[논문 리뷰] Clog mitigation in a microfluidic array via pulsatile flows

Brian Dincau, Connor Tang외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 15.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 동적인 점탄력에 의해 입자를 제거하고 여과 티켓 성장 방지함으로써 펄스 흐름이 병렬 채널로 이루어진 마이크로유체 장치에서 막힘을 크게 지연시킴을 보여준다. 0.1 Hz 및 0.5P₀ 진폭에서 펄스는 정상 흐름 대비 여과 반생명주기를 거의 두 배로 늘린다. 그러나 낮은 주파수에서는 펄스 주기와 막힘 역학 간의 시간 스케일 불일치로 인해 이점이 감소한다.

ABSTRACT

Clogging is a common obstacle encountered during the transport of suspensions and represents a significant energy and material cost across applications, including water purification, irrigation, biopharmaceutical processing, and aquifer recharge. Pulsatile pressure-driven flows can help mitigate clogging when compared to steady flows. Here, we study experimentally the influence of the amplitude of pulsation $0.25\,P_0 \leq δP \leq 1.25\,P_0$, where $P_0$ is the mean pressure, and of the frequency of pulsation $10^{-3}\,{ m Hz} \leq f \leq 10^{-1}\,{ m Hz}$ on clog mitigation in a microfluidic array of parallel channels using a dilute suspension of colloidal particles. The array geometry is representative of a classical filter, with parallel pores that clog over time, yielding a filter cake that continues to grow and can interact with other pores. We combine flow rate measurements with direct visualizations at the pore scale to correlate the observed clogging dynamics with the changes in flow rate. We observe that all pulsatile amplitudes at $0.1$ Hz yield increased throughput compared to steady flows. The rearrangement of particles when subject to a dynamic shear environment can delay the clogging of a pore or even remove an existing clog. However, this benefit is drastically reduced at $10^{-2}$ Hz and disappears at $10^{-3}$ Hz as the pulsatile timescale becomes too large compared to the timescale associated with the clogging and the growth of the filter cakes in this system. The present study demonstrates that pulsatile flows are a promising method to delay clogging at both the pore and system scale.

연구 동기 및 목표

• 펄스 압력 구동 흐름이 병렬 채널로 이루어진 마이크로유체 장치에서 막힘을 어떻게 완화하는지 조사하기.
• 펄스에 의한 막힘 완화의 물리적 메커니즘—예를 들어 입자 탈착 및 여과 티켓 재배열—을 규명하기.
• 희석된 콜로이드 분산계에서 유량을 극대화하고 막힘을 지연시키기 위한 최적의 펄스 진폭과 주파수를 결정하기.
• 유량 반전이 막힌 채널을 활성적으로 제거하는 데 기여하는지 평가하기, 특히 상호작용이 발생하는 인접 채널 시스템에서의 경우.
• 펄스 흐름 파rameter와 막힘 역학 간의 체계적 연관성을 미세구멍 및 시스템 규모에서 수립하기.

제안 방법

• 제어된 펄스 압력 입력을 가한 마이크로유체 장치의 병렬 채널을 활용하여 실험를 수행하였다.
• 펄스 진폭은 0.25P₀에서 1.25P₀로 변화시켰고, 주파수는 10⁻³ Hz에서 10⁻¹ Hz로 조절하였으며, P₀는 평균 압력으로 정의되었다.
• 막힘 진행 상황을 추적하고 여과 반생명주기(50% 막힘 도달 시간)를 계산하기 위해 전체 시스템의 유량을 연속적으로 측정하였다.
• 고속 영상 촬영 및 직접적인 구멍 규모 시각화를 통해 입자 운동, 여과 티켓 형성 및 배출 사건을 관찰하였다.
• 막힘 비율은 막힌 채널의 비율로 정의되어 다양한 펄스 조건 간의 정량적 비교를 가능하게 하였다.
• 유량 반전은 여과 티켓에서 입자를 재분산시키기 위해 δP = 1.25P₀ 조건에서 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄스 진폭은 병렬 채널로 이루어진 마이크로유체 장치에서 막힘 완화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 펄스 주파수는 막힘 지연에 어떤 역할을 하는가? 어떤 주파수에서 이점이 최대가 되는가?
• RQ3 펄스 중에 발생하는 유량 반전은 이미 막힌 채널을 활성적으로 제거할 수 있는가?
• RQ4 특히 유량 반전 조건에서, 상호채널 상호작용은 막힘 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 미세구멍 규모에서 관찰된 막힘 완화를 설명하는 물리적 메커니즘—예를 들어 입자 탈착 또는 여과 티켓 재배열—은 무엇인가?

주요 결과

• 0.1 Hz에서 시험된 모든 펄스 진폭 조건에서 정상 흐름 대비 상당한 유량 증가를 보였으며, 특히 δP = 0.5P₀에서 가장 큰 향상이 관찰되었다.
• 0.1 Hz 조건에서 여과 반생명주는 정상 흐름 대비 거의 두 배로 증가하였으며, 최적의 펄스 조건(δP = 0.5P₀, f = 0.1 Hz)에서 약 10,000초에 도달하였다.
• 10⁻³ Hz 조건에서는 펄스가 정상 흐름 대비 측정 가능한 이점이 없었으며, 이는 펄스 주기의 시간 스케일이 막힘 역학에 비해 너무 느렸기 때문이다.
• 펄스는 벽에서의 입자 탈착과 여과 티켓 재배열에 의해 유량 복원을 부분적으로 가능하게 했으며, 이러한 현상은 정상 흐름에서는 관찰되지 않았다.
• 유량 반전(δP = 1.25P₀)은 여과 티켓 내 입자를 재분산시켜 고유한 막힘 제거 메커니즘을 유도했지만, 상호채널 간 간섭으로 인해 여과 반생명주기 향상에 기여하지 못했다.
• 펄스의 효과성은 펄스 주파수와 막힘 시간 스케일이 일치하는지에 따라 결정되며, 저주파수에서는 막힘 역학을 방해하지 못한다.