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염료 오염을 해결하는 섬유소 섬유로 이루어진 바이오나노복합체
연구소 2013-10-04 4539

염료 오염을 해결하는 섬유소 섬유로 이루어진 바이오나노복합체

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=241462&service_code=04

 

나노입자에 삽입된 자연적인 섬유를 이용하는 저렴하고 단순한 공정이 유해한 섬유 염료(textile dye)를 수 분 이내에 거의 완벽하게 제거할 수 있다고 미국 코넬 대학(Cornell University) 및 자생적인 콜롬비아 식물 섬유를 연구한 콜롬비아 연구진은 밝혔다.

청바지 색상에 사용되는 남색과 같은 염료는 남아메리카, 인도 및 중국 등지의 섬유 공장 인근의 수로를 위협하고 있다. 이러한 염료는 독성을 나타내며, 물을 변색시킨다. 그 결과 수처리 공장으로 유입되는 일광을 줄여 물에서 산소 수준을 낮추고 광합성을 제한한다.

Green Chemistry 저널에 발표된 연구는 이러한 원리를 증명하여 기술했지만, 연구진은 페놀, 살충제, 항생제, 호르몬 및 프탈레이트 등과 같은 내분비 교란 수질 오염 물질(endocrine-disrupting water pollutants)을 처리하는 연구진이 개발한 방법이 얼마나 효과적인지를 테스트 중이다. 관련 논문의 제목은 “효율적인 염료 분해를 위한 나노구조의 이산화망간과 섬유소 섬유로 이루어진 바이오복합체(Biocomposite of nanostructured MnO2 and fique fibers for efficient dye degradation)”이다.

연구진은 코넬 대학 섬유 과학부 소속의 조교수이며 공동 저자인 Juan Hinestroza가 면섬유(cotton fiber) 내부에 나노입자를 생산하기 위하여 이전에 사용됐던 셀룰로오스에서 발견한 나노 크기의 공동(nano-sized cavity)의 장점을 취했다.

이 논문은 관련 방법에 대하여 기술하고 있다. 일반적으로 커피 봉지에 사용되는 콜롬비아산 섬유소 식물 섬유(fique plant fiber)를 과망간산나트륨(sodium permanganate) 용액에 넣어 초음파로 처리했다. 그 결과 산화망간(manganese oxide) 분자가 작은 셀룰로오스 공동(cellulose cavity)에서 성장했다. 섬유에 있는 산화망간은 염료와 작용하여 염료 분자를 색상이 없는 형태로 분해한다.

연구진은 자연적인 섬유소 섬유 위에 나노구조 이산화망간의 합성을 보고했다. 알칼리성 조건(alkaline condition)과 과망간산염 음이온(permanganate anion, MnO4?)에 노출되어 양성으로 만들어진 섬유 표면을 쿨롱 상호 작용(coulombic interaction)을 이용하여 반응물질인 알칼리 셀룰로오스(alkali cellulose) 위에 삽입시켰다. 초음파로 지원된 공정은 MnO4?를 환원시키는데 사용됐으며, 산화망간 나노입자(NPs; MnO2 nanoparticles)를 생성했다. 자외선 산란 반사(UV-Vis diffuse reflectance)는 나노구조의 산화망간의 합성에 대한 부하량과 환원 시간 및 전구체 농도 등의 영향을 평가하는데 적용됐다.

전계방사형 주자전자현미경은 MnO2 NPs와 결합물이 섬유의 표면 위에 형성될 수 있다는 직접적인 증거를 제공했다. 새로운 바이오나노복합체의 촉매 활성은 물 시료에서 인디고 카르민(indigo carmine) 염료의 제거를 위해 테스트됐다. MnO2?섬유소 섬유 나노복합체는 5분 이내에 오염된 물 시료에 존재하는 색상의 98%를 제거할 수 있다.

질량 분석법(mass spectrometry)은 염료의 분해 경로를 결정하는데 사용됐다. 부가적으로 연구진은 바이오복합재료가 염료 분해 효율성에 영향을 끼치지 않기 때문에, 재사용될 수 있다는 사실을 확인했다. 8회의 순환 후, 섬유는 아직까지 97~99%의 염료를 제거했다. 보고된 공정은 산업 유출수에서 발견되는 오염물질을 효과적으로 분해할 수 있는 복합 재료를 용이하게 합성하고 생분해 가능한 물질을 개발하는 새로운 경로를 제공한다.

새로운 바이오복합체를 합성하는데 고가 또는 특별한 출발 물질이 필요하지 않았다고 Combariza는 밝혔다. 합성은 기본적인 화학 실험실에서 형성될 수 있다. 이것은 이러한 단순한 기술의 효과를 처음으로 입증한 것이라고 Hinestroza는 밝혔다. 이 방법은 물을 기반으로 하는 화학을 사용하고 있으며, 실생활 조건에 쉽게 이동 가능하다고 Hinestroza는 덧붙였다.

연구진은 다른 종류의 오염 물질, 다른 섬유 및 복합재료 등에 대하여 연구진이 개발한 공정을 테스트 중이다. 연구진이 현재 오염된 물을 처리하기 위한 저비용 여과 유닛 시범제품을 개발 중이라고 Combariza는 밝혔다. 연구진은 산화망간뿐 아니라 이례적인 분해 활성(degradation activity)을 보여주는 전이금속 산화물을 기반으로 하는 다양한 재료에 초점을 맞추고 있다고 Combariza는 밝혔다.

출처 : KISTI 미리안 글로벌동향 브리핑

 

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