[논문]다이메틸설폭시화물 용매를 사용한 PVC-LMO 비드의 제조와 리튬 이온 흡착 특성

유해나; 이동환; 이민규

doi:10.7464/ksct.2014.20.2.154

[국내논문] 다이메틸설폭시화물 용매를 사용한 PVC-LMO 비드의 제조와 리튬 이온 흡착 특성
Preparation of PVC-LMO Beads Using Dimethyl Sulfoxide Solvent and Adsorption Characteristics of Lithium Ions 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.20 no.2, 2014년, pp.154 - 159

유해나 (부경대학교 화학공학과) , 이동환 (동의대학교 화학과) , 이민규 (부경대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 노말 메틸 피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone, NMP)을 대신하여 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide, DMSO)을 용매로 사용하여 폴리염화비닐 (poly vinyl chloride, PVC)로 리튬망간산화물(lithium manganese oxide, LMO)를 고정화하여 PVC-LMO 비드를 제조하였다. XRD 분석을 통해 PVC-LMO 비드내에 LMO가 잘 고정화 된 것을 확인 하였다. 합성한 PVC-LMO 비드의 크기는 약 4 mm였다. PVC-LMO 비드에 의한 리튬이온 흡착 실험은 회분식으로 수행하였다. 랭뮤어 모델식으로 부터 구한 최대 흡착량은 21.31 mg/g였다. PVC-LMO 비드에 의한 리튬이온 흡착특성은 유사 2차 속도모델식으로 잘 설명되었으며, 내부확산 단계가 흡착속도 결정단계인 것으로 사료되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, PVC-LMO beads were prepared by immobilizing lithium manganese oxide (LMO) with poly vinyl chloride (PVC) diluted in dimethyl sulfoxide (DMSO) solvent on behalf of N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). XRD analysis confirmed that LMO was immobilized well in PVC-LMO beads. The diameter of PVC-LMO beads synthesized by DMSO was about 4 mm. The adsorption experiments of lithium ions by PVC-LMO beads were conducted batchwise. The maximum adsorption capacity obtained from Langmuir model was 21.31 mg/g. The adsorption characteristics of lithium ions by PVC-LMO beads was well described by the pseudo-second-order kinetic model. It was considered that the internal diffusion was the rate controlling step.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

[11]는 이산화티타튬(titanium dioxide, TiO₂)을 사용하여 As⁵⁺와 As³⁺를 제거하는 연구를 하였다. 본 연구자들은 선행연구[13]에서 리튬망간산화물(lithium manganese oxide, LMO)을 합성하여 리튬이온을 흡착하는 연구를 수행하였으며 합성한 LMO는 리튬이온에 대하여 높은 선택성과 흡착능을 가지는 결과를 얻었다. 그러나 무기물 화합물중의 하나인 LMO는 일반적으로 미세한 분말 형태이기 때문에 공정에서 쉽게 유출될 수 있으며, 컬럼에 충전하여 연속식으로 운전하는 경우에는 압력강하가 생길 수 있다[14].

제안 방법

따라서 본 연구에서는 LD50의 수치가 17 g/kg으로 DMF나 NMP에 비해 독성이 낮은 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide, DMSO)을 용매로 사용하여 PVC-LMO 비드를 합성하고, SEM과 XRD를 통하여 합성된 PVC-LMO 비드의 특성을 분석하였다. 또한 PVC-LMO 비드에 의한 리튬이온의 흡착 실험을 수행하고, 등온 실험결과를 랭뮤어(Langmuir) 등온식에 적용하여 고찰하였다.
또한 PVC-LMO 비드에 의한 리튬이온의 흡착 실험을 수행하고, 등온 실험결과를 랭뮤어(Langmuir) 등온식에 적용하여 고찰하였다. 아울러, 유사 2차 속도식과 내부입자 확산식을 사용하여 흡착속도 해석을 하였다.
5 M HCl 용액으로 24 h 동안 처리한 후 이를 세척하여 흡착제로 사용하였다. 합성한 PVC-LMO 비드의 특성분석은 X선 회절 분석기(X-ray diffractionometer, XRD, D/MAX-2100H, Rigaku)를 사용하여 XRD 분석을 하였으며, 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM, XL20, Philips)을 이용하여 SEM 촬영을 하였다. 또한 BET (Brunauer-emmettteller) 비표면 측정장치(Micromeritics, ASAP 2010)를 사용하여 PVC-LMO 비드의 비표면적과 기공부피를 측정하였다.
합성한 PVC-LMO 비드의 특성분석은 X선 회절 분석기(X-ray diffractionometer, XRD, D/MAX-2100H, Rigaku)를 사용하여 XRD 분석을 하였으며, 주사전자 현미경(scanning electron microscopy, SEM, XL20, Philips)을 이용하여 SEM 촬영을 하였다. 또한 BET (Brunauer-emmettteller) 비표면 측정장치(Micromeritics, ASAP 2010)를 사용하여 PVC-LMO 비드의 비표면적과 기공부피를 측정하였다.
리튬이온 흡착실험은 회분식으로 진행하였다. 500 mL 삼각플라스크에 일정농도의 리튬이온 용액 200 mL와 흡착제를 투입하고 수평진탕기(Johnsae co.
Js-Fs-2,500)를 사용하여 교반하면서 일정 시간 간격으로 시료를 채취하였다. 채취한 시료를 원심분리기(Eppendorf, centrifuge 5415c)로 10,000 rpm에서 5분간 원심 분리한 후 상등액을 취하여 이온크로마토그래피(ion chromatography, IC, Dionex, DX-120)를 사용하여 리튬이온의 농도를 분석하였다. 선행연구[13]에서 LMO로 리튬이온을 흡착시키는 경우에 적정 pH는 10으로 나타나 용액의 pH를 10으로 조절하여 실험을 행하였다.

대상 데이터

PVC는 한화케미칼(주)의 KCM-12를 사용하였으며, PVC를 녹이는 용매로 DMSO (Samchun, EP)를 사용하였다. 실험에 사용한 리튬이온 용액은 염화리튬(LiCl, Shinyo, EP)을 사용하여 1,000 mg/L의 모액(stock solution)을 제조한 후 이를 희석하여 사용하였다.
PVC는 한화케미칼(주)의 KCM-12를 사용하였으며, PVC를 녹이는 용매로 DMSO (Samchun, EP)를 사용하였다. 실험에 사용한 리튬이온 용액은 염화리튬(LiCl, Shinyo, EP)을 사용하여 1,000 mg/L의 모액(stock solution)을 제조한 후 이를 희석하여 사용하였다.
리튬이온 흡착실험은 회분식으로 진행하였다. 500 mL 삼각플라스크에 일정농도의 리튬이온 용액 200 mL와 흡착제를 투입하고 수평진탕기(Johnsae co. Js-Fs-2,500)를 사용하여 교반하면서 일정 시간 간격으로 시료를 채취하였다. 채취한 시료를 원심분리기(Eppendorf, centrifuge 5415c)로 10,000 rpm에서 5분간 원심 분리한 후 상등액을 취하여 이온크로마토그래피(ion chromatography, IC, Dionex, DX-120)를 사용하여 리튬이온의 농도를 분석하였다.

이론/모형

따라서 본 연구에서는 LD50의 수치가 17 g/kg으로 DMF나 NMP에 비해 독성이 낮은 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide, DMSO)을 용매로 사용하여 PVC-LMO 비드를 합성하고, SEM과 XRD를 통하여 합성된 PVC-LMO 비드의 특성을 분석하였다. 또한 PVC-LMO 비드에 의한 리튬이온의 흡착 실험을 수행하고, 등온 실험결과를 랭뮤어(Langmuir) 등온식에 적용하여 고찰하였다. 아울러, 유사 2차 속도식과 내부입자 확산식을 사용하여 흡착속도 해석을 하였다.
본 연구에서 사용한 LMO는 선행연구[13]에서와 같은 방법으로 합성하였다. 탄산망간(MnCO₃, Samchun, EP) 1.
등온흡착실험 결과로 얻어진 실험자료를 Freundlich 흡착 등온식과 Langmuir 흡착 등온식에 적용하여 검토하였다.

성능/효과

관측된 각각의 회절 피크는 리튬이 4면체 위치하고, 망간이 8면체 위치에 존재하여 형성된 (111), (311) 및 (400)의 LMO의 스피넬 결정면을 나타낸다[21]. Figure 1(b)의 PVC-LMO 비드의 경우에도 이와 유사한 피크가 관측되었으며, 이로부터 LMO를 PVC를 이용하여 고정화한 후에도 LMO의 특성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 마찬가지의 결과가 Figure 1(c)의 산 처리한 PVC-LMO 비드에서도 관측되었으며, PVC-LMO를 산 처리한 경우에도 스피넬 구조가 유지되는 것이 확인되었다.
Figure 1(b)의 PVC-LMO 비드의 경우에도 이와 유사한 피크가 관측되었으며, 이로부터 LMO를 PVC를 이용하여 고정화한 후에도 LMO의 특성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 마찬가지의 결과가 Figure 1(c)의 산 처리한 PVC-LMO 비드에서도 관측되었으며, PVC-LMO를 산 처리한 경우에도 스피넬 구조가 유지되는 것이 확인되었다.
Figure 2(b)는 PVC-LMO 비드의 절단면을 60배 배율로 SEM 찰영한 것이며, Figure 2(c)는 이를 300배율로 확대한 것이다. SEM 사진에서 보듯이 내부에는 LMO가 잘 고정화되어 있으며, 다공성구조를 가지는 것으로 나타났다. 이는 PVC-LMO 비드 제조시에 LMO가 분산된 고분자 용액을 물에 떨어뜨리면 물과 접촉한 면이 먼저 경화되고, 경화된 외벽을 통해 물이 유입되어 내부의 DMSO가 물에 용해되어 나감에 따라 PVC-LMO 비드의 내부는 용액의 유통이 원활한 다공성 구조가 형성된 것으로 생각되었다.
31 mg/g이었다. 또한, Table 1에서 LMO 분말을 PVC로 고정화한 다른 연구들과 비교해 볼 때, 본 연구에서 DMSO를 용매로 사용하여 합성한 PVC-LMO 비드의 경우에 리튬이온의 흡착량이 LMO 분말을 사용한 경우보다는 낮지만 LMO 분말을 PVC로 고정화하여 멤브레인으로 만든 경우나 NMP를 용매로 사용하여 제조한 비드의 경우에 비해서는 다소 높은 결과를 보였다.
NMP를 대신하여 독성이 낮은 DMSO을 용매로 사용하여 PVC-LMO 비드를 합성하였으며, XRD 분석을 통해 LMO가 잘 고정화된 것을 확인하였다. 합성한 PVC-LMO 비드의 크기는 4 mm로 NMP로 합성한 PVC-LMO 비드직경에 비해 다소 크게 형성되었으며, 비표면적은 30.
NMP를 대신하여 독성이 낮은 DMSO을 용매로 사용하여 PVC-LMO 비드를 합성하였으며, XRD 분석을 통해 LMO가 잘 고정화된 것을 확인하였다. 합성한 PVC-LMO 비드의 크기는 4 mm로 NMP로 합성한 PVC-LMO 비드직경에 비해 다소 크게 형성되었으며, 비표면적은 30.43 m²/g로 NMP로 합성한 PVC-LMO 비드와 유사하였다. 흡착 평형 실험 자료는 Langmuir 흡착 등온식에 잘 적용되었으며, 흡착속도는 유사 2차 속도모델식에 가장 잘 부합하였다.
43 m²/g로 NMP로 합성한 PVC-LMO 비드와 유사하였다. 흡착 평형 실험 자료는 Langmuir 흡착 등온식에 잘 적용되었으며, 흡착속도는 유사 2차 속도모델식에 가장 잘 부합하였다. 또한 내부입자확산 모델식을 적용한 결과 내부입자확산 단계가 흡착속도 결정단계인 것으로 나타났다.
흡착 평형 실험 자료는 Langmuir 흡착 등온식에 잘 적용되었으며, 흡착속도는 유사 2차 속도모델식에 가장 잘 부합하였다. 또한 내부입자확산 모델식을 적용한 결과 내부입자확산 단계가 흡착속도 결정단계인 것으로 나타났다. 리튬이온 흡착량은 21.
또한 내부입자확산 모델식을 적용한 결과 내부입자확산 단계가 흡착속도 결정단계인 것으로 나타났다. 리튬이온 흡착량은 21.31 mg/g으로 NMP로 합성한 PVC-LMO와 흡착량이 유사하였으며, PVC-LMO 비드 제조시 독성이 높은 NMP를 대신하여 DMSO를 사용하여도 흡착량의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PVC의 특징은?	이러한 단점을 보완하기 위하여 최근에는 LMO를 한천[14], 키틴[15], 폴리염화비닐(poly vinyl chloride, PVC)[16,17] 등의 고분자를 사용하여 고정화하여 사용하고 있다. 이 중에서 PVC 는 가격이 저렴하며, 높은 기계적 강도를 가지고 있을 뿐 아니라 산/알칼리나 용매에 대하여 내구성이 높고 투과플럭스가 높아, 멤브레인 등에 사용되고 있다[18]. Umeno et al.
	흡착공정의 특징은?	그러나 용매추출공정의 경우에는 많은 양의 유기 용매를 필요로 할뿐만 아니라, 유기 용매가 손실하게 되면 환경오염, 불쾌한 악취 및 화재의 원인이 된다[6]. 이에 비하여 흡착공정은 비교적 공정이 간편하고, 운전이 용이하기 때문에 유용금속의 회수 및 분리에 많이 사용되고 있으며[7], 활성탄[8], 제올라이트[9], 무기화합물[10,11] 등의 흡착제들이 많이 사용되고 있다. 이 중에서 무기화합물들은 큰 계면적과 미세다공성구조를 가지고 있기 때문에 금속이온에 대하여 흡착량이 높은 것으로 알려져 있다[12].
	LMO에 PVC 등의 고분자를 사용하여 고정화 하는 것은 LMO의 어떤 단점을 보완하기 위함인가?	본 연구자들은 선행연구[13]에서 리튬망간산화물(lithium manganese oxide, LMO)을 합성하여 리튬이온을 흡착하는 연구를 수행하였으며 합성한 LMO는 리튬이온에 대하여 높은 선택성과 흡착 능을 가지는 결과를 얻었다. 그러나 무기물 화합물중의 하나인 LMO는 일반적으로 미세한 분말 형태이기 때문에 공정에서 쉽게 유출될 수 있으며, 컬럼에 충전하여 연속식으로 운전하는 경우에는 압력강하가 생길 수 있다[14].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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