KR20240027909A - Preparing method for graphene like carbon by pyrolysis of biomass with hybrid metal salts and Treating method for wastewater contaminated with organic compound using granular adsorbent loaded with the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 하이브리드 금속염 개질제에 의한 바이오매스 기반 유사 그래핀 제조방법 및 이들이 담지된 입상매질체를 이용한 유기 오염폐수 처리방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 유사 그래핀 입상매질체 제조방법은 하이브리드 금속염 개질제를 활용하여, 바이오매스를 활성화시키므로, 유사 그래핀을 경제적으로 대량생산할 수 있다. 한편, 본 발명에 따르면 흑연 박리를 통해 단층 형태로 제조되는 그래핀의 성상과 매우 유사한 성상을 가진 유사 그래핀(높은 비표면적, 높은 sp2/sp3 탄소비 등) 분말을 친환경적으로 대량 생산가능하다. 또한, 본 발명에 따르면, 종래 열분해 제조방법과 달리, 유사 그래핀 제조 시 시트(sheet) 간 뭉침에 의해 다층이 형성됨으로써 비표면적이 감소하는 문제를 효과적으로 방지하고, 이를 통해 우수한 흡착 성능을 유지 및 확보할 수 있다. 나아가, 본 발명에 따른 유사 그래핀 입상 매질체는 수중 유기 오염물질 제거에 적용 시 종래 분말 타입과 달리 수처리 후 회수가 용이하고 재사용이 가능한 장점이 존재한다. The present invention relates to a method for producing biomass-based pseudo-graphene using a hybrid metal salt modifier and a method for treating organic polluted wastewater using a granular medium carrying them. The method for producing a pseudo-graphene granular medium according to the present invention is a hybrid metal salt. By using a modifier to activate biomass, pseudo-graphene can be mass-produced economically. Meanwhile, according to the present invention, it is possible to mass-produce pseudo-graphene (high specific surface area, high sp 2 /sp 3 carbon ratio, etc.) powder with properties very similar to those of graphene manufactured in a single layer form through graphite exfoliation in an environmentally friendly manner. do. In addition, according to the present invention, unlike the conventional pyrolysis manufacturing method, the problem of reducing the specific surface area due to the formation of multilayers due to agglomeration between sheets when manufacturing pseudo-graphene is effectively prevented, thereby maintaining excellent adsorption performance and It can be secured. Furthermore, when applied to remove organic contaminants in water, the pseudo-graphene granular medium according to the present invention has the advantage of being easy to recover and reusable after water treatment, unlike conventional powder types.
Description
본 발명은 하이브리드 금속염 개질제에 의한 바이오매스 기반 유사 그래핀 제조방법 및 이들이 담지된 입상매질체를 이용한 유기 오염폐수 처리방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing biomass-based pseudo-graphene using a hybrid metal salt modifier and a method for treating organic polluted wastewater using a granular medium carrying them.
그래핀(Graphene)은 탄소의 sp2 혼성결합으로 인해 육각형 격자 형태의 연결이 2차원 방향으로 뻗어나간 모양을 가진다. 그래핀은 아주 얇은 두께에 반금속성 물질로 기계적, 물리적 특성이 매우 뛰어나 전자, 광전자 장치, 화학 센서, 나노 복합체 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. Graphene has a hexagonal lattice-shaped connection extending in a two-dimensional direction due to sp 2 hybridization of carbon. Graphene is a very thin, semi-metallic material with excellent mechanical and physical properties and is used in various fields such as electronics, optoelectronic devices, chemical sensors, and nanocomposites.
한편, 그래핀은 다양한 방법을 통해 제조될 수 있는데 구체적으로 흑연(Graphite)으로부터 기계적 박리되어 제조되거나, 메탄, 에틸렌 혹은 아세틸렌 분해를 이용한 금속 표면에서의 화학증기증착(chemical vapor deposition, CVD) 방법에 의해 제조되거나, SiC 상에서 에피텍셜(Epitaxial) 성장되거나, 그래핀 산화물의 화학적 흑연화 반응에 의해 형성되거나, 또는 바이오매스의 탄화에 의해 제조될 수 있다.Meanwhile, graphene can be manufactured through various methods. Specifically, it can be manufactured by mechanical exfoliation from graphite, or by chemical vapor deposition (CVD) on the metal surface using methane, ethylene, or acetylene decomposition. It can be manufactured by, epitaxially grown on SiC, formed by a chemical graphitization reaction of graphene oxide, or carbonized by biomass.
개량된 휴머스 방법(Hummer's method)은 가장 널리 활용되고 있는 환원된 그래핀 산화물(Reduced graphene oxide, rGO)을 제조하는 화학적 합성법 중 하나로서, 황산(H2SO4), 과망간산칼륨(KMnO4), 과산화수소(H2O2), 질산나트륨(NaNO3)과 같은 강한 산화제를 다량으로 사용하여 산화를 통해 그래파이트 산화물(Graphite oxide)을 제조한 후 초음파처리를 통해 박리시켜 그래핀 산화물(Graphene oxide, GO)을 제조한다. 해당 방법은 그래핀 산화물을 다량으로 제조할 수 있는 장점이 있으나, 흑연으로부터 그래핀 산화물 제조 시 다수의 강산성 물질 및 산화제가 다량 요구되어 제조과정에 위험이 따르고 경제적이거나 친환경적이지 못하며 초음파 처리, 원심분리 등으로 인해 시간이 많이 소요되는 제한성을 가지고 있다. 또한 환원된 그래핀 산화물(rGO) 제조시 고가의 환원제를 사용하여야 한다. The improved Hummer's method is one of the most widely used chemical synthesis methods for producing reduced graphene oxide (rGO), using sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and potassium permanganate (KMnO 4 ). , Graphite oxide is manufactured through oxidation using a large amount of strong oxidizing agents such as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and sodium nitrate (NaNO 3 ), and then exfoliated through ultrasonic treatment to produce graphene oxide. GO) is manufactured. This method has the advantage of being able to produce graphene oxide in large quantities, but when producing graphene oxide from graphite, a large number of strong acidic substances and oxidizing agents are required, which poses risks in the manufacturing process, is not economical or environmentally friendly, and requires ultrasonic treatment and centrifugation. Due to this, it has the limitation of taking a lot of time. Additionally, when producing reduced graphene oxide (rGO), an expensive reducing agent must be used.
한편 식물 등 바이오매스로부터 얻을 수 있는 탄소는 흑연 대비 자연친화적으로 획득이 가능하며, 특히 셀룰로오스는 바이오매스의 구성요소(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌) 중 하나로, 탄소가 풍부하며 구하기가 용이하고 열분해와 같은 간단한 공정만으로 탈수소화 반응과 함께 수분이 제거되어 원소 탄소로 변환이 가능하다. 셀룰로오스가 원소 탄소화되는 메커니즘은 아래의 식 1과 같다. Meanwhile, carbon that can be obtained from biomass such as plants can be obtained in a more nature-friendly way than graphite. In particular, cellulose is one of the components of biomass (cellulose, hemicellulose, lignin), is abundant in carbon, is easy to obtain, and is not subject to thermal decomposition. With a simple process, moisture is removed along with the dehydrogenation reaction and conversion to elemental carbon is possible. The mechanism by which cellulose is elementally carbonized is as shown in Equation 1 below.
(표 1) (Table 1)
다만 기존 열분해 제조방법을 사용하여 셀룰로오스, 리그닌 또는 이들 모두를 포함하는 목질계 바이오매스로부터 유사 그래핀을 제조하는 경우, 유사 그래핀 시트들의 뭉침(aggregation)에 의해 다층(multi layer)이 만들어지고, 이로 인해 비표면적이 줄어드는 한계가 있다. 또한 미세한 입자를 가진 분말(powder) 형태로 제조된 유사 그래핀은 수처리 적용 시 회수가 어려운 문제가 있고, 이를 극복하기 위해 특정 매질에 코팅하는 경우 그래핀의 비표면적이 감소하여 분말 대비 수처리 효율이 떨어지는 문제가 존재한다. However, when pseudo-graphene is manufactured from lignocellulosic biomass containing cellulose, lignin, or both using existing pyrolysis manufacturing methods, multi-layers are created by aggregation of pseudo-graphene sheets, Because of this, there is a limit to reducing the specific surface area. In addition, pseudo-graphene manufactured in powder form with fine particles has the problem of difficulty in recovery when applied to water treatment. To overcome this, when coated on a specific medium, the specific surface area of graphene decreases, resulting in lower water treatment efficiency compared to powder. There is a falling problem.
본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 금속염 개질제, 상세하게는 하이브리드 금속염 개질제를 활용하여, 셀룰로오스, 리그닌 또는 이들 모두를 포함하는 바이오매스로부터 유사 그래핀을 경제적으로 대량생산할 수 있도록 최적화된 공정을 확립하는 한편, 제조된 분말 입자의 한계를 극복하기 위해 수처리 적용 시 분리/회수가 용이한 다공성 폼(foam) 형태로 제조한, 유사 그래핀 입상매질체 및 그 제조방법과 이를 이용한 수중 유기 오염물질 흡착 제거방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention was devised to solve the problems of the prior art described above, and utilizes a metal salt modifier, specifically a hybrid metal salt modifier, to economically produce large quantities of graphene-like from biomass containing cellulose, lignin, or both. In order to establish an optimized process for production, and to overcome the limitations of the manufactured powder particles, a pseudo-graphene granular medium manufactured in the form of a porous foam that is easy to separate/recover when applying water treatment and a method for manufacturing the same The purpose is to provide a method for adsorbing and removing organic pollutants in water using the same.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. In addition, the technical problems to be solved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly apparent to those skilled in the art from the description below. It will be understandable.
본 명세서에서는, a) 목질계 바이오매스에 하이브리드 금속염(metal salts) 개질제를 추가하여 바이오매스를 화학적으로 활성화하는 단계; b) 활성화된 바이오매스를 700 내지 900 ℃ 온도 범위에서 열분해시켜 유사 그래핀(graphene-like carbon)을 제조하는 단계; 및 c) 제조된 유사 그래핀을 유기성 바인더 물질과 혼합하여 다공성 폼(foam) 형태의 입상매질체로 제조하는 단계;를 포함하는, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법을 제공한다.In this specification, a) adding a hybrid metal salts modifier to lignocellulosic biomass to chemically activate the biomass; b) producing graphene-like carbon by pyrolyzing the activated biomass in a temperature range of 700 to 900° C.; and c) mixing the produced pseudo-graphene with an organic binder material to produce a granular medium in the form of a porous foam.
상기 a 단계의 목질계 바이오매스는 셀룰로오스(cellulose) 및 리그닌(lignin) 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.The lignocellulosic biomass of step a may include one or more types selected from cellulose and lignin.
상기 a 단계의 하이브리드 금속염 개질제는 염화철(FeCl3) 및 염화아연(ZnCl2)을 포함할 수 있다. The hybrid metal salt modifier of step a may include iron chloride (FeCl 3 ) and zinc chloride (ZnCl 2 ).
상기 a 단계의 화학적 활성화는 목질계 바이오매스와 하이브리드 금속염 개질제를 혼합한 후 16 내지 32 시간 동안 80 내지 100 ℃ 범위에서 수행되는 것일 수 있다. The chemical activation in step a may be performed at a temperature ranging from 80 to 100° C. for 16 to 32 hours after mixing lignocellulosic biomass and a hybrid metal salt modifier.
상기 b 단계의 열분해는 200 mL/min 질소 통기 하, 튜브형 강열 반응기에서 0.5 내지 1.5 시간 동안 탄화시켜 수행되는 것일 수 있다. The thermal decomposition in step b may be performed by carbonizing in a tubular ignition reactor for 0.5 to 1.5 hours under nitrogen ventilation at 200 mL/min.
상기 b 단계의 탄화 후 제조된 유사 그래핀 내부 및 표면의 불순물 제거를 위해 15 내지 20 % 염화수소(HCl)를 사용하여 24시간 이상 세척 후 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다.In order to remove impurities inside and on the surface of the pseudo-graphene produced after carbonization in step b, the step of washing and drying using 15 to 20% hydrogen chloride (HCl) for more than 24 hours may be further included.
상기 c 단계의 유기성 바인더 물질은 2% 알긴산나트륨일 수 있다. The organic binder material in step c may be 2% sodium alginate.
상기 c 단계는 유사 그래핀과 유기성 바인더 물질을 0.5 : 99.5 중량부 내지 4 : 96 중량부 비로 혼합 및 교반하여 수행되는 것일 수 있다. Step c may be performed by mixing and stirring pseudo-graphene and an organic binder material at a ratio of 0.5:99.5 parts by weight to 4:96 parts by weight.
상기 혼합 및 교반 후, 얻어진 혼합물을 -20 ℃에서 동결 후 48 내지 96 시간 동안 동결 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. After the mixing and stirring, the resulting mixture may be frozen at -20°C and then freeze-dried for 48 to 96 hours.
상기 동결 건조된 혼합물을 3% 염화칼슘(CaCl2) 용액에서 가교 반응(cross-linking)시켜, 다공성 폼(foam) 형태로 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. It may further include cross-linking the freeze-dried mixture in a 3% calcium chloride (CaCl 2 ) solution to form a porous foam.
또한, 본 명세서에서는 상기 방법에 따라 제조되는 유사 그래핀 입상매질체로서, 상기 다공성 폼(foam) 유사 그래핀 입상매질체의 BET 비표면적은 700 m2/g 이상인, 유사 그래핀 입상매질체를 제공한다. In addition, in the present specification, a pseudo-graphene granular medium manufactured according to the above method, wherein the porous foam-like graphene granular medium has a BET specific surface area of 700 m 2 /g or more, is provided. to provide.
상기 유사 그래핀 입상매질체는 수중 유기 오염물질 제거 용도를 가지며, 140.36 내지 633.86 mg/g 범위의 로다민 B(Rhodamine B) 수중 염료 흡착 성능을 가질 수 있다. The pseudo-graphene granular medium is used to remove organic contaminants in water, and may have an adsorption performance of Rhodamine B water dye in the range of 140.36 to 633.86 mg/g.
상기 유사 그래핀 입상매질체는 수중 유기 오염물질 제거 용도를 가지며, 106.06 내지 220.67 mg/g 범위의 콩고 레드(Congo Red) 수중 염료 흡착 성능을 가질 수 있다. The pseudo-graphene granular medium is used to remove organic contaminants in water, and may have an adsorption performance of Congo Red water dye in the range of 106.06 to 220.67 mg/g.
상기 유사 그래핀 입상매질체는 수중 유기 오염물질 제거 용도를 가지며, 200 내지 250 mg/g 범위의 수중 톨루엔 흡착 성능을 가질 수 있다. The pseudo-graphene granular medium is used to remove organic contaminants in water, and may have an adsorption performance of toluene in water in the range of 200 to 250 mg/g.
또한, 본 명세서에서는 상기 유사 그래핀 입상매질체를 오염수에 투입하여, 수중 유기 오염물질을 흡착하여 제거하는, 수중 유기 오염물질 흡착 제거방법을 제공한다.In addition, the present specification provides a method for adsorbing and removing organic pollutants in water by adding the pseudo-graphene granular medium into contaminated water to adsorb and remove organic pollutants in water.
상기 유기 오염물질은 색도물질, 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethyl Benzene) 및 자일렌(Xylene) 중 선택되는 1종 이상의 소수성 유기 오염물질일 수 있다. The organic contaminant may be one or more hydrophobic organic contaminants selected from colorants, benzene, toluene, ethyl benzene, and xylene.
본 발명에 따른 유사 그래핀 입상매질체 제조방법은 하이브리드 금속염 개질제를 활용하여, 바이오매스를 활성화시키므로, 유사 그래핀을 경제적으로 대량생산할 수 있다. The method for manufacturing a pseudo-graphene granular medium according to the present invention utilizes a hybrid metal salt modifier to activate biomass, so that pseudo-graphene can be mass-produced economically.
한편, 본 발명에 따르면 흑연 박리를 통해 단층 형태로 제조되는 그래핀의 성상과 매우 유사한 성상을 가진 유사 그래핀(높은 비표면적, 높은 sp2/sp3 탄소비 등) 분말을 친환경적으로 대량 생산가능하다. 또한, 본 발명에 따르면, 종래 열분해 제조방법과 달리, 유사 그래핀 제조 시 시트(sheet) 간 뭉침에 의해 다층이 형성됨으로써 비표면적이 감소하는 문제를 효과적으로 방지하고, 이를 통해 우수한 흡착 성능을 유지 및 확보할 수 있다.Meanwhile, according to the present invention, it is possible to mass-produce pseudo-graphene (high specific surface area, high sp 2 /sp 3 carbon ratio, etc.) powder with properties very similar to those of graphene manufactured in a single layer form through graphite exfoliation in an environmentally friendly manner. do. In addition, according to the present invention, unlike the conventional pyrolysis manufacturing method, the problem of reducing the specific surface area due to the formation of multilayers due to agglomeration between sheets when manufacturing pseudo-graphene is effectively prevented, thereby maintaining excellent adsorption performance and It can be secured.
나아가, 본 발명에 따른 유사 그래핀 입상 매질체는 수중 유기 오염물질 제거에 적용 시 종래 분말 타입과 달리 수처리 후 회수가 용이하고 재사용이 가능한 장점이 존재한다. Furthermore, when applied to remove organic contaminants in water, the pseudo-graphene granular medium according to the present invention has the advantage of being easy to recover and reusable after water treatment, unlike conventional powder types.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 유사 그래핀 입상매질체 제조 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 셀룰로오스, 리그닌 또는 이들 모두를 포함한 목질계 바이오매스의 열분해 시 하이브리드 금속염 개질제의 온도 변화에 따른 기작 및 역할을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 목질계 바이오매스로부터 제조된 유사 그래핀 분말의 FT-IR 분석 결과이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 목질계 바이오매스로부터 제조된 유사 그래핀 분말의 라만(Raman) 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 목질계 바이오매스로부터 제조된 유사 그래핀 분말의 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 6 및 7은 본 발명의 일실시예에 따라 목질계 바이오매스로부터 제조된 유사 그래핀 분말의 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 유사 그래핀 분말과 알지네이트를 이용하여 다공성 폼(foam) 형태의 유사 그래핀 입상매질체를 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다. Figure 1 schematically shows the manufacturing process of a graphene-like granular medium according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a conceptual diagram showing the mechanism and role of the hybrid metal salt modifier according to temperature change during thermal decomposition of lignocellulosic biomass containing cellulose, lignin, or both according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the results of FT-IR analysis of pseudo-graphene powder prepared from lignocellulosic biomass according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the results of Raman analysis of pseudo-graphene powder prepared from lignocellulosic biomass according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the results of XRD analysis of pseudo-graphene powder prepared from lignocellulosic biomass according to an embodiment of the present invention.
Figures 6 and 7 show the results of XPS analysis of pseudo-graphene powder prepared from lignocellulosic biomass according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 schematically shows the process of manufacturing a pseudo-graphene granular medium in the form of a porous foam using pseudo-graphene powder and alginate according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, in explaining this description, descriptions of already known functions or configurations will be omitted to make the gist of this description clear.
한편, 본 발명의 명세서, 도면 및 청구범위 전반에서 사용되는 용어인 '유사 그래핀'은 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌 등 바이오매스를 단독 혹은 혼합된 상태로 열분해하여 얻은 물질로서, 높은 비표면적, 단층 구조, 높은 sp2/sp3 탄소비 등 특성을 가져 흑연을 박리하여 얻는 그래핀의 성상과 매우 유사한 물리화학적 특성을 가지는 물질을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. Meanwhile, 'pseudo-graphene', a term used throughout the specification, drawings, and claims of the present invention, is a material obtained by thermally decomposing biomass such as cellulose, hemicellulose, and lignin, either alone or in a mixed state, and has a high specific surface area and single-layer structure. , high sp 2 /sp 3 carbon ratio, etc., should be understood to mean a material with physicochemical properties very similar to those of graphene obtained by exfoliating graphite.
상술한 바와 같이, 기존 흑연으로부터 그래핀 산화물을 제조하고, 환원제를 사용하여 환원 그래핀 산화물을 제조하는 일련의 공정의 경우 다량의 산성물질과 산화제가 요구되어 제조과정에 위험이 따르고, 경제성이 떨어지며, 친환경적이지 못한 문제가 있었다. 또한, 제조된 분말을 수처리 과정에 그대로 적용 시 분말 입자의 한계성으로 인해 분리/회수가 용이하지 않은 문제가 있었다. As described above, in the case of a series of processes for producing graphene oxide from existing graphite and producing reduced graphene oxide using a reducing agent, a large amount of acidic substances and oxidizing agents are required, which poses risks in the manufacturing process and reduces economic feasibility. , there was a problem that it was not eco-friendly. In addition, when the manufactured powder was directly applied to the water treatment process, there was a problem in that separation/recovery was not easy due to the limitations of the powder particles.
이에, 본 발명자들은 셀룰로오스, 리그닌 단독 또는 이들 모두를 포함한 목질계 바이오매스를 탄소원으로 사용하고, 염화철(FeCl3) 및 염화아연(ZnCl2)을 포함하는 하이브리드 금속염 개질제를 활용하여 바이오매스를 화학적 활성화시킨 후 강열 반응기 내에서 열분해함으로써, 종래 기술에 따라 제조된 환원 그래핀 산화물 대비 경제적이며 신속한 형태로, 큰 비표면적과 뭉침 현상이 적으며 높은 sp2/sp3 탄소비를 가지는 분말 타입의 유사 그래핀(graphene-like carbon, 이하 'GLC'라 함)을 제조할 수 있으며, 더 나아가 이를 유기 바인더와 혼합하여 다공성 폼(foam) 형태로 제조하는 경우, 수처리에 적용 시 분리/회수에 유리하다는 점을 실험을 통하여 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the present inventors used lignocellulosic biomass containing cellulose, lignin alone or both as a carbon source, and used a hybrid metal salt modifier containing iron chloride (FeCl 3 ) and zinc chloride (ZnCl 2 ) to chemically activate the biomass. By thermal decomposition in an ignition reactor, a powder-type pseudo-graph with a large specific surface area, less agglomeration, and a high sp 2 /sp 3 carbon ratio is produced in an economical and rapid form compared to the reduced graphene oxide produced according to the prior art. Fins (graphene-like carbon, hereinafter referred to as 'GLC') can be manufactured, and furthermore, when mixed with an organic binder and manufactured into a porous foam form, it is advantageous for separation/recovery when applied to water treatment. was confirmed through experiment, and the present invention was completed.
유사 그래핀 입상매질체 및 그 제조방법Quasi-graphene granular medium and manufacturing method thereof
구체적으로 본 발명의 일실시예에 따른 유사 그래핀 입상매질체 제조방법은, a) 목질계 바이오매스에 하이브리드 금속염(metal salts) 개질제를 추가하여 바이오매스를 화학적으로 활성화하는 단계; b) 활성화된 바이오매스를 700 내지 900 ℃ 온도 범위에서 열분해시켜 유사 그래핀을 제조하는 단계; 및 c) 제조된 유사 그래핀을 유기성 바인더 물질과 혼합하여 다공성 폼(foam) 형태의 입상매질체로 제조하는 단계;를 포함할 수 있다(도 1 내지 2 참조). Specifically, the method for producing a graphene-like granular medium according to an embodiment of the present invention includes the steps of: a) adding a hybrid metal salt modifier to lignocellulosic biomass to chemically activate the biomass; b) producing pseudo-graphene by pyrolyzing the activated biomass at a temperature range of 700 to 900 °C; and c) mixing the produced pseudo-graphene with an organic binder material to prepare a granular medium in the form of a porous foam (see FIGS. 1 and 2).
먼저, 목질계 바이오매스에 하이브리드 금속염(metal salts) 개질제를 추가하여 바이오매스를 화학적으로 활성화한다(단계 a). 다음으로, 활성화된 바이오매스를 700 내지 900 ℃ 온도 범위에서 열분해시켜 유사 그래핀을 제조한다(단계 b).First, the biomass is chemically activated by adding a hybrid metal salts modifier to the lignocellulosic biomass (step a). Next, pseudo-graphene is prepared by pyrolyzing the activated biomass at a temperature range of 700 to 900° C. (step b).
본 발명에서 목질계 바이오매스는 유사 그래핀을 제조하기 위한 탄소원으로서 사용되며, 열분해 및 탈수소화 반응 등을 통해 원소 탄소로 변환이 가능한 물질일 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 목질계 바이오매스는 셀룰로오스(cellulose) 및 리그닌(lignin) 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있고, 상세하게는 셀룰로오스 및 리그닌을 모두 포함하는 것일 수 있다.In the present invention, lignocellulosic biomass is used as a carbon source for producing pseudo-graphene, and may be a material that can be converted to elemental carbon through thermal decomposition and dehydrogenation reactions. Specifically, the lignocellulosic biomass according to an embodiment of the present invention may contain one or more types selected from cellulose and lignin, and in particular may contain both cellulose and lignin. there is.
한편, 본 발명에서 하이브리드 금속염(metal salts) 개질제는 높은 품질의 유사 그래핀을 생성시키기 위한 촉매(catalyst) 내지 형판(template) 역할을 수행하는 것으로서, 염화철(FeCl3) 및 염화아연(ZnCl2)을 동시에 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 하이브리드 금속염 개질제는 염화철(FeCl3) 및 염화아연(ZnCl2)이 1 : 9 내지 9 : 1 중량부 비로 혼합된 하이브리드(hybrid) 금속염일 수 있다. 일례로, 염화철(FeCl3) 및 염화아연(ZnCl2)이 2 : 1 중량부 비로 혼합된 하이브리드 금속염 개질제를 사용하는 경우, 활성화 단계(단계 a) 및 후술하는 열분해 단계(단계 b)에서 철(Fe) 금속의 형판(template) 역할 및 아연(Zn) 금속의 휘발 등이 최적화되어, 유사 그래핀을 보다 원활하게 제조할 수 있게 된다.Meanwhile, in the present invention, the hybrid metal salts modifier serves as a catalyst or template for producing high quality pseudo-graphene, and includes iron chloride (FeCl 3 ) and zinc chloride (ZnCl 2 ). It may include simultaneously. Specifically, the hybrid metal salt modifier may be a hybrid metal salt in which iron chloride (FeCl 3 ) and zinc chloride (ZnCl 2 ) are mixed in a weight ratio of 1:9 to 9:1. For example, when using a hybrid metal salt modifier in which iron chloride (FeCl 3 ) and zinc chloride (ZnCl 2 ) are mixed at a weight ratio of 2:1, iron ( The role of the Fe) metal as a template and the volatilization of the Zn (Zn) metal are optimized, making it possible to manufacture pseudo-graphene more smoothly.
한편, 상기 활성화 단계는 목질계 바이오매스와 하이브리드 금속염 개질제를 혼합한 후 16 내지 32 시간 동안 80 내지 100 ℃ 범위에서 수행될 수 있다. Meanwhile, the activation step may be performed at a temperature ranging from 80 to 100° C. for 16 to 32 hours after mixing the lignocellulosic biomass and the hybrid metal salt modifier.
한편, 상기 단계에서 목질계 바이오매스 100 중량부 기준 추가되는 하이브리드 금속염 개질제는 50 내지 500 중량부일 수 있으며, 상세하게는, 목질계 바이오매스 100 중량부에 금속염 개질제 300 중량부가 혼합되는 것일 수 있다.Meanwhile, in the above step, the hybrid metal salt modifier added based on 100 parts by weight of lignocellulosic biomass may be 50 to 500 parts by weight. Specifically, 300 parts by weight of the metal salt modifier may be mixed with 100 parts by weight of lignocellulosic biomass.
한편 활성화된 바이오매스를 700 내지 900 ℃ 온도 범위에서 열분해시키면 유사 그래핀(graphene-like carbon)이 제조된다. Meanwhile, graphene-like carbon is produced when activated biomass is pyrolyzed in a temperature range of 700 to 900 °C.
구체적인 일례로, 상기 a 및 b 단계에서, 하이브리드 금속염 개질제의 역할을 설명하면, 먼저 상기 활성화 단계(단계 a) 간 목질계 바이오매스, 예를 들어 셀룰로오스에 의해 염화철(FeCl-3)이 무정형의 FeOOH로 변환된 다음 셀룰로오스의 탄소에 의해 4산화3철(Fe3O4)로 환원된다. 다음으로 열분해 공정(b 단계)에서는, 700℃ 이상의 온도에 의해 4산화3철(Fe3O4)이 셀룰로오스로부터 분해된 탄소 원자를 만나 Fe로 환원이 이루어지게 된다. As a specific example, in steps a and b, explaining the role of the hybrid metal salt modifier, first, in the activation step (step a), iron chloride (FeCl -3 ) is converted into amorphous FeOOH by lignocellulosic biomass, for example, cellulose. It is converted to and then reduced to ferric tetroxide (Fe 3 O 4 ) by the carbon of cellulose. Next, in the thermal decomposition process (step b), ferric tetroxide (Fe 3 O 4 ) meets carbon atoms decomposed from cellulose at a temperature of 700°C or higher and is reduced to Fe.
한편, 상기 활성화 단계(단계 a) 간 염화아연(ZnCl-2)은 바이오매스 내의 수분 및 산소 함유 물질과 반응하여 산화아연(ZnO)으로 전환되며, 500 내지 700℃에서 산화아연(ZnO)은 바이오매스의 탄소와의 환원 반응에 의해 Zn 금속으로 전환되고, 이후 열분해 공정(b 단계)에서는, 700℃ 이상의 온도에 의해, Zn 금속이 휘발되어 매질에서 제거된다. Meanwhile, during the activation step (step a), zinc chloride (ZnCl- 2 ) reacts with moisture and oxygen-containing substances in the biomass and is converted to zinc oxide (ZnO), and at 500 to 700°C, zinc oxide (ZnO) is converted into biomass. It is converted into Zn metal through a reduction reaction with carbon in the mass, and in the subsequent thermal decomposition process (step b), Zn metal is volatilized and removed from the medium at a temperature of 700°C or higher.
한편, 상기와 같은 일련의 과정을 거친 후 바이오매스 외부로 유출된 탄소 원자들은 Fe 형판 표면에서 뭉쳐지게 되어 2차원(Two dimension)의 탄소층을 형성하게 된다. 이후 염화수소(HCl)를 사용하여 Fe 형판을 세척 및 제거하면 유사 그래핀 시트가 제조된다. Meanwhile, after going through the above series of processes, the carbon atoms leaked out of the biomass are aggregated on the surface of the Fe template to form a two-dimensional carbon layer. Afterwards, the Fe template is washed and removed using hydrogen chloride (HCl) to produce a pseudo-graphene sheet.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 열분해 단계는 200 mL/min 질소 통기 하, 튜브형 강열 반응기에서 0.5 내지 1.5 시간 동안 탄화시켜 수행될 수 있으며, 상세하게는 200 mL/min 질소 통기 하, 튜브형 강열 반응기에서 1 시간 동안 탄화시켜 수행될 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the pyrolysis step may be performed by carbonizing in a tubular ignition reactor for 0.5 to 1.5 hours under 200 mL/min nitrogen aeration, and specifically, in a tubular ignition reactor under 200 mL/min nitrogen aeration. This can be accomplished by carbonizing in a reactor for 1 hour.
다음으로, 상기 탄화 후 제조된 유사 그래핀 내부 및 표면의 불순물 제거를 위해 15 내지 20 % 염화수소(HCl) 및 증류수를 사용하여 24시간 이상 세척 후 건조하는 과정을 추가로 거칠 수 있으며, 이를 통해 철, 아연 및 기타 불순물을 유사 그래핀으로부터 제거할 수 있다. 상세하게는 16 내지 18 % 염화수소(HCl)로 24시간 이상 세척한 후 증류수로 3회 추가로 세척할 수 있다. Next, to remove impurities inside and on the surface of the pseudo-graphene produced after the carbonization, an additional process of washing and drying for more than 24 hours using 15 to 20% hydrogen chloride (HCl) and distilled water may be performed, through which iron , zinc and other impurities can be removed from pseudo-graphene. In detail, it can be washed with 16 to 18% hydrogen chloride (HCl) for more than 24 hours and then washed with distilled water three additional times.
다음으로, 제조된 유사 그래핀을 유기성 바인더 물질과 혼합하여 다공성 폼(foam) 형태의 입상매질체로 제조한다(단계 c).Next, the prepared pseudo-graphene is mixed with an organic binder material to prepare a granular medium in the form of a porous foam (step c).
상기 방법에 의해 제조된 유사 그래핀은 분말(powder) 형태를 가지므로, 그대로 수중 유기 오염물질 제거에 적용 시 유실 우려가 있고, 이를 해결하기 위해 본 단계에서 다공성 폼 형태로 제조하는 과정을 거치게 된다. Since the pseudo-graphene produced by the above method is in the form of powder, there is a risk of loss when applied as is to remove organic contaminants in water. To solve this problem, it is manufactured in the form of a porous foam at this stage. .
상기 단계에서 사용되는 유기성 바인더 물질은 일례로, 2% 알긴산나트륨일 수 있다. 구체적으로 상기 단계는 유사 그래핀과 유기성 바인더 물질을 0.5 : 99.5 중량부 내지 2 : 98 중량부 비로 혼합 및 교반하여 수행될 수 있으며, 상기와 같이 혼합 및 교반을 수행한 후 얻어진 혼합물은 적절한 몰드(mold) 내에 넣고 -20 ℃에서 동결 후 48 내지 96 시간 동안 동결 건조할 수 있다. 한편, 동결 건조 과정은 72시간 동안 수행되는 것일 수 있다.The organic binder material used in this step may be, for example, 2% sodium alginate. Specifically, the above step can be performed by mixing and stirring pseudo-graphene and an organic binder material at a ratio of 0.5:99.5 parts by weight to 2:98 parts by weight, and the mixture obtained after performing mixing and stirring as described above is placed in an appropriate mold ( It can be placed in a mold, frozen at -20°C, and then freeze-dried for 48 to 96 hours. Meanwhile, the freeze-drying process may be performed for 72 hours.
또한 상기 동결 건조된 혼합물은 3% 염화칼슘(CaCl2) 용액에서 가교 반응(cross-linking)시켜, 다공성 폼(foam) 형태로 제조할 수 있다. 상술한 과정을 거쳐 제조된 다공성 폼 형태의 유사 그래핀 입상매질체는 수처리 적용 시 분말 상태로 사용하는 경우 발생하는 유실 문제를 효과적으로 해결하는 한편, 수처리 후 회수가 용이하여 재사용이 가능한 장점이 있다. Additionally, the freeze-dried mixture can be manufactured into a porous foam form by cross-linking in a 3% calcium chloride (CaCl 2 ) solution. The porous foam-like graphene granular medium manufactured through the above-described process effectively solves the loss problem that occurs when used in powder form during water treatment applications, and has the advantage of being reusable as it is easy to recover after water treatment.
이상의 방법을 통해 제조된 유사 그래핀 입상매질체는, 다공성 폼(foam) 형태를 가지는 것일 수 있으며, Brunauer-Emmett-Teller(BET) 비표면적이 700 m2/g 이상일 수 있다. 또한, 상기 유사 그래핀 입상매질체는 수중 유기 오염물질 제거 용도를 가지며, 140.36 내지 633.86 mg/g 범위의 로다민 B(Rhodamine B) 수중 염료 흡착 성능을 가지거나, 106.06 내지 220.67 mg/g 범위의 콩고 레드(Congo Red) 수중 염료 흡착 성능을 가지거나 또는 200 내지 250 mg/g 범위의 수중 톨루엔 흡착 성능, 상세하게는 247.00 mg/g의 수중 톨루엔 흡착 성능을 가지는 것일 수 있다. The pseudo-graphene granular medium manufactured through the above method may have a porous foam form and may have a Brunauer-Emmett-Teller (BET) specific surface area of 700 m 2 /g or more. In addition, the pseudo-graphene granular medium is used to remove organic contaminants in water, and has an underwater dye adsorption performance of Rhodamine B in the range of 140.36 to 633.86 mg/g, or in the range of 106.06 to 220.67 mg/g. Congo Red may have underwater dye adsorption performance or may have water toluene adsorption performance in the range of 200 to 250 mg/g, specifically, water toluene adsorption performance of 247.00 mg/g.
이외에도, 상기 유사 그래핀 입상매질체는 다환족 방향물질은 물론, 색도물질, 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethyl Benzene) 및 자일렌(Xylene) 중 선택되는 1종 이상의 소수성 유기 오염물질 등에 대한 우수한 수중 흡착 성능을 발현한다. In addition, the pseudo-graphene granular medium is a polycyclic aromatic material, as well as a coloring material, one or more hydrophobic organic substances selected from benzene, toluene, ethyl benzene, and xylene. It exhibits excellent underwater adsorption performance for contaminants, etc.
수중 유기오염폐수 흡착 제거방법Adsorption and removal method of underwater organic polluted wastewater
본 발명의 일실시예에 따른 수중 유기 오염물질 흡착 제거방법은, 상기 유사 그래핀 입상매질체를 오염수에 투입하여, 수중 유기 오염물질을 흡착하여 제거함으로써 수행될 수 있고, 상기 유기 오염물질은 색도물질, 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethyl Benzene) 및 자일렌(Xylene) 중 선택되는 1종 이상의 소수성 유기 오염물질일 수 있다. The method for adsorption and removal of organic contaminants in water according to an embodiment of the present invention can be performed by adding the pseudo-graphene granular medium into contaminated water, adsorbing and removing organic contaminants in water, and the organic contaminants are It may be one or more hydrophobic organic pollutants selected from colorants, benzene, toluene, ethyl benzene, and xylene.
실시예Example
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 구현예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the present invention can be subject to various changes and can take various forms, specific embodiments will be illustrated and described in detail below. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
실시예 1-1 내지 1-3: 유사 그래핀 제조Examples 1-1 to 1-3: Preparation of pseudo-graphene
셀룰로오스 10.0g을 준비하고, 여기에 염화철(FeCl3) 20.0g 및 염화아연(ZnCl2) 10.0g을 혼합하여 제조한 30.0g의 하이브리드 금속염 개질제를 혼합한 다음, 24시간 동안 80 내지 100 ℃ 온도에서 활성화시켰다. 다음으로, 활성화된 셀룰로오스를 튜브형 강열 반응기에 넣고, 200 mL/min 질소 통기 하에서 700 내지 900 ℃ 온도 범위가 유지되는 조건에서 5℃/min 속도로 온도를 올려준 뒤 1시간 동안 탄화시켜 유사 그래핀(GLC)을 제조하였으며, 상기 과정 중 발생한 가스는 냉각기로 포집하였다. 다음으로, 유사 그래핀 내부 및 표면에 잔존하는 철, 아연 및 기타 불순물 제거를 위해 16 내지 18% HCl을 사용하여 24시간 세척하고, 증류수로 3회 다시 세척한 후, 드라이오븐에서 건조시켰다(실시예 1-1).Prepare 10.0 g of cellulose, and add iron chloride (FeCl 3 ) to it. 30.0 g of hybrid metal salt modifier prepared by mixing 20.0 g and 10.0 g of zinc chloride (ZnCl 2 ) was mixed and then activated at a temperature of 80 to 100° C. for 24 hours. Next, the activated cellulose was placed in a tubular ignition reactor, the temperature was raised at a rate of 5°C/min under conditions where the temperature range was maintained at 700 to 900°C under 200 mL/min nitrogen ventilation, and carbonized for 1 hour to produce pseudo-graphene. (GLC) was manufactured, and the gas generated during the process was collected with a cooler. Next, to remove iron, zinc and other impurities remaining inside and on the surface of the pseudo-graphene, it was washed with 16 to 18% HCl for 24 hours, washed again with distilled water three times, and dried in a dry oven (performed) Example 1-1).
한편, 셀룰로오스 대신 리그닌을 사용하여 동일한 방법으로 유사 그래핀을 제조하였으며(실시예 1-2), 또한 셀룰로오스와 리그닌이 모두 포함된 폐목재를 사용하여 위와 동일한 방법으로 유사 그래핀을 제조하였다(실시예 1-3). Meanwhile, pseudo-graphene was manufactured in the same manner using lignin instead of cellulose (Example 1-2), and pseudo-graphene was also manufactured in the same manner as above using waste wood containing both cellulose and lignin (Example 1-2). Example 1-3).
비교예 1: 분말 형태의 활성화 탄소Comparative Example 1: Activated carbon in powder form
분말(powder) 형태의 활성화 탄소(삼천리 카보텍 社, 200mesh 통과분)를 준비하였다. Activated carbon in powder form (Samchully Carbotech Co., Ltd., passing through 200 mesh) was prepared.
비교예 2: 그래뉼 형태의 활성화 탄소Comparative Example 2: Activated carbon in granule form
그래뉼(granule) 형태의 활성화 탄소(한일 활성탄 社, 4*8mesh 통과분)를 준비하였다.Activated carbon in granule form (Hanil Activated Carbon Co., Ltd., 4*8 mesh pass) was prepared.
[실험 1: 물리화학적 특성 분석][Experiment 1: Analysis of physical and chemical properties]
FT-IR 분석FT-IR analysis
실시예 1-1에 따라 제조된 유사 그래핀(GLC) 분말의 표면 관능기를 분석하기 위해 FT-IR 분석을 수행하였고, 그 결과를 도 3에서 나타내었다. 도 3을 참조하면, 실시예 1-1에 따라 제조된 유사 그래핀(GLC) 분말의 경우, 1600 cm-1 부근에서 C=C bending 외의 산소-함유 관능기들이 거의 없는 것을 확인할 수 있었다.FT-IR analysis was performed to analyze the surface functional groups of the pseudo-graphene (GLC) powder prepared according to Example 1-1, and the results are shown in FIG. 3. Referring to Figure 3, in the case of pseudo-graphene (GLC) powder prepared according to Example 1-1, it was confirmed that there were almost no oxygen-containing functional groups other than C=C bending around 1600 cm -1 .
RAMAN 분석RAMAN analysis
실시예 1-1에 따라 제조된 유사 그래핀(GLC) 분말 표면의 sp2 및 sp3 혼성 탄소 측정을 위해 RAMAN 분석을 실시하였고, 그 결과를 도 4에서 나타내었다. 도 4를 참조하면, sp3 및 sp2 혼성 탄소의 피크세기인 ID 와 IG의 비(ID/IG) 값은 0.64로 얻어졌고, 이는 산화 그래핀(GO)을 환원시켜 얻은 환원 그래핀(rGO)의 ID/IG(>1) 값과 비교 시 sp2 혼성을 갖는 탄소의 비율이 더 많은 것을 확인할 수 있었다. RAMAN analysis was performed to measure sp 2 and sp 3 hybrid carbon on the surface of the graphene-like (GLC) powder prepared according to Example 1-1, and the results are shown in FIG. 4. Referring to Figure 4, the ratio (I D /I G ) of I D and I G , which is the peak intensity of sp 3 and sp 2 hybrid carbon, was obtained as 0.64, which was obtained by reducing graphene oxide (GO). When compared to the I D /I G (>1) value of graphene (rGO), it was confirmed that the proportion of carbon with sp 2 hybridization was higher.
XRD 분석XRD analysis
실시예 1-1에 따라 제조된 유사 그래핀(GLC) 분말의 결정성 확인을 위해 XRD 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 5에서 나타내었다. 구체적으로, 실시예 1-1에 따라 얻은 유사 그래핀(GLC)의 경우, 실시예 1에 따라 제조된 유사 그래핀(GLC) 분말의 결정성 확인을 위해 XRD 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 5에서 나타내었다. 구체적으로, 실시예 1-1에 따라 얻은 유사 그래핀(GLC)의 경우, 2θ= 26.5 o에서 강한 피크를 보였다. 이는 graphite carbon의 (002) plane에서 나타나는 전형적인 2θ = 26 o에 부합되는 것으로서 sp2 혼성을 갖는 탄소가 생성되었음을 뒷받침한다.XRD analysis was performed to confirm the crystallinity of the graphene-like (GLC) powder prepared according to Example 1-1, and the results are shown in FIG. 5. Specifically, in the case of pseudo-graphene (GLC) obtained according to Example 1-1, XRD analysis was performed to confirm the crystallinity of the pseudo-graphene (GLC) powder prepared according to Example 1, and the results are shown in It is shown in 5. Specifically, in the case of pseudo-graphene (GLC) obtained according to Example 1-1, a strong peak was shown at 2θ = 26.5 o . This corresponds to the typical 2θ = 26 o found in the (002) plane of graphite carbon, supporting the creation of carbon with sp 2 hybridization.
XPS 분석XPS analysis
실시예 1-1에 따라 제조된 유사 그래핀(GLC) 분말의 결정성 확인을 위해 XPS 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 6 및 도 7에서 나타내었다. 도 6과 같이 하이브리드 금속염 개질제 존재하에서 열분해시켜 얻은 GLC의 경우, 탄소(C)/산소(O) 원자 비율이 18.68로 일반적인 환원 그래프(rGO)의 C/O 원자 비율보다 큰 값을 가진다. 한편 도 7과 같이 하이브리드 금속염 개질제 존재하에서 열분해시켜 얻은 GLC의 경우, sp2 혼성을 갖는 C=C 탄소는 284.6eV, sp3 혼성을 갖는 C-C 탄소는 285.4eV 그리고 C-O 탄소는 286.2eV에서 피크를 보였다. 피크 세기를 비교하였을 때 제조한 GLC는 sp2 혼성을 갖는 C=C 탄소가 상대적으로 매우 많음을 알 수 있다.XPS analysis was performed to confirm the crystallinity of the graphene-like (GLC) powder prepared according to Example 1-1, and the results are shown in Figures 6 and 7. As shown in Figure 6, in the case of GLC obtained by thermal decomposition in the presence of a hybrid metal salt modifier, the carbon (C) / oxygen (O) atomic ratio is 18.68, which is larger than the C / O atomic ratio of the general reduced graph (rGO). Meanwhile, in the case of GLC obtained by thermal decomposition in the presence of a hybrid metal salt modifier as shown in Figure 7, the C=C carbon with sp 2 hybridization showed a peak at 284.6 eV, the CC carbon with sp 3 hybridization showed a peak at 285.4 eV, and the CO carbon peaked at 286.2 eV. . When comparing the peak intensities, it can be seen that the prepared GLC has a relatively large amount of C=C carbons with sp 2 hybridization.
실시예 2: 유사 그래핀을 이용한 다공성 폼 제조Example 2: Preparation of porous foam using pseudo-graphene
실시예 1-1에 따라 제조된 유사 그래핀(GLC)를 준비한 다음, 2%의 알지네이트 (sodium alginate) 용액에 0.5 - 2% 비율로 GLC를 혼합하여 가로와 세로의 길이가 각각 1cm인 몰드에 넣고 -20℃ 이하에서 동결시켰다. 72시간 동안 동결건조된 시료를 3% 염화칼슘(CaCl2) 용액에 담가 가교(cross-linking) 반응을 유도하고 폼(foam) 형태의 흡착제를 완성하였다. After preparing pseudo-graphene (GLC) prepared according to Example 1-1, GLC was mixed in a 2% sodium alginate solution at a ratio of 0.5 - 2% and placed in a mold with a width and length of 1 cm each. Added and frozen below -20℃. The freeze-dried sample was immersed in 3% calcium chloride (CaCl 2 ) solution for 72 hours to induce a cross-linking reaction, and a foam-type adsorbent was completed.
하이브리드 금속염 개질제에 의해 제조된 GLC(실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3)와 상기 방법으로 제조된 foam 형태의 흡착제의 비표면적 값을 측정하기 위하여 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 측정을 실시하였으며 그 결과를 표 1에 나타내었다.Brunauer-Emmett-Teller to measure the specific surface area of GLC (Example 1-1, Example 1-2, Example 1-3) prepared by hybrid metal salt modifier and foam-type adsorbent prepared by the above method. (BET) measurements were conducted and the results are shown in Table 1.
한편, 상기 제조된 실시예들의 수중 색도물질에 대한 흡착 성능을 확인하기 위하여, Rhodamine B, Congo Red를 이용한 수중 염료 흡착 테스트를 수행하고 최대 흡착량 값을 구한 결과를 아래 표 2에서 나타내었다. Meanwhile, in order to confirm the adsorption performance of the above-prepared examples for the underwater coloring materials, an underwater dye adsorption test was performed using Rhodamine B and Congo Red, and the results of calculating the maximum adsorption amount are shown in Table 2 below.
한편, 실시예에 따라 제조된 분말(powder) 내지 폼(foam) 형태 흡착제의 톨루엔에 대한 제거 성능을 확인하기 위해 인공 오염수를 이용한 회분식 흡착 실험을 실시하였으며 최대 흡착량 값을 구한 결과는 아래 표 3과 같다.Meanwhile, to confirm the toluene removal performance of the powder or foam type adsorbent prepared according to the example, a batch adsorption experiment was conducted using artificially contaminated water, and the results of calculating the maximum adsorption amount are shown in the table below. Same as 3.
(Powder activated carbon (PAC))Comparative Example 1
(Powder activated carbon (PAC))
(GLC-alginate-foam)Example 2
(GLC-alginate-foam)
표 2 내지 3의 결과를 참조하면, 실시예들에 따른 유사 그래핀은 분말 카본 대비 색도물질에 대한 우수한 흡착 성능을 발현하는 것을 확인할 수 있었으며, 유사 그래핀 분말(실시예 1-1) 및 폼 형태(실시예 2)의 수중 톨루엔에 대한 흡착 성능 역시 각각 1641.99 mg/g, 247.00 mg/g으로 동일한 형태 시 비교예 1 내지 2 대비 우수한 톨루엔 흡착 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에, 본 발명에 따른 유사 그래핀의 경우 소수성을 가지는 유기 오염물질 제거용 흡착 소재로써 적용 가능성이 높은 것으로 확인되었다.Referring to the results in Tables 2 and 3, it was confirmed that the pseudo-graphene according to the examples exhibited excellent adsorption performance for chromatic materials compared to powder carbon, and that the pseudo-graphene powder (Example 1-1) and foam It was confirmed that the adsorption performance for toluene in water of the form (Example 2) was 1641.99 mg/g and 247.00 mg/g, respectively, showing excellent toluene adsorption performance compared to Comparative Examples 1 and 2 in the same form. Accordingly, it was confirmed that pseudo-graphene according to the present invention has high applicability as an adsorption material for removing hydrophobic organic contaminants.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 구현예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 아니되며, 변형된 구현예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.Although specific embodiments of the present invention have been described and shown above, it is known in the art that the present invention is not limited to the described embodiments, and that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. This is self-evident to those who have it. Accordingly, such modifications or variations should not be understood individually from the technical idea or viewpoint of the present invention, and the modified embodiments should be regarded as falling within the scope of the claims of the present invention.
Claims (16)
b) 활성화된 바이오매스를 700 내지 900 ℃ 온도 범위에서 열분해시켜 유사 그래핀(graphene-like carbon)을 제조하는 단계; 및
c) 제조된 유사 그래핀을 유기성 바인더 물질과 혼합하여 다공성 폼(foam) 형태의 입상매질체로 제조하는 단계;를 포함하는, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
a) chemically activating the biomass by adding a hybrid metal salts modifier to the lignocellulosic biomass;
b) producing graphene-like carbon by pyrolyzing the activated biomass in a temperature range of 700 to 900° C.; and
c) mixing the prepared graphene with an organic binder material to produce a granular medium in the form of a porous foam.
상기 a 단계의 목질계 바이오매스는 셀룰로오스(cellulose) 및 리그닌(lignin) 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
According to claim 1,
A method for producing a pseudo-graphene granular medium, wherein the lignocellulosic biomass in step a includes at least one selected from cellulose and lignin.
상기 a 단계의 하이브리드 금속염 개질제는 염화철(FeCl3) 및 염화아연(ZnCl2)을 포함하는, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
According to claim 1,
The hybrid metal salt modifier of step a includes iron chloride (FeCl 3 ) and zinc chloride (ZnCl 2 ). A method for producing a pseudo-graphene granular medium.
상기 a 단계의 화학적 활성화는 목질계 바이오매스와 하이브리드 금속염 개질제를 혼합한 후 16 내지 32 시간 동안 80 내지 100 ℃ 범위에서 수행되는, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
According to claim 1,
The chemical activation in step a is performed at a temperature ranging from 80 to 100° C. for 16 to 32 hours after mixing lignocellulosic biomass and a hybrid metal salt modifier.
상기 b 단계의 열분해는 200 mL/min 질소 통기 하, 튜브형 강열 반응기에서 0.5 내지 1.5 시간 동안 탄화시켜 수행되는, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
According to claim 1,
The thermal decomposition in step b is carried out by carbonizing in a tubular ignition reactor for 0.5 to 1.5 hours under 200 mL/min nitrogen ventilation.
상기 b 단계의 탄화 후 제조된 유사 그래핀 내부 및 표면의 불순물 제거를 위해 15 내지 20 % 염화수소(HCl)를 사용하여 24시간 이상 세척 후 건조하는 단계를 더 포함하는, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
According to claim 5,
Preparation of a pseudo-graphene granular medium further comprising the step of washing and drying for more than 24 hours using 15 to 20% hydrogen chloride (HCl) to remove impurities inside and on the surface of the pseudo-graphene produced after carbonization in step b. method.
상기 c 단계의 유기성 바인더 물질은 2% 알긴산나트륨인, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
According to claim 1,
A method of producing a pseudo-graphene granular medium, wherein the organic binder material in step c is 2% sodium alginate.
상기 c 단계는 유사 그래핀과 유기성 바인더 물질을 0.5 : 99.5 중량부 내지 4 : 96 중량부 비로 혼합 및 교반하여 수행되는, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
According to claim 1,
Step c is a method of producing a pseudo-graphene granular medium, which is performed by mixing and stirring pseudo-graphene and an organic binder material at a ratio of 0.5:99.5 parts by weight to 4:96 parts by weight.
상기 혼합 및 교반 후, 얻어진 혼합물을 -20 ℃에서 동결 후 48 내지 96 시간 동안 동결 건조하는 단계를 더 포함하는, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
According to claim 8,
After the mixing and stirring, the method for producing a pseudo-graphene granular medium further includes the step of freezing the obtained mixture at -20° C. and then freeze-drying for 48 to 96 hours.
상기 동결 건조된 혼합물을 3% 염화칼슘(CaCl2) 용액에서 가교 반응(cross-linking)시켜, 다공성 폼(foam) 형태로 제조하는 단계를 더 포함하는, 유사 그래핀 입상매질체 제조방법.
According to clause 9,
A method for producing a pseudo-graphene granular medium, further comprising the step of cross-linking the freeze-dried mixture in a 3% calcium chloride (CaCl 2 ) solution to form a porous foam.
상기 다공성 폼(foam) 유사 그래핀 입상매질체의 BET 비표면적은 700 m2/g 이상인, 유사 그래핀 입상매질체.
A pseudo-graphene granular medium manufactured according to the method of claim 1,
A BET specific surface area of the porous foam-like graphene granular medium is 700 m 2 /g or more.
상기 유사 그래핀 입상매질체는 수중 유기 오염물질 제거 용도를 가지며,
140.36 내지 633.86 mg/g 범위의 로다민 B(Rhodamine B) 수중 염료 흡착 성능을 가지는, 유사 그래핀 입상매질체.
According to claim 11,
The pseudo-graphene granular medium is used to remove organic contaminants in water,
A pseudo-graphene granular medium with an underwater dye adsorption performance of Rhodamine B in the range of 140.36 to 633.86 mg/g.
상기 유사 그래핀 입상매질체는 수중 유기 오염물질 제거 용도를 가지며,
106.06 내지 220.67 mg/g 범위의 콩고 레드(Congo Red) 수중 염료 흡착 성능을 가지는, 유사 그래핀 입상매질체.
According to claim 11,
The pseudo-graphene granular medium is used to remove organic contaminants in water,
A pseudo-graphene granular medium having Congo Red underwater dye adsorption performance in the range of 106.06 to 220.67 mg/g.
상기 유사 그래핀 입상매질체는 수중 유기 오염물질 제거 용도를 가지며,
200 내지 250 mg/g 범위의 수중 톨루엔 흡착 성능을 가지는, 유사 그래핀 입상매질체.
According to claim 11,
The pseudo-graphene granular medium is used to remove organic contaminants in water,
A pseudo-graphene granular medium having toluene adsorption performance in water in the range of 200 to 250 mg/g.
A method for adsorption and removal of organic pollutants in water, wherein the pseudo-graphene granular medium of claim 11 is added to contaminated water to adsorb and remove organic pollutants in water.
상기 유기 오염물질은 색도물질, 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 에틸벤젠(Ethyl Benzene) 및 자일렌(Xylene) 중 선택되는 1종 이상의 소수성 유기 오염물질인, 수중 유기 오염물질 흡착 제거방법. According to claim 15,
A method of adsorbing and removing organic pollutants in water, wherein the organic pollutant is one or more hydrophobic organic pollutants selected from color substances, benzene, toluene, ethyl benzene, and xylene.
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