폴리비닐알코올 스펀지의 표면 개질을 통한 나노영가철의 부착성 향상 (Enhancement of Nanoscale Zero-valent Iron Immobilization on Polyvinyl Alcohol Sponge through Surface Modification)

서지정보

· 발행기관 : 대한환경공학회
· 수록지 정보 : 대한환경공학회지 / 41권 / 9호 / 473 ~ 482페이지
· 저자명 : 김영화, 서영교, 김효원, 황유훈

초록

목적 : 본 연구에서는 나노 영가철의 적용성을 높이기 위하여 지지체 소재에 고정화하는 방법을 택하였으며, 시중에서 쉽게 구할 수 있는 폴리비닐알코올 스펀지(PVA)를 지지체로 사용하였다. 나노 영가철을 고정화시키는 데 있어서 지지체와의 결합력을 향상시키는 것은 오염물질 제거 효율 증대 및 나노 영가철의 탈리를 방지하는 측면에서 중요하다고 판단하였다. 지지체와의 결합력을 향상시키기 위하여 PVA 표면을 아크릴산으로 개질하여 카르복실기를 유도하는 일련의 표면 개질 방법을 사용하였으며, 이를 통하여 나노 영가철 입자의 부착이 향상되는지 여부에 대하여 평가하였다.
방법 : 나노 영가철을 고정하기 위한 담체로써 공극률 90%, 평균 공극 크기 130 μm, 겉보기 밀도 0.082 g/cm3의PVA 스펀지를 사용하였으며, 취급에 용이하도록 0.3 × 0.3 × 0.3 cm3의 정육면체로 가공 후 사용하였다. PVA 스펀지는 아크릴산 및 과망간산칼륨과의 반응을 통하여 표면에 아크릴산 고분자를 유도하였다(PVA-AA). PVA-AA에 나노 영가철을 합성하기 위한 일련의 과정에서의 조건들을 최적화하였다. 고려한 조건은 나노 영가철의 전구 물질인Fe2+와 PVA의 질량 비율, Fe2+ 흡착 시간 및 NaBH4를 이용한 환원 시간이었다. PVA-AA의 Fe2+ 흡착량, 나노 영가철 합성 이후 SEM/EDS 분석을 실시하였으며, 질산성 질소 환원 실험을 통하여 환원 반응성을 평가하였다.
결과 및 토의 : AA로 개질된 지지체 소재(PVA-AA)의 Fe2+ 흡착량이 미개질 소재(PVA)의 경우보다 우수함을 확인할 수 있었고, 흡착 평형에 이르는 시간도 30분으로 단축되는 것을 확인할 수 있었다. 최적 질량 비율은Fe/PVA-AA = 1이었다. 이와 같은 결과는 AA를 이용한 표면 개질을 통하여 PVA 표면의 카르복실기를 형성하였고, 형성된 카르복실기가 철과의 강한 상호 결합을 유도하기 때문인 것으로 파악되었다. SEM/EDS를 통하여 분석한 결과, AA 개질을 통하여 PVA 스펀지 섬유 표면에 AA 고분자가 형성된 것을 확인할 수 있었고, 여기에 나노영가철이 결합된 형태를 확인하였다. AA 개질을 통하여 다량의 나노 영가철이 결합된 것을 확인하였으며, 환원시간을 0.5시간에서 1시간을 늘림에 따라 나노 영가철의 표면과 내부에서의 분포가 더욱 균일해지는 것을 확인할수 있었다. 최종적으로 질산성 질소 환원 실험을 통하여 환원 반응성을 평가하였으며, 표면 개질을 수행하였던PVA-AA-nZVI가 표면 개질을 수행하지 않은 PVA-nZVI에 비하여 환원 효율은 1.9배, 환원 속도는 3.5배 더 높은것으로 나타났다.
결론 : 나노 영가철의 단점을 개선하고 활용성을 높이기 위해 지지체를 활용함에 있어 부착성을 향상시키기 위한표면 개질 기술을 개발하고자 하는 목적으로 수행되었다. 시중에서 쉽게 구할 수 있는 PVA 스펀지 표면을 아크릴산을 개질함을 통하여 표면에 카르복실기를 다수 형성하여 나노 영가철의 부착 효율을 증대시킬 수 있었고, 더 높은 오염물질 환원 효율을 얻을 수 있었다. 영가철이 고정된 소재의 오염물질 환원율을 높이기 위해 중요한 인자는영가철의 함량이라고 할 수 있다. 담체 표면을 개질하고 합성하는 과정으로 영가철의 합성량을 높인 소재의 개발로실제 공정에 적용함에 있어 경제성과 오염물질의 제거 능력 모두 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

영어초록

Objectives : Nanoscale zero-valent iron (nZVI) is known to effectively remove various contaminants due to its small size and high specific surface area, but it is limited in practical water treatment processes due to its difficulty in recovery after use. In this study, a method of immobilizing nZVI on a support material was adopted in order to increase the applicability of nZVI. A polyvinyl alcohol sponge (PVA), which is readily available commercially, was used as a support. For the immobilization of nZVI, it was considered that improving the binding force with the support is essential in order to enhance the pollutant removal efficiency and prevent nZVI loss. A series of surface modification methods with acrylic acid to induce the formation of carboxyl groups were used to improve the bonding strength with the support.
Methods : A PVA sponge with a porosity of 90%, an average pore size of 130 μm, and an apparent density of 0.082 g/cm3 was used as a supporting material to immobilize nZVI. The PVA sponge was further cut into cubes of 0.3 × 0.3 × 0.3 cm3 for easy handling. The PVA sponge induced an acrylic acid polymer on the surface through the reaction of acrylic acid and potassium permanganate (PVA-AA). We optimized the conditions in a series of steps to synthesize nZVI on PVA-AA. The conditions considered were the mass ratio of Fe2+ and PVA, Fe2+ adsorption time, and the reduction time using NaBH4. A SEM/EDS analysis was performed to monitor the morphology of the synthesized nZVI on PVA-AA. The reduction reactivity was evaluated through nitrate reduction.
Results and Discussion : The amount of Fe2+ adsorption of the support material modified with AA (PVA-AA) was superior to that of the unmodified material (PVA), and the time to reach the adsorption equilibrium was shortened to 30 min. The optimum mass ratio was Fe/PVA-AA = 1. These results indicate that carboxyl groups are formed on the surface of PVA by surface modification using AA and that these carboxyl groups induce strong binding affinity toward iron. The SEM/EDS analysis results showed that AA polymer was formed on the surface of the PVA sponge fiber through AA modification. Moreover, a large amount of nZVI was formed on AA modified PVA (PVA-AA). As the reduction time was increased from 0.5 h to 1 h, the distribution of nZVI iron on the surface and inside the support was more uniform. Finally, the reducing reactivity was evaluated through a nitrate reduction experiment. The reduction efficiency and the reduction rate of PVA-AA-nZVI were 1.9 times and 3.5 times higher than those of PVA-nZVI, respectively.
Conclusions : A surface modification technology was developed to enhance nZVI immobilization on a commercially available supporting material. Through the modification of acrylic acid on the surface of a PVA sponge, which can be easily obtained on the market, it was possible to increase the attachment efficiency of nZVI by forming a large number of carboxyl groups on the surface, and subsequently higher pollutant reduction efficiency could be obtained. It is expected that both the economic efficiency and the ability to remove contaminants can be improved by the development of a material having an increased amount of nZVI by the surface modification technology developed in this study.

참고자료

· 없음