KR20140034301A - 나노버블의 생성 시스템 및 생성 방법 - Google Patents
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Abstract
매우 간단한 구성이나 프로세스에 의해, 나노버블이 액상 중에서 안정적으로 존재하는 나노버블의 생성 시스템 및 생성 방법을 제공한다. 나노버블의 생성 시스템은, 위쪽에 존재하는 기상 부분과, 기상 부분의 아래쪽에 접하는 액상 부분을 밀폐 상태로 수용하는 생성 챔버와, 기체가 과포화로 액상 부분에 용해된 과포화 용존 액체를 생성하는 과포화 용존 액체 생성 장치와, 나노 사이즈의 개구 직경을 가지는 관통공을 통하여, 가압된 기체를 상기 과포화 용존 액체에 공급함으로써, 직경이 1㎛보다 작은 나노버블을 생성하는 나노버블 생성 장치를 포함한다.
Description
본 발명은, 나노버블의 생성 시스템 및 생성 방법에 관한 것이다.
종래, 나노버블, 즉 1㎛(1000㎚)보다 작은 직경을 가지는 버블을 함유하는 액체(이하, 나노버블 함유 액체라고 함)에 있어서는, 나노버블이 마이크로 버블(직경이 수㎛ 내지 수십㎛)보다 액상(液相) 중에서의 체류 시간이 길므로, 세정이나 살균이나 탈취의 효과가 향상되는 것으로 알려져 있다. 나노버블을 액상 중에 발생시키는 나노버블 발생 장치로서 다양한 기술이 제안되어 있고, 예를 들면, 다음과 같은 기술이 있다.
특허 문헌 1은, 기체(氣體)를 혼합한 수중에서 고압의 물을 분사하여, 나노버블 발생 장치의 벽면 등에 충돌시켜, 그 충격으로 나노버블을 발생시키는 것을 개시하고 있다.
특허 문헌 2는, 기체와 액체를 혼합한 유체(流體)를 원통형의 구조를 가진 장치에 흐르게 하고, 고속으로 선회(旋回)시키고, 이로써, 생긴 난류(亂流)에 의해, 기체를 전단(剪斷)하여 나노버블을 발생시키는 것을 개시하고 있다.
특허 문헌 3은, 마이크로 버블 등의 미세 버블을 함유한 액상 중에 초음파 진동을 인가하여, 그 진동에 의해 마이크로 버블 등을 붕괴시켜, 나노버블을 발생시키는 것을 개시하고 있다.
특허 문헌 1의 발명은, 충격력에 의해, 또는 특허 문헌 2의 발명은 기상(氣相) 및 액상이 혼합된 고속 선회류(旋回流)에 의해, 각각 미소한 버블을 생성하고듯과하는 것이지만, 얻어지는 버블 직경이 불균일하며, 버블 직경을 제어하는 것이 곤란한 문제가 있다. 또한, 특허 문헌 3의 발명은, 액상 중에 용해된 기체에 기초하여 나노버블을 발생시키는 것이며, 나노버블 발생 후의 액상에서의 과포화도를 안정시키는 것이 곤란한 문제가 있다.
그런데, 영·라플라스의 식(Young-Laplace formula)으로부터, 나노오더에까지 축소된 버블 내부는, 고압 상태로 되어 있는 것으로 생각되고 있다. 이와 같은 고압 상태에서는, 헨리의 법칙(Henry's law)에 따라, 나노버블 내에 포함되는 기체가 주위의 액상 중에 용해되기 위해, 나노버블이 점차로 축소되어, 머지 않아 소멸해 버리므로, 액상 중에서의 안정성이 부족하다.
따라서, 본 발명의 해결해야 할 기술적 과제는, 매우 간단한 구성이나 프로세스에 의해, 나노버블이 액상 중에서 안정적으로 존재하는 나노버블의 생성 시스템 및 생성 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 의하면, 이하의 나노버블의 생성 시스템 및 생성 방법이 제공된다.
즉, 본 발명에 관한 나노버블의 생성 시스템은, 위쪽에 존재하는 기상 부분과, 기상 부분의 아래쪽에 접하는 액상 부분을 밀폐 상태로 수용하는 생성 챔버와, 기체가 과포화로 액상 부분에 용해된 과포화 용존(溶存) 액체를 생성하는 과포화 용존 액체 생성 장치와, 나노 사이즈의 개구 직경을 가지는 관통공을 통하여, 가압된 기체를 상기 과포화 용존 액체에 공급함으로써, 직경이 1㎛보다 작은 나노버블을 생성하는 나노버블 생성 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 나노버블의 생성 시스템에서는, 상기 과포화 용존 액체 생성 장치는, 가압된 기체를 상기 생성 챔버의 기상 부분에 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노버블의 생성 시스템에서는, 상기 과포화 용존 액체 생성 장치는, 관통공을 통하여, 가압된 기체를 상기 생성 챔버의 액상 부분에 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노버블의 생성 시스템에서는, 상기 과포화 용존 액체 생성 장치는, 상기 나노버블 생성 장치를 겸하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노버블의 생성 시스템에서는, 상기 생성 챔버의 액상 부분을 교반하는 교반 장치를 더 구비한 것이 바람직하다.
본 발명의 나노버블의 생성 시스템에서는, 상기 나노버블 생성 장치로부터 생성된 나노버블이 상기 나노버블 생성 장치로부터 원활하게 이탈하는 것을 촉진하기 위한 수류 발생 장치를 더 구비한 것이 바람직하다.
본 발명의 나노버블의 생성 시스템에서는, 상기 관통공의 각각은, 개구 직경의 3배보다 큰 거리로 이격되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 나노버블의 생성 시스템에서는, 상기 생성된 나노버블이, 단분산(單分散)인 것이 바람직하다.
마찬가지로, 본 발명에 관한 나노버블의 생성 방법은, 위쪽에 존재하는 기상 부분과, 기상 부분의 아래쪽에 접하는 액상 부분을 밀폐 상태로 생성 챔버에 수용하는 것과, 기체가 과포화로 액상 부분에 용해된 과포화 용존 액체를 생성하는 것과, 나노 사이즈의 개구 직경을 가지는 관통공을 통하여, 가압된 기체를 상기 과포화 용존 액체에 공급함으로써, 직경이 1㎛보다 작은 나노버블을 생성하는 것을 특징으로 한다.
기상 부분 및 액상 부분이 밀폐 상태로 수용된 생성 챔버에 있어서는, 기체가 과포화로 액상 부분에 용해된 과포화 용존 액체가 생성되고, 상기 과포화 용존 액체 중에서 나노버블이 생성되므로, 액상 부분 중 안정적으로 존재하는 나노버블을, 매우 간단한 구성이나 프로세스에 의해 생성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 나노버블의 생성 시스템 및 생성 방법을 모식적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명에 관한 나노버블의 생성 방법에 의해 생성된 버블의 입도 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 비교예에 관한 나노버블의 생성 방법에 의해 생성된 버블의 입도 분포를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 관한 나노버블의 생성 방법에 의해 생성된 버블의 입도 분포를 나타낸 도면이다.
도 3은 비교예에 관한 나노버블의 생성 방법에 의해 생성된 버블의 입도 분포를 나타낸 도면이다.
이하에, 본 발명의 일실시형태에 관한 나노버블(5)의 생성 시스템(1) 및 생성 방법에 대하여, 도 1을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관한 나노버블(5)의 생성 시스템(1)은, 가압되어도 밀폐 상태가 유지되는 생성 챔버(10)와, 고압으로 가압된 기체(6)를 생성 챔버(10)에 공급하는 가스 봄베(가압 기체 공급 장치)(12)와, 고압으로 가압된 기체(6)를 세공(細孔) 유닛(20)에 공급하는 가스 봄베(나노버블 생성용 기체 공급 장치)(13)와, 나노버블(5)을 발생시키는 세공 유닛(나노버블 생성 장치)(20)을 구비하고 있다. 가스 봄베(12)는, 압력 조정 밸브(14)를 통하여 생성 챔버(10)에 접속되어 있다. 가스 봄베(13)는, 압력 조정 밸브(18) 및 압력계(19)를 통하여, 생성 챔버(10)의 저벽에 장착된 세공 유닛(20)에 접속되어 있다. 이들 가스 봄베(12, 13)로부터 공급되는 기체(6)의 종류나 성분은, 본 실시형태에서는 같은 것이다.
생성 챔버(10)의 아래쪽에는, 만충전(滿充塡)되는 것보다 적은 양으로 충전된 액상 부분(7)이 형성되어 있다. 또한, 생성 챔버(10)의 위쪽에는, 가스 봄베(12)로부터 공급되는 기체(6)에 의해 고압으로 가압된 기상 부분(8)이 형성되어 있다. 생성 챔버(10)에서의 액상 부분(7) 및 기상 부분(8)은, 기액(氣液) 계면을 통하여 접하고 있다.
생성 챔버(10)의 기상 부분(8) 측에 있어서는, 바람직하게는, 압력 조정 밸브(14) 및 압력계(15)가 설치되어 있다. 즉, 가스 봄베(12)와 생성 챔버(10)와의 사이에는, 가스 봄베(12)로부터 생성 챔버(10)에 공급되는 기체(6)의 압력을 정밀하게 제어하기 위한 압력 조정 밸브(14)가 설치되어 있다. 밀폐 상태에 있는 생성 챔버(10) 내의 기상 부분(8)의 압력은, 압력계(15)에 의해 모니터된다. 또한, 생성 챔버(10)의 기상 부분(8) 측에 있어서는, 기상 부분(8)에서의 가압 압력을 서서히 환경압(대기압)까지 내리기 위한 압력 개방 밸브(도시하지 않음)를 구비하고 있다.
또한, 생성 챔버(10)의 액상 부분(7) 측에 있어서는, 바람직하게는, 교반 장치(16) 및 수류 발생 장치(17)가 설치되어 있다. 즉, 과포화 용존 액체(4)에서의 과포화도가 가능한 한 균일하게 되도록, 및 생성된 나노버블(5)이 과포화 용존 액체(4) 중에서 가능한 한 균일하게 분산되도록, 생성 챔버(10) 내의 액상 부분(7)을 교반하기 위한 교반 장치(16)가 설치되어 있다. 생성된 나노버블(5)이 세공 유닛(20)으로부터 원활하게 이탈하는 것을 촉진하기 위해, 수류 발생 장치(17)가 세공 유닛(20)의 근방에 설치되어 있다. 그리고, 수류 발생 장치(17)에 의해 나노버블(5)보다 큰 사이즈의 마이크로 버블이 생성되지 않도록, 수류 발생 장치(17)의 배치나 유속(流速)이 조정되어 있다.
헨리의 법칙에 의해 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도가 기체(6)의 압력에 비례하므로, 가스 봄베(12)로부터 공급되는 기체(6)의 압력에 따라, 기상 부분(8)의 압력이 변화되고, 기상 부분(8)을 구성하는 기체(6)가 기상 부분(8)에 접하는 액상 부분(7) 중에 용해되어, 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도가 규정된다. 즉, 가스 봄베(12)로부터 공급되는 기체(6)의 압력을 높게 하면 할수록, 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도가 커진다. 마찬가지로, 후술하는 세공 유닛(20)에 의해 생성된 나노버블(5)에 포함되는 기체(6)도 나노버블(5)의 주위에 있는 액상 부분(7) 중에 용해되어, 나노버블(5) 내에서의 기체(6)의 압력이 높아지면 질수록, 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도가 커진다. 즉, 나노버블(5) 중에 포함되는 기체(6)의 내압(內壓) P1에 비례하여, 나노버블(5)에 포함되는 기체(6)가 나노버블(5)의 주위에 있는 액상 부분(7)에 용해된다. 그리고, 최종적으로, 생성 챔버(10) 내의 액상 부분(7)의 전체의 용해도가, 나노버블(5)의 주위에 있는 액상 부분(7)에서의 용해도와 거의 같아진다.
다음에 나노버블(5)을 발생시키는 세공 유닛(나노버블 생성 장치)(20)에 대하여 설명한다.
다공벽(22)을 가지는 세공 유닛(20)은, 생성 챔버(10)의 바닥 벽면의 대략 중앙 부분에 설치되어 있다. 다공벽(22)은, 나노 사이즈의 미소한 관통공(24)을 다수개 가진다. 생성 챔버(10) 내의 액상 부분(7)과 세공 유닛(20) 내의 기상 부분(26)이, 다공벽(22)을 통하여, 이격되어 있다. 다공벽(22)은, 관통공(24)을 통해 세공 유닛(20) 내의 기상 부분(26)을 통과시키지만, 관통공(24)이 가지는 표면 장력에 의해 액상 부분(7)의 통과를 방해하도록, 각 관통공(24)의 개구 직경이 치수 구성되어 있다. 따라서, 생성 챔버(10) 내의 액상 부분(7)이, 다공벽(22)의 관통공(24)을 통하여, 세공 유닛(20) 내의 기상 부분(26)으로 역류하지 않는다.
1㎛(1000㎚)보다 작은 직경을 가지는 나노버블(5)의 생성을 위해 필요로 하는 관통공(24)의 개구 직경(직경)을 예시하면, 수㎚ 내지 수백㎚이며, 바람직하게는 약 10㎚ 내지 약 100㎚이다. 관통공(24)의 개구 직경이 대체로 10㎚ 미만인 경우에는, 나노버블(5)을 발생할 때 매우 큰 가압력이 필요하므로, 세공 유닛(20)의 취급이 곤란하게 되기 때문이다. 또한, 관통공(24)의 개구 직경이 대체로 100㎚보다 커지면, 나노 사이즈보다 큰 사이즈의 마이크로 버블이 생성될 우려가 있기 때문이다.
다공벽(22)은, 양극 산화 등에 의해 얻어지는 다공질체가 바람직하고, 예를 들면, 양극 산화 알루미늄(포러스 알루미나)이나 양극 산화 실리콘(포러스 실리카)의 피막이다. 나노 사이즈의 관통공(24)의 작성의 용이하므로, 양극 산화 알루미늄 피막이 특히 바람직하다. 양극 산화 알루미늄 피막은, 알루미늄판 또는 다른 기판 상에 형성된 알루미늄막을 산성 전해질 중에서 양극 산화함으로써 얻어진다.
양극 산화 알루미늄 피막은, 예를 들면, 반경 수㎚ 내지 수백㎚의 기둥형 형상을 한 관통공(24)이 수십㎚ 내지 수백㎚의 간격으로 병렬된 기하학적 구조를 가진다. 관통공(24)으로부터 나오는 버블은, 일반적으로, 관통공(24)의 개구 직경보다 큰 사이즈로 확장된 태양(態樣)으로 생성된다. 인접한 관통공(24)이 접근하고 있으면, 각 관통공(24)을 통해 나노버블(5)이 생성되었다고 해도, 인접한 버블끼리가 합체하여, 큰 사이즈의 버블(예를 들면, 마이크로 버블)을 형성하는 경우가 있다. 다공벽(22)이 접하는 액상 부분(7)의 표면 장력에 의해 상이하지만, 예를 들면, 관통공(24)의 개구 직경의 4배 정도 큰 사이즈의 버블이 형성될 우려가 있다. 따라서, 인접한 버블끼리의 간섭을 피하기 위해, 다공벽(22)에서의 인접한 관통공(24)끼리의 피치(이격 거리)는, 예를 들면, 3배보다 큰 거리로 이격되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 인접하는 개구끼리가 개구 직경의 3배보다 큰 거리로 이격되어 있는 것이 바람직하다.
그리고, 다공벽(22)으로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 고분자 필름에 다수의 관통공을 형성한 모노트란 필름 등도 사용할 수도 있다. 그리고, 다공벽(22)에 대한 액상 부분(7)의 젖는 성질이 영향을 주어, 미소한 개구 직경의 관통공(24)으로부터 기체(6)가 쉽게 나오지 않도록 되어 있으므로, 세공 유닛(20) 내에서의 기상 부분(26)의 압력을 높게 할 필요가 있고, 가스 봄베(13)로부터 공급되는 기체(6)의 압력도 높게 할 필요가 있다.
그런데, 나노버블 함유 액체(3)에서는, 나노버블(5) 중에 포함되는 기체(6)의 내압 P1과 환경압(대기압) P2와의 차압(差壓) ΔP는, 기체(6)에 대한 액상 부분(7)의 계면 장력 γ와, 나노버블(5)의 직경 D와의 관계를 규정하는 이하의 영·라플라스의 식을 만족시키고 있다.
ΔP= P1-P2= 4γ/D (1)
상기(1)에 나타낸 영·라플라스의 식으로부터, 나노버블(5)의 직경 D이 작으면 차압 ΔP가 커지고, 반대로, 나노버블(5)에서의 차압 ΔP가 크면 클수록, 나노버블(5)의 직경 D가 작아진다. 또한, 원하는 나노버블(5)의 직경 D를 얻기 위해서는, 나노버블(5) 중에 포함되는 기체(6)의 내압 P1과 환경압 P2과의 차압 ΔP을 영·라플라스의 식에 의해 규정되는 값으로 하면 양호한 것으로 된다.
나노버블(5)에서의 차압 ΔP가 크면, 영·라플라스의 식에 따라 나노버블(5)의 직경 D이 작아지는 동시에, 헨리의 법칙에 기초하여 나노버블(5)의 주변에서의 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도가 커지고, 최종적으로 생성 챔버(10) 내의 액상 부분(7)의 전체에 대한 기체(6)의 용해도가 커진다. 반대로, 생성 챔버(10) 내의 액상 부분(7)의 전체에 대한 기체(6)의 용해도를 크게 하여, 나노버블(5)의 주변에서의 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도를 크게 하면, 나노버블(5)의 직경 D를 작게 할 수 있다. 따라서, 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도가 통상의 대기압 하보다 큰 과포화 용해도로 기체(6)가 액상 부분(7)에 용해되어 있는 과포화 상태를 만들어 내면, 작은 직경 D를 가지는 나노버블(5)이 액상 부분(7) 중 안정적으로 존재하는 것이 가능하게 된다.
나노버블(5)의 직경 D를 규정하면, 나노버블(5) 중에 포함되는 기체(6)의 내압 P1과, 나노버블(5) 주변에서의 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도 S가 정해지고, 나아가서는 액상 부분(7)의 전체에서의 기체(6)의 용해도 S가 정해진다. 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도 S는, 기체(6)의 종류에 따라 상이하다. 그래서, 액상 부분(7) 및 기체(6)의 종류가 상이한 2개의 경우에 있어서, 나노버블(5)의 직경 D와, 나노버블(5) 중에 포함되는 기체(6)의 내압 P1 및 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 이론적인 용해도 S와의 관계를 표 1 및 표 2에 나타낸다. 그리고, 표 1은, 계면 장력이 0.07 N/m인 순수(純水), 1기압, 25℃의 조건 하의 것이며, 표 2는, 계면 장력이 0.027 N/m인 계면활성제를 포함하는 물, 1기압, 25℃의 조건 하의 것이다.
표 1에 의하면, 액상 부분(7)이 순수로서 기체(6)가 산소인 기액 평형계에 있어서는, 예를 들면, 나노버블(5)의 직경 D를 100㎚로 하면, 나노버블(5)의 내압 P1이 2.98 MPa로 되고, 용해도 S가 1190 mg/리터로 된다. 마찬가지로, 표 2에 의하면, 액상 부분(7)이 계면활성제를 포함하는 물로서 기체(6)가 산소인 기액 평형계에 있어서는, 예를 들면, 나노버블(5)의 직경 D를 100㎚로 하면, 나노버블(5)의 내압 P1이 1.18 MPa로 되고, 용해도 S가 473 mg/리터로 된다. 표 1 및 2에 나타낸 용해도 S는, 영·라플라스의 식 및 헨리의 법칙으로부터 얻어지는 이론적인 수치로서 계면 장력에 의해서도 변동되므로, 원하는 직경을 가지는 나노버블(5)이 과포화 용존 액체(4) 중에 안정적으로 존재하도록 하기 위해서는, 현실적으로는, 표 1 및 표 2에 나타낸 용해도 S의 대략 0.5 내지 2배로 조정하면 된다.
대기압(1기압) 하에서는, 대기압에 대응한 포화 용해도 이상으로 기체(6)가 액상 부분(7)에 용해되지 않는다. 그러나, 기체(6)를 가압한 가압 환경 하에서는, 가압력에 대응한 용해도로 기체(6)가 액상 부분(7)에 용해될 수 있고, 대기압 하에서의 포화 용해도 이상의 기체(6)가 액상 부분(7)에 용입(溶入) 즉 녹아들어가고 있다. 가압 환경 아래로부터 대기압 환경 하에 서서히 되돌려 가면, 포화 용해도 이상의 기체(6)가 액상 부분(7)에 용해된 상태 즉 과포화 상태를 작성할 수 있어 상기 과포화 상태는 대기압 환경 하에서 있어도 비교적 안정된다.
이와 같은 과포화 상태는, 부분적으로는 액상 부분(7)으로 채워지고 또한 나머지가 기상 부분(8)으로 채워진 생성 챔버(10)에 있어서, 1) 가스 봄베(12)로부터 공급되는 기체(6)에 의해 생성 챔버(10)의 기상 부분(8)을 가압 상태로 함으로써, 및/또는, 2) 생성 챔버(10)의 액상 부분(7) 중 나노버블(5)을 발생시킴으로써, 각각 작성할 수 있다. 1)의 기상 부분(8)을 가압 상태로 하는 방법은, 기상 부분(8)에서의 압력이 높아져 있으므로, 헨리의 법칙에 기초하여 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도가 커지기 때문이다. 그리고, 2)의 나노버블 발생에 의한 방법은, 작은 직경 D를 가지는 나노버블(5)은, 액상 부분(7)에 존재하는 나노버블(5) 내부에서의 기체(6)의 차압 ΔP가 커져 있으므로, 헨리의 법칙에 기초하여 액상 부분(7)에 대한 기체(6)의 용해도가 커지기 때문이다. 그리고, 포화 용해도 이상으로 기체(6)가 액상 부분(7)에 용해된 과포화 상태의 액상 부분(7)은, 과포화 용존 액체(4)라고 할 수 있다.
[실시예 1]
다음에 나노버블 함유 액체(3)의 제조 프로세스에 대하여 설명한다.
먼저, 1) 가스 봄베(12)로부터 공급되는 기체(6)에 의해 생성 챔버(10)의 기상 부분(8)을 가압 상태로 함으로써, 및/또는, 2) 생성 챔버(10)의 액상 부분(7) 중 나노버블(5)을 발생시킴으로써, 포화 용해도 이상인 원하는 과포화 용해도로 기체(6)가 액상 부분(7)에 용해된다. 이 때, 액상 부분(7)에서의 과포화도가 가능한 한 균일하게 되도록, 교반 장치(16)에 의해 액상 부분(7)을 교반하는 것이 바람직하다. 그리고, 압력 개방 밸브를 개방하여, 생성 챔버(10) 내의 기상 부분(8)에서의 압력을 서서히 환경압(대기압)까지 내림으로써, 과포화 용존 액체(4)를 생성한다. 과포화 용존 액체(4)에 있어서는, 소정의 과포화 용해도로 기체(6)가 액상 부분(7)에 비교적 안정적으로 용해되고 있다.
다음에 가스 봄베(13)로부터의 기체(6)를 세공 유닛(20)에 공급하면, 공급된 기체(6)가, 미소한 관통공(24)을 통하여, 생성 챔버(10) 내의 과포화 용존 액체(4)에 공급된다. 가스 봄베(13)로부터 공급된 기체(6)에 의해, 생성 챔버(10) 내의 과포화 용존 액체(4) 중에 나노버블(5)이 형성된다. 이 때, 생성된 나노버블(5)이 세공 유닛(20)으로부터 원활하게 이탈하도록, 수류 발생 장치(17)에 의해 세공 유닛(20)을 향한 과포화 용존 액체(4)의 흐름을 형성하는 것이 바람직하다.
그리고, 과포화 용존 액체(4)에서의 과포화 용해도가, 원하는 나노버블(5)의 직경에 대응한 용해도로 되어 있으므로, 나노버블(5) 중의 기체(6)와, 나노버블(5)의 주위에 존재하는 과포화 용존 액체(4)와의 사이에 있어서는, 전술한 영·라플라스의 식 및 헨리의 법칙에 따르는 기액 평형 상태로 되어 있다. 그 결과, 원하는 직경 D를 가지는 나노버블(5)이, 과포화 용존 액체(4) 중 안정적으로 존재할 수 있다.
과포화 용존 액체(4) 중에서의 나노버블(5)의 안정성을 확인하기 위해, 이하의 측정을 행하였다.
과포화 용존 액체(4)를 원통형의 세공막 내에 흐르게 함으로써 나노버블(5)을 생성하고나서 5.1초가 경과한 나노버블 함유 액체(3)를, 레이저 회절/산란식 입도 분포 합계(시마즈 제작소 제조의 상품명 「SALD2100」)의 측정 셀에 도입하여, 버블 직경 분포를 측정하였다. 과포화 용존 액체(4)는, 생성 챔버(10)의 기상 부분(8)을 가압 상태(절대압으로 약 0.4 MPa)로 하는 것에 의해 생성하였다. 측정에 제공된 나노버블 함유 액체(3)는, 액상 부분(7)이 계면활성제를 포함하는 물로서 기체(6)가 산소인 기액 평형계의 것이다. 얻어진 버블 직경 분포의 측정 결과를 도 2에 나타낸다. 그리고, 버블 직경의 계산에는, 버블의 굴절률을 1.35로 하고, 버블의 평균 직경을 평균 직경으로 나타낸다. 도 2로부터도 명백한 바와 같이, 본 발명에 의해 얻어진 버블은, 단분산성이 우수한 평균 직경이 약 700㎚인 나노버블이며, 나노버블 생성 후에 5.1초가 경과하고 있어도, 안정적으로 존재하는 것이 확인되었다. 또한, 이 때, 계면활성제를 포함하는 물에 대한 산소의 과포화 용해도는, 약 80 mg/리터였다.
그리고, 비교를 위해, 기체(6)의 용해도가 포화 용해도로 되어 있는 포화 액체 중에서의 나노버블(5)의 안정성을 확인하기 위해, 상기와 동일한 측정을 행하였다.
포화 액체 중에 나노버블을 생성하고나서 5.1초가 경과한 버블 함유 액체를, 레이저 회절/산란식 입도 분포 합계(시마즈 제작소제의 상품명 「SALD2100」)의 측정 셀에 도입하여, 버블 직경 분포를 측정하였다. 측정에 제공된 버블 함유 액체는, 액상 부분(7)이 계면활성제를 포함하는 물로서 기체(6)가 산소인 기액 평형계의 것이다. 얻어진 버블 직경 분포의 측정 결과를 도 3에 나타낸다. 그리고, 버블 직경의 계산에는, 버블의 굴절률을 1.35로 하고, 버블의 평균 직경을 평균 직경으로 나타낸다. 도 3으로부터도 명백한 바와 같이, 비교예로서 실험한 버블은, 다양한 버블 직경을 가진 브로드(broad)한 버블로서, 평균 직경이 약 66㎛인 마이크로 버블이며, 나노버블의 안정성이 나쁘고, 나노버블이 거의 존재하지 않았었다. 또한, 이 때, 계면활성제를 포함하는 물에 대한 산소의 용해도는, 약 10 mg/리터였다.
상기 설명으로부터, 본 발명에 관한 생성 시스템(1) 및 생성 방법을 이용하면, 과포화 용존 액체(4)에서의 기체(6)의 과포화 용해도, 및/또는, 세공 유닛(20)에서의 다공벽(22)의 관통공(24)의 개구 직경을 적절히 조정함으로써, 1㎛(1000㎚)보다 작은 직경을 가지는 나노버블(5)을 함유한 나노버블 함유 액체(3)를 작성할 수 있다. 따라서, 기상 부분(8) 및 액상 부분(7)이 밀폐 상태로 수용된 생성 챔버(10)에 있어서는, 기체(6)가 과포화로 액상 부분(7)에 용해된 과포화 용존 액체(4)가 생성되고, 상기 과포화 용존 액체(4) 중 나노버블(5)이 생성되므로, 액상 부분(7) 중 안정적으로 존재하는 나노버블(5)을, 매우 간단한 구성이나 프로세스에 의해 생성할 수 있다.
본 발명에 관한 생성 시스템(1) 및 생성 방법에 의해 생성된 나노버블 함유 액체(3)에서는, 나노버블(5)이 액상 부분(7) 중 비교적 안정적으로 존재하므로, 상기 나노버블 함유 액체(3)는, 세정, 정화, 탈취, 살균, 생물 활성 등에 있어서 우수한 효과를 발휘할 수 있어, 전기, 기계, 화학, 농림수산, 의료 등의 다양한 분야에서 이용할 수 있다.
본 발명에 관한 생성 시스템(1) 및 생성 방법에 의해 생성된 나노버블 함유 액체(3)에서 사용되는 액상 부분(7)으로서, 순수나 수도수(水道水)나 이온 교환수나 연수 등의 물을 비롯하여 염화 나트륨이나 계면활성제를 포함하는 용액, 유기용매, 또는 가솔린 등의 오일 종류 등을 예시할 수 있다. 또한, 생성된 나노버블 함유 액체(3)에서 사용되는 기체(6)로서, 산소 가스나 질소 가스나 수소 가스나 탄산 가스나 아르곤 가스나 오존 가스나 헬륨 가스, 또는 메탄 가스 등의 탄화수소 가스 등을 예시할 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 생성 챔버(10)의 저벽에 장착된 세공 유닛(20)에 의해 나노버블(5)을 생성시키고 있는 말하자면 배치식(batch type)의 것이다. 이에 대하여, 다공체를 포함하고, 생성 챔버의 외부에 설치된 세공 유닛이, 배관 등에 의해 생성 챔버에 접속된 생성 시스템으로서, 나노버블 함유 액체가 생성 시스템 내를 순환하는 연속식의 것으로 할 수도 있다. 이와 같은 세공 유닛에서는, 다공체의 외측에는 가압된 기체가 공급되는 기상 공간과 다공체의 내측에는 액체 등이 연속하여 흐르는 액상 공간이, 원통형의 다공체를 통하여 이격되어 있다. 그 결과, 연속하여 순환하는 나노버블 함유 액체에 있어서, 나노버블을 생성시키는 것이 가능하다.
그리고, 본 발명을 이해하기 쉽게 하기 위해, 구체적인 구성이나 수치를 사용하여 설명하였으나, 이들은 어디까지나 예시로서, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 범위 내에 있어서, 각종 실시형태나 변형예를 구성할 수 있는 것은, 당업자에게는 명백하다.
1 나노버블 함유 액체의 생성 시스템
3 나노버블 함유 액체
4 과포화 용존 액체
5 나노버블
6 기체
7 액상 부분
8 기상 부분
10 생성 챔버
12 가스 봄베(가압 기체 공급 장치)
13 가스 봄베(나노버블 생성용 기체 공급 장치)
16 교반 장치
17 수류 발생 장치
20 세공 유닛(나노버블 생성 장치)
22 다공벽
24 관통공
3 나노버블 함유 액체
4 과포화 용존 액체
5 나노버블
6 기체
7 액상 부분
8 기상 부분
10 생성 챔버
12 가스 봄베(가압 기체 공급 장치)
13 가스 봄베(나노버블 생성용 기체 공급 장치)
16 교반 장치
17 수류 발생 장치
20 세공 유닛(나노버블 생성 장치)
22 다공벽
24 관통공
Claims (16)
- 위쪽에 존재하는 기상(氣相) 부분과, 상기 기상 부분의 아래쪽에 접하는 액상(液相) 부분을 밀폐 상태로 수용하는 생성 챔버;
기체(氣體)가 과포화로 액상 부분에 용해된 과포화 용존(溶存) 액체를 생성하는 과포화 용존 액체 생성 장치; 및
나노 사이즈의 개구 직경을 가지는 관통공을 통하여, 가압된 기체를 상기 과포화 용존 액체에 공급함으로써, 직경이 1㎛보다 작은 나노버블을 생성하는 나노버블 생성 장치;
를 포함하는 나노버블의 생성 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 과포화 용존 액체 생성 장치는, 가압된 기체를 상기 생성 챔버의 기상 부분에 공급하는, 나노버블의 생성 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 과포화 용존 액체 생성 장치는, 관통공을 통하여, 가압된 기체를 상기 생성 챔버의 액상 부분에 공급하는, 나노버블의 생성 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 과포화 용존 액체 생성 장치는, 상기 나노버블 생성 장치를 겸하는, 나노버블의 생성 시스템. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생성 챔버의 액상 부분을 교반하는 교반 장치를 더 포함하는, 나노버블의 생성 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 나노버블 생성 장치로부터 생성된 나노버블이 상기 나노버블 생성 장치로부터 원활하게 이탈하는 것을 촉진하기 위한 수류 발생 장치를 더 포함하는, 나노버블의 생성 시스템. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관통공의 각각은, 개구 직경의 3배보다 큰 거리로 이격되어 있는, 나노버블의 생성 시스템. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생성된 나노버블이 단분산(單分散)인, 나노버블의 생성 시스템. - 위쪽에 존재하는 기상 부분과, 상기 기상 부분의 아래쪽에 접하는 액상 부분을 밀폐 상태로 생성 챔버에 수용하는 단계;
기체가 과포화로 액상 부분에 용해된 과포화 용존 액체를 생성하는 단계; 및
나노 사이즈의 개구 직경을 가지는 관통공을 통하여, 가압된 기체를 상기 과포화 용존 액체에 공급함으로써, 직경이 1㎛보다 작은 나노버블을 생성하는 단계;
를 포함하는 나노버블의 생성 방법. - 제9항에 있어서,
상기 과포화 용존 액체는, 가압된 기체를 상기 생성 챔버의 기상 부분에 공급함으로써 생성되는, 나노버블의 생성 방법. - 제9항에 있어서,
상기 과포화 용존 액체는, 관통공을 통하여, 가압된 기체를 상기 생성 챔버의 액상 부분에 공급함으로써 생성되는, 나노버블의 생성 방법. - 제11항에 있어서,
상기 과포화 용존 액체의 생성은, 상기 나노버블의 생성을 겸하는, 나노버블의 생성 방법. - 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생성 챔버의 액상 부분을 교반하는 단계를 더 포함하는, 나노버블의 생성 방법. - 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생성된 나노버블이 원활하게 이탈하는 것을 촉진하기 위해 수류를 발생시키는 단계를 더 포함하는, 나노버블의 생성 방법. - 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관통공의 각각은, 개구 직경의 3배보다 큰 거리로 이격되어 있는, 나노버블의 생성 방법. - 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 생성된 나노버블이 단분산인, 나노버블의 생성 방법.
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