KR20180005358A - Method for selectively adsorbing hazardous pollutants using mesoporous silica coated with thermo-responsive polymer - Google Patents

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Abstract

Mesoporous silica surface-treated with poly(N-isopropyl acrylamide) according to the present invention is coated with a thermosensitive polymer so as to selectively adsorb and remove anionic metal according to temperature control. The ionic metal contained in an aqueous solution can be effectively adsorbed and removed with high efficiency while maintaining the high safety of an adsorbent at a relatively low pH range, because no secondary treatment is required during the metal adsorption.

Description

온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카를 이용한 오염원의 선택적 흡착 방법{METHOD FOR SELECTIVELY ADSORBING HAZARDOUS POLLUTANTS USING MESOPOROUS SILICA COATED WITH THERMO-RESPONSIVE POLYMER}[0001] METHOD FOR SELECTIVELY ADSORBING HAZARDOUS POLLUTANTS USING MESOPOROUS SILICA COATED WITH THERMO-RESPONSIVE POLYMER [0002]

본 발명은 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카를 이용한 오염원의 선택적 흡착 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)와 아미노프로필트리에톡시실란으로 표면처리된 메조포러스실리카를 이용한 음이온성 금속 오염 물질의 선택적 흡착 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a selective adsorption method of a contamination source using mesoporous silica coated with a thermosensitive polymer. More particularly, the present invention relates to a selective adsorption method of anionic metal contaminants using mesoporous silica surface-treated with poly (N-isopropylacrylamide) and aminopropyltriethoxysilane.

자연적 발생 또는 각종 산업현장에서 인위적으로 배출된 수계 내 음이온성 금속 오염물질의 효과적인 제어를 위한 흡착제 개발의 중요성이 부각되고 있다. 환경 중에서 음이온성 금속 오염물질은 지하수, 표층수 및 토양 등에서 발견되며, 다양한 유기 또는 무기형태의 동식물에 축적되어 최종적으로 인간에게까지 해로운 영향을 미치고 있다.The importance of developing an adsorbent for the effective control of anionic metallic contaminants in aquatic environments, which are naturally occurring or artificially discharged at various industrial sites, is becoming increasingly important. In the environment, anionic metallic pollutants are found in groundwater, surface waters and soils, and accumulate in various organic or inorganic forms of plants and animals, which ultimately have detrimental effects on humans.

음이온성 금속 오염물질들이 포함된 식품의 섭취 및 음용수와 관련한 위험성에 대한 인식이 증가됨에 따라 역삼투, 이온교환, 응집침전, 흡착 또는 매립 등의 방법을 적용하여 음이온성 금속이 포함된 오염수를 정화하고 있으나, 이들 공정을 운영함에 있어서 오염물질의 선택적인 제거가 불가하거나 처리를 위해서 높은 비용이 요구되는 단점이 있다 (Poonkuzhali et al., 2014).As the awareness of the risks associated with ingestion of food containing anionic metal contaminants and drinking water has increased, reverse osmosis, ion exchange, flocculation, adsorption or landfill methods have been applied to remove contaminated water containing anionic metals (Poonkuzhali et al., 2014). However, in order to operate these processes, selective removal of pollutants is not possible or high cost is required for treatment.

한편, 수계 내 오염물질의 선택적인 흡착을 위한 방법으로 기존 흡착제에 N-이소프로필 아크릴아마이드와 같은 온도감응성 고분자를 도입하는 방법이 있다. 온도감응성 고분자는 온도 변화에 따라 졸 또는 겔의 형태로 상이 전이되며, 이때의 온도를 저임계용액 온도 (Lower critical solution temperature; LCST)라고 한다. 온도감응성 고분자는 온도변화에 민감하게 반응하고 다양한 화합물들과 공중합체를 제조함으로써 저임계용액 온도를 용이하게 조절할 수 있다는 장점을 가진다.
On the other hand, as a method for selectively adsorbing contaminants in a water system, there is a method of introducing a thermosensitive polymer such as N-isopropylacrylamide into an existing adsorbent. The temperature-sensitive polymer is phase-transformed in the form of a sol or gel depending on the temperature, and the temperature at this time is referred to as a lower critical solution temperature (LCST). The thermosensitive polymer is sensitive to temperature changes and has the advantage of easily controlling the temperature of the low-critical solution by preparing various compounds and copolymers.

최근, 온도감응성 고분자인 N-이소프로필 아크릴아마이드를 이용한 특정 물질의 선택적 담지, 흡착 및 약물전달시스템 (Drug delivery system; DDS)에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다. N-이소프로필 아크릴아마이드는 오래 전부터 온도변화에 따른 상전이 관련 연구가 이루어져 왔으며, 약물전달이나 물질 분리 등 다양한 분야에 응용되어 왔다 (Tokuyama and Iwama, 2007). N-이소프로필 아크릴아마이드는 32℃ 이상의 온도에서 상전이가 나타나며, 온도감응성을 보이는 N-이소프로필 아크릴아마이드의 담지체로서 메조포러스실리카의 이용은 넓은 표면적, 넓은 세공 용적 및 비교적 규칙적인 세공을 가지고 있는 장점을 가진다 (Blin et al., 2013; Yang et al., 2013).Recently, various researches have been conducted on the selective carrying, adsorption and drug delivery system (DDS) of a specific substance using a thermosensitive polymer, N-isopropylacrylamide. N-isopropylacrylamide has long been studied for phase transitions due to temperature changes and has been applied in various fields such as drug delivery and material separation (Tokuyama and Iwama, 2007). N-isopropylacrylamide exhibits phase transition at a temperature of 32 ° C or higher, and the use of mesoporous silica as a carrier of thermosensitive N-isopropylacrylamide has a wide surface area, a wide pore volume, and relatively regular pores (Blin et al., 2013; Yang et al., 2013).

이전에 보고된 연구들에서 수용액으로부터 선택적인 중금속 오염물질의 흡착을 위해 메조포러스실리카에 다양한 킬레이트 물질 도입에 관한 연구들이 보고된 바 있다 (Bibby and Mercier, 2002; Araghi et al., 2015). 특히, 사용된 킬레이트 물질들 중에서 아민 (-NH2) 작용기를 포함하는 화합물의 경우 pH에 따라서 선택적으로 산소산 음이온 (Oxoanions) 또는 양이온성 금속에 대한 우수한 흡착 성능을 보일 수 있다 (Mureseanu et al., 2008). Previously reported studies on the introduction of various chelating agents into mesoporous silica for adsorption of selective heavy metal contaminants from aqueous solutions have been reported (Bibby and Mercier, 2002; Araghi et al., 2015). In particular, among the chelating agents used, compounds containing amine (-NH 2 ) functional groups can exhibit excellent adsorption performance on oxoanions or cationic metals selectively depending on the pH (Mureseanu et al. 2008).

구체적인 예로서, 대한민국 등록특허 제0347254호는 킬레이트 리간드가 결합된 중형기공성 실리카의 제조방법에 관한 것으로서 실리카 표면에 아미노프로필트리에톡시실란 및 머캡토프로필트리메톡시실란 등의 반응기를 결합시켜 실리카-리간드 조성물을 합성한 중금속 오염물의 흡착제에 대하여 개시되어 있다. 또한 본 연구에서 메조포러스의 합성 및 메조포러스 실리카의 표면에 온도감응성 고분자의 도입은 이전의 연구에서 보고된 SBA-15의 제조방법과 Chang et al.(2004)이 제시한 방법에 기초를 두고 흡착제를 제조한 방법이다. As a specific example, Korean Patent Registration No. 0347254 relates to a method for producing a mesoporous silica to which a chelating ligand is bonded, wherein a reactor such as aminopropyltriethoxysilane and mercaptopropyltrimethoxysilane is bonded to the surface of silica, - adsorbents of heavy metal contaminants in which ligand compositions are synthesized. In this study, the synthesis of mesoporous silica and the introduction of thermosensitive polymer on the surface of mesoporous silica were carried out by using the adsorbent based on the preparation method of SBA-15 and Chang et al. (2004) .

폐수 용액으로부터 음이온성의 특정 오염물질 및 희귀금속의 선택적 흡착 및 회수 효율을 높이기 위해서는 보다 우수한 성능을 가진 온도감응성 흡착제를 제공할 필요가 있으며, 이에 본 발명자들은 폐수로부터 음이온성 금속 오염물질의 선택적인 흡착을 위해서 온도감응성 고분자와 음이온성 금속 오염물질에 흡착을 위한 작용기를 비교적 균일한 세공과 표면적을 보유한 메조포러스 실리카에 도입하였다.
In order to increase the efficiency of selective adsorption and recovery of anionic specific contaminants and rare metals from wastewater solutions, it is necessary to provide a temperature sensitive adsorbent having superior performance. Accordingly, the present inventors have found that selective adsorption of anionic metal contaminants The functional groups for adsorption on thermosensitive polymer and anionic metal contaminants were introduced into mesoporous silica with relatively uniform pore and surface area.

본 발명은 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카를 제공하고자 한다. 보다 구체저적으로, 본 발명은 폐수의 온도 조절에 따라 선택적으로 음이온성 금속 오염물질에 대한 흡착능을 가지는 아미노프로필트리에톡시실란 및 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)로 표면처리된 메조포러스 실리카의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention provides a mesoporous silica coated with a thermosensitive polymer for selective adsorption of contaminants. More specifically, the present invention relates to a process for the preparation of mesoporous silica which is surface-treated with aminopropyltriethoxysilane and poly (N-isopropylacrylamide), optionally with adsorptivity to anionic metal contaminants, And a method for producing the same.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여The present invention has been made to solve the above problems

(A) 메조포러스실리카에 오염물질흡착제와 온도감응성 고분자를 첨가하여 메조포러스 실리카-오염물질흡착제-온도감응성 고분자 복합체를 합성하는 단계; 및(A) synthesizing a mesoporous silica-contaminant sorbent-thermosensitive polymer complex by adding a pollutant sorbent and a thermosensitive polymer to the mesoporous silica; And

(B) 상기 메조포러스실리카-오염물질흡착제-온도감응성 고분자 복합체에 N-이소프로필 아크릴아마이드를 첨가한 후 질소 분위기 하에서 중합반응을 유도하여 메조포러스실리카-오염물질흡착제-N-이소프로필 아크릴아마이드 고분자 복합체를 합성하는 단계를 포함하고, (B) N-isopropylacrylamide is added to the mesoporous silica-contaminant adsorbent-thermosensitive polymer complex and the polymerization reaction is induced in a nitrogen atmosphere to obtain a mesoporous silica-contaminant adsorbent-N-isopropylacrylamide polymer And synthesizing the complex,

상기 오염물질흡착제는 아미노프로필트리에톡시실란이고, Wherein the contaminant sorbent is aminopropyltriethoxysilane,

상기 온도감응성 고분자는 (트리메톡시실릴)프로필 메타크릴산인 것을 특징으로 하는, 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법을 제공하고자 한다. 본 발명에 따른 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법에 관한 모식도를 도 1에 나타내었다. Wherein the thermosensitive polymer is (trimethoxysilyl) propyl methacrylic acid. The present invention also provides a method for producing mesoporous silica coated with thermosensitive polymer for selective adsorption of contaminants. FIG. 1 shows a schematic diagram of a process for producing a thermosensitive polymer-coated mesoporous silica according to the present invention.

예를 들면, 메조포러스 실리카(MS)를 합성하고, 상기 메조포러스 실리카에 아미노프로필트리에톡시실란 및 (트리메톡시실릴)프로필 메타크릴산을 혼합하여 메조포러스실리카-오염물질흡착제-온도감응성 고분자 복합체(MS@APTES@MOP) 제조한 다음, 상기 MS@APTES@MOP에 N-이소프로필 아크릴아마이드의 첨가후 중합반응을 유도하여 메조포러스실리카-오염물질흡착제-폴리(N-이소프로필아크릴아마이드) 고분자 복합체인 MS@APTES@PNIPAm가 제조될 수 있다. For example, mesoporous silica (MS) is synthesized, aminopropyltriethoxysilane and (trimethoxysilyl) propylmethacrylic acid are mixed with the mesoporous silica, and mesoporous silica-contaminant adsorbent-temperature sensitive polymer (MS @ APTES @ MOP), followed by the addition of N-isopropylacrylamide to MS @ APTES @ MOP to induce polymerization to form a mesoporous silica-contaminant sorbent-poly (N-isopropylacrylamide) The polymer complex MS @ APTES @ PNIPAm can be prepared.

본 발명에 따른 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (A)는 메조포러스실리카 1 중량부에 대하여 오염물질흡착제 1-2 중량부 및 온도감응성 고분자 1-2 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 한다. The method for preparing a thermosensitive polymer-coated mesoporous silica for selectively adsorbing contaminants according to the present invention is characterized in that the step (A) comprises adding 1 to 2 parts by weight of a contaminant adsorbent to 1 part by weight of mesoporous silica, And 1 to 2 parts by weight of a hygroscopic polymer are added.

본 발명에 따른 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법에 있어서, 상기 단계 (B)는 상기 메조포러스실리카-오염물질흡착제-온도감응성 고분자 복합체 1 중량부에 대하여 1 중량부의 아조비스이소부티니트릴을 첨가하여 N-이소프로필아크릴아마이드의 중합반응을 유도함을 특징으로 한다. In the process for preparing a thermosensitive polymer-coated mesoporous silica for selective adsorption of a contaminant according to the present invention, the step (B) is a step of dissolving 1 part by weight of the mesoporous silica-contaminant adsorbent-temperature responsive polymer composite 1 part by weight of azobisisobutynitrile is added to induce the polymerization reaction of N-isopropylacrylamide.

본 발명에 따른 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법에 있어서, 상기 오염물질은 음이온성 금속인 것을 특징으로 한다. 상기 음이온성 금속은 음이온성 중금속, 음이온성 유가금속 또는 음이온성 희귀금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 음이온성 금속은 육가크롬 또는 비소일 수 있다. In accordance with the present invention, there is provided a method for preparing a thermosensitive polymer-coated mesoporous silica for selective adsorption of a contaminant, wherein the contaminant is an anionic metal. The anionic metal may include an anionic heavy metal, an anionic valent metal or an anionic rare metal. For example, the anionic metal may be hexavalent chrome or arsenic.

본 발명에 따른 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법에 있어서, 상기 오염물질은 pH 2.5 내지 pH 4.0 범위에서 고흡착 성능을 나타낼 수 있다. In the method for preparing mesoporous silica coated with thermosensitive polymer for selective adsorption of contaminants according to the present invention, the contaminants may exhibit high adsorption performance in the range of pH 2.5 to pH 4.0.

본 발명에 따른 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법에 있어서, 상기 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카는 25℃에서 5-10분, 40℃에서 200-300분 이내에 오염물질을 흡착시킬 수 있다.
The mesoporous silica coated with thermosensitive polymer may be subjected to a thermal treatment at 25 ° C. for 5 to 10 minutes, at a temperature of 40 ° C. to 200 ° C., Contaminants can be adsorbed within 300 minutes.

도 1은 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)와 아미노프로필트리에톡시실란으로 표면처리된 메조포러스실리카의 합성에 관한 모식도이다.
도 2는 아미노프로필트리에톡시실란 및 (트리메톡시실릴)프로필 메타크릴산으로 표면처리된 메조포러스실리카와 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)로 표면처리된 메조포러스 실리카의 열 중량 분석 그래프이다.
도 3은 메조포러스실리카, 아미노프로필트리에톡시실란 및 (트리메톡시 트리메톡시실릴)프로필 메타크릴산으로 표면처리된 메조포러스 실리카와 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)로 표면처리된 메조포러스 실리카의 BET 분석 그래프이다.
도 4는 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)와 아미노프로필트리에톡시실란으로 표면처리된 메조포러스 실리카의 온도에 따른 선택적 오염물질 제거 정도를 측정한 그래프이다.
도 5는 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)와 아미노프로필트리에톡시실란으로 표면처리된 메조포러스 실리카의 금속 오염물질 흡착 시 반응속도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)와 아미노프로필트리에톡시실란으로 표면처리된 메조포러스 실리카의 합성된 온도감응성 매질의 오염물질 흡착 성능을 확인한 등온흡착 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)와 아미노프로필트리에톡시실란으로 표면처리된 메조포러스실리카의 pH에 따른 음이온성 금속 오염물질의 흡착 정도를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram for the synthesis of mesoporous silica surface-treated with poly (N-isopropylacrylamide) and aminopropyltriethoxysilane.
2 is a thermogravimetric analysis graph of mesoporous silica surface-treated with aminopropyltriethoxysilane and (trimethoxysilyl) propylmethacrylic acid and mesoporous silica surface-treated with poly (N-isopropylacrylamide) .
FIG. 3 is a graph showing the results of measurement of mesoporous silica surface treated with mesoporous silica, aminopropyltriethoxysilane and (trimethoxytrimethoxysilyl) propylmethacrylic acid, and mesoporous silica surface treated with poly (N-isopropylacrylamide) BET analysis graph of silica.
4 is a graph showing the degree of removal of selective contaminants depending on the temperature of mesoporous silica surface-treated with poly (N-isopropylacrylamide) and aminopropyltriethoxysilane.
FIG. 5 is a graph showing the reaction rate when adsorbing metal contaminants on mesoporous silica surface-treated with poly (N-isopropylacrylamide) and aminopropyltriethoxysilane.
FIG. 6 is a graph showing the results of isothermal adsorption experiments confirming the adsorption performance of pollutants in the synthesized thermosensitive medium of poly (N-isopropylacrylamide) and mesoporous silica surface-treated with aminopropyltriethoxysilane.
7 is a graph showing adsorption of anionic metal contaminants depending on pH of mesoporous silica surface-treated with poly (N-isopropylacrylamide) and aminopropyltriethoxysilane.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are for further illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

<실시예><Examples>

실시예Example 1:  One: 메조포러스Mesoporous 실리카(MS)의 합성 Synthesis of silica (MS)

폴리에틸렌옥사이드-폴리프로필렌옥사이드-폴리에틸렌옥사이드와 실리카 전구체로 테트라에틸 올소실리케이트를 pH를 1 ~ 2 범위의 0.2 M 염산 용액에 서서히 첨가하여 반응시킨다. 준비된 용액을 40℃ 반응기에서 12시간 교반하면 반응이 이루어지는 동안 혼합용액은 불투명하게 변하게 되며, 12시간 후 반응용액을 스틸 가압기에 넣고 120℃ 오븐에서 8시간 동안 에이징(aging)을 진행하였다. 에이징이 완료된 용액을 상온에서 식히고 감압여과기로 필터 및 세척을 진행한 후 상온에서 건조하였다. 건조 후 전기로를 사용하여 550℃에서 6시간 동안 소성하여 최종적으로 메조크기의 미세 기공을 보유한 메조포러스 실리카를 합성하였다.
Polyethylene oxide-polypropylene oxide-polyethylene oxide and tetraethyl orthosilicate as a silica precursor are slowly added to a 0.2 M hydrochloric acid solution having a pH ranging from 1 to 2. When the prepared solution was stirred in a 40 ° C reactor for 12 hours, the mixed solution became opaque during the reaction. After 12 hours, the reaction solution was placed in a steel pressor and aged in an oven at 120 ° C for 8 hours. The aged solution was cooled at room temperature, filtered and washed with a vacuum filter, and dried at room temperature. After drying, calcination was carried out at 550 ° C. for 6 hours using an electric furnace to finally synthesize mesoporous silica having fine mesopores.

실시예Example 2:  2: 메조포러스Mesoporous 실리카에  To silica 아미노프로필트리에톡시실란Aminopropyltriethoxysilane 및 ( And ( 트리메톡시실릴Trimethoxysilyl )프로필 메타크릴산이 혼합된 MS@APTES@MOP의 제조) &Lt; / RTI &gt; propyl methacrylate mixed MS @ APTES @ MOP

실시예 1에서 제조된 메조포러스 실리카 1.0 g을 100 mL 톨루엔에 분산시킨 후 교반하면서 유기작용기를 갖는 유기 실란 화합물들인 아미노프로필트리에톡시실란 1.17 mL과 (트리메톡시실릴)프로필 메타크릴산 1.82 mL을 서서히 적가하였다. 준비된 혼합용액을 오일배스에서 100℃로 12시간 환류시킨 후 상온에서 냉각시켰다. 원심분리로 합성된 입자를 분리하고 메탄올로 3회 세척한 후 상온에서 12시간 진공조건에서 건조하였다.1.0 g of the mesoporous silica prepared in Example 1 was dispersed in 100 mL of toluene, and 1.17 mL of organic silane compounds having organic functional groups, 1.17 mL of trimethylsilylacetoxypropylmethacrylate and 1.82 mL of (trimethoxysilyl) propylmethacrylic acid Was slowly added dropwise. The prepared mixed solution was refluxed at 100 占 폚 for 12 hours in an oil bath and then cooled at room temperature. The particles were separated by centrifugation, washed three times with methanol, and then dried under vacuum at room temperature for 12 hours.

상기에서 제조된 입자를 MS@APTES@MOP로 명명하였으며, 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)로 표면처리된 메조포러스를 합성하기 위한 전구체 물질로 이용하였다.
The particles prepared above were named MS @ APTES @ MOP and used as a precursor material for synthesizing mesoporous surface-treated with poly (N-isopropylacrylamide).

실시예Example 3: MS@APTES@MOP에 N-이소프로필  3: MS @ APTES @ MOP with N-isopropyl 아크릴아마이드이Acrylamide 첨가된 MS@APTES@PNIPAm의 제조단계 Preparation of the MS @ APTES @ PNIPAm added

상기 실시예 2에서 제조된 MS@APTES@MOP 500 mg를 100 mL의 아세토나이트릴 용액에 초음파 세척기를 이용해 균일하게 분산시킨 후 재결정화된 N-이소프로필 아크릴아마이드를 300 mM로 조절하였다. 혼합용액에 N-이소프로필 아크릴아마이드의 중합반응을 유도하기 위해서 0.05 g의 재결정화된 아조비스이소부티로니트릴(2,2'-azobisisobutyronitrile)을 가하였으며, 중합반응은 질소분위기로 조절한 반응기에서 90℃로 16시간동안 환류하여 진행하였다. 원심분리로 합성된 입자를 분리하고 에탄올 3회 세척한 후 상온에서 12시간 진공조건에서 건조하였다.500 mg of MS @ APTES @ MOP prepared in Example 2 was uniformly dispersed in 100 mL of acetonitrile solution using an ultrasonic washing machine, and then recrystallized N-isopropylacrylamide was adjusted to 300 mM. To induce polymerization of N-isopropylacrylamide in the mixed solution, 0.05 g of recrystallized azobisisobutyronitrile (2,2'-azobisisobutyronitrile) was added. The polymerization was carried out in a reactor adjusted to a nitrogen atmosphere Followed by refluxing at 90 DEG C for 16 hours. The particles were separated by centrifugation, washed with ethanol three times, and dried under vacuum at room temperature for 12 hours.

상기에서 제조된 입자를 MS@APTES@PNIPAm로 명명하였으며, 특성 분석 및 음이온성 금속 오염물질에 대한 제거실험을 실시하였다.
The particles prepared above were designated as MS @ APTES @ PNIPAm, and their characterization and removal experiments on anionic metal contaminants were performed.

실시예Example 4: MS@APTES@MOP 및 MS@APTES@PNIPAm의 열 중량분석 4: Thermogravimetric analysis of MS @ APTES @ MOP and MS @ APTES @ PNIPAm

상기 실시예 2와 실시예 3을 통해 각각 제조된 MS@APTES@MOP, MS@APTES@PNIPAm의 열 중량분석(Thermogravimetric analysis, SDT Q900 TA instrument) 결과 그래프를 도 2에 나타내었다.FIG. 2 shows a thermogravimetric analysis (SDT Q900 TA instrument) graph of MS @ APTES @ MOP and MS @ APTES @ PNIPAm prepared in Example 2 and Example 3, respectively.

도 2의 합성된 매질들의 열 중량 분석 실험의 그래프를 참조하면, MS@APTES@MOP에서 메조포러스 실리카에 표면처리된 아미노프로필트리에톡시실란 및 (트리메톡시실릴)프로필 메타크릴산 비율은 중량비로 약 24%이며, 최종적으로 합성된 MS@APTES@PNIPAm에 표면처리된 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)는 중량비로 약 19.6%임을 보여주고 있다.
Referring to the graph of the thermogravimetric analysis of the synthesized mediums of FIG. 2, the ratio of aminopropyltriethoxysilane and (trimethoxysilyl) propylmethacrylate surface-treated to mesoporous silica in MS @ APTES @ (About 24%), and the poly (N-isopropylacrylamide) surface-treated on finally synthesized MS @ APTES @ PNIPAm is about 19.6% by weight.

실시예Example 5: MS, MS@APTES@MOP, MS@APTES@PNIPAm의 BET 분석 5: MS, MS @ APTES @ MOP, MS @ APTES @ PNIPAm BET analysis

상기 실시에 1 내지 3을 통해 제조된 MS, MS@APTES@MOP, 및 MS@APTES@PNIPAm의 BET 분석결과 그래프를 도 3에 나타내었다.A graph of the BET analysis results of MS, MS @ APTES @ MOP, and MS @ APTES @ PNIPAm prepared in Examples 1 to 3 is shown in FIG.

도 3의 합성된 매질들의 BET 분석결과 그래프를 참조하면, 상기 실시예로부터 합성된 매질들은 H1 타입의 히스테리시스 모양의 세공 모양을 나타내며, 이러한 결과는 합성된 매질의 세공이 규직적인 원통 모양이나 평행한 슬릿 모양을 가질 수 있음을 보여준다. 또한, 메조포러스 실리카에 표면처리에 따라서 흡착되는 기체의 양이 크게 감소하는 것을 나타내는데, 이러한 결과는 메조포러스 실리카의 표면 및 기공에 성공적으로 고분자 물질이 처리되었음을 보여준다.
Referring to the graph of the BET analysis results of the synthesized media of FIG. 3, the media synthesized from the above examples exhibit the H1 type hysteresis pore shape, and the result is that the pores of the synthesized medium are cylindrical in shape, Slit shape. It also shows that the amount of gas adsorbed to the mesoporous silica by the surface treatment is greatly reduced. This result shows that the polymer material has been successfully treated on the surface and pores of the mesoporous silica.

<< 실험예Experimental Example >>

음이온성 오염물질로서 Cr(VI)을 사용하였으며 Cr(VI)의 일반적인 특징을 하기의 표 1에 나타내었다.Cr (VI) was used as an anionic contaminant and general characteristics of Cr (VI) are shown in Table 1 below.

NameName Hexavalent chromiumHexavalent chromium Molecular formulaMolecular formula K2Cr2O7 K 2 Cr 2 O 7 Formula weight (g/mol)Formula weight (g / mol) 294.185294.185 Density (g/cm3)Density (g / cm 3 ) 2.6762.676 OdorOdor odorlessodorless

실험예Experimental Example 1.  One. 음이온성Anionic 금속 오염물질의 흡착에 초기 온도가 미치는 영향 및 반응시간(Kinetics) 분석 Influence of Initial Temperature on Adsorption of Metal Contaminants and Kinetics Analysis

합성된 온도감응성 매질을 이용한 음이온성 금속 오염물질의 제거에 온도의 영향 및 반응시간 분석을 실시하였다. 본 실험을 위하여 50 mL의 수용액을 250 mL 부피의 삼각플라스크에 넣은 후 pH를 2.5, 온도를 25 ℃와 40℃로 각각 일정하게 조절하고 0.01 g의 MS@APTES@PNIPAm과 함께 1시간 동안 교반하여 메조포러스 실리카 표면에 존재하는 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)가 충분하게 팽윤 및 응축이 되도록 유도하였다. 50 mL 반응용액에 음이온성 금속 오염물질의 농도를 31 mg/L로 조절하고 일정 시간 간격으로 샘플링을 진행하여 접촉 시간에 따른 오염물질의 흡착 및 온도의 영향을 확인하였다. 샘플링한 시료들을 원심분리하여 용액 내에 잔류하는 매질을 제거한 후 용액에 잔류한 음이온성 금속 오염물질은 디페닐카르바지드법을 이용하여 착화합물을 형성시킨 후 분광광도계로 흡광도를 분석하였고 흡착용량을 계산하여 도 4에 나타내었다. 음이온성 금속 오염물질의 농도를 확인하고 Pseudo-first order, Pseudo-second order 모델을 사용하여 반응속도를 계산하였으며, 결과를 모델링하여 도 5에 나타내었다.The effect of temperature and reaction time were analyzed in the removal of anionic metal contaminants using the synthesized thermosensitive media. For this experiment, 50 mL of aqueous solution was added to a 250 mL Erlenmeyer flask, and the pH was adjusted to 2.5, the temperature was adjusted to 25 ° C. and 40 ° C., and the mixture was stirred with 0.01 g of MS @ APTES @ PNIPAm for 1 hour Poly (N-isopropylacrylamide) present on the mesoporous silica surface was induced to swell and condense sufficiently. The concentration of the anionic metal contaminant was adjusted to 31 mg / L in the 50 mL reaction solution, and sampling was performed at regular intervals to confirm the adsorption of contaminants and the influence of temperature on the contact time. The sampled samples were centrifuged to remove the medium remaining in the solution, and the anionic metal contaminants remaining in the solution were separated by the diphenylcarbazide method to form complexes. The absorbance was analyzed by a spectrophotometer and the adsorption capacity was calculated 4. The concentration of anionic metal contaminants was determined and the reaction rate was calculated using a pseudo-first order, pseudo-second order model. The results are modeled and shown in FIG.

도 4의 결과는 음이온성 오염물질의 흡착에 초기 온도의 영향 및 반응시간 분석결과를 보여주며, 온도감응성 매질을 이용하여 음이온성 금속 오염물질을 제거함에 있어서 25℃와 40℃의 초기 온도에서 각각 38.6%, 79.7%의 제거 효율을 확인하였다. The results of FIG. 4 show the influence of the initial temperature on the adsorption of anionic contaminants and the reaction time analysis results. In the case of removing the anionic metallic contaminants using the temperature sensitive medium, the initial temperatures of 25 ° C. and 40 ° C. 38.6% and 79.7%, respectively.

도 5의 반응속도 실험의 그래프를 참조하면, 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)로 표면처리된 메조포러스 실리카의 음이온성 금속 오염물질의 흡착 용량은 25℃와 40℃의 초기 온도에서 각각 56.4 mg/g, 121.4 mg/g이며, 흡착 평형에 도달하는 시간은 25℃에서 5 ~ 10 분 이내, 40℃에서 200 ~ 300분 이내로 확인하였다.
5, the adsorption capacities of the anionic metal contaminants of mesoporous silica surface treated with poly (N-isopropylacrylamide) were 56.4 mg at initial temperatures of 25 ° C and 40 ° C, respectively / g and 121.4 mg / g, respectively. The time for reaching the adsorption equilibrium was confirmed within 5 to 10 minutes at 25 ° C and 200 to 300 minutes at 40 ° C.

실험예Experimental Example 2.  2. 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)로With poly (N-isopropylacrylamide) 표면처리된  Surface-treated 메조포러스Mesoporous 실리카를 사용한  Using silica 음이온성Anionic 금속의 등온흡착(Isotherm) 분석 Isotherm analysis of metals

합성된 온도감응성 매질의 오염물질 흡착 성능을 확인하기 위해서 등온흡착 분석 실험을 수행하였다. 실험은 pH를 2.5, 온도를 25℃와 40℃로 일정하게 조절한 50 mL의 수용액을 250 mL 삼각플라스크에 넣고 0.01 g의 MS@APTES@PNIPAm을 첨가한 후 반응용액에서 1시간 동안 교반하여 메조포러스 실리카 표면에 존재하는 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)가 충분하게 팽윤 및 응축이 되도록 유도하였다. 50 mL 반응용액에 음이온성 금속 오염물질의 농도를 19.1 ~ 124.6 mg/L으로 달리한 후 플라스크를 24시간 동안 160 rpm으로 교반시켰다. 흡착평형에 도달한 후 용액에 남아있는 오염물질의 농도를 확인하고 Langmuir 모델을 사용하여 최대 음이온성 금계 속 오염물질의 흡착성능과 결합 친화력 및 흡착곡선을 모델링하여 도 6과 표 2에 나타내었다.Isothermal adsorption analysis experiment was conducted to confirm the adsorption performance of contaminants in synthesized thermosensitive media. In the experiment, 50 mL of an aqueous solution having a pH of 2.5 and a constant temperature of 25 ° C. and 40 ° C. was added to a 250 mL Erlenmeyer flask, and 0.01 g of MS @ APTES @ PNIPAm was added thereto. After stirring for 1 hour in the reaction solution, Poly (N-isopropylacrylamide) present on the surface of the porous silica was sufficiently swollen and condensed. The concentration of anionic metal contaminants in the 50 mL reaction solution was varied from 19.1 to 124.6 mg / L, and the flask was agitated at 160 rpm for 24 hours. After the adsorption equilibrium is reached, the concentration of the contaminants remaining in the solution is checked, and the adsorption performance, binding affinity and adsorption curve of the maximum anionic group contaminants are modeled using the Langmuir model and shown in FIG. 6 and Table 2.

도 6의 등온흡착 그래프를 참조하면, 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)로 표면처리된 메조포러스 실리카의 음이온성 금속 오염물질의 최대흡착량은 414.9 mg/g이고 친화도는 0.015 L/g으로 우수한 음이온성 금속 흡착성능을 보여주고 있다.Referring to the isothermal adsorption graph of FIG. 6, the maximum adsorption amount of the anionic metal contaminants of the mesoporous silica surface-treated with poly (N-isopropylacrylamide) was 414.9 mg / g and the affinity was 0.015 L / g Showing excellent anionic metal adsorption performance.

Langmuir coefficientsLangmuir coefficients qmax (mg/g)q max (mg / g) b (L/mg)b (L / mg) R2 R 2 414.9414.9 0.0150.015 0.9820.982

실험예Experimental Example 3.  3. 음이온성Anionic 금속 오염물질의 흡착에 pH가 미치는 영향 Effect of pH on Adsorption of Metal Contaminants

온도감응성 고분자로 표면처리된 메조포러스 실리카를 이용한 음이온성 금속 오염물질의 제거에 pH가 미치는 영향을 확인하기 위하여 실험을 수행하였다. 실험은 0.1 M HCl 또는 0.1 M NaOH를 이용하여 pH를 2.5에서 10까지 다르게 조절한 30.9 ~ 31.7 mg/L 농도의 음이온성 금속 오염물질 50 mL과 0.01 g의 MS@APTES@PNIPAm을 250 mL 삼각플라스크에 넣고 40℃ 교반기에서 24시간 동안 160 rpm으로 교반하였다. 흡착평형에 도달한 후 용액에 남아있는 오염물질의 농도를 확인하기 위해서 디페닐카르바지드법을 이용하여 착화합물을 형성시킨 후 분광광도계(UV-Vis spectrophotometer, JASCO, V-550)를 이용하여 540 nm에서 흡광도를 측정하였으며, 결과를 도 7에 나타내었다.Experiments were conducted to confirm the effect of pH on the removal of anionic metal contaminants using mesoporous silica surface treated with thermosensitive polymer. 50 mL of anionic metal contaminants at 30.9 to 31.7 mg / L and 0.01 g of MS @ APTES @ PNIPAm, which were adjusted to pH 2.5 to 10 using 0.1 M HCl or 0.1 M NaOH, were added to a 250 mL Erlenmeyer flask And stirred at 160 rpm for 24 hours in a 40 DEG C stirrer. After the adsorption equilibrium was reached, the complexes were formed using the diphenylcarbazide method to confirm the concentration of the contaminants remaining in the solution. The complexes were then formed using a spectrophotometer (UV-Vis spectrophotometer, JASCO, V-550) , And the results are shown in Fig.

도 7의 pH 가 오염물질의 흡착에 미치는 영향에 관한 그래프를 참조하면, 폴리(N-이소프로필 아크릴아마이드)로 표면처리된 메조포러스 실리카의 음이온성 금속 오염물질 흡착결과는 pH 2.5와 pH 4.0 범위의 비교적 낮은 pH 범위에서 높은 흡착용량을 나타내는 것을 나타낸다.
7, the adsorption results of anionic metal contaminants on mesoporous silica surface treated with poly (N-isopropylacrylamide) are shown in the range of pH 2.5 and pH 4.0 Indicating a high adsorption capacity at a relatively low pH range.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (7)

(A) 메조포러스실리카에 오염물질흡착제와 온도감응성 고분자를 첨가하여 메조포러스 실리카-오염물질흡착제-온도감응성 고분자 복합체를 합성하는 단계; 및
(B) 상기 메조포러스실리카-오염물질흡착제-온도감응성 고분자 복합체에 N-이소프로필 아크릴아마이드를 첨가한 후 질소 분위기 하에서 중합반응을 유도하여 메조포러스실리카-오염물질흡착제-N-이소프로필 아크릴아마이드 고분자 복합체를 합성하는 단계를 포함하고,
상기 오염물질흡착제는 아미노프로필트리에톡시실란이고,
상기 온도감응성 고분자는 (트리메톡시실릴)프로필 메타크릴산인 것을 특징으로 하는, 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법.
(A) synthesizing a mesoporous silica-contaminant sorbent-thermosensitive polymer complex by adding a pollutant sorbent and a thermosensitive polymer to the mesoporous silica; And
(B) N-isopropylacrylamide is added to the mesoporous silica-contaminant adsorbent-thermosensitive polymer complex and the polymerization reaction is induced in a nitrogen atmosphere to obtain a mesoporous silica-contaminant adsorbent-N-isopropylacrylamide polymer And synthesizing the complex,
Wherein the contaminant sorbent is aminopropyltriethoxysilane,
Wherein the thermosensitive polymer is (trimethoxysilyl) propyl methacrylic acid. 2. The method of claim 1, wherein the thermosensitive polymer is (trimethoxysilyl) propyl methacrylate.
제 1항에 있어서,
단계 (A)는 메조포러스실리카 1 중량부에 대하여 오염물질흡착제 1-2 중량부 및 온도감응성 고분자 1-2 중량부를 첨가하는 것을 특징으로 하는 것인, 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein step (A) comprises adding 1-2 parts by weight of a pollutant adsorbent to 1 part by weight of mesoporous silica and 1-2 parts by weight of a temperature responsive polymer. Lt; RTI ID = 0.0 &gt; mesoporous &lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
단계 (B)는 상기 메조포러스실리카-오염물질흡착제-온도감응성 고분자 복합체 1 중량부에 대하여 1 중량부의 아조비스이소부티니트릴을 첨가하여 N-이소프로필아크릴아마이드의 중합반응을 유도함을 특징으로 하는 것인, 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Step (B) is characterized in that 1 part by weight of azobisisobutynitrile is added to 1 part by weight of the mesoporous silica-contaminant adsorbent-temperature responsive polymer composite to induce polymerization reaction of N-isopropylacrylamide A process for the preparation of thermosensitive polymer coated mesoporous silica for the selective adsorption of contaminants.
제 1항에 있어서,
상기 오염물질은 음이온성 금속인 것을 특징으로 하는 것인, 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법.
.
The method according to claim 1,
Wherein the contaminant is an anionic metal. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
.
제 4항에 있어서,
상기 음이온성 금속은 음이온성 중금속, 음이온성 유가금속 또는 음이온성 희귀금속을 포함하는 것인, 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Wherein the anionic metal comprises an anionic heavy metal, an anionic valent metal or an anionic rare metal. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
상기 오염물질은 pH 2.5 내지 pH 4.0 범위에서 고흡착 성능을 나타내는 것인, 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the contaminant exhibits a high adsorption performance in the pH range of 2.5 to pH 4.0. 2. The method of claim 1, wherein the contaminant exhibits a high adsorption performance in the range of pH 2.5 to pH 4.0.
제 1항에 있어서,
온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카는 25℃에서 5-10분, 40℃에서 200-300분 이내에 오염물질을 흡착시키는 것인, 오염물질의 선택적 흡착을 위한 온도감응성 고분자가 코팅된 메조포러스 실리카의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermosensitive polymer-coated mesoporous silica adsorbs contaminants within 5 minutes to 10 minutes at &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 25 C &lt; / RTI &&Lt; / RTI &gt;
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