Synthesis and Multifunctionalization of Snowman Particles for Water Purification : 수질 정화를 위한 눈사람형태 입자의 합성 및 다기능화

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 물 부족과 오염 문제가 심화됨에 따라 유기 오염물과 오일 기반 오염원이 혼재된 복합 폐수를 효과적으로 처리할 수 있는 새로운 정화 기술의 필요성이 커지고 있다. 기존의 나노촉매 기반 수처리 기술은 높은 산화력을 제공하지만 촉매 회수의 어려움, 입자 응집으로 인한 성능 저하, 그리고 복합오염 환경에서의 처리 효율 감소와 같은 한계를 지닌다. 이에 본 연구에서는 정화 효율과 촉매의 회수성을 동시에 확보하기 위해 형태적으로 제어된 콜로이드 기반 기능성 입자를 촉매 지지체로 활용하는 방법을 제안했다. 특히 고분자 콜로이드 입자의 미세 구조를 팽윤 기반 형태 제어 기법을 통해 정밀하게 조절함으로써 자성·양친매성·광촉매 특성을 하나의 입자 내에 통합한 다기능성 눈사람형태(snowman-shape) 입자를 제작했다. 이러한 통합 구조를 갖는 입자는 복합 오염원을 동시에 처리할 수 있는 수처리 방법으로써 높은 응용 가능성을 보여준다.
2장에서는 입자의 비대칭 구조 형성 과정을 분석했다. 다층의 고분자 전해질로 코팅된 자성 고분자 입자를 유기용매-물 혼합 용매에 노출시켜 팽윤 현상을 유도함으로써 비대칭 구조를 형성하는 과정을 분석했다. 혼합 용매의 처리 시간과 고분자 전해질의 코팅 횟수에 따라 국부적인 돌출부의 부피와 형태가 단계적으로 변화함을 확인했다. 이 구조 제어 결과를 바탕으로 선택적 표면 제어, 광촉매 응용, 그리고 가교를 통한 유기용매 내에서 형태 안정성을 개별적으로 검증하여 다기능성 입자 개발의 가능성을 확인했다.
3장에서는 앞선 구조 제어 전략을 활용하여 자성을 통한 회수 기능, 물과 오일의 계면 안정성, 그리고 광촉매 반응성을 하나의 눈사람형 입자에 통합했다. 입자 내부에 포함된 자성 클러스터는 외부 자기장을 이용한 회수성을 확보하며 외부의 친수성 및 친유성 두 영역이 연결된 구조는 오일-물 계면에서의 선택적 흡착을 효과적으로 유도했다. 또한 TiO2 기반 광촉매 기능을 접목함으로써 오일 흡착과 동시에 수용성 유기 오염물의 분해가 단일 계면에서 병행될 수 있음을 확인했다. 이러한 눈사람 구조는 수용성 유기염료와 소수성 오일이 공존하는 복합 오염 환경에서의 정화 효율을 크게 향상했으며 반복 사용 시에도 구조적 및 기능적 안정성을 유지하는 뛰어난 성능을 보였다. 이러한 형태 제어 및 기능적 통합 전략은 향후 고기능성 환경 소재 개발과 차세대 수처리 기술 확장에 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background 2
• 1.1.1 Global water use and contamination sources 2
• 1.1.2 Water treatment technologies 5
• 1.1.3 Nanocatalyst-based water treatment and its limitations 8
• 1.2 Supports for nanocatalyst 10
• 1.2.1 Definition and requirements 10
• 1.2.2 Support materials 12
• 1.2.3 Colloidal polymeric supports 16
• 1.2.4 Limitations of isotropic polymer supports 19
• 1.3 Janus particles 20
• 1.3.1 Characteristics of Janus particles 20
• 1.3.2 Synthesis strategies 23
• 1.3.3 Evaluation and characterization 27
• 1.3.4 Applications 29
• 1.4 Aim of thesis 31
• 1.5 References 34
• Chapter 2. Synthesis and Shape Control of Swelling-Assisted Polymer Dimers 42
• 2.1 Introduction 43
• 2.2 Materials and experimental methods 46
• 2.2.1 Materials 46
• 2.2.2 Synthesis of silica-coated Fe₃O₄ MCs 47
• 2.2.3 Fabrication of magnetic polymer spheres 47
• 2.2.4 Formation of magnetic polymer dimers with controlled surface anisotropy 48
• 2.2.5 Attachment of silver nanoparticles (AgNPs) 49
• 2.2.6 Fabrication of magnetic dimers with cross-linked polymer protrusions 50
• 2.2.7 Fabrication of magnetic polymer dimers with titanium dioxide (TiO2) compartments 50
• 2.2.8 Catalytic test 51
• 2.2.9 Characterization 51
• 2.3 Results and discussion 53
• 2.3.1 Synthesis and characterization of MCs 53
• 2.3.2 Fabrication of magnetic polymer spheres 56
• 2.3.3 Swelling-induced protrusion formation 61
• 2.3.4 Anisotropic immobilization of AgNPs 68
• 2.3.5 Composite dimers with TiO2 compartments 73
• 2.3.6 Amphiphilic anisotropic dimers 76
• 2.4 Conclusion 78
• 2.5 References 80
• Chapter 3. Multifunctional Snowman Particles for Oil Capture and Photocatalysis 86
• 3.1 Introduction 87
• 3.2 Materials and experimental methods 90
• 3.2.1 Materials 90
• 3.2.2 Preparation of plain and magnetic polymer spheres 90
• 3.2.3 Coating of PS spheres with TiO2 91
• 3.2.4 Transformation of PS@TiO2 spheres into snowman-shaped colloids 92
• 3.2.5 Stability and removal tests of oil-in-water emulsion droplets by SMPs 92
• 3.2.6 Photocatalytic performance test 93
• 3.2.7 Characterization 94
• 3.3 Results and discussion 96
• 3.3.1 Preparation of SMPs 96
• 3.3.2 Photocatalytic performance of SMPs 109
• 3.3.3 Surface hydrophilicity of SMPs 117
• 3.3.4 Functionalization of SMPs 124
• 3.4 Conclusion 135
• 3.5 References 136
• Abstract (Korean) 144