KR102355889B1 - Sr(Ⅱ) ion absorbent using a layered vanadosilicate and method of removing Sr(Ⅱ) ion using the same - Google Patents
Sr(Ⅱ) ion absorbent using a layered vanadosilicate and method of removing Sr(Ⅱ) ion using the same Download PDFInfo
- Publication number
- KR102355889B1 KR102355889B1 KR1020190174147A KR20190174147A KR102355889B1 KR 102355889 B1 KR102355889 B1 KR 102355889B1 KR 1020190174147 A KR1020190174147 A KR 1020190174147A KR 20190174147 A KR20190174147 A KR 20190174147A KR 102355889 B1 KR102355889 B1 KR 102355889B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- ion
- sgu
- ions
- solution
- vanadosilicate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 title 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 title 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 claims abstract description 52
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 claims abstract description 39
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 claims abstract description 13
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 claims abstract description 13
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 115
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 71
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 claims description 38
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 33
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims description 30
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 21
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 21
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 14
- 241001122767 Theaceae Species 0.000 claims description 9
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 7
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 6
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 5
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 5
- 239000013535 sea water Substances 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 19
- 239000010808 liquid waste Substances 0.000 abstract description 10
- 241000894007 species Species 0.000 abstract description 6
- 239000002915 spent fuel radioactive waste Substances 0.000 abstract description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 4
- 239000002689 soil Substances 0.000 abstract description 4
- 238000012958 reprocessing Methods 0.000 abstract description 3
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 abstract description 3
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 abstract description 3
- 206010005949 Bone cancer Diseases 0.000 abstract description 2
- 208000018084 Bone neoplasm Diseases 0.000 abstract description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 2
- 201000005787 hematologic cancer Diseases 0.000 abstract description 2
- 208000024200 hematopoietic and lymphoid system neoplasm Diseases 0.000 abstract description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 2
- 239000008280 blood Substances 0.000 abstract 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 abstract 1
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 142
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 132
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 57
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 37
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 34
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 29
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 22
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 17
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 14
- 239000002516 radical scavenger Substances 0.000 description 14
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 13
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 12
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000010445 mica Substances 0.000 description 12
- KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N EDTA Chemical compound OC(=O)CN(CC(O)=O)CCN(CC(O)=O)CC(O)=O KCXVZYZYPLLWCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 11
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 10
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 10
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 10
- -1 halogen salts Chemical class 0.000 description 10
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 10
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 9
- VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N titanium(IV) isopropoxide Chemical compound CC(C)O[Ti](OC(C)C)(OC(C)C)OC(C)C VXUYXOFXAQZZMF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 8
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 8
- 239000011698 potassium fluoride Substances 0.000 description 8
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 8
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 8
- 238000001144 powder X-ray diffraction data Methods 0.000 description 7
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 6
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 229910052628 phlogopite Inorganic materials 0.000 description 6
- LSGOVYNHVSXFFJ-UHFFFAOYSA-N vanadate(3-) Chemical compound [O-][V]([O-])([O-])=O LSGOVYNHVSXFFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000011067 equilibration Methods 0.000 description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 5
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 5
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 5
- 239000000047 product Substances 0.000 description 5
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 5
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-N Sulfurous acid Chemical group OS(O)=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 4
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 4
- 238000002447 crystallographic data Methods 0.000 description 4
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 description 4
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 4
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 4
- 238000004098 selected area electron diffraction Methods 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004435 EPR spectroscopy Methods 0.000 description 3
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 3
- 101100496858 Mus musculus Colec12 gene Proteins 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N divanadium pentaoxide Chemical compound O=[V](=O)O[V](=O)=O GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000008241 heterogeneous mixture Substances 0.000 description 3
- 238000002173 high-resolution transmission electron microscopy Methods 0.000 description 3
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 3
- 238000001095 inductively coupled plasma mass spectrometry Methods 0.000 description 3
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 238000000329 molecular dynamics simulation Methods 0.000 description 3
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 3
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 3
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 229910001427 strontium ion Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012916 structural analysis Methods 0.000 description 3
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101710134784 Agnoprotein Proteins 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 101100065719 Drosophila melanogaster Ets98B gene Proteins 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 229910021536 Zeolite Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000003277 amino group Chemical group 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 2
- PBAYDYUZOSNJGU-UHFFFAOYSA-N chelidonic acid Natural products OC(=O)C1=CC(=O)C=C(C(O)=O)O1 PBAYDYUZOSNJGU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N dioxosilane;oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O HNPSIPDUKPIQMN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002003 electron diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000000724 energy-dispersive X-ray spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000000024 high-resolution transmission electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 2
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 2
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 2
- ACVYVLVWPXVTIT-UHFFFAOYSA-N phosphinic acid Chemical group O[PH2]=O ACVYVLVWPXVTIT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L potassium carbonate Chemical compound [K+].[K+].[O-]C([O-])=O BWHMMNNQKKPAPP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- NROKBHXJSPEDAR-UHFFFAOYSA-M potassium fluoride Chemical compound [F-].[K+] NROKBHXJSPEDAR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910001414 potassium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 2
- 239000012086 standard solution Substances 0.000 description 2
- 230000005469 synchrotron radiation Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 2
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 description 1
- OVBJJZOQPCKUOR-UHFFFAOYSA-L EDTA disodium salt dihydrate Chemical compound O.O.[Na+].[Na+].[O-]C(=O)C[NH+](CC([O-])=O)CC[NH+](CC([O-])=O)CC([O-])=O OVBJJZOQPCKUOR-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910025794 LaB6 Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010058467 Lung neoplasm malignant Diseases 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 206010027646 Miosis Diseases 0.000 description 1
- 229910014142 Na—O Inorganic materials 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000003991 Rietveld refinement Methods 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical group [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005162 X-ray Laue diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 125000003172 aldehyde group Chemical group 0.000 description 1
- GJYJYFHBOBUTBY-UHFFFAOYSA-N alpha-camphorene Chemical class CC(C)=CCCC(=C)C1CCC(CCC=C(C)C)=CC1 GJYJYFHBOBUTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000003368 amide group Chemical group 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O ammonium group Chemical group [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000711 cancerogenic effect Effects 0.000 description 1
- 125000003917 carbamoyl group Chemical group [H]N([H])C(*)=O 0.000 description 1
- 125000005587 carbonate group Chemical group 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N carbonic acid Chemical group OC(O)=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 231100000315 carcinogenic Toxicity 0.000 description 1
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 230000005466 cherenkov radiation Effects 0.000 description 1
- JZCCFEFSEZPSOG-UHFFFAOYSA-L copper(II) sulfate pentahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.[Cu+2].[O-]S([O-])(=O)=O JZCCFEFSEZPSOG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000002524 electron diffraction data Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N h2o hydrate Chemical compound O.O JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000000717 hydrazino group Chemical group [H]N([*])N([H])[H] 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 201000005202 lung cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000020816 lung neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004681 metal hydrides Chemical class 0.000 description 1
- AHADSRNLHOHMQK-UHFFFAOYSA-N methylidenecopper Chemical compound [Cu].[C] AHADSRNLHOHMQK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000012229 microporous material Substances 0.000 description 1
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- NOUUUQMKVOUUNR-UHFFFAOYSA-N n,n'-diphenylethane-1,2-diamine Chemical compound C=1C=CC=CC=1NCCNC1=CC=CC=C1 NOUUUQMKVOUUNR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- GEVPUGOOGXGPIO-UHFFFAOYSA-N oxalic acid;dihydrate Chemical compound O.O.OC(=O)C(O)=O GEVPUGOOGXGPIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- JRKICGRDRMAZLK-UHFFFAOYSA-L persulfate group Chemical class S(=O)(=O)([O-])OOS(=O)(=O)[O-] JRKICGRDRMAZLK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- ACVYVLVWPXVTIT-UHFFFAOYSA-M phosphinate Chemical class [O-][PH2]=O ACVYVLVWPXVTIT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- OJMIONKXNSYLSR-UHFFFAOYSA-N phosphorous acid Chemical group OP(O)O OJMIONKXNSYLSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000027 potassium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000003270 potassium fluoride Nutrition 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 239000002901 radioactive waste Substances 0.000 description 1
- 229910001426 radium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012925 reference material Substances 0.000 description 1
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 description 1
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000001350 scanning transmission electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 239000008279 sol Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229940047908 strontium chloride hexahydrate Drugs 0.000 description 1
- AMGRXJSJSONEEG-UHFFFAOYSA-L strontium dichloride hexahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.Cl[Sr]Cl AMGRXJSJSONEEG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-L sulfite Chemical class [O-]S([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000010414 supernatant solution Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-M thiocyanate group Chemical group [S-]C#N ZMZDMBWJUHKJPS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 125000003396 thiol group Chemical group [H]S* 0.000 description 1
- 150000004764 thiosulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 1
- 229910021654 trace metal Inorganic materials 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N urea group Chemical group NC(=O)N XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
- B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
- B01J20/10—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising silica or silicate
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
- G21F9/04—Treating liquids
- G21F9/06—Processing
- G21F9/12—Processing by absorption; by adsorption; by ion-exchange
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
Abstract
원자력 발전소는, 미사용된 연료 및 다른 유용한 동위 원소와 같은 유용한 종 (species)뿐만 아니라, 인체에서 혈액암 및 골암 (bone cancers)을 유발하는 생물학적으로 매우 독성인, 90Sr을 포함하는 매우 유해한 방사능 종들을 함유하는 폐핵연료봉을 생산하였다. 상기 폐연료봉은 궁극적으로 재처리되어 그것들로부터 유용한 종들을 추출하고 유해한 방사능 종들을 제거하여야 한다. 재처리 과정 중 어려운 작업들 중 하나는 고농축 Na+의 액체 폐기물 (5 M)에서 미량의 90Sr (~ 8x10-11 M)을 제거하는 것이다. 미국 환경 보호국 (US Environmental Protection Agency)에서 정한 음용수 중 90Sr의 농도 한계가 6.3Х10-16 M이기 때문에, 630 억 이상의 Na에 비하여 90Sr에 대하여 630 억 배 이상의 매우 높은 선택성을 갖는 90Sr 흡착제를 개발하여 상기 미량의 90Sr (~ 8x10-11 M)을 제거할 수 있어야 한다. 그러나, 현재까지, 상기 고농축 Na+ 용액으로부터 상기 미량의 90Sr을 제거하는 능력을 나타내는 물질들은 없다. 본원은 상기 고농축 Na+ 조건 하에서 90Sr을 포집할 수 있는 신규 물질을 제시한다. 상기 물질은 또한 90Sr로 오염된 지하수와 토양으로부터 90Sr을 제거하는 매우 높은 능력을 갖는다.Nuclear power plants contain very harmful radioactive species, including 90 Sr, which are highly toxic biologically, causing blood and bone cancers in the human body, as well as useful species such as unused fuel and other useful isotopes. Waste nuclear fuel rods containing these were produced. The spent fuel rods must ultimately be reprocessed to extract useful species from them and remove harmful radioactive species. One of the difficult tasks during the reprocessing process is the removal of traces of 90 Sr (~ 8x10 -11 M) from liquid waste (5 M) with high concentrations of Na + . Since the concentration limit of 90 Sr in drinking water set by the US Environmental Protection Agency is 6.3Х10 -16 M, a 90 Sr adsorbent having a very high selectivity of more than 63 billion times for 90 Sr compared to more than 63 billion Na was used. It should be possible to remove the trace amount of 90 Sr (~ 8x10 -11 M) by development. However, to date, no materials have shown the ability to remove the trace 90 Sr from the highly concentrated Na + solution. The present application proposes a novel material capable of capturing 90 Sr under the highly concentrated Na + condition. The material also has a very high capacity for removing 90 Sr from the groundwater and the soil contaminated with 90 Sr.
Description
본원은 층상 바나도실리케이트를 이용한 Sr2+ 이온 흡착제, 상기 Sr2+ 이온 흡착제를 이용하여 Sr2+ 이온을 제거하는 방법, 상기 Sr2+ 이온 흡착제를 포함하는 음용수 정제용 티백, 및 오염수 처리 방법에 관한 것이다.Herein, Sr 2+ ion adsorbent, the Sr 2+ ion method of removing Sr 2+ ions by using an adsorbent, tea bags for drinking water purification including the Sr 2+ ion adsorbent, and polluted water treatment using the layered silicate Bar I it's about how
전세계 전기에 대한 원자력 발전소의 기여는 현재 중요하고 (11%) 향후 계속 증가할 것이다. 그러나, 원자력 발전소는 미사용된 연료뿐 아니라 유용하고 유해한 핵분열 생산물을 함유하는 폐핵연료봉들(spent nuclear fuel rod)을 생산한다. 따라서, 상기 폐핵연료봉들은 재처리되어 미사용된 연료를 회수하고 유용하고 유해한 핵분열 생산물을 분리한다. 상기 유해한 핵분열 생산물 중, 90Sr은 핵분열 수율이 높고 (연료로서 U-235의 경우 5.73%), 그것의 반감기 (half-life)는 중간 (28.8 년)이며, 그것은 인간 뼈 및 동물 뼈에 용이하게 축적되어 고에너지 b 선 방출에 의하여 혈액암 및 골암을 일으키기 때문에 생물학적 독성이 가장 높은 종이다. 따라서, 미국 환경 보호국 (EPA; Environmental Protection Agency)은 음용수 중 90Sr-유도 방사능의 상한을 8 pCi/L 또는 0.3 Bq/L로 설정하였고, 이러한 상한은 화학 농도의 관점에서 90Sr ~0.057 ppq (parts per quadrillion) 또는 6.3 x 10-16 M과 상응한다. 이것은, 환경에 방출되기 전에 재처리한 액체 폐기물에서 실질적으로 모든 90Sr이 제거되어야만 한다는 것을 의미한다. 이와 관련하여, 상기 재처리한 액체 폐기물 중 90Sr 농도는 ~ 7 ppt (parts per trillion) 내지 26 ppb (parts per billion) 범위이다. 실제, 상기 하한의 90Sr 농도 (~7 ppt) 자체는 상기 용액에서 단일 성분으로 존재할 때에도 용액으로부터 제거되기에 이미 매우 낮은 농도이다. 한편, 상기 재처리한 액체 폐기물은 보통 115,000 ppm (parts per million) 또는 5 M을 초과하는 농도로, Na+를 함유한다. 그러므로, 90Sr보다 적어도 630 억 배 더 높은 농도의 Na를 함유하는 재처리한 폐기물 용액으로부터 ~7 ppt의 90Sr 를 추출할 수 있는 90Sr 제거제들을 개발하기 위해 노력들이 집중되고 있다. 상기 90Sr 제거제는 또한 그러한 높은 방사선 조사 조건 하에서 상기 90Sr 제거 작업을 성공적으로 수행할 수 있도록 방사선 차폐성을 가져야 한다.The contribution of nuclear power plants to global electricity is significant today (11%) and will continue to increase in the future. However, nuclear power plants produce spent nuclear fuel rods that contain useful and harmful fission products as well as unused fuel. Thus, the spent fuel rods are reprocessed to recover unused fuel and to separate useful and harmful fission products. Among the above harmful fission products, 90 Sr has a high fission yield (5.73% for U-235 as fuel), and its half-life is medium (28.8 years), which makes it easy for human bone and animal bone. It is the most biologically toxic species because it accumulates and causes blood cancer and bone cancer by high-energy b-ray emission. Therefore, the U.S. Environmental Protection Agency (EPA) has set an upper limit for 90 Sr-induced radioactivity in drinking water at 8 pCi/L or 0.3 Bq/L, which in terms of chemical concentration is 90 Sr-0.057 ppq ( parts per quadrillion) or 6.3 x 10 -16 M. This means that virtually all 90 Sr must be removed from reprocessed liquid waste before being released into the environment. In this regard, the 90 Sr concentration in the reprocessed liquid waste ranges from ˜7 ppt (parts per trillion) to 26 ppb (parts per billion). In fact, the 90 Sr concentration of this lower limit (~7 ppt) itself is already a very low concentration to be removed from solution even when present as a single component in the solution. On the other hand, the reprocessed liquid waste usually contains Na + at a concentration exceeding 115,000 ppm (parts per million) or 5 M. Therefore, efforts have been focused to develop at least 630 billion times more 90 Sr removing agent in the material from the treatment of waste solutions containing high concentrations of Na to extract the 90 Sr of ~ 7 ppt than 90 Sr. The 90 Sr removal agent must also have radiation shielding properties to successfully perform the 90 Sr removal operation under such high radiation conditions.
상기 배경 기술을 바탕으로, 90Sr 제거제들로서 다양한 무기 화합물들이 조사되었다. 그것들은 티타노실리케이트 (CST), 층상 금속 칼코겐화물 (KMS-1), 마이카스 (micas), 금속 치환 니오브산염, 안티몬 실리케이트, 티타네이트, 및 산화망간이다. 그러나, KMS-1, 티타네이트, 및 CST을 제외하고, 다른 물질들의 Sr2+ 제거 능력은 저농축 Na 조건에서 평가되었다. 상기 세 가지 예외적 경우에도, 그것들의 성능은 고농축 Na 조건 (> 5 M)에서 평가되었음에도 불구하고, 상기 시험된 초기 Sr2+ 농도 (24 ppb 내지 20 ppm)는 실제 재처리한 액체 폐기물 중 90Sr 농도의 하한 (~ 7 ppt)보다 훨씬 더 높았다. 따라서, 현재까지, 90Sr 농도가 ~ 7 ppt에 가까우면서 Na+의 농도가 5 M 이상인 용액으로부터 90Sr을 제거하는 능력을 나타내는 물질은 없었다. 본 발명자들은 5 M Na+ 용액에서 6.2 ppt 또는 6.8x10-11 M의 농도로부터 90Sr을 포집하는 가장 높은 능력을 나타내는, 신규 층상 바나도실리케이트 물질인, SGU-7을 보고한다.Based on the above background, various inorganic compounds have been investigated as 90 Sr scavengers. They are titanosilicate (CST), layered metal chalcogenide (KMS-1), micas, metal substituted niobate, antimony silicate, titanate, and manganese oxide. However, with the exception of KMS-1, titanate, and CST, the Sr 2+ removal ability of other materials was evaluated under low Na concentration conditions. Even in the above three exceptional cases, although their performance was evaluated under highly concentrated Na condition (> 5 M), the tested initial Sr 2+ concentration (24 ppb to 20 ppm) was actually 90 Sr in reprocessed liquid waste. much higher than the lower limit of concentration (~7 ppt). Thus, to date, while close to the 90 Sr concentration ~ 7 ppt was no material that exhibits the ability to remove the 90 Sr from the solution than the concentration of Na + 5 M. We report a novel layered vanadosilicate material, SGU-7, which exhibits the highest ability to capture 90 Sr from a concentration of 6.2 ppt or 6.8x10 -11 M in a 5 M Na + solution.
Akhilesh Tripathi, Timothy Hughbanks, 및 Abraham Clearfield은 바나도실리케이트 클러스터로 구성된 최초의 프레임 워크에 대하여 개시하고 있다 [Akhilesh Tripathi, Timothy Hughbanks, 및 Abraham Clearfield, "The First Framework Solid Composed of Vanadosilicate Clusters", J. Am. Chem. Soc. 125, 35, pp. 10528 - 10529, (2003) 참조].Akhilesh Tripathi, Timothy Hughbanks, and Abraham Clearfield disclose the first frameworks composed of vanadosilicate clusters [Akhilesh Tripathi, Timothy Hughbanks, and Abraham Clearfield, "The First Framework Solid Composed of Vanadosilicate Clusters", J. Am . Chem. Soc. 125, 35, pp. 10528 - 10529, (2003)].
본원은 층상 바나도실리케이트를 이용한 Sr2+ 이온 흡착제, 상기 Sr2+ 이온 흡착제를 이용하여 Sr2+ 이온을 제거하는 방법, 상기 Sr2+ 이온 흡착제를 포함하는 음용수 정제용 티백, 및 오염수 처리 방법에 관한 것이다.Herein, Sr 2+ ion adsorbent, the Sr 2+ ion method of removing Sr 2+ ions by using an adsorbent, tea bags for drinking water purification including the Sr 2+ ion adsorbent, and polluted water treatment using the layered silicate Bar I it's about how
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present application are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본원의 제 1 측면은, 층상 바나도실리케이트를 포함하는, Sr2+ 이온 흡착제를 제공한다.A first aspect of the present disclosure provides an Sr 2+ ion adsorbent comprising a layered vanadosilicate.
본원의 제 2 측면은, 50 ppm 이하의 Sr2+ 이온 및 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온을 포함하는 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수로부터 Sr2+ 이온을 제거하는 방법으로서, 상기 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온의 총 농도는 1 M 이상인 것인, 제 1 측면에 따른 Sr2+ 이온 흡착제를 이용하는 것을 포함하는, Sr2+ 이온을 제거하는 방법을 제공한다.A second aspect of the present disclosure is a method for removing Sr 2+ ions from contaminated water to be removed Sr 2+ ions comprising 50 ppm or less of Sr 2+ ions and one or more other competing metal ions, wherein the one or more other competing metal ions There is provided a method for removing Sr 2+ ions, comprising using the Sr 2+ ion adsorbent according to the first aspect, wherein the total concentration of ions is at least 1 M.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 Sr2+ 이온 흡착제 및 상기 Sr2+ 이온 흡착제를 수용하되 이온은 통과 가능한 용기를 포함하는, 음용수 정제용 티백 을 제공한다.A third aspect of the present application provides a tea bag for purifying drinking water, comprising the Sr 2+ ion adsorbent according to the first aspect and a container accommodating the Sr 2+ ion adsorbent, but through which the ions can pass.
본원의 제 4 측면은, 제 1 측면에 따른 Sr2+ 이온 흡착제를 이용하여 Sr2+ 이온을 제거하는, 오염수 처리 방법을 제공한다.The fourth aspect of the present application, there is provided a Sr 2+ using an ion adsorbent for removing Sr 2+ ions, polluted water treatment method according to the first aspect.
본원의 구현예들에 따르면, 고농축 경쟁 금속 이온(예를 들어, Na+)의 용액에 혼합되어 있는 Sr2+ 이온을 흡착할 수 있는 물질로서, 층상 바나도실리케이트를 제시한다. According to the embodiments of the present application, layered vanadosilicate is provided as a material capable of adsorbing Sr 2+ ions mixed in a solution of highly concentrated competing metal ions (eg, Na + ).
본원의 구현예들에 따르면, 상기 층상 바나도실리케이트를 포함하는 Sr2+ 이온 흡착제를 이용하면 Sr2+ 이온으로 인해 오염된 지하수와 토양으로부터 Sr2+ 이온을 효과적이고 매우 높은 비율로 제거할 수 있다. In accordance with implementations of the present embodiment, the layered bar I With Sr 2+ ion adsorbent comprising a silicate to remove Sr 2+ ions in an effective and a very high rate from the ground water and soil contamination due to Sr 2+ ions have.
본원의 구현예들에 따르면, 신규 층상 바나도실리케이트 물질인, SGU-7은 5 M Na 용액에서 6.2 ppt 또는 6.8x10-11 M의 농도로부터 Sr2+ 이온을 포집하는 우수한 능력을 가진다.According to embodiments herein, a novel layered vanadosilicate material, SGU-7, has an excellent ability to trap Sr 2+ ions from a concentration of 6.2 ppt or 6.8x10 -11 M in a 5 M Na solution.
폐핵연료봉의 재처리 과정으로부터 생산된 고농축의 Na+ (5 M 또는 115,000 ppm)의 액체 폐기물로부터의 미량의 90Sr (parts per trillion or ppt level)의 포집 (capture)은 원자력 발전소의 연속적 작동을 위해 중요하다. 그러나, 어떠한 흡착제들도 그러한 능력들을 보여주지는 못했다. 본원의 구현예들에 따르면, 본 발명자들은 현재 a=23.58 Å, b=30.04 Å, c=12.31 Å, β=100.2°의 단위 셀 파라미터, 및 P121/a1의 공간 그룹을 갖는 신규 층상 바나도실리케이트, SGU-7이 6.2 ppt의 90Sr를 함유하는 5 M Na+ 용액으로부터 90Sr를 효과적으로 포집할 수 있다는 것을 발견하였다. SGU-7은 또한 2 M NaCl 용액으로부터 1-ppb 수준의 226Ra, 및 지하수로부터 Cs+ 및 Sr2+를 효과적으로 포집할 수 있어, 그것은 226Ra, 90Sr, 및 137Cs로 오염된 지하수 및 토양을 개선하는 데 즉각적으로 사용될 수 있다. The capture of traces of 90 Sr (parts per trillion or ppt level) from highly concentrated Na + (5 M or 115,000 ppm) liquid waste produced from the reprocessing of spent nuclear fuel rods is essential for the continuous operation of nuclear power plants. It is important. However, none of the adsorbents showed such capabilities. According to embodiments herein, we present a novel layered layer with unit cell parameters of a =23.58 Å, b =30.04 Å, c =12.31 Å, β =100.2°, and a space group of
도 1은, 구조적 분석을 위한 SGU-7 샘플들의 SEM, TEM 이미지 및 회절 데이터로서, 도 1a는 플레이트 형태의 Na(95)-SGU-7의 전형적 SEM 이미지이고, 도 1b는 Fourier 회절도 (Fourier diffractogram)를 이용한 [010]에 따른 환형 암 필드 (ADF; An angular dark field) 이미지 및 시뮬레이션된 ADF 이미지로서, 적색 구체 (sphere)는 V 원자의 위치를 나타낸다. 또한, 도 1c는 Na(95)-SGU-7 및 Sr(95)-SGU-7의 싱크로트론 분말 x-선 회절(PXRD, Powder x-ray diffraction) 패턴; 도 1d 내지 1f는 각각의 Na(95)-SGU-7, Ca(82)-SGU-7 및 Sr(95)-SGU-7 [001]에 따라 관측된 3D(EDF) 데이터 투사 이미지이다.
도 2는, [010]에 따른 Na-SGU-7의 STEM (scanning transmission electron microscope) 이미지 및 EDS (energy dispersive spectrometry) 분석 이미지로서, 도 2(a)는 저배율 ADF, 도 2(b)는 적색 화살표에 따른 강도 프로파일을 이용한 실험 고해상도 ADF 이미지, 도 2(c)는 강도 프로파일을 이용하여 시뮬레이션된 고해상도 ADF 이미지, 도 2(d)는 실험 ADF 이미지, 도 2(e) 실험 ABF 이미지, 및 도 2(f)는 EDS 스펙트럼이며, 여기서, 도 2(d) 및 2(e)의 삽입도는 p2 대칭을 적용한 후 필터링된 이미지 (원자 구조적 모델과 오버레이됨)이다. 상기 구조적 모델의 산소와 양이온은 명확한 비교를 위해 생략되었으며, EDS 스펙트럼에서 Cu, Fe 및 Co는 장치, 그리드 (grid) 및 홀더 (holder)에서 발생한다.
도 3은, Na-SGU-7의 고해상도 투과 전자 현미경 (HRTEM; High resolution transmission electron microscopy) 이미지로서, 도 3(a)는 [100], 도 3(b)는 [010], 도 3(c)는 [001], 및 도 3(d)는 [101]의 서로 상이한 영역 축을 따라 찍은 이미지이며, 도 3(e)는 표시된 결정축을 표시한 육방정계 2D 나노시트 형태를 나타내는 이미지이고, 도 3(f)는 표시된 영역으로부터의 상응하는 TEM 이미지이다.
도 4는, Na-SGU-7 및 Sr(95)-SGU-7의 결정 구조를 3D-EDT (3-dimensional electron diffraction tomography) 데이터를 사용하여 분석하고 싱크로트론 PXRD 데이터에 대해 정밀 분석한 이미지로서, 도 4(a) 및 4(c)는, 각각 3D EDT 데이터를 사용하여 분석된 Na-SGU-7 및 Sr-SGU-7의 원자 구조 모델이며, 도 4(b) 및 4(d)는 싱크로트론 PXRD 데이터에 대한 정밀 분석된 Na-SGU-7 및 Sr-SGU-7의 구조적 모델로서, 청색과 황색의 다면체는 각각 VO6와 SiO4를 나타내고 보라색과 녹색 구체는 각각 Na와 Sr 이온을 나타낸다. 여기서, 녹색과 백색의 혼합 구체는 1 보다 작은 사이트 점유를 나타내며, 명확성을 위해 물 분자는 표시하지 않았다.
도 5는, Na-SGU-7 및 Sr(95)-SGU-7 Rietveld 정밀 분석 이미지로서, 도 5(a)는 Na-SGU-7의 Rietveld 정밀 분석 결과 (삽입도는 피크 모양 이방성을 나타냄, 정밀 분석 결과: Rexp=0.026, Rp=0.06, Rwp=0.086, Rbragg=0.042)이고, 도 5(b)는 Na-SGU-7의 정밀 분석된 구조적 모델이다. 또한, 도 5(c)는 Sr(95)-SGU-7 샘플 (Rexp=0.027, Rp=0.057, Rwp=0.077, Rbragg=0.036)의 Rietveld 정밀 분석 결과이고, 도 5(d)는 Sr(95)-SGU-7의 정밀 분석된 구조적 모델 (황색: Na, cyan: Sr 및 적색: O. 일부 양이온은 공유된 점유로 인해 부분적으로 백색을 나타냄)이다.
도 6은, 잘 정의된 5핵 바나데이트 (V5) 체인들의 개략도로서, 도 6(a)는 각 시트에 배열된 V5 체인들의 개략도이고, 도 6(b)는 V5 체인들의 개략도이다.
도 7은, Na-SGU-7의 결정 구조적 모델로서, (a) [101], (b) 및 (c) [010] 배향에 따라 본 Na-SGU-7의 결정 구조이며, 양이온들은 명확성을 위해 생략되었고, 녹색, 청색 및 적색 구체는 각각 바나듐, 실리콘 및 산소 원자를 나타낸다.
도 8은, 고농축 Na+ 핵 폐기물 용액으로부터 방사성 90Sr 및 226Ra의 포집 (capture) 데이터로서, 도 8(a)는 초기 pH=14에서 35 ppb 의 Sr2+ 를 포함하는 5 M Na+ 용액으로부터 수득되는 공지된 레퍼런스 물질들과 Na-SGU-7의 log K d , K d 및 이온 교환도 (각 막대의 상단)의 비교 데이터이고, 도 8(b)는 중성 조건 하에서 5.4 ppt의 90Sr을 함유하는 2 M Na+ 용액으로부터 Na-SGU-7 및 Na-CST의 90Sr- 포집 능력의 비교 데이터이고, 도 8(c)는 중성 조건에서 6.2 ppt의 90Sr을 포함하는 5 M Na+ 용액으로부터 Na-SGU-7 및 Na-CST의 방사성 90Sr 포집 기능 비교 데이터이고, 도 8(d)는 1.1 ppb의 226Ra (5ⅹ10-9 M)를 포함하는 2 M Na+ 용액에서 Na-SGU-7 및 Na-4-Mica의 방사성 226Ra 포집 능력 비교 데이터이며, 상기 모든 실험은 1 L/g 조건 하에서 수행되었다.
도 9는, 시뮬레이션된 지하수에서 Na-SGU-7과의 Sr2+ 이온 교환의 Sr2+ 및 Cs+ 제거 및 동역학 데이터로서, 도 9(a)는 모의 지하수에서 Na-SGU-7 및 공지된 Sr2+ 흡착제의 logK d , K d 및 이온 교환도 비교 데이터이고, 도 9(b)는 12 시간 후 [Sr2+]i = 42 ppb 인 1 L/g 조건하에서 Na-SGU-7을 이용하여 지하수에서 Sr2+, Ca2+, Mg2+ 및 K+의 제거량과 Na+ 증가량 (각 양이온의 초기 량에 대한 %)의 플롯이며, 도 9(c)는 [Sr2+]i = 1.03 ppm인 1 L/g 조건 하에서 수행된 Na-SGU-7에 의한 Sr2+ 제거 동안 시간에 따른 Sr2+ 농도 (왼쪽 y 축 및 적색 곡선) 및 Sr2+ 제거도 (오른쪽 y 축 및 청색 곡선)의 플롯이다. 또한, 도 9(d)는 pH = 7인 1 L/g 지하수 조건 하에서 Na = SGU-7에 의한 Sr2+ 제거도 및 0.043 ppm 내지 31 ppm의 [Sr2+]i에 대한 상응하는 logK d 의 플롯이고, 도 9(e)는 [Sr2+]i = 1.03 ppm 인 1-당량 조건 하에서 Sr2+ 제거 동안 pH에 대한 Na-SGU-7에 의한 Sr2+ 흡수 플롯 (mg/g)이며, 도 9(f)는 [Sr2+]i = 1.03 ppm인 1 L/g 조건 하에서 pH (3, 7, 13 및 14)에 대해 Na-SGU-7에 의한 지하수로부터 Sr2+ 제거도 (%)의 플롯이다. 또한, 도 9(g)는 [Sr2+]i = 1.03 ppm인 1 L/g 조건 하에서 pH (3, 7, 13 및 14)에 대해 Na-SGU-7에 의한 5 M Na+ 용액으로부터 Sr2+ 제거도 (%)의 플롯이며, 도 9(h)는 [Cs+]i = 8 ppb 및 24 ppb의 각각의 경우에 대해 [Cs+]i에 대해 1 L/g 조건 하에서 지하수로부터 logK d 값 및 Cs+ 제거도의 플롯이다.
도 10은, 산성 조건 및 염기성 조건 하에서 Na-SGU-7의 안정성에 관한 데이터로서, 도 10(a)는 순수한 Na-SGU-7의 SEM이미지이고, 도 10(b)는 산성 (pH=3) 용액에 12 시간 동안 침지 후, 도 10(c)는 pH= 13의 염기성 용액에 12 시간 동안 침지 후 및 도 10(d)는 pH= 14의 염기성 용액에 12 시간 동안 침지 후 Na-SGU-7의 SEM 이미지들이며, 도 10(e)는 그것들에 상응하는 X-선 회절 패턴이다.
도 11은, Na-SGU-7 및 Na-CST의 성능에 대한 pH의 효과에 관한 데이터로서, 도 11(a)는 [Sr2+]i=1.03 ppm인 1 L/g 조건 하에서 pH (3, 7, 13, 및 14)에 관한 상기 Sr2+-제거제로서 Na-SGU-7를 갖는 지하수로부터 Sr2+ 제거도 (%)의 플롯이고, 도 11(b)는 [Sr2+]i=1.03 ppm인 1 L/g 조건 하에서 pH (3, 7, 13, 및 14)에 관한 상기 Sr2+-제거제로서 Na-CST-7를 갖는 5 M Na+ 용액으로부터 Sr2+ 제거도 (%)의 플롯이다. 1 is an SEM, TEM image and diffraction data of SGU-7 samples for structural analysis. FIG. 1a is a typical SEM image of Na(95)-SGU-7 in the form of a plate, and FIG. 1b is a Fourier diffractogram (Fourier). An angular dark field (ADF) image and a simulated ADF image according to [010] using a diffractogram), in which a red sphere indicates the position of a V atom. 1c is a synchrotron powder x-ray diffraction (PXRD) pattern of Na(95)-SGU-7 and Sr(95)-SGU-7; 1d to 1f are 3D (EDF) data projection images observed according to Na(95)-SGU-7, Ca(82)-SGU-7 and Sr(95)-SGU-7 [001], respectively.
2 is a scanning transmission electron microscope (STEM) image and energy dispersive spectrometry (EDS) analysis image of Na-SGU-7 according to [010], wherein FIG. 2(a) is a low magnification ADF, FIG. 2(b) is a red color Experimental high-resolution ADF image using the intensity profile according to the arrow, FIG. 2(c) is a high-resolution ADF image simulated using the intensity profile, FIG. 2(d) is an experimental ADF image, FIG. 2(e) an experimental ABF image, and FIG. 2(f) is the EDS spectrum, where the insets in FIGS. 2(d) and 2(e) are the filtered images (overlaid with the atomic structural model) after applying
Figure 3 is a high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) image of Na-SGU-7, Figure 3 (a) is [100], Figure 3 (b) is [010], Figure 3 (c) ) is [001], and FIG. 3(d) is an image taken along different domain axes of [101], FIG. 3(e) is an image showing the shape of a hexagonal 2D nanosheet with the indicated crystal axis, and FIG. 3 (f) is the corresponding TEM image from the indicated area.
4 is an image analyzed using 3D-EDT (3-dimensional electron diffraction tomography) data for the crystal structures of Na-SGU-7 and Sr(95)-SGU-7 and precisely analyzed for synchrotron PXRD data. 4(a) and 4(c) are atomic structure models of Na-SGU-7 and Sr-SGU-7 analyzed using 3D EDT data, respectively, and FIGS. 4(b) and 4(d) are synchrotron As structural models of Na-SGU-7 and Sr-SGU-7 analyzed precisely for PXRD data, blue and yellow polyhedrons represent VO 6 and SiO 4 , respectively, and purple and green spheres represent Na and Sr ions, respectively. Here, green and white mixed spheres indicate site occupancy less than 1, and water molecules are not shown for clarity.
5 is a detailed analysis image of Na-SGU-7 and Sr(95)-SGU-7, and FIG. 5(a) is a detailed analysis result of Rietveld analysis of Na-SGU-7 (inset shows peak shape anisotropy; Precision analysis result: R exp =0.026, R p =0.06, R wp =0.086, R bragg = 0.042), and FIG. 5(b) is a detailed analysis of the structural model of Na-SGU-7. 5(c) is a Rietveld precision analysis result of Sr(95)-SGU-7 sample (R exp =0.027, R p =0.057, R wp =0.077, R bragg =0.036), FIG. 5(d) is a precisely analyzed structural model of Sr(95)-SGU-7 (yellow: Na, cyan: Sr and red: O. Some cations are white in part due to shared occupancy).
6 is a schematic diagram of well-defined pentanuclear vanadate (V 5 ) chains, FIG. 6(a) is a schematic diagram of V 5 chains arranged in each sheet, and FIG. 6(b) is a schematic diagram of V 5 chains .
7 is a crystal structural model of Na-SGU-7, (a) [101], (b) and (c) the crystal structure of Na-SGU-7 according to the [010] orientation, and the cations are is omitted, and the green, blue and red spheres represent vanadium, silicon and oxygen atoms, respectively.
8 shows radioactive 90 Sr and 226 Ra from highly concentrated Na + nuclear waste solutions. As capture data, FIG. 8(a) shows the log K d of Na-SGU-7 with known reference materials obtained from a 5 M Na + solution containing 35 ppb of Sr 2+ at an initial pH=14. , K d and comparative data of the degree of ion exchange (top of each bar), and Figure 8(b) is Na-SGU-7 and Na-CST from a 2 M Na + solution containing 5.4 ppt of 90 Sr under neutral conditions. is the comparative data of 90 Sr- trapping ability, and FIG. 8(c) is a comparison of the radioactive 90 Sr trapping function of Na-SGU-7 and Na-CST from a 5 M Na + solution containing 6.2 ppt of 90 Sr under neutral conditions. data, and Figure 8(d) is a comparison data of the radioactive 226 Ra trapping ability of Na-SGU-7 and Na-4-Mica in a 2 M Na + solution containing 1.1 ppb of 226 Ra (5×10 -9 M), All the above experiments were performed under the condition of 1 L/g.
9 is Sr 2+ and Cs + removal and kinetic data of Sr 2+ ion exchange with Na-SGU-7 in simulated groundwater, and FIG. 9(a) is Na-SGU-7 and known in simulated groundwater. Log K d , K d and ion exchange degree comparison data of Sr 2+ adsorbent, FIG. 9(b) shows Na-SGU-7 under 1 L/g condition with [Sr 2+ ] i = 42 ppb after 12 hours. used to Sr 2+, Ca 2+, Mg 2+ and K + and Na + removal from the increase in the ground water is a plot of (% of the initial amount of each cation), Figure 9 (c) are [Sr 2+] i = 1.03 ppm in 1 L / g of Na-SGU-7 Sr 2+ concentration with time for Sr 2+ removal (left y-axis, and the red curve) and Sr 2+ removed (right y-axis by performed under conditions and blue curve). In addition, FIG. 9(d) shows the degree of Sr 2+ removal by Na = SGU-7 and the corresponding log K for [Sr 2+ ] i of 0.043 ppm to 31 ppm under the condition of 1 L/g groundwater with pH = 7. d , and FIG. 9(e) is a plot of Sr 2+ uptake by Na-SGU-7 versus pH during Sr 2+ removal under 1-equivalent conditions with [Sr 2+ ] i = 1.03 ppm (mg/g) ), and FIG. 9(f) shows Sr 2+ removal from groundwater by Na-SGU-7 for pH (3, 7, 13 and 14) under 1 L/g condition with [Sr 2+ ] i = 1.03 ppm. It is a plot in degrees (%). Also, Fig. 9(g) shows Sr from a 5 M Na + solution with Na-SGU-7 for pH (3, 7, 13 and 14) under 1 L/g condition with [Sr 2+ ] i = 1.03 ppm. 2+ is a plot of the degree of removal (%), and FIG. 9(h) is log from groundwater under the condition of 1 L/g for [Cs + ] i for each case of [Cs + ] i = 8 ppb and 24 ppb. Plots of K d values and Cs + degree of rejection.
10 is data regarding the stability of Na-SGU-7 under acidic and basic conditions, FIG. 10(a) is an SEM image of pure Na-SGU-7, and FIG. 10(b) is acidic (pH=3) ) after immersion in the solution for 12 hours, FIG. 10(c) is after immersion in a basic solution of pH=13 for 12 hours and FIG. 10(d) is Na-SGU- after immersion in a basic solution of pH=14 for 12 hours. 7 SEM images, and FIG. 10(e) is an X-ray diffraction pattern corresponding to them.
11 is As data on the effect of pH on the performance of Na-SGU-7 and Na-CST, Fig. 11(a) is [Sr 2+ ] Sr 2+ removal degree from groundwater with Na-SGU-7 as the Sr 2+ -scavenger for pH (3, 7, 13, and 14) under 1 L/g condition with i = 1.03 ppm is a plot of (%), and FIG. 11(b) is the Sr 2+ − Na as a scavenger with respect to pH (3, 7, 13, and 14) under 1 L/g condition with [Sr 2+ ] i =1.03 ppm. A plot of Sr 2+ removal (%) from a 5 M Na + solution with -CST-7.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments and examples of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily carry out. However, the present application may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments and examples described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is "connected" with another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element interposed therebetween. do.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case in which a member is in contact with another member but also a case in which another member is present between the two members.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout this specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. As used herein, the terms "about," "substantially," and the like are used in a sense at or close to the numerical value when the manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid in the understanding of the present application. It is used to prevent an unconscionable infringer from using the mentioned disclosure in an unreasonable way.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.As used throughout this specification, the term “step of doing” or “step of” does not mean “step for”.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination(s) of these" included in the expression of the Markush form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, It means to include one or more selected from the group consisting of the above components.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.Throughout this specification, reference to “A and/or B” means “A or B, or A and B”.
본원 명세서 전체에서, "ppm"은 용액의 농도 단위로서 백만분율(part per million, 10-6)을 의미하며, "ppb"는 용액의 농도 단위로서 10억분율(part per billion, 10-9)을 의미하며, "ppt"는 용액의 농도 단위로서 1조분율(part per trillion, 10-12)을 의미하며, "ppq"는 용액의 농도 단위로서 1,000조분율 (parts per quadrillion, 10-15)을 의미한다. Throughout this specification, “ppm” refers to parts per million (10 −6 ) as a concentration unit of a solution, and “ppb” refers to parts per billion (10 −9 ) as a concentration unit for a solution. means, "ppt" as a concentration unit of a solution means parts per trillion (parts per trillion, 10 -12 ), "ppq" as a concentration unit of a solution, 1,000 trillion parts (parts per quadrillion, 10 -15 ) means
이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present application have been described in detail, but the present application may not be limited thereto.
본원의 제 1 측면은, 층상 바나도실리케이트를 포함하는, Sr2+ 이온 흡착제를 제공한다.A first aspect of the present disclosure provides an Sr 2+ ion adsorbent comprising a layered vanadosilicate.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 미세다공성 구조일 수 있다. In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate may have a microporous structure.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate may include V ( IV) which is vanadium having an oxidation number of +4.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 층상 바나도실리케이트는 하기 화학식 1로서 표시되는 것일 수 있다:In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate including V ( IV) , which is vanadium having an oxidation number of +4, may be represented by the following formula (1):
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상인 것이고, 0≤a≤5; 1≤b; 및 d = 2(b+c+10)임. M is at least one selected from Na, Li, and K, and 0≤a≤5; 1≤b; and d = 2 (b+c+10).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상의 알칼리 금속일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na일 수 있다. In one embodiment of the present application, M may be one or more alkali metals selected from Na, Li, and K, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, M may be Na.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 a=23.58 , b=30.04 Å, c=12.31 Å, β=100.2°의 단위 셀 파라미터, 및 P121/a1의 공간 그룹을 갖는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate is a = 23.58 , b = 30.04 Å, c = 12.31 Å, unit cell parameters of β = 100.2°, and a space group of
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1에 따른 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 층상 바나도실리케이트는 하기 화학식 2에 따른 +5의 산화수를 갖는 바나듐인 V(V) 를 포함하는 바나도실리케이트를 환원시켜 수득되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다: In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate comprising V ( IV) which is vanadium having an oxidation number of +4 according to
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서,In
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상이고, 0≤a'≤5; 1≤b′; 및 d′= 2(b′+c′+10)임. M is at least one selected from Na, Li, and K, 0≤a'≤5; 1≤b′; and d′=2(b′+c′+10).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상의 알칼리 금속일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na일 수 있다. In one embodiment of the present application, M may be one or more alkali metals selected from Na, Li, and K, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, M may be Na.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 2에 따른 +5의 산화수를 갖는 바나듐인 V(V) 를 포함하는 바나도실리케이트를 유기 환원제 및/또는 무기 환원제로 환원시켜 상기 화학식 1에 따른 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 층상 바나도실리케이트를 제조하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 여기에서, 상기 유기환원제는 카르복실기, 히드록실기, 알데히드기, 아민기, 설파이트기, 바이설파이트기, 카보네이트기, 바이카보네이트기, 아인산기, 차아인산기, 티올기, 시안기, 티오시안기, 암모늄기, 히드라지닐, 보로히드라이드기, 아미드기, 실란기, 아미노기, 카르바모일기, 우레아기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 작용기를 가지는 유기 환원제를 1종 이상 포함하는 것일 수 있고, 상기 유기환원제의 비제한적인 예로서 옥살산이 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 무기 환원제의 비제한적인 예는 무기산, 금속의 할로겐염, 금속의 티오설페이트염, 금속의 설파이트염, 금속의 바이설파이트염, 아철산염, 금속의 아황산염, 수소화금속, 금속 보로하이드라이드, 금속의 암모늄염, 금속의 과황산염, 금속의 과요오드산염, 차아인산, 차아인산암모늄, 금속의 차아인산염, 금속의 에틸렌디아민테트라아세틱에시드염, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the vanadosilicate containing V (V) , which is vanadium having an oxidation number of +5 according to
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1에서 상기 M+ 및/또는 H+는 상응하는 2가 양이온인 Sr2+과 수성 이온-교환하여 치환되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 Sr2+ 이온-교환 전보다 Sr2+ 이온-교환 후에 더 안정한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. In one embodiment of the present application, in
본원의 일 구현예에 있어서, 흡착 대상인 상기 Sr2+이온은 방사성 Sr인 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion to be adsorbed may be radioactive Sr.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제는 분말, 발포체, 필름, 또는 상기 흡착제가 충진된 고정층 컬럼 형태인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion adsorbent may be in the form of a powder, a foam, a film, or a fixed bed column filled with the adsorbent, but is not limited thereto.
본원의 제 2 측면은, 약 50 ppm 이하의 Sr2+ 이온 및 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온을 포함하는 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수로부터 Sr2+ 이온을 제거하는 방법으로서, 상기 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온의 총 농도는 약 1 M 내지 약 8 M인 것인, 제 1 측면에 따른 Sr2+ 이온 흡착제를 이용하는 것을 포함하는, Sr2+ 이온을 제거하는 방법을 제공한다.A second aspect of the present application is a method for removing Sr 2+ ions from contaminated water to be removed Sr 2+ ions comprising about 50 ppm or less of Sr 2+ ions and one or more other competing metal ions, wherein the one or more other competing metal ions are removed. There is provided a method for removing Sr 2+ ions comprising using the Sr 2+ ion adsorbent according to the first aspect, wherein the total concentration of metal ions is from about 1 M to about 8 M.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although a detailed description of overlapping parts with the first aspect of the present application is omitted, the contents described for the first aspect of the present application may be equally applied even if the description thereof is omitted in the second aspect of the present application.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수에 포함되는 Sr2+ 이온의 농도는 약 50 ppm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수에 포함되는 Sr2+ 이온의 농도는 30 ppm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수에 포함되는 Sr2+ 이온의 농도는 약 50 ppm 이하, 약 40 ppm 이하, 약 30 ppm 이하, 약 20 ppm 이하, 약 10 ppm 이하, 약 5 ppm 이하, 약 1 ppm 이하, 약 900 ppb 이하, 약 800 ppb 이하, 약 700 ppb 이하, 약 600 ppb 이하, 약 500 ppb 이하, 약 400 ppb 이하, 약 300 ppb 이하, 약 200 ppb 이하, 약 100 ppb 이하, 약 50 ppb 이하, 약 40 ppb 이하, 약 30 ppb 이하, 약 20 ppb 이하, 약 10 ppb 이하, 약 5 ppb 이하, 약 1 ppb 이하, 약 900 ppt 이하, 약 800 ppt 이하, 약 700 ppt 이하, 약 600 ppt 이하, 약 500 ppt 이하, 약 400 ppt 이하, 약 300 ppt 이하, 약 200 ppt 이하, 약 100 ppt 이하, 약 50 ppt 이하, 약 45 ppt 이하, 약 40 ppt 이하, 약 35 ppt 이하, 약 30 ppt 이하, 약 25 ppt 이하, 약 20 ppt 이하, 약 15 ppt 이하, 약 10 ppt 이하, 약 9 ppt 이하, 약 8 ppt 이하, 약 7 ppt 이하, 약 6 ppt 이하, 약 5 ppt 이하, 약 4 ppt 이하, 약 3 ppt 이하, 약 2 ppt 이하, 또는 약 1 ppt 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the invention, the Sr 2+ ion removal the concentration of Sr 2+ ions contained in the target can be up to about 50 ppm contamination. However, without being limited thereto. The concentration of Sr 2+ ions included in the Sr 2+ ion removal target contaminated water may be 30 ppm or less, but is not limited thereto. The concentration of Sr 2+ ions included in the Sr 2+ ion removal target contaminated water is about 50 ppm or less, about 40 ppm or less, about 30 ppm or less, about 20 ppm or less, about 10 ppm or less, about 5 ppm or less, about 1 ppm or less, about 900 ppb or less, about 800 ppb or less, about 700 ppb or less, about 600 ppb or less, about 500 ppb or less, about 400 ppb or less, about 300 ppb or less, about 200 ppb or less, about 100 ppb or less, about 50 ppb or less, about 40 ppb or less, about 30 ppb or less, about 20 ppb or less, about 10 ppb or less, about 5 ppb or less, about 1 ppb or less, about 900 ppt or less, about 800 ppt or less, about 700 ppt or less, about 600 ppt or less, about 500 ppt or less, about 400 ppt or less, about 300 ppt or less, about 200 ppt or less, about 100 ppt or less, about 50 ppt or less, about 45 ppt or less, about 40 ppt or less, about 35 ppt or less, about 30 ppt or less, about 25 ppt or less, about 20 ppt or less, about 15 ppt or less, about 10 ppt or less, about 9 ppt or less, about 8 ppt or less, about 7 ppt or less, about 6 ppt or less, about 5 ppt or less, about 4 ppt or less, about 3 ppt or less, about 2 ppt or less, or about 1 ppt or less, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수에 포함되는 상기 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온의 총 농도는 약 1 M 내지 약 8 M인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수에 포함되는 상기 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온의 총 농도는 상기 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온의 총 농도는 약 2 M 내지 약 6 M인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수에 포함되는 상기 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온의 총 농도는 약 1 M 내지 약 8 M, 약 1 M 내지 약 7 M, 약 1 M 내지 약 6 M, 약 1 M 내지 약 5 M, 약 1 M 내지 약 4 M, 약 1 M 내지 약 3 M, 약 1 M 내지 약 2 M, 약 2 M 내지 약 8 M, 약 2 M 내지 약 7 M, 약 2 M 내지 약 6 M, 약 2 M 내지 약 5 M, 약 2 M 내지 약 4 M, 약 2 M 내지 약 3 M, 약 3 M 내지 약 8 M, 약 3 M 내지 약 7 M, 약 3 M 내지 약 6 M, 약 3 M 내지 약 5 M, 약 3 M 내지 약 4 M, 약 4 M 내지 약 8 M, 약 4 M 내지 약 7 M, 약 4 M 내지 약 6 M, 약 4 M 내지 약 5 M, 약 5 M 내지 약 8 M, 약 5 M 내지 약 7 M, 약 5 M 내지 약 6 M, 약 6 M 내지 약 8 M, 약 6 M 내지 약 7 M, 약 7 M 내지 약 8 M 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the total concentration of the one or more other competing metal ions included in the Sr 2+ ion removal target contaminated water may be about 1 M to about 8 M, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, the total concentration of the one or more other competing metal ions included in the Sr 2+ ion removal target contaminated water is about 2 M to about 6 M of the total concentration of the one or more other competing metal ions may be, but is not limited thereto. The total concentration of the one or more other competing metal ions included in the Sr 2+ ion removal target contaminated water is about 1 M to about 8 M, about 1 M to about 7 M, about 1 M to about 6 M, about 1 M to about 5 M, about 1 M to about 4 M, about 1 M to about 3 M, about 1 M to about 2 M, about 2 M to about 8 M, about 2 M to about 7 M, about 2 M to about 6 M, about 2 M to about 5 M, about 2 M to about 4 M, about 2 M to about 3 M, about 3 M to about 8 M, about 3 M to about 7 M, about 3 M to about 6 M , about 3 M to about 5 M, about 3 M to about 4 M, about 4 M to about 8 M, about 4 M to about 7 M, about 4 M to about 6 M, about 4 M to about 5 M, about 5 M to about 8 M, about 5 M to about 7 M, about 5 M to about 6 M, about 6 M to about 8 M, about 6 M to about 7 M, about 7 M to about 8 M, However, the present invention is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수의 pH는 약 3 내지 약 14인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수의 pH는 약 3 내지 약 14, 약 3 내지 약 13, 약 3 내지 약 12, 약 3 내지 약 11, 약 3 내지 약 10, 약 3 내지 약 9, 약 3 내지 약 8, 약 3 내지 약 7, 약 3 내지 약 6, 약 3 내지 약 5, 약 3 내지 약 4, 약 4 내지 약 14, 약 4 내지 약 13, 약 4 내지 약 12, 약 4 내지 약 11, 약 4 내지 약 10, 약 4 내지 약 9, 약 4 내지 약 8, 약 4 내지 약 7, 약 4 내지 약 6, 약 4 내지 약 5, 약 5 내지 약 14, 약 5 내지 약 13, 약 5 내지 약 12, 약 5 내지 약 11, 약 5 내지 약 10, 약 5 내지 약 9, 약 5 내지 약 8, 약 5 내지 약 7, 약 5 내지 약 6, 약 6 내지 약 14, 약 6 내지 약 13, 약 6 내지 약 12, 약 6 내지 약 11, 약 6 내지 약 10, 약 6 내지 약 9, 약 6 내지 약 8, 약 6 내지 약 7, 약 7 내지 약 14, 약 7 내지 약 13, 약 7 내지 약 12, 약 7 내지 약 11, 약 7 내지 약 10, 약 7 내지 약 9, 약 7 내지 약 8, 약 8 내지 약 14, 약 8 내지 약 13, 약 8 내지 약 12, 약 8 내지 약 11, 약 8 내지 약 10, 약 8 내지 약 9, 약 9 내지 약 14, 약 9 내지 약 13, 약 9 내지 약 12, 약 9 내지 약 11, 약 9 내지 약 10, 약 10 내지 약 14, 약 10 내지 약 13, 약 10 내지 약 12, 약 10 내지 약 11, 약 11 내지 약 14, 약 11 내지 약 13, 약 11 내지 약 12, 약 12 내지 약 14, 약 12 내지 약 13, 또는 약 13 내지 약 14일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수의 pH가 약 3 미만인 경우, Sr2+의 흡수도 또는 제거도가 급격히 낮아질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the pH of the contaminated water to be removed Sr 2+ ions may be about 3 to about 14, but is not limited thereto. The pH of the Sr 2+ ion removal target contaminated water is about 3 to about 14, about 3 to about 13, about 3 to about 12, about 3 to about 11, about 3 to about 10, about 3 to about 9, about 3 to about 8, about 3 to about 7, about 3 to about 6, about 3 to about 5, about 3 to about 4, about 4 to about 14, about 4 to about 13, about 4 to about 12, about 4 to about 11, about 4 to about 10, about 4 to about 9, about 4 to about 8, about 4 to about 7, about 4 to about 6, about 4 to about 5, about 5 to about 14, about 5 to about 13, about 5 to about 12, about 5 to about 11, about 5 to about 10, about 5 to about 9, about 5 to about 8, about 5 to about 7, about 5 to about 6, about 6 to about 14, about 6 to about 13, about 6 to about 12, about 6 to about 11, about 6 to about 10, about 6 to about 9, about 6 to about 8, about 6 to about 7, about 7 to about 14, about 7 to about 13, about 7 to about 12, about 7 to about 11, about 7 to about 10, about 7 to about 9, about 7 to about 8, about 8 to about 14, about 8 to about 13, about 8 to about 12, about 8 to about 11, about 8 to about 10, about 8 to about 9, about 9 to about 14, about 9 to about 13, about 9 to about 12, about 9 to about 11, about 9 to about 10, about 10 to about 14, about 10 to about 13, about 10 to about 12, about 10 to about 11, about 11 to about 14, about 11 to about 13, about 11 to about 12, about 12 to about 14, about 12 to about 13, or about 13 to about 14, but is not limited thereto. When the pH of the contaminated water to be removed from Sr 2+ ions is less than about 3, the absorption or removal degree of Sr 2+ may rapidly decrease, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 경쟁 금속 이온은 Na+, Ca2+, Mg2+, 및 K+에서 선택되는 하나 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the competing metal ion may be at least one selected from Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , and K + , but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제는 층상 바나도실리케이트를 포함하는 것으로서, 상기 층상 바나도실리케이트는 미세다공성 구조일 수 있다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion adsorbent includes a layered vanadosilicate, and the layered vanadosilicate may have a microporous structure.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate may include V ( IV) which is vanadium having an oxidation number of +4.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 층상 바나도실리케이트는 하기 화학식 1로서 표시되는 것일 수 있다:In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate including V ( IV) , which is vanadium having an oxidation number of +4, may be represented by the following formula (1):
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상인 것이고, 0≤a≤5; 1≤b; 및 d = 2(b+c+10)임. M is at least one selected from Na, Li, and K, and 0≤a≤5; 1≤b; and d = 2 (b+c+10).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상의 알칼리 금속일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na일 수 있다. In one embodiment of the present application, M may be one or more alkali metals selected from Na, Li, and K, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, M may be Na.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 a=23.58 Å, b=30.04 Å, c=12.31 Å, β=100.2°의 단위 셀 파라미터, 및 P121/a1의 공간 그룹을 갖는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate has a unit cell parameter of a = 23.58 Å, b = 30.04 Å, c = 12.31 Å, β = 100.2°, and a space group of
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1에 따른 층상 바나도실리케이트는 하기 화학식 2에 따른 +5의 산화수를 갖는 바나듐인 V(V) 를 포함하는 바나도실리케이트를 환원시켜 수득되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다:In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate according to
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서,In
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상이고, 0≤a'≤5; 1≤b′; 및 d′= 2(b′+c′+10)임. M is at least one selected from Na, Li, and K, 0≤a'≤5; 1≤b′; and d′=2(b′+c′+10).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상의 알칼리 금속일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na일 수 있다. In one embodiment of the present application, M may be one or more alkali metals selected from Na, Li, and K, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, M may be Na.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1에서 상기 M+ 및/또는 H+는 상응하는 2가 양이온인 Sr2+과 수성 이온-교환하여 치환되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제에 포함되는 층상 바나도실리케이트는 Sr2+ 이온-교환 전보다 Sr2+ 이온-교환 후에 더 안정한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. In one embodiment of the present application, in
본원의 일 구현예에 있어서, 흡착 대상인 상기 Sr2+이온은 방사성 Sr인 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion to be adsorbed may be radioactive Sr.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제는 분말, 발포체, 필름, 또는 상기 흡착제가 충진된 고정층 컬럼 형태인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion adsorbent may be in the form of a powder, a foam, a film, or a fixed bed column filled with the adsorbent, but is not limited thereto.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 Sr2+ 이온 흡착제 및 상기 Sr2+ 이온 흡착제를 수용하되 이온은 통과 가능한 용기를 포함하는, 음용수 정제용 티백을 제공한다.A third aspect of the present application provides a tea bag for purifying drinking water, comprising a container accommodating the Sr 2+ ion adsorbent and the Sr 2+ ion adsorbent according to the first aspect, wherein the ions are permeable.
본원의 제 1 측면 및 제 2 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 및 제 2 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 3 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although detailed descriptions of parts overlapping with the first and second aspects of the present application are omitted, the descriptions of the first and second aspects of the present application are equally applicable even if the description is omitted in the third aspect of the present application. can
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음용수 정제용 티백은 음용수 내 방사성 Sr을 제거하기 위한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the drinking water purification tea bag may be for removing radioactive Sr in drinking water, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 음용수 정제용 티백에 포함되는 상기 용기는 부직포 형태 또는 플라스틱 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the container included in the tea bag for purifying drinking water may be in the form of a nonwoven fabric or a form of plastic, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제는 층상 바나도실리케이트를 포함하는 것으로서, 상기 층상 바나도실리케이트는 미세다공성 구조일 수 있다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion adsorbent includes a layered vanadosilicate, and the layered vanadosilicate may have a microporous structure.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate may include V ( IV) which is vanadium having an oxidation number of +4.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 층상 바나도실리케이트는 하기 화학식 1로서 표시되는 것일 수 있다:In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate including V ( IV) , which is vanadium having an oxidation number of +4, may be represented by the following formula (1):
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상인 것이고, 0≤a≤5; 1≤b; 및 d = 2(b+c+10)임. M is at least one selected from Na, Li, and K, and 0≤a≤5; 1≤b; and d = 2 (b+c+10).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상의 알칼리 금속일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na일 수 있다. In one embodiment of the present application, M may be one or more alkali metals selected from Na, Li, and K, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, M may be Na.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 a=23.58 Å, b=30.04 Å, c=12.31 Å, β=100.2°의 단위 셀 파라미터, 및 P121/a1의 공간 그룹을 갖는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate has a unit cell parameter of a = 23.58 Å, b = 30.04 Å, c = 12.31 Å, β = 100.2°, and a space group of
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1에 따른 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 층상 바나도실리케이트는 하기 화학식 2에 따른 +5의 산화수를 갖는 바나듐인 V(V) 를 포함하는 바나도실리케이트를 환원시켜 수득되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다: In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate comprising V ( IV) which is vanadium having an oxidation number of +4 according to
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서,In
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상이고, 0≤a'≤5; 1≤b′; 및 d′= 2(b′+c′+10)임. M is at least one selected from Na, Li, and K, 0≤a'≤5; 1≤b′; and d′=2(b′+c′+10).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상의 알칼리 금속일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na일 수 있다. In one embodiment of the present application, M may be one or more alkali metals selected from Na, Li, and K, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, M may be Na.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1에서 상기 M+ 및/또는 H+는 상응하는 2가 양이온인 Sr2+과 수성 이온-교환하여 치환되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제에 포함되는 층상 바나도실리케이트는 Sr2+ 이온-교환 전보다 Sr2+ 이온-교환 후에 더 안정한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니다. In one embodiment of the present application, in
본원의 일 구현예에 있어서, 흡착 대상인 상기 Sr2+이온은 방사성 Sr인 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion to be adsorbed may be radioactive Sr.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제는 분말, 발포체, 필름, 또는 상기 흡착제가 충진된 고정층 컬럼 형태인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion adsorbent may be in the form of a powder, a foam, a film, or a fixed bed column filled with the adsorbent, but is not limited thereto.
본원의 제 4 측면은, 제 1 측면에 따른 Sr2+ 이온 흡착제를 이용하여 Sr2+ 이온을 제거하는, 오염수 처리 방법을 제공한다.The fourth aspect of the present application, there is provided a Sr 2+ using an ion adsorbent for removing Sr 2+ ions, polluted water treatment method according to the first aspect.
본원의 제 1 측면 내지 제 3 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면 내지 제 3 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 4 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although detailed descriptions of parts overlapping with the first to third aspects of the present application have been omitted, the descriptions of the first to third aspects of the present application will be equally applied even if the description is omitted from the fourth aspect of the present application. can
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 오염수는 지하수, 바닷물, 또는 핵폐기물 용액인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the contaminated water may be groundwater, seawater, or a nuclear waste solution, but is not limited thereto.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제는 층상 바나도실리케이트를 포함하는 것으로서, 상기 층상 바나도실리케이트는 미세다공성 구조일 수 있다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion adsorbent includes a layered vanadosilicate, and the layered vanadosilicate may have a microporous structure.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate may include V ( IV) which is vanadium having an oxidation number of +4.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 층상 바나도실리케이트는 하기 화학식 1로서 표시되는 것일 수 있다:In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate including V ( IV) , which is vanadium having an oxidation number of +4, may be represented by the following formula (1):
[화학식 1][Formula 1]
상기 화학식 1에서,In
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상인 것이고, 0≤a≤5; 1≤b; 및 d = 2(b+c+10)임. M is at least one selected from Na, Li, and K, and 0≤a≤5; 1≤b; and d = 2 (b+c+10).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상의 알칼리 금속일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na일 수 있다. In one embodiment of the present application, M may be one or more alkali metals selected from Na, Li, and K, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, M may be Na.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 층상 바나도실리케이트는 a=23.58 Å, b=30.04 Å, c=12.31 Å, β=100.2°의 단위 셀 파라미터, 및 P121/a1의 공간 그룹을 갖는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate has a unit cell parameter of a = 23.58 Å, b = 30.04 Å, c = 12.31 Å, β = 100.2°, and a space group of
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1에 따른 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 층상 바나도실리케이트는 하기 화학식 2에 따른 +5의 산화수를 갖는 바나듐인 V(V) 를 포함하는 바나도실리케이트를 환원시켜 수득되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다: In one embodiment of the present application, the layered vanadosilicate comprising V ( IV) which is vanadium having an oxidation number of +4 according to
[화학식 2][Formula 2]
상기 화학식 2에서,In
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상이고, 0≤a'≤5; 1≤b′; 및 d′= 2(b′+c′+10)임. M is at least one selected from Na, Li, and K, 0≤a'≤5; 1≤b′; and d′=2(b′+c′+10).
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상의 알칼리 금속일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 M은 Na일 수 있다. In one embodiment of the present application, M may be one or more alkali metals selected from Na, Li, and K, but is not limited thereto. In one embodiment of the present application, M may be Na.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 화학식 1에서 상기 M+ 및/또는 H+는 상응하는 2가 양이온인 Sr2+과 수성 이온-교환하여 치환되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제에 포함되는 층상 바나도실리케이트는 Sr2+ 이온-교환 전보다 Sr2+ 이온-교환 후에 더 안정한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, in
본원의 일 구현예에 있어서, 흡착 대상인 상기 Sr2+ 이온은 방사성 Sr인 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion to be adsorbed may be radioactive Sr.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 Sr2+ 이온 흡착제는 분말, 발포체, 필름, 또는 상기 흡착제가 충진된 고정층 컬럼 형태인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. In one embodiment of the present application, the Sr 2+ ion adsorbent may be in the form of a powder, a foam, a film, or a fixed bed column filled with the adsorbent, but is not limited thereto.
이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present application will be described in more detail using examples, but the following examples are only illustrative to help the understanding of the present application, and the content of the present application is not limited to the following examples.
[실시예][Example]
1. Sr1. Sr 2+2+ 흡착제들 및 관련 물질들의 제조 Preparation of Adsorbents and Related Materials
(1) 사용된 물질들(1) Substances used
소듐 실리케이트 용액 I (17% 내지 19% Na2O, 및 35% 내지 38% SiO2, Kanto), 소듐 실리케이트 용액 II (10.6% Na2O, 및 ~ 26.5% SiO2, Sigma-Aldrich), 소듐 실리케이트 용액 III (27% SiO2, 8% Na2O, Merck), 테트라에틸 오쏘실리케이트 (Si(OC2H5)4, 98%, Acros), 바나듐(V) 옥사이드 (V2O5, 99%, Aldrich), 티타늄 이소프로폭시드 [Ti(OC3H7)4, 98%, Junsei], TiCl3 용액 (3% HCl에서 20%, Alfa Aesar), TiCl3 용액 (10% m/m HCl에서 15% m/m TiCl3 용액, Merck), 구리 설페이트 5 수화물 (CuSO4·5H2O, 99%, Alfa-Aesar), 옥살산 이수화물 (H2O4C2·2H2O 99%, Sigma-Aldrich), 황산 (H2SO4, 95%, Duksan), 염산 (HCl, 36.5% 내지 38.0%, Sigma-Aldrich), 소듐 히드록시드 (NaOH, 93%, Samchun), 소듐 클로라이드 (NaCl, 99%, Samchun), 포타슘 클로라이드 (KCl, 99%, Oriental), 포타슘 플루오라이드 (KF, 95%, Samchun), 스트론튬 클로라이드 6 수화물 (SrCl2·6H2O, 98.5%, Samchun), 포타슘 카보네이트 (K2CO3, 99%, Aldrich), 망간 분말, (Mn, 325 메쉬, 99.3%, 금속 기준, Alfa Aesar), 주석 분말 (Sn, <150 μm, 99.5% 미량 금속 기준, Sigma-Aldrich), 황 분말 (S, 98%, Junsei), 소듐 테트라페닐보레이트 (NaTPB, 99.5%, Acros), 에틸렌디아민테트라 아세트산 디소듐 염 이수화물 (EDTA, 99% 내지 101%, Sigma-Aldrich), 에탄올 (EtOH, 95%, SK), 플로고파이트 운모 (phlogopite mica) (K-PMica, near Perth, Ontario, Canada)를 구입하여 추가 정제없이 사용하였다.sodium silicate solution I (17% to 19% Na 2 O, and 35% to 38% SiO 2 , Kanto), sodium silicate solution II (10.6% Na 2 O, and ˜26.5% SiO 2 , Sigma-Aldrich), sodium Silicate solution III (27% SiO 2 , 8% Na 2 O, Merck), tetraethyl orthosilicate (Si(OC 2 H 5 ) 4 , 98%, Acros), vanadium(V) oxide (V 2 O 5 , 99 %, Aldrich), titanium isopropoxide [Ti(OC 3 H 7 ) 4 , 98%, Junsei], TiCl 3 solution (20% in 3% HCl, Alfa Aesar), TiCl 3 solution (10% m/m 15% m/m TiCl 3 solution in HCl, Merck), copper sulfate pentahydrate (CuSO 4 ·5H 2 O, 99%, Alfa-Aesar), oxalic acid dihydrate (H 2 O 4 C 2 ·2H 2 O 99% , Sigma-Aldrich), sulfuric acid (H 2 SO 4 , 95%, Duksan), hydrochloric acid (HCl, 36.5% to 38.0%, Sigma-Aldrich), sodium hydroxide (NaOH, 93%, Samchun), sodium chloride ( NaCl, 99%, Samchun), Potassium Chloride (KCl, 99%, Oriental), Potassium Fluoride (KF, 95%, Samchun), Strontium Chloride Hexahydrate (SrCl 2 6H 2 O, 98.5%, Samchun), Potassium Carbonate (K 2 CO 3 , 99%, Aldrich), manganese powder, (Mn, 325 mesh, 99.3%, metal based, Alfa Aesar), tin powder (Sn, <150 μm, 99.5% trace metal based, Sigma-Aldrich) ), sulfur powder (S, 98%, Junsei), sodium tetraphenylborate (NaTPB, 99.5%, Acros), ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate (EDTA, 99% to 101%, Sigma-Aldrich), ethanol (EtOH, 95%, SK), phlogopite mica (K-PMica, near Perth, Ontario, Canada) was purchased and used without further purification.
(2)(2) Na-SGU-7의 제조Preparation of Na-SGU-7
Na2SiO3, V2O5, 옥살산, NaOH, NaCl 및 H2O (증류수 및 탈이온수)로 형성된 젤 (gel)을 제조하였으며, 여기에서 상기 합성 젤의 몰비는 SiO2: V2O5: H2C2O4: Na2O: NaCl: H2O로 5.49: 1: 3.67: 5.30: 9.99: 365이다. 상기 젤을 하기와 같이 제조하였다. Na 2 SiO 3 , V 2 O 5, oxalic acid, NaOH, NaCl and H 2 O (distilled and deionized water) was prepared a gel (gel) formed, wherein the molar ratio of the synthetic gel SiO 2 : V 2 O 5 : H 2 C 2 O 4 : Na 2 O: NaCl: H 2 O as 5.49: 1: 3.67: 5.30: 9.99: 365. The gel was prepared as follows.
실리콘 소스 용액의 제조: NaOH 용액 (3 g NaOH 및 20 g H2O)을 12.2 g의 Na2SiO3 (17% 내지 19% Na2O, 및 35% 내지 38%, SiO2, Kanto) 및 12 g의 물로 형성된 소듐 실리케이트 용액에 첨가하였다. NaCl 용액 (8 g의 NaCl 및 33 g의 물)을 상기 혼합물에 첨가하였고 상기 혼합물을 격렬하게 교반하였다. Preparation of silicon source solution : NaOH solution (3 g NaOH and 20 g H 2 O) was mixed with 12.2 g Na 2 SiO 3 (17% to 19% Na 2 O, and 35% to 38%, SiO 2, Kanto) and 12 g of water was added to the formed sodium silicate solution. NaCl solution (8 g NaCl and 33 g water) was added to the mixture and the mixture was stirred vigorously.
바나듐 소스 용액의 제조: 옥살산 (6.4 g)을 물 (25 g)을 함유하는 100 mL 둥근 바닥 플라스크에 첨가하였고 옥살산이 용해될 때까지 가열하였다. 이어서, V2O5 (2.5 g)를 상기 플라스크에 첨가하였다. 상기 불균일 혼합물을 20 분 동안 가열하였고, 이 때 황색 V2O5 분말이 상기 용액에서 완전히 용해되었고, 상기 용액은 녹색을 띤 청색으로 변하였다. 상기 녹색을 띤 청색 V 소스 용액을 실온으로 냉각한 후 이어서 소듐 실리케이트 용액에 점진적으로 첨가하였다. 상기 혼합물은 매우 점성을 가졌다; 따라서 상기 혼합물을 스패튤라 (spatula)를 사용하여 균질화시키고 계속해서 교반하였다. 실온에서 15 시간 숙성시킨 후, 상기 젤을 50 mL 테플론-라이닝 오토클레이브에 옮기고, 정적 조건 하에서 220℃의 예열 오븐에 40 시간 동안 정치시켰다. 보라색 결정을 원심 분리에 의해 수집하고 다량의 물로 세척한 다음 마지막으로 에탄올로 세척하고 80℃에서 3 시간 동안 건조하였다. Preparation of Vanadium Source Solution : Oxalic acid (6.4 g) was added to a 100 mL round bottom flask containing water (25 g) and heated until the oxalic acid was dissolved. Then V 2 O 5 (2.5 g) was added to the flask. The heterogeneous mixture was heated for 20 minutes, at which time the yellow V 2 O 5 powder was completely dissolved in the solution and the solution turned greenish blue. The greenish blue V source solution was cooled to room temperature and then gradually added to the sodium silicate solution. The mixture was very viscous; Therefore, the mixture was homogenized using a spatula and stirring was continued. After aging at room temperature for 15 hours, the gel was transferred to a 50 mL Teflon-lined autoclave and placed in a preheated oven at 220° C. for 40 hours under static conditions. Purple crystals were collected by centrifugation, washed with a large amount of water, and finally washed with ethanol and dried at 80° C. for 3 hours.
(3) Na-CST의 제조 (소듐 결정질 규소 티타네이트, Na(3) Preparation of Na-CST (sodium crystalline silicon titanate, Na 22 TiTi 22 SiOSiO 77 ·2H・2H 22 O)O)
공지된 절차에 따라 결정질 규소 티타네이트의 소듐 형태 (Na-CST)를 합성하였다. 플라스틱 비이커에서 티타늄 이소프로폭시드 [Ti(OC3H7)4] 및 테트라에틸 오쏘실리케이트 [TEOS, Si(OC2H5)4]를 혼합함으로써 상기 젤을 제조하였다. 티타늄 이소프로폭시드 (4.56 g)를 3.33 g의 TEOS와 혼합하였고, 여기에서 Ti: Si의 몰비는 1: 1이었다. NaOH 용액 (6.32 M, 26 mL)을 백색 분말 침전 시, 격렬한 교반을 하는 상기 혼합물에 첨가하였다. 불균일 혼합물을 실온에서 4 시간 동안 교반한 다음 15 mL의 증류된 탈이온수를 이용하여 65 mL 테플론-라이닝 오토클레이브에 옮겼다. 그 후, 상기 오토클레이브를 10 일 동안 170℃에서 예열 오븐에 정치시켰다. 원심 분리에 의해 고체를 수집하고, 다량의 물로 세척한 다음, 100℃에서 1 시간 동안 건조하였다.The sodium form (Na-CST) of crystalline silicon titanate was synthesized according to a known procedure. The gel was prepared by mixing titanium isopropoxide [Ti(OC 3 H 7 ) 4 ] and tetraethyl orthosilicate [TEOS, Si(OC 2 H 5 ) 4 ] in a plastic beaker. Titanium isopropoxide (4.56 g) was mixed with 3.33 g of TEOS, wherein the Ti:Si molar ratio was 1:1. NaOH solution (6.32 M, 26 mL) was added to the mixture with vigorous stirring as a white powder precipitated. The heterogeneous mixture was stirred at room temperature for 4 hours and then transferred to a 65 mL Teflon-lined autoclave using 15 mL of distilled deionized water. The autoclave was then placed in a preheated oven at 170° C. for 10 days. The solid was collected by centrifugation, washed with a large amount of water, and then dried at 100° C. for 1 hour.
(4) H-CST의 제조 (수소 결정질 규소 티타네이트, H(4) Preparation of H-CST (hydrogen crystalline silicon titanate, H 22 TiTi 22 SiOSiO 77 ·xH·xH 22 O)O)
공지된 절차에 따라 결정질 규소 티타네이트의 소듐 형태 (Na-CST, Na2Ti2SiO7·2H2O)를 수소 결정질 규소 티타네이트로 전환하였다 (H-CST, H2Ti2SiO7·xH2O). 먼저, 500 mg의 Na-CST 분말을 70 mL의 0.1 M HCl 수용액에 분산시켰다. 상기 용액을 실온에서 1 시간 동안 교반하였다 (300 rpm). 원심 분리에 의해 고체를 수집하고, 다량의 물로 세척한 다음, 100℃에서 1 시간 동안 건조하였다.The sodium form of crystalline silicon titanate (Na-CST, Na 2 Ti 2 SiO 7 .2H 2 O) was converted to hydrogen crystalline silicon titanate according to a known procedure (H-CST, H 2 Ti 2 SiO 7 .xH) 2 O). First, 500 mg of Na-CST powder was dispersed in 70 mL of 0.1 M HCl aqueous solution. The solution was stirred at room temperature for 1 h (300 rpm). The solid was collected by centrifugation, washed with a large amount of water, and then dried at 100° C. for 1 hour.
(5) KMS-1의 제조 [K(5) Preparation of KMS-1 [K 2x2x MnMn xx SnSn 3-x3-x SS 66 (x=0.5-0.95)] (x=0.5-0.95)]
공지된 절차에 따라 KMS-1을 합성하였다. 간단히 말해서, 원소 Sn (7.14 g), Mn (1.656 g), S (5.78 g), K2CO3 (4.16 g), 및 물 (40 mL)을 혼합함으로써 혼합물을 제조하였다. 상기 혼합물을 실온에서 1 시간 동안 교반하여 테플론-라이닝 스테인레스-스틸 오토클레이브에 옮겼다. 상기 오토클레이브를 정적 조건 하에서 200℃에서 96 시간 동안 예열 오븐에 정치시켰다. 열수 반응 후, 상기 오토클레이브를 실온에서 자연적으로 냉각시켰다. 갈색 다결정 생성물을 원심 분리에 의해 수집하고 물로 세척하여 60℃에서 6 시간 동안 건조하였다.KMS-1 was synthesized according to a known procedure. Briefly, a mixture was prepared by mixing the elements Sn (7.14 g), Mn (1.656 g), S (5.78 g), K 2 CO 3 (4.16 g), and water (40 mL). The mixture was stirred at room temperature for 1 hour and transferred to a Teflon-lined stainless-steel autoclave. The autoclave was placed in a preheated oven at 200° C. for 96 hours under static conditions. After the hydrothermal reaction, the autoclave was cooled naturally to room temperature. The brown polycrystalline product was collected by centrifugation, washed with water and dried at 60° C. for 6 hours.
(6) 토포택틱 (topotactic) 침출에 의한 K-고갈된 플로고파이트 운모의 제조(6) Preparation of K-depleted phlogopite mica by topotactic leaching
공지된 절차에 따라 K-고갈된 플로고파이트 운모를 제조하였다. 간단히 말해서, Perth, Ontario, Canada 근처에서 플로고파이트 운모 [KMg3Si3AlO10(OH)2, 이상적인 공식]의 큰 결정들을 수득하였다. 상기 결정들을 손에 의해 작은 조각들로 쪼개고 이어서 물이 있는 상태에서 그라인더를 이용하여 그것들을 분쇄하였다. 분쇄 후, 상기 운모 슬러리를 물에 분산시키고 1 시간 동안 침전시켰다. 1 μm보다 작은 크기를 갖는 상기 운모 입자들을 함유하는 상기 상층액 용액은 Sr2+ 제거 연구를 위해 수집하였다. 상기 플로고파이트 운모 (크기 <1 μm, 3 g)를 70℃에서 24 시간동안 1.0 M 소듐 클로라이드 (NaCl), 0.2 N 소듐 테트라페닐보레이트 (NaTPB), 0.01 M 디소듐 에틸렌디아민테트라 아세트산 (EDTA)을 함유하는 용액 100 mL와 함께 교반하였다. 상기 절차를 4 번 반복하여 상기 운모의 갤러리 (galleries)로부터 K+의 최대 제거를 확증하였다. 상기 샘플을 원심 분리에 의해 수집하고 40% 0.5 M NaCl 및 60% 아세톤 (v/v)을 함유하는 용액으로 반복적으로 세척하여 상기 샘플로부터 상기 침전된 포타슘 테트라페닐보레이트 (NaTPB)를 제거하였다. 초기 세척 후, 상기 K-고갈된 플로고파이트 [Na0.90K0.1Mg1.75Si2.75AlO8.25(OH)2]를 다량의 탈이온수로 세척하여 혼입된 NaCl을 모두 제거한 후 그것들을 공기 중에서 건조하였다. K-depleted phlogopite mica was prepared according to a known procedure. Briefly, large crystals of phlogopite mica [KMg 3 Si 3 AlO 10 (OH) 2 , ideal formula] were obtained near Perth, Ontario, Canada. The crystals were broken into small pieces by hand and then crushed using a grinder in the presence of water. After grinding, the mica slurry was dispersed in water and allowed to settle for 1 hour. The supernatant solution containing the mica particles with a size smaller than 1 μm was collected for Sr 2+ removal studies. The phlogopite mica (size <1 μm, 3 g) was incubated with 1.0 M sodium chloride (NaCl), 0.2 N sodium tetraphenylborate (NaTPB), 0.01 M disodium ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) at 70° C. for 24 hours. It was stirred with 100 mL of a solution containing This procedure was repeated 4 times to confirm maximal removal of K + from the galleries of mica. The sample was collected by centrifugation and washed repeatedly with a solution containing 40% 0.5 M NaCl and 60% acetone (v/v) to remove the precipitated potassium tetraphenylborate (NaTPB) from the sample. After the initial washing, the K-depleted phlogopite [Na 0.90 K 0.1 Mg 1.75 Si 2.75 AlO 8.25 (OH) 2 ] was washed with a large amount of deionized water to remove all incorporated NaCl, and then they were dried in air.
(7) ETS-10의 제조(7) Preparation of ETS-10
먼저 물 (60 g)에서 Na2SiO3 (18.4 g, 17% 내지 19% Na2O, 및 35% 내지 38%, SiO2, Kanto)를 용해시킴으로써 실리콘 소스 용액을 제조하였다. 여기에서, NaOH 용액 (2.4 g의 NaOH 및 20 g의 물)을 격렬히 교반하여 첨가하고, 상기 혼합물을 2 시간 동안 교반하였다. 티타늄 소스 용액의 제조를 위해, 티타늄 이소프로폭시드 (5.7 g), H2SO4 (4.5 g), 및 물 (35 g)을 함께 혼합하고 100℃에서 90 분 동안 가열한 후, 최종적으로 10 mL의 물을 상기 혼합물에 첨가하고 실온에서 냉각시켰다. 상기 티타늄 소스 용액을 상기 실리콘 소스 용액에 적가하여 첨가하고, 상기 혼합물을 1 시간 동안 교반하였다. 희석한 KF 용액 (1.2 g의 KF 및 15 g의 물)을 상기 혼합물에 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 16 시간 동안 숙성시키고 테플론-라이닝 오토클레이브로 옮기고, 정적 조건 하에서 200℃에서 22 시간 동안 가열하였다. 상기 오토클레이브를 실온으로 냉각시킨 후, 상기 결정들을 원심 분리에 의해 수집하고, 다량의 물로 세척하였다. 주사 전자 현미경 (SEM)은 전형적 결정 크기 200 nm 내지 300 nm를 나타내고, 이들 결정들은 또한 AM-6 및 SGU-29 합성의 시드로서 사용될 수 있다.A silicon source solution was prepared by first dissolving Na 2 SiO 3 (18.4 g, 17% to 19% Na 2 O, and 35% to 38%, SiO 2 , Kanto) in water (60 g). To this, NaOH solution (2.4 g NaOH and 20 g water) was added with vigorous stirring, and the mixture was stirred for 2 h. For the preparation of the titanium source solution, titanium isopropoxide (5.7 g), H 2 SO 4 (4.5 g), and water (35 g) were mixed together and heated at 100° C. for 90 minutes, and finally 10 mL of water was added to the mixture and cooled to room temperature. The titanium source solution was added dropwise to the silicon source solution, and the mixture was stirred for 1 hour. A diluted KF solution (1.2 g KF and 15 g water) was added to the mixture. The mixture was aged at room temperature for 16 hours, transferred to a Teflon-lined autoclave, and heated at 200° C. for 22 hours under static conditions. After the autoclave was cooled to room temperature, the crystals were collected by centrifugation and washed with plenty of water. Scanning electron microscopy (SEM) shows a typical crystal size of 200 nm to 300 nm, and these crystals can also be used as seeds for AM-6 and SGU-29 synthesis.
(8) AM-6의 제조(8) Preparation of AM-6
실리콘 소스 용액의 제조: NaOH 용액 (3 g NaOH 및 20 g의 물)을 12.2 g의 Na2SiO3 (17% 내지 19% Na2O, 및 35% 내지 38%, SiO2, Kanto) 및 40 g의 물로 구성된 상기 소듐 실리케이트 용액에 첨가하였다. 희석한 KCl 용액 (3 g의 KCl 및 10 g의 물)을 상기 혼합물에 첨가하고 상기 혼합물을 격렬하게 교반하였다. Preparation of silicon source solution : NaOH solution (3 g NaOH and 20 g water) was mixed with 12.2 g Na 2 SiO 3 (17% to 19% Na 2 O, and 35% to 38%, SiO 2 , Kanto) and 40 g of water was added to the sodium silicate solution. A diluted KCl solution (3 g KCl and 10 g water) was added to the mixture and the mixture was stirred vigorously.
바나듐 소스 용액의 제조: H2SO4 (4.9 g)를 물 (10 g)을 함유하는 100 mL 둥근 바닥 플라스크에 첨가하였다. 이어서, 상기 플라스크에 V2O5 (1.7 g) 및 EtOH (4 g)를 순차적으로 첨가하였다. 상기 불균일 혼합물이 청색 용액으로 변하는 동안, 상기 혼합물을 40 분 동안 환류시켰다. 상기 청색 바나듐 소스 용액을 상기 실리콘 소스 용액에 적가 방식으로 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 15 시간 동안 숙성시키고; 시드 ETS-10 (50 mg)을 상기 젤에 첨가하고 상기 젤을 50 mL 테플론-라이닝 오토클레이브에 옮기고 정적 조건 하에서, 230℃에서 48 시간 동안 예열 오븐에 정치시켰다. 상기 침전된 담황색 결정들을 수집하고, 세척하고, 100℃에서 1 시간 동안 건조하였다. Preparation of Vanadium Source Solution : H 2 SO 4 (4.9 g) was added to a 100 mL round bottom flask containing water (10 g). Then, to the flask were sequentially added V 2 O 5 (1.7 g) and EtOH (4 g). While the heterogeneous mixture turned into a blue solution, the mixture was refluxed for 40 minutes. The blue vanadium source solution was added dropwise to the silicon source solution. The mixture was aged at room temperature for 15 hours; Seed ETS-10 (50 mg) was added to the gel and the gel was transferred to a 50 mL Teflon-lined autoclave and placed in a preheated oven at 230° C. for 48 hours under static conditions. The precipitated pale yellow crystals were collected, washed and dried at 100° C. for 1 hour.
(9) SGU-29의 제조(9) Manufacture of SGU-29
공지된 절차에 따라 SGU-29를 합성하였다. 소듐 실리케이트 (40 g, 10.6% Na2O, 및 ~ 26.5% SiO2, Sigma-Aldrich), 1.3 g의 NaOH, 12 g의 KCl, 18.5 g의 NaCl, 및 60 g의 물을 혼합함으로써 상기 실리콘 소스 용액을 제조하였다. 상기 혼합물을 실온에서 3 시간 동안 격렬하게 교반하였다 (800 rpm). 1.2 g의 H2SO4를 함유하는 30 g의 물에서 CuSO4·5H2O (9 g)를 용해시킴으로써 구리 소스 용액을 제조하였다. 이어서, 상기 구리 소스 용액을 상기 소듐 실리케이트 용액에 적가 방식으로 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 15 시간 동안 숙성시키고, 물에서 희석된 H2SO4를 첨가함으로써 상기 pH를 10.66 (필요한 경우)으로 조정하였다. 상기 시드 ETS-10 (100 mg)을 상기 젤에 첨가하고 상기 젤을 상기 50 mL 테플론-라이닝 오토클레이브에 옮기고 정적 조건 하에서 24 시간 동안 215℃에서 예열 오븐에 정치시켰다. 상기 침전된 옅은 자주색 결정들을 8,000 rpm에서 원심 분리에 의해 수집하고, 다량의 물로 세척하였다. 상기 샘플을 100℃에서 2 시간 동안 건조하였다.SGU-29 was synthesized according to a known procedure. The silicon source by mixing sodium silicate (40 g, 10.6% Na 2 O, and ˜26.5% SiO 2 , Sigma-Aldrich), 1.3 g NaOH, 12 g KCl, 18.5 g NaCl, and 60 g water. A solution was prepared. The mixture was stirred vigorously (800 rpm) at room temperature for 3 h. A copper source solution was prepared by dissolving CuSO 4 ·5H 2 O (9 g) in 30 g of water containing 1.2 g of H 2 SO 4 . Then, the copper source solution was added dropwise to the sodium silicate solution. The mixture was aged at room temperature for 15 hours and the pH was adjusted to 10.66 (if necessary) by adding H 2 SO 4 diluted in water. The seed ETS-10 (100 mg) was added to the gel and the gel was transferred to the 50 mL Teflon-lined autoclave and placed in a preheated oven at 215° C. for 24 hours under static conditions. The precipitated pale purple crystals were collected by centrifugation at 8,000 rpm and washed with plenty of water. The sample was dried at 100° C. for 2 hours.
(10) ETS-4의 제조(10) Preparation of ETS-4
Na2SiO3, Ti[OCH(CH3)2]4, H2SO4, NaOH, KF, 및 H2O로 구성된 상기 젤을 제조하였으며, 여기에서 SiO2: TiO2: H2SO4: Na2O: KF: H2O의 관점에서 상기 합성 젤의 몰비는 각각 5.3: 1: 2.11: 7.26: 0.95: 303이다. 실리콘 소스 용액은 먼저 58 g의 물에 18.3 g의 Na2SiO3 용액 (17% 내지 19% Na2O, 및 35% 내지 38%, SiO2, Kanto)을 용해시킴으로써 제조하였다. 여기에, NaOH 용액 (4 g의 NaOH 및 20 g의 물)을 격렬히 교반하면서 첨가하고, 상기 혼합물을 2 시간 동안 교반하였다. 티타늄 소스 용액의 제조를 위해, 티타늄 이소프로폭시드 (6 g), H2SO4 (4.5 g), 및 물 (20 g)을 함께 혼합하여 100℃에서 90 분 동안 가열한 후, 마지막으로 10 mL H2O를 상기 혼합물에 첨가하고 실온에서 냉각시켰다. 상기 티타늄 소스 용액을 상기 실리콘 소스 용액에 적가하여 첨가하고, 상기 혼합물을 1 시간 동안 교반하였다. 희석한 KF 용액 (1.2 g의 KF 및 15 g의 물)을 상기 혼합물에 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 16 시간 동안 숙성시키고 테플론-라이닝 오토클레이브에 옮기고, 정적 조건 하에서 200℃에서 22 시간 동안 가열하였다. 상기 오토클레이브를 실온에서 냉각한 후, 상기 결정들을 원심 분리에 의해 수집하고, 다량의 물로 세척하고 2 시간 동안 80℃에서 건조하였다.The gel composed of Na 2 SiO 3 , Ti[OCH(CH 3 ) 2 ] 4 , H 2 SO 4 , NaOH, KF, and H 2 O was prepared, wherein SiO 2 : TiO 2 : H 2 SO 4 : The molar ratios of the synthetic gels in terms of Na 2 O: KF: H 2 O are 5.3: 1: 2.11: 7.26: 0.95: 303, respectively. A silicon source solution was prepared by first dissolving 18.3 g of Na 2 SiO 3 solution (17% to 19% Na 2 O, and 35% to 38%, SiO 2 , Kanto) in 58 g of water. To this, a NaOH solution (4 g of NaOH and 20 g of water) was added with vigorous stirring, and the mixture was stirred for 2 hours. For the preparation of the titanium source solution, titanium isopropoxide (6 g), H 2 SO 4 (4.5 g), and water (20 g) were mixed together and heated at 100° C. for 90 minutes, and finally 10 mL H 2 O was added to the mixture and cooled at room temperature. The titanium source solution was added dropwise to the silicon source solution, and the mixture was stirred for 1 hour. A diluted KF solution (1.2 g KF and 15 g water) was added to the mixture. The mixture was aged at room temperature for 16 hours, transferred to a Teflon-lined autoclave, and heated at 200° C. for 22 hours under static conditions. After the autoclave was cooled to room temperature, the crystals were collected by centrifugation, washed with a large amount of water and dried at 80° C. for 2 hours.
(11) AM-1의 제조(11) Preparation of AM-1
공지된 절차에 따라 AM-1을 합성하였다. 간단히 말해서, NaOH 용액 (2.85 g NaOH 및 13 g의 물)을 20.1 g의 소듐 실리케이트 용액 (27% SiO2, 8% Na2O, Merck)에 첨가하고 상기 혼합물을 10 분 동안 교반하였다. 이어서, 16.5 g의 TiCl3 용액 (3% HCl에서 20%, Alfa Aesar)을 적가 방식으로 첨가하였다. 상기 혼합물을 5 시간 동안 실온에서 격렬하게 교반하였고, 테플론-라이닝 오토클레이브에 옮기고, 정적 조건 하에서 230℃에서 96 시간 동안 가열하였다. 상기 오토클레이브를 실온에서 냉각한 후, 상기 결정들을 원심 분리에 의해 수집하고 다량의 물로 세척하고 2 시간 동안 80℃에서 건조하였다. 0.5 ㎛ 내지 1 ㎛ 크기의 결정을 수득하기 위해; 이들 AM-1 결정들의 100 mg을 막자사발 (mortar)과 막자 (pestle)를 이용하여 분쇄하고, 동일한 스타팅 젤에 시드로서 첨가하여 230℃에서 24 시간 동안 신규 열수 반응을 일으켰다.AM-1 was synthesized according to a known procedure. Briefly, NaOH solution (2.85 g NaOH and 13 g water) was added to 20.1 g sodium silicate solution (27% SiO 2 , 8% Na 2 O, Merck) and the mixture was stirred for 10 min. Then 16.5 g of a TiCl 3 solution (20% in 3% HCl, Alfa Aesar) was added dropwise. The mixture was stirred vigorously at room temperature for 5 hours, transferred to a Teflon-lined autoclave, and heated at 230° C. for 96 hours under static conditions. After the autoclave was cooled to room temperature, the crystals were collected by centrifugation, washed with a large amount of water and dried at 80° C. for 2 hours. to obtain crystals with a size of 0.5 μm to 1 μm; 100 mg of these AM-1 crystals were pulverized using a mortar and pestle, and added as seeds to the same starting gel to initiate a novel hydrothermal reaction at 230°C for 24 hours.
(12) AM-4의 제조(12) Preparation of AM-4
공지된 절차에 따라 AM-4를 합성하였다. NaOH 용액 (14.76 g NaOH 및 39 g의 물)을 27.1 g의 소듐 실리케이트 용액 (27% SiO2, 8% Na2O, Merck)에 첨가하고 상기 혼합물을 30 분 동안 교반하였다. 이어서, 27.1 g의 TiCl3 용액 (10% m/m HCl에서 15% m/m TiCl3 용액, Merck)을 적가 방식으로 첨가하였다. 상기 혼합물을 실온에서 4 시간 동안 교반하고 테플론-라이닝 오토클레이브에 옮겼다. 상기 수열 반응은 정적 조건 하에서 230℃에서 96 시간 동안 수행하였다. 상기 반응 혼합물을 실온으로 냉각시키고, 상기 생성물을 원심 분리에 의해 수집하고, 다량의 물로 세척하고 80℃에서 2 시간 동안 건조하였다. 1 μm 내지 2μm 크기의 결정을 수득하기 위해; 이들 AM-4 결정들의 100 mg을 막자사발과 막자를 이용하여 분쇄하고, 동일한 스타팅 젤에 시드로서 첨가하여 230℃에서 24 시간 동안 신규 열수 반응을 일으켰다.AM-4 was synthesized according to a known procedure. NaOH solution (14.76 g NaOH and 39 g water) was added to 27.1 g sodium silicate solution (27% SiO 2 , 8% Na 2 O, Merck) and the mixture was stirred for 30 min. Then 27.1 g of TiCl 3 solution (15% m/m TiCl 3 solution in 10% m/m HCl, Merck) was added dropwise. The mixture was stirred at room temperature for 4 hours and transferred to a Teflon-lined autoclave. The hydrothermal reaction was performed at 230° C. for 96 hours under static conditions. The reaction mixture was cooled to room temperature, and the product was collected by centrifugation, washed with plenty of water and dried at 80° C. for 2 hours. to obtain crystals with a size of 1 μm to 2 μm; 100 mg of these AM-4 crystals were crushed using a mortar and pestle, and added as seeds to the same starting gel to initiate a novel hydrothermal reaction at 230°C for 24 hours.
(13) NaX의 제조(13) Preparation of NaX
90 mL의 1 M NaCl 용액을 함유하는 유리 바이알에 1 g의 제올라이트 X 분말을 넣고 이어서 70℃에서 120 분 동안 교반함으로써 Na+와 구입한 제올라이트 X (UOP로부터의 Lot 번호 943196110142)를 이온 교환하였다. 상기 절차를 두 번 반복하였다. 이온-교환 후, AgNO3 용액을 사용한 상기 클로라이드 시험이 음성이 될 때까지 상기 샘플을 다량의 물로 세척하였다. Na + and purchased zeolite X (Lot number 943196110142 from UOP) were ion exchanged by placing 1 g of zeolite X powder in a glass vial containing 90 mL of 1 M NaCl solution and then stirring at 70° C. for 120 min. This procedure was repeated twice. After ion-exchange, the sample was washed with plenty of water until the chloride test with AgNO 3 solution was negative.
(14) Ca(81)-SGU-7의 제조(14) Preparation of Ca(81)-SGU-7
90 mL의 0.50 M 수성 CaCl2 용액을 함유하는 유리 바이알에 1 g의 SGU-7 분말을 넣음으로써 Na-SGU-7을 Ca2+와 이온 교환한 후 이어서 70℃에서 180 분 동안 교반하였다. 최대의 이온 교환도를 달성하기 위해 상기 절차를 3 회 반복하였다. Na-SGU-7 was ion exchanged with Ca 2+ by placing 1 g of SGU-7 powder in a glass vial containing 90 mL of 0.50 M aqueous CaCl 2 solution followed by stirring at 70° C. for 180 min. This procedure was repeated 3 times to achieve the maximum degree of ion exchange.
(15)(15) Sr-SGU-7의 제조Preparation of Sr-SGU-7
90 mL의 0.25 M SrCl2 용액을 함유하는 유리 바이알에 1 g의 SGU-7 분말을 넣음으로써 Na-SGU-7을 Sr2+와 이온 교환한 후 이어서 70℃에서 180 분 동안 교반하였다. 상기 절차를 세 번 반복하였다. 이온 교환 후 AgNO3 용액을 사용한 상기 클로라이드 시험이 음성이 될 때까지 상기 샘플을 다량의 물로 세척하였다. Na-SGU-7 was ion-exchanged with Sr 2+ by placing 1 g of SGU-7 powder in a glass vial containing 90 mL of 0.25 M SrCl 2 solution, followed by stirring at 70° C. for 180 minutes. This procedure was repeated three times. After ion exchange, the sample was washed with plenty of water until the chloride test with AgNO 3 solution was negative.
2. Na-SGU-7 (순수한 SGU-7)의 구조 분석 등2. Structural analysis of Na-SGU-7 (pure SGU-7), etc.
상기 수득된 보라색 순수한 SGU-7 결정의 주사 전자 현미경 (SEM; scanning electron microscope) 이미지는 그것들의 형태가 1.25 ㎛ 내지 1.5 ㎛의 평균 크기와 약 20 nm 내지 30 nm (도 1a 참조)의 두께를 갖는 얇은 슈도 육방정계 플레이트 (pseudo hexagonal plate)를 갖는다는 것을 나타낸다. 상기 결정의 매우 얇은 플레이트 형상과 분말 XRD 프로파일에서 반사의 심한 중첩 때문에, 분말 XRD로 단위-셀 파라미터를 수득하는 것조차 어렵다. 3D-EDT는 SGU-7의 구조 분석을 가능하게 하였으며, 자세한 내용은 이후 설명한다. 순수한 SGU-7의 고해상도 스캐닝 투과 전자 현미경 (STEM) ADF 이미지를 도 1b에 나타내었다. ADF 모드에서, 콘트라스트는 샘플의 두께와 상기 구조를 형성하는 원소의 원자 번호에 의존하므로, 더 무거운 원자들은 가벼운 원자들보다 더 밝게 표시되어야만 한다. 도 1b는 [010] 배향의 결정을 나타낸다. 상기 투사에 따라, O (산소)가 훨씬 더 가볍고 그것의 기여가 현저히 낮기 때문에 관찰된 콘트라스트는 Si와 V 원자 컬럼의 존재와 주로 관련된다. 이 경우, 상기 투사된 이미지에서 두 원소들 사이의 근접성은 상기 수득된 신호가 조합된 Si와 V에 기인되도록 한다. 도 1b에서, 실험 ADF 현미경 사진은 삽입도에 나타낸 시물레이션된 것과 함께 제시된다. 이것은 약 18.5 Å 길이의 4 개의 체인들로 둘러싸인 상기 플레이트에 수직인 동공/채널 (어두운 콘트라스트)을 함유한다는 것을 명확하게 나타낸다. 각 체인은 3.7 Å로 분리된 5 개의 강한 산란체 (적색 점으로 표시됨)를 함유한다. V 원자들은 ETS-10 및 ETS-4에서 관찰된 -Ti-O-Ti- 체인들과 유사한 방식으로 -V-O-V- 체인을 형성한다. 상기 -V-O-V- 체인을 따라 강도 프로파일을 분석함으로써, 중앙 신호가 다른 4 개의 신호들과 비교하여 더 강렬하다는 것이 관찰될 수 있다 (도 2). 이것은 그것들의 더 짧은 거리로 인해 개별적으로 분리 분석될 수 없는 더 높은 원자 밀도를 수득하게 하는 V 컬럼들 (상기 투사)에 훨씬 더 가까운 Si 원자 컬럼들의 존재에 기인하지만 그것들 모두 더 높은 콘트라스트를 제공하는 데 기여한다. 상기 수득된 결정학적 데이터를 기반으로 한 상기 시뮬레이션된 이미지가 삽입도에 나타나있다. 상기 시뮬레이션은 15 mrad 수렴 반각 (convergence half-angle) 및 30 mrad ADF 내부 수집 각도 (inner collection angle)의 현미경 파라미터로 20 nm의 수퍼셀 (supercell)을 생산하여 QSTEM 소프트웨어를 사용하여 수행되었다. 상기 실험 이미지 (원시 데이터)와 상기 시뮬레이션된 것으로부터 추출된 상기 강도 프로파일들은 서로 매우 유사하며, 여기서 Si 외에 5 개의 신호(강도 프로파일에서 5개의 최대값)는 5개의 원자 V 컬럼들의 존재로 인해 식별될 수 있다. 두 경우 모두, 상기 5 개의 중앙에서의 신호는 상기 투사에서 Si의 V에 대한 더 가까움으로 인해 다른 것과 비교하여 약간 높으며, 이는 제안된 모델과 측정된 고해상도 이미지의 우수한 일치를 증명한다 (도 2). A scanning electron microscope (SEM) image of the obtained purple pure SGU-7 crystals showed that their morphology had an average size of 1.25 μm to 1.5 μm and a thickness of about 20 nm to 30 nm (see FIG. 1A ). This indicates that it has a thin pseudo-hexagonal plate. Because of the very thin plate shape of the crystal and the deep overlap of reflections in the powder XRD profile, it is difficult to even obtain unit-cell parameters with powder XRD. 3D-EDT made it possible to analyze the structure of SGU-7, which will be described later in detail. A high-resolution scanning transmission electron microscope (STEM) ADF image of pure SGU-7 is shown in Fig. 1b. In ADF mode, the heavier atoms must appear brighter than the lighter atoms, as the contrast depends on the thickness of the sample and the atomic number of the element forming the structure. Figure 1b shows the crystal of the [010] orientation. According to this projection, the observed contrast is mainly related to the presence of the Si and V atomic columns as O (oxygen) is much lighter and its contribution is significantly lower. In this case, the proximity between the two elements in the projected image allows the obtained signal to be attributed to the combined Si and V. In Figure 1b, an experimental ADF micrograph is presented with the simulated one shown in the inset. This clearly indicates that it contains a pupil/channel (dark contrast) perpendicular to the plate surrounded by four chains about 18.5 Å long. Each chain contains 5 strong scatterers (indicated by red dots) separated by 3.7 Å. V atoms form -V-O-V- chains in a manner similar to the -Ti-O-Ti- chains observed in ETS-10 and ETS-4. By analyzing the intensity profile along the -V-O-V- chain, it can be observed that the central signal is more intense compared to the other four signals (Fig. 2). This is due to the presence of Si atomic columns that are much closer to the V columns (the projection), which results in higher atomic densities that cannot be separately analyzed due to their shorter distance, but all of them provide higher contrast. contribute to The simulated image based on the obtained crystallographic data is shown in the inset. The simulations were performed using QSTEM software to produce 20 nm supercells with microscopic parameters of 15 mrad convergence half-angle and 30 mrad ADF inner collection angle. The intensity profiles extracted from the experimental image (raw data) and the simulated one are very similar to each other, where 5 signals besides Si (5 maxima in the intensity profile) are identified due to the presence of 5 atomic V columns can be In both cases, the signal at the five centers is slightly higher compared to the others due to the closer to V of Si in the projection, demonstrating good agreement between the proposed model and the measured high-resolution images (Fig. 2). .
77K (Type I 등온선)에서 N2 흡착 등온선을 기반으로 한 순수한 SGU-7의 측정된 Brunauer-Emmet Teller (BET) 표면적은 0.406 cm3g-1의 동공 부피를 가지는 500 m2/g이며, 이것은 상기 물질이 전형적 미세다공성 물질임을 나타낸다. 상기 순수한 SGU-7의 단위 셀 조성은 Na38H2Si80V20O220·55H2O로 결정되었다. 따라서, 상기 순수한 SGU-7은 양이온 사이트의 5%에 상응하는 2H+ 이온을 함유한다. Na+가 95%의 백분율로 상기 순수한 샘플 중 주요 양이온이기 때문에, 상기 순수한 SGU-7은 이후 Na-SGU-7로 표시된다. Na-SGU-7 중 V 원자들의 산화 상태는 IV이다. 이것은 자화율 (magnetic susceptibility), V 2p 코어-수준 X-선 광전자 분광분석법 (XPS; X-ray photoelectron spectroscopy), 및 전자 스핀 공명 (ESR; electron spin resonance) 데이터에 의해 결정되었다. The measured Brunauer-Emmet Teller (BET) surface area of pure SGU-7 based on the N 2 adsorption isotherm at 77 K (Type I isotherm) is 500 m 2 /g with a pupil volume of 0.406 cm 3 g -1 , which is It is indicated that the material is a typical microporous material. The unit cell composition of the pure SGU-7 was determined to be Na 38 H 2 Si 80 V 20 O 220· 55H 2 O. Thus, the pure SGU-7 contains 2H + ions corresponding to 5% of the cation sites. Since Na + is the major cation in the pure sample at a percentage of 95%, the pure SGU-7 is hereafter denoted Na-SGU-7. The oxidation state of the V atoms in Na-SGU-7 is IV. This was determined by magnetic susceptibility, V 2p core-level X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and electron spin resonance (ESR) data.
Na-SGU-7의 Na+ 및 H+ 이온들은 Na+ 및 H+ 이온들을 상응하는 2가 양이온 (M2+)으로 수성 이온 교환함으로써 Ca2+ 및 Sr2+와 같은 2가 양이온으로 용이하게 치환되었다. 최대 Ca2+ 및 Sr2+로 교환된 SGU-7의 단위 셀 조성은 각각, Ca16.4Na7.2Si80V20O220·74H2O 및 Sr19Na2Si80V20O220·82H2O이다. 상기 M2+-교환된 SGU-7 샘플들은 M2+(x)-SGU-7로 표시되며 여기에서 M2+가 주요 2가 양이온을 나타내고 괄호 안의 x는 백분율로서 이온 교환도를 나타낸다. 따라서, 상기 최대 Ca2+ 및 Sr2+-교환된 SGU-7 샘플들은 각각, Ca(82)-SGU-7 및 Sr(95)-SGU-7로 표시된다. 최대 이온 교환도의 비교는 SGU-7이 Ca2+보다 Sr2+ 이온에 대해 가장 높은 친화도를 갖는다는 것을 나타낸다. 또한, SGU-7의 결정성은, 싱크로트론 (synchrotron) 분말 X-선 회절 데이터 (도 1c)에서 나타낸 것과 같이, 이온 교환 후 높게 유지되었다. Na + and H + ions of Na-SGU-7 readily convert Na + and H + ions into divalent cations such as Ca 2+ and Sr 2+ by aqueous ion exchange of the Na + and H + ions with the corresponding divalent cations (M 2+ ). has been replaced The unit cell composition of SGU-7 exchanged with maximum Ca 2+ and Sr 2+ is, respectively, Ca 16.4 Na 7.2 Si 80 V 20 O 220· 74H 2 O and Sr 19 Na 2 Si 80 V 20 O 220· 82H 2 O to be. The M 2+ -exchanged SGU-7 samples are denoted as M 2+ (x)-SGU-7, where M 2+ represents the major divalent cation and x in parentheses represents the degree of ion exchange as a percentage. Thus, the maximum Ca 2+ and Sr 2+ -exchanged SGU-7 samples are denoted as Ca(82)-SGU-7 and Sr(95)-SGU-7, respectively. Comparison of the maximum degree of ion exchange indicates that SGU-7 has the highest affinity for Sr 2+ ions rather than Ca 2+ . In addition, the crystallinity of SGU-7 remained high after ion exchange, as shown in the synchrotron powder X-ray diffraction data (Fig. 1c).
유럽의 싱크로트론 방사 시설 (European Synchrotron Radiation Facility) (ESRF, 프랑스)에서 ID22 빔라인에서 측정된 Na-SGU-7 (적색) 및 Sr(95)-SGU-7 (흑색) (도 1c)의 고해상도 PXRD 데이터는 그것들이 높은 결정성을 가짐을 나타낸다 (하기 [표 1] 참조). High-resolution PXRD data of Na-SGU-7 (red) and Sr(95)-SGU-7 (black) (Fig. 1c) measured at the ID22 beamline at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, France) indicates that they have high crystallinity (see Table 1 below).
[표 1][Table 1]
그러나, 상기 단위 셀은 정확하게 결정될 수 없었으며 상기 SGU-7의 결정 구조는 심한 선호 배향, 피크 중첩 및 이방성으로 인해 분말 회절 데이터로부터 해결될 수 없었다. 그러므로, Na-SGU-7, Ca(82)-SGU-7, 및 Sr(95)-SGU-7의 초기 결정 구조 모델들은 여러 개의 단일 서브-μm 크기 결정들에 대해 수득된 전자 회절 데이터로부터 수득되었다. 3D EDT 데이터세트를 수집하여 각각 EDT-COLLECT 및 EDT-PROCESS 소프트웨어 (Analitex)를 사용하여 처리하였다. 모든 샘플들에 대해 전자빔-틸트 스텝 0.15°를 사용하는 경우 역 공간 적용 범위는 105° 내지 115°였다. 라우에 (Laue) 클래스 2/m과 상기 단위 셀 파라미터는 부분적으로 재구성된 3D 역 공간으로부터 결정되었다 (도 1d 내지 도 1f). 상기 결정된 Na-SGU-7의 단위 셀 파라미터는 a=23.58 Å, b=30.04 Å, c=12.31 Å, β=100.2°이다 (하기 [표 2] 참조).However, the unit cell could not be accurately determined and the crystal structure of SGU-7 could not be resolved from powder diffraction data due to severe preferred orientation, peak overlap and anisotropy. Therefore, the initial crystal structure models of Na-SGU-7, Ca(82)-SGU-7, and Sr(95)-SGU-7 were obtained from electron diffraction data obtained for several single sub-μm size crystals. became 3D EDT datasets were collected and processed using EDT-COLLECT and EDT-PROCESS software (Analitex), respectively. The inverse spatial coverage range was 105° to 115° when using an electron-beam-tilt step 0.15° for all samples.
[표 2][Table 2]
Na-SGU-7의 경우, 반사 조건은 {h0l: h=2n}과 같이 요약되며, 이것은 가능한 공간 그룹들 P1a1, P12/a1 및 P121/a1을 시사한다. Na-SGU-7의 최종 공간 그룹은 SAED(선택된 영역 전자 회절, selected area electron diffraction) 패턴에서 관찰된 추가 반사 조건 {0k0: k=2n}을 이용하여 P121/a인 것으로 추가 확인되었다. 상기 결정된 대칭성은 상기 3D EDT 데이터세트로부터 추출된 반사 강도를 기반으로 하는 Na-SGU-7의 ab initio 구조 솔루션 (solution)에 사용되었다.For Na-SGU-7, the reflection condition is summarized as {h 0 l : h =2n}, suggesting possible spatial groups P 1 a 1 ,
Sr(95)-SGU-7 및 Ca(82)-SGU-7 샘플들로부터 기록된 상기 3D EDT 데이터는 결정들의 대칭이 P121/a1에서 C12/m1로 점진적으로 변화하는 것을 나타낸다 (상기 [표 2] 및 도 1e 및 1f 참조). Na-SGU-7, Sr(60)-SGU-7, Sr(95)-SGU-7, 및 Ca(82)-SGU-7의 구조적 분석으로부터, 본 발명자들은 하기의 결론을 내릴 수 있다: (1) Sr2+ 이온 교환도 또는 Ca2+ 이온 교환도가 60% 미만일 때, Sr2+ 양이온 또는 Ca2+ 양이온은 Na+ 이온을 대체함으로써 Na-SGU-7의 층-내 위치를 차지한다. 상기 대칭성은 변하지 않지만 (P121/a1), 조건{hkl: h+k=2n}에서 반사 강도는 현저하게 감소한다. (2) Sr2+ 이온 교환도 또는 Ca2+ 이온 교환도가 80% 내지 95%에 도달하면, Sr2+ 또는 Ca2+는 더 높은 대칭 층간 (interlayer) Wyckoff 위치를 차지하고 있는 층간 Na+ 이온들을 대체하기 시작한다. 이것은 상기 공간 그룹의 변화를 C12/m1로 유도한다. 1가 Na+ 양이온을 2가 양이온 (예: Sr2+ 및 Ca2+)으로 대체하는 것은 상기 단위 셀에서 전하 균형을 유지하기 위하여 Na+ 양이온의 양은 2 배가 요구된다.The 3D EDT data recorded from Sr(95)-SGU-7 and Ca(82)-SGU-7 samples indicate that the symmetry of crystals gradually changes from
Na-SGU-7의 원자 구조를 추가로 조사하기 위해, 상이한 영역 축을 따라 고해상도 TEM 이미지를 수득하였다. 상응하는 이미지는 도 3에 나타내었다. b 축을 따른 층의 패킹은 [100] 및 [001] 배향 (도 3a 및 도 3c)을 따라 이미지들에서 관찰될 수 있고, 이것은 확인된 구조 모델과 일치한다. 상기 층 [010] 배향에 따른 이미지들은 도 3b 및 도 3f에 표시된다. 원과 작은 점의 밝은 콘트라스트는 각각 크고 작은 동공에 상응한다. 상기 큰 동공은 그것들의 크기로부터 판단된 10-멤버링된 고리와 유사하다. 상기 SGU-7의 확인된 구조는 AM-14, 바나도실리케이트와 관련될 수 있고, 이것의 X-선 분말 회절 패턴 및 결정 형태는 상기 SGU-7의 것과 유사하다. 그러나, AM-14의 구조적 세부 사항 및 특정한 특성들은 보고되지 않았다. 층상 구조의 관점에서, SGU-7은 또한 KMS-1과 비교될 수 있다. 그러나, 2K+ 이온을 Sr2+ 이온으로 대체할 때 KMS-1의 층간 거리가 증가하는 반면, SGU-7의 층간 거리는 일정하게 유지되는 점 (도 1c)에서 그것들의 거동들은 완전히 상이하다. STEM 관찰 하에서 일부 소수의 상이 관찰되었고, 이것의 구조는 본원에서 자세히 논의하지 않을 것이다.To further investigate the atomic structure of Na-SGU-7, high-resolution TEM images were obtained along different domain axes. The corresponding image is shown in FIG. 3 . The packing of the layer along the b axis can be observed in the images along the [100] and [001] orientations ( FIGS. 3A and 3C ), which is consistent with the identified structural model. Images according to the layer orientation are shown in FIGS. 3b and 3f. Bright contrasts of circles and small dots correspond to large and small pupils, respectively. The large pupils resemble 10-membered rings determined from their size. The identified structure of SGU-7 can be related to AM-14, vanadosilicate, and its X-ray powder diffraction pattern and crystal morphology are similar to those of SGU-7. However, structural details and specific properties of AM-14 have not been reported. In terms of the layered structure, SGU-7 can also be compared to KMS-1. However, their behaviors are completely different in that the interlayer distance of KMS-1 increases when replacing 2K + ions with Sr 2+ ions, while the interlayer distance of SGU-7 remains constant (Fig. 1c). Some minor phases were observed under STEM observation, the structure of which will not be discussed in detail herein.
Na-SGU-7 및 Sr(95)-SGU-7 (도 1c), 및 Ca(82)-SGU-7의 싱크로트론 PXRD 패턴은 3D EDT 데이터로부터 결정된 단위 셀 및 공간 그룹을 사용하여 인덱싱할 수 있고 상기 정밀 분석된 단위 셀 파라미터는 Ca(82)-SGU-7 및 Sr(95)-SGU-7 샘플들에 대해 약간 변화한다. 원자 결정 구조들은 Rietveld 정밀 분석 (도 4b 및 도 4d)을 통해 추가 정밀 분석되었다. 큰 피크 모양의 이방성이 존재하며 (도 5a 및 그 삽입도), 이것은 SEM 이미지에 의해 관찰된 결정 모폴로지와 일치한다. 아마도 전자 회절에서 강한 동적 산란효과로 인하여, 모든 양이온들이 ab initio 구조 솔루션에 위치될 수는 없다. 싱크로트론 PXRD 데이터를 사용하는 미분 Fourier 맵 (difference Fourier map)은 상기 바나도실리케이트 시트 내 Na+ 양이온의 존재를 명확하게 나타낸다. 지그-재그 10-고리 채널들과 상기 바나도실리케이트 시트 사이에 위치한 추가 Na+ 이온들과 물 분자가 결정되며 정밀 분석되었다 (도 5b). Na-SGU-7의 경우 결정 구조 변화가 120℃에서 발생하며, 이것은 상기 샘플의 탈수가 상기 구조와의 간섭없이는 불가능함을 나타낸다. 따라서, 상기 추가 Na+ 및 물 분자의 가능한 위치는 호환되는 물-물 및 Na+-물 거리에 의존하여 확인되었다. 인접한 바나도실리케이트 시트들 사이의 가교는 Na-O 상호 작용에 의해 확보된다. Sr(95)-SGU-7의 경우, 상기 바나도실리케이트 시트들 사이의 모든 Na+ 원자들이 Sr2+로 대체되었으며 (도 5d), 이것은 EDT 데이터에서 관찰된 공간 그룹 변화를 유도한다.Synchrotron PXRD patterns of Na-SGU-7 and Sr(95)-SGU-7 (Fig. 1c), and Ca(82)-SGU-7 can be indexed using unit cells and spatial groups determined from 3D EDT data and The finely analyzed unit cell parameters vary slightly for Ca(82)-SGU-7 and Sr(95)-SGU-7 samples. Atomic crystal structures were further precisely analyzed through Rietveld detailed analysis ( FIGS. 4b and 4d ). A large peak shape anisotropy exists (Fig. 5a and its inset), which is consistent with the crystal morphology observed by SEM images. Perhaps due to the strong dynamic scattering effect in electron diffraction, not all cations can be located in the ab initio structure solution. A differential Fourier map using synchrotron PXRD data clearly indicates the presence of Na + cations in the vanadosilicate sheet. Additional Na + ions and water molecules located between the zig-zag 10-ring channels and the vanadosilicate sheet were determined and analyzed precisely ( FIG. 5b ). In the case of Na-SGU-7, the crystal structure change occurs at 120° C., indicating that dehydration of the sample is not possible without interference with the structure. Thus, the possible positions of the additional Na + and water molecules were identified depending on compatible water-water and Na + -water distances. Crosslinking between adjacent vanadosilicate sheets is ensured by Na-O interaction. In the case of Sr(95)-SGU-7, all Na + atoms between the vanadosilicate sheets were replaced with Sr 2+ ( FIG. 5d ), which leads to the space group change observed in the EDT data.
SGU-7 샘플들은 바나도실리케이트 시트의 완전한 분리를 가진 잘 정의된 층상 구조를 나타내며, 이것은 상기 b 축을 따라 적층되어, Na-SGU-7 (도 4a 및 도 4b) 및 Sr(95)-SGU-7 (도 4c 및 도 4d)의 경우에 나타낸 것과 같이 물과 양이온들을 위한 그들 사이에 큰 층간 공간을 제공한다. Na-SGU-7 및 Sr(95)-SGU-7의 경우, Na+ 및 Sr2+ 이온들은 각각 그것들의 말단 산소 원자를 통해 인접한 바나데이트 시트들을 연결한다. 상기 층 내에서 결정된 원자 배열은 세 가지 경우에 대해 기본적으로 동일하다. 가장 놀랍게도, SGU-7에서 5 개의 바나데이트 이온들은 유한한 선형 체인으로 결합하며, 이것은 각 시트에서 잘 정의된 O-[VO4-O]5 체인들을 형성한다 (도 6 및 도 7b). 이것은, 각각 TiO6와 VO6 정팔면체의 정의되지 않은 무한수 (n=∞)의 모서리 공유에 의해 형성된 무한한 1차원 바나데이트 및 티타네이트 체인을 가지는 -O-[VO4-O]n- 및 -O-[TiO4-O]n-는 AM-6 및 ETS-10의 경우들과 대조적이다. 와이어에서 이들 5 개의 V-원자들은 표시된 산란자에 상응할 수 있다 (도 1b). 따라서, SGU-7은 잘 정의된 체인 길이를 갖는 올리고머형 5핵 (oligomeric pentanuclear) 바나데이트 체인들의 물리화학적 특성들을 연구할 수 있는 독특한 기회를 제공한다. 상기 5핵 바나데이트 (V5) 체인들은 [101] 배향을 따라 연장되고 [SiO4] 사면체에 의해 서로 단리된다 (도 7b). 결과적으로, 지그-재그 10-고리 채널들이 [010] 배향을 따라 형성된다 (도 7c). 상기 SGU-7의 명확한 층상 구조는 상기 층들에 수직으로 연장된 채널들로 가득차서, -O-VO4-O-의 연속 체인들을 끊어, V5 체인들로 그것들을 분리시킨다. AM-6의 무한 -O-[VO4-O]n- 체인 (V∞)은 라만 스펙트럼에서 871 cm-1에서 세로 진동 피크를 나타낸다. SGU-7에서 상기 V5 체인들은 889 cm-1에서 더 강하고 샤프한 라만 밴드를 나타내고, 이것은 18 cm-1만큼 V∞ 와이어의 것보다 더 높고, 이것은 V5의 길이가 V∞의 것보다 더 짧다는 사실에 기인한다.The SGU-7 samples exhibit a well-defined layered structure with complete separation of the vanadosilicate sheet, which is stacked along the b- axis, resulting in Na-SGU-7 ( FIGS. 4a and 4b ) and Sr(95)-SGU- It provides a large interlayer space between them for water and cations as shown in case 7 ( FIGS. 4c and 4d ). In the case of Na-SGU-7 and Sr(95)-SGU-7, Na + and Sr 2+ ions connect adjacent vanadate sheets through their terminal oxygen atoms, respectively. The atomic arrangement determined within the layer is essentially the same for all three cases. Most surprisingly, the five vanadate ions in SGU-7 combine into a finite linear chain, which forms well-defined O-[VO 4 -O] 5 chains in each sheet ( FIGS. 6 and 7b ). This is -O-[VO 4 -O] n - and - with infinite one-dimensional vanadate and titanate chains formed by an undefined infinite (n=∞) edge sharing of TiO 6 and VO 6 octahedrons, respectively. O—[TiO 4 —O] n — is in contrast to the cases of AM-6 and ETS-10. These five V-atoms in the wire may correspond to the indicated scatterers (Fig. 1b). Therefore, SGU-7 offers a unique opportunity to study the physicochemical properties of oligomeric pentanuclear vanadate chains with well-defined chain lengths. The pentanuclear vanadate (V 5 ) chains extend along the [101] orientation and are isolated from each other by [SiO 4 ] tetrahedra ( FIG. 7b ). As a result, zig-zag 10-ring channels are formed along the [010] orientation (Fig. 7c). The distinct layered structure of the SGU-7 is filled with channels extending perpendicular to the layers, breaking successive chains of -O-VO 4 -O-, separating them into V 5 chains. The infinite -O-[VO 4 -O] n - chain (V ∞ ) of AM-6 exhibits a longitudinal oscillation peak at 871 cm -1 in the Raman spectrum. In SGU-7, the V 5 chains exhibit a stronger and sharper Raman band at 889 cm −1 , which is higher than that of the V ∞ wire by 18 cm −1 , which indicates that the length of V 5 is It is due to the fact that it is shorter than that of V ∞.
3. 실험 방법3. Experimental method
(1) Sr(1) Sr 2+2+ 포집 capture
Sr2+-제거제들에 의한 Sr2+ - 함유 용액들로부터 Sr2+의 포집은 하기와 같이 수행되었다. 50 mL 유리 용기에 20 mL의 Sr2+ -함유 용액 및 20 mg의 흡착제를 첨가하였다. 상기 혼합물을 초기에 5 분 동안 초음파 처리한 후, 온도-조절된 물 배쓰를 이용하여 25℃ 또는 원하는 온도에서 12 시간 또는 24 시간 동안 교반하였다. 대부분의 실험들에서, 부피 대 질량 비 (V/m)는 1 L/g 또는 Sr2+-제거제의 1 g 당 1 L의 용액이었다. 상기 불균일 용액의 액체 부분만 원심 분리에 의해 단리하였다. 상기 상층액 중의 Sr2+의 농도는 유도 결합 플라즈마-질량 분광분석법 (ICP-MS; inductively coupled plasma-mass spectroscopy)에 의해 결정되었다. 딸 핵종 (daughter nuclide) 222Rn으로부터 방출된 알파 방사선을 측정함으로써 용액에서 방사능 226Ra의 양을 측정하였다. 감마 계수기를 이용하여 방사능 137Cs의 농도를 측정하였다. 각 데이터 포인트는 상기 세 개의 측정된 값의 평균값을 나타낸다.Sr 2+ - 2+ Sr by the scavenger-containing collection of Sr 2+ from the solution was carried out as follows. To a 50 mL glass vessel were added 20 mL of Sr 2+ − containing solution and 20 mg of adsorbent. The mixture was initially sonicated for 5 minutes and then stirred using a temperature-controlled water bath at 25° C. or the desired temperature for 12 hours or 24 hours. In most experiments, the volume to mass ratio ( V/m ) was 1 L/g or 1 L of solution per gram of Sr 2+ -scavenger. Only the liquid portion of the heterogeneous solution was isolated by centrifugation. The concentration of Sr 2+ in the supernatant was determined by inductively coupled plasma-mass spectroscopy (ICP-MS). The amount of radioactivity 226 Ra in solution was determined by measuring the alpha radiation emitted from the daughter nuclide 222 Rn. The concentration of radioactivity 137 Cs was measured using a gamma counter. Each data point represents the average of the three measured values.
(2) 방사성 (2) radioactive 9090 SrSr 2+2+ 포집 capture
28 Bq/mL 및 32 Bq/mL의 초기 활성을 갖는 방사성 폐기물 용액 (각각 5.4 ppt 및 6.2 ppt의 90Sr)을 Eckert & Ziegler (Georgia, USA)로부터 수득하였다. 필요한 양의 NaNO3를 상기 용액에 첨가하여 90Sr2+-함유 2 M 및 5 M Na+ 용액을 수득하였다.Radioactive waste solutions with initial activities of 28 Bq/mL and 32 Bq/mL (5.4 ppt and 6.2 ppt of 90 Sr, respectively) were obtained from Eckert & Ziegler (Georgia, USA). The required amount of NaNO 3 was added to the solution to obtain 90 Sr 2+ -containing 2 M and 5 M Na + solutions.
20 mg의 Sr2+-제거제를 20 mL의 90Sr2+-함유 2 M 또는 5 M Na+ 용액 첨가함으로써 미량의 방사성 90Sr2+의 포집을 수행하였다. 상기 혼합물을 25℃에서 24 시간 동안 초음파 처리하고 자기적으로 교반하였다. 상기 용액을 8,000 rpm에서 원심 분리하고 여과하였다. 상기 상층액에서의 90Sr2+의 양을 Cerenkov 방사선 기술을 이용하여 측정하였다. Trace of radioactive 90 Sr 2+ was captured by adding 20 mg of Sr 2+ -scavenger to 20 mL of 90 Sr 2+ -containing 2 M or 5 M Na + solution. The mixture was sonicated at 25° C. for 24 h and stirred magnetically. The solution was centrifuged at 8,000 rpm and filtered. The amount of 90 Sr 2+ in the supernatant was measured using Cerenkov radiation technique.
(3) 방사성 (3) radioactive 226226 RaRa 2+2+ 포집 capture
약 5x10-9 M의 농도에서 물에 226RaCl2를 용해시킴으로써 43 Bq/mL (1.16 ppb)의 초기 활성을 갖는 방사성 226Ra2+ 용액을 제조하였다. 상기 용액에 필요한 양의 NaCl을 첨가하여 2 M Na+ 용액을 제조하였다. 226Ra2+ 포집 후 상기 상층액에서의 방사성 226Ra2+의 농도를 액체 섬광 계수기를 이용하여 222Rn 발산법(emanation method)에 의해 결정하였다. A radioactive 226 Ra 2+ solution with an initial activity of 43 Bq/mL (1.16 ppb) was prepared by dissolving 226 RaCl 2 in water at a concentration of about 5x10 -9 M. A 2 M Na + solution was prepared by adding the required amount of NaCl to the solution. After 226 Ra 2+ collection, the concentration of radioactive 226 Ra 2+ in the supernatant was determined by the 222 Rn emanation method using a liquid scintillation counter.
(4) pH-의존적 Sr(4) pH-dependent Sr 2+2+ -함유 용액들의 제조-Preparation of containing solutions
초기 Sr2+ 농도가 1.02 ppm으로 조정된 상기 Sr2+ 용액에 필요한 양의 HCl 또는 NaOH를 첨가함으로써 상이한 pH를 갖는 Sr2+-함유 용액들을 제조하였다.The initial Sr 2+ concentration adjusted to 1.02 ppm Sr 2+ Sr 2+ -containing solutions with different pH were prepared by adding the required amount of HCl or NaOH to the solution.
(5) 1-당량 (1-equivalent) 조건에 따른 반응 혼합물의 제조(5) Preparation of reaction mixture according to 1-equivalent conditions
전형적 실험에서, 5 mg의 SGU-7 분말 및 1.027 L의 1.03 ppm의 Sr2+ 함유 용액을 2 L 유리 플라스크에 도입하였다. 상기 혼합물을 5 분 동안 초음파 처리하고 상기 용액을 교반하면서 12 시간 동안 실온으로 유지하였다. 상기 용액의 부피 대 질량 비율은 205 L/g이었다.In a typical experiment, 5 mg of SGU-7 powder and 1.027 L of a solution containing 1.03 ppm of Sr 2+ were introduced into a 2 L glass flask. The mixture was sonicated for 5 minutes and the solution kept at room temperature with stirring for 12 hours. The volume to mass ratio of the solution was 205 L/g.
4. 분석 수단4. Analytical means
수단. 헬륨 (He) 충돌 모드 (Sr의 경우 검출 한계 0.2 ppt)의 개선된 성능을 갖는 옥토폴 반응 시스템 (ORS; octopole reaction system)을 갖춘 컴퓨터-조절된 Agilent (7700x 시리즈) 유도 결합 플라즈마 질량 분광기 (ICP-MS)를 이용하여 용액에서 Sr2+, Ca2+, Mg2+, K+ 및 Na+ 이온들의 농도를 결정하였다. Agilent로부터 제공된 표준 용액들을 희석함으로써 0 ppb 내지 1000 ppb 범위의 8 가지 표준 용액들을 제조하였다. 분석 동안 도구적 드리프트 및 매트릭스 효과들을 보정하기 위해 1 ppb 153Eu 내부 표준을 갖는 5% 질산 용액에서 표준 샘플들을 제조하였다. Na+ 고농축 용액들 (2 M 내지 5 M Na+ 이온들)을 10 또는 20의 인자에 의해 더 낮은 상기 Na+ 농도로 희석하였다. method. Computer-controlled Agilent (7700x series) inductively coupled plasma mass spectrometer (ICP) with octopole reaction system (ORS) with improved performance of helium (He) collision mode (detection limit of 0.2 ppt for Sr) -MS) was used to determine the concentrations of Sr 2+ , Ca 2+ , Mg 2+ , K + and Na + ions in the solution. Eight standard solutions ranging from 0 ppb to 1000 ppb were prepared by diluting standard solutions provided from Agilent. Standard samples were prepared in 5% nitric acid solution with 1 ppb 153 Eu internal standard to correct for instrumental drift and matrix effects during analysis. Na + highly concentrated solutions (2 M to 5 M Na + ions) were diluted to the lower Na + concentration by a factor of 10 or 20.
특성 분석: 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지들은 각각 15 kV 및 20 kV의 가속 전압에서 작동하는 필드-방사 (field-emission) 주사 전자 현미경 JEOL JSM-7600 및 Hitachi S-4300을 이용하여 수득하였다. 분말 X-선 회절 (XRD) 패턴들은 Rigaku D/MAX-2500/pc 회절계를 이용하여 수득하였다. HRTEM 이미지들 및 선택된 영역 전자 회절 (SAED) 패턴들을 JEM-2100F 뿐만 아니라 LaB6 필라멘트를 갖는 400 kV (Cs=0.8 mm, 포인트 해상도=1.5 Å)에서 작동하는 JEOL JEM-4010 현미경에서도 수집하였다. 에너지 분산형 X-선 분광분석법 (EDX; Energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석을 JEOL JEM-2100F에서 수행하였다. Gatan US1000 CCD 카메라 (2K x 2K)가 장착된, Schottky-타입 필드 방사 건으로 200 kV (Cs= 0.8 mm, 포인트 해상도= 1.9 Å)에서 작동하는 JEOL JEM 2100F 현미경에서 고-경사 시편 홀더를 이용하여 3D EDT 데이터 세트를 수집하였다. HRTEM 이미지들을 소프트웨어 Emap을 이용하여 시뮬레이션하였다. 상기 구조들은 Sir 2014를 이용하는 직접적인 방법으로 해결되었다. 300 kV에서 작동하는 JEOL Grand ARM을 이용하여 고해상도 구형 변형 보정된 (Cs-보정) 주사 투과 전자 현미경 (STEM)을 수행하였다. 상기 현미경은 콜드 필드 방사 건 및 상기 STEM과 TEM 모드를 위한 이중 교정기가 장착되어 0.7 Å의 경우 모두 포인트 분해능을 보장한다. 관찰 전에 상기 샘플들을 막자사발 및 막자를 이용하여 깊게 분쇄하고 무수 에탄올 (absolute ethanol)에 분산시켰다. 구멍이 많은 (holey) 탄소 구리 마이크로그리드 상에 상기 현탁액 몇 방울을 정치시켰다. Characterization: Scanning Electron Microscopy (SEM) images were obtained using a field-emission scanning electron microscope JEOL JSM-7600 and Hitachi S-4300 operating at an accelerating voltage of 15 kV and 20 kV, respectively. Powder X-ray diffraction (XRD) patterns were obtained using a Rigaku D/MAX-2500/pc diffractometer. HRTEM images and selected area electron diffraction (SAED) patterns were collected on a JEM-2100F as well as a JEOL JEM-4010 microscope operating at 400 kV (Cs=0.8 mm, point resolution=1.5 Å) with LaB6 filaments. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis was performed on a JEOL JEM-2100F. 3D using a high-tilt specimen holder on a JEOL JEM 2100F microscope operating at 200 kV (Cs = 0.8 mm, point resolution = 1.9 Å) with a Schottky-type field spinning gun, equipped with a Gatan US1000 CCD camera (2K x 2K). EDT data sets were collected. HRTEM images were simulated using the software Emap. The above structures were solved in a direct way using Sir 2014. High resolution spherical strain corrected (C s -corrected) scanning transmission electron microscopy (STEM) was performed using a JEOL Grand ARM operating at 300 kV. The microscope is equipped with a cold field radiation gun and dual calibrators for the STEM and TEM modes to ensure point resolution in both cases of 0.7 Å. Before observation, the samples were deeply ground using a mortar and pestle and dispersed in absolute ethanol. A few drops of this suspension were placed on a holey carbon copper microgrid.
다중-슬라이스 STEM 시뮬레이션: [010] 방향을 따라 상기 SGU-7의 STEM-ADF 데이터를 시뮬레이션하기 위해 본 발명자들은 QSTEM 프로그램을 사용하였다. 사용된 상기 결정 슈퍼셀 치수는 48.28Х103.22Х23.8 Å3이며, 여기에서 20 Å은 상기 실험적 및 시뮬레이션된 데이터 사이의 우수한 일치 및 상기 SEM 관찰들로부터 수득한 정보로 인해 이상적 두께로서 사용되었다. 상기 사용된 파라미터들은: Cs= 0 mm, U acc = 300 kV, 내부 수집 각도 30 mrad 및 반-수렴 각도 15 mrad이다. Multi-slice STEM simulation : To simulate the STEM-ADF data of the SGU-7 along the [010] direction, we used the QSTEM program. The crystalline supercell dimension used was 48.28Х103.22Х23.8 Å 3 , where 20 Å was used as the ideal thickness due to good agreement between the experimental and simulated data and information obtained from the SEM observations. The parameters used are: C s = 0 mm, U acc = 300 kV,
고려대에 위치한 한국 기초 과학 연구소에서 SQUID 자력계 (MPMS5)의 1000 G의 자기장에서 4K 내지 300K로부터 SGU-7 샘플의 제로-필드 냉각 (ZFC; Zero-field cooled) 민감도 측정을 수행하였다. Bruker A200 전자 스핀 공명 분광계에서 실온에서 전자 스핀 공명 (ESR; Electron spin resonance) 스펙트럼을 측정하였다. 196℃로 냉각된, 여기 빔 소스로서 Ar+ 이온 레이저 (Spectra-Physics Stabilite 2017), 분광계 (Horiba Jobin Yvon TRIAX 550), 및 CCD 검출기 (Horiba Jobin Yvon Symphony)가 장착된 홈메이드 (homemade) 셋업에 상기 샘플들의 라만 스펙트럼을 기록하였다. 상기 여기 빔의 파장은 514.5 nm였다. 부산에 위치한 한국 기초 과학 연구소로부터, ESCALAB250 XPS 시스템을 이용하여 XPS 데이터를 측정하였다. ICP-MS (검출 한계 1 ppb), 7700 시리즈, Agilent Technologies를 이용하여 Sr2+ 흡수 및 화학적 조성을 결정하였다.Zero-field cooled (ZFC) sensitivity measurement of SGU-7 samples from 4K to 300K in a magnetic field of 1000 G of a SQUID magnetometer (MPMS5) was performed at the Korea Basic Science Research Institute located at Korea University. Electron spin resonance (ESR) spectra were measured at room temperature on a Bruker A200 electron spin resonance spectrometer. In a homemade setup equipped with an Ar + ion laser (Spectra-Physics Stabilite 2017), a spectrometer (Horiba Jobin Yvon TRIAX 550), and a CCD detector (Horiba Jobin Yvon Symphony) as excitation beam source, cooled to 196°C. Raman spectra of the samples were recorded. The wavelength of the excitation beam was 514.5 nm. XPS data were measured using the ESCALAB250 XPS system from the Korea Basic Science Institute located in Busan. Sr 2+ absorption and chemical composition were determined using ICP-MS (detection limit of 1 ppb), 7700 series, Agilent Technologies.
유럽 싱크로트론 방사선 시설 (ESRF, 프랑스)의 ID22 빔라인에서 고분해능 분말 회절 데이터를 기록하였다. 샘플들을 0.7 및 0.5 직경의 보로실리케이트 모세관으로 포장하였다. 첫 번째 일련의 회절 패턴들을 31 keV의 에너지(0.3999 Å)에서 수집하여 Pawley fit에 사용하였다. 중요한 변화들을 유도하지 않고 물 분자들의 일부를 제거하려는 시도에서, 35 keV의 에너지(0.3543 Å)에서 in situ 펌핑과 적당한 가열 (50℃ 내지 100℃) 후에 두 번째 일련의 회절 패턴들을 수집하였다. 상기 패턴들을 Na-SGU7 및 Sr-SGU7의 Rietveld 정밀 분석에 사용하였다. TOPAS 소프트웨어 패키지를 이용하여 Pawley 및 Rietveld 정밀 분석을 수행하였다.High-resolution powder diffraction data were recorded at the ID22 beamline at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, France). Samples were packaged with 0.7 and 0.5 diameter borosilicate capillaries. The first series of diffraction patterns were collected at an energy of 31 keV (0.3999 Å) and used for the Pawley fit. In an attempt to remove some of the water molecules without inducing significant changes, a second series of diffraction patterns were collected after in situ pumping at an energy of 35 keV (0.3543 Å) and moderate heating (50° C. to 100° C.). The above patterns were used for Rietveld precise analysis of Na-SGU7 and Sr-SGU7. Pawley and Rietveld precision analyzes were performed using the TOPAS software package.
계산 세부 사항. 분자 동역학 (MD; Molecular dynamics) 시뮬레이션들을 298K에서 수행하였다. 모든 계산들을 BIOVIA Materials Studio 2016 패키지에 의해 수행하였다. 본 발명자들은 0.01의 Q 비율을 갖는 canonic (NVT) 앙상블 및 Nose 온도 조절기를 사용하였다. 운동 방정식을 효과적으로 통합하기 위해 매우 짧은 시간 단계 1 fs가 사용되었다. 초기 300 ps (3 x 105 단계) 평형 후, 10 ns (1 x 107 단계) 운영을 2,500 단계들마다 프레임 출력으로 진행하였다. 따라서, 총 4,000 개의 구성들이 평균 데이터를 얻는 데 이용되었다. 또한, 본 발명자들은 각 모델에서 3 회 이상의 시뮬레이션들을 수행하여 평균 값을 얻었다. Na-SGU-7 (Na38H2Si80V20O22055H2O, P121/a1, a= 23.58 Å, b= 30.04 Å, c= 12.31 Å, β= 100.2°) 및 Na-CST (Na8Ti8Si4O28·8H2O, P42/mcm, a=b=7.8082 Å, c=11.9735 Å, α=β=γ=90°)를 초기 구조 모델로서 사용하였다. Sr2+ 이온-교환 모델을 얻기 위해, 본 발명자들은 Sr2+ 이온 교환 모델 하나만 만들어, 극도로 높은 Na+ 이온 농도 (ppm)와 비교하여 낮은 Sr2+ 농도 (ppt)의 실험적 조건들을 모방하였다. UFF (Universal Force Field)가 사용되었다. 전하 평형법을 이용하여 골격 전하를 할당하였다. Na, Sr, 및 H2O의 O 및 H의 전하들은 각각 +1, +2, -0.672 및 +0.336으로 할당되었다. 정전기의 합산은 1.0 e-5 kcal/mol의 정확도로 Ewald 방법에 의해 수행되었고 반데르발스 상호작용은 18.5 Å 컷오프 거리를 갖는 큐빅 스플라인 (spline) 방법을 이용하여 절단되고 장거리 보정을 적용하였다. Calculation Details . Molecular dynamics (MD) simulations were performed at 298K. All calculations were performed by the BIOVIA Materials Studio 2016 package. We used a canonic (NVT) ensemble and a Nose thermostat with a Q ratio of 0.01. A very short time step of 1 fs was used to effectively integrate the equations of motion. After the initial 300 ps (3 x 10 5 steps) equilibration, 10 ns (1 x 10 7 steps) operation was performed with frame output every 2,500 steps. Therefore, a total of 4,000 constructs were used to obtain the average data. In addition, the present inventors performed three or more simulations on each model to obtain an average value. Na-SGU-7 (Na 38 H 2 Si 80 V 20 O 220 55H 2 O,
5. Na5. Na ++ 고농축 용액으로부터 Na-SGU-7의 Sr Sr of Na-SGU-7 from highly concentrated solution 2+2+ -포집 능력 평가-Evaluation of capture ability
Sr2+ 제거를 위한 Na-SGU-7의 초기 평가는 35 ppb의 Sr2+ (SrCl2의 형태로서) 및 5.0 M의 Na+ (115,000 ppm, 4 M의 NaNO3의 형태로서)를 포함하는 pH = 14의 모의의 알칼리성 핵 폐기물 용액을 사용하여 수행되었다. 상기 실험은 20 mg의 Sr2+-제거제를 20 mL의 상기 모의의 폐기물 용액에 첨가함으로써 1 L/g 조건하에서 수행되었다. 상기 적용된 1 L/g 조건은 종종 Sr2+-오염된 용액들로부터 Sr2+-제거제의 용량을 초기 평가하는데 사용된다. Na-SGU-7의 성능은 이어서 도 4a의 x-축에 나열된 12 개의 다른 경쟁 Sr2+-제거제들의 성능들과 비교되었다. Sr2+의 농도로서 35 ppb를 선택한 이유는 재처리한 폐기물 용액 (26 ppb)에서 90Sr의 농도의 상한과 근접하거나 약간 높기 때문이다. Na-SGU-7에 의한 Sr2+ 교환도는 12 시간 후 99.1%이었고 그에 상응하는 분배 계수 (K d )는 110,982 mL/g이었다. 따라서, Na-SGU-7은 시험한 13 개 샘플들 중에서 가장 높은 성능을 나타내었다 (하기 [표 3] 참조).Initial evaluation of Na-SGU-7 for Sr 2+ removal included 35 ppb of Sr 2+ (as SrCl 2 ) and 5.0 M Na + (115,000 ppm, as 4 M of NaNO 3 ). This was performed using a simulated alkaline nuclear waste solution of pH = 14. The experiment was performed under 1 L/g condition by adding 20 mg of Sr 2+ -scavenger to 20 mL of the simulated waste solution. The applied 1 L / g condition often Sr 2+ - is used to evaluate the initial capacity of the scavenger - Sr 2+ from the contaminated solution. The performance of Na-SGU-7 was then compared to the performances of 12 other competing Sr 2+ -scavengers listed on the x-axis of FIG. 4A . The reason why 35 ppb was chosen as the concentration of Sr 2+ is that it is close to or slightly above the upper limit of the concentration of 90 Sr in the reprocessed waste solution (26 ppb). The degree of Sr 2+ exchange by Na-SGU-7 was 99.1% after 12 hours and the corresponding partition coefficient ( K d ) was 110,982 mL/g. Therefore, Na-SGU-7 showed the highest performance among the 13 samples tested (see Table 3 below).
[표 3][Table 3]
시뮬레이션된 폐기물 용액 조성: Sr2+ (35 ppb), Na+ (115,000 ppm, 또는 5 M), pH = 14. 배치 조건 1 L/g, 25℃에서 평형 시간 12 h.Simulated waste solution composition: Sr 2+ (35 ppb), Na + (115,000 ppm, or 5 M), pH = 14. Batch conditions 1 L/g, equilibration time 12 h at 25°C.
분배 계수 K d 는 Sr2+-제거제의 1 g 당 Sr2+의 제거된 양과 용액 1 mL 당 잔류 Sr2+ 양 (식 1)의 비율이며,The ratio of the amount of
여기서, [Sr2+] i 와 [Sr2+] f 는 Sr2+의 초기 농도 및 최종 농도이고, V는 상기 용액의 mL 부피이며, 및 m은 g단위로 Sr2+-제거제의 무게이다. 상기 결과를 바탕으로, 본 발명자들은, 가장 우수한 두 개의 샘플인 Na-SGU-7과 Na-CST를 각각 46,000 ppm (2 M) 및 115,000 ppm (5 M)의 Na+의 존재 하에서 ppt 수준 방사능 90Sr 제거를 위해 시험되는 두 개 후보자로서 선택하였다 (상기 [표 3] 참조).where [Sr 2+ ] i and [Sr 2+ ] f are the initial and final concentrations of Sr 2+ , V is the mL volume of the solution, and m is the weight of the Sr 2+ -scavenger in g . Based on the above results, the present inventors, the two best samples, Na-SGU-7 and Na-CST, respectively, 46,000 ppm (2 M) and 115,000 ppm (5 M) of Na + were selected as two candidates to be tested for ppt level radioactive 90 Sr removal in the presence of Na + (see Table 3 above).
상기 시험한 2 M Na+ 용액 중 90Sr의 방사능은 28,100 Bq/L이며, 이것은 5.4 ppt 또는 6.0 x 10-11 M에 상응한다 (도 8b). 상기 결과는 Na-SGU-7이 상기 2 M Na+ 용액으로부터 90Sr 이온들의 35.6% (20.82 picomole/Lg)를 여전히 제거할 수 있으며, 여기서 Na+ (2 M)의 농도가 90Sr의 농도보다 330 억 배 더 높다. Na-SGU-7의 계산된 K d 는 536 mL/g이었다. 동일한 조건에서 Na-CST는 90Sr의 7.5% 또는 1,790 Bq/Lg 만 제거할 수 있었으며, 이것은 NaSU-7의 것보다 5.4 배 더 낮다. 상기 Na-CST의 Kd는 69 mL/g이며, 이것은 Na-SGU-7 (536 mL/g)보다 7.8 배 더 낮다.The radioactivity of 90 Sr in the tested 2 M Na + solution is 28,100 Bq/L, which corresponds to 5.4 ppt or 6.0 x 10 -11 M (Fig. 8b). The results show that Na-SGU-7 can still remove 35.6% (20.82 picomole/Lg) of 90 Sr ions from the 2 M Na + solution, where the concentration of Na + (2 M) is higher than the concentration of 90 Sr. 33 billion times higher. The calculated K d of Na-SGU-7 was 536 mL/g. Under the same conditions, Na-CST is 7.5% of 90 Sr or 1,790 Bq/Lg can only be removed, which is 5.4 times lower than that of NaSU-7. The K d of Na-CST is 69 mL/g, which is 7.8 times lower than that of Na-SGU-7 (536 mL/g).
상기 시험한 5 M Na+ 용액에서 90Sr의 상기 방사능은 32,100 Bq/L이고, 이것은 6.2 ppt 또는 6.8x10-11 M에 상응한다. Na-SGU-7은 상기 5 M Na+ 용액으로부터 상기 90Sr 이온의 10.9% (7.21 picomole/Lg)를 여전히 제거할 수 있었고 (도 8c), 이것은 115,000 ppm의 Na+ 이온의 존재에도 불구하고 90Sr의 3,400 Bq/Lg에 상응하며, 상기 Na+ 이온의 농도는 90Sr의 것보다 730 억 배 더 높다. 상기 Na-SGU-7의 계산된 K d 는 119 mL/g이었다. 동일한 조건에서 Na-CST에 의해 제거된 상기 방사능은 4.4% (2.86 picomole/Lg) 또는 1,350 Bq/Lg이고, 이것은 Na-SGU-7의 것보다 2.5 배 더 낮았다. 상기 Na-CST의 Kd는 44 mL/g이며, 이것은 Na-SGU-7의 것보다 2.7 배 더 낮았다. The radioactivity of 90 Sr in the tested 5 M Na + solution is 32,100 Bq/L, which corresponds to 6.2 ppt or 6.8x10 -11 M. Na-SGU-7 was still able to remove 10.9% (7.21 picomole/Lg) of the 90 Sr ions from the 5 M Na + solution ( FIG. 8c ), which was 90 despite the presence of 115,000 ppm Na + ions. Corresponding to 3,400 Bq/Lg of Sr, the concentration of Na + ions is 73 billion times higher than that of 90 Sr. The calculated K d of Na-SGU-7 was 119 mL/g. The radioactivity removed by Na-CST under the same conditions was 4.4% (2.86 picomole/Lg) or 1,350 Bq/Lg, which was 2.5 times lower than that of Na-SGU-7. The K d of Na-CST was 44 mL/g, which was 2.7 times lower than that of Na-SGU-7.
상기 결과는 Na-SGU-7이 5 M Na+를 함유하는 상기 핵 폐기물 용액으로부터 심지어 ppt 수준의 방사능 90Sr을 제거할 수 있는 가장 좋은 물질이라는 것을 명확히 나타낸다. 두 물질들의 상대적 양이온 교환 에너지를 조사하기 위해, 본 발명자들은 298K에서 Na-SGU-7과 Na-CST, 및 그것들의 Sr2+-교환 형태에 대한 분자 역학 시뮬레이션을 수행하였다. 두 경우에서, Sr2+ 교환도는 단위 셀당 하나의 Sr2+ 이온 (1 puc)으로 제한되어 Sr2+ 이온 교환도가 매우 낮은 반면 Na+의 농도는 매우 높은 실제 교환 조건에 가능한 가깝게 교환 조건을 만들었다. 본 발명자들이, Na-CST에 대해 사용된 단위 셀 공식, 대칭, 및 파라미터가 Na8Ti8Si4O28·8H2O, P42/mcm, 및 a=b=7.8082 Å, c=11.9735 Å, α=β=γ=90°이었다. 상기 Sr2+ 이온 교환 과정은 식 (2)에 의해 표현되었다.The results clearly indicate that Na-SGU-7 is the best material capable of removing even ppt level radioactivity 90 Sr from the nuclear waste solution containing 5 M Na + . To investigate the relative cation exchange energies of the two materials, we performed molecular dynamics simulations for Na-SGU-7 and Na-CST, and their Sr 2+ -exchange forms at 298 K. In both cases, the degree of Sr 2+ exchange is limited to one Sr 2+ ion (1 puc) per unit cell, so that the degree of Sr 2+ ion exchange is very low while the concentration of Na+ is very high in the exchange conditions as close as possible to the actual exchange condition. made We found that the unit cell formula, symmetry, and parameters used for Na-CST are Na 8 Ti 8 Si 4 O 28 8H 2 O, P4 2 /mcm, and a=b=7.8082 Å, c=11.9735 Å , α=β=γ=90°. The Sr 2+ ion exchange process was expressed by Equation (2).
E1 E2 E3 E4 E 1 E 2 E 3 E 4
여기서 []SrR 및 []Sol은 Sr-remover 및 용액에서 괄호 안의 종들의 농도를 각각 나타낸다. Sr2+-제거제 (△ER)에 대한 양이온 교환 반응 엔탈피 변화는 식 (3)으로부터 수득되었다.where [] SrR and [] Sol represent the concentrations of Sr-remover and the species in parentheses in solution, respectively. The change in enthalpy of cation exchange reaction for Sr 2+ -scavenger (ΔE R ) was obtained from equation (3).
△ER = (E3 + E4) - (E1 + E2) (3)ΔER = (E 3 + E 4 ) - (E 1 + E 2 ) (3)
상기 수득된 △ESGU-7 및 △ECST는 각각, -99.19 kcal/mol 및 -64.89 kcal/mol이며, 이것은 Na-SGU-7가 Na-CST보다 Sr2+에 1.5 배 더 높은 열역학 친화도를 가지는 것을 나타낸다.The obtained ΔE SGU-7 and ΔE CST are -99.19 kcal/mol and -64.89 kcal/mol, respectively, indicating that Na-SGU-7 has a 1.5-fold higher thermodynamic affinity for Sr 2+ than Na-CST. indicates that it has
상기 결과는 Na-SGU-7가 극단적으로 Na+가 풍부한 용액에서 Sr2+-제거에 있어서 Na-CST보다 더 우수한 이유를 설명한다. 이것은 또한 열역학적 안정성의 획득이 고농축 Na+ 조건 하에서 Sr2+의 효과적 추출을 위한 원동력임을 나타낸다. 이것과 일치하여, 다양한 온도에서 수득된 SGU-7 및 CST의 Na+- 및 Sr2+-교환 형태의 in situ 분말 X-선 회절 패턴의 비교에 따르면, SGU-7의 열적 안정성이 Na+를 Sr2+로 대체할 때 70℃에서 180℃만큼 증가함을 나타낸다. 그러나, 상기 Sr2+-유도 열 안정성 증가는 CST로부터 관찰되지 않았다. 오히려, 최대로 Sr2+-교환된 CST는 225℃이상의 온도에서 열 안정성 감소 현상을 나타낸다. 따라서 본 발명자들은 구조적 안정성의 획득이 극단적으로 고농축 Na+ 조건에서 CST보다 SGU-7의 Sr2+에 대한 특별하게 더 높은 친화도에 대한 주요 원동력으로 작용한다고 결론을 얻었다. The above results explain why Na-SGU-7 is superior to Na-CST in Sr 2+ -removal in an extremely Na + rich solution. This also indicates that the acquisition of thermodynamic stability is the driving force for the effective extraction of Sr 2+ under highly concentrated Na + conditions. Consistent with this, according to a comparison of the in situ powder X-ray diffraction patterns of the Na + - and Sr 2+ -exchange forms of SGU-7 and CST obtained at various temperatures, the thermal stability of SGU-7 shows that Na + It shows an increase from 70°C to 180°C when replaced with Sr 2+ . However, the Sr 2+ -induced increase in thermal stability was not observed from CST. Rather, maximally Sr 2+ -exchanged CST exhibits reduced thermal stability at temperatures above 225°C. Therefore, the present inventors concluded that the acquisition of structural stability acts as the main driving force for the particularly higher affinity for Sr 2+ of SGU-7 than CST under extremely high Na + conditions.
6.6. NaNa ++ 고농축 용액으로부터 Na-SGU-7의 of Na-SGU-7 from highly concentrated solution. 226226 Ra-포집 능력 평가Ra-capture ability evaluation
SGU-7이 고농축 Na+ 용액에서 90Sr을 포집하는 뛰어난 능력을 가지고 있다는 정보를 얻은 후, 본 발명자들은 SGU-7의 226Ra-포집 능력을 설명하는 실험을 수행했으며, 이것은 226Ra 및 90Sr이 주기율표에서 동일한 족에 속하기 때문이다. 실제로, 226Ra은 자연에서 발견된 U의 가장 풍부한 (99.3%) 동위원소인 238U로부터 생산된다. 226Ra의 반감기는 1,622 년이며, 이는 방사성 폐암을 일으키는 발암성 가스인 222Rn로 변환된다. 따라서, 지하수 및 방사성 액체 폐기물로부터 방사성 226Ra의 효과적인 포집은 인간의 건강을 위해 매우 중요하다. 따라서, 본 발명자들은 중성 pH 조건하에서 2 M Na+ 용액으로부터 SGU-7의 226Ra-포집 능력을 평가했다. 본 발명자들이 2 M Na+ 용액 조건을 선택한 이유 중 하나는 그 결과를 226Ra-포집 능력이 가장 높은 Na-4-Mica의 결과와 비교하기 위한 것이다. 또 다른 이유는 SGU-7이 2 M Na+ 용액에서 효과적으로 226Ra를 포집할 수 있다면 지하수로부터 반드시 226Ra를 포집할 수 있기 때문이다. 226Ra 용액 (226RaCl2의 형태로서)의 초기 방사능은 43,000 Bq/L였고, 이는 화학적 농도로서 1.1 ppb에 대응한다. 226Ra 포집 실험은 20 mL의 226Ra 용액 및 20 mg의 Na-SGU-7을 이용하여 1 L/g의 조건하에서 수행되었다. 그 결과는 Na+ (2 M)의 농도가 226Ra2+의 농도보다 4억 배가 높다는 사실에도 불구하고 Na-SGU-7은 2 M Na+ 용액으로부터 226Ra 이온들의 34.1% (1.71 nanomole/Lg)를 포집할 수 있음을 보여준다 (도 8d). 동일한 조건 하에서 Na-4-Mica는 5.5% (0.28 nanomole/Lg)만 포집하였고, 이것은 Na-SGU-7의 것보다 5.1 배 낮은 것이다. Na-SGU-7 및 Na-4-Mica의 계산된 K d 값은 각각 516 mL/g 및 58 mL/g이었다. 따라서, SGU-7은 또한 2 M Na+ 용액에서 우수한 226Ra 포집 능력을 가진다. After obtaining information that SGU-7 has an excellent ability to trap 90 Sr in highly concentrated Na + solutions, we conducted experiments to demonstrate the 226 Ra-capturing ability of SGU-7, which is 226 Ra and 90 Sr. Because they belong to the same group on the periodic table. In fact, 226 Ra is produced from 238 U, the most abundant (99.3%) isotope of U found in nature. The half-life of 226 Ra is 1,622 years, which is converted to 222 Rn, a carcinogenic gas that causes radioactive lung cancer. Therefore, effective capture of radioactive 226Ra from groundwater and radioactive liquid waste is very important for human health. Therefore, we evaluated the 226 Ra-capturing ability of SGU-7 from a 2 M Na + solution under neutral pH conditions. One of the reasons we chose the 2 M Na+ solution condition is to compare the results with those of Na-4-Mica, which has the highest 226 Ra-capturing ability. Another reason is that if SGU-7 can effectively capture 226 Ra in a 2 M Na + solution, it can necessarily capture 226 Ra from groundwater. The initial radioactivity of the 226 Ra solution ( as in the form of 226 RaCl 2 ) was 43,000 Bq/L, which corresponds to 1.1 ppb as a chemical concentration. The 226Ra capture experiment was performed under the condition of 1 L/g using 20 mL of 226Ra solution and 20 mg of Na-SGU-7. The results show that, despite the fact that the concentration of Na + (2 M) is 400 million times higher than that of 226 Ra 2+ , Na-SGU-7 contains 34.1% (1.71 nanomole/Lg) of 226 Ra ions from the 2 M Na + solution. ) can be captured (Fig. 8d). Under the same conditions, Na-4-Mica only captured 5.5% (0.28 nanomole/Lg), which is 5.1 times lower than that of Na-SGU-7. The calculated K d values of Na-SGU-7 and Na-4-Mica were 516 mL/g and 58 mL/g, respectively. Therefore, SGU-7 also has good 226 Ra trapping ability in 2 M Na + solution.
7. 지하수로부터 Na-SGU-7의 Sr7. Sr of Na-SGU-7 from groundwater 2+2+ -포집 능력 평가-Evaluation of capture ability
Sr2+의 경우에서, 본 발명자들은 Na-SGU-7의 Sr2+-포집에 대한 평가를 지하수로 확장하였다. 이를 위해, Sr2+로 오염된 모의의 중성 지하수로서 42 ppb Sr2+, 131.3 ppm Na+, 24.1 ppm Ca2+, 10.1 ppm Mg2+, 및 7.3 ppm K+ 이온들은 포함하는 수성 용액이 사용되었다. Sr2+ 제거 실험은 또한 20 mL의 지하수 및 20 mg의 흡착제를 사용하여 1 L/g의 조건하에서 수행되었다. Na-SGU-7의 Sr2+-제거 능력과 12 개의 다른 Sr2+-제거제들의 Sr2+-제거 능력을 비교하였다 (도 9a 및 하기 [표 4]). 또한, Na-SGU-7과 Na-CST의 차이는 작았지만, Na-SGU-7은 Sr2+-오염된 지하수로부터 Sr2+ 제거에서 가장 높은 성능을 보였다. 본 결과는 Na-SGU-7 또한 뜻하지 않게 오염된 토양과 지하수로부터 90Sr의 효과적인 제거를 위해 Sr2+-제거제로서 사용될 수 있음을 보여준다. In the case of Sr 2+, Sr 2+ present inventors of the Na-SGU-7 - is extended to evaluate the absorption into groundwater. To this end, an aqueous solution containing a neutral underground water of the simulated polluted with Sr 2+ 42 ppb Sr 2+, 131.3 ppm Na +, 24.1
[표 4][Table 4]
지하수 조성: Sr2+ (0.042 ppm), Na+ (131 ppm), Ca2+ (24 ppm), Mg2+ (10 ppm), K+ (7 ppm). 배치 조건 1 L/g, 25℃에서 평형 시간 12 h.Groundwater composition: Sr 2+ (0.042 ppm), Na + (131 ppm), Ca 2+ (24 ppm), Mg 2+ (10 ppm), K + (7 ppm). Batch conditions 1 L/g, equilibration time 12 h at 25°C.
본 발명자들은 지하수로부터 Sr2+의 소멸을 분석하는 동안, 지하수에서 상기 경쟁 이온들의 농도 변화 또한 분석하였다. 본 발명자들은 모의의 지하수로부터 99.7%의 Sr2+가 소멸되는 동안, 81.6%의 Ca2+, 63.7%의 Mg2+, 및 8.5%의 K+ 또한 소멸되었음을 확인하였다 (도 9b). 반면, Na+의 초기 농도 (131.3 ppm)는 다른 금속이온들보다 훨씬 높음에도 불구하고 Na+의 농도는 42% (55.1 ppm)가 증가했다. 따라서, 본 결과는 SGU-7 내에 존재하는 Na+ 이온이 K+의 초기 농도 (7.3 ppm)가 Na+의 초기 농도 (131.3 ppm)보다 훨씬 작음에도 불구하고 Ca2+, Mg2+ 및 심지어 K+로 대체되었음을 보여준다. 상기 결과는 SGU-7의 금속 이온에 대한 친화성이 Na+ << K+ < Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ 순서로 증가함을 보여준다. 이 결과는 또한, 금속 이온의 원자가 전하가 동일할 때, SGU-7이 1가 양이온보다 2가 양이온에 대해 더 높은 친화력을 가지며, 더 단단한 (더 작은) 양이온에 비해 더 부드러운 (더 큰) 양이온에 더 높은 친화력을 가짐을 보여준다. Na-CST는 또한 유사한 양이온 친화도 프로파일을 보여 주었다. 그러나, Na-CST의 경우, 호스트로의 Ca2+, Mg2+ 및 K+의 이온 교환량은 SGU-7로의 이온 교환량보다 더 높았다. 이 현상은 비록 소량이지만 Na-CST가 SGU-7보다 Ca2+, Mg2+ 및 K+에 대한 친화력이 더 높다는 것을 보여준다. 이 결과는 지하수로부터 Sr2+를 포집하는 동안 SGU-7이 Na-CST보다 우수한 Sr2+-포집 능력을 보이는 이유를 설명한다. While analyzing the disappearance of Sr 2+ from groundwater, the present inventors also analyzed changes in the concentration of the competing ions in groundwater. The present inventors confirmed that while 99.7% of Sr 2+ was eliminated from the simulated groundwater, 81.6% of Ca 2+ , 63.7% of Mg 2+ , and 8.5% of K + were also eliminated ( FIG. 9b ). On the other hand, although the initial concentration of Na + (131.3 ppm) was much higher than that of other metal ions, the concentration of Na + increased by 42% (55.1 ppm). Therefore, the present results show that Na + ions present in SGU-7 have Ca 2+ , Mg 2+ and even K even though the initial concentration of K + (7.3 ppm) is much smaller than that of Na + (131.3 ppm). Shows that it has been replaced with + . The above results show that the affinity of SGU-7 for metal ions increases in the order of Na + << K + < Mg 2+ < Ca 2+ < Sr 2+ . This result also shows that when the valence charges of the metal ions are the same, SGU-7 has a higher affinity for divalent cations than monovalent cations, and softer (larger) cations compared to harder (smaller) cations. showed a higher affinity for Na-CST also showed a similar cation affinity profile. However, in the case of Na-CST, the amount of ion exchange of Ca 2+ , Mg 2+ and K + to the host was higher than that to SGU-7. This phenomenon, although small, shows that Na-CST has a higher affinity for Ca 2+ , Mg 2+ and K + than SGU-7. This result explains why SGU-7 exhibits superior Sr 2+ -capturing ability than Na-CST while capturing Sr 2+ from groundwater.
SrSr 2+2+ 의 제거 속도removal rate of
Sr2+-제거 속도는 Sr2+-제거제의 성능을 평가하면서 확인해야 할 중요한 점들 중 하나이다. [Sr2+]i = 1.03 ppm의 상기 1 L/g 조건하에서 지하수로부터 99% 이상의 Sr2+ 이온이 SGU-7에 의해 5 분 이내에 제거되었다 (도 9c). 본 결과는 지하수로부터 Na-SGU-7에 의한 Sr2+ 제거 속도가 매우 빠름을 나타낸다. 확인해야 할 또 다른 중요한 점은 Sr-제거제의 Sr2+-제거 용량이다. 이는 주어진 양의 Sr2+-제거제 및 주어진 부피의 상기 용액에 대해 Sr2+-제거제가 95% 이상의 양의 Sr2+를 제거할 수 있는 최고의 [Sr2+]i를 수득함으로써 수행될 수 있고, 이는 용액에서 오염된 Sr2+를 제거하기 위해 요구되는 Sr2+ 제거제의 양에 관한 매우 유용한 정보를 제공하기 때문이다. SGU-7은 1 L/g 조건 하에서 [Sr2+]i = 31.4 ppm의 지하수로부터 95.1 %의 Sr2+를 제거 할 수 있음을 발견했다 (도 9d 및 하기 [표 5]). 상기 수득된 K d 값은 [Sr2+]i = 31.4 ppm에서 104 mL/g보다 높았다. 이 결과는 SGU-7이 지하수에서 Sr2+ 제거 용량이 매우 높다는 것을 나타낸다. The Sr 2+ -removal rate is one of the important points to check while evaluating the performance of the Sr 2+ -removal agent. [Sr 2+ ] More than 99% of Sr 2+ ions from the groundwater were removed within 5 minutes by SGU-7 under the 1 L/g condition of i = 1.03 ppm ( FIG. 9c ). This result indicates that the Sr 2+ removal rate by Na-SGU-7 from groundwater is very fast. Another important point to check is the Sr 2+ -removal capacity of the Sr-scavenger. This given amount of Sr 2+-removing agent and Sr 2+ with respect to the solutions of a given volume-can be carried out by obtaining the best [Sr 2+] i to the remover to remove the Sr 2+ in an amount of 95% or more, and , because it provides very useful information about the amount of Sr 2+ scavenger required to remove the contaminated Sr 2+ from the solution. It was found that SGU-7 could remove 95.1% of Sr 2+ from groundwater at [Sr 2+ ] i = 31.4 ppm under the condition of 1 L/g (Fig. 9d and [Table 5] below). The obtained K d value was higher than 10 4 mL/g at [Sr 2+ ] i = 31.4 ppm. These results indicate that SGU-7 has a very high Sr 2+ removal capacity in groundwater.
[표 5][Table 5]
지하수 조성: Na+: 131 ppm, Ca2+: 24 ppm, Mg2+: 10 ppm, K+: 7 ppm. 배치 조건 1 L/g, 25℃에서 평형 시간 12 h.Groundwater composition: Na + : 131 ppm, Ca 2+ : 24 ppm, Mg 2+ : 10 ppm, K + : 7 ppm. Batch conditions 1 L/g, equilibration time 12 h at 25°C.
SrSr 2+2+ -포집 능력에 대한 온도의 영향- Effect of temperature on capture capacity
Sr2+-제거제를 얻기 위한 또 다른 중요한 정보는 Sr2+-포집 능력에 대한 온도의 영향이다. SGU-7의 Sr2+-제거제 용량은 10℃ 내지 70℃의 온도에 관계없이 >99%로 동일하게 유지되었다.Another important information for obtaining Sr 2+ -scavengers is the effect of temperature on Sr 2+ -capturing capacity. The Sr 2+ -scavenger capacity of SGU-7 remained the same at >99% regardless of the temperature between 10 °C and 70 °C.
작동 가능한 pH 범위 및 '1-당량' 조건하에서 SrSr under '1-equivalent' conditions and operable pH range 2+2+ 제거도 degree of removal
Sr2+-제거제의 품질을 평가하기 위해 확인해야 할 다른 두 가지 중요한 점은 Sr2+-제거제가 K d > 10,000 mL/g (또는 logK d > 4)와 같이 상당히 높은 성능을 보이는 작동 가능한 pH 범위 및 '1-당량(one-equivalent)' 조건하에서 Sr2+ 제거제에 의한 Sr2+ 제거 정도이다. 여기서, '1-당량' 조건은 상기 용액에 상주하는 총 Sr2+ 이온 수가 시험(대상) 농도(a concentration of interest)에서 Sr2+ 제거제에 상주하는 총 Sr2+-교환 가능 사이트 수와 같다는 것을 의미한다. 따라서, [Sr2+]i가 감소되면, 상기 용액의 총 부피가 증가하여 주어진 양의 Sr2+ 제거제에 대해 1 당량의 Sr2+ 이온을 유지한다. 예를 들어, SGU-7의 경우, [Sr2+]i = 1.03 ppm일 때, 그것의 이온 교환 자리에 기초하여 1 g의 SGU-7에 대하여 같은 수의 Sr2+를 제공하기 위하여 205 L만큼의 Sr2+ 용액이 필요하다. 이것은 또한 일상적으로 사용되는 1 L/g 조건이 [Sr2+]i = 1.03 ppm으로 SGU-7에 적용된 경우, SGU-7의 교환 가능한 부위의 아주 작은 부분만이 이용되었음을 보여준다. 그럼에도 불구하고, 1 L/g 조건이 널리 사용되는 이유는 90Sr이 매우 낮은 농도에서도 강한 독성이 있기 때문에 이온 교환 평형을 상기 용액으로부터 Sr2+를 완전히 제거하는 방향으로 밀어내는 것이다. [Sr2+]i = 1.03 ppm으로 이러한 '1-당량' 조건 하에서 K d > 10 mL/g인 Sr2+ 용액의 작동 가능한 pH는 3 내지 14 이었다. (도 9e). 이러한 pH 범위는 KMS-1의 것과 동일하다. 그러나, SGU-7의 K d 는 1,366,000 mL/g인 반면, KMS-1의 K d 는 25,000 mL/g이므로, pH = 3.2에서 SGU-7은 KMS-1보다 우수한 성능을 나타낸다 (하기 [표 6] 참조). 또한, KMS-1에 의한 Sr2+ 흡수는 4 내지 6의 pH 범위에서 55 mg/g 초과인 반면, SGU-7 에 의한 Sr2+ 흡수는 3 내지13의 pH 범위에서 105 mg/g 초과이다. 이는 Sr2+-제거 능력에서 SGU-7이 KMS-1보다 우수하다는 것을 추가로 입증한다. 흥미롭게도, pH = 7 (109.0 mg/g)에서 SGU-7에 의한 Sr2+ 흡수는 작지만 산성 또는 염기성 조건 (106.0 mg/g 내지 108.5 mg/g)보다 약간 높다. 이러한 현상은 산성 조건 하에서 H+ 및 염기성 조건 하에서 Na+ 이온과 같은 여분의 양이온이 존재하고, 이러한 여분의 양이온들이 Sr2+의 SGU-7로의 이온 교환을 방해한다는 사실에서 발생하는 것으로 보인다. pH = 2에서, SGU-7에 의한 Sr2+ 흡수는 특히 매우 낮았다 (19.0 mg/g). 이는 SGU-7의 구조가 3 내지 14 의 pH 영역에서 안정적이지만 (도 10) pH 2.6에서 붕괴되기 때문에 발생한다.Sr 2+ - Two other important point to make in order to assess the quality of the removing agent is Sr 2+ - operating remover is shown a very high performance, such as K d> 10,000 mL / g (or log K d> 4) available under a range of pH and "1 eq (one-equivalent)" conditions is about Sr 2+ Sr 2+ removed by a remover. Here, "one-equivalent" condition is the total number of Sr 2+ ions tested (target) concentration (a concentration of interest) in a total of Sr 2+ Sr 2+, which resides in removing agent that resides in the solution - is equal to the number of replaceable site means that Thus, when [Sr 2+ ] i is decreased, the total volume of the solution increases to hold 1 equivalent of Sr 2+ ions for a given amount of Sr 2+ scavenger. For example, for SGU-7, when [Sr 2+ ] i = 1.03 ppm, based on its ion exchange sites, 205 L to give the same number of Sr 2+ for 1 g of SGU-7 As much Sr 2+ solution is required. This also shows that when the routinely used 1 L/g condition was applied to SGU-7 with [Sr 2+ ] i = 1.03 ppm, only a very small fraction of the exchangeable site of SGU-7 was utilized. Nevertheless, the reason why the 1 L/g condition is widely used is that 90 Sr is highly toxic even at very low concentrations, pushing the ion exchange equilibrium towards the complete removal of Sr 2+ from the solution. [Sr 2+ ] i = 1.03 ppm under these '1-equivalent' conditions, the operable pH of a Sr 2+ solution with a K d >10 mL/g was 3-14. (FIG. 9e). This pH range is the same as that of KMS-1. However, the K d of SGU-7 is 1,366,000 mL/g, whereas the K d of KMS-1 is 25,000 mL/g, so at pH = 3.2, SGU-7 shows better performance than KMS-1 ( ] Reference). Furthermore, Sr 2+ uptake by KMS-1 is greater than 55 mg/g in the pH range of 4-6, whereas Sr 2+ uptake by SGU-7 is greater than 105 mg/g in the pH range of 3-13. . This further demonstrates that SGU-7 is superior to KMS-1 in Sr 2+ -removal ability. Interestingly, Sr 2+ uptake by SGU-7 at pH = 7 (109.0 mg/g) is small but slightly higher than under acidic or basic conditions (106.0 mg/g to 108.5 mg/g). This phenomenon appears to arise from the fact that there are extra cations such as H + under acidic conditions and Na + ions under basic conditions, and these extra cations interfere with ion exchange of Sr 2+ to SGU-7. At pH = 2, Sr 2+ uptake by SGU-7 was particularly very low (19.0 mg/g). This occurs because the structure of SGU-7 is stable in the pH range of 3 to 14 ( FIG. 10 ) but collapses at pH 2.6.
[표 6][Table 6]
배치 조건 1 L/g, 25℃에서 평형 시간 12 h. * [M. J. Monos, N. Ding and M. G. Kanatzidis, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2008, 105, 3696-3699.]에서부터 수득함.Batch conditions 1 L/g, equilibration time 12 h at 25°C. * [MJ Monos, N. Ding and MG Kanatzidis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA ., 2008, 105 , 3696-3699.].
흥미롭게도, SGU-7의 Sr2+-제거 용량이 지하수의 Sr2+ 이온의 양보다 훨씬 큰 [Sr2+]i = 1.03 ppm 인 1 L/g 조건 하에서, pH는 3에서 14로 약간 증가함에도 불구하고, Sr2+-제거도는 점차 증가하였다 (도 9f). 가장 현저하게, 5M Na+ 용액에서, [Sr2+]i = 1.03 ppm인 1 L/g 조건 하에서, pH가 증가함에 따라 상기 용액으로부터의 Sr2+-제거도는 급격히 증가하였다 (도 9g). 따라서, Sr2+-제거도는 pH 3 및 7에서 7.8% 및 14.5 %에 불과하지만, pH 13 및 14에서 각각 98.8% 및 99.1%이었다. 이것은 pH가 14인 방사성 액체 폐기물 용액의 풀로부터 직접적으로 방사성 90Sr2+를 제거하는 데 사용될 수 있기 때문에 Sr2+-제거제에 매우 바람직한 특성이다. Na-CST도 유사하게 작동하지만 Sr2+제거도는 낮다 (도 11).Interestingly, the SGU-7 Sr 2+ - under removal capacity is much larger [Sr 2+] i = 1.03 ppm in 1 L / g condition than the amount of Sr 2+ ions in the ground water, pH is slightly increased from 3 to 14 In spite of this, the degree of Sr 2+ -removal gradually increased ( FIG. 9f ). Most notably, in a 5M Na + solution, under the condition of 1 L/g with [Sr 2+ ] i = 1.03 ppm, the degree of Sr 2+ -removal from the solution sharply increased as the pH increased (Fig. 9g). . Thus, the Sr 2+ -removal was only 7.8% and 14.5% at
8. SGU-7의 Cs8. Cs of SGU-7 ++ -포집 능력 평가-Evaluation of capture ability
SGU-7은 Sr2+ 및 Ra2+와 같은 더 부드러운 2가 양이온에 대해 높은 친화력을 보여 주지만, 본 발명자들은 SGU-7의 Cs+-포집 능력도 평가하였다. Cs+의 초기 농도 ([Cs+]i)가 각각 8 ppb 및 24 ppb 인 1 L/g 지하수 조건 하에서, 각각의 Cs+ 제거도는 각각 77% 및 75%이었다 (도 9h). 상응하는 K d 값은 각각 3,367 mL/g 및 2,946 mL/g이었다. [Cs+]i가 24 ppb (2,946 mL/g) 인 SGU-7의 K d 값은 보고된 두 가지 최적의 물질들의 K d 값인 17,500 mL/g (K-SGU-45) 및 3,300 mL/g 내지 4,900 mL/g (CST)보다 낮지만, 이는 여전히 3번째 최적의 물질인 2,300 mL/g (Na-PMica)보다 높으며, 이는 26 ppb의 [Cs+]i로 유사한 1 L/g 지하수 조건하에서 측정되었다. 이미 2 개의 2가 양이온인 각각 24.1 ppm 및 10.1 ppm의 상당한 양의 Ca2+ 및 Mg2+과, 다른 1가 양이온인 각각 131.3 ppm 및 7.3 ppm의 훨씬 더 많은 양의 Na+ 및 K+가 있음에도 불구하고, SGU-7이 여전히 상기 지하수로부터 Cs+를 포집 할 수 있다는 사실은 사실상 상당히 흥미롭다. 이것은 다시 한 번 SGU-7이 더 부드러운 양이온에 훨씬 더 높은 친화력을 가짐을 보여준다.Although SGU-7 shows a high affinity for softer divalent cations such as Sr 2+ and Ra 2+ , we also evaluated the Cs + − trapping ability of SGU-7. The initial concentration of Cs + ([Cs +] i) are respectively 8 ppb and 24 ppb of 1 L / g under ground water conditions, 77% and 75%, respectively, of Cs + is removed, respectively (Fig. 9h). The corresponding K d values were 3,367 mL/g and 2,946 mL/g, respectively. [Cs +] i is 24 ppb (2,946 mL / g) of SGU-7 of the K d value of K of the two optimal material reported d value of 17,500 mL / g (K-SGU -45) and 3,300 mL / g to 4,900 mL/g (CST), but still higher than the third optimal material, 2,300 mL/g (Na-PMica), which is 26 ppb of [Cs + ] i under similar 1 L/g groundwater conditions. was measured. Although there are already significant amounts of two divalent cations, 24.1 ppm and 10.1 ppm respectively, Ca 2+ and Mg 2+ , and even higher amounts of the other monovalent cations, 131.3 ppm and 7.3 ppm respectively, Na + and K + . Despite this, the fact that SGU-7 can still capture Cs+ from the groundwater is actually quite interesting. This again shows that SGU-7 has a much higher affinity for softer cations.
9. SGU-7의 재사용 실험9. Reuse experiment of SGU-7
SGU-7을 재사용하기 위한 가능한 수단으로서, 본 발명자들은 5 M NaCl 용액을 사용하여 Na+ 이온으로 Sr(95)-SGU-7로부터 Sr2+ 이온을 제거하는 실험을 수행하였다. 500 mL의 5 M NaCl 용액으로 2 시간 동안 0.5g의 Sr(95)-SGU-7을 4 회 세척한 후에도, 여전히 Sr2+의 2 %가 SGU-7 내에 남아있다. 이는 고도로 농축된 Na+ 용액에 의해 SGU-7이 재생되어 고도로 90Sr2+-오염된 용액에서 90Sr2+ 이온을 제거할 수 있음을 나타낸다. 그러나 42 ppb와 같이 90Sr2+의 농도가 매우 낮은 경우, 1 L/g 조건하에서 지하수로부터 90Sr2+ 제거도는 주기 수가 증가함에 따라 점진적으로 감소하며, 고농도 Na+ 이온을 사용하여 사용된 Na-SGU-7의 재생은 매우 소량의 90Sr2+로 오염된 상기 용액으로부터 90Sr2+를 제거하는데 효과적이지 않음을 나타낸다.As a possible means for reusing SGU-7, the present inventors performed an experiment to remove Sr 2+ ions from Sr(95)-SGU-7 with Na + ions using a 5 M NaCl solution. Even after washing 0.5 g of Sr(95)-SGU-7 4 times with 500 mL of 5 M NaCl solution for 2 hours, 2% of Sr 2+ still remains in SGU-7. This indicates that SGU-7 can be regenerated by highly concentrated Na + solution to remove 90 Sr 2+ ions from highly 90 Sr 2+ -contaminated solution. However, as 42 ppb when the concentration of 90 Sr 2+ is very low, and decreases gradually as the 1 L / g even removing 90 Sr 2+ from the ground water increases the number of cycles under the following conditions, is used by using the high-concentration ion + Na Regeneration of Na-SGU-7 indicates that it is not effective to remove 90 Sr 2+ from the solution contaminated with very small amounts of 90 Sr 2+ .
10. 결론10. Conclusion
요약하면, SGU-7은 단위 셀 파라미터가 P121/a1의 공간 그룹으로 a=23.58 Å, b=30.04 Å, c=12.31 Å, β=100.2˚인 신규 층상 미세다공성 바나도실리케이트 물질이다. 상기 물질은 폐핵연료봉 재처리 과정 중에 생산되는 높은 pH (>13)의 극단적으로 Na+가 풍부한 (> 5 M) 액체 폐기물로부터 극단적으로 생물 독성을 갖는 ppt 수준의 미량의 90Sr2+을 제거하는 우수한 능력을 나타내며, 심지어 31 ppm만큼 높은 90Sr2+ 농도의 우연히 오염된 지하수로부터 대부분의 90Sr2+ 이온들을 제거한다. 열역학 안정성의 획득 및 구조적 안정성의 증가는 지하수 중 Na+ 및 다른 양이온과 관련하여 90Sr2+에 대한 그것의 탁월한 친화도 및 Sr2+에 대한 탁월한 선택도에 대한 원동력이며 고농축 Na+ (> 5 M) 액체 폐기물 및 우연히 오염된 지하수로부터 Sr2+를 효과적으로 제거하는 능력을 부여한다. 또한, 2 M NaCl 용액으로부터 1-ppb 수준의 226Ra2+와 지하수로부터 ppb 수준의 Cs+를 효과적으로 포집할 수 있다. 이것의 고유한 구조는 단리된 5핵 바나데이트 (V5) 체인들의 주기적 네트워크를 포함하고, 이것의 광학적 및 전기적 특성들이 향후 다양한 응용 분야에 이용될 수 있다.In summary, SGU-7 is a novel layered microporous vanadosilicate material with unit cell parameters a =23.58 Å, b =30.04 Å, c =12.31 Å, β =100.2˚ with spatial groups of
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.The above description of the present application is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present application pertains will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may also be implemented in a combined form.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims, and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present application. .
Claims (20)
상기 층상 바나도실리케이트는 미세다공성 구조이고,
상기 층상 바나도실리케이트는 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 하기 화학식 1로서 표시되는 것이고:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상인 것이고,
0≤a≤5;
1≤b; 및
d=2(b+c+10)인,
Sr2+ 이온 흡착제.
An Sr 2+ ion adsorbent comprising layered vanadosilicate, comprising:
The layered vanadosilicate has a microporous structure,
The layered vanadosilicate is represented by the following formula (1 ) comprising V ( IV) , which is vanadium having an oxidation number of +4:
[Formula 1]
In Formula 1,
M is at least one selected from Na, Li, and K,
0≤a≤5;
1≤b; and
d=2 (b+c+10),
Sr 2+ ion adsorbent.
상기 층상 바나도실리케이트는 a=23.58 Å, b=30.04 Å, c=12.31 Å, β=100.2°의 단위 셀 파라미터, 및 P121/a1의 공간 그룹을 갖는 것인, Sr2+ 이온 흡착제.
The method of claim 1,
wherein the layered vanadosilicate has a unit cell parameter of a =23.58 Å, b =30.04 Å, c =12.31 Å, β =100.2°, and a space group of P 12 1 / a 1 Sr 2+ ion adsorbent .
상기 화학식 1에 따른 +4의 산화수를 갖는 바나듐인 V( IV) 를 포함하는 층상 바나도실리케이트는 하기 화학식 2에 따른 +5의 산화수를 갖는 바나듐인 V( V) 를 포함하는 바나도실리케이트를 환원시켜 수득되는 것인, Sr2+ 이온 흡착제:
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
상기 M은 Na, Li, 및 K에서 선택되는 하나 이상이고,
0≤a′≤5;
1≤b′; 및
d′=2(b′+c′+10)임.
The method of claim 1,
The layered vanadosilicate containing V ( IV) , which is vanadium having an oxidation number of +4 according to Chemical Formula 1, is reduced to a vanadosilicate containing V ( V) , which is vanadium having an oxidation number of +5 according to Chemical Formula 2 below. Which is obtained by, Sr 2+ ion adsorbent:
[Formula 2]
In Formula 2,
Wherein M is at least one selected from Na, Li, and K,
0≤a′≤5;
1≤b′; and
d′=2(b′+c′+10).
상기 M+ 및/또는 H+는 상응하는 2가 양이온인 Sr2+과 수성 이온-교환하여 치환되는 것인, Sr2+ 이온 흡착제.
The method of claim 1,
wherein M + and/or H + are substituted by aqueous ion-exchange with the corresponding divalent cation, Sr 2+ , Sr 2+ ion adsorbent.
상기 층상 바나도실리케이트는 Sr2+ 이온-교환 전보다 Sr2+ 이온-교환 후에 더 안정한 것인, Sr2+ 이온 흡착제.
8. The method of claim 7,
The layered silicate is I bar Sr 2+ ion-exchange than Sr 2+ ion-in will be more stable after exchange, Sr 2+ ion adsorbent.
흡착 대상인 상기 Sr2+ 이온은 방사성 Sr인 것인, Sr2+ 이온 흡착제.
The method of claim 1,
The Sr 2+ ion to be adsorbed is a radioactive Sr, Sr 2+ ion adsorbent.
상기 Sr2+ 이온 흡착제는 분말, 발포체, 필름, 또는 상기 흡착제가 충진된 고정층 컬럼 형태인 것인, Sr2+ 이온 흡착제.
The method of claim 1,
The Sr 2+ ion adsorbent is in the form of a powder, foam, film, or a fixed bed column packed with the adsorbent, Sr 2+ ion adsorbent.
상기 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온의 총 농도는 1 M 내지 8 M이고,
상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수로부터 Sr2+ 이온을 제거하기 위하여, 제 1 항, 제 5 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 Sr2+ 이온 흡착제를 이용하는 것
을 포함하는, Sr2+ 이온을 제거하는 방법.
A method for removing Sr 2+ ions from contaminated water to be removed Sr 2+ ions containing 50 ppm or less of Sr 2+ ions and one or more other competing metal ions, the method comprising:
the total concentration of said one or more other competing metal ions is between 1 M and 8 M;
In order to remove Sr 2+ ions from the Sr 2+ ion removal target contaminated water , the Sr 2+ ion adsorbent according to any one of claims 1 to 10 is used.
A method for removing Sr 2+ ions, including.
상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수에 포함되는 Sr2+ 이온의 농도는 30 ppm 이하인 것인, Sr2+ 이온을 제거하는 방법.
12. The method of claim 11,
The concentration of Sr 2+ ions contained in the Sr 2+ ion removal target contaminated water is 30 ppm or less, the method of removing Sr 2+ ions.
상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수에 포함되는 상기 하나 이상의 다른 경쟁 금속 이온의 총 농도는 2 M 내지 6 M인 것인, Sr2+ 이온을 제거하는 방법.
12. The method of claim 11,
The total concentration of the one or more other competing metal ions included in the Sr 2+ ion removal target contaminated water is 2 M to 6 M, the method for removing Sr 2+ ions.
상기 Sr2+ 이온 제거 대상 오염수의 pH는 3 내지 14인 것인, Sr2+ 이온을 제거하는 방법.
12. The method of claim 11,
The pH of the Sr 2+ ion removal target contaminated water is 3 to 14, the method for removing Sr 2+ ions.
상기 경쟁 금속 이온은 Na+, Ca2+, Mg2+, 및 K+에서 선택되는 하나 이상인 것인, Sr2+ 이온을 제거하는 방법.
12. The method of claim 11,
The competing metal ions are Na + , Ca 2+ , Mg 2+ , and K + will at least one selected from, Sr 2+ ion removal method.
상기 Sr2+ 이온 흡착제에 포함되는 층상 바나도실리케이트는 Sr2+ 이온-교환 전보다 Sr2+ 이온-교환 후에 더 안정한 것인, Sr2+ 이온을 제거하는 방법.
12. The method of claim 11,
The layered vanadosilicate included in the Sr 2+ ion adsorbent is more stable after Sr 2+ ion-exchange than before Sr 2+ ion-exchange, Sr 2+ ion removal method.
상기 Sr2+ 이온 흡착제를 수용하되 이온은 통과 가능한 용기
를 포함하는, 음용수 정제용 티백.
Sr 2+ ion adsorbent according to any one of claims 1, 5 to 10, and
A container accommodating the Sr 2+ ion adsorbent but allowing ions to pass through
Containing, drinking water purification tea bag.
상기 음용수 정제용 티백은 음용수 내 방사성 Sr을 제거하기 위한 것인, 음용수 정제용 티백.
18. The method of claim 17,
The drinking water purification tea bag is for removing radioactive Sr in drinking water, drinking water purification tea bag.
11. A method for treating polluted water for removing Sr 2+ ions using the Sr 2+ ion adsorbent according to any one of claims 1 to 10.
상기 오염수는 지하수, 바닷물, 또는 핵폐기물 용액인 것인, 오염수 처리 방법.20. The method of claim 19,
The polluted water is groundwater, seawater, or a nuclear waste solution, the polluted water treatment method.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR20180169650 | 2018-12-26 | ||
KR1020180169650 | 2018-12-26 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20200080181A KR20200080181A (en) | 2020-07-06 |
KR102355889B1 true KR102355889B1 (en) | 2022-01-27 |
Family
ID=71571292
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020190174147A Active KR102355889B1 (en) | 2018-12-26 | 2019-12-24 | Sr(Ⅱ) ion absorbent using a layered vanadosilicate and method of removing Sr(Ⅱ) ion using the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR102355889B1 (en) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180085066A (en) * | 2014-07-18 | 2018-07-25 | 토소가부시키가이샤 | Composition including silicotitanate having sitinakite structure, and production method for same |
KR20150114450A (en) * | 2015-08-27 | 2015-10-12 | 주식회사 지오엔 | Vanadosilicate having Hexadeca-Coordinated Cs Ions and Use thereof |
-
2019
- 2019-12-24 KR KR1020190174147A patent/KR102355889B1/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20200080181A (en) | 2020-07-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Datta et al. | Removal of 90 Sr from highly Na+-rich liquid nuclear waste with a layered vanadosilicate | |
Wang et al. | Compositional and structural control on anion sorption capability of layered double hydroxides (LDHs) | |
Sharma et al. | Sorption behaviour of nanocrystalline MOR type zeolite for Th (IV) and Eu (III) removal from aqueous waste by batch treatment | |
Popa et al. | Radioactive wastewaters purification using titanosilicates materials: State of the art and perspectives | |
US11673113B2 (en) | Radionuclide adsorbent, method of preparing the same and method of removing radionuclide using the same | |
Zendehdel et al. | Removal of fluoride from aqueous solution by adsorption on NaP: HAp nanocomposite using response surface methodology | |
Parsons-Moss et al. | Sorption interactions of plutonium and europium with ordered mesoporous carbon | |
Amesh et al. | Tuning the ion exchange behavior of cesium and strontium on sodium iron titanate | |
Ahmadi et al. | Removal of strontium ions from nuclear waste using synthesized MnO 2-ZrO 2 nano-composite by hydrothermal method in supercritical condition | |
Abeykoon et al. | Removal of fluoride from aqueous solution by porous vaterite calcium carbonate nanoparticles | |
KR102337203B1 (en) | Adsorbent of radionuclide and preparing method of the same and removal method of radionuclide using the same | |
Wang et al. | Molten salt synthesis of MXene-derived hierarchical titanate for effective strontium removal | |
Ansanay–Alex et al. | Adsorption of nickel and arsenic from aqueous solution on natural sepiolite | |
Gordienko et al. | Sorption properties of nanostructured potassium aluminosilicate | |
Schütz et al. | Characterization of bentonite modified by manganese oxides | |
Sani et al. | Controlled growth of nano-hydroxyapatite on stilbite: Defluoridation performance | |
Pavel et al. | Contrasting immobilization behavior of Cs+ and Sr 2+ cations in a titanosilicate matrix | |
KR102355889B1 (en) | Sr(Ⅱ) ion absorbent using a layered vanadosilicate and method of removing Sr(Ⅱ) ion using the same | |
Figueiredo et al. | Cs+ ion exchange over lanthanide silicate Eu-AV-20: Experimental measurement and modelling | |
JP2014115135A (en) | RADIOACTIVE Cs ADSORBENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME | |
Rajec et al. | NIFSIL: a new composite sorbent for cesium | |
Oleksiienko et al. | Adsorption of caesium (Cs+) from aqueous solution by porous titanosilicate xerogels | |
Esfandian et al. | Removal of strontium ions by synthetic nano sodalite zeolite from aqueous solution | |
KR102031100B1 (en) | Cesium adsorbent containing cray with magnetic nanoparticles | |
JP5694593B2 (en) | Radioactive Cs adsorbent and method for producing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PA0109 | Patent application |
Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20191224 |
|
PA0201 | Request for examination | ||
PG1501 | Laying open of application | ||
PE0902 | Notice of grounds for rejection |
Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20210412 Patent event code: PE09021S01D |
|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
PE0701 | Decision of registration |
Patent event code: PE07011S01D Comment text: Decision to Grant Registration Patent event date: 20211123 |
|
PR0701 | Registration of establishment |
Comment text: Registration of Establishment Patent event date: 20220121 Patent event code: PR07011E01D |
|
PR1002 | Payment of registration fee |
Payment date: 20220124 End annual number: 3 Start annual number: 1 |
|
PG1601 | Publication of registration |