KR20110119164A - 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 폐수처리장치 - Google Patents

그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 폐수처리장치 Download PDF

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Abstract

그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 폐수처리장치에 관한 것으로, 자성을 가지며 고분산성인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체를 이용하여, 효과적으로 폐수 내 중금속을 제거할 수 있다.
또한, (a) 그라펜 산화물을 준비하는 단계, (b) 상기 그라펜 산화물을 물에 분산시켜 제 1 분산액을 제조하는 단계, (c) 제 1 분산액에 2가 철(Fe) 및 3가 철(Fe)를 첨가하여 제 2 분산액을 제조하는 단계, (d) 상기 제 2 분산액의 pH가 25℃에서 8 내지 11이 되도록 조절하는 단계, (e) 상기 (d) 단계에서 pH가 조절된 제 2 분산액을 80 내지 110℃로 승온하는 단계 및 (f) 상기 (e) 단계에서 승온된 제 2 분산액에 환원제를 첨가하여 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체를 수득하는 단계를 포함하는, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법을 이용하여, 균일하며, 미세한 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체를 얻을 수 있다.

Description

그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 폐수처리장치{hybrid material comprising grapheme and iron oxide, method for manufacturing thereof and apparatus for treating waste water using thereof}
그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용한 폐수처리장치에 관한 것이다.
자성성질을 이용한 자성분리방법(magnetic separation)은 원심분리나 필터보다 훨씬 선택적이고 효율적인 방법이다. 이러한 자성분리방법은 급속히 발전하는 나노 기술과 접목되어 자성의 성질을 갖는 나노 입자를 이용하여, 비소 등의 중금속으로 오염된 식수나 공업용수를 정화하는데 적용되었다.
그러나 비소 3가와 5가 이온 모두를 99.9% 이상으로 제거하여 식수 및 공업용수로 적합한 수준으로 이루는 것은 완전히 구현되지 못하고 있다.
이는 자성체 입자의 크기가 미세하지 못함과 동시에 균일하지 못함에 따른 중금속 제거 효율과 또한 이들 자성체 입자의 코팅제들의 열적 및/또는 화학적 안정성이 확보되지 않아 자성체 입자의 엉킴이 일어날 수 있기 때문이다.
신규한 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 이를 이용한 폐수처리장치를 제공하여, 효과적으로 폐수 내 중금속을 제거할 수 있다.
본 발명의 일 측면에서는, 자성을 가지며 고분산성인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체를 제공한다.
상기 산화철은 자철석(magnetite)을 포함할 수 있다.
상기 혼성체에서 산화철의 입도는 1 내지 20nm 일 수 있다.
상기 혼성체의 비표면적은 300 내지 600 m2/g 일 수 있다.
상기 혼성체는 폐수 내의 중금속을 제거하는 용도로 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서는, 전술한 혼성체를 이용한 폐수처리장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에서는, (a) 그라펜 산화물을 준비하는 단계, (b) 상기 그라펜 산화물을 물에 분산시켜 제 1 분산액을 제조하는 단계, (c) 제 1 분산액에 2가 철(Fe) 및 3가 철(Fe)를 첨가하여 제 2 분산액을 제조하는 단계, (d) 상기 제 2 분산액의 pH가 25℃에서 8 내지 11이 되도록 조절하는 단계, (e) 상기 (d) 단계에서 pH가 조절된 제 2 분산액을 80 내지 110℃로 승온하는 단계 및 (f) 상기 (e) 단계에서 승온된 제 2 분산액에 환원제를 첨가하여 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체를 수득하는 단계를 포함하는, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법을 제공한다.
상기 (b) 단계의 제 1 분산액의 농도는, 상기 물을 100중량부로 할 때, 상기 물을 100중량부로 할 때, 상기 그라펜 산화물이 100 내지 500 중량부일 수 있다.
상기 (c) 단계에 첨가되는 상기 2가 철 및 상기 3가 철의 비는, 1:1.5 내지 1:2.5 일 수 있다.
상기 (c) 단계의 제 2 분산액의 농도는, 상기 물을 100중량부로 할 때, 상기 2가 철 및 상기 3가 철의 총 양이 0.002 내지 1200 중량부일 수 있다.
상기 2가 철 및 3가 철은 염(salt)의 형태일 수 있다.
상기 2가 철은 FeCl2, FeBr2, FeI2 FeCO3, Fe(NO3)2, FeO 및 FeSO4로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 3가 철은 FeCl3, FeBr3, FeI3, Fe(NO3)3, Fe2O3 및 Fe2(SO4)3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 (f) 단계의 환원제는 히드라진(N2H4), NaBH4, KBH4, NaAlH4, KAlH4 및 하이드로퀴논(C6O2H6)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체는 자성을 가지며 고분산성일 수 있다.
상기 산화철은 자철석을 포함하는 것일 수 있다.
상기 혼성체의 입도는 1 내지 20nm 일 수 있다
상기 혼성체의 비표면적은 300 내지 600 m2/g 일 수 있다.
상기 혼성체는 폐수 내의 중금속을 제거하는 용도로 이용될 수 있다.
상기 중금속은 비소(As), 카드늄(Cd), 수은(Hg), 안티몬(Sb) 및 비스무트(Bi)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서는, 전술한 제조방법에 따라 제조된 혼성체를 이용한 폐수처리장치를 제공한다.
균일하며, 미세한 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체를 얻을 수 있으며, 이를 대량 생산에 적용할 수 있다.
또한, 상기 혼성체를 이용하여 효과적으로 폐수 내 중금속을 제거할 수 있다.
도 1는 실시예 2에서 얻은 혼성체의 광학 현미경 사진.
도 2은 실시예 2에서 얻은 혼성체의 주사현미경 사진.
도 3은 실시예 2에서 혼성체의 산화철의 주사투과전현미경(STEM)에서 전자스펙트럼 (Electron Energy-Loss Spectroscopy) 데이터.
도 4는 실시 예 2의 X-선 회절형태.
도 5는 실시예 2에서 얻은 혼성체의 단계별 자성응집력 실험 사진.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용되는 "그라펜(graphene)"이라는 용어는 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하는 것으로서, 상기 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 따라서 상기 그라펜 은 서로 공유결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로서 보이게 된다. 상기 그라펜은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그라펜 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 상기 그라펜은 그라펜의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 서로 적층되어 복수층을 형성하여 "그라펜 시트 형태"도 가능하며, 최대 100nm까지의 두께를 형성하게 된다. 통상 상기 그라펜의 측면 말단부는 수소원자로 포화된다.
이러한 그라펜은 저가의 그래파이트로부터 간단히 분리할 수 있어 우수한 경제성을 나타내게 된다.
본 발명의 일 구현예는 자성을 가지며 고분산성인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체(hybrid material)를 제공한다.
상기 그라펜은 당업자에게 널리 알려진 방법에 의해 얻을 수 있으며, 예를 들어, William S. Hummers에 의해 개발된 그라펜의 제조방법에 의해 얻을 수 있다. 상용화된 그라펜의 제조방법이라면, 어떠한 방법이라도 본 발명의 일 구현예에 사용될 수 있다.
상기 산화철은 자철석(magnetitie)일 수 있다.
자철석은 등축정계에 속하는 광물로 자성을 띄기 때문에 천연자석이 될 수 있다.
자철석의 화학성분은 Fe3O4이다. 상기 자철석은 타이타늄(Ti)을 함유할 수도 있다. 그 밖에 망가니즈(manganese), 인, 마그네슘 등을 함유할 수도 있다. 상기 자철석은 일반적으로 괴상(塊狀), 입상(粒狀) 또는 사상(砂狀)을 이루는데, 엽편상(葉片狀)을 나타내기도 한다.
상기 혼성체의 산화철의 입도는 1 내지 20nm 일 수 있다. 상기 혼성체는 하기에 기술된 바와 같이, 폐수 내 중금속을 제거하는 용도로 이용될 수 있으며, 상기 혼성체의 산화철의 입도가 상기 범위 내에 있어야 효과적으로 폐수 내 중금속을 제거할 수 있다. 상기 산화철은 자철석일 수 있다. 만약, 상기 혼성체의 산화철이 20nm 이상의 입도를 가지게 되면, 폐수 내 중금속의 형태 중, 중금속 이온의 제거가 불가능할 수 있다.
상기 입도를 만족하는 혼성체의 비표면적은 300 내지 600 m2/g 일 수 있다.
상기 혼성체가 상기 비표면적의 범위를 만족하여야 폐수 내에서 중금속의 흡착성을 증대시킬 수 있다. 상기 증대된 흡착성은 폐수 내 중금속의 제거율이 90% 이상 될 수 있음을 의미한다. 바람직하게는, 상기 혼성체는, 폐수 내 중금속의 제거율이 99.9% 이상이 될 수 있는 흡착성을 가질 수 있다.
상기 혼성체는 폐수 내의 중금속을 제거하는 용도로 이용될 수 있다.
상기 중금속의 예로는, 비소(As), 카드늄(Cd), 수은(Hg), 안티몬(Sb) 및 비스무트(Bi)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있으며, 이들의 이온성 산화물일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에서는, 상기 혼성체를 이용한 폐수처리장치를 제공할 수 있다. 상기 폐수처리장치는 폐수의 pH가 4 내지 9인 경우에도 이용할 수 있다. 이는 상기 본 발명의 일 구현예인 혼성체의 pH 안정성이 매우 우수하기 때문이다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에서는, (a) 그라펜 산화물을 준비하는 단계, (b) 상기 그라펜 산화물을 물에 분산시켜 제 1 분산액을 제조하는 단계, (c) 제 1 분산액에 2가 철(Fe) 및 3가 철(Fe)를 첨가하여 제 2 분산액을 제조하는 단계, (d) 상기 제 2 분산액의 pH가 25℃에서 8 내지 11이 되도록 조절하는 단계, (e) 상기 (d) 단계에서 pH가 조절된 제 2 분산액을 80 내지 100℃로 승온하는 단계 및 (f) 상기 (e) 단계에서 승온된 제 2 분산액에 환원제를 첨가하여 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체를 수득하는 단계를 포함하는, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법을 제공한다.
상기 (a) 단계에서 준비되는 그라펜 산화물은 그라펜 제조과정의 중간 산물일 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 당업자에게 알려진 일반적인 방법에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 그라펜 산화물은 William S. Hummers에 의한 방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 그라펜 산화물은 물에 분산성이 매우 우수하다. 또한, 그라펜 산화물의 환원물인 그라펜 역시 물에 대한 분산성이 매우 우수하다. 따라서, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체를 제조할 경우, 산화철이 가지지 못한 물에 대한 분산성을 그라펜이 보충시켜 줄 수 있다.
즉, 상기 (b) 단계의 제 1 분산액에는 그라펜 산화물이 물에 매우 균일하게 분산되어 있을 수 있다.
상기 (b) 단계의 제 1 분산액의 농도는, 상기 물을 100중량부로 할 때, 상기 그라펜 산화물이 100 내지 500 중량부일 수 있다. 상기 범위를 만족하여야 충분히 균일함과 동시에 효과적으로 혼성체를 제조할 수 있다. 상기 범위를 넘어서는 농도에서는 이후 철이온과 그라펜 산화물의 반응이 효과적이지 못할 수 있다.
이후, 상기 (c) 단계와 같이, 상기 제 1 분산액에 2가 철 및 3가 철을 첨가하여 제 2 분산액을 제조할 수 있다. 이는 이후 상기 혼성체를 제조하기 위한 산화철의 원료물질을 투입하는 단계이다.
2가 철 및 3가 철을 혼합하여 투입하는 이유는 자철석의 분자식이 Fe3O4로 구조식이 Fe3 +[Fe2 +Fe3 +]O4 때문이다.
상기 (c) 단계에 첨가되는 상기 2가 철 및 상기 3가 철의 비는, 1:1.5 내지 1:2.5 일 수 있다. 상기 범위를 만족하여야 자철석의 입도 크기와 조성비 형성에 장점이 있다.
상기 (c) 단계의 제 2 분산액의 농도는, 상기 물을 100중량부로 할 때, 상기 2가 철 및 상기 3가 철의 총 양이 0.002 이상, 또는 0.002 내지 1200 중량부일 수 있다. 즉, 아주 작은 양의 2가 철 및 3가 철을 넣어주어도 효과적으로 산화철(예를 들어, 자철석)을 포함하는 혼성체를 제조할 수 있으며, 폐수 내 중금속의 제거를 위한 용도로 이용될 수 있다. 상기 범위의 상한은 상기 제 1 분산액 내의 그라펜 산화물의 양의 범위에 기재된 이유와 유사한 이유이며, 상기 그라펜 산화물의 양과의 비율을 고려한 범위이다.
상기 2가 철 및 3가 철은 염(salt)의 형태일 수 있다. 다만, 반드시 염의 형태여야 하는 것은 아니며, 고상 등의 산화철(예를 들어, FeO 또는 Fe2O3) 형태로 이용될 수도 있다.
상기 2가 철의 구체적인 예로, FeCl2, FeBr2, FeI2 FeCO3, Fe(NO3)2, FeO, FeSO4 등이 있을 수 있으며, 상기 3가 철의 구체적인 예로, FeCl3, FeBr3, FeI3, Fe(NO3)3, Fe2O3, Fe2(SO4)3 등이 있을 수 있다.
상기 (d) 단계에서와 같이, 상기 제 2 분산액의 pH가 25℃에서 8 내지 11이 되도록 조절될 수 있다. 상기 pH가 상기 범위를 만족하여야 철이온들의 음이온제거에 장점이 있다.
상기 (d) 단계는 pH를 조절하기 위하여, 암모니아, NH4OH, KOH, NaOH 등의 화합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 (d) 단계는 교반(stirring)을 동반할 수 있다.
상기 (e) 단계와 같이, 상기 (d) 단계에서 pH가 조절된 제 2 분산액을 80 내지 100℃로 승온할 수 있다. 승온 속도는 1.0℃/분 내지 10℃/초 이며, 승온 시간은 10 내지 90분 이다.
상기 승온과 관련된 범위를 만족하여야 상기 (d) 단계에서 효과적으로 혼성체의 합성이 가능하다.
상기 (e) 단계 역시 교반을 동반할 수 있다.
이후, 상기 (f) 단계와 같이, 상기 (e) 단계에서 승온된 제 2 분산액에 환원제를 첨가할 수 있다.
상기 (f) 단계에서 이용될 수 있는 환원제는, 예를 들어, 히드라진(N2H4), NaBH4, KBH4, NaAlH4, KAlH4, 하이드로퀴논(C6O2H6) 등이 있다.
상기 (f) 단계 역시 교반을 동반할 수 있다. 또한, 환원제가 첨가된 제 2 분산액을 상기 교반과 함께 상온(25℃)로 냉각할 수 있다. 이 때 교반 시간은 1 내지 6 시간이 될 수 있다. 상기 범위는 충분한 혼성체의 생성을 위해 필요한 시간이다.
이후, 상온으로 냉각된 혼성체가 포함된 최종 분산액을 여과하여 혼성체를 수득한 후, 물 및 알코올로 혼성체를 세척할 수 있다.
이후, 세척된 혼성체를 60 내지 90℃에서 2 내지 6시간 동안 건조할 수 있다. 상기 건조 단계는 진공에서 1 내지 2시간 동안 수행할 수도 있다. 상기 범위를 만족하여야 충분히 건조된 혼성체를 얻을 수 있다. 상기 온도 범위보다 큰 온도에서 건조하게 되면 부반응의 우려가 있다.
상기 수득된 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체는 자성을 가지며 고분산성일 수 있다. 특히, 물에 대한 분산성이 매우 우수하다.
상기 혼성체에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 일 구현예에서 기술하였기 때문에 생략하도록 한다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 전술한 제조방법에 따라 제조된 혼성체를 이용한 폐수처리장치를 제공한다. 전술한 바와 같이 pH 4 내지 9인 폐수 내에서도 상기 폐수처리장치는 이용이 가능하다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
실시예
실시예 1: 그라펜 산화물의 제조
Hummer 방법을 통해 그라펜 산화물을 제조하였다. 즉, 그라펜 산화물은 흑연가루 (Graphite powder)를 산화시켜 제조할 수 있다.
먼저, 흑연가루를 진한 황산용액에 NaNO3를 같이 0℃에서 반응용기에 넣고 강력하게 교반하였다. 이후, 15℃미만에서 KMnO4 가루를 천천히 첨가하였다.
상기 혼합액의 교반온도를 35℃로 유지하면서 증류수로 묽게 한 다음 실온에서 30% 과산화수소 (H2O2)를 천천히 첨가하였다.
이후, 제조된 그라펜 산화물을 원심분리하고, 얻어진 그라펜 산화물을 10%염산 (HCl)으로 여러 번 세척하였다. 세척된 그라펜 산화물가루를 실온에서 진공으로 건조시킨다.
실시예 2: 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조 ( M1 -G)
상기 실시예 1의 그라펜 산화물을 물에 분산시켰다. 물의 양은 500mg 이였고, 분산시킨 그라펜 산화물의 양은 700mg 이였다.
상기 그라펜 산화물이 분산된 물에 FeCl3?6H2O 와 FeCl2?4H2O 용액을 첨가하였다. 이 때 첨가된 2가 Fe의 양은 1.3g 이였고, 3가 Fe의 양은 3.2g이였다.
상기 용액에 30 % 암모니아 수용액을 상온에서 첨가하여, 상기 용액의 pH를 10으로 조절하였다.
이후, 상기 용액을 90℃로 승온하였으며, 일정하게 교반하며 히드라진 (hydrazine hydrate)을 첨가하였다. 히드라진 첨가에 의해 검은 색 분산액을 얻을 수 있었다.
얻어진 검은색 분산액을 4 시간 동안 빠르게 교반하고 상온으로 냉각하였다. 이후 냉각된 분산액을 여과하고 물과 에탄올로 씻어낸 후 70℃에서 진공 건조시켜 혼성체를 얻었다.
얻어진 그라펜 다층의 혼성체에서 자철석 입도의 직경이 10nm 였다.
상기 제조된 혼성체를 (M1-G)로 명하였으며 비소이온 제거실험을 실시하였다.
실시예 3: 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조 ( M2 -G)
상기 실시예 1의 그라펜 산화물을 물에 분산시켰다. 물의 양은 500mg 이였고, 분산시킨 그라펜 산화물의 양은 700mg 이였다.
상기 그라펜 산화물이 분산된 물에 FeCl3?6H2O 와 FeCl2?4H2O 용액을 첨가하였다. 이 때 첨가된 2가 Fe의 양은 0.013g 이였고, 3가 Fe의 양은 0.032g이였다.
계속 된 제조공정은 상기 실시예 2와 동일하게 진행되었으며, 얻어진 그라펜 다층의 혼성체에서 자철석 입도의 직경이 10nm 였다.
상기 제조된 혼성체를 (M2-G)로 명하였으며 비소이온 제거실험을 실시하였다.
비교예 1: 기존의 비소 제거용 입자 기재 요망
논문, Cafer T. Yavuz, et al. Science 314, 964 (2006) 및 논문, W. W. Yu, et al, Chemical Communications, 2306 (Oct, 2004)에 기재된 방법으로 비교예 1을 제조하였다. 올레산(oleic acid)와 1-옥타데센(1-Octadecene)용액에서 FeO(OH)(ferric oxyhydroxide)의 열적분해반응(320℃)으로 자철석(Fe3O4)의 4nm 내지 15nm 입자를 제조하였다.
실험예
광학 현미경 및 주사현미경 사진
도 1는 상기 실시예 2에서 얻은 혼성체의 광학 현미경 사진이고, 도 2은 상기 실시예 2에서 얻은 혼성체의 주사현미경 사진이다.
도 1 및 2에서 알 수 있듯이, 입자의 크기가 미세하며 균일한 혼성체가 얻어졌음을 알 수 있다.
전자스펙트럼( Electron Energy - Loss Spectroscopy , EELS )-데이터
도 3은 상기 실시예 2의 EELS 데이터이다.
전자스펙트럼(Electron Energy-Loss Spectroscopy)에서 자철석에 대한 철(Fe)과 산소(O)들의 고유 에너지 값(eV)에서 피크 적분분석으로, 철과 산소의 원자 백분율이 43.75% (Fe)와 56.25% (O)로 자철석(Fe3O4)임을 증명하였다.
X-선 회절 분석
도 4는 상기 실시 예 2의 X-선 회절형태이다.
상기 혼성체 입자의 X-Ray 회절패턴에서는 자철석(magnetite) 및 그라펜의 회절 인덱스 값들과 일치하는 것을 알 수 있다.
X-선 회절피크의 모양은 전형적인 나노크기의 입자들임을 입증한다.
실시예 2 혼성체의 단계별 자성응집력 사진
도 5는 상기 실시예 2에서 얻은 혼성체의 단계별 자성응집력 실험 사진이다.
사진에서 볼 수 있듯이, 실시예 2의 혼성체가 분산된 분산액에 철을 가까이 하자, 혼성체가 철 쪽으로 응집되는 것을 알 수 있다.
즉, 상기 실험에 의해 혼성체의 자성이 매우 우수함을 알 수 있다.
실시예 2 및 3의 혼성체를 이용한 폐수 내 비소 제거 실험
상기 실시예 2 및 3의 혼성체 각각을 0.1g을 추출하였다.
추출된 0.1g의 실시예 2 및 3의 혼성체에는 50mg(M1-G) 및 0.5mg(M2-G)의 자철석이 포함되어있었다. 즉, 상기 추출된 각 혼성체 내의 자철석의 비는 100:1이였다. 추출한 혼성체를 물 100ml에 각각 분산시켰다.
상이한 비소이온 농도의 용액에 상기 제조한 혼성체 분산액을 각각 투입한 후 비소 이온의 농도 변화를 관찰하였다.
하기 표 1은 상기 각 혼성체(자철석-그라펜)의 비소이온(As3+와 As5+)제거 효율비교표이다.
혼성체 As(III)/As(V) 초기 비소농도 Conc. (mg/L) 잔량비소농도 (mg/L) % As 제거율
M1-G As (III) 1330 <1.00 >99.9
M1-G As (V) 540 <1.00 >99.8
M2-G As (III) 1330 <1.00 >99.9
M2-G As (V) 540 <1.00 >99.8
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예인 혼성체를 이용하면, 혼성체 내의 자철석 함량이 작더라도, 폐수 중 비소 제거율이 99.9%이상임을 알 수 있다.
본 발명은 상기 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 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.

Claims (21)

  1. 자성을 가지며 고분산성인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화철은 자철석(magnetite)을 포함하는 것인 혼성체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼성체에서 산화철의 입도는 1 내지 20nm 인 것인 혼성체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼성체의 비표면적은 300 내지 600 m2/g 인 것인 혼성체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼성체는 폐수 내의 중금속을 제거하는 용도로 이용될 수 있는 것인 혼성체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 혼성체를 이용한 폐수처리장치.
  7. (a) 그라펜 산화물을 준비하는 단계;
    (b) 상기 그라펜 산화물을 물에 분산시켜 제 1 분산액을 제조하는 단계;
    (c) 제 1 분산액에 2가 철(Fe) 및 3가 철(Fe)를 첨가하여 제 2 분산액을 제조하는 단계;
    (d) 상기 제 2 분산액의 pH가 25℃에서 8 내지 11이 되도록 조절하는 단계;
    (e) 상기 (d) 단계에서 pH가 조절된 제 2 분산액을 80 내지 110℃로 승온하는 단계; 및
    (f) 상기 (e) 단계에서 승온된 제 2 분산액에 환원제를 첨가하여 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체를 수득하는 단계;
    를 포함하는, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 제 1 분산액의 농도는,
    상기 물을 100중량부로 할 때, 상기 그라펜 산화물이 100 내지 500 중량부인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에 첨가되는 상기 2가 철 및 상기 3가 철의 비는, 1:1.5 내지 1:2.5인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 제 2 분산액의 농도는,
    상기 물을 100중량부로 할 때, 상기 2가 철 및 상기 3가 철의 총 양이 0.002 내지 1200 중량부인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 2가 철 및 3가 철은 염(salt)의 형태인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 2가 철은 FeCl2, FeBr2, FeI2 FeCO3, Fe(NO3)2, FeO 및 FeSO4로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 3가 철은 FeCl3, FeBr3, FeI3, Fe(NO3)3, Fe2O3 및 Fe2(SO4)3로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 환원제는 히드라진(N2H4), NaBH4, KBH4, NaAlH4, KAlH4 및 하이드로퀴논(C6O2H6)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체는 자성을 가지며 고분산성인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  16. 제 7 항에 있어서,
    상기 산화철은 자철석을 포함하는 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  17. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼성체의 입도는 1 내지 20nm 인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  18. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼성체의 비표면적은 300 내지 600 m2/g 인 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  19. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼성체는 폐수 내의 중금속을 제거하는 용도로 이용될 수 있는 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 중금속은 비소(As), 카드늄(Cd), 수은(Hg), 안티몬(Sb) 및 비스무트(Bi)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것인, 그라펜 및 산화철을 포함하는 혼성체의 제조방법.
  21. 제 7 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 따라 제조된 혼성체를 이용한 폐수처리장치.
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