Chitosan 박편과 chitosan 섬유의 금속이온 흡착능에 관한 연구

Abstract

Selective adsorption ability of chelate resin is superior to ion exchange resin because regand with unshared pair of electrons in its molecular structure effects on chelating formation with metal ion. However, its adsorption rate towards metal ion is lower. Therefore, if adsorption rate can be enhanced, it can be shown that disadvantage of chelate resin nearly is solved. Chitin and chitosan which are one of the most abundant biomass have been widely studied such as biodegradable chelate resin. Structural ability of chitin which is arised from its strong micelle formation ability effects on its chemical reactivity and metal ion adsorption ability. On the other hand chitosan, polymer derived from chitin by process called deacetylation, itself has excellent adsorption ability. During the last two decades for the purpose of further improving its selective adsorption ability, various types of derivatives have been studied. In this study chitosan was characterised by various treatment condition of HCI to investigate the effects when chitosan itself is used chelate resin. Chitosan was prepared with different charaterization process, following change of the treatment conditions(reation time(2~8Hrs), reaction temperature(10~40℃), concentration of HCI (2~3N)). Chitosan yielded in this method was measured the molecular weight and the degree of deacetylation. Size of chitosan molecular weight by obtaining according to the change of treatment condition is not subjected to effect on reaction temperature. Thus, if concentration of HCI is the range of 2~3N and reaction time is limited to 5Hrs, chitosan of extremely high molecular weight(about 0.8~1.0million) is yield. Degree of deacetylation of chitosan was appeared to increase when the treatment condition of HCI was under the low temperature(10~20℃) than high temperature(30~40℃). Metal ion adsorption ability of bead was measured in three kinds of metal ion(Cu, Cd, Cr), and chitosan fiber, its surface much wider than chitosan bead, was also measured in the same method to compare their adsorption behavior arised from chitosan formation type. Recovery ratio(%) all types of chitosan bead towards all metal ion was up to 60~80 into 10minutes and it was taken 120minutes to obtain 100% recovery ratio of chitosan fiber, recovery ratio(%) towards Cu and Cr metal ion was up to 100 and recovery ratio(%) towards Cd metal ion was up to 80 into 10minutes after adsorption reaction start. Thus, adsorption of the chitosan fiber is more excellent than one of the chitosan bead. According to the data obtained from above experiments, the adsorption behaviour of chitosan towards metal ion depends on its degree of deacetylation than size of molecular weight.;최근 환경문제가 전세계적으로 심각하게 대두되고 있으며 특히 산업폐수에 의한 유해 중금속 오염문제가 중요과제로 등장하게 되었다. 이에 따라 유해 중금속을 처리할 수 있는 선택적 흡착능이 우수하고 생분해성을 갖는 chelate수지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. chelate 수지는 분자내에 비공유 전자쌍을 함유하고 있는 리간드가 금속이온과의 chelate 형성에 기본적으로 의존하게 되므로 금속이온의 선택적 흡착능이 지극히 높으나 chelate 수지의 가장 큰 단점은 금속이온의 흡착 속도가 낮다는 점인데 흡착속도만 현저히 상승시킬수 있다면 chelate수지의 단점은 거의 해결되었다고 보아도 무방할 것이다. 이러한 chelate 수지로서의 요구조건을 갖추고 있는 물질중의 하나로서 연구개발이 활발히 이루어지고 있는 것 중의 하나가 chitin, chitosan 생분해성 chelate 수지이다. chitin은 아미노아세틸기들 간의 강한 미셀 형성능으로 인해 구조적으로 안정하나 chitosan에 비해 화학적 반응성과 금속흡착능이 현저히 낮다. 반면 chitin의 탈아세틸화물인 chitosan은 그 자체로도 우수한 금속 흡착능을 지니고 있으나 좀 더 효율적인 선택적 흡착능을 부여하기 위하여 다양한 관능기가 도입된 유도체들이 연구되고 있다. 본 연구에서는 chitosan 자체를 chelate 수지로 사용하려는 의도하에서 가교를 도입시키거나 관능기의 도입을 배제하고 금속이온 흡착능을 향상시킬수 있도록 chitosan자체를 특성화시켜 그 결과를 검토하였다. Chitosan의 특성화에서는 거갑각으로부터 chitosan의 제조조건인 반응온도(10~40℃), 반응시간(2~8hr), HCI의 농도(2~3N)변화에 따라 다양하게 수득되는 chitosan에 대하여 분자량 분석, 탈아세틸화도 분석을 통하여 chitosan의 제조조건의 변화가 chitosan의 제반 물리화학적 특성에 미치는 영향을 체계적으로 검토하였다. HCI의 농도 2~3N 범위에서는 HCI 처리조건이 5시간 이내로 조정되면 처리온도의 영향을 크게 받지 않으며 대략 분자량 80만~100만 범위의 극히 고분자량의 chitosan 수득이 가능하다. 또한 HCI 처리온도가 30~40℃의 고온인 경우에는 온도상승으로 인한 무작위한 분자쇄의 절단이 수반되는 것으로 추정된다. 분자량 분포가 좁은 chitosan을 수득키 위해서는 20℃ 이하의 HCI 처리온도가 요구된다. 30℃, 40℃에 해당하는 비교적 고온의 HCI 처리조건보다는 10℃,20℃의 저온에서의 처리조건에서 chitosan의 탈아세틸화도가 상승되는 경향을 보여준다. HCI 처리조건의 변화에 따라서 다양하게 얻어지는 chitosan의 Cu, Cd, Cr 금속이온에 대한 흡착능을 조사하였다. 박편 형태의 chitosan에 비해서 표면적이 넓은 chitosan섬유를 금속흡착 실험에 사용함으로서 chitosan 성형체의 특성이 금속이온 흡착능에 미치는 영향을 조사하였다. Chitosan 박편을 0.2g 첨가하고 흡착실험을 행하는 경우 모든 금속에서 흡착개시 10분 이내에 흡착회수율이 60~80%에 도달돼 흡착개시 120분 이내에 흡착회수율이 100%에 달하고 있다. 반면 chitosan섬유 0.2g이 가해질 경우는 Cu와 Cr의 경우 흡착개시 10분 이내에 흡착회수율이 100%에 도달되며 Cd의 경우 80%정도에 도달되어 chitosan박편에 비하여 월등히 높은 흡착속도와 흡착회수율이 발현되고 있다. 금속이온의 농도가 20, 10, 5ppm으로 저하되어 금속이온 용액내에 용존하고 있는 금속이온의 절대량이 간소되어도 chitosan 박편의 흡착율은 상승되지 않는다. 이로부터 금속이온의 농도가 낮아질수록 금속이온의 제거가 어려워진다는 사실이 증명되고 있다. 본 연구에서 사용된 분자량의 크기 50만~100만 범위의 해당하는 chitosan 시료들에서 분자량의 크기는 금속이온 흡착능에 거의 영향을 미치지 않고 있다. 탈아세틸화도가 커질수록 흡착속도와 흡착회수율이 상승되고 있어 분자량의 크기보다는 탈아세틸화도가 흡착회수율에 큰영향을 미치고 있음을 알 수 있다.