[논문 리뷰] Microstructure of the near-wall layer of filtration-induced colloidal assembly

Mohand Larbi Mokrane, Térence Desclaux외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 22.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 73인용 수 7

한 줄 요약

이 실험적 연구는 마이크로플루이딕 여과 장치의 벽 근처에서 형성된 마이크로미터 크기의 콜로이드 침전물의 미세구조를 조사한다. 다양한 이온 강도와 압력 강하 조건에서 영상 데이터를 분석함으로써, 침전물의 국소적 다공도와 중거리 질서의 이질성을 규명하였으며, 높은 이온 강도에서 국소적 결정 구조가 향상되고, 입구에서 더 멀리 떨어진 곳에서 더 큰 결정 영역이 형성됨을 보여주었다. 이는 전기적 반발력 감소와 입자 배열의 질서 향상과 관련이 있다.

ABSTRACT

This paper describes an experimental study of filtration of a colloidal suspension using microfluidic devices. A suspension of micrometer-scale colloids flows through parallel slit-shaped pores at fixed pressure drop. Clogs and cakes are systematically observed at pore entrance, for variable applied pressure drop and ionic strength. Based on image analysis of the layer of colloids close to the device wall, global and local studies are performed to analyse in detail the near-wall layer microstructure. Whereas global porosity of this layer does not seem to be affected by ionic strength and applied pressure drop, a local study shows some heterogeneity: clogs are more porous at the vicinity of the pore than far away. An analysis of medium-range order using radial distribution function shows a slightly more organized state at high ionic strength. This is confirmed by a local analysis using two-dimension continuous wavelet decomposition: the typical size of crystals of colloids is larger for low ionic strength, and it increases with distance from the pores. We bring these results together in a phase diagram involving colloid-colloid repulsive interactions and fluid velocity.

연구 동기 및 목표

• 마이크로여과 과정에서 기구 벽 근처에 형성된 콜로이드 침전물의 미세구조 변화를 이해하기 위해.
• 이온 강도와 적용된 압력 강하가 침전층의 다공도와 국소적 배열에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• DLVO 이론을 통해 전기적 반발력의 역할과 유체 흐름이 침전물 구조에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 브라운 운동과 입자-입자 상호작용이 침전물 형성과 배열에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 콜로이드-콜로이드 반발력과 유체 속도가 침전물 미세구조에 미치는 영향을 연결하는 단계도 제안하기 위해.

제안 방법

• 균일한 압력 강하 조건에서 마이크로미터 크기의 콜로이드 분산액을 여과하기 위해 평행한 슬릿형 구멍을 가진 마이크로플루이딕 장치를 사용하였다.
• 근접 벽 근처의 콜로이드 층 미세구조를 촬영하고 정량화하기 위해 공초점 현미경 및 영상 분석 기법을 활용하였다.
• 전체 다공도는 2차원 영상 스택에서 계산하여 이온 강도와 압력 강하 변화에 따른 전체 침전층의 밀도를 평가하였다.
• 침전층 내 중거리 질서와 결정 구조의 조직도를 평가하기 위해 반경분포함수(RDF) 분석을 시행하였다.
• 국소적 결정 영역 크기와 공간적 이질성을 탐지하기 위해 이중 연속 웨이블릿 변환(CWT)을 적용하였다.
• 이온 강도가 전기적 스크리닝과 콜로이드-콜로이드 반발력에 미치는 영향을 모델링하기 위해 디바이 길이(κ⁻¹ ∝ 1/√I)를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이온 강도는 입구 근처의 침전물 전반적 다공도와 국소적 이질성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 적용된 압력 강하가 근접 벽 침전층의 미세구조와 배열에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 콜로이드 결정 영역의 평균 크기는 입구에서의 거리와 이온 강도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 중거리 질서(반경분포함수를 통한 분석)는 침전물 미세구조와 이온 강도와 얼마나 관련이 있는가?
• RQ5 유체 속도와 전기적 반발력이 함께 침전층의 상 행동을 어떻게 결정짓는가?

주요 결과

• 근접 벽 침전층의 전반적 다공도는 이온 강도와 압력 강하의 변화에 거의 민감하지 않다.
• 국소적 다공도는 입구 근처에서 더 높으며, 이는 침전층의 밀도에 공간적 이질성이 있음을 시사한다.
• 반경분포함수 분석 결과, 높은 이온 강도에서 중거리 질서가 약간 증가하여 국소적 배열의 질서가 향상됨을 나타낸다.
• 웨이블릿 분해 분석 결과, 낮은 이온 강도에서 결정 영역 크기가 더 크며, 입구에서 멀어질수록 크기가 증가함을 확인하였다.
• 침전물 미세구조는 입구 근처에서는 무질서한 상태에서 시작하여 더 멀리 떨어진 곳에서는 더 질서 잡힌 결정 구조로 변화하며, 특히 낮은 이온 강도 조건에서 두드러진다.
• 콜로이드-콜로이드 반발력(이온 강도를 통해)과 유체 속도가 침전물 미세구조에 영향을 미치는 상관관계를 제안하는 단계도 제시되었다.