63.5~200.6 사이의 원자량을 가지는 원소와 비중(specific gravity)이 5보다 큰 원소는 중금속(heavy metal)이라고 알려져 있다. 중금속의 일부 이온은 독성 또는 발암성인 한편, 이러한 금속은 생물 분해되지 않고 살아 있는 유기체에 축적되는 경향이 있다. 산업 폐수의 처리에 있어서 특별한 관심의 대상이 되는 독성 중금속은 아연, 구리, 니켈, 수은, 카드뮴, 납 및 크롬 등이다. 카드뮴, 아연, 구리, 니켈, 납, 수은 및 크롬 등은 종종 산업 폐수에서 검출되고, 그 기원은 도금, 광산 활동, 제련, 배터리 제조, 석유 정제, 페인트 제조, 살충제, 안료 제조, 프린팅 및 사진 산업 등에서 유래한다. 

폐수에 함유된 중금속 이온과 다른 불순물은 용매 추출, 침전, 진공 증발, 막 기술, 이온 교환 및 흡착 등과 같은 광범위한 방법을 이용하여 오염된 물에서 제거될 수 있다. 과거 수십 년에 걸쳐, 제올라이트는 오염 제거, 도시 및 산업 폐수의 정화, 폐기물 처분 지역의 보호, 산업용 기체의 정화에 대한 상당한 응용 가능성을 가진다. 과거 많은 연구진은 수용성 매질에서 중금속 이온을 제거하기 위하여 자연적인 제올라이트와 합성 제올라이트를 이용하는 방안을 연구해왔다. 높은 표면적, 개별적인 마이크로 기공, 다양한 채널, 높은 저항 등과 같은 특성은 산업적 응용과 학계 연구에서 제올라이트를 매우 유용한 물질로 고려하게 만드는 이유가 된다. 

이란 샤리프 대학(Sharif University) 소속의 연구진은 물에서 중금속의 독성 이온(toxic ion)을 포획할 수 있는 제올라이트 변형 나노구조(zeolite modified nanostructure)를 합성하는데 성공했다. 관련 연구를 다룬 논문의 제목은 “흡착제로 기능성 자성 코어-제올라이트 쉘 나노복합재료를 이용한 폐수에서 독성 중금속 이온의 제거(Removal of toxic heavy metal ions from waste water by functionalized magnetic core-zeolitic shell nanocomposites as adsorbents)”이다. 

이 연구는 석유 화학 공업 폐수(petrochemical wastewater) 정화 시스템에 직접적으로 응용될 수 있다. 공정에는 코어 쉘 제올라이트 나노구조의 다단계 합성과 오염된 물에서 납과 카드뮴과 같은 중금속의 독성 이온을 제거하는 연구진의 응용 방법을 조사하는 것이 포함됐다. 

Mohsen Padarvand 박사는 연구의 단계를 다음과 같이 설명했다. 이 프로젝트는 ① 니켈 페라이트 자성 코어(nickel ferrite magnetic core)의 열수 합성(hydrothermal synthesis), ② 표면 위 제올라이트 층의 성장을 위한 베드(bed)를 준비하기 위하여 실리카로 코어를 도핑, ③ 유기 템플릿 존재 하에 제올라이트 층의 열수 작용에 의한 성장 및 ④ 오염된 물에서 중금속 이온 제거 테스트 등이 포함된다. 

기능성을 갖춘 자성 코어-제올라이트 쉘 나노복합재료가 열수 작용 및 침전 방법을 통하여 준비됐다. 얻어진 물질은 VSM(vibrating sample magnetometer), XRD(X-ray powder diffraction), 퓨리에 변환 적외선 분광기(FTIR; Fourier transform infrared spectroscopy), 질소 흡착-탈착 등온선(nitrogen adsorption?desorption isotherms) 및 투과전자현미경(TEM; transmission electron microscopy) 분석 등에 의해 그 특징이 규명됐다. 유기 템플릿 존재 하에 실리카로 코팅된 자성 나노입자의 외부 표면 위에 모오데나이트(mordenite) 나노결정의 성장이 성공적으로 입증됐다. 

수용액 중 혼합된 금속 이온(Pb2+와 Cd2+)의 제거 수행력과 선택성이 흡착 공정을 통하여 조사됐다. 배치 방법은 흡착 역학, 흡착 등온선 및 pH 효과 등을 연구하기 위하여 채용됐다. 금속 이온의 제거 메커니즘은 제올라이트 채널과 기공을 통한 이온 교환 공정과 화학적-물리적 수착(chem?phys sorption)에 의해 이루어졌다. 실험 자료는 대략적인 역학 모델과 대체로 일치했다. 금속 이온의 흡착 용량과 흡착 속도는 변수 값을 최적화함으로써 상당히 개선될 수 있다. 

연구의 결과는 합성된 나노복합재료(nanocomposite)가 오염된 물에서 납과 카드뮴 이온을 제거하는 데 높은 능력을 가진다는 것을 보여 주었다. 또 결과는 유기 기능으로 변형된 표면이 공정의 효율성에 상당한 효과를 초래한다는 것을 증명했다. 

효율을 증가시키기 위하여 표면 변형 공정에서 사용된 유기 기능 유형과 자성 코어에 대한 원하는 구조적 네트워크를 가지는 제올라이트 층의 성공적인 성장은 이 연구의 또 다른 중요한 성과 중 하나이다. 

[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 08. 01]

(Nanowerk News) Researchers from Sharif University of Technology synthesized a set of zeolite modified nanostructures able to entrap toxic ions of heavy metals in water ("Removal of toxic heavy metal ions from waste water by functionalized magnetic core-zeolitic shell nanocomposites as adsorbents").

This research has direct applications in petrochemical wastewater purification systems. The process consists of a multi-stage synthesis of core (magnetic) ? shell (zeolite) nanostructures and the investigation of their applications to eliminate toxic ions of heavy metals such as lead and cadmium from polluted water.

Dr. Mohsen Padarvand explained the steps of the research. “This project includes hydrothermal synthesis of nickel ferrite magnetic cores; their doping with silica to prepare the bed for the growth of the zeolite layer on its surface; hydrothermal growth of zeolite layers in the presence of organic templates; and heavy ion elimination test from polluted waters.”

Results of the research showed the synthesized nanocomposites' high ability to eliminate lead and cadmium ions from polluted waters. Results also demonstrated that surface modification with organic functions has significant effect on the efficiency of the process.

Successful growth of zeolite layers with desired structural networks on magnetic cores and the type of organic functions used in surface modification processes in order to increase the efficiency are among other important achievements of this research.

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/news2/newsid=31558.php#ixzz2bKw93WNy]