KR20150099545A - 막이 없는 해수 담수화 - Google Patents

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리차드 엠. 크룩스
킬 엔. 크누스트
로빈 케이. 퍼듀
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보드 오브 리전츠, 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템
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Abstract

물의 담수화를 위한 미소유체 장치 및 시스템이 개시된다.
상기 장치 및 시스템은 유입 채널로부터 두 개의 미소유체 채널의 분기로 형성된 교차지점 근방에 전기장 구배를 형성하도록 구성된 전극을 포함할 수 있다. 인가된 바이어스 및 압력 구동된 염수의 유동의 존재 하에서, 전기장 구배는 이온을 상기 분기하는 미소유체 채널 중 하나의 채널로 우선적으로 보낼 수 있고, 반면에 탈염수는 분기한 두 번째 채널 내로 흐른다. 또한 본 명세서에 기술된 장치 및 시스템을 사용하여 물의 염분을 감소시키는 방법이 제공된다.

Description

막이 없는 해수 담수화 {MEMBRANELESS SEAWATER DESALINATION}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2012년 12월 21일 자 미국 가출원번호 제 61/740,780호의 우선권을 주장하며, 상기 문헌의 전체는 본 명세서에 참조 문헌으로 포함된다.
연방 정부가 지원한 연구 또는 개발에 대한 진술
본 발명은 미국 에너지 부에 의해 수여된 합의 DE-FG02-06ER15758 및 미국 환경 보호국에 의해 수여된 계약 EP-D-12-026 하에 정부의 지원으로 만들어졌다. 정부는 본 발명에 일정한 권리를 갖는다.
기술 분야
본 출원은 물의 담수화를 위한 장치, 시스템, 및 방법에 일반적으로 관련한다.
담수(freshwater)에 대한 세계적인 수요가 빠르게 증가하고 있다. 호수, 강, 및 대수층을 포함하는 담수의 많은 종래 자원은 빠르게 고갈되고 있다. 그 결과, 담수는 많은 지역에서 제한된 자원이 되고 있다. 실제로, 유엔은 2015년까지 전 세계 인구의 3분의 2가 물 부족 지역에서 살 수 있다고 추정한다.
현재, 세계의 물 공급의 대략 97% 가 해수로서 존재한다. 담수화(desalination)―염분이 있는 물(예를 들어, 해수)이 담수로 전환되는 공정―가 인간의 소비 또는 관개에 적합한 담수의 신뢰할 수 있는 공급을 제공하는 가능성을 제시한다. 불행하게도, 증류 및 역삼투를 포함하는 현존하는 담수화 공정은 많은 양의 에너지 및 전문적이고, 고가인 기반 구조를 요구한다. 그 결과, 물의 종래 자원 대부분과 비교해, 담수화는 현재 고가이고, 세계의 개발 도상 지역에서는 대개 엄청난 고가이다. 따라서, 인구의 물 사용 전체의 단지 작은 분율만이 담수화로 현재 충족된다. 물의 담수화를 위한 더욱 에너지 효율적인 방법은, 특히 물 부족 지역에서의 담수에 대한 증가하는 수요를 해결하는 가능성을 제시한다.
요약
물의 담수화를 위한 미소유체 장치(microfluidic device) 및 시스템이 개시된다.
물의 담수화를 위한 미소유체 장치는 담수화 유닛(desalination unit)을 포함할 수 있다. 담수화 유닛은 희석 배출 채널(dilute outlet channel) 및 농축 배출 채널(concentrated outlet channel)에 유체적으로 연결된 유입 채널(inlet channel)을 포함할 수 있다. 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널은 교차 지점에서 유입 채널로부터 분기할 수 있다. 담수화 유닛은 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극을 추가로 포함할 수 있다. 전극은 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널이 유입 채널로부터 분기하는 교차 지점 근방에 전기장 구배를 형성하도록 구성될 수 있다. 인가된 바이어스 및 해수의 유동의 존재 하에서, 전기장 구배는 염수 내 이온을 농축 배출 채널 내로 우선적으로 보낼 수 있고, 반면에 탈염수는 희석 배출 채널 내로 흐른다.
일부 구체예에서, 미소유체 장치가 담수화 유닛에서 유체적으로 분리된 보조 채널을 추가로 포함할 수 있다. 보조 채널은 바이폴라 전극(bipolar electrode)을 통하여 담수화 유닛에 전기화학적으로 연결될 수 있다. 이러한 경우, 바이폴라 전극은 담수화 유닛 및 보조 채널 모두와 전기화학적으로 접촉할 수 있도록 구성될 수 있다. 보조 채널 및 담수화 유닛에 걸쳐 인가된 바이어스 및 해수의 유동의 존재 하에서, 전기장 구배는 염수 내 이온을 담수화 유닛의 농축 배출 채널 내로 우선적으로 보낼 수 있고, 반면에 탈염수는 희석 배출 채널 내로 흐른다.
일부 구체예에서, 보조 채널은 담수화 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 구체예에서, 미소유체 장치는 동일하거나 서로 상이한 구조일 수 있는 두 담수화 유닛을 포함할 수 있다. 제1담수화 유닛은 바이폴라 전극에 의하여 전기화학적으로 제2담수화 유닛에 연결될 수 있다. 제1담수화 유닛 및 제2담수화 유닛에 걸쳐 인가된 바이어스 및 압력 구동된 염수의 유동 존재 하에서, 전기장 구배는 염수 내 이온을 제1 및 제2담수화 유닛의 농축 배출 채널 내로 우선적으로 보낼 수 있고, 반면에 탈염수는 제1 및 제2담수화 유닛의 희석 배출 채널 내로 흐른다.
본 명세서에 기재된 복수의 미소유체 장치는 수질 정화 시스템을 형성하도록 결합될 수 있다. 상기 시스템은 본 명세서에 기술된 복수의 장치를 추가로 포함할 수 있고, 이는 병렬로 배치되거나 직렬로 유체적으로 연결된다. 상기 시스템은 또한 병렬로 배치되고 직렬로 유체적으로 연결되는 복수의 장치 모두를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 장치는 직렬로 유체적으로 연결된 제2쌍의 장치와 함께 병렬로 배치된 직렬로 유체적으로 연결된 제1쌍의 장치를 포함할 수 있다. 그러한 시스템에서, 복수의 장치는 단일 평면(즉, 2차원 시스템으로서) 또는 입체적으로 제조된다.
또한 물의 염도를 감소시키기 위하여 본 명세서에 기술된 장치 및 시스템을 사용하는 방법이 제공된다.
상세한 설명
물의 담수화를 위한 미소유체 장치 및 시스템이 개시된다.
물의 담수화를 위한 미소유체 장치는 담수화 유닛을 포함할 수 있다. 담수화 유닛은 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널에 유체적으로 연결된 유입 채널을 포함할 수 있다. 희석 배출 채널과 농축 배출 채널은 교차 지점에서 유입 채널로부터 분기할 수 있다. 담수화 유닛은 또한 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극을 포함할 수 있다. 전극은 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널이 유입 채널로부터 분기하는 교차 지점 근방에 전기장 구배를 형성하도록 구성될 수 있다.
담수화 유닛(100)을 포함하는 예시된 장치가 도1A에 모식적으로 도시된다. 담수화 유닛은 희석 배출 채널(104) 및 농축 배출 채널(106)에 유체적으로 연결된 유입 채널(102)을 포함한다. 희석 배출 채널(104)과 농축 배출 채널(106)은 교차 지점(107)에서 유입 채널(102)로부터 분기한다. 전극(108)은 교차 지점 근방(107)에 배치된다. 전극(108)은 장치 작동 동안 전극 및 전극의 하류에 이온 결핍 구역(109)을 형성하도록 구성되어, 결과로서 교차 지점 근방에 전기장 구배를 형성한다. 예시된 장치는 유입 채널(102)의 상류 말단에 유체적으로 연결된 유체 저장부(110), 희석 배출 채널(104) 하류 말단에 유체적으로 연결된 유체 저장부(114), 및 농축 배출 채널(106)의 하류 말단에 유체적으로 연결된 유체 저장부(112)를 추가로 포함한다.
담수화 유닛(100) 내 미소유체 채널(예를 들어, 유입 채널(102), 희석 배출 채널(104), 및 농축 배출 채널(106))의 크기가 담수화 유닛 내의 미소유체 채널에 상대적인 전극의 크기 및 위치, 바람직한 장치의 유량, 장치를 사용하여 처리되는 염수의 염도, 및 바람직한 염도의 감소 정도를 포함하는 많은 요인의 관점에서 개별적으로 및/또는 조합으로 선택될 수 있다.
일부 예에서, 유입 채널(102), 희석 배출 채널(104), 및 농축 배출 채널(106)의 크기는 희석 배출 채널의 단면적과 농축 배출 채널의 단면적의 합이 유입 채널의 단면적과 실질적으로 동일하도록 선택된다. 이러한 맥락에서, 실질적으로 동일함은 희석 배출 채널의 단면적과 농축 배출 채널의 단면적의 합이 예를 들면, 유입 채널의 단면적의 15% 이내(예를 들어, 유입 채널의 단면적 10% 이내, 또는 유입 채널의 단면적의 5% 이내)임을 뜻할 수 있다. 일부 구체예에서, 희석 배출 채널, 및 농축 배출 채널은 실질적으로 동등한 단면적을 가지는데, 이는 희석 배출 채널의 높이 및 폭이 농축 배출 채널의 높이 및 폭과 실질적으로 동등함을 뜻한다(예를 들어, 15% 이내, 10% 이내, 또는 5% 이내).
담수화 유닛(100) 내의 미소유체 채널(예를 들어, 유입 채널(102), 희석 배출 채널(104), 및 농축 배출 채널(106))의 크기는 다양한 단면의 형태를 가지도록 제조될 수 있다. 일부 구체예에서, 담수화 유닛 내의 미소유체 채널(예를 들어, 유입 채널, 희석 배출 채널, 및 농축 배출 채널)은 실질적으로 정방형 또는 장방형의 단면 형태를 가진다.
일부 구체예에서, 유입 채널(102)은 약 1000 미크론 이하의 폭을 가진다(예를 들어, 약 900 미크론 이하, 약 800 미크론 이하, 약 750 미크론 이하, 약 700 미크론 이하, 약 600 미크론 이하, 약 500 미크론 이하, 약 400 미크론 이하, 약 300 미크론 이하, 약 250 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 150 미크론 이하, 약 100 미크론 이하, 약 75 미크론 이하, 또는 약 50 미크론 이하). 일부 구체예에서, 유입 채널(102)은 적어도 약 1 미크론(micron)의 폭을 가진다(예를 들어, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 적어도 약 20 미크론, 적어도 약 25 미크론, 적어도 약 50 미크론, 적어도 약 75 미크론, 적어도 약 100 미크론, 적어도 약 150 미크론, 적어도 약 200 미크론, 적어도 약 250 미크론, 적어도 약 300 미크론, 적어도 약 400 미크론, 적어도 약 500 미크론, 적어도 약 600 미크론, 적어도 약 700 미크론, 적어도 약 750 미크론, 적어도 약 800 미크론, 적어도 약 900 미크론, 또는 적어도 약 1000 미크론).
유입 채널(102)은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 폭을 가질 수 있다. 예를 들면, 유입 채널(102)은 약 1000 미크론에서부터 약 1 미크론에 이르는 범위의 폭을 가질 수 있다(예를 들어, 약 750 미크론에서부터 약 5 미크론까지, 약 500 미크론에서부터 약 10 미크론까지, 약 250 미크론에서부터 약 20 미크론까지, 또는 약 150 미크론에서부터 약 25 미크론까지).
일부 구체예에서, 유입 채널(102)은 약 50 미크론 이하의 높이를 가진다(예를 들어, 약 45 미크론 이하, 약 40 미크론 이하, 약 35 미크론 이하, 약 30 미크론 이하, 약 25 미크론 이하, 약 20 미크론 이하, 약 15 미크론 이하, 약 10 미크론 이하, 약 9 미크론 이하, 약 8 미크론 이하, 약 7.5 미크론 이하, 약 7 미크론 이하, 약 6 미크론 이하, 약 5 미크론 이하, 약 4 미크론 이하, 약 3 미크론 이하, 약 2.5 미크론 이하, 또는 약 2 미크론 이하). 일부 구체예에서, 유입 채널(102)은 적어도 약 1 미크론의 높이를 가진다(예를 들어, 적어도 약 2 미크론, 적어도 약 2.5 미크론, 적어도 약 3 미크론, 적어도 약 4 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 6 미크론, 적어도 약 7 미크론, 적어도 약 7.5 미크론, 적어도 약 8 미크론, 적어도 약 9 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 적어도 약 20 미크론, 적어도 약 25 미크론, 적어도 약 30 미크론, 적어도 약 35 미크론, 적어도 약 40 미크론, 또는 적어도 약 45 미크론).
유입 채널(102)은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 높이를 가질 수 있다. 예를 들면, 유입 채널(102)은 약 50 미크론에서부터 약 1 미크론에 이르는 범위의 높이를 가질 수 있다(예를 들어, 약 45 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 40 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 35 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 30 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 25 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 또는 약 20 미크론에서부터 약 1 미크론까지).
일부 구체예에서, 희석 배출 채널(104)은 약 500 미크론 이하의 폭을 가진다(예를 들어, 약 450 미크론 이하, 약 400 미크론 이하, 약 350 미크론 이하, 약 300 미크론 이하, 약 250 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 150 미크론 이하, 약 125 미크론 이하, 약 100 미크론 이하, 약 75 미크론 이하, 약 50 미크론 이하, 약 25 미크론 이하, 약 20 미크론 이하, 약 15 미크론 이하, 약 10 미크론 이하, 약 5 미크론 이하, 또는 약 1 미크론 이하). 일부 구체예에서, 희석 배출 채널(104)은 적어도 약 0.5 미크론의 폭을 가진다(예를 들어, 적어도 약 1 미크론, 적어도 약 2.5 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 적어도 약 20 미크론, 적어도 약 25 미크론, 적어도 약 50 미크론, 적어도 약 75 미크론, 적어도 약 100 미크론, 적어도 약 150 미크론, 적어도 약 200 미크론, 적어도 약 250 미크론, 적어도 약 300 미크론, 적어도 약 400 미크론, 또는 적어도 약 450 미크론).
희석 배출 채널(104)은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 폭을 가질 수 있다. 예를 들면, 희석 배출 채널(104) 은 약 500 미크론에서부터 약 0.5 미크론에 이르는 범위의 폭을 가질 수 있다(예를 들어, 약 400 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 250 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 150 미크론에서부터 약 5 미크론까지, 또는 약 80 미크론에서부터 약 10 미크론까지).
일부 구체예에서, 희석 배출 채널(104)은 약 50 미크론 이하의 높이를 가진다(예를 들어, 약 45 미크론 이하, 약 40 미크론 이하, 약 35 미크론 이하, 약 30 미크론 이하, 약 25 미크론 이하, 약 20 미크론 이하, 약 15 미크론 이하, 약 10 미크론 이하, 약 9 미크론 이하, 약 8 미크론 이하, 약 7.5 미크론 이하, 약 7 미크론 이하, 약 6 미크론 이하, 약 5 미크론 이하, 약 4 미크론 이하, 약 3 미크론 이하, 약 2.5 미크론 이하, 또는 약 2 미크론 이하). 일부 구체예에서, 희석 배출 채널(104)은 적어도 약 1 미크론의 높이를 가진다(예를 들어, 적어도 약 2 미크론, 적어도 약 2.5 미크론, 적어도 약 3 미크론, 적어도 약 4 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 6 미크론, 적어도 약 7 미크론, 적어도 약 7.5 미크론, 적어도 약 8 미크론, 적어도 약 9 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 적어도 약 20 미크론, 적어도 약 25 미크론, 적어도 약 30 미크론, 적어도 약 35 미크론, 적어도 약 40 미크론, 또는 적어도 약 45 미크론).
희석 배출 채널(104)은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 높이를 가질 수 있다. 예를 들면, 희석 배출 채널(104)은 약 50 미크론에서부터 약 1 미크론에 이르는 범위의 폭을 가질 수 있다(예를 들어, 약 45 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 40 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 35 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 30 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 25 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 또는 약 20 미크론에서부터 약 1 미크론까지).
일부 구체예에서, 농축 배출 채널(106)은 약 500 미크론 이하의 폭을 가진다(예를 들어, 약 450 미크론 이하, 약 400 미크론 이하, 약 350 미크론 이하, 약 300 미크론 이하, 약 250 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 150 미크론 이하, 약 125 미크론 이하, 약 100 미크론 이하, 약 75 미크론 이하, 약 50 미크론 이하, 약 25 미크론 이하, 약 20 미크론 이하, 약 15 미크론 이하, 약 10 미크론 이하, 약 5 미크론 이하, 또는 약 1 미크론 이하). 일부 구체예에서, 농축 배출 채널(106)은 적어도 약 0.5 미크론의 폭을 가진다(예를 들어, 적어도 약 1 미크론, 적어도 약 2.5 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 적어도 약 20 미크론, 적어도 약 25 미크론, 적어도 약 50 미크론, 적어도 약 75 미크론, 적어도 약 100 미크론, 적어도 약 150 미크론, 적어도 약 200 미크론, 적어도 약 250 미크론, 적어도 약 300 미크론, 적어도 약 400 미크론, 또는 적어도 약 450 미크론).
농축 배출 채널(106)은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 폭을 가질 수 있다. 예를 들면, 농축 배출 채널(106)은 약 500 미크론에서부터 약 0.5 미크론에 이르는 범위의 폭을 가질 수 있다(예를 들어, 약 400 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 250 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 150 미크론에서부터 약 5 미크론까지, 또는 약 80 미크론에서부터 약 10 미크론까지).
일부 구체예에서, 농축 배출 채널(106)은 약 50 미크론 이하의 높이를 가진다(예를 들어, 약 45 미크론 이하, 약 40 미크론 이하, 약 35 미크론 이하, 약 30 미크론 이하, 약 25 미크론 이하, 약 20 미크론 이하, 약 15 미크론 이하, 약 10 미크론 이하, 약 9 미크론 이하, 약 8 미크론 이하, 약 7.5 미크론 이하, 약 7 미크론 이하, 약 6 미크론 이하, 약 5 미크론 이하, 약 4 미크론 이하, 약 3 미크론 이하, 약 2.5 미크론 이하, 또는 약 2 미크론 이하). 일부 구체예에서, 농축 배출 채널(106)은 적어도 약 1 미크론의 높이를 가진다(예를 들어, 적어도 약 2 미크론, 적어도 약 2.5 미크론, 적어도 약 3 미크론, 적어도 약 4 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 6 미크론, 적어도 약 7 미크론, 적어도 약 7.5 미크론, 적어도 약 8 미크론, 적어도 약 9 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 적어도 약 20 미크론, 적어도 약 25 미크론, 적어도 약 30 미크론, 적어도 약 35 미크론, 적어도 약 40 미크론, 또는 적어도 약 45 미크론).
농축 배출 채널(106)은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 높이를 가질 수 있다. 예를 들면, 농축 배출 채널(106)은 약 50 미크론에서부터 약 1 미크론에 이르는 높이를 가질 수 있다(예를 들어, 약 45 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 40 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 35 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 30 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 25 미크론에서부터 약 1 미크론, 또는 약 20 미크론에서부터 약 1 미크론까지).
담수화 유닛 내의 미소유체 채널(100)(예를 들어, 유입 채널(102), 희석 배출 채널(104), 및 농축 배출 채널(106))의 길이는 달라질 수 있다. 담수화 유닛 내의 미소유체 채널의 길이는 많은 전체 장치 디자인 및 기타 작동의 고려사항의 관점에서 개별적으로 선택될 수 있다. 일부 구체예에서, 각 유입 채널(102), 희석 배출 채널(104), 및 농축 배출 채널(106)은 적어도 약 0.1 cm의 길이를 가진다(예를 들어, 적어도 약 0.2 cm, 적어도 약 0.3 cm, 적어도 약 0.4 cm, 적어도 약 0.5 cm, 적어도 약 0.6 cm, 적어도 약 0.7 cm, 적어도 약 0.8 cm, 적어도 약 0.9 cm, 적어도 약 1 cm, 적어도 약 2 cm, 적어도 약 2.5 cm, 적어도 약 3 cm, 적어도 약 4 cm, 적어도 약 5 cm, 또는 이상). 담수화 유닛 내의 미소유체 채널은 실질적으로 선형의 형태일 수 있거나, 이의 유체 유로의 길이를 따라서 하나 이상의 비선형 영역(예를 들어, 곡선 영역, 나선 영역, 각형 영역, 또는 이의 조합)을 가질 수 있다.
도1A을 다시 참조하여, 희석 배출 채널(104)과 농축 배출 채널(106)은 교차 지점(107)에서 유입 채널(102)로부터 분기한다. 교차 지점에서 서로에 대한 희석 배출 채널(104) 및 농축 배출 채널(106)의 방향은 변화될 수 있다. 장치 내 희석 배출 채널(104)과 농축 배출 채널(106) 사이에 형성된 각도는 담수화 유닛 내의 미소유체 채널에 상대적인 전극의 크기 및 위치, 바람직한 장치 유량, 장치를 사용하여 처리되는 염수의 염도, 및 바람직한 염도의 감소 정도를 포함하는 많은 조건의 관점에서 선택될 수 있다.
일부 경우에, 교차 지점(107)에서 희석 배출 채널(104)과 농축 배출 채널(106)사이에 형성된 각도는 약 90 도 이하이다(예를 들어, 약 85 도 이하, 약 80 도 이하, 약 75 도 이하, 약 70 도 이하, 약 65 도 이하, 약 60 도 이하, 약 55 도 이하, 약 50 도 이하, 약 45 도 이하, 약 40 도 이하, 약 35 도 이하, 약 30 도 이하, 약 25 도 이하, 약 20 도 이하, 약 15 도 이하, 또는 그 이하).
전극(108)은 임의의 적절한 전도성 물질, 가령 금속(예를 들어, 금, 백금, 또는 티타늄), 금속 합금, 금속 산화물, 또는 전도성 탄소로부터 제조될 수 있다. 전극(108)은 담수화 유닛(100)과 전기화학적으로 접촉하도록 구성되고, 이는 전극(108)이 담수화 유닛의 미소유체 채널에 존재하는 용액의 하나 이상의 구성 요소와 함께 패러데이 반응에 참여할 수 있음을 뜻한다. 예를 들면, 전극(108)은 전극의 표면이 담수화 유닛의 미소유체 채널에 존재하는 유체와 직접 접촉하도록 구성될 수 있다. 장치는 장치 작동 동안 전극(108)이 양극, 음극, 또는 양극 및 음극의 역할을 할 수 있도록 구성될 수 있다.
담수화 유닛에 상대적인 전극(108)의 위치 및 크기가 담수화 유닛 내의 미소유체 채널의 크기 및 구성, 바람직한 장치 유량, 장치를 사용하여 처리되는 염수의 염도, 및 바람직한 염도의 감소 정도를 포함하는 많은 요인의 관점에서 선택될 수 있다. 전극(108)이 장치에 일체화될 수 있고, 유입 채널(102)을 통해 흐르는 이온을 농축 배출 채널(106)로 우선적으로 보내기에 적합한 전기장 구배의 형성에 적합성이 있다면, 전극(108)은 2차원 또는 3차원의 다양한 형태를 가질 수 있다. 특정 구체예에서, 전극(108)은 실질적으로 유입 채널(102)의 바닥과 동일 평면상의 전도성 표면(예를 들어, 배선, 장방형 패드, 또는 정방형 패드)이고, 교차 지점(107) 근방의 유입 채널의 바닥에 일체화된다. 일부 구체예에서, 전극(108)은 교차 지점(107) 근방의 유입 채널의 바닥 상에/안에 제조되는 전도성 표면(예를 들어, 배선, 장방형 패드, 또는 정방형 패드)이고, 이는 유입 채널의 바닥에서부터 유입 채널 안까지 확장한다. 이러한 구체예에서, 전극은 유입 채널의 바닥에서부터, 유입 채널의 바닥에서 가장 멀리 위치한 유입 채널 내부의 전극의 표면 또는 가장자리까지의 거리로서 측정되는 높이를 가진다고 말할 수 있다.
도1A을 다시 참조하여, 전극(108)은 교차 지점(107) 근방에 위치되어, 전극(108)에 및 전극(108)의 하류에 이온 결핍 구역(109)을 형성할 수 있고, 장치 작동 동안 희석 배출 채널(104) 안까지 확장할 수 있다. 이온 결핍 구역(109)은 선택적으로 농축 배출 채널(106)의 일부까지 확장할 수 있다. 일부 구체예에서, 전극(108)은 희석 배출 채널(104)의 입구의 상류에 있는 유입 채널(102)의 바닥 내부에 배치된다.
예시로서, 도1B은 도1A에 나타낸 장치의 교차 지점(107)의 확대도를 예시한다. 전극(108)은 유입 채널(102)의 바닥 내부에 배치된다. 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면이 희석 배출 채널(104)의 입구의 대략 ± 50 미크론의 상류 또는 하류에 배치된다(희석 배출 채널의 입구에서부터 전극의 하류 가장자리까지 측정된 거리, 130).
특정 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 희석 배출 채널(104)의 입구의 상류에 있고, 희석 배출 채널의 입구의 약 500 미크론 이내에 배치된다(예를 들어, 약 400 이내, 약 300 이내, 약 250 이내, 약 200 이내, 약 150 이내, 약 100 이내, 약 90 이내, 약 80 이내, 약 75 이내, 약 70 이내, 약 60 이내, 약 50 이내, 약 40 이내, 약 30 이내, 약 25 이내, 약 20 미크론 이내, 또는 약 10 미크론 이내).
일부 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 희석 배출 채널(104)의 입구의 하류에 있고, 희석 배출 채널의 입구의 하류의 약 100 미크론 이내에 배치된다(예를 들어, 약 90 이내, 약 80 이내, 약 75 이내, 약 70 이내, 약 60 이내, 약 50 이내, 약 40 이내, 약 30 이내, 약 25 이내, 약 20 이내, 약 10 미크론 이내, 또는 약 5 미크론 이내). 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면이 희석 배출 채널(104)의 입구의 하류에 배치될 때, 전극의 길이(하기 논의되는 바와 같이)는 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 적어도 일부가 희석 배출 채널(104)의 입구를 지나서, 유입 채널 안까지 확장하도록 충분해야 한다(즉, 전극의 일부가 희석 배출 채널의 상류에 위치되어야 한다).
다시 도1B를 참조하면, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 폭(132, 유입 채널을 통해 흐르는 유체의 방향에 수직인 축을 따라 전극 표면의 한 측면에서부터 전극 표면의 다른 측면까지의 거리로서 측정됨) 및 길이(134, 유입 채널을 통해 흐르는 유체의 방향에 평행한 축을 따라 전극 표면의 한 측면에서부터 전극 표면의 다른 측면의 거리로써 측정됨)를 가질 수 있다. 예시로서, 도1B에 대한 예시된 장치에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 희석 배출 채널(104)의 폭(50 미크론)과 거의 동일한 폭(132), 및 약 100 미크론의 길이(134)를 가진다.
일부 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 희석 배출 채널(104)의 폭의 적어도 약 50%의 폭(132)을 가진다(예를 들어, 희석 배출 채널의 폭의 적어도 약 60%, 희석 배출 채널의 폭의 적어도 약 70%, 희석 배출 채널의 폭의 적어도 약 75%, 희석 배출 채널의 폭의 적어도 약 80%, 희석 배출 채널의 폭의 적어도 약 90%, 희석 배출 채널의 폭의 적어도 약 90%, 적어도 희석 배출 채널의 폭, 희석 배출 채널의 폭의 적어도 약 105%, 또는 희석 배출 채널의 폭의 적어도 약 110%). 일부 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 희석 배출 채널(104)의 폭의 약 150% 미만인 폭(132)을 가진다(예를 들어, 희석 배출 채널의 폭의 약 140% 미만, 희석 배출 채널의 폭의 약 130% 미만, 희석 배출 채널의 폭의 약 125% 미만, 희석 배출 채널의 폭의 약 120% 미만, 희석 배출 채널의 폭의 약 110% 미만, 희석 배출 채널의 폭의 약 105%미만, 또는 희석 배출 채널의 폭 미만).
담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 폭(132)을 가질 수 있다. 예를 들면, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 희석 배출 채널(104)의 폭의 약 50%에서부터 희석 배출 채널의 폭의 약 150%에 이르는 범위의 폭(132)을 가질 수 있다(예를 들어, 희석 배출 채널의 폭의 약 75%에서부터 희석 배출 채널의 폭의 약 125%까지, 희석 배출 채널의 폭의 약 90%에서부터 희석 배출 채널의 폭의 약 110%까지, 또는 희석 배출 채널의 폭의 약 95%에서부터 희석 배출 채널의 폭의 약 105%까지). 특정 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 희석 배출 채널(104)의 폭과 거의 동일한 폭(132)을 가진다.
일부 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 유입 채널(102)의 폭의 적어도 약 25%인 폭(132)을 가진다(예를 들어, 유입 채널의 폭의 적어도 약 30%, 유입 채널의 폭의 적어도 약 40%, 유입 채널의 폭의 적어도 약 45%, 유입 채널의 폭의 적어도 약 50%, 유입 채널의 폭의 적어도 약 55%, 또는 유입 채널의 폭의 적어도 약 60%). 일부 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 유입 채널(102)의 폭의 약 75% 미만인 폭(132)을 가진다(예를 들어, 유입 채널의 폭의 약 60% 미만, 유입 채널의 폭의 약 55% 미만, 유입 채널의 폭의 약 50% 미만, 유입 채널의 폭의 약 45% 미만, 또는 유입 채널의 폭의 약 40%미만).
담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 폭(132)을 가진다. 예를 들면, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 유입 채널(102)의 폭의 약 25%에서부터 유입 채널의 폭의 약 75%에 이르는 범위의 폭(132)을 가질 수 있다(예를 들어, 희석 배출 채널의 폭의 약 30%에서부터 희석 배출 채널의 폭의 약 70%까지, 희석 배출 채널의 폭의 약 40%에서부터 희석 배출 채널의 폭의 약 60%까지, 또는 희석 배출 채널의 폭의 약 45%에서부터 희석 배출 채널의 폭의 약 55%까지). 특정 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 유입 채널(102)의 폭의 약 50%인 폭(132)을 가진다.
일부 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 약 600 미크론 이하의 폭(132)을 가진다(예를 들어, 약 500 미크론 이하, 약 450 미크론 이하, 약 400 미크론 이하, 약 350 미크론 이하, 약 300 미크론 이하, 약 250 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 150 미크론 이하, 약 125 미크론 이하, 약 100 미크론 이하, 약 75 미크론 이하, 약 50 미크론 이하, 약 25 미크론 이하, 약 20 미크론 이하, 약 15 미크론 이하, 약 10 미크론 이하, 약 5 미크론 이하, 또는 약 1 미크론 이하). 일부 구체예에서, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 적어도 약 0.5 미크론의 폭(132)을 가진다 (예를 들어, 적어도 약 1 미크론, 적어도 약 2.5 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 적어도 약 20 미크론, 적어도 약 25 미크론, 적어도 약 50 미크론, 적어도 약 75 미크론, 적어도 약 100 미크론, 적어도 약 150 미크론, 적어도 약 200 미크론, 적어도 약 250 미크론, 적어도 약 300 미크론, 적어도 약 400 미크론, 적어도 약 450 미크론, 또는 적어도 약 500 미크론).
담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 폭(132)을 가진다. 예를 들면, 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 약 600 미크론에서부터 약 0.5 미크론에 이르는 폭(132)을 가질 수 있다(예를 들어, 약 400 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 250 미크론에서부터 약 1 미크론까지, 약 150 미크론에서부터 약 5 미크론까지, 또는 약 80 미크론에서부터 약 10 미크론까지).
담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면의 길이(134)는 변화될 수 있다. 일부 구체예에서 전극(108)의 표면은 적어도 약 10 미크론의 길이(134)를 가질 수 있다(예를 들어, 적어도 약 15 미크론, 적어도 약 20 미크론, 적어도 약 25 미크론, 적어도 약 50 미크론, 적어도 약 75 미크론, 적어도 약 100 미크론, 적어도 약 150 미크론, 적어도 약 200 미크론, 적어도 약 250 미크론, 적어도 약 300 미크론, 적어도 약 400 미크론, 적어도 약 450 미크론, 또는 적어도 약 450 미크론). 일부 구체예에서, 전극(108)표면은 약 500 미크론 미만의 길이(134)를 가진다(예를 들어, 약 400 미크론 미만, 약 300 미크론 미만, 약 250 미크론 미만, 약 200 미크론 미만, 또는 약 100 미크론 미만).
담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 표면은 상기 기술된 임의의 최소 크기에서부터 임의의 최대 크기에 이르는 길이(134)를 가진다. 예를 들면, 전극(108)의 표면은 약 10 미크론에서부터 약 500 미크론에 이르는 길이(134)를 가질 수 있다(예를 들어, 약 25 미크론에서부터 약 250 미크론까지, 또는 약 50 미크론에서부터 약 150 미크론까지).
담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극(108)의 높이도 또한 변화될 수 있다. 전극(108)의 높이는 담수화 유닛 내의 미소유체 채널의 높이를 포함하는 많은 요인의 관점에서 선택될 수 있다. 일부 경우에, 전극(108)의 높이는 대략 0이다(즉, 전극이 실질적으로 유입 채널의 바닥과 동일 평면상에 있다). 일부 구체예에서, 전극(108)의 높이는 약 1 미크론 미만이다(예를 들어, 약 900 nm미만, 약 800 nm미만, 약 750 nm미만, 약 700 nm미만, 약 600 nm미만, 약 500 nm미만, 약 400 nm미만, 약 300 nm미만, 약 250 nm미만, 약 200 nm 미만, 또는 약 100 nm 미만).
도1C에 나타낸 바와 같이, 전원 공급 장치(140)가 담수화 유닛에 걸쳐 전위 바이어스를 인가하도록 구성될 수 있다. 유입 채널(102)에서부터 희석 배출 채널(104) 및 농축 배출 채널(106)로의 염수(120)의 유동이 개시될 수 있다. 전위 바이어스의 인가 직후에, 이온 결핍 구역(109) 및 이후의 전기장 구배가 교차 지점(107) 근방의 전극(108) 근처에 형성된다. 그 결과, 염수 내 이온이 농축 배출 채널(106) 내로 우선적으로 보내지고, 결과로서 브라인(brine)(122)이 농축 배출 채널을 통해 흐른다. 탈염수(즉, 유입 채널 내부로 도입된 염수보다 더 적은 소금을 함유하는 물; 124)는 희석 배출 채널(104) 내로 흐른다.
일부 구체예에서, 미소유체 장치는 담수화 유닛에서 유체적으로 분리된 보조 채널을 추가로 포함할 수 있다. 담수화 유닛(100) 및 보조 채널(202)을 포함하는 예시된 장치가 모식적으로 도2에 도시된다. 담수화 유닛은 희석 배출 채널(104) 및 농축 배출 채널(106)에 유체적으로 연결된 유입 채널(102)을 포함한다. 희석 배출 채널(104) 및 농축 배출 채널(106)은 교차 지점(107)에서 유입 채널(102)로부터 분기한다. 장치는 또한 담수화 유닛(100)에서 유체적으로 분리된 보조 채널(202)을 포함한다.
보조 채널(202)은, 예를 들면, 단일 미소유체 채널을 포함할 수 있다. 이러한 구체예에서, 보조 채널의 크기(예를 들어, 높이, 폭, 및 길이) 는 변화할 수 있다. 보조 채널(202)의 크기는 많은 전체 장치 디자인 및 기타 작동의 고려사항의 관점에서 개별적으로 선택될 수 있다. 보조 채널(202)은 실질적으로 선형의 형태일 수 있거나, 이의 유체 유로의 길이를 따라서 하나 이상의 비선형 영역(예를 들어, 곡선 영역, 나선 영역, 각형 영역, 또는 이의 조합)을 가질 수 있다. 보조 채널(202)은 하나 이상의 분지점을 선택적으로 가질 수 있다. 보조 채널(202)은 장치 작동을 용이하게 하도록 보조 채널에 연결된 추가적인 요소, 가령 전극, 유체 유입부, 유체 배출부, 유체 저장부, 밸브, 펌프, 및 이의 조합을 추가로 포함할 수 있다.
보조 채널(202)은 바이폴라 전극을 통하여 담수화 유닛(100)에 전기화학적으로 연결될 수 있다. 이러한 구체예에서, 바이폴라 전극은 담수화 유닛(100) 및 보조 채널(202) 모두와 전기화학적으로 접촉하도록 구성되는데, 이는 바이폴라 전극의 제1표면이 담수화 유닛의 미소유체 채널에 존재하는 용액의 하나 이상의 구성 요소와의 패러데이 반응에 참여할 수 있고, 바이폴라 전극의 제2표면이 보조 채널에 존재하는 용액의 하나 이상의 구성 요소와의 패러데이 반응에 참여할 수 있음을 뜻한다. 상기 장치는 바이폴라 전극이 장치 작동 동안 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 양극 및 보조 채널과 전기화학적 접촉하는 음극을 포함하도록 구성될 수 있다. 그 대신에, 상기 장치는 바이폴라 전극이 장치 작동 동안 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 음극 및 보조 채널과 전기화학적으로 접촉하는 양극을 포함하도록 구성될 수 있다.
예시로서, 도2에 도시된 예시된 장치를 다시 참조하면, 바이폴라 전극(204)은 보조 채널(202)과 담수화 유닛(100)을 전기화학적으로 연결한다. 바이폴라 전극의 제1표면(206)은 담수화 유닛(100)과 전기화학적으로 접촉하고, 교차 지점(107) 근방에 배치된다. 바이폴라 전극의 제1표면(206)은 장치 작동 동안 이온 결핍 구역(109)을 바이폴라 전극 표면 및 바이폴라 전극 표면의 하류에 형성하도록 구성되고, 결과로서 교차 지점 근방에 전기장 구배를 형성한다. 바이폴라 전극의 제2표면(208) 은 보조 채널(202)과 전기화학적으로 접촉한다.
바이폴라 전극의 제1표면(206)은 제1담수화 유닛에 관해 상기 기술한 전극(108)의 표면과 담수화 유닛 내의 동일한 위치를 점유할 수 있고, 동일한 크기를 가질 수 있다.
도2를 다시 참조하면, 예시된 장치는 유입 채널(102)의 상류 말단에 유체적으로 연결된 유체 저장부(110), 희석 배출 채널(104)의 하류 말단에 유체적으로 연결된 유체 저장부(114), 농축 배출 채널(106)의 하류 말단에 유체적으로 연결된 유체 저장부(112), 및 보조 채널(202)의 양쪽 말단에 유체적으로 연결된 유체 저장부(210 및 212) 를 추가로 포함할 수 있다.
전원 공급 장치는 보조 채널(202) 및 담수화 유닛(100)에 걸쳐 전위 바이어스를 가하도록 구성될 수 있다. 염수(120)의 유동은 유입 채널(102)에서부터 희석 배출 채널(104) 및 농축 배출 채널(106)로 개시될 수 있다. 전위 바이어스의 인가 직후에, 이온 결핍 구역(109) 및 이후의 전기장 구배가 교차 지점(107) 근방의 바이폴라 전극의 제1표면(206) 근처에 형성된다. 그 결과, 염수 내 이온은 농축 배출 채널(106) 내로 우선적으로 보내지고, 결과로서 브라인(122)이 농축 배출 채널을 통해 흐른다. 탈염수(124)는 희석 배출 채널(104) 내로 흐른다.
일부 구체예에서, 보조 채널은 담수화 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 구체예에서, 미소유체 장치는 두 개의 담수화 유닛을 포함할 수 있고, 이는 동일하거나 서로 상이한 구조일 수 있다. 두 개의 담수화 유닛을 포함하는 예시된 장치가 도3에 도시된다. 상기 장치는 바이폴라 전극(310)에 의하여 제2담수화 유닛(302)에 전기화학적으로 연결된 제1담수화 유닛(100)을 포함한다. 제1담수화 유닛(100)은 제2담수화 유닛(302)으로부터 유체적으로 분리된다.
제1담수화 유닛(100) 은 희석 배출 채널(104) 및 농축 배출 채널(106)에 유체적으로 연결된 유입 채널(102)을 포함한다. 희석 배출 채널(104) 및 농축 배출 채널(106)은 교차 지점(107)에서 유입 채널(102)로부터 분기한다. 제2담수화 유닛(302)은 희석 배출 채널(306) 및 농축 배출 채널(308)에 유체적으로 연결된 유입 채널(304)을 포함한다. 희석 배출 채널(306) 및 농축 배출 채널(308)은 교차 지점(307)에서 유입 채널(304)로부터 분기한다.
바이폴라 전극(310)은 제1담수화 유닛(100)과 제2담수화 유닛(302)을 전기화학적으로 연결한다. 바이폴라 전극의 제1표면(312)은 제1담수화 유닛(100)과 전기화학적으로 접촉하고, 교차 지점(107) 근방에 배치된다. 바이폴라 전극의 제1표면(312)은 장치 작동 동안 바이폴라 전극의 표면 하류에 이온 결핍 구역(109)을 형성하도록 구성되어, 결과로서 제1담수화 유닛의 교차 지점 근방에 전기장 구배를 형성한다. 바이폴라 전극의 제2표면(314)은 제2담수화 유닛(302)과 전기화학적으로 접촉하고, 제2담수화 유닛(307)의 교차 지점 근방에 배치된다. 바이폴라 전극의 제2표면(314)은 장치 작동 동안 바이폴라 전극의 표면의 하류에 이온 결핍 구역(309)을 형성하도록 구성되어, 결과로서 제2담수화 유닛의 교차 지점 근방에 전기장 구배를 형성한다. 예시된 장치는 제1 및 제2담수화 유닛의 유입채널 양쪽 말단 상류에 유체적으로 연결된 유체 저장부(110 및 320), 제1 및 제2담수화 유닛의 희석 배출 채널 양쪽 말단의 하류에 유체적으로 연결된 유체 저장부(114 및322), 및 제1 및 제2담수화 유닛의 농축 배출 채널 양쪽 말단의 하류에 유체적으로 연결된 유체 저장부(112 및 324)를 추가로 포함한다.
제2담수화 유닛을 구성하는 요소(예를 들어, 유입 채널(304), 희석 배출 채널(306), 및 농축 배출 채널(308))뿐만 아니라 제2담수화 유닛(302)도 또한 제1담수화 유닛에 관련하여 상기 기술된 것과 동일한 크기 및 상대적인 구성을 가질 수 있다. 바이폴라 전극의 제1표면(312) 및 바이폴라 전극의 제2표면(314)은 각각의 담수화 유닛 내에서 동일한 위치를 점유할 수 있고, 제1담수화 유닛에 관해 상기된 전극(108)의 표면과 동일한 크기를 가질 수 있다.
전원 공급 장치는 제1담수화 유닛(100) 및 제2담수화 유닛(302)에 걸쳐 전위 바이어스를 가하도록 구성될 수 있다. 염수(120 및 330)의 유동은 제1 및 제2담수화 유닛의 유입 채널에서부터 제1 및 제2담수화 유닛의 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널로 개시될 수 있다. 전위 바이어스의 인가 직후에, 이온 결핍 구역(109 및 309) 및 이후의 전기장 구배가 제1담수화 유닛의 교차 지점(107) 근방의 바이폴라 전극의 제1표면(312) 근처, 및 제2담수화 유닛의 교차 지점(307) 근방의 바이폴라 전극의 제2표면(314) 근처에 형성된다. 그 결과, 염수 내 이온이 제1 및 제2담수화 유닛(106 및 308)의 농축 배출 채널 내로 우선적으로 보내지고, 결과로서 브라인(122 및 334)이 제1 및 제2담수화 유닛의 농축 배출 채널을 통해 흐른다. 탈염수(124 및 332)는 제1 및 제2담수화 유닛의 희석 배출 채널(104 및 306) 내로 흐른다.
본 명세서에 기술된 미소유체 장치는 장치 기능을 용이하게 하도록 하나 이상의 추가적인 구성 요소(예를 들어, 압력계, 밸브, 압력 유입부, 펌프, 유체 저장부, 센서, 전극, 전원 공급 장치, 및 이의 조합)를 추가로 포함할 수 있다. 일부 구체예에서, 장치는 장치의 유입 채널 내로 흐르는 유체 유동을 조절하도록 구성되는 펌프, 밸브, 유체 저장부, 또는 이의 조합을 포함한다.
상기 장치는 장치의 하나 이상의 미소유체 채널을 통해 흐르는 유체의 염도를 측정하도록 구성된 염분계(salinometer)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 경우에 상기 장치는 희석 배출 채널을 통해 흐르는 유체의 염도를 측정하도록 구성된 염분계를 포함할 수 있다. 염분계는 임의의 적절한 수단을 통해 유체의 염도를 측정하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 염분계는 유체의 전기 전도도, 비중, 굴절률, 또는 이의 조합을 측정할 수 있다.
특정 구체예에서, 상기 장치는 희석 배출 채널을 통해 흐르는 유체의 염도를 측정하도록 구성된 염분계, 및 장치의 유입 채널 내로 흐르는 유체의 유동을 조절하도록 구성된 펌프, 밸브, 유체 저장부, 또는 이의 조합을 포함한다. 상기 장치는 희석 배출 채널을 통해 흐르는 유체의 염도에 반응하여 장치의 유입 채널 내로 흐르는 유체를 조절하도록 유입 채널에 연결된 펌프 및/또는 밸브를 작동하도록 구성된 신호 처리 회로 또는 프로세서를 추가로 포함할 수 있다.
시스템
본 명세서에 기술된 복수의 미소유체 장치를 결합하여 수질 정화 시스템을 형성할 수 있다.
상기 수질 정화 시스템은 본 명세서에 기술된 임의의 수의 장치를 포함할 수 있다. 수질 정화 시스템 내에 포함된 장치의 수는 전체 시스템 디자인, 바람직한 시스템의 처리량, 시스템을 사용하여 처리되는 염수의 염도, 및 바람직한 염도의 감소 정도를 포함하는 많은 요인의 관점에서 선택될 수 있다.
일부 경우에, 상기 시스템 내의 다수 장치의 유입채널 내로의 염수의 유동을 용이하게 하도록, 상기 시스템 내의 장치의 두 개 이상의 유입채널이 공통의 물 유입부에 유체적으로 연결된다. 이와 유사하게, 상기 시스템 내의 희석 배출 채널로부터 탈염수의 수집을 용이하게 하도록, 상기 시스템 내의 두 개 이상의 장치의 희석 배출 채널이 공통의 물 배출구에 유체적으로 연결될 수 있다.
상기 시스템은 병렬로 배치된, 본 명세서에 기술된 복수의 장치를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 시스템의 맥락에서, 상기 시스템 내의 제1장치의 희석 배출 채널 또는 농축 배출 채널 중 하나에서부터 흐르는 유체가 상기 시스템 내의 제2장치의 유입 채널 내로 뒤이어 흐르지 않을 때, 두 개의 장치가 상기 시스템 내에서 병렬로 배치되는 것으로 기술될 수 있다
예시로서, 도4 는 병렬로 배치된 제1담수화 유닛(402) 및 제2담수화 유닛(404)을 포함하는 수질 정화 시스템(400)의 모식도이다. 예시된 장치는 제1 및 제2담수화 유닛 모두로부터 유체적으로 분리된 보조 채널(406)을 추가로 포함한다. 제1바이폴라 전극(408)이 보조 채널(406)과 제1담수화 유닛(402)을 전기화학적으로 연결한다. 제2바이폴라 전극(410)이 보조 채널(406)과 제2담수화 유닛(404)을 전기화학적으로 연결한다. 예시적인 시스템이 보조 채널과 제1 및 제2담수화 유닛 사이에 전위 바이어스를 인가함에 의해 작동될 수 있다.
도5는 병렬로 배치된 두 개의 장치를 포함하는 두 번째의 예시적인 수질 정화 시스템(500)을 예시한다. 시스템(500)은 제1바이폴라 전극(506)에 의해 제1 보조 채널(504)에 전기화학적으로 연결된 제1담수화 유닛(502)을 포함하는 제1장치를 포함한다. 시스템(500)은 제1 장치에 대해 병렬로 배치된 제2장치를 추가로 포함하고, 제2장치는 제2바이폴라 전극(512)에 의해 제2 보조 채널(510)에 전기화학적으로 연결된 제2담수화 유닛(508)을 포함한다. 도5에 도시된 바와 같이, 전원 공급 장치가 제1 보조 채널(504) 및 담수화 유닛(502)과 제2 보조 채널(510) 및 담수화 유닛(508) 모두에 걸쳐 전위 바이어스를 인가하도록 구성될 수 있다.
상기 시스템은 유체적으로 직렬 연결된 본 명세서에 기술된 복수의 장치를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기술된 시스템의 맥락에서, 상기 시스템 내의 제1장치의 희석 배출 채널 또는 농축 배출 채널 중 하나로부터 흐르는 유체가 상기 시스템 내의 제2장치의 유입 채널 내로 뒤이어 흐를 때, 두 개의 장치가 상기 시스템 내에서 직렬로 유체적으로 연결된 것으로 기술될 수 있다.
예시로서, 도6은 직렬로 유체적으로 연결된 두 개의 장치를 포함하는 수질 정화 시스템(600)의 모식도이다. 시스템(600)은 직렬로 유체적으로 연결된 제1담수화 유닛(602) 및 제2담수화 유닛(604)을 제1담수화 유닛의 희석 배출 채널이 제2담수화 유닛의 유입 채널에 유체적으로 연결되도록 포함한다. 상기 예시된 장치는 제1 및 제2담수화 유닛 모두에서부터 유체적으로 분리된 보조 채널(606)을 추가로 포함한다. 제1바이폴라 전극(608)은 보조 채널(606)과 제1담수화 유닛(602)을 전기화학적으로 연결한다. 제2바이폴라 전극(610)은 보조 채널(606)과 제2담수화 유닛(604)을 전기화학적으로 연결한다. 상기 예시적인 시스템은 보조 채널과 제1 및 제2담수화 유닛 사이에 전위 바이어스를 인가함에 의해 작동될 수 있다.
원하는 경우에, 상기 시스템은 모두 병렬로 배치되고 직렬로 유체적으로 연결된 복수의 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 장치는 직렬로 유체적으로 연결된 제2쌍의 장치와 함께 병렬로 배치된 직렬로 유체적으로 연결된 제1쌍의 장치를 포함할 수 있다.
제조 방법
본 명세서에 기술된 미소유체 장치 및 시스템은 비전도성이고, 상기 장치 또는 시스템의 미소유체 채널을 통한 수성 용액의 유동에 적합한 임의의 기판 재료로 제조될 수 있다. 예를 들면, 상기 장치 또는 시스템은 전체 또는 일부가 글래스, 실리콘, 또는 이의 조합으로 제조될 수 있다. 상기 장치 또는 시스템은 또한 전체 또는 일부가 고분자 및/또는 플라스틱, 가령 폴리에스테르(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트; PET) 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 할로겐화 고분자(예를 들어, 폴리비닐 클로라이드 및/또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 플루오르화 고분자), 폴리아크릴레이트 및/또는 폴리 메타크릴레이트 (예를 들어, 폴리메틸 메타크릴레이트; PMMA), 실리콘 (예를 들어, 폴리디메틸실록산; PDMS), 열경화성 수지(예를 들어, 베이클라이트), 또는 이의 공중합체, 블렌드, 및/또는 조합으로 제조될 수 있다. 상기 장치 또는 시스템은 또한 전체 또는 일부가 세라믹(예를 들어, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 카바이드, 티타니아, 알루미나, 실리카, 등)으로 제조될 수 있다.
특정 구체예에서, 상기 장치 또는 시스템은 전체 또는 일부가 광경화형 에폭시로 제조된다. 특정 구체예에서, 상기 장치 또는 시스템은 전체 또는 일부가 PDMS로 제조된다.
본 명세서에 기술된 미소유체 장치 및 시스템은 본 기술 분야 내 공지된 다양한 미세가공 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 미소유체 장치의 미세가공을 위한 적당한 방법은 예를 들면, 고분자 기판의 리소그래피, 식각, 엠보싱, 롤-투-롤 제조법, 적층, 인쇄 및 성형을 포함한다. 미세가공 공정은 하기 기술되는 하나 이상의 공정(또는 유사한 공정)을 포함할 수 있다. 상기 장치 또는 시스템의 서로 상이한 부분은 서로 상이한 방법을 사용하여 제조될 수 있고, 이후 최종 미소유체 장치 또는 시스템을 형성하도록 이후에 함께 결합되거나 접합될 수 있다. 적당한 제조 방법은 상기 장치 또는 시스템을 형성하도록 사용된 기판의 성질, 성능 요구 조건, 및 상기 장치 또는 시스템을 구성하는 미소유체 특징(features)의 크기를 포함하는 많은 요인의 관점에서 선택될 수 있다.
리소그래피는 선택적으로 기판 재료를 변경하도록, 광 또는 전자 빔과 같은 다른 형태의 에너지의 사용을 포함한다. 전형적으로, 고분자 물질 또는 전구체 (예를 들어, 포토레지스트, 광 저항성 물질)이 기판 상에 코팅되고 선택적으로 광 또는 다른 형태의 에너지에 선택적으로 노출된다. 포토레지스트에 따라서, 포토레지스트의 노출된 영역이 유지되거나 일반적으로 "현상"으로 알려진 후속 공정 단계에서 용해된다. 이러한 공정은 기판 상의 포토레지스트의 패턴을 생성한다. 일부 구체예에서, 포토레지스트는 성형 공정에서 마스터로 사용된다. 일부 구체예에서, 고분자 전구체는 포토레지스트와 함께 기판 상에 공급되고, 고분자화되어 (즉, 경화되어) 박리된다. 그 결과의 고분자는 유입부와 배출부를 위한 홀을 드릴링 한 후 또 다른 평면 기판에 결합되거나 부착된다.
일부 구체예에서, 포토레지스트가 에칭 공정을 위한 마스크로 사용된다. 예를 들면, 실리콘 기판에 포토레지스트를 패터닝한 이후, 분야 내 공지된 심도 반응성 이온 에칭 (DRIE) 공정 또는 기타 화학적 에칭 공정(예를 들어, 플라즈마 에칭, KOH 에칭, HF 에칭, 등)을 사용하여 기판 내로 채널을 에칭할 수 있다. 이후 포토레지스트는 제거될 수 있고, 이후 상기 기판은 분야 내 공지된 임의의 결합 과정 중 하나(예를 들어, 양극 결합, 접착 결합, 직접 결합, 공융 결합, 등)를 통하여 또 다른 기판에 결합될 수 있다. 여러 리소그래피 및 에칭 단계, 및 드릴링과 같은 기계 가공 단계가 포함될 수 있다. 포토레지스트 열분해에 의해 탄소 전극을 제자리에서 제조할 수 있다.
일부 구체예에서, PMMA와 같은 고분자 기판을 가열하고 엠보싱 공정용 마스터 몰드에 대해 가압할 수 있다. 마스터 몰드는 리소그래피 및 기계 가공을 포함한 다양한 공정에 의해 형성될 수 있다. 고분자 기판을 이후 미소유체 장치 또는 시스템을 형성하도록 또 다른 기판에 부착될 수 있다. 필요한 경우 기계 가공 공정이 포함될 수 있다.
사출 성형 공정을 사용하여 장치 및 시스템을 또한 제조할 수 있다. 사출 성형 공정에서, 용융된 고분자 또는 금속 또는 합금을 적당한 몰드 내에 사출하고 방치하여 냉각 및 고화한다. 전형적으로 몰드는 성형된 구성 요소가 제거되도록 허용하는 두 부분으로 구성된다. 따라서 장치 또는 시스템을 생산하도록 제조된 부분을 부착할 수 있다.
일부 구체예에서, 상기 장치 또는 시스템을 형성하도록 희생적 에칭(sacrificial etch)을 사용할 수 있다. 기판 상에 재료를 패터닝하도록 리소그래피 기술을 사용할 수 있다. 이러한 재료는 이후 서로 상이한 화학적 성질의 또 다른 재료에 의해 피복될 수 있다. 이러한 재료는 리소그래피 및 에칭 공정, 또는 또 다른 적절한 기계 가공 공정으로 처리될 수 있다. 이후 상기 기판은 제1재료를 선택적으로 제거하는 화학 물질에 노출될 수 있다. 이러한 방식으로, 에칭 공정 전 제1재료가 존재했던 빈 공간을 남기면서, 제2재료 내에 채널을 형성할 수 있다.
일부 구체예에서, 미소채널(microchannel)이 레이저 기계 가공 또는 CNC 기계 가공에 의해 기판 내에 직접 가공될 수 있다. 원하는 경우에, 여러 층이 가공될 수 있고, 이후 최종 장치 또는 시스템을 얻기 위하여 함께 접착된다. 기타 전기적 장치 부품뿐만 아니라 전극도 또한 분야 내 공지된 다수의 적당한 방법을 사용하여, 적당한 전도성 물질을 기판 재료 상에 및/또는 기판 재료 내에 패터닝함으로써 상기 장치 및 시스템 내에 제조될 수 있다.
하나 이상의 구체예에서, 상기 전도성 물질은 하나 이상의 금속을 포함한다. 적당한 금속의 비제한적인 예는 Sn, Zn, Au, Ag, Ni, Pt, Pd, Al, In, Cu, 또는 이의 조합을 포함한다. 기타 적합한 전도성 물질은 금속 산화물 및 전도성 비금속 (예를 들어, 흑연과 같은 탄소 유도체)을 포함한다. 전도성 물질은 진공 증착 공정(예를 들어, 음극 아크 증착, 전자 빔 물리적 증기 증착, 증발 증착, 펄스 레이저 증착, 또는 스퍼터 증착)를 사용하여 증착할 수 있다. 전도성 물질은 또한 전기적 장치 구성 요소를 형성하도록 기판 재료의 표면상에 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 또는 그렇지 않으면 증착할 수 있는 전도성 잉크의 형태로 제공될 수 있다. 전형적으로 전도성 잉크는 하나 이상의 분말 전도성 물질, 가령 Sn, Zn, Au, Ag, Ni, Pt, Pd, Al, In, Cu, 흑연 분말, 카본 블랙, 또는 기타 전도성 금속 또는 금속 합금과 함께 수지 또는 접착제를 블렌딩함에 의해 형성된다. 이의 예는 카본-기초의 잉크, 은 잉크, 및 알루미늄 잉크를 포함한다.
본 명세서에 기술된 장치 또는 시스템 내에 전극과 같은 전기적 장치 부품을 형성할 때, 하나 이상의 전도성 물질은 바람직하게 박막으로서 증착되거나 도포될 것이다. 특정 구체예에서, 전도층은 얇은 금속 또는 탄소 필름으로 약 50 미크론 이하의 두께를 가진다(예를 들어, 약 40 미크론 이하의 두께, 약 30 미크론 이하의 두께, 약 25 미크론 이하의 두께, 약 20 미크론 이하의 두께, 약 15 미크론 이하의 두께, 약 10 미크론 이하의 두께, 약 5 미크론 이하의 두께, 약 1 미크론 이하의 두께, 약 900 nm 이하의 두께, 약 800 nm 이하의 두께, 약 750 nm 이하의 두께, 약 700 nm 이하의 두께, 약 600 nm 이하의 두께, 약 500 nm 이하의 두께, 약 400 nm 이하의 두께, 약 300 nm 이하의 두께, 또는 약 250 nm 이하의 두께).
사용 방법
본 명세서에 기술된 미소유체 장치 및 시스템은 물의 염도를 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 장치 또는 시스템의 담수화 유닛을 통해 염수를 흐르게 하고, 담수화 유닛의 교차 지점 근방에 배치된 전극에서 패러데이 반응을 수행함으로써 물의 염도는 감소될 수 있다. 패러데이 반응은 전기장 구배를 형성하여, 이것이 염수 내 이온을 담수화 유닛의 희석 배출 채널로부터 내보내고, 담수화 유닛의 농축 배출 채널 내로 들어가게 한다. 그 결과, 희석 배출 채널로 흐르는 물의 염도가 유입 채널로 흐르는 염수의 염도보다 더 낮다.
일부 구체예에서, 물의 염도를 감소시키는 방법은 본 명세서에 기술된 장치의 유입 채널 또는 본 명세서에 기술된 시스템의 물 유입부를 통해 염수의 유동을 제공하는 단계, 상기 장치의 담수화 유닛 또는 시스템의 담수화 유닛을 통한 염수 내 이온의 유동에 영향을 미치는 전기장 구배를 형성하도록 전위 바이어스를 인가하는 단계, 및 상기 장치의 희석 배출 채널 또는 시스템의 물 배출부로부터 물을 수집하는 단계를 포함한다. 이러한 방법에서, 상기 장치의 희석 배출 채널 또는 시스템의 물 배출부로부터 수집된 물은 상기 장치의 유입 채널 또는 시스템의 물 유입부를 통해 유입된 염수보다 더 낮은 전기 전도도를 가진다.
일부 구체예에서, 전기장 구배를 형성하도록 인가된 전위 바이어스는 약 1 볼트를 초과한다(예를 들어, 약 2 볼트 초과, 약 2.5 볼트 초과, 약 3 볼트 초과, 약 4 볼트 초과, 약 5 볼트 초과, 약 6 볼트 초과, 약 7 볼트 초과, 약 8 볼트 초과, 또는 약 9 볼트 초과). 일부 구체예에서, 전기장 구배를 형성하도록 인가된 전위 바이어스는 약 10 볼트 미만이다(예를 들어, 약 9 볼트 미만, 약 9 볼트 미만, 약 8 볼트 미만, 약 7 볼트 미만, 약 6 볼트 미만, 약 5 볼트 미만, 약 4 볼트 미만, 약 3 볼트 미만, 약 2.5 볼트 미만, 또는 약 2 볼트 미만).
전기장 구배를 형성하도록 인가된 전위 바이어스는 상기 기술된 임의의 최소 전압에서부터 임의의 최대 전압에 이르는 범위를 가질 수 있다. 일부 구체예에서, 전기장 구배를 형성하도록 인가된 전위 바이어스는 약 1 볼트에서부터 약 10 볼트의 범위를 가진다(예를 들어, 약 1 볼트에서부터 약 7 볼트까지, 약 2 볼트에서부터 약 7 볼트까지, 또는 약 2.5에서부터 약 5 볼트까지).
일부 구체예에서, 장치의 담수화 유닛을 통한 염수의 유량 또는 시스템의 각 담수화 유닛을 통한 염수의 유량이 분당 약 0.01에서부터 분당 약 1 마이크로리터의 범위를 가진다(예를 들어, 분당 약 0.05에서부터 분당 약 0.5 마이크로리터까지, 또는 분당 약 0.1에서부터 분당 약 0.5 마이크로리터까지). 상기 장치 또는 시스템의 구조, 상기 장치 또는 시스템을 사용하여 처리되는 염수의 염도, 및 바람직한 염도의 감소 정도를 포함하는 다양한 요인의 관점에서 적절한 유량은 선택될 수 있다.
본 명세서에 기술된 장치, 시스템, 및 방법은 임의의 측정 가능한 농도의 용해된 염화 나트륨을 가지는 염수의 염도를 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 염수는 해수일 수 있다(예를 들어, 약 4 S/m 내지 약 6 S/m의 전도도를 가지는 염수). 염수는 염분이 섞인 물일 수 있다(예를 들어, 약 0.05 S/m 내지 약 4 S/m의 전도도를 가지는 염수). 특정 구체예에서, 염수는 약 0.05 S/m보다 큰 전도도를 가진다(예를 들어, 약 0.1 S/m 초과, 약 0.5 S/m 초과, 약 1.0 S/m 초과, 약 2.0 S/m 초과, 약 2.5 S/m 초과, 약 3.0 S/m 초과, 약 3.5 S/m 초과, 약 4.0 S/m 초과, 약 4.5 S/m 초과, 약 5.0 S/m 초과, 또는 약 5.5 S/m 초과).
본 명세서에 기술된 장치, 시스템, 및 방법은 다양한 정도(degree)로 염수의 염도를 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. 염도의 감소 정도는 상기 장치 또는 시스템의 구조, 및 상기 장치 또는 시스템을 사용하여 처리되는 염수의 염도를 포함하는 많은 요인에 따라 달라질 수 있다.
일부 구체예에서, 본 명세서에 기술된 장치, 시스템, 및 방법을 사용하여 탈염된 물(예를 들어, 상기 장치의 희석 배출 채널 또는 시스템의 물 배출부로부터 수집한 물)의 전기 전도도는 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 90%를 초과하지 않는다(예를 들어, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 80%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 75%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 70%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 60%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 50%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 40%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 30%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 25%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 20%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 10%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 5%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 1%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 0.5%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 0.1%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 0.05%를 초과하지 않음, 상기 장치 또는 시스템 내로 유입된 염수의 전도도의 약 0.01%를 초과하지 않음, 또는 그 이하).
일부 경우에, 본 명세서에 기술된 장치, 시스템, 및 방법을 사용하여 탈염된 물(예를 들어, 상기 장치의 희석 배출 채널 또는 시스템의 물 배출부로부터 수집한 물)은 약 2.0 S/m 미만의 전도도를 가진다(예를 들어, 약 1.75 S/m 미만, 약 1.5 S/m 미만, 약 1.25 S/m 미만, 약 1.0 S/m 미만, 약 0.75 S/m 미만, 약 0.5 S/m 미만, 약 0.25 S/m 미만, 약 0.1 S/m 미만, 약 0.05 S/m 미만, 약 0.01 S/m 미만, 약 0.005 S/m 미만, 약 0.001 S/m 미만, 약 5.0 x 10-4 S/m 미만, 약 1.0 x 10-4 S/m 미만, 약 5.0 x 10-5 S/m 미만, 약 1.0 x 10-5 S/m 미만, 또는 그 이하).
일부 구체예에서, 본 명세서에 기술된 장치, 시스템, 및 방법을 사용하여 탈염된 물(예를 들어, 상기 장치의 희석 배출 채널 또는 시스템의 물 배출부로부터 수집한 물)은 식수(drinking water)이다(예를 들어, 이 물은 약 0.05 S/m 에서부터 약 0.005 S/m의 전도도를 가짐). 일부 구체예에서, 본 명세서에 기술된 장치, 시스템, 및 방법을 사용하여 탈염된 물(예를 들어, 상기 장치의 희석 배출 채널 또는 시스템의 물 배출부로부터 수집한 물)은 초순수(ultrapure water)이다(예를 들어, 물이 약 0.005 S/m 에서부터 약 5.5 x 10-6 S/m의 전도도를 가짐).
원하는 경우에, 바람직한 염수의 염도의 감소를 달성하도록 본 명세서에 기술된 장치, 시스템, 및 방법을 사용하여 물을 여러 번 처리할 수 있다.
본 명세서에 기술된 장치 및 시스템을 종래의 담수화 방법보다 더 큰 에너지 효율로 물을 탈염하기 위하여 사용할 수 있다. 일부 경우에, 본 명세서에 기술된 장치 및 시스템을 약 5000 mWh/L 미만의 에너지 효율로 물을 탈염하기 위하여 사용할 수 있다(예를 들어, 적어도 약 4000 mWh/L, 적어도 약 3000 mWh/L, 적어도 약 2500 mWh/L, 적어도 약 2000 mWh/L, 적어도 약 1500 mWh/L, 적어도 약 1000 mWh/L, 적어도 약 900 mWh/L, 적어도 약 800 mWh/L, 적어도 약 750 mWh/L, 적어도 약 700 mWh/L, 적어도 약 600 mWh/L, 적어도 약 500 mWh/L, 적어도 약 400 mWh/L, 적어도 약 300 mWh/L, 적어도 약 250 mWh/L, 적어도 약 200 mWh/L, 적어도 약 100 mWh/L, 적어도 약 90 mWh/L, 적어도 약 80 mWh/L, 적어도 약 75 mWh/L, 적어도 약 70 mWh/L, 적어도 약 60 mWh/L, 적어도 약 50 mWh/L, 적어도 약 40 mWh/L, 적어도 약 30 mWh/L, 적어도 약 25 mWh/L, 적어도 약 20 mWh/L, 적어도 약 15 mWh/L, 또는 적어도 약 10 mWh/L, 또는 적어도 약 5 mWh/L). 일부 구체예에서, 본 명세서에 기술된 장치 및 시스템을 상기 임의의 최소 값에서부터 약 1 mWh/L에 이르는 범위의 에너지 효율로 물을 탈염하기 위하여 사용할 수 있다(예를 들어, 적어도 약 1000 mWh/L에서부터 약 1 mWh/L까지, 적어도 약 500 mWh/L에서부터 약 1 mWh/L까지, 적어도 약 100 mWh/L에서부터 약 1 mWh/L까지, 적어도 약 75 mWh/L에서부터 약 1 mWh/L까지, 또는 적어도 약 50 mWh/L에서부터 약 1 mWh/L까지).
일부 경우에, 염수는 본 명세서에 기술된 장치 및 시스템을 사용한 담수화 이전에 전처리하지 않는다. 일부 구체예에서, 염수는 담수화 이전에 처리할 수 있다. 예를 들면, 담수화 이전에 염수로부터의 다가의 양이온(예를 들어, Ca2 +, Mg2 +, 또는 이의 조합)의 제거는 긴 작동 시간에 걸친 장치 또는 시스템 내부의 침전물 형성을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 일부 구체예에서, 예를 들면, 염수를 이온 교환 수지와 접촉시킴으로써, 용액 내 용해된 다가의 양이온의 양을 감소시키도록 염수를 전처리할 수 있다. 필요한 경우에, 염수는 또한, 예를 들면 침전 및/또는 여과에 의해 이물질을 제거하도록 물을 전처리할 수 있다. 필요한 경우에, 담수화 이전에 염수는 또한 소독할 수 있다.
특정의 최종 용도를 위하여 원하는 경우에, 본 명세서에 기술된 장치 및 시스템을 사용한 담수화 이후에 물을 추가로 처리할 수 있다. 예를 들면, 적절한 불소 염, 가령 불화 나트륨, 불화 규소산, 또는 불화 규소산 나트륨을 추가함으로써 물을 불소화할 수 있다. 또한, 본 명세서에 기술된 장치 및 시스템으로의 담수화 이후에 물을 이온 교환 수지를 통해 통과시키거나 및/또는 pH를 조절하기 위해 처리할 수 있다.
도1A은 물의 담수화를 위한 미소유체 장치를 도시하는 모식도이다.
도1B는 도1A에 나타낸 미소유체 장치의 확대된 부분을 도시하는 모식도이다.
도1C는 담수화 유닛에 걸쳐 전위 바이어스를 인가하도록 구성된 전원 공급 장치와 결합한 물의 담수화를 위한 미소유체 장치를 도시하는 모식도이다.
도2는 물의 담수화를 위한 미소유체 장치를 도시하는 모식도이다. 상기 장치는 바이폴라 전극에 의하여 전기화학적으로 연결된 담수화 유닛 및 보조 채널을 포함한다.
도3은 물의 담수화를 위한 미소유체 장치를 도시하는 모식도이다. 상기 장치는 바이폴라 전극에 의하여 전기화학적으로 연결된 두 개의 담수화 유닛을 포함한다.
도4는 물의 담수화를 위한 수질 정화 시스템의 모식도이다. 상기 시스템은 병렬로 작동하도록 구성된 다중의 담수화 유닛을 포함한다.
도5는 물의 담수화를 위한 수질 정화 시스템의 모식도이다. 상기 시스템은 병렬로 작동하도록 구성된 다중의 담수화 유닛을 포함한다.
도6은 물의 담수화를 위한 수질 정화 시스템의 모식도이다. 상기 시스템은 직렬로 작동하도록 구성된 다중의 담수화 유닛을 포함한다.
도7은 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널이 유입 채널로부터 분기하는 교차 지점 근처에서 이온의 전기영동 재배향(electrophoretic redirection)을 모식적으로 예시한다.
도 8A 및 8B는 도2에 도시된 장치를 통한 해수 내의 Ru(bpy)2 +(형광성 양이온 트레이서) 용액의 유동을 도시하는 형광 현미경 사진이다. 도 8A는 전위 바이어스의 인가 이전에 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다. 도 8B 는 전위 바이어스의 인가 직후 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다.
도 9A 및 9B는 도2에 도시된 장치를 통한 Na2SO4 내의 Ru(bpy)2 +(형광성 양이온 트레이서) 용액의 유동을 도시하는 형광 현미경 사진이다. 도 9A는 전위 바이어스의 인가 이전에 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다. 도 9B 는 전위 바이어스의 인가 직후 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다.
도 10A 및 10B는 도2에 도시된 장치를 통한 NaCl 내의 Ru(bpy)2 +(형광성 양이온 트레이서) 용액의 유동을 도시하는 형광 현미경 사진이다. 도 10A는 전위 바이어스의 인가 이전에 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다. 도 10B는 전위 바이어스의 인가 직후 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다.
도11은 5mm 길이의 담수화 채널에서 거리의 함수로서의 도2에 도시된 담수화 유닛을 통한 축 방향의 전기장 강도(|V|/m로 나타냄)의 플롯이다. 해수, NaCl, 및 Na2SO4의 용액에서 측정치를 수집하였다.
도12는 작동 동안 시간(초)의 함수로서의 도 2에 도시된 장치를 통해 흐르는 총 전류(i tot, 나노암페어로 나타냄)의 그래프이다.
도 13A내지 13B는 도1에 도시된 장치를 통한 해수 내 Ru(bpy)2 +(형광성 양이온 트레이서)의 용액의 유동을 도시하는 형광 현미경 사진이다. 도 13A는 전위 바이어스의 인가 이전 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다. 도 13B는 전위 바이어스의 인가 직후 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다.
도 14A 내지 14B는 NaCl에서 일어나는 담수화 처리의 수치 시뮬레이션 플롯이다. 도14A는 담수화 동안 장치 내의 정상화된 염도 분포를 예시한다. 도14B는 양극에 걸친 전기장 강도의 플롯을 나타낸다.
실시예 1: 미소유체 바이폴라 전극 장치를 사용한 담수화
단일의 바이폴라 전극(BPE)에 의해 연결된 담수화 유닛 및 보조 채널을 포함하는 미세전기화학 셀을 압력 구동된 유동(PDF)의 존재 하에 국부적으로 형성된 전기장 구배와 함께 해수를 담수화하기 위하여 사용하였다. 바이폴라 전극의 양극에서 염화물을 산화시키도록 구동하기 위하여, 병렬의 담수화 유닛과 보조 채널 사이에 전위 바이어스를 인가함으로써 해수 담수화는 달성되었다. 음극에서, 전류 유동을 유지하도록 물의 환원이 발생한다.
BPE의 양극에서의 염화물의 산화는 이온 결핍 구역 및 이후의 전기장 구배를 형성한다. 전기장 구배는 담수화 유닛을 통해 흐르는 이온을 분기한 미소 채널 내로 보내어 브라인 스트림을 생성했고, 반면에 탈염수는 압력 구동된 유동의 속도가 제어될 때 계속 앞으로 흘러갔다. 따라서 해수 담수화는 염 스트림 및 탈염 스트림을 생성하도록 압력 구동된 유동의 속도를 제어함으로써 달성될 수 있었다.
재료 및 방법
미소유체 장치의 제조
PDMS/쿼츠의 하이브리드 미소유체 장치를 분야 내 공지된 미세가공 방법을 사용하여 제조하였다. 미소유체 장치의 구조는 도2에 모식적으로 도시된다. 상기 장치는 단일 바이폴라 전극에 의해 연결된 담수화 유닛 및 보조 채널을 포함한다.
열분해된 포토레지스트 탄소 전극을 쿼츠 슬라이드(1 in x 1 in) 상에 제조하였다. 포토레지스트를 슬라이드 상에 3500 rpm에서 45초 간 스핀 코팅 하였고, 이후 과량의 용매를 제거하도록 핫 플레이트에서 1분간 100° C에서 소프트 베이킹 하였다. 이후 전극(폭 100 μm에 길이 6.3 mm) 디자인을 나타내기 위하여, 상기 장치를 패터닝된 마스크와 함께 UV 램프에 노출시켰다. 과량의 포토레지스트는 현상에 의하여 제거되었다. 그 다음, 상기 장치를 분당 100 표준 입방 센티미터로 계속 흐르는 5% H2 및 95% N2 의 포밍 가스와 함께 쿼츠 튜브 퍼니스 내에 배치하여 포토레지스트가 열분해 하도록 하였다. 열분해 이후, 상기 장치를 상온까지 냉각시켰다.
폭100 μm의 유입 채널 및 폭50 μm 의 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널을 가지는 PDMS 담수화 유닛(길이5.0 mm 및 높이 22 μm)을 실리콘 웨이퍼에 패터닝된 SU-8 포토레지스트 몰드를 사용하여 보조 채널(길이 5.0 mm, 높이 22 μm, 폭 100 μm)에 병렬로 제조하였다. 담수화 유닛과 보조 채널 사이의 거리가 (중심에서부터 중심까지) 6.0 mm 였다. PDMS 채널을 에탄올로 세정하여 N2하에서 건조하였고, 이후 PDMS 및 쿼츠/전극 표면을 공기 플라즈마에 15초 간 노출시키고, 최종적으로 상기 두 부분을 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널이 유입 채널로부터 분기하는 교차 지점에 정렬된 BPE과 함께 결합하였다. 이후 상기 PDMS/쿼츠 미소유체를 불가역의 결합을 촉진하기 위하여 5분간 65 °C의 오븐에 두었다.
담수화의 평가
담수화를 평가하기 위해 텍사스, 포트 아란사스에서 수집한 해수를 사용하였다. 미소유체 채널의 차단을 방지하기 위하여, 샘플 수집 전 해수 샘플을 간단한 침전 처리를 거치도록 두었다. 담수화 동안 담수화 유닛을 통한 이온의 움직임을 형광으로 관측하기 위하여 해수에 양이온(20 μM Ru(bpy)2 +) 트레이서 (cationic tracer)를 섞었다.
유입 채널에 유체적으로 연결된 유체 저장부(110; V1)와 농축 배출 채널에 유체적으로 연결된 유체 저장부(112; V2) 및 희석 배출 채널에 유체적으로 연결된 유체 저장부 (114, V3) 사이에 용액의 높이 차이를 생성하였다. 이러한 방식으로, 오른쪽에서 왼쪽으로의 압력 구동된 유동(PDF)를 개시하였다.
결과
유체 저장부(110, 112, 및 114)를 접지하면서 Pt 구동 전극을 사용하여, 저장부 (212)및 (210)에, E tot = 3.0 V 를 인가하였다. 전위 바이어스는 BPE의 양극(206) 및 음극(208)에서 물의 산화 및 환원을 구동하도록 BPE(204)의 전극 사이에 충분히 큰 전위차를 생성하였다. 각각의 등식 1 및 2을 참조하라. 게다가, 염화물의 산화가 BPE 양극(206; 등식 3)에서 일어났고, 결과로서 염소가 생성되면서 BPE 근처에 이온 결핍 구역을 직접적으로 유발하였다.
(등식 1) 2H 2 O - 4e - ↔ O 2 + 4H +
(등식 2) 2H 2 O + 2e - ↔ h 2 + 2OH -
(등식 3) 2Cl - - 2e - ↔ Cl 2 (2)
게다가, 물의 산화로 인하여 전기발생된 H+(등식 1)는 해수 내에 존재할 수 있는 탄산수소염 및 붕산염을 중화시킬 수 있고, 추가적으로 이온 결핍 구역(109), 및 이후 형성된 전기장 구배의 강도에 기여한다. 오른쪽에서 왼쪽으로의 PDF으로, 해수, 및 해수에 존재하는 이온은, 희석 배출 채널(104) 및 농축 배출 채널(106)이 유입 채널(102)로부터 분기하는 교차 지점에 형성된 전기장 구배쪽으로 수송되었다.
일반적으로, 하전된 종(charged species)의 농도의 감소를 야기하는 임의의 패러데이 반응(또는 패러데이 반응 이후의 균일 반응)은 이온 결핍 구역을 생성할 것이다. 염소로의 염화물의 산화가 그러한 패러데이 반응의 예이다. H+로의 물의 산화는, 중성종(neutral species)을 생성하기 위한 용액 내 H+ 및 음이온의 차후 균일 반응과 함께, 그러한 패러데이 반응 이후의 균일 반응의 예이다. 이온 결핍 구역은 높은 용액 저항의 국소화된 영역이다. 전위 바이어스가 인가될 경우, 이온 결핍 구역은 또한 높은 전기장의 국소화된 영역이다. 하기에 논의되는 바와 같이, 이러한 높은 전기장은 흐르는 유체(예를 들어, 물)의 스트림으로부터 이온의 분리를 유도할 수 있다.
하전된 분석물의 전기영동 속도(u ep)가 등식 4에 의해 지배를 받고, 여기서 μ ep 은 분석물의 전기영동 이동도이고 V l 은 국소 전기장 강도이다.
(등식 4) u ep = μ ep V l
희석 배출 채널 및 농축 배출 채널이 유입 채널로부터 분기하는 교차 지점 근방에 있는 바이폴라 전극의 양극에 의해 형성된 이온 결핍 구역 근처를 제외하고, 도2에 도시된 장치의 모든 영역에서, 물 및 모든 용해된 종의 수송은 PDF에 의하여 제어된다. 그 결과, 장치 전체에서 모든 중성물 및 이온은 일반적으로 유체 유동의 방향으로(즉, 오른쪽에서 왼쪽으로) 이동한다. 그러나, 이온이 전극 교차 지점 근방에 전극에 의하여 형성된 국소 전기장 구배로 접근할 때, 이온은 전기장 강도가 증가함에 따라 증가하는 u ep 를 경험한다. 양이온의 경우, 도7에 도시된 바와 같이 이온의 국소 전기영동 속도(u ep)가 유체의 평균 대류 속도(PDF)를 초과함에 따른 결과로서, 이러한 구배는 양이온이 브라인 스트림 내의 접지된 저장부를 향해 재배향하도록 야기한다. 미소채널로 전기적 중성을 유지하도록, 음이온 또한 브라인 스트림 내로 재배향된다.
상기 장치를 통한 Ru(bpy)2 +(형광성 양이온 트레이서)의 유동을 관찰함으로써 상기 장치의 미소채널을 통한 이온종(ionic species)의 유동을 관측하였다. 도 8A 및 8B 은 전위 바이어스의 인가 이전(도8A) 및 인가 이후(도8B)에 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다. 도8A 에 나타낸 바와 같이, 전위 바이어스가 인가되지 않았을 때, 이온이 유입 채널(702)을 통해 흐르고, 희석 배출 채널(704) 및 농축 배출 채널(706) 모두로 흐른다. 전위 바이어스의 인가 직후에, 이온 결핍 구역 및 이후의 전기장 구배가 희석 배출 채널(704) 및 농축 배출 채널(706; 도8B)의 교차 지점(710) 근방의 BPE 양극(708) 근처에 형성된다. 그 결과, 형광성 양이온 트레이서 Ru(bpy)2 +를 포함한 이온은 농축 배출 채널(706)로 보내진다. 탈염수(형광성 양이온 트레이서 Ru(bpy)2 +의 부재로 인하여 현미경 사진에는 비-형광성)는 희석 배출 채널(704) 내로 흐른다. 이러한 결과는 양이온 및 음이온 모두 농축 배출 채널(706) 내로 흐르는 것을 입증한다. 최초 3.0 V의 인가는 BPE 양극 근처에 산화 환경을 생성하고, 이는 탄소 양극의 부분적 해리를 야기한다.
이온 결핍 구역의 형성이 장치 내로 흐르는 유체의 탈이온화(deionization)를 야기함을 확인하기 위하여, 염소 이온이 없는 용액을 사용하여 유사한 실험을 실시하였다. 용액으로부터 모든 염소 이온이 제거될 경우에, 양극이 이온 결핍 구역 및 국소 전기장 구배의 형성을 유도하는 것(염소 이온을 함유하는 염수의 경우와 같이)이 기대되지는 않을 것이다. 대조 실험에서, Na2SO4 용액을 장치를 통해 흘려보냈다. 도9A 에 나타낸 바와 같이, 3.0 V의 인가 전에, BPE 양극 근처에서 유사한 형광 강도(fluorescence intensity)가 관찰되었다. 3.0 V의 인가 동안, BPE 양극 근처에서 형광 강도의 감소는 발견되지 않았다(도9B). 이러한 결과는 BPE 양극 근처에 형성된 이온 결핍 구역의 결과인 해수 담수화와 일치했다.
Cl-의 산화가 전기장 구배의 형성 및 담수화의 핵심임을 확인하기 위하여, 50 mS/cm의 NaCl 용액으로 담수화 유닛을 채웠다. 이러한 경우에, 오직Cl-의 산화만이 결핍 구역의 형성에 기여할 수 있다. 도10A은 전위 바이어스 없이는 장치에서 형광이 발견되지 않음을 나타낸다. 3.0 V 바이어스의 인가 직후에, [Ru(bpy)3]2+가 브라인 스트림 내로 재배향되고(도10B), Cl-이 담수화 처리의 핵심 요소임을 명백하게 시사한다.
해수, Na2SO4, 및 NaCl의 전기장 구배 측정치는 오직 Cl- 을 함유하는 용액의 존재 하에서만 국소 전기장 구배의 형성을 입증한다(도11). 도11에서, Cl-의 산화가 일어나는 오직 해수 및 NaCl의 존재 하에서만 높은 전기장이 관찰되었다. Na2SO4 용액에서는, 높은 전기장 강도가 관찰되지 않았다.
이러한 분리 공정 동안 수행된 전도도 측정은 바이폴라 펄스 방법을 사용하여 수행되었음을 나타낸다. 개별적인 5번의 실험에서 탈염된 스트림의 평균 전도도는 37.5±2.5 mS/cm로, 주입한 해수(50 mS/cm)로부터 ~25±5% 의 염 거부를 나타냈다.
도12는 시간에 따라 장치를 통해 흐르는 총 전류 (i tot)의 대표 도면을 나타낸다. 장치의 정상 상태 구동 전류는 20 nA였다. 담수화 처리를 구동하는 3.0 V 전위 바이어스와 함께, 장치는 단지 60 nW 의 소비전력에서 작동하였다.
희석 배출 채널을 통한 유체의 유량을 비-하전된 비드 및 형광 염료를 사용하여 측정할 수 있었다. 또한, 희석 배출 채널을 통한 유체의 유량을 3.0 V 의 구동 전위가 꺼진 이후 형광 트레이서의 움직임을 추적함으로써 측정할 수 있었고, 이러한 경우 모든 물질의 수송은 PDF로 인한 것이었다. 유입부에서부터 배출부로의 총 유량은 대략 0.08 μL/min 이었다. 분지된 스트림 각각을 통한 유동은 ~0.04 μL/min이었다. 더 높은 유체 유량에서, 이온 결핍 구역은 희석 배출 채널 안까지 확장하지 않는다. 결과적으로, 담수화 처리가 덜 효율적이게 되고, 장치 작동 동안 이온이 희석 배출 채널 내로 흐르기 시작한다.
60 nW에서 작동하는 장치를 사용하여, 25 mWh/L의 에너지 효율이 달성되었다. 이러한 에너지 효율은 주어진 이러한 분리에 대한 이론적인 최소 효율의 1.5배이고, 이는 어떠한 최첨단 해수 담수화 기술보다 우수하다. 예를 들면, 역삼투는 전형적으로 대략 5 Wh/L의 에너지 효율에서 수행되고, 이론상 1.0 Wh/L을 요구하는 분리에 대해, 단지 대략 2.0 Wh/L의 달성된 최대 에너지 효율을 가진다. 이러한 역삼투 에너지 효율이 에너지 재생 장치를 포함하는 산업적 담수화 시설의 효율(이는 종종 더 작은 규모로 수행되는 동일한 처리에서 관찰된 효율보다 더 우수함)에 해당한다는 점을 고려할 때, 역삼투에 비해 우수한 이러한 미소유체 장치의 효율은 특히 주목할 만 하다.
장치 규모의 감소는 전형적으로 에너지 효율의 감소를 야기한다. 그 결과, 이러한 장치는 소규모 담수화 사용에 매우 경쟁력이 있는 것으로 보인다. 게다가, 작은 장비가 요구되고, 장치의 작동은 단지 3.0 V의 전원 공급 장치를 요구하기 때문에, 이러한 장치는 물 부족 지역에서 사용될 수 있다. 게다가, BPE는 직접적인 전기적 연결을 요구하지 않기 때문에, 단순한 전원 공급 장치를 사용하여 다수의 병렬로 이루어진 장치를 동시에 작동시키는 것이 가능하다.
물의 탈염화에 추가하여, 첨부된 청구항의 장치, 시스템, 및 방법은 또한 동시에 물을 소독할 수 있다. 양극에서의 염화물의 산화로 염소 및 전기장 구배가 발생한다. 염소는 이후 물과 반응하여 하이포아 염소산(hypochlorous acid)을 생성할 수 있고, 이는 일반적인 물 소독제인 하이포아 염소산 염(hypochlorite)을 함유한다. 탈염된 스트림 내로 유입된 이러한 소독제의 농도가 충분할 경우, 신선한 물 용으로 의도된 물은 탈염뿐만 아니라 소독도 될 것이고, 이로 인하여 후-처리 필요성을 낮출 것이다.
첨부된 청구항의 장치, 시스템, 및 방법은, 본 명세서에 기술된 특정 장치, 시스템, 및 방법에 의해 범위가 제한되지 않고, 이들은 청구항의 몇몇 양태의 예시로 의도된다. 기능적으로 동등한 임의의 장치, 시스템, 및 방법은 청구항의 범위에 포함되는 것으로 의도된다. 본 명세서에 나타내고 기술된 장치, 시스템, 및 방법뿐만 아니라, 장치, 시스템, 및 방법의 다양한 변형은 첨부된 청구항의 범위에 포함되는 것으로 의도된다. 추가적으로, 본 명세서에 개시된 단지 특정 대표적인 장치, 시스템, 및 단계 방법만이 구체적으로 기술되어 있지만, 다른 장치, 시스템, 및 단계 방법의 조합도 또한, 구체적으로 언급되지 않더라도 첨부되는 청구항의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 따라서, 단계, 요소, 구성 요소, 또는 구성 성분의 조합이 명시적으로 본 명세서 또는 이하에 언급될 수 있지만, 단계, 요소, 구성 요소, 또는 구성 성분의 다른 조합도 명시적으로 언급되지 않더라도 포함된다.
실시예 2: 미소유체 전극 장치를 사용한 담수화
미소유체 장치의 제조
PDMS/글래스의 하이브리드 미소유체 장치를 분야 내 공지된 미세가공 방법을 사용하여 제조하였다. 미소유체 장치의 구조가 도1에 모식적으로 도시된다. 상기 장치는 담수화 유닛 및 단일 전극을 포함한다.
Pt 코팅된 Ti 전극을 글래스 슬라이드(1in x 1in) 상에 제조하였다. 포토레지스트를 슬라이드 상에 3500 rpm으로 45 초 간 스핀 코팅하였고, 이후 과량의 용매를 제거하기 위하여 핫 플레이트에서 1분간 100° C에서 소프트 베이킹 하였다. 이후 전극(폭 100 μm의 길이 6.3 mm) 디자인을 나타내기 위하여, 장치를 상기 패터닝된 마스크와 함께 UV 램프에 노출시켰다. 과량의 포토레지스트를 현상에 의하여 제거하여 맨 유리를 노출시켰다. 이후 상기 장치를 처음 10 nm의 Ti가 증착되었던 전자-빔 진공 챔버 내에 배치하였다. 그리고 나서, Pt 전극을 형성하도록 100 nm의 Pt을 증착하였다. 과량의 포토레지스트 및 증착된 금속은 아세톤 조에서 리프트-오프(lift-off)에 의하여 제거하였다.
실리콘 웨이퍼에 패터닝된 SU-8 포토레지스트 몰드를 사용하여 폭100 μm 의 유입 채널 및 폭50 μm 의 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널을 가지는 PDMS 담수화 유닛(길이5.0 mm 및 높이 22 μm)을 제조하였다. PDMS 채널을 에탄올로 세정하여 N2하에서 건조하였고, 이후 PDMS 및 글래스/전극 표면을 공기 플라즈마에 15초 간 노출시키고, 최종적으로 상기 두 부분을 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널이 유입 채널로부터 분기하는 교차 지점에 정렬된 전극과 함께 결합하였다. 이후 상기 PDMS/쿼츠 미소유체를 불가역의 결합을 촉진하기 위하여 5분간 65° C의 오븐에 두었다.
담수화의 평가
담수화를 평가하기 위하여 텍사스, 포트 아란사스에서 수집한 해수를 사용하였다. 미소유체 채널의 방해를 방지하기 위하여, 샘플 수집 전 해수 샘플을 간단한 침전 처리를 거치도록 두었다. 담수화 동안 담수화 유닛을 통한 이온의 움직임을 형광으로 관측하기 위하여 해수에 양이온(20 μM Ru(bpy)2 +) 트레이서 (cationic tracer)를 섞었다.
유입 채널에 유체적으로 연결된 유체 저장부(110; V1)와 농축 배출 채널에 유체적으로 연결된 유체 저장부(112; V2) 및 희석 배출 채널에 유체적으로 연결된 유체 저장부 (114, V3) 사이에 용액의 높이 차이를 생성하였다. 이러한 방식으로, 오른쪽에서 왼쪽으로의 압력 구동된 유동(PDF)를 개시하였다.
결과
Pt 와이어 상대 전극 및 미세제조된 Pt 구동 전극을 사용하여, 전극 (108)과 유체 저장부(110, 112, 및 114) 사이에 1.4 V 바이어스를 인가하였다. 유체 저장부는 접지되었다. 전위 바이어스는 염화물의 산화를 구동하고 이온 결핍 구역 및 국소 전기장 구배를 형성하도록 전극과 용액 사이에 충분히 큰 전위차를 생성하였다.
상기 장치를 통한 Ru(bpy)2 +(형광성 양이온 트레이서)의 유동을 관찰함으로써 상기 장치의 미소채널을 통한 이온종의 유동을 관측하였다. 도 13A 및 13B는 전위 바이어스의 인가 이전(도13A) 및 인가 이후(도13B)에 촬영한 장치의 형광 현미경 사진이다. 도13A에 나타낸 바와 같이, 전위 바이어스가 인가되지 않을 때, 이온이 유입 채널(702)을 통해 흐르고, 희석 배출 채널(704) 및 농축 배출 채널(706) 모두로 흐른다. 1.4 V 전위 바이어스의 인가 직후에, 이온 결핍 구역 및 이후의 전기장 구배가 희석 배출 채널(704) 및 농축 배출 채널(706; 도13B)의 교차 지점(710) 근방의 BPE 양극(708) 근처에 형성된다. 그 결과, 형광성 양이온 트레이서 Ru(bpy)2 +를 포함한 이온은 농축 배출 채널(706)로 보내진다. 탈염수(형광성 양이온 트레이서 Ru(bpy)2 + 의 부재로 인하여 현미경 사진에는 비-형광성)는 희석 배출 채널(704) 내로 흐른다. 이러한 결과는 양이온 및 음이온 모두 농축 배출 채널(706) 내로 흐르는 것을 입증한다. 탄소 양극과는 다르게, 이러한 Pt 양극은 해리를 수행하지 않는다.
실시예3 : 담수화 시뮬레이션
미소유체 장치의 제조
상기 실시예 외에도, 담수화를 모델링하기 위하여 수치 시뮬레이션을 사용하였다. 도10B의 실시예 1과 유사한 50 mS/cm의 NaCl 용액의 담수화를 모델링하도록 컴퓨터를 이용한 방법을 사용하였다. 시뮬레이션된 시스템의3차원 기하학적 구조(길이 5.0 mm 및 폭 22 μm)는 폭 100 μm의 유입 채널과 폭 50 μm의 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널을 가졌다. 컴퓨터는 담수화 채널 내에서 개시된 유동뿐만 아니라 국소 이온 농도 및 국소 전기장의 분배를 시뮬레이션 하였다. Cl-의 산화가 양극에서 일어나는 유일한 패러데이 반응으로 가정하였다. 상기 모델은 고유의 병렬 처리와 수치 기법을 기반으로 개발되어 현대의 고성능 계산의 플랫폼(슈퍼컴퓨터)에서의 간단한 구현을 허용한다.
상기 모델은 유체 역학(hydrodynamic), 질량/전하 수송, 및 정전기(electrostatic) 문제를 설명하는 방정식에 기초한다. 액체가 비압축성이라 가정하면, 국소 유속 필드(v)는 나비어-스톡스 방정식(Navier-Stokes equation)에 의해 설명될 수 있다.
(S-1)
Figure pct00001
,
여기서 r 및 h은 액체의 밀도 및 역학 점도이고, p는 정수압(hydrostatic pressure)이다. Na+ 및 Cl-의 농도 내에서의 시공간적 변화는 평형 방정식에 의해 지배된다.
(S-2)
Figure pct00002
,
(S-3)
Figure pct00003
,
여기서 n은 종의 농도, D는 벌크 유체 내의 확산 계수, f 은 국소 전위이며; F, R, 및 T 는 각각 패러데이 상수, 몰 기체 상수, 및 온도를 나타내고, v 는 유속, r 은 양극에서 패러데이 반응으로 인한 Cl- 농도의 감소를 설명하는 전기화학적 반응 용어이다.
종의 국소 농도 및 국소 전위는 푸아송 방정식(Poisson equation)으로 관련되어 있다.
(S-4)
Figure pct00004
,
여기서 qe 는 단위 전하량(elementary charge), e0 및 er 은 진공 유전율 및 유전 상수이다. 유체 역학 문제(eq S-1)는 종의 수송 문제(eqs S-2 및 S-3) 및 정전기 문제(eq S-4)에서 분리될 수 있다; 즉, 유체의 밀도 및 속도는 이온 강도에 독립적이라고 가정하였다.
eq S-1의 직접 수치 해법 대신에, 저 레이놀즈수 유동(low-Reynolds number flow)의 시뮬레이션을 격자 볼쯔만법(Lattice-Boltzmann method (LBM))으로 수행하였다. LBM에서, 선형의 충돌 연산자를 사용하는 볼쯔만 방정식의 이산화된 버전이 계산된다. 상기 방법은, 이산 시간 단계 중에, 공간 격자에 한정되고 이산 속도 ci 로 움직이는 가상의 입자의 분포 함수의 시간의 변화를 추적함에 의한 유체 역학 현상을 시뮬레이션한다. 입자 분포 함수 fi(r,t)는 위치 r 및 시간 t에서 속도 ci 를 가지는 입자를 발견할 확률을 나타낸다. 각각의 시간 단계는 개별적인 스트리밍 및 충돌 단계로 나누어 진다. 하나의 스트리밍 단계에서, 하나의 격자 노드에서부터 이웃한 격자 노드로의 격자 링크를 따라 움직이도록 속도 ci 가 선택된다. 이후, 이산 충돌 연산자에 따라서 입자 분포 함수 fi 가 재분포된다. 국소 유체 밀도 r(r,t) 및 속도 v(r,t)는 입자 분포 함수의 1차 및 2차 모멘트에서부터 얻어진다:
(S-6)
Figure pct00005
, 및
(S-7)
Figure pct00006
.
고체-액체 경계면에서, 중도 바운스-백 규칙(halfway bounce-back rule)의 적용에 의해 슬립이 없는(no-slip) 경계 조건이 구현되었다. 보통, LBM 모델은 DxQy로 지정되고, 여기서 x 는 격자의 차원 수, y는 주어진 격자 노드에서부터 단순 입방 격자 상에 배치된 이웃한 격자 노드(노드 자체 포함)의 격자 링크의 수를 지칭한다. 이러한 연구에서, 3차원 공간 상에 4차원 면심 초입방 격자를 투영함으로써 얻어질 수 있는, 각각의 격자 노드에 18개의 링크가 있는 격자인 D3Q19 격자를 사용하였다. 동일한 D3Q19 격자를 또한 수송 방정식 (eqs S-2 및 S-3) 및 푸아송 방정식(eq S-4)의 수치 해법에도 사용하였음을 주목해야 한다.
공간 격자의 이웃하는 노드 사이의 종의 플럭스의 식별에 기초하여 수치적 접근으로 수송 방정식을 계산하였다. 이웃하는 노드 사이의 플럭스의 대칭적인 공식화는 엄격한 국소 질량/전하의 보존을 확실하게 하였다. 이러한 접근에서, 플럭스는 외부 필드를 하전된 종의 농도 및 유체의 유속 모두와 연결하는 기초적인 동적 객체이다. eqs S-2 및 S-3을 계산하기 위하여, 다음의 경계 조건을 부과하였다:(i) 하전된 종(Na+ 및 Cl-) 모두에 대하여 채널 벽에 수직인 플럭스는 모두 0이고;(ii) 양극 표면에 수직인 Na+의 플럭스는 0이고; 및 (iii) 양극 표면에 수직인 Cl- 플럭스, jCl은 이러한 표면에 걸쳐 주어진 전류 밀도에서부터 결정된다.
(S-8)
Figure pct00007
,
여기서 IBPE는 양극을 통한 전류이고 SBPE 는 BPE 양극과 용액의 접촉 표면적이다
푸아송 방정식(eq S-4)은 D3Q19 격자에 적응시킨 완화된 유한 차분법(finite difference)에 의하여 계산되었다. 특히, 이웃하는 격자 노드의 값을 설명함으로써 전위의 갱신된 국소치를 결정하는 중량 계수, w는 가장 근접한 및 그 다음 근접한 노드 각각에 관한 것으로
(S-9)
Figure pct00008
및
Figure pct00009
이다.
BPE에 근접한 영역 내의 전위의 계산 동안 수치적 안정성을 보장하기 위하여 0.25의 완화 계수를 사용하였다.
이러한 연구에서, 물리적 인자에 대해 다음의 값을 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다: ρ = 1.023 × 103 kg/m3, η = 0.966 mPa·s, T = 298.16 K, DCl = 2.032 × 10-9 m2/s, DNa = 1.334 × 10-9 m2/s, er = 78. BPE을 통한 전류는 IBPE = 50 nA 로서, 및 담수화 채널 내 용액과 접촉하는 양극 표면적(SBPE)은 SBPE = 82 μm × 50 μm(양극 폭 x 길이)로서 가정하였다. 양극의 전위는 0.9 V로 가정하였고, 외부에서 인가된 전압(3 V)과 염화물의 산화 및 물의 환원에 대한 표준 전위(1.3 V 및 0.8 V)의 합 사이의 차이로부터 결정되었다. 담수화 채널의 유입 저장부 내의 Cl- 및 Na+의 농도는 3.3121 × 1026 ions/m3로 가정하였고, 이는 0.55 M의 몰 농도에 상응한다.
결과
이러한 수치의 시뮬레이션은 담수화를 위하여 제안된 메커니즘과 일치하였다. 시뮬레이션은 실시예 1의 도10B; 양극에서의 Cl- 산화를 가정한 50 mS/cm NaCl 용액의 담수화에 상응하는 결과를 나타냈다. 도14A는 담수화 채널 유입부의 값으로 정상화된, 양극 근처의 관심 영역 내의 염도의 시뮬레이션된 분포를 나타낸다. 결과는 탈염 배출부 내의 염도의 20% 감소를 나타낸다. 도14B는 양극에 걸친 전기장 구배의 시뮬레이션된 전개를 나타내고, 이는 염화물 산화로 인한 전기장 강도의 명백한 증가를 나타낸다.
용어 "포함하는"("comprising") 및 본 명세서에 사용된 이의 변형은 "포함하는" ("including") 및 이의 변형과 동의어로 사용되고, 개방적이고, 비제한적인 용어이다. 용어 "포함하는"("comprising") 및 "포함하는" ("including")이 다양한 구체예를 설명하도록 본 명세서에 사용되었기는 하지만, "본질적으로 구성된" ("consisting essentially of") 및 "구성된" ("consisting of") 이 본 발명의 더욱 구체적인 구체예를 제공하도록 "포함하는"("comprising") 및 "포함하는" "(including)"을 대신하여 사용될 수 있고, 또한 개시된다. 명시된 경우 외에, 명세서 및 청구항에 사용되어 기하학, 크기, 등을 나타내는 모든 숫자는 정확히 최소로 이해되는 것이며, 청구항의 범위에 대한 균등물 등의 적용을 제한하려는 의도가 아니며, 유효 숫자 및 일반적인 반올림 접근의 숫자의 관점에서 해석되기 위함이다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 개시된 방법이 속하는 분야 내 숙련가에게 통상적으로 이해되는 동일한 의미를 가진다. 본 명세서에 인용된 간행물 및 인용되는 물질은 특별히 참조 문헌으로 포함된다.

Claims (47)

  1. 다음을 포함하는 미소유체 장치
    (a) 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널에 유체적으로 연결된 유입 채널을 포함하는 담수화 유닛, 여기서 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널은 채널 교차 지점에서 유입 채널로부터 분기함; 및
    (b) 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 전극;
    여기서 전극은 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널이 유입 채널로부터 분기하는 교차 지점 근방에 전기장 구배를 형성하도록 구성됨.
  2. 제1항에 있어서, 전극이 음극을 포함하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 전극이 양극을 포함하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유입 채널이 약 1000 미크론에서부터 약 1 미크론의 폭을 가지는 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유입 채널이 약 500 미크론에서부터 약 10 미크론의 폭을 가지는 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 유입 채널이 약 150 미크론에서부터 약 25 미크론의 폭을 가지는 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 유입 채널이 약 50 미크론 이하의 높이를 가지는 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 유입 채널이 약 50 미크론에서부터 약 1 미크론의 높이를 가지는 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 유입 채널이 약 20 미크론에서부터 약 1 미크론의 높이를 갖는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 희석 배출 채널이 약 500 미크론에서부터 약 0.5 미크론의 폭을 가지는 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 희석 배출 채널이 약 80 미크론에서부터 약 10 미크론의 폭을 가지는 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 희석 배출 채널이 약 50 미크론 이하의 높이를 가지는 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 희석 배출 채널이 약 50 미크론에서부터 약 1 미크론의 높이를 가지는 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 희석 배출 채널이 약 20 미크론에서부터 약 1 미크론의 높이를 가지는 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 농축 배출 채널이 약 500 미크론에서부터 약 0.5 미크론의 폭을 가지는 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 농축 배출 채널이 약 80 미크론에서부터 약 10 미크론의 폭을 가지는 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 농축 배출 채널이 약 50 미크론 이하의 높이를 가지는 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 농축 배출 채널이 약 50 미크론에서부터 약 1 미크론의 높이를 가지는 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 농축 배출 채널이 약 20 미크론에서부터 약 1 미크론의 높이를 가지는 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 희석 배출 채널의 단면적 및 농축 배출 채널의 단면적의 합이 유입 채널의 단면적과 실질적으로 동일한 장치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 유입 채널에 유체적으로 연결된 유체 유입부, 유체 저장부, 또는 이의 조합을 추가로 포함하는 장치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 희석 배출 채널에 유체적으로 연결된 유체 배출부, 유체 저장부, 또는 이의 조합을 추가로 포함하는 장치.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 농축 배출 채널에 유체적으로 연결된 유체 배출부, 유체 저장부, 또는 이의 조합을 추가로 포함하는 장치.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 교차 지점에서 희석 배출 채널과 농축 배출 채널 사이에 형성된 각도가 60 도 이하인 장치.
  25. 제1항 내지 24항 중 어느 한 항에 있어서, 담수화 유닛에서 유체적으로 분리된 보조 채널을 추가로 포함하는 장치.
  26. 제25항에 있어서, 전극이 담수화 유닛과 보조 채널을 전기화학적으로 연결하는 바이폴라 전극을 포함하는 장치.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서, 바이폴라 전극이 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 양극 및 보조 채널과 전기화학적으로 접촉하는 음극을 포함하는 장치.
  28. 제25항 또는 제26항에 있어서, 바이폴라 전극이 담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하는 음극 및 보조 채널과 전기화학적으로 접촉하는 양극을 포함하는 장치.
  29. 제25항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 보조 채널이 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널에 유체적으로 연결된 유입 채널을 포함하는 제2담수화 유닛을 포함하고, 여기서 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널은 교차 지점에서 유입 채널로부터 분기하고; 전극은 제2담수화 유닛과 전기화학적으로 접촉하며;
    여기서 전극은 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널이 유입 채널로부터 분기하는 교차 지점 근방에 전기장 구배를 형성하도록 구성된 장치.
  30. 제25항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 전위 바이어스 보조 채널 및 담수화 유닛에 걸쳐 전위를 인가하도록 구성된 전원 공급 장치를 추가로 포함하는 장치.
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 의하여 정의된 복수의 장치를 포함하는 수질 정화 시스템.
  32. 제31항에 있어서, 복수의 장치의 유입 채널이 물 유입부에 유체적으로 연결되고, 복수의 장치의 희석 배출 채널이 물 배출부에 유체적으로 연결된 시스템.
  33. 제31항 또는 제32항에 있어서, 직렬로 유체적으로 연결된 복수의 장치를 포함하는 시스템.
  34. 제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 병렬로 배치된 복수의 장치를 포함하는 시스템.
  35. 다음을 포함하는 물의 염분을 감소하는 방법
    (a) 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 의하여 정의된 장치의 유입 채널 또는 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 의하여 정의된 시스템의 물 유입부를 통한 염수의 유동을 제공하는 단계;
    (b) 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 의하여 정의된 장치의 담수화 유닛 또는 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 의하여 정의된 시스템의 담수화 유닛을 통해 이온의 유동에 영향을 주는 전기장 구배를 형성하도록 전위 바이어스를 인가하는 단계; 및
    (c) 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 의하여 정의된 장치의 희석 배출 채널 또는 제31항 내지 제34항에 의하여 정의된 시스템의 물 배출부로부터 물을 수집하는 단계;
    여기서 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 의하여 정의된 장치의 희석 배출 채널 또는 제31항 내지 제34항에 의하여 정의된 시스템의 물 배출부로부터 수집된 물이 염수보다 낮은 전기 전도도를 가짐.
  36. 제35항에 있어서, 염수가 해수를 포함하는 방법.
  37. 제35항에 있어서, 염수가 염분이 섞인 물을 포함하는 방법.
  38. 제 35항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서, 수집된 물의 전도도가 염수의 전도도의 약 80%를 초과하지 않는 방법.
  39. 제 35항 내지 제38 중 어느 한 항에 있어서, 수집된 물의 전도도가 염수의 전도도의 약 50%를 초과하지 않는 방법.
  40. 제 35항 내지 제39 중 어느 한 항에 있어서, 수집된 물의 전도도가 염수의 전도도의 약 10%를 초과하지 않는 방법.
  41. 제35항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서, 수집된 물이 약 0.1 S/m 미만의 전도도를 가지는 방법.
  42. 제35항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 수집된 물이 약 0.05 S/m 에서부터 약 0.005 S/m의 전도도를 가지는 방법.
  43. 제35항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서, 수집된 물이 약 0.005 S/m 에서부터 약 5.5 x 10-6 S/m 의 전도도를 가지는 방법.
  44. 제35항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서, 인가된 전위 바이어스가 약 1 볼트에서부터 약 10 볼트에 이르는 방법.
  45. 제35항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서, 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 의하여 정의된 장치의 담수화 유닛 또는 제31항 내지 제34항 중 어느 한 항에 의하여 정의된 시스템의 각각의 담수화 유닛을 통한 염수의 유량이 분당 약 0.01에서부터 약 1 마이크로리터에 이르는 방법.
  46. 다음을 포함하는 물의 염분을 감소하는 방법
    (a) 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널에 유체적으로 연결된 유입 채널을 포함하는 담수화 유닛을 통해 염수를 유동시키는 단계, 여기서 희석 배출 채널 및 농축 배출 채널은 교차 지점에서 유입 채널로부터 분기함; 및
    (b) 전기장 구배를 형성하도록 교차 지점 근방에 위치한 전극에서 패러데이 반응을 수행하는 단계;
    여기서 전기장 구배는 희석 배출 채널에서부터 염수 내 이온을 내보냄.
  47. 제46항에 있어서, 패러데이 반응이 염화물의 염소로의 산화를 포함하는 방법.
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