In3+-based Anionic Metal-Organic Framework for Selective Sr2+ Capture = 선택적인 Sr2+ 포집을 위한 In3+ 기반 음이온 금속-유기 구조체 합성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Strontium (90Sr) is a hazardous radioactive pollutant due to its long half-life (t1/2 = 28.8 years) and β− decay (decay energy = 0.546 MeV). Various methods have been developed to remove 90Sr2+ from radioactive wastewater with ion-exchange being an attractive strategy because of its high capacity, easy operation, and low expense. Herein, we choose a water-stable, anionic metal-organic framework, DGIST-12, constructed with In3+ and 4,6-dioxido-1,3-benzenedicarboxylate as a promising Sr2+ sorbent. DGIST-12 has a high porosity and a negatively charged In8-oxo cluster, allowing for effective exchange of counter cations, dimethylammonium, with Sr2+. The maximum Sr2+ uptake capacity of DGIST-12 was reached within 20 min and the uptake capacities were maintained in a wide pH range of 4-11. Importantly, DGIST-12 selectively adsorbed Sr2+ in the presence of various competing ions. Our findings demonstrate the potential for the design of novel sorbents for efficient and selective removal of radioactive pollutants.

국문 초록 (Abstract)

방사성 스트론튬 (90Sr)은 반감기가 길고 (t1/2 = 28.8년) β- 붕괴 (분해 에너지 = 0.546 MeV)로 인해 위험한 방사성 오염물질 중 하나로 알려져 있다. 현재까지 다양한 방법이 개발되어 방사성 폐수에서 방사성 스트론튬을 제거하는 데 사용되고 있다. 그 중 이온교환법은 높은 흡착 용량과 쉬운 사용법, 그리고 적은 운용비용으로 인해 유망한 전략으로 간주된다. 본 연구에서는 In3+와 m-DOBDC4- (4,6-dioxido-1,3-benzenedicarboxylate)로 구성된 물에 안정한 음이온성 금속-유기 구조체 (metal-organic framework)인 DGIST-12를 합성하였고 이를 이용하여 방사성 스트론튬의 효과적인 흡착제로 사용하기 위한 연구를 진행했다. DGIST-12는 높은 다공성을 가지고 있으며 음전하를 띈 In8 - 옥소 클러스터로 인한 반대 전하 양이온인 다이메틸암모늄 이온이 스트론튬과 효과적으로 교환될 수 있다. DGIST-12의 스트론튬 최대 흡착 용량은 20분 이내에 도달하며 pH 4-11의 넓은 범위에서 흡착 용량을 유지한다. 중요한 점은 DGIST-12가 다양한 경쟁 양이온 존재 시에도 스트론튬을 선택적으로 흡착한다는 것이다. 본 연구는 효율적이고 선택적인 방사성 오염물질 제거를 위한 새로운 흡착제 설계의 잠재력을 입증한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• II. Experimental methods 4
• 2.1 Materials 4
• 2.2 Measurements 5
• 2.3 Syntheses 6
• 2.3.1 Synthesis of 4,6-dioxido-1,3-benzenedicarboxylate (H4m-DOBDC) 6
• 2.3.2 Synthesis of DGIST-12 8
• 2.4 Sr2+ adsorption kinetics test 8
• 2.5 Sr2+ adsorption isotherm test 9
• 2.6 Sr2+ adsorption capacity test at different pH values 10
• 2.7 Sr2+ adsorption selectivity test 10
• 2.8 Solid-liquid ratio test 11
• 2.9 Desorption test with various conditions 12
• III. Results and discussions 13
• 3.1 Characterization of DGIST-12 13
• 3.2 Sr2+ adsorption kinetics test 21
• 3.3 Sr2+ adsorption isotherm test 27
• 3.4 Sr2+ adsorption selectivity test 34
• 3.5 Solid-liquid ratio test 38
• 3.6 Adsorption mechanism studies 40
• 3.7 Water stability and retention of Sr2+ adsorption capacity of DGIST-12 45
• 3.8 Desorption test with various conditions 47
• IV. Conclusions 50
• Reference 51
• Summary 55