KR20120004327A - 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는, 자성 나노입자가 포함된 오폐수가 유입되는 몸체, 및 상기 몸체의 상부에 안착되는 덮개를 포함하는 폐수조; 상기 덮개에 결합되어 자력을 발생시키는 복수개의 마그네틱 바; 상기 자성 나노입자를 흡착하는 자성미분체를 상기 폐수조 내에 공급하는 흡착제 저장조; 및 상기 폐수조 내에 구비되어 상기 오폐수 및 자성미분체를 섞는 교반기를 포함하며, 본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치를 사용함으로써, 폐수조 내에 교반기와 마그네틱 바가 동시에 구비되어 있기 때문에, 오폐수의 교반과 정수과정이 동시에 진행되어 공정 시간이 단축될 뿐만 아니라, 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치의 설치 면적을 최소화할 수 있다.
Description
본 발명은 오폐수 처리 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 공업용 오폐수에 섞여있는 오염물질의 교반 및 회수가 동시에 진행되는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치에 관한 것이다.
철강 및 제조업은 공정 중에 혼입되는 여러 종류의 오염물질을 제거하기 위해 용수를 사용하였다. 이러한 오폐수는 일반적으로 응집, 침전 혹은 여과 방식을 이용하여 오폐수 내의 오염물질을 처리하였다. 이러한 응집, 침전법은 응결제와 응집제를 사용하여 오염물질이 최대한 플럭이 되도록 한 후 침전지에서 고액 분리를 이용하여 오폐수를 처리하는 방법이다. 그러나 침전지에서 오염물질 플럭의 침강 속도가 낮기 때문에, 응집된 플럭을 수거하기 위해서는 대형의 침전지를 필요로 하였다. 따라서, 설비와 부지에 대한 투자비가 커지게 된다는 문제점이 있었다. 또한 응집 침전 과정에서 사용되는 화학약품으로 인해 2차적으로 환경오염이 우려된다는 문제점과 더불어 침전 슬러지의 재활용이 어렵기 때문에 수거된 오염물질 또는 응집제가 모두 폐기된다는 문제점이 있었다.
종래에는 공업용수 중에서 특히 제철용수 등과 같이 오폐수 내에 부유하는 자성의 오염물질을 제거하기 위하여, 도 1에 도시된 바와 같이, 자성을 띄는 오염물질들을 자력에 의해 수거하는 장치들을 개발하였다. 그러나, 상기 제철용 오폐수의 경우, 자성을 띄는 오염물질의 입경이 작거나 입자의 자화력이 낮을 경우, 오염물질의 자성이 충분하지 않기 때문에 일반적인 자성분리 장치로는 오염물질을 분리해내기 어렵다는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 문제점 때문에 여러 번에 걸쳐서 자성분리장치를 통과해야만 한다는 문제점이 있었다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 1차폐수처리장치(11)에 설치된 자석(12)에 의하여 1차로 자성 분리된 제철용 오폐수를 교반조(13)로 이동하여 교반기(15)로 오폐수 내의 오염물질 농도를 균일하게 한 이후에 2차폐수처리장치(21)의 자석(21)에 의하여 자성분리해야만 했다. 따라서, 자성의 나노입자를 포함하는 오폐수를 정화할 경우, 공정 과정이 복잡해질 뿐만 아니라, 공정에 필요한 장치를 설치하는데 많은 면적을 필요로 하기 때문에 설치 장소가 제한된다는 문제점이 여전히 존재하였다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 교반과 폐수처리를 동시에 진행할 수 있는 오폐수 처리 장치 또는 교반기 내의 전자석을 이용하여 프로펠러를 구동함으로써, 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 교반과 폐수처리를 동시에 진행할 수 있는 오폐수 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 교반과 폐수처리를 동시에 진행할 수 있는 오폐수 처리 장치 또는 교반기 내의 전자석을 이용하여 프로펠러를 구동함으로써, 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 교반과 폐수처리를 동시에 진행할 수 있는 오폐수 처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 폐수조 내에 교반기와 마그네틱 바가 동시에 구비되어 있기 때문에, 오폐수의 교반과 정수과정이 동시에 진행되어 제철 용수 등과 같은 공업 용수를 정화시키는 공정 시간이 단축될 수 있다. 또한 교반장치와 정수장치가 일체로 형성되어 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치의 설치 면적을 최소화할 수 있기 때문에 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치의 설치 위치를 자유롭게 선정할 수 있으며, 회수한 자성 나노입자 및 자성 미분체를 재사용할 수 있어 경제적이고 실용적이다.
도 1은 종래 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수 처리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수 처리 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수조의 저면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수 처리 장치의 자성 나노입자 회수 실험 결과의 그래프이다.
도 6은 자성 나노입자(MNP)와 자성중심 덴드리머(MD: G=1)의 합성결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 시그마사에서 구입한 40nm 내지 50nm 사이즈의 마그네타이트 (Magnetite)이다.
도 7b는 4nm 내지 5nm 사이즈의 합성한 자성 나노입자(MNP)이다.
도 7c는 6nm 내지 7nm 사이즈의 합성한 자성중심 덴드리머(MD; G=1)이다.
도 8은 자성 나노입자(MNP)와 자성중심 덴드리머(MD; G=1)의 합성결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 오폐수 처리 장치를 이용한 니켈 제거실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 오폐수 처리 장치를 이용한 카드뮴 제거 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 오폐수 처리 장치를 이용한 니켈 및 카드뮴의 제거실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 오폐수 처리 장치를 이용한 니켈 및 카드뮴의 제거실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수 처리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수 처리 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐수조의 저면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수 처리 장치의 자성 나노입자 회수 실험 결과의 그래프이다.
도 6은 자성 나노입자(MNP)와 자성중심 덴드리머(MD: G=1)의 합성결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 시그마사에서 구입한 40nm 내지 50nm 사이즈의 마그네타이트 (Magnetite)이다.
도 7b는 4nm 내지 5nm 사이즈의 합성한 자성 나노입자(MNP)이다.
도 7c는 6nm 내지 7nm 사이즈의 합성한 자성중심 덴드리머(MD; G=1)이다.
도 8은 자성 나노입자(MNP)와 자성중심 덴드리머(MD; G=1)의 합성결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 오폐수 처리 장치를 이용한 니켈 제거실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 오폐수 처리 장치를 이용한 카드뮴 제거 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 오폐수 처리 장치를 이용한 니켈 및 카드뮴의 제거실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 오폐수 처리 장치를 이용한 니켈 및 카드뮴의 제거실험 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는 자성 나노입자가 포함된 오폐수가 유입되는 몸체(113a), 및 상기 몸체의 상부에 안착되는 덮개(113b)를 포함하는 폐수조(113);
상기 덮개(113b)에 결합되어 자력을 발생시키는 복수개의 마그네틱 바(112);
상기 자성 나노입자를 흡착하는 자성미분체를 상기 폐수조(113) 내에 공급하는 흡착제 저장조(136); 및
상기 폐수조(113) 내에 구비되어 상기 오폐수 및 자성미분체를 섞는 교반기(115)를 포함한다.
모든 물질은 강한 자기장 안에서는 자기모멘트를 나타내므로 엄밀한 뜻에서 일종의 자성체이다. 그러나 자기장에 대한 자화의 방향이나 세기가 물질에 따라 다르다. 또한, 자석에 달라붙는 특성을 가진 강자성체의 물질이라도, 그 입자가 미세한 경우, 장치에서 구현할 수 있는 자력이 한정되어 있기 때문에, 입자 자체의 자성을 강화하지 않으면 자력에 의해 입자를 분리하기 어렵다.
따라서, 본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는, 상기 흡착제 저장조(136)에서 상기 폐수조(113) 내로 자성 미분체를 공급한다. 이로 인하여, 오폐수 내에 부유(浮游)하고 있는 자성 나노입자에 반데르 발스 힘이나 정전기 인력과 같은 응집력이 작용하면서 상기 자성 나노입자들이 자성 플럭(magnetic floccule, 120)을 형성하게 된다. 이와 같은 자성 플럭(120)은 오폐수를 교반시키는 과정에서 중력이나 유체력 보다 강한 자력을 띤 상기 마그네틱 바(112)의 자력에 의해 포집 분리된다.
본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는 상기 폐수조(113) 내에 유입된 자성미분체와 오폐수 내의 오염물질인 자성 나노입자가 서로 원활하게 결합할 수 있도록 상기 교반기(115)를 이용하여 오폐수와 상기 자성미분체를 섞어준다. 이 과정에서, 상기 교반기(115)는 자성미분체와 자성 나노입자의 결합을 도울 뿐만 아니라, 오폐수 내에 자성 플럭(120)의 농도가 균일하게 유지되도록 함으로써, 자성 플럭(120)이 상기 마그네틱 바(112)에 원활하게 포집될 수 있도록 한다. 상기와 같이 자성 플럭(120)이 제거된 오폐수인 후처리 용수는 용수 저장조(148)로 이동하게 된다.
본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는, 교반이 진행되는 저수조와 분리를 진행하는 저수조가 별도로 구비된 종래의 부유물 회수 장치와 달리, 오폐수 및 자성미분체의 교반과 오염물질의 회수가 동시에 진행된다. 따라서, 오폐수를 정화시키는 프로세스가 축소되어 공정 시간이 단축됨과 동시에, 설비 면적을 최소화할 수 있기 때문에 상기 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치의 설치 위치를 용이하게 선정할 수 있다.
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.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치의 개략도가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치에는, 먼저 상기 폐수조(113) 내에 오폐수를 주입한다. 이후, 상기 흡착제 저장조(136) 내에 위치한 자성미분체를 상기 폐수조(113) 내로 투입하여 교반기(115)로 섞으면서 상기 자성미분체와 상기 오폐수 내의 자성 나노입자의 유효 접촉횟수를 증가시킴으로써, 상기 자성 플럭(120)이 원활하게 생성되도록 한다. 상기 자성미분체와 자성 나노입자가 결합하여 형성된 자성 플럭(120)은, 상기 자성 나노입자의 자력을 강화시킨 효과를 주기 때문에 상기 자성 나노입자가 자성 플럭(120)의 형태로 상기 마그네틱 바(112)에 포집되도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 교반기(115)의 유동속도를 조절함으로써, 상기 자성 플럭(120)이 원활하게 형성되도록 할 뿐만 아니라, 상기 자성 플럭(120)이 상기 마그네틱 바(112)에 원활하게 포집되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는, 상기 교반기(115)의 회전 속도가 100rpm 내지 300rpm이 되도록 한다. 즉, 상기 교반기(115)의 유동속도가 100rpm 미만이면, 상기 자성미분체와 상기 자성 나노입자의 유효 접촉 횟수가 줄어들기 때문에 자성 플럭(120)의 생성 속도가 저하된다. 이로 인하여 단위 시간당 상기 마그네틱 바(112)에 포집될 수 있는 자성 플럭(120)의 수도 감소하게 된다. 또한 상기 교반기(115)의 유동속도가 300rpm을 초과하면, 상기 마그네틱 바(112)와 상기 자성 플럭(120) 사이에 작용하는 자력에 비해 상기 오폐수의 유동에 의한 힘이 커지기 때문에 상기 마그네틱 바(112)에 결합되어 있던 자성 플럭(120)이 다시 오폐수에 섞이는 가능성이 증가하여 오폐수의 정화 속도가 느려지게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 자성 나노입자의 회수장치는, 상기 교반기(115)의 회전 속도를 100rpm 내지 300rpm으로 유지하는 것이 바람직하다.
도 3에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치의 개략도가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는, 도 2와 같이 교반기(115)와, 자성 플럭(120)을 포집하는 상기 마그네틱 바(112)가 별도로 구비될 수도 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 마그네틱 바(212)의 자력에 의해 교반기(215)가 구동되도록 형성할 수도 있다.
즉, 자성 나노입자가 포함된 오폐수가 유입되는 몸체(213a), 및 상기 몸체(213a)의 상부에 안착되는 덮개(213b)를 포함하는 폐수조(213);
상기 덮개(213b)에 결합되어 자력을 발생시키는 중공관형의 마그네틱 바(212);
상기 자성 나노입자를 흡착하는 자성미분체를 상기 폐수조 내에 공급하는 흡착제 저장조(236); 및
상기 마그네틱 바(212)의 내부에 구비되며 상기 마그네틱 바(212)에 의해 구동되는 회전체(215a)와 상기 회전체(215a)의 말단에 결합된 프로펠러(215b)를 포함하는 것으로, 상기 오폐수 및 자성미분체를 교반하는 교반기(215)를 포함한다.
즉, 상기 교반기(215)는, 상기 마그네틱 바(212)에 의해 형성되는 자기장 속에서 전기에너지가 운동에너지의 형태로 전환되면서, 상기 마그네틱 바(212) 내에 구비된 회전체(215a)가 회전운동하게 된다. 따라서, 상기 회전체(215a)의 말단에 결합되어 있는 프로펠러(215b)가 상기 폐수조(213) 내에 투입되는 오폐수와 자성미분체를 교반하게 되는 것이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 흡착제 저장조(236)에서 공급받은 자성미분체와 오폐수를 상기 폐수조(213)에 투입한 후, 전력을 가하면, 상기 중공관 형상의 마그네틱 바(212) 내에 위치한 상기 회전체(215a)가 회전운동하게 된다. 상기 자성미분체와 자성 나노입자가 결합하여 자성 플럭(220)이 형성되면, 상기 자성 플럭(220)은 상기 마그네틱 바(212)의 외주면에 포집된다. 일정 시간동안 상기와 같은 정화과정을 거친 후처리 용수는 상기 용수 탱크(248)로 이동하게 된다. 이때, 상기 후처리 용수를 배출하는 출구는 상부 측에 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 미처 분리되지 못한 오염물질은 자중에 의해 바닥에 가라앉을 수 있기 때문에, 상기 후처리 용수의 배출구(미도시)를 상기 폐수조(213)의 상부 측에 설치하는 것이다.
상기 오폐수의 유동이 상기 자성 플럭(220)을 포집하는 것을 저해하지 않는 범위에서 중공관 형상의 상기 마그네틱 바(212) 및 교반기(215)는 상기 폐수조(213) 내에 복수 개 설치할 수 있다. 또한, 상기 교반기(215)를 복수개 설치하지 않더라도, 도 3b에 도시된 바와 같이, 막대 형상으로 형성된 복수 개의 마그네틱 바(222)를 상기 폐수조(213) 내에 더 설치할 수도 있다. 이와 같이, 막대 형상의 마그네틱 바(222)를 상기 폐수조(213) 내에 더 구비함으로써, 상기 자성 플럭(220)이 포집될 수 있는 면적이 넓어지게 되어 자성 플럭(220)의 수거가 원활하게 진행될 수 있다. 이때, 상기 마그네틱 바(212, 222) 간에 미치는 자기력이 균일하도록 상기 막대형상의 마그네틱 바(222) 및 교반기(215)가 설치된 마그네틱 바(212)가 서로 균등한 간격으로 설치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 막대형상의 마그네틱 바(222) 각각에 전달되는 오폐수의 유동이 균일할 수 있도록 상기 교반기(215)가 설치된 마그네틱 바(212)가 상기 폐수조(213)의 중앙에 설치되는 것이 바람직하다.
여기서 상기 마그네틱 바(112, 212, 222)는 전자석 또는 영구자석으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 마그네틱 바(112, 222)는 탈부착이 가능하도록 형성함으로써, 적용되는 환경에 따라 상기 폐수조(213) 내에 설치되는 마그네틱바(112, 222)의 개수를 변경할 수 있다. 상기 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치 내에 설치되는 상기 마그네틱 바(212)를 전자석으로 선택할 경우, 공급되는 전류의 양에 따라 자기장의 세기가 달라지게 된다. 따라서, 상기 마그네틱 바(212) 내에 위치한 회전체(215a)의 회전속도도 상기 자기장의 세기에 따라 달라질 수 있다. 띠라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는, 상기 회전체(215a)의 속도가 일정 값 이하인 상태를 유지할 수 있도록, 상기 회전체(215a)의 속도를 조절하는 부하 제어부(240)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 회전체(215a)의 속도가 300rpm을 설정된 값을 정도까지 상기 자기장의 세기가 증가하면 상기 부하 제어부(240)에서 상기 회전체(215a)에 마찰력을 가함으로써, 그 속도를 제한할 수 있는 것이다.
본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치에 사용되는 상기 자성미분체는 하기 구조식 (1)로 표시되는 자성중심 덴드리머인 것이 바람직하다.
상기 식에서, A는 금속나노입자이며, Z는 친수성 작용기 또는 소수성 작용기이고, m과 n은 1 이상의 정수이며, 이 중에서 m은 1 ~ 5의 정수인 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 금속나노입자 A는 철나노입자로서, 예를 들어 마그네타이트(Fe3O4, magnetite) 또는 마그헤마이트(γ-Fe2O3, maghemite)의 결정형을 갖는 철나노입자인 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 식에서Z는 상기 Z는 -NH2, -OH, -COOH, -SH, -C6H6, -CH3, -EDTA로 이루어진 군으로부터 선택된 작용기일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일구현예에 의하면, 본 발명에 따른 자성중심 덴드리머는 구체적으로 하기 구조식 (2) 내지 (8) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치는 상기 화학식 (1)로 표시되는 자성중심 덴드리머를 이용하여 제철 용수에 포함되어 있는 자성 나노입자를 제철용수에서 분리하게 된다. 여기서 상기 자성미분체로 사용되는 자성중심 덴드리머는 상기 자성 나노입자뿐만 아니라 친수성 또는 소수성 오염물질도 분리할 수 있는 것으로서, 자성 나노입자를 자성 플럭(220)으로 형성하였던 것과 마찬가지로 친수성 또는 소수성의 오염물질을 상기 자성중심 덴드리머와 흡착시킨 뒤, 상기 오염물질이 흡착된 덴드리머를 상기 마그네틱 바(212)를 이용하여 분리해낼 수 있다. 즉, 제철용수 뿐만 아니라 기타 여러종류의 오폐수 내의 오염물질도 분리할 수 있는 것이다.
이하 본 발명에 따른 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치 및 본 발명에 사용되는 자성중심 덴드리머의 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시예는 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명이 이에 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다.
실시예
자성중심
덴드리머의
합성
자성 나노입자(Magnetite nanoparticle; MNP)는 공침법을 이용하여 합성하였다. 먼저 Fe2 +와 Fe3 + 이온 혼합 용액 (Fe3 +/Fe2 + = 2)을 4M NaOH용액에 넣어 공침시킨 다음, 물과 메탄올로 여러 번 세척한 후 자석을 이용하여 분리시켜 MNP를 획득하였다.
합성한 MNP를 에탄올에 분산시킨 후 3-아미노프로필트리메톡시실란 [NH2(CH2)3Si(OCH3)3, APTS]을 첨가하여 MNP 덴드리머(G=0)를 합성하였다. 이후 과량의 메틸아크릴레이트[C4H6O2]와 에틸렌디아민[C2H8N2, EDA]을 번갈아 첨가, 합성하여 MNP PAMAM 덴드리머 2세대 (MNP-D (G=2))를 획득하였다. 세대합성시 세척(rinsing)은 증류수와 메탄올을 이용하였으며, 이 후 자성중심 덴드리머의 분산을 위해 소니케이터를 이용하여 10분간 초음파 분산을 실시하였다. 외부노출을 막기 위해 진공 데시케이터(vaccum decicator)에 보관하였다. 모든 합성은 Rotary Evaporator(Hanshin co.)를 이용하였으며, 1세대 진행시에 24시간씩 유지하였다. 이에 따라 NH2를 말단기로 갖는 자성중심 덴드리머가 합성된다. (화학식 2) 합성과정 중에 Γ-티오부티롤락톤(Γ-thiobutyrolactone)를 과량으로 첨가하여 합성을 진행할 경우 말단기는 SH을 유지하게 된다. (화학식 3)
또한 합성과정 중에 (3-아크릴옥시프로필)트리메톡시실란 또는 메틸프로피오네이트를 과량으로 첨가하여 합성을 진행할 경우 말단기는 CH3를 유지하게 된다. (화학식 4 또는 8) CH3-말단기를 갖는 덴드리머의 경우 소수성 표면을 가지게 되어 소수성을 갖는 유기오염물질 흡착에 유리할 것으로 사료된다.
또한 위의 합성진행 중, 메틸아크릴레이트와 반응 후, EDA 대신해 아미노벤질 EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid)를 첨가할 경우 말단기는 EDTA를 유지하게 된다. (화학식 5) 합성과정 중에 글루타르산무수물(Glutaric anhydride)을 과량으로 첨가하여 합성을 진행할 경우 말단기는 -COOH을 유지하게 되며(화학식 6), Γ -부티로락톤을 과량으로 첨가하여 합성을 진행할 경우 말단기는 -OH을 유지하게 된다. (화학식 7)
실험예
(1) 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치
내부의 직경이 130mm이고, 높이가 150mm인 폐수조(113)에 직경이 22mm, 높이 100mm인 마그네틱 바(112)를 도 7에 도시된 바와 같이 6개 구비한다. 이때 상기 폐수조 몸체(113a)의 재질은 스테인레스 스틸이고, 상기 폐수조 덮개(113b)는 아세탈(Acetal) 재질이다. 상기 폐수조(113) 내에 구비되는 교반기(115)는 상기 폐수조(113) 내부의 중심부 위치에 구비된다. 도 4는 폐수조(113)의 저면도로서, 상기 폐수조(113) 내부의 형상을 용이하게 파악하기 위해서 그 바닥면을 생략하여 도시하였다.
(2) 자성 나노입자 회수 실험
자성 나노입자와 상기의 자성중심 덴드리머의 반응 교반 후의 회수율을 측정하기 위하여, 대상 시료는 항량 건조 후 무게를 측정하였고, 500mL의 비이커에 준비된 3차 증류수에 채취한 시료를 분산시켰다. 이후 제작된 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치에 내용물을 완전히 주입하여 상기 마그네틱 바(112)에 자성이 없는 상태로 교반한 후 10분 간격으로 자성을 가하여 대상 시료를 회수하였다. 회수된 시료는 항량 건조하여 질량을 측정하였다. 대상물질은, 입도 0.1㎛의 철(Fe) 2g으로서, 상기 교반기의 교반 속도는 200rpm이다. 자성 나노입자의 회수 실험을 실행한 결과가 도 8과 같았다. 이는 초기 2g의 자성 나노입자를 상기 폐수조(113)에서 교반한 후에 자성을 가하여 회수한 결과이다. 여기서 도 5a는 자성 나노입자 회수량을 나타내고, 도 5b는 자성 나노입자 회수율을 나타낸다. 자성을 가한 후 20분 후에 회수가 대부분 완료되는 것으로 나타났으며, 최종 회수율은 97%로 나타났다. 또한 미 회수된 3%는 건조 및 시료의 이동 등으로 인한 실험오차를 감안하면, 실제 미 회수율은 더욱 낮다고 볼 수 있다.
또한, 도 6은 MNP와 MD(G=1)의 합성결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 7에는 시그마(Sigma)사에서 구입한 40nm 내지 50nm 사이즈의 마그네타이트(Magnetite) 및 각 사이즈의 합성한 자성 나노입자(MNP)와 자성중심 덴드리머(MD; G=1)가 도시되어 있다. 도 8은 자성 나노입자(MNP)와 자성중심 덴드리머(MD; G=1)의 합성결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 도 9 내지 도 12에는 니켈 및 카드뮴의 제거실험결과를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. 이 결과로부터 본 발명에 따른 자성 나노입자 회수 장치에 실시예 1에서 합성된 덴드리머를 자성 미분체로 사용한 경우, 중금속 제거 효과가 매우 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
112, 212, 222: 마그네틱 바 113, 213: 폐수로
113a, 213a: 몸체 113b, 213b: 덮개
115, 215: 교반기 215a: 회전체
215b: 프로펠러 120, 220: 자성 플럭
136, 236: 흡착제 저장조 148, 248: 용수 저장조
113a, 213a: 몸체 113b, 213b: 덮개
115, 215: 교반기 215a: 회전체
215b: 프로펠러 120, 220: 자성 플럭
136, 236: 흡착제 저장조 148, 248: 용수 저장조
Claims (9)
- 자성 나노입자가 포함된 오폐수가 유입되는 몸체, 및 상기 몸체의 상부에 안착되는 덮개를 포함하는 폐수조;
상기 덮개에 결합되어 자력을 발생시키는 복수 개의 마그네틱 바;
상기 자성 나노입자를 흡착하는 자성미분체를 상기 폐수조 내에 공급하는 흡착제 저장조; 및
상기 폐수조 내에 구비되어 상기 오폐수 및 자성미분체를 섞는 교반기를 포함하는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리장치. - 제1항에 있어서,
상기 교반기의 회전 속도는 100rpm 내지 300rpm인 것을 특징으로 하는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리장치. - 자성 나노입자가 포함된 오폐수가 유입되는 몸체, 및 상기 몸체의 상부에 안착되는 덮개를 포함하는 폐수조;
상기 덮개에 결합되어 자력을 발생시키는 중공관형의 마그네틱 바;
상기 자성 나노입자를 흡착하는 자성미분체를 상기 폐수조 내에 공급하는 흡착제 저장조; 및
상기 마그네틱 바의 내부에 관통하여 구비되며, 상기 마그네틱 바에 의해 구동되는 회전체와 상기 회전체의 말단에 결합된 프로펠러를 포함하는 교반기를 포함하는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리장치. - 제3항에 있어서,
상기 폐수조 내에 구비되는 것으로, 막대 형상으로 형성된 복수 개의 마그네틱 바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리장치. - 제3항에 있어서,
상기 회전체에 마찰력을 가하는 부하 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리장치. - 제1항 내지 제5항에 있어서,
상기 자성미분체는 중심에 금속 나노입자를 포함하는 덴드리머 화합물인 것을 특징으로 하는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리장치. - 제6항에 있어서,
상기 덴드리머 화합물은 하기 구조식 (1)로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리장치.
(1)
상기 식에서, A는 금속나노입자이며, Z는 친수성 작용기 또는 소수성 작용기이고, m과 n은 1 이상의 정수이다. - 제7항에 있어서,
상기 A는 철나노입자인 것을 특징으로 하는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리 장치. - 제7항에 있어서,
상기 Z는 -NH2, -OH, -COOH, -SH, -C6H6, -CH3, -EDTA로 이루어진 군으로부터 선택된 작용기인 것을 특징으로 하는 자성 나노입자를 포함하는 오폐수의 처리장치.
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