KR20140127800A - 정수용 다층 유기-형판화된-베마이트-나노구조물 - Google Patents

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KR20140127800A
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암리타 차우드하리
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Abstract

유기-형판화된-베마이트-나노구조물(OTBN) 위의 금속 옥사이드 또는 하이드록사이드의 나노스케일 쉘을 포함하는 흡착제 조성물이 제공된다. 나노스케일 쉘은 OTBN을 금속 또는 비-금속 이온으로 함침시킨 후, OTBN 표면 위에 침착된 이온의 동일 반응계내 가수분해에 의해 제조된다. 쉘의 두께는 약 3nm 미만이며, 이는 OTBN 코어의 크기 미만이다. 쉘의 층들의 수는 융통성이 있으므로, 다층 나노스케일 하이브리드 조성물이 생성된다. 흡착제 조성물은 물로부터 플루오라이드와 같은 무기 음이온들을 증가된 흡착 능력으로 제거할 수 있다.

Description

정수용 다층 유기-형판화된-베마이트-나노구조물{MULTILAYER ORGANIC-TEMPLATED-BOEHMITE-NANOARCHITECTURE FOR WATER PURIFICATION}
본 기재내용은 정수(water purification) 분야 및 구체적으로 정수에 사용되는 유기-형판화된-베마이트-나노구조물(OTBN)에 관한 것이다.
깨끗한 음료수의 이용가능성은 전세계, 특히 후진국 및 개발도상국가들에서는 주요한 건강 관심사이다. 물을 오염시키는 주요한 오염물질들 중에서, 주요한 것들은 생물학적 물질(예: 박테리아 및 바이러스), 무기 물질(예: 불화물, 비소, 철) 및 유기 물질(예: 살충제들, 휘발성 유기물들) 종들을 포함한다. 전세계에 걸친 다양한 정부 계획들은 깨끗한 음료수를 각각의 국가들의 국민들이 이용할 수 있도록 보장하기 위한 프로젝트들을 계속해서 뒷받침하고 있다. 그러나, 다수의 경우들에서, 깨끗한 음료수를 제공할 수 없기 때문에 궁극적으로 가난한 사람들에게 영향을 미치는 감당할 수 있는 한계 이상으로 기술적 비용들이 계속해서 유지되고 있기 때문에 이는 계속해서 주요한 문제로 남아있다.
가난한 사람들이 깨끗한 음료수를 이용할 수 없음으로 인하여 계속해서 고통을 받고 있다는 사실은 다양한 제공원들에 의해 수집된 각종 통계치들을 통해 일반적인 것이다. 따라서, 이용가능한 최첨단 기술들의 제공가능성을 증진시키는 기술적 개입을 하는 것이 중요하다. 이는 전세계적으로 사람들의 건강을 증진시키는 데 있어 크게 도움이 될 수 있다.
알루미늄계 조성물들이 음료수로부터 플로라이드들 및 아르제네이트들과 같은 무기 음이온들을 제거하기 위해 철저히 연구되어 왔다. 알루미늄계 조성물들을 사용하는 것은 다른 흡착제들과 비교하여 이의 비교적 높은 플루오라이드 흡착 능력으로 인하여 물로부터 플루오라이드 흡착을 위해 보다 더 적절하다. 더욱이, 알루미늄계 조성물들은 어떠한 전/후-여과도 필요로 하지 않는다. 알루미늄계 조성물들의 능력에서의 각종 개선점들이 지금까지 제안되어 왔다. 실제로, 당해 분야의 용도에서 모든 알루미늄계 조성물들은, 주로 정수 비용을 절감하기 위하여 빈번한 재생을 필요로 한다. 그러나, 전통적으로 뒤따르는 재생 실시, 즉 산성화가 뒤따르는 알칼리 처리는 슬러지(sludge) 내의 높은 플루오라이드 농도로 인하여 유발된 물 공급원들의 2차 오염을 일으켜서, 물 속에 알루미늄의 누출 및 슬러지의 고 용해된 염 함량을 유발한다. 알루미늄계 조성물들을 사용한 플루오라이드 제거 및 관련된 과제들과 관련된 선행기술은 본 발명자들의 선행 인도 특허 출원 제1529/CHE/2010호에서 상세히 기재되어 있으며, 이의 전체 내용들은 본원에서 참조로 혼입된다.
인도 특허 출원 제1529/CHE/2010호에는 실온에서 알루미늄 옥시하이드록사이드-키토산 복합체를 제조하는 방법이 기재되어 있다. 실온에서의 녹색 화학계 제조, 결합제 비함유 과립화, 여과-능/세척-능(filter-ability/wash-ability)의 용이성 및 혼합된 금속 하이드록사이드들/옥사이드들을 제조하기 위한 채택하기 용이한 방법을 포함하는, 흡착제 조성물에서의 다수의 이점들이 존재한다.
500 mg/L의 흡착제 용량이, 투입 플루오라이드가 1 내지 10 mg/L로 변하는 경우, 플루오라이드 농도를 0.5 ppm 이하로 제거하기에 충분한 것으로 보고되어 왔다. 알루미늄 옥시하이드록사이드-키토산 복합체는 탈이온수 중의 10 mg/L의 초기 플루오라이드 농도에서 53 mg/g 초과의 플루오라이드 흡착 용량을 나타낸다. 지하수 중에 경쟁하는 음이온들이 존재하기 때문에, 조성물의 플루오라이드 흡착 능력은 줄어들고, 지하수 중의 투입 플루오라이드 농도가 1 내지 10 mg/L로 변하는 경우, 플루오라이드 농도를 0.5 ppm 이하로 제거하기 위해서는 1.5 g/L의 흡착제 용량이 필요하다. 물질의 비용은 대략 인도 루피(Indian Rupee) 350/kg이다. 이는 인도 루피 5/10 L의 물질 비용으로 환산된다(가정에서 하루에 플루오라이드 비함유 음료수 10L를 필요로 한다고 추정함).
또한, 다음의 선행기술의 문헌들은 알루미늄 및/또는 키토산을 기본으로 한 조성물을 이용하는 각종 플루오라이드 제거 기술들을 개발하기 위해 시도해 왔다:
1. Miretzky P., Cirelli A. F., Fluoride removal from water by chitosan derivatives and composites: A review, Journal of Fluorine Chemistry 132 (2011) 231-240;
2. Jagtap S., Yenkie M. K., Das S., Rayalu S., Synthesis and characterization of lanthanum impregnated chitosan flakes for fluoride removal in water, Desalination 273 (2011) 267-275;
3. Fluoride removal from water by adsorption - A review, Bhatnagar A., Kumar E., Mika Sillanpaeae M., Chemical Engineering Journal, 171 (2011) 811-840; 및
4. Liu R., Gong W., Lan H., Gao Y., Liu H., Qu J., Defluoridation by freshly prepared aluminum hydroxides, 175 (2011) 144-149.
선행기술의 방법들 및 조성물들은 물로부터 플루오라이드를 다량으로 제거하는 데 효과적이지만, 개선의 여지가 존재한다. 예를 들면, 흡착제 조성물의 감소된 비용 조차도 인도 가정들 중의 일부의 경우에는 여전히 너무 높다. 주로, 정수 조성물은 다음 조건들을 충족하는 것으로 기대된다:
첫째로, 흡착제 조성물은 가정 수준에서 실시할 수 있어야 하며, 즉 높은 흡착 동력학 및 낮은 공탁 접촉 시간(empty bed contact time)을 나타내어야 한다. 둘째로, 흡착제 조성물은 재생을 필요로 하지 않아야 하며, 이에 따라 어떠한 2차 오염도 생성하지 않아야 한다. 셋째로, 흡착제 조성물은 사용하고 유지하기 용이해야 하며, 즉 어떠한 전/후-여과를 필요로 하지 않아야 한다. 넷째로, 흡착제 용량은, 플루오라이드 제거를 위해 사용될 물을 위한 인도 국립위생재단 표준에 따라, 어떠한 10 ppm 이하의 투입 농도도 1 ppm 이하로 감소시킬 수 있어야 한다. 마지막으로 및 가장 중요하게는, 정수 비용은 정제된 물(정제수) 10 L당 인도 루피 3을 초과하지 않아야 하며(즉, 조성물은 제공가능해야 한다) 흡착제의 양은 정제수 10 L 당 2 내지 3 g을 초과하지 않아야 한다.
상기한 토의 내용의 관점에서, 선행기술의 방법들 및 조성물들과 관련된 위에서 언급한 문제점들 및 기타 단점들을 해결할 필요성이 존재한다. 이러한 필요성들 및 다른 필요성들은 본 기재내용의 정수 조성물에 의해 충족된다. 전세계에 걸친 플루오라이드의 광범위한 오염을 고려하면, 본 발명의 정수 조성물은, 사용현장의 물 여과기들을 제공하기 위해 사용될 수 있기 때문에 사회의 건강에 주요한 긍정적인 효과를 가질 것이다.
본 발명의 목적(들)에 따라, 본원에 구현되고 광범위하게 기술된 바와 같이, 본 기재내용은 한 가지 측면에서, 정수에 관한 것이다. 특히, 본 기재내용은 유기-형판화된-베마이트-나노구조물 위의 금속 옥사이드/하이드록사이드의 나노스케일 쉘(nanoscale shell)에 관한 것이다.
본 발명의 한 가지 목적은, 높은 흡착 동력학 및 낮은 공탁 접촉시간을 나타내고, 가정 수준에서 용이하게 실시할 수 있는 흡착 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 재생이 필요하지 않고 이에 따라 2차 오염을 갖지 않는 흡착 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은 사용 및 유지가 용이한 흡착제 조성물을 제공하기 위한 것이며, 즉 흡착 조성물은 어떠한 전/후-여과를 필요로 하지 않아야 한다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은 어떠한 10 ppm 이하의 투입 농도도 1 ppm 이하로 감소시킬 수 있는 흡착제 용량을 제공하는 것이다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은 정수 비용을 정제수 10 L 당 3 인도 루피 미만으로 최소화하고, 흡착제의 양을 정제수 10 L 당 2 내지 3g으로 최소화하는 것이다.
한 가지 측면에서, 물로부터 플루오라이드를 제거하기 위한 흡착제 조성물이 제공된다. 흡착 조성물은 유기-형판화된-베마이트-나노구조물(OTBN, '코어'로 언급됨) 위의 금속 옥시하이드록사이드/하이드록사이드/옥사이드의 나노스케일 쉘을 포함한다. 쉘의 크기는 약 3 nm 미만인데, 이는 물로부터의 높은 음이온 흡착 능력을 나타낸다. 크기가 약 3 nm 미만인 나노스케일 금속 하이드록사이드를 제조하는 것은 OTBN의 표면 위에 금속 이온을 침전시킴으로써 달성한다. 쉘 속의 알루미늄 대 코어 속의 알루미늄의 중량비(Al쉘:Al코어)가 90%에 이르는 경우 최고 플루오라이드 흡착 용량이 달성된다. 결과적으로, OTBN에 대하여 플루오라이드 흡착 용량에서 100% 개선이 보고된다.
또 다른 측면에서, 지하수 중의 투입되는 플루오라이드 농도가 1 내지 10 mg/L인 경우, 플루오라이드 농도를 0.5 ppm 이하로 제거하기 위해서는 0.75 g/L의 흡착제 용량이 필요하다. 이는 물 10 L당 2.5 인도 루피의 물질 비용으로 환산되며, 이는 초기 보고된 조성물들에 대한 물질 비용에서 50% 절감된 것이다.
하나의 측면에서, OTBN ("코어") 위의 나노스케일 다층 금속 옥시하이드록사이드("쉘")의 과립형 복합체가 제공된다. 과립형 복합체는 OTBN 위에 다층을 겔 형태로 형성시킴으로써 제조된다. 또 다른 측면에서, 과립형 복합체는 OTBN 위에 다층을 고체 형태로 형성시킴으로써 제조된다.
또 다른 측면에서, 본 기재내용은 OTBN 위에 나노스케일 금속 옥사이드/하이드록사이드/옥시하이드록사이드 쉘을 제조하는 방법을 제공한다. 일반적인 측면에서, 이 방법은 금속 전구체를 수성 매질 중에서 겔 상태로 OTBN과 접촉시킨 다음 수득되는 혼합물을 염기와 접촉시킴을 포함한다. 또 다른 측면에서, 수성 매질 중의 금속 전구체를 고체 상태에서 OTBN과 접촉시키고 수득되는 혼합물을 염기와 접촉시킨다.
각종 측면들에서, 금속 전구체는 금속의 염 또는 이의 용액을 포함한다. 각종 측면들에서, 금속 성분은 알루미늄, 철, 티탄, 망간, 코발트, 니켈, 구리, 은, 아연, 란탄, 세륨, 지르코늄, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 또는 이의 조합물을 포함한다. 또 다른 측면에서, 금속 전구체는 황산알루미늄을 포함하는 알루미늄 염의 용액을 포함한다. 또 다른 측면에서, 금속 전구체는, 질산알루미늄, 아세트산알루미늄, 염화알루미늄, 알루미늄 이소프로폭사이드, 또는 이의 조합물을 포함하는 알루미늄 염의 용액을 포함한다. 또 다른 측면에서, 금속 전구체는, 예를 들면, 약 20:1 내지 약 1:20, 및 예를 들면, 약 20:1, 10:1, 5:1 , 2:1, 1:1, 1:2, 1:5, 1:10, 및 1:20과 같은 임의의 바람직한 비로 2개 이상의 개개의 금속 전구체들의 혼합물을 포함한다.
금속 전구체의 가수분해에 사용된 염기는, 수산화나트륨, 암모니아, 수산화칼륨, 또는 이의 조합물과 같은 어떠한 적합한 염기도 포함할 수 있다. 다른 측면들에서, 다른 염기들 또는 이의 염기들 및/또는 용액들의 조합물을 사용할 수 있으며, 본 발명은 특별한 염기로 제한하려는 의도는 아니다. 하나의 측면에서, 염기를 금속 전구체와 OTBN의 혼합물에 첨가하는 경우, 금속 이온들을 가수분해하고 OTBN 표면 위에 나노스케일 층의 형태로 침전시킨다. 금속 전구체를 염기를 사용하여 침전시키는 경우, OTBN 위에 나노스케일 금속 하이드록사이드/옥사이드/옥시하이드록사이드 쉘을 포함하는 반고체 침전물이 형성된다. 한 가지 측면에서, 수득되는 쉘 층의 두께는 약 1 nm 내지 약 10 nm의 범위이다. 또 다른 측면에서, 수득되는 쉘 층의 두께는 약 1 nm 내지 약 5 nm의 범위이다. 반고체 침전물은 전형적으로 여과 처리하고 다량의 물로 세척한 다음 건조시켜 목적하는 과립 복합체를 수득한다.
다양한 측면들에서, 본 발명은 OTBN 위에 금속 옥사이드/하이드록사이드의 나노스케일 쉘을 제조하는 방법들을 제공한다. 또 다른 측면에서, 조성물은 음료수로부터 비소 및 플루오라이드와 같은 무기 음이온들을 제거하는 데 사용할 수 있다.
본 발명의 추가의 측면들 및 이점들은 이후에 기재하는 상세한 설명 및 어떠한 특허청구범위에 부분적으로 기재될 것이며, 부분적으로 상세한 설명으로부터 유도될 것이거나 본 발명의 실시함으로써 얻을 수 있다. 하기한 이점들은 첨부한 특허청구범위에서 특별하게 나타낸 성분들 및 조합물들을 이용하여 실현되고 달성될 것이다. 상기한 일반적인 설명 및 하기한 상세한 설명 둘 다는 단지 예시적이고 설명적인 것이며 기재된 바와 같이 본 발명을 제한하지 않는다.
첨부한 도면들은 본 명세서에 혼입되며 이의 일부를 구성하고, 몇 가지 측면들을 설명하며 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하기 위해 제공된다.
도 1은 본 발명의 한 가지 측면에 따라, 조성물을 제조하는 방법에 포함된 화학 반응들을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 가지 측면에 따르는, (a) 합성된 상태의 모 물질 OTBN (AIOOH (JCPDS 21-1307)의 표준 반사들로 색인됨), (b) 나노스케일 수산화알루미늄 코팅된 OTBN (쉘 중의 Al 함량 대 OTBN 중의 Al 함량의 비 = 0.45) 및 (c) OTBN 위에 코팅된 나노스케일 수산화알루미늄 (쉘 속의 Al 함량 대 OTBN 속의 Al 함량 = 0.9)의 XRD 패턴들을 도시한다.
도 3은 본 발명의 한 가지 측면에 따르는, OTBN 위에 코팅된 나노스케일 수산화알루미늄의 TEM 영상을 도시한다.
도 4는 본 발명의 한 가지 측면에 따르는, (a) 나노스케일 수산화알루미늄 코팅된 OTBN 및 (b) F 처리된 조성물 중의 설페이트 이온이 사라지는 것과 함께 흡착된 플루오라이드의 존재를 확인하는 100 mg/L 플루오라이드에 노출된 나노스케일 수산화알루미늄 코팅된 OTBN의 XPS 조사 스펙트럼들을 도시한다.
도 5는 본 발명의 한 가지 측면에 따르는, 100 mg/L 플루오라이드에 노출되기 (a) 전과 (b) 후의 흡착제 조성물에 대한, (A) Al 2p, (B) O 1s, (C) F 1s 및 (D) S 2p의 XPS 스펙트럼들을 도시한다.
도 6은 본 발명의 한 가지 측면에 따르는, 나노스케일 수산화알루미늄 코팅된 OTBN의 EDAX 스펙트럼들 도시하며, 여기서 삽화는 샘플의 Al Kα, O Kα, C Kα 및 S Kα의 원소 X-선 영상들, 상응하는 SEM 영상 및 원소 정량화를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 한 가지 측면에 따르는, 5 mg 흡착제 용량(탈이온수 중에서)을 사용하여 100 mg/L 플루오라이드에 노출시킨 후의 나노스케일 수산화알루미늄 코팅된 OTBN의 EDAX 스펙트럼을 도시하며, 여기서 삽화는 샘플의 Al Kα, O Kα, C Kα, F Kα 및 S Kα의 원소 X-선 영상들, 상응하는 SEM 영상 및 원소 정량화를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 한 가지 측면에 따르는, (a) OTBN의 흡착 용량, 및 (b) 탈이온수(초기 플루오라이드 농도 = 10 mg/L) 중의 흡착제 용량의 함수로서 나노스케일 수산화알루미늄 코팅된 OTBN의 흡착 용량을 도시한다.
도 9는 본 발명의 한 가지 측면에 따르는, 코어 중의 알루미늄 함량에 대한 나노스케일 쉘 중의 변하는 알루미늄 함량의 함수(초기 플루오라이드 농도 = 10 mg/L, 지하수)로서 나노스케일 수산화알루미늄 코팅된 OTBN의 흡착 용량을 도시한다.
본 발명은 다음의 발명의 상세한 설명 및 이에 포함된 실시예들을 참조로 하여 더 용이하게 이해될 수 있다.
본 발명의 화합물들, 조성물들, 물품들, 시스템들, 장치들, 및/또는 방법들을 기재하고 기술하기 전에, 이들은 달리 명시하지 않는 한 특정한 합성 방법들로, 또는 달리 명시하지 않는 한 특별한 시약들로 제한되지 않으며, 이와 같이 물론 변할 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본원에서 사용된 용어는 단지 특별한 측면들을 기술할 목적으로 제공되는 것이며 제한하려는 의도는 아니라는 점을 이해하여야 한다. 본원에 기술된 것들과 유사하거나 등가인 어떠한 방법들 및 물질들을 본 발명을 실시하거나 시험하는 데 사용할 수 있지만, 실시예의 방법들 및 물질들을 이제 기술한다.
본원에 언급된 모든 공보들은, 당해 공보들이 인용되는 것과 관련해서 방법들 및/또는 물질들을 기재하고 기술하기 위해 본원에서 참조로 혼입된다.
정의들
달리 정의하지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은, 본 발명이 속하는 당해 분야의 숙련가가 일반적으로 이해하는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본원에 기술된 어떠한 방법들 및 물질들과 유사하거나 동등한 것들은 본 발명의 실시 또는 시험에서 사용될 수 있지만, 실시예 방법들 및 물질들이 이제 기술된다.
명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용된 바와 같이, 단수 형태들 하나("a", "an") 및 그것("the")은, 내용이 다르게 분명하게 나타내지 않는 한 복수 참조물들을 포함한다. 따라서, 예를 들면, "(하나의) 금속"에 대한 참조는 2개 이상의 금속들의 혼합물들을 포함한다.
범위들은 "약" 하나의 특별한 값으로부터 및/또는 "약" 또 다른 특별한 값으로 본원에서 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현되는 경우, 또 다른 측면은 하나의 특별한 값으로부터 및/또는 다른 특별한 값으로 포함한다. 유사하게, 값들이, 선행사 "약"을 사용함으로써, 근사치들로서 표현되는 경우, 특별한 값이 또 다른 측면을 형성한다는 것이 이해될 것이다. 범위들의 각각의 종점들은 다른 종점과 관련해서 및 다른 종점과 독립적으로 둘 다 유의적인 것으로 추가로 이해될 것이다. 또한, 본원에 다수의 값들이 기재되어 있고, 각각의 값은 또한 본원에서 자체의 값 외에도 "약" 당해 특별한 값으로서 기재됨이 이해된다. 예를 들면, 값 "10"이 기재된 경우, 이후에 "약 10"이 또한 기재된다. 또한, 2개의 특별한 단위들 사이의 각각의 단위가 기재되는 것이 이해된다. 예를 들면, 10 및 15가 기재되는 경우, 11, 12, 13 및 14가 또한 기재된다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어들 "임의의" 또는 "임의로"는, 후속적으로 기재된 사건 또는 상황이 일어날 수 있거나 일어나지 않을 수 있고, 이러한 설명이, 상기한 사건 또는 상황이 일어나는 경우들 및 이것이 일어나지 않는 경우들을 포함함을 의미한다.
본원에 기재된 방법들 내에서 사용되는 조성물들 자체 뿐만 아니라 본 발명의 조성물들을 제조하기 위해 사용되는 성분들도 기재되어 있다. 이들 및 다른 물질들이 본원에 기재되어 있으며, 이들 물질들의 조합들, 소세트들, 상호작용들, 그룹들 등이 기재되면서 이들 화합물들의 각각의 다양한 개개 및 종합적인 조합들 및 순열의 구체적인 참조가 명시적으로 기재될 수 없지만, 각각은 본원에 구체적으로 고려되고 기재된 것으로 이해된다. 예를 들면, 특별한 화합물이 기재되고 토의되며 당해 화합물들을 포함하는 다수의 분자들에 이루어질 수 있는 다수의 변형들이 토의되는 경우, 반대로 구체적으로 나타내지 않는 한 가능한 화합물 및 변형들의 각각 및 모든 조합 및 순열이 구체적으로 고려된다. 따라서, 분자들 A, B 및 C의 한 가지 종류 뿐만 아니라 분자들 D, E 및 F의 한 가지 종류도 기재되고 한 가지 조합 분자의 예가 기재되고, A-D가 기재되는 경우, 각각이 개별적으로 언급되지 않는 경우에도, 각각은 개별적으로 및 종합적으로 고려된 의미의 조합들 A-E, A-F, B-D, B-E, B-F, C-D, C-E, 및 C-F가 기재된 것으로 고려된다. 마찬가지로, 이들의 어떠한 소세트 또는 조합도 기재된다. 따라서, 예를 들면, A-E, B-F, 및 C-E의 소그룹이 기재된 것으로 고려된다. 이러한 개념은 본 발명의 조성물들을 제조하고 사용하는 방법들에서의 단계들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 출원의 모든 측면들에 적용된다. 따라서, 수행될 수 있는 다양한 추가의 단계들이 존재하는 경우, 이들 추가의 단계들 각각은 본 발명의 방법들의 어떠한 구체적인 구현예 또는 구현예들의 조합으로 수행할 수 있다는 것이 이해된다.
본원에 기재된 물질들 각각은 시판되고/되거나 이들의 제조방법들은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 공지되어 있다.
본원에 기재된 조성물들은 특정한 기능들을 갖는 것으로 이해된다. 본원에는 기재된 기능들을 수행하기 위한 특정한 구조적 요건들이 기재되어 있으며, 기재된 구조물들과 관련되는 동일한 기능을 수행할 수 있는 각종 구조물들이 존재하고, 이들 구조물들은 전형적으로 동일한 결과를 달성할 것이라는 것이 이해된다. 더욱이, 본원에서 제공된 결과는 본 발명의 영역을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
실험 방법들
물질 특성화
제조된 상태의 샘플들의 상(들)의 확인은 λ = 1.5418 Å에서 Cu-Kα 방사선을 이용하는 X-선 분말 회절(Bruker AXS, D8 Discover, USA)로 수행하였다. 샘플의 고 분해능 투과 전자 현미경(HRTEM) 영상들을 JEM 3010 (JEOL, Japan)을 사용하여 수득하였다. 위에서 제조한 샘플들을 구리 그리드(grid) 위에 지지된 무정형 탄소 필름들 위에 스폿팅(spotting)하고 실온에서 건조시켰다. X-선 광전자 분광 (XPS) 분석은 오미크론 나노테크놀러지(Omicron Nanotechnology)의 ESCA Probe TPD를 사용하여 수행하였다. 다색성 Mg Kα는 X-선 공급원(hv = 1253.6 eV)으로서 사용하였다. 필요한 결합 에너지 범위에서의 스펙트럼들을 수집하고 평균을 취하였다. 샘플의 빔 유도된 손상은 X-선 플럭스(flux)를 조절하여 감소시켰다. 결합 에너지는 284.5 eV에서 C 1s에 대하여 보정하였다. 표면 형태학, 원소 분석 및 원소 맵핑 연구들은 X-선들 (EDAX) (FEI Quanta 200)의 에너지 분산 분석기가 장착된 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 수행하였다. 샘플을 10분 동안 초음파처리하여 물 속에서 재현탁시키고 인듐 주석 산화물 (ITO) 전도성 유리 위에 점적 캐스팅(drop casting)하고 건조시켰다.
흡착 연구들
흡착제 조성물을 물로부터 플루오라이드(NaF의 형태)의 제거에 대해 시험하였다. 모든 수행능 연구들은 뱃치 반응기(250 mL 들이 폴리프로필렌 원뿔형 플라스크) 속에서 수행하였다. 용액의 작업 용적은 100 mL로 취하였고 필요한 양의 흡착제를 가하였다. 플라스크들을 실온에서 괘도 진탕기 속에서 160±5 rpm에서 교반되도록 유지시켰다. 샘플들을 1.5 시간의 지속시간에서 회수하고 잔류 용질 농도를 분석하였다.
연구들에 사용된 물은 탈이온수 또는 수돗물(조성은 본원에서 언급됨)이었고, 각각의 도면들 및 이후의 설명에서 언급된다.
실시예들
본 출원은 OTBN 위에서 금속 옥사이드/하이드록사이드의 나노스케일 쉘을 제조하는 방법들을 기술한다. 다음 실시예들은 당해 분야의 통상의 기술자들에게 본원에 특허청구된 화합물들, 조성물들, 제품들, 장치들 및/또는 방법들을 제조하고 평가하는 방법의 완전한 기재 및 설명을 제공하기 위해 설정된 것이며, 본 발명의 순수한 예시인 것으로 의도되고 본 발명자들이 이들의 발명으로 고려하는 것의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
실시예 1
본 실시예는 OTBN 상의 나노스케일 층으로서 수산화알루미늄의 형성을 기술한다. OTBN은, 이의 전문들이 참조로 본원에 혼입된, 선행의 인도 특허 출원 제1529/CHE/2010호에 보고된 바와 같이 제조하였다. 염 성분을 세척한 후 수득된 OTBN 겔은 겔 위의 나노스케일 층의 형성을 위해 사용하였다. OTBN 겔을 황산알루미늄과 같은 알루미늄 전구체가 적가된 물 속에 재-분산시켰다. 쉘 속의 Al 대 코어 속의 Al의 비는 0.5 내지 300% 사이에서 어디든 변할 수 있다. 당해 용액을 2시간 동안 교반한 후, 수성 수산화나트륨(2M NaOH)을 당해 용액에 적가하여 금속 전구체가 가수분해되도록 하였다. 이후에, 용액을 30분 동안 교반하고, 여과하고 다량의 물로 세척하였다. 이후에, 수득된 겔을 추가의 연구들을 위해 실온에서 건조하였다.
실시예 2
본 실시예는 본 발명의 측면에 따라서, OTBN 위에 나노스케일 다층 금속 옥사이드/하이드록사이드의 형성을 기술한다. 0.2M 알루미늄 전구체 용액을 희석된 키토산 용액(0.75 g/L)에 60분 동안 격렬하게 교반하면서 서서히 가하고 교반없이 밤새 유지시켰다. 이후에, 수성 2M NaOH를 금속-키토산 용액에 격렬히 교반하면서 서서히 가하여 금속-키토산 복합체들의 침전을 촉진시켰다. 당해 단계들은 30℃ 이하의 온도에서 수행하였다. 침전물을 여과하고 다량의 물로 세척하였다. 이후에, 겔을 물 속에 재-분산시켰다.
이후에, 알루미늄 전구체 용액을 상기 용액에 가하였다. 쉘 층 속의 Al 대 코어 속의 Al의 비는 0.5 내지 300% 사이에서 어디든 변할 수 있다. 당해 용액을 2시간 동안 교반한 후, 수성 수산화나트륨(NaOH)을 당해 용액에 적가하여 금속 전구체가 가수분해되도록 하였다. 이후에, 당해 용액을 30분 동안 교반시키고, 여과하며, 다량의 물로 세척하였다. 이후에, 수득된 겔을 추가의 연구들을 위해 실온에서 건조시켰다.
실시예 3
본 실시예는 본 발명의 측면에 따라서, OTBN 위에 나노스케일 금속 옥사이드/하이드록사이드/옥시하이드록사이드 쉘의 형성을 기술한다. 수성 NaOH를 키토산 용액에 첨가하여 침전된 키토산 용액을 제조하였다. 알루미늄 전구체 용액을 침전된 키토산 용액에 60분 동안 격렬하게 교반하면서 서서히 가하고 교반없이 밤새 유지시켰다. 이후에, 수성 2M NaOH를 가하여 침전된 키토산 매트릭스 속에서 금속 전구체의 가수분해를 촉진시켰다. 당해 단계들은 30℃ 이하의 온도에서 수행하였다. 침전물을 여과하고 다량의 물로 세척하였다. 이후에, 겔을 물 속에 재-분산시켰다.
이후에, 알루미늄 전구체 용액을 상기 용액에 가하였다. 쉘 층 속의 Al 대 코어 속의 Al의 비는 0.5 내지 300% 사이에서 어디든 변할 수 있다. 당해 용액을 2시간 동안 교반한 후, 수성 2M NaOH를 당해 용액에 적가하여 금속 전구체가 가수분해 반응되도록 하였다. 이후에, 당해 용액을 30분 동안 교반시키고, 여과하며, 다량의 물로 세척하였다. 이후에, 수득된 겔을 추가의 연구들을 위해 실온에서 건조시켰다.
실시예 4
건조된 OTBN 분말을, 입자 크기가 100 내지 150 마이크론이 되도록 분쇄하였다. 당해 분말을 물 속에서 진탕기를 사용하여 교반하였다. 이후에, 알루미늄 전구체 용액을 이에 서서히 가하였다. 쉘 층 속의 Al 대 코어 속의 Al의 비는 0.5 내지 300% 사이에서 어디든 변할 수 있다. 당해 혼합물을 2시간 동안 교반한 후, 수성 2M NaOH를 적가-방식으로 가하여 금속 전구체를 가수분해시켰다. 당해 혼합물을 30분 동안 교반시키고, 여과하며, 다량의 물로 세척하였다. 이후에, 수득된 분말을 추가의 연구들을 위해 실온에서 건조시켰다.
실시예 5
본 실시예는 본 발명의 하나의 측면에 따라서 코어 조성물 위에 금속 옥사이드/하이드록사이드의 다층을 형성시키는 것을 기술한다. 실시예 1, 2 및 3에 기술된 바와 같은 조성물을 겔 또는 분말의 형태로 사용할 수 있다. 1M 알루미늄 전구체를 당해 조성물에 적가-방식으로 가하였다. 당해 용액을 1시간 동안 교반한 후, 2M NaOH를 서서히 가하여 금속 전구체를 가수분해하였다. 후속적으로, 철 전구체를 당해 조성물에 적가-방식으로 가한 후 수성 2M NaOH를 사용하여 가수분해하였다. 이후에, 수득된 조성물을 여과하고 다량의 물로 세척하였다. 조성물을 추가의 연구들을 위해 실온에서 건조시켰다.
코어 조성물이 A로서 지정되고 쉘 1 조성물이 B로 지정되며 쉘 2 조성물이 C로 지정되는 경우, AB, ABC, ACB, ABAB, ABCABC, 또는 이들의 조합들로 지정된 조성물들이 본 발명에 기술된 단계들에 의해 제조될 수 있음은 당해 분야의 숙련가에게 명백할 것이다.
실시예 6
본 실시예는 본 발명의 하나의 측면에 따라서 다-성분 다-층 OTBN의 형성을 기술한다. 실시예 1, 2 및 3에 기술된 바와 같은 조성물을 겔 또는 분말의 형태로 사용할 수 있다. 0.5M 황산알루미늄 및 0.5M 황산철을 함유하는 균질한 용액을 당해 조성물에 적가-방식으로 가하였다. 당해 용액을 1시간 동안 교반한 후, 2M NaOH를 서서히 가하여 금속 전구체들을 가수분해하였다. 수득된 조성물을 여과하고 다량의 물로 세척하였다. 조성물을 추가의 연구들을 위해 실온에서 건조시켰다.
실시예 7
본 실시예는 본 발명의 하나의 측면에 따라서 OTBN 위에서 나노스케일 층으로서 수산화철의 형성을 기술한다. 실시예 1, 2 및 3에 상세히 설명한 바와 같은 제조 방법들을 사용하였으며, 여기서 황화철과 같은 철(III) 전구체를 사용하였다. 후속적으로, 금속 전구체를 가수분해하였다. 반-고체 침전물을 여과하고 다량의 물로 세척하며, 추가의 사용을 위해 건조시켰다.
이제, 도 1을 참조하여, 본 발명의 하나의 측면에 따라, 조성물의 제조방법에 포함된 화학 반응 (100)의 개략도를 나타낸다. OTBN의 과립 복합체를 반응 (100)을 통해 수득하였다. 화학 반응 (100)은 생중합체 플레이크 (biopolymer flake; 101)의 생중합체 용액 (102)를 제조함으로써 개시한다. 후속적으로, 금속 전구체 용액 (103)을 생중합체 용액 (102)에 가하여 금속-생중합체 복합체 용액 (105)를 수득한다. 염기 (104)를 금속-생중합체 복합체 용액 (105)에 가하여 생중합체와 나노스케일 금속-옥시하이드록사이드 입자들의 복합체를 수득한다. 궁극적으로, 키토산으로 정렬된 나노스케일 금속-옥시하이드록사이드 입자들을 포함하는 반 고체 침전물 (106)을 수득하고, 이를 후속적으로 다량의 물로 세척한다.
여과된 복합체 겔 (106)을 증류수 속에 균질하게 분산시킨다. 이후에, 금속 전구체 용액 (103)을 금속 옥시하이드록사이드 입자들-생중합체 복합체 (106)에 가한다. 금속 옥시하이드록사이드 입자들-생중합체 복합체 (106) 및 금속 전구체 용액 (103)의 금속 이온들을 다수의 작용 그룹들을 통해 서로 상호작용시켜 금속 옥시하이드록사이드 입자들-생중합체 복합체 (107)에 착화된 금속 이온을 수득한다. 추가로, 염기 (104)를 금속 옥시하이드록사이드 입자들-생중합체 복합체 (107)에 가한다. 염기 (104)의 첨가 시, 금속 이온들 (103)은 가수분해되어 금속 옥시하이드록사이드 입자들-생중합체 복합체 (106) 위에 코어-쉘 입자들로서 침전된다. 궁극적으로, 키토산 매트릭스 위에 정렬된 코어-쉘 입자들을 포함하는 반 고체 침전물 (108)이 수득된다. 침전물 (108)을 다량의 물로 세척하고 30 내지 60℃의 온도에서 건조시킨다.
도 2는 (a) 합성된 상태의 모 물질 OTBN[AIOOH(JCPDS 21-1307)의 표준 반사에 대해 색인됨], (b) 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN(쉘 속의 Al 함량 대 OTBN 속의 Al 함량의 비 = 0.45) 및 (c) 본 발명의 하나의 측면에 따른, 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN(쉘 속의 Al 함량 대 OTBN 속의 Al 함량 = 0.9)의 XRD 패턴들을 나타낸다. 합성된 상태의 코어 조성물은 (020), (120), (013), (200) (231) 및 (251) 평면들에 상응하는 피크들을 나타내었다(도 2, 곡선 a). 당해 피크들을 사방정계-AIOOH(JCPDS 21-1307)로 색인하였다. 나노스케일 수산화알루미늄이 피복된 OTBN의 XRD 패턴을 도 2b에 나타낸다. 2개의 주요 변화들이 OTBN 및 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN의 패턴들에서 관찰된다. (031) 및 (200)에 대해 색인된 피크들은 광범위하므로 (231) 및 (251)로 색인된 피크들에서와 같이 합친다. 피크 확장은 감소하는 결정체 크기 및 물질의 결정성 거동에 있어서의 감소로 해석될 수 있다. 제1의 가능성은, OTBN의 표면 위에서 얇은 나노스케일 쉘의 형성을 나타내며, 여기서, 입자 크기는 극도로 작다. 나노스케일 쉘이 천연적으로 무정형일 수 있으며 이의 표면 도포로 인하여, OTBN의 결정성 특징들은 알려져 있지 않다는 것이 또한 가능하다. 나노스케일 쉘의 퍼센트가 증가함에 따라서, 결정성 특징들도 심지어 추가로 차폐되며, 이는, 나노스케일 쉘이 천연적으로 무정형임을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 하나의 측면에 따라서. 나노스케일 수산화알루미늄이 피복된 OTBN의 TEM 영상을 나타낸다. OTBN 위에서 나노스케일 쉘의 형성이 당해 영상들로부터 명백하다. 나노스케일 쉘은 하나 이상의 입자로 봉입(encapsulation)되어 있음이 나타나 있다. 개개의 OTBN 입자들이 당해 영상들에서 관찰될 수 있다. OTBN과 나노스케일 쉘 사이의 대비는 초점 면에서의 차이들에 기인할 수 있다.
도 4는 (a) 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN 및 (b) 본 발명의 하나의 측면에 따라서, F-처리된 조성물 속에서 설페이트 이온의 사라짐과 함께 흡착된 플루오라이드의 존재를 입증하는 100 mg/L 플루오라이드에 노출된 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN의 XPS 조사 스펙트럼(survey spectrum)들을 나타낸다. 플루오라이드의 흡착 시 조성물내 화학적 변화들을 이해하기 위하여, 주요 성분들의 특이적인 영역(Al 2p, O 1s, F 1s, S 2p)들의 상세한 스캔들을 수행하였다. 도 5는 목적한 각종 영역들의 상응하는 스펙트럼들을 나타낸다. 이들 스펙트럼들은 주요 성분들인, 알루미늄 및 산소와 함께 흡착된 플루오라이드의 존재를 입증한다. 알루미늄 2p 수준의 XPS 스펙트럼은 75.5 eV에서의 피크를 나타낸다. 플루오라이드 흡착은 알루미늄의 위치에 있어서의 약간의 이동을 초래하며 보다 낮은 결합 에너지에서 나타나고; 동시에 표면 양성 전하에 있어서의 감소가 산소에서 관찰되며, 이의 결과로서 1s는 감소된 강도와 함께, 보다 낮은 결합 에너지에서 나타난다. 강도에 있어서의 감소는 플루오라이드 흡착 시 설페이트 이온의 손실에 기여할 수 있다.
황은 플루오라이드 흡착 시 조성물로부터 완전히 제거되며, 이는, 플루오라이드 이온이 결합 부위들로부터 설페이트를 대체함을 나타낸다. 설페이트의 존재는 금속 전구체로서 황산알루미늄의 사용에 기인하며 설페이트 이온들은 수산화알루미늄의 표면에 흡착한다. 본 발명자들은, 설페이트가 흡착제 조성물의 부위들을 보호하는데 있어서 중요한 역할을 함을 제안하며; 설페이트 이온의 존재로 인하여, 선호도가 더 낮은 다른 간섭 이온들(예를 들면, 클로라이드, 니트레이트 등)은 표면 위에 흡착하지 않는다는 것을 제안한다. 흡착제 표면 위에서 이용가능한 표면 부위들의 수는 고정되고 제한적이지만, 물 속에서 일반적으로 발견된 다양한 이온들 사이에는 경쟁이 항상 존재한다. 전형적으로, 각종 이온들에 의한 부위들의 점유는 흡착 및 이온 농도에 대한 선호도에 의존한다. 플루로라이드 및 비소와 같은 이온들은 전형적으로 선호도가 높지만, 낮은 선호도로 발견된다. 따라서, 표면 부위들을 보호하여 최대의 흡착 능력을 수득하는 것이 중요하다. 본 발명의 흡착제 조성물에서, 이는 표면 부위들 위에 설페이트 이온들의 흡착으로 달성된다. 설페이트 이온들은 보다 높은 선호도로 인하여 플루오라이드 이온들로 용이하게 대체되므로 흡착제 조성물은 높은 플루오라이드 흡착 능력을 나타낸다.
도 6은 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN의 EDAX 스펙트럼을 나타내며, 여기서 삽화는 본 발명의 하나의 측면에 따른, 시료의 Al Kα, O Kα, C Kα 및 S Kα의 기본 X-선 영상들, 상응하는 SEM 영상, 및 원소 정량화를 나타낸다. 조성물 속의 S042- 함량은 15%(5% 황 함량) 이상이다. 흡착된 설페이트는 플루오라이드로 대체된다. 이는 플루오라이드 흡착 시 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN에 대한 상응하는 데이타를 나타내는 도 7에 반영되어 있다(F-농도 = 10 ppm). 흡착된 조성물 속의 플루오라이드 농도는 5% 이상인 반면, 황 농도는 1% 미만으로 감소한다. 흡착된 플루오라이드 농도는 과도하게 높은 것이 관찰되며, 이는 낮은 투입 플루오라이드 농도에서 관찰되는 것을 고려할 때, 당해 조성물은 플루오라이드 제거에 매우 촉망된다.
도 8은 (a) OTBN의 흡착 능력, 및 (b) 본 발명의 하나의 측면에 따라서, 탈이온수(초기 플루오라이드 농도 = 10mg/L) 속에서 흡착제 용량의 함수로서 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN의 흡착 능력을 나타낸다. 오염수의 작업 용적은 100 mL인 것으로 고려되었으며 흡착제 용량의 양은 5 mg 내지 25 mg 사이에서 변하였다. 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN은 OTBN에 대한 수행능에 있어서 유의적으로 증진된다. 이는, 낮은 흡착제 용량을 사용한 경우에 보다 유의적으로 강조되었다. 흡착제 용량이 증가함에 따라, 수 중 플루오라이드의 농도가 감소하는 것으로 예측된다. 흡착제 용량을 사용한 능력에 있어서의 변화는, 잔류 플루오라이드 농도가 매우 적으므로 보다 높은 투여량들에서 최소이다.
5 mg의 흡착제 용량에서, 본 발명의 조성물은, 플루오라이드 흡착 능력이 105 mg/g인 반면 OTBN은, 플루오라이드 흡착 능력이 67mg/g이다. 이는 알루미늄계 화합물들의 플루오라이드 흡착 능력에 있어서 유의적인 증진뿐만 아니라 또한 OTBN의 흡착 능력보다 상당히 더 높다.
도 9는 본 발명의 하나의 측면에 따라서, 코어 속의 알루미늄 함량(초기 플루오라이드 농도 = 10mg/L, 지하수)에 대하여 나노스케일 쉘 속의 변하는 알루미늄 함량의 함수로서 나노스케일 수산화알루미늄 피복된 OTBN의 흡착 능력을 나타낸다. 당해 연구들은, 10mg/L의 초기 플루오라이드 농도로 스파이크(spike)된 지하수 속에서 수행하였다. 지하수의 pH는 7.8인 것으로 측정되었으며 전도도는 640 μS/cm인 것으로 측정되었다. 하기 표 1은 (플루오라이드로 스파이크한 후) 지하수의 이온 분석을 나타낸다:
지하수의 이온 분석
이온 농도 이온 농도
플루오라이드 10.6ppm 나트륨 53.7ppm
클로라이드 86.4ppm 칼륨 2.33ppm
니트레이트 1.84ppm 마그네슘 14.34ppm
설페이트 32.4ppm 칼슘 28.7ppm
실리케이트 15.9ppm
코어 조성물(OTBN, 쉘 퍼센트 = 0%)은 지하수 속에서 7.5 mg/g의 플루오라이드 흡착 능력을 나타내었다. 지하수 속에서 플루오라이드 흡착 능력에 있어서의 감소는 높은 pH에 기인하며, 이는 알루미늄계 화합물들의 능력 및 실리케이트와 같은 간섭 음이온들의 존재를 감소시키는 것으로 알려져 있다. 나노스케일 쉘의 두께(쉘 속의 Al의 중량 대 코어 속의 Al의 중량의 비로 표현됨)가 증가하면 플루오라이드 흡착 능력이 증가하며 90%의 Al쉘 : Al코어의 중량비에서 최대값에 도달한다. 관찰된 플루오라이드 흡착 능력은 15 mg/g이다. 쉘 두께에 있어서 추가의 증가 시, 플루오라이드 흡착 능력은 궁극적으로 감소한다. 따라서, 최적의 쉘 두께는 90%에서의 Al쉘 : Al코어의 중량비인 경우에 기록된다.
본 발명의 하나의 측면에서, 흡착제 조성물을 제조하는 방법이 제공된다. 적어도 하나의 금속 옥시하이드록사이드, 금속 하이드록사이드, 및 금속 옥사이드의 나노스케일 층을 유기--형판화된-베마이트-나노구조물(OTBN) 위에 형성시킨다. 나노스케일 층의 입자 크기는 약 3 나노미터 미만이다. 흡착제 조성물은 음료수로부터 플루오라이드를 제거하기 위해 사용된다. 당해 방법은 알칼리성 매질을 사용하여 금속 전구체를 가수분해시킴을 추가로 포함한다. 금속 전구체를 OTBN과 접촉시킴으로써, 금속 이온-OTBN 복합체를 형성시키며, 이는 염기와 접촉시킨다. 형성된 침전물을 여과하고, 세척하며 건조시킨다.
또 다른 측면에서, 본 발명의 방법에 의해 제조된 여과기를 포함하는 정수 시스템이 제공된다. 여과기는 양초, 성형된 다공성 블록, 여과기 베드(bed), 컬럼, 패킷(packet), 사세(sachet), 및 백(bag)의 형태로 실현될 수 있다. 당해 분야의 숙련가는, 여과기들의 이러한 형태들이 당해 분야에 잘 공지되어 있으며 이들의 설명은 본 발명을 혼란스럽게 하지 않도록 하기 위해 제외되었음을 인식할 것이다.
기술된 측면들은 본 발명을 설명하는 것이며 제한하는 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 취지 또는 필수적인 특징들로부터 벗어남이 없이 본 발명의 원리들을 사용하는, 본 발명에 기술된 어떠한 변형들도 여전히 본 발명의 영역내에 있음이 명백하다. 결과적으로, 설계, 방법들, 구조, 순서, 물질들 등의 변형들은 당해 분야의 숙련가들에게 명백할 수 있으며, 여전히 본 발명의 영역내에 있다.
다양한 수정들 및 변화들이 본 발명의 영역 또는 취지로부터 벗어나지 않고 본 발명내에서 이루어질 수 있음이 당해 분야의 숙련가에게 명백할 것이다. 본 발명의 다른 구현예들은 본원에 기재된 본 발명의 명세서 및 실시의 고려로부터 당해 분야의 숙련가들에게 명백할 것이다. 본 명세서 및 실시예들은 단지 예시적인 것으로서 고려되며, 본 발명의 진정한 영역 및 취지는 다음의 특허청구범위에 의해 나타내는 것으로 의도된다.

Claims (19)

  1. 유기-형판화된-베마이트-나노구조물(organic-templated-boehmite-nanoarchitecture: OTBN) 위에 금속 옥시하이드록사이드, 금속 하이드록사이드, 및 금속 옥사이드 중 적어도 어느 하나의 나노스케일 층을 형성시키는 것을 포함하며, 여기서 상기 나노스케일 층의 입자 크기는 약 3 나노미터 미만이고, 이에 의해 흡착제 조성물이 음료수로부터 플루오라이드를 제거하는데 사용되는, 흡착제 조성물을 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 알칼리성 매질을 사용하여 금속 전구체를 가수분해시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 나노스케일 층을 형성시키는 것이
    상기 금속 전구체를 OTBN과 접촉시킴으로써 금속 이온-OTBN 복합체를 형성시키고,
    상기 금속 이온-OTBN 복합체를 염기와 접촉시킴으로써 OTBN 위에 금속 옥시하이드록사이드, 금속 하이드록사이드, 및 금속 옥사이드 중 적어도 하나의 나노스케일 층을 형성시키는 것을 포함하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 형성된 침전물을 여과하고 물로 세척하는 것을 추가로 포함하는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 여과되고 세척된 침전물을 건조시켜 수분 성분을 제거하는 것을 추가로 포함하며, 여기서 건조를 약 60℃ 미만의 온도에서 수행함으로써, 제1의 물질을 형성시키는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 건조가 공기 건조 및 태양 건조 중의 적어도 하나를 포함하는 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 제1의 물질을 분쇄함으로써, 과립형 입자들을 형성시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 염기가 수산화나트륨, 수산화칼륨, 암모니아, 및 이들의 조합물들 중의 적어도 하나를 포함하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 흡착제 조성물이, 약 10mg/L의 초기 플루오라이드 농도에서 플루오라이드 흡착 능력이 약 100mg/g 초과인 음료수로부터 플루오라이드 및 비소 중의 적어도 하나를 제거하기 위해 사용되는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 OTBN이 균질한 수성 분산액, 수성 매질 속에 현탁된 수-불용성 과립들, 및 이들의 조합물들의 형태인 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 전구체가 알루미늄, 철, 티탄, 망간, 코발트,니켈, 구리, 은, 아연, 란탄, 세륨, 지르코늄, 칼슘, 마그네슘, 바륨 및 이들의 조합물들 중의 적어도 하나를 포함하는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 전구체가 황산알루미늄을 포함하는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 전구체가 질산알루미늄, 염화알루미늄, 알루미늄 이소프로폭사이드, 아세트산알루미늄, 및 이들의 조합물들 중의 적어도 하나를 포함하는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 나노스케일 층의 두께가 약 1nm 내지 약 10nm의 범위인 방법.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 OTBN의 존재하에 알칼리성 매질을 사용하여 비-금속 전구체를 가수분해시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 비-금속 전구체가 규소, 게르마늄, 텔루륨, 갈륨, 인듐, 및 이들의 조합물들 중의 적어도 하나를 포함하는 방법.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 OTBN의 존재하에서 알칼리성 매질을 사용하여 산 가용성 생중합체를 가수분해시키는 것을 추가로 포함하는 방법.
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 산 가용성 생중합체가 키토산, 나일론, 및 이들의 조합물들 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  19. 청구항 1에 있어서, 상기 흡착제 조성물이 양초, 성형된 다공성 블록, 여과기 베드(bed), 컬럼, 팩킷(packet), 사세(sachet) 및 백(bag) 중의 적어도 하나의 형태로 사용되는 방법.
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