이란 Tarbiat Modarres 대학(Tarbiat Modarres University) 소속의 연구진은 6가의 유황을 함유한 기능성 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNTs; multiwalled carbon nanotubes)로 만들어진 흡착제(sorbent)를 제조하여, 산업용 폐수에서 연구진이 제조한 흡착제의 수은(mercury) 제거 성능을 연구했다.

 

관련 연구 논문의 제목은 “아미노기와 티올기를 가지는 기능성 다중벽 탄소 나노튜브에 의한 합성 폐수 및 실제 폐수에서 수은 이온 흡착(Adsorption of mercury ions from synthetic and real wastewater aqueous solution by functionalized multi-walled carbon nanotube with both amino and thiolated groups)”이다.

흡착제는 배터리 제조뿐 아니라, 염소-알칼리 유닛(chloralkali unit)을 포함한 석유 화학 물질, 도금 및 전자 산업 등을 포함한 환경에 유해한 독성 금속을 배출하는 다양한 산업에서 생성된 폐수의 복원과 관련된 응용에 적용될 수 있다.

연구진의 가장 중요한 목적은 산업용 폐수에 다른 이온이 존재함에도 불구하고, 수용성 용액으로부터 수은을 제거하기 위하여 고성능 흡착제를 도입하는데 있다. 연구진의 목적을 달성하기 위하여, 연구진은 아민 작용기와 티올 작용기를 가지는 기능성 MWCNTs를 제조했다.

 

다음으로 연구진은 기존 모델을 이용하여 연속 시스템과 배치 시스템에서 합성된 흡착제에 의한 수은 흡착 공정(mercury sorption process)의 열역학적 변수와 동력학적 변수를 조사 및 연구했다.

연구는 다음과 같은 단계를 통하여 수행됐다. 첫째, 탄소 나노튜브는 정제(purification), 산화(oxidation), 아미노화(amination), 멜라민화(melamination) 및 티올화(thiolation) 등 5개의 연속 단계를 통하여 기능성을 갖게 됐다.

 

수용액으로부터 수은 이온의 흡착이 수행됐으며, 흡착에 영향을 끼치는 변수가 연구됐다. 최종적으로 연구진은 흡착제로 기능성 탄소 나노튜브를 이용하여 염소-알칼리 산업에서 얻어진 실제 폐수와 합성 폐수에서 수은 제거 공정을 최적화했다.

연구진이 제조한 흡착제는 금속성 이온(metallic ion), 특히 산업 폐수와 음용수로부터 수은을 제거하는데 이용될 수 있다. 또 새로운 흡착제는 수용액에서 매우 소량의 수은과 메틸-수은 이온의 측정과 예비 농축(pre-concentration)에서 고체상 추출 카트리지(SPE cartridges; solid-phase extraction cartridges)의 이동상으로 사용될 수 있다.

MWCNTs의 기능성은 나노튜브 측면벽 위에 아민 작용기(amine functional group)와 티올 작용기(thiol functional group)를 도입하기 위한 효과적인 방법으로 에틸렌디아민(ethylenediamine), 시아누르산 염화물(cyanuric chloride) 및 나트륨 2-메르캅토에탄올(sodium 2-mercaptoethanol) 등과 연속으로 반응함으로써 얻어졌다.

합성된 아미노 작용기와 티올 작용기를 가지는 MWCNTs는 푸리에 변환 적외선 분광법(FT-IR; Fourier transform infrared spectroscopy), 열중량 분석기(TGA; thermogravimetric analysis), 광전자 분광기(XPS; X-ray photoelectron spectroscopy) 및 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope) 등에 의해 그 특성이 규명됐다.

일련의 배치 흡착 실험이 pH, 흡착제의 용량, 금속 농도 및 기능성 MWCNTs에 의해 흡수된 Hg(II)의 온도 등의 효과를 연구하기 위하여 수행됐다. 흡착 등온선(adsorption isotherm) 자료는 랭뮈어 등온 모델에 더 적합하게 맞아떨어졌다.

 

반면 동역학 자료는 겉보기 2차 속도 모델(pseudo-second-order rate kinetics)에 의해 특성화될 수 있었다. ΔH의 열역학적 자료를 기반으로, ΔS와 ΔG가 얻어졌으며, 기능성 MWCNTs에 대한 Hg(II) 이온 흡착이 발열성 및 자발성을 가지는 공정이며, 자연에서 일어나는 물리흡착 반응이라고 결론지었다.

고정 베드층 관 흡착(fixed-bed column adsorption)에서, 층 높이의 효과, 유량(flow rate), 및 파과 곡선(breakthrough curve)에 대한 초기 이온 농도 등이 조사되어 연구진의 예측이 만족할만한 수준으로 일치한다는 사실을 연구진은 발견했다. 이후 연구진은 합성된 기능성 MWCNTs가 실제 폐수에서 Hg(II) 제거에도 효과적이라는 사실을 확인했다.