KR102625681B1 - 기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함하는 챔버 및 구조체 - Google Patents

기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함하는 챔버 및 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함한 챔버 또는 구조체에 관한 것으로, 액체가 담긴 챔버, 상기 챔버 내부의 표면을 개질하여 형성된 기포길(Bubble Path), 상기 챔버 하부에 연결된 기포 주입구 및 상기 챔버 상부에 연결된 액체 주입구를 포함하는 챔버 혹은 액체가 담긴 수조에 추가적으로 설치 가능한 구조체를 제공한다.

Description

기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함하는 챔버 및 구조체{CHAMBER AND STRUCTURE COMPRISING A BUBBLE PATH THAT LENGTHENS THE MOVEMENT PATH OF THE BUBBLE}
본 발명은 기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함하는 챔버 및 구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 표면이 개질된 기포길을 이용하여 이동 경로를 길게 하는 장치에 관한 것이다.
액상 내에서 발생한 가스 기포는 부력에 의해 지면과 수직 방향으로 상승한다. 액상 내에서 기포는 고체 표면과 접촉 시 고체 표면에 흡착되고, 기포에 작용하는 부력이 흡착력에 비해 큰 기포만이 이동할 수 있게 된다. 이러한 고체표면에의 흡착문제로 인해 현재까지 기포내 특정 기체분자를 액체에 흡수시키는 공기주입기나 버블컬럼은 모두 내부 구조 없이 기포의 수직상승만이 유도되어 왔다. 하지만 이러한 기체흡수 설비들의 효율은 기포의 체류시간에 비례하기 때문에 빠르게 이루어지는 수직상승은 설비 효율에 한계로 작용해 왔다.
이를 극복하기 위해서 회전교반을 이용하거나 수 마이크로 직경의 매우 작은 기포를 만들어 분사하는 방법 등이 도입되었으나, 이는 일부 특수 환경에서만 도입이 가능하고 범용적인 사용에는 제약이 따르며 벽면에 흡착되는 기포에 대한 문제는 해결되지 못하고 있는 상황이다.
본 발명의 일 목적은 기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함한 챔버를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수조 내 기포의 이동 경로를 길게 하는 수조에 설치되는 기포길을 포함한 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위해서, 액체가 담긴 챔버, 상기 챔버 내부의 표면을 개질하여 형성된 기포길(Bubble Path), 상기 챔버 하부에 연결된 기포 주입구 및 상기 챔버 상부에 연결된 액체 주입구를 포함하는 기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함한 챔버를 제공한다.
일 실시예에서, 상기 기포길의 물질은 유리, 플라스틱, 금속 및 세라믹 중에서 선택되는 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기포길의 개질된 표면은 친수성 단분자, 친수성 고분자, 양친성(zwitter ionic) 분자 및 하이드로겔 중에서 선택되는 하나일 수 있다. 상기 개질된 표면의 두께는 1 nm 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기포길 표면의 구조는 평평한 표면, 나노 스케일의 거칠기를 갖는 표면, 마이크로 스케일의 거칠기 표면 또는 나노 스케일과 마이크로 스케일을 복합적으로 갖는 표면일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기포길은 상기 챔버의 좌우로부터 중심으로 연장되는 가지 부분을 포함하고, 상기 가지 부분은 지면과 0.5 내지 89°의 경사 각도를 갖고, 상기 좌측 가지 부분과 상기 우측 가지 부분은 서로 지그재그 구조일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기포길이 형성된 상기 챔버는 나선형(Helix) 구조일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위해서, 받침대의 상측으로 형성된 좌측 기둥 및 우측 기둥, 상기 좌측 기둥 및 상기 우측 기둥에서 중심부로 뻗어져 나오는 표면이 개질된 기포길을 포함하고, 상기 좌측 기둥의 기포길과 상기 우측 기둥의 기포길은 서로 지그재그로 엇갈려 형성되고, 상기 기포길은 지면과 0.5 내지 89°의 경사 각도를 갖는 기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함한 수조에 설치되는 구조체를 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적을 위해서, 하부에 기체 주입구가 있는 수조 및 상기 수조 내에 배치되고 표면이 개질된 나선형 구조의 구조체를 포함하는 기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함하는 수조에 설치되는 구조체를 제공한다.
일 실시예에서, 상기 기포길의 물질은 유리, 플라스틱, 금속 및 세라믹 중에서 선택되는 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기포길의 개질된 표면은 친수성 단분자, 친수성 고분자, 양친성(zwitter ionic) 분자 및 하이드로겔 중에서 선택되는 하나일 수 있다. 상기 개질된 표면의 두께는 1 nm 이상일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기포길 표면의 구조는 평평한 표면, 나노 스케일의 거칠기를 갖는 표면, 마이크로 스케일의 거칠기를 갖는 표면 또는 나노 스케일과 마이크로 스케일을 복합적으로 갖는 표면일 수 있다.
본 발명은 액상 내 경사면에 기포에 대해 흡착이 낮은 표면을 구현하여 기포의 이동을 지면과 수직이 아닌 경사 방향으로 유도 할 수 있는 기포길을 만들고, 이를 통해 액상 내에서 수직 상승하는 기포에 비해 액상 내 이동거리와 체류시간을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 친수성 표면의 기포길(좌) 및 소수성 표면의 기포길(우)에 관한 사진이다.
도 2는 본 발명의 구조 실시예 1의 챔버 측면도이다.
도 3은 본 발명의 구조 실시예 1의 사진(좌) 및 확대 사진(우)이다.
도 4는 본 발명의 구조 실시예 2의 챔버 도면이다.
도 5는 본 발명의 구조 실시예 2에서 친수성 코팅이 된 나선형 관(위) 및 발수성 코팅이 된 나선형 관(아래)의 사진이다.
도 6은 본 발명의 구조 실시예 3을 수조에 적용한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 액체 내에서 기포(Gas Bubble)의 이동경로 및 체류시간을 조절하기 위한 것으로, 기포가 흡착되지 않게 표면이 개질되고 상승하는 기포의 상승 각도를 조절할 수 있는 기포길(Bubble Path)을 제공한다.
도 1은 본 발명의 친수성 표면의 기포길(좌) 및 소수성 표면의 기포길(우)에 관한 사진이다.
도 1을 참조하면, 친수성 표면의 기포길과 소수성 표면의 기포길의 기포 차이를 확인할 수 있다. 액체 내에 존재하는 기포는 부력에 의해 액체 위로 빠져나가려는 성질이 있다. 기포길은 친수성 표면(공기 중 물에 대한 접촉각 70도 이하)의 경사면으로, 기포는 기포길을 따라 지면과 일정 각도를 이루며 상승하게 된다. 이러한 친수성 기포길은 액상 내에서 친수성 표면의 기포길 표면과 기포 사이에 얇은 액상층이 존재하게 되어 기포에 대한 흡착력이 낮아지게 되어 기포가 기포길 표면에 흡착되지 않고 자유롭게 부력에 의해 기포길의 경사를 따라 이동할 수 있게 된다. 반면, 소수성 표면의 기포길의 경우에는 기포길의 표면에 기포가 흡착하게 되어 이동이 어려워질 수 있다. 이를 통해 액체 내 기포의 상승 시간과 이동경로의 조절이 가능할 수 있다. 친수성 표면의 경사진 기포길은 기포의 체류시간을 증가시켜 버블컬럼(Bubble Column)이나 수조 내 공기주입기 등과 같은 기체흡수 설비의 효율을 효과적으로 향상시키는데 활용될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다.
구조 실시예 1: 지그재그 구조의 버블컬럼
도 2는 본 발명의 구조 실시예 1의 챔버 측면도 이고, 도 3은 본 발명의 구조 실시예 1의 사진(좌) 및 확대 사진(우)이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 기포길을 적용한 버블컬럼의 구조를 확인할 수 있다. 버블컬럼은 액체가 담긴 챔버, 상기 챔버 내부의 표면을 개질하여 형성된 기포길(Bubble Path), 상기 챔버 하부에 연결된 기포 주입구와 액체 배출구 및 상기 챔버 상부에 연결된 액체 주입구와 가스 배출구를 포함할 수 있다.
기포길은 기포의 흡착이 낮은 표면 구현이 필수이기 때문에 기포와 고체표면 사이에 액체박막이 존재하여 기포의 흡착을 방지하는 구조일 수 있다. 기포길은 친수성 물질로 구성이 가능할 수 있으며, 바람직하게는, 유리, 플라스틱, 금속 및 세라믹 중에서 선택되는 하나일 수 있다. 이러한 물질들은 친수성이지만 장기적으로는 오염 등에 의해 친수성이 약해질 수 있기 때문에, 친수성 단분자/고분자, 양친성(zwitter ionic) 분자, 하이드로겔 등으로 표면개질을 하게 되면 장기 안정성을 높일 수 있다. 이때 개질된 표면의 두께는 1 nm 이상일 수 있다. 1 nm 이하에서는 표면 개질층이 너무 얇아서 오염도가 높고 금방 벗겨지므로 내구성이 저하된다는 문제점이 발생하기 때문에 친수성 표면 역할을 수행하기 어려울 수 있다. 또한, 이러한 표면개질은 소수성 표면을 친수성으로 바꾸어주는 역할도 하는데, 이에 따라 소수성 플라스틱 기판도 친수성 표면개질을 통해 기포길의 기판으로 사용이 가능할 수 있다.
기포길 표면의 구조는 평평한 표면, 나노 스케일의 거칠기를 갖는 표면, 마이크로 스케일의 거칠기 또는 나노 스케일과 마이크로 스케일을 복합적으로 갖는 표면일 수 있다. 나노, 마이크로, 나노/마이크로 스케일의 표면 거칠기/구조가 있는 경우, 더 높은 친수성이 가능하지만 이러한 구조보다 작은 기포를 사용하는 경우 기포가 구조 안에 들어가 오히려 더욱 강하게 흡착될 수 있기 때문에 구조보다 작은 기포를 사용하는 경우에는 평평한 기판의 사용이 바람직할 수 있다.
기포길은 챔버의 좌우로부터 중심으로 연장되는 가지 부분을 포함할 수 있다. 이때 가지 부분은 지면과 0.5 내지 89°의 경사 각도를 가질 수 있고, 좌측에서 연장되는 가지 부분과 우측에서 연장되는 가지 부분은 서로 지그재그로 엇갈린 구조를 가질 수 있다. 이때 좌측 가지 부분의 끝단은 우측 가지 부분의 시작되는 부분과 근접하게 배치될 수 있고 우측 가지 부분의 끝단은 좌측 가지 부분의 시작되는 부분과 근접하게 배치될 수 있다. 예를 들어 챔버 좌측 하부에 주입된 기포는 좌측 가지 부분을 따라 상승될 수 있다. 기포는 좌측 가지 부분이 끝나면 우측 가지 부분의 시작되는 부분으로 이동하여 우측 가지 부분을 따라 다시 상승될 수 있다. 이와 같이 기포는 좌측 가지와 우측 가지를 번갈아 이동하면서 챔버 상부로 이동하여 가스 배출구를 통해 챔버 밖으로 배출될 수 있다.
구조 실시예 2: 나선형 구조의 버블컬럼
도 4는 본 발명의 구조 실시예 2의 챔버 도면이고, 도 5는 본 발명의 구조 실시예 2에서 친수성 코팅이 된 나선형 관(위) 및 발수성 코팅이 된 나선형 관(아래)의 사진이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 나선형 구조의 버블컬럼를 확인할 수 있다. 나선형 구조의 버블컬럼은 액체가 담긴 챔버, 상기 챔버 내부의 표면을 개질하여 형성된 기포길, 상기 챔버 하부에 연결된 기포 주입구와 액체 배출구 및 상기 챔버 상부에 연결된 액체 주입구와 가스 배출구를 포함할 수 있다. 이때 챔버는 나선형(Helix) 구조일 수 있다.
기포길의 표면 개질층의 물질과 두께 및 기포길의 물질은 상기 구조 실시예 1에서 기재한 바와 동일할 수 있다.
챔버는 나선형의 관 형태일 수 있다. 나선형 관 내부는 표면 개질되어 기포길일 수 있다. 챔버 하부에 연결된 기포 주입구를 통해서 주입된 기포는 기포길을 따라서 챔버 상부로 이동되고 챔버 상부에 연결된 가스 배출구를 통해 챔버 밖으로 배출될 수 있다. 기포의 상승 이동을 돕기 위해서 나선형 관 내부는 친수성으로 코팅될 수 있다. 발수성 코팅이 된 나선형의 관의 경우에 기포는 상승 이동하는 것이 아니라 일정 구간에 흡착되어 정체되어 질 수 있다.
구조 실시예 3: 기포길이 형성된 구조체
도 6은 본 발명의 구조 실시예 3을 수조에 적용한 도면이다.
도 6을 참조하면, 기포길이 적용된 구조체를 확인할 수 있다. 구조체는 받침대의 상측으로 형성된 좌측 기둥 및 우측 기둥, 상기 좌측 기둥 및 상기 우측 기둥에서 중심부로 뻗어져 나오는 표면이 개질된 기포길을 포함할 수 있다. 이때 좌측 기둥의 기포길과 우측 기둥의 기포길은 서로 지그재그로 엇갈려 배치될 수 있다. 기포길은 지면과 0.5 내지 89°의 경사 각도를 가질 수 있다.
기포길의 표면 개질층 물질과 두께 및 기포길의 물질은 상기 구조 실시예 1에서 기재한 바와 동일할 수 있다.
기포길은 구체적으로 좌측 기포길의 끝단은 우측 기포길의 시작단과 근접하게 배치될 수 있고 우측 기포길의 끝단은 좌측 기포길의 시작단과 근접하게 배치될 수 있다. 구조체는 액체의 흐름이 거의 없는 수조에 설치될 수 있고 수조의 하부에는 기포가 주입될 수 있다. 예를 들어, 수조 좌측 하부에 주입된 기포는 경사진 좌측 기포길을 따라서 상승할 수 있다. 좌측 기포길이 끝나는 부분에서 기포는 우측 기포길로 옮겨가서 다시 상승할 수 있다. 이와 같이 기포는 좌측 기포길과 우측 기포길을 번갈아 이동하면서 수조의 상부로 상승될 수 있다. 상기 구조체에 의해서 기포의 이동경로 및 체류시간을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 구조체는 나선형 구조일 수 있다. 나선형의 구조체는 내부 표면이 개질되어질 수 있어서, 가지 형태의 구조체와 동일하게 기포의 이동경로 및 체류시간을 향상시킬 수 있다.
표면 처리 실시예 1: 다층박막적층법을 통한 친수성 고분자 표면 코팅
증류수, 에탄올, 아세톤에 2분씩 초음파 세척기를 통한 표면 세척 후 O2 plasma를 120 mTorr에서 2분간 처리해주며 표면 위의 유기물을 제거했다. 톨루엔에 녹인 1%의 3-(glycidoxypropyl)-trimethoxysilane 용액에 표면을 하루 동안 넣고 표면의 하이드록시기와 반응시킨 후, 톨루엔으로 표면을 세척했다. 여기서 톨루엔은 다른 유기용매로 교체될 수 있다. 0.01M의 폴리에틸렌이민(poly(ethylene imine)) 수용액(pH=9)에 4시간 이상 넣어 표면의 에폭시기와 반응시킨 후, 물에 세척했다. 셀룰로오스(carboxymethyl cellulose) 수용액을 시작으로 키토산(chitosan) 수용액과 10분씩 번갈아 10회 이상 침지하여 표면의 박막 두께를 조절했다. 이때 키토산과 셀룰로오스 수용액의 농도는 0.1 wt%이며 키토산이 pH 7에서 불안정하기 때문에 pH는 3 내지 6이 적당하다. 0.05 M MES(2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid monohydrate) 버퍼 용액(pH=5)에 30분 동안 넣었으며, 이때 버퍼 용액에는 200 mM의 EDC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimidehydrochloride)와 50 mM의 NHS(N-hydroxysulfosuccinimide)도 포함되어야 한다. 그 후 0.01 M Phosphate-Buffered Saline 용액에 20분 담가두었다. 마지막으로 표면을 물로 세척하였다. 그 결과, 다층박막적층법을 통한 친수성 표면을 얻어내었다.
표면 처리예 실시예 2: 양쪽성 이온(Zwitterion) 표면 코팅
증류수, 에탄올, 아세톤에 각 2분씩 초음파 세척기를 통한 표면 세척 후 air plasma를 0.6 Torr에서 2분간 처리해주어 표면에 하이드록시기(-OH)를 붙였다. 1 g의 silane174(3-(trimethoxy silyl) propyl methacrylate), 0.05 g의 증류수, 9 g의 톨루엔 비율로 섞은 용액에 표면을 80 ℃에서 하루 동안 반응시켰다. 여기서 톨루엔은 다른 유기용매로 교체될 수 있다. 그 후 100 ml의 메탄올, 0.01 g의 AIBN(2,2'-Azobis(2-methylpropionitrile)), 27.9 g의 양쪽성 이온인 DMMSA(N-(3-sulfopropyl)-N-methacroyloxyethyl-N,N-dimethylammonium betaine)의 비율로 섞은 용액에 표면을 80 ℃에서 하루 동안 반응시켰다. 이를 통해 친수성의 양쪽성 이온이 코팅된 표면을 얻었다.
표면 처리 실시예 3: 하이드로겔 표면 코팅
증류수, 에탄올, 아세톤에 각 2분씩 초음파 세척기를 통한 표면 세척 후 air plasma를 0.6 Torr에서 2분간 처리해주어 표면에 하이드록시기(-OH)를 붙였다. 1 g의 silaneA174(3-(trimethoxy silyl) propyl methacrylate), 0.05 g의 증류수, 9g의 톨루엔 비율로 섞은 용액에 표면을 80 ℃에서 하루 동안 반응시켰다. 여기서 톨루엔은 다른 유기용매로 교체될 수 있다. 하이드로겔의 모노머(monomer)로 acrylamide, photoinitiator으로 Irgacure 2959를 사용하였다. 500 mg의 Irgacure 2959와 5 g의 acrylamide, 50 ml의 증류수 비율로 섞은 용액에 실레인 처리를 한 표면을 넣고 10 mW/cm2 강도의 UVA를 두시간 조사하여 친수성의 하이드로겔이 코팅된 표면을 얻었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 액체가 담긴 챔버;
    상기 챔버 내부의 표면을 개질하여 형성된 기포길(Bubble Path);
    상기 챔버 하부에 연결된 기포 주입구;
    상기 챔버 상부에 연결된 액체 주입구;
    상기 챔버 상부에 연결된 기포 배출구; 및
    상기 챔버 하부에 연결된 액체 배출구를 포함하고,
    상기 기포길의 물질은 유리 또는 플라스틱 중에서 선택되는 하나이며,
    상기 기포길 표면의 구조는 나노 스케일의 거칠기를 갖는 표면, 마이크로 스케일의 거칠기를 갖는 표면 또는 나노 스케일과 마이크로 스케일을 복합적으로 갖는 표면인 것을 특징으로 하는,
    기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함한 챔버.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기포길의 개질된 표면은 친수성 단분자, 친수성 고분자, 양친성(zwitter ionic) 분자 및 하이드로겔 중에서 선택되는 하나이고,
    상기 개질된 표면의 두께는 1 nm 이상인 것을 특징으로 하는,
    기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함한 챔버.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기포길은 상기 챔버의 좌우로부터 중심으로 연장되는 가지 부분을 포함하고,
    상기 가지 부분은 지면과 0.5 내지 89°의 경사 각도를 갖고,
    상기 좌측 가지 부분과 상기 우측 가지 부분은 서로 지그재그(Zig-Zag) 구조인 것을 특징으로 하는,
    기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함한 챔버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기포길이 형성된 상기 챔버는 나선형(Helix) 구조인 것을 특징으로 하는,
    기포의 이동 경로를 길게 하는 기포길을 포함한 챔버.
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