Electrospun Zein Nanofibrous Membrane for Chromium(VI) Adsorption

Abstract

Heavy metal pollution is a serious problem that harms the environment and human health. As a means of removing heavy metal ions, especially Cr(VI), from a solution, we prepared a nanofibrous membrane from zein protein which is derived from maize. The zein nanofibrous membrane (ZNM) was prepared by using an 80% ethanol solution as a solvent. The resulting fiber had a ribbon-like structure. The size of the nanofiber could be controlled by varying the concentration of the zein in the ethanol solution. The ZNM was mounted in a membrane holder and a Cr(VI) feed solution was then continuously passed through the ZNM. The adsorption of Cr(VI) reached equilibrium within 3 min, indicating the rapid adsorption of the Cr(VI). To regenerate the ZNM adsorbent, the adsorbed Cr(VI) was removed by adding 0.1 M NaOH. We believe that ZNM would be an effective means of removing Cr(VI) from industrial waste. 1. 서 론 다양한 산업 폐수에 함유된 중금속으로 인한 수질 오염 은 환경 및 생태계 뿐만 아니라 인체에 노출될 경우 건강 에 해로운 영향을 미칠 수 있어 문제가 되고 있다. 그중 목 재의 방부과정이나 금속 도금, 가죽의 제혁과정에서 발생 하는 크롬 이온은 여러 나라에서 규제대상에 포함된 중금 속으로 특히 3가 이온과 6가 이온으로 존재할 때 독성이 나타난다. 그 중 6가 크롬 이온의 경우 인간의 장기에 축 적되어 간이나 신장 손상을 가져오고 어지러움을 유발하는 등 인체에 유해한 영향을 미친다. 더욱이 6가 크롬 이온은 3가 크롬 이온보다 물에 잘 용해되는 성질을 가지고 있어 보다 더 심각한 문제를 야기할 수 있다[1]. 따라서 산업폐 수 내의 6가 크롬 이온을 제거하기 위한 연구가 활발히 진 행되고 있다[2]. 수용액 내에 존재하는 중금속 이온의 제거는 흡착, 이온 교환, 화학적 침전, 산화 환원 작용 및 역삼투 등의 다양한 방법으로 가능하다[3]. 그중 흡착은 다른 방법에 비하여 효 율이 높고, 비용이 적게 들며, 비교적 쉽게 처리할 수 있다 는 장점이 있다. 현재 중금속 흡착제로는 활성탄이 널리 이 용되고 있지만, 농산물의 가공과정에서 발생하는 농업 부 산물에 포함된 단백질도 다양한 화학적 작용기를 가지고 있어 중금속 흡착제로 사용이 가능하다. 이러한 농업부산 물의 활용은 결과적으로 폐기물을 재사용하는 것으로 자원 을 효율적 사용할 수 있을 뿐만 아니라 경제적 측면에서도 비용이 적게 든다는 장점을 가지고 있다[4]. 이와 관련된 기존 연구를 살펴보면 면화씨 단백질로 제조한 하이드로겔 (hydrogel)[5]이나 콩 단백질로 제조한 미소중공구체(hollow microsphere)[6] 및 하이드로겔[7] 등이 중금속 흡착제로 검 토된 바 있다. 제인(zein)은 옥수수의 주요 저장 단백질로 배젖에 주로 분포하며 전체 옥수수 단백질 양의 50% 정도를 차지한다. 또한 밀 단백질과 더불어 프롤라민(prolamin) 계열의 단백 질로서, 프롤린과 류신, 글루탐산의 함량이 높다. 일반적으 로 프롤라민 계열의 단백질은 알콜 수용액 및 극성 유기용 매에 잘 용해되는 성질을 가지는데[8], 제인은 이러한 용매 에 고농도로 용해가 가능하며 필름 등으로 성형한 후에는 물에 잘 녹지 않는 성질이 있다. 이러한 성질로 인하여 최 근에는 식품 및 제약산업에서 제인으로 고분자 재료로 활 용하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. Fabra 등[9]은 제 인을 필름 형태로 소재화하여 식품 포장재로 사용하려는 시도를 보였고, Nie 등[10]은 제인과 PVP 복합소재를 제 † Correspondence to Ki Hoon Lee (prolee@snu.ac.kr)