KR980008307A - 활성탄에 키토산을 담지한 키토산 첨착활성탄과 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

활성탄에 키토산을 담지한 키토산 첨착활성탄과 그의 제조방법

나. 그 발명이 해결하려고 하는 기술과제

종래는 키토산을 담지하기 위한 지지체의 제조공정이 복잡하고 지지체가 가져야 할 특징인 비표면적 과 흡착력이 그다지 좋지 못하고 , 고가인 폐단을 갖는 것임.

다. 그 발명의 해결방법의 요지

본 발명은 중금속, 방사성물질, 단백질 등의 흡착제거 능력이 우수하나 비교적 고가인 키토산을 저 렴하고 비표면적이 큰 활성탄에 담지시켜 공기정화 용이나 폐수정화용 흡착제로 사용할 수 있는 키토 산첨착활성탄을 제조한것임.

라. 발명의 중요한 용도

공기정화용이나 폐수정화용 흡착제

Description

활성탄에 키토산을 담지한 키토산 첨착활성탄과 그의 제조방법

제1도는 키토산첨착 활성탄의 제조를 위한 공정도.

제2도는 활성탄에 키토산을 점착시킨 상태를 조사한 전자현미경 사진.

본 발명은 갑각류의 껍질로 부터 추출할 수 있고, 중금속, 방사성물질, 단백질 등의 흡착제거능력이 우수한 고가(高價)의 키토산을 저렴하면서도 화합물에 대한 흡착능력이 뛰어나고 비표면적이 큰 활성탄에 담지(첨착, 고정화)시킴으로써 공기정화나 폐수처리 등에효과적인 키토산첨착활성탄과 그의 제조방법에 관한 것이다. 종래 비표면적이 매우 큰 것으로 알려진 활성탄은 저렴하고, 각종 화합물에 대한 흡착능력이 뛰어나 흡착제 또는 탈취제 등으로 환경분야에서 널리 사용되고는 있지만, 중금속, 방사성, 단백질 등과 같은 물질의 흡착처리에는 한계가 있는 것이므로 최근에는 화학물질 등을 활성탄에 첨착함으로써 처리제거하고자 하는 특정 유독물질에 대한 흡착능력을 향상시켜 효과적으로 활용할 수 있는 기능성 활성탄을 제조하는 연구가 배우 활발하게 진행되고 있다. 한편, 게, 새우, 가재등과 같는 갑각류는 셀룰로오스와 흡사한 구조[(1→4)-2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucan]를 가지는 키틴을 함유하는데, 지금 까지 이들의 폐껍질은 악취를 유발하는 폐기물로만 인식되어 왔으나, 최근에는 이들에서 키틴질을 추출, 활용하기 위한 공정이 개발되면서 부터 차츰 유용한 천연자원의 하나로 각광을 받고 있다.

상기 키틴은 비교적 안정된 상태로 존재하나 물, 묽은산, 알칼리 및 대부분의 유기용매에 불용성을 나타내어 용도상 많은 제약을 받게 되므로 대개 키토산, 초산염,질산염, 황산염 에스테르, 메틸에테르, 알칼리 기틴 및 수용성 키틴 등의 유도체로 전환하여 사용하게 된다.

따라서 이들 유도체중 키토산[(1→4)-2-anino-2-deoxy-β-D-glucan]은 키틴을 고온 알칼리중에서 처리하면 키틴의 2번 탄소의 아세트아미드기가 탈아세틸화(Deacetylation)하여 얻어지는 물질인데, 이 키토산은 구조적으로 양전하를 띠게 되므로 과일 쥬스의 냉안정제, 겔안정제, 상처의 회복촉진제, 종이류의 습강도 향상제, 수처리 응집제 등 다양한 용도를 갖게 된다. 특히 중금속이나 단백질 등에대한 흡착력이 뛰어나 폐수처리 응집제 등으로 활용될 수 있는데 이를 활용하기 위해서는 분말 키토산을 용액폐수에 첨가하였다가 폐수처리작업후에는 이를 다시 분리하는 과정을 거쳐야 하므로 연속적인 폐수처리가 곤란하다. 그러므로, 키토산을 효율적으로 활용하기 위하여는 비드화하거나 어떤 지지체에 담지하여 사용하는 방법을 고려할 수 밖에 없게 되는데, 전기한 키토산을 지지체에 담지시키는 방법으로는 대한민국 특허공개 93-12096 호가 안출된바 있으니 이는 혼합된 규조토, 활성탄, 제을 라이트분말에 소량의 몬모릴로나이트 분말과 수분을 함께 혼합하여 과립한후 소성 시켜서 염화바륨이나 질산은 수용액에 함침시킨 다음 건조시킨 것을 지지체로 하여 상기 지지체에 키토산을 담지하는 것으로써 이는 지지체를 제조하기까지의 공정이 복잡하고 지지체가 가져야 할 특징인 비표면적과 자체의 흡착력은 기대할 수 없으며 가격이고가일수 밖에 없는 폐단을 갖는 것이다.

따라서 본 발명자는 중금속, 방사성물질, 단백질 및 BOD, COD 둥의 흡착능력이 우수하면서도 비교적 고가인 키토산 지지체의 조건으로 값싸고, 손쉽게 구할 수 있으며, 비표면적이 커 지지체 자체가 흡착능을 가질 수 있는 것이어야 한다는데 결론을 내리고, 이와같은 키토산 지지체로 활성탄이 모든 조건을 만족한다는 데에 착안하여 키토산이 활성탄에 담지되도록 함으로써 중금속과 단백질 등의 흡착능력이 우수하면서도 흡착능 또한 양호하여 공기정화나 폐수처리용으로 사용할 수 있는 키토산첨착활성탄을 제조할 수 있었다.

이하 본 발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 도시한 바와 같이 먼저 정제공정을 거친 활성탄과, 키토산을 산용액에 넣어 용해시킨 공정을 거친 키토산용액을 서로 혼합하여 교반시키는 공정과, 상기 활성탄과 키토산 혼합용액을 증발기에 넣고 약 50℃∼ 70℃정도의 온도에서 회전시키면서 물과 산만을 증발시키는 공정과, 상기 증발공정에의해 키토산이 담지된 활성탄을 꺼내 세척하는 공정과, 세척된 활성탄을 건조기에 넣고 약 70℃- 90℃정도의 온도로 건조시키는 공정을 거쳐 키토산첨착활성탄이 제조되어 진다.

원래 키토산은 중성인 물에 불용성을 나타내지만 약한 산용액에는 잘 용해되는 것이므로 표 1에 나타낸 바와같이 여러 종류의 산용액에 소정량 용해시킨 다음 각각의 산에 정제한 활성탄을 침적시켜 교반하면서 산 및 물을 증발시킨 후 건조시키는 공정을 거쳐 키토산첨칙활성탄을 제조할 수 있는 것이다.

따라서 이때 산의 종류와 농도를 변화시키거나 키토산의 종류 및 농도, 활성탄의 종류 및 크기 등을 변화시킴으로써 활성탄에 키토산의 첨착량을 달리할 수 있는 것으로, 각각 다른 조건에 제조된 키토산첨착활성탄의 비표면적 (BET)및 세공분포, 전자현미경 ( SEM)에 의한 표면상태, 여러 pII용액중에서의 안정성 및 열분석 (Thermal analysis)에 의한 열적 특성 등을 조사하였는바, 이를 실시예에 의해 상세히 설명하기 로 한다.

[실시예 1]

본 발명에 사용하는 키토산은 약한 산성용액에는 잘 용해되는데 키토산농도가 2%되도록 산에 용해시킬 때 사용한 산의 종류와 초산의 농도를변화시켜 제조한 키토산 첨착활성탄의 비표면적 및 세공분포를 조사하여 비표면적에 대한 결과를 표 1에 나타내었다.

표 1

〈키토산 : 분자량 35,000, 탈아세틸화도 88.0%, 키토산 농도 : 2%〉

이처럼 제조된 키토산첨착활성탄들은 원래의 활성탄에 비하여 비표면적이 약간 감소하였고, 프로피온산의 경우보다는 개미산이나 초산을 사용하였을 때 비표면적이 훨씬 덜 감소하였으며 , 사용한 개미산이나초산의 농도변화에 따른 비표면적의 변화는 거의 나타나질 않았다.

따라서 프로피온산을 사용하는 경우보다는개미산이나 초산을 사용하여 제조된 키토산첨착활성탄이 세공분포도 조사결과에서 원래의 활성탄에 비하여 작은 세공측의 부피는 약간 감소하였으나 흡착처리제의 중요한 요소인 비표면적의 큰 감소없이 거의 유사한 분포도를 가짐을 확인할 수 있었다.

[실시예 2]

본 발명에 사용하는 키토산은 게나 새우 등의 갑각에서 주로 추출된 키틴에서 제조될 수 있는데 , 주출또는키토산 제조과정의 조건에따라 키토산의 특성을 나타내는 분자량 및 탈아세틸화도가 달라진다.

표 2는 분자량과 탈아세틸화도가 각각 다른 키토산 3종류를 1% 초산용액에 용해시켜 제조한 키토산 첨착활성탄과 초산용액중의 키토산의 농도를 변화시켜 제조한 키토산 첨착활성탄에 대한 비표면적을 조사한 결과을 나타낸 것이다.

표 2

〈키토산 첨착량 : 2wt%〉

분자량이 작은 키토산 A의 경우는 비교적 큰 비표면적의 감소를 보였고 , 큰 분자랑의 키토산 B,C,D는 비표면적이 약간 감소하였으나 거의 유사한 값을 나타내었는데, 키토산 B의 경우 키토산 농도의 증가와 함께 비표면적은 거의 변화가 없어 고농도의 키토산용액을 사용하더라도 비표면적은 크게 변하지 않음을알 수 있었다.

[실시예 3]

키토산은 천연 고분자물질로서 다공성의 활성탄에 다량 첨착하게 되면 표면적 및 세공분포가 달라지게 될것으로 예상되므로 키토산 A, B, C를 각각 할성탄에 첨착하는 양을 달리하여 제조한 키토산 첨착활성탄에 대한 비표면적 및 세공분포를 조사하여 비표면적에 대한 결과만을 표 3에 나타내었다.

표 3

분자량이 작은 키토산 A의 경우는 소량의 첨착으로도 크게 비표면적이 감소하였고 키토산 B는 약 2wt%에서 부터 감소하지만 분자량이 큰 키토산 C의 첨착시에는 20wt%첨착시까지는 거의 변화가 없이 원래의 활성탄 비표면적을 유지함을 알수 있었다. 또한 세공분포의 조사결과에서는 키토산 B와 C는 원래의 활성탄과 거의 유사한 분포를 보였으나 키토산 A는 작은 세공측의 부피가 감소함을 알 수 있었다.

[실시예 4]

키토산은 고분자 물질이므로 활성탄 의작은 세공내부까지 침착되기 어려우므로 활성탄의 입자 크기에 따라 키토산 첨착활성탄의 비표면적에 양향이 클 것으로 예상 되었다. 이때 활성탄의 제조원료와 입자크기가 다른 할성탄을 사용하여 제조한 키토산 첨착활성탄의 비표면적을 조사하여 표 4에 나타내었다.

표 4 활성탄의 종류와 입자크기에따른 키토산 첨착할성탄의 비표면적

〈키토산 첨착량 : 2wt%〉

8/16메쉬의 갈탄과 야자각의 경우는 비표면적이 유사하게 감소하였고 , 야자각 원료의 활성탄에는 입자크기가 감소함에 따라 비표면적이 감소하여, 입자가 작을수록 세공내부까지 키토산이 첨착될 수 있음을 알았다.

제2도는 키토산의 첨착량이 2wt%와 10wt%인 키토산 첨착활성탄에 대한 첨착상태를 알아 보기 위하여 전자현미경으로 관찰한 사진을나타낸 것이다. 두 경우 모두 활성탄표면에 균일하게 첨착되어 있음을 알 수 있었다.

이러한 키토산 첨착활성탄을 공기 또는 폐수처리용으로 사용하려면 pH가 다른 여러 용액에서 안정하게 첨착상태를 유지하여야 한다. 표 5는 여러 PII용액중에서 키토산 첨착활성탄의 안정성을 용해정도로 나타낸 것이다.

표 5

〈++:아주 잘 용해, +:잘 용해 , -:불용, --:전혀 불용〉

소정의 각 pII용액은 0.1-1N(규정농도)의 IICI과NaOII 용액을 사용하여 제조하여 pH메터로 확인하였다. 키토산 첨착활성탄은 약 pH 4 이상에서 용해되지 않아 안정하나 확실하게 안정한 영역은 약 pH 6 이상

이었고, 용액온도 60℃까지는 전혀 영향이 없음을 알 수 있었다.

또한 키토산첨착활성탄은 처리하고자 하는공기나 폐수의 온도변화에도 안정하여야 하므로 열분석 실험을 통하여 열적 안정성을조사한 결과 약 140℃까지는 안정하나 그 온도 이상에서는 분해되어 그 기능이 소실됨을 알았다. 이상에서 살펴본 바와같이 키토산이 활성탄 표면에 균일하게 담지되고 , 약 pII 4이상의 용액과 처리대상의 온도가 60℃이하에서 안정함으로써 공기정화용이나 폐수처리용 흡착제 등의 재료로서의 활용가능성을 확인하였으며 , 이처럼 중금속 , 방사성물질, 단백질 등의 흡착제거 능력이 우수하나 비교적 고가인 키토산을 저렴하면서도 큰 비표면적을 가지는 활성탄에 담지되도록 함으로써 기능성 활성탄으로써 보다 효과적으로 활용할 수 있는 키토산 첨착활성탄을 제조할 수 있다.

이처럼 본 발명은 저렴하면서도 비표면적이 큰 활성탄에 고가이면서도 중금속, 방사성 물질, 단백질 등의 흡착제거 능력이 우수한 키토산을 담지시키므로써 보다 저렴한 가격에 공기정화용이나 폐수정화용 흡착제로 효과적으로 활용할 수 있는 키토산첨착 활성탄을 제공할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Claims (4)

1. 정제공정을 거친 활성탄과, 키토산을 산용액에 넣어 용해시킨 공정을 거친 키토산용액을 서로 혼합하여 교반시키는 공정과, 상기 활성탄과 키토산 혼합용액을 증발기에 넣고 약 50℃-70℃ 정도의 온도에서 회전시키면서 물과 산만을 증발시키는 공정과, 상기 증발공정에 의해 키토산이 담지된 활성탄을 꺼내 세척하는 공정과, 세척된 활성탄을 건조기에 넣고 약 70℃-90℃정도의 온도로 건조시키는 공정에 의해 제조되어짐을 특징으로 하는 활성탄에 키토산을 담지한 키토산첨착활성탄 제조방법.
2. 제1항에 있어서 산용액으로는 개미산, 초산 및 프로피온산을 사용하며, 이들의 농도가 1-5%임을 특징으로 하는 활성탄에 키토산을 담지한 키토산첨착활성탄 제조방법.
3. 갑각류의 껍질로부터 추출한 키틴으로 제조된 키토산을 활성탄에 담지시킨 것을 특징으로 하는 활성탄에 키토산을 담지한 키토산첨착활성탄.
4. 제3항에 있어서 활성탄의 입자크기가 8/16-100/120 메쉬이고, 활성탄에 대한 키토산의 첨착량이 1-30wt%임을 특징으로 하는 활성탄에 키토산을 담지한 키토산첨착활성탄.

   ※ 참고사항：최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.