[논문 리뷰] Removal of industrial dye and pharmaceutical product using the nano and micron-sized PS rough particles studded with Pt nanoparticles

Faizan Khan, Chandra Shekhar외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 10.

Recycling and Waste Management TechniquesEnvironmental Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다이아민 블록체계를 이용한 단일 단계, 실온에서 실시하는 폴리스티렌 기반 거친 입자에 백금 나노입자를 도핑하여 제조한 촉매를 제시한다. 이 촉매는 메틸렌 파랑과 테트라사이클린을 10~40분 이내에 100% 제거할 수 있으며, 외부 자기장에 의해 촉매를 완전히 회수할 수 있어 재사용 시 운영 비용이 발생하지 않는다. 반응은 가짜 일차 반응 속도 법칙을 따르며, 나노 및 마이크로 크기의 입자 모두에서 높은 효율성을 보인다.

ABSTRACT

We show that the rough particles studded with platinum nanoparticles can be fabricated straightforwardly and in a single step at room temperature. These rough particles displayed a good catalytic power (100% removal efficiency) against a model industrial dye (methylene blue) and pharmaceutical residue (tetracycline) within a reasonable time scale. Further, we illustrate the effects of particle size, concentration, and contact patterns on the performance of rough catalytic particles. The semi-batch conditions favoured the complete decomposition of tetracycline within 40 min, but the batch-wise operation offered a good contacting pattern for methylene blue yielding a maximal output within 10 min. The kinetics of the heterogeneous catalytic process modelled by Langmuir-Hinshelwood kinetics predicts that the given methylene blue decomposition reaction induced by the rough particles follows the pseudo-first-order kinetics. The rate constants for the reaction catalyzed by 0.6 and 1.0um-sized rough particles are 0.048 and 0.032 min^-1, respectively. Furthermore, we established the proof-of-concept using magnetically-responsive rough particles for real-time applications, including decontamination and recovery of catalyst particles via an externally applied magnetic field in one cycle. Our proposed method helps achieve a near-100% degrading efficiency within 10 to 40 min at minimal catalytic particle concentration, i.e., 200 ppm. Since we can turn the rough particles into super-paramagnetic, we can recover and reuse them for several wastewater treatment cycles without incurring any running costs.

연구 동기 및 목표

• 산업용 염료 및 약물 오염물질을 폐수에서 제거하기 위한 저비용, 고효율, 재사용 가능한 이방성 촉매 개발.
• 기존 페론 과정의 한계를 극복하기 위해, 좁은 pH 범위, 과도한 H₂O₂ 소비, 촉매 회수 곤란 문제 해결.
• 계면활성제를 사용한 레이어-바이-레이어 조립 방법을 통해 실온에서 단일 단계로 백금으로 도핑된 폴리스티렌 거친 입자를 제조.
• 실시간 연속 폐수 처리 응용을 위한 Fe₃O₄ 코어-쉘 구조를 이용한 자기장 반응성 입자 회수 가능성을 입증.
• 최대 분해 효율을 얻기 위해 입자 크기, 농도, H₂O₂ 투여 농도 등의 반응 조건 최적화.

제안 방법

• 실온에서 양전하를 띤 폴리스티렌(PS) 입자 표면에 백금 나노입자를 습식 화학적 침착 방법으로 합성.
• 자기성 Fe₃O₄ 나노입자를 폴리다이알릴디메틸아미논클로라이드(PolyDADMAC)로 코팅하여 양이온성 표면을 형성하여 전기적 힘으로 결합 가능하게 함.
• 음이온성을 띤 백금 도핑 폴리스티렌 나노입자를 고분자 코팅된 Fe₃O₄ 나노입자에 자가 조립시켜 코어-쉘 자기 반응성 거친 입자(MR-RP)를 형성.
• 용액 내 자유 백금 나노입자의 최소화를 위해 합성 공정을 최적화하였으며, 여과액 분석 및 보조 영상 자료를 통해 확인.
• H₂O₂를 산화제로 사용하여 배치 및 반연속 조건에서 메틸렌 파랑 및 테트라사이클린 분해에 대한 촉매 성능 평가.
• 반응 차수 및 속도 상수를 산정하기 위해 랑무어-힌셸우드 메커니즘을 기반으로 한 kinetic modeling 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도의 촉매 활성을 지닌 백금 도핑 거친 입자를 실온에서 단일 단계로 합성할 수 있는가?
• RQ2 입자 크기, 농도, 접촉 패턴(배치 대비 반연속)이 메틸렌 파랑 및 테트라사이클린 분해 효율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 촉매 반응의 본질적 동역학적 거동은 어떠한가? 랑무어-힌셸우드 모델이 예측한 바와 같이 가짜 일차 반응 속도 법칙을 따르는가?
• RQ4 자기 반응성 거친 입자를 효과적으로 회수하고 단일 사이클 처리 과정에서 활성도 손실 없이 재사용할 수 있는가?
• RQ5 최적의 운영 조건(예: 촉매 농도, H₂O₂ 투여 농도)은 무엇인가? 100% 분해 효율을 달성하기 위한 최적 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 백금 도핑 폴리스티렌 거친 입자는 배치 조건에서 메틸렌 파랑을 10분 내에, 반연속 조건에서 테트라사이클린을 40분 내에 100% 분해하였다.
• 반응은 가짜 일차 반응 속도 법칙을 따르며, 0.6 µm 입자에 대해 0.048 min⁻¹, 1.0 µm 입자에 대해 0.032 min⁻¹의 속도 상수가 확인되었다.
• 최적의 분해 효율은 0.6 µm 입자에서 200 ppm 촉매 농도, 1.0 µm 입자에서 100 ppm 촉매 농도에서 달성되었으며, 이에 해당하는 H₂O₂ 투여 농도는 각각 0.416 mL 및 1.25 mL였다.
• 외부 자기장에 의해 촉매 입자를 성공적으로 회수하였으며, 운영 비용 없이 완전한 회수 및 재사용이 가능하였다.
• 다수의 사이클에 걸쳐 활성도에 유의미한 감소가 관찰되지 않아 장기적인 재사용성과 안정성을 확인하였다.
• 전자 기증성 오염물질인 메틸 오렌지에는 이 방법이 효과적이지 않아 전자 이동 메커니즘에 기반한 선택성 존재를 시사한다.