Oil-water separation by hydrophilic mesh

Abstract

유수분리(oil-water separation)는 해상 기름 유출이나 산업용 하폐수 처리와 같은 환경 및 산업 문제를 해결하고자 할 때, 먼저 이해되어야 하는 기초 문제이다. 이러한 유수분리를 위해 다양한 방법들이 시도되었지만 [1], 최근에는 친수성(hydrophilic)을 가지면서 물속에 잠겼을 때 소유특성(underwater oleophobic)을 가지는 물질로 제작된 필터를 활용하는 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 필터의 내부 유동을 관측할 수 없다는 한계점 때문에, 실제 필터와 오일과 물의 다상유체가 어떻게 상호작용을 하는지에 대한 동적인 매커니즘에 대해서는 아직 가시화와 함께 명확한 이해에 이르지 못하였던 실정이다. 본 연구에서는 level-set 방법에 기반하여, 사각형 구멍을 가지는 필터 주변의 유동을 3차원적으로 계산하여 이를 가시화하여 해석하고자 하였다. 그림 1(a)은 계산된 친수 필터 주변의 유동을 2D view로 가시화한 것으로, 오일과 고체 사이의 접촉이 있었음에도 contact line이 밀려나지 않기 때문에 필터 위에서의 유동이 정지(stagnation)하며 필터 외부로 오일 유동이 우회하는 것을 보여준다. 반면, 그림 1(b)는 소수 필터 주위에서 계산된 유동으로, 오일이 고체 표면에 닿는 순간 contact line의 slip이 원활하게 발생하면서 필터 내부로 오일이 침투하며 유수분리가 실패하게 되는 것을 대조적으로 나타내 보여준다.