KR20200039994A - Hybrid bead using persimmon leaf and chitosan for the treatment of aqueous solution contaminated with toxic heavy metal ions and method of the same - Google Patents

Hybrid bead using persimmon leaf and chitosan for the treatment of aqueous solution contaminated with toxic heavy metal ions and method of the same Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a hybrid bead for a heavy metal ion adsorbent using persimmon leaf and chitosan, and a hybrid bead prepared thereby. The method, as a method for preparing a hybrid bead for a heavy metal ion adsorbent to remove heavy metal ions contained in an aqueous solution, comprises: a pre-treatment step of preparing persimmon leaves in a powder form; a culture step of mixing the powder-form persimmon leaves in a chitosan solution and culturing the mixture in a bead form; a first washing step of washing the prepared beads using a first solvent; an aging step of preparing hybrid beads by adding a crosslinking agent to the beads and aging the same; a second washing step of primarily washing the hybrid beads with a second solvent different from the first solvent, and secondarily washing the same with the first solvent; and a drying step of drying the hybrid beads.

Description

감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드 및 이의 제조방법 {Hybrid bead using persimmon leaf and chitosan for the treatment of aqueous solution contaminated with toxic heavy metal ions and method of the same}Hybrid beads for heavy metal ion adsorbents using persimmon leaves and chitosan and their manufacturing method {Hybrid bead using persimmon leaf and chitosan for the treatment of aqueous solution contaminated with toxic heavy metal ions and method of the same}

본 발명은 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수용액상에 포함되어 있는 유해한 중금속 이온을 효과적으로 흡착하여 제거할 수 있고, 별도의 후처리를 필요로 하지 않는 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid bead for heavy metal ion adsorbent using persimmon leaf and chitosan and a method for manufacturing the same, and more specifically, it can effectively adsorb and remove harmful heavy metal ions contained in an aqueous solution phase, and separate post-treatment. The present invention relates to hybrid beads for heavy metal ion adsorbents using persimmon leaves and chitosan, which are not required, and a method for manufacturing the hybrid beads.

유해한 중금속 오염물은 수생 환경의 질적인 변화를 초래하는 수생 환경의 물리적 또는 화학적 변화의 원인이 되고, 오염된 물의 사용은 생명체의 생존에 악영향을 준다. 특히, Pb(II) 및 Cd(II)는 적은 양으로도 수중 생태계에 서식하는 살아있는 유기체에게 치명적인 효과를 유발할 수 있다 (He et al. 2014; Lee & Choi, 2018). 중금속을 제거하기 위하여 흡착, 엉김-응집, 막여과, 막분리, 전기화학적 처리, 이온교환, 생물흡착 등과 같은 다양한 처리방법이 연구되어 왔으며, 본 분야에 직접 적용되어 왔다 (Barsbay et al. 2018; Bacelo et al. 2016; Choi & Lee 2015; Ali et al. 2016). 이러한 방법들 중 일부는 고가이고 폐수 중 포함된 중금속 이온의 농도를 제어하는 데 비효율적이다 (Lee & Choi, 2018). 또한, 다른 방법들은 효율이 높지 않거나 친환경적이지 않고, 그 외의 방법들은 별도의 후처리를 필요로 한다는 문제가 있다 (Abdelfattah et al. 2016).Harmful heavy metal contaminants cause physical or chemical changes in the aquatic environment that result in qualitative changes in the aquatic environment, and the use of contaminated water adversely affects the survival of life. In particular, Pb (II) and Cd (II) can cause fatal effects on living organisms inhabiting aquatic ecosystems in small amounts (He et al. 2014; Lee & Choi, 2018). In order to remove heavy metals, various treatment methods such as adsorption, tangle-aggregation, membrane filtration, membrane separation, electrochemical treatment, ion exchange, biosorption, etc. have been studied and have been applied directly to the field (Barsbay et al. 2018; Bacelo et al. 2016; Choi & Lee 2015; Ali et al. 2016). Some of these methods are expensive and inefficient in controlling the concentration of heavy metal ions contained in wastewater (Lee & Choi, 2018). In addition, there is a problem that other methods are not efficient or environmentally friendly, and other methods require separate post-treatment (Abdelfattah et al. 2016).

최근, 농업 부산물이나 바이오 물질 등을 이용하여 저가이며 제거시 높은 효율을 갖는 중금속 제거 또는 흡착하기 위한 연구가 다양하게 수행되고 있다 (Bacelo et al. 2016; Ali et al. 2016; Abdelfattah et al. 2016; Chen et al. 2010; Lee & Choi 2018; Garg et al. 2008). 반면, 농업 부산물 또는 바이오 물질을 흡착제로 이용하는 경우에 확산저항 및 표면 활성부위의 감소에 따른 중금속 제거율의 감소에 의한 폐수에서 이들을 분리해야 하고, 부수적인 오염을 발생시킨다는 문제가 있다 (Xu et al. 2017).Recently, various studies have been conducted to remove or adsorb heavy metals that are inexpensive and have high efficiency when removed using agricultural by-products or biomaterials (Bacelo et al. 2016; Ali et al. 2016; Abdelfattah et al. 2016 ; Chen et al. 2010; Lee & Choi 2018; Garg et al. 2008). On the other hand, in the case of using agricultural by-products or biomaterials as adsorbents, it is necessary to separate them from wastewater due to a decrease in the removal rate of heavy metals due to a decrease in diffusion resistance and surface active sites, and there is a problem of generating additional contamination (Xu et al. 2017).

이에 저가이고 별도의 후처리를 필요로 하지 않으며, 친환경적이고 높은 효율로 수용액 중에서 중금속을 제거하기 위하여 다양한 연구가 수행되고 있다.Accordingly, it is inexpensive and does not require a separate post-treatment, and various studies have been conducted to remove heavy metals from the aqueous solution with eco-friendliness and high efficiency.

본 발명의 목적은 별도의 후처리를 필요로 하지 않고 고비용이 소요되지 않으며 수용액 상에 포함된 유해한 중금속 이온을 효과적으로 제거할 수 있는 친환경적인 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.The object of the present invention is a hybrid bead for heavy metal ion adsorbent using eco-friendly persimmon leaf and chitosan that does not require a separate post-treatment and does not require high cost and can effectively remove harmful heavy metal ions contained in an aqueous solution, and its preparation It is to provide a method.

또한, 본 발명의 다른 목적은 수용액 상에 포함된 중금속 이온의 흡착 메커니즘을 규명하여 이를 이용하여 오염된 환경에 효과적으로 적용이 가능한 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드 및 이의 제조방법을 제공하기 위함이다.In addition, another object of the present invention is to investigate the adsorption mechanism of heavy metal ions contained in an aqueous solution, and to provide a hybrid bead for heavy metal ion adsorbents using persimmon leaves and chitosan that can be effectively applied to a contaminated environment using the same, and to provide a method for manufacturing the hybrid beads It is to do.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 감나무잎과 키토산을 이용하여 새로운 구조를 갖는 하이브리드 비드를 이용하여 수용액 상에서 납 및 카드뮴 이온의 제거를 효율적으로 수행할 수 있는 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드 및 이의 제조방법을 제공하기 위함이다.In addition, another object of the present invention is a heavy metal ion adsorbent using persimmon leaf and chitosan that can efficiently remove lead and cadmium ions in aqueous solution using hybrid beads having a new structure using persimmon leaf and chitosan It is to provide a hybrid bead and its manufacturing method.

본 발명의 일측면에 따르면, 본 발명의 실시예들은 수용액 중에 포함된 중금속 이온을 제거하기 위한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드를 제조하는 방법으로, 감나무잎을 파우더 형태로 준비하는 전처리단계; 키토산 용액 중에 파우더 형태로 구비된 감나무잎을 혼합하여 비드 (bead) 형태로 배양하는 배양단계; 제조된 비드를 제1 용매를 이용하여 세척하는 제1 세척단계; 상기 비드에 가교제를 첨가한 후 에이징시켜 하이브리드 비드를 제조하는 에이징단계; 상기 하이브리드 비드를 상기 제1 용매와 상이한 제2 용매를 이용하여 1차 세척 후, 상기 제1 용매를 이용하여 2차 세척하는 제2 세척단계; 및 상기 하이브리드 비드를 건조시키는 건조단계;로 이루어지는 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법을 포함한다.According to an aspect of the present invention, embodiments of the present invention are a method for preparing a hybrid bead for heavy metal ion adsorbent for removing heavy metal ions contained in an aqueous solution, a pre-treatment step of preparing persimmon leaves in powder form; A culture step of mixing persimmon leaves provided in a powder form in a chitosan solution and culturing in a bead form; A first washing step of washing the prepared beads using a first solvent; An aging step of preparing a hybrid bead by aging after adding a crosslinking agent to the bead; A second washing step in which the hybrid beads are first washed with a second solvent different from the first solvent, and then second washed with the first solvent; And a drying step of drying the hybrid beads; a method of manufacturing hybrid beads for heavy metal ion adsorbents using persimmon leaves and chitosan.

상기 전처리단계는, 상기 감나무잎을 유기물질과 오염물질을 제거하기 위하여 탈이온수로 세척하는 단계; 세척된 감나무잎을 사각형 크기로 절단하는 단계; 절단된 감나무잎을 75℃ 내지 90℃의 온도의 오븐에서 70시간 내지 74시간 동안 건조시키는 단계; 및 건조된 감나무잎을 분쇄하여 50 mesh 내지 70 mesh의 입자크기를 갖는 파우더 형태로 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.The pre-treatment step includes washing the persimmon leaf with deionized water to remove organic substances and contaminants; Cutting the washed persimmon leaf to a square size; Drying the cut persimmon leaf in an oven at a temperature of 75 ° C to 90 ° C for 70 to 74 hours; And crushing the dried persimmon leaf to prepare in powder form having a particle size of 50 mesh to 70 mesh.

상기 배양단계는, 키토산 및 산성용액을 혼합하여 pH 6.2 내지 pH 6.5의 키토산 용액을 준비하는 단계; 온도 20℃ 내지 30℃에서 상기 키토산 용액 100 mL 내지 200 mL 중에 상기 감나무잎 1 g 내지 2 g를 첨가한 후 균질화되도록 2시간 내지 6시간 동안 교반하여 혼합물을 제조하는 단계; 150 mL 내지 250 mL의 증류수, 250 mL 내지 350 mL의 메탄올 및 50 g 내지 70 g의 수산화나트륨 (NaOH)을 혼합하여 응고용액을 준비하는 단계; 뷰렛을 이용하여 상기 응고용액 중에 상기 혼합물을 한방울씩 적가 (dropping)하여 비드 형태로 제조하는 단계; 및 상기 비드가 분산된 응고용액을 배양기에 넣고 황갈색이 되도록 60℃ 내지 80℃에서 20시간 내지 30시간 동안 배양시키는 단계;를 포함할 수 있다.The culturing step comprises preparing a chitosan solution having a pH of 6.2 to 6.5 by mixing chitosan and an acidic solution; Preparing the mixture by adding 1 g to 2 g of the persimmon leaf in 100 mL to 200 mL of the chitosan solution at a temperature of 20 ° C to 30 ° C, followed by stirring for 2 to 6 hours to homogenize; Preparing a coagulation solution by mixing 150 mL to 250 mL of distilled water, 250 mL to 350 mL of methanol and 50 g to 70 g of sodium hydroxide (NaOH); Preparing a bead form by dropping the mixture dropwise in the coagulation solution using a burette; And placing the coagulation solution in which the beads are dispersed in a culture medium and incubating at 60 ° C to 80 ° C for 20 to 30 hours to become a tan.

상기 키토산은, 상기 산성용액은 pH는 1 내지 3으로, 초산, 주석산, 살리실산, 시트르산, 하이드록시초산, 링고산, 프로피온산, 젖산, 글리 세린산, L-아스코르빈산, 크엔산, 술포아닌산 및 포름산의 유기산과 염산, 황산 및 인산의 무기산으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.The chitosan, the acidic solution has a pH of 1 to 3, acetic acid, tartaric acid, salicylic acid, citric acid, hydroxyacetic acid, lingoic acid, propionic acid, lactic acid, glycerin, L-ascorbic acid, xenoic acid, sulfonic acid And it may be one or more selected from the group consisting of formic acid organic acid and hydrochloric acid, sulfuric acid and inorganic acid of phosphoric acid.

상기 키토산 용액을 준비하는 단계에서 상기 키토산 용액 중에 7 ㎛의 평균크기를 갖는 세균 바이오매스를 첨가하는 것을 더 포함하고, 상기 세균 바이오매스는 코리네박테리움(Corynebacterium sp.), 에스케리치아 (Escherichiasp.), 바실러스 (Bacillus sp.) 및 세라샤 (Serratia sp.)로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.In the step of preparing the chitosan solution, further comprising adding a bacterial biomass having an average size of 7 μm to the chitosan solution, the bacterial biomass is Corynebacterium sp., Escherichia sp. .), Bacillus (Bacillus sp.) And Serratia (Serratia sp.).

상기 에이징단계는, 50mL 내지 150 mL의 메탄올과 0.5mL 내지 15mL의 글루타르알데하이드(glutaraldehyde)를 혼합하여 가교제를 제조하는 단계; 제조된 가교제를 상기 비드에 첨가하는 단계; 및 상기 가교제가 첨가된 비드를 배양기 내에서 60℃ 내지 80℃에서 5시간 내지 8시간 동안 에이징시키는 단계;를 포함할 수 있다.The aging step includes the steps of preparing a crosslinking agent by mixing 50 mL to 150 mL of methanol and 0.5 mL to 15 mL of glutaraldehyde; Adding the prepared crosslinking agent to the beads; And aging the beads to which the crosslinking agent is added at 60 ° C. to 80 ° C. for 5 to 8 hours in an incubator.

상기 제2 세척단계에서, 상기 제1 용매는 증류수를 포함하고, 상기 제2 용매는 에탄올을 포함할 수 있다.In the second washing step, the first solvent may include distilled water, and the second solvent may include ethanol.

상기 건조단계는 상온에서 4시간 내지 8시간 동안 유지한 후 데시게이터 내에 보관할 수 있다.The drying step may be maintained at room temperature for 4 to 8 hours and then stored in a desiccator.

상기 중금속 이온은 Pb(II) 및 Cd(II)일 수 있다.The heavy metal ions may be Pb (II) and Cd (II).

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 전술한 하이브리드 비드의 제조방법에 의하여 제조되고 내부에 복수개의 기공을 포함하며, 수용액 중에 포함된 중금속 이온을 제거하기 위한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드를 포함한다.According to another aspect of the present invention, the present invention is manufactured by the above-described method for manufacturing a hybrid bead, includes a plurality of pores therein, and includes a hybrid bead for heavy metal ion adsorbents for removing heavy metal ions contained in an aqueous solution. .

상기 하이브리드 비드의 평균 비표면적은 16.65 m2/g이고, 흡착제 기공의 평균 크기는 4.65 nm일 수 있다.The hybrid beads may have an average specific surface area of 16.65 m 2 / g, and an average pore size of the adsorbent pore may be 4.65 nm.

상기 중금속 이온은 Pb(II) 및 Cd(II)이고, 상기 하이브리드 비드는 랭뮤어 등온 흡착식 (Langmuir isothermal adsorption)에 따라 상기 수용액 중 Pb(II) 및 Cd(II)를 흡착할 수 있다.The heavy metal ions are Pb (II) and Cd (II), and the hybrid beads can adsorb Pb (II) and Cd (II) in the aqueous solution according to Langmuir isothermal adsorption.

상기 중금속 이온은 Pb(II) 및 Cd(II)이고, 상기 중금속 이온이 포함된 수용액의 pH는 5이며, 상기 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착에 의한 제거효율은 각각 98% 및 90%일 수 있다.The heavy metal ions are Pb (II) and Cd (II), the pH of the aqueous solution containing the heavy metal ions is 5, and the removal efficiency by adsorption of the Pb (II) and Cd (II) is 98% and 90, respectively. %.

이상 살펴본 바와 같은 본 발명에 따르면, 별도의 후처리를 필요로 하지 않고 고비용이 소요되지 않으며 수용액 상에 포함된 유해한 중금속 이온을 효과적으로 제거할 수 있는 친환경적인 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention as described above, a hybrid for heavy metal ion adsorbent using eco-friendly persimmon leaf and chitosan that does not require separate post-treatment and does not require high cost and can effectively remove harmful heavy metal ions contained in the aqueous solution Beads and methods of making the same can be provided.

또한, 본 발명에 따르면 수용액 상에 포함된 중금속 이온의 흡착 메커니즘을 규명하여 이를 이용하여 오염된 환경에 효과적으로 적용이 가능한 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a hybrid bead for a heavy metal ion adsorbent using persimmon leaves and chitosan that can be effectively applied to a contaminated environment by identifying the adsorption mechanism of heavy metal ions contained in an aqueous solution and using the same, and a method for manufacturing the same. have.

또한, 본 발명에 따르면 감나무잎과 키토산을 이용하여 새로운 구조를 갖는 하이브리드 비드를 제조하고, 이를 이용하여 수용액 상에서 납 및 카드뮴 이온의 제거를 효율적으로 수행할 수 있는 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다. In addition, according to the present invention, a hybrid bead having a new structure is manufactured using persimmon leaf and chitosan, and heavy metal ion adsorbent using persimmon leaf and chitosan which can efficiently remove lead and cadmium ions in an aqueous solution using the persimmon leaf and chitosan It is possible to provide a hybrid bead and a method for manufacturing the same.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 비드의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2은 본 실시예에 따라 제조된 키토산, 감나무잎 및 하이브리드 비드의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드를 이용하여 최초 농도에 따른 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착률을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드를 이용하여 pH에 따른 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착률을 나타낸 그래프이다.
도 3c는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드인 흡착제의 양에 따른 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착률을 나타낸 그래프이다.
도 3d는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드의 접촉 시간에 따른 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착평형을 나타낸 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드와 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 제거 과정에 대한 유사 1차 모델 및 유사 2차 모델을 이용하여 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hybrid bead according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph showing the FT-IR spectrum of chitosan, persimmon leaves and hybrid beads prepared according to this embodiment.
3A is a graph showing adsorption rates of Pb (II) and Cd (II) according to initial concentrations using hybrid beads prepared according to the present embodiment.
3B is a graph showing adsorption rates of Pb (II) and Cd (II) according to pH using hybrid beads prepared according to the present embodiment.
3C is a graph showing the adsorption rates of Pb (II) and Cd (II) according to the amount of the adsorbent, which is a hybrid bead prepared according to this embodiment.
3D is a graph showing the adsorption equilibrium of Pb (II) and Cd (II) according to the contact time of the hybrid beads prepared according to the present embodiment.
4A to 4C are graphs using the pseudo-first model and the pseudo-secondary model for the adsorption removal process of the hybrid beads and Pb (II) and Cd (II) prepared according to the present embodiment.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 매체를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms. In the following description, when a part is connected to another part, it is only directly connected. It also includes cases where other media are connected in the middle. In addition, in the drawings, parts not related to the present invention are omitted in order to clarify the description of the present invention, and like parts are given the same reference numerals throughout the specification.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 비드의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a hybrid bead according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예는 수용액 중에 포함된 중금속 이온을 제거하기 위한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드를 제조하는 방법으로, 감나무잎을 파우더 형태로 준비하는 전처리단계; 키토산 용액 중에 파우더 형태로 구비된 감나무잎을 혼합하여 비드 (bead) 형태로 배양하는 배양단계; 제조된 비드를 제1 용매를 이용하여 세척하는 제1 세척단계; 상기 비드에 가교제를 첨가한 후 에이징시켜 하이브리드 비드를 제조하는 에이징단계; 상기 하이브리드 비드를 상기 제1 용매와 상이한 제2 용매를 이용하여 1차 세척 후, 상기 제1 용매를 이용하여 2차 세척하는 제2 세척단계; 및 상기 하이브리드 비드를 건조시키는 건조단계;로 이루어지는 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법을 포함한다.One embodiment of the present invention is a method of manufacturing a hybrid bead for heavy metal ion adsorbents for removing heavy metal ions contained in an aqueous solution, a pre-treatment step of preparing persimmon leaves in powder form; A culture step of mixing persimmon leaves provided in a powder form in a chitosan solution and culturing in a bead form; A first washing step of washing the prepared beads using a first solvent; An aging step of preparing a hybrid bead by aging after adding a crosslinking agent to the bead; A second washing step in which the hybrid beads are first washed with a second solvent different from the first solvent, and then second washed with the first solvent; And a drying step of drying the hybrid beads; a method of manufacturing hybrid beads for heavy metal ion adsorbents using persimmon leaves and chitosan.

감나무은 아시아, 특히 중국, 일본 및 한국에서 주로 생산되며, 전세계 생산의 90% 이상을 차지한다 (Lee & Choi, 2018). 한국에서 감은 화한 기후 조건에 의하여 다양한 종류의 감나무에게 적합한 환경 조건이 형성되어 있는 농촌지역에서 주로 찾아지는 과수의 일종이다. Persimmon trees are mainly produced in Asia, especially in China, Japan and Korea, accounting for more than 90% of global production (Lee & Choi, 2018). Persimmon in Korea is a kind of fruit mainly found in rural areas where environmental conditions suitable for various types of persimmon trees are formed due to climatic conditions.

본 발명의 실시예에서, 상기 하이브리드 비드는 수용액 중 중금속 이온을 흡착하여 제거할 수 있다. 상기 하이브리드 비드는 감나무잎과 키토산으로 이루어질 수 있으며, 이에 의하여 별도의 후처리 없이도 높은 효율로 수용액 중 중금속을 효율적으로 제거할 수 있는 친환경적이로 저가의 중금속 이온 흡착제로 작용할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the hybrid beads can be removed by adsorbing heavy metal ions in an aqueous solution. The hybrid beads may be made of persimmon leaves and chitosan, whereby it can act as an inexpensive heavy metal ion adsorbent that is environmentally friendly and capable of efficiently removing heavy metals in an aqueous solution with high efficiency without additional post-treatment.

상기 중금속 이온은 Pb(II) 및 Cd(II)일 수 있다. 상기 Pb(II) 및 Cd(II)는 수중 생태계에 서식하는 살아있는 유기체에게 작은 양으로도 치명적인 효과를 유발한다. 반면, 종래 상기 Pb(II) 및 Cd(II)를 제거하는 데 사용되는 기술들은 고가이거나 혹은 효율이 낮고, 그 외의 방법들은 상기 Pb(II) 및 Cd(II)를 흡착한 흡착제를 처리해야 한다는 부수적인 공정을 필요로 한다는 문제가 있다. 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 비드는 감나무잎과 키토산을 이용함으로써 상기 Pb(II) 및 Cd(II)를 낮은 비용으로도 효과적으로 제거할 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 하이브리드 비드는 친환경적이고 부수적인 처리를 필요로 하지 않으며, 상기 하이브리드 비드는 실제 생태계의 환경에서 최적으로 효율적으로 Pb(II) 및 Cd(II)를 흡착하여 제거할 수 있으므로, 실제 환경에 적용하는 경우에도 별도의 조건을 제어할 필요없이 즉각적으로 이용할 수 있다.The heavy metal ions may be Pb (II) and Cd (II). The Pb (II) and Cd (II) induce a fatal effect even in small amounts to living organisms inhabiting aquatic ecosystems. On the other hand, the techniques conventionally used to remove the Pb (II) and Cd (II) are expensive or low efficiency, and other methods require treatment of the adsorbent adsorbing the Pb (II) and Cd (II). There is a problem that requires an ancillary process. The hybrid beads according to the embodiment of the present invention can effectively remove the Pb (II) and Cd (II) at low cost by using persimmon leaves and chitosan. In addition, the hybrid beads according to this embodiment do not require eco-friendly and ancillary treatment, and the hybrid beads can adsorb and remove Pb (II) and Cd (II) optimally and efficiently in the environment of the actual ecosystem. Even when applied to a real environment, it can be used immediately without having to control separate conditions.

감나무잎은 감나무의 부산물로 한국 농장에서 용이하게 획득되는 천연 흡착제의 일종으로 작용할 수 있다. 상기 감나무잎은 킬레이트화 반응에 의하여 금속 이온과 결합할 수 있는 타닌, 폴리페놀 화합물을 다량 함유하고 있고, 이에 의하여 중금속 및 알칼로이드 등과 같은 유독성 물질과 결합하여 이들을 제거할 수 있다 (Shen et al. 2004; Mart

Figure pat00001
nez-Las Heras et al. 2016). 반면, 종래 기술에 의하면 예컨대, Pb(II) 및 Cd(II)와 같은 중금속 이온을 제거하는 경우 Pb(II) 및 Cd(II)에 대한 각각의 최대 흡착량은, 천연 타닌은 53.37 mg/g 및 51.85 mg/g이고 (Xu et al. 2017), 키토산은 80.23 내지 118.00 mg/g 및 60.85 mg/g이다 (Li et al. 2016).Persimmon leaf is a by-product of persimmon tree and can act as a kind of natural adsorbent easily obtained in Korean farms. The persimmon leaf contains a large amount of tannin and polyphenol compounds capable of binding to metal ions by a chelating reaction, whereby it can be removed by binding to toxic substances such as heavy metals and alkaloids (Shen et al. 2004) ; Mart
Figure pat00001
nez-Las Heras et al. 2016). On the other hand, according to the prior art, for example, when removing heavy metal ions such as Pb (II) and Cd (II), the maximum adsorption amount for each of Pb (II) and Cd (II) is 53.37 mg / g for natural tannin. And 51.85 mg / g (Xu et al. 2017), and chitosan 80.23 to 118.00 mg / g and 60.85 mg / g (Li et al. 2016).

키토산은 새우, 게, 조개류 등의 껍데기에서 추출하여 얻어지는 키틴의 N-탈아세틸화 (N-deacetylation)에 의하여 얻어지는 천연 양이온성 다당류 (cationic polysaccharide)의 일종이다 (Sargin et al. 2016). 이와 같은 천연 양이온성 다당류인 천연 고분자에서, 매트릭스 구조에는 다량의 자유 아민기 (-NH2)와 히드록시기를 구비하고, 이에 의하여 키토산은 폐수 중에서 중금속 이온을 효율적으로 흡착 및 제거할 수 있다 (Liu et al. 2014). 상기 키토산은 양이온성 오염물질에 대하여 높은 효율을 갖는 흡착제인 반면, 키토산은 양이온성 천연 고분자이다. 이러한 양이온의 흡착양은 음이온보다는 낮은 흡착량을 갖는다 (Zhao et al. 2013; Sargin & Arslan 2015). 또한, 중금속은 변형하지 않은 타닌을 사용하여 흡착 및 제거되는 경우, 흡착 평형에 도달하기까지 상당한 시간이 요구된다 (Bacelo et al. 2016; Yurtsever & Sengil 2009). 다른 한편으로는, 타닌의 페놀기는 금속이온과 이온교환을 하고, 키토산의 암모니아기와 히드록시기는 금속이온과 코디네이션되는 킬레이트화 반응자리와 같이 작용한다. 또한, pH 값이 증가되면 이온교환과 코디네이션 반응의 효율이 향상된다. 수용액 중에서 중금속의 흡착 과정은 pH에 의하여 큰 영향을 받는다. 즉, 수용액 중에서의 Pb(II)의 흡착은 낮은 pH보다는 높은 pH 영역에서 촉진될 수 있다. Chitosan is a type of natural cationic polysaccharide obtained by N-deacetylation of chitin obtained by extraction from shells of shrimp, crab, and shellfish (Sargin et al. 2016). In such natural cationic polysaccharide natural polymers, the matrix structure is provided with a large amount of free amine groups (-NH 2 ) and hydroxy groups, whereby chitosan can efficiently adsorb and remove heavy metal ions in wastewater (Liu et. al. 2014). The chitosan is an adsorbent with high efficiency against cationic contaminants, while chitosan is a cationic natural polymer. The adsorption amount of these cations has a lower adsorption amount than the anion (Zhao et al. 2013; Sargin & Arslan 2015). In addition, when heavy metals are adsorbed and removed using unmodified tannins, considerable time is required to reach adsorption equilibrium (Bacelo et al. 2016; Yurtsever & Sengil 2009). On the other hand, the phenolic group of tannin is ion-exchanged with a metal ion, and the ammonia group and hydroxy group of chitosan function as a chelating reaction site coordinated with the metal ion. In addition, when the pH value is increased, the efficiency of the ion exchange and coordination reaction is improved. The adsorption process of heavy metals in aqueous solution is greatly influenced by pH. That is, adsorption of Pb (II) in an aqueous solution can be promoted in a high pH region rather than a low pH.

이러한 이유에 의하여, 감나무잎에 포함된 타닌과 키토산이 결합되는 경우, 중금속의 흡착 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 양이온성 고분자 타닌과 키토산을 함유하고 감나무잎으로 제조된 하이브리드 비드를 이용하여 수용액 중에 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 제거 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다. 본 실시예에서 상기 흡착 제거 효율에 대한 실험 결과는 랭뮤어(Langmuir), 프로인들리히(Freundlich) 및 듀비닌-라듀쉬케비히(Dubinin-Radushkevich, D-R) 등온 흡착식에 적용하여 분석하였고, 이와 같은 동역학적 분석은 온도변화에 따른 흡착 실험을 수행하여 확인하였다. 또한, 본 발명은 유사 1차 동역학적 모델, 유사 2차 동역학적 모델 및 입자내 확산은 타닌과 키토산을 이용한 다수의 실험에 의하여 분석되었고, 그 결과를 간단한 수치로 확인하였다.For this reason, when tannin and chitosan contained in persimmon leaves are combined, it is possible to improve the adsorption efficiency of heavy metals. Therefore, in an embodiment of the present invention, it is an object of the present invention to improve the adsorption and removal efficiency of Pb (II) and Cd (II) in an aqueous solution using hybrid beads made of persimmon leaves containing cationic polymer tannin and chitosan. In the present embodiment, the experimental results for the adsorption removal efficiency were analyzed by applying to the isothermal adsorption formula of Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich (DR). The kinetic analysis was confirmed by performing an adsorption experiment according to the temperature change. In addition, the present invention was analyzed by a number of experiments using tannin and chitosan, the quasi-first-order kinematic model, pseudo-secondary kinetics model, and intraparticle diffusion were confirmed by simple numerical values.

상기 전처리단계에서는 상기 감나무잎을 파우더 형태로 준비할 수 있다. 상기 전처리단계는, 상기 감나무잎을 유기물질과 오염물질을 제거하기 위하여 탈이온수로 세척하는 단계; 세척된 감나무잎을 사각형 크기로 절단하는 단계; 절단된 감나무잎을 75℃ 내지 90℃의 온도의 오븐에서 70시간 내지 74시간 동안 건조시키는 단계; 및 건조된 감나무잎을 분쇄하여 50mesh 내지 70mesh의 입자크기를 갖는 파우더 형태로 제조하는 단계;를 포함한다.In the pre-treatment step, the persimmon leaf may be prepared in powder form. The pre-treatment step includes washing the persimmon leaf with deionized water to remove organic substances and contaminants; Cutting the washed persimmon leaf to a square size; Drying the cut persimmon leaf in an oven at a temperature of 75 ° C to 90 ° C for 70 to 74 hours; And crushing the dried persimmon leaf to prepare a powder having a particle size of 50 mesh to 70 mesh.

상기 감나무잎은 파우더 형태로 준비하여 상기 키토산 용액과 혼합하는데 이때, 상가 감나무잎은 75℃ 내지 90℃의 온도의 오븐에서 70시간 내지 74시간 동안 건조시킬 수 있다. 상기 온도가 75℃ 미만인 경우에는 감나무잎 표면에 수분이 잔존하여 중금속 이온과의 결합력이 저하되고 90℃ 초과인 경우에는 감나무잎에 존재하는 작용기의 성능을 저하시킬 수 있다. 또한, 70시간 내지 74시간 동안 건조시킴으로써 감나무잎의 성능을 저하시키지 않으면서 파우더 형태로 제조하기 용이한 상태로 준비할 수 있다. 바람직하게는, 상기 감나무잎은 5㎝(폭) x 5㎝(길이)의 사각형으로 절단한 후 자기 용기를 이용하여 80℃에서 72시간 동안 건조시킬 수 있다.The persimmon leaf is prepared in powder form and mixed with the chitosan solution. At this time, the persimmon leaf can be dried in an oven at a temperature of 75 ° C to 90 ° C for 70 to 74 hours. When the temperature is lower than 75 ° C, moisture remains on the surface of the persimmon leaf, thereby deteriorating the binding force with heavy metal ions, and when the temperature is higher than 90 ° C, the performance of functional groups present in the persimmon leaf may be reduced. In addition, by drying for 70 to 74 hours, it can be prepared in an easy state to manufacture in powder form without deteriorating the performance of persimmon leaves. Preferably, the persimmon leaves can be cut into squares of 5 cm (width) x 5 cm (length) and then dried at 80 ° C. for 72 hours using a magnetic container.

상기 감나무잎은 50mesh 내지 70mesh의 파우더 형태로 분쇄되어 구비되는데, 50mesh 미만인 경우에는 키토산 용액과 혼합하여 제조되는 하이브리드 비드의 중금속 이온 흡착력이 저하되어 문제되고 70mesh 초과인 경우에는 키토산과의 혼합이 불균일하여 문제된다. 감나무잎은 전술한 범위로 구비됨으로써 하이브리드 비드의 형태로 제조된 후 중금속 이온의 흡착 효율을 향상시키며 키토산과의 잘 혼합되도록 할 수 있다. 바람직하게는, 상기 감마누잎은 65mesh의 크기로 구비된다.The persimmon leaf is pulverized in a powder form of 50 mesh to 70 mesh, and if it is less than 50 mesh, the heavy metal ion adsorption capacity of the hybrid beads prepared by mixing with the chitosan solution is reduced, and if it is more than 70 mesh, the mixing with the chitosan is uneven. It becomes a problem. Persimmon leaf is prepared in the form of a hybrid bead by being provided in the above-described range to improve the adsorption efficiency of heavy metal ions and to be well mixed with chitosan. Preferably, the gamma leaf is provided with a size of 65 mesh.

상기 배양단계는, 키토산 및 산성용액을 혼합하여 pH 6.2 내지 pH 6.5의 키토산 용액을 준비하는 단계; 온도 20℃ 내지 30℃에서 상기 키토산 용액 100 mL 내지 200 mL 중에 상기 감나무잎 1 g 내지 2 g를 첨가한 후 균질화되도록 2시간 내지 6시간 동안 교반하여 혼합물을 제조하는 단계; 150 mL 내지 250 mL의 증류수, 250 mL 내지 350 mL의 메탄올 및 50 g 내지 70 g의 수산화나트륨 (NaOH)을 혼합하여 응고용액을 준비하는 단계; 뷰렛을 이용하여 상기 응고용액 중에 상기 혼합물을 한방울씩 적가 (dropping)하여 비드형태로 제조하는 단계; 및 상기 비드가 분산된 응고용액을 배양기에 넣고 황갈색이 되도록 60℃ 내지 80℃에서 20시간 내지 30시간 동안 배양시키는 단계;를 포함한다.The culturing step comprises preparing a chitosan solution having a pH of 6.2 to 6.5 by mixing chitosan and an acidic solution; Preparing the mixture by adding 1 g to 2 g of the persimmon leaf in 100 mL to 200 mL of the chitosan solution at a temperature of 20 ° C to 30 ° C, followed by stirring for 2 to 6 hours to homogenize; Preparing a coagulation solution by mixing 150 mL to 250 mL of distilled water, 250 mL to 350 mL of methanol and 50 g to 70 g of sodium hydroxide (NaOH); Preparing a bead form by dropping the mixture dropwise in the coagulation solution using a burette; And placing the coagulation solution in which the beads are dispersed in a culture medium and incubating at 60 ° C to 80 ° C for 20 to 30 hours to become a tan.

상기 키토산은 산성용액을 혼합하여 pH 6.2 내지 pH 6.5의 키토산 용액으로 준비될 수 있다. 상기 산성용액은 pH는 1 내지 3으로, 초산, 주석산, 살리실산, 시트르산, 하이드록시초산, 링고산, 프로피온산, 젖산, 글리 세린산, L-아스코르빈산, 크엔산, 술포아닌산 및 포름산의 유기산과 염산, 황산 및 인산의 무기산으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는, 상기 산성용액은 pH 2.8의 하이드록시초산이며, 상기 키토산 용액은 pH가 6.2일 수 있다. 상기 키토산 용액은 pH 2.8의 하이드록시초산과 혼합하여 pH가 6.2으로 제조함으로써 파우더 형태의 감나무잎과의 혼합이 균일하게 하고 키토산 및 감나무잎에 존재하는 작용기의 성능을 보다 향상되도록 하여 중금속 이온의 흡착력을 향상시킬 수 있다.The chitosan may be prepared as a chitosan solution of pH 6.2 to pH 6.5 by mixing an acidic solution. The acidic solution has a pH of 1 to 3, and is an organic acid of acetic acid, tartaric acid, salicylic acid, citric acid, hydroxyacetic acid, lingoic acid, propionic acid, lactic acid, glycerin, L-ascorbic acid, xenoic acid, sulfanoic acid and formic acid. And hydrochloric acid, sulfuric acid, and phosphoric acid. Preferably, the acidic solution is hydroxyacetic acid having a pH of 2.8, and the chitosan solution may have a pH of 6.2. The chitosan solution is mixed with hydroxyacetic acid having a pH of 2.8 to produce a pH of 6.2, so that mixing with persimmon leaves in powder form is uniform, and the performance of functional groups present in chitosan and persimmon leaves is further improved to adsorb heavy metal ions. Improve it.

상기 키토산 용액은 파우더 형태로 제조된 감나무잎과 혼합될 수 있는데, 전술한 범위로 혼합함으로써 비드 형태로 안정적으로 제조되며, 제조된 하이브리드 비드의 표면적과 포어 크기를 제어함으로써 중금속 흡착력을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 감나무잎 1.5 g을 150 mL의 키토산 산성 용액 중에 첨가한 후, 혼합물을 24℃에서 4시간 동안 상기 혼합물이 균질화될 때까지 교반할 수 있다. 이어서, 키토산 및 감나무 잎의 혼합물을 뷰렛으로 옮기고 200 mL의 물, 300 mL의 메탄올 및 60.0 g의 NaOH로 이루어진 혼합물인 응고용액 중에 한방울씩 적가할 수 있다.The chitosan solution may be mixed with persimmon leaves prepared in powder form, and stably manufactured in a bead form by mixing in the above-described range, and it is possible to improve heavy metal adsorption power by controlling the surface area and pore size of the prepared hybrid beads. . Preferably, after 1.5 g of the persimmon leaf is added in 150 mL of a chitosan acidic solution, the mixture can be stirred at 24 ° C. for 4 hours until the mixture is homogenized. Subsequently, the mixture of chitosan and persimmon leaves can be transferred to a burette and added dropwise to a coagulation solution, a mixture consisting of 200 mL of water, 300 mL of methanol and 60.0 g of NaOH.

상기 비드가 분산된 응고용액을 배양기에 넣고 황갈색이 되도록 60℃ 내지 80℃에서 20시간 내지 30시간 동안 배양시킬 수 있다. 온도가 60℃ 미만인 경우에는 비드 형태의 크기가 균일하게 형성되지 못하여 문제되고, 80℃ 초과인 경우에는 비드 형태가 유지되지 않아 문제된다. 또한, 20시간 미만이면 비드가 약한 외력에 의하여 형상 변형되는 등의 문제가 발생한다. 바람직하게는, 온도가 72℃의 배양기에서 24시간 동안 배양시킬 수 있다.The coagulation solution in which the beads are dispersed may be placed in a culture vessel and cultured at 60 ° C to 80 ° C for 20 to 30 hours to become a tan. When the temperature is less than 60 ° C, the size of the bead is not uniformly formed, which is a problem. If the temperature is higher than 80 ° C, the bead form is not maintained. In addition, if it is less than 20 hours, a problem such as the shape of the beads being deformed by a weak external force occurs. Preferably, the culture can be incubated for 24 hours in an incubator at a temperature of 72 ° C.

별법으로, 상기 키토산 용액을 준비하는 단계에서 상기 키토산 용액 중에 7㎛의 평균크기를 갖는 세균 바이오매스를 첨가하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 세균 바이오매스는 코리네박테리움(Corynebacterium sp.), 에스케리치아 (Escherichiasp.), 바실러스 (Bacillus sp.) 및 세라샤 (Serratia sp.)로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 세균 바이오매스를 키토산 용액 중에 첨가함으로써 하이브리드 비드의 포어 내부에는 상기 세균 바이오매스가 삽입되고 상기 세균 바이오매스는 상기 하이브리드 비드에 안정적으로 안착됨으로써 중금속 이온의 흡착력을 보다 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 상기 세균 바이오매스는 상기 하이브리드 비드의 표면적과 키토산 및 감나무잎의 작용기, 그리고 포어 크기에 의하여 상기 감나무잎 파우더와 키토산 용액의 혼합물의 전체 100 중량부에 대해서 5 중량부로 포함될 수 있다.Alternatively, the step of preparing the chitosan solution may further include adding bacterial biomass having an average size of 7 μm to the chitosan solution. The bacterial biomass may be one or more selected from the group consisting of Corynebacterium sp., Escherichia sp., Bacillus sp. And Serratia sp. By adding the bacterial biomass in the chitosan solution, the bacterial biomass is inserted into the pores of the hybrid beads and the bacterial biomass is stably settled on the hybrid beads, thereby improving the adsorption capacity of heavy metal ions. Preferably, the bacterial biomass may be included in 5 parts by weight relative to the total 100 parts by weight of the mixture of the persimmon leaf powder and the chitosan solution by the surface area of the hybrid beads, functional groups of chitosan and persimmon leaves, and pore size.

이어서 제조된 비드는 상기 제1 세척단계에서 제1 용매, 예컨대 증류수를 이용하여 복수회 세척하여 잔여물을 제거할 수 있다. 상기 증류수는 비드의 부피에 비해서 5배로 준비되며, 5회 내지 10회, 바람직하게는 9회 상기 비드를 세척할 수 있다. 세척한 후 상기 물은 여과지를 통하여 여과하여 제거한다.Subsequently, the prepared beads may be washed a plurality of times using a first solvent, for example, distilled water, in the first washing step to remove residues. The distilled water is prepared 5 times compared to the volume of the beads, and the beads can be washed 5 to 10 times, preferably 9 times. After washing, the water is removed by filtration through filter paper.

상기 에이징단계에서는 세척한 비드에 가교제를 첨가하여 상기 비드를 결합시킴으로써 하이브리드 비드로 제조할 수 있다. 상기 에이징단계는, 50 mL 내지 150 mL의 메탄올과 0.5 mL 내지 15 mL의 글루타르알데하이드(glutaraldehyde)를 혼합하여 가교제를 제조하는 단계; 제조된 가교제를 상기 비드에 첨가하는 단계; 및 상기 가교제가 첨가된 비드를 배양기 내에서 60℃ 내지 80℃에서 5시간 내지 8시간 동안 에이징시키는 단계로 이루어질 수 있다.In the aging step, a crosslinking agent may be added to the washed beads to combine the beads to produce hybrid beads. The aging step includes the steps of preparing a crosslinking agent by mixing 50 mL to 150 mL of methanol and 0.5 mL to 15 mL of glutaraldehyde; Adding the prepared crosslinking agent to the beads; And aging the beads to which the crosslinking agent is added at 60 ° C. to 80 ° C. for 5 hours to 8 hours in an incubator.

상기 가교제는 상기 비드에 첨가됨으로써 상기 감나무잎과 키토산으로 이루어진 비드를 가교시킴으로써 보다 견고하게 고정되도록 할 수 있다. 상기 가교제는 메탄올과 글루타르알데하이드를 혼합하여 제조할 수 있는데, 바람직하게는 90 mL의 메탄올 및 0.9 mL의 글루타알데하이드 용액을 이용하여 제조할 수 있다. 상기 가교제를 첨가한 비드는 배양기 내에서 60℃ 내지 80℃에서 5시간 내지 8시간 에이징될 수 있다. 온도가 60℃ 미만이면 가교제에 의한 가교반응이 지연되어 문제되고 80℃ 초과이면 가교하는 과정에서 하이드리드 비드의 작용기를 변화시켜 문제된다. 또한 5시간 미만이면 일부 가교반응이 미완료된 부분이 존재하고 8시간이면 충분하므로 이를 초과하는 경우에는 생산효율을 저하시킨다. 바람직하게는 배양기 내에서 70℃에서 6시간 동안 에이징될 수 있다.The crosslinking agent may be added to the beads to be more firmly fixed by crosslinking the beads consisting of the persimmon leaf and chitosan. The cross-linking agent may be prepared by mixing methanol and glutaraldehyde, preferably 90 mL methanol and 0.9 mL glutaraldehyde solution. The beads to which the crosslinking agent is added can be aged for 5 to 8 hours at 60 ° C to 80 ° C in an incubator. If the temperature is less than 60 ° C, the crosslinking reaction by the crosslinking agent is delayed, and if it is greater than 80 ° C, it is a problem by changing the functional groups of the hydride beads during the crosslinking process. Also, if it is less than 5 hours, some incomplete crosslinking reactions are present and 8 hours is sufficient, so if it exceeds this, production efficiency is reduced. Preferably it can be aged at 70 ° C. for 6 hours in an incubator.

에이징이 완료된 하이브리드 비드는 제2 세척단계에서 세척될 수 있다. 상기 제2 세척단계에서는 제2 용매, 예컨대 에탄올을 이용하여 1차 세척한 후 제1 용매, 예컨대 증류수를 이용하여 2차로 세척함으로써 반응하지 않고 잔존하는 글루타르알데하이드를 제거할 수 있다. 상기 제2 용매는 하이브리드 비드의 부피에 대해서 2배의 부피로 첨가되며 총 5회 이상으로 상기 하이브리드 비드를 세척하고, 상기 제1 용매, 예컨대 증류수는 상기 하이브리드 비드의 부피에 대해서 2.5배로 이용하여 총 2회 상기 하이브리드 비드를 세척할 수 있다.The aging hybrid beads can be washed in the second washing step. In the second washing step, glutaraldehyde remaining unreacted may be removed by first washing with a second solvent, such as ethanol, and second washing with a first solvent, such as distilled water. The second solvent is added in a volume of 2 times the volume of the hybrid beads, and the hybrid beads are washed 5 times or more in total, and the first solvent, such as distilled water, is used in a volume of 2.5 times the volume of the hybrid beads. The hybrid beads can be washed twice.

상기 제2 세척단계에서 상기 제2 용매 및 상기 제1 용매 순으로 세척함으로써 하이브리드 비드의 형상, 작용기, 포어형태 등과 같은 구조가 손상되지 않도록 하면서 미반응된 반응물을 완전히 제거할 수 있다.In the second washing step, by washing in the order of the second solvent and the first solvent, unreacted reactants can be completely removed while preventing damage to structures such as the shape, functional group, and pore shape of the hybrid beads.

이어서 상기 하이브리드 비드는 여과기를 이용하여 상기 제1 용매를 제거하고, 상온에서 4시간 내지 8시간 동안 유지한 후 데시게이터 내에 보관할 수 있다. 상기 시간이 4시간 미만이면 상기 하이브리드 포어의 내부에 잔존하는 용매를 완전히 제거하기 어렵고, 8시간이면 충분하므로 이를 초과하는 경우 공정효율을 저하시킨다.Subsequently, the hybrid beads may be removed from the first solvent using a filter, and maintained at room temperature for 4 to 8 hours, and then stored in a desiccator. If the time is less than 4 hours, it is difficult to completely remove the solvent remaining inside the hybrid pore, and since 8 hours is sufficient, the process efficiency is reduced when it exceeds.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 상기 하이브리드 비드 제조방법에 의하여 제조되고 내부에 복수개의 포어를 포함하며, 수용액 중에 포함된 중금속 이온을 제거하기 위한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드를 포함한다. According to another aspect of the present invention, the present invention is prepared by the hybrid bead manufacturing method and includes a plurality of pores therein, and includes a hybrid bead for a heavy metal ion adsorbent for removing heavy metal ions contained in an aqueous solution.

상기 하이브리드 비드의 평균 비표면적은 16.65 m2/g이고, 포어의 평균 크기는 4.65 nm일 수 있다.The average specific surface area of the hybrid beads may be 16.65 m 2 / g, and the average size of the pores may be 4.65 nm.

또한, 상기 중금속 이온은 Pb(II) 및 Cd(II)이고, 상기 하이브리드 비드는 랭뮤어 등온 흡착식 (Langmuir isothermal adsorption)에 따라 상기 수용액 중 Pb(II) 및 Cd(II)를 흡착할 수 있다. In addition, the heavy metal ions are Pb (II) and Cd (II), and the hybrid beads can adsorb Pb (II) and Cd (II) in the aqueous solution according to Langmuir isothermal adsorption.

별법으로, 상기 중금속 이온은 Pb(II) 및 Cd(II)이고, 상기 중금속 이온이 포함된 수용액의 pH는 5이며, 상기 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착에 의한 제거효율은 각각 98% 및 90%일 수 있다.Alternatively, the heavy metal ions are Pb (II) and Cd (II), the pH of the aqueous solution containing the heavy metal ions is 5, and the removal efficiency by adsorption of the Pb (II) and Cd (II) is 98 respectively. % And 90%.

이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나, 하기 실시예들은 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명의 권리 범위가 하기 실시예들에 의하여 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be described. However, the following examples are only preferred embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following embodiments.

물질 및 제조방법Substance and manufacturing method

1. 흡착제 및 흡착물질1. Adsorbent and adsorbent

한국, 강원도, 강릉시의 감나무 농장에서 수집된 감나무잎을 준비하였다. 탈이온수를 이용하여 감나무잎을 세척하여 유기물질과 오염물질을 제거하고, 세척된 감나무잎을 0.5 cm(폭) x 0.5 cm(길이)의 사각형의 크기로 절단한 후, 상기 감나무잎보다 큰 너비의 자기 용기에 넣고, 80℃의 오븐에서 72시간 동안 건조시켰다 (Lee & Choi, 2018). 건조된 감나무잎은 분쇄하여 파우더로 만들고, 데시게이터 (desiccator) 내에서 보관하였다. 본 실험에 사용된 하이브리드 비드는 하기와 같은 방식으로 제조되었다.Persimmon leaves collected from persimmon farms in Korea, Gangwon-do and Gangneung were prepared. After washing persimmon leaves with deionized water to remove organic substances and contaminants, the washed persimmon leaves are cut into squares of 0.5 cm (width) x 0.5 cm (length), and then have a larger width than the persimmon leaves. In a porcelain container, and dried in an oven at 80 ° C. for 72 hours (Lee & Choi, 2018). The dried persimmon leaves were pulverized into powder, and stored in a desiccator. The hybrid beads used in this experiment were prepared in the following manner.

파우더 형태로 준비된 감나무잎 1.5 g을 150 mL의 키토산 산성 용액 중에 첨가한 후, 혼합물을 24℃에서 4시간 동안 혼합물이 균질화될 때까지 교반하였다. 키토산 및 감나무잎의 혼합물을 뷰렛으로 옮기고 응고용액 (200 mL의 물, 300 mL의 메탄올 및 60.0 g의 NaOH로 이루어진 혼합물) 중에 한방울씩 떨어뜨렸다. 응고용액 중에 비드 형태로 형성된 하이브리드 비드는 응고용액이 황갈색이 될 때까지 배양기 내에서 24시간 동안 배양시켰다. 하이브리드 비드를 증류수를 이용하여 복수회 세척하고 물을 여과하여 제거한 후, 하이브리드 비드의 구형의 형상이 유지되도록 가교제 (90 mL의 메탄올 및 0.9 mL의 글루타알데하이드 용액)을 첨가하였다. 혼합물은 배양기 내에서 70℃에서 6시간 동안 에이징시켰다. 마지막으로, 가교된 하이브리드 비드를 다시 얻고, 에탄올로 세척하고, 이어서 물로 복수회 세척하여 반응하지 않은 글루타알데하이드 분자를 제거하였다. 제조된 하이브리드 비드는 상온에서 5시간 동안 건조시킨 후, 실험에 사용하기 위하여 데시게이터 내에서 보관하였다. After adding 1.5 g of persimmon leaf prepared in powder form in 150 mL of a chitosan acidic solution, the mixture was stirred at 24 ° C. for 4 hours until the mixture was homogenized. The mixture of chitosan and persimmon leaves was transferred to a burette and dropped dropwise into a coagulation solution (a mixture consisting of 200 mL of water, 300 mL of methanol and 60.0 g of NaOH). The hybrid beads formed in the form of beads in the coagulation solution were incubated for 24 hours in the incubator until the coagulation solution became a tan. After washing the hybrid beads multiple times with distilled water and removing the water by filtration, a crosslinking agent (90 mL methanol and 0.9 mL glutaraldehyde solution) was added to maintain the spherical shape of the hybrid beads. The mixture was aged in the incubator at 70 ° C. for 6 hours. Finally, crosslinked hybrid beads were again obtained, washed with ethanol, and then washed with water multiple times to remove unreacted glutaraldehyde molecules. The prepared hybrid beads were dried at room temperature for 5 hours, and then stored in a desiccator for use in experiments.

1000 mg/L의 Pb(II) 및 Cd(II)의 저장용액 (stock solution)은 Pb(NO3)2 (Duksan Pure Chem., Co. Ltd. Korea, purity=99%)과 Cd(NO3)·H2O (Sigma Aldrich, Japan, purity=99%) 각각을 탈이온수에 녹여서 준비하였다. 저장용액을 증류수로 희석하고, 실험에 필요한 농도에 맞도록 탈이온수를 이용하여 용액으로 제조하여 사용하였다.Stock solutions of 1000 mg / L of Pb (II) and Cd (II) are Pb (NO 3 ) 2 (Duksan Pure Chem., Co. Ltd. Korea, purity = 99%) and Cd (NO 3 ) · H 2 O (Sigma Aldrich, Japan, purity = 99%) was prepared by dissolving each in deionized water. The stock solution was diluted with distilled water and prepared and used as a solution using deionized water to meet the concentration required for the experiment.

2. 실험 및 분석2. Experiment and analysis

하이브리드 비드를 이용한 수용액 중 중금속 이온 제거 실험은 각 중금속 이온이 포함된 용액 1L에 첨가하는 배치 테스트로 수행하였다. Pb(II) 및 Cd(II)의 최초 농도 효과와 관련해서는 0.5 내지 50 mg/L로 변화시켜 실험하였고, 접촉 시간은 0 내지 120 min로 변화시켰으며, pH는 2 내지 10로 변화시켰고, 흡착제의 1회 투입량 (dose of adsorbent)은 0.5 내지 20 g/L로 변화시켰으며, 감나무잎의 입자 크기는 50-70 mesh이고, 온도는 25 내지 45℃로 하여 하이브리드 비드를 이용한 중금속 이온의 흡착을 평가하였다. pH는 NaOH와 HCl를 사용하여 2 내지 10으로 조정하였고, 온도는 진탕 배양기 써모스탯(Shaking Incubator Thermostat)을 이용하여 제어하였다. 하이브리드 비드와 중금속 이온이 포함된 수용액을 혼합하여 준비된 각 조건별 샘플 용액은 진탕 배양기 내에서 120 rpm으로 교반하였고, 정해진 시간에 샘플링하였다.The experiment for removing heavy metal ions in an aqueous solution using hybrid beads was performed as a batch test that was added to 1 L of a solution containing each heavy metal ion. As for the initial concentration effect of Pb (II) and Cd (II), experiments were conducted by changing to 0.5 to 50 mg / L, contact time was changed to 0 to 120 min, pH was changed to 2 to 10, and adsorbent The dose of adsorbent was changed to 0.5 to 20 g / L, the particle size of persimmon leaf was 50-70 mesh, and the temperature was 25 to 45 ° C to adsorb heavy metal ions using hybrid beads. Was evaluated. The pH was adjusted from 2 to 10 using NaOH and HCl, and the temperature was controlled using a shaking incubator thermostat. The sample solution for each condition prepared by mixing the hybrid beads and the aqueous solution containing heavy metal ions was stirred at 120 rpm in a shaking incubator, and sampled at a predetermined time.

수집된 샘플은 20분 동안 3000 rpm으로 원심분리하고, 0.45 μm의 와트만 필터를 이용하여 여과한 후, 원자흡수분광기 (AAS, Perkin Elmer, AAS 3300)를 이용하여 측정하였다. 모든 실험은 5회 반복하였고, 실험 결과의 평균값을 이용하였다. 감나무 잎, 키토산 및 하이브리드 비드의 비표면적 및 포어 부피를 Brynauer-Emmett-Teller (BET) 및 비표면적분석기 (Model ASAP, 2020)에 의하여 측정하였고, 분자구조 및 표면작용기의 구성은 Fourier transform infrared spectrometry (FT-IR; Jasco, FT-IR 4100)에 의하여 분석하였다 (Lee & Choi, 2018). 입자 크기 및 감나무 잎, 키토산 및 하이브리드 비드의 양은 각각 입자 크기 분석기 (Laser Diffraction Master class 3 & 4, Malvern, England)로 측정하고 전자 저울 (XP26, Mettler Toledo, Swiss)을 이용하였다. 다른 파라미터는 각 실험에서 고정시켰다. 감나무 잎의 함량은 전자 저울 (XP26, Mettler Toledo, Swiss)로 측정되었다. 하이브리드 비드에 흡착된 중금속의 흡착량 (qt) 및 제거 효율(R, %)은 하기 식(1) 및 식(2)로 계산하였다 (Lee & Choi, 2018).The collected sample was centrifuged at 3000 rpm for 20 minutes, filtered using a 0.45 μm Whatman filter, and then measured using an atomic absorption spectrometer (AAS, Perkin Elmer, AAS 3300). All experiments were repeated 5 times, and the average value of the experiment results was used. The specific surface area and pore volume of persimmon leaf, chitosan and hybrid beads were measured by Brynauer-Emmett-Teller (BET) and specific surface area analyzer (Model ASAP, 2020), and the molecular structure and composition of the surface functional groups were Fourier transform infrared spectrometry ( FT-IR; Jasco, FT-IR 4100) (Lee & Choi, 2018). The particle size and the amount of persimmon leaf, chitosan and hybrid beads were measured with a particle size analyzer (Laser Diffraction Master class 3 & 4, Malvern, England), respectively, and an electronic balance (XP26, Mettler Toledo, Swiss) was used. Other parameters were fixed in each experiment. Persimmon leaf content was measured by an electronic balance (XP26, Mettler Toledo, Swiss). The adsorption amount (q t ) and removal efficiency (R,%) of the heavy metal adsorbed on the hybrid beads were calculated by the following equations (1) and (2) (Lee & Choi, 2018).

Figure pat00002
식 (1)
Figure pat00002
Equation (1)

Figure pat00003
식 (2)
Figure pat00003
Equation (2)

분석analysis

1. 하이브리드 비드의 특성1. Characteristics of hybrid beads

감나무잎, 키토산 및 하이브리드 비드의 물리적 특성Physical properties of persimmon leaf, chitosan and hybrid beads

흡착제 성능을 평가하는 방법 중 하나인 표면적에 대한 평가는 흡착제 1g당 총 포어 표면적을 계산하는 방식으로 흡착 중에서의 공간의 인덱스로 수행하였다 (Choi & Lee 2015; Lee & Choi 2018). 일반적으로 표면적 크기가 증가되면, 흡착량도 증가한다 (Bacelo et al. 2016; Liu et al. 2014). 포어 크기는 흡착 및 오염물질의 감소률에 영향을 미치는 것으로, 마이크로 포어의 크기가 보다 더 커지면 비표면적도 커지고 흡착량도 증가한다 (Pangeni et al. 2014; Wan & Hanafiah 2008). 반면, 포어 크기가 너무 작으면 포어에 흡착된 물질이 포어를 통하여 흡착제의 내부로 침투하기 어렵고, 그 결과 이용가능한 포어의 수가 감소된다 (Choi 2014). 따라서, 단일 물질이 흡착 및 제거되는 경우, 포어의 분포는 특정한 포어에 집중(농축)되지 않도록 구비되는 것이 바람직하나, 수처리하는 경우와 같이 다양한 물질을 제거하는 경우 다양한 포어 분포가 유리하다 (Bacelo et al. 2016; Wan & Hanafiah 2008). 하기 표 1에서는 감나무 잎, 키토산 및 하이브리드 비드의 물리적 특성을 나타내었다. 하이브리드 비드의 비표면적 및 포어 크기는 각각 16.65 m2/g 및 4.66 nm이다.Evaluation of the surface area, which is one of the methods for evaluating the adsorbent performance, was performed as an index of the space in the adsorption by calculating the total pore surface area per 1 g of the adsorbent (Choi & Lee 2015; Lee & Choi 2018). In general, as the surface area size increases, the adsorption amount also increases (Bacelo et al. 2016; Liu et al. 2014). The pore size affects the reduction rate of adsorption and contaminants. The larger the micropore size, the larger the specific surface area and the higher the adsorption amount (Pangeni et al. 2014; Wan & Hanafiah 2008). On the other hand, if the pore size is too small, the substance adsorbed on the pore is difficult to penetrate into the inside of the adsorbent through the pore, and as a result, the number of available pores is reduced (Choi 2014). Therefore, when a single substance is adsorbed and removed, it is preferable that the distribution of pores is provided so as not to concentrate (concentrate) on a specific pore, but various pore distributions are advantageous when removing various substances such as water treatment (Bacelo et. al. 2016; Wan & Hanafiah 2008). Table 1 below shows the physical properties of persimmon leaf, chitosan, and hybrid beads. The specific surface area and pore size of the hybrid beads are 16.65 m 2 / g and 4.66 nm, respectively.

ParametersParameters Surface Area (m2/g)Surface Area (m 2 / g) Pore volume (m3/g)Pore volume (m 3 / g) Pore size (nm)Pore size (nm) Particle size (mm)Particle size (mm) Single point at p/poSingle point at p / po BET BET LangmuirLangmuir t-Plot Miscropore t-Plot Miscropore Persimmon leavesPersimmon leaves 0.2010 0.2010 0.8530 0.8530 1.1395 1.1395 1.1663 1.1663 0.0543 0.0543 1.4753 1.4753 0.297-0.2100.297-0.210 Chitosan Chitosan 0.51620.5162 2.05622.0562 12.685212.6852 1.86231.8623 0.16240.1624 2.65832.6583 -- Hybrid beadHybrid bead 4.26324.2632 16.65316.653 22.632422.6324 23.563723.5637 0.29860.2986 4.65984.6598 1±0.121 ± 0.12

관련 문헌에 따르면, 감나무잎은 중금속 제거에 효과적인 히드록실기 (-OH), 타닌 및 카테킨을 다량 함유한다 (Lee & Choi 2018; Martinez-Las Heras et al. 2014). 감나무잎은 플라타노스(5.12%), 은행나무(2.02%)보다 높은 함량으로 6.65%의 타닌을 함유한다 (Wi et al. 2012). 타닌의 중금속 이온에 대한 흡착 및 결합 메커니즘은 타닌 화합물에 함유된 페놀기 중의 히드록시기에서 두개의 H+가 발생되고 2가의 금속 양이온과 결합하여 링을 형성하며, 페놀 모너머의 카테킨 링(catechol ring) 내에서 금속 이온과 킬레이션화 반응을 하는 것이다 (Liu et al. 2014; Xu et al. 2016). 따라서, 타닌의 흡착 과정은 물리적인 결합이 아닌 화학적 이온 교환에 의한 결합으로 매우 높은 결합 강도를 갖는다.According to the related literature, persimmon leaves contain a large amount of hydroxyl groups (-OH), tannins and catechins effective for removing heavy metals (Lee & Choi 2018; Martinez-Las Heras et al. 2014). Persimmon leaves contain 6.65% of tannins with higher content than Platanos (5.12%) and Ginkgo (2.02%) (Wi et al. 2012). The mechanism of adsorption and binding of tannins to heavy metal ions is that two H + are generated in the hydroxy group in the phenol group contained in the tannin compound, and combines with the divalent metal cation to form a ring, and the catemon ring of phenol monomer It is a chelation reaction with a metal ion within (Liu et al. 2014; Xu et al. 2016). Therefore, the adsorption process of tannins has a very high bond strength due to chemical ion exchange, not physical bonding.

FT-IR 분석FT-IR analysis

도 2은 본 실시예에 따라 제조된 키토산, 감나무잎 및 하이브리드 비드의 FT-IR 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 2에서는 키토산, 감나무잎, 및 하이브리드 비드의 FT-IR 스펙트럼을 나타내었다. 감나무잎은 기본적으로 480 내지 650 cm-1의 N-함유 바이오리간드, 950 내지 1150 cm-1의 PO4 3- (stretching), 1300 내지 1450 cm-1의 CO stretching, 1500 내지 1600 cm-1의 카르복실기 및 NH bending, 1640 내지 1670 cm-1의 카르복실기, 1680 내지 1740 cm-1의 카르복실기의 C=O, 2800 내지 2900 cm-1의 CH stretching과 OH 카르복실산, 및 3000 내지 3500 cm-1의 -OH기 결합으로 구성된다. 또한, 감나무잎의 타닌 성분은 페놀하이드록시기 (하이드록시기, -OH-)를 다량 포함하고 중금속 흡착력을 구비한다 (Abdelfattah et al. 2016).Figure 2 is a graph showing the FT-IR spectrum of chitosan, persimmon leaves and hybrid beads prepared according to this embodiment. 2 shows the FT-IR spectrum of chitosan, persimmon leaves, and hybrid beads. Persimmon leaves are basically 480 to 650 cm -1 N-containing bioligand, 950 to 1150 cm -1 PO 4 3- (stretching), 1300 to 1450 cm -1 CO stretching, 1500 to 1600 cm -1 Carboxyl group and NH bending, 1640 to 1670 cm -1 carboxyl group, 1680 to 1740 cm -1 carboxyl group C = O, 2800 to 2900 cm -1 CH stretching and OH carboxylic acid, and 3000 to 3500 cm -1 -OH group. In addition, the tannin component of persimmon leaf contains a large amount of phenol hydroxy groups (hydroxy groups, -OH-) and has heavy metal adsorption power (Abdelfattah et al. 2016).

키토산의 FT-IR 분석에 의하면, 3300 내지 3500 cm-1의 피크는 -OH기의 결합을 의미하고, 1640 내지 1670 cm-1의 피크는 카르복실기, 및 1500 내지 1600 cm-1의 피크는 벤딩 카르복실기와 N-H 벤딩기를 의미한다. 또한, 1424 및 1380 cm-1의 피크는 알킬기의 C-H 벤딩을 나타내고, 1310 및 1253 cm-1의 피크는 각각 C-N 벤딩과 N-H기를 나타낸다. 1148 및 1027 cm-1는 각각 C-O-C기의 비대칭성과 C-O 진동을 나타내고, 897 cm-1에서의 피크는 β-1,4-당체결합 (β-1,4-glycosidic bond)에서 기인한다.According to FT-IR analysis of chitosan, the peak of 3300 to 3500 cm -1 means the bond of the -OH group, the peak of 1640 to 1670 cm -1 is the carboxyl group, and the peak of 1500 to 1600 cm -1 is the bending carboxyl group And NH bending machine. In addition, the peaks of 1424 and 1380 cm -1 indicate CH bending of the alkyl group, and the peaks of 1310 and 1253 cm -1 indicate CN bending and NH group, respectively. 1148 and 1027 cm -1 indicate the asymmetry and CO vibration of the COC group, respectively, and the peak at 897 cm -1 is due to the β-1,4-glycosidic bond.

Hybrid bead (하이브리드 비드)는 타닌과 치토산이 가지고 있는 피크가 혼합되어 나타나 중금속 흡착에 필요한 carboxyl group 과 carbonyl group이 많이 포함되어 있다. 일반적으로 중금속 흡착능이 가장 뛰어난 관능기는 carboxyl group이라고 알려져 있는데 carboxyl group은 수용액 속에서 -COO-와 H+로 해리되며, 일정 pK 값 이상에서 대부분 -COO-형태가 되어 양이온성 중금속이 효율적으로 흡착된다 (Xu et al. 2016; Choi 2016). 더불어 다양한 생물 재료에 의한 중금속 흡착 메커니즘이 정확히 밝혀진 문헌은 없지만 흡착이 일어나는 이유는 세포 조직내의 고분자 물질에 있는 작용기들이 중금속과 배위 결합을 하기 때문이다. 이러한 작용기에는 -COOH, NH2 -, -PO4, -SO4, C6H5 -,>CO, (NH2)3C-NH-, -OH가 있다. 따라서 Hybrid bead에 포함되어 있는 중금속과의 배위결합에 관여하는 -OH, -CH2OSO3 - 와 -COOH, -OH등과 다량의 carboxyl group 과 carbonyl group은 중금속의 제거에 많은 영향을 미칠 것으로 사료된다.Hybrid bead (hybrid bead) contains a mixture of tannin and chitosan peaks, and contains many carboxyl and carbonyl groups for heavy metal adsorption. In general, the functional group with the best adsorption capacity for heavy metals is known as the carboxyl group. The carboxyl group dissociates into -COO- and H + in aqueous solution, and is mostly -COO-form above a certain pK value, so that cationic heavy metals are efficiently adsorbed ( Xu et al. 2016; Choi 2016). In addition, although there is no document in which the mechanism of adsorption of heavy metals by various biological materials has been clarified, the reason why adsorption occurs is that functional groups in the polymer material in the cell tissue are coordinated with heavy metals. Such functional groups include -COOH, NH 2 -, -PO 4 , -SO 4, C 6 H 5 -,> CO, (NH 2) a 3 C-NH-, -OH. Therefore, it is thought that -OH, -CH 2 OSO 3 - and -COOH, -OH, etc., which are involved in coordination with heavy metals contained in the hybrid bead, and a large amount of carboxyl groups and carbonyl groups have a significant effect on the removal of heavy metals. .

2. 매개변수 (Parametric study)2. Parameters (Parametric study)

도 3a는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드를 이용하여 최초 농도에 따른 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착률을 나타낸 그래프이고 ((a) Effect of initial concentration), 도 3b는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드를 이용하여 pH에 따른 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착률을 나타낸 그래프이다 ((b) Effect of various pH level). 도 3c는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드인 흡착제의 양에 따른 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착률을 나타낸 그래프이고 ((c) Effect of adsorbent dose), 도 3d는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드의 접촉 시간에 따른 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착평형을 나타낸 그래프이다 ((d) Effect of contact time on the hybrid beads for Pb(II) and Cd(II) removal).Figure 3a is a graph showing the adsorption rates of Pb (II) and Cd (II) according to the initial concentration using the hybrid beads prepared according to this embodiment ((a) Effect of initial concentration), Figure 3b is the present embodiment It is a graph showing the adsorption rates of Pb (II) and Cd (II) according to pH using hybrid beads prepared according to an example ((b) Effect of various pH levels). 3c is a graph showing the adsorption rates of Pb (II) and Cd (II) according to the amount of the adsorbent, which is a hybrid bead prepared according to the present embodiment ((c) Effect of adsorbent dose), FIG. 3d is the present embodiment It is a graph showing the adsorption equilibrium of Pb (II) and Cd (II) according to the contact time of the hybrid beads prepared according to ((d) Effect of contact time on the hybrid beads for Pb (II) and Cd (II) removal ).

도 3a 내지 도 3d에 나타낸 바와 같이, 수용액 중에서 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 효율에서 다양한 파라미터의 효과를 조사하기 위하여, 다양한 중금속의 최초 농도, 다양한 pH의 수용액, 다양한 양의 흡착제 및 접촉시간에 대해서 실험을 실시하였다.3A to 3D, in order to investigate the effect of various parameters on the adsorption efficiency of Pb (II) and Cd (II) using hybrid beads in aqueous solution, the initial concentration of various heavy metals, aqueous solutions of various pH, various Experiments were conducted for positive adsorbent and contact time.

초기 중금속의 농도가 미치는 영향Effect of initial heavy metal concentration

제거 효율과 관련된 초기 중금속의 농도의 영향에 대해서는 0.5 내지 20 mg/L로 중금속 농도를 다양하게 변형하여 수행하였고, 그 결과를 도 3(a)에 나타내었다. 흡착제의 양 및 흡착 시간은 중금속의 초기 농도에 따라 결정되기 때문에, 제거 효율에 대한 초기 중금속의 농도의 효과는 흡착 과정의 최적 조건에서 파생되는 기본식에 의한다. 그 결과, Pb(II) 및 Cd(II)는 98%의 2 mg/L 미만의 초기 농도보다 더 높은 제거 효율로 결정되었다. 초기 중금속의 농도가 증가되면 흡착 효율은 감소된다. 20 mg/L의 초기 중금속 농도에서 제거 효율은 Pb(II)에 대해서는 62.3%이고, Cd(II)에 대해서는 40.7%이었다. 추가로, 10 mg/L의 Pb(II) 및 5 mg/L의 Cd(II)에서 제거 효율은 90%까지 측정되었다. 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II)의 제거 효율은 Cd(II)의 제거 효율보다 높다. 또한, Cd(II)의 제거 효율은 중금속의 농도가 증가함에 따라 Pb(II)보다 높아진다. 그 결과, Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착량은 초기 중금속의 농도에 의하여 영향받음을 확인할 수 있었다. 또한, 초기 중금속의 농도가 증가함에 따라 흡착제에 흡착되는 흡착량은 증가하지만 흡착율은 감소하였다. Regarding the effect of the concentration of the initial heavy metal related to the removal efficiency, it was carried out by varying the heavy metal concentration to 0.5 to 20 mg / L, and the results are shown in FIG. 3 (a). Since the amount of adsorbent and the time of adsorption depend on the initial concentration of the heavy metal, the effect of the concentration of the initial heavy metal on the removal efficiency is based on the basic formula derived from the optimum conditions of the adsorption process. As a result, Pb (II) and Cd (II) were determined to have a higher removal efficiency than the initial concentration of less than 2 mg / L of 98%. The adsorption efficiency decreases as the concentration of the initial heavy metal increases. The removal efficiency at the initial heavy metal concentration of 20 mg / L was 62.3% for Pb (II) and 40.7% for Cd (II). Additionally, removal efficiency at 10 mg / L of Pb (II) and 5 mg / L of Cd (II) was measured to 90%. The removal efficiency of Pb (II) using hybrid beads is higher than that of Cd (II). In addition, the removal efficiency of Cd (II) is higher than that of Pb (II) as the concentration of heavy metals increases. As a result, it was confirmed that the adsorption amount of Pb (II) and Cd (II) was affected by the concentration of the initial heavy metal. In addition, as the concentration of the initial heavy metal increased, the amount of adsorption adsorbed on the adsorbent increased, but the adsorption rate decreased.

pH 효과pH effect

수용액의 pH는 중금속 제거에 상당한 영향을 미침을 확인할 수 있었다. pH에 따라서 수용액 중에서의 중금속의 이온 형태가 상이하다. Pb(II) 및 Cd(II)의 제거 효율에 대한 pH 효과를 조사하기 위하여, pH를 2 내지 10으로 변화시켜서 제어하였다. Pb(II) 및 Cd(II)의 제거 효율은 pH 5에서 각각 98.2%, 90.3%를 획득하였다. 반면, Pb(II) 및 Cd(II)의 제거 효율은 낮은 pH (2.0 내지 3.0)에서 43.4% 내지 64.2%임을 확인할 수 있었다. FT-IR 분석에서, 하이브리드 비드의 표면에 있는 카르보닐기와 카르복실기 구성은 중금속 흡착의 중요한 역할을 한다. 선행 연구에 따르면, 중금속 표면에서의 흡착 메커니즘은 일반적으로 반응 매질에서의 pH, 흡착제의 표면 특성, 및 중금속의 본질적인 특성에 의하여 영향을 받는다 (Bacelo et al. 2016; Lee & Choi 2018).It was confirmed that the pH of the aqueous solution had a significant effect on heavy metal removal. The ionic form of the heavy metal in the aqueous solution differs depending on the pH. In order to investigate the effect of pH on the removal efficiency of Pb (II) and Cd (II), the pH was controlled by changing to 2-10. The removal efficiency of Pb (II) and Cd (II) was 98.2% and 90.3% at pH 5, respectively. On the other hand, it was confirmed that the removal efficiency of Pb (II) and Cd (II) was 43.4% to 64.2% at low pH (2.0 to 3.0). In FT-IR analysis, the carbonyl and carboxyl groups on the surface of the hybrid beads play an important role in heavy metal adsorption. According to previous studies, the adsorption mechanism on the heavy metal surface is generally influenced by the pH in the reaction medium, the surface properties of the adsorbent, and the intrinsic properties of the heavy metal (Bacelo et al. 2016; Lee & Choi 2018).

pH 2 내지 5에서 하이브리드 비드에 의한 중금속의 흡착이 증가하는 데 이는 이온 교환 메커니즘에 관련된 것으로 판단된다. 낮은 pH 값 (pH 4.0 이하)에서, 고농도의 H+ 이온은 흡착제 표면에서 Pb(II) 및 Cd(II)와 함께 양이온 이온 교환에 대해서 경쟁하고, 그 결과 하이브리드 비드의 표면에서의 Pb(II) 및 Cd(II) 흡착이 억제된다. 반면, pH 값이 증가하면, 흡착제 표면에서 H+ 이온이 감소하고, 흡착제의 표면에 이온 교환이 가능한 양이온과 H+ 이온 사이의 경쟁은 감소하게 된다. 이에 따라 Pb(OH)2 및 Cd(OH)2 또는 Pb(OH)3 및 Cd(OH)3로 교환된 Pb(II) 및 Cd(II)는 pH 값의 증가에 따라 급속하게 하이브리드 비드의 흡착에 흡착된다. 다(Barsbay et al. 2018). 일반적으로, 수용액 중에서 중금속은 pH가 상승하면 하이드록사이드로 형성되고, Cd(OH)+ 및 Pb(OH)+의 형태로 존재한다 (Yurtsever & Sengil 2009). 또한, 중성 또는 알칼리 pH에서 Cd(OH)2 및 Pb(OH)2의 형태로 침전된다 (Choi et al. 2016; Lee & Choi 2018). 따라서, 증가된 pH는 Pb(II) 및 Cd(II)의 제거 효율에 영향을 미친다. 하이브리드 비드에 의한 Pb(II)의 흡착은 Cd(II)의 흡착보다 더 높은 값을 갖는다. pH 5 이상의 조건에서 Pb(II)는 Cd(II)보다 강하게 하이드록시메탈 (MeOH+)을 형성한다. 이러한 하이드록시화합물은 하이브리드 비드의 표면에서 작용기와 강하게 결합하였다. 흡착제 상에서 중금속이 선호하는 선택성은, 예를 들면 중금속의 수화된 이온 반지름 및 수화에너지와 같은 다양한 인자와 관련된다. Pb(II) 및 Cd(II)의 코디네이션 결합수는 각각 6 및 4로 알려져 있다 (Choi et al. 2016; Li et al. 2016). 그 결과에 따라, 하이브리드 비드의 포어 내에서 수화된 Cd(II)의 이동은 입체 화학적 가리움 효과 (stereo-chemically hindered)와 유사하다 (Choi et al. 2016). 또한, 포어 크기 분포는 주어진 분자의 크기 및 형태에 접근하는 데 있어서 입자의 총부피에 대한 분률을 결정하는 데 중요한 인자이다. 최소의 수화 에너지 (1481 kJ/mol)를 갖는 종류인 Pb(II)는 Cd(II) (1807 kJ/mol)와 비교되고 (Choi et al. 2016), Cd(II) 금속과 비교되는 수화된 Pb(II) 이온은 하이브리드 비스의 통로 내로 유입되는 것이 보다 용이하게 됨을 확인할 수 있다. 따라서, Pb(II)의 선택성은 Cd(II)의 선택성보다 높다. 전술한 실험의 결과는 pH 6 이상에서 Pb(II) 및 Cd(II) 양측 모두 높은 제거 효율을 나타냄을 확인할 수 있었다. 미생물 처리시의 pH가 대략 6 내지 8임을 고려하면, 흡착제로 하이브리드 비드를 이용하여 수용액 중에서 중금속을 흡착시켜 제거하는 경우 별도의 pH에 대한 조정없이도 바로 하이브리드 비드를 적용할 수 있다. 이는 화학물질의 사용을 감소시키고, 화학물질의 사용에 따른 후처리를 필요로 하지 않아 매우 유용한 자원의 재생산이며, 친환경적이다.The adsorption of heavy metals by hybrid beads increases at pH 2 to 5, which is believed to be related to the ion exchange mechanism. At low pH values (pH 4.0 and below), high concentrations of H + ions compete for cation ion exchange with Pb (II) and Cd (II) at the adsorbent surface, resulting in Pb (II) at the surface of the hybrid beads. And Cd (II) adsorption is inhibited. On the other hand, when the pH value is increased, H + ions decrease on the surface of the adsorbent, and competition between the cations and H + ions capable of ion exchange on the surface of the adsorbent decreases. Accordingly, Pb (II) and Cd (II) exchanged with Pb (OH) 2 and Cd (OH) 2 or Pb (OH) 3 and Cd (OH) 3 rapidly adsorb hybrid beads as the pH value increases. Is adsorbed on. (Barsbay et al. 2018). In general, heavy metals in aqueous solutions are formed as hydroxides when the pH rises, and exist in the form of Cd (OH) + and Pb (OH) + (Yurtsever & Sengil 2009). In addition, it is precipitated in the form of Cd (OH) 2 and Pb (OH) 2 at neutral or alkaline pH (Choi et al. 2016; Lee & Choi 2018). Therefore, the increased pH affects the removal efficiency of Pb (II) and Cd (II). The adsorption of Pb (II) by hybrid beads has a higher value than that of Cd (II). Under conditions of pH 5 or higher, Pb (II) forms hydroxymetal (MeOH + ) stronger than Cd (II). These hydroxy compounds were strongly bound to functional groups on the surface of the hybrid beads. The preferred selectivity of heavy metals on adsorbents is related to various factors such as, for example, the hydrated ion radius and hydration energy of the heavy metal. Coordination bonds of Pb (II) and Cd (II) are known as 6 and 4, respectively (Choi et al. 2016; Li et al. 2016). According to the results, the movement of hydrated Cd (II) within the pores of the hybrid beads is similar to the stereo-chemically hindered effect (Choi et al. 2016). In addition, pore size distribution is an important factor in determining the fraction for the total volume of particles in accessing the size and shape of a given molecule. Pb (II), a class with minimal hydration energy (1481 kJ / mol), is compared to Cd (II) (1807 kJ / mol) (Choi et al. 2016), and hydrated compared to Cd (II) metal It can be seen that the Pb (II) ion is more easily introduced into the passage of the hybrid bis. Therefore, the selectivity of Pb (II) is higher than that of Cd (II). As a result of the above-described experiment, it was confirmed that both of Pb (II) and Cd (II) showed high removal efficiency at pH 6 or higher. Considering that the pH at the time of microbial treatment is approximately 6 to 8, when the heavy metal is adsorbed and removed from the aqueous solution using a hybrid bead as an adsorbent, the hybrid bead can be applied directly without adjustment to a separate pH. This reduces the use of chemicals, does not require post-treatment according to the use of chemicals, is a very useful resource reproduction, and environmentally friendly.

흡착제 투입양의 효과Effect of adsorbent input

흡착제 투입양은 경제성 및 환경적인 측면에서 매우 중요한 처리 파라미터이다. 흡착제의 효율 정도와 무관하게, 경제적인 면이 열악하면 산업적으로 이용이 망설여진다. 다른 말로는, 다량의 중금속은 적은 양으로 흡착할 수 있고, 흡착제가 친환경적인 경우, 이와 같은 흡착제는 바로 적용이 가능하다. Pb(II) 및 Cd(II)의 제거 효율에 따른 흡착제 양의 효과는 pH 6과 초기 농도 5 ppm로 고정시킨 후 흡착제의 투입양을 증가시키면서 실험하였다. 측정된 실험 결과에서, 흡착제의 투입양이 증가될수록 Pb(II) 및 Cd(II)의 제거 효율은 증가한다 (도 3(c)). 이는 중금속 흡착에 관련되는 표면적은 흡착제의 투입양이 증가함에 따라 증가하는 것으로, 그에 따라 단위 이온에 대한 흡착제의 흡착 확률은 증가한다. 하이브리드 비드의 내부로 흡착되는 Pb(II) 및 Cd(II)의 제거 효율은 각각 흡착제 3 g/L에서 95% 및 92%임을 확인할 수 있었다.The amount of adsorbent input is a very important treatment parameter in terms of economy and environment. Regardless of the efficiency of the adsorbent, industrial use is hesitant if the economic aspect is poor. In other words, a large amount of heavy metal can be adsorbed in a small amount, and if the adsorbent is environmentally friendly, such an adsorbent can be applied immediately. The effect of the adsorbent amount according to the removal efficiency of Pb (II) and Cd (II) was fixed at pH 6 and the initial concentration of 5 ppm, and then the experiment was conducted while increasing the input amount of the adsorbent. In the measured experimental results, the removal efficiency of Pb (II) and Cd (II) increases as the input amount of the adsorbent increases (Fig. 3 (c)). This is because the surface area related to heavy metal adsorption increases as the input amount of the adsorbent increases, and thus the probability of adsorption of the adsorbent to the unit ion increases. The removal efficiency of Pb (II) and Cd (II) adsorbed into the interior of the hybrid beads was confirmed to be 95% and 92%, respectively, at 3 g / L of adsorbent.

3. 접촉시간 및 흡착속도의 효과3. Effect of contact time and adsorption speed

단시간 내에 흡착 평형에 도달할 수 있는 조건은 흡착제의 기본 조건이다. 따라서, 접촉 시간에 의존하는 흡착제에 대한 중금속의 흡착 효율을 최적화할 필요가 있다. Pb(II) 및 Cd(II)의 90% 이상은 30분의 접촉 시간 내에 하이브리드 비드에 흡착되었고, 흡착 평형은 60분의 접촉 시간에 도달하였다 (도 3(d)). 타닌은 쉽게 이용이 가능한 물질로, 저가이고 식물에서 쉽게 추출이 가능하며, 불용성 (타닌 겔 또는 타닌 폼) 또는 고정된 매트릭스로 쉽게 전환이 가능하므로 바이오물질 흡착제로 훌륭한 후보물질이다. 그러나 개질하지 않은 자연적인 타닌 흡착제의 흡착율은 매우 낮고 흡착평형에 도달하는 시간이 매우 길다 (Bacelo et al. 2016; Xu et al. 2017). Luzardo et al. (2017)에 따르면, 미모사 타닌 (mimosa tannin)을 이용한 Pb(II)의 흡착 제거의 결과는 24h 후 흡착 평형에 도달함을 보고하였다. 이러한 문제를 해결하기 위한 Xu et al. (2017)에 따르면, 타닌 겔로 변형된 타닌을 이용한 경우 Cr(III), Cu(II), 및 Pb(II)의 흡착 평형은 4h 접촉 시간 이후 도달하였다. 추가로, Sargin & Arslan (2015)는 키토산/스포로폴레닌 (chitosan/sporopollenin)으로 이루어진 마이크로캡슐을 제조하였고, 이를 이용한 경우 6h 이후 중금속 제거에 대한 흡착 평형에 도달함을 확인하였다. 다양한 연구에 따르면, 개질한 타닌에 의한 중금속 흡착은 개질하지 않은 타닌에 비하여 흡착 평형 시간을 감소시킬 수 있지만, 활성탄과 비교하여 흡착 평형에 도달하는 데 여전히 긴 시간이 소요된다고 보고된다 (Bacelo et al. 2016; Xu et al. 2017; Yurtsever & Sengil 2009; Zhan & Zhao 2003; Sengil & Ozacar 2008). 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 비드는 1 h 내에 흡착 평형에 도달하였다. 따라서, 본 실시예에 따른 하이브리드 비드는 종래 기술보다 짧은 접촉 시간 내에서 수용액 내에 존재하는 중금속을 매우 빠르고 효율적으로 제거한다는 이점이 있다.The conditions under which adsorption equilibrium can be reached in a short time are basic conditions of the adsorbent. Therefore, it is necessary to optimize the adsorption efficiency of heavy metals to adsorbents depending on the contact time. More than 90% of Pb (II) and Cd (II) adsorbed to the hybrid beads within 30 minutes of contact time, and the adsorption equilibrium reached 60 minutes of contact time (Figure 3 (d)). Tannin is an easy-to-use material, it is inexpensive and can be easily extracted from plants, and is an excellent candidate as a biomaterial adsorbent because it can be easily converted into an insoluble (tannin gel or tannin foam) or a fixed matrix. However, the adsorption rate of the unmodified natural tannin adsorbent is very low and the time to reach the adsorption equilibrium is very long (Bacelo et al. 2016; Xu et al. 2017). Luzardo et al. According to (2017), the result of adsorption removal of Pb (II) using mimosa tannin reported that adsorption equilibrium was reached after 24 h. To solve this problem, Xu et al. According to (2017), the adsorption equilibrium of Cr (III), Cu (II), and Pb (II) was reached after 4h contact time when tannin modified with tannin gel was used. Additionally, Sargin & Arslan (2015) prepared a microcapsule consisting of chitosan / sporopollenin, and confirmed that it reached the adsorption equilibrium for heavy metal removal after 6h. According to various studies, heavy metal adsorption by modified tannins may reduce adsorption equilibrium time compared to unmodified tannins, but it is reported that it still takes a long time to reach adsorption equilibrium compared to activated carbon (Bacelo et al. 2016; Xu et al. 2017; Yurtsever & Sengil 2009; Zhan & Zhao 2003; Sengil & Ozacar 2008). Hybrid beads according to an embodiment of the present invention reached adsorption equilibrium within 1 h. Therefore, the hybrid bead according to the present embodiment has an advantage of removing heavy metals present in the aqueous solution very quickly and efficiently within a shorter contact time than the prior art.

도 4a 내지 도 4c는 본 실시예에 따라 제조된 하이브리드 비드와 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 제거 과정에 대한 유사 1차 모델 및 유사 2차 모델을 이용하여 나타낸 그래프이다 (Plot of the (a) Pseudo-first-order and (b) Pseudo-second-order kinetic model and (c) intra-particle diffusion plot of the for Pb(II) and Cd(II) removal on hybrid beads).4A to 4C are graphs using the pseudo-first model and the pseudo-secondary model for the adsorption and removal process of hybrid beads and Pb (II) and Cd (II) prepared according to the present embodiment (Plot of the (a) Pseudo-first-order and (b) Pseudo-second-order kinetic model and (c) intra-particle diffusion plot of the for Pb (II) and Cd (II) removal on hybrid beads).

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 흡착 속도는 흡착률, 흡착 메커니즘 및 흡착 속도제한을 설명하기 위하여 사용될 수 있다. 흡착 자리에 흡착물질의 물질 이동 및 확산에 의하여 제어되기 때문에 유사 1차 모델 (

Figure pat00004
에 의하여 물리적인 흡착을 쉽게 확인할 수 있다 (Ali et al. 2016; Lee & Choi 2018). 다른 한편으로는, 화학적인 흡착은 속도제한단계이기 때문에 유사 2차 모델 (
Figure pat00005
에 의하여 화학흡착을 보다 쉽게 확인할 수 있다. 입자 내부 확산 모델은 입자 내에서의 확산을 위하여 속도제한단계로 사용된다 (Xu et al. 2017; Sengil & Ozacar 2009). 결정계수에 따르면, 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 제거 과정은 유사 1차 모델보다는 유사 2차 모델이 보다 적절함을 확인할 수 있었다(도 4a 및 도 4b 참조). 하이브리드 비드를 이용한 입자 내부 확산 사이의 상관관계는 Pb(II)는 0.9779이고 Cd(II)는 0.9632임을 확인할 수 있었으며, 이는 유사 1차 모델 및 유사 2차 모델에 의한 값보다는 작다 (도 4c 참조). 즉, 이와 같은 결과는 입자 내에서의 확산은 흡착 과정에서 속도제한단계가 아님을 나타낸다. 전술한 실험 결과에 따르면, 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II)의 제거는 중금속의 흡착속도제한에 사용되는 물리흡착보다는 화학흡착이 보다 적절하게 사용됨을 확인할 수 있었다. Pb(II) 및 Cd(II) 양측 모두 접촉시간 및 ln (qe-q0)에 크게 관련되어 있다. 이는 중금속과 흡착제 사이의 친화력이 매우 높다는 것과, 본 반응에서 흡착 과정이 매우 빠르게 수행됨을 나타내었다. 또한, Pb(II)는 Cd(II)에 비하여 더 높은 상관계수를 나타내어 흡착 평형에 더 빠르게 도달하였고, 더 높은 흡착량을 갖음을 확인할 수 있었다. 좋은 흡착제의 가장 기본적인 조건은 짧은 접촉 시간 내에 많은 양의 오염물질을 흡착하고, 과 시간 (over time) 동안에도 탈착됨이 없이 강하게 흡착할 수 있어야 한다. 본 실시예에 따른 감나무잎 및 키토산을 이용한 하이브리드 비드는 짧은 접촉 시간 내에 다량을 흡착할 수 있는 친환경적인 흡착제임을 확인할 수 있었다.4A-4C, the adsorption rate can be used to describe the adsorption rate, adsorption mechanism and adsorption rate limit. Similar first-order models (
Figure pat00004
The physical adsorption can be easily confirmed by (Ali et al. 2016; Lee & Choi 2018). On the other hand, since chemical adsorption is a rate-limiting step, the pseudo-secondary model (
Figure pat00005
By this, chemical adsorption can be more easily confirmed. The intra-particle diffusion model is used as a rate limiting step for diffusion in particles (Xu et al. 2017; Sengil & Ozacar 2009). According to the coefficient of determination, the adsorption and removal process of Pb (II) and Cd (II) using hybrid beads was confirmed to be more appropriate than the quasi-first model (see FIGS. 4A and 4B). The correlation between intraparticle diffusion using hybrid beads was confirmed to be 0.9779 for Pb (II) and 0.9632 for Cd (II), which is smaller than the values obtained by the pseudo-first model and pseudo-secondary model (see FIG. 4C). . That is, these results indicate that diffusion in particles is not a rate limiting step in the adsorption process. According to the above-described experimental results, it was confirmed that the chemical adsorption is more appropriately used for the removal of Pb (II) and Cd (II) using hybrid beads than the physical adsorption used to limit the adsorption rate of heavy metals. Both Pb (II) and Cd (II) are highly related to the contact time and ln (q e -q 0 ). This indicates that the affinity between the heavy metal and the adsorbent is very high, and the adsorption process is performed very quickly in this reaction. In addition, Pb (II) showed a higher correlation coefficient than Cd (II), so it was confirmed that the adsorption equilibrium was reached faster and had a higher adsorption amount. The most basic condition of a good adsorbent should be able to adsorb a large amount of contaminants within a short contact time and be able to adsorb strongly without desorption even during over time. It was confirmed that the hybrid beads using persimmon leaf and chitosan according to this embodiment are eco-friendly adsorbents capable of adsorbing large amounts within a short contact time.

일반적으로, 흡착제의 성능은 흡착 평형을 기반으로 흡착 등온선에 의하여 평가될 수 있다. 흡착 등온선은 일정 온도에서 흡착제의 평형 농도와 흡착제의 단위 그램 당 흡착 평형량 사이의 관계로 표현된다 (Zhao et al. 2013). 랭뮤어(Langmuir), 프로인들리히(Freundlich) 및 듀비닌-라듀쉬케비히(Dubinin-Radushkevich, D-R) 등과 같은 다양한 모델들이 흡착 메커니즘에 대해서 증명하기 위하여 개발되고 발전해왔다. 현재, 이러한 모델들은 흡착제 또는 흡착물질의 흡착 성능 및 흡착 메커니즘을 증명하기 위하여 사용된다. 랭뮤어 흡착 등온식에서, 흡착의 결합력은 단층 (monolayer)에서 적용되고, 흡착은 다른 개별적인 층에서는 발생하지 않는다 (Ali et al. 2016; Lee & Choi 2018). 따라서, 랭뮤어 흡착은 단층 흡착으로 불리운다. 프로인들리히 등온 흡착식에서, 랭뮤어 흡착 등온식으로 적용되는 표면 온도에 따르면 흡착열은 지수적으로 감소된다 (Choi et al. 2016; Chen et al. 2010). D-R 흡착 등온식은 흡착 메커니즘을 이해하기 위해서 또는 흡착 에너지를 결정하기 위하여 가장 널리 사용된다 (Chen et al. 2010). 본 실시예에서는, 흡착 등온식 모델 분석은 등온과 관련된 금속 이온의 흡수/흡착 (sorption)의 양적인 평가를 수행하였다.In general, the performance of adsorbents can be evaluated by adsorption isotherms based on adsorption equilibrium. The adsorption isotherm is expressed as the relationship between the equilibrium concentration of the adsorbent at a constant temperature and the adsorption equilibrium amount per gram of adsorbent (Zhao et al. 2013). Various models such as Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich (D-R) have been developed and developed to demonstrate the adsorption mechanism. Currently, these models are used to demonstrate the adsorption performance and adsorption mechanism of adsorbents or adsorbents. In the Langmuir adsorption isotherm, the binding force of adsorption is applied in a monolayer, and adsorption does not occur in other individual layers (Ali et al. 2016; Lee & Choi 2018). Thus, Langmuir adsorption is called monolayer adsorption. In Freundrich's isothermal adsorption, the heat of adsorption decreases exponentially according to the surface temperature applied by Langmuir adsorption isothermal (Choi et al. 2016; Chen et al. 2010). D-R adsorption isotherm is most widely used to understand adsorption mechanisms or to determine adsorption energy (Chen et al. 2010). In this example, the adsorption isotherm model analysis performed quantitative evaluation of absorption / sorption of metal ions related to isotherm.

랭뮤어 등온 흡착식에 따르면, Pb(II) 및 Cd(II) 흡착량은 각각 1.345 및 0.782 (mmol/g)이였다 (표 2 참조). 하이브리드 비드에서 이와 같은 흡착량의 차이는 흡착제 및 흡착물질 사이의 친화력과 중금속 이온의 전기음성도와 관련된 중금속 이온의 분자 크기의 차이에 기인함을 확인할 수 있었다. 또한, 생체흡수형 (bioabsorbable) 물질에 의한 중금속 이온의 흡착은 생체흡수형 물질의 작용기에 대한 중금속 이온의 선택성에 따라 효과적일 수 있다 (Choi 2014). 이러한 연구의 결과는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 비드는 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착에 대해서 보다 친화력이 있음을 확인할 수 있었다.According to the Langmuir isothermal adsorption, the adsorption amounts of Pb (II) and Cd (II) were 1.345 and 0.782 (mmol / g), respectively (see Table 2). It was confirmed that the difference in the adsorption amount in the hybrid beads was due to the difference in the affinity between the adsorbent and the adsorbent and the molecular size of the heavy metal ion related to the electronegative properties of the heavy metal ion. In addition, adsorption of heavy metal ions by bioabsorbable materials may be effective depending on the selectivity of heavy metal ions to functional groups of bioabsorbable materials (Choi 2014). The results of this study confirmed that the hybrid beads according to the examples of the present invention have more affinity for adsorption of Pb (II) and Cd (II).

프로인들리히 등온 흡착식의 응용은 활성탄과 같이 흡착된 표면 에너지가 불규칙하게 분산된 경우 적절하다. 프로인들리히 모델에서, K F 값은 흡착능의 작용이고, 1/n는 입자와 오염물 사이의 흡착 강도의 작용을 나타낸다. 1/n에 대해서, Pb(II)는 0.475 이고, Cd(II)는 0.711임이 실험 결과로 확인할 수 있었다. Pb(II)의 흡착 상수인 K F 는 14.316이고, Cd(II)의 흡착 상수인 K F 는 12.137로, 이는 Pb(II)는 Cd(II)보다 더 큰 흡착 상수를 갖음을 확인할 수 있었다. 일반적으로, 흡착 상수 K F 값이 증가함에 따라 흡착제의 흡착력도 증가한다 (Ali et al. 2016). 또한, 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 결과는 프로인들리히 모델보다는 랭뮤어 모델이 보다 적절함을 본 실험을 통하여 확인할 수 있었다 (표 2 참조). D-R 흡착 등온식은 흡착 에너지로부터 결정될 수 있기 때문에 흡착 메커니즘을 이해하거나 또는 흡착 에너지를 결정하기 위하여 가장 널리 사용된다 (Ali et al. 2016). 듀비닌-라듀쉬케비히 (D-R) 흡착 등온식 모델은 흡착 과정이 물리적인 흡착이거나 또는 이온 교환임을 나타낸다 (He et al. 2014; Xu et al. 2017). 하이브리드 비드에서의 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 에너지는 각각 11.215 및 8.432 kJ/mol이였고, 이는 하이브리드 비드에서의 Pb(II) 및 Cd(II)는 선택적인 화학 흡착에 근접함을 나타냄을 확인할 수 있었다. 하기 표 2에서는 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II)에 대한 랭뮤어, 프로인들리히 및 D-R 흡착 등온식의 파라미터를 나타내었다.The application of Freundrich's isothermal adsorption is appropriate when the adsorbed surface energy is irregularly dispersed, such as activated carbon. In the Freundrich model, the K F value is the action of adsorption capacity, and 1 / n indicates the action of adsorption strength between particles and contaminants. For 1 / n, it was confirmed from the experimental results that Pb (II) was 0.475 and Cd (II) was 0.711. The adsorption constant of Pb (II) K F is 14.316, and the adsorption constant of Cd (II) K F is 12.137, which confirms that Pb (II) has a larger adsorption constant than Cd (II). In general, as the adsorption constant K F value increases, the adsorption power of the adsorbent also increases (Ali et al. 2016). In addition, the results of adsorption of Pb (II) and Cd (II) using hybrid beads were confirmed through the experiments in which the Langmuir model was more suitable than the Freundrich model (see Table 2). Since the DR adsorption isotherm can be determined from adsorption energy, it is most widely used to understand adsorption mechanisms or to determine adsorption energy (Ali et al. 2016). Dubinin-Ladushkechwich (DR) adsorption isothermal model indicates that the adsorption process is either physical adsorption or ion exchange (He et al. 2014; Xu et al. 2017). The adsorption energies of Pb (II) and Cd (II) in hybrid beads were 11.215 and 8.432 kJ / mol, respectively, indicating that Pb (II) and Cd (II) in hybrid beads are close to selective chemical adsorption. It was confirmed that it appeared. Table 2 below shows parameters of Langmuir, Freundrich and DR adsorption isotherm for Pb (II) and Cd (II) using hybrid beads.

ModelsModels ParametersParameters Pb(II)Pb (II) Cd(II)Cd (II) Langmuir isotherm

Figure pat00006

Langmuir isotherm
Figure pat00006

q m (mmol/g) q m (mmol / g) 1.3451.345 0.7820.782 K L (L/mmol) K L (L / mmol) 1345.151345.15 87.9387.93 R2 R 2 0.9820.982 0.9780.978 Freundlich isotherm
Figure pat00007
Freundlich isotherm
Figure pat00007
K F (mmol/g) K F (mmol / g) 14.31614.316 12.13712.137
nn 2.1022.102 1.4041.404 R2 R 2 0.8420.842 0.8260.826 Dubinin-Radushkevich isotherm
Figure pat00008

Figure pat00009
Dubinin-Radushkevich isotherm
Figure pat00008

Figure pat00009
q m (mmol/g) q m (mmol / g) 1.9281.928 1.9011.901
k (mol2/kJ2) k (mol 2 / kJ 2 ) 0.0040.004 0.0120.012 E (kJ/mol) E (kJ / mol) 11.21511.215 8.4328.432 R2 R 2 0.9670.967 0.9420.942

표 3에서는 중금속을 감나무 잎 또는 키토산을 사용하여 흡착하는 결과를 나타내었다. Ozmen et al. (2009)은 글루타르알데히드를 구비한 글라스 비드를 이용한 경우 Pb(II)의 최대 흡착량은 9.947 mg/g임을 확인하였다. 변형된 감나무잎과 키토산의 흡착량은 변형되지 않은 감나무잎과 키토산을 사용하는 경우보다 중금속에 대한 흡착량이 더 높음을 확인할 수 있었다. 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II)의 제거는 변형된 감나무잎의 흡착량과 변형된 키토산에 의한 평형 흡착량보다 더 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 본 실시예에 따른 감나무잎과 키토산으로 만들어진 하이브리드 비드는 비싸지 않고, 중금속에 대한 높은 제거효율을 가지며, 친환경 적이다. 또한, 하이브리드 비드는 후처리를 필요로하지 않는다는 점에서 중금속 흡착제로 사용하는 경우 매우 경제적이다. 하기 표 3은 바이오물질 흡착제를 이용한 중금속의 최대 흡착량을 비교한 결과이다.Table 3 shows the results of adsorbing heavy metals using persimmon leaves or chitosan. Ozmen et al. (2009) confirmed that the maximum adsorption amount of Pb (II) was 9.947 mg / g when using glass beads with glutaraldehyde. It was confirmed that the adsorption amount of the modified persimmon leaf and chitosan was higher than that of the unmodified persimmon leaf and chitosan. The removal of Pb (II) and Cd (II) using hybrid beads was confirmed to be higher than the adsorption amount of the modified persimmon leaf and the equilibrium adsorption amount by the modified chitosan. Hybrid beads made of persimmon leaf and chitosan according to this embodiment are not expensive, have high removal efficiency for heavy metals, and are environmentally friendly. In addition, hybrid beads are very economical when used as a heavy metal adsorbent in that no post-treatment is required. Table 3 below shows the results of comparing the maximum adsorption amount of heavy metals using biomaterial adsorbents.

AdsorbentAdsorbent Heavy metal Heavy metal q m (mg/g) q m (mg / g) ReferenceReference Cinnamomum camphoraCinnamomum camphora Pb(II)Pb (II) 75.8275.82 Chen et al. 2010Chen et al . 2010 Glass beadGlass bead Pb(II)Pb (II) 9.959.95 Ozmen et al. 2009Ozmen et al. 2009 Dried persimmon leafDried persimmon leaf Pb(II)
Cd(II)
Pb (II)
Cd (II)
22.59
18.26
22.59
18.26
Lee & Choi 2018Lee & Choi 2018
Persimmon waste gelPersimmon waste gel Cu(II)Cu (II) 7.187.18 Bacelo et al. 2016Bacelo et al . 2016 Persimmon tannin gelPersimmon tannin gel Cd(II)Cd (II) 5.275.27 Bacelo et al. 2016Bacelo et al . 2016 Modified quebracho tanninModified quebracho tannin Pb(II)Pb (II) 86.20786.207 Yurtsever & Sengil 2009Yurtsever & Sengil 2009 Mimosa tannin gelMimosa tannin gel Cu(II)Cu (II) 43.7143.71 Sengil & Ozacar 2008Sengil & Ozacar 2008 Ca(II) imprinted chitosan microspheresCa (II) imprinted chitosan microspheres Pb(II)
Cd(II)
Pb (II)
Cd (II)
47.10
49.90
47.10
49.90
Sankaramarkrishnan & Sanghi 2006Sankaramarkrishnan & Sanghi 2006
Xanthated chitosanXanthated chitosan Pb(II)
Cd(II)
Pb (II)
Cd (II)
283.00
420.00
283.00
420.00
He et al. 2014He et al . 2014
Thiosemicarbazide modified chitosanThiosemicarbazide modified chitosan Pb(II)Cd(II)Pb (II) Cd (II) 325.20
257.20
325.20
257.20
Li et al. 2016Li et al . 2016
EGTA-modified ChitosanEGTA-modified Chitosan Pb(II)
Cd(II)
Pb (II)
Cd (II)
103.60
83.18
103.60
83.18
Zhao et al. 2013Zhao et al . 2013
Hybrid beadHybrid bead Pb(II)
Cd(II)
Pb (II)
Cd (II)
278.68
87.91
278.68
87.91
This studyThis study

4. 열역학적 해석 (Thermodynamic interpretation)4. Thermodynamic interpretation

흡착 과정은 수용액에서의 중금속에 대한 하이브리드 비드 표면에 흡착된 중금속 사이의 열역학적 평형으로 나타나기 때문에 온도에 의하여 영향을 받는다. 온도를 25-45˚C로 제어하여 하이브리드 비드에서의 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 온도의 영향을 조사하였다. 실험결과는 깁스자유에너지 (ΔGo) 편차를 이용하여 분석하였다.The adsorption process is affected by temperature because it appears as a thermodynamic equilibrium between the heavy metals adsorbed on the surface of the hybrid beads for heavy metals in aqueous solution. The effect of adsorption temperature of Pb (II) and Cd (II) on hybrid beads was investigated by controlling the temperature to 25-45 ° C. The experimental results were analyzed using the Gibbs free energy (ΔG o ) deviation.

ΔGo의 에너지 변화는 화학반응의 유용성을 측정하고, 화학반응에서 자발적인 변화 과정의 방향을 결정하는 기능을 한다. 반면, 변화의 방향과는 관련되지 않는다 (Choi and Lee 2015; Ali et al. 2016). 즉,ΔGo의 조건은 음의 값을 갖는 단일 평형 상태에서 새로운 평형 상태로 주어진 화학반응 시스템이 변화하는 경우에는 유용하고, 변화는 자발적으로 발생한다는 확신을 준다 (Heidari et al. 2013; Lee & Choi 2018). ΔGo에 대한 실험결과에서 온도가 증가하는 경우 Pb(II)는 -7.86에서 -8.17로 감소하고, Cd(II)는 -2.86에서 -2.94로 감소하였다 (표 4 참조). 따라서, 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 과정은 자연에서 자발적인 반응임을 확인할 수 있었다. 또한, Pb(II) 및 Cd(II)에 대한 각각의 엔탈피 값은 (ΔHo) -3.64 및 -1.79이였다. 이러한 결과는 하이브리드 비드를 이용한 중금속 흡착 반응은 발열 과정임을 나타낸다. 반면, Pb(II) 및 Cd(II)에 대한 각각의 엔트로피 (ΔSo)는 14.23 및 3.71으로 양의 값을 나타내고, 이는 하이브리드 비드를 흡착제로 이용하는 경우 효과적인 친화력을 가짐을 의미한다. 표 4는 하이브리드 비드로 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착에 대한 열역학적 파라미터를 나타낸 것이다.The energy change of ΔG o measures the usefulness of a chemical reaction and determines the direction of the spontaneous change process in the chemical reaction. On the other hand, it is not related to the direction of change (Choi and Lee 2015; Ali et al. 2016). That is, the condition of ΔG o is useful when a chemical reaction system is changed from a single equilibrium state with a negative value to a new equilibrium state, giving confidence that the change occurs spontaneously (Heidari et al. 2013; Lee & Choi 2018). When the temperature increased in the experimental results for ΔG o , Pb (II) decreased from -7.86 to -8.17, and Cd (II) decreased from -2.86 to -2.94 (see Table 4). Therefore, it was confirmed that the adsorption process of Pb (II) and Cd (II) using hybrid beads is a spontaneous reaction in nature. In addition, the respective enthalpy values for Pb (II) and Cd (II) were (ΔH o ) -3.64 and -1.79. These results indicate that the heavy metal adsorption reaction using hybrid beads is an exothermic process. On the other hand, each entropy (ΔS o ) for Pb (II) and Cd (II) shows a positive value of 14.23 and 3.71, which means that the hybrid beads have effective affinity when used as an adsorbent. Table 4 shows the thermodynamic parameters for adsorption of Pb (II) and Cd (II) as hybrid beads.

ParametersParameters TemperatureTemperature Pb(II)Pb (II) Cd(II)Cd (II) ΔGo(kJ/mol)
△G° =△H°-T△S°= -RT ln

Figure pat00010
Figure pat00011

Figure pat00012
ΔG o (kJ / mol)
△ G ° = △ H ° -T △ S ° = -RT ln
Figure pat00010
Figure pat00011

Figure pat00012
298 K298 K -7.86-7.86 -2.86-2.86 308 K308 K -8.01-8.01 -2.90-2.90 318 K318 K -8.17-8.17 -2.94-2.94 ΔHo(kJ/mol)ΔH o (kJ / mol) -3.64-3.64 -1.76-1.76 ΔSo(J/mol·K)ΔS o (J / molK) 14.2314.23 3.713.71

하기 표 5는 본 실시예에 사용된 문자의 정의를 나타낸다.Table 5 below shows the definitions of the characters used in this example.

Nomenclature Nomenclature CC oo Initial concentration of heavy metal ions (mg/L)Initial concentration of heavy metal ions (mg / L) CC ee Equilibrium concentration of heavy metal ions (mg/L)Equilibrium concentration of heavy metal ions (mg / L) CC tt Concentration of heavy metal ion at time t (mg/L)Concentration of heavy metal ion at time t (mg / L) EE Sorption energy (kJ/mol)Sorption energy (kJ / mol) ΔGo ΔG o Gibbs free energy (kJ/mol)Gibbs free energy (kJ / mol) ΔHo ΔH o Enthalpy (kJ/mol)Enthalpy (kJ / mol) kk 1One Adsorption rate constants of the pseudo-first-order model (1/min)Adsorption rate constants of the pseudo-first-order model (1 / min) kk 22 Adsorption rate constants of the pseudo-second-order model (mg/g/min)Adsorption rate constants of the pseudo-second-order model (mg / g / min) kk LL Langmuir constant (L/mg)Langmuir constant (L / mg) kk FF Freundlich constants referring to the adsorption capacity (mg/g)Freundlich constants referring to the adsorption capacity (mg / g) mm Quantity of adsorbent (g)Quantity of adsorbent (g) nn Freundlich isotherm constants, intensity of sorption (mg/g)/(mg/L)1/n Freundlich isotherm constants, intensity of sorption (mg / g) / (mg / L) 1 / n qq ee Amount adsorbed per unit weight of adsorbent at equilibrium (mg/g)Amount adsorbed per unit weight of adsorbent at equilibrium (mg / g) qq tt Quantity of heavy metal ions adsorbed at time t (mg/g)Quantity of heavy metal ions adsorbed at time t (mg / g) qq mm Langmuir monolayer maximum adsorption capacity (mg/g)Langmuir monolayer maximum adsorption capacity (mg / g) RR Removal efficiency (%)Removal efficiency (%) RR Ideal gas constant, 8.314 (J/mol/K)Ideal gas constant, 8.314 (J / mol / K) R2 R 2 Correlation coefficientCorrelation coefficient ΔSo ΔS o Entropy (J/mol·K)Entropy (J / molK) tt Time (min)Time (min) TT Absolute temperature (K)Absolute temperature (K) VV Volume of solution (L)Volume of solution (L) ββ Activity coefficient related to the mean sorption energyActivity coefficient related to the mean sorption energy εε Polanyi potentialPolanyi potential

평가 결과Evaluation results

전술한 바와 같이, 배치 실험으로 본 실시예에 따른 하이브리드 비드를 이용하여 수용액 중에 포함된 Pb(II) 및 Cd(II) 중금속의 흡착률을 확인하였다. FT-IR 분석으로는 본 실시예에 따른 하이브리드 비드는 카르복실기, 카르보닐기, C-H 신축진동, O-H 카르복실산, 결합된 -OH기를 갖는 구조로 중금속 흡착에 용이함을 확인할 수 있다. 실험 결과는 30분의 접촉시간으로 하이브리드 비드의 Pb(II) 및 Cd(II) 흡착률은 90% 이상임을 확인할 수 있었다. 본 실시예에 따른 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II) 흡착 프로세스는 유사 2차 동역학적 모델 (pseudo-second-order model)이 보다 적절하게 적용됨을 확인할 수 있었고, 이는 상기 유사 2차 동역학적 모델이 유사 1차 동역학적 모델보다 더 근접하게 대응되기 때문이다. 추가로, 상기 하이브리드 비드에 의한 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착은 랭뮤어 등온 흡착식 (Langmuir isothermal adsorption)에 의하여 보다 적절하게 적용되고, 불균일한 흡착 표면층에서는 이온교환 반응이 발생함을 확인할 수 있었다. 랭뮤어 모델을 이용한 최대 흡착량은 278.68 mg/g for Pb(II) 및 87.91 mg/g for Cd(II)이였다. Pb(II) 및 Cd(II)의 1/n는 각각 0.475, 0.711이였다. 본 실시예에 따른 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 강도는 L형 등온 흡착 특성에 나타난 바와 같이 우수함을 확인할 수 있었다. 열역학적 실험에서, ΔGo 및 ΔHo는 (음)의 값을 나타내고, ΔSo는 (양)의 값을 나타내었다. 본 실시예에 따른 하이브리드 비드를 이용한 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착 제거 프로세스는 자발적인 발열반응임을 확인할 수 있었고, 흡착된 물질의 친화력은 우수하였다. 본 실시예에 따른 하이브리드 비드는 키토산과 감나무잎을 혼합하여 제조되는 것으로 높은 비용이 소비되지 않고, 중금속에 대한 높은 제거 효율을 갖고, 친환경적이며, 다양한 분야에 적용이 가능하다. 또한, 이들을 이용한 중금속의 흡착은 후처리를 필요로 하지 않아 매우 경제적이다.As described above, the adsorption rate of Pb (II) and Cd (II) heavy metals contained in the aqueous solution was confirmed by using the hybrid beads according to this embodiment in a batch experiment. The FT-IR analysis confirmed that the hybrid beads according to the present embodiment had a structure of having a carboxyl group, a carbonyl group, CH stretching vibration, OH carboxylic acid, and a combined -OH group, and were easily adsorbed to heavy metals. As a result of the experiment, it was confirmed that the Pb (II) and Cd (II) adsorption rates of the hybrid beads were 90% or more with a contact time of 30 minutes. In the Pb (II) and Cd (II) adsorption process using hybrid beads according to the present embodiment, it was confirmed that a pseudo-second-order model is more appropriately applied, which is the pseudo secondary This is because the kinetic model corresponds more closely than the pseudo-first-order kinetic model. In addition, the adsorption of Pb (II) and Cd (II) by the hybrid beads is more appropriately applied by the Langmuir isothermal adsorption, and it is confirmed that the ion exchange reaction occurs in the heterogeneous adsorption surface layer. Could. The maximum adsorption using the Langmuir model was 278.68 mg / g for Pb (II) and 87.91 mg / g for Cd (II). 1 / n of Pb (II) and Cd (II) were 0.475 and 0.711, respectively. It was confirmed that the adsorption strength of Pb (II) and Cd (II) using the hybrid beads according to this embodiment was excellent as shown in the L-type isothermal adsorption properties. In the thermodynamic experiments, ΔG o and ΔH o represent values of (negative), and ΔS o represents values of (positive). The adsorption removal process of Pb (II) and Cd (II) using the hybrid beads according to this example was confirmed to be a spontaneous exothermic reaction, and the affinity of the adsorbed material was excellent. The hybrid beads according to the present embodiment are manufactured by mixing chitosan and persimmon leaves, do not consume high cost, have high removal efficiency for heavy metals, are environmentally friendly, and can be applied to various fields. In addition, adsorption of heavy metals using these is very economical since no post-treatment is required.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 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. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will appreciate that the present invention may be implemented in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims, which will be described later, rather than the detailed description, and all the changed or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are included in the scope of the present invention. Should be interpreted.

Claims (13)

수용액 중에 포함된 중금속 이온을 제거하기 위한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드를 제조하는 방법으로,
감나무잎을 파우더 형태로 준비하는 전처리단계;
키토산 용액 중에 파우더 형태로 구비된 감나무잎을 혼합하여 비드 (bead) 형태로 배양하는 배양단계;
제조된 비드를 제1 용매를 이용하여 세척하는 제1 세척단계;
상기 비드에 가교제를 첨가한 후 에이징시켜 하이브리드 비드를 제조하는 에이징단계;
상기 하이브리드 비드를 상기 제1 용매와 상이한 제2 용매를 이용하여 1차 세척 후, 상기 제1 용매를 이용하여 2차 세척하는 제2 세척단계; 및
상기 하이브리드 비드를 건조시키는 건조단계;로 이루어지는 감나무잎 및 키토산을 이용한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법.
A method for producing a hybrid bead for heavy metal ion adsorbents for removing heavy metal ions contained in an aqueous solution,
A pre-treatment step of preparing persimmon leaves in powder form;
A culture step of mixing persimmon leaves provided in a powder form in a chitosan solution and culturing in a bead form;
A first washing step of washing the prepared beads using a first solvent;
An aging step of preparing a hybrid bead by aging after adding a crosslinking agent to the bead;
A second washing step in which the hybrid beads are first washed with a second solvent different from the first solvent, and then second washed with the first solvent; And
Drying step of drying the hybrid beads; Method of manufacturing hybrid beads for heavy metal ion adsorbent using persimmon leaves and chitosan consisting of.
제1항에 있어서,
상기 전처리단계는,
상기 감나무잎을 유기물질과 오염물질을 제거하기 위하여 탈이온수로 세척하는 단계;
세척된 감나무잎을 사각형 크기로 절단하는 단계;
절단된 감나무잎을 75℃ 내지 90℃의 온도의 오븐에서 70시간 내지 74시간 동안 건조시키는 단계; 및
건조된 감나무잎을 분쇄하여 50mesh 내지 70mesh의 입자크기를 갖는 파우더 형태로 제조하는 단계;를 포함하는 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법.
According to claim 1,
The pre-treatment step,
Washing the persimmon leaf with deionized water to remove organic substances and contaminants;
Cutting the washed persimmon leaf to a square size;
Drying the cut persimmon leaf in an oven at a temperature of 75 ° C to 90 ° C for 70 to 74 hours; And
Method of manufacturing a hybrid bead for a heavy metal ion adsorbent comprising; crushing the dried persimmon leaf to prepare a powder having a particle size of 50mesh to 70mesh.
제1항에 있어서,
상기 배양단계는,
키토산 및 산성용액을 혼합하여 pH 6.2 내지 pH 6.5의 키토산 용액을 준비하는 단계;
온도 20℃ 내지 30℃에서 상기 키토산 용액 100 mL 내지 200 mL 중에 상기 감나무잎 1 g 내지 2 g를 첨가한 후 균질화되도록 2시간 내지 6시간 동안 교반하여 혼합물을 제조하는 단계;
150 mL 내지 250 mL의 증류수, 250 mL 내지 350 mL의 메탄올 및 50 g 내지 70 g의 수산화나트륨 (NaOH)을 혼합하여 응고용액을 준비하는 단계;
뷰렛을 이용하여 상기 응고용액 중에 상기 혼합물을 한방울씩 적가 (dropping)하여 비드형태로 제조하는 단계; 및
상기 비드가 분산된 응고용액을 배양기에 넣고 황갈색이 되도록 60℃ 내지 80℃에서 20시간 내지 30시간 동안 배양시키는 단계;를 포함하는 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법.
According to claim 1,
The culture step,
Preparing a chitosan solution having a pH of 6.2 to 6.5 by mixing chitosan and an acidic solution;
Preparing the mixture by adding 1 g to 2 g of the persimmon leaf in 100 mL to 200 mL of the chitosan solution at a temperature of 20 ° C to 30 ° C, followed by stirring for 2 to 6 hours to homogenize;
Preparing a coagulation solution by mixing 150 mL to 250 mL of distilled water, 250 mL to 350 mL of methanol and 50 g to 70 g of sodium hydroxide (NaOH);
Preparing a bead form by dropping the mixture dropwise in the coagulation solution using a burette; And
A method of manufacturing a hybrid bead for a heavy metal ion adsorbent, comprising: placing the bead-dispersed coagulation solution in a incubator and incubating it at 60 ° C to 80 ° C for 20 to 30 hours to become a tan.
제3항에 있어서,
상기 키토산 용액에서,
상기 산성용액은 pH는 1 내지 3으로, 초산, 주석산, 살리실산, 시트르산, 하이드록시초산, 링고산, 프로피온산, 젖산, 글리 세린산, L-아스코르빈산, 크엔산, 술포아닌산 및 포름산의 유기산과 염산, 황산 및 인산의 무기산으로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 이상인 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법.
According to claim 3,
In the chitosan solution,
The acidic solution has a pH of 1 to 3, organic acid of acetic acid, tartaric acid, salicylic acid, citric acid, hydroxyacetic acid, lingoic acid, propionic acid, lactic acid, glycerin, L-ascorbic acid, xenoic acid, sulfanoic acid and formic acid Method for producing hybrid beads for heavy metal ion adsorbents selected from the group consisting of inorganic acids of perchloric acid, sulfuric acid and phosphoric acid.
제4항에 있어서,
상기 키토산 용액을 준비하는 단계에서 상기 키토산 용액 중에 7㎛의 평균크기를 갖는 세균 바이오매스를 첨가하는 것을 더 포함하고,
상기 세균 바이오매스는 코리네박테리움(Corynebacterium sp.), 에스케리치아 (Escherichiasp.), 바실러스 (Bacillus sp.) 및 세라샤 (Serratia sp.)로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상인 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법.
According to claim 4,
In the step of preparing the chitosan solution further comprises adding a bacterial biomass having an average size of 7㎛ in the chitosan solution,
The bacterial biomass is at least one heavy metal ion adsorbent selected from the group consisting of Corynebacterium sp., Escherichia sp., Bacillus sp. And Serratia sp. Preparation method for hybrid beads.
제1항에 있어서,
상기 에이징단계는,
50 mL 내지 150 mL의 메탄올과 0.5 mL 내지 15 mL의 글루타르알데하이드(glutaraldehyde)를 혼합하여 가교제를 제조하는 단계;
제조된 가교제를 상기 비드에 첨가하는 단계; 및
상기 가교제가 첨가된 비드를 배양기 내에서 60℃ 내지 80℃에서 5시간 내지 8시간 동안 에이징시키는 단계;를 포함하는 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법.
According to claim 1,
The aging step,
Preparing a crosslinking agent by mixing 50 mL to 150 mL of methanol and 0.5 mL to 15 mL of glutaraldehyde;
Adding the prepared crosslinking agent to the beads; And
Aging method for a heavy metal ion adsorbent comprising; aging the beads to which the crosslinking agent is added at 60 ° C. to 80 ° C. for 5 to 8 hours in an incubator.
제1항에 있어서,
상기 제2 세척단계에서, 상기 제1 용매는 증류수를 포함하고, 상기 제2 용매는 에탄올을 포함하는 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법.
According to claim 1,
In the second washing step, the first solvent comprises distilled water, and the second solvent is a method for preparing a hybrid bead for a heavy metal ion adsorbent comprising ethanol.
제1항에 있어서,
상기 건조단계는 상온에서 4시간 내지 8시간 동안 유지한 후 데시게이터 내에 보관하는 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법.
According to claim 1,
The drying step is a method of manufacturing a hybrid bead for a heavy metal ion adsorbent that is kept at room temperature for 4 to 8 hours and then stored in a desiccator.
제1항에 있어서,
상기 중금속 이온은 Pb(II) 및 Cd(II)인 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드의 제조방법.
According to claim 1,
The heavy metal ions are Pb (II) and Cd (II).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의하여 제조되고 내부에 복수개의 포어를 포함하며, 수용액 중에 포함된 중금속 이온을 제거하기 위한 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드.A hybrid bead for heavy metal ion adsorbents prepared by any one of claims 1 to 9 and including a plurality of pores therein to remove heavy metal ions contained in an aqueous solution. 제10항에 있어서,
상기 하이브리드 비드의 평균 비표면적은 16.65 m2/g이고, 포어의 평균 크기는 4.65 nm인 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드.
The method of claim 10,
The hybrid beads have an average specific surface area of 16.65 m 2 / g and an average size of pores of 4.65 nm.
제10항에 있어서,
상기 중금속 이온은 Pb(II) 및 Cd(II)이고, 상기 하이브리드 비드는 랭뮤어 등온 흡착식 (Langmuir isothermal adsorption)에 따라 상기 수용액 중 Pb(II) 및 Cd(II)를 흡착하는 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드.
The method of claim 10,
The heavy metal ions are Pb (II) and Cd (II), and the hybrid beads are hybrids for heavy metal ion adsorbents that adsorb Pb (II) and Cd (II) in the aqueous solution according to Langmuir isothermal adsorption. Bead.
제10항에 있어서,
상기 중금속 이온은 Pb(II) 및 Cd(II)이고, 상기 중금속 이온이 포함된 수용액의 pH는 5이며, 상기 Pb(II) 및 Cd(II)의 흡착에 의한 제거효율은 각각 98% 및 90%인 중금속 이온 흡착제용 하이브리드 비드.
The method of claim 10,
The heavy metal ions are Pb (II) and Cd (II), the pH of the aqueous solution containing the heavy metal ions is 5, and the removal efficiency by adsorption of the Pb (II) and Cd (II) is 98% and 90, respectively. % Hybrid beads for heavy metal ion adsorbents.
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