초록 ▼

연구개발 결과
<정량적 목표 달성도>
◦ 섬유형 흡착제의 지름 : 106 %
◦ 발효균체 함량 : 118 %
◦ 중금속(Cd) 흡착량 : 130 %
◦ 희귀금속(Ru) 흡착량 : 650 %
◦ 흡착속도 : 113 %

발효균체를 활용하여 섬유형 흡착제를 개발하기 위하여 발효균체 폐기물(Corynebacterium glutamicum)을 선정하였고, 전위차 적정실험(potentiometric titration) 및 FTIR 분석을 통해 발효균체 표면은 주로 카르복실기, 인산기, 아민기 등의

연구개발 결과
<정량적 목표 달성도>
◦ 섬유형 흡착제의 지름 : 106 %
◦ 발효균체 함량 : 118 %
◦ 중금속(Cd) 흡착량 : 130 %
◦ 희귀금속(Ru) 흡착량 : 650 %
◦ 흡착속도 : 113 %

발효균체를 활용하여 섬유형 흡착제를 개발하기 위하여 발효균체 폐기물(Corynebacterium glutamicum)을 선정하였고, 전위차 적정실험(potentiometric titration) 및 FTIR 분석을 통해 발효균체 표면은 주로 카르복실기, 인산기, 아민기 등의 작용기들로 구성되어 있음을 알 수 있었다. 희귀금속(Ru) 또는 중금속(Cd)의 흡착성능을 향상시키기 위해 발효균체 표면에 존재하는 결합기를 증가시키는 방법과 방해기를 제거시키는 방법을 고려할 수 있는데, 이 과정에서 개질제과 가교제를 선별하였다. 또한 분말형과 액상형의 원료물질을 입상화하여 섬유형 흡착소재를 제조할 수 있는 고분자 지지체를 선별하였고, 실험 설계법(RSM)을 이용하여 개질제/바인더/발효균체 함량에 대한 배합조건 최적화를 확립하였다.
개질제/바인더/발효균체(함량: 70 wt% 이상)의 다양한 배합비율로 섬유형 흡착제의 방사원액을 제조할 수 있으며, 각각 제조된 섬유형 생체흡착제는 그 성상뿐만 아니라 실폐액에서의 팽윤 정도도 다르다. 또한 여러 종류의 니들을 사용하여 다양한 직경(94.2 - 2,502 ㎛)의 섬유형 흡착소재를 제조할 수 있는데, 섬유의 직경이 작을수록 단위 면적당 비표면적의 증가로 인하여 흡착성능이 향상되는 것을 확인하였다.
중금속 제거용 생체흡착제의 카드뮴(Cd) 흡착 성능은 139.8 mg/g으로 평가되었는데 이는 양이온교환수지 Amberlite IRC-86의 흡착성능(154 mg/g)의 90.8 %에 해당 값으로, 당초 목표였던 Amberlite IRC-86 흡착성능의 70 %인 107.8 mg/g 보다 1.3배 높은 값이다.
특히, 삼성BP화학에서 흡착제로 사용하고 있는 이온교환수지인 MonoPlus M500의 흡착성능(4.3 mg/g)에 비해 발효균체를 활용한 섬유형 생체흡착제는 13배 높은 루테늄(Ru) 흡착 성능(55.8 mg/g)이 속도론 실험을 통해 확인되었다. 가교 처리된 섬유형 생체흡착제와 이온교환수지(Amberjet 4400)의 Ru 흡착량을 비교․평가 한 결과, 개발 소재의 초기 흡착속도는 2.68 h^-1로 평가되었으며, 이는 이온교환수지의 흡착속도(1.98 h^-1) 보다 1.36배 큰 값이다. 따라서 섬유형 생체흡착소재는 상용이온교환수지에 비해 흡착용량은 물론 속도론적 장점이 있다.

Abstract ▼

Ⅳ. Results
◦ Quantitative achievement
□ Contents
1. Thickness of biosorbent fibers
- Objective : < 100 ㎛
- Outcome : 94.2 ㎛
- Achievement : 106 %
2. biomass ratio
- Objective : 70 wt%
- Outcome : 82.4 wt%
- Achievement : 118 %
3. Heavy metal uptake
- Objective : 7

Ⅳ. Results
◦ Quantitative achievement
□ Contents
1. Thickness of biosorbent fibers
- Objective : < 100 ㎛
- Outcome : 94.2 ㎛
- Achievement : 106 %
2. biomass ratio
- Objective : 70 wt%
- Outcome : 82.4 wt%
- Achievement : 118 %
3. Heavy metal uptake
- Objective : 70 % (compared with commercial resin)
- Outcome : 90.8 %
- Achievement : 130 %
4. Precious metal uptake
- Objective : above 2 times (compared with commercial resin)
- Outcome : 13 times
- Achievement : 650 %
5. Kinetics
- Objective : 1.2 times (compared with commercial resin)
- Outcome : 1.36 times
- Achievement : 113 %

◦ The waste biomass, Corynebacterium glutamicum, was selected as raw biomass to fabricate biosorbent fibers. Potentiometric titration and FTIR studies revealed that carboxyl, phosphate and amine groups were present in the biomass surface. In order to manufacture a high-performance biosorbent fiber for precious and heavy metal sorption, the biomass surface was modified. Response surface methodology (RSM) was employed to determine a suitable mixing ratio of polymer, binder and biomass.
◦ The effect of thickness of the biosorbent fibers largely affected the sorption performance. The maximum uptakes increased as the thickness decreased. This is due to the fact that the biosorbent fibers with thinner size had larger specific surface areas, leading to easy access of metal ions to the binding sites. In other words, the total surface area occupied by metal ions per unit area of the thinner fibers was more than thicker fibers.
◦ The Cd uptake of biosorbent fibers was estimated to be 139.8 mg/g, whereas that of IRC-86 was 154 mg/g. These results indicate that the sorption capacity of biosorbent fibers could reach 90% of that of ion exchange resin.
◦ The Ru uptake by the biosorbent fibers (55.8 mg/g) was 13 times higher than that of the commercial ion exchange resin, Lewatit MonoPlus M500 (4.3 mg/g). Moreover, the initial rate of biosorbent sorption (2.68 h^-1) was 1.36 times higher than that of Amberjet 4400 (1.98 h^-1) which was calculated using the pseudo-second-order model. Therefore, the biosorbent fibers are promising sorbents to remove the heavy metals and/or recover the precious metals.