광그라프트 중합과 사차화 반응을 통한 수처리용 흡착/항균 기능성 PP-g-Vim 섬유 제조 Production of PP-g-Vim fiber having adsorption and antibacterial function for water treatment by photo-graft polymerization and subsequent quaternization원문보기
수처리 산업에 고도처리의 요구가 증가 되면서 여과, 막분리, 흡착 등 물리 화학적 처리기술이 폭넓게 사용되고 있다. 이에 따라 기존 기능성 여과소재의 개발은 미래 수처리 산업의 핵심으로 성장하고 있으며, 매년 관련 소재의 수요가 증가하고 있다. 생물막 오염(biofouling)은 흡착, 분리막 시스템의 가장 큰 문제다. 이와 같은 문제점을 해결하기위해 맴브레인 필터에 ...
수처리 산업에 고도처리의 요구가 증가 되면서 여과, 막분리, 흡착 등 물리 화학적 처리기술이 폭넓게 사용되고 있다. 이에 따라 기존 기능성 여과소재의 개발은 미래 수처리 산업의 핵심으로 성장하고 있으며, 매년 관련 소재의 수요가 증가하고 있다. 생물막 오염(biofouling)은 흡착, 분리막 시스템의 가장 큰 문제다. 이와 같은 문제점을 해결하기위해 맴브레인 필터에 항균성을 첨가하는 방법이 있다. 본 연구에서는 광그라프트(UV) 중합기술을 이용하여 섬유소재(PP)에 1-vinylimidazole 을 중합시킨 다음, methyl iodide, ethyl iodide, butyl iodide 및 isobutyl iodide를 이용하여 화학적 표면개질(4차화)을 하여 항균/흡착 기능성 소재를 제조한다. 벤조페논을 광 개시 제로 사용하여 광그라프트중합에 의해 PP 표면에 Vim을 그라프트 시켰다. 최적 그라프트 조건은 Vim 5 vol.%, 10-20 vol.% methanol, 80 ℃에서 5시간동안 광조사 하는 것이다. PP-g-Vim 4차화 최적조건은 실온에 반응시간 5시간이 적절하였다. 그라프트 중합체 및 이차 표면개질 중합체의 표면특성 및 화학적 구조 변화를 고찰하기 위하여 SEM(Shimadzu S-3000N), FT-IR (Magna IR Spectrometer 550) 분석 및 표면전위 분석을 하였고, 그람 음성균인 대장균(Escherichia coli, KCCM 11234)과 그람 양성균인 포도상구균(Staphylococcus aureus, KCCM 11335)에 대한 항균능을 평가하였다. PP-g-Vim소재의 항균능은 E. coli (6.758.0%), S. aureus (23.3～69.2%)지만 그라프트체인을 사차화 시킬 경우 (98.9～99.2%)높은 항균력을 보이지만 알킬기가 길어질수록 항균능과 흡착능은 저하된다. 4차화된 PP-g-Vim(PP-g-Vim-CH3I) 의 흡착제는 NO3-에 대한 회분식과 고정층 칼럼흡착실험을 하였다. PP-g-Vim-CH3I흡착제는 50%그라프트율에서 NO3-이온의 최대 흡착량을 보였다. 회분식 실험에서 흡착평형은 Langmuir 흡착등온식과 잘 일치하였으며, 단일층 최대 흡착량은 91.16 mg/g이었다. 또한 D-R model로부터 구한 흡착에너지는 9.03 kJ/mol로 PP-g-Vim-CH3I 흡착제의 NO3- 흡착과정이 이온교환반응에 의해 지배됨을 알 수 있었다, 파과곡선을 예측하고 흡착탑 설계에 유용한 칼럼상수들을 구하기 위해 3가지 BDST (Bed Depth Service Time), Bohart-Adams 및 Wolborska 모델에 실험 데이터를 적용해 보았다. Bohart-Adams model로부터 구한 고정층의 최대 흡착량은 108.6 mg/g이고, 흡착능은 공존하는 음이온 SO4에 영향을 받는다. 물질전달영역의 길이는 BDST model에 의해 3.25 mm 로 계산되었다. PP-g-Vim-CH3I 소재는 HCl, NaCl 로 간단한 세척공정을 거쳐 항균/흡착능을 크게 저하시키지 않고 여러번 재생할수 있다. 결과적으로 PP-g-Vim-CH3I는 지하수에서 항균 및 NO3-흡착제로 사용할 수 있다.
수처리 산업에 고도처리의 요구가 증가 되면서 여과, 막분리, 흡착 등 물리 화학적 처리기술이 폭넓게 사용되고 있다. 이에 따라 기존 기능성 여과소재의 개발은 미래 수처리 산업의 핵심으로 성장하고 있으며, 매년 관련 소재의 수요가 증가하고 있다. 생물막 오염(biofouling)은 흡착, 분리막 시스템의 가장 큰 문제다. 이와 같은 문제점을 해결하기위해 맴브레인 필터에 항균성을 첨가하는 방법이 있다. 본 연구에서는 광그라프트(UV) 중합기술을 이용하여 섬유소재(PP)에 1-vinylimidazole 을 중합시킨 다음, methyl iodide, ethyl iodide, butyl iodide 및 isobutyl iodide를 이용하여 화학적 표면개질(4차화)을 하여 항균/흡착 기능성 소재를 제조한다. 벤조페논을 광 개시 제로 사용하여 광그라프트중합에 의해 PP 표면에 Vim을 그라프트 시켰다. 최적 그라프트 조건은 Vim 5 vol.%, 10-20 vol.% methanol, 80 ℃에서 5시간동안 광조사 하는 것이다. PP-g-Vim 4차화 최적조건은 실온에 반응시간 5시간이 적절하였다. 그라프트 중합체 및 이차 표면개질 중합체의 표면특성 및 화학적 구조 변화를 고찰하기 위하여 SEM(Shimadzu S-3000N), FT-IR (Magna IR Spectrometer 550) 분석 및 표면전위 분석을 하였고, 그람 음성균인 대장균(Escherichia coli, KCCM 11234)과 그람 양성균인 포도상구균(Staphylococcus aureus, KCCM 11335)에 대한 항균능을 평가하였다. PP-g-Vim소재의 항균능은 E. coli (6.758.0%), S. aureus (23.3～69.2%)지만 그라프트체인을 사차화 시킬 경우 (98.9～99.2%)높은 항균력을 보이지만 알킬기가 길어질수록 항균능과 흡착능은 저하된다. 4차화된 PP-g-Vim(PP-g-Vim-CH3I) 의 흡착제는 NO3-에 대한 회분식과 고정층 칼럼흡착실험을 하였다. PP-g-Vim-CH3I흡착제는 50%그라프트율에서 NO3-이온의 최대 흡착량을 보였다. 회분식 실험에서 흡착평형은 Langmuir 흡착등온식과 잘 일치하였으며, 단일층 최대 흡착량은 91.16 mg/g이었다. 또한 D-R model로부터 구한 흡착에너지는 9.03 kJ/mol로 PP-g-Vim-CH3I 흡착제의 NO3- 흡착과정이 이온교환반응에 의해 지배됨을 알 수 있었다, 파과곡선을 예측하고 흡착탑 설계에 유용한 칼럼상수들을 구하기 위해 3가지 BDST (Bed Depth Service Time), Bohart-Adams 및 Wolborska 모델에 실험 데이터를 적용해 보았다. Bohart-Adams model로부터 구한 고정층의 최대 흡착량은 108.6 mg/g이고, 흡착능은 공존하는 음이온 SO4에 영향을 받는다. 물질전달영역의 길이는 BDST model에 의해 3.25 mm 로 계산되었다. PP-g-Vim-CH3I 소재는 HCl, NaCl 로 간단한 세척공정을 거쳐 항균/흡착능을 크게 저하시키지 않고 여러번 재생할수 있다. 결과적으로 PP-g-Vim-CH3I는 지하수에서 항균 및 NO3-흡착제로 사용할 수 있다.
In recent years, as the demand for advanced treatments has been increasing in the water treatment industry, physicochemical separation technologies such as membrane filtration, reverse osmosis, and adsorption separation have come into wide use. Accordingly, development of functional materials for fi...
In recent years, as the demand for advanced treatments has been increasing in the water treatment industry, physicochemical separation technologies such as membrane filtration, reverse osmosis, and adsorption separation have come into wide use. Accordingly, development of functional materials for filtration is important to the growth of the water treatment industry as the demand for these materials has been steadily increasing every year. Biofouling is an important and common problem affecting the application of membrane and adsorbent based separation technologies in water and wastewater treatment. In this case, constructing an antibacterial membrane surface is knows as one of the useful anti-biofouling strategies. In this study, the surface of polypropylene (PP) fiber was modified by graft polymerization of 1-vinylimidazole (Vim) along with UV-induced polymerization, followed by quaternization with alkyl iodides such as methyl iodide, ethyl iodide, butyl iodide and isobutyl iodide to endow the antibacterial/adsorption functional surface. Vim was successfully grafted onto PP surface by photo-induced graft polymerization using benzophenone as a photo-initiator. A concentration of Vim 5 vol.% in 10-20 vol.% methanol, a photoirradiation time of 5 h, and a reaction temperature of 80 ℃ proved to be optimal for the grafting of Vim onto PP. The grafted Vim groups were effectively converted into quaternary groups upon reaction with alkyl iodides for 5 h at room temperature. The modified PP fibers were characterized by FT-IR, SEM, and surface charge analyses. The antibacterial activities of the modified PP fibers were assessed against the Gram-negative microorganism, Escherichia coli (E. coli), and Gram-positive bacteria, Staphylococcus aureus (S. aureus). The grafted Vim onto PP (PP-g-Vim) exhibited low antibacterial activities against both E. coli (6.7-58.0%) and S. aureus (23.3-69.2%), even though their antibacterial activities increased with the degree of grafting (25-100%). The antibacterial activity of PP-g-Vim was greatly improved by quaternization (98.9-99.2%). Increasing the carbon chain length of alkyl iodides for quaternizing Vim groups, resulting in decreasing the antibacterial activity and anion exchange capacity of the quaternized PP-g-Vim fiber. The removal of nitrate ion by quaternized PP-g-Vim with methyl iodide (PP-g-Vim-CH3I) was studied in a batch mode and fixed bed columns. PP-g-Vim-CH3I fiber showed the maximum adsorption capacity of NO3- ion at the degree of grafting of 50 wt.%. The kinetic and equilibrium data obtained from the batch experiments follow the second-order kinetics and fit well with the Langmuir isotherm model. The sorption energy determined from D-R model was 9.03 kJ/mol indicating an ion-exchange process as the primary adsorption mechanism. To determine the characteristic parameters of the column useful for process design, three mathematical models; Bed Depth Service Time(BDST), Bohart-Adams and Wolborska models were applied to experimental data obtained from the fixed bed columns with varying bed heights. The fixed bed adsorption capacity determined from the Bohart-Adams model was 108.5 mg/g close to the value determined in the batch process. The adsorption capacity was significantly affected by coexisting anions, especially sulfate ion. The thickness of mass-transfer zone was calculated to be approximately 3.25 mm from DBST model. The PP-g-Vim-CH3I fiber could be regenerated by a simple acid or salt water washing process without a serious lowering the antibacterial activity and adsorption capacity. Consequently, all results suggest that PP-g-Vim-CH3I fiber can be used as an antibacterial and adsorbent for removal of nitrate from ground water.
In recent years, as the demand for advanced treatments has been increasing in the water treatment industry, physicochemical separation technologies such as membrane filtration, reverse osmosis, and adsorption separation have come into wide use. Accordingly, development of functional materials for filtration is important to the growth of the water treatment industry as the demand for these materials has been steadily increasing every year. Biofouling is an important and common problem affecting the application of membrane and adsorbent based separation technologies in water and wastewater treatment. In this case, constructing an antibacterial membrane surface is knows as one of the useful anti-biofouling strategies. In this study, the surface of polypropylene (PP) fiber was modified by graft polymerization of 1-vinylimidazole (Vim) along with UV-induced polymerization, followed by quaternization with alkyl iodides such as methyl iodide, ethyl iodide, butyl iodide and isobutyl iodide to endow the antibacterial/adsorption functional surface. Vim was successfully grafted onto PP surface by photo-induced graft polymerization using benzophenone as a photo-initiator. A concentration of Vim 5 vol.% in 10-20 vol.% methanol, a photoirradiation time of 5 h, and a reaction temperature of 80 ℃ proved to be optimal for the grafting of Vim onto PP. The grafted Vim groups were effectively converted into quaternary groups upon reaction with alkyl iodides for 5 h at room temperature. The modified PP fibers were characterized by FT-IR, SEM, and surface charge analyses. The antibacterial activities of the modified PP fibers were assessed against the Gram-negative microorganism, Escherichia coli (E. coli), and Gram-positive bacteria, Staphylococcus aureus (S. aureus). The grafted Vim onto PP (PP-g-Vim) exhibited low antibacterial activities against both E. coli (6.7-58.0%) and S. aureus (23.3-69.2%), even though their antibacterial activities increased with the degree of grafting (25-100%). The antibacterial activity of PP-g-Vim was greatly improved by quaternization (98.9-99.2%). Increasing the carbon chain length of alkyl iodides for quaternizing Vim groups, resulting in decreasing the antibacterial activity and anion exchange capacity of the quaternized PP-g-Vim fiber. The removal of nitrate ion by quaternized PP-g-Vim with methyl iodide (PP-g-Vim-CH3I) was studied in a batch mode and fixed bed columns. PP-g-Vim-CH3I fiber showed the maximum adsorption capacity of NO3- ion at the degree of grafting of 50 wt.%. The kinetic and equilibrium data obtained from the batch experiments follow the second-order kinetics and fit well with the Langmuir isotherm model. The sorption energy determined from D-R model was 9.03 kJ/mol indicating an ion-exchange process as the primary adsorption mechanism. To determine the characteristic parameters of the column useful for process design, three mathematical models; Bed Depth Service Time(BDST), Bohart-Adams and Wolborska models were applied to experimental data obtained from the fixed bed columns with varying bed heights. The fixed bed adsorption capacity determined from the Bohart-Adams model was 108.5 mg/g close to the value determined in the batch process. The adsorption capacity was significantly affected by coexisting anions, especially sulfate ion. The thickness of mass-transfer zone was calculated to be approximately 3.25 mm from DBST model. The PP-g-Vim-CH3I fiber could be regenerated by a simple acid or salt water washing process without a serious lowering the antibacterial activity and adsorption capacity. Consequently, all results suggest that PP-g-Vim-CH3I fiber can be used as an antibacterial and adsorbent for removal of nitrate from ground water.
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