KR102498178B1 - Sponge type sorbent media coated with reduced graphene oxide for removal of organic compound and oil contaminants and the manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 스펀지형 수착매체는 수중 및 지중의 유기 및 유류 오염물질, 일례로 페놀(phenol)계 화합물 등 비극성 유기화합물을 효과적으로 수착 제거할 수 있으며, 물리적, 화학적 안정성이 뛰어나 여러 번 재사용이 가능하므로, 사용이 간편하고 경제성 측면에서도 우수하고, 그래핀 산화물 또는 환원 그래핀 산화물의 뭉침이나 재적층(restacking)이 효과적으로 방지되며, 그래핀 산화물 내지 환원 그래핀 산화물 간 3차원 네트워크 구조를 형성하도록 하여, 수착 성능을 최적화할 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 스펀지형 수착매체는 수처리 공정에 적용이 간편하고 회수가 용이하며, 슬러지와 같은 2차 오염 물질을 발생시키지 않는 장점이 있어 현재 수중 및 지중 유류 오염 시 후속 조치로 사용하고 있는 흡착포를 대체하거나 또는 이를 보완하는 보완재로 사용이 가능하다.The sponge-type sorbent medium according to the present invention can effectively sorb and remove organic and oil contaminants in water and in the ground, for example, non-polar organic compounds such as phenol compounds, and can be reused several times due to its excellent physical and chemical stability. Therefore, it is easy to use and excellent in terms of economic feasibility, and aggregation or restacking of graphene oxide or reduced graphene oxide is effectively prevented, and a three-dimensional network structure between graphene oxide and reduced graphene oxide is formed. , the sorption performance can be optimized. Accordingly, the sponge-type sorbent medium according to the present invention is easy to apply to the water treatment process, easy to recover, and has the advantage of not generating secondary pollutants such as sludge. It can be used as a substitute for the absorbent cloth or as a supplementary material that supplements it.

Description

유기 및 유류 오염물질 수착 제거를 위한 환원 그래핀 산화물이 코팅된 스펀지형 수착매체 및 그 제조방법{Sponge type sorbent media coated with reduced graphene oxide for removal of organic compound and oil contaminants and the manufacturing method thereof} Sponge type sorbent media coated with reduced graphene oxide for removal of organic compound and oil contaminants and the manufacturing method thereof

본 발명은 유기 및 유류 오염물질 수착 제거를 위한 환원 그래핀 산화물이 코팅된 스펀지형 수착매체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sponge-type sorbent medium coated with reduced graphene oxide for sorption and removal of organic and oil contaminants and a manufacturing method thereof.

토양오염 중 주유소나 공장 또는 군부대의 유류 저장시설로부터 유출되는 유류로 인하여 지중 토양층 및 지하수가 오염되는 문제가 최근 부각되고 있다. 유류로 인한 오염물질은 대부분 비수용성 액체(Non Aqueous Phase Liquids) 형태로 존재하며, 물보다 가벼운 LNAPLs(Light Non Aqueous Phase Liquids)와 무거운 DNAPLs(Dense Non Aqueous Phase Liquids)로 구분될 수 있다. 특히 LNAPLs는 토양층과 지하수 상부층에 존재하며 토양 및 지하수를 동시에 오염시킨다. 유류 오염물질은 비교적 낮은 용해도와 지체된 이동 특성 및 토양 내 잔류 포화상태로 인하여 지속적인 오염원으로 작용하며, 대기 중으로 휘발 시 수용체에 독성, 발암성, 생육장애, 기형 등을 유발하므로, 이를 효과적으로 제거할 필요성이 있다.Among soil contamination, the problem of contamination of underground soil layer and groundwater due to oil leaking from gas stations, factories, or oil storage facilities of military bases has recently emerged. Most of the contaminants caused by oil exist in the form of non-aqueous phase liquids, and can be divided into light non-aqueous phase liquids (LNAPLs) and dense non-aqueous phase liquids (DNAPLs), which are lighter than water. In particular, LNAPLs exist in the upper layer of soil and groundwater and contaminate soil and groundwater simultaneously. Oil contaminants act as a continuous pollutant due to their relatively low solubility, delayed migration characteristics, and residual saturation in the soil. When volatilized into the air, they cause toxicity, carcinogenicity, growth disorder, and deformity to receptors, so they cannot be effectively removed. There is a need.

그래핀(Graphene)은 탄소 원자들이 sp2 결합으로 이루어진 벌집 모양의 2차원 평면 구조의 탄소 동소체이다. 그래핀은 원자 단위 두께(0.2 ㎚)와 약 2,630 m2/g의 매우 넓은 비표면적을 보유하며, 200,000 ㎝2/V·s의 매우 높은 전성(instinsic) 전자이동도, ~5000 W/m·K의 높은 열전도도를 갖는 등 뛰어난 물리적 특성을 가진다.Graphene is a carbon allotrope with a honeycomb-shaped two-dimensional planar structure in which carbon atoms are sp 2 bonded. Graphene has an atomic unit thickness (0.2 nm) and a very large specific surface area of about 2,630 m 2 /g, and a very high instinsic electron mobility of 200,000 cm 2 /V s, ~5000 W/m It has excellent physical properties such as high thermal conductivity of K.

한편, 그래핀 제조 공정은 크게 화학적 박리법과 화학적 기상 증착법이 있으며, 이 중 휴머스 방법(Hummer's method)로 알려진 화학적 박리법이 대량생산에 유리하여 널리 사용되고 있고, 이에 따라 제조되는 그래핀이 산화된 형태의 그래핀 산화물(Graphene Oxide, GO)은 이를 추가로 환원시킴으로써 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide, rGO)로 제조할 수도 있다. Meanwhile, the graphene manufacturing process largely includes chemical exfoliation and chemical vapor deposition. Among them, the chemical exfoliation method known as Hummer's method is advantageous for mass production and is widely used. The form of graphene oxide (GO) may be further reduced to produce reduced graphene oxide (rGO).

상기 그래핀 산화물, 특히 환원 그래핀 산화물은 넓은 비표면적과 큰 전기전도성으로 인한 정전기적 인력으로 수중 유기 오염물질과 π-π interaction을 형성하므로 수중 유기 오염물질을 효과적으로 제거하는 용도로 사용될 수 있다. 현재까지 진행된 GO 내지 rGO를 이용한 오염물질 흡착 연구는 주로 분말 형태의 소재로 진행되었으며, 이러한 분말 형태의 소재는 연속식 처리 공정 또는 투과성 반응 벽체(PRB, Permeable Reactive Barrier)의 반응 물질로의 사용 시 수용액 상에서 분리/회수 어려움 때문에 실용화에 제한적이다. The graphene oxide, particularly the reduced graphene oxide, forms a π-π interaction with organic pollutants in water by electrostatic attraction due to its large specific surface area and high electrical conductivity, so it can be used to effectively remove organic pollutants in water. Pollutant adsorption studies using GO or rGO conducted so far have been mainly conducted with powder-type materials, and these powder-type materials are used as a reaction material in a continuous treatment process or a permeable reactive barrier (PRB). Due to the difficulty of separation/recovery in the aqueous phase, its practical use is limited.

또한, 그래핀 산화물 또는 환원 그래핀 산화물을 건조하는 과정에서 그래핀 산화물 층간 재적층(restacking)이 발생하여 물질 고유의 특성을 잃어버리기 때문에 재적층을 방지하고, 수착에 효과적인 3차원 네트워크 구조를 가지게 하기 위한 적절한 담체가 요구되는 상황이다.In addition, in the process of drying graphene oxide or reduced graphene oxide, restacking between layers of graphene oxide occurs and the inherent properties of the material are lost, preventing restacking and having a three-dimensional network structure effective for sorption. This is a situation in which an appropriate carrier is required for this.

본 발명은, 종래 기술로서 자기조립(Self-assembling) 방법 등에 따라 그래핀 산화물(GO) 또는 환원 그래핀 산화물(rGO)을 다공성의 스펀지형 담체에 코팅하는 경우 제조 과정이 복잡하고, 대량생산이 어려우며, 물리적 강도가 떨어져 재사용이 어려운 등의 문제점을 극복하기 위하여, 보다 간단한 딥코팅(Dip-coating) 방식으로 그래핀 산화물 입자 또는 환원 그래핀 산화물 입자가 코팅된 스펀지형 수착매체를 제조하되, 그래핀 산화물 입자가 코팅되는 경우 및 환원 그래핀 산화물 입자가 코팅되는 경우 각각에 최적의 공정 조건을 확립함으로써, 최적의 수착 성능을 나타낼 수 있도록 한 스펀지형 수착매체 제조방법 및 이에 따라 제조된 스펀지형 수착매체를 제공하기 위한 것이다. In the present invention, when graphene oxide (GO) or reduced graphene oxide (rGO) is coated on a porous sponge-type carrier according to a self-assembly method as a prior art, the manufacturing process is complicated, and mass production is difficult. In order to overcome problems such as difficulty and difficulty in reuse due to poor physical strength, a sponge-type sorbent medium coated with graphene oxide particles or reduced graphene oxide particles is prepared by a simpler dip-coating method, Method for manufacturing a sponge-type sorption medium capable of exhibiting optimum sorption performance by establishing optimal process conditions for the case of coating pin oxide particles and the case of coating reduced graphene oxide particles, respectively, and the sponge-type sorption prepared thereby to provide a medium.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. In addition, the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned above will become clear to those skilled in the art from the description below. You will be able to understand.

본 명세서에서는, a) 스펀지를 초음파 세척 및 건조하는 단계; b) 스펀지를 그래핀 산화물(Graphene Oxide) 및 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide) 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 그래핀 용액에 침지시키고, 물리적으로 스퀴징(squeezing) 하는 단계; c) 상기 b 단계에서 얻어진 스펀지를 3 내지 5 시간 동안 1차 열처리하는 단계; d) 상기 c 단계에서 얻어진 스펀지를 초음파 세척하여 스펀지 표면에 과코팅된 입자를 제거하는 단계; 및 e) 상기 스펀지를 3 내지 5 시간 동안 2차 열처리하는 단계; 를 포함하는, 스펀지형 수착매체 제조방법을 제공한다.In the present specification, a) ultrasonic cleaning and drying the sponge; b) immersing the sponge in a graphene solution containing at least one selected from graphene oxide and reduced graphene oxide, and physically squeezing the sponge; c) primary heat treatment of the sponge obtained in step b for 3 to 5 hours; d) ultrasonically cleaning the sponge obtained in step c to remove overcoated particles on the surface of the sponge; and e) subjecting the sponge to a secondary heat treatment for 3 to 5 hours; It provides a method for producing a sponge-type sorbent medium comprising a.

또한, 본 명세서에서 상기 b 단계의 그래핀 용액은 암모니아 용액으로 pH 9 내지 10 범위가 되도록 적정한 것인, 스펀지형 수착매체 제조방법을 제공한다. In addition, the present specification provides a sponge-type sorption medium manufacturing method in which the graphene solution in step b is titrated to a pH in the range of 9 to 10 with an ammonia solution.

또한, 본 명세서에서 상기 b 단계의 그래핀 용액은 그래핀 산화물(Graphene Oxide) 용액이며, 상기 c 단계 및 e 단계의 열처리는 50 내지 70 ℃ 온도 범위 내에서 수행되는, 스펀지형 수착매체 제조방법을 제공한다.In addition, in the present specification, the graphene solution in step b is a graphene oxide solution, and the heat treatment in steps c and e is performed within a temperature range of 50 to 70 ° C. to provide.

또한, 본 명세서에서 상기 b 단계의 그래핀 용액은 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide) 용액이며, 상기 환원 그래핀 산화물 용액은 그래핀 산화물 용액을 90 내지 110 ℃ 온도 범위 내에서 열처리하여 얻은 것인, 스펀지형 수착매체 제조방법을 제공한다.In addition, in the present specification, the graphene solution of step b is a reduced graphene oxide solution, and the reduced graphene oxide solution is obtained by heat-treating a graphene oxide solution within a temperature range of 90 to 110 ° C. , It provides a method for producing a sponge-type sorbent medium.

또한, 본 명세서에서 상기 b 단계의 그래핀 용액은 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide) 용액이며, 상기 c 단계 및 e 단계의 열처리는 90 내지 110 ℃ 온도 범위 내에서 수행되는, 스펀지형 수착매체 제조방법을 제공한다.In addition, in the present specification, the graphene solution of step b is a reduced graphene oxide solution, and the heat treatment of steps c and e is performed within a temperature range of 90 to 110 ° C., preparing a sponge-type sorbent medium provides a way

본 명세서에서는, 상기 방법에 따라 제조된 스펀지형 수착매체로서, 상기 수착매체는 스펀지 표면에 그래핀 산화물 입자 및 환원 그래핀 산화물 입자 중 선택되는 1종 이상의 입자가 코팅된 것인, 스펀지형 수착매체를 제공한다.In the present specification, a sponge-type sorbent medium prepared according to the above method, wherein the sponge-type sorbent medium is coated with at least one type of particles selected from graphene oxide particles and reduced graphene oxide particles on the surface of the sponge. provides

또한, 본 명세서에서 상기 스펀지는 폴리우레탄(Polyurethane)계, 멜라민(Melamine)계 또는 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol)계 스펀지인, 스펀지형 수착매체를 제공한다.In addition, in the present specification, the sponge provides a sponge-type sorbent medium that is a polyurethane-based, melamine-based, or polyvinyl alcohol-based sponge.

또한, 본 명세서에서 상기 스펀지형 수착매체 표면의 물에 대한 접촉각도는 110°이상인, 스펀지형 수착매체를 제공한다.In addition, the present specification provides a sponge-type sorption medium in which the surface of the sponge-type sorption medium has a contact angle with respect to water of 110° or more.

또한, 본 명세서에서 상기 스펀지형 수착매체 전체 중량을 기준으로, 스펀지 표면에 코팅된 그래핀 산화물 입자 및 환원 그래핀 산화물 입자는 1 내지 10 중량%로 포함되는, 스펀지형 수착매체를 제공한다.In addition, the present specification provides a sponge-type sorption medium in which the graphene oxide particles coated on the surface of the sponge and the reduced graphene oxide particles are included in 1 to 10% by weight based on the total weight of the sponge-type sorption medium.

또한, 본 명세서에서 상기 스펀지형 수착매체는 표면 흡착, 모세관 힘(capillary force) 및 흡입(suction) 중 선택되는 1종 이상의 메커니즘을 통해 수중 및 지중의 유기 및 유류 오염물질을 스펀지의 기공 표면 및 내부에 수착하는, 스펀지형 수착매체를 제공한다.In addition, in the present specification, the sponge-type sorbent medium removes organic and oil contaminants in water and underground through at least one mechanism selected from surface adsorption, capillary force, and suction on the pore surface and inside of the sponge. To provide a sponge-type sorbent medium that is sorbed to.

또한, 본 명세서에서 상기 스펀지형 수착매체는 수중 페놀 흡착 제거 테스트 시 pH 4 조건 하에서 24시간 동안 흡착량(qe)이 18 mg/g 이상인, 스펀지형 수착매체를 제공한다.In addition, in the present specification, the sponge-type sorbent medium has an adsorption amount (q e ) of 18 mg/g or more for 24 hours under a pH of 4 condition in the water phenol adsorption removal test.

또한, 본 명세서에서 상기 스펀지형 수착매체는 수중 페놀 흡착 제거 테스트 시 pH 7 조건 하에서 24시간 동안 흡착량(qe)이 17 mg/g 이상인, 스펀지형 수착매체를 제공한다.In addition, in the present specification, the sponge-type sorbent medium has an adsorption amount (q e ) of 17 mg/g or more for 24 hours under a pH of 7 condition in the water phenol adsorption removal test.

또한, 본 명세서에서 상기 스펀지형 수착매체는 수중 페놀 흡착 제거 테스트 시 pH 10 조건 하에서 24시간 동안 흡착량(qe)이 14 mg/g 이상인, 스펀지형 수착매체를 제공한다.In addition, the sponge-type sorption medium in the present specification provides a sponge-type sorption medium having an adsorption amount (q e ) of 14 mg/g or more for 24 hours under a pH 10 condition in the water phenol adsorption removal test.

본 명세서에서는, 수중 및 지중의 유기 및 유류 오염물질을 처리하기 위한 방법으로서, 상기 스펀지형 수착매체를 오염수에 투입하여, 수중 또는 지중의 유기화합물 또는 유류 오염물질을 수착하여 제거하는, 유기 및 유류 오염물질 수착 제거 방법을 제공한다.In the present specification, as a method for treating organic and oil pollutants in water and underground, the sponge-type sorbent medium is put into contaminated water to absorb and remove organic compounds or oil pollutants in water or underground, organic and A method for removing oil contaminants by sorption is provided.

또한, 본 명세서에서 상기 유기화합물은 페놀(phenol)계 화합물인, 유기 및 유류 오염물질 수착 제거 방법을 제공한다. In addition, in the present specification, the organic compound is a phenol-based compound, and a method for sorbing and removing organic and oil contaminants is provided.

본 발명에 따른 스펀지형 수착매체는 수중 또는 지중의 유기 및 유류 오염물질, 일례로 페놀(phenol)계 화합물 등 비극성 유기화합물을 효과적으로 수착 제거할 수 있으며, 물리적, 화학적 안정성이 뛰어나 여러 번 재사용이 가능하므로, 사용이 간편하고 경제성 측면에서도 우수하다. The sponge-type sorbent medium according to the present invention can effectively sorb and remove organic and oil contaminants in water or underground, for example, non-polar organic compounds such as phenol compounds, and can be reused several times due to its excellent physical and chemical stability. Therefore, it is easy to use and excellent in terms of economy.

또한, 본 발명에 따른 스펀지형 수착매체 제조방법에 따르면 그래핀 산화물 또는 환원 그래핀 산화물의 뭉침이나 재적층(restacking)이 효과적으로 방지되며, 그래핀 산화물 내지 환원 그래핀 산화물 간 3차원 네트워크 구조를 형성하도록 하여, 수착 성능을 최적화할 수 있다. In addition, according to the sponge-type sorbent medium manufacturing method according to the present invention, agglomeration or restacking of graphene oxide or reduced graphene oxide is effectively prevented, and a three-dimensional network structure between graphene oxide and reduced graphene oxide is formed. By doing so, the sorption performance can be optimized.

또한, 본 발명에 따른 스펀지형 수착매체는 수처리 공정에 적용이 간편하고 회수가 용이하며, 슬러지와 같은 2차 오염 물질을 발생시키지 않는 장점이 있어 현재 수중 및 지중 유류 오염 시 후속 조치로 사용하고 있는 흡착포를 대체하거나 또는 이를 보완하는 보완재로 사용이 가능하다. In addition, the sponge-type sorbent medium according to the present invention is easy to apply to the water treatment process, easy to recover, and has the advantage of not generating secondary pollutants such as sludge, which is currently used as a follow-up measure in case of underwater and underground oil contamination. It can be used as a substitute for the absorbent cloth or as a supplementary material that supplements it.

도 1은 화학적 박리법인 휴머스 방법(Hummer's method)을 통해 그래핀 산화물 및 환원 그래핀 산화물을 제조하는 과정을 간략하게 나타낸 것이다.
도 2는 그래핀 산화물 및 환원 그래핀 산화물과 유·무기 이온 간의 흡착 메커니즘을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 그래핀 산화물과 스펀지가 결합되는 메커니즘을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 딥코팅(Dip-coating) 방식으로 스펀지 표면에 그래핀 산화물 또는 환원 그래핀 산화물 입자를 코팅하는 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 열처리 온도 별 제조된 스펀지 표면을 광학 현미경(Optical microscope)을 이용하여 관찰한 것을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 환원 그래핀 산화물 코팅 전 및 후의 스펀지 및 스펀지 표면을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 스펀지형 수착매체(rGO-PU)의 소수성을 확인한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 폴리우레탄 재질(PU)의 스펀지에 환원 그래핀 산화물을 코팅한 횟수에 따른 코팅양을 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 스펀지형 수착매체(rGO-PU)의 수중 페놀 흡착 제거 테스트 결과를 나타낸 것이다.
1 schematically illustrates a process of preparing graphene oxide and reduced graphene oxide through a chemical exfoliation method, Hummer's method.
2 shows an adsorption mechanism between graphene oxide and reduced graphene oxide and organic/inorganic ions.
3 schematically illustrates a mechanism in which graphene oxide and a sponge are bonded according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 schematically shows a process of coating graphene oxide or reduced graphene oxide particles on the surface of a sponge in a dip-coating method according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the observation of the surface of the sponge prepared for each heat treatment temperature according to an embodiment of the present invention using an optical microscope.
6 shows a sponge and a sponge surface before and after coating reduced graphene oxide according to an embodiment of the present invention.
7 shows the result of confirming the hydrophobicity of the sponge-type sorption medium (rGO-PU) prepared according to an embodiment of the present invention.
8 shows the result of analyzing the coating amount according to the number of times of coating reduced graphene oxide on a polyurethane material (PU) sponge according to an embodiment of the present invention.
9 shows the result of a phenol adsorption/removal test in water of a sponge-type sorbent medium (rGO-PU) prepared according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 기재를 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 기재의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing the present description, descriptions of already known functions or configurations will be omitted to clarify the gist of the present description.

한편, 본 발명의 명세서 및 청구범위 전반에 사용되는 용어인 "수착(sorbent)"은 흡수(absorb)와 흡착(adsorb)를 모두 포함하는 개념으로서, 본 발명에서 다공성 스펀지형 매체의 표면으로 유기화합물 및 유류 오염물질을 흡착하거나, 거대기공 내부로 유기화합물 및 유류 오염물질을 흡수하는 경우를 포괄하는 의미로 이해되어야 한다. On the other hand, the term "sorbent" used throughout the specification and claims of the present invention is a concept that includes both absorption and adsorption, and in the present invention, an organic compound is applied to the surface of a porous sponge-type medium. and adsorbing oil contaminants or absorbing organic compounds and oil contaminants into macropores.

상술한 바와 같이, 주유소나 공장 또는 군부대의 유류 저장시설로부터 유출되는 유류로 인하여 지중 토양층 및 지하수가 오염되는 경우 분말 소재의 GO 내지 rGO를 사용하여 왔으나, 이들 분말 형태의 소재는 연속식 처리 공정 또는 투과성 반응 벽체(PRB, Permeable Reactive Barrier)의 반응 물질로의 사용 시 수용액 상에서 분리/회수 어려움 때문에 실용화에 제한적이고, 그래핀 산화물 또는 환원 그래핀 산화물을 건조하는 과정에서 그래핀 산화물 층간 재적층(restacking)이 발생하여 물질 고유의 특성을 잃어버리기 때문에 재적층을 방지하고, 흡착 및 흡수에 효과적인 3차원 네트워크 구조를 가지게 하기 위한 적절한 담체가 요구되었다. 관련하여, 종래 기술인 자기조립(Self-assembling) 방법 등에 따라 그래핀 산화물(GO) 또는 환원 그래핀 산화물(rGO)을 다공성의 스펀지형 담체에 코팅하는 경우 제조 과정이 복잡하고, 대량생산이 어려우며, 물리적 강도가 떨어져 재사용이 어려운 등의 문제점이 발생하였다. As described above, when the underground soil layer and groundwater are contaminated due to oil leaking from gas stations, factories, or oil storage facilities of military units, GO or rGO in powder form has been used. When using a permeable reactive barrier (PRB) as a reactive material, its practical use is limited due to difficulties in separation/recovery in an aqueous solution, and in the process of drying graphene oxide or reduced graphene oxide, restacking between layers of graphene oxide ) occurs and the inherent properties of the material are lost, so an appropriate carrier for preventing re-stacking and having a three-dimensional network structure effective for adsorption and absorption is required. In this regard, when graphene oxide (GO) or reduced graphene oxide (rGO) is coated on a porous sponge-type carrier according to the prior art self-assembly method, the manufacturing process is complicated, and mass production is difficult, Problems such as poor physical strength and difficulty in reuse occurred.

본 발명자들은 종래 기술 대비 보다 간단한 방식인 딥코팅(Dip-coating) 방식으로 그래핀 산화물 입자 또는 환원 그래핀 산화물 입자를 다공성 재질의 스펀지에 코팅하되, 그래핀 산화물 코팅 또는 환원 그래핀 산화물 코팅 각각의 경우에 따른 최적의 공정 조건을 확립함으로써, 코팅 효율 및 코팅 안정성을 확보하고, 그래핀 산화물 내지 환원 그래핀 산화물(입자) 간 3차원 네트워크 구조를 효과적으로 형성시킴으로써, 수중 및 지중의 유기 및 유류 오염물질, 예를 들어 페놀(phenol)계 화합물 등 비극성 유기화합물을 효과적으로 수착 제거하며, 물리적, 화학적 안정성이 뛰어나 여러 번 재사용이 가능하므로, 사용이 간편하고 경제성 측면에서도 우수하다는 점을 실험을 통하여 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다. The present inventors coated graphene oxide particles or reduced graphene oxide particles on a sponge made of a porous material by a dip-coating method, which is simpler than the prior art, and each of the graphene oxide coating or the reduced graphene oxide coating By establishing optimal process conditions according to the case, coating efficiency and coating stability are secured, and by effectively forming a three-dimensional network structure between graphene oxide and reduced graphene oxide (particles), organic and oil contaminants in water and underground , For example, it effectively sorbs and removes non-polar organic compounds such as phenol compounds, and it has excellent physical and chemical stability and can be reused many times, so it is easy to use and excellent in terms of economic efficiency. Confirmed through experiments, The present invention has been completed.

스펀지형 수착매체 및 그 제조방법Sponge type sorbent medium and manufacturing method thereof

구체적으로 본 발명의 일구현예에 따른 스펀지형 수착매체 제조방법은, a) 스펀지를 초음파 세척 및 건조하는 단계; b) 스펀지를 그래핀 산화물(Graphene Oxide) 및 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide) 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 그래핀 용액에 침지시키고, 물리적으로 스퀴징(squeezing) 하는 단계; c) 상기 b 단계에서 얻어진 스펀지를 3 내지 5 시간 동안 1차 열처리하는 단계; d) 상기 c 단계에서 얻어진 스펀지를 초음파 세척하여 스펀지 표면에 과코팅된 입자를 제거하는 단계; 및 e) 상기 스펀지를 3 내지 5 시간 동안 2차 열처리하는 단계; 를 포함할 수 있다. Specifically, the method for manufacturing a sponge-type sorbent medium according to an embodiment of the present invention includes the steps of: a) ultrasonically cleaning and drying a sponge; b) immersing the sponge in a graphene solution containing at least one selected from graphene oxide and reduced graphene oxide, and physically squeezing the sponge; c) primary heat treatment of the sponge obtained in step b for 3 to 5 hours; d) ultrasonically cleaning the sponge obtained in step c to remove overcoated particles on the surface of the sponge; and e) subjecting the sponge to a secondary heat treatment for 3 to 5 hours; can include

먼저, 스펀지를 초음파 세척 및 건조한다(단계 a).First, the sponge is ultrasonically cleaned and dried (step a).

본 발명에서 스펀지는 담체로서 사용되며, 다공성을 가진 것일 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 스펀지는 폴리우레탄(Polyurethane)계, 멜라민(Melamine)계 또는 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol)계 스펀지일 수 있으며, 상기 재질의 스펀지의 경우 거대 기공으로 인하여 투수성이 우수하여 연속반응장치에서 사용 시 여과 저항이 작고, 표면 상에 그래핀 산화물 내지 환원 그래핀 산화물 입자를 안정적으로 담지할 수 있다. In the present invention, a sponge is used as a carrier and may have a porous surface. The sponge according to one embodiment of the present invention may be a polyurethane-based, melamine-based, or polyvinyl alcohol-based sponge, and in the case of the sponge made of the above material, excellent water permeability due to macropores Therefore, when used in a continuous reactor, the filtration resistance is small, and graphene oxide or reduced graphene oxide particles can be stably supported on the surface.

일례로, 상기 단계는 폴리우레탄계 스펀지를 1 ㎝ X 1 ㎝ X 1 ㎝ 크기의 큐브(cube) 형태로 재단한 다음, 스펀지 제조 과정에서 스펀지 내부에 잔류한 불순물을 효과적으로 제거하기 위한 과정으로서 아세톤 용매 등으로 세척하는 과정을 거쳐 진행되는 것일 수 있다. 한편, 상기 단계는 불순물을 제거하는 세척이 완료된 후, 스펀지를 증류수로 헹구고 드라이오븐에서 60 ℃ 온도로 완전히 건조하는 과정을 포함할 수 있다. For example, in the above step, a polyurethane sponge is cut into a cube having a size of 1 cm X 1 cm X 1 cm, and then, as a process for effectively removing impurities remaining inside the sponge during the sponge manufacturing process, an acetone solvent, etc. It may be that it proceeds through a process of washing with . Meanwhile, the step may include, after washing to remove impurities, rinsing the sponge with distilled water and completely drying the sponge in a dry oven at 60° C.

다음으로, 스펀지를 그래핀 산화물(Graphene Oxide) 및 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide) 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 그래핀 용액에 침지시키고, 물리적으로 스퀴징(squeezing) 한다(단계 b).Next, the sponge is immersed in a graphene solution containing at least one selected from graphene oxide and reduced graphene oxide, and physically squeezed (step b) .

상기 단계는 스펀지 표면 상에 그래핀 산화물 내지 환원 그래핀 산화물 입자를 충분히 코팅하기 위한 과정으로서, 종래 기술 대비 보다 간편한 딥코팅(Dip-coating) 방식이 사용되는 것일 수 있다.The step is a process for sufficiently coating graphene oxide or reduced graphene oxide particles on the surface of the sponge, and a simpler dip-coating method may be used compared to the prior art.

종래 기술에 따라 분말 형태의 GO 내지 rGO를 수처리 과정에 사용하는 경우, 그래핀 산화물 또는 환원 그래핀 산화물이 수중 분산 이후 건조되는 과정에서 재적층(restacking) 되어 고유 특성을 잃어버릴 수 있으므로, 2차원의 그래핀 산화물 시트를 고형의 3차원 그래핀 산화물 네트워크 스펀지로 제조할 필요성이 있다. 이러한 그래핀 산화물 스펀지는 무게 대비 많은 접근 가능한 공극(accessible pore volume)으로 인해 뛰어난 흡착제로 활용이 가능하다. When GO or rGO in the form of powder is used in the water treatment process according to the prior art, graphene oxide or reduced graphene oxide may lose its unique properties by restacking in the process of being dried after being dispersed in water. There is a need to fabricate graphene oxide sheets into a solid three-dimensional graphene oxide network sponge. Such a graphene oxide sponge can be used as an excellent adsorbent due to its large accessible pore volume compared to its weight.

구체적으로, 본 발명에서 스펀지 표면 상에 코팅되는 그래핀 산화물 내지 환원 그래핀 산화물은 휴머스 방법(Hummer's method) 등으로 알려진 화학적 박리법(chemical exfoliation)에 의해 제조된 것일 수 있다. 상기 방법은, 흑연(Graphite)을 강산과 산화제로 반응시켜 산화 흑연(Graphite Oxide)로 제조한 후, 박리를 유도하여 그래핀이 산화된 형태인 그래핀 산화물(Graphene Oxide, GO)로 제조하는 것일 수 있으며, 이를 환원시키면 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide, rGO)로 제조된다(도 1 참조). Specifically, in the present invention, the graphene oxide or reduced graphene oxide coated on the surface of the sponge may be prepared by a chemical exfoliation method known as Hummer's method or the like. The method is to prepare graphite oxide by reacting graphite with a strong acid and an oxidizing agent, and then inducing exfoliation to produce graphene oxide (GO), which is an oxidized form of graphene. It can be reduced, and when it is reduced, it is produced as reduced graphene oxide (rGO) (see FIG. 1).

한편, 본 발명에서 그래핀 용액이라 함은 그래핀 산화물(Graphene Oxide) 및 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide) 중 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 일례로 그래핀 산화물 용액 또는 환원 그래핀 산화물 용액일 수 있다. Meanwhile, in the present invention, the graphene solution may include at least one selected from graphene oxide and reduced graphene oxide, and for example, a graphene oxide solution or reduced graphene oxide. It may be a pin oxide solution.

상기 단계에서 스펀지 표면 상에 코팅되는 그래핀 산화물 내지 환원 그래핀 산화물은 넓은 비표면적과 큰 전기전도성으로 인한 정전기적 인력으로 수중 또는 지중 유기화합물과 π-π interaction을 형성하므로, 수중 또는 지중 유기화합물을 효과적으로 제거할 수 있게 된다(도 2 참조). In the above step, the graphene oxide or reduced graphene oxide coated on the surface of the sponge forms a π-π interaction with the organic compound in the water or in the ground due to the electrostatic attraction due to the large specific surface area and high electrical conductivity, so that the organic compound in the water or in the ground can be effectively removed (see FIG. 2).

한편, 상기 단계에서 사용되는 그래핀 용액은 스펀지를 침지시키기 전에 그래핀 용액을 암모니아(ammonia) 용액으로 pH 9 내지 10 범위가 되도록 적정한 것일 수 있다. 한편, 그래핀 용액이 상기 pH 범위가 되도록 함으로써, 용액 내 그래핀 산화물 또는 환원 그래핀 산화물 입자 간 뭉침 현상에 의한 코팅 안정성 저하를 효과적으로 방지하게 된다.On the other hand, the graphene solution used in the above step may be a graphene solution titrated to a pH in the range of 9 to 10 with an ammonia solution before immersing the sponge. On the other hand, by allowing the graphene solution to be in the above pH range, the degradation of coating stability due to aggregation between graphene oxide or reduced graphene oxide particles in the solution is effectively prevented.

일례로, 상기 단계는 5mg/mL의 GO 수용액에 스펀지를 침지시킨 후, 물리적인 방법을 사용하여 압축 및 수축을 1회 이상, 예를 들어 3회 이상 반복 수행하는 것일 수 있고, 이러한 스퀴징(squeezing) 과정을 통해 스펀지 내부에까지 GO 또는 rGO 용액이 고르게 침투할 수 있도록 할 수 있다(도 3 참조). As an example, the step may be to immerse the sponge in a 5 mg / mL GO aqueous solution, and then perform compression and contraction repeatedly using a physical method one or more times, for example, three or more times, such as squeezing ( It is possible to allow the GO or rGO solution to penetrate evenly into the sponge through the squeezing process (see FIG. 3).

한편, 본 발명의 일실시예에서, 상기 그래핀 용액이 그래핀 산화물(Graphene Oixde) 용액인 경우, 후술할 c 단계 및 e 단계의 열처리 과정이 50 내지 70℃ 온도 범위 내에서 수행될 수 있고, 본 발명의 또 다른 일실시예에서, 상기 그래핀 용액이 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide) 용액인 경우, 후술할 c 단계 및 e 단계의 열처리 과정이 90 내지 110℃ 온도 범위 내에서 수행될 수 있다. On the other hand, in one embodiment of the present invention, when the graphene solution is a graphene oxide (Graphene Oixde) solution, the heat treatment process of steps c and e to be described later may be performed within a temperature range of 50 to 70 ° C., In another embodiment of the present invention, when the graphene solution is a reduced graphene oxide solution, heat treatment processes of steps c and e to be described later may be performed within a temperature range of 90 to 110 ° C. there is.

상기와 같이, 그래핀 용액 내 포함된 주된 성분이 달라지는 경우 최적의 열처리 온도가 달라지게 되며, 이는 환원 그래핀 산화물이 주된 성분으로 포함된 환원 그래핀 산화물 용액의 경우 점도가 높아진 현탁액 형태로 변형되기 때문이다. 한편, 상기와 같이 그래핀 용액의 주된 성분에 따라 열처리 과정의 온도를 달리하는 경우, 각각의 경우에서 스펀지 표면에 그래핀 산화물 입자 또는 환원 그래핀 산화물 입자가 고르게 코팅되는 것을 확인할 수 있다(도 5 및 도 6 참조).As described above, when the main components included in the graphene solution are changed, the optimum heat treatment temperature is changed, and this is because the reduced graphene oxide solution containing reduced graphene oxide as a main component is not transformed into a suspension form with increased viscosity. Because. On the other hand, when the temperature of the heat treatment process is varied according to the main components of the graphene solution as described above, it can be seen that the graphene oxide particles or reduced graphene oxide particles are evenly coated on the surface of the sponge in each case (FIG. 5 and see FIG. 6).

한편, 상기 b 단계에서 사용되는 환원 그래핀 산화물 용액은 그래핀 산화물 용액을 90 내지 110 ℃ 온도 범위 내에서 열처리하여 얻은 것일 수 있고, 구체적으로 히팅 맨틀(heating mantle) 등에서 열처리가 수행되는 것일 수 있다. On the other hand, the reduced graphene oxide solution used in step b may be obtained by heat-treating the graphene oxide solution within a temperature range of 90 to 110 ° C., and specifically, heat treatment may be performed in a heating mantle or the like. .

다음으로, 상기 b 단계에서 얻어진 스펀지를 3 내지 5 시간 동안 1차 열처리할 수 있으며(단계 c), 상기 c 단계에서 얻어진 스펀지를 초음파 세척하여 스펀지 표면에 과코팅된 입자를 제거하고(단계 d), 상기 스펀지를 3 내지 5 시간 동안 2차 열처리함으로써(단계 e), 최종적으로 담체인 스펀지 표면 및 내부에 그래핀 산화물 입자 및 환원 그래핀 산화물 입자 중 선택되는 1종 이상의 입자가 코팅된 스펀지형 수착매체를 얻을 수 있다(도 4 참조). Next, the sponge obtained in step b may be subjected to a primary heat treatment for 3 to 5 hours (step c), and the sponge obtained in step c is ultrasonically cleaned to remove overcoated particles on the surface of the sponge (step d) , By subjecting the sponge to a secondary heat treatment for 3 to 5 hours (step e), sponge-type sorption coated with one or more particles selected from graphene oxide particles and reduced graphene oxide particles on the surface and inside of the sponge, which is a carrier, finally. media can be obtained (see Fig. 4).

한편, 상기 단계에서 1차 및 2차 열처리 과정은 코팅 안정성 확보를 위해 수행되는 것일 수 있고, 상술한 바와 같이, 스펀지 표면 및 내부에 코팅된 입자가 그래핀 산화물 입자인 경우, 상기 열처리 과정이 50 내지 70 ℃ 온도 범위, 상세하게는 60 ℃ 온도에서 수행될 수 있으며, 코팅된 입자가 환원 그래핀 산화물 입자인 경우, 상기 열처리 과정이 90 내지 110 ℃ 온도 범위, 상세하게는 100 ℃ 온도에서 수행될 수 있다. 한편, 상기와 같이, 입자 종류에 따라 표면개질 및 물성 변화를 기대하기 위한 위한 열처리 온도를 달리함으로써, 스펀지 표면 및 내부에 입자 코팅을 원활히 수행할 수 있게 된다. On the other hand, in the above step, the first and second heat treatment processes may be performed to secure coating stability, and as described above, when the particles coated on the surface and inside of the sponge are graphene oxide particles, the heat treatment process is 50 to 70 ° C., in particular, at 60 ° C., and when the coated particles are reduced graphene oxide particles, the heat treatment process may be performed at a temperature in the range of 90 to 110 ° C., specifically at 100 ° C. can On the other hand, as described above, by varying the heat treatment temperature for expecting surface modification and physical property change according to the type of particle, it is possible to smoothly perform particle coating on the surface and inside of the sponge.

한편, 상술한 단계를 통해 제조되는 스펀지형 수착매체는 스펀지 표면 및 내부에 그래핀 산화물 입자 및 환원 그래핀 산화물 입자 중 선택되는 1종 이상의 입자가 코팅됨으로써, 수중 및 지중의 유기 및 유류 오염물질을 효과적으로 수착하여 제거할 수 있게 된다. 구체적으로, 상기 스펀지형 수착매체는 표면 흡착, 모세관 힘(capillary force) 및 흡입(suction) 중 선택되는 1종 이상의 메커니즘을 통해 유기 및 유류 오염물질을 스펀지 기공 표면 및 내부에 수착함으로써, 이를 효과적으로 제거할 수 있다. On the other hand, the sponge-type sorbent medium prepared through the above steps is coated with at least one type of particles selected from graphene oxide particles and reduced graphene oxide particles on the surface and inside of the sponge, thereby removing organic and oil contaminants in water and underground. It can be absorbed and removed effectively. Specifically, the sponge-type sorption medium effectively removes organic and oil contaminants by sorbing them on the surface and inside of the pores of the sponge through at least one mechanism selected from surface adsorption, capillary force, and suction. can do.

한편, 상술한 바와 같이 스펀지는 폴리우레탄(Polyurethane)계, 멜라민(Melamine)계 또는 폴리비닐알코올(Polyvinyl Alcohol)계 스펀지, 일례로 폴리우레탄계 스펀지일 수 있다. Meanwhile, as described above, the sponge may be a polyurethane-based sponge, a melamine-based sponge, or a polyvinyl alcohol-based sponge, for example, a polyurethane-based sponge.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른, 스펀지형 수착매체는 수착매체 표면의 물에 대한 접촉각도가 110°이상을 가져 소수성 특성을 가지는 것일 수 있고, 일례로 환원 그래핀 산화물 입자가 코팅된 스펀지 표면의 경우 약 131°의 접촉각을 가질 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the sponge-type sorption medium may have a hydrophobic property because the contact angle of the surface of the sorption medium with respect to water is 110 ° or more, and for example, a sponge coated with reduced graphene oxide particles The surface may have a contact angle of about 131°.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른, 스펀지형 수착매체는 수착매체 전체 중량을 기준으로, 스펀지 표면 및 내부에 코팅된 그래핀 산화물 입자 및 환원 그래핀 산화물 입자가 1 내지 10 중량%로 포함되는 것일 수 있다. 한편, 상기 코팅량은 상술한, b 내지 e 단계를 반복 수행함으로써 증가할 수 있으며, 상기 중량% 범위 내에서 최적의 흡착량을 가지게 되며, 상기 중량% 미만의 경우 충분한 흡착 효과를 기대하기 어렵고, 상기 중량%를 초과하는 경우 흡착 효과 증가가 거의 없어 경제성이 떨어질 수 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the sponge-type sorption medium contains 1 to 10% by weight of graphene oxide particles and reduced graphene oxide particles coated on the surface and inside of the sponge based on the total weight of the sorption medium. it could be On the other hand, the coating amount can be increased by repeating steps b to e described above, and has an optimal adsorption amount within the weight% range, and when the weight% is less than the weight%, it is difficult to expect a sufficient adsorption effect, If the weight % is exceeded, there is little increase in adsorption effect, and thus economic feasibility may decrease.

구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 스펀지형 수착매체는 수중 페놀 흡착 제거 테스트 시 pH 4 조건 하에서 24시간 동안 흡착량(qe)이 18 mg/g 이상일 수 있고, 또 다른 실시예에 따르면 수중 페놀 흡착 제거 테스트 시 pH 7 조건 하에서 24시간 동안 흡착량(qe)이 17 mg/g 이상일 수 있으며, 또 다른 실시예에 따르면 수중 페놀 흡착 제거 테스트 시 pH 10 조건 하에서 24시간 동안 흡착량(qe)이 14 mg/g 이상일 수 있다. Specifically, the sponge-type sorbent medium according to an embodiment of the present invention may have an adsorption amount (q e ) of 18 mg / g or more for 24 hours under a pH 4 condition in the water phenol adsorption removal test, and according to another embodiment In the water phenol adsorption removal test, the adsorption amount (q e ) for 24 hours under pH 7 conditions may be 17 mg / g or more, and according to another embodiment, in the water phenol adsorption removal test, the adsorption amount for 24 hours under pH 10 conditions ( q e ) may be greater than or equal to 14 mg/g.

수중 및 지중의 유기 및 유류 오염물질 수착 제거 방법Method for sorption and removal of organic and oil contaminants in water and in the ground

한편, 본 발명의 일실시예에 따라 상술한 바와 같은 스펀지형 수착매체를 사용한 유기 및 유류 오염물질 수착 제거 방법은 수중 및 지중의 유기 및 유류 오염물질을 처리하기 위한 방법으로서, 상술한 스펀지형 수착매체를 오염수에 투입하여, 수중 또는 지중의 유기화합물 또는 유류 오염물질을 수착하여 제거하는 형태로 이루어질 수 있으며, 상기 유기화합물은 비극성 유기화합물일 수 있고, 일례로 페놀(phenol)계 화합물일 수 있다. On the other hand, according to an embodiment of the present invention, the method for sorbing and removing organic and oil contaminants using a sponge-type sorbent medium as described above is a method for treating organic and oil contaminants in water and underground, and the above-described sponge-type sorption The medium may be introduced into contaminated water to absorb and remove organic compounds or oil pollutants in water or underground, and the organic compound may be a non-polar organic compound, for example, a phenol-based compound. there is.

실시예Example

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 구현예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Since the present invention can have various changes and various forms, specific embodiments are exemplified and described in detail below. However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, and includes all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

실시예 1Example 1

먼저 휴머스 방법(Hummer's method)으로 준비한 그래핀 산화물을 포함하는 액상 그래핀 산화물(5 mg/mL) 저장용액을 만든 후, 입자 간 뭉침 현상에 의한 코팅 안정성 저하를 방지하기 위해 암모니아 용액을 이용하여 적정함으로써 저장용액의 pH가 10이 되도록 하였다. First, a liquid graphene oxide (5 mg/mL) stock solution containing graphene oxide prepared by the Hummer's method was prepared, and then an ammonia solution was used to prevent deterioration in coating stability caused by aggregation between particles. The pH of the stock solution was adjusted to 10 by titration.

폴리우레탄 스펀지는 1 ㎝ X 1 ㎝ X 1 ㎝ 크기의 큐브(cube) 형태로 재단하고, 스펀지 제조 과정에서 잔류한 불순물을 효과적으로 제거하기 위하여 아세톤 용매로 초음파 세척하였으며, 증류수로 헹구고 드라이오븐에서 60 ℃ 온도로 완전히 건조하여 준비하였다. The polyurethane sponge was cut into a cube with a size of 1 cm X 1 cm X 1 cm, and ultrasonically washed with an acetone solvent to effectively remove impurities remaining during the sponge manufacturing process, rinsed with distilled water, and dried in a dry oven at 60 ° C. It was prepared by completely drying at high temperature.

다음으로, 폴리우레탄 스펀지를 상기 준비된 저장용액 내에 침지시킨 후, 스펀지 내부까지 용액이 유입될 수 있도록 물리적인 압축 및 수축 과정을 3회 반복수행하였으며, 스펀지를 꺼내어 다시 물리적으로 압축 및 수축을 3회 반복하여 GO 용액을 스펀지 외부로 압출하였다. Next, after immersing the polyurethane sponge in the prepared storage solution, the physical compression and contraction process was repeated 3 times so that the solution could flow into the sponge, and the sponge was taken out and physically compressed and contracted 3 times again. The GO solution was repeatedly extruded out of the sponge.

다음으로, 스펀지를 60℃ 온도에서 4시간 동안 열처리하여 (1차 열처리)함으로써 코팅 안정성을 확보하였으며, 건조 과정 후 초음파 세척기(sonication bath)에서 초음파 세척함으로써, 스펀지 표면에 과도하게 코팅된 그래핀 산화물 입자를 제거하였다. 이후 스펀지를 다시 60℃ 온도에서 4시간 동안 열처리하여 (2차 열처리)함으로써, 스펀지형 수착매체를 얻었다(PU-GO 제조).Next, coating stability was secured by heat-treating the sponge at a temperature of 60 ° C. for 4 hours (first heat treatment), and after drying, by ultrasonic cleaning in a sonication bath, graphene oxide excessively coated on the surface of the sponge Particles were removed. Thereafter, the sponge was heat-treated again at 60° C. for 4 hours (secondary heat treatment) to obtain a sponge-type sorbent medium (manufactured by PU-GO).

실시예 2Example 2

실시예 1과 동일한 방법으로 스펀지형 수착매체를 얻되, 그래핀 산화물 용액 대신 그래핀 산화물 용액을 히팅 맨틀(Heating mantle)에서 100 ℃ 조건으로 6시간 열처리하여 얻은 환원 그래핀 산화물 용액을 사용한 것, 1차 및 2차 열처리 과정을 각각 100℃ 온도 조건 하에서 열처리하여 수행한 것만 달리하였다(PU-rGO 제조).A sponge-type sorbent medium was obtained in the same manner as in Example 1, but a reduced graphene oxide solution obtained by heat treatment of the graphene oxide solution in a heating mantle at 100 ° C. for 6 hours was used instead of the graphene oxide solution, 1 The primary and secondary heat treatment processes were only performed by heat treatment under a temperature condition of 100 ° C, respectively (PU-rGO production).

비교예 1Comparative Example 1

실시예 1과 달리, 아무런 처리하지 않은 폴리우레탄 스펀지를 준비하였다. Unlike Example 1, a polyurethane sponge was prepared without any treatment.

[실험 1: 코팅 특성 측정] [Experiment 1: Measurement of coating properties]

실시예 2에 따라 제조된 스펀지형 수착매체를 광학 현미경(optical microscope)으로 관찰한 결과는 도 5와 같다. 도 5를 참고하면, 100 ℃ 조건으로 열처리 과정을 수행하여 얻은 PU-rGO의 경우 표면에 rGO 입자들이 고르게 코팅되며, 낮은 온도에서 열처리된 경우 대비 코팅된 입자의 양도 현저히 증가한 것을 확인할 수 있었다. The result of observing the sponge-type sorbent medium prepared according to Example 2 under an optical microscope is shown in FIG. 5 . Referring to FIG. 5, in the case of PU-rGO obtained by performing a heat treatment process at 100 ° C., rGO particles were evenly coated on the surface, and it was confirmed that the amount of coated particles significantly increased compared to the case of heat treatment at a low temperature.

한편, 도 6에서와 같이 주사전자현미경(scanning electron microscope)을 통하여 확인한 결과, UV-Vis를 통하여 열처리하여 제조된 rGO 용액의 경우 40 내지 80 ℃ 범위에서는 230 ㎚ 부근에서 피크가 관측되어 GO 형태가 유지되나, 100 ℃ 범위에서는 245 ㎚ 부근의 파장에서 피크가 관측되어 GO가 rGO 형태로 전환된 것을 확인할 수 있었다. On the other hand, as a result of checking through a scanning electron microscope as shown in FIG. 6, in the case of the rGO solution prepared by heat treatment through UV-Vis, a peak was observed at around 230 nm in the range of 40 to 80 ° C, indicating that the GO form However, in the range of 100 ° C., a peak was observed at a wavelength of around 245 nm, confirming that GO was converted to rGO form.

[실험 2: 접촉각 측정] [Experiment 2: Contact angle measurement]

도 7은 실시예 2에 따라 제조된 스펀지형 수착매체 표면을 접촉각 분석하여 스펀지 표면의 소수성을 평가한 결과를 나타낸 것으로서, 액체를 물로 선정하여 접촉 각을 측정한 결과, 131° 접촉각을 나타낸 것을 확인하였으며, 이를 통해 본 발명에 따라 제조된 스펀지형 수착매체는 소수성 표면을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 7 shows the results of evaluating the hydrophobicity of the sponge surface by analyzing the contact angle of the surface of the sponge-type sorption medium prepared in Example 2, and as a result of measuring the contact angle by selecting water as the liquid, it was confirmed that the contact angle was 131 ° Through this, it was confirmed that the sponge-type sorbent medium prepared according to the present invention has a hydrophobic surface.

[실험 3: 수중 페놀 흡착 성능 측정 실험][Experiment 3: Measurement of phenol adsorption performance in water]

수중 유기화합물인 페놀의 흡착 성능 측정을 위하여 상기 실시예 2 및 비교예 1에 따른 폴리우레탄 스펀지를 준비하였다. 참고로, 실시예 2에 따라 준비된 PU-rGO는 상술한 과정을 3회 반복하여, 스펀지형 수착매체 전체 중량을 기준으로 rGO 입자가 6.21중량% 코팅된 것을 사용하였다(도 8 참조).In order to measure the adsorption performance of phenol, an organic compound in water, polyurethane sponges according to Example 2 and Comparative Example 1 were prepared. For reference, the PU-rGO prepared according to Example 2 was used by repeating the above-described process three times to have 6.21% by weight of rGO particles based on the total weight of the sponge-type sorbent medium (see FIG. 8).

상기 실험은 산성(pH 4), 중성(pH 7) 및 염기성(pH 10) 조건 하에서 각각 24시간 동안 수행되었으며, 이때 페놀은 수중에 10mg/L로 포함되도록 하였다. 한편, 흡착 성능을 측정하기 위한 지표로서 흡착량(qe) 값은 아래의 계산식 1에 의해 도출하였다.The experiment was performed for 24 hours under acidic (pH 4), neutral (pH 7) and basic (pH 10) conditions, respectively, and at this time, phenol was included in water at 10 mg/L. On the other hand, as an index for measuring adsorption performance, the adsorption amount (q e ) value was derived by the following formula 1.

Figure 112020144104482-pat00001
(계산식 1)
Figure 112020144104482-pat00001
(Calculation 1)

C0 : 페놀 용액의 초기 농도 (mg/L)C 0 : initial concentration of phenol solution (mg/L)

Ce : 흡착 반응 후 페놀 용액의 평형 농도 (mg/L)C e : Equilibrium concentration of phenol solution after adsorption reaction (mg/L)

M : 반응에 주입된 스펀지의 질량 (mg)M : mass of sponge injected into the reaction (mg)

V : 페놀 용액의 부피 (L)V : volume of phenol solution (L)

상기 실험 결과는 도 9와 같으며, 이를 참조하면, 비교예 1에 따른 PU 스펀지의 흡착량(qe) 값은 pH 별로 각각 11.3 mg/g(pH 4 조건), 11.8 mg/g(pH 7 조건), 8.9 mg/g(pH 10 조건)의 값을 나타내었고, 실시예 2에 따른 PU-rGO 스펀지의 흡착량(qe) 값은 pH 별로 각각 18.2 mg/g(pH 4 조건), 17.4 mg/g(pH 7 조건), 14.5 mg/g(pH 10 조건)의 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 실시예 2에 따라 제조된 스펀지형 수착매체의 경우, 비교예 1 대비 각각 pH 4 조건에서 약 61.1%, pH 7 조건에서 약 47.5%, pH 10 조건에서 약 62.9% 흡착 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. The experimental results are shown in FIG. 9, and referring to this, the adsorption amount (q e ) of the PU sponge according to Comparative Example 1 was 11.3 mg/g (pH 4 condition) and 11.8 mg/g (pH 7) for each pH, respectively. condition), and 8.9 mg/g (pH 10 condition), and the adsorption amount (q e ) value of the PU-rGO sponge according to Example 2 was 18.2 mg/g (pH 4 condition) and 17.4 for each pH, respectively. It was confirmed that the values were mg/g (pH 7 condition) and 14.5 mg/g (pH 10 condition). Through this, in the case of the sponge-type sorption medium prepared according to Example 2, compared to Comparative Example 1, the adsorption performance is improved by about 61.1% under pH 4 conditions, about 47.5% under pH 7 conditions, and about 62.9% under pH 10 conditions, respectively. could confirm that

또한, 본 발명에 따라 제조된 PU-rGO 스펀지의 경우 물리적, 화학적으로 안정하여 여러 번 재사용이 가능함을 확인하였다. In addition, it was confirmed that the PU-rGO sponge prepared according to the present invention is physically and chemically stable and can be reused several times.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 구현예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 구현예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.In the foregoing, although specific embodiments of the present invention have been described and illustrated, it is common knowledge in the art that the present invention is not limited to the described embodiments, and that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have Therefore, such modifications or variations should not be individually understood from the technical spirit or viewpoint of the present invention, and modified implementations should belong to the claims of the present invention.

Claims (15)

a) 폴리우레탄(polyurethane)계 스펀지를 초음파 세척 및 건조하는 단계;
b) 스펀지를 환원 그래핀 산화물(Reduced Graphene Oxide) 용액에 침지시키고, 물리적으로 스퀴징(squeezing) 하는 단계;
c) 상기 b 단계에서 얻어진 스펀지를 90 내지 110 ℃ 온도 범위 내에서 3 내지 5 시간 동안 1차 열처리하는 단계;
d) 상기 c 단계에서 얻어진 스펀지를 초음파 세척하여 스펀지 표면에 과코팅된 입자를 제거하는 단계; 및
e) 상기 스펀지를 90 내지 110 ℃ 온도 범위 내에서 3 내지 5 시간 동안 2차 열처리하는 단계; 를 포함하는, 스펀지형 수착매체 제조방법.
a) ultrasonically cleaning and drying a polyurethane-based sponge;
b) immersing the sponge in a reduced graphene oxide solution and physically squeezing it;
c) primary heat treatment of the sponge obtained in step b in a temperature range of 90 to 110 ° C for 3 to 5 hours;
d) ultrasonically cleaning the sponge obtained in step c to remove overcoated particles on the surface of the sponge; and
e) subjecting the sponge to a second heat treatment in a temperature range of 90 to 110 ° C for 3 to 5 hours; A method for producing a sponge-type sorbent medium comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 b 단계의 환원 그래핀 산화물 용액은 암모니아 용액으로 pH 9 내지 10 범위가 되도록 적정한 것인, 스펀지형 수착매체 제조방법.
According to claim 1,
Wherein the reduced graphene oxide solution in step b is titrated with an ammonia solution to a pH in the range of 9 to 10, a sponge-type sorbent medium manufacturing method.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 b 단계의 환원 그래핀 산화물 용액은 그래핀 산화물 용액을 90 내지 110 ℃ 온도 범위 내에서 열처리하여 얻은 것인, 스펀지형 수착매체 제조방법.
According to claim 1,
The reduced graphene oxide solution of step b is obtained by heat-treating the graphene oxide solution within a temperature range of 90 to 110 ° C., a sponge-type sorbent medium manufacturing method.
삭제delete 제 1 항의 방법에 따라 제조된 스펀지형 수착매체로서,
상기 수착매체는 폴리우레탄(polyurethane)계 스펀지 표면에 환원 그래핀 산화물 입자가 스펀지형 수착매체 전체 중량을 기준으로 1 내지 10 중량%로 코팅된 것인, 스펀지형 수착매체.
A sponge-type sorbent medium prepared according to the method of claim 1,
The sorbent medium is a sponge-type sorbent medium in which reduced graphene oxide particles are coated on the surface of a polyurethane-based sponge in an amount of 1 to 10% by weight based on the total weight of the sponge-type sorbent medium.
삭제delete 제 6 항에 있어서,
상기 스펀지형 수착매체 표면의 물에 대한 접촉각도는 110°이상인, 스펀지형 수착매체.
According to claim 6,
The sponge-type sorption medium, wherein the surface of the sponge-type sorption medium has a contact angle with respect to water of 110 ° or more.
삭제delete 제 6 항에 있어서,
상기 스펀지형 수착매체는 표면 흡착, 모세관 힘(capillary force) 및 흡입(suction) 중 선택되는 1종 이상의 메커니즘을 통해 수중 및 지중의 유기 및 유류 오염물질을 스펀지의 기공 표면 및 내부에 수착하는, 스펀지형 수착매체.
According to claim 6,
The sponge-type sorbent medium sorbs organic and oil contaminants in water and underground to the surface and inside the pores of the sponge through at least one mechanism selected from surface adsorption, capillary force, and suction. sorbent medium.
제 6 항에 있어서,
상기 스펀지형 수착매체는 수중 페놀 흡착 제거 테스트 시 pH 4 조건 하에서 24시간 동안 흡착량(qe)이 18 mg/g 이상인, 스펀지형 수착매체.
According to claim 6,
The sponge-type sorption medium has an adsorption amount (q e ) of 18 mg / g or more for 24 hours under pH 4 conditions in the water phenol adsorption removal test.
제 6 항에 있어서,
상기 스펀지형 수착매체는 수중 페놀 흡착 제거 테스트 시 pH 7 조건 하에서 24시간 동안 흡착량(qe)이 17 mg/g 이상인, 스펀지형 수착매체.
According to claim 6,
The sponge-type sorption medium has an adsorption amount (q e ) of 17 mg / g or more for 24 hours under pH 7 conditions in the water phenol adsorption removal test.
제 6 항에 있어서,
상기 스펀지형 수착매체는 수중 페놀 흡착 제거 테스트 시 pH 10 조건 하에서 24시간 동안 흡착량(qe)이 14 mg/g 이상인, 스펀지형 수착매체.
According to claim 6,
The sponge-type sorption medium has an adsorption amount (q e ) of 14 mg / g or more for 24 hours under a pH 10 condition in the water phenol adsorption removal test.
수중 및 지중의 유기 및 유류 오염물질을 처리하기 위한 방법으로서, 제 6 항의 스펀지형 수착매체를 오염수에 투입하여,
수중 또는 지중의 유기화합물 또는 유류 오염물질을 수착하여 제거하는, 유기 및 유류 오염물질 수착 제거 방법.
As a method for treating organic and oil pollutants in water and underground, the sponge-type sorbent medium of claim 6 is injected into contaminated water,
A method for sorbing and removing organic and oil pollutants by sorbing and removing organic compounds or oil pollutants in water or in the ground.
제 14 항에 있어서,
상기 유기화합물은 페놀(phenol)계 화합물인, 유기 및 유류 오염물질 수착 제거 방법.
15. The method of claim 14,
The organic compound is a phenol-based compound, organic and oil contaminant sorption removal method.
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