KR20240062557A - Coffee waste derived caffeine adsorbent and manufacturing method of the same - Google Patents

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KR20240062557A
KR20240062557A KR1020220144213A KR20220144213A KR20240062557A KR 20240062557 A KR20240062557 A KR 20240062557A KR 1020220144213 A KR1020220144213 A KR 1020220144213A KR 20220144213 A KR20220144213 A KR 20220144213A KR 20240062557 A KR20240062557 A KR 20240062557A
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carbon
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김헌
리차드아피아-느티아모아
다니엘 멘게사
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명지대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 질소가 도핑된 탄소 재료를 포함하는 카페인 흡착제 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상기 탄소 재료는 흑연화된 탄소로 커피 폐기물을 이용하여 제조할 수 있으며, 제조된 흡착제는 음료 등 대상 용액 중에 포함된 카페인을 제거할 수 있고, 간단한 재생 과정을 거쳐 재사용이 가능하다.The present invention relates to a caffeine adsorbent containing a nitrogen-doped carbon material and a method for manufacturing the same. The carbon material is graphitized carbon and can be manufactured using coffee waste, and the prepared adsorbent can be used in target solutions such as beverages. The caffeine it contains can be removed, and it can be reused after a simple regeneration process.

Description

커피 폐기물 유래 카페인 흡착제 및 이를 제조하는 방법{Coffee waste derived caffeine adsorbent and manufacturing method of the same}Coffee waste derived caffeine adsorbent and manufacturing method of the same}

본 발명은 용액 중에 포함된 카페인을 흡착하여 제거할 수 있는 카페인 흡착제와 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a caffeine adsorbent capable of adsorbing and removing caffeine contained in a solution and a method for producing the same.

개인 약품(PPCP; Pharmaceutical and Personal Care Product)은 낮은 농도(ng/L 및 ㎍/L)로도 수질 오염을 유발하는 신흥 오염 물질(EC; Emerging Contaminants)의 일종으로 구분되고 있다. 최근에는 미국의 미시시피 강에서 ~0.034 ppb, 한국의 한강에서 ~0.268 ppb의 카페인이 검출되는 등, 강이나 폐수 중에서 발견되는 가장 흔한 개인 약품으로서 카페인이 부상하고 있다. 카페인은 토양이나 수질 오염을 유발하여 미시적 유기체 뿐만 아니라 인간을 포함한 거시적 유기체의 생리 활동을 교란할 가능성이 있다. 또한, 카페인은 커피 등 음료에 포함되어 각성 효과를 유발하는 등 인간의 일상 생활에 이용되지만 과량으로 포함되는 경우 두통, 빈맥, 근육 떨림 등의 부작용을 유발할 수 있다. 이에, 카페인이 수중 환경에 유입되어 오염되는 것을 방지하거나, 디카페인 음료에 대한 수요 증가에 맞추어 용액 중에 포함된 카페인을 제거할 수단 개발의 필요가 제기되고 있다.Pharmaceutical and personal care products (PPCP) are classified as a type of emerging contaminants (EC) that cause water pollution even at low concentrations (ng/L and ㎍/L). Recently, caffeine has emerged as the most common personal drug found in rivers and wastewater, with ~0.034 ppb of caffeine detected in the Mississippi River in the United States and ~0.268 ppb in the Han River in Korea. Caffeine has the potential to cause soil or water pollution and disrupt the physiological activities of not only microscopic organisms but also macroscopic organisms, including humans. In addition, caffeine is included in beverages such as coffee and is used in human daily life to cause an awakening effect, but if contained in excessive amounts, it can cause side effects such as headache, tachycardia, and muscle tremors. Accordingly, there is a need to develop a means to prevent caffeine from entering and contaminating the aquatic environment or to remove caffeine contained in the solution in response to the increasing demand for decaffeinated beverages.

수중에 포함된 카페인의 제거에는 흡착이 주로 사용되어 왔는데, 흡착은 카페인 제거 과정이 간단하고, 비용이 저렴하여 보편적으로 사용되어 왔다. 종래에는 활성탄과 같은 탄소 재료, 점토 광물, 제올라이트 및 MOF처럼 활성 표면적이 높고 기공 구조를 갖는 다공성 물질이 카페인의 흡착 제거에 이용되어 왔다. 탄소 재료를 포함하는 흡착제는 그 표면적을 증대시키거나, 표면을 개질하여 목적 물질에 대한 흡착 성능을 개선하기 위한 다양한 시도들이 이루어져 왔다.Adsorption has been mainly used to remove caffeine contained in water. Adsorption has been widely used because the caffeine removal process is simple and low cost. Conventionally, porous materials with a high active surface area and pore structure, such as carbon materials such as activated carbon, clay minerals, zeolite, and MOF, have been used to adsorb and remove caffeine. Various attempts have been made to improve the adsorption performance of adsorbents containing carbon materials by increasing the surface area or modifying the surface.

한편, 수중에 포함된 카페인과 같은 오염 물질의 제거 필요성 증가에 맞추어, 산업적, 경제적 적용을 위해 간단한 재처리를 통한 재사용이 가능하고, 친환경적 소재로 제조한 흡착제에 대한 개발 수요가 발생하고 있다.Meanwhile, in response to the increasing need to remove contaminants such as caffeine contained in water, there is a demand for the development of adsorbents manufactured from eco-friendly materials that can be reused through simple reprocessing for industrial and economic applications.

본 발명의 목적은 커피를 제조하고 남은 커피 폐기물(CW; Coffee Waste)로 제조한 카페인 흡착제와 그 제조 방법 및 이를 이용하여 용액 중에 포함된 카페인을 제거하는 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to provide a caffeine adsorbent made from coffee waste (CW; Coffee Waste) remaining after making coffee, a method for producing the same, and a method for removing caffeine contained in a solution using the same.

본 발명의 일 측면에 따른 카페인 흡착제는, 질소가 도핑된 탄소 재료를 포함하는 카페인 흡착제로서, 상기 탄소 재료는 흑연화된 탄소를 포함하며, 상기 흡착제는 피리디닉 질소(pyridinic-N)와 피리도닉 질소(pyridonic-N)를 포함하는 것이다.The caffeine adsorbent according to one aspect of the present invention is a caffeine adsorbent containing a nitrogen-doped carbon material, wherein the carbon material includes graphitized carbon, and the adsorbent contains pyridinic nitrogen (pyridinic-N) and pyridonic It contains nitrogen (pyridonic-N).

상기 탄소 재료는 커피 폐기물을 질소 가스 하에서 하소한 생성물일 수 있다.The carbon material may be a product of calcining coffee waste under nitrogen gas.

상기 흡착제는 상기 피리도닉 질소를 상기 피리디닉 질소보다 많은 양으로 함유할 수 있다.The adsorbent may contain the pyridonic nitrogen in a larger amount than the pyridinic nitrogen.

본 발명의 다른 일 측면은 커피 폐기물과 수산화칼륨의 혼합물을 질소 가스 하에서 하소하는 단계를 포함하는 카페인 흡착제의 제조 방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a method for producing a caffeine adsorbent comprising calcining a mixture of coffee waste and potassium hydroxide under nitrogen gas.

상기 혼합물은 건조된 커피 폐기물과 수산화칼륨의 분쇄 혼합물일 수 있다.The mixture may be a ground mixture of dried coffee waste and potassium hydroxide.

상기 수산화칼륨과 상기 커피 폐기물의 중량 비율은 1:0.5 내지 1:2일 수 있다.The weight ratio of the potassium hydroxide and the coffee waste may be 1:0.5 to 1:2.

상기 하소하는 단계는, 질소 가스 하에서 600 내지 800℃로 탄화하여 탄화물을 형성하는 단계, 및 상기 탄화물을 무기산에 침출하여 카페인 흡착제를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The calcining step may include carbonizing at 600 to 800° C. under nitrogen gas to form carbide, and leaching the carbide into inorganic acid to produce a caffeine adsorbent.

본 발명의 또 다른 일 측면은 상기 일 측면에 따른 카페인 흡착제를 용액에 접촉시키는 단계를 포함하는 카페인의 흡착 제거 방법에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to a method for adsorbing and removing caffeine including the step of contacting a solution with the caffeine adsorbent according to the above aspect.

상기 카페인 흡착제는 상기 용액 1L 당 0.1 내지 0.2 g으로 투입될 수 있다.The caffeine adsorbent may be added in an amount of 0.1 to 0.2 g per 1 L of the solution.

상기 용액은, 커피, 홍차, 녹차, 우롱차, 백차, 푸홍차, 흑차, 허브차, 꽃차, 마테차, 차이, 마카, 에너지 드링크, 알코올계 드링크, 소다 및 코코아로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 음료일 수 있다.The solution is one or more beverages selected from the group consisting of coffee, black tea, green tea, oolong tea, white tea, pu-hong tea, black tea, herbal tea, flower tea, mate tea, chai, maca, energy drinks, alcoholic drinks, soda, and cocoa. It can be.

본 발명에 따른 카페인 흡착제는 커피를 제조하는 데에 사용된 후 폐기될 커피 폐기물을 재사용하여 친환경적이며, 대상 용액 중에 포함된 카페인을 흡착 제거한 뒤 간단한 방법으로 재생하여 카페인 흡착에 반복 사용할 수 있다.The caffeine adsorbent according to the present invention is environmentally friendly by reusing coffee waste that would be discarded after being used to produce coffee, and can be repeatedly used to adsorb caffeine by adsorbing and removing the caffeine contained in the target solution and then regenerating it in a simple method.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 커피 폐기물을 이용하여 카페인 흡착제를 제조하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 2는 비교예 3(CW-C-0-800), 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800), 실시예 3-3(CW-C-1.5-800), 실시예 2-1(CW-C-1-600) 및 실시예 2-2(CW-C-1-700) 표면의 SEM 이미지이다.
도 3은 (a) 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), (b) 실시예 2-3(CW-C-1-800), (c) 실시예 3-3(CW-C-1.5-800), (d) 실시예 2-1(CW-C-1-600), (e) 실시예 2-2(CW-C-1-700)을 이용하여 측정한 질소 흡착 곡선이다.
도 4는 비교예 3(CW-C-0-800)을 이용하여 측정한 질소 흡착 곡선이다.
도 5(a)는 실시예 2-3(CW-C-1-800)와 비교예 3(CW-C-0-800)의 정규화된 라만 분포이며, (b)는 비교예 3(CW-C-0-800)의 디컨볼루션된(deconvoluted) 라만 분포이며, (c)는 실시예 2-3(CW-C-1-800)의 디컨볼루션된 라만 분포이며, (d)는 실시예 1-3(CW-C-0.5-800)과 비교예 3(CW-C-0-800)의 FTIR 스펙트라이며, (e)는 상이한 pH 조건에서 실시예 2-3(CW-C-1-800)의 표면 전하(zeta potential)를 확인한 결과이다.
도 6은 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800), 실시예 3-3(CW-C-1.5-800)의 FTIR 스펙트라이다.
도 7(a)는 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800), 실시예 3-3(CW-C-1.5-800) 및 비교예 3(CW-C-0-800)의 C1s에 대해 디컨볼루션된 XPS 스펙트라, (b)는 N1s에 대해 디컨볼루션된 XPS 스펙트라이며, (c)는 실시예 2-1(CW-C-1-600)의 C1s에 대해 디컨볼루션된 XPS 스펙트라, (d)는 N1s에 대해 디컨볼루션된 XPS 스펙트라이다.
도 8은 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800), 실시예 3-3(CW-C-1.5-800) 및 비교예 3(CW-C-0-800)의 탄소(carbon row)에 대한 XPS 스펙트라이다.
도 9(a)는 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800) 및 비교예 3(CW-C-0-800)의 TGA 곡선이며, (b)는 실시예 2-1(CW-C-1-600), 실시예 2-2(CW-C-1-700) 및 실시예 2-3(CW-C-1-800)의 TGA 곡선이다.
도 10은 실시예 2-1(CW-C-1-600; 600℃), 실시예 2-2(CW-C-1-700; 700℃) 및 실시예 2-3(CW-C-1-800; 800℃)의 열분해 온도와 비표면적(BET) 및 제거 효율(Removal)관의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11은 비교예 3(CW-C-0-800; KOH:CW=0), 실시예 1-3(CW-C-0.5-800; KOH:CW=0.5), 실시예 2-3(CW-C-1-800; ; KOH:CW=1) 및 실시예 3-3(CW-C-1.5-800; KOH:CW=1.5)의 KOH:CW 비율(KOH/CW)과 비표면적(BET) 및 제거 효율(Removal)관의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 12(a)는 비교예 3(CW-C-0-800), 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800), 실시예 3-3(CW-C-1.5-800), 실시예 2-1(CW-C-1-600) 및 실시예 2-2(CW-C-1-700)의 제거 효율(Removal) 및 흡착 용량(qe)을 나타낸 그래프이며, (b)는 실시예 2-3(CW-C-1-800)을 이용하여 흡착 성능 실험시 pH(2~10)에 따른 흡착 용량(qe) 및 제거 효율(Removal)을 나타낸 그래프이며, (c)는 실시예 2-3(CW-C-1-800)을 카페인 용액에 투여하는 함량(0.1~1g/L)에 따른 흡착 용량(qe) 및 제거 효율(Removal)을 나타낸 그래프이며, (d)는 실시예 2-3(CW-C-1-800)을 카페인 용액에 투여한 시간에 따라 흡착 용량(qe) 및 제거 효율(Removal)을 확인한 그래프이며, (e)는 (d)의 결과(Experimental data)를 유사 1차 모델(Pseudo first order model), 유사 2차 모델(Pseudo second order model)과 함께 플롯한 것이며, (f)는 (d)의 결과를 분자 내 확산 모델에 피팅한 결과이다.
도 13(a)는 카페인 용액의 온도와 카페인 농도에 따른 실시예 2-3(CW-C-1-800) 흡착제의 흡착 용량(qe)을 확인한 그래프이고, (b)는 (a)의 그래프와 Langmuir 모델 및 Freundlich 모델을 플롯한 것이며, (c)는 카페인 용액 온도에 따른 실시예 2-3(CW-C-1-800) 흡착제의 흡착 용량(qe)을 확인한 그래프이고, (d)는 실험예 8에서 실시예 2-3(CW-C-1-800) 흡착제의 재사용(1~3회)에 따른 제거 효율(Removal)을 시험한 결과이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 질소가 도핑된 탄소 흡착제와 상기 흡착제가 카페인과 상호작용하는 위치를 나타낸 개념도이다.
Figure 1 is a conceptual diagram showing the process of manufacturing a caffeine adsorbent using coffee waste according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows Comparative Example 3 (CW-C-0-800), Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), Example 3- These are SEM images of the surfaces of Example 3 (CW-C-1.5-800), Example 2-1 (CW-C-1-600), and Example 2-2 (CW-C-1-700).
Figure 3 shows (a) Example 1-3 (CW-C-0.5-800), (b) Example 2-3 (CW-C-1-800), and (c) Example 3-3 (CW- Nitrogen adsorption curves measured using (d) Example 2-1 (CW-C-1-600), (e) Example 2-2 (CW-C-1-700) am.
Figure 4 is a nitrogen adsorption curve measured using Comparative Example 3 (CW-C-0-800).
Figure 5(a) is the normalized Raman distribution of Example 2-3 (CW-C-1-800) and Comparative Example 3 (CW-C-0-800), and (b) is the normalized Raman distribution of Comparative Example 3 (CW- (c) is the deconvoluted Raman distribution of Example 2-3 (CW-C-1-800), (d) is the deconvoluted Raman distribution of Example 2-3 (CW-C-1-800), and (d) is the deconvoluted Raman distribution of Example 2-3 (CW-C-1-800). FTIR spectra of Example 1-3 (CW-C-0.5-800) and Comparative Example 3 (CW-C-0-800), and (e) is Example 2-3 (CW-C-1) under different pH conditions. This is the result of confirming the surface charge (zeta potential) of -800).
Figure 6 shows FTIR spectra of Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), and Example 3-3 (CW-C-1.5-800). am.
Figure 7(a) shows Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), and Example 3-3 (CW-C-1.5-800). and XPS spectra deconvoluted for C1s of Comparative Example 3 (CW-C-0-800), (b) is the XPS spectra deconvoluted for N1s, and (c) is the -C-1-600), the deconvoluted XPS spectra for C1s, (d) is the deconvolved XPS spectra for N1s.
Figure 8 shows Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), Example 3-3 (CW-C-1.5-800), and Comparative Examples. This is an XPS spectra for the carbon row of 3 (CW-C-0-800).
Figure 9(a) shows the TGA of Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), and Comparative Example 3 (CW-C-0-800). is a curve, and (b) is Example 2-1 (CW-C-1-600), Example 2-2 (CW-C-1-700), and Example 2-3 (CW-C-1-800) ) is the TGA curve.
Figure 10 shows Example 2-1 (CW-C-1-600; 600°C), Example 2-2 (CW-C-1-700; 700°C), and Example 2-3 (CW-C-1). This is a graph showing the correlation between pyrolysis temperature (-800; 800℃) and specific surface area (BET) and removal efficiency (Removal).
11 shows Comparative Example 3 (CW-C-0-800; KOH:CW=0), Example 1-3 (CW-C-0.5-800; KOH:CW=0.5), and Example 2-3 (CW) -C-1-800; KOH:CW=1) and Example 3-3 (CW-C-1.5-800; KOH:CW=1.5) KOH:CW ratio (KOH/CW) and specific surface area (BET) ) and removal efficiency (Removal) are graphs showing the correlation.
Figure 12(a) shows Comparative Example 3 (CW-C-0-800), Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), and Example Removal efficiency (Removal) of Example 3-3 (CW-C-1.5-800), Example 2-1 (CW-C-1-600) and Example 2-2 (CW-C-1-700) and It is a graph showing the adsorption capacity (q e ), and (b) is the adsorption capacity (q e ) according to pH (2~10) during the adsorption performance test using Example 2-3 (CW-C-1-800). and removal efficiency (Removal), and (c) is a graph showing the adsorption capacity (q e ) and removal efficiency (Removal), and (d) is a graph showing the adsorption capacity (q e ) and removal efficiency (Removal) according to the time of administration of Example 2-3 (CW-C-1-800) to the caffeine solution. ) is a graph that confirms, and (e) plots the results (Experimental data) of (d) together with the pseudo first order model and pseudo second order model, and (f) is the result of fitting the result in (d) to the intramolecular diffusion model.
Figure 13(a) is a graph confirming the adsorption capacity (q e ) of the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) according to the temperature and caffeine concentration of the caffeine solution, and (b) is a graph of (a) The graph is a plot of the Langmuir model and the Freundlich model, (c) is a graph confirming the adsorption capacity (q e ) of the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) according to the caffeine solution temperature, and (d) ) is the result of testing the removal efficiency (Removal) according to reuse (1 to 3 times) of the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) in Experimental Example 8.
Figure 14 is a conceptual diagram showing a nitrogen-doped carbon adsorbent prepared according to an embodiment of the present invention and the position where the adsorbent interacts with caffeine.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.Hereinafter, each configuration of the present invention will be described in more detail so that those skilled in the art can easily implement it. However, this is only an example, and the scope of rights of the present invention is determined by the following contents. Not limited.

본 명세서에 사용된 "포함한다"는 용어는 본 발명에 유용한 재료, 조성물, 장치, 및 방법들을 나열할 때 사용되며 그 나열된 예에 제한되는 것은 아니다.As used herein, the term “comprising” is used to list materials, compositions, devices, and methods useful in the present invention and is not limited to the listed examples.

이하에서, "탄화(carbonization)"는 유기물을 열분해하여 탄소가 풍부한 탄화물을 생성하는 과정으로서 열분해로 지칭될 수 있으며, "흑연화된 탄소(graphitic carbon)"는 무정형 탄소로서 적어도 일부에 흑연 구조를 포함하는 것을 의미한다.Hereinafter, “carbonization” may be referred to as thermal decomposition as a process of thermally decomposing organic matter to produce carbon-rich carbide, and “graphitic carbon” is amorphous carbon with at least a portion of the graphite structure. means to include.

본 발명의 일 실시예는 질소가 도핑된 탄소 재료를 포함하는 카페인 흡착제로서, 상기 탄소 재료는 흑연화된 탄소를 포함하며, 상기 흡착제는 피리디닉 질소와 피리도닉 질소를 포함하는 것이다.One embodiment of the present invention is a caffeine adsorbent including a nitrogen-doped carbon material, wherein the carbon material includes graphitized carbon, and the adsorbent includes pyridinic nitrogen and pyridonic nitrogen.

상기 탄소 재료는 커피 폐기물을 질소 가스 하에서 하소(calcination)한 생성물일 수 있다. 커피 폐기물은 커피의 로스팅 및 드립을 통한 커피 음료의 추출 이후에 잔류하는 고형분을 포함한 부산물을 포괄하여 의미한다. 바람직하게는, 커피 폐기물은 커피 음료의 추출 이후에 남는 고형분을 의미한다. 커피 폐기물을 하소하는 과정에서 탄화 또는 흑연화가 일어날 수 있다. 커피 폐기물의 하소 생성물은 원소 함량을 기준으로 절반 이상이 탄소일 수 있으며, 탄소의 적어도 일부가 흑연화된 것일 수 있다. 커피 폐기물을 질소 가스 하에서 하소한 생성물은 흑연화된 탄소가 포함된 탄소 재료 중에 질소가 도핑된 구조를 가질 수 있다. The carbon material may be a product of calcination of coffee waste under nitrogen gas. Coffee waste refers to by-products, including solids, remaining after coffee roasting and extraction of coffee beverages through drip. Preferably, coffee waste refers to the solids remaining after extraction of the coffee beverage. Carbonization or graphitization may occur during the process of calcining coffee waste. The calcination product of coffee waste may be comprised of more than half carbon based on element content, and at least a portion of the carbon may be graphitized. A product obtained by calcining coffee waste under nitrogen gas may have a structure in which nitrogen is doped into a carbon material containing graphitized carbon.

상기 질소가 도핑된 탄소 재료의 질소는 상기 탄소 재료의 흑연 구조 중에 포함된 탄소 또는 흑연 구조를 형성하지 않는 비정질 탄소 중 어느 하나 이상이 치환된 것일 수 있다. 예를 들어, 탄소 재료의 흑연 구조 중에 포함된 탄소의 일부가 질소로 치환될 수 있으며, 상기 질소는 피리디닉 질소, 피리도닉 질소, 산화된 질소일 수 있다.The nitrogen of the nitrogen-doped carbon material may be substituted with one or more of carbon included in the graphite structure of the carbon material or amorphous carbon that does not form a graphite structure. For example, part of the carbon included in the graphite structure of the carbon material may be replaced with nitrogen, and the nitrogen may be pyridinic nitrogen, pyridonic nitrogen, or oxidized nitrogen.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 카페인 흡착제의 일부분과 카페인과의 상호작용을 나타낸 개념도이다. 도 14를 참조하면, 카페인 흡착제는 탄소 재료 중 적어도 일부에 흑연 구조를 포함하며, 피리디닉 질소, 피리도닉 질소, 산화된 질소를 더 포함할 수 있다. 이외에도 상기 탄소 재료에는 히드록시기, 카르복시기와 같은 작용기가 더 포함될 수 있다. 상기 질소 및 작용기는 주로 탄소 재료의 가장자리에 분포할 수 있다.Figure 14 is a conceptual diagram showing the interaction between a portion of a caffeine adsorbent and caffeine according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 14, the caffeine adsorbent includes a graphite structure in at least a portion of the carbon material and may further include pyridinic nitrogen, pyridonic nitrogen, and oxidized nitrogen. In addition, the carbon material may further include functional groups such as hydroxy groups and carboxyl groups. The nitrogen and functional groups may be mainly distributed at the edges of the carbon material.

상기 흡착제는 기공의 평균 직경이 2 nm 내지 50 nm인 메조 기공과, 기공의 평균 직경이 2 nm 미만인 마이크로 기공을 포함하는 다공성 물질일 수 있다. 상기 흡착제는 질소가 도핑된 탄소 재료로 이루어진 벽을 포함하고, 상기 벽 사이로 기공이 형성된 것일 수 있다. 탄소 재료의 하소 조건을 조절하여 상기 벽의 두께 및 기공의 형성을 제어할 수 있다. 바람직하게는, 상기 흡착제는 상기 피리도닉 질소를 상기 피리디닉 질소보다 많은 함량으로 포함할 수 있으며, 상기 흡착제는 보다 안정한 다공성 구조를 형성하여 향상된 흡착 성능을 제공할 수 있다.The adsorbent may be a porous material including mesopores with an average pore diameter of 2 nm to 50 nm and micropores with an average pore diameter of less than 2 nm. The adsorbent may include walls made of a nitrogen-doped carbon material, and pores may be formed between the walls. By adjusting the calcination conditions of the carbon material, the thickness of the wall and the formation of pores can be controlled. Preferably, the adsorbent may include the pyridonic nitrogen in a larger amount than the pyridinic nitrogen, and the adsorbent may form a more stable porous structure and provide improved adsorption performance.

상기 흡착제는 마이크로 기공의 전체 부피가 메조 기공의 전체 부피보다 큰 것일 수 있으며, 전체 기공의 평균 직경은 1 내지 2 nm일 수 있다. 전체 기공의 평균 직경이 상기 범위일 때, 카페인에 대한 우수한 흡착 성능을 제공할 수 있다.The adsorbent may have a total volume of micro pores larger than the total volume of meso pores, and the average diameter of the total pores may be 1 to 2 nm. When the average diameter of all pores is within the above range, excellent adsorption performance for caffeine can be provided.

상기 흡착제의 비표면적은 500 내지 1500 m2/g일 수 있다.The specific surface area of the adsorbent may be 500 to 1500 m 2 /g.

다른 일 실시예는 상기 일 실시예에 따른 카페인 흡착제를 제조하기 위한 방법으로서, 커피 폐기물과 수산화칼륨의 혼합물을 질소 가스 하에서 하소하는 단계를 포함하는 카페인 흡착제의 제조 방법에 관한 것이다.Another embodiment relates to a method for producing a caffeine adsorbent according to the above embodiment, which includes calcining a mixture of coffee waste and potassium hydroxide under nitrogen gas.

커피 폐기물과 수산화칼륨의 혼합물은 건조된 커피 폐기물과 수산화칼륨의 분쇄 혼합물일 수 있다. 상기 혼합물의 하소 과정은 크게 두 단계로 구분할 수 있다. 첫 번째 반응은 수산화칼륨은 하소 과정에서 탄소와 반응하여 탄산칼륨을 생성하는 것이다. 두 번째 반응은 상기 생성된 탄산칼륨이 산화칼륨과 이산화탄소로 분해되는 것과, 상기 생성된 이산화탄소를 포함하는 이산화탄소가 탄소와 반응하여 일산화탄소를 생성하는 것, 상기 탄산칼륨이 탄소와 반응하여 칼륨과 일산화탄소를 생성하는 것, 및 상기 산화칼륨이 탄소와 반응하여 칼륨과 일산화탄소를 생성하는 것을 포함한다. 두 번째 반응은 상기와 같은 복수 개의 단계를 포함하며, 첫 번째 반응 이후에 순차적으로 또는 동시에 발생할 수 있다. 수산화칼륨은 탄소와 반응하여 일산화탄소를 생성하며, 발생한 일산화탄소는 탄화된 탄소 재료로부터 이탈하게 된다. 탄산칼륨과 칼륨은 탄화 과정 초기에 형성된 탄소 재료의 기공으로 확산되면서 기공 구조를 왜곡하여 흡착제에 포함된 흡착 활성 부위를 증가시키는 데에 기여하게 된다. The mixture of coffee waste and potassium hydroxide may be a ground mixture of dried coffee waste and potassium hydroxide. The calcination process of the mixture can be broadly divided into two stages. The first reaction is when potassium hydroxide reacts with carbon during calcination to produce potassium carbonate. The second reaction is that the produced potassium carbonate is decomposed into potassium oxide and carbon dioxide, carbon dioxide containing the produced carbon dioxide reacts with carbon to produce carbon monoxide, and the potassium carbonate reacts with carbon to produce potassium and carbon monoxide. It includes producing potassium oxide and reacting with carbon to produce potassium and carbon monoxide. The second reaction includes a plurality of steps as described above, and may occur sequentially or simultaneously after the first reaction. Potassium hydroxide reacts with carbon to produce carbon monoxide, and the generated carbon monoxide escapes from the carbonized carbon material. As potassium carbonate and potassium diffuse into the pores of the carbon material formed at the beginning of the carbonization process, they distort the pore structure and contribute to increasing the adsorption active sites contained in the adsorbent.

수산화칼륨과 커피 폐기물은 0.5:1 내지 2:1의 중량 비율로 혼합될 수 있다. 수산화칼륨이 사용되지 않으면 목적하는 다공성 구조가 형성되지 않으며, 수산화칼륨이 과량으로 사용되면 기공의 부피가 지나치게 커지면서 흡착 성능이 저하된다. 바람직하게는 커피 폐기물과 수산화칼륨의 중량 비율은 0.5:1 내지 1.5:1일 수 있으며, 가장 바람직하게는 커피 폐기물과 수산화칼륨의 중량 비율은 1:1일 수 있다.Potassium hydroxide and coffee waste can be mixed in a weight ratio of 0.5:1 to 2:1. If potassium hydroxide is not used, the desired porous structure is not formed, and if potassium hydroxide is used in excessive amounts, the pore volume becomes excessively large and the adsorption performance deteriorates. Preferably, the weight ratio of coffee waste and potassium hydroxide may be 0.5:1 to 1.5:1, and most preferably, the weight ratio of coffee waste and potassium hydroxide may be 1:1.

상기 하소하는 단계는 질소 가스 하에서 600 내지 800℃로 탄화하여 탄화물을 형성하는 단계와 상기 탄화물을 무기산에 침출하여 카페인 흡착제를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The calcining step may include carbonizing at 600 to 800° C. under nitrogen gas to form carbide and leaching the carbide into inorganic acid to produce a caffeine adsorbent.

하소(열분해) 온도는 수산화칼륨과 탄산칼륨의 분해 속도를 제어하여 흡착제의 물리화학적 특성을 결정할 수 있다. 하소 온도가 600℃ 미만이면 탄산칼륨이 생성되지 않으며, 하소 온도가 800℃를 초과하면 형성되는 흡착제의 벽 구조가 무너지게 되어 다공성 구조를 유지할 수 없다.Calcination (pyrolysis) temperature can determine the physicochemical properties of the adsorbent by controlling the decomposition rate of potassium hydroxide and potassium carbonate. If the calcination temperature is less than 600°C, potassium carbonate is not produced, and if the calcination temperature exceeds 800°C, the wall structure of the formed adsorbent collapses and the porous structure cannot be maintained.

상기 탄화물을 무기산으로 침출하여 카페인 흡착제를 제조하는 단계는 질산 등의 무기산에 탄화물을 첨가하여 탄화 과정에서 발생한 금속 칼륨과 기타 불순물을 제거하는 것일 수 있다. 침출은 여러 번 반복하여 수행할 수 있으나, 그 횟수가 한정되는 것은 아니다.The step of preparing a caffeine adsorbent by leaching the carbide with an inorganic acid may involve adding carbide to an inorganic acid such as nitric acid to remove metallic potassium and other impurities generated during the carbonization process. Leaching can be repeated several times, but the number of times is not limited.

다른 일 실시예는 상기 일 실시예에 따른 카페인 흡착제를 이용하여 대상 용액 중에 포함된 카페인을 제거하는 카페인의 흡착 제거 방법에 관한 것이다.Another embodiment relates to a method for removing caffeine contained in a target solution by adsorption using the caffeine adsorbent according to the above embodiment.

상기 카페인의 흡착 제거 방법은 카페인 흡착제를 상기 용액에 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 카페인 흡착제는 티백이나 용기 등에 포함된 상태로 용액 중에 투입되는 것었다가, 카페인 흡착 이후 제거되는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 카페인 흡착제는 필터 형태로 제조될 수도 있다.The method for removing caffeine by adsorption may include contacting a caffeine adsorbent with the solution. For example, the caffeine adsorbent may be added to the solution in a tea bag or container, and then removed after caffeine adsorption, but is not limited to this. The caffeine adsorbent may also be manufactured in the form of a filter.

상기 단계는 상기 카페인 흡착제를 상기 용액 1L 당 0.1 내지 0.2 g으로 투입하는 것일 수 있다. 카페인 흡착제를 0.2g보다 많은 양으로 투여하더라도 제거 효율이 더 이상 유의미하게 상승하지는 않는다.The step may be adding 0.1 to 0.2 g of the caffeine adsorbent per 1 L of the solution. Even if the caffeine adsorbent is administered in an amount greater than 0.2 g, the removal efficiency does not increase significantly.

상기 용액은 카페인을 포함하는 것이면 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 용액은, 커피, 홍차, 녹차, 우롱차, 백차, 푸홍차, 흑차, 허브차, 꽃차, 마테차, 차이, 마카, 에너지 드링크, 알코올계 드링크, 소다 및 코코아로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 음료이거나, 강이나 하천, 바다, 폐수 처리장에 수집된 폐수일 수 있다.The solution is not limited as long as it contains caffeine. For example, the solution is selected from the group consisting of coffee, black tea, green tea, oolong tea, white tea, black tea, black tea, herbal tea, flower tea, mate tea, chai, maca, energy drinks, alcoholic drinks, soda and cocoa. It may be one or more beverages, or wastewater collected in rivers, streams, oceans, or wastewater treatment plants.

상기 흡착제가 카페인을 흡착 제거할 수 있는 대상 용액의 pH는 2 내지 10일 수 있고, 이에 한정되지도 않아 음료부터 오염된 상하수원까지 폭넓은 대상의 처리가 가능하다.The pH of the target solution from which the adsorbent can adsorb and remove caffeine may be 2 to 10, and is not limited to this, so it is possible to treat a wide range of targets, from beverages to contaminated water and sewage sources.

상기 카페인의 흡착 제거 방법에 따라 사용된 카페인 흡착제는 회수된 후 알코올에 분산시켜 재생할 수 있다. 바람직하게는 상기 알코올은 에탄올일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 흡착한 카페인으로 포화된 흡착제는 에탄올에 분산하여 교반하는 방법으로 재생할 수 있으며, 이후 여과 및 건조를 통해 재생된 카페인 흡착제를 회수하여 재사용할 수 있다.The caffeine adsorbent used according to the above caffeine adsorption removal method can be recovered and regenerated by dispersing it in alcohol. Preferably, the alcohol may be ethanol, but is not limited thereto. For example, an adsorbent saturated with adsorbed caffeine can be regenerated by dispersing it in ethanol and stirring, and then the regenerated caffeine adsorbent can be recovered and reused through filtration and drying.

이하에서는, 구체적인 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.Below, the present invention will be described in more detail through specific examples and experimental examples. The following examples and experimental examples are intended to illustrate the present invention, and the present invention is not limited by the following examples and experimental examples.

실시예 1 내지 4. 커피 폐기물 유래 흡착제의 제조Examples 1 to 4. Preparation of adsorbent derived from coffee waste

도 1은 실시예에 따른 커피 폐기물 유래 흡착제의 제조 과정 및 사용 방법을 나타낸 개념도이다. 도 1을 참조하면, 흡착제는 커피 폐기물(CW)과 수산화칼륨(KOH)의 물리적 혼합, 탄화, 침출의 순서로 이루어진다.Figure 1 is a conceptual diagram showing the manufacturing process and use method of an adsorbent derived from coffee waste according to an embodiment. Referring to Figure 1, the adsorbent is made up of coffee waste (CW) and potassium hydroxide (KOH) in the following order: physical mixing, carbonization, and leaching.

커피 머신에서 수거한 커피 폐기물을 80 ℃의 컨벡션 오븐에서 밤새 건조하여 커피 폐기물에 흡수된 물을 제거하였다. 수산화칼륨(Showa, 플레이크 85%)과 건조된 커피 폐기물을 하기 표 1에 기재된 중량 비율로 혼합하고, 모르타르에서 분쇄하여 커피 폐기물과 수산화칼륨의 혼합물을 준비하였다.Coffee waste collected from the coffee machine was dried in a convection oven at 80°C overnight to remove water absorbed by the coffee waste. Potassium hydroxide (Showa, 85% flake) and dried coffee waste were mixed in the weight ratio shown in Table 1 below and ground in a mortar to prepare a mixture of coffee waste and potassium hydroxide.

커피 폐기물과 수산화칼륨의 혼합물을 관형로에 주입한 뒤, 질소 가스와 함께 하기 표 1에 기재된 온도에서 하소(탄화; carbonization)한 뒤, 질산으로 침출하고 건조하여 칼륨이 제거된 흡착제를 수득하였다. 이하에서, 실시예 또는 비교예를 CW-C-X-T로 기재하는 경우, X는 커피 폐기물에 대한 수산화칼륨의 함량, T는 하소 온도로 표기한 것임이 이해될 것이다.A mixture of coffee waste and potassium hydroxide was injected into a tubular furnace, calcined (carbonized) with nitrogen gas at the temperature shown in Table 1 below, then leached with nitric acid and dried to obtain an adsorbent from which potassium was removed. Hereinafter, when examples or comparative examples are described as CW-C-X-T, it will be understood that X is the content of potassium hydroxide in the coffee waste and T is the calcination temperature.

수산화칼륨:커피 폐기물 혼합 비율Potassium hydroxide:coffee waste mixing ratio 하소 온도
(℃)
Calcination temperature
(℃)
실시예 1-1(CW-C-0.5-600)Example 1-1 (CW-C-0.5-600) 0.5:10.5:1 600600 실시예 1-2(CW-C-0.5-700)Example 1-2 (CW-C-0.5-700) 0.5:10.5:1 700700 실시예 1-3(CW-C-0.5-800)Example 1-3 (CW-C-0.5-800) 0.5:10.5:1 800800 실시예 2-1(CW-C-1-600)Example 2-1 (CW-C-1-600) 1:11:1 600600 실시예 2-2(CW-C-1-700)Example 2-2 (CW-C-1-700) 1:11:1 700700 실시예 2-3(CW-C-1-800)Example 2-3 (CW-C-1-800) 1:11:1 800800 실시예 3-1(CW-C-1.5-600)Example 3-1 (CW-C-1.5-600) 1.5:11.5:1 600600 실시예 3-2(CW-C-1.5-700)Example 3-2 (CW-C-1.5-700) 1.5:11.5:1 700700 실시예 3-3(CW-C-1.5-800)Example 3-3 (CW-C-1.5-800) 1.5:11.5:1 800800 실시예 4-1(CW-C-2-600)Example 4-1 (CW-C-2-600) 2:12:1 600600 실시예 4-2(CW-C-2-700)Example 4-2 (CW-C-2-700) 2:12:1 700700 실시예 4-3(CW-C-2-800)Example 4-3 (CW-C-2-800) 2:12:1 800800

비교예Comparative example

비교예로는 건조된 커피 폐기물만을 모르타르에서 분쇄하고, 관형로에 주입한 뒤 질소 가스와 함께 하소하였다. 하소 온도(600 ℃, 700 ℃, 800 ℃)에 따라 각각을 비교예 1(CW-C-0-600), 비교예 2(CW-C-0-700) 및 비교예 3(CW-C-0-800)으로 지칭하였다.In a comparative example, only dried coffee waste was ground in a mortar, injected into a tubular furnace, and calcined with nitrogen gas. Comparative Example 1 (CW-C-0-600), Comparative Example 2 (CW-C-0-700), and Comparative Example 3 (CW-C-) according to the calcination temperature (600 ℃, 700 ℃, 800 ℃), respectively. 0-800).

실험예 1. 흡착제의 기공 구조 확인Experimental Example 1. Confirmation of pore structure of adsorbent

실시예 및 비교예에서 제조한 흡착제를 SEM(S-3500N, Hitachi)으로 확인하여 도 2에 나타내었다.The adsorbents prepared in Examples and Comparative Examples were confirmed by SEM (S-3500N, Hitachi) and are shown in Figure 2.

도 2를 참조하면, 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-1(CW-C-1-600), 실시예 2-2(CW-C-1-700), 실시예 2-3(CW-C-1-800) 및 실시예 3-3(CW-C-1.5-800)에서는 수산화칼륨을 이용한 활성화의 결과로서 균일하게 분포된 상호 연결된 기공 구조가 형성되는 것으로 확인되었다. 이에 비해, 수산화칼륨을 사용하지 않은 비교예 3(CW-C-0-800)에서는 불균일한 거대 다공성 조직을 갖는 것으로 확인되었다.Referring to Figure 2, Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-1 (CW-C-1-600), Example 2-2 (CW-C-1-700) , Example 2-3 (CW-C-1-800) and Example 3-3 (CW-C-1.5-800), a uniformly distributed interconnected pore structure is formed as a result of activation using potassium hydroxide. It was confirmed that In contrast, Comparative Example 3 (CW-C-0-800), which did not use potassium hydroxide, was confirmed to have a non-uniform macroporous structure.

흡착제의 표면적, 기공 구조 및 기공 크기 분포는 질소 흡착 곡선(도 3 및 4 참조)과 BET 분석(Belsorp miniX)을 통해 확인하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The surface area, pore structure, and pore size distribution of the adsorbent were confirmed through nitrogen adsorption curves (see Figures 3 and 4) and BET analysis (Belsorp miniX), and the results are shown in Table 2 below.

SA (m2/g)SA ( m2 /g) PV(cm3/g)PV( cm3 /g) Dia
(nm)
Dia
(nm)
Vmicro V micro Vmeso V meso Vtotal V total 비교예 3
(CW-C-0-800)
Comparative Example 3
(CW-C-0-800)
3.223.22 1.5*10-4 1.5*10 -4 8.7*10-4 8.7*10 -4 1.6*10-2 1.6*10 -2 17.217.2
실시예 1-3(CW-C-0.5-800)Example 1-3 (CW-C-0.5-800) 10701070 0.930.93 0.250.25 1.181.18 1.61.6 실시예 2-1(CW-C-1-600)Example 2-1 (CW-C-1-600) 504504 0.420.42 0.0850.085 0.510.51 1.721.72 실시예 2-2(CW-C-1-700)Example 2-2 (CW-C-1-700) 754754 0.890.89 0.150.15 1.041.04 1.971.97 실시예 2-3(CW-C-1-800)Example 2-3 (CW-C-1-800) 12121212 0.950.95 0.330.33 1.281.28 1.671.67 실시예 3-3(CW-C-1.5-800)Example 3-3 (CW-C-1.5-800) 13401340 1.071.07 0.490.49 1.561.56 1.631.63 SA: BET 비표면적
PV: 기공의 부피
Vmicro: 미세 기공(micropore)의 부피
Vmeso: 거대 기공(mesopore)의 부피
Vtotal: 기공 전체 부피
Dia: 기공의 평균 직경
SA: BET specific surface area
PV: pore volume
V micro : volume of micropore
V meso : Volume of macropore (mesopore)
V total : total pore volume
Dia: average diameter of pores

도 2를 참조하면, 동일한 수산화칼륨 및 커피 폐기물 함량 비율을 갖는 실시예에서는 탄화 온도가 증가함에 따라 형성되는 기공 벽의 두께가 감소한다. 표 1을 참조하면, 실시예에 따른 흡착제에서는 벽의 두께가 감소하는 과정에서 미세 기공이 형성되는 것으로 확인되었다. Referring to Figure 2, in examples with the same potassium hydroxide and coffee waste content ratios, the thickness of the pore walls formed decreases as the carbonization temperature increases. Referring to Table 1, it was confirmed that in the adsorbent according to the example, micropores were formed in the process of reducing the wall thickness.

흡착제의 기공 구조는 수산화칼륨을 이용하여 커피 폐기물을 활성화 과정에서 형성되는 것으로, 수산화칼륨의 상대적 함량이 증가할수록 커피 폐기물 중에 포함된 탄소 중 탄산염을 형성하는 비율이 증가하면서 기공 형성이 활발하게 이루어질 수 있으며, 열 처리 온도가 높아지면 보다 많은 탄소가 휘발되면서 비표면적, 전체 기공 부피 및 미세 기공의 부피가 각각 증가하게 된다.The pore structure of the adsorbent is formed during the activation of coffee waste using potassium hydroxide. As the relative content of potassium hydroxide increases, the rate of carbonate formation among the carbon contained in the coffee waste increases, allowing pore formation to become more active. As the heat treatment temperature increases, more carbon volatilizes, increasing the specific surface area, total pore volume, and micropore volume.

도 3 및 4는 각각 실시예 및 비교예에 따른 흡착제에 대한 질소 흡착/탈착 등온선과 기공 크기 분포 곡선을 나타낸 것이다. 도 4의 비교예를 제외하고, 도 3의 모든 실시예에서 I형 등온선이 나타났으며, 표 1에서 각 실시예의 기공의 평균 직경이 2 nm 미만으로 나타난 것으로부터 실시예의 흡착제가 미세 다공성 구조를 가지는 것이 확인되었다. 표 1을 참조하면, 흡착제에 형성된 기공의 평균 직경은 온도에 의존하는 것으로 확인되었다.Figures 3 and 4 show nitrogen adsorption/desorption isotherms and pore size distribution curves for adsorbents according to Examples and Comparative Examples, respectively. Except for the comparative example in FIG. 4, type I isotherm lines appeared in all examples in FIG. 3, and the average pore diameter of each example in Table 1 was shown to be less than 2 nm, indicating that the adsorbent of the example had a microporous structure. It has been confirmed that it has. Referring to Table 1, it was confirmed that the average diameter of pores formed in the adsorbent was dependent on temperature.

실험예 2. 흡착제의 표면 특성 확인Experimental Example 2. Confirmation of surface characteristics of adsorbent

수산화칼륨 사용과 흑연화 사이의 관계 확인Determination of relationship between potassium hydroxide use and graphitization

실시예 2-3(CW-C-1-800) 및 비교예 3(CW-C-0-800)의 흡착제에 포함된 탄소에 대한 라만 스펙트럼 분석을 수행하여, 상기 흡착제에 포함된 탄소의 흑연화 정도를 확인하였다.Raman spectrum analysis was performed on the carbon contained in the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) and Comparative Example 3 (CW-C-0-800), and the graphite of the carbon contained in the adsorbent was determined. The degree of anger was confirmed.

도 5(a)는 실시예와 비교예 각 샘플의 정규화된 라만 분포(Raman spectra)로서, 두 샘플 모두에서 sp2 혼성화 탄소 중 무질서한 탄소(D)와 흑연화된 sp2 탄소(G)를 각각 나타내는 ~1340cm-1 및 ~1590cm-1에서 피크가 나타났다. 실시예 2-3에서는 ID/IG 값이 0.88로 낮게 나타났는데, 이는 비교예 대비 높은 흑연 특성을 나타내는 것으로, 수산화칼륨의 사용이 흑연화에 영향을 미친다는 것을 의미한다.Figure 5(a) is the normalized Raman distribution (Raman spectra) of each sample of Examples and Comparative Examples. In both samples, disordered carbon (D) and graphitized sp 2 carbon (G) among sp 2 hybridized carbons are shown, respectively. Peaks appeared at ~1340cm -1 and ~1590cm -1 . In Example 2-3, the ID/IG value was found to be as low as 0.88, which indicates higher graphite properties compared to the comparative example, meaning that the use of potassium hydroxide affects graphitization.

도 5(b) 및 (c)를 참조하면, D 밴드 및 G 밴드는 가우스 시뮬레이션을 통해 4개의 피크(Peak I 내지 IV)로 디컨볼루션할 수 있다. ~1200 cm-1(Peak I) 및 ~1500 cm-1(Peak III)는 sp3 탄소에 해당하며, ~1350 cm-1(Peak II) 및 ~1590 cm-1(Peak IV)는 흑연화된 탄소에 해당할 수 있다. sp3 탄소와 sp2 탄소의 면적 비율(Asp 3/Asp 2)을 계산하여 탄소의 흑연화 정도를 판단할 수 있는데, 실시예 2-3의 상기 비율은 0.91 인데 비해, 비교예 3은 0.61 수준으로 실시예의 흡착제에서 흑연화 탄소 함량이 높은 것으로 확인되었다.Referring to Figures 5(b) and (c), the D band and G band can be deconvoluted into four peaks (Peak I to IV) through Gaussian simulation. ~1200 cm -1 (Peak I) and ~1500 cm -1 (Peak III) correspond to sp 3 carbon, and ~1350 cm -1 (Peak II) and ~1590 cm -1 (Peak IV) correspond to graphitized carbon. It may correspond to carbon. The degree of graphitization of carbon can be determined by calculating the area ratio of sp 3 carbon and sp 2 carbon (A sp 3 /A sp 2 ). While the ratio in Examples 2-3 was 0.91, Comparative Example 3 It was confirmed that the graphitized carbon content in the adsorbent of the example was high at the level of 0.61.

수산화칼륨 사용과 흡착제에 포함된 탄소의 표면 기능 사이의 관계 확인Determination of the relationship between the use of potassium hydroxide and the surface functionality of the carbon contained in the adsorbent.

실시예 및 비교예의 흡착제에 대한 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR, Nicolet iS5, Thermo Scientific) 분석은 CW 샘플에 존재하는 기능 부위를 식별하기 위해 KBr 펠릿을 사용하여 수행하였다. 도 5(d)는 실시예 1-3(CW-C-0.5-800)과 비교예 3(CW-C-0-800)의 FTIR 스펙트라이며, 도 6은 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800) 및 실시예 2-3(CW-C-1.5-800)의 FTIR 스펙트라이며, 이들을 참조하면 실시예와 비교예의 스펙트럼에서 지문 영역(1500~900 cm-1)에서 뚜렷한 차이가 나타난다.Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR, Nicolet iS5, Thermo Scientific) analysis of the adsorbents of Examples and Comparative Examples was performed using KBr pellets to identify functional sites present in the CW samples. Figure 5(d) is the FTIR spectra of Example 1-3 (CW-C-0.5-800) and Comparative Example 3 (CW-C-0-800), and Figure 6 is the FTIR spectra of Example 1-3 (CW-C) -0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), and Example 2-3 (CW-C-1.5-800). Referring to these, in the spectra of Examples and Comparative Examples A clear difference appears in the fingerprint area (1500~900 cm -1 ).

도 5(d)를 참조하면, 수산화칼륨의 상대적 함량이 0에서 0.5로 증가하면 C-C 신축이 ~1629 cm-1에서 ~1626 cm-1으로 이동하며, 실시예 1-3(CW-C-0.5-800)의 스펙트럼은 각각 C=N, N-O 신축에 해당하는 ~1698 및 1383 cm-1에서의 새로운 피크를 나타내었다.Referring to Figure 5(d), when the relative content of potassium hydroxide increases from 0 to 0.5, CC stretching moves from ~1629 cm -1 to ~1626 cm -1 , Example 1-3 (CW-C-0.5 -800) showed new peaks at ~1698 and 1383 cm -1 corresponding to C=N and NO stretching, respectively.

도 6을 참조하면, 수산화칼륨의 상대적 함량이 흡착제의 표면 특성에 상당한 영향을 미치는 것으로 확인되었다.Referring to Figure 6, it was confirmed that the relative content of potassium hydroxide had a significant effect on the surface properties of the adsorbent.

흡착제에 대한 XPS 분석XPS analysis of adsorbents

실시예 및 비교예 흡착제에 대해, X선 광전자 분광법(XPS, Thermo Electron)을 통해 각 샘플 표면의 화학적 상태를 확인하였다.For the Example and Comparative Example adsorbents, the chemical state of the surface of each sample was confirmed through X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, Thermo Electron).

도 7(a)는 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800), 실시예 3-3(CW-C-1.5-800) 및 비교예 3(CW-C-0-800)의 C1s에 대해 디컨볼루션된 XPS 스펙트라, (b)는 상기 실시예 및 비교예의 N1s에 대해 디컨볼루션된 XPS 스펙트라이며, (c)는 실시예 2-1(CW-C-1-600)의 C1s에 대해 디컨볼루션된 XPS 스펙트라, (d)는 상기 실시예 2-1의 N1s에 대해 디컨볼루션된 XPS 스펙트라이다. 도 7은 분석에 사용된 모든 샘플에서 탄소, 산소 및 질소가 존재함을 나타낸다.Figure 7(a) shows Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), and Example 3-3 (CW-C-1.5-800). and the deconvoluted XPS spectra for C1s of Comparative Example 3 (CW-C-0-800), (b) is the deconvoluted XPS spectra deconvoluted for C1s in Example 2-1 (CW-C-1-600), (d) is the XPS spectra deconvolved for N1s in Example 2-1 above. Figure 7 shows the presence of carbon, oxygen and nitrogen in all samples used for analysis.

도 7을 참조하면, 디컨볼루션된 C 1s 피크는 각각 sp2 및 sp3 혼성화에 기인한 두 개의 피크를 나타낸다. ~283 eV에서의 피크는 C-C 및 C=C에 해당하며, 다른 하나는 질소나 산소와의 결합(C-N, C-O)에 의해 π-π* 전이에 속하는 보다 높은 결합 에너지(~291.7 eV)를 나타낸다.Referring to Figure 7, the deconvoluted C 1s peak shows two peaks resulting from sp 2 and sp 3 hybridization, respectively. The peak at ~283 eV corresponds to CC and C=C, the other represents a higher binding energy (~291.7 eV) belonging to the π-π* transition by bonding with nitrogen or oxygen (CN, CO) .

도 8은 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800), 실시예 3-3(CW-C-1.5-800) 및 비교예 3(CW-C-0-800)의 탄소(carbon row)에 대한 XPS 스펙트라이다. 도 8의 XPS 결과에 따르면 수산화칼륨의 상대적 함량과 온도 모두 탄소 종에 대해 유의미한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 예를 들어, 수산화칼륨 비율이 0.5에서 1로 증가하면 더 낮은 결합 에너지에서의 피크는 283.88에서 283.63 eV로 이동하였으며, 이는 탄소의 sp2 혼성화 정도가 증가했음을 나타내고 앞서 살펴본 흑연화 정도 분석에 부합된다. 반면, 온도가 600 ℃에서 800 ℃로 증가하면 피크는 0.2 eV 만큼 낮은 결합 에너지로 이동한다.Figure 8 shows Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), Example 3-3 (CW-C-1.5-800), and Comparative Examples. This is an XPS spectra for the carbon row of 3 (CW-C-0-800). According to the XPS results in Figure 8, it was confirmed that both the relative content of potassium hydroxide and temperature had a significant effect on carbon species. For example, when the potassium hydroxide ratio increased from 0.5 to 1, the peak at the lower binding energy shifted from 283.88 to 283.63 eV, indicating an increase in the degree of sp 2 hybridization of carbon and consistent with the graphitization degree analysis discussed earlier. . On the other hand, when the temperature increases from 600 °C to 800 °C, the peak shifts to a lower binding energy by 0.2 eV.

도 7을 참조하면, 디컨볼루션된 N 1s 피크는 모든 질소종이 6-고리 질소 모이어티를 형성하는 것으로 나타냈다. 다만, 수산화칼륨의 상대적 함량에 따라 그 구체적인 종류와 함량에 차이가 있었다. 예를 들어, 비교예 3에서는 398 및 403.32 eV에서 피크가 나타났으며 이는 각각 Pyridinic-N 및 Graphitic-N을 나타내며, 이들은 화학적 활성화되지 않는 경우 보다 안정한 질소종임을 의미한다. 수산화칼슘을 포함하여 활성화를 거치는 경우 ~398.4, ~400.5 및 ~405.37 eV에서 세 가지 다른 질소 종이 나타났으며, 첫 번째 및 세 번째 피크는 각각 Pyridinic-N 및 Oxidated-N에 기인하며, 두 번째 피크는 Pyrrolic-N 및 Pyridonic-N 영역에서 발견되지만 합성 조건 하에서 보다 안정한 Pyridonic-N을 나타낸다. 이러한 결과는 수산화칼륨이 흡착제에서 단순히 기공을 형성하는 데에 기여하는 것을 넘어, 흡착제 중에 포함된 질소 종의 유형을 변경 및 결정하는 것을 보여준다.Referring to Figure 7, the deconvoluted N 1s peak indicated that all nitrogen species form a 6-ring nitrogen moiety. However, there were differences in the specific type and content depending on the relative content of potassium hydroxide. For example, in Comparative Example 3, peaks appeared at 398 and 403.32 eV, which represent Pyridinic-N and Graphitic-N, respectively, which means that they are more stable nitrogen species when not chemically activated. Upon undergoing activation with calcium hydroxide, three different nitrogen species appeared at ~398.4, ~400.5, and ~405.37 eV, with the first and third peaks being attributed to Pyridinic-N and Oxidated-N, respectively, and the second peak being It is found in the Pyrrolic-N and Pyridonic-N regions, but Pyridonic-N is more stable under synthetic conditions. These results show that potassium hydroxide goes beyond simply contributing to the formation of pores in the adsorbent, and changes and determines the type of nitrogen species contained in the adsorbent.

하기 표 3은 도 7 및 8의 분석에 사용된 실시예 및 비교예 흡착제 중에 포함된 질소 종의 함량을 정리한 것이다.Table 3 below summarizes the content of nitrogen species contained in the Example and Comparative Example adsorbents used in the analysis of FIGS. 7 and 8.

질소 종nitrogen species 원소 함량(%)Element content (%) 비교예 3
(CW-C-0-800)
Comparative Example 3
(CW-C-0-800)
Pyridinic-NPyridinic-N 57.8257.82
Graphitic-NGraphic-N 42.1842.18 실시예 1-3
(CW-C-0.5-800)
Example 1-3
(CW-C-0.5-800)
Pyridinic-NPyridinic-N 43.4843.48
Pyridonic-NPyridonic-N 11.4511.45 Oxidized-NOxidized-N 45.0745.07 실시예 2-3
(CW-C-1-800)
Example 2-3
(CW-C-1-800)
Pyridinic-NPyridinic-N 13.1613.16
Pyridonic-NPyridonic-N 48.4348.43 Oxidized-NOxidized-N 38.4138.41 실시예 3-3
(CW-C-1.5-800)
Example 3-3
(CW-C-1.5-800)
Pyridinic-NPyridinic-N 12.6212.62
Pyridonic-NPyridonic-N 37.1037.10 Oxidized-NOxidized-N 50.2850.28 실시예 2-1
(CW-C-1-600)
Example 2-1
(CW-C-1-600)
Pyridinic-NPyridinic-N 41.7141.71
Pyridonic-NPyridonic-N 18.618.6 Oxidized-NOxidized-N 39.6939.69

상기 표 3을 참조하면, 수산화칼륨의 비율이 0.5에서 1로 증가하였을 때, Pyridonic-N의 함량은 11.45%에서 48.43%로 증가하고, Oxidized-N과 Pyridinic-N의 함량은 감소하였으나, 수산화칼륨의 비율이 추가로 증가하였을 때는 그 반대 경향을 나타내었다. 이는 커피 폐기물의 화학적 활성화에서 산소화된 작용기와 연결된 6-고리 질소 모이어티가 형성될 가능성이 더 높음을 의미한다.Referring to Table 3, when the ratio of potassium hydroxide increased from 0.5 to 1, the content of Pyridonic-N increased from 11.45% to 48.43%, and the contents of Oxidized-N and Pyridinic-N decreased, but potassium hydroxide When the ratio further increased, the opposite trend was observed. This means that in chemical activation of coffee waste, a 6-ring nitrogen moiety linked to an oxygenated functional group is more likely to be formed.

실시예 2-1 및 2-3의 원소 함량을 비교할 때, 하소 온도가 증가함에 따라 Pyridonic-N이 Pyridinic-N 및 Oxidized-N보다 형성 가능성이 높은 것으로 확인되었다. When comparing the element contents of Examples 2-1 and 2-3, it was confirmed that Pyridonic-N was more likely to be formed than Pyridinic-N and Oxidized-N as the calcination temperature increased.

열중량 분석Thermogravimetric analysis

실시예 및 비교예의 흡착제로 열중량 분석(TGA, SINCON-1000, Korea)을 수행하여 각 샘플의 열 거동을 확인하였다.Thermogravimetric analysis (TGA, SINCON-1000, Korea) was performed with the adsorbents of Examples and Comparative Examples to confirm the thermal behavior of each sample.

도 9(a)는 실시예 1-3(CW-C-0.5-800), 실시예 2-3(CW-C-1-800) 및 비교예 3(CW-C-0-800)의 TGA 곡선이며, (b)는 실시예 2-1(CW-C-1-600), 실시예 2-2(CW-C-1-700) 및 실시예 2-3(CW-C-1-800)의 TGA 곡선이다.Figure 9(a) shows the TGA of Example 1-3 (CW-C-0.5-800), Example 2-3 (CW-C-1-800), and Comparative Example 3 (CW-C-0-800). is a curve, and (b) is Example 2-1 (CW-C-1-600), Example 2-2 (CW-C-1-700), and Example 2-3 (CW-C-1-800) ) is the TGA curve.

도 9를 참조하면, 모든 샘플에서 중량(weight %)이 감소하는 패턴이 나타났으며, 2 단계의 열화 패턴을 나타내었다. 첫 번째 단계로서 25 내지 110 ℃에서의 중량 손실은 흡착제에 포함된 탄소의 표면에 흡착된 물 분자의 증발에 관련된 것이며, 두 번째 단계로서 보다 많은 중량 손실(~70 내지 80%)은 탄소의 분해에 해당한다. 이는 수산화칼륨의 함량이 증가할수록 탄소의 안정성이 낮아져 덜 안정한 작용기를 생성하였음을 나타낸다. 또한, 열분해 온도가 증가할수록 탄소의 안정성이 낮아져 덜 안정한 결합을 형성하였음을 나타낸다.Referring to Figure 9, all samples showed a pattern of decreasing weight (weight %), showing a two-stage deterioration pattern. In the first step, the weight loss at 25 to 110 °C is related to the evaporation of water molecules adsorbed on the surface of the carbon contained in the adsorbent, and in the second step, the larger weight loss (~70 to 80%) is related to the decomposition of the carbon. corresponds to This indicates that as the potassium hydroxide content increases, the stability of carbon decreases, creating a less stable functional group. Additionally, as the thermal decomposition temperature increases, the stability of carbon decreases, indicating that less stable bonds are formed.

실험예 3. 흡착제의 흡착 성능 확인(1)Experimental Example 3. Confirmation of adsorption performance of adsorbent (1)

상온에서 25 ppm 카페인 용액 50 mL(pH 5.5)에 실시예 또는 비교예에 따른 흡착제를 투여(용액에 대한 흡착제 투여량 0.2 g/L)하고, 흡착 용량(qe) 및 제거 효율(φ)을 다음과 같이 계산하였다.The adsorbent according to Examples or Comparative Examples was administered to 50 mL (pH 5.5) of a 25 ppm caffeine solution at room temperature (adsorbent dosage for solution 0.2 g/L), and the adsorption capacity (q e ) and removal efficiency ( ϕ ) were measured. It was calculated as follows.

식 (1) qe = (Co - Ce)V / mEquation (1) q e = (C o - C e )V/m

식 (2) φ = (Co - Ce / Co) * 100(%)Equation (2) ϕ = (C o - C e / C o ) * 100(%)

상기 식 (1) 및 (2)에서 Co 및 Ce는 각각 흡착 전후의 카페인 농도(mg/L)이며, V는 카페인 용액 부피이며, m은 흡착제의 질량(g)이다.In the above formulas (1) and (2), C o and C e are the caffeine concentration (mg/L) before and after adsorption, respectively, V is the volume of the caffeine solution, and m is the mass of the adsorbent (g).

도 10은 실시예 2-1 내지 2-3의 흡착제의 비표면적(BET, m2/g)과 제거 효율(Removal, %)을 나타낸 그래프로서, 열분해 온도가 상이할 때 비표면적과 제거 효율 간의 상관 관계를 나타낸 것이다. 도 11은 실시예 1-3, 2-3, 3-3 및 비교예 3의 흡착제의 비표면적과 제거 효율을 나타낸 그래프로서, KOH/CW 비율이 상이할 때 비표면적과 제거 효율 간의 상관 관계를 나타낸 것이다. 도 12(a)는 실시예 1-3, 2-3, 3-3 및 비교예 3의 흡착제의 제거 효율과 흡착 용량을 나타낸 그래프이다. 사용된 실시예 및 비교예의 제거 효율은 다음 표 4와 같다.Figure 10 is a graph showing the specific surface area (BET, m 2 /g) and removal efficiency (Removal, %) of the adsorbents of Examples 2-1 to 2-3, and shows the difference between specific surface area and removal efficiency when the thermal decomposition temperature is different. It shows correlation. Figure 11 is a graph showing the specific surface area and removal efficiency of the adsorbents of Examples 1-3, 2-3, 3-3, and Comparative Example 3, showing the correlation between specific surface area and removal efficiency when the KOH/CW ratio is different. It is shown. Figure 12(a) is a graph showing the removal efficiency and adsorption capacity of the adsorbents of Examples 1-3, 2-3, 3-3, and Comparative Example 3. The removal efficiencies of the examples and comparative examples used are shown in Table 4 below.

Removal (%)Removal (%) 비교예 3
(CW-C-0-800)
Comparative Example 3
(CW-C-0-800)
16.716.7
실시예 1-3
(CW-C-0.5-800)
Example 1-3
(CW-C-0.5-800)
68.568.5
실시예 2-1
(CW-C-1-600)
Example 2-1
(CW-C-1-600)
2727
실시예 2-2
(CW-C-1-700)
Example 2-2
(CW-C-1-700)
5454
실시예 2-3
(CW-C-1-800)
Example 2-3
(CW-C-1-800)
90.490.4
실시예 3-3
(CW-C-1.5-800)
Example 3-3
(CW-C-1.5-800)
86.586.5

도 10, 11 및 표 4를 참조하면, 가장 높은 하소 온도(800 ℃)에서 처리한 실시예 2-3에서 가장 높은 제거 효율(90.4%)을 나타냈고, 실시예 3-3이 그 다음(86.5%)으로 나타났다. 도 11에서 비교예 3(KOH:CW = 0) 흡착제의 비표면적은 대략 3 m2/g으로 나타났으나, 수치가 작아 도시하지 않았다. 실시예 2-3(KOH:CW = 1)은 비표면적이 1212 m2/g, 제거 효율은 90.4%로, 비교예 3의 비표면적(3 m2/g)과 제거 효율(16.7%) 대비 수산화칼륨 함량 증가에 따라 흡착 성능이 크게 증가하는 것으로 확인되었다. 다만, 수산화칼륨의 함량을 추가로 증가시킨 실시예 3-3에서는 제거 효율이 감소하였는 바, 수산화칼륨의 함량 증가에 따른 비표면적 증대 또는 기공의 전체 부피만이 흡착 성능에 영향을 주는 것이 아닌 것으로 확인되었다.Referring to Figures 10, 11 and Table 4, Example 2-3 treated at the highest calcination temperature (800°C) showed the highest removal efficiency (90.4%), followed by Example 3-3 (86.5%). %). In Figure 11, the specific surface area of the adsorbent of Comparative Example 3 (KOH:CW = 0) was shown to be approximately 3 m 2 /g, but is not shown because the value is small. Example 2-3 (KOH:CW = 1) had a specific surface area of 1212 m 2 /g and a removal efficiency of 90.4%, compared to the specific surface area (3 m 2 /g) and removal efficiency (16.7%) of Comparative Example 3. It was confirmed that the adsorption performance increased significantly as the potassium hydroxide content increased. However, in Example 3-3, where the potassium hydroxide content was further increased, the removal efficiency decreased, indicating that not only the increase in specific surface area or the total volume of pores due to the increase in potassium hydroxide content affects the adsorption performance. Confirmed.

실시예 2-3(CW-C-1-800)의 흡착제의 카페인 흡착 전후의 물성을 비교한 결과는 하기 표 5와 같다.The results of comparing the physical properties of the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) before and after caffeine adsorption are shown in Table 5 below.

SA (m2/g)SA ( m2 /g) PV(cm3/g)PV( cm3 /g) Dia
(nm)
Dia
(nm)
Vmicro V micro Vmeso V meso Vtotal V total 실시예 2-3
(CW-C-1-800)
Example 2-3
(CW-C-1-800)
12121212 0.950.95 0.330.33 1.281.28 1.671.67
실시예 2-3 이용 카페인 흡착 후(CW-C-1-800-caff)Example 2-3 After adsorption of caffeine using (CW-C-1-800-caff) 590590 0.390.39 0.190.19 0.580.58 1.041.04 SA: BET 비표면적
PV: 기공의 부피
Vmicro: 미세 기공(micropore)의 부피
Vmeso: 거대 기공(mesopore)의 부피
Vtotal: 기공 전체 부피
Dia: 기공의 평균 직경
SA: BET specific surface area
PV: pore volume
V micro : volume of micropore
V meso : Volume of macropore (mesopore)
V total : total pore volume
Dia: average diameter of pores

표 5를 참조하면, 흡착 이후 미세 기공 부피는 대략 60% 감소하였고, 메조 기공 부피는 대략 42% 감소하였다. 이처럼 흡착제 조직의 구성, 즉, 기공의 종류 또한 흡착에 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었다.Referring to Table 5, after adsorption, the micropore volume decreased by approximately 60%, and the mesopore volume decreased by approximately 42%. In this way, it was confirmed that the composition of the adsorbent structure, that is, the type of pores, also plays an important role in adsorption.

실험예 4. 흡착제의 흡착 성능 확인(2)Experimental Example 4. Confirmation of adsorption performance of adsorbent (2)

실시예에 따른 흡착제와, 종래 일반적으로 사용되는 흡착제로서 탄소 기반의 물질들을 이용하여 흡착 성능을 비교하였다. 탄소 기반의 물질로는 글루코스 유래 탄소(GC), 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), 활성탄(AC), 산 처리된 활성탄(A-AC)을 사용하였으며, 실험예 3과 같은 방법으로 흡착 성능을 확인하여 하기 표 6에 나타내었다.The adsorption performance was compared using the adsorbent according to the example and carbon-based materials as conventionally used adsorbents. As carbon-based materials, glucose-derived carbon (GC), multi-walled carbon nanotubes (MWCNT), activated carbon (AC), and acid-treated activated carbon (A-AC) were used, and the adsorption performance was tested in the same manner as in Experimental Example 3. It was confirmed and shown in Table 6 below.

포함된 작용기Functional groups included SA (m2/g)SA ( m2 /g) Removal(%)Removal(%) N-기반N-based O-기반O-based 실시예 2-3
(CW-C-1-800)
Example 2-3
(CW-C-1-800)
N-O-, C=N, N-HNO - , C=N, NH -OH, -OOH-OH, -OOH 12121212 90.490.4
실시예 3-3 (CW-C-1.5-800)Example 3-3 (CW-C-1.5-800) N-O-, C=N, N-HNO - , C=N, NH -OH, -OOH-OH, -OOH 13401340 86.586.5 GCGC -- -OH, -OOH-OH, -OOH 71.0571.05 1.711.71 MWCNTMWCNTs -- -OH, -OOH-OH, -OOH 105.1105.1 22.322.3 ACAC -- -OH, -OOH-OH, -OOH 838.6838.6 93.393.3 A-ACA-AC -- -OH, -OOH-OH, -OOH 812.4812.4 56.956.9 SA: BET 비표면적
Removal: 제거(흡착) 효율
SA: BET specific surface area
Removal: Removal (adsorption) efficiency

표 2 및 6을 참조하면, 글루코스에서 유래된 탄소(GC)는 비교예 3에 따른 흡착제보다는 비표면적이 높지만 흡착 성능은 낮다. 또한, 단순히 산 처리된 활성탄(A-AC)은 순수 활성탄(AC)보다 낮은 흡착 성능을 나타내었다.Referring to Tables 2 and 6, carbon (GC) derived from glucose has a higher specific surface area than the adsorbent according to Comparative Example 3, but lower adsorption performance. Additionally, simply acid-treated activated carbon (A-AC) showed lower adsorption performance than pure activated carbon (AC).

또한, 활성탄(AC)의 물에 대한 접촉각은 66.5°이고, 실시예 2-3(CW-C-1-800)의 물에 대한 접촉각은 47°로 나타나, 실시예의 흡착제가 활성탄 보다 소수성이었지만, 흡착 성능은 유사하게 나타났다. 이러한 결과는 산성 작용기의 함량이 높을수록 비정전기적 인력과 정전기적 상호작용이 커지는 것으로 알려져 있으나, 산성 작용기의 함량이 많을수록 소수성과 최소 소수성 π-π 상호작용이 낮아지며, 이는 카페인 흡착에 대해서는 π-π 표면 상호작용이 정전기적 및 비정전기적 상호작용 대비 더 큰 영향을 미치는 것을 의미한다.In addition, the contact angle of activated carbon (AC) with water was 66.5°, and the contact angle with water of Example 2-3 (CW-C-1-800) was 47°, so the adsorbent of the example was more hydrophobic than activated carbon. The adsorption performance was similar. These results are known to increase the non-electrostatic attraction and electrostatic interaction as the content of acidic functional groups increases. However, as the content of acidic functional groups increases, hydrophobicity and minimum hydrophobic π-π interaction decrease, which is π-π for caffeine adsorption. This means that surface interactions have a greater impact than electrostatic and non-electrostatic interactions.

표 6을 참조하면 질소 기반의 작용기가 풍부한 실시예의 흡착제는 루이스 염기성에 의해 보다 나은 흡착 성능을 나타내는 것으로 확인되었다. 헤테로고리 질소는 탄소 재료의 염기성을 향상시키며, 질소 기반의 작용기가 흡착에 있어서 표면 상호 작용을 결정하는 요소임을 나타내었다. 실험예 2에서 확인한 바와 같이, 질소 기반 작용기 중에서는 Pyridonic-N이 Pyridinic-N보다 카페인 흡착에 더 기여하는 것이었다.Referring to Table 6, it was confirmed that the adsorbent of the example rich in nitrogen-based functional groups showed better adsorption performance by Lewis basicity. Heterocyclic nitrogen improves the basicity of carbon materials, and the nitrogen-based functional group was shown to be a factor determining surface interaction in adsorption. As confirmed in Experimental Example 2, among nitrogen-based functional groups, Pyridonic-N contributed more to caffeine adsorption than Pyridinic-N.

실험예 5. 흡착제의 흡착 성능 확인(3)Experimental Example 5. Confirmation of adsorption performance of adsorbent (3)

흡착제 함량에 따른 흡착 성능 확인Check adsorption performance according to adsorbent content

실험예 3과 같은 방법으로 실시예 및 비교예의 흡착 성능을 확인하되, 카페인 용액 50 mL에 대해 흡착제를 5 내지 50 mg으로 포함시켜, 흡착제 함량에 따른 흡착 성능을 확인하였다.The adsorption performance of Examples and Comparative Examples was confirmed in the same manner as in Experimental Example 3, except that 5 to 50 mg of adsorbent was included in 50 mL of caffeine solution, and adsorption performance according to adsorbent content was confirmed.

도 12(c)는 흡착제의 함량(Loading, g/L)에 따른 흡착 용량(qe)과 제거 효율(Removal, %)을 나타낸 그래프이다. 흡착제 함량이 가장 적을 때(5mg; Loading 0.1 g/L) 흡착 용량은 134 mg/g이었으나, 제거 효율은 54.4%로 낮았다. 흡착제 함량을 10 mg(Loading 0.2 g/L)으로 증가시키는 경우 흡착 용량은 감소(109.87 mg/g)하였으나, 제거 효율은 88%까지 증가하였다. 이후에는 흡착제 함량을 추가로 증가하면 제거 효율은 크게 증가하지 않았으나, 흡착 용량이 급격히 감소하였다. 흡착제의 함량이 0.2 g/L를 초과하는 경우에는 흡착제에서 모든 활성 부위가 흡착에 관여하지 못하면서 흡착 용량이 감소하고, 제거 효율 증가폭이 감소하였다. Figure 12(c) is a graph showing the adsorption capacity (q e ) and removal efficiency (Removal, %) according to the content of adsorbent (Loading, g/L). At the lowest adsorbent content (5mg; Loading 0.1 g/L), the adsorption capacity was 134 mg/g, but the removal efficiency was low at 54.4%. When the adsorbent content was increased to 10 mg (Loading 0.2 g/L), the adsorption capacity decreased (109.87 mg/g), but the removal efficiency increased to 88%. Afterwards, when the adsorbent content was further increased, the removal efficiency did not increase significantly, but the adsorption capacity rapidly decreased. When the adsorbent content exceeded 0.2 g/L, not all active sites in the adsorbent were involved in adsorption, and the adsorption capacity decreased and the increase in removal efficiency decreased.

pH에 따른 흡착 성능 확인Check adsorption performance according to pH

pH가 흡착제와, 흡착제의 흡착 성능에 미치는 효과를 각각 확인하였다.The effect of pH on the adsorbent and its adsorption performance was confirmed.

흡착제를 포함한 수용액에 0.1 M의 염산 용액과 수산화암모늄 용액을 이용하여 pH를 2내지 8로 조정하며 흡착제의 표면 전하 변화를 확인하였다.The pH was adjusted to 2 to 8 using 0.1 M hydrochloric acid solution and ammonium hydroxide solution in the aqueous solution containing the adsorbent, and the change in surface charge of the adsorbent was confirmed.

도 5(e)는 pH 농도에 따른 실시예 2-3(CW-C-1-800)의 흡착제의 표면 전하 분석(zeta potential, mV) 결과이다. 도 5(e)를 참조하면, 흡착제의 영전하점은 pH 3.9이고, pH가 증가함에 따라 표면의 음성도가 크게 증가하였다.Figure 5(e) shows the surface charge analysis (zeta potential, mV) results of the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) according to pH concentration. Referring to Figure 5(e), the zero charge point of the adsorbent is pH 3.9, and as the pH increases, the negativity of the surface increases significantly.

실험예 3과 같은 방법으로 실시예 2-3의 흡착 성능을 확인하되, 카페인 용액에 0.1 M의 염산 용액과 수산화암모늄 용액을 이용하여 pH를 2내지 10으로 조정하며 pH에 따른 흡착 성능을 확인하였다.The adsorption performance of Example 2-3 was confirmed in the same manner as Experimental Example 3, but the pH was adjusted to 2 to 10 using a 0.1 M hydrochloric acid solution and an ammonium hydroxide solution in the caffeine solution, and the adsorption performance according to pH was confirmed. .

도 12(b)를 참조하면, 카페인 용액의 pH는 흡착제의 흡착 성능은 84 % 내지 89% 수준을 유지하였다. 이로부터, pH는 흡착제의 표면 특성에는 영향을 미치지만 흡착제의 흡착 성능에는 큰 영향을 미치지 않아, 실시예에 따른 흡착제를 다양한 pH의 오염된 수중에 적용할 수 있음을 확인하였다.Referring to Figure 12(b), the pH of the caffeine solution maintained the adsorption performance of the adsorbent at a level of 84% to 89%. From this, it was confirmed that pH affects the surface properties of the adsorbent but does not have a significant effect on the adsorption performance of the adsorbent, and that the adsorbent according to the example can be applied to contaminated water of various pH.

실험예 6. 흡착제의 흡착 동역학 분석Experimental Example 6. Adsorption kinetics analysis of adsorbent

실험예 3과 같은 방법으로 실시예 2-3(CW-C-1-800)의 흡착제로 흡착 실험을 수행하면서, 시간 경과에 따른 흡착 성능을 확인하였다.An adsorption experiment was performed with the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) in the same manner as in Experimental Example 3, and the adsorption performance over time was confirmed.

도 12(d)를 참조하면, 카페인의 대략 71%가 흡착 초기 단계(~ 1 분)에서 제거되었다. 5 분 경과 제거 효율은 80% 이상이 되며, 30 분부터는 포화되는 것으로 나타났다. Referring to Figure 12(d), approximately 71% of the caffeine was removed in the initial stage of adsorption (~ 1 min). After 5 minutes, the removal efficiency was more than 80%, and it was found to be saturated after 30 minutes.

흡착 동역학 데이터로는 유사 1차(PFO; Pseudo First Order), 유사 2차(PSO; Pseudo Second Order) 및 입자 내 확산(Intra-particle diffusion) 동역학 모델에 적합한 것으로 나타났으며, 각 모델에 대한 상관 관계 계수는 하기 표 7과 같이 나타났다.The adsorption kinetic data was found to be suitable for Pseudo First Order (PFO), Pseudo Second Order (PSO), and Intra-particle diffusion kinetic models, and the correlation for each model was The relationship coefficients were shown in Table 7 below.

동역학 모델dynamics model 상관 관계correlation 계수Coefficient PFOPFO qt = qe(1 - e-k1t)q t = q e (1 - e -k1t ) qe(mg/g)q e (mg/g) k1(min-1)k 1 (min -1 ) R2 R 2 SDSD 108.4108.4 0.480.48 >0.999>0.999 1.581.58 PSOPSO qt = [(k2q2 e)t]/[1 + k2qmt]q t = [(k 2 q 2 e )t]/[1 + k 2 q m t] qe(mg/g)q e (mg/g) k1(g/mgmin)k 1 (g/mg min) R2 R 2 SDSD 109.9109.9 0.0150.015 >0.999>0.999 0.940.94 Intra-particle diffusionIntra-particle diffusion qt = kid(t)0.5 + Ci q t = k id (t) 0.5 + C i kid
(m/g min-1/2)
k id
(m/g min -1/2 )
Ci C i R2 R 2 SDSD
Stage IStage I 14.7214.72 71.5771.57 1One 00 Stage IIStage II 4.54.5 87.787.7 ~0.97~0.97 1.741.74 Stage IIIStage III 0.970.97 102.4102.4 1One 2.82.8 qt: 시간 t일 때 흡착 용량(110 mg/g으로 두고 계산)
qe: 평형 상태에 도달햇을 때 흡착 용량(mg/g)
k1: 유사 1차 모델에서 속도 계수
k2: 유사 2차 모델에서 속도 계수
kid: 입자 내 확산 계수(m/g min-1/2)
Ci: 바운더리 레이어 두께 반영한 계수
q t : Adsorption capacity at time t (calculated as 110 mg/g)
q e : Adsorption capacity when equilibrium is reached (mg/g)
k 1 : Velocity coefficient in pseudo-first-order model
k 2 : Velocity coefficient in pseudo-second-order model
k id : diffusion coefficient within particles (m/g min -1/2 )
C i : Coefficient reflecting boundary layer thickness

표 7을 참조하면, PFO와 PSO 모델 모두에서 높은 상관 관계(R2)값과 낮은 SD 값이 나타나 카페인의 흡착이 물리적 흡착과 화학적 흡착을 모두 포함할 수 있는 것으로 나타났다(도 12(e) 참조). 그러나, PFO의 χ2값(0.1)은 PSO의 값(0.12)보다 낮게 나타나, 화학 흡착보다 물리적 흡착이 더 두드러지는 것으로 확인되었다.Referring to Table 7, both the PFO and PSO models showed high correlation (R 2 ) values and low SD values, indicating that the adsorption of caffeine can include both physical and chemical adsorption (see Figure 12(e) ). However, the χ 2 value of PFO (0.1) was lower than that of PSO (0.12), confirming that physical adsorption was more prominent than chemical adsorption.

도 12(f) 및 표 7을 참조하면 입자 내 확산 피팅 모델은 실시예에 따른 흡착제의 카페인 흡착이 3 단계(Stage I 내지 III)를 포함하는 것으로 나타났다. 경사가 가파른 첫 번째 영역에서는 대략 2분까지 흡착이 빠르게 진행되었고, 이는 흡착제 외부 표면에 카페인이 흡착된 것을 나타내며, 두 번째 영역은 흡착제 내부 기공 조직에 의해 제어되는 입자 내 확산에 대응하며, 세 번째 영역은 최종 평형 단계를 나타낸다. 따라서, 흡착제의 흡착 성능은 고유의 표면 특성과 내부 조직에 의해 결정되는 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 12(f) and Table 7, the intra-particle diffusion fitting model showed that caffeine adsorption by the adsorbent according to the example included three stages (Stage I to III). In the first region with a steep slope, adsorption proceeded rapidly until approximately 2 min, indicating the adsorption of caffeine on the outer surface of the adsorbent, in the second region corresponding to intra-particle diffusion controlled by the pore structure inside the adsorbent, and in the third region. The region represents the final equilibration stage. Therefore, it was confirmed that the adsorption performance of the adsorbent is determined by its inherent surface properties and internal structure.

실험예 7. 흡착제의 흡착 온도에 따른 영향 및 열역학적 분석Experimental Example 7. Effect and thermodynamic analysis of adsorption temperature of adsorbent

흡착 온도에 따른 흡착 성능 확인Check adsorption performance according to adsorption temperature

실험예 3과 같은 방법으로 실시예 2-3(CW-C-1-800)의 흡착제를 이용하여 pH 5.5, 흡착 시간 30분의 조건으로 흡착 실험을 수행하되, 카페인의 농도(25 내지 400 ppm)와 온도(25 ℃, 35 ℃ 및 55℃)에 따른 흡착 성능을 확인하였다.An adsorption experiment was performed in the same manner as in Experimental Example 3 using the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) under the conditions of pH 5.5 and adsorption time of 30 minutes, but the caffeine concentration (25 to 400 ppm) ) and temperature (25 ℃, 35 ℃, and 55 ℃) were confirmed for adsorption performance.

도 13(a)는 카페인 용액의 온도와 카페인 농도에 따른 실시예 2-3(CW-C-1-800) 흡착제의 흡착 용량(qe)을 확인한 그래프이고, (b)는 (a)의 그래프와 Langmuir 모델 및 Freundlich 모델을 플롯한 것이다.Figure 13(a) is a graph confirming the adsorption capacity (qe) of the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) according to the temperature and caffeine concentration of the caffeine solution, and (b) is the graph of (a) and Langmuir model and Freundlich model are plotted.

도 13(a)를 참조하면, 초기 카페인 농도(Ce, ppm)가 증가함에 따라 흡착 용량이 증가하는 것으로 나타났으며, 흡착 온도가 25 ℃일때보다 35 ℃일 때 흡착 용량이 증가하여 흡착이 흡열 반응인 것으로 나타났다. 그러나, 55 ℃에서는 성능이 약간 저하되는 것으로 확인되었다.Referring to Figure 13(a), the adsorption capacity was found to increase as the initial caffeine concentration (Ce, ppm) increased, and the adsorption capacity increased when the adsorption temperature was 35 ℃ compared to when the adsorption temperature was 25 ℃, making the adsorption endothermic. It turned out to be a reaction. However, it was confirmed that performance was slightly reduced at 55°C.

도 13(b)는 Langmuir 및 Freundlich의 비선형 등온선 모델과 실시예 2-3 흡착제의 온도별 흡착 용량을 비교하여 나타낸 것이다. Langmuir 모델은 흡착이 흡착제의 한정된 부위에서만 발생하여 단층 흡착인 것을 가정한 것이고, Freundlich 모델은 표면의 이질성에 따른 다층 흡착인 것을 가정한 것이다. 실시예의 흡착 모델은 Langmuir 모델과 유사하여 단층 흡착임을 확인하였으며, 온도의 변화가 흡착 부위를 변경하지는 않는 것임을 확인하였다.Figure 13(b) shows a comparison of the nonlinear isotherm model of Langmuir and Freundlich and the adsorption capacity of the adsorbent of Example 2-3 at each temperature. The Langmuir model assumes that adsorption occurs only in limited areas of the adsorbent, resulting in single-layer adsorption, while the Freundlich model assumes multi-layer adsorption due to surface heterogeneity. The adsorption model of the example was similar to the Langmuir model, confirming that it was monolayer adsorption, and it was confirmed that changes in temperature did not change the adsorption site.

흡착 열역학Adsorption thermodynamics

실험예 3과 같은 방법으로 실시예 2-3(CW-C-1-800)의 흡착제를 이용하여 pH 5.5, 흡착 시간 30분의 조건으로 흡착 실험을 수행하되, 온도(30 ℃, 50 ℃ 및 60℃)에 따른 흡착 성능을 확인하여 도 13(c)에 나타내었다.An adsorption experiment was performed in the same manner as in Experimental Example 3 using the adsorbent of Example 2-3 (CW-C-1-800) under conditions of pH 5.5 and adsorption time of 30 minutes, but at temperatures (30°C, 50°C, and The adsorption performance at 60°C was confirmed and shown in Figure 13(c).

도 13(c)를 참조하면, 온도가 30 ℃일때보다 50 ℃일 때 흡착 성능이 7.7% 향상되었으며, 60 ℃에서는 용액 내의 카페인의 이동이 활발해지면서 탈착 속도가 흡착 속도보다 높아져 흡착 성능이 감소하였다.Referring to Figure 13(c), the adsorption performance improved by 7.7% when the temperature was 50 ℃ compared to when the temperature was 30 ℃. At 60 ℃, as the movement of caffeine in the solution became more active, the desorption rate became higher than the adsorption rate and the adsorption performance decreased. .

자유 에너지(ΔG°= ΔH°-TΔS°) 값이 음수이고, ΔH°값이 -18.14 kJ/mol인 것을 이용할 때, ΔS°값은 -27.52 J/molK 인 것으로 나타나 실시예 흡착제에 대한 카페인 흡착은 자발적인 물리 흡착임을 확인하였다.When the free energy (ΔG°=ΔH°-TΔS°) value is negative and the ΔH° value is -18.14 kJ/mol, the ΔS° value is found to be -27.52 J/molK. Caffeine adsorption on the example adsorbent. It was confirmed that it was spontaneous physical adsorption.

실험예 8. 흡착제의 재사용성 확인Experimental Example 8. Confirmation of reusability of adsorbent

카페인 흡착(카페인 초기 농도 25 ppm, pH 5.5, 흡착제 투여량 0.5 g/L)에 사용한 뒤 포화된 실시예 2-3의 흡착제를 에탄올에 분산하여 12 시간 동안 교반하여 재생한 뒤, 오븐에서 건조하여 재사용하였다. 재생과 재사용을 3회 반복하면서 흡착 성능을 확인하였다.After being used for caffeine adsorption (caffeine initial concentration 25 ppm, pH 5.5, adsorbent dosage 0.5 g/L), the saturated adsorbent of Example 2-3 was dispersed in ethanol and stirred for 12 hours to regenerate, then dried in an oven. It was reused. Adsorption performance was confirmed by repeating regeneration and reuse three times.

도 13(d)을 참조하면, 3회 재사용하는 동안 제거 효율이 일정하게 유지되는 것으로 나타나 산업용 흡착제로의 적용 가능성이 확인되었다.Referring to Figure 13(d), the removal efficiency was shown to remain constant during three reuses, confirming its applicability as an industrial adsorbent.

Claims (10)

질소가 도핑된 탄소 재료를 포함하는 카페인 흡착제로서,
상기 탄소 재료는 흑연화된 탄소를 포함하며,
상기 흡착제는 피리디닉 질소(pyridinic-N)와 피리도닉 질소(pyridonic-N)를 포함하는 것인, 카페인 흡착제.
A caffeine adsorbent comprising a nitrogen-doped carbon material, comprising:
The carbon material includes graphitized carbon,
The adsorbent is a caffeine adsorbent containing pyridinic nitrogen (pyridinic-N) and pyridonic nitrogen (pyridonic-N).
제1항에 있어서,
상기 탄소 재료는 커피 폐기물을 질소 가스 하에서 하소한 생성물인, 카페인 흡착제.
According to paragraph 1,
The carbon material is a caffeine adsorbent that is a product of calcining coffee waste under nitrogen gas.
제1항에 있어서,
상기 흡착제는 상기 피리도닉 질소를 상기 피리디닉 질소보다 많은 양으로 함유하는 것인, 카페인 흡착제.
According to paragraph 1,
The adsorbent is a caffeine adsorbent containing the pyridonic nitrogen in a larger amount than the pyridinic nitrogen.
커피 폐기물과 수산화칼륨의 혼합물을 질소 가스 하에서 하소하는 단계를 포함하는 카페인 흡착제의 제조 방법.A method for producing a caffeine adsorbent comprising calcining a mixture of coffee waste and potassium hydroxide under nitrogen gas. 제4항에 있어서,
상기 혼합물은 건조된 커피 폐기물과 수산화칼륨의 분쇄 혼합물인, 카페인 흡착제의 제조 방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a caffeine adsorbent, wherein the mixture is a ground mixture of dried coffee waste and potassium hydroxide.
제4항에 있어서,
상기 수산화칼륨과 상기 커피 폐기물의 중량 비율은 0.5:1 내지 2:1인, 카페인 흡착제의 제조 방법.
According to paragraph 4,
A method for producing a caffeine adsorbent, wherein the weight ratio of the potassium hydroxide and the coffee waste is 0.5:1 to 2:1.
제1항에 있어서,
상기 하소하는 단계는,
질소 가스 하에서 600 내지 800℃로 탄화하여 탄화물을 형성하는 단계; 및
상기 탄화물을 무기산에 침출하여 카페인 흡착제를 제조하는 단계를 포함하는 것인, 카페인 흡착제의 제조 방법.
According to paragraph 1,
The calcination step is,
Carbonizing at 600 to 800° C. under nitrogen gas to form carbide; and
A method for producing a caffeine adsorbent, comprising the step of producing a caffeine adsorbent by leaching the carbide with an inorganic acid.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 카페인 흡착제를 용액에 접촉시키는 단계를 포함하는, 카페인의 흡착 제거 방법.A method for removing caffeine by adsorption, comprising contacting a solution with the caffeine adsorbent according to any one of claims 1 to 3. 제8항에 있어서,
상기 카페인 흡착제는 상기 용액 1L 당 0.1 내지 0.2 g으로 투입되는 것인, 카페인의 흡착 제거 방법.
According to clause 8,
A method for adsorbing and removing caffeine, wherein the caffeine adsorbent is added in an amount of 0.1 to 0.2 g per 1 L of the solution.
제8항에 있어서,
상기 용액은,
커피, 홍차, 녹차, 우롱차, 백차, 푸홍차, 흑차, 허브차, 꽃차, 마테차, 차이, 마카, 에너지 드링크, 알코올계 드링크, 소다 및 코코아로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 음료인, 카페인의 흡착 제거 방법.
According to clause 8,
The solution is,
Caffeine, one or more beverages selected from the group consisting of coffee, black tea, green tea, oolong tea, white tea, green tea, black tea, herbal tea, flower tea, mate tea, chai, maca, energy drinks, alcoholic drinks, soda and cocoa. Adsorption removal method.
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