Korean Chemical Engineering Research

계면활성제가 담지된 메조포러스 실리케이트에 의한 수중 납이온 제거

최현석·이동규·조국진·이채영·정진석·유익근·신은우^† 울산대학교생명화학공학부

680-749 울산시남구무거2동산 29 (2005^년 11^월 23^일접수, 2006^년 1^월 24^일채택)

Removal of Pb

Ions from Water by Surfactant-templated Mesoporous Silicates

Hyun Suk Choi, Dong Gue Lee, Guk Jin Cho, Chae Young Lee, Jin Suk Chung, Ik-keun Yoo and Eun Woo Shin^†

School of Chemical Engineering and Bioengineering, University of Ulsan, San 29, Mugeo 2-dong, Nam-gu, Ulsan 680-749, Korea (Received 23 November 2005; accepted 24 January 2006)

요 약

메조포러스실리케이트물질은포어내에 thiol(⁻SH)^기나 amine(⁻NH2)^{기등의관능기를도입하여수중의중금속이}

온을제거하는흡착제로많이활용되어왔다. ^{본연구는메조포러스실리케이트합성에서구조형성전구체로사용되는}

계면활성제가중금속이온의흡착활성점으로도작용하는지를조사하고자하였다. ^{서로다른계면활성제를사용하는세}

가지메조포러스실리케이트(SBA-15, MCM-41, HMS)^{을합성하여소성전계면활성제가담지되어있는경우와소성}

되어계면활성제가사라진경우에이들의수중납이온의흡착거동을살펴보았다. ^먼저, X^{선회절분석실험과질소기}

체흡착거동으로메조포러스실리케이트의메조포어구조를확인하였고, FT-IR ^{분석을통해소성전의계면활성제의}

존재와소성후에계면활성제의제거를확인하였다. ^{중금속인납이온을사용하여이들의흡착능을측정한결과}, ^모든

소성된메조포러스실리케이트물질과공중합고분자를계면활성제로이용하는 SBA-15^{는수중에서납이온에대한흡}

착능이극히미비한반면에각각 dodecylamine^과 hexadecyltrimethylammoniumbromide(HDTMA)^{를계면활성제로사}

용하는 HMS, MCM-41^{은소정의흡착능을보여주었다}. ^{초기납이온농도가} 50 ppm, ^용액 pH^가 5^{인흡착조건에서얻}

은흡착키네틱데이터를 pseudo second order kinetic model^{에적용하여계산한결과}, ^{계면활성제가담지된} HMS^는 115.16 mg/g, ^{계면활성제가담지된} MCM-41^은 26.60 mg/g^{의납이온흡착능을나타내었다}. ^{이러한흡착능은기존의다}

른메조포러스실리케이트흡착제의흡착능과유사하며, ^{그들과비교하여계면활성제가담지된흡착제는전처리나후}

처리없이흡착제로활용할수있는장점을가지고있다.

Abstract −Mesoporous silicate materials have been used as adsorbents for the removal of heavy metals from water by introducing functional groups such as thiol and amine. In this research, it was investigated whether surfactants used as templating agents in synthetic processes can act as adsorption sites for heavy metals. Three mesoporous silicates-SBA- 15, MCM-41, and HMS were synthesized using, respectively, block copolymer, hexadecyltrimethylammoniumbromide (HDTMA), and dodecyamine as surfactants. X-ray diffraction and N2 gas adsorption analysis confirmed that the meso- porous silicates were well prepared and FT-IR spectra resulted in the existence of the surfactants in as-synthesized meso- porous silicates and the removal of surfactants after calcination. The interactions between Pb²⁺ ions and the mesoporous silicate materials with/without surfactants were observed. In adsorption kinetic experiments, it revealed that the calcined mesoporous silicates and the surfactant-loaded SBA-15 almost had no adsorption capacity for Pb²⁺ ions. In contrast, the surfactant-loaded MCM-41 and HMS showed, respectively, the adsorption capacities of 26.60 and 115.16 mg/g which were acquired through the fits of adsorption kinetic data to the pseudo second order kinetic model. The adsorption capacities were comparable to those of other mesoporous adsorbents for heavy metals.

Key words: Mesoporous Silicates, Pb²⁺ Ions, Surfactants

†To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

Korean Chem. Eng. Res., Vol. 44, No. 2, April, 2006

1. 서 론

중금속을함유한산업폐수는그대로방류될경우, 인간을포함 한생태계의생물에게심각한위해를준다. 중금속의독성으로인 한환경생태계의교란은심각한환경문제로수환경계로의중금속

의방류는엄격한최고허용농도기준을통해제한되고있다[1, 2].

중금속이온중납이온에중독될시에는가벼운증상으로구토, 무 기력증등이나타나고, 심할경우고혈압, 체중감소, 호흡장애, 뇌 신경장애까지진행될수있다[2, 3]. ^{납은수환경계에서주로무기물}

형태로 2가의이온으로존재하나, 4가의이온으로도존재할수있 으며, 또한, 미생물이나박테리아에의해유기화되어여러경로를 거쳐생체내에축적되기도한다[3].

납이온을포함한중금속폐수를처리하는일반적인방법은무기 물응집제를이용한침전법이나미생물을이용한생물학적처리법

이다[4]. 그러나침전법이나생물학적처리법은저농도에는효율이

낮고, 많은슬러지를발생시키는단점이있다. 특히, 슬러지의해양 투기가억제된요즘은대량의슬러지발생은기술적으로혹은경제 적으로새로운문제를야기시킨다[2]. ^그래서약 100 ppm ^이하의중

금속농도를함유한폐수를처리하는기술로는흡착제를이용한흡

착공정이많이이용되고있다[2, 5]. 흡착공정은흡착제의선택이공

정의경제성과효율성에지대한영향을미친다. 지금까지이온교 환제[5], ^{다양한생흡착제}[6-8] ^{그리고무기물흡착제}[9-14] ^등이중

금속이온흡착제로소개되어왔다. 최근에는무기물인메조포러스 실리케이트물질에다양한활성물질을담지시켜중금속이온을제 거하는흡착제들이많이발표되어왔다.

M41S^{계의메조포러스실리케이트분자체가} 1992^년 Mobil^사연

구팀에의해처음합성된이래다양한메조포러스실리케이트물질 이제조되어촉매, 흡착제그리고센서연구분야로적용되어왔다

[15-17]. 흡착제로서의메조포러스실리케이트의응용은주로여러

가지담지기술에의한활성물질의메조포러스분자체내로의도입 을통해이루어졌다[11-14, 18-20]. 메조포러스실리케이트내에는 실란올기라는표면관능기가있으나필요한활성물질을분자체세 공내로담지하여흡착제의흡착성능을향상시켜주었다. 증금속이 온흡착에많이사용된관능기는 thiol(SH) ^혹은 amine(NH2) ^관능

기이며, 이들은주로합성후, 후담지기술로메조포러스기공내로 도입되었으나, 최근에는직접합성법으로합성할때바로담지가되 도록하기도한다[11, 13-14].

한편, Zhao ^등[21]^에따르면, ^{메조포러스실리케이트를제조시사}

용된계면활성제를제거하지않고유기오염물에대한흡착제로사 용한경우가계면활성제를제거한경우, 즉소성한경우보다높은 흡착효율을보여주었다고한다. 이는계면활성제에있는관능기들 이흡착제로서역할을수행한다는것을보여준다. ^{이처럼계면활성}

제가담지된메조포러스실리게이트를흡착제로사용할경우, 기존 의다른메조포러스흡착제와비교해볼때, 소성과정과후처리과 정의생략으로흡착제처리과정이간소화되어훨씬경제적일수있 다. ^{지금까지계면활성제가포함된메조포러스실리케이트가유기}

오염물의흡착기능이있음을확인하였지만중금속과같은양이온 오염물에대한결과는아직발표되지않았다. 본연구에서는다른 계면활성제를사용하는세가지메조포러스실리케이트(SBA-15,

HMS, MCM-41)^{를제조하여이들의중금속양이온인납이온에대}

한흡착성능을살펴봄으로써계면활성제가담지된메조포러스실

리케이트가중금속양이온흡착제로써이용될수있는지를조사해 보고자하였다.

2. 실험방법 및 분석 2-1. 실험재료

본연구에서사용된메조포러스실리케이트는문헌에소개된방 법을따라제조되었다[16, 19, 21, 22]. SBA-15의제조방법은다음과 같다. ^{계면활성제인} Pluronic P123(Sigma-Aldrich Korea Co., ^경기

도용인) 4.0 g을실험실에서제작한합성용테프론반응기에넣은

후, 2 M HCl 120 g과초순수 30 g에부어계면활성제가녹을때까 지자석막대로잘교반시켰다. 이후, 실리카소스인 tetraethylorthosilicate (TEOS, Sigma-Aldrich Korea Co., ^{경기도용인}) 8.5 g^{을반응기에}

추가하여 308 K에서 20시간동안교반시켜주었다. 균일하게잘교

반된용액을 353 K의오븐에넣고 24시간동안숙성시킨후, 제조

된고체분말을퓨넬과진공펌프를이용하여걸러내고, 초순수물 로여러번세척하였다. ^{이렇게하여얻어진고체분말을상온의공}

기분위기하에서잘말리고, ^{이렇게제조된시료를} As-syn SBA-15

이라명명하였다. 이 As-syn SBA-15을전기로에넣고 773 K까지

14시간에걸쳐승온시킨뒤, 773 K에서 6시간동안열처리하였다.

이렇게소성된 SBA-15을 SBA-15이라명명하였다.

또다른메조포러스실리케이트인 MCM-41^{의합성은아래와같}

이진행하였다. 초순수 7.35 g, 메탄올 2.45 g 그리고수산화나트륨

0.065 ml을합성용테프론반응기에넣었다. 그리고계면활성제인

hexadecyltrimethylammoniumbromide(HDTMA, Sigma-Aldrich Korea,

경기도용인) 0.2 g^을넣은후, 308 K^에서 30^{분간잘젓어주었다}. ^그

런 다음, 실리카 소스인 tetramethylorthosilicate(TMOS, Sigma- Aldrich Korea, 경기도용인) 0.625ml를반응기에부은후, 또 308 K

에서 30분간교반하였다. 교반된용액을오븐에넣은후, 373 K에 서 4^{일간숙성하였다}. ^{제조된고체분말은걸려지고세척된뒤}, ^상

온에서건조되었다. 이렇게제조된고체분말을 As-syn MCM-41이 라명명하였고, 이시료를 823 K에서소성시킨후제조된고체분

말을 MCM-41이라명명하였다.

Hexagonal mesoporous silicate(HMS)^{의합성은다음과같다}. ^계

면활성제인 dodecylamine(Sigma-Aldrich Korea, 경기도용인) 1.35 g

을에탄올 10 ml와함께합성용테프론반응기에넣었다. 이후, 초

순수 91.6g과 TEOS 6.63 g을반응기에넣고상온에서 20시간동안 강하게교반시켰다. ^{제조된고체분말은위와언급된방식과동일}

하게걸려지고, 세척되고, 건조되었다. 이렇게제조된고체시료를

As-syn HMS라고명명하였으며, 이시료의소성조건은 SBA-15의 소성조건과동일하고, 소성후시료를 HMS라고명명하였다.

따라서본연구에서제조된흡착제는세가지메조포러스실리케 이트의소성전, 후시료로모두 6개이다. 세가지메조포러스실리

케이트인 SBA-15, MC M-41, HMS는소성전에는담지되어있는

계면활성제가서로다른것이뚜렷한차이이고, 소성후에는계면 활성제가사라지면서생성되는나노포어의크기가다른것이뚜렷 한차이라고할수있다. 본연구에서사용된흡착제와그들의특성 을 Table 1에나타내었다.

2-2.납이온흡착실험및농도 분석

1,000ppm Pb²⁺표준용액(Kanto Chemical Co., Tokyo, Japan)을희

석시켜 50 ppm Pb^{2+용액을제조하였다}. 600 mL ^비이커에 250 mL

의 50 ppm Pb²⁺용액을넣고 0.1 M NaOH, 0.1 M HCl 용액을이 용하여 pH 5.0으로조절하였다. 수용액 pH를 5.0으로정한이유는

pH 6의흡착조건에서실험을수행하여본결과, 수용액에납이온의 석출이관찰되어흡착제의흡착량계산에영향을미쳤고, ^문헌에보

고된바에따르면납흡착량에미치는 pH의영향이미비하여 pH를 낮추어도흡착량에별영향을주지않을것으로생각되었기때문이 다[23]. 그후, 0.1 g의흡착제를넣고상온에서교반하면서 24시간 동안흡착실험을수행하였다. ^{흡착실험을진행하는동안} 0.1 M NaOH, 0.1 M HCl 용액을이용하여용액의 pH를 5.0±0.1로유지하 였다. 농도분석용액상시료는흡착제를넣기전초기용액과반응후

10, 30, 60, 120, 180, 1,440분마다용액을샘플링하여마련되었다. 채 취된액상시료의농도분석은원자흡광분광기(AA-6200, Shimadzu,

Japan)를이용하여분석되었으며, 분석된납농도로부터아래의

(1)식을이용하여흡착량을계산하였다.

(1)

여기서 qt는시간 t에서의흡착제의납이온흡착량(mg/g), V는용 액의양(L), M은사용된흡착제양(g), C0와 Ct는초기납이온농 도와시간 t에서의납이온농도(mg/L)를의미한다.

얻어진흡착데이터는흡착속도상수와평형상태의흡착량을계 산하고자 Pseudo-second-order 속도론모델에적용되었다. 이모델 은화학흡착을기반으로하여제시되었으며, 중금속흡착속도론모 델로서실제실험결과치와높은상관계수를보여주었다[7, 8, 24].

이모델의속도식은아래와같다.

(2)

여기서 qt와 qe는각각시간 t^{와평형상태에서의납이온의흡착량} (mg/g)을, k는이모델식에서의속도상수(g/mg min)를의미한다. (2)식을 0과 t 구간에서적분하여정리하면, 아래와같은선형식의 형태로떨어진다.

(3)

이식에서 t 대 t/qt로선형화그래프를그리면기울기와절편값에 서 k^와 qe의값을유추할수있다.

2-3.특성분석실험

흡착제를제조한뒤, 흡착제에있는계면활성제를관찰하고, 소성 후계면활성제의사라짐을확인하고자 FT-IR ^{실험을수행하였다}.

흡착제로제조된기본 6개의고체시료는 KBr 법을통하여 FT-IR

측정용디스크로전환되었다. ^즉, 0.001 g^{의고체시료와} 0.1 g^의 KBr

을섞어막자사발에서잘갈아준후, 30 mg의시료를채취하여반 복가압법으로펠렛화하였다. 측정에사용된 FT-IR은 ATI Mattson Genesis series(Mattson, Madison, Wisconsin, U.S.A.)로서 4 cm⁻¹의 분해능으로 100^{번반복하여스캔하였다}.

제조된메조포러스실리케이트의구조의규칙성을확인하고자 X-선 회절분석을수행하였다. 부산대학교구내기초과학지원연구소에있 는 Rigaku D/Max 2000 X-선회절분석기(Japan) 로파장 0.154 nm의

Cu K^{α복사선을} X-ray source^{로이용하였다}. ^측정은 0.7^o에서 4^o까

지수행하였으나 1.2^o이하에서는검출기에감지되는복사선의강 도가너무커실험데이터로활용할수가없었다. 따라서데이터의 해석은 1.5^o 이상의데이터를중심으로이루어졌다.

제조된흡착제중소성시료의표면적과세공구조에대한정보를 얻고자질소기체흡, 탈착실험을수행하였다. 실험에사용된기기 는 Micromeritic사의 ASAP 2020 모델이며, 각소성흡착제의 BET

표면적및세공의크기분포및평균세공크기값을얻을수있었다. 3. 결과 및 고찰

3-1.메조포러스실리케이트의특성분석

먼저메조포러스실리케이트가제대로합성되어메조포어구조를 가지고있는지를 X^{선회절분석실험을통해확인하고자하였다}. ^그

결과, MCM-41는 (100, 110, 200)의회절피크가뚜렷이나타나므로 정형적인 hexagonal 구조를띠고있음이확인되었다(Fig. 1). MCM-41

의경우, 100면의 X선회절피크가 2θ=2.42에나타나므로이값을

qt ⁽C0–Ct^)×V ---M

=

dqt

---dt = k q( e–qt)²

qtt

---- 1

kqe2

--- 1q+---te

=

Table 1. Characteristics of calcined mesoporous silicate materials

Samples Surfactants Surface area (m²/g) d100 (nm) a0 (nm) DBJH* (nm)

SBA-15 Pluronic P123 771.2 − − 4.71

MCM-41 Hexadecyltrimethyl ammoniumbromide 788.3 3.65 4.21 2.62

HMS Dodecylamine 997.3 3.35 3.87 4.42

*DBJH= 4 V_BJH/A_BJH: V_BJH and A_BJH are pore volume and surface area, respectively, calculated by BJH analysis.

Fig. 1. X-ray diffraction patterns of MCM-41 and HMS.

Korean Chem. Eng. Res., Vol. 44, No. 2, April, 2006 Bragg’s law에적용하여계산하여보면, d100=3.65nm와 a0=4.21nm

의값을취한다(Table 1). 즉나노크기의메조포어가제대로형성되

었음을알수있다. HMS^는 2^θ=2.63^{에서주회절피크가나타나는}

데, 이값은 d100=3.35 nm와 a0=3.86 nm로전환되어진다(Table 1).

따라서, 이두메조포러스실리케이트는나노포러스구조를가지고 있으며이들메조포어의크기는대략 3 nm 이하일것으로추측할 수있다.

한편, SBA-15는주회절피크가 1도이하에서나타나는데본연

구에사용된회절분석기는저각에서빔강도가매우높아 1.5도이 하의회절피크는제대로확인할수가없었다. 즉, 본연구에사용 된 X^{선회절분석기로는} SBA-15^{의메조포어구조를확인할수없}

었다. 하지만, SBA-15의메조포어구조는질소기체흡탈착거동을

통한기공구조분석에서 4.71 nm의메조포어가생성되었음을확인

할수있었다. Fig. 2는세가지메조포러스실리케이트물질의질

소흡착등온선을보여주고있다. SBA-15^의경우, ^{문헌에보고된}

질소기체흡착거동에거의동일하고[19, 25], 이를바탕으로하여

얻어진포어분포에서약 5 nm ^{근처에서단일메조포어를가지고}

있음을확인되었다(Fig. 3). MCM-41의경우에도, 질소기체흡착등

온선의패턴은기존의보고와일치하며[22], 2~3 nm 사이에서단일

메조포어분포를가지고있었다(Fig. 3). HMS의질소기체흡착등

온선에서는상대압력 0.9 ^{이상에서갑작스런질소흡착량이증가하}

였는데, 이는 HMS에존재하는매크로포어때문인것으로추정된

다. HMS에서매크로포어의존재는 HMS의평균포어크기를높여

주는결과를가져다주어기공크기값이 4.42 nm에이른다. 이부분 을제외하고는 MCM-41^{에서의질소기체흡착등온선과매우유사}

하며, 역시 2~3 nm 사이에서메조포어를가지고있음이확인되었

다(Fig. 3). Table 1에각메조포러스실리케이트의평균포어크기

를도시하였는데, 단일포어분포를가지는 SBA-15과 MCM-41은 평균포어크기나포어분포곡선에서나타난값과일치하지만, ^매크

로포어와메조포어를동시에가지는 HMS는평균포어크기가 거의 4 nm 이상이다.

Fig. 4~6은각메조포러스실리케이트의소성전후의 FT-IR 패턴

Fig. 2. N2 gas adsorption isotherms of SBA-15, MCM-41, and HMS.

Fig. 3. Pore size distributions of SBA-15, MCM-41, and HMS.

Fig. 4. FT-IR spectra of (a) As-syn HMS, and (b) HMS.

Fig. 5. FT-IR spectra of (a) As-syn MCM-41, and (b) MCM-41.

이다. 각메조포러스실리케이트의소성후 FT-IR 패턴은대동소이 하다. 800^과 1,085 cm^{-1에나타나는피크는} SiO2구조내의내부

tetrahedral 구조에존재하는산소원자의비대칭신축진동과굽힘

진동에관련된것이다. 960 cm^-1에서나타나는 IR 피크는메조포러

스실리케이트표면실란올기에해당한다. 1,650과 3,400 cm^-1에서 의넓은폭의피크들은수분의굽힘진동과신축진동으로인해발생 한다. 소성전메조포러스실리케이트물질들의 FT-IR 패턴에서는 위에서언급한 IR 피크외에계면활성제에의한 IR 피크들이존재한 다. 대표적인계면활성제 IR 피크는 2,800~3,000 cm^-1에서나타나는 피크들로계면활성제에들어있는 C-H ^{신축진동에의하여발생한}

다. 이피크들은세가지메조포러스실리케이트의소성전 FT-IR

패턴에서공히나타난다. 계면활성제가아민기를가지고있는 HMS

는 1,560 cm^-1근처에서 N-H 피크가나타나며, 계면활성제에 C-O

결합이있는 SBA-15^는 1,350~1,390 cm^-1에서 IR^{피크가나타난다}.

따라서소성전에는각메조포러스실리케이트에각각의계면활성

제가잘담지되어있음을 FT-IR 분석으로확인할수있었다. 또한,

계면활성제와관련있는 IR 피크는소성후 IR 패턴에서거의사라 졌는데이는소성과정에서계면활성제가산소와반응하여완전히 분해되었기때문이다.

3-2.메조포러스 실리케이트흡착제의납이온흡착

각흡착제의납이온의흡착키네틱실험을 pH 5, Pb²⁺= 50 ppm

의조건에서수행하였다. ^{소성된흡착제와} As-syn SBA-15^는거의

납이온을흡착하지않는것으로보인다. 용액에서의납이온의농도 가분석오차범위안에서변할정도로낮은흡착량을보여주었다.

즉, 소성된메조포러스실리케이트흡착제에서는실리케이트에존 재하는실란올그룹이납이온과는거의상호작용이없다는것을 알수있다. 또한, 비이온계면활성제인공중합고분자 Pluronic P123

역시, 물속의납이온과는전혀상호작용하지않는다는것을알수 있었다. 반면에계면활성제에아민기가포함된 As-syn HMS와암 모늄브로마이드가포한된 As-syn MCM-41^{은납양이온에대한일}

정량의흡착성능을보여준다. 이들의흡착키네틱거동을 Fig. 7에

도시하였다. 두번씩실험하여평균값과표준편차를도시하였으며,

정량적분석을위하여 pseudo second order 모델에적용하여평형

흡착량을구하였다. ^{각데이터를} pseudo second order ^{모델에적용}

한결과가 Table 2에표시되었다. 키네틱데이터를 pseudo second order 모델에적용하였을때, 그상관계수가 0.98 이상의높은값을 나타낸반면에다른모델식에적용하였을때는 0.9 이하의낮은상 관계수가얻어져, ^비교적 pseudo second order ^{모델이계면활성제가}

담지된메조포러스실리케이트의납이온흡착특성을설명하는데 적합하다고할수있다. 이는메조포러스실리케이트의계면활성제 와납이온이강한화학결합을통해상호작용한다는것을보여준다.

키네틱데이터를 pseudo second order ^{모델에적용하여얻은}, ^두

흡착제 As-syn MCM-41과 As-syn HMS의평형납이온흡착량은 각각, 26.60과 115.16 mg/g이다. 두흡착제의계면활성제인 HDTMA

과 dodecylamine 둘다납이온과상호작용한다고할수있지만

dodecylamine^{의경우에훨씬높은납이온흡착량을보여주고있다}.

단위흡착제무게당으로흡착능을비교하면, 주어진흡착조건에서

As-syn HMS가 As-syn MCM-41보다약 4배나높은납이온흡착량 을가지고있다. 그러나엄밀한의미에서는담지된계면활성제가납 이온에대한흡착능을보여주므로단위계면활성제당납이온흡착 량(^흡착밀도: adsorption density)^{를비교하는것이필요하다}. ^두흡

착제의납이온흡착량을몰단위를기준으로한단위계면활성제당 납이온흡착량으로전환하여계산하여보았다. 생성된메조포러스 실리케이트의실리카와계면활성제간의당량이초기 mol의당량 비와동일하다고가정하면 HMS 1 g^에는 0.169 g^의 dodecylamine

이존재하고이를몰로전환하면 0.911 mmol이된다. MCM-41 1g에

Fig. 6. FF-IR spectra of (a) As-syn SBA-15, and (b) SBA-15. Fig. 7. Pb²⁺ adsorption kinetic data of As-syn MCM-41 and As-syn HMS. Other adsorbents showed no Pb²⁺ adsorption ability.

Initial concentration of Pb²⁺=50 ppm, solution pH=5.0±0.1.

Table 2. Parameters from the fits of kinetic data to the pseudo second order equation

Samples qe (mg/g) R²

As-syn MCM-41 26.60 0.989

As-syn HMS 115.16 0.999

Korean Chem. Eng. Res., Vol. 44, No. 2, April, 2006

는 0.242 g의 HDTMA가존재하고이는 0.664 mmol의양으로전 환된다. 납이온흡착량도분자량을이용하여무게단위에서몰단위 로전환한후, 위에서얻어진값을대입하면단위계면활성제몰당 흡착한납이온몰수, ^{즉흡착밀도}(mmol Pb²⁺/mmol surfactant)^를

계산할수있다. 최종적으로얻어진값은, MCM-41에대해서는

0.193 mmol Pb²⁺/mmol surfactant, HMS에대해서는 0.609 mmol Pb²⁺/ mmol surfactant이었다. 계면활성제몰당납이온흡착량을비교하면, dodecylamine^이 HDTMA^보다약 3^{배높은납이온흡착능을보여}

주었다. 이러한결과를 Fig. 8에도시하였다.

본연구에서사용된흡착제의중금속흡착능과다른메조포러스 실리케이트양이온흡착제와의흡착능비교결과를 Table 3에도시 하였다. ^{다른메조포러스실리케이트흡착제는메조포어내로} amine

이나 thiol을도입한것들이다. MP-HMS와같이앞에 MP가붙은 흡착제들과 FMMS 그리고 S-S는 thiol 관능기가도입된메조포러 스실리케이트흡착제이다. 이흡착제들은주로수은흡착에많이 이용되었고, ^{높은수은흡착량과흡착밀도를보여준다}. Table 3^에

있는다른흡착제는아민기를포함하는메조포러스흡착제이며, 이 들의구리흡착결과가도시되었다. Thiol 관능기를함유한메조포러

스실리케이트흡착제의수은이온의흡착량은 As-syn HMS^의납

이온흡착량보다최대 5배정도많다. 아민기를포함한메조포러스 실리케이트의경우구리흡착량이 As-syn HMS보다최대 3배정도 높았다. 문헌에의하면각활성관능기는흡착종에따라다른흡착 능을보여준다. ^{예를들면동일조건에서} thiol^{기는구리이온보다는}

수은이온을더많이흡착하며, amine기는이반대의현상을보여준

다[12]. 즉, 흡착종에따라활성관능기별로흡착량의편차가존재

한다. 그러므로 As-syn HMS의납이온흡착량이다른흡착제의다

른이온의흡착량과비교하여절대적인값으로는차이를보이지만,

대략적으로같은차수에서존재하므로본연구의흡착제도비슷한

흡착량을취한다고볼수있다. 따라서본연구에서사용된 As-syn

HMS는다른메조포러스실리케이트양이온흡착제와비교하여비 슷한흡착효율을가지고있으면서흡착제제조시전처리나후처리 공정이없어상대적으로쉽게흡착제를제조할수있다는것이장 점을가지고있다.

4. 결 론

본연구에서는계면활성제가담지된메조포러스실리케이트를중 금속양이온흡착제로활용하고자하였다. 합성된뒤소성처리된메 조포러스실리케이트물질들은수중의납이온에대해거의흡착능 이없는것으로드러났으며, ^{비이온계면활성제를가지고있는} SBA-15

도납이온에 대해흡착능이 없는것으로 조사되었다. 반면에

dodecylamine이담지된 HMS나 hexadecyltrimethylammoniumbromide가

담지된 MCM-41은다른메조포러스실리케이트양이온흡착제에

비견될만한납이온흡착능을보여주었다. ^{따라서메조포러스실리}

케이트제조에서구조형성전구체로작용하는계면활성제는이뿐만 아니라물속에서양이온과상호작용하는흡착점의역할도수행하 는것으로보인다. 이것은아민기를포함하는계면활성제를사용하 는메조포러스실리케이트물질은별다른후속처리없이양이온흡 착제로사용될수있음을나타낸다.

감 사

본연구는 2005년울산대학교교내연구비에의해수행되었으며,

이에감사를드립니다.

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MCM-41.

Table 3. Adsorption capacities and densities of various mesoporous silicate adsorbents for heavy metals

Adsorbents Adsorbates Adsorption

capacity (mmol/g)

Adsorption density

MP-HMS-C12 [22] Hg²⁺ 1.5 1.0

MP-HMS-C8 [22] Hg²⁺ 0.55 0.61

MP-MCM-41 [22] Hg²⁺ 0.59 1.0

MP(2)-MSU-2 [13] Hg²⁺ 2.3 1.0

MP-MSU-2 [13] Hg²⁺ 0.9 1.0

FMMS [20] Hg²⁺ 2.5 0.78

S-S [11] Cu²⁺ 0.1 −

N-S [11] Cu²⁺ 0.1 −

NN-S [11] Cu²⁺ 0.5 −

NNN-S [11] Cu²⁺ 0.5 −

Amine-containing MCM-41 [26] Cu²⁺ 1.67 −

As-syn HMS Pb²⁺ 0.513 0.563

As-syn MCM-41 Pb²⁺ 0.125 0.188

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