새로운 다기능 유기물의 합성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12845(2023) 이 기사 인용

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본 연구에서 우리는 유기 및 무기 오염물질을 모두 제거할 수 있는 다기능 유기-무기 나노복합체를 형성하기 위해 용매 보조 기계 합성 전략을 사용했습니다. Zeolite X(Ze)와 활성탄(AC) 복합체는 몇 방울의 물이 있는 상태에서 최첨단 기계적 혼합을 통해 합성되어 Ze/AC를 형성했습니다. 두 번째 복합체(Ze/L/AC)는 유사한 방식으로 합성되었지만 이 복합체에는 링커로서 테레프탈산이나트륨이 첨가되었습니다. Ze/AC 및 Ze/L/AC 두 물질 모두 주사 전자 현미경(SEM), 에너지 분산 X선 분광법(EDS), 분말 X선 회절(P-XRD), 푸리에 변환 적외선 분광법을 사용하여 특성화되었습니다. (FTIR), 가속 표면적 및 다공성 측정 시스템(ASAP) 및 열 중량 분석(TGA). SEM-EDS는 각 재료의 표면 구조와 구성을 표시했습니다. 링커가 Ze와 AC를 연결한 후 나트륨, 산소 및 탄소 함량이 증가했습니다. P-XRD는 각 재료와 복합재의 결정성을 확인했으며, FTIR은 Ze/L/AC의 관능기(C=C, O-H)를 나타냈습니다. 오염물질 흡착실험에서는 각 물질의 메틸렌블루(MB)와 Co(II)의 흡착에 pH, 온도, 이온강도가 미치는 영향을 조사하였다. MB 흡착에서 Ze/L/AC(0.02h−1)의 1차 반응 속도는 Ze/AC(0.01h−1)의 2배였습니다. Co(II) 흡착에 있어서도 Ze/L/AC(4.8h-1)의 반응속도는 Ze/AC(0.6h-1)의 반응속도보다 매우 높았다. Ze/L/AC 복합재는 MB의 경우 44.8mg/g, Co(II) 이온의 경우 66.6mg/g의 최대 흡착 용량을 달성했습니다. Ze/AC와 Ze/L/AC의 MB 흡착은 R2가 각각 0.96과 0.97인 Freundlich 모델에 가장 적합했으며 이는 다층 흡착을 나타냅니다. Co(II) 흡착에서 데이터는 단일층 흡착을 나타내는 R2가 0.94와 0.92인 Langmuir 모델에 매우 적합했습니다. 이러한 결과는 두 물질 모두 화학흡착을 나타냄을 나타냅니다. MB 흡착에서 Ze/L/AC의 활성화 에너지(34.9 kJ mol-1)는 Co(II) 흡착에서 Ze/L/AC의 활성화 에너지(26 kJ mol-1)보다 높았습니다.

산업 공정에서 중금속 이온과 유기물의 과도한 사용으로 인한 오염은 직간접적으로 폐기물이 수로로 배출되어 생태계를 오염시키고 인간 생활에 영향을 미치고 있습니다1,2,3. 코발트(II), 니켈(II), 크롬(VI), 납(II) 등과 같은 중금속 이온은 낮은 농도에서도 생명에 유독할 수 있습니다4,5,6,7. 코발트, 니켈, 크롬 및 납의 독성은 각각 7 µg/L, 100 µg/L, 50 µg/L, 5 µg/dL에서 발생할 수 있습니다8,9. 코발트와 같은 중금속은 산업 공정에서 비방사성 Co를 사용하고 의학에서 방사성 핵종 60Co 및 58Co를 사용하는 등 다양한 방식으로 환경에 배출됩니다5. 혈중 코발트 수치가 근육 경직 증가와 관련이 있는 것으로 보고되었습니다8. 마찬가지로 염료나 페놀성 성분과 같은 유기 오염물질의 농도가 높으면 독성이 매우 높을 수 있습니다. 예를 들어, 메틸렌 블루(MB)를 섭취하면 과도한 발한, 메스꺼움, 구토, 신경 세포 사멸, 작열감 및 기타 여러 가지 부정적인 건강 영향을 일으킬 수 있습니다10,11.

역삼투압, 증류, 흡착 등 중금속과 염료를 여과하기 위해 다양한 효과적인 방법이 적용되어 왔습니다. 그러나 저렴하고 효과적인 방법을 찾는 것은 어렵습니다. 예를 들어, 역삼투압은 물을 여과하는 데 적용되는 가장 일반적인 방법이지만 이 방법은 종종 상당한 양의 물을 낭비합니다12. 또한, 역삼투 공정은 항상 물에서 다량의 건강한 미네랄을 제거합니다12. 증류는 또 다른 일반적인 방법이지만 소량의 물만 여과할 수 있고 더 많은 에너지 비용이 듭니다13. 방법 중에서 흡착은 효율성이 높고 가격이 저렴하기 때문에 여전히 가장 효과적인 방법입니다13. 흡착제는 농업폐기물, 나노물질, 고분자 등 저가의 재료로 저렴하게 생산할 수 있다. 이러한 흡착제는 특정 오염물질을 필터링하기 위해 물리적, 화학적으로 가공될 수 있습니다. 예를 들어, Zr-MOF, ZIF-8, ZIF-67, KIUB-MOF-1을 포함한 다양한 유형의 MOF(금속 유기 골격) 재료는 납, 수은, 메틸렌 블루, 메틸과 같은 특정 금속을 제거하도록 설계되었습니다. 오렌지14,15,16.