KR20050097789A - 염료폐수 처리용 나노 카본볼 및 이를 이용하여 염료폐수내의 염료를 분리하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수에 함유된 염료를 처리할 수 있는 나노 카본볼 및 이를 이용하여 염료폐수 내의 염료를 분리하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 염료폐수 처리용 나노 카본볼은 직경이 10 내지 1,000nm인 구형의 중공 코어부; 및 직경이 0.1 내지 20nm인 다수의 기공이 형성되어 있으며 두께가 10 내지 500nm인 다공성의 카본 쉘부;로 구성된다. 본 발명의 염료폐수 처리용 나노 카본볼은 폐수에 함유된 다양한 종류와 크기의 염료를 효과적으로 처리할 수 있으므로, 염료에 따른 수질오염을 최소화할 수 있다.

Description

염료폐수 처리용 나노 카본볼 및 이를 이용하여 염료폐수 내의 염료를 분리하는 방법{A nano carbon ball for treating wastewater containing dye and method for separating the dye from wastewater using the same}

본 발명은 폐수에 함유된 염료를 처리할 수 있는 나노 카본볼 및 이를 이용하여 염료폐수 내의 염료를 분리하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 염료폐수라 함은 염색정리공업의 구성공정인 전분제거공정, 정련공정, 표백공정, 광택가공공정, 염색공정, 마무리공정 등을 통해 발생되는, 염료함유 폐수를 말한다. 폐수에 함유되는 염료로는 염색대상에 따라 CL. Disperse Blue 79 등의 분산염료, CL. Acid Red 37 등의 산성염료, CL. Direct Black 19 등의 직접염료, CL. Reactive Red 120 등의 반응성 염료를 예시할 수 있으며, 이들 염료는 다양한 크기를 갖는다. 폐수 내에 존재하는 염료를 처리하지 않고 그대로 하천에 흘려보내면 수질을 오염시키고 해양 생태계를 파괴하므로, 폐수처리공정을 거쳐 염료를 걸러낼 필요가 있다.

폐수 내의 염료를 걸러내는 방법으로서 활성탄이 많이 이용되고 있다. 활성탄은 넓은 비표면적을 갖고 있어 흡착면적이 크며 미세공이 발달되어 있어 흡착속도가 빠르므로, 염료 제거에 효율적인 것으로 알려져 있다. 그러나, 통상적으로 사용되는 활성탄은 존재하는 기공의 크기가 매우 작으므로 염료에 의해 기공이 쉽게 막히게 된다. 따라서, 본래의 넓은 비표면적으로 인한 장점이 사라지게 되어 그 처리 효율이 저하되고 수명이 짧아지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다양한 종류와 크기의 염료를 효과적으로 처리하여 염료 유출에 따른 수질오염을 최소화할 수 있는 염료폐수 처리용 나노 카본볼 및 이를 이용하여 염료폐수 내의 염료를 분리하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 염료폐수 처리용 나노 카본볼은 직경이 10 내지 1,000nm인 구형의 중공 코어부; 및 직경이 0.1 내지 20nm인 다수의 기공이 형성되어 있으며 두께가 10 내지 500nm인 다공성의 카본 쉘부;로 구성된다.

또한, 본 발명은 직경이 10 내지 1,000nm인 구형의 중공 코어부; 및 직경이 0.1 내지 20nm인 다수의 기공이 형성되어 있으며 두께가 10 내지 500nm인 다공성의 카본 쉘부;로 이루어진 다수의 나노 카본볼에 염료폐수를 통과시켜 염료폐수 내의 염료를 분리하는 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 염료폐수 처리용 나노 카본볼에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 염료폐수 처리용 나노 카본볼은 구형의 중공 코어(Core) 부분과 껍질인 다공성의 카본 쉘(Shell) 부분으로 이루어지는 볼(ball) 형상의 탄소 구조체(나노 카본볼)로 이루어진다. 나노 카본 볼 내부의 중공 코어부의 직경은 10 내지 1,000nm이며, 다공성의 카본 쉘부의 두께는 10 내지 500nm이다. 또한, 카본 쉘부에 다수 형성된 기공의 직경은 0.1 내지 20nm, 주된 기공의 직경은 2 내지 20nm로서 다양한 크기의 염료를 흡착할 수 있을 뿐만 아니라, 염료폐수에 장기간 노출되어 있거나 장시간 사용하여도 그 기공이 막히지 않으므로 비표면적이 그대로 유지된다. 이러한 나노 카본볼은 종래의 활성탄보다 염료처리능력이 매우 뛰어나다. 즉, 활성탄은 주로 마이크로포러스 기공을 갖으므로 다소 큰 염료물질 흡착시 그 기공이 막혀 폐수처리능력이 저하될 수 있으나, 본 발명의 나노 카본볼은 카본 쉘부에 메조포러스 기공을 주로 포함하는 기공이 형성되므로 이러한 문제점을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 나노 카본볼은 활성탄과는 달리 중공의 코어부분에 염료물질이 포집되므로, 활성탄보다 수명 또한 길다.

본 발명의 염료폐수 처리용 나노 카본볼에 있어서, 나노 카본볼을 제조하는 방법의 일예를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 구형의 실리카 코어(1)를 준비한다. 실리카 코어(1)는, 예를 들어 테트라에톡시실란, 테트라메틸오르토실리케이트, 테트라에틸오르토실리케이트와 같은 실리카 전구체로부터 공지의 스토버 공정(Stober, W.; Fink, A.; Bohn, E. J. Colloid Inter. Sci. 1968, 26, 62)에 따라 합성할 수 있다. 바람직한 실리카 코어의 입경은 10 내지 1,000nm이다.

이어서, 구형의 실리카 코어(1)와 실리카 전구체 및 계면활성제, 예를 들어 알킬트리메톡시실란, 알킬트리에톡시실란, 할로겐화알킬트리메틸암모늄, 알킬폴리옥시에틸렌, 글리세롤에톡실레이트 등과 같은 계면활성제를 용매하에서 반응시켜 실리카 코어(1) 표면에 실리카와 계면활성제 성분으로 이루어진 쉘부(2)를 성장시킨다.

그런 다음, 쉘부가 형성된 결과물을 선택적으로 필터링한 후 예를 들어 500 내지 600℃로 소성하여 계면활성제 성분을 제거하면, 계면활성제 성분이 제거된 자리에 메조포러스 기공을 포함하는 소정 직경들의 기공들이 형성된 실리카 쉘부(3)가 형성된 입자(10)를 얻는다. 기공의 크기와 쉘부의 두께는 계면활성제의 종류, 실리카 전구체의 종류 및 몰비를 변화시킴으로서 조절이 가능한데, 쉘부의 두께는 10 내지 500nm로 조절한다.

이어서, 실리카 쉘부가 형성된 입자(10)의 메조세공에 고분자 모노머, 예를 들어 아크릴로 니트릴, 페놀-포름알데히드, 디비닐벤젠과 같은 모노머(11)를 주입하고, 모노머의 특성에 따라 적절한 방법으로 중합반응시킨다. 이들 중합반응은 해당분야에 공지된 것이나, 일반적으로 60℃ 이상의 온도에서 5 내지 6시간 이상 중합 반응시켜 고분자 중합체가 함유된 실리카 구조체를 제조한다.

그런 다음, 고분자 중합체가 함유된 실리카 구조체를 예를 들어 1,000℃ 정도로 질소분위기 하에서 처리하면, 탄화된 고분자 중합체(13)가 함유된 실리카 구조체가 형성된다. 이어서, 탄화시킨 실리카 구조체를 불산이나 가성소다 수용액에 넣어 실리카 구조체를 녹여내면, 구형의 중공(속이 비어 있는) 코어(Core)부(15)를 갖으며 껍질인 다공성의 카본 쉘(Shell)이 형성된 볼 형상의 나노 카본볼(20)이 얻어진다.

전술한 방법으로 제조된 다수의 나노 카본볼들은 염료폐수처리장치에서 염료를 걸러내기 위한 필터 등에 구비될 수 있는데, 구비된 다수의 나노 카본볼에 염료폐수를 통과시키면 염료폐수 내에 존재하는 염료들이 나노 카본볼의 기공에 흡착되어 폐수로부터 분리된다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 지는 것이다.

실시예 1

실리카 전구체로서 테트라에톡시실란(tetraethoxysilane)을 사용하여 공지의 스토버 공정에 따라 구형의 실리카 코어를 합성하였다. 여기에 테트라에톡시실란을 계면활성제인 옥타데실트리메톡시실란(C₁₈-TMS: octadecyltri - methoxysilane)과 함께 투입하여 반응시킨 후, 필터링하여 실리카 입자들을 얻은 다음, 이를 550℃에서 5시간동안 열처리하여, 계면활성제가 제거된 자리에 일정한 크기의 메조 세공이 형성된 실리카 입자를 얻었다. 다음으로 디비닐벤젠을 라디칼 개시제인 아조비스이소부티로니트릴 (azobisisobutyronitrile: AIBN)과 잘 혼합한 후 상기 실리카 입자의 메조 세공에 주입하고, 80℃의 온도에서 약 12 시간 동안 중합 반응시켜 고분자 중합체가 함유된 실리카 구조체를 제조하였다. 계속하여 고분자 중합체가 함유된 실리카 구조체를 1,000℃의 질소분위기 하에서 탄화시켜 나노 카본볼을 형성시켰다. 이어서, 나노 카본볼을 불산에 넣어 나노 카본볼의 무기 구조체를 녹여내어 냄으로써 중공(속이 비어 있는)의 코어(Core) 부분과 껍질인 다공성의 쉘(Shell)이 형성된 볼 형상의 탄소 구조체인 나노 카본볼을 제조하였다. 도 2a ~ 2c는 각각 이와 같이 제조된 나노 카본볼의 외관, 단면 및 쉘부분의 단면(A)을 확대 촬영한 SEM 사진이다.

실험예 1

0.0005M 농도의 Acid Blue 9 염료 용액 100ml를 제조한 뒤 여기에 상기 실시예 1에서 제조된 나노 카본볼 0.01g을 넣은 후 5시간동안 텀블링(tumbling)하였다. 이 혼합 용액을 여과한 후 여과된 용액을 UV spectrometer를 사용하여 흡광도를 측정하고, 이 값을 검량선에 대입하여 처리 후의 농도를 계산하였다. 염료 처리량은 처리 전 초기 용액의 염료 농도 대비 처리 후의 처리된 염료 농도의 백분율로서 구하였다.

실험예 2

상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험하되, 염료 용액을 0.0005M 농도의 Acid Blue 9 염료 용액 대신에 0.001M농도의 Basic Violet 3 염료 용액 100ml를 사용하였다.

비교예 1

상기 실험예 1과 동일한 방법으로 실험하되, 나노 카본볼 대신에 일반적으로 사용되는 활성탄(덕산화학 제품) 0.01g을 사용하였다.

비교예 2

상기 실험예 2와 동일한 방법으로 처리량을 구하되, 나노 카본볼 대신에 일반적으로 사용되는 활성탄(덕산화학 제품) 0.01g을 사용하였다.

전술한 실험예 및 비교예의 결과를 하기 표 1에 나타냈다.

염료	Acid Blue 9		Basic Violet 3
처리	실험예 1	비교예 1	실험예 2	비교예 2
처리량(%)	99.6	6.1	86.2	29.4

표 1의 결과를 참조하면, 본 발명에 따른 염료폐수용 처리용 나노 카본볼을 이용하여 염료 용액을 처리한 실험예 1 및 2가 종래의 활성탄을 사용한 비교예 1 및 2보다 염료 처리량이 월등히 우수한 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 염료폐수 처리용 나노 카본볼은 종래의 활성탄과는 달리 폐수에 함유된 다양한 종류와 크기의 염료를 효과적으로 처리할 수 있으므로, 염료에 따른 수질오염을 최소화할 수 있다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

명세서 내에 통합되어 있고 명세서의 일부를 구성하는 첨부도면은 발명의 현재의 바람직한 실시예를 예시하며, 다음의 바람직한 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 나노 카본볼의 제조공정을 나타낸 개략도이다.

도 2a ~ 2c는 본 발명의 나노 카본볼의 외관, 단면 및 부분 단면에 대한 SEM 사진이다.

Claims (3)

1. 직경이 10 내지 1,000nm인 구형의 중공 코어부; 및

   직경이 0.1 내지 20nm인 다수의 기공이 형성되어 있으며 두께가 10 내지 500nm인 다공성의 카본 쉘부;로 이루어진 염료폐수 처리용 나노 카본볼.
2. 제1항에 있어서, 상기 기공의 직경은 2 내지 20nm인 것을 특징으로 하는 염료폐수 처리용 나노 카본볼.
3. 직경이 10 내지 1,000nm인 구형의 중공 코어부; 및 직경이 0.1 내지 20nm인 다수의 기공이 형성되어 있으며 두께가 10 내지 500nm인 다공성의 카본 쉘부;로 이루어진 다수의 나노 카본볼에 염료폐수를 통과시켜 염료폐수 내의 염료를 분리하는 방법.