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DFT 계산을 활용한 Sulfonamide계 항생물질의 활성탄 흡착에 관한 연구

A Study on the Adsorption of Sulfonamide Antibiotics on Activated Carbon Using Density Functional Theory

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.7, 2013년, pp.457 - 463  

조준호 (창원대학교 환경공학과) ,  임동희 (한국과학기술연구원) ,  서규태 (창원대학교 환경공학과)

초록
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본 연구는 수계에 잔류된 미량오염물질활성탄 여과공정을 통해 제거되는 메커니즘을 파악하고자 입상활성탄(GAC)을 이용하여 sulfonamide계 항생물질(SAs)에 대한 흡착제거 실험 및 Density functional theory (DFT)를 활용한 흡착 모델링 계산을 수행하였다. 활성탄 흡착실험결과 1시간 및 24시간 동안의 흡착 제거율은 각각 68.4~90.7% 그리고 99.0~99.9%로 나타났으며, 두 가지 경우 모두 흡착 제거율의 크기는 sulfamethazine (SMZ) > sulfathiazole (STZ) > sulfamethoxazole (SMTZ)의 순으로 높게 나타났다. DFT 흡착 모델링 계산 결과에서는, graphene 모형에 대한 SAs의 결합 형태는 SAs의 공통부분인 4-aminobenzenesulfonamide 고리 부분을 통하여 안정된 흡착형태를 나타내었으며, SMTZ의 경우에는 반대쪽 고리인 3-methyl-1,2-oxazol-5-amine 고리 부분과의 결합이 우세한 것으로 나타났다. 또한 흡착물의 형태가 보존되는 흡착모형에서의 흡착에너지는 SMZ, STZ, 그리고 STMZ가 각각 -4.91, -4.64, 그리고 -4.62 eV로 나타났다(흡착에너지 강도: SMZ > STZ > STMZ). 이는 흡착제거실험에서 측정된 흡착제거율 크기와도 일치되는 경향을 나타낸다. 또한, SAs 물질이 분해되면서 흡착될 때 발생될 수 있는 구조상의 특성 변화에 대한 정보를 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The removal of sulfonamide antibiotics (SAs) by activated carbon was investigated by using granular activated carbon (GAC) tests and density functional theory (DFT) simulations. The GAC absorption tests show the removal efficiency of 68.4~90.7% and 99.0~99.9% in 1 and 24 hours, respectively. In both...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 연구에서는 이러한 잔류 항생물질 중 sulfonamide계 항생물질의 처리를 위해 활성탄 여과공정에서 일어나는 흡착메커니즘을 규명하고자 실제적인 흡착 제거 실험을 통한 결과와 density functional theory (DFT) 시뮬레이션 계산을 통해 항생물질의 흡착 제거 특성을 파악하고자 한다.
  • 활성탄 흡착과정에서 sulfonamide계 항생물질(SAs)의 제거 메커니즘에 대한 연구로 흡착 제거 실험과 DFT 계산을 통한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 활성탄을 DFT 계산을 통하여 모사하기 위해 활성탄의 구조를 선행연구를 통해 확인해보았다. Peter 등은 전자현미경을 통해 활성탄 탄소 원자 구조를 조사하였는데, 탄소 간(C-C) 결합의 길이는 1.

가설 설정

  • 42 Å이며, 주로 6각형의 구조를 이루고 있고, 부분적으로 5각형의 형태도 가질 수 있는 것으로 나타났다.16) 실제 활성탄의 복잡한 구조를 DFT 계산으로 재현하기에는 구조적 비정형성과 많은 계산량으로 인해 어려움이 따른다. 따라서 보다 단순한 활성탄의 구조를 모사하는 방법이 필요하게 되며, 이에 6각형의 탄소 고리 구조로 이루어진 graphene 구조를 이용하여 DFT 계산에 활용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
sulfonamide계 항생물질은 무엇인가? 이 중 sulfonamide계 항생물질은 sulphanilic acid에서 유래된 물질로 dihydrofolic acid와의 합성을 방해하여 세균의 성장을 억제시키는 역할을 한다. 하지만, 이 물질 등은 생분해성이 낮기 때문에 오랜 시간 동안 수계에 잔류되어 존재한다고 보고된 바 있으며, 또한 다양한 미생물 등의 유기체에도 쉽게 잔류된다고 알려져 있다.
항생물질의 제조 및 사용의 목적은? 의학의 발달로 인한 항생물질의 제조 및 사용은 지난 수십 년 동안 인간이나 가축 및 양식 어류의 질병 예방 또는 구제의 목적으로 많이 사용되고 있다. 하지만, 이러한 항생물질의 과다 사용 등으로 인해 각종 항생물질이 가정 및 병원, 또는 도시 하수, 축산폐수 등의 다양한 경로를 통해 자연환경에 노출되었으며 자연 중에 분해되지 않고 그대로 잔류하게 되었다.
항생물질의 과다 사용 등으로 인해 생긴 문제점은? 하지만, 이러한 항생물질의 과다 사용 등으로 인해 각종 항생물질이 가정 및 병원, 또는 도시 하수, 축산폐수 등의 다양한 경로를 통해 자연환경에 노출되었으며 자연 중에 분해되지 않고 그대로 잔류하게 되었다. 이렇게 잔류된 항생물질은 물질 자체의 독성으로 인한 피해뿐만 아니라, 항생물질에 강한 내성을 가진 병원균들의 출현에 기여하면서 인간 및 자연의 생태계를 위협하는 문제가 심각해지고 있으며 또한, 국내․외 항생물질의 사용 규모나 종류들도 더욱 더 증가하는 추세이기 때문에 이에 대한 관리가 더욱 필요한 실정이다.1~8) 특히 수생태계에 유입되는 항생물질들은 분해가 잘되지 않아 그대로 잔류하게 되며 최근 이에 대한 현황이나 처리 및 관리에 대한 문제가 대두되고 있다.
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참고문헌 (26)

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