오염수로부터 자성분리가 가능하며, 방사성 세슘을 효율적으로 제거하기 위한 코발트 페로시아나이드(cobalt ferrocyanide, CoFC) 혹은 니켈 페로시아나이드(nickel ferrocyanide, NiFC)가 도입된 자성입자 흡착제를 제조하였다. $Fe_3O_4$나노입자는 공침법을 이용해 제조하였고, $Co^{2+}$와 $Ni^{2+}$ 이온을 입자 표면에 도입시키기 위해 금속이온과 금속 배위결합(metalcoordination)을 하는 카르복실기를 포함한 숙신산(succinic acid, SA)을 자성나노입자(magnetic nanoparticles, MNPs) 표면에 코팅하였다. CoFC와 NiFC는 자성나노입자 표면에 도입된 $Co^{2+}$ 혹은 $Ni^{2+}$ 이온이 hexacynoferrate와 결합하여 형성된다. 제조된 CoFC-MNPs 그리고 NiFC-MNPs는 각각 $43.2emu{\cdot}g^{-1}$, $47.7emu{\cdot}g^{-1}$의 우수한 포화자화 값을 보여주었다. X-선 회절분석(XRD), 퓨리에 변환 적외선 분광분석(FT-IR), 나노입자 입도 분석기(DLS), 투과전자현미경(TEM) 등의 분석을 통해 흡착제의 물성을 파악하고, 세슘에 대한 흡착 성능을 알아보았다. 흡착실험을 평가하기 위해 Langmuir/Freundlich 등온흡착식을 이용해 실험 결과 값을 곡선맞춤 하였고, CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 최대흡착량($q_m$)은 각각 $15.63mg{\cdot}g^{-1}$, $12.11mg{\cdot}g^{-1}$이다. CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs는 방사성 세슘에 대해서도 최저 99.09%의 제거율을 가지며, 경쟁이온의 존재에도 방사성 세슘만을 선택적으로 흡착한다.
오염수로부터 자성분리가 가능하며, 방사성 세슘을 효율적으로 제거하기 위한 코발트 페로시아나이드(cobalt ferrocyanide, CoFC) 혹은 니켈 페로시아나이드(nickel ferrocyanide, NiFC)가 도입된 자성입자 흡착제를 제조하였다. $Fe_3O_4$ 나노입자는 공침법을 이용해 제조하였고, $Co^{2+}$와 $Ni^{2+}$ 이온을 입자 표면에 도입시키기 위해 금속이온과 금속 배위결합(metalcoordination)을 하는 카르복실기를 포함한 숙신산(succinic acid, SA)을 자성나노입자(magnetic nanoparticles, MNPs) 표면에 코팅하였다. CoFC와 NiFC는 자성나노입자 표면에 도입된 $Co^{2+}$ 혹은 $Ni^{2+}$ 이온이 hexacynoferrate와 결합하여 형성된다. 제조된 CoFC-MNPs 그리고 NiFC-MNPs는 각각 $43.2emu{\cdot}g^{-1}$, $47.7emu{\cdot}g^{-1}$의 우수한 포화자화 값을 보여주었다. X-선 회절분석(XRD), 퓨리에 변환 적외선 분광분석(FT-IR), 나노입자 입도 분석기(DLS), 투과전자현미경(TEM) 등의 분석을 통해 흡착제의 물성을 파악하고, 세슘에 대한 흡착 성능을 알아보았다. 흡착실험을 평가하기 위해 Langmuir/Freundlich 등온흡착식을 이용해 실험 결과 값을 곡선맞춤 하였고, CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 최대흡착량($q_m$)은 각각 $15.63mg{\cdot}g^{-1}$, $12.11mg{\cdot}g^{-1}$이다. CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs는 방사성 세슘에 대해서도 최저 99.09%의 제거율을 가지며, 경쟁이온의 존재에도 방사성 세슘만을 선택적으로 흡착한다.
Cobalt ferrocyanide (CoFC) or nickel ferrocyanide (NiFC) magnetic nanoparticles (MNPs) were fabricated for efficient removal of radioactive cesium, followed by rapid magnetic separation of the absorbent from contaminated water. The $Fe_3O_4$ nanoparticles, synthesized using a co-precipita...
Cobalt ferrocyanide (CoFC) or nickel ferrocyanide (NiFC) magnetic nanoparticles (MNPs) were fabricated for efficient removal of radioactive cesium, followed by rapid magnetic separation of the absorbent from contaminated water. The $Fe_3O_4$ nanoparticles, synthesized using a co-precipitation method, were coated with succinic acid (SA) to immobilize the Co or Ni ions through metal coordination to carboxyl groups in the SA. CoFC or NiFC was subsequently formed on the surfaces of the MNPs as Co or Ni ions coordinated with the hexacyanoferrate ions. The CoFC-MNPs and NiFC-MNPs possess good saturation magnetization values ($43.2emu{\cdot}g^{-1}$ for the CoFC-MNPs, and $47.7emu{\cdot}g^{-1}$ for the NiFC-MNPs). The fabricated CoFC-MNPs and NiFC-MNPs were characterized by XRD, FT-IR, TEM, and DLS. The adsorption capability of the CoFC-MNPs and NiFC-MNPs in removing cesium ions from water was also investigated. Batch experiments revealed that the maximum adsorption capacity values were $15.63mg{\cdot}g^{-1}$ (CoFC-MNPs) and $12.11mg{\cdot}g^{-1}$ (NiFC-MNPs). Langmuir/Freundlich adsorption isotherm equations were used to fit the experimental data and evaluate the adsorption process. The CoFC-MNPs and NiFC-MNPs exhibited a removal efficiency exceeding 99.09% for radioactive cesium from $^{137}Cs$ solution ($18-21Bq{\cdot}g^{-1}$). The adsorbent selectively adsorbed $^{137}Cs$, even in the presence of competing cations.
Cobalt ferrocyanide (CoFC) or nickel ferrocyanide (NiFC) magnetic nanoparticles (MNPs) were fabricated for efficient removal of radioactive cesium, followed by rapid magnetic separation of the absorbent from contaminated water. The $Fe_3O_4$ nanoparticles, synthesized using a co-precipitation method, were coated with succinic acid (SA) to immobilize the Co or Ni ions through metal coordination to carboxyl groups in the SA. CoFC or NiFC was subsequently formed on the surfaces of the MNPs as Co or Ni ions coordinated with the hexacyanoferrate ions. The CoFC-MNPs and NiFC-MNPs possess good saturation magnetization values ($43.2emu{\cdot}g^{-1}$ for the CoFC-MNPs, and $47.7emu{\cdot}g^{-1}$ for the NiFC-MNPs). The fabricated CoFC-MNPs and NiFC-MNPs were characterized by XRD, FT-IR, TEM, and DLS. The adsorption capability of the CoFC-MNPs and NiFC-MNPs in removing cesium ions from water was also investigated. Batch experiments revealed that the maximum adsorption capacity values were $15.63mg{\cdot}g^{-1}$ (CoFC-MNPs) and $12.11mg{\cdot}g^{-1}$ (NiFC-MNPs). Langmuir/Freundlich adsorption isotherm equations were used to fit the experimental data and evaluate the adsorption process. The CoFC-MNPs and NiFC-MNPs exhibited a removal efficiency exceeding 99.09% for radioactive cesium from $^{137}Cs$ solution ($18-21Bq{\cdot}g^{-1}$). The adsorbent selectively adsorbed $^{137}Cs$, even in the presence of competing cations.
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문제 정의
원자력발전 사고 후 환경으로 방출되는 방사성 세슘은 자연환경에 존재하는 양이온의 농도보다 훨씬 낮은 농도로 존재한다. 따라서 제조된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 실제 환경에의 적용 가능성을 알아보기 위해 추가적으로 방사성 세슘 오염수에 경쟁이온이 함께 존재할 때의 방사성 세슘 제거효율 변화에 대해 살펴보았다(Table 3). 이를 위해 500 ppm의 Na+와 K+를 방사성 세슘 용액에 첨가한 후 자성 흡착제로 처리하여 세슘 제거율 및 제염계수 변화를 비교 분석하였다.
제안 방법
위 FT-IR 및 제타 전위 측정 결과를 통해 Fe3O4 자성나노입자의 표면에 SA가 성공적으로 코팅되었다는 것을 확인할 수 있다. SA-MNPs에 포함되어 있는 SA와 Fe3O4의 양을 TGA를 통해 분석하였다. SA-MNPs를 900℃까지 연소시키면 유기성분은 모두 분해가 되어 무기성분만 남아 있게 되는데, 여기서 SA-MNPs의 무기성분은 Fe3O4이고, 유기성분은 SA이다.
그 뒤 카르복실기와 Co2+ 혹은 Ni2+ 이온간의 금속 배위결합(metal-coordination)을 통해 자성나노입자 표면에 Co와 Ni을 결합시킨 후 sodium hexacynoferrate와 반응시켜 입자표면에 CoFC 혹은 NiFC를 도입하였다. TEM, XRD, VSM, TGA, FI-IR 등의 분석기기를 이용하여 제조된 흡착제의 물리화학적 특성을 분석하였고, 비방사성 세슘을 이용하여 세슘에 대한 최대흡착량을 평가하였으며, 방사성 세슘을 이용하여 방사성 세슘에 대한 제거 효율 및 경쟁이온(Na+, K+) 존재 하에서의 세슘에 대한 선택도를 평가하였다.
흡착실험은 상온에서 180 rpm으로 4시간 동안 교반하였다. 교반 후, 자석을 이용해 흡착제와 용액을 분리하여 유도결합플라즈마질량분석기(ICP-MS)를 이용해 흡착 실험 후 모의 폐액에 남은 세슘의 농도를 측정하였다. 제조한 흡착제에 대한 세슘 이온의 흡착량(qe)은 다음과 같이 계산된다[15].
그 뒤 SA-MNPs의 표면에 도입된 Co 혹은 Ni 이온을 과량의 sodium ferrocyanide와 반응시켜 자성입자 표면에 CoFC가 도입된 자성나노입자(CoFC-MNPs)와 NiFC가 도입된 자성나노입자(NiFC-MNPs)를 제조하였다.
먼저, 자성나노입자 표면에 숙신산(succinic acid, SA)을 코팅해 카르복실기를 도입하고, 친수성의 자성나노입자를 제조하였다. 그 뒤 카르복실기와 Co2+ 혹은 Ni2+ 이온간의 금속 배위결합(metal-coordination)을 통해 자성나노입자 표면에 Co와 Ni을 결합시킨 후 sodium hexacynoferrate와 반응시켜 입자표면에 CoFC 혹은 NiFC를 도입하였다. TEM, XRD, VSM, TGA, FI-IR 등의 분석기기를 이용하여 제조된 흡착제의 물리화학적 특성을 분석하였고, 비방사성 세슘을 이용하여 세슘에 대한 최대흡착량을 평가하였으며, 방사성 세슘을 이용하여 방사성 세슘에 대한 제거 효율 및 경쟁이온(Na+, K+) 존재 하에서의 세슘에 대한 선택도를 평가하였다.
나노입자 입도 분석기(dynamic light scattering instrument, DLS, ELS-Z2, particle size analyzer & Zeta potential, Otsuka Electronics)를 통해 입자의 크기와 분포, 표면전하를 측정하였고, 입자의 자성의 세기를 확인하기 위해 진동형 시료자력계(vibrating sample magnetometer, VSM, Lakeshore, model 955287(A))를 통해 포화자화도를 측정하였고, 열분석기(thermal gravimetric analysis, TGA, Setsys 16/18 Setaram)를 이용해 입자 내 무기성분과 유기성분의 양을 측정하였다.
다음으로 VSM 장비를 이용하여 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 자기적 특성을 분석하였다. Fig.
67 nm의 지름 크기를 갖는 것으로 분석되었다. 또한, 제조된 SA-MNPs가 물에 분산되었을 때의 평균 입도크기를 나타내는 유체역학적 입도(hydrodynamic diameter)의 크기를 DLS 분석을 통해 측정하였다. 측정 결과, Table 1과 같이 수용액에서의 유체역학적 입도 크기는 162.
본 연구에서는 외부에 자기장이 있을 때에만 자성을 가지는 초상자성의 자성나노입자 표면에 전이금속 페로시아나이드 중 세슘에 대한 우수한 흡착용량을 가지는 코발트 페로시아나이드(cobalt ferrocyanide, CoFC) 혹은 니켈 페로시아나이드(nickel ferrocyanide, NiFC)를 도입하여 세슘 제거를 위한 자성나노흡착제를 제조하였다. 먼저, 자성나노입자 표면에 숙신산(succinic acid, SA)을 코팅해 카르복실기를 도입하고, 친수성의 자성나노입자를 제조하였다. 그 뒤 카르복실기와 Co2+ 혹은 Ni2+ 이온간의 금속 배위결합(metal-coordination)을 통해 자성나노입자 표면에 Co와 Ni을 결합시킨 후 sodium hexacynoferrate와 반응시켜 입자표면에 CoFC 혹은 NiFC를 도입하였다.
1에 흡착제의 합성 과정을 도식화하였다. 먼저, 합성한 SA-MNPs의 입자형태(morphology)를 TEM 분석을 통해 관찰하였다. Fig.
모의 폐액은 Cs standard solution (1000 ppm)을 이용해 2 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 50 ppm의 농도로 제조하였고, 흡착제 5 mg을 각 농도의 모의 폐액 50 mL에 첨가하여 처리하였다(0.1 mg·mL-1).
방사성 세슘에 대한 흡착능을 알아보기 위해 흡착실험을 수행하였다. 흡착제와 세슘 용액의 농도를 0.
본 연구에서 합성한 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 구조를 분석하기 위해 X-선 회절분석(x-ray Diffractometer, XRD, Rigaku D/max-RB apparatus and a Cu Kα source (λ = 0.154 nm))을 수행하였고, 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM, Philips CM-200 instrument operating at 300 kV)을 통해 입자의 형태와 크기를 확인하였으며, 분자결합을 확인하기 위해 퓨리에 변환 적외선 분광분석(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR, Spectrum GX & Auto Image instrument, PerkineElmer)을 550~4000 cm-1 의 범위에서 수행하였다.
5로 수용액의 pH가 pHpzc 값보다 낮을 때는 용액 내 H+ 가 킬레이션 위치(chelation site)에 결합해 COOH형태로 존재하므로 금속이온과의 킬레이션(chelation)이 이루어지지 않지만, pH가 pHpzc 값보다 높을 때는 SA-MNPs 표면 내 COO는 금속이온과 강한 킬레이트 콤플렉스(chelate complexes)를 형성한다[21]. 본 연구에서는 SA-MNPs와 Co2+혹은 Ni2+간에 강한 킬레이트 콤플렉스를 형성하는 pH 조건인 pH 8에서 Co와 Ni 이온이 각각 도입된 자성나노입자를 제조하였다. 그 뒤 SA-MNPs의 표면에 도입된 Co 혹은 Ni 이온을 과량의 sodium ferrocyanide와 반응시켜 자성입자 표면에 CoFC가 도입된 자성나노입자(CoFC-MNPs)와 NiFC가 도입된 자성나노입자(NiFC-MNPs)를 제조하였다.
본 연구에서는 외부에 자기장이 있을 때에만 자성을 가지는 초상자성의 자성나노입자 표면에 전이금속 페로시아나이드 중 세슘에 대한 우수한 흡착용량을 가지는 코발트 페로시아나이드(cobalt ferrocyanide, CoFC) 혹은 니켈 페로시아나이드(nickel ferrocyanide, NiFC)를 도입하여 세슘 제거를 위한 자성나노흡착제를 제조하였다. 먼저, 자성나노입자 표면에 숙신산(succinic acid, SA)을 코팅해 카르복실기를 도입하고, 친수성의 자성나노입자를 제조하였다.
수용액에 분산된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 분산 안전성(colloidal stability) 평가하기 위해 DLS 장비를 이용하여 수용액에서 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 제타 전위 값을 측정하였다(Table 1). 측정 결과, CoFC-MNPs와 NiFC-MNP의 제타 전위는 각각 (-)10.
수용액에 분산된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 유체역학적 입도의 크기를 DLS 분석을 통해 측정하였다(Table 1). CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 유체역학적 입도 크기는 각각 274.
실제 방사성 세슘에 대한 제거효율을 평가하기 위해 방사성 세슘(137Cs)이 포함된 수용액에 제조한 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs를 첨가하여 일정 시간 반응시킨 뒤 자성흡착제를 자성분리하여 수용액 내 남아있는 방사성 세슘의 방사능 농도를 측정하였다. Table 3에 실험 후 제거된 방사성 세슘의 제거율 및 제염계수를 계산하여 나타내었다.
제조된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 세슘에 대한 흡착거동을 알아보기 위해 비방사성 세슘의 초기농도를 변화시키면서 등온흡착 실험을 수행하였다. 얻어진 흡착 실험 결과에 대해 단일 성분 흡착 모델식인 Langmuir adsorption isotherm과 Freundlich adsorption isotherm을 선택하여 등온흡착거동을 해석하였다. Langmuir adsorption isotherm 은 흡착이 단일층으로 일어날 때 주로 쓰이며, 액상흡착에 대한 일반적인 형태는 다음과 같다.
오염수 내 방사성 세슘을 선택적으로 제거한 후 정화된 물에서 흡착제의 회수를 용이하게 하기 위해 CoFC 혹은 NiFC가 도입된 자성흡착제를 성공적으로 제조하였다. 제조된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs는 모두 초상자성을 가지며, 각각 43.
따라서 제조된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 실제 환경에의 적용 가능성을 알아보기 위해 추가적으로 방사성 세슘 오염수에 경쟁이온이 함께 존재할 때의 방사성 세슘 제거효율 변화에 대해 살펴보았다(Table 3). 이를 위해 500 ppm의 Na+와 K+를 방사성 세슘 용액에 첨가한 후 자성 흡착제로 처리하여 세슘 제거율 및 제염계수 변화를 비교 분석하였다. Na+가 포함된 방사성 세슘 용액을 CoFC-MNPs 혹은 NiFC-MNPs로 처리할 때, 각각 98.
비록 SA-MNPs의 제타 전위 값과 비교하여 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 제타 전위 값이 다소 낮아지지만, 두 입자 모두 제타 전위 값이 우수한 콜로이드 분산 안정성을 나타내는 영역인 ±10 mV 이상에 속해 있어 입자가 침전되지 않고, 수용액상에 안전하게 분산되는 나노입자라고 할 수 있다[24]. 제조된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs 내 유기성분과 무기성분의 함량을 TGA장비를 이용하여 분석하였다. CoFC-MNPs에는 90.
제조된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 세슘에 대한 흡착거동을 알아보기 위해 비방사성 세슘의 초기농도를 변화시키면서 등온흡착 실험을 수행하였다. 얻어진 흡착 실험 결과에 대해 단일 성분 흡착 모델식인 Langmuir adsorption isotherm과 Freundlich adsorption isotherm을 선택하여 등온흡착거동을 해석하였다.
제조된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNP의 입자 형태를 관찰하기 위해 TEM 분석을 이용하였다. Fig.
제조한 흡착제의 세슘에 대한 흡착능을 알아보기 위해 흡착실험을 수행하였다. 모의 폐액은 Cs standard solution (1000 ppm)을 이용해 2 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 50 ppm의 농도로 제조하였고, 흡착제 5 mg을 각 농도의 모의 폐액 50 mL에 첨가하여 처리하였다(0.
180 rpm으로 4시간 동안 교반한 뒤 자석을 이용해 흡착제와 용액을 분리하였다. 흡착 실험 후 용액에 남은 세슘의 농도를 HPGe detector (Canberra, USA)를 이용해 분석하였고, 제거율과 제염계수를 통해 방사성 세슘의 흡착 특성을 평가하였으며, 제거율(R)과 제염계수(DF)는 다음과 같이 계산된다.
흡착제와 세슘 용액의 농도를 0.1 mg·mL-1 또는 0.2 mg·mL-1로 설정하였고, 약 18~21 Bq·g-1의 방사능 농도를 가지는 방사성 세슘 (137Cs)용액을 이용하였으며, 용액 속에 방사성 세슘 이온만 존재하는 경우와 Na+, K+와 같은 경쟁이온이 함께 존재하는 경우를 각각 실험하였다.
성능/효과
제조된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs 내 유기성분과 무기성분의 함량을 TGA장비를 이용하여 분석하였다. CoFC-MNPs에는 90.89wt%의 무기성분과 9.11wt%의 유기성분이 존재하고, NiFC-MNPs에는 93.62wt%의 무기성분과 6.38wt%의 유기성분이 존재하는 것을 확인하였으나(Fig. 5), CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs 내 무기성분으로는 Fe3O4와 전이 금속 페로시아나이드 내 Co 또는 Ni, Fe, Na가 해당되고, 유기성분은 SA와 전이금속 페로시아나이드 내 CN기가 해당된다. 따라서, CoFC 혹은 NiFC의 함량을 정확하게 분석하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 유체역학적 입도 크기는 각각 274.6±13.84 nm와 255.6±6.005 nm이며, SA-MNP의 유체역학적 입도 크기인 162.9±5.001 nm보다 큰 값으로, CoFC와 NiFC 도입 후 자성입자는 물상에서 더 큰 결집체를 형성하는 것으로 보인다.
8°에서 특징적인 피크들이 나타나는데, 이 것은 Fe3O4의 cubic spinel crystal 구조 (220), (311), (400), (422), (511), (440)에 해당하므로[15], SA-MNPs가 Fe3O4 로 이루어져 있다는 것을 확인할 수 있다. FT-IR 분석결과 (Fig. 4), 589 cm-1에서 Fe-O 특성 피크가 강하게 나타나는데, 이는 Fe3O4의 Fe-O 결합을 나타내므로 XRD의 결과와 마찬가지로 SA-MNPs에 Fe3O4가 존재하는 것을 확인할 수 있다[13]. 또한, FT-IR spectrum에서 3194.
다음으로 VSM 장비를 이용하여 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 자기적 특성을 분석하였다. Fig. 6에서 보는 바와 같이, SA-MNPs, CoFC-MNPs, NiFC-MNPs 세 입자의 자기곡선이 모두 잔류자화가 없는 초상자성을 갖는 것을 확인하였다. 세 입자의 포화자성 값은(saturation magnetization value, Ms) 각각 62.
이를 위해 500 ppm의 Na+와 K+를 방사성 세슘 용액에 첨가한 후 자성 흡착제로 처리하여 세슘 제거율 및 제염계수 변화를 비교 분석하였다. Na+가 포함된 방사성 세슘 용액을 CoFC-MNPs 혹은 NiFC-MNPs로 처리할 때, 각각 98.98%와 98.77%의 제거율을 보여주었으며, K+가 포함된 방사성 세슘 용액에 대해서는 각각 97.80%와 97.12%의 제거율을 보여주었다. 비록, 양이온이 없을 때와 비교하여 방사성 세슘 제거율이 저하되었으나, 500 ppm의 많은 양이온 농도에도 불구하고, CoFCMNPs와 NiFC-MNPs는 방사성 세슘에 대해 매우 우수한 선택도(selectivity)를 보여주고 있다.
비록, 양이온이 없을 때와 비교하여 방사성 세슘 제거율이 저하되었으나, 500 ppm의 많은 양이온 농도에도 불구하고, CoFCMNPs와 NiFC-MNPs는 방사성 세슘에 대해 매우 우수한 선택도(selectivity)를 보여주고 있다. 또한, 위 결과를 바탕으로 Na+보다 K+가 경쟁이온으로 존재할 때 자성흡착제 표면의 세슘 흡착이 더 크게 저하되었음을 확인할 수 있다. 이렇게 경쟁이온에 의해 전이금속 페로시아나이드와 세슘간의 반응성이 저하되는 원인은 Na+, K+와 Cs+의 수화반경의 크기와 관련이 있다.
Table 3에 실험 후 제거된 방사성 세슘의 제거율 및 제염계수를 계산하여 나타내었다. 모든 수용액에서 자성흡착제 처리 후 방사능 농도가 낮아지는 것으로 보아 자성흡착제에 의해 방사성 세슘이 제거되었다는 것을 알 수 있다. 방사성 세슘 용액 내 첨가된 CoFC-MNPs 혹은 NiFC-MNPs의 농도가 0.
방사성 세슘 용액 내 첨가된 CoFC-MNPs 혹은 NiFC-MNPs의 농도가 0.1 mg·mL-1일 때 방사성 세슘 제거율은 각각 99.15%와 99.09%로 나타나 방사성 세슘 제거율이 매우 훌륭하다는 것을 확인하였다.
7 emu·g-1의 매우 높은 포화자성 값을 가져 물상에서 신속한 자성분리가 가능하다. 방사성 세슘에 대한 흡착 특성 분석을 통해 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs는 각각 99.7%이상, 99.80%이상의 매우 우수한 제거율을 가지며, Na+ 또는 K+ 와 같이 과량의 경쟁이온(500 ppm)이 공존하여도 방사성 세슘만을 선택적으로 제거하며, 최소 34.76 이상의 매우 우수한 제염계수를 가져 방사성 세슘으로 오염된 오염수 처리용 흡착소재로 적용 가능성이 매우 높다고 판단된다.
앞서 소개한 흡착제 중 구리 페로시아나이드가 봉입된 latex particles[9]의 최대흡착량은 5.55 mg·g-1으로, 본 연구에서 제조한 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 흡착용량이 더 우수하다는 것을 쉽게 확인할 수 있다.
위 FT-IR 및 제타 전위 측정 결과를 통해 Fe3O4 자성나노입자의 표면에 SA가 성공적으로 코팅되었다는 것을 확인할 수 있다.
그림에서 보는 바와 같이, 외부 자기장이 존재할 때에는 초상자성의 CoFC-MNPs는 자성을 띠게 되고, 결과적으로 자석이 있는 쪽으로 이동하게 된다. 위 결과는 수용액에 분산된 CoFC-MNPs가 완벽하게 자성분리가 가능하다는 것을 보여주는 명백한 증거라고 할 수 있다.
2 (b)와 (c)의 TEM 사진을 보면, CoFC-MNPs (b)와 NiFC-MNPs (c)는 모두 구 형태를 가지며, SA-MNPs의 TEM 사진과 비교하여 차이점을 발견 할 수 없다. 위 결과를 토대로 SA-MNPs 입자에 CoFC 혹은 NiFC를 도입하는 제조과정이 자성나노입자의 형태를 변화시키지 않는 매우 안정한 제조과정임을 확인할 수 있다.
위 결과를 토대로 제조된 SA-MNPs는 물에 분산되었을 때, 단일 자성나노입자들이 서로 뭉쳐져 162.9±5.001 nm의 크기를 갖는 것으로 보인다.
이 것으로 보아, 흡착제의 표면에 세슘 이온이 단일층의 형태로 흡착된다는 것을 예상할 수 있고, 그에 따른 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs의 최대흡착량은 각각 15.63 mg·g-1 , 12.11 mg·g-1이다.
09%로 나타나 방사성 세슘 제거율이 매우 훌륭하다는 것을 확인하였다. 제염계수 역시 각각 116.75와 110.29로 매우 높은 값을 가지므로, 본 연구에서 제조한 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs가 방사성 폐액 내 세슘 제거를 위한 흡착제로의 응용 가능성이 매우 높다는 것을 확인하였다. 특히 주목해야 할 점은 용액 내 자성흡착제의 양을 2배 증가시킨 0.
제조된 CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs는 모두 초상자성을 가지며, 각각 43.2 emu·g-1과 47.7 emu·g-1의 매우 높은 포화자성 값을 가져 물상에서 신속한 자성분리가 가능하다.
제타 전위 측정 결과에서 보는 바와 같이 SA-MNPs 표면에 CoFC 혹은 NiFC가 도입된 후 제타 전위 값이 낮아지는데, 이는 앞서 설명한 바와 같이 자성나노입자의 분산 안정성이 약화되었다는 것을 의미한다.
측정 결과, CoFC-MNPs와 NiFC-MNP의 제타 전위는 각각 (-)10.3±0.502 mV와 (-)11.3±0.447 mV이다.
측정 결과, Table 1과 같이 수용액에서의 유체역학적 입도 크기는 162.9±5.001 nm이며, TEM 결과에서 분석한 단일 입자 크기인 10.04±2.67 nm 보다 큰 값을 갖는 것을 알 수 있다.
특히 주목해야 할 점은 용액 내 자성흡착제의 양을 2배 증가시킨 0.2 mg·mL-1의 농도에서 용액 내 잔존 방사성 세슘 농도가 최소검출 방사능 농도 값(MDA, minimum detectable activity)인 0.04 Bq·g-1보다 낮은 값을 가지는 것으로 분석되었다.
후속연구
5), CoFC-MNPs와 NiFC-MNPs 내 무기성분으로는 Fe3O4와 전이 금속 페로시아나이드 내 Co 또는 Ni, Fe, Na가 해당되고, 유기성분은 SA와 전이금속 페로시아나이드 내 CN기가 해당된다. 따라서, CoFC 혹은 NiFC의 함량을 정확하게 분석하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자성나노입자의 장점은 무엇인가?
한편, 지난 수십 년 동안 수중에서 외부 자기장을 이용해 쉽고, 빠르게 자성회수가 가능한 자성나노입자(Fe3O4)를 이용하여 중금속 혹은 유기오염원으로 오염된 물을 정화하는 연구가 광범위하게 연구되고 있다. 특히, 자성나노입자는 값이 저렴해 경제적이고, 표면적이 넓어 높은 흡착 효율을 가지며, 표면개질이 용이해 다양한 기능기를 도입하기 쉽다는 장점이 있다[7,8]. 최근, 자성나노입자 표면에 전이금속 페로시아나이드의 한 종류인 프러시안 블루(prussian blue)를 코팅해 세슘 제거 후 흡착제를 자성분리하는 연구가 여러 연구그룹에서 소개되고 있다[10,11,12,13].
방사성 세슘은 무엇인가?
방사성 세슘(137Cs)은 핵분열 과정에서 발생하는 방사성 물질로, 핵분열 생성물의 6.3%를 차지하고, 원자력 발전소 사고, 핵폐기물 등에서 발생하는 방사능 오염의 주된 원인이 되는 물질이다[1]. 2011년, 일본에서는 지진의 여파로 쓰나미가 발생하였다.
방사성 세슘을 제거하기 위한 기술의 필요성이 대두되는 이유는 무엇인가?
방사성 세슘은 물에 대해 높은 용해도를 갖고, 30.2년으로 반감기가 길며, 체내에서 칼륨이온과 유사한 거동을 보이기 때문에 인체 내에 흡수될 경우 배출이 잘 이루어 지지 않으며, 근육에 고농축 되어 폐암, 골수암 등 각종 암을 유발할 수 있다[3]. 이러한 이유로 방사성 세슘을 제거하기 위한 기술의 필요성이 대두되고 있다.
참고문헌 (25)
D.J. Yang, S. Sarina, H. Zhu, H. Liu, Z. Zheng, M. Xie, S.V. Smith, and S. Komarneni, "Capture of radioactive cesium and iodide ions from water by using titanate nanofibers and nanotubes", Angew. Chem. Int. Edit., 50, 10594-10598 (2011).
T.J. Yasunari, A. Stohl, R.S. Hayano, J.F. Burkhart, S. Eckhardt, and T.Yasunari, "Cesium-137 deposition and contamination of Japanese soils due to the Fukushima nuclear accident", Proc. Natl. Acad. Sci., 108, 19530-19534 (2011).
R.R. Sheha, "Synthesis and characterization of magnetic hexacyanoferrate(II) polymeric nanocomposite for separation of cesium from radioactive waste solutions", J. Colloid Interface Sci., 388, 21-30 (2012).
E.H. Borai, R. Harjula, L. Malinen, and A. Paajanen, "Efficient removal of cesium form low-level radioactive liquid waste using natural and impregnated zeolite minerals", J. Hazard. Mater., 172(1), 416-422 (2009).
T.A. Todd and V.N. Romanovskiy, "A comparison of crystalline silicotitanate and ammonium molybdophosphate-polyacrylonitrile composite sorbent for the separation of cesium from acidic waste", Radio Chem., 47(4), 398-402 (2005).
P.A. Hass, "A review of information on ferrocyanide solid for removal of cesium from solutions", Sep. Sci. Technol., 28, 2479-2506 (1993).
H. Mimura, J. Lehto, and R. Harjula, "Selective removal of cesium from simulated high-level liquid wastes by insoluble ferrocyanides", J. Nucl. Sci. Technol., 34, 607-609 (1997).
V. Avramenko, S. Bratskaya, V. Zheleznov, I. Sheveleva, O. Volitenko, and V. Sergienko, "Colloid stable sorbents for cesium removal : Preparation and application of latex particles functionalized with transition metals ferrocyanides", J. Hazard. Mater., 186, 1343-1350 (2011).
C. Thammawong, P. Opaprakasit, P. Tangboriboonrat, and P. Sreearunothai, "Prussian blue-coated magnetic nanoparticles for removal of cesium from contaminated environment", J. Nanopart. Res., 15, 1689-1699 (2013).
H. Yang, L. Sun, J. Zhai, H. Li, Y. Zhao, and H. Yu, "In situ controllable synthesis of magnetic Prussian blue/graphene oxide nanocomposites for removal of radioactive cesium in water", J. Mater. Chem. A., 2, 326-332 (2014).
Y. Namiki, T. Namiki, Y. Ishii, S. Koido, Y. Nagase, A. Tsubota, N. Tada, and Y. Kitamoto, "Inorganic-organic magnetic nanocomposites for use in preventive medicine : a rapid and reliable elimination system for cesium", Pharm. Res., 29, 1404-1418 (2012).
H.M. Yang, S.C. Jang, S.B. Hong, K.W. Lee, C.H. Rho, Y.S. Huh, and B.K. Seo, "Prussian blue-functionalized magnetic nanoclusters for the removal of radioactive cesium from water", J. Alloys. Comp., 657, 387-393 (2016).
R. Yi, G. Ye, F. Wu, M. Wen, X. Feng, and J. Chen, "Highly efficient removal of $^{137}Cs$ in seawater by potassium titanium ferrocyanide functionalized magnetic microspheres with multilayer core-shell structure", RSC Adv., 4, 37600-37608 (2014).
H.M. Yang, S.B. Hong, Y.S. Choi, K.W. Lee, B.K. Seo, and J.K. Moon, "Copper ferrocyanide-functionalized magnetic adsorbents using polyethyleneimine coated $Fe_3O_4$ nanoparticles for the removal of radioactive cesium", J. Nanosci. Nanotechnol., 16, 3067-3070 (2016).
H.M. Yang, S.C. Jang, S.B. Hong, K. W.Lee, J.K. Moon, Y.S. Huh, and B.K. Seo "Copper ferrocyanidefunctionalized magnetic adsorbents using polyvinylpyrrolidone-coated $Fe_3O_4$ nanoclusters for the removal of radioactive cesium", J. Nanosci. Nanotechnol., 16, 10864-10868 (2016).
K.S. Hwang, C.W. Park, S.B. Hong, K.W. Lee, B.K. Seo, S.J. Park, and H.M. Yang, "Highly efficient removal of radioactive cesium by sodium-copper hexacyanoferrate-modified magnetic nanoparticles", Colloids Surf. A., 516, 375-382 (2017).
D.S. Yang, "Copper ferrocyanide functionalized coreshell magnetic silica composites for the selective removal of cesium ions from radioactive liquid waste", Graduate School of Kyungpook National University, Master of Engineering Thesis (2014).
M.T. Ganzerli Valentini, S. Meloni, and V.Maxia, "Adsorption of monovalent ions on zinc ferrocyanide", J. Inorg. Nucl. Chem., 34, 1427 - 1436 (1972).
S. Singh, K.C. Barick, and D. Bahadur, "Surface engineered magnetic nanoparticles for removal of toxic metal ions and bacterial pathogens", J. Hazard. Mater., 192, 1539-1547 (2011).
R. Greenwood, "Review of measurement of zeta potentials in concentrated aqueous suspensions using electroacoustics", Adv Colloid Interface Sci., 106, 55-81 (2003).
D. Hanaor, M. Michelazzi, C. Leonelli, and C.C. Sorrell, "The effects of carboxylic acids on the aqueous dispersion and electrophoretic deposition of $ZrO_2$ ", J. Eu Ceram Soc., 32, 235-244 (2012).
F.H. Bijarbooneh, Y. Zhao, J.H. Kim, Z. Sun, V. Malgras, S.H. Aboutalebi, Y.U. Heo, M. Ikegami, and S.X. Dou, "Aqueous colloidal stability evaluated by zeta potential measurmnr and Resultant $TiO_2$ for superior photovoltaic performance", J. Am. Ceram. Sco., 96(8), 2636-2643 (2013).
M. Ishizaki, S. Akiba, A. Ohtani, Y. Hoshi, K. Ono, M. Matsuba, T. Togashi, K. Kananizuka, M. Sakamoto, A. Takahashi, T. Kawamoto, H. Tanaka, M. Watanabe, M. Arisaka, T. Nankawad, and M. Kurihara, "Proton-exchange mechanism of specific $Cs^+$ adsorption via lattice defect sites of Prussian blue filled with coordination and crystallization water molecules", Dalton Trans., 42, 16049-16055 (2013).
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