금, 팔라듐, 네오디뮴 이온에 대한 실크 세리신 비드의 흡착 거동

Abstract

오늘날 배터리, 전자재료 및 금속제련 등의 다양한 산업에서 발생하는 폐액에는 중금속을 비롯한 여러 금속이온이 포함되어 있다. 최근에 이러한 금속이온을 제거하고, 회수하기 위한 방법으로 흡착 방식이 많이 이용되고 있다. 특히 기존에 이용되고 있는 고분자 및 무기물 흡착제를 보다 친환경적인 재료로 대체하기 위해 다양한 천연고분자를 금속이온 흡착제로 활용하고 있다. 실크 세리신은 누에고치가 생산하는 단백질로서 실크 섬유를 생산하는 과정에 대부분 폐기되고 있다. 이와 같이 폐기되고 있는 실크 세리신을 고분자 재료로써 활용하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 천연고분자를 이용한 금속이온 흡착제로 실크 세리신의 활용 가능성을 검토하고 더 나아가 금속이온과의 상호작용을 알아보고자 하였다. 금속이온 흡착제로 이용하기 위해 제조한 실크 세리신 비드는 가교를 통해 금속이온 용액 상에서 안정성을 확보할 수 있으나, 화학적 가교 반응에 의해 작용기의 양이 감소하여 금속이온 흡착 성질이 변화한다. 따라서 비드의 안정성을 확보하며 동시에 비드의 작용기 감소를 최소화할 수 있는 적정 가교 조건을 확립하였다. 또한 특정 금속이온과의 상호작용 가능성을 이론적으로 설정할 수 있도록 Hard and soft acid-base theory를 적용하였다. 이를 위해 금과 유로피움에 대한 흡착 성능을 확인하였고, 그 결과 실크 세리신 비드는 soft metal과 잘 결합할 수 있는 soft ligand임을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 실크 세리신 비드를 soft metal 중 경제적 가치가 높은 금과 팔라듐의 흡착에 이용하였다. 금 흡착 과정에서는 정전기적 인력에 의한 흡착과 동시에 금 이온의 환원이 활발하게 진행되었으며, 환원되어 금 원소의 형태로 존재하는 양이 금 이온에 비해 더 많은 것을 확인하였다. 팔라듐의 흡착에서는 환원에 비해 정전기적 인력에 의해 이온의 형태로 더 많은 양의 흡착이 이뤄진 것을 확인하였다. 따라서 동일한 soft metal임에도 금속이온의 특성에 따라 흡착 기작과 거동에서 차이가 나타남을 확인하였다. 특히 실크 세리신 비드의 경우 흡착과정에서 발생하는 공극 구조에 의해 내부까지 금속이온을 흡착하여 intra-particle diffusion 모델이 적용 가능하였다. 또한 hard metal의 흡착제로 실크 세리신 비드의 적용 가능성을 확인하기 위해 네오디뮴에 대한 흡착 성능 평가를 진행하였다. 네오디뮴은 금 또는 팔라듐과 달리 pH에 따라 흡착 성능이 달라지는 것을 확인하였으며 이온교환에 의해 흡착이 일어난 것으로 판단하였다. 흡착된 네오디뮴은 공기 중의 산소와 반응하여 산화물의 형태로 존재하며 강한 산성용액으로 탈착이 가능한 것을 확인하였다. 본 연구는 기존 금속 흡착제의 대체재로서 실크 세리신의 활용 가능성을 제시하였으며, 나아가 실크 세리신과 같은 단백질 재료와 금속이온 간의 상호작용에 관한 연구에 기여할 것으로 기대할 수 있다.

The adsorption method is one of the effective way for waste water treatment because of their advantages such as low operating cost, high efficiency and minimal volume of sludge etc. Nowadays, for replacing silica based and polymer-based adsorbent, many biomaterials can be attractive as eco-friendly and cost effective substitutes. In this study, silk sericin beads were prepared for metal ion adsorption and examined the properties and the capability as adsorbents. The resistance of SS beads in acidic solution was acquired by chemical crosslinking with glutaraldehyde. Meanwhile, the amine groups in the surface of SS beads which can influence the metal ion adsorption were decreased during crosslinking. Thus, chemical crosslinking conditions were determined not only having stability in acidic solutions but also having adequate amine groups. Also, for finding to possible adsorbable metal ions theoretically by SS bead, the Hard and Soft Acid-Base Theory (HSAB) was applied. The gold ions were well adsorbed on the SS beads that means SS beads have soft ligand dominantly. Thus, SS bead was applied to adsorb gold which have importance economically. Due to the gold ions having negative charge (AuCl4-), SS bead adsorbed gold ions by electrostatic interactions. Also, the gold ions were reduced to metallic gold. The amount of metallic gold was larger than those of gold ions. Also, the palladium was classified as soft metal like gold, SS bead well adsorbed palladium. However, the palladium was different to gold, palladium was adsorbed as ionic form dominantly. As SS bead was well correlated to intra-particle diffusion model, the metal ions were adsorbed on the inner part of SS bead. Also, for determining the applicapability of SS bead to hard metal adsorption, neodymium adsorption was conducted. The neodymium was adsorbed on the SS bead because of electrostatic interaction. The neodymium was easy to oxidized with air, the neodymium oxide was verified on the surface of SS bead. In this study, the possibility of SS bead as alternatives of conventional adsorbent was suggested. Furthermore, this study will contribute to identify the interaction between protein and metal ions.