.00 mM was introduced. However, the slope of the isotherm curve gradually decreased as the ammonium concentration increased, and the maximum adsorption amount (qm) was shown at 5 mM. The measured ammonium capacity parameters were calculated for the Langmuir model, and K L (L/mg), q m (mg/g) and R 2 are shown in Table 1. The correlation coefficients (R 2 ) of the Langmuir model exceeded 0.920 for both Cht-HG and Cht-0.3PHBA-HG, indicating that the adsorption mechanisms of these materials are in strong agreement with this model.

Figure 112023016402675-pat00003
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표 2에 나타난 바와 같이, Cht-HG와 Cht-PHBA-HGs의 흡착 용량을 비교한 결과, Cht-0.3PHBA-HG의 최대 흡착 용량(q m)이 최적값을 가짐을 알 수 있었다(19.9mg/g). 다른 하이드로겔의 흡착력은 Cht-HG, Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG, Cht-1.0PHBA-HG에 대해 각각 11.6, 14.3, 19.6, 17.4, 13.3 mg/g이었다. 이로써 얻은 결과는 다양한 PHBA 농도를 Cht-HG에 혼합하면 흡착제의 흡착 능력이 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 결합 친화도를 나타내는 랭뮤어 상수 KL(L/mg)는 PHBA의 값에 따라 Cht-HG, Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG 및 Cht-1.0 PHBA-HG는 각각 1.48, 1.94, 2.18, 1.47, 1.20 및 1.34mol/L이었다 (표 1 참조). 이로써 Cht-0.3PHBA-HG는 2.18 L/mg의 가장 높은 암모늄-하이드로겔 결합 친화도 값을 나타냈는데, 이는 암모늄이 다른 하이드로겔에 비해 Cht-0.3PHBA-HG의 표면에 더 효과적으로 부착할 수 있음을 의미한다.As shown in Table 2, as a result of comparing the adsorption capacities of Cht-HG and Cht-PHBA-HGs, it was found that the maximum adsorption capacity ( q m ) of Cht-0.3PHBA-HG had the optimal value (19.9mg /g). The adsorption capacities of the other hydrogels were 11.6, 14.3, 19.6, 17.4, and 13.3 mg for Cht-HG, Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG, and Cht-1.0PHBA-HG, respectively. It was /g. The results obtained indicate that the adsorption capacity of the adsorbent is improved when various PHBA concentrations are mixed with Cht-HG. In addition, the Langmuir constant K L (L/mg) representing binding affinity is Cht-HG, Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht- 0.7PHBA-HG and Cht-1.0 PHBA-HG were 1.48, 1.94, 2.18, 1.47, 1.20 and 1.34 mol/L, respectively (see Table 1). As a result, Cht-0.3PHBA-HG showed the highest ammonium-hydrogel binding affinity value of 2.18 L/mg, indicating that ammonium can be more effectively attached to the surface of Cht-0.3PHBA-HG than other hydrogels. means

실험예 4Experimental Example 4

실시예1 내지 실시예5에서 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤1 내지 5( Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG, Cht-1.0PHBA-HG) 즉 Cht-PHBA-HGs 및 비교예에서 합성된 비교예키토산 하이드로젤(Cht-HG)의 암모늄이온 흡착속도를 알기 위해 5분에서 240분 범위의 다양한 흡착 시간 간격으로 5mM 암모늄 용액에서 조사되었고 그 결과를 도 3b에 나타내었다. 그런 다음 흡착제의 흡착속도 상수(k 1k 2), 평형 흡착 용량(q e1q e2) 및 평형 시간(q t)을 계산하고 그 결과를 표 3에 나타내었다. Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogels 1 to 5 synthesized in Examples 1 to 5 (Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG , Cht-1.0PHBA-HG), that is, Cht-PHBA-HGs and Comparative Example synthesized in Comparative Example Chitosan Hydrogel (Cht-HG) to know the ammonium ion adsorption rate at various adsorption time intervals ranging from 5 minutes to 240 minutes It was investigated in 5 mM ammonium solution and the results are shown in Figure 3b. Then, the adsorption rate constants ( k 1 and k 2 ), equilibrium adsorption capacities ( q e1 and q e2 ) and equilibration time ( q t ) of the adsorbent were calculated, and the results are shown in Table 3.

도 3b에 도시된 바와 같이, 암모늄 용액에서 Cht-HG 및 Cht-PHBA-HGs 모두 초기 흡착에서 반응 시작 60분까지 q t의 급속한 성장을 나타냈다. Cht-HG 및 Cht-PHBA-HGs의 높은 표면적 때문에 초기 지점에서 많은 농도의 암모늄이온이 흡착되었다. 그러나 초기 지점(0~60분) 이후 암모늄이온은 평형상태가 되어 Cht-HG와 Cht-PHBA-HGs 모두에서 더 이상 흡착되지 않는 평형상태를 보였다. 이 데이터는 PFO(pseudo-first-order) 및 PSO(pseudo-second-order) 화학 흡착 동역학 모델로 묘사되어 표 2에 나타내었는데, 표 3으로부터 알 수 있듯이 0.930 이상의 R2값에 도달했다. Cht-HG와 Cht-PHBA-HGs의 k 1, k 2 값을 비교한 결과 전체적인 Cht-PHBA-HGs의 암모늄 흡착률이 Cht-HG보다 높은 것으로 나타났다. 특히, Cht-HG 및 Cht-PHBA-HGs의 k 1값은 각각 0.049min-1 및 0.066-0.109min-1이었다.As shown in Fig. 3b, both Cht-HG and Cht-PHBA-HGs in ammonium solution showed a rapid growth of q t from initial adsorption to 60 min from the start of the reaction. Due to the high surface area of Cht-HG and Cht-PHBA-HGs, a large concentration of ammonium ion was adsorbed at the initial site. However, after the initial point (0 to 60 min), the ammonium ion reached an equilibrium state and was no longer adsorbed in both Cht-HG and Cht-PHBA-HGs. These data are depicted in the pseudo-first-order (PFO) and pseudo-second-order (PSO) chemisorption kinetic models and presented in Table 2, which, as can be seen from Table 3, reached R 2 values greater than 0.930. As a result of comparing the k 1 and k 2 values of Cht-HG and Cht-PHBA-HGs, the overall ammonium adsorption rate of Cht-PHBA-HGs was higher than that of Cht-HG. In particular, the k 1 values of Cht-HG and Cht-PHBA-HGs were 0.049 min -1 and 0.066-0.109 min -1 , respectively.

Figure 112023016402675-pat00004
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조사된 모든 하이드로겔 중에서 Cht-0.3PHBA-HG가 0.109 min-1의 가장 빠른 흡착 속도를 나타냈다. 이는 Cht-HG에 비해 Cht-0.3PHBA-HG의 흡착률이 2.24배 향상되었음을 의미한다. 이 k1 결과는 k2 결과와도 일치하며 PSO kinetics 모델을 적용했을 때 동일한 경향을 나타낸다. 또한, Cht-HG 및 Cht-0.3PHBA-HG의 암모늄 평형 흡착력은 각각 11.1 및 19.9 mg/g이었다. 이러한 결과는 PHBA의 첨가가 흡착제 표면에 음이온 작용기의 효과적인 도입으로 인해 암모늄 흡착 능력을 향상시켰다는 것을 나타낸다. 특히, Cht-0.3PHBA-HG의 암모늄이온 흡착율 및 용량이 Cht-HG보다 우수하여 본 발명의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 포함하는 암모늄이온 흡착제가 암모늄이온 처리에 유망한 물질로 사용될 수 있음을 시사한다.Among all the hydrogels investigated, Cht-0.3PHBA-HG showed the fastest adsorption rate of 0.109 min -1 . This means that the adsorption rate of Cht-0.3PHBA-HG was improved by 2.24 times compared to Cht-HG. This k1 result is consistent with the k2 result and shows the same trend when the PSO kinetics model is applied. In addition, the ammonium equilibrium adsorption capacities of Cht-HG and Cht-0.3PHBA-HG were 11.1 and 19.9 mg/g, respectively. These results indicate that the addition of PHBA enhanced the ammonium adsorption capacity due to the effective introduction of anionic functional groups on the adsorbent surface. In particular, the ammonium ion adsorption rate and capacity of Cht-0.3PHBA-HG are superior to those of Cht-HG, so the ammonium ion adsorbent containing the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of the present invention can be used as a promising material for ammonium ion treatment. suggests

실험예 5Experimental Example 5

실시예1 내지 실시예5에서 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤1 내지 5(Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG, Cht-1.0PHBA-HG)를 각각 0, 0.1, 0.2, 1.0, 5.0mM 암모늄이온의 농도를 흡착시킨 후 365nm의 자외선을 조사하여 방출되는 형광강도를 형광 현미경 분석을 통해 조사하였다. Cht-HG, Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG 및 Cht-1.0PHBA -HG의 형광 방출은 전체 표면 형광 효과로 인해 Cht-0.3PHBA-HG의 형광 방출보다 약했다. 암모늄이온 흡착에 대한 PHBA(4-하이드록시벤조산)의 영향을 평가하기 위해 pH 8.0에서 다양한 암모늄이온 농도(0.1-5.0mM)의 암모늄 용액에 침지시켜 암모늄이온을 흡착시킨 Cht-0.3PHBA-HG에 대해 암모늄이온 형광이 검출되었고 그 결과 사진을 도 4에 나타내었다.Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogels 1 to 5 (Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG) synthesized in Examples 1 to 5 , Cht-1.0PHBA-HG) was adsorbed at concentrations of 0, 0.1, 0.2, 1.0, and 5.0 mM, respectively, and then irradiated with 365 nm ultraviolet rays to investigate the fluorescence intensity emitted through fluorescence microscopy. The fluorescence emission of Cht-HG, Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG and Cht-1.0PHBA-HG is due to the total epifluorescence effect, whereas that of Cht-0.3PHBA-HG was weaker than To evaluate the effect of PHBA (4-hydroxybenzoic acid) on ammonium ion adsorption, Cht-0.3PHBA-HG adsorbed ammonium ions by immersing in ammonium solutions of various ammonium ion concentrations (0.1-5.0 mM) at pH 8.0 Ammonium ion fluorescence was detected for and the resulting photograph is shown in FIG. 4 .

도시하지는 않았지만, Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG 및 Cht-1.0 모두 흡착된 암모늄이온 농도가 클수록 점차 어두워지는 것을 확인하였는데, 예시로 도시된 도 4를 보면 침지시킨 암모늄 용액의 암모늄이온 농도가 높을수록 흡착량이 많아지면서 형광강도가 정량적으로 낮아짐을 알 수 있었다.Although not shown, it was confirmed that Cht-0.1PHBA-HG, Cht-0.3PHBA-HG, Cht-0.5PHBA-HG, Cht-0.7PHBA-HG and Cht-1.0 gradually darkened as the adsorbed ammonium ion concentration increased. 4 shown as an example, it can be seen that the higher the ammonium ion concentration of the immersed ammonium solution, the higher the adsorption amount and the lower the fluorescence intensity quantitatively.

실험예 6Experimental Example 6

Cht-0.3PHBA-HG에 흡착된 암모늄이온이 형광강도에 미치는 영향이 UV 하에서 형광분광광도계를 이용하여 조사되었고 그 결과를 도 5b에 도시하였다.The effect of ammonium ions adsorbed on Cht-0.3PHBA-HG on the fluorescence intensity was investigated using a fluorescence spectrophotometer under UV light, and the results are shown in FIG. 5B.

도 5b에 도시된 바와 같이, 흡착된 암모늄이온 농도가 클수록 형광강도가 정량적으로 낮아짐을 확인할 수 있었다. 즉, 점점 더 높은 암모늄이온 농도를 갖는 용액에 침지시키면 암모늄 이온의 흡착량이 많아져서 396.5nm에서 정량적 형광 방출감소를 나타냈다. 따라서 Cht-0.3PHBA-HG를 암모늄이온 센서로 사용할 수 있음을 알 수 있다. 형광 방출 분석에 대한 상관 계수(R 2)는 0.1~5.0mM 범위의 암모늄을 흡착한 하이드로젤의 측정에 대해 0.951이었고 검출 한계(LOD)는 0.1mM이었다. 또한, 365nm의 UV 램프에서 다양한 암모늄 농도(0, 0.1, 0.5, 1.0 및 5.0mM)에 노출된 Cht-0.3PHBA-HG의 각기 다른 형광의 강도가 관찰되었다. 암모늄이온 흡착이 되지 않은 Cht-0.3PHBA-HG가 가장 밝은 형광을 나타냈고 0.1 및 0.5mM 암모늄에서의 형광은 약간 희미해진 반면, 1.0mM 암모늄에서 Cht-0.3PHBA-HG는 더 어두워졌다. 마지막으로, 하이드로겔의 형태는 5.0mM 암모늄에서 더 이상 형광이 확인되지 않았다. 이 결과에서 Cht-0.3PHBA-HG의 형광강도는 흡착된 암모늄이 증가함에 따라 감소하여 형광 감소를 일으켰다. 자외선 조사에 따른 분석을 위해 다양한 파장의 UV 조사 하에 다양한 암모늄 농도를 조사하였다. Cht-0.3PHBA-HG의 초기 흡광도 강도는 224nm에서 얻어졌다. 그러나 암모늄 농도가 0.1에서 2.0mM로 증가함에 따라 흡광도 강도가 증가하여 추가된 암모늄이 PHBA의 탈수소화를 유발했음을 나타내었다. 앞서 언급한 결과와 결합하여 암모늄 형광 소광 및 224nm에서의 흡광도 강도의 표준 곡선은 0.1-2.0mM 암모늄 농도 범위를 기준으로 0.995의 높은 상관 계수(R 2)가 있음을 나타내었다. 또한 실제 자연수에 대한 실험에 대비하기 위해, Cht-0.3PHBA-HG에서 2mM의 Ca2+, K+, Mg2+, Na+ 및 PO43-의 전해질에 의한 암모늄이온 검출의 교란이 동일한 실험적 UV 조사 조건에서 평가되었다. 이러한 전해질(Ca2+, K+, Mg2+, Na+ 및 PO43-) 존재 하의 상대 흡광도 강도는 암모늄이온의 흡착과 관련한 파장인 224nm에서 큰 변화를 나타내지 않았다. 이는 암모늄이온이 PHBA 접합체 구조의 형광단과 상호작용하는 유일한 인자임을 의미한다. 따라서 암모늄이온은 염의 존재 하에서 민감하게 검출될 수 있으며 Cht-0.3PHBA-HG는 효과적인 암모늄이온 흡착제 및 센서로 사용될 수 있음을 알 수 있었다.As shown in FIG. 5B, it was confirmed that the higher the adsorbed ammonium ion concentration, the lower the fluorescence intensity quantitatively. That is, when immersed in a solution having a higher and higher ammonium ion concentration, the amount of ammonium ion adsorbed increased, resulting in a quantitative decrease in fluorescence emission at 396.5 nm. Therefore, it can be seen that Cht-0.3PHBA-HG can be used as an ammonium ion sensor. The correlation coefficient ( R 2 ) for the fluorescence emission assay was 0.951 for measurements of hydrogels adsorbed with ammonium ranging from 0.1 to 5.0 mM and the limit of detection (LOD) was 0.1 mM. In addition, different fluorescence intensities of Cht-0.3PHBA-HG exposed to various ammonium concentrations (0, 0.1, 0.5, 1.0 and 5.0 mM) under a 365 nm UV lamp were observed. Cht-0.3PHBA-HG without ammonium ion adsorption showed the brightest fluorescence, and fluorescence at 0.1 and 0.5 mM ammonium slightly faded, while Cht-0.3PHBA-HG at 1.0 mM ammonium became darker. Finally, the morphology of the hydrogel was no longer fluorescent at 5.0 mM ammonium. In this result, the fluorescence intensity of Cht-0.3PHBA-HG decreased as the adsorbed ammonium increased, resulting in a decrease in fluorescence. For analysis according to UV irradiation, various ammonium concentrations were investigated under UV irradiation of various wavelengths. The initial absorbance intensity of Cht-0.3PHBA-HG was obtained at 224 nm. However, the absorbance intensity increased as the ammonium concentration increased from 0.1 to 2.0 mM, indicating that the added ammonium caused dehydrogenation of PHBA. Combined with the aforementioned results, the standard curve of ammonium fluorescence quenching and absorbance intensity at 224 nm showed a high correlation coefficient ( R 2 ) of 0.995 based on the 0.1-2.0 mM ammonium concentration range. In addition, to prepare for experiments on real natural waters, the disturbance of ammonium ion detection by electrolytes of 2 mM Ca 2+ , K + , Mg 2+ , Na + and PO 4 3- in Cht-0.3PHBA-HG was identical to the experimental UV evaluated under irradiation conditions. The relative absorbance intensity in the presence of these electrolytes (Ca 2+ , K + , Mg 2+ , Na + and PO4 3- ) did not show a significant change at 224 nm, a wavelength related to the adsorption of ammonium ions. This means that the ammonium ion is the only factor interacting with the fluorophore of the PHBA conjugate structure. Therefore, it was found that ammonium ion can be sensitively detected in the presence of salt, and Cht-0.3PHBA-HG can be used as an effective ammonium ion adsorbent and sensor.

실험예 7Experimental Example 7

Cht-HG 및 Cht-0.3PHBA-HG의 재사용성을 다음과 같이 5회 반복 주기에 대해 조사되었고 그 결과를 도 6a에 나타내었다. The reusability of Cht-HG and Cht-0.3PHBA-HG was investigated for 5 repetition cycles as follows, and the results are shown in FIG. 6a.

Cht-HG 및 Cht-PHBA-HG의 포화 암모늄 용액에서의 흡착 및 1M 수산화나트륨 용액에 의한 암모늄제거작업을 포함한 재사용가능성을 평가한 결과, Cht-HG 및 Cht-0.3PHBA-HG의 암모늄 제거 효율은 77.1% 및 73.9%이었다. 따라서 PHBA는 흡착재의 구조적 내구성을 약간 향상시킴을 알 수 있었다.As a result of evaluating the reusability including adsorption of Cht-HG and Cht-PHBA-HG in a saturated ammonium solution and ammonium removal by 1M sodium hydroxide solution, the ammonium removal efficiency of Cht-HG and Cht-0.3PHBA-HG was 77.1% and 73.9%. Therefore, it was found that PHBA slightly improved the structural durability of the adsorbent.

실험예 8Experimental Example 8

실제 폐수 처리를 위한 흡착물질의 적용 가능성을 평가하기 위해 현지 양어장의 방류수 샘플 50mL를 Cht-HG 및 Cht-0.3PHBA-HG 0.2g으로 처리하고, 그 결과를 도 6b에 나타내었다.In order to evaluate the applicability of adsorbents for actual wastewater treatment, 50 mL of effluent samples from local fish farms were treated with 0.2 g of Cht-HG and Cht-0.3PHBA-HG, and the results are shown in Fig. 6b.

실제 폐수의 초기 암모늄 농도는 Nessler의 시약 방법에 의해 입증된 바와 같이 2.24mg/L였으나 Cht-HG 및 Cht-0.3PHBA-HG를 사용하여 제거한 후, 잔류 암모늄 농도는 각각 0.896 mg/L 및 1.50 mg/L로 감소함을 보였다. 따라서 본 발명의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로겔이 실제 응용 분야에 사용될 수 있음을 알 수 있다. 특히, PHBA로 개질된 하이드로겔인 Cht-PHBA-HGs는 실제 양식장 배출수에서 60.1%의 제거율을 나타내어 Cht-HG의 33.0% 흡착 효율보다 상당히 높은 제거율을 보여, 흡착력의 차이가 나타났으며 약 1.82배의 암모늄이온의 흡착력이 개선된다는 것을 알 수 있었다.The initial ammonium concentration of the actual wastewater was 2.24 mg/L as demonstrated by Nessler's reagent method, but after removal using Cht-HG and Cht-0.3PHBA-HG, the residual ammonium concentration was 0.896 mg/L and 1.50 mg, respectively. /L showed a decrease. Therefore, it can be seen that the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of the present invention can be used in practical applications. In particular, Cht-PHBA-HGs, a hydrogel modified with PHBA, showed a removal rate of 60.1% in the actual farm effluent, which was significantly higher than the 33.0% adsorption efficiency of Cht-HG, showing a difference in adsorption capacity and about 1.82 times It was found that the adsorption capacity of ammonium ions was improved.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments, and to those skilled in the art within the scope of not departing from the spirit of the present invention Various changes and modifications will be possible.

Claims (25)

하기 화학식 1을 갖는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤.
[화학식 1]
Figure 112023054952903-pat00005


여기서, n은 200 내지 50000 사이의 정수이고, m은 50 내지 1000사이의 정수이다.
Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel having Formula 1 below.
[Formula 1]
Figure 112023054952903-pat00005


Here, n is an integer between 200 and 50000, and m is an integer between 50 and 1000.
제 1 항에 있어서,
키토산 하이드로젤의 암모늄이온 흡착능 보다 1.5배 이상 향상되는 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤.
According to claim 1,
Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, characterized in that the ammonium ion adsorption capacity of chitosan hydrogel is improved by more than 1.5 times.
제 2 항에 있어서,
상기 암모늄이온 흡착능은 상기 4-하이드록시벤조산에 의해 향상되는 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤.
According to claim 2,
Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, characterized in that the ammonium ion adsorption capacity is improved by the 4-hydroxybenzoic acid.
제 2 항에 있어서,
상기 암모늄이온이 흡착되면, 상기 4-하이드록시벤조산에 의해 녹색형광이 방출되는 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤.
According to claim 2,
Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, characterized in that when the ammonium ion is adsorbed, green fluorescence is emitted by the 4-hydroxybenzoic acid.
제 4 항에 있어서,
방출되는 녹색형광의 강도로 상기 암모늄이온의 흡착량이 측정되는 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤.
According to claim 4,
Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, characterized in that the amount of adsorption of the ammonium ion is measured by the intensity of the emitted green fluorescence.
제 5 항에 있어서,
상기 화학식1에서 m이 150 내지 500 사이의 정수인 하이드로젤에서 상기 암모늄이온의 흡착량과 상기 녹색형광의 강도가 반비례하는 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤.
According to claim 5,
Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, characterized in that the adsorption amount of the ammonium ion and the intensity of the green fluorescence are inversely proportional in the hydrogel where m is an integer between 150 and 500 in Formula 1.
키토산을 일정온도에서 산용액에 용해시켜 반응용액1을 준비하는 단계;
상기 반응용액1에 키토산의 화학적 라디칼 생성반응을 일으키는 개시제를 첨가하여 키토산에 다수의 라디칼 형성이 유도된 반응용액2를 준비하는 단계;
상기 반응용액2에 4-하이드록시벤조산을 첨가하여 발생되는 아마이드 반응을 통해 키토산과 4-하이드록시벤조산이 결합된 반응용액3을 준비하는 단계;
상기 반응용액3에 하이드로젤유도제를 첨가한 후 일정 온도에서 교반시켜 하이드로젤을 형성하는 단계;를 포함하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법.
preparing a reaction solution 1 by dissolving chitosan in an acid solution at a constant temperature;
preparing a reaction solution 2 in which a plurality of radicals are formed in chitosan by adding an initiator to the reaction solution 1 to generate a chemical radical of chitosan;
preparing a reaction solution 3 in which chitosan and 4-hydroxybenzoic acid are combined through an amide reaction generated by adding 4-hydroxybenzoic acid to the reaction solution 2;
A method for synthesizing a chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel comprising adding a hydrogel inducing agent to the reaction solution 3 and stirring at a constant temperature to form a hydrogel.
제 7 항에 있어서,
상기 하이드로젤로부터 잔여 화학물질을 제거하는 세척단계; 및
형성된 하이드로젤 또는 세척된 하이드로젤을 건조하는 건조단계; 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법.
According to claim 7,
A washing step of removing residual chemicals from the hydrogel; and
A drying step of drying the formed hydrogel or the washed hydrogel; Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis method, characterized in that it further comprises one or more of.
제 7 항에 있어서,
상기 산용액은 염산용액, 질산용액 및 황산용액으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법.
According to claim 7,
The acid solution is a chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis method, characterized in that at least one selected from the group consisting of a hydrochloric acid solution, a nitric acid solution and a sulfuric acid solution.
제 7 항에 있어서,
상기 개시제는 황산암모늄, 2,2-아조비스(2-메틸프로피오니트릴), 2,2-아조비스(4-메톡시-2,4-디메틸발레로니트릴), 2-브로모프로판니트릴, 염화톨루엔설포닐으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법.
According to claim 7,
The initiator is ammonium sulfate, 2,2-azobis (2-methylpropionitrile), 2,2-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), 2-bromopropanenitrile, Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis method, characterized in that at least one selected from the group consisting of toluenesulfonyl chloride.
제 7 항에 있어서,
상기 4-하이드록시벤조산은 상기 반응용액2에 0.1 내지 1mM 농도로 첨가되는 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법.
According to claim 7,
Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis method, characterized in that the 4-hydroxybenzoic acid is added to the reaction solution 2 at a concentration of 0.1 to 1 mM.
제 7 항에 있어서,
상기 하이드로젤유도제는 폴리에틸렌글리콜, 아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리비닐알콜, 콜라겐, 젤라틴으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법.
According to claim 7,
The hydrogel inducer is a chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis method, characterized in that at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol, acrylic acid, polyacrylamide, polyvinyl alcohol, collagen, and gelatin.
제 7 항에 있어서,
상기 일정온도는 60℃ 내지 80℃인 것을 특징으로 하는 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 합성방법.
According to claim 7,
Chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesis method, characterized in that the constant temperature is 60 ℃ to 80 ℃.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 또는 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 합성방법으로 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 포함하는 암모늄 흡착제.
Ammonium containing the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel according to any one of claims 1 to 6 or the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesized by the synthesis method according to any one of claims 7 to 13 absorbent.
제 14 항에 있어서,
암모늄이온 흡착량이 pH 5 내지 pH 8 범위를 벗어나면 감소되는 것을 특징으로 하는 암모늄 흡착제.
15. The method of claim 14,
Ammonium adsorbent, characterized in that the amount of ammonium ion adsorption is reduced when it is out of the pH 5 to pH 8 range.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 포함하는데,
상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤이 n은 18000이고, m은 150 내지 500사이의 정수이면, pH 6에서 상기 암모늄이온 흡착량이 19.2mg/g인 것을 특징으로 하는 암모늄 흡착제.
It comprises the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of any one of claims 1 to 6,
When n is 18000 and m is an integer between 150 and 500 in the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel, the ammonium ion adsorption amount at pH 6 is 19.2 mg/g.
암모니아수를 3차 증류수에 희석하여 9.00-900μM 농도 범위에서 다수의 표준용액을 준비하는 단계;
상기 각각의 농도에 따른 표준용액에 제 1 항의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 침지시키는 단계;
상기 하이드로젤이 침지된 상태에서 150 내지 300rpm 조건으로 흔들면서 60분 내지 120분 동안 유지하는 단계;
상기 각각의 표준용액에 침지된 하이드로젤을 분리하여 상기 하이드로젤의 형광강도를 각각 측정하는 단계; 및
상기 하이드로젤 당 측정된 형광강도와 하이드로젤이 침지된 표준용액의 농도를 매칭시켜 상기 하이드로젤에 흡착된 암모늄이온의 농도가 특정되도록 라이브러리화하는 단계;를 포함하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리 형성방법.
Preparing a plurality of standard solutions in the concentration range of 9.00-900 μM by diluting ammonia water with tertiary distilled water;
immersing the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel of claim 1 in a standard solution according to each concentration;
Maintaining for 60 minutes to 120 minutes while shaking at 150 to 300 rpm conditions in a state in which the hydrogel is immersed;
Separating the hydrogels immersed in each of the standard solutions and measuring the fluorescence intensity of the hydrogels; and
Ammonium ions in a liquid using a hydrogel comprising; matching the fluorescence intensity measured per hydrogel with the concentration of the standard solution in which the hydrogel is immersed, and creating a library so that the concentration of ammonium ions adsorbed to the hydrogel is specified. A method for forming a reference library for concentration measurement.
제 17 항에 있어서,
상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤은 n은 18000이고, m은 150 내지 500사이의 실수인 것을 특징으로 하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리 형성방법.
18. The method of claim 17,
The chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel is a standard library formation method for measuring the ammonium ion concentration in a liquid using a hydrogel, characterized in that n is 18000 and m is a real number between 150 and 500.
제 17 항에 있어서,
상기 하이드로젤의 형광강도를 각각 측정하는 단계는 상기 하이드로젤의 흡광 광도를 390nm 내지 420nm 파장에서 측정하여 수행되는 것을 특징으로 하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리 형성방법.
18. The method of claim 17,
The step of measuring the fluorescence intensity of the hydrogel, respectively, is performed by measuring the absorbance of the hydrogel at a wavelength of 390 nm to 420 nm.
제 17 항에 있어서,
상기 라이브러리화하는 단계는 하기 수학식1을 이용하여 하이드로젤의 흡광 광도 또는 암모늄이온 농도를 일정 간격으로 변화시켜 계산된 값을 매칭시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리 형성방법.
[수학식1]
y=-147x + 4601
여기서, y는 측정된 형광강도이고, x는 암모늄이온 농도임.
18. The method of claim 17,
The step of libraryizing is performed by matching the calculated value by changing the absorbance or ammonium ion concentration of the hydrogel at regular intervals using Equation 1 below. Ammonium ion concentration measurement in liquid using a hydrogel, characterized in that A method for forming a reference library for use.
[Equation 1]
y=-147x + 4601
where y is the measured fluorescence intensity and x is the ammonium ion concentration.
제 17 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항의 방법으로 형성된 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정용 기준 라이브러리.
A standard library for measuring the concentration of ammonium ions in a liquid using the hydrogel formed by the method of any one of claims 17 to 20.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤 또는 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 합성방법으로 합성된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 대상 액체에 침지시키는 단계;
상기 액체에 침지된 하이드로젤을 150 내지 300rpm 조건으로 흔들면서 60분 내지 120분 동안 유지하는 단계;
상기 하이드로젤을 대상 액체로부터 분리하여 형광강도를 측정하는 단계; 및
제 17 항의 방법으로 형성된 기준 라이브러리 또는 하기 수학식1에 따라 상기 측정된 형광강도에 대응하는 암모늄이온의 농도를 결정하는 단계;를 포함하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정방법.
[수학식1]
y=-147x + 4601
여기서, y는 측정된 형광강도이고, x는 암모늄이온 농도임.
The chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel according to any one of claims 1 to 6 or the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel synthesized by the synthesis method according to any one of claims 7 to 13 is added to the target liquid. immersion;
maintaining the hydrogel immersed in the liquid for 60 to 120 minutes while shaking at 150 to 300 rpm;
Separating the hydrogel from the target liquid and measuring fluorescence intensity; and
A method for measuring the concentration of ammonium ions in a liquid using a hydrogel comprising: determining the concentration of ammonium ions corresponding to the measured fluorescence intensity according to the reference library formed by the method of claim 17 or Equation 1 below.
[Equation 1]
y=-147x + 4601
where y is the measured fluorescence intensity and x is the ammonium ion concentration.
제 22 항에 있어서,
상기 형광강도를 측정하는 단계가 수행된 상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤로부터 흡착된 암모늄이온을 제거하는 단계;가 더 수행하는 것을 특징으로 하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정방법.
23. The method of claim 22,
Removing ammonium ions adsorbed from the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel in which the step of measuring the fluorescence intensity was performed; Ammonium ion concentration measurement method in a liquid using a hydrogel, characterized in that further performed.
제 23 항에 있어서,
상기 암모늄이온을 제거하는 단계는 상기 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 강염기성용액에 침지시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정방법.
24. The method of claim 23,
The step of removing the ammonium ion is performed by immersing the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel in a strong basic solution.
제 23 항에 있어서,
상기 암모늄이온이 제거된 키토산 기반 4-하이드록시벤조산 하이드로젤을 5회까지 재사용하는 것을 특징으로 하는 하이드로젤을 이용한 액체 내 암모늄이온 농도 측정방법.

24. The method of claim 23,
A method for measuring the concentration of ammonium ions in a liquid using a hydrogel, characterized in that the chitosan-based 4-hydroxybenzoic acid hydrogel from which the ammonium ions are removed is reused up to 5 times.

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