KR20230030192A - Porous chelate beads having aminated polyacronitrile structure and its preparation method - Google Patents

Porous chelate beads having aminated polyacronitrile structure and its preparation method Download PDF

Info

Publication number
KR20230030192A
KR20230030192A KR1020210112115A KR20210112115A KR20230030192A KR 20230030192 A KR20230030192 A KR 20230030192A KR 1020210112115 A KR1020210112115 A KR 1020210112115A KR 20210112115 A KR20210112115 A KR 20210112115A KR 20230030192 A KR20230030192 A KR 20230030192A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
beads
porous
polyacrylonitrile
parts
weight
Prior art date
Application number
KR1020210112115A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102567016B1 (en
Inventor
공성욱
Original Assignee
공성욱
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 공성욱 filed Critical 공성욱
Priority to KR1020210112115A priority Critical patent/KR102567016B1/en
Publication of KR20230030192A publication Critical patent/KR20230030192A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102567016B1 publication Critical patent/KR102567016B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/3085Chemical treatments not covered by groups B01J20/3007 - B01J20/3078
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/26Synthetic macromolecular compounds
    • B01J20/261Synthetic macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon to carbon unsaturated bonds
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B01J20/28016Particle form
    • B01J20/28019Spherical, ellipsoidal or cylindrical
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28054Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/305Addition of material, later completely removed, e.g. as result of heat treatment, leaching or washing, e.g. for forming pores
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/28Treatment of water, waste water, or sewage by sorption
    • C02F1/285Treatment of water, waste water, or sewage by sorption using synthetic organic sorbents

Abstract

The present invention relates to porous chelate beads, and a preparation method thereof, and specifically, provides porous chelate beads exhibiting high porosity and high adsorption capacity as well as amphoteric adsorption performance of cations and anions, and a preparation method thereof.

Description

아민화 폴리아크릴로니트릴 구조체를 지닌 다공질 킬레이트 비드 및 이의 제조방법{Porous chelate beads having aminated polyacronitrile structure and its preparation method}Porous chelate beads having aminated polyacrylonitrile structure and its preparation method {Porous chelate beads having aminated polyacronitrile structure and its preparation method}

본 발명은 수질 및 대기 중의 오염 물질 제거용 흡착 소재에 관한 것으로, 중금속, 유해가스, 비소화합물 및 인 화합물 등 유해 물질 제거를 위한 아민화 폴리아크릴로니트릴 구조체를 지닌 다공질 킬레이트 비드 및 이의 제조 방법에 관한 것 이다. 더욱 상세하게는 다공질 구조을 지닌 폴리아크릴로니트릴 비드를 합성하는 단계와 다공질 구조체의 표면에 아민계 화합물을 도입하는 단계를 통해 기능성 다공질 구조체를 지닌 킬레이트 비드 및 이의 제조에 관한 것이다.The present invention relates to an adsorption material for removing pollutants in water and air, and to a porous chelate bead having an aminated polyacrylonitrile structure for removing harmful substances such as heavy metals, harmful gases, arsenic compounds and phosphorus compounds, and a method for manufacturing the same it's about More specifically, it relates to chelate beads having a functional porous structure and their preparation through the steps of synthesizing polyacrylonitrile beads having a porous structure and introducing an amine-based compound to the surface of the porous structure.

산업이 발달함에 따라 각종 산업폐수, 가축폐수 및 생활폐수 등 수질오염원의 배출량은 지속적으로 늘어나고 있는 추세에 있으며, 배출되는 오염물들은 다양한 중금속 이온, 인 및 질소화합물 등을 함유하고 있어 이들의 제거가 반듯이 필요하다. 이를 위해 화학적 침전법, 전기 분해법, 멤브레인, 바이오 흡착법, 물리화학적 흡착법 등 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 화학적 흡착법은 값싸고 저 농도에서 높은 제거 효율, 낮은 pH 민감성과 같은 장점 등으로 인해 가장 효율적인 방안으로 제시되고 있다.As the industry develops, the discharge of water pollutants such as various industrial wastewater, livestock wastewater, and domestic wastewater is continuously increasing. need. To this end, related studies such as chemical precipitation, electrolysis, membrane, bio-adsorption, and physico-chemical adsorption are being actively conducted. Among them, the chemical adsorption method is proposed as the most efficient method due to advantages such as low cost, high removal efficiency at low concentration, and low pH sensitivity.

현재 상용 흡착용 비드 소재로는 다양한 화학적 흡착 기능기를 가지는 폴리스타이렌계 고분자 수지들이 있지만 (대한민국 특허 제 10-1321035호, 제10-0621945호 및 제 10-2029403호) 이들은 대부분 낮은 기공율의 구조와 낮은 흡착 성능을 나타나고 있으며 이와 더불어 합성 제조공정이 복잡한 단점을 지니고 있다. 그러므로, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 높은 기공율, 높은 흡착성능 및 제조공정의 간단성 등을 고려하여 오염원들을 효율적 포집을 도모할 수 있는 흡착소재 기술이 필요하다.Currently, there are polystyrene-based polymer resins with various chemical adsorption functional groups as commercial adsorption bead materials (Korean Patent Nos. 10-1321035, 10-0621945 and 10-2029403), but most of them have a low porosity structure and low adsorption. However, the synthetic manufacturing process has complex disadvantages. Therefore, in order to solve these problems, an adsorption material technology capable of efficiently collecting pollutants is required in consideration of high porosity, high adsorption performance, and simplicity of the manufacturing process.

종래의 고분자 다공성 구조를 구현할 수 있는 기술 중, 겔 형 수지는 비닐기를 1개, 2개 지닌 가교제를 용매 없이 직접 현탁중합해 제조하는 것으로, 건조시 고체상태에서 고분자 사슬 사이의 거리인 미세한 세공을 지닐 수 있다. 하지만 가교제의 양이 1%보다 적을 때 고분자수지는 팽윤도는 높으나 기계적 강도가 매우 낮아 쉽게 파손되는 반면, 상업적으로 얻을 수 있는 가교된 겔형 수지는 기계적으로는 매우 안정하나 팽윤도가 낮아 반응물이 겔 내에 침투하여 활성기에 접근하기 어렵다. 즉, 높은 가교도를 지니는 수지 내부에서 반응 속도는 느리거나 불완전하기 때문에 흡착제로써 활용에 적합하지 않다.Among the technologies that can realize a conventional polymeric porous structure, gel-type resin is prepared by direct suspension polymerization of a crosslinking agent having one or two vinyl groups without a solvent, and fine pores, which are the distances between polymer chains in a solid state when dried, can hold However, when the amount of the crosslinking agent is less than 1%, the polymer resin has a high degree of swelling but very low mechanical strength and is easily damaged, whereas a commercially available crosslinked gel-type resin is mechanically very stable but has a low degree of swelling and the reactant penetrates into the gel. Therefore, it is difficult to access the activator. That is, since the reaction rate is slow or incomplete inside the resin having a high degree of crosslinking, it is not suitable for use as an adsorbent.

이에 비하여 다공성 수지는 겔형 수지와 제조 방법은 비슷하지만, 중합 시 세공을 형성 시키는 역할을 하는 용매를 첨가해야 한다. 용매가 단량체와 고분자를 모두 용해하면 완전히 팽윤된 네트워크가 형성되어 많은 세공을 지닐 수 있고 중합된 다공성 수지에서 용매를 제거하면 고분자 매트릭스는 일부 붕괴되지만 중합 시 용해되어 팽윤된 네트워크 때문에 많은 세공이 형성될 수 있다. 이때 적당한 기계적 강도를 지니기 위해서는 가교도가 20% 이상이 첨가되어야 하고 이는 흡착제로써 활용 불가 부분이므로 흡착제 성능 저하 문제와 직결된다.In contrast, porous resins have a similar manufacturing method to gel-type resins, but a solvent that serves to form pores during polymerization must be added. When the solvent dissolves both the monomer and the polymer, a completely swollen network is formed and can have many pores. When the solvent is removed from the polymerized porous resin, the polymer matrix partially collapses, but many pores are formed due to the dissolved and swollen network during polymerization. can At this time, in order to have appropriate mechanical strength, a crosslinking degree of 20% or more must be added, and since this is a part that cannot be used as an adsorbent, it is directly related to the problem of deterioration of adsorbent performance.

아민 기능기를 포함하는 화합물은 양이온과 음이온 둘 다 처리가 가능하다고 잘 알려져 있는 화합물이다. 하지만, 액상 아민화합물을 바로 환경 처리 물질로 적용 시 인체 유해성, 부식, 생태계에 악영향 등의 문제가 발생하기 때문에 고분자화 하거나 특정 지지체에 고정화하여 사용하는 방식이 사용되고 있으나, 아민 기능기를 포함하는 고분자 단량체는 아민 기능기의 라디칼을 잘 흡수할 수 있는 기능때문에 고분자로의 중합이 어려운 문제점이 있었다.Compounds containing amine functional groups are well-known compounds capable of treating both cations and anions. However, when the liquid amine compound is directly applied as an environmental treatment material, problems such as harmfulness to the human body, corrosion, and adverse effects on the ecosystem occur, so a method of polymerizing or fixing to a specific support is used, but a polymer monomer containing an amine functional group had a problem in that it was difficult to polymerize into a polymer because of the ability to absorb the radicals of the amine functional group well.

(특허 문헌 1) KR 100412203(Patent Document 1) KR 100412203 (특허 문헌 2) KR 101816008(Patent Document 2) KR 101816008 (특허 문헌 3) KR 102000389(Patent Document 3) KR 102000389 (특허 문헌 4) KR 101776370(Patent Document 4) KR 101776370 (특허 문헌 5) KR 102025087(Patent Document 5) KR 102025087 (특허 문헌 6) KR 101321035(Patent Document 6) KR 101321035 (특허 문헌 7) KR 100621945(Patent Document 7) KR 100621945 (특허 문헌 8) KR 102029403(Patent Document 8) KR 102029403

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명자들은 흡착제로서 유리한 흡착 면적을 최대화할 수 있는 구조체에 대해 연구하던 중 특정 고분자 농도에서 다공질 구조를 가지는 구조체가 생성되는 것을 확인하고, 그 흡착제의 표면 개질을 통해 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above problems, the present inventors confirmed that a structure having a porous structure was created at a specific polymer concentration while studying a structure capable of maximizing an adsorption area advantageous as an adsorbent, and through surface modification of the adsorbent. completed the present invention.

본 발명에서는 기존의 광범위하게 사용되고 있는 스타이렌계 이온교환수지의 단점인 낮은 기공율, 낮은 흡착성능 및 제조공정의 복잡성 등의 문제점을 보완하기 위해 수질 및 대기중에 존재하는 중금속 양이온 및 비소, 인과 같은 음이온을 효율적으로 제거할 수 있는 흡착 소재로써, 아민화 폴리아크릴로니트릴 구조체를 지닌 다공질 킬레이트 비드 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.In the present invention, heavy metal cations and anions such as arsenic and phosphorus present in water and air are used to overcome the disadvantages of existing widely used styrenic ion exchange resins such as low porosity, low adsorption performance, and complexity of manufacturing process. An object of the present invention is to provide a porous chelate bead having an aminated polyacrylonitrile structure and a manufacturing method thereof as an adsorbent material capable of efficiently removing the same.

또한, 본 발명은 다공질 구조를 가지는 밀리미터 스케일의 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile, PAN) 비드 제조 방법을 제공하며, 이 다공질 비드의 양이온/음이온성 오염 물질을 제거할 수 있는 기능성 도입을 위해 아민 기능기를 다공질 비드에 고정화하는 방법을 제공하고자 한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing millimeter-scale polyacrylonitrile (PAN) beads having a porous structure, and an amine functional group is added to introduce functionality capable of removing cationic / anionic contaminants from the porous beads. It is intended to provide a method of immobilizing the porous bead.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 다공질 구조의 폴리아크릴로니트릴 비드 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing polyacrylonitrile beads having a porous structure.

또한, 상기 방법에 의해 제조된 폴리아크릴로니트릴 비드를 제공한다.In addition, polyacrylonitrile beads prepared by the above method are provided.

상기 다공질 구조의 폴리아크릴로니트릴 비드 제조 방법은, The method for producing the porous structure polyacrylonitrile beads,

(A) 폴리아크릴로니트릴 수지 또는 섬유를 유기 용매에 용해하는 단계; (A) dissolving polyacrylonitrile resin or fiber in an organic solvent;

(B) (A)에서 폴리아크릴로니트릴 수지 또는 섬유가 용해된 용액을 물과 에탄올이 섞인 용액에 노즐을 이용해 액적을 주입하는 단계;(B) injecting droplets of the solution in which the polyacrylonitrile resin or fibers in (A) is dissolved into a mixture of water and ethanol using a nozzle;

(C) 상기 (B)에서 생성된 다공질 폴리아크릴로니트릴 비드를 아민화합물과 반응시켜 표면을 개질하는 단계;를 포함한다. (C) reacting the porous polyacrylonitrile beads produced in (B) with an amine compound to modify the surface;

상기 (A) 단계는 구체적으로, 유기 용매에 폴리아크릴로니트릴 수지 또는 섬유를 용해하여 용매 교환법을 통해 다공질 구조를 가지는 밀리미터 크기의 폴리아크릴로니트릴 비드를 제조하는 단계, 및 아민 화합물을 다공질 구조체의 표면에 도입하는 단계를 포함한다. Step (A) is specifically, preparing millimeter-sized polyacrylonitrile beads having a porous structure through a solvent exchange method by dissolving polyacrylonitrile resin or fiber in an organic solvent, and adding an amine compound to the porous structure Incorporating it into the surface.

상기 다공성 폴리아크릴로니트릴 킬레이트 비드 제조 조건은 제한되는 것은 아니나 바람직하게는 상기 사용된 유기 용매의 중량부 100에 대하여, 1 내지 30 중량부, 바람직하게는 5 내지 25 중량부, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 중량부를 투입할 수 있다. 상기 수지 또는 섬유가 상기 중량부를 벗어나는 경우, 비드가 잘 형성되지 않을 수 있다.Conditions for preparing the porous polyacrylonitrile chelate beads are not limited, but are preferably 1 to 30 parts by weight, preferably 5 to 25 parts by weight, more preferably 10 parts by weight, based on 100 parts by weight of the organic solvent used. to 20 parts by weight may be added. If the resin or fiber exceeds the weight part, beads may not be formed well.

상기 유기 용매는 폴리아크릴로니트릴 고분자를 용해할 수 있는 용액으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 예를 들면, 디에틸 에테르 (diethyl ether), 디이소프로필 에테르 (diisopropyl ether), 디메틸설폭사이드 (dimethylsulfoxide, DMSO), 디메틸폼아마이드 (dimethylformamide, DMF), 아세토니트릴 (acetonitrile), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolydone, NMP), 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran, THF) 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 DMF 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The organic solvent may be selected from the group consisting of a solution capable of dissolving a polyacrylonitrile polymer. For example, diethyl ether, diisopropyl ether, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetonitrile, N-methyl-2 -Pyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolydone, NMP), tetrahydrofuran (THF), etc. may be used, preferably DMF, but is not limited thereto.

상기 (B) 단계는 (A) 단계에서 폴리아크릴로니트릴 수지 또는 섬유가 용해된 용액을 노즐을 통해 물/에탄올 용액에 투입시킨다. In step (B), the solution in which the polyacrylonitrile resin or fibers are dissolved in step (A) is introduced into the water/ethanol solution through a nozzle .

상기 물/에탄올의 비율은 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 1:1의 중량비로 포함될 수 있다. 이는 유기용매, 예를 들어 DMF의 용매의 비중은 0.95 g/ml, 물은 1 g/ml, 에탄올은 0.79 g/ml인데 에탄올을 섞지 않은 물의 비중이 DMF의 비중보다 높기 때문에 섬유가 용해된 DMF가 물위에 뜨는 현상이 일어나 다공질 구형 구조체를 제조할 수 없기 때문이다. 따라서 상기 물/에탄올이 상기 비율로 포함되는 것이 바람직하며, 이때 비중은 0.8 내지 1.0g/ml, 바람직하게는 0.9 g/ml를 가지며 섬유가 용해된 DMF가 물에 가라앉으며 구형 구조를 이룰 수 있다.The water/ethanol ratio is not limited, but may preferably be included in a weight ratio of 1:1. This is because the specific gravity of an organic solvent, for example, DMF, is 0.95 g/ml, water is 1 g/ml, and ethanol is 0.79 g/ml, but the specific gravity of water without ethanol is higher than that of DMF. This is because it floats on water, making it impossible to prepare a porous spherical structure. Therefore, it is preferable that the water / ethanol is included in the above ratio, wherein the specific gravity is 0.8 to 1.0 g / ml, preferably 0.9 g / ml, and the DMF in which the fibers are dissolved sinks in water to form a spherical structure. there is.

본 발명에서 폴리아크릴로니트릴 용액의 액적을 물/에탄올 용액에 도입하는 방식은 고분자 용액이 분당 0.1 내지 20 ml의 유속으로 노즐 부를 통과하여 액적을 형성시킬 수 있는 모든 방법일 수 있다.In the present invention, the method of introducing the droplets of the polyacrylonitrile solution into the water/ethanol solution may be any method capable of forming droplets by passing the polymer solution through the nozzle at a flow rate of 0.1 to 20 ml per minute.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 폴리아크릴로니트릴 용액을 주입하기 위한 노즐의 지름은 용액의 점도 및 목적하는 구조체의 크기에 따라 0.001 내지 10 mm로 조절될 수 있다.The diameter of the nozzle for injecting the polyacrylonitrile solution according to an embodiment of the present invention may be adjusted to 0.001 to 10 mm depending on the viscosity of the solution and the size of the desired structure.

상기 폴리아크릴로니트릴 용액의 액적이 투입되는 물/에탄올 혼합 용액은 폴리아크릴로니트릴 용액의 밀도와 같거나 낮은 범위에서 혼합 비율이 정해질 수 있으며, 이러한 조합 이외의 물질 중, 사용된 유기 용매의 종류에 따라 유기 용매와 섞일 수 있으며, 밀도가 같거나 낮은 범위의 용매 중 어느 하나일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The mixing ratio of the water/ethanol mixed solution into which the droplets of the polyacrylonitrile solution are input may be determined in a range equal to or lower than the density of the polyacrylonitrile solution, and among substances other than this combination, the organic solvent used Depending on the type, it may be mixed with an organic solvent, and may be any one of solvents having the same density or a lower range, but is not limited thereto.

본 발명에서 투입된 폴리아크릴로니트릴 고분자의 분자량에 따라 유기 용매에 흐를 수 있을 정도의 범위 이내의 점도와, 용매 교환 이후 구조를 유지할 수 있는 범위 내에서 유기 용매 대비 중량비가 변경될 수 있다.According to the molecular weight of the polyacrylonitrile polymer introduced in the present invention, the viscosity within a range capable of flowing in an organic solvent and the weight ratio relative to the organic solvent may be changed within a range capable of maintaining a structure after solvent exchange.

본 발명에서, 상기 물/에탄올 혼합 용액은 상기 폴리아크릴로니트릴 용액보다 밀도가 같거나 낮음과 동시에 서로 섞일 수 있으며, 사용된 두 폴리아크릴로니트릴 용액과 용액이 접촉 시 용매 교환 메커니즘에 의해 용해되어 있는 고분자를 고형화 할 수 있는 용액으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.In the present invention, the water / ethanol mixed solution can be mixed with each other at the same time as having the same or lower density than the polyacrylonitrile solution, and when the two used polyacrylonitrile solutions and the solution come into contact, they are dissolved by a solvent exchange mechanism It may be at least one selected from the group consisting of a solution capable of solidifying a polymer having a polymer.

상기 (C) 단계에서 아민화합물은 제조된 다공질구조의 폴리아크릴로니트릴 비드의 표면에 고 밀도로 결합될 수 있는 선형 구조를 가지는 알킬아민 화합물인 디에틸렌트리아민을 사용할 수 있다. 이는 포단드 구조체로서 이온성 물질을 흡착하기 위해 적은 아민 기능기가 사용되기 때문에 흡착 효율을 높일 수 있다. 하지만, 상기 니트릴 기능기와 결합하여 리간드 역할을 수행할 수 있는 물질 중 알킬기를 갖는 1차 혹은 그 이상의 아민화합물일 수 있다. 상기 아민 화합물은 고리형 구조일 수 있다. 예로, 에틸렌디아민 (ethylenediamine, EDA), 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine, DETA), 트리스(2-아미노에틸아민(tris(2-aminoethyl)amine), 프로판-1,3-디아민(propane-1,3-diamine), 메테인 트리아민(methane triamine), 3-(2-아미노에틸)프로판-1,5-디아민(3-(2-aminoethyl)pentane-1,5-diamine), 멜라민(melamine), 디아미노푸라잔(diaminofurazan), 디아미노피리딘 (diaminopyridine), 폴리에틸렌이민(polyethylene imine) 및 디아미노피리미딘(diaminopyrimidine) 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. In step (C), the amine compound may be diethylenetriamine, which is an alkylamine compound having a linear structure that can be densely bound to the surface of the prepared porous polyacrylonitrile beads. This can increase adsorption efficiency because a small number of amine functional groups are used to adsorb ionic substances as a forehand structure. However, it may be a primary or more amine compound having an alkyl group among materials capable of acting as a ligand by binding to the nitrile functional group. The amine compound may have a cyclic structure. For example, ethylenediamine (EDA), diethylenetriamine (DETA), tris(2-aminoethyl)amine, propane-1,3-diamine -diamine), methane triamine, 3-(2-aminoethyl)propane-1,5-diamine (3-(2-aminoethyl)pentane-1,5-diamine), melamine, It may include one or more selected from the group consisting of diaminofurazan, diaminopyridine, polyethyleneimine, and diaminopyrimidine, but is not limited thereto.

이때, 폴리아크릴로니트릴 비드의 비율은 아민 화합물 100 중량부에 대하여 1 내지 50 중량부, 바람직하게는 5 내지 30 중량부, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 중량부일 수 있다. 폴리아크릴로니트릴 비드의 비율이 상기 중량부 미만으로 포함될 경우 비드가 형성되지 않을 수 있고, 상기 범위를 초과하여 포함되는 경우 점도가 높아 비드 형성이 제한될 수 있다.At this time, the ratio of the polyacrylonitrile beads may be 1 to 50 parts by weight, preferably 5 to 30 parts by weight, more preferably 10 to 20 parts by weight, based on 100 parts by weight of the amine compound. When the ratio of polyacrylonitrile beads is included in less than the above parts by weight, beads may not be formed, and when included in excess of the above range, bead formation may be limited due to high viscosity.

상기 개질을 위해 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine, DETA) 용액이 담겨있는 반응기에 넣어 반응시킨다. 이때, 반응 온도는 50 내지 10℃, 바람직하게는 80 내지 120℃, 더욱 바람직하게는 100℃에서 30분 내지 3시간, 바람직하게는 1 내지 2시간 동안 반응시킨다. 상기 온도 범위 및 시간을 벗어나면 아민 복합체의 고정화 속도가 느려지게 되며, 이에 따른 반응 시간이 늘어날 수 있다. Although not limited to the above modification, it is preferably put into a reactor containing a diethylenetriamine (DETA) solution and reacted. At this time, the reaction temperature is 50 to 10 °C, preferably 80 to 120 °C, more preferably 100 °C for 30 minutes to 3 hours, preferably 1 to 2 hours. Outside the above temperature range and time, the immobilization rate of the amine complex slows down, and thus the reaction time may increase.

비드의 표면을 개질하기 위해 촉매가 사용될 경우 촉매제의 종류로는 아세트산 (acetic acid), 염산 (hydrochloric acid), 보론트리플로라이드 2수화물 (BF32H2O) 등과 같은 비금속계 루이스산 또는 염화 알루미늄 6수화물 등의 금속염화물의 금속계 루이스산계 촉매 중 선택될 수 있으며, 촉매 투입 양은 투입된 폴리아크릴로니트릴 비드 100 중량부에 대하여 0.1 내지 10 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 5중량부 투입될 수 있다. 촉매가 상기 중량부 미만으로 포함될 경우 촉매 반응이 늦춰질 수 있고, 상기 범위를 초과하여 포함되는 경우 촉매 반응이 과잉될 수 있다.When a catalyst is used to modify the surface of beads, types of catalysts include acetic acid, hydrochloric acid, boron trifluoride dihydrate (BF 3 2H 2 O), and the like. It may be selected from metal-based Lewis acid-based catalysts of non-metal-based Lewis acids or metal chlorides such as aluminum chloride hexahydrate, and the amount of catalyst added is 0.1 to 10 parts by weight, preferably 0.1 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polyacrylonitrile beads added. Part by weight may be added. When the catalyst is included in an amount less than the above parts by weight, the catalytic reaction may be delayed, and when the catalyst is included in an amount exceeding the above range, the catalytic reaction may be excessive.

본 명세서 내의 "비드 (bead)"라 함은, 흡착 면적을 극대화 시킬 수 있는 크기의 알맹이를 의미하는 것이다. 평균 입자 크기가 수 nm 내지 수 cm일 수 있고, 100 nm 내지 1 cm 인 것이 바람직하며, 10 mm 내지 70 mm인 것이 흡착제로서 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.The term "bead" in the present specification refers to grains of a size capable of maximizing an adsorption area. The average particle size may be several nm to several cm, preferably 100 nm to 1 cm, and preferably 10 mm to 70 mm as an adsorbent, but is not limited thereto.

본 발명은 흡착제로서 유리한 다공질 구조의 수-밀리미터 크기의 구형 구조체를 제조하고, 아민 기능기를 다공질 구조체에 도입하는 기술을 제공한다.The present invention provides a technique for preparing a spherical structure with a size of several millimeters of a porous structure, which is advantageous as an adsorbent, and introducing an amine functional group into the porous structure.

아민 기능기는 수 중에서 양이온/음이온을 모두 흡착할 수 있는 기능기로 알려져 있지만, 아민 기능기를 포함하는 단량체는 아민 기능기의 중합과정에서 필연적으로 생성되어야 하는 라디칼을 무력화하는 특성 때문에, 밀리미터 크기의 고분자로 합성이 적합하지 않다. 그 이유로서 아민 기능기로 후 처리가 용이한 니트릴기능기를 가지는 폴리아크릴로니트릴 다공성 구조체를 제조하고, 그 후 디에틸렌트리아민으로 다공성 구조체를 아민화 개질하여 다공질 구조의 킬레이트 비드를 제조할 수 있다.An amine functional group is known as a functional group capable of adsorbing both cations and anions in water, but monomers containing amine functional groups have the property of neutralizing radicals that are inevitably generated during the polymerization of amine functional groups, making it a millimeter-sized polymer. Synthesis is not suitable. For this reason, a polyacrylonitrile porous structure having a nitrile functional group that can be easily post-treated with an amine functional group is prepared, and then the porous structure is aminated and modified with diethylenetriamine to prepare a porous structure chelate bead.

본 발명에 따라 제조된 다공질 비드의 기공률은 50 내지 90일 수 있다.The porosity of the porous beads prepared according to the present invention may be 50 to 90.

또한, 본 발명에 따라 제조된 다공질 비드의 함수율은 400 내지 1000일 수 있다.In addition, the moisture content of the porous beads prepared according to the present invention may be 400 to 1000.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 제조된 다공질을 가진 구조체의 지름은 0.01 내지 10 mm일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the diameter of the prepared porous structure may be 0.01 to 10 mm.

본 발명에 따른 상기 기능성 다공질 구조를 지닌 비드는 상기에서 설명된 방법에 한정되지 않고, 몰드를 이용해 원하는 모양으로 다단 기공 구조체의 형태를 제어할 수 있는 구조체의 범위를 포함한다.The bead having a functional porous structure according to the present invention is not limited to the method described above, and includes a range of structures capable of controlling the shape of the multi-stage porous structure in a desired shape using a mold.

본 발명의 일 실시예에서 제1 용액이 주입되는 노즐의 높이는 반응조 내 담겨 있는 제2 용액의 표면으로부터 제1 용액의 점도에 따라 0.1에서 100 cm으로 조절될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the height of the nozzle into which the first solution is injected may be adjusted from 0.1 to 100 cm depending on the viscosity of the first solution from the surface of the second solution contained in the reaction tank.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 사용되는 다공질 구조체의 제조 장치는 반응조를 구비한다. 상기 반응조는 폴리아크릴로니트릴 액적이 도입되면 가라앉을 수 있도록 상기 용액보다 낮은 밀도 및 섞일 수 있는 용액으로 채워져 있다. 상기 폴리아크릴로니트릴 용액이 아래 용액으로 도입되게 되면 계면에서부터 고분자가 고형화된다. 제조된 입자의 표면부터 내부 구조까지 충분히 용매가 교환될 수 있도록 최소 30분간 방치한다.Referring to Figure 1, the manufacturing apparatus of the porous structure used in one embodiment of the present invention is provided with a reaction tank. The reactor is filled with a miscible solution and having a lower density than the solution so that the polyacrylonitrile droplets can settle when introduced. When the polyacrylonitrile solution is introduced into the solution below, the polymer is solidified from the interface. Leave for at least 30 minutes so that the solvent can be sufficiently exchanged from the surface of the prepared particles to the internal structure.

도 2와 3을 참고하면, 폴리아크릴로니트릴 비드의 내부 다공질 구조가 표면 아민 개질 후에도 유지됨을 확인할 수 있다. Referring to Figures 2 and 3, it can be seen that the internal porous structure of the polyacrylonitrile beads is maintained even after surface amine modification.

도 4를 참고하면, 제조된 기능성 다공질 비드 내부로 용이하게 중금속 이온이 침투되어 흡착제 표면에서 표면 석출 메커니즘을 통해 흡착됨을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4 , it can be confirmed that heavy metal ions are easily penetrated into the prepared functional porous beads and adsorbed on the surface of the adsorbent through a surface precipitation mechanism.

도 5를 참고하면, 용매 중 PAN의 함량이 5% 이하, 20% 이상 조건에서 비드가 용이하게 형성되지 않았다. 따라서 흡착 성능과 비드 형성 조건을 고려하여 용매 중 폴리아크릴로니트릴 고분자(PAN)의 함량은 흡착 성능을 고려하여 10 내지 15 중량비로 설정될 수 있다. Referring to FIG. 5, beads were not easily formed under the condition that the content of PAN in the solvent was 5% or less and 20% or more. Therefore, in consideration of adsorption performance and bead formation conditions, the content of polyacrylonitrile polymer (PAN) in the solvent may be set to a weight ratio of 10 to 15 in consideration of adsorption performance.

도 7을 참고하면, 상용화되고 있는 흡착제들(HCR-S, DOW; MION AK-22, Imatek & K,LTD ; MION K-5, Imatek & K,LTD )과 본 발명에 따른 비드의 흡착성능을 비교한 결과, 3배 이상의 흡착 성능을 나타냄을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, the adsorption performance of commercially available adsorbents (HCR-S, DOW; MION AK-22, Imatek & K, LTD; MION K-5, Imatek & K, LTD) and the beads according to the present invention As a result of the comparison, it can be confirmed that the adsorption performance is more than three times higher.

도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 비드의 양이온 및 음이온에 대한 흡착 성능을 확인할 수 있다. 양이온과 음이온 모두 기능성 다공질 킬레이트 비드에 용이하게 흡착됨을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8 , it can be confirmed the adsorption performance of the beads according to the present invention for cations and anions. It can be confirmed that both cations and anions are easily adsorbed to the functional porous chelate beads.

본 발명은 아민 기능기를 가지는 수-밀리미터 크기의 다공질 구조의 고분자 비드를 합성할 수 있으며, 또한 아민 기능기는 양이온과 음이온에 양쪽 특성을 가질 수 있어 수질 및 대기 오염원인 양이온과 음이온 모두 제거할 수 있는 화학적 기능기로 잘 알려져 있다. 또한, 높은 기공 구조를 이용해 오염원들이 용이하게 흡착 소재 내부로 침투될 수 있기 때문에 우수한 흡착 성능을 나타낸다. 따라서, 상기 다공질 구조를 가지는 밀리미터 스케일의 다공질 폴리아크릴로니트릴 비드는 대기 및 유해가스 정화장치, 여러 희귀 금속과 중금속의 분리 및 회수 장치 등에 적용되는 등 광범위하게 활용될 수 있다.The present invention can synthesize polymer beads having a porous structure with a size of several millimeters having an amine functional group, and the amine functional group can have both cation and anion properties, which can remove both cation and anion, which are pollutants in water quality and air. It is well known as a chemical functional group. In addition, since contaminants can easily permeate into the adsorption material using the high pore structure, it shows excellent adsorption performance. Therefore, the millimeter-scale porous polyacrylonitrile beads having the porous structure can be widely used, such as being applied to atmospheric and harmful gas purification devices, various rare metal and heavy metal separation and recovery devices, and the like.

또한, 본 발명에 따라 제조된 아민화 폴리아크릴로니트릴 구조체를 지닌 비드는 2단계의 간단한 공정으로 제조 가능하여 경제적이며, 흡착 기능성을 최대한 높일 수 있는 수밀리미터 크기의 다공질 구조로 되어있기 때문에 종래 흡착제들의 실제 이용 시 발생되는 문제점의 보완이 가능하다. 또한 입자의 표면 기능성이 중시되는 촉매, 캐패시터, 센서, 흡착제, 흡수제, 흡유제 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.In addition, the beads having an aminated polyacrylonitrile structure prepared according to the present invention are economical because they can be manufactured in a simple two-step process, and have a porous structure with a size of several millimeters that can maximize adsorption functionality, so they are conventional adsorbents. It is possible to supplement problems that occur during actual use of them. In addition, it can be used in various fields such as catalysts, capacitors, sensors, adsorbents, absorbents, and oil absorbers where the surface functionality of particles is important.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공질 구조의 APAN 비드 제조 방법을 설명하기 위한 모식도 및 화학식이다.
도 2는 본 발명의 다공질 PAN 비드와 아민화된 PAN 비드의 FT-IR 그래프로, 화학적 기능기 차이를 나타낸다. PAN의 주 기능기인 니트릴 (nitrile, -C≡N)그룹 (2240 cm-1)이 표면 아민 개질에 따라 사라지고, 도입된 디에틸렌트리아민 기능기에 해당하는 피크 (3346, 1590, 1573, 1485 cm-1)들이 나타남에 따라, 표면 개질이 성공적으로 이행되었음을 확인할 수 있는 그래프이다.
도 3은 아민 화합물로 표면개질된 poly(amidino diethylene diamine) (PADD)의 SEM 이미지로, 내부 다공질 구조를 나타내는 이미지이다.
도 4는 (a) 제조된 아민화된 다공질 PAN 비드의 실제 사진, (b) Cu2+ 흡착 이후 비드의 실제 사진, (c) (b)샘플의 SEM 이미지, 그리고 (d) 더욱 확대된 SEM 이미지를 나타낸다. (a)와 (b) 사진을 비교했을 때, 구리 이온이 비드 안쪽까지 침투가 용이함을 보여주며, (c)와 (d) 이미지는 금속 이온이 비드 내부에서 아민기능기에 의해 석출되어 결정 형태로 흡착된 모습을 보여주고 있다.
도 5는 용매 (Dimethylformamide, DMF) 중 PAN의 함량에 따라 제조된 비드의 양이온/음이온 흡착 성능과 양이온 교환 성능을 나타내는 도표이다.
도 6은 도 5에서 제조된 PAN 비드의 함수율, 기공률, 평균 기공 지름에 대한 정보를 나타내는 도표이다.
도 7은 본 특허 개발품의 흡착능 성능을 나타내는 도표로, 상업적으로 이용되고 있는 기존 이온 교환 흡착 비드 및 섬유 대비 뛰어난 흡착 성능을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 비드의 양이온 (Fe2+, Cu2+, Pb2+, Zn2+)과 음이온 (AsO4 -, PO4 3-)의 흡착 성능 결과를 나타내는 도표이다.
1 is a schematic diagram and chemical formula for explaining a method for manufacturing APAN beads having a porous structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is an FT-IR graph of the porous PAN beads and the aminated PAN beads of the present invention, showing the difference in chemical functional groups. The nitrile (-C≡N) group (2240 cm -1 ), the main functional group of PAN, disappears upon surface amine modification, and the peak corresponding to the introduced diethylenetriamine functional group (3346, 1590, 1573, 1485 cm - 1 ), it is a graph confirming that the surface modification has been successfully performed.
3 is a SEM image of poly(amidino diethylene diamine) (PADD) surface-modified with an amine compound, showing an internal porous structure.
4 shows (a) a real picture of the prepared aminated porous PAN beads, (b) a real picture of the beads after Cu 2+ adsorption, (c) a SEM image of (b) a sample, and (d) a further enlarged SEM represents an image. Comparing pictures (a) and (b), copper ions show that it is easy to penetrate into the inside of the bead, and (c) and (d) images show that metal ions are precipitated by amine functional groups inside the bead in crystal form. It shows adsorption.
5 is a graph showing cation/anion adsorption performance and cation exchange performance of beads prepared according to the content of PAN in a solvent (Dimethylformamide, DMF).
6 is a chart showing information on the moisture content, porosity, and average pore diameter of the PAN beads prepared in FIG. 5;
7 is a graph showing the adsorption performance of the patented development product, and shows excellent adsorption performance compared to conventional ion exchange adsorption beads and fibers that are commercially used.
8 is a chart showing the adsorption performance of cations (Fe 2+ , Cu 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ ) and anions (AsO 4 - , PO 4 3- ) of beads according to the present invention.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples and experimental examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following Examples and Experimental Examples.

실시예 1: 디메틸포름아마이드 (dimethylformamide, DMF) 내 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile, PAN) 고분자를 용해 후 용매교환법으로 밀리미터크기의 다공질 구조체 제조 방법Example 1: Manufacturing a millimeter-sized porous structure by solvent exchange after dissolving polyacrylonitrile (PAN) polymer in dimethylformamide (DMF)

PAN 수지 15 g를 용매 DMF 100 g에 상온에서 3시간 동안 용해한다. 제조된 PAN 용액의 액적이 노즐을 통해 중량비 1:1의 물/에탄올 용액에 주입된다. 이 때, 주입 속도는 목적하는 비드의 크기에 따라 분당 0.1 에서 20 mL 범위로 한다. 상온에서 1시간 동안 용매 교환을 진행 후 생성된 다공질 PAN 비드를 물로 세척 후 건조한다.15 g of PAN resin was dissolved in 100 g of solvent DMF at room temperature for 3 hours. A droplet of the prepared PAN solution is injected into a water/ethanol solution having a weight ratio of 1:1 through a nozzle. At this time, the injection rate is in the range of 0.1 to 20 mL per minute depending on the size of the desired bead. After solvent exchange at room temperature for 1 hour, the resulting porous PAN beads are washed with water and dried.

실시예 2: 디에틸렌트리아민 (diethylenetriamine)의 polyacrylonitrile 비드 표면으로의 도입Example 2: Introduction of diethylenetriamine to the surface of polyacrylonitrile beads

상기 실시예 1에서 합성된 PAN 다공질 비드 15 g을 100 g의 디에틸렌트리아민 용액에 주입한다. 합성 온도 100℃에서 2시간 동안 반응시킨 후 물로 비드를 세정 후 건조한다.15 g of the porous PAN beads synthesized in Example 1 were injected into 100 g of diethylenetriamine solution. After reacting at a synthesis temperature of 100 ° C. for 2 hours, the beads are washed with water and dried.

실시예 3: 디메틸설폭사이드 (dimethyl sulfoxide) 용매를 이용한 다공질 구조의 폴리아크릴로니트릴 비드 제조 방법.Example 3: Method for manufacturing polyacrylonitrile beads having a porous structure using a dimethyl sulfoxide solvent.

용매를 DMF 대신 디메틸설폭사이드로 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 절차로 제조하였다.It was prepared by the same procedure as in Example 1 except that the solvent was dimethyl sulfoxide instead of DMF.

실시예 4: 금속 및 비금속계 루이스 촉매를 이용한 디에틸렌트리아민 (diethylenetriamine)의 polyacrylonitrile 비드 표면으로의 도입 Example 4: Introduction of diethylenetriamine onto the surface of polyacrylonitrile beads using metallic and non-metallic Lewis catalysts

실시예 2와 동일한 방법으로 제조되나, 투입된 PAN 비드 대비 1 중량비의 보론트리플클로라이드 2수화물 (BF32H2O) 하에서 반응 온도 100℃ 및 반응시간 1시간의 조건하에서 반응시킨 비드를 물로 세정하여 건조하였다.It is prepared in the same manner as in Example 2, but under the conditions of a reaction temperature of 100 ° C and a reaction time of 1 hour under boron triple chloride dihydrate (BF 3 2H 2 O) at a weight ratio of 1 to the introduced PAN beads. Wash the beads with water and dry did

<실험예 1> 용매에 따른 비드 특성 평가<Experimental Example 1> Evaluation of bead characteristics according to the solvent

상기 실시예 1 및 실시예 3을 이용하여 용매에 따라 제조되는 비드의 특성을 평가하였고, 전자현미경을 이용한 비드의 형상 분석으로 비드의 다공질 구조가 효과적으로 잘 형성되었는지 (도 4)에 관한 평가를 진행하였다. 실험 결과, 용매의 종류에 따른 구조적인 변화가 없었을 확인하였다.The characteristics of the beads prepared according to the solvent were evaluated using the above Examples 1 and 3, and evaluation was conducted on whether the porous structure of the beads was formed effectively (FIG. 4) by analyzing the shape of the beads using an electron microscope. did As a result of the experiment, it was confirmed that there was no structural change according to the type of solvent.

<실험예 2> 촉매에 따른 비드 특성 평가<Experimental Example 2> Evaluation of bead characteristics according to the catalyst

상기 실시예 4 및 실시예 2를 사용하여 제조시 촉매의 투입 여부 및 촉매의 종류에 따라 아민 기능 그룹의 고정화가 일어나는지 FT-IR장비를 이용하여 평가하여 도 2에 나타냈다. 실험 결과, 촉매의 투입 여부에 관계없이, 주황색으로 표현된 FT-IR 피크처럼, 반응 전 PAN물질의 주 반응 그룹인 nitrile group (2245 cm-1)의 peak가 감소하며 1590 cm-1의 아민 그룹에 대한 피크가 생김을 통해 반응이 성공적으로 진행됨을 확인할 수 있었다. In the case of using Examples 4 and 2, whether the immobilization of the amine functional group occurs according to whether or not the catalyst was added and the type of the catalyst was evaluated using FT-IR equipment and shown in FIG. 2. As a result of the experiment, the peak of the nitrile group (2245 cm -1 ), which is the main reactive group of the PAN material before the reaction, decreases and the amine group at 1590 cm -1 It was confirmed that the reaction proceeded successfully through the occurrence of a peak for .

<실험예 3> 폴리아크릴로니트닐 함량에 따른 비드의 흡착능 평가 평가<Experimental Example 3> Evaluation of adsorption capacity of beads according to polyacrylonitrile content

본 발명에 따른 비드 제조를 제조할 때, 용매 (Dimethylformamide, DMF) 중 투입되는 PAN의 함량에 따라 제조된 비드의 양이온/음이온 흡착 성능과 양이온 교환 성능(흡착능)을 평가하였다. 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, PAN의 함량을 5, 7, 10, 15, 20중량%로 각각 투입하였다. When preparing beads according to the present invention, the cation / anion adsorption performance and cation exchange performance (adsorption capacity) of the prepared beads were evaluated according to the amount of PAN introduced in the solvent (Dimethylformamide, DMF). It was prepared in the same manner as in Example 1, but the content of PAN was added at 5, 7, 10, 15, and 20% by weight, respectively.

실험결과, 투입되는 PAN의 함량이 7, 10, 15중량%일 때 총 흡착량이 측정되었고, 특히 10, 15 중량%일 때 구리와 인 흡착량을 포함하여 총 흡착량이 우수하였음을 확인하였다. As a result of the experiment, it was confirmed that the total adsorption amount was measured when the amount of PAN introduced was 7, 10, and 15 wt%, and in particular, the total adsorption amount including copper and phosphorus adsorption was excellent at 10 and 15 wt%.

<실험예 4> 본 발명에 따른 비드의 함수율, 기공률 평가<Experimental Example 4> Evaluation of moisture content and porosity of beads according to the present invention

비드의 기공룔과 평균 기공지름은 Porosimeter(수은 흡착법)기기로 측정하여 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6를 참고하면, 도 5에서 생성된 PAN 비드 (실시예1)의 아민화 전/후 (실시예 2)의 특성을 확인할 수 있으며, 증대된 함수율과, 아민화 이후에도 기공률과 평균 기공지름에 큰 변화가 없음을 알 수 있다.The pore size and average pore diameter of the beads were measured with a Porosimeter (mercury adsorption method), and the results are shown in FIG. 6. Referring to FIG. 6, the characteristics of the PAN beads (Example 1) produced in FIG. 5 before and after amination (Example 2) can be confirmed, and the increased moisture content and the porosity and average pore diameter even after amination It can be seen that there is no significant change.

<실험예 5> 본 발명에 따른 비드의 흡착능 평가<Experimental Example 5> Evaluation of adsorption capacity of beads according to the present invention

1 M HCl용액에 실시예 2에서 발생된 아민화된 PAN비드를 0.1 g/L농도로 투입되고, 24시간 이후 흡착된 H+이온의 농도를 1 M NaOH용액을 이용해 적정함으로써 계산하여 총 흡착 당량을 측정하였다. 또한, 철, 구리, 인, 비소, 납, 아연 등 양이온/음이온에대한 3000 mg/L의 용액을 제조하여 실시예 2에서 발생된 아민화된 PAN 비드를 0.1 g/L농도로 투입하고 24시간 동안 방치한 후, ICP-OES 장비를 이용해 흡착 량을 평가하여 도 8에 나타냈다.The total adsorption equivalent was calculated by adding the aminated PAN beads generated in Example 2 to a 1 M HCl solution at a concentration of 0.1 g/L, and titrating the concentration of H + ions adsorbed after 24 hours using a 1 M NaOH solution was measured. In addition, a solution of 3000 mg/L for cations/anions such as iron, copper, phosphorus, arsenic, lead, and zinc was prepared, and the aminated PAN beads generated in Example 2 were added at a concentration of 0.1 g/L and allowed to stand for 24 hours. After being allowed to stand for a while, the amount of adsorption was evaluated using ICP-OES equipment and shown in FIG.

실험결과, 본 발명에 따른 비드는 철, 구리의 흡착능이 우수하였고, 납, 아연, 비소, 인 흡착능도 우수한 것으로 나타났다. As a result of the experiment, it was found that the beads according to the present invention had excellent adsorption capacity for iron and copper, and also excellent adsorption capacity for lead, zinc, arsenic and phosphorus.

Claims (10)

(A) 폴리아크릴로니트릴 수지 또는 섬유를 유기 용매에 용해하는 단계;
(B) (A)에서 폴리아크릴로니트릴 수지 또는 섬유가 용해된 용액을 물과 에탄올이 섞인 용액에 노즐을 이용해 액적을 주입하는 단계;
(C) 상기 (B)에서 생성된 다공질 폴리아크릴로니트릴 비드를 아민화합물과 반응시켜 표면을 개질하는 단계;를 포함하는 다공질 비드의 제조 방법.
(A) dissolving polyacrylonitrile resin or fiber in an organic solvent;
(B) injecting droplets of the solution in which the polyacrylonitrile resin or fibers in (A) is dissolved into a mixture of water and ethanol using a nozzle;
(C) modifying the surface of the porous polyacrylonitrile beads produced in (B) by reacting with an amine compound.
제1항에 있어서, 상기 (A) 단계에서 폴리아크릴로니트릴 수지 또는 섬유는 유기 용매의 중량부 100에 대하여 1 내지 30 중량부로 용해되는 것을 특징으로 하는 다공질 비드 및 이의 제조 방법.The method of claim 1, wherein in step (A), the polyacrylonitrile resin or fiber is dissolved in an amount of 1 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent. 제1항에 있어서, 상기 유기 용매는 디에틸 에테르 (diethyl ether), 디이소프로필 에테르 (diisopropyl ether), 디메틸설폭사이드 (dimethylsulfoxide, DMSO), 디메틸폼아마이드 (dimethylformamide, DMF), 아세토니트릴(acetonitrile), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolydone, NMP), 테트라하이드로푸란(tetrahydrofuran, THF) 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다공질 비드의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the organic solvent is diethyl ether, diisopropyl ether, dimethylsulfoxide (DMSO), dimethylformamide (DMF), acetonitrile , N-methyl-2-pyrrolidone (N-methyl-2-pyrrolydone, NMP), tetrahydrofuran (tetrahydrofuran, THF) method for producing a porous bead, characterized in that selected from. 제1항에 있어서, 상기 (B) 단계에서 물과 에탄올은 1:1의 중량비로 혼합된 것을 특징으로 하는 다공질 비드의 제조 방법.The method of claim 1, wherein in step (B), water and ethanol are mixed in a weight ratio of 1:1. 제1항에 있어서, 상기 (B) 단계에서 액적 주입 속도는 분당 0.1 내지 20 ml의 유속인 것을 특징으로 하는 다공질 비드의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the droplet injection rate in step (B) is a flow rate of 0.1 to 20 ml per minute. 제1항에 있어서, 상기 (C) 단계에서의 아민화합물은 에틸렌디아민 (ethylenediamine, EDA), 디에틸렌트리아민(diethylenetriamine, DETA), 트리스(2-아미노에틸아민(tris(2-aminoethyl)amine), 프로판-1,3-디아민(propane-1,3-diamine), 메테인 트리아민(methane triamine), 3-(2-아미노에틸)프로판-1,5-디아민(3-(2-aminoethyl)pentane-1,5-diamine), 멜라민(melamine), 디아미노푸라잔(diaminofurazan), 디아미노피리딘 (diaminopyridine), 폴리에틸렌이민(polyethylene imine) 및 디아미노피리미딘(diaminopyrimidine) 중 선택되는 것을 특징으로 하는 다공질 비드의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the amine compound in step (C) is ethylenediamine (EDA), diethylenetriamine (DETA), tris (2-aminoethyl)amine (tris (2-aminoethyl)amine) , propane-1,3-diamine, methane triamine, 3-(2-aminoethyl)propane-1,5-diamine pentane-1,5-diamine), melamine, diaminofurazan, diaminopyridine, polyethylene imine and diaminopyrimidine, characterized in that selected from A method for producing porous beads. 제1항에 있어서, 상기 (C) 단계에서 다공질 폴리아크릴로니트릴 비드는 아민 화합물 100 중량부에 대하여 5 내지 30 중량부로 반응시키는 것을 특징으로 하는 다공질 비드의 제조 방법.The method of claim 1, wherein in step (C), the porous polyacrylonitrile beads are reacted in an amount of 5 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the amine compound. 제1항에 있어서, 상기 (C) 단계는 80 내지 120℃에서 30분 내지 3시간 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 다공질 비드의 제조 방법.The method of claim 1, wherein step (C) is performed at 80 to 120° C. for 30 minutes to 3 hours. 제1항에 있어서, 상기 (C) 단계에서 추가적으로 촉매를 더 반응시키되, 상기 촉매는 폴리아크릴로니트릴 비드 100 중량부 대비 0.1 내지 5 중량부로 반응시키는 것을 특징으로 하는 다공질 비드의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the catalyst is additionally reacted in step (C), and the catalyst is reacted in an amount of 0.1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the polyacrylonitrile beads. 제9항에 있어서, 상기 촉매는 아세트산 (acetic acid), 염산 (hydrochloric acid), 보론트리플로라이드 2수화물 (BF32H2O), 염화 알루미늄 6수화물 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다공질 비드의 제조 방법.The method of claim 9, wherein the catalyst is acetic acid (acetic acid), hydrochloric acid (hydrochloric acid), boron trifluoride dihydrate (BF 3 2H 2 O), aluminum chloride hexahydrate characterized in that any one or more of the porous beads manufacturing method.
KR1020210112115A 2021-08-25 2021-08-25 Porous chelate beads having aminated polyacronitrile structure and its preparation method KR102567016B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210112115A KR102567016B1 (en) 2021-08-25 2021-08-25 Porous chelate beads having aminated polyacronitrile structure and its preparation method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210112115A KR102567016B1 (en) 2021-08-25 2021-08-25 Porous chelate beads having aminated polyacronitrile structure and its preparation method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230030192A true KR20230030192A (en) 2023-03-06
KR102567016B1 KR102567016B1 (en) 2023-08-14

Family

ID=85509944

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210112115A KR102567016B1 (en) 2021-08-25 2021-08-25 Porous chelate beads having aminated polyacronitrile structure and its preparation method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102567016B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024019402A1 (en) 2022-07-20 2024-01-25 주식회사 엘지에너지솔루션 Battery pack and vehicle including same

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02238033A (en) * 1988-11-23 1990-09-20 American Cyanamid Co Manufacture of porous polymer beads
JPH02242833A (en) * 1988-11-23 1990-09-27 American Cyanamid Co Porous polyacrylonitrile composition and its preparation and application
US5047437A (en) * 1988-11-23 1991-09-10 American Cyanamid Porous polyacrylonitrile beads and process for their production
KR20000000389A (en) 1999-10-18 2000-01-15 이지민 Telemetry device and method
KR100412203B1 (en) 2002-01-18 2003-12-24 한국과학기술연구원 High performance ion exchange fiber based on pan and its synthesis method
KR100621945B1 (en) 1998-12-09 2006-09-13 더 다우 케미칼 캄파니 Gel-type copolymer beads and ion exchange resins made therefrom
WO2012036034A1 (en) * 2010-09-14 2012-03-22 国立大学法人大阪大学 Amidoxime-modified polyacrylonitrile porous medium
KR101321035B1 (en) 2012-02-09 2013-10-23 주식회사 삼양사 Ion exchange resin and method for fabricating the same
KR101776370B1 (en) 2014-10-10 2017-09-08 연세대학교 산학협력단 Polymer capsule adsorbent having high adsorption ability for metal ions and capable of being reused, and preparation method thereof
KR101816008B1 (en) 2015-01-14 2018-01-09 서울대학교산학협력단 Manufacturing method for polymer adsorbent
KR102025087B1 (en) 2017-11-07 2019-09-25 한국원자력연구원 Hydrogel bead of removing radionuclide and method for manufacturing the same
KR102029403B1 (en) 2019-05-27 2019-10-07 박재영 Method for manufacturing porous type ion exchange resin, porous type ion exchange resin manufactured by the method, and water reducer composition for concrete containing thereof

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02238033A (en) * 1988-11-23 1990-09-20 American Cyanamid Co Manufacture of porous polymer beads
JPH02242833A (en) * 1988-11-23 1990-09-27 American Cyanamid Co Porous polyacrylonitrile composition and its preparation and application
US5047437A (en) * 1988-11-23 1991-09-10 American Cyanamid Porous polyacrylonitrile beads and process for their production
KR100621945B1 (en) 1998-12-09 2006-09-13 더 다우 케미칼 캄파니 Gel-type copolymer beads and ion exchange resins made therefrom
KR20000000389A (en) 1999-10-18 2000-01-15 이지민 Telemetry device and method
KR100412203B1 (en) 2002-01-18 2003-12-24 한국과학기술연구원 High performance ion exchange fiber based on pan and its synthesis method
WO2012036034A1 (en) * 2010-09-14 2012-03-22 国立大学法人大阪大学 Amidoxime-modified polyacrylonitrile porous medium
KR101321035B1 (en) 2012-02-09 2013-10-23 주식회사 삼양사 Ion exchange resin and method for fabricating the same
KR101776370B1 (en) 2014-10-10 2017-09-08 연세대학교 산학협력단 Polymer capsule adsorbent having high adsorption ability for metal ions and capable of being reused, and preparation method thereof
KR101816008B1 (en) 2015-01-14 2018-01-09 서울대학교산학협력단 Manufacturing method for polymer adsorbent
KR102025087B1 (en) 2017-11-07 2019-09-25 한국원자력연구원 Hydrogel bead of removing radionuclide and method for manufacturing the same
KR102029403B1 (en) 2019-05-27 2019-10-07 박재영 Method for manufacturing porous type ion exchange resin, porous type ion exchange resin manufactured by the method, and water reducer composition for concrete containing thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024019402A1 (en) 2022-07-20 2024-01-25 주식회사 엘지에너지솔루션 Battery pack and vehicle including same

Also Published As

Publication number Publication date
KR102567016B1 (en) 2023-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100861452B1 (en) Method for preparing surface-imprinted polyacrylate microsphere in the form of core-shell for the selective separation of heavy metal ion
Van Tran et al. Hydrogel applications for adsorption of contaminants in water and wastewater treatment
Mahmoud et al. Nanocomposites of nanosilica-immobilized-nanopolyaniline and crosslinked nanopolyaniline for removal of heavy metals
Kaşgöz et al. Enhanced swelling and adsorption properties of AAm‐AMPSNa/clay hydrogel nanocomposites for heavy metal ion removal
Adeyi et al. Adsorption of malachite green dye from liquid phase using hydrophilic thiourea-modified poly (acrylonitrile-co-acrylic acid): kinetic and isotherm studies
Saberi et al. Superabsorbent magnetic Fe 3 O 4-based starch-poly (acrylic acid) nanocomposite hydrogel for efficient removal of dyes and heavy metal ions from water
Karmakar et al. Chitosan-grafted tetrapolymer using two monomers: pH-responsive high-performance removals of Cu (II), Cd (II), Pb (II), dichromate, and biphosphate and analyses of adsorbed microstructures
Yoshida et al. Metal ion imprinted microsphere prepared by surface molecular imprinting technique using water‐in‐oil‐in‐water emulsions
Wan et al. Phosphate adsorption on novel hydrogel beads with interpenetrating network (IPN) structure in aqueous solutions: kinetics, isotherms and regeneration
WO2012036034A1 (en) Amidoxime-modified polyacrylonitrile porous medium
Feng et al. Evaluation of Ce (III) and Gd (III) adsorption from aqueous solution using CTS-g-(AA-co-SS)/ISC hybrid hydrogel adsorbent
JP2010253359A (en) Metal adsorbent containing chelating polymer compound
Wang et al. Permeable, robust and magnetic hydrogel beads: water droplet templating synthesis and utilization for heavy metal ions removal
Bucatariu et al. Nanostructured polymer composites for selective heavy metal ion sorption
Uğuzdoğan et al. Preparation and characterization of polyethyleneglycolmethacrylate (PEGMA)-co-vinylimidazole (VI) microspheres to use in heavy metal removal
KR102567016B1 (en) Porous chelate beads having aminated polyacronitrile structure and its preparation method
Liu et al. Preparation and characterization of a novel hybrid chelating material for effective adsorption of Cu (II) and Pb (II)
Mazumder et al. Immobilization of two polyelectrolytes leading to a novel hydrogel for high-performance Hg2+ removal to ppb and sub-ppb levels
Urbano et al. Sorption properties of chelating polymer–clay nano‐composite resin based on iminodiacetic acid and montmorillonite: water absorbency, metal ion uptake, selectivity, and kinetics
US10889688B2 (en) Crosslinked polymer resin for contaminant adsorption from water
Ma et al. Chitosan-based composite hydrogel with a rigid-in-flexible network structure for pH-universal ultra-efficient removal of dye
Li et al. Preparation of 8‐hydroxyquinoline‐type composite chelating material HQ‐PHEMA/SiO2 and its adsorption behavior for heavy metal ions
Dragan et al. Organic ion exchangers as beads. Synthesis, characterization and applications
KR101801294B1 (en) Acrylic fibrous absorbent functionalized with amines and method of manufacturing the same
Yayayürük The use of acrylic-based polymers in environmental remediation studies

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant