Separation of methanol-water mixture has been executed experimentally using a micron scale distillation device. Microchannel was patterned on PDMS (Polydimethylsiloxane) elastomer using soft lithography and was covered by glass substrate. Since distillation is a boiling point operation, Peltier device was used as a microheater.
PDMS micro-distillation device consisted of two parts, feed evaporation i.e. vapor generation and vapor-liquid separation .Because of high heat and mass transfer and large surface area to volume ratio, it is easy to achieve evaporation in microchannels but it is not less than a challenge to separate vapor-liquid mixture on micron scale. A small microchamber was proposed having 4 to 10 mm diameter with 4 to 12 mm height and the vapor and liquid were drawn at the top and bottom of the chamber for successful separation of vapor and liquid.
Distillation efficiency and methanol recovery were chosen as performance criteria and the effect of different parameters such as flow rate, suction pressure, temperature, and geometry of microchannel and microchamber were investigated. Device performances were compared with and without Teflon membrane as a separation media and greater efficiency was obtained without membrane. Greater distillation efficiency and recovery were observed at low flow rate, at low suction pressure, near equilibrium temperature, with deeper microchannel and with larger diameter and higher microchamber. The distillation efficiency using micro-distillation device was more than 90% with single and two stage recoveries almost 50 and 70 % respectively.
It is illustrated that both the more and less volatile component of a binary mixture (methanol-water) can be separated into highly concentrated products with negligible gravity effects. In contrast to the tall tower and vertical operation of a conventional distillation column, this device permits a short microchannel and a microchamber to achieve the same degree of separation in a horizontal mode.
최근 미세유체소자는 마이크론 스케일에서의 큰 부피대 표면비와 소량의 유체 취급 때문에 분자생물학, 저분자 유기합성, 면역측정, 세포 조작을 포함한 다양한 분야에 이용되어져 왔다. 마이크로 화학 공장은 마이크로 반응기, 마이크로 펌프, 마이크로 밸브, 마이크로 분리장치와 같은 다양한 미세유체 소자로 구성이 된다. 이와 같은 미세유체소자에 대한 많은 연구들이 진행되어져 왔지만, 그 중에서 마이크론 스케일에서의 기-액 분리에 대해서는 별로 연구되어진 것이 없다. 그러므로 우리는 마이크로 증류 장치를 디자인 및 제작하였으며, 메타올-물 혼합물의 기-액 분리를 제시하였다.
메탄올-물 혼합물의 분리가 마이크론 스케일의 증류 장치를 이용하여 실험적으로 수행되었다. 소프트 리쏘그라피(soft lithography) 공정을 통해 PDMS(Polydimethylsiloxane) 고무에 마이크로 채널이 패턴되었으며, 유리 기판에 의해 덮여졌다. 증류는 끓는 점을 이용한 공정이므로, Peltier 장치가 마이크로 히터로서 사용되었다.
PDMS 마이크로 증류 장치는 기체 생성을 위한 공급물 증발부와 기-액 분리부의 두 부분으로 구성되었다. 큰 열 및 물질 전달과 큰 표면/부피비로 인해 마이크로 채널 안에서의 증발은 쉽게 발생하지만, 마이크론 스케일에서의 기-액 혼합물의 분리는 도전해야 할 과제이다. 우리는 4-12mm 높이와 4-10mm의 지름을 가지는 마이크로 챔버를 제안하였고, 기체와 액체가 각각 챔버의 위와 아래를 통하여 성공적으로 분리되었다.
증류의 효율과 메탄올의 회수가 장치의 수행 척도 및 유속, 흡입 압력, 온도, 마이크로 채널과 챔버의 형상과 같은 서로 다른 변수에 대한 효과로서 채택되었다. 장치의 성능은 분리 매개체로서의 Teflon 막을 사용한 경우와 그렇지 않은 경우에 대해 비교되었으며, 분리막을 사용하지 않은 경우의 효율이 더 높았다. 유속이 낮을 때, 흡입 압력이 작을 때, 평형 온도에 가까울 때, 마이크로 채널이 깊을 때, 그리고 마이크로 챔버의 지름과 높이가 클 때 뛰어난 증류 효율과 회수가 관찰되었다. 마이크로 증류 장치를 이용한 증류 효율은 90% 이상을 보였으며, 단식과 2단 증류의 회수는 각각 50%와 70%에 가까웠다.
메탄올-물 혼합물의 고휘발성과 저휘발성 물질 모두 중력의 영향을 거의 받지 않고 크게 농축되어 분리될 수 있음을 보여주었다. 전통적인 증류의 높은 타워와 수직 공정과 대조적으로 이 장치는 짧은 마이크로 채널과 챔버를 수평 방식으로 이용하여 같은 등급의 분리를 가능하게 하였다.
