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문제 정의
- 이와 같은 등전점에서는 입자간의 반발력이 없어지기 때문에 입자들의 응집현상이 발생하며, 이로 인하여 Ag 입도가 현저히 커지는 것으로 보고되어 있다 [6]. 따라서 본 연구에서는 50 nm 이하의 Ag 콜로이드를 세라믹 볼에 첨가시켜 항균성을 향상시키기 위한 목적으로 수용액의 pH를 6~7의 중성으로 유지하였다.
- 이와 같은 배경으로 인하여 음용수중의 중금속 및 유해 세균을 효과적으로 제거하기 위해서는 내열, 내식성, 내화학성이 우수한 세라믹 성형체에 초미립의 분산성이 우수한 Ag 입자를 첨가시키는 기술이 필요시 되고 있다. 이에 본 연구에서는 금속이온과 양이온 교환반응이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화성이 우수한 생체재료의 대표적인 Ca10(PO4)6(OH)2에 나노크기로 단분산된 Ag 콜로이드를 첨가시켜 음용수중의 중금속을 흡착함과 동시에 항균성의 기능을 나타내는 다공성 세라믹 볼을 제조하고 이에 대한 특성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼을 이용한 음용수중의 중금속 흡착의 성능시험은 원수의 중금속 함량을 먼저 측정한 뒤 이 원수에 세라믹 볼을 담지 시키고 1~7일 후에 각각의 검액을 채취하여 AAS(Hitachi, Z-8200)를 이용하여 중금속에 대한 흡착성을 측정하였다. 그리고 음용수중의 항균성에 대한 성능시험은 수질오염 공정시험 방법에 따른 평판집락법으로 대장균 군수를 분석하였다.
- 58000, Acros organics)를 이용하였다. 그리고 Ag 콜로이드의 수율을 향상시키기 위하여 2×10-3 M의 NaOH (98 %, Merck)를 이용하였으며, 환원제로서 NaBH4(96 %, Kanto chemical)를 사용하여 수용액의 pH가 중성이 되도록 조절하였다. 여기에서 얻어진 Ag 콜로이드는 UV- VIS(Hitachi, U-3501)을 이용하여 정성적인 분석을 행하였으며, TEM(Hitachi, U-7100)을 이용하여 Ag 입자의 분포 및 형상 등을 관찰하였다.
- 4에 나타낸 제조공정에서 알 수 있는 것처럼 중금속 이온의 교환능력이 뛰어날 뿐만 아니라 환경 친화성이 우수한 생체재료의 대표적인 Ca10(P04)6(OH)를 주원료로 하였다[8]. 그리고 물과 반응하는 특성이 있기 때문에 가소성과 함께 고온 소성시에 결합력이 있는 α-Ca3(PO4)2를 세라믹 볼의 성형체 제조를 위한 바인더로 사용하였 으며, 세라믹 볼에 대한 다공성을 향상시키기 위하여 PVA를 이용하였다. 이들에 대한 혼합비율은 Ca10(P04)6(OH)2와 α-Ca3(PO4)2 및 PVA를 80:15:5 wt%로 하였으며, 물과 C2H5OH를첨가시켜 구형의 성형체로 제조한 뒤 100°C 에서 24시간 동안 건조를 하였다.
- 여기에서 얻어진 Ag 콜로이드는 UV- VIS(Hitachi, U-3501)을 이용하여 정성적인 분석을 행하였으며, TEM(Hitachi, U-7100)을 이용하여 Ag 입자의 분포 및 형상 등을 관찰하였다. 그리고 전기영동 광산란법(Matec, ESA-9800)을 이용하여 Ag 콜로이드의 입도변화가 밀접한 관계를 나타내는 것으로 알려진 제타전위를 측정하였다.
- 본 연구에서는 환경친화적이면서 생체친화성이 우수한 Ca10(P04)6(OH)2를 주원료로 하고 PVA와 α-Ca3(PO4)2를 바인더로 한 다공성 세라믹 볼을 제조한 뒤 분산성이 우수한 Ag 콜로이드를 첨가하여 음용수중의 중금속흡착 및 항균성에 대한 성능을 고찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 그리고 Ag 콜로이드의 수율을 향상시키기 위하여 2×10-3 M의 NaOH (98 %, Merck)를 이용하였으며, 환원제로서 NaBH4(96 %, Kanto chemical)를 사용하여 수용액의 pH가 중성이 되도록 조절하였다. 여기에서 얻어진 Ag 콜로이드는 UV- VIS(Hitachi, U-3501)을 이용하여 정성적인 분석을 행하였으며, TEM(Hitachi, U-7100)을 이용하여 Ag 입자의 분포 및 형상 등을 관찰하였다. 그리고 전기영동 광산란법(Matec, ESA-9800)을 이용하여 Ag 콜로이드의 입도변화가 밀접한 관계를 나타내는 것으로 알려진 제타전위를 측정하였다.
- 음용수중의 항균성에 대한 성능시험을 하기 위해 먼저 원수에 대한 성상을 분석하였다. 그 결과 원수는 온도: 21.
- 한편, 상기에서 서술한 순서에 의해 얻어진 Ag 콜로이드에 대해서는 입자크기, 분포, 농도를 분석하기 위하여 UV-VIS 측정을 행하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 일반적으로 나노크기의 Ag 입자는 400~450 nm 영역에서 강한 흡수피크가 나타나며, 이때의 입자크기는 약 20~30 nm 정도인 것으로 보고되고 있다[7].
대상 데이터
- Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼은 Fig. 4에 나타낸 제조공정에서 알 수 있는 것처럼 중금속 이온의 교환능력이 뛰어날 뿐만 아니라 환경 친화성이 우수한 생체재료의 대표적인 Ca10(P04)6(OH)를 주원료로 하였다[8]. 그리고 물과 반응하는 특성이 있기 때문에 가소성과 함께 고온 소성시에 결합력이 있는 α-Ca3(PO4)2를 세라믹 볼의 성형체 제조를 위한 바인더로 사용하였 으며, 세라믹 볼에 대한 다공성을 향상시키기 위하여 PVA를 이용하였다.
- 15000, Daejung chemical)와 α-Ca3(PO4)2를 바인더로 사용하였다. 그리고 혼합물이 최적의 성형체가 될 수 있는 가소성(plasticity)을 나타낼 때까지。C2H5OH(99.5 %, Junsei)와 물을 첨가한 다음 약 10 mm의 직경을 가지는 구형으로 제조하였다. 성형체는 나노크기의 Ag 콜로이드 수용액에 5시간 동안 침적시킨 후 80°C의 온도에서 24시간 동안 건조를 하였으며, 급격한 온도변화로 인한 균열을 방지하기 위해 승온속도를 3°C/minS.
- 수용액중에 단분산된 Ag 콜로이드를 제조하기 위하여 본 연구에서는 AgNO3(99.9 %, Kojima chemical)를 출발원료로 사용하였으며 , 분산안정제로서 PVP((C6H9NO)n, M.W. 58000, Acros organics)를 이용하였다. 그리고 Ag 콜로이드의 수율을 향상시키기 위하여 2×10-3 M의 NaOH (98 %, Merck)를 이용하였으며, 환원제로서 NaBH4(96 %, Kanto chemical)를 사용하여 수용액의 pH가 중성이 되도록 조절하였다.
- 한편, 다공성 세라믹 볼의 제조는 환경친화적이면서 생체친화성(bio-compatibility)이 매우 우수한 Ca10(PO)4)6(OH)2를 주원료로 이용하고 PVA((CH2CH(OH)n, M.W. 15000, Daejung chemical)와 α-Ca3(PO4)2를 바인더로 사용하였다. 그리고 혼합물이 최적의 성형체가 될 수 있는 가소성(plasticity)을 나타낼 때까지。C2H5OH(99.
이론/모형
- 중금속에 대한 흡착성을 측정하였다. 그리고 음용수중의 항균성에 대한 성능시험은 수질오염 공정시험 방법에 따른 평판집락법으로 대장균 군수를 분석하였다.
- 777 mg/l 이었으며, 여기에 존재하고 있는 대장균 군수는 7,500 개/ml이었다. 여기서 본 성능실험은 수질환경 보전법 제 8조에 명시된 수질오염 공정시험방법에 따른 평판집락법으로 측정하였다. 이 방법은 시료를 유당이 함유된 한천 배지에 배양할 때 한 마리의 대장균이 증식하면서 산을 생산하며 하나의 집락을 형성한다.
성능/효과
- 1) Ag 입자들의 응집현상을 방지하기 위한 13.5×10-2 M의 PVP 수용액에 9×10-2 M로 조절된 AgNO3를 첨가하고 수율을 향상시키기 위한 2×10-3 M의 NaOH와 NaBH4를 환원제로 하여 수용액의 pH를 6~7의 중성으로 유지한 조건에서 분산성이 우수한 Ag 콜로이드를 얻을 수 있었다.
- 2) 상기의 조건에서 얻어진 Ag 콜로이드는 약 20~40 nm 크기의 구형 Ag 입자들이 균일하게 분산되어 있음을 TEM 분석결과를 통하여 알 수 있었으며, 이 결과는 400~450 nm 부근에서 강한 흡수피크와 협소한 밴드 폭을 나타내는 UV-VIS 분석결과와 잘 일치하였다.
- 3) Ag 콜로이드가 첨가된 다공성의 세라믹 볼을 이용하여 음용수중의 Cu, Zn, Mn 등과 같은 중금속의 흡착제거에 대한 성능시험을 행한 결과, 함유량이 가장 높은 Cu 성분의 제거율이 탁월하였으며, 1일 후에는 모든 중금속이 0.03 mg/l 이하로 제거되는 우수한 성능을 나타내었다. 이와 같은 결과로부터 본 연구에서 개발한 Ag 콜로이드가 첨가된 다공성의 세라믹 볼은 음용수의 수질 개선용 등으로 폭넓게 활용될 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 4) Ag 콜로이드가 첨가된 다공성의 세라믹 볼을 이용하여 음용수중의 항균성에 대한 성능시험을 행한 결과, 3시간 후 모든 대장균이 멸균되는 우수한 살균력을 나타내었다. 이와 같은 결과로부터 본 연구에서 개발한 Ag 콜로이드가 첨가된 다공성의 세라믹 볼은 음용수 중의 항균성용 등으로 크게 활약할 수 있다는 결론을 얻었다.
- Ag 원자가 클러스터 상태로 수용액에 분산된 Ag 콜로이드를 합성하기 위하여 AgNO3, AgSO4, AgCl 등을 검토한 결과 AgSO4 및 AgCI에 비교하여 AgNO3는 수용성일 뿐만 아니라 pH의 제어가 용이하였기 때문에 가장 최적의 출발원료로 사용할 수 있었다. 이와 같은 AgNO3 를 출발원료로 하는 Ag 콜로이드의 제조는 다음과 같은 순서로 행하였다.
- 음용수중의 항균성에 대한 성능시험을 하기 위해 먼저 원수에 대한 성상을 분석하였다. 그 결과 원수는 온도: 21.6°C, pH: 7, BOD: 6.7 mg/l, COD: 10.3 mg/l, SS: 6.6 mg/l, T-N: 18.673 mg/l, T-P: 1.777 mg/l 이었으며, 여기에 존재하고 있는 대장균 군수는 7,500 개/ml이었다. 여기서 본 성능실험은 수질환경 보전법 제 8조에 명시된 수질오염 공정시험방법에 따른 평판집락법으로 측정하였다.
- 이 결과로부터 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼은 Cu 성분의 흡착 제거율이 탁월하다는 것을 알 수 있었다. 그리고 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼을 음용수에 담지시킨 1일 후에는 Zn, Mn, Cu 등의 모든 중금속이 0.03 mg/l 이하로 제거되는 우수한 성능을 보였기 때문에 본 연구에서 개발한 다공성 세라믹 볼은 충분히 상용화될 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 따라서 음용수 등에 있어서 중금속의 흡착은 Cu 성분의 제거가 가장 중요한 요소로 작용한다. 본 연구에서 다공성 세라믹 볼의 제조를 위하여 사용한 Ca10(P04)6(OH)2는 결정구조 내에 포함되어 있는 Ca2+ 이온과 OH- 이온의 작용으로 물 속에 포함되어 있는 산성 및 염기성 성분을 강하게 흡착하며, 특히 Ca2+ 이온의 위치에 이온 반경이 유사한 중금속 이온이 치환되어 제거되는 효과를 얻을 수 있다. Fig.
- 또한, 흡수피크의 밴드가 넓으면 다양한 크기의 Ag 입자들이 다분산 되어 있으며, 밴드가 협소하면 단분산 되어있음을 의미한다. 본 연구에서 제조한 Ag 콜로이드는 400-450 nm 영역에서 강한 흡수피크와 협소한 흡수밴드를 나타내고 있기 때문에 Ag 입자들이 미세할 뿐만 아니라 단분산 되어 있음을 알 수 있었다. 그리고 Fig.
- 7에는 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼에 대한 중금속 흡착 제거실험의 결과를 나타내었다. 이 결과로부터 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼은 Cu 성분의 흡착 제거율이 탁월하다는 것을 알 수 있었다. 그리고 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼을 음용수에 담지시킨 1일 후에는 Zn, Mn, Cu 등의 모든 중금속이 0.
- 8에는 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼에 대한 항균성의 성능을 실험한 결과를 나타내었다. 이 결과에 의하면 원수에 존재하는 대장균 군수 7,500 개/ml는 1 시간이 경과되었을 때 6,100 개/ml가 멸균되었으나 3시간이 경과되면서 모두 멸균되는 탁월한 살균력을 보였다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 개발한 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼은 중금속의 흡착 제거 및 항균성에 대한 우수한 성능을 보였기 때문에 음용수뿐만 아니라 다양한 수질을 개선시킬 수 있다는 점에서 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼은 다양한 분야에서 크게 활약할 것으로 기대되며, 나아가서는 상용화에 따른 산업적, 경제적인 측면에서도 그 파급효과는 매우 클 것으로 판단된다.
- 3은 TEM을 이용하여 Ag 콜로이드의 미세관찰을 행한 결과를 나타내었다. 이 결과에서 알 수 있듯이 제조된 Ag 콜로이드 입자의 크기는 약 20~40nm 이었으며, 구형의 입자들이 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 400~450 nm 부근에서 강한 흡수피크를 나타낼 뿐만 아니라 협소한 흡수밴드의 폭을 가지는 UV-VIS 및 제타전위 값의 분석결과와 잘 일치하였다.
- 이와 같은 결과로부터 본 연구에서 개발한 Ag 콜로이드가 첨가된 다공성의 세라믹 볼은 음용수 중의 항균성용 등으로 크게 활약할 수 있다는 결론을 얻었다.
후속연구
- 이 결과에 의하면 원수에 존재하는 대장균 군수 7,500 개/ml는 1 시간이 경과되었을 때 6,100 개/ml가 멸균되었으나 3시간이 경과되면서 모두 멸균되는 탁월한 살균력을 보였다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 개발한 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼은 중금속의 흡착 제거 및 항균성에 대한 우수한 성능을 보였기 때문에 음용수뿐만 아니라 다양한 수질을 개선시킬 수 있다는 점에서 Ag 콜로이드가 첨가된 세라믹 볼은 다양한 분야에서 크게 활약할 것으로 기대되며, 나아가서는 상용화에 따른 산업적, 경제적인 측면에서도 그 파급효과는 매우 클 것으로 판단된다.
- 03 mg/l 이하로 제거되는 우수한 성능을 나타내었다. 이와 같은 결과로부터 본 연구에서 개발한 Ag 콜로이드가 첨가된 다공성의 세라믹 볼은 음용수의 수질 개선용 등으로 폭넓게 활용될 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다.
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