중국 연구진은 물속의 병원균을 효율적으로 제거할 수 있는 새로운 Fe3O4/그래핀 나노복합물을 제조하는데 성공했다.

물속의 생체-유기 오염 물질을 제거하기 위해서는 다음과 같은 다양한 기술들이 사용된다: 물리적 프로세스(흡착, 증류, 여과), 생물학적 프로세스(활성화된 슬러지), 화학적 프로세스(응집 및 염소화), 광촉매 프로세스. 물속의 오염물질 제거에 나노물질을 적용하는 연구는 나노물질의 작은 크기 효과, 양자 크기 효과, 큰 표면 효과, 우수한 기계적 특성 때문에 최근에 광범위하게 진행되고 있다.

이것의 작은 크기 때문에, 물속에서 나노물질을 분리하는 것은 어렵다. 또한 이것은 나노물질의 재활용과 재사용을 어렵게 하고, 심각한 2차 오염을 생성할 수 있다. 지금까지 그래핀 복합물은 중금속과 유기 염료를 제거하는데 사용되었다. 그러나 Fe3O4로 개질된 그래핀으로 물속의 병원균 박테리아를 제거하는 연구는 없었다. 반대로 그래핀은 Fe3O4 응집을 방지할 수 있고, 매우 높은 표면적과 2차원 단일 시트 구조 때문에 제거 효율을 향상시킬 수 있다.

저널 ACS Applied Materials & Interfaces에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 박테리오파지와 박테리아를 효과적으로 제거하기 위해서 Fe3O4/그래핀(G-Fe3O4) 나노입자를 용매열(solvothermal) 방법으로 합성하는데 성공했다.

G-Fe3O4 복합물을 위한 E. coli의 제거 효율은 93.09%를 달성할 수 있었다. 이와는 반대로, Fe3O4 나노입자는 54.97%만을 달성할 수 있었다. 또한 G-Fe3O4 복합물은 박테리오파지(ms2)와 S. aureus, E. coli, Salmonella, E. Faecium, E. faecalis, Shigella와 같은 다양한 박테리아에 대해서 높은 제거 효율을 가진다.

자성 Fe3O4/그래핀 복합물은 물속에서 박테리아파지와 박테리아를 효과적으로 제거하기 위해서 용매열 방법으로 성공적으로 합성되었다. 이것은 HRTEM, XRD, BET, XPS, FTIR, CV, 자기적 특성, 제타-전위 측정(zeta-potential measurement)으로 테스트되었다. HRTEM의 결과를 기반으로 할 때, 그래핀 산화물의 단일-시트 구조와 그래핀 표면 위의 단분산 Fe3O4 나노입자들을 분명하게 관찰할 수 있었다.

더 나아가 실제 물 샘플에 대한 상세한 검증이 수행되었고, G-Fe3O4 복합물을 이용한 실제 물속의 박테리아 제거 효율을 94.8%까지 달성할 수 있었다. 또한 G-Fe3O4의 제거 메커니즘이 조사되었다. 이 연구결과는 저널 ACS Applied Materials & Interfaces에 “Highly Efficient Removal of Pathogenic Bacteria with Magnetic Graphene Composite”라는 제목으로 게재되었다.

그림. 물속의 병원균을 제거하는 Fe3O4/그래핀의 제조 공정.

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 2월 20일]

Among the various techniques used to remove bio-organic pollutants in water, such as physical processes (adsorption, distillation, and filtration), biological processes (activated sludge), chemical processes (flocculation and chlorination), and photocatalytic process, the application of nanomaterials in water has been extensively studied because of its small size effect, quantum size effect, huge surface effect, good mechanical properties, and so on in recent years. 

However, because of its small size, it is difficult to separate nanomaterials from water, which not only resulted in difficulty to recycle and reuse nanomaterials but also may generate serious secondary pollutions. 

So far, graphene composites were used to remove metal heavy and organic dye; however, there is no report to cleaning pathogens bacteria in water with Fe3O4 modified graphene. On the other hand, graphene can prevent Fe3O4 agglomeration and enhance the removal efficiency because of its huge specific surface area and two-dimensional single-sheet structure. 

A new paper in ACS Applied Materials & Interfaces ("Highly Efficient Removal of Pathogenic Bacteria with Magnetic Graphene Composite") reports the successful synthesis of Fe3O4/graphene (abbreviated as G-Fe3O4) nanoparticles by solvothermal method to effectively remove both bacteriophage and bacteria. 

The removal efficiency of E. coli for G-Fe3O4 composite can achieve 93.09%, whereas it is only 54.97% with Fe3O4 nanoparticles. 

In addition, the G-Fe3O4 composite show high removal efficiency for a wide range of pathogens including not only bacteriophage ms2, but also various bacteria such as S. aureus, E. coli, Salmonella, E. Faecium, E. faecalis, and Shigella. 

Moreover, a detailed verification test of real water samples was conducted and the removal efficiency of bacteria in real water for G-Fe3O4 composite can also reach 94.8%. The removal mechanism of G-Fe3O4 was also investigated.