KR20200065784A

KR20200065784A - 세슘 이온 흡착제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세슘 이온 제거 방법

Info

Publication number: KR20200065784A
Application number: KR1020180152592A
Authority: KR
Inventors: 오영탁; 이희현; 김상욱; 이경은
Original assignee: 한국과학기술연구원; 한국과학기술원
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: KR102206876B1

Abstract

본 명세서에는 세슘 이온 흡착제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세슘 이온 제거 방법이 개시된다.

Description

세슘 이온 흡착제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세슘 이온 제거 방법 {CESIUM ION ADSORBENT, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND METHOD FOR REMOVING CESIUM ION USING THE SAME }

본 발명은 세슘 이온 흡착제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세슘 이온 제거 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 알칼리 이온을 포함하는 친수성기를 가지는 산화 그래핀 복합체;를 포함하는 세슘 이온 흡착제, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세슘 이온 제거 방법에 관한 것이다.

방사능 오염 핵종 중 하나인 Cs-137 에 경우 30년에 달하는 반감기를 가지고 있으며 원자력 발전소 중대 사고시 주요 유출물질이기 때문에 신속하고 효율적으로 제염할수 있는 흡착제 기술을 필요로 한다.

2011년 일본 동북부 지방에서 발생한 후쿠시마 원전 사고에서 유출된 오염수에는 Cs-137을 비롯한 기타 방사능 폐기물들이 존재하였으며, 이를 제거하기 위하여 기존의 제올라이트류의 제염기술을 활용하였다.

그러나, 낮은 제거효율과 고농도 처리로 인한 2차 오염수 생성 등에 추가적인 문제 발생으로 인해 새로운 처리 기술 개발이 요구되고 있다.

KR 10-2018-0004559 WO 2017/188564 A1 KR 10-2018-0037830 KR 10-1992-0014375 KR 10-2013-0116280 KR 10-2012-0108100 KR 10-2018-0004559 WO 2017/188564 A1 KR 10-2018-0037830 KR 10-1992-0014375 KR 10-2015-0037064 KR 10-2012-0108100 KR 10-2014-0091264

Journal of Materials Chemistry 2008, 18, 3628-3632 Bioresource Tehcnology, 2016, 218, 391-398 Bioresource Technology, 2016, 218, 294-300 Dalton Transaction, 2013, 42, 16049-16055 J Hazard Mater 2007, 143, 354-361.

본 발명의 목적은 알칼리 이온을 포함하는 친수성기를 가지는 산화 그래핀 복합체를 포함하여, 낮은 초기 농도에서도 세슘을 효율적으로 제거할 수 있는 세슘 이온 흡착제를 제공하는 것이다.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 COO^-M⁺로 표시되는 친수성기를 가지는 산화 그래핀 복합체;을 포함하고, 상기 M은 H, Li, Na, K, Rb 또는 4차 아민인, 세슘 이온 흡착제를 제공한다.

본 발명의 예시적인 구현예에서는 전술한 세슘 이온 흡착제의 제조방법으로서, 산화 그래핀을 합성하는 단계; 및 상기 산화 그래핀을 M⁺OH^-로 표시되는 염을 포함하는 용액에 습식 방사하여 산화 그래핀 복합체를 합성하는 단계;를 포함하는 세슘 이온 흡착제의 제조방법을 제공한다(상기 M⁺는 H, Li, Na, K, Rb 또는 4차 아민이다).

본 발명의 예시적인 구현예에서는 전술한 세슘 이온 흡착제를 이용하여, 세슘 이온을 제거하는 단계;를 포함하는, 세슘 이온 제거 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 세슘 이온 흡착제는 알칼리 이온을 포함하는 친수성기를 가지는 산화 그래핀 복합체를 포함하여, 수용액 내에서 세슘 이온이 상기 친수성 기 내의 알칼리 이온과 치환되어 세슘 이온을 효과적으로 제거할 수 있다.

또다른 측면에서, 본 발명에 따른 세슘 이온 흡착제의 제조방법은, 습식 방사를 통하여 산화 그래핀 섬유를 제조함으로써, 간이 경제적으로 세슘 이온 흡착제를 제조할 수 있다.

또다른 측면에서, 본 발명에 따른 세슘 이온 제거 방법은, 세슘 이온 제거에 사용된 흡착제를 다시 알칼리염 용액에 담지하여 세슘 이온 흡착이 가능하게 재생시킴으로써, 반영구적 또는 충전식으로 세슘 이온 흡착제를 재활용하여 세슘 이온을 제거할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 구현예에 따른 세슘 이온 흡착제 제조방법 및 이를 이용한 수용액 내의 세슘 이온 제거 방법을 보여준다.
도 2a 는 습식 알칼리 금속염 수용액 방사를 통해 얻은 탄소섬유의 모습 (왼쪽)이며, 이를 Energy Dispersive Spectroscopy Mapping 으로 관찰한 것으로, 탄소와 산소 그리고 소디윰으로 이루어져 있는 섬유표면 (오른쪽)을 나타낸 것이다.
또한, 도 2b는 Scanning Electron Microscope (전자현미경) 으로 관찰한 것으로서, 2차원 구조의 산화 그래핀 (Graphene Oxide) 이 촘촘히 엮여 고형화가 되어있는 형태의 탄소 섬유의 모습을 나타낸 것이다.
도 3a 내지 3c은 합성된 탄소섬유의 화학구조를 보여주는 X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)분석결과이다.
도 4a 내지 4c는 합성된 탄소섬유의 세슘 이온 흡착 실험결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

세슘 이온 흡착제

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, COO^-M⁺로 표시되는 친수성기를 가지는 산화 그래핀 복합체;을 포함하고, 상기 M은 H, Li, Na, K, Rb 또는 4차 아민인, 세슘 이온 흡착제를 제공한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 세슘 이온 흡착제는 수용액 내에서 상기 산화 그래핀 복합체 표면의 친수성기의 알칼리 이온(M⁺)이 세슘 이온과 치환되면서 수용액 내의 세슘 이온을 제거하게 된다. 상기 세슘 이온 흡착제 표면에 친수성기 즉, 알칼리 이온 사이트가 골고루 분산되어 있으므로 더욱 안정적으로 세슘 이온 흡착이 가능할 것으로 예상된다. 예컨대, 상기 M은 바람직하게는 Na 일 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 세슘 이온은 특히 방사능 오염수에 존재하는 주된 방사성 종이면서 반감기가 30년 정도 되는 137 Cs⁺ 이온일 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 M의 함량은 상기 산화 그래핀 복합체 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%일 수 있고, 바람직하게는 2 내지 8 중량%일 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 세슘 이온 흡착제는 직경 100 내지 500 ㎛의 산화 그래핀 섬유일 수 있고, 상기 범위 내에서 안정성과 흡착성이 최적화된 형태의 구조를 지닐 수 있다. 상기 직경이 100 ㎛ 미만인 경우 섬유 안정성과 물리적 내구도가 떨어지며, 상기 직경이 500 ㎛ 초과인 경우 균일한 형태의 섬유를 합성하는게 어렵다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 산화 그래핀 복합체는 2차원의 다층 구조일 수 있다. 2차원의 그래핀 복합체가 1층 이상으로 쌓이므로, 이를 통해 3차원 다공 구조체를 구현할수 있는 합성적 이점이 존재한다.

세슘 이온 흡착제의 제조방법

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 전술한 세슘 이온 흡착제의 제조방법으로서, 산화 그래핀을 합성하는 단계; 및 상기 산화 그래핀을 M⁺OH^-로 표시되는 염을 포함하는 용액에 습식 방사하여 산화 그래핀 복합체를 합성하는 단계;를 포함하는 세슘 이온 흡착제의 제조방법을 제공한다(상기 M은 H, Li, Na, K, Rb 또는 4차 아민이다).

차세대 반도체 소자로 주목받고 있는 그래핀 소재는 공정방식에 따라 다양한 형태로 합성이 가능하다. 그중에서도 용액상에서 좀더 효율적이고 높은 수율로 얻기 위해 고안된 산화 그래핀 공정은 흑연을 사용하여 액상에서 산처리를 통해 박리된 산화 그래핀 구조를 재환원시키는 과정을 통해 환원된 산화 그래핀 (reduced graphene oxide)을 구조를 만들 수 있다. 이 산화 그래핀을 환원시키는 과정을 약 환원제를 통한 느린 과정으로 진행하면 2차 구조의 산화 그래핀 구조를 기반으로 한 3차원 다공 구조체로 조립할 수 있다.

이에 본 발명에서는 산화 그래핀을 환원 환경에서의 자가조립 현상을 이용하여 알칼리 금속을 함유한 그래핀 섬유 합성 기술을 고안하였다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 세슘 이온 흡착제 제조방법은 산화 그래핀 용액을 M⁺OH^-로 표시되는 염을 포함하는 용액에 습식 방사하여 별도의 공정 절차, 열처리 또는 가교결합보조제 없이도 간이하고 경제적으로 세슘 이온 흡착제를 제조할 수 있다. 상기 습식방사 진행시 환원과정도 동시에 진행된다.

또한, M⁺OH^-로 표시되는 염을 포함하는 용액은 좀더 안정적이고 균일한 형태의 탄소 섬유를 방사하는데 필요하다. 이는 M⁺OH^- 용액 so에 존재하는 -OH 기능기가 산화 그래핀 표면에 존재하는 다양한 산화 기능기 (C-OH, COOH, C=O)등과 공조하여 약한 환원 환경을 조성해주기 때문이다. 이는 소듐 이온과 같은 M⁺을 포함하고 있는 다른 염들 (예: NaCl) 에서는 균일한 섬유가 합성이 되지 않는 점이 뒷받침하고 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 산화 그래핀은 일반적인 용액 공정에서 Hummer's method 에 기초하여 여러 변형된 방법으로 제조가 가능하나, 이에 제한되지 않는다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 합성된 산화 그래핀은 분말 형태일 수있고, 이를 증류수에 넣고 초음파로 분산시킨 분산 용액 형태로 제조하여 습식 방사할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 산화 그래핀 분산 용액을 습식 방사하는 경우, 산화 그래핀 구조의 방향성 유지를 위하여 고형화 챔버를 140RPM의 속도로 회전시킬 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

세슘 이온 제거 방법

본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 전술한 세슘 이온 흡착제를 이용하여, 세슘 이온을 제거하는 단계;를 포함하는, 세슘 이온 제거 방법을 제공한다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 세슘 이온을 제거하는 단계는 수용액 상에서 이루어질 수 있다.

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 세슘 이온 제거 방법은, 상기 세슘 이온 흡착제를 M⁺OH^-로 표시되는 염을 포함하는 용액에 담지하여 재생하는 단계;를 더 포함할 수 있다(상기 M은 H, Li, Na, K, Rb 또는 4차 아민이다.).

예시적인 구현예들에 있어서, 상기 세슘 이온 제거 방법은, 초기 농도 100 ppm을 기준으로, 10분 내에 160mg/g에 도달할 수 있다.

이하의 실시를 통하여 본 발명은 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예

세슘 이온 흡착제 제조

<실시예 1-산화 그래핀 용액 제조>

산화 그래핀 용액은 일반적인 용액공정으로 흑연을 박리하는 Hummer’s method 의 기본 방식을 조금 변형시킨 형태로 합성하였다. 1g 의 흑연 (flakes, +100 mesh, Sigma-Aldrich), 1g 의 NaNO₃ (≥99.0%, Sigma-Aldrich), 과 50 mL 황산 (ACS reagent grade, 95-98%, Sigma-Aldrich)을 상온에서 교반하였다. KMnO₄ (Powder, 97%, Sigma-Aldrich) 분말을 소량씩 (50 mg/min) 상기 교반하고 있는 혼합용액에 추가하였다. 분말 추가 후 혼합용액을 35도에서 2시간동안 추가 교반하였다. 이후 아이스버켓을 이용하여 온도를 5도 이후로 낮추고 H₂O₂ (reagent, 30%, JUNSEI) 20mL를 넣고 추가 30분 교반을 진행하였다. 상기 반응한 용액을 4% HCl 용액에 washing 하고 이후 24시간 동안 진공 건조를 진행하였다. 상기 방법으로 만들어진 산화 그래핀 분말을 1g 당 500 mL 에 Deionized H₂O 에 넣고 초음파 분산을 통해 산화 그래핀 분산용액을 합성하였다.

<실시예 2 - 산화 그래핀 복합체 제조>

상기 실시예 1에서 만들어진 산화 그래핀 분산용액 1.5 mL를 5mL 주사기에 삽입 후, 0.5 mm 구경에 PTFE tube 와 연결한다. 산화 그래핀 분산용액을 주사기 펌프를 이용해 100 mL 의 2wt% NaOH (Ethanol:H₂O=1:1) 용액에 0.4 ml/min 속도로 분사하였다. 산화 그래핀 구조의 방향성 유지를 위해 고형화 챔버를 140 RPM 속도 회전시켰다. 이는 좀더 매끈한 형태로 섬유를 방사하기 위한 것으로, 일정한 속도의 환경에서 방사를 진행하였다. 너무 낮은 속도나 무회전 상태 혹은 과다하게 빠른 속도 (200 RPM 이상) 에서는 섬유의 균일성이 저하될 수 있다.

방사된 섬유는 50 mL 50% Ethanol 용액에 5분간 세척되었다. 테플론 롤러에 말린 채 24 시간 동안 자연 건조 후 60℃ 진공환경에서 3시간 추가 건조되었다.

<실시예 3 - 세슘 이온 제거 실험>

상기 실시예 2에서 합성된 산화 그래핀 복합체(탄소 섬유)를 100 ppm 농도에 CsCl 용액에 분산시켜 250 RPM 속도로 수용액과 교반되었다. 각각의 교반반응 시간 이후 섬유와 Cs 용액이 분리되고 ICP-MS 분석을 통해 Cs 농도의 차이를 분석하였다.

<실시예 4 - 세슘 이온 흡착제 재생>

상기 실시예 3에서 Cs 이온 흡착제로 활용되었던 탄소 섬유를, 0.1 M NaOH 용액에 10분 동안 담지하여, 탄소 섬유 표면에 흡착되었던 Cs⁺ 이온을 Na⁺ 이온으로 치환하여 흡착제 기능을 재생하였다. 이후 재생된 탄소 섬유는 상기 실시예 3에서와 동일한 방법으로 세슘 이온 제어 실험을 진행하였고, 세슘 제거 효율 역시 같은 ICP-MS 방법으로 동일하게 계산되었다.

시험예

<제조된 산화 그래핀 복합체 관찰>

합성된 산화 그래핀 복합체(Na-GO) 섬유는 기본 골격을 이루는 산화 그래핀과 세슘 이온 흡착에 기능성을 지닌 Na 이온 사이트 모두 표면에 골고루 분산되어 있다는 점을 EDS mapping을 통해 알 수 있었다(도 2a 참조). 또한, 전자현미경 분석을 통해 (SEM image) 이 Na-GO 섬유가 2차원에 박리된 산화 그래핀들의 다층구조로 이루어져 있다는 것을 확인하였다(도 2b 참조).

도 3a 내지 3c을 참조하면, 섬유화 과정에서 산화 그래핀에 육각형의 흑연 sp2 탄소구조를 유지하고 있으며 가장자리 부분에 존재하는 산소 기능기들도 유지를 하고 있는 것을 X-ray photospectroscopy (XPS) 분석을 통해 확인할 수 있고(도 3a 및 3b), 세슘 이온 흡착 기능을 수행하는 소디윰 원소의 존재를 확인할 수 있다(도 3c).

구체적으로, 도 3a는 탄소섬유에 골격을 이루는 산화 그래핀 구조를 보여주는 그래프이고, 도 3b는 그래핀 구조를 보여주는 C-sp² 픽과 산화된 기능기들인 C-OH, C=O, O-C=O 구조의 존재를 통해 산화 그래핀 구조가 유지되고 있다는 것을 나타내는 그래프이며, 도 3c는 산화 그래핀 복합체 표면의 Na 원소가 1071 eV 에너지 파장을 통해 1가의 상태로 존재하여 수용액 상에서 쉽게 이온치환화 될 수 있다는 것을 나타내는 그래프이다.

<세슘 이온 흡착 성능 분석>

합성된 Na-GO 탄소 섬유는 수용액상에 존재하는 Cs 이온을 매우 효율적으로 제거할 수 있다는 것을 확인하였다. 구체적으로, 도 4a의 Time curve 실험 결과를 참조하면, 초기농도 100 ppm 기준에서 탄소 섬유가 10분 안에 포화점(saturation point) 에 도달하고, 최대 160 mg/g 이상의 흡착도를 보여주는 것을 확인할 수 있으며, 이후 120-130 mg/g 에 효율을 보여주며 안정적인 흡착 평형(equilibrium)을 유지하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 도 4b의 Pesudo-second order model 매칭 결과를 참조하면, 탄소 섬유 표면에 존재하는 Na 기능기가 수용액 상에 존재하는 Cs 이온들과의 효율적인 이온치환을 하고 있으며, 주 메카니즘으로 화학흡착(chemisorptions) 이 주를 이루고 있음을 알 수 있다(Pesudo-first order model 과 매칭이 되면 물리적 흡착(Physisorption) 이 주를 이룸).

또한, 동일한 세슘 이온 흡착제를 여러 사이클 반복한 실험 결과인 도 4c를 참조하면, 세슘 이온 제거-재생 사이클을 반복했을 때도 처음과 비교하였을 때 세슘제거 효율이 전혀 떨어지지 않았고, 재현성이 우수하고 흡착율이 안정적인 것을 확인할 수 있었다.

<비교예>

상기 시험예 결과를 참조하면, 본 발명의 세슘 이온 흡착제는 기존에 학계에 보고 되어왔던 세슘 제염소재들보다 빠르게 세슘 이온을 제어할 수 있다(제거 효율 포화상태 시간 ~ 10분, 하기 표 1 참조). 기존의 보고된 산화 그래핀 기반 흡착제 (G0-membrane on CaF₂) 혹은 고분자 기반 흡착제 (PAN-KNiCF) 보다 최대 흡착용량이 크고 (기존 112-148 mg/g 대비 150-200 mg/g), 기존의 Prussian Blue 계열 물질들 (PSMGPB, PB NP, Iron Ferrite, 표 1) 보다 낮은 초기 농도의 (기존 100000 ppm 이상 대비 100 ppm 세슘 수용액)에서도 높은 반응성을 나타내고 있다. 또한 일회성 흡착이 아닌 쉽게 구할수 있는 NaOH 재생제를 통해 반영구정으로 활용할 수 있다는 측면에서 기존 흡착제보다 효율적인 측면이 극대화된 소재라고 볼 수 있다.

	Qe	Ci	K_d	t
	mg·g^-1	ppm	mL·g^-1	h
GO-membrane on CaF₂ ^a	148.0	87.3	-	0.5~32
PSMGPB^b	213.9	177300	5.0*10⁴	24
PB NP^c	127.7	13300	1.00*10	6
PAN-KNiCF^d	110.3	20~240	1.46*10⁵	24
iron ferrite	111.72	133~13300	8.15*10²	24
Na-GO fiber	150-200	100	1.64*10³	0.2
Q_e= equilibrium adsorption capacity. C_i = initial Cs+ concentration. C_f = final concentration. E = removal efficiency. t = sorption saturation time ^aCaF₂ supported by graphene oxide membrane. ^bpectin-stabilized magnetic graphene oxide Prussian blue nanocomposites. ^cPrussian-Blue nano particle. ^dPAN-based potassium nickel hexacyanoferrate (II) composite spheres. ^eMagnetic iron ferrite composite.

공정적인 측면에서도 기존의 복합적인 공정과 시료들을 활용하여 합성했었던 세슘 제어제와 비교하였을 때 (KR 10-2013-00003314, KR 10-2018-0037830, KR 10-1992-0014375, KR 10-2013-0116280) 별도의 복잡한 공정 없이 Dilute 한 NaOH 용액 상에서의 단순 습식방사를 통해서 섬유 형태의 소재를 합성할 수 있다는 측면에서 장점이 크다고 할 수 있다.

Claims

COO^-M⁺로 표시되는 친수성기를 가지는 산화 그래핀 복합체;을 포함하고,
상기 M은 H, Li, Na, K, Rb 또는 4차 아민인, 세슘 이온 흡착제.
제1항에 있어서,
상기 M의 함량은 상기 산화 그래핀 복합체 전체 중량을 기준으로 1 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는, 세슘 이온 흡착제.
제1항에 있어서,
상기 세슘 이온 흡착제는 직경 100 내지 500 ㎛의 산화 그래핀 섬유인 것을 특징으로 하는, 세슘 이온 흡착제.
제1항에 있어서,
상기 산화 그래핀 복합체는 2차원의 다층 구조인 것을 특징으로 하는, 세슘 이온 흡착제.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 세슘 이온 흡착제의 제조방법으로서,
산화 그래핀을 합성하는 단계; 및
상기 산화 그래핀을 M⁺OH^-로 표시되는 염을 포함하는 용액에 습식 방사하여 산화 그래핀 복합체를 합성하는 단계;를 포함하는 세슘 이온 흡착제의 제조방법.
(상기 M은 H, Li, Na, K, Rb 또는 4차 아민이다)
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 세슘 이온 흡착제를 이용하여, 세슘 이온을 제거하는 단계;를 포함하는, 세슘 이온 제거 방법.
제6항에 있어서,
상기 세슘 이온을 제거하는 단계는 수용액 상에서 이루어지는 것을 특징으로 하는, 세슘 이온 제거 방법.
제6항에 있어서,
상기 세슘 이온 제거 방법은,
상기 세슘 이온 흡착제를 M⁺OH^-로 표시되는 수용액에 담지하여 재생하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 세슘 이온 제거 방법.
(상기 M은 H, Li, Na, K, Rb 또는 4차 아민이다.)
제6항에 있어서,
상기 세슘 이온 제거 방법은, 초기 농도 100 ppm을 기준으로, 10분 내에 160mg/g에 도달하는 것을 특징으로 하는, 세슘 이온 제거 방법.