KR102627486B1 - Microplastic Separation Apparatus ans Microplastic Separation Method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 미세플라스틱을 포함한 물이 수용되는 저장조(110); 상기 저장조의 물을 공급받아 미세플라스틱을 포집하고 분리하는 전기영동수집기(150); 상기 저장조의 물을 상기 전기영동수집기로 공급하는 유입배관(120); 상기 전기영동수집기의 물을 상기 저장조로 되공급하는 배출배관(160); 상기 전기영동수집기의 상하면 중 어느 하나에는 양의 전기장을 가하고, 다른 하나에는 음의 전기장을 가하는 수집기 전기장 부가장치(170); 및 상기 전기영동수집기 내부에는 구비되는 아가로스겔(agaros gel) 층(155);을 포함하고, 상기 전기영동수집기에 가해지는 전기장의 힘에 의해 미세플라스틱이 상기 아가로스 겔 층에 포집되는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치를 제공한다. The present invention includes a storage tank 110 containing water containing microplastics; An electrophoretic collector (150) that receives water from the storage tank and collects and separates microplastics; An inflow pipe 120 that supplies water from the storage tank to the electrophoretic collector; A discharge pipe 160 that supplies water from the electrophoresis collector back to the storage tank; a collector electric field adding device 170 that applies a positive electric field to one of the upper and lower surfaces of the electrophoretic collector and a negative electric field to the other; and an agarose gel layer 155 provided inside the electrophoresis collector, wherein microplastics are collected in the agarose gel layer by the force of the electric field applied to the electrophoresis collector. A microplastic particle separation device is provided.
Description
본 발명은 중력 및 전기(정전기)를 포함한 다양한 힘의 장에서 물 속에서 미세 플라스틱(1 μm < d < 10 μm, d는 직경)를 분리하는 장치에 대한 것으로, 본 발명에 따른 분리 장치는 미세플라스틱을 분석하는 과정의 전처리 장치로 이용할 수 있다. 구체적으로 보면, 본 발명은 미세플라스틱을 함유한 물에 전기장을 부가하여 음전하를 띠는 미세플라스틱 입자를 전기력에 따른 작용력을 통해 포집하여 분리하는 기술에 대한 것이다.The present invention relates to a device for separating microplastics (1 μm < d < 10 μm, d is the diameter) in water in various force fields including gravity and electricity (static). The separation device according to the present invention It can be used as a preprocessing device in the process of analyzing plastics. Specifically, the present invention relates to a technology for adding an electric field to water containing microplastics to collect and separate negatively charged microplastic particles through the force of the electric force.
육지에서 해양으로 유입되는 플라스틱에는 폴리에틸렌, 폴리염화비닐, 폴리프로필렌, 폴리스티렌 등의 재질이 있는데, 바다에 유입되는 과정에서 풍화 및 침식 작용으로 분해되어 작은 입자로 쪼개어 지고, 이렇게 작은 입자로 쪼개어진 입자들은 크기에 따라 매크로, 미세, 나노 플라스틱 등으로 분류된다. 이러한 미세플라스틱은 동·식물성 플랑크톤 및 바다생물체가 먹이로 오인하여 섭취함으로써 소화기 장애와 질병 및 죽음을 유발한다. Plastics that enter the ocean from land include materials such as polyethylene, polyvinyl chloride, polypropylene, and polystyrene. During the process of entering the ocean, they decompose through weathering and erosion and break into small particles. They are classified into macro, micro, and nano plastics depending on their size. These microplastics are ingested by animal and phytoplankton and marine organisms, mistaking them for food, causing digestive problems, disease, and death.
미세 플라스틱이 생태계에 악영향을 끼친다는 점을 고려하여, 해양수 또는 하천수 등의 물속에 존재하는 미세플라스틱을 제거하기 위한 노력이 전세계적으로 이루어지고 있다.Considering that microplastics have a negative impact on the ecosystem, efforts are being made around the world to remove microplastics present in water such as ocean water or river water.
그런데, 해양수와 하천수 또는 기타 다양한 물 속에 함유된 미세플라스틱의 종류와 특성 등을 파악하거나 실험 연구를 위해서는 먼저 미세플라스틱을 분리하여야 할 필요가 있다. However, in order to identify the types and characteristics of microplastics contained in marine water, river water, or other various waters, or to conduct experimental research, it is necessary to first separate microplastics.
종래의 플라스틱 입자를 분리하기 위한 기존 여과 장치의 문제점은 다음과 같다. 마이크로 플라스틱의 입자 크기가 10 μm 보다 작은 경우 미세플라스틱은 콜로이드 거동을 보이는데, 이때 체거름 및 밀도 분리를 기반으로 서브마이크론 여과 시간이 필터 표면의 케이크의 형성으로 인해 길어질 수 있다. 미세플라스틱이 여과되는 과정에서 필터표면에 쌓여서 필터 성능이 저하되거나 필터의 내구성이 떨어지게 된다. 그리고, 미세 플라스틱의 작은 질량과 부피는 확산을 분리에 필적할 수 있게 하여 고밀도 용액을 사용한 밀도 분리의 비효율을 초래한다.The problems with existing filtration devices for separating conventional plastic particles are as follows. When the particle size of microplastics is smaller than 10 μm, microplastics exhibit colloidal behavior, where submicron filtration times based on sieving and density separation can be prolonged due to the formation of cakes on the filter surface. During the filtration process, microplastics accumulate on the filter surface, deteriorating filter performance or reducing the durability of the filter. Additionally, the small mass and volume of microplastics allow diffusion to be comparable to separation, resulting in the inefficiency of density separation using high-density solutions.
그리고, 종래 기술에 따른 미세플라스틱 분리 기술로는 물을 여과하는 여과방식이 있었다. 그러나 여과방식에서는 필터 공극의 한계로 마이크로단위에서 여과를 통해 미세플라스틱을 포집할 수 있으나, 나노단위의 플라스틱 입자를 선택적으로 분리하기 위해서는 어려움이 있었다. In addition, the microplastic separation technology according to the prior art included a filtration method for filtering water. However, in the filtration method, microplastics can be captured through filtration at the micro level due to limitations in filter pores, but it is difficult to selectively separate nano-scale plastic particles.
본 발명은 물속에 존재하는 미세플라스틱을 분석하기 위해 미세플라스틱을 분리하는 장치이며, 구체적으로는 정전기를 이용하여 물속에 존재하는 미세플라스틱을 농축하면서 분리할 수 있는 기술을 제공하는 것이 목적이다.The present invention is a device that separates microplastics in order to analyze microplastics present in water. Specifically, the purpose is to provide a technology that can concentrate and separate microplastics present in water using static electricity.
특히, 본 발명은 나노단위의 플라스틱 입자를 선택적으로 분리하기 기술로서 전기영동방식을 제공하여 나노사이즈 단위의 미세 플라스틱의 입자를 선택적으로 포집 및 분리할 수 있는 기술을 제공한다.In particular, the present invention provides a technology for selectively capturing and separating nano-sized microplastic particles by providing an electrophoresis method as a technology for selectively separating nano-sized plastic particles.
본 발명은, 미세플라스틱을 포함한 물이 수용되는 저장조(110); 상기 저장조의 물을 공급받아 미세플라스틱을 포집하고 분리하는 전기영동수집기(150); 상기 저장조의 물을 상기 전기영동수집기로 공급하는 유입배관(120); 상기 전기영동수집기의 물을 상기 저장조로 되공급하는 배출배관(160); 상기 전기영동수집기의 상하면 중 어느 하나에는 양의 전기장을 가하고, 다른 하나에는 음의 전기장을 가하는 수집기 전기장 부가장치(170); 및 상기 전기영동수집기 내부에는 구비되는 아가로스겔(agaros gel) 층(155);을 포함하고, 상기 전기영동수집기에 가해지는 전기장의 힘에 의해 미세플라스틱이 상기 아가로스 겔 층에 포집되는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치를 제공한다. The present invention includes a
상기 전기영동수집기(150)는, 상기 전기영동수집기의 상하면 중 어느 하나에 구비되어 양의 전기장을 가하는 양극(151); 및 상기 전기영동수집기의 상하면 중 다른 하나에 구비되어 음의 전기장을 가하는 음극(159);을 포함하여, 상기 미세플라스틱을 상기 양극이 위치하는 방향으로 전기력을 가하게 된다.The
상기 전기영동수집기(150)는, 상기 유입배관을 통해 상기 저장조의 물이 유입되어 플라스틱이 분리된 후 상기 배출배관을 통해 물이 배출되는 분리챔버(156);를 더 포함하고, 상기 아가로스 겔(agaros gel) 층(155)은 상기 분리챔버 내부에서 상하면 중 하나에 구비되되 상기 양극이 위치하는 면에 구비된다.The
상기 전기영동수집기(150)는, 상기 양극과 상기 분리챔버 사이에 구비되는 양극챔버(153)를 더 포함하고, 상기 양극챔버에는 전해액이 구비되고, 상기 양극챔버로는 전해액을 공급하는 전해액 유입관(153a)과 전해액이 외부로 배출되는 전해액 배출관(153b)를 더 포함한다. The
상기 양극챔버(153)와 상기 분리챔버(155)는 상기 아가로스겔 층에 의해 서로 분리되며, 상기 아가로스겔 층과 상기 양극챔버 사이에는 지지 멤버레인층(154)이 구비되어 상기 아기로스겔 층을 지지한다.The
또한, 본 발명은 물 속에 존재하는 미세플라스틱 입자를 농축하여 상기 저장조(110)로 공급하는 미세플라스틱 입자 농축 유닛을 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a microplastic particle concentration unit that concentrates microplastic particles present in water and supplies them to the
상기 미세플라스틱 입자 농축 유닛는, 미세플라스틱을 포함한 제1상태의 물(w1)이 수용되는 농축조(10); 상기 농축조와 연결된 제1배관을 통해 상기 제1상태의 물(w1)을 공급받아 미세플라스틱을 농축하고 여과하는 전기보조 분리기(20); 상기 전기보조 분리기 내부 저면에서 소정 거리 이격되어 구비되는 필터(30); 상기 전기보조 분리기 저면에 구비되어, 상기 전기보조 분리기에서 상기 필터를 통과한 제2상태의 물(w2)을 배출하는 제2배관; 상기 전기보조 분리기 측면 중 상기 제1배관과 대향되는 측면에 구비되고, 상기 전기보조 분리기에서 상기 필터의 상측에 위치하여 제3상태의 물(w3)을 배출하는 제3배관; 상기 전기보조 분리기의 상면에 양의 전기장을 가하고 상기 전기보조 분리기의 하면에는 음의 전기장을 부여하는 정전기장 부가장치(E);를 포함한다. The microplastic particle concentration unit includes a concentration tank (10) containing water (w1) in a first state containing microplastics; An electrically assisted separator (20) that receives water (w1) in the first state through a first pipe connected to the concentration tank and concentrates and filters microplastics; A filter (30) provided at a predetermined distance apart from the inner bottom of the electric auxiliary separator; a second pipe provided on the bottom of the electric auxiliary separator and discharging water (w2) in a second state that has passed through the filter from the electric auxiliary separator; a third pipe provided on a side of the electrically auxiliary separator opposite to the first pipe and located above the filter in the electrically auxiliary separator to discharge water (w3) in a third state; It includes a static electric field adding device (E) that applies a positive electric field to the upper surface of the electric auxiliary separator and a negative electric field to the lower surface of the electric auxiliary separator.
상기 미세플라스틱 입자 농축 유닛에서, 상기 필터에 구비되는 투과막은 상기 미세플라스틱은 통과하지 못하는 크기의 공극이 형성되어 있어서, 상기 제3상태의 물은 상기 제1상태의 물 보다 미세플라스틱의 함량비율이 높아지고, 상기 제2상태의 물은 미세플라스틱을 포함하지 않고, 상기 정전기장 부가장치에 의해 전기보조 분리기 상하면에 부가되는 전기장에 의해 미세플라스틱 입자는 상방향의 정전기력을 받아서 상기 필터의 여과막의 상측에 미세플라스틱이 축적되어 막히는 현상을 방지한다.In the microplastic particle concentration unit, the permeable membrane provided in the filter has pores of a size that the microplastics cannot pass through, so that the water in the third state has a content ratio of microplastics compared to the water in the first state. The water in the second state does not contain microplastics, and the microplastic particles receive an upward electrostatic force due to the electric field added to the upper and lower surfaces of the electric auxiliary separator by the electrostatic field adding device and are attached to the upper side of the filtration membrane of the filter. Prevents microplastics from accumulating and clogging.
또한, 본 발명은 상기 장치를 이용하여 미세플라스틱을 분리하는 방법을 제공하게 된다. 즉, 상기 저장조의 물을 상기 전기영동수집기로 공급하고, 상기 수집기 전기장 부가장치로 전기영동수집기에 전기장을 가하고, 전기장의 힘에 의해 미세플라스틱이 이동하여 상기 아가로스겔 층에 포집되는 포집단계;와, 상기 포집된 미세플라스틱을 아가로스겔 층에서 분리하는 분리단계;로 이루어지고, 상기 분리단계는, 상기 전기영동수집기에 증류수를 공급하는 분리 1단계; 상기 수집기 전기장 부가장치를 이용하여, 상기 분리단계에서 전기영동수집기에 가해지던 전기장의 방향의 역방향으로 전기장을 가하는 분리 2단계; 상기 아가로스겔층에 포집되어 있던 미세플라스틱이 역방향 전기장의 힘에 의해 분리되고, 상기 분리된 미세플라스틱이 함유된 물을 인출하는 분리 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 분리방법이다.Additionally, the present invention provides a method for separating microplastics using the above device. That is, a collection step in which water from the storage tank is supplied to the electrophoresis collector, an electric field is applied to the electrophoresis collector using the collector electric field addition device, and microplastics are moved by the force of the electric field and collected in the agarose gel layer; and a separation step of separating the collected microplastics from the agarose gel layer, wherein the separation step includes: a first separation step of supplying distilled water to the electrophoresis collector; A second separation step of applying an electric field in a direction opposite to the direction of the electric field applied to the electrophoretic collector in the separation step using the collector electric field application device; It is a microplastic separation method characterized by comprising the following three steps: the microplastics trapped in the agarose gel layer are separated by the force of a reverse electric field, and water containing the separated microplastics is withdrawn.
본 발명은 물속에 존재하는 미세플라스틱을 분리할 수 있는 장치를 제공함으로써, 물 속에 존재하는 미세플라스틱을 연구하는 분야의 전처리 과정에 필요한 장비를 제공하는 유리한 효과가 발생하며, 나노 사이즈 단위의 미세 플라스틱의 입자를 선택적으로 포집 및 분리할 수 있는 효과가 발생한다.The present invention provides a device for separating microplastics present in water, which has the advantageous effect of providing equipment necessary for the pretreatment process in the field of research on microplastics present in water, and provides nano-sized microplastics. The effect of selectively capturing and separating particles occurs.
도 1은 본 발명에 따른 미세플라스틱 입자 농축 유닛의 개념적인 모식도이며,
도 2는 본 발명에 따른 미세플라스틱 입자 농축 유닛에서의 제어 체적에 따른 물질수지 흐름도 등을 보여주고 있으며,
도 3은 음전하로 대전된 미세입자가 물 속에서 받는 힘을 보여주고 있으며,
도 4는 본 발명에 따른 미세플라스틱 농축을 위한 전기보조여과(EAS) 장치 구성도이며,
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예로서 이온 강도가 0.01 ~ 0.5M(담수와 해수의 이온 강도)인 다양한 QP/Q0 비율에서 요구되는 다양한 제타 전위를 갖는 미세플라스틱의 임계 전기장(Ec)을 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 미세플라스틱 분리장치의 개념적인 모식도이며,
도 7과 도 8은 본 발명에 따른 미세플라스틱 분리장치를 이루는 전기영동수집기의 구조를 보여준다.1 is a conceptual schematic diagram of a microplastic particle concentration unit according to the present invention;
Figure 2 shows a mass balance flow chart according to the control volume in the microplastic particle concentration unit according to the present invention,
Figure 3 shows the force received by negatively charged fine particles in water.
Figure 4 is a configuration diagram of an electrically assisted filtration (EAS) device for concentrating microplastics according to the present invention;
Figure 5 shows the critical electric field (Ec) of microplastics with various zeta potentials required at various QP/Q0 ratios with ionic strengths of 0.01 to 0.5M (ion strengths of fresh water and seawater) as an example according to the present invention. .
Figure 6 is a conceptual schematic diagram of the microplastic separation device according to the present invention;
Figures 7 and 8 show the structure of the electrophoretic collector that forms the microplastic separation device according to the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들이며 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The objectives, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. Additionally, the terms used are terms defined in consideration of the functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the overall content of this specification.
본 발명은 정전기장을 적용하여, 마이크로 입자 크기의 플라시틱을 농축하면서 분리하는 기술이며, 구체적으로는 미세플라스틱을 포함하지 않는 물만을 분리하여 배출하는 작업을 반복하여 미세플라스틱의 농도를 높이는 것이며 이 과정에서 필터 막에 미세플라스틱이 쌓이는 것을 방지하기 위해 정전기력을 부가하는 것이 특징이다. 이하 본 발명에 대해서 도면을 참고하여 설명한다.The present invention is a technology for concentrating and separating micro-particle-sized plastics by applying an electrostatic field. Specifically, the process of separating and discharging only water that does not contain microplastics is repeated to increase the concentration of microplastics. This process is characterized by adding electrostatic force to prevent microplastics from accumulating on the filter membrane. Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
일반적으로 물 속의 미립자는 대부분 음전하를 띠기 때문에 정전기장에서 이러한 미립자는 전극의 양극 표면에 수집되게 된다. 이러한 원리를 이용하여 미세플라스틱을 분리하는 기술에 적용할 수 있다. 물에서 미립자의 움직임을 제어하는 세 가지 힘은 중력, 정전기 그리고 농도이다. 미세플라스틱 입자의 경우, 분포하는 농도가 작기때문에 확산에 대한 이동은 중요하지 않고, 하전된 콜로이드 입자의 이동을 위해, 중력 및 정전기가 주요 이동을 일으키는 힘이 된다. 이 원리를 이용하여 미세플라스틱 입자의 분리 장치를 설계한 것이다.In general, most of the particles in water have a negative charge, so in an electrostatic field, these particles are collected on the positive surface of the electrode. This principle can be applied to technology to separate microplastics. The three forces that control the movement of particles in water are gravity, static electricity, and concentration. In the case of microplastic particles, diffusion is not important because the distribution concentration is small, and for the movement of charged colloidal particles, gravity and electrostatic forces are the main forces that cause movement. Using this principle, a device for separating microplastic particles was designed.
그리고, 미세플라스틱을 효율적으로 분리하기 위해서는 먼저 농축하는 과정이 선행되는 것이 좋다. 따라서, 본 발명에서는 물속에 존재하는 미세플라스틱의 농도를 인위적으로 높이는 농축과정과 농축된 상태에서 미세플라스틱을 포집하고 분리하는 기술을 개발하였다.And, in order to efficiently separate microplastics, it is best to first proceed with a concentration process. Therefore, in the present invention, a concentration process to artificially increase the concentration of microplastics present in water and a technology to capture and separate microplastics in a concentrated state were developed.
[미세플라스틱 농축 기술][Microplastic concentration technology]
본 발명에 따른 미세플라스틱 입자 농축 유닛는 전기적인 힘을 이용하는 것이며, 전기보조 분리기(도 1의 20)를 이용하며, 상기 전기보조 분리기를 이하에서는 'EAS 셀' 또는 'EAS'라고도 한다(EAS, electrically-assisted separator).The microplastic particle concentration unit according to the present invention uses electrical force and uses an electrically auxiliary separator (20 in Figure 1), hereinafter also referred to as an 'EAS cell' or 'EAS' (EAS, electrically auxiliary separator). -assisted separator).
물속에 존재하는 미세플라스틱 입자를 분석하고 연구를 하기 위해서는 먼저 미세플라스틱을 효율적으로 분리할 수 있어야 한다. 본 발명은 미세플라스틱 분석의 전단계 기술로 미세플라스틱을 선택적으로 농축하여 분리하여 입자성 물질을 수집하는 장치이다. 생성된 농축물은 무기 입자 및 바이오 고형물을 제거하기 위한 전처리에 적합하며, 앞서 언급한 종래 기술의 여과방식의 단점을 극복할 수 있는 장점이 있다. In order to analyze and study microplastic particles existing in water, the microplastics must first be efficiently separated. The present invention is a device that collects particulate matter by selectively concentrating and separating microplastics as a pre-stage technology for microplastic analysis. The resulting concentrate is suitable for pretreatment to remove inorganic particles and biosolids, and has the advantage of overcoming the disadvantages of the filtration method of the prior art mentioned above.
본 발명은 전기장의 도움을 받아 용액에서 플라스틱 입자를 분리하기 위해 전기 보조 분리기로서, 미세플라스틱의 분리를 위해 EAS는 스트림 분리기를 사용하여 여과함으로써, 플라스틱 입자의 여과막의 막힘 없이 농축을 수행한다. 전기장의 사용은 미세플라스틱이 필터의 투과막에 쌓여 압력이 상승하고 손실이 발생하는 것을 방지하여 농축 스트림에 미세플라스틱을 유지하도록 한다. 그리고, 임계 전기장, EAS 장치의 농도 계수 및 저수지의 농도 변화를 계산하고 모델링할 수 있다. The present invention is an electrically assisted separator for separating plastic particles from a solution with the help of an electric field. For the separation of microplastics, EAS filters using a stream separator, thereby carrying out concentration without clogging of the filtration membrane of the plastic particles. The use of an electric field keeps microplastics in the concentrated stream by preventing them from accumulating on the filter's permeable membrane, causing pressure build-up and losses. Then, the critical electric field, the concentration coefficient of the EAS device, and the concentration change in the reservoir can be calculated and modeled.
[수학적 모델 개발][Development of mathematical model]
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 개념적인 도면으로 반응조와 통합된 EAS 셀 장치의 설계를 보여준다. EAS 셀 장치는 메쉬 스크린을 사용하여 중력에 대한 전기장이 있는 상태에서 흐름을 분리한다. 전기의 도움으로 미세플라스틱 입자는 저장소(10)로 되돌아가는 농축액에 유지될 수 있다. 메쉬 스크린(30, 필터)은 스트림 분리기 역할을 한다. 도면에서 전기보조 분리기(20, EAS)는 미세플라스틱의 농축이 일어나는 곳이다. 농축조(10)는 미세플라스틱의 농도가 동일한 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)로 간주된다. EAS에서 미세플라스틱의 움직임과 농축조의 농도 변화를 설명하는 수학적 모델은 여기에서 파생된다. Referring to Figures 1 and 2, conceptual drawings of the present invention show the design of an EAS cell device integrated with a reactor. EAS cell devices use mesh screens to separate flows in the presence of an electric field against gravity. With the help of electricity, the microplastic particles can be retained in the concentrate, which is returned to the reservoir (10). The mesh screen (30, filter) serves as a stream separator. In the drawing, the electrically assisted separator (20, EAS) is where concentration of microplastics occurs. The thickener 10 is considered a continuous stirred tank reactor (CSTR) with the same concentration of microplastics. The mathematical model that explains the movement of microplastics in EAS and changes in concentration in the thickener is derived here.
[EAS 장치] [EAS device]
유속과 입자 수는 EAS의 농축실에서 균형을 이룬다. 도 2에서 볼 수 있듯이 위치 x의 제어 볼륨이 너비가 W, 높이가 H, 길이가 Δx인 경우 유입되는 물(Qx)은 유출되는 물(Qx+Δx)의 합과 같으며 스페이서를 통해 투과된 물(QP,x), 물의 흐름(Qx 및 Qx+Δx)은 수평 속도(ux)에 횡단 흐름에 수직인 단면적(W×H)을 곱한 값으로 표시된다. 투과 흐름은 물의 수직 속도(vw)에 횡단 흐름과 평행한 단면적(W×Δx)을 곱한 것과 같다. Δx가 0에 무한히 접근할 때식 38은 식 39와 같이 미분 형식으로 다시 쓸 수 있다. 적분 형태는 Eq. x의 함수 ux를 표현하는 적분형식은 식 40과 같다.Flow rate and particle number are balanced in the concentration chamber of the EAS. As shown in Figure 2, if the control volume at position x has a width of W, a height of H, and a length of Δx, the incoming water (Qx) is equal to the sum of the outgoing water (Qx+Δx), and Water (QP,x), water flow (Qx and Qx+Δx) is expressed as the horizontal velocity (ux) multiplied by the cross-sectional area perpendicular to the transverse flow (W×H). Permeate flow is equal to the vertical velocity of water (vw) multiplied by the cross-sectional area parallel to the transverse flow (W×Δx). When Δx approaches 0 infinitely, Equation 38 can be rewritten in differential form as Equation 39. The integral form is Eq. The integral form expressing the function u x of x is as shown in Equation 40.
제어 체적 개념은 입자 수의 균형에도 적용된다. EAS 농축실의 입자 농도는 x 방향으로만 변한다고 가정한다. 도 2에서 볼 수 있듯이 단위 시간(#/sec)당 제어 체적으로 들어가는 입자의 수는 Qx(cm3/sec)와 Cx(#/cm3)의 곱과 같다. 입자는 위치 x+Δx(Qx+Δx
여기서, 항 d(Cxux)에 대한 곱 규칙의 적용은 식 42를 식 43으로 변환하며 이는 입자의 number balance에서 governing equation식이 된다. 수직 입자 플럭스는 전기장에 의해 달성된 종단 속도(vt)와 수직 물 속도(vw)에 따라 결정된다. 전기장은 입자가 수직 투과 속도에 대해 이동할 수 있게 한다는 점을 고려하면 vt와 vw가 같을 때 임계 전기장(Ec)을 정의할 수 있다. MP를 다루기 때문에 최종 속도에서 순 중력의 영향을 고려해야 한다(식 25). Ec는 식 44와 같이 표현될 수 있다. E ≥ Ec에서 vt > vw로 투과물이 있는 제어 체적을 떠나는 입자는 없으며 Nz,x = 0이 된다. 그러나 E < Ec 및 vw > vt이면 입자가 수직 투과물이 있는 제어 볼륨(도 2의 (d))을 떠나게 된다. 농도 Cx(#/cm3)에서 입자가 균일하게 분산되어 있음을 고려하면 Nz,x(#/sec-cm2)는 Cx(vw-vt)로 표시된다. E ≥ Ec이고 Nz,x = 0이면 Cx/C0의 해는 식 45a와 같이 풀린다. E< Ec이고 Nz,x = Cx(vw-vt)인 경우 해는 식 45b와 같이 제공e된다. x = L일 때 EAS 장치의 농도 계수(CF)는 식 34.와 같이 출구 농도 대 입구 농도(CL/C0)의 비율로 계산된다.Here, application of the product rule for the term d( C The vertical particle flux depends on the longitudinal velocity (v t ) and the vertical water velocity (v w ) achieved by the electric field. Considering that the electric field allows the particle to move relative to the vertical penetration velocity, we can define the critical electric field (Ec) when vt and vw are equal. Since we are dealing with MP, the effect of net gravity on the final velocity must be taken into account (Equation 25). Ec can be expressed as Equation 44. For E ≥ Ec, with v t > v w no particles leave the control volume with the permeate and N z,x = 0. However, if E < E c and v w > v t , the particles will leave the control volume with vertical permeate ((d) in Figure 2). Considering that the particles are uniformly dispersed at a concentration C x (#/cm3), N z,x (#/sec-cm2) is expressed as C x (vw-vt). If E ≥ Ec and Nz,x = 0, the solution of Cx/C0 is solved as Equation 45a. If E<E c and N z,x = C x (vw-vt), the solution is given as Equation 45b. When x = L, the concentration coefficient (CF) of the EAS device is calculated as the ratio of the outlet concentration to the inlet concentration (C L /C 0 ) as shown in Equation 34.
여기서, 이다.here, am.
[농축조(10)의 농도 증가] [Increase in concentration of concentrator (10)]
미세플라스틱을 원하는 수준으로 농축하기 위해 농축 스트림을 농축조(10, CSTR)로 되돌리는 EAS가 지속적으로 작동된다. 결과적으로 SCSTR의 입자 농도는 지속적으로 증가할 것이며 이 섹션의 초점은 시간의 함수로서 CSTR의 입자 농도 변화를 설명하는 것이다. To concentrate microplastics to the desired level, the EAS is continuously operated to return the concentrated stream to the enrichment tank (10, CSTR). As a result, the particle concentration in the SCSTR will continue to increase and the focus of this section is to describe the change in particle concentration in the CSTR as a function of time.
모델 개발을 단순화하기 위해 다음과 같은 가정을 한다.To simplify model development, we make the following assumptions:
(1) CSTR의 농도가 잘 혼합되어 있다. 시간 t에서 EAS 단위로 들어가는 농도는 CSTR, Ct의 농도와 같다. (1) The concentration of CSTR is well mixed. The concentration entering the EAS unit at time t is the same as the concentration of CSTR and Ct.
(2) EAS의 유량, 즉 Q0, QC 및 QP는 일정한다. EAS의 농도 계수(CF, Ct,out/Ct)는 작동 중에 동일하다.(2) The flow rates of EAS, i.e. Q0, QC and QP, are constant. The concentration coefficients (CF, Ct,out/Ct) of EAS are the same during operation.
(3) EAS 장치의 유지 시간(τ)은 총 작동 시간(~3시간)에 비해 매우 짧다(~3분). 따라서 1 τ 내에서 Ct의 변동은 무시할 수 있으므로 Ct,C를 Ct×CF로 나타낼 수 있다. (3) The holding time (τ) of the EAS device is very short (~3 min) compared to the total operating time (~3 h). Therefore, the variation of Ct within 1 τ can be ignored, so Ct,C can be expressed as Ct×CF.
CSTR의 입자에 대한 질량 균형은 식 48이고, QC = Q0 - QP 및 Ct,C = Ct×CF를 이용하면 식 49로 표현된다. 식 47에서와 같이 Vt의 관계를 기반으로 d(VtCt)에 곱 규칙을 적용하면 지배 방정식은 식 50이 된다.The mass balance for the particles of CSTR is Equation 48, and is expressed as Equation 49 using QC = Q0 - QP and Ct,C = Ct×CF. If the product rule is applied to d(VtCt) based on the relationship between Vt as in Equation 47, the governing equation becomes Equation 50.
식 50에 대한 해는 식 51로 표현된다. 방정식은 Ct/C0의 변화가 초기 샘플 부피에 대한 투과 유량의 비율(QP/V0), 투과 유량에 대한 입력 유량의 비율(Q0/QP) 및 EAS 단위의 농도 계수에 의존함을 시사한다. (CF).The solution to equation 50 is expressed as equation 51. The equation suggests that the change in Ct/C0 depends on the ratio of permeate flow rate to initial sample volume (QP/V0), the ratio of input flow rate to permeate flow rate (Q0/QP), and the concentration coefficient in EAS units. (CF).
[집중 계수 및 임계 전기장의 시뮬레이션] [Simulation of concentration coefficient and critical electric field]
EAS 장치의 농도 계수(CF)는 MP 분리의 효율성을 결정하는 핵심 매개변수이다. 식 46에 따르면 CF는 수직 투과 속도(vw)와 전기장에 의해 구동되는 종단 속도의 영향을 크게 받는다. 따라서 다양한 조건에서 임계 전기장(Ec)을 아는 것은 매우 중요하다. 이 섹션에서는 EAS 셀의 치수가 너비 2.5cm, 길이 20cm, 높이 1cm라고 가정한다. 입구 유량(Q0)은 1분의 τ에 해당하는 25mL/분으로 고정된다. 전기장은 중력에 대해 적용된다. 아래 [EAS 상태표]에 제시된 바와 같이 QP/Q0 비율은 투과물의 유량(QP)과 수직 투과 속도(vw)를 결정한다. The concentration coefficient (CF) of an EAS device is a key parameter that determines the efficiency of MP separation. According to Equation 46, CF is greatly affected by the vertical transmission velocity (v w ) and the longitudinal velocity driven by the electric field. Therefore, it is very important to know the critical electric field (Ec) under various conditions. In this section, we assume that the dimensions of the EAS cell are 2.5 cm wide, 20 cm long, and 1 cm high. The inlet flow rate (Q0) is fixed at 25 mL/min, corresponding to τ of 1 min. The electric field is applied against gravity. As shown in the [EAS state table] below, the QP/Q0 ratio determines the permeate flow rate (QP) and vertical permeation velocity (vw).
도 5에서 이온 강도가 0.01 ~ 0.5M(담수와 해수의 이온 강도)인 다양한 QP/Q0 비율에서 요구되는 다양한 제타 전위를 갖는 미세플라스틱의 임계 전기장(Ec)을 나타낸다. 시뮬레이션은 수직 투과 속도(vw)의 증가로 인해 Ec가 QP/Q0 값에 따라 증가함을 나타낸다. 즉, 입자가 투과와 함께 이동하는 것을 방지할 수 있는 vt를 얻기 위해서는 더 큰 E가 필요하다. 정전기력은 제타 전위에 비례하므로 플라스틱이 더 많은 음전하를 띠면 EC가 감소한다. PMMA(플라스틱의 한 종류)와 PS(플라스틱의 한 종류)의 제타 전위 범위는 -40~-60mV이다. 이 경우 Ec는 20~60V/cm로 실용적인 범위이다. 더 작은 입자 크기에서 더 큰 Ec 값은 특히 미립자의 반경이 이중층 두께에 필적할 때 미립자로 인한 전기장의 왜곡을 수정하는 헨리의 인자에서 비롯된다.In Figure 5, the critical electric field (Ec) of microplastics with various zeta potentials required at various QP/Q0 ratios with ionic strengths ranging from 0.01 to 0.5 M (ionic strengths of freshwater and seawater) is shown. Simulations show that Ec increases with QP/Q0 value due to an increase in vertical transmission velocity (vw). In other words, a larger E is needed to obtain a vt that can prevent particles from moving with permeation. Electrostatic force is proportional to zeta potential, so EC decreases as the plastic becomes more negatively charged. The zeta potential range of PMMA (a type of plastic) and PS (a type of plastic) is -40 to -60 mV. In this case, Ec is 20 to 60 V/cm, which is a practical range. The larger E values at smaller particle sizes result from Henry's factor, which corrects the distortion of the electric field due to the particle, especially when the radius of the particle is comparable to the double layer thickness.
제타전위 ζ = -40 mV 의 전위를 가지고 있는 ρs = 1.2 g/cm3 의 밀도의 PS, PMMA 미세플라스틱 입자 크기가 <10 um 크기까지는 90% 농축효율로 60 V/cm 이하에서 적용할수 있음을 확인하였다. 즉, 상기 조건에서 10um 입자까지 60 V/cm 의 전력세기에서 90% 제거 효율을 얻을수 있습니다. 여기서, V/cm 단위는 전기보조 분리기(EAS)의 단위 높이당 전위값을 의미한다.It was confirmed that PS and PMMA microplastics with a potential of zeta potential ζ = -40 mV and a density of ρs = 1.2 g/cm3 can be applied under 60 V/cm with 90% concentration efficiency up to the particle size of <10 um. did. In other words, under the above conditions, 90% removal efficiency can be achieved at a power intensity of 60 V/cm for 10um particles. Here, the unit V/cm refers to the potential value per unit height of the electrically assisted separator (EAS).
상기 전기보조 분리기(20)의 너비와 길이와 높이를 각각 W, L, H라 할 때, 상기 정전기장 부가장치에 의해 부가되는 정전기의 크기는 높이(cm) 당 10V 내지 60V인 것이 좋다. 즉, 높이가 1cm이면 전압은 10~60V로 가하게 된다.When the width, length, and height of the electric auxiliary separator 20 are W, L, and H, respectively, the size of static electricity added by the electrostatic field adding device is preferably 10V to 60V per height (cm). In other words, if the height is 1cm, the voltage is applied at 10~60V.
도 5는 0.01M, 0.05M, 0.1M 및 0.5M의 이온 강도에서 -40mV의 제타 전위를 갖는 MP의 Ec를 요약하고 이중층 두께(κ-1)는 3.0nm, 1.4nm, 1.0nm 및 0.4이다. nm, 각각. Henry의 보정 계수 f(α)는 r < 0.1κ-1에서 1.0, r > 100κ-1에서 1.5에 접근하므로 MP의 크기가 κ-1에 필적할 때 전기 영동 이동도가 작다. 따라서 Ec에 대한 이온 강도의 영향은 낮은 이온 강도에서 작은 크기에서만 나타난다. Figure 5 summarizes the Ec of MPs with a zeta potential of −40 mV at ionic strengths of 0.01 M, 0.05 M, 0.1 M and 0.5 M and the bilayer thickness (κ−1) is 3.0 nm, 1.4 nm, 1.0 nm and 0.4. . nm, respectively. Henry's correction factor f(α) approaches 1.0 at r < 0.1κ-1 and 1.5 at r > 100κ-1, so the electrophoretic mobility is small when the magnitude of the MP is comparable to κ-1. Therefore, the effect of ionic strength on Ec appears only on a small scale at low ionic strengths.
아래 표는 본 발명에 따른 시뮬레이션의 예시이며, QO 는 EAS로 투입되는 물의 시간당 양이며, QP 는 EAS에서 방출되는 배출구에서의 각각의 시간당 배출양이다. 본 실시예에서 EAS 유닛의 크기는 폭(W)과 길이(L) 및 높이(H)가 각각 아래와 같다. The table below is an example of a simulation according to the present invention, where Q O is the hourly amount of water input into the EAS, and Q P is the hourly discharge amount from each outlet discharged from the EAS. In this embodiment, the sizes of the EAS unit are as follows: width (W), length (L), and height (H).
W × L × H = 2.5 cm × 20 cm × 1 cm, Q0 = 50 mL/min W × L × H = 2.5 cm × 20 cm × 1 cm, Q0 = 50 mL/min
[EAS 상태표] [EAS status table]
도 3을 참조하면, 물에서 미립자의 움직임을 제어하는 세 가지 분야는 중력, 정전기 그리고 농도라고 할 수 있다. 미세플라스틱 입자의 경우, 농도가 작기 때문에 확산에 대한 이동은 중요하지 않고, 하전된 콜로이드 입자의 이동을 위해, 중력 및 정전기가 주요 이동을 일으키는 힘이 주된 요인이 된다. 도 3을 보면, 미세입자는 정전기 힘에 의해 위로 향하는 힘을 받고 또한 중력에 의해 아래로 향하는 힘을 받게 된다.Referring to Figure 3, the three fields that control the movement of particulates in water are gravity, static electricity, and concentration. For microplastic particles, diffusion is not important because of their small concentration, and for the movement of charged colloidal particles, gravity and electrostatic forces are the main factors that cause the main movement. Referring to Figure 3, the fine particles receive an upward force due to electrostatic force and also a downward force due to gravity.
본 발명에서의 농축과정이 이루어지는 장치를 요약하면, 미세플라스틱을 포함한 제1상태의 물(w1)이 수용되는 농축조(10)와, 상기 농축조와 연결된 제1배관을 통해 상기 제1상태의 물(w2)을 공급받아 미세플라스틱을 농축하고 여과하는 전기보조 분리기(20, EAS)와, 상기 전기보조 분리기 내부 저면에서 소정 거리 이격되어 구비되는 필터(30)와, 상기 전기보조 분리기 저면에 구비되어, 상기 전기보조 분리기에서 상기 필터를 통과한 제2상태의 물(w2)을 배출하는 제2배관과, 상기 전기보조 분리기 측면 중 상기 제1배관과 대향되는 측면에 구비되고, 상기 전기보조 분리기에서 상기 필터의 상측에 위치하는 제3상태의 물(w3)을 배출하는 제3배관과, 상기 전기보조 분리기의 상면에 양의 전기장을 가하고 상기 전기보조 분리기의 하면에는 음의 전기장을 부여하는 정전기장 부가장치(E)로 이루어진다.To summarize the device in which the concentration process in the present invention is performed, a concentration tank 10 containing water (w1) in a first state containing microplastics, and water in the first state through a first pipe connected to the concentration tank ( An electrically auxiliary separator (20, EAS) that receives w2) to concentrate and filter microplastics, a filter (30) provided at a predetermined distance from the inner bottom of the electrically auxiliary separator, and a filter (30) provided on the bottom of the electrically auxiliary separator, A second pipe discharging water (w2) in a second state that has passed through the filter in the electrical auxiliary separator is provided on a side of the electrical auxiliary separator opposite to the first pipe, and A third pipe discharging water (w3) in the third state located on the upper side of the filter, and a static electric field that applies a positive electric field to the upper surface of the electric auxiliary separator and a negative electric field to the lower surface of the electric auxiliary separator. It consists of a device (E).
상기 제3배관의 일단은 상기 전기보조 분리기의 측면에 연결되고, 타단은 상기 농축조에 연결되어 있어서, 상기 제3상태의 물이 상기 농축조로 재공급되고, 상기 제1배관 또는 상기 제3배관에는 물을 순환시키는 펌프가 구비된다.One end of the third pipe is connected to the side of the electric auxiliary separator, and the other end is connected to the enrichment tank, so that water in the third state is re-supplied to the thickener, and the first pipe or the third pipe A pump is provided to circulate water.
상기 필터에 구비되는 투과막은 상기 미세플라스틱은 통과하지 못하는 크기의 공극이 형성되어 있어서, 상기 제3상태의 물은 상기 제1상태의 물 보다 미세플라스틱의 함량비율이 높아지고, 상기 제2상태의 물은 미세플라스틱을 포함하지 않게 된다.The permeable membrane provided in the filter has pores of a size that the microplastics cannot pass through, so that the water in the third state has a higher content ratio of microplastics than the water in the first state, and the water in the second state has a higher content ratio of microplastics than the water in the first state. does not contain microplastics.
상기 정전기장 부가장치에 의해 전기보조 분리기 상하면에 부가되는 전기장에 의해 미세플라스틱 입자는 상방향의 정전기력을 받아서 상기 필터의 여과막의 상측에 미세플라스틱이 축적되어 막히는 현상을 방지된다. Due to the electric field added to the upper and lower surfaces of the electric auxiliary separator by the electrostatic field adding device, the microplastic particles receive an upward electrostatic force, thereby preventing microplastics from accumulating and clogging the upper side of the filtration membrane of the filter.
상기 전기보조 분리기(20)의 너비와 길이와 높이를 각각 W, L, H라 할 때, 상기 정전기장 부가장치에 의해 부가되는 정전기의 크기는 상기 높이(H)의 단위 cm 당 10V 내지 60V로 부가하면(V/cm), 미세플라스틱의 입자 크기가 10um 입자까지 효과적으로 농축되는 것을 확인하였다. When the width, length, and height of the electric auxiliary separator 20 are W, L, and H, respectively, the amount of static electricity added by the electrostatic field adding device is 10V to 60V per unit cm of the height (H). When added (V/cm), it was confirmed that the particle size of microplastics was effectively concentrated up to 10um particles.
상기 농축조(10)의 최초 물의 양을 Q0라고 할 때, 상기 제3상태의 물이 상기 농축조로 재공급되는 물의 양이 최초 물의 양을 Q0의 10% 이하가 되었을 때 상기 농축조의 재공급을 중단하는 것이 좋다. 즉, 최초 물의 양의 90% 이상이 배제될 때까지 농축과정을 진행하도록 한다.Assuming that the initial amount of water in the enrichment tank 10 is Q 0 , the third state water is re-supplied to the enrichment tank when the amount of water is less than 10% of the initial amount of water Q 0 It is better to stop. In other words, the concentration process should proceed until more than 90% of the initial amount of water is excluded.
[미세플라스틱 포집 및 분리 기술][Microplastic collection and separation technology]
이하에서는, 농축된 물 속에 존재하는 미세플라스틱을 포집하고 분리하는 기술에 대해 설명하도록 한다. 도 6은 본 발명에 따른 미세플라스틱 분리장치의 개념적인 모식도이며, 도 7과 도 8은 본 발명에 따른 미세플라스틱 분리장치를 이루는 전기영동수집기의 구조를 보여준다.Below, we will explain the technology for capturing and separating microplastics present in concentrated water. Figure 6 is a conceptual schematic diagram of the microplastic separation device according to the present invention, and Figures 7 and 8 show the structure of the electrophoretic collector that forms the microplastic separation device according to the present invention.
중력, 부력, 마찰, 확산 및 전기영동을 포함하여 플라스틱 입자가 전기장 하에서 용액에서 다양한 힘이 작용하는 모습을 보면, 침강-확산 평형의 시뮬레이션은 50 nm 미만의 크기를 가진 플라스틱은 확산 플럭스가 침강 플럭스와 비슷하기 때문에 침강하기 어려울 것이다. 구형 입자의 전기력 및 전기 영동 이동성은 전기장, 제타 전위 및 입자 크기(전기 이중층 두께에 비례)와 관련이 있다. 부력과 중력을 결합한 순 중력은 입자 크기와 고체 밀도에 따라 달라진다. 전기장과 중력이 모두 존재하는 경우 미세플라스틱(MP)의 종단 속도(1μm < d < 10μm)는 특히 더 큰 입자의 경우 정전기력과 순 중력에 의해 제어 반대로, 입자 이동이 정전기력에 의해서만 제어될 때 순 중력은 NP(10 nm < d < 1000 nm)에 미미한 영향을 미치게 된다.Given that plastic particles are subjected to a variety of forces in solution under an electric field, including gravity, buoyancy, friction, diffusion, and electrophoresis, simulations of sedimentation-diffusion equilibrium show that for plastics with sizes less than 50 nm, the diffusion flux is greater than the sedimentation flux. Because it is similar to , it will be difficult to sink. The electric force and electrophoretic mobility of spherical particles are related to the electric field, zeta potential and particle size (proportional to the electric double layer thickness). Net gravity, which combines buoyancy and gravity, depends on particle size and solid density. When both electric fields and gravity are present, the longitudinal velocity of microplastics (MP) (1 μm < d < 10 μm) is controlled by electrostatic forces and net gravity, especially for larger particles. Conversely, when particle movement is controlled only by electrostatic forces, net gravity has a minor effect on NPs (10 nm < d < 1000 nm).
따라서 나노플라스틱(NP)의 분리는 중력의 영향보다는 정전기력에 의해 거동할 수 있기에, 본 발명은 이러한 정전기력 거동을 이용하여 나노 플라스틱을 포집하고 분리하는 기술을 도출하였다.Therefore, since the separation of nanoplastics (NPs) can be achieved by electrostatic force rather than the influence of gravity, the present invention has developed a technology to collect and separate nanoplastics using this electrostatic force behavior.
[전기영동 기반 포집 및 분리 장치][Electrophoresis-based capture and separation device]
전기장의 도움을 받아 용액에서 플라스틱 입자를 분리하기 위해 도 6과 같은 장치를 도입하였으며, 플라스틱이 수집되는 전기영동수집기(EC, Electrophoresis Collector, 도 6의 150)를 도출하였다. 전기영동수집기(또는, EC 셀)에는 전기장이 부가되는데, 물 흐름에 수직인 전기장은 물이 반응기를 나가기 물 속의 나노플라스틱(Nanoplastic, NP)이 수집되도록 한다. 포집 비율은 종단 속도와 수리학적 체류 시간을 기반으로 계산되며, 나노플라스틱의 완전한 분리 또는 수집이 달성되는 임계 전기장 강도(Ec)가 계산된다. 저장소와 EC 통합을 통해 나노 플라스틱(NP)를 지속적으로 수집할 수 있으므로 지수 감쇠 함수에 의해 저장소의 나노플라스틱 수집기에 포집된다.In order to separate plastic particles from a solution with the help of an electric field, a device as shown in FIG. 6 was introduced, and an electrophoresis collector (EC, Electrophoresis Collector, 150 in FIG. 6) was created to collect plastic. An electric field is added to the electrophoretic collector (or EC cell), and the electric field perpendicular to the water flow causes nanoplastics (NPs) in the water to be collected before the water leaves the reactor. The capture rate is calculated based on the terminal velocity and hydraulic residence time, and the critical electric field strength (E c ) at which complete separation or collection of nanoplastics is achieved is calculated. The integration of EC with the reservoir allows for continuous collection of nanoplastics (NPs), which are then trapped in the nanoplastic collector of the reservoir by an exponential decay function.
EC 셀은 양극 수집기에서 나노플라스틱을 수집하여 포집하고, 그리고 충분히 포집한 후에는 이를 분석하기 위해 포집된 나노플라스틱 분석을 위해 분리 시키는 것을 목표로 한다. The EC cell aims to collect and collect nanoplastics from the anode collector, and then separate the collected nanoplastics for analysis after sufficiently collecting them.
도 6 내지 도 8을 참고하여, 본 발명에 따른 미세플라스틱 분리장치(100)와 그 하나의 구성인 전기영동수집기(150)를 구체적으로 살펴본다.With reference to FIGS. 6 to 8, the
전기영동수집기(150)는 나노플라스틱이 수집기에 의해 고정되는 자유 흐름 반응기로 설계한다. 입자의 완전한 분리/수집을 위한 임계 전기장의 강도(Ec)를 얻을 수 있다. 여기서 분리되는 나노플라스틱의 직경이 1㎛이하의 플라스틱을 의미한다. 음 전하의 플라스틱 입자를 수집하는 방법은 거대 다공성 중합체 천연 아가로스겔(한천 배지)을 사용하였다. 아가로스겔 층을 배치하되 양극챔버와 분리챔버 사이에 배치하였고, 아가로스겔 층의 지지를 위해 지지막(멤브레인)을 배치하고 그 위에 아가로스겔 층을 위치시킨다. The
전기영동수집기(150)로 주입되는 물은 상기 전기영동수집기(150)의 분리챔버(150)로 주입되고 이후 배출된다. 이때 분리챔버에는 전기장이 가해지고, 전기장에 의해 나노플라스틱은 힘을 받게 되는데 플라스틱 입자는 음전하는 띠기 때문에 양극쪽으로 힘을 받게 되고 그 결과 양극쪽으로 이동한다. 그리고, 양극쪽에 존재하는 아가로스겔에 고정된다. 이런 과정으로 플라스틱이 아가로스겔에 수집(포집)되게 된다.Water injected into the
전기영동 분리기(ES) 장치는 물속에 존재하는 플라스틱입자 중 1 um 미만의 나노플라스틱을 대상으로 선택적으로 분리할 수 있는 장치로, 기존 필터 공극의 한계(1 um)로 나노 사이즈의 미세플라스틱 분석을 위한 전처리에 적용될 수 있다. 음전하를 띄는 미세플라스틱 특히 나노플라스틱은 중력의 영향을 거의 받지 않으며, 흐르는 유체에서 전기장의 도움을 받아 입자를 분리하기 위해 전기영동 분리기(ES)를 적용할 수 있다. 이때 아가로스겔을 이용하여 음전하를 양극쪽에 포집할 수 있으며, 분리된 나노플라스틱은 반대의 전하를 흘려주어 배출 할 수 있으므로, 선택적으로 미세플라스틱의 분리할 수 있다. 제안된 모델의 시뮬레이션을 통해 운영조건을 얻을 수 있으며, 발명과 같은 전기영동분리기(ESS)를 구성하여 최종적으로 나노플라스틱을 선택적으로 포집할 수 있다.The electrophoretic separator (ES) device is a device that can selectively separate nanoplastics of less than 1 um among plastic particles existing in water. It allows analysis of nano-sized microplastics due to the limit of existing filter pores (1 um). It can be applied to preprocessing for Negatively charged microplastics, especially nanoplastics, are almost unaffected by gravity, and electrophoretic separators (ES) can be applied to separate particles with the help of an electric field from a flowing fluid. At this time, negative charges can be collected on the anode side using agarose gel, and the separated nanoplastics can be discharged by passing the opposite charge, allowing selective separation of microplastics. Operating conditions can be obtained through simulation of the proposed model, and ultimately nanoplastics can be selectively collected by constructing an electrophoretic separator (ESS) like the invention.
본 발명은, 미세플라스틱을 포함한 물이 수용되는 저장조(110); 상기 저장조의 물을 공급받아 미세플라스틱을 포집하고 분리하는 전기영동수집기(150); 상기 저장조의 물을 상기 전기영동수집기로 공급하는 유입배관(120); 상기 전기영동수집기의 물을 상기 저장조로 되공급하는 배출배관(160); 상기 전기영동수집기의 상하면 중 어느 하나에는 양의 전기장을 가하고, 다른 하나에는 음의 전기장을 가하는 수집기 전기장 부가장치(170); 및 상기 전기영동수집기 내부에는 구비되는 아가로스겔(agaros gel) 층(155);을 포함하고, 상기 전기영동수집기에 가해지는 전기장의 힘에 의해 미세플라스틱이 상기 아가로스 겔 층에 포집되는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치를 제공한다. The present invention includes a
이하 도 6 내지 도 8을 참고하여 본 발명의 분리 장치를 상세히 살펴본다.Hereinafter, the separation device of the present invention will be examined in detail with reference to FIGS. 6 to 8.
본 발명의 상기 전기영동수집기(150)는, 상기 전기영동수집기의 상하면 중 어느 하나에 구비되어 양의 전기장을 가하는 양극(151); 및 상기 전기영동수집기의 상하면 중 다른 하나에 구비되어 음의 전기장을 가하는 음극(159);을 포함하여, 상기 미세플라스틱을 상기 양극이 위치하는 방향으로 전기력을 가하게 된다.The
상기 전기영동수집기(150)는, 상기 유입배관을 통해 상기 저장조의 물이 유입되어 플라스틱이 분리된 후 상기 배출배관을 통해 물이 배출되는 분리챔버(156);를 더 포함하고, 상기 아가로스 겔(agaros gel) 층(155)은 상기 분리챔버 내부에서 상하면 중 하나에 구비되되 상기 양극이 위치하는 면에 구비된다.The
상기 전기영동수집기(150)는, 상기 양극과 상기 분리챔버 사이에 구비되는 양극챔버(153)를 더 포함하고, 상기 양극챔버에는 전해액이 구비되고, 상기 양극챔버로는 전해액을 공급하는 전해액 유입관(153a)과 전해액이 외부로 배출되는 전해액 배출관(153b)를 더 포함한다. The
상기 양극챔버(153)와 상기 분리챔버(155)는 상기 아가로스겔 층에 의해 서로 분리되며, 상기 아가로스겔 층과 상기 양극챔버 사이에는 지지 멤버레인층(154)이 구비되어 상기 아기로스겔 층을 지지한다.The
또한, 본 발명은 상기 장치를 이용하여 미세플라스틱을 분리하는 방법을 제공한다. 즉, 본 발명은, 위에서 설명한 미세플라스틱 분리장치를 이용하여 아가로스겔 층에 포집된 미세플라스틱에 반대방향으로 전기장을 가하여 분리할 수 있는데, 편의상 아가로스겔층에 미세플라스틱을 포집하는 단계를 포집단계라고 하고 포집된 미세플라스틱을 분리하는 것을 분리단계라고 한다.Additionally, the present invention provides a method for separating microplastics using the above device. That is, the present invention can separate microplastics collected in the agarose gel layer by applying an electric field in the opposite direction using the microplastic separation device described above. For convenience, the step of collecting microplastics in the agarose gel layer is performed. The process of separating the collected microplastics is called the separation stage.
상기 포집단계는 위에서 설명한 것으로, 상기 저장조의 물을 상기 전기영동수집기로 공급하고, 상기 수집기 전기장 부가장치로 전기영동수집기에 전기장을 가하고, 전기장의 힘에 의해 미세플라스틱이 이동하여 상기 아가로스겔 층에 포집되는 단계이다.The collection step is described above, where water from the storage tank is supplied to the electrophoretic collector, an electric field is applied to the electrophoretic collector using the collector electric field addition device, and the microplastics move by the force of the electric field to form the agarose gel layer. This is the stage where it is captured.
이렇게 아가로스겔에 포집된 미세플라스틱은 분석을 위해서는 분리해야 하는데, 상기 포집된 미세플라스틱을 아가로스겔 층에서 분리하는 것은 전기장을 반대방향으로 가해서 미세플라스틱이 포집단계와 반대방향으로 힘을 받도록 하는 것이다. The microplastics collected in the agarose gel must be separated for analysis. Separating the collected microplastics from the agarose gel layer involves applying an electric field in the opposite direction so that the microplastics receive a force in the opposite direction to the collection step. will be.
구체적으로 보면, 상기 분리단계는, 상기 전기영동수집기에 증류수를 공급하는 분리 1단계와, 상기 수집기 전기장 부가장치를 이용하여, 상기 분리단계에서 전기영동수집기에 가해지던 전기장의 방향의 역방향으로 전기장을 가하는 분리 2단계와, 상기 아가로스겔층에 포집되어 있던 미세플라스틱이 역방향 전기장의 힘에 의해 분리되고, 상기 분리된 미세플라스틱이 함유된 물을 인출하는 분리 3단계로 이루어진다.Specifically, the separation step includes the first separation step of supplying distilled water to the electrophoresis collector, and using the collector electric field adding device, an electric field is applied in the opposite direction of the electric field applied to the electrophoresis collector in the separation step. It consists of a second separation step and a third separation step in which the microplastics trapped in the agarose gel layer are separated by the force of a reverse electric field and water containing the separated microplastics is withdrawn.
분리단계에서는 포집 단계에서 상기 저장조의 물을 공급하던 것을 중단하고, 상기 유입배관(120)으로 깨끗한 물인 증류수를 상기 전기영동수집기로 공급한다. 그리고, 전기장의 방향을 역방향으로 바꾸면 상기 아가로스겔층에 포집되어 있던 미세플라스틱이 역방향으로 전기장의 힘을 받아 분리되어 증류수로 나오게 된다.In the separation step, the supply of water from the storage tank in the collection step is stopped, and distilled water, which is clean water, is supplied to the electrophoresis collector through the
본 발명을 종합하면, 본 발명은 물속에 존재하는 미세플라스틱을 분석하기 위한 전처리과정으로서 분석을 위해서는 먼저 미세플라스틱 농축하여 취합하여야 한다. 이를 위해, 물 속의 미세플라스틱 입자를 농축 유닛을 이용하여 1)물속에 미세플라스틱을 농축하는 농축단계, 2)농축된 미세플라스틱을 특정 위치에 포집하는 포집단계, 그리고, 3)농축되어 포집된 미세플라스틱을 분리하는 분리단계로 이루어진다. 이를 통해, 특정한 물속에 존재하는 미세플라스틱을 다량으로 확보할 수 있어서 이후 분석과정이 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.In summary, the present invention is a pretreatment process for analyzing microplastics present in water, and for analysis, microplastics must first be concentrated and collected. For this purpose, the microplastic particles in the water are collected using a concentration unit. 1) a concentration step of concentrating the microplastics in the water, 2) a collection step of collecting the concentrated microplastics at a specific location, and 3) the concentrated and collected microplastics. It consists of a separation step to separate the plastic. Through this, it is possible to secure a large amount of microplastics present in specific water, allowing the subsequent analysis process to be carried out efficiently.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. falls within the scope of rights.
Claims (10)
상기 전기영동수집기에 가해지는 전기장의 힘에 의해 미세플라스틱이 상기 아가로스 겔 층에 포집되고,
상기 전기영동수집기(150)는 상기 전기영동수집기의 상하면 중 어느 하나에 구비되어 양의 전기장을 가하는 양극(151); 및 상기 전기영동수집기의 상하면 중 다른 하나에 구비되어 음의 전기장을 가하는 음극(159);을 포함하여, 상기 미세플라스틱을 상기 양극이 위치하는 방향으로 전기력을 가하고,
상기 전기영동수집기(150)는, 상기 유입배관을 통해 상기 저장조의 물이 유입되어 플라스틱이 분리된 후 상기 배출배관을 통해 물이 배출되는 분리챔버(156);를 더 포함하고,
상기 아가로스 겔(agaros gel) 층(155)은 상기 분리챔버 내부에서 상하면 중 하나에 구비되되 상기 양극이 위치하는 면에 구비되는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치.A storage tank 110 containing water containing microplastics; An electrophoretic collector (150) that collects and separates microplastics by receiving water from the storage tank; An inlet pipe 120 that supplies water from the storage tank to the electrophoresis collector; A discharge pipe 160 that supplies water from the electrophoresis collector back to the storage tank; a collector electric field adding device 170 that applies a positive electric field to one of the upper and lower surfaces of the electrophoretic collector and a negative electric field to the other; And an agarose gel layer 155 provided inside the electrophoresis collector,
Microplastics are collected in the agarose gel layer by the force of the electric field applied to the electrophoresis collector,
The electrophoretic collector 150 includes an anode 151 provided on one of the upper and lower surfaces of the electrophoretic collector to apply a positive electric field; And a cathode 159 provided on the other of the upper and lower surfaces of the electrophoresis collector to apply a negative electric field; applying electric force to the microplastic in the direction where the anode is located,
The electrophoretic collector 150 further includes a separation chamber 156 through which water from the storage tank flows in through the inlet pipe to separate plastic, and then the water is discharged through the discharge pipe,
The agarose gel layer 155 is provided on one of the upper and lower surfaces inside the separation chamber and is provided on the side where the anode is located.
상기 양극과 상기 분리챔버 사이에 구비되는 양극챔버(153)를 더 포함하고,
상기 양극챔버에는 전해액이 구비되는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치.The method of claim 1, wherein the electrophoresis collector (150) is:
It further includes an anode chamber 153 provided between the anode and the separation chamber,
A microplastic particle separation device, characterized in that the anode chamber is provided with an electrolyte solution.
상기 양극챔버로는 전해액을 공급하는 전해액 유입관(153a)과 전해액이 외부로 배출되는 전해액 배출관(153b)를 더 포함하여, 상기 양극챔버 내부로 전해액이 유동하는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치.According to clause 4,
The anode chamber further includes an electrolyte inlet pipe (153a) for supplying the electrolyte and an electrolyte discharge pipe (153b) for discharging the electrolyte to the outside, so that the electrolyte flows into the anode chamber. .
상기 양극챔버(153)와 상기 분리챔버(156)는 상기 아가로스겔 층에 의해 서로 분리되며,
상기 아가로스겔 층과 상기 양극챔버 사이에는 지지 멤버레인층(154)이 구비되어 상기 아기로스겔 층을 지지하는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치.According to paragraph 1,
The anode chamber 153 and the separation chamber 156 are separated from each other by the agarose gel layer,
A microplastic particle separation device, characterized in that a support member rain layer (154) is provided between the agarose gel layer and the anode chamber to support the agarose gel layer.
물 속에 존재하는 미세플라스틱 입자를 농축하여 상기 저장조(110)로 공급하는 미세플라스틱 입자 농축 유닛을 더 포함하고,
상기 미세플라스틱 입자 농축 유닛은,
미세플라스틱을 포함한 제1상태의 물(w1)이 수용되는 농축조(10);
상기 농축조와 연결된 제1배관을 통해 상기 제1상태의 물(w1)을 공급받아 미세플라스틱을 농축하고 여과하는 전기보조 분리기(20);
상기 전기보조 분리기 내부 저면에서 소정 거리 이격되어 구비되는 필터(30);
상기 전기보조 분리기 저면에 구비되어, 상기 전기보조 분리기에서 상기 필터를 통과한 제2상태의 물(w2)을 배출하는 제2배관;
상기 전기보조 분리기 측면 중 상기 제1배관과 대향되는 측면에 구비되고, 상기 전기보조 분리기에서 상기 필터의 상측에 위치하여 제3상태의 물(w3)을 배출하는 제3배관;
상기 전기보조 분리기의 상면에 양의 전기장을 가하고 상기 전기보조 분리기의 하면에는 음의 전기장을 부여하는 정전기장 부가장치(E);를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치.According to paragraph 1,
It further includes a microplastic particle concentration unit that concentrates microplastic particles present in water and supplies them to the storage tank 110,
The microplastic particle concentration unit,
A concentration tank (10) containing first-state water (w1) containing microplastics;
An electrically assisted separator (20) that receives water (w1) in the first state through a first pipe connected to the concentration tank and concentrates and filters microplastics;
A filter (30) provided at a predetermined distance apart from the inner bottom of the electric auxiliary separator;
a second pipe provided on the bottom of the electric auxiliary separator and discharging water (w2) in a second state that has passed through the filter from the electric auxiliary separator;
a third pipe provided on a side of the electrically auxiliary separator opposite to the first pipe and located above the filter in the electrically auxiliary separator to discharge water (w3) in a third state;
A electrostatic field adding device (E) that applies a positive electric field to the upper surface of the electric auxiliary separator and a negative electric field to the lower surface of the electric auxiliary separator. A microplastic particle separation device comprising a.
상기 필터에 구비되는 투과막은 상기 미세플라스틱은 통과하지 못하는 크기의 공극이 형성되어 있어서,
상기 제3상태의 물은 상기 제1상태의 물 보다 미세플라스틱의 함량비율이 높아지고, 상기 제2상태의 물은 미세플라스틱을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치.The method of claim 7, wherein in the microplastic particle concentration unit,
The permeable membrane provided in the filter has pores of a size that the microplastics cannot pass through,
The water in the third state has a higher content ratio of microplastics than the water in the first state, and the water in the second state does not contain microplastics.
상기 정전기장 부가장치에 의해 전기보조 분리기 상하면에 부가되는 전기장에 의해 미세플라스틱 입자는 상방향의 정전기력을 받아서 상기 필터의 여과막의 상측에 미세플라스틱이 축적되어 막히는 현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 입자 분리 장치.The method of claim 7, wherein in the microplastic particle concentration unit,
The microplastic particles receive an upward electrostatic force due to the electric field added to the upper and lower surfaces of the electric auxiliary separator by the electrostatic field adding device, thereby preventing microplastics from accumulating and clogging on the upper side of the filtration membrane of the filter. Particle separation device.
상기 저장조의 물을 상기 전기영동수집기로 공급하고, 상기 수집기 전기장 부가장치로 전기영동수집기에 전기장을 가하고, 전기장의 힘에 의해 미세플라스틱이 이동하여 상기 아가로스겔 층에 포집되는 포집단계;와, 상기 포집된 미세플라스틱을 아가로스겔 층에서 분리하는 분리단계;로 이루어지고,
상기 분리단계는,
상기 전기영동수집기에 증류수를 공급하는 분리 1단계;
상기 수집기 전기장 부가장치를 이용하여, 상기 분리단계에서 전기영동수집기에 가해지던 전기장의 방향의 역방향으로 전기장을 가하는 분리 2단계;
상기 아가로스겔층에 포집되어 있던 미세플라스틱이 역방향 전기장의 힘에 의해 분리되고, 상기 분리된 미세플라스틱이 함유된 물을 인출하는 분리 3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 분리방법.A method of separating microplastics using the microplastic particle separation device of claim 1,
A collection step in which water from the storage tank is supplied to the electrophoresis collector, an electric field is applied to the electrophoresis collector using the collector electric field addition device, and microplastics are moved by the force of the electric field and collected in the agarose gel layer; It consists of a separation step of separating the collected microplastics from the agarose gel layer,
The separation step is,
A first separation step of supplying distilled water to the electrophoresis collector;
A second separation step of applying an electric field in a direction opposite to the direction of the electric field applied to the electrophoretic collector in the separation step using the collector electric field application device;
A method for separating microplastics comprising a third step of separating the microplastics trapped in the agarose gel layer by the force of a reverse electric field and withdrawing water containing the separated microplastics.
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| Publication number | Publication date |
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| KR20230113910A (en) | 2023-08-01 |
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