[논문]전복패각을 침전법의 원료로 이용한 calcium phosphates의 합성

문성욱; 이병우

doi:10.6111/jkcgct.2020.30.4.143

전복패각을 침전법의 원료로 이용한 calcium phosphates의 합성
Synthesis of calcium phosphates from abalone shells via precipitation 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.30 no.4, 2020년, pp.143 - 149

문성욱 (한국해양대학교 해양신소재융합공학과) , 이병우 (한국해양대학교 해양신소재융합공학과)

초록
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전복패각을 Ca원으로 이용하여 바이오 소재로 중요한 인산칼슘(calcium phosphates)들을 침전법을 통해 합성하였다. 전복패각에서 유래한 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 칼슘 공급원(전구체)으로 사용하였다. 수용액상에서 수산화칼슘과 인산(H₃PO₄)을 반응시켜 침전반응을 유도하여 인산칼슘화합물로의 합성을 유도하였다. 초기 전구체 Ca/P 비율을 1.50, 1.59 및 1.67로 조절하였으며 이 조성변화와 침전물에 대한 열처리가 분말 및 소결체의 물성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 초기 전구체 Ca/P 비율을 조절함으로써 소결체 상합성의 조절이 가능하였고, 1150℃에서 소결한 소결체에서(hydroxyapatite(HAp), β-tricalcium phosphate(β-TCP) 및 HAp와 β-TCP가 혼합된 2상 인산칼슘(BCP, HA/β-TCP))들이 합성되었다. 이러한 결과는 저비용, 고가용성을 가지는 경제적인 출발물질로부터 고부가가치 인산칼슘을 합성할 수 있는 가능성을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Calcium phosphates recognized as important bio-materials have been successfully synthesized by simple precipitation using waste abalone shells, which are rich mineral sources of calcium. Calcium hydroxide (Ca(OH)2) originated from abalone shells was used as calcium source (precursor) for the preparation. Synthesis of calcium phosphates was performed by reacting calcium hydroxide with phosphoric acid (H3PO4) in aqueous solution. The initial precursor Ca/P ratios were adjusted to 1.50, 1.59 and 1.67, and the effect of the composition and the heat treatment on the synthesized powders and sintered bodies was investigated. The phases of the sintered ceramics prepared at 1150℃ were hydroxyapatite (HAp), β-tricalcium phosphate (β-TCP), and biphasic phosphate (HAp with β-TCP)), which were determined by the initial precursor Ca/P ratios. The results demonstrate the possibility for the synthesis of high value-added calcium phosphates from economical starting materials with low cost and high availability.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Abalone waste shells used to synthesize the calcium phosphates in this study.
그림 Fig. 2. Process for the preparation of calcium phosphates derived from abalone waste shells.
표 Table 1 Calcium phosphate compositions derived from abalone shells and minimum reaction pH values with composition
그림 Fig. 3. XRD patterns of the abalone shells heat treated at different temperatures.
그림 Fig. 4. XRD patterns of reacted CaO powders derived from abalone shell with air and water.
그림 Fig. 5. XRD patterns of the prepared calcium phosphate powders synthesized from the abalone Ca source and heat treated at different calcination temperatures: (a) CP-1 (Ca/P = 1.50), (b) CP-2 (Ca/P = 1.59), and (c) CP-3 (Ca/P = 1.67).
그림 Fig. 6. SEM micrographs of the prepared calcium phosphate powders synthesized and dried at 70℃ from the abalone Ca source: (a) CP-1 (Ca/P = 1.50), (b) CP-2 (Ca/P = 1.59), and (c) CP-3 (Ca/P = 1.67).
그림 Fig. 7. SEM surface micrographs of the calcium phosphate ceramics sintered at 1150℃ for 1 h using the prepared powders synthesized from the abalone Ca source: (a) CP-1 (β-TCP, Ca/P = 1.50), (b) CP-2 (BCP (HAp/β-TCP), Ca/P = 1.59), and (c) CP-3 (HAp, Ca/P = 1.67).
그림 Fig. 8. The translucency example for the calcium phosphate ceramics sintered at 1150℃ for 1 h using the prepared powders synthesized from the abalone Ca source: CP-1 (β-TCP, Ca/P = 1.50), CP-2 (BCP (HAp/β-TCP), Ca/P = 1.59), and CP-3 (HAp, Ca/P = 1.67).

AI 본문요약
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제안 방법

1. Abalone waste shells used to synthesize the calcium phosphates in this study.
Ca/P 농도 및 열처리온도에 따라 제조된 인산칼슘분말과 세라믹의 결정상을 X-선 회절분석기(X-ray Diffractometer(XRD, Cu-Kα))를 사용하여 분석하였고, 합성분말 및 소결한 세라믹의 미세구조를 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope(SEM))을 사용하여 관찰하였다.
0 M Ca(OH)₂ suspension 용액을 만들었다. Ca와 P 양이온 비율이 분말합성에 미치는 영향을 알아보기 위해 Ca/P mol 비가 1.5, 1.59, 및 1.67에 맞도록 조절된 phosphoric acid(H₃PO₄)를 Ca(OH)₂suspension 용액에 20분에 걸쳐 서서히 첨가하였다. 반응온도는 중탕기를 사용하여 70℃로 조절하였고, 반응생성물은 24시간 동안 유지한 후 별도의 여과세척과정 없이 건조기에 넣어 70℃에서 48시간 이상 유지한 후 분말에 대한 분석을 수행하였다.
67에 맞도록 조절된 phosphoric acid(H₃PO₄)를 Ca(OH)₂suspension 용액에 20분에 걸쳐 서서히 첨가하였다. 반응온도는 중탕기를 사용하여 70℃로 조절하였고, 반응생성물은 24시간 동안 유지한 후 별도의 여과세척과정 없이 건조기에 넣어 70℃에서 48시간 이상 유지한 후 분말에 대한 분석을 수행하였다. Table 1에 본 실험에서 사용된 조성과 반응 pH를 나타내었다.
본 연구에서 전복패각을 Ca 원으로 이용하여 바이오 소재로 중요한 인산칼슘들을 합성하였고 합성된 침전분말들은 미세하고 반응성 높아 소결온도로서는 상당히 저온인 1150℃에서 우수한 소결체를 형성하였다. 전복패각은 합성수율 높은 우수한 원료였으며 본 연구에서 수행한 실험방법은 CaCO₃를 가지고 있는 모든 농수산 부산물에도 적용할 수 있는 유용한 합성법으로 그 가치가 있다고 생각된다.
1에 보였다. 세척한 전복패각은 950℃에서 1시간 가열하여 유기물, 휘발성 성분 및 분해생성물들을 제거하였고 유발에서 분쇄하여 CaO를 제조하였다. CO₂가 분해된 패각은 유발로도 쉽게 분쇄되어 볼밀 같은 기계적 분쇄방법을 거치지 않았다.
이미 Table 1에서 보인 바와 같이 농도 조절된 Ca(OH)₂ suspension에 인산(H₃PO₄)을 첨가하여 단지 Ca/P 비율만 조절해주고 별도의 pH 조절제나 첨가물 없이 인산칼슘들을 제조하였다. Ca/P 비율이 1.
전복패각을 Ca 원으로 이용하여 바이오 소재로 중요한 인산칼슘(HAp, β-TCP 및 BCP(HA/β-TCP))을 인산과의 반응을 이용한 침전법을 통해 합성하였다.
합성의 Ca 원으로 이용하기 위한 전복패각의 열간 상변화 연구를 수행하였고 CaO와 물과의 반응을 이용하여 Ca-전구체인 Ca(OH)₂로 합성하여 반응에 이용하였다. 초기 전구체 Ca/P 비율을 1.50, 1.59 및 1.67로 조절하였으며 이 조성변화와 침전물에 대한 열처리가 분말 및 소결체의 상합성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 초기 전구체 Ca/P 비율을 조절함으로써 소결체의 상의 조절이 가능하였다.
Table 1에 본 실험에서 사용된 조성과 반응 pH를 나타내었다. 합성된 건조분말들은 500, 700 및 900℃에서 1시간 동안 열처리하여 온도에 따른 상변화를 알아보았고, 또한 pellet 형태로 성형한 후 1150℃에서 1시간 동안 소결하여 소결물성에 대해 알아보았다. 이렇게 수행한 전체적인 합성 공정을 Fig.
전복패각을 Ca 원으로 이용하여 바이오 소재로 중요한 인산칼슘(HAp, β-TCP 및 BCP(HA/β-TCP))을 인산과의 반응을 이용한 침전법을 통해 합성하였다. 합성의 Ca 원으로 이용하기 위한 전복패각의 열간 상변화 연구를 수행하였고 CaO와 물과의 반응을 이용하여 Ca-전구체인 Ca(OH)₂로 합성하여 반응에 이용하였다. 초기 전구체 Ca/P 비율을 1.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 Ca의 전구체인 Ca(OH)₂는 주성분이 CaCO₃인 전복패각의 고온 분해생성물인 CaO를 증류수와 반응시켜 얻었으며, 인산과 만나 본 연구의 최종 목표조성인 여러 조성의 인산칼슘을 합성하게 된다.
본 연구에서는 CaCO3 함유 부산물인 전복패각을 Ca 원료로 이용하여, 고부가가치를 가지는 HAp, β-TCP 및 BCP(HAp/β-TCP) 바이오 소재로의 합성연구를 수행하였다.

성능/효과

(a)) β-TCP(Ca3(PO4)2)에 해당하나 500℃까지는 DCPD(Dicalcium phosphate dihydrate(CaHPO4), JCPDS 9-77)나 결정성이 약한 HAp(JCPDS 9-432)피크 들만 보이고, 700℃ 이상에서 부터 β-TCP(JCPDS 9-169) 단일 상을 형성하여 온도 증가에 따라 그 결정성이 더욱 높아지는 결과를 볼 수 있다.
59에서는 700℃ 이상 열처리 할 경우 BCP(HAp/β-TCP)를 합성할 수 있었다. 미세하고 반응성 높은 분말의 특성으로 비교적 저온인 1150℃에서 소결성이 우수한 세라믹을 제조할 수 있었다.
이를 가열할 경우 aragonite는 calcite 상으로 바뀌고, CaCO₃에서 CO₂가 분해되는 900℃ 이상 가열할 경우 다시 calcite가 분해하여 그 분해생성물인 CaO가 합성됨을 알 수 있다. 순수한 CaCO₃에서 CO₂가 모두 분해될 경우 44%의 중량감소가 기대되나 본 연구에서는 46.8%의 중량 감소가 있었다. 따라서 전복패각은 CO₂를 제외하면 유기물 등 휘발성 물질의 함량이 3% 이하로 Ca 원료로서의 수율은 상당히 좋은 편으로 여겨진다.
일반적인 소결온도 보다 낮은 저온 소결로 인해 μm 단위의 미세한 입경을 가지는 소결체가 형성되었음을 확인할 수 있었다.

후속연구

이러한 침전법은 균일한 결정상을 갖는 고용체나 화합물의 제조가 용이하고, 분산성이 좋으며, 비교적 저온에서 쉽게 합성할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서 수행한 폐 전복패각을 활용한 고 부가가치를 가지는 바이오 소재합성 연구는 전복뿐 아니라 거의 모든 CaCO₃ 함유 농수산 부산물에도 적용이 가능하여 응용범위를 크게 넓힐 수 있는 연구로 생각된다.
이 두 대표적 생체활성물질은 생체 내 활성과 흡수용해도가 달라 각기 다른 용도로 사용되거나 보다 효율적으로 사용하기 위해 두 물질을 혼합하여 2상 인산칼슘 형태(biphasic calcium phosphate, BCP(HAp/β-TCP)로도 제조하여 응용하고 있다[10]. 이러한 생체활성소재들은 용도에 따라 높은 가치를 가질 수 있어 패각같은 경제성 있는 Ca 함유 원료를 이용한 합성법이 개발될 경우 그 부가가치는 더 높아질 것으로 기대된다.
본 연구에서 전복패각을 Ca 원으로 이용하여 바이오 소재로 중요한 인산칼슘들을 합성하였고 합성된 침전분말들은 미세하고 반응성 높아 소결온도로서는 상당히 저온인 1150℃에서 우수한 소결체를 형성하였다. 전복패각은 합성수율 높은 우수한 원료였으며 본 연구에서 수행한 실험방법은 CaCO₃를 가지고 있는 모든 농수산 부산물에도 적용할 수 있는 유용한 합성법으로 그 가치가 있다고 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CaCO3 함유 농수산 부산물이 단순히 폐기물로 처리될 경우, 어떤 문제점이 있는가?	CaCO3 함유 농수산 부산물은 단순히 폐기물로 처리될 경우, 오염 및 환경훼손을 유발하고 비용이 발생하게 된다. 반면 이러한 부산물이 친환경적으로 또는 산업적으로 이용될 경우, 이러한 문제를 해결하는 동시에 새로운 부가가치를 창출할 수 있다.
	CaCO3 함유 농수산 부산물 중 대표적인 것들은 무엇이 있는가?	CaCO3 함유 농수산 부산물로는 계란껍질, 굴이나 조개 패각들이 대표적이고 이들은 다량의 CaCO3를 함유하고 있으며 900℃ 이상 가열할 경우 96% 이상의 비교적 고순도의 CaO를 얻을 수 있다[4-6]. 최근 이렇게 얻어진 Ca원을 부가가치가 높은 촉매나 수처리제 등으로 이용하려는 연구들이 활발하게 이루어지고 있다[1-5].
	CaCO3 함유 농수산 부산물들이 친환경적으로 또는 산업적으로 이용될 경우, 어떤 장점이 있는가?	CaCO3 함유 농수산 부산물은 단순히 폐기물로 처리될 경우, 오염 및 환경훼손을 유발하고 비용이 발생하게 된다. 반면 이러한 부산물이 친환경적으로 또는 산업적으로 이용될 경우, 이러한 문제를 해결하는 동시에 새로운 부가가치를 창출할 수 있다. 따라서 이러한 부산물들을 산업적 유용자원으로 이용하려는 노력이 국내에서도 지속적으로 이루어지고 있다[1-3].

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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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