MIL-100(Fe) 결합 PAN 섬유를 이용한 염료 흡착 및 광분해

Abstract

급속한 산업화로 인해 물 부족과 수질 오염 등 환경적 문제가 심각해짐에 따라 고효율 수질 정화 물질의 개발이 요구되고 있다. 본 논문에서는 polyacrylonitrile (PAN) 고분자 용액을 전기방사 한 나노 섬유에 금속유기골격체(metal-organic framework)의 한 종류인 MIL-100(Fe)를 도입함으로써 흡착제와 광촉매로서의 활용도와 재사용성에 대하여 분석하고자 하였다. 시료는 전기 방사한 PAN, 철 이온과 trimesic acid를 사용하여 고온 고압 조건에서 수열합성법을 통해 제조되었다. 수열합성법을 통해 제조된 섬유는 평균 342 nm의 섬유 직경을 가지고 있고, 직경 평균 71 nm 정도되는 MIL-100(Fe) 결정이 표면에 골고루 자라난 것을 확인할 수 있었다. 완성된 시료는 수중에서 서로 다른 전하를 띄고 있는 rhodamine B (RhB) 양이온 염료와 methyl orange (MO) 음이온 염료 총 두 가지 종류의 염료에 대해 흡착성능과 광분해 성능을 살펴보았다. MIL-100(Fe)의 높은 비표면적과 기능기에 기인하여 전체적으로 높은 흡착 성능을 보였으나, 염료의 전하에 따라 흡착 속도에 차이가 났다. MIL-100(Fe)의 경우 수중에서 양전하를 띄고 있어 음이온 염료인 MO와 더 높은 반응성을 가지고 있어 흡착 속도가 더 빠른 것을 확인할 수 있었다. MIL-100(FE)@PAN 시료의 염료에 대한 광분해 효과를 확인하기 위해 어두운 환경과 빛이 있는 환경에서 각 염료에 대한 분해 성능을 살펴보았다. 빛이 차단된 어두운 환경 조건에서는 강력한 산화제로 알려져 있는 과산화수소를 넣어도 염료의 광분해가 일어나지 않았으며, MIL-100(Fe)@PAN 시료에서는 과산화수소를 넣은 조건에서 광분해가 더 활발하게 일어난 것을 확인할 수 있었다. 광분해 메커니즘은 MIL-100(Fe)의 전자 정공 생성 과정을 통해 이해할 수 있다. MIL-100(Fe)는 ~2.87 eV의 낮은 밴드갭 에너지를 가지고 있어 가시광선 영역의 빛 에너지로도 전자-정공을 생성해낼 수 있고, 이 때 들뜬 전자가 과산화수소와의 반응으로 인해 수산화 라디칼을 생성해 염료를 분해하는 것으로 알려져 있다. 광분해로 인한 염료 제거에 더 많은 영향을 받는 것은 MO 염료로 확인이 되었으며, 추가로 탈착이 재사용성에 미치는 영향을 비교 분석하였다. 탈착에 의한 시료의 재사용성은 총 다섯번의 재흡착을 통해 살펴보았다. MIL-100(Fe)@PAN과 비교적 약한 결합을 이루고 있는 양이온 염료는 RhB의 경우 탈착과 광분해에 의한 재사용성이 MO보다 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 에탄올에 의한 탈착 양을 비교해보았을 때, RhB가 MO보다 더 많이 탈착이 되고, 탈착으로 인한 흡착 자리의 복구로 인해 RhB에 대한 재사용이 더 효과적임을 확인할 수 있었다. 본 연구는 기존에 재사용이 어려웠던 분말 타입의 기능성 나노 물질을 섬유에 도입함으로써 재사용이 가능한 기능성 섬유 기반 흡착제를 개발하였다. 흡착질과 흡착제의 전하와 정전기적 상호작용에 따른 염료 제거 효율을 살펴보고, 높은 분해 성능과 재사용성으로 높은 실제 산업으로의 적용 가능성을 시사하였다. 또한 연구에서 밝혀진 광분해, 흡착과 탈착 메커니즘등을 통해 흡착제 개발 시 고려해야하는 요소들과 영향을 미치는 인자에 대한 정보를 제공함으로써 학문적 기여도가 높을 것으로 예상된다.

As rapid industrial growth spawns severe water contamination and a far-reaching impact on environmental safety, the development of a purification system is in high demand. Herein, the visible light-induced photocatalytic adsorbent membrane was developed by growing a porous metal-organic framework (MOF), MIL-100(Fe) crystals onto electrospun polyacrylonitrile (PAN) nanofibers, and its purification capability by adsorption and the photocatalytic effect was investigated. As water-soluble organic foulants, a cationic dye, rhodamine B (RhB), and an anionic dye, methyl orange (MO) were employed, and the adsorption/desorption characteristics were analyzed. Since MIL-100(Fe) exists in positive charges in the aqueous solution, MO was more rapidly adsorbed onto the MIL-100(Fe) grown PAN membrane (MIL-100(Fe)@PAN) than RhB. Under the visible light, both photocatalytic degradation and adsorption occurred concurrently, facilitating the purification process. The reusability of MIL-100(Fe)@PAN as adsorbent was explored by the cyclic adsorption-desorption experiments. The desorption of adsorbed dye molecules was futile for MO, due to the strong interaction between anionic MO molecule and MIL-100(Fe). This study developed a functional fiber-based adsorbent that is reusable even with the attachment of powder-type functional nanomaterials that were normally difficult to reuse. The efficiency of removing dyes based on the electrostatic interaction with the charge of the adsorbent and adsorbent was examined, and the possibility of application to the actual industry with high dye decomposition performance and reusability was suggested. The emphasis of the study lies in that providing information on factors that should be considered and factors that affect the development of adsorbents through photolysis, adsorption, and desorption mechanisms found in the study.