부분적으로 분해된 유기물의 부분적 활성화에 의한 다기능성 과립 매질의 제조 document_id A220623065829

이온 교환은 일반적으로 이온이 용액과 불용성 고체 사이에서 교환되는 가역적 화학 반응으로 정의된다. 보다 구체적으로, 이온 교환은 이온화된 화합물 또는 성분이 매질의 표면 상에서 다른 이온화된 화합물 또는 성분과 위치가 변화되는 일종의 여과 작용(filtration)이다. 용어 "이온-교환 능력(ion-exchange capacity)은 매질 상의 작용기의 수로서 설명될 수 있는 이온-교환 매질의 전체 가용 교환 능력으로 설명된다. 이온 교환 방법은 다양한 분야에서 사용될 수 있고, 일반적으로 음이온 또는 양이온 교환으로 분류될 수 있다. 이온 교환은 (연수 과정, 탈이온 과정, 환수 과정 및 중금속 제거 과정과 폐수로부터 회수 과정을 포함하여) 고순도의 물을 얻기 위해 가장 많이 사용되고, 화학-관련 방법에서 빈번히 사용된다. 또한 이온-교환 매질은 크로마토그래피, 촉매 작용, 전기화학적 방법, 강산 및 강염기의 제조, 이온 종류의 분리, 농축 및/또는 정제, 약학적 분리 기술, 방사선 폐기물의 처리, 설탕 정제 등에 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 물질은 자연 발생된 이온 교환체, 합성 이온 교환체, 조성물 이온 교환체 및 이온-교환 멤브레인을 포함하는, 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 가장 일반적으로, 이온-교환 수지들이 사용된다. 이온-교환 수지의 가장 일반적인 형태는 0.03-1.0 mm 사이의 비드를 형성하기 위해 가교된 스티렌과 디비닐벤젠 공중합체의 불용성 합성 매트릭스이다. 상기 비드는 이온-교환 물질로서 작용하기 위해 활성화되어야 한다. 상기 비드는 술폰화 반응을 통해 양-이온 교환 수지로 변환될 수 있고, 또는 클로로 메틸화 반응을 통해 음-이온 교환 수지로 변환될 수 있다. 이온-교환 수지들은 납 및 수은과 같은 중금속을 용액으로부터 제거할 수 있고, 이러한 중금속을 칼륨 또는 나트륨과 같은 비교적 유해하지 않은 성분으로 교체시킬 수 있다. 이러한 수지들을 제조하기 위한 방법은 비용이 많이 소요된다. 또한, 수지 비드 생성물은 수류(water flow) 내의 유기 오염물질에 의해 오염되기 쉽다. 이러한 방법은 이온-교환 과정 이전에, 단지 방법을 복잡하게 하고 추가적인 비용이 소요되는 활성화된 탄소 또는 다른 제거 기술들을 사용할 것이 요구된다. 활성화된 탄소 매질의 제조에 관한 발전적 접근 방식은 공급원으로써 천연 유기물을 사용하는 것과 관련이 있다. 이러한 유기물의 예들은 다양한 식물성 재료, 연질 목재, 보릿짚(cornstalk), 버개스(bagasse), 견과의 겉껍질 및 피(nut hulls and shells), 다양한 동물 유래 산물, 갈탄(lignite), 역청탄, 밀짚, 무연탄 및 피트(peat; 토탄)를 포함한다. 이러한 방법은 대부분 화학적 활성화(예를 들어, 술폰화 반응 또는 클로로 메틸화 반응) 또는 고온에서의 출발 물질의 완전한 물리적 활성화에 초점을 맞추고 있다. 톱밥, 목재 또는 피트와 같은 공급원을 화학적 활성화에 의해 흡수재로 변환시키는 것은 선행 기술 분야에서 공지된 것이다. 예를 들어, 피트는 인산 또는 염화아연과 같은 강한 탈수제를 주입하여, 페이스트로 혼합되고, 이후 상기 피트를 활성화하기 위해 500-800 ℃의 온도까지 가열된다. 이후 상기 생성물은 세척하고, 건조하며, 분쇄하여 분말화된다. 이러한 방법에 있어서, 제조된 생성물은 일반적으로 많은 분자를 흡수하는데 적합한 매우 개방적(open)이며, 다공성(porous) 구조를 나타낸다. 덧붙여, 물리적인 활성화로 잘 알려진 증기 활성화의 방법은 일반적으로 코코넛 껍질 및 대나무와 같은 공급원과 함께 사용된다. 출발 물질은 종종 고온에서 증기 또는 이산화탄소에 노출되어 활성화된다. 상기 기술에서 사용되는 온도는 약 650-1200 ℃이다. 이러한 방법은 적합한 이온-교환 능력을 가진 매질을 제조할 수 없다. 천연 유기물로부터 이온-교환 매질을 제조하는데 가장 중요한 사항 중 하나는 이온-교환 매질의 형태의 물리적 보존과 이온-교환체로서 역할을 하는 매질의 기능 사이의 균형을 이루는 것이다. 출발 물질의 공급원 및 전구체로부터 매질을 제조하는 방법은 이온-교환 매질로서의 최종 생산물의 유용성을 결정하는 두 개의 가장 중요한 변수이다. 중요하게도, 유기물의 활성화 또는 부분적 활성화에 사용되는 방법은 제조된 과립의 경도(hardness) 및 이온-교환 매질로서 작용하는 과립의 능력을 결정할 수 있다. 선행 기술의 하나의 주요 단점은 이온-교환 매질로서 작용하는 제조된 매질의 능력과 관계가 있다. 부분적으로 분해된 유기 출발 물질은 본질적으로 이온-교환 특성을 가진다; 그러나, 상기 물질은 종종 열분해 반응(pyrolysis) 동안 이온-교환 기능성을 상실한다. 열분해 반응은 단순히 강한 열에 노출에 의한 물질의 화학적 분해를 의미한다. 대부분의 천연 유기 이온 교환체는 그들의 적용 가능성을 제한하게 하는 약한 물리적 구조를 가지는 경향이 있다. 상기 유기물은 부수어지기 쉽기 때문에 이온-교환 과정에 사용되는 혹한 방법을 견디지 못한다. 또한, 많은 공지된 방법들은 활성화하기 이전에 또는 활성화와 동시에 탄화(carbonization) 단계를 포함한다. 탄화는 상당한 공급 원료의 감소 및 중량 손실을 야기할 수 있다. 또한, 유기 공급원은 일반적으로 균일하지 않은 물리적 특성을 갖는다. 자연 발생된 유기 이온 교환체는 보통의 중성 pH 범위를 벗어나는 경우 불안정할 수 있다. 결국, 이러한 유기 이온 교환체는 과도하게 팽창되거나 해교(peptizing)되기 쉬운 경향을 가진다. 천연 무기 이온 교환체 또한 다수의 단점을 가진다. 이들 또한 비교적 낮은 이온-교환 능력을 가지는 경향이 있다. 천연 유기 이온 교환체와 유사하게, 천연 무기 이온 교환체는 낮은 기계적 내구성을 가지는 경향이 있다. 이들은 산화제와 같은 용액 내의 임의의 화학 물질에 노출되는 경우 분해되기 용이하기 때문에, 천연 무기 이온 교환체를 전처리하는 것이 요구될 수 있다. 합성 유기 이온-교환 수지를 사용하는 것도 이와 유사한 단점을 가진다. 중요하게도, 수지는 일반적으로 수지 비드 상에 오염물을 형성하는 단점을 가진다. 상기 수지의 표면 상에 다른 비-이온성 유기물, 오일, 지방분 및 부유 고체물질이 남아있는 반면, 이온-교환 물질은 일부 용해성 유기산 및 유기염기를 제거한다. 이러한 방법은 파울링(fouling)으로 잘 알려져 있다. 오염 물질은 급속하게 형성될 수 있고, 시스템의 수행을 상당히 방해할 수 있다. 양이온 고분자 및 다른 고분자량 양이온 유기물은 특히 임의의 농도에서 문제를 일으킨다. 임의의 타입의 수지에 있어서, 심지어 1 ppm의 부유 고체는 시간이 지남에 따라 상당한 파울링을 야기할 수 있다. 이와 같이, 이온 교환 이전의 전여과 과정(prefiltration)이 수지의 파울링을 일으키는 콜로이달 실리카, 철, 구리 및 망간과 같은 성분을 제거하기 위해 요구될 수 있다. 유기 오염물이 수지의 표면 상에 형성되기 시작함에 따라, 다른 입자 및 박테리아의 흐름이 감소한다. 전처리 과정의 비용은 상당히 많을 수 있다. 또한, 수지는, 예를 들어, 공급수가 베드(bed)를 통해 유동하는 것과 같이 이온-교환 부분이 소모되는 경우 재생 과정을 필요로 한다. 양이온 수지의 재생 과정 동안, 이전에 제거된 양이온들은 수소 이온으로 대체된다. "백워시(backwash)"로 알려진 단계가 재생 과정 동안 사용되어 수지에 형성된 임의의 유기 오염물이 수지를 통해 자유 유동하도록 방출될 수 있다. 본 기술 분야에서 잘 알려진 화학적으로 재생되는 이온-교환 방법은 과량의 재생 화학 물질을 사용하고, 주기적인 처리 및 때때로 과정 진행 중 처리가 요구되며, 화학 폐수의 처리가 요구된다. 이러한 방법은 작동하기 복잡하고 상당한 비용이 소요될 수 있다. 이온-교환 매질의 제조에 있어 감소된 화학적 요건을 가진 방법에 대한 필요성이 여전히 존재한다. 천연 고체 유기물로부터 이온-교환 물질을 제조하는 기술분야에서 잘 알려진 방법들은 임의의 이온-교환 적용 분야에서 유용하게 사용되어 왔으나, 특정 적용 분야에 대해서, 제조된 이온-교환 매질의 경도는 증가시키는 반면 상기 매질의 양이온-교환 능력은 방법 내에서 최소한으로 감소시킬 것이 요구된다. 매질이 넓은 범위의 적용 분야에 사용될 수 있도록, 우수한 이온-교환 능력, 유기물 흡수 능력 및 향상된 강도를 가지는 이온-교환 매질을 저비용으로 제조하기 위한 방법을 개발할 것이 요구된다. 본 발명은 출발 물질의 본래의 양이온-교환 능력을 손상시키지 않고 매질의 향상된 물리적 보전성을 가지는 이온-교환 매질을 제조하기 위한 향상된 방법이다. 본 발명은 천연 유기 출발 물질과 관련이 있고, 특히, 분해된 또는 부분적으로 분해된 유기 물질을 사용하는 것과 관련이 있다. 보다 구체적으로, 바람직한 출발 물질은 피트 또는 잎 퇴비 물질(leaf compost material)이다. 자연에서 발견되는 다른 타입의 유기물들과는 달리, 피트는 자연적으로 부분 탄화되어 있다. 이러한 본질적 특성 때문에, 피트는 자연적으로 대략 120 meq/100g의 양이온-교환 능력을 가진다. 피트에 불활성 환경 하의 낮은 활성 온도에서 증기, 이산화탄소, 질소 또는 다른 불활성 매체를 가하는 경우 다량의 자연 발생된 높은 양이온-교환 능력을 유지할 수 있다는 것을 알게 되었다. 일반적으로, 향상된 기계적 강도 및 치수 안정성은 분해된 또는 부분적으로 분해된 유기물이 저온에서 부분적으로 물리적 활성화되는 경우 이루어질 수 있다. 또한, 제조된 매질은 폐수 내에서 향상된 유기 오염물 보유력을 가질 것이다. 본 발명의 방법은 추가적으로 임의의 출발 물질에 자연적으로 존재하는 탄닌(tannin)으로부터 처리된 물에 용해되어 있는 양을 감소시키는 것을 알게 되었다. 본 방법의 이러한 개선점으로 인하여 결과물인 부분적으로 활성화된 매질이 선행 기술에 나타난 것보다 더 넓은 범위의 적용 분야에 사용될 수 있다.