보고서 정보
| 주관연구기관 |
명지대학교
MyongJi University |
| 연구책임자 |
그레이스 니솔라
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| 보고서유형 | 최종보고서 |
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| 발행국가 | 대한민국 |
|---|
| 언어 |
한국어
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| 발행년월 | 2023-03 |
|---|
| 과제시작연도 |
2022 |
| 주관부처 |
과학기술정보통신부
Ministry of Science and ICT |
| 연구관리전문기관 |
한국연구재단
National Research Foundation of Korea |
| 등록번호 |
TRKO202300009804 |
| 과제고유번호 |
1711164619 |
| 사업명 |
개인기초연구(과기정통부) |
| DB 구축일자 |
2023-10-11
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| 키워드 |
방사성 세슘.세슘이온 제거.환경친화공정.광감응성.radioactive cesium.cesium ion removal.eco-frienldy process.photo-responsive.
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초록
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□ 연구개요
세슘이온에 대한 1)선택도 향상 2)세슘이온 흡착능 최대화 3)재사용 흡착제 성능 보장 등을 목표로 한다. 위의 3가지 성능을 만족하는 세슘 흡착제 개발을 위해서 이온 크기가 비슷한 타 이온들 존재 하에서 세슘이온만 선택적으로 흡착하기 위해서 1)세슘이온 크기와 비슷한 크기의 3개의 세슘 회수용 리간드 Benzocrown ether(TB-19CE5, TeB-22CE6, TeB-24CE8) 화합물을 합성하였으며, 합성 수율은 77, 93, 97%로 나타났다. 2)흡탈착 시 빛을 조사하면 cis 이성체가 trans 이
□ 연구개요
세슘이온에 대한 1)선택도 향상 2)세슘이온 흡착능 최대화 3)재사용 흡착제 성능 보장 등을 목표로 한다. 위의 3가지 성능을 만족하는 세슘 흡착제 개발을 위해서 이온 크기가 비슷한 타 이온들 존재 하에서 세슘이온만 선택적으로 흡착하기 위해서 1)세슘이온 크기와 비슷한 크기의 3개의 세슘 회수용 리간드 Benzocrown ether(TB-19CE5, TeB-22CE6, TeB-24CE8) 화합물을 합성하였으며, 합성 수율은 77, 93, 97%로 나타났다. 2)흡탈착 시 빛을 조사하면 cis 이성체가 trans 이성체로 변화하여 흡탈착이 되는 광감응성 3개 CE 리간드를 이용한 광감응성 흡착제를 개발하였다(3개의 세슘 회수용 광감음성 리간드 제조) 3)세슘 흡착제의 쉬운 회수를 위하여 리간드가 함침된 무기소재 흡착 담체 및 고분자 담체를 개발하여, 타 양이온 존재 시 세슘 제거공정도 개발하였다.
□ 연구 목표대비 연구결과
-세슘 회수용 3가지 크라운 에테르 리간드 합성(19-24 CEs 3가지) 최적화 연구 결과; 3개의 세슘 회수용 리간드 Benzocrown ether(TB-19CE5, TeB-22CE6, TeB-24CE8) 화합물의 합성 및 수율은 77, 93, 97%였다. 3개의 세슘 회수용 리간드인 Benzocrown ether(TB-19CE5, TeB-22CE6, TeB-24CE8)의 중간 생성화합물의 수율 및 반응조건을 결정하였으며, 합성 수율은 51-94%를 나타내었다. 3가지 Benzocrown ethers 흡착제로서 초기 세슘 농도 2mM, pH=8 에서 조사하여 최대 흡착능은 TB19CE5가 63mgCs/g으로써 제일 우수하게 나타났다.
- 3개의 세슘 회수용 광감음성 리간드(ABTB-24CE4=azobenzo tribenzo-24-crown-4 , ABTB-28CE6=azobenzo tribenzo-28-crown-6, ABTB-30CE6=azobenzo tribenzo-30-crown-6) 합성/합성조건 최적화; 3개의 세슘 회수용 광감음성 리간드(ABTB-24CE4, ABTB-28CE6, ABTB-30CE6)합성 수율은 22, 25, 20% 이었으며, 화학구조는 FTIR, H NMR로 확인하였다. 3개의 세슘 회수용 광감음성 리간드의 광감응성(UV (350 nm) 조사시 cis 가 trans로, visible (400-700 nm) 조사시 trans가 cis로 변환)기작을 확인하였다.세슘 회수용 광감음성 리간드인 아조크라운에테르(ABTB-30CE6)의 액액세슘 추출조건 결과로서 Cis-ABTB-30CE6 isomer 리간드의 세슘 흡착능은 43mg/g으로 나타났으며, trans-ABTB-30CE6 isomer 리간드의 세슘 흡착능은 33mg/g으로 나타났다. Cis to Trans 광감응성 탈착 기작시 탈착율은 94% 이상으로 나타났으며, 이에 반해 Trans to Cis 광감응성 탈착 기작시 탈착율은 63-93%로 나타났다. 3개의 세슘 회수용 광감음성 리간드(A24CE4, A28CE6, A30CE6)의 흡탈착성능(반응조건; UV 365nm, visible 400-700nm, 흡착조건;Org. phase=CHCl3, Aq.Org.=1/1, Co=15 mg/L, pH=6. 탈착조건; pH=11, H2O, 0.01 M HCl(for A24CE4, A28CE6), 0.05 M HCl(for A30CE6 only), Aq.Org.=1/1)이 적정 조건이었으며, DEHPA 사용시, UV 조사시 가시광선 조사시보다 흡착성능이 우수하였으며, 탈착시 약산의 도움이 필요하였다. DEHPA, butanol, TOPO 존재 및 농도, pH 변화에 따라 실험한 결과 pH11, DEHPA존재시 제일 세슘 추출성능이 우수하게 나타났다.
- 세슘 회수용 CE 리간드가 실리카에 함침된 흡착제 제조; Cs template가 포함되어 제조된 3종류 Cs-IIP-CE-SiO2(IIP-19CE5-SiO2, IIP-22CE6-SiO2, IIP-24CE8-SiO2)와 Cs template가 포함안된 non-ion imprinted(NIIP) 3종류 NIIP-CE-SiO2 (NIIP-19CE5-SiO2, NIIP-22CE6-SiO2, NIIP-24CE8-SiO2) 제조 및 흡착능 결과; 리간드 Dibenzocrown ether DB18C6를 아민화시킨후 chlorinated silanol된 SBA-15 실리카에 표면 개질시켜 DB18C6-SBA-15 복합담체를 제조하였다. Langmuir and Hill흡착등온식에 따르면, DB18C6-SBA-15 복합담체의 세슘 최대흡착능은 87.90 mg/g 와 94.54 mg/g으로 나타났으며, pseudo-second order kinetic식을 따랐다. 공유결합시 같은 실리카표면에 2개의 DB18C6 리간드가 더 많이 결합되어 우수함을 나타내었다. DB18C6-SBA-15복합담체는 5회 이상 사용시에도 세슘 제거능은 94% 이상의 안정적인 제거능을 나타내었다. 세슘이 포함된 HLLW(8x)와 지표수에서 DB18C6-SBA-15담체 사용시 Cs의 농축인자는 312와 2267로 나타났다. 다른 양이온의 KD수치는 140-160 mL/g (8x HLLW), 1-300 mL/g(surface water)로 나타나서 세슘에 대한 선택도가 높게 나타났다.
- 아조크라운에테르-리간드 광강음성 기작 연구; 3개의 세슘 회수용 광감음성 리간드(A24CE4=azobenzo tribenzo-24-crown-4 , A28CE6=azobenzo tribenzo-28-crown-6, A30CE6=azobenzo tribenzo-30-crown-6)가 흡착시 UV (365 nm)조사 하에 흡착 기작 및 visible (400-700 nm)조사 하에 탈착 기작과정을 UV-Vis로 조사하였다.
- 세슘 회수용 광감음성 리간드A30CE6를 고분자(PVA/PAA) 화이버에 함침시킨 A30CE6 nanofiber 흡착제 제조 및 성능 결과; 고분자 PVA를 글루타르알데히드로 가교결합시켜 전처리 후, PAA와 A30C6를 DMSO/H2O 용매에 녹인 후 전기방사시켜 제조하였다. A30CE6 nanofiber 흡착제는 세슘 최대흡착능을 Qmax=30.06 mg/g를 나타냈으며, Sips 등온식을 나타냈다. 5회 사용후에도 FTIR 과 SEM으로 흡착제가 마모없이 안정하였으며, 흡탈착 성능도 원 상태를 유지하였다.
□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
-산업적으로 재사용이 가능한 방사성 동위원소 제거용 흡착담체의 원천 기술 확보
-방사성 동위원소인 세슘이온 제거용으로 흡착능과 선택도(세슘이온 맞춤형 분자 각인 소재 개발로 인함.)가 세계 최고 수준의 세슘 제거용 담체 기술 개발 결과는 기존 방사성 동위원소 제거용 담체(프러시안 블루) 와는 매우 다른 매우 획기적이고 패라다임 전환 개념의 원천 기술 연구결과 기대
-세슘이온 제거기술은 고부가가치 금속이온(금, 은, 백금, 인듐 등) 회수뿐만 아니라 희토류 금속의 선택적 회수에도 활용될 수 있는 기술로 기대됨.
- 관련 전공의 대학원 고급 연구인력 양성. 국외 유수 SCI 논문, 국내․외 우수한 특허 다수 발표
-경제적이며 회수율이 우수한 원천 나노 흡착소재 및 공정기술 개발로 인한 환경 응용 나노소재 원천기술 확보
(출처 : 연구결과 요약문 2p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 연구결과 요약문 ... 2
- 목차 ... 3
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
- 1) 연구목표 ... 4
- 2) 연구 필요성 ... 4
- 3) 연구내용 ... 4
- 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
- 1) 1차년도 연구내용 ... 5
- 2) 2차년도 연구내용 ... 7
- 3) 3차년도 연구내용 ... 8
- 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 14
- 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 14
- 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
- 3) 목표 달성 수준 ... 15
- 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 15
- 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
- 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 16
- 1) 성과관리 ... 16
- 2) 활용계획 ... 16
- 6. 자체점검표 ... 16
- 7. 참고문헌 ... 17
- [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 18
- [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 23
- 끝페이지 ... 38
![[1] Dibenzocrown ether DB18C6 (a) amination and (b) covalent attachment to silica support. [2] (a) Isotherm fitting of control silica and DB18C6-silica adsorbents, (b) SEM image of DB18C6-silica, (c) EDS element maps of DB18C6-silica, and (d) kinetic studies of DB18C6-silica. [3] Difference between impregnated and covalently linked DB18C6 on silica. [4] Recyclability of DB18C6-silica and its Cs+ rejection performance](https://nrms.kisti.re.kr/bitextimages/TRKO202300009804/TRKO202300009804_9_image_2.png "[1] Dibenzocrown ether DB18C6 (a) amination and (b) covalent attachment to silica support. [2] (a) Isotherm fitting of control silica and DB18C6-silica adsorbents, (b) SEM image of DB18C6-silica, (c) EDS element maps of DB18C6-silica, and (d) kinetic studies of DB18C6-silica. [3] Difference between impregnated and covalently linked DB18C6 on silica. [4] Recyclability of DB18C6-silica and its Cs+ rejection performance")
![[1] Structures of bare silica (bare SiO2), non-Cs+ imprinted crown ether-silica (NIIP-CE-SiO2), and Cs+-imprinted crown ether-silica (IIP-CE-SiO2). [2] FTIR spectra of Cs+-imprinted and non-Cs+ imprinted crown ether-silica for (a) 3B19CE5, (b) 4B22CE6, and (c) TB24CE8 compared against bare SiO2. [3] TGA profile of IIP-CE-SiO2 for (a) 3B19CE5, (b) 4B22CE6, and (c) TB24CE8 compared against bare SiO2. [4] Preliminary adsorption studies by bare SiO2, IIP-CE-SiO2, and NIIP-CE-SiO2 for (a) 3B19CE5, (b) 4B22CE6, and (c) TB24CE8 under varying pH levels. Adsorption conditions: Co = 75 mg L -1, S/L = 0.50 mg mL-1, t = 24 h, T = 30 oC](https://nrms.kisti.re.kr/bitextimages/TRKO202300009804/TRKO202300009804_10_image_1.png "[1] Structures of bare silica (bare SiO2), non-Cs+ imprinted crown ether-silica (NIIP-CE-SiO2), and Cs+-imprinted crown ether-silica (IIP-CE-SiO2). [2] FTIR spectra of Cs+-imprinted and non-Cs+ imprinted crown ether-silica for (a) 3B19CE5, (b) 4B22CE6, and (c) TB24CE8 compared against bare SiO2. [3] TGA profile of IIP-CE-SiO2 for (a) 3B19CE5, (b) 4B22CE6, and (c) TB24CE8 compared against bare SiO2. [4] Preliminary adsorption studies by bare SiO2, IIP-CE-SiO2, and NIIP-CE-SiO2 for (a) 3B19CE5, (b) 4B22CE6, and (c) TB24CE8 under varying pH levels. Adsorption conditions: Co = 75 mg L -1, S/L = 0.50 mg mL-1, t = 24 h, T = 30 oC")
![[1] Preparation of A30CE6-SiO2. [2] (a) SEM images and (b) EDS element maps of A30CE6-SiO2. [3] (a) FTIR and (b) TGA profiles of A30CE6-SiO2. [4] Adsorption performance of control and A30CE6-SiO2: (a) time profile and (b) isotherm fitting. Conditions: Co = 25 mg L -1 for (4a), Co = 10 – 4000 mg L -1 for (4b), S/L = 0.5 mg mL-1, T = 30 oC, pH = 6, t = 24 h for (4b), UV (365 nm)](https://nrms.kisti.re.kr/bitextimages/TRKO202300009804/TRKO202300009804_10_image_18.png "[1] Preparation of A30CE6-SiO2. [2] (a) SEM images and (b) EDS element maps of A30CE6-SiO2. [3] (a) FTIR and (b) TGA profiles of A30CE6-SiO2. [4] Adsorption performance of control and A30CE6-SiO2: (a) time profile and (b) isotherm fitting. Conditions: Co = 25 mg L -1 for (4a), Co = 10 – 4000 mg L -1 for (4b), S/L = 0.5 mg mL-1, T = 30 oC, pH = 6, t = 24 h for (4b), UV (365 nm)")
![[1] Preparation of A30C6 PVA/PAA nanofiber. [2] (a, c) SEM images and EDS element maps of (b) control and (d) A30CE6 nanofiber. [3] (a) FTIR and (b) TGA profiles of A30CE6 nanofiber. [4] Adsorption performance of control and A30C6 nanofiber: (a) time profile and (b) isotherm fitting. Conditions: Co = 25 mg L -1 for (4a), Co = 10 – 4000 mg L -1 for (4b), S/L = 0.5 mg mL-1, T = 30 oC, pH = 6, t = 24 h for (4b), UV (365 nm)](https://nrms.kisti.re.kr/bitextimages/TRKO202300009804/TRKO202300009804_13_image_1.png "[1] Preparation of A30C6 PVA/PAA nanofiber. [2] (a, c) SEM images and EDS element maps of (b) control and (d) A30CE6 nanofiber. [3] (a) FTIR and (b) TGA profiles of A30CE6 nanofiber. [4] Adsorption performance of control and A30C6 nanofiber: (a) time profile and (b) isotherm fitting. Conditions: Co = 25 mg L -1 for (4a), Co = 10 – 4000 mg L -1 for (4b), S/L = 0.5 mg mL-1, T = 30 oC, pH = 6, t = 24 h for (4b), UV (365 nm)")
![[1] Post-adsorption SEM-EDS (a, b) characterization of A30CE6 nanofiber and its Cs+ proposed binding mechanism (c). [2] Recyclability of A30CE6 nanofiber. [3] FTIR autopsy of the regenerated Cs+ sorbent. Adsorption: Co=25 mg L -1, S/L=0.5 mg mL-1, pH=6, T=30 oC, t=24 h, UV (365 nm). Desorption: S/L=0.5 mg mL-1, T=30 oC, t=24 h, CHCl=0.01 M, visible (400-700 nm)](https://nrms.kisti.re.kr/bitextimages/TRKO202300009804/TRKO202300009804_13_image_19.png "[1] Post-adsorption SEM-EDS (a, b) characterization of A30CE6 nanofiber and its Cs+ proposed binding mechanism (c). [2] Recyclability of A30CE6 nanofiber. [3] FTIR autopsy of the regenerated Cs+ sorbent. Adsorption: Co=25 mg L -1, S/L=0.5 mg mL-1, pH=6, T=30 oC, t=24 h, UV (365 nm). Desorption: S/L=0.5 mg mL-1, T=30 oC, t=24 h, CHCl=0.01 M, visible (400-700 nm)")
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