[논문]폴리비닐알콜/리그닌 혼합 섬유를 이용한 중금속 흡착

윤해성; 우희창; 이기훈

doi:10.12772/tse.2016.53.391

폴리비닐알콜/리그닌 혼합 섬유를 이용한 중금속 흡착
Heavy Metal Adsorption with PVA/Lignin Blend Fibers

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.53 no.6, 2016년, pp.391 - 396

윤해성 (서울대학교 바이오시스템.소재학부) , 우희창 (서울대학교 바이오시스템.소재학부) , 이기훈 (서울대학교 바이오시스템.소재학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The removal of heavy metals from various kinds of waste water is important not only for environmental protection, but also for reduction of potential negative effects on human health. In this study, fibers that exhibit significant heavy metal adsorption were prepared by blending lignin with polyvinyl alcohol (PVA). These PVA/lignin fibers could be prepared by wet spinning using dimethyl sulfoxide (DMSO) as the solvent and ethanol as the coagulant. Stable spinning was achieved at a lignin content of 40%. However, lignin reduced the mechanical properties of PVA fibers due to its low molecular weight. Cr(VI) was used as a model heavy metal ion, and the presence of lignin improved the Cr(VI) adsorption almost 1.6 times. The results show the possibility of PVA/lignin blend fiber for Cr(VI) adsorption.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구는 리그닌을 이용하여 중금속 흡착제를 제조하는데 그 목적이 있으며, 특히 섬유형태의 중금속 흡착제로 리그닌을 가공하여 향후 부직포 등으로 활용하기 위한 기초연구이다. 리그닌은 자연상태에서는 매우 거대한 고분자로 알려져 있으나, 펄핑공정에서 산 처리에 의하여 제거되어 얻어지는 크라프트 리그닌은 분자량이 1,000−4,000이다[13, 14].
이번 연구에서는 중금속 흡착에 효율적인 리그닌을 섬유 형태로 가공하기 위하여 폴리비닐알콜과의 혼합을 통한 습식방사를 시도하였다. 리그닌의 함량에 따른 섬유형성능 및 물성을 측정하였으며, 제조된 폴리비닐알콜/리그닌 섬유가 6가 크롬에 대한 우수한 흡착능력을 갖고 있음을 확인하였다.

제안 방법

리그닌은 자연상태에서는 매우 거대한 고분자로 알려져 있으나, 펄핑공정에서 산 처리에 의하여 제거되어 얻어지는 크라프트 리그닌은 분자량이 1,000−4,000이다[13, 14]. 그러나 리그닌은 선형 고분자가 아니므로 용해해도 점성을 나타내지 않으므로 이 연구에서는 리그닌의 방사를 위하여 폴리비닐알콜을 혼합하여 방사를 진행하였다. 제조된 폴리비닐알콜/리그닌 섬유의 인장특성을 살펴 보았으며, 최종적으로 6가 크롬에 대한 흡착성능을 측정하였다.
크롬 용액의 농도를 확인하기 위하여 다이페닐카바자이드 용액을 혼합한 후 5분간 방치하여 발색시켰다. 이를 자외선/가시광선 분광기(UV-Vis spectrometer, Mecasys, Korea)를 사용하여 540 nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. 흡착 전과 후의 크롬 용액의 농도를 비교하기 위하여 미리 적정곡선을 작성하였다.
그러나 리그닌은 선형 고분자가 아니므로 용해해도 점성을 나타내지 않으므로 이 연구에서는 리그닌의 방사를 위하여 폴리비닐알콜을 혼합하여 방사를 진행하였다. 제조된 폴리비닐알콜/리그닌 섬유의 인장특성을 살펴 보았으며, 최종적으로 6가 크롬에 대한 흡착성능을 측정하였다.
크라프트 리그닌은 디메틸설폭사이드나 디메틸포름아마이드(DMF)에 용해가 잘 되므로 디메틸설폭사이드를 용매로 선정하여, 폴리비닐알콜과의 혼합을 시도하였다. Table 1은 리그닌과 폴리비닐알콜의 혼합 비율에 따른 섬유의 형성 여부와 최대 연신비를 나타낸 것이다.
을 정확히 측정하여 1000 mg/l 농도로 증류수에 용해하였다. 크롬 용액의 농도를 확인하기 위하여 다이페닐카바자이드 용액을 혼합한 후 5분간 방치하여 발색시켰다. 이를 자외선/가시광선 분광기(UV-Vis spectrometer, Mecasys, Korea)를 사용하여 540 nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다.
폴리비닐알콜/크라프트 리그닌 혼합 섬유의 6가 크롬 이온 흡착 성능 분석: 6가 크롬 흡착 실험에 필요한 크롬 용액을 제조하기 위하여 potassium dichromate, K₂Cr₂O₇을 정확히 측정하여 1000 mg/l 농도로 증류수에 용해하였다. 크롬 용액의 농도를 확인하기 위하여 다이페닐카바자이드 용액을 혼합한 후 5분간 방치하여 발색시켰다.
폴리비닐알콜/크라프트 리그닌 혼합 섬유의 특성분석 및 인장강도 테스트: 폴리비닐알콜/리그닌 혼합 섬유의 방사 여부 및 방사성은 디지털 카메라를 사용하여 촬영하였다. 혼합 섬유의 표면은 전계방사 주사전자 현미경(FE-SEM, JSM-7600F, JEOL, Japan)을 사용하였으며 섬유의 인장강도는 Universal testing machine(UTM, LRX plus, LLYOYD Instruments, UK)로 18 mm/min의 속도로 실험하였다.
혼합 섬유의 표면은 전계방사 주사전자 현미경(FE-SEM, JSM-7600F, JEOL, Japan)을 사용하였으며 섬유의 인장강도는 Universal testing machine(UTM, LRX plus, LLYOYD Instruments, UK)로 18 mm/min의 속도로 실험하였다. 폴리비닐알콜과 크라프트 리그닌의 혼합에 의한 섬유의 열적 성질의 변화를 확인하기 위하여 시차주사열량계(DSC, DSCQ1000, TA Instrument, UK)를 이용하였다.
폴리비닐알콜/크라프트 리그닌 혼합 섬유의 특성분석 및 인장강도 테스트: 폴리비닐알콜/리그닌 혼합 섬유의 방사 여부 및 방사성은 디지털 카메라를 사용하여 촬영하였다. 혼합 섬유의 표면은 전계방사 주사전자 현미경(FE-SEM, JSM-7600F, JEOL, Japan)을 사용하였으며 섬유의 인장강도는 Universal testing machine(UTM, LRX plus, LLYOYD Instruments, UK)로 18 mm/min의 속도로 실험하였다. 폴리비닐알콜과 크라프트 리그닌의 혼합에 의한 섬유의 열적 성질의 변화를 확인하기 위하여 시차주사열량계(DSC, DSCQ1000, TA Instrument, UK)를 이용하였다.
이를 자외선/가시광선 분광기(UV-Vis spectrometer, Mecasys, Korea)를 사용하여 540 nm의 파장에서 흡광도를 측정하였다. 흡착 전과 후의 크롬 용액의 농도를 비교하기 위하여 미리 적정곡선을 작성하였다. 혼합 섬유의 흡착 성능은 크롬 용액을 25 mg/l로 희석한 후 1 M 황산(H2SO4) 용액을 사용하여 pH2로 맞춘 후 측정하였다.

대상 데이터

폴리비닐알콜의 경우 중합도 1,500, 검화도는 99 mol%의 것을 이용하였으며, 크라프트 리그닌과 디메틸설폭사이드 (DMSO), 다이페닐카바자이드는 시그마 알드리치(용인시, 대한민국)에서 구매하였다. 에탄올은 (주)삼전(평택시, 대한민국)에서 구입하여 사용하였다.
폴리비닐알콜의 경우 중합도 1,500, 검화도는 99 mol%의 것을 이용하였으며, 크라프트 리그닌과 디메틸설폭사이드 (DMSO), 다이페닐카바자이드는 시그마 알드리치(용인시, 대한민국)에서 구매하였다. 에탄올은 (주)삼전(평택시, 대한민국)에서 구입하여 사용하였다.

성능/효과

리그닌의 함량이 증가 함에 따라 상대적으로 폴리비닐알콜의 농도는 감소하여 점도가 감소하였고 이에 따라 리그닌과 폴리비닐알콜의 혼합이 잘 진행된 것으로 판단된다. 그 결과 리그닌의 함량이 높은 60:40의 비율에서 연신이 보다 잘 진행된 것으로 판단된다.
이번 연구에서는 중금속 흡착에 효율적인 리그닌을 섬유 형태로 가공하기 위하여 폴리비닐알콜과의 혼합을 통한 습식방사를 시도하였다. 리그닌의 함량에 따른 섬유형성능 및 물성을 측정하였으며, 제조된 폴리비닐알콜/리그닌 섬유가 6가 크롬에 대한 우수한 흡착능력을 갖고 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 추후 비표면적이 큰 나노섬유로 폴리비닐알콜/리그닌 혼합 방법을 활용할 예정이며, 산업폐수 처리에 있어서 효율적인 흡착제로 활용가능성을 살펴볼 예정이다.
또한 6가 크롬의 흡착과 동시에 리그닌의 다양한 화학적 작용기(-CH₂OH, phenolic -OH, CHO 등)에 의해 6가 크롬을 3가 크롬으로 환원이 가능함을 문헌을 통해 확인할 수 있었다[18,19]. 본 연구에서 사용한 폴리비닐알콜 또한 산소를 포함한 작용기를 갖고 있으므로 양성자화에 의한 정전기적 인력에 의한 흡착과 화학적 반응에 의한 환원이 동시에 일어날 수 있을 것으로 예상할 수 있었다[20].
이번 연구에서 폴리비닐알콜 섬유에 리그닌이 첨가된 경우 6가 크롬 이온의 제거효율은 88.5% 약 1.64배 향상되었다. 이와 같이 리그닌이 첨가될 경우 이전의 연구에서도 기존의 실크 단백질을 활용한 흡착제 보다 크롬 이온에 대한 흡착성능이 향상된 것을 관찰한 바 있다[11].
연신 과정에서도 리그닌의 함량이 80%인 경우 연신이 불가능하였다. 특이한 점은 리그닌의 함량이 40%인 경우보다 60%인 경우 오히려 최대 연 신비가 증가하였다. 이는 폴리비닐알콜의 함량과 상관이 있는 것으로 보인다.

후속연구

리그닌의 함량에 따른 섬유형성능 및 물성을 측정하였으며, 제조된 폴리비닐알콜/리그닌 섬유가 6가 크롬에 대한 우수한 흡착능력을 갖고 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 추후 비표면적이 큰 나노섬유로 폴리비닐알콜/리그닌 혼합 방법을 활용할 예정이며, 산업폐수 처리에 있어서 효율적인 흡착제로 활용가능성을 살펴볼 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리그닌의 정확한 화학적 구조가 아직 밝혀지지 않은 이유는 무엇인가?	리그닌은 목재에서 셀룰로스를 접착시키는 역할을 하며, 방수의 기능도 갖고 있어 수생식물에 육상식물로 진화하는 과정에서 생성되기 시작한 것으로 알려져 있다. 리그닌의 정확한 화학적 구조는 아직 밝혀져 있지 않는데, 이는 세 종류의 hydroxycinnamyl alcohol이 다양한 결합 방식으로 중합되기 때문이다[4,5]. 현재까지 확인된 화학적 구조의 가장 큰 특징은 벤젠 고리와 히도록실기가 많이 존재한다는 사실이다(Figure 1)[2,6].
	산업폐기물에 존재하는 중금속은 어떤 문제를 일으키는가?	다양한 산업폐기물에 존재하는 중금속은 생태계에 심각한 오염문제를 일으킬 뿐만 아니라 동식물의 먹이사슬에 의해 농축되어 오염된 식품을 섭취할 경우 인간의 건강에 치명적 해를 입히게 된다[1]. 따라서 환경당국에서는 이러한 중금속의 배출 허용 농도를 엄격하게 규제하고 있으며, 산업체에서도 폐기물 속의 중금속을 저감시키기 위한 다양한 노력을 하고 있다.
	산성용액에서 리그닌이 음전하를 띄는 크롬 이온을 흡착할 수 있는 이유는 무엇인가?	이와 같이 폴리비닐알콜과 리그닌 혼합 섬유에서 6가 크롬 이온에 대한 흡착은 정전기적 인력에 의한 영향이 가장큰 것으로 알려져 있다. 리그닌의 경우 pH 3 이하에서는 양성자화(protonation)에의해정전기적전하가양성(positive charge)을 나타낸다[11]. 따라서 산성 용액에서 HCrO4−와같이 음전하를 띄는 크롬 이온을 흡착할 수 있는 것이다.

참고문헌 (20)

K. Kadirvelu, K. Thamaraiselvi, and C. Namasivayam, "Removal of Heavy Metals from Industrial Wastewaters by Adsorption onto Activated Carbon Prepared from an Agricultural Solid Waste", Bioresour. Technol., 2001, 76, 63-65.

상세보기
Suhas, P. J. M. Carrott, and M. M. L. R. Carrott, "Lignin - from Natural Adsorbent to Activated Carbon: A Review", Bioresour. Technol., 2007, 98, 2301-2312.

상세보기
R. J. A. Gosselink, E. de Jong, B. Guran, and A. Abacherli, "Coordination Network for Lignin - Standardisation, Production and Applications Adapted to Market Requirements (EUROLIGNIN)", Ind. Crop. Prod., 2004, 20, 121-129.

상세보기
F. S. Chakar and A. J. Ragauskas, "Review of Current and Future Softwood Kraft Lignin Process Chemistry", Ind. Crop. Prod., 2004, 20, 131-141.

상세보기
A. J. Ragauskas, G. T. Beckham, M. J. Biddy, R. Chandra, F. Chen, M. F. Davis, B. H. Davison, R. A. Dixon, P. Gilna, M. Keller, P. Langan, A. K. Naskar, J. N. Saddler, T. J. Tschaplinski, G. A. Tuskan, and C. E. Wyman, "Lignin Valorization: Improving Lignin Processing in the Biorefinery", Science, 2014, 344, 709.
C. G. Boeriu, D. Bravo, R. J. A. Gosselink, and J. E. G. van Dam, "Characterisation of Structure-dependent Functional Properties of Lignin with Infrared Spectroscopy", Ind. Crop. Prod., 2004, 20, 205-218.

상세보기
C. Salas, M. Ago, L. A. Lucia, and O. J. Rojas, "Synthesis of Soy Protein-lignin Nanofibers by Solution Electrospinning", React. Funct. Polym., 2014, 85, 221-227.

상세보기
X. J. Ma, P. Kolla, Y. Zhao, A. L. Smirnova, and H. Fong, "Electrospun Lignin-derived Carbon Nanofiber Mats Surfacedecorated with $MnO_2$ Nanowhiskers as Binder-free Supercapacitor Electrodes with High Performance", J. Power Sources, 2016, 325, 541-548.

상세보기
Y. Y. Ge, Z. L. Li, Y. Kong, Q. P. Song, and K. Q. Wang, "Heavy Metal Ions Retention by Bi-functionalized Lignin: Synthesis, Applications, and Adsorption Mechanisms", J. Ind. Eng. Chem., 2014, 20, 4429-4436.

상세보기
Z. L. Li, Y. Kong, and Y. Y. Ge, "Synthesis of Porous Lignin Xanthate Resin for $Pb^{2+}$ Removal from Aqueous Solution", Chem. Eng. J., 2015, 270, 229-234.

상세보기
H. W. Kwak, H. Yun, and K. H. Lee, "Preparation of Silk Sericin/lignin Blend Beads for the Removal of Hexavalent Chromium Ions", Int. J. Mol. Sci., 2016, 17, 1466.

상세보기
D. Sud, G. Mahajan, and M. P. Kaur, "Agricultural Waste Material as Potential Adsorbent for Sequestering Heavy Metal Ions from Aqueous Solutions - A Review", Bioresour. Technol., 2008, 99, 6017-6027.

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N. E. El Mansouri and J. Salvado, "Structural Characterization of Technical Lignins for the Production of Adhesives: Application to Lignosulfonate, Kraft, Soda-anthraquinone, Organosolv and Ethanol Process Lignins", Ind. Crop. Prod., 2006, 24, 8-16.

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G. Gellerstedt, "Softwood Kraft Lignin: Raw Material for the Future", Ind. Crop. Prod., 2015, 77, 845-854.

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G. Xu, S. Ren, D. Wang, L. Su, and G. Fang, "Fabrication and Properties of Alkaline Lignin Poly(vinyl alcohol) Blend Membranes", BioResources, 2013, 8, 2510-2520.
D. M. Fernandes, A. A. Winkler Hechenleitner, A. E. Job, E. Radovanocic, and E. A. Gomez Pineda, "Thermal and Photochemical Stability of Poly(vinyl alcohol)/modified Lignin Blends", Polym. Degrad. Stabil., 2006, 91, 1192-1201.

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M. Bolte, Y. Israeli, F. Djouani, A. Rivaton, L. Frezet, and R. A. Lessard, "Hologram Formation Reconsidered in Dichromated Polyvinylalcohol: Polymer Cross-linking Around Chromium (V)", Proc. SPIE, 2005, 5742, 195-204.
F. B. Liang, Y. L. Song, C. P. Huang, J. Zhang, and B. H. Chen, "Adsorption of Hexavalent Chromium on a Lignin-based Resin: Equilibrium, Thermodynamics, and Kinetics", J. Environ. Chem. Eng., 2013, 1, 1301-1308.

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N. Fiol, C. Escudero, and I. Viallaescusa, "Chromium Sorption and Cr(VI) Reduction to Cr(III) by Grape Stalks and Yohimbe Bark", Bioresour. Technol., 2008, 99, 5030-5036.

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L. Luo, W. Cai, J. Zhou, and Y. Li, "Facile Synthesis of Boehmite/PVA Composite Membrane with Enhanced Adsorption Performance Towards Cr(VI)", J. Hazard. Mater., 2016, 318, 452-459.

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