Characterization of Agar for Soil Remediation

정연 장; 정민 이; 종원 정

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.6.351

J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(6); 2017 > Article

지반복원을 위한 바이오폴리머 한천의 물리적 특성 연구

지반방재

J Korean Soc Hazard Mitig 2017; 17(6): 351-358.

Published online: December 31, 2017

DOI: https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.6.351

지반복원을 위한 바이오폴리머 한천의 물리적 특성 연구

장정연^*, 이정민^**, 정종원^***

Characterization of Agar for Soil Remediation

Jungyeon Jang^*, Jungmin Lee^**, Jongwon Jung^***

* Member, Ph.D. Student, Zachry Department of Civil engineering, Texas A&M University

** Member, Research Fellow, Land & Environment Research Department, Land & Housing Institute, LH

^***Corresponding Author, Member, Assistant Professor, School of Civil Engineering, Chungbuk National University
(Tel: +82-43-261-2405, Fax: +82-43-275-2377, E-mail: jjung@chungbuk.ac.kr)

Received November 20, 2017 Revised November 21, 2017 Accepted December 01, 2017

Abstract

As global warming is accelerating, we seek a substitution of cement, the main culprit of greenhouse gases. However, representative cement substitutes have harmful to the environment. Biopolymer is emerging as a novel material to overcome these drawbacks. Biopolymer can be used as a filler filling the voids in the ground, and have highly potential to contribute for soil remediation and enhanced oil recovery. The contact angle, surface tension and viscosity of Agar, one of the representative biopolymers, were measured. The contact angles of the Agar solution clearly increase as the concentration increase, but the contact angles in decane does not show any trend with the change of Agar concentration. The surface tension of 0.2% Agar solution is smaller than deionized water. The viscosity of 0.2% Agar solution decreases with the increment of shear rate and temperature. To understand a suitable biopolymer for soil remediation, 2D flow characteristics of Agar solution using microfluidic devices were scrutinized. When microfluidic pores are filled with air, pore saturation tends to increase as agar concentration and injection rate increase. However, when the pores are filled with petroleum decane, their results on pore saturation have no clear tendency. Results that basic properties and 2D flow characteristics of Agar solution can expect to decide a proper method for soil remediation.

Keywords: Biopolymer, Agar, Microfluidic Device, Contact Angle, Surface Tension, Viscosity, 2D Flow Characteristics

요지

지구온난화가 가속되고 있는 현 시점에서 온실가스의 주범인 시멘트를 대체할 물질을 찾고 있다. 하지만, 대표적인 시멘트 대체제들조차 환경에 유해한 요소를 가지고 있기 때문에, 이러한 단점을 보완할 수 있는 물질로 바이오폴리머가 새롭게 부각되고 있다. 바이오폴리머는 지반의 공극을 메우는 충진제로 이용 가능하며, 지반복원 및 석유회수증진에 기여할 잠재성이 높은 것으로 파악된다. 대표적인 바이오폴리머 중 하나인 한천(Agar)의 접촉각, 표면장력과 점성을 측정하였다. 한천 용액의 접촉각은 농도가 증가할수록 커졌으나, 석유의 주성분인 데케인 내에서의 농도에 따른 접촉각의 경향은 발견되지 않았다. 0.2% 한천 용액의 표면장력은 탈염수보다 작고, 0.2% 한천 용액의 점성은 전단속도와 온도가 증가할수록 감소하였다. 지반복원에 적합한 바이오폴리머의 특성을 이해하기 위해, 미세유체장치를 활용하여 한천 용액의 2차원 흐름특성을 연구하였다. 미세유체소자가 공기로 채워져 있을 때는 한천 용액의 농도와 주입속도를 증가시킴에 따라 공극포화도가 증가하는 경향을 보였다. 그러나, 석유의 주성분인 데케인으로 채워졌을 때는 뚜렷한 경향성을 파악하지 못하였다. 본 연구의 결과인 한천 용액의 기본적인 특성 및 미세유체장치를 활용한 2차원 흐름은 실제 토양복원 공법을 결정하는데 크게 기여할 것으로 기대한다.

1. 서론

지구온난화가 가속되고 있는 현 상황에서 전 세계적으로 온실가스의 주범 중 하나인 시멘트를 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있는 실정이다. 수많은 시멘트대체재가 제시되고 있지만, 대표적인 시멘트대체재들(예: 플라이 애쉬(Fly ash), 슬래그(Slag))조차 환경에 유해한 요소를 가지고 있는 문제점을 내포하고 있다. 이에 반해, 바이오폴리머는 재생이 가능한 친환경적인 물질이라고 할 수 있다. 바이오폴리머는 사용 후, 미생물에 의해 완전 분해 가능한 특징을 가지고 있는 고분자화합물이다(Khachatoorian et al., 2003).

바이오폴리머는 주로 의료분야와 석유산업, 그리고 식품산업의 발전에 기여하고 있다. 최근에는 바이오폴리머의 기본적인 특성들을 파악하여, 지반공학의 발전에도 기여하고 있다(Chang and Cho, 2014). 바이오폴리머는 흙 입자들 사이를 연결해주는 역할을 함으로써, 전단강도의 증가와 투수계수의 감소를 위한 충진제로의 활용이 가능하다(Chang and Cho, 2014; Karimi, 1997; Martin et al., 1996; Mitchell and Santamarina, 2005; Momeni et al., 1999; Yang et al., 1993). 예를 들어, 바이오폴리머 중 하나인 베타글루칸(beta-1,3/1,6-glucan)을 황토(Korean residual soil)에 혼합한 결과, 베타글루칸의 농도가 증가함에 따라 전단파 속도(Shear wave velocity) 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다(Chang and Cho, 2014). 이는 베타글루칸이 황토의 전단강도를 증가시킬 수 있음을 보여준다.

또한, 바이오폴리머는 지반의 공극을 채우는 충진제로써 활용되어 지반복원(Soil remediation) 및 석유회수증진(Enhanced Oil Recovery, EOR)에 기여하고 있다 (Al-Sarji et al., 1999; Chang, 1978; Jang, 2015; Dai et al., 2013; Jung et al., 2014; Jung et al., 2016; Khachatoorian et al., 2003; Li et al., 1993; Martin et al., 1996; McCool et al., 1991; Needham and Doe, 1987; Vossoughi and Buller, 1991; Yen et al., 1996). 예를 들어, 유트로퍼스(Alcaligenes eutrophus)를 활용하여 생산된 물질인 PHB(Polyester-poly-3-hydroxybutyrate)를 이용하여 석유회수증진 효과를 기대할 수 있다(Khachatoorian et al., 2003; Li et al., 1993).

지반공학분야에서 활용되기 위하여, 많은 종류의 바이오폴리머들(Agar, Alginic acid sodium salt, Beta-1,3/1,6-glucan, chitosan, gellan gum, polyacrylamide, polyacrylic acid, polyethylene oxide, Xanthan gum)을 이용한 실내시험과 현장실험이 수행되어져 왔다(Cao et al., 2016; Chang and Cho, 2014; Chang et al., 2015; Jung et al., 2014; Khatami and O’Kelly, 2012; Sojka et al., 2007). 특히, 지반복원에 적합한 바이오폴리머를 파악하기 위하여, 미세유체장치(Microfluidic device)를 활용한 바이오폴리머 용액의 2차원적 흐름특성이 연구되었다(Jung et al., 2014; Cao et al., 2016; Jung et al., 2016). 하지만, 가장 대표적인 바이오폴리머 중 하나인 한천(Agar)용액의 기본적인 특성과 지반 공극 내에서의 2차원적 흐름특성에 대한 연구는 진행되지 않은 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 대표적인 바이오폴리머 중 하나인 한천(Agar)용액의 접촉각, 표면장력과 점성의 기본적인 특성을 파악하고, 미세유체장치를 활용하여 지반 공극 내 Agar 용액의 2차원 흐름특성을 분석하고자 한다.

2. 한천(Agar)용액의 기본적인 특성

본 연구에서 사용된 바이오폴리머의 일종인 한천(Agar)는 붉은 해초(Red seaweeds)에서 얻어진다(Hotta et al., 2016). 한천(Agar)의 화학성분은 (C₁₂H₁₈O₉)x이며, 그 화학적 구조는 Fig. 1에 보인 바와 같다.

Fig. 1

The Chemical Structure of Agar (Hotta et al., 2016)

한천(Agar) 용액의 기본적인 특성들(접촉각, 표면장력, 점성)을 연구하였다. 기본적인 특성들을 측정하기 위하여, 한천(Agar)을 탈염수(Deionized water, DI)에 용해시켜 다양한 농도(2~20%)의 한천(Agar) 용액을 준비하였다. 접촉각과 미세유체장치를 이용한 실험에서는 DI를 포함한 Agar용액의 농도가 모두 측정되었지만, 표면장력과 점성을 측정하는 실험에서는 0.2%보다 클 때 한천(Agar) 용액이 고체화(Gelation)되는 것을 감안하여, 0.2% 한천(Agar) 용액만을 활용하여 분석하였다.

2.1 접촉각(Contact angle)

습윤성은 흙의 가장 중요한 특징 중의 하나이며, 이를 수치화하기 위하여 접촉각이 이용된다(Czachor et al., 2008). 한천(Agar) 용액(액체)와 기체사이에 형성된 접촉각(θ)은 영-라플라스식(Young-Laplace equation)을 적용하여 구할 수 있고, 그 식은 다음과 같다(Fig. 2).

Fig. 2

The Contact Angle of Conceptual Diagram on the Young-Laplace Equation (Jung et al., 2014)

(1)

cosθ=γSG−γSLγLG

여기서 γ_SG는 고체(유리표면)와 기체사이의 계면장력을 나타내고, γ_SL는 고체와 액체(Agar 용액)사이의 계면장력을 나타낸다. γ_LG는 액체(Agar 용액)와 기체사이에서의 계면장력을 나태나고, θ는 γ_LG와γ_SL사이에 형성된 접촉각이다(Jafari and Jung, 2016).

본 연구에서는 접촉각 측정방법으로 가장 널리 사용되는 정적법(Sessile drop method)을 이용하였다. 모래 표면의 특성을 나타내는 유리표면 위에 형성된 DI와 한천(Agar) 용액 방울의 접촉각을 측정하였다. DI와 한천(Agar) 용액 모두 공기 중 일 때와 Decane 내에 잠긴 상태에서 각각의 접촉각을 측정하였다(Fig. 3). Decane은 석유의 주성분으로 토양의 오염을 나타내기 위해 사용되었다.

Fig. 3

Contact Angle Measurements in the Air/Decane

모든 접촉각은 디지털카메라를 이용한 고해상도 이미지(High resolution image)를 얻은 후, ImageJ (Image Processing and Analysis in Java by https://imagej.nih.gov/ij/)를 활용하여 결정되어 졌다. 또한, ImageJ에서 발생할 수 있는 오차를 최소화하기 위해, 접촉각은 ImageJ에서 하나의 이미지를 3번씩 측정한 후, 평균값으로 채택하였다.

본 연구에서는 접촉각을 측정하는 방법인 정적법(Sessile drop method)을 적용하였고, 실험순서는 다음과 같다. 먼저 주사기(Syringe)에 소량의 DI 또는 한천(Agar) 용액을 주입한다. Syringe 안에 있는 소량의 DI 또는 한천(Agar) 용액을 유리표면에 떨어뜨린 후, 직경 1 cm 가량의 액체방울을 유지하는 시점에 디지털카메라를 이용하여 고해상도 이미지를 얻었다(Jung et al., 2014). 접촉각은 액체방울의 크기(Droplet size), 표면의 거칠기(Surface roughness), 표면의 화학적 이질성(Chemical heterogeneity on mineral surface)등에 의해 결정되므로, 모든 실험에서 액체방울의 크기를 최대한 일정한 시점에 이미지를 얻었고, 실험 전과 후에는 항상 알코올로 유리표면을 소독하였다(Jafari and Jung, 2016).

Fig. 4는 DI(0%)와 2~20%의 한천(Agar) 용액의 접촉각을 공기 중일 때와 Decane에 잠겨있을 때 측정한 결과이다. 공기 중에서 측정한 한천(Agar) 용액의 접촉각(49.1°~63.1°)은 DI(38.6°~40.5°)보다 항상 크게 측정되었다. 또한, 한천(Agar) 용액의 농도가 증가함에 따라 접촉각의 크기도 증가하는 경향을 확인할 수 있었다 (Fig. 4(a)). 이에 반해, 한천(Agar) 용액을 Decane 내에서 측정한 결과, 2% Agar 용액일 경우를 제외하고, 한천(Agar) 용액의 접촉각(56.9°~68.8°)은 DI(70.6°~70.9°)보다 항상 작게 측정되었고, 이를 통해 Decane 내에서의 한천(Agar) 용액의 접촉각은 2%일 때 다소 증가하였고, 이 후에 20%까지는 감소하는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 4(b)). 그러나, Decane 내에서의 한천(Agar) 용액의 농도에 따른 접촉각의 경향성은 발견되지 않았다.

Fig. 4

The Results of Contact Angle with Agar Concentration in the Air/Decane

공기 중일 때와 Decane에 잠겨있을 때의 한천(Agar) 용액의 접촉각 경향이 다르지만, 모든 경우에서 접촉각들이 90°를 넘지 않는 것을 확인하였다. 따라서, DI에 용해된 한천(Agar) 용액은 모래로 가정된 유리표면(SiO₂)에 친수성(Hydrophilic)을 가지고 있다고 할 수 있다(Jung et al., 2014; Cao et al., 2016).

2.2 표면장력 (Surface tension)

바이오폴리머 용액의 표면장력은 표면장력을 측정하는 방법 중 비용이 저렴하고 실험방법이 빠르고 간단한 듀누이 링 방법(Du Nuoy ring method)을 이용하였다. 본 연구에 사용된 한천(Agar)용액의 표면장력은 듀누이 링 방법을 이용한 표면장력측정계(Force Tensiometer, Sigma 703D)로 측정되었다. 이 방법은 먼저 직경 6cm의 플래티넘링(Platinum ring)을 한천(Agar) 용액에 잠기게 한다. 그 후, 플래티넘링을 한천(Agar) 용액에서 매우 천천히 수직방향으로 끌어올린다. 이 때, 플래티넘링 둘레를 따라 한천(Agar) 용액이 끌어당겨지며, 액체 매니스커스(Fluid meniscus)를 형성한다(Cao et al., 2016). 형성된 매니스커스가 가지는 최대치의 힘에 도달할 시 접촉각이 0이 되며, 이때 얻어진 표면장력 값이 한천(Agar) 용액의 표면장력이다(Fig. 5).

Fig. 5

The Surface Tensions of Distilled Water, Agar, and Polyacrylamide Solution with Concentration (Jung et al., 2016)

DI와 폴리아크라마이드(Polyacrylamide, PAM)의 기존 데이터를 활용하여 한천(Agar) 용액의 표면장력을 분석하였다(Jung et al., 2016). DI의 표면장력은 72mN/m이며, 0.2% 한천(Agar) 용액의 표면장력은 64.9~65.1mN/m이다. 0.2% Agar 용액의 표면장력은 5%와 10% PAM 용액의 표면장력(64.2~66.4mN/m) 사이로 측정되었다. PAM의 농도가 한천(Agar)보다 10배 이상 큼에도 불구하고, 0.2% Agar 용액의 표면장력과 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 소량의 한천(Agar) 용액으로도 다른 바이오폴리머(예: PAM)에 비해 큰 표면장력을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

2.3 점성 (Viscosity)

지반 공극 내에서의 바이오폴리머 용액의 흐름분포양상에서 점성은 매우 중요한 요인 중 하나이다. 점성이 커짐에 따라 점성비(Viscosity ratio)와 모세관수(Capillary number)가 커지며, 이는 점지핑거링(Viscous fingering) 또는 모세관핑거링(Capillary fingering)에서 안정적인 치환상태로의 흐름분포양상을 바꿀 수 있기 때문이다(Jung et al., 2014; Cao et al., 2016).

한천(Agar) 용액의 점성을 측정하기 위하여, 회전식 점도계(Brookfield Digital Rheometer DV-III)를 이용하였다. 점성측정을 위하여, 우선 용기(Container)에 DI 또는 한천(Agar) 용액을 넣고, 용액 안에 스핀들(Spindle SC4-27)을 잠길 정도로 넣는다. 그 후, 1 rpm, 10 rpm, 20 rpm, 50 rpm, 100 rpm, 200 rpm의 일정한 회전을 주어 용액의 저항을 측정하였다(Jung et al., 2016). 측정한 저항값을 이용하여 각 용액의 점성(Viscosity)을 계산하였다.

본 연구에서는 0.2% 한천(Agar) 용액만 측정되었다(Fig. 6). 0.2%보다 큰 한천(Agar) 용액은 용액의 고체화(Gelation)로 인하여, 측정이 불가하였기 때문이다. 온도에 따른 점성의 변화를 파악하기 위하여, 다양한 온도(25~90°C)에서 점성을 측정하였다. 25°C일 경우에는 0.2% 한천(Agar) 용액의 점성은 35.8~200cP이고, 50°C일 경우에는 24.8~165cP이다. 또한, 70°C일 경우, 0.2% 한천(Agar) 용액의 점성은 11.8~75cP이고, 90°C일 경우에는 1.3~10cP이다. 이를 바탕으로, Agar 용액의 점성은 전단속도와 온도가 증가할수록 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6

Viscosity of 0.2% Agar Solution with Various Temperature and Shear Rates

3. 미세유체장치(Microfluidic device)를 이용한 공극포화도 분석

한천(Agar) 용액의 공극 내에서 가지는 흐름특성을 파악하기 위하여, 미세유체장치(Microfluidic device)를 이용하여 공극포화도(Pore saturation)를 분석하였다. 공극포화도를 측정하기 위하여, DI와 한천(Agar) 용액의 주입속도조절(Injection velocity)이 가능한 펌프(Syringe pump, Kats Scientific, NE-1010)를 이용하였다. 주입속도조절펌프를 이용하여 미세유체장치 내의 미세유체소자를 공기 또는 Decane으로 채워진 두 가지 조건에서 공극포화도를 분석하였다((1) 공기로 차있을 때(Fig. 7)와 (2) Decane으로 채워져 있을 때(Fig. 8)).

Fig. 7

Effect of Injection Velocity on the Pore Saturation of Deionized Water and Agar Solution in Pores Filled by Air: (a) linear scale, (b) log scale

Fig. 8

Effect of Injection Velocity on the Pore Saturation of Deionized Water and Agar Solution in Pores Filled by Decane: (a) linear scale, (b) log scale

본 연구에 사용된 미세유체장치는 두 개의 대칭적인 이산화규소(SiO₂) 유리판을 겹쳐 만들어졌고, 유리판의 폭은 10 mm이고 길이는 20 mm이다. 또한, 576개의 원반형 입자(직경 590 μm)로 이루어졌으며, 이로 형성된 미세유체소자의 높이는 20 μm이고, 그 폭은 30 μm이다(Cao et al., 2016; Jung et al., 2016). 미세유체장치 내에 형성된 미세유체소자는 지반의 공극을 나타낸다.

공극포화도 실험은 DI 또는 한천(Agar) 용액이 미세유체소자를 포화시킨 공기 또는 Decane을 밀어낸 후, 잔류한 용액의 공극포화도를 분석하는 실험이다. 공극포화도는 DI 또는 한천(Agar) 용액이 주입된 이후에 미세유체소자를 채운 공극포화도를 공기 또는 Decane으로 나눈 비율을 나타낸다. 주입된 용액(DI 또는 Agar 용액)으로 인한 미세유체소자 내의 공극 변화가 일어나지 않을 때까지 용액을 주입하였다. 이 때, 미세유체소자 내에 형성된 2차원 네트워크를 고화질카메라를 이용하여 고해상도 이미지를 얻었고, 이를 분석하여 공극포화도를 산출하였다. 모든 실험을 수행하기 전에 에탄올과 DI를 이용하여 미세유체소자를 깨끗하게 청소하여, 미세유체소자 내에 잔존하는 이물질로 인한 실험오차를 최대한 줄였다(Jung et al., 2014; Cao et al., 2016).

Fig. 7은 미세유체소자가 공기로 채워졌을 때에 DI와 한천(Agar) 용액을 주입하여 얻은 공극포화도 결과이다. 실험결과로부터, 한천(Agar) 용액의 주입속도 증가에 따라 미세유체소자의 공극포화도 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 기존의 바이오폴리머를 이용한 실험에서도 판명된 결과이다(Jung et al., 2014; Cao et al., 2016). 또한, 주입속도와 관계없이, 한천(Agar) 용액의 공극포화도가 DI의 공극포화도보다 항상 큰 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 한천(Agar) 용액의 농도차에 따른 공극포화도의 변화는 뚜렷하게 나타나지 않았다. 2%와 5% Agar 용액일 경우에는 주입속도가 0.0003 ml/min에서 0.01 ml/min로 증가할 때 공극포화도의 증가폭이 10~20% 한천(Agar) 용액일 경우보다 상대적으로 크게 나타났다. 한천(Agar) 용액의 주입속도가 0.01 ml/min까지는 공극포화도가 다소 급격하게 증가하나, 이후의 주입속도에서는 공극포화도의 증가폭이 미비한 것을 알 수 있다. 반면, DI의 경우는 0.05 ml/min까지는 공극포화도가 완만하게 증가하나, 이후부터 0.1 ml/min의 주입속도까지는 공극포화도의 증가폭이 급격히 커지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8은 DI와 한천(Agar) 용액을 Decane으로 채워진 미세유체장치에 주입하여 얻은 공극포화도 결과이다. 실험결과로부터, 한천(Agar) 용액의 주입속도를 증가시킴에 따라 공극포화도가 증가하는 경향을 보였다(예외: 2% 한천(Agar) 용액으로 0.05 ml/min의 속도로 주입하였을 때만 공극포화도가 다소 감소하는 경향을 보였다). 비록 DI와 2% 한천(Agar) 용액에서 다소 다른 경향을 보였지만, 대체적으로 기존의 바이오폴리머를 이용한 실험과 비슷한 경향을 갖는 것으로 판단 되어진다(Jung et al., 2014; Cao et al., 2016). 미세유체소자가 공기로 채워진 경우와 달리, 한천(Agar) 용액의 공극포화도는 항상 탈염수보다 크지 않다는 것을 확인할 수 있었다. 2% Agar 용액으로 실험한 결과, 0.0003~0.001 ml/min사이에서는 주입속도가 증가함에 따라 공극포화도가 증가하였으나, 이후 0.05 ml/min의 주입속도에서는 공극포화도가 미약하게 감소하였다. 5%와 10% Agar 용액에서의 결과는 주입속도가 증가함에 따라, 공극포화도가 증가하는 경향을 뚜렷하게 보였지만, 간혹 DI보다 작은 공극포화도를 갖는 경향을 확인할 수 있었다. 결론적으로, 석유의 주성분인 Decane으로 채워진 경우에는 한천(Agar) 용액의 농도에 따른 공극포화도의 뚜렷한 경향성을 파악하지 못하였다.

Fig. 9는 미세유체장치가 Decane으로 채워졌을 때, DI와 한천(Agar) 용액의 농도에 따른 공극포화도의 영향을 보여준다. DI(0%)를 활용한 공극포화도 실험결과로는 주입속도와 공극포화도 사이의 뚜렷한 경향을 찾을 수 없다. 2% 한천(Agar) 용액은 주입속도와 관계없이 공극포화도가 매우 유사한 결과를 얻는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해, 5%와 10% 한천(Agar) 용액에서는 주입속도가 증가함에 따라 공극포화도 또한 뚜렷하게 증가하는 경향을 보인다. 미세유체장치가 공기로 채워졌을 때와는 달리, Decane으로 채워졌을 때, 15%와 20%의 한천(Agar) 용액을 이용한 미세유체장치 흐름특성 실험은 수행하지 못하였다. 이는 DI에 완벽하게 용해되지 않은 한천(Agar) 입자가 Decane으로 채워진 미세유체소자를 밀어내는 과정에서, 한천(Agar) 입자와 Decane의 높은 점성으로 인하여 미세유체소자 내의 흐름을 예기치 못하게 차단했을 가능성(Clogging effect)이 있음을 시사한다.

Fig. 9

Effect of Agar Concentration on the Pore Saturation of Deionized Water (0%) and Agar Solution (2~10%) with Injection Velocity in Decane-filled Microfluidic Model

4. 결론

본 연구에서는 바이오폴리머의 한 종류인 한천(Agar)용액의 기본적인 특성과 미세유체장치를 통한 미세유체소자 내에서의 흐름특성을 파악하고자 하였다. 한천(Agar) 용액의 접촉각, 표면장력 및 점성을 측정하였고, 한천(Agar) 용액을 미세유체장치 내 주입시 발생하는 흐름특성을 파악하기 위해, 공극포화도를 활용하여 규명했다. 본 연구의 요약 및 결론은 다음과 같다.

(1) 공기 중에서의 한천(Agar) 용액의 접촉각은 농도가 증가할수록 증가하나, Decane 내에서의 농도에 따른 접촉각의 경향성은 발견되지 않았다.
(2) 0.2% 한천(Agar) 용액만으로도 다른 바이오폴리머(예: 폴리아크리마이드(Polyacrylamide))에 비해 큰 표면장력을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 0.2% 한천(Agar) 용액의 점성은 전단속도와 온도가 증가할수록 감소한다.
(4) 미세유체소자가 공기로 채워져 있을 때, 한천(Agar)용액의 주입속도를 증가시킴에 따라 미세유체소자의 포화도 또한 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 한천(Agar) 용액의 공극포화도는 DI보다 항상 크다.
(5) 미세유체소자가 Decane으로 채워져 있을 때, Agar 용액의 농도에 따른 공극포화도의 경향성을 파악할 수 없었다.

연구결과를 통하여 대표적인 바이오폴리머 중 하나인 한천(Agar) 용액의 기본적인 특성 및 미세유체장치를 활용한 2차원 흐름특성을 분석하였고, 이를 활용하여 실제 토양복원 공법을 결정하는데 크게 기여할 것으로 기대한다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 건설기술연구사업의 연구비지원(13건설연구S04)에 의해 수행되었습니다.

References

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