KR20160031155A - Method of micro-oil droplet separation - Google Patents

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KR20160031155A
KR20160031155A KR1020140120758A KR20140120758A KR20160031155A KR 20160031155 A KR20160031155 A KR 20160031155A KR 1020140120758 A KR1020140120758 A KR 1020140120758A KR 20140120758 A KR20140120758 A KR 20140120758A KR 20160031155 A KR20160031155 A KR 20160031155A
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김성재
권순현
전누리
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서울대학교산학협력단
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

The present invention is to provide a method for separating micro-oil droplets in an easy manner by using an ion-selective membrane. The method for separating micro-oil droplets includes the following steps: supplying an emulsified solution to an inlet to enable the emulsified solution to pass from the inlet of a micro-channel device having the ion-selective membrane to a first outlet or a second outlet; forming an ion depletion zone as ion concentration polarization (ICP) is generated in a portion close to a branching point between the first outlet and the second outlet by applying an electric field to the micro-channel device; and allowing the emulsified solution to be separated into fresh water and oil droplets with respect to the ion depletion zone, allowing the fresh water to be discharged through the first outlet, and also allowing the oil droplets to be pushed away by electric repulsive force in a boundary surface of the ion depletion zone and to be discharged through the second outlet.

Description

미세 유적 분리 방법{Method of micro-oil droplet separation}[0001] The present invention relates to a micro-oil droplet separation method,

본 발명은 미세 유적 분리 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 이온 선택성 멤브레인을 구비한 마이크로 채널 디바이스를 이용하여 미세 유적을 분리하는 미세 유적 분리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for separating microalloys, and more particularly, to a microalloy separating method for separating microalloys using a microchannel device having an ion selective membrane.

유조선 침몰에 따른 기름유출, 산업폐수, 수압파쇄법으로 인한 고농도 기름 오수는 심각한 환경오염문제를 야기한다. 유조선 침몰에 따른 기름 오수는 바닷물 속으로 들어가는 빛들을 차단하여 해양 생태계의 파괴를 초래하고 있다. 이와 더불어 최근 셰일 가스 채굴법인 수압파쇄법의 환류수(flow back)는 해수보다 2-3배 염 농도가 높고 기름도 포함된 오수이므로 인간이 마실 수 없을 뿐만 아니라 주변 토양을 황폐화시켜 동식물 또한 살 수 없게 만든다. 이런 기름오염문제를 해결하기 위한 유수분리장치(oil separator) 기술로는 API(American Petroleum Institute)의 표준설계에 의한 기술, PPI(Parallel Plate Interceptor)를 이용한 기술, CS(Centrifugal Separator)를 이용한 기술, TF(Trickling Filter)를 이용한 기술, CPI(Corrugated Plate Interceptor)를 이용한 기술 및 IAF(Induced Air Flotation)를 이용한 기술 등이 있다. 하지만 열거된 기술은 지름 10㎛ 이하의 미세 유적을 제거하는데 부적합하다.Oil spill due to oil tanker sinking, industrial wastewater, and high concentration oil sludge due to hydraulic fracturing method cause severe environmental pollution problem. The oil sludge from the sinking of the oil tanker is causing the destruction of the marine ecosystem by intercepting the light that enters the seawater. In addition, the flow back of the hydraulic shredding method (shale gas extraction method) is 2-3 times higher than that of seawater, and because it is oil containing sewage, not only humans can drink but also degrades nearby soil, It does not exist. Oil separator technology to solve this oil pollution problem includes the standard design of API (American Petroleum Institute), the technology using PPI (Parallel Plate Interceptor), the technology using CS (Centrifugal Separator) Technology using TF (Trickling Filter), technology using CPI (Corrugated Plate Interceptor), and technology using IAF (Induced Air Flotation). However, the listed techniques are unsuitable for the removal of microstructures with diameters less than 10 μm.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 이온 선택성 멤브레인을 이용하여 구조가 간단하고 용이하게 미세 유적을 분리할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide a method for separating fine microstructure easily and easily using an ion selective membrane. However, these problems are illustrative and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 일 관점에 따르면, 미세 유적 분리 방법은 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane)을 구비한 마이크로 채널 디바이스의 입구로부터 제 1 출구 또는 제 2 출구로 통과될 수 있도록 상기 입구에 에멀전(emulsion) 된 용액을 공급하는 단계; 상기 마이크로 채널 디바이스에 전기장을 인가하여, 상기 제 1 출구와 상기 제 2 출구 사이의 분기점에 인접한 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성하는 단계; 및 상기 에멀전 된 용액은 상기 이온공핍영역을 기준으로 담수(fresh water)와 유적(oil)으로 분리되며, 상기 담수는 상기 제 1 출구로 유출되고, 상기 유적은 상기 이온공핍영역의 경계면에서 전기적 반발력에 의해 밀려나 상기 제 2 출구로 유출되는 단계;를 포함할 수 있다.According to one aspect of the present invention, a micro-distillate separation method comprises the steps of: passing an emulsion through the inlet to be passed from an inlet of a microchannel device having an ion-selective membrane to a first outlet or a second outlet, Supplying the resulting solution; An ion depletion zone is formed by applying an electric field to the microchannel device and causing an ion concentration polarization (ICP) phenomenon to occur at a position adjacent to a branch point between the first outlet and the second outlet. ; And the emulsified solution is separated into fresh water and oil on the basis of the ion depletion region, the fresh water flows out to the first outlet, and the remnant has an electric repulsion force at the interface of the ion depletion region And then flows out to the second outlet.

상기 에멀전 된 용액은 마이크로-나노 크기를 갖는 미립자이며, 극성을 띠는 상기 미립자는 상기 전기장에 의해 유전분극이 일어날 수 있다.The emulsified solution is microparticles having micro-nano size, and the polarized microparticles may undergo a dielectric polarization by the electric field.

상기 에멀전 된 용액이 상기 담수와 상기 유적으로 분리되는 단계는, 전기삼투 흐름에 의한 힘과 상기 이온농도분극 현상에 의한 힘에 의해 상기 유적이 상기 이온공핍영역의 경계면에서 밀려나는 단계;를 더 포함할 수 있다.Wherein the step of separating the emulsified solution into the fresh water and the ruins further comprises the step of displacing the ruins from the interface of the ion depletion region by a force due to the electroosmosis flow and a force due to the ion concentration polarization phenomenon can do.

상기 제 2 출구로 유출되는 상기 유적을 별도의 장치에서 모아주는 단계;를 더 포함할 수 있다.And collecting the ruins flowing out to the second outlet from a separate device.

상기 유적은, 상기 멤브레인의 적어도 일면과 나란한 방향의 벡터성분과 상기 멤브레인의 적어도 일면과 수직한 방향의 벡터성분을 가지면서 상기 제 2 출구로 유출되는 유체역학적 대류 유동을 포함할 수 있다.The relic may include a hydrodynamic convective flow having a vector component in a direction parallel to at least one side of the membrane and a vector component in a direction perpendicular to at least one side of the membrane and flowing out to the second outlet.

상기 유적의 크기는 10㎛ 이하일 수 있다.The size of the ruins may be 10 탆 or less.

상기 제 2 출구는 상기 제 1 출구와 소정의 각도를 갖고 유체의 진행 방향에 둔각으로 배치된 방향일 수 있다.The second outlet may be a direction which is disposed at an obtuse angle with respect to the traveling direction of the fluid at an angle with the first outlet.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이온 선택성 멤브레인을 구비한 미세 채널 디바이스를 사용함으로써 구조가 간단하며, 저전력으로 미세 유적을 깨끗한 담수와 구분할 수 있으므로, 경제적으로 유리한 미세 유적 분리 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention as described above, since the microchannel device having an ion selective membrane is used, the structure can be simplified and the microhole can be distinguished from clean fresh water with low power. Therefore, Can be implemented. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널 디바이스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 마이크로 채널 디바이스에서 유적에 영향을 미치는 힘을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 마이크로 채널 디바이스의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 미세 유적 분리 방법을 개략적으로 나타내는 공정순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실험예에 의한 미세 유적을 현미경으로 분석한 사진이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실험예에 의한 미세 유적 분리 방법에 의해 분리되는 미세 유적을 현미경으로 분석한 사진이다.1A is a schematic view of a microchannel device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1B is a view schematically illustrating a force affecting a relic in the microchannel device shown in FIG. 1A. FIG.
1C is a photograph of the microchannel device shown in FIG. 1A.
2 is a process flow chart schematically showing a method of separating micro-oil droplets according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a microscopic image of microstructure according to an experimental example of the present invention. FIG.
FIGS. 4A to 4C are micrographic images of fine microstructures separated by the microstructure separation method according to an experimental example of the present invention. FIG.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, Is provided to fully inform the user. Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size.

본 실시예를 설명하는 과정에서 언급하는 "상의" 또는 "하의"와 같은 용어들은, 도면에서 도해되는 것처럼, 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 상대적인 관계를 기술하기 위해 사용될 수 있다. 즉, 상대적 용어들은 도면에서 묘사되는 방향과 별도로 구조체의 다른 방향들을 포함하는 것으로 이해될 수도 있다. 예를 들어, 도면들에서 구조체의 상하가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하면 상에 존재할 수 있다. 그러므로 예로써 든, "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향을 기준으로, "상의" 및 "하의" 방향 모두를 포함할 수 있다. Terms such as "top" or "bottom" referred to in the process of describing the present embodiment may be used to describe the relative relationship of certain elements to other elements, as illustrated in the figures. That is, relative terms may be understood to include different directions of the structure apart from the directions depicted in the figures. For example, if the top and bottom of the structure are inverted in the figures, the elements depicted as being on the top surface of the other elements may be on the bottom surface of the other elements. Thus, by way of example, the term "tops" may include both "top" and "bottom" directions, relative to a particular direction in the figures.

또한, 본 실시예를 설명하는 과정에서, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "연결"된다고 언급할 때는, 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소의 직접 상에 위치하거나, 상기 다른 구성요소에 직접 연결되는 것을 의미할 수도 있으나, 나아가, 하나 또는 둘 이상의 개재하는 구성요소들이 그 사이에 존재할 수 있음을 의미할 수도 있다. 하지만, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소의 "직접 상에" 위치하거나, 다른 구성요소에 "직접 연결"된다거나, 또는 다른 구성요소에"직접 접촉"한다고 언급할 때는, 별도의 언급이 없다면 그 사이에 개재하는 구성요소들이 존재하지 않음을 의미한다. Further, in the course of describing the present embodiment, when it is mentioned that an element is located on another element, or "connected" to another element, the element is positioned directly on the other element Or directly connected to the other component, but may also mean that one or more intervening components may be present therebetween. However, when an element is referred to as being "directly on" another element, "directly connected" to another element, or "directly in contact" with another element, Which means that there are no intervening components.

이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.In the following embodiments, the x-axis, the y-axis, and the z-axis are not limited to three axes on the orthogonal coordinate system, but can be interpreted in a broad sense including the three axes. For example, the x-axis, y-axis, and z-axis may be orthogonal to each other, but may refer to different directions that are not orthogonal to each other.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널 디바이스를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 마이크로 채널 디바이스에서 유적에 영향을 미치는 힘을 개략적으로 설명하는 도면이며, 도 1c는 도 1a에 도시된 마이크로 채널 디바이스의 사진이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 미세 유적 분리 방법을 개략적으로 나타내는 공정순서도이다.1A is a schematic view of a microchannel device according to an embodiment of the present invention, FIG. 1B is a view schematically illustrating a force affecting a microchannel device shown in FIG. 1A, and FIG. 1C 2A is a photograph of the microchannel device shown in FIG. 1A, and FIG. 2 is a process flow chart schematically illustrating a method of separating micro-oil droplets according to an embodiment of the present invention.

도 1a을 참조하면, 미세 유적 분리 방법은 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane, 18)을 구비한 마이크로 채널 디바이스(10)를 사용할 수 있다. 마이크로 채널 디바이스(10)는 이온농도분극(Ion Concentration Polarization) 현상을 유발하도록 마이크로 채널 디바이스(10) 내에 이온 선택성 멤브레인(18)을 포함할 수 있다. 이온 선택성 멤브레인(10)은 유전체 미립자를 포함하는 액상의 콜로이드(colloid)를 이용하여 유전체 미립자를 상호 집결시켜 유전체 미립자들 간의 공간으로 특정되어 형성될 수 있다. 예를 들면, 콜로이드는 극성을 띠는 미립자를 포함할 수 있으며, 이온 선택성 멤브레인(18) 부근에 상기 미립자가 자가 응집(self-assembled)되어 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1A, the micro-channel separation method may use a microchannel device 10 having an ion-selective membrane 18. The microchannel device 10 may include an ion selective membrane 18 in the microchannel device 10 to cause an ion concentration polarization phenomenon. The ion-selective membrane 10 may be formed as a space between dielectric microparticles by collecting dielectric microparticles using a liquid colloid containing dielectric microparticles. For example, the colloid may comprise polarized particulates and may be formed by self-assembling the particulate near the ion selective membrane 18.

또한, 이온농도분극 현상은 나노막을 갖는 구조 주변에서 관찰되는 전기화학 전달 현상 중의 하나이다. 전기 이중층의 두께가 나노막의 크기와 비슷할 때 나노막 내부에서 전기 이중층이 겹침으로써 단일 이온 투과성을 보인다는 것이 이론적으로 알려져 있다. 벽면 전하와 같은 전하를 갖는 이온들은 확산과 표류력에 의해 나노막을 통과하지 못하고 벽면 전하와 반대 전하를 갖는 이온들만이 통과하게 되면서, 나노막 경계면에서는 이온들의 공핍과 과다 현상이 나타난다. 나노막을 통과하지 못한 이온들 사이에서는 강한 전기적인 반발력이 작용하여 양이온과 음이온 모두 영향을 받게 되고, 이에 따라 이온농도구배 현상이 나타난다. 이 때, 전하를 띠고 있는 입자나 세포, 액적들도 이온공핍영역(P)의 경계면에서 이온들의 전하를 띠지 않은 기름 또한 이온농도분극 현상에 의해 유적(20)들이 밀려나는 현상을 이용하여 오수로부터 미세 유적(20)을 분리하는 것을 보이고 있다. 도 1a에서 화살표 방향으로 에멀전 된 용액이 왼쪽 입구(12)에서 공급되어 이온공핍영역(P)을 거쳐 오른쪽에 위치한 제 1 출구(14) 및 제 2 출구(16)로 각각 분리되어 유출될 수 있다.In addition, the ion concentration polarization phenomenon is one of electrochemical transfer phenomena observed around the structure having nanofilms. It is theoretically known that when the thickness of the electric double layer is similar to that of the nanofiber, the electric double layer overlaps within the nanofiber to show a single ion permeability. Ions with the same charge as the wall charge can not pass through the nanofilm due to diffusion and drift, and only ions having opposite charge to the wall charge pass through, resulting in ion depletion and hyperpolarization at the nanofilm interface. Among the ions that have not passed through the nanofiber, a strong electrical repulsive force acts on both the positive and negative ions, thus causing ion concentration gradient. At this time, the particles, cells, and droplets that are charged are also removed from the waste water by using the phenomenon that the ions (20) are pushed away by the ionic polarization due to the oil that does not take charge of the ions at the interface of the ion depletion region (P) Thereby separating the micro-ruins 20 from each other. The solution emulsified in the direction of the arrow in Fig. 1A may be supplied from the left inlet 12 and separated and discharged to the first outlet 14 and the second outlet 16 located on the right side via the ion depletion region P .

도 2에 의하면, 상술한 마이크로 채널 디바이스(10)를 이용한 미세 유적(20) 분리 방법은 마이크로 채널 디바이스의 입구(12)에 에멀전 된 용액을 공급하는 단계(S10), 마이크로 채널 디바이스(10)에 전기장(E)을 인가하여 이온공핍영역(P)을 형성하는 단계(S20), 에멀전 된 용액은 이온공핍영역(P)을 기준으로 담수와 유적(20)으로 분리되는 단계(S30) 및 제 1 출구(14)로 담수가 유출되고, 제 2 출구(16)로 유적(20)이 유출되는 단계(S40)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the method of separating the micro-channels 20 using the micro-channel device 10 includes the steps of supplying emulsified solution to the inlet 12 of the micro-channel device, (S20) of applying an electric field (E) to form an ion depletion region (P), a step (S30) in which the emulsified solution is separated into fresh water and a residue (20) based on the ion depletion region (P) (S40) in which fresh water flows out to the outlet (14) and the remains (20) flow out to the second outlet (16).

좀 더 상세하게 살펴보면, 먼저, 마이크로 채널 디바이스(10)를 준비할 수 있다. 마이크로 채널 디바이스(10)는 이온 선택성 멤브레인(18)을 구비할 수 있다. 또, 마이크로 채널 디바이스(10)는 적어도 둘 이상의 출구를 구비할 수 있다. 예를 들면, 출구는 제 1 출구(14) 및 제 2 출구(16)로 구성될 수 있다. 이 때, 제 2 출구(16)는 상기 제 1 출구(14)와 소정의 각도를 갖고 서로 비스듬하게 기울어진 방향, 예를 들면, 유체의 진행 방향에 둔각으로 배치된 방향으로 배치될 수 있다. 이온 선택성 멤브레인(18)은 제 1 출구(14)와 제 2 출구(16) 사이의 분기점에 인접한 부근에 배치될 수 있다.In more detail, first, the microchannel device 10 can be prepared. The microchannel device 10 may have an ion selective membrane 18. In addition, the microchannel device 10 may have at least two outlets. For example, the outlet may consist of a first outlet 14 and a second outlet 16. At this time, the second outlet 16 may be disposed in a direction inclined at an oblique angle with the first outlet 14 at a predetermined angle, for example, obliquely arranged in the advancing direction of the fluid. The ion selective membrane 18 may be disposed adjacent to a branch point between the first outlet 14 and the second outlet 16.

준비된 마이크로 채널 디바이스(10)의 입구(12)로부터 제 1 출구(14) 또는 제 2 출구(16)로 통과될 수 있도록 마이크로 채널 디바이스(10)의 입구(12)에 에멀전(emulsion) 된 용액을 공급할 수 있다. 에멀전 된 용액은 마이크로-나노 크기를 갖는 미립자이며, 극성을 띠는 미립자는 전기장(E)에 의해 유전분극이 일어날 수 있다. The solution emulsified in the inlet 12 of the microchannel device 10 to be passed from the inlet 12 of the prepared microchannel device 10 to the first outlet 14 or the second outlet 16 Can supply. The emulsified solution is microparticles having micro-nano size, and polarized microparticles can undergo dielectric polarization by the electric field (E).

도 1b를 참조하면, 에멀전 된 용액이 투입되고, 마이크로 채널 디바이스(10)의 입구(12)와 출구(14, 16) 양단에 전기장(E)을 인가할 수 있다. 인가된 전기장(E)에 의하여 제 1 출구(14)와 제 2 출구(16) 사이의 분기점에 인접한 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ion depletion zone, P)을 형성할 수 있다. 에멀전 된 용액은 이온공핍영역(P)을 기준으로 담수(fresh water)와 유적(oil, 20)으로 분리될 수 있다. 에멀전 된 용액이 담수와 유적(20)으로 분리되는 단계(S30)는 전기삼투 흐름에 의한 힘과 이온농도분극 현상에 의한 힘에 의해 유적이 이온공핍영역(P)의 경계면에서 밀려날 수 있다. 여기서, 유적의 크기는 약 10㎛ 이하인 미립자일 수 있다.Referring to FIG. 1B, the emulsified solution is injected and an electric field E can be applied across the inlet 12 and outlets 14, 16 of the microchannel device 10. An ion concentration polarization (ICP) phenomenon occurs in a region adjacent to a branch point between the first outlet 14 and the second outlet 16 by an applied electric field E, thereby forming an ion depletion zone P) can be formed. The emulsified solution can be separated into fresh water and oil (20) based on the ion depletion region (P). In step S30 in which the emulsified solution is separated into the fresh water and the residue 20, the residue may be pushed out from the interface of the ion depletion region P by the force due to the electroosmotic flow and the polarization due to the ion concentration polarization. Here, the size of the ruins may be fine particles having a size of about 10 mu m or less.

한편, 분리된 담수는 제 1 출구(14)로 유출되고, 유적(20)은 이온공핍영역(P)의 경계면에서 전기적 반발력에 의해 밀려나 제 2 출구(16)로 유출될 수 있다. 유적(20)은 이온 선택성 멤브레인(18)의 적어도 일면과 나란한 방향의 벡터성분과 이온 선택성 멤브레인(18)의 적어도 일면과 수직한 방향의 벡터성분을 가지면서 제 2 출구(16)로 유출되는 유체역학적 대류 유동을 포함할 수 있다. 제 2 출구(16)로 유출되는 유적(20)을 별도의 장치에서 모아줄 수 있다. 이 유적(20)을 모아주게 되면 기름의 비율이 높은 용액을 얻을 수 있다.On the other hand, the separated fresh water flows out to the first outlet 14, and the ruins 20 can be pushed out by the electric repulsive force at the interface of the ion depletion region P, but can flow out to the second outlet 16. The remnant 20 has a vector component in a direction parallel to at least one side of the ion selective membrane 18 and a fluid component having a vector component in a direction perpendicular to at least one side of the ion selective membrane 18, Mechanical convection flow. The ruins 20 flowing out to the second outlet 16 can be collected in a separate apparatus. When the remains 20 are collected, a solution having a high oil ratio can be obtained.

마이크로-나노 채널 결합구조를 만든 후, 에멀전 된 용액을 이 마이크로 채널 상단에 넣고 나노 채널 양단에 전압을 인가하게 되면, 이온농도 구배로 인한 이온농도분극 현상이 일어나게 된다. 작은 기름방울들은 외부 전기장(E)에 의해 유전분극이 일어나 전하를 띤 입자처럼 행동을 하게 되고, 이온농도분극 현상으로 생긴 이온 공핍층 가장자리에서 정전기적 힘을 받아 나노막으로부터 밀려나는 힘을 받게 된다. 유체 흐름에 의해 받는 힘 Fdrag=-6πμＵα(Ｕ는 유속, μ는 유체의 점도 및 α는 입자의 대표반경)에 의해 밀려들어오고 이온농도분극 현상에 의한 힘 FICP과 전기삼투 흐름에 의한 힘 FEOF에 의해 나노막과 반대 방향으로 밀려나게 된다. 이 때, 밀려난 유적(20)들을 상위 분지로 모아주게 되면 기름의 비율이 높은 용액을 얻게 된다.After making the micro-nanochannel structure, placing the emulsified solution on top of the microchannel and applying a voltage across the nanochannel results in ion concentration polarization due to the ion concentration gradient. Small oil droplets act as charged particles due to dielectric polarization by external electric field (E), and they are subjected to electrostatic force at the edge of ion depletion layer caused by ion concentration polarization, . Force F drag = received by the fluid flow -6πμUα force by the force F ICP and electro-osmotic flow by (U is a flow rate, μ is the viscosity of the fluid, and α represent the radius of the particle) in the ion concentration polarization coming pushed by F EOF in the direction opposite to the nanofilm. At this time, collecting the ruins (20) into the upper branch will give a solution with a higher oil content.

도 1c를 참조하면, 마이크로 채널 디바이스(10)는 투명 재료를 제 1 기판으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 제 1 기판으로 파이렉스, 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 석영 또는 SU-8 중 하나를 사용할 수 있다. 마이크로 채널 디바이스(10)는 낮은 자가 형광 재료(low-autofluorescent material)로 코팅된다. 또, 상기 제 1 기판 이외에도 제 2 기판을 포함할 수 있다. 제 2 기판은 마이크로 채널 디바이스(10)를 커버하거나 실링(seal)하기 위해 이용될 수 있다. 제 2 기판은 제 1 기판과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서 제 1 기판과 제 2 기판은 상이한 재료들로 이루어질 수도 있다.Referring to FIG. 1C, the microchannel device 10 may use a transparent material as a first substrate. For example, one of Pyrex, silicon dioxide, silicon nitride, quartz, or SU-8 may be used as the first substrate. The microchannel device 10 is coated with a low-autofluorescent material. In addition to the first substrate, a second substrate may be included. The second substrate can be used to cover or seal the microchannel device 10. [ The second substrate may be made of the same material as the first substrate. In some embodiments, the first substrate and the second substrate may be made of different materials.

한편, 마이크로 채널 디바이스(10) 제조는 제 1 기판을 제 2 기판에 플라즈마 접합하는 것을 통해 완성할 수 있다. 또, 기판은 마이크로 채널 디바이스(10)의 지지 구조이다. 기판의 적어도 일부분은 실리콘으로 만들어 질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 기판, 디바이스 또는 디바이스의 부분들은 중합체로 만들어질 수 있다. 상기 중합체는 PDMS(polydimethylsiloxane)를 사용할 수 있다. PDMS를 사용할 경우, 친수성(hydrophilic)을 갖도록 산소(O2) 플라즈마 처리될 수 있으나, 경우에 따라서 산소 플라즈마 처리를 생략할 수도 있다.On the other hand, the fabrication of the microchannel device 10 can be completed by plasma-bonding the first substrate to the second substrate. In addition, the substrate is the supporting structure of the microchannel device 10. At least a portion of the substrate may be made of silicon. In one embodiment of the present invention, portions of the substrate, device or device may be made of polymer. The polymer may use PDMS (polydimethylsiloxane). When PDMS is used, oxygen (O 2 ) plasma treatment may be performed so as to have a hydrophilic property, but oxygen plasma treatment may be omitted in some cases.

또한, 에멀전 된 용액이 유입되는 입구(12)를 포함하며, 반대편으로 제 1 출구(14) 및 제 2 출구(16)가 형성될 수 있다. 제 1 출구(14)와 제 2 출구(16) 사이의 분기점에 인접한 부위에는 전기적으로 접지(GND)되도록 이온 선택성 멤브레인(18)이 배치될 수 있다. 이온 선택성 멤브레인(18)에 의해, 입구(12)를 통해 유입된 용액 중 전하를 띤 종을 포함하는 유적(20)은 제 2 출구(16)로 배출될 수 있고, 전하를 띠지 않는 종을 포함하는 담수는 제 1 출구(14)로 배출될 수 있다. 여기서, 이온 선택성 멤브레인(18)은 예를 들어, 나피온(Nafion)을 사용할 수 있다.In addition, a first outlet 14 and a second outlet 16 can be formed on the opposite side, including an inlet 12 through which the emulsified solution flows. An ion selective membrane 18 may be disposed to electrically ground (GND) to a portion adjacent to a branch point between the first outlet (14) and the second outlet (16). By the ion selective membrane 18, the remnant 20 of the solution introduced through the inlet 12, including the charged species, can be discharged to the second outlet 16 and contain an uncharged species Fresh water can be discharged to the first outlet 14. Here, the ion-selective membrane 18 can use, for example, Nafion.

또한, 이온 선택성 멤브레인(18)은 전해질에서 이온 전도성과 일치하지 않는 양이온에 대하여 우세하게 거동할 수 있다. 그 결과 이온농도 구배가 이온 선택성 멤브레인(18)의 양쪽에서 생성될 수 있다. 일단 이온농도분극이 양이온 교환 이온 선택성 멤브레인(18) 인근에서 유발되면, 양이온과 음이온의 농도는 모두 접합면의 양극측에서 감소하고 음극측에서 증가한다. 더욱이, 전하를 띠는 입자, 세포, 다른 작은 콜로이드 등 역시 유사하게 이온 결핍 또는 이온 과다 현상을 나타낼 수 있으며, 이러한 현상을 통해 정류 상태의 공핍 영역을 얻는 것이 가능하다.In addition, the ion selective membrane 18 can predominantly behave with respect to cations that do not match the ionic conductivity in the electrolyte. As a result, an ion concentration gradient can be produced on both sides of the ion selective membrane 18. Once the ion concentration polarization is induced near the cation exchange ion selective membrane 18, both the cation and anion concentrations decrease at the anode side of the junction and increase at the cathode side. Furthermore, charged particles, cells, other small colloids, etc. may similarly exhibit ion depletion or ionic hyperactivity, and through this phenomenon it is possible to obtain a depletion region in a rectified state.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, an experimental example to which the technical idea described above is applied will be described in order to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are for the purpose of promoting understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

[실험예][Experimental Example]

약 1 mM의 염화나트륨(NaCl)과 기름(oleic acid, silicon oil ar20, canola oil)을 약 5:1의 비율로 섞어 만든 용액에 초음파를 약 1분 이상 가하게 되면 기름이 마이크로-나노 크기의 유적(20)을 형성하고, 상기 유적(20)은 분극 현상에 의해 낮은 전하를 띠게 된다. When ultrasonic waves are added to the solution of about 1 mM sodium chloride (NaCl) and oil (oleic acid, silicon oil ar20, canola oil) at a ratio of about 5: 1 for about 1 minute or more, the oil becomes micro- 20, and the ruins 20 are subjected to a low electric charge by the polarization phenomenon.

에멀전 된 상기 용액을 나피온(Nafion)을 구비하는 마이크로 채널 상단에 넣고 나노 채널 양단에 전압을 인가한다. 이 때, 이온농도 구배로 인해 이온농도분극 현상이 일어나게 되고, 작은 기름방울들은 외부 전기장(E)에 의해 유전분극이 일어나 전하를 띤 입자처럼 이동을 하게 된다. 이온농도분극 현상으로 생긴 이온공핍영역(P) 가장자리에서 정전기적 힘을 받아 마이크로 채널 내에서 이동하게 된다.The emulsified solution is placed on top of a microchannel equipped with Nafion and a voltage is applied across the nanochannel. At this time, ion concentration polarization occurs due to the ion concentration gradient, and small oil droplets are caused to undergo dielectric polarization by external electric field (E) and move like charged particles. Electrostatic force is exerted at the edge of the ion depletion region (P) formed by the ion concentration polarization phenomenon and moves in the microchannel.

도 3은 본 발명의 일 실험예에 의한 미세 유적을 현미경으로 분석한 사진이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실험예에 의한 미세 유적 분리 방법에 의해 분리되는 미세 유적을 현미경으로 분석한 사진이다.FIG. 3 is a photograph of a microstructure according to an example of the present invention, and FIGS. 4A to 4C are photographs showing microstructures separated by a microstructure separation method according to an example of the present invention by a microscope It is a photograph.

도 3을 참조하면, 에멀전 된 용액을 현미경으로 분석한 것으로써, 약 1 mM의 염화나트륨(NaCl)과 기름(oleic acid, silicon oil ar20, canola oil)을 약 5:1의 비율로 섞어 만든 용액에 초음파를 약 1분 이상 가해서 평균 크기가 대략 2㎛의 크기를 갖는 미세 유적(20)을 확인할 수 있다. 이 때, 유적(20)의 최대 크기는 약 10㎛를 넘지 않는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, the emulsified solution was analyzed by a microscope. The solution was prepared by mixing about 1 mM sodium chloride (NaCl) and oil (oleic acid, silicon oil ar20, canola oil) at a ratio of about 5: 1 By adding ultrasonic waves for about 1 minute or more, microstructures 20 having an average size of about 2 탆 can be identified. At this time, it can be seen that the maximum size of the remains 20 does not exceed about 10 탆.

도 1a 및 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 제 1 출구(14)와 제 2 출구(16) 사이의 분기점 부근에서 형성된 이온공핍영역(P)에 의해 담수와 유적(20)으로 분리되고, 정전기적 반발력에 의해 이온 선택성 멤브레인(18)의 반대면으로 밀려나서 제 2 출구(16)로 유적(20)이 유출되고, 제 1 출구로 담수가 유출됨을 확인할 수 있다.1A and 4A to 4C, the water is separated into fresh water and the residue 20 by the ion depletion region P formed near the branch point between the first outlet 14 and the second outlet 16, It is confirmed by the miraculous repulsive force that it is pushed to the opposite surface of the ion selective membrane 18 and flows out to the second outlet 16 and the fresh water flows out to the first outlet.

상술한 바와 같이, 마이크로-나노 채널 결합 시스템을 갖는 PDMS 기반의 저가형 장치를 기반으로 하여 수용액 속의 마이크로-나노 크기의 유적들을 농축 및 분리할 수 있다. 기존의 전하를 띤 물질만을 분리했던 것에서 한 단계 발전된 무극성 기름도 미세 유적을 형성하면 이온농도분극 현상에 의해 영향을 받는 것을 알 수 있다.As described above, based on a low-cost PDMS-based apparatus having a micro-nano channel coupling system, micro-nano-sized deposits in an aqueous solution can be concentrated and separated. It can be seen that the nonpolar oil, which has been separated from the existing charged material only, is affected by the ion concentration polarization when it forms a microstructure.

또한, 기름과 물이 섞여있는 오수로부터 물을 정제해낼 때, 저전력으로 쉽게 물을 정제해낼 수 있다. 추가로, 수용액 속에 있는 미생물로부터 미량의 기름들을 추출해 낼 때 사용할 수 있다.In addition, when refining water from sewage mixed with oil and water, it is possible to purify water easily with low power. In addition, it can be used to extract trace oil from microorganisms in aqueous solution.

한편, 이온공핍영역은 마이크로 채널 디바이스에 인가되는 외부 전기장의 크기에 따라 다른 크기를 갖고 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 마이크로 채널의 단면적과 거의 같은 크기로 이온공핍영역이 형성되어 있어서, 미세 유적이 전기적인 반발력에 의해 모두 제 2 출구로 유출될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 도시된 전기장의 크기보다 작게 인가된다면, 미세 유적의 일부는 이온공핍영역의 경계면을 따라 이동되므로 제 1 출구로 적어도 일부 유출될 수도 있다. 따라서, 마이크로 채널 디바이스의 상기 채널의 단면적을 전기 이중층의 크기와 유사한 조건으로 설계하거나 이온공핍영역의 크기가 상기 채널의 단면적을 모두 메울 수 있도록 전기장의 값을 적절하게 선택하여 인가하여야 한다.On the other hand, the ion depletion region may have a different size depending on the magnitude of the external electric field applied to the microchannel device. In one embodiment of the present invention, the ion depletion region is formed to have a size almost equal to the cross-sectional area of the microchannel, so that the microstructures can be flowed out to the second outlet by electrical repulsive force. However, if applied at a magnitude less than the magnitude of the electric field shown in one embodiment of the present invention, a portion of the microhole may move along the interface of the ion depletion region, so that at least a part of the microhole may flow out to the first outlet. Therefore, it is necessary to design the cross-sectional area of the channel of the microchannel device in a condition similar to the size of the electric double layer, or to appropriately select and apply the value of the electric field so that the size of the ion depletion region can fill the cross-

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10 : 마이크로 채널 디바이스
12 : 입구
14 : 제 1 출구
16 : 제 2 출구
18 : 이온 선택성 멤브레인
20 : 유적10: Microchannel device
12: Entrance
14: 1st exit
16: second outlet
18: ion selective membrane
20: Remains

Claims (7)

이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane)을 구비한 마이크로 채널 디바이스의 입구로부터 제 1 출구 또는 제 2 출구로 통과될 수 있도록 상기 입구에 에멀전(emulsion) 된 용액을 공급하는 단계;
상기 마이크로 채널 디바이스에 전기장을 인가하여, 상기 제 1 출구와 상기 제 2 출구 사이의 분기점에 인접한 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성하는 단계; 및
상기 에멀전 된 용액은 상기 이온공핍영역을 기준으로 담수(fresh water)와 유적(oil)으로 분리되며, 상기 담수는 상기 제 1 출구로 유출되고, 상기 유적은 상기 이온공핍영역의 경계면에서 전기적 반발력에 의해 밀려나 상기 제 2 출구로 유출되는 단계;를 포함하는,
미세 유적 분리 방법.Supplying an emulsified solution to the inlet so as to be able to pass from an inlet to a first outlet or a second outlet of a microchannel device having an ion-selective membrane;
An ion depletion zone is formed by applying an electric field to the microchannel device and causing an ion concentration polarization (ICP) phenomenon to occur at a portion adjacent to a branch point between the first outlet and the second outlet. ; And
Wherein the emulsion is separated into fresh water and oil on the basis of the ion depletion region and the fresh water flows out to the first outlet and the remnant is subjected to an electrical repulsive force at the interface of the ion depletion region Said second outlet being pushed by said second outlet,
Method of separating micro-artefacts. 제 1 항에 있어서,
상기 에멀전 된 용액은 마이크로-나노 크기를 갖는 미립자이며, 극성을 띠는 상기 미립자는 상기 전기장에 의해 유전분극이 일어날 수 있는, 미세 유적 분리 방법.The method according to claim 1,
Wherein the emulsified solution is microparticles having a micro-nano size, and wherein the polarized microparticles can undergo dielectric polarization by the electric field. 제 1 항에 있어서,
상기 에멀전 된 용액이 상기 담수와 상기 유적으로 분리되는 단계는, 전기삼투 흐름에 의한 힘과 상기 이온농도분극 현상에 의한 힘에 의해 상기 유적이 상기 이온공핍영역의 경계면에서 밀려나는 단계;를 더 포함하는, 미세 유적 분리 방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of separating the emulsified solution into the fresh water and the ruins further comprises the step of displacing the ruins from the interface of the ion depletion region by a force due to the electroosmosis flow and a force due to the ion concentration polarization phenomenon The method comprising the steps of: 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 출구로 유출되는 상기 유적을 별도의 장치에서 모아주는 단계;를 더 포함하는, 미세 유적 분리 방법.The method according to claim 1,
And collecting the remains flowing out to the second outlet in a separate device. 제 1 항에 있어서,
상기 유적은, 상기 멤브레인의 적어도 일면과 나란한 방향의 벡터성분과 상기 멤브레인의 적어도 일면과 수직한 방향의 벡터성분을 가지면서 상기 제 2 출구로 유출되는 유체역학적 대류 유동을 포함하는,
미세 유적 분리 방법.The method according to claim 1,
Wherein said relic comprises a hydrodynamic convective flow having a vector component in a direction parallel to at least one side of said membrane and a vector component in a direction perpendicular to at least one side of said membrane,
Method of separating micro-artefacts. 제 1 항에 있어서,
상기 유적의 크기는 10㎛ 이하인, 미세 유적 분리 방법.The method according to claim 1,
Wherein the size of the ruins is 10 mu m or less. 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 출구는 상기 제 1 출구와 소정의 각도를 갖고 유체의 진행 방향에 둔각으로 배치된 방향인, 미세 유적 분리 방법.The method according to claim 1,
Wherein the second outlet is a direction arranged at an obtuse angle with respect to the traveling direction of the fluid at an angle with the first outlet.
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