Potassium copper hexacyanoferrate (KCuHCF) was synthesized and immobilized in a cellulose-based hydrogel made of carboxymethyl cellulose (CMC) and hydroxyethyl cellulose (HEC) for the adsorption of cesium ions in aqueous solutions. The immobilization with the cellulose-based hydrogel facilitated the dispersion of nano-sized KCuHCF particles, showing the unprecedented adsorption capacity of the composite. In $Cs^+$ removal experiments, KCuHCF-cellulose hydrogel composites (HCF-gels) exhibited exceptional Cs+ adsorption capacities ($2.06-2.32 mmol g^{-1}$) which was attributed to the presence of ion-exchangeable sites ($COO-Na^+$) in the cellulose hydrogel. The HCF-gels also exhibited a rapid Cs+ removal (90.1% removal for $0.15 mmol L^{-1}$ of $Cs^+$ in 1 h) with the uptake reaction kinetics expressed by a pseudo-second order kinetics model. Notably, the HCF-gels could adsorb $Cs^+$ selectively (>90%) in seawater containing $0.11 mmol L^{-1} Cs^+$. Such specificity with fast kinetics is due to the high ion accessibility from the inherent nature of hydrogels and the highly dispersed KCuHCF nanoparticles in the composites.
본 연구는 긴 반감기 (30년)를 가지는 고방사성 핵종인 세슘-137을 방사성 폐수로부터 효과적으로 제거하기 위하여 구리헥사시아노철산염-셀룰로오스 하이드로겔 복합체를 개발하고 이의 세슘 흡착 제거를 수행하였다. 세슘에 대한 선택적 흡착 능력이 우수하다고 알려진 구리헥사시아노철산염은 수십 나노미터에 불과한 입자 지름으로 인해 액체로부터 분리가 까다로워 실제 연속 공정에 응용하기에 부적합하였다. 따라서 카르복시메틸셀룰로오스 기반의 하이드로겔에 이 나노입자들을 분산 고정함으로써 공정 활용성을 개선하였으며, 고정화 담체에 존재하는 카르복실기 (COO-) 또한 세슘 흡착에 관여함으로써 높은 흡착 용량 (2.06 - 2.32 mmol/g)을 나타냈다. 또한 하이드로겔이 갖는 거대 기공 구조와 친수성 환경으로 인해 빠른 세슘 흡착 속도를 나타내었고, 타 양이온들이 고농도로 용해되어 있는 해수 조건에서도 미량 세슘 이온을 선택적으로 흡착 제거했다.
