KR100706764B1 - 효소 처리된 불가사리 추출물을 이용한 중금속 흡착용 칼럼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중금속 이온을 흡착하기 위한 칼럼에 관한 것으로, 상세하게는 단백질 효소 분해에 의해 불가사리로부터 다공질의 탄산칼슘을 추출하고, 상기 탄산칼슘으로 충진시킨 것을 특징으로 하는 효소 처리된 불가사리 추출물을 이용한 중금속 흡착용 칼럼을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 이에 따라 중금속의 정화에 뛰어나며, 해양 생태계와 하천 생태계의 정화와 보존에 도움이 될 뿐만 아니라, 양식 어민의 소득 증대에 기여할 수 있고, 중금속을 발생시키는 공장의 중금속 제거 시설과 유지비의 절감에 크게 도움이 되며, 또한 중금속이 흡착된 이후에 별도의 처리과정을 거쳐 흡착된 중금속만을 제거하고 재사용이 가능하여 비용이 절감되는 이점이 있다.

효소 단백질 불가사리 추출 칼럼 중금속

Description

효소 처리된 불가사리 추출물을 이용한 중금속 흡착용 칼럼{remove column of heavy metal using a starfish treated by enzyme}

도 1a - 본 발명에 따른 불가사리 추출물인 탄산칼슘의 SEM 사진.

도 1b - 종래의 열처리에 의한 불가사리 추출물인 탄산칼슘의 SEM 사진.

도 2 - 본 발명에 따른 불가사리 추출물인 탄산칼슘의 XRD 패턴.

도 3a - 본 발명에 따른 불가사리 추출물인 탄산칼슘의 각 중금속에 대한 흡착 제거율을 나타낸 도.

도 3b - 본 발명에 따른 불가사리 추출물인 탄산칼슘의 농도별 중금속의 흡착 제거율을 나타낸 도.

도 4 - 본 발명에 따른 불가사리 추출물인 탄산칼슘에 중금속 염 수용액의 pH에 대한 중금속 이온의 흡착 제거율을 나타낸 도.

도 5 - 본 발명에 따른 불가사리 추출물인 탄산칼슘이 충진된 칼럼에서 지속시간에 대한 중금속 이온의 흡착 제거율을 나타낸 도.

도 6 - 본 발명에 따른 불가사리 추출물인 탄산칼슘의 온도에 대한 중금속 이온의 흡착 제거율을 나타낸 도.

도 7a - 본 발명에 따른 불가사리 추출물인 탄산칼슘의 NaOH의 농도에 따른 재처리 효율을 나타낸 도, 도 7b - HNO₃의 농도에 따른 재처리 효율을 나타낸 도.

본 발명은 중금속 이온을 흡착하기 위한 칼럼에 관한 것으로, 특히 단백질 분해 효소를 이용하여 불가사리로부터 추출한 탄산칼슘으로 충진시킨 효소 처리된 불가사리 추출물을 이용한 중금속 흡착용 칼럼에 관한 것이다.

21세기에 진입한 현재 인구증가, 도시화 현상, 산업화로 인한 오염물질이 증가하고 있다. 특히, 수질 오염이 증가하고 있는데 그 중 중금속의 오염이 가장 심각한 상태로 이에 따른 시급한 대책이 요구되고 있다. 이에 따라 보다 경제적이고, 효율적인 환경 보존과 오염방지 대책이 필요한 실정이며, 중금속의 인체 축적 및 생물 농축에 대한 피해 예방을 위하여 이미 많은 연구가 진행되고 있다.

종래에는 기존의 중금속을 화학적 방법으로 제거하는 기술을 한 단계 높여 화산석, 비산재, 제올라이트, 점토, 황토, 패각류, 휴믹산, 미역폐기물 및 폐종이컵 등과 같은 폐자원이나 값싸고 쉽게 구할 수 있는 자연에 존재하는 재료를 이용하여 오염 정도를 파악하거나 제거를 위한 분야가 활성화되고 있다.

최근에는 경제적이며 자연을 이용한 것으로 불가사리를 이용하여 중금속을 제거시키는 기술이 대두되고 있다. 연근해 바다에서 살고 있는 불가사리는 해양생물의 생태계에 나쁜 영향을 주어 양식장의 수확량을 감소시키고 있으며, 어민들에 게 골칫거리에 불과하여 이들을 또 다른 자원으로 활용시키고자 방법을 강구하고 있다. 이러한 불가사리는 현재 그대로 말려서 농토에 뿌려 수확을 높이는데 일부 이용하거나 탄산칼슘 성분의 비료 제조에 쓰이며, 최근에는 화장품의 첨가물로 이용하고 있다.

그러나 불가사리의 구성 물질이 주로 단백질과 탄산칼슘이 많은데 비하여 이용 방법이 극히 일부분으로 저조한 실정이며, 이 와중에 불가사리를 이용한 중금속 제거 기술도 연구되고 있다.

종래의 불가사리를 이용하여 중금속을 제거하기 위한 기술로서는 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 특2003-0035367호 "불가사리를 이용한 중금속 제거제"가 알려져 있다. 이는 불가사리를 섭씨 60~120도로 맞춘 건조기에서 약 1~3시간 건조 처리한 후, 회화로에서 섭씨 400~700도에서 회화처리하여, 이를 분쇄하여 일정 크기로 형성시킨 것으로, 이는 열처리에 의해 불가사리의 유기성분을 제거하고 무기성분을 남긴 것인데, 중금속 흡착, 제거 성능이 그다지 높지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 상기 필요성에 의해 안출된 것으로서, 단백질 분해 효소에 의해 불가사리 내의 탄산칼슘 성분을 추출하여 중금속을 흡착시켜, 생태계를 보존하면서 중금속을 제거하는 효소 처리된 불가사리 추출물을 이용한 중금속 흡착용 칼럼의 제공을 그 목적을 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위해 본 발명은, 단백질 효소 분해에 의해 불가사리로부터 다공질의 탄산칼슘을 추출하고, 상기 탄산칼슘을 고정상으로 충진시킨 것을 특징으로 하는 효소 처리된 불가사리 추출물을 이용한 중금속 흡착용 칼럼을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 칼럼의 중금속 흡착 사용 후 HNO₃ 용액을 투입하여, 상기 칼럼에 충진된 탄산칼슘에서 흡착된 중금속만을 제거하고 상기 탄산칼슘은 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

이에 따라 중금속의 정화에 뛰어나며, 해양 생태계와 하천 생태계의 정화와 보존에 도움이 될 뿐만 아니라, 양식 어민의 소득 증대에 기여할 수 있고, 중금속을 발생시키는 공장의 중금속 제거 시설과 유지비의 절감에 크게 도움이 되며, 또한 중금속이 흡착된 이후에 별도의 처리과정을 거쳐 흡착된 중금속만을 제거하고 재사용이 가능하여 비용이 절감되는 이점이 있다.

본 발명은 연근해안에서 채취된 불가사리 적당량을 수조에 넣고, 증류수를 부은 후 단백질 분해 효소를 가하고, 전기정온 수조에서 소정 온도에서 일정 시간 동안 침지시켜 놓는다. 이러한 방법을 적어도 5회 이상 반복하여 불가사리에서 다량의 성분을 추출되도록 한다.

이에 의해 상기 수조의 위쪽에는 불가사리의 유기(organic)성분인 단백질 성분이 형성되고, 아래쪽에는 불가사리의 무기(inorganic)성분인 물보다 비중이 큰 탄산칼슘(CaCO₃) 성분이 연노란색을 띤 상태로 가라앉아 있게 된다.

이 가라앉은 물질을 수거하여 소정 시간 동안 가열한 후 그늘에서 충분히 건조시키면 흰색을 띄는 탄산칼슘 과립을 얻을 수 있게 된다. 도 1a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 불가사리 추출물인 탄산칼슘에 대한 SEM 사진(각각 300배, 1000배 확대)을 살펴보면 비교적 균일하게 다공이 파괴되지 않고 일정함을 있음을 알 수 있다.

그러나 도 1b에 도시된 바와 같이 종래의 열처리에 의한 방법인 500도에서 탄화, 회화과정을 거쳐 추출시킨 탄산칼슘은 다공이 유지되지 않고 없어져 다공성이 거의 없음을 알 수 있다. 이에 의해 본 발명에 따른 효소 분해에 의한 불가사리 추출물인 탄산칼슘은 뛰어난 흡착능력을 지닐 것이 예상된다.

이러한 탄산칼슘 과립을 적당량 칼럼(column)에 투입하면, 본 발명에 따른 효소 처리된 불가사리 추출물을 이용한 중금속 흡착용 칼럼이 완성되게 되며, 상기 칼럼에 중금속 용액을 부으면 상기 탄산칼슘에 중금속 성분이 흡착되어 중금속을 제거할 수 있게 되는 것이다.

또한, 중금속이 흡착된 탄산칼슘에 HNO₃ 용액을 혼합하면 이온 반응에 의해 상기 탄산칼슘으로부터 흡착된 중금속만이 제거되고 상기 탄산칼슘은 재사용이 가능하여, 불가사리 처리 비용 또한 절감시킬 수 있게 되는 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하고자 한다.

실시예

불가사리에서 탄산칼슘의 추출

기장군 어촌계를 통해 수거된 불가사리 적당량을 2L 유리 수조에 넣고, 증류수 1,000ml를 부은 후 단백질 분해 효소를 10g 가한 후(pH=7), 전기정온 수조에 넣고 45∼50℃로 유지하였다. 이런 방법을 5번 반복하여 다량의 성분을 추출하였다.

이에 의해 수조의 위쪽에는 불가사리의 단백질 성분이 형성되고, 아래쪽에는 탄산칼슘 성분이 비중이 물 보다 크므로 연노란색을 띠고 가라앉은 물질로 볼 수 있는데 이를 수거하여 끓는 물에 약 10분간 가열하였다. 가열한 후 그늘에서 충분히 건조시켜 흰색을 띄는 탄산칼슘을 얻었다.

단백질 분해 효소에 의한 가수분해 반응식은 아래와 같다. 이 과정과 같이 아미노산, 디펩티드, 펩티드의 형태로 변화되면서 불가사리 몸속의 골편만 빠져나오므로 탄산칼슘이 생기게 된다.

불가사리의 구성 성분을 파악하기 위하여 연소 후 성분 분석 결과를 표 1에 에 나타내었다.

표 1.

Composition	Humidity	Inorganic Mat.	Organic Mat.	Nitrogen	Ester	Carboxyl acids	L.O.I
	67.3	32.3	13.9	10.0	3.7	0.2	18.3

상기 표1에서 나타낸 바와 같이, 수분을 제외하면 단백질 성분과 무기물질로 구성되어 있음을 알 수 있다. 무기물 중 칼슘성분 함량이 약 30%로써 이를 탄산칼슘으로 환산하면 무려 76% 정도가 포함되어 있다고 볼 수 있다.

시약 및 기기

본 실시예에 사용된 중금속 흡착 실험에 사용된 중금속은 구리(CuCl₂2H₂O), 납(Pb(NO₃)₂), 카드뮴(Cd(NO₃)₂), 크롬(K₂Cr₂O₇)및 아연(ZnCl₂)을 농도별로 제조하여 사용하였다. 중금속 이온 용액은 CuCl₂2H₂O, Cd(NO₃)₂, Pb(NO₃)₂, K₂Cr₂O₇, ZnCl₂ 시약을 준비하고, 전자저울을 이용하여 증류수와 혼합하여 1ppm, 3ppm, 5ppm, 10ppm 등의 농도로 정확하게 제조한다. pH에 따른 여과흡착 처리 능력을 알아보기 위하여 완충용액을 제조하여 사용하였다.

또한, 흡착 칼럼은 직경 30mm 길이 500mm의 아크릴 원통관을 준비하고 아랫부분에 코팅망을 붙인 후 안전코크를 부착한 후 고정이 되도록 하며, 원통관 위에서 중금속 폐수의 주입이 잘 이루어지도록 준비하였다.

분석에 사용한 기기는 한국기초과학지원연구원 부산센터에서 보유중인 ICP(Thermo Jarrell As, ICP-IRIS), SEM/EDX(HITACHI , S-4200), XRD(Rigaku, Rigaku Model D/Max-2400), XRF(Philips PW 2400)를 사용하여 측정하였다.

흡착 칼럼을 이용한 중금속 여과·흡착 제거실험

불가사리 탄산칼슘 과립을 5g 평량한 후 여과·흡착 칼럼 안에 넣고 스탠드에 잘 고정하여 설치한다. 불가사리 탄산칼슘 5g을 사용할 때의 공탑체류시간(ECBT)에 따른 여과·흡착 후 중금속의 잔류량을 ICP로 측정한다.

횟수별, 중금속 염 용액의 농도, 실험 온도, pH 변화에 따른 완충용액으로 만들어 제거율 측정을 한다.

불가사리의 탄산칼슘 특성

단백질 분해 효소를 이용하여 불가사리에서 추출된 입자를 확인하기 위하여 x-선 회절(XRD) 분석을 실시하여 도 2에 나타내었다. 도 2에 도시된 바와 같이 JCPDS 카드에서의 탄산칼슘과 정확히 일치하여 탄산칼슘으로 확인되었다.

중금속 이온들이 흡착되는 탄산칼슘의 메커니즘을 결정 구조와 관련하여 해석하면 다음과 같다. 알려진 탄산칼슘의 구조는 각 CO₃ ^{2 -}의 삼각형 구조들이 한 개 의 층을 이루고 중심축인 c축에 직각으로 놓여있다. 그 층 사이에 Ca^{2 +}가 위치하여 위, 아래의 CO₃ ^{2 -}의 삼각형 구조의 산소들과 공유하며 팔면체를 만드는 형태의 구조이므로 공간이 다른 화합물에 비하여 넓은 형태를 유지하고 있다. 이러한 구조에서 흡착되는 메커니즘은 중금속이나 그 이온 Ca^{2 +}대신에 이온 교환하여 치환되거나 구조상 넓은 공간에서 흡착되는 효과로 중금속의 제거능력이 매우 우수한 것으로 판단된다.

비교예 - 각종 물질의 중금속 제거율 비교

비교적 중금속 제거율이 우수하다고 알려진 활성탄, 게껍질, 톱밥, 시판중인 탄산칼슘, 불가사리에서 추출한 탄산칼슘에 대해 중금속 이온 수용액 5종을 각 3ppm으로 만들어 pH=7, 온도 20℃ 상태에서 칼럼에 넣어 여과·흡착 후 중금속 제거율에 대한 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2.

Filter Matrials	Cu 2 +	Cd 2 +	Cr 6 +	Zn 2 +	Pb 2 +
활성탄( Activated carbon )	73.30	78.83	65.06	78.13	65.96
게껍질( Crab shell )	86.87	93.77	74.20	82.53	71.56
톱밥 ( Sawdust )	78.60	90.80	57.60	70.56	62.13
탄산칼슘( CaCO 3 )	63.33	43.20	33.27	34.33	29.60
불가사리-탄산칼슘( Starfish -탄산칼슘)	86.23	94.97	82.10	86.53	77.60

여과·흡착 칼럼 속에 위의 물질들을 각각 5g씩 넣어 조건별 중금속의 제거 정도를 실험한 결과 불가사리-탄산칼슘 > 게껍질 > 톱밥 > 활성탄의 순으로 80% 내 외로 우수하였으며, 특히, 불가사리-탄산칼슘이 전체적으로 가장 우수한 제거 특성을 나타내었다.

또한, 활성탄, 게껍질, 톱밥, 시판중인 탄산칼슘, 불가사리에서 얻어진 탄산칼슘의 부피 변화를 알아보기 위하여 각 3g을 평량한 후 메스실린더에 넣고 증류수를 5ml를 넣어 실험하였다. 부피변화가 가장 큰 것이 톱밥이었고, 게껍질, 활성탄이 변화의 폭이 큰 편이었으나 탄산칼슘, 불가사리에서 얻어진 탄산칼슘의 부피변화는 적어 중금속 이온 제거 물질로 적합함을 확인할 수 있었다.

중금속 종류에 따른 흡착 제거율

효소를 이용한 불가사리 탄산칼슘 추출액을 이용하여 여과·흡착 칼럼을 만든 후, 중금속 이온 용액을 통과시키는 실험을 실시하였다.

도 3a에는 20℃에서 불가사리 탄산칼슘 과립 5g을 넣은 여과·흡착칼럼의 통과횟수별 3ppm 중금속 이온용액에서 중금속과 이온의 여과·흡착 제거율을 나타내었다. 2차 통과시 Cr과 Pb를 제외하고 90% 이상이었고, 3차 통과시 전체적인 평균값으로 95%로 나타났다.

도 3b에는 농도별 중금속 염 수용액의 여과·흡착제거 후 잔류량과 제거율을 나타낸 것이다. 제거율을 알아보면 1ppm< 3ppm< 5ppm< 10ppm 순으로 농도가 증가할수록 중금속의 제거율도 증가하는데 5ppm과 10ppm의 경우 별 차이가 없는 것으로 보아 10ppm 이상에서는 거의 비슷한 결과가 나올 것으로 판단된다.

도 4에는 20℃에서 불가사리 탄산칼슘 과립을 5g을 넣은 여과·흡착칼럼에 3ppm 중금속 염 수용액을 pH에 따른 완충용액을 제조하여 중금속과 이온의 여과·흡착제거를 3회 통과 실시한 후 잔류량과 제거율을 나타내었다. 3회 통과 실시한 후 잔류량과 제거율을 나타낸 것인데 pH값이 6～8 사이에서 높았다.

동일한 방법으로 도 5에는 20℃의 온도 조건에서 pH=7의 5ppm 중금속 염 수용액을 공탑체류시간에 따른 여과·흡착제거 후 잔류량과 제거율을 정리한 것이다. 제거율을 분석한 결과 3～5분 사이에는 차가 많았으나 10분 이후에는 큰 차이가 없었고, 20분 이후에는 제거율이 거의 100%에 도달하였다.

도 6에는 3ppm 중금속 염 수용액을 불가사리 탄산칼슘 과립을 5g을 넣은 여과·흡착칼럼에 넣어 각 온도의 조건별로 3회 통과 실시한 후 제거율을 나타내었다. Cu 이온을 제외한 다른 중금속들은 40℃에서 높은 흡착률을 보이나 그 이상의 온도에서는 급격히 감소하는 현상이 나타났다. 이렇게 감소하는 현상이 나타난 것은 온도가 높으면 중금속 이온들의 활성도 같이 증가하므로 오히려 흡착력이 낮아진다고 생각된다.

불가사리 탄산칼슘 흡착 후 재사용 방법

불가사리의 탄산칼슘 과립을 칼럼 흡착 실험을 지속적으로 재사용이 가능한 방법은 성분에 탄산이온이 포함되어 있으므로 활성탄의 재처리 방법으로 많이 이용하는 산성 용액으로 HCl을 많이 사용하는데 여기서는 CO₂ 기체가 발생되면서 탄산칼슘 성분이 없어지고 일부 CaO가 생성되나 전체적으로 용해되는 현상이 생겨 회수율이 매우 낮아서 본 발명에 사용되는 것은 바람직하지 않은 것으로 판단된다.

그리고 염기성 용액에서 재사용 여부를 알아보는데 염기성 용액은 M^{n +} + n(OH)^- → M(OH)n 반응을 일으켜서 흡착된 중금속만 제거하고 불가사리의 탄산칼슘 성분이 다시 원 상태의 물질로 복원이 가능할 것으로 판단된다.

이에 의해 5종의 중금속염 혼합수용액 5M농도로 1주일간 방치한 과립을 1M, 3M, 5M, 7M 농도의 HNO₃ 용액, 같은 농도의 NaOH용액에 각각 삼각플라스크에 넣어 24시간 후 흐르는 물에 잘 씻어서 말린 후 3ppm의 중금속 수용액을 20℃에서 3회 여과·흡착 칼럼 통과 실험을 실시한 결과를 도 7에 나타내었다. 비교한 결과 NaOH 용액에서 각 농도별 재처리 효율이 모두 18% 이하였고, HNO₃ 용액에는 농도의 증가에 따라 재처리 효율의 증가현상을 보였는데 5M과 7M의 차가 거의 없었다.

따라서 중금속이 흡착된 탄산칼슘은 HNO₃에 의해 가장 효율적으로, 흡착된 중금속만을 제거시킴으로 상기 탄산칼슘은 또다시 활용이 가능하여, 불가사리 처리 비용을 절감시키게 되는 것이다.

상기 구성에 의한 본 발명은 중금속의 정화에 뛰어나며, 해양 생태계와 하천 생태계의 정화와 보존에 도움이 될 뿐만 아니라, 양식 어민의 소득 증대에 기여할 수 있고, 중금속을 발생시키는 공장의 중금속 제거 시설과 유지비의 절감에 크게 도움이 되는 효과가 있다.

또한, 중금속이 흡착된 이후에 별도의 처리과정을 거쳐 흡착된 중금속만을 제거하고 재사용이 가능하여 불가사리 처리 비용이 절감되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 단백질 효소 분해에 의해 불가사리로부터 다공질의 탄산칼슘을 추출하고, 상기 탄산칼슘을 내부에 충진시킨 것을 특징으로 하는 효소 처리된 불가사리 추출물을 이용한 중금속 흡착용 칼럼.
2. 제 1항에 있어서, 상기 칼럼의 중금속 흡착 사용 후 HNO₃용액을 투입하여, 상기 칼럼에 충진된 탄산칼슘에서 흡착된 중금속만을 제거하고 상기 탄산칼슘은 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는 효소 처리된 불가사리 추출물을 이용한 중금속 흡착용 칼럼.

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