KR101303059B1 - 물과 기름을 선택적으로 분리할 수 있는 극친수성 여과 구조물 - Google Patents
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Abstract
젖음성을 이용하여 물과 기름을 효율적으로 분리할 수 있는 여과 구조물을 제공한다. 여과 구조물은 복수의 개구부를 형성하는 제1 여과층과, 복수의 개구부를 형성하며 제1 여과층과 거리를 두고 제1 여과층과 중첩되어 위치하는 제2 여과층을 포함한다. 제1 여과층과 제2 여과층은 그 표면에 마이크로 스케일의 제1 미세 요철과 나노 스케일의 제2 미세 요철을 형성하여 극친수성을 구현함으로써 물과 기름 중 물을 선택적으로 통과시킨다.
Description
본 발명은 물과 기름을 선택적으로 분리할 수 있는 여과 구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 젖음성을 이용하여 물과 기름을 효율적으로 분리할 수 있는 여과 구조물에 관한 것이다.
기름을 다량 포함하는 산업용 폐수와, 선박에서 사고로 유출된 기름 등으로 인한 수질 오염 문제는 생태계에 치명적인 영향을 끼치며, 오염된 지역의 복원에 막대한 경제적 비용과 시간이 소요된다. 이러한 이유로 폐수와 해상 유출유 등에서 물과 기름을 분리하는 기술이 제안되었다.
물과 기름을 분리하는 종래의 기술로는 흡착 방식과 비중 분리 방식이 알려져 있다. 흡착 방식은 흡착제를 이용하여 기름만을 선별적으로 흡수하는 방식이다. 이 방식은 한 번에 기름을 제거할 수 있는 양이 제한적이며, 기름을 흡수한 흡착제의 처리 과정에서 추가적인 비용과 2차 환경 오염이 발생할 수 있다.
비중 분리 방식은 물과 기름의 비중 차이를 이용하여 물의 상부에 떠오른 기름을 제거하는 방식으로서, 흡착제와 같은 소모품이 이용되지 않아 비용을 절감할 수 있다. 그러나 기름을 분리하는 효율이 떨어지고, 분리된 기름에 많은 수분이 포함되어 있으므로 기름을 재활용하는데 어려움이 있다.
본 발명은 구조가 간단하고, 물과 기름의 혼합물로부터 기름을 높은 효율로 분리하여 회수할 수 있는 극친수성 여과 구조물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 여과 구조물은 복수의 개구부를 형성하는 제1 여과층과, 복수의 개구부를 형성하며 제1 여과층과 거리를 두고 제1 여과층과 중첩되어 위치하는 제2 여과층을 포함한다. 제1 여과층과 제2 여과층은 그 표면에 마이크로 스케일과 나노 스케일이 조합된 듀얼 스케일의 요철 구조를 형성하여 극친수성을 구현함으로써 물과 기름 중 물을 선택적으로 통과시킨다.
제1 여과층과 제2 여과층 각각은 금속 와이어를 메쉬 형태로 직조한 금속 메쉬로 이루어질 수 있다.
요철 구조는 마이크로 스케일의 제1 미세 요철과, 제1 미세 요철의 표면에서 제1 미세 요철의 굴곡을 따라 형성된 나노 스케일의 제2 미세 요철을 포함할 수 있다. 제1 미세 요철은 샌드 블라스트, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 및 레이저 처리 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. 제2 미세 요철은 양극 산화 공정으로 형성될 수 있다.
제1 여과층과 제2 여과층 사이에 물층이 위치할 수 있다. 물층은 여과 구조물에 물만 통과시키거나 여과 구조물을 물에 담갔다가 꺼내는 방법으로 형성될 수 있다.
제1 여과층과 제2 여과층 사이에 흡수층이 위치할 수 있다. 흡수층은 하이드로겔, 실리카겔, 활성알루미나, 제오라이트, 활성탄, 직물, 및 스폰지로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 여과층과 제2 여과층 사이에 보강재가 위치할 수 있다. 보강재는 금속 막대, 금속 메쉬, 고분자 막대, 및 고분자 메쉬 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
여과 구조물은 구조가 간단하고, 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 물과 기름의 혼합물로부터 기름을 높은 효율로 분리하여 쉽게 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 제1 여과층 및 제2 여과층의 표면을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 1에 도시한 여과 구조물의 적용예를 나타낸 도면이다.
도 6a는 본 실시예의 여과 구조물에 물을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이다.
도 6b는 제1 미세 요철과 제2 미세 요철을 형성하지 않은 비교예의 여과 구조물에 물을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이다.
도 2는 도 1에 도시한 제1 여과층 및 제2 여과층의 표면을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 1에 도시한 여과 구조물의 적용예를 나타낸 도면이다.
도 6a는 본 실시예의 여과 구조물에 물을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이다.
도 6b는 제1 미세 요철과 제2 미세 요철을 형성하지 않은 비교예의 여과 구조물에 물을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 제1 여과층 및 제2 여과층의 표면을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예에 따른 여과 구조물(100)은 복수의 개구부를 형성하는 제1 여과층(10)과, 복수의 개구부를 형성하며 제1 여과층(10)과 거리를 두고 제1 여과층(10)과 중첩되어 위치하는 제2 여과층(20)을 포함한다.
제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 각각은 금속 와이어를 메쉬 형태로 직조한 금속 메쉬로 이루어질 수 있다. 다른 한편으로, 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 각각은 복수의 개구부를 형성한 금속 판재로 이루어질 수 있다. 금속 메쉬는 유연하게 변형될 수 있고, 높은 강도를 나타내므로 금속 판재보다 유용하게 적용될 수 있다.
제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)의 표면에는 마이크로 스케일의 제1 미세 요철(31)이 형성되고, 제1 미세 요철(31)의 굴곡을 따라 나노 스케일의 제2 미세 요철(32)이 형성된다. 따라서 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)은 마이크로 스케일과 나노 스케일이 혼합된 듀얼 스케일의 요철 구조에 의해 접촉각이 10°보다 작은 극친수성 표면을 구현한다.
여기서, 마이크로 스케일은 1㎛ 이상 1,000㎛ 미만의 범위에 속하는 크기를 의미하고, 나노 스케일은 1nm 이상 1,000nm 미만의 범위에 속하는 크기를 의미한다. 젖음성은 고체 표면이 물에 젖기 쉬운 정도를 의미하며, 임의의 액체가 고체 표면에 접촉할 때 고체에 대한 액체의 접촉각으로 측정할 수 있다. 액체의 접촉각이 90°보다 작을 때 친수성이라 하고, 10°보다 작을 때 극친수성이라 한다.
마이크로 스케일의 제1 미세 요철(31)은 제1 여과층(10) 및 제2 여과층(20)에 친수성을 부여한다. 제1 미세 요철(31)은 샌드 블라스트, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 및 레이저 처리 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다.
샌드 블라스트는 미세한 모래 입자를 압축 공기로 분사시켜 대상물에 물리적인 충돌을 가함으로써 미세 요철을 형성하는 방법이다. 숏 블라스트는 숏(shot) 또는 그릿(grit)이라고 하는 금속 또는 비금속의 미세 입자를 분사하여 대상물에 미세 요철을 형성한다.
플라즈마 에칭은 에칭액 대신 기체 플라즈마를 이용하여 대상물의 표면을 식각함으로써 대상물의 표면에 미세 요철을 형성한다. 방전 처리는 전기 방전에 의해 발생하는 고열로 대상물의 표면을 용융시킨 후 재응고시키는 처리법으로서, 방전 처리된 대상물의 표면에는 불규칙적인 균열 및 기포로 이루어진 미세 요철이 형성된다. 레이저 처리는 고출력의 레이저 펄스를 대상물에 입사시켜 그 표면을 삭마함으로써 미세 요철을 형성한다.
나노 스케일의 제2 미세 요철(32)은 제1 여과층(10) 및 제2 여과층(20)에 극친수성을 부여한다. 제2 미세 요철(32)은 양극 산화 공정으로 형성될 수 있다.
양극 산화 공정에 사용되는 양극 산화 장치(도시하지 않음)는 냉각수가 순환하는 순환식 수조와, 수조 내부의 전해액을 일정한 속도로 교반하는 자석 교반기를 포함할 수 있다. 수조 내부의 전해액에 제1 및 제2 여과층(10, 20)과 상대 전극을 담그고, 제1 및 제2 여과층(10, 20)과 상대 전극에 각각 양극 전원과 음극 전원을 인가하여 양극 산화 공정을 실시한다.
양극 산화 공정이 진행되면서 제1 및 제2 여과층(10, 20)의 표면에는 산화막이 형성되고, 산화막에 나노 스케일의 미세 홈이 형성된다. 산화막과 미세 홈은 제1 미세 요철(31)의 굴곡을 따라 형성되므로, 제1 및 제2 여과층(10, 20)의 표면에는 제1 미세 요철(31)과 제2 미세 요철(32)이 조합된 듀얼 스케일의 요철 구조가 형성된다.
여과 구조물(100)이 양극 산화 공정으로 제2 미세 요철(32)을 형성하는 경우, 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)은 양극 산화가 가능한 금속, 예를 들어 알루미늄이나 티타늄 등으로 형성될 수 있다.
제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)의 표면이 극친수성을 나타냄에 따라, 여과 구조물(100)은 높은 젖음성을 가지며, 물을 쉽게 통과시킨다. 따라서 여과 구조물(100)에 기름과 물이 혼합된 액체를 통과시키면 물은 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)을 쉽게 통과하지만 기름은 물과의 척력으로 인해 제1 및 제2 여과층(10, 20)을 통과하지 못한다.
이때 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)은 그 사이에 물을 함유한다. 즉 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 물층(40)이 존재한다. 물층(40)은 여과 구조물(100)을 사용하기 전, 여과 구조물(100)에 물만을 통과시키거나 여과 구조물(100)을 물에 담갔다가 꺼내는 방법으로 형성할 수 있다.
도 1에서는 여과 구조물(100)이 두 개의 여과층(10, 20)으로 구성된 경우를 예로 들어 도시하였으나, 여과층(10, 20)은 3개 또는 그 이상으로도 구비될 수 있다. 모든 경우 각각의 여과층은 이웃한 여과층과 떨어져 위치하며, 이웃한 두 개의 여과층 사이에는 물층이 존재한다.
일정한 압력으로 물과 기름의 혼합물을 여과 구조물(100)에 통과시키면, 물은 여과 구조물(100)을 잘 통과하는 반면 기름은 물층(40)과의 척력으로 인해 여과 구조물(100)을 통과하지 못한다. 따라서 여과 구조물(100)은 물과 기름의 혼합물로부터 물을 선택적으로 배출시켜 물과 기름을 높은 효율로 분리할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 3을 참고하면, 제2 실시예의 여과 구조물(110)은 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 흡수층(50)이 위치하는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 여과 구조물과 동일한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
흡수층(50)은 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 물층이 잘 유지될 수 있도록 물을 흡수하여 저장하는 역할을 한다. 따라서 흡수층(50)을 구비한 여과 구조물(110)은 높은 압력에서도 물층이 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 흡수층(50)은 압력에 의해 여과 구조물(110)이 변형되는 것을 방지하는 역할도 한다.
흡수층(50)은 하이드로겔, 실리카겔, 활성알루미나, 제오라이트, 활성탄, 직물, 및 스폰지로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 여과 구조물을 나타낸 개략도이다.
도 4를 참고하면, 제3 실시예의 여과 구조물(120)은 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 보강재(60)가 위치하는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 또는 제2 실시예의 여과 구조물과 동일한 구조로 이루어진다.
도 4에서는 흡수층(50) 중앙에 보강재(60)가 위치하는 경우를 예로 들어 도시하였으나, 흡수층(50) 없이 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20) 사이에 보강재(60)만 위치하는 경우도 가능하다.
보강재(60)는 제1 여과층(10)과 제2 여과층(20)이 높은 압력에 의해 변형되지 않도록 이들을 지지하는 역할을 한다. 보강재(60)는 금속 막대, 금속 메쉬, 고분자 막대, 고분자 메쉬 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 제3 실시예의 여과 구조물(120)은 보강재(60)에 의해 구조적인 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 5는 전술한 여과 구조물의 적용예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 여과 구조물(100)은 사용 목적에 따라 다양한 모양과 크기로 제작된다. 예를 들어 선박에서 기름이 유출되는 사고가 발생한 경우, 여과 구조물(100)은 해상 유출유를 둘러싸도록 바다 위에 그물망 형태로 설치될 수 있다.
여과 구조물(100)은 극친수성 표면에 의해 기름은 통과시키지 않고 물만을 통과시키는 특징을 가진다. 따라서 해상 유출유를 둘러싼 여과 구조물(100)의 내측에는 기름만 모이고 물은 여과 구조물(100)의 외측으로 빠져 나간다. 그 결과, 기름을 한 곳에 쉽게 모을 수 있고, 분리된 기름을 쉽게 수거할 수 있다.
도 6a는 본 실시예의 여과 구조물에 물을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이고, 도 6b는 제1 미세 요철과 제2 미세 요철을 형성하지 않은 비교예의 여과 구조물에 물을 떨어뜨린 후 촬영한 사진이다.
도 6a를 참고하면, 실시예의 여과 구조물은 듀얼 스케일의 미세 구조에 의해 액체의 접촉각이 10°보다 작은 극친수성을 구현하며, 우수한 젖음성을 나타내고 있다. 반면 도 6b를 참고하면, 비교예의 여과 구조물은 액체의 접촉각이 90°보다 크고, 젖음성이 낮은 것을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 110, 120: 여과 구조물 10: 제1 여과층
20: 제2 여과층 31: 제1 미세 요철
32: 제2 미세 요철 40: 물층
50: 흡수층 60: 보강재
20: 제2 여과층 31: 제1 미세 요철
32: 제2 미세 요철 40: 물층
50: 흡수층 60: 보강재
Claims (11)
- 복수의 개구부를 형성하는 제1 여과층; 및
복수의 개구부를 형성하며, 상기 제1 여과층과 거리를 두고 상기 제1 여과층과 중첩되어 위치하는 제2 여과층
을 포함하고,
상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층은 그 표면에 마이크로 스케일과 나노 스케일이 조합된 듀얼 스케일의 요철 구조를 형성하여 극친수성을 구현함으로써 물과 기름 중 물을 선택적으로 통과시키는 여과 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층 각각은 금속 와이어를 메쉬 형태로 직조한 금속 메쉬로 이루어지는 여과 구조물. - 제1항에 있어서,
상기 요철 구조는 마이크로 스케일의 제1 미세 요철과, 상기 제1 미세 요철의 표면에서 상기 제1 미세 요철의 굴곡을 따라 형성된 나노 스케일의 제2 미세 요철을 포함하는 여과 구조물. - 제3항에 있어서,
상기 제1 미세 요철은 샌드 블라스트, 숏 블라스트, 플라즈마 에칭, 방전 처리, 및 레이저 처리 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 여과 구조물. - 제3항에 있어서,
상기 제2 미세 요철은 양극 산화 공정으로 형성되는 여과 구조물. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층 사이에 물층이 위치하는 여과 구조물. - 제6항에 있어서,
상기 물층은 상기 여과 구조물에 물만 통과시키거나 상기 여과 구조물을 물에 담갔다가 꺼내는 방법으로 형성되는 여과 구조물. - 제6항에 있어서,
상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층 사이에 흡수층이 위치하는 여과 구조물. - 제8항에 있어서,
상기 흡수층은 하이드로겔, 실리카겔, 활성알루미나, 제오라이트, 활탄, 직물, 및 스폰지로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 여과 구조물. - 제6항에 있어서,
상기 제1 여과층과 상기 제2 여과층 사이에 보강재가 위치하는 여과 구조물. - 제10항에 있어서,
상기 보강재는 금속 막대, 금속 메쉬, 고분자 막대, 및 고분자 메쉬 중 어느 하나로 형성되는 여과 구조물.
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