산화철 자성 나노입자를 이용한 폴리스타이렌 입자의 흡착 제거

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, microplastics(MPs) are recognized as an significant water pollutant. When MPs are exposed to the envorinment, it is accumulated in humans and wild animals throughout the aquatic ecosystem. Despite the negative effects caused by MP, such as inducing inflammatory, damaging cells and immune reactions, the practical removing process of the MPs, especially small size (nano ~ micro), hasn’t been established yet. Bulk plastic was shattered into smaller pieces when exposed to ultraviolet (UV) radiation, mechanical forces such as weathering, and other degradation processes. As the plastic’s size decreases, it is difficult to remove the MPs in the marine system. Also, it takes a lot of time and cost to process them in water treatment applications. Iron oxide magnetic nanoparticles (IOPs) are widely used as sorbents of pollutants in wastewater treatment. IOPs has a large surface area which can adsorb more pollutants. Also, it’s unique magnetic property introduces aggregation along adsorb contaminants in wastewater. In this study, we conducted magnetic separation by adsorbing IOPs to MPs. Adsorption along IOPs with MPs proceeded rapidly within 1 minute and showed a more than 86.86±0.54 % removal rate with an adsorption capacity of 11.03±0.69 mg/g. After the adsorption, desorption was also performed by sonication process by showing the possibility of recycle. In conclusion, the adsorption process of MPs using IOPs expected to be used as a simple, eco-friendly, fast and cost effective MPs removal process.

국문 초록 (Abstract)

미세플라스틱은 화장품, 세안제, 산업용 제품 등 다양한 산업에서 사용하기 위해 제조되거나, 큰 플라스틱이 자외선에 노출되면서 기계적으로 마모되어 생성된다. 환경으로 유입된 미세플라스틱은 작은 크기로 인해 세포, 조직 등에 침투할 수 있으며 소수성 특징으로 인해 독성물질이 흡착될 수 있다. 또한, 수중 생물이 먹이로 착각하여 섭취하면서 먹이사슬에 의해 인간에게도 심각한 영향을 끼칠 수 있기 때문에 환경 내 미세플라스틱을 제거하기 위한 처리 공정의 확립이 필요하다. 현재 플라스틱 제거에 가장 많이 사용되고 있는 처리 방법은 분리막을 사용한 방법으로 99 % 이상의 제거 효율을 보이지만, 높은 비용과 크기가 작은 미세플라스틱은 제거되지 않는 문제점을 가지고 있어 미세플라스틱 제거를 위한 추가 공정 개발이 요구된다. 이 중에서도 산화철 나노입자를 이용한 흡착을 이용한 제거 공정은 빠르고, 간편하며 비용적인 측면에서 효율적이다.
본 연구에서는 수용액 상에서 산화철 나노입자를 사용하여 polystyrene을 흡착시키고 자성을 이용하여 polystyrene을 용액 내에서 제거하는 연구를 수행하였다. 광학 이미지, TEM 이미지, 흡광도를 통해 산화철 나노입자와 polystyrene 간 흡착을 확인하였다. 흡착시간, 산화철 나노입자의 농도, polystyrene의 농도에 따른 제거율과 흡착용량을 확인하였으며 Langmuir, Freundlich 등온흡착식에 대입하여 흡착의 종류 및 세기를 유추하였다. 또한, polystyrene의 크기별 질량, 표면적, 개수에 따른 제거율 비교를 통해 polystyrene 크기에 따른 제거율이 어떤 요소에 의해 결정되는지 확인하였다. 다양한 환경에서의 Zeta potential 측정을 통하여 표면 전하가 다른 pH 3, pH 7에서 polystyrene 제거율과 polystyrene 표면에 기능기 유무에 따른 제거율 비교를 통해 산화철 나노입자와 polystyrene의 흡착 기작을 분석하였다. 또한, 산화철 나노입자에 흡착된 polystyrene의 탈착 조건 탐색을 통해 산화철 나노입자의 재사용 가능성을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• II. 이론적 고찰 3
• 1. 미세플라스틱의 정의와 유해성 3
• 2. 미세플라스틱 처리 공정 6
• 3. 산화철 나노입자를 이용한 흡착 제거 7
• 4. Beer-Lambert 법칙을 이용한 흡광도 측정 8
• 5. 등온흡착식(Isotherm adsorption equation) 9
• 6. 구형 입자의 지름에 따른 표면적, 입자 수 계산 11
• III. 실험 장치 및 실험 방법 12
• 1. 시약 및 기구 12
• 2. 실험 방법 12
• 2.1 시약 제조 12
• 2.1.1 산화철 나노입자 희석 용액 제조 12
• 2.1.2 Polystyrene 희석 용액 제조 12
• 2.2 매개변수의 영향에 따른 산화철 나노입자와 polystyrene 흡착 실험 13
• 2.2.1 Vortex 시간에 따른 산화철 나노입자와 polystyrene 흡착 후 제거율 비교 13
• 2.2.2 산화철 나노입자 농도에 따른 산화철 나노입자와 polystyrene 흡착 후 제거율 비교 13
• 2.2.3 Polystyrene 농도에 따른 산화철 나노입자와 polystyrene 흡착 후 제거율 비교 13
• 2.3 Polystyrene 크기에 따른 제거율 비교 13
• 2.4 산화철 나노입자와 polystyrene 탈착 실험 13
• IV. 실험 결과 및 고찰 16
• V. 결 론 36
• 참고문헌 37
• Abstract 41
• 감사의 글 43
• Permission 45