키토산 복합막을 이용한 중금속 제거에 관한 연구

박 재민, 강 익중

경원대학교 화학공학과

A Study on the Removal of Heavy Metal Using Chitosan Complex Membrane

Jae Min Park, Ik Joong Kang

Department of Chemical Engineering, Kyungwon University

서론

키틴(Chitin)은 게, 새우, 곤충 등의 껍질로부터 분리할 수 있다. 키토산(Chitosan) 또는, poly(D-glucosamine)은 키틴을 deacetylation함으로써 얻을 수 있다[1]. 키토산은 산성용액에 녹으며 화학적 변화에 유용한 반응성 amino group을 가지고 있다. 인체에 무해하고 매우 많은 유용성을 가지고 있기 때문에 키토산으로부터 만들어진 기능성고분자는 이온교환수지 또는 흡착제로서의 역할을 가지므로 식품, 의약품에의 응용, 농약 및 중금속의 제거제, 폐수처리제등의 그 활용가치가 크다[2].

키토산으로 만들어진 막(membrane)은 키토산중의 amino group과 금속이온 사이에서의 복합물생성 반응에 따라서 금속이온을 흡착시킨다[3].

본 연구에서는 이러한 키토산의 특성을 이용해서 폐수중의 유해 중금속을 높은 제거율로 처리하고자 하였다.

Figure 1. Molecular Structure of Chitosan and Glucose.

이론

키토산에는  Fig. 1에 나타난 것처럼 amino group이 포함되어 있다. 이 amino group과 용액중의 중금속이온이 착물을 형성하면서 chitosan membrane에 흡착된다.

일반적으로 금속의 착이온 형성반응은 다음과 같다.[4]

[M(NH3)n-1]+m + NH3 □ [M(NH3)n]+m   M+m : 금속이온

본 연구에서 사용된 Hg(II), Cd(II), Cu(II), Ni(II)이온에 배위자(NH3)가 차례로 배위할 때, 각 단계에서 착물의 생성상수(formation constant)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.[4]

[eqn: M^2+ + NH_3 = [M(NH_3 )]^2+]

[eqn: K_1 = {[M(NH_3 )]^2+} over {[M^2+ ][NH_3 ]}]

[eqn: [M(NH_3 )]^2+ + NH_3 =[M(NH_3 )_2 ]^2+]

[eqn: K_2 = {[M(NH_3 )_2 ]^2+} over {[M(NH_3 )]^2+ [NH_3 ]}]

[eqn: [M(NH_3 )_2 ]^2+ + NH_3 =[M(NH_3 )_3 ]^2+]

[eqn: K_3 = {[M(NH_3 )_3 ]^2+} over {[M(NH_3 )_2 ]^2+ [NH_3 ]}]

[eqn: [M(NH_3 )_3 ]^2+ +NH_3 =[M(NH_3 )_4 ]^2+]

[eqn: K_4 = {[M(NH_3 )_4 ]^2+} over {[M(NH_3 )_3 ]^2+ [NH_3 ]}]

Hg(II) : K1 = 6×108, K2 = 5×108, K3 = 10, K4 = 6

Cd(II) : K1 = 500, K2 = 100, K3 = 20, K4 = 8

Cu(II) : K1 = 12000, K2 = 3000, K3 = 800, K4 = 120

Ni(II) : K1 = 500, K2 = 150, K3 = 50, K4 = 15

따라서 Hg(II) > Cu(II) > Ni(II) > Cd(II) 순으로 흡착이 잘 일어 나는 것을 알수 있다.

실험

키토산을 아세트산에 녹인 후에 유리판에 casting하고, Phase inversion process를 이용해서 membrane을 제조하였다. 이렇게 얻은 키토산 membrane에  cellulose-acetate를 처리하여, 키토산 복합막을 제조하였다. 제조한 membrane을 membrane batch reactor를 이용해 중금속의 제거실험을 수행하였다. 전체적인 실험장치는 Fig. 2와 같다. 압력은 20 atm, 온도는 상온에서 실험했으며 샘플 채취는 일정한 간격으로 4시간 수행하였다. 중금속 표준용액으로는 Hg(II), Cd(II), Cu(II), Ni(II)를 증류수에 용해시켜 사용했고 ICP(Spectro Company)를 이용해서 중금속의 농도를 측정하였다.

결과 및 토론

membrane을 통해 나온 시료용액을 분석해 본 결과 Fig. 3 및 Fig. 4와 같이 중금속 성분의 제거에 있어서 수은(Hg2+)의 경우 95.8%가 제거되었으며, 구리(Cu2+)의 경우는 93.9%, 니켈(Ni2+)의 경우는 85.6%, 카드뮴(Cd2+)의 경우는 83.0 %가 제거 되었음을 알 수 있다. 따라서 pH7에서 중금속 이온에 대한 키토산 복합막의 선택도는 Hg(II)>Cu(II)>Ni(II)>Cd(II)으로 이론적 순서와 같음을 알수 있으며, 본 실험에서 사용한 모든 중금속은 83% 이상의 높은 제거율을 보였다. 본 연구실은 앞으로 키토산 유도체를 합성하여 더욱 높은 중금속 제거율을 얻을 예정이다.

참고문헌

1. Kawamura, S., Effectiveness of Natural Polyeletrolystes in Water

Treatment., J. Am. Water Works Assoc., 83, 88, 1991.

2. Kataoka, T., Yoshida, H., Adsorption of HgCl2 on Cl- form Anion

Exchangers-Equilibrium Isotherm., Chem. Eng. J., 37,107,1988.

3. Randall, J. M., Randall, V. G., McDonald, G. M., Toung, R. N., Removal of

Trace Quantities of Nickel from Solution., J.Appl.Polym.Sci., 23,727,1979.

4. Yang, T. C., Zall, R. R., Adsortion of Metals by Natural Polymers

Generated from Seafood Processing Wastes, Ind. Eng. Chem. Prod. Res.

Dev., 23,168,1984.

5. Bjerrum, J. Metal Ammine Formation in Aqueous Solution; Hasse:

Copenhagen, 1941

6. Kobayashi, Y., Nakayama, T.Adsortion Property of Chitosan for Mercury

Aqueous Solution. Mizu-syori Gijutu 1985, 26, 308