재료및방법
기기 및 시약
본 실험에서는 경북 구룡포에서 산출된 제올라이트를 이용하였다. XRD 분석 결과를 통해 실험에서 사용된 천연 제올라이트는 양이온 교환 능력이 뛰어나고 국내에서 가장 많이 산출되는 Clinoptilolite를 주성분으로 하고 Mordenite와 Heulandite 구조를 일부 포함하는 것을 확인하였다. 사용된 제올라이트의 성분은 약 SiO2 65%, Al2O3 15%, K2O 5%, CaO 5%, Fe2O 3% 등을 포함한다고 알려져 있다[20,21]. 사용된 제올라이트 파우더의 Brunauer–Emmett–Teller (BET)는 82.84 m3/g으로 측정되었다. 제올라이트 파우더를 제작하기위해 attraction mill (korea material development Co., KDM-1B model)을 사용하였고, Sieve는 38 ㎛ 표준체(ChungGye Sieve Co.)를 사용하였다. 섬유 제조를 위한 고분자 물질로 PAN (MW = 150,000, Sigma Aldrich Co.)을 사용하였고 용매는 N, N-Dimethylformamide (DMF, Sigma Aldrich Co.)를 사용하였다.
제올라이트 섬유를 제조하기위해 전기방사 시 power supply(NanoNC Co., HV30 model)와 시린지 펌프(NEWERA Co.), 컬렉터(NanoNC Co., DC90 model)를 사용하였다. 암모니아수를 제작하기 위해 NH4Cl (SHAMCHUN Co., 99%)을 사용하였으며, 암모니아 분석 용액은 Nessler Regent 시약(Hach Co.)을 사용하여 DR 5000 (HACH, USA)를 이용해 측정하였다. 제작된 제올라이트 섬유막의 내구성 평가 및 재사용 평가를 위해 H2SO4(SAMCHUN Co.), NaCl(SAMCHUN Co.), KCl(Sigma Aldrich Co.)을 사용하였다.
제올라이트 섬유의 제조
제올라이트 섬유를 제작하기 위해 먼저 제올라이트 파우더를 제작하였다. 제올라이트 파우더는 천연 제올라이트와 금속 ball을 1:16 비율로 맞추어 용기에 넣었다. 약 4시간 동안 300 rpm으로 돌린 후 파우더의 입자 크기를 일정하게 하기 위해 38 ㎛ sieve를 통해 채를 쳐 사용하였다.
전기방사를 용액제조를 위해 DMF에 38 ㎛ 제올라이트 파우더를 농도별로 첨가하였다. 제올라이트 파우더가 용질에 고르게 분포되기 위해서 20분간 sonicator를 돌렸다. 그 후 각 용액에 10 wt%로 PAN을 첨가한 후 PAN의 용해를 위해 90℃에서 20분간 중탕한 후 충분한 용해를 위해 12시간동안 교반하였다. 각 용액의 첨가비 및 명칭을 Table 1에 나타냈다.
전기방사를 하기 전 12 mL 플라스틱 시린지에 zeolite/DMF 용액을 10 mL 채웠으며, 방사를 위해 20 Gauge 니들을 사용하였다. zeolite/DMF 방사 용액은 팁-컬렉터 까지의 거리는 15 cm로 설정하였고, 방사 시 15 kV 고전압을 가하였다. 용액의 주입 속도는 0.2 mL/min으로 하였으며, 컬렉터 위에 알루미늄 호일을 덮어 그 위에 섬유를 모았다. 전기방사 된 섬유는 용매가 완전히 휘발되도록 약 12시간동안 상온에서 건조시킨 후 105℃에서 12시간 건조시켰다. 완전히 건조된 제올라이트 섬유를 GF/C filter 크기로 사용하였다.
암모니아수 흡착 실험
암모니아수 흡착 실험은 1 ppm의 암모니아수를 제조하여 1회 실험 시 50 mL를 흘려 투과법으로 실험하였다. 암모니아의 제거량은 다음 Eq. (1)을 이용하여 계산하였다.
Co은 초기 암모니아수의 농도를 나타내며, Ct는 실험 후 암모니아수의 농도를 나타낸다. V는 실험에 사용된 용액의 양을 나타내며, m은 실험된 사용된 제올라이트 섬유막의 무게이다. 실험은 상온에서 수행하였으며 제올라이트 섬유를 투과 한 용액을 일정량을 HACH mannural Nessler 법에 준하여 흡광도계를 사용하여 흡착된 암모니아양을 계산하였다.
제올라이트 파우더를 통한 암모니아 흡착실험은 20% 제올라이트 섬유와 비교하기 위해 실시하였다. 20% 제올라이트 섬유 제작을 위해 사용된 파우더 제올라이트의 양은 방사된 면적과 흡착 유효면적을 통해 산출하였다.
제올라이트 섬유의 내구성 평가
제올라이트 섬유의 내구성 실험을 위해 0.1 M의 H2SO4에 1시간 침지 후의 무게와 건조 된 제올라이트 섬유의 무게를 측정한 후 증가된 무게를 평가하였다. 또한 안정성 실험을 위해 0.1 M의 H2SO4에 1시간 침지 한 제올라이트 섬유를 세척수가 pH 6.5 이상 될 때까지 증류수로 세척 하였다. 침지시킨 섬유 막의 암모니아흡착 효율 평가하였다.
암모니아 재사용 실험
제올라이트 멤브레인의 재사용 평가를 위한 암모니아 탈착 실험을 진행하였다. 암모니아 흡착실험을 진행한 시료를 흡착실험 시 통과시킨 용액의 역방향으로 100 mL 증류수를 통과시켜 세척한 후 암모니아 흡착실험을 반복하였다. 위 방법을 5회 반복한 후 재사용을 위한 화학적 처리를 위해 0.01 M의 KCl 용액과 NaCl의 용액 100 mL에 10분 동안 침지시킨 후 증류수로 세척 후 건조시켰다. 건조된 제올라이트 멤브레인의 암모니아 흡착 재사용 평가를 위해 위의 실험을 총 5회 반복하였다.
분석방법
제올라이트 섬유의 형태학적 특성분석을 위하여 전계방출 주사 전자현미경(Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM, JEOL Model JSM-6500F)을 사용하였으며, 에너지 분산형 분광분석법(Energy Dispersive Spectrometry, EDS, EOL Model JSM-6500F)을 통해 제올라이트 섬유의 성분을 분석하였다. 푸리에 변환 적외선 분광학(Fourier transform infrared, FT-IR, Nicolet iS50)을 통하여 제올라이트 섬유의 물성변화를 확인하였다. 또한 다공성재료 기공률 측정기(Capillary Flow Porometer, CFP, CFP-1500AEL)를 사용하여 섬유막의 기공 크기를 확인하였다.
흡착 등온식 평가
평형 흡착실험 결과는 Freundlich model과 Langmuir model을 이용하여 분석하였으며, Eq. (2)와 Eq. (3)을 통해 도출하였다.
이 때 Freundlich model에서 Ce는 흡착 후 평형 상태에서 수중 암모니아의 농도이며, Kf는 흡착 능력과 관련된 상수이며, n은 Freundlich 상수로 흡착 강도와 관련된 값이다. Qe는 흡착제 단위 질량당 흡착된 양(mg/g)이다. Langmuir model에서 b는 결합 에너지와 관련된 Langmuir 흡착상수이며, Qmax는 단위질량흡착제 당 흡착된 암모니아의 최대 흡착량이다.
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