CO2와 Cu(Ⅱ) 흡착을 위해 표면 개질된 다공성 실리카 물질에 대한 연구
Surface-modified mesoporous silica material for adsorption of CO2 and Cu(Ⅱ)
- 주제(키워드) 도움말 porous , surface modify , adsorption
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 임종성
- 발행년도 2014
- 학위수여년월 2014. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000053295
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약 도움말
지구온난화 및 생태계 파괴가 심각해짐에 따라 CO2및 중금속 배출로 인한 오염을 해결하고자 본 연구를 시도하였다. 환경 오염 유발 물질을 처리하기 위해 SBA-15나 MCM-41과 같은 mesoporous 소재에 기능기를 도입한 흡착제들을 이용하고 있으나, 이러한 흡착제들은 입자형태로 대량 생산이 어려우며, 흡착모듈에 충진시 추가 비용이 발생하고, 압력손실이 큰 단점을 갖고 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 foam형태를 갖는 SBA-15 (SBA-15 foam)과 이중벽 구조로 이루어진 silica nanotube (Double-walled silica nanotube, DWSNT)를 제조하고 그 표면에 다양한 아민기를 도입하여 CO2와 Cu2+를 흡착 성능을 시험 분석하였다. CO2 흡•탈착량은 TGA를 이용하여 흡착과 탈착시 무게변화로 계산하였으며, Cu2+ 흡착능은 ICP-AES를 이용하여 역적정을 통해 분석하였다. SBA-15 foam은 PU foam을 지지체로 하여, SBA-15의 제조단계의 졸 (sol)을 흡착시킨 후 숙성(aging) 및 소성(sintering) 공정을 거쳐 제조화였다. 이러한 SBA-15 foam은 mesopore와 macropore가 공존하는 구조체로, 이 구조체에 기상반응을 이용하여 (3-aminopropyl)-trimethoxysilane (APTMS)를 도입하면서 아민기를 고정하였다. 아민기를 도입 후 CO2 흡착능을 확인하였고, powder 형태의 SBA-15보다 좋은 효능을 확인하였다. SBA-15나 MCM-41과 같은 다공성소재보다 기공크기가 큰 silica nanotube가 이중벽을 갖도록 하여 낮은 비표면적을 보완하면서 큰 분자에 대해서도 우수한 흡착량을 갖도록 하였다. DWSNT에 1차 아민, 2차 아민, 3차 아민, di-아민, tri-아민을 도입하여 CO2 흡∙탈착능을 비교분석 하였고, 도입된 아민량이 증가함에 따라 높은 흡착능을 가졌다. 추가적으로 DWSNT에 다양한 아민기를 도입하여 Cu2+ 흡착능을 분석하였다. Cu2+ 이온이 흡착 후 결정성장 메카니즘을 도입하여, 수용액상에서 중금속 이온을 효율적으로 흡착시키는 방법을 제안하였다. FT-IR과 X-ray diffraction (XRD)를 통해 메커니즘에 대해 분석하였으며, 결정 성장의 가장 큰 요소는 pH임을 확인하였다. 기존 흡착제에 비해 수용액상에서 Cu2+의 흡착능이 3배 이상을 보여, 제안된 흡착 및 결정성장을 통한 중금속 수처리 방법이 우수함을 확인하였다. 본 연구에서 제조한 foam형태를 갖는 SBA-15와 흡착제 표면에서의 중금속 이온의 흡착 및 결정성장 메카니즘은 CO2와 Cu2+의 흡착 및 제거라는 본 연구의 주 목적 외에도 새로운 촉매 개발, 화학센서제조, 회로패턴닝 등에 적용 가능할 것으로 기대된다.
more초록/요약 도움말
In this study, as destruction of ecosystems and global warming become more serious, research to solve the pollution caused by emission of CO2 and heavy metal was progressed. Adsorbents with functional group-immobilized mesoporous materials such as SBA-15 and MCM-41 have been used in order to remove environmental pollution inducer. But, these adsorbents have some disadvantages such as difficult to mass production, generation of additional costs at the time of filling in the adsorption module and large pressure loss. In this research produced various amine-immobilized on foam formed SBA-15 (SBA-15 foam) and Double-walled silica nanotube (DWSNT) to solve these problems. After produced materials, their CO2 and copper(Ⅱ) adsorption capacity was analyzed by thermogravimetric analysis (TGA) and inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-AES). SBA-15 foam was prepared by aging and sintering after adsorption used polyurethane foam (PU foam) as supporting material. SBA-15 foam has both macropore and mesopore. And immobilize amine on SBA-15 foam by using vapor phase reaction of (3-aminopropyl)-trimethoxysilane (APTMS). As a result of check CO2 adsorption capacity of amine-immobilized SBA-15 foam, confirmed more efficient than that of the SBA-15 powder foam. Silica nanotube has a double-wall complementing the low specific surface area and a larger pore than porous materials such as SBA-15 or MCM-41 for superior adsorption capacity about the large molecules. A comparative study of CO2 adsorption/desorption on primary amine, secondary amine, tertiary amine, di-amine, and tri-amine immobilized double walled silica nanotubes were carried out. Introduced amine content has been increased, it was confirmed to have high adsorption capacity. In addition, we analyzed Cu2+ adsorption of various amine-immobilized DWSNTs. After adsorption Cu2+ ion, we proposed an effective method by applied crystal growth mechanism that adsorbed heavy metal ion in an aqueous solution. Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR) and X-ray diffraction (XRD) were used to analyze the mechanism and it showed pH was the most of important factor. The adsorption capacity of Cu2+ represents at least three times in an aqueous solution on compared to existing adsorbents. It was confirmed that the proposed water treatment process of heavy metals through the crystal growth and adsorption is excellent. In this paper, synthesized SBA-15 foam and mechanism on the crystal growth and adsorption of heavy metal ion on the surface of adsorbents are expected to be applicable to novel catalysts, chemical sensor, circuit patterning.
more