WO2016039523A1 - 미세 유적 분리 방법 - Google Patents

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WO2016039523A1
WO2016039523A1 PCT/KR2015/007229 KR2015007229W WO2016039523A1 WO 2016039523 A1 WO2016039523 A1 WO 2016039523A1 KR 2015007229 W KR2015007229 W KR 2015007229W WO 2016039523 A1 WO2016039523 A1 WO 2016039523A1
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WO
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outlet
ion
oil
remains
fresh water
Prior art date
Application number
PCT/KR2015/007229
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English (en)
French (fr)
Inventor
김성재
권순현
전누리
Original Assignee
서울대학교 산학협력단
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D17/00—Separation of liquids, not provided for elsewhere, e.g. by thermal diffusion
    • B01D17/02—Separation of non-miscible liquids

Definitions

  • the present invention relates to a method for separating microscopic remains, and more particularly, to a method for separating microscopic remains using a microchannel device having an ion selective membrane.
  • Oil sewage from the sinking of oil tankers blocks the light entering the sea, causing the destruction of marine ecosystems.
  • the flow back of the shale gas mining method, the hydraulic fracturing method is two to five times higher salt concentration than seawater and contains sewage. Make it disappear.
  • Oil Separator (Oil Separator) technology to solve this oil pollution problem is based on the standard design of API (American Petroleum Institute), technology using Parallel Plate Interceptor (PPI), technology using Centrifugal Separator (CS), There are technologies using trickling filter (TF), technology using corrugated plate interceptor (CPI), and technology using induced air floatation (IAF).
  • API American Petroleum Institute
  • PPI Parallel Plate Interceptor
  • CS Centrifugal Separator
  • TF trickling filter
  • CPI corrugated plate interceptor
  • IAF induced air floatation
  • the present invention has been made to solve various problems including the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for easily and easily separating microscopic structures using an ion selective membrane.
  • problems are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.
  • the microscopic drop separation method is emulsified at the inlet so that it can be passed from the inlet of the microchannel device with the ion-selective membrane to the first outlet or the second outlet.
  • Supplying the prepared solution An ion depletion zone is formed by applying an electric field to the microchannel device to generate an ion concentration polarization (ICP) at a region adjacent to a branch point between the first outlet and the second outlet.
  • ICP ion concentration polarization
  • 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 oil repellency is at the interface of the ion depletion region.
  • Pushed by and exited to the second outlet may include.
  • the emulsified solution is micro-nano sized microparticles, and the polarized microparticles can be subjected to dielectric polarization by the electric field.
  • the separating of the emulsified solution from the fresh water and the oil droplets may include: pushing the oil droplets at an interface of the ion depletion region by a force caused by an electroosmotic flow and a force caused by the ion concentration polarization phenomenon. can do.
  • Collecting the remains flowing out to the second outlet in a separate device may further include.
  • the oil droplet may include a hydrodynamic convection flow flowing out to the second outlet while having a vector component in a direction parallel to at least one surface of the membrane and a vector component in a direction perpendicular to at least one surface of the membrane.
  • the size of the relics may be 10 ⁇ m or less.
  • the second outlet may have a predetermined angle with the first outlet and may be disposed at an obtuse angle with respect to the advancing direction of the fluid.
  • the structure is simple by using a micro-channel device having an ion-selective membrane, it is possible to distinguish the microscopic remains from the clean fresh water at low power, economically advantageous method for separating the microscopic features Can be implemented.
  • the scope of the present invention is not limited by these effects.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a micro channel device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the force affecting the remains in the micro channel device shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a photograph of the micro channel device shown in FIG. 1.
  • Figure 4 is a process flow diagram schematically showing a method for separating fine remains according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph of a microscopic analysis of microscopic relics according to an experimental example of the present invention.
  • 6 to 8 are photographs of the microscopic analyzes separated by the microscopic remnant separation method according to an experimental example of the present invention under a microscope.
  • top or bottom mentioned in the description of this 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 other directions of the structure separately from the direction depicted in the figures. For example, if the top and bottom of the structure in the figures are upside down, elements depicted as being on the top of other elements may be on the bottom of the other elements. Thus, by way of example, the term “top” may include both “top” and “bottom” directions, relative to a particular direction in the figures.
  • the component when referring to a component "on” or “connected” to another component, the component is located directly on the other component. Alternatively, the present invention may be directly connected to the other components. Furthermore, one or more intervening components may be present therebetween. However, when referring to a component “directly” to another component, “directly connected” to another component, or “direct contact” to another component, unless otherwise stated, This means that there are no components intervening in.
  • the x-axis, y-axis and z-axis are not limited to three axes on the Cartesian coordinate system, but may be interpreted in a broad sense including the same.
  • 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.
  • FIG. 1 is a view schematically showing a micro channel device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view schematically illustrating the force affecting the remains in the micro channel device shown in Figure 1
  • Figure 3 1 is a photograph of the microchannel device shown in FIG. 1
  • FIG. 4 is a process flowchart schematically showing a method for separating microscopic remains according to an embodiment of the present invention.
  • the microscopic drop separation method may use a micro channel device 10 having an ion-selective membrane 18.
  • the micro channel device 10 may include an ion selective membrane 18 within the micro channel device 10 to cause an ion concentration polarization phenomenon.
  • the ion-selective membrane 10 may be formed by specifying the space between the dielectric particles by collecting the dielectric particles together using a liquid colloid including the dielectric particles.
  • the colloid may include polar particles, and may be formed by self-assembled particles in the vicinity of the ion selective membrane 18.
  • the ion concentration polarization phenomenon is one of the electrochemical transfer phenomena observed around the structure having a nano-membrane. It is theoretically known that when the thickness of the electric double layer is similar to the size of the nanomembrane, the double layer overlaps inside the nanomembrane to show single ion permeability. As the charges such as wall charges do not pass through the nanomembrane due to diffusion and drift force, only ions having opposite charges to the wall charge pass through, resulting in depletion and excess of ions at the nanomembrane interface. Among the ions that do not pass through the nano-membrane strong electrical repulsive force is acting affects both positive and negative ions, resulting in the ion concentration tool phenomenon.
  • the charged particles, cells, and droplets are also discharged from the sewage by using the phenomenon that the uncharged oil of the ions at the interface of the ion depletion region P is also pushed out of the remains 20 by the ion concentration polarization phenomenon. It has been shown to separate the microscopic remains 20.
  • the solution emulsified in the direction of the arrow may be supplied from the left inlet 12 and separated and discharged through the ion depletion region P to the first outlet 14 and the second outlet 16 located on the right, respectively. .
  • the method may include supplying an emulsified solution to the inlet 12 of the microchannel device (S10) and the microchannel device 10.
  • the emulsified solution is separated into fresh water and oil residue 20 based on the ion depletion region (P) (S50) and the first Fresh water flows out to the outlet 14 and the oil drop 20 flows out to the second outlet 16 (S40).
  • the micro channel device 10 may be prepared.
  • the micro channel device 10 may have an ion selective membrane 18.
  • the micro channel device 10 may also have at least two outlets.
  • the outlet may consist of a first outlet 14 and a second outlet 16.
  • the second outlet 16 may be disposed at a predetermined angle with the first outlet 14 in a direction inclined obliquely to each other, for example, at an obtuse angle to the traveling direction of the fluid.
  • the ion selective membrane 18 may be disposed in the vicinity of the branch point between the first outlet 14 and the second outlet 16.
  • Emulsified in the inlet 12 of the micro channel device 10 is passed through the prepared inlet 12 of the micro channel device 10 to the first outlet 14 or the second outlet 16.
  • Can supply Emulsified solutions are micro-nano sized microparticles, while polarized microparticles can be dielectrically polarized by an electric field (E).
  • the emulsified solution may be introduced and an electric field E may be applied to both the inlet 12 and the outlets 14 and 16 of the microchannel device 10.
  • Ion Concentration Polarization ICP
  • ICP Ion Concentration Polarization
  • the emulsified solution may be separated into fresh water and oil 20 based on the ion depletion region P.
  • the oil residue may be pushed out at the interface of the ion depletion region P by the force due to the electroosmotic flow and the force due to the ion concentration polarization phenomenon.
  • the size of the oil drop may be fine particles of about 10 ⁇ m or less.
  • the separated fresh water flows out to the first outlet 14, and the oil drop 20 may be pushed out by the electric repulsive force at the interface of the ion depletion region P and flow out to the second outlet 16.
  • the oil droplet 20 has a vector component in a direction parallel to at least one surface of the ion selective membrane 18 and a fluid flowing out to the second outlet 16 while having a vector component in a direction perpendicular to at least one surface of the ion selective membrane 18.
  • Mechanical convective flow The remains 20 flowing out to the second outlet 16 can be collected in a separate device. By collecting the remains 20, a solution having a high proportion of oil can be obtained.
  • the emulsified solution is placed on top of the micro channel and voltage is applied across the nano channel, resulting in ion concentration polarization due to the ion concentration gradient.
  • Small oil droplets are dielectrically polarized by an external electric field (E), behaving like charged particles, and are pushed away from the nanomembrane by electrostatic forces at the edge of the ion depletion layer caused by ion concentration polarization. .
  • E external electric field
  • the micro channel device 10 may use a transparent material as a first substrate.
  • a transparent material for example, one of pyrex, silicon dioxide, silicon nitride, quartz or SU-8 may be used as the first substrate.
  • the micro channel device 10 is coated with a low-autofluorescent material.
  • a second substrate may be included.
  • the second substrate can be used to cover or seal the micro channel 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.
  • the substrate is a support structure of the micro channel device 10. At least a portion of the substrate may be made of silicon. In one embodiment of the invention, the substrate, device or portions of the device may be made of a polymer.
  • the polymer may be polydimethylsiloxane (PDMS). When PDMS is used, oxygen (O 2 ) plasma may be treated to have hydrophilicity, but oxygen plasma treatment may be omitted in some cases.
  • It also includes an inlet 12 through which the emulsified solution is introduced, and a first outlet 14 and a second outlet 16 can be formed on opposite sides.
  • An ion selective membrane 18 may be disposed at an area adjacent to the branch point between the first outlet 14 and the second outlet 16 to be electrically grounded (GND).
  • GND electrically grounded
  • ion-selective membrane 18 oil droplets 20 containing charged species in solution introduced through inlet 12 can be discharged to second outlet 16 and include non-charged species. Fresh water can be discharged to the first outlet (14).
  • the ion selective membrane 18 may use, for example, Nafion.
  • the ion selective membrane 18 may be predominantly behaving against cations that do not match the ionic conductivity in the electrolyte. As a result, an ion concentration gradient can be generated on both sides of the ion selective membrane 18. Once ion concentration polarization is induced near the cation exchange ion selective membrane 18, both the cation and anion concentrations decrease on the anode side and increase on the cathode side of the junction. Moreover, charged particles, cells, other small colloids, and the like, may similarly exhibit ion depletion or ionic hyperplasia, which makes it possible to obtain a depletion region in rectified state.
  • the emulsified solution is placed on top of a microchannel with Nafion and a voltage is applied across the nanochannel.
  • a voltage is applied across the nanochannel.
  • the ion concentration polarization phenomenon occurs due to the ion concentration gradient, the small oil droplets are caused by the dielectric polarization by the external electric field (E) to move like a charged particle.
  • Electrostatic force is applied at the edge of the ion depletion region P caused by the ion concentration polarization to move in the microchannel.
  • FIG. 5 is a microscopic analysis of the microscopic remnants according to an experimental example of the present invention
  • Figures 6 to 8 are the microscopic analyzes separated by the microscopic remnant separation method according to an experimental example of the present invention under a microscope. It is a photograph.
  • the emulsion solution was analyzed under a microscope.
  • the solution was prepared by mixing about 1 mM of sodium chloride (NaCl) and oil (oleic acid, silicon oil ar20, and canola oil) in a ratio of about 5: 1.
  • Ultrasonic waves may be added for about 1 minute or longer to identify the microscopic lesion 20 having an average size of approximately 2 ⁇ m. At this time, it can be confirmed that the maximum size of the remains 20 does not exceed about 10 ⁇ m.
  • the ion depletion region P formed in the vicinity of the branch point between the first outlet 14 and the second outlet 16 is separated into fresh water and oil residue 20, and the blackout It can be seen that the oil repellent 20 is pushed out to the opposite side of the ion selective membrane 18 by the spontaneous repulsive force, and the oil drop 20 flows out to the second outlet 16 and fresh water flows out to the first outlet.
  • a low cost device based on PDMS with a micro-nano channel binding system can be concentrated and separated from micro-nano sized droplets in an aqueous solution. From the separation of existing charged materials only, the apolar oil advanced by one step is also affected by the ion concentration polarization phenomenon.
  • the ion depletion region may be formed having a different size depending on the size of the external electric field applied to the micro channel device.
  • the ion depletion region is formed to have a size substantially equal to the cross-sectional area of the microchannel, so that the microscopic remains can be all discharged to the second outlet by the electric repulsive force.
  • some of the microscopic remains may move along the interface of the ion depletion region and may at least partially flow out to the first outlet.
  • the cross-sectional area of the channel of the micro-channel device should be designed in a condition similar to that of the electric double layer, or the value of the electric field should be appropriately selected and applied so that the size of the ion depletion region fills the cross-sectional area of the channel.

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Abstract

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 방법을 제공한다.

Description

미세 유적 분리 방법
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.
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 2-5배 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.
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.
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.
상기 에멀전 된 용액은 마이크로-나노 크기를 갖는 미립자이며, 극성을 띠는 상기 미립자는 상기 전기장에 의해 유전분극이 일어날 수 있다.
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.
상기 제 2 출구로 유출되는 상기 유적을 별도의 장치에서 모아주는 단계;를 더 포함할 수 있다.
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.
상기 유적의 크기는 10㎛ 이하일 수 있다.
상기 제 2 출구는 상기 제 1 출구와 소정의 각도를 갖고 유체의 진행 방향에 둔각으로 배치된 방향일 수 있다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널 디바이스를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 마이크로 채널 디바이스에서 유적에 영향을 미치는 힘을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 마이크로 채널 디바이스의 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 미세 유적 분리 방법을 개략적으로 나타내는 공정순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 의한 미세 유적을 현미경으로 분석한 사진이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실험예에 의한 미세 유적 분리 방법에 의해 분리되는 미세 유적을 현미경으로 분석한 사진이다.
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.
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.
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.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널 디바이스를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 마이크로 채널 디바이스에서 유적에 영향을 미치는 힘을 개략적으로 설명하는 도면이며, 도 3은 도 1에 도시된 마이크로 채널 디바이스의 사진이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 미세 유적 분리 방법을 개략적으로 나타내는 공정순서도이다.
도 1을 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.
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 1에서 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.
도 4에 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(S50) 및 제 1 출구(14)로 담수가 유출되고, 제 2 출구(16)로 유적(20)이 유출되는 단계(S40)를 포함할 수 있다.
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.
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.
도 2를 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(S50)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.
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.
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.
도 3을 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.
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.
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.
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.
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.
[실험예]
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.
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.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 의한 미세 유적을 현미경으로 분석한 사진이고, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실험예에 의한 미세 유적 분리 방법에 의해 분리되는 미세 유적을 현미경으로 분석한 사진이다.
도 5를 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.
도 1 및 도 6 내지 도 8을 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.
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.
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.
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.
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.

Claims (7)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 출구로 유출되는 상기 유적을 별도의 장치에서 모아주는 단계;를 더 포함하는, 미세 유적 분리 방법.
  5. 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.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유적의 크기는 10㎛ 이하인, 미세 유적 분리 방법.
  7. 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.
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