KR20150143734A

KR20150143734A - 에멀젼 및 기타 혼합물의 단극 분리를 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150143734A
Application number: KR1020157032581A
Authority: KR
Inventors: 셰예드 레자 마무디; 크리파 케이. 바라나시
Original assignee: 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-12-23
Also published as: ZA201507048B; AU2014253957A1; US20180296943A1; CA2907486A1; CN105555412B; IL241760B; CN105555412A; JP2016518977A; WO2014172504A1; SA516380310B1; RU2015140734A; CN110038726A; SA515370003B1; US9975064B2; ZA201700327B; MX2015014402A; US10155179B2; EP2986390A1; BR112015025890A2; US20170021287A1

Abstract

본원에 논의된 양태들은 에멀젼 또는 기타 혼합물의 2개 이상의 상들을 분리시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 상기 혼합물에 (예를 들면, 그 안의 인접 액적들이 순 전하 및 단극 전하를 획득하도록) 순 전하 및 단극 전하를 제공함으로써, 그 안의 유사상 액적들의 융합을 향상시키고, 상기 2개 이상의 통합된 상들을 생성시키거나 생성을 향상시키고; 상기 2개 이상의 통합된 상들을 수집함을 포함한다.

Description

에멀젼 및 기타 혼합물의 단극 분리를 위한 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR UNIPOLAR SEPARATION OF EMULSIONS AND OTHER MIXTURES}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 "단극 에멀젼 분리를 위한 시스템 및 방법(Systems and Methods for Unipolar Emulsion Separation)"이라는 발명의 명칭으로 2013년 4월 16일자로 출원된 미국 가특허원 제61/812,700호에 대한 우선권 및 이익을 청구하고, 이는 전문이 본원에 참고로 인용된다.

기술분야

본 발명은 일반적으로 에멀젼 또는 기타 혼합물의 2개 이상의 상들의 분리에 관한 것이다. 특정 양태에서, 본 발명은 유사-하전된 액적(like-charged droplet)들의 융합(coalescence)에 의한 에멀젼 또는 기타 혼합물에서의 액체 상의 분리에 관한 것이다.

에멀젼은 광범위한 산업, 예를 들면, 석유화학 가공, 식품 가공, 금속 표면처리 및 연마, 직물, 종이, 화장품, 약제, 생명공학 및 기타 산업에 등장한다. 이러한 에멀젼의 하나 이상의 성분의 분리, 예를 들면, 주로 수성 상 또는 주로 비-수성 상으로 이루어진 에멀젼에서 비-수성 액체 상(예를 들면, 오일)으로부터의 수성 액체 상(예를 들면, 물)의 분리를 수행하는 것이 종종 필요하다.

예를 들면, 석유 산업에서는, 물이 오일 생성물의 오염물로서 간주되며, 추가의 가공 전에 오일 생성물로부터 분리해야 하는데, 그 이유는, 물이 가공 장치의 상당한 부식을 야기할 수 있고 장치의 수명에 영향을 미칠 수 있으며, 이것이 전체 플랜트에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 오일 중의 미량의 물이라도 추가로 진행하는 중 어느 시점에 심각한 문제를 야기할 수 있다. 대조적인 예에서, 오일은 식품 및 금속 산업에서 생산되는 하류 폐수 및 부산물 중의 일반적인 오염물이며, 폐수로부터 분리해야 한다. 물(미량의 오일 포함)로부터 오일을 분리하는 것은 주요한 도전 과제이다. 환경으로 돌려 보내기 위해, 정부 규제는 오일이 물 중에 특정량 이상의 오일을 함유하지 않도록 규정하고 있다. 이를 위한 오일의 최대 허용량은 오일 10ppm 미만일 수 있다.

주요한 도전 과제는 에너지 소모의 자본비를 줄이고 화학 첨가제(특히 오염물로 간주되는 첨가제 및/또는 달리 부정적인 환경 효과를 갖는 첨가제)의 사용을 줄이거나 없애는 것이며, 이는 에멀젼 및 기타 혼합물을 이들의 성분으로 분해시키는 것을 촉진시키는 전통적인 방법이다. 또 다른 주요한 도전 과제는 오일과 물의 목적하는 수준의 분리를 달성하는 것이다.

에멀젼의 성분들을 분리하는 다수의 전통적인 방법들이 있다. 가장 흔한 분리 기술 중의 하나는 비중 분리(gravity separation)이다. 기본적인 저 비용 처리 단계로서, 비중 분리는 전형적으로 보다 큰 액적 크기를 갖는 에멀젼의 분리에 사용된다. 비중 분리는 침강 공정에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 오일은 고체 입자의 표면에 부착되고 침강에 의해 효과적으로 제거될 수 있다. 그러나, 비중 분리는 작은 액적 크기를 갖는 에멀젼의 불안정화에는 효과적이지 않은데, 그 이유는, 침강 시간이 터무니없이 길기 때문이다(소요 시간은 대략 액적 크기 제곱에 반비례한다).

미세한 액적들을 갖는 에멀젼을 분리시키기 위해, 에멀젼을 전형적으로 화학적으로 전처리하여 응고를 촉진시키고 플록 크기를 증가시킴으로써, 비중 분리 동안 유화된 상을 불안정화시킨다. 몇가지 종래의 방법에서는, 에멀젼을 또한 가열하여 점도를 감소시키고, 보다 강한 밀도 차를 유도하고, 액적들 간의 안정한 필름의 표면 장력을 감소시킬 수 있다. 또 다른 화학 처리 방법들은 에멀젼에 산성을 증가시키거나 이온성 제제를 가하여 액적의 전하를 중성화시킨다. 화학 처리 방법들은 에너지 집약적이고 몇가지 바람직하지 않은 화학적 오염물을 도입할 수 있다. 추가의 화학적 오염물의 분리는 화학물질의 분리를 위한 후-가공 단위 작업을 필요로 하여, 비용 증가 및 더 큰 환경 오염의 위험을 야기할 수 있다.

비중 분리 이외에도, 에멀젼을 불안정화시키기 위한 또 다른 물리적 방법들은 가열, 원심분리, 여과, 한외여과(예를 들면, 막을 사용함), 및 역삼투를 포함한다. 한외여과(예를 들면, 막 한외여과)는 비중 분리보다 작은 화학적 풋프린트(footprint)를 가지며, 작은 액적 크기를 갖는 에멀젼(예를 들면, 100㎛ 미만)에 대해 다소 효과적일 수 있다. 그러나, 큰 용적의 한외여과를 위해 필요한 높은 에너지 소모로 인해 그리고 시간 경과에 따른 막 코팅 재료의 변질로 인해 한외여과와 관련된 비용이 높은(또는 엄두도 못 낼 정도로 비싼) 경향이 있다(예를 들면, 정기적으로 새로운 막이 제공될 필요가 있어, 비용을 추가로 증가시킴).

에멀젼의 성분들을 분리시키기 위한 또 다른 물리적 방법은 정전 분리이다. 융합을 유도하는데 사용될 수 있는 세 가지 정전력(electrostatic body force)이 있다. 부과된 전기장으로부터 야기되는 유전성 액체에서의 정전력은 다음과 같이 표현될 수 있다:

상기 수학식 1에서, ρ_c는 용적 전하 밀도이고, ε는 유체 유전율이고, ρ는 유체 밀도이고, T는 유체 온도이다. 수학식 1의 우변의 첫번째 용어는 유체의 순 자유 공간 전하로부터 야기되는 전기영동력 또는 쿨롱(Coulombic) 힘이다. 유전영동력(dielectrophoretic force)으로서 알려진 두 번째 용어는 유전율 구배로부터 야기된다. 전기변형력(electrostrictive force)이라고 불리는 마지막 용어는 압축 가능한 유체에 대해서만 중요하다.

이러한 정전 분리기에서, 에멀젼에서의 액적들의 융합을 촉진시키기 위해 이용되는 것은 주로 두 번째 용어, 유전영동력이다. 한 가지 종래의 기술에서는, 2개의 평행 플레이트들을, 전극 사이에 작은 갭을 두고 에멀젼에 침지시킨다. 이러한 침지된 전극을 사용하여 에멀젼의 대부분에 외부 전기장을 유도한다. 매질 중의 수 액적은 분극되고 양-음 말단이 서로 끌어당겨 2개의 액적 사이의 오일 필름이 스퀴징되어 배출된다. 이들 사이의 오일의 층이 파열되는 경우 2개의 인접 액적들이 함께 합쳐질 수 있다. 이러한 액적은 순 전하(net charge)를 획득하지 못한다. 이 기술의 한 가지 한계는, 분극력이 액적의 크기에 따라 확장한다는 것이다. 액적 크기가 작을수록, 인가되어야 하는 전기장은 커진다. 또한, 2개의 인접 액적들의 배향이 중요하다. 각이 적절하지 않다면, 2개의 액적이 끌어당기기 보다는 반발하여 이들은 합쳐질 수 없으며, 이는 종래의 정전 분리기의 상당한 한계이다. 인가된 전기영동력에 의해 야기되는 전기수력학-유도된 유동 및 양극성 인력(양-음 인력)이 액적들의 융합을 유도할 수 있다.

전기장과 유체 유동의 상호작용에 의해 생긴 전기수력학적 유동이 또한 액적 융합의 기회를 증가시킬 수 있다. AC 및 DC 전기장이 침지된 전극들 간의 균일한 또는 불균일한 전기장을 확립하는데 사용되었다. 정전 분리기는 수백 마이크론 정도로 작은 액적을 분리하는데 효과적일 수 있지만, 그러나, 이러한 분리기는 보통의 전기장에서 보다 작은 액적 크기에 대해서는 효과적이지 않다.

정전 분리기가 약간의 기대를 보이기는 하지만, 이들 또한 몇가지 상당한 한계를 지닌다. 종래의 전기융합기(electrocoalescencer)에서는, 전극 둘 다가 에멀젼에 침지된다. 즉각적인 결과는, 이 기술은 에멀젼 중의 물의 함량이, 예를 들면, 40중량% 이상으로 높은 경우에는 신뢰할 수 있게 사용될 수 없다는 것이다. 높은 함량의 물은 보통의 전기장이더라도 정전 파괴(electrostatic breakdown)를 야기할 수 있도록 전극에 인가된 전위의 수준을 제한할 수 있다. 물의 함량이 중간 정도이거나 낮은 경우에도, 분리된 물 액적이 자신을 부과된 전기장의 방향으로 정렬하고 전극들 간의 갭을 가로질러 체인(chain)형 구조를 형성하는 경향이 있다. 이러한 체인의 형성은 갭을 가로지르는 정전 방전 및 아크의 기회를 증가시킬 수 있다. 정전 방전은 폭발 위험 뿐만 아니라 전극 또는 전극 코팅의 부식, 및 전극 주변의 오일의 화학적 분해로 인한 오염 증가를 야기한다. 게다가, 정전 방전/파괴는 백그라운드 전기장의 세기, 액적의 충전 속도, 및 분리기의 효율을 억제함으로써 융합 속도를 감소시킬 수 있다. 추가로, 전통적인 정전 분리기는 수성 상이 높은 염 함량을 갖는 경우 실패한다.

비용-효과적이고, 작은 액적 크기를 갖는 에멀젼에 대해서도 작동하고, 수성 상의 염 농도에 관계없이 작동하고, 폭발 위험을 야기거나 에멀젼에 화학 첨가제의 첨가를 필요로 하지 않는 분리 방법이 요구된다.

본 발명의 다양한 양태는 에멀젼 또는 기타 혼합물의 2개 이상의 상들을 분리시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특정 양태에서, 상기 발명은, 그 안의 인접 액적들이 순 전하 및 단극 전하(unipolar charge)를 획득하고, 놀랍게도, 유사상 액적(like-phase droplet)의 융합(coalescence)을 향상시키도록 혼합물에 순 전하 및 단극 전하를 도입함으로써, 상기 혼합물을 탈안정화시키고, 2개 이상의 통합된 액체 상(consolidated liquid phase)들을 생성시키거나 생성을 향상시킨다.

본원에 논의된 몇가지 양태들은, 분산된 상의 높은 전도도에도 불구하고, 높은 염 함량에도 불구하고, 및/또는 계면활성제 또는 기타 유화제의 존재에도 불구하고, 에멀젼 또는 기타 혼합물의 2개 이상의 상들의 성공적인 분리를 제공한다. 몇몇 양태에서, 상기 혼합물의 전도도는 1mS/m 내지 1S/m이거나 10S/m 정도로 높다. 본원에 기재된 시스템 및 방법은 광범위한 전기전도도 범위에 적용 가능하다. 본원에 기재된 특정 양태는 전극의 배열에 있어서의 특별한 조절이나 기타 침습적 조작 없이도 광범위한 염 및/또는 계면활성제 함량을 갖는 각종 혼합물을 분리할 수 있다.

하나의 측면에서, 본 발명은 혼합물(예를 들면, 에멀젼)의 2개 이상의 상들을 분리하는 방법으로서, (a) 상기 혼합물에 (예를 들면, 그 안의 인접 액적들이 순 전하 및 단극 전하를 획득하도록) 순 전하 및 단극 전하를 제공함으로써, 그 안의 유사상 액적들의 융합을 향상시키고, 상기 2개 이상의 통합된 상들을 생성시키거나 생성을 향상시키는 단계; 및 (b) 상기 2개 이상의 통합된 상들을 수집하는 단계를 포함하여, 혼합물(예를 들면, 에멀젼)의 2개 이상의 상들을 분리하는 방법을 제공한다.

특정 양태에서, 단계(a)는 코로나 방전을 통해 상기 혼합물을 이온들로 충격(bombarding)시킴을 포함한다.

특정 양태에서, 단계(a)는 이미터 전극(emitter electrode)(예를 들면, 첨예한 전극(sharp electrode))과 컬렉터 전극(collector electrode)을 제공함을 포함하며, 여기서, 적어도 상기 컬렉터 전극(예를 들면, 블런트 전극(blunt electrode))이 상기 혼합물과 물리적으로 접촉하며, 전위차가 코로나 방전 역치 이상으로 상기 이미터 전극과 상기 컬렉터 전극 사이에 인가된다.

특정 양태에서, 상기 이미터 전극은 상기 상기 혼합물과 물리적으로 접촉하지 않는다.

특정 양태에서, 기상 매질(예를 들면, 질소, 산소, 공기, 아르곤, 헬륨 등 또는 상이한 기체들의 임의의 혼합물)이 상기 이미터 전극과 상기 혼합물 사이에 위치한다. 몇몇 양태에서, 기상 혼합물은 고정성이다. 몇몇 양태에서, 기상 혼합물은 유동성이다. 몇몇 양태에서, 기상 유동은 코로나 방전의 부산물이 덜 농축되기 때문에 전극의 부식을 감소시킨다. 결국, 이는 본원에 논의된 시스템 및 방법을 위해 수행될 필요가 있는 유지보수(maintenance)를 상당히 감소시킨다. 또한, 이는 시스템의 유효 수명을 증가시키고 운전 경비를 경감시킨다. 상기 기상 매질은 임의의 온도 및 압력에 있을 수 있다.

몇몇 양태에서, 이온화 기체가 혼합물에 도입될 수 있다. 기포 붕괴가 기포 내 기체의 이온화를 야기한다.

특정 양태에서, 상기 컬렉터 전극이 접지된다. 몇몇 양태에서, 상기 컬렉터 전극은 접지 수준 이상에서 동일한 극성으로 바이어싱된다. 몇몇 양태에서, 상기 이미터 전극 에너지는 +15kV이고, 컬렉터 전극은 접지될 수 있거나(0kV), 컬렉터 전극은, 예를 들면, +1kV까지 바이어싱될 수 있다.

특정 양태에서, 상기 이미터 전극은 첨예한 전극(예를 들면, 니들, 다중 니들, 블레이드 또는 블레이드들, 가느다란 와이어 또는 다중 와이어 등)이다.

특정 양태에서, 상기 이미터 전극은 코팅 및/또는 텍스쳐링된다(예를 들면, 마이크로구조, 나노튜브(예를 들면, CNT), 나노-구조, 또는 기타 첨예한 기하구조로 코팅 및/또는 텍스쳐링된다).

특정 양태에서, 상기 이미터 전극은 이온화-유도된 부식에 저항성인 재료로 만들어지거나 코팅된다.

특정 양태에서, 상기 컬렉터 전극은 금속, 규소, 및 자연 산화물(native oxide)을 갖는 규소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원들을 포함하고/하거나 컬렉터 전극은 유전체 막으로 코팅된다(예를 들면, 및/또는 상기 컬렉터 전극은 혼합물을 함유하는 기판이고, 예를 들면, 채널, 파이프, 플레이트 등이다). 몇몇 양태에서, 상기 컬렉터 전극은 유전체 막으로 코팅되지 않으며, 예를 들면, 몇몇 양태에서, 상기 컬렉터 전극은 드러나 있다(bare).

몇몇 양태에서, 상기 혼합물과 상기 이미터 전극 사이의 전위차는 니들에 고전압을 인가함으로써 확립되거나 또는 상기 이미터 전극 극성을 역전시킴으로써 상기 혼합물에 고전압을 인가함으로써 확립된다. 몇몇 양태에서, 상기 이미터 전극은 단극(예를 들면, 첨예한 니들, 와이어, 또는 가공된 표면(engineered surface), 또는 이들의 조합)이다.

몇몇 양태에서, 전기장은 연속 AC 또는 DC 방전을 통해 또는 펄스 방전을 통해 상기 혼합물에 인가된다. 몇몇 양태에서, 상기 방전은 2상, 3상, 또는 방전 지연(time-lag discharge)을 갖는 다중상 방전이다. 몇몇 양태에서, 상기 방전은 직접 방전 또는 장벽 방전(barrier discharge)이다.

몇몇 양태에서, 인가된 전압은 상기 혼합물의 특성들(예를 들면, 화학적 특성, 물리적 특성)을 기반으로 하여 조절된다.

몇몇 양태에서, 상기 혼합물은 수송(예를 들면, 컨베이어 벨트 또는 기타 도관에서의 수송) 동안 분리된다.

몇몇 양태에서, 단계(a)는 상기 혼합물의 일부에 단극 전하를 제공함을 포함하며, 상기 방법은, 상기 혼합물의 하전된 부분을 상기 혼합물의 잔여 부분에 혼합함으로써 그 안의 유사상 액적들의 융합을 향상시키고 2개 이상의 통합된 상들을 생성시키거나 생성을 향상시키는 단계; 및 (b) 상기 2개 이상의 통합된 상들을 수집하는 단계를 추가로 포함한다.

특정 양태에서, 단계(a)는 순 전하 및 단극 전하를 갖는 물질(예를 들면, 액체 액적, 액체 욕, 또는 액체 스트림)을 상기 혼합물에 주입, 분무, 또는 도입함으로써 그 안의 유사상 액적들의 융합을 향상시키고 2개 이상의 통합된 상들을 생성시키거나 생성을 향상시킴을 포함한다.

몇몇 양태에서, 상기 전하는 상기 혼합물에 직접 인가된다. 몇몇 양태에서, 상기 전하는 상기 혼합물에 간접적으로 적용된다. 몇몇 양태에서, 단계(a)는 순 전하 및 단극 전하를 갖는 이온화 기체(예를 들면, 별도 공정에서의 이온화, 상기 혼합물로의 수송 동안의 이온화, 코로나 방전 챔버에서의 코로나 방전을 통한 이온화)를 상기 혼합물에 주입함을 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 이온화 기체는 상기 혼합물을 통해 통과한다. 몇몇 양태에서, 기체 기포의 크기를 감소시켜 상기 이온화 기체 기포와 상기 혼합물의 계면을 증가시킬 수 있다. 몇몇 양태에서, 상기 이온화 기체를 단일 위치로부터 상기 혼합물에 또는 다중 지점들로부터 상기 혼합물에 주입한다.

몇몇 양태에서, 기체 기포를 상부로부터(예를 들면, 상부 혼합물로부터) 상기 혼합물에 주입한다. 몇몇 양태에서, 기체 기포를 바닥으로부터(예를 들면, 하부 혼합물로부터) 상기 혼합물로 주입한다.

특정 양태에서, 단계(a)는 순 전하 및 단극 전하를 갖는 기판(예를 들면, 마찰대전(tribo-electrification)을 통해 인가된 전하를 갖는 기판)에 상기 혼합물을 도입함을 포함한다.

특정 양태에서, 상기 단극 전하는 양성이다.

특정 양태에서, 상기 단극 전하는 음성이다.

몇몇 양태에서, 상기 혼합물은, 순 전하 및 단극 전하를 유지하면서, (예를 들면, 소정의 시간에 걸쳐 변할 수 있는) 양전하 및 음전하를 갖는 화학종의 조합을 포함한다.

몇몇 양태에서, 단계(a)는 마찰대전 충전을 개선시키도록 구성된 코팅을 포함하는 도관을 통한 상기 혼합물의 수송 동안 마찰대전을 통해 전하를 인가함을 포함한다. 몇몇 양태에서, 단계(a)는 순 전하 및 단극 전하의 직접 주입, 전도, 도입, 및/또는 이들의 임의의 조합에 의해 전하를 인가함을 포함한다.

특정 양태에서, 상기 혼합물은 복수의 액체 상들을 포함한다.

특정 양태에서, 상기 혼합물은 입자, 단백질, DNA, RNA, 및 세포로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원들을 포함한다(예를 들면, 상기 혼합물은 입자 또는 계면활성제와 같은 안정제를 포함한다).

특정 양태에서, 상기 혼합물은 낮은 전기전도도를 갖는 액체(예를 들면, 절연 액체 또는 유전성 액체, 예를 들면, 여기서, 저 전도도 액체는 상기 혼합물의 적어도 50중량%를 구성한다)를 포함한다. 특정 양태에서, 상기 혼합물은 높은 전기전도도를 갖는 액체를 포함한다.

특정 양태에서, 상기 혼합물은 수성 상을 포함하고, 상기 수성 상은 적어도 약 0.5M(예를 들면, 적어도 약 1M, 적어도 약 1.5M, 또는 적어도 약 2.0M)의 염 함량을 갖는다.

특정 양태에서, 상기 순 전하 및 상기 단극 전하의 도입 전에, 상기 혼합물은 평균 액적 직경이 약 1000㎛ 이하(예를 들면, ≤500㎛, ≤400㎛, ≤300㎛, ≤100㎛, ≤50㎛, ≤30㎛, ≤20㎛, ≤10㎛, ≤1㎛, ≤900nm, ≤500nm, ≤300nm, ≤100nm, ≤50nm, ≤30nm, 또는 ≤10nm) 직경인 액적들의 상을 포함하고, 여기서, 상기 액적은 상기 순 전하 및 상기 단극 전하의 도입 후에 융합된다.

특정 양태에서, 상기 혼합물은 수성 상과 비-수성 상(예를 들면, 오일)을 포함하는 2상 에멀젼이며, 여기서, 상기 수성 상은 상기 에멀젼의 50중량% 이하를 구성한다(예를 들면, ≤40중량%, ≤30중량%, ≤20중량%, ≤10중량%, ≤5중량%, ≤3중량%, ≤1중량%, 또는 ≤0.5중량%).

특정 양태에서, 상기 혼합물은 수성 상과 비-수성 상(예를 들면, 오일)을 포함하는 2상 에멀젼이며, 여기서, 상기 비-수성 상은 상기 에멀젼의 50중량% 이하를 구성한다(예를 들면, ≤40중량%, ≤30중량%, ≤20중량%, ≤10중량%, ≤5중량%, ≤3중량%, ≤1중량%, 또는 ≤0.5중량%).

몇몇 양태에서, 상기 혼합물은 3상 혼합물이다. 몇몇 양태에서, 상기 혼합물은 액체 상, 고체 상, 및 기체 상을 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 혼합물은 유중기포(bubble-in-oil) 혼합물 또는 유중발포(foam-in-oil) 혼합물이다. 몇몇 양태에서, 상기 혼합물은 유화제(예를 들면, 계면활성제)를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 혼합물은 적어도 약 0.5M(예를 들면, 적어도 약 1M, 적어도 약 1.5M, 또는 적어도 약 2.0M)의 염 함량을 갖는 적어도 하나의 상을 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 혼합물은 높은 전기전도도를 갖는 액체를 포함한다. 몇몇 양태에서, 상기 혼합물은 오일을 포함하며, 상기 오일은 약 10^-14S/m(매우 절연성) 내지 약 10^-5S/m(매우 전도성)의 전기전도도를 갖는다. 몇몇 양태에서, 상기 혼합물은 약 10^-7S/m 내지 약 100S/m의 전기전도도를 갖는다.

몇몇 양태에서, 기체 압력 및/또는 기체 온도는 방전(V-I) 특징의 품질 및 파괴 한도를 최적화하도록(예를 들면, 절연 파괴 한도를 증가하도록) 제어/조작된다. 몇몇 양태에서, 기체 압력 및/또는 기체 온도는 상기 혼합물의 분리(예를 들면, 에멀젼의 상이한 상들의 분리)를 최적화하도록 제어/조작된다. 몇몇 양태에서, 기체 혼합물의 조성은 V-I 특징 및 파괴 한도를 제어하도록 조절될 수 있다. 몇몇 양태에서, 기체 압력 및/또는 기체 온도는 2개 이상의 상들의 분리가 일어나는 위치의 해수 상승(sea elevation)을 기반으로 하여 방전(V-I) 특징의 품질 및 파괴 한도를 최적화하도록(예를 들면, 절연 파괴 한도를 증가하도록) 제어/조작된다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 혼합물(예를 들면, 에멀젼)의 2개 이상의 상들을 분리시키기 위한 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템은, (a) 그 안에 또는 그 위에 혼합물을 담거나 지지하기 위한 용기 또는 받침대(여기서, 상기 용기 또는 상기 받침대는 접지된 컬렉터 전극을 포함하고(예를 들면, 전극이고), 상기 용기 또는 상기 받침대는 램프(ramp), 립(lip), 엣지(edge), 및/또는 기타 상승부를 포함한다); (b) 상기 혼합물과 물리적으로 접촉하지 않는 이미터 전극; 및 (c) 상기 이미터 전극과 상기 컬렉터 전극 사이에 코로나 방전 역치 이상의 전위차를 인가하도록 구성된 전원[여기서, 기상 매질(예를 들면, 질소, 산소, 공기, 아르곤, 헬륨 등 또는 이의 임의의 배합물/혼합물)은 상기 이미터 전극과 상기 혼합물 사이에 위치하고, 상기 용기 또는 상기 받침대는 (예를 들면, 코로나 방전 분리의 차동 확산 또는 펌핑 효과를 이용하여) 상기 이미터 전극과 상기 컬렉터 전극 사이에 코로나 방전 역치 이상의 전위차 인가시 이를 통해 및/또는 이것 위에서 상기 혼합물의 적어도 제2 상의 통과는 허용하지 않으면서 이를 통해 및/또는 이것 위에서 상기 혼합물의 제1 상의 통과는 허용하도록 구성됨으로써, 상기 혼합물의 2개 이상의 상들의 분리를 야기하거나 촉진시킨다]을 포함한다.

몇몇 양태에서, 본원에 논의된 전극(이미터 및/또는 컬렉터)은 드러나 있다. 몇몇 양태에서, 본원에 논의된 전극(이미터 및/또는 컬렉터)은 코팅되어 있다.

특정 양태에서, 상기 전원은 통상의 전원, 예를 들면, 배터리, DC 전원 공급기, AC 전원 공급기, 또는 AC/DC 공급기이다. 특정 양태에서, 상기 전원은 정전기 발생기(예를 들면, 반 데 그라프(Van de Graaf) 발생기)이다.

몇몇 양태에서, 상기 시스템은 스키머(skimmer), 중력 분리기, 또는 원심 분리기이다. 몇몇 양태에서, 상기 시스템은 혼합물의 분리를 수행하도록 재조절된 스키머이다. 몇몇 양태에서, 유사-전하 유도 분리(like-charge induced separation)는 상기 혼합물이 용기에 저장된 경우에 분리 공정을 가속화시킬 수 있다.

몇몇 양태에서, 상기 기상 매질의 온도 및/또는 압력은, 상기 시스템의 해수면 상승(sea level elevation)을 기준으로 하여, 방전(V-I) 품질 특성 및 파괴 한도를 최적화하도록(예를 들면, 절연 파괴 한도를 증가시키도록) 제어/조절된다.

다양한 양태에서, 상기 방법과 관련하여 기재된 특성들은 시스템에도 적용될 수 있다.

상기 방법 및/또는 시스템은 기존 시스템에서 전처리 단계를 수행할 수 있거나(예를 들면, 중력 및/또는 침강 혼합물 분리 공정의 재조절), 이들은 다른 기술들과 조합될 수 있다. 예를 들면, 몇몇 양태에서, 본원에 기재된 방법 및 시스템은 작은 액적들 간의 융합을 촉진시켜 보다 큰 액적을 형성할 수 있으며, 이는 그후 종래의 분리 시스템(예를 들면, 중력, 침강, 및/또는 화학 첨가제 분리 공정)에 의해 보다 용이하게 취급된다.

본 발명의 제공된 측면과 관련하여 기재된 양태들의 요소들은 본 발명의 다른 측면의 다양한 양태들에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 하나의 독립항에 의존하는 종속항의 특징이 다른 독립항의 장치 및/또는 방법에서 사용될 수 있는 것으로 고려된다.

본 발명의 목적 및 특징은 아래 기재된 도면 및 청구범위를 참고하여 보다 잘 이해될 수 있다. 도면은 반드시 일정한 비례로 나타내어진 것은 아니며, 대신 본 발명의 원리를 예시하는 경우에는 일반적으로 강조되어 있다. 도면에서, 동일한 숫자는 다양한 관점 전반에 걸쳐 동일한 부분을 나타내는데 사용된다.
본 발명은 특정 실시예 및 특정 양태들을 참고로 하여 특별히 본원에 나타내고 기재되어 있지만, 형태 및 상세에 있어서 다양한 변화들이 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않으면서 그 안에서 이루어질 수 있음을 당업계의 숙련가들에 의해 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 액적들의 융합을 촉진시키는 에멀젼 계면을 표적으로 하는 양 또는 음 이온의 코로나 방전을 입증하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 액적 융합 및 상 분리를 위한 펌핑/확산 효과를 동시에 촉진시키는 에멀젼의 2개 이상의 상들의 분리를 위한 코로나 방전 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 에멀젼 상의 분리를 위해 단극 하전된 액적(306)을 에멀젼(302)에 분무하기 위한 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 2개의 유사-하전된(양으로 하전된) 액적의 접촉(t=0)과 비교하여, 다양한 시간에서 수득된 실리콘 오일 중의 탈이온수의 2개의 액적의 일련의 마이크로그래프를 보여준다.
도 4b는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 오일 중의 양으로 하전된 금속 구체의 정전기적 상호작용을 예시한다.
도 4c는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 오일 중의 유사-전하 수 액적들의 정전기적 상호작용을 예시한다.
도 5는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 유사-하전된 액적들의 융합을 위한 조건을 입증하는 실험 데이터를 보여준다. 채워진 원은 융합을 나타내고, 열린(채워지지 않은) 원은 액적의 비-융합을 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 오일 중의 상이한 전하 크기를 지니는 한 쌍의 수 액적들의 융합 및 비-융합 거동을 예시하는 그래프이다. 액적의 직경은 1mm이었다. 액적들 간의 분리는 50㎛이었다. 채워진 원은 융합을 나타내고, 열린(채워지지 않은) 원은 액적의 비-융합을 나타낸다.
도 6b는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 유사-전하 수 액적들의 비-융합을 예시한다. 액적은 전기적으로 접속되고 양으로 하전되었다. 비-융합 거동은 동일하게 하전된 수 액적들 간의 정전기적 반발로 인한 것이다.
도 6c는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 오일 중의 양으로 하전된 수 액적들의 융합 거동을 예시한다.
도 7a, 7b 및 7c는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 에멀젼 중의 2개의 유사-하전된 액적들의 융합시 발생하는 메카니즘을 보여준다. 도 7c에 나타낸 바와 같이, t = 20 마이크로초에서, 정전기 브릿지(electrostatic bridge)가 나타나고, 이는 모세관 브릿지로 두꺼워져 액적들의 융합을 초래하는 것으로 보인다.
도 7a는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 액적의 유사-전하 융합의 메카니즘에 대한 개략도를 예시한다. 원은 인접 액적들에 상응한다. 영역(702)는 음전하 밀도에 상응한다. 영역(704)는 양전하 밀도 영역에 상응한다.
도 8a, 도 8b, 도 8c, 및 도 8d는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 비교적 작고 큰 초기 분리를 위한 오일 중의 양으로 하전된 액적에 대한 상호작용의 고속 이미징을 예시한다. 유사-전하 융합의 메카니즘이 본 발명의 몇몇 양태에 따라 나타내어져 있다.
도 8a는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, t = 0에서의 접촉 후 유사-전하 액적 융합을 예시한다. 상부 및 하부 액적에서의 전하의 양은 각각 +35.4pC 및 +0.29pC이었다. 액적의 초기 분리는 50㎛이었다. 기준 자(scale bar)는 길이가 0.1mm이다.
도 8b는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, t = 0에서의 접촉 후 유사-전하 액적 융합을 예시한다. 상부 및 하부 액적에서의 전하의 양은 각각 +150pC 및 +0.18pC이었다. 액적의 초기 분리는 320㎛이었다. 기준 자는 길이가 0.1mm이다.
도 8c는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, t = 0에서의 접촉 후 유사-전하 액적 융합을 예시한다. 상부 및 하부 액적에서의 전하의 양은 각각 +310pC 및 +0.27pC이었다. 액적의 초기 분리는 415㎛이었다.
도 8d는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 액적의 유사-전하 융합의 메카니즘에 대한 개략도를 나타낸다. 원은 인접 액적들에 상응한다. 영역(802)는 음전하 밀도에 상응한다. 영역(804)는 양전하 밀도 영역에 상응한다.
도 9는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 코로나 방전을 사용한 에멀젼 분리 시스템(900)에 대한 개략도이다.
도 10은 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 코로나 방전을 사용한 에멀젼 분리(1000) 시스템에 대한 개략도이다.
도 11a는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 2개의 탈이온수 액적의 시스템의 단극 전기-융합을 예시한다. 인가된 전압 및 전류는 각각 +7kV 및 1μA이었다.
도 11b는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 3개의 탈이온수 액적의 시스템의 단극 전기-융합을 예시한다. 인가된 전압 및 전류는 각각 +7kV 및 1μA이었다.
도 11c는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 양성 DC 코로나 방전에 노출된 1.6중량% 계면활성제 SPAN80®로 안정화된 헥사데칸(투명 액체) 중의 2중량%의 탈이온수(백색으로 나타냄)를 포함하는 에멀젼의 단극 분리를 예시한다. 인가된 전압 및 코로나 전류는 각각 10.8kV 및 10μA이었다.
도 12a 및 12b는 충전이 마찰대전에 의해 달성되는 도 12c의 이미지와 비교하여, 각각 벌크 오일(bulk oil)에서의 그리고 90% 오일 중의 10% 물에서의 코로나 방전에 의해 하전된 에멀젼 중의 유사-하전된 액적의 이미지를 보여준다.
도 13은 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 오일을 주요 상으로서 갖는 에멀젼을 분리시키기 위한 코로나 방전 분리기 실험 설정(1300)을 예시한다.
도 14a는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 코로나 방전 노출 전의 유중수 에멀젼을 예시한다. 전극 간의 갭 간격은 10mm이었다.
도 14b는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, +7kV의 인가된 전압 및 1μA의 전류를 사용한 코로나 방전 노출 후의 오일을 예시한다. 전극 간의 갭 간격은 10mm이었다.
도 15a는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 코로나 방전-보조된 회수 후의 물을 예시한다.
도 15b는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 에멀젼으로부터 정전기적으로 회수되는 실리콘 오일을 예시한다.
도 15c는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 도 15a 및 15b의 이미지가 보여주는 코로나 방전 분리를 위해 사용되는 에멀젼을 예시한다.
도 16은 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 물을 주요 상으로 하는 에멀젼을 분리시키기 위한 실험 설정(1600)을 예시한다.
도 17은 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 오일을 주요 상으로 하는 에멀젼으로의 직접 이온 주입을 위한 실험 설정(1700)을 예시한다.
도 18은 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 단극 에멀젼 및 기타 혼합물의 분리를 위한 실험 설정(1800)을 예시한다.
도 19는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 단극 에멀젼 및 기타 혼합물의 분리를 위한 예시적인 실험 설정(1900, 1900', 1901, 1901')을 예시한다.
도 20은 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 단극 에멀젼 및 기타 혼합물의 분리를 위한 실험 설정(2000 및 2001)을 예시한다.
도 21은 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 마찰대전 충전을 사용한 단극 에멀젼 및 기타 혼합물의 분리를 위한 실험 설정(2100)을 예시한다.
도 22는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 에멀젼 또는 기타 혼합물에 전하를 도입하기 위한 실험 설정(2200 및 2201)을 예시한다.

청구된 발명의 물품, 장치, 방법 및 공정은 본원에 기재된 양태들로부터의 정보를 사용하여 발달된 변화 및 적응을 포함하는 것으로 고려된다. 본원에 기재된 물품, 장치, 방법 및 공정의 적응 및/또는 개질은 관련 기술분야의 통상의 숙련가들에 의해 수행될 수 있다.

명세서 전반에 걸쳐, 물품 및 장치가 특정 성분들을 갖거나, 포함하거나, 구성하는 것으로 기재되어 있는 경우, 또는 공정 및 방법이 특정 단계들을 갖거나, 포함하거나, 구성하는 것으로 기재되어 있는 경우, 또한, 본 발명의 물품 및 장치는 인용된 성분들로 필수적으로 이루어지거나 이루어지고, 본 발명에 따르는 공정 및 방법은 인용된 가공 단계들로 필수적으로 이루어지거나 이루어지는 것으로 고려된다.

특정 작용을 수행하기 위한 단계의 순서 또는 순서는 본 발명이 작동 가능한 한 중요하지 않은 것으로 이해되어야 한다. 더욱이, 2개 이상의 단계 또는 작용은 동시에 수행될 수 있다. 본 발명의 양태들은 연속, 반-연속, 또는 배치 공정의 일부로서 수행될 수 있다.

본 발명의 방법은 당업계에 공지된 반응기, 시스템 또는 공정과 조합되거나 이들로 보충될 수 있는 것으로 고려된다. 물질 분리, 단리, 및 정제를 위한 어떠한 공지된 기술, 예를 들면, 증류, 추출, 반응성 추출, 흡착, 흡수, 스트립핑, 결정화, 증발, 승화, 확산 분리, 기포 분리, 막 분리 및/또는 유체-입자 분리를 위한 기술이라도 본 발명의 다양한 양태에 의해 포함되는 공정들에서 적용하기 위해 채택될 수 있다. 분리 공정 및 이들의 설계에 대한 일반적인 정보들은, 예를 들면, 문헌[참조: "Separation Processes," Klaus Timmerhaus, editor, in The Engineering Handbook, Section VIII, Richard C. Dorf, editor-in-chief, CRC Press, Inc., ISBN 0-8493-8344-7, pp. 579-657 (1995)]에서 찾아볼 수 있다. 청구된 발명의 방법, 시스템 및 공정은 분리 분야의 통상의 숙련가들에게 공지된 펌프, 열 교환기, 및 기체-, 액체-, 및/또는 고체-상 물질 취급 장치를 포함할 수 있는 것으로 또한 고려된다.

예를 들면, 배경기술 부분에서 임의의 공보의 본원에서의 언급은 공보가 본원에 나타낸 청구범위 중의 어느 하나에 대한 선행 기술로서 작용함을 인정하는 것은 아니다. 배경기술 부분은 명료함의 목적으로 제시되며, 어떠한 청구항에 대한 선행 기술의 기술로서 의도되지 않는다.

본원에 기재된 양태들은, 예를 들면, (1) 하나의 액체 상이 다른 액체 상에 분산되어 있는 비혼화성인 2개 이상의 액체들의 혼합물(예를 들면, 수중유 에멀젼; 유중수 에멀젼; 염수중유(oil-in-saltwater) 에멀젼; 유중염수(saltwater-in-oil) 에멀젼; 유중입자(particle-in-oil) 혼합물 등)(여기서, 상기 분산된 상은 약 1nm 내지 1000nm 또는 1㎛ 내지 1000㎛의 입자 크기를 갖는다); (2) 기체 및 오일 혼합물(예를 들면, 유중기포 혼합물); (3) 유중발포 혼합물(예를 들면, 발포체가 계면활성제를 증기와 또는 불-응축(non-condensible) 기체(예를 들면, 질소, 질소 및 증기)와 공동주입함으로써 형성되는 경우); (4) 3개의 상을 포함하는 에멀젼(예를 들면, 기체, 액체, 및 고체); (5) 3개 이상의 상을 포함하는 다상 에멀젼; (6) 액체, 고체, 기체, 기포, 발포체 및/또는 입자의 임의의 조합을 포함하는 혼합물을 포함하는, 에멀젼 및 기타 혼합물의 분리에 적용된다.

몇몇 양태에서, 입자 크기는 1 내지 5nm, 1 내지 10nm, 1 내지 20nm, 20 내지 50nm, 50 내지 100nm, 100 내지 300nm, 300 내지 500nm, 500 내지 1000nm이다. 몇몇 양태에서, 입자 크기는 1 내지 5㎛, 1 내지 10㎛, 1 내지 20㎛, 20 내지 50㎛, 50 내지 100㎛, 100 내지 300㎛, 300 내지 500㎛, 500 내지 1000㎛이다.

몇몇 양태에서, "염수(saltwater)"는 약 3.5%의 염도(salinity)를 갖는 물을 나타낸다. 몇몇 양태에서, "염수"는 약 3.1% 내지 약 3.8%의 염도를 갖는 물을 나타낸다. 몇몇 양태에서, "염수"는 주위 조건에서 약 3.5% 내지 약 26%의 염도를 갖는 브라인(brine)(예를 들면, 물 중의 염(예를 들면, 염화나트륨)의 용액)을 나타낸다.

몇몇 양태에서, 분산된 상은 생물학적 물질을 포함한다. 몇몇 양태에서, 생물학적 물질은 생체분자를 포함한다. 몇몇 양태에서, 생체분자는, 자연 발생하든 인공적으로 만들어지든 간에, DNA, RNA, 세포, 효소, 백신, 단백질, 아미노산, 뉴클레오타이드, 당, 지질 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

몇몇 양태에서, 오일의 전도도는 약 10^-14S/m(매우 절연성) 내지 10^-5S/m(매우 전도성)에 이른다. 몇몇 양태에서, 물, 또는 염분이 있는 혼합물의 전도도는, 약 10^-7S/m 내지 약 100S/m이다.

상기 논의된 에멀젼 분리 방법은 혼합물 분리 플랜트에서 기존 스키머와 통합될 수 있다. 몇몇 양태에서, 아래 논의된 에멀젼 분리 방법은 전처리 또는 후처리 단계로서 임의의 분리 시스템에 적합할 수 있다. 몇몇 양태에서, 아래 논의된 에멀젼을 분리시키기 위한 시스템은 별도의 분리기로서 독립적으로 사용될 수 있다.

몇몇 양태에서, 아래 논의된 에멀젼을 분리시키기 위한 시스템 및 방법은 중력 분리기, 원심 분리기 등과 통합될 수 있다. 몇몇 양태에서, 에멀젼은 수송(예를 들면, 컨베이어 벨트 또는 유사 도관에서의 수송) 동안 (전부 또는 일부) 분리될 수 있다. 몇몇 양태에서, 컨베이어 벨트 또는 도관은 에멀젼에서의 상의 분리를 촉진시키도록 돕는 텍스쳐 또는 코팅을 포함한다.

통상의 전기 유도 분리 방법에서, 양극은 음극을 끌어당기는 반면(예를 들면, 양으로 하전된 액적은 음으로 하전된 액적을 끌어당김) 유사-전하(양극-양극 또는 음극-음극)는 반발(예를 들면, 양으로 하전된 액적은 또 다른 양으로 하전된 액적을 반발)하는 것으로 추정된다. 그러나, 본원에는 유사 전하(그러나 전하 밀도는 상이함)의 액적이 융합되는 단극 분리 기술을 사용하는 방법이 제시되어 있다. 본원에 기재된 실험들은 단일 극성(single polarity)이 근접한 유사-하전된 액적들의 융합을 유도하기에 충분함을 입증한다. 따라서, 본원에는 유사-전하 인력에 기초하여 액적이 융합되는 새로운 종류의 분리기가 제안되어 있다. 에멀젼과 액적 둘 다가 하전된다.

어떠한 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 인접 액적들에 대한 순 전하의 불균일성이 쿨롱 힘을 야기하는 것으로 상정된다. 쿨롱 힘을 이용하면 액적의 전방향 융합이 유도되고 액적이 외부 전기장에 대해 특정하게 배향될 필요성을 없애준다. 에멀젼에는 단지 하나의 전극이 침지되기 때문에, 바람직하지 않은 정전 파괴의 확률을 사실상 없앨 수 있다. 각종 상이한 양태들이 단극 정전 분리 개념내에 들어간다. 이러한 양태의 예가 본원에 기재되어 있다. 조직적 목적을 위해 헤더(header)가 제공되며, 이는, 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

융합은 빗방울 형성, 에멀젼 불안정화, 랩온어칩(Lab-on-a chip) 디바이스에서의 액체-액체 계면 제어, 콜로이드성 시스템에서의 입자 배열(particle ordering) 및 미립자화(atomization) 및 분무(spraying)를 포함하는 다수의 유체 시스템에서 중요한 공정이다. 몇몇 양태에서, 분무는 아토마이저, 스프레이, 전기-스프레이 시스템, 또는 연무기(fog generator) 시스템에 의해 수행될 수 있다. 몇몇 양태에서, 통상의 연무기를 단극 하전된 액적을 생성하도록 변형시킬 수 있다. 그후, 단극 하전된 액적을 에멀젼/혼합물일 수 있는 표적에 도입할 수 있다. 전기장이 액적들의 융합을 유도한다. 인접 액적들의 전기-융합은 먹구름, 석유 산업에서 오일의 탈수 및 에멀젼 분해, 질량 분석법에서의 전기-분무, 및 잉크젯 인쇄와 같은 중요한 공정들에서 일어난다. 이러한 공정들에서, 반대로 하전된 매쓰는 끌어당겨 융합하는 반면 유사-전하는 반발하여 합쳐지지 않는 것으로 추정되었다. 그러나, 최근에 유사-전하 전도성 경질 구체가 충분히 가깝지만 접촉 후 반발하지는 않는 경우에 거의 항상 서로 끌어당기는 것으로 나타났다.

반-직관적으로, 본원에 논의된 몇몇 양태에서, 2개의 양으로 하전된 수 액적들을 끌어당겨 융합할 수 있는 것으로 입증된다. 하나의 액적의 상호 분극이 다른 액적 상에 반대 극성의 이미지 전하를 유도하여 근거리 인력을 야기한다. 충분히 큰 전하 차를 갖는 가까운 액적의 경우, 이러한 근거리 인력이 메니스커스 둘 다에서 가장 가까운 극에 국소 변형을 유도한다. 메니스커스 접촉 후, 2개의 변형된 극 사이에 액체 브릿지가 형성된다. 이러한 일시적인 브릿지는 유사 전하의 액적들 간의 전하를 교환하여 액적의 시스템의 정전기 에너지를 최소화시키는 도관이다. 초기에, 통전 액체 브릿지가 액체 브릿지 계면에서 법선 방향 및 접선 방향 둘 다로 가해지는 맥스웰 응력(Maxwell stress)을 통해 표면 장력의 불안정화 효과에 대해 안정화된다. "물 부교(water floating bridge)"를 연상시키는 이러한 정전기적으로 지지된 액체 브릿지는 일시적으로 2개의 유사-전하 액적을 연결된 채로 유지시킨다. 그후, 액체 브릿지는 액적들 간의 전기장이 감소됨에 따라 정기적인 모세관 브릿지로 되돌아간다. 모세관 브릿지는 발달하여 연결된 액적의 표면을 최소화시키는 경향이 있다. 그 결과, 유사-전하 액적들의 융합이 일어날 수 있다. 유사-전하 수 액적들의 융합은 특히 에멀젼 분리의 이해에 영향을 준다.

근거리 인력은, 아래에 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 표면 전하 밀도의 재분배 및 비-동일하게 하전된 "완전" 전도성 구체의 상호 분극으로 인해 야기된다. 충분히 가까운 유사-전하 구체는, 이들이 접촉되거나 접촉되었다면, 서로 반발하는데, 그 이유는, 등전위 전도성 구체는 항상 반발하기 때문이다.

본원에 기재된 바와 같이, 순 전하 및 단극 전하를 갖는 액적은 음전하와 양전하의 대수 합산(algebraic summation)이 0이 아닌 액적을 나타낸다. 특정 양태에서, 상기 혼합물(예를 들면, 에멀젼)에서의 용적 전하 밀도는 1nC/㎥ 정도로 작을 수 있다. 그러나, 특정 양태에서, 이는 대략 오일 파괴 한계 쯤인 10μC/㎥(10^-5C/㎥) 정도로 높게 도달할 수 있다. 특정 양태에서, 용적 전하 밀도는 10nC/㎥ 이상, 100nC/㎥ 이상, 500nC/㎥ 이상, 1μC/㎥ 이상, 5μC/㎥ 이상, 또는 10μC/㎥ 이상이다.

분극력을 사용하는 선행 방법들은 액적에 대해 제로 순 전하를 나타내며(양전자와 음전하의 수가 동일함), 에멀젼/혼합물 내의 용적 전하 밀도가 제로이다. 무시해도 될 정도의 양의 용적 전하가 이러한 시스템에서 전극 주위에 도입될 수 있지만, 전체 용적은 전기적 중성을 경험한다(전기-화학적 효과가 등한시될 수 없는 전극 주위의 영역을 제외하고는 열역학적으로 평형 상태임).　 선행 방법들과는 달리, 본원에 기재된 양태들은 용적을 0이 아닌 공간 전하 밀도를 갖는 열역학적으로 비-평형 상태로 둔다.

에멀젼의 코로나 방전 충격

몇몇 양태에서, 코로나 방전이 에멀젼을 불안정화시키는데 사용될 수 있다. 하나의 예에서, 고전압 활선은 이의 고체/오일-절연 재킷을 상실하였다. 재킷 중의 오일은 전도성 카운터탑(countertop)으로 흘려넘치는 반면 코로나 방전은 비피복 전극(bare electrode)으로부터 방출되었다. 카운터탑 상의 누출된 오일은 확장되지만, 인접 비이커에서 물 메니스커스에는 유사한 효과가 관찰되지 않았다. 코로나 방전은 오일에 힘을 적용하지만, 물 계면에는 관찰 가능한 영향을 미치지 않았다. 이러한 관측이 잘 정의된 코로나 방전 설정(set-up)을 사용한 코로나 방전에 기초한 새로운 분리기의 생성을 자극하였다.

예를 들면, 특정 양태에서, 적어도 2개의 전극이 코로나 방전을 확립하는데 사용된다: 첨예한 전극(이미터) 및 블런트 접지 전극(컬렉터). 접지된 컬렉터 전극은 오일/물(또는 기타) 에멀젼과 접촉하는 반면, 기상 매질은 이미터 전극과 에멀젼 사이에 위치한다. 몇몇 양태에서, 기상 매질은 공기 또는 기타 기체, 또는 상이한 기체들의 조합일 수 있으며, 상기 시스템은 광범위한 온도 범위내에서 및 광범위하게 다양한 압력에서(예를 들면, 대기압 이하, 대기압 또는 대기압 이상에서) 기체와 작동한다. 본원에 논의된 양태는 임의의 온도 및 압력 조건하에 수행될 수 있다. 몇몇 양태에서, 온도 및/또는 압력은 방전의 품질에 대한 필요성에 기초하여 결정될 수 있다. 몇몇 양태에서, 본원에 논의된 코로나 방전 양태에서의 기체의 파괴 전압은 해수면에 대한 플랜트 부지의 상승에 따라 기상 온도/압력을 변화시킴으로써 조정할 수 있다. 첨예한 전극과 블런트 전극 간의 전위 차가 특정 전압, 예를 들면, 소위 코로나 방전 역치 이상으로 적용되는 경우, 부과된 전기장은 전극 분리 영역에서의 주변 중성 기상 분자가 부분적으로 이온화되도록 첨예한 팁 주위에서 충분히 강해진다. 이온 구름이 생성되고, 이는 낮은 전위 영역 쪽으로 가속화된다. 전하는 전기장에 의해 생성된 전하 캐리어의 이동으로 인해 갭을 가로질러 수송된다. 따라서, 코로나 방전은 약한 전류에 의해 달성된다.

코로나 방전은 에멀젼에 순 전하 및 단극 전하를 확립한다. 몇몇 양태에서, 코로나 방전을 통한 단극 이온 충격으로 에멀젼을 표적화하면 상의 분리가 야기된다. 예를 들면, 몇몇 양태에서, 하나의 전극은 에멀젼에 침지되고, 다른 코로나 방전 전극은 에멀젼 계면 상의 공기 또는 기상 매질에 침지된다. 기상 매질은 임의의 온도 및 압력에 있을 수 있다.

몇몇 양태에서, 에멀젼은 낮은 전기전도도를 갖는 절연 액체 또는 유전성 액체 내의 상이한 액체의 혼합물, 입자 및 액체, 단백질 및 DNA, 세포, 또는 임의의 물질일 수 있다. 몇몇 양태에서, 코로나 전극은 첨예한 팁 또는 팁들을 갖는 전극 또는 전극의 시스템이다. 코로나 방전은 첨예한 팁 또는 팁들로부터 방출된다. 몇몇 양태에서, 코로나 방전 전극은 니들, 상이한 정렬을 갖는 다중-니들, 첨예한 블레이드 또는 블레이드들, 가느다란 와이어 또는 다중-와이어, 마이크로구조, 나노튜브(CNT), 나노-구조, 또는 기타 첨예한 기하구조로 코팅된 와이어일 수 있다. 몇몇 양태에서, 코로나 방전 니들은 나선, 톱니, 또는 기타 날카로운 첨단 니들이다. 몇몇 양태에서, 전극은 바람직하게는 이온화-유도된 부식을 견디어 유지보수 비용을 최소화시킬 수 있는 재료로부터 제조된다. 몇몇 양태에서, 코로나 전극(들)이 고정되는 기상 매질은 임의의 압력 또는 온도에서 질소, 산소, 공기, 아르곤, 헬륨 또는 기타 기체 또는 기체들의 조합과 같은 임의의 기상 매질일 수 있다. 몇몇 양태에서, 에멀젼에 침지되어 있는 컬렉터 전극은, 예를 들면, 금속성 비피복 전극, 자연 산화물을 갖는 규소 기판, 유전성 박막 코팅을 갖는 금속 전극 등일 수 있다. 몇몇 양태에서, 침지된 전극의 기하구조는, 예를 들면, 평면, 3차원(형상(contoured)) 표면, 와이어 또는 와이어들, 또는 메쉬일 수 있다. 몇몇 양태에서, 침지된 전극은 임의의 기하구조 또는 형상을 가질 수 있다.

몇몇 양태에서, 코로나 이미터 전극과 침지된 전극(이는 접지될 수 있거나 상이한 전위에 있을 수 있다) 간의 전위 차는 고전압 전원 공급기에 의해 인가될 수 있다. 몇몇 양태에서, 코로나 방전 역치 전압 및 그 이상에서, 전압을 약간 증가시킴으로써, 기상 갭(gaseous gap)과 에멀젼을 가로지르는 전극 사이에 작은 전류가 측정될 수 있다. 이것이 코로나 방전의 징후의 비제한적인 예이다. 정성적인 징후의 또 다른 비제한적인 예는 방전 현상에 의해 생기는 음향 소음이며, 이는 때때로 첨예한 팁 주위에 청색-바이올렛색 글로우(glow)를 동반한다. 몇몇 양태에서, 코로나 방전은 습도 및 기타 인자에 따라 이러한 글로우를 동반하거나 동반하지 않을 수 있다. 전압을 증가시키면, 본 발명의 몇몇 양태에 따라, 에멀젼을 가로질러 전류를 증가시킬 수 있고 에멀젼에 의해 획득된 용적 전하 밀도를 증가시킬 수 있다.

몇몇 양태에서, 코로나 방전이 확립되자마자, 액적의 크기는 성장하기 시작한다. 몇몇 양태에서, 성장 속도는, 단기간 후, 벌크 에멀젼에 큰 액적이 육안으로 관찰될 수 있는 정도이다. 이는, 높은 속도의 전기-융합의 증거이다. 양 극성(positive polarity) 또는 음 극성(negative polarity)이 코로나 전극에 적용될 수 있음을 주지한다. 그러나, 본 발명의 몇몇 양태에 따르면, 양 극성을 선택하면 방전의 전기-역학 안정성이 증가될 수 있다.

선행 기술과 본원에 기재된 단극 기술 간의 중요한 차이는, 에멀젼 중의 인접 액적들이 순 전하 및 단극 전하를 획득한다는 것이다. 따라서, 여기서, 분리는, 하전된 액적들 간의 강한 쿨롱 힘에 기초한다. 예를 들면, 양성 코로나 방전을 적용하면 양 전하를 갖는 액적이 초래되는 반면 음성 코로나 방전을 적용하면 에멀젼에 음 전하를 갖는 액적을 초래한다. 본 발명의 몇몇 양태에 따르면, 첨예한 전극(들)이 에멀젼 계면으로부터 분리되며, 에멀젼 계면과 첨예한 이미터 전극 간의 전기적 접촉은 없다. 따라서, 본 발명의 몇몇 양태에 따르면, 단지 단일 극성 전극이 에멀젼과 물리적으로 접촉하는데 필요하다. 본 발명의 몇몇 양태에 따르면, 에멀젼 내에 단지 하나의 극성을 갖는 것이 유리하다. 몇몇 양태에서, 이는 정전기 사건의 기회를 상당히 감소시킬 수 있는데, 그 이유는, 특히 주요 전압 강하가 에멀젼 내가 아니라 기상 갭을 가로질러 발생하기 때문이다. 더욱이, 전극은 에멀젼과 저항 접촉(ohmic contact)을 갖지 않기 때문에 에멀젼에 주입되는 전하의 양은 오일 파괴 강도와는 관계없으며, 큰 용적의 전하가 에멀젼에 국소적으로 주입될 수 있다. 이는 전기장에서의 추가의 불균일성 및 액적 융합의 발생률 증가를 야기한다.

더욱이, 몇몇 양태에서, 상기 방법은 매우 전도성인 에멀젼(예를 들면, 수성 상에서의 염 농도가 높은 경우)에서도 효과적일 수 있는데, 그 이유는, 전하가 에멀젼의 외부에서 생성되기 때문이다. 따라서, 몇몇 양태에서, 전류의 양은 주로 기상 갭에서의 방전 특성에 의해 판단되며, 에멀젼에 덜 의존한다. 따라서, 본원에 논의된 양태는 임의의 품질의 오일 또는 물과의 오일-물 혼합물에도 적합할 수 있다. 물 중의 염의 함량 또한 성공적인 결과 및 목적하는 융합 수준을 달성하는데 중요하지 않음을 주지해야 한다.

몇몇 양태에서, 높은 염 농도의 염수 용액의 액적들의 융합(예를 들면, > 0.5M, > 1.0M, > 1.5M, 또는 > 2M)이 실리콘 오일을 갖는 에멀젼에서 관찰될 수 있다. 통상의 전기-융합기는 오일/물 및 염 함량에 기초하여 오일/물의 품질에 대해 특이적으로 설계되며, 이들은 영역마다 상이할 수 있다. 그러나, 본원에 기재된 몇몇 양태들을 사용하면, 기상 매질의 압력을 변화시키고, 소스에서 전압을 증가시키고/시키거나 코로나 노출 시간을 변화시킴으로써 인가된 전압 및 전류 둘 다를 조절하여, 상이한 품질(예를 들면, 상이한 염 함량)을 갖는 오일/물 에멀젼을 갖는 목적하는 분리 산출물을 위한 기술을 채택할 수 있다. 상기 공정은 광범위하게 다양한 에멀젼 조성 및 분리 요구에 적용하기 위해 용이하게 채택되고 조절된다.

특정 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 단극 분리의 메카니즘은 절연 매질에서 새로 발견된 유사-전하들 간의 끌어당김 현상을 따르는 것으로 보인다. 유사-전하 입자들은 끌어당길 수 있는 것으로 추측되지만, 그러나, 이는 여전히 미제의 문제이다.

2개의 하전된 전도성 경질 구체는, 이들이 충분히 가깝다면, 거의 항상 서로 끌어당긴다[문헌 참조; Lekner, John, "Electrostatics of two charged conducting spheres," Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Science 468.2145 (2012): 2829-2848, 상기 문헌은 전문이 본원에 참고로 인용됨]. 인력은 구체의 상호 분극 및 이러한 구체들 중의 하나 상의 표면 전하 밀도의 재분배로 인해 야기된다. 2개의 양으로 하전된 구체가 가까이 접근함에 따라, 하나는 다른 구체에 가장 가까운 극에 음 전하 밀도를 갖고, 다른 하나는 이의 이웃 극에 증가된 양 전하 밀도를 획득한다. 이러한 인력은 2개의 구체가 함께 접근함에 따라 제한없이 증가한다. 가까운 전하들의 편재된 끌어당김이 2개의 유사-전하 구체들 간의 쿨롱 힘의 전반적인 반발을 능가하여, 이들은 서로 끌어당기게 된다. 상기 논의된 원리에 대한 한 가지 이론적 예외는 2개의 구체가 이들이 접촉하여 수득된 바와 동일한 전하 비를 갖는 경우이다. 이러한 경우, 2개의 구체는 반발한다. 본원에는 본원에 제시된 실험 결과에 의해 입증되는 바와 같이, 에멀젼의 상의 분리를 위한 상이한 전하 비를 갖는 유사-하전된 액적들의 융합에 있어서의 이러한 원리의 적용이 나타내어져 있다.

실험 설정 및 실시예

직접 이온 주입 - 코로나 방전

도 1은, 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 액적들의 융합을 촉진시키는 에멀젼 계면을 표적으로 하는 양 또는 음 이온의 코로나 방전을 입증하는 개략도이다. 좌측의 도식(100)은 전압을 인가하기 전의 에멀젼(102) 전반에 걸쳐 분산된 다수의 액적(104)을 갖는 에멀젼(102)의 개략도를 보여준다. 우측의 도식(100')은 전압을 인가한 후의 에멀젼(102')의 개략도를 보여주며, 당해 도식에서 볼 수 있는 바와 같이, 액적(104)의 적어도 일부가 융합하여 보다 큰 액적(104')을 형성한다. 코로나 방전으로 인한 이온 충격은 생성된 이온을 계면으로부터 에멀젼 용적으로 직접 주입할 수 있다. 에멀젼의 대전은 외부 소스(코로나 방전)로부터 발생한다. 이온은 에멀젼의 외부에서 생성되어, 에멀젼/공기 계면으로부터 용적으로 직접 주입된다. 이온이 에멀젼에 분산되고, 액적은 동일한 극성을 갖는 순 전하를 획득한다. 코로나 방전은 에멀젼에서 매우 불균일한 단일 극성 전하를 생성한다. 소정의 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 인접 액적들 간의 전하의 차가 액적의 끌어당김 및 최종적으로 융화(merging)를 야기하는 것으로 사료된다. 노출 시간을 증가시킴으로써, 오일은 작은 수 액적들을 융합하고 액적 크기를 성장시킴으로써 물로부터 분리될 수 있다.

도 2는 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 액적 융합 및 상 분리를 위한 펌핑 효과 또는 차동 확산 현상을 동시에 촉진시키는 에멀젼의 2개 이상의 상들의 분리를 위한 코로나 방전 시스템을 보여주는 개략도이다. 좌측의 도식(200)은 코로나 방전의 적용 전의 에멀젼(202) 전반에 걸쳐 분산된 다수의 액적(204)을 갖는 에멀젼(202)의 개략도이다. 우측의 도식(200')은 에멀젼에 코로나 방전을 적용한 후의 에멀젼(202')의 개략도이며, 이는 액적(204)의 적어도 일부가 융합하여 보다 큰 액적(204')을 형성하도록 한다.

몇몇 양태에서, 코로나 방전 전극 시스템은 이것이 (i) 유사-전하 전기-융합으로 인한 에멀젼으로부터의 수 액적(또는 기타 상)들의 분리, 및 (ii) 수-풍부 상(또는 기타 남은 상)으로부터 떨어진, 예를 들면, 에멀젼 용기로부터의 오일-풍부 상의 물리적 펌핑/확산/이동 둘 다를 사용하도록 설계될 수 있다. '펌핑' 또는 확산 효과는 오일에서는 일어나고 물에서는 일어나지 않기 때문에, 본 발명의 몇몇 양태에 따르면, 추가의 분리 효율을 위해서는 또 다른 효과가 이용될 수 있다.

하나의 양태에서, 에멀젼의 탱크에는 저 전압 전극으로서 작용하는 돌출된 엣지(램프)가 장착된다. 첨예한 전극은 탱크 위에 위치하며, 코로나 방전을 확립하는데 사용된다. 에멀젼은 연속, 반-연속, 또는 배치 방식으로 탱크에 가할 수 있다. 단일 또는 다중 전극으로부터의 코로나 방전은 정제된 오일 상을 램프 위로 물리적으로 이동 또는 펌핑시키고, 이를 에멀젼으로부터 분리된 정제된 오일을 보유하기 위한 또 다른 용기 또는 도관으로 보낼 수 있다. 분리된 수성 상은 탱크의 바닥에 잔류할 수 있으며, 여기서 배수될 수 있다.

몇몇 양태에서, 코로나 방전 이미터 전극 중의 하나 이상을 램프 주위에 배치하여 코로나 방전 폄핑 효과를 이용한다. 전기-융합이 벌크 내부에서 일어나지만, 정제된 오일은 전극의 적합한 배열에 의해 펌핑된다. 에멀젼의 수성 상 중의 보다 높은 염 함량이 여기서 유리할 수 있는데, 그 이유는, 본 발명의 몇몇 양태에 따르면 이것이 오일 상과 수성 상 간의 대조적인 전기 전도성을 높일 수 있기 때문이다.

물질 이동에 의한 단극 전하 이동 - 에멀젼으로의 단극 하전 액적의 분무

코로나 방전 양태에서, 전하는 기상 분자의 이온화에 의해 직접 도입된다. 그러나, 단극 전하를 하전된 물질을 통해 벌크 에멀젼에 전달할 수 있다. 예를 들면, 단극 하전된 액적, 또는 스트림을 에멀젼에 분무하면, 순 전하 및 단극 전하를 획득하는 에멀젼이 야기되어 그 안의 인접 액적들이 순 전하 및 단극 전하를 획득할 수 있다. 몇몇 양태에서, 분무는 전기-분무 또는 기계적 분무(예를 들면, 미립자화)를 통해 일어난다.

도 3은, 본 발명의 몇몇 양태에 따르는, 에멀젼 상의 분리를 위해 단극 하전된 액적(306)을 에멀젼(302)에 분무하기 위한 시스템을 예시하는 도식이다. 좌측의 도식(300)은 전기-분무 전의 에멀젼(302) 전반에 걸쳐 분산된 다수의 액적(304)을 갖는 에멀젼(302)을 보여준다. 우측의 도식(300')은 전기-분무 후의 에멀젼(302')을 보여주며, 이는 액적(304)의 적어도 일부가 융합하여 보다 큰 액적(304')을 형성하게 한다.

도 3은 에멀젼 상의 분리를 위해 단극 하전된 액적을 에멀젼에 분무하기 위한 시스템을 보여주는 도식이다. 몇몇 양태에서, 절연 오일 또는 물의 정전 미립자화가 사용될 수 있으며, 작은 하전된 액적들의 구름이 에멀젼으로 보내질 수 있다. 몇몇 양태에서, 주입되는 미립자화된 액체는 분리하고자 하는 에멀젼의 조성에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들면, 물이 주요 상인 유중수 에멀젼의 경우, 몇몇 양태에서, 오일이 미립자화될 수 있다. 몇몇 양태에서, 에멀젼 중의 단극 순 전하를 갖는 액체 액적은 전도 및/또는 대류 메카니즘을 통해 전하를 에멀젼으로 이동시킬 수 있다. 오일 중의 자연(native) 수 액적이 이러한 전하를 획득하고, 코로나 방전에서 논의된 바와 같은 메카니즘이 발생하여 단극 하전된 액적의 전기-융합을 야기할 수 있다. 상이한 구성의 전극이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 원형 노즐, 장방형 아토마이저, 단일- 또는 다중-아토마이저가 사용될 수 있다.

에멀젼으로의 단극 하전된 액체의 욕의 푸어링(pouring)

물질 이동을 통한 단극 전하 이동의 또 다른 비제한적인 양태에서, 다량의 에멀젼이 먼저 하전된 다음 보다 다량의 에멀젼으로 도입된다. 예를 들면, 코로나 방전이 몇몇 양태에서 에멀젼의 일부를 포함하는 욕에 전하를 주입하는데 사용될 수 있다. 그후, 하전된 액체 또는 혼합물의 욕이, 에멀젼의 보다 큰 배치 또는 스트림으로 도입되고, 여기서 분리가 수행된다. 하전된 액체는 에멀젼으로 확산되고, 전도와 대류 둘 다에 의해 전하를 이동한다. 물질 수송 및 전기 전도에 의해 이동된 단극 전하는 액적들의 융합을 대량으로 야기하여, 분산된 상의 액적 크기를 성장시킬 수 있다. 분리된 액적은 배치의 바닥에 침강되고 수집되기에 충분할 정도로 크다. 이 방법을 중력 분리와 병용하여 분리 공정에 사용할 수 있다. 순수한 오일을 하전시켜, 중력 분리기 탱크에 부을 수 있다. 단극 분리로 인해 단극 전기-융합이 일어난다.

마찰대전: 단극 분리 기술

몇몇 양태에서, 마찰대전이 단극 에멀젼 분리를 수행하는데 사용된다. 이 방법은 코로나 방전 노출 및 에멀젼으로의 단극 하전된 액적의 분무에 대한 대안이다. 본 발명의 몇몇 양태에 따르면, 이는 아주 간단한 코로나 방전 기술이지만, 유효 전원 공급기에 대한 필요를 없앨 수 있다.

예를 들면, 몇몇 양태에서, 전하는, 이것을 PMMA 또는 다른 마찰-전기 재료로 만들어진 중합체 파이프를 통해 통과시킴으로써 에멀젼으로 이동된다. 몇몇 양태에서, 파이프 내부 표면은 PMMA, PVC 등과 같은 중합체 또는 중합체의 배합물로 코팅될 수 있다. 에멀젼을 표면 상으로 통과시키면 파이프와 에멀젼 사이에 마찰로 인해 에멀젼 내부에 단극 용적 전하를 생성할 수 있다. 이러한 단극 전하는 단극 전기-융합으로 인해 증가된 액적 크기를 야기할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 양태에서, 이러한 개념은 중력 타워에도 적용될 수 있는데, 여기서는 수 액적의 크기를 증가시키면 상당히 더 빠른 분리가 야기될 수 있다. 몇몇 양태에서, 이는 액적이 하전되도록 에멀젼을 적절한 마찰-전기 재료 상에 단순히 통과시키는 것으로도 충분할 수 있다. 몇몇 양태에서, 중력 타워, 분리 컬럼, 또는 기타 용기는, 전하가 분리기에 있도록 전기적으로 절연되어야 한다.

논평

본원에 기재된 방법들은, 이들의 레이아웃에 있어서의 상당한 변화 없이 현재의 오일/물 분리 공정과 병용될 수 있다. 기존 시스템들을, 예를 들면, 본원에 기재된 바와 같이, 단극 전하 분리 단계 또는 모듈로 재조절할 수 있다.

본원에서는 단극 액적들이 서로 끌어당기는 신규한 분리 기술이 입증된다. 선행 유전영동 기술과는 달리, 여기서는 활성 메카니즘이 전기영동력이다. 실험은 백그라운드 상(phase)에서 분산된 액적의 유사-전하 인력을 입증한다. 이러한 인력이 액적들의 융합을 야기하며, 이로써 에멀젼의 상의 분리에 영향을 미친다. 이 개념은 에멀젼에서 액적을 분리하는데 뿐만 아니라 현탁액에서 고체 입자를 분리하는 데에도 적용될 수 있다. 적용 분야는 물/오일 에멀젼의 분리 뿐만 아니라 세포, 단백질, DNA, 및 다른 종류의 혼합물의 분리를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.

특정 양태에서, 상기 컬렉터 전극(들) 만이 에멀젼/혼합물에 침지되며, 이미터 전극은 에멀젼/혼합물 외부에 있다. 특정 양태에서, 상기 혼합물은 순 전하를 획득한다. 따라서, 용적 전하가 무시해도 될 정도인 종래의 방법과는 달리, 본 발명의 방법에서는, 용적 전하가 필수적이며, 특정 양태에서 이는 적어도 1nC/㎥, 적어도 10nC/㎥, 적어도 100nC/㎥, 또는 적어도 1μC/㎥이다.

본원에 제시된 방법의 이점은 고전압 전극이 에멀젼과 접촉하지 않는다는 것이다. 주요 전압 강하가 갭을 가로질러 발생하기 때문에, 아크 또는 정전 파괴의 기회가 상당히 감소될 수 있다. 더욱이, 에멀젼으로의 단극 하전된 액적의 분무 또는 에멀젼의 마찰대전을 포함하는 양태에서는, 단극 전하를 대량으로 유지하면서 정전 파괴의 확률이 상당히 감소된다.

코로나 방전을 사용하는 제안된 방법의 또 다른 이점은, 큰 용적 전하 밀도가 에멀젼에 주입되어, 불균질 에멀젼 매질에 전기장의 강한 불균일성이 존재할 수 있다는 것이다. 이러한 전기장의 불균일성은 유사-전하 액적 사이에 전위 차를 유발할 수 있으며, 이는 융합의 기회를 증가시킬 수 있다. 더욱이, 몇몇 양태에서, 물/오일 에멀젼 상의 물리적 분리는 코로나 방전에 의해 증진되는데, 그 이유는, 정제된 오일은 정전 압력에 의해 펌핑되는(또는 펌핑이 보조되는) 반면 정전 압력은 전도성 수성 상에서 0이기 때문이다. 이는 미소-중력 상태에서, 예를 들면, 전력이 제한되고 중력장이 부재하는 경우에서 혼합물의 분리에 특히 중요한 양태이다. 중력 분리는 미소-중력에서 사용될 수 없는 반면, 코로나 방전 양태가 이러한 방법의 대안일 수 있다. 펌핑 오일 상과 함께 향상된 융합 속도는 심지어 우주 공간 분야에서도 최소한의 전력 소비로 보다 낮은 오일 오염을 갖는 보다 큰 수 액적의 생성을 초래할 수 있다.

전기-융합은 본원에 기재된 양태에서 전기장에 대한 액적의 배향에 의존하는 것으로 보이지 않는다. 종래의 방법에서, 액적은 인력이 발생하도록 전기장에서 배향되어야 한다. 이러한 전기-융합기에서, 액적의 작은 편차는 목적하는 분리보다는 액적들 간의 반발 및 안정화를 야기할 수 있다. 반면, 본원에 기재된 양태에서는, 전기-융합이 전방향성이다. 전기영동력이 어떠한 방향으로도 가해질 수 있기 때문에 방향 및 배향이 필요요건은 아니다.

실험은 유중수 에멀젼 및 수중유 에멀젼 둘 다에 대한 본원에 기재된 코로나 방전 시스템의 유효성을 보여준다. 특정 양태에서, < 50 마이크론, < 25 마이크론, < 10 마이크론, < 1 마이크론, < 0.5 마이크론 또는 < 0.1 마이크론의 평균 액적 크기를 갖는 에멀젼의 상이 분리될 수 있다. 특정 양태에서, 인가된 전압의 범위는 약 1 내지 약 20 킬로볼트(예를 들면, 수 킬로볼트)일 수 있는 반면 전극과 에멀젼의 계면 간의 갭 간격은 약 0.1mm 내지 약 50mm(예를 들면, 대략 수십 밀리미터)일 수 있다. 몇몇 양태에서, 인가된 전압 및 갭은 위에 제시된 것보다 큰 범위에서 변할 수 있지만, 생성된 전기장은 코로나 전극의 팁으로부터 코로나 방전을 야기하도록 충분히 커야 한다(~10⁵ 내지 10⁷V/m). "피크의 법칙(Peek's law)"이 소정의 갭 간격 및 소정의 기상 압력 및 온도에 대한 인가된 전위의 제1 근사해석(first approximation)을 제공할 수 있지만, 전위는 또한 코로나 팁의 곡률 반경에 따라 좌우된다. 코로나 전류 및 코로나 팁의 수는 팁의 기하구조 및 수에 따라 변할 수 있지만, 단일 팁의 경우 코로나 전류는 약 0.1 내지 약 200 마이크로암페어의 범위이다. 노출 시간을 증가시키면 정제를 향상시킬 수 있지만, 특정 양태에서 만족할만한 융합을 생성하기 위해서는 1 내지 30초 정도로 작아도 충분하다. 코로나 방전 분리는 또한 다수의 단계로 수행될 수 있다. 각 단계에서, 상이한 배열을 가진 상이한 코로나 전압을 사용할 수 있다. 그러나, 하나의 노출 단계라도 충분할 수 있다.

특정 양태에서, 에멀젼을 위한 용기, 자체, (또는 이의 일부)가 접지된 전극으로서 작용하며, 상이한 형태를 가질 수 있다. 이는, 예를 들면, 평판 전극, 경사 평판 전극, 형상 전극(contoured electrode), 또는 굴곡 전극일 수 있다. 에멀젼은 고여 있을 수 있거나, 개방 채널에서 유동할 수 있다.

전기영동력이 정제된 오일을 직접 수집할 수 있거나, 이는 내장 시스템일 수 있다. 코로나 방전 노출은 기존 시스템에서 사용하기 위한 전처리 단계로서 수행될 수 있거나(예를 들면, 중력 및/또는 침강 에멀젼 분리 공정의 재조절), 다른 기술들과 용이하게 조합될 수 있다. 예를 들면, 코로나 방전 노출은 작은 액적들 간의 융합을 촉진시켜 보다 큰 액적을 형성할 수 있으며, 그후 이는 현재의 분리 시스템(예를 들면, 중력, 침강, 및/또는 화학 첨가제 분리 공정)에 의해 보다 쉽게 취급된다.

몇몇 양태에서, 상기 기재된 방법들은, 필요에 따라, 서로 조합될 수 있다. 몇몇 양태에서, 이들 방법은 다른 전통적인 기술들, 정전식 기존 기술들, 중력, 여과 또는 다른 기술들과 생산된 정제된 상 및 백그라운드의 필요한 품질에 따라 전-단계 또는 후-공정 단계로서 조합될 수 있다.

몇몇 양태에서, 안전성을 필요한 정도로 증가시키기 위해, 기체 상을 다른 기체, 예를 들면, 불활성 기체로 대체할 수 있다. 기술은 기체 또는 에멀젼의 부분 압력 또는 온도에 제한되지 않으므로, 보다 다방면의 분리 공정에 허용된다.

몇몇 양태에서, 상기 방법은 석유에서 또는 생물학적 매질에서 진흙, 모래 등과 같은 고체 입자의 응집을 야기하는데 적용될 수 있다. 유사하게, 응집은 이러한 성분을 함유하는 혼합물의 단극 충전에 의해 세포, 단백질, DNA, 또는 RNA 응집(또는 기타 유전 물질의 응집)을 위해 달성될 수 있다.

유사-하전된 액적들의 융합

도 4a는 2개의 유사-하전된(양으로 하전된) 액적의 접촉(t=0)과 비교하여, 다양한 시간에서 수득된 실리콘 오일 중의 탈이온수의 2개의 액적의 일련의 마이크로그래프를 보여준다. Qa는 액적 a의 전하이고, Qb는 액적 b의 전하이며, r_a는 액적 a의 반경이고, r_b는 액적 b의 반경이다. 액적의 전하 밀도가 상이한 경우, 예를 들면, 예를 들면 Qa/ra >> Qb/rb인 경우, 및 액적이 서로 충분히 가까운 경우에 액적의 끌어당김 및 융합이 관찰된다.

도 4b는 가까운 분리에서 동일한 크기의 2개의 양으로 하전된 이격된 금속 구체들 간의 정전기적 상호작용에 대한 실험 결과를 나타낸다. 양으로 하전된 구체는 구체들 간의 전하의 크기 차가 충분히 큰 경우 서로 끌어당기는 것으로 관찰되었다. 전하 차가 확립됨에 따라, 인력이 우측의 구체를 좌측의 고정된 구체 쪽으로 끌어 당긴다. 잠시 동안의 접촉 후, 2개의 구체들은 등전위로 된 다음 서로 반발한다. 이러한 관측은 유사-전하를 지니는 전도성 경질 구체의 끌어당김 및 접촉 후의 반발에 대한 최근의 예측을 확인시켜 준다.

도 4c는 충분히 큰 전하 차를 갖는 오일의 욕에서 양전하를 지니는 상이한 크기의 유사-전하 수 액적들의 정전기적 상호작용의 일련의 마이크로그래피를 보여준다. 상부 및 하부 액적에서의 전하는 각각 +10.7pC 및 0.94pC이었다. 도 4b와 관련하여 논의된 금속 구체와 유사하게, 충분히 큰 전하 차를 갖는 2개의 비-등전위 액적은 가까운 분리에서 끌어당긴다. 그러나, t = 0에서 접촉 후에는, 도 4b의 금속 구체와는 달리, 2개의 액적은 도 4c에 도시된 바와 같이 서로 끌어당겨 융합된다. 유사-전하 액적은 서서히 접근하며, 가장 가까운 극에서 명백한 접촉 직후 융합이 일어난다. 도 4c에 나타낸 기준 자는 0.5mm이다. 백그라운드 오일은 450센티스톡스 실리콘 오일이다.

도 5는 2개의 유사-하전된 액적들의 융합이 쿨롱 힘(FAtr/FRep)이 대략 > 1인 경우에 일어남을 보여주는 실험 데이터를 나타낸다. 2개의 액적들 간의 유사 전하의 차이의 크기가 더 큰 경우(예를 들면, Qa/Qb가 더 높은 경우), 약 1mm 떨어진 서로 더 큰 거리에서 액적 간에 융합이 관찰된다.

도 6a는 50㎛의 고정된 초기 분리에서 동일한 크기의 2개의 양으로 하전된 가까운 액적들에 대한 전하 측정의 결과를 도시한다. 초기 분리는 충전 전의 중성 액적들 간의 갭이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 액적들 간의 작은 전하 차이가 본 발명의 몇몇 양태에 따라 액적의 전기-융합을 야기하기에 충분하다.

반면, 도 6b는 2개의 전기적으로 접속된 동일한 수 액적의 경우, 몇몇 양태에서 액적을 기계적으로 함께 밀어붙이더라도 액적이 합쳐지지 않는 것으로 관찰됨을 예시한다. 이는 액적이 접촉시 등전위로 된 다음 전하 차가 0과 같아진다는 사실에 기인한다. 동일한 구체의 경우, a=b, Q_a 및 Q_b의 순 양전하를 갖는 유사-전하 전도성 구체들 간의 근거리 인력에 대한 표현은 다음과 같이 수득되었다:

상기 수학식 2에서, ε₀, S 및 γ는 각각 매질 유전율, 액적들 간의 분리, 및 오일러(Euler) 상수이다. 상기 수학식 2로부터, 동일한 크기의 충분히 가까운 구체들은 Q_a ≠ Q_b인 경우 그리고 오직 Q_a ≠ Q_b경우에 항상 끌어당긴다고 추론할 수 있다. 반면, 정확히 동일한 전하를 갖는 2개의 동일한 구체의 경우, a = b 및 Q_a = Q_b이고 인력은 0이다. 이 경우, 동일하게 하전된 구체는 등전위로 되어 반발한다. 가까운 분리에 있는 등전위 구체의 경우, 반발력 F_rep는 분리와는 무관하며, 켈빈 공식(Kelvin formula)으로 수득할 수 있다:

도 6a, 6b, 및 6c에 나타낸 실험 결과가 상기 수학식 2에 나타낸 유사-전하의 끌어당김에 대한 표현으로 해석될 수 있지만, 동일하지 않게 하전된 액적이 접촉 후 융합하는 이유에 대해서는 여전히 명확하지 않다. 융합의 메카니즘을 조사하기 위해, 액적 융합의 고해상도 고속 이미징이 접촉 직전 및 직후에 수행되었다.

도 7a 내지 7c는 에멀젼에서 2개의 유사-하전된 액적들의 융합시 일어나는 메카니즘을 보여준다. t = 20 마이크로초에서, 정전기 브릿지가 나타나며, 특정 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 모세관 브릿지로 두꺼워져 액적들의 융합을 초래하는 것으로 보인다.

도 8a, 8b, 및 8c는 180,000개 프레임 s^-1에서의 일련의 순차적인 고속 이미지에서 실리콘 오일 중의 유사-전하 탈이온수 액적의 거동을 예시한다. 2개의 이웃하는 유사-전하 액적의 경우, 보다 큰 절대 양전하를 갖는 액적(상부 액적)이 보다 작은 순 양전하를 갖는 다른 액적(하부 액적)을 분극시킨다. 도 8d는 유사-전하 액적의 끌어당김과 융합에 대한 정전기적 상호작용의 밑그림을 나타낸다. 상기 밑그림은 도 8a 내지 8c에 제시된 실험 구상에 기초한다.

도 8d에 나타낸 바와 같이, 음의 이미지 전하의 배치(회색 구름)는 보다 작은 양전하(핑크 구름)를 갖는 액적의 가장 가까운 극에서 보인다. 인근 액적들의 극들 사이의 전기장은 국소 전하 재분배의 결과로서 증가한다. 양으로 하전된 메니스커스 및 다른 액적 메니스커스의 가장 가까운 극에서의 이의 음의 이미지 전하 간의 끌어당김이, 액적들 간의 끌어당김을 야기한다.

도 8a, 8b, 및 8c에서 볼 수 있는 바와 같이, 인력은 전기장이 강한 가장 가까운 극에서 맥스웰 응력의 국소 증가로 인해 테일러 콘(Taylor cone) 같은 변형을 유도한다. 액적과 2개의 변형된 메니스커스 둘 다는 함께 접근한다. 2개의 메니스커스가 접근함에 따라, 전기장이 훨씬 더 강해지고, 증가된 전기장이 전하 및 이의 이미지를 재분배하여 메니스커스에 더욱 확연한 변형을 야기한다. 변형된 메니스커스는 최종적으로 서로 닿아, 2개의 액적 사이에 액체 브릿지가 즉시 형성된다.

도 8a에 나타낸 바와 같이 작은 분리를 갖는 액적의 경우, 접촉 직후 브릿지의 형성이 접속하는 유사-전하 액적들 간의 목 부분의 높은 국소 곡률을 야기한다. 굴곡진 목 부분의 형성은 국소 저압 영역을 생성하여, 브릿지 쪽으로의 내향 유동을 초래한다. 내향 유동은 액체를 브릿지로 공급하여 목 부분을 채우며, 이에 따라, 유사-전하 액적들의 융합이 진행된다. 이러한 작은 분리의 경우, 초기 발달시, t = 0에서의 브릿지 형태는 이의 작은 크기로 인해 적절한 광학 해상도로 캡쳐될 수 없다. 접촉 후 타당한 해상도로 발달의 상세를 가시화하기 위해, 액적들 간의 초기 분리를 도 8b 및 8c에서 볼 수 있는 바와 같이 증가시켰다. 새로운 보다 큰 분리에 대한 유사 전하 끌어당김 및 융합을 확립하기 위해, 전하의 절대 크기 및 액적들 간의 전하 차를 증가시켰다. 상부 액적에서의 전하는 이의 레일레이 한도(Rayleigh limit) 부근에서 증가되는 반면 하부 액적에서의 전하는 작게 유지되었다. 이러한 보다 큰 초기 분리의 경우, 전기-융합이 또한 일어난다. 2개의 액적들이 서로 끌어당기고 이들의 메니스커스가 가장 가까운 극에서 변형되는 것으로 관찰되었다. 2개의 변형된 메니스커스들이 접촉함에 따라, 대단히 안정한 일시적인 액체 브릿지가 형성된다. 높은 종횡비의 액체 브릿지는 종래의 모세관 브릿지와는 명백히 상이하다. 이러한 일시적인 액체 브릿지는 공기 및 약간 전도성인 액체의 전기적으로 지지된 높은 종횡비의 컬럼에서 이전에 보고된 물 부교를 연상시킨다. 물 부교와 유사하게, 액체 브릿지의 유전율이 매질(본 발명의 경우 오일)의 유전율보다 크기 때문에, ε_w > ε_o, 전류를 지니는 액체 브릿지는 브릿지에서의 법선 및 접선 정전 맥스웰 응력에 의해 안정화된다. 정전력과 분극력 둘 다는 표면으로 인한 불안정화 효과에 대해 브릿지를 "레벨화(level)"하는 경향이 있다. 이러한 안정한 액체 브릿지는 2개의 액적을 전기적으로 접속되게 유지한다. 초기에, 브릿지를 가로지르는 전기장이 큰 경우, 2개의 하전된 액적들 간의 액체 브릿지는 전기장에 의해 안정화된다. 전하가 브릿지를 가로질러 이동함에 따라, 브릿지를 따라 오일/물 계면 간의 접선 전기장이 서서히 감소한다. 후속적으로, 정전기적으로 지지된 브릿지가 모세관 브릿지로 되돌아간다. 접속하는 액적들 간의 모세관 브릿지는 접속하는 몸체의 표면을 최소화시키는 경향이 있다. 자립적인(self-sustained) 전류를 지니는 브릿지의 형성 및 모세관 브릿지로의 이의 전환은 2개의 접속하는 액적들의 융합을 돕는다. 매우 하전된 이웃하는 액적의 경우, 메니스커스 접촉 전에, 변형된 극에 가해진 강력한 접선 응력으로 인해 전기-분무가 일어난다. 매우 하전된 액적들 간의 이러한 콘-제팅(cone-jetting) 및 전기-분무의 존재하에서도, 유사-전하 융합이 진행된다. 이는 유사-전하의 융합이 일반적인 현상이며 광범위한 전하 크기에 대해 일어날 수 있음을 의미한다.

도 9 및 10은 본원에 기재된 바와 같은 유사-하전된 액적 융합을 사용한 오일/물 에멀젼 분리 시스템의 2개의 예시적인 도식을 보여준다.

도 9에서, 에멀젼은 코로나 와이어(이미터 전극)(904) 아래의 하프 파이프(902)에서 유동한다. 몇몇 양태에서, 하프 파이프(902)는 접지된 컬렉터 전극을 함유할 수 있거나, 그것 자체일 수 있다. 하프 파이프(902)를 따라 에멀젼이 유동하는 동안 분리가 일어난다. 코로나 방전의 결과로서 오일 상의 차동 확산/펌핑이 오일 상을 하프 파이프(902)의 엣지 위에서 컬렉터 램프(906) 아래에 이어 수집 용기(908)로 밀어낸다. 하프 파이프(902) 대신에, 예를 들면, 상이한 기하학적 형태의 또 다른 채널이 사용될 수 있다. 특정 양태에서, 에멀젼/공기 계면 위에 코로나 와이어가 장착된 멀티-브랜치 하프 파이프가 사용될 수 있다.

도 10에 나타낸 양태에서, 에멀젼이 탱크(1010)를 채운다. 코로나 와이어(1004), 코로나 블레이드, 또는 기타 유형의 첨예한 이미터 전극이 탱크 위에 탱크(1010)의 램프 또는 경사면 또는 립(1012) 근처에 배치된다. 정제된 오일 상의 차동 확산/펌핑이 코로나 방전으로부터 야기되며, 이것이 오일 상(수 상은 아님)을 립 위에서 수집 용기(1008)로 밀어낸다. 몇몇 양태에서, 탱크가 에멀젼으로 끊임없이 채워지면서 코로나 방전이 상을 분리하고 순수한 오일이 수집된다. 또는, 몇몇 양태에서, 탱크는 배치 모드 또는 반-배치 모드로 작동할 수 있다. 대규모 시스템의 경우, 몇몇 양태에서, 다중 고전압 전극이 사용될 수 있다.

몇몇 양태에서, 마찰대전이 코로나 방전 대신에 에멀젼의 상의 분리를 야기하는 단극 상태를 생성하는데 사용된다.

유사-전하 융합의 개념은 에멀젼의 불안정화에도 적용될 수 있다. 도 11a, 11b 및 11c는 오일 및 유중수 에멀젼 중의 2개의 수 액적들의 시스템에 대한 유사-전하 융합을 입증한다. 도 11a 및 11b는 각각 단극 이온 주입에 적용된 오일 중의 2개 및 3개의 이웃하는 수 액적들의 시스템의 단극 융합을 보여준다. 양성 DC 코로나 방전은 코로나 방전 역치보다 높은 고전압을 첨예한 이미터 전극에 인가함으로써 확립하였다. 이미터 전극에 인접한 공기가 이온화되고, 양이온의 구름이 강한 전기장으로 인해 공기/액체 계면 쪽으로 가속화되었다. 가속화된 양이온은 오일 용적으로 주입되었다. 주입된 전하는 물/오일 액적 계면의 표면 위에 침착되었다. 수 액적에 의해 획득된 순 전하는 이들의 표면적에 비례하기 때문에, 상이한 크기를 갖는 2개의 이웃하는 액적들 간의 임의의 전하 차는 불-균일한 전하 주입을 적용함으로써 확립될 수 있다. 일단 충분한 전하 차가 확립되면, 단거리 인력이 유사-전하 수 액적들의 융합을 야기할 수 있다.

도 11c는 상이한 노출 시간으로 코로나 방전에 적용된 헥사데칸 중의 1.5중량% 탈이온수로 이루어진 에멀젼의 유사-전하 융합 및 단극 분리를 보여준다. 에멀젼을 안정화시키기 위해, 1.6중량% 계면활성제 Span 80^®을 가하였다. 에멀젼 중의 액적의 평균 직경은 이온 노출 직전에 약 300nm인 것으로 측정되었다. 20ml의 에멀젼을 2개의 동일한 비이커에 부었다. 좌측 비이커는 코로나 방전에 노출시킨 반면 우측 비이커는 노출시키지 않고 두었다. 방전으로의 에멀젼의 연속적인 노출은 공간적으로 불균일한 용적 전하 밀도를 인접 수 액적에 공급한다. 인접 수 액적은 불균일한 양전하를 획득하며, 이것이 오일 중의 수 액적들의 유사-전하 융합을 촉진시킨다. 그 결과, 액적의 크기는 이들이 방전에 노출되고 에멀젼 분리가 발생함에 따라 증가하였다. 도 11c에 도시된 바와 같이, 좌측 비이커의 탁한 에멀젼은 수 액적들이 융합하여 침강함에 따라 투명 오일로 변하였다. 노출의 부재시, 우측 비이커의 탁한 외형은 동일한 실험 시간 동안 무시해도 될 정도의 변화를 보였으며, 이는 에멀젼이 실험 동안 안정하기 때문에 액적들의 융합이 최소화되었음을 시사한다.

도 12a, 12b, 및 12c는 마찰-대전에 의한 충전과 비교하여 코로나 방전에 의해 하전된 에멀젼에서의 유사-하전된 액적의 이미지를 보여준다. 도 12c에 나타낸 마찰대전 결과를 수득하기 위해, PMMA 기판을 폴리에스테르 섬유로 문질렀다(rubbing). 에멀젼을 붓거나 또는 도입하는 하전된 기판을 제조하기 위해, 다른 쌍의 재료를 사용할 수 있다. 문지르지 않은 기판 상으로의 에멀젼의 침착은, 전하가 기판 상에 부재하기 때문에, 분리 효과를 생성하지 못한다. 건조 PMMA 기판을 문지르면, 기판은 양으로 하전되는 반면 섬유는 음성으로 된다. 기판 상의 전하는 포화 한계에 도달하며, ~100nC/㎡인 것으로 측정되었다. 에멀젼을 하전된 기판 상에 침착시키면 에멀젼의 격렬한 분리가 야기된다. 2개의 이웃하는 액적들 간의 작은 전하 차가 인력을 야기하고, 이것이 수 액적들의 융합을 유발한다. 조밀한 에멀젼에서의 작은 전하 차가 에멀젼의 불안정화 및 상의 목적하는 분리를 야기할 수 있다. 이러한 전하는 2개 또는 다수의 액적에서 단극일 수 있다. 특정 이론에 결부시키고자하는 것은 아니지만, 단일 극성의 전하로도 에멀젼 분리를 유도하기에 충분하다.

25% 물-75% 오일의 분리

당해 예에서, 에멀젼의 코로나 방전 보조된 분리는 분리된 오일의 정전식 펌핑의 존재하에 수행하였다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 굴곡 전극(1314)을 먼저 실리콘 오일 중의 탈이온수의 에멀젼(25중량% 물, 75중량% 오일)(1316)으로 채웠다. 굴곡 전극(1314)을 접지시켰다. 코로나 니들(1318)을 에멀젼/공기 계면 위에 고정시켰다. 코로나 전극과 에멀젼 계면 간의 거리는 수십 밀리미터이었다. 따라서, 접지된 전극(1314)은 에멀젼(1316)과 접촉하는 반면 코로나 니들(1318)은 주위 공기 중에 위치시키며 에멀젼(1316)과 저항 접촉하지 않았다. 전압을 임계치 이상으로 니들(1318)에 인가함으로써, 양의 코로나 방전이 에멀젼(1316) 및 접지된 굴곡 전극(1314)의 표면 상에 확립되었다. 코로나 방전 확립여부는 코로나 전류를 측정함으로써 확인하였다.

이온화된 공기의 구름은 강한 전기장의 존재하에 에멀젼(1316) 쪽으로 가속화되며, 에멀젼(1316)은 이러한 이온 충격으로 양으로 하전되었다. 벌크 오일 중의 수 액적들이 즉시 융합되었다. 이론에 결부시키고자 하는 것은 아니지만, 액적의 불균일한 충전이 양-양 하전된 액적들의 융합의 원인이 되는 것으로 사료된다. 더욱이, 코로나 방전 노출에 의한 분리된 순수한 오일은 접지된 굴곡 전극(1314)의 우측면의 굴곡 램프로 올라갔다. 코로나 방전은 에멀젼 용기(1320)로부터 순수한 오일을 분리하고 펌핑시키는 둘 다에 사용되었다. 순수한 오일만이 램프(1322)로 올라가는 반면 물은 영향을 받지 않았음을 주지해야 한다. 이러한 차동 효과를 사용하는 시스템을 구현할 수 있으며, 이는 에멀젼의 상의 분리를 더욱 향상시킨다. 정전 압력이 수 액적 상에서 발달할 수는 없으며, 물(또는 기타 수성 상)은 램프(1322)로 올라갈 수 없다. 이는 물의 전기전도도가 매우 높고 전하 완화가 빠르기 때문인 것으로 사료된다. 따라서, 정전 압력은 수 액적 상에서 확립될 수 있으며 이들을 위로 펌핑시킬 수 없다. 반면, 백그라운드 오일의 경우, 전하가 장시간 동안 머물러 있을 수 있고, 전압이 확립되어 분리된 순수한 오일을 램프 위로 펌핑시킬 수 있다.

도 14a에서 볼 수 있는 바와 같이 7kV-1μA의 코로나 방전을 약 10초 동안 공기-에멀젼 계면 상에서 유중수 에멀젼에 적용하였다(7 밀리와트 전력 소모). 도 14b는 작은 액적이 격렬한 전기-융합을 보여줌을 예시한다. 오일 함량의 약 90%가 이 단계에서 회수되었다. 회수된 오일은 투명하지만 미량의 수 미세-액적을 가졌다. 미량의 수 액적을 갖는 정제된 오일을 제3 단계로 보냈다. 20초의 순차 방전 7kV-1μA에 이어 보다 강한 방전 8.6kV-2μA 및 훨씬 더 강한 12kV-3μA를 사용하여, 달성된 분리는 99.9%의 분리를 보여준다. 단일 니들 전극을 갖는 코로나 방전-보조된 분리기에 대한 에너지 소모는 실험실-크기 분리의 경우 수 밀리와트 정도로 낮을 수 있다. 다수의 양태에서, 본원에 기재된 방법 및 시스템을 확대하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 단지 40 와트 시간(10kV, 1μA)을 사용하여, 시간당 0.1㎥를 가공할 수 있다.

도 15c는 분리 공정에 사용되는 에멀젼을 예시한다. 도 15b는 에멀젼으로부터 정전기적으로 회수된 실리콘 오일을 보여준다. 도 15a는 코로나 방전-보조된 회수 후의 물을 예시한다.

90% 물-10% 오일의 분리

도 16에 나타낸 구조(1600)는 펌핑 효과를 이용하지 않는 에멀젼의 코로나 방전 분리를 입증한다. 코로나 방전-보조된 기술이 주로-오일인 에멀젼으로부터 물을 분리하는데 사용될 수 있으며, 여기서, 에멀젼은 낮은 농도의 물 및/또는 오일 백그라운드에 유화된 작은 액적 크기의 물을 함유한다. 또 다른 양태에서, 코로나 방전-보조된 기술은 주로 물인 에멀젼으로부터 물 및 오일 상을 분리하는데 사용될 수 있다.

코로나 방전 노출된 에멀젼은, 방전에 노출될 때 이의 정전 에너지를 최소화하는 경향이 있다. 따라서, 이온이 오일 액적을 기판 쪽으로 이동시킬 수 있다. 기판이 친유성인 경우, 오일은 액체 용적 아래에 박막을 생성한다. 분기하는 전기장이 액적으로부터 오일을 끌고 가서 물이 분리되도록 할 수 있다. 오일이 물에 유화되는 경우, 시스템의 정전용량이 크다는 것을 주지해야 한다. 하전된 오일 층은 저 전위 기판으로부터 멀리 떨어져 있다. 전기장이 노출됨에 따라, 이온의 구름이 물 계면에 도달하여 계면을 통해 통과한다. 오일 액적이 이제 기판에 끌어당겨져 정전용량을 가능한 낮게 한다. 코로나 방전-보조된 기술은 물 중의 1% 오일의 분율을 갖는 에멀젼에 대해서도 분리를 가능케 한다. 상기 기술은 특히 기판이 평판인 경우 장래성이 있다. 상기 기술은 액적-방식 형태로 구현되는 경우 보다 효율적인 것으로 보인다.

이온 주입

도 17에 도시된 구성에서, 액적(1730)은 도 13에 나타낸 양태와 유사하게 코로나 니들(1718)을 통한 단극 이온 주입에 의해 에멀젼의 욕에서 바로 하전된다. 그러나, 용기(1720)가 굴곡되지 않기 때문에, 오일은 위로 펌핑될 수 없다. 분리된 오일은 상부에 머물러 있으며, 코로나 방전에 의해 펌핑되지 않는다. 융합 후, 상을 표준 공정을 사용하여 분리할 수 있다.

하나의 예에서, 석영 용기가 사용되었다. 석영 용기를 에멀젼(Span® 80 비이온성 계면활성제로 안정화된 10% 오일-90% 에멀젼)으로 채웠다. 접지된 평판 전극(1714)을 도 17에 나타낸 바와 같이 용기(1720)의 바닥에 고정하였다. 코로나 니들(1718)을 에멀젼/공기 계면 위에 고정하였다. 전극과 에멀젼/공기 계면 간의 갭은 약 5mm이었다. 접지된 전극(1714)은 자연 산화물을 갖는 실리콘 기판이었다. 인가된 전압을 증가시킴으로써, 에멀젼을 가로지르는 전류는 0이 되고 에멀젼은 불안정화되지 않았다. 인가된 전압을 코로나 방전 역치에서 및 이상으로 더욱 증가시키면, 전류가 확립되었다. 이것이 코로나 방전의 징후이다. 이러한 역치 전압 이상에서, 수 액적(1730) 간의 즉각적인 융합이 관찰되었으며, 상 분리(에멀젼 불안정화)가 일어났다. 당해 예에서는, 7kV가 인가되었으며, 이 전압에서의 총 전류는 0.9μA이었다. 분리 전 오일 중의 수 액적(1730)의 평균 직경은 50㎛이었다. 코로나 방전 노출 후, 노출 시간에 따라, 평균 액적 크기는 보다 큰 자릿수로 성장하였다.

구성 실시예 - 에멀젼의 일부의 하전 및 하전된 부분과 중성 에멀젼의 혼합

도 18에 나타낸 바와 같이, 유중수 에멀젼을 2개의 용기 사이에 나누었다(또는 에멀젼 또는 기타 혼합물은 초기에 2개의 용기에 존재할 수 있다). 에멀젼 또는 기타 혼합물의 제1 부분을 용기(1820)에 배치한다. 에멀젼(1816)을 코로나 방전에 의해 하전시킨다. 코로나 니들(1818) 및 유전 코팅을 갖는 접지된 전극(1814)을 사용하여 상기 몇몇 양태에 논의된 바와 같이 코로나 방전을 확립한다. 접지된 전극(1814)은 에멀젼(1816)과 접촉한다. 기상 매질(예를 들면, 임의의 압력 및 온도에서의 하나의 기체 또는 상기 논의된 기체들의 혼합물)을 에멀젼(1816)과 코로나 니들(1818) 사이에 위치시킨다. 코로나 니들(1818)과 접지된 전극(1814) 사이의 전위 차가 (예를 들면, 연속 AC 또는 DC 방전 또는 펄스 방전에 의해) 코로나 방전 역치 이상으로 적용되는 경우, 부과된 전기장이 코로나 니들(1818)의 첨예한 팁 주위에서 충분히 강해져서, 전극 분리 영역의 주변 중성 기상 매질이 부분 이온화되어, 양이온의 구름(1840)을 생성하며, 이것이 에멀젼(1816)을 하전시킨다. 그후, 하전된 에멀젼(1816')은 도관(1842)을 통해 제2 용기(1844)로 수송된다. 제2 용기는 초기 중성인 에멀젼(1846)을 포함한다. 그후, 하전된 에멀젼(1816')을 분리할 필요가 있는 초기 중성인 에멀젼(1846)과 혼합할 수 있다.

구성 실시예 - 상이한 이미터 전극 및 접지된 전극 구성을 사용한 실험 설정

이하 도 19를 참조하면, 실험 설정(1900)은 다수의 이미터 전극(1918) 및 유전 코팅을 갖는 접지된 전극(1914)를 사용한다. 실험 설정(1900')는 다수의 이미터 전극(1918)과 비피복 접지 전극(1914')을 사용한다. 실험 설정(1901)은 단일 와이어 이미터 전극(1918') 및 유전 코팅을 갖는 접지된 전극(1914)을 사용한다. 실험 설정(1901')은 단일 와이어 이미터 전극(1918') 및 비피복 접지 전극(1914')을 사용한다.

구성 실시예 - 에멀젼 또는 기타 혼합물의 수송 동안 코로나 방전을 적용한 실험 설정

이하 도 20을 참조하면, 실험 설정(2000 및 2001)이 예시된다. 실험 설정(2000)은 유중수 에멀젼(2016)의 수송 동안 코로나 방전을 적용함을 예시한다(다른 혼합물이 또한 분리될 수 있다). 코로나 방전 와이어(2018')는 에멀젼(2016) 위에 배치된다(예를 들면, 코로나 방전 와이어(2018)는 에멀젼(2016)과 접촉하지 않는다). 몇몇 양태에서, 코로나 방전 와이어(2018')는 코팅된다. 몇몇 양태에서, 코로나 방전 와이어(2018')는 드러나 있다. 하프(또는 파이프 용적의 또 다른 적당한 부분)를 기체(예를 들면, 공기 또는 전류 방전의 효과를 효과적으로 증가시킬 수 있는 기타 기체 조성)로 채운다. 실험 설정(2000)은 에멀젼(2016)(또는 기타 혼합물)이 코로나 방전을 사용하여 수송 동안 분리되도록 할 수 있다. 어떠한 적합한 코로나 방전 전극 기하학적 형태도 사용될 수 있다.

실험 설정(2001)은 유중수 에멀젼(2016')의 수송 동안 코로나 방전을 적용함을 예시한다(다른 혼합물이 또한 분리될 수 있다). 다수의 코로나 전극(2018)은 에멀젼(2016') 위에 배치된다. 하프(또는 파이프 용적의 또 다른 적당한 부분)를 기체(예를 들면, 공기 또는 전류 방전의 효과를 효과적으로 증가시킬 수 있는 상이한 기체들의 혼합물을 포함한 기체 조성)로 채운다. 실험 설정(2001)은 에멀젼(2016')(또는 기타 혼합물)이 수송 동안 분리되도록 할 수 있다. 어떠한 적합한 코로나 방전 전극 기하학적 형태도 사용될 수 있다.

구성 실시예 - 마찰대전 충전 예시적 설정

이하 도 21을 참조하면, 수송 동안 에멀젼 또는 기타 혼합물을 분리시키기 위한 실험 설정(2100)이 나타내어진다. 전하는 수송 동한 마찰대전 충전에 의해 이동하는 에멀젼(2116)에 도입될 수 있다. 도 21에 나타낸 바와 같이, 에멀젼(2116)은 파이프(2150)(또는 에멀젼이나 기타 혼합물을 수송할 수 있는 기타 도관)에서 수송 동안 분리될 수 있다. 파이프(2148)의 내부 표면(예를 들면, 수송되는 에멀젼 또는 기타 혼합물과 접촉하는 표면)은 마찰대전 충전을 개선시키도록 구성된 마찰-전기 코팅으로 코팅된다. 몇몇 양태에서, 코팅(2150)은 테플론(Teflon)과 나일론(Nylon)의 (적합한 비율의) 배합물을 포함한다. 몇몇 양태에서, 코팅(2150)은 적합한 유형의(예를 들면, 마찰대전 충전을 개선시키는데 적합한) 정적 코팅이다. 혼합물의 용적 중의 단극 전하는 이것이 파이프(2150)를 통해 통과함에 따라 수송 동안 에멀젼(2116)의 분리를 촉진시킬 수 있다. 단극 분리는 파이프(2150)를 통한 에멀젼의 수송 동안 전부 또는 일부 완성될 수 있다.

구성 실시예 - 이온화 기체 예시적인 설정

이하 도 22을 참조하면, 에멀젼 또는 기타 혼합물을 분리시키기 위한 실험 설정(2200)이 나타내어진다. 중성 기체(예를 들면, 순 전하를 갖지 않는 기체)(2254)를 이온화 챔버(2256)에 공급한다. 그후, 중성 기체(2254)를 이온화 챔버(2256)에서 이온화시킨다. 몇몇 양태에서, 중성 기체(2254)는 코로나 방전을 사용함으로써 이온화된다(예를 들면, 상기 다른 코로나 방전 양태에 대해 논의된 바와 같이). 그후, 단극 전하를 지닌 부분 이온화된 기체(2254')를 (예를 들면, 한 위치로부터 또는 다수의 위치로부터) 에멀젼 또는 기타 혼합물(2216)에 도입한다. 몇몇 양태에서, 부분 이온화된 기체(2254')를 에멀젼 또는 기타 혼합물(2216)을 통해 통과시킨다.

실험 설정(2201)은 전하를 분리하고자 하는 에멀젼 또는 기타 혼합물(2217)에 도입하기 위한 또 다른 예시적인 양태를 예시한다. 중성 기체(2255)를 파이프 또는 기타 도관(2258)에 공급한다. 중성 기체(2255)를 파이프 또는 기타 도관(2258)을 통해 수송 동안 이온화(예를 들면, 코로나 방전을 통해 이온화)시킨다. 그후, 부분 이온화된 기체(2255')를 (예를 들면, 한 위치로부터 또는 다수의 위치로부터) 에멀젼 또는 기타 혼합물(2217)에 주입한다. 몇몇 양태에서, 부분 이온화된 기체(2255')를 에멀젼 또는 기타 혼합물(2217)을 통해 통과시킨다.

몇몇 양태에서, 이온화 기체 기포와 에멀젼 또는 기타 혼합물(2216 또는 2217)의 계면을 증가시키기 위해, 기포의 크기를 감소시킬 수 있다. 몇몇 양태에서, 에멀젼 또는 기타 혼합물(2216 또는 2217)을 기포가 에멀젼 또는 기타 혼합물(2216 또는 2217)에 들어오기 전에 물리적으로 교반할 수 있다. 기포를 단일 위치 또는 다수의 위치로부터 에멀젼 또는 기타 혼합물(2216 또는 2217)에 주입할 수 있다. 기포를 에멀젼 또는 기타 혼합물(2216 또는 2217)의 아래로부터 주입할 수 있다. 또 다른 양태에서, 기포를 에멀젼 또는 기타 혼합물(2216 또는 2217)의 위로부터 주입할 수 있다.

기타의 양태

본원에 기재된 양태 및 실시예는 예시의 목적일 뿐 제한하기 위한 것은 아니다. 발명의 범위는 이에 첨부된 청구범위에 의해 예시되며, 발명의 범위내에 드는 다양한 변화 및 개질은 당업계의 숙련가들에게 자명할 것이다.

Claims

에멀젼 혼합물(예를 들면, 에멀젼)의 2개 이상을 상들을 분리하는 방법으로서, 상기 방법이
(a) 상기 혼합물에 (예를 들면, 그 안의 인접 액적들이 순 전하 및 단극 전하를 획득하도록) 순 전하(net charge) 및 단극 전하(unipolar charge)를 제공함으로써, 그 안의 유사상 액적들의 융합(coalescence)을 향상시키고, 2개 이상의 통합된 상(consolidated phase)들을 생성시키거나 생성을 향상시키는 단계; 및
(b) 상기 2개 이상의 통합된 상들을 수집하는 단계
를 포함하는, 에멀젼 혼합물(예를 들면, 에멀젼)의 2개 이상을 상들을 분리하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계(a)가 코로나 방전을 통해 상기 혼합물을 이온들로 충격시킴을 포함하는, 방법.
제2항에 있어서, 상기 단계(a)가 이미터 전극(emitter electrode)(예를 들면, 첨예한 전극(sharp electrode))과 컬렉터 전극(collector electrode)(예를 들면, 블런트 전극(blunt electrode))의 제공을 포함하고, 여기서, 적어도 상기 컬렉터 전극이 상기 상기 혼합물과 물리적으로 접촉하며, 전위차가 코로나 방전 역치 이상으로 상기 이미터 전극과 상기 컬렉터 전극에 인가되는, 방법.
제3항에 있어서, 상기 이미터 전극이 상기 상기 혼합물과 물리적으로 접촉하지 않는, 방법.
제4항에 있어서, 기상 매질(예를 들면, 질소, 산소, 공기, 아르곤, 헬륨 등, 또는 이들의 혼합물)이 상기 이미터 전극과 상기 혼합물 사이에 위치하는, 방법.
제3항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 컬렉터 전극이 접지되는, 방법.
제3항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이미터 전극이 첨예한 전극(예를 들면, 니들, 다중 니들, 블레이드 또는 블레이드들, 가느다란 와이어 또는 다중 와이어, 나선, 톱니 등)인, 방법.
제3항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이미터 전극이 코팅 및/또는 텍스쳐링(예를 들면, 마이크로구조, 나노튜브(예를 들면, CNT), 나노-구조, 또는 기타 첨예한 기하구조로 코팅 및/또는 텍스쳐링)되는, 방법.
제3항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이미터 전극이 이온화-유도된 부식에 저항성인 재료로 만들어지거나 코팅되는, 방법.
제3항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 컬렉터 전극이 금속, 규소, 및 자연 산화물(native oxide)을 갖는 규소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원들을 포함하고/하거나 상기 컬렉터 전극이 유전체 막으로 코팅되는(예를 들면, 및/또는 상기 컬렉터 전극이 상기 혼합물을 함유하는 기판이고, 예를 들면, 채널, 파이프, 플레이트 등이다), 방법.
제3항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이미터 전극과 상기 혼합물 사이의 전위차가, 고전압을 상기 이미터 전극에 인가함으로써 확립되거나 또는 상기 이미터 전극의 극성을 역전시킴으로써 상기 혼합물에 고전압을 인가함으로써 확립되는, 방법.
제3항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 전기장이 연속 AC 또는 DC 방전을 통해 또는 펄스 방전을 통해 인가되는, 방법.
제12항에 있어서, 상기 방전이 2상, 3상, 또는 다중상 방전(예를 들면, 방전 시간 지연(discharge time-lag)이 있다)인, 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 방전이 직접 방전 또는 장벽 방전인, 방법.
제3항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 전압을 혼합물 특성에 기초로 하여 조절함을 추가로 포함하는, 방법.
제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 분리가 (예를 들면, 컨베이어 벨트 상에서) 상기 혼합물의 수송 동안 수행되는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계(a)가, 상기 혼합물의 일부에 단극 전하를 제공함을 포함하며, 상기 방법이, 상기 혼합물의 하전된 부분을 상기 혼합물의 잔여 부분에 혼합함으로써 그 안의 유사상 액적들의 융합을 향상시키고 2개 이상의 통합된 상들을 생성시키거나 생성을 향상시키는 단계; 및 (b) 상기 2개 이상의 통합된 상들을 수집하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계(a)가 순 전하 및 단극 전하를 갖는 물질(예를 들면, 액체 액적, 액체 욕, 또는 액체 스트림)을 상기 혼합물에 주입, 분무, 또는 도입함으로써 그 안의 유사상 액적들의 융합을 향상시키고 2개 이상의 통합된 상들을 생성시키거나 생성을 향상시킴을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계(a)가 순 전하 및 단극 전하를 갖는 이온화 기체(예를 들면, 별도 공정에서의 이온화, 상기 혼합물로의 수송 동안의 이온화, 코로나 방전 챔버에서의 코로나 방전을 통한 이온화)를 상기 혼합물에 주입함을 포함하는, 방법.
제19항에 있어서, 상기 이온화 기체가 단일 위치로부터 상기 혼합물에 또는 다중 지점들로부터 상기 혼합물에 주입되는, 방법.
제18항 내지 제20항 중의 어느 한 항에 있어서, 단계(a) 전에 상기 혼합물을 교반함을 추가로 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계(a)가 순 전하 및 단극 전하를 갖는 기판(예를 들면, 마찰대전(triboelectrification)을 통해 인가된 전하를 갖는 기판)에 상기 혼합물을 도입함을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 단극 전하가 양성인, 방법.
제1항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 단극 전하가 음성인, 방법.
제1항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이, 순 전하 및 단극 전하를 유지하면서, (예를 들면, 소정의 시간에 걸쳐 변할 수 있는) 양전하 및 음전하를 갖는 화학종의 조합을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계(a)가, 마찰대전 충전을 개선시키도록 구성된 코팅을 포함하는 도관을 통한 상기 혼합물의 수송 동안 마찰대전을 통해 전하를 인가함을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 단계(a)가 순 전하 및 단극 전하의 직접 주입, 전도, 도입, 및/또는 이들의 임의의 조합에 의해 전하를 인가함을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제27항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 복수의 액체 상들을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제28항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 입자, 단백질, DNA, RNA, 및 세포로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원들을 포함하는(예를 들면, 상기 혼합물이 입자 또는 계면활성제와 같은 안정제를 포함하는), 방법.
제29항에 있어서, 상기 혼합물이 낮은 전기전도도를 갖는 액체(예를 들면, 절연 액체 또는 유전성 액체, 예를 들면, 여기서, 저 전도도 액체는 상기 혼합물의 적어도 50중량%를 구성한다)를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제30항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 수성 상을 포함하고, 상기 수성 상이 적어도 약 0.5M(예를 들면, 적어도 약 1M, 적어도 약 1.5M, 또는 적어도 약 2.0M)의 염 함량을 갖는, 방법.
제1항 내지 제31항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 순 전하 및 상기 단극 전하의 도입 전에, 상기 혼합물이 평균 액적 직경이 약 1000㎛ 이하(예를 들면, ≤500㎛, ≤400㎛, ≤300㎛, ≤100㎛, ≤50㎛, ≤30㎛, ≤20㎛, ≤10㎛, ≤1㎛, ≤900nm, ≤500nm, ≤300nm, ≤100nm, ≤50nm, ≤30nm, 또는 ≤10nm) 직경인 액적들의 상을 포함하고, 상기 액적들이 상기 순 전하 및 상기 단극 전하의 도입 후에 융합되는, 방법.
제1항 내지 제32항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 수성 상과 비-수성 상(예를 들면, 오일)을 포함하는 2상 에멀젼이며, 여기서, 상기 수성 상은 상기 에멀젼의 50중량% 이하(예를 들면, ≤40중량%, ≤30중량%, ≤20중량%, ≤10중량%, ≤5중량%, ≤3중량%, ≤1중량%, 또는 ≤0.5중량%)인, 방법.
제1항 내지 제33항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 수성 상과 비-수성 상(예를 들면, 오일)을 포함하는 2상 에멀젼이며, 여기서, 상기 비-수성 상은 상기 에멀젼의 50중량% 이하(예를 들면, ≤40중량%, ≤30중량%, ≤20중량%, ≤10중량%, ≤5중량%, ≤3중량%, ≤1중량%, 또는 ≤0.5중량%)인, 방법.
제1항 내지 제34항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 3상 혼합물인, 방법.
제1항 내지 제35항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 액체 상, 고체 상, 및 기체 상을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제36항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 유중기포(bubble-in-oil) 혼합물 또는 유중발포(foam-in-oil) 혼합물인, 방법.
제1항 내지 제37항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 유화제(예를 들면, 계면활성제)를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제38항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 적어도 약 0.5M(예를 들면, 적어도 약 1M, 적어도 약 1.5M, 또는 적어도 약 2.0M)의 염 함량을 갖는 적어도 하나의 상을 포함하는, 방법.
제1항 내지 제39항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 높은 전기전도도를 갖는 액체를 포함하는, 방법.
제1항 내지 제40항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 오일을 포함하며, 상기 오일이 약 10^-14S/m(매우 절연성) 내지 약 10^-5S/m(매우 전도성)의 전기전도도를 갖는, 방법.
제1항 내지 제41항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물이 약 10^-7S/m 내지 약 100S/m의 전기전도도를 갖는, 방법.
제5항에 있어서, 상기 기상 매질이 유동하는, 방법.
제5항 또는 제42항에 있어서, 상기 기상 매질 온도 및/또는 압력을 방전(V-I) 특징의 품질을 최적화하고 절연 파괴 한도를 제어하도록 조정함을 추가로 포함하는, 방법.
혼합물(예를 들면, 에멀젼)의 2개 이상의 상들을 분리시키기 위한 시스템으로서, 상기 시스템이,
(a) 그 안에 또는 그 위에 상기 혼합물을 담거나 지지하기 위한 용기 또는 받침대(여기서, 상기 용기 또는 상기 받침대는 접지된 컬렉터 전극을 포함하고(예를 들면, 이는 전극이고), 상기 용기 또는 상기 받침대는 램프(ramp), 립(lip), 엣지(edge), 및/또는 기타 상승부를 포함한다);
(b) 상기 혼합물과 물리적으로 접촉하지 않는 이미터 전극; 및
(c) 상기 이미터 전극과 상기 컬렉터 전극 사이에 코로나 방전 역치 이상의 전위차를 인가하도록 구성된 전원으로서, 여기서, 기상 매질(예를 들면, 질소, 산소, 공기, 아르곤, 헬륨 등, 또는 이들의 혼합물)은 상기 이미터 전극과 상기 혼합물 사이에 위치하고, 상기 용기 또는 상기 받침대는 (예를 들면, 코로나 방전 분리의 차동 확산 또는 펌핑 효과를 이용하여) 상기 이미터 전극과 상기 컬렉터 전극 사이에 코로나 방전 역치 이상의 전위차 인가시 이를 통해 및/또는 이것 위에서 상기 혼합물의 적어도 제2 상의 통과는 허용하지 않으면서 이를 통해 및/또는 이것 위에서 상기 혼합물의 제1 상의 통과는 허용하도록 구성됨으로써, 상기 혼합물의 2개 이상의 상들의 분리를 야기하거나 촉진시키는, 전원
을 포함하는, 혼합물(예를 들면, 에멀젼)의 2개 이상의 상들을 분리시키기 위한 시스템.
제45항에 있어서, 상기 전원이 통상의 전원(예를 들면, 배터리, DC 전원 공급기, AC 전원 공급기, 또는 AC/DC 공급기)인, 시스템.
제45항에 있어서, 상기 전원이 정전기 발생기(예를 들면, 반 데 그라프(Van de Graaf) 발생기)인, 시스템.
제45항에 있어서, 상기 시스템이 스키머(skimmer), 중력 분리기, 및 원심 분리기로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 구성원들을 포함하는, 시스템.
제45항 내지 제48항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이미터 전극 및/또는 상기 컬렉터 전극이 드러나 있는, 시스템.
제45항 내지 제48항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 이미터 전극 및/또는 상기 컬렉터 전극이 코팅되어 있는, 시스템.