셋째, 겔화제의종류에따른비드의효율성에대해탐구할것이다. 넷째, 겔화제의농도에따른비드의효율성에대해탐구할것이다. 다섯째, 비드건조법에따른비드의형태에대해탐구할것이다 3. 탐구내용및방법이론적배경 1. 키토산의성질키토산은게와새우등갑각류의껍질의주성분인키틴의 N-아세틸기를탈아세틸화하

Size: px

Start display at page:

Download "셋째, 겔화제의종류에따른비드의효율성에대해탐구할것이다. 넷째, 겔화제의농도에따른비드의효율성에대해탐구할것이다. 다섯째, 비드건조법에따른비드의형태에대해탐구할것이다 3. 탐구내용및방법이론적배경 1. 키토산의성질키토산은게와새우등갑각류의껍질의주성분인키틴의 N-아세틸기를탈아세틸화하"

재승 여
5 years ago
Views:

14 회화학탐구프런티어페스티벌제안서 팀 명 : 인 _ 성 탐구주제 : 키토산을이용한친환경적인중금속제거방안탐구 1. 탐구동기산업의발달로산업폐수의양은계속해서증가하고오염물질의종류도다양해지고있다. 이러한상황에서산업폐수로부터중금속이온을효과적으로제거하는것은아주중요한문제로대두되고있다. 중금속이온의독성은인체에장애를유발할뿐아니라먹이연쇄및축적을통해생물농축현상을일으킨다.

그러나이러한재래적인방법은비효율적일뿐아니라 2,3차오염까지야기시킬수있다는단점이있다. 이러한중금속이온의문제로인해최근중금속제거에대한연구가활발해지고있다. 그중에서도게나가제, 새우껍데기에들어있는키틴을이용해만든천연고분자화합물인키토산은구조적으로셀룰로오스와유사하며아민기 ( NH ) 를가지고있어전이금속에대해매우높은친화력과선택성을가지고있다.

1 14 회화학탐구프런티어페스티벌제안서 팀 명 : 인 _ 성 탐구주제 : 키토산을이용한친환경적인중금속제거방안탐구 1. 탐구동기산업의발달로산업폐수의양은계속해서증가하고오염물질의종류도다양해지고있다. 이러한상황에서산업폐수로부터중금속이온을효과적으로제거하는것은아주중요한문제로대두되고있다. 중금속이온의독성은인체에장애를유발할뿐아니라먹이연쇄및축적을통해생물농축현상을일으킨다. 일본의이타이이타이병이나미나마타병역시공업폐수로부터생겨난하천속수은이나카드뮴등중금속에중독되어일어난병이다. 이러한사례들을통해우리는물속에서중금속을제거하는방법에대해초점을맞추었다. 현재중금속을제거하기위한방법으로화학적침전, 화학적산화및환원, 전기분해법, 여과이온교환법, 막분리법등이널리사용되고있다. 그러나이러한재래적인방법은비효율적일뿐아니라 2,3차오염까지야기시킬수있다는단점이있다. 이러한중금속이온의문제로인해최근중금속제거에대한연구가활발해지고있다. 그중에서도게나가제, 새우껍데기에들어있는키틴을이용해만든천연고분자화합물인키토산은구조적으로셀룰로오스와유사하며아민기 ( NH ) 를가지고있어전이금속에대해매우높은친화력과선택성을가지고있다. 이러한성질을이용하여친환경으로중금속을제거할수있는방법에대해생각해보던중표면적이넓고, 사용후제거가쉬운비드형태에대해생각해보았고, 키토산을이용해중금속을효과적으로제거하고, 제거효율을높일수있는방안에대해탐구해보았다. 2. 탐구목적본탐구의목적은천연고분자화합물인키토산을이용하여중금속을제거하는친환경적인비드를만드는것이다. 따라서우리는중금속제거효율이가장좋은비드를만들기위해다양한겔화제와다양한조건의변화를이용해비드를만들고가장효과적으로중금속을제거할수있는비드를찾아실생활에적용하는것이우리의목적이다. 이를위해본탐구는다음과같은과정으로진행할것이다. 첫째, 게껍질에서키토산분말가루를만드는방법에대해탐구할것이다. 둘째, 저분자키토산을만드는이유에대해탐구할것이다. 1 인 _ 성

2 셋째, 겔화제의종류에따른비드의효율성에대해탐구할것이다. 넷째, 겔화제의농도에따른비드의효율성에대해탐구할것이다. 다섯째, 비드건조법에따른비드의형태에대해탐구할것이다 3. 탐구내용및방법이론적배경 1. 키토산의성질키토산은게와새우등갑각류의껍질의주성분인키틴의 N-아세틸기를탈아세틸화하여아미노기로치환시켜얻어지는양이온의생분해성천연고분자물질이다. 키토산은 D-glucosamine과 N-accetyl-D-glucodamine을단위체로 glycoside 결합으로구성되어있다. 키토산을포함한키틴유도체들은유기용매에대한용해성이양호하여화학적변형과성형가공성이용이할뿐만아니라무독성, 무공해성, 생분해성, 중금속제거성등의특징을가지고있다. 이와같은성질을이용하여최근키토산은약물전달체, 혈액응고제등의의약품과기능성식품, 이온교환체등에널리사용되고있다. [Fig.3]. 셀룰로오스의구조 [Fig.4]. 키토산의구조 키토산은구조적으로셀룰로오스와유사하며 C-2 자리에아민기를가지고있다. 키토산은전이금속 에대해매우높은친화력과선택성을가지고있다. 2. 피흡착질이이동하는과정흡착제내부에서피흡착질이이동하는과정은일반적으로세과정으로나뉜다. 먼저, 흡착제외부표면의유체경막에서이동이일어난후다음으로흡착제내부에서확산이일어나고최종적으로흡착제내부표면에서흡착된다. 이러한과정을거치면분자량의크기가매우작으면서탈아세틸화도가높게유지될수있을것이다. 3. 기존의중금속흡착방법의문제점가. 여과와화학적침전법 : 적은비용으로많은양의중금속을제거하는데효과적이나금속이온의 trace levels를제거할수없다. 나. 막분리법 : 저농도의중금속이온들을제거할수있지만값이비싸고조작하는데전문적인기술 2 인 _ 성

3 이필요할정도로복잡하다. 다. 이온교환법 : 완전히발달된분리방법이며저농도의금속이온을제거할수있지만, 나트륨과칼슘과같은경쟁적인 1가그리고 2가이온들이다량함유할경우비효율적이다. 탐구내용첫째, 게껍질에서순수한키토산을추출하고, 키토산을흡착제에적합한저분자키토산을만든다. 둘째, 겔화제의종류에따른비드의흡착효율을파악하고흡착효율이높은비드에대해탐구한다. 탐구 1. 키토산제조및비드의제조탐구 1-1. 게껍질에서키틴을추출하기 ( 게껍질에서키틴을추출하기위해서는껍질의칼슘과단백질을제거해야한다.) 1 먹고남은게껍질을세척하기위해흐르는물에씻는다. 2 칼슘제거를목적으로 HCl 수용액에실온상태에서담가두고 5시간후에빼내어증류수로세척한다. 4 단백질제거를목적으로 NaOH수용액에담가두고 60 까지가열한다. 5 게껍질을빼내고중성상태로만들기위해증류수에여러번헹군다. 6 건조시킨후분쇄기에넣어곱게분쇄시켜분말가루로만든다. 탐구 1-2. 키틴에서키토산수용액제조하기 ➀ 온도를 80 로유지하며, 16M의 NaOH용액에키틴분말을시간별로교반한다. ➁ 교반시간을 2시간, 4시간, 6시간, 8시간으로나눠키토산을분류한다. ➂ 2번이나 3번증류수로세척한다. ➃ HCl 수용액을한방울마다 ph농도를측정해가며중화시킨다. 탐구 1-3. 저분자키토산만들기 1 가첨가되기전키토산을 40 에서 9시간동안물에팽윤시킨다. 2 분자량이다른키토산을만들기위해키토산에대한 의비율이 0.15일때,0.5일때와 1일때를나누어실험한다. 3 키토산 100g에 를 7.5mL를넣고 3.25시간후에다시 7.5mL를넣는다. 이때의키토산에대한 의비율은 0.15이다. 4 키토산 100g에 를 25mL를넣고 3.25시간후에다시 25mL를넣는다. 이때의키토산에대한 의비율은 0.5이다. 5 키토산 100g에 를 50mL를넣고 3.25시간후에다시 50mL를넣는다. 이때의키토산에대한 의비율은 1이다. 6 기계적교반기가장착된 2L 용량의 3구플라스크에키토산과탈이온수 1.5L를넣고총 6.5시간동안 50 에서반응시킨다. 7 저분자화반응이완료된키토산은여과한다음탈이온수 10L로세척한다. 8 세척이완료된키토산을다시여과하여 1g을탈이온수 3L에용해시킨수용액에 20시간동안방치시킨다음다시여과시켜탈이온수 10L에세척한다. 9 세척완료후여과하여에탄올 2L 속에 18시간동안침지시킨후여과하여진공오븐속에서 30 를유지하면서 48시간동안건조시킨다. 10 저분자화된키토산은방습제를넣고상온에서병에보관한다. 3 인 _ 성

11 GPC( 젤투과크로마토그래피 ) 를이용하여저분자화한키토산의분자량을측정한다. 탐구 1-4. 겔화제종류에따른비드제조 1 저분자화된키토산을자밀에분쇄하고 200mesh의체를통과시켜분말을만든다. 2 이분말을 2wt% 초산수용액에용해시켜 3개의콜로이드용액을만든다. 3 만든용액을실린지펌프에넣는다.

4 11 GPC( 젤투과크로마토그래피 ) 를이용하여저분자화한키토산의분자량을측정한다. 탐구 1-4. 겔화제종류에따른비드제조 1 저분자화된키토산을자밀에분쇄하고 200mesh의체를통과시켜분말을만든다. 2 이분말을 2wt% 초산수용액에용해시켜 3개의콜로이드용액을만든다. 3 만든용액을실린지펌프에넣는다. 4 3개의콜로이드용액에 2M의겔화제 [NaOH, Ca OH, NH ] 를첨가하며 80 에서 1시간동안교반한다. 5 만들어진비드를증류수를이용하여중성이될때까지세척한다. 6 키토산비드를에탄올 200mL에넣고 24시간동안 80 에서다시교반한후세척한다 탐구 1-5. 겔화제의농도에따른비드제조 1 저분자화한키토산을자밀에분쇄하고 200mesh의체를통과시켜분말을만든다. 2 이분말을 2wt% 초산수용액에용해시켜콜로이드용액을만든다. 3 만든용액을실린지펌프에넣는다. 7 NaOH, Ca(OH)2, NH3, C2H4(NH2)2을각각 0.5M, 1M, 2M 로겔화제의농도를변화시켜각각의비드를만든다. 탐구2. 키토산비드표면관찰 1 겔화제종류별만들어지는키토산비드를 SEM으로관찰하여비드의특징을관찰하고분석한다. 2 상온건조시킨키토산비드와동결건조시킨키토산비드를 SEM으로관찰한다. 3 BET 측정법으로비드내부의구멍의직경과부피, 비드의표면적을측정하여건조법과겔화제의종류에따른비드의성질을알아본다. 탐구3. 중금속흡착실험탐구 3-1. 키토산의분자량에따른흡착률비교 1 300mL 용량의삼각플라스크에구리이온, 카드뮴이온, 수은이온, 납이온의초기농도가 100ppm인수용액 200mL를넣는다. 2 탐구 1에서만든분자량이다른키토산비드를삼각플라스크에넣고삼각플라스크에진탕기에 5시간이상흔들어준다. 3 흡착이끝나면용액에남아있는구리이온과카드뮴이온의농도를 ISE를이용하여평형흡착량을구한다. 탐구 3-2. 겔화제의종류에따른흡착률비교 4 인 _ 성

5 1 탐구 3-1과같은과정으로수산화나트륨, 수산화칼슘, 암모니아, 에틸렌디아민으로만들어진각각의비드를이용하여흡착한다. 탐구 3-3. 겔화제의농도에따른흡착률비교 1 탐구 3-1과같은과정으로겔화제의농도가 0.5M, 1M, 2M일때의흡착량을비교한다. 탐구 3-5. 제올라이트와키토산비드의흡착률비교 1 300mL 용량의삼각플라스크에구리이온과카드뮴이온, 수은이온, 납이온의초기농도가 100ppm인용액 200mL를넣는다. 2 삼각플라스크에제올라이트를넣는다. 3 플라스크를 2시간동안교반한다. 4 2시간후교반을멈추고여과지와깔때기를이용하여용액을걸러시험관에담는다. 5 탐구 3-1의과정과마찬가지로 ISE를이용하여평형흡착량을구한다. 6 키토산비드를이용한중금속흡착량은탐구 3-1의과정과같은방법으로구한다. 4. 예상되는결과 1 키토산을게껍질에서충분한양의키틴을추출하고판매하는것과비슷한키토산수용액을만들수있을것이다. 2 과산화수소가키토산간연결을끊어서분자량을낮추어생기는간극을통해서중금속이온이흡착되는데이때분자량이작은키토산은내부의간극이많아구조가무너질위험이있어키토산에대한과산화수소의비율을 0.5로하였을때의흡착효율이가장높을것이다. 3 키토산비드의겔화제에따라응고속도가달라져구멍의사이즈와분포가달라질것이다. 4 겔화제의농도가높을수록점성이높아져서흡착효율이높아질것이다. 5 키토산비드를동결건조시킬경우수분이진공증발에의해제거되기전에동결되어내부에기공을유지할수있기때문에많은세공이생길것이다. 6 제올라이트내에서수분과중금속이온이경쟁적으로흡착되기때문에수분포화가일어나흡착성능이떨어질것이다. 따라서, 키토산비드가제올라이트보다흡착효율이높을것으로예측된다. < 제안서작성시유의해야할사항입니다.> 평가기준 독창성 : 기존지식의통합이나재구성이아닌새로운패러다임의내용인가? 과학적가치 : 제안된과제는과학적가치가있는가? 과학적근거 : 제안된과제는실현가능성이있는가? 유의사항 1. 제안서내용은 A4 용지 4~5 매이내로작성 ( 초과하지않도록정리합니다 ) 2. 2~3 개월이내에완료할수있는탐구과제를설정제안 3. 탐구과제제안은 4 월 30 일 ( 일요일 ) 18:00 까지화탐홈페이지에업로드 ( 온라인접수만합니다 ) * 접수마감일은접속자폭주로업로드가지연될수있으니, 마감시간이내에업로드요망 (18:00 이후시스템에서자동업로드차단됨 ) 5 인 _ 성

Journal of Life Science 2011, Vol. 21. No μ μ

Journal of Life Science 2011 Vol. 21. No. 8. 1120~1126 ISSN : 1225-9918 DOI : http://dx.doi.org/10.5352/jls.2011.21.8.1120 μ μ μ α β Journal of Life Science 2011, Vol. 21. No. 8 1121 μ μ 1122 생명과학회지 2011,