KR101732414B1

KR101732414B1 - 미세버블의 고농도화 장치 및 미세버블의 고농도화 방법

Info

Publication number: KR101732414B1
Application number: KR1020160100627A
Authority: KR
Inventors: 김종민; 한중근; 오승훈; 이정일
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2016-08-08
Publication date: 2017-05-08
Also published as: KR20160120687A

Abstract

미세버블의 고농도화 장치 및 상기 미세버블의 고농도화 장치를 이용한 미세버블의 고농도화 방법을 제공한다.

Description

미세버블의 고농도화 장치 및 미세버블의 고농도화 방법 {APPARATUS FOR HIGH CONCENTRATINING NANOBUBBLES AND HIGHLY CONCENTRATINING METHOD OF NANOBUBBLES}

본원은, 미세버블의 고농도화 장치 및 상기 미세버블의 고농도화 방법에 관한 것이다.

최근, 일반적인 물보다 용존기체량이 높은 물을 제조하였는데, 일 예로 축사 등에서 나오는 오폐수를 정화하는 공정에서 사용하기도 하며 양식장에서 어류에게 산소(기체, 버블)를 공급하기 위한 용도로 용존산소량이 높은 산소(기체, 버블)수가 주로 사용되어 왔다. 상기 산소수는 동물이나 사람이 음용할 경우 체내에 흡수가 빠르고 신진대사가 활발해지며 각종 병충해에 대해 강해지는 등의 많은 효과가 있어 축산농가뿐만 아니라 일반 가정이나 회사에서 쓰는 정수기에도 이러한 산소수를 적용하는 경우가 많아졌다. 또한, 식물의 경우에는 토양의 환경을 개선하고 잎이나 뿌리 등에 직접적으로 산소를 공급하여 보다 튼튼하게 생장하면서 병충해에 강해져 생산량이 증가하는 효과를 가져오고 있다. 상기와 같은 이유로 산소(기체, 버블)수를 제조하기 위해 다양한 방법 및 장치들이 제공되었다. 그러나, 종래 제공된 기체수 제조방법 및 제조장치는 모터를 이용하여 물을 고속으로 혼합하면서 용존기체량을 높이는 방법을 사용하였으나, 상기 방법으로는 짧은 시간에 원하는 용존기체량을 얻기가 힘들뿐만 아니라 미세한 기포를 생성하는 것이 어려웠다. 또한, 전기분해나 냉동에 의해 산소(기체, 버블)수를 제조하는 방법이 있었으나, 이 경우 설비가 매우 고가이고 혼합된 산소(기체, 버블)가 기포상태로 물속에 존재하여 시간이 흐름에 따라 급속하게 용존산소량이 떨어지는 단점과 함께 기포의 크기를 조절하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 미세한 공기방울을 공급하여 산소(기체, 버블)수를 제조하는 방법의 경우 고농도의 산소(기체, 버블)수를 제조할 수 있는 장점이 있으나, 나노버블을 공급하기 위하여 고압의 조건에서 지속적으로 나노버블을 생성·공급시켜줘야 하며 이 역시 상당량의 산소(기체, 버블)가 물속에 기포상태로 존재하여 시간이 경과하면 용존산소량이 빨리 떨어지는 단점이 있다.

이와 관련하여, 일본 공개특허 제2011-078914호는 안정화된 오존 마이크로 버블을 함유하는 생체 용수의 제조 방법 및 생체 용수에 대해 개시하고 있다. 그러나, 상기 일본 공개특허 제2011-078914호에 따르면, 마이크로 크기의 버블을 포함함으로써 개체수가 증가함에 따라 마이크로 크기의 버블이 액상에서 부상하여 공기 중으로 사라지기 때문에, 고농도화가 불가능하다는 단점이 있다.

본원은, 미세버블의 고농도화 장치 및 상기 미세버블의 고농도화 장치를 이용한 미세버블의 고농도화 방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 미세버블-함유 저농도 용액을 포함하는 제 1 챔버; 고농도 용액을 포함하는 제 2 챔버; 및, 상기 제 1 챔버 및 상기 제 2 챔버의 사이에 형성된 반투막을 포함하는, 미세버블의 고농도화 장치를 제공한다.

본원의 제 2 측면은, 제 1 챔버에 미세버블-함유 저농도 용액을 공급하는 단계; 제 2 챔버에 고농도 용액을 공급하는 단계; 및, 상기 제 1 챔버에 포함되는 용액 및 상기 제 2 챔버에 포함되는 용액의 농도 차이에 의해 상기 제 1 챔버에 포함되는 용액이 반투막을 통해 상기 제 2 챔버로 이동하는 것인, 미세버블의 고농도화 방법을 제공한다.

본원의 일 구현예에 의하면, 미세버블-함유 저농도 용액 및 고농도 용액의 삼투 현상에 의해 간단하게 미세버블을 고농도화할 수 있다.

더불어, 나노미터 크기의 미세버블을 포함함으로써, 종래 마이크로미터 크기의 미세버블이 개체수가 증가함에 따라 액상에서 부상하여 공기중으로 사라지는 단점을 해소할 수 있고, 본원에 따른 미세버블의 고농도화를 달성할 수 있다.

도 1은, 본원의 일 구현예에 따른 미세버블의 고농도화 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2a 내지 도 2d는, 본원의 일 실시예에 따른 입도 측정 결과를 나타낸 것이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.

본원 명세서 전체에서, “미세버블”의 기재는 마이크로미터 크기의 마이크로버블 및/또는 나노미터 크기의 나노버블을 포함하는 것이며, 상기 미세버블의 크기는 약 1 nm 내지 약 5,000 nm의 평균 크기를 갖는 것일 수 있다. 더불어, 상기 마이크로미터 크기의 미세버블 및/또는 상기 나노미터 크기의 미세버블은 개체수가 증가하여도 액상에 잔존하여 본원에 따른 미세버블의 고농도화를 달성할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.

이와 관련하여, 도 1은 본원의 일 구현예에 따른 미세버블의 고농도화 장치를 나타낸 모식도이다.

본원에 따른 미세버블의 고농도화 장치는 제 1 챔버(100), 제 2 챔버(200), 및 상기 제 1 챔버(100)와 상기 제 2 챔버(200)의 사이에 형성된 반투막(300)을 포함한다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 챔버(100) 및 상기 제 2 챔버(200)는 소정 량의 용액이 수용되도록 내부에 소정의 공간이 형성된 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 챔버(100)는 상기 제 2 챔버(200) 내에 위치하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 챔버(100)는 깔대기 모양의 관 형태를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 제 1 챔버(100)가 깔대기 모양의 관 형태를 가질 경우, 상기 미세버블의 농도를 빠르게 증가시킬 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반투막(300)은 용매는 통과시키는 반면, 용질은 통과시키지 않는 것으로서, 상기 반투막(300)은 상기 제 1 챔버(100) 및 상기 제 2 챔버(200)의 사이에 구비되며, 상기 반투막(300)을 통해 상기 제 1 챔버(100)에 포함되는 저농도 용액 중 용매가 상기 제 2 챔버(200)로 이동하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반투막(300)을 통해 상기 저농도 용액 중 용매가 상기 제 2 챔버(200)로 이동하는 것은, 삼투 현상에 의한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 삼투 현상이란, 농도가 다른 두 액체를 반투막으로 막았을 때, 용질의 농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로 용매가 옮겨가는 현상을 뜻하는 것으로서, 상기 삼투 현상에 의해 본원에 따른 저농도 용액 중 용매가 고농도 용액 쪽으로 이동할 수 있다. 상기와 같은 저농도 용액 중 용매의 이동으로 인해, 상기 저농도 용액의 부피 당 미세버블 개체수가 증가함으로써 본원의 일 구현예에 따른 미세버블의 고농도화를 달성할 수 있다.

또한, 도시되지는 않았지만, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 챔버(200)의 외부에 형성된 가열 기구를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 가열 기구는 예를 들어, 코일, 기체 연료 버너, 액체 연료 버너, 고체 연료 버너, 또는 저항가열로일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 가열 기구를 추가 구비함으로써 상기 반투막(300)을 통해 상기 제 1 챔버(100)에 포함되는 저농도 용액 중 용매가 상기 제 2 챔버(200)로 이동할 때, 상기 용매의 이동 속도를 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 가열 기구를 추가 구비함으로써 상기 미세버블의 농도를 빠르게 증가시킬 수 있다.

또한, 도시되지는 않았지만, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 챔버의 상부에 형성된 가압 기구를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 가압 기구는 예를 들어, 펌프 또는 흡인장치일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 가압 기구를 추가 구비함으로써 상기 반투막(300)을 통해 상기 제 1 챔버(100)에 포함되는 저농도 용액 중 용매가 상기 제 2 챔버(200)로 이동할 때, 상기 용매의 이동 속도를 조절할 수 있다. 이에 따라, 상기 가압 기구를 추가 구비함으로써 상기 미세버블의 농도를 빠르게 증가시킬 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 저농도 용액 및 상기 고농도 용액에 포함되는 용매는 액체라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 저농도 용액 및 상기 고농도 용액에 포함되는 용질은 상기 용매에 혼합시킬 수 있는 물질이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 용질로서 소금, 폴리에틸렌글리콜 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 저농도 용액의 농도는 상기 고농도 용액의 농도 미만의 값을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 고농도 용액은 상기 저농도 용액보다 고농도인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 제 2 측면은 본원의 제 1 측면에 따른 미세버블의 고농도화 장치를 이용한 미세버블의 고농도화 방법에 관한 것으로서, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 반투막은 용매는 통과시키는 반면, 용질은 통과시키지 않는 것으로서, 상기 반투막은 상기 제 1 챔버 및 상기 제 2 챔버의 사이에 구비되며, 상기 제 1 챔버에 포함되는 용액 및 상기 제 2 챔버에 포함되는 용액의 농도 차이에 의해 상기 제 1 챔버에 포함되는 용액이 상기 반투막을 통해 상기 제 2 챔버로 이동하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 챔버에 포함되는 용액 및 상기 제 2 챔버에 포함되는 용액의 농도 차이에 의해 상기 제 1 챔버에 포함되는 용액이 상기 반투막을 통해 상기 제 2 챔버로 이동하는 것은, 삼투 현상에 의한 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 삼투 현상이란, 농도가 다른 두 액체를 반투막으로 막았을 때, 용질의 농도가 낮은 쪽에서 농도가 높은 쪽으로 용매가 옮겨가는 현상을 뜻하는 것으로서, 상기 삼투 현상에 의해 본원에 따른 저농도 용액 중 용매가 고농도 용액 쪽으로 이동할 수 있다. 상기와 같은 저농도 용액 중 용매의 이동으로 인해, 상기 저농도 용액의 부피 당 미세버블 개체수가 증가함으로써 본원의 일 구현예에 따른 미세버블의 고농도화를 달성할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 미세버블은 약 1 nm 내지 약 5,000 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 미세버블은 약 1 nm 내지 약 5,000 nm, 약 100 nm 내지 약 5,000 nm, 약 500 nm 내지 약 5,000 nm, 약 1,000 nm 내지 약 5,000 nm, 약 1,500 nm 내지 약 5,000 nm, 약 2,000 nm 내지 약 5,000 nm, 약 2,500 nm 내지 약 5,000 nm, 약 3,000 nm 내지 약 5,000 nm, 약 3,500 nm 내지 약 5,000 nm, 약 4,000 nm 내지 약 5,000 nm, 약 4,500 nm 내지 약 5,000 nm, 약 1 nm 내지 약 4,500 nm, 약 1 nm 내지 약 4,000 nm, 약 1 nm 내지 약 3,500 nm, 약 1 nm 내지 약 3,000 nm, 약 1 nm 내지 약 2,500 nm, 약 1 nm 내지 약 2,000 nm, 약 1 nm 내지 약 1,500 nm, 약 1 nm 내지 약 1,000 nm, 약 1 nm 내지 약 500 nm, 또는 약 1 nm 내지 약 100 nm인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 미세버블의 크기가 약 5,000 nm 초과일 경우, 상기 미세버블의 부력(buoyancy) 효과로 인해 상기 미세버블이 액상에서 부상하며, 이에 따라 부상한 미세버블은 액상에서 공기 중으로 사라진다. 그러나, 본원의 일 구현예에 따른 약 1 nm 내지 약 5,000 nm의 나노크기의 미세버블의 경우, 부력이 무시할 정도로 작기 때문에, 상기 미세버블은 액상에 잔존하여 미세버블의 고농도화를 달성할 수 있다

이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.

[실시예]

내경이 4.74 mm인 파이프에 저농도 용액으로서, 농도가 0 wt%인 순수 나노버블수를 채우고(즉, 나노버블이 함유된 용액), 한쪽 끝을 반투막으로 봉인하였다(상기 반투막으로서 문구점, 과학교구사 등에서 흔히 구할 수 있는 제품을 사용함). 이어서, 상기 파이프를 농도가 80 wt%인 폴리에틸렌글리콜 용액에 침지하여 상온, 상압에서 삼투 현상을 발생시켰다. 이때, 상기 폴리에틸렌글리콜 용액은 삼투 현상을 신속하게 발생시키기 위해 농도를 높게 설정하였다. 상기 파이프 내 상기 나노버블수 용액의 부피가 더 이상 변하지 않는 것을 확인한 후, 나노입자 추적 분석 장치(nanoparticle tracking analysis, Nanosight LM10-HSBFT14, Quantum Design Korea, Korea)를 이용하여 입도측정을 수행하였다.

도 2a 내지 도 2d는 본 실시예에 따른 입도 측정 결과를 나타낸 것으로서, 구체적으로, 초기 상태의 나노버블 이미지(도 2a), 삼투 현상이 일어난 후의 나노버블 이미지(도 2b), 초기 상태 및 삼투 현상이 일어난 후의 나노버블의 크기 분포 비교(도 2c), 및 초기 상태 및 삼투 현상이 일어난 후의 나노버블의 개체수 비교(도 2d)를 나타낸 것이다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 동일 영역에서 초기 상태의 나노버블에 비해 삼투 현상이 일어난 후의 나노버블의 수가 증가하였음을 확인할 수 있었다. 이는, 도 2c에 도시된 나노버블 크기 분포 및 도 2d에 도시된 초기 상태 및 삼투 현상이 일어난 후의 나노버블의 개체수에 의해서도 확인할 수 있었다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 제 1 챔버
200 : 제 2 챔버
300 : 반투막

Claims

미세버블-함유 저농도 용액을 포함하는 제 1 챔버;
고농도 용액을 포함하는 제 2 챔버; 및,
상기 제 1 챔버 및 상기 제 2 챔버의 사이에 형성된 반투막을 포함하며,
상기 제 1 챔버에 포함되는 미세버블-함유 저농도 용액 중 용매만이 상기 반투막을 통해 상기 제 2 챔버로 이동하여, 상기 미세버블-함유 저농도 용액에 포함되는 미세버블의 농도가 증가하는 것이고,
상기 미세버블은 1 nm 내지 5,000 nm의 나노크기인 것이며,
상기 제 1 챔버가 깔대기 모양의 관 형태를 포함함으로써, 상기 미세버블의 농도를 빠르게 증가시키는 것이고,
상기 제 2 챔버의 외부에 형성된 가열 기구를 포함함으로써, 상기 제 2 챔버로 이동하는 용매의 이동 속도를 조절하는 것인,
미세버블의 고농도화 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 저농도 용액의 농도는 상기 고농도 용액의 농도 미만의 값을 가지는 것인, 미세버블의 고농도화 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 고농도 용액은 상기 저농도 용액보다 고농도인 것인, 미세버블의 고농도화 장치.
제 1 챔버에 미세버블-함유 저농도 용액을 공급하는 단계;
제 2 챔버에 고농도 용액을 공급하는 단계; 및,
상기 제 1 챔버에 포함되는 용액 및 상기 제 2 챔버에 포함되는 용액의 농도 차이에 의해 상기 제 1 챔버에 포함되는 미세버블-함유 저농도 용액 중 용매만이 반투막을 통해 상기 제 2 챔버로 이동하여, 상기 미세버블-함유 저농도 용액에 포함되는 미세버블의 농도가 증가하는 단계로 구성되며,
상기 미세버블은 1 nm 내지 5,000 nm의 나노크기인 것이고,
상기 제 1 챔버가 깔대기 모양의 관 형태를 포함함으로써, 상기 미세버블의 농도를 빠르게 증가시키는 것이며,
상기 제 2 챔버의 외부에 형성된 가열 기구를 포함함으로써, 상기 제 2 챔버로 이동하는 용매의 이동 속도를 조절하는 것인,
미세버블의 고농도화 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 저농도 용액의 농도는 상기 고농도 용액의 농도 미만의 값을 가지는 것인, 미세버블의 고농도화 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 고농도 용액은 상기 저농도 용액보다 고농도인 것인, 미세버블의 고농도화 방법.