KR102287030B1 - 분리기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물과 하나 이상의 성분의 혼합물 또는 극성 액체와 하나 이상의 성분의 혼합물로부터 미립자 물질, 소수성 물질, 비-극성 물질, 미생물 또는 바이러스로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 분리하기 위한, 금속수산화물 수화물 층을 포함하는 분리기에 관한 것이다.

Description

분리기{SEPARATOR}
본 발명은 분리기에 관한 것이다. 일 양태에서, 본 발명은 물이나 수용액 또는 수-혼화성 액체로부터 미립자 물질 및/또는 소수성 물질을 분리하기 위한 분리기에 관한 것이다. 또 다른 양태에서, 본 발명은 물이나 수용액 또는 수-혼화성 액체로부터 미립자 물질 및/또는 소수성 물질을 분리하는 방법에 관한 것이다.
물 또는 수용액으로부터 미립자 물질과 같은 고체의 분리는 많은 서로 다른 산업들에서 요구된다. 물로부터 고체를 분리하기 위해 다수의 서로 다른 기술들이 개발되었다. 이들로는, 여과, 침전, 침강, 정화(clarification), 농화(thickening), 사이클론 분리(cyclonic separation) 등을 포함한다.
여과는 오염수와 같은 물을 여과 매질을 통해 통과시키는 것을 수반한다. 여과 매질은 모래 또는 규조토와 같은 미세 물질의 층(bed) 또는 케이크(cake)를 포함할 수 있다. 여과 매질 입자들 사이의 간극 공간보다 큰 수중 입자(particle in the water)는 여과 매질 내에 포획되고 물로부터 제거된다. 물은 여과 매질을 통과하고, 전형적으로 회수된다. 그러나, 여과 매질 입자들 사이의 간극 공간보다 미세한 수중 입자는 여과 매질을 통과할 수 있으며, 물로부터 제거되지 않는다.
필터가 계속 사용됨에 따라, 여과 매질은 물로부터 보유된 입자들에 의해 충전되어 막히기 시작한다. 입자 케이크가 여과 매질 위에 형성되기 시작할 것이며, 입자 케이크는 또한, 부가적인 입자를 물로부터 여과하는 작용을 한다. 여과 매질 위의 입자 케이크는 물의 여과가 계속됨에 따라 두께를 증가시킨다.
결국, 필터는 입자에 의해 막히기 시작하고, 세정될 필요가 있을 것이다. 세정은 전형적으로 역세(backwash) 배열을 수반하는데, 역세 배열에서, 고압의 물은 여과 매질에 대해 반대 방향으로 통과하여, 여과 매질에 보유된 입자를 제거한다.
전형적인 필터는 전형적으로, 필터로부터 회수되는 물이 여전히 매우 미세한 입자 및 미생물을 함유하도록, 매우 미세한 입자 및 미생물을 필터에 통과시킨다. 많은 경우, 이는, 물이 사용될 수 있기 전에, 물이 추가적으로 처리될 필요가 있게 한다. 예를 들어, 식수의 경우, 미생물이 물에 존재하는 것은 명백하게도 매우 바람직하지 못하다. 따라서, 여과된 물은 정상적으로는 물에 존재하는 미생물을 죽이기 위해 염소화 단계로 처리된다.
박테리아 및 바이러스와 같은 미생물을 제거하기 위해, 물을 나노다공성 막에 통과시킬 수도 있다. 이들 나노다공성 막이 미생물의 제거에 매우 효율적이긴 하지만, 이들 막은 설치에 비용이 많이 들 수 있으며, 종종 막을 통한 이상적인 유속을 달성하기 위해 큰 압력 강하를 필요로 한다. 그 결과, 나노다공성 막은 식수 공급의 처리에서 광범위하게 사용되지 않았다.
또한, 소수성 물질, 특히 소수성 액체를 물 또는 수용액으로부터 분리하는 데 있어서 어려움이 있었다. 이러한 면에서 어려움의 구체적인 예는, 유조선으로부터 원유 또는 연료 유출물의 세정 시 직면하게 되는 어려움으로 나타난다. 유조선으로부터의 원유 및 정유 유출 사고는 미국 알래스카, 멕시코만, 갈라파고스섬 및 다른 많은 곳에서 자연 생태계에 광범위한 피해를 입혔다. 예를 들어, 1979년에 멕시코만에서 Ixtoc I Explorer 탐사 굴착 장치에서의 폭발에 의한 오일 유출은 300만 배럴의 오일을 환경에 방출하였다. 유출은 미국 해안 260 km에 영향을 미쳤다. 2010년에 Deepwater Horizon II 시추선에서의 폭발에 의한 오일 유출은 멕시코만으로 490만 배럴의 오일을 유출시켰다. 또한, 엄청난 환경 피해가 발생하였다.
오일 유출물을 세정하고자 다수의 기술들이 현재 사용된다. 이들 기술로는 생물적 환경 정화(bioremediation), 제어 연소(controlled burning), 분산제의 적용, 스키밍(skimming) 및 원심분리를 포함한다. 그러나, 이들 기술은 각각 하나 이상의 어려움을 가지고 있다. 생물적 환경 정화는 시행하는 데 오랜 시간이 걸리며, 오일 유출물을 모두 제거하지는 못한다. 연소는 단지 오일 양을 감소시킬 뿐이며, 바람이 부는 조건에서는 작용하지 못한다. 연소는 또한, 공기 오염을 유발한다. 분산제는 독성이며, 독성 탄화수소 수준을 증가시킬 것이고, 어란(fish egg)을 죽일 것이다. 스키밍은 공정 동안에 항상 정온 수역을 필요로 한다. 원심분리는 모든 오일을 분리하지 못하며, 통상적으로 일부 오일이 원심분리로부터 회수된 물에 잔류한다. 미국 규제는 해양으로 되돌려질 수 있는 물 중의 오일 양을 제한하며, 이는 원심분리의 유용성을 제한하였다. 더욱이, 오일 유출물을 세정하는 데 사용되는 현재의 기술의 비용은 매우 높다.
다른 액체 물질은 종종 성분 파트로 분리될 것이 요망되며, 따라서, 고가의 성분 파트가 회수될 수 있거나, 수송되어야 하는 성분 파트의 부피가 감소될 수 있거나, 또는 수명이 더 긴 제품이 형성될 수 있다. 예를 들어, 분유는 우유로부터 물을 증발시킴으로써 우유로부터 제조된다. 분리는 우유의 가열을 필요로 하며, 이러한 가열은 열에 노출됨으로써 유발되는 카라멜화로 인해 탄 냄새(cooked flavour)를 가지도록 할 수 있다. 우유 내의 많은 중요한 영양분들 또한, 가열로 인해 손실될 수 있다. 유장(whey)은 열에 의해 변성될 수 있다. 고열(예, 저온살균과 관련된 72℃보다 높은 지속된 고온)은 유장 단백질을 변성시킨다. 일부 비타민, 미네랄 및 유익한 박테리아들 또한, 가열 공정 동안에 손실될 수 있다. 분무 건조 및 초여과는 분유를 제조하고 우유 단백질을 회수하기 위해 낙농 산업에서 사용되고 있다. 그러나, 두 공정 모두는 고압에 대한 요구로 인해 높은 자본 및 운전 비용을 가진다.
다른 액체 생성물은 또한, 고가의 성분을 함유할 수 있다. 예를 들어, 건강 식품 시장은 크며 빠르게 커가고 있다. 한가지 예를 들자면, 카로테노이드에 대한 세계 시장은 현재 1년에 14억 달러에 이른다. 베타-카로텐과 같은 고가의 생성물을 천연 공급원으로부터 추출하는 것은 매우 어렵다. 초임계 이산화탄소 추출과 같은 고비용의 공정들이 이러한 목적에 사용된다. 이들 공정은 비용이 많이 들며, 규모 확장이 쉽지 않다. 다른 중요한 성분들이 또한, 약학 산업 또는 미용 및 뷰티 산업에서 사용될 성분들을 제공하기 위해, 천연 공급원 또는 인공 혼합물로부터 추출될 필요가 있을 수 있다. 또한, 이들 성분은 분리하기가 어려울 수 있다.
본 명세서에서 임의의 선행 기술에 대한 참조는, 선행 기술이 보편적인 일반 지식의 일부를 형성한다는 인정 또는 임의의 형태의 제안이 아니며, 그렇게 간주되어서는 안 된다.
본 발명은 성분 또는 미생물을 액체로부터 분리하기 위한, 저 비용의 매우 효과적인 분리기 및 분리 방법을 제공한다.
제1 양태에서, 본 발명은 미립자 물질, 소수성 물질, 비-극성 물질, 미생물 또는 바이러스로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 물과 하나 이상의 성분의 혼합물 또는 극성 액체와 하나 이상의 성분의 혼합물로부터 분리하기 위한 분리기를 제공하며, 분리기는 금속수산화물 수화물 층을 포함한다.
제2 양태에서, 본 발명은 미립자 물질, 소수성 물질, 미생물 또는 바이러스로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 물과 하나 이상의 성분의 혼합물 또는 극성 액체와 하나 이상의 성분의 혼합물로부터 분리하는 방법을 제공하며, 본 방법은 하나 이상의 성분을 금속수산화물 수화물 층에 보유시키면서도, 혼합물 유래의 물 또는 극성 액체를 금속수산화물 수화물 층에 통과시키는 단계를 포함한다.
일 실시형태에서, 금속수산화물 수화물은 수산화알루미늄 수화물을 포함한다. 다른 실시형태에서, 산화금속 수화물은 수산화마그네슘, 수산화아연, 수산화망간, 수산화코발트 및 수산화니켈의 하나 이상의 수화물로부터 선택될 수 있다.
일부 실시형태에서, 금속수산화물 수화물은 금속수산화물을 물 또는 수용액 내에서 발생시켜, 금속수산화물 수화물을 형성함으로써 제조된다. 본 발명자들은, 금속수산화물 수화물을 인-시추(in-situ)에서 발생시킴으로써 매우 효과적인 분리가 달성됨을 확인하였다.
일부 실시형태에서, 금속수산화물 수화물은 2개 이상의 반응물들을 함께 혼합하여, 금속수산화물 수화물을 형성함으로써 제조된다. 일부 실시형태에서, 금속수산화물 수화물은 2개 이상의 반응 용액을 함께 혼합하여, 금속수산화물 수화물을 형성함으로써 제조된다.
다른 실시형태에서, 금속수산화물 수화물은 전기 분해에 의해 형성된다.
본 발명의 분리기는 금속수산화물 수화물 층을 포함한다. 금속수산화물 수화물 층은 다공성 보유기(porous retainer)에 의해 보유될 수 있다. 다공성 보유기는, 액체를 통과시키면서도 금속수산화물 수화물 층을 보유하도록 작용한다. 다공성 보유기는 패브릭, 직물, 배공 물질(foraminous material), 하나 이상의 중공(hole) 또는 기공(pore)을 가진 고체 물질, 다공성 세라믹 물질 등을 포함할 수 있다. 다공성 보유기에 대한 유일한 요건은 (a) 이것이 금속수산화물 수화물과 유해하게 반응하지 않으며; (b) 이것이 혼합물 유래의 물 또는 수용액 또는 극성 액체와 유해하게 반응하지 않고; (c) 기공이, 금속수산화물 수화물이 통과할 수 있을 정도로 크지 않은 것이다. 다공성 보유기는 적합하게는 금속수산화물 수화물 층으로부터 하류(downstream)에 위치할 것이다(본 명세서 전체에서, "하류" 및 "상류(상류)"라는 용어는 사용 동안 액체의 흐름의 정상 방향에 따라 결정되어야 함).
일 실시형태에서, 다공성 보유기는 토목섬유 패브릭(geotextile fabric)을 포함할 수 있다.
일부 실시형태에서, 분리기는, 혼합물이 분리기로 들어갈 수 있는 인입구, 및 수산화물 수화물 층을 통과한 물 또는 극성 액체가 분리기를 빠져나갈 수 있는 인출구를 포함할 수 있다.
액체가 분리기를 빠져나가기 전에 금속수산화물 수화물 층을 통과해야만 하도록, 분리기가 구조화될 것임이 이해될 것이다. 이러한 방식으로, 금속수산화물 수화물 층을 통과한 액체만이 분리기를 빠져나갈 수 있다. 이러한 방식으로, 금속수산화물 수화물 층을 통과할 수 없는 성분들은 분리기를 통과한 물 또는 극성 액체와 함께 분리기를 빠져나갈 수 없으며, 이로써, 물 또는 극성 액체를 하나 이상의 성분으로부터 분리한다.
본 발명자들은 놀랍게도, 금속수산화물 수화물 층이 물 또는 극성 액체로부터 하나 이상의 성분을 분리하는 데 매우 효과적임을 발견하였다. 그러나, 분리기는 물 또는 극성 액체 내의 용해된 물질을 물 또는 극성 액체로부터 분리하지 못한다. 용해된 물질은 극성 액체 내에서 물과 함께 분리기를 통과한 것으로 확인되었다. 예를 들어, 혼합물이 하나 이상의 성분과 혼합된 염 용액을 포함하는 경우, 용해된 염은, 염이 용해된 물과 함께 분리기를 통과할 것이다.
일부 실시형태에서, 혼합물은 수용액과 하나 이상의 성분의 혼합물을 포함한다.
일부 실시형태에서, 보유기는 금속수산화물 수화물 층의 위 또는 상류에 위치한다. 보유기는 패브릭, 직물, 배공 물질, 하나 이상의 중공 또는 기공을 가진 고체 물질, 다공성 세라믹 물질, 메쉬 물질 등을 포함할 수 있다. 금속수산화물 수화물 층의 상류 또는 상부(top)에 존재하는 보유기는 층의 상부에 혼합물을 첨가하는 동안 층의 파손(disruption)을 방지할 수 있다. 상부에 존재하는 보유기 또한 사용되어, 보유된 물질을 금속수산화물 수화물 층으로부터 분리하는 분리 층을 제공할 수 있다. 이는 보유된 물질을 회수하는 것이 바람직한 상황에서(예를 들어, 분리기가, 중요한 성분을 혼합물로부터 분리하는 데 사용되는 경우), 보유된 성분을 금속수산화물 수화물 층으로부터 쉽게 제거할 수 있게 한다. 다른 실시형태에서, 상류 보유기는 역세 단계 동안에 금속수산화물 수화물 층을 손실하지 않으면서도, 분리기를 역세할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 2개의 보유기들 사이에 위치하는 금속수산화물 수화물 층은 뒤집히거나 역전(invert)됨으로써, 이를 통해 여과물이 추가적으로 흘러서 물질을 세정 및 축적시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 금속수산화물 수화물 층은 금속수산화물 수화물 겔 층 형태로 존재한다. 금속수산화물 수화물 겔은 농후한 겔 또는 묽은 겔을 포함할 수 있다.
금속수산화물 수화물 층은 임의의 요망되는 두께일 수 있다. 본 발명자들은, 금속수산화물 수화물 층이 1 미크론으로 얇을 수 있으며 여전히 양호한 결과를 낳는다는 것을 입증하였다. 금속수산화물 수화물 층은 두께가 1 미크론 내지 1 m 이상, 1 미크론 내지 50 cm, 1 미크론 내지 30 cm 이상, 1 미크론 내지 10 cm, 1 미크론 내지 5 cm, 1 미크론 내지 10 mm, 1 미크론 내지 5 mm, 또는 1 미크론 내지 1 mm일 수 있다. 본 발명자들은, 금속수산화물 수화물 층의 두께가 감소함에 따라, 금속수산화물 수화물 층을 통한 여과물의 유속이 증가함을 확인하였다. 금속수산화물 수화물 층은 최소 두께가 1 미크론, 5 미크론, 10 미크론, 50 미크론, 100 미크론, 250 미크론, 500 미크론 또는 1 mm일 수 있다.
바람직하게는, 금속수산화물 수화물 층은 연속 금속수산화물 수화물 층을 포함한다. 이러한 연속 층의 제공은, 금속수산화물 수화물 층을 통한 단락(short-circuiting), 우회 또는 채널링(channelling)이 회피되는 경향이 있으며, 이로써, 모든 여과물들은 금속수산화물 수화물 층을 통과하게 되었음을 보장함을 의미한다.
이론으로 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 본 발명자들은, 본 발명의 분리기의 작동 방식이 필터의 작동과 상당히 상이하다고 여겨진다. 금속수산화물 수화물, 특히 금속수산화물 수화물 겔은 수산화물 분자들의 네트 사이에 포획된 상당수의 물 분자를 가지는 금속수산화물 원자를 포함한다. 그러나, 물 분자는 수산화물 분자에 강하게 결합되지 않는 것으로 여겨진다. 물 분자는 매우 작으며, 이의 분자량은 18 g/mol로 매우 낮고, 분자 직경은 약 2.75 Å로 매우 작다.
도 1은 수산화알루미늄 수화물의 분자 구조의 가설적인 모델을 도시한 것이다. 수화물이 건조될 때, 수화물이 금속수산화물 분말 대신에 경질의 결정화된 형상으로 변환된다는 사실이 이러한 가설을 뒷받침한다. 수산화알루미늄의 분자는 참조 번호 "a"로 도시되어 있다. 물 분자(도 1에서 "b" 및 "c")는 수산화알루미늄 분자의 양전하 및 음전하에 부착된다. 따라서, 물 분자는 수산화알루미늄 분자에 강하게 결합하지 않으며, 수산화알루미늄 수화물로부터 쉽게 그리고 자연스럽게 해리될 수 있다. 따라서, 본 발명자들은, 물이 진공 또는 압력에 대한 임의의 요구 없이 수산화알루미늄 수화물 층을 쉽게 통과할 수 있으며, 한편 다른 서브미크론 및 나노크기 또는 피코크기의 오염물질(예, 조류, 박테리아, 진균류, 바이러스, 포자 및 다른 작은 단세포 또는 다세포 유기체 및 미립자 물질)은 수산화알루미늄 수화물 층을 통과할 수 없다. 액체 혼합물에 적용되는 중력 및/또는 압력은 물이 액체 혼합물을 통해 구동(driving)하는 데 일조한다. 수산화알루미늄 분자의 전하 또한, 또 다른 구동력인 것으로 여겨진다. 수산화알루미늄 분자의 전하는 물 분자를 수산화알루미늄 수화물 층의 상부 표면에 근접하게 끌어당긴다. 물 분자가 수화물 층 내로 이동함에 따라, 층의 하부에 있는 물 분자는 상기 물 컬럼에 의한 중력 및/또는 압력에 의해, 및/또는 층의 하부에서의 하위압력에 의해 강제로 떠나게 되며, 회수될 수 있다. 이러한 사이클은 금속수산화물 수화물 층의 상부에 물 분자가 거의 남지 않을 때까지 계속된다. 금속수산화물 수화물 층은 오로지 물 분자 및 다른 극성 분자들만이 층을 통과하도록 한다. 모든 불용성 고체 입자들은 나노미터 또는 피코미터 범위인 경우(또는 더 큰 경우), 층에 의해 포획된다. 물에 용해되는 극성 액체 분자 또는 극성 분자, 예컨대 염, 당 및 엽록소 또한, 금속수산화물 수화물 층을 통과한다. 그러나, 물에 가용성이지 않은 모든 비-극성 액체 탄화수소들(예, 오일, 등유 및 헥산) 및 다른 소수성 화합물(부분적으로 물에 가용성이더라도; 예, 베타-카로텐)은 수화물 층을 통과할 수 없으며, 따라서, 금속수산화물 수화물 층의 상부에 보유될 것이다.
일부 실시형태에서, 수화물에서 금속수산화물의 각각의 분자와 결합된 물 분자의 수는, 시간의 경과에 따라 물이 수화물로부터 자연스럽게 분리될 수 있거나 또는 물이 수화물로 들어갈 수 있기 때문에, 다양할 수 있다. 예를 들어, 염수의 전기 분해로부터 제조된 희석된 새로운 수산화알루미늄 수화물은 각각의 수산화알루미늄 분자 당 거의 약 300개의 물 분자를 함유한다. 그러나, 수화물 층은, 이것이 물을 혼합물로부터 분리하는 데 사용될 때 압축될 것이며, 수화물 층은 크림 같은 겔-유사 물질로 변환될 수 있으며, 이러한 변환은 각각의 수산화알루미늄 분자 당 물 분자의 수가 감소될 것이기 때문에 발생한다. 또한, 금속수산화물 수화물을 수행하는 데 사용되는 조건은 각각의 금속수산화물 분자에 결합된 물 분자의 수에 영향을 미칠 수 있는 것으로 여겨진다.
일부 실시형태에서, 금속수산화물 수화물은 겔 형태일 수 있다. 겔은 묽은 페이스 크림과 같은 묽은 크림과 유사한 외양을 가질 수 있다. 표면 위로 도포될 때(예, 손가락 사이에서 문질러질 때), 겔은 묽은 크림과 유사하게 축축한 느낌을 가지지만, 이후 물은 빠르게 증발하여, 금속수산화물만 남게 된다.
일부 실시형태에서, 금속수산화물 수화물은 각각의 금속수산화물 분자와 결합된 물 분자를 적어도 10개 가질 수 있다. 바람직하게는, 금속수산화물 수화물은 각각의 금속수산화물 분자와 결합된 물 분자를 적어도 16개, 보다 바람직하게는 각각의 금속수산화물 분자와 결합된 물 분자를 적어도 20개, 보다 더 바람직하게는 각각의 금속수산화물 분자와 결합된 물 분자를 적어도 30개, 보다 더 바람직하게는 각각의 금속수산화물 분자와 결합된 물 분자를 30개 내지 400개, 보다 더 바람직하게는 각각의 금속수산화물 분자와 결합된 물 분자를 37개 내지 300개, 또는 각각의 금속수산화물 분자와 결합된 물 분자를 37개 내지 90개로 가질 수 있다.
본 발명의 실시형태의 추가적인 특징은 하기 도면 및 실시예를 참조로 기술될 것이다.
본원에 기술된 특징들 중 임의의 특징은 본 발명의 범위 내에서 본원에 기술된 다른 특징들 중 하나 이상의 특징과 임의의 조합으로 조합될 수 있다.
도 1은 수산화알루미늄 수화물의 분자 구조의 가설적인 모델을 보여주며;
도 2는 실시예 2에 사용된 분리 시스템을 촬영한 사진이며;
도 3은 박테리아 및 진균류 성장 시험의 사진을 보여주며, 도 3a는 브리즈번 강물에서 수행된 박테리아 성장 시험을 보여주며, 도 3b는 수산화알루미늄 수화물 층을 통과한, 브리즈번 강물로부터 회수한 여과물에서 수행된 박테리아 성장 시험을 보여주며, 도 3c는 브리즈번 강물에서 수행한 진균류 성장 시험을 보여주고, 도 3d는 수산화알루미늄 수화물 층을 통과한, 브리즈번 강물로부터 회수한 여과물에서 수행된 진균류 성장 시험을 보여주며;
도 4는 실시예 4에서 설정된 실험에 대해 시간에 대한, 수위 변화 및 수위 변화 속도의 플롯을 보여주며;
도 5는 브리즈번 강물을 겔을 통해 여과한 후, 수산화알루미늄 수화물 겔 층, 및 겔의 상부에 존재하는 분리된 고체 층을 보여주는 사진이며;
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 분리 기술을 도입한 수처리 플랜트의 가능한 설계의 투시도를 보여주며;
도 7은 도 6에 도시된 수처리 플랜트의 측면도를 보여주며;
도 8은 실시예 5로부터 수득된 PCR 결과를 보여주며;
도 9는 실시예 7의 실험 진행 종료 시 촬영한 사진이며;
도 10은 우유가 수산화알루미늄 수화물 층을 통과하는 여과 공정의 종료 시 촬영한 사진이며;
도 11은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수화물 여과를 사용한 당근 주스로부터의 베타-카로텐과 고체의 분리를 보여주며;
도 12는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수화물 여과를 사용한 석류 주스 색소의 분리를 보여주며;
도 13은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수화물 여과 기술을 사용하여 물로부터 분리된 토마토 주스의 리코펜 적색 색소를 보여주며;
도 14는 본 발명의 일 실시형태에 따른 수화물 여과 기술을 사용하는 수화물 여과에 의해 추출 및 여과된 민트 주스를 보여주며, 멘톨 및 색소는 겔의 상부에서 수집되며;
도 14a는 압력 적용 없이 커피의 여과 후, 금속수산화물 수화물 층의 상부로부터 회수한 농축된 커피의 사진을 보여주며;
도 14b는 커피의 가압 여과 후, 금속수산화물 수화물 층의 상부에 축적된 농축된 커피의 사진을 보여주며;
도 15는 조류 세포의 분리 후, 수화물 겔의 상부에 보유된 조류 세포의 사진을 보여주며;
도 15a는 수중유 에멀젼으로부터 수산화알루미늄 수화물 필터의 상부에서 수집된 나일 레드(Nile red)로 염색된 오일의 사진을 보여주며;
도 16은 세네데스무스(Scenedesmus) 조류 세포의 제거 후, 수화물 겔의 측면도의 사진을 보여주며;
도 17은 본 발명의 일 실시형태에 따라 분리기를 사용한 실험에 대한, 압력에 대한 여과물 유량(flux)의 그래프를 보여주며;
도 18은 서로 다른 금속수산화물 수화물의 비강제적인 자연 증발(natural unenforced evaporation)을 보여주는 그래프이며;
도 19a는 적용 압력 40 psig(프사이그) 및 수화물 두께 1 mm를 사용하여 브리즈번 강물의 여과에 대한, 시간에 대한 여과물 부피의 그래프를 보여주며;
도 19b는 적용 압력 40 psig 및 수화물 두께 1 mm를 사용하여 브리즈번 강물의 여과에 대한, 시간에 대한 여과물 유량의 그래프를 보여주며;
도 19c는 적용 압력 40 psig 및 수화물 두께 10 mm를 사용하여 브리즈번 강물의 여과에 대한, 시간에 대한 여과물 부피의 그래프를 보여주며;
도 19d는 적용 압력 40 psig 및 수화물 두께 10 mm를 사용하여 브리즈번 강물의 여과에 대한, 시간에 대한 여과물 유량의 그래프를 보여주며;
도 20a는 본 발명의 일 실시형태에 사용된 여과 유닛의 하부 구획의 도면을 보여주며;
도 20b는 분리기 용기 내로 밀봉된 소결(sintered) 티타늄 디스크를 가진 도 20a에 도시된 하부 구획을 보여주는 도면이며;
도 20c는 소결 티타늄 디스크 상에 형성된 두께 500 미크론 미만의 매우 얇은 수화물 층을 보여주는 사진이며;
도 20d는 현미경 하에서(배율 X100) 소결 티타늄 디스크의 기공을 보여주는 사진이며;
도 20e는 500 미크론 미만의 수화물 층의 두께를 갖는 도 20a 내지 도 20d에 도시된 분리기를 통한 당근 주스의 여과에 의해 수득된 농축물(retentate)을 보여주는 사진이며;
도 21은 비상 상황에 사용되기 위한 위생처리된 물의 생성에 적합한 장치의 제조에 사용될 수 있는 분리 병 부분들의 도면이며;
도 22는 정상 사용을 위해 함께 연결된 도 17의 병 부분들을 보여주며;
도 23은 상부 부위 및 하부 부위가 열려 있는(unscrewed) 도 18의 병을 보여주며, 상부 부위는 역전된 다음, 하부 부위와 연결되어, 물이 여과될 수 있고, 깨끗한 여과물이 병의 하부 부위에 수집될 수 있으며;
도 24는 뚜껑이 제거된 도 17에 도시된 병의 상부에 대한 보다 상세한 도면이며;
도 25는 제거가능한 실(seal) 아래에서 밀봉된 금속수산화물 수화물 겔을 가진 뚜껑의 상세도이며;
도 26은 본 발명의 임의의 실시형태에 따른 필터 유닛의 측면도를 보여주며;
도 27은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수화물계 분리기의 기본적인 설계를 보여주며;
도 28은 본 발명의 일 실시형태에 따른 대안적인 분리기 설계의 모식도를 보여주며;
도 29는 본 발명의 일 실시형태에 따른 또 다른 분리기 설계의 모식도를 보여주고;
도 30은 본 발명의 일 실시형태에 따른 또 다른 분리기 설계의 모식도를 보여준다.
실시예
하기 실시예에서, 금속수산화물을 물 또는 수용액에서 제조함으로써, 금속수산화물 수화물을 인-시추에서 제조하였다. 금속수산화물 수화물은 겔 형태였다. 하기 실시예에서, "수화물 겔", "겔"이라는 용어 및 유사한 용어들은 "금속수산화물 수화물"이라는 용어와 상호호환적으로 사용된다. 시료에 대한 하기 상세한 설명에서 이들 용어의 모든 사용들은 성분들을 혼합물로부터 분리하는 데 사용되는 금속수산화물 수화물 층을 참조로 해야 한다. 유사하게는, "여과", "수화물 여과 시스템", "겔 시스템", "겔 여과" 및 "겔 여과 시스템"(및 "필터" 및 "분리"와 같이 유사한 용어들)은 물 또는 극성 액체 또는 수용액을 금속수산화물 수화물 층에 가지거나 통과시키면서도, 미립자 물질, 조류, 박테리아, 진균류, 바이러스, 비-극성 또는 소수성 액체 및 고체와 같은 다른 성분들은 금속수산화물 수화물 층에 의해 보유시키는 것을 지칭하는 데 사용된다.
실시예 1 - 수산화알루미늄 수화물의 제조
수산화알루미늄은 무독성 무기 화합물이며, 물에 불용성이고 분자량은 78이다. 1억 톤이 넘는 수산화알루미늄이 매년 생산되며, 이중 90% 이상이 알루미늄 금속의 제조에 사용되기 위한 산화알루미늄으로 변환된다(하소되어 산화알루미늄을 형성하고, 후속해서 알루미늄 금속으로 변환되는 해당 수산화알루미늄의 벌크(bulk)는 바이어 공정(Bayer process)을 사용하여 제조됨). 수산화알루미늄은 다른 알루미늄 화합물, 예컨대 하소된 알루미나, 황산알루미늄, 폴리염화알루미늄, 염화알루미늄, 제올라이트, 소듐 알루미네이트, 활성화된 알루미나 및 질산알루미늄의 제조를 위한 원료로서 사용된다.
수산화알루미늄은 알루미늄 전극 및 직류(DC) 전류를 사용하여 염수(염도(salinity)가 정상적으로 30 내지 70 천분율(parts per thousand), PPT 범위임)의 전기 분해에 의해 제조될 수 있다. 3 내지 12V(바람직하게는 9V)의 직류 전류 및 1 암페어(Amp) 전류가 사용될 수 있다. 광범위한 조건들이 사용될 수 있음을 알게 될 것이다.
수산화알루미늄은 또한, 황산알루미늄(조경(gardening)에서 토양의 pH를 낮추기 위해 사용되며 속쓰림에 대한 제산제로서 사용되는 염) 및 중탄산나트륨(베이킹 소다) 용액을 혼합함으로써 제조될 수 있다. 황산알루미늄 및 중탄산나트륨 둘 다 비용이 매우 낮으며 명백하게 무독성인 화학물질이다. 하기 반응이 일어날 것이다:
Al2(SO4)3 + 6NaHCO3 → 3 Na2SO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 (1)
수산화알루미늄이 수용액에서 형성됨에 따라, 수산화알루미늄 수화물은 신속하게 형성될 것이다. 수산화알루미늄을 형성하는 데 사용되는 황산알루미늄 용액 및 중탄산나트륨 용액의 몰 농도에 따라, 서로 다른 화학식, 농도 및 두께의 수화물들이 서로 다른 적용들에 대해 제조될 수 있다. 예를 들어, 20℃에서, 100 mL의 물에서의 황산알루미늄 및 중탄산나트륨의 용해도는 각각 36.4 g 및 1.6 g이다. 따라서, 20℃에서, 포화된 용액을 사용하여 반응식 (1)에 사용되기 위한 화학양론적 혼합물을 제조하기 위해, 36.4 g의 황산알루미늄을 100 mL의 물과 혼합하고, 53.76 g의 중탄산나트륨을 560 mL의 물과 혼합한다. 황산알루미늄 용액을 중탄산나트륨 용액에 첨가하면, 화학양론적 반응 혼합물이 형성될 것이며, 반응 종료 시 용액에는 과량의 황산알루미늄 또는 중탄산나트륨이 잔류하지 않을 것이다.
또한, 고온에서 반응물을 물에서 혼합함으로써 보다 농후하거나 진한 수산화알루미늄 수화물을 제조할 수 있다. 예를 들어, 100℃에서, 100 mL 물에서의 황산알루미늄 및 중탄산나트륨의 용해도는 각각 89 g 및 23.6 g으로 증가한다. 따라서, 100℃에서, 반응식 (1)에 사용하기 위한 화학양론적 혼합물을 제조하기 위해, 89 g의 황산암모늄을 100 mL의 뜨거운 물과 혼합하고, 130.98 g의 중탄산나트륨을 555 mL의 뜨거운 물과 혼합한다(뜨거운 물은 100℃ 근처임). 이들 용액을 혼합하는 경우, 보다 농후한 수산화알루미늄 수화물이 형성된다. 이러한 수산화알루미늄 수화물은 20℃에서 제조된 수화물과 비교하여, 보다 압축되어 있으며, 각각의 수산화알루미늄 분자 당 더 적은 수의 물 분자를 가진다. 수산화알루미늄 : 물 분자의 비율은 더 높으며, 따라서, 각각의 물 분자에서의 수산화알루미늄의 전하는 20℃에서 제조된 수산화알루미늄 수화물보다 더 높고, 물 분자의 보유(retention)는 더 강하다. 매우 진하고 고도로 하전된 금속수산화물 수화물을 제조하고자 성분들의 용해도를 증가시키기 위해, 가압 가열된 반응기에서 성분들을 혼합할 수도 있다.
본 발명자들에 의해 수행된 실험은 20℃ 및 100℃에서 중탄산나트륨 용액을 황산알루미늄 용액과 혼합함으로써 수산화알루미늄을 제조하였다. 20℃(실온)에서 제조된 수산화알루미늄 수화물은 약 Al(OH)3 x 90 H2O (즉, 각각의 수산화알루미늄 분자 당 90개의 물 분자)의 식을 가진다. 100℃에서 제조된 수산화알루미늄 수화물은 약 Al(OH)3 x 37 H2O (즉, 각각의 수산화알루미늄 분자 당 37개의 물 분자)의 식을 가진다. 이러한 실험에서, 서로 다른 수화물 식의 물 분자 및 수산화알루미늄 분자의 수는 동결-건조 전과 후에 서로 다른 시료들을 칭량함으로써 확인하였다. 수산화알루미늄 수화물은 매우 밝은 수화 크림과 유사한 외양을 가지며, 이의 물리적 상태에서 콜드 키르(cold kheer ; 차가운 쌀로 만든 푸딩)와 유사하다. 이것을 만지면, 물과 유사한 촉감이 느껴진다.
하기 실시예에서, "정상 수화물" 또는 "정상 겔"이라는 용어는 20℃에서 형성된 수화물을 지칭하는 데 사용된다. 용어 "더 농후한 수화물" 또는 "더 농후한 겔"은 100℃ 근처에서 형성된 수화물을 지칭하는 데 사용된다.
실시예 2 - 물 정제
전세계에서 6명 중 1명은 깨끗한 물에 접근하지 못한다. 매년 340만 명이 물과 관련된 질병으로 사망하며, 대체로 개발도상국에서 그러하다. 현재 보편적인 물 정제 기술은 응고(coagulation) 및 응집(flocculation)과, 후속해서 용존 공기 부상(dissolved air flotation) 및 모래 여과, 염소 소독 및 슬러지 농화를 포함한다. 이러한 종래 기술들은 고 품질의 식수를 생산하지만, 자본 비용 및 운전 비용 둘 다의 면에서 비싸다. 음료수의 생산을 위한 보다 저렴하며 더 간단한 수 처리 공정의 개발이 바람직하다.
수산화알루미늄 수화물을 황산알루미늄 용액 및 중탄산나트륨 용액을 사용하여 제조하였다. 수산화알루미늄 수화물을 다공성 토목섬유 패브릭 상에 보유시켰다. 개방형 상부 및 개방형 하부를 가진 유리 하우징(housing)을, 토목섬유 패브릭이 개방형 하부를 가로질러 연장하도록 위치시켰다. 이러한 방식으로, 수산화알루미늄 수화물 층을 유리 하우징의 하부에 위치시켰다. 수산화알루미늄 수화물 층을 통과한 임의의 액체를 수집하기 위해, 수집 비커를 토목섬유 패브릭의 아래에 위치시켰다.
물은 브리즈번 강에서 가져왔다. 브리즈번 강물은 매우 혼탁하고, 현탁화된 고체 및 콜로이드 고체를 상당량 함유하고 있다. 브리즈번 강물 시료를 유리 하우징에 부었으며, 물은 수산화알루미늄 수화물 층을 통과하였다. 이러한 물을 수집 비커에서 수집하였다. 수집된 물을 "여과물"이라고 지칭할 것이다. 여과물은 측정된 광학 밀도(450 nm에서)가 0.000이었으며, 이는 증류수와 동일하다. 이는, 거의 모든 현탁화된 고체 및 미세한 입자들이 수산화알루미늄 수화물 층의 상부에 효과적으로 포획되었음을 의미한다. 수산화알루미늄 수화물 층을 지지하는 데 사용된 토목섬유 패브릭은 기공 크기가 90 미크론(폴리프로필렌 260 gsm(gram per square meter) 부직포 토목섬유)이었으며, 이는 매우 저렴한 토목섬유 패브릭이다. 그러나, 다른 매질(media) 또는 패브릭 또한, 수화물 층을 지지하기 위해, 특정한 적용 설계 유속 및 보유 매질의 필요한 강도에 따라 사용될 수 있다.
실시예 3 - 여과물에서의 박테리아 및 진균류 시험
몇몇 박테리아 및 진균류 성장 시험을 실시예 2에 기술된 방법에 따라 브리즈번 강물의 처리로부터 회수한 여과된 물에서 수행하였다. 이들 시험은, 브리즈번 강물의 모든 박테리아 및 진균류가 수산화알루미늄 수화물 층에 의해 포획되었음을 보여주었다. 대규모 식수 정제를 위한 이러한 공정의 사용 가능성을 평가하기 위해, 브리즈번 강물에서 파이프 시험(pipe test)도 수행하였다.
이러한 시스템이 박테리아 및 진균류를 어떻게 포획하는지 평가하기 위해, 몇몇 LB 박테리아 및 PDA 진균류 시험을 서로 다른 수화물 제형들을 사용하여 수행하였다. Lennox LB는 대장균(E. Coli ) 및 박테리아 배양에 사용되는 고도로 참조되는 미생물 성장 배지이다. 이러한 영양-풍부한 미생물 브로쓰(broth)는 저염 제형 내에 펩타이드, 아미노산, 수용성 비타민 및 탄수화물을 함유한다. 한천의 첨가는 미생물 성장용 고체 배지를 제공한다. LB 배지는 950 mL의 탈이온수에 10 g 트립톤, 5 g 효모 추출물, 15 g 한천, 10 g NaCl을 혼합함으로써 제조하였다. 용액을 15 psi, 121℃에서 20분 동안 고압멸균하고(autoclave), 55℃로 냉각시킨 후, 시계접시에 붓고, +4℃의 서늘하고 어두운 곳에서 보관하였다. 여과물에서의 진균류 성장을 측정하기 위해, 감자 덱스트로스 한천(PDA) 배지를 사용하였다. PDA는 가장 널리 사용되는 진균류 배양용 배지이다. PDA 배지는, 4 g의 감자 추출물(감자로부터의 추출물(infusion) 200 g), 20 g의 덱스트로스 및 15 g의 한천을 1 L의 정제수에 첨가함으로써 제조하였다. 용액을 121℃에서 고압멸균하고, 55℃로 냉각시킨 후, 시계접시에 붓고, +4℃의 서늘하고 어두운 곳에서 보관하였다.
수산화알루미늄 수화물은 알루미늄 전극(또는 적어도 하나의 알루미늄 애노드)을 사용하여, 농도가 70 PPT(1 L의 증류수에 용해된 70 g NaCl)인 염수의 전기 분해에 의해 제조하였다. 9 V 및 1 amp의 직류 전류를 전기 분해 동안에 사용하였다. 수산화알루미늄 수화물을 또한, 실온(20℃)에서 황산알루미늄의 포화된 용액과 중탄산나트륨의 포화된 용액을 혼합함으로써 제조하였다. 36.4 g의 황산알루미늄을 100 mL의 증류수에서 혼합하고, 53.76 g의 중탄산나트륨을 560 mL의 증류수에서 혼합하였다. 황산알루미늄 용액을 중탄산나트륨 용액에 서서히 첨가하였다. 혼합된 용액을 약 2시간 동안 방치하여, 모든 CO2 분자를 분리하였다. 반응-기재의 겔 용액을 토목섬유 패브릭의 상부에 첨가하고, 증류수로 세척하여, 임의의 미반응 황산알루미늄을 제거하였다. 동일한 양의 20 mL의 전기 분해-기재의 수산화알루미늄 수화물 및 반응-기재의 수산화알루미늄 수화물을 각각의 실험에 사용하였다. 시험에 사용된 단순 여과 장비는 도 2에 나타나 있다. 90 미크론 부직포 토목섬유를 직경이 76 mm인 둥근 플라스틱 용기의 하부에 고정하였다.
혼탁한 브리즈번 강물을 퀸즈랜드 대학교 근처의 브리즈번 강에서 수집하였다. 모든 여과 장비들을 시험 전에 고압멸균하고, 냉각시켰다. 교차 오염을 피하기 위해, 모든 시험들을 층류(laminar flow) 하에 수행하였다. 수산화알루미늄 수화물 층을 토목섬유 패브릭의 상부에 첨가하고, 브리즈번 강물을 수화물 겔의 상부에 첨가하였다. 수화물에 이미 존재하는 물 분자의 제거를 위해, 처음 여과물 50 mL은 수집하지 않았다. 여과 전 및 여과 후, 동일 부피(100 ㎕)의 브리즈번 강물을 각각의 LB 및 PDA 플레이트에 첨가하였다. LB 플레이트를 인큐베이터에 24시간 동안 넣고, PDA 플레이트를 알루미늄 호일로 감싼 다음 실온에서 1주일 동안 방치하였다.
모든 시험 결과들은, 박테리아 및 진균류 중 어느 것도 여과된 물에서 성장하지 않았음을 보여주었다. 따라서, 여과물은 수산화알루미늄 수화물 층에 의해 완전히 위생처리되었다. 도 3은 전기 분해에 의해 제조된 수산화알루미늄 수화물에 의한 여과 전과 여과 후, 브리즈번 강물에서의 LB 박테리아 및 PDA 진균류 시험 결과를 보여준다. 24시간 후, 수백 개의 박테리아 콜로니로부터의 성장이 여과 전의 물로부터 관찰하였으나(도 3a), 여과물에서는 박테리아 콜로니 성장이 나타나지 않았다(도 3b). 유사한 결과는 1주일 후 PDA 진균류 시험 플레이트에서 관찰되었다. 일부 진균류 성장이 여과 전의 브리즈번 강물에서 나타났으나(도 3c), 여과물에서는 진균류 성장이 나타나지 않았으며(도 3d), 모든 진균류들은 또한 이러한 시스템에 의해 포획되었다. 따라서, 브리즈번 강물에서 모든 현탁화된 고체 및 박테리아 및 진균류가 포획되었으며, 수산화알루미늄 수화물 여과 후, 모든 시험들에서 박테리아 성장 또는 진균류 성장 중 어느 것도 관찰되지 않았다. 따라서, 물은 균질한 수산화알루미늄 수화물 층을 통과함으로써 완전히 살균되는 것으로 간주되었다.
황산알루미늄 용액과 중탄산나트륨 용액 사이의 반응에 의해 제조된 수산화알루미늄 수화물 층에 브리즈번 강물을 통과시킴으로써 유사한 시험을 수행하였다. 유사한 결과가 수득되었으며, 여과된 물을 시계접시 상에 적용하였을 때, 박테리아 성장 또는 진균류 성장의 징후 중 어느 것도 관찰되지 않았다.
브리즈번 강물 상층액을 수산화알루미늄 수화물 층 위에서 제거하고, LB 플레이트 상에서 콜로니를 형성한 박테리아에 대해 시험하였다. 이는, 수산화알루미늄 수화물이 박테리아를 죽이지 않았음을 나타낸다. 그보다는, 박테리아가 여과물에서 검출되지 않았기 때문에, 수산화알루미늄 수화물 층은 박테리아가 해당 층을 통과하는 것을 방지한다.
이들 시험은, 모든 박테리아 및 진균류가 수산화알루미늄 수화물 층에 의해 포획됨을 보여준다. 해당 층을 통과한 물은 효과적으로 살균된다. 따라서, 수산화알루미늄 수화물 층을 통한 브리즈번 강물의 통과는 물 내의 모든 현탁화된 고체들을 분리할 뿐만 아니라, 모든 미생물들을 포획한다. 여과물은 깨끗한 물이다. 추가적인 처리(예, 염소처리)가 요구되지 않는다.
비교예
몇몇 LB 및 PDA 시험들을, 고온에서 수산화알루미늄 분말과 물을 신속하게 혼합함으로써 제조된 필터 매질을 통해 여과된 브리즈번 강물에 대하여 수행하였다. 겔은 형성되지 않았다. 수산화알루미늄 수화물 층이 전기 분해 또는 반응에 의해 인-시추에서 형성된 경우와는 달리, 물은 살균되지 않았으며, 여과물 내에 일부 배양가능한 박테리아가 여전히 남아 있었다.
실시예 4 - 수화물 겔 여과에서 물 컬럼의 압력의 효과(대규모 계산(파이프 시험))
물 컬럼의 높이를 측정하기 위해 평행하게 설치된 투명 파이프와 함께 하나의 척도화된 PVC 파이프를 이 실험에 사용하였다. 파이프의 높이는 150 cm였으며, 단면적은 0.00567 m2(56.7 cm2)였다. 90 미크론 폴리프로필렌 260 gsm 부직포 토목섬유를 수화물 층용 지지 여과 매질로서 사용하였다. 물 컬럼의 높이가 10 cm 감소할 때마다 시간을 기록하였다. 여과물의 광학 밀도(OD) 또한, 시간 경과에 따라 측정하였다. 몇몇 서로 다른 시험들을 서로 다른 제형, 서로 다른 수화물 층 두께, 서로 다른 높이 및 서로 다른 강물 혼탁도에서 수행하였다.
(시간이 경과함에 따라 분해하지 않을 것임을 입증하기 위해) 6개월 넘게 보관한 200 mL의 수화물 겔(전기 분해-기재 및 반응-기재)을 이러한 실험에 사용하였다. 시간 경과에 따른 수위 변화 및 수위 변화 속도를 도 4에 나타낸다. 각각의 구획의 유속 및 유량 또한, 계산하였다. 이들 데이터를 규모-확대 계산에 사용할 수 있다. 브리즈번 강물 시료를 서로 다른 혼탁도에서 시험에 사용하였다. 강물의 OD는 덜 혼탁한 물(OD 450 nm 0.120) 내지 고도의 혼탁한 물(OD 450 nm 0.550)의 범위였다. 강물의 혼탁도 및 물 컬럼의 높이와는 상관없이, 여과된 물은 450 nm에서 OD 0.000으로 항상 깨끗하였다. 성공적인 결과는 또한, 겔이 오랫동안 분해되지 않을 것이며, 겔이 건조하지 않고 습한 조건에서 물 내에 있는 한, 작용함을 입증한다.
겔 층을 사용하여 10개의 시료를 여과한 후, 현탁화된 고체가 겔 상에 축적됨으로 인해 유속이 다소 감소하긴 하였지만, 틈채움(blinding)은 발생하지 않았으며, 분리 시스템은 여전히 작동하였다. 모든 현탁화된 고체, 예컨대 미세한 토양 또는 나무 입자 및 토사(silt)가 겔의 상부에서 수집 및 압축되고, 농후한 갈색 페이스트를 형성하였다(도 5 참조). 도 5에서, 백색 층은 수산화알루미늄 수화물 겔 층을 포함하며, 상부의 갈색 층은 강물로부터 제거된 현탁화된 고체 및 미립자 물질을 포함한다. 수처리 플랜트는 용이한 운송을 위해 슬러지 탈수용 슬러지 농화 유닛을 가진다. 이러한 농후한 탈수 슬러지 또한, 이러한 공정을 사용하면 본 발명을 토대로 하는 미래의 대규모 수처리 플랜트에 슬러지 농화 유닛이 필요하지 않을 수 있음을 입증한다. 상업적인 수처리 플랜트는 농후한, 예를 들어, 1 m 두께 또는 심지어 그보다 더 농후한 금속수산화물 층을 이용할 수 있다. 이러한 층은 구축(built-up) 물질을 층의 상부로부터 퍼내거나 긁어냄으로써 세정될 수 있다. 농후한 금속수산화물 수화물 층은 또한, 다른 적용들에도 사용될 수 있다.
도 4는 농후한(깊이 5 cm) 수화물 겔 층을 사용하더라도, 여과물 유속이 이상적으로 빠름을 보여준다. 물 컬럼의 높이가 증가함에 따라, 압력 및 여과물 유속은 증가한다. 시간이 경과함에 따라, 컬럼 높이의 감소 및 수두(head of water)로 인한 압력 저하로 인해 유속은 감소한다. 시간 당 감소된 평균 컬럼 높이는 13 cm였다. 약 3136 L/(d.m2)의 강물이 임의의 에너지 투입 없이 이러한 기술을 사용하여 정제될 수 있다. 따라서, 이러한 기술은 다양한 적용 크기들에 대해 1-단계 물 정제 및 소독 공정으로서 쉽게 사용될 수 있다. 이러한 기술은 지방 및 원거리 지역에서 소규모 수처리를 위해 실시될 수 있다. 이러한 기술은 또한, 대규모 도시 수처리를 위해서도 사용될 수 있다. 이러한 기술은 통상의 과도하게 복잡하고 고비용의 수처리 공정을 단순한 단일 단계 공정으로 간략화할 수 있다. 단순한 침전 탱크 또는 유사한 구획들(예, 작동의 용이를 위한 보다 좁은 표면적 및 보다 적은 겔 소모를 가진 깔때기-유사 탑)이 현재의 복잡한 수처리 플랜트 대신 사용될 수 있다.
단순한 양동이부터, 진공 또는 회전 드럼 필터를 사용하는 보다 복잡한 필터 장비까지 다양한 여러 가지 서로 다른 형상들이 본 발명에 따른 수화물 여과를 사용하는 물 정제에 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 단순한 양동이는 개발도상국에서 대가족의 안전한 식수 문제를 해결할 수 있다. 수화물 겔은 2가지 유형의 패브릭 또는 필터 매질 사이에서 유지될 수 있다. 작은 기공 크기를 가진 하부의 패브릭은 겔을 보유하고, (막힘 및 틈채움을 피하기 위해) 기공 크기가 더 큰 상부의 패브릭은 현탁화된 고체 및 오염물질을 보유하고 충전 동안 겔 층의 분해를 방지한다. 또 다른 유사한 양동이로부터 절단되는 고리(ring)는 상부 패브릭을 시스템에 맞춰서 유지시킬 수 있다.
이러한 기술을 사용하여, 몇몇 수처리 단계들을 한 단계로 간략화할 수 있다. 수처리 플랜트의 통상의 침전 정화기와 유사한 단순한 개념적 설계가 도 6에 나타나 있다. 수위가 증가함에 따라, 유속 또한 증가하고, 따라서 수화물 겔의 표면적은 더 좁은 것이 필요하다. 자연적으로 침강하는 토양 입자, 토사 및 유사한 고체 입자를 분리하기 위해, 수화물 겔 여과 유닛 전에 침전 탱크를 개별적으로 놓는 것이 가능하다. 그러나, 도 6에 나타낸 바와 같이, 모든 단계들을 한 단계로 캡슐화하는 것이 가능하다. 중간 구획(13)은 수화물 겔 여과 구획이다. 수처리는 연속적으로 수행될 수 있거나, 매일 배치 사이클(batch cycle)로 수행될 수 있다. 처음에, 수화물 겔을 파이프(12)를 사용하여 중간 구획에 펌핑한다. 그런 다음, 물을 파이프(11)를 사용하여 펌핑한다. 일부 고체들은 시간이 경과함에 따라 침강한다. 이러한 침전 정화기의 경사로 인해 또는 통상의 스퀴지(squeegee)(15)(원형 이동에서, 침강된 슬러지를 수집함)를 사용하여, 침강가능한 고체는 슬러지 파이프(14)를 통해 제거된다. 유사한 스퀴지 시스템은 수화물 여과 구획의 상부에 축적되는 현탁화된 고체를 수집할 수 있다. 도 6의 수처리 플랜트의 측면도는 도 7에 나타나 있다.
서로 다른 배치, 준연속식 또는 연속식 시스템을 가진 서로 다른 크기의 이러한 단순한 물 정제 시스템들은 수화물 여과 기술을 토대로 구축될 수 있다. 서로 다른 침강된 고체 제거 시스템(예, 연속적인 스퀴지 또는 주기적인 스퀴지(squeegee) 또는 수작업(manual) 또는 겔의 상부에 패브릭 또는 유사한 매질의 놓음)들 또한 설계될 수 있다. 수십만 리터에서 수백만 리터까지 서로 다른 크기의 수처리 플랜트들이 또한 설계될 수 있다. 예를 들어, 약 3억 1400만 리터(도시의 일일 소비에 충분할 수 있음), 침전 탱크, 200 m 직경 및 10 m 높이의 자연적인(흡인 및/또는 압력 없이) 일상적인 여과가 설계될 수 있다. 이는 통상의 수처리 시스템과 조합하여 사용될 수도 있다. 이는 물에서 임의의 잔존하는 미량의 현탁화된 고체 및 박테리아, 바이러스 및 병원체를 제거하기 위해, 위생 처리 및 정화를 위한 마지막 단계로서 첨가될 수 있다. 일부 병원체들이 염소에 내성이기 때문에, 이러한 기술을 사용한 소독의 최종 생성물은 염소-소독된 물과 비교하여 식수용으로 더 안전할 수 있다.
실시예 5 - 수화물 여과에 의한 바이러스 포획
세계에서 점유된 병상의 절반은 안전한 식수의 결여로 인한 것이다. 안전하지 못한 물은 전세계적으로 설사의 88%의 원인이 되고, 사망의 90%는 5세 이하의 어린이에서 설사병으로 인해 야기된다. 바이러스는 인간의 수인성(water-borne) 질병 및 물과 관련된 질병의 주요 원인이다. 수인성 질병은 병원성 미생물을 함유하는 인간 및 동물의 소변 및 대변에 의해 오염된 물에 의해 발병된다. 사람은 오염수와 접촉되거나 오염수를 소비함으로써 감염될 수 있다.
지표수(호수, 강 또는 저장고로부터의 물) 처리, 응고, 응집 및 침전 및 통상의 여과 공정들은 주로 먼지, 더 큰 입자 및 현탁화된 고체를 제거한다. 이것이 염소 소독의 마지막 단계가 사용되는 이유이다. 그러나, 많은 수인성 병원체들은 염소에 내성이고, 통상의 수처리 플랜트의 정제된 물에서 정기적으로 발견된다. 이들 염소-내성 병원체로는 간염, 위장염, 와포자충 감염증(cryptosporidiosis) 및 레지오넬라병(Legionnaires disease)을 유발할 수 있는 여러 가지 바이러스, 기생충 및 박테리아를 포함한다. 따라서, 보다 효율적이며 문제가 덜 발생하는 물 소독 공정을 발견할 것이 필수적으로 요구되고 있다. 물 분자만 통과시키는 수화물 겔 여과는 물로부터 병원체를 제거하는 새로운 잠재적인 공정이다.
수화물 겔이 바이러스를 포획할 수 있는지 알아보기 위해, 박테리오파지를 물에 첨가하고, 중합효소 연쇄 반응(PCR) 시험을 수행하여, 여과물 내의 임의의 바이러스를 증폭시켜, 임의의 미량의 바이러스가 여과물에서 발생하였는지 알아보았다.
3 ㎕의 M13K07 헬퍼 파지 바이러스(NEB Biolabs)를 20 mL의 증류수에 첨가하고, 보다 농후한 수화물 겔(100℃에서 제조됨)의 상부에 첨가하였다. M13K07 DNA 시퀀스를 토대로, 정방향 프라이머 및 역방향 프라이머를 설계하였다.
Phusion PCR을 이들 실험에 사용하였다. 마스터 믹스는 7.2 ㎕ 물, 4 ㎕ 5*HF 완충제, 1.6 ㎕ dNTP, 2 ㎕ 정방향 프라이머, 2 ㎕ 역방향 프라이머 및 0.2 ㎕ Phusion 중합효소(Thermo Scientific)를 혼합함으로써 제조하였다. 각각의 시료 3 ㎕를 마스터 믹스에 첨가하고, PCR 튜브에 붓고, PCR 기계에 넣었다. Phusion PCR 프로그램은 98℃에서 30초, 후속해서 35 사이클(98℃에서 10초, 65℃에서 30초 및 72℃에서 30초) 및 72℃에서 10분, 및 16℃에서 연장된 시간 동안이었다.
PCR 후, 겔 전기영동을 DNA의 크기 분리 및 분석을 위해 사용하였다. 에티듐 브로마이드를 함유하는 농후한(2% w/v) 아가로스 겔을 이 실험에 사용하였다. 4 ㎕의 로딩은 각각의 PCR 튜브에 첨가된 염료였다. 5 ㎕의 넓은 범위의 DNA 사다리 및 10 ㎕의 각각의 시료들을 아가로스 겔 웰에 첨가하였다. 겔에 아가로스 겔 전기영동을 처리하고, 100 V에서 15분 동안 진행시켰다. 전기영동 후, 겔을 DNA 가시화를 위해 자외선 광에 두었다. 도 8은 그 결과를 보여준다.
PCR 결과(도 8)는 바이러스 DNA가 여과물에 미량으로도 남아 있지 않음을 보여주며, 한편, 대조군은 파지 DNA가 쉽게 증폭되었음을 보여준다. 도 8.1은 넓은 범위의 DNA 사다리를 보여준다. 도 8.2, 도 8.9, 도 8.11은 대조군에서 증폭된 파지 DNA를 보여준다(여과 없음). 다른 컬럼들(도 8.3, 도 8.4, 도 8.5, 도 8.6, 도 8.7, 도 8.8, 도 8.10)은 파지 DAN 증폭을 미량으로도 나타내지 않는 서로 다른 여과물 시료들을 함유하였다. 도 8.2는 여과 액체 대조군(3 ㎕의 파지 용액 + 20 mL의 물)이다. 이를 여과 동안 얼음 위에서 유지시켰고, 여과에 사용하지 않았다. 도 8.9는 여과 동안 실온(25℃)에서 유지시킨 동일한 대조군이다. 도 8.11은 3 ㎕의 파지 용액을 Phusion PCR 마스터 믹스(17 ㎕)에 첨가함으로써 제조한 보다 고 농도의 또 다른 파지 대조군이다.
이들 결과는, 균질한 수화물 겔이 바이러스를 포획할 수 있음을 나타낸다. 따라서, 수화물 여과는 박테리아, 진균류 및 보다 큰 미생물을 포획할 뿐만 아니라, 대략 10 nm의 작은 바이러스(예, 박테리오파지)도 이러한 기술을 사용하여 포획된다. 따라서, 병원체가 포획될 수 있으며, 따라서 완전히 위생 처리되고 통상의 수처리 시스템과 비교하여 마시기에 더 안전한 여과된 물이 생산될 수 있다. 따라서, 이러한 기술은 모든 현탁화된 고체 및 병원성 미생물들을 제거하는 새로운 1-단계 수처리 시스템으로서 사용될 수 있다. 이러한 공정은 통상의 문제가 있으며 독성의 염소 소독 대신 사용될 수 있다.
실시예 6: 오일 유출물(유조선으로부터 환경으로의 원유의 방출)
유조선으로부터의 원유 및 정유 유출 사고는 미국 알래스카, 멕시코만, 갈라파고스섬, 프랑스 및 다른 많은 곳에서 자연 생태계에 피해를 입혔다. 예를 들어, 단지 1회의 오일 유출 사고(Ixtoc I)는 300만 배럴의 오일을 환경에 방출하였으며, 미국 해안 260 km에 영향을 미쳤다. 이는 환경에 돌이킬 수 없는 장기적인 악영향을 미쳤다.
이러한 문제를 해결하고자 하는 현재의 기술, 예컨대 생물적 환경 정화, 제어 연소, 분산제의 적용, 스키밍 및 원심분리는 효과적이지 않다. 더욱이, 현재의 기술의 비용은 매우 높다. 예를 들어, 1979년에 발생한 단지 1회의 Ixtoc I 오일 유출 사고를 해결하기 위해 1억 달러의 비용이 소모되었다.
본 발명에 따른 수화물 여과 기술의 비용은 오일 유출물의 세정에 있어서, 통상의 기술과 비교하여 매우 낮다. 이는 서로 다른 선박들에서 실시될 수 있으며, 처리된 물은 바다로 다시 직접 펌핑될 수 있는 한편, 물로부터 분리된 오일은 저장 탱크에 수집될 수 있다. 이러한 시스템을 위한 특정한 선박 또한 설계될 수 있다. 수화물 필터는 오일-물 에멀젼을 분해할 수 있으며, 따라서, 이는 오일 유출물을 제거할 것이다. 따라서, 원심분리 공정과는 달리, 본 발명의 기술을 사용하여 수득된 여과된 물은 바다로 다시 펌핑될 수 있다. 이러한 기술은 또한, 오일을 회수하며, 이는 생물적 환경 정화, 연소 및 분산제와 같은 다른 통상의 해결방안과 비교하여 주요 이점이다. 오일 사용 및 유출 증가량을 토대로, 이러한 기술의 잠재적인 시장 크기는 상당하다. 이는 또한, 환경 보호, 소중한 해안 구역의 구조 및 관광 산업, 어업 및 식품 산업의 보호라는 다른 간접적인 유형 및 무형 이점들을 가진다. 더욱이, 세계 항만 주변에서 수천 가지의 화학 회사, 석유화학 회사 및 정유 회사들은 이러한 기술을 사용하여 그들의 오일 유출 문제를 관리할 수 있다.
100℃에서 황산알루미늄 및 중탄산나트륨의 화학양론적 포화 용액들을 혼합함으로써 제조한 보다 농후한 수화물 겔을 이 실험에 사용하였다. 이러한 수화물 겔 30 mL를 다공성 토목섬유 패브릭의 상부에 첨가하고, 개방형 상부 및 개방형 하부를 가진 용기에 두었다. 50 mL의 Shell Helix HX3 20-50 엔진 오일을 물(50% 오일 + 50% 물)과 함께 격렬하게 혼합하여, 부분적인 수중유 에멀젼을 형성하였다. 생성되는 오일-물 혼합물을 수화물 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다.
수중유 에멀젼 및 별개의 오일상으로부터 분리된 수화물 겔 필터를 겔의 상부에 보유시켰다. 여과물은 깨끗한 물이었으며, 오일 액적의 징후가 없었다. 공정 종료로부터 24시간 후에도, 오일 액적은 수화물 필터를 통과하지 않았으며, 모든 오일은 겔의 상부에 보유되었다. 결과는 또한, 수화물 여과 이론을 나타내며, 여기서, 오로지 물 분자 또는 작은 극성 분자만이 수화물 필터를 통과할 수 있으며, 다른 비극성 비-수성 액체, 예컨대 오일 및 탄화수소는 수화물 필터를 통과할 수 없다. 따라서, 이러한 기술은 많은 산업들에서 기름물 및 오일 유출물 문제들을 해결하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 이는 또한, 오일을 물로부터 분리하거나 극성 오일을 비극성 오일로부터 분리하기 위해, 정유 플랜트, 화학 플랜트 및 석유화학 플랜트에서 사용될 수도 있다. 정상 수화물 겔(20℃에서 제조됨)을 사용하고 다른 수중유 에멀젼을 사용할 때에도(예, 우유에서 지방을 제거하거나 또는 유지성 미세조류로부터 지질체(lipid body)를 분리하기 위해; 실시예 9 및 12) 유사한 결과가 관찰되었다.
실시예 7: 극성을 토대로 한 분리
본 발명에 따른 수화물 겔 필터는 수용성이지 않은 비-극성 액체는 통과시키지 않는다. 따라서, 대부분의 액체 탄화수소들이 비-극성이고 물에서 불용성이기 때문에, 이들은 수화물 여과에 의해 포획될 수 있다. 이러한 기술의 한 가지 적용은 제트 연료(등유임)로부터 물을 제거하는 것이다. 제트 연료로부터 모든 물을 제거하는 것은 현재의 기술로는 비현실적이다. 제트 연료 내 물은 중요한 문제이며, British Airways Flight 38의 추락 사고와 같이, 제트 연료 내 물이 동결하였기 때문에 발생한 몇몇 사고들이 있었다. 본 발명의 분리 시스템은 제트 연료로부터 물의 마지막 액적까지 제거할 수 있다. 이러한 기술을 사용하여, 수많은 다른 액체들도 이들의 상대적인 극성을 토대로 물로부터 분리될 수 있다.
황산알루미늄 및 중탄산나트륨의 화학양론적 포화 용액을 혼함함으로써 제조된 보다 농후한 수화물 겔을 이 실험(100℃에서 제조됨)에 사용하였다. 이러한 보다 농후한 겔 30 mL을 여과 장치의 상부에 첨가하였다. 수화물 겔은 토목섬유 패브릭 상에서 지지되었다. 등유(청색 색소를 함유함)와 물(격렬하게 혼합한 50% 등유 및 50% 물)의 혼합물 100 mL을 수화물 겔 필터의 상부에 첨가하였다. 실험 종료 시, 깨끗한 물을 등유의 임의의 징후 없이 하부에서 수집한 한편, 모든 등유들은 수화물 겔의 상부에서 포획되었다. 24시간 후에도, 등유는 수화물 겔을 통과하지 않았다. 도 9는 실험 진행 종료 시 촬영한 사진을 보여준다. 도 9에서, 깨끗한 물은 하부에서 볼 수 있으며, 등유로 구성된 청색 층은 수화물 겔 층의 상부에서 보유된 것으로 볼 수 있다.
실시예 8 - 극성 액체의 통과
극성 수용성 액체가 수화물 겔을 통과하는지 입증하기 위해, 다른 실험들을 비-수성의 극성 액체를 사용하여 수행하였다. 엽록소가 소수성 테일(tail) 영역을 가진 화합물이긴 하지만, 엽록소는 또한 극성 친수성 헤드 기(head group)를 가지며, 수용성이다. 100 mL의 엽록소를 50 mL의 보다 농후한 수화물 겔(100℃ 근처에서 제조됨)의 상부에 첨가하였다. 이전의 실험에서 사용된 동일한 여과 장비를 이 시험에 사용하였다. 엽록소 분자는 예상된 바와 같이 수화물 겔을 통과하였다.
헥산은 비-극성의 무색 탄화수소 액체이며; 따라서, 수화물 필터를 통과해서는 안 된다. 헥산을 물과 혼합하고, 수화물 겔의 상부에 첨가하였다. 헥산은 흄 후드(fume hood) 아래에서 매우 신속하게 증발하기 때문에, 여과 장비의 상부 구획을 알루미늄 호일, 마스킹 테이프 및 파라필름(Parafilm)으로 밀봉하였다. 등유 실험과 유사하게, 물 분자는 수화물 필터를 통과하였지만, 헥산 분자는 수화물을 통과할 수 없었고 수화물 층 상에 보유되었다. 여과 장비를 흄 후드 아래에서 장기간 방치하였으나, 1주일 후에도 헥산 액적이 수화물 필터를 통과하지 않았다. 유사한 결과가 정상 수산화알루미늄 수화물 겔(20℃에서 제조됨)을 사용하여 관찰되었다.
이들 실험은 또한, 본 발명의 기본인 수화물 여과의 새로운 이론을 나타낸다. 따라서, 상대적인 극성 및 분자 전하를 토대로 서로 다른 탄화수소들을 분리하는 것이 가능하다. 탄화수소 및 등유와 같이 물에서 불용성인 비-극성 성분들은 수화물 필터를 통과할 수 없지만, 엽록소와 같은 극성의 수용성 성분들은 필터를 통과할 것이다. 이는 서로 다른 화학물질을 액체 수화물로서 사용하고 수화물의 서로 다른 제형 및 농후도를 사용하여 수화물 필터의 이들 특성을 토대로, 새로운 화학 정유 및 화학 플랜트를 구축하는 가능성을 열어줄 수 있다.
등유 및 헥산이 장기간 후에도 수화물 겔 필터를 통과하지 않았다는 사실은, 이러한 기술이 물/탄화수소 분리 유닛 또는 탄화수소 저장에 사용될 수도 있음을 나타낸다. 특정한 탄화수소 저장고가 설계될 수 있으며, 수화물 겔은 저장고의 하부에 위치할 수 있다. 모든 물은 저장 탱크의 하부로부터 제거되어야 한다.
실시예 9: 낙농 및 유가공 산업(분유 및 유청 단백질을 부산물로서 제조함)
대부분의 사람들이 유유, 치즈 및 다른 낙농 제품들을 정기적으로 소비한다. 2000만 톤이 넘는 치즈가 매년 생산된다. 많은 사람들이 또한, 전세계적으로 유청 단백질을 사용한다. 유청 단백질 시장은 빠르게 성장하고 있으며, 여기서, 2005년과 2008년 사이에, 시장 가치는 38억 달러까지 24% 증가하였다. 본 발명은 낙농 산업에서 광범위하게 사용되는 잠재성을 가진다. 이는 치즈를 제조하고 유청 단백질을 부산물로서 제조하기 전에, 우유의 농축에 사용될 수 있다.
현재의 증발 및 가열 건조, 예컨대 드럼 건조에 의해 제조된 분유는 열 노출로 인한 카라멜화로 인해 탄 냄새를 가진다. 우유 내의 많은 중요한 영양분들이 가열로 인해 손실될 수도 있다. 유청 또한 가열에 의해 변성될 수 있다. 고열(예, 저온살균 공정과 연관된 72℃ 초과의 지속된 고온)은 유청 단백질을 변성시킨다. 예를 들어, 저온살균 동안 가열로 인해, 일부 비타민, 미네랄 및 유익한(또는 프로바이오틱) 박테리아가 손실될 수 있다(티아민 및 비타민 B12는 10% 저하되고, 비타민 C는 20% 저하됨). 통상의 분유 제조업체는 증발기를 사용하고, 후속해서 열 챔버 내로의 분무 건조를 사용한다. 우유는 가열된 드럼의 표면에 얇은 필름으로서 적용되며, 건조된 우유 고체는 긁어낸다. 이러한 공정은 바람직하지 못한 탄 냄새를 유발하며, 우유 내 많은 영양분들이 손실될 수 있다. 초여과는 낙농 산업에서 사용되는 새로운 기술이지만, 이러한 고비용의 기술과 관련된 매우 높은 자본 및 운전 비용은 이러한 기술의 광범위한 사용에 장애가 된다. 이는 또한, 고압에 대한 필요성으로 인해 매우 높은 운전 비용을 가진다. 그러나, 본 발명의 실시형태에 따른 수화물 여과를 사용하면 단지 매우 단순한 장비를 필요로 하며, 높은 압력 및 에너지 투입에 대한 필요성이 없다. 이는 오로지 매우 낮은 압력 또는 중간 압력을 필요로 할 수 있다. 액체 컬럼의 자연적인 압력은 이들 낮은 압력 또는 중간 압력을 생성하기에 충분할 수 있다. 전통적인 치즈 제조 공정에 의해 제조된 치즈는 초여과 공정을 사용하여 제조된 치즈와 비교하여 더 낮은 품질을 가진다. 동결-건조는 분유에 대한 부패성 물질을 보존한다. 그러나, 이러한 공정은 동결 및 진공 공정을 위한 높은 전기 사용 및 매우 고가의 장비 및 유지 비용으로 인해, 대규모 적용에는 비용이 매우 많이 든다.
본 발명의 실시형태에 따른 수화물 여과를 사용하여 처리된 우유 제품은 매우 농후한 크림형 페이스트이며, 비가열된 강제 공기를 이용한 단순한 자연 공기-건조 또는 태양 건조를 사용하여 쉽게 건조될 수 있다. 따라서, 수화물 여과에 의해 제조되는 분유는 현재 시장에서 입수가능한 통상의 분유처럼 불쾌한 탄 냄새를 가지지 않는다. 이러한 공정 및 초여과에 의해 제조된 낙농 제품은 제품에서 열-민감성 성분들을 유지시키기 때문에, 통상의 공정보다 더 건전한 건강 품질을 가진다. 초여과 기술은 수화물 여과와 유사한 고품질의 제품을 제조한다. 그러나, 초여과 기술은 비용이 많이 들며, 작은 공장 및 원거리 농장에서는 실시될 수 없는 한편, 본 발명에 따른 단순한 수화물 여과 시스템은 고가의 장비가 필요하지 않으면서 매우 낮은 비용으로 어디에서나 실시될 수 있다.
이러한 실험에서, 황산알루미늄 및 중탄산나트륨의 화학양론적 포화 용액을 혼합함으로써 제조된 보다 농후한 수화물 겔을 사용하였다(100℃ 근처에서 제조됨). 이러한 농후한 겔 30 mL을 여과 장비의 상부에 첨가하였다. 150 mL의 준탈지유를 본 발명에 따른 수화물 필터에 통과시켰다.
도 10은 여과 공정의 종료 시 촬영한 사진을 보여준다. 여과된 물은 여과 전의 우유와 비교하여 더 깨끗하다. 농축된 우유 고체 및 지방은 수화물 겔의 상부에서 포획된다. 유사한 결과는 정상 수화물 겔(20℃에서 제조됨)을 사용하여 관찰된다.
우유의 수화물 겔 여과는, 수화물 겔이 수중유 에멀젼을 분해하고, 우유로부터 오일을 분리할 수 있음을 입증한다. 이는 매우 고가의 장비 및 처리 비용에 대한 임의의 요구 없이 우유의 초여과와 유사한 결과를 제공한다. 수화물 겔의 상부에 포획된 우유 고체 및 지방의 농축된 페이스트는 강제 공기 팬 건조와 같은 통상의 비가열된 건조 공정을 사용하여 분유로 쉽게 변환될 수 있다. 이로써, 시판중인 현재의 분유와는 달리, 가열된 드럼 건조 공정 동안에 열 노출에 의한 카라멜화로 인한 불쾌한 탄 냄새를 가지지 않는 새로운 보다 고 품질의 분유가 수득될 것이다.
유청 단백질이 수용성이며 따라서 수화물 필터를 통과하기 때문에, 여과물은 유청 단백질을 가진다. 여과물을 (통상의 건조 공정, 예컨대 분무 건조에 의해) 건조함으로써, 유청 단백질 분말이 제조될 것이다. 이는 중요한 부산물로서 판매될 수 있다.
실시예 10: 고 가치의 천연 생성물 및 베타-카로텐과 같은 색소의 추출
본 발명은 물에서의 극성 및 수용성을 토대로, 천연 공급원으로부터 고 가치의 생성물의 분리하는 새로운 저비용의 공정을 제공한다. 건강식품 시장은 크며 빠르게 성장하고 있다. 예를 들어, 카로테노이드의 세계 시장은 매년 14억 달러이다. 천연 공급원으로부터 베타-카로텐과 같은 고 가치의 생성물을 추출하는 것은 매우 어렵다. 서로 다른 새로운 약품, 예컨대 약물 및 건강 및 미용 제품은 본 발명의 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 미용 산업 또한, 큰 비지니스이며, 현재 추정 연간 매출액 1700억 달러를 창출한다. 천연 공급원 유래의 스킨-케어 크림, 로션, 파우더, 향수, 립스틱 및 메이크업 브러쉬와 같은 여러 가지 서로 다른 새로운 미용 제품들은 본 발명의 기술을 사용하여 수득된 성분들로부터 제조될 수 있다. 석유계 미용 제품과 비교하여, 이들 제품은 보다 양호한 건강 및 영양학적 스킨 케어 효과를 가지는 것으로 여겨진다.
이러한 실시예에서, 황산알루미늄 및 중탄산나트륨의 화학양론적 포화 용액을 혼합함으로써 제조된 보다 농후한 수화물 겔(100℃ 근처에서 제조됨)을 사용하였다. 동일한 여과 장비의 상부에 첨가된 이러한 농후한 겔 30 mL을 이전의 시험에서와 같이 사용하였다. 당근 주스, 석류 주스, 토마토 주스 및 민트 주스 100 mL을 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다.
도 11은 수화물 여과를 사용하여 당근 주스로부터 베타-카로텐-함유 고체를 분리하는 것을 보여준다. 베타-카로텐의 주황색 색소는 수화물 겔의 상부에서 포획된다. 베타-카로텐은 비-극성 분자이며, 따라서 수화물 필터를 통과할 수 없다. 원심분리와 같은 통상의 분리 기술은 당근 주스로부터 베타-카로텐 분자를 분리할 수 없으며; 당근 주스의 고온 증발은 베타-카로텐 분자를 변성시키고, 검-유사 물질을 생성한다.
수화물 여과는 또한, 석류 주스 색소를 분리한다(도 12). 리코펜은 토마토 및 다른 적색 과일 및 채소, 예컨대 적색 당근, 홍피망, 수박, 게욱(gac) 및 파파야(딸기는 제외함)에서 발견되는 또 다른 중요한 선홍색 카로테노이드 색소이다. 리코펜 분자는 비-극성이며, 따라서 수화물 필터를 통과할 수 없고 여과 후에 수화물 겔의 상부에서 수집될 것이다. 토마토 주스의 리코펜 적색 색소는 또한, 수화물 여과 기술을 사용하여 물로부터 쉽게 분리될 수 있다(도 13 참조). 리코펜은 피부 건강, UV 보호, 피부암 예방에 좋은 것으로 나타났으며, 노화방지제 및 주름방지제로서 작용한다. 리코펜 정제는 비싸다(정제 30개가 약 50 달러임). 서로 다른 리코펜-풍부한 주스, 예컨대 토마토 주스 또는 수박 주스의 여과에 의한 리코펜의 분리 후, 여러 가지 서로 다른 미용 제품, 예컨대 노화방지 크림 또는 주름방지 크림, 비누, 샤워 젤 및 샴푸, 또는 치약이 제조될 수 있다. 건강상의 위험은 많은 통상의 메이크업 및 미용 제품에 대한 염려이다. 수화물 여과를 사용하여, 여러 가지 천연 성분 메이크업 제품, 예컨대 블러시 및 립스틱이 제조될 수 있다. 이들 고 가치의 메이크업 제품은 사치품 시장을 위해 특정하게 제조될 수 있다. 농축된 토마토 주스는 또한, 공기 건조되어 리코펜 정제로서 판매될 수 있다.
멘톨은 이러한 기술을 사용하여 추출될 수 있는 또 다른 불용성 유기 화합물이다. 멘톨 수요는 공급을 초과하고, 츄잉검 및 캔디 제품을 비롯하여 큰 시장을 가진다. 민트 주스는 추출되었고, 수화물 여과에 의해 여과되었다. 멘톨 및 다른 색소들은 겔의 상부에서 수집되었다(도 14). 유사한 결과가 정상 수화물 겔(20℃에서 제조됨)을 사용하여 관찰되었다.
많은 다른 제품들 또한 시험하였다. 일 실험에서, 캡사이신을 레드 칠리 페퍼 주스로부터 분리하였다. 레드 페퍼를 으깨고, 적색 주스를 분리하고, 본 발명에 따라 여과하였다. 50 mL의 레드 페퍼 주스를 수화물 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 이로써, 레드 페퍼 주스로부터 캡사이신-함유 고체가 분리되었다. 여과물은 적색 색소의 임의의 징후 없이 깨끗하였다. 어떠한 적색 색소도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없었고, 모든 것이 수화물 층의 상부에서 농축된다.
수박 주스를 수화물 필터를 사용하여 분리하였다. 50 mL의 수박 주스를 수화물 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 이로써, 수박 주스로부터 리코펜-함유 고체가 분리되었다. 유사하게는, 여과물은 적색 색소의 임의의 징후 없이 깨끗하였다. 어떠한 적색 색소도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없었고, 모든 것이 수화물 층의 상부에서 농축된다.
살구는 카로테노이드가 풍부한 또 다른 과일이다. 살구 주스를 수화물 필터를 사용하여 분리/농축시켰다. 50 mL의 살구 주스를 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 이로써, 살구 주스로부터 베타-카로텐-함유 고체가 분리되었다. 유사하게는, 여과물은 황색 색소의 임의의 징후 없이 깨끗하였다. 어떠한 황색 색소도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없었고, 모든 것이 수화물 층의 상부에서 농축된다.
파파야는 베타-카로텐 및 리코펜이 풍부한 또 다른 과일이다. 파파야 주스를 수화물 필터를 사용하여 분리/농축시켰다. 50 mL의 파파야 주스를 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 이로써, 파파야 주스로부터 베타-카로텐-리코펜-함유 젤라틴성(gelatinous) 고체가 분리되었다. 유사하게는, 여과물은 색소의 임의의 징후 없이 깨끗하였다. 어떠한 색소도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없었고, 모든 것이 수화물 층의 상부에서 농축된다.
망고는 베타-카로텐이 풍부한 또 다른 과일이다. 망고 주스를 수화물 필터를 사용하여 분리/농축시켰다. 50 mL의 망고 주스를 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 이로써, 망고 주스로부터 베타-카로텐-함유 고체가 분리되었다. 유사하게는, 여과물은 황색 색소의 임의의 징후 없이 깨끗하였다. 어떠한 황색 색소도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없었고, 모든 것이 수화물 층의 상부에서 농축된다.
남유럽산 멜론(rockmelon)은 베타-카로텐이 풍부한 또 다른 과일이다. 남유럽산 멜론 주스를 수화물 필터를 사용하여 분리/농축시켰다. 50 mL의 남유럽산 멜론 주스를 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 이로써, 남유럽산 멜론 주스로부터 베타-카로텐-함유 고체가 분리되었다. 유사하게는, 여과물은 황색 색소의 임의의 징후 없이 깨끗하였다. 어떠한 황색 색소도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없었고, 모든 것이 수화물 층의 상부에서 농축된다.
시계꽃 열매 주스를 수화물 필터를 사용하여 분리/농축시켰다. 50 mL의 시계꽃 열매 주스를 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 이로써, 시계꽃 열매 주스로부터 베타-카로텐-함유 고체가 분리되었다. 유사하게는, 여과물은 황색 색소의 임의의 징후 없이 깨끗하였다. 어떠한 황색 색소도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없었고, 모든 것이 수화물 층의 상부에서 농축된다.
구아바 주스를 수화물 필터를 사용하여 분리/농축시켰다. 50 mL의 구아바 주스를 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 이로써, 농축된 구아바 주스가 수화물 겔 층의 상부에서 수집되었다. 유사하게는, 여과물은 색소의 임의의 징후 없이 깨끗하였다. 어떠한 색소도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없었고, 모든 것이 수화물 층의 상부에서 농축된다.
복숭아 주스, 배 주스, 승도복숭아 주스 및 사과 주스의 유사한 성공적인 분리/농축이 또한 수득되었다.
식물의 꽃, 잎 및 다른 부분들로부터의 추출물 색소, 소수성 성분 및 약제
이러한 기술을 사용하여, 여러 가지 식물들, 이들의 부분(예, 이들의 잎 및 꽃)으로부터 중요한 화합물, 색소, 약제 및 심지어 카로테노이드를 추출하는 것이 가능하다. 예를 들어, 티푸아나 티푸(Tipuana tipu) 나무 꽃의 황색 색소를 이러한 기술을 사용하여 추출하였다. 티푸아나 티푸 나무 꽃을 호주 퀸즈랜드 대학교의 정원에서 수집하였다. 이들을 막자(pestle)에서 으깨고, 소량의 물을 첨가함으로써 황색 즙을 잎으로부터 분리하였다. 추출된 황색 액체 50 mL를 처음에 작은 기공의 패브릭을 사용하여 여과한 다음, 겔(100℃에서 제조된 보다 농후한 수화물 겔)의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 이로써 황색 안료가 분리되었다. 유사하게는, 여과물은 황색 색소의 임의의 징후 없이 깨끗하였다. 어떠한 황색 색소도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없었고, 모든 것이 수화물 층의 상부에서 농축된다.
커피 농축
커피 내의 대부분의 방향 물질들은 소수성이다. 따라서, 이들은 수화물 필터를 통과할 수 없다. 결과적으로, 수화물 필터는 커피 농축에 사용될 수 있다. 필터의 상부로부터 회수한 농축된 커피는 중요한 커피 오일, 페놀계 물질 및 대부분의 방향 물질들을 함유한다. 수화물 필터를 사용하여 수득된 농축된 커피는 점성 물질이다. 이는 뜨거운 물 또는 찬 물에 첨가되어, 커피 음료수를 제조할 수 있다. 이는 천연 항산화제 및 페놀계 화합물의 상위 공급원(high source)이다. 이러한 페이스트는 식품 또는 미용 제품으로서 사용될 수 있다. 이는 여러 가지 새로운 식품, 건강식품 및 뷰티, 또는 미용 제품, 예컨대 커피 브렉퍼스트 스프레드(coffee breakfast spread)(누텔라® 초콜렛 스프레드와 유사함), 뷰티 크림, 보습 크림, 선 프로텍션 크림, 손 세척액, 샤워 젤, 쉐이빙 폼, 태닝 스프레이(tan spray) 및 샴푸의 제조를 위한 베이스(base)로서 사용될 수 있다. 이는 Nescafe®와 유사한 성분을 제조하기 위해 쉽게 건조될 수 있다. 이러한 농축 건조된 커피는 Nescafe®와 유사한 인스턴트 커피로서 판매될 수 있다.
이는 또한, 커피 찌꺼기로부터 제조될 수도 있다. 커피 찌꺼기를 미지근한 물 또는 뜨거운 물에 침지시켜, 오일, 소수성 방향 물질, 페놀계 화합물 및 항산화 화합물의 잔여량이 분리되게 하였다. 일 실험에서, 몇시간 동안 침강시킨 후, 상부의 액체 15 L를 침강된 고체로부터 분리하였다. 액체를, 하부에 토목섬유 패브릭이 장착된 양동이를 사용하여 제조된 수화물 필터 장비의 상부에 첨가하고, 여과시킨다. 농축된 커피의 작동 및 분리의 용이성을 위해, 수화물이 침강되고 수화물 층이 형성된 후, 필터 종이를 수화물 층의 상부에 놓았다. 따라서, 공정의 종료 시, 농축된 커피는 종이의 상부에 축적되었고, 스쿠핑(scooping) 또는 다른 유사한 수집 공정들에 의해 수집될 수 있었다. 도 14a는 수화물 층의 상부로부터 회수한 커피 농축물의 사진을 보여준다. 유사하게는, 최종 생성물은 다양한 식품 또는 미용 제품들을 제조하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 농축된 커피 찌꺼기를 서로 다른 용량으로 첨가하고, 서로 다른 무향 베이스 크림, 샤워 젤, 손 세척액 또는 화장품 제조용의 다른 무향 미용 제형 및 서로 다른 미용 제품들에 혼합하였다. 최종 생성물은 통상의 석유계 미용 제품과 비교하여 신선한 커피향 및 풍미를 가지고, 다양한 건강상 이점들을 가진다. 본 발명자들이 이러한 방식으로 제조한 미용 제품은 상당히 오랜 기간이 지나도 매우 안정하며, 곰팡이 및 박테리아 성장이 발생하지 않았다. 몇 개월 후, 비누, 샤워 젤, 뷰티 크림 제형이 농축된 커피를 보존하기 때문에, 이들은 여전히 신선한 커피 향을 가지고 있다.
압력 없이 커피 농축은 밤새 서서히 발생하였다. 그러나, 압력의 적용은 분리 공정을 보다 빠르게 할 수 있다. 500 mL의 농후한 수화물 겔(100℃에서 제조됨)을 1500 mL의 물에 첨가하였고, 용액을, Amdel Company에 의해 제조된 단면적이 0.01887 m2인 데드-엔드 미네랄 가공 랩 압력 필터 유닛(dead-end mineral processing laboratory pressure filter unit)에 첨가하였다. 15분 후, 용액 내 수화물 입자가 침강되었을 때, 필터 종이를 수화물 층의 상부에 놓았다. 수화물 층 두께는 10 mm인 것으로 측정된다. 그런 다음, 커피 찌꺼기로부터 분리한 500 mL의 액체 커피를 첨가하고, 40 psi 압력을 적용하였다. 약 45분 후 공정은 종료되었고, 모든 소수성 성분들은 축적되었으며, 필터 종이의 상부로부터 쉽게 스쿠핑되었다. 도 14b는 금속수산화물 수화물 층의 상부에 축적된 농축된 커피의 사진을 보여준다. 평균 유량은 1586.97 (mL/min.m2)에서 측정하였다.
여러 가지 새로운 생성물들, 예컨대 천연 색소, 건강식품 첨가제 및 새로운 스킨 케어 뷰티 크림은 본 발명의 기술을 토대로 천연 공급원으로부터 제조될 수 있다. 천연 공급원으로부터 새로운 성분을 추출 및 발견하는 것 또한 가능하다. 다른 새로운 농축 식품 또한, 이러한 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 통상의 토마토 페이스트 제조 공정은 고온을 사용하며, 이러한 고온은 몇몇 건강한 영양분 및 비타민들을 파괴한다. 수화물 여과 기술을 사용하여 제조된 새로운 유형의 토마토 페이스트에서는 열-민감성 비타민 및 영양분이 보존될 것이다.
본 발명의 이점을 보여주기 위해, 당근 주스를 4000 rpm(10,000 x g)에서 10분 동안 원심분리하였고, 베타-카로텐 색소가 제거되지 않았음이 관찰되었다. 따라서, 이들 속도에서의 원심분리는 당근 주스로부터 주황색 베타-카로텐 색소를 분리할 수 없다. 유사한 결과가 석류 주스 및 토마토 주스와 같은 다른 주스들의 원심분리에 의해 관찰되었다. 당근 주스도 건조 오븐(65℃) 내에 방치하여, 물을 증발시켰다. 그러나, 가열은 주황색 베타-카로텐 색소를 분해하고, 베타-카로텐 색소는 검과 유사한 끈적거리는 성분으로 변성된다. 따라서, 본 발명에 따른 수화물 여과 기술은 주스를 농축시키고, 서로 다른 천연 공급원 및 주스로부터 베타-카로텐 및 다른 색소들을 분리하기 위한 유일한 저비용의 단순한 기술인 것으로 보인다.
실시예 11: 플라스미드 DNA 여과
물에 용해되는 길이가 긴 분자가 수화물 여과를 통과할 수 있는지 알아보기 위해, 길이가 약 3000 bp인 플라스미드 DNA를 이 실험에 사용하였다. 수화물 필터 겔은 베타-카로텐과 같은 비-극성의 수-불용성 분자를 포획한다. 그러나, 염, 당 및 엽록소와 같은 수용성 무기 분자는 수화물 겔 필터를 통과한다. 이 실험은, 수화물 겔이 DNA와 같은 길이가 긴 수용성 분자를 포획할 수 있는지 평가한다. 플라스미드를 물에 첨가하고, 중합효소 연쇄 반응(PCR) 시험을 수행하여, 여과물 내 플라스미드를 증폭시켜, 여과물로부터 증폭될 수 있는 플라스미드 DNA가 미량으로 존재하는지 또는 임의의 플라스미드가 수화물 겔 필터를 통과하는지 알아보았다.
아라비돕시스 탈리아나 HVA22d(Arabidopsis thaliana HVA22d) 유전자가 혼입된 플라스미드 pGreen을 이 실험에 사용하였다. GFP 프라이머를 정방향 프라이머로 사용하였고, HVA22d 유전자 프라이머를 역방향 프라이머로 사용하였다. 70 ㎕의 플라스미드(1 ㎍/㎕)를 증류수가 담긴 50 mL Falcon 튜브에 첨가하고, 혼합하였다. 이전 실험과 동일한 여과 장비를 사용하였다. 혼합물을 농후한 겔(100℃ 근처에서 제조됨)의 상부에 첨가하고, 여과시켰다. 6개의 서로 다른 여과물 시료들을 시간 경과에 따라 수집하였다. 여과하지 않은 2개의 대조군들 또한, PCR 시료에 첨가하였다.
Phusion PCR을 이들 시험에 다시 사용하였다. 마스터 믹스는 7.2 ㎕ 물, 4 ㎕ 5xHF 완충제, 1.6 ㎕ dNTP, 2 ㎕ 정방향 프라이머, 2 ㎕ 역방향 프라이머 및 0.2 ㎕ Phusion 중합효소를 혼합함으로써 제조하였다. 각각의 시료 3 ㎕를 마스터 믹스에 첨가하고, PCR 튜브에 붓고, PCR 기계에 넣었다. Phusion PCR 프로그램은 98℃에서 30초, 후속해서 35 사이클(98℃에서 10초, 65℃에서 30초 및 72℃에서 30초) 및 72℃에서 10분, 및 16℃에서 연장된 시간 동안이었다.
PCR을 완료한 후, 겔 전기영동 방법을 DNA의 크기 분리 및 분석을 위해 사용하였다. 에티듐 브로마이드를 함유하는 100 mL(2% w/v) 아가로스 겔을 이 실험에 사용하였다. 4 ㎕의 6x 로딩 염료를 각각의 PCR 튜브에 첨가하였다. 5 ㎕의 1 kb DNA 사다리 및 10 ㎕의 각각의 시료들을 아가로스 겔 웰에 첨가하였다. 겔에 100 V에서 40분 동안 겔 전기영동을 처리하였다. 전기영동 후, 겔을 DNA 가시화를 위해 자외선 광에 두었다.
PCR 결과는 플라스미드 DNA가 여과물에 미량으로도 남아 있지 않음을 보여주며, 한편, 양성 대조군은 플라스미드 DNA가 증폭되었음을 보여주었다. 따라서, 이들 결과는, 수화물 겔 필터가 플라스미드 DNA 분자를 포획할 수 있음을 나타낸다. 따라서, 수화물 필터 겔은 DNA와 같은 길이가 긴 수용성 분자도 포획할 수 있는 것으로 결론 내릴 수 있다. 길이가 긴 수용성 분자는 수화물 겔 내의 수산화물 입자들 사이에 맞춰질 수 없으며, 따라서 겔 층을 통과할 수 없는 것으로 사료된다. DNA 분리용의 여러 가지 새롭고 서로 다른 랩(lab) 장비들이 이러한 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 수화물 겔 랩 필터는 현재 입수가능한 보다 고비용의 복잡한 시중적인 DNA 정제 키트(예, DNA 침전에 의존하는 키트)에 대한 새롭고 단순한 대안을 형성할 수 있다.
실시예 12: 미세조류 수확 및 농화, 습식 추출 후 미세조류 수중유 에멀젼의 분리
대기 중에서의 온실 가스의 축적은 세계가 직면한 주요 환경 문제이다. 미세조류 종은 바이오연료 공급 원료의 새로운 재생 가능한 공급원으로서의 잠재성을 가지며, 또한, 오메가-3 및 카로테노이드와 같은 고 가치의 건강식품 생성물을 제공한다. 미세조류로부터 추출된 오일은 트랜스에스테르화에 의해 바이오디젤로 쉽게 변환될 수 있다. 바이오매스는 인체 영양 및 동물 사료용 단백질의 상위 공급원으로서 사용될 수 있거나, 바이오매스는 수경재배 공급원(aquaculture feed)으로서 판매될 수 있다. 바이오디젤 시장은 급속하게 성장하고 있다. 예를 들어, 미국에서 2006년말에, 바이오디젤 생산은 (2004년부터) 4배 증가하여, 10억 US 갤런을 초과하였다. 미세조류 유래의 고 가치의 건강식품 제품은 급속하게 성장하는 또 다른 영역이다. 예를 들어, 오메가-3 지방산은 130억 달러의 시장을 점유한다. 미세조류로부터 추출될 수 있는 카로테노이드는 14억 달러 시장을 가진다. 피토스테롤은 3억 달러 시장을 가진다. 수경재배 시장은 2009년에 860억 달러에 이르렀다. 미세조류는 새우, 굴 및 가리비 부화장에 필수적이다. 예를 들어, 테트라셀미스(Tetraselmis) 조류는 배양 및 원심분리 수확에 고비용이 들기 때문에, 건조된 바이오매스 1 kg 당 약 800 달러의 가격으로 판매된다.
통상의 미세조류 수확 공정들은 몇몇 문제들을 가지며, 이러한 문제들은 본 발명에 따른 수화물 여과 기술을 사용하여 해결될 수 있다. 미세조류 수확을 위한 통상의 미세조류 원심분리 공정은 비용이 너무 많이 들어서, 미세조류 유래의 바이오 연료는 수익성이 없다. 추가적인 탈수, 건조 및 용매 추출 또한, 문제가 있고 비용이 많이 들며, 따라서, 가열, 전기 분해 또는 초음파처리와 같은 서로 다른 기술들을 사용하여 이러한 문제를 해결하고자, 습식 오일 추출이 제안되었다. 습식 오일 추출은 수중유 에멀젼의 형성으로 인해 아직 실용적이지 않다.
통상의 여과 기술과 같은 일부 유형의 미세조류 수확 기술들은 조류-특이적이다. 예를 들어, 서로 다른 응집제들이 서로 다른 조류 종에 필요하다. 서로 다른 유형의 조류들의 수확은 서로 다른 수확 기술들을 필요로 하기 때문에, 다중-배양은 매우 힘들다. 조류 배양물에서의 교차-오염은 매우 심각한 문제이다. 그러나, 수화물 여과 기술은 조류-특이적이지 않으며, 응집과 같은 임의의 전처리가 필요 없다. 박테리아 성장 및 오염은 조류 재배양을 위해 물을 재순환시키는 데 있어서 심각한 문제이다. 수화물 겔 여과 시스템은 또한, 물에서 박테리아 및 진균류를 포획함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 이러한 공정은 대규모 조류 배양 플랜트의 수처리에 사용될 수 있다.
원심분리 및 막 시스템과는 달리, 본 발명에 따른 수화물 여과 시스템은 에너지 없이 작동할 수 있으며, 이동부(moving part)를 가지지 않는다. 이의 단순성 및 저비용은 이러한 여과 시스템이 통상의 미세조류 수확 공정들에 대한 적합한 대안이 되게 한다. 수화물 여과 시스템은 또한, 수중유 에멀젼을 분해함으로써 습식 오일 추출의 주요 문제를 해결할 수도 있다. 이러한 시스템은 조류 특이적이지 않고, 임의의 유형의 미세조류를 수확할 수 있으며, 따라서, 다중-배양 및 교차-오염의 문제들이 이러한 기술을 사용하여 해결된다. 이러한 시스템은 또한, 물을 위생 처리하며, 따라서, 여과된 물은 미세조류 배양을 위해 재순환될 수 있고 여러 번 재사용될 수 있다.
서로 다른 유형의 미세조류 종들, 예컨대 테트라셀미스 스트리아타(Tetraselmis striata), 채토세로스 무엘레리(Chaetoceros muelleri) 및 두날리엘라 살리나(Dunaliella salina)를 이러한 기술을 사용하여 수산화알루미늄 수화물 겔 층의 상부에서 성공적으로 수확 및 수집하였다. 통상의 기술에 의해서는 수확하기 매우 힘든 매우 적은 수의 종, 예컨대 난노클로롭시스 세포(Nannochloropsis cell)(직경이 약 2 미크론임)일지라도, 이러한 기술을 사용하여 쉽게 수확되었다. 여과된 물은 임의의 현탁화된 고체 또는 미세조류가 없으며 깨끗하였다. 조류-특이적인 통상의 미세조류 수확 공정과는 달리, 임의의 유형의 미세조류가 이러한 기술을 사용하여 수확될 수 있다. 이러한 공정은 응집과 같은 임의의 전처리를 필요로 하지 않으며, 모든 오염물질 및 미세조류가 수화물 겔의 상부에서 쉽게 수집된다. 금속수산화물 수화물 층의 끈적거리지 않는 성질은 수확된 조류가 쉽게 분리되게 하며, 이는 미세한 패브릭 또는 메쉬의 얇은 층을 수화물 겔 필터의 상부에 첨가함으로써 더 개선되었다.
수화물 겔에서의 수산화알루미늄 분자의 높은 전하는 탈수를 위한 또 다른 중요한 구동력이다. 수화물 겔은 조류 종을 수집하고, 이들 조류 종이 필터를 통과하지 못하도록 할 뿐만 아니라, 수집된 페이스트를 통상의 여과 시스템과 비교하여 보다 많이 자연스럽게 탈수시킨다. 금속수산화물 수화물 겔의 전하는 겔 표면과 근접한 물 분자를 자연스럽게 끌어당겨, 겔의 상부에 보다 농후한(물이 더 적은) 조류 페이스트가 형성된다. 이는 건조 및 오일 추출과 같은 추가적인 가공을 용이하게 한다.
도 15는 수화물 필터가 물로부터 미크론-크기 미세조류(Nannochloropsis)를 어떻게 분리하는지 보여준다. 기공 크기가 80 미크론이고 투과도(permittivity)이 0.8 s-1인 Bidim 부직포 A64 토목섬유를, 염수 (70 PPT)의 전기 분해 (9 V, 1 amp)에 의해 제조된 수산화알루미늄 수화물 겔 또는 황산알루미늄 및 중탄산나트륨의 화학양론적 포화 용액(1몰의 황산알루미늄 + 6몰의 중탄산나트륨)을 혼합함으로써 제조된 반응-기재의 수화물 겔 아래에서 사용하였다. 도 15는, 겔의 끈적거리지 않는 성질로 인해, 조류 페이스트가 겔로부터 자연적으로 분리됨을 보여준다. 그러나, 보다 실용적인 해결방안은 이전의 실시예의 여과 시험에 사용된 장비와 유사한 실린더형 여과 장비를 사용하는 것이다. 이는, 건조와 같은 추가적인 가공의 용이성을 위해 조류 페이스트를 일관되게(겔 층의 상부를 가로질러 동일한 깊이로) 분포시킨다. 따라서, 페이스트의 농화 및 수집, 및 이의 분포는 단일 단계로 간략화될 수 있다. 이는 태양 건조와 같은 추가적인 건조 공정을 용이하게 한다. 더욱이, 물 컬럼의 압력 및 겔의 물 분자 흡입은 페이스트를 더욱 탈수시킨다. 패브릭(또는 유사한 매질) 조각은 여과 전에 겔의 상부에 놓일 수 있다. 이는 충전 동안에 겔이 파손되는 것을 방해한다. 이는 또한, 각각의 수확 사이클 후, 요망되는 두께의 페이스트가 달성되었을 때, 단순히 패브릭의 상부 조각을 들어올림으로써, 조류 페이스트를 보다 쉽게 수집할 수 있게 할 것이다.
열 또는 초음파는 조류 세포를 터뜨리며, 세포들의 지질체를 주변 물에 오일로서 방출시킬 수 있다. 수중유 에멀젼은 표면으로부터 스키밍될 수 없다. 수중유 에멀젼으로부터의 오일의 분리는 현재의 문제점이며, 이러한 문제점은 수화물 여과 기술을 사용하여 해결될 수 있다. 조류 세포를 전처리하여 세포를 터트렸으며, 오일을 물에 방출시켜, 수중유 에멀젼을 수득하였다. 50 mL의 이러한 에멀젼을 30 mL의 농후한 겔(100℃ 근처에서 제조됨)을 층으로서 사용하여 여과하였다. 현미경적 나일 레드 지질 염색 시험은, 조류 오일 에멀젼 유래의 지질이 분리되었으며 겔의 상부에 포획되었음을 보여준다. 여과물은 조류 또는 오일 액적의 징후가 없이 수정같이 깨끗한 물이었다. 이러한 수중유 에멀젼으로부터 수산화알루미늄 수화물 필터의 상부에서 수집한 나일 레드-염색된 오일의 사진은 도 15a에 나타나 있다.
해마토콕커스 플루비알리스(Haematococcus pluvialis) 조류는 강한 항산화제인 아스타크산틴(astaxanthin)을 고 함량으로 가지며, 아스타크산틴은 여러 가지 건강학적 이점들을 가진 카로테노이드이며, 건강식품 제품, 수경재배, 약학 및 미용 산업에서 수요가 높다. 아스타크산틴의 시장 가치는 1 kg 당 약 3000 달러로 매우 높다. 150 mL의 해마토콕커스 플루비알리스 조류를 수산화알루미늄 수화물 겔(20℃에서 제조됨)의 상부에 첨가하였다. 해마토콕커스 세포를 수집하였으며, 여과물은 깨끗한 물이었다. 유사하게는, 150 mL의 세네데스무스 종 균주 NT8C를 수산화알루미늄 수화물 겔(20℃에서 제조됨)의 상부에 첨가하였다. 또한, 세네데스무스 세포는 수화물 층의 상부에 포획되었다. 도 16은 여과 후, 겔의 단면도를 보여준다. 이는 겔의 상부에서 수집된 조류 세포를 보여준다. 조류 세포는 겔 내로 침투되지 않았으며, 그보다는 겔의 상부에 축적되었다. 이는 조류 세포의 분리를 더 용이하게 한다. 수산화알루미늄 수화물 겔의 자가-지지적 성질 또한, 도 16에 나타나 있다. 겔은 도 16에서 백색 덩어리로서 나타난다. 어두운 색의 토목섬유 패브릭은 도 16에서 겔의 아래에서 볼 수 있다.
실시예 13 - 알코올은 수화물 필터를 통과한다
메탄올 및 에탄올과 같은 알코올은 극성이며 수용성이다. 따라서, 이들은 수화물 겔을 통과해야 한다. 이를 시험하기 위해, 50 mL의 순수한 에탄올 및 메탄올을 100℃ 근처에서 제조된 수산화알루미늄 수화물 겔(식 (1))의 상부에 첨가하였다. 이러한 시험은 메탄올 및 에탄올 분자 둘 다 수화물 필터를 통과함을 확인시켜주었다. 그러나, 이들은 물 분자와 비교하여 이들의 서로 다른 극성으로 인해, 물보다 느리게 통과하였다. 이러한 시험은, 2시간 후에라도, 대조군 물 시험의 모든 물 분자들이 필터를 통과하였더라도, 일부 알코올이 수화물의 상부에 여전히 존재하였음을 보여주었다. 분자의 극성은 상대적인 용어이며, 하나의 분자가 또 다른 분자보다 단순히 더 극성이거나 더 비-극성이다. 이러한 현상은 물과 비교하여 서로 다른 분자들의 상대적인 극성을 정량화하고 측정하는 데 사용될 수 있다. 분자 극성 계량기와 같은 서로 다른 새로운 랩 장비들은 수화물 여과 시스템을 토대로 제조될 수 있었다. 서로 다른 극성 분자들의 여과 속도에 따라, 물과 비교하여 이들의 상대적인 극성이 정량화될 수 있다.
알코올 분자가 수화물을 통과하였는지 또는 수화물 내의 물 분자를 대체하였는지 시험하기 위해; 여과 후 겔을 흄 후드 아래에 약 20시간 동안 놔두었다. 메탄올 및 에탄올의 비점은 매우 낮으며, 이들은 흄 후드 아래에 놓이는 경우 수분 이내에 증발한다. 수화물 겔이 알코올 수화물 겔로 변환되는 경우, 알코올은 빠르게 증발되어야 하며, 건조된 수산화알루미늄은 수분 또는 수시간 후에 남아 있어야 한다. 그러나, 이러한 시험은, 약 20시간 후, 물 여과에 사용된 대조군 수화물 겔과 알코올 여과에 사용된 수화물 겔 사이에 차이가 없었음을 보여주었다. 따라서, 알코올 분자는 수화물 겔을 통과할 수 있었지만, 수화물에서 물 분자를 대체하는 것으로는 보이지 않는다.
실시예 14: BSA 단백질은 수화물 필터를 통과한다
소 혈청 알부민(BSA 또는 "분획 V"로도 알려져 있음)은 소로부터 유래되는 혈청 알부민 단백질이다. 이는 종종 단백질 농도 표준으로서 사용된다. 결정화된 BSA 분말을 증류수와 혼합하여, BSA 용액을 제조하였다. 1 밀리몰/L (3.3 g/50 cc)의 BSA 용액 50 mL를 매우 농후한 수화물 겔(100℃ 근처에서 제조됨)의 상부에 첨가하였다. 그러나, 여과물은 황색이었으며, 완전히 깨끗하지 않았고, 이는 BSA 분자가 수화물 필터를 통과할 수 있었음을 보여준다.
실시예 15 - 다른 금속수산화물 수화물
수산화알루미늄 수화물 겔이 이의 무독성 성질, 강한 균질한 젤라틴성 층, 신속한 탈수 속도, 이용가능성, 저 비용, 및 2개의 무독성 화학물질들(황산알루미늄 및 중탄산나트륨)의 혼합에 의한 제조의 용이성으로 인해, 물 정제 및 공업적인 적용을 위해 제1 선택 물질이긴 하지만, 다른 금속수산화물 수화물들 또한, 독성이 주요 문제점이 아닌 일부 공업적인 적용들에 사용될 수 있다.
다른 금속수산화물들은 독성이며 유해할 수 있고, 또한, 이들의 황산염과 중탄산나트륨과의 반응에 의해 제조될 수 없다. 이들은 대체로, 이들의 염(예, 이들의 황산염, 질산염 및 염화물)을 수산화나트륨(가성 소다)과 혼합함으로써 제조될 수 있다. 이들은 또한, 전기 분해에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 수산화구리 수화물은 구리 전극 및 직류 전류를 사용하여 황산마그네슘의 포화 용액의 전기 분해에 의해 제조될 수 있다.
수산화알루미늄에 대해 설명된 것과 동일한 분자 구조가 다른 금속수산화물 수화물에도 적용된다. 수화물이 형성될 때, 물 분자는 금속수산화물 분자 네트 사이에 포획되지만, 금속수산화물에는 결합하지 않는다. 포획된 물 분자들은 금속수산화물 분자의 양전하 및 음전하로 끌어 당겨지며, 따라서, 이들은 금속수산화물 분자에 결합되지 않고, 수화물을 쉽고 자연스럽게 빠져나갈 수 있다. 따라서, 물은 "네트"를 통과할 수 있다. 박테리아, 진균류, 바이러스, 현탁화된 고체 및 비-극성 소수성 분자와 같은 불순물 또한, 수화물 겔의 강한 전하로 인해 수화물 겔의 상부로 추방된다.
이러한 가설은 또한, 수산화마그네슘 수화물 겔, 수산화망간 수화물 겔, 수산화코발트 수화물 겔 또는 수산화니켈 수화물 겔과 같은 다른 금속수산화물 수화물에 적용된다. 그러나, 서로 다른 수화물 겔의 특성들은 서로 다른 금속들의 서로 다른 성질 및 화학적 특성들로 인해 서로 다르다. 예를 들어, 서로 다른 수화물 겔들로 제조된 수화물 프리코트(precoat)의 유속, 두께 및 기공 크기는 서로 다르다. 따라서, 서로 다른 물질들은 서로 다른 수화물 겔 프리코트들을 사용하여 분리될 수 있다. 그러나, 다른 금속수산화물 수화물들의 높은 독성으로 인해, 그리고 이들의 제조를 위해 유해한 화학물질(예, 수산화나트륨)을 사용하기 때문에, 이들의 적용은 화학, 석유화학 또는 정유와 같은 일부 특정한 용도들로 한정될 것이다. (베타-카로텐의 단리를 위해) 당근 주스를 하기 실시예에서 사용하여 서로 다른 금속수산화물 수화물들을 시험하였으며, 이는 용이한 가시화를 가능하게 한다.
수산화마그네슘
수산화마그네슘 수화물은 하기 반응식에 의해 제조될 수 있다.
MgSO4+2NaOH → Na2SO4+Mg(OH)2 (2)
86.68 g의 황산마그네슘 7수화물을 500 mL의 증류수에서 혼합함으로써, 황산마그네슘 용액을 제조하였다. 11.59 g의 수산화나트륨을 50 mL의 증류수에서 혼합하였다. 수산화나트륨 용액을 황산마그네슘 용액에 첨가함으로써, 수산화마그네슘 수화물 겔을 제조하였다. 이전의 실험에 사용된 것과 동일한 여과 장비를 사용하였다. 그러나, 매우 작은 기공 크기의 또 다른 패브릭(브로드쇼트(boardshort) 패브릭)을 토목섬유 아래에서 사용하여, 모든 수산화마그네슘 수화물 겔들을 포획하였다. 수화물 겔을 토목섬유의 상부에 첨가하였다. 당근 주스를 수화물 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다.
수산화마그네슘 수화물이 수산화알루미늄 수화물과 비교하여 매우 느리게 침강하긴 하였지만, 수화물 아래에서 보다 작은 기공 크기의 패브릭을 사용하기 때문에 여과물은 깨끗하였다. 모든 가시적인 베타-카로텐 분자들을 추방하고, 수산화마그네슘 수화물 겔의 상부에서 포획하였다. 여과물은 베타-카로텐 색소의 징후 없이 매우 깨끗하였다.
수산화아연
수산화아연 수화물은 하기 반응식에 의해 제조될 수 있다.
ZnSO4+2NaOH → Na2SO4+Zn(OH)2 (3)
10.27 g의 황산아연 7수화물을 50 mL의 증류수에서 혼합함으로써, 황산아연 용액을 제조하였다. 1.39 g의 수산화나트륨을 10 mL의 증류수에서 혼합하였다. 수산화나트륨 용액을 황산아연 용액에 첨가함으로써, 수산화아연 수화물 겔을 제조하였다. 이전의 실험에 사용된 것과 동일한 여과 장비를 사용하였다. 수화물 겔을 토목섬유의 상부에 첨가하였다. 당근 주스를 수화물 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다.
모든 가시적인 베타-카로텐 분자들을 추방하고, 수산화아연 수화물 겔의 상부에서 포획하였다. 탈수 유속은 매우 빨랐다. 등유를 또한, 수산화아연 수화물 겔의 상부에 첨가하였다. 수산화알루미늄 수화물과 유사하게, 결과는, 어떠한 등유도 수산화아연 수화물을 통과하지 못하였음을 보여주었다. 수산화아연 수화물의 또 다른 흥미로운 거동은, 등유 아래에 오랫동안 놓인 후, 수화물 층이 다른 금속수산화물 수화물과 비교하여 더 압축되고 더 경화될 것이라는 점이다. 압축된 층은 여전히 물 분자만 통과시킨다. 수산화아연 수화물 층을 심지어 거칠게 재충전하였더라도 층을 파괴하지 않았다. 따라서, 수산화아연 수화물은, 물 탄화수소 분리 유닛에서 사용되거나, 매우 고압 하에 사용되거나, 또는 등유와 같은 탄화수소로부터 물 및 다른 극성 불순물들을 분리하기 위한 등유 및 다른 탄화수소 저장 탱크의 하부에서 사용되는 잠재성을 매우 높게 가진다.
수산화구리
구리 화합물은 독성이다. 수산화구리 수화물 겔은 하기 반응에 의해 제조되었다:
CuSO4+2NaOH → Cu(OH)2+Na2SO4 (4)
24.96 g의 구리 (II) 황산염 5수화물을 200 mL의 증류수에서 혼합함으로써, 황산구리 용액을 제조하였다. 7.998 g의 수산화나트륨을 10 mL의 증류수에서 혼합하였다. 수산화나트륨 용액을 황산구리 용액에 첨가함으로써, 수산화구리 수화물 겔을 제조하였다. 그러나, 구리(II) 수산화물의 습한 시료는 구리(II) 산화물의 형성으로 인해 다시 검은색으로 변하였다. 따라서, 프리코트는 패브릭을 통과하였고, 구리계 수화물 겔은 서로 다른 공업적 적용들에 사용될 수 없었다.
수산화망간
망간 화합물은 독성이다. 수산화망간 수화물 겔은 하기 반응에 의해 제조되었다:
MnSO4+2NaOH → Mn(OH)2+Na2SO4 (5)
16.89 g의 황산망간 1수화물을 50 mL의 증류수에서 혼합함으로써, 황산망간 용액을 제조하였다. 7.998 g의 수산화나트륨을 10 mL의 증류수에서 혼합하였다. 수산화나트륨 용액을 황산망간 용액에 첨가함으로써, 수산화망간 수화물 겔을 제조하였다. 이전의 실험에 사용된 것과 동일한 여과 장비를 사용하였다. 수화물 겔을 토목섬유의 상부에 첨가하였다. 당근 주스를 수화물 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다.
수산화망간은 물에 존재하지 않고 공기에 노출되는 경우, 산화된다. 따라서, 이러한 수화물 겔에 대해 현실적인 공업적 적용을 발견하는 것은 매우 힘들다. 탈수는 매우 느리게 발생하지만, 밤새 모든 베타-카로텐 색소들은 추방되었고, 겔의 상부에 포획되었으며, 여과물은 깨끗하였다. 그러나, 망간계 수화물 겔은 더 연약하였다. 수화물의 상부의 베타-카로텐 색소의 색상 또한, 주황색에서 어두운 갈색으로 변하였다.
수산화코발트
코발트 화합물은 독성이다. 코발트(II) 수산화물 수화물 겔은 하기 반응에 의해 제조되었다:
CoCl2+2NaOH → Co(OH)2+2NaCl (6)
4.34 g의 코발트 (II) 클로라이드 6수화물을 100 mL의 증류수에서 혼합함으로써, 염화코발트 용액을 제조하였다. 0.7998 g의 수산화나트륨을 10 mL의 증류수에서 혼합하였다. 수산화나트륨 용액을 염화코발트 용액에 첨가함으로써, 수산화코발트 수화물 겔을 제조하였다. 당근 주스를 수화물 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다.
코발트 수화물 겔은 빠르게 침강하지 않았다. 탈수 속도는 매우 느렸다. 그러나, 밤새 베타-카로텐 색소들은 추방되었고, 수산화코발트 수화물 겔의 상부에 포획되었다. 베타-카로텐 색소의 색상 또한, 어두운 갈색으로 변하였다. 여과물은 과도한 염화코발트의 미량으로 인해 밝은 적색이었다.
수산화니켈
니켈 화합물은 매우 독성이며, 암 또는 유전성 유전적 손상(heritable genetic damage)을 유발할 수 있다. 수산화니켈 수화물 겔은 하기 반응에 의해 제조되었다:
NiSO4+2NaOH → Ni(OH)2+Na2SO4 (7)
8.94 g의 황산니켈 6수화물을 150 mL의 증류수에서 혼합함으로써, 황산니켈 용액을 제조하였다. 1.279 g의 수산화나트륨을 20 mL의 증류수에서 혼합하였다. 수산화나트륨 용액을 황산니켈 용액에 첨가함으로써, 황산니켈 수화물 겔을 제조하였다. 당근 주스를 수화물 겔의 상부에 첨가하고, 여과시켰다.
수산화알루미늄 수화물 겔과는 달리, 수산화니켈 수화물 겔은 빠르게 침강하지 않았으며, 균질한 겔 층을 신속하게 제조하지 않았다. 탈수 속도는 매우 느렸다. 그러나, 밤새 베타-카로텐 색소들은 추방되었고, 수산화니켈 수화물 겔의 상부에 포획되었다. 베타-카로텐 색소의 색상 또한, 어두운 갈색으로 변하였다.
비교예 - 중탄산나트륨과의 반응
다른 금속수산화물 수화물과 비교하여 수산화알루미늄 수화물 겔의 가장 중요한 이점들 중 하나는, 수산화알루미늄 수화물 겔은 이의 황산염 용액과 무독성 중탄산나트륨(베이킹 소다) 용액과의 반응에 의해 매우 간단하게 제조될 수 있다는 점이다. 다른 금속수산화물 수화물 겔은 수산화나트륨을 사용하거나 보다 고비용이면서 더 느린 전기 분해에 의해 제조될 수 있다. 그러나, 다른 금속수산화물 수화물 겔들은 베이킹 소다를 사용하여 제조될 수 없다. 예를 들어, 황산마그네슘 용액을 중탄산나트륨 용액에 첨가하였으며, 수산화마그네슘 수화물 발생을 관찰하였다.
황산아연은 하기 반응에 의해 중탄산나트륨과 반응한다:
ZnSO4+2NaHCO3 → ZnCO3+Na2SO4+H2 (8)
그러나, 베이킹 소다와의 황산알루미늄 반응과는 달리, 어떠한 수산화아연 수화물 겔도 제조되지 않았다. 탄산아연이 침전되었다. 탄산아연 침전물을 토목섬유 패브릭의 상부에 첨가하였으나, 수산화아연 수화물 겔과는 달리, 어떠한 균질한 겔-유사 층도 패브릭 상에 형성되지 않았다. 매우 하전되고, 수화물 겔의 상부에 베타-카로텐 분자를 보유한 금속수산화물 수화물 겔과는 달리, 탄산아연은 베타-카로텐을 분리할 수 없었다. 모든 베타-카로텐 분자들이 탄산아연 침전물 층의 깊이를 통과하였으며, 층을 통과하였다. 공정의 종료 시, 상부 구획만이 주황색이며 모든 베타-카로텐 분자들이 상부로 추방되었던 금속수산화물 수화물과는 달리, 전체 층이 주황색이었다. 이는 정상 침전물과 금속수산화물 수화물 겔 사이의 주요 차이이다.
실시예 16 - 다른 수산화알루미늄 수화물 겔의 제조 방법
무독성 화학물질과 황산알루미늄 및 베이킹 소다의 혼합 또는 염수의 전기 분해에 의한 수산화알루미늄 수화물 겔의 제조가 이들의 무독성으로 인해 바람직하더라도, 독성이며 유해한 화학물질을 사용하여 수산화알루미늄 수화물 겔을 제조하는 2가지 다른 반응들이 존재한다:
Al(Cl)3+3NH4OH → Al(OH)3+3NH4Cl (9)
200 mL의 준탈지유를, 염화알루미늄 용액과 수산화암모늄(NH4OH) 용액을 혼합함으로써 제조된 수화물 겔의 상부에 첨가하였다. 황산알루미늄을 혼합함으로써 제조된 수산화알루미늄 수화물 겔을 사용한 유사한 시험으로부터 수득된 것과 동일한 결과가 관찰되었다. 우유는 수화물 겔의 상부에 농축되었으며, 여과물은 이상적으로 깨끗하였다. 따라서, 상기 반응에 의해 제조된 수산화알루미늄 수화물 겔은 무독성 화학물질로부터 생성된 수산화알루미늄 수화물 겔과 동일한 여과 특성을 가진다.
수산화알루미늄 수화물 겔의 또 다른 제조 방식은, 매우 불안정한 화학물질이며 강한 산화제인 질산알루미늄을 수산화나트륨 용액과 함께 하기 반응식에 의해 혼합하는 것이다.
Al(NO3)3+3NaOH → Al(OH)3+3NaNO3 (10)
반응(9) 및 반응(10)이 수산화알루미늄 수화물 겔을 제조할 수 있더라도, 이들은 사용되는 성분들의 독성으로 인해 수처리 및 식품 관련 적용에는 사용될 수 없다.
실시예 17 - 과일 주스와 같은 수계 액체의 농축
신선한 과일 주스의 운송 및 보관은 비용이 매우 많이 든다. 이러한 이유에서, 많은 주스들이 농축 공정, 예를 들어 열을 사용한 증발에 의한 농축 공정을 받는다. 많은 비타민 및 방향 물질들이 이러한 공정 동안에 손실되기 때문에, 열은 종종 영양학적 가치를 변화시킨다. 농축된 주스는 종종 가열로 인해 탄 맛 또는 쓴 맛을 가진다. 더욱이, 가열은 당근 주스와 같은 일부 주스들에 바람직하지 못한데, 왜냐하면 열은 베타-카로텐을 변성시키고, 당근 주스는 다시 당근 주스로 희석될 수 없는 끈적거리는 검-유사 물질로 변환될 것이기 때문이다.
그러나, 본 발명의 실시형태에 따른 수화물 여과에 의한 주스의 농축은 대부분의 영양분, 색소, 방향 물질 및 냄새를 농축물 내에 유지시키는 잠재성을 가진다. 예를 들어, 재구성된 당근 주스는 신선한 당근 주스와 매우 유사한 냄새를 가진다. 수화물 필터는 당근 주스를 약 70배까지 페이스트-유사 물질로 농축시킬 수 있다. 페이스트는 여러 가지 생성물, 예컨대 초농축된 당근 주스 페이스트, 기능성 식품(nutraceutical), 베타-카로텐 추출용 원료, 천연 스킨 케어 또는 뷰티 제품 및 다른 유사한 미용 제품 또는 식품용의 다양한 용기들에 포장될 수 있다. 이는 또한, 여러 가지 식품 또는 미용 제품에 첨가제로서 서로 다른 농도로 첨가될 수도 있다.
농축된 페이스트는 예를 들어, 재구성된 주스의 제조를 위해 물에 재용해되거나 물에서 혼합될 수 있다. 생성물은 신선한 당근 주스와 유사하게 보이지만, 염 및 당은 수화물 필터를 통과하였으며 재구성을 위해 첨가될 필요가 있을 것이다. 이러한 주스는 가열된 농축물로부터 제조된 많은 재구성된 주스들과는 달리, 시간이 경과하여도 침강되는 경향이 없다. 유사한 농축 페이스트는 토마토 주스 및 석류 주스와 같은 다른 주스들로부터 제조되었다. 농축된 페이스트는 또한, 빠르게 공기-건조되어, 천연 식품 색소 및/또는 건강 식품 첨가제로서 사용될 수 있는 분말이 제조될 수 있다. 이러한 분말은 물과 혼합되어, 당근 주스-유사한 음료가 제조될 수 있다.
다른 액체들도 유사한 결과를 가지는 것으로 시험되었다. 이들로는, 필수 방향 물질의 손실 없이 농축 페이스트 또는 분말을 제조하기 위해 커피 및 차를 포함한다.
액체 농축에 있어서 이러한 기술의 한계는 수화물 필터를 방해받지 않고 통과할 수 있는 것은 작은 친수성 화합물이라는 것이다. 이들로는 수용성 염, 당, 알코올 및 일부 친수성 이차 대사산물, 예컨대 엽록소를 포함한다. 또 다른 한계는 일부 레몬 또는 주황색 주스와 같은 매우 산성인 액체가 수산화알루미늄과 반응할 수 있다는 점이다.
실시예 18 - 보다 농후한 수화물 겔(100℃ 근처에서 제조됨)과 정상 수화물 겔(20℃에서 제조됨)의 비교
보다 농후한 수화물 겔(100℃ 근처에서 제조됨)은 정상 수화물 겔(20℃에서 제조됨)과 비교하여 더 적은 수의 물 분자를 가지며, 따라서, 각각의 물 분자에 대한 수산화알루미늄 분자의 전하는 더 높다. 이것이 보다 농후한 수화물 겔을 사용하여 탈수가 보다 느리게 발생하는 이유이다. 그러나, 시험은, 여과물의 품질이 동일함을 보여준다. 따라서, 제조의 용이성으로 인해, 정상 겔이 정상 적용에 바람직하다. 그러나, 일부 압력 또는 진공 적용과 같은 공업적인 적용에 있어서는 보다 농후한 겔이 바람직할 수 있다.
보다 농후한 겔 및 정상 겔의 성능을 비교하기 위해, 55 mL의 농후한 겔 및 정상(묽은) 겔을 패브릭의 상부에 첨가하였다. 동일 부피의 물(400 mL)을 각각의 수화물 겔의 상부에 첨가하였다. 수위가 50 mL 감소할 때마다 시간을 기록하였다. 예상된 바와 같이, 탈수는 농후한 겔을 사용했을 때 보다 느리게 발생하였다. 결과는, 보다 농후한 겔(100℃ 근처에서 제조됨)과 비교하여 정상 수화물 겔(20℃에서 제조됨)을 사용한 경우 탈수가 거의 2배 더 빠르게 발생함을 보여준다.
서로 다른 겔들의 성능을 비교하기 위해, 동일 부피의 당근 주스를 농후한 겔(100℃ 근처에서 제조됨) 및 정상 겔(20℃에서 제조됨) 수화물 겔의 상부에 첨가하였다. 농후한 수화물 겔을 사용한 여과와 정상 수화물 겔을 사용한 여과 사이에서, 여과물 품질 및 보유된 색소 사이에는 차이가 없었다.
압력 하에서의 수화물 여과
공업적 적용을 위해서는, 보다 신속한 공정들이 요망된다. 수화물 필터를 100 psig 이하의 압력하에 시험하였다. Amdel company에 의해 AS 1210 클래스 3 표준하에 제조된 마이닝 공정 실험실(mining processing laboratory) 압력 필터를 가압 여과 시험에 사용한다. 압력은 100 psig(6.8 atm)까지 조정가능하다. 기공이 작은 패브릭을 필터의 하부에 위치시킨다. 2 미크론 기공 크기 필터 종이(Macherey Nagel, MN1640D, 185mm Dia) 또한, 패브릭의 상부에 위치시켜, 수화물을 압력하에 보유시킨다. 이러한 장비의 직경 및 단면적은 각각 0.155 m, 0.01887 m2이다. 여과물을 중간에 있는 중공을 통해 빼내었다(drain).
각각의 여과 공정에 대한 최상의 작동 압력을 선택하기 위해, 압력-유량 곡선을 사용한다. 각각의 실험에 있어서, 본 발명자들은 우선 100 mL의 농후한 수화물 용액(100℃에서 제조됨)을 2 L의 탈미네랄수에 첨가하였다. 이 용액을 압력 필터 장비에 첨가하고, 수화물 입자를 10분 동안 침강시켰다. 수화물 입자가 침강하고, 두께가 약 1 mm인 균일한 수화물 층이 형성된 후, 서로 다른 압력을 적용하였다. 여과물을 비커에서 수집하고, 시간 경과에 따라 칭량하였다. 이러한 데이터를 토대로, 유량을 계산하였다. 각각의 여과 시험 동안, 유량은 2분이라는 기간 내에 11회 계산한다. 압력에 의한 평균 유량의 변화를 도 17에 도시한다.
이러한 곡선은, 수화물 필터가 매우 낮은 압력에서도 매우 빠르게 작동함을 보여준다. 이는, 압력을 10 psig에서 80 psig로 증가시켜도 유량은 증가하지 않음을 보여준다. 따라서, 이러한 곡선을 토대로, 이러한 기술에 대한 최상의 작동 압력은 0 psig 내지 10 psig 범위여야 한다. 그러나, 보다 많은 유량-압력 시험들은 보다 높은 장비 압력을 필요로 하였다(100 psi 초과 내지 1000 psi 이상까지). 이들 결과는, 대부분의 수화물 층이 물이기 때문에, 이것이 매우 낮은 압력에서도 확연히 빠르게 작동함을 입증한다. 수화물 층을 통해 물 분자를 부드럽게 밀어 넣는 데에는 단지 적은 양의 압력만이 필요하였다. 따라서, 매우 높은 압력하에서만 작동하는 통상의 막들과는 달리, 이러한 기술을 사용함으로써, 본 발명자들은 상당한 비용을 절감할 수 있다(예, 통상의 고압 막을 사용하는 것과 관련된 거대한 자본 및 장비 작동, 에너지, 안전성 및 유지 비용의 절감).
서로 다른 수화물들의 증발 속도의 비교
전자 현미경 하에 수화물 구조를 평가하는 것은 매우 어렵더라도, 반응 또는 전기 분해에 의해 제조된 금속수산화물 수화물의 증발 속도를, 금속수산화물 분말을 찬물에 침지시키거나 금속수산화물 분말을 뜨거운 물에 침지시키고 혼합함으로써 제조된 금속수산화물 수화물의 증발 속도와 비교하여 조사함으로써, 금속수산화물 수화물의 힘의 효과를 조사하는 것이 가능하다. 도 18은 실온에서 시간 경과에 따른, 원심분리 튜브의 뚜껑에서의 서로 다른 수화물 시료들의 비강제적인 자연 건조를 보여준다. 결과는, 침지에 의해 제조된 수화물이 60시간 후 완전히 건조되었음을 보여준다. 그러나, 수화물 겔은 여전히 물 분자를 어느 정도 유지하고 있으며, 이들은 약 160시간 후에 건조되었다. 더욱이, 공정의 종료시 보다 중요하게는, 침지된 수산화알루미늄 수화물은 건조되어, 백색의 수산화알루미늄 분말을 제공하였으나, 수산화알루미늄 수화물 겔은 증발에 의해 물 분자를 상실한 후, 단단한 결정 물질로 변환되었다. 결과는, 수화물 겔의 일부 분자내 힘 또는 결정, 매트릭스 또는 네트 형상이 물 분자를 수화물 겔 내에 유지시키며, 수화물 내에서 물 분자가 빠르게 증발되는 것을 방지함을 보여준다.
압력 및 수화물 두께가 여과에 미치는 효과
압력 및 수화물 두께의 효과를 조사하였다. 여과 장비는, 압축 공기에 의해 가압되도록 장비를 밀폐시킬 수 있는 뚜껑을 포함하였다. 각각의 실험에 있어서, 본 발명자들은 우선 수화물 용액을 첨가하였다. 그런 다음, 수화물이 침강되고, 수화물 층이 형성된 후, 액체 혼합물(1800 mL의 브리즈번 강물 또는 200 mL의 당근 주스나 수박 주스)을 첨가하였다. 그런 다음, 뚜껑을 닫고, 압축 공기 압력을 적용하고 조정하였다. 여과물을 비커에서 수집하고, 시간 경과에 따라 칭량하여, 유속 및 유량을 측정하였다.
본 발명자들은 광학 밀도(440 nm에서)가 0.203으로 혼탁한 브리즈번 강물을, 두께가 10 mm로 두꺼운 수화물(100℃에서 제조됨)을 사용하여 수산화알루미늄 수화물 층의 상부에 첨가하였다. 결과를 도 19c 및 도 19d에 나타낸다. 평균 유속 및 평균 유량을 각각 106.1 (ml/min), 5622.1 (ml/min.m2)에서 측정하였다. 여과 시간이 매우 빠르긴 했지만, 여과물은 광학 밀도(440 nm)가 0.000으로 깨끗하였다. 수화물은 이의 독특한 젤라틴성 성질로 인해 고압하에서 건조되지 않았다. 고압하에서라도, 불순물은 수화물 층의 깊이 내로 침투할 수 없었다. 두께가 1 mm인 보다 얇은 수화물 층을 사용하여 실험을 반복하였다. 결과를 도 19a 및 도 19b에 나타낸다. 유사하게는, 여과물은 깨끗하였으나, 유속 및 유량은 두께가 10 mm인 수화물 층과 비교하여 약 5배 더 빨랐다. 평균 유속 및 평균 유량은 각각 21.3 (ml/min), 1128.6 (ml/min.m2)인 것으로 측정되었다.
유사하게는, 본 발명자들은 보다 빠른 분리 및 농축을 위하여 당근 주스 및 수박 주스를 첨가하였다. 매우 높은 압력(100 psig)하에서도, 베타-카로텐 또는 리코펜 분자 중 어느 것도 수화물 겔의 깊이 내로 침투할 수 없었다. 주스를 수화물 층의 상부에서 매우 농후한 주황색 또는 적색 페이스트로 농축시켰다. 이로써 농축 주스를 쉽게 분리할 수 있다. 여과물은 깨끗하였다. 예를 들어, 수박 주스의 여과물은 광학 밀도(440 nm)가 0.000으로 탈미네랄수처럼 깨끗하였다. 유속은 낮은 압력 또는 중간 압력하에서도 이상적으로 빨랐다. 예를 들어, 불과 10 psig(0.68 atm) 하에서의 수박 주스 여과에 있어서, 평균 유속 및 유량을 각각 30.7 (ml/min), 1625 (ml/min.m2)에서 측정하였다. 이들 결과는, 이러한 공정이 공업적 규모에서 보다 높은 여과 속도를 수득하기 위해 승압 하에 사용될 수 있음을 입증한다. 이러한 기술은 새로운 세대의 여과 및 분리 기술인 잠재성을 가진다. 성분들의 몰 농도가 서로 다르고 제조 조건(예, 서로 다른 온도 및 압력하에 성분들의 서로 다른 과포화된 용액을 제조함)이 서로 다른 상이한 유형의 금속수산화물 수화물들을 사용하거나 심지어 서로 다른 금속들의 수화물을 혼합하여, 수많은 유형의 금속수산화물 수화물들을 제조할 수 있다. 이들 수화물은 서로 다른 여과 특성들을 가질 것이다. 따라서, 서로 다른 분자들은 상대적인 분자 극성 및 소수성이 서로 다르므로, 서로 다른 분자들은 서로 다른 유형의 수화물들을 통과하거나 수화물들 상에 보유될 것이다. 중력만으로도 효율적인 분리가 가능할 수 있지만, 이러한 공정은 공업적인 목적을 위해 압력 적용에 의해 가속화될 수 있다.
새로운 건강한 과일 버터의 생산을 위한 주스의 가압 여과 및 제조
700 mL의 당근 주스를 압력 수화물 여과시켰다. 필터 종이(2 미크론 기공)를 압력 필터 장비의 상부에 놓았다. 50 mL의 농후한 수화물 겔(100℃에서 제조됨)을 1500 mL의 탈미네랄수에서 혼합하고, 필터 종이의 상부에 부었다. 40 psig 압력을 4분 동안 적용하였다. 이는 용액 내에서 수화물을 침강시키고, 필터 종이의 상부에 얇고(두께가 약 1 mm임) 균일하며 안정한 수화물 층을 형성시켰다. 이러한 단계 동안에, 약 750 mL의 수용액이 필터를 통과하였으나, 750 mL의 물이 여전히 수화물의 상부에 잔류하였다. 700 mL의 당근 주스를 첨가하였다. 그런 다음, 80 psig 압력을 적용하였다. 공정의 종료 시, 주황색 페이스트와 유사한 농후한 버터가 수화물 층의 상부에 축적되었다. 이러한 페이스트(또는 다른 주스 유래의 다른 유사한 농축 페이스트)는 여러 가지 새로운 식품 및 미용 제품들의 제조에 사용될 수 있다. 예를 들어, 새로운 브렉퍼스트 스프레드, 예컨대 당근, 수박, 토마토, 석류, 카이엔 페퍼, 살구, 파파야, 망고, 남유럽산 멜론, 시계꽃 열매, 구아바, 복숭아, 배, 승도복숭아 및 유사한 과일 버터들이 제조될 수 있다. 이들 건강 버터는 건강하지 못한 포화 지방 및 트랜스 지방을 다량 함유하는 통상의 건강하지 못한 우유 버터 또는 오일계 버터를 대체할 수 있다. 우유 버터와는 달리, 이들은 심혈관 질환을 유발하는 콜레스테롤 수준을 증가시키지 않을 뿐만 아니라, 여러 가지 건강상 이점들을 가지고 있다. 이는 또한, 착색 또는 영양적인 가치 또는 맛을 첨가하기 위한 버터와 같은 다른 스프레드들에도 첨가될 수 있다. 유사하게는, 이러한 페이스트는 뷰티 크림, 마스크, 비누 또는 샤워 젤, 샴푸, 선 프로텍션 크림 또는 자연 스프레이 태닝 제품과 같은 새로운 미용 제품의 제조에 사용될 수 있다. 고압 또한, 수화물 층을 상부에 수집되는 주황색 페이스트보다 더 단단하게 만들었다. 따라서, 수집된 당근 주스 페이스트의 분리는 단순히 스쿠핑에 의해서 수행되므로 용이하였다.
또 다른 실험은, 우유가 가압된 수화물 여과를 사용하여 성공적으로 농축될 수 있었음을 또한 보여주었다.
얇은 수화물 층
오염물질 또는 수확된 물질들 중 어느 것도 수화물의 깊이 내로 침투할 수 없기 때문에, 수화물 층을 가능한 한 얇게 제조하는 것이 가능하다. 이는 공정 비용을 감소시킬 뿐만 아니라, 여과 동안 유속을 증가시킨다. 본 발명자들은 하기 공정에 의해 수화물 층 두께를 미크론 크기(예를 들어, 500 미크론 이하, 수십 미크론, 심지어 10 미크론 이하)만큼 얇게 제조하였다. 하기 공정은 또한, 수화물 층 두께가 필터 매질에 가로질러 일정하도록 제조한다.
이전의 가압 여과 시험에 사용한 Amdel 압력 필터 유닛의 하부 구획을 도 20a에 나타낸다. 이러한 구획을 편평한 소결 티타늄 필터 디스크를 사용하여 업그레이드한다. 물에서 혼합된 저 용량의 수화물을 사용하여, 매우 희석된 수화물 용액을 제조하였다. 매우 편평하며 부드러운 다공성 필터 매질을 수화물 층 아래에 놓을 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들은 수화물 층 아래에 소결 티타늄 디스크(기공 크기가 2 미크론 이하임)를 사용하였으며, 이를 방수 밀봉 접착제(고무와 같은 다른 밀봉 장비 또한 사용될 수 있음)를 사용하여 밀봉한다(도 20b). 가압 여과 장비의 하부에 고정된 소결 티타늄은 물을 통과시킬 수 있는 한편, 수화물은 상부에 얇은 층을 구축한다. 다른 유사한 소결 필터 매질 또는 미세한 필터 매질, 예컨대 다공성 플라스틱 또는 미세한 패브릭, 막 또는 필터 종이가 또한 사용될 수 있다. 이러한 소결 티타늄은 매우 단단하며 고압을 견딜 수 있다. 이는 또한, 매우 부드러운 형상을 가지고 있어서, 소결 티타늄 상에 매우 얇고(500 미크론 미만, 수십 미크론 미만, 심지어 10 미크론 미만) 일정한 수화물 층을 구축할 수 있게 한다(도 20c). 이는 또한, 내산성 및 내알칼리성이다. 따라서, 여과의 종료 시 이를 용이하게 산으로 세척하여, 필터 내부에 임의의 침적물이 축적되는 것을 피할 수 있다. 현미경(100배 확대) 하에서의 소결 티타늄 필터 기공은 도 20d에 나타나 있다.
희석된 수화물 용액을 수화물 보유 필터 매질의 상부에 첨가하고, 침강시켰다. 용액이 매우 희석된 경우, 수화물은 자연적으로 침강할 수 없다. 따라서, 본 발명자들은 희석된 수화물 용액을 부은 후, 수분 동안 저압(10-40 psig)을 적용하였다. 이러한 단계는 용액 내의 모든 수화물들을 침강시키고, 보유 필터 매질 상에 매우 얇고 일정한 수화물 층 필름을 형성시킨다. 매우 얇은 수화물 층을 통한 수화물 여과의 유속은 매우 높으며, 임의의 압력을 적용하지 않은 채 당근 주스를 여과한 결과는 도 20e에 나타나 있다. 이는, 매우 얇은 수화물 층이라도 여과에 성공적으로 사용될 수 있음을 보여준다. 유리하게는, 여과 속도는 매우 얇은 수화물 층을 사용한 경우 매우 높다.
본 발명자들에 의해 수행된 시험은, 공지된 선행 기술의 분리 기술과 비교하여 본 발명의 실시형태에 따른 분리기를 사용한 경우, 여과 유량 속도가 상당히 더 높음을 보여주었다. 예를 들어, 공지된 분리 기술로는 미세필터, 필터, 나노필터 및 역삼투 기술을 포함한다. 표준 평균 한외여과기(ultrafilter)는 30 LMH(L/m2/hr)의 여과 유량을 보여주며, 표준 나노필터(예를 들어, 기공 크기가 2 nm 이하이며 작동 압력이 220 psi 내지 510 psi임)는 약 20 LMH의 여과 유량을 보여주며, 역삼투막은 250 psi에서 약 15 LMH의 평균 여과 유량을 보여주고, 표준 막 생물 반응기는 10 LMH 내지 20 LMH의 유량을 보여준다. 비교 시, 본 발명의 실시형태를 사용하여 수득된 유량은 하기 Are 1에 나타나 있다:
수행된 수화물 막 유량 시험 측정된 평균 유량 (L/m 2 .h) 또는 LMH 표준 막 유량 범위 (LMH) 수화물 막이 통상의 막보다 빠른 시간
탈미네랄수 여과
(수화물 두께 1 mm, 10-80 psig)		 1672.3 10 - 30 167.2 - 55.7
탈미네랄수 여과
(수화물 두께 1 mm, 압력 미적용, 중력만 적용)		 647.6 10 - 30 64.8 - 21.6
혼탁한 브리즈번 강물 여과
(수화물 두께 1 mm, 40 psig)		 337.3 10 - 30 33.7 - 11.2
혼탁한 브리즈번 강물 여과
(수화물 두께 10 mm, 40 psig)		 67.7 10 - 30 6.8 - 2.3
커피 농축액
(수화물 두께 10 mm, 40 psig)		 95.2 10 - 30 9.5 - 3.2
수박 주스 여과
(수화물 두께 1 mm, 40 psig)		 91.9 10 - 30 9.2 - 3
표 1에 제시된 데이터는, 수화물 필터가 통상의 고압 막(예, 한외여과기, 나노필터, 역삼투막 및 막 생물 반응기)보다 명백하게 더 빠르게 작용함을 보여준다. 일부 경우, 매우 낮은 압력 또는 0의 압력에서 수화물 필터가 통상의 고압 막보다 상당히 더 빠르게 작동한다. 이론으로 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 이는 수화물 층이 주로 물로 제조되어 있다는 사실로 인한 것으로 가정된다.
용도 - 식수 생존 키트
응급 시에는 단순한 수처리 시스템이 필요하다. 설사는 미국에서 장거리 도보 여행자에 영향을 미치는 가장 보편적인 질병들 중 하나인 것으로 확인되었다. 시장에 존재하는 현재의 생존 키트, 예컨대 물 정제용 정제(tablet), 활성탄 필터 및 미세필터는 수화물 여과 기술보다 더 비싸고 덜 효과적이다. 예를 들어, 병원체를 죽이는 염소 정제(tablet)는 현탁화된 고체를 제거하지 못하며, 물은 장기간 소비용으로는 안전하지 않다. 이들의 활성 성분은 염소 및 이산화염소이며, 이들은 건강상 유해하다. 물은 바로 마실 준비가 되어 있지 않다. 처리된 물은 염소가 증발할 수 있도록 수 시간 동안 뚜껑이 닫히지 않은 채 있어야 한다. 염소 정제-처리된 물은 처리 후에도 여전히 혼탁하다. 염소 정제는 또한, 불쾌한 뒷맛을 남긴다. 대조적으로, 수산화알루미늄 수화물 여과의 여과물은 미생물(병원체 포함)을 함유하지 않을 뿐만 아니라, 매우 깨끗하고 마시기에도 쾌적하다. 수화물 겔 제조로부터 과량의 염을 제거하기 위한 초기 헹굼 후, 수화물 여과의 여과물은 또한, 마실 준비가 된다. 더욱이, 일부 병원체들은 염소-내성인 한편, 수화물 필터는 박테리아, 진균류, 미세조류(남조류 포함) 및 바이러스를 제거할 수 있다. 활성탄 필터는 소량의 겔보다 더 많은 공간을 필요로 하므로, 이들 필터는 항상 지니고 다녀야 하는 도보 여행자 또는 군인에게는 실용적이지 않다. 미세필터는 너무 복잡하고 여러 부분들을 가지고 있으며, 지니고 다니기에도 힘들다. 더욱이, 현재의 생존 키트는 수화물 필터보다 더 비싸다.
시장에 존재하는 다른 제품들과는 달리, 수화물 필터 생존 키트는 모든 현탁화된 고체 및 미생물들을 포획하고, 처리된 물은 증류수만큼이나 마시기에 깨끗하다. 이는 매우 단순한 제조 및 포장 공정을 가진다. 따라서, 제조 공장은 가능한 한 최저의 자본 및 운전 비용으로 단순한 장비를 사용하여 쉽게 가동될 수 있다. 예를 들어, 누구라도 쉽게 지닐 수 있는 겔 치약 튜브는 응급 상황에서 생명을 구할 수 있다. 이는 홍수와 같은 재앙 시, 헬리콥터 및 다른 수단들에 의해 쉽게 공급될 수 있다. 수화물 필터는 유해한 박테리아 및 바이러스를 포획할 수 있으며, 도보 여행자 및 군대에서 설사와 같은 위험한 질병을 예방할 수 있다. 다른 예로, 수화물 겔은 식 (1)에 나타낸 바와 같이, 황산알루미늄 및 중탄산나트륨을 사용하여 필요한 위치에서 제조될 수 있다.
여러 가지 서로 다른 생존 키트들이 이러한 기술을 토대로 제조될 수 있다. 하나의 단순한 치약 튜브 겔 패키지는 임의의 생존 키트에 넣어질 수 있으며, 여러 번 사용될 수 있다. 수화물 겔의 또 다른 단순한 패키지는 응급 시, 임의의 이용가능한 패브릭에 겔을 놓는 것을 수반할 수 있다. 예를 들어, 소매 하단이 미니 백을 제조하는 데 시도될 수 있으며, 수화물 겔이 첨가될 수 있고, 그런 다음, 더러운 물이 여과될 수 있다.
수화물 겔 물 정제 장치로의 물병의 변환
매우 단순한 생존 키트는 정상적인 플라스틱 물병의 개조에 의해 제조될 수 있다. 필요한 유일한 개조는, 정상적인 물병을 2개의 조각으로 절단하고, 하나의 내부 스레드(thread)를 하부 구획 위에 두고(도 17, 참조 번호 21), 2개의 외부 스레드를 상부 구획 위에 두는 것이다(도 17, 참조 번호 22 및 23). 정상적인 적용에 있어서, 병은 정상적인 플라스틱 물병과 동일하다. 이는 도 18에 나타나 있다. 그러나, 응급의 경우, 병의 상부 구획은 트위스트에 의해 개방될 수 있으며, 그런 다음, 도 19에 나타낸 바와 같이 역전되어, 위가 아래로 향한 채 하부 구획에 연결될 수 있다. 뚜껑에는 겔을 보유할 패브릭과 유사한 여과 매질(도 20, 참조 번호 24)이 장착될 수 있다. 겔은 안에 부어질 것이고, 더러운 물을 첨가한 후, 깨끗한 물인 여과물이 하부 구획에서 수집될 것이다. 하부 구획이 충전된 후, 임의의 혼탁함 및 병원체를 가지지 않는 안전한 여과된 물이 든 유리는 마실 준비가 된다. 이러한 사이클은 수회 반복될 수 있다.
뚜껑을 겔로 미리 충전하고, 스티커를 안에 넣어, 겔을 뚜껑 내에 유지시키고 겔이 건조되는 것을 피하는 것 또한 가능하다(도 21, 참조 번호 25). 겔은 서로 다른 물질, 예컨대 병 밀봉용 왁스나 아가로스 겔, 또는 병의 제조 공정 동안에 내부에 놓일 수 있는 또 다른 플라스틱 뚜껑을 사용하여 밀봉될 수 있다. 응급 시, 뚜껑 위의 스티커는 제거될 수 있고, 여과가 수행될 수 있다. 단순히, 겔로 미리 충전된, 표준 플라스틱 병에 맞춰지게 되어 있는 뚜껑을 판매하는 것도 가능하다. 응급 시, 사용자는 단순히 뚜껑을 교체할 것이며, 그런 다음, 병을 절단하여, 여과물을 수집하거나 또 다른 병 또는 컵에 여과물을 수집할 것이다. 수화물 겔로 충전된 뚜껑은 또한, 압착가능한(squeezable) 물병의 상부에 놓일 수도 있다.
플라스틱 물병은 세계에서 심각한 환경 문제이다. 많은 화석 연료들이 이들의 제조 및 운송에 소비된다. 이들은 대체로 종국에는 매립되며, 분해될 때까지 1000년 이하가 소요된다. 이러한 기술은 또한, 환경에 간접적으로 일조할 수도 있다. 이는 사람들이 자신들의 물병을 재사용하는 데 일조한다. 사람 및 도보 여행자들은, 물병이 자신들의 중요한 생존 키트이고 응급 시 자신들의 생명을 구할 수 있기 때문에, 자신들의 물병을 버리지 않을 수 있다.
표준 플라스틱 병에 대한 이러한 단순 개조는 매우 낮은 비용으로도 실현가능하며, 문제가 있는 플라스틱 물병을 유용한 생존 키트로 변환시킨다. 이는 또한, 전세계적으로 체인 마켓에서 표준 플라스틱 물병에 대한 보다 유용한 대안으로서 판매될 수도 있다. 더욱이, 수돗물의 품질은 많은 도시들과 지방들, 특히 개발도상국에서 마시기에는 안전성이 매우 낮다. 따라서, 사람은 통상의 플라스틱 물병을 매일 구입한다. 이들 새로운 물병을 도입함으로써, 많은 사람들이 가정에서 작고, 저렴하며 단순한 식수 처리 장비를 가질 수 있다. 이들은 수돗물을 여러 번 여과할 수 있으며, 돈을 절약할 수 있다.
용도 - 새로운 수화물 겔 랩 필터
시장에 존재하는 현재의 실험실 필터들 대부분은 미크론 크기 범위이다. 모든 박테리아 및 진균류들을 제거하고, 오일-물 에멀젼을 분해하고, 용해된 색소 및 나노 크기의 입자를 서로 다른 용액들로부터 분리할 수 있는 랩 필터가 현재로서는 존재하지 않는다. 작은 기공 크기의 필터는 비싸며, 따라서, 일상적인 실험실 작업에 정기적으로 작동시키기에는 비실용적이다. 시장에 존재하는 현재의 랩 필터는 필터 종이, 캡슐, 카트리지 및 혼합 셀룰로스 에스테르(MCE) 막이다. 이들은 수화물 필터와 유사하게 박테리아 및 바이러스를 포획할 수 없으며, 수중유 에멀젼을 분해할 수도 없다. 수화물 필터는 이들 모든 결과를 달성할 수 있다. 수화물 랩 필터는 또한, 현재 입수가능한 실험실용 나노-필터 제품들과 비교하여 매우 저렴하다.
수화물 겔 랩 필터를 형성하기 위해, 농후한 겔을 2개의 접착된 필터 종이들(또는 다른 유사한 작은 기공 크기의 매질 및 패브릭) 사이에 주입할 수 있으며, 수회 사용될 수 있다. 이는 물 손실 및 수화물 랩 필터의 건조를 방지하도록 되어 있는 패키지 내에 밀봉될 수 있다. 이들 유형의 패키지를 사용하여, 랩 필터는 수년 동안 보관될 수 있다. 또한, 서로 다른 유형의 농후한 겔들의 튜브들을 필터 종이 프리코트로서 사용할 수도 있다. 200 mL의 혼탁한 브리즈번 강물을 이러한 유형의 랩 필터를 사용하여 정제하였다. 결과는 다른 시험과 유사하며, 여과물은 깨끗한 물이었다. 현탁화된 고체 및 박테리아는 필터의 상부에 포획되었으며, 수집될 수 있다. 단순히 세척하는 것만으로도 이러한 필터를 수회 재사용할 수 있다. 세척 후, 필터 종이 상에 포획된 모든 오염물질들은 제거되었고, 필터 종이는 완전히 새것처럼 유사하게 회복되었다. 이러한 수화물 랩 필터를 임의의 문제 없이 수회 재사용하였다. 또한, 서로 다른 적용 및 시험들을 위해 서로 다른 유형의 수화물 겔들을 주입할 수도 있다.
용도 - 수영장 필터와 같은 소형 필터
수화물 여과 기술은 또한, 수영장과 같은 소규모 적용에 사용되며, 새로운 소독 및 위생 처리 방법으로서 사용되는 잠재성을 가지고 있다. 적절한 위생 처리는 수영장 물의 시각적인 투명도를 유지하고, 감염성 질병의 전염을 예방하는 데 필요하다. 현재, 먼지 및 찌꺼기와 같은 오염원을 제거하는 데 여과가 사용되며, 감염성 유기체를 죽이는 데 염소가 사용된다. 통상의 모래 또는 규조토 필터는 통상, 수영장 필터로서 사용된다. 통상의 여과 공정들은 수영장 물을 완전히 위생 처리하는 데 충분하지 않으며; 따라서, 염소 및 브롬이 수영장용 위생 처리제로서 사용된다. 물은 강제적으로 필터를 통과하게 된 다음, 수영장으로 되돌아온다. 압력-공급된 모래 필터는 일반적으로, 10 미크론 미만의 미립자를 포함하는 혼탁한 물을 여과할 것이며, 한편 수화물 필터는 나노미터 크기의 입자를 분리할 수 있다. 모래 필터는 통상 수영장 물로부터 조류 또는 바이러스를 제거하지 않을 것이다.
소독에 사용되는 염소-발생 화합물은 독성이다. 물에 존재하는 소독용 화학물질, 예컨대 염소 및 다른 물질들은 소독 부산물(DBP)을 발생시킬 수 있다. DBP는 물 소독 공정 동안에 화학 처리제를 포함하는 물에서 유기 물질과 무기 물질 사이의 반응으로 발생된다. DBP는 인간의 건강에 대한 부정적인 효과와 관련이 있다. 클로라민(chloramine)은 N-니트로소디메틸아민(NDMA)을 생성하며, 이는 인간에 있어서 가능한 발암 물질일 뿐만 아니라 요오드화물이 공급원 물에 존재할 때, 고도의 유전자 독성인 요오드화된 DBP, 예컨대 요오도아세트산이다. 잔류의 염소(및 다른 소독제)는 또한, 분포 네트워크 내에서, 용해된 천연 유기 물질과의 추가적인 반응 및 파이프 내에 존재하는 생물막과의 추가적인 반응 둘 다에 의해, 추가로 반응할 수도 있다. 더욱이, 일부 병원체들은 염소-내성인 한편, 수화물 필터는 모든 박테리아, 미세조류(녹조류 포함), 진균류 및 바이러스들을 제거할 수 있다.
통상의 모래 필터와는 달리, 수화물 분리 기술을 토대로 하는 수영장 분리 시스템은 모든 현탁화된 고체들을 포획하고, 여과물은 깨끗한 물이다. 단일 단계에서, 모든 현탁화된 고체, 박테리아 및 진균류들은 포획되어서, 추가적인 문제성 있는 소독 공정들이 불필요하다. 수화물 여과 기술을 사용하면, 독성 염소 소독을 사용할 필요가 없으며, 따라서, 독성 염소 소독 부산물(DBP)이 이러한 기술을 사용해서는 발생되지 않는다. 수영장 시장은 크며, 예를 들어, 호주 가정 중 11.7%는 수영장을 가지고 있다. 더욱이, 시장에 존재하는 다른 필터들과 비교하여 여과 생성물의 품질이 매우 높기 때문에, 이러한 기술은 특이적으로 대중 수영장 또는 부유한 가정, 5성급 호텔 및 리조트의 수영장에 사용될 수 있다.
수화물 겔은 여러 가지 통상의 여과 시스템 및 서로 다른 형상의 필터, 예컨대 로터리 드럼 필터, 진공 필터 및 컨베이어 필터에 사용될 수 있다. 그러나, 전술한 이전의 실시예에서 사용된 소규모 여과 시험 장비를 단순히 규모 확장하는 것 또한, 가능하다. 하부 패브릭을 지지하기 위해서는 중공형의 아연도금된 금속 시트 또는 금속 메쉬와 같은 강한 구조물들이 필요하다. 겔의 파괴를 피하기 위해서는, 탱크의 신속한 충전이 가능할 정도로 물 깊이가 높을 때까지, 액체를 탱크 내로 미세분무하는 것이 가능하다. 또한, 패브릭 또는 유사한 경질의 다공성 금속 또는 플라스틱을 수화물 겔의 상부에 놓거나, 일부 배플(baffle)들을 공급 파이프의 아래에 두는 것이 가능하다. 또 다른 설계는 도 22에 나타나 있으며, 여기서, 보다 작은 직경의 영역(28)은 수화물 겔을 수용한다. 물을 슬로핑 플로어(sloping floor)(30)에 공급하고, 슬로핑 플로어(30)로부터 구획(28) 내의 수화물 겔 상으로 하향 이동시킨다. 따라서, 이러한 설계에서는, 물이 경사진 금속 구획 상에 부어지기 때문에, 겔 파괴를 방지하기 위한 미세분무 또는 다른 조치들이 필요하지 않을 수 있다. 일부 특정한 적용들을 위해 이러한 설계의 유속을 증가시키고자, 탱크의 아래에 진공 챔버를 두거나, 또는 통상의 압축기에서 사용되는 것들과 유사한 파이프를 통해 탱크의 상부에 압축 공기를 도입하는 것이 가능하다. 이러한 단순한 시스템은 통상의 물 탱크을 단순히 개조함으로써 매우 저렴한 비용을 제조될 수 있다. 물이 중력에 의해 공급 및 제거된다면, 이러한 시스템은 임의의 에너지 및 전기 투입 없이도 작동한다. 이러한 시스템은 마을, 원거리 광산 또는 원거리 군대 베이스를 위해 식수 처리를 제공할 수 있다. 이는 또한, 단순한 이동식 식수 처리 설비로서 트럭 위에 쉽게 설치될 수도 있다. 도 23과 유사한 수영장 여과 및 위생 처리는 비용이 매우 저렴하며, 이의 유지가 단순하고 전기가 거의 소모되지 않을 뿐만 아니라, 문제가 되는 염소 소독이 필요하지 않으며, 따라서, 사용에 보다 안전하다.
대안적인 설계
수화물 막 분리기는 여러 가지 형상 및 시스템에서 설계될 수 있다. 이는 또한, 통상의 역삼투막과 유사하게 설계될 수도 있다(도 28). 이러한 설계에서, 물 분자는 수화물 층의 양면에 존재하며, 수화물 층의 모든 구획들은 여과 공정 동안에 어느 때라도 물에 완전히 침지될 것이다. 따라서, 물 분자의 수 : 금속수산화물 분자의 비율은 수화물의 각각의 구획에서 일정할 것이다. 이는 일부 적용들에서 이점이 될 수 있다. 이러한 시스템에 대한 하나의 가능성 있는 보다 큰 규모의 개념적인 설계는 도 28에 나타나 있다. 압축기 또는 다른 유사한 압력 장비는 필터의 한쪽 면에 압력을 적용한다. 도 28에서, 물 분자 및 친수성 화합물은 수화물 막의 오른쪽 면으로 이동하는 한편, (물의) 오염물질 또는 소수성 화합물 및 (주스의) 색소는 수화물 막의 왼쪽 면에 축적 및 농축된다. 수화물 필터가 매우 낮은 압력에서도 통상의 막과 비교하여 상대적으로 빠르게 작용하기 때문에, 심지어 헤드 압력이라도 이러한 설계에서는 적절한 여과 속도를 보장하는 데 대체로 충분한 것으로 보이며, 그렇더라도, 여과 속도를 증가시키기 위해서는 압력이 적용될 수 있음은 명백하다. 또 다른 유사한 설계는 도 29에 나타나 있다.
수화물 필터 유닛의 또 다른 설계는 교차 흐름(접선적(tangential))일 수 있다. 이러한 설계에서, 공급 흐름은 필터 내로 이동하기보다는 수화물 필터의 표면을 가로질러 이동한다(도 30). 이러한 설계의 주요 이점은, 데드 엔드 필터와 같은 배치와는 달리, 필터 케이크가 세척되어, 공정을 배치식보다 연속식으로 실시할 수 있다는 점이다. 이러한 설계를 사용하면, 데드-엔드 설계와 비교하여 틈채움이 거의 발생하지 않는다. 펌프는, 요망되는 농도가 달성되고 농축된 농축물이 유닛의 밖으로 이송될 때까지, 유닛의 주변에서 공급물을 수회 재생 및 재순환시킬 수 있다.
다른 용도들
이러한 분리 기술을 사용할 수 있는 수천 가지의 화학, 석유화학 플랜트 및 정유 공장이 세계적으로 존재한다. 수천 개의 작고 중간 크기의 플랜트들 또한, 이의 저렴한 자본 및 운전 비용으로 인해 이러한 기술을 사용할 수 있다.
본 기술은 또한, 공업용 미생물 공정 및 약학 공정에 사용될 수 있으며, 특히, 요망되는 생성물을 단리하기 위한 매우 고비용의 탈수 및 분리 요건을 해결하기 위해 사용될 수 있다.
본 기술은 또한, 광산 유출물의 처리 및 폐수 처리에 사용될 수도 있다. 더욱이, 금과 같은 일부 귀금속은 광산 유출물에서 현탁화된 고체로서 손실될 수 있다. 또한, 작은 금 입자와 같은 귀중한 현탁화된 고체 물질 또는 석탄 가루를 광산 유출물로부터 회수하는 것이 가능하다.
비교예 - 아가로스 겔과 같은 다른 유형의 겔
아가로스 겔(2%)은 100 mL의 증류수에 2 g의 한천을 혼합하고, 전자레인지에서 1분 동안 가열함으로써 제조한다. 가열된 액체 상태의 아가로스 겔은 본 명세서에서 제공된 이전의 실시예의 수산화물 수화물 층을 보유하는 데 사용되었던 토목섬유 패브릭을 통과한다. 그런 다음, 여과 장비를 침지시키고, 아가로스 겔을 냉각에 의해 고체화시켰다. 브리즈번 강물을 겔의 상부에 첨가하였다. 수산화알루미늄 수화물 겔은 물을 빠르게 여과하는 한편, 한 방울의 물도 아가로스 겔을 통과하지 않았다. 수일이 지나도, 물방울은 아가로스 겔을 통과하지 않았다.
이러한 실험은, 수산화알루미늄 수화물 겔이 아가로스 겔과 같은 통상의 겔과 상이함을 보여준다. 이것이, 본 발명에서 겔이 아니라 수화물이라고 명명한 이유이다. 이의 외양은 통상의 겔과 유사하더라도, 만졌을 때 이의 감촉은 가벼운 수분 크림과 유사하다. 물 분자는 느슨하고, 수화물을 쉽게 빠져나갈 수 있다. 통상의 겔은 저온에서 고체이며, 물 분자는 아가로스에 강하게 결합되어 있어서, 겔을 빠져나갈 수 없다. 아가로스 겔과 같은 통상의 겔들이 가열되는 경우, 이들은 액체로 변환될 것이며, 따라서, 프리코트로서 사용될 수 없다. 그러나, 수화물 겔 구조는 가열에 의해 변하지 않는다. 수산화알루미늄 수화물이 가열되는 경우, 이의 외양 및 물리적 특성 및 화학적 특성은 변하지 않을 것이고, 이러한 수화물은 여전히 여과 프리코트로서 사용될 수 있다. 이것이, 수산화알루미늄 겔이라는 용어보다 수산화알루미늄 수화물이라는 용어가 더 적절한 이유이다.
실시예 - 수화물 겔 분리기의 기본적인 설계
도 23은 본 발명의 일 구현예에 따른 수화물 겔 분리기의 기본적인 설계를 보여준다. 깨끗한 물의 위에 위치하는 도 23에 도시된 구성성분들은 하우징 내에서 정상적으로 위치될 것이다. 하우징은 정상적으로는, 고정 패브릭(holding fabric), 수화물 겔 필터, 표면 패브릭 및 물과 입자의 혼합물을 보유하는 측벽을 가질 것이다. 하우징은 전형적으로, 고정 패브릭의 바로 아래에 위치하는 다공성 또는 투과성 하부를 가질 것이다.
분리기는 고정 패브릭을 포함하며, 이러한 패브릭은 수화물 겔을 보유하기에 충분히 작은 기공 크기를 가진 토목섬유 패브릭 또는 임의의 다른 패브릭일 수 있다. 수화물 겔 층은 고정 패브릭의 상부에 고정되며, 고정 패브릭에 의해 보유된다. 선택적인 표면 패브릭은, 이것이 혼합물로부터 분리된 입자 또는 다른 성분들을 회수하기에 바람직한 경우 수화물 겔 층의 상부에 위치될 수 있다. 물과 입자(또는 다른 성분들, 예컨대 미생물, 비-극성 분자 또는 소수성 분자)의 혼합물은 수화물 겔 층의 위에 위치된다. 물, 용해된 염 및 극성 액체는 수화물 겔 층을 통과할 수 있고, 그 결과, 이들 성분은 수화물 겔 층을 통과할 수 없는 다른 성분들로부터 분리된다. 수화물 겔 층을 통과한 성분들은 수화물 겔 층 아래에 있는 "깨끗한 물"에 수집될 수 있다. 수화물 겔 층을 통과할 수 없는 성분들은 표면 패브릭의 상부에 축적되거나(표면 패브릭이 존재할 때), 표면 패브릭이 존재하지 않을 때에는 수화물 겔 층의 상부에 축적된다.
본 명세서 및 청구항(있다면)에서, "포함하는"이라는 단어 및 이의 유도된 표현인 "포함한다" 및 "포함하다" 등은 언급된 정수 각각을 포함할 뿐만 아니라, 하나 이상의 추가적인 정수들의 포함을 배제하지 않는다.
본 명세서 전체에서 "하나의 실시형태" 또는 "일 실시형태"라는 표현은, 구현예와 관련하여 기술된 특정한 특성, 구조 또는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시형태에 포함됨을 의미한다. 따라서, 본 명세서 전체에서 다양한 곳에서 "하나의 실시형태에서" 또는 "일 실시형태에서"라는 구어의 출현은 본질적으로, 동일한 실시형태를 모두 지칭하는 것이 아니다. 더욱이, 특정한 특성, 구조 또는 특징들은 하나 이상의 조합으로 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다.
규정을 준수하여, 본 발명은 구조적 특성 또는 방법론적 특성에 다소 특이적인 언어로 기술되었다. 본 발명은 본원에 기술된 수단들이 본 발명을 실시하는 바람직한 형태들을 포함하기 때문에, 도시되거나 기술된 특정한 특성들로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 당업자가 적절하게 해석되는 첨부되는 청구항(있다면)의 적절한 범위 내에서 본 발명의 임의의 형태 또는 변형으로 청구된다.

Claims (22)

  1. 물과 하나 이상의 성분의 혼합물 또는 극성 액체와 하나 이상의 성분의 혼합물로부터 미립자 물질, 소수성 물질, 비-극성 물질, 미생물 또는 바이러스로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 분리하기 위한 분리기로서, 분리기는 연속 금속수산화물 수화물 겔 층을 포함하고, 금속수산화물 수화물 겔은 수산화알루미늄 수화물, 수산화마그네슘 수화물, 수산화아연 수화물, 수산화망간 수화물, 수산화코발트 수화물 및 수산화니켈 수화물 중 하나 이상을 포함하는 겔로부터 선택되는, 분리기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    금속수산화물 수화물 겔 층을 보유하기 위한 다공성 보유기를 추가로 포함하는, 분리기.
  6. 제5항에 있어서,
    다공성 보유기가 패브릭, 직물, 배공 물질, 하나 이상의 중공 또는 기공을 가진 고체 물질, 다공성 세라믹 물질 또는 소결 물질을 포함하는, 분리기.
  7. 제1항에 있어서,
    분리기가, 혼합물이 분리기로 들어가는 인입구, 및 금속수산화물 수화물 겔 층을 통과한 물 또는 극성 액체가 분리기를 떠나는 인출구를 포함하는, 분리기.
  8. 제1항에 있어서,
    분리기가 상류 보유기를 추가로 포함하며,
    상류 보유기가 금속수산화물 수화물 겔 층으로부터 상류에 위치하는, 분리기.
  9. 제8항에 있어서,
    상류 보유기가 패브릭, 직물, 배공 물질, 하나 이상의 중공 또는 기공을 가진 고체 물질, 다공성 세라믹 물질 또는 메쉬 물질을 포함하는, 분리기.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    연속 금속수산화물 수화물 겔 층의 두께가 1 미크론 내지 1 m인, 분리기.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    금속수산화물 수화물 겔이 각각의 금속수산화물 분자와 결합된 물 분자를 적어도 10개로 가지는, 분리기.
  14. 물과 하나 이상의 성분의 혼합물 또는 극성 액체와 하나 이상의 성분의 혼합물로부터 미립자 물질, 소수성 물질, 미생물 또는 바이러스로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 분리하는 방법으로서,
    하나 이상의 성분을 연속 금속수산화물 수화물 층에 보유시키면서도, 혼합물 유래의 물 또는 극성 액체를 연속 금속수산화물 수화물 겔 층에 통과시키는 것을 포함하고, 금속수산화물 수화물 겔은 수산화알루미늄 수화물, 수산화마그네슘 수화물, 수산화아연 수화물, 수산화망간 수화물, 수산화코발트 수화물 및 수산화니켈 수화물 중 하나 이상을 포함하는 겔로부터 선택되는, 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서,
    압력이 혼합물에 적용되는, 방법.
  18. 삭제
  19. 제13항에 있어서,
    연속 금속수산화물 수화물 겔 층의 두께가 1 미크론 내지 50 cm인, 분리기.
  20. 제11항에 있어서,
    연속 금속수산화물 수화물 겔 층의 두께가 1 미크론 내지 10 cm인, 분리기.
  21. 제13항에 있어서,
    금속수산화물 수화물 겔이 각각의 금속수산화물 분자와 결합된 물 분자를 30개 내지 400개로 가지는, 분리기.
  22. 제14항에 있어서,
    금속수산화물 수화물 겔은 금속수산화물을 물 또는 수용액에서 생성함으로써, 금속수산화물 수화물 겔을 형성시켜 제조되거나, 또는 금속수산화물 수화물 겔이 2개 이상의 반응물들을 함께 혼합하여 금속수산화물 수화물 겔을 형성함으로써 제조되거나, 금속수산화물 수화물 겔이 전기 분해에 의해 형성되는, 방법.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10933381B1 (en) * 2011-04-26 2021-03-02 Mansour S. Bader Relative wettability: wet oil separation by a membrane
US10525415B2 (en) * 2017-06-15 2020-01-07 Saudi Arabian Oil Company Processing systems for produced water and methods for recovering organic compounds from the produced water
KR102136695B1 (ko) * 2018-08-22 2020-07-22 주식회사 인퓨전텍 현장 진단용 장치를 이용한 병원체 농축 및 핵산 추출 방법
WO2023141682A1 (en) * 2022-01-31 2023-08-03 Blue Quest Group Pty Ltd A filtration assembly and method of use thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060157397A1 (en) 2005-01-14 2006-07-20 Jyonan Electric Industrial Corporation Limited Oil/water separation apparatus for oil-containing mixture
US20100176044A1 (en) 2007-04-18 2010-07-15 H2Q Water Industries Ltd. Filter medium

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1462878A (en) 1973-10-10 1977-01-26 Sperry Rand Ltd Flow sensors
US4053605A (en) 1976-06-15 1977-10-11 Merck & Co., Inc. Esterified-2(3-lower-alkyl-amino-propoxy)-3-cyano-pyridines and derivatives
EP0195877A1 (de) * 1985-03-26 1986-10-01 Fritz Wegmueller Verfahren zur Herstellung von gleichmässigen, substraturabhängigen Metall-Hydroxidschichten auf Oberflächen und/oder zum Extrahieren von Metallen in Lösungen
US5051189A (en) * 1989-01-31 1991-09-24 University Of Florida Method of removing an unwanted impurity from an aqueous material
JP3470153B2 (ja) * 1992-07-20 2003-11-25 ジャパンゴアテックス株式会社 金属酸化物複合化高分子多孔質体及びその製造方法
CA2093676C (en) * 1993-04-08 2004-08-31 K. Anwer Mehkeri Method for ultra-trace level analysis of water
EP0679405A1 (de) * 1994-04-25 1995-11-02 Rotkreuzstiftung Zentrallaboratorium Blutspendedienst Srk Verfahren zur Abtrennung von Viren aus Proteinlösungen
US6187192B1 (en) * 1999-08-25 2001-02-13 Watervisions International, Inc. Microbiological water filter
WO2002070104A1 (en) 2001-03-02 2002-09-12 Watervisions International, Inc. Purification materials and method of filtering using the same
US8323603B2 (en) 2004-09-01 2012-12-04 Sud-Chemie Inc. Desulfurization system and method for desulfurizing a fuel stream
JP4854999B2 (ja) 2005-07-20 2012-01-18 株式会社日本海水 フッ素吸着剤及びその製法
US8007671B2 (en) * 2005-08-15 2011-08-30 Streamline Capital, Inc. Microfiltration devices
CN101507911B (zh) 2008-11-11 2011-06-29 中国科学院生态环境研究中心 基于铝基复合氧化物的除氟吸附材料及制备方法与应用和制备方法的专用装置
JP2011200818A (ja) * 2010-03-26 2011-10-13 Namura Denki Kogyo Kk 浄化用濾過器および浄化方法
WO2012018890A2 (en) 2010-08-06 2012-02-09 Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Arizona State University Fabricating porous materials using intrepenetrating inorganic-organic composite gels
JP2012157850A (ja) * 2011-01-31 2012-08-23 Fukuhara Co Ltd 汚水の油吸着槽および油処理材の交換方法
WO2013051013A2 (en) 2011-07-28 2013-04-11 Tata Consultancy Services Limited Water purification device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060157397A1 (en) 2005-01-14 2006-07-20 Jyonan Electric Industrial Corporation Limited Oil/water separation apparatus for oil-containing mixture
US20100176044A1 (en) 2007-04-18 2010-07-15 H2Q Water Industries Ltd. Filter medium

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