[논문]금속-유기 골격체(Metal-organic Frameworks)를 활용한 물로부터의 유해 유기물의 흡착 제거

서필원; 송지윤; 정성화

doi:10.14478/ace.2016.1048

금속-유기 골격체(Metal-organic Frameworks)를 활용한 물로부터의 유해 유기물의 흡착 제거
Adsorptive Removal of Hazardous Organics from Water with Metal-organic Frameworks 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.27 no.4, 2016년, pp.358 - 365

서필원 (경북대학교 화학과 및 청정나노소재 연구소) , 송지윤 (경북대학교 화학과 및 청정나노소재 연구소) , 정성화 (경북대학교 화학과 및 청정나노소재 연구소)

초록
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수자원의 효과적 활용을 위해 유해물질을 제거하는 기술이 중요하며 흡착이 하나의 경쟁력 있는 기술로 검토/개발되고 있다. 흡착공정이 경쟁력을 가지기 위해서는 뛰어난 성능의 흡착제 개발이 중요하다. 유기물과 무기물 모두를 함유한 금속-유기 골격체(metal-organic frameworks, MOFs)는 큰 표면적, 세공부피, 잘 정의된 세공 구조 및 용이한 기능화 등으로 인해 다양한 흡착에 활용되고 있다. 본 고에서는 MOFs를 이용하여 물로부터 유해한 유기물을 흡착제거하는 기술을 요약, 정리하였다. 단순히 흡착량이나 속도를 증가하는 연구 대신에 흡착질과 흡착제 간의 상호작용의 메커니즘을 요약하였고 이를 위해 MOFs를 수정/기능화한 연구를 정리하였다. 이러한 요약으로부터 독자들은 유해물질의 흡착제거를 위한 흡착제의 필요 물성 및 수정에 대해 이해를 하게 될 것이며 흡착 외에 유기물들의 저장 및 전달에 대한 새로운 아이디어를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Removing hazardous materials from water resources is very important for efficient utilization of the resources, and adsorptive removal is regarded as a competitive technology when good adsorbents with high capacity/selectivity are available. Metal-organic framework (MOF), composed of both organic and inorganic (metallic) species, have been tried for various adsorptions because of huge surface area/pore volume, well-defined pore structure, and facile functionalization. In this review, we summarized technologies on adsorptive removal of hazardous organics from water mainly using MOFs as adsorbents. Instead of reporting high adsorption capacity or rate, we summarized mechanisms of interaction between adsorbates (organics) and adsorbents (MOFs) and methods to modify or functionalize MOFs for effective adsorptions. We expect for readers of this review to understand needed characteristics of adsorbents for the adsorptive removal, functionalization of MOFs for effective adsorption and so on. Moreover, they might have an idea on storage and delivery of organics via understanding of the mechanism of adsorption and interaction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 고에서는 MOFs를 이용하여 물로부터 유기물을 흡착제거한 연구를 정리하였다. 단순히 흡착량 및 흡착 속도 증가 등의 연구 결과보다는 흡착 메커니즘에 초점을 맞춘 연구를 요약하였다.
본 고에서는 MOFs를 활용하여 물로부터 유해 유기물을 흡착제거하는 연구, 특히 메커니즘에 대해 정리 및 요약하였다. MOFs의 다양한 수정 가능성 및 표면 전위는 물론이고 흡착질 유기물의 다양한 작용기 및 전하 등으로 다양한 흡착메커니즘이 작동함을 알 수 있었다.

제안 방법

p-Arsanilic acid (ASA)과 roxarsone (ROX) 같은 유기비소산은 아주 유해한 무기 비소화합물로 변환되기 전에 제거하는 것이 필요하며 유사 MIL-100s들을 사용하여 흡착제거하고자 하였다[42]. 아주 흥미롭게도 MIL-100들 중 중심금속이 철인 경우에만 탁월한 성능을 보였고(알루미늄 및 크롬인 경우는 효과가 미약함) 이는 용이한 물의 탈착(ASA or ROX의 흡착을 위해 필요한 단계) 때문임을 알 수 있었고 중심금속의 중요성도 알 수 있었다[42].

대상 데이터

대표적인 PPCPs인 naproxen과 clofibric acid의 흡착에서 산 혹은 염기 작용기를 도입한 MOFs (MIL-101)를 적용하였다[33]. 앞의 경우와 유사하게 산-염기 상호작용이 큰 효과를 보였으나 이 경우에는 두 PPCPs에 공존하는 -COOH와 MOFs의 작용기 간의 상호작용이 중요 하였다.

성능/효과

본 고에서는 MOFs를 활용하여 물로부터 유해 유기물을 흡착제거하는 연구, 특히 메커니즘에 대해 정리 및 요약하였다. MOFs의 다양한 수정 가능성 및 표면 전위는 물론이고 흡착질 유기물의 다양한 작용기 및 전하 등으로 다양한 흡착메커니즘이 작동함을 알 수 있었다. 실제 흡착에서는 하나 이상의 흡착메커니즘이 흡착 현상을 설명하는데 필요하기도 하였다.
그러나 MIL-100-Cr은 오로지 MB에만 우수한 흡착능을 보였다. 따라서 두 물질은 염료 제거는 물론이고 선택적 분리에도 적용될 수 있다는 점을 보였다. 자세한 메커니즘의 연구 필요성이 제시되었다[62].
아주 흥미롭게도 MIL-100들 중 중심금속이 철인 경우에만 탁월한 성능을 보였고(알루미늄 및 크롬인 경우는 효과가 미약함) 이는 용이한 물의 탈착(ASA or ROX의 흡착을 위해 필요한 단계) 때문임을 알 수 있었고 중심금속의 중요성도 알 수 있었다[42]. 흡착 후 FTIR 분석 및 재생성 실험을 통해 흡착은 철의 OMS에 유기비소산 이온이 배위결합을 통해 일어남을 알 수 있었다. 일반 유기용매를 사용한 탈착(흡착된 유기비소산)은 매우 비효과적이었으나 소량의 산을 적용하면 산이 촉매로 작용하여 탈착을 충분히 쉽게 일어나게 하고 따라서 재생 가능한 흡착제로 여러 번 사용할 수 있었다.

후속연구

관련된 훌륭한 총설 문헌이 매우 많기 때문이다. 본 고를 통해 독자들은 MOFs와 유기물의 상호작용의 메커니즘에 대해 이해할 수 있고 이를 바탕으로 유기물의 흡착, 제거 및 분리 등의 개발에 관한 새로운 아이디어를 얻을 수 있을 것이다.
유기물과 MOFs의 다양한 작용기, 화학적 성질 및 수정 가능성을 고려하면 물로부터 유해한 유기물을 흡착제거하기 위해서는 흡착 메커니즘을 고려하면 탁월한 흡착성능 및 선택적 흡착이 달성될 수 있을 것이다. 이러한 기술은 단순히 흡착제거에 응용되는 것 외에 더 나아가 저장 및 전달(약물, 농약, 향료 등)에 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수질에 큰 영향을 주는 유기물은 무엇이 있는가?	수질에 큰 영향을 주는 유기물로는 산업용 유기물(벤젠, 염소화된 벤젠류, 니트로벤젠, 페놀, 염소화된 페놀류 및 프랄레이트 등), 염료(dye), 의약품 및 생활용품(PPCPs)과 유출된 기름(spilled oil) 등을 들 수 있다[7]. 산업용 유기물은 생산, 유통 및 사용 중에 유출을 최소화 하는 것이 중요하다.
	의약품 및 생활용품의 오남용으로 나타내는 문제는 무엇인가?	21세기는 물의 시대라고 흔히들 얘기하고 있고 지난 2015년 4월에 대구/경북에는 제7차 세계 물포럼이 열린 바와 같이 깨끗하고 안전한 물의 확보는 국가의 미래를 결정할 정도로 매우 중요한 사항이다. 우리나라는 인구 밀집과 과도한 산업화는 물론이고 의약품 및 생활용품(pharmaceuticals and personal care products, PPCPs)의 오남용으로 수질이 계속 악화되고 있고 특히 환경호르몬의 축적으로 인해 다양한 문제점이 발생하고 있다. 예로, 국내 물고기의 중성화는 최근 약 10년 사이에 4-6배나 증가하고 있으며 안동 근방의 낙동강에서 발견되는 붕어의 45.
	유사 금속-유기 골격체 구조가 관심을 끌고 있는 이유는 무엇인가?	또한, 기존 MOFs에 다양한 작용기를 도입하여도 구조가 유지될 수 있다(Figure 1d). 이러한 유사 MOFs는 금속 및 링커 효과는 물론이고 작용기를 활용/대비할 수 있으므로 최근에 큰 관심을 끌고 있고 특히 화학적 관점에서 매우 흥미로운 물질이다[9].

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저자의 다른 논문 :

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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