KR20200092793A - Metal-organic framework for adsorption of organic contaminant material and method of making the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유기 오염물질의 제거를 위한 금속-유기골격체(Metal-Organic frame work, MOF)의 제조 방법 및 상기 방법을 통해 제조된 MOF에 관한 것이다. 상기 방법은 초음파 조사의 방법을 적용함으로써 합성시간을 절감하여 효율적인 유기 오염 물질의 제거가 가능한 유기 오염물질 흡착제로 활용할 수 있다. The present invention relates to a method for manufacturing a metal-organic frame work (MOF) for the removal of organic pollutants and to the MOF produced through the method. The method can be utilized as an organic pollutant adsorbent capable of efficiently removing organic pollutants by reducing the synthesis time by applying the method of ultrasonic irradiation.
최근에 환경오염의 피해가 속출하면서 환경친화적인 방식(LOHAS, Lifestyles of Health and Sustainability)과 환경오염 방지기술이 주목 받고 있으며, 다양한 환경오염 유발물질을 흡착하거나 탐지하는 기술이 활발히 연구되고 있다. 특히 유기 오염물질 제거에 관한 연구는 환경오염과 인류의 복지 증진에 대한 관심이 증가함에 따라서 활발히 연구되고 있는 분야이다.Recently, as environmental damage continues, environmentally friendly methods (LOHAS, Lifestyles of Health and Sustainability) and environmental pollution prevention technologies have attracted attention, and technologies for adsorbing or detecting various environmental pollutants have been actively studied. In particular, research on the removal of organic pollutants is an area that is actively being researched as interest in environmental pollution and human welfare increases.
일반적으로 수중 유기 오염물질은 공업 폐수, 산업 용수 등에서 발생되며, 배출된 유기 오염물질은 다양한 경로를 통하여 인류와 생태계와 치명적인 위험으로 작용하고 있다. 수중 유기 오염물질 중 상당수는 페놀류 화합물이라 불리는 물질들이며, 대표적인 예로는 소위 ‘환경 호르몬’이라 불리는 내분비계 장애물질(endocrine disruptors)을 들 수 있으며, 디에틸헥실프탈산(diethylhexyl phthalate, DEHP), 비스페놀 A (bisphenol A, BPA) 등이 있다. 이와 같은 유기 오염물질은 체내에 존재하는 세포나 생체물질(biomolecule)의 필수적인 화학 작용을 저해하거나 방해하며, 신경 및 장기를 손상시키거나 암을 유발시키는 등 생물학적 종의 생화학적 기능에 있어서 치명적인 위험을 가져다주는 것으로 알려져 있다(Guidelines for drinking water quality, World Health Organization).In general, organic pollutants in water are generated from industrial wastewater and industrial water, and discharged organic pollutants act as a fatal danger to humans and ecosystems through various channels. Many of the organic pollutants in water are substances called phenolic compounds, and typical examples include so-called'endocrine disruptors' called'environment hormones', diethylhexyl phthalate (DEHP) and bisphenol A. (bisphenol A, BPA). These organic pollutants inhibit or interfere with the essential chemical action of cells or biomolecules present in the body, and pose a fatal risk to the biochemical functions of biological species, such as damage to nerves and organs or cancer. It is known to bring (Guidelines for drinking water quality, World Health Organization).
이와 같은 유기 오염물질을 제거하기 위한 기존 공정에는 흡착법(adsorption method), 전기화학적 처리법(electrochemical treatment), 미생물 분해법(microbial degradation), 막분리법(membrane filtration) 등이 있으며, 이 방법 중 흡착법은 공정상의 편의성, 경제성, 효율성 등의 장점이 있어 널리 사용되고 있다. 흡착법에 사용되는 흡착제로서 요구되는 조건을 살펴보면 기본적으로 높은 흡착성능과 빠른 흡착속도를 위해 높은 비표면적과 다공성 구조를 가져야 하며, 회분식 수처리 공정에서는 수중에서 분리가 용이하여야 하고 컬럼식 수처리 공정에서는 압력손실을 줄여야 하기 때문에 크기가 너무 작아서는 안된다. 이와 같은 조건을 만족하기 위해서는 단순히 높은 비표면적을 가지고 있는 나노 입자를 흡착제로 사용하기 보다 약 1㎛ 이상의 크기를 가지면서도 높은 비표면적을 가지고 있는 다공성 물질이 적합하다고 할 수 있다.Existing processes for removing such organic pollutants include adsorption method, electrochemical treatment, microbial degradation, membrane filtration, etc. It is widely used due to its advantages such as convenience, economy, and efficiency. Looking at the conditions required as an adsorbent used in the adsorption method, it should basically have a high specific surface area and a porous structure for high adsorption performance and fast adsorption speed, and should be easily separated in water in a batch-type water treatment process and pressure loss in a column-type water treatment process. It should not be too small, because it has to be reduced. In order to satisfy these conditions, it can be said that a porous material having a size of about 1 µm or more and having a high specific surface area is more suitable than simply using nanoparticles having a high specific surface area as an adsorbent.
금속-유기 골격체(metal-organic framework, MOF)는 금속 이온 또는 금속 이온의 클러스터들을 유기 리간드가 연결하여 일정한 구조의 골격체를 이룬 물질로 골격체 내부에 금속 이온과 유기 리간드로 이루어진 수많은 기공이 존재하는 다공성 물질이다. 이 물질은 금속 이온과 유기 리간드의 반응만으로 합성할 수 있기 때문에 일반적인 다공성 물질에 비해 합성과정이 간단하다는 장점이 있지만, 합성에 장시간 소요되는 문제가 있다. A metal-organic framework (MOF) is a substance that forms a framework of a certain structure by connecting organic ions or clusters of metal ions with a cluster of metal ions or metal ions. It is a porous material present. Since this material can be synthesized only by reaction of a metal ion and an organic ligand, there is an advantage that the synthesis process is simple compared to a general porous material, but there is a problem that it takes a long time to synthesize.
최근 몇 가지 금속-유기골격체를 이용하여 수중에 존재하는 유기 오염물질을 흡착하여 제거하는 연구가 최근 진행되고 있는데, 합성과정에서 인체에 유해한 금속 이온(구리, 크롬 이온 등)을 사용하거나 불산을 광화제(mineralizers)로 첨가하는 사례가 대부분이며, 그 합성시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. (Journal of Materials Chemistry A 2013, 1, 8534-8537.)Recently, studies on adsorption and removal of organic pollutants present in water using some metal-organic frameworks have been recently conducted. During the synthesis process, metal ions (copper, chromium ions, etc.) harmful to the human body are used or hydrofluoric acid is used. In most cases, it is added as mineralizers, and its synthesis time is long. (Journal of
또한, 광화제의 사용과 같이 합성과정에서 인체에 유해한 물질들을 사용하게 되면 수질정화를 위한 흡착제를 개발하는 이유와 상충되고, 합성시간이 오래 걸리면 에너지 소모가 커져 경제성이 나빠지기 때문에 이를 해결하기 위한 연구가 필요하다.In addition, the use of substances harmful to the human body during the synthesis process, such as the use of mineralizers, conflicts with the reason for developing an adsorbent for water purification, and the longer the synthesis time, the greater the energy consumption and the lower the economical efficiency. Research is needed.
철은 인체에 필수적인 요소이며 우주에서 가장 많이 존재하는 금속으로, 친환경적이며 경제적인 금속-유기골격체 기반 흡착제의 개발에 사용될 수 있다. 하지만 일반적으로 합성시간이 오래 걸리기 때문에 초음파를 이용한 철 기반 금속-유기 골격체 합성연구가 진행중이며, 몇몇 사례가 보고된 바 있다. 그러나 보고된 사례에서는 초음파를 이용하여 MOF를 합성하였으나 수처리에 대한 적용에 대해서는 연구된 바 없다. 또한, 현재까지 보고된 합성 MOF는 크기가 최대 수백 nm인 것으로서 수처리 분야에 적용하는 것이 적절하지 않았다(Microporous and Mesoporous Materials 2012, 162, 36~43.).Iron is an essential element for the human body and is the most abundant metal in the universe and can be used to develop eco-friendly and economical metal-organic framework-based adsorbents. However, because synthesis takes a long time in general, research on the synthesis of iron-based metal-organic skeletal bodies using ultrasonic waves is ongoing, and several cases have been reported. However, in the reported case, MOF was synthesized using ultrasound, but its application to water treatment has not been studied. In addition, the synthetic MOFs reported to date are up to several hundred nm in size and are not suitable for water treatment (Microporous and Mesoporous Materials 2012, 162, 36~43.).
본 발명은 수중 유해물질의 효율적인 제거가 가능한 금속-유기 골격체 기반의 흡착제 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 제조 방법은 초음파 화학 합성법에 따른 것으로서 인체 유해성이 적은 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 흡착제는 수중 유기 오염물질의 흡착 성능이 최대한으로 발휘될 수 있고 오염수로부터 흡착제를 손쉽게 분리할 수 있도록 마이크론 수준의 적절한 크기를 갖는 것을 특징으로 한다. An object of the present invention is to provide a metal-organic framework-based adsorbent capable of efficiently removing harmful substances in water and a method for manufacturing the same. The manufacturing method is characterized in that it is in accordance with the ultrasonic chemical synthesis method and has low human toxicity. In addition, the adsorbent is characterized in that it has the appropriate size of the micron level so that the adsorption performance of organic pollutants in water can be maximized and the adsorbent can be easily separated from the polluted water.
본 발명의 제1 측면은 철 기반 금속-유기골격체(Fe based metal-organic framework, Fe-MOF)의 제조방법에 대한 것으로서, 상기 제조방법은 (S10) 금속 전구체(metal precursor)와 유기 리간드(organic ligand)를 용매에 용해시켜 전구체 용액을 제조하는 단계; 및 (S20) 상기 전구체 용액에 초음파(ultrasonic)를 조사하는 단계;를 포함한다. The first aspect of the present invention relates to a method of manufacturing an iron-based metal-organic framework (Fe-MOF), wherein the manufacturing method includes (S10) a metal precursor and an organic ligand ( preparing a precursor solution by dissolving an organic ligand) in a solvent; And (S20) irradiating ultrasonic waves to the precursor solution.
본 발명의 제2 측면은, 상기 제1 측면에 있어서, 상기 전구체 용액 중 금속(철) 이온의 농도는 0.0001몰/리터 내지 0.3몰/리터인 것이다. In the second aspect of the present invention, in the first aspect, the concentration of metal (iron) ions in the precursor solution is 0.0001 mol/liter to 0.3 mol/liter.
본 발명의 제3 측면은, 상기 제1 또는 제2 측면에 있어서, 상기 유기 리간드는 유기산을 포함하는 것이다. In a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the organic ligand includes an organic acid.
또한, 본 발명은 수중 오염물질 제거용 흡착제에 대한 것으로서, 상기 수중 오염물질 제거용 흡착제는 제1 내지 제4 측면 중 적어도 어느 한 측면에 따른 제조 방법에 의해서 수득되는 철 기반 금속-유기 골격체(Fe metal-organic framework, Fe-MOF)로 구성되며 상기 Fe-MOF는 MIL-53 결정 구조를 갖고 가로와 세로의 길이가 1㎛ 이상인 것이다.In addition, the present invention relates to an adsorbent for removing pollutants from water, wherein the adsorbent for removing pollutants from water is an iron-based metal-organic framework obtained by a manufacturing method according to at least one of the first to fourth aspects ( Fe metal-organic framework, Fe-MOF), wherein the Fe-MOF has a MIL-53 crystal structure and has a horizontal and vertical length of 1 µm or more.
본 발명에 따른 Fe-MOF 제조 방법은 초음파 조사를 통해 간단하고 경제적으로 합성할 수 있으며 합성시간을 절감할 수 있다. 또한, 상기 방법은 인체에 유해한 물질을 사용하지 않아 제조과정이 친환경적이다. The Fe-MOF manufacturing method according to the present invention can be synthesized simply and economically through ultrasonic irradiation, and can reduce the synthesis time. In addition, the method does not use substances harmful to the human body, so the manufacturing process is environmentally friendly.
본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 Fe-MOF는 수 마이크로미터 규모의 크기를 갖는 것으로서, 골격체 내부에 존재하는 다수의 기공을 이용하여 효과적으로 유기 오염물질을 흡착할 수 있다. 또한 수중 유기 오염물질 제거를 위한 회분식 흡착공정에서는 수중에서 분리가 용이하고, 컬럼식 흡착공정에서는 압력손실을 적게 일으킨다는 장점이 있어 흡착공정의 경제성을 향상시킬 수 있다.Fe-MOF prepared by the method according to the present invention has a size on the order of several micrometers, and can effectively adsorb organic pollutants by using a large number of pores present in the skeleton. In addition, the batch adsorption process for removing organic contaminants in water has the advantage of being easy to separate in water, and in the column adsorption process, it has the advantage of less pressure loss, thereby improving the economic efficiency of the adsorption process.
도 1a는 본 발명의 일 실시양태에 따른 Fe-MOF를 제조하는 방법을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 1b는 본 발명에 따른 방법으로 수득된 Fe-MOF를 이용하여 수중 유기 오염물질의 흡착 성능을 확인하는 방법을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1 및 실시예 2에서 수득한 Fe-MOF에 대한 FT-IR 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 및 실시예 2에서 수득한 Fe-MOF에 대해 X-선 회절 분석법을 이용하여 결정 구조를 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 및 실시예 2에서 수득한 Fe-MOF의 거시구조 및 모폴로지(morphology) 확인을 위하여 전계방사 주사전자현미경 분석을 실시한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1과 실시예 2에서 수득한 Fe-MOF의 유기 오염물질들에 대한 흡착성능을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1에서 수득한 Fe-MOF를 이용하여 다양한 흡착시간에 따른 흡착성능과 다양한 오염물질의 농도에 따른 흡착성능을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 Fe-MOF의 결정 구조를 도식화하여 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 Fe-MOF와 오염 물질과의 반응을 도시화하여 나타낸 반응 모식도이다. 1A is a schematic diagram showing a method of manufacturing Fe-MOF according to an embodiment of the present invention.
Figure 1b is a schematic view showing a method for confirming the adsorption performance of organic pollutants in water using Fe-MOF obtained by the method according to the present invention.
Figure 2 shows the results of FT-IR analysis for Fe-MOF obtained in Example 1 and Example 2.
Figure 3 shows the results of confirming the crystal structure using X-ray diffraction analysis for Fe-MOF obtained in Example 1 and Example 2.
Figure 4 shows the results of the field emission scanning electron microscope analysis to confirm the macrostructure and morphology (morphology) of Fe-MOF obtained in Example 1 and Example 2.
Figure 5 shows the results of measuring the adsorption performance of the organic pollutants of Fe-MOF obtained in Example 1 and Example 2.
6 shows the results of measuring the adsorption performance according to various adsorption time and the concentration of various pollutants using the Fe-MOF obtained in Example 1.
7 is a Fe-MOF prepared according to the production method of the present invention It shows schematically the crystal structure.
8 is a schematic view showing the reaction between Fe-MOF and contaminants according to the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments associated with the accompanying drawings. In addition, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in describing the present invention, detailed descriptions of related well-known technologies that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.
본 발명자는 수중 유기오염물질을 제거하기 위한 수처리용 흡착제의 산업적, 기술적 응용을 고려할 때 철 기반 금속-유기골격체(Fe-MOF)의 크기가 수 ~ 수십 마이크로 수준으로 성장할 필요가 있다는데 착안하였다. 기본적인 물질의 생성-성장 메커니즘을 고려할 때, 물질의 크기를 키우기 위해서는 핵생성을 억제시켜 적은 수의 핵이 성장하도록 유도하는 것이 바람직하며 이를 위해서 반응물 농도를 낮추거나 조사되는 에너지의 밀도를 낮추는 것이 필요하다. 이에 본 발명자는 반응물 농도를 낮추거나 초음파가 조사되는 반응용액의 양을 늘려 초음파 에너지의 조사밀도를 낮추고 이로부터 Fe-MOF의 크기를 성장시킬 수 있었다. The present inventors have conceived that the size of the iron-based metal-organic framework (Fe-MOF) needs to grow to several tens to several tens of micro levels in consideration of industrial and technical applications of the adsorbent for water treatment for removing organic pollutants in water. Considering the basic material generation-growth mechanism, in order to increase the size of the material, it is desirable to suppress nucleation to induce a small number of nuclei to grow, and for this, it is necessary to lower the concentration of the reactant or lower the density of the irradiated energy. Do. Accordingly, the present inventors could lower the concentration of the reactant or increase the amount of the reaction solution irradiated with ultrasonic waves to lower the irradiation density of ultrasonic energy and to grow the size of Fe-MOF therefrom.
이에 본 발명은 철 기반 금속 유기 골격체(Fe-MOF)를 제조하는 방법 및 이로부터 제조된 철 기반 금속 유기 골격체(Fe-MOF)에 대한 것이다. Accordingly, the present invention relates to a method for manufacturing an iron-based metal organic framework (Fe-MOF) and an iron-based metal organic framework (Fe-MOF) prepared therefrom.
도 1a는 본 발명에 따른 철 기반 금속-유기 골격체(Fe-MOF)를 제조하는 방법을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다. 본 발명의 제조 방법에 따라 수득된 Fe-MOF는 마이크로 수준의 직경을 갖는 것이다. 한편, 도 1b는 본 발명에 따른 방법으로 수득한 Fe-MOF를 이용하여 수중 유기오염물질 흡착실험을 진행하는 순서도를 도식화하여 나타낸 것이다. Figure 1a is a schematic diagram showing a method for producing an iron-based metal-organic framework (Fe-MOF) according to the present invention. The Fe-MOF obtained according to the production method of the present invention has a micro-level diameter. On the other hand, Figure 1b is a schematic view showing the flow of the organic pollutant adsorption experiment in water using Fe-MOF obtained by the method according to the present invention.
다음으로 철 기반 금속 유기 골격체(Fe-MOF)의 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서 상기 방법은 금속 전구체 및 유기 리간드를 용매에 투입하여 전구체 용액을 준비하는 단계(S10); 및 상기 전구체 용액에 초음파(ultrasonic wave)를 조사하는 단계(S20)를 포함한다.Next, a method of manufacturing an iron-based metal organic framework (Fe-MOF) will be described. In one embodiment of the present invention, the method comprises preparing a precursor solution by introducing a metal precursor and an organic ligand into a solvent (S10); And irradiating the precursor solution with ultrasonic waves (S20).
특히, 본 발명의 제조방법은 불산이나 질산을 첨가할 필요가 없으며 pH 조절 없이 Fe-MOF가 제조되기 때문에 종래 기술에 비해 작업자에게 안전한 작업 환경을 제공할 수 있다. 이하, 각 단계를 보다 상세히 살펴본다.In particular, the manufacturing method of the present invention does not need to add hydrofluoric acid or nitric acid, and since Fe-MOF is produced without adjusting the pH, it is possible to provide a safe working environment for workers compared to the prior art. Hereinafter, each step will be described in more detail.
우선, 금속 전구체 및 유기 리간드를 용매에 투입하여 전구체 용액을 준비한다(S10). 상기 전구체 용액은 금속염, 금속의 염화물, 질화물, 브롬화물, 황화물 등의 형태인 철 전구체를 용매에 용해시키는 방법으로 준비될 수 있다. 상기 철 전구체의 비제한적인 예로는 Iron(III) nitratenonahydrate, Iron(III) bromide, Iron(III) sulfate 등이 있으나 특별히 여기에 한정되는 것은 아니다. 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 전구체 용액은 용매에 FeCl3.6H2O를 투입하여 준비될 수 있다.First, a precursor solution is prepared by introducing a metal precursor and an organic ligand into a solvent (S10). The precursor solution may be prepared by dissolving an iron precursor in the form of a metal salt, a metal chloride, nitride, bromide, sulfide, or the like in a solvent. Non-limiting examples of the iron precursor include, but are not limited to, iron(III) nitratenonahydrate, iron(III) bromide, iron(III) sulfate, and the like. In one embodiment of the invention, the precursor solution may be prepared by introducing FeCl 3 .6H 2 O into a solvent.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 전구체 용액 중 금속(철) 이온의 농도는 0.0001몰/리터 내지 0.3몰/리터, 바람직하게는 0.02몰/리터 내지 0.2몰/리터의 범위로 포함될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the concentration of metal (iron) ions in the precursor solution may be included in the range of 0.0001 mol/liter to 0.3 mol/liter, preferably 0.02 mol/liter to 0.2 mol/liter.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 유기 리간드는 유기산을 포함할 수 있다. 상기 유기산은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 푸마르 산, 테레프탈 산, 나프탈렌디카르복시산, 벤젠트리카르복시산, 나프탈렌트리카르복시산, 피리딘디카르복시산, 비피리딜디카르복시산, 포름산, 옥살산, 말론산, 숙신산, 글루타르산, 헥산다이오익산 및 헵탄다이오익산 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 유기산으로 테레프탈산을 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the organic ligand may include an organic acid. The organic acid is not particularly limited, for example, fumaric acid, terephthalic acid, Naphthalenedicarboxylic acid, benzenetricarboxylic acid, naphthalenetricarboxylic acid, pyridinedicarboxylic acid, bipyridyldicarboxylic acid, formic acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid, glutaric acid, hexanedioic acid, and heptanediic acid. have. In one embodiment of the present invention, terephthalic acid may be used as the organic acid.
이와 같이 본 단계에서 용매에 금속 전구체와 유기 리간드가 용해되어 전구체 용액이 준비된다. 본 발명의 실시양태에 있어서, 상기 금속 전구체와 유기산은 금속 전구체 1몰 대비 유기산 0.1몰 내지 10의 비율로 혼합될 수 있으며 구체적인 비율은 금속 전구체 및 유기산의 종류에 따라서 적절하게 조절될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 유기산은 용액에 투입된 금속 이온과 동일 몰수 또는 이보다 과량으로 투입될 수 있다. 즉, 투입된 철 이온의 농도(몰수)와 동량으로 투입되거나 이보다 과량으로 투입될 수 있다. 예를 들어, 테레프탈산은 FeCl3.6H2O 1몰에 대하여, 320g 또는 2몰의 양으로 첨가될 수 있다.본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 용매로는 물, 탄소수 1 ~ 10 개의 알코올, 디메틸포름아마이드, 피리딘, 디메틸설폭사이드, 메틸 피롤리돈, 디메틸아세트아마이드, 클로로벤젠, 아세토니트릴, 클로로포름, 테트라하이드로퓨란 및 아세톤 등 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 디메틸포름아마이드를 사용할 수 있다. 본 발명의 구체적인 일 실시양태에 있어서 상기 전구체 용액은 교반 공정에 투입될 수 있다. 상기 교반은 상온에서 수행될 수 있으며, 또는 전구체 용액의 온도를 약 30℃ 내지 50℃ 온도로 유지한 상태에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 교반은 30분 이상으로 수행될 수 있다. In this way, a metal precursor and an organic ligand are dissolved in a solvent in this step to prepare a precursor solution . In an embodiment of the present invention, the metal precursor and the organic acid may be mixed at a ratio of 0.1 mol to 10 organic acids relative to 1 mol of the metal precursor, and specific ratios may be appropriately adjusted according to the type of the metal precursor and the organic acid. For example, in one embodiment of the present invention, the organic acid may be added in excess of the same mole number or more than the metal ion charged in the solution. That is, it may be added in the same amount as the concentration (molar number) of the iron ions added, or may be added in an excessive amount. For example, terephthalic acid may be added in an amount of 320 g or 2 mol with respect to 1 mol of FeCl 3 .6H 2 O. In one embodiment of the present invention, the solvent includes water, alcohol having 1 to 10 carbons. , Dimethylformamide, pyridine, dimethylsulfoxide, methyl pyrrolidone, dimethylacetamide, chlorobenzene, acetonitrile, chloroform, tetrahydrofuran and acetone, and the like, or a mixture of two or more may be used, preferably Dimethyl formamide can be used. In one specific embodiment of the present invention, the precursor solution may be introduced in a stirring process. The stirring may be performed at room temperature, or may be performed while maintaining the temperature of the precursor solution at a temperature of about 30°C to 50°C. In addition, the stirring may be performed for 30 minutes or more.
다음으로 상기 전구체 용액에 초음파를 조사한다(S20). 상기 초음파 조사에 의해 초음파화학 합성(sonochemical synthesis)의 방법으로 Fe-MOF가 수득된다. Next, the precursor solution is irradiated with ultrasonic waves (S20). Fe-MOF is obtained by the method of ultrasonic chemical synthesis by the ultrasonic irradiation.
본 발명의 일 실시양태에 있어서, 초음파 조사는 초음파 장치(VCX-750, Sonics & Materials)의 최대 초음파 출력(750 W, 20 kHz)의 10% 내지 33%의 범위를 사용하여 수행할 수 있다. 바람직하게는 최대 초음파 출력의 33%를 사용할 수 있다. 초음파 조사는 약 10분 내지 120분 동안 수행될 수 있으며, 수 마이크론 수준의 입자 크기를 얻는 측면에서 상기 조사 시간은 길수록 바람직하다. 가장 바람직하게는 상기 초음파 조사는 120분 동안 수행될 수 있다. In one embodiment of the present invention, ultrasonic irradiation may be performed using a range of 10% to 33% of the maximum ultrasonic power (750 W, 20 kHz) of an ultrasonic device (VCX-750, Sonics & Materials). Preferably, 33% of the maximum ultrasonic power can be used. Ultrasonic irradiation may be performed for about 10 minutes to 120 minutes, and the longer the irradiation time, the more preferable in terms of obtaining a particle size on the order of several microns. Most preferably, the ultrasonic irradiation may be performed for 120 minutes.
다음으로 상기 반응액으로부터 Fe-MOF를 수득한다. Fe-MOF의 여과 방법은 예를 들어 반응액 중 Fe-MOF를 자연 침강시켜 분리해내거나 또는 적절한 기공 크기를 갖는 필터를 이용하여 Fe-MOF를 반응액으로부터 분리할 수 있다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서, 상기 필터는 기공의 크기가 1㎛ 또는 그 이상일 수 있다. 반응액으로부터 분리된 Fe-MOF는 세정액으로 세척될 수 있다. 상기 세정액은 물 및 알코올 중 적어도 하나 또는 둘 이상이 혼합된 혼합물일 수 있다. 한편, 상기 세정 이후 수득된 Fe-MOF를 건조하는 건조 공정을 더 수행할 수 있다. 상기 건조 공정은 수득된 Fe-MOF의 물리 화학적 성질을 변화시키지 않는 한 특정 방법으로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 일 실시양태에 있어서 상기 건조는 자연 건조, 송풍 건조, 열풍 건조, 냉풍 건조, 상온 진공 건조 및 고온 진공 건조의 방법 중에서 적절한 하나 이상의 방법을 선택하여 적용될 수 있다. Next, Fe-MOF is obtained from the reaction solution. The filtration method of Fe-MOF can be separated by sedimentation of Fe-MOF in the reaction solution, for example, or Fe-MOF can be separated from the reaction solution using a filter having an appropriate pore size. In one embodiment of the present invention, the filter may have a pore size of 1 μm or more. Fe-MOF separated from the reaction solution may be washed with a cleaning solution. The cleaning solution may be a mixture of at least one or two or more of water and alcohol. Meanwhile, a drying process of drying the Fe-MOF obtained after the washing may be further performed. The drying process is not limited to a specific method as long as the physical and chemical properties of the obtained Fe-MOF are not changed. In one embodiment of the present invention, the drying may be applied by selecting one or more appropriate methods among methods of natural drying, blow drying, hot air drying, cold air drying, room temperature vacuum drying and high temperature vacuum drying.
또한, 본 발명은 전술한 방법에 의해 제조된 철 기반 금속-유기 골격체(Fe-MOF)에 대한 것이다. 본 발명에 따른 상기 Fe-MOF는 통상적인 MIL-53와 동일한 결정 구조를 갖는 것으로서 도 4에 도시되어 있는 같이 육각 쌍뿔의 형태를 나타내다. 도 7은 본 발명에 따른 Fe-MOF의 결정 구조를 도식화하여 개략적으로 나타낸 것이다. 이에 따르면 또한, 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 수득된 Fe-MOF는 이의 가로와 세로 길이가 전자현미경 이미지에서 확인하였을 때 1 ㎛ 이상인 것이다.In addition, the present invention relates to an iron-based metal-organic framework (Fe-MOF) produced by the above-described method. The Fe-MOF according to the present invention has the same crystal structure as the conventional MIL-53 and shows the shape of a hexagonal bipyramid as shown in FIG. 4. 7 schematically shows the crystal structure of Fe-MOF according to the present invention. According to this also, Fe-MOF obtained by the production method according to the present invention is The horizontal and vertical lengths are 1 µm or more when confirmed by an electron microscope image.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 등을 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시 예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples and the like will be described in detail to help understanding of the present invention. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the following embodiments. The embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.
1. Fe-MOF 합성One. Fe-MOF synthesis
실시예 1Example 1
50 mL 바이알에 30 mL의 디메틸포름아마이드(dimethylforamide)을 넣고, 염화철(FeCl36H2O)과 테레프탈산(terephthalic acid)을 각각 2.5 mmol 첨가 후 상온에서 1 시간 동안 교반하여 균일한 전구체 용액을 제조하였다. 상기 전구체 용액에 2 시간 동안 초음파를 조사하여 초음파화학 합성 (sonochemical synthesis)을 진행하였다. 그 다음 디메틸포름아마이드와 에탄올, 아세톤을 이용하여 3회 반복하여 세척과정을 거친 후 100 °C의 진공오븐에서 24 시간 동안 건조시켜 철 기반 금속-유기 골격체(Fe-MOF)를 수득하였다. 도 1a은 본 발명의 Fe-MOF의 제조 방법 순서도를 도식화하여 나타낸 것이다. In a 50 mL vial, 30 mL of dimethylforamide was added, and 2.5 mmol of iron chloride (FeCl 3 6H 2 O) and terephthalic acid were added respectively, followed by stirring at room temperature for 1 hour to prepare a uniform precursor solution. . The precursor solution was irradiated with ultrasound for 2 hours to perform sonochemical synthesis. Then dimethylformamide and After washing through repeated washing with ethanol and acetone three times, drying was performed in a vacuum oven at 100°C for 24 hours to obtain an iron-based metal-organic framework (Fe-MOF). Figure 1a is a schematic view showing a method of manufacturing Fe-MOF of the present invention.
실시예 2Example 2
테레프탈산(terephthalic acid)의 농도를 6 mmol로 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 철 기반 금속-유기 골격체(Fe-MOF)를 수득하였다.An iron-based metal-organic framework (Fe-MOF) was obtained in the same manner as in Example 1, except that the concentration of terephthalic acid was 6 mmol.
2. Fe-MOF의 특성 분석2. Characterization of Fe-MOF
(1) 적외선 분광분석(FT-IR)(1) Infrared spectroscopy (FT-IR)
도 2는 실시예 1 및 실시예 2에서 수득한 Fe-MOF에 대한 FT-IR 분석 결과를 나타낸 것이다. 실시예 1 및 실시예 2에서 수득한 Fe-MOF 모두 약 1685 cm-1에서 유기 리간드인 테레프탈산의 카르복실기(carboxylic groups)에 해당하는 특징적인 스트레치(stretch)가 나타나며, 철 이온과 결합된 형태인 카르복실염(carboxylate)의 대칭과 비대칭 스트레치(stretch)가 약 1400 cm-1과 1600 cm-1에서 나타난다. 또한 테레프탈산의 벤젠고리에서 일어나는 C-H 밴드(bend)가 750 cm-1에서 나타난다.Figure 2 shows the results of FT-IR analysis for Fe-MOF obtained in Example 1 and Example 2. The Fe-MOF obtained in Example 1 and Example 2 exhibited a characteristic stretch corresponding to the carboxylic groups of the terephthalic acid, an organic ligand, at about 1685 cm -1 , and carbohydrate in a form bound to iron ions Symmetric and asymmetric stretches of carboxylate appear at about 1400 cm -1 and 1600 cm -1 . In addition, the CH band (bend) occurring in the benzene ring of terephthalic acid appears at 750 cm -1 .
이를 통해 유기 리간드인 테레프탈산이 금속 이온과 잘 결합하여 금속-유기 골격체를 이루고 있음을 확인하였다.Through this, it was confirmed that the organic ligand terephthalic acid binds well with metal ions to form a metal-organic framework.
(2) X-선 분말 회절분석(PXRD)(2) X-ray powder diffraction analysis (PXRD)
도 3은 실시예 1 및 실시예 2에서 수득한 Fe-MOF에 대해 X-선 회절 분석법을 이용하여 결정 구조를 확인한 결과를 나타낸 것으로서 Cuκα radiation (λ = 0.1541 nm)을 X 선원으로 하여 2θ 값을 5° 내지 30° 영역에서 5°/min로 변화시켜 측정한 것이다. 각 실시예에서 확인된 피크는 금속 유기 골격체로 보고된 Fe-MIL-53 구조의 특정 피크와 일치하였다. (Chemistry - A European Journal 2010, 16, 1046-1052., Microporous and Mesoporous Materials 2012, 162, 36~43.)Figure 3 shows the results of confirming the crystal structure using X-ray diffraction analysis for the Fe-MOF obtained in Example 1 and Example 2, Cu κα radiation (λ = 0.1541 nm) as an X-ray source 2θ value It was measured by changing to 5°/min in the 5° to 30° region. The peaks identified in each example were consistent with the specific peaks of the Fe-MIL-53 structure reported as the metal organic framework. (Chemistry-A European Journal 2010, 16, 1046-1052., Microporous and Mesoporous Materials 2012, 162, 36~43.)
(3) 전계방사 주사전자현미경(FE-SEM)(3) Field emission scanning electron microscope (FE-SEM)
실시예 1 및 실시예 2에서 수득한 Fe-MOF의 거시구조 및 모폴로지(morphology) 확인을 위하여 전계방사 주사전자현미경 분석을 실시하였으며, 도 4는 그 결과를 나타낸 것이다. 도 4와 같이 각 실시예에서 수득된 Fe-MOF는 육각쌍뿔의 형태 특성을 가지는 것으로 확인되었으며, 1 ㎛ 이상의 가로와 세로 길이를 갖는 것이 확인되었다. 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1에서 수득된 입자의 경우 가로의 길이가 약 1.5㎛이고, 세로의 길이가 약 1.5㎛의 크기를 갖는 것으로 확인되었으며, 실시예 2에서 수득된 입자의 경우 가로의 길이가 약 1㎛이고, 세로의 길이가 약 1.3㎛으로 확인되었다.To confirm the macroscopic structure and morphology of Fe-MOF obtained in Examples 1 and 2, field emission scanning electron microscope analysis was performed, and FIG. 4 shows the results. As shown in Figure 4, the Fe-MOF obtained in each example was confirmed to have a shape characteristic of a hexagonal bipyramid, and it was confirmed to have a horizontal and vertical length of 1 μm or more. As can be seen in Figure 4, in the case of the particles obtained in Example 1, it was confirmed that the horizontal length is about 1.5 μm, and the vertical length has a size of about 1.5 μm, in the case of the particles obtained in Example 2 It was confirmed that the length of the horizontal was about 1 μm and the length of the vertical was about 1.3 μm.
상기 특성 분석 결과들로부터 본 발명에 따른 철 기반 금속-유기 골격체는 MIL-53의 결정 구조 및 약 1㎛ 크기의 육각쌍뿔(hexagonal bipyramid) 형태를 가지는 것을 확인할 수 있었다. From the above analysis results, it was confirmed that the iron-based metal-organic framework according to the present invention has a crystal structure of MIL-53 and a hexagonal bipyramid shape of about 1 μm.
3. 유기 오염물질에 대한 제거성능 평가3. Evaluation of removal performance for organic pollutants
실시예 1 및 실시예 2에서 수득된 Fe-MOF를 이용하여 유기 오염물질 제거성능 평가를 진행하였다. 탈이온수에 메틸 오렌지(methyl orange, MO), 메틸렌 블루(methylene blue, MB) 및 비스페놀 A(bisphenol A, BPA)를 각각 200 mg, 200 mg 및 100 mg 투입하여 각 1 L의 오염수를 제조하였다. 상기 메틸 오렌지를 포함하는 오염수 20 mL 시료를 두 개 준비하고 각 시료에 각각 실시예 1 및 실시예 2에서 수득된 Fe-MOF를 5 mg씩 첨가하고 14 시간 동안 30℃에서 교반하였다. 메틸렌 블루 및 비스페놀 A 포함 오염수에 대해서도 동일하게 처리하였다. 즉, 총 6개의 시료를 준비하였다. 이후 필터링(filtering)을 통해 상기 6개의 오염수에서 Fe-MOF를 분리하였다.Using the Fe-MOF obtained in Example 1 and Example 2 was conducted to evaluate the organic pollutant removal performance. Methyl orange (methyl orange, MO), methylene blue (MB), and bisphenol A (bisphenol A, BPA) were added to deionized water in 200 mg, 200 mg, and 100 mg, respectively, to prepare 1 L of contaminated water. . Two 20 mL samples of contaminated water containing the methyl orange were prepared, and 5 mg of Fe-MOF obtained in Examples 1 and 2 were added to each sample, respectively, and stirred at 30°C for 14 hours. The methylene blue and bisphenol A-containing contaminated water were treated in the same manner. That is, a total of six samples were prepared. Thereafter, Fe-MOF was separated from the six contaminated waters through filtering.
각 시료에 대해서 Fe-MOF가 유기 오염물질을 포집하기 전과 후의 유기 오염물질 농도를 자외선-가시광 분광분석기(Ultraviolet-visible spectroscopy, UV-vis. spectroscopy)로 분석비교하여 제거된 유기 오염물질의 농도로부터 제거성능을 계산하였다. 그 결과, 도 5와 같이 입자의 크기가 큰 실시예 1의 Fe-MOF가 실시예 2의 Fe-MOF 보다 높은 유기 오염물질 제거성능을 갖는 것을 확인할 수 있었다.For each sample, the concentration of organic pollutants before and after Fe-MOF captures the organic pollutants is analyzed and compared with the concentration of the organic pollutants removed by ultraviolet-visible spectroscopy (UV-vis.spectroscopy). The removal performance was calculated. As a result, it was confirmed that Fe-MOF of Example 1 having a large particle size as shown in FIG. 5 has higher organic pollutant removal performance than Fe-MOF of Example 2.
실시예 1에서 수득한 Fe-MOF를 이용하여 다양한 흡착시간에 따른 흡착성능과 다양한 오염물질의 농도에 따른 흡착성능을 측정하여 도 6과 같이 정리하였다. 이에 따르면, 실시예 1의 Fe-MOF에 흡착되는 속도는 비스페놀 A, 메틸렌 블루, 메틸 오렌지 순서로 느려짐을 알 수 있으며, 이는 분자량이 클수록 Fe-MOF의 기공내부로 확산되는 속도가 느려지기 때문으로 생각된다. 또한 Fe-MOF의 흡착성능은 메틸 오렌지, 비스페놀 A, 메틸렌 블루의 순서로 낮아짐을 알 수 있는데, 이는 중성 전하를 띄는 비스페놀 A와는 다르게 양전하를 띄는 메틸렌 블루와 음전하를 띄는 메틸 오렌지의 경우 Fe-MOF의 유기 리간드인 테레프탈산과의 π-π 상호작용 외에 양전하를 띄는 철 이온과의 정전기적 반발력과 정전기적 인력이 각각 작용하기 때문으로 생각된다(도 8 참조).Using the Fe-MOF obtained in Example 1, the adsorption performance according to various adsorption times and the concentrations of various pollutants were measured and summarized as in FIG. 6. According to this, it can be seen that the rate of adsorption to Fe-MOF in Example 1 is slow in the order of bisphenol A, methylene blue, and methyl orange, because the higher the molecular weight, the slower the diffusion rate into the pores of Fe-MOF. I think. In addition, it can be seen that the adsorption performance of Fe-MOF decreases in the order of methyl orange, bisphenol A, and methylene blue, which is different from bisphenol A, which has a neutral charge, and methylene blue, which has a positive charge and methyl orange, which has a negative charge, Fe-MOF. In addition to the π-π interaction with the organic ligand of terephthalic acid, it is considered that the electrostatic repulsive force and the electrostatic attraction force with iron ions having a positive charge act respectively (see FIG. 8).
Claims (4)
(S20) 상기 전구체 용액에 초음파(ultrasonic)를 조사하는 단계;
를 포함하는 철 기반 금속-유기골격체(Fe based metal-organic framework, Fe-MOF)의 제조방법.
(S10) preparing a precursor solution by dissolving a metal precursor and an organic ligand in a solvent; And
(S20) irradiating ultrasonic waves to the precursor solution;
Method for producing an iron-based metal-organic framework (Fe based metal-organic framework, Fe-MOF) comprising a.
상기 전구체 용액 중 금속(철) 이온의 농도는 0.0001몰/리터 내지 0.3몰/리터인 것인 철 기반 금속-유기골격체(Fe based metal-organic framework, Fe-MOF)의 제조방법.
According to claim 1,
The concentration of metal (iron) ions in the precursor solution is 0.0001 mol / liter to 0.3 mol / liter of iron-based metal-organic framework (Fe-based metal-organic framework, Fe-MOF) method of manufacturing.
상기 유기 리간드는 유기산을 포함하는 것인 철 기반 금속-유기골격체(Fe based metal-organic framework, Fe-MOF)의 제조방법.
According to claim 1,
The organic ligand is a method of manufacturing an iron-based metal-organic framework (Fe-based metal-organic framework, Fe-MOF) containing an organic acid.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |