[논문 리뷰] Self-assembled porous media from particle-stabilized emulsions

S. Frijters, Jens Harting|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 13.

Pickering emulsions and particle stabilization인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 입자로 안정화된 에멀전을 사용하여 자가 조립 방식으로 조절 가능한 다공성 매체를 만드는 방법을 제안한다. 여기서 한 유체 상의 경화 또는 입자 층의 경화가 다공성 구조를 형성한다. 입자의 침투성과 농도를 조절함으로써 다공성 매체의 투과도를 3개의 주기 범위로 조절할 수 있으며, 개방형 bijel 구조는 높은 투과도와 표면적을 갖추고 있어 여과기 및 반응기 응용 분야에서 최적임을 입증하였다.

ABSTRACT

We propose a new mechanism to create self-assembled porous media with highly tunable geometrical properties and permeabilities: We first allow a particle-stabilized emulsion to form from a mixture of two fluids and colloidal particles. Then, either one fluid phase or the particle layer is solidified, which can be achieved by techniques such as polymerization or freezing. Based on computer simulations we demonstrate that modifying only the particle wettability or concentration results in porous structures with a wide range of pore sizes and a permeability that can be varied by up to three orders of magnitude. We then discuss optimization of these properties for self-assembled filters or reactors and conclude that structures based on so-called "bijels" are most suitable candidates.

연구 동기 및 목표

• 기하학적 및 운반 특성이 매우 조절 가능한 다공성 매체를 생성하기 위한 자가 조립 메커니즘을 개발하기 위해.
• 세밀한 제어 없이도 접근하기 어려운 위치(예: 지하 파이프라인)에서 다공성 재료를 제조하는 데 도전하는 데.
• 특정 응용 분야에 최적화된 다공성 구조를 개발하기 위해, 특히 높은 투과도와 작은 다공구 크기를 요구하는 여과기와 높은 투과도와 큰 표면적을 요구하는 반응기용으로.
• 목표 응용 분야에서 성능을 극대화하기 위해 가장 적합한 에멀전 형태(Pickering 대비 bijel)와 입자 파arameter를 규명하기 위해.

제안 방법

• 3차원 입자로 안정화된 에멀전 내에서 유체 역학 및 입자 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 격자-볼츠만 방법(LB3D)을 사용한다.
• 입자-입자 상호작용과 입자-유체 침투성 행동을 접촉역각 제어를 통해 분자역학을 사용해 모델링한다.
• 유기유체와 수용액과 같은 불혼화성 유체 두 종류와 콜로이드 입자를 포함한 에멀전을 시뮬레이션하며, 상면 장력을 샤-첸 상호작용력으로 모델링한다.
• 유체 상을 경화함으로써 '채워진' 다공성 매체를 만들거나, 입자 층을 경화함으로써 '개방형' 다공성 매체를 만드는 데 시뮬레이션된 고분자화 또는 교차결합을 사용한다.
• 유체의 투과도를 평가하기 위해 다공성 매체의 최종 구조에서 다르시의 법칙을 사용하여 계산한다.
• 다공성 네트워크의 전체 매개변수 공간을 탐색하기 위해 입자의 침투성(접촉각)과 부피분율을 다양하게 조절한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자로 안정화된 에멀전을 어떻게 활용하여 다공구 크기와 투과도를 조절 가능한 자가 조립 다공성 매체를 생성할 수 있는가?
• RQ2 입자의 침투성과 농도가 다공성 구조의 기하학적 형태와 운반 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 여과기나 반응기 응용 분야에서 성능이 뛰어난 에멀전 형태는 Pickering 유형인지 bijel 유형인가?
• RQ4 다공성 매체의 투과도는 입자의 접촉각과 부피분율에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 촉매 또는 반응성 응용 분야에서 효율성을 극대화하기 위해 투과도와 표면적의 어떤 조합이 가장 적합한가?

주요 결과

• 입자의 침투성과 농도를 변화시킴으로써 다공성 매체의 투과도를 3개의 주기 범위로 조절할 수 있다.
• 개방형 bijel 기반 다공성 구조는 가장 높은 투과도를 보이며, 좁은 다공구 목을 지닌 높은 유량을 제공하므로 여과기 응용 분야에서 가장 적합하다.
• 반응기 응용 분야에서는 효율성 지표(κζφ)가 개방형 bijel에서 최대가 되며, 특히 낮은 입자 부피분율에서 투과도 향상 효과가 표면적 감소를 상쇄하여 성능이 뛰어나다.
• 경계면에서 입자의 탈리 현상은 표면적 대 부피비에 미미한 영향을 미치며, 최적화 결과에 크게 영향을 주지 않는다.
• 투과도 대 영역 크기 그래프에서 관찰되는 두 가지 분지(개방형 대 채워진 형상)는 정성적으로 안정적이며, 개방형 bijel이 다른 구성보다 항상 뛰어난 성능을 보인다.
• 격자-볼츠만 시뮬레이션은 에멀전 형성과 투과도 예측에 효과적이며, 다공성 매체 설계의 효율적 가상 최적화를 가능하게 한다.