KR102577399B1 - Method for producing uniform high porosity cellulose beads and cellulose beads prepared according to the method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 셀룰로오스 및 옥사이드계 용매를 포함하는 혼합물을 이용하여 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/용매 액적을 형성하는 단계; 상기 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/옥사이드 용매 액적을 응고시켜 액적 내부가 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스 비드를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스가 가교화되어 아미드옥심(amidoxime) 그룹을 함유하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 셀룰로오스 비드의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 셀룰로오스 비드 제조방법은 미세유체공학을 이용하여 셀룰로오스의 농도 및 온도 제어를 통해 균일하고 다공성인 내부 구조를 가지는 셀룰로오스 비드를 제조할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명의 셀룰로오스 비드는 균일하고 다공성인 내부 구조를 가지는 특성으로 인해 금속 이온의 흡착 능력이 우수하며, 유해 중금속 이온을 제거하는 금속 필터로 활용가능한 효과가 있다.
The present invention includes the steps of forming cellulose/solvent droplets in a molten state (M) or solid state (S) using a mixture containing cellulose and an oxide-based solvent; solidifying the cellulose/oxide solvent droplet in the molten state (M) or solid state (S) to form a cellulose bead in the molten state (M) or solid state (S) inside the droplet; and the step of cross-linking cellulose to contain an amidoxime group in the porous cellulose beads.
The cellulose bead manufacturing method of the present invention is effective in manufacturing cellulose beads with a uniform and porous internal structure by controlling the concentration and temperature of cellulose using microfluidics. In addition, the cellulose beads of the present invention have an excellent ability to adsorb metal ions due to their uniform and porous internal structure, and can be used as a metal filter to remove harmful heavy metal ions.

Description

균일한 고다공성 셀룰로오스 비드의 제조방법 및 그에 따라 제조된 셀룰로오스 비드{Method for producing uniform high porosity cellulose beads and cellulose beads prepared according to the method}Method for producing uniform high porosity cellulose beads and cellulose beads prepared according to the method}

본 발명은 균일한 크기의 고다공성 셀룰로오스 비드의 제조방법 및 그에 따라 제조된 셀룰로오스 비드에 관한 것으로서, 상세하게는 셀룰로오스 및 옥사이드계 용매를 포함하는 혼합물의 농도비 및 셀룰로오스/옥사이드계 용매 액적의 응고 온도에 따라 균일한 다공 구조를 형성하는 셀룰로오스 비드의 제조방법 및 이에 따라 제조된 셀룰로오스 비드에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing highly porous cellulose beads of uniform size and to cellulose beads produced thereby. In detail, the present invention relates to the concentration ratio of a mixture containing cellulose and an oxide-based solvent and the solidification temperature of the cellulose/oxide-based solvent droplet. Accordingly, it relates to a method for manufacturing cellulose beads that form a uniform porous structure and to cellulose beads manufactured thereby.

납, 수은, 카드뮴, 구리, 철 및 크롬과 같은 유해한 금속으로 수자원을 오염시키는 것은 인간에게 심각한 위협이다. 따라서 물에서 이러한 유해한 금속을 탐지하고 제거하는 것은 현대 사회에 매우 중요하다. 이온 교환, 역삼투 및 전기 투석 기술을 사용하여 산업 폐수에서 중금속 이온을 제거하기 위해 다양한 효율적이지만 값 비싼 방법이 제안하였다. 화학적 침전은 유망하지만 침전된 부피가 큰 수산화물의 생성은 종종 주요 단점이다.Contamination of water resources with harmful metals such as lead, mercury, cadmium, copper, iron and chromium is a serious threat to humans. Therefore, detecting and removing these harmful metals from water is very important for modern society. Various efficient but expensive methods have been proposed to remove heavy metal ions from industrial wastewater using ion exchange, reverse osmosis and electrodialysis techniques. Chemical precipitation is promising, but the production of precipitated bulky hydroxides is often a major drawback.

한편 선형 다당류인 셀룰로오스는 자연에서 가장 풍부하고 재생 가능한 바이오 폴리머이며 생체 적합성, 생분해성, 친환경성, 비용 효율성 및 용이성과 같은 고유한 특성으로 인해 유기 및 무기 화합물과 혼합하여 수처리를 위한 생체 적합성 흡착제로 응용이 되고 있으며, 특히 다공성을 가지는 셀룰로오스 비드를 활용에 대한 연구가 진행되고 있다.Meanwhile, cellulose, a linear polysaccharide, is the most abundant and renewable biopolymer in nature, and due to its unique properties such as biocompatibility, biodegradability, environmental friendliness, cost-effectiveness and ease of mixing with organic and inorganic compounds, it can be used as a biocompatible adsorbent for water treatment. It is being applied, and in particular, research is being conducted on the use of porous cellulose beads.

금속 이온 흡착제로 활용이 되고 있는 셀룰로오스 비드는 제조 시 셀룰로오스의 농도, 조성 및 응고 온도에 따라, 셀룰로오스 비드의 형태, 크기, 내부 표면적 및 기공의 크기 분포에 영향을 미칠 수 있다. 최근에는 대한민국 등록특허 제10-1937399호와 같이 균일한 크기의 입자를 생산하는 미세 유체법이 보편화되고 있지만, 균일한 표면 및 다공 구조를 형성하기 위한 구체적인 공정에 대한 기술 개발은 미비하다. 이에 셀룰로오스의 농도나 응고 온도를 바꿀 때마다 최적화된 조건을 찾을 필요가 있다.Cellulose beads, which are used as metal ion adsorbents, can affect the shape, size, internal surface area, and pore size distribution of cellulose beads depending on the concentration, composition, and coagulation temperature of cellulose during manufacture. Recently, microfluidic methods for producing particles of uniform size, such as those in Korean Patent No. 10-1937399, have become common, but technological development on specific processes for forming uniform surfaces and porous structures is insufficient. Therefore, it is necessary to find optimized conditions every time the concentration or coagulation temperature of cellulose is changed.

대한민국 등록특허 제10-1937399호Republic of Korea Patent No. 10-1937399

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 균일한 다공성 구조를 형성하는 셀룰로오스 비드의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the purpose of the present invention is to provide a method for manufacturing cellulose beads that form a uniform porous structure.

또한 상기 셀룰로오스 비드의 제조방법을 이용하여 제조된 셀룰로오스 비드를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object is to provide cellulose beads manufactured using the above cellulose bead manufacturing method.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above object, the present invention,

셀룰로오스 및 옥사이드계 용매를 포함하는 혼합물을 이용하여 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/용매 액적을 형성하는 제1단계;A first step of forming cellulose/solvent droplets in a molten state (M) or solid state (S) using a mixture containing cellulose and an oxide-based solvent;

상기 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/옥사이드 용매 액적을 응고시켜 액적 내부가 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스 비드를 형성하는 제2단계; 및A second step of coagulating the cellulose/oxide solvent droplets in the molten state (M) or solid state (S) to form cellulose beads in the molten state (M) or solid state (S) inside the droplets; and

상기 다공성 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스가 가교화되어 아미드옥심(amidoxime) 그룹을 함유하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 셀룰로오스 비드의 제조방법을 제공한다.The porous cellulose beads provide a method for producing porous cellulose beads, comprising a third step in which the cellulose is crosslinked to contain an amidoxime group.

상기 액적을 응고시키는 과정에서 온도에 따라 액적이 전체가 균질(homogenous)하거나 또는 코어/쉘 구조를 형성하는 것이 바람직하다. In the process of solidifying the droplet, it is preferable that the droplet is entirely homogeneous or forms a core/shell structure depending on the temperature.

상기 옥사이드계 용매는 N-메틸모르폴린N-옥사이드 모노하이드레이트(NMMO; N-Methylmorpholine-N-oxide monohydrate)를 포함하는 것이 바람직하다. The oxide-based solvent preferably contains N -Methylmorpholine- N -oxide monohydrate (NMMO).

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,In order to achieve the above other objects, the present invention,

셀룰로오스 및 옥사이드계 용매를 포함하는 혼합물을 이용하여 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/용매 액적을 형성하고, 상기 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/옥사이드 용매 액적을 응고시켜 액적 내부가 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스 비드를 형성하여 상기 다공성 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스가 가교화되어 아미드옥심(amidoxime) 그룹을 함유하는 단계;를 포함하는 다공성 셀룰로오스 비드를 제조하고,A mixture containing cellulose and an oxide solvent is used to form cellulose/solvent droplets in a molten state (M) or solid state (S), and the cellulose/oxide solvent liquid in the molten state (M) or solid state (S) is formed. A porous cellulose bead comprising a step of coagulating the droplet to form a cellulose bead in a molten state (M) or solid state (S) inside the droplet, wherein the porous cellulose bead is crosslinked and contains an amidoxime group. manufacture,

상기 비드가 건조되어 있을 때의 직경(D2)과 재팽윤되었을 때의 직경(D3)의 직경비율(D3/D2)이 1.8 내지 4.0인 것을 특징으로 하는 다공성 셀룰로오스 비드를 제공한다.It provides a porous cellulose bead, characterized in that the diameter ratio (D 3 /D 2 ) of the diameter when the bead is dried ( D 2 ) and the diameter when the bead is re-swollen (D 3 ) is 1.8 to 4.0.

상기 셀룰로오스 비드는 Pb2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+, Fe3+, Ca2+, 및 Cr3+로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속이온을 흡착하는 것이 바람직하다.The cellulose beads preferably adsorb one or more metal ions selected from the group consisting of Pb 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ , Ca 2+ , and Cr 3+ do.

본 발명의 셀룰로오스 비드의 제조방법은 미세유체공학을 이용하여 셀룰로오스의 농도 및 온도 제어를 통해 균일하고 다공성인 내부 구조를 가지는 셀룰로오스 비드를 제조할 수 있다.The method for manufacturing cellulose beads of the present invention can manufacture cellulose beads with a uniform and porous internal structure by controlling the concentration and temperature of cellulose using microfluidics.

또한 본 발명의 셀룰로오스 비드는 균일하고 다공성인 내부 구조를 가지는 특성으로 인해 금속 이온에 대한 흡착 능력이 우수하며, 유해 중금속 이온을 제거하는 금속 필터로 활용가능하다.In addition, the cellulose beads of the present invention have excellent adsorption capacity for metal ions due to their uniform and porous internal structure, and can be used as a metal filter to remove harmful heavy metal ions.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀룰로오스 비드의 (a)제조과정 및 (b)관능화 공정을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CPD 컨테이너의 평면도 및 CPD 회로도 설계 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 Cu(NO3)2, KHP 및 Cu2+/프탈레이트 복합 수용액의 UV-vis 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 (a) 셀룰로오스 비드를 생산하기 위한 조건의 세 영역을 나타내는 매트릭스 그래프, (b) M cell/NMMO 액적, 및 (c) S cell/NMMO 액적으로부터 응고된 셀룰로오스 비드의 광학 현미경 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 Qd = 4μLmin에서 제조된 (a) 셀룰로오스(S-S), (b) 셀룰로오스(S-M), (c) 셀룰로오스(M-S), (d) 셀룰로오스(M-M) 비드의 크기 분포 그래프 및 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 셀룰로오스 비드의 파단된 표면의 SEM 이미지, (b) 응고 온도(Tcoa)의 함수로서 셀룰로오스 비드의 Dc/DT를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 (a) S cell/NMMO 액적 및 (b) M cell/NMMO 액적으로부터 제조된 셀룰로오스 비드의 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도프에 4 wt% 셀룰로오스 농도로 제조된 셀룰로오스(M-M) 비드의 광학 현미경 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 (a)(i)셀룰로오스, (ii)X-셀룰로오스, (iii)CN-셀룰로오스 및 (iv)O-셀룰로오스 비드의 FTIR 스펙트럼, (b) 및 (c)CPD 방법을 사용하여 건조된 셀룰로오스(M-M) 비드의 (b)외부 및 (c)파단된 표면의 SEM 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 CN-셀룰로오스 비드의 경우 -OH에서 -CN 그룹(x)으로, O-셀룰로오스 비드의 경우 -CN에서 옥심 그룹(z)으로의 전환 정도를 계산하기 위한 아미드 옥심 관능화 과정을 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 농도에서 경과 시간(telaps)의 함수로서 O-셀룰로오스 비드 상의 Cu2+/프탈레이트 복합체의 qt를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 O-셀룰로오스 비드에 Cu2+/프탈레이트 복합체 흡착을 위한 등온식 곡선 및 (a, c)Langmuir 및 (b, d)Freundlich 모델에 대해 선형 곡선 피팅을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 (a) O-셀룰로오스 비드의 흡착 용량(qt), (b) Cu2+/프탈레이트 복합 수용액의 농도 감소, (c) Cu2+/프탈레이트의 흡착/탈착 동안 사이클 수에 따른 O-셀룰로오스의 흡착 용량(qt) 및 (d) O-셀룰로오스의 흡착 효율을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 O-셀룰로오스 비드로 채워진 컬럼의 사진이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 O-셀룰로오스 비드를 이용한 금속 이온의 흡착 용량을 나타낸다.
Figure 1 shows (a) the manufacturing process and (b) the functionalization process of cellulose beads according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a plan view and CPD circuit design photo of a CPD container according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the UV-vis spectrum of Cu(NO 3 ) 2 , KHP, and Cu 2+ /phthalate composite aqueous solution according to an example of the present invention.
Figure 4 is a matrix graph showing three regions of conditions for producing (a) cellulose beads, (b) M cell/NMMO droplets, and (c) cellulose solidified from S cell/NMMO droplets according to an embodiment of the present invention. This is an optical microscope image of the bead.
Figure 5 shows (a) cellulose (SS), (b) cellulose (SM), (c) cellulose (MS), and (d) cellulose (MM) beads prepared at Q d = 4 μL min according to an embodiment of the present invention. Size distribution graph and photo.
Figure 6 shows (a) SEM images of the fractured surface of cellulose beads, (b) D c /D T of cellulose beads as a function of coagulation temperature (T coa ), according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is an SEM image of cellulose beads prepared from (a) S cell/NMMO droplets and (b) M cell/NMMO droplets according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is an optical microscope image of cellulose (MM) beads prepared at a concentration of 4 wt% cellulose in a dope according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 shows FTIR spectra, (b) and (c) of (a) (i) cellulose, (ii) SEM images of (b) the exterior and (c) the fractured surface of cellulose (MM) beads dried using the CPD method.
Figure 10 is an amide for calculating the degree of conversion from -OH to -CN group (x) in the case of CN-cellulose beads and from -CN to oxime group (z) in the case of O-cellulose beads according to an embodiment of the present invention. The oxime functionalization process is shown.
Figure 11 shows q t of Cu 2+ /phthalate complex on O-cellulose beads as a function of elapsed time (t elapse ) at different concentrations according to an embodiment of the present invention.
Figure 12 shows isothermal curves for Cu 2+ /phthalate complex adsorption on O-cellulose beads according to an example of the present invention and linear curve fitting for (a, c) Langmuir and (b, d) Freundlich models.
Figure 13 shows (a) adsorption capacity (q t ) of O-cellulose beads, (b) concentration reduction of Cu 2+ /phthalate composite aqueous solution, (c) adsorption of Cu 2+ /phthalate/ according to an embodiment of the present invention. (d) Adsorption capacity (q t ) of O-cellulose and (d) adsorption efficiency of O-cellulose according to the number of cycles during desorption.
Figure 14 is a photograph of a column filled with O-cellulose beads according to an embodiment of the present invention.
Figure 15 shows the adsorption capacity of metal ions using O-cellulose beads according to an embodiment of the present invention.

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

본 발명은 셀룰로오스 및 옥사이드계 용매를 포함하는 혼합물을 이용하여 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/용매 액적을 형성하는 단계; 상기 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/옥사이드 용매 액적을 응고시켜 액적 내부가 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스 비드를 형성하는 단계; 및 상기 다공성 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스가 가교화되어 아미드옥심(amidoxime) 그룹을 함유하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 셀룰로오스 비드의 제조방법을 제공한다.The present invention includes the steps of forming cellulose/solvent droplets in a molten state (M) or solid state (S) using a mixture containing cellulose and an oxide-based solvent; solidifying the cellulose/oxide solvent droplet in the molten state (M) or solid state (S) to form a cellulose bead in the molten state (M) or solid state (S) inside the droplet; and the step of cross-linking cellulose to contain an amidoxime group in the porous cellulose beads.

먼저 셀룰로오스 분말과 옥사이드계 용매를 포함하는 혼합물을 준비하고 셀룰로오스와 옥사이드계 용매의 액적을 형성한다. 미세 유체를 사용하여 셀룰로오스 비드를 제조한다. CP 및 DP는 두 개의 분리된 주사기 펌프를 사용하여 연결한다.First, a mixture containing cellulose powder and an oxide-based solvent is prepared, and droplets of cellulose and oxide-based solvent are formed. Cellulose beads are prepared using microfluidics. CP and DP are connected using two separate syringe pumps.

셀룰로오스 및 옥사이드계 용매 도프를 포함하는 주사기와 T-접합 미세 유체칩은 유기용매, 예를 들어 에틸렌글리콜로 채워진 욕조 내부에 존재한다. DP 및 CP의 유속은 액적을 형성하기 적절한 정도로 제어한다. 셀룰로오스 분말과 옥사이드계 용매 도프가 T-접합의 가장자리에서 만나면, 셀룰로오스/옥사이드계 용매의 액적이 형성된다. 응고 중 셀룰로오스/용매 액적의 상태 및 응고 온도에 따라 4개의 셀룰로오스 비드가 형성될 수 있다. 응고 중 셀룰로오스/용매 액적은 고체 상태(S) 또는 용융 상태(M)일 수 있다.The syringe containing cellulose and oxide-based solvent dope and the T-junction microfluidic chip are placed inside a bath filled with an organic solvent, such as ethylene glycol. The flow rates of DP and CP are controlled to an appropriate level to form droplets. When the cellulose powder and the oxide-based solvent dope meet at the edge of the T-junction, droplets of cellulose/oxide-based solvent are formed. Four cellulose beads can be formed depending on the state of the cellulose/solvent droplets and the coagulation temperature during coagulation. During solidification, the cellulose/solvent droplets can be in the solid state (S) or the molten state (M).

옥사이드계 용매는 이에 한정되는 것은 아니지만 N-메틸모르폴린N-옥사이드 모노하이드레이트(NMMO; N-Methylmorpholine-N-oxide monohydrate)를 포함하는 것이 바람직하다. NMMO의 경우 N-O의 쌍극자 모멘트로 인하여 셀룰로오스에 있는 -OH그룹의 분자 간, 분자 내 수소결합을 끊어내는 형태로 셀룰로오스의 용매로 사용될 수 있으므로 본 발명에서 셀룰로오스와 함께 액적을 형성하기 위하여 사용된다. The oxide-based solvent is not limited thereto, but preferably includes N -Methylmorpholine- N -oxide monohydrate (NMMO). In the case of NMMO, it can be used as a solvent for cellulose in the form of breaking the intermolecular and intramolecular hydrogen bonds of the -OH group in cellulose due to the dipole moment of NO, so it is used to form droplets with cellulose in the present invention.

용융 상태(M) 셀룰로오스/옥사이드계 용매 액적(Melt-state droplet)은 다음 방법을 사용하여 응고하였다. 미세 유체 칩에서 나오는 M 셀룰로오스/옥사이드계 용매 액적이 포함된 CP 뜨거운 미네랄 오일을 낮은 온도(예를 들어, 20 ~ 50℃℃)(S)의 THF/물 혼합물 또는 높은 온도(예를 들어, 60 ~ 75℃)(M)의 THF/물 혼합물에 직접 적하한다. THF/물 혼합물은 물과 미네랄 오일 사이의 비혼화성 때문에 셀룰로오스/옥사이드계 액적을 포함하는 CP 미네랄 오일을 수조에서 제거할 수 없기 때문에 응고 중에 사용하는 것이다. 따라서 낮은 온도(S)의 THF/물 혼합물에서 응고되면 셀룰로오스 비드(M-S)가 형성되고, 높은 온도(M)의 THF/물 혼합물에서 응고되면 셀룰로오스 비드(M-M)가 형성될 수 있다.Melt-state (M) cellulose/oxide-based solvent droplets were solidified using the following method. CP hot mineral oil containing M cellulose/oxide-based solvent droplets from the microfluidic chip was mixed with a THF/water mixture at low temperature (e.g., 20 to 50 °C) (S) or at high temperature (e.g., 60 °C). ~75°C) (M) directly dropwise into the THF/water mixture. The THF/water mixture is used during coagulation because CP mineral oil containing cellulose/oxide-based droplets cannot be removed from the water bath due to the immiscibility between water and mineral oil. Therefore, when solidified in a THF/water mixture at a low temperature (S), cellulose beads (M-S) may be formed, and when solidified in a THF/water mixture at a high temperature (M), cellulose beads (M-M) may be formed.

고체 상태(S) 셀룰로오스/옥사이드계 용매 액적(Solid-state droplet)은 T-접합에서 생성된 액적이 외부로 토출되는 과정에서 빙수조(ice-water bath)에 넣은 비이커에서 상당량의 차가운 광유와 혼합하여 뜨거운 미네랄 오일의 CP에 있는 용융 상태(M)의 셀룰로오스/옥사이드계 용매 액적을 냉각시켜 제조할 수 있다. 셀룰로오스/옥사이드계 용매 액적은 THF로 CP를 제거하고 낮은 온도(20 ~ 40℃)의 물 또는 높은 온도(40 ~ 75℃)의 물에서 응고되어 고체 상태(S) 또는 액체 상태(M)를 나타낸다. 따라서 낮은 온도(S)의 물에서 응고되면 셀룰로오스 비드(S-S)가 형성되고, 높은 온도(M)의 물에서 응고되면 셀룰로오스 비드(S-M)가 형성될 수 있다.Solid-state (S) cellulose/oxide solvent droplets are mixed with a significant amount of cold mineral oil in a beaker placed in an ice-water bath during the process in which the droplets generated at the T-junction are discharged to the outside. It can be manufactured by cooling cellulose/oxide-based solvent droplets in a molten state (M) in the CP of hot mineral oil. Cellulose/oxide-based solvent droplets remove CP with THF and solidify in water at low temperature (20 ~ 40℃) or water at high temperature (40 ~ 75℃), showing a solid state (S) or liquid state (M). . Therefore, when solidified in water at a low temperature (S), cellulose beads (S-S) can be formed, and when solidified in water at a high temperature (M), cellulose beads (S-M) can be formed.

응고된 셀룰로오스 구형 비드는 여과지를 사용하여 여과하고 물로 여러 번 세척하였다. 생산된 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스(S-S), (S-M), (M-S) 및 (M-M) 비드로 표시될 수 있다.The coagulated cellulose spherical beads were filtered using filter paper and washed several times with water. The cellulose beads produced can be designated as cellulose (S-S), (S-M), (M-S) and (M-M) beads.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 셀룰로오스/옥사이드계 용매 액적을 응고시키는 과정에서 응도 온도에 따라 액적이 전체가 균질(homogenous)하게 형성될 수도 있으며, 다른 한편으로는 코어/쉘 구조를 형성할 수도 있다. 즉, 액적의 상태와 응고 온도를 조절하여 4가지 유형의 셀룰로오스 비드를 만들 수 있으며, 코어/쉘 구조에서 쉘의 두께를 조절할 수도 있다. According to one embodiment of the present invention, in the process of solidifying cellulose/oxide-based solvent droplets, the droplets may be formed homogeneously depending on the coagulation temperature, and on the other hand, they may form a core/shell structure. It may be possible. In other words, four types of cellulose beads can be made by controlling the state of the droplet and the solidification temperature, and the thickness of the shell in the core/shell structure can also be adjusted.

셀룰로오스/용매 액적을 형성하는 단계에서 용융 상태(M)로 형성할 수도 있고, 고체 상태(S)로 형성할 수도 있다. 이어서 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스 비드를 형성하는 것은 응고 온도에 따라 달라질 수 있다. In the step of forming cellulose/solvent droplets, they may be formed in a molten state (M) or in a solid state (S). The formation of cellulose beads in the molten state (M) or solid state (S) can then vary depending on the solidification temperature.

그러므로 용융 상태(M) 액적을 응고 온도(Tcoa)를 약 20℃ 내지 50℃로 제어한다면 고체 상태(S)의 셀룰로오스 비드를 형성하게 될 것이므로 셀룰로오스(M-S) 비드는 코어/쉘 구조를 나타낼 수 있다. 그러나 용융 상태(M) 액적을 응고 온도(Tcoa)를 약 60℃ 이상으로 제어한다면 용융 상태(M)의 셀룰로오스 비드를 형성하게 될 것이므로 셀룰로오스(M-M) 비드는 코어/쉘 구조가 형성되지 않고 전체가 균질한 개방된 구조를 나타낼 수 있다.Therefore, if the solidification temperature (T coa ) of the molten state (M) droplet is controlled to about 20°C to 50°C, solid state (S) cellulose beads will be formed, so the cellulose (MS) beads can exhibit a core/shell structure. there is. However, if the solidification temperature (T coa ) of the molten state (M) droplet is controlled to about 60°C or higher, molten state (M) cellulose beads will be formed, so the core/shell structure of the cellulose (MM) beads will not be formed and the entire can exhibit a homogeneous open structure.

다른 한편으로 고체 상태(S)의 액적을 응고 온도(Tcoa)를 40℃ 이하로 제어한다면 고체 상태(S)의 셀룰로오스 비드를 형성하게 될 것이므로 셀룰로오스(S-S) 비드)는 전체적으로 균질하고 컴팩트한 구조를 나타낼 수 있다. 그러나 고체 상태(S)의 액적을 응고 온도(Tcoa)를 40℃를 초과하는 온도로 제어한다면 용융 상태(M)의 셀룰로오스 비드를 형성하게 될 것이므로 셀룰로오스(S-M) 비드는 코어/쉘 구조를 나타낼 수 있다.On the other hand, if the solidification temperature (T coa ) of the liquid droplet in the solid state (S) is controlled to below 40°C, cellulose beads in the solid state (S) will be formed, so the cellulose (SS) beads) have an overall homogeneous and compact structure. can represent. However, if the solidification temperature (T coa ) of the liquid droplet in the solid state (S) is controlled to a temperature exceeding 40°C, cellulose beads in the molten state (M) will be formed, so the cellulose (SM) beads will exhibit a core/shell structure. You can.

본 발명의 다공성 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스가 가교화되어 아미드옥심(amidoxime) 그룹을 포함할 수 있다. 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스가 가교화되고, 아크릴로니트릴(CN) 및 하이드록실아민(NH2OH)으로 관능화되어 아미드옥심(amidoxime) 그룹을 포함하는 것이다. 상세하게는 셀룰로오스 비드는 가교결합하게 되고, 셀룰로오스의 히드록실기와 반응하는 ECH는 근처에 있는 동일한 또는 다른 셀룰로오스 사슬의 히드록실기와 추가로 반응할 수 있는 옥사이드 그룹 일부를 도입한다. 셀룰로오스 비드를 교반하에 NaOH 수용액에 분산시키고 ECH/MeOH를 적가하여 가교된 셀룰로오스(X-셀룰로오스)비드를 형성하고 건조시킨다. 건조된 X-셀룰로오스 비드는 아크릴로니트릴(AN)으로 추가적으로 관능기를 도입하여 -CN 그룹을 도입한다. 이어서 CN-관능화된 셀룰로오스(CN-셀룰로오스) 비드를 아미드옥심기를 도입하여 옥심기(oxime group)로 관능화된 셀룰로오스 비드(이하에서 'O-셀룰로오스 비드'로 칭한다)를 형성할 수 있다. The porous cellulose beads of the present invention may contain an amidoxime group by crosslinking cellulose. Cellulose beads are cellulose crosslinked and functionalized with acrylonitrile (CN) and hydroxylamine (NH 2 OH) to contain amidoxime groups. Specifically, the cellulose beads are crosslinked, and the ECH reacting with the hydroxyl groups of cellulose introduces some oxide groups that can further react with the hydroxyl groups of the same or other cellulose chains nearby. Cellulose beads are dispersed in NaOH aqueous solution under stirring and ECH/MeOH is added dropwise to form cross-linked cellulose (X-cellulose) beads and dried. The dried Then, CN-functionalized cellulose (CN-cellulose) beads can be introduced with an amidoxime group to form cellulose beads functionalized with an oxime group (hereinafter referred to as 'O-cellulose beads').

본 발명의 제조방법에 의하면, 형성된 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스(S-S), (S-M), (M-S) 및 (M-M) 비드로 표시될 수 있고, 그 중에서 셀룰로오스(S-S), (S-M) 및 (M-S) 비드는 타원형 형상을 나타내고, 셀룰로오스(M-M) 비드는 구형을 나타낼 수 있다. 균일한 크기의 타원형 셀룰로오스(S-S), (S-M) 및 (M-S) 비드는 좁은 크기 분포로 장축이 1,000 내지 1,500μm이고, 단축이 700 내지 850 μm인 형상의 비드를 나타낸다. According to the production method of the present invention, the formed cellulose beads can be represented by cellulose (S-S), (S-M), (M-S) and (M-M) beads, among which cellulose (S-S), (S-M) and (M-S) beads. represents an oval shape, and cellulose (M-M) beads may exhibit a spherical shape. Uniformly sized oval cellulose (S-S), (S-M) and (M-S) beads exhibit a narrow size distribution with a long axis of 1,000 to 1,500 μm and a minor axis of 700 to 850 μm.

반면, 구형 셀룰로오스(M-M) 비드는 좁은 크기 분포로 직경 700 내지 850 μm인 형상의 비드를 나타낸다. 높은 온도(60℃ 이상)에서 용융 상태(M)로 응고된 셀룰로오스 비드(셀룰로오스(S-M) 및 (M-M))는 낮은 온도에서 고체 상태(S)로 응고된 비드(셀룰로오스(S-S) 및 (M-S))에 비하여 색상이 하얀편이고, 이는 용융 상태(M)로 응고된 비드의 내부 구조가 고체 상태로 응고된 비드의 내부 구조와 서로 다르다는 것을 의미한다. On the other hand, spherical cellulose (M-M) beads exhibit a narrow size distribution and have a diameter of 700 to 850 μm. Cellulose beads (Cellulose (S-M) and (M-M)) solidified to the molten state (M) at high temperatures (above 60°C) and beads (Cellulose (S-S) and (M-S) solidified to the solid state (S) at low temperatures. ), the color is whiter than that, which means that the internal structure of the beads solidified in the molten state (M) is different from the internal structure of the beads solidified in the solid state.

본 발명은 셀룰로오스 및 용매 액적으로부터 형성된 아미드옥심(amidoxime) 그룹으로 관능화된 다공성 셀룰로오스 비드로서, 상기 비드가 건조되어 있을 때의 직경(D2)과 재팽윤되었을 때의 직경(D3)의 직경비율(D3/D2)이 특정한 비율을 나타내는 다공성 셀룰로오스 비드를 제공한다.The present invention relates to porous cellulose beads functionalized with amidoxime groups formed from cellulose and solvent droplets, wherein the beads have a diameter when dried (D 2 ) and a diameter when re-swollen (D 3 ). Provided are porous cellulose beads in which the ratio (D 3 /D 2 ) represents a specific ratio.

건조 전 물에 응고된 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스/옥사이드계 용매 액적과 거의 동일한 크기를 갖는다. 건조된 셀룰로오스 비드는 혼합물의 고형분 함량이 매우 적기 때문에 물 속의 셀룰로오스 비드에서 상당히 수축된다. 건조된 셀룰로오스 비드가 흡착제로 적용하기 위하여 다시 물에 투입되면 건조된 셀룰로오스 비드의 재팽윤은 셀룰로오스 비드 내부의 표면적이 넓은 흡착제로 사용하는 데 중요하다. The cellulose beads coagulated in water before drying have almost the same size as the cellulose/oxide solvent droplets. Dried cellulose beads shrink significantly from cellulose beads in water because the solids content of the mixture is very low. When dried cellulose beads are put back into water to be applied as an adsorbent, re-swelling of the dried cellulose beads is important for use as an adsorbent with a large surface area inside the cellulose beads.

본 발명의 제조방법에 따라 가교결합이 형성된 셀룰로오스 비드는 완전히 건조된 다음 물 속에서 원래의 셀룰로오스 비드로 재팽윤되어 오르고, 이는 가교결합이 건조 후의 수소결합을 방지함을 나타낸다. 따라서, 셀룰로오스 비드를 가교결합하게 되면 안정성과 재팽윤 능력이 모두 촉진된다. 따라서 본 발명의 제조방법에 의하면, 재팽윤 능력이 우수하여 금속 이온 흡착제로 사용될 때 흡착능력이 뛰어남을 나타낼 수 있다. Cellulose beads cross-linked according to the manufacturing method of the present invention are completely dried and then re-swell to the original cellulose beads in water, indicating that cross-linking prevents hydrogen bonding after drying. Therefore, crosslinking cellulose beads promotes both stability and reswelling ability. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, the re-swelling ability is excellent, showing excellent adsorption ability when used as a metal ion adsorbent.

본 발명의 다공성 셀룰로오스 비드가 건조되어 있을 때의 직경(D2)과 재팽윤되었을 때의 직경(D3)의 직경비율(D3/D2)은 1.8 내지 4.0인 것이 바람직하다. 이러한 직경비율(D3/D2)은 재팽윤되었을 때의 팽창부피가 매우 커지기 때문에 가능한 것이고, 직경비율이 1.0 미만이거나 5.0을 초과하는 경우, 더욱 바람직하게는 1.8 미만이거나 4.0을 초과하는 경우에는 재팽윤 결과가 좋지 못하여 우수한 흡착성능을 구현하기 어려워 바람직하지 못하다. 기존의 셀룰로오스 비드 제조방법에 의한다면 건조 이후의 재팽윤이 발생되기 어려워 재팽윤 시의 직경(D3)이 0 내지 1.0에 머물기 때문에 직경(D2)과 재팽윤되었을 때의 직경(D3)의 직경비율(D3/D2)이 1.0을 초과하기도 어렵다고 할 수 있다.It is preferable that the diameter ratio (D 3 /D 2 ) of the diameter when the porous cellulose beads of the present invention are dried ( D 2 ) and the diameter when they are re-swollen (D 3 ) is 1.8 to 4.0. This diameter ratio (D 3 /D 2 ) is possible because the expansion volume when re-swelled becomes very large, and when the diameter ratio is less than 1.0 or more than 5.0, more preferably less than 1.8 or more than 4.0. It is not desirable because the reswelling results are poor and it is difficult to achieve excellent adsorption performance. According to the existing cellulose bead manufacturing method, re-swelling after drying is difficult to occur, so the diameter (D 3 ) at the time of re-swelling remains at 0 to 1.0, so the diameter (D 2 ) and the diameter when re-swelled (D 3 ) It can be said that it is difficult for the diameter ratio (D 3 /D 2 ) to exceed 1.0.

본 발명에 의하여 제조된 O-셀룰로오스 비드의 내부 구조는 흡착 능력을 결정할 수 있다. 높은 온도(60℃ 이상)에서 용융 상태(M)로 응고된 셀룰로오스/옥사이드계 용매 액적이면서 아미드옥심기(amidoxim group)으로 관능화된 O-셀룰로오스 비드가 매우 균일하고 거친 구형의 개방형 내부구조를 나타낸다. The internal structure of O-cellulose beads prepared according to the present invention can determine the adsorption capacity. The cellulose/oxide-based solvent droplets solidified to a molten state (M) at a high temperature (above 60°C) and the O-cellulose beads functionalized with an amidoxim group have a very uniform, rough, spherical, open internal structure. indicates.

따라서 이러한 셀룰로오스(M-M) 비드로 제조된 O-셀룰로오스 비드는 가장 높은 다공성 구조를 가지고 있기 때문에 가장 높은 흡착 능력을 가지며, 낮은 온도(60℃ 이하)에서 고체 상태(S)로 응고된 셀룰로오스(S-S) 비드로 제조된 O-셀룰로오스 비드는 반대로 가장 낮은 흡착 능력을 나타낸다. 셀룰로오스(S-M) 및 (M-S) 비드로 제조된 O-셀룰로오스 비드는 이들 사이의 흡착 능력을 나타낸다. Therefore, O-cellulose beads made from these cellulose (M-M) beads have the highest adsorption capacity because they have the highest porous structure, and cellulose (S-S) solidified into a solid state (S) at low temperature (below 60°C). On the contrary, O-cellulose beads prepared from beads show the lowest adsorption capacity. O-cellulose beads prepared from cellulose (S-M) and (M-S) beads exhibit adsorption capacity between them.

본 발명의 방법에 의하여 제조된 다공성 셀룰로오스 비드는 Pb2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+, Fe3+, Ca2+, 및 Cr3+로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속이온을 흡착할 수 있다. 본 발명의 O-셀룰로오스 비드는 금속 흡착을 위한 컬럼에서 필러로 사용될 수 있다. 금속 이온들 중에서는 Pb2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+, Fe3+, Ca2+, Cr3+ 의 순으로 흡착 능력이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.The porous cellulose beads prepared by the method of the present invention are one selected from the group consisting of Pb 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ , Ca 2+ , and Cr 3+ It can adsorb more metal ions. The O-cellulose beads of the present invention can be used as a filler in a column for metal adsorption. Among metal ions, it can be seen that the adsorption capacity is excellent in that order: Pb 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ , Ca 2+ , and Cr 3+ .

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. However, these examples are for illustrating the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereto.

<실시예><Example>

재료ingredient

셀룰로오스 분말과 용매로서 사용되는 NMMO 모노하이드레이트는 KOLON (대한민국)에서, 에피클로로히드린(ECH)과 아크릴로니트릴(AN)은 Daejung(대한민국)에서 구입하였다. Cellulose powder and NMMO monohydrate used as a solvent were purchased from KOLON (Korea), and epichlorohydrin (ECH) and acrylonitrile (AN) were purchased from Daejung (Korea).

수산화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(NaCO3), 하이드록실아민염산염(NH2OH·HCl), 테트라하이드로퓨란(THF), 메탄올(MeOH), 프탈산수소칼륨(KHP)은 덕산에서 구입하였다. 테트라메틸암모늄(TMA)염화물((CH3)4N+Cl-), 구리(II)질산6수화물(Cu(NO3)2·6H2O), 카드뮴(II)질산염(Cd(NO3)2) 및 염화철(III)6수화물(FeCl3·6H2O)은 일본 Junsei에서 구입하였다. 납(II)질산염(Pb(NO3)2), 니켈(II)질산염6수화물(Ni(NO3)2·6H2O), 칼슘(II)질산염4수화물(Ca(NO3)2·4H2O), 아연(II)질산염6수화물(Zn(NO3)2·6H2O) 및 염화크롬(II)6수화물(Cr(NO3)2·6H2O)은 Sigma Aldrich(미국)에서 구입하였다. 모든 화학 물질은 추가 정제없이 사용하였다.Sodium hydroxide (NaOH), sodium carbonate (NaCO 3 ), hydroxylamine hydrochloride (NH 2 OH·HCl), tetrahydrofuran (THF), methanol (MeOH), and potassium hydrogen phthalate (KHP) were purchased from Deoksan. Tetramethylammonium (TMA) chloride ((CH 3 ) 4 N + Cl - ), copper (II) nitrate hexahydrate (Cu(NO 3 ) 2 ·6H 2 O), cadmium (II) nitrate (Cd (NO 3 ) 2 ) and iron(III) chloride hexahydrate (FeCl 3 ·6H 2 O) were purchased from Junsei, Japan. Lead(II) nitrate (Pb(NO 3 ) 2 ), nickel(II) nitrate hexahydrate (Ni(NO 3 ) 2 ·6H 2 O), calcium(II) nitrate tetrahydrate (Ca(NO 3 ) 2 ·4H 2 O), zinc(II) nitrate hexahydrate (Zn(NO 3 ) 2 ·6H 2 O) and chromium(II) chloride hexahydrate (Cr(NO 3 ) 2 ·6H 2 O) were from Sigma Aldrich (USA). Purchased. All chemicals were used without further purification.

균일한 크기의 셀룰로오스 액적 제조Fabrication of uniformly sized cellulose droplets

도 1의 (a)는 미세 유체를 사용하여 셀룰로오스 비드를 생산하는 전체적인 회로도를 요약한 것이다. NMMO 모노하이드레이트 (100g)을 둥근 바닥 유리관(외경 = 60mm, 길이 = 180mm)에서 80℃에서 녹이고 셀룰로오스 분말(4g)을 나사형 프로펠러(직경 = 125mm, 피치 = 35mm), 80℃에서 2시간 동안 용해된 cell/NMMO 도프는 NMMO 모노하이드레이트에서 수분 증발을 방지하기 위해 상단에 고무 캡을 사용하여 90℃에서 2시간 동안 유지함으로써 탈기하였다. 탈기된 도프를 플라스틱 주사기(내경 = 20.05 mm)로 옮겨 미세유체학에서 DP로 사용하였다. 플라스틱 주사기(내경 = 15.90 mm)에 EM90(3 wt%)이 함유된 미네랄 오일을 CP로 사용하였다. CP 및 DP는 두 개의 분리된 주사기 펌프(LEGATO 100, KD Scientific, USA)를 사용하여 T-접합 미세 유체칩(PEEK, P-713, IDEX, USA)(관통 구멍 직경 = 1.25mm)에 연결하였다.Figure 1(a) summarizes the overall circuit diagram for producing cellulose beads using microfluidics. NMMO monohydrate (100 g) was melted in a round-bottom glass tube (outer diameter = 60 mm, length = 180 mm) at 80 °C, and cellulose powder (4 g) was melted in a screw-type propeller (diameter = 125 mm, pitch = 35 mm) at 80 °C for 2 h. The resulting cell/NMMO dope was degassed by maintaining it at 90°C for 2 hours using a rubber cap on top to prevent moisture evaporation from the NMMO monohydrate. The degassed dope was transferred to a plastic syringe (inner diameter = 20.05 mm) and used as DP in microfluidics. Mineral oil containing EM90 (3 wt%) was used as CP in a plastic syringe (internal diameter = 15.90 mm). CP and DP were connected to a T-junction microfluidic chip (PEEK, P-713, IDEX, USA) (through hole diameter = 1.25 mm) using two separate syringe pumps (LEGATO 100, KD Scientific, USA). .

cell/NMMO 도프를 포함하는 주사기와 T-접합 미세 유체칩은 85℃에서 에틸렌글리콜로 채워진 욕조에 존재한다(도 1(a)). DP 및 CP의 유속(Qd 및 Qc)은 각각 2.0 및 23μLmin-1로 제어하였다. cell/NMMO 도프가 T-접합의 가장자리에서 만나면, cell/NMMO 액적이 형성하였다. 응고 중 cell/NMMO 액적의 상태 및 응고 온도에 따라 4개의 셀룰로오스 비드 샘플을 준비하였다. 응고 중 cell/NMMO 액적은 고체 상태(S) 또는 용융 상태(M)일 수 있다.The syringe containing the cell/NMMO dope and the T-junction microfluidic chip are placed in a bath filled with ethylene glycol at 85°C (Figure 1(a)). The flow rates (Q d and Q c ) of DP and CP were controlled to 2.0 and 23 μL min -1 , respectively. When the cell/NMMO dope met at the edge of the T-junction, a cell/NMMO droplet was formed. Four cellulose bead samples were prepared according to the state of the cell/NMMO droplets and coagulation temperature during coagulation. During solidification, cell/NMMO droplets can be in the solid state (S) or molten state (M).

S cell/NMMO 액적은 이전에 빙수조(ice-water bath)에 넣은 비이커에서 상당량의 차가운 광유와 혼합하여 뜨거운 미네랄 오일의 CP에 있는 M cell/NMMO 액적을 냉각시켜 준비하였다. cell/NMMO 액적은 각각 NMMO 모노하이드레이트의 S 및 M을 나타내는 낮은 S 및 높은 M 응고 온도에서 응고하였다. S cell/NMMO 액적은 S cell/NMMO 액적이 포함된 비커에서 미네랄 오일을 제거하고 남은 미네랄 오일과 혼합하기 위해 비커에 THF를 채우고, THF를 제거하고, 비커에 30℃(S) 또는 60℃(M)의 물을 다시 채우고 30분 동안 유지해서 응고시켰다.S cell/NMMO droplets were prepared by cooling M cell/NMMO droplets in CP of hot mineral oil by mixing them with a significant amount of cold mineral oil in a beaker previously placed in an ice-water bath. The cell/NMMO droplets solidified at low S and high M solidification temperatures, which represent the S and M of NMMO monohydrate, respectively. Remove the mineral oil from the beaker containing the S cell/NMMO droplets, fill the beaker with THF to mix with the remaining mineral oil, remove the THF, and place in the beaker at 30°C (S) or 60°C ( M) was refilled with water and kept for 30 minutes to solidify.

M cell/NMMO 액적은 다음 방법을 사용하여 응고하였다. 미세 유체 칩에서 나오는 M cell/NMMO 액적이 포함된 CP 뜨거운 미네랄 오일(85℃)을 30℃(S) 또는 60℃(M)에서 THF/물 혼합물(50/50, v/v)에 직접 떨어뜨렸다. THF/물 혼합물은 물과 미네랄 오일 사이의 비혼화성 때문에 cell/NMMO 액적을 포함하는 CP 미네랄 오일을 수조에서 제거할 수 없기 때문에 응고 중에 사용하였다.M cell/NMMO droplets were solidified using the following method. CP hot mineral oil (85 °C) containing M cell/NMMO droplets coming from a microfluidic chip was dropped directly into a THF/water mixture (50/50, v/v) at 30 °C (S) or 60 °C (M). I dropped it. The THF/water mixture was used during coagulation because the CP mineral oil containing cell/NMMO droplets could not be removed from the water bath due to the immiscibility between water and mineral oil.

응고된 셀룰로오스 구형 비드는 여과지(Advantec, 110mm)를 사용하여 여과하고 물로 여러 번 세척하였다. 생산된 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스(S-S), (S-M), (M-S) 및 (M-M) 비드로 표시되며, 첫 번째 S 및 M은 각각 cell/NMMO 액적의 고체 및 용융 상태를 나타내고, 두 번째 S와 M은 각각 저온 및 고온 응고 온도를 나타낸다.The solidified cellulose spherical beads were filtered using filter paper (Advantec, 110 mm) and washed several times with water. The produced cellulose beads are denoted as cellulose (S-S), (S-M), (M-S) and (M-M) beads, where the first S and M represent the solid and melt states of the cell/NMMO droplet, respectively, and the second S and M represents the low and high solidification temperatures, respectively.

OO -- 셀룰로오스 비드의 제조Preparation of cellulose beads

셀룰로오스 비드는 ECH로 가교결합하였다(도 1(b)). 셀룰로오스의 히드록실기와 반응하는 ECH는 근처에 있는 동일한 또는 다른 셀룰로오스 사슬의 히드록실기와 추가로 반응할 수 있는 에틸렌옥사이드 일부를 도입한다. 셀룰로오스 비드(0.1g)를 30분 동안 자기 교반하에 NaOH 수용액(3 wt%, 20mL)에 분산시켰다. ECH/MeOH(3.08g, 각각 1.54g)를 60℃에서 1시간 동안 자기 교반하에 적가하였다. 반응 후 반응 매질을 pH 7이 될 때까지 물로 세척하였다. 가교된 셀룰로오스(X-셀룰로오스)비드는 진공 오븐에서 2시간 동안 25℃에서 건조하였다. 아미드옥심 그룹을 셀룰로오스 비드에 도입하였다(도 1(b)).Cellulose beads were cross-linked with ECH (Figure 1(b)). ECH reacting with the hydroxyl groups of cellulose introduces a portion of ethylene oxide that can further react with hydroxyl groups of the same or other nearby cellulose chains. Cellulose beads (0.1 g) were dispersed in aqueous NaOH solution (3 wt%, 20 mL) under magnetic stirring for 30 min. ECH/MeOH (3.08 g, 1.54 g each) was added dropwise under magnetic stirring at 60°C for 1 hour. After the reaction, the reaction medium was washed with water until pH reached 7. The cross-linked cellulose (X-cellulose) beads were dried at 25°C in a vacuum oven for 2 hours. Amidoxime groups were introduced into cellulose beads (Figure 1(b)).

건조된 X-셀룰로오스 비드는 AN으로 추가적으로 관능기를 도입하여 -CN 그룹을 도입하였다. X-셀룰로오스 비드(0.1g (0.55mM))를 5wt% TMA 클로라이드를 함유하는 0.56mL MeOH 용액이 첨가된 20mL AN에 분산시켰다. 0℃에서 10 중량% 수산화나트륨을 함유하는 0.75mL MeOH 용액을 적가하였다. 반응을 자기 교반하에 2시간 동안 25℃에서 유지하고, 마지막으로 매질의 pH가 7에 도달할 때까지 물로 세척하였다. CN-관능화된 셀룰로오스(CN-셀룰로오스) 비드를 NH2OH·HCl과 추가로 반응시켜 아미드옥심기를 도입하였다. NH2OH·HCl(8g), Na2CO3(6g) 및 CN-셀룰로오스 비이커(0.1g)를 250mL 비커에 첨가하고, 여기에 물 100mL를 첨가하고 밀봉하였다. 반응은 70℃에서 12시간 동안 유지하였다. 반응 후 O-셀룰로오스 비드를 물로 여러 번 세척하여 남은 염을 제거하였다. 물을 MeOH로 교체하고 O-셀룰로오스 비드를 25℃ 진공 오븐에서 건조시켰다.The dried X-cellulose beads (0.1 g (0.55 mM)) were dispersed in 20 mL AN supplemented with 0.56 mL MeOH solution containing 5 wt% TMA chloride. 0.75 mL MeOH solution containing 10% by weight sodium hydroxide was added dropwise at 0°C. The reaction was maintained at 25°C for 2 hours under magnetic stirring and finally washed with water until the pH of the medium reached 7. CN-functionalized cellulose (CN-cellulose) beads were further reacted with NH 2 OH·HCl to introduce amidoxime groups. NH 2 OH·HCl (8 g), Na 2 CO 3 (6 g), and CN-cellulose beaker (0.1 g) were added to a 250 mL beaker, to which 100 mL of water was added and sealed. The reaction was maintained at 70°C for 12 hours. After the reaction, the O-cellulose beads were washed with water several times to remove remaining salt. The water was replaced with MeOH and the O-cellulose beads were dried in a vacuum oven at 25°C.

임계점 건조critical point drying

주사 전자 현미경(SEM) 및 다공성/내부 표면적 측정을 위한 셀룰로오스 비드 샘플을 준비하기 위해 액체 CO2를 사용한 CPD 방법을 사용하였다. 진공, 가열 및 공기 건조에 의한 단순한 물 증발은 비드 표면의 각질화와 상당한 다공성 및 표면적 손실을 초래하기 때문이다.A CPD method using liquid CO 2 was used to prepare cellulose bead samples for scanning electron microscopy (SEM) and porosity/internal surface area measurements. This is because simple water evaporation by vacuum, heating, and air drying results in keratinization of the bead surface and significant loss of porosity and surface area.

동결 건조는 또한 동결시 물 부피 팽윤과 얼음 결정의 성장을 일으켜 셀룰로오스 비드에서 미세 및 중공 극 붕괴를 일으킨다. 액체 CO2가 있는 CPD의 경우 물은 초임계 조건에서 제거되는 에탄올, 아세톤 및 액체 CO2로 단계적으로 교환되어야한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CPD 컨테이너의 평면도 및 CPD 회로도 설계 사진이다. 도 2를 참조하면, CPD 방법을 사용하여 제조된 셀룰로오스 비드의 내부 구조를 조사하기 위해 CPD 용기는 수제로 제작하였다. Freeze-drying also causes water volume swelling and the growth of ice crystals upon freezing, resulting in the collapse of micro- and mesopores in cellulose beads. For CPD with liquid CO2 , water must be exchanged stepwise with ethanol, acetone and liquid CO2 , which are removed under supercritical conditions. Figure 2 is a plan view and CPD circuit design photo of a CPD container according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 2, a CPD container was handmade to investigate the internal structure of cellulose beads manufactured using the CPD method.

<실험예><Experimental example>

측정measurement

감쇠 전반사(ATR)-푸리에 변환 적외선(FTIR)(ATR-FTIR)스펙트럼은 FTIR 분광계(Frontier, PerkinElmer, USA)를 사용하여 평균 64회 스캔에서 500-4000 cm-1 범위에서 기록하였다. 건조된 샘플은 막자 사발을 사용하여 미세 분말로 분쇄하였다. 셀룰로오스 비드의 전계 방출(FE)-SEM(FE-SEM; SU8220, Hitachi, Japan) 이미지는 백금으로 코팅된 에폭시 성형 샘플의 파단된 표면에서 얻었다. SEM에 대한 샘플은 액체 CO2로 CPD 방법을 사용하여 건조하였다.Attenuated total reflection (ATR)-Fourier transform infrared (FTIR) (ATR-FTIR) spectra were recorded in the range of 500-4000 cm -1 over an average of 64 scans using a FTIR spectrometer (Frontier, PerkinElmer, USA). The dried sample was ground into a fine powder using a mortar and pestle. Field emission (FE)-SEM (FE-SEM; SU8220, Hitachi, Japan) images of cellulose beads were obtained from the fractured surface of platinum-coated epoxy molded samples. Samples for SEM were dried using the CPD method with liquid CO 2 .

에폭시 몰딩은 비드를 캡(Cavity Embedding Mold, Ted Pella, USA)에 위치시켜 수행되었으며, EPON(2mL), DDSA(1.25mL), NMA(1.25mL) 및 DMP(0.075mL)의 에폭시 혼합물로 캡을 채우고, 60℃에서 24시간 동안 경화하고 바이스로 반으로 쪼개는 방식으로 수행하였다. 셀룰로오스 비드는 전송 모드가 있는 디지털 카메라가 장착된 광학 현미경(ANA-006, Leitz, Germany)을 사용하여 관찰하였다. Cu2+/프탈레이트 용액 농도는 자외선(UV)-가시(vis)(UV-vis)분광법(UV-2401PC, Shimadzu, Japan)을 사용하였다. 셀룰로오스 비드의 화학적 조성은 원소 분석기(EA, Flash 2000, ThermoFisher, USA)를 사용하여 연구하였다. 수중 금속 이온의 농도는 유도 결합 플라즈마 분광계(ICP, Optima 7300DV, PerkinElmer, USA)를 사용하여 조사하였다. 셀룰로오스 비드(S-S, M-M)의 표면적은 Brunauer-Emmett-Teller(BET)방법을 사용하여 표면적 및 기공 크기 분석기(Quadrasorb Evo, Quantachrome, Austria)를 사용하였다. BET분석을 위한 샘플은 액체 CO2로 CPD 방법을 사용하여 건조하고 진공 오븐에서 12 시간 동안 100℃에서 전처리하였다.Epoxy molding was performed by placing the beads into the cap (Cavity Embedding Mold, Ted Pella, USA), which was then covered with an epoxy mixture of EPON (2 mL), DDSA (1.25 mL), NMA (1.25 mL), and DMP (0.075 mL). This was done by filling, curing at 60°C for 24 hours, and splitting it in half with a vise. Cellulose beads were observed using an optical microscope (ANA-006, Leitz, Germany) equipped with a digital camera with transmission mode. Cu 2+ /phthalate solution concentration was measured using ultraviolet (UV)-visible (UV-vis) spectroscopy (UV-2401PC, Shimadzu, Japan). The chemical composition of cellulose beads was studied using an elemental analyzer (EA, Flash 2000, ThermoFisher, USA). The concentration of metal ions in water was investigated using an inductively coupled plasma spectrometer (ICP, Optima 7300DV, PerkinElmer, USA). The surface area of cellulose beads (SS, MM) was measured using a surface area and pore size analyzer (Quadrasorb Evo, Quantachrome, Austria) using the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method. Samples for BET analysis were dried using the CPD method with liquid CO 2 and pretreated at 100°C for 12 hours in a vacuum oven.

(1) 금속 이온의 흡착(1) Adsorption of metal ions

Cu2+/프탈레이트 복합 수용액은 UV-vis분광기를 사용하여 Cu2+이온 검출에 대한 O-셀룰로오스 비드의 성능을 입증하는 데 사용하였다. Cu(NO3)2(50 ~ 1000ppm으로 조절됨) 및 KHP(4.08g, 0.2M, 과잉)를 물(100mL)에 용해시켜 제조하였다. 도 3(a)는 Cu(NO3)2 (1000ppm), KHP(0.2M) 및 Cu2+/프탈레이트(1000ppm/0.2M) 복합 수용액의 UV-vis스펙트럼을 보여준다. Cu(NO3)2 수용액의 UV-vis스펙트럼은 780nm에서 작은 피크를 나타낸다. 그러나 Cu2+/프탈레이트 복합 수용액의 UV-vis스펙트럼은 보고된 결과와 일치하는 저색성 이동으로 730 nm에서 강한 흡수 피크를 보여준다. Cu2+/프탈레이트 복합 수용액의 검량선(730 nm)은 선형 회귀 곡선(r2 = 0.998)으로 여러 농도에서 얻어졌다(도 3(b)). 각 흡착 실험은 셀룰로오스 비드 흡착제에 대한 금속 이온의 흡착 거동을 조사하기 위하여 세 번 수행하였다. 흡착 전과 후의 금속 이온 수용액의 농도는 UV-vis분광 광도계를 사용하여 400-800 nm의 파장 범위에서 측정하였다. Cu2+/프탈레이트 복합체에 대한 흡착 용량(qt)은 하기 식 (1)을 사용하여 평가하였다:The Cu 2+ /phthalate composite aqueous solution was used to demonstrate the performance of O-cellulose beads for Cu 2+ ion detection using UV-vis spectroscopy. It was prepared by dissolving Cu(NO 3 ) 2 (adjusted to 50 to 1000 ppm) and KHP (4.08 g, 0.2 M, excess) in water (100 mL). Figure 3(a) shows the UV-vis spectrum of a complex aqueous solution of Cu(NO 3 ) 2 (1000ppm), KHP (0.2M), and Cu 2+ /phthalate (1000ppm/0.2M). The UV-vis spectrum of Cu(NO 3 ) 2 aqueous solution shows a small peak at 780 nm. However, the UV-vis spectrum of the Cu 2+ /phthalate composite aqueous solution shows a strong absorption peak at 730 nm with a hypochromatic shift, consistent with the reported results. The calibration curve (730 nm) of the Cu 2+ /phthalate composite aqueous solution was obtained at various concentrations as a linear regression curve (r 2 = 0.998) (Figure 3(b)). Each adsorption experiment was performed three times to investigate the adsorption behavior of metal ions on the cellulose bead adsorbent. The concentration of the metal ion aqueous solution before and after adsorption was measured in the wavelength range of 400-800 nm using a UV-vis spectrophotometer. The adsorption capacity (q t ) for Cu 2+ /phthalate complex was evaluated using the following equation (1):

[식 1][Equation 1]

여기서, C0(mg L-1) 및 Ct(mg L-1)는 각각 초기 시간 및 시간 t에서의 염료 농도이고, V(L)는 염료 용액의 부피, m(g)는 건조된 흡착제의 무게이다.where C 0 (mg L -1 ) and C t (mg L -1 ) are the dye concentration at initial time and time t, respectively, V(L) is the volume of dye solution, and m(g) is the dried adsorbent. is the weight of

(2) 금속 이온의 탈착(2) Desorption of metal ions

탈착 실험을 위하여 금속 이온이 적재된 O-셀룰로오스 비드를 25℃에서 자기 교반하에 30분 동안 8mL의 2M HCl에 담그고, O-셀룰로오스 비드는 물과 pH 6 완충액으로 여러 번 헹구어 낸 후 초기 형태로 재생하였다. 흡착 테스트는 2시간 동안 pH 7에서 Cu2+/프탈레이트 용액(4 mL, 1000 ppm)에서 자기 교반 재생 O-셀룰로오스 비드(4mg)에 의해 다시 수행하였다. 흡착/탈착 사이클을 5회 반복하여 O-셀룰로오스 비드의 재활용성을 조사하였다.For desorption experiments, O-cellulose beads loaded with metal ions were immersed in 8 mL of 2 M HCl for 30 min under magnetic stirring at 25 °C, and the O-cellulose beads were rinsed several times with water and pH 6 buffer and then regenerated to their initial form. did. The adsorption test was again performed with magnetically stirred regenerated O-cellulose beads (4 mg) in Cu 2+ /phthalate solution (4 mL, 1000 ppm) at pH 7 for 2 h. The recyclability of O-cellulose beads was investigated by repeating the adsorption/desorption cycle five times.

<평가 및 결과><Evaluation and results>

미세 유체를 이용한 셀룰로오스 비드의 생산Production of cellulose beads using microfluidics

미세 유체에서 최적의 Qd 및 Qc를 찾기 위해 T- 접합 미세 유체 칩에서 셀룰로오스(4 wt%)/NMMO 도프를 서로 다른 Qd 및 Qc에서 평가하였다.To find the optimal Q d and Q c in microfluidics, cellulose (4 wt%)/NMMO dope was evaluated at different Q d and Q c in a T-junction microfluidic chip.

도 4의 (a)는 다른 Qd와 Qc에서 가공성의 매트릭스 다이어그램을 보여준다. 매트릭스 그래프는 비가공 조건(구역 I) 및 비대칭 프롤레이트(구역 II) 및 대칭 구형(구역 III) 셀룰로오스 비드를 생산하기위한 조건을 나타내는 세 영역으로 나눌 수 있다.Figure 4(a) shows the matrix diagram of processability at different Q d and Q c . The matrix graph can be divided into three regions representing unprocessed conditions (zone I) and conditions for producing asymmetric prolate (zone II) and symmetric spherical (zone III) cellulose beads.

삽입된 그래프 상의 사진은 셀룰로오스 비드의 대표적인 광학 현미경 이미지를 보여준다. Qc > ~10.0μL min-1 및 Qd > ~1.0μL min-1(구역 III)일 때 대칭 구형 셀룰로오스 비드를 생성하였다. 6.0μL min-1 < Qc <10.0μL min-1(구역 II)의 경우, 비대칭 연장된 연장 셀룰로오스 비드를 생성하였다. Qc < 6.0μL min-1(구역 I)에서는 액적이 생성되지 않았다.The photo on the inset graph shows a representative light microscopy image of cellulose beads. Symmetric spherical cellulose beads were produced when Q c > ~10.0 μL min -1 and Q d > ~1.0 μL min -1 (zone III). For 6.0 μL min -1 < Q c <10.0 μL min -1 (zone II), asymmetrically extended extended cellulose beads were produced. No droplets were generated at Q c < 6.0 μL min -1 (zone I).

T 접합 칩의 낮은 모세관 수(낮은 Qc)에서 액적은 압착 모드로 형성되어 액적이 형성될 때 전체적으로 압력 구배를 형성한다. 압착 모드에서 생성된 물액적은 채널 벽에 갇힌 플러그로 채널을 통해 이동한다. Qc가 증가하면(즉, 모세관 수가 증가) 액적 생성은 압착 모드에서 물액적 모드로 전환된다. 명확히 하기 위해 Qd = 4μL min-1 및 Qc = 30μL min-1 (구역 III에서 높은 Qc)에서 생성된 셀룰로오스/NMMO 액적을 서로 다른 응고 온도에서 평가하였다.At low capillary numbers (low Q c ) in the T-junction chip, droplets form in a squeezing mode, creating a global pressure gradient as the droplet forms. In squeezing mode, the generated water droplet moves through the channel with a plug trapped in the channel wall. When Q c increases (i.e., the capillary number increases), droplet production switches from the squeezing mode to the water droplet mode. For clarity, cellulose/NMMO droplets generated at Q d = 4 μL min −1 and Q c = 30 μL min −1 (high Q c in zone III) were evaluated at different solidification temperatures.

도 4의 (b) 및 (c)는 각각 상이한 온도에서 M 및 S cell/NMMO 액적로부터 응고된 셀룰로오스 비드의 광학 현미경 이미지를 보여준다. 미세 유체 칩의 T 접합에서 M 및 S cell/NMMO 액적은 동일하다. M cell/NMMO 액적의 경우(도 4의 (b)), 구형 셀룰로오스 비드는 Tcoa > 50℃에 있었지만, Tcoa = 10℃, 20℃, 30℃ 및 40℃에서 타원형 셀룰로오스 비드를 생성하였다. Tcoa > 50℃에서 제조된 셀룰로오스 비드는 셀룰로오스(M-M) 비드를 나타낸다. 낮은 Tcoa에서 생성된 셀룰로오스 비드의 타원형 모양은 T-접합에서 cell/NMMO 액적이 압착 모드에서 생성되었음을 나타낸다.Figures 4(b) and (c) show optical microscopy images of cellulose beads solidified from M and S cell/NMMO droplets at different temperatures, respectively. At the T junction of the microfluidic chip, the M and S cell/NMMO droplets are identical. In the case of M cell/NMMO droplets ((b) in Figure 4), spherical cellulose beads were present at T coa > 50°C, but elliptical cellulose beads were produced at T coa = 10°C, 20°C, 30°C, and 40°C. Cellulose beads prepared at T coa > 50°C represent cellulose (MM) beads. The oval shape of the cellulose beads generated at low T coa indicates that the cell/NMMO droplets at the T-junction were generated in a squeezing mode.

셀룰로오스(M-M) 비드의 경우, M cell/NMMO 액적의 고온 응고로 인해 액적 생산 중 미세 유체 칩의 T-접합에서 생성된 전단 응력이 응고 중에 쉽게 방출될 수 있다. 따라서, 셀룰로오스(M-M) 비드는 압착 모드에서 형성되었지만, 구형 셀룰로오스가 관찰될 수 있다. 압착 모드는 S cell/NMMO 액적에서 분명하다(도 4의 (c)). 타원형 셀룰로오스 비드는 T-접합부에서 cell/NMMO 액적의 타원형 모양이 S cell/NMMO 액적을 만들기 위해 cell/NMMO 액적을 냉각하는 동안 고정되었기 때문에 모든 연구된 Tcoa에서 생산하였다. 따라서 T 접합부의 cell/NMMO 액적은 압착모드에 있다.In the case of cellulose (MM) beads, due to the high temperature solidification of M cell/NMMO droplets, the shear stress generated at the T-junction of the microfluidic chip during droplet production can be easily released during solidification. Therefore, cellulose (MM) beads were formed in compression mode, but spherical cellulose can be observed. The squeezing mode is evident in the S cell/NMMO droplet (Figure 4(c)). Oval cellulose beads were produced at all studied T coa because the oval shape of the cell/NMMO droplet at the T-junction was fixed during cooling of the cell/NMMO droplet to produce the S cell/NMMO droplet. Therefore, the cell/NMMO droplet at the T junction is in a squeezing mode.

다양한 응고 조건에서 생산된 셀룰로오스 비드의 크기 분포Size distribution of cellulose beads produced under various coagulation conditions.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 Qd = 4μLmin에서 제조된 (a) 셀룰로오스(S-S), (b) 셀룰로오스(S-M), (c) 셀룰로오스(M-S), (d) 셀룰로오스(M-M) 비드의 크기 분포 그래프 및 사진이다. 타원형 모양은 셀룰로오스(S-S), (S-M) 및 (M-S) 비드에서 관찰되는 반면, 구형은 셀룰로오스(M-M) 비드에서 관찰된다. Figure 5 shows (a) cellulose (SS), (b) cellulose (SM), (c) cellulose (MS), and (d) cellulose (MM) beads prepared at Q d = 4 μL min according to an embodiment of the present invention. Size distribution graph and photo. Oval shapes are observed for cellulose (SS), (SM) and (MS) beads, while spherical shapes are observed for cellulose (MM) beads.

균일한 크기의 타원 셀룰로오스(S-S), (S-M) 및 (M-S) 비드는 좁은 크기 분포로 장축이 1219.3 ± 78.7μm이고 단축이 779.4 ± 42.9μm 인 비드를 얻었다. Uniformly sized elliptical cellulose (S-S), (S-M), and (M-S) beads had a narrow size distribution, yielding beads with a long axis of 1219.3 ± 78.7 μm and a short axis of 779.4 ± 42.9 μm.

구형 셀룰로오스(M-M) 비드는 좁은 크기 분포로 직경 784 ± 24.8μm로 얻어졌다. 용융 상태에서 응고된 셀룰로오스 비드(셀룰로오스(S-M) 및 (M-M))는 고체 상태에서 응고된 비드(셀룰로오스(S-S) 및 (M-S))에 비해 하얗고, 이는 용융 상태에서 응고된 비드의 내부 구조가 고체 상태에서 응고된 비드와는 서로 다르다는 것을 나타낸다. Spherical cellulose (M-M) beads were obtained with a narrow size distribution and a diameter of 784 ± 24.8 μm. Cellulose beads solidified in the molten state (cellulose (S-M) and (M-M)) are white compared to beads solidified in the solid state (cellulose (S-S) and (M-S)), which indicates that the internal structure of the beads solidified in the molten state is solid. This indicates that it is different from the solidified bead.

응고는 cell/NMMO 액적로의 물 확산을 통해 발생한다. 따라서 생성된 응고 구조는 응고 온도에 크게 의존하는 물 확산 속도에 의해 결정되기 때문에 응고 온도는 셀룰로오스 비드의 내부 다공성 구조를 제어하는데 중요하다.Coagulation occurs through water diffusion into the cell/NMMO droplets. Therefore, the solidification temperature is important in controlling the internal porous structure of cellulose beads because the resulting solidification structure is determined by the water diffusion rate, which is highly dependent on the solidification temperature.

셀룰로오스 비드의 구조Structure of cellulose beads

제조된 셀룰로오스 비드의 형태는 CPD 방법을 사용하여 건조된 샘플로 분석하였다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 (a) 셀룰로오스 비드의 파단된 표면의 SEM 이미지, (b) 응고 온도(Tcoa)의 함수로서 셀룰로오스 비드의 Dc/DT를 나타낸다. (a)는 셀룰로오스(S-S), (S-M), (M-S), (M-M) 비드의 파단된 표면의 SEM 이미지이다. 응고 중에 물은 cell/NMMO 액적의 NMMO 함량을 희석하고, 희석된 NMMO는 셀룰로오스의 낮은 용매 화력을 가지고 있어 상분리를 주도한다. 셀룰로오스(S-S)(도 6의 a(i)) 및 (M-M)(도 6의 a(iv)) 비드의 경우, 셀룰로오스(M-M) 비드가 셀룰로오스(S-S) 비드보다 거칠고 다공성이 높지만 내부 구조는 균질하다. 그 이유는 M cell/NMMO 액적에 용해된 셀룰로오스 사슬이 높은 이동도로 응고(상분리)되어 셀룰로오스(M-M) 비드의 경우 큰 상분리 섬유 번들을 형성하기 때문이다.The morphology of the prepared cellulose beads was analyzed using the CPD method with dried samples. Figure 6 shows (a) SEM images of the fractured surface of cellulose beads, (b) D c /D T of cellulose beads as a function of coagulation temperature (T coa ), according to an embodiment of the present invention. (a) is an SEM image of the fractured surface of cellulose (SS), (SM), (MS), and (MM) beads. During coagulation, water dilutes the NMMO content of cell/NMMO droplets, and the diluted NMMO has a low solvation power of cellulose, leading to phase separation. For cellulose (SS) (a(i) in Figure 6) and (MM) (a(iv) in Figure 6) beads, cellulose (MM) beads are coarser and more porous than cellulose (SS) beads, but their internal structure is homogeneous. do. This is because the cellulose chains dissolved in the M cell/NMMO droplets coagulate (phase separate) with high mobility, forming large phase-separated fiber bundles in the case of cellulose (MM) beads.

BET 방법을 사용하여 측정된 셀룰로오스(S-S) 및 (M-M) 비드의 표면적은 각각 196 및 218 m2g-1이며, 이는 셀룰로오스(M-M) 비드가 SEM의 형태 데이터와 일치하는 더 많은 다공성 구조를 가지고 있음을 나타낸다. The surface areas of cellulose (SS) and (MM) beads measured using the BET method are 196 and 218 m 2 g -1 , respectively, which means that cellulose (MM) beads have a more porous structure, which is consistent with the morphology data from SEM. It indicates that there is.

셀룰로오스(M-S) 비드(도 6의 a(iii))의 경우 응고 중에 M cell/NMMO 액적을 THF/물 혼합물(30℃)에 직접 떨어뜨렸다. 용융 상태의 cell/NMMO 액적의 외부 표면은 응고 비커에서 차가운 THF/물 혼합물과 접촉한다. 따라서 cell/NMMO 액적의 외부 부분은 고체가 되지만, 내부 부분은 초기 응고 중에 고체 상태가 될 수 있을만큼 충분히 냉각될 수 없기 때문에 여전히 용융 상태이다. 따라서 셀룰로오스(M-S) 비드의 외부 부분의 구조는 내부 부분의 구조와 다르다. 바깥쪽과 안쪽 부분은 각각 고체 상태와 용융 상태로 응고되어 도 6의 (a)(i), (iv)에서와 같이 코어의 구조가 쉘의 구조보다 거칠어졌다. For cellulose (M-S) beads (a(iii) in Figure 6 ), M cell/NMMO droplets were dropped directly into a THF/water mixture (30°C) during coagulation. The outer surface of the molten cell/NMMO droplet is contacted with a cold THF/water mixture in a coagulation beaker. Therefore, the outer part of the cell/NMMO droplet becomes solid, but the inner part is still molten because it cannot be cooled enough to become solid during the initial solidification. Therefore, the structure of the outer part of the cellulose (M-S) bead is different from that of the inner part. The outer and inner parts were solidified into a solid state and a molten state, respectively, and the core structure became rougher than the shell structure, as shown in (a) (i) and (iv) of Figure 6.

셀룰로오스(S-M) 비드(도 6의 (a)(ii))의 경우, S cell/NMMO 액적을 응고 중에 뜨거운 물(60℃)에 떨어뜨렸다. 따라서 S cell/NMMO 액적은 뜨거운 물을 통해 가열하여 M cell/NMMO 액적으로 변화되었다. 그러나 쉘의 두께는 작지만, 외부 부분은 S cell/NMMO 액적의 용융 온도에 도달하기 전에 고체 상태에서 빠르게 응고(상 분리)되었다(도 6의 (a)(ii)). 따라서 셀룰로오스(M-S) 비드와 유사하게, 외부 및 내부 부분 사이의 응고는 코어/쉘 구조를 형성하는 것과 다르다. 따라서 외부 및 내부 부분은 각각 고체 및 용융 상태로 응고된다.For cellulose (S-M) beads ((a)(ii) in Figure 6), S cell/NMMO droplets were dropped into hot water (60°C) during coagulation. Therefore, the S cell/NMMO droplets were changed into M cell/NMMO droplets by heating with hot water. However, although the thickness of the shell was small, the outer part quickly solidified (phase separated) in the solid state before reaching the melting temperature of the S cell/NMMO droplet (Figure 6(a)(ii)). Therefore, similar to cellulose (M-S) beads, coagulation between the outer and inner parts is different to form the core/shell structure. Therefore, the outer and inner parts solidify into solid and molten states, respectively.

응고 온도의 쉘 두께에 미치는 영향Effect of solidification temperature on shell thickness

도 6의 (b)는 응고 온도(Tcoa)의 함수로서 셀룰로오스 비드(S 및 M cell/NMMO 액적에서 준비됨)의 Dc/DT를 나타내며, Dc는 코어의 직경을 의미하고, DT는 총 직경을 나타낸다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 (a) S cell/NMMO 액적 및 (b) M cell/NMMO 액적으로부터 제조된 셀룰로오스 비드의 SEM 이미지이다. DT와 Dc는 각각 광학 현미경과 SEM 이미지를 사용하여 측정하였다. Dc/DT = 0 또는 1인 경우 셀룰로오스 비드는 코어/쉘 구조없이 전체가 균질하면서 컴팩트하고 거칠다(fibrous).Figure 6(b) shows D c /D T of cellulose beads (prepared from S and M cell/NMMO droplets) as a function of solidification temperature (T coa ), where D c means the diameter of the core, and D T represents the total diameter. Figure 7 is an SEM image of cellulose beads prepared from (a) S cell/NMMO droplets and (b) M cell/NMMO droplets according to an embodiment of the present invention. DT and D c were measured using an optical microscope and SEM images, respectively. When D c /D T = 0 or 1, the cellulose beads are entirely homogeneous, compact, and fibrous without a core/shell structure.

S cell/NMMO 액적의 셀룰로오스 비드는 Tcoa

Figure 112021046391741-pat00002
40℃(셀룰로오스(S-S)비드)에서 균질하고 컴팩트한 구조(Dc/DT = 0)를 나타내고, Tcoa > 40℃에서 코어/쉘 구조(셀룰로오스(S-M) 비드)를 나타낸다.Cellulose beads in S cell/NMMO droplets are T coa
Figure 112021046391741-pat00002
It exhibits a homogeneous and compact structure (D c /D T = 0) at 40°C (cellulose (SS) beads) and a core/shell structure (cellulose (SM) beads) at T coa > 40°C.

M cell/NMMO 액적의 셀룰로오스 비드는 Tcoa = 20℃ - 50℃(셀룰로오스(M-S) 비드)에서 코어/쉘 구조를 나타내고, Tcoa = 60℃(셀룰로오스(M-M) 비드)에서 균질한 개방 구조(Dc/DT = 1)를 나타낸다. Cellulose beads in M cell/NMMO droplets exhibit a core/shell structure at T coa = 20°C - 50°C (cellulose (MS) beads) and a homogeneous open structure (cellulose (MM) beads) at T coa = 60°C (cellulose (MM) beads). D c /D T = 1).

따라서 cell/NMMO 액적의 상태와 응고 온도를 조절하여 4가지 유형의 셀룰로오스 비드를 만들 수 있으며, Tcoa는 쉘의 두께를 조절할 수 있다.Therefore, four types of cellulose beads can be made by controlling the state and coagulation temperature of the cell/NMMO droplet, and T coa can control the thickness of the shell.

O-셀룰로오스 비드의 제조Preparation of O-cellulose beads

건조 전 물에 응고된 셀룰로오스 비드는 cell/NMMO 액적과 거의 동일한 크기를 가졌다. 건조된 셀룰로오스 비드는 혼합물의 고형분 함량이 아주 적기 때문에 물 속의 셀룰로오스 비드에서 상당히 수축된다. 건조된 셀룰로오스 비드가 흡착 적용을 위해 다시 물에 삽입될 때, 건조된 셀룰로오스 비드의 재팽윤은 셀룰로오스 비드 내부의 표면적이 넓은 흡착제로 사용하는 데 중요하다. The cellulose beads coagulated in water before drying had almost the same size as the cell/NMMO droplets. Dried cellulose beads shrink significantly from cellulose beads in water because the solids content of the mixture is very low. When the dried cellulose beads are inserted back into water for adsorption applications, reswelling of the dried cellulose beads is important for use as an adsorbent with a large surface area inside the cellulose beads.

도 8의 (a)는 건조된 셀룰로오스 비드의 건조 및 재팽윤 전(물에서)과 후 가교결합이 없는 셀룰로오스(M-M) 비드의 광학 현미경 이미지를 나타낸다. 완전히 건조된 셀룰로오스는 물 속에서 원래 셀룰로오스 비드로 팽윤되지 않았으며, 이는 건조 후 형성된 수소결합이 건조된 셀룰로오스 비드의 재팽윤을 방지함을 나타낸다. Figure 8(a) shows optical microscopy images of cellulose beads without crosslinking (M-M) before and after drying and reswelling of the dried cellulose beads (in water). Completely dried cellulose did not swell to the original cellulose beads in water, indicating that hydrogen bonds formed after drying prevent reswelling of the dried cellulose beads.

도 8의 (b)는 가교결합이 형성된 셀룰로오스(M-M) 비드의 광학 현미경 이미지를 나타낸다. 완전히 건조된 셀룰로오스 비드는 물 속에서 원래의 셀룰로오스 비드로 재팽윤되어 오르고, 이는 가교결합이 건조 후의 수소결합 형성을 방지함을 나타낸다. 따라서, 셀룰로오스 비드를 가교결합하면 안정성과 재팽윤 능력이 모두 촉진된다. 셀룰로오스 비드의 재팽윤 정도는 도프의 셀룰로오스 농도에 따라 달라진다.Figure 8 (b) shows an optical microscope image of cross-linked cellulose (M-M) beads. Completely dried cellulose beads reswell to the original cellulose beads in water, indicating that crosslinking prevents hydrogen bond formation after drying. Therefore, crosslinking cellulose beads promotes both stability and reswelling ability. The degree of reswelling of the cellulose beads depends on the cellulose concentration of the dope.

표 1은 건조 전(수중)과 건조 후 및 건조된 셀룰로오스 비드의 재팽윤 후 도프에서 상이한 셀룰로오스 농도로 제조된 X-셀룰로오스 비드의 직경을 나타내다. 팽윤, 건조 및 재팽윤된 X-셀룰로오스 비드의 직경은 각각 D1, D2 및 D3로 표시된다.Table 1 shows the diameters of X-cellulose beads prepared with different cellulose concentrations in the dope before drying (in water) and after drying and after reswelling of the dried cellulose beads. The diameters of swollen, dried and re-swollen X-cellulose beads are denoted as D 1 , D 2 and D 3 , respectively.

건조된 X-셀룰로오스 비드(D2)의 직경은

Figure 112021046391741-pat00003
이 증가함에 따라 cell/NMMO 액적의 고체 함량이 증가하기 때문에
Figure 112021046391741-pat00004
이 증가함에 따라 증가한다. 그러나,
Figure 112021046391741-pat00005
이 증가하면 재팽윤된 셀룰로오스 비드(D3/D2)의 비율이 감소한다. 낮은
Figure 112021046391741-pat00006
에서 가교가 수행되면 수소 결합을 효과적으로 차단한다. 따라서 작은 붕괴 건조 X-셀룰로오스 비드(낮은
Figure 112021046391741-pat00007
로 인해)는 건조 전 원래 크기보다 훨씬 부풀어 오를 수 있다. 따라서
Figure 112021046391741-pat00008
가 감소하면 D3/D2가 커진다. 그러나,
Figure 112021046391741-pat00009
= 2 및 3 wt%에서 제조된 X-셀룰로오스 비드는 물에서 원래 크기로 재팽윤될 수 없지만,
Figure 112021046391741-pat00010
= 4 및 5 wt%에서는 재팽윤되어 원래 크기(D1)에 가깝다(D3/D1 = 0.5, 0.7, 0.9, 1 각각
Figure 112021046391741-pat00011
= 2, 3, 4, 5 wt %에서).The diameter of the dried X-cellulose beads (D 2 ) is
Figure 112021046391741-pat00003
Because the solid content of the cell/NMMO droplet increases as this increases,
Figure 112021046391741-pat00004
It increases as this increases. however,
Figure 112021046391741-pat00005
As this increases, the ratio of re-swollen cellulose beads (D 3 /D 2 ) decreases. low
Figure 112021046391741-pat00006
When crosslinking is performed, hydrogen bonds are effectively blocked. Therefore, small collapsing dried X-cellulose beads (low
Figure 112021046391741-pat00007
(due to this) may swell significantly beyond its original size before drying. thus
Figure 112021046391741-pat00008
As decreases, D 3 /D 2 increases. however,
Figure 112021046391741-pat00009
= X-cellulose beads prepared at 2 and 3 wt% cannot reswell to their original size in water;
Figure 112021046391741-pat00010
= 4 and 5 wt%, it re-swells and is close to its original size (D 1 ) (D 3 /D 1 = 0.5, 0.7, 0.9, 1, respectively)
Figure 112021046391741-pat00011
= at 2, 3, 4, 5 wt%).

Dope Concentration
(

Figure 112021046391741-pat00012
)
(wt%)Dope Concentration
(
Figure 112021046391741-pat00012
)
(wt%) Swollen
X-cellulose
(D1)
(
Figure 112021046391741-pat00013
)
Swollen
X-cellulose
(D 1 )
(
Figure 112021046391741-pat00013
)
Dried
X-cellulose
(D2)
(
Figure 112021046391741-pat00014
)
Dried
X-cellulose
(D 2 )
(
Figure 112021046391741-pat00014
)
Reswollen
X-cellulose
(D3)
(
Figure 112021046391741-pat00015
)
Reswollen
X-cellulose
(D 3 )
(
Figure 112021046391741-pat00015
)
Diameter Ratio
(D3/D2)
(Volume Ratio)
Diameter Ratio
(D 3 /D 2 )
(Volume Ratio)
22 800800 100100 400400 4
(64)
4
(64)
33 750750 200200 500500 2.5
(16)
2.5
(16)
44 650-750650-750 250250 580-700580-700 2.3
(12.2)
2.3
(12.2)
55 550-650550-650 300300 550-600550-600 1.8
(5.8)
1.8
(5.8)

X-셀룰로오스 비드는 AN으로 관능화되어 중간 CN-셀룰로오스 비드를 만들고 NH2OH로 추가 관능화하여 최종 O-셀룰로오스 비드를 만들었다. FTIR 분광법은 X-, CN- 및 O-셀룰로오스의 관능화를 확인하였다. X-cellulose beads were functionalized with AN to create intermediate CN-cellulose beads and further functionalized with NH 2 OH to make final O-cellulose beads. FTIR spectroscopy confirmed the functionalization of X-, CN-, and O-cellulose.

도 9의 (a)는 셀룰로오스, X-셀룰로오스, CN-셀룰로오스 및 O-셀룰로오스 비드의 FTIR 스펙트럼을 보여준다. X-셀룰로오스 비드의 FTIR 스펙트럼은 작용기의 유사성 때문에 셀룰로오스의 스펙트럼에 가깝다. CN-셀룰로오스의 FTIR 스펙트럼은 2260 cm-1에서 특징적인 CN 스트레칭 밴드를 보여준다. O-셀룰로오스의 FTIR 스펙트럼은 amidoxime에서 -N-O, -N-H 및 -C = N 결합의 신축 진동 밴드로 인해 ~ 920, 1610 및 1670 cm-1에서 추가 피크를 보여준다.Figure 9(a) shows FTIR spectra of cellulose, X-cellulose, CN-cellulose, and O-cellulose beads. The FTIR spectrum of X-cellulose beads is close to that of cellulose due to the similarity of functional groups. The FTIR spectrum of CN-cellulose shows a characteristic CN stretching band at 2260 cm -1 . The FTIR spectrum of O-cellulose shows additional peaks at ~920, 1610 and 1670 cm -1 due to stretching vibration bands of -NO, -NH and -C=N bonds in amidoxime.

다공성 구조는 셀룰로오스(M-M) 비드와 관능화된 셀룰로오스 비드(X-, CN- 및 O-셀룰로오스 비드)와 함께 SEM을 사용하여 연구하였다. The porous structure was studied using SEM with cellulose (M-M) beads and functionalized cellulose beads (X-, CN-, and O-cellulose beads).

도 9의 (b) 및 (c)는 CPD 방법을 사용하여 건조된 셀룰로오스, X-셀룰로오스, CN-셀룰로오스 및 O-셀룰로오스 비드의 외부 및 파단 표면의 SEM 이미지를 각각 보여준다. 모든 셀룰로오스 비드의 내부 구조(파괴된 표면, 도 9 (c))는 관능화에 관계없이 다공성이지만 외부 표면은 작고 닫힌 구조를 나타낸다(도 9의 (b)). 셀룰로오스 구조는 강한 수소결합으로 인해 건조 과정에서 쉽게 붕괴될 수 있다. CPD는 건조 중에 부은 구조를 보존하는 가장 좋은 방법 중 하나이다. 따라서 셀룰로오스 비드의 개방 섬유 구조를 관찰할 수 있다. Figures 9(b) and (c) show SEM images of the external and fractured surfaces of cellulose, X-cellulose, CN-cellulose, and O-cellulose beads dried using the CPD method, respectively. The internal structure of all cellulose beads (broken surface, Figure 9 (c)) is porous regardless of functionalization, but the external surface is small and shows a closed structure (Figure 9 (b)). The cellulose structure can easily collapse during drying due to strong hydrogen bonds. CPD is one of the best ways to preserve swollen structures during drying. Therefore, the open fiber structure of the cellulose beads can be observed.

CN-셀룰로오스 비드의 경우 -OH에서 -CN 그룹으로, O-셀룰로오스 비드의 경우 -CN에서 아미드 옥심 그룹으로의 전환 정도는 EA를 사용하여 계산하였다. The degree of conversion from -OH to -CN group for CN-cellulose beads and from -CN to amide oxime group for O-cellulose beads was calculated using EA.

표 2는 셀룰로오스, CN- 셀룰로오스 및 O-셀룰로오스 비드의 EA 결과를 요약한다. N의 함량은 CN-셀룰로오스 및 O-셀룰로오스 비드의 경우 각각 4.31 및 10.05 wt%이지만 C의 함량은 모든 셀룰로오스 비드에 대해 ~44 ± 3wt%이다. EA 데이터에서 CN-셀룰로오스 비드의 경우 -CN 그룹으로, O-셀룰로오스 비드의 경우 아미드 옥심 그룹으로의 전환 정도를 계산하였다:Table 2 summarizes the EA results of cellulose, CN-cellulose and O-cellulose beads. The content of N is 4.31 and 10.05 wt% for CN-cellulose and O-cellulose beads, respectively, but the content of C is ∼44 ± 3 wt% for all cellulose beads. From the EA data, the degree of conversion to -CN groups for CN-cellulose beads and to amide oxime groups for O-cellulose beads was calculated:

AtomAtom CelluloseCellulose CN-CelluloseCN-Cellulose O-CelluloseO-Cellulose NN 00 4.314.31 10.0510.05 CC 42.3742.37 46.3946.39 43.8643.86 HH 6.216.21 6.066.06 6.186.18 OO 51.4251.42 43.2443.24 39.9139.91

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 CN-셀룰로오스 비드의 경우 -OH에서 -CN 그룹(x)으로, O-셀룰로오스 비드의 경우 -CN에서 옥심 그룹(z)으로의 전환 정도를 계산하기 위한 아미드 옥심 관능화 과정을 도시한다. 여기서 x, y 및 z는 3개의 -OH 그룹 사이에서 변환된 -CN 그룹의 수, 아미드 옥심 그룹으로 변환된 -CN 그룹의 수 및 변환되지 않은 -CN 그룹은 각각 x = z + y이다. CN- 및 O-셀룰로오스 한 단위의 분자량은 각각 180 + 54x 및 180 + 54y + 87z이며, 여기서 54 및 87은 각각 -CH2CH2CN 및 아미드 옥심(-CH2CH2C(= NOH)NH2)의 분자량(몰당)이다.Figure 10 is an amide for calculating the degree of conversion from -OH to -CN group (x) in the case of CN-cellulose beads and from -CN to oxime group (z) in the case of O-cellulose beads according to an embodiment of the present invention. The oxime functionalization process is shown. where x, y and z are the number of -CN groups converted between three -OH groups, the number of -CN groups converted to amide oxime groups and unconverted -CN groups, respectively, x = z + y. The molecular weights of one unit of CN- and O-cellulose are 180 + 54x and 180 + 54y + 87z, respectively, where 54 and 87 are -CH 2 CH 2 CN and amide oxime (-CH 2 CH 2 C(= NOH)NH, respectively. 2 ) is the molecular weight (per mole).

중량 백분율의 질소 함량은 CN- 및 O-셀룰로오스 비드에 대해 각각 14x/(180 + 54x) × 100 및 (28z + 14y)/(180 + 54y + 87z) × 100이다. 측정된 질소 함량은 CN- 및 O-셀룰로오스 비드에 대해 각각 4.31 및 10.05 wt%이므로 계산된 x, y 및 z 값(x = y + z 포함)은 각각 1.5, 1.0 및 0.5이다. 따라서 CN-셀룰로오스 비드에 대한 -OH에서 -CN 그룹(x)으로의 전환 정도는 50 %(1.5/3 × 100)이고 O-셀룰로오스에 대해 -CN에서 아미드 옥심 그룹으로의 전환 정도는 33 %(0.5/1.5 × 100)이다. The nitrogen content in weight percentage is 14x/(180 + 54x) × 100 and (28z + 14y)/(180 + 54y + 87z) × 100 for CN- and O-cellulose beads, respectively. The measured nitrogen content is 4.31 and 10.05 wt% for CN- and O-cellulose beads, respectively, so the calculated x, y, and z values (with x = y + z) are 1.5, 1.0, and 0.5, respectively. Therefore, the degree of conversion from -OH to -CN group (x) for CN-cellulose beads is 50% (1.5/3 × 100) and for O-cellulose, the degree of conversion from -CN to amide oxime group is 33% ( 0.5/1.5 × 100).

아미드 옥심 그룹의 전환 정도는 NH2OH·HCl 농도가 다른 다양한 반응 조건에 의해 생성되지만 아미드 옥심 관능화된 폴리(아크릴로니트릴)(PAN) 나노 섬유의 보고된 값인 40%와 유사하다.The degree of conversion of amide oxime groups is similar to the reported value of 40% for amide oxime functionalized poly(acrylonitrile) (PAN) nanofibers, although produced by various reaction conditions with different NH 2 OH·HCl concentrations.

O-셀룰로오스 비드의 금속 이온 등온식Metal ion isotherm of O-cellulose beads

O-셀룰로오스 비드는 물에서 Cu2+/프탈레이트 복합체의 흡착제로 사용하였다. Cu2 +/프탈레이트 복합체는 앞서 논의한 바와 같이 UV-vis분광법에서 Cu2+의 강도를 향상시킨다.O-cellulose beads were used as an adsorbent for Cu 2+ /phthalate complex in water. Cu 2+ /phthalate complex enhances the intensity of Cu 2+ in UV-vis spectroscopy, as previously discussed.

도 11은 서로 다른 농도에서 경과 시간(telaps)의 함수로서 O-셀룰로오스 비드상의 Cu2+/프탈레이트 복합체의 qt를 보여준다. Curve-fitting은 의사 1차 동역학(도 11a)의 수학식(3)과 의사 2차 동역학(도 11b)의 수학식(5)을 사용하여 수행하였다. qe 및 k의 곡선 맞춤 데이터는 각각 평형 및 흡착 운동 계수에서 흡착된 물질의 양이다. 1차 동역학에 대한 qe1(및 k1) 및 2차 동역학에 대한 qe2(및 k2)의 매개 변수는 ln(qe-qt) vs t 및 t/qt vs t의 플롯과 함께 수정된 수학식(4) 및 (6)을 사용하여 계산하였다.Figure 11 shows the q t of Cu 2+ /phthalate complex on O-cellulose beads as a function of elapsed time (t elapse ) at different concentrations. Curve-fitting was performed using equation (3) of pseudo-first-order dynamics (Figure 11a) and equation (5) of pseudo-second-order dynamics (Figure 11b). The curve fitting data for q e and k are the amount of adsorbed material at equilibrium and adsorption kinetic coefficient, respectively. The parameters of q e1 (and k 1 ) for first-order dynamics and q e2 (and k 2 ) for second-order dynamics are given by plots of ln(q e -q t ) vs t and t/q t vs t It was calculated using modified equations (4) and (6).

표 3은 매개 변수 qe, k 및 r2를 사용한 곡선 피팅 결과를 요약한다. 관측된 데이터는 1차 수학식(3)보다 2차 수학식(5)에 더 적합하다. r2는 1차 수학식과 2차 수학식에 대해 각각 0.9610과 0.9919이다. 이러한 결과는 흡착 메커니즘이 전이 금속 이온과 아미드 옥심 그룹 사이의 킬레이트 반응 때문이라는 것을 나타낸다:Table 3 summarizes the curve fitting results using parameters q e , k and r 2 . The observed data fits the second-order equation (5) better than the first-order equation (3). r 2 is 0.9610 and 0.9919 for the first and second equations, respectively. These results indicate that the adsorption mechanism is due to the chelating reaction between the transition metal ion and the amide oxime group:

[식 3][Equation 3]

[식 4][Equation 4]

[식 5][Equation 5]

[식6][Equation 6]

initial
conc.
(ppm)
initial
conc.
(ppm)
First orderFirst order Second orderSecond order
k1
(min-1)
k 1
(min -1 )
qe1
(m·gg-1)
q e1
(m·gg -1 )
r2 r 2 k2

Figure 112021046391741-pat00020
10-3
(g·mg-1·min-1)k 2
Figure 112021046391741-pat00020
10 -3
(g·mg -1 ·min -1 ) qe2
(mg·g-1)
q e2
(mg·g -1 )
h
(m·gg-1·min-1)
h
(m·gg -1 ·min -1 )
r2 r 2 47.447.4 0.00190.0019 21.009421.0094 0.95000.9500 0.11710.1171 28.735628.7356 0.09660.0966 0.99480.9948 80.580.5 0.00200.0020 35.281535.2815 0.97830.9783 0.06570.0657 41.493841.4938 0.11310.1131 0.99960.9996 167.4167.4 0.00270.0027 42.328142.3281 0.98350.9835 0.09150.0915 51.334751.3347 0.24110.2411 0.99980.9998 261.9261.9 0.00340.0034 42.498142.4981 0.98020.9802 0.12800.1280 53.590653.5906 0.36770.3677 0.99950.9995 358.7358.7 0.00340.0034 45.940245.9402 0.96740.9674 0.11910.1191 61.087461.0874 0.44460.4446 0.99950.9995 461.5461.5 0.00390.0039 50.284750.2847 0.97120.9712 0.12050.1205 68.493268.4932 0.56540.5654 0.99980.9998 729.0729.0 0.00410.0041 51.163251.1632 0.86600.8660 0.13480.1348 70.472270.4722 0.66960.6696 0.99970.9997 1010.31010.3 0.00490.0049 50.667850.6678 0.95260.9526 0.16920.1692 81.300881.3008 1.11861.1186 0.99920.9992

등온선은 Langmuir(수학식 (7)) 및 Freundlich(수학식 (9)) 모델을 사용하여 수행되었으며, 여기서 qm은 흡착 용량(사용 가능한 결합 부위 수와 관련), Ce는 평형에서의 수성 상 농도, KL 및 KF는 각각 Langmuir (수학식 (7)) 및 Freundlich (수학식 (9)) 모델의 흡착에 대한 친화성 상수이고 n은 이질성 지수이다. 수학식(7) 및 (9)의 매개 변수는 25℃에서 25-1000 ppm의 농도 범위에서 Cu2+/프탈레이트 복합체를 사용하여 수정된 Langmuir 및 Freundlich 등온선 수학식(8) 및 (10)으로 선형 곡선 피팅을 수행하여 계산하였다(도 12). Isotherms were performed using the Langmuir (equation (7)) and Freundlich (equation (9)) models, where q m is the adsorption capacity (related to the number of available binding sites) and C e is the aqueous phase at equilibrium. The concentration, K L and K F are the affinity constants for adsorption in the Langmuir (equation (7)) and Freundlich (equation (9)) models, respectively, and n is the heterogeneity index. The parameters of equations (7) and (9) are linear to the Langmuir and Freundlich isotherm equations (8) and (10) modified using Cu 2+ /phthalate complex in the concentration range of 25-1000 ppm at 25°C. Calculations were made by performing curve fitting (Figure 12).

표 4에는 계산된 qm, K 및 n이 요약되어 있다. Langmuir 및 Freundlich 등온선 곡선의 r2 값은 각각 0.99 및 0.95이며, 이는 Langmuir 모델이 관찰된 데이터와 잘 맞고 흡착제 표면에 용질 분자의 포화 단층(다층이 아님)이 흡착 중에 형성되었음을 나타낸다. KL의 친화성 상수는 0.013 L·mg-1로 폴리(아미독심) 셀룰로오스 분말의 보고된 값(0.014L·mg-1)과 유사하다. 계산된 qm은 ~ 81.30 mg g-1로, 옥심그룹 전환율이 25%인 아미드옥심 기능화된 폴리(아크릴로니트릴)(PAN) 나노 섬유에서 보고된 값(52.70 mg·g-1)보다 크다. 따라서, 제조된 셀룰로오스(M-M) 비드로부터 제조된 O-셀룰로오스 비드는 금속 이온의 흡착 능력이 크다:Table 4 summarizes the calculated q m , K , and n . The r 2 values of the Langmuir and Freundlich isotherm curves are 0.99 and 0.95, respectively, which indicates that the Langmuir model fits the observed data well and that a saturated monolayer (not a multilayer) of solute molecules on the adsorbent surface was formed during adsorption. The affinity constant of KL is 0.013 L·mg -1 , which is similar to the reported value of poly(amidoxime) cellulose powder (0.014 L·mg -1 ). The calculated q m is ~ 81.30 mg g -1 , which is larger than the reported value (52.70 mg g -1 ) for amidoxime-functionalized poly(acrylonitrile) (PAN) nanofibers with 25% oxime group conversion. Therefore, O-cellulose beads prepared from cellulose (MM) beads have a high adsorption capacity of metal ions:

[식 7][Equation 7]

[식 8][Equation 8]

[식 9][Equation 9]

[식 10][Equation 10]

LangmuirLangmuir FreundichFreundich qm(mg·g-1)q m (mg·g -1 ) 82.382.3 -- K(L·mg-1)K(L·mg -1 ) 0.0130.013 0.0150.015 r2 r 2 0.990.99 0.950.95 n-1 n -1 -- 0.250.25

내부구조 및 흡착 특성과의 관계Relationship between internal structure and adsorption properties

셀룰로오스(S-S), (S-M) 및 (M-S) 비드로 만든 O-셀룰로오스 비드를 물에서 Cu2+/프탈레이트 복합체에 대한 흡착제로 측정함으로써 내부 다공성 구조와 흡착 특성 사이의 관계를 평가하였다. The relationship between internal porous structure and adsorption properties was evaluated by measuring O-cellulose beads made from cellulose (SS), (SM), and (MS) beads as adsorbents for Cu 2+ /phthalate complexes in water.

도 13의 (a)는 O-셀룰로오스 비드(4mg)를 Cu2+/프탈레이트 복합체 (1000 ppm, 4 mL)가 들어있는 바이알에 삽입한 후 40시간 후에 셀룰로오스(SS), (SM), (MS) 및 (MM) 비드로 만든 O-셀룰로오스 비드의 qt를 보여준다. 측정된 qts는 셀룰로오스(S-S), (S-M), (M-S) 및 (M-M) 비드로 제조된 O-셀룰로오스 비드에 대해 각각 61.2, 66.8, 69.9 및 83.0 mg g-1이다. Figure 13 (a) shows cellulose (SS), (SM), and (MS) 40 hours after inserting O-cellulose beads (4 mg) into a vial containing Cu 2+ /phthalate complex (1000 ppm, 4 mL). ) and (MM) show the q t of O-cellulose beads made from beads. The measured q ts are 61.2, 66.8, 69.9, and 83.0 mg g -1 for O-cellulose beads made from cellulose (SS), (SM), (MS), and (MM) beads, respectively.

셀룰로오스(M-M) 비드로 제조된 O-셀룰로오스 비드는 이전에 논의된 바와 같이 가장 높은 다공성 구조를 가지고 있기 때문에 가장 높은 흡착 능력을 가지며, 셀룰로오스(S-S) 비드로 제조된 O-셀룰로오스 비드는 반대로 흡착 능력이 가장 낮은 것이다. 셀룰로오스(S-M) 및 (M-S) 비드로 제조된 O-셀룰로오스 비드는 이들 사이에 흡착 능력이 있다. 따라서 O-셀룰로오스 비드의 내부 구조가 흡착 능력을 지배한다는 것을 확인할 수 있다.O-cellulose beads made from cellulose (M-M) beads have the highest adsorption capacity because they have the highest porous structure, as discussed previously, while O-cellulose beads made from cellulose (S-S) beads have the opposite adsorption capacity. This is the lowest. O-cellulose beads made from cellulose (S-M) and (M-S) beads have adsorption capacity between them. Therefore, it can be confirmed that the internal structure of O-cellulose beads dominates the adsorption capacity.

컬럼에서 충전제로의 적용Application from column to filler

O-셀룰로오스 비드는 금속 필터로 응용으로서 컬럼에서의 충전제로 적용하였다. 균일한 크기의 O-셀룰로오스 비드를 컬럼에 넣을 수 있다(도 15). O-cellulose beads were applied as a filler in the column as well as for application as a metal filter. O-cellulose beads of uniform size can be placed in the column (Figure 15).

도 13의 (b)는 2.5 mL h-1의 유속으로 O-셀룰로오스 비드(70 mg)로 채워진 컬럼(직경 5.6 mm)을 통해 복잡한 용액(4 mL)을 통과시켜 회전 수로 Cu2+/프탈레이트 복합 수용액의 농도 감소를 나타낸다(초기 농도 : 500 ppm). Cu2+/프탈레이트 복합 수용액을 시린지 펌프를 사용하여 순환 테스트를 위해 순환시켰다. 초기 Cu2+/프탈레이트 복합 수용액(500 ppm)농도는 첫 번째, 두 번째, 세 번째 및 네 번째 주기 동안 324, 409, 442 및 470 ppm까지 감소하였다. 감소율은 첫 번째, 두 번째, 세 번째 및 네 번째 주기 동안 64.8%, 81.8%, 88.4% 및 94%이다. 컬럼에 포함된 O-셀룰로오스 비드의 양은 0.07g에 불과하며, 네 번째 사이클 이후에 금속 이온의 94%가 여과하였다. 결과는 O-셀룰로오스 비드가 금속 흡착을 위한 컬럼에서 필러로 성공적으로 사용될 수 있음을 나타낸다. Figure 13 (b) shows Cu 2+ /phthalate complex by passing the complex solution (4 mL) through a column (5.6 mm in diameter) filled with O-cellulose beads (70 mg) at a flow rate of 2.5 mL h -1 . Indicates a decrease in concentration of aqueous solution (initial concentration: 500 ppm). The Cu 2+ /phthalate complex aqueous solution was circulated for the circulation test using a syringe pump. The initial Cu 2+ /phthalate composite aqueous solution (500 ppm) concentration decreased to 324, 409, 442, and 470 ppm during the first, second, third, and fourth cycles. The reduction rates are 64.8%, 81.8%, 88.4%, and 94% for the first, second, third, and fourth cycles. The amount of O-cellulose beads contained in the column was only 0.07 g, and 94% of the metal ions were filtered out after the fourth cycle. The results indicate that O-cellulose beads can be successfully used as fillers in columns for metal adsorption.

ICP를 사용하여 다른 금속 이온 흡착을 연구하였다. Pb2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+, Fe3+, Ca2+, Cr3+ 및 Mg2+ 수용액은 동일한 농도의 1000 ppm으로 준비하였다. 이들의 농도는 O-셀룰로오스 비드(4mg)를 금속 이온 용액(4mL)이 들어 있는 바이알에 삽입한 후 24시간 동안 측정하였다. The adsorption of different metal ions was studied using ICP. Pb 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ , Ca 2+ , Cr 3+ and Mg 2+ aqueous solutions were prepared at the same concentration of 1000 ppm. Their concentration was measured for 24 hours after inserting O-cellulose beads (4 mg) into a vial containing metal ion solution (4 mL).

도 15는 본 발명의 실시예에 따라 Pb2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+, Fe3+, Ca2+, Cr3+ 및 Mg2+ 이온의 각각 125.0, 75.1, 62.5, 51.1, 34.5, 33.4, 11.1, 0 mg g-1 값의 흡착 능력을 보여 주며, 이는 O-셀룰로오스 비드가 위험한 금속 이온을 제거할 수 있음을 나타낸다. 흡착량의 순서는 Pb2+> Cu2+> Zn2+> Ni2+> Cd2+> Fe3+> Ca2+> Cr3+ = Mg2+(흡착되지 않음)이다. Pb2+는 가장 많이 흡착되며, Mg2+는 O-셀룰로오스 비드에 흡착되지 않는다.15 shows 125.0, respectively, of Pb 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ , Ca 2+ , Cr 3+ and Mg 2+ ions according to an embodiment of the present invention. It shows adsorption capacity of 75.1, 62.5, 51.1, 34.5, 33.4, 11.1, and 0 mg g -1 values, which indicates that O-cellulose beads can remove hazardous metal ions. The order of adsorption amount is Pb 2+ > Cu 2+ > Zn 2+ > Ni 2+ > Cd 2+ > Fe 3+ > Ca 2+ > Cr 3+ = Mg 2+ (not adsorbed). Pb 2+ is adsorbed the most, and Mg 2+ is not adsorbed to O-cellulose beads.

O-셀룰로오스 비드에서 Cu2+/프탈레이트의 탈착 및 재흡착을 시험하였다. 바이알의 O-셀룰로오스 비드(4mg)를 Cu2+/프탈레이트 수용액으로 평가하였다. 1000 ppm Cu2+/프탈레이트 수용액을 O-셀룰로오스 비드에 2시간 동안 흡착시켰다. Cu2+/프탈레이트가 흡착된 O-셀룰로오스 비드는 O-셀룰로오스 비드로부터 Cu2+/프탈레이트를 탈착시키기 위해 25℃에서 30분 동안 250 rpm의 교반하에 2M HCl(8mL)로 처리하였다.Desorption and resorption of Cu 2+ /phthalate on O-cellulose beads were tested. O-cellulose beads (4 mg) in the vial were evaluated with Cu 2+ /phthalate aqueous solution. 1000 ppm Cu 2+ /phthalate aqueous solution was adsorbed on O-cellulose beads for 2 hours. The O-cellulose beads to which Cu 2+ /phthalate was adsorbed were treated with 2M HCl (8 mL) under stirring at 250 rpm for 30 minutes at 25°C to desorb Cu 2+ /phthalate from the O-cellulose beads.

재흡착 테스트는 첫 번째 흡착과 동일한 조건에서 물로 완전히 세척한 후 HCl 처리된 O-셀룰로오스 비드를 사용하여 수행하였다. Cu2+/프탈레이트의 흡착량을 다시 측정하였다. 동일한 흡착 및 탈착 테스트가 여러 사이클 동안 반복하였다. The re-adsorption test was performed using HCl-treated O-cellulose beads after being thoroughly washed with water under the same conditions as the first adsorption. The adsorption amount of Cu 2+ /phthalate was measured again. The same adsorption and desorption tests were repeated for several cycles.

도 13c 및 13d는 각각 Cu2+/프탈레이트의 흡착/탈착 동안 사이클 수의 함수로서 O-셀룰로오스의 흡착 용량 및 효율을 보여준다. 효율은 수학식(11)에 의해 정의된(i-1)th 사이클에서의 것과 비교하여 ith 사이클에서의 Cu2+/프탈레이트 흡착의 상대적인 양이다. 효율은 약 ~ 88%로 일정하지만 사이클 수가 증가함에 따라 흡착 용량은 지속적으로 감소하여 옥심그룹의 회수율이 재사용하기에 충분히 높다는 것을 나타낸다. 그러나 탈착 조건을 최적화하여 효율성을 향상시킬 수 있다.Figures 13c and 13d show the adsorption capacity and efficiency of O-cellulose as a function of cycle number during adsorption/desorption of Cu 2+ /phthalate, respectively. Efficiency is the relative amount of Cu 2+ /phthalate adsorption in the i th cycle compared to that in the (i-1) th cycle, defined by equation (11). The efficiency is constant at approximately ~88%, but the adsorption capacity continues to decrease as the number of cycles increases, indicating that the recovery rate of oxime groups is high enough for reuse. However, efficiency can be improved by optimizing desorption conditions.

[식 11][Equation 11]

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The foregoing has described, rather broadly, the features and technical advantages of the present invention to enable a better understanding of the claims described below. Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (5)

셀룰로오스 및 옥사이드계 용매를 포함하는 혼합물을 이용하여 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/옥사이드 용매 액적을 형성하는 제1단계;
상기 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스/옥사이드 용매 액적을 응고시켜 액적 내부가 용융 상태(M) 또는 고체 상태(S)의 셀룰로오스 비드를 형성하는 제2단계; 및
상기 비드는 셀룰로오스가 가교화되어 아미드옥심(amidoxime) 그룹으로 관능화된 다공성 셀룰로오스 비드를 형성하는 제3단계;를 포함하고,
상기 제2단계에서 상기 비드의 형상이 타원형으로서 비드의 내부 및 외부는 (S-S), (S-M), 및 (M-S) 중 어느 하나로 형성되거나, 상기 비드의 형상이 구형으로서 비드의 내부 및 외부는 (M-M) 인 것을 특징으로 하는 다공성 셀룰로오스 비드의 제조방법.
A first step of forming cellulose/oxide solvent droplets in a molten state (M) or solid state (S) using a mixture containing cellulose and an oxide-based solvent;
A second step of coagulating the cellulose/oxide solvent droplets in the molten state (M) or solid state (S) to form cellulose beads in the molten state (M) or solid state (S) inside the droplets; and
The beads include a third step in which the cellulose is crosslinked to form porous cellulose beads functionalized with amidoxime groups,
In the second step, the shape of the bead is oval and the inside and outside of the bead are formed as any of (SS), (SM), and (MS), or the shape of the bead is spherical and the inside and outside of the bead are ( MM) A method for producing porous cellulose beads.
제 1 항에 있어서,
상기 액적을 응고시키는 과정에서 온도에 따라 액적이 전체가 균질(homogenous)하거나 또는 코어/쉘 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 다공성 셀룰로오스 비드의 제조방법.
According to claim 1,
A method of producing porous cellulose beads, characterized in that the droplet is entirely homogeneous or forms a core/shell structure depending on the temperature in the process of solidifying the droplet.
제 1 항에 있어서,
상기 옥사이드계 용매는 N-메틸모르폴린N-옥사이드(NMMO)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 셀룰로오스 비드의 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing porous cellulose beads, wherein the oxide-based solvent includes N-methylmorpholine N-oxide (NMMO).
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 다공성 셀룰로오스 비드로서,
상기 비드가 건조되어 있을 때의 직경(D2)과 재팽윤되었을 때의 직경(D3)의 직경비율(D3/D2)이 1.8 내지 4.0이고,
상기 비드의 형상이 타원형으로서 비드의 내부 및 외부는 (S-S), (S-M), 및 (M-S) 중 어느 하나로 형성되거나, 상기 비드의 형상이 구형으로서 비드의 내부 및 외부는 (M-M) 인 것을 특징으로 하는 다공성 셀룰로오스 비드.
Porous cellulose beads produced by the method according to any one of claims 1 to 3,
The diameter ratio (D 3 /D 2 ) of the diameter when the bead is dried (D 2 ) and the diameter when it is re-swollen (D 3 ) is 1.8 to 4.0,
The shape of the bead is oval, and the inside and outside of the bead are formed as one of (SS), (SM), and (MS), or the shape of the bead is spherical, and the inside and outside of the bead are (MM). Porous cellulose beads.
제 4 항에 있어서,
상기 셀룰로오스 비드는 Pb2+, Cu2+, Zn2+, Ni2+, Cd2+, Fe3+, Ca2+, 및 Cr3+로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속이온을 흡착하는 것을 특징으로 하는 다공성 셀룰로오스 비드.
According to claim 4,
The cellulose beads are characterized by adsorbing one or more metal ions selected from the group consisting of Pb 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ , Ca 2+ , and Cr 3+ Porous cellulose beads.
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