KR20180051789A - 물/기름 분리 및 오염물 정화가 동시에 가능한 일체형 자기부유장치 - Google Patents

물/기름 분리 및 오염물 정화가 동시에 가능한 일체형 자기부유장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자기부유장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물과 기름의 분리 및 오염물의 제거를 동시에 수행할 수 있는 초친수성 및 초소수성의 일체형 자기부유장치에 관한 것이다.

Description

물/기름 분리 및 오염물 정화가 동시에 가능한 일체형 자기부유장치{Self floating system for both separating water and oil and purification contaminant}
본 발명은 자기부유장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물과 기름의 분리 및 오염물의 제거를 동시에 수행할 수 있는 초친수성과 초소수성의 하이브리드 일체형 자기부유장치에 관한 것이다.
해양 생태계는 빈번히 발생되는 기름 유출 사고 또는 유기오염물의 배출 등으로 심각한 위협을 받고 있다. 또한, 산업체로부터 물과 기름의 혼합 폐수가 발생되고, 특히, 물 층에는 독성 오염물이 함유되어 이를 정화학기 위한 다단계 공정을 거치기는 하나, 비용이 높아 새로운 공법이 요구되고 있다.
다양한 물과 기름의 분리를 위한 방법들이 제시되고는 있으나, 바다에서 기름이 유출되는 사고의 경우, HNS(위험유해물질)이 유출되는 경우를 비롯하여 유독성 가스 누출 또는 화재 등의 여러 위험 요인이 발생하여 물/기름 분리에 제한되지 않고 상기의 위험 요인, 즉 유해물질을 동시에 제거하는 기술이 필요하고 이를 통해 비용을 낮추고 성능을 개선할 수 있는 기술에 대한 연구 개발이 필요하다.
한국공개특허 제10-2015-0115301호(2015.10.14.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기름과 물의 분리와 동시에 물 층의 오염물을 제거할 수 있는 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 흡착 성능이 탁월하며, 외부 환경에도 물성이 저하되지 않고, 부유 가능한 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체를 포함하며, 상기 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체는 각각 도파민계 중합체로 표면이 개질된 것인 고흡착성 일체형 자기부유장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고흡착성 일체형 자기부유장치는 친수성 금속 메쉬 내부에 소수성 발포체를 구비한 형태를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고흡착성 일체형 자기부유장치에 있어서, 상기 도파민계 중합체로 표면이 개질된 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체 각각은 50 내지 150℃에서 10분 내지 1440분 동안 열처리된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고흡착성 일체형 자기부유장치에 있어서, 상기 도파민계 중합체로 표면이 개질된 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체 각각은 소수성 물질이 결합된 것일 수 있다. 이때, 상기 소수성 물질은 옥타데실아민, 헥사데실아민, 헵타데실아민, 노나데실아민, 도데실아민, 테트라데실아민, p-페닐린디아민, 3,4-디메틸페닐아민, 4-클로로아닐린 및 페닐부틸아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 아민계 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고흡착성 일체형 자기부유장치는 기름과 물을 분리하는 것과 동시에 물 층의 중금속 이온을 포함한 오염물을 용이하게 제거할 수 있는 장점이 있다.
더구나, 흡착 성능이 탁월하며, 외부의 극한 환경에 노출되어도 물성이 저하되지 않고 장기간 내구성이 우수한 장점이 있다.
본 발명에 따른 자기부유장치는 내염수성 및 내화학성이 뛰어나며, 구조적 강성을 가지고 있어 다양한 분야에 활용을 할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고흡착성 자기부유장치를 나타낸 것이다.
도 2는 폴리도파민을 표면에 코팅한 구리 메쉬를 주사투과전자현미경을 이용하여 사진으로 나타낸 것이다.
도 3은 구리 메쉬 표면에 폴리도파민을 코팅한 후 12시간 열처리 전과 후의 X선 광전자 분광법의 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 멜라민 포름알데히드 발포체의 표면 처리 후 열처리 시간에 따라 측정된 주사투과전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부유장치의 중금속(납) 흡착율을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부유장치의 기름과 물 분리 시험 결과 분리 효율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 구리 메쉬에 폴리 도파민 코팅 후 열처리 과정 유, 무에 따른 주사투과전자현미경 이미지이다.
도 8은 구리 메쉬에 옥타데실아민만을 코팅했을 때와 구리 메쉬에 폴리도파민 코팅 후 옥타데실아민을 코팅했을 때의 표면 차이를 나타낸 것이다.
도 9는 구리 메쉬에 폴리도파민 코팅 후 열처리를 실시한 다음 물 접촉각을 측정한 것이다.
이하 첨부된 도면 및 구체예들을 참조하여 본 발명에 따른 고흡착성 자기부유장치에 대하여 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확하게 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체를 포함하며, 상기 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체는 도파민계 중합체로 표면이 개질된 것인 고흡착성 일체형 자기부유장치를 제공한다.
상기 자기부유장치는 바람직하게는 친수성 금속 메쉬 내부에 소수성 발포체를 구비한 형태를 가질 수 있다. 상기 친수성 금속 메쉬는 상기 소수성 발포체를 내부에 담을 수 있는 외부 구조로 일종의 케이지로서의 역할을 할 수 있는 몸체인 것일 수 있다. 즉, 케이지 내부에 소수성 발포체를 포함하며, 뜰채, 바구니 또는 보트 형태의 구조를 가질 수 있고, 독립적인 케이지들을 결합 도구를 이용하여 연결하여 오염물을 제거하는데 활용할 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 친수성 금속 메쉬는 메쉬 크기가 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 상기 메쉬 크기는 내부에 포함되는 소수성 발포체의 크기에 따라 조절될 수 있다.
상기 소수성 발포체는 상기 친수성 금속 메쉬 내부에 포함되는 하나의 형상일 수 있으나, 적용 대상이나 효율을 고려하여 둘 이상의 물성이 다른 소수성 발포체가 투입될 수 있다. 또는 상부와 하부 혹은 여러 구획으로 나누어 상기 친수성 금속 메쉬 내부에 포함될 수 있다.
상기 친수성 금속 메쉬는 열에 강하고 단단하여 외부 자극에 크게 영향을 받지 않은 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 일예로 구리 메쉬, 알루미늄 메쉬, 니켈 메쉬 또는 철 메쉬 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 구리 메쉬를 사용하는 것이 좋다. 또한, 열처리에 의해 변형되지 않는 것이라면 그 종류에 크게 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 폴리머 메쉬 혹은 아크릴 섬유, 나일론 섬유 등의 직물 메쉬도 사용될 수 있다.
상기 친수성 금속 메쉬는 금속 표면을 친수성으로 처리시킨 것을 사용할 수 있다. 표면을 친수화하는 방법은 크게 제한되는 것은 아니지만, 금속을 산 용액에 침지시키는 방법이나 금속의 표면을 플라즈마로 처리하는 방법을 사용할 수 있다. 금속을 산 용액에 일정 시간동안 침지시키는 방법은 금속 표면을 산에 의해 마이크로 스케일의 요철 구조를 형성하는 것이며, 사용될 수 있는 산 용액으로는 금속에 따라 다를 수 있지만 염산 수용액, 질산 수용액, 왕수 등이 사용되며, 이에 제한되는 것은 아니다. 금속 표면을 플라즈마 처리하는 방법은 상압, 상온, 공기 분위기 하에서 플라즈마 처리하는 것으로, 바람직하게는 공기 분위기 하에서 플라즈마 처리하는 것이 공정을 줄일 수 있어 더욱 좋다. 플라즈마는 비교적 낮은 에너지를 갖는 글로우 방전형태로서 대상물인 금속의 물성을 변화시키지 않고도 친수성으로서의 표면 개질 효과를 가져 올 수 있다.
상기 친수성 금속 메쉬는 바람직하게는 산 용액에 의한 처리 이후 플라즈라 처리를 실시하여 계층적 구조를 가지도록 함으로써 친수성을 극대화할 수 있고 장기간 친수성을 유지할 수 있어 더욱 좋다.
상기 친수성 금속 메쉬는 도파민계 중합체로 표면이 개질된 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 친수성 금속 메쉬는 표면 상에 도파민 나노입자가 형성되어 표면이 개질된 것일 수 있다.
상기 도파민계 중합체는 도파민계 단량체를 이용하여 형성되는 폴리도파민 또는 도파민계 공중합체인 것일 수 있으며, 카테콜기 또는 이의 유도체를 갖는 화합물을 포함할 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 도파민계 단량체는 하기 화학식 1로 표기되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 하기 화학식 1에서, 하기 R11 및 R12는 각각 독립적으로 수소 또는 C1-C5 알킬일 수 있다.
상기 도파민계 중합체로 표면이 개질된 친수성 금속 메쉬는 표면 상에 형성된 도파민계 중합체 코팅층의 두께가 50 내지 150nm인 것이 흡착 성능 측면에서 더욱 좋다.
본 발명에서 소수성 발포체는 소수성을 갖는 발포체라면 제한없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 멜라민계 수지 발포체를 사용할 수 있다. 좋게는 멜라민 포름알데히드 발포체인 것일 수 있다.
상기 멜라민 포름알데히드 발포체는 크게 제한되는 것은 아니지만, 멜라민 포름알데히드 예비축합물을 이용하여 발포제를 이용하여 용매 중에 발포시켜 제조된 것을 사용할 수 있다.
상기 소수성 발포체는 그 형상이 크게 제한되지 않고, 옷감 혹은 천의 형태를 가질 수 있으며, 스폰지 형태일 수 있다. 이는 적용 분야에 따라 크기와 함께 조절할 수 있다.
또한, 상기 소수성 발포체는 기공의 크기를 제한하지 않고 다양한 기공 크기를 가질 수 있다. 바람직하게는 발포체가 마이크로 기공, 메조 기공 및 마크로 기공을 포함하는 계층적 다공구조를 갖는 것이 더욱 좋다. 이때, 본 발명에서 상기 마이크로 기공, 메조 기공 및 마크로 기공은 IUPAC의 분류에 따라 분류되는 것으로, 2nm이하를 마이크로 기공 (Micro-pores), 2nm에서 50nm이하의 크기를 메조기공 (Meso-pores), 그리고 50nm보다 큰 기공을 마크로 기공(Macro-pores)인 것으로 한다. 상기 계층적 다공구조를 갖는 발포체는 케스케이드 효과에 의해 고속의 흡착과 동시에 흡착율을 획기적으로 향상시킬 수 있어 더욱 좋다.
본 발명은 상기 표면이 개질된 친수성 금속 메쉬 내부에 소수성 발포체를 포함하는 자기부유장치를 제공할 수 있다. 이 경우, 친수성과 소수성의 이원화된 성질에 의해 기름과 물의 분리가 용이하여 좋다.
나아가 본 발명에 따른 자기부유장치 내 상기 소수성 발포체는 도파민계 중합체로 표면이 개질된 것으로, 표면 상에 도파민 나노입자가 형성되어 표면이 개질된 것일 수 있다. 이때, 상기 도파민계 중합체는 앞서 친수성 금속 메쉬의 표면 개질 물질과 같은 폴리도파민 또는 도파민계 공중합체인 것일 수 있으며, 카테콜기 또는 이의 유도체를 갖는 화합물을 포함할 수 있다.
상기 도파민계 중합체로 표면이 개질된 소수성 발포체는 표면 상에 형성된 도파민계 중합체 코팅층의 두께가 50 내지 150nm인 것이 흡착 성능 측면에서 더욱 좋다.
상기 도파민계 중합체로 표면이 개질된 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체 각각은 열처리를 통해 흡착 성능을 보다 향상시킬 수 있고, 내구성을 증진시킬 수 있어 더욱 좋다. 이때, 열처리 조건은 50 내지 150℃, 바람직하게는 60 내지 120℃에서 10분 내지 1440분 동안 실시된 것일 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 기대하는 흡착 성능 향상 효과가 미미할 수 있거나 오히려 물성이 저하될 수 있다.
상기 도파민계 중합체로 표면이 개질된 금속 메쉬 및 발포체 각각은 추가로 소수성 물질이 결합된 것일 수 있다. 즉, 상기 표면 개질된 금속 메쉬 및 발포체는 각각 필요에 따라 선택적으로 표면을 소수성 물질로 개질하여 소수성을 부여할 수 있다.
이때, 상기 소수성 물질은 크게 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 옥타데실아민(octadecylamine), 헥사데실아민(hexadecylamine), 헵타데실아민(heptadecylamine), 노나데실아민(nonadecylamine), 도데실아민(dodecylamine), 테트라데실아민(tetradecylamine), p-페닐렌디아민(p-phenylenediamine), 3,4-디메틸페닐아민(3,4-dimethylphenyldiamine), 4-클로로아닐린(4-chloroaniline) 및 페닐부틸아민(phenylbutylamine)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 아민계 화합물을 포함할 수 있다. 보다 바람직하게는 옥타데실아민인 것이 더욱 좋다.
이는 상기 금속 메쉬 또는 발포체 표면 상에 형성된 도파민계 중합체에 추가로 아민계 화합물이 결합되어 흡착 성능을 보다 강화시킬 수 있어 더욱 좋다.
본 발명에서 상기 자기부유장치는 소수성 발포체의 표면이 아민기를 함유한 화합물로 개질되어 나노입자를 형성한 것에 더하여 더욱 좋게는 상기 나노입자 상에 고분자 브러시를 형성하는 것을 더 포함함으로써 흡착 효율을 획기적으로 개선할 수 있다. 이때, 고분자 브러시는 사슬의 한쪽 끝이 화학적 또는 물리적으로 나노입자 상에 결합되어 있는 고분자 사슬의 집합체로, 중금속 이온과 같은 수중 상 불순물인 이온의 흡착이 가능한 물질이라면 그 종류에 제한없이 사용될 수 있지만, 좋게는 고분자 전해질을 사용하는 것이 흡착율을 높이고 나아가 흡착 속도를 획기적으로 향상시킬 수 있어 더욱 좋다.
상기 고분자브러시는 좋게는 양이온성 고분자 전해질 및 음이온성 고분자 전해질 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 양이온성 고분자 전해질은 양이온성을 가지는 고분자 전해질이라면 크게 제한되지 않고 사용할 수 있지만, 바람직하게는 폴리알릴아민하이드로클로라이드(polyallylamine hydrochloride; PAH), 폴리에틸렌이민(polyethylenimine; PEI), 폴리디아릴디메틸암모늄클로라이드(polydiallyldimethylammonium chloride, PDDA), 폴리메타크릴록시에틸트리알킬암모늄 할라이드(polymethacryloxyethyltrialkyl ammonium halide), 폴리아릴아민클로라이드(polyallylamine chloride), 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide), 아미노에틸레이티드 폴리아크릴아마이드(aminoethylated polyacrylamide), 폴리비닐아민(polyvinylamine), 호프만감성-폴리아크릴아마이드(Hofman-degradated polyacrylamide), 폴리에틸렌아민(polyethyleamine), 양이온화 녹말(cationized starch) 및 키토산(chitosan)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 폴리에틸렌이민 또는 폴리아크릴아마이드를 사용하는 것이 다양한 수중 조건에서도 흡착 성능이 뛰어나며 생체 적합성 측면에서 더욱 좋다.
상기 음이온성 고분자 전해질은 음이온성을 가지는 고분자 전해질이라면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 폴리스티렌설포닉엑시드-코-말레익엑시드(polystyrenesulfonicacid-co-maleicacid), 폴리아크릴엑시드(polyacrylicacid), 폴리스티렌설포닉엑시드 (polystyrenesulfonicacid), 폴리메타아크릴엑시드(polymetacrylicacid), 폴리비닐포스페이트(polyvinylphosphate) 및 폴리4-암모늄스티렌설포닉엑시드(poly4-ammoniumstyrenesulfonicacid)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 바람직하게는 폴리아크릴액시드를 사용하는 것이 흡착 성능면에서 더욱 좋다.
상기 고분자 전해질은 그 분자량이 크게 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 10,000 내지 1,000,000 dalton의 범위이다. 상기 고분자 전해질의 분자량이 상기 범위 미만이면 고분자브러시의 형성이 잘 이루어지지 않을 수 있으며, 상기 범위 초과이면 흡착효율이 저하될 수 있다.
본 발명에 따른 고흡착성 일체형 자기부유장치는 친수성의 금속 메쉬가 물과 기름을 통과시키면서 물 속의 중금속 이온을 포함한 오염물질을 흡착할 수 있도록 하고, 소수성의 발포체는 기름을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 높은 부력으로 자기 부유할 수 있도록 한다. 이는 종래 기름과 물을 분리하는 것 뿐만 아니라 물과 접촉이 용이한 친수성 금속 메쉬를 이용하여 중금속 이온을 흡착할 수 있는 상승 효과를 구현할 수 있다. 더구나, 친수성 금속 메쉬는 기계적 강성이 뛰어나 외부 충격에 강하고 내부에 구비된 발포체가 기름을 머금을 수 있는 공간을 부여하고 있어 기름 흡수 성능이 우수하다. 또한, 친수성 금속 메쉬와 발포체를 분리하는 것이 용이하여 그 응용 범위가 넓다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
(실시예 1)
구리 메쉬(Leechem사) 및 멜라민/포름알데히드 발포체(Basotect®, Basf사)를 아세톤에 30분 동안 담근 후 증류수를 이용하여 세척하고 오븐(50℃)에서 30분 동안 건조하였다. 도파민 하이드로클로라이드(dopamine hydrochloride) 0.04g을 넣은 트리스(하이드록시메틸)아미노에테인(tris(hydroxymethyl) aminoethane) 수용액(0.024 g/20 mL, pH 8.5)에 상기 건조된 구리 메쉬 및 멜라민 포름알데히드 발포체를 담근 상태로 24시간 동안 25℃에서 교반하며 반응시켰다. 반응이 완료되면 증류수를 이용하여 세척하고 25℃에서 24시간 동안 건조시킨 다음, 오븐(120℃)에서 12시간 동안 열처리하였다.
(실시예 2)
실시예 1에서 열처리 완료된 구리 메쉬와 멜라민 포름알데히드 발포체를 트리스-염산 용액(tris(C4H11NO3)-HCl solution, 0.012 g/10 mL)과 옥타데실아민 에탄올 용액 (ODA ethanol solution, 20 mg/mL)을 혼합한 혼합용액에 담그고 오븐(50℃)에서 12시간 동안 건조시킨 다음 에탄올에 3번 세척한 후 25℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 수득한 폴리도파민이 코팅된 구리 메쉬 및 옥타데실아민이 코팅된 멜라민 포름알데히드 발포체를 도 1에서 보이는 것과 같이 결합시켜 일체형 자기부유장치를 제조하였다.
(실시예 3)
오븐(120℃)에서 12시간 동안 열처리하는 공정을 실시하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
(실시예 4 내지 6)
실시예 1 내지 3에 따른 일체형 자기부유장치를 각각 이용하여 상기 구리 메쉬 내부에 구비한 고흡착성 자기부유장치를 제조한 다음, 150㎖의 물과 150㎖의 기름(헥산, 디젤연료, 올리브오일)을 혼합한 용액에 상기 고흡착성 자기부유장치를 넣고, 기름 흡착 효율, 속도, 재사용여부를 측정하였다.
(중금속 이온 흡착 시험)
Pb(NO3)2를 물에 분산시켜 납(Ⅱ) 이온이 함유된 중금속 용액을 준비한다. 상기 중금속 용액의 초기 농도는 47.96mg/L이다. 구리 메쉬(2×2cm2)를 중금속 이온 용액 30mL에 1시간 동안 담근 후 꺼낸다. ICP(Inductively coupled plasma mass spectroscopy) 분석을 통하여 흡착된 납 이온과 남아있는 이온의 농도를 하기 식을 이용하여 계산하였다.
(식 1) qe=(Co-Ce)V/m
상기 식 1에서, qe는 중금속 이온의 최대 흡착 용량(mg/g), Co는 중금속 이온 용액의 초기 농도(mg/L), Ce는 평형 상태에서 중금속 이온의 농도(mg/L), m은 흡착제의 질량(g), V는 중금속 이온의 부피(L)이다.
(기기분석)
초고분해능 FE-SEM 이미지는 히타치사의 S-5500을 이용하여 측정하였다. XPS 분석은 600W에서 알루미늄 음극을 이용하여 Kratos analytical사의 Axis NOVA 분광기를 사용하였다. SEO사의 Phoenix 300Touch 모델을 사용하였다.ICP-MS 분석은 퍼킨엘머 사의 Optima 8300DV 모델을 사용하였다. UV-vis 스펙트럼은 신코의 Sinco Evloution201을 사용하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고흡착성 자기부유장치를 나타낸 것이다. 상기 고흡착성 자기부유장치는 친수성의 케이지와 그 내부에 구비된 소수성의 발포체를 포함하는 것으로, 이때, 상기 발포체는 케이지 내부에서 외부로 유출되지 않은 것이라면 그 형상이 크게 제한되지 않고 사용될 수 있다.
도 2는 폴리도파민을 표면에 코팅한 구리 메쉬를 주사투과전자현미경을 이용하여 나타낸 사진으로, a), b), c) 및 d)는 각각 120℃에서 열처리를 2시간, 4시간, 12시간 및 12시간 동안 실시한 것이며, 구형의 폴리도파민의 입자가 분포하고 있음을 확인할 수 있었다. e)는 d)에서 폴리도파민 입자 이외의 바닥 표면을 별도로 확대하여 나타낸 것으로, 열처리로 인하여 추가적으로 크기가 작은 도파민 입자가 생성되는 것을 확인할 수 있었다. f)는 d)의 폴리도파민 입자가 형성된 표면을 나타낸 것이다. 또한, g), h) 및 i)는 각각 2시간, 4시간 및 12시간 열처리 후 옥타데실아민(Octadecylamine)을 코팅한 모습이다. 열처리 시간을 늘릴수록 옥타데실아민 결정의 크기가 작아지고 정교해짐을 확인할 수 있었다.
도 3은 구리 메쉬 표면에 폴리도파민을 코팅한 후 12시간 열처리 전(a), b) 및 c))과 후(d), e) 및 f))의 X선 광전자 분광법의 결과를 나타낸 것으로, 열처리 전과 후에 N 1s와 O 1s는 같은 위치에서 피크를 확인할 수 있다. a)와 d)를 비교하면 열처리 후에 a)의 피크가 낮은 에너지 쪽으로 약간 이동했고 C1의 신호 정도가 감소한 것을 볼 수 있는데, 이는 폴리도파민의 지방족 그룹들이 불포화된 그룹들로 전환되는 것을 보여주는 것이다. 즉, 열처리를 통해 자유 에틸렌이민의 분자 내 고리화가 일어나고 결과적으로 표면층의 폴리도파민이 구조적 안정성을 갖게 됨을 확인하였다.
도 4는 멜라민 포름알데히드 발포체의 표면 처리 후 열처리 시간에 따라 측정된 주사투과전자현미경 사진을 나타낸 것이다. a), b) 및 c)는 멜라민 포름알데히드 발포체의 표면에 폴리도파민을 코팅한 후 각각 2시간, 4시간 및 12시간 동안 열처리를 한 것으로, c)의 경우가 가장 안정되고 기하학적인 구조를 가지는 것을 확인하였다. d), e), f), g), h) 및 i)는 멜라민 포름알데히드 발포체의 표면에 폴리도파민 상에 옥타데실아민을 코팅한 후 각각 2시간, 4시간 및 12시간 동안 열처리를 한 것으로, i)의 경우가 옥타데실아민 결정이 높은 밀도로 코팅된 것을 확인할 수 있었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부유장치의 중금속(납) 흡착율을 나타낸 그래프이다. 실시예 1(열처리 함(Cu mesh/h-Pdop))은 10분 만에 74%의 흡착성능을 나타낸 반면, 실시예 3(열처리하지 않음(Cu mesh/Pdop))은 동일 시간에 9%의 흡착 성능을 보여주었다. 또한, 120분 후 최종 성능에서도 실시예 1은 총 384 mg/g을 흡착하여 실시예 3과 비교시 8.7배 정도 높은 흡착 성능을 보여주었다. 또한, 도 6은 실시예 2에 따른 자기부유장치의 기름과 물 분리 시험 결과를 나타낸 것으로, 헥산, 디젤 및 올리브오일에 대한 분리 효율이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.
도 7은 구리 메쉬에 폴리도파민 코팅 후 열처리 과정 유, 무에 따른 주사투과전자현미경 이미지이다. a,b) 열처리 전 c,d) 열처리 후. 표면에 도파민 입자가 많이 생성된 것을 볼 수 있고 구리 메쉬와 도파민이 더 안정적으로 결합된 것을 볼 수 있다.
도 8은 구리 메쉬에 옥타데실아민만을 코팅했을 때와 구리 메쉬에 폴리도파민 코팅 후 옥타데실아민을 코팅했을 때의 표면 차이를 보여주는 것으로, 후자의 경우 폴리도파민과 옥타데실아민의 상호작용으로 구리 메쉬 표면에 결정이 생성되었음을 확인 할 수 있었다.
도 9는 구리 메쉬에 폴리도파민 코팅 후 열처리를 실시한 다음 물 접촉각을 측정한 것으로, 친수성 성질을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 한정된 실시예에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (5)

  1. 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체를 포함하며,
    상기 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체는 각각 도파민계 중합체로 표면이 개질된 것인 고흡착성 일체형 자기부유장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기 부유장치는 친수성 금속 메쉬 내부에 소수성 발포체를 구비한 형태를 갖는 고흡착성 일체형 자기부유장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도파민계 중합체로 표면이 개질된 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체는 50 내지 150℃에서 10분 내지 1440분 동안 열처리된 것인 고흡착성 일체형 자기부유장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도파민계 중합체로 표면이 개질된 친수성 금속 메쉬 및 소수성 발포체는 소수성 물질이 결합된 것인 고흡착성 일체형 자기부유장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 물질은 옥타데실아민, 헥사데실아민, 헵타데실아민, 노나데실아민, 도데실아민, 테트라데실아민, p-페닐린디아민, 3,4-디메틸페닐아민, 4-클로로아닐린 및 페닐부틸아민으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 아민계 화합물을 포함하는 것인 고흡착성 일체형 자기부유장치.
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