전탄소 3D 나노여과 막으로 99% 항생제 제거와 빠른 물 유속 달성

초록

산업 확장과 에너지 수요 증대로 환경 오염물질 증폭, 전 지구적 위협 야기. 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)를 그래핀 산화물(GO) 나노시트 사이에 삽입한 새로운 전탄소 나노여과(NF) 막 소개, 풍부한 2차원 나노채널 갖춘 3D 구조 생성. 이 초박막 막(4.26 µm)은 99.23% 테트라사이클린 하이드로클로라이드(TCH) 흡착 달성하며 16.12 L m^-2 h^-1 bar^-1 높은 물 투과율 유지. 또한 양이온 염료 메틸렌 블루(MB) 83.88% 제거로 수처리 다재다능성 입증.

배경

의약품 오염물질, 특히 항생제는 미량에서도 생태, 공중보건 영향으로 시급 현안. 기존 제거 기술—산화(광촉매, 초음파, 펜톤), 흡착—복잡하고 에너지 집약적. 막 분리 단순 대안이나 기존 막 크기 배제 의존, 저분자량 항생제 어려움.

탄소 기반 소재, 특히 그래핀, 그래핀 산화물(GO) 원자적 얇은 구조, 높은 비표면적, 기계적 강도로 매력적 흡착제. GO 산소 함유 작용기 친수성, 안티파울링 특성 부여, 재적층 경향은 1차원 충전재 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 삽입으로 완화. 단일벽 대비 MWCNT 유동 하 우수 안정성, 층간 간격 효과적 확대, 물 유속 향상.

분산 문제 해결 위해 양이온 폴리전해질 폴리 다일릴디메틸암모늄 클로라이드(PDDA) MWCNT 그라프트. 이 양이온화 음이온 GO 시트와 강한 정전기적 인력 촉진, 균일 분산 하이브리드 소재 생성, 진공 여과로 독립형 유연 NF 막 주조 가능.

결과 및 고찰

PDDA 변형 MWCNT/GO 하이브리드 초박막 유연 막 조립(그림 1a). PDDA 양전하 부여, GO 음전하와 견고한 정전기적 조립 가능케 하고 CNT 응집 방지. 결과 막 풍부 나노채널로 항생제 분자 입체 장애와 표면 작용기 공유 상호작용으로 포획.

광학 이미징(그림 2a) 막 천 같은 외관, 예외적 기계적 유연성 확인(그림 2b). 접촉각 측정 친수성 입증, 장기 침지 시험(그림 2c) 구조적 안정성 보임. 7회 이상 여과 사이클 후 크랙 없음(그림 2d).

SEM(그림 3a) TEM 다공성 균일 분산 구조 나타냄. PDDA 농도(0-20 wt%) 조절로 CNT 분산, 막 다공성 영향. 최적 10 wt% PDDA 최박막, 최고 균일 막 산출, SEM 이미지(그림 3b-e) 질소 흡착-탈착 등온선(그림 4) 증거. PDDA-MWCNT/GO 막 비표면적 402.96 m² g^-1, 비변형 하이브리드 378.45 m² g^-1 대비 약간 높음, 향상된 메조다공성(기공 크기 3-10 nm) 확인.

X-선 회절(그림 5a) PDDA 기능화 시 층간 간격 0.81 nm→0.87 nm 증가, 성공적 삽입, 재적층 감소 나타냄. XPS 질소 함량 증가 확인, PDDA 그라프팅 뒷받침.

UV/Vis 분광법(그림 6a) 단일 여과 후 잔류 농도 6.74 µM(99.23% 제거) PDDA-MWCNT/GO 막, 비변형 하이브리드 18.78 µM(95.04%) 대비 우월한 TCH 제거 입증. 물 투과율 16.12 L m^-2 h^-1 bar^-1 도달, 기본 막 약 2배. 정적 흡착 시험 TCH 흡착량 436.13 mg g^-1로 막 높은 용량 강조.

안정성 연구 pH 2-10 범위 최소 성능 손실, 중성 pH 최적 흡착. 막 고이온 강도(NaCl/CaCl₂ 0.9 M까지) 견디며 TCH 포획 완만 감소, 염분 조건 내성 입증. 양이온 염료 MB 흡착 88.23% 도달, 크기 배제와 정전기적 상호작용 모두 제거 기여 확인.

결론

초박막 GO 나노시트, PDDA 기능화 MWCNT, 정전기적 조립 결합 3D 전탄소 NF 막 엔지니어링으로 고성능 항생제 제거 달성. 막 구조적 무결성, 친수성, 안티파울링 특성으로 빠른 물 투과, 단일 패스 >99% TCH 흡착, 가혹 화학 환경 내구성 겸비. 확장 가능, 환경 친화적 합성으로 고급 수처리, 화학 분리 응용 유망 플랫폼 자리매김.

방법/실험

재료

GO(2 mg mL^-1) Nanjing XFNANO Materials Tech Co. 순수 MWCNT(직경 20-30 nm, 길이 10-30 µm) Beijing Boyu High-Tech Novel Materials Technology Co. PDDA(MW 200,000-350,000, 20 wt% H₂O), 테트라사이클린 하이드로클로라이드, NaCl, CaCl₂, HCl, 무수 에탄올 Aladdin Chemical Co. 탈수(18 M Ω cm^-1) Billerica 정수 시스템 생산.

장치

SEM(FESEM, Ultra 55, Carl Zeiss), TEM(Hitachi H-800), UV/Vis(Lambda-25, Perkin-Elmer), BET(Autosorb-iQ-C, Quantachrome), XRD(Shimadzu XD-3A), XPS(PHI 5000 Versa Probe), 접촉각계(Rame-Hart-100), 제타전위(SurPASS Electrokinetic Analyzer), AFM(Bruker Multimode 8) 특성 분석 사용.

PDDA 기능화 MWCNT 합성

MWCNT(4.0 mg) 1 mL 탈수 초음파 분산, PDDA(10 wt%) 점적 첨가. 현탁액 원심분리, 세척, 70 °C 진공 24시간 건조.

MWCNT 삽입 GO 막 조립

4.0 mg MWCNT 24 mL 0.5 mg mL^-1 GO 교반, 초음파 분산. 균질 혼합물 0.22 µm PVDF 막 위 진공 여과, 60 °C 3분 건조, 에탄올 침지 후 박리.

항생제 흡착 실험

500 µM TCH 용액 20 mL 0.9 bar 진공 여과 막 통과. 여과액 농도 UV/Vis 측정, 제거율 R = (1 – C_p/C_o) × 100 % 계산.

안정성 실험

TCH 용액 HCl, NaOH로 pH 2-10 제조, 다양한 NaCl/CaCl₂ 농도(0.1-0.9 M). 이 조건 하 여과 성능 UV/Vis 분광법 평가.

약어

AFM

원자간력 현미경

BET

브루나우어-에멧-텔러

MWCNTs

다중벽 탄소나노튜브

PDDA

폴리 다일릴디메틸암모늄 클로라이드

SEM

주사 전자 현미경

SWCNTs

단일벽 탄소나노튜브

TCH

테트라사이클린 하이드로클로라이드

TEM

투과 전자 현미경

XPS

X-선 광전자 분광법

XRD

X-선 회절